WO2016170809A1

WO2016170809A1 - 異物除去装置、循環システム及び車両用冷却システム

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Publication number: WO2016170809A1
Application number: PCT/JP2016/051668
Authority: WO
Inventors: 隆文中井; 栗木　宏徳; 一普宮; 安永　望
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2016-10-27
Also published as: JP6141538B2; US10369497B2; JPWO2016170809A1; US20180028943A1

Abstract

本発明は、循環路を流れる冷媒１２などの媒体中の異物１３を除去する異物除去装置７であって、循環路に接続され、異物１３を沈降させる異物沈降部８と、異物沈降部８に沈降した異物１３を異物沈降部８から分離する異物分離部９と、異物沈降部８の底部に設けられ、循環路内の圧力に応じて開閉する第１圧力開閉手段１１と、第１圧力開閉手段１１を介して異物沈降部８の底部と異物分離部９とを接続する異物排出管１０とを備えることを特徴とする異物除去装置７である。この異物除去装置７によれば、循環路を循環する媒体中の異物１３を除去することができると共に、除去した異物１３を舞い上がらせて循環路へ再流入することを抑制でき、しかも除去した異物１３を外部に容易に排出することができる。

Description

異物除去装置、循環システム及び車両用冷却システム

　本発明は、循環路（例えば、密閉された媒体循環路）を流れる媒体（例えば、冷媒）中の異物を除去するための異物除去装置、並びに当該異物除去装置を備える循環システム及び車両用冷却システムに関する。

　ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、インバータ、パワー半導体などの被冷却体の冷却に用いる循環システムとして、水などの液体を冷媒に用いた循環システムが一般に知られている。この循環システムは、熱伝導率が高い金属材料（例えば、アルミニウム、銅など）を用いて循環路が形成されており、循環ポンプを用いて循環路内に冷媒を循環させ、被冷却体と冷媒とを熱交換させることによって被冷却体を冷却する。

　上記のような循環システムを車両用冷却システムに用いる場合、不純物が少ないイオン交換水と、エチレングリコールなどの凝固点が低い有機溶媒と、金属材料の腐食を抑制する防食剤とを含む混合液（不凍液）が冷媒として用いられる。冷媒の交換は、装置メーカー、自動車メーカー、メンテナンスメーカーなどによって一般に行われる一方、ユーザー自身が行う場合があり、その際にイオン交換水の代わりに水道水が用いられることがある。水道水には、塩化物イオン、金属イオン、溶存酸素などの金属材料の腐食因子が含まれているため、循環路を構成する金属材料が腐食して水道水中に混入したり、金属材料の腐食因子が循環路内で析出したりすることがある。また、水道水には、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、イオン状シリカ、溶存二酸化炭素などのスケール形成因子も含まれているため、循環路内にスケール（炭酸カルシウムスケール、炭酸マグネシウムスケール、シリカスケールなど）が形成されることもある。その結果、これらの腐食生成物又はスケールによって循環路が目詰まりを起こし、被冷却体の冷却効率の低下及び循環システムの運転時のポンプ負荷増大に繋がる。

　近年、電子機器、パワー半導体などの被冷却体の改良が進展するにつれて被冷却体の発熱量が増大している。このため、循環システムの循環路を微細化し、被冷却体の冷却効率を向上させることが行われている。しかしながら、循環路を微細化すると、微小な異物（腐食生成物、スケールなど）の混入であっても循環路の目詰まりが起こり易くなるため、被冷却体の冷却効率の低下及び循環システムの運転時のポンプ負荷増大に繋がる。
　上記のように、冷媒などの媒体中に混入する異物は、循環路の目詰まりによって様々な問題を引き起こす原因となるため、媒体中の異物を効率的に除去する必要がある。

　そこで、特許文献１には、循環路に取り外し可能なフィルタを設けることによって媒体中の異物を除去する方法が提案されている。また、特許文献２には、循環路から分岐した位置に異物沈殿部を設けた異物除去装置が提案されている。

特開２０１１－２１０８４６号公報特開２００８－２８９３３０号公報

　特許文献１に記載の方法は、フィルタによって媒体中の異物を除去することができるものの、使用の経過に伴ってフィルタが徐々に目詰まりを起こすため、異物が付着したフィルタを頻繁に取り外して洗浄しなければならない。
　また、特許文献２の異物除去装置は、循環路と異物沈殿部とが隔壁によって区画されているものの、連通しているため、異物が舞い上がって異物沈殿部から循環路へ流入する恐れがある。また、この異物除去装置は、循環路と異物沈殿部とが一体化されているため、異物沈殿部に溜まった異物を外部に排出することも難しい。

　本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、循環路を循環する媒体中の異物を除去することができると共に、除去した異物を舞い上がらせて循環路へ再流入することを抑制でき、しかも除去した異物を外部に容易に排出することが可能な異物除去装置、並びに当該異物除去装置を備える循環システム及び車両用冷却システムを提供することを目的とする。

　本発明は、循環路を流れる媒体中の異物を除去する異物除去装置であって、前記循環路に接続され、前記異物を沈降させる異物沈降部と、前記異物沈降部に沈降した前記異物を前記異物沈降部から分離する異物分離部と、前記異物沈降部の底部に設けられ、前記循環路内の圧力に応じて開閉する第１圧力開閉手段と、前記第１圧力開閉手段を介して前記異物沈降部の底部と前記異物分離部とを接続する異物排出管とを備えることを特徴とする異物除去装置である。
　また、本発明は、媒体を用いて被冷却体を冷却する冷却装置と、前記冷媒を冷却する放熱装置とが循環用配管で接続された循環システムであって、前記異物除去装置が前記循環用配管の途中に設けられていることを特徴とする循環システムである。
　さらに、本発明は、車載電子機器を冷却する車両用冷却システムであって、前記循環システムを備え、前記循環システムの前記被冷却体が前記車載電子機器を含むことを特徴とする車両用冷却システムである。

　本発明によれば、循環路を循環する媒体中の異物を除去することができると共に、除去した異物を舞い上がらせて循環路へ再流入することを抑制でき、しかも除去した異物を外部に容易に排出することが可能な異物除去装置、並びに当該異物除去装置を備える循環システム及び車両用冷却システムを提供することができる。

実施の形態１に係る異物除去装置を備える循環システムを示す概略構成図である。実施の形態１に係る異物除去装置の断面図である。実施の形態１に係る異物除去装置の断面図である。実施の形態１に係る異物除去装置の異物分離部の部分断面図である。実施の形態１に係る異物除去装置の断面図である。第１圧力開閉手段１１の部分断面図である。実施の形態２に係る異物除去装置の断面図である。実施の形態３に係る異物除去装置に用いられる液体サイクロンの部分断面図である。

　以下、本発明の異物除去装置及び循環システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面における各構成部材の大きさ及び形状は、説明のためにわかりやすく表しており、実際の大きさ及び形状と異なる場合がある。

　実施の形態１．
　図１は、本実施の形態に係る異物除去装置を備える循環システムを示す概略構成図である。
　図１において、循環システム１は、被冷却体２を冷却する冷却装置３と、循環システム１内を循環する冷媒を冷却するラジエータ（放熱器）４と、冷却装置３とラジエータ４との間を接続する循環用配管５と、冷却装置３とラジエータ４との間で冷媒を循環させる循環ポンプ６と、循環用配管５の途中に設けられた異物除去装置７とを有する。なお、循環ポンプ６及び異物除去装置７の位置は、循環用配管５の途中に接続されていればよく、図１の位置に限定されないが、異物除去装置７の位置は、冷却装置３からラジエータ４に冷媒が流れる循環用配管５の途中に接続されていることが好ましい。これは、冷却装置３で熱交換されて温度が上昇した冷媒が異物除去装置７に導入されることから、異物除去装置７の第１圧力開閉手段１１（下記で説明する）が、循環路内の圧力の増加に応じて開き易くなり（すなわち、循環路内の圧力の上昇に対する第１圧力開閉手段１１の応答速度が早くなり）、その結果として異物除去効果が高くなるためである。

　このような構成を有する循環システム１では、ラジエータ４で冷却された冷媒が、循環ポンプ６の駆動力によって循環用配管５を介して冷却装置３に導入される。冷却装置３に導入された冷媒は被冷却体２と熱交換することによって被冷却体２が冷却される。被冷却体２との熱交換によって温められた冷媒は、循環ポンプ６の駆動力によって循環用配管５を介してラジエータ４に導入され、ラジエータ４で冷却される。このように冷却装置３とラジエータ４との間で冷媒を循環させることにより、被冷却体２を連続的に冷却することができる。

　ここで、循環システム１は、上記のような冷媒の循環を行うシステムであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、循環システム１は車両用冷却システムなどに用いることができる。車両用冷却システムに循環システム１を用いる場合、循環システム１を循環する冷媒の流量は、冷却装置３の冷却性能に応じて決定すればよいが、一般に５Ｌ／分以上１５Ｌ／分以下程度である。
　なお、本明細書中では媒体として冷媒を用いた例を中心にして説明しているが、媒体として冷媒の代わりに熱媒を用いることにより、給湯暖房システム、空調システムなどに応用可能であることは言うまでもない。
　被冷却体２としては、特に限定されなく、当該技術分野において公知の発熱素子を用いることができる。被冷却体２の例としては、ＣＰＵ、ＬＳＩ、インバータ、パワー半導体などの電子部品が挙げられる。

　冷却装置３としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。冷却装置３は、一般に、被冷却体２と冷媒との熱交換を行う役割を果たすヒートシンクを備えている。また、ヒートシンクには、冷媒との接触面積を増大させて熱交換効率を高める観点から、流路フィンなどが形成されていてもよい。ヒートシンクは、熱伝導率が高いアルミニウム、銅、ステンレス鋼などの金属材料から形成される。

　ラジエータ４及び循環用配管５としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。

　一般に、循環システム１の運転前の冷媒の温度は、外気温程度である。一方、循環システム１の運転時の冷媒の温度は、被冷却体２の種類などによって異なる。例えば、車両用冷却システムの場合、通常運転では６５℃程度であり、冷却装置３の入口と出口とにおける冷媒の温度差は１５℃である。具体的には、冷却装置３の入口では、冷媒の温度が５０℃程度であり、冷却装置３の出口では、冷媒の温度が８０℃程度である。そして、冷却装置３内の冷媒の流路では、上流（入口）側から下流（出口）側に向かって５０℃～８０℃程度の温度勾配が形成される。

　冷却装置３とラジエータ４との間を循環する冷媒には、循環路に用いられる部材の腐食因子及びスケール形成因子が含まれることがあるため、これらの因子に起因する異物が混入することがある。そこで、この循環システム１では、冷媒中に混入した異物を異物除去装置７によって除去する。

　ここで、本明細書において「異物」とは、冷媒などの媒体に混入する固形物状の異物（例えば、腐食生成物、スケールなど）を意味する。また、本明細書において「冷媒」とは、水（イオン交換水、水道水）、凝固点が低い有機溶媒（例えば、エチレングリコールなど）、不凍液、及びこれらの混合物などの液体を意味する。また、本明細書において「循環路」とは、冷媒などの媒体が循環する流路のことを意味し、具体的には、冷却装置３及びラジエータ４内の冷媒が流通する流路、並びに循環用配管５のことを意味する。また、本明細書において循環路に用いられる部材の「腐食因子」とは、金属材料を腐食する成分、例えば、塩化物イオン、溶存酸素、鉄イオン、銅イオンなどのことを意味する。また、本明細書において「スケール形成因子」とは、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、イオン状シリカ、溶存二酸化炭素などのことを意味する。

　異物除去装置７は、循環路の途中、好ましくは循環用配管５の途中、さらに好ましくは冷却装置３からラジエータ４に冷媒が流れる循環用配管５の途中に設けられる。ここで、本実施の形態に係る異物除去装置７の拡大断面図を図２に示す。
　図２において、異物除去装置７は、循環用配管５の途中に設けられる異物沈降部８と、異物分離部９と、異物沈降部８の底部と異物分離部９とを接続する異物排出管１０と、異物排出管１０に設けられる第１圧力開閉手段１１とを備える。

　異物沈降部８は、冷媒１２中の異物１３を自重によって異物沈降部８の底部に沈降させるために設けられる。異物沈降部８は、冷媒１２が循環する循環路の一部として形成される。循環路内は冷媒１２で満たされており、且つ密閉されている。
　異物沈降部８の鉛直方向の断面積は、循環用配管５の管状入口及び前記管状出口の鉛直方向の断面積よりも大きくすることが好ましい。このような形状とすることにより、異物沈降部８を流通する冷媒１２の流速が遅くなるため、異物沈降部８内で異物１３が沈降し易くなる。すなわち、冷媒１２と異物１３との間の比重差により、異物沈降部８内で異物１３が鉛直下方に向かって効率良く沈降し、異物１３が除去された冷媒１２を循環用配管５に供給することができる。
　ここで、本明細書において「鉛直方向の断面積」とは、冷媒１２の流れ方向に対して垂直方向の断面積のことを意味する。また、本明細書において「循環用配管５の管状入口」とは、冷媒１２を異物沈降部８内に導く循環用配管５の開口部のことを意味し、「循環用配管５の管状出口」とは、冷媒１２を異物沈降部８の外部に導く循環用配管５の開口部のことを意味する。

　また、異物沈降部８は、底部（鉛直方向）に向かって水平方向の断面積が小さくなっていることが好ましい。具体的には、異物沈降部８の壁面が、底面に向かって傾斜していることが好ましい。このような形状とすることにより、異物排出管１０が接続された異物沈降部８の底部に異物１３が集まり易くなるため、異物分離部９に異物１３を効率良く排出することができる。

　異物沈降部８に接続される循環用配管５は、異物沈降部８の壁面上部に設けられることが好ましい。また、異物沈降部８に冷媒１２を導く循環用配管５の管状入口は、図２に示すように水平方向に開口していてよいが、図３に示すように鉛直下向きに開口していてもよい。循環用配管５の管状入口を鉛直下向きに開口させることにより、冷媒１２中の異物１３を異物沈降部８の底部付近に供給することができるため、異物沈降部８の底部に異物１３を沈降させ易くすることができる。また、異物沈降部８から冷媒１２を外部に導く循環用配管５の管状出口との間の距離が長くなるため、異物沈降部８における冷媒１２の移動距離が長くなる。その結果、異物沈降部８における異物１３の沈降時間を長くすることができ、比重が小さい異物１３も沈降させ易くなる。

　異物分離部９は、異物沈降部８に沈降した異物１３を異物沈降部８から分離するために設けられる。また、異物分離部９は、異物沈降部８の底部から排出された冷媒１２及び異物１３を収容し、循環路内の圧力が低下した際に冷媒１２を供給する機能を有する。すなわち、異物分離部９は、異物沈降部８の底部から排出した異物１３の貯留部としての役割に加え、循環路内の圧力上昇によって循環路から排出され且つ循環路内の圧力低下によって循環路に供給される冷媒１２の貯留部としての役割を有する。したがって、この異物分離部９は、従来の循環システム１におけるリザーブタンクの代替として用いることができるため、循環システム１を小型化することができる。

　異物分離部９は、異物沈降部８とは別の部材として設けられており、大気開放されていると共に、異物沈降部９から容易に取り外しすることができるように構成されている。また、異物分離部９には、冷媒１２の一部が貯留されており、循環路内の圧力が低下した際に、異物分離部９から循環路に冷媒１２が供給される。さらに、異物分離部９には、循環路内の圧力が上昇した際に循環路から排出される冷媒１２を貯留し得るような空間を上部に有する。

　異物分離部９は、異物排出管１０によって異物沈降部８の底部と接続されている。異物分離部９は、異物排出管１０に設けられた第１圧力開閉手段１１によって異物沈降部８から遮断することができる。第１圧力開閉手段１１が閉じた状態（すなわち、異物沈降部８と異物分離部９との間が遮断されている状態）のとき、異物分離部９では冷媒１２の流れがほとんどない。したがって、異物分離部９の底部に異物１３が自重によって沈降し易いと共に、異物沈降部８から異物分離部９に排出された異物１３が異物沈降部８に戻り難い。また、異物分離部９は、循環路内の圧力の増加又は低下に応じて第１圧力開閉手段１１を開くことによって異物沈降部８と連通される。

　異物分離部９は、図４に示すように、内部に区画板２０が設けられていてもよい。例えば、車両用冷却システムに循環システム１を用いる場合、車両の振動によって異物分離部９の底部に沈降した異物１３が舞い上がり、第１圧力開閉手段１１を開いた際に異物１３が異物沈降部８に流入する恐れがある。しかしながら、異物分離部９の内部に区画板２０を設けることにより、車両の振動によって異物分離部９の底部に沈降した異物１３が舞い上がったとしても、異物１３が区画板２０に衝突するため、区画板２０よりも上方に異物１３が舞い上がることを抑制することができ、第１圧力開閉手段１１を開いた際に異物１３が異物沈降部８に流入し難くなる。
　異物分離部９の内部に設けられる区画板２０は、異物分離部９の底部に沈降した異物１３が舞い上がった場合に衝突し易くするため、異物分離部９の底部の大部分が覆われるように異物分離部９の底部上方に設けることが好ましい。ここで、本明細書において「異物分離部９の底部の大部分」とは、異物分離部９の底部面積の８０％以上、好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上のことを意味する。

　区画板２０を異物分離部９の底部上方に設ける方法としては、特に限定されないが、例えば、図４に示すように、区画板２０の一部を異物分離部９の側壁部に固定すればよい。また、脚部を設けた区画板２０を異物分離部９の内部に設けてもよい。
　区画板２０の数、形状、大きさ、向きなどは、上記の効果が得られる範囲であれば特に限定されない。
　例えば、区画板２０の数は、図４（ｂ）に示すように１つであっても、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように２つであってもよい。また、区画板２０の数は、図示していないが、３つ以上にすることも可能である。
　また、区画板２０の向きは、異物分離部９の底部に対して水平（並行）であっても、傾斜していてもよい。その中でも、区画板２０の一部を異物分離部９の側壁部に固定する場合、図４（ａ）～（ｃ）に示すように、異物分離部９の側壁部から鉛直下向きに傾斜するように区画板２０を設けることが好ましい。このように区画板２０を設けることにより、異物１３の舞い上がりを抑制することができるのに加えて、異物１３が区画板２０上に堆積し難くなるため、異物分離部９の底部に異物１３を安定して隔離することができる。

　車両用冷却システムに循環システム１を用いる場合、車両の振動によって異物分離部９が振動することを抑制するために、異物分離部９の周囲に防振ゴムなどの防振材料を設けてもよい。防振材料は、異物分離部９と、異物分離部９を支える治具との間に設けることが好ましい。このように防振材料を設けることにより、車両が振動した場合であっても異物分離部９の振動を抑制することができるため、異物分離部９の底部に沈降した異物１３が舞い上がることを抑制することができ、第１圧力開閉手段１１を開いた際に異物１３が異物沈降部８に流入し難くなる。

　異物排出管１０は、第１圧力開閉手段１１を介して異物沈降部８の底部と異物分離部９とを接続するために設けられる。異物分離部９に接続された異物排出管１０の出口（先端部）は、異物分離部９内に貯留された冷媒１２の一部中にあり、且つ異物分離部９の底部から離れた位置に設けられる。このような位置に異物排出管１０の出口を設けることにより、異物分離部９の底部に沈降した異物１３の舞い上がりを抑制することができる。
　異物分離部９に接続された異物排出管１０の出口の向きは、特に限定されず、鉛直下向き、水平方向、鉛直上向きなどにすることができる。その中でも、異物分離部９に接続された異物排出管１０の出口は、図３に示すような鉛直上向きに開口していることが好ましい。このような向きに異物排出管１０の出口を開口させることにより、循環路内の圧力低下時に異物分離部９から異物沈降部８に冷媒１２を供給する際に、異物１３の舞い上がりを抑制し、冷媒１２に異物１３が混入することを防止する効果が特に高い。

　また、異物排出管１０は、図５に示すように長くすることにより、異物沈降部８と異物分離部９との間の距離を大きくしてもよい。ここで、異物沈降部８と異物分離部９との上下方向の位置関係は、特に限定されず、異物沈降部８と異物分離部９とが同一の高さに位置していても、異物分離部９が上方に位置していてもよい。
　異物排出管１０を長くすることにより、異物分離部９を異物沈降部８の下方に設ける必要がないため、設置スペースの制約が少なくなり、カスタマイズ性が向上する。また、異物分離部９を取り外し容易な位置に設けることができるため、メンテナンス性が向上する。例えば、車両用冷却システムに循環システム１を用いる場合、定期点検時に開閉するボンネット（エンジンルームなど）内の取り外し容易な位置に異物分離部９を設けることができるため、定期点検時に異物分離部９を取外して異物分離部９内に溜まった異物１３を除去することができる。

　第１圧力開閉手段１１は、異物沈降部８の底部に設けられ、循環路（特に、異物沈降部８）内の圧力に応じて開閉する。そして、第１圧力開閉手段１１を開状態とすることにより、異物沈降部８と異物分離部９とを異物排出管１０によって連通させることができる。第１圧力開閉手段１１が開くときの循環路内の圧力は、特に限定されず、循環システム１の用途に応じて適宜調整すればよい。具体的には、循環路内の圧力が所定の値以上又は所定の値以下となった際に第１圧力開閉手段１１が開くようにすればよい。例えば、循環システム１を用いた車両用冷却システムでは、水及びエチレングリコールを含む混合液を冷媒１２として用いた場合、循環路内のゲージ圧が０．６ｋｇ／ｃｍ²～１．６ｋｇ／ｃｍ²（好ましくは０．９ｋｇ／ｃｍ²～１．３ｋｇ／ｃｍ²）又は０ｋｇ／ｃｍ²以下となった際に第１圧力開閉手段１１が開くようにすればよい。このような圧力で第１圧力開閉手段１１が開くように設定することにより、冷却装置３の冷却性能を維持しつつ、異物除去効果を確保することができる。このような機能を有する第１圧力開閉手段１１として、市販のラジエータキャップなどを用いることができる。

　図６は、第１圧力開閉手段１１（ラジエータキャップ）の構造及び機能を説明するための断面図である。第１圧力開閉手段１１は、第１圧力応答部２１を有する第１開閉弁（主圧弁）２２と、第２圧力応答部２３を有する第２開閉弁（負圧弁）２４とを備える。第１圧力応答部２１及び第２圧力応答部２３は、圧力に応じて伸縮する材料（例えば、バネ）から形成されている。第１開閉弁２２は、第１圧力応答部２１の伸縮に応じて開閉し、異物沈降部８と異物分離部９との間を連通又は遮断する。また、第２開閉弁２４は、第２圧力応答部２３の伸縮に応じて開閉し、異物沈降部８と異物分離部９との間を連通又は遮断する。

　図６（ａ）は、循環路内の圧力が増加した場合の第１圧力開閉手段１１の断面図である。循環路内の圧力が増加すると、第１圧力応答部２１が縮み、第１開閉弁２２が押し上げられて開状態になると共に、第２圧力応答部２３が伸び、第２開閉弁２４が押し上げられて閉状態になる。したがって、循環路内の圧力が増加すると、開状態となった第１開閉弁２２を介して異物沈降部８と異物分離部９との間を連通し、循環路内の圧力を緩和するように、異物沈降部８から異物分離部９に向かって冷媒１２が流れる。このとき、異物沈降部８の底部に沈降した異物１３が冷媒１２と共に異物分離部９に勢いよく排出される。
　その後、循環路内の圧力が緩和されて安定化した場合、第１圧力応答部２１が伸び、第１開閉弁２２が押し下げられて閉状態になると共に、第２圧力応答部２３も伸びたままで第２開閉弁２４が閉状態になる。したがって、第１開閉弁２２及び第２開閉弁２４がいずれも閉状態になるため、異物沈降部８と異物分離部９との間が遮断される。そのため、異物沈降部８と異物分離部９との間で冷媒１２の流れは生じない。
　図６（ｂ）は、循環路内の圧力が低下した場合の第１圧力開閉手段１１の断面図である。循環路内の圧力が低下すると、第１圧力応答部２１が伸び、第１開閉弁２２が押し下げられて閉状態になると共に、第２圧力応答部２３が縮み、第２開閉弁２４が押し下げられて開状態になる。したがって、循環路内の圧力が低下すると、開状態となった第２開閉弁２４を介して異物沈降部８と異物分離部９との間を連通し、循環路内の圧力を緩和するように、異物分離部９から異物沈降部８に向かって冷媒１２が流れる。このとき、異物分離部９に貯留された冷媒１２の一部が異物沈降部８に供給（補充）される。

　上記のような構成を有する異物除去装置７では、循環路の冷媒１２に異物１３が混入した場合、異物沈降部８において異物１３が異物沈降部８の底部に沈降する（図２（ａ））。異物沈降部８において異物１３が分離された冷媒１２は、循環用配管５に送出され、循環路内を循環する。

　循環システム１の運転を続けると、冷媒１２の温度は外気温程度から８０℃程度まで上昇する。このとき、冷媒１２は温度上昇に伴って体積膨張しようとする。しかしながら、循環路内は密閉されているため、循環路内の圧力が増加する。循環路内の圧力の増加に応じて第１圧力開閉手段１１が開状態になると、循環路内の圧力を低下（緩和）させるために、異物沈降部８から異物分離部９に向かって冷媒１２の強い流れが生じる。すなわち、異物沈降部８内の冷媒１２が異物排出管１０を介して異物分離部９に排出され、循環路内の圧力が低下する。このとき、異物沈降部８の底部に沈降した異物１３が冷媒１２と共に異物分離部９に勢いよく排出される（図２（ｂ））。したがって、異物沈降部８における異物１３の除去効率が非常に高くなる。

　循環路内の圧力が所定の値以下で安定すると、第１圧力開閉手段１１が閉状態となり、異物沈降部８と異物分離部９との連通が遮断される。遮断後、異物分離部９における冷媒１２の流れはほとんどないため、異物１３が自重によって異物分離部９の底部に沈降する（図２（ｃ））。

　一方、循環システム１の運転を停止した場合などにおいて、冷媒１２の温度が低下すると、冷媒１２が体積収縮しようとする。しかしながら、循環路は密閉されているため、循環路内の圧力が低下する。循環路内の圧力の低下に応じて第１圧力開閉手段１１が開くと、異物分離部９内の冷媒１２が異物排出管１０を介して異物沈降部８に供給され、循環路内の圧力が上昇する（図２（ｄ））。このとき、異物排出管１０の出口が、異物分離部９の底部から離れた位置に設けられていると共に、異物分離部９内の異物１３が底部に沈降しているため、異物１３が冷媒１２と共に異物沈降部８に戻り難い。

　循環路内の圧力が所定の値以上で安定すると、第１圧力開閉手段１１が閉状態となり、異物沈降部８と異物分離部９との連通が遮断される。
　異物分離部９は、異物沈降部８から容易に取り外しできるようになっているため、定期点検時などに異物分離部９を取り外し、内部に溜まった異物１３を洗浄によって除去した後、再度取り付けることができる。具体的には、図２（ｃ）の状態の際に、異物分離部９を取り外し、内部に溜まった異物１３を洗浄によって除去すればよい。異物分離部９の内部に溜まった異物１３を定期的に除去することにより、異物１３が冷媒１２と共に異物沈降部８に戻ることを確実に防止することができる。
　このように本実施の形態の異物除去装置７を用いることにより、循環路内の圧力増加時に冷媒１２中の異物１３を除去することができると共に、循環路内の圧力を制御することができる。

　本実施の形態の異物除去装置７によれば、循環路を循環する冷媒１２中の異物１３を除去することができると共に、除去した異物１３を舞い上がらせて循環路へ再流入することを抑制でき、しかも除去した異物１３を外部に容易に排出することができる。したがって、この異物除去装置７を備える循環システム１及び車両用冷却システムは、循環路の目詰まりが起こり難く、被冷却体２の冷却効率の低下及び運転時のポンプ負荷増大を防止することができる。

　実施の形態２．
　図７は、本実施の形態に係る異物除去装置の拡大断面図である。なお、本実施の形態に係る異物除去装置の基本的な構成は、実施の形態１に係る異物除去装置７と同じであるため、相違点のみ説明する。
　図７において、本実施の形態に係る異物除去装置７は、実施の形態１に係る異物除去装置７の構成に加えて、異物沈降部８の上部と異物分離部９との間を接続する媒体供給管１４と、媒体供給管１４に設けられる第２圧力開閉手段１５とをさらに備える。

　媒体供給管１４は、第２圧力開閉手段１５を介して異物沈降部８の上部と異物分離部９とを接続するために設けられる。異物分離部９に接続された媒体供給管１４の入口（先端部）は、異物分離部９内に収容された冷媒１２中にあり、且つ異物分離部９の底部から離れた位置に設けられる。このような位置に媒体供給管１４の入口を設けることにより、異物分離部９の底部に沈降した異物１３の流入を防止することができる。
　異物分離部９に接続された媒体供給管１４の入口の向きは、特に限定されず、鉛直下向き、水平方向、鉛直上向きなどにすることができる。その中でも、異物分離部９に接続された媒体供給管１４の入口は、異物分離部９の底部に沈降した異物１３の流入を防止する観点から、水平方向又は鉛直上向きに開口していることが好ましい。

　第２圧力開閉手段１５は、循環路内の圧力の低下に応じて開閉し、異物沈降部８と異物分離部９とを媒体供給管１４を介して連通又は遮断する機能を有する。第２圧力開閉手段１５が開くときの循環路内の圧力は、特に限定されず、循環システム１の用途に応じて適宜調整すればよい。具体的には、循環路内の圧力が所定の値以下となった際に第２圧力開閉手段１５が開くようにすればよい。例えば、車両用冷却システムに循環システム１を用いる場合、使用する冷媒１２の種類などによって任意に調整すればよいが、循環路内のゲージ圧が０ｋｇ／ｃｍ²以下となった際に第２圧力開閉手段１５が開くようにすればよい。

　本実施の形態の異物除去装置７では、循環路内の圧力の増加時に第１圧力開閉手段１１が開状態となり、異物沈降部８と異物分離部９とを異物排出管１０によって連通させる一方、循環路内の圧力の低下時に第２圧力開閉手段１５を開き、異物沈降部８と異物分離部９とを媒体供給管１４によって連通させる。そのため、本実施の形態の異物除去装置７に用いられる第１圧力開閉手段１１は、実施の形態１の異物除去装置７に用いられる第１圧力開閉手段１１とは異なり、循環路内の圧力の増加に応じて開き、異物沈降部８と異物分離部９とを異物排出管１０によって連通させる機能を有していればよい。具体的には、循環路内の圧力が所定の値以上となった際に第１圧力開閉手段１１が開くようにすればよい。第１圧力開閉手段１１が開くときの循環路内の圧力は、特に限定されず、循環システム１の用途に応じて適宜調整すればよい。例えば、循環システム１を用いた車両用冷却システムでは、水及びエチレングリコールを含む混合液を冷媒１２として用いた場合、循環路内のゲージ圧が０．６ｋｇ／ｃｍ²～１．６ｋｇ／ｃｍ²（好ましくは０．９ｋｇ／ｃｍ²～１．３ｋｇ／ｃｍ²）となった際に第１圧力開閉手段１１が開くようにすればよい。このような圧力で第１圧力開閉手段１１が開くように設定することにより、冷却装置３の冷却性能を維持しつつ、異物除去効果を確保することができる。
　また、循環路内の圧力の低下時には、第２圧力開閉手段１５が開状態となり、異物分離部９内に貯留された冷媒１２の一部が媒体供給管１４を介して異物沈降部８に供給されるため、異物排出管１０を異物分離部９の底部に近接して配置することができる。したがって、異物分離部９の底部に異物１３を効率良く貯留することができる。

　上記のような構成を有する異物除去装置７では、循環路内の圧力増加時に第１圧力開閉手段１１が開状態となることにより、異物沈降部８内の冷媒１２と同時に異物１３が異物排出管１０を介して異物分離部９に排出され、異物１３が除去されると共に循環路内の圧力を低下させることができる。
　一方、循環路内の圧力低下時に第２圧力開閉手段１５が開状態となることにより、異物分離部９内に貯留された冷媒１２の一部が媒体供給管１４を介して異物沈降部８に供給し、循環路内の圧力を上昇させることができる。このとき、異物沈降部８の上部から冷媒１２が供給されるため、異物沈降部８の底部に沈降した異物１３を舞い上げる恐れがない。そのため、異物沈降部８からの異物１３の除去と循環路内の圧力制御とを効率的に行うことができる。

　本実施の形態の異物除去装置７によれば、実施の形態１の異物除去装置７の効果に加え、異物沈降部８からの異物１３の除去をより一層効率的に行うことができる。

　実施の形態３．
　図８は、本実施の形態に係る異物除去装置に用いられる液体サイクロンの拡大断面図である。なお、本実施の形態に係る異物除去装置の基本的な構成は、異物沈降部８に液体サイクロンを用いること以外は実施の形態１及び２に係る異物除去装置７と同じであるため、相違点のみ説明する。
　図８において、液体サイクロン３０は、円筒部３１及び円筒部３１の下方から漸次縮径する円錐部３２からなるサイクロン本体３３と、サイクロン本体３３の上部に設けられ、サイクロン本体３３の内部と隔壁３４を介して仕切られた貯留部３５と、サイクロン本体３３内に生じる渦流の軸中心線上に設けられ、サイクロン本体３３の内部と貯留部３５とを連通する連通管３６とを備える。また、循環用配管５の管状入口がサイクロン本体３３の円筒部３１に設けられていると共に、循環用配管５の管状出口が貯留部３５に設けられている。特に、循環用配管５の管状入口は、サイクロン本体３３内で旋回流を生じさせるために、円筒部３１の接線方向に設けられていることが好ましい。

　上記のような構造を有する液体サイクロン３０では、異物１３が含まれた冷媒１２が、循環用配管５の管状入口からサイクロン本体３３に導入されると、冷媒１２が旋回流となってサイクロン本体３３の内面に沿って降下する。これにより、サイクロン本体３３の内部に渦流が生じ、この渦流に基づく遠心力によって冷媒１２中の異物１３が分離される。そして、この異物１３はサイクロン本体３３の底部に貯まる。一方、サイクロン本体３３の内面に沿って降下する渦流は、サイクロン本体３３の底部付近で上昇に転じる。これにより、サイクロン本体３３の軸中心線上に貯留部３５に向かう上昇渦流が形成される。この上昇渦流は、異物１３が分離された冷媒１２であり、この冷媒１２は上昇渦流によって貯留部３５に導かれた後、循環用配管５の管状出口から排出される。

　なお、図８では、液体サイクロン３０の構造の一例を挙げたが、液体サイクロン３０の内部に導かれた冷媒１２に渦流を生じさせることにより、冷媒１２中の異物１３をサイクロン分離する構造を有するものであれば、液体サイクロン３０の構造は特に限定されない。
　本実施の形態の異物除去装置７によれば、実施の形態１又は２の異物除去装置７の効果に加えて、異物沈降部８からの異物１３の除去をさらに一層効率的に行うことができる。

　なお、本国際出願は、２０１５年４月２０日に出願した日本国特許出願第２０１５－０８５９８８号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。

　１　循環システム、２　被冷却体、３　冷却装置、４　ラジエータ、５　循環用配管、６　循環ポンプ、７　異物除去装置、８　異物沈降部、９　異物分離部、１０　異物排出管、１１　第１圧力開閉手段、１２　冷媒、１３　異物、１４　媒体供給管、１５　第２圧力開閉手段、２０　区画板、２１　第１圧力応答部、２２　第１開閉弁、２３　第２圧力応答部、２４　第２開閉弁、３０　液体サイクロン、３１　円筒部、３２　円錐部、３３　サイクロン本体、３４　隔壁、３５　貯留部、３６　連通管。

Claims

　循環路を流れる媒体中の異物を除去する異物除去装置であって、
　前記循環路に接続され、前記異物を沈降させる異物沈降部と、
　前記異物沈降部に沈降した前記異物を前記異物沈降部から分離する異物分離部と、
　前記異物沈降部の底部に設けられ、前記循環路内の圧力に応じて開閉する第１圧力開閉手段と、
　前記第１圧力開閉手段を介して前記異物沈降部の底部と前記異物分離部とを接続する異物排出管と
を備えることを特徴とする異物除去装置。
　前記異物分離部内に前記媒体の一部が貯留されており、貯留された前記媒体の一部中に前記異物排出管の出口が位置することを特徴とする請求項１に記載の異物除去装置。
　前記循環路内の圧力が増加した場合、前記第１圧力開閉手段が開状態となり、前記異物沈降部内の前記媒体が前記異物排出管を介して前記異物分離部に排出された後に前記１圧力開閉弁が閉状態となり、
　前記循環路内の圧力が低下した場合、前記第１圧力開閉手段が開状態となり、前記異物分離部内に貯留された前記媒体の一部が前記異物排出管を介して前記異物沈降部に供給される
ことを特徴とする請求項２に記載の異物除去装置。
　前記第１圧力開閉手段は、前記循環路内の圧力が増加した場合に開状態となる第１開閉弁と、前記循環路内の圧力が低下した場合に開状態となる第２開閉弁とを備えることを特徴とする請求項３に記載の異物除去装置。
　前記異物沈降部の上部に設けられ、前記循環路内の圧力に応じて開閉する第２圧力開閉手段と、前記第２圧力開閉手段を介して前記異物分離部と前記異物沈降部とを接続する媒体供給管とをさらに備え、
　前記循環路内の圧力が増加した場合、前記第１圧力開閉手段が開状態となり、前記異物沈降部内の前記媒体が前記異物排出管を介して前記異物分離部に排出された後に前記１圧力開閉手段が閉状態となり、
　前記循環路内の圧力が低下した場合、前記第２圧力開閉手段が開状態となり、前記異物分離部内に貯留された前記媒体の一部が前記媒体供給管を介して前記異物沈降部に供給されることを特徴とする請求項２に記載の異物除去装置。
　前記循環路は、前記媒体を前記異物沈降部内に導く管状入口と、前記異物沈降部内の前記媒体を前記異物沈降部の外部に導く管状出口とを備え、
　前記異物沈降部の内部における鉛直方向の断面積が、前記管状入口及び前記管状出口の鉛直方向の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記異物沈降部は、底部に向かって水平方向の断面積が小さくなっていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記異物沈降部が、循環用配管の途中に設けられることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記異物沈降部に前記媒体を導く前記循環用配管の管状入口が、鉛直下向きに開口していることを特徴とする請求項８に記載の異物除去装置。
　前記異物分離部は、底部に沈降した前記異物の舞い上がりを抑制する区画板が内部に設けられていることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記異物沈降部は、内部に導かれた前記媒体に渦流を生じさせることにより、前記媒体中の前記異物をサイクロン分離する液体サイクロンであることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記液体サイクロンは、
　円筒部及び前記円筒部の下方から漸次縮径する円錐部からなるサイクロン本体と、
　前記サイクロン本体の上部に設けられ、前記サイクロン本体の内部と隔壁を介して仕切られた貯留部と、
　前記サイクロン本体内に生じる渦流の軸中心線上に設けられ、前記サイクロン本体の内部と前記貯留部とを連通する連通管と
を備え、
　前記循環路の管状入口が、前記サイクロン本体の円筒部に設けられていると共に、前記循環路の管状出口が前記貯留部に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の異物除去装置。
　前記異物分離部は、大気開放されていることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記異物排出管の出口が、鉛直上向きに開口していることを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　前記媒体が冷媒であることを特徴とする請求項１～１４のいずれか一項に記載の異物除去装置。
　冷媒を用いて被冷却体を冷却する冷却装置と、前記冷媒を冷却する放熱装置とが循環用配管で接続された循環システムであって、
　請求項１５に記載の異物除去装置が前記循環用配管の途中に設けられていることを特徴とする循環システム。
　車載電子機器を冷却する車両用冷却システムであって、
　請求項１６に記載の循環システムを備え、前記循環システムの前記被冷却体が前記車載電子機器を含むことを特徴とする車両用冷却システム。