特開 2024-134292 冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024134292

(43)【公開日】2024-10-03

(54)【発明の名称】冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 41/42 20210101AFI20240926BHJP

   F25B 39/02 20060101ALI20240926BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240926BHJP

【ＦＩ】

F25B41/42

F25B39/02 U

F25B1/00 101D

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023044519

(22)【出願日】2023-03-20

(71)【出願人】

【識別番号】000001834

【氏名又は名称】三機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】永田 淳一郎

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 賢知

(57)【要約】

【課題】各伝熱管の入口での水頭圧に差を生じさせることなく、各伝熱管に液冷媒を均等な流量で流入させることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】膨張弁と気液分離器と冷媒分配装置と蒸発器とを配管を用いて環状に接続した冷凍サイクルを有する冷却装置に関連する。蒸発器は、上下方向に間隔を存して配置され、水平にのびる伝熱管を複数有する。冷媒分配装置は、気液分離器の液冷媒出口に連通する水平方向に長手の液冷媒分配ヘッダと、気液分離器のガス冷媒出口に連通し、液冷媒分配ヘッダよりも上方に配置されるガス冷媒分配ヘッダと、ガス冷媒分配ヘッダから分岐され下方にのびると共に、液冷媒分配ヘッダに接続管を用いて接続される複数の立管と、各立管の下端に夫々設けられ、液冷媒を溜めるトラップと、を有し、トラップの下流側に夫々前記伝熱管が接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

膨張弁と気液分離器と冷媒分配装置と蒸発器とを配管を用いて環状に接続した冷凍サイクルを有する冷却装置であって、
前記蒸発器は、鉛直方向を上下方向とし、上下方向に間隔を存して配置され、水平にのびる伝熱管を複数有するものにおいて、
前記冷媒分配装置は、
前記気液分離器の液冷媒出口に連通する水平方向に長手の液冷媒分配ヘッダと、
前記気液分離器のガス冷媒出口に連通し、前記液冷媒分配ヘッダよりも上方に配置されるガス冷媒分配ヘッダと、
前記ガス冷媒分配ヘッダから分岐され下方にのびると共に、前記液冷媒分配ヘッダに接続管を用いて接続される複数の立管と、
各立管の下端に夫々設けられ、液冷媒を溜めるトラップと、を有し、
前記トラップの下流側に夫々前記伝熱管が接続される冷却装置。

【請求項2】

前記ガス冷媒出口から流出するガス冷媒を前記ガス冷媒分配ヘッダ及び前記蒸発器をバイパスさせるバイパス配管と、
前記バイパス配管に介設され、前記バイパス配管を流れる冷媒の流量を開度に応じて変化させるバイパス量調整弁と、
前記立管を流れる液冷媒が前記バイパス配管に流入することなく、前記バイパス配管にガス冷媒のみが流れるように前記バイパス量調整弁の開度を制御する制御装置と、
を更に備える請求項１に記載の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷凍サイクルを有する冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、冷凍サイクルを有する冷却装置が開示されている。この冷却装置では、熱交換を行う凝縮器が、上下方向に間隔を存して配置されて水平にのびる伝熱管としての冷媒経路を複数有する。各冷媒経路に冷媒を均等に分配する分配装置（分配器）として、主管が鉛直方向にのびる所謂垂直ヘッダが用いられている。この種の垂直ヘッダを備える蒸発器は、下記特許文献２に開示されている。また、下記特許文献３に開示された蒸発器では、流量調整用毛細管を用いて伝熱管としての各扁平管に夫々冷媒を分配している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５９２１７７７号公報

【特許文献2】特開平８－００５１９５号公報

【特許文献3】国際公開第２０１３／１６０９５７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、垂直ヘッダや流量調整用毛細管を用いると、各伝熱管の入口での水頭圧に差が生じてしまう。特に流量調整用毛細管は、毛細管を流通する際の圧力損失を利用して流量の均一化を図る方式であるため、圧力損失が生じ難い比較的遅い流速である場合には水頭圧の影響が顕著になる。これに起因して、各伝熱管に流入する液冷媒の流量に差が生じ、冷却能力の低下を招来する。

【0005】

本開示の目的は、各伝熱管の入口での水頭圧に差を生じさせることなく、各伝熱管に液冷媒を均等な流量で流入させることができる冷却装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の観点は、膨張弁と気液分離器と冷媒分配装置と蒸発器とを配管を用いて環状に接続した冷凍サイクルを有する冷却装置に関連する。蒸発器は、鉛直方向を上下方向とし、上下方向に間隔を存して配置され、水平にのびる伝熱管を複数有する。冷媒分配装置は、気液分離器の液冷媒出口に連通する水平方向に長手の液冷媒分配ヘッダと、気液分離器のガス冷媒出口に連通し、液冷媒分配ヘッダよりも上方に配置されるガス冷媒分配ヘッダと、ガス冷媒分配ヘッダから分岐され下方にのびると共に、液冷媒分配ヘッダに接続管を用いて接続される複数の立管と、各立管の下端に夫々設けられ、液冷媒を溜めるトラップと、を有し、トラップの下流側に夫々前記伝熱管が接続される。

【0007】

第２の観点は、第１の観点に加えて、次の特徴を更に有する冷却装置に関連する。冷却装置は、ガス冷媒出口から流出するガス冷媒をガス冷媒分配ヘッダ及び蒸発器をバイパスさせるバイパス配管と、バイパス配管に介設され、バイパス配管を流れる冷媒の流量を開度に応じて変化させるバイパス量調整弁と、立管を流れる液冷媒がバイパス配管に流入することなく、バイパス配管にガス冷媒のみが流れるようにバイパス量調整弁の開度を制御する制御装置と、を更に備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、膨張弁を通過した気液混合冷媒が気液分離器に流入すると、気液分離器で気液分離された液冷媒は液冷媒出口から液冷媒分配ヘッダに流入する一方で、ガス冷媒はガス冷媒出口からガス冷媒分配ヘッダを介して立管に流入する。このとき、液冷媒分配ヘッダの各出口（各接続管との接続点）は同じ高さであるため、各出口には一様な水頭圧がかかる。即ち、液冷媒分配ヘッダの各出口に水頭圧の差が生じない。これにより、液冷媒分配ヘッダから各接続管を介して各立管に流入する液冷媒の流量は均等となる。各立管に流入した液冷媒は、各立管内を重力落下し、各トラップに溜められる。各トラップで封水されるため、各立管内にかかるガス冷媒の圧力が均等になる。これにより、各伝熱管の入口での水頭圧に差を生じさせることなく、各立管に流入する液冷媒の流量が均等となることと相俟って、各伝熱管に液冷媒を均等な流量で流入させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１による冷却装置の構成例を示す図である。

【図2】実施の形態１の効果を説明するためのグラフである。

【図3】実施の形態１に対する比較例を説明するためのグラフである。

【図4】実施の形態２に係る冷却装置の構成例を示す図である。

【図5】実施の形態２の効果を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、説明を簡略化または省略する。各図においては、作図の都合上、一部の構成要素の図示が省略されている場合がある。

【0011】

実施の形態１
図１は、実施の形態１による冷却装置１の構成例を示す図である。冷却装置１は、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、気液分離器５、冷媒分配装置６、蒸発器７、及び蒸発圧力調整弁８を備える。冷却装置１は、冷却媒体（冷媒）を循環させる配管を有し、当該配管には、配管１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７が含まれる。冷却装置１では、当該配管を用いて、上述した各機器が環状に接続され、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、気液分離器５、冷媒分配装置６、蒸発器７、及び蒸発圧力調整弁８の順に冷媒が循環する冷凍サイクルが形成されている。冷凍サイクルを利用することで、蒸発器７が設置される空間内の空気が冷却される。冷凍サイクル自体は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0012】

圧縮機２は、配管１１を流れる冷媒を吸い込み、吸い込んだ冷媒を圧縮（断熱圧縮）する。つまり、圧縮機２において冷凍サイクルの圧縮行程が実行される。

【0013】

凝縮器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒と外気との熱交換を行う。これにより、圧縮機２から配管１２を介して凝縮器３に流入した冷媒は凝縮（放熱）される。つまり、凝縮器３において冷凍サイクルの凝縮行程が実行される。

【0014】

膨張弁４は、凝縮器３で凝縮された冷媒を絞り膨張させる。これにより、凝縮器３から配管１３を介して膨張弁４に流入した冷媒は減圧され、気液混合冷媒となる。つまり、膨張弁４において冷凍サイクルの膨張行程が実行される。

【0015】

気液分離器５は、膨張弁４で減圧された冷媒を液相冷媒（以下「液冷媒」という）Ｃｌと気相冷媒（以下「ガス冷媒」という）Ｃｇとに分離する。気液分離器５は、液冷媒出口５１とガス冷媒出口５２を有する。液冷媒出口５１は、配管１５を介して後述する液冷媒分配ヘッダ６１に接続されている。ガス冷媒出口５２は、配管１６を介して後述するガス冷媒分配ヘッダ６２に接続されている。

【0016】

蒸発器７は、水平にのびる複数本の伝熱管７１，７２，７３を備える。伝熱管７１，７２，７３は、鉛直方向である上下方向に間隔を存して配置されている。図示簡略化のため、図１では３本の伝熱管７１，７２，７３を配置した場合を例に、図２では５本の伝熱管＃１～＃５を配置した場合を例に説明したが、伝熱管の本数はこれに限定されない。伝熱管の本数は、冷却装置１の目標冷却能力に応じて設定することができる。

【0017】

冷媒分配装置６から各伝熱管７１，７２，７３に液冷媒Ｃｌが流入すると、各伝熱管７１，７２，７３を流れる液冷媒Ｃｌと蒸発器７に流入する空気との間で熱交換が行われる。熱交換により当該空気の熱を吸熱した液冷媒Ｃｌは蒸発し、それにより気液混相となり、各伝熱管７１，７２，７３から気相の冷媒が排出される。つまり、蒸発器７において冷凍サイクルの蒸発行程が実行される。送風機（不図示）により送り出されて蒸発器７での熱交換により冷却された当該空気により、冷却対象の空間内の空気が冷却される。

【0018】

なお、蒸発器７には、熱交換の効率を高めるために、伝熱管７１，７２，７３に板状のフィン（図示省略）が伝熱管長手方向に対して直角に設けられている。フィンは、結露により生じた水が溜まらないように、その主面を垂直に配置（即ち、フィンの主面が水平方向を向く姿勢で配置）する必要がある。このため、水平方向に長手の伝熱管７１，７２，７３は、上下方向に間隔を存して並設される。

【0019】

蒸発圧力調整弁８は、蒸発器７で蒸発した気体の冷媒を減圧する。減圧後の冷媒の圧力は、蒸発圧力調整弁８の開度に応じて決まる。つまり、蒸発圧力調整弁８において冷凍サイクルの減圧行程が実行される。蒸発圧力調整弁８で減圧された冷媒は圧縮機２に供給される。

【0020】

ところで、蒸発器７の性能を適切に得るためには、各伝熱管７１，７２，７３に液冷媒を均等な流量で流入させる必要がある。上記従来例の如く垂直ヘッダを用いると、各伝熱管の入口での水頭圧に差が生じてしまう。これに起因して、各伝熱管に流入する液冷媒の流量に差が生じることで、各伝熱管での熱交換量にばらつきが生じ、蒸発器の熱交換効率を低下させてしまう恐れがある。特に自動車の環境試験室などに適用されて低温から高温までの環境を作り出す冷却装置のように、冷却装置１に設定される目標温度範囲が広い場合に対応することができず、冷却能力の低下を招来する。

【0021】

そこで、本実施の形態では、冷媒分配装置６が、液冷媒分配ヘッダ６１と、ガス冷媒分配ヘッダ６２と、立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃと、接続管６４と、トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃとを備える構成を採用する。

【0022】

液冷媒分配ヘッダ６１は、例えば、水平方向にのびる配管で構成される。液冷媒分配ヘッダ６１の複数の出口、即ち、複数の接続管６４の接続点は、上下方向の高さ位置が同一であるため、各出口には一様な水頭圧がかかる。このように水頭圧の差を無くすことにより、液冷媒分配ヘッダ６１から各接続管６４に流入する液冷媒の流量を均等にすることができる。

【0023】

ガス冷媒分配ヘッダ６２は、例えば、一方向にのびる配管で構成される均圧ヘッダである。ガス冷媒分配ヘッダ６２の内部には、配管１６を介して流入するガス冷媒の圧力が均等にかかる。ガス冷媒分配ヘッダ６２は、液冷媒分配ヘッダ６１よりも上方に配置され、液冷媒分配ヘッダ６１からガス冷媒分配ヘッダ６２に液冷媒が流入しないようにしている。なお、図１に示す例では、ガス冷媒分配ヘッダ６２は、水平方向にのびる姿勢で配置されているが、必ずしも水平配置しなくてもよい。

【0024】

立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、伝熱管７１，７２，７３に対応させてガス冷媒分配ヘッダ６２から夫々分岐されて下方にのびる配管である。各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃの内部にも、ガス冷媒分配ヘッダ６２と同様に、ガス冷媒の圧力が均等にかかる。立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、接続管６４を用いて分配ヘッダ６１に夫々接続されている。これにより、分配ヘッダ６１から接続管６４を介して流入する液冷媒が均等な流量で立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ内に流入し、立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ内を重力落下する。

【0025】

トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃは、立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃの下端に一体または別体で形成され、例えば、Ｕ字配管で構成される。各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃには、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ内を重力落下した液冷媒が溜められる。各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃの下流側は、配管１７を介して対応する伝熱管７１，７２，７３に夫々接続されている。各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃの封水により、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃのガス冷媒の圧力を均等にすると共に、立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃから各伝熱管７１，７２，７３へのガス冷媒の流入を抑制している。

【0026】

冷却装置１は、制御装置１０を更に備える。制御装置１０は、膨張弁４及び蒸発圧力調整弁８の各開度の制御を含め、上述した各機器を制御することで、冷却装置１の運転を統括制御するコンピュータである。

【0027】

本実施の形態によれば、冷却装置１の運転を開始すると、膨張弁４を通過した気液混合冷媒が気液分離器５に流入し、気液分離器５で液冷媒Ｃｌとガス冷媒Ｃｇとに気液分離される。液冷媒Ｃｌは液冷媒出口５１から配管１５を介して液冷媒分配ヘッダ６１に流入する一方で、ガス冷媒Ｃｇはガス冷媒出口５２からガス冷媒分配ヘッダ６２を介して立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃに流入する。このとき、液冷媒分配ヘッダ６１の各出口（各接続管６４との接続点）は同じ高さであるため、各出口には一様な水頭圧がかかる。即ち、液冷媒分配ヘッダ６１の各出口に水頭圧の差が生じない。液冷媒分配ヘッダ６１の圧力損失は微小であるため、液冷媒分配ヘッダ６１から各接続管６４を介して各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃに流入する液冷媒の流量は均等となる。

【0028】

各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃに流入した液冷媒Ｃｌは、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ内を重力により流れ落ち（滴下し）、各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃに溜められる。各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃで封水されるため、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ内にかかるガス冷媒Ｃｇの圧力が均等になる。これにより、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃに流入する液冷媒の流量が均等となることと相俟って、各伝熱管７１，７２，７３に液冷媒を均等な流量で流入させることができる。従って、冷却装置１の冷却能力を向上させることができる。

【0029】

なお、何らかの原因で冷媒配管（例えば、配管１６や立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）中の圧力変動が生じ、ガス冷媒が各トラップ６５ａ，６５ｂ，６５ｃの封水を破って各伝熱管７１，７２，７３に流れ込む場合があるが、この場合も各伝熱管７１，７２，７３に流入する液冷媒の流量は均等であるため、冷却装置１の冷却能力が損なわれることはない。

【0030】

更に、本実施の形態の効果について説明する。図２は、実施の形態１の効果を説明するためのグラフである。図３は、実施の形態１に対する比較例を説明するためのグラフである。各グラフの縦軸は、５本の伝熱管＃１～＃５の位置、即ち、各伝熱管＃１～＃５の出口に夫々設けられた温度計（熱電対）の位置を示す。各グラフの横軸は、伝熱管＃１～＃５の出口の空気温度（即ち、５個の温度計により測定した空気温度）の平均値を平均温度とし、各温度計の測定温度の平均温度からの偏差（ずれ）を示す。各温度計の測定温度が平均温度と同じ場合、偏差は０となる。また、図２及び図３には、目標温度が２０℃である場合と目標温度が－１０℃である場合とを示している。

【0031】

図２に示すように、本実施の形態では、目標温度が２０℃（このときの蒸発器７の入口温度は３０．６℃）である場合、５個の温度計により測定された空気温度の偏差の最大値は１．２Ｋ、標準偏差は０．８Ｋであることが確認された。これより、蒸発器７で熱交換された空気の温度が蒸発器７の伝熱管＃１～＃５の高さの位置に関係なく均等であることから、各伝熱管＃１～＃５に流入する液冷媒の流量を均等にできることが判った。また、目標温度を－１０℃（このときの蒸発器７の入口温度は０．３℃）に変更しても、偏差の最大値は１．１Ｋ、標準偏差は０．７Ｋであることが確認された。これより、冷却装置１に設定される目標温度が－１０℃～２０℃と３０℃の差がある広い場合でも、各伝熱管＃１～＃５に流入する液冷媒の流量を均等にでき、冷却装置１の冷却能力が高いことが判った。

【0032】

一方、図３に示すように、上記従来例の如く流量調整用毛細管を用いる比較例では、目標温度が２０℃（このときの蒸発器入口温度は３０．３℃）である場合、５個の温度計により測定された空気温度の偏差の最大値は１９．７Ｋ、標準偏差は１２．４Ｋであり、本実施の形態と比較して著しく大きくなることが確認された。これより、上方の伝熱管よりも下方の伝熱管で空気が冷やされやすいことから、特に伝熱管＃５に流入する液冷媒の流量が、伝熱管＃１に流入する液冷媒の流量よりも多く、流量差が大きくなることが判った。この流量差は、流量調整用毛細管で流量調整しきれず、各伝熱管＃１～＃５の入口の水頭圧に差が生じることに起因するものと考えられる。また、目標温度を－１０℃（このときの蒸発器入口温度は－０．２℃）に変更しても同様に、偏差の最大値は７．８Ｋ、標準偏差は４．０Ｋであることが確認された。これより、冷却装置１に設定される目標温度に関わらず、冷却装置１の冷却能力が低いことが判った。

【0033】

なお、流量調整用毛細管において例えば２０℃のような高温時に空気温度の偏差が大きくなる要因は次のように考えられる。高温時は、例えば－１０℃のような低温時と比較して蒸発器内の冷媒圧力が高く（凝縮器圧力に近づく）、膨張弁４による絞り膨張量が少なくなる。そして、冷媒があまり気化せず気相比が小さくなり、冷媒の比体積［ｍ^３／ｋｇ］が小さくなり、低温時と同じ質量流量［ｋｇ/ｓ］を流す場合は体積流量［ｍ^３／ｓ］及び流速が小さくなる。そのため毛細管での流動抵抗が減って各分岐流路で流量の不均一化が生じてしまう。それに対して、本実施の形態では、前述のように、高温時でも低温時と同様に性能（冷却能力）を発揮することができる。

【0034】

実施の形態２
図４は、実施の形態２による冷却装置１の構成例を示す図である。冷却装置１は、バイパス配管１８と、バイパス配管１８に介設されるバイパス量調整弁９とを更に備える。

【0035】

バイパス配管１８の一方は、気液分離器５のガス冷媒出口５２とガス冷媒分配ヘッダ６２との間の配管１６に接続されている。バイパス配管１８の他方は、蒸発圧力調整弁８と圧縮機２との間の配管１１に接続されている。バイパス量調整弁９は、バイパス配管１８を流れる冷媒の流量を開度に応じて変化させる。バイパス量調整弁９の開度は、制御装置１０により制御することができる。

【0036】

本実施の形態では、制御装置１０により、ガス冷媒Ｃｇが水封を破らないように、且つ、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃを流れる液冷媒Ｃｌがバイパス配管１８に流入することなく、バイパス配管１８にガス冷媒Ｃｇのみが流れるようにバイパス量調整弁９の開度を制御する。これにより、各伝熱管７１，７２，７３に液冷媒をより一層均等な流量で流入させることができる。

【0037】

更に、本実施の形態の効果について説明する。図５は、実施の形態２の効果を説明するためのグラフである。図５の横軸は、バイパス量調整弁９の開度（％）であり、開度０％は実施の形態１に対応する。図５の縦軸は、実施の形態１で説明したように、５個の温度計により測定された伝熱管＃１～＃５出口の空気温度の標準偏差である。

【0038】

本実施の形態によれば、バイパス量調整弁９の開度を、各立管６３ａ，６３ｂ，６３ｃを流れる液冷媒Ｃｌがバイパス配管１８に流入することなく、バイパス配管１８にガス冷媒Ｃｇのみが流れる開度（例えば２０％）に制御することで、標準偏差が最小値０．５６Ｋとなることが確認された。従って、各伝熱管７１，７２，７３に液冷媒をより一層均等な流量で流入させることができることが判った。また、バイパス量調整弁９の開度を２０％よりも小さくすると（例えば、開度１０％，１５％）、各伝熱管７１，７２，７３に流入するガス冷媒Ｃｇ増加していくが、標準偏差が０．７４Ｋであることが確認され、上記実施の形態１（開度０％、標準偏差０．７８Ｋ）よりも良好な結果が得られることが判った。

【符号の説明】

【0039】

１…冷却装置、２…圧縮機、３…凝縮器、４…膨張弁、５…気液分離器、５１…液冷媒出口、５２…ガス冷媒出口、６…冷媒分配装置、６１…液冷媒分配ヘッダ、６２…ガス冷媒分配ヘッダ、６３ａ，６３ｂ，６３ｃ…立管、６４…接続管、６５ａ，６５ｂ，６５ｃ…トラップ、７…蒸発器、７１，７２，７３…伝熱管、８…蒸発圧力調整弁、９…バイパス量調整弁、１０…制御装置、１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７…配管、１８…バイパス配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】