JP2016162824A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器にて内外気間で逆の熱交換が行われることを抑制し、冷却能力の安定化と省エネを図ることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】内気及び外気を互いに通過させて熱交換器２１として機能させる態様から、内気及び外気の少なくとも一方側の一部又は全部を熱交換器２１を迂回する流路に切り替えて熱交換器２１としての機能を抑制する態様に切り替える切替手段２８と、制御手段１４を備え、制御手段１４は、内気の温度を検出する内気温度検出部１７と、外気の温度を検出する外気温度検出部１８と、内気温度検出部１７で検出した内気温度と外気温度検出部１８で検出した外気温度に基づき、冷凍回路２２、内気用送風機２６と外気用送風機２７および切替手段２８を制御する制御部２９を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍回路と熱交換器とを併用する冷却装置に関する。

従来、熱源を筐体内や部屋内に有する装置や構造物において、内気を冷却するための冷却装置としては、例えば特許文献１に開示のものが知られている。

特許文献１の冷却装置（冷却機能を有するサーバ収納装置）の構成としては、先ず冷却対象（熱源側）の内気が循環する第１送風路と、外部と連通するダクトに接続されて外気が循環する第２送風路とが並設されており、各送風路にはそれぞれ気流を生じさせる送風機が備えられている。

次いで、第１送風路にはエバポレータ（蒸発器）が、第２送風路にはコンデンサ（凝縮器）がそれぞれ備えられ、エバポレータ、コンデンサ、及びコンプレッサ（圧縮機）を含む冷凍回路が構成されている。冷凍回路は、第１送風路を流れる内気の熱をエバポレータにより吸熱する一方、その吸熱分に相当する排熱を、第２送風路を流れる外気に対して行い、内気を冷却する熱交換を行っている。

更に同文献１の開示技術では、エネルギー消費効率を上げるために熱交換器が併用されている。熱交換器は、対向流方式であって第１及び第２送風路に跨るようにして備えられ、第１送風路のエバポレータの上流側で且つ第２送風路のコンデンサの上流側に位置するように設けられている。熱交換器は、内気がエバポレータに到達する前に内外気間の熱交換作用により内気の吸熱を予め行っている。つまり、熱交換器と冷凍回路との２段階で内気の冷却が可能な構成となっている。

特開２０１０−１６０５３３号公報（第４図）

ところで、熱交換器は、外気の温度が低く内気の温度が高い場合に、内外気間の熱交換作用にて内気の吸熱を行い、内気を冷却する仕組みである。しかしながら、逆に外気の温度が高く内気の温度が低くなる環境下では、熱交換器の仕組み上、内外気間の熱交換作用が逆になり、逆に内気を温めてしまう。そして、下流のエバポレータにて内気を冷却することになるため、エバポレータによる冷却作用の一部が相殺されてしまう。つまり、冷却装置全体ではかえって熱交換が非効率となってしまうため、このような事態を回避する手段が必要である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱交換器にて内外気間で逆の熱交換が行われることを抑制し、冷却能力の安定化と最適化を図ることができる冷却装置を提供することにある。

上記課題を解決する冷却装置は、冷却対象の内気及び外気を互いに通過させその内外気間で熱交換を行う対向流方式の熱交換器と、前記内外気間で熱搬送を行うエバポレータ及びコンデンサを含む冷凍回路と、前記内気及び外気の気流を生じさせる送風機とを備え、前記送風機の送風動作と前記熱交換器及び前記冷凍回路の少なくとも一方の冷却動作にて前記冷却対象の内気の冷却を行う冷却装置であって、前記内気及び外気を互いに通過させて前記熱交換器として機能させる態様から、前記内気及び外気の少なくとも一方側の一部又は全部を前記熱交換器を迂回する流路に切り替えて前記熱交換器としての機能を抑制する態様に切り替える切替手段と、制御手段を備え、前記制御手段は、内気の温度を検出する内気温度検出部と、外気の温度を検出する外気温度検出部と、前記内気温度検出部で検出した内気温度と前記外気温度検出部で検出した外気温度に基づき、前記冷凍回路と前記送風機と前記切替手段を制御する制御部を備えて構成されており、制御部により、前記温度検出部によって検出した温度条件から、必要な冷却能力を省エネで発揮出来る様に切替制御を行うものである。

本発明の冷却装置の切替制御によれば、冷却対象の内気及び外気を互いに通過させその内外気間で熱交換を行う対向流方式の熱交換器と、前記内外気間で熱搬送を行うエバポレータ及びコンデンサを含む冷凍回路と、前記内気及び外気の気流を生じさせる送風機の運転状態を、温度検出にて常時監視することができ、熱交換器にて内外気間で逆の熱交換が行われることを抑制し、冷却能力の安定化を図るのみならず、必要最低限の投入エネルギーで最大限の冷却能力を得ることができ、省エネを達成できる。

一実施形態における冷却装置の構成図 一実施形態における冷却装置の斜視図 一実施形態における冷却装置の機能構成を示す機能ブロック図 一実施形態における冷却装置の冷却モード毎のフローチャート 別例である熱交換器による冷却モードにおける冷却装置の構成図 別例である冷凍回路による冷却モードにおける冷却装置の構成図

以下、冷却装置の一実施形態について説明する。

図１、図２に示すように、冷却装置１０は、熱源を有する冷却対象Ａを冷却、例えば熱源となる蓄電池を多数収容する蓄電池室内を冷却するものである。冷却装置１０は、冷却対象Ａである蓄電池室の外壁面に対して蓄電池室の大きさ等を勘案した数及び配置にて取り付けられ、壁面に設けられる貫通口を通じて蓄電池室の内気を導入し冷却して再び蓄電池室内に供給する。

冷却装置１０の筐体１１は、例えば四角箱状をなし、冷却対象Ａに対して取り付けられる取付面１２には、図１にて示す取付姿勢において上側に内気導入口１２ａが設けられ、内気導入口１２ａよりも下側に離間した位置に内気吐出口１２ｂが設けられている。筐体１１の内部においては、内気導入口１２ａと内気吐出口１２ｂとの間に内気送風路１３が構成されている。内気導入口１２ａには冷却対象Ａからの内気が導入され、内気送風路１３の通過により冷却された低温内気が内気吐出口１２ｂから冷却対象Ａに吐出される。

また、取付面１２とは反対側の筐体１１の外側面１５には、下側に外気導入口１５ａが設けられ、外気導入口１５ａよりも上側に離間した位置に外気排出口１５ｂが設けられている。尚、外気導入口１５ａは内気吐出口１２ｂよりも下側に設けられ、外気排出口１５ｂは内気吐出口１２ｂより上側で且つ内気導入口１２ａより下側に設けられている。筐体１１の内部においては、外気導入口１５ａと外気排出口１５ｂとの間に外気送風路１６が構成されている。外気導入口１５ａには冷却装置１０の周囲の外気が導入され、外気送風路１６の通過、即ち内気冷却時の排熱により加温された高温外気が外気排出口１５ｂから外部に排出される。

筐体１１の内部には、内気を冷却する手段として熱交換器（熱交換素子）２１と冷凍回路２２とが備えられている。熱交換器２１は、対向流方式であり、内外気の互いの流通が無く内外気間で熱交換を行う装置である。冷凍回路２２は、エバポレータ（蒸発器）２３、コンデンサ（凝縮器）２４、及びコンプレッサ２５と、各装置を繋ぎ冷媒を循環させる配管（共に図示略）とを備え、内外気間で熱搬送を行う装置である。また、筐体１１の内部には、内気送風路１３において内気の気流を生じさせる内気用送風機２６と、外気送風路１６において外気の気流を生じさせる外気用送風機２７とを備えている。内気送風路１３内の内気用送風機２６の下流側には、制御手段１４が設けられている。

内気送風路１３においては、内気導入口１２ａの近傍に内気用送風機２６が配置され、次いで制御手段１４及び内気温度検出部１７が配置され、これ以降の下流側は２つの送風路、即ち内気第１送風路１３ａ及び内気第２送風路１３ｂとして並列的に構成されている。内気第１送風路１３ａ側には熱交換器２１が配置され、内気第２送風路１３ｂ側には切替手段２８とその下流側にエバポレータ２３とが配置されている。

切替手段２８は、例えば熱交換器２１の内気側流路の入口と並んで設けられ、内気第２送風路１３ｂの入口を開閉する開閉部材にて構成される。切替手段２８は、内気温度検出部１７及び外気温度検出部１８の検出温度に応じて制御手段１４からの指示に従い、流路の切替を行う。

つまり、切替手段２８は、内気第２送風路１３ｂの入口を閉鎖することで内気用送風機２６を経た内気を内気第１送風路１３ａ側に導き、内気第２送風路１３ｂの入口を開放することで内気用送風機２６を経た内気を自身の内気第２送風路１３ｂ側に導く動作を行う。尚、熱交換器２１の内気側流路の入口は開放したままで開閉部材を用いないが、熱交換器２１を含む内気第１送風路１３ａの圧損（流路抵抗）の方が、エバポレータ２３を含む内気第２送風路１３ｂの圧損よりも相対的に十分大きいため、切替手段２８により内気第２送風路１３ｂの入口を開放した場合の内気の流れは、主として圧損の小さい側の内気第２送風路１３ｂに切り替わるようになっている。

一方、外気送風路１６は、外気導入口１５ａの近傍に外気用送風機２７と外気温度検出部１８が配置され、次いで熱交換器２１が配置され、外気排出口１５ｂの近傍にコンデンサ２４が配置されている。つまり、外気用送風機２７が送風動作を行うと、外気導入口１５ａから導入される外気の温度を外気温度検出部１８が検出し、内気温度検出部１７及び外気温度検出部１８の検出温度に応じて制御手段１４からの指示に従って外気用送風機２７の回転数の制御を行い、熱交換器２１を通過し、次いでコンデンサ２４を通過して外気排出口１５ｂから外部へ排気される。

図２に、冷凍回路２２が複数回路存在する場合を示す。

冷凍回路２２ａはエバポレータ２３ａ、コンデンサ２４ａ、及びコンプレッサ２５ａと、各装置を繋ぎ冷媒を循環させる配管（共に図示略）で構成され、冷凍回路２２ｂはエバポレータ２３ｂ、コンデンサ２４ｂ、及びコンプレッサ２５ｂと、各装置を繋ぎ冷媒を循環させる配管（共に図示略）で構成されている。

次に、制御手段１４の構成について説明する。

制御手段１４は図３に示すように、内気の温度を検出する内気温度検出部１７と、外気の温度を検出する外気温度検出部１８と、前記内気温度検出部１７で検出した内気温度と前記外気温度検出部１８で検出した外気温度に基づき、冷凍回路２２、内気用送風機２６および外気用送風機２７と切替手段２８を制御する制御部２９、および制御部２９からの信号を受けて運転状態を表示する表示部３０、制御部２９からの信号を受けて外部と通信を行う通信部３１を備えている。

この構成において、内気温度検出部１７又は外気温度検出部１８、もしくはその両方が検出した温度情報が制御部２９に入力され、制御部２９はその温度情報に基づいて、内気用送風機２６、外気用送風機２７、切替手段２８、冷凍回路２２の中のコンプレッサ２５へ出力し、冷却モードを決定する。

また、表示部３０は、温度情報から決定した冷却モードの信号を制御部２９から受けて、運転状態やコンプレッサ２５の運転割合を表示して、使用者に省エネ感が実感できるようにしている。

また、通信部３１は、温度情報から決定した冷却モードの信号を制御部２９から受けるとともに、外部機器へ、例えば冷却モードや消費電力、異常状態の信号を出力する事により、冷却装置１０の動作の様子を可視化したり、冷却対象Ａ内の機器と情報のやりとりをしたり出来る構成となっている。

以降に図４に示すフローチャートに基づき、各冷却モードの状態について、それぞれ説明する。

まず、冷却モード選択までの、予備（サンプリング）運転について説明する。

図４に示すように、通電開始（Ｓ１）後、例えば、内気用送風機２６と外気用送風機２７を最大の５０％の回転数で１分間運転（Ｓ２）し、内気温度検出部１７及び外気温度検出部１８で各々検出した温度をサンプリングする（Ｓ３）。

そのサンプリングした内気温度が２５℃以下の場合は、冷却不要、すなわち冷却対象Ａが蓄電池室の場合は蓄電が行われていないと判断し、内気用送風機２６と外気用送風機２７を停止させ（Ｓ４）、例えば１０分後、Ｓ２に戻り、内気温度が２５℃を超えるまで、このサイクルを繰返す。

また、サンプリングした内気温度が４５℃以上で外気温度が１０℃を超える場合は、高温異常と判断し、冷凍回路２２を使用するとともに内気用送風機２６と外気用送風機２７を最大回転数で運転し、速やかに温度を低下させる。このとき、外気温度が１０℃以下の場合は、冷凍回路２２を使用せず、熱交換器２１を使用することにより、省エネで速やかに温度を低下させることができる。

冷凍回路２２または熱交換器２１を使用後、温度サンプリングし、内気温度が４０℃以下になるまでこの高温異常時のサイクルを繰り返し、内気温度が４０℃以下になるとメインフローの温度サンプリング（Ｓ３）に戻る。

［熱交換器２１による内気冷却モード］
図４に示すように、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）で、内気温度が２５℃を超え、４５℃より低い場合で、内気温度から外気温度を引いた差（△Ｔ）が２０℃以上の時、冷却モード選択で外気のみでの冷却が可能と判断し、熱交換器２１のみによる内気冷却モードとなる。

ここで、再度温度サンプリングを行い、内気温度が３０℃以上または△Ｔが１５℃以下になるまで、このモードを継続する。また、内気温度が２０℃以下の場合は、低温と判断し、Ｓ４に戻り、内気用送風機２６と外気用送風機２７を停止させる。

次に本モードの動作について、図５にて説明する。本モードでは、内気用送風機２６及び外気用送風機２７が送風動作される一方、冷凍回路２２の動作は停止状態とする。また、切替手段２８は、内気第２送風路１３ｂの入口を閉鎖状態とする。

内気用送風機２６の送風動作により、内気が内気第１送風路１３ａを流れ、熱交換器２１の内気側流路を通過する。また、外気用送風機２７の送風動作により、外気が外気送風路１６を流れ、熱交換器２１の外気側流路を通過する。これにより、熱交換器２１にて内気の吸熱がなされると共に外気に対して排熱がなされ、冷却された内気が冷却対象Ａに供給される。

［熱交換器２１と冷凍回路２２とを併用した内気冷却モード］
図４に示すように、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）で、内気温度が２５℃を超え、４５℃より低い場合で、△Ｔが１０℃以上で２０℃より小さい時、冷却モード選択で外気での冷却が可能と判断し、切替手段２８を半開し、熱交換器２１と冷凍回路２２とを併用した内気冷却モードとなる。

ここで、再度温度サンプリングを行い、内気温度が３５℃以上または△Ｔが２３℃以上となるまで、このモードを継続する。

すなわち、内気温度が３５℃以上になったときは、冷却能力が不足している場合で、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）に戻り、冷却モード選択で、冷凍回路２２による内気冷却モードを選択する。また、△Ｔが２３℃以上になったときは、外気のみの冷却が可能な場合で、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）に戻り、冷却モード選択で、熱交換器２１のみによる内気冷却モードを選択する。

次に本モードの動作について、図１にて説明する。本モードでは、内気用送風機２６及び外気用送風機２７の送風動作と、冷凍回路２２の冷却動作とが行われる。切替手段２８は、内気第２送風路１３ｂの入口を半開状態とする。

内気用送風機２６及び外気用送風機２７の送風動作と切替手段２８により、一方の内気第１送風路１３ａでは熱交換器２１にて冷却され、他方の内気第２送風路１３ｂではエバポレータ２３を通過することで冷却され、それぞれの風路での冷却が好適に行われ、冷却対象Ａに供給される。

また、外気側では、熱交換器２１からの排熱と、更にコンデンサ２４からの排熱がなされる。

尚、本モード等、冷凍回路２２使用時において、例えば図２に示すように冷凍回路２２が複数回路存在する場合は、１つのコンプレッサに動作が集中しないよう、一方のコンプレッサ２５ａを一定時間動作した後は、制御手段１４からの指示にて他方のコンプレッサ２５ｂを動作させる等し、各々のコンプレッサ２５ａ、２５ｂの動作時間が等しくなるように制御できる。これにより、コンプレッサ２５ａ、２５ｂ各々の動作時間がコンプレッサ１台使用時の半分となり、冷却装置１０として寿命が伸び、省メンテの効果を奏する。

［冷凍回路２２による内気冷却モード］
図４に示すように、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）で、内気温度が２５℃を超え、４５℃より低い場合で、△Ｔが１０℃より小さい時、外気での冷却が不可能と判断し、切替手段２８を全開し、冷凍回路２２のみによる内気冷却モードとなる。

ここで、再度温度サンプリングを行い、外気温度が１５℃より低くなるまで、このモードを継続する。

すなわち、外気温度が１５℃より低くなったときは、外気での冷却が可能な場合で、メインフローの温度サンプリング（Ｓ３）に戻り、冷却モード選択で、△Ｔの値により、熱交換器２１と冷凍回路２２とを併用した内気冷却モード、または熱交換器２１による内気冷却モードを選択する。

次に本モードの動作について、図６にて説明する。本モードは、上記の２つのモードの環境とは逆に、内気の温度が例えば２５℃を超えており、かつ外気の温度が高く、内気の温度が外気の温度に対してほとんど温度差が取れないか低い場合に用いられ、この場合は冷凍回路２２による内気の冷却が行われるモードである。つまり、熱交換器２１では内外気の逆の熱交換が行われてしまうため、熱交換器２１での熱交換作用を抑制する。

本モードでは、内気用送風機２６及び外気用送風機２７の送風動作と冷凍回路２２の冷却動作とが行われ、切替手段２８は内気第２送風路１３ｂの入口を開放状態に切り替える。

切替手段２８により内気第２送風路１３ｂの入口が開放されることで、内気の主たる流れは内気第２送風路１３ｂ側に切り替わる。つまり、内気第１送風路１３ａの熱交換器２１への内気の供給が十分に少なくなるため、熱交換器２１での熱交換作用が十分に抑制される（熱交換器２１としての機能を抑制）。これにより、内気が熱交換器２１を通過する際に、外気にて逆に温められてしまうことが十分に抑制される。

そして、本モードでの内気の主たる流れは内気第２送風路１３ｂ側であるため、内気はエバポレータ２３を通過することで冷却され、冷却された内気が冷却対象Ａに供給される。また、本モードでの外気は、熱交換器２１を通過した後にコンデンサ２４を通過するため、コンデンサ２４からの排熱はこの外気の気流に乗って行われる。

［高温異常時の内気冷却モード］
予備運転時でも説明した高温異常時の内気冷却モードを再度、詳細に説明する。

本モードは、冷却対象Ａの温度が所定温度領域より高い場合、例えば内気の温度が４５℃以上の場合に用いる。外気の温度が低温でない（例えば１０℃より高い）場合には、上記の冷凍回路２２による内気冷却モードと同様の構成にて、内気用送風機２６及び外気用送風機２７は規定の最大回転数にて運転させる。

一方、外気の温度が低い（例えば１０℃以下）場合には、熱交換器２１による内気冷却モードと同様の構成にて、内気用送風機２６及び外気用送風機２７は規定の最大回転数にて運転させる事で、冷却対象Ａを素早く所定温度領域まで冷却させる冷却モードであり、本モードに入る際には、図３で説明した通信部３１を通じて冷却対象Ａ内の機器へ異常の発報をしたり、制御部２９からの信号を受けて運転状態を表示する表示部３０のモニタに表示したりすることで、異常の状態を知らせる手段として活用できる。

尚、上記各冷却モードは、使用者のモード切替スイッチ等の操作にて切り替えてもよい。また、上記各冷却モードに突入した後、図４に示すように再度サンプリングによって冷却モードを選択する場合、冷却モードの切替が頻繁に行われるのは適切ではないため、切替時の温度ディファレンシャルは、例えば３〜５℃等で設定している。

また、詳細な説明は省略するが、各冷却モードにおいて、サンプリングした温度に従い、内気用送風機２６及び外気用送風機２７の回転数を制御している。

このように、本発明の冷却装置の切替制御によれば、冷却対象の内気及び外気を互いに通過させその内外気間で熱交換を行う対向流方式の熱交換器と、内外気間で熱搬送を行うエバポレータ及びコンデンサを含む冷凍回路と、内気及び外気の気流を生じさせる送風機の運転状態を、温度検出にて常時監視することができ、熱交換器にて内外気間で逆の熱交換が行われることを抑制し、冷却能力の安定化を図るのみならず、必要最低限の投入エネルギーで最大限の冷却能力を得ることができる。

本発明は、蓄電池やパワーコンディショナーを多数収容する室内や、サーバールームの冷却に有用である。

Ａ 冷却対象
１０ 冷却装置
１１ 筐体
１２ 取付面
１２ａ 内気導入口
１２ｂ 内気吐出口
１３ 内気送風路
１３ａ 内気第１送風路
１３ｂ 内気第２送風路
１４ 制御手段
１５ 外側面
１５ａ 外気導入口
１５ｂ 外気排出口
１６ 外気送風路
１７ 内気温度検出部
１８ 外気温度検出部
２１ 熱交換器
２２、２２ａ、２２ｂ 冷凍回路
２３、２３ａ、２３ｂ エバポレータ
２４、２４ａ、２４ｂ コンデンサ
２５、２５ａ、２５ｂ コンプレッサ
２６ 内気用送風機
２７ 外気用送風機
２８ 切替手段
２９ 制御部
３０ 表示部
３１ 通信部

Claims (3)

1. 冷却対象の内気及び外気を互いに通過させその内外気間で熱交換を行う対向流方式の熱交換器と、前記内外気間で熱搬送を行うエバポレータ及びコンデンサを含む冷凍回路と、前記内気及び外気の気流を生じさせる送風機とを備え、前記送風機の送風動作と前記熱交換器及び前記冷凍回路の少なくとも一方の冷却動作にて前記冷却対象の内気の冷却を行う冷却装置であって、
   前記内気及び外気を互いに通過させて前記熱交換器として機能させる態様から、前記内気及び外気の少なくとも一方側の一部又は全部を前記熱交換器を迂回する流路に切り替えて前記熱交換器としての機能を抑制する態様に切り替える切替手段と、制御手段を備え、
   前記制御手段は、
   内気の温度を検出する内気温度検出部と、
   外気の温度を検出する外気温度検出部と、
   前記内気温度検出部で検出した内気温度と前記外気温度検出部で検出した外気温度に基づき、前記冷凍回路と前記送風機と前記切替手段を制御する制御部を備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 制御手段は、制御部からの信号を受けて運転状態を表示する表示部を備えていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 制御手段は、制御部からの信号を受けて外部と通信を行う通信部を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。

Images