JP6339606B2 - 多重管式冷却器およびこれを用いた冷水機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の管が径方向の内外に配置された多重管式冷却器、および、これを用いた冷水機に関する。

従来より、複数の管が径方向の内外に配置された多重管式冷却器が知られている。例えば、図１２に示すように、特許文献１には、複数の管３０〜３２と、冷却コイル３３とが同心円状に配置された冷却器３４が記載されている。冷却コイル３３は、隣り合ったコイル同士の隙間が存在する状態、すなわち、コイルが疎に巻回されており、外管３０と内管３１との間に存在する略円筒状の空間内に配置されている。入口管３５より供給された流体は、冷却コイル３３が配置されている最も外側の空間を上方に向かって流れた後、これよりも内側の空間を軸方向に折り返しながら径方向内側に導かれ、軸芯の内々管３２から外部に放出される。

特開平５−５２４８６号公報

しかしながら、上述した従来の冷却器では、冷却コイルが配置された空間、すなわち、冷却コイルを流れる冷媒との熱交換が行われる流路において、冷却すべき流体の流速がばらつき、流れの遅い部分が生じる。なぜなら、冷却コイルが疎に巻回されているため、隣り合ったコイル同士の隙間を流体が径方向に往来して、軸方向への流れに乱れが生じるからである。これにより、例えば、流体を凝固温度近傍まで冷却する場合、冷却コイルと接する流路のうちの特に流れの遅い部分において、流体が部分的に凝固し、凝固物が急激に成長して流路を塞ぐといった事態が起こり得る。このような事態を防止するためには、部分的な凝固が生じないような温度マージンを加味して、設定温度（流体の目標冷却温度）自体を高めに設定せざるを得ない。また、流路における凝固の有無は、流路に設置された温度センサを用いて、流路の温度を検出することによって判別することができる。しかしながら、流路の一部のみに凝固が生じた場合、その部分に温度センサが存在するとは限らず、また、流路全体に無数の温度センサを設けることは構造的にもコスト的にも現実的ではないので、部分的な凝固を適切に判別することは困難である。

そこで、本発明の目的は、冷媒との熱交換が行われる流路において、冷却すべき流体の流速がばらつくことを抑制することである。

第１の発明は、複数の管が径方向の内外に配置された多重管式冷却器を提供する。この多重管式冷却器は、冷却コイルと、第１の管と、第２の管と、内側流路と、外側流路と、第１の連通口と、第２の連通口と、第３の連通口とを有する。冷却コイルは、コイルの径方向の内外が仕切られていると共に、コイルを流れる冷媒との熱交換によって、冷却すべき流体を冷却する。第１の管は、冷却コイルの径方向内側に配置されている。第２の管は、冷却コイルの径方向外側に配置されている。内側流路は、冷却コイルの内側と、第１の管の外側との間の空間であって、流体が一方の軸方向に流れる。外側流路は、冷却コイルの外側と、第２の管の内側との間の空間であって、流体が内側流路とは反対方向に流れる。第１の連通口は、内側流路および外側流路の一方における軸方向の一端側において、全周に亘って流体を導入する。第２の連通口は、冷却コイルにおける上記一端側とは反対の他端側において、内側流路と、外側流路とを全周に亘って連通する。第３の連通口は、内側流路および外側流路の他方における上記一端側において、全周に亘って前記流体を放出する。

ここで、第１の発明において、上記第１の連通口は、第１の管に設けられていてもよい。この場合、流体は、第１の連通口を介して内側流路の全周に亘って導入され、第２の連通口を介して、内側流路から外側流路に向かって軸方向に往復した上で、外部に放出される。

第１の発明において、冷却コイルの外側と、第２の管の内側との間隔は、第１の管の外側と、冷却コイルの内側との間隔よりも狭いことが好ましい。より好ましくは、外側流路（冷却コイルの外側と、第２の管の内側との間に形成される空間）の径方向断面積を、内側流路（冷却コイルの内側と、第１の管の外側との間に形成される空間）の径方向断面積と略同一に設定することである。

第１の発明において、冷却コイルの内周面および外周面のうちの少なくとも一方に、冷媒が流れない伝熱部材を軸方向に沿って取り付けてもよい。また、内側流路および外側流路のうちの少なくとも一方に、この流路の温度を検出する温度センサを設けてもよい。さらに、第１の管の内側および第２の管の外側の少なくとも一方に、第３の管を配置してもよい。この場合、第３の管と、これと隣接した管（第１の管および第２の管の少なくとも一方）とは多重管構造をなし、その空間を、流体が軸方向に流れる。

第２の発明は、上記第１の発明に係る多重管式冷却器を用いて、上記流体としての水を冷却する冷水機を提供する。この冷水機は、流体としての水が貯留された水槽と、水槽内に配置された上記多重管式冷却器とを有する。

ここで、第２の発明において、冷水機は、水槽内に貯留された水を汲み出し、この汲み出された水を多重管式冷却器によって冷却した上で、水槽内に放出する水循環系と、水槽内に貯留された水を、多重管式冷却器を介することなく、外部に直接送水する送水系とをさらに有していてもよい。

第１の発明によれば、冷却コイルの径方向の内外を仕切って内側流路と外側流路とに分離すると共に、軸方向の他端に設けられた第２の連通口を介して、内側経路と外側経路とを第２の連通口とを全周に亘って連通させる。軸方向の一端側に設けられた第１の連通口より全周に亘って導入された流体は、冷却コイルの径方向の往来が規制された内側流路および外側流路を軸方向に沿って一様に往復した後、軸方向の一端側に設けられた第３の連通口より全周に亘って放出される。このように流体を整流することで、冷却コイルと接する内側流路および外側流路において、流体の流速がばらつくことを有効に抑制できる。

第２の発明によれば、第１の発明に係る多重管式冷却器を用いることで、冷却コイルと接する流路における水の流速のばらつきが抑制されるため、水が部分的に凍結すること、および、凍結によって生じた氷が急激に成長して流路を塞ぐことを有効に抑制できる。これにより、部分的な凝固を生じさせないための温度マージンが緩和され、より低温の冷却水を効率よく生成することが可能になる。

第１の実施形態に係る多重管式冷却器の全体図 第１の実施例に係る多重管式冷却器の展開斜視図 第１の実施形態に係る多重管式冷却器の径方向断面図 連通口の形状の第１の例を示す図 連通口の形状の第２の例を示す図 連通口の形状の第３の例を示す図 冷却コイルの外観斜視図 多重管式冷却器の内部における流体の流れを示す図 冷却コイル周りにおける流体の流れを示す図 第２の実施形態に係る多重管式冷却器の概略図 第３の実施形態に係る冷水機の概略的な全体図 従来技術における冷却器の説明図

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る多重管式冷却器の全体図である。この多重管式冷却器１は、冷却対象となる流体（例えば水等）を冷却する用途で用いられる。なお、同図は、多重管式冷却器１を構成する部材同士の位置関係が容易に理解できるように、それぞれの部材を軸方向にやや展開した状態を示しているが、実際には、外管４の内部に複数の部材２，３，５が完全に収容されており、上端の開口部は、透明フタ６によって閉塞されている。

多重管式冷却器１は、複数の管２〜４と、冷却コイル５とを有し、これらは、径方向の内外に配置されている。本実施形態において、冷却コイル５の内側に２本、その外側に１本、合計３本の管が配置されている。具体的には、多重管式冷却器１の軸芯には、第１の内管２が配置されている。この第１の内管２の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて第２の内管３が配置されている。また、この第２の内管３の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて冷却コイル５が配置されている。さらに、この冷却コイル５の径方向外側には、その全周を囲むように、所定の間隔を空けて外管４が配置されている。このように、３本の管２〜４および冷却コイル５が同心円状に配置された状態で、上端の開口部が透明フタ６によって閉塞されている。透明フタ６を用いる理由は、多重管式冷却器１の運転時に、内部状態を外部から目視できるようにするためであり、これによって、例えば、内部流路に流体の凝固が生じているかどうかを、分解することなく判別することができる。

図２は、多重管式冷却器１の展開斜視図であり、図３は、その径方向断面図である。本実施形態において、多重管式冷却器１は、流体を貯留する貯留槽内に配置して使用することを前提しているため、貯留槽の底面７ａには、多重管式冷却器１が載置される仕切り部８が設けられており、この仕切り部８も多重管式冷却器１の構成部材の一部をなしている。また、第１の内管２自体、または、これに接続された別管は、冷却すべき流体が外部から供給される入口管９として、貯留槽の底面７ａを上下に貫通している。

なお、多重管式冷却器１は、貯留槽内に配置することなく、単独で使用することも可能である。その場合、仕切り部８に相当する閉塞部材を用いて、多重管式冷却器１の下端の開口部を閉塞すると共に、流体を導入する入口管９以外に、流体を放出する出口管を別途取り付ければよい。

第１の内管２は、軸方向の下端側が入口管９と連通していると共に、透明フタ６によって閉塞された上端側には、径方向の内外を貫通する小径の連通口１１ａが、全周に亘って均等に複数配置されている。透明フタ６によって上端の開口部が閉塞された組立状態において、第１の内管２における径方向の内外の空間は、流体が流れる流路１０ａ，１０ｂとなる。すなわち、第１の内管２の内部空間が流路１０ａに相当し、第１の内管２の外側と、第２の内管３の内側との間に存在する略円筒状の空間が、流路１０ｂに相当する。これらの流路１０ａ，１０ｂは、連通口１１ａを介して、上端側において互いに連通している。

第２の内管３は、その上端側が透明フタ６によって閉塞されていると共に、その下端側には、径方向の内外を貫通する連通口１１ｂ（図８参照）が、全周に亘って設けられている。これにより、第２の内管３における径方向の内外の空間は、連通口１１ｂを介して、下端側において互いに連通している。軸芯の入口管９から導入した流体を径方向外側から放出する場合、連通口１１ｂは、冷却コイル５と接した流路１０ｃ，１０ｄの上流に位置し、これらの流路１０ｃ，１０ｄに流体を導入する導入口となる。

全周に亘って流体を導くための連通口１１ｂの形状としては、様々なものを用いることができる。例えば、図４に示すように、貯留槽の底面７ａよりも若干上方に第２の内管３の下端が位置するように、第２の内管３を配置してもよい。この場合、貯留槽の底面７ａと、第２の内管３の下端との間に全周に亘って生じる隙間（開口）が連通口１１ｂとなる。また、第２の内管３の下端を底面７ａに当接させて閉塞した上で、この内管３自体に連通口１１ｂを設けてもよい。例えば、図５に示すように、第２の内管３の下端側において、実質的に全周が均等に開口するように、周方向に延在する略矩形状の開口を等間隔で複数設け、これらを連通口１１ｂとする。さらに、図６に示すように、第２の内管３の下端側において、多数の小孔を全周に亘って均等に設け、これらを連通口１１ｂとしてもよい。以上のような形状は、他の連通口１１ａ，１１ｃ，１１ｄ（図８参照）についても同様に適用することができる。

図２および図３に示したように、冷却コイル５は、第２の内管３の外側と、外管４の内側との間に存在する略円筒状の空間内に配置されている。この空間は、冷却コイル５によって径方向の内外が仕切られており、これによって、流体が流れる流路として、冷却コイル５の内周面に接する内側流路１０ｃと、その外周面に接する外側流路１０ｄとが分離される。

図７は、冷却コイル５の外観斜視図である。径方向の内外が仕切られた冷却コイル５の構造としては、図示したような、コイルが密に巻回されたものを用いることができる。コイルの径方向を内外に仕切る理由は、内側流路１０ｃと、外側流路１０ｄとの間において、流体が径方向に往来することを規制するためである。したがって、実質的に流体が往来しない程度にコイル同士が接していれば足り、コイル間が溶接等で完全に塞がれていることまで要求するものではない。また、疎に巻回されたコイルを複数本用意し、一方のコイルの隣り合った隙間に他方のコイルが入り込むように、複数本のコイルを入れ子状に配置することによって、密に巻回されたコイルの構造体を用意し、これを冷却コイル５として用いてもよい。さらに、コイルの疎密を問わず、巻回されたコイルの内周面および外周面の少なくとも一方に、シート状の部材を貼着または溶接することによって、コイルの隙間を塞いでもよい。この場合、冷却効率の低下を抑制すべく、シート状の部材として、伝熱性の高い材質のもの（例えばアルミ箔等）を用いることが好ましい。冷却コイル５における冷媒の流れとしては、入口５ａから供給された冷媒が、冷却コイル５の流路に沿って螺旋状に流れて、出口５ｂから外部に放出される。

また、図７に示したように、冷却コイル５の内周面および外周面の少なくとも一方には、冷却性能を高めるために、冷媒が流れない棒状の伝熱部材５ｃが軸方向に沿って取り付けられている。冷却コイル５と接した内外の流路１０ｃ，１０ｄは、上端側の連通口１１ｃを介してのみ連通し、それ以外では互いに分離されているため、それぞれの流路１０ｃ，１０ｄにおいて、流体は軸方向に沿って均一に流れる。伝熱部材５ｃを軸方向に沿って延在させることで、これらの流路１０ｃ，１０ｄにおける軸方向の流れを阻害することなく、熱交換による冷却効率を高めることができる。伝熱部材５ｃとしては、冷却コイル５の材質と同様、熱伝導率の高い金属（例えば銅）を用いることが好ましい。また、複数本の伝熱部材５ｃを用い、冷却コイル５の内周面／外周面の全周に均等に取り付けてもよい。

図３に示したように、外側流路１０ｄには、この流路における凝固の有無を検出するために、流路の温度を検出する温度センサ１２が、少なくとも一つ設けられている。この温度センサ１２は、外側流路１０ｄではなく内側流路１０ｃに設けてもよく、あるいは、内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄの双方に設けてもよい。

冷却コイル５の下端面は、貯留槽の底部７ａに設けられた仕切り部８の上端面と接しており、これによって、冷却コイル５の下端側において、流体の径方向の往来が規制される。また、冷却コイル５の上端側には、径方向の内外を貫通する連通口１１ｃが全周に亘って設けられている。この連通口１１ｃによって、冷却コイル５の内側と第２の内管３の外側との間における略円筒状の空間である内側流路１０ｃと、冷却コイル５の外側と外管４の内側との間における略円筒状の空間である外側流路１０ｄとは、上端側において互いに連通している。また、外管４の下端側には、径方向の内外を貫通する連通口１１ｄが全周に亘って設けられている。軸芯の入口管９から導入した流体を径方向外側より放出する場合、連通口１１ｄは、冷却コイル５と接した流路１０ｃ，１０ｄの下流に位置し、これらの流路１０ｃ，１０ｄを経て冷却された流体を放出する放出口となる。なお、最も外側の連通口１１ｄについては、径方向外側には流路が最早存在しないため、径方向に開口している必要性は必ずしもなく、軸方向に開口させて、側方ではなく下方より流体を放出してもよい。

多重管式冷却器１を構成する複数の管２〜４は、同心円状に配置された状態で透明フタ６を介してネジ止めされており、これによって、多重管式冷却器１として全体が一体化される。多重管式冷却器１のメンテナンス時には、ネジを外すことによって、それぞれの部材を容易に分解することができる。なお、メンテナンス性を考慮する必要がないのであれば、ネジ止め以外の方法で複数の管２〜４の開口部を閉塞してもよく、例えば、開口部に蓋が溶接されているような形態、すなわち、開口部を有さない閉塞管を用いてもよい。その意味で、本明細書において、「管」とは、開口の有無を問わない筒状体と同義の用語として用いている。

図８は、多重管式冷却器１の内部における流体の流れを示す図である。軸芯の入口管９より供給された流体は、第１の内管２の内部に形成された流路１０ａを軸方向上方に向かって流れる。この流路１０ａを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ａを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、流路１０ｂを軸方向下方に向かって流れる。この流路１０ｂを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｂを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、内側流路１０ｃを軸方向上方に向かって流れる。この内側流路１０ｃは、冷却コイル５と接しているので、冷却コイル５を流れる冷媒と、内側流路１０ｃを流れる流体との間で熱交換が行われ、これによって、流体が冷却される。内側流路１０ｃを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ｃを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、外側流路１０ｄを軸方向下方に向かって流れる。この外側流路１０ｄは、内側流路１０ｃと同様、冷却コイル５と接しているので、外側流路１０ｄを流れる流体はさらに冷却される。そして、外側流路１０ｄを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｄ（放出口）を介して、径方向外側に全周に亘って均一に放出される。このように、多重管式冷却器１の内側流路１０ａ〜１０ｄにおいて、流体は、軸方向に往復しながら、径方向外側に導かれる。

このように、本実施形態によれば、冷却コイル５の内外を仕切って内側流路１０ｃと外側流路１０ｄとに分離すると共に、これらの経路１０ｃ，１０ｄの間を連通口１１ｃを介して全周に亘って連通させる。これにより、冷却コイル５に流体を導入する導入口となる連通口１１ｂ（冷却コイル５の直上流側）より全周に亘って導入された流体は、図９の矢印で示すように、内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄよりなる一連の流路を軸方向に沿って一様に往復する。その際、冷却コイル５の隙間を介した流体の往来が規制されているので、軸方向に沿った流体の流れに乱れが生じ難い。このように流体を整流することによって、冷却コイル５と接した内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄにおいて、流体の流速がばらつくことを有効に抑制できる。

流速のばらつきの抑制は、特に、流速の遅い部分での予期しない凝固を防止できるという点で、流体を凝固温度近傍まで冷却する場合に有利である。なぜなら、部分的な凝固が生じないような温度マージンが不要になるため、その分だけ、設定温度（流体の目標冷却温度）を低く設定できるからである。また、凝固が生じるとしても、部分的な凝固ではなく、冷却コイル５の伝熱面全体が均一に凝固するので、温度センサ１２を多数設置しなくとも、少ない個数で、凝固の状態を精度よく判別することが可能となる。

また、本実施形態によれば、冷却コイル５の内外を仕切って内側流路１０ｃと外側流路１０ｄとに分離することで、冷却コイル５の内外を仕切ることなく単一の流路とする場合と比較して、流路の断面積が小さくなって流体が速く流れる。これにより、冷却コイル５による流体の冷却効率を高めることができる。

また、本実施形態では、冷却コイル５の径方向内側が二重管構造（内管２，３）となっており、その内部を流体が軸方向に往復する。これにより、内側流路１０ｃと、その直内側にある流路１０ｂとが内管３の壁部を介して接し、両者を流れる流体間で熱交換が生じるので、内側流路１０ｃにおいて流体の凝固が生じても、凝固物の急激な成長を抑制できる。

また、本実施形態によれば、冷却コイル５によって冷却された流体を外部に放出する放出口となる連通口１１ｄ（冷却コイル５の直下流側）が全周に亘って開口しているため、冷却コイル５の下流側での流体の滞留が生じ難く、上流側に悪影響を及ぼすことがない。その結果、内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄにおける流速のばらつきをより有効に抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、冷却コイル５の径方向内側に複数の内管２，３を配置して、入口管９より供給された流体が冷却コイル５の全周に均一に行き渡るように整流している。このように、冷却コイル５の内部空間を有効に活用して、整流機構を冷却コイル５の内部に配置することによって、多重管式冷却器１を小型化することができる。

なお、上述した実施形態では、軸芯の入口管９から導入した流体を径方向外側より放出する例について説明したが、図８および図９に示した流体の流れを逆にして、径方向外側から導入した流体を軸芯の入口管９より放出してもよい。この場合、内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄの双方の上流に位置する連通口１１ｄを介して、貯留槽内に貯留された流体は、全周から多重管式冷却器１の内部に導入される。また、貯留槽内に配置することなく、単独で使用される多重管式冷却器１の場合、入口管９の一点から導入された流体が全周に亘って均一に広がるように整流した上で、連通口１１ｄに導けばよい。

さらに、内側流路１０ｃおよび外側流路１０ｄにおける流速のばらつきを抑制するという観点でいえば、図３に示したように、冷却コイル５の外側と外管４の内側との間隔Ｌ１は、冷却コイル５の内側と内管３の外側との間隔Ｌ２よりも狭いことが好ましい（Ｌ１＜Ｌ２）。これらの間隔Ｌ１，Ｌ２が同一の場合、内側流路１０ｃよりも外側流路１０ｄの方が径方向断面積が大きくなって、外側流路１０ｄの流速が相対的に遅くなってしまうからである。Ｌ１＜Ｌ２とすれば、両者の流速の差を緩和することができる。特に、内側流路１０ｃの径方向断面積と、外側流路１０ｄの径方向断面積とが略同一になるように間隔Ｌ１，Ｌ２を設定すれば、内側流路１０ｃの流速と、外側流路１０ｄの流速とを、ほぼ等しくすることができる。

以上のような各変形例は、後述する第２の実施形態においても、同様に適用することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る多重管式冷却器の概略図である。この多重管式冷却器１'は、第１の実施形態と同様、複数の管２〜４と、冷却コイル５とによって構成されているが、第１の実施例とは異なり、冷却コイル５が内管２，３との間に配置されている。これにより、冷却コイル５の径方向内側は単管構造（内管２）となり、その径方向外側は二重管構造（内管３および外管４）となる。それ以外の点については、第１の実施形態と同様なので、第１の実施形態で用いた符号と同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

同図に矢印で示すように、入口管９より供給された流体は、第１の内管２の内部に形成された流路１０ａを軸方向上方に向かって流れる。この流路１０ａを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ａ（冷却コイル５の導入口）を介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、内側流路１０ｃを軸方向下方に向かって流れる。この内側流路１０ｃは、冷却コイル５と接しているので、冷媒との熱交換によって、流体が冷却される。この内側流路１０ｃを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｂを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、外側流路１０ｄを軸方向上方に向かって流れる。この外側流路１０ｄは、冷却コイル５と接しているので、外側流路１０ｄを流れる流体はさらに冷却される。外側流路１０ｄを経て上端側に導かれた流体は、上端側の連通口１１ｃを介して、径方向外側に全周に亘って均一に導かれた後、流路１０ｅを軸方向下方に向かって流れる。そして、流路１０ｅを経て下端側に導かれた流体は、下端側の連通口１１ｄ（出口）を介して、径方向外側に全周に亘って均一に放出される。

このように、本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏する他、冷却コイル５の径方向外側が二重管構造（内管３および外管４）となっているため、その内部を流体が軸方向に往復する。これにより、外側流路１０ｄと、その直外側にある流路１０ｅとが内管３の壁部を介して接し、両者を流れる流体間で熱交換が生じるので、外側流路１０ｄにおいて流体の凝固が生じても、凝固物の急激な成長を抑制できる。

なお、上述した各実施形態では、冷却コイル５の径方向内側を二重管構造とする形態（第１の実施形態）、および、冷却コイル５の径方向外側を二重管構造とする形態（第２の実施形態）を例示したが、内側および外側の双方に、複数の管を用いた多重管構造を採用してもよい。ただし、本発明の構成として最低限必要なものは、冷却コイル５の径方向の内外にそれぞれ１本の管、合計２本の管が存在することであって、内側および外側の少なくとも一方を多重管構造とすることは、本発明の上位概念としては必須ではない。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る冷水機の概略的な全体図である。この冷水機２０は、上述した各実施形態およびその変形例に係る多重管式冷却器１，１’（以後、符号「１」にて総称）を用いて、冷却対象となる流体として水を冷却し、飲料用途はもとより、食品、水産、理化学等の各種分野で使用される凍結温度近傍の低温の冷水を生成する。なお、本明細書において、「水」または「冷水」とは、水分を含む液体といった意味で用いられ、真水のみならず、塩水、飲料（ジュース、ビール等）、ブライン（水分を含むもの）などを含む。

冷水機２０は、水槽７と、多重管式冷却器１と、水循環系２１と、給水系２２と、送水系２３と、冷媒循環系２４とを主体に構成されている。水槽７は、多重管式冷却器１によって冷却された水が貯留されており、その底面７ａには、多重管式冷却器１が設置されている。水循環系２１は、多重管式冷却器１における水の出入口間に接続されており、水槽７内に貯留された水をポンプ２１ａで汲み出して多重管式冷却器１に供給すると共に、多重管式冷却器１によって冷却された水を水槽７内に放出する。また、水循環系２１における冷水の流路には、温度センサ２１ｂが設けられており、これによって、流路を流れる冷水の温度、換言すれば、水槽７の水温が検出される。さらに、上述したように、多重管式冷却器１には、内部流路の凍結状態を検出するために、温度センサ１２が内蔵されている。

給水系２２は、水槽７内の水位を検出するレベルセンサ２５によって貯留量が減少した場合に、所定の貯留量になるまで水槽７内に水を供給する。送水系２３は、水槽７内に貯留された冷水を、多重管式冷却器１を介することなく、外部に直接送水する。本実施形態において、送水系２３は、水循環系２１における多重管式冷却器１の上流側、具体的には、ポンプ２１ａと多重管式冷却器１との間に取り付けられており、ポンプ２１ａによって汲み出された冷水を外部に送水する。

冷媒循環系２４は、冷却器１における冷媒の出入口に接続されており、圧縮機および凝縮器よりなる冷凍機２４ａと、膨張弁２４ｂとを備えている。冷凍機２４ａの運転中、冷媒は、冷凍サイクルを繰り返しながら冷媒循環系２４を循環する。すなわち、冷凍機２４ａに供給された冷媒は、圧縮機によって圧縮されて高温高圧ガスとなり、凝縮器によって凝縮（液化）された上で、高圧液となって冷凍機２４ａより放出される。高圧液化された冷媒は、膨張弁２４ｂによって減圧され、低圧液となって冷却器１に供給される。低圧液化された冷媒は、冷却器１における水との熱交換によって蒸発（気化）し、低圧ガスとなって冷凍機２４ａに戻される。このような冷媒の冷凍サイクルにおいて、冷却器１内を流れる水は、低圧液化された冷媒が気体に相変化する際の気化熱によって冷却される。

このように、本実施形態によれば、上述した多重管式冷却器１を用いることで、冷媒との熱交換が行われる流路上での流速のばらつきが抑制されるため、水が部分的に凍結すること、および、凍結によって生じた氷が急激に成長して流路を塞ぐことを有効に抑制できる。

また、本実施形態によれば、多重管式冷却器１の構造として、水の部分的な凍結が生じ難いので、冷水機１を制御する上で、部分的な凝固が生じないような温度マージンを考慮する必要がない。これにより、冷水の設定温度を、従来の冷水機よりも低温（例えば１℃以下）にすることができ、そのような極低温の冷水を水槽７内に貯留しておくことができる。その結果、多重管式冷却器１を経なくとも、極低温の冷水をそのままに送水することができる。

さらに、本実施形態によれば、多重管式冷却器１の内部流路に凍結が生じた場合でも、部分的な凍結ではなく、冷却コイル５の伝熱面全体が均一に凍結するので、少数の温度センサ１２のみで、凍結の状態を精度よく判別することが可能となる。これにより、冷却コイル５にある程度の氷が付着したまま、冷水機１を連続運転することができる。

１，１’ 多重管式冷却器
２ 第１の内管
３ 第２の内管
４ 外管
５ 冷却コイル
６ 透明フタ
７ 貯留槽（水槽）
７ａ 底面
８ 仕切り部
９ 入口管
１０ａ〜１０ｅ 流路
１１ａ〜１１ｄ 連通口
１２ 温度センサ
２０ 冷水機
２１ 水循環系
２１ａ ポンプ
２１ｂ 温度センサ
２２ 給水系
２３ 送水系
２４ 冷媒循環系
２４ａ 冷凍機
２４ｂ 膨張弁
２５ レベルセンサ

Claims (9)

1. 複数の管が径方向の内外に配置された多重管式冷却器において、
   コイルの径方向の内外が仕切られていると共に、前記コイルを流れる冷媒との熱交換によって、冷却すべき流体を冷却する冷却コイルと、
   前記冷却コイルの径方向内側に配置された第１の管と、
   前記冷却コイルの径方向外側に配置された第２の管と、
   前記冷却コイルの内側と、前記第１の管の外側との間の空間であって、前記流体が一方の軸方向に流れる内側流路と、
   前記冷却コイルの外側と、前記第２の管の内側との間の空間であって、前記流体が前記内側流路とは反対方向に流れる外側流路と、
   前記内側流路および前記外側流路の一方における軸方向の一端側において、全周に亘って前記流体を導入する第１の連通口と、
   前記冷却コイルにおける前記一端側とは反対の他端側において、前記内側流路と、前記外側流路とを全周に亘って連通する第２の連通口と、
   前記内側流路および前記外側流路の他方における前記一端側において、全周に亘って前記流体を放出する第３の連通口と
   を有することを特徴とする多重管式冷却器。
2. 前記第１の連通口は、前記第１の管に設けられており、
   前記流体は、前記第１の連通口を介して前記内側流路の全周に亘って導入され、前記第２の連通口を介して、前記内側流路から前記外側流路に向かって軸方向に往復した上で、外部に放出されることを特徴とする請求項１に記載された多重管式冷却器。
3. 前記冷却コイルの外側と、前記第２の管の内側との間隔は、前記第１の管の外側と、前記冷却コイルの内側との間隔よりも狭いことを特徴とする請求項１または２に記載された多重管式冷却器。
4. 前記冷却コイルの外側と、前記第２の管の内側との間における前記外側流路の径方向断面積は、前記冷却コイルの内側と、前記第１の管の外側との間における前記内側流路の径方向断面積と略同一であることを特徴とする請求項３に記載された多重管式冷却器。
5. 前記冷却コイルの内周面および外周面のうちの少なくとも一方には、前記冷媒が流れない伝熱部材が軸方向に沿って取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された多重管式冷却器。
6. 前記内側流路および前記外側流路のうちの少なくとも一方に設けられ、当該流路の温度を検出する温度センサをさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された多重管式冷却器。
7. 前記第１の管の内側および前記第２の管の外側の少なくとも一方に配置された第３の管をさらに有し、
   前記第３の管と隣接した前記第１の管または前記第２の管と、前記第３の管との間の空間を、前記流体が軸方向に流れることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された多重管式冷却器。
8. 水を冷却する冷水機において、
   流体としての水が貯留された水槽と、
   前記水槽内に配置された多重管式冷却器とを有し、
   前記多重管式冷却器は、請求項１から７のいずれかに記載された多重管式冷却器であることを特徴とする冷水機。
9. 前記水槽内に貯留された水を汲み出し、当該汲み出された水を前記多重管式冷却器によって冷却した上で、前記水槽内に放出する水循環系と、
   前記水槽内に貯留された水を、前記多重管式冷却器を介することなく、外部に直接送水する送水系と
   をさらに有することを特徴とする請求項８に記載された冷水機。

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