JPH08233423A - 冷却装置 - Google Patents
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- JPH08233423A JPH08233423A JP7065258A JP6525895A JPH08233423A JP H08233423 A JPH08233423 A JP H08233423A JP 7065258 A JP7065258 A JP 7065258A JP 6525895 A JP6525895 A JP 6525895A JP H08233423 A JPH08233423 A JP H08233423A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D16/00—Devices using a combination of a cooling mode associated with refrigerating machinery with a cooling mode not associated with refrigerating machinery
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
- F28D7/082—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration
- F28D7/085—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration in the form of parallel conduits coupled by bent portions
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D2700/00—Means for sensing or measuring; Sensors therefor
- F25D2700/14—Sensors measuring the temperature outside the refrigerator or freezer
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- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 低エネルギー消費でありかつ小型化できる、
レーザ装置用等の冷却装置を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明の冷却装置１は、第一段冷却器として
の外気−水熱交換冷却器（外気冷却器１５）と、第二段
冷却器としての冷媒−水熱交換冷却器（冷凍冷却器２
７）、外気温度を検知する外気温度センサ２２を有す
る。さらに、外気温度に応じて、外気冷却器１５及び冷
凍冷却器２７を運転する冷凍冷却器併用モード、又は、
冷凍冷却器２７を停止して外気冷却器１５のみを運転す
る外気冷却器単独モードのいずれかを選択する制御部５
を具備することを特徴とする。
レーザ装置用等の冷却装置を提供することを目的とす
る。 【構成】 本発明の冷却装置１は、第一段冷却器として
の外気−水熱交換冷却器（外気冷却器１５）と、第二段
冷却器としての冷媒−水熱交換冷却器（冷凍冷却器２
７）、外気温度を検知する外気温度センサ２２を有す
る。さらに、外気温度に応じて、外気冷却器１５及び冷
凍冷却器２７を運転する冷凍冷却器併用モード、又は、
冷凍冷却器２７を停止して外気冷却器１５のみを運転す
る外気冷却器単独モードのいずれかを選択する制御部５
を具備することを特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発信器等を冷却
する冷却水の冷却装置に関する。特には、外気による冷
却を有効に取り入れることにより、消費電力を大幅に低
減することのできる冷却装置に関する。
する冷却水の冷却装置に関する。特には、外気による冷
却を有効に取り入れることにより、消費電力を大幅に低
減することのできる冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ａｒ−ＧａｓレーザやＹＡＧレーザの発
信器はエネルギー効率が極めて悪く、投入した電力のう
ちレーザ光線に変換される電力の割合は高々１０〜３０
％に過ぎない。残りの７０〜９０％の電力は熱となって
しまい、その熱は冷却により取り去ってやらねばならな
い。このため、冷却水をレーザ発信器と冷却装置間で循
環させて、レーザ発信器で発生する熱を取り去ることが
行われている。
信器はエネルギー効率が極めて悪く、投入した電力のう
ちレーザ光線に変換される電力の割合は高々１０〜３０
％に過ぎない。残りの７０〜９０％の電力は熱となって
しまい、その熱は冷却により取り去ってやらねばならな
い。このため、冷却水をレーザ発信器と冷却装置間で循
環させて、レーザ発信器で発生する熱を取り去ることが
行われている。
【０００３】このような、冷却装置の方式としては、冷
凍機回路を用いた空冷（冷却水−冷媒−空気熱交換）方
式と水冷（冷却水−冷却水熱交換）方式がよく用いられ
る。なお、ここでいう冷凍機とは、冷媒の圧縮−放熱−
膨張という冷凍サイクルを利用した冷却機という意味で
ある。冷凍機方式では、冷凍機で冷やされた冷媒と、レ
ーザ冷却水（一次冷却水）との間で熱交換を行い、冷却
水を冷やす。水冷方式では、井戸水や、クーリングタワ
ーで冷却された二次冷水で、レーザ冷却水（一次冷却
水）を冷やす。
凍機回路を用いた空冷（冷却水−冷媒−空気熱交換）方
式と水冷（冷却水−冷却水熱交換）方式がよく用いられ
る。なお、ここでいう冷凍機とは、冷媒の圧縮−放熱−
膨張という冷凍サイクルを利用した冷却機という意味で
ある。冷凍機方式では、冷凍機で冷やされた冷媒と、レ
ーザ冷却水（一次冷却水）との間で熱交換を行い、冷却
水を冷やす。水冷方式では、井戸水や、クーリングタワ
ーで冷却された二次冷水で、レーザ冷却水（一次冷却
水）を冷やす。
【０００４】従来技術１ 図４は、従来の冷凍機回路を用いた空冷方式のレーザ冷
却装置の構成を示す系統図である。図４の冷却装置５１
０は、冷凍冷却器２７や循環ポンプ５３等を有し、レー
ザ電源５０５やレーザ発信器２に循環冷却水を供給す
る。
却装置の構成を示す系統図である。図４の冷却装置５１
０は、冷凍冷却器２７や循環ポンプ５３等を有し、レー
ザ電源５０５やレーザ発信器２に循環冷却水を供給す
る。
【０００５】図４の冷却装置５１０の冷凍冷却器２７
は、冷媒を圧縮する圧縮機３３や、圧縮された冷媒を凝
縮させる凝縮機３９、凝縮した冷媒を膨張させる自動膨
張弁２９、冷媒と冷却水の熱交換を行う冷媒−水熱交換
器３１等を有する。
は、冷媒を圧縮する圧縮機３３や、圧縮された冷媒を凝
縮させる凝縮機３９、凝縮した冷媒を膨張させる自動膨
張弁２９、冷媒と冷却水の熱交換を行う冷媒−水熱交換
器３１等を有する。
【０００６】圧縮機３３で圧縮された冷媒（フロン等）
は、凝縮機３９内において冷却されて凝縮する。ファン
３７は、凝縮機３９に外から風を送って凝縮熱を取り去
るものである。ファン３７はファンモータ３５に駆動さ
れる。凝縮機３９を出た液化冷媒はドライヤーフィルタ
ー５２１にて水分除去される。次に、冷媒は自動膨張弁
２９で絞られつつ膨張し気化する。このときの気化潜熱
で冷媒の温度が下がる。
は、凝縮機３９内において冷却されて凝縮する。ファン
３７は、凝縮機３９に外から風を送って凝縮熱を取り去
るものである。ファン３７はファンモータ３５に駆動さ
れる。凝縮機３９を出た液化冷媒はドライヤーフィルタ
ー５２１にて水分除去される。次に、冷媒は自動膨張弁
２９で絞られつつ膨張し気化する。このときの気化潜熱
で冷媒の温度が下がる。
【０００７】温度の下がった冷媒は、冷媒−水熱交換器
３１に入り、レーザ冷却水と熱交換し、レーザ冷却水を
冷やす。熱交換器３１を出た冷媒は、再び圧縮機３３で
圧縮され、同様の冷凍サイクル中を循環し続ける。
３１に入り、レーザ冷却水と熱交換し、レーザ冷却水を
冷やす。熱交換器３１を出た冷媒は、再び圧縮機３３で
圧縮され、同様の冷凍サイクル中を循環し続ける。
【０００８】一方、レーザから戻り管１１を通って冷却
装置５１０に帰ってきた循環冷却水は、上述の冷媒−水
熱交換器３１に入り、冷却される。冷却された冷却水
は、循環ポンプ５３によって昇圧される。ポンプ５３を
出た冷却水は、流量調節弁６５、圧力計５１５、温度セ
ンサ５１３、流量計５１１、行き管６７を経てレーザ電
源５０５、レーザ発信器２に送られる。なお、一部の冷
却水は、バイパス配管５１７を通ってフィルター５１９
でゴミを除去される。なお、５０９は温度センサーであ
り、５０７は流量センサである。
装置５１０に帰ってきた循環冷却水は、上述の冷媒−水
熱交換器３１に入り、冷却される。冷却された冷却水
は、循環ポンプ５３によって昇圧される。ポンプ５３を
出た冷却水は、流量調節弁６５、圧力計５１５、温度セ
ンサ５１３、流量計５１１、行き管６７を経てレーザ電
源５０５、レーザ発信器２に送られる。なお、一部の冷
却水は、バイパス配管５１７を通ってフィルター５１９
でゴミを除去される。なお、５０９は温度センサーであ
り、５０７は流量センサである。
【０００９】図４の従来の冷却水においては、冷却水温
度調整は次のように行われている。 （１）レーザ側熱負荷が一定（一例として定格出力１８
ｋｗ）である場合：冷却装置内の熱負荷を考慮し配管系
統を断熱保護することでほぼ安定的な温度設定が可能で
ある。（ただし年間を通じて冷却水供給温度は幾分変化
する）。 （２）レーザ側熱負荷が変動する、あるいは、レーザ側
以外からの熱入出力が多少とも影響する、外気温度条件
が熱負荷との入出力バランスに影響する場合： ａ）冷凍圧縮機のｏｎ／ｏｆｆによる温度調整、 ｂ）凝縮機ファンのインバータ等による回転数制御、 ｃ）図４には示されていないが、ホットガスバイパス回
路（凝縮機入口側と温度膨張弁出口側を結ぶ回路）を設
け、冷却水温度が設定温度より下がるとホットガスバイ
パス弁が開いて温度調整を行う、等の方法が一般的にあ
る。
度調整は次のように行われている。 （１）レーザ側熱負荷が一定（一例として定格出力１８
ｋｗ）である場合：冷却装置内の熱負荷を考慮し配管系
統を断熱保護することでほぼ安定的な温度設定が可能で
ある。（ただし年間を通じて冷却水供給温度は幾分変化
する）。 （２）レーザ側熱負荷が変動する、あるいは、レーザ側
以外からの熱入出力が多少とも影響する、外気温度条件
が熱負荷との入出力バランスに影響する場合： ａ）冷凍圧縮機のｏｎ／ｏｆｆによる温度調整、 ｂ）凝縮機ファンのインバータ等による回転数制御、 ｃ）図４には示されていないが、ホットガスバイパス回
路（凝縮機入口側と温度膨張弁出口側を結ぶ回路）を設
け、冷却水温度が設定温度より下がるとホットガスバイ
パス弁が開いて温度調整を行う、等の方法が一般的にあ
る。
【００１０】従来技術１（冷凍機方式）の問題点 上述の冷凍機方式の冷却装置には次のような問題点があ
った。 冷却装置の運転中（すなわちレーザ装置の運転中）
常に、冷凍機（コンプレッサ等）を運転する必要がある
ので、多くの電力を消費する。 室内設置型の場合、排熱用の空調またはダクトを要
する。
った。 冷却装置の運転中（すなわちレーザ装置の運転中）
常に、冷凍機（コンプレッサ等）を運転する必要がある
ので、多くの電力を消費する。 室内設置型の場合、排熱用の空調またはダクトを要
する。
【００１１】 高熱負荷対応（目安として１０KW以
上）の冷却能力を要する冷却装置の場合は、重量物屋外
据え付け固定のため専用の付帯設備（装置据え付け用１
０〜１５cm高さの基礎工事等）が必要になるため、追加
初期投資が必要となる。 重量や寸法、騒音、振動が大のため、設置場所が工
場、工業団地や非住宅環境区等に限定される。 コンプレッサ、ファン、ポンプ等回転機器の騒音、
振動が大きい。
上）の冷却能力を要する冷却装置の場合は、重量物屋外
据え付け固定のため専用の付帯設備（装置据え付け用１
０〜１５cm高さの基礎工事等）が必要になるため、追加
初期投資が必要となる。 重量や寸法、騒音、振動が大のため、設置場所が工
場、工業団地や非住宅環境区等に限定される。 コンプレッサ、ファン、ポンプ等回転機器の騒音、
振動が大きい。
【００１１】従来技術２（水冷方式） 図５は、従来の水冷方式の冷却装置６０１を示す系統図
である。図５の冷却装置６０１は、冷却器として水−水
熱交換器６１１を有している。水−水熱交換器６１１に
は、管路６１３、フィルター６１４を通って二次冷却水
（外部冷却水）が導入され、この二次冷却水と管路６０
９を通るレーザ冷却水（一次冷却水）との間で熱交換が
行われ、レーザ冷却水が冷却される。二次冷却水として
は、クーリングタワーで蒸発冷却される循環冷却水、地
下水又は水道水等が用いられる。
である。図５の冷却装置６０１は、冷却器として水−水
熱交換器６１１を有している。水−水熱交換器６１１に
は、管路６１３、フィルター６１４を通って二次冷却水
（外部冷却水）が導入され、この二次冷却水と管路６０
９を通るレーザ冷却水（一次冷却水）との間で熱交換が
行われ、レーザ冷却水が冷却される。二次冷却水として
は、クーリングタワーで蒸発冷却される循環冷却水、地
下水又は水道水等が用いられる。
【００１２】一方、レーザ冷却水は、レーザ（図示され
ず）から戻り管１１を通って冷却装置６０１に入り、冷
却水タンク４５に入る。冷却水タンク４５は、レーザか
ら戻ってくる冷却水の温度変化を平準化するためのもの
である。レーザ冷却水はタンク４５から出て、フィルタ
ー６０５、ポンプ５３を通り、管路６０７、６０９に送
られる。管路６０９は、前述のように熱交換器６１１に
入り、管路６０７は熱交換器６１１をバイパスする。
ず）から戻り管１１を通って冷却装置６０１に入り、冷
却水タンク４５に入る。冷却水タンク４５は、レーザか
ら戻ってくる冷却水の温度変化を平準化するためのもの
である。レーザ冷却水はタンク４５から出て、フィルタ
ー６０５、ポンプ５３を通り、管路６０７、６０９に送
られる。管路６０９は、前述のように熱交換器６１１に
入り、管路６０７は熱交換器６１１をバイパスする。
【００１３】温度制御弁６１７は、管路６０７と６０９
を流れる冷却水の割合を調整することにより、温度制御
弁６１７出側の冷却水温度をコントロールする。同部の
冷却水温度は、温度センサ６１９によって検知され、こ
の温度信号によって温度制御弁６１７がフィードバック
コントロールされる。温度調節された冷却水は、次に流
量調節弁６５を通って行き管６７からレーザ装置に送ら
れる。
を流れる冷却水の割合を調整することにより、温度制御
弁６１７出側の冷却水温度をコントロールする。同部の
冷却水温度は、温度センサ６１９によって検知され、こ
の温度信号によって温度制御弁６１７がフィードバック
コントロールされる。温度調節された冷却水は、次に流
量調節弁６５を通って行き管６７からレーザ装置に送ら
れる。
【００１４】従来技術２（水冷方式）の問題点 上述の水冷方式の冷却装置には次のような問題点があっ
た。 冷却装置自体の電力消費は少ない（従来の冷凍機回
路による空冷方式の約1/4 〜1/5 ）のであるが、二次冷
却水（外部冷却水）用の水道水、市水、工業用水又は地
下水を大量に消費し、その結果運転コストは相当高くつ
いてしまう。さらに、夏期渇水時には、そのような水の
使用が制限されることもあり、レーザを使えなくなって
しまう。
た。 冷却装置自体の電力消費は少ない（従来の冷凍機回
路による空冷方式の約1/4 〜1/5 ）のであるが、二次冷
却水（外部冷却水）用の水道水、市水、工業用水又は地
下水を大量に消費し、その結果運転コストは相当高くつ
いてしまう。さらに、夏期渇水時には、そのような水の
使用が制限されることもあり、レーザを使えなくなって
しまう。
【００１５】 二次冷却水のための設備（クーリング
タワーや廃水処理設備、引き込み配管、井戸等）が必要
である。既にそのような設備のある所であればよいが、
無い所では新設せねばならず、多大な初期投資（たとえ
ば井戸１本掘るのに少なくとも３百万円）がかかる。
タワーや廃水処理設備、引き込み配管、井戸等）が必要
である。既にそのような設備のある所であればよいが、
無い所では新設せねばならず、多大な初期投資（たとえ
ば井戸１本掘るのに少なくとも３百万円）がかかる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の従来
技術のような問題点の無い、低エネルギー消費でありか
つ小型化できる、レーザ装置用の冷却装置を提供するこ
とを目的とする。
技術のような問題点の無い、低エネルギー消費でありか
つ小型化できる、レーザ装置用の冷却装置を提供するこ
とを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記発明を解決するた
め、本発明の冷却装置は、第一段冷却器としての外気−
水熱交換冷却器（外気冷却器）と、第二段冷却器として
の冷媒−水熱交換冷却器（冷凍冷却器）と、外気温度を
検知する外気温度センサと、外気温度に応じて、外気冷
却器及び冷凍冷却器を運転する冷凍冷却器併用モード、
又は、冷凍冷却器を停止して外気冷却器のみを運転する
外気冷却器単独モードのいずれかを選択する制御部と、
を具備することを特徴とする。
め、本発明の冷却装置は、第一段冷却器としての外気−
水熱交換冷却器（外気冷却器）と、第二段冷却器として
の冷媒−水熱交換冷却器（冷凍冷却器）と、外気温度を
検知する外気温度センサと、外気温度に応じて、外気冷
却器及び冷凍冷却器を運転する冷凍冷却器併用モード、
又は、冷凍冷却器を停止して外気冷却器のみを運転する
外気冷却器単独モードのいずれかを選択する制御部と、
を具備することを特徴とする。
【００１８】また、本発明の一態様の冷却装置は、レー
ザ媒質ガス冷却用の循環冷却水を冷却する冷却装置であ
って；冷却水循環ポンプと、第一段冷却器としての外気
冷却器であって、外気と冷却水との間で熱交換する外気
−水熱交換器、この熱交換器に外気を吹きつけるファ
ン、及び、ファン駆動用モータを有する外気冷却器と、
第二段冷却器としての冷凍冷却器であって、冷凍サイク
ルを有する冷凍機、及び、この冷凍機によって冷却され
る冷媒と冷却水との間で熱交換する冷媒−水熱交換器を
有する冷凍冷却器と、第二段冷却器の出側に設けられた
冷却水タンクと、外気温度を検知する外気温度センサ
と、外気温度に応じて、外気冷却器及び冷凍冷却器を運
転する冷凍冷却器併用モード、又は、冷凍冷却器を停止
して外気冷却器のみを運転する外気冷却器単独モードの
いずれかを選択する制御部と、を具備することを特徴と
する。
ザ媒質ガス冷却用の循環冷却水を冷却する冷却装置であ
って；冷却水循環ポンプと、第一段冷却器としての外気
冷却器であって、外気と冷却水との間で熱交換する外気
−水熱交換器、この熱交換器に外気を吹きつけるファ
ン、及び、ファン駆動用モータを有する外気冷却器と、
第二段冷却器としての冷凍冷却器であって、冷凍サイク
ルを有する冷凍機、及び、この冷凍機によって冷却され
る冷媒と冷却水との間で熱交換する冷媒−水熱交換器を
有する冷凍冷却器と、第二段冷却器の出側に設けられた
冷却水タンクと、外気温度を検知する外気温度センサ
と、外気温度に応じて、外気冷却器及び冷凍冷却器を運
転する冷凍冷却器併用モード、又は、冷凍冷却器を停止
して外気冷却器のみを運転する外気冷却器単独モードの
いずれかを選択する制御部と、を具備することを特徴と
する。
【００１９】
【作用】一例として、光造形装置用のＡｒガスレーザの
場合、冷却水の戻り温度は５０〜６０℃程度である。そ
して、冷却水のレーザへの供給温度は３０℃程度であ
る。このような温度条件に着目して、冷却装置に戻って
きた冷却水を、まず外気−水熱交換を有する外気冷却器
で一次冷却し、その後必要に応じて冷凍冷却器で二次冷
却することにより、冷凍機の小型化・省電力化を図るこ
ととした。さらに、冬季等の外気温度が低い時（外気２
０℃以下）には、外気冷却器のみで十分に冷却水の冷却
が可能である。そこで、冷凍機を止めて外気冷却器のみ
を運転する外気冷却器単独モードと、外気冷却器に加え
て冷凍機を運転する冷凍冷却器併用モードとを制御部が
選択することとし、さらなる省電力化を図った。
場合、冷却水の戻り温度は５０〜６０℃程度である。そ
して、冷却水のレーザへの供給温度は３０℃程度であ
る。このような温度条件に着目して、冷却装置に戻って
きた冷却水を、まず外気−水熱交換を有する外気冷却器
で一次冷却し、その後必要に応じて冷凍冷却器で二次冷
却することにより、冷凍機の小型化・省電力化を図るこ
ととした。さらに、冬季等の外気温度が低い時（外気２
０℃以下）には、外気冷却器のみで十分に冷却水の冷却
が可能である。そこで、冷凍機を止めて外気冷却器のみ
を運転する外気冷却器単独モードと、外気冷却器に加え
て冷凍機を運転する冷凍冷却器併用モードとを制御部が
選択することとし、さらなる省電力化を図った。
【００２０】なお、本発明にいう冷却水は、言葉通りの
水に限られず、広く液体系の冷媒をさす意味である。ま
た、冷凍機も、最も広義な意味で使用する場合は、冷媒
の冷凍サイクルを有しない人工的冷却器（たとえば熱電
原理による冷却器）を広く含む意味である。
水に限られず、広く液体系の冷媒をさす意味である。ま
た、冷凍機も、最も広義な意味で使用する場合は、冷媒
の冷凍サイクルを有しない人工的冷却器（たとえば熱電
原理による冷却器）を広く含む意味である。
【００２１】本発明の冷却装置においては、冷却水の温
度コントロール方式としては、さまざまな方式が考えら
れる。 外気冷却器のファンの回転数を制御するもの。 冷凍機のコンプレッサ及び凝縮機ファンの回転数を
制御するもの。 冷却水タンクの温度を見ながら、外気冷却器のファ
ンや冷凍機のコンプレッサ及び凝縮機ファンをＯＮ−Ｏ
ＦＦするもの。 熱交換器を通して冷却する冷たい冷却水と、熱交換
器を通さない暖かい冷却水とを、混合比可変混合弁で混
ぜて温度を調整するもの（図５参照）。
度コントロール方式としては、さまざまな方式が考えら
れる。 外気冷却器のファンの回転数を制御するもの。 冷凍機のコンプレッサ及び凝縮機ファンの回転数を
制御するもの。 冷却水タンクの温度を見ながら、外気冷却器のファ
ンや冷凍機のコンプレッサ及び凝縮機ファンをＯＮ−Ｏ
ＦＦするもの。 熱交換器を通して冷却する冷たい冷却水と、熱交換
器を通さない暖かい冷却水とを、混合比可変混合弁で混
ぜて温度を調整するもの（図５参照）。
【００２３】このうち、の制御方式は比較的簡単では
あるが、冷却水供給温度の安定性が悪く、さらにＯＮ−
ＯＦＦの繰り返しによるコンプレッサの劣化という不利
がある。の制御方式は、冷却水供給温度の安定性が良
いものの、ファン、熱交換器、コンプレッサ容量を大き
く取る必要があるという不利がある。したがって、又
は、あるいはとの併用が、本発明の場合好ましい
が、回転数制御の対象を１つに絞る観点からがより好
ましい。一方、省電力の観点からは、との併用が最
も好ましい。
あるが、冷却水供給温度の安定性が悪く、さらにＯＮ−
ＯＦＦの繰り返しによるコンプレッサの劣化という不利
がある。の制御方式は、冷却水供給温度の安定性が良
いものの、ファン、熱交換器、コンプレッサ容量を大き
く取る必要があるという不利がある。したがって、又
は、あるいはとの併用が、本発明の場合好ましい
が、回転数制御の対象を１つに絞る観点からがより好
ましい。一方、省電力の観点からは、との併用が最
も好ましい。
【００２４】本発明の冷却装置においては、冷却水の冷
却装置入口温度が４５〜６５℃であり、冷却水の冷却装
置出口温度が２０〜４０℃であるような条件下におい
て、冷凍冷却器の運転または停止を選択する境目となる
温度（モード切替温度）を２０〜２７℃に設定すること
が好ましい。
却装置入口温度が４５〜６５℃であり、冷却水の冷却装
置出口温度が２０〜４０℃であるような条件下におい
て、冷凍冷却器の運転または停止を選択する境目となる
温度（モード切替温度）を２０〜２７℃に設定すること
が好ましい。
【００２５】本発明の冷却装置の設計では、モード切替
温度の設定が重要となる。モード切替温度を高く設定す
るということは、外気冷却器を大形とし冷凍冷却器を小
形にした機器組合せを選択することを意味する。逆にモ
ード切替温度を低く設定するということは、外気冷却器
を小形とし冷凍冷却器を大形にした組合せを選択するこ
とを意味する。
温度の設定が重要となる。モード切替温度を高く設定す
るということは、外気冷却器を大形とし冷凍冷却器を小
形にした機器組合せを選択することを意味する。逆にモ
ード切替温度を低く設定するということは、外気冷却器
を小形とし冷凍冷却器を大形にした組合せを選択するこ
とを意味する。
【００２６】当然、装置の設置される地方の外気温度の
推移にも影響を受けるけれども、上記モード切替温度の
選択によって、冷却装置のイニシャルコスト、ランニン
グコスト（電気代等）及び、装置寸法が変わってくる。
本発明の冷却装置においては、上述の温度範囲で選択す
ることが、コストや寸法のバランスが最も優れている。
推移にも影響を受けるけれども、上記モード切替温度の
選択によって、冷却装置のイニシャルコスト、ランニン
グコスト（電気代等）及び、装置寸法が変わってくる。
本発明の冷却装置においては、上述の温度範囲で選択す
ることが、コストや寸法のバランスが最も優れている。
【００２７】本発明の冷却装置にあっては、外気温４０
℃において、上記外気冷却器が、上記冷却装置全体の冷
却能力の内の６０〜７４％を分担し、上記冷凍冷却器が
残りに４０〜２６％を分担するように機器能力が選択さ
れていることが好ましい。このように選択することによ
り、冷却装置の寸法を小型化することができる。また、
日本と同等の気候条件の地域において、年間の電力消費
量を最低レベルとすることができる。
℃において、上記外気冷却器が、上記冷却装置全体の冷
却能力の内の６０〜７４％を分担し、上記冷凍冷却器が
残りに４０〜２６％を分担するように機器能力が選択さ
れていることが好ましい。このように選択することによ
り、冷却装置の寸法を小型化することができる。また、
日本と同等の気候条件の地域において、年間の電力消費
量を最低レベルとすることができる。
【００２８】また、同じ理由により、本発明の冷却装置
にあっては、外気温４０℃において、上記外気冷却器の
ファンの電力消費が１に対して、上記冷凍冷却器のコン
プレッサーの電力消費が２．５〜３．５となるように機
器能力が選択されていることが好ましい。なお、冷却装
置の機器能力の選択の考え方の詳細については後述す
る。
にあっては、外気温４０℃において、上記外気冷却器の
ファンの電力消費が１に対して、上記冷凍冷却器のコン
プレッサーの電力消費が２．５〜３．５となるように機
器能力が選択されていることが好ましい。なお、冷却装
置の機器能力の選択の考え方の詳細については後述す
る。
【００２９】
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。図１は、本
発明の１実施例に係るレーザ冷却装置の構成を示す系統
図である。図１の冷却装置１は、レーザ発信器２に循環
冷却水を供給するものであって、室外ユニット３と室内
ユニット４とから構成されている。室外ユニット３は第
一段冷却器としての外気冷却器１５と、第二段冷却器と
しての冷凍冷却器２７を有する。
発明の１実施例に係るレーザ冷却装置の構成を示す系統
図である。図１の冷却装置１は、レーザ発信器２に循環
冷却水を供給するものであって、室外ユニット３と室内
ユニット４とから構成されている。室外ユニット３は第
一段冷却器としての外気冷却器１５と、第二段冷却器と
しての冷凍冷却器２７を有する。
【００３０】レーザ２から戻り管１１を通って戻ってき
た循環冷却水は、室外ユニット３に入る。そして、ま
ず、戻り冷却水温度センサ１３で冷却水温度をチェック
する。この戻り水温度が高温異常（一例として７０℃以
上）の時は、レーザ発信機及びレーザ冷却装置がともに
自動停止する。
た循環冷却水は、室外ユニット３に入る。そして、ま
ず、戻り冷却水温度センサ１３で冷却水温度をチェック
する。この戻り水温度が高温異常（一例として７０℃以
上）の時は、レーザ発信機及びレーザ冷却装置がともに
自動停止する。
【００３１】次に、冷却水は外気冷却器１５の外気−水
熱交換器２３に入る。この実施例における外気−水熱交
換器２３は、剣山型細管応用直冷方式というタイプの熱
交換器であって、剣山の針のように多数湾曲立設された
銅製水管中に水を通し、該水管の外側を空冷して水を冷
やす仕組みである。図６は、図１の冷却装置に用いられ
ているこの剣山型細管応用直冷方式熱交換器の詳細を示
す図である。側板８８等で組まれたケ−ス中に入口側ヘ
ッダ８２から出口側ヘッダ８３に至る多数の冷却細管８
１（内径２．４ｍｍ、外径３．２ｍｍ）が組込まれてい
る。
熱交換器２３に入る。この実施例における外気−水熱交
換器２３は、剣山型細管応用直冷方式というタイプの熱
交換器であって、剣山の針のように多数湾曲立設された
銅製水管中に水を通し、該水管の外側を空冷して水を冷
やす仕組みである。図６は、図１の冷却装置に用いられ
ているこの剣山型細管応用直冷方式熱交換器の詳細を示
す図である。側板８８等で組まれたケ−ス中に入口側ヘ
ッダ８２から出口側ヘッダ８３に至る多数の冷却細管８
１（内径２．４ｍｍ、外径３．２ｍｍ）が組込まれてい
る。
【００３２】本実施例では、レーザ循環冷却水は清水仕
様であり、外気冷却器は銅（無酸素銅）製であるが、冷
却水に添加物が許容される場合、例えばエチレングリコ
ール系、ナイブライン系等の冷却水仕様においては、ア
ルミ製のコンパクトプレートフィン型熱交換器が最もコ
ストパフォーマンスに優れている。
様であり、外気冷却器は銅（無酸素銅）製であるが、冷
却水に添加物が許容される場合、例えばエチレングリコ
ール系、ナイブライン系等の冷却水仕様においては、ア
ルミ製のコンパクトプレートフィン型熱交換器が最もコ
ストパフォーマンスに優れている。
【００３３】熱交換器２３の上に示されているファン２
１は、熱交換器２３の水管の外面に外気を吹き付けるも
のである。ファン２１は、インバータ１７を電源とする
モータ１９により回転数可変で駆動される。インバータ
１７は、ファンの回転数制御によって冷却水温度コント
ロールする目的と、商用電源５０Hz地帯においても６０
Hz地帯同様の送風能力を得る目的の両方を有する。さら
に、このインバータ１７から冷凍冷却器２７の圧縮機３
３やコンデンサ３９のファン３７に周波数制御された電
源を供給し、コンプレッサ最大定格回転数制御や冷却水
温度コントロールを行ってもよい。
１は、熱交換器２３の水管の外面に外気を吹き付けるも
のである。ファン２１は、インバータ１７を電源とする
モータ１９により回転数可変で駆動される。インバータ
１７は、ファンの回転数制御によって冷却水温度コント
ロールする目的と、商用電源５０Hz地帯においても６０
Hz地帯同様の送風能力を得る目的の両方を有する。さら
に、このインバータ１７から冷凍冷却器２７の圧縮機３
３やコンデンサ３９のファン３７に周波数制御された電
源を供給し、コンプレッサ最大定格回転数制御や冷却水
温度コントロールを行ってもよい。
【００３４】剣山型細管応用直冷方式の外気−水熱交換
器２３を出た水は、管路２５を通って、冷凍冷却器２７
中の冷媒−水熱交換器３１に入り、冷媒との間の熱交換
により、さらに冷却される。なお、前述のように、外気
温度がモード切替温度以下で外気冷却器単独モードのと
きは、外気冷却器１５で既に十分に冷却されているの
で、冷凍冷却器２７の冷媒−水熱交換器３１は、冷却水
が単に通過するだけとなる。
器２３を出た水は、管路２５を通って、冷凍冷却器２７
中の冷媒−水熱交換器３１に入り、冷媒との間の熱交換
により、さらに冷却される。なお、前述のように、外気
温度がモード切替温度以下で外気冷却器単独モードのと
きは、外気冷却器１５で既に十分に冷却されているの
で、冷凍冷却器２７の冷媒−水熱交換器３１は、冷却水
が単に通過するだけとなる。
【００３５】冷凍冷却器２７は、冷媒を圧縮する圧縮機
３３や、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮機３９、凝縮
した冷媒を膨張させる自動膨張弁２９、冷媒と冷却水の
熱交換を行う冷媒−水熱交換器３１等を有する。
３３や、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮機３９、凝縮
した冷媒を膨張させる自動膨張弁２９、冷媒と冷却水の
熱交換を行う冷媒−水熱交換器３１等を有する。
【００３６】圧縮機３３で圧縮された冷媒（フロン等）
は、凝縮機３９内において冷却されて凝縮する。ファン
３７は、凝縮機３９に外から風を送って凝縮熱を取り去
るものである。圧縮機３３及びファン３７を、インバー
タを電源とする速度可変モータによって駆動することと
してもよい。凝縮機３９を出た液化冷媒は、自動膨張弁
２９で絞られつつ膨張し気化する。このときの気化潜熱
で冷媒の温度が下がる。
は、凝縮機３９内において冷却されて凝縮する。ファン
３７は、凝縮機３９に外から風を送って凝縮熱を取り去
るものである。圧縮機３３及びファン３７を、インバー
タを電源とする速度可変モータによって駆動することと
してもよい。凝縮機３９を出た液化冷媒は、自動膨張弁
２９で絞られつつ膨張し気化する。このときの気化潜熱
で冷媒の温度が下がる。
【００３７】温度の下がった冷媒は、冷媒−水熱交換器
３１に入り、レーザ冷却水と熱交換し、レーザ冷却水を
冷やす。熱交換器３１を出た冷媒は、再び圧縮機３３で
圧縮され、同様の冷凍サイクル中を循環し続ける。
３１に入り、レーザ冷却水と熱交換し、レーザ冷却水を
冷やす。熱交換器３１を出た冷媒は、再び圧縮機３３で
圧縮され、同様の冷凍サイクル中を循環し続ける。
【００３８】冷媒−水熱交換器３１を出た水は、管路４
３を通って室内ユニット４中の冷却水タンク４５に入
る。この冷却水タンク４５は、冷却水の温度変動のバッ
ファーとなるものである。この種のレーザ冷却装置で
は、レーザ発信器に送る冷却水の温度精度が設定温度に
対して厳しい（一例３０±１℃）。そのため、温度変動
バッファーとなる冷却水タンク４５を設けて、戻り冷却
温度の変動等の影響による供給冷却水温度の変動を最小
限に抑制している。冷却水タンク温度センサ４７は、タ
ンク４５内の冷却水温度を検知し、後述する冷却水温度
制御用の情報を提供する。
３を通って室内ユニット４中の冷却水タンク４５に入
る。この冷却水タンク４５は、冷却水の温度変動のバッ
ファーとなるものである。この種のレーザ冷却装置で
は、レーザ発信器に送る冷却水の温度精度が設定温度に
対して厳しい（一例３０±１℃）。そのため、温度変動
バッファーとなる冷却水タンク４５を設けて、戻り冷却
温度の変動等の影響による供給冷却水温度の変動を最小
限に抑制している。冷却水タンク温度センサ４７は、タ
ンク４５内の冷却水温度を検知し、後述する冷却水温度
制御用の情報を提供する。
【００３９】タンク４５を出た水は、管路４９、ストレ
ーナ５１を通ってポンプ５３に至り昇圧される。ポンプ
５３を出た水は管路５５、管路５７、流量調整弁６５、
行き管６７を通ってレーザ発信器２に供給される。ポン
プ５３を出た水の一部は、バイパス管路５９を通ってイ
オン交換フィルター６１に入り、管路６３を通って再び
タンク４５に戻る。イオン交換フィルター６１は運転中
に循環水に生じる金属イオン（銅イオン等）を除去する
ためのものである。
ーナ５１を通ってポンプ５３に至り昇圧される。ポンプ
５３を出た水は管路５５、管路５７、流量調整弁６５、
行き管６７を通ってレーザ発信器２に供給される。ポン
プ５３を出た水の一部は、バイパス管路５９を通ってイ
オン交換フィルター６１に入り、管路６３を通って再び
タンク４５に戻る。イオン交換フィルター６１は運転中
に循環水に生じる金属イオン（銅イオン等）を除去する
ためのものである。
【００４０】図１の実施例の冷却装置においては、各機
器が、室外ユニット３と、室内ユニット４に分けて配置
されている。室内ユニット４に配置されているのは、冷
却水循環ポンプ５３、冷却水タンク４５、イオン交換フ
ィルター６１、ストレーナ（又はフィルター）５１、流
量調整弁６５等である。これらの機器は、調整やメンテ
ナンスの必要な機器であるので、室内ユニットとしてま
とめて、レーザ装置の近くの室内に置くことが好まし
い。
器が、室外ユニット３と、室内ユニット４に分けて配置
されている。室内ユニット４に配置されているのは、冷
却水循環ポンプ５３、冷却水タンク４５、イオン交換フ
ィルター６１、ストレーナ（又はフィルター）５１、流
量調整弁６５等である。これらの機器は、調整やメンテ
ナンスの必要な機器であるので、室内ユニットとしてま
とめて、レーザ装置の近くの室内に置くことが好まし
い。
【００４１】次に、図１の冷却装置における冷却水温度
について説明する。この装置の冷却水温度制御において
は、外気冷却器単独モード中は、制御対象は冷却水タン
クの水温であり、制御量は外気冷却器のファン２１の回
転数である。すなわち、冷却水タンクの水温が目標値よ
りも高い時には、コントローラ５は、インバータ１７の
出力周波数を上げてファン２１の回転数を上げる。水温
が目標値よりも低い時にはファン２１の回転を下げる。
について説明する。この装置の冷却水温度制御において
は、外気冷却器単独モード中は、制御対象は冷却水タン
クの水温であり、制御量は外気冷却器のファン２１の回
転数である。すなわち、冷却水タンクの水温が目標値よ
りも高い時には、コントローラ５は、インバータ１７の
出力周波数を上げてファン２１の回転数を上げる。水温
が目標値よりも低い時にはファン２１の回転を下げる。
【００４２】冷凍冷却器２７も運転する冷凍冷却器併用
モードへの切り替えは、外気温度が所定値以上となった
場合に行う。すなわち、外気冷却器１５内の熱交換２３
外に設置された外気温度センサ２２で外気温度を検知
し、この温度信号を受けたコントローラは５は、モード
切替温度（一例２５℃）以下であれば冷凍冷却器２７を
停止し、モード切替温度以上であれば冷凍冷却器を運転
する。なお、この際に、適宜、モード切替温度にヒステ
リシスを与えたり、外気温度の時間平均処理を行うこと
としてもよい。
モードへの切り替えは、外気温度が所定値以上となった
場合に行う。すなわち、外気冷却器１５内の熱交換２３
外に設置された外気温度センサ２２で外気温度を検知
し、この温度信号を受けたコントローラは５は、モード
切替温度（一例２５℃）以下であれば冷凍冷却器２７を
停止し、モード切替温度以上であれば冷凍冷却器を運転
する。なお、この際に、適宜、モード切替温度にヒステ
リシスを与えたり、外気温度の時間平均処理を行うこと
としてもよい。
【００４３】冷凍冷却器併用モード運転における冷却水
温度制御は、（Ａ）外気単独モード運転と同様に外気冷
却器ファン２１の回転数制御により行う方法と、（Ｂ）
冷凍冷却器の圧縮機の３３及び凝縮機ファン３７の回転
数制御により行う方法、さらに（Ｃ）両者を併用する方
法がある。これらのうち、（Ｃ）が最適運転コストの点
で優れている。
温度制御は、（Ａ）外気単独モード運転と同様に外気冷
却器ファン２１の回転数制御により行う方法と、（Ｂ）
冷凍冷却器の圧縮機の３３及び凝縮機ファン３７の回転
数制御により行う方法、さらに（Ｃ）両者を併用する方
法がある。これらのうち、（Ｃ）が最適運転コストの点
で優れている。
【００４４】次に、図１の冷却装置が用いられるレーザ
装置の全体について説明する。図２は、図１の冷却装置
によって冷却されるＡｒレーザ発信器等によって構成さ
れている光造形システムの構成を示す模式図である。
装置の全体について説明する。図２は、図１の冷却装置
によって冷却されるＡｒレーザ発信器等によって構成さ
れている光造形システムの構成を示す模式図である。
【００４５】光造形とは、光硬化性樹脂にレーザ光線等
の硬化光線を選択的に当てて光硬化性樹脂を部分的に硬
化させ、ある形状の光造形物を得る造形プロセスのこと
をいう。図２の光造形システムでは、Ａｒレーザ発信器
２で発生させたレーザ光線を、シャッター１０１、スキ
ャナー１０３を介して、造形タンク１１１中の光硬化性
樹脂に照射し、光造形物１１５を得ている。なお、シャ
ッター１０１はレーザ光線をＯＮ−ＯＦＦするものであ
り、スキャナー１０３はレーザ光線の方向をコントロー
ルするものである。また、造形タンク１１１内のテーブ
ル１１３は、光造形物１１５を載せて成形中に徐々に下
降し、光造形物１１５の上面に光硬化性樹脂の薄い層を
導く。そして、そのような光硬化性樹脂の薄い層を次々
と光硬化させて光造形物１１５を成形して行くのであ
る。
の硬化光線を選択的に当てて光硬化性樹脂を部分的に硬
化させ、ある形状の光造形物を得る造形プロセスのこと
をいう。図２の光造形システムでは、Ａｒレーザ発信器
２で発生させたレーザ光線を、シャッター１０１、スキ
ャナー１０３を介して、造形タンク１１１中の光硬化性
樹脂に照射し、光造形物１１５を得ている。なお、シャ
ッター１０１はレーザ光線をＯＮ−ＯＦＦするものであ
り、スキャナー１０３はレーザ光線の方向をコントロー
ルするものである。また、造形タンク１１１内のテーブ
ル１１３は、光造形物１１５を載せて成形中に徐々に下
降し、光造形物１１５の上面に光硬化性樹脂の薄い層を
導く。そして、そのような光硬化性樹脂の薄い層を次々
と光硬化させて光造形物１１５を成形して行くのであ
る。
【００４６】図２の光造形システムは、コントローラ１
０５を介して、パソコン１０７によってコントロールさ
れる。たとえば、パソコン１０７中に蓄積されたＣＡＤ
データに基づいて、シャッター１０１、スキャナー１０
３、テーブル１１３を動かし、所望の形状の光造形物１
１５を造形することができる。Ａｒレーザ発信器２は、
冷却装置１から供給される循環冷却水によって冷却され
る。
０５を介して、パソコン１０７によってコントロールさ
れる。たとえば、パソコン１０７中に蓄積されたＣＡＤ
データに基づいて、シャッター１０１、スキャナー１０
３、テーブル１１３を動かし、所望の形状の光造形物１
１５を造形することができる。Ａｒレーザ発信器２は、
冷却装置１から供給される循環冷却水によって冷却され
る。
【００４７】図２の光造形システムの中で用いられるレ
ーザ発信器の特徴は、医療用機器分野、精密計測機器分
野、レーダ機器分野等に用いられるレーザ発信機と同
様、出力パワーが高出力かつ長時間安定、精度良好なこ
とである。そのため、レーザ冷却装置にも長時間の耐久
性に富む安定性能という特性が求められる。したがっ
て、本発明のようなコンパクトで設置工事も簡単かつ省
エネ型の二段式冷却装置は、光造形システム用のレーザ
発信器の冷却用として特に好適である。
ーザ発信器の特徴は、医療用機器分野、精密計測機器分
野、レーダ機器分野等に用いられるレーザ発信機と同
様、出力パワーが高出力かつ長時間安定、精度良好なこ
とである。そのため、レーザ冷却装置にも長時間の耐久
性に富む安定性能という特性が求められる。したがっ
て、本発明のようなコンパクトで設置工事も簡単かつ省
エネ型の二段式冷却装置は、光造形システム用のレーザ
発信器の冷却用として特に好適である。
【００４８】次に、本発明の冷却装置の諸元を決定する
際のプロセスについて説明する。まず、ファン風量ｍa
を以下の計算により得る。 Ｑ0 （ＢＴＵ／ｈｒ）＝Ｃp.L ・ｍL ・（ＴL,in−ＴL,OUT ） ＝ｃp.a ・ｍa ・（Ｔa,out −Ｔa,in） ｍa ＝ρA ・ｖA ・Ａ＝Ｑo ／ＣP.a ・（Ｔa,out −Ｔa,in）
際のプロセスについて説明する。まず、ファン風量ｍa
を以下の計算により得る。 Ｑ0 （ＢＴＵ／ｈｒ）＝Ｃp.L ・ｍL ・（ＴL,in−ＴL,OUT ） ＝ｃp.a ・ｍa ・（Ｔa,out −Ｔa,in） ｍa ＝ρA ・ｖA ・Ａ＝Ｑo ／ＣP.a ・（Ｔa,out −Ｔa,in）
【００４９】ここで、Ｑ0 はレーザ発信機発熱量、Ｃ
P.L は冷却水の定圧比熱、ｍL は冷却水の流量、Ｔ
L,OUT は冷却水の供給温度、ＴL,inは冷却水の戻り温
度、ｃp.a は空気の定圧比熱、ｍa はファン風量、Ｔ
a,out は空気の熱交換器出口側温度、Ｔa,inは外気の熱
交換器入口側温度、ρA は空気密度、ｖA は熱交換器部
の風速、Ａは熱交換器部の流路断面積である。
P.L は冷却水の定圧比熱、ｍL は冷却水の流量、Ｔ
L,OUT は冷却水の供給温度、ＴL,inは冷却水の戻り温
度、ｃp.a は空気の定圧比熱、ｍa はファン風量、Ｔ
a,out は空気の熱交換器出口側温度、Ｔa,inは外気の熱
交換器入口側温度、ρA は空気密度、ｖA は熱交換器部
の風速、Ａは熱交換器部の流路断面積である。
【００５０】ファンの風量を決定した後、次にファンの
サイズ及び、熱交換器のサイズを選定する。さらに、冷
凍機のサイズも選定し、冷却装置全体のサイズが定ま
る。
サイズ及び、熱交換器のサイズを選定する。さらに、冷
凍機のサイズも選定し、冷却装置全体のサイズが定ま
る。
【００５１】上記の諸元決定プロセスにおいて、外気冷
却器単独モードにおける最高の外気熱交換器入口側の最
高許容温度（すなわちモード切替温度）を何℃に選択す
るかにより、外気冷却器のファンや熱交換のサイズが決
まってくる。さらに、外気冷却器の冷却能力を補うため
に必要となる冷凍機のサイズ諸元も決まってくる。した
がって、上記モード切替温度を何回か変えて機器の諸元
決定を行い、いくつかの諸元パターンにおける装置寸法
や消費エネルギーのシュミレーションを行って諸元を最
適化する。図３は、本発明の冷却装置の設計時における
モード切替温度最適化のシュミレーションフローを表す
フローチャートである。
却器単独モードにおける最高の外気熱交換器入口側の最
高許容温度（すなわちモード切替温度）を何℃に選択す
るかにより、外気冷却器のファンや熱交換のサイズが決
まってくる。さらに、外気冷却器の冷却能力を補うため
に必要となる冷凍機のサイズ諸元も決まってくる。した
がって、上記モード切替温度を何回か変えて機器の諸元
決定を行い、いくつかの諸元パターンにおける装置寸法
や消費エネルギーのシュミレーションを行って諸元を最
適化する。図３は、本発明の冷却装置の設計時における
モード切替温度最適化のシュミレーションフローを表す
フローチャートである。
【００５２】本発明の冷却装置にあたっては、上記外気
冷却器のファン、熱交換器の組み合わせ性能と上記冷凍
冷却器の冷凍機の性能（容量）とが以下の条件を満たし
ている必要がある。 Ｑ0 ＝Ｑ1 （外気冷却器交換熱量）＋Ｑ2 （冷凍冷却器交換熱量） 水当量比：Ｒ＝（mL・ＣP,L ）／（ma・ＣP,a ）
冷却器のファン、熱交換器の組み合わせ性能と上記冷凍
冷却器の冷凍機の性能（容量）とが以下の条件を満たし
ている必要がある。 Ｑ0 ＝Ｑ1 （外気冷却器交換熱量）＋Ｑ2 （冷凍冷却器交換熱量） 水当量比：Ｒ＝（mL・ＣP,L ）／（ma・ＣP,a ）
【００５３】熱移動単位数：ＮＴＵ＝（Ｕ1 ・Ａ1 ）／
（mL・ＣP,L ） Ｕ1 ；外気冷却器総括熱伝達係数 １／Ｕ1 ＝１／ｈ0 ＋ｂ／ｋW ＋ｄ0 ／( ｈi ・ｄi) ｈ0 ；細管外熱伝達係数 ｂ ；細管肉厚 ｋW ；熱伝導率 ｈi ；細管内熱伝達係数 ｄ0 ；細管外径 ｄi ；細管内径 Ａ1 ；細管伝熱面積
（mL・ＣP,L ） Ｕ1 ；外気冷却器総括熱伝達係数 １／Ｕ1 ＝１／ｈ0 ＋ｂ／ｋW ＋ｄ0 ／( ｈi ・ｄi) ｈ0 ；細管外熱伝達係数 ｂ ；細管肉厚 ｋW ；熱伝導率 ｈi ；細管内熱伝達係数 ｄ0 ；細管外径 ｄi ；細管内径 Ａ1 ；細管伝熱面積
【００５４】 Ｒ＝ｆ（ε，ＮＴＵ）＝（ＴL,in−ＴL,out ）／（ＴL,in−Ｔa,in） ε；外気冷却器温度効率 Ｒはε及びＮＴＵの関数としてε、ＮＴＵが数値的に決
まると一義的に評価される。本発明においては、ε≧
０．７５を達成させる。 ma＝（mL・ＣP,L ）／（Ｒ・ＣP,a ） により外気冷却器ファン必要風量が決まる。
まると一義的に評価される。本発明においては、ε≧
０．７５を達成させる。 ma＝（mL・ＣP,L ）／（Ｒ・ＣP,a ） により外気冷却器ファン必要風量が決まる。
【００５５】一方、モード切替温度（すなわち、外気冷
却器単独モードにおける外気熱交換器入口側の最高許容
温度）Ｔasとすると以下となる。 Ｔas＝ＴL,m −（ＴL,in−ＴL,out ）／ε（ε≧０．７５） したがって、ファン性能曲線（風量vs静圧）から要求さ
れる外気冷却器の静圧条件及びモード切替温度の評価に
より既述の設計パラメータと合わせて考慮し、外気冷却
器の設計が完了する。なお、経験上ファン選定時のサイ
ズが外気冷却器のサイズを内包する。以上より、Ｑ2 ＝
Ｑ0 −Ｑ1 at Ｔa,in max（外気最高許容温度）とし
て、冷凍機容量が評価される。
却器単独モードにおける外気熱交換器入口側の最高許容
温度）Ｔasとすると以下となる。 Ｔas＝ＴL,m −（ＴL,in−ＴL,out ）／ε（ε≧０．７５） したがって、ファン性能曲線（風量vs静圧）から要求さ
れる外気冷却器の静圧条件及びモード切替温度の評価に
より既述の設計パラメータと合わせて考慮し、外気冷却
器の設計が完了する。なお、経験上ファン選定時のサイ
ズが外気冷却器のサイズを内包する。以上より、Ｑ2 ＝
Ｑ0 −Ｑ1 at Ｔa,in max（外気最高許容温度）とし
て、冷凍機容量が評価される。
【００５６】以上のような条件（又は条件式）にあては
まるように １）外気冷却器のファン、熱交換器の組合せ性能 ２）冷凍冷却器容量 とをモード切替温度Ｔasを主パラメータとして評価し、
装置のサイジングを適度なバランス（総合性能評価のト
レードオフ）で設定すれば、省電力（運転コストの最適
化）の観点で好ましい。
まるように １）外気冷却器のファン、熱交換器の組合せ性能 ２）冷凍冷却器容量 とをモード切替温度Ｔasを主パラメータとして評価し、
装置のサイジングを適度なバランス（総合性能評価のト
レードオフ）で設定すれば、省電力（運転コストの最適
化）の観点で好ましい。
【００５７】以下の諸元を有する冷却装置の場合の装置
寸法、消費電力等を検討した。 被冷却機器：光造形システムのＡｒレーザ発信器、定格
出力１８KW 冷却水：供給３０〜３３±１℃、戻り５７〜６０℃、流
量9.5 リットル／分 外気温度：−１０〜＋４０℃
寸法、消費電力等を検討した。 被冷却機器：光造形システムのＡｒレーザ発信器、定格
出力１８KW 冷却水：供給３０〜３３±１℃、戻り５７〜６０℃、流
量9.5 リットル／分 外気温度：−１０〜＋４０℃
【００５８】検討の結果、以下の装置諸元となった。 外気冷却器：ファン風量５０〜６０ｍ3 ／min ファンモータ容量０．４５〜０．７５ＫＷ 冷凍冷却器：称呼容量１．５ＫＷ
【００５９】その結果、装置寸法は（１）室外機一体型
（コントローラのみ室内機）にて０．９３×０．８８×
１．０１ｍ、容量０．８３ｍ3 、（２）室内機及び室外
機分離型にて室外機０．９３×０．８０×１．０１ｍ、
容量０．７５ｍ3 となった。この値は、従来型空冷装置
の容積１．５０〜２．５０ｍ3 と比較して３０〜６０％
小さい値であった。また、装置の年間平均消費電力は、
入力電力２．５KW相当となり、従来型空冷装置の３０〜
４０％程度、及び、従来型水冷装置の１５〜３０％程度
に抑えることができた。
（コントローラのみ室内機）にて０．９３×０．８８×
１．０１ｍ、容量０．８３ｍ3 、（２）室内機及び室外
機分離型にて室外機０．９３×０．８０×１．０１ｍ、
容量０．７５ｍ3 となった。この値は、従来型空冷装置
の容積１．５０〜２．５０ｍ3 と比較して３０〜６０％
小さい値であった。また、装置の年間平均消費電力は、
入力電力２．５KW相当となり、従来型空冷装置の３０〜
４０％程度、及び、従来型水冷装置の１５〜３０％程度
に抑えることができた。
【００６０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の冷却装置は以下の効果を発揮する。 （Ａ）常時冷凍機を運転する室冷方式のもの、及
び、（Ｂ）井戸水やクーリングタワーで冷却された二次
冷却水で一次冷却水を冷やす水冷方式のものと比較し
て、消費電力を大幅に節約することができる。 水冷方式と異なり、クーリングタワーや廃水処理設
備・井戸等の大掛かりな付帯設備が不要である。
の冷却装置は以下の効果を発揮する。 （Ａ）常時冷凍機を運転する室冷方式のもの、及
び、（Ｂ）井戸水やクーリングタワーで冷却された二次
冷却水で一次冷却水を冷やす水冷方式のものと比較し
て、消費電力を大幅に節約することができる。 水冷方式と異なり、クーリングタワーや廃水処理設
備・井戸等の大掛かりな付帯設備が不要である。
【００６１】 常時必要なユーティリティーは電気の
みであるので、容易に設置可能であると共に、夏期の渇
水時でも支障なく運転できる。 室内置きのユニットと屋外置きのユニットとに機器
を分けて配置することにより、フィルター（又はストレ
ーナ）、イオン交換フィルター、冷却水タンク等のメン
テナンスのかかる機器構成品のメンテナンスがすべて室
内で実施できる。 室外機一体型においても、室内／室外機の分離型に
関する室外機においても、比較的軽量（一例１８ｋｗ冷
却能力を有するもので２５０ｋｇ程度）であるので、据
え付け場所の簡単な地面強化策のみで良く、キャスター
方式が可能であるから、通常の１０〜１５ｃｍ高さの基
礎工事等は不要である。
みであるので、容易に設置可能であると共に、夏期の渇
水時でも支障なく運転できる。 室内置きのユニットと屋外置きのユニットとに機器
を分けて配置することにより、フィルター（又はストレ
ーナ）、イオン交換フィルター、冷却水タンク等のメン
テナンスのかかる機器構成品のメンテナンスがすべて室
内で実施できる。 室外機一体型においても、室内／室外機の分離型に
関する室外機においても、比較的軽量（一例１８ｋｗ冷
却能力を有するもので２５０ｋｇ程度）であるので、据
え付け場所の簡単な地面強化策のみで良く、キャスター
方式が可能であるから、通常の１０〜１５ｃｍ高さの基
礎工事等は不要である。
【図１】本発明の１実施例に係るレーザ冷却装置の構成
を示す系統図である。
を示す系統図である。
【図２】図１の冷却装置によって冷却されるＡｒレーザ
発信器等によって構成されている光造形システムの構成
を示す模式図である。
発信器等によって構成されている光造形システムの構成
を示す模式図である。
【図３】本発明の冷却装置の設計時におけるモード切替
温度最適化のシュミレーションフローを表すフローチャ
ートである。
温度最適化のシュミレーションフローを表すフローチャ
ートである。
【図４】従来の冷凍機回路を用いた空冷方式のレーザ冷
却装置の構成を示す系統図である。
却装置の構成を示す系統図である。
【図５】従来の水冷方式のレーザ冷却装置の構成を示す
系統図である。
系統図である。
【図６】図１の冷却装置に用いられている剣山型細管応
用直冷方式熱交換器の詳細を示す図である。
用直冷方式熱交換器の詳細を示す図である。
１ 冷却装置 ２ レーザ発振器 ３ 屋外ユニット ４ 屋内ユニット ５ コントローラ １１ 戻り管 １３ 戻り冷却水温度センサ １５ 外気冷却器 １７ インバータ １９ ファンモータ ２１ ファン ２２ 外気温度セン
サ ２３ 外気−水熱交換器 ２５ 管路 ２７ 冷凍冷却器 ２９ 自動膨張弁 ３１ 冷媒−水熱交換器 ３３ 圧縮機 ３５ ファンモータ ３７ ファン ３９ コンデンサ ４１ 受液器 ４３ 管路 ４５ 冷却水タンク ４７ 冷却水タンク温度センサ ４９ 管路 ５１ ストレーナ ５３ 循環ポンプ ５５ 管路 ５７ 管路 ５９ 管路 ６１ イオン交換フ
ィルタ ６３ 管路 ６５ 流量調節 ６７ 行き管路 １０１ シャッター １０３ スキャナー １０５ コントロー
ラ １０７ パソコン １１１ 造形タンク １１３ テーブル １１５ 光造形物
サ ２３ 外気−水熱交換器 ２５ 管路 ２７ 冷凍冷却器 ２９ 自動膨張弁 ３１ 冷媒−水熱交換器 ３３ 圧縮機 ３５ ファンモータ ３７ ファン ３９ コンデンサ ４１ 受液器 ４３ 管路 ４５ 冷却水タンク ４７ 冷却水タンク温度センサ ４９ 管路 ５１ ストレーナ ５３ 循環ポンプ ５５ 管路 ５７ 管路 ５９ 管路 ６１ イオン交換フ
ィルタ ６３ 管路 ６５ 流量調節 ６７ 行き管路 １０１ シャッター １０３ スキャナー １０５ コントロー
ラ １０７ パソコン １１１ 造形タンク １１３ テーブル １１５ 光造形物
Claims (8)
- 【請求項１】 第一段冷却器としての外気−水熱交換冷
却器（外気冷却器）と、 第二段冷却器としての冷媒−水熱交換冷却器（冷凍冷却
器）と、 外気温度を検知する外気温度センサと、 外気温度に応じて、外気冷却器及び冷凍冷却器を運転す
る冷凍冷却器併用モード、又は、冷凍冷却器を停止して
外気冷却器のみを運転する外気冷却器単独モードのいず
れかを選択する制御部と、 を具備することを特徴とする冷却装置。 - 【請求項２】 レーザ媒質ガス冷却用の循環冷却水を冷
却する冷却装置であって；冷却水循環ポンプと、 第一段冷却器としての外気冷却器であって、外気と冷却
水との間で熱交換する外気−水熱交換器、この熱交換器
に外気を吹きつけるファン、及び、ファン駆動用モータ
を有する外気冷却器と、 第二段冷却器としての冷凍冷却器であって、冷凍サイク
ルを有する冷凍機、及び、この冷凍機によって冷却され
る冷媒と冷却水との間で熱交換する冷媒−水熱交換器を
有する冷凍冷却器と、 第二段冷却器の出側に設けられた冷却水タンクと、 外気温度を検知する外気温度センサと、 外気温度に応じて、外気冷却器及び冷凍冷却器を運転す
る冷凍冷却器併用モード、又は、冷凍冷却器を停止して
外気冷却器のみを運転する外気冷却器単独モードのいず
れかを選択する制御部と、 を具備することを特徴とする冷却装置。 - 【請求項３】 さらに、上記外気冷却器のファンモータ
の変速手段と、 上記冷却水タンク内の冷却水温度を検知する冷却水温度
センサと、 該冷却水温度を所定値に保つべく上記変速手段を制御し
て上記ファンの回転数をコントロールする制御部とを具
備する請求項２記載の冷却装置。 - 【請求項４】 上記冷却水の冷却装置入口温度が４５〜
６５℃であり、上記冷却水の冷却装置出口温度が２０〜
４０℃であり、上記冷凍冷却器の運転または停止を選択
する境目となる温度（モード切替温度）が２０〜２７℃
である請求項１〜４いずれか１項記載の冷却装置。 - 【請求項５】 外気温４０℃において、上記外気冷却器
が、上記冷却装置全体の冷却能力の内の６０〜７４％を
分担し、上記冷凍冷却器が残りに４０〜２６％を分担す
るように機器能力が選択されている請求項２〜４いずれ
か１項記載の冷却装置。 - 【請求項６】 外気温４０℃において、上記外気冷却器
のファンの電力消費が１に対して、上記冷凍冷却器のコ
ンプレッサーの電力消費が２．５〜３．５となるように
機器能力が選択されている請求項２〜４いずれか１項記
載の冷却装置。 - 【請求項７】 さらに、冷却水浄化用のフィルター又は
ストレーナ、イオン交換フィルター等を有し、上記冷却
水循環ポンプ、冷却水タンク、制御部及びフィルター類
が室内置きとされており、上記外気冷却器及び冷凍冷却
器が室外置きとされている請求項２〜４いずれか１項記
載の冷却装置。 - 【請求項８】 上記レーザが光造形システム内において
用いられているものである請求項２〜７いずれか１項記
載の冷却装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7065258A JP2694515B2 (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | 冷却装置 |
| US08/943,351 US5970729A (en) | 1995-03-01 | 1997-10-01 | Cooling apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7065258A JP2694515B2 (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | 冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08233423A true JPH08233423A (ja) | 1996-09-13 |
| JP2694515B2 JP2694515B2 (ja) | 1997-12-24 |
Family
ID=13281716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7065258A Expired - Fee Related JP2694515B2 (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | 冷却装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| US (1) | US5970729A (ja) |
| JP (1) | JP2694515B2 (ja) |
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