JP2022062430A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】急激な温度変化があっても冷却能力を低下させにくい冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１０は、凝縮器１２と、蒸発器１４と、前記凝縮器１２から蒸発器１４に冷媒を送るための第１配管１６と、前記蒸発器１４から凝縮器１２に冷媒を送るための第２配管１８と、液体または気液二相の冷媒が溜められるタンク２０と、冷媒を蒸発器１４に向けて送り出すポンプ２２と、前記凝縮器１２と並列に設けられた第３配管２４と、前記凝縮器１２と第３配管２４を選択するバルブと、冷媒の温度を計測する温度計３０と、冷媒の圧力を計測する圧力計３２と、前記温度計３０で計測された温度と圧力計３２で計測された圧力から前記バルブを制御する制御装置３４とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関するものである。

従来、冷媒を循環して被冷却物を冷却する冷却装置が開発されている。たとえば、下記の特許文献１は蒸発器、凝縮器、ポンプ（冷媒駆動部）およびタンク（冷媒貯蔵部）を備えた冷却装置が開示されている。液体の冷媒が蒸発器で気化され、その際の気化熱によって被冷却物が冷却される。その際、冷媒は気体と液体が混ざった気液二相になる。気体の冷媒は凝縮器に送られ、液体の冷媒はタンクに送られることが特許文献１に記載されている。

ＷＯ２０１８／０５６２０１

たとえば冷却装置が航空機に使用されているとする。航空機が高度を変更すると、外気温が急激に変化する場合がある。冷却装置の周辺温度が急激に低下し、凝縮器以外の場所で冷媒が凝縮されたり、凝縮器で想定以上に冷媒が凝縮されたりするおそれがある。このときタンクの冷媒の圧力が低下することでポンプに供給される冷媒の圧力が低下する。そしてポンプの入り口で冷媒に気泡が発生して冷媒を循環させることができず、冷却能力が低下するおそれがある。

そこで本発明の目的は、急激な温度変化があっても冷却能力を低下させにくい冷却装置を提供することにある。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る冷却装置は、以下に述べるような構成を有する。

本発明の冷却装置は、気体の冷媒を凝縮させる凝縮器と、液体の冷媒を気化させる蒸発器と、前記凝縮器から蒸発器に冷媒を送るための第１配管と、前記蒸発器から凝縮器に冷媒を送るための第２配管と、前記第１配管の途中に設けられ、液体または気液二相の冷媒が溜められるタンクと、前記第１配管の途中に設けられ、液体の冷媒を蒸発器に向けて送り出すポンプと、前記凝縮器と並列に設けられた第３配管と、前記凝縮器と第３配管を選択するバルブと、前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の温度を計測する温度計と、前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の圧力を計測する圧力計と、前記温度計で計測された温度と圧力計で計測された圧力からバルブを制御する制御装置とを含む。

本発明によれば、凝縮器と並列に第３配管を設けたことで、第３配管を介して冷媒をタンクに送ることができる。冷媒の圧力が低下したときに第３配管を介して気液二相の冷媒をタンクに送り、冷媒の圧力の更なる低下を防ぐことができる。これにより冷却装置は、冷却能力を維持できる。

本発明の冷却装置の構成を示す図である。 冷媒の温度と圧力による飽和曲線を示すグラフである。

本発明の冷却装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示す冷却装置１０は、凝縮器（コンデンサ）１２、蒸発器（エバポレータ）１４、第１配管１６、第２配管１８、タンク２０およびポンプ２２を備える。

凝縮器１２は冷媒を気体から液体に凝縮させる装置である。この気体は気液二相の冷媒の気体部分を含む。冷媒の熱を凝縮器１２から排熱することで冷媒を凝縮させる。たとえば凝縮器１２は、冷媒が流れる配管およびその配管に取り付けられたフィンを備える。蒸発器１４は冷媒を液体から気体に気化させる装置である。なお、冷媒が液体から完全な気体にならず、気液二相になる場合も含む。蒸発器１４の中で冷媒が気化することで、蒸発器１４の周囲から熱を吸収する。たとえば蒸発器１４は冷媒が流れる配管およびその配管に取り付けられたフィンを備える。凝縮器１２と蒸発器１４はそれぞれファンを備え、熱交換されやすくしてもよい。

第１配管１６は凝縮器１２の出口と蒸発器１４の入口をつなぐ配管である。冷媒が第１配管１６を通って凝縮器１２から蒸発器１４に送られる。蒸発器１４に送られる冷媒は液体である。第２配管１８は蒸発器１４の出口と凝縮器１２の入口をつなぐ配管である。冷媒が第２配管１８を通って蒸発器１４から凝縮器１２に送られる。凝縮器１２に送られる冷媒は気体または気液二相になっている。なお、冷却装置１０の運転開始時の冷媒は液体であるため、液体の冷媒が凝縮器１２に送られる場合もある。

タンク２０は第１配管１６の途中に設けられている。タンク２０は液体または気液二相になった冷媒を溜める。気液二相の冷媒はタンク２０の中で液体と気体に分離される。タンク２０の下部からポンプ２２に冷媒を供給すれば、ポンプ２２に液体の冷媒を送ることができる。ポンプ２２は第１配管１６の途中に設けられている。ポンプ２２はタンク２０に溜められた液体の冷媒を蒸発器１４に送り、冷媒を循環させる。冷媒は凝縮器１２と蒸発器１４を循環させられる。ポンプ２２はダイアフラム式ポンプ、ソレノイド式ポンプまたは翼車式ポンプなどである。

さらに本願の冷却装置１０は、第３配管２４、第１バルブ２６、第２バルブ２８、温度計３０、圧力計３２、制御装置３４を備える。

第３配管２４は凝縮器１２と並列に設けられている。第３配管２４の一端は第２配管１８に接続され、第３配管２４の他端は第１配管１６における凝縮器１２とタンク２０の間に接続される。また、第３配管２４の他端はタンク２０につなげられてもよい。第２配管１８における第３配管２４との分岐部分よりも凝縮器１２の側に第１バルブ２６が配置される。第３配管２４に第２バルブ２８が配置される。第１バルブ２６が開けられ、第２バルブ２８が閉じれば、冷媒は凝縮器１２に供給される。第２バルブ２８が開けられ、第１バルブ２６が閉じれば、冷媒は第３配管２４を通過する。

温度計３０はタンク２０に溜められた冷媒の温度を計測する。圧力計３２はタンク２０に溜められた冷媒の圧力を計測する。計測された値は制御装置３４に入力される。なお、温度計３０および圧力計３２は第１配管１６におけるタンク２０とポンプ２２の間を流れる冷媒の温度および圧力を計測してもよい。

制御装置３４は第１バルブ２６と第２バルブ２８の開閉を制御するための装置である。制御装置３４はＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などの演算回路を備える。制御装置３４は冷媒の温度と圧力から第１バルブ２６と第２バルブ２８の開閉を判断し、第１バルブ２６と第２バルブ２８に開閉指示の信号を送信する。制御装置３４がおこなう各バルブ２６、２８の開閉判断について以下に説明する。

図２に冷媒の温度と圧力に関する飽和曲線Ａを示す。飽和曲線Aは冷媒が液体から気体に相変化するときの温度に対する圧力を示す曲線である。ある温度において、飽和曲線Ａよりも圧力が高ければ冷媒は液体であり、低ければ冷媒は気体である。凝縮器１２の中で冷媒は気体から液体に凝縮される。従来技術で説明したように、冷媒の圧力が下がって飽和曲線Ａに近づくと、ポンプ２２の入口で冷媒に気泡が発生する。ポンプ２２で吐出される冷媒の量が減少し、冷却装置１０の冷却能力が低下する。そのため、ポンプ２２入口の冷媒の圧力は飽和曲線Ａよりも上にある必要がある。

ポンプ２２で吐出される冷媒の量が減少しても、蒸発器１４で気体になる冷媒の量は変わらないが、蒸発器１４出口に占める冷媒の気体と液体の割合で気体の割合が高くなる。第２配管１８を流れる冷媒は気液二相である。この気液二相の冷媒が第３配管２４を通ってタンク２０に入ることで、第３配管２４を通らない場合に比べて冷媒の圧力が上昇する。凝縮器から排熱されないため全体的に温度が上がり冷却能力が低下するが、このように第３配管２４を冷媒が通るのは冷却装置１０の周囲温度が急激に低下した時であり、被冷却物の冷却に支障はでない。

制御装置３４が演算するために利用する記憶装置３６を備える。記憶装置３６は飽和曲線Ａよりも各温度で圧力を一定値高くした値Ｂを記憶しておく。制御装置３４は記憶装置３６に記憶された値Ｂ以上であれば第１バルブ２６を開け、第２バルブ２８を閉じるようにする。この場合、冷媒が凝縮器１２を流れるように選択されており、冷媒は凝縮器１２で凝縮された後、タンク２０に送られる。記憶装置３６に記憶された値未満であれば第１バルブ２６を閉じ、第２バルブ２８を開ける。この場合、冷媒は第３配管２４を流れるように選択されており、冷媒は第３配管２４を通してタンク２０に送られる。

飽和曲線Ａよりも高い圧力値Ｂはポンプ２２の入口で気泡が発生して吐出量が減少しない下限値である。本願が飽和曲線Ａよりも各温度で圧力を一定値高くした値Ｂを利用するのは、ポンプ２２で冷媒の吐出量が低下してからバルブ２６、２８の開閉を切り替えるのではなく、ポンプ２２で冷媒の吐出量が低下する前にバルブ２６，２８の開閉を切り替えることにより、ポンプ２２入口の冷媒の圧力が下がることを防ぐためである。ポンプ２２における冷媒の吐出量が低下することを防止でき、冷却装置１０の冷却能力を維持できる。記憶装置３６に記憶する飽和曲線Ａよりも高い圧力値Ｂは、ポンプ２２によって異ならせてもよい。ポンプ２２によって冷媒の圧力・温度と吐出量の関係が異なるからである。ポンプ２２の吐出能力に合わせて飽和曲線Ａよりも高い圧力値Ｂを設定する。

次に冷却装置１０を用いた冷却方法について説明する。（１）ポンプ２２がタンク２０に溜められた液体の冷媒を蒸発器１４に送る。

（２）蒸発器１４で冷媒が液体から気体に蒸発する。その際の気化熱によって被冷却物が冷却される。その際、すべての冷媒が液体からすべて気体にならず、気液二相になる場合を含む。

（３）タンク２０に溜められた冷媒の温度および圧力が温度計３０および圧力計３２で測定される。温度と圧力は常時測定されてもよいし、所定のタイミングで測定されてもよい。測定された温度における圧力は制御装置３４に入力される。

（４－１）測定された温度における圧力が飽和曲線Ａよりも高い圧力値Ｂ以上であれば制御装置３４は第１バルブ２６を開け、第２バルブ２８を閉じる。冷媒は凝縮器１２に送られる。凝縮器１２で冷媒が冷却され、気体の冷媒が凝縮されて液体になる。気体の冷媒の中には、気液二相の冷媒の気体部分を含む。

（４－２）測定された温度における圧力が飽和曲線Ａよりも高い圧力値Ｂ未満であれば制御装置３４は第１バルブ２６を閉じ、第２バルブ２８を開ける。冷媒は第３配管２４を流れる。このとき第３配管２４を流れる冷媒は気液二相である。

（５）液体になった冷媒または気液二相の冷媒はタンク２０に溜められ、再びポンプ２２によって蒸発器１４に送られる。気液二相の冷媒は、タンク２０に溜められたとき、タンク２０の下部に液体の冷媒が溜められ、上部に気体の冷媒が溜められる。タンク２０の下部からポンプ２２に液体の冷媒が送られ、ポンプ２２は液体の冷媒を蒸発器１４に送る。

以上のように、本願はポンプ２２入口の冷媒の圧力が低くなり、ポンプ２２の冷媒の吐出量が低下することを防止できる。たとえば、本願の冷却装置１０が航空機などに使用され、冷却装置１０の周囲の温度が急激に変化して凝縮器以外の場所で冷媒が凝縮されたり、凝縮器で想定以上に冷媒が凝縮されても、ポンプ２２入口の冷媒圧力が低下せず、ポンプ２２の冷媒の吐出量を低下しにくい。冷却装置１０は冷媒を循環させることができ、冷却能力が低下しにくい。

以上、本発明の実施形態を上述したが本発明は上記実施形態に限定されない。たとえば、第１バルブ２６と第２バルブ２８の代わりに、第２配管１８と第３配管２８の分岐部分に３方バルブを設けてもよい。３方バルブによって凝縮器１２と第３配管２８を選択し、選択された方を冷媒が流れる。凝縮器１２と第３配管２８の選択方法は上記実施形態と同じである。

（第１項）一態様に係る冷却装置は、気体の冷媒を凝縮させる凝縮器と、液体の冷媒を気化させる蒸発器と、前記凝縮器から蒸発器に冷媒を送るための第１配管と、前記蒸発器から凝縮器に冷媒を送るための第２配管と、前記第１配管の途中に設けられ、液体または気液二相の冷媒が溜められるタンクと、前記第１配管の途中に設けられ、液体の冷媒を蒸発器に向けて送り出すポンプと、前記凝縮器と並列に設けられた第３配管と、前記凝縮器と第３配管を選択するバルブと、前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の温度を計測する温度計と、前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の圧力を計測する圧力計と、前記温度計で計測された温度と圧力計で計測された圧力から前記バルブを制御する制御装置とを含む。

第１項に記載の冷却装置によれば、タンクに溜められた冷媒の温度と圧力に応じて凝縮器と第３配管を選択する。冷媒の圧力が低下したときに第３配管を選択することで、冷媒の圧力の低下を防ぐことができ、冷却能力を維持することができる。

（第２項）前記制御装置は前記バルブを制御することで、計測された温度における圧力が所定値以上であれば凝縮器に冷媒が送られるように制御し、所定値未満であれば第３配管に冷媒が送られるように制御する。

第２項に記載の冷却装置によれば、所定値を基準として冷媒の送られる方向を制御する。冷媒の圧力に応じて凝縮器と第３配管が選択され、冷媒の圧力を適宜保つことができる。

（第３項）前記所定値が、冷媒の飽和曲線よりも高い圧力である。

第３項に記載の冷却装置によれば、飽和曲線よりも高い温度を閾値として第１バルブと第２バルブの開閉を制御している。ポンプに供給される冷媒の圧力の低下を未然に防ぐことができる。ポンプで吐出される冷媒の循環を維持できる。

（第４項）前記冷媒の飽和曲線よりも高い圧力はポンプによって異なる。

第４項に記載の冷却装置によれば、ポンプによって吐出力が異なり、ポンプによって第１バルブと第２バルブの開閉を適宜設定することで、ポンプの吐出力を適切に保つことができる。

（第５項）前記バルブが第２配管に設けられた第１バルブと第３配管に設けられた第２バルブ、または第２配管と第３配管の分岐部分に設けられた３方向バルブを含む。

第５項に記載の冷却装置によれば、凝縮器と第３配管の選択は簡単な構成でおこなっている。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：冷却装置
１２：凝縮器
１４：蒸発器
１６：第１配管
１８：第２配管
２０：タンク
２２：ポンプ
２４：第３配管
２６：第１バルブ
２８：第２バルブ
３０：温度計
３２：圧力計
３４：制御装置
３６：記憶装置

Claims (5)

1. 気体の冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   液体の冷媒を気化させる蒸発器と、
   前記凝縮器から蒸発器に冷媒を送るための第１配管と、
   前記蒸発器から凝縮器に冷媒を送るための第２配管と、
   前記第１配管の途中に設けられ、液体または気液二相の冷媒が溜められるタンクと、
   前記第１配管の途中に設けられ、液体の冷媒を蒸発器に向けて送り出すポンプと、
   前記凝縮器と並列に設けられた第３配管と、
   前記凝縮器と第３配管を選択するバルブと、
   前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の温度を計測する温度計と、
   前記タンクまたは第１配管におけるタンクとポンプの間の冷媒の圧力を計測する圧力計と、
   前記温度計で計測された温度と圧力計で計測された圧力からバルブを制御する制御装置と、
   を含む冷却装置。
2. 前記制御装置は前記バルブを制御することで、計測された温度における圧力が所定値以上であれば凝縮器に冷媒が送られるように制御し、所定値未満であれば第３配管に冷媒が送られるように制御する請求項１の冷却装置。
3. 前記所定値が、冷媒の飽和曲線よりも高い圧力である請求項２の冷却装置。
4. 前記冷媒の飽和曲線よりも高い圧力はポンプによって異なる請求項３の冷却装置。
5. 前記バルブが第２配管に設けられた第１バルブと第３配管に設けられた第２バルブ、または第２配管と第３配管の分岐部分に設けられた３方向バルブを含む請求項１から４のいずれかの冷却装置。

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