JP2015195246A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器とペルチェ式クーラを併用した場合であっても、ペルチェ式クーラの冷却能力低下を回避することができる技術を提供する。【解決手段】キャビネット２に取り付けられる筺体内に、熱交換器３とクーラ部４を備え、該筐体内を、暖気導入口５から導入された空気を前記熱交換器３に導き、そこで冷却された空気を、冷気排出口９を介して、キャビネット２内に循環させる吸熱側経路１０と、第１の外気導入口６から導入された空気を前記熱交換器３に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口８に導くとともに、第２の外気導入口７から導入された空気を前記クーラ部４に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口８に導く放熱側経路１１とに区画した。【選択図】図２

Description

本発明は、電気機器収納用箱に取り付けて使用される冷却装置に関するものである。

電気機器収納用箱の冷却手段として、熱交換器とペルチェ式クーラとから構成される冷却装置を用い、外気温度の低い時には、熱交換器のみを使用し、外気温度の高い時には、ペルチェ式クーラを併用して冷却能力を維持する技術が開示されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１の技術では、ペルチェ素子の吸熱部が、熱交換器を通過した内気（冷気側）風路に接し、ペルチェ素子の放熱部が、熱交換器を通過した外気（暖気側）風路に接するように配置されているため、ペルチェ素子の放熱部が、熱交換器を通過した暖気で温められてしまい、ペルチェ素子の吸熱部から放熱部への熱移動が妨げられてペルチェ式クーラの冷却能力が低下する問題があった。

特許４３９６１７４号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、ヒートシンクなどの熱交換器及びとペルチェ式クーラや冷媒を利用した液冷式クーラなどのクーラ部とから構成される冷却装置において、熱交換器とクーラ部を併用した場合であっても、クーラ部の冷却能力低下を回避することができる技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、キャビネット内に電気機器を収容した電気機器収納用箱に取り付けて使用される冷却装置において、前記キャビネットに取り付けられる筺体内に、熱交換器とクーラ部を備え、該筐体には、前記キャビネット内部から暖気を導入する暖気導入口と、前記キャビネットおよび冷却装置の外部から熱交換器に導く空気を導入する第１の外気導入口と、前記キャビネットおよび冷却装置の外部からクーラ部に導く空気を導入する第２の外気導入口と、前記熱交換器での熱交換およびクーラ部からの放熱により温められた暖気を前記キャビネットおよび冷却装置の外部に排出する暖気排出口と、前記熱交換器での熱交換およびクーラ部への吸熱で冷却された冷気を前記キャビネット内部に排出する冷気排出口を備え、該筐体内を、前記暖気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで冷却された空気を、前記冷気排出口を介して、キャビネット内に循環させる吸熱側経路と、第１の外気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導くとともに、第２の外気導入口から導入された空気を前記クーラ部に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導く放熱側経路とに区画したことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の冷却装置において、前記暖気排出口が、前記熱交換器からの放熱により温められた暖気を排出する第１の暖気排出口と、前記クーラ部からの放熱により温められた暖気を排出する第２の暖気排出口からなり、前記放熱側経路を、第１の外気導入口と第１の暖気排出口を有する第１の放熱側経路と、第２の外気導入口と第２の暖気排出口を有する第２の放熱側経路に区分する仕切壁を形成したことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の冷却装置において、前記吸熱側経路に、前記熱交換器で冷却された空気を、前記クーラ部に導くガイド壁を形成したことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の冷却装置において、前記クーラ部が、ペルチェ素子を用いたペルチェ式クーラであって、その吸熱部が、前記熱交換器を通過した空気と接し、かつ、その放熱部が、前記第２の外気導入口から導入された空気と接する位置に配置したことを特徴とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明では、キャビネット内に電気機器を収容した電気機器収納用箱に取り付けて使用される冷却装置において、前記キャビネットに取り付けられる筺体内に、熱交換器とクーラ部を備え、該筐体には、前記キャビネット内部から暖気を導入する暖気導入口と、前記キャビネットおよび冷却装置の外部から熱交換器に導く空気を導入する第１の外気導入口と、前記キャビネットおよび冷却装置の外部からペルチェ素子に導く空気を導入する第２の外気導入口と、前記熱交換器での熱交換およびクーラ部からの放熱により温められた暖気を前記キャビネットおよび冷却装置の外部に排出する暖気排出口と、前記熱交換器での熱交換およびクーラ部への吸熱で冷却された冷気を前記キャビネット内部に排出する冷気排出口を備え、該筐体内を、前記暖気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで冷却された空気を、前記冷気排出口を介して、キャビネット内に循環させる吸熱側経路と、第１の外気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導くとともに、第２の外気導入口から導入された空気を前記クーラ部に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導く放熱側経路とに区画した構成としているため、熱交換器で昇温された空気を、クーラ部の放熱部と接触させることなく、暖気排出口に導くことができる。これにより、本発明によれば、特許文献１のように、ペルチェ素子の放熱部が熱交換器を通過した外気で温められて、ペルチェ素子の吸熱部から放熱部への熱移動が妨げられ、クーラ部の冷却能力が低下する問題を回避することができる。

請求項２記載の発明のように、前記暖気排出口が、前記熱交換器からの放熱により温められた暖気を排出する第１の暖気排出口と、前記クーラ部からの放熱により温められた暖気を排出する第２の暖気排出口からなり、前記放熱側経路を、第１の外気導入口と第１の暖気排出口を有する第１の放熱側経路と、第２の外気導入口と第２の暖気排出口を有する第２の放熱側経路に区分する仕切壁を形成する構成とすることにより、熱交換器で昇温された空気によるクーラ部への影響を完全に排除し、クーラ部の冷却能力が低下する問題を確実に回避することができる。

請求項３記載の発明のように、前記吸熱側経路に、前記熱交換器で冷却された空気を、前記クーラ部に導くガイド壁を形成することにより、冷却装置の冷却能力を高めることができる。

請求項４記載の発明では、前記クーラ部として、ペルチェ式クーラを用いている。ペルチェ素子を用いるペルチェ式クーラは、ペルチェ素子は２種類の金属の接合部に電流を流して、片方の金属からもう片方へ熱が移動する「熱移動」を利用するものである。このため、放熱部が熱しやすく、消費電力分の熱が放熱部で発熱するため、放熱部の冷却を行わずに利用すると、吸熱部の冷却効率が落ちるばかりでなく素子自体が破損する可能性もあるが、請求項４記載の発明のように、ペルチェ式クーラの吸熱部が、前記熱交換器を通過した空気と接し、かつ、その放熱部が、前記第２の外気導入口から導入された空気と接する位置に配置することにより、ペルチェ素子の放熱部が、熱交換器を通過した暖気で温められる現象を回避することができ、これにより、冷却効率の低下およびペルチェ素子の破損を回避することができる。

電気機器収納用箱に取り付けられた冷却装置の全体斜視図である。 実施形態１における冷却装置の内部構造説明図である。 実施形態２における冷却装置の内部構造説明図である。 実施形態３における冷却装置の内部構造説明図である。 その他の実施形態における冷却装置の内部構造説明図である。 その他の実施形態における冷却装置の内部構造説明図である。 図５の冷却装置を用いた冷却制御の一例を示す図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。

本発明の冷却装置１は、図１に示すように、キャビネット２内に電気機器を収容した電気機器収納用箱に取り付けて使用されるものである。

冷却装置１の筐体内には、図２に示すように、熱交換器３とクーラ部４を備えている。熱交換器３とクーラ部４は、キャビネット２内から取り込んだ暖気が、まず、熱交換器に導かれ、ここで、荒熱を取った後、クーラ部で冷却されるように、順に配置されている。

（実施形態１）
本実施形態では、熱交換器の種類は特に限定されないが、例えば、積層したプレート間に流体を流して熱交換するプレート式のものや、ヒートシンクなどを採用することができる。クーラ部は、上流側（キャビネットから冷却装置への取込側）に配置される熱交換器よりも高い冷却能力を備えるものが好ましく、本実施形態では、クーラ部としてペルチェ式クーラを用いているが、その他、冷媒として液体を使用する液冷式クーラを用いることもできる。

冷却装置１の筐体には、図２に示すように、キャビネット２内部から暖気を導入する暖気導入口５と、キャビネット２および冷却装置１の外部から熱交換器に導く空気を導入する第１の外気導入口６と、キャビネット２および冷却装置１の外部からクーラ部４に導く空気を導入する第２の外気導入口７と、熱交換器３での熱交換およびクーラ部４からの放熱により温められた暖気を冷却装置１の外部に排出する暖気排出口８と、熱交換器３での熱交換およびクーラ部４への吸熱で冷却された冷気をキャビネット２内部に排出する冷気排出口９を備えている。

冷却装置１の筐体内は、吸熱側経路１０と放熱側経路１１とに区画されている。吸熱側経路１０は、暖気導入口５から導入された空気を熱交換器３に導き、そこで冷却された空気を、冷気排出口９を介して、キャビネット２内に循環させる経路であり、放熱側経路１１は、第１の外気導入口６から導入された空気を熱交換器３に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口８に導くとともに、第２の外気導入口７から導入された空気をクーラ部４に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口８に導く経路である。

本実施形態では、前記のように、クーラ部としてペルチェ式クーラを用いており、ペルチェ式クーラは、その吸熱部１２とファン１３が吸熱側経路１０に位置し、放熱部１４が放熱側経路１１に位置するように配置されている。ペルチェ素子を用いるペルチェ式クーラは、ペルチェ素子は２種類の金属の接合部に電流を流して、片方の金属からもう片方へ熱が移動する「熱移動」を利用するものであるため、放熱部が熱しやすく、消費電力分の熱が放熱部で発熱するため、放熱部の冷却を行わずに利用すると、熱移動が行われなくなって吸熱部の冷却効率が落ちるばかりでなく素子自体が破損する可能性もあるが、前記配置とすることにより、ペルチェ素子の放熱部１４が、熱交換器３を通過した暖気で温められる現象を回避することができ、これにより、冷却効率の低下およびペルチェ素子の破損を回避することができる。

（実施形態２）
上記実施形態１では、図２に示すように、熱交換器３とクーラ部４の間に、各々で温められた暖気を排出する、共通の暖気排出口８を設けていたが、本実施形態では、図３に示すように、熱交換器３からの放熱により温められた暖気を排出する第１の暖気排出口１５と、クーラ部（ペルチェ式クーラ）４の放熱部１４からの放熱により温められた暖気を排出する第２の暖気排出口１６を設けている。

更に、本実施形態では、放熱側経路１１を、第１の外気導入口６と第１の暖気排出口１５を有する第１の放熱側経路１７と、第２の外気導入口７と第２の暖気排出口１６を有する第２の放熱側経路１８に区分する仕切壁１９を形成している。
当該構造とすることにより、熱交換器３で昇温された空気によるクーラ部４への影響を完全に排除し、クーラ部４の冷却能力が低下する問題を確実に回避することができる。

（実施形態３）
上記実施形態１、２では、図２、３に示すように、吸熱側経路１０において、熱交換器３での熱交換により冷却された冷気の一部は、クーラ部４での冷却を経ることなく、直接、冷気排出口９からキャビネット２内部へと導入されているが、本実施形態では、図４に示すように、熱交換器３で冷却された空気を、全て、クーラ部の吸熱部１２に導くガイド壁２０を形成して、冷却装置の冷却能力を高めている。

（その他の実施形態）
上記実施形態１〜３では、冷却装置１を、キャビネット２の側面に取り付けているが、図５に示すように、冷却装置１のうち、吸熱側経路１０の部分をキャビネット２の内部に埋め込むように取り付けたり、図６に示すように、吸熱側経路１０のうち、熱交換器３を通過した後の空気が流れる部分（具体的には、熱交換器３を通過した後の空気をクーラ部４に導くダクト部２１とクーラ部４が配置される部分）をキャビネット２の内部に埋め込むように取りけることもできる。

図７には、図５の冷却装置を用いた冷却制御の一例を示している。キャビネット２内の温度が３０〜４０℃の場合には、熱交換器３とクーラ部４の双方を稼働させて「強冷運転」を行う。キャビネット２内の温度が２０〜３０℃の場合には、クーラ部４の稼働を停止し、熱交換器３を稼働させて「中冷運転」を行う。キャビネット２内の温度が０〜２０℃の場合には、熱交換器３とクーラ部４の何れも稼働を停止させて、吸熱側経路１０に配置されたファン２２による空気循環のみを行う。キャビネット２内の温度が０℃以下の場合には、熱交換器３の稼働を停止させるとともに、クーラ部４の極性を反転させて暖房に切り替えた上で、稼働させて「暖房運転」を行う。冷却装置１の筐体内に交換素子３とクーラ部４を備えた本発明によれば、このように、細やかな温度制御も行うことができる。

なお、本実施形態の冷却装置１の入力電源としては、直流及び交流でも対応可能であり、その他、キャビネット２にバックアップ用直流電源を形成しておき、商用電源が停電した場合でもキャビネット２内に形成した電気機器は発熱しているため、バックアップ用直流電源を用いて、冷却装置１を稼動できるようにも形成しているものである。

１ 冷却装置
２ キャビネット
３ 熱交換器
４ クーラ部
５ 暖気導入口
６ 第１の外気導入口
７ 第２の外気導入口
８ 暖気排出口
９ 冷気排出口
１０ 吸熱側経路
１１ 放熱側経路
１２ 吸熱部
１３ ファン
１４ 放熱部
１５ 第１の暖気排出口
１６ 第２の暖気排出口
１７ 第１の放熱側経路
１８ 第２の放熱側経路
１９ 仕切壁
２０ ガイド壁
２１ ダクト部
２２ ファン

Claims (4)

1. キャビネット内に電気機器を収容した電気機器収納用箱に取り付けて使用される冷却装置であって、
   前記キャビネットに取り付けられる筺体内に、熱交換器とクーラ部を備え、
   該筐体には、
   前記キャビネット内部から暖気を導入する暖気導入口と、
   前記キャビネットおよび冷却装置の外部から熱交換器に導く空気を導入する第１の外気導入口と、
   前記キャビネットおよび冷却装置の外部からクーラ部に導く空気を導入する第２の外気導入口と、
   前記熱交換器での熱交換およびクーラ部からの放熱により温められた暖気を前記キャビネットおよび冷却装置の外部に排出する暖気排出口と、
   前記熱交換器での熱交換およびクーラ部への吸熱で冷却された冷気を前記キャビネット内部に排出する冷気排出口を備え、
   該筐体内を、
   前記暖気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで冷却された空気を、 前記冷気排出口を介して、キャビネット内に循環させる吸熱側経路と、
   第１の外気導入口から導入された空気を前記熱交換器に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導くとともに、第２の外気導入口から導入された空気を前記クーラ部に導き、そこで昇温された空気を暖気排出口に導く放熱側経路とに区画した
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記暖気排出口が、前記熱交換器からの放熱により温められた暖気を排出する第１の暖気排出口と、前記クーラ部からの放熱により温められた暖気を排出する第２の暖気排出口からなり、
   前記放熱側経路を、第１の外気導入口と第１の暖気排出口を有する第１の放熱側経路と、第２の外気導入口と第２の暖気排出口を有する第２の放熱側経路に区分する仕切壁を形成したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記吸熱側経路に、前記熱交換器で冷却された空気を、前記クーラ部に導くガイド壁を形成したことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
4. 前記クーラ部が、ペルチェ素子を用いたペルチェ式クーラであって、その吸熱部が、前記熱交換器を通過した空気と接し、かつ、その放熱部が、前記第２の外気導入口から導入された空気と接する位置に配置したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷却装置。