JP2011047618A - 蒸発式冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の小型化およびコストの低減を図ることを目的とする。
【解決手段】蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発させる蒸発室3と、この蒸発室3において発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機23と、この蒸気圧縮機23で圧縮した蒸気を凝縮する凝縮室4とを備える蒸発式冷却装置において、単一の容器1内を、仕切り板2a,2bで二重に仕切って蒸発室3と凝縮室4との2つの室に区画形成するとともに、両仕切り板2a,2b間に空間5を介在させている。
【選択図】図1

Description

本発明は、水等のように蒸発性を有する液体の蒸発、凝縮を利用して冷却を行う蒸発式冷却装置に関するものである。
かかる蒸発式冷却装置として、水蒸気圧縮冷凍機がある(例えば、特許文献1参照)。図7を参照して、同特許文献1の水蒸気圧縮冷凍機においては、蒸発器60と、該蒸発器60に連結配管61で相互連結された凝縮器62と、該蒸発器60と凝縮器62との相互間を接続する連結配管(ダクト)63に配設した圧縮機64とを備えている。
この水蒸気圧縮冷凍機では、真空ポンプ65で内部を真空状態にし、圧縮機64を運転することで蒸発器60内の水蒸気が蒸発し、蒸発器60内の温度を低下させて冷水を製造し、冷水ポンプ66により放射パネル等の負荷67へ供給する。蒸発器60で蒸発した水蒸気は、圧縮機64によって圧縮された後、凝縮器62に導かれる。該凝縮器62では冷却塔68からの冷却水によって凝縮され再び水に戻る。高温水蒸気の凝縮によって昇温された冷却水は、冷却水ポンプ69によって冷却塔68に送られ、その熱を該冷却塔68により外部へ放熱する。
特開2006−97989号公報
かかる従来例では、蒸発器60および凝縮器62は、それぞれ個別の容器で構成されており、このように個別の容器を並設するために、大きな設置スペースを必要とするとともに、装置自体が大型化し、これと共に、材料面や製造面でコスト高になるという課題がある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであって、設置スペースも小さくて済むと共に、装置全体の小型化、ひいては材料面や製造面でのコスト低減を図ることを目的とする。
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
本発明にかかる蒸発式冷却装置は、蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発させる蒸発室と、この蒸発室において発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、この蒸気圧縮機で圧縮した蒸気を凝縮する凝縮室とを備える蒸発式冷却装置において、単一容器の内部に少なくとも二重の仕切りによって相互に仕切られた前記蒸発室と前記凝縮室とを有すると共に、前記二重の仕切り間に空間が介在している、ことを特徴とするものである。
前記単一の容器の形状は、密閉可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、密閉可能な円筒状や角筒状やその他であってもよい。
前記仕切りは、二重以上であればよい。
前記仕切りは、単一容器の内部を少なくとも蒸発室と凝縮室との二室に区画できればよく、その仕切り方には特に限定されない。
前記単一の容器内において、前記蒸発室と前記凝縮室は、その容積を前記仕切りにより均等に仕切られてもよいし、不均等に仕切られてもよい。
前記仕切りは、容器とは別体の例えば板材で構成し、容器に対して溶接等で一体化してもよい。この場合、仕切りは仕切り板と称することができるし、あるいは、容器壁の一部を構成するものとし、仕切り壁と称することもできる。
本発明の蒸発式冷却装置によると、蒸発室と凝縮室とを別々の容器ではなく、単一の容器内に形成するので、蒸発室と凝縮室とを別々の容器で構成し2つの容器を設置していた従来装置とは異なり、装置の全体サイズを小型にできると共に、設置スペースを削減でき、更に、材料コストひいては製造コストを削減することが可能となる。しかも、蒸発室と凝縮室との間に介在した二重仕切りの間に空間を介在させた構成を有するので、この空間を断熱用の空間として、凝縮室から蒸発室への伝熱を有効に遮断して熱効率の低下を効果的に抑制することができる。
なお、伝熱を遮断する観点から、上記仕切りを構成する材料を、容器とは異なる低い熱伝導率の材料としてもよく、また、二重の仕切りの間の空間内に、断熱材料を充填してもよい。
本発明の他の実施態様では、前記二重の仕切り間に介在している前記空間が、減圧状態にされている。
前記空間は、製造段階で減圧状態にして密閉してもよいし、前記空間を真空ポンプ等に連結して減圧状態にしてもよい。
前記二重の仕切り間の前記空間が大気圧のままで密閉されると、当該蒸発式冷却装置の運転を開始した後に、二重の仕切りの両側、すなわち、前記空間の両側の減圧された蒸発室および減圧された凝縮室と、前記空間との間の差圧がそれぞれ大きなものとなる。したがって、この場合には、二重の仕切りは、その差圧に耐える必要があるために、仕切りを構成する部材、例えば、仕切り板を厚くする必要があるのに対して、この実施態様では、前記空間が減圧状態にされるので、前記差圧が小さくなり、仕切り板の厚みを薄くすることができる。
本発明の好ましい実施態様では、前記蒸発室および前記凝縮室のうちのいずれか一方の室と前記両仕切り間の空間とが、導圧管で連通して、前記いずれか一方の室内の圧力と前記空間の圧力とが同圧になっている。
この実施態様によると、二重の仕切りの間の空間の圧力は、蒸発室または凝縮室のいずれか一方の室内圧と同圧となるので、二重の仕切りの内、一方の仕切りは、差圧による応力を受けることがなくなり、これにより他方の仕切りに比べて薄く構成して材料コストを削減することができる。さらに、前記空間が、大気圧よりも低い真空となるので、凝縮室から蒸発室への伝熱を効果的に遮断することができる。
本発明の別の好ましい実施態様では、前記二重の仕切りを、前記空間を挟んで対向する二枚の仕切り板によって構成している。
この実施態様によると、これら仕切り板は互いの間に前記空間を挟むので、仕切り板を介して前記蒸発室と前記凝縮室との間で熱移動することを阻止することができる。
本発明のさらに別の好ましい実施態様では、前記単一の容器は、円筒状の容器本体を含み、前記二枚の仕切り板によって、前記容器本体の円形断面を二分するように、前記蒸発室および前記凝縮室を、半円筒状にそれぞれ区画形成するものである。
この実施態様によると、円筒状の容器本体内を、二枚の仕切り板で半円筒状に仕切って蒸発室と凝縮室とを区画形成するので、簡単な構造で装置の小型化を図ることができる。
本発明装置によれば、蒸発室と凝縮室とを同一容器内に形成するので、蒸発室と凝縮室とを別々の容器で形成した従来装置に比べて、装置全体を小型化して装置の設置スペース、および材料や製造のコストを削減することが可能となる。しかも、蒸発室と凝縮室との間を、空間を介在させて少なくとも二重に仕切るので、凝縮室から蒸発室への伝熱を前記空間により有効に遮断して熱効率の低下を効果的に防止することができる。
図1は本発明の一実施形態に係る蒸発式冷却装置のシステム構成例を示す図である。 図2は図1の容器の斜視図である。 図3は図2の容器の側面図である。 図4は図3の矢視A−A断面図である。 図5は本発明の他の実施形態の蒸発式冷却装置のシステム構成例を示す図である。 図6は本発明の他の実施形態の容器の断面図である。 図7は従来装置のシステム構成例を示す図である。
以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1に、本発明の実施形態に係る蒸発式冷却装置のシステム構成を示す。図1を参照して、この実施形態に係る蒸発式冷却装置においては、密閉型の単一の容器1の内部を、後述のように、二枚の仕切り板2a,2bによって2つの室に仕切ると共に、一方の室を蒸発室3、他方の室を凝縮室4とし、かつ、二枚の仕切り板2a,2bの間に空間5を介在させた構成としている。この空間5は、前記蒸発室3と凝縮室4とを断熱することができる。
こうして密閉型の単一容器1の内部を前記二枚の仕切り板2a,2bによって仕切ることにより、蒸発室3と凝縮室4とを単一容器1内部にコンパクトに隣接配置させることが可能となって、装置全体の小型化ならびに製造コストや材料コストを低減することが可能となる。しかも、これら両室3,4の相互間での熱移動を効果的に抑制して熱効率の低下を防止するようにしている。
蒸発室3は、その内部に入れた蒸発性液体、例えば水を大気圧より低い減圧の状態で沸騰蒸発させるものであり、この蒸発室3内に溜まる水を、蒸発性液体出口6より管路8を介して循環ポンプ7にて汲み出し、冷房箇所等の負荷側における間接熱交換器9に対して冷却源として供給した後、管路10を介して蒸発性液体入口11に供給し、再び前記蒸発室3内に、その上部のノズル12から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。
凝縮室4は、その内部に溜まる冷却用流体、例えば水を冷却用流体出口13より管路16を介して循環ポンプ14にて汲み出し、放熱側における間接熱交換器15に供給して、大気への放熱等よって冷却する。この間接熱交換器15によって冷却した水を、管路17を介して冷却用液体入口18に供給し、凝縮室4内に、その上部のノズル19から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。
更に、蒸発室3の蒸気出口20と凝縮室4の蒸気入口21とを、蒸気ダクト22で接続するとともに、この蒸気ダクト22の途中には、蒸発室3からの蒸気を圧縮して凝縮室4に送り込む蒸気圧縮機23としてルーツ型圧縮機を設けている。このルーツ型圧縮機では、例えば,蒸気を温度差で約10℃程度圧縮することができる。なお、蒸気圧縮機23としては、ルーツ型圧縮機に限らず、ブロワー圧縮機、ねじ型圧縮機やその他の圧縮機を使用することができる。
蒸発室3の内部および凝縮室4の内部は、凝縮室4の真空用排気口24に接続した真空ポンプ25によって大気圧よりも低い減圧に保持することによって、蒸発室3内で蒸発性液体の沸騰蒸発を行わせるように構成されている。
また、蒸発室3の底部の接続口30と凝縮器4の底部の接続口31とは、連通管26で接続され、凝縮室4内の水の一部を、連通管26を介して蒸発室3内に供給するようにしている。
蒸発室3と凝縮室4とは、上述のように、容器1の中央部に設けた二枚の仕切り板2a,2bによって二重に仕切られている。両仕切り板2a,2bの間の断熱用の空間5は、該空間5に対応する接続口29と蒸発室3の接続口28とを接続する導圧管27によって蒸発室3と同圧とされる。これによって、両仕切り板2a,2bの内の蒸発室3側の仕切り板2bは、差圧による応力を受けず、凝縮室4側の仕切り板2aに比べて、薄い仕切り板を使用することができる。
図2は、図1の容器1の斜視図であり、図3は、その側面図であり、図4は、図3の矢視A−A断面図であり、これらの図において、図1に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
この容器1は、例えば、ステンレス製であり、円筒状の容器本体1aと、前端の開口を閉塞する前面板1bと、後端の開口を閉塞する後面板1cとを備えている。前面板1bおよび後面板1cは、蒸発室3、凝縮室4および仕切り板2a,2b間の空間5をそれぞれ閉塞する。容器1を構成する材料は、ステンレスなどの金属に限らず、硬質の合成樹脂などであってもよい。
容器本体1aは、図3に示すように、その軸線50が水平になるように4本の取付脚51によって横向きに配置されている。
円筒状の容器本体1aには、該容器本体1aの軸線50方向に延びる平板状の二枚の仕切り板2a,2bが、容器本体1aの円形断面を二分するように直径方向に配置されることによって、蒸発室3および凝縮室4を、それぞれ半円筒状に区画形成している。
蒸発室3側の本体上部には、蒸気出口20が設けられる一方、凝縮室4側の本体上部には、蒸気入口21が設けられる。
蒸発室3側の前面板1bには、導圧管27の一端が接続される接続口28が設けられる一方、二枚の仕切り板2a,2bで挟まれた断熱用の空間5に対応する本体上部には、導圧管27の他端が接続される接続口29が設けられる。
蒸発室3側の本体側部には、蒸発性液体入口11が三箇所に設けられる一方、凝縮室4側の本体側部には、冷却用流体入口18が三箇所に設けられる。
また、蒸発室3側の本体下部の前面寄りには、蒸発性液体出口6が設けられる一方、凝縮室4側の本体下部の後面寄りには、冷却用液体出口13が設けられる。更に、蒸発室3側の本体下部の前面側には、連通管26の一端が接続される接続口30が設けられる一方、凝縮室4側の本体下部の前面側には、連通管26の他端が接続される接続口31が設けられる。二枚の仕切り板2a,2bで挟まれた断熱用の空間5の底部には、ドレン配管(図示せず)が設けられており、万一、空間5内に冷媒が混入したような場合には、冷媒を排出できるようになっている。
前面板1bの蒸発室3側および凝縮室4側には、真空排気用の排気口32,24がそれぞれ設けられる。
なお、容器本体1aの上部には、蒸気圧縮器23およびそれを駆動するモータなどを取り付けるための図示しない取付座が設けられており、容器本体1aの上部のスペースを有効に利用し、装置全体の設置スペースを削減している。
かかる構成を有する容器1を用いて、上述の図1のシステムが構成される。
再び図1を参照して、蒸発室3内における減圧状態での沸騰蒸発にて冷却されて温度が低くなった水は、管路8を介して循環ポンプ7にて負荷側に送られて間接熱交換器9で熱交換されて冷房等に供され、この負荷側において温度が上昇した水は、管路10を介して再び蒸発室3内に戻って、ここで再び沸騰蒸発することで冷却されて温度が低くなる。
一方、蒸発室3内における沸騰蒸発にて発生した蒸気は、蒸気圧縮機23にて吸引されて圧縮されて凝縮室4内に至り、凝縮室4での冷却にて凝縮され、この凝縮水の一部は、圧力差によって連通管26を介して蒸発室3に供給される。
また、凝縮室4内で熱を放出して凝縮液化した水は、管路16を介して循環ポンプ14にて放熱側に送られて間接熱交換器15で大気への放熱等よって冷却され、管路17を介して凝縮室4内に戻るという循環を繰り返す。
以上の構成の蒸発式冷却装置では、単一の容器1の内部を、二枚の仕切り板2a,2bで二重に仕切ることによって蒸発室3および凝縮室4を区画形成しているので、装置全体を小型化して設置スペースおよびコストを削減することができる。しかも、蒸発室3と凝縮室4との間を、断熱用の空間5を介在させて二重に仕切るので、凝縮室4から蒸発室3への伝熱を遮断して熱効率の低下を防止することができる。
本発明の他の実施形態として、断熱用の空間5を、導圧管によって蒸発室3または凝縮室4と接続して蒸発室3または凝縮室4と同圧にするのではなく、断熱用の空間5を、単に減圧状態としてもよい。
断熱用の空間5が大気圧のまま密閉されていると、当該蒸発式冷却装置の運転を開始した後に、空間5と、その両側の減圧された蒸発室3および減圧された凝縮室4との間の差圧がそれぞれ大きなものとなるので、仕切り板2a,2bは、その差圧に耐えることができるように厚くする必要があるが、断熱用の空間5を減圧状態にすることによって、差圧を小さくすることができ、仕切り板2a,2bを薄くすることができる。
断熱用の空間5を減圧状態にするには、製造段階で空間5を減圧状態にして密閉してもよいし、あるいは、空間5を、例えば図5に示すように、配管55を介して直接真空ポンプ25に接続して減圧してもよい。また、真空ポンプ25とは別の真空ポンプに接続して減圧状態としてもよい。
上述の実施形態では、円筒状の容器1を横向きに配置したけれども、他の実施形態として、縦向きに配置する構成としてもよい。
また、上述の実施形態では、円筒状の容器本体1aの円形断面を二分するように仕切って、蒸発室3および凝縮室4をそれぞれ半円筒状に区画形成したけれども、他の実施形態として、図3に示す円筒状の容器本体1aの軸線50に直交するように仕切って、蒸発室および凝縮室をそれぞれ円筒状に区画形成してもよい。
更に、上述の実施形態では、円筒状の容器1の内部を、平板状の仕切り板2a,2bで二重に仕切ったけれども、本発明の他の実施形態として、例えば、図6の断面図に示すように、円筒状の容器36の内部に、円筒状の二重の仕切り部材37a,37bを同心状に内装し、内側の仕切り部材37bの内部を内側容器36aとし、外側の仕切り部材37aの外周と容器36の内周との間を環状の外側容器36bとして区画形成し、内側容器36aまたは外側容器36bのいずれか一方を、蒸発室3とし、他方を凝縮室4としてもよい。この場合、二重の仕切り部材37a,37bの間には、断熱用の空間38を介在させる。この空間38を、蒸発室3または凝縮室4のいずれか一方と同圧にするのが好ましい。なお、容器36および仕切り部材37a,37bの両端は、蓋体で閉塞されるとともに、この蓋体には、蒸発室3および凝縮室4に対応して必要な蒸気や液体の出入口が設けられる。
また、蒸発室3は、凝縮室4に比べて温度が低いので、蒸発室3が大気から受ける熱的影響を低減するために、内側容器36aを蒸発室3とし、外側容器36bを凝縮室4とするのが好ましい。
図6では、内側容器36aと外側容器36bとは、同心状に配置したけれども、他の実施形態として、偏心していてもよい。
上述の実施形態では、蒸発性液体として水を使用したけれども、本発明は水に限らず、アルコールその他の蒸発性液体を使用してもよい。
1,36 容器
1a 容器本体
2a,2b 仕切り板
3 蒸発室
4 凝縮室
5,38 空間
37a,37b 仕切り部材

Claims (5)

  1. 蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発させる蒸発室と、この蒸発室において発生した蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、この蒸気圧縮機で圧縮した蒸気を凝縮する凝縮室とを備える蒸発式冷却装置において、
    単一容器の内部に少なくとも二重の仕切りによって相互に仕切られた前記蒸発室と前記凝縮室とを有すると共に、前記二重の仕切り間に空間が介在している、ことを特徴とする蒸発式冷却装置。
  2. 前記二重の仕切り間に介在している前記空間が、減圧状態にされる、請求項1に記載の蒸発式冷却装置。
  3. 前記蒸発室および前記凝縮室のうちのいずれか一方の室と前記両仕切り間の空間とが、導圧管で連通して、前記いずれか一方の室内の圧力と前記空間の圧力とが同圧になっている、請求項1または2に記載の蒸発式冷却装置。
  4. 前記二重の仕切りを、前記空間を挟んで対向する二枚の仕切り板によって構成している、請求項1ないし3のいずれかに記載の蒸発式冷却装置。
  5. 前記単一の容器は、円筒状の容器本体を含み、前記二枚の仕切り板によって、前記容器本体の円形断面を二分するように、前記蒸発室および前記凝縮室を、半円筒状にそれぞれ区画形成した、請求項4に記載の蒸発式冷却装置。
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