JP4396174B2 - 熱交換型冷却装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、屋外に設置される箱体構造物で、内部に発熱体を有し、その発熱量が多いため冬季においても冷却を要し、また、温度、湿度、粉塵などが性能、寿命に影響を与えるような精密機器を有する箱に関し、特にそ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（以下、内気と称す）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）

しかしながら、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、使用可能期間が限定される場合があ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、冷媒を介して内気を冷却しているため、直接内気を冷却する場合に比較し、熱交換効率が低下するため、それを補うため余計に電力を消費するという課題があり、消費電力を少なくすることが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、熱交換型冷却装置に電子冷却器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だけ電子冷却器を用いて冷媒を用いずに直接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、冷媒を用いないクリーンな電子冷却併用熱交換型冷却装置を提供することを目的としている。

本発明の熱交換型冷却装置の制御方法は、上記目的を達成するために、箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路とを互いに独立するよう配置し、外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、外気風路と内気風路の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、吸熱部を前記内気風路に、放熱部を前記外気風路に接するように配置した電子冷却器を備えた熱交換型冷却装置において、前記吸熱部は、前記内気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、前記放熱部は、前記外気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、外気と内気の熱交換による冷却方式と前記冷却器による冷却方式を各々単独で使用または併用可能とし、外気温度が内気温度よりも高いとき、および、熱交換素子による冷却能力が箱体内部の発熱量よりも小さいときに前記冷却器の運転を行うものである。

この手段により、内気と外気を直接熱交換することから、冷媒を介すことによる熱交換効率の低下がなく、また外気温度の低い時は電子冷却よりもはるかに消費電力の少ない熱交換により冷却をすることができ、年間消費電力は大幅に減少し、従来に比較して省エネ運転が可能となり、冷媒を用いないクリーンな電子冷却併用熱交換型冷却装置が得られる。

また、外気温度と内気温度により熱交換と電子冷却器を使い分けることで、年間消費電力を抑えながら箱体構造物を冷却できることになる。

また、本発明の電子冷却併用熱交換型冷却装置は、上記目的を達成するために、電子冷却器と送風機の風量制御を行い、内気温度を一定に維持するために最低限必要な冷却能力を出力することを特徴とするものである。

この手段により、外気温度が低い時に送風機の風量を小さくすることで、箱体構造物を過冷却することなく、また消費電力を抑えられる電子冷却併用熱交換型冷却装置が得られる。

本発明によれば、熱交換と電子冷却を併用することで、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かつ冷媒を用いないクリーンな冷却をすることができるという効果が得られる。

また、外気温度と内気温度により熱交換と電子冷却を使い分けることで、年間を通じて消費電力を抑えて箱体構造物を冷却することができる。

また、外気温度が低い時に風量を小さくすることで、箱体構造物の過冷却を防ぎ、かつ更なる省エネルギーが図れる。

本発明の請求項１記載の発明は、箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路とを互いに独立するよう配置し、外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、外気風路と内気風路の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、吸熱部を前記内気風路に、放熱部を前記外気風路に接するように配置した電子冷却器を備えた熱交換型冷却装置において、前記吸熱部は、前記内気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、前記放熱部は、前記外気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、外気と内気の熱交換による冷却方式と前記冷却器による冷却方式を各々単独で使用または併用可能とし、外気温度が内気温度よりも高いとき、および、熱交換素子による冷却能力が箱体内部の発熱量よりも小さいときに前記冷却器の運転を行うものであり、箱体構造物の空気と直接熱交換することから熱交換効率の低下を防ぎ、また外気温度の低い時は電子冷却よりもはるかに消費電力の少ない熱交換により箱体構造物の冷却をすることができるため、従来に比較して省エネ運転が可能となるという作用を有する。

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。

（前提例１）
ここでは、本発明の前提となる形態について説明する。

図２に示すように、電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａは箱体構造物Ｂのパネルの外郭に取り付けられ、所謂る「外付け」装着にて構成されている。

図１に電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａの概略断面図を示す。箱体構造物Ｂ内の空気（以下、これを内気と称する）は内気吸込口２より送風機３の内気側ファン３Ａに取込まれたのち、熱交換素子４を通過して、また箱体構造物Ｂ内に戻る循環させる内気風路５を形成している。

一方、箱体構造物Ｂ外の空気（以下、これを外気と称する）は、外気吸込口６より取込み、熱交換素子４、送風機３の外気側ファン３Ｂ、外気吹出口８を介して、また外気に排出する外気風路９を形成している。

これら両風路が独立するよう設置され、また外気風路９と内気風路５の交点には外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子４が配置されている。

ペルチェ素子を用いた電子冷却器１０が、ペルチェ素子の吸熱部を熱交換素子４を通過した内気風路５に、ペルチェ素子の放熱部を熱交換素子４を通過した外気風路９に、各々接するように配置されている。

上記構成により、電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａは、外気温度の低い時に外気を取り入れ、箱体構造物Ｂ内部の暖かい空気との間で熱交換素子４にて熱交換をおこない、暖かくなった外気は排気し、冷たくなった空気を箱体構造物Ｂ内に給気する。

また、外気温度の高い時には直接箱体構造物Ｂ内の空気を冷却する電子冷却器１０を併用することで冷却能力を維持する。

これにより消費電力を最小限に抑えて箱体構造物Ｂ内の温度を低くすることができ、省エネが可能となる。

また、外気風路９、内気風路５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。

（参考例１）
図２に示すように、電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａを設置した箱体構造物Ｂに、太陽光発電Ｃ、風量発電Ｄなどの電力供給設備を併設する。

電子冷却器１０は一般的に熱交換に比較して、同量の熱負荷を除去するためには、はるかに大きな電力を必要とする。

このため、熱交換を主体にし箱体構造物Ｂを冷却するが、外気温度の高い時は電子冷却器１０を使用する必要がある。

よって、太陽光発電Ｃおよび風量発電Ｄなどの電力供給設備を併設することで、電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａの消費電力の増加を緩和する。

（参考例２）
図３に示すように、実施の形態２に加えて、太陽光発電Ｃおよび風力発電Ｄから供給された電力を蓄電する蓄電設備Ｅを備えたものである。

蓄電設備Ｅを備えることで、太陽光発電Ｃおよび風力発電Ｄが発電している時以外にも電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａの動力として蓄電した電力が使用できる。

（実施の形態１）
図４に示すように、前提例１に加えて、外気温度を計測する外気温度センサ１１を外気吸込口６に内気温度を計測する箱体構造物温度センサ１２を内気吸込口２に備え、マイクロコンピュータ（図示せず）などからなる制御部１３を筐体１内に備えたものである。

外気温度センサ１１により計測した外気温度と、箱体構造物温度センサ１２により計測した内気温度と、箱体構造内の設定温度から制御部１３で運転判断し、送風機３と電子冷却器１０を発停制御する。

以下、その制御部の制御方法を図５の制御チャートを用いて説明する。

まず、温度計測のスタートとなる第２０ステップより始まり、外気温度センサ１１により、外気温度を計測し（第２１ステップ）、箱体構造物温度センサ１２により、内気温度を計測する（第２２ステップ）。そして、第２３ステップで箱体構造内の設定温度と第２２ステップで計測した内気温度を比較する。そして、内気温度が設定温度以下ならば、第２４ステップに進み電子冷却器１０と送風機３に停止信号を送信し、第２１ステップに戻る。

そして、内気温度が設定温度より高くかつ外気温度以下ならば、第２５ステップに進み電子冷却器１０を運転し、第２１ステップに戻る。内気温度が設定温度より高くかつ外気温度より高ければ、第２６ステップに進み送風機３を運転する。そして、第２７ステップに進み内気温度を計測する。そして、第２８ステップで箱体構造内の設定温度と第２７ステップで計測した内気温度を比較し、内気温度が設定温度より高ければ、第２９ステップに進み電子冷却器１０を運転する。そして、内気温度が設定温度以下ならば、第３０ステ
ップに進み送風機３を停止し、第２１ステップに戻る。

このような運転制御により、熱交換を主体に箱体構造物を冷却し、熱交換による冷却だけでは不充分または外気温度が箱内温度より高く熱交換による冷却ができない場合にのみ電子冷却器１０を併用することで、外気温度が低い時の省エネ運用をしながら、外気温度が高い時の必要冷却能力の増加に対応することができる。

なお、外気温度センサ１１、箱体構造物温度センサ１２、制御部１３の位置は図４に示した位置に限定されるものではないということは言うまでもない。

また、本実施の形態では、箱体構造物Ｂに電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａを一つ付けた場合について説明したが、電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａを複数設置し、制御することも可能である。

図６は、冷却能力と外気温度の相関図である。

図６に示すように、熱交換による冷却能力は外気温度が低いほど大きく（「い」の位置）、箱体構造物Ｂ内を設定温度に維持するには少なくても「あ」の位置までは必要であるが、外気温度が「う」の位置を越えると、熱交換による冷却では「あ」の位置より小さくなってしまう。これを外気温度が「え」の位置までは電子冷却が補い、冷却能力を「あ」の位置まで上げている。そして、外気温度が「え」の位置以上になると電子冷却のみで、「あ」の位置まで冷却能力を保っている。

このように、外気温度と内気温度により消費電力の少ない熱交換と消費電力の多い電子冷却を使い分けることで、年間を通じて消費電力を抑えて箱体構造物を冷却することができる。

（実施の形態２）
図７は本発明における電子冷却併用熱交換型冷却装置Ａの実施の形態５を示した制御チャートである。

図７に示す第２７ステップまでは、実施の形態４の図５と同じなので説明を省略する。熱交換だけによる冷却を行っている時（第２６ステップ）に、箱体構造物温度センサ１２により内気温度を計測（第２７ステップ）し、内気温度と設定温度を比較する（第４０ステップ）。内気温度が設定温度以下のときには、第４１ステップに進み、制御部１３Ａ（図示せず）により送風機３を減速し風量を減少させ、第２１ステップに戻る。逆に内気温度が設定温度よりも高いときは、第４２ステップに進み、送風機３を加速し風量を増加させる。そして、第４３ステップに進み、内気温度を再び計測し、第４４ステップで設定温度と比較し、風量を増加させても内気温度が設定温度より高い場合は、第４５ステップに進み、電子冷却器１０を運転し、第２１ステップに戻る。そして、内気温度が設定温度以下の場合は、第４６ステップに進み、送風機を停止し、第２１ステップに戻る。

冬季などの外気温度が低い時には、熱交換による冷却能力が増加するため、冷却負荷（図８の「あ」の位置）よりも冷却能力が大きい場合、風量を減少させ冷却能力を減少させることで箱体構造物の過冷却を防ぎ、かつ省エネルギーになる（図８の「お」の部分）。

本発明は、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の、冷却に使用する電力を削減するための装置とその制御方法である。

本発明の前提例となる電子冷却併用熱交換型冷却装置の構造を示した概略断面図 参考例１の電子冷却併用熱交換型冷却装置を設置した箱体構造物に、電力供給設備を併設した状態を示す構成図 参考例２の電子冷却併用熱交換型冷却装置を設置した箱体構造物に、電力供給設備と電力を蓄電する蓄電設備を備えた状態を示す構成図 本発明の実施の形態１の電子冷却併用熱交換型冷却装置の外気温度センサ、箱体構造物温度センサ、制御部を示す概略断面図 同電子冷却併用熱交換型冷却装置の制御方法を示す制御チャート 同冷却能力と外気温度の相関図 同実施の形態２の電子冷却併用熱交換型冷却装置の制御方法を示す制御チャート 同箱体構造物の熱交換による過冷却部分を示す冷却能力と外気温度の相関図

１ 筐体
２ 内気吸込口
３ 送風機
３Ａ 内気側ファン
３Ｂ 外気側ファン
４ 熱交換素子
５ 内気風路
６ 外気吸込口
８ 外気吹出口
９ 外気風路
１０ 電子冷却器
１１ 外気温度センサ
１２ 箱体構造物温度センサ
１３ 制御部
Ａ 電子冷却併用熱交換型冷却装置
Ｂ 箱体構造物
Ｃ 太陽光発電
Ｄ 風量発電
Ｅ 蓄電設備

Claims (3)

1. 箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、
   箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路とを互いに独立するよう配置し、
   外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、
   外気風路と内気風路の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、
   吸熱部を前記内気風路に、放熱部を前記外気風路に接するように配置した電子冷却器を備えた熱交換型冷却装置において、
   前記吸熱部は、前記内気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、
   前記放熱部は、前記外気風路において前記熱交換素子の下流側に設け、
   外気と内気の熱交換による冷却方式と前記冷却器による冷却方式を各々単独で使用または併用可能とし、
   外気温度が内気温度よりも高いとき、および、熱交換素子による冷却能力が箱体内部の発熱量よりも小さいときに前記冷却器の運転を行う熱交換型冷却装置の制御方法。
2. 前記電子冷却器はペルチェ素子である請求項１記載の熱交換型冷却装置の制御方法。
3. 前記送風機の風量制御を行い、内気温度を一定に維持するために最低限必要な冷却能力を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換型冷却装置の制御方法。

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