JP2010243069A - 熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置に関するもので、高い熱負荷時に冷却を目的とする。
【解決手段】本体ケース１１は、第１、第２吸気口（７、９）と、第１、第２吹出口（８、１０）と、第１吸気口７と第１吹出口８を連通させた第１送風路１７と、第２吸気口９と第２吹出口１０を連通させた第２送風路１８と、第１、第２送風路（１７、１８）に介在させ、第１送風路１７の空気と第２送風路１８の空気を熱交換する熱交換器１４と、第１送風路１７に介在させた第１送風機１２と、第２送風路１８に介在させた第２送風機１３とを備え、本体ケース１１に冷媒循環回路を設け、冷媒循環回路の放熱器１９は第１送風機１２から送風し、受熱器２０は第２送風機１３から送風する構成としたので、小さな熱交換装置でもキャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置に関するものである。

例えば、携帯電話の基地局は、数十アンペア以上の電流が流れることから、ある点では発熱体とも表現される。つまり、冷却をすることがその動作を安定化させるためには極めて重要なものとなる。このような携帯電話の基地局はその冷却を行う為に次のような構成をとっている。

すなわち、発熱体となる送・受信機を収納したキャビネットと、このキャビネットの開口部に装着された熱交換装置とを備えた構成となっていた。そして、熱交換装置の構造としては、例えば下記のような構成となっていた。

すなわち、外気用の第１吸気口と第１吹出口およびキャビネット内用の第２吸気口および第２吹出口を有する本体ケースと、この本体ケース内に設けられた外気用の第１送風機およびキャビネット内用の第２送風機と、前記本体ケース内において室外空気とキャビネット内空気との熱交換を行う熱交換器とを備えた構成となっていた。（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１７０１７６号公報

従来の熱交換装置においては、上記のように、送・受信機からの発熱により温められたキャビネット内空気と室外空気とが熱交換器内を通過することによる熱交換によりキャビネット内空気の冷却を行っていた。しかし、例えば、外気温度が非常に高いような場所に設置する場合には、熱交換器を大きくして交換できる熱量を確保しなくてはならず、結果として大きな装置となっていた。

そこで、本発明は、小型で、かつ、キャビネット内に大きな熱負荷が発生したとき、あるいは、高い外気温度の場合にもキャビネット内を冷却することを目的とするものである。

そして、この目的を達成する為に本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内に冷媒循環回路を設け、この冷媒循環回路の放熱器には第１送風機からの送風を供給し、受熱器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であり、これにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内に冷媒循環回路を設け、この冷媒循環回路の放熱器には第１送風機からの送風を供給し、受熱器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であるので、キャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１において、１はビルディングを示し、その屋上２には携帯電話の基地局３が設けられている。基地局３は箱状のキャビネット４とこのキャビネット４内に設けた送・受信機５（図２、図３に示す）と前記キャビネット４の前面開口部にドアのごとく開閉自在に設けた熱交換装置６とにより構成されている。（図１においては、閉鎖した図を示している。）。

図２、図３は、本実施の形態における熱交換装置６の断面を模式的に示したものである。熱交換装置６は、本体ケース１１内に外気用の第１送風機１２を設けた第１送風機室１５と、キャビネット４内の空気用の第２送風機１３を設けた第２送風機室１６と、外気の空気とキャビネット４内の空気との熱交換を行う熱交換器１４とを備えている。この本体ケース１１の前面となる面（図２、３における左側面）には、外気を吸い込む第１吸気口７と、吸い込んだ外気を熱交換した後に吹き出す第１吹出口８とが設けられている。また、本体ケース１１の背面（図２、３における右側面）には、キャビネット４内の空気を吸い込む第２吸気口９と、吸い込んだ空気を熱交換した後に吹き出す第２吹出口１０とが設けられている。

第１送風路１７（斜線網掛けの矢印）は、第１吸気口７と、熱交換器１４と、第１吹出口８とを連絡するように形成されている。一方、第２送風路１８（白抜き矢印）は、第２吸気口９と、熱交換器１４と、第２吹出口１０とを連絡するように形成されている。

図４に示すように、このような第１送風機１２、第２送風機１３、熱交換器１４とは、一体として熱交換ユニット５１としている。この熱交換ユニット５１の下部には、放熱器１９と、受熱器２０と、冷媒循環ポンプ２１とを設けた冷媒循環回路が設けられている。この冷媒循環回路は、一体として冷媒循環ユニット５２としている。

図４、図５に示すように、熱交換ユニット５１には、第１送風路１７から分岐するように、その底面に分岐口２８が設けられている。冷媒循環ユニット５２には、分岐口２８に対面する天面に放熱器連絡口２９と冷媒循環ユニット５２の底面とを接続する連通管３０を設ける。熱交換ユニット５１の底面には、連通管３０の頂部開口に向けて下がり勾配となるような傾斜を設けている。放熱器連絡口２９には、放熱器ダンパー２３が設けられ、その開閉によって第１送風路１７を分岐し、放熱器１９へ空気を供給する制御を行う。放熱器１９の下流側には、外気への連絡口となる第３吹出口２２を設ける。第３吹出口２２には、排気ダンパー２４を設ける。また、第２送風路１８には、第２吹出口１０手前に受熱器２０へ分岐するようになっており、分岐後の空気は第４吹出口２５からキャビネット４内に吹き出す。

このような構成においてその作用を説明する。

まず、図２を用いて、通常の熱交換時の運転について説明する。発熱体（本実施の形態では送・受信機５）によって温められたキャビネット４内の空気は、第２送風機１３の運転によって本体ケース１１内（第２送風機室１６）に吸い込まれ、熱交換器１４を通って第２吹出口１０から再びキャビネット４内へと吹き出される。一方、外気は第１送風機１２の運転によって本体ケース１１内（第１送風機室１５）に吸い込まれ、熱交換器１４を通って第１吹出口８から外気へと吹き出される。熱交換器１４では、温められたキャビネット４内の空気（第２送風路１８を通過する空気）と冷たい外気（第１送風路１７を通過する空気）との熱交換が行われる。これによりキャビネット４内の空気は熱交換器１４により外気で冷却され、再び上記送・受信機５の冷却に供されることになる。

次に、図３を用いて、熱交換器１４の能力だけではキャビネット４内を冷却できない場合について説明する。すなわち、発熱体（送・受信機５）の発熱量が大きいとき、あるいは、外気の温度が比較的高めのときには熱交換器１４による外気との熱交換ではキャビネット４内の空気が十分に冷やされない場合がある。このような場合に、図３のごとく、放熱器ダンパー２３と排気ダンパー２４を開放し、第１送風路１７から放熱器１９へ外気を供給する。このとき、冷媒循環ポンプ２１を運転することによって放熱器１９と受熱器２０の冷媒循環回路を作動する。受熱器２０の冷媒は第２送風路１８から分岐された空気から熱を受熱することによって第２送風路１８から分岐された空気が冷却され、キャビネット４内に供給されることで、キャビネット４内の冷却を行うこととなる。また、受熱器２０で受熱した熱は冷媒循環ポンプ２１によって放熱器１９へ冷媒が送られ、第１送風路１７から放熱器１９へ外気を供給することによって冷媒の熱は外気へ放熱され、受熱器２０に冷媒が送られることで冷媒循環回路を形成している。

上記のように、熱交換器１４による熱交換だけではキャビネット４内の空気を冷却しきれない場合に、空気の比熱より大きい冷媒を作動媒体として用いた冷媒循環ユニット５２の冷媒循環回路を作動させてキャビネット４内の空気を冷却することができるという効果がある。また、熱交換装置６に設けた第１送風機１２によって供給される外気を放熱器１９に供給する構成としたため、熱交換装置６の送風経路を利用して放熱器１９を放熱することが可能となる。

なお、冷媒は水、エチレングリコール水溶液、フロンなどを用い、発熱体（送・受信機５）の発熱量が大きいとき、あるいは、外気の温度が比較的高いときは冷媒の蒸発潜熱を利用する冷媒循環回路とする。具体的に例えば、冷媒はフロンＨＦＣ−１３４ａを用い、キャビネット４内の温度が５０℃以上、外気が３０℃以上において、冷媒循環回路は受熱器２０で冷媒が約４０℃で蒸発し、放熱器１９で冷媒が約４０℃で凝縮するように予め圧力を約１．０１７ＭＰａに調整した構成とする。この構成により冷媒循環ユニット５２の冷媒循環回路を作動した場合に、受熱器２０で冷媒が蒸発し、放熱器１９で冷媒が凝縮するため、冷媒の蒸発潜熱を利用することにより、キャビネット４内の空気をより効率的に冷却することができるという効果がある。

また、熱交換ユニット５１と冷媒循環ユニット５２を分離可能としたため、あまり外気が高温とならない地域で熱交換器１４だけで冷却可能な地域に設置する場合に、冷媒循環ユニット５２を外して熱交換装置６を構成することが可能になる。また、熱交換ユニット５１の第１送風路１７に浸入した水分（雨水など）は、熱交換ユニット５１の底面に設けた傾斜によって、連通管３０に向かって流れ、連通管３０を通って機外へと排出されることになる。

また、放熱器ダンパー２３は、図３に示すように、開放時のスリット面が第１送風機１２の回転軸と直交するように設けられている。このような構成によって第１送風機１２から吹き出した空気が放熱器ダンパー２３によって整流されて放熱器１９に供給されることになる。また、図示しないが、放熱器１９のフィンの面は放熱器ダンパー２３開放時のスリット面と平行になるようにすることによって、効率よく空気の流れを形成することができる。

また、冷媒循環回路を作動させたとき、すなわち、放熱器ダンパー２３を開放した場合に、第１送風機１２の送風量は、第２送風機１３の送風量よりも多くすることによって、熱交換器１４を通過する外気量を変えずに放熱器１９側にも送風することができる。

また、図３に示すように、排気ダンパー２４は、開放時に第１吸気口７と第３吹出口２２との間に衝立のように仕切るように設ける。このような構成により、第１吸気口７と第３吹出口２２との間のショートカットを防止することが可能になる。

図７に示すように、第２送風路１８は、熱交換器１４通過後で分岐し、一方を受熱器２０に供給し、他方はそのまま第２吹出口１０からキャビネット４内に吹き出している。受熱器２０に供給された空気は、第４吹出口２５からキャビネット４内に吹き出す。第２送風路１８の上記分岐点には、受熱器ダンパー２６が設けられている。受熱器ダンパー２６は、冷媒循環回路を作動させないときには、受熱器２０側への風路を閉鎖し、冷媒循環回路を作動させるときには、受熱器２０側への風路を開放し、さらに、第２吹出口１０の一部を閉鎖するようになっている。このような構成によれば、冷媒循環回路を作動したときに、第２送風機１３の運転条件を変えずに、受熱器２０を通過する風量を確保することができる。

受熱器ダンパー２６は、第４吹出口２５に設けてもよい。この場合、受熱器ダンパー２６はスライド式とし、冷媒循環回路を作動させないときには、第４吹出口２５を閉鎖し、冷媒循環回路を作動させるときには、第４吹出口２５を開放するとともに、第２吹出口１０側へスライドし、第２吹出口１０の一部を閉鎖するようになっている。また、この第４吹出口２５には、フィルター２７を設ける。このフィルター２７は、受熱器２０で発生した結露水がキャビネット４内に浸入することを防ぐ効果がある。

図８に示すように、冷媒循環ユニット５２内には、放熱器１９を収めた放熱器室３２と、受熱器２０を収めた受熱器室３３が設けられている。放熱器室３２は、放熱器連絡口２９側の前室３２ａと第３吹出口側の後室３２ｂとで構成され、放熱器１９は後室３２ｂに設けられる。前室３２ａと後室３２ｂは仕切板３２ｃで仕切られている。仕切板３２ｃは、冷媒循環回路を作動するときに開放する。仕切板３２ｃは風路曲折方向の外側に回転軸が設けられ、開放時には、上流側に向けて仕切板３２ｃが倒れるようになっている。

このような構成によれば、仕切板３２ｃは放熱器１９へ空気を供給する際のダンパーの役目を果たすことになるが、開放時には空気の流れに対して曲折方向の外側の壁を形成するように仕切板３２ｃが位置するので、放熱器１９を通過する空気が効率よく流れることになる。

次に、冷媒循環回路の制御について説明する。冷媒循環回路、すなわち、冷媒循環ポンプ２１の運転制御については、受熱器２０の出口での空気の温度が第１吸気口７から吸い込まれる空気の温度よりも高くなるように制御（ＯＮ／ＯＦＦ、あるいは回転数制御）を行う。このような制御によれば、受熱器２０での結露が発生せず、キャビネット４内に水分が送り込まれることがなくなる。

以上のように本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内に冷媒循環回路を設け、この冷媒循環回路の放熱器には第１送風機からの送風を供給し、受熱器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であるので、小さな熱交換装置によってキャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。従って、例えば、通信機器の基地局や、その他屋外設置機器における冷却設備としてきわめて有用なものとなる。

本発明の一実施形態の設置例を示す斜視図 本発明の一実施形態の熱交換装置の通常時の運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態の熱交換装置の外気導入時の運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態の熱交換ユニットと冷媒循環ユニットの接続状態を示す図 本発明の一実施形態の熱交換ユニットと冷媒循環ユニットの接続部を示す図 本発明の一実施形態の冷媒循環ユニットの斜視図 本発明の一実施形態の冷媒循環ユニットの運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態の冷媒循環ユニットの運転状態を示す断面図

１ ビルディング
２ 屋上
３ 基地局
４ キャビネット
５ 送・受信機
６ 熱交換装置
７ 第１吸気口
８ 第１吹出口
９ 第２吸気口
１０ 第２吹出口
１１ 本体ケース
１２ 第１送風機
１３ 第２送風機
１４ 熱交換器
１５ 第１送風機室
１６ 第２送風機室
１７ 第１送風路
１８ 第２送風路
１９ 放熱器
２０ 受熱器
２１ 冷媒循環ポンプ
２２ 第３吹出口
２３ 放熱器ダンパー
２４ 排気ダンパー
２５ 第４吹出口
２６ 受熱器ダンパー
２７ フィルター
２８ 分岐口
２９ 放熱器連絡口
３０ 連通管
３２ 放熱器室
３２ａ 前室
３２ｂ 後室
３２ｃ 仕切板
３３ 受熱器室
５１ 熱交換ユニット
５２ 冷媒循環ユニット

Claims (22)

1. 第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内に冷媒循環回路を設け、この冷媒循環回路の放熱器には前記第１送風機からの送風を供給し、受熱器には前記第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置。
2. 本体ケースに第３吹出口を設け、第１送風路を熱交換器への流入口より上流側で分岐させ、分岐後の一方の経路に前記熱交換器を配し、他方の経路では放熱器を介して前記第３吹出口から空気を排出する構成とした請求項１記載の熱交換装置。
3. 分岐した第１送風路内であって、放熱器の上流側に放熱器ダンパーを設けたことを特徴とする請求項２記載の熱交換装置。
4. 放熱器ダンパーは、開放時のスリットの面が第１送風機の回転軸に直交するように設けられた請求項３記載の熱交換装置。
5. 放熱器ダンパーのスリットの面と放熱器のフィンの面とが平行になるように設けられた請求項３または４記載の熱交換装置。
6. 第３吹出口に、排気ダンパーを設け、この排気ダンパーは、開放時に第１吸気口と前記第３吹出口との間を仕切るように設けられる請求項２〜５いずれかに記載の熱交換装置。
7. 第１送風機は、第２送風機よりも風量を多くした請求項２〜６いずれかに記載の熱交換装置。
8. 第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、さらに、前記本体ケースに第３吸気口と第３吹出口と、前記本体ケース内に第３送風機と冷媒循環回路を設け、この冷媒循環回路の放熱器には前記第３送風機による前記第３吸気口からの空気を供給し、その空気を前記第３吹出口から排出し、受熱器には前記第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置。
9. 第３吸気口には、ダンパーを設けた請求項８記載の熱交換装置。
10. 第３吹出口に、排気ダンパーを設け、この排気ダンパーは、開放時に第３吸気口と前記第３吹出口との間を仕切るように設けられる請求項９に記載の熱交換装置。
11. 本体ケースに第４吹出口を設け、第２送風路を熱交換器通過後に分岐させ、一方の空気は第２吹出口から吹き出し、他方は受熱器を通過させた後に前記第４吹出口から吹出す構成とした請求項１〜１０いずれかに記載の熱交換装置。
12. 分岐後の受熱器を通過する経路に受熱器ダンパーを設けた請求項１１記載の熱交換装置。
13. 受熱器ダンパーは、受熱器を通過する経路を遮断し、第２送風路からの空気は第２吹出口から吹き出す場合と、前記第２吹出口の一部を遮断し、前記第２送風路からの空気は前記第２吹出口と第４吹出口から吹き出す場合とを切り替える構成とした請求項１２記載の熱交換装置。
14. 第４吹出口にフィルターを設けた請求項１１〜１３いずれかに記載の熱交換装置。
15. 第１送風機、第２送風機、熱交換器を上部に設け、冷媒循環回路を下部に設けたことを特徴とする請求項１〜１４いずれかに記載の熱交換装置。
16. 第１送風機、第２送風機、熱交換器を１つの熱交換ユニットとして上部に配し、放熱器を収めた放熱器室と、受熱器を収めた受熱器室とを備え、冷媒循環回路をユニット化した冷媒循環ユニットを下部に配した請求項１５記載の熱交換装置。
17. 冷媒循環ユニットは、熱交換ユニットの底面には、第１送風路から分岐する分岐口を設け、前記冷媒循環ユニットの天面には、受熱器室と連通する連絡口と、前記冷媒循環ユニットの天面と底面とを直結する連通管を設け、前記分岐口の開口は、前記連絡口と前記連通管とをカバーするように設けられた請求項１６記載の熱交換装置。
18. 冷媒循環ユニットの天面に設けた連絡口に連絡口ダンパーを設けた請求項１７記載の熱交換装置。
19. 熱交換ユニットの底面と冷媒循環ユニットの天面および連絡口ダンパーは、連通管の頂部に向けて下がる傾斜を設けた請求項１８記載の熱交換装置。
20. 放熱器室内を連絡口側の前室と放熱器を通過した空気を排気する第３吹出口側の後室とに二分する仕切板を設け、前記放熱器を前記後室に設け、前記仕切板は、前記放熱器を使用する際に前記前室と前記後室とを連通するように開放し、開放時に前記前室から前記後室へ流れる空気のガイド板となるよう、空気の流れに垂直に、かつ、空気の曲折方向の外側に支点となる回転軸を設け、開放時には上流側に前記仕切板を倒すことを特徴とする請求項１９記載の熱交換装置。
21. 冷媒循環回路は受熱器で冷媒が蒸発し、放熱器で冷媒が凝縮するように予め圧力調整され、前記受熱器通過直後の空気の温度が第１吸気口で吸い込まれる空気の温度よりも高くなるように前記冷媒循環回路を制御することを特徴とする請求項１〜２０いずれかに記載の熱交換装置。
22. 発熱体を収納したキャビネットと、このキャビネットの開口部に装着された請求項１から２１のいずれか一つに記載の熱交換装置とを備えた発熱体収納装置。

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