JP2014126326A

JP2014126326A - 気化式冷却装置

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Publication number: JP2014126326A
Application number: JP2012285017A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hayashi; 豊林; Chikao Ichii; 愛雄一井; Kiyoshi Yasufuku; 喜代志安福; Hitoshi Isono; 仁志磯野
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Also published as: WO2014103545A1

Abstract

【課題】冷却能力の向上や小型化が図られた気化式冷却装置を提供する。
【解決手段】気化式冷却装置１は、付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する空気冷却材１２と、空気冷却材１２の上端部１２ａに向けて液体を撒き空気冷却材１２に付着させる撒液部１３と、空気冷却材１２の下端部１２ｂから滴下する液体を受ける受液部１４と、受液部１４が貯留する液体を撒液部１３に送液する送液部１５と、空気の吸込口３及び吹出口４を開口して吸込口３と吹出口４との間に空気冷却材１２を配置した送風ダクト２と、空気冷却材１２に空気を吹き当てる方向に送風ダクト２に気流を流通させる送風ファン５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気化式冷却装置に関する。

気化式冷却装置は空気冷却材の表面に付着した液体を蒸発（気化）させることで空気を直接冷却して送風する。または、気化式冷却装置は空気冷却材の表面に付着した液体を蒸発（気化）させることで空気冷却材を冷却し、空気冷却材の表面を流通する空気との間で熱交換を行うことにより冷却した空気を送風する。このような従来の気化式冷却装置が特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載された従来の気化式冷却装置は吸水性の材料を有する冷却容器と、冷却容器に対して散水する散水装置と、冷却容器内の空気を外部に向けて送風するファンとを備える。水の気化作用を利用することで低電力で冷気を発生させ、より高い冷却能力を提供しようとしている。

特開２０１２−２２５５５１号公報

上記従来の気化式冷却装置は、冷却容器がファンにより生じる気流の流通方向に関してファンの上流側に配置され、ファンが冷却容器内の空気を吸引して外部に向けて送風する。従来の気化式冷却装置は吸水性材料に通気性に優れるメッシュ構造を用いることを想定している。しかしながら、メッシュに水膜が形成される問題を考慮していないため、通気性が阻害されて冷却効率が低下する課題があった。そして、冷却装置として一定の送風量を保持するための十分な吸気を得るには、ファンにより生じる気流の流通方向上流側に一部水が流れない箇所を設けて、この箇所から吸気を行う必要がある。したがって、ファンは冷却容器内で冷却された空気ではない未冷却の空気も吸引する虞がある。さらに、メッシュ部に水膜が形成されると圧力損失が高くなり、冷却容器周辺の隙間などから未冷却の空気を吸引する虞もある。これらの結果、冷却された空気と未冷却の空気とが混合され、冷却効率が低下する可能性があることが課題となっていた。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、冷却能力の向上が図られた気化式冷却装置を提供することを目的とする。さらに、圧力損失を低減することができ、小型化が図られた気化式冷却装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の気化式冷却装置は、付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する空気冷却材と、前記空気冷却材の上端部に向けて前記液体を撒き前記空気冷却材に付着させる撒液部と、前記空気冷却材の下端部から滴下する前記液体を受ける受液部と、前記受液部が貯留する前記液体を前記撒液部に送液する送液部と、空気の吸込口及び吹出口を開口して前記吸込口と前記吹出口との間に前記空気冷却材を配置した送風ダクトと、前記空気冷却材に空気を吹き当てる方向に前記送風ダクトに気流を流通させる送風ファンと、を備えることを特徴としている。

また、上記構成の気化式冷却装置において、前記空気冷却材が金属材料からなることを特徴としている。

また、上記構成の気化式冷却装置において、前記空気冷却材の表面に親水性処理を施したことを特徴としている。

また、上記構成の気化式冷却装置において、前記空気冷却材の表面に凹凸部を形成したことを特徴としている。

また、上記構成の気化式冷却装置において、前記撒液部と前記空気冷却材との間に前記液体を横方向に行き渡らせた後に下方に導く保液部を配置したことを特徴としている。

また、上記構成の気化式冷却装置において、前記空気冷却材の一部と前記保液部とが接触することを特徴としている。

本発明の構成によれば、冷却能力の向上が図られた気化式冷却装置を提供することができる。さらに、本発明の構成によれば、圧力損失を低減することができ、小型化が図られた気化式冷却装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の気化式冷却装置の概略垂直断面図である。本発明の第１実施形態の気化式冷却装置の冷却部の構成図である。本発明の第１実施形態の気化式冷却装置と従来例の気化式冷却装置との送風温度の違いを示すグラフである。本発明の第２実施形態の気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図である。本発明の第４実施形態の気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図である。本発明の第４実施形態の気化式冷却装置と従来例の気化式冷却装置との送風温度の違いを示すグラフである。本発明の第５実施形態の気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図７に基づき説明する。

＜第１実施形態＞
最初に、本発明の第１実施形態の気化式冷却装置について、図１及び図２を用いてその構造を説明する。図１は気化式冷却装置の概略垂直断面図、図２は気化式冷却装置の冷却部の構成図である。なお、図１に描画した白抜き矢印は送風ファンにより生じる気流の流通経路及び流通方向を示す。

気化式冷却装置１は、図１に示すように矩形箱形をなす本体筐体である送風ダクト２を備える。

送風ダクト２は例えば横方向に延びる矩形箱形をなし、その一端に空気の吸込口３を開口し、他端に吹出口４を開口する。なお、送風ダクト２は上下に縦長に延びるよう立設しても良い。送風ダクト２はその内部に送風ファン５及び冷却部１０を備える。

送風ファン５は例えば軸流ファンで構成され、冷却部１０より吸込口３に近い側に配置される。送風ファン５は吸込口３から送風ダクト２の内部に吸い込んだ空気を冷却部１０に吹き当てる方向、すなわち図１における右方から左方に向かって送風ダクト２に気流を流通させる。

冷却部１０は送風ダクト２の内部の、送風ファン５に対して空気流通方向下流側に配置される。冷却部１０は送風ダクト２の内部を流通する空気との間で熱交換を行うことにより冷却した空気を送風する。冷却部１０が冷却した空気は吹出口４から吹き出される。冷却部１０は、図２に示すように冷却枠体１１、空気冷却材１２、撒液部１３、受液部１４及び送液部１５を備える。

冷却枠体１１は送風ダクト２の内部の空気流通方向に対向する面、上面及び下面に通気性及び通液性を有する枠体状の構造をなす。下面は例えばメッシュ構造をなす底板で構成されるが、多数の細孔を有する有孔板などを用いることもできる。冷却枠体１１はその内部に空気冷却材１２を収容可能な不図示の収容部を備える。

空気冷却材１２は冷却枠体１１の内部の収容部に収容される。空気冷却材１２は例えば不織布や繊維布、シリカ（ＳｉＯ₂）をベースとする多孔質材料が考えられる。本実施形態では空気冷却材１２として不織布を用いており、メッシュ構造をなす。空気冷却材１２は撒液部１３により撒かれて自身に付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する。なお、空気冷却材１２を冷却枠体１１と一体として構成しても良い。

撒液部１３は冷却枠体１１の上方に配置される。撒液部１３は例えば略水平に延びるパイプの周面の下側に任意の直径の小孔１３ａを複数設けた部材で構成される。撒液部１３はこの複数の小孔１３ａを通して空気冷却材１２の上端部１２ａの全面にわたって撒液を行う。すなわち、撒液部１３は空気冷却材１２の上端部１２ａに向けて液体を撒き空気冷却材１２に付着させる。

受液部１４は冷却枠体１１の下方に配置される。受液部１４は空気冷却材１２の下端部１２ｂから滴下する液体を受けて貯留する例えばタンクで構成される。受液部１４はその内部に不図示の液位センサーを備える。受液部１４は液位センサーから得られる液位情報に基づいて貯留する液体が所定量以上を維持するように調整される。

送液部１５は送液ポンプ１５ａと送液パイプ１５ｂとを備える。送液ポンプ１５ａは受液部１４に配置され、受液部１４が貯留する液体を送液パイプ１５ｂを通して送り出す。送液パイプ１５ｂは受液部１４から撒液部１３まで延びるパイプとして構成される。送液ポンプ１５ａが受液部１４から送り出す液体は送液パイプ１５ｂを通って撒液部１３に供給される。

上記構成の気化式冷却装置１において不図示の運転スイッチが操作されて送風運転が指示されると、送風ファン５及び冷却部１０が駆動される。これにより、気化式冷却装置１は吸込口３を介して気化式冷却装置１の外部の空気を送風ダクト２の内部に吸い込む。送風ファン５は冷却部１０の冷却枠体１１の空気冷却材１２に空気を吹き当てる方向に送風ダクト２に気流を流通させる。

冷却部１０では送液部１５の送液ポンプ１５ａが作動し、受液部１４が貯留する液体が撒液部１３まで送液される。撒液部１３まで送られた液体は冷却枠体１１の空気冷却材１２に対して撒液される。空気冷却材１２に対して撒かれた液体は空気冷却材１２の例えば表面や内部間隙を通過して空気冷却材１２の下端部１２ｂから受液部１４に滴下する。空気冷却材１２は撒液部１３により撒かれて自身に付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する。

送風ファン５により冷却枠体１１に吹き当てられる空気は空気冷却材１２の表面を流通するときに液体または空気冷却材１２との間で熱交換を行うことにより冷却される。このようにして冷却された空気が吹出口４から気化式冷却装置１の外部に吹出される。

冷却部１０の動作中、撒液部１３から冷却枠体１１を通して受液部１４まで滴下した液体を再度撒液部１３まで送る還流動作が繰り返される。なお、受液部１４の上部に例えば殺菌灯を設置して受液部１４の内部及び液体を殺菌し、液体の質を改善するようにしても良い。

続いて、上記構成の気化式冷却装置１を運転したときの空気の冷却効果について、図３を用いて説明する。図３は気化式冷却装置１と従来例の気化式冷却装置との送風温度の違いを示すグラフである。

ここで、上記構成の気化式冷却装置１の比較対象となる従来例の気化式冷却装置について説明する。従来例の気化式冷却装置は冷却枠体が、送風ダクトの内部において送風ファンに対して送風ファンにより生じる気流の流通方向上流側に配置され、送風ファンが冷却枠体内の空気を吸引して外部（吹出口）に向けて送風する。このような構成の従来例の気化式冷却装置と、上記構成の気化式冷却装置１とに対して、外気温度が２５℃、３０℃、３５℃及び４０℃のときのそれぞれの送風温度の違いを検証した。

図３によれば、上記構成の気化式冷却装置１、従来例の気化式冷却装置ともに、外気温度に対して１℃〜２℃程度低い送風温度の空気流を生み出すことができている。さらに、気化式冷却装置１は従来例の気化式冷却装置対して０．５℃程度低い送風温度の空気流を生み出すことができている。

したがって、上記構成の気化式冷却装置１は従来の気化式冷却装置より冷却効果が向上していることが分かる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の気化式冷却装置について、図４を用いて説明する。図４は気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図であって空気流通方向から見た図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図３を用いて説明した第１実施形態と同じであるので、第１実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第２実施形態の気化式冷却装置１は、図４に示すように空気冷却材２２が板状の金属材料からなる。空気冷却材２２として使用する金属材料はより熱伝達率が高いもの、例えばアルミや銅が好ましい。

金属材料からなる板状の空気冷却材２２はその平面部が空気流通方向と平行をなすように複数枚が空気流通方向と直角をなす方向に所定の間隔をあけて並べて配置される。空気冷却材２２は上下に自身を固定する部材を設ける、或いは空気冷却材２２に空気流通方向と直角をなす方向から棒を通して固定するなどの組み立て方法が適用される。送風ファン５により冷却枠体１１に吹き当てられる空気は隣り合う空気冷却材２２の間を流通する。

このように空気冷却材２２を金属材料にすることで、空気冷却材２２の熱伝導率をより高くすることができる。したがって、液体が気化する際の潜熱の伝達効率が上昇し、空気冷却材２２をより効率良く冷却することが可能である。その結果、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態の気化式冷却装置について、図４を参照しつつ説明する。この実施形態の基本的な構成は先に説明した第１及び第２実施形態と同じであるので、これらの実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその詳細な説明を省略するものとする。

第３実施形態の気化式冷却装置１は空気冷却材２２が板状の金属材料からなる。そして、その金属材料からなる空気冷却材２２の表面に親水性処理を施している。

親水性処理としては、金属材料の表面に親水性の高い塗装を施すことが考えられる。これにより、空気冷却材２２の表面に液体が付着したとき、空気冷却材２２の表面と液体との境界層を薄くすることができる。液体の気化（蒸発）は液膜表面で起こるため、液膜をより薄くすることで液体の気化伝達を促進し、熱伝達効率をさらに向上させることが可能である。したがって、空気冷却材２２をより効率良く冷却することができ、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

また、濡れ性の増加により、撒液部１３からの供給液量を削減することができる。これにより、気化式冷却装置１の使用時の湿度上昇を抑えることができ、冷却効果をより高める或いは冷却効果を維持することが可能である。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態の気化式冷却装置について、図５及び図６を用いて説明する。図５は気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図であって空気流通方向と直角をなす方向から見た図、図６は気化式冷却装置と従来例の気化式冷却装置との送風温度の違いを示すグラフである。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図３を用いて説明した第１実施形態と同じであるので、第１実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第４実施形態の気化式冷却装置１は空気冷却材２２が板状の金属材料、例えばアルミニウム材料からなる。そして、図５に示すように、そのアルミニウム材料からなる空気冷却材２２の表面に礫状体の凹凸部２２ａを設けた。空気冷却材２２の表面の凹凸部２２ａはポーラス加工や梨地加工により設けても良い。この構成によれば、空気冷却材２２の液体及び空気に対する接触面積はその体積の割に非常に大きくなる。

凹凸部２２ａは細かければ細かいほど好ましい。凹凸部２２ａにより毛細管現象が強く働き、空気冷却材２２に撒かれた液体を細部まで導くことで液膜をより薄化し、液体の気化（蒸発）を一層進行し易くすることで気化冷却を促進することができる。また、空気との接触面が大きくなることや空気流をかき乱すことで空気の冷却を促進する効果がある。

続いて、上記構成の気化式冷却装置１を運転したときの空気の冷却効果について、図６を用いて説明する。気化式冷却装置１の比較対象となる従来例の気化式冷却装置の構成と冷却効果の検証の方法とは第１実施形態と同じであるので、その説明を省略するものとする。

図６によれば、気化式冷却装置１は従来例の気化式冷却装置対して２℃〜４℃程度低い送風温度の空気流を生み出すことができている。したがって、上記構成の気化式冷却装置１は従来の気化式冷却装置より冷却効果が向上していることが分かる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態の気化式冷却装置について、図７を用いて説明する。図７は気化式冷却装置の冷却部の空気冷却材の説明図であって空気流通方向から見た図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図３を用いて説明した第１実施形態と同じであるので、第１実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。

第５実施形態の気化式冷却装置１は、図７に示すように空気冷却材２２が板状の金属材料からなる。空気冷却材２２として使用する金属材料はより熱伝達率が高いもの、例えばアルミや銅が好ましい。金属材料の表面に親水性処理を施しても良い。

空気冷却材２２の上方であって、撒液部１３と空気冷却材２２との間には保液部１６が設けられる。保液部１６は例えば空気冷却材２２の上端に突き刺すなどの構成をなし、空気冷却材２２の上端に接触している。保液部１６は吸液性の材料で構成され、例えばスポンジや布などが該当する吸水速度０．２ｇ／ｍｉｎ以上の材料が好ましい。このような吸液性の材料により、保液部１６は撒液部１３から撒かれた液体を吸収して横方向に行き渡らせた後に下方に導く。

撒液部１３により撒かれる液体は不規則な方向に流れる性質を持っているので濡れ方が不均一になり易く、空気冷却材２２の表面が均一に濡れるようにするには大量の液体を長時間供給する必要がある。そこで、この実施形態の構成によれば、撒液部１３により撒かれた液体を保液部１６が吸収して横方向に行き渡らせた後に下方に導くので、液体が空気冷却材２２の上方から一様に降り注がれる。したがって、少量の液体を短時間供給することで空気冷却材２２を均一に濡らすことが可能である。

上記のように、気化式冷却装置１は、付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する空気冷却材１２と、空気冷却材１２の上端部１２ａに向けて液体を撒き空気冷却材１２に付着させる撒液部１３と、空気冷却材１２の下端部１２ｂから滴下する液体を受ける受液部１４と、受液部１４が貯留する液体を撒液部１３に送液する送液部１５と、空気の吸込口３及び吹出口４を開口して吸込口３と吹出口４との間に空気冷却材１２を配置した送風ダクト２と、空気冷却材１２に空気を吹き当てる方向に送風ダクト２に気流を流通させる送風ファン５と、を備える。これにより、送風ファン５から生じる気流はすべてが空気冷却材１２に吹き当てられる。すなわち、送風ファン５により空気冷却材１２に吹き当てられる空気はすべてが空気冷却材１２の表面を流通する。したがって、気化式冷却装置１は送風ダクト２に流通する空気を無駄なく冷却し、冷却能力が向上する。

また、空気冷却材２２が金属材料からなるので、空気冷却材２２の熱伝導率をより高くすることができる。したがって、液体が気化する際の潜熱の伝達効率が上昇し、空気冷却材２２をより効率良く冷却することが可能である。その結果、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

また、金属材料からなる空気冷却材２２の表面に親水性処理を施したので、空気冷却材２２の表面に液体が付着したとき、空気冷却材２２の表面と液体との境界層を薄くすることができる。液体の気化（蒸発）は液膜表面で起こるため、液膜をより薄くすることで液体の気化伝達を促進し、熱伝達効率をさらに向上させることが可能である。したがって、空気冷却材２２をより効率良く冷却することができ、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

また、金属材料からなる空気冷却材２２の表面に凹凸部２２ａを形成したので、空気冷却材２２の液体及び空気に対する接触面積はその体積の割に非常に大きくなる。したがって、空気冷却材２２をより効率良く冷却することができ、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

また、撒液部１３と空気冷却材２２との間に液体を横方向に行き渡らせた後に下方に導く保液部１６を配置したので、液体が空気冷却材２２の上方から一様に降り注がれる。したがって、少量の液体を短時間供給することで空気冷却材２２を均一に濡らすことが可能である。これにより、空気冷却材２２の全体で液体の気化を進行させることができ、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

さらに、空気冷却材２２の一部と保液部１６とが接触するので、液体を空気冷却材２２の上方から一様に降り注ぐ作用が向上する。したがって、空気冷却材２２の全体で液体の気化を効果的に進行させることができ、気化式冷却装置１の冷却能力が向上する。

そして、本発明の上記実施形態の構成によれば、冷却能力の向上が図られた気化式冷却装置１を提供することができる。さらに、本発明の構成によれば、圧力損失を低減することができ、小型化が図られた気化式冷却装置１を提供することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、気化式冷却装置において利用可能である。

１気化式冷却装置
２送風ダクト
３吸込口
４吹出口
５送風ファン
１０冷却部
１１冷却枠体
１２空気冷却材
１２ａ上端部
１２ｂ下端部
１３撒液部
１４受液部
１５送液部
１６保液部
２２空気冷却材
２２ａ凹凸部

Claims

付着した液体の気化熱を利用して周囲の空気を冷却する空気冷却材と、
前記空気冷却材の上端部に向けて前記液体を撒き前記空気冷却材に付着させる撒液部と、
前記空気冷却材の下端部から滴下する前記液体を受ける受液部と、
前記受液部が貯留する前記液体を前記撒液部に送液する送液部と、
空気の吸込口及び吹出口を開口して前記吸込口と前記吹出口との間に前記空気冷却材を配置した送風ダクトと、
前記空気冷却材に空気を吹き当てる方向に前記送風ダクトに気流を流通させる送風ファンと、
を備えることを特徴とする気化式冷却装置。
前記空気冷却材が金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の気化式冷却装置。
前記空気冷却材の表面に親水性処理を施したことを特徴とする請求項２に記載の気化式冷却装置。
前記空気冷却材の表面に凹凸部を形成したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の気化式冷却装置。
前記撒液部と前記空気冷却材との間に前記液体を横方向に行き渡らせた後に下方に導く保液部を配置し、前記空気冷却材の一部と前記保液部とが接触することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の気化式冷却装置。