JP2567945B2 - 個別冷却システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、ビル等の各階に設置されているOA機器等の
発熱機器類、又はこれ等の発熱機器と間仕切の近傍と
を、それぞれ個別に冷却するための個別冷却システムに
関するものである。

「従来の技術」 最近、インテリジェントビル等のように、ビル内で
は、24時間稼動の情報機器やOA機器等の発熱機器類が室
内に多く点在するようになり、これ等の機器類の常時発
熱によって、一般的な室内冷房ないし空調のみでは、こ
れ等の機器類の正常な稼動のために必要な室温を満足し
なくなる傾向にある。

しかも、これ等の機器類は、多くの場合間仕切（パー
ティション）によって仕切られた部分に設置されている
ので、室内の各部の温度差が大きくなる傾向にあり、同
時に、そこに働く個人の体感温度に適した空調を行なう
パーソナル空調方式が求められるようになりつつある。

このような要請に応えるものとして、例えば特開昭64
−28425号公報で開示されているように、天井面を形成
する床スラブの下面に水平ダクトを設置し、内部で空気
連通する複数の分岐ボックスを前記水平ダクトに接続
し、この分岐ボックスからフレキシブルダクトを介して
個別送風用柱体を接続した個別送風式空調装置が提案さ
れている。

前記個別送風用柱体は、鉛直方向に延伸しかつその水
平断面形状がほぼ二等辺三角形である中空フレームと、
前面に空気吹出口を有して前記中空フレーム内部を鉛直
方向に延伸する空気ダクトとを備えており、この個別送
風用柱体を、例えば間仕切（パーティション）の隅角に
設置し、前記空気吹出口から空気を吹出して、当該間仕
切内を個別に空調するようになっている。

しかしながら、従来OA機器類の発熱機器や間仕切の周
辺を個別に冷却するシステムは提案されていない。

「発明が解決しようとする課題」 前述の従来の個別空調装置によると、フロアに間仕切
が設置されていないケースでは、個別送風用柱体を取付
けるため、間仕切に代る特別な部材の設置を必要とす
る。

また、送風式空調であるため、天井の下方空間に大容
量の水平ダクトを設置しなければならないので、設置の
コストが高くなるほか、この水平ダクトや個別送風用柱
体ごとに設ける分岐ボックスにより、天井の下方空間が
雑然として室内環境（美観）を大きく損なう。

本発明の目的は、前述のような問題を解決するための
個別冷却システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、分離形のヒートパイプ冷却方式
を採用して、発熱機器類や間仕切等における被冷却部位
の床面からの高さがそれぞれ異なる場合にも、作動液の
液面を同一に保ちつつ充分に蒸発機能を発揮する個別冷
却システムを提供することにある。

「課題を解決するための手段」 本発明に係る個別冷却システムは、前述の目的を達成
するために、同一の階に設置されている全部又は一部の
発熱機器毎に冷却ユニットを設置し、この冷却ユニット
を、作動液の液位を含む蒸発部分が外管とこの外管内に
狭い流通間隙を介して挿入された状態の内管とを備えて
いて、所定の間隔で直立状又は急傾斜状に配置され、上
下端部を上部ヘッダー管と下部ヘッダー管で連通した複
数本のパイプによって構成し、各冷却ユニットの下部ヘ
ッダー管を当該階の床スラブ内（又は二重床内）に設け
た液相冷媒の配管により相互に連通し、各冷却ユニット
の上部ヘッダー管を気相冷媒の配管によって相互に連通
し、液相冷媒の配管と気相冷媒の配管とをターミナル熱
交換器に連通するとともに、液相冷媒の配管に液面調節
器を設置している。

当該フロアの前記発熱機器が、間仕切によって仕切ら
れた部分に設置されているときは、間仕切の内部にも前
記と同様な構造の冷却ユニットを設置するのが好まし
く、この場合は、当該冷却ユニットの下部ヘッダー管を
前記液相冷媒の配管によって他の冷却ユニットの下部ヘ
ッダー管と連通させるとともに、当該冷却ユニットの上
部ヘッダー管を前記気相冷媒の配管によって他の冷却ユ
ニットの上部ヘッダー管と連通させる。

同一フロアが複数の室に区分されている場合において
は、各室間の壁の中にも前述と構造の冷却ユニットを設
けるのが好ましい。この場合にも、当該冷却ユニットの
下部ヘッダー管を前記液相冷媒の配管によって他の冷却
ユニットの下部ヘッダー管と連通させるとともに、当該
冷却ユニットの上部ヘッダー管を前記気相冷媒の配管に
よって他の冷却ユニットの上部ヘッダー管と連通させ
る。

前記冷却ユニットを、感熱板を有する枠内に収容する
と、それ自体を間仕切として使用することができる。

前記いずれの場合も、各冷却ユニットの上部ヘッダー
管を気液分離機構を介して気相冷媒の配管と連通し、こ
の気相冷媒の配管を当該階の床スラブ内（又は二重床
内）に設けるのが望ましい。

ビルにおいては、各階毎に前記の冷却システムを設置
し、ビルの適所に設置された冷熱源装置から各階毎のタ
ーミナル熱交換器を経て前記冷熱源装置に戻るように循
環する冷水配管を設けるのが望ましい。

「作用」 本発明に係る個別冷却システムは、液面調節器によ
り、作動液の液位が、各冷却ユニットを構成する数本の
パイプの二重になっている部分に位置する状態に保って
運転すると、作動液は主として前記二重になっているパ
イプの外管と内管との流通間隙内で沸騰し、当該設置部
位の周囲の熱を吸収して冷却する。

気相になった作動液は、気相冷媒の配管を通ってター
ミナル熱交換器内で凝縮し、凝縮した作動液は重力で液
相冷媒の配管に流れ、前記冷却ユニットに達して再び沸
騰するように循環する。

冷却ユニットの蒸発部には、前述のように二重構造の
パイプを採用しているので、低熱流束下では、作動液が
二重構造のパイプの内管と外管との間隙内で沸騰し、こ
の沸騰によって生じた気泡が、急速に膨張しながら前記
間隙内を上昇する。この気泡の膨張上昇によって、未沸
騰の作動液を押し上げ、当該間隙内では気相と液相の上
昇乱流を生ずる。内管の上端に押し上げられるまで沸騰
しなかった作動液は、当該内管の上端から内管内に落下
する。

内管と外管との流通間隙内で発生した気泡は、当該流
通間隙をより狭くすれば、未沸騰の作動液をより高く押
し上げる。

したがって、発熱機器や間仕切の近傍等の被冷却部分
の床面からの高さは、それぞれ異なる（例えば、ある機
器の発熱部分は床面から90cmまでであり、間仕切の高さ
は床面から150cmであるなど）が、各冷却ユニットにお
ける二重のパイプの外管と内管との流通間隙の適切に設
定すれば、各冷却ユニットによって冷却すべき部分の床
面からの高さがそれぞれ異なっていても、それに対応し
て冷却機能を発揮する。

各冷却ユニットの上部ヘッダー管を、気液分離機構を
介して気相冷媒の配管に接続すると、気相冷媒の配管を
その階の床スラブ内又は二重床内に設けて、配管類を目
立たないようにし、室内の体裁を損なわないようにする
ことができる。

間仕切内に冷却ユニットを設けると、輻射冷却によっ
て当該部分の冷却効果がさらに高まる。

「実施例」 以下図面を参照して本発明の実施例を具体的に説明す
る。

第１図のように、ビルの各階ａには間仕切１で仕切ら
れた部分に、情報機器やOA機器等の発熱機器２が設置さ
れており、ある部分には、間仕切１のほかに当該間仕切
１より高さの高い他の間仕切1aが設置されている。

各発熱機器２には、その発熱部分に近接してそれぞれ
冷却ユニット３が設置され、この実施例の間仕切１及び
1aはそれ自体が冷却ユニット３′を構成している。

各階ａの床スラブ４内には、実線で示す液相冷媒の配
管５と、一点鎖線で示す気相冷媒の配管６が設置され、
各冷却ユニット３及び３′は、それぞれ管継手７により
両配管５及び６に接続されている。

これらの配管５及び６は、床スラブ４内に設けたコン
ジェット管（図示しない）内に配管することができる
し、住宅のように二重床になっている場合は、この二重
床内に配管してもよい。

液相冷媒の配管５には液面調節器９が設けられてお
り、各冷却ユニット3,3′内の作動液の液位を、当該階
ａの床面より数十cm上位に保っており、液相冷媒の配管
５と気相冷媒の配管６とは、各階ａの適所に設置したタ
ーミナル熱交換器８を介して接続されている。

ビルの適所には冷熱源装置10を設置し、この冷熱源装
置10から、各階ａのターミナル熱交換器８を経て冷熱源
装置10に戻るように循環する冷水配管11を設けている。
この冷熱源装置10には、深夜電力を有効利用できるよう
に、あるいは非常時におけるバックアップ熱源として利
用できるように、氷蓄熱ユニットを使用するのが望まし
い。

冷却ユニット３は、第２図及び第３図のように、所定
の間隔で直立させた数本のパイプ30の上下端部を、上部
ヘッダー管31及び下部ヘッダー管32で相互に連通させて
構成したもので、上部ヘッダー管31は前記気相冷媒の配
管６へ、下部ヘッダー管32は液相冷媒の配管５へそれぞ
れ連通している。

この実施例では、パイプ30及びヘッダー管31,32を、
アルミニウム合金を押出し成形した断面溝状の複数の感
熱枠33で支持されている。

この感熱枠33は、発熱機器２の発熱部分に面する前面
の感熱板33aと、その両側の側壁板33bと、感熱板33aの
裏面へ所定間隔で縦方向に形成された断面円弧状の支持
溝33cとで構成されており、上下のヘッダー管31,32は側
壁板33bを貫通し、各パイプ30は円弧状の支持溝33c内に
内接した状態で支持されている。

各パイプ30は、第４図のように、銅管からなる外管30
aと、この外管30a内に狭い流通間隙30cを介して設けた
銅管よりなる内管30bから構成され、内管30bの下端部を
ほぼ等しい間隔で内部より外管30aに接触するまで突出
させて突部30dを形成し、これによって外管30a内と内管
30bを相互に固定している。

内管30bの流さは蒸発部の長さとほぼ等しい長さに設
定しており、内管30aの上端は上部ヘッダー管31まで達
しないように設定している。

パイプ30相互の上端に連結した上部ヘッダー管31の上
部には、第５図のように、ヘッダー管31より小径な管34
を接続して気液分離機構35を構成しており、上部ヘッダ
ー管31をこの気液分離機構35を介して第１図の気相冷媒
の配管６へ接続させ、気相冷媒の配管６を床スラブ４内
に設けても、パイプ30内で蒸発した作動液の蒸気と液体
とが混合しないようになっている。

間仕切１及び1aを構成する冷却ユニット３′は、前記
冷却ユニット３とほぼ同様に構成されているが、前記冷
却ユニット３とは感熱枠33の構造を若干異にしている。

冷却ユニット３′の感熱枠33は、第７図のようにアル
ミニウム合金を押出し成形した中空パネル状であり、両
側に側壁板33eを有し、裏面へ所定間隔に支持溝33fを有
する同一断面形状の両面の感熱板33d,33dを、前記側壁
板33eの先端に形成された凹凸嵌合部33gの部分で相互に
嵌合一体化したもので、各支持溝33fが両側からパイプ3
0を保持しており、上下のヘッダー管31,32は側壁板33e
に貫通された状態で支持されている。

前記感熱板33dの表面には、適当な断面形状の吸熱フ
ィン33hを形成するのが好ましい。

各冷却ユニット3,3′は、作動液ｂの液位が内管30bの
下端部から上端部の間に位置する状態で作動させるが、
好ましくは前記液位が内管30bの全長の1/2以下にある状
態で作動させるのが望ましい。

第10図のように、パイプ3aが一重である場合、高熱流
束のときは蒸発部の内部で作動液ｂの沸騰が定常的に起
り、したがって熱伝達率も高いが、熱流束が低くなるに
従って、パイプ3a内の作動液ｂの液面に沸騰によって生
じた気泡ｃが溜るようになり、蒸発部分における作動液
ｂに温度分布を生じて熱伝達率が著しく低下する。

そして、時間の経過により作動液ｂの沸騰は間欠的に
なり、熱伝達率はさらに低下して作動も不安定になる。

しかしながら、この実施例の個別冷却システムにおけ
る冷却ユニット３のパイプ30は、蒸発部が前述のように
二重構造であるので、低熱流束のときでも、第４図のよ
うに外管30aと内管30bとの流通間隙30c内で作動液ｂが
沸騰し、沸騰によって発生した気泡ｃは、急速に膨張し
ながら流通間隙30c内を上昇し、それに伴なって気化し
ていない作動液ｂを押上げるので、当該間隙30c内で気
相の液相の乱流を生ずる。このようにして、作動液ｂは
間隙30c内を上昇しながら沸騰し、内管30bの上端に達す
るまでに沸騰しなかった作動液ｂは、内管30b内に落下
する。

このように、低熱流束でも狭い間隙30c内で蒸発部に
おける作動液ｂが常に沸騰し、気泡ｃの動きによって当
該部分の作動液ｂが乱流状態になるので、熱伝達率は低
下せず安定して作動する。

沸騰した作動液ｂの蒸気は、第５図で示す上部ヘッダ
ー管31の気液分離機構35によって作動液ｂと完全に分離
され、第１図の気相冷媒の配管６を経てターミナル熱交
換器８に達し、凝縮して自重で液相冷媒の配管５に流れ
込み、当該配管５を経て冷却ユニット3,3′に戻るよう
に循環する。

各冷却ユニット3,3′における作動液ｂの液位は同一
であるにも拘らず、それぞれの蒸発部の長さ、すなわち
パイプ30における内管30bが挿入されている部分の長さ
は一様ではないが、蒸発部の長い冷却ユニットにおける
パイプ30は、蒸発部の短かい冷却ユニットにおけるパイ
プ30よりも、内管30bと外管30aとの流通間隙30cを狭く
することによって、蒸発部が充分に機能するように調整
することができる。

すなわち、外管30aと内管30bの間隙30cがより狭けれ
ば、作動液ｂの液位から内管30bの上端までの距離が長
くても、流通間隙30c内での沸騰によって生ずる気泡ｃ
は、気化していない作動液ｂを押上げる力が強くなり、
液位の部分から内管30bの上端までの間で、前述のよう
な作動液ｂの沸騰が繰返されるからである。

各冷却ユニット3,3′の下部ヘッダー管32と液相冷媒
の配管５との間には、図示しないバルブが設けられてお
り、それぞれ個々に作動を停止することができるように
なっている。

この実施例の冷却システムは、発熱機器２毎に冷却ユ
ニット３を設けているので、発熱機器２の過熱を適切に
防止し、当該機器を好ましい状態に保つことができる。
また、間仕切1,1′を冷却ユニット３′に構成したこと
によって、その周辺部分が輻射冷却され冷却効果がさら
に高まる。

また、各冷却ユニットの蒸発部の長さが異なっていて
も、前述のように内管30bと外管30aとの流通間隙30cを
適宜選択することによって、各冷却ユニット3,3′が充
分に蒸発機能を発揮するように調整することができる。

感熱枠33には、感熱板33a及び33dの表面に、第６図で
例示するように吸熱フィン33jを形成するか、あるい
は、表面に図示しない凹凸を形成して、表面積を増大さ
せるのが望ましい。

第８図及び第９図は冷却ユニット３及び３′の変形例
であって、冷却ユニット３又は３′を構成する各パイプ
30には、銅やアルミニウム又はこれ等の合金よりなるル
ーバー状の多数のフィン33kを固定し、上部縁枠33lに取
付けた支持板33pに上部ヘッダー管31を貫通した状態で
支持させ、下部縁枠33mに取付けた支持板33qに下部ヘッ
ダー管32を貫通した状態で支持させ、両側に側枠33nを
取付けたものである。

この構造の冷却ユニット３又は３′は、ルーバー状の
多数のフィン33kをパイプ30に取付けたことにより、熱
の吸収がより効率的である。

この実施例の冷却ユニットの他の構成及び作用は、前
記実施例のものと同様なので説明を省略する。

冷却ユニット3,3′における外管30aと内管30bとの流
通間隙30cの大きさは、当該冷却ユニット3,3′の蒸発部
の長さ、作動液の種類等によって適宜設定すべきである
が、一応の目安としては、0.1〜1.5mm程度の範囲で設定
する。

内管30bの突部30dは、外管30aを内側に凹没させても
よく、これらに代えて、外管30aと内管30bとの間に適宜
のスペーサを介在させても実施することができる。

また、内管30b外周面又は外管30aの内周面へ管に沿っ
て直線状又は螺旋状のフィンを形成するか、あるいは、
内管30b外周面又は外管30aの内周面へ不連続な無数の凹
凸を形成した後後に、外管30a内に内管30bを挿入しても
実施することができる。

さらに、外管30aと内管30bとを一体に押出し成形して
も実施することができる。

外管30aと内管30bとの間隙30cを、例えば0.2mm以下の
ように非常に狭くする場合は、多くの場合管の断面は厳
密に相似形ではないので、外管30a内に内管30bを端に挿
入するだけでよい。

「発明の効果」 本発明に係る個別冷却システムは、室内の美観を損な
わないで設置することができるとともに、情報機器やOA
機器からの発熱を個別に冷却して、これらの機器類を常
に好ましい状態に維持することができる。

発熱機器類や間仕切等における発熱部位の床面からの
高さがそれぞれ異なる場合にも、作動液の液面を同一に
保って充分に蒸発機能を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る個別冷却システムの一例を一部省
略して示す概略構成図、第２図は第１図の実施例で使用
した冷却ユニットの背面図、第３図は第２図の矢印Ａ−
Ａに沿う拡大断面図、第４図は第２図の冷却ユニットの
部分拡大断面図、第５図は第２図の冷却ユニットにおけ
る気液分離機構の拡大図、第６図は冷却ユニットにおけ
る感熱枠の変形例を示す拡大平面図、第７図は第１図の
実施例で使用した他の冷却ユニットの拡大平断面図、第
８図は冷却ユニットの変形例を示す一部省略正面図、第
９図は第８図の矢印Ａ−Ａに沿う一部省略拡大断面図、
第10図は冷却ユニットにおける従来のパイプの部分拡大
断面図である。 主要図中符号の説明 1,1a……間仕切 ２……発熱機器 3,3′……冷却ユニット 30……冷却ユニットを構成するパイプ 30a……内管 30b……内管 30c……流通間隙 31……上部ヘッダー管 32……下部ヘッダー管 33……感熱枠 33a……感熱板 33b,33e……側壁板 33c,33f……支持溝 33d……感熱板 33g……凹凸嵌合部 33h,33j……フィン 33k……ルーバー状のフィン 33l,33m……上下の縁枠 33n……側枠 33p,33q……支持板 ４……床スラブ ５……液相冷媒の配管 ６……気相冷媒の配管 ８……ターミナル熱交換器 ９……液面調節器 10……冷熱源装置 11……冷水配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 素谷 順二 神奈川県横浜市西区岡野２―４―３ 古 河電気工業株式会社横浜研究所内 (72)発明者 奥山 哲夫 東京都千代田区丸の内２―６―１ 古河 電気工業株式会社内 (72)発明者 瀬尾 進 東京都大田区南蒲田１―１―25 古河総 合設備株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−169250（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−3447（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−28425（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一の階に設置されている全部又は一部の
   発熱機器毎に冷却ユニットを設置し、この冷却ユニット
   は、作動液の液位を含む蒸発部分が外管とこの外管内に
   狭い流通間隙を介して挿入された状態の内管とを備えて
   いて、所定の間隔で直立状又は急傾斜状に配置され、上
   下端部を上部ヘッダー管と下部ヘッダー管で連通した複
   数本のパイプによって構成され、各冷却ユニットの下部
   ヘッダー管を当該階の床スラブ内又は二重床内に設けた
   液相冷媒の配管により相互に連通し、各冷却ユニットの
   上部ヘッダー管を気相冷媒の配管によって相互に連通
   し、液相冷媒の配管と気相冷媒の配管とをターミナル熱
   交換器に連通するとともに、液相冷媒の配管に液面調節
   器を設置したことを特徴とする個別冷却システム。
2. 【請求項２】同一の階に前記発熱機器のほかに間仕切を
   設置し、この間仕切の内部に前記冷却ユニットを設置
   し、当該冷却ユニットの下部ヘッダー管を前記液相冷媒
   の配管によって他の冷却ユニットの下部ヘッダー管と連
   通させるとともに、当該冷却ユニットの上部ヘッダー管
   を前記気相冷媒の配管によって他の冷却ユニットの上部
   ヘッダー管と連通させた、請求項１に記載の個別冷却シ
   ステム。
3. 【請求項３】前記冷却ユニットの上部ヘッダー管が気液
   分離機構を介して気相冷媒の配管と連通し、この気相冷
   媒の配管を当該階の床スラブ内又は二重床内に設けた請
   求項１又は２に記載の個別冷却システム。
4. 【請求項４】各階毎にターミナル熱交換器が設置され、
   適所に設置された冷熱源装置から各階毎のターミナル熱
   交換器を経て前記冷熱源装置に戻るように循環する冷水
   配管を設けた、請求項１〜３のいずれかに記載の個別冷
   却システム。