JP2010181122A - 減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器のリターンパイプを不要とする構造にすることにより、蒸発器が差し込める筒状の内部からでも冷却可能であり、内部空スペースが少ない狭い機械装置であっても、隙間があれば冷却でき、配管の引回しおよび蒸発器の長さを自由に伸ばせ必要な場所のみをも冷却することができる減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却対象を冷却する蒸発器１０，アキュームレータ７，圧縮機１，凝縮器２，ドライヤ４，電磁弁５，一次減圧弁６が配管により接続され、冷凍サイクルが構成されている。蒸発器１０は高圧液パイプ１１に接続されるオリフィス付減圧パイプ１２と、減圧パイプ１２を収容する低圧配管１５より構成される。高圧フロン液はオリフィス付減圧パイプ１２を通りオリフィスから低圧パイプ内で蒸発し、冷却対象の熱が吸熱される。蒸発器１０は１本のパイプで構成されるため冷却対象の制限が少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルからの冷媒を蒸発器に取り入れてＵＶランブの発熱やレーザ装置等を冷却する冷却装置、さらに詳しくいえば、種々の形状の冷却対象に対応することができる蒸発器を備えた冷却装置に関する。

従来の蒸発器は本件出願人が提案した半導体冷却装置（特許文献１）に代表されるように高圧側コンプレッサより凝縮された液体ガスを減圧し、高圧側蒸発器入口から蒸発させ、蒸発器内配管を通り低圧側コンプレッサ吸入側に戻るループになった回路構成であった。
また、均圧時における冷媒の流量を適宜に制限し液バックを防ぐことを目的とした特許文献２の冷凍装置も、蒸発器の一端に冷媒配管が、他端に吸入ガス管がそれぞれ接続されており、蒸発器の一端に入った高圧ガス液は蒸発器の他端の吸入ガス管に戻る構成であり、蒸発器がリターンする構造となっている。

特開２００７−１２９１５７号公報 特開２００５−２７３９４２号公報

このため従来の蒸発器は蒸発器入口の温度と、蒸発器出口温度では温度差が生じており、冷却対象の一部が過冷却状態となり、他の部分の冷却がそれほど行われないなど、冷却対象を均等に冷却する装置にとっては好ましくない構造である。
また、蒸発器はリターンする構造となるため、空スペースが少ない装置内に設置する部分を確保しずらい。
装置によっては筒状の内部から冷却することが必要なものの場合、従来の蒸発器では挿入することは困難である。僅かな隙間があってもその部分から挿入して冷却することは難しい。

さらに装置の一部分を冷却する局所冷却でも、蒸発器を局所の形状に適した特別な構造に設計しなければならず、適用できる対象が限定されているのが現状である。
そこで、上述した問題を解決できる冷却装置の実現が望まれていた。

本発明の目的は、蒸発器のリターンパイプを不要とする構造にすることにより、上述したように蒸発器が差し込める筒状の内部からでも冷却可能であり、内部空スペースが少ない狭い機械装置であっても、隙間があれば冷却でき、配管の引回しおよび蒸発器の長さを自由に伸ばせ必要な場所のみをも冷却することができる減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の請求項１は、冷凍サイクルからの冷媒を蒸発器に取り入れて冷却対象が発する熱を蒸発冷媒に吸収し、該冷媒を前記蒸発器から前記冷凍サイクルに戻す構造の冷却装置において、前記蒸発器は、圧縮機吐出側の高圧液パイプに接続され、１以上のオリフィスを設けた減圧パイプと、前記減圧パイプを内部に収容し、前記オリフィスから蒸発したガスを前記圧縮機に戻すため圧縮機吸入側に接続された低圧パイプとからなり、前記低圧パイプを冷却対象に近接して設けることを特徴とする。
本発明の請求項２は請求項１記載の発明において前記冷凍サイクルの高圧液パイプに１次減圧弁を設け、該１次減圧弁で液化したガスを減圧調整して前記減圧パイプに導入することを特徴とする。
本発明の請求項３は請求項１または２記載の発明において前記蒸発器の圧縮機吸入側に接続される出口に温度センサを設け、所定以上の温度に上昇したとき、冷凍サイクルの液化したガスを圧縮機吸入側に導入し冷却するループを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項４は請求項１，２または３記載の発明において前記減圧パイプはキャピラリチューブであることを特徴とする。
本発明の請求項５は請求項１，２，３または４記載の発明において前記蒸発器は直線形状であり、途中で屈折させて延長させた構造であることを特徴とする。
本発明の請求項６は請求項１，２，３または４記載の発明において前記蒸発器は螺旋形状であり、冷却対象を螺旋内側に収容する構造であることを特徴とする。
すなわち本発明は圧縮機から高温高圧ガスを吐出し凝縮器に送り込み、液化したガスをドライヤで水分を吸着させ、蒸発圧力調整弁（ニードル弁）で１次減圧し、蒸発器内にキャピラリチューブまたは細い配管にオリフィス（１箇所または複数箇所）付きパイプを内蔵し、吸入側圧縮機に戻すサイクルを形成する（請求項２対応）。
また、吸熱負荷が大きい場合、吸入ガスが高温になるため、液ガスをインジェクションバブルまたはキャピラリチューブでアキュームレータ手前で噴射することで圧縮機を冷やす（請求項３対応）。

本発明にかかる蒸発器は内部に均等に蒸発させる複数のオリフィスが設けられるので、蒸発器の先端と吸入側との温度差がほとんど変わらない。また、１次減圧弁で蒸発圧力を可変できるので、蒸発温度を変えることが可能になる。
また、蒸発器がリターンを必要としていない構造であるので、蒸発器が差し込める筒状の内部からでも冷却可能である。また、狭い機械装置であっても、リターンを必要としないので、隙間があれば冷却可能である。さらに狭い隙間が冷却可能となり、配管の引回しが自由になる。冷却器の長さは自由に伸ばせるため、狭い機械の部分冷却が可能になり、必要な場所だけを冷却できる等、種々の効果を得ることができる。

本発明による減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置の概要を示す図である。 本発明による蒸発器の詳細を説明するための図である。 本発明による蒸発器を構成する低圧配管の一例を示す図である。 本発明による蒸発器を構成する低圧配管の他の例を示す図である。 冷却装置の一部を構成するドライヤの詳細を説明するための図である。 冷却装置の一部を構成するアキュームレータの詳細を説明するための図である。 本発明による蒸発器の使用例を説明するための図である。

以下、図１〜図７を用いて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明による減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置の冷凍サイクルを説明するための図である。
冷却装置２０は冷却対象を冷却する蒸発器１０，アキュームレータ７，圧縮機１，凝縮器２，ドライヤ４，電磁弁５，一次減圧弁６が配管により接続され、冷凍サイクルが構成されている。用いられる冷媒は例えばフロンガスであり、圧縮機１により圧縮されて高温高圧のガスが作られ、凝縮器２でファン３により冷却されることによりフロンガスは液化される。液化されたフロンガスはドライヤ４で水分が除かれる。水分を除かれた高圧フロン液は、電磁弁５，１次減圧弁６を介して高圧液パイプ１１を通り、蒸発器１０のオリフィス付減圧パイプ１２に送られる。

この時、高圧フロン液はオリフィス付減圧パイプ１２を通りオリフィスから噴射し低圧パイプ内で蒸発し、冷却対象の熱が吸熱される。吸熱したフロンガスはアキュームレータ７に送られ、蒸気とならない液の部分が分離され、フロンガスのみが圧縮機１に戻ることとなる。
電磁弁５は高圧フロン液を蒸発器１０に導入したり、遮断したりすることにより冷却サイクルを開始，停止するものである。
一次減圧弁６は蒸発圧力調整弁（ニードル弁）であって１次減圧するもので、蒸発圧力を可変にすることにより蒸発温度を変えるものである。一次減圧弁６の絞り具合により例えば−１０°Ｃを−４０°Ｃに低下させることができる。

ドライヤ４と電磁弁５を接続する高圧液パイプ１１の中間に分岐パイプ１９が接続され、電磁弁２１を介してキャタピラリチューブ９に接続されている。キャタピラリチューブ９の他端は圧縮機吸入側（アキュームレータ７手前の低圧パイプ１５）に接続されている。圧縮機吸入側にインジェクション用サーモスタット８が設置され、サーモスタット８の温度検出によって電磁弁２１の開閉が制御される。例えば、所定温度Ｔ°Ｃ（１００°Ｃ〜１２０°Ｃ）になったとき電磁弁２１が開口するように設定することにより、ドライヤ４からの高圧液は電磁弁２１を介してキャピラリチューブ９内に流れ減圧されて圧縮機吸入側に流れ込み冷却する。

これは以下の理由により設けたものである。一次減圧弁６を絞ると低圧が下がってしまい、ガスが少なくなって蒸発器１０の温度が上がる。蒸発器１０の出口の温度が上がる（スーパーヒート現象、蒸発した温度より温度が高くなる）と、例えば１８°Ｃ以上に上昇すると、この１８°Ｃ以上の熱いガスを圧縮機１がさらに圧縮して加熱するので、１００°Ｃ以上に温度が高くなる。通常では６０°Ｃ〜７０°Ｃで圧縮しているのを１００°Ｃ〜１２０°Ｃになった場合凝縮器では凝縮しきれなくなる。そしてその温度に達する前に圧縮機のオイルが炭化してしまう。これを回避するために設けたループである。

図２は本発明による減圧装置内蔵形蒸発器の詳細を説明するための図である。
圧縮機の吐出側に接続された高圧液パイプ１１は低圧配管１５の中に入り、細い管またはキャピラリチューブよりなるオリフィス付減圧パイプ１２に接続されている。オリフィス付減圧パイプ１２は任意の長さであり、その中間位置に１以上のオリフィス１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成されている。オリフィス付減圧パイプ１２は低圧配管１５内に収容されており、低圧配管１５の先端部分まで伸びている。低圧配管１５は冷却対象に対応した任意の長さである。この例は低圧配管１５を直線状に伸ばした形状となっており、途中で屈折することも可能である。低圧配管１５の他端は圧縮機の吸入側に接続されている。

低圧配管１５の矢印２５で示す部分が高圧液パイプが低圧配管１５内に入る部分であり、この先の低圧配管１５は１本の管が伸びた形状である。
分岐パイプ１９に接続されているキャピラリチューブ９の先端は矢印２５の後側の圧縮機の吸入側に接続されている。
高圧液パイプ１１から送られてくる液化したガスはオリフィス付減圧パイプ１２に入り、オリフィス１４ａ，１４ｂ，１４ｃより噴出して低圧配管１５内で蒸発し吸熱を行う。吸熱して温度上昇したガスは圧縮機の吸入側に戻される。
オリフィスの大きさ，数および太さは冷凍機の能力に応じて適宜変えられる。
低圧配管１５の材質は銅またはステンレスが、またオリフィス付減圧パイプ１２は銅管が用いられる。

図３は本発明による減圧装置内蔵形蒸発器を構成する低圧配管の一例を示す図である。 低圧配管１６のパイプ外形が６ｍｍで冷却機の能力が１７０Ｗの例である。
便宜上螺旋形状にしているが、図２に示すように直線形状にすることもできる。
この他に低圧配管のパイプ外径４ｍｍで冷凍機５０Ｗなども実現できる。

図４は本発明による減圧装置内蔵形蒸発器を構成する低圧配管の他の例を示す図である。
低圧配管１７のパイプ外形が１５．８８ｍｍ，長さが５ｍで冷却機の能力が３３０Ｗの例である。外気温度２５°Ｃでパイプ表面温度は−２０°Ｃになる。
これも螺旋形状にしているが、図３と同様長手形状にすることもできる。螺旋形状の根元が断熱チューブ１８で覆われている。断熱チューブ１８の先の低圧配管１７部分で冷却が行われる。

図５および図６は冷凍サイクルを構成するドライヤおよびアキュームレータの詳細を説明するための図である。
図５において、ドライヤ４は、細かい活性炭などの粒子４ａの間を通過させることにより粒子に水分が吸着し、水分を除去した高圧フロン液を得ることができる。
図６において、アキュームレータ７は入り口から送られてくるフロン液とフロンガスの混合体の内、フロン液部分を内室７ａに溜め、出口からフロンガスのみを送出する。

図７は本発明による減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置をＵＶランプの冷却に適用した例を説明するための図である。
ランプ２２の周囲に４ｍｍ外形パイプの蒸発器２３を螺旋状に配置する。ランプ２２の熱は蒸発器２３で吸熱される。蒸発器２３の形状は１本の配管で螺旋形にしてあり、その先端が戻るような構造ではないので、蒸発器のパイプの設置が容易で局所冷却に対応できる。

以上の実施の形態はオリフィス付減圧パイプの３個のオリフィスのそれぞれの間隔が所定の間隔になるようにした例を説明したが、オリフィスを設ける位置は或る個所に集中して多数設置することも可能である。また、１個のみ設けることも可能である。冷却対象の形状や大きさなどによって決められる。

レーザ装置，ＵＶランプなどに用いられる冷却装置である。また、地熱で雪を溶かす場合にブラインを用いているが、代わりに本発明による冷却装置を用いることができる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ ファン
４ ドライヤ
５ 電磁弁
６ １次減圧弁
７ アキュームレータ
８ インジェクション用サーモスタット
９ キャピラリチューブ
１０，２３ 蒸発器
１１ 高圧液パイプ
１２ オリフィス付減圧パイプ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ オリフィス
１５，１６，１７ 低圧配管（低圧パイプ）
１８ 断熱チューブ

Claims (6)

1. 冷凍サイクルからの冷媒を蒸発器に取り入れて冷却対象が発する熱を蒸発冷媒に吸収し、該冷媒を前記蒸発器から前記冷凍サイクルに戻す構造の冷却装置において、
   前記蒸発器は、
   圧縮機吐出側の高圧液パイプに接続され、１以上のオリフィスを設けた減圧パイプと、
   前記減圧パイプを内部に収容し、前記オリフィスから蒸発したガスを前記圧縮機に戻すため圧縮機吸入側に接続された低圧パイプとからなり、
   前記低圧パイプを冷却対象に近接して設けることを特徴とする減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。
2. 前記冷凍サイクルの高圧液パイプに１次減圧弁を設け、
   該１次減圧弁で液化したガスを減圧調整して前記減圧パイプに導入することを特徴とする請求項１記載の減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。
3. 前記蒸発器の圧縮機吸入側に接続される出口に温度センサを設け、所定以上の温度に上昇したとき、冷凍サイクルの液化したガスを圧縮機吸入側に導入し冷却するループを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。
4. 前記減圧パイプはキャピラリチューブであることを特徴とする請求項１，２または３記載の減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。
5. 前記蒸発器は直線形状であり、途中で屈折させて延長させた構造であることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。
6. 前記蒸発器は螺旋形状であり、冷却対象を螺旋内側に収容する構造であることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の減圧装置内蔵形蒸発器を備えた冷却装置。