JP4609260B2

JP4609260B2 - 熱交換型冷却装置

Info

Publication number: JP4609260B2
Application number: JP2005273343A
Authority: JP
Inventors: 直之舟田; 裕二中野; 桂輔萩本; 俊和山口; 睦彦松本; 和樹最首; 洋柴田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007088126A; KR20080034013A; CN101268727B; WO2007034705A1; EP1906720A1; KR100969691B1; CN101268727A; US20090101304A1; EP1906720A4

Description

本発明は、屋外に設置される箱体構造物で、内部に温度、湿度、粉塵などが性能、寿命に影響を与える機器を収容し、その機器の発熱量が多いため年間を通じて冷却を要する箱体構造物に関し、特に熱交換型冷却装置とその加熱手段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、箱体構造物の外壁に熱交換型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、既設のエアコンなどの冷却装置の冷房負荷が軽減し、その運転時間が減少し、省エネとなるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その発熱体収納箱冷却装置について図７を参照しながら説明する。

図７に示すように箱体構造物１０１は、発熱体収納箱の空気を取込んで戻す内気風路１０５と、外気を取込み、また外気に排出する外気風路１０９を有し、これら両風路が独立するよう設置された仕切板１１０と、外気風路１０９の空気を搬送する送風機１０３Ｂと、内気風路１０５の空気を搬送する送風機１０３Ａと、両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１０４とを備え、発熱体収納箱のパネルに外付けする設置形態で、発熱体収納箱を冷却している。

また、外気吸込口にヒータ配置することで、寒冷地の使用でも熱交換素子に結露しないようにしたものがあった（例えば、特許文献２参照）。

以下、その構成について図８を参照しながら説明する。

図８に示すように熱交換素子１２０が排気Ａｅと吸気Ａｓとの熱交換を行うために設けられるとともに、前記熱交素子１２０に屋外空気を送風する給気ファン１２２と屋内空気を送風する排気ファン１２３が設けてあり、さらに屋外側に雨水浸入防止用のフード１２１が設けてある。そして、吸気ファン１２２の風上側にヒータＨを設置し、熱交換前の外気を加熱することにより、寒冷地における熱交換素子内の結露発生を防止している。
特開２００１−１５６４７８号公報（図１）特開平６−３２３５９３号公報（図１）

しかしながら、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、外気温度が低く、また箱体構造物内も冷えている場合には、箱体構造物内を暖めるということはできない。

箱体構造物に収容されている機器の中には、起動に際し一定以上の周囲温度が必要なものがあるため、このような機器が収容されている場合、周囲温度によっては機器が起動できないという課題がある。

このため、箱体構造物に収容されている機器が起動する際に、外気温度が機器の起動する周囲温度より低く、また箱体構造物内も冷えている場合には、一時的に箱体構造物内を加熱することが要求されている。

また、特許文献２の構成では、外気が箱体構造物内に直接入るため、箱体構造物に粉塵、水分などが侵入し、収容されている機器への悪影響が懸念される。

また、ヒータは熱交換前の外気を加熱しているため、室内空気温度が外気温度よりも低い場合は、ヒータにより暖められた外気が熱交換素子を通過する際に排気側に冷却され、効率よく室内側を加熱することができないという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内を加熱および冷却することができ、また、簡素な構造で、生産、メンテナンスが容易である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、前記外気風路の空気を搬送する外気側送風機と、前記内気風路の導入部に配置し内気風路の空気を搬送する内気側送風機と、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、前記内気側送風機と熱交換素子間に制御ボックスと加熱手段を備え、前記内気風路と前記外気風路が互いに独立するよう配置し、前記制御ボックスの壁面に前記加熱手段を設け、前記制御ボックスには、前記内気風路と制御ボックス内とを連通する制御ボックス吸込口と、制御ボックス内と箱体構造物内とを連通する制御ボックス吹出口とを設けたものである。

この手段により、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内を加熱および冷却する熱交換型冷却装置が得られる（請求項１）。

また、他の手段は、加熱手段の通風面が内気側送風機の軸と平行かつ送風方向と垂直に配置されたものである。

この手段により、放熱量が多くなり、高い加熱能力が実現でき、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内を加熱および冷却する熱交換型冷却装置が得られる（請求項２）。

また、他の手段は、加熱手段が、加熱能力、加熱速度などの特性が異なる複数の発熱体で構成されたものである。

この手段により、高い加熱能力を確保するとともに起動時の突入電流を低く抑えることができ、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内を加熱および冷却する熱交換型冷却装置が得られる（請求項３）。

また、他の手段は、複数の発熱体が同一構造の固定用部材にて設置されたものである。

この手段により、固定用部材を共用することが可能になり、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができる熱交換型冷却装置が得られる（請求項４）。

また、他の手段は、複数の発熱体が同一構造であるものである。

この手段により、交換用部品を１種類にすることが可能になり、部品交換時に取付け間違いが発生せず、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができる熱交換型冷却装置が得られる（請求項５）。

また、他の手段は、温度ヒューズが発熱体の通風面近傍に設置されたものである。

この手段により、加熱手段の周囲温度を的確に測定し、異常時には迅速に加熱手段の回路を切断することが可能な熱交換型冷却装置が得られる（請求項６）。

また、他の手段は、加熱手段にサーモラベルを貼り付けたものである。

この手段により、加熱手段の温度を温度センサなどの測定手段を備えることなく、機能していない加熱手段を特定することができる熱交換型冷却装置が得られる（請求項７）。

本発明によれば、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内の加熱および冷却を可能とした熱交換型冷却装置を提供できる。

また、加熱手段の放熱量を多くすることで、高い加熱能力をもつ熱交換型冷却装置を提供できる。

また、高い加熱能力を確保するとともに、起動時の突入電流を低く抑えた熱交換型冷却装置を提供できる。

また、部品を共用することで、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減した熱交換型冷却装置を提供できる。

また、部品交換時に取付け間違いが発生せず、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減した熱交換型冷却装置を提供できる。

また、発熱体の周囲温度を的確に測定し、異常時には迅速に発熱体の回路を切断する熱交換型冷却装置を提供できる。

また、機能していない加熱手段を特定する熱交換型冷却装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の熱交換型冷却装置は、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、前記外気風路の空気を搬送する外気側送風機と、前記内気風路の導入部に配置し内気風路の空気を搬送する内気側送風機と、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、前記内気側送風機と熱交換素子間に制御ボックスと加熱手段を備え、前記内気風路と前記外気風路が互いに独立するよう配置し、前記制御ボックスの壁面に前記加熱手段を設け、前記制御ボックスには、前記内気風路と制御ボックス内とを連通する制御ボックス吸込口と、制御ボックス内と箱体構造物内とを連通する制御ボックス吹出口とを設けたものであり、外気温度が低く、箱体構造物内が冷えている場合には、加熱手段により箱体構造物内を加熱し、それ以外の場合は外気と内気の熱交換を用いて、箱体構造物内を冷却することにより、箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぐとともに、箱体構造物内の加熱および冷却が可能となるという作用を有する。

また、請求項２記載の熱交換型冷却装置は、加熱手段の通風面を内気送風機の軸と平行かつ送風方向と垂直に配置したものであり、加熱手段の通風面に内気側送風機からの風が多く接するために放熱量が多くなり、高い加熱能力が実現できるという作用を有する。

また、請求項３記載の熱交換型冷却装置は、加熱手段が、加熱能力、加熱速度などの特性が異なる複数の発熱体で構成されたものであり、これにより各発熱体の起動時の突入電流発生のタイミングがずれるため、高い加熱能力を確保しつつ突入電流を低く抑えることができるという作用を有する。

また、請求項４記載の熱交換型冷却装置は、複数の発熱体は同一構造の固定用部材にて設置されたものであり、部品を共用することで、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができるという作用を有する。

また、請求項５記載の熱交換型冷却装置は、複数の発熱体は同一構造であり、部品交換時に取付け間違いが発生せず、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができるという作用を有する。

また、請求項６記載の熱交換型冷却装置は、温度ヒューズが発熱体の通風面近傍に設置されたものであり、加熱手段の周囲温度を的確に測定し、異常時には迅速に加熱手段の回路を切断することが可能になるという作用を有する。

また、請求項７記載の熱交換型冷却装置は、加熱手段にサーモラベルを貼り付けたものであり、加熱手段の温度を温度センサなどの測定手段を備えることなく、機能していない加熱手段を特定することができ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。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における熱交換型冷却装置の設置図であり、図２は本発明の実施の形態１における熱交換型冷却装置の構成図を示したものである。

なお、熱交換型冷却装置Ａは箱体構造物Ｂに複数設置してもかまわない。各図は水平方向に熱交換型冷却装置Ａを２台設置した状態を示している。

図１では、熱交換型冷却装置Ａの取り付けは、箱体構造物Ｂの扉Ｄに内蔵される構造となっているが、箱体構造物Ｂの扉Ｄまたは壁面に外付けまたは内付けでもかまわない。

また、箱体構造物Ｂ内部には、機器Ｃが収容されている。

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１より内気側送風機２に取り込まれたのち、熱交換素子３を通過して、内気吹出口４より再び箱体構造物Ｂ内へ戻る内気風路５を形成している。また、内気吸込口１と熱交換素子３の間の内気風路５に接するように制御ボックス１１が配置されている。制御ボックス１１の側面にはヒータなどの加熱手段１０が配置されている。これにより内気風路５は内気側送風機２に取り込まれたのちに加熱手段１０を通過して熱交換素子３に導入される。また、内気吸込口１より内気側送風機２に取り込まれた内気の一部は加熱手段１０を通過したのち、制御ボックス１１の側面に設けられた制御ボックス吸込口１２より制御ボックス１１内に導入され、制御ボックス１１の前面に設けられた制御ボックス吹出口１３より箱体構造物Ｂ内へ戻る制御ボックス風路１４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、内気吸込口１の反対側にもうけられた外気吸込口６より外気側送風機９に取り込まれたのち、熱交換素子３を通過して、外気吹出口７より再び外気へ排出する外気風路８を形成している。

このように内気風路５および制御ボックス風路１４と外気風路８が独立するよう設置され、また外気風路８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３が配置されている。

また、制御ボックス１１の下部には内気温度センサー１５が設けられており、仕切板１７の側面には外気温度センサー１６が設けられている。

なお、内気側送風機２および外気側送風機９に変速機能を設けて、内気温度センサー１５の温度が設定値を上回ったときに回転数を上げて、箱体構造物Ｂ内部温度の変動に対応できる構成にしてもよい。

上記構成により、熱交換型冷却装置Ａは、外気温度センサー１６が内気温度センサー１５より低い温度を検知した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３にて熱交換をおこない、暖かくなった外気は排気し、冷却された空気を箱体構造物Ｂ内に給気して冷却する。

また、外気温度センサー１６の検知温度が低く、また内気温度センサー１５の検知温度も低い時に、箱体構造物Ｂに収容されている機器Ｃが起動する際には、内気側送風機２と、加熱手段１０により箱体構造物Ｂ内を加熱する。

また、外気風路８及び制御ボックス風路１４と、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、外気に含まれる水分、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Ｃへの水分、粉塵による悪影響も発生しない。

なお加熱手段１０として、正温度係数発熱体、面状発熱体、間接抵抗発熱体などを使用する。

加熱手段１０に正温度係数発熱体を使用した場合には、自己温度制御機能を有しているため、内気側送風機２が故障により停止し、加熱手段１０のみ運転している場合でも一定の温度以上にならず安全である。また、正温度係数発熱体は通電を開始してから短時間で所定温度まで上昇する特性もあり、昇温の早い加熱を実現することができる。これにより機器Ｃの周囲温度を安全かつ迅速に暖かくすることができ、機器Ｃが起動可能となる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における加熱手段の左上斜面概略配置図であり、図４は本発明の実施の形態２における加熱手段と送風機の正面概略配置図を示したものである。図３、４において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

実施の形態１における加熱手段１０を上下に２分割し、上部発熱体２１と下部発熱体２２とする。上部発熱体２１と下部発熱体２２の通風面２０を内気側送風機２の回転軸２３と平行かつ送風方向２４と垂直に配置する。

上記構成により、通風面２０を通過する内気側送風機２からの風の速度が最も大きくなる。加熱手段は通風面２０を通過する風速が大きいほど放熱量すなわち加熱能力が大きくなる特性があるため、大きな加熱能力を得ることができる。

なお、本形態では加熱手段１０を分割設置したが、分割しなくてもかまわない。さらに、上部発熱体２１と下部発熱体２２を、特性の異なる２種類の発熱体とした場合は、突入電流のピーク値に至るまでの時間が異なるため、高い加熱能力を確保しつつ起動時の突入電流を低く抑えることが可能となる。具体的にはＡＣ２７５Ｖ印加時に、上部発熱体２１を加熱能力４６０Ｗ、キュリー温度２２０℃の正温度係数発熱体とし、下部発熱体２２を加熱能力５１５Ｗ、キュリー温度２４５℃の正温度係数発熱体とした場合、起動時の突入電流は１２Ａとなった（周囲温度１０℃時）。上部発熱体２１と下部発熱体２２を加熱能力５００Ｗ、キュリー温度２２０℃で同一とした場合は起動時の突入電流が１６Ａであったため、加熱能力は同等で突入電流は２５％低減を実現できた。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における加熱手段の構造図を示したものである。図５において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

発熱体２６は同一構造である２つの絶縁保持部材２７により両端を保持されており、絶縁保持部材２７は固定金具２８に取付ける構造となっている。絶縁保持部材２７には２箇所開口を設けており、発熱体２６の電源印加用端子を通すことができるようになっている。

なお、絶縁保持部材２７の材質は通常セラミック系焼成品を用いるが、耐熱樹脂成形品を用いてもよい。

上記構造により、上部発熱体２１と下部発熱体２２の絶縁保持部材２７および固定金具２８は共用化することができ、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができる。

（実施の形態４）
図５を参照しながら説明する。

コネクター３２から配線接続子３１により分岐し、特性の異なる上部発熱体２１と下部発熱体２２の電源印加用配線３０を並列に接続して加熱手段１０として形成したものである。

上記構成により、上部発熱体２１と下部発熱体２２は同一の部品とすることができるので交換用部品を１種類にすることが可能になり、部品交換時に取付け間違いが発生せず、製造時の管理や交換用部品の在庫を軽減することができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における加熱手段の構造図を示したものである。図６において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

電源印加用配線３０に温度ヒューズ３３を挿入し、配線固定部材３４を用いて固定金具２８に取付けたものである。このとき温度ヒューズ３３の位置は、発熱体２６の水平方向の中央かつ発熱体２６の端部より７ｍｍ程度離し、通風路３５にかからないように取付ける。

上記構成により、発熱体２６の周囲温度を的確に測定し、異常時には迅速に加熱手段の回路を切断することが可能となる。

（実施の形態６）
図６を参照しながら説明する。

加熱手段にサーモラベル３６を貼り付けたものである。

上記構成により、従来は加熱手段の故障を検出するには、発熱体２６の温度を測定して発熱していない発熱体２６を特定する必要があったが、発熱体２６の温度を測定することなく、機能していない発熱体２６を特定することができる。

また、熱交換式冷却装置を停止してから発熱体２６の表面が安全な温度になるまで状況によっては数時間かかる場合があったが、サーモラベル３６により手で触れても安全かどうかが目で見て判断することができる。

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、内部に精密機器を有し、精密機器の動作可能雰囲気温度を維持するために、箱体構造物内部に対し、冷却および加熱を適宜行うことを要するものに対する冷却／加熱装置に利用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換型冷却装置の設置図同熱交換型冷却装置の構成図本発明の実施の形態２における加熱手段の左上斜面概略配置図同加熱手段と送風機の正面概略配置図本発明の実施の形態３、４における加熱手段の構造図本発明の実施の形態５、６における加熱手段の構造図従来の発熱体収容箱冷却装置構成図同熱交換型換気扇構成図

符号の説明

Ａ熱交換型冷却装置
Ｂ箱体構造物
２内気側送風機
３熱交換素子
５内気風路
８外気風路
９外気側送風機
１０加熱手段
２０通風面
２３回転軸
２４送風方向
２６発熱体
３３温度ヒューズ
３６サーモラベル

Claims

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、
前記外気風路の空気を搬送する外気側送風機と、
前記内気風路の導入部に配置し内気風路の空気を搬送する内気側送風機と、
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、
前記内気側送風機と熱交換素子間に制御ボックスと加熱手段を備え、
前記内気風路と前記外気風路が互いに独立するよう配置し、
前記制御ボックスの壁面に前記加熱手段を設け、
前記制御ボックスには、前記内気風路と制御ボックス内とを連通する制御ボックス吸込口と、制御ボックス内と箱体構造物内とを連通する制御ボックス吹出口とを設けた熱交換型冷却装置。
加熱手段の通風面が内気側送風機の回転軸と平行かつ送風方向と垂直に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型冷却装置。
加熱手段が加熱能力、加熱速度など特性が異なる複数の発熱体で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換型冷却装置。
加熱手段を構成する複数の発熱体が同一構造の固定用部材にて設置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換型冷却装置。
加熱手段を構成する複数の発熱体が同一構造であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換型冷却装置。
温度ヒューズが発熱体の通風面近傍に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換型冷却装置。
加熱手段にサーモラベルを貼り付けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換型冷却装置。