JPWO2016113898A1 - 冷却システム用減圧装置及び冷却システム - Google Patents

Abstract

本発明の冷却システム用減圧装置（４）は、冷媒（４０）の凝縮器の後段に配された減圧弁（５）と、凝縮器から熱交換器に至るまでの冷媒の流路の内部に配され冷媒（４０）の気相（４１）を微細気泡（４１ａ）として冷媒の液相（４２）に分散させる微細気泡形成部（２０）とを備えている。

Description

本発明は、冷却システム用減圧装置及び冷却システムに関する。

従来、熱交換器において冷却対象物から気化熱を奪って気化した冷媒を圧縮機及び凝縮器において液化した後に減圧弁を通じて再利用することが知られている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／０４１６５４号パンフレット

流体を冷却するための冷却システムの熱交換器として、近年、冷却対象となる流体が流れる流路を有する第一プレートと、冷媒が流れる流路を有する第二プレートとが交互に積層されてなる積層型の熱交換器が知られている。このような積層型の熱交換器は、細い流路を多数備えているので小型で熱交換効率が高い。しかしながら、このような積層型の熱交換器の細い流路に流入する冷媒が気液混相流であると、各流路に冷媒が均等に流入しにくくなるので、熱交換性能が低下する可能性がある。

冷媒の液相部分のみを熱交換器に流入させるために、減圧弁の後段において気液混相流となっている冷媒を気相と液相とに分離するセパレータを、熱交換器の前段に設けることが考えられる。しかしながら、セパレータは、冷媒を内部に収容して気相と液相とに分離するための容器を備えるので大型となりがちである。このように、冷媒の流路が細い熱交換器を用いた冷却システムの小型化には改善の余地がある。
すなわち、本発明の目的は、熱交換効率の高い小型の冷却システム及びその減圧装置を提供することである。

本発明の一態様は、冷媒の凝縮器の後段に配された減圧弁と、前記凝縮器から熱交換器に至るまでの前記冷媒の流路の内部に配され前記冷媒の気相を微細気泡として前記冷媒の液相に分散させる微細気泡形成部とを備えた冷却システム用減圧装置である。
この発明によれば、減圧装置によって気液混相流となった冷媒の気相を微細気泡形成部が微細な気泡として液相に分散させて熱交換器に流入させるので、気液混相流が熱交換器に直接流入する場合と比較して熱交換性能が高い。さらにこの発明によれば、微細気泡形成部は冷媒の流路内部に配されるので、セパレータを熱交換器の前段に設けて冷媒の液相を分離する場合と比較して冷却システムを小型化することができる。

上記態様の冷却システム用減圧装置において、前記微細気泡形成部は、前記流路の断面積よりも小さな流路断面積を有する複数の微細流路を構成する複数の貫通孔部が形成された開口部材を有していてもよい。
この場合、複数の貫通孔部を気液混相流が通過する過程で気相が微細気泡となるので、簡素な構成とすることができる。

上記態様の冷却システム用減圧装置において、前記複数の貫通孔部における各貫通孔の少なくとも排出側の開口径が１ｍｍ以下であってもよい。
上記態様の冷却システム用減圧装置において、前記複数の貫通孔部における各貫通孔は、幅が１ｍｍ以下をなす細長開口を有していてもよい。
これらの場合、冷媒中の気泡が微細気泡となり、冷媒中の微細気泡が熱交換器に流入するまでの間に微細気泡が成長しにくくなるので、熱交換器の各流路に冷媒が均等に流入しやすくなり、熱交換性能が低下しにくい。

上記態様の冷却システム用減圧装置において、前記微細気泡形成部が前記減圧弁の内部に配されていてもよい。
この場合、減圧弁の内部に微細気泡形成部があるので減圧装置が小型である。

上記態様の冷却システム用減圧装置は、前記微細気泡形成部と前記熱交換器とを水平且つ直線状に接続する冷媒流路を有する水平配管をさらに備えていてもよい。
この場合、微細気泡形成部を通過することで微細気泡が分散された状態となっている冷媒を、水平配管が、水平且つ直線状に熱交換器まで送液するので、微細気泡の成長や気液分離が起こりにくい。

本発明の別の態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の後段側に配され前記冷媒の少なくとも一部を液化させる凝縮器と、前記凝縮器の後段側に配され前記冷媒が流れる流路を有する熱交換器と、上記態様の冷却システム用減圧装置とを備えた冷却システムである。
この発明によれば、減圧装置によって気液混相流となった冷媒の気相を微細気泡形成部が微細な気泡として液相に分散させて熱交換器に流入させるので、気液混相流が熱交換器に直接流入する場合と比較して熱交換性能が高い。さらにこの発明によれば、微細気泡形成部は冷媒の流路内部に配されるので、セパレータを熱交換器の前段に設けて冷媒の液相を分離する場合と比較して小型の冷却システムとすることができる。

本発明によれば、熱交換効率の高い小型の冷却システム及びその減圧装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の冷却システムの模式図である。 同冷却システムの減圧弁を示す模式図である。 同冷却システムの減圧弁に取り付けられた微細気泡形成部を示す模式図である。 同冷却システムの熱交換器を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の冷却システムの模式図である。 同冷却システムの冷媒用配管に取り付けられた微細気泡形成部を示す模式図である。 同微細気泡形成部における貫通孔部の形状の例を示す模式図である。 同微細気泡形成部における貫通孔部の形状の他の例を示す模式図である。 本発明の第３実施形態の冷却システムの模式図である。 本発明の実施例における微細気泡形成部の構成と微細気泡の平均気泡径との関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の冷却システムの模式図である。図２は、冷却システムの減圧弁を示す模式図である。図３は、冷却システムの減圧弁に取り付けられた微細気泡形成部を示す模式図である。図４は、冷却システムの熱交換器を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態の冷却システム１は、圧縮機２と、凝縮器３と、減圧装置４と、熱交換器１４とを備えている。

圧縮機２は、後述する熱交換器１４において気化した冷媒４０（図２参照）を圧縮して凝縮器３へと送る。圧縮機２の構成は特に限定されない。

凝縮器３は、圧縮機２によって圧縮された冷媒４０を液化させて減圧装置４へ送る。凝縮器３の構成は特に限定されない。

図２に示す減圧装置４は、本実施形態の冷却システムにおいて凝縮器３により一部液化された冷媒４０を減圧させる冷却システム用減圧装置である。図２に示すように、減圧装置４は、減圧弁５と、微細気泡形成部２０とを備えている。

減圧弁５は、凝縮器３に繋がる配管３１に接続された流入口６と、熱交換器１４に繋がる冷媒用配管３２に接続された流出口７と、絞り部８とを備えている。

絞り部８は、シリンダ９と、ピストン１２と、操作器１３とを備えている。

シリンダ９は、流入口６からシリンダ９内に冷媒４０を流入させるための微細気泡形成部２０と、シリンダ９から流出口７へ冷媒４０を流出させる流出開口部１１とを備えている。

図３に示すように、微細気泡形成部２０は、シリンダ９の壁面に放電加工、レーザ加工、ドリル加工又は３次元造形等の加工手段により貫通する複数の貫通孔部２２を形成したものである。

貫通孔部２２は、減圧弁５の流入口６（図２参照）の断面積よりも小さな流路断面積を有する。貫通孔部２２は、シリンダ９に微細気泡形成部２０が形成された状態で、シリンダ９の内外を連通する。本実施形態の貫通孔部２２は、１ｍｍ以下の内径を有する円形の開口端を各貫通孔部２２の少なくとも排出側に有している。

図２に示すシリンダ９の外部とシリンダ９の内部とおける冷媒４０の圧力差によって、貫通孔部２２を通過する冷媒４０は、その減圧過程で気液混相流となるが、貫通孔部２２の流出側の開口端において冷媒４０の気相４１が剪断されることにより、気泡化する。これにより、冷媒４０は、１ｍｍ以下の内径を有する円形の開口端を持つ各貫通孔部２２を有しない従来の減圧装置での減圧過程で生成される気泡径が大きい気液混相流から、微細気泡４１ａが液相４２に分散された状態（気泡流）に変化する。本実施形態の微細気泡形成部２０によって発生する微細気泡４１ａは、微細気泡形成部２０の上流における気液混相流とは異なり、ミリバブル未満の微細な気泡となって液相４２中に分散する。

本実施形態では、例えば二酸化炭素を冷媒４０とする場合、シリンダ９の内外で２０気圧以上の差が生じている状態で超臨界状態の二酸化炭素の超臨界液体を微細気泡形成部２０の貫通孔部２２に通すと、平均気泡径が０．２ｍｍの気泡を含んだ気泡流を生じさせることができる。

図２に示すピストン１２は、シリンダ９の内部において操作器１３によって進退される部材である。ピストン１２は、シリンダ９の貫通孔部２２の一部を塞ぐことにより、貫通孔部２２の開度を変更する。ピストン１２によって貫通孔部２２の一部又は全部が塞がれることで冷媒４０の流量が変化する。

操作器１３は、流出口７から減圧弁５の外へ流出する冷媒４０があらかじめ設定された一定の流量となるように、シリンダ９内でのピストン１２の位置を調整する。

図１及び図４に示すように、熱交換器１４は、冷却対象となる流体状の物質が流れる流路を構成する第一管路１６と、冷媒４０（図２参照）が流れる管路を構成する第二管路１８とを備えている。
本実施形態の熱交換器１４は、複数の第一管路１６を有する第一プレート１５と、複数の第二管路１８を有する第二プレート１７とを備えている。第一プレート１５と第二プレート１７とは、交互に積層されている。本実施形態では、第一プレート１５と第二プレート１７との間で熱交換が行われる。

本実施形態の冷却システム１の作用について説明する。
図１に示す本実施形態の冷却システム１の動作時には、圧縮機２及び凝縮器３によって、冷媒は少なくとも一部が液化された気液混相流又は液相となって減圧装置４に流入する。
図２に示すように、減圧装置４内に流入した冷媒４０は、流入口６からシリンダ９内へと、貫通孔部２２を通じて流入する。本実施形態では貫通孔部２２が微細気泡形成部２０として形成されているので、流入口６からシリンダ９内へと流入する冷媒４０は、微細気泡形成部２０の貫通孔部２２（図３参照）を通過することとなる。貫通孔部２２を通過する際の減圧過程で気液２相流となった冷媒４０の気相部分は、貫通孔部２２の流出側の開口端において剪断されて図２に示すミリバブル未満の微細気泡４１ａとなる。

微細気泡形成部２０を通過した後の冷媒４０は、微細気泡４１ａが冷媒４０の液相４２に分散された状態となっている。微細気泡４１ａが分散された冷媒４０は、微細気泡４１ａが気泡として維持されたまま図１に示す熱交換器１４まで送液される。

図１及び図４に示す熱交換器１４の内部では、冷却対象となる物質と冷媒４０の間で熱交換が行われる。すなわち、冷却対象となる物質が流れる流路を構成する第一管路１６から、第二管路１８中の冷媒４０へと熱が伝わる。冷媒４０は、第一管路１６から伝わる熱により加熱されて気化することにより、冷媒４０の気化熱の分だけ冷却対象となる物質から熱を奪った後に熱交換器１４から出て配管３３を通じて圧縮機２（図１参照）へ戻る。

第二管路１８に流入する冷媒４０は、冷媒４０の気相が微細気泡４１ａとなっている。このため、第二管路１８の内部において、微細気泡４１ａは第二管路１８の全体に略均等に分散している。その結果、第二管路１８内で冷媒４０の気化が全域的に起こるので、第二管路１８内の一部に冷媒４０の気相のみが入り込む場合と比較して熱交換効率が高くなる。

以上に説明したように、本実施形態の冷却システム１及びその減圧装置４において、微細気泡形成部２０は、冷媒４０の二相混相流から気相４１を分離することなく、冷媒４０の気相４１の微細気泡４１ａとして液相４２に分散させて熱交換器１４へと送液することができる。このため、冷媒４０を気相４１と液相４２に分離するためのある程度の容積を持った容器状のセパレータを設けて液相４２のみを回収する必要なしに、冷媒４０の液相４２のみを熱交換器１４に流入させる場合と同等の熱交換効率を得ることができる。

本実施形態では、凝縮器３から熱交換器１４に至るまでの冷媒４０の流路の内部に、特に本実施形態では減圧弁５の内部に、微細気泡形成部２０が配されるので、セパレータを設ける場合よりも小型の減圧装置４とすることができる。このため、冷却システム１全体としても小型化が可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、第１実施形態に開示された構成要素と同等の構成要素には第１実施形態と同一の符号が付され、重複する説明及び図示が省略されている。

図５は、本実施形態の冷却システムの模式図である。図６は、冷却システムの冷媒用配管に取り付けられた微細気泡形成部を示す模式図である。図７は、微細気泡形成部における貫通孔部の形状の例を示す模式図である。図８は、微細気泡形成部における貫通孔部の形状の他の例を示す模式図である。

図５に示す本実施形態の冷却システム１Ａは、第１実施形態に開示された減圧装置４に代えて、第１実施形態の開示された減圧装置４と構成が異なる減圧装置４Ａを備えている。
本実施形態の減圧装置４Ａは、減圧弁５Ａと、微細気泡形成部２０Ａとを備えている。

本実施形態では減圧弁５Ａとして公知の構成を適宜選択して採用可能である。

本実施形態の微細気泡形成部２０Ａは、減圧弁５Ａと熱交換器１４とを繋ぐ冷媒用配管３２に配されている。
図６及び図７に示すように、微細気泡形成部２０Ａは、冷媒用配管３２の断面形状に対応した形状をなす板状の枠体部２１Ａと、冷媒用配管３２の断面積よりも開口面積が小さな複数の貫通孔部２２Ａと、を備えた開口部材からなる。

貫通孔部２２Ａは、第１実施形態と同様に内径が１ｍｍ以下とされている。貫通孔部２２Ａは、微細気泡形成部２０Ａが冷媒用配管３２に取り付けられた状態で、冷媒用配管３２における微細気泡形成部２０Ａの上流側と下流側とを繋ぐ流路となる。
また、本実施形態の微細気泡形成部２０Ａにおける貫通孔部２２Ａの開口形状は、円形の開口でなくてもよい。たとえば、他の構成例として、図８に示すように、幅が１ｍｍ以下となる細長のスリット２２Ｂが枠体部２１Ａに形成されていてもよい。また、貫通孔部２２Ａは、１ｍｍ以下の流路隙間を冷媒用配管３２内に構成する圧損体であればその形状は特に限定されない。

本実施形態の冷却システム１Ａの作用について説明する。
図５に示す冷却システム１Ａの減圧装置４Ａの微細気泡形成部２０Ａは、冷媒用配管３２の一部に配される。たとえば、冷媒用配管３２は、図６に示すように、微細気泡形成部２０Ａを間に挟むように上流部分３２−１と下流部分３２−２とに分割されており、微細気泡形成部２０Ａを挟み込んだ状態で固定される。

図５に示す減圧弁５Ａを通過して冷媒用配管３２内を流れる冷媒４０は、微細気泡形成部２０Ａに到達するまでは、凝縮器３において冷媒４０の一部が液化した状態のままの気液混相流又は液相流である。微細気泡形成部２０Ａの複数の貫通孔部２２Ａをこの気液混相流又は液相流が通過して減圧することにより、第１実施形態と同様に、冷媒４０の気相４１は微細気泡４１ａとして冷媒４０の液相４２に分散される。

このように、本実施形態でも第１実施形態と同様に、セパレータを設けて液相４２のみを回収する必要なしに、冷媒４０の液相４２のみを熱交換器１４に流入させる場合と同等の熱交換効率を得ることができる。

また、本実施形態では公知の減圧弁５を適宜選択して採用することができるので、冷却システム１Ａの生産が容易であり、また冷却システム１Ａの設計の自由度が高い。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図９は、本実施形態の冷却システムの模式図である。

図９に示す本実施形態の冷却システム１Ｂは、上記第２実施形態に開示された減圧装置４が、微細気泡形成部２０Ａと熱交換器１４とを水平且つ直線状に接続する水平配管３２Ａをさらに備えている点で、上記第２実施形態と構成が異なる。

すなわち、本実施形態では、微細気泡形成部２０Ａを挟み込んでいる冷媒用配管３２のうち、微細気泡形成部２０Ａよりも下流側となる配管が、直管状とされている。

本実施形態の冷却システム１Ｂは、冷却システム１Ｂの設置時に、水平配管３２Ａの中心線が水平となるように設置される。水平に延びる直管となる水平配管３２Ａの内部は、冷媒４０が微細気泡４１ａとともに流れる冷媒流路となっている。水平配管３２Ａの内部では、冷媒４０の滞留が起こりにくいので、冷媒４０が滞留して微細気泡４１ａが成長するのが防止される。このため、気泡径が大きくなって熱交換器１４の各流路に冷媒４０が均等に流れにくくなることを防止できる。

また、本実施形態では、微細気泡形成部２０Ａよりも上流となる冷媒用配管３２−１については水平に延びる直管でなくてもよい。微細気泡形成部２０Ａよりも上流となる冷媒用配管３２−１が直管でない場合、冷媒用配管３２−１の屈曲部分に冷媒４０が滞留しやすい。冷媒４０が滞留している部分において冷媒４０の気相４１が滞留すると、滞留した気相４１の一部が大きな気泡となって水平配管３２Ａへ向かって移動することがある。本実施形態では微細気泡形成部２０Ａによってこの気泡は微細気泡４１ａとされるので、大きな気泡が直接熱交換器１４に流入するのが防止されている。その結果、本実施形態では冷媒用配管３２−１の取り回しの自由度が高い。

本発明の実施例について説明する。図１０は、微細気泡形成部の構成と微細気泡の平均気泡径との関係を示すグラフである。
本実施例では、微細気泡形成部の貫通孔部の内径が０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、１．０ｍｍ、及び１．８ｍｍである場合（図７参照）、及び微細気泡形成部の貫通孔部が、幅０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、１．０ｍｍ、及び１．８ｍｍのスリットである場合（図８参照）について、これらの微細気泡形成部の貫通孔部を通過した後の二酸化炭素の気液２相流における気泡の平均気泡径を示す。

図１０に示すように、微細気泡形成部の貫通孔部における穴径又はスリット幅が０．２ｍｍ、０．４ｍｍ及び１．０ｍｍの場合には平均気泡径が０．２ｍｍであり、ミリバブル未満の微細気泡が生じている。微細気泡形成部の貫通孔部における穴径又はスリット幅が１．８ｍｍである場合には、平均気泡径は測定不能であり、貫通孔部の通過後に微細気泡は生じていない。図１０に示すように、微細気泡形成部の貫通孔部における穴径又はスリット幅が１ｍｍを超えると平均気泡径が急激に大きくなり気泡として液相中に均一に分散されにくくなると考えられる。

本発明は、冷凍サイクルを用いた冷却システムや気体の昇圧システム等に利用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 冷却システム
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４，４Ａ 減圧装置
５，５Ａ 減圧弁
６ 流入口
７ 流出口
８ 絞り部
９ シリンダ
１１ 流出開口部
１２ ピストン
１３ 操作器
１４ 熱交換器
１５ 第一プレート
１６ 第一管路
１７ 第二プレート
１８ 第二管路
２０，２０Ａ 微細気泡形成部
２１Ａ 枠体部
２２，２２Ａ 貫通孔部
２２Ｂ スリット（貫通孔部，細長開口）
３１ 配管
３２ 冷媒用配管
３２−１ 冷媒用配管の上流部分
３２−２ 冷媒用配管の下流部分
３２Ａ 水平配管
３３ 配管
４０ 冷媒
４１ 冷媒の気相
４１ａ 冷媒の微細気泡
４２ 冷媒の液相

Claims (7)

1. 冷媒の凝縮器の後段に配された減圧弁と、
   前記凝縮器から熱交換器に至るまでの前記冷媒の流路の内部に配され前記冷媒の気相を微細気泡として前記冷媒の液相に分散させる微細気泡形成部と、
   を備えた冷却システム用減圧装置。
2. 前記微細気泡形成部は、前記流路の断面積よりも小さな流路断面積を有する複数の微細流路を構成する複数の貫通孔部が形成された開口部材を有する
   請求項１に記載の冷却システム用減圧装置。
3. 前記複数の貫通孔部における各貫通孔の少なくとも排出側の開口径が１ｍｍ以下である
   請求項２に記載の冷却システム用減圧装置。
4. 前記複数の貫通孔部における各貫通孔は、幅が１ｍｍ以下をなす細長開口を有する
   請求項２に記載の冷却システム用減圧装置。
5. 前記微細気泡形成部が前記減圧弁の内部に配されている
   請求項１に記載の冷却システム用減圧装置。
6. 前記微細気泡形成部と前記熱交換器とを水平且つ直線状に接続する冷媒流路を有する水平配管をさらに備える
   請求項１に記載の冷却システム用減圧装置。
7. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機の後段側に配され前記冷媒の少なくとも一部を液化させる凝縮器と、
   前記凝縮器の後段側に配され前記冷媒が流れる流路を有する熱交換器と、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の冷却システム用減圧装置と、
   を備えた冷却システム。

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