JP2020164054A - 水中ビークル用冷却システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水中ビークルに搭載される冷却システムにおいて、システムの大型化を抑制しつつ、冷却能力を向上させる技術を提案する。【解決手段】水中ビークル用冷却システム2は、水中ビークル1の耐圧殻の内部に配置された液浸槽21、耐圧殻の外部に配置された外部熱交換器31、液浸槽21の槽出口と外部熱交換器31の入口とを接続する往路管41、及び、外部熱交換器31の出口と液浸槽21の槽入口とを接続する復路管42を有する密閉された冷媒循環路4を備える。液浸槽21内において発熱体を冷媒に浸し、外部熱交換器31で冷媒と耐圧殻の周囲の水との熱交換が行われることにより、発熱体が冷却される。【選択図】図1
Description
本発明は、水中ビークルに搭載される冷却システムに関する。
従来から、水中ビークルに搭載された発熱体(例えば、電池、インバータ、サーバーなどの電子機器)を、海水を利用して冷却する技術が知られている。図3は、水中ビークル101に搭載された従来の冷却システム102の一例を示すブロック図である。図3に示すように、従来の水中ビークル101は、海水を用いる冷凍機81と、冷凍機81で生成された冷水を用いて冷風を送り出すFCU85(ファンコイルユニット)とを、耐圧殻10の内部に備える。FCU85から送り出された冷風によって、耐圧殻10の内部に配置された発熱体20Aが空冷される。冷凍機81は、海水流路82と、冷水回路84と、海水流路82と冷水回路84の熱交換を仲介する冷凍回路83とを有する。
特許文献1は、上記のように海水を利用する冷凍装置を備えた潜水艦を開示する。この冷凍装置は、艦体内殻の内部に配置された凝縮器を含む冷凍回路と、凝縮器の水蓋と艦体内殻の外部に配置された冷却器とを含む密閉循環路とを備える。密閉循環路を自然循環式又は強制循環式で循環する冷却流体は、冷却器において海水で冷却されて、凝縮器の水蓋で冷凍回路を循環する冷媒と熱交換する。この冷凍装置では、凝縮器が海水によって間接的に冷却される。
水中ビークルに搭載される電子機器(例えば、電池、インバータ、サーバーなど)の高性能化に伴い、水中ビークル内の熱負荷の上昇が予想される。熱負荷の上昇に対応するため、水中ビークルに搭載される冷却システムの冷却能力の更なる向上が要求される。しかし、例えば、図3に示す従来の冷却システムで冷却能力を向上させる場合には、冷凍機81へ海水を送る海水ポンプ86の大型化、FCU85へ冷水を送る冷水ポンプ87の大型化、及び、FCU85の送風機の大型化などによって、システム全体の大型化や消費エネルギーの増加が伴う。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、水中ビークルに搭載される冷却システムにおいて、システムの大型化を抑制しつつ、冷却能力を向上させる技術を提案することにある。
本発明の一態様に係る水中ビークル用冷却システムは、
水中ビークルの耐圧殻の内部に配置された液浸槽、前記耐圧殻の外部に配置された外部熱交換器、前記液浸槽の槽出口と前記外部熱交換器の入口を接続する往路管、及び、前記外部熱交換器の出口と前記液浸槽の槽入口とを接続する復路管を有する密閉された冷媒循環路を備え、前記液浸槽内において発熱体を冷媒に浸し、前記外部熱交換器で前記冷媒と前記耐圧殻の周囲の水との熱交換が行われることにより、前記発熱体が冷却されるものである。
水中ビークルの耐圧殻の内部に配置された液浸槽、前記耐圧殻の外部に配置された外部熱交換器、前記液浸槽の槽出口と前記外部熱交換器の入口を接続する往路管、及び、前記外部熱交換器の出口と前記液浸槽の槽入口とを接続する復路管を有する密閉された冷媒循環路を備え、前記液浸槽内において発熱体を冷媒に浸し、前記外部熱交換器で前記冷媒と前記耐圧殻の周囲の水との熱交換が行われることにより、前記発熱体が冷却されるものである。
上記構成の水中ビークル用冷却システムによれば、発熱体が冷媒に浸す液浸透液冷方式により冷却されるうえ、冷媒が耐圧殻の周囲の水と直接的に熱交換される。液相の冷媒が発熱体に直接的に接触して熱を除去するため、従来の空冷方式と比較して、冷却能力が格段に向上する。また、冷却能力の向上により、発熱体の設置密度を高めることができ、システムの大型化を抑制することができる。
本発明によれば、水中ビークルに搭載される冷却システムにおいて、システムの大型化を抑制しつつ、冷却能力を向上させる技術を提案することができる。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る水中ビークル1に搭載された冷却システム2の全体的な構成を示すブロック図である。
図1に示す水中ビークル1は、水中及び水上を航走し、水圧に耐えるための耐圧殻10を有する。以下、耐圧殻10の内部を「ビークル内11」と表し、耐圧殻10の外部を「ビークル外12」と表す。なお、耐圧殻10が非耐圧構造の外殻と耐圧構造の内殻の二層からなる場合は、ビークル内11とは内殻の内部を表し、ビークル外12とは内殻の外部(内殻と外殻との間を含む)を表す。
水中ビークル1に搭載された冷却システム2は、ビークル内11に設けられた液浸槽21を備える。液浸槽21内には冷媒22が充填されている。液浸槽21の冷媒は、槽内下部においては液相であり、槽内上部においては気液二相(又は気相)である。液相の冷媒22に発熱体20が丸ごと沈められている。冷媒22としては、電源を含む電子機器を浸して稼働させることが可能な不活性液体が用いられる。
ビークル外12には、外部熱交換器31が設けられている。液浸槽21の頂部に設けられた槽出口21aと外部熱交換器31の入口とが往路管41で接続されている。液浸槽21の下部に設けられた槽入口21bと外部熱交換器31の出口とが復路管42で接続されている。水中ビークル1が深度一定で航走している姿勢、水中ビークル1が水上航走している姿勢、及び、水中ビークル1が停留している姿勢において、往路管41は復路管42よりも上方に位置する。
液浸槽21と外部熱交換器31とが往路管41及び復路管42で接続されることによって、液浸槽21と外部熱交換器31とを含む密閉された冷媒循環路4が形成されている。冷媒循環路4内は、大気圧である、又は、大気圧よりも減圧されている。冷媒系内で冷媒22の相変化が生じるように、冷媒循環路4内の真空度が調整されてよい。冷媒22の相変化で生じる潜熱を利用することにより、冷媒系内の熱輸送効率を更に向上させることができる。
外部熱交換器31は、耐圧殻10の周囲の水と冷媒循環路4を流れる冷媒22とを熱交換させることにより、冷媒22を冷却する。本実施形態では、水中ビークル1は海を航走し、耐圧殻10の周囲の水は海水である。但し、水中ビークル1が湖沼を航走する場合には、耐圧殻10の周囲の水は真水である。
液浸槽21の槽出口21aには、槽内流路切替弁23が設けられている。液浸槽21内の上部には、気液二相又は気相の冷媒22の出口である上部出口24が設けられている。上部出口24は配管等を介して槽内流路切替弁23と接続されている。また、液浸槽21内の下部には、液相の冷媒22の出口である下部出口25が設けられている。下部出口25と槽内流路切替弁23とは揚液管26で接続されており、揚液管26には冷媒22を圧送する揚液ポンプ27が設けられている。
槽内流路切替弁23は、ビークル内11に設けられた制御装置7の制御を受けて、槽出口21aと上部出口24とが接続された第1状態と、槽出口21aと下部出口25とが接続された第2状態とを、選択的に切り替える。
往路管41において、外部熱交換器31の直ぐ上流側には第1開閉弁43が設けられている。また、復路管42において、外部熱交換器31の直ぐ下流側には第2開閉弁44が設けられている。第1開閉弁43及び第2開閉弁44が開放されているとき、外部熱交換器31へ冷媒22が流れる。第1開閉弁43及び第2開閉弁44が閉止されているとき、外部熱交換器31へ冷媒22が流れない。第1開閉弁43及び第2開閉弁44は、制御装置7の制御を受けて、弁の開閉を切り替える。
往路管41には、消火流路55が接続されている。消火流路55には、消火用開閉弁56が設けられている。ビークル内11で火災が生じたときには、消火用開閉弁56が開放されて火災現場へ冷媒22が送られ、冷媒22が消火に利用される。
復路管42の内部熱交換路5との接続部よりも下流側には、強制循環経路48の上流端と下流端とが接続されている。強制循環経路48には、冷媒22を圧送する冷媒ポンプ47が設けられている。復路管42と強制循環経路48の上流端との接続部には、流路切替弁46が設けられている。流路切替弁46は、制御装置7の制御を受けて、復路管42を流れる冷媒22を強制循環経路48に流さない第1状態と、復路管42を流れる冷媒22を強制循環経路48に流す第2状態とに、選択的に切り替える。流路切替弁46の切り替えによって、冷媒循環路4を流れる冷媒22が強制循環経路48を経由する強制循環式と、冷媒循環路4を流れる冷媒22が強制循環経路48を経由しない自然循環式とが切り替わる。
冷媒循環路4には、往路管41を流れる冷媒22を外部熱交換器31を介さずに復路管42へ流す内部熱交換路5が接続されている。内部熱交換路5の上流端は往路管41と接続され、内部熱交換路5の下流端は復路管42と接続されている。内部熱交換路5の上流端と往路管41との接続部には、流量調整弁51が設けられている。流量調整弁51は、制御装置7の制御を受けて0〜100%の範囲で開度を変化させることにより、内部熱交換路5へ流れる冷媒の流量を調整する。
内部熱交換路5には、内部熱交換器6が設けられている。内部熱交換器6は、ビークル内11に設けられている。内部熱交換器6は、冷水回路84を流れる冷水と冷媒22とを熱交換させることにより、冷媒22を冷却する。冷水回路84を流れる冷水は、ビークル内11に設けられた冷凍機81によって冷却される。
海水を用いる冷凍機81と、冷凍機81で生成された冷水を用いて冷風を送り出すFCU85(ファンコイルユニット)とを、耐圧殻10の内部に備える。FCU85から送り出された冷風によって、耐圧殻10の内部に配置された発熱体20Aが空冷される。冷凍機81は、海水流路82と、冷水回路84と、海水流路82と冷水回路84の熱交換を仲介する冷凍回路83とを有する。海水流路82には、海水を圧送する海水ポンプ86が設けられている。冷水回路84には、冷水を強制的に循環させる冷水ポンプ87が設けられている。
海水流路82にはビークル外12から海水が取り込まれる。冷凍機81において、海水流路82を流れる海水と冷凍回路83を流れる冷媒との熱交換によって、冷媒が冷却される。暖められた海水は、ビークル外12へ排出される。また、冷凍機81において、冷却された冷媒と冷水回路84を流れる冷水との熱交換によって冷水が冷却される。つまり、冷凍機81は、海水を用いて冷水回路84を流れる冷水を間接的に冷却する。冷水回路84は、内部熱交換器6の他、ビークル内11に設けられたFCU(ファンコイルユニット)85を流れてもよい。FCU85から送り出された冷風によって、ビークル内11に配置された発熱体20Aが空冷される。
図2は、冷却システム2の制御系統の構成を示す図である。図1及び図2に示すように、制御装置7には、温度計75、及び、流量計76が有線又は無線で電気的に接続されており、これらの検出値を取得する。温度計75は、復路管42に設けられて、液浸槽21へ流入する冷媒22の温度である循環冷媒温度Tを検出する。本実施形態において、温度計75は復路管42において流路切替弁46の直ぐ上流側に設けられている。流量計76は、復路管42に設けられて、液浸槽21へ流入する冷媒22の流量である循環冷媒量Fを検出する。本実施形態において、流量計76は、復路管42において、液浸槽21の槽入口21bの直ぐ上流側に設けられている。
制御装置7は、槽内流路切替弁23、流量調整弁51、流路切替弁46、第1開閉弁43、及び、第2開閉弁44と電気的に接続されており、これらの弁の動作を制御する。制御装置7は、流量調整弁51の動作を制御する第1弁制御部71、流路切替弁46の動作を制御する第2弁制御部72、槽内流路切替弁23の動作を制御する第3弁制御部73としての機能を含む。また、制御装置7は、揚液ポンプ27、及び、冷媒ポンプ47と電気的に接続されており、これらのポンプの動作を制御する。
制御装置7は、いわゆるコンピュータであって、例えば、マイクロコントローラ、CPU、MPU、PLC、DSP、ASIC又はFPGA等の演算処理装置(プロセッサ)と、ROM、RAM等の揮発性及び不揮発性の記憶装置とを有する(いずれも図示せず)。記憶装置には、演算処理装置が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。制御装置では、記憶装置に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理装置が読み出して実行することにより、冷却システム2を運転するための処理が行われる。以下、制御装置7による冷却システム2の運転制御について説明する。
〔定常運転〕
先ず、冷却システム2の定常運転について説明する。定常運転において、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41と接続された第1状態にある。流量調整弁51は閉止されており、内部熱交換路5に冷媒22は流れない。流路切替弁46は、冷媒22を強制循環経路48に流さない第1状態にある。
先ず、冷却システム2の定常運転について説明する。定常運転において、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41と接続された第1状態にある。流量調整弁51は閉止されており、内部熱交換路5に冷媒22は流れない。流路切替弁46は、冷媒22を強制循環経路48に流さない第1状態にある。
定常運転時の冷却システム2では、液浸槽21において発熱体20によって温められた液相の冷媒22が沸騰して気泡が生じる。気液二相又は気相の冷媒22が上部出口24を通じて液浸槽21から往路管41へ流出する。往路管41を通じて外部熱交換器31へ流れた気相の冷媒22は、外部熱交換器31で海水により冷却されて、凝縮して液相となる。液相の冷媒22は、外部熱交換器31から復路管42へ流れ出て、槽入口21bから液浸槽21へ戻る。このように、定常運転時の冷却システム2では、冷媒22の相変化によって、冷媒22に密度の差が生じ、冷媒22が冷媒循環路4を自然循環する。つまり、定常運転時の冷却システム2では、二相自然循環ループが形成されている。
制御装置7は、温度計75で検出される循環冷媒温度Tと、流量計76で検出される循環冷媒量Fを常時監視している。なお、本実施形態において、循環冷媒温度Tは温度計75で検出するが、圧力計で検出された冷媒22の圧力や流量計で検出された冷媒22の流量に基づいて循環冷媒温度Tを間接的に検出してもよい。また、本実施形態において、循環冷媒量Fを流量計76で検出するが、温度計で検出された冷媒22の温度や圧力計で検出された冷媒22の圧力に基づいて循環冷媒量Fを間接的に検出してもよい。
耐圧殻10の周囲の海水温度は、水中ビークル1の深度によって変化する。このような海水温度の変化により、外部熱交換器31の熱交換能力が変動する。また、水中ビークル1は、水中だけではなく、水上を航走することがある。水上航走時に、外部熱交換器31が海水に浸からなくなると、海水を利用した外部熱交換器31を利用することができない。このように、海水温の上昇、外部熱交換器31の故障、水上航走などの原因によって、外部熱交換器31の熱交換能力が低下することがある。外部熱交換器31の熱交換能力の低下は、循環冷媒温度Tに基づいて推定することができる。また、発熱体20の熱負荷の上昇時には、冷媒22の自然循環では、冷却能力が不足することがある。冷却システム2の冷却能力の不足は、循環冷媒量Fに基づいて推定することができる。
制御装置7は、循環冷媒温度Tに基づいて外部熱交換器31の熱交換能力の不足を検知し、内部熱交換路5へ冷媒が流れるように流量調整弁51を制御する。また、制御装置7は、循環冷媒量Fに基づいて発熱体20の熱負荷に対する冷却能力の不足を検知し、強制循環経路48へ冷媒が流れるように流路切替弁46を制御する。制御装置7は、検出された循環冷媒温度Tと循環冷媒量Fとの組み合わせに応じて、以下に説明するように、運転方法を切り替える。
表1に示すように、循環冷媒温度Tが所定の温度閾値T0以下であり、且つ、循環冷媒量Fが所定の流量閾値F0以上である場合には、制御装置7は冷却システム2の定常運転を行う。循環冷媒温度Tが温度閾値T0を上回り、且つ、循環冷媒量Fが流量閾値F0以上である場合には、制御装置7は冷却システム2の「熱交併用運転」を行う。循環冷媒温度Tが温度閾値T0以下であり、且つ、循環冷媒量Fが流量閾値F0未満である場合には、制御装置7は冷却システム2の「強制循環運転」を行う。循環冷媒温度Tが温度閾値T0を上回り、且つ、循環冷媒量Fが流量閾値F0未満である場合には、制御装置7は冷却システム2の「強制循環・熱交併用運転」を行う。
〔熱交併用運転〕
熱交併用運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第1状態にあり、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41と接続されている。流量調整弁51は開放されており、冷媒22は内部熱交換路5を流れる。流量調整弁51によって、内部熱交換路5を流れる冷媒22の流量が調整されてもよい。流路切替弁46は第1状態にあり、冷媒22は強制循環経路48を流れない。
熱交併用運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第1状態にあり、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41と接続されている。流量調整弁51は開放されており、冷媒22は内部熱交換路5を流れる。流量調整弁51によって、内部熱交換路5を流れる冷媒22の流量が調整されてもよい。流路切替弁46は第1状態にあり、冷媒22は強制循環経路48を流れない。
熱交併用運転の冷却システム2では、液浸槽21において発熱体20によって温められた液相の冷媒22は蒸発して気液二相(又は気相)となり、上部出口24を通じて液浸槽21から往路管41へ流出する。往路管41へ流れ出た冷媒22の一部は、外部熱交換器31で海水により冷却されて、凝縮して液相となって復路管42へ流入する。往路管41へ流れ出た冷媒22の残部は、内部熱交換路5を通って内部熱交換器6で冷水により冷却されて、凝縮して液相となって復路管42へ流入する。復路管42へ流入した冷媒22は、槽入口21bから液浸槽21へ戻る。このように、熱交併用運転の冷却システム2では、冷媒22の相変化によって、冷媒22が内部熱交換路5を含む冷媒循環路4を自然循環する。
熱交併用運転では、原則として外部熱交換器31と内部熱交換器6とが併用されるが、内部熱交換器6のみが使用されてもよい。この場合、上記の熱交併用運転の冷却システム2において、第1開閉弁43及び第2開閉弁44が閉止される。
〔強制循環運転〕
強制循環運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第1状態にあり、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41とが接続されている。流量調整弁51は閉止されており、冷媒22は内部熱交換路5を流れない。流路切替弁46は第2状態にあり、冷媒ポンプ47が稼働されて、冷媒22は強制循環経路48を流れる。
強制循環運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第1状態にあり、上部出口24が槽出口21aを介して往路管41とが接続されている。流量調整弁51は閉止されており、冷媒22は内部熱交換路5を流れない。流路切替弁46は第2状態にあり、冷媒ポンプ47が稼働されて、冷媒22は強制循環経路48を流れる。
強制循環運転の冷却システム2では、液浸槽21において発熱体20によって温められた液相の冷媒22は蒸発して気相となり、気液二相(又は気相)の冷媒22は上部出口24を通じて液浸槽21から往路管41へ流出する。往路管41へ流れ出た冷媒22は、外部熱交換器31で海水により冷却されて、凝縮して液相となって復路管42へ流入する。復路管42へ流入した冷媒22は、強制循環経路48を経由して、槽入口21bから液浸槽21へ戻る。このように、熱交併用運転の冷却システム2では、冷媒ポンプ47の稼働により、冷媒22が強制的に循環させられる。
強制循環運転の冷却システム2において、液相(又は、気液二相)の冷媒22を循環させてもよい。この場合、上記強制循環運転の冷却システム2において、槽内流路切替弁23は第2状態にあり、下部出口25が槽出口21aを介して往路管41と接続され、揚液ポンプ27が稼働される。
このような強制循環運転の冷却システム2では、液浸槽21において発熱体20によって温められた液相の冷媒22は、下部出口25を通じて液浸槽21から往路管41へ圧送される。往路管41へ流れ出た冷媒22は、外部熱交換器31で海水により冷却されて、復路管42へ流入する。復路管42へ流入した冷媒22は、強制循環経路48を経由して、槽入口21bから液浸槽21へ戻る。このように、熱交併用運転の冷却システム2では、揚液ポンプ27及び冷媒ポンプ47の稼働により、液相(又は、気液二相)の冷媒22が強制的に循環させられる。
〔強制循環・熱交併用運転〕
強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第2状態にあり、下部出口25が槽出口21aを介して往路管41と接続されて、揚液ポンプ27が稼働される。流量調整弁51は開放されており、冷媒22は内部熱交換路5及び内部熱交換器6を流れる。流量調整弁51によって、内部熱交換路5を流れる冷媒22の流量が調整されてもよい。流路切替弁46は第2状態にあり、冷媒ポンプ47が稼働され、冷媒22が強制循環経路48を流れる。
強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、第1開閉弁43及び第2開閉弁44は開放されて、冷媒22は外部熱交換器31を流れる。槽内流路切替弁23は第2状態にあり、下部出口25が槽出口21aを介して往路管41と接続されて、揚液ポンプ27が稼働される。流量調整弁51は開放されており、冷媒22は内部熱交換路5及び内部熱交換器6を流れる。流量調整弁51によって、内部熱交換路5を流れる冷媒22の流量が調整されてもよい。流路切替弁46は第2状態にあり、冷媒ポンプ47が稼働され、冷媒22が強制循環経路48を流れる。
強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、液浸槽21において発熱体20によって温められた液相(又は、気液二相)の冷媒22は、下部出口25を通じて液浸槽21から往路管41へ圧送される。往路管41へ流れ出た冷媒22の一部は、外部熱交換器31で海水により冷却されて、復路管42へ流入する。往路管41へ流れ出た冷媒22の残部は、内部熱交換路5を通って内部熱交換器6で冷水により冷却されて、復路管42へ流入する。復路管42へ流入した冷媒22は、強制循環経路48を経由して、槽入口21bから液浸槽21へ戻る。このように、強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、揚液ポンプ27及び冷媒ポンプ47の稼働により、液相(又は、気液二相)の冷媒22が強制的に循環させられる。そのうえ、強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、冷媒22の冷却に外部熱交換器31と内部熱交換器6とが併用される。これにより、強制循環・熱交併用運転の冷却システム2では、冷却システム2の冷却能力が定常運転時と比較して大幅に増幅される。
以上に説明したように、本実施形態に係る水中ビークル用冷却システム2は、水中ビークル1の耐圧殻10の内部に配置された液浸槽21、耐圧殻10の外部に配置された外部熱交換器31、液浸槽21の槽出口21aと外部熱交換器31の入口を接続する往路管41、及び、外部熱交換器31の出口と液浸槽21の槽入口21bとを接続する復路管42を有する密閉された冷媒循環路4を備える。そして、液浸槽21内において発熱体20を冷媒22に浸し、外部熱交換器31で冷媒22と耐圧殻10の周囲の水との熱交換が行われることにより、発熱体20が冷却される。
上記構成の水中ビークル用冷却システム2によれば、冷媒22に浸す液浸透液冷方式により発熱体20が冷却されるうえ、冷媒22が耐圧殻10の周囲の水と直接的に熱交換される。液相の冷媒22が発熱体に直接的に接触して熱を除去するため、従来の空冷方式と比較して、冷却能力が格段に向上する。また、冷却能力の向上により、発熱体20の設置密度を高めることができ、システムの大型化を抑制することができる。また、冷却システム2は、空冷式と比較して静音であり、閉じられた空間であるビークル内11での発熱体20の冷却に好適である。
また、本実施形態に係る水中ビークル1は、耐圧殻10の内部に配置された内部熱交換器6を含み、上流端及び下流端が冷媒循環路4に接続され、内部熱交換器6を通って冷媒を流す内部熱交換路5と、冷媒循環路4と内部熱交換路5との接続部に設けられた流量調整弁51とを、更に備える。
これにより、外部熱交換器31の熱交換能力が低下したときには、外部熱交換器31と内部熱交換路5とを併用する、又は、熱交換器を外部熱交換器31から内部熱交換路5へ切り替えることにより、冷却システム2の冷却性能を維持することができる。
上記において、内部熱交換路5は、外部熱交換器31をバイパスして、往路管41から内部熱交換器6を通って復路管42へ冷媒22を流すものであってよい。
これにより、外部熱交換器31の熱交換能力が低下したときには、冷媒22を冷却するための熱交換器を外部熱交換器31から内部熱交換路5へ切り替えて、冷却システム2の冷却性能を維持することができる。
上記冷却システム2が、冷媒循環路4の循環冷媒温度Tを検出する第1検出器(例えば、温度計75)と、循環冷媒温度Tに基づいて外部熱交換器31の熱交換能力の不足を検知し、内部熱交換路5へ冷媒が流れるように流量調整弁51を制御する第1弁制御部71とを、更に備えてもよい。
これにより、外部熱交換器31の熱交換能力が低下したときに、自動的に冷媒22が内部熱交換路5を流れるように切り替わり、熱交換能力が低下を補うことができる。
また、本実施形態に係る冷却システム2は、冷媒22を圧送する冷媒ポンプ47を含み、上流端及び下流端が冷媒循環路4に接続された強制循環経路48と、強制循環経路48の上流端と冷媒循環路4との接続部に設けられた流路切替弁46とを、更に備える。
これにより、冷却システム2の冷却能力が不足する際には、冷媒22を強制的に循環させて、冷却能力を増幅させることができる。
上記冷却システム2が、冷媒循環路4の循環冷媒量Fを検出する第2検出器(例えば、流量計76)と、循環冷媒量Fに基づいて発熱体20の熱負荷に対する冷却能力の不足を検知し、強制循環経路48へ冷媒が流れるように流路切替弁46を制御する第2弁制御部72とを、更に備えてよい。
これにより、冷却システム2の冷却能力が不足する際には、自動的に冷媒22を強制的に循環させて、冷却能力を増幅させることができる。
また、本実施形態に係る冷却システム2において、液浸槽21が、槽内上部に設けられた上部出口24と、槽内下部に設けられた下部出口25と、上部出口24及び下部出口25を液浸槽21の槽出口21aと選択的に接続する槽内流路切替弁23とを、更に有する。
これにより、冷媒循環路4から往路管41へ気相の冷媒22が流出する状態(第1状態)と、液相(又は、気液二相)の冷媒22が流出する状態(第2状態)とを切り替えることができる。第1状態では、冷媒22の相変化を利用して冷媒22が冷媒循環路4を自然循環するので、冷媒22を強制的に循環させるためのエネルギーが不要となる。また、第2状態では、冷媒循環路4に液相(又は、気液二相)の冷媒22を循環させることができるので、冷却システム2の冷却能力をより高めることができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び/又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。
1 :水中ビークル
2 :冷却システム
4 :循環路
5 :内部熱交換路
6 :内部熱交換器
7 :制御装置
10 :耐圧殻
11 :ビークル内
12 :ビークル外
20,20A:発熱体
21 :液浸槽
21a :槽出口
21b :槽入口
22 :冷媒
23 :槽内流路切替弁
24 :上部出口
25 :下部出口
26 :揚液管
27 :揚液ポンプ
31 :外部熱交換器
41 :往路管
42 :復路管
43 :第1開閉弁
44 :第2開閉弁
46 :流路切替弁
47 :冷媒ポンプ
48 :強制循環経路
51 :流量調整弁
55 :消火流路
56 :消火用開閉弁
71 :演算処理装置
72 :記憶装置
75 :温度計
76 :流量計
81 :冷凍機
82 :海水流路
83 :冷凍回路
84 :冷水回路
85 :FCU
86 :海水ポンプ
87 :冷水ポンプ
F :循環冷媒量
F0 :流量閾値
T :循環冷媒温度
T0 :温度閾値
2 :冷却システム
4 :循環路
5 :内部熱交換路
6 :内部熱交換器
7 :制御装置
10 :耐圧殻
11 :ビークル内
12 :ビークル外
20,20A:発熱体
21 :液浸槽
21a :槽出口
21b :槽入口
22 :冷媒
23 :槽内流路切替弁
24 :上部出口
25 :下部出口
26 :揚液管
27 :揚液ポンプ
31 :外部熱交換器
41 :往路管
42 :復路管
43 :第1開閉弁
44 :第2開閉弁
46 :流路切替弁
47 :冷媒ポンプ
48 :強制循環経路
51 :流量調整弁
55 :消火流路
56 :消火用開閉弁
71 :演算処理装置
72 :記憶装置
75 :温度計
76 :流量計
81 :冷凍機
82 :海水流路
83 :冷凍回路
84 :冷水回路
85 :FCU
86 :海水ポンプ
87 :冷水ポンプ
F :循環冷媒量
F0 :流量閾値
T :循環冷媒温度
T0 :温度閾値
Claims (7)
- 水中ビークルの耐圧殻の内部に配置された液浸槽、前記耐圧殻の外部に配置された外部熱交換器、前記液浸槽の槽出口と前記外部熱交換器の入口とを接続する往路管、及び、前記外部熱交換器の出口と前記液浸槽の槽入口とを接続する復路管を有する密閉された冷媒循環路を備え、
前記液浸槽内において発熱体を冷媒に浸し、前記外部熱交換器で前記冷媒と前記耐圧殻の周囲の水との熱交換が行われることにより、前記発熱体が冷却される、
水中ビークル用冷却システム。 - 前記耐圧殻の内部に配置された内部熱交換器を含み、上流端及び下流端が前記冷媒循環路に接続され、前記内部熱交換器を通って前記冷媒を流す内部熱交換路と、
前記冷媒循環路と前記内部熱交換路との接続部に設けられた流量調整弁とを、更に備える、
請求項1に記載の水中ビークル用冷却システム。 - 前記内部熱交換路は、前記外部熱交換器をバイパスして、前記往路管から前記内部熱交換器を通って前記復路管へ前記冷媒を流すことを特徴とする、
請求項2に記載の水中ビークル用冷却システム。 - 前記冷媒循環路の循環冷媒温度を検出する第1検出器と、
前記循環冷媒温度に基づいて前記外部熱交換器の熱交換能力の不足を検知し、前記内部熱交換路へ前記冷媒が流れるように前記流量調整弁を制御する第1弁制御部とを、更に備える、
請求項2〜3のいずれか一項に記載の水中ビークル用冷却システム。 - 前記冷媒を圧送する冷媒ポンプを含み、上流端及び下流端が前記冷媒循環路に接続された強制循環経路と、
前記強制循環経路の前記上流端と前記冷媒循環路との接続部に設けられた流路切替弁とを、更に備える、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の水中ビークル用冷却システム。 - 前記冷媒循環路の循環冷媒量を検出する第2検出器と、
前記循環冷媒量に基づいて前記発熱体の熱負荷に対する冷却能力の不足を検知し、前記強制循環経路へ前記冷媒が流れるように前記流路切替弁を制御する第2弁制御部とを、更に備える、
請求項5に記載の水中ビークル用冷却システム。 - 前記液浸槽が、槽内上部に設けられた上部出口と、槽内下部に設けられた下部出口と、前記上部出口及び前記下部出口を前記液浸槽の前記槽出口と選択的に接続する槽内流路切替弁とを、更に有する、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の水中ビークル用冷却システム。
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