JP4273946B2

JP4273946B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP4273946B2
Application number: JP2003404173A
Authority: JP
Inventors: 康文高橋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005164138A

Description

本発明は、屋外に設置される内部に発熱体を有する箱体構造物で、その発熱量が多いため冬季においても冷却を要し、温度、湿度および粉塵などが性能や寿命に影響を与えるような精密機器を有する箱体の冷却装置と制御方法に関するものである。

従来、屋外に設置される箱体構造物の冷却装置としては、箱体構造物のパネルに冷却装置を設置することによって、外気温度が低い時に外気と箱体構造物内の空気である内気とで熱交換を行うことで内気が冷却されることから、概設の冷却装置の運転時間が減少し、省エネとなるものがあった（例えば、特許文献1参照）。

また、ペルチェ素子を用いて箱体構造物内を冷却するものがあった（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１５６４７８号公報（図1）特開２００１−２６３９０３号公報（図1）

前記特許文献１の構成では、外気と内気の熱交換により箱体構造物を冷却するものなので、箱体構造物を冷却する際には、外気温度が内気温度よりも低い必要があるために使用可能期間が限定されるという課題があり、年間を通じ箱体構造物の冷却ができるようにすることが要求されている。

また、前記特許文献２の構成では、ペルチェ素子を用いた電子冷却器により冷媒を冷却し、その冷媒を介して箱体構造物を冷却するものなので、箱体構造物を冷却する際には、常に電子冷却器を用いるため多量の電力を消費するという課題があった。

また、冬季は風雪が外気風路に進入し凍結して外気ファンなどを傷めるという課題があった。

また、内気温度の低い場合では箱体構造物を加熱する必要があるため、ヒータを別途備える必要があるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、冷却装置に熱交換素子とヒートポンプを内蔵することによって、外気温度が低い時には熱交換により内気を冷却し、外気温度が高い時にはヒートポンプを用いて内気を冷却することにより、従来より少ない消費電力で年間を通じ箱体構造物の冷却を可能とし、また、内気温度が低い場合には加熱する事が可能な冷却装置を提供することを目的としている。

本発明の冷却装置は上記目的を達成するために、箱体構造物内の空気である内気を取り込み前記箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、前記箱体構造物外の空気である外気を取り込み前記箱体構造物外に排出する外気風路と、前記外気風路と前記内気風路の交点に配して外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、前記内気風路に冷却器を配したヒートポンプを備え、前記熱交換素子による冷却方式と前記ヒートポンプによる冷却方式を各々単独運転または同時運転を可能とし、前記熱交換素子と前記冷却器に空気を並列に流すことを特徴とするものである。

この手段により、直列に流される場合には熱交換素子と冷却器の何れか一方で熱交換した後に他方の熱交換を行うために温度差が取れないが、並列に流す事により各々が大きな温度差で熱交換ができるため効率の高い冷却装置が得られる。

また、本発明の冷却装置は上記目的を達成するために、熱交換素子と冷却器を並べて配置して空気を並列に流すことを容易としたことを特徴とするものである。

この手段により、熱交換素子と冷却器は並べて配されているため内気風路は大きな変更を伴なわずとも熱交換素子と冷却器に並列に内気を流す事ができ、単純な流路であるため空気圧損や放熱を抑えた熱効率の高い冷却装置が得られる。

また、本発明の冷却装置は上記目的を達成するために、内気風路または外気風路にダンパを設け、熱交換素子に流れる風量と冷却器に流れる風量のバランスをとることを特徴とするものである。

この手段により、熱交換素子と冷却器に内気をダンパによって各々最適な風量分配ができるため熱効率の高い冷却装置が得られる。

この手段により、箱体構造物内の熱負荷が小さく外気温度低い場合には内気の温度が低温となるが、冷却器は加熱器として作用して内気の温度を上昇させることのできる冷却装置が得られる。

本発明によれば、熱交換とヒートポンプを併用することで、箱体構造物を密閉した状態で、水分や粉塵を混入させることなく、年間を通じて省エネルギーな冷却をすることができるという効果が得られる。

また、熱交換素子と冷却器に空気を並列に流すことにより各々が大きな温度差で熱交換ができるため効率の高くすることができる。

また、熱交換素子と冷却器を並べて配置することにより空気を並列に流すことを容易とし、内気風路を単純な風路で設計でき、単純な流路であるため空気圧損を抑え、放熱を抑えて熱効率を高くすることができる。

また、熱交換素子に流れる風量と冷却器に流れる風量のバランスをとることにより、各々の最適な風量分配ができるため熱効率を高くすることができる。

本発明の請求項１記載の発明は、箱体構造物内の空気である内気を取り込み前記箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、前記箱体構造物外の空気である外気を取り込み前記箱体構造物外に排出する外気風路と、前記外気風路と前記内気風路の交点に配して外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、前記内気風路に冷却器を配したヒートポンプを備え、前記熱交換素子による冷却方式と前記ヒートポンプによる冷却方式を各々単独運転または同時運転を可能とし、前記熱交換素子と前記冷却器に空気を並列に流す構成としたものであり、熱交換素子と冷却器の各々が大きな温度差で熱交換ができるため効率の高い冷却装置が得られ、また、外気の温度が低い場合には内気と外気を直接熱交換することにより内気の冷却が可能なため熱交換に要する電力が必要なく、年間消費電力は大幅に減少した運転することができる。

また、熱交換素子と冷却器を並べて配置して空気を並列に流すことを容易としたものであり、熱交換素子と冷却器は並べて配されることにより単純な流路で構成することができ空気圧損や放熱を抑えた高効率とすることができる。

また、内気風路または外気風路に熱交換素子に流れる風量と冷却器に流れる風量のバランスをとるためのダンパを設けたものであり、熱交換素子と冷却器の各々に最適な風量分配ができるため高い熱効率とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態1）
図１、図２および図３に示すように、冷却装置１は箱体構造物２のパネルの外郭に取り付けられて構成されている。箱体構造物２の外郭に設置された冷却装置１において、箱体構造物２内の空気である内気は内気吸込口３から吸入され、並べて設置されている熱交換素子４と補助冷却装置５を並列に流れた後に内気ファン６によって内気吹出口７から箱体構造物内に戻るよう内気風路８を形成している。一方、箱体構造物２の外の空気である外気は外気吸込口９から吸入され、並べて設置したある熱交換素子４と補助冷却装置５を並列に流れた後に外気ファン１０によって外気吹出口１１から外に排出する外気風路１２を形成し、外気吸込口９には外気遮断ダンパ１３が配されている。外気ファン１０と内気ファン６は共に駆動モータ１４に繋がれており同速で回転するが、外気ファン１０は内気ファン６よりも風量が多くなるよう設計されている。外気と内気の間を熱交換する熱交換素子４と外気と内気の間をヒートポンプの役目をする補助冷却装置５は、風の流れの向きに対して並列に設置され、かつ、内気風路８と外気風路１２の交点に各風路が独立するよう設置されている。そして、熱交換素子４は図４に示すように流路を樹脂成形した伝熱板１５を積層することによりして得られる。また、補助冷却装置５は側面からの断面図を図５に示すようにペルチェ素子１６の両面を冷却板１７と放熱板１８で挟み、それぞれを内気風路と外気風路の空気と熱交換するよう置かれている。そして、図６に補助冷却装置５の上面図を示すように、内気風路の割合調節をする内気ダンパ１９と、外気風路の割合調節をする外気ダンパ２０を設けて、熱交換素子４と補助冷却装置５に流れる空気の割合を調節する構造となっている。内気ダンパ１９と外気ダンパ２０は熱交換素子４と補助冷却装置５が最適な運転ができるよう設けられたもので、熱交換素子４と補助冷却装置５の通風抵抗のバランスが悪い場合に空気風量のバランスを取ることが出来る。次に、制御ブロック図を図７に示すが、制御装置２１にはペルチェ素子１６と外気温度計測のための温度センサ２２と外気遮断ダンパ１３が接続されており温度センサ２２の温度が３５℃以上になるとペルチェ素子１６が冷却運転するよう設定されている。また、温度センサ２２が外気温度０℃以下になるとペルチェ素子１６に供給されている電位が反転して内気を加熱動作すると同時に外気遮断ダンパ１３が動作するよう設定されている。

上記構成により、冷却装置１は外気温度の低い時に外気を取り入れ、箱体構造物２内部の暖かい空気との間で熱交換素子４にて熱交換を行うことにより、暖かくなった外気は排気する一方で冷たくなった空気を箱体構造物２内に給気する。また、外気温度が３５℃以上の時には箱体構造物２内の空気を循環冷却する補助冷却装置５を併用することで冷却能力を維持する。また、外気温度が０℃以下の時には箱体構造物２内の温度低下を防止するために外気遮断ダンパ１３により外気進入を遮断して補助冷却装置５により空気を加熱することで温度を維持する。また、熱交換素子４と補助冷却装置５の風量バランスが悪い場合には内気ダンパ１９または外気ダンパ２０を開閉する事により調節することが出来る。また、外気風路１２、内気風路８が独立していることから、外気と内気の空気は混合しないため、外気に含まれる粉塵が箱体構造物Ｂの内部に混入することがなく、箱体構造物Ｂ内部の機器への粉塵による悪影響も発生しない。また、ヒートポンプを用いる場合には冷却熱量よりも発熱量の方が大きく、外気の粉塵などを防ぐ為のフィルタが装てんされるため外気ファン１０は内気ファン６よりも多い風量を求められるが、外気ファン１０と内気ファン６は異なる仕様のものを用いることにより一つの駆動モータ１４による動作で可能となる。なお、外気ファン１０と内気ファン６が同仕様でも風量が十分確保できる場合には外気ファン１０と内気ファン６が同仕様でも構わない。そして、これにより外気が高温となる時期を除き、熱交換に要する電力を必要としない熱交換素子４による冷却を行い、冷却に要する能力が熱交換素子４の冷却能力を超える外気温度となる場合に限りペルチェ素子による冷却で能力を補うため、年間を通じて消費電力を最小限に抑えて箱体構造物２内の温度を低くすることができるので、大きな省エネが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態１に記載の補助冷却装置５の内部構成を変更し補助冷却装置Ａ２３としたものであり、冷却装置１内の他の構成は実施の形態１と同一である。図８に示すように、補助冷却装置Ａ２３は蒸気圧縮機２４と放熱板Ａ２５と膨張器２６と冷却板Ａ２７を備え、冷媒が蒸気圧縮機２４から放熱板Ａ２５を通り、膨張器２６を介して冷却板Ａ２７から蒸気圧縮機２４に戻るサイクルを構成している。また、図９に制御ブロック図を示すように制御装置Ａ２８に蒸気圧縮機２４と温度センサＡ２９が接続されており温度センサＡ２９の温度が３５℃を超えると蒸気圧縮機２４が動作するよう設定されている。また、温度センサＡ２９が外気温度０℃以下となると補助冷却装置Ａ２３内の内気風路の空気と熱交換するよう設けられたヒータＡ３０が加熱動作するよう設定されている。

上記構成により、補助冷却装置Ａ２３は外気温度が３５℃よりも高い場合には冷却板Ａ２７により内気を冷却して放熱板Ａ２５により外気に放熱することにより箱体構造物２内部の暖かい空気を冷却し、外気温度が０℃よりも低い場合にはヒータＡ３０により内気が加熱されることにより箱体構造物２内部の空気を昇温することが可能となる。これにより、ヒートポンプの中でも高い効率で冷却が可能な蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた事により、外気が高温となる時期でも消費電力が抑えられた省エネ性の高い冷却装置が可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態１に記載の補助冷却装置５の内部構成を変更し補助冷却装置Ｂ３１としたものであり、冷却装置１内の他の構成は実施の形態１と同一である。図１０に示すように、補助冷却装置Ｂ３１はフリーピストン型のスターリングサイクル冷凍機３２と放熱板Ｂ３３と冷却板Ｂ３４と冷却側ヒートパイプ３５と放熱側ヒートパイプ３６を備え、フリーピストン型のスターリングサイクル冷凍機３２は単体で発熱と吸熱のヒートポンプサイクル動作する。そして、放熱側ヒートパイプ３６はスターリングサイクル冷凍機３２の発熱が放熱板Ｂ３３に伝熱するよう繋がれ、冷却側ヒートパイプ３５はスターリングサイクル冷凍機３２の吸熱作用が放熱板Ｂ３３に伝熱するよう構成されている。また、図１１に制御ブロック図を示すように制御装置Ｂ３７にスターリングサイクル冷凍機３２と温度センサＢ３８が接続されており温度センサＢ３８の温度が３５℃を超えるとスターリングサイクル冷凍機３２が動作するよう設定されている。また、温度センサＢ３８が外気温度０℃以下の時には補助冷却装置Ｂ３１内の内気風路の空気と熱交換するよう設けられたヒータＢ３９が加熱動作するよう設定されている。

上記構成により、補助冷却装置Ｂ３１は外気温度が３５℃よりも高い場合には冷却板Ｂ３３により内気を冷却して放熱板Ｂ３３により外気に放熱することにより箱体構造物２内部の暖かい空気を冷却し、外気温度が０℃よりも低い場合にはヒータＢ３９により内気が加熱されることにより箱体構造物２内部の空気を昇温することが可能となる。これにより、ヒートポンプの中でも小型化と高効率を両立した冷却が可能なスターリングサイクル冷凍機を用いた事により、設置スペースが限られ、かつ、外気が高温となる時期でも消費電力が抑えられた省エネ性の高いコンパクトな冷却装置が可能となる。

本発明は、通信基地や携帯電話基地局のように屋外に設置される箱体構造物で、内部に発熱体を有し、その発熱量が多く冬期においても冷却を要するものであり、省エネ性が高くコンパクトな冷却装置である。

本発明の実施の形態１による箱体構造物に冷却装置を設置を示した概略図同実施の形態１の冷却装置の箱体構造物に設置した状態での内部側面の構成図同実施の形態１の冷却装置の内部前面の構成図同実施の形態１の熱交換素子の構成図同実施の形態１のペルチェ素子を用いた補助冷却装置の内部側面の構成図同実施の形態１の補助冷却装置の上面図同実施の形態１の制御ブロック図同実施の形態２の蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた補助冷却装置Ａの内部側面の構成図同実施の形態２の制御ブロック図同実施の形態３のスターリングサイクル冷凍機を用いた補助冷却装置Ｂの内部側面の構成図同実施の形態３の制御ブロック図

符号の説明

１冷却装置
２箱体構造物
４熱交換素子
６内気ファン
８内気風路
１０外気ファン
１２外気風路
１３外気遮断ダンパ
１４駆動モータ
１５伝熱板
１６ペルチェ素子
１７冷却板
１９内気ダンパ
２０外気ダンパ
２１制御装置
２２温度センサ
２３補助冷却装置Ａ
２４蒸気圧縮機
２７冷却板Ａ
２８制御装置Ａ
２９温度センサＡ
３０ヒータＡ
３１補助冷却装置B
３２スターリングサイクル冷凍機
３４冷却板B
３７制御装置Ｂ
３８温度センサＢ
３９ヒータＢ

Claims

箱体構造物内の空気である内気を取り込み前記箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、前記箱体構造物外の空気である外気を取り込み前記箱体構造物外に排出する外気風路と、前記外気風路と前記内気風路の交点に配して外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、前記内気風路に冷却器を配したヒートポンプを備え、前記熱交換素子による冷却方式と前記ヒートポンプによる冷却方式を各々単独運転または同時運転を可能とし、前記熱交換素子と前記冷却器に空気を並列に流すことを特徴とした請求項１記載の冷却装置。
熱交換素子とヒートポンプを並べて配置して空気を並列に流すことを容易とした請求項１記載の冷却装置。
内気風路または外気風路において熱交換素子に流れる風量と冷却器に流れる風量のバランスをとるダンパを設けたこと特徴とする請求項１記載の冷却装置。
箱体構造物内の空気である内気を取り込み前記箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、前記箱体構造物外の空気である外気を取り込み前記箱体構造物外に排出する外気風路と、前記内気風路内の空気を搬送する内気送風用ファンと、前記外気風路内の空気を搬送する外気送風用ファンと、外気と内気の顕熱を交換するための樹脂で一体成形した平板を積層して構成した熱交換素子と、外気と内気の間で熱搬送するためのペルチェ素子と、前記ペルチェ素子により内気を冷却する冷却器と、前記ペルチェ素子の発熱を外気に排熱する放熱器と、前記ペルチェ素子と前記冷却器と前記放熱器を一体化して構成されたヒートポンプを備え、前記ヒートポンプと前記熱交換素子を前記外気風路と前記内気風路の交点に並べて配置し、前記熱交換素子と前記ヒートポンプに空気を並列に流す構成とし、前記熱交換素子による冷却方式と前記ヒートポンプによる冷却方式を各々単独運転または同時運転を可能とする冷却装置。