JPWO2018179198A1 - 熱交換器、熱交換システム、および熱交換方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の空気調和装置では、放熱部となる1台の室外機と、該室外機と配管により接続される複数台の室内機(受熱部)を有し、これら室外機と室内機を結ぶ配管の途中に分流器を設けた構成が示されている。
課題を解決するための手段
本発明の第一の態様は、液相状態の冷媒が流れる下部ヘッダと、この下部ヘッダから分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプと、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を集合させる上部ヘッダと、を有し、前記下部ヘッダの冷媒流入口には、冷媒を供給する管路の流路断面より小さい断面の流路抵抗調節孔が設けられていることを特徴とする。
発明の効果
また、本発明では、下部ヘッダ内の冷媒流入口に流路抵抗調節孔を設置することで、全体の省スペース化を図ることが可能となる。
この熱交換器100は、図1(A)で示されるように、液相状態の冷媒Cが流れる下部ヘッダ1と、この下部ヘッダ1から分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプ2と、これら熱交換パイプ2で受熱した冷媒Cを集合させる上部ヘッダ3と、を有する。
また、この熱交換器100では、図1(B)で示されるように、下部ヘッダ1の冷媒流入口4に、冷媒Cを供給する管路5の流路断面より小さい流路断面の貫通路6Aを有する流路抵抗調節孔6が設けられている。
冷媒流入口4は、下部ヘッダ1における管路5の一端部に形成されており、該冷媒流入口4には、放熱部(図示略)で液化された冷媒Cが供給されるマニホールド7の支流液管8が中心軸線を同じくして接続されている。
これにより、上記流路抵抗調節孔6では、貫通路6Aの下流側で冷媒Cの圧力を低下させることができる。この圧力の低下により、冷媒Cの沸点、すなわち、液相から気相へ相変化する温度が下がり、矢印(b)で示される熱交換パイプ2での抜熱性能を向上させることができる。
また、この流路抵抗調節孔6は、熱交換器100内の下部ヘッダ1の冷媒流入口4という、流路(配管)の内側に設置されているので、配管の周囲の放熱部との間のスペースを占有することなく、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図ることができる。
本発明の第1実施形態に係る熱交換器101、及び熱交換器101を複数備えた熱交換システムS1について、図2〜図4を参照して説明する。
第1実施形態の熱交換器101は、図2に示されるように、液相状態の冷媒Cが流れる下部ヘッダ11と、この下部ヘッダ11から分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプ12と、これら熱交換パイプ12で受熱した冷媒Cを集合させる上部ヘッダ13と、を有する。
冷媒流入口14は、図3及び図4(A)に示されるように、下部ヘッダ11における管路15の一端部に形成されており、該冷媒流入口14には、放熱部21で液化された冷媒Cが供給される液管マニホールド22の支流液管23が中心軸線xを同じくして接続されている。
そして、この熱交換パイプ12では、図3に矢印(b)で示すように、電気機器(図示略)からの排熱により温められた排気を受けた場合に、内部の液相の冷媒Cを沸騰して気化させることにより、電子機器の排気の冷却を行う。
上部ヘッダ13は、熱交換パイプ12の上部位置にて水平に延びるように配置されたものであって、熱交換パイプ12で気化した冷媒Cを合流して冷媒流出口18(図2参照)から排出する。
この流路抵抗調節孔16は、図4(A)に示されるように、下部ヘッダ11の管路11A内にて中心軸線xと直交するオリフィス板17の中央に形成されるものであって、矢印(a)で示すように、ポンプ20により放熱部21から液管マニホールド22を経由して液相状態の冷媒Cが供給された場合に、該冷媒Cの通過に際して抵抗が生じる。
また、上記熱交換器101では、流路抵抗調節孔16を有する冷媒流入口14が、下部ヘッダ11の一端側に配置されるともに、冷媒Cが排出される冷媒流出口18が、上部ヘッダ13の他端側に配置される。
このような冷媒流入口14と冷媒流出口18の配置により、複数ある熱交換パイプ12のうち、冷媒流出口18から遠い位置(図2の右寄り)にある熱交換パイプ12、すなわち、冷媒Cの排出の流路の抵抗が大きいが故に吸熱量が少ない傾向のある熱交換パイプ12、の直下の位置(オリフィス板17に近い位置)で特に圧力低下が大きくなり、この熱交換パイプ12における吸熱を促進して、全体として、各熱交換パイプ12に均一に冷媒Cを至らせることができる。
また、流路抵抗調節孔16は、単にオリフィス板17を垂直方向に貫通するだけでなく、冷媒Cの流通方向に向けて漸次径が縮小する形状であっても良い。このとき、流路抵抗調節孔16の周囲にコーン状の部材を設置しても良い。
これら熱交換器101は、図2に示すように上下方向に複数段配置されかつ同一平面内に配置されている。
また、これら各熱交換器101の冷媒流入口14には、液管マニホールド22から分岐された支流液管23がそれぞれ接続される。
また、これら各熱交換器101の冷媒流出口18には、気化した冷媒Cを放熱部21に案内する支流気管30、及び該支流気管30が合流された蒸気管31が接続されている。
すなわち、この熱交換システムS1では、熱交換器101、蒸気管31、放熱部21、ポンプ20、マニホールド22を冷媒Cが順次経ることで、電子機器からの受熱/外部への放熱を連続的に行う熱交換サイクルが形成される。
これにより、上記流路抵抗調節孔16では、貫通路16Aの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Cの沸点を下げて、熱交換パイプ12での抜熱性能を向上させることができる。
また、第1実施形態に示される熱交換器101では、流路抵抗調節孔16での急激な圧力の低下により最も相変化しやすくなった状態の液相の冷媒Cを受熱ラジエータRに供給することで、受熱ラジエータRの高低差や、熱負荷のムラにより生じる性能劣化を抑制することができる。
また、この流路抵抗調節孔16は、熱交換器101内の下部ヘッダ11の冷媒流入口14という、もともと熱交換システムに必要とされている冷媒Cの配管系内に設置されているので、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図りつつ、冷媒Cを分流することができる。
本発明の第2実施形態に係る熱交換システムS2について図5を参照して説明する。
熱交換システムS2は、図2に示される第1実施形態の熱交換システムS1を複数設置し、かつこれら熱交換システムS1を並列配置したことに特徴を有する。
なお、熱交換システムS2を構成する熱交換システムS1のそれぞれは、被冷却物である電子機器に対応して分散配置される。
また、主配管40から分岐した液管マニホールド22の各上端部には、流路の開閉及び流量調整を行うための比例制御バルブ41が設置されている。
これら各液管マニホールド22に配置された比例制御バルブ41は、各熱交換システムS1の熱負荷に応じた冷媒流量となるように、熱交換システムS1の受熱ラジエータRに供給される被冷却物からの排気温度/受熱ラジエータRで冷やされた後の空気温度/各熱交換システムS1の液管マニホールド22の圧力/各熱交換システムS1に流れる冷媒流量/電子機器を構成するサーバルームにあるサーバ全体の電力/外気温度(放熱部21が室外機の場合)等のいずれか1つ、又はそれらを組み合わせた情報に基づいて個別に制御される。
これにより、第1実施形態と同様、各熱交換器101の流路抵抗調節孔16にて、貫通路16Aの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Cの沸点を下げて、熱交換パイプ12での抜熱性能を向上させることができる。
また、この流路抵抗調節孔16は、放熱部との間のスペースを占有しない、熱交換器101内の下部ヘッダ11の冷媒流入口14に設置されているので、装置が大型化せず、全体の省スペース化を図りつつ、冷媒Cを分流することができる。
本発明の第3実施形態に係る熱交換システムS3について図6を参照して説明する。
熱交換システムS3は、図2で上下に並べて(あたかも一の鉛直面に沿うように)配置されていた、全体として略平板状をなす熱交換器101を互いに交差する方向に向けて複数かつ並列配置したことに特徴を有する。
すなわち、前記熱交換システムS3を構成する熱交換器101のそれぞれは、被冷却物を周囲から囲むように、互いに隣接する熱交換器101のヘッダ11,13間にて折れ曲がることで、被冷却物の輪郭に近似する曲面を形成している。
このような配置とすることにより、第3実施形態に示される熱交換システムS3では、被冷却物である電子機器を周囲から囲んで、該電子機器からの受熱を効率良く行うことが可能となる。なお、図6では、矢印(b)で示す空気流と交差するように各熱交換器101を配置したが、被冷却部物の周囲の自然対流に対応して、被冷却部に上方から被さるように熱交換器101を配置しても良い。
これにより、第1及び第2実施形態と同様、各熱交換器101の流路抵抗調節孔16にて、貫通路16Aの下流側に圧力低下を生じさせることができ、これにより冷媒Cの沸点を下げて、熱交換パイプ12での抜熱性能を向上させることができる。
なお、本実施形態の熱交換システムS3では、電子機器の一部を囲むように熱交換システムS1を配置したが、これに限定されず、該電子機器を全周にわたって囲むようにし、これにより該電子機器からの受熱性能をさらに向上させても良い。
2 熱交換パイプ
3 上部ヘッダ
4 冷媒流入口
6 流路抵抗調節孔
11 下部ヘッダ
12 熱交換パイプ
13 上部ヘッダ
14 冷媒流入口
16 流路抵抗調節孔
17 オリフィス板
18 冷媒流出口
20 ポンプ
21 放熱部
22 マニホールド
23 支流液管
100 熱交換器
101 熱交換器
S1 熱交換システム
S2 熱交換システム
S3 熱交換システム
Claims (10)
- 液相状態の冷媒が流れる下部ヘッダと、この下部ヘッダから分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプと、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を集合させる上部ヘッダと、を有し、
前記下部ヘッダの冷媒流入口には、冷媒を供給する管路の流路断面より小さい断面の流路抵抗調節孔が設けられていることを特徴とする熱交換器。 - 前記流路抵抗調節孔は、前記下部ヘッダの管路内にて軸線と直交するオリフィス板の中央に形成されることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 前記下部ヘッダは前記熱交換パイプの下部位置にて水平に延びるように配置され、
前記熱交換パイプは前記下部ヘッダから上方に延び、かつ前記下部ヘッダの長さ方向に間隔をおいて複数本が配置され、
前記上部ヘッダは前記熱交換パイプの上部位置にて水平に延びるように配置されることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 - 前記流路抵抗調節孔を有する冷媒流入口は、前記下部ヘッダの一端側に配置され、
前記冷媒が排出される冷媒流出口は、前記上部ヘッダの他端側に配置されることを特徴とする請求項2に記載の熱交換器。 - 請求項1に記載の熱交換器を複数台有し、
これら熱交換器は、上下方向に複数段配置されかつ同一平面内に配置されることを特徴とする熱交換システム。 - 前記複数台の熱交換器の冷媒流入口には、液管マニホールドから分岐された支流液管がそれぞれ接続されることを特徴とする請求項5に記載の熱交換システム。
- 請求項1に記載される、下部ヘッダと熱交換パイプと上部ヘッダとを同一平面内に配置した熱交換器を複数台有し、
これら熱交換器は、被冷却物を周囲から囲むように配置されることを特徴とする熱交換システム。 - 前記複数台の熱交換器の冷媒流入口には、液管マニホールドから分岐された支流液管がそれぞれ接続されることを特徴とする請求項7に記載の熱交換システム。
- 液相状態の冷媒を下部ヘッダから分岐して複数の熱交換パイプに供給し、これら熱交換パイプで受熱した冷媒を上部ヘッダに集合させる熱交換方法であって、
前記下部ヘッダに前記冷媒を流入させるに際して、前記冷媒の圧力を低下させることを特徴とする熱交換方法。 - 前記下部ヘッダへ前記冷媒を供給する以前に前記冷媒を断面積の小さい流路を通過させることにより圧力を低下させることを特徴とする請求項9に記載の熱交換方法。
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