JP4248587B1 - 旋回型冷却装置及び熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 旋回気流によって放熱部を冷却するという新たな冷却装置を提供する。
【解決手段】 内部に旋回流路２が形成されたケーシング３と、旋回流路内に湿気を帯びた気体４を吸引する吸引手段５と、旋回流路内に配置されていて発熱源６と接続された放熱部７とを備え、ケーシング３に、旋回流路２と連通する気体導入口８と、旋回流路と吸引手段とを連通するようにケーシングの中心寄りに形成された排気経路９を形成し、気体導入口８から導入される気体４で旋回気流Ｒを発生させて放熱部７にあてて放熱部を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、旋回気流を用いて放熱部を冷却する旋回型冷却装置及び熱交換システムに関する。

熱交換媒体を熱交換器に導入して熱交換を行う冷却装置は広く知られている。冷却装置の冷却形態には、冷却効率が良いことからクーリングタワーのように熱交換媒体が導入される熱交換器に冷却水を流しあてて熱交換媒体を冷却するものがある。このような冷却装置を用いたシステムとしては、空調システムが挙げられる。

また、特許文献１には、被処理気体導入部を接続したサイクロン容器本体の上部から清浄気体排出部を延出させるとともに、サイクロン容器本体の下部を塵含有液排出部に形成してあるサイクロン式集塵器において、サイクロン容器本体内の旋回気流を冷却する手段を設ける構成が記載されている。

特開２０００−３１７３４９号公報

水冷式の冷却装置に用いる冷却流体（冷却水）としては、地下水、雨水、水道水等が挙げられるが、熱交換器に水を流しあてるため、熱交換器の表面に水膜が発生し、この水膜によって冷却水の気化が妨げられてしまい、大量の水が必要となり、設備の大型化、高コストとなってしまう。また、クーリングタワーのような開放型の水冷方式では、水の経路が開放空間とされているので、レジオネラ菌の増殖、スライムや藻の発生、スケールの付着により熱交換効率が低下してしまう。このようなスケールの付着、スライムや藻が発生すると、その除去のために定期的に薬剤等を用いてメンテナンスを要することになり、除去作業時の薬剤の飛散や維持管理コストが高くなってしまう。
冷却水として地下水を利用する場合には、地盤沈下の関係から汲み上げ規制などがあるため、利用場所が制限されるとともに、十分な冷却水の確保が難しく、冷却水を汲み上げる揚水ポンプの使用電力が大きい。

特許文献１においては、旋回気流と冷却というキーワードは存在するが、冷却対象は旋回気流であって、旋回気流により冷却する概念は記載されていない。
本発明は、旋回気流によって放熱部を冷却するという新たな冷却装置及び熱交換システムを提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる旋回型冷却装置は、その内部に旋回流路が形成されたケーシングと、旋回流路内に湿気を帯びた気体を吸引する吸引手段と、旋回流路内に配置され、発熱源と接続された放熱部と、気体の湿度を調整する調湿手段を備え、ケーシングには、旋回流路と連通する気体導入口と、旋回流路と吸引手段とを連通するようにケーシングの中心寄りに形成された排気経路を有することを特徴としている。調湿手段は、気体にミストを供給するミスト供給装置であることを特徴としている。
本発明にかかる旋回型冷却装置において、ケーシングは二重管構造であって、外側内周面は円弧面であり、放熱部は少なくとも外側内周面に近接配置されていることを特徴としている。
本発明にかかる旋回型冷却装置において、放熱部は、外側内周面から遠近する方向に凹凸形状とされていることを特徴としている。
本発明にかかる旋回型冷却装置において、放熱部は、発熱源で加熱された冷却対象流体が流れる流路であることを特徴としている。
本発明にかかる熱交換システムは、発熱源と、発熱源と接続された冷却装置を備え、冷却装置として、上記何れに記載の旋回型冷却装置を有することを特徴としている。

本発明によれば、湿気を帯びた気体が流れる旋回流路内に発熱源と接続された放熱部を設け、ケーシングには旋回流路と連通する気体導入口を設け、旋回流路と吸引手段とを連通するようにケーシングの中心寄りに排気経路が形成されているので、吸引手段が作動すると、気体導入口から湿気を帯びた気体が旋回流路内に導入されて旋回気流となって旋回流路内の放熱部にあたり、これと間で熱交換が行われ、熱交換された旋回気流が排気経路からケーシングの外部に排気され、発熱源を冷却することができる。このため、従来のクーリングタワーのような開放型水冷式に比べて、レジオネラ菌の発生や、スライムや藻の発生がなく、除去作業時の薬剤が飛散、維持管理コストを低減することができる。

本発明によれば、ケーシングを二重管構造とし、外側内周面を円弧面とし、少なくとも外側内周面に放熱部を近接配置したので、旋回流路内で旋回する旋回気流の中でも、遠心力によって湿度が高められている旋回気流領域に放熱部が配置されることとなり、より効率的に熱交換することができ、発熱源を冷却することができる。
本発明によれば、放熱部を外側内周面から遠近する方向に凹凸形状とすることで、遠心力によって湿度が高められている旋回気流と放熱部との接触面積が増大するので、より効率的に熱交換することができ、発熱源を冷却することができる。
本発明によれば、放熱部を発熱源で加熱された冷却対象流体が流れる流路として形成したので、放熱部を介して冷却対象流体から熱を奪うことができ、発熱源を冷却することができる。
本発明によれば、気体の湿度を調整する調湿手段を有するので、旋回流路に導入される気体の湿度や導入されて旋回する旋回気流の湿度を調整することができ、熱交換効率を調整することができる。
本発明によれば、気体にミストを供給するミスト供給装置を調湿手段とするので、従来のクーリングタワーのような流水方式の冷却装置に比べて放熱部の表面に水膜ができにくく、旋回流路内に位置する放熱部から放出される熱によりミストが気化し易くなり、ミストの気化熱を効率的に利用でき、より効率的な熱交換を行えて、発熱源を冷却することができる。

本発明にかかる熱交換システムによれば、発熱源と接続された冷却装置を本発明にかかる旋回型冷却装置とするので、効率的に発熱源を冷却しながらも、従来の流水方式の冷却装置のような、大量の水を使用しなくてもよく、環境負荷を低減しながら設備の小型化、コストを図ることができる。また、レジオネラ菌の発生、スライムや藻の発生、除去作業時の薬剤の飛散がなく、維持管理コストを低減することができる。

（第１の実施形態）
図１において、符号１は本形態にかかる旋回型冷却装置の一形態を示す。旋回型冷却装置１は、その内部に旋回流路２が形成されたケーシング３と、旋回流路２内に湿気を帯びた気体４を吸引する吸引手段となる吸引ファン５と、旋回流路２内に配置されて発熱源６と接続された放熱部７を備えている。

ケーシング３は、外側筒部３１と内側筒部３２が同軸状に配置された二重管構造である。外側筒部３１は、軸線方向に位置する両端３１Ａ，３１Ｂが閉塞された円柱部材であって、その外周面３１Ｃの一部に、旋回流路２と連通するように気体導入口８が形成されている。気体導入口８は後述する吸引空間１０よりも上方に配置されている。外側筒部３１の一方（本形態では図中上側）の端部３１Ａには、内側筒部３２が挿入される開口部３１Ｄが形成されている。本形態において、気体導入口８は、旋回型冷却装置１が設置される領域から空気を導入するように構成されている。このため、旋回流路２に導入される気体４は、設置空間の温度と湿度を帯びている。

両端３２Ａ，３２Ｂが開放されている内側筒部３２は、軸線方向への長さが外側筒部３１よりも短く、一端３２Ａが開口部３１Ｄと連通し、他端３２Ｂが外側筒部３１の他方（本形態では図中下側）の端部３１Ｂとの間に吸引空間１０が形成されるように、外側筒部３１内に配置されている。

本形態において、旋回流路２は外側筒部３１と内側筒部３２の間に形成され、内側筒部３２の内部空間は、旋回流路２と吸引ファン５とを連通するようにケーシング３の中心寄りに形成された排気経路９を形成している。ケーシング３は、気体導入口８と内側筒部３２の一端３２Ａを除いて密閉された空間とされている。

放熱部７は、発熱源６と熱伝導部材１１で接続されていて、発熱源６で発せられた熱が熱伝導部材９を介して伝達されるように構成されている。本形態において、放熱部７は、熱伝導に優れた金属板で構成されている。この金属板からなる放熱部７は、筒状に形成されて旋回流路２内に配置され、外側内周面となる外側筒部３１の内周面３１Ｅに近接配置されている。

吸引ファン５は、内側筒部３２の一端３２Ａと連通するように配置されていて、駆動モータが駆動されることでファンが回転して排気経路９内の気体４を吸引してケーシング３の外部に排気する周知の負圧ファンとされている。

このような構成の旋回型冷却装置１の作用と効果について説明する。ケーシング３は、気体導入口８と内側筒部３２の一端３２Ａを除いて密閉された空間とされているので、吸引ファン５が作動すると、内側筒部３２の内部である排気経路９が負圧化され、これと連通する旋回流路２内に湿気を帯びた気体４が気体導入口８から導入される。本形態において、旋回流路２は環状の空間として形成されているので、導入された気体４が旋回流路２によって図１に矢印Ｒで示すように旋回気流となって回転し、吸引空間１０の位置するケーシング３の下部に向かって旋回下降する。

この旋回による遠心力より、旋回気流４は、図２に示すように湿度が高められた旋回気流領域Ｒ１が外側筒部３１の内周面３１Ｅよりに形成される。本形態では、この旋回気流領域Ｒ１に位置するように放熱部７が配置されているので、湿度の高い旋回気流領域Ｒ１において旋回気流４が発熱源６からの熱が伝達されている放熱部７にあたり、これと間で熱交換が行われる。つまり、放熱部７の熱は旋回気流４によってその熱が奪われるので、これと熱伝導部材１１を介して接続されている発熱源６が冷却されることとなる。放熱部７の熱を奪った旋回気流Ｒは、吸引空間１０から排気経路９内に吸引されて排気ファン５によってケーシング３の外部に排気される。

このような旋回気流Ｒにより発熱源６を冷却する新規な旋回型冷却装置１を用いると、クーリングタワーのような従来の開放型水冷式に比べて、レジオネラ菌の発生や、スライムや藻の発生がなく、除去作業時の薬剤が飛散、維持管理コストを低減することができる。

図１，図２に示す形態において、金属板で形成され放熱部７は平坦なリング形状として形成したが、外側筒部３１の内周面３１Ｅから遠近する方向に凹凸形状となる波板形状としてもよい。凹凸状の放熱部７は、図３に示すように凹凸部がケーシング３の軸線方向に並ぶように配置しても良いし、図４に示すようにケーシング３の周方向に並ぶように配置してもよい。

このように放熱部７を凹凸形状とすると、遠心力によって湿度が高められた旋回気流Ｒと放熱部７との接触面積が増大するので、より効率的に熱交換することができ、発熱源６を冷却することができる。
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態にかかる旋回型冷却装置１Ａの一形態を示す。この旋回型冷却装置１Ａは、放熱部７０の構成以外は第１の実施形態と同一構成を採るので、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は省略して放熱部７０の構成を中心に説明する。

放熱部７０は、発熱源６で加熱された冷却対象流体２０が流れる流路７１として構成されている。流路７１の一端７１Ａは冷却対象流体２０の導入口を構成し、この一端７１Ａには、発熱部６とつながる流路１１Ａが接続されている。本形態においても、放熱部７０は、湿度が高められる旋回気流領域Ｒ１内に位置するように外側筒部３１の内周面３１Ｅに近接するように配置されている。

このような構成の旋回型冷却装置１Ａによると、吸引ファン５が作動して内側筒部３２の内部である排気経路９が負圧化されることで、湿気を帯びた気体４が気体導入口８から旋回流路２内に導入され、旋回気流Ｒとなってケーシング３の下部に向かって旋回下降する。そして、旋回時の遠心力より形成される湿度の高い旋回気流領域Ｒ１において、旋回気流４が発熱源６で加熱された冷却対象流体２０が流れる放熱部７０にあたり、これと間で熱交換が行われる。この熱交換により冷却対象流体２０から熱が奪われて発熱源６が冷却される。放熱部７０の熱を奪った旋回気流Ｒは吸引空間１０から排気経路１１内に吸引されて排気ファン５によってケーシング３の外部に排気される。

流路７１の形態としては、図５に示すように、外側筒部３１の内周面３１Ｅの近傍に、螺旋状に配置しても良いし、図６に示すように外側筒部３１の内周面３１Ｅの近傍に、外側筒部３１の軸線方向に向かって折り返えすように配置してもよい。
（第３の実施形態）
本形態にかかる旋回型冷却装置１Ｂは、図７に示すように、気体４の湿度を調整する調湿手段を有している。本形態において、ケーシング３と放熱部７の構成は第１の実施形態のものを採用しているので、ここでは調湿手段の構成と、その作用を中心に説明する。

本形態において、調湿手段は、気体４にミスト４１を供給するミスト供給装置４０として構成されている。ミスト供給装置４０としては、図７に示すように、水やお湯を入れた容器４２内に振動体４３を配置し、容器４２内と旋回流路２とをミスト搬送路４４で連通し、振動体４３に超音波を与えて振動させて水やお湯を霧状にしてミスト４１を発生する周知の構成が挙げられる。

この他、ミスト供給装置４０としては、図８に示すように、数ミクロン〜数十ミクロンの超微細な霧状のミスト４１として噴射可能な噴射ノズル４５と、この噴射ノズル４５と配管４７を介して高圧ポンプ４６を接続し、高圧ポンプ４６で水またはお湯を加圧して噴射ノズル４５に搬送してミスト４１を発生する構成が挙げられる。

ミスト供給装置４０で発生させたミスト４１は、旋回流路２に対して気体導入口８から気体４と予め混合して供給するようにしてもよいし、図７に示すように気体導入口８とは異なるミスト導入口４８を外側筒部３１に旋回流路２と連通するように形成し、ミスト導入口４８から旋回流路２内に供給する形態が挙げられる。あるいは、図８に示すように噴射ノズル４５の噴射孔が旋回流路２内に臨むようにケーシング３を構成する外側筒部３１の一端３１Ａ側に噴射ノズル４５を配置して、ミスト４１を旋回流路２内に供給するようにしてもよい。

このように、旋回流路２に導入される前の気体４や旋回流路２に導入された気体４に対して水やお湯から生成された微細なミスト４１が供給されることで、旋回流路２内の旋回気流Ｒと混合されて放熱部７にあたって放熱部７の表面に付着する。そして、放熱部７の熱により気化し、放熱部７の熱を奪う。放熱部７に向かうミスト４１の中には、放熱部７に付着する前にミスト４１からの放熱により気化するものもあるので、この気化によっても放熱部７が冷却される。また、ミスト４１は、旋回気流Ｒと混合される際に、その一部は気化するので旋回気流Ｒの温度を下げる効果も期待できる。

このような旋回気流Ｒにミスト４１を混合させる冷却装置においては、従来のクーリングタワーのような流水方式の冷却装置に比べて、放熱部７の表面に水膜ができにくく、旋回流路２内に位置する放熱部７から放出される熱によりミストが気化し易くなり、ミストの気化熱を効率的に利用でき、より効率的な熱交換を行えて、発熱源６を冷却することができる。

ミスト供給装置４０を適用する旋回型冷却装置としては、第２の実施形態で説明した旋回型冷却装置１Ａに適用しても無論構わない。
各形態において、吸引空間１０の高さとなる他端３２Ｂと端部３１Ｂの間隔は、ケーシング３内の流動抵抗の調整に大きく影響を与えるので、この間隔は、気体導入口８の開口面積や吸気ファン５の吸気能力などを考慮して設定することで、旋回気流Ｒの速度を調整することができる。また、各旋回型冷却装置のケーシング３の向きは、図面のように一端３２Ａと他端３２Ｂが上下方向に位置する縦向きに限定されるものではなく、装置設置場所に合わせて一端３２Ａと他端３２Ｂが図中左右方向に位置する横向きに配置してもよい。
（第４の実施形態）
本形態は、図９に示すように、第１〜第３の実施形態で説明した旋回型冷却装置の何れかを発熱源と接続された冷却装置とした用いる熱交換システム１００に関する。本形態では、放熱部７０が流路７１で構成された第２の実施形態の旋回型冷却装置１Ａを冷却装置として用いた熱交換システム１００として、以下説明する。

本形態において、熱交換システム１００は、所謂、旋回型冷却装置１Ａと、冷却対象流体２０を圧縮／膨張させると共に、旋回型冷却装置１Ａの放熱部７０へ導入する冷凍サイクル部３００を備えている。本形態において、発熱源は冷凍サイクル部３００となる
冷凍サイクル部３００は、所謂ヒートポンプ装置であって、蒸発器３０１と凝縮器３０２との間に圧縮機３０３と膨張弁３０４が配置された周知の構成であって、各部をつなぐ配管内には熱冷却対象流体２０として二相冷媒が封入されている。本形態において、放熱部７０は凝縮器３０２として機能する。このシステムを冷却用の空調システムとした場合、蒸発器３０１は室内などに設置されるファンコイルユニット３０５内に設けられる。

このような熱交換システム１００によると、冷房時において、凝縮器３０２を通過した冷却対象流体２０（二相冷媒）の温度を放熱部７０で効率的に奪い取ることができ、冷却対象流体２０（二相冷媒）の凝縮率を高められる。これにより、膨張弁３０４を通過した際の冷却対象流体２０（二相冷媒）の膨張率が大きくなって、蒸発器３０１には温度の低い冷却対象流体２０（二相冷媒）が供給されるため、効率的に冷却を行え、冷房効率がアップし、消費電力を抑制することができる。
（第５の実施形態）
本形態は、第２の実施形態の旋回型冷却装置１Ａを冷却装置として用いた熱交換システム２００に関するものである。この熱交換システム２００は、図１０に示すように旋回型冷却装置１Ａと、冷却対象流体２０を放熱部７０へ導入する発熱源となる冷却装置４０１を有している。冷却装置４０１は、冷却対象流体２０として水を用いる周知の水冷式のチラーであって、二次側の冷却対象流体２０（冷却水）を放熱部７０との間で循環する経路４０２を備えている。本形態においては、この水冷式のチラーが発熱源となる。

このように熱交換システ２００によると、冷却装置４０１で熱交換されて加熱された二次側の冷却対象流体２０（冷却水）の熱を放熱部７０で効率的に冷却することができるので、冷却効率がアップし、消費電力を抑制することができる。
（第６の実施形態）
本形態は、第１の実施形態の旋回型冷却装置１を冷却装置として用いた熱交換システム５００に関するものである。この熱交換システム５００は、図１１に示すように旋回型冷却装置１と、冷却対象流体２０を放熱部７へ導入する発熱源６０とを備えている。発熱源６０は、例えばコンピュータの演算に用いるＣＰＵやＧＰＵであって、熱伝導部材１１を介して放熱部７と接続されている。
（第７の実施形態）
本形態では旋回型冷却装置１を冷却装置として用いるが、例えば、図１２に示すように、発熱源６０と放熱部とを接続する熱伝導部材として周知のヒートパイプ６５を用いる場合には、流路７１で構成された放熱部７０を有する旋回型冷却装置１Ａを冷却装置として用いたて交換システム６００としてもよい。この場合には、流路７１をヒートパイプ６５と連通させて、ヒートパイプ６５の一部として用いればよい。
このような熱交換システ５００，６００とすることで、発熱源６０で発熱された熱を放熱部７や放熱部７０で効率的に冷却することができるので、冷却効率がアップし、消費電力を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態である旋回型冷却装置の概略構成図である。 旋回型冷却装置の旋回流路内での旋回気流の作用を説明する図である。 放熱部の変形例を示す概略構成図である。 放熱部の変形例を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態である旋回型冷却装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態の放熱部を変形した旋回型冷却装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態である旋回型冷却装置の概略構成図である。 ミスト供給装置として別な形態が適用された旋回型冷却装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態である熱交換システムの概略構成図である。 本発明の第５の実施形態である熱交換システムの概略構成図である。 本発明の第６の実施形態である熱交換システムの概略構成図である。 本発明の第７の実施形態である熱交換システムの概略構成図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 旋回型冷却装置（冷却装置）
２ 旋回流路
３ ケーシング
４ 気体
５ 吸引手段
６，６０ 発熱源
７，７０ 放熱部
８ 気体導入口
１１ 排気経路
２０ 冷却対象流体
３１Ｅ 外側内周面
４０ 調湿手段
７０ 流路
１００，２００ 熱交換システム
３００，４００ 発熱源
５００，６００ 熱交換システム

Claims (6)

1. その内部に旋回流路が形成されたケーシングと、
   前記旋回流路内に湿気を帯びた気体を吸引する吸引手段と、
   前記旋回流路内に配置されていて発熱源と接続された放熱部と、
   前記気体の湿度を調整する調湿手段とを備え、
   前記ケーシングには、前記旋回流路と連通する気体導入口と、前記旋回流路と前記吸引手段とを連通するようにケーシングの中心寄りに形成された排気経路を有することを特徴とする旋回型冷却装置。
2. 前記調湿手段は、前記気体にミストを供給するミスト供給装置であることを特徴とする請求項１記載の旋回型冷却装置。
3. 前記ケーシングは二重管構造であって、外側内周面は円弧面であり、
   前記放熱部は、少なくとも前記外側内周面に近接配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の旋回型冷却装置。
4. 前記放熱部は、前記外側内周面から遠近する方向に凹凸形状とされていることを特徴とする請求項３記載の旋回型冷却装置。
5. 前記放熱部は、前記発熱源で加熱された冷却対象流体が流れる流路であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の旋回型冷却装置。
6. 発熱源と、前記発熱源と接続された冷却装置を備え、前記冷却装置として、請求項１ないし５の何れかに記載の旋回型冷却装置を有することを特徴とする熱交換システム。

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