JP2000046425A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気冷凍サイクルを使用した冷却装置の機能
改善を可能とした冷却装置を提供する。 【構成】 本発明の冷却装置は、圧縮機５１、放熱用熱
交換器５３、膨張機５２、冷却用熱負荷２０の順に配設
された密閉型空気冷凍サイクルに除湿用に一対の吸着器
１１、１２を設け、冷却用熱負荷２０は、冷却用熱交換
器を内蔵する被冷却室１８と、該被冷却室１８に接して
設けられた水噴霧冷却装置１０とにより構成したもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気を冷媒として
圧縮し、高温高圧となった圧縮空気を常温付近まで冷却
したのち、膨張機を介して低温空気を得るようにした空
気冷凍サイクルを使用した冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の空気冷凍サイクルを利用した冷却
装置は、作動媒体となる空気を流路に沿って圧縮機、放
熱用熱交換器、膨張機を配設し、原動機で圧縮機、膨張
機を運転し、前記圧縮機で断熱圧縮を行い、放熱用熱交
換器で周囲温度まで冷却し、膨張機で断熱膨張を行い、
低温空気を得るようにしたものである。

【０００３】ところが、上記冷却装置では、作動媒体が
空気であるため、通常の空気調和機の温度範囲では蒸発
凝縮を伴わないため、潜熱の利用が不可能であった。こ
のため、冷媒である空気の流量が必然的に大きくなり、
圧縮機や膨張機の容量増大化を招き、回転数、騒音も大
となり放熱用熱交換器も伝熱面積が大きくなる問題があ
つた。

【０００４】そのため、断熱圧縮−断熱膨張させて低温
空気を得る逆ブレイトンサイクルと、水を蒸発させて蒸
発潜熱を奪う逆ランキングサイクルとの複合サイクルに
より冷却を行うようにして、上記問題解決を図る提案が
されている。

【０００５】即ち、特開昭６２−１０２０６１号公報に
開示された提案によれば、上記複合サイクルを使用した
冷却装置は、図４に示すように、作動媒体である空気の
流路に沿って順に圧縮機５１、放熱用熱交換器５３、膨
張機５２及び水噴霧装置５６を配設する構成とし、前記
逆ランキングサイクルの機能を持つ水噴霧装置５６によ
り水の蒸発による蒸発潜熱により低温空気のさらなる低
温化を図ったものである。なお、放熱用熱交換器５３と
膨張機５２との間には、水蒸気分離膜等を使用した水蒸
気分離装置５７が設けられ、放熱用熱交換器５３を通過
した空気に含まれる水蒸気を分離し、乾燥した空気を膨
張機５２に送り、分離した水蒸気は系外へ除去するよう
にしてある。上記水噴霧装置５６の噴霧部位には、絞り
部５８を設け空気と水が均一に接触して蒸発潜熱により
さらに低温化する構造にしてある。水噴霧装置５６を経
由した空気は冷却用熱交換器５９に送られファン６０に
より屋内空気を冷却する。または熱交換器５９を使用せ
ずに水噴霧装置５６を通過した空気を直接冷房等に使用
する。

【０００６】上記冷却装置においては、室内空気は原動
機５４により駆動する圧縮機５１で高温高圧空気とな
り、ついで放熱用熱交換器５３で室内空気温度近くまで
降温させ、水蒸気分離装置５７で水分は除去される。つ
いで、膨張機５２内で断熱膨張され、低温（室内空気以
下の温度）且低圧空気となり水噴霧装置５６の絞り部５
８へ送られる。ここで水噴霧により蒸発潜熱が前記低温
低圧空気より熱を奪い、をさらなる低温化を図ってい
る。このようにして得られた低温空気は直接室内へ吹き
出され室内冷房に使用されたり、或いは冷却用熱交換器
５９を介して室内冷房に使用される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の空気
冷凍サイクルにおける空気流量の増大化、及び圧縮機、
膨張機の大形化や負荷に対する対応性も上記水噴霧装置
により幾分の解決がなされたが、未だ充分でなく冷却能
力向上の余地は残されている。

【０００８】本発明は、上記課題解決のためになされた
もので、空気冷凍サイクルを使用した冷却装置の機能改
善を可能とした冷却装置の提供を目的とするものであ
る。

【０００９】上記目的達成のため、作動媒体である低温
空気に水を噴霧して、水の蒸発による潜熱の発生を介し
て低温空気のさらなる低温化を図る従来の水噴霧装置を
見直し、より効果的に機能させる水噴霧冷却装置が必要
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の冷却装
置の第１の発明は、空気を媒体として圧縮機、放熱用熱
交換器、除湿器、膨張機の順よりなる流路を介して低温
空気を形成して、冷却用熱負荷を冷却する空気冷凍サイ
クルにおいて、低温空気による熱負荷を冷却する主冷却
手段と、該冷却手段に使用した低温空気に水噴霧するこ
とにより得られた冷熱源と、該冷熱源により前記熱負荷
を再冷却する再冷却手段とを設けたことを特徴とする。

【００１１】上記請求項１記載の発明により、空気を媒
体として圧縮機、放熱用熱交換器、除湿器、膨張機の順
よりなる流路を介して得られた低温空気を使用して、主
冷却手段を介して冷却用熱負荷を冷却し、昇温した低温
空気に水噴霧による冷却を行い蒸発潜熱に相当する熱量
を収奪させて、さらなる低温の冷熱源を形成させ、該冷
熱源により前記熱負荷を再冷却手段により冷却するよう
にしたものである。

【００１２】上記、主冷却手段は熱負荷を形成する熱媒
体に熱交換器を介在させる構成としても良い。

【００１３】または、熱負荷を構成する熱媒体に直接低
温空気の吹き込みにより前記主冷却手段を構成しても良
い。

【００１４】また、前記水噴霧は噴霧量の調整により冷
熱源の温度調整が行えるようにしても良い。

【００１５】そして、請求項１記載の再冷却手段は、主
冷却手段の対象冷却媒体を内蔵する熱交換器の外壁に冷
水膜の形成により構成したことを特徴とする。

【００１６】即ち、請求項２記載の発明は、主冷却手段
の対象とする熱媒体の容器の外壁の一部を熱交換器とし
てその外壁に、水噴霧によりさらに低温化された未気化
の噴霧冷水によりなる冷水膜を形成させて、外壁より前
記熱媒体を再冷却するようにしたものである。

【００１７】また、請求項１記載の再冷却手段は、主冷
却手段の別途設けた熱交換器内に冷水循環させる構成と
したことを特徴とする。

【００１８】即ち、請求項３記載の発明は、主冷却手段
の対象となる熱媒体を内蔵する容器内に熱交換器を設
け、水噴霧によりさらに低温化された低温冷水の冷熱源
と前記熱交換器との間に冷水を循環させることにより、
前記熱媒体を再冷却するようにしたものである。

【００１９】また、請求項１記載の再冷却手段は、主冷
却手段と冷熱源との間に冷熱伝播用のヒートパイプを設
ける構成としたことを特徴とする。

【００２０】即ち、請求項４記載の発明は、主冷却手段
の対象とする熱媒体と、水噴霧によりさらに低温化され
た低温空気との間にヒートパイプを設け、前記熱媒体を
再冷却するようにしたものである。

【００２１】また、本発明の冷却装置の第２の発明は、
空気を媒体として圧縮機、放熱用熱交換器、除湿器、膨
張機の順よりなる流路を介して低温空気を形成して、冷
却用熱負荷を冷却する空気冷凍サイクルにおいて、膨張
機後段に、低温空気取り入れ手段と、調整可能の水微粒
子噴霧手段と、減圧気化手段と、被冷却室とを備えた水
噴霧冷却熱交換器装置を設け、該装置により適宜温度調
整可能の低温空気を得るようにしたことを特徴とする。

【００２２】上記請求項５記載の発明は、空気を媒体と
して圧縮機、放熱用熱交換器、除湿器、膨張機の順より
なる流路を介して得られた低温空気を、前記膨張機の後
段に設けた水噴霧冷却熱交換器装置を設け、該装置に
は、低温空気取り入れ手段と、調整可能の水微粒子噴霧
手段と、減圧気化手段とを備える構成とし、冷却用熱負
荷に好適な冷風を被冷却室に送気して適宜所用の冷却を
行うことができるようにしたものである。

【００２３】また、前記請求項１、請求項５記載の除湿
器は、一対の吸着器を使用する構成とし、圧縮機からの
高温高圧空気を吸着済みの吸着器内に貫流させて再生さ
せ、ついで放熱用熱交換器からの断熱膨張前の高圧空気
を他の再生済みの吸着器内に貫流除湿させ、一方の吸着
器を再生させるとともに他方の吸着器により除湿を行
い、再生と除湿とを交互に切り替え可能に構成したこと
を特徴とするものである。

【００２４】上記請求項６記載の発明により、断熱膨張
前の高圧空気は常に乾燥状態を維持することができる。
また、再生には高温圧縮空気を使用するため省エネ効果
が大である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。な
お、従来例を示す図面に記載の部品と同一の品名と同一
機能を持つ部品を使用する場合は同一符号を使用する。
図１は本発明の冷却装置の第一の実施例の概略の構成を
示す系統図で、図２は図１の吸着器による吸着再生回路
の変形例を示す図である。図３は図１、図２における冷
却用熱負荷の再冷却手段を示し、（Ａ）は冷水循環によ
るものを示し、（Ｂ）はヒートパイプによるものを示す
図である。また、図４は本発明の第二の実施例の概略の
構成を示す系統図である。

【００２６】図１に示すように、本発明の第一の実施例
に係る冷却装置は、圧縮機５１、放熱用熱交換器５３、
膨張機５２、冷却用熱負荷２０の順に配設された密閉型
空気冷凍サイクルに除湿用に一対の吸着器１１、１２を
設け、前記冷却用熱負荷２０は、冷却用熱交換器５９を
内蔵するして冷却用熱負荷を形成する被冷却室１８と、
該被冷却室１８に接して設けられた水噴霧冷却装置１０
とにより構成したものである。

【００２７】上記吸着器１２は放熱用熱交換器５３と膨
張機５２の間に設けられ、内蔵する吸着剤を介して、放
熱用熱交換器５３により冷却された高圧高湿度空気より
除湿を行うようにしたものである。なお、吸着器１１は
圧縮機５１と放熱用熱交換器５３の間に設け、既に吸着
済みの吸着剤を圧縮機５１からの高温高圧空気により再
生するようにして、後記するように吸着と再生とを交互
に行うようにしてある。

【００２８】また、水噴霧冷却装置１０は、冷却用熱交
換器５９を内蔵する被冷却室１８に隣接して設けられ、
制御弁１０ｂを備えた水噴霧管１０ａとよりなり、前記
被冷却室１８で冷却用熱交換器５９を経由して、略３５
℃程度に昇温した前記膨張機により断熱膨張した低温空
気に水噴霧をし、潜熱により前記昇温した低温空気を冷
却して未気化水滴を含む低温気化流体を形成させ、前記
被冷却室１８の壁面に吹き付け冷水膜を形成して壁面に
沿い流下するようにしてある。上記冷水膜により被冷却
室内の熱媒体を再冷却する。なお、前記制御弁１０ｂに
より水噴霧量を調節して潜熱による冷却の程度を加減し
て低温気化流体の吹き付けにより冷却される被冷却室１
８の室温を適宜調整可能にしてある。なお、上記被冷却
室１８内へ、前記冷却用熱交換器５９の代わりに低温空
気を直接吹き込むようにしても良い。

【００２９】上記構成により図１に示す冷却装置におい
ては、作動媒体である空気は、実線矢印に示す流路に沿
い、圧縮機５１、吸着器１１の加熱コイル１１ａ、放熱
用熱交換器５３、吸着器１２、膨張機５２、冷却用熱負
荷２０を循環して密閉型空気冷凍サイクルを形成する。
作動媒体である空気は、圧縮機５１で断熱圧縮され高温
高圧空気となり、ついで放熱用熱交換器５３で周囲温度
まで冷却されるとともに、周囲温度飽和相当分の余分な
水分は凝縮され図示しない外部へ排出される。上記放熱
用熱交換器５３を出た周囲温度なみに温度降下した高圧
空気は、さらに吸着器１２で内蔵する吸着剤により脱湿
され高圧の乾燥空気となる。ついで膨張機５２で断熱膨
張して０℃程度の低温空気となり、冷却用熱負荷２０の
被冷却室１８に内蔵する冷却用熱交換器５９に導入され
る。被冷却室１８に内蔵する熱媒体は前記冷却用熱交換
器５９により冷却され主冷却手段を形成する。前記冷却
用熱交換器５９を経由した略０℃の前記低温空気は略３
５℃程度に昇温されるが、水噴霧冷却装置１０における
噴霧水の蒸発潜熱により再度冷却され低温流体となり冷
熱源を形成する。そして、上記低温流体よりなる冷水膜
を被冷却室１８の壁面に吹き付け流下させ、内蔵熱媒体
を再冷却する。そのため、被冷却室１８は主冷却に加え
再冷却を受け、冷却用熱負荷２０は前記低温空気と低温
流体とにより個別に冷却され高効率の冷却を可能にして
いる。なお、水噴霧冷却装置１０の水噴霧管１０ａには
制御弁１０ｂを設けてあるため、その開度調整により被
冷却室１８の温度制御ができる。

【００３０】ところで、圧縮機５１を出た高温高圧空気
は、吸着器１１の加熱コイル１１ａを通過して吸着剤を
加熱して水分の脱着再生を行い、放熱用熱交換器５３へ
送られて周囲温度まで冷却される。上記熱交換器５３を
出た空気は、吸着器１２で内蔵する吸着剤の水分吸着反
応で乾燥される。この時の反応熱は後記する図２に示す
ように膨張機５２の出口または途中から戻し流路２１
ａ、２１ｂを介して低温空気より取り去り圧縮機５１の
導入側へ還流するようにしてある。なお、実線矢印で示
す流路は吸着器１２を吸着用に使用し吸着器１１を再生
用に使用する場合を示し、点線矢印により示す流路は吸
着器１１を吸着用に使用し吸着器１２を再生用に使用す
る場合を示し、一対の吸着器が吸着、再生の切り替え使
用が可能の構成にしてある。即ち、実線矢印の場合の流
路系統は、圧縮機５１→吸着器１１の加熱コイル１１ａ
→放熱用熱交換器５３→吸着器１２→膨張機５２、点線
矢印の場合の流路系統は、圧縮機５１→吸着器１２の加
熱コイル１２ａ→放熱用熱交換器５３→吸着器１１→膨
張機５２、のようになる。

【００３１】図２は、前記したように吸着反応熱が膨張
機５２の途中から戻し流路２１ａを介して圧縮機５１の
導入側流路２１ｂへ還流する場合の流路系統を示す図
で、その還流路は実践矢印の場合の還流流路系統は、流
路２１→吸着器１２の加熱コイル１２ａ→バルブＯ→吸
着器１１→２１ｂ、点線矢印の場合の還流流路系統は、
流路２１→吸着器１１の加熱コイル１１ａ→バルブＳ→
吸着器１２→２１ｂ、のようになる。

【００３２】図３には、図１、図２に示す冷却用熱負荷
の冷却における再冷却手段を示し、（Ａ）はポンプによ
る冷水循環によるもので（Ｂ）はヒートパイプによるも
のである。図３の（Ａ）は、主冷却手段の対象とする熱
媒体を内蔵する被冷却室１８内に熱交換器５９を設け、
該熱交換器に冷熱源である冷水タンク２１よりポンプ２
２により循環させて再冷却手段を形成させたものを表
す。前記冷熱源は、膨張機５２より供給された低温空気
を被冷却室１８に内蔵する熱交換器５９に導入させ主冷
却手段を形成して被冷却室内の熱媒体を冷却させる。冷
却の結果、昇温した前記低温空気は水噴霧管１０ａと制
御弁１０ｂを介してポンプアップされた水の噴霧を受
け、蒸発潜熱により低温空気とともに噴霧水は低温化さ
れ低温冷水となり冷熱源を形成している。

【００３３】図３の（Ｂ）には、主冷却手段の対象とす
る熱媒体を内蔵する被冷却室１８内と、冷水タンク２１
に形成された冷熱源との間に、ヒートパイプ２３を設
け、該ヒートパイプ２３により被冷却室１８に内蔵する
熱媒体の再冷却手段を形成させたものである。前記冷熱
源は、膨張機５２より供給された低温空気は熱媒体を内
蔵する被冷却室１８に吹き込まれ、熱媒体を冷却して主
冷却手段を形成する。主冷却を終了した低温空気は冷水
タンク２１内に導入されるが、前記低温空気は水噴霧管
１０ａと制御弁１０ｂを介してポンプアップされた水の
噴霧を受け、蒸発潜熱によりさらなる低温化され冷熱源
を形成している。

【００３４】図４は、本発明の第二の実施例の概略の構
成を示す系統図である。図に見るように、本実施例の場
合は、図１の冷却用熱交換器５９及び水噴霧冷却装置１
０の個別使用により被冷却室１８を冷却する代わりに、
冷却用熱負荷２０に水噴霧冷却熱交換器装置１５を設
け、膨張機５２で得られた低温空気より温度調整可能の
冷風を得るようにして、被冷却室１８を冷却するように
したものである。

【００３５】上記第二実施例の場合は、図１と同様に、
作動媒体である空気は圧縮機５１で断熱圧縮され高温高
圧空気となり、ついで放熱用熱交換器５３で周囲温度ま
で冷却されるとともに、周囲温度飽和相当分の余分な水
分は凝縮され図示してない外部へ排出される。上記放熱
用熱交換器５３を出た周囲温度なみに温度降下した高圧
空気はさらに吸着器１２で内蔵する吸着剤により脱湿さ
れ高圧の乾燥空気となる。ついで膨張機５２で断熱膨張
して０℃程度の低温空気となり、図に示す水噴霧冷却熱
交換器装置１５へ送られる。

【００３６】上記水噴霧冷却熱交換器装置１５は、水噴
霧気化室１６と減圧気化室１７と被冷却室１８とより構
成する。前記水噴霧気化室１６は、低温空気取り入れ口
１６ｅと制御弁１６ｃと水ポンプ１６ｂと水噴霧管１６
ａとよりなる水微粒子噴霧手段とタンク１６ｄよりな
り、減圧気化室はサクションファン１７ａと還気口１７
ｂを備える構成にしてある。なお、余剰水滴は下部のタ
ンク１６ｄに貯留するようにしてある。

【００３７】そこで、水噴霧冷却熱交換器装置１５へ導
入された低温空気は、水ポンプ１６ｂを介しての高圧微
粒子噴霧に曝され、かつ減圧化のもとで水の気化が増進
され、さらに冷却される。上記のようにさらに冷却され
た低温空気は、減圧気化室１７で冷風となりサクション
ファン１７ａにより被冷却室１８に導入され被冷却室１
８を冷却する。前記水微粒子噴霧手段には水噴霧量を規
制する制御弁１６ｃと減圧気化室１７には被冷却室１８
からの還気口１７ｂが設けてあり、被冷却室１８の温度
調整可能の構造にしてある。

【００３８】

【発明の効果】上記構成により、請求項１記載の発明に
おいては、冷却用熱負荷に対する低温空気による主冷却
手段を形成した後の低温空気に水噴霧させ、水の蒸発潜
熱により冷熱源を形成して、該熱源により前記冷却用熱
負荷に対する再冷却手段を形成させるようにしてある。
そのため、低温空気による冷却作用を個別に作用させ、
冷却効果の効率化を図るとともに、水噴霧量の調整によ
り冷却制御性を付与できる。

【００３９】また、請求項２、請求項３、請求項４記載
の発明により、再冷却手段に冷水膜の流下によるもの、
冷水循環によるもの、ヒートパイプによるものに多様化
することができ、それぞれ適所に適応できる。

【００４０】また、請求項５記載の発明により、空気を
媒体として圧縮機、放熱用熱交換器、除湿器、膨張機の
順よりなる流路を介して得られた低温空気は前記膨張機
の後段に設けた水噴霧冷却熱交換器装置により導入さ
れ、該低温空気は水噴霧気化室でさらに低温化され、つ
いで減圧気化室でその温度がさらに降下され、サクショ
ンファンと還気口とにより被冷却室の温度を適温に制御
して、冷却用熱負荷に好適な冷風を送気することができ
る。

【００４１】また、請求項６記載の発明により、断熱膨
張前の高圧空気は常に乾燥状態を維持することができ
る。また、再生には高温圧縮空気を使用するため省エネ
効果が大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却装置の第一の実施例の概略の構成
を示す系統図である。

【図２】図１の吸着器による吸着再生回路の変形例を示
す図である。

【図３】図１、図２における冷却用熱負荷の再冷却手段
を示し、（Ａ）は冷水循環によるものを示し、（Ｂ）は
ヒートパイプによるものを示す図である。

【図４】本発明の第二の実施例の概略の構成を示す系統
図である。

【図５】従来の空気冷凍サイクルによる冷却装置の概略
の構成を示す系統図である。

【符号の説明】

１０ 水噴霧冷却装置 １０ａ、１６ａ 水噴霧管 １０ｂ、１６ｃ 制御弁 １１、１２ 吸着器 １５ 水噴霧冷却熱交換器装置 １６ 水噴霧気化室 １６ｂ、２２ 水ポンプ １７ 減圧気化室 １８ 被冷却室 ２０ 冷却用熱負荷 ２１ 冷水タンク ２３ ヒートパイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐野 誠 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内 (72)発明者 藤間 克己 東京都江東区牡丹２丁目13番１号 株式会 社前川製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を媒体として圧縮機、放熱用熱交換
   器、除湿器、膨張機の順よりなる流路を介して低温空気
   を形成して、冷却用熱負荷を冷却する空気冷凍サイクル
   において、 低温空気による熱負荷を冷却する主冷却手段と、該冷却
   手段に使用した低温空気に水噴霧することにより得られ
   た冷熱源と、該冷熱源により前記熱負荷を再冷却する再
   冷却手段とを設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 【請求項２】 前記再冷却手段は、主冷却手段の対象冷
   却媒体を内蔵する容器外壁への冷水膜の形成により構成
   したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 【請求項３】 前記再冷却手段は、主冷却手段に別途設
   けた熱交換器内に冷水循環をさせる構成としたことを特
   徴とする請求項１記載の冷却装置。
4. 【請求項４】 前記再冷却手段は、主冷却手段と冷熱源
   との間に冷熱伝播用のヒートパイプを設ける構成とした
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
5. 【請求項５】 空気を媒体として圧縮機、放熱用熱交換
   器、除湿器、膨張機の順よりなる流路を介して低温空気
   を形成して、冷却用熱負荷を冷却する空気冷凍サイクル
   において、 膨張機後段に、低温空気取り入れ手段と、調整可能の水
   微粒子噴霧手段と、減圧気化手段とを備えた水噴霧冷却
   熱交換器装置を設け、該装置により適宜温度調整可能の
   低温空気を得るようにしたことを特徴とする冷却装置。
6. 【請求項６】 前記除湿器は、一対の吸着器を使用する
   構成とし、圧縮機からの高温高圧空気を吸着済みの吸着
   器内にを貫流再生させ、放熱用熱交換器からの断熱膨張
   前の高圧空気を他の再生済みの吸着器内に貫流除湿さ
   せ、再生と除湿とを交互に切り替え可能に構成したこと
   を特徴とする請求項１、請求項５記載の冷却装置。