特開 2024-66586 熱交換器及びそれを使用した冷却装置

(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】P2024066586

(43)【公開日】2024-05-16

(54)【発明の名称】熱交換器及びそれを使用した冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/02 20060101AFI20240509BHJP

   F28D 7/10 20060101ALI20240509BHJP

   F28D 1/06 20060101ALI20240509BHJP

【ＦＩ】

F28D7/02

F28D7/10

F28D1/06 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022176037

(22)【出願日】2022-11-02

(71)【出願人】

【識別番号】591151303

【氏名又は名称】関東精機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】899000057

【氏名又は名称】学校法人日本大学

(74)【代理人】

【識別番号】100093687

【弁理士】

【氏名又は名称】富崎 元成

(74)【代理人】

【識別番号】100168468

【弁理士】

【氏名又は名称】富崎 曜

(72)【発明者】

【氏名】▲えび▼澤 剛史

(72)【発明者】

【氏名】青木 順和

(72)【発明者】

【氏名】石川 一仁

(72)【発明者】

【氏名】神谷 年男

(72)【発明者】

【氏名】松村 裕太

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 直栄

(72)【発明者】

【氏名】田中 三郎

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA05

3L103AA37

(57)【要約】      （修正有）

【課題】冷媒が流れるコイル等のチューブ群（管群）を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能な熱交換器及びそれを使用した冷却装置を提供する。
【解決手段】冷媒３ａが流れるコイル８１を内側容器８２と外側容器８３との隙間に設定する。内側容器８２に戻り冷却液２ａを導入する冷却液インレット管８３ａを取り付けるための貫通穴８２ａを設けると共に、内側容器８２と外側容器８３を連通させるスリット部８２ｂを設ける。外側容器８３の底面に冷却液インレット管８３ａ、冷却液アウトレット管８３ｂ、冷媒インレット管８３ｃ、外側容器８３の側面に冷媒アウトレット管８３ｄをそれぞれ設ける。コイル８１を構成するチューブの縦方向間隔Ｂをチューブの外径ΦＡに対し、２～５.２の範囲内の比に設定する。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備えた熱交換器であって、
前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されている
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、
前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備えた熱交換器（１００、２００）であって、
前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の縦方向間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されている
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項3】

請求項２に記載の熱交換器において、
前記コイル（８１）は、外径の異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されている
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項4】

第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、
圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、
液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、
膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備えた冷却装置であって、
前記熱交換器は、前記第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備え、
前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されている
ことを特徴とする冷却装置。

【請求項5】

第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、
圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、
液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、
膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器（１００、２００）とを備えた冷却装置（１）であって、
前記熱交換器（１００、２００）は、第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、
前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備え、
前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されている
ことを特徴とする冷却装置。

【請求項6】

請求項５に記載の冷却装置において、
前記コイル（８１）は、外径の異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されている
ことを特徴とする冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換器及びそれを使用した冷却装置に関し、より詳細には冷媒が流れるコイル等のチューブ群（管群）を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能な熱交換器及びそれを使用した冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

極めて高い加工精度が要求されるマシニングセンタ、ＮＣ研削盤、半導体製造装置等の精密工作機械においては、被加工部材（ワーク）の熱変形だけでなく、ワークを加工する切削工具が取り付けられるヘッド本体及びその駆動部、ならびにワークが取り付けられるテーブル本体及びその駆動部、さらには、作動油、潤滑油に対しても加工時に発生する熱（加工熱）によって、熱変形・熱変性することがないように、冷却液（クーラント）によって冷却する必要がある。一方、クーラントはこれら精密工作機械から加工熱を効率よく奪うように、冷却装置によって高精度に温度管理される必要がある。

【0003】

ところで、我が国では、地球温暖化防止、ひいては持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の観点から、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、フロンガス等の、いわゆる温室効果ガスの排出量をプラスマイナスゼロにするカーボンニュートラル（或いは「脱炭素社会」）の実現に向けた取り組みが各企業において行われている。そのため精密工作機械から加工熱を奪う上記冷却装置に対しても、環境に優しいグリーン冷媒（例えば、R-1234yf）の採用、消費電力の低減（省エネルギー化）、冷却装置全体のコンパクト化（省スペース化）、高精度・高応答性の温度制御技術等を、確立することによりメーカはカーボンニュートラルの実現に向けて取り組んでいる。

【0004】

上記高精度・高応答性の温度制御技術を実現する技術として、圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮器および膨張弁を通過させずに熱交換器に導入するバイパス路とバイパス流量調整弁を備え、温度制御装置により低冷却モードではバイパス流量調整弁の開度を変更する一方、通常冷却モードではバイパス流量調整弁の開度を全閉とした状態で、圧縮機（駆動モータ）のインバータ周波数を変更することにより主軸頭の温度を設定温度になるようにフィードバック制御する冷却装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

【0005】

同様に、バイパス路とバイパス流量調整弁を備え、膨張弁の開度とバイパス流量調整弁の開度とを一対一に対応する値に連動させて同時に変更することにより主軸頭の温度を設定温度になるようにフィードバック制御する冷却装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

【0006】

また、工作機械から奪った熱を空気中ではなく冷却水に排熱する水冷式の凝縮器を備えた冷却装置も知られている（例えば、特許文献３を参照。）。熱を冷却水に排熱することにより、工場内の温度上昇を抑制して空調装置の負荷を軽減し、これにより省エネルギー化、ひいては脱炭素社会の実現に貢献することとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４７８６９６０号

【特許文献2】特許第５０２０６６４号

【特許文献3】特許第６５９５２５３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

冷却装置のサイズをコンパクト化しようとする場合、冷却装置の構成要素の内で容積の大きい熱交換器をコンパクト化することが考えられる。そして、熱交換器のサイズをコンパクト化しようとする場合、冷媒が流れるコイルのサイズをコンパクト化することが考えられる。

【0009】

一般に、コイルのサイズをコンパクト化することは、クーラントと冷媒との間の伝熱面積が減少することになる。この場合、同等の冷却性能を維持するためには、コイルを流れる冷媒の流量を増加させることが考えられる。冷媒の流量を増加させるためには、冷媒の流速を増加させるか、流速を保ったままコイルを構成するチューブの外径を大きくする必要がある。

【0010】

しかし、冷媒の流速を増加させることは、冷媒を圧縮して送り出す圧縮機の消費電力を増大させることになるため、省エネルギー化の観点から好ましくない。一方、コイルを構成するチューブの外径を大きくすることはコイルの縦方向および横方向の寸法が増大し、省スペースの観点から好ましくない。

【0011】

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、冷媒が流れるコイル等のチューブ群（管群）を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能な熱交換器及びそれを使用した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】

【0012】

上記目的を達成するための本発明に係る熱交換器は、熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備えた熱交換器であって、前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されていることを特徴とする。

【0013】

上記構成では、チューブ群（８１、３００、４００）の単位表面積当たりの熱交換量が顕著に増加し、熱交換器での冷却性能が大幅に向上するようになる。従って、冷却性能を維持する場合、冷却性能の向上分だけチューブ群（８１、３００、４００）を構成するチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の全長を従来よりも短くすることが可能となる。チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の全長が短くなることにより、熱媒体（３ａ）がチューブ群（８１、３００、４００）を流れる際の圧力損失が低減され、これにより圧縮機の動力を低減することが可能となる。

【0014】

上記目的を達成するための本発明に係る他の熱交換器は、第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備えた熱交換器（１００、２００）であって、前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の縦方向間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されていることを特徴とする。

【0015】

上記構成では、コイル（８１）の単位表面積当たりの熱交換量が顕著に増加し、熱交換器での冷却性能が大幅に向上するようになる。従って、冷却性能を維持する場合、冷却性能の向上分だけコイル（８１）を構成するチューブ（８１ａ、８１ｂ）の全長を従来よりも短くすることが可能となる。チューブ（８１ａ、８１ｂ）の全長が短くなることにより、第１熱媒体（３ａ）がコイル（８１）を流れる際の圧力損失が低減され、これにより圧縮機の動力を低減することが可能となる。

【0016】

本発明に係る熱交換器の第２の特徴は、前記コイル（８１）は、外径の互いに異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されていることである。

【0017】

一般に、チューブの縦方向間隔（Ｂ）を大きくする場合、コイルの縦方向寸法が大きくなり、熱交換器の縦方向の寸法も大きくなる。しかし、本発明に係るコイル（８１）では、冷却性能を維持したままチューブ（８１ａ、８１ｂ）の全長を従来よりも短くすることが可能となるため、コイルの縦方向寸法が伸びた分を内側に折り返すことが可能となる。これにより、熱交換器の縦方向および横方向の寸法を小さくすることができるため、省スペース化を達成することが可能となる。

【0018】

それに加えて、コイル（８１）を収容する容器（８２、８３）において第２熱媒体（２ａ）が通過する容器流路面積が拡大することにより、第２熱媒体（２ａ）と第１熱媒体（３ａ）との間の熱交換が効率良く行われることになる。

【0019】

上記目的を達成するための本発明に係る冷却装置は、第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備えた冷却装置であって、前記熱交換器は、前記第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備え、前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されていることを特徴とする。

【0020】

上記目的を達成するための本発明に係る他の冷却装置は、第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器（１００、２００）とを備えた冷却装置（１）であって、前記熱交換器（１００、２００）は、第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備え、前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の縦方向間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されていることを特徴とする。

【0021】

本発明に係る冷却装置の第２の特徴は、前記コイル（８１）は、外径の互いに異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されていることである。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、冷媒が流れるコイル等のチューブ群（管群）を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能となる。その結果、本発明の熱交換器を備えた冷却装置においても所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の熱交換器を備えた冷却装置の構成を示す説明図である。

【図2】本発明の熱交換器を示す要部断面説明図である。

【図3】本発明に係る３次元チューブ群の一実施形態であるコイルを示す斜視図である。

【図4】本発明に係るコイルの縦断面の一部分を示す説明図である。

【図5】コイルを構成するチューブの縦方向間隔とコイルの単位表面積当たりの熱交換量との相関を示すグラフである。

【図6】従来のコイルを示す斜視図である。

【図7】本発明の他の実施形態に係る熱交換器を示す要部断面説明図である。

【図8】本発明に係る３次元チューブ群の他の実施形態である矩形チューブ群を示す説明図である。

【図9】本発明に係る２次元チューブ群の一実施形態であるストレートチューブ群を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

【0025】

図１は、本発明の熱交換器１００を備えた冷却装置１の構成を示す説明図である。なお、本発明の熱交換器１００の詳細については図２から５を参照しながら後述する。また、説明の都合上、冷却装置１の温度制御対象は、精密工作機械（図示せず）の主軸頭（図示せず）の温度であり、戻り冷却液２ａの温度（温度センサ２１によって計測される温度）を主軸頭の温度として擬制している。また、主軸頭を冷却する冷却液２ａは冷却ポンプ２２によって循環され、熱交換器１００において冷媒３ａとの間で熱交換を行うものとする。

【0026】

冷却装置１の構成としては、冷却液２ａを循環させるための冷却回路２と、冷媒３ａを循環させるための循環回路３と、冷媒３ａを凝縮器６及び膨張弁７を通過させずに、熱交換器１００に直接導入させるためのバイパス路４と、ガス化した冷媒３ａを圧縮するための圧縮機５と、高温高圧化した冷媒３ａを液化させるための凝縮器６と、液化した冷媒３ａを膨張させて低温低圧化させるための膨張弁７と、冷媒３ａと冷却液２ａとの間で熱交換を行わせるための熱交換器１００と、バイパス路４を流れる冷媒３ａの流量を調整するためのバイパス流量調整弁９と、戻り冷却液２ａの温度が設定温度ＴＳになるように、圧縮機５の回転数（インバータ周波数）、膨張弁７とバイパス流量調整弁９の各開度を制御する温度制御部１０と、温度制御に関する種々のパラメータを表示するための表示部１１と、温度制御に関するパラメータを入力するための入力部１２と、基準温度に係る部位の温度を計測する基準温度センサ１３と、（主軸頭から熱を奪った）戻り冷却液２ａの温度を計測する温度センサ２１と、冷却液２ａを冷却回路２に沿って循環させる冷却ポンプ２２と、冷却ポンプ２２を回転駆動する駆動モータ２３と、凝縮器６からの放熱を促進する冷却ファン６１とを具備して構成されている。また、冷媒３ａについては地球温暖化係数（ＧＷＰ）が最小（１）であるグリーン冷媒（例えば、R-1234yf、CO₂）を使用することが望ましい。

【0027】

図２は、本発明の熱交換器１００を示す要部断面説明図である。
この熱交換器１００は、冷媒３ａが流れるコイル８１と、戻り冷却液２ａを一時的に溜めながら流れを安定させる内側容器８２と、内側容器８２との隙間にコイル８１を収容する外側容器８３と、内側容器８２と外側容器８３の各上部開口を封止する蓋部８４と、内側容器８２及び外側容器８３と蓋部８４との間から冷却液２ａが漏れることを防止するシール部材８５と具備して構成されている。以下、各構成について更に説明する。

【0028】

コイル８１は、外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂによって螺旋状に２重に巻かれて構成されている。従って、膨張弁７（図１）を通過した冷媒３ａは、冷媒インレット管８３ｃから外側コイル８１ａの内部を下から上へ流れ、上方において内側コイル８１ｂの内部を上から下へ流れ、冷媒アウトレット管８３ｄから流出するようになっている。

【0029】

なお、詳細については図４及び図５を参照しながら後述するが、コイル８１を構成するチューブの軸方向に沿った間隔Ｂ（以下「チューブの縦方向間隔Ｂ」という。）がチューブの外径ΦＡに対し所定の比になるように設定されている。これにより、冷却液２ａがコイル８１の全表面に沿って均一に流れるようになる。その結果、冷媒３ａと冷却液２ａとの間の熱交換が効率良く行われ、コイル８１の単位表面積当たりの熱交換量が増大するようになる。

【0030】

内側容器８２は、例えば有底中空円筒形状を成している。また、内側容器８２は外側容器８３の内底面に対し離隔して外側容器８３の内部に取り付けられている。底面には冷却液２ａを導入する冷却液インレット管８３ａを通すための貫通穴８２ａが形成され、上端には冷却液２ａを外側容器８３に流すためのスリット部（又は切欠き部）８２ｂが形成されている。

【0031】

外側容器８３は、例えば有底中空四角柱形状を成している。また、外側容器８３の底面には冷却前の戻り冷却液２ａを導入する冷却液インレット管８３ａ、並びに冷却後の送り冷却液２ａを主軸頭に戻すための冷却液アウトレット管８３ｂがそれぞれ取り付けられている。

【0032】

従って、冷却液２ａは、冷却液インレット管８３ａ→内側容器８２→スリット部８２ｂ→外側容器８３→冷却液アウトレット管８３ｂという経路を流れて冷却回路２（図１）に戻されることになる。そして、冷却液２ａは外側容器８３を通る際に、コイル８１を流れる冷媒３ａによって冷却されて、温度センサ２１（図１）によって計測される冷却液２ａ温度が設定温度ＴＳになるように温度制御部１０によって温度制御されることになる。なお、設定温度ＴＳは、基準温度（基準温度センサ１３によって計測される温度）を基に設定される。

【0033】

シール部材８５は、内側容器８２及び外側容器８３と蓋部８４との間に液密に取り付けられ、その間から冷却液２ａが漏れることを防止する。

【0034】

図３は、本発明に係る３次元チューブ群の一実施形態であるコイル８１を示す斜視図である。
コイル８１は、冷媒３ａが流れるチューブが時計方向に螺旋状に巻かれた外径の大きい外側コイル８１ａと、外径の小さい内側コイル８１ｂとから構成されている。

【0035】

冷媒３ａは、外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂにおいて共に時計方向に回転しながら、外側コイル８１ａにおいては下から上へ流れる一方、内側コイル８１ｂにおいては上から下へ流れる。

【0036】

図３から明らかな通り、外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂにおいて共に隣り合うチューブとチューブとの間（チューブの縦方向間隔）には十分な隙間が確保され、さらには外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂとの間（チューブの横方向間隔）にも十分な隙間が確保されている。

【0037】

従って、冷却液２ａはこれらの隙間を通って冷媒３ａとの間で熱交換を行うことになる。以下に、チューブの縦方向間隔について説明する。

【0038】

図４は、本発明に係るコイル８１の縦断面の一部分を示す説明図である。なお、参考として図６に示される従来のコイルの縦断面の一部分についても併せて表されている。

【0039】

従来のコイルでは、チューブの縦方向間隔Ｂをチューブの外径ΦＡの１.２５倍に設定してチューブ間の隙間を小さくしている。これによりコイルのチューブ全長を長くして、すなわちコイルの表面積を大きくして冷却液２ａと冷媒３ａとの間で授受される所定の熱交換量を確保している。

【0040】

他方、本発明に係るコイル８１では、例えばチューブの縦方向間隔Ｂをチューブの外径ΦＡの２.５倍に設定して、チューブ間の隙間を大きくして、冷却液２ａがコイル８１の全表面に沿って均一に流れるようにしている。その結果、コイル８１の単位表面積当たりの熱交換量が著しく増大し、これにより却液２ａと冷媒３ａとの間で授受される所定の熱交換量を確保している。なお、本発明に係るコイル８１のチューブの縦方向間隔Ｂについては、チューブの外径ΦＡの２.５倍だけに限定されることはなく、所定の幅（２～５.２倍の範囲）を有している。以下に、チューブの縦方向間隔Ｂとコイルの単位表面積当たりの熱交換量との相関について説明する。

【0041】

図５は、コイルを構成するチューブの縦方向間隔Ｂとコイルの単位表面積当たりの熱交換量との相関を示すグラフである。なお、グラフ縦軸はコイルの単位表面積当たりの熱交換量を表し、コイルの単位表面積当たりの熱交換量と等価であるＷ密度［W/mm²］によって表されている。また、グラフ横軸はチューブの縦方向間隔Ｂを表し、コイルチューブの外径ΦＡに対する寸法比によって表されている。

【0042】

試験は、図１に示される冷却装置１において、冷却液２ａの流量が１５～５５［L/mm］の範囲内の何れかの値になるように冷却ポンプ２２を動作させた状態で、チューブの外径ΦＡを１２ｍｍに固定し、チューブの縦方向間隔Ｂを１.２５以上の範囲内で離散的に変化させることによって行われた。

【0043】

図５に示されるように、チューブの縦方向間隔Ｂ＝１.２５（従来のコイル）におけるＷ密度は４８.７［W/mm²］であった。そこからチューブの縦方向間隔Ｂを拡げると、Ｗ密度が増大し続け、チューブの縦方向間隔Ｂ＝２.６においてＷ密度は最大値（７１.６［W/mm²］）に到達した。更にチューブの縦方向間隔Ｂを拡げると最大値（７１.６［W/mm²］）を維持した。更にチューブの縦方向間隔Ｂを拡げると、チューブの縦方向間隔Ｂ＝３.１からＷ密度は緩やかに下降しているが、従来のコイル（Ｂ＝１.２５）のＷ密度（４８.７［W/mm²］）に比べ依然として高い値を示した。

【0044】

特に、チューブの縦方向間隔Ｂ＝２.６～３.１においては、Ｗ密度が２２.９［W/mm²］も増大したことになる。これはチューブの縦方向間隔Ｂ＝１.２５におけるＷ密度＝４８.７に比べ、２２.９／４８.７×１００＝４７％も増大したことになる。このように、Ｗ密度が従来比で１．４７倍増加したということは、チューブの縦方向間隔Ｂ＝２.６～３.１においては実効的な伝熱面積が１.４７倍に増加したとみることもできる。伝熱面積はπ×ΦＡ×チューブの全長Ｌで表されるため、Ｗ密度を維持させる場合、チューブの全長Ｌを１／１.４７＝０.６８に短縮できることになる。つまり、チューブの縦方向間隔Ｂを拡げて、冷却性能を維持させる場合、コイル８１を構成するチューブの全長Ｌを短縮できることになる。

【0045】

ところで、図４に示されるように、チューブの縦方向間隔Ｂを大きくすることにより、チューブ間の隙間（Ｂ－ΦＡ）も増えることになり、熱交換器の高さ方向の寸法が大きくなる可能性がある。しかしこの場合、図２及び図３に示されるように、コイル８１を外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂから成る二重巻きコイル（二重巻き螺旋状コイル）とすることにより、熱交換器の高さ方向の寸法を従来よりも低くすることができる。但し、チューブの縦方向間隔Ｂ＞５.２の範囲内においては、チューブを折り返したことによる従来のコイルに対するコンパクト化の効果はさほど大きくはならない。従って、コンパクト化の観点から、本発明に係るコイル８１のチューブの縦方向間隔Ｂについては、チューブの外径ΦＡに対し２～５.２倍の範囲内が好ましい。

【0046】

また、コイル８１を二重巻きコイル（二重巻き螺旋状コイル）とすることにより、内側容器８２の横方向寸法を小さくすることができる。この場合、冷却液２ａが流れる内側容器８２と外側容器８３との間の隙間（流路面積）が拡大し、その結果、冷却液２ａがその隙間を流れる際の圧力損失が減少する。これにより、冷却液２ａを主軸頭と熱交換器１００との間を循環させる冷却ポンプ２２の動力を低減することが可能となる。

【0047】

また、コイル８１を構成するチューブの全長Ｌを短縮することが可能であるため、コイル８１に係る材料コストを低減することが可能となる。更には、コイル８１を製造するに際し単位長さ当たりのチューブの巻き数が減少することになるため、コイル８１に係る製造コストを低減することが可能となる。

【0048】

以上の通り、本発明の熱交換器１００によれば、所定の冷却性能を確保しながらコイル８１を構成するチューブの全長Ｌを短縮することが可能となる。これにより冷媒３ａがコイル８１を流れる際の圧力損失が低減し、圧縮機５を駆動するモータの消費電力を低減することが可能となる。その結果、冷却装置１全体の省エネルギー化を達成することができるようになる。

【0049】

また、コイル８１をコイル外径の互いに異なる外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂとによって構成することにより、チューブの全長Ｌの短縮化と相俟って、コイル８１の横方向寸法および縦方向寸法を小さくすることが可能となり、熱交換器１００をコンパクトにすることが可能となる。その結果、熱交換器１００ひいては冷却装置１全体の省スペース化を達成することができるようになる。

【0050】

なお、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上記だけに限定されることは決してない。即ち、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲内において種々の変更・修正を加えることが可能である。例えば、本発明に係るコイル８１は、図７に示されるように単巻き螺旋状コイルであっても良い。また、チューブの縦方向間隔Ｂは、チューブの外径ΦＡに対し、２～５.２倍であれば良く、外側コイル８１ａと内側コイル８１ｂにおいて、互いに異なるチューブの縦方向間隔Ｂをそれぞれ採用することも可能である。或いは同一コイルにおいて異なるチューブの縦方向間隔Ｂを採用することも可能である。

【0051】

図８は、本発明に係る３次元チューブ群の他の実施形態である矩形チューブ群３００を示す説明図である。図８（ａ）は矩形チューブ群３００の平面図であり、図８（ｂ）は矩形チューブ群３００の正面図であり、図８（ｃ）は矩形チューブ群３００の右側面図である。

【0052】

この矩形チューブ群３００は、外形が矩形状である複数の矩形チューブ３０１が、チューブの縦方向間隔Ｂを確保しながら縦方向に沿って積層されて構成されている。隣り合う矩形チューブ３０１同士は連結チューブ３０２によってそれぞれ連通されている。両端の矩形チューブ３０１には、冷媒３ａを流入または流出させるためのエンドチューブ３０３がそれぞれ設けられている。

【0053】

なお、矩形チューブ群３００においても、チューブの縦方向間隔Ｂがチューブの外径ΦＡに対し２～５.２倍の範囲内に設定されている。なお、チューブの外径は矩形（四角形）に限定されず、ｎ角形（ｎ：ｎ≧３の整数）または円形・楕円形であっても良い。また、チューブの縦方向間隔Ｂについてはチューブの外径ΦＡに対し、２～５.２倍であれば良く、一定である必要はない。

【0054】

また、上記冷却装置１の熱交換器１００,２００においてコイル８１に代えて矩形チューブ群３００を使用することも可能である。

【0055】

図９は、本発明に係る２次元チューブ群の一実施形態であるストレートチューブ群４００を示す説明図である。
このストレートチューブ群４００は、複数のストレートチューブ４０１がチューブの縦方向間隔Ｂを確保しながら縦方向に沿って積層されて構成されている。隣り合うストレートチューブ４０１同士は連結チューブ４０２によってそれぞれ連通されている。両端のストレートチューブ４０１には、冷媒３ａを流入または流出させるためのエンドチューブ４０３がそれぞれ設けられている。

【0056】

なお、ストレートチューブ群４００においても、チューブの縦方向間隔Ｂがチューブの外径ΦＡに対し２～５.２倍の範囲内に設定されている。なお、チューブの縦方向間隔Ｂについてはチューブの外径ΦＡに対し、２～５.２倍であれば良く、一定である必要はない。

【0057】

また、上記冷却装置１の熱交換器１００,２００においてコイル８１に代えてストレートチューブ群４００を１又は複数使用することも可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ 冷却装置
２ 冷却回路
２ａ 冷却液（第２熱媒体）
３ 循環回路
３ａ 冷媒（第１熱媒体）
４ バイパス路
５ 圧縮機
６ 凝縮器
７ 膨張弁
９ バイパス流量調整弁
１０ 温度制御部
１１ 表示部
１２ 入力部
１３ 基準温度センサ
２１ 温度センサ
２２ 冷却ポンプ
２３ 駆動モータ
６１ 冷却ファン
８１ コイル（３次元チューブ群）
８１ａ 外側コイル
８１ｂ 内側コイル
８２ 内側容器
８２ａ 貫通穴
８２ｂ 連通口
８３ 外側容器
８３ａ 冷却液インレット管
８３ｂ 冷却液アウトレット管
８３ｃ 冷媒インレット管
８３ｄ 冷媒アウトレット管
８４ 蓋部
１００,２００ 熱交換器
３００ 矩形チューブ群（３次元チューブ群）
４００ ストレートチューブ群（２次元チューブ群）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】