JP2009257644A - 熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置に関するもので、高い熱負荷時に冷却を目的とする。
【解決手段】第１、第２吸気口（７、９）と、第１、第２吹出口（８、１０）とを有する本体ケース１１と、第１吸気口７と第１吹出口８を連通させた第１送風路１７と、第２吸気口９と第２吹出口１０を連通させた第２送風路１８と、第１送風路１７内の空気と第２送風路１８内の空気の熱交換を行わせる熱交換器１４と、第１送風路１７に介在させた第１送風機１２と、第２送風路１８に介在させた第２送風機１３とを備え、本体ケース１１内にヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器１９には第１送風機１２からの送風を供給し、蒸発器２０には第２送風機１３からの送風を供給する構成としたので、小さな熱交換装置によってキャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換装置とそれを用いた発熱体収納装置に関するものである。

例えば、携帯電話の基地局は、数十アンペア以上の電流が流れることから、ある点では発熱体とも表現される。つまり、冷却をすることがその動作を安定化させるためには極めて重要なものとなる。このような携帯電話の基地局はその冷却を行う為に次のような構成をとっている。

すなわち、発熱体となる送・受信機を収納したキャビネットと、このキャビネットの開口部に装着された熱交換装置とを備えた構成となっていた。そして、熱交換装置の構造としては、例えば下記のような構成となっていた。

すなわち、外気用の第１吸気口と第１吹出口およびキャビネット内用の第２吸気口および第２吹出口を有する本体ケースと、この本体ケース内に設けられた外気用の第１の送風機およびキャビネット内用の第２の送風機と、前記本体ケース内において室外空気とキャビネット内空気との熱交換を行う熱交換器とを備えた構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１７０１７６号公報

従来の熱交換装置においては、上記のように、送・受信機からの発熱により温められたキャビネット内空気と室外空気とが熱交換器内を通過することによる熱交換によりキャビネット内空気の冷却を行っていた。しかし、例えば、外気温度が非常に高いような場所に設置する場合には、熱交換器を大きくして交換できる熱量を確保しなくてはならず、結果として大きな装置となっていた。

そこで、本発明は、小型で、かつ、キャビネット内に大きな熱負荷が発生したとき、あるいは、高い外気温度の場合にもキャビネット内を冷却することを目的とするものである。

そして、この目的を達成する為に本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内にヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器には第１送風機からの送風を供給し、蒸発器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であり、これにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内にヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器には第１送風機からの送風を供給し、蒸発器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であるので、キャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１において、１はビルディングを示し、その屋上２には携帯電話の基地局３が設けられている。基地局３は箱状のキャビネット４とこのキャビネット４内に設けた送・受信機５（図２、図３に示す）と前記キャビネット４の前面開口部にドアのごとく開閉自在に設けた熱交換装置６とにより構成されている（図１においては、閉鎖した図を示している。）。

図２、図３は、本実施の形態における熱交換装置６の断面を模式的に示したものである。熱交換装置６は、本体ケース１１内に外気用の第１送風機１２を設けた第１送風機室１５と、キャビネット４内の空気用の第２送風機１３を設けた第２送風機室１６と、外気の空気とキャビネット４内の空気との熱交換を行う熱交換器１４とを備えている。この本体ケース１１の前面となる面（図２、３における左側面）には、外気を吸い込む第１吸気口７と、吸い込んだ外気を熱交換した後に吹き出す第１吹出口８とが設けられている。また、本体ケース１１の背面（図２、３における右側面）には、キャビネット４内の空気を吸い込む第２吸気口９と、吸い込んだ空気を熱交換した後に吹き出す第２吹出口１０とが設けられている。

第１送風路１７（斜線網掛けの矢印）は、第１吸気口７と、熱交換器１４と、第１吹出口８とを連絡するように形成されている。一方、第２送風路１８（白抜き矢印）は、第２吸気口９と、熱交換器１４と、第２吹出口１０とを連絡するように形成されている。

図４に示すように、このような第１送風機１２、第２送風機１３、熱交換器１４とは、一体として熱交換ユニット５１としている。この熱交換ユニット５１の下部には、凝縮器１９と、蒸発器２０と、圧縮機２１とを設けたヒートポンプ回路が設けられている。このヒートポンプ回路は、一体としてヒートポンプユニット５２としている。

図４、図５に示すように、熱交換ユニット５１には、第１送風路１７から分岐するように、その底面に分岐口２８が設けられている。ヒートポンプユニット５２には、分岐口２８に対面する天面に凝縮器連絡口２９とヒートポンプユニット５２の底面とを接続する連通管３０を設ける。熱交換ユニット５１の底面には、連通管３０の頂部開口に向けて下がり勾配となるような傾斜を設けている。凝縮器連絡口２９には、凝縮器ダンパー２３が設けられ、その開閉によって第１送風路１７を分岐し、凝縮器１９へ空気を供給する制御を行う。凝縮器１９の下流側には、外気への連絡口となる第３吹出口２２を設ける。第３吹出口２２には、排気ダンパー２４を設ける。また、第２送風路１８には、第２吹出口１０手前に蒸発器２０へ分岐するようになっており、分岐後の空気は第４吹出口２５からキャビネット４内に吹き出す。

このような構成においてその作用を説明する。

まず、図２を用いて、通常の熱交換時の運転について説明する。発熱体（本実施の形態では送・受信機５）によって温められたキャビネット４内の空気は、第２送風機１３の運転によって本体ケース１１内（第２送風機室１６）に吸い込まれ、熱交換器１４を通って第２吹出口１０から再びキャビネット４内へと吹き出される。一方、外気は第１送風機１２の運転によって本体ケース１１内（第１送風機室１５）に吸い込まれ、熱交換器１４を通って第１吹出口８から外気へと吹き出される。熱交換器１４では、温められたキャビネット４内の空気（第２送風路１８を通過する空気）と冷たい外気（第１送風路１７を通過する空気）との熱交換が行われる。これによりキャビネット４内の空気は熱交換器１４により外気で冷却され、再び上記送・受信機５の冷却に供されることになる。

次に、図３を用いて、熱交換器１４の能力だけではキャビネット４内を冷却できない場合について説明する。すなわち、発熱体（送・受信機５）の発熱量が大きいとき、あるいは、外気の温度が比較的高めの時には熱交換器１４による外気との熱交換ではキャビネット４内の空気が十分に冷やされない場合がある。このような場合に、図３のごとく、凝縮器ダンパー２３と排気ダンパー２４を開放し、第１送風路１７から凝縮器１９へ外気を供給する。このとき、圧縮機２１を運転することによってヒートポンプ回路を作動し、凝縮器１９では外気によって冷媒が冷却される。蒸発器２０では冷媒によって第２送風路１８から分岐された空気が冷却されてキャビネット４内に供給され、キャビネット４内の冷却を行うこととなる。

上記のように、熱交換器１４による熱交換だけではキャビネット４内の空気を冷却しきれない場合に、ヒートポンプ回路を作動させてキャビネット４内の空気を冷却することができるという効果がある。また、熱交換装置６に設けた第１送風機１２によって供給される外気を凝縮器１９に供給する構成としたため、熱交換装置６の送風経路を利用して凝縮器１９冷却することが可能となる。

また、熱交換ユニット５１とヒートポンプユニット５２を分離可能としたため、あまり外気が高温とならない地域で熱交換器１４だけで冷却可能な地域に設置する場合に、ヒートポンプユニット５２を外して熱交換装置６を構成することが可能になる。また、熱交換ユニット５１の第１送風路１７に浸入した水分（雨水など）は、熱交換ユニット５１の底面に設けた傾斜によって、連通管３０に向かって流れ、連通管３０を通って機外へと排出されることになる。

また、凝縮器ダンパー２３は、図３に示すように、開放時のスリット面が第１送風機１２の回転軸と直交するように設けられている。このような構成によって第１送風機１２から吹き出した空気が凝縮器ダンパー２３によって整流されて凝縮器１９に供給されることになる。また、図示しないが、凝縮器１９のフィンの面は凝縮器ダンパー２３開放時のスリット面と平行になるようにすることによって、効率よく空気の流れを形成することができる。

また、ヒートポンプ回路を作動させたとき、すなわち、凝縮器ダンパー２３を開放した場合に、第１送風機１２の送風量は、第２送風機１３の送風量よりも多くすることによって、熱交換器１４を通過する外気量を変えずに凝縮器１９側にも送風することができる。

また、図３に示すように、排気ダンパー２４は、開放時に第１吸気口７と第３吹出口２２との間に衝立のように仕切るように設ける。このような構成により、第１吸気口７と第３吹出口２２との間のショートカットを防止することが可能になる。

図７に示すように、第２送風路１８は、熱交換器１４通過後で分岐し、一方を蒸発器２０に供給し、他方はそのまま第２吹出口１０からキャビネット４内に吹き出している。蒸発器２０に供給された空気は、第４吹出口２５からキャビネット４内に吹き出す。第２送風路１８の上記分岐点には、蒸発器ダンパー２６が設けられている。蒸発器ダンパー２６は、ヒートポンプ回路を作動させないときには、蒸発器２０側への風路を閉鎖し、ヒートポンプ回路を作動させるときには、蒸発器２０側への風路を開放し、さらに、第２吹出口１０の一部を閉鎖するようになっている。このような構成によれば、ヒートポンプ回路を作動したときに、第２送風機１３の運転条件を変えずに、蒸発器２０を通過する風量を確保することができる。

蒸発器ダンパー２６は、第４吹出口２５に設けてもよい。この場合、蒸発器ダンパー２６はスライド式とし、ヒートポンプ回路を作動させないときには、第４吹出口２５を閉鎖し、ヒートポンプ回路を作動させるときには、第４吹出口２５を開放するとともに、第２吹出口１０側へスライドし、第２吹出口１０の一部を閉鎖するようになっている。また、この第４吹出口２５には、フィルター２７を設ける。このフィルター２７は、蒸発器２０で発生した結露水がキャビネット４内に浸入することを防ぐ効果がある。

図８に示すように、ヒートポンプユニット５２内には、凝縮器１９を収めた凝縮器室３２と、蒸発器２０を収めた蒸発器室３３が設けられている。凝縮器室３２は、連絡口２９側の前室３２ａと第３吹出口側の後室３２ｂとで構成され、凝縮器１９は後室３２ｂに設けられる。前室３２ａと後室３２ｂは仕切板３２ｃで仕切られている。仕切板３２ｃは、ヒートポンプ回路を作動するときに開放する。仕切板３２ｃは風路曲折方向の外側に回転軸が設けられ、開放時には、上流側に向けて仕切板３２ｃが倒れるようになっている。

このような構成によれば、仕切板３２ｃは凝縮器１９へ空気を供給する際のダンパーの役目を果たすことになるが、開放時には空気の流れに対して曲折方向の外側の壁を形成するように仕切板３２ｃが位置するので、凝縮器１９を通過する空気が効率よく流れることになる。

次に、ヒートポンプ回路の制御について説明する。ヒートポンプ回路、すなわち、圧縮機２１の運転制御については、蒸発器２０の出口での空気の温度が第１吸気口７から吸い込まれる空気の温度よりも高くなるように制御（ＯＮ／ＯＦＦ、あるいは回転数制御）を行う。このような制御によれば、蒸発器２０での結露が発生せず、キャビネット４内に水分が送り込まれることがなくなる。

また、図９に示すのは、蒸発器２０とは別に、蒸発器２０ａを凝縮器１９の上流側に設ける構成である。外気温度がかなりの高温になる場合には、高温の空気が第１吸気口７から吸い込まれるため、凝縮器１９で十分に冷媒が冷却されずに、結果として蒸発器２０を通過する空気が十分に冷やされない場合がある。このような場合に、凝縮器１９の上流側に蒸発器２０ａを設け、一旦冷却した空気を凝縮器１９に供給することによって、キャビネット４内に供給する空気を冷却することができる。なお、凝縮器１９を通過する空気すべてが蒸発器２０ａを通過する必要はなく、その一部でもよい。

蒸発器２０ａは、冷媒配管とバルブによって凝縮器としての機能をはたすようにすることが可能である。

以上のように本発明は、第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内にヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器には第１送風機からの送風を供給し、蒸発器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置であるので、小さな熱交換装置によってキャビネット内の熱負荷が高いときにも冷却することができる。従って、例えば、通信機器の基地局や、その他屋外設置機器における冷却設備としてきわめて有用なものとなる。

本発明の一実施形態の設置例を示す斜視図 本発明の一実施形態の熱交換装置の通常時の運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態の熱交換装置の外気導入時の運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態の熱交換ユニットとヒートポンプユニットの接続状態を示す図 本発明の一実施形態の熱交換ユニットとヒートポンプユニットの接続部を示す図 本発明の一実施形態のヒートポンプユニットの斜視図 本発明の一実施形態のヒートポンプユニットの運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態のヒートポンプユニットの運転状態を示す断面図 本発明の一実施形態のヒートポンプユニットの運転状態を示す断面図

符号の説明

１ ビルディング
２ 屋上
３ 基地局
４ キャビネット
５ 送・受信機
６ 熱交換装置
７ 第１吸気口
８ 第１吹出口
９ 第２吸気口
１０ 第２吹出口
１１ 本体ケース
１２ 第１送風機
１３ 第２送風機
１４ 熱交換器
１５ 第１送風機室
１６ 第２送風機室
１７ 第１送風路
１８ 第２送風路
１９ 凝縮器
２０ 蒸発器
２０ａ 蒸発器
２１ 圧縮機
２２ 第３吹出口
２３ 凝縮器ダンパー
２４ 排気ダンパー
２５ 第４吹出口
２６ 蒸発器ダンパー
２７ フィルター
２８ 分岐口
２９ 凝縮器連絡口
３０ 連通管
３２ 凝縮器室
３２ａ 前室
３２ｂ 後室
３２ｃ 仕切板
３３ 蒸発器室
５１ 熱交換ユニット
５２ ヒートポンプユニット

Claims (24)

1. 第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、前記本体ケース内にヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器には第１送風機からの送風を供給し、蒸発器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置。
2. 前記第１送風路を熱交換器への流入口より上流側で分岐させ、分岐後の一方の経路に熱交換器を配し、他方の経路では凝縮器を介して凝縮器冷却空気排気口から空気を排出する構成とした請求項１記載の熱交換装置。
3. 分岐した第１送風路内であって、凝縮器の上流側に凝縮器ダンパーを設けたことを特徴とする請求項２記載の熱交換装置。
4. 前記凝縮器ダンパーは、開放時のスリットの面が前記第１送風機の回転軸に直交するように設けられた請求項３記載の熱交換装置。
5. 前記凝縮器ダンパーのスリットの面と前記凝縮器のフィンの面とが平行になるように設けられた請求項３または４記載の熱交換装置。
6. 前記凝縮器冷却空気排気口に、排気ダンパーを設け、この排気ダンパーは、開放時に前記第１吸気口と前記凝縮器冷却空気排気口との間を仕切るように設けられる請求項２〜５いずれかに記載の熱交換装置。
7. 前記第１送風機は、前記第２送風機よりも風量を多くした請求項２〜６いずれかに記載の熱交換装置。
8. 第１、第２吸気口と、第１、第２吹出口とを有する本体ケースと、この本体ケース内において前記第１吸気口と第１吹出口を連通させた第１送風路と、前記本体ケース内において前記第２吸気口と第２吹出口を連通させた第２送風路と、これら第１、第２送風路に介在させ、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換を行わせる熱交換器と、前記第１送風路に介在させた第１送風機と、前記第２送風路に介在させた第２送風機とを備え、さらに、本体ケースに第３吸気口と第３吹出口と、本体ケース内に第３送風機とヒートポンプ回路を設け、このヒートポンプ回路の凝縮器には第３送風機による第３吸気口からの空気を供給し、その空気を第３吹出口から排出し、蒸発器には第２送風機からの送風を供給する構成とした熱交換装置。
9. 第３吸気口には、ダンパーを設けた請求項８記載の熱交換装置。
10. 前記第３吹出口に、排気ダンパーを設け、この排気ダンパーは、開放時に前記第３吸気口と前記第３吹出口との間を仕切るように設けられる請求項９に記載の熱交換装置。
11. 本体ケースに第４の吹出口を設け、前記第２送風路を熱交換器通過後に分岐させ、一方の空気は第２吹出口から吹き出し、他方は蒸発器を通過させた後に第４吹出口から吹出す構成とした請求項１〜１０いずれかに記載の熱交換装置。
12. 前記分岐後の蒸発器を通過する経路に蒸発器ダンパーを設けた請求項１１記載の熱交換装置。
13. 前記蒸発器ダンパーは、蒸発器を通過する経路を遮断し、第２送風路からの空気は第２吹出口から吹き出す場合と、第２吹出口の一部を遮断し、第２送風路からの空気は第２吹出口と第４吹出口から吹き出す場合とを切り替える構成とした請求項１２記載の熱交換装置。
14. 第４吹出口にフィルターを設けた請求項１１〜１３いずれかに記載の熱交換装置。
15. 前記第１の送風機、前記第２送風機、前記熱交換器を上部に設け、ヒートポンプ回路を下部に設けたことを特徴とする請求項１〜１４いずれかに記載の熱交換装置。
16. 前記第１の送風機、前記第２送風機、前記熱交換器を１つの熱交換ユニットとして上部に配し、凝縮器を収めた凝縮器室と、蒸発器を収めた蒸発器室とを備え、前記ヒートポンプ回路をユニット化したヒートポンプユニットを下部に配した請求項１５記載の熱交換装置。
17. 前記ヒートポンプユニットは、前記熱交換ユニットの底面には、第１送風路から分岐する分岐口を設け、前記ヒートポンプユニットの天面には、蒸発器室と連通する連絡口と、ヒートポンプユニットの天面と底面とを直結する連通管を設け、前記分岐口の開口は、前記連絡口と前記連通管とをカバーするように設けられた請求項１６記載の熱交換装置。
18. 前記ヒートポンプユニットの天面に設けた連絡口に連絡口ダンパーを設けた請求項１７記載の熱交換装置。
19. 前記熱交換ユニットの底面と前記ヒートポンプユニットの天面および連絡口ダンパーは、前記連通管の頂部に向けて下がる傾斜を設けた請求項１８記載の熱交換装置。
20. 前記凝縮器室内を連絡口側の前室と凝縮器を通過した空気を排気する第３の吹出口側の後室とに二分する仕切板を設け、前記凝縮器を後室に設け、前記仕切板は、凝縮器を使用する際に前室と後室とを連通するように開放し、開放時に前室から後室へ流れる空気のガイド板となるよう、空気の流れに垂直に、かつ、空気の曲折方向の外側に支点となる回転軸を設け、開放時には上流側に仕切板を倒すことを特徴とする請求項１９記載の熱交換装置。
21. 蒸発器通過直後の空気の温度が第１吸気口で吸い込まれる空気の温度よりも高くなるようにヒートポンプ回路を制御することを特徴とする請求項１〜２０いずれかに記載の熱交換装置。
22. 第１送風路を通過する空気の一部あるいは全部を前記蒸発器の一部に通過させた後、前記凝縮器に供給する構成とした請求項１〜２１いずれかに記載の熱交換装置。
23. 第１送風路を通過する空気の一部あるいは全部を、冷媒を凝縮する機能と蒸発する機能とを切り替え可能な凝縮・蒸発器を通過させた後、前記凝縮器に供給する構成とした請求項１〜２１いずれかに記載の熱交換装置。
24. 発熱体を収納したキャビネットと、このキャビネットの開口部に装着された請求項１から２３のいずれか一つに記載の熱交換装置とを備えた発熱体収納装置。

Images