JP2011080736A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造がシンプルで、被冷却物を均質に冷却可能な熱交換装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１と、凝縮器２と、膨張弁３と、冷媒貯溜タンク４と、上記各要素を順次接続して冷媒を循環させる冷媒配管６と、凝縮部５２が冷媒貯溜タンク内に挿入され蒸発部５１が冷媒貯溜タンク外に露出したヒートパイプ５と、からなる冷凍サイクルを少くとも備えた熱交換装置であって、蒸発部５１において被冷却体との熱交換を行う様構成されており、さらに、冷媒貯溜タンクは、液状の冷媒と、上記熱交換を通じ液状の冷媒が蒸発して得られたガス状の冷媒とを内部に貯溜しており、入力側４１からは膨張弁を経た冷媒を流入させ得る一方、出力側からは冷媒貯溜タンク内の上方に設けられたガス状冷媒取出部４２からガス状の前記冷媒を取り出し得る様構成された熱交換装置１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換装置に関する。

０℃〜室温間の温度に被冷却物を冷却する冷却システムについてはこれまで数多く提案されているが、その中の一典型例を図４に示す。
図４に示される冷凍サイクルは、コンプレッサ（圧縮機）１とコンデンサ（凝縮器）２を中心として構成される冷凍機を使用し、冷媒ガスの蒸発潜熱を利用する冷媒直接冷却方式（直膨方式）と言われるものである。

この従来技術に係る直膨方式の熱交換装置１００’は、熱交チューブ２００及びフィン７からなる蒸発器が不図示の送風ファン及び熱交換室を有するエアークーラー１２の熱交換室内に設けられ、それによって被冷却体たる空気Ａ１の冷却を行うことを目的とした装置である。

熱交換装置１００’は、ガス状冷媒ｒ１を圧縮するための圧縮機１と、圧縮された上記冷媒を液化するための凝縮器２と、液化した冷媒ｒ２を断熱膨張させる膨張弁３と、膨張弁３を経た冷媒と被冷却物である空気Ａ１とを熱交チューブ２００の管壁を介して接触させ、熱交換により冷気Ａ２を出力させるエアークーラー１２と、上記圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３及びエアークーラー１２を順次接続して冷媒を循環させる冷媒配管６と、からなる冷凍サイクルを備えたものである。冷媒の圧力については、圧縮機１での圧縮を経た後の液状の冷媒ｒ２は、圧縮機１で圧縮される前のガス状冷媒ｒ１よりも高圧となっている。また、冷媒自体についてはその他公知の冷凍サイクルを備えた装置同様、フロン等適当なものが用いられている。

なお、この直膨方式の熱交換装置１００’では熱交チューブからなる気体冷却部（図４の熱交チューブ２００が設けられたエアークーラー１２）で冷媒蒸発が起きるため一般的にここを蒸発器という。

このように、直膨方式の熱交換装置１００’では気体冷却部は一連の冷凍サイクル中に形成される。尚上記熱交チューブ２００は、内部の冷媒液の蒸発が完了すると熱交換作業が終了するので、それ以降の下流側範囲が不要領域となると言う性質を有している。

上記直膨方式は、熱交プロセスが簡単で、熱交換効率も適用規模によっては良好な反面、構造上、冷媒制御が難しいと言う性質を有している。

さらに、直膨方式では、液状冷媒が圧縮機１に戻ってくることがある状況（液バック）を回避するために、熱交チューブ２００の長さを余裕を見て設計する必要があった。液バックが起こり冷媒が液状のまま圧縮機１に入ると、液圧縮を起こして異常圧力を生じ、圧縮機１が損傷する。

次に、気体冷却部が一連の冷凍サイクル中に形成されている直膨方式では、エアークーラー内の熱交チューブ表面温度について、低温から高温に至る温度勾配が必ず出来る特性の影響で、熱交面の氷結が生じてしまうという問題があったほか、設計規模が大容量なものとなる程、被冷却物を均質に冷却することが困難になると言う問題があった。

その他、直膨方式を大容量設備へ適用することを想定した場合、冷媒と被冷却体との熱交換を行う領域を増やすと同時に液バックを避ける必要上、被冷却体と直接熱交換を行う熱交チューブも必然的に長く設計せざるを得ず、熱交チューブ及びそれを収容する気体冷却部の大型化、さらに大型コンプレッサが求められること等によるエアークーラー全体としての効率低下が避けられなかった。

こうした性質から、直膨方式は、小風量クーラーへの適用には向いている一方、大風量熱交換器を設計しようとすると冷媒設計の困難性、サイズや効率その他の点で抱える問題が多く、大容量設備への適用に十分なものが得られていないのが実情であった。

ところで、原理上大容量設備に適用出来る熱交換方式については、上記の直膨方式のほか、直膨方式による冷却方式で予め水又はブライン液を冷やして冷水（ブライン液）を作り、この冷水（ブライン液）で被冷却物である空気を冷やすブライン冷却方式も含まれている。

しかしながら、ブライン冷却方式はブラインの顕熱利用による冷却のため、多量の水又はブライン液が必要となり、装置全体の大型化の問題が解消されない（一方、上記冷媒直接冷却方式（直膨方式）では冷媒の蒸発潜熱を利用するため、ブラインの１／１００程度の流量で同一熱量を交換できる）。
また、ブライン冷却方式では直膨方式の構成に加えて冷水（ブライン液）で被冷却物である空気を冷やす構成要素がさらに必要となり、装置全体が複雑化するという新たな問題も生じる。
このように、ブライン冷却方式もやはり大容量設備への適用に十分値するものとは言えなかった。

上記の通り、様々な観点から総合的にみても、大容量設備への適用に十分有用な冷却システムはこれまで世の中に提供されていなかった。

特開２０００−３２０９０９号公報 特開平５−１７９８３６号公報

したがって本発明は、構造がシンプルで、被冷却物を均質に冷却可能な熱交換装置を提供することを課題とする。

また本発明は、被冷却物との熱交面の氷結が容易に防止できる熱交換装置を提供することを課題とする。

また本発明は、小型軽量、高効率な大容量エアークーラーを比較的容易に実現することが可能な熱交換装置を提供することを課題とする。

その他本発明は、負荷変動に対しても液バックの起きない冷媒量制御性の良い熱交換装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、被冷却物である空気との熱交換を、一端が負荷（被冷却物）側に接しており、他端が冷媒貯溜タンクに設けられているヒートパイプで行なう様にすると共に、冷媒貯溜タンク内の上方にガス状冷媒取出部を設け、ここから取り出したガス状の冷媒を圧縮機へと送る様構成し、さらに、冷媒の過熱度又は冷媒貯溜タンクに貯溜されている液状の冷媒の液面レベル制御その他の手法によって、上記熱交換によって得られる冷気の温度制御を含めたシステム全体の運転をなし得ることを見い出し、これを端緒に本発明の熱交換装置を完成するに至った。

上記課題を解決可能な本発明の熱交換装置は、（１）ガス状冷媒を圧縮するための圧縮機と、圧縮された前記冷媒を液化するための凝縮器と、液化した前記冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、前記膨張弁を経た前記冷媒を貯溜する冷媒貯溜タンクと、凝縮部が前記冷媒貯溜タンク内に挿入され、蒸発部が前記冷媒貯溜タンク外に露出した単数又は複数のヒートパイプと、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁及び前記冷媒貯溜タンクを順次接続して前記冷媒を循環させる冷媒配管と、からなる冷凍サイクルを少なくとも備えた熱交換装置であって、
前記ヒートパイプの前記蒸発部において、被冷却体との熱交換を行う様構成されており、さらに、前記冷媒貯溜タンクは、液状の前記冷媒と、前記熱交換を通じ液状の前記冷媒が蒸発して得られたガス状の前記冷媒とを内部に貯溜しており、入力側からは前記膨張弁を経た前記冷媒を流入させ得る一方、出力側からは前記冷媒貯溜タンク内の上方に設けられたガス状冷媒取出部からガス状の前記冷媒を取り出し得る様構成されている、ことを特徴とするものである。

又本発明の熱交換装置は、（２）前記ヒートパイプの前記凝縮部或いは前記蒸発部の一方又は双方を水平に配置したことを特徴とするものである。

又本発明の熱交換装置は、（３）前記ヒートパイプの前記蒸発部を前記凝縮部よりも上方に配置したことを特徴とするものである。

又本発明の熱交換装置は、（４）前記冷媒貯溜タンクに、前記冷媒と共に前記冷媒貯溜タンク内に流入した前記圧縮機潤滑用オイルの回収機構をさらに備え設けたことを特徴とするものである。

又本発明の熱交換装置は、（５）前記ヒートパイプの伝熱量を、前記冷媒の過熱度又は前記冷媒貯溜タンク内における液状の前記冷媒の液面レベルに応じて制御する様にしたことを特徴とするものである。

又本発明の熱交換装置は、（６）前記ヒートパイプの前記蒸発部が送風ファン及び熱交換室を有するエアークーラーの前記熱交換室内に設けられ、それによって被冷却体たる空気の冷却を行わしめることを特徴とするものである。なお、（７）前記エアークーラーの前記熱交換室の底部に水抜き用の排水口をさらに備え設けてもかまわない。

［用語の説明］
本明細書において「液バック」とは、冷凍（サイクルを備えた）装置において蒸発器等から液状冷媒が圧縮機に戻ってくることがある状況のことを指し示すものとする。液バックが起こり冷媒が液状のまま圧縮機に入ると、液圧縮を起こして異常圧力を生じ、圧縮機が損傷する。

本発明によれば、冷媒の蒸発潜熱による熱交換とヒートパイプ内部の潜熱利用熱交換により大量の熱量交換を小型設備で実施できる。それゆえ本発明によれば、構造がシンプルで、被冷却物を均質に冷却可能な熱交換装置を提供することができる。

また従来、大容量のエアークーラーを設計する場合には、冷媒と被冷却体との熱交換を行う領域を増やすと同時に液バックを避ける必要上、被冷却体と直接熱交換を行う熱交チューブも必然的に長く設計せざるを得ず、熱交チューブ及びそれを収容する気体冷却部の大型化、さらに大型コンプレッサが求められること等によるエアークーラー全体としての効率低下が避けられなかった。しかしながら、本発明によれば気体冷却部を一連の冷凍サイクルとは別個に設けることが出来るので、例えばヒートパイプの本数の多寡によりヒートパイプ全体としての伝熱量を増減する等の設計で大容量化を容易に図ることが出来、小型軽量、高効率な大容量エアークーラーを比較的容易に実現することが可能となる。

その他本発明によれば、被冷却物との熱交面の氷結が容易に防止できる熱交換装置を提供することができる。

その他本発明によれば、負荷変動に対しても液バックの起きない冷媒量制御性の良い熱交換装置を提供することができる。

なお、ヒートパイプを応用した熱交換装置としては先に掲げる各文献が看取されるが、これらは次の各点で、本発明の目的、構成及び作用効果と相違する。
まず、特許文献１（特開２０００−３２０９０９号公報）では、断熱膨張後、蒸発器内の熱交チューブで熱交換を行う典型的な冷凍サイクルを備えたシステムが開示されているものの、冷媒液溜タンク内にヒートパイプを嵌合接続する構成（図４）が開示されている。ただ、特許文献１ではヒートパイプの両端は高圧或いは低圧ライン中に埋設されているに過ぎない。本発明ではヒートパイプの一端（負荷側）は空気、他端は冷媒貯溜タンクにさらされており、構成が相違する。また、特許文献１の目的は、低圧側冷媒の低温を利用して、凝縮器からの高温冷媒を低温化することで蒸発器の冷却性能を上げることであり、本発明の目的と相違する。

次に、特許文献２（特開平５−１７９８３６号公報）では、ヒートパイプ、ボイラを利用した屋上融雪装置が開示されており、ヒートパイプの片端（負荷側）は外気（雪）、他端（熱（冷）媒側）は蒸気ヘッダ管４に設置（構成）され、内部で熱媒供給用循環管路５と伝熱的に結合されている点で本願の構成と一部共通する。
しかしながら、特許文献２の装置は冷凍サイクルでなく、コンプレッサを使用せず、熱（冷）媒送流ポンプ７及びボイラ９を使用する点で本願と相違する。また対象も本願とは相違する。
さらに、特許文献２の熱（冷）媒貯溜槽６は、熱（冷）媒リキッドを摘出して、ボイラ９へ送出する構造となっており、本願の冷媒貯溜タンクとは目的が相違する。本願は冷凍サイクルで、コンプレッサを使用するものであるため、液バックが起きてはいけない構造とする必要がある。すなわち、必ず冷媒貯溜タンクのガス状冷媒取出部から冷媒ガスを摘出して、コンプレッサへ送出する構造となっている。

本発明の一実施形態につき説明する図である。 ヒートパイプの一例を示す図である。 実施例１の構成を示す図である。 従来技術を示す図である。

発明の実施の形態

以下、本発明の一実施形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態につき説明する図である。はじめに前提として、本実施形態に係る熱交換装置１００は、ヒートパイプ５の蒸発部５１が不図示の送風ファン及び熱交換室を有するエアークーラー１２の熱交換室（気体冷却部にあたる）内に設けられ、それによって被冷却体たる空気Ａ１の冷却を行うことを目的とした装置である。

本実施形態に係る熱交換装置１００は、ガス状冷媒ｒ１を圧縮するための圧縮機１と、圧縮された上記冷媒を液化するための凝縮器２と、液化した冷媒ｒ２を断熱膨張させる膨張弁３と、膨張弁３を経た冷媒を貯溜する冷媒貯溜タンク４と、凝縮部５２が冷媒貯溜タンク４内に挿入され、蒸発部５１が冷媒貯溜タンク４外に露出した複数のヒートパイプ５と、上記圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３及び冷媒貯溜タンク４を順次接続して冷媒を循環させる冷媒配管６と、からなる冷凍サイクルを少なくとも備えた熱交換装置であって、ヒートパイプ５の蒸発部５１において、被冷却体たる空気Ａ１との熱交換を行う様構成されている。
冷媒については従来知られた冷凍サイクルを備えた装置同様、適当なものを用い得るが、本実施形態ではＲ２２（ＨＣＦＣ）、Ｒ４０７Ｃ等の冷媒を採用している。

冷媒貯溜タンク４は、液状の冷媒と、上記熱交換を通じこの液状の冷媒が蒸発して得られたガス状の冷媒とを内部に貯溜しており、入力側４１からは膨張弁３を経た冷媒を流入させ得る一方、出力側からは冷媒貯溜タンク４内の上方に設けられたガス状冷媒取出部４２からガス状の冷媒を取り出し得る様構成されている。

ところで、一般的冷凍サイクルでは熱交チューブからなる気体冷却部（図４に示す、熱交チューブ２００が設けられたエアークーラー１２）で冷媒蒸発が起きるためここを蒸発器というが、本発明では冷媒蒸発が冷媒貯溜タンク４にて生じるので、従来の冷凍サイクルに当て嵌めて考えるとすれば冷媒貯溜タンク４が蒸発器の機能を果たすものとも考えられる。

しかしながら、従来技術では気体冷却部は一連の冷凍サイクル中に形成されているところ、これと異なり本発明では気体冷却部は一連の冷凍サイクルとは別個に設けられ、冷凍サイクルの一部とヒートパイプ５を介して接続され、冷凍サイクルと間接的に熱交換を行う点で構成が顕著に相違する。又本発明では、従来技術のように被冷却体の冷却が冷凍サイクル中で直接的に行われず、ヒートパイプ５を介して間接的に実現される点で被冷却体の基本冷却原理も相違する。

従来、大容量のエアークーラーを設計する場合には、冷媒と被冷却体との熱交換を行う領域を増やすと同時に液バックを避ける必要上、被冷却体と直接熱交換を行う熱交チューブも必然的に長く設計せざるを得ず、熱交チューブ及びそれを収容する気体冷却部の大型化、さらに大型コンプレッサが求められること等によるエアークーラー全体としての効率低下が避けられられなかった。しかしながら、本発明によれば気体冷却部を一連の冷凍サイクルとは別個に設けることが出来るので、例えばヒートパイプ５の本数の多寡によりヒートパイプ５全体としての伝熱量を増減する等の設計で大容量化を容易に図ることが出来、小型軽量、高効率な大容量エアークーラーを比較的容易に実現することが可能となる。

また、気体冷却部が一連の冷凍サイクル中に形成されている従来技術では、エアークーラー内の熱交チューブ表面温度について、低温から高温に至る温度勾配が必ず出来る特性の影響で、熱交面の氷結が生じてしまうという問題があった。しかしながら、本発明によれば従来技術のように被冷却体の冷却が冷凍サイクル中で直接的に行われず、ヒートパイプ５を介して間接的に実現されることから、被冷却物を均質に冷却可能な熱交換装置を提供することができると共に、上記の温度勾配の影響も無く、熱交面すなわち蒸発部５１の氷結を容易に防止できる熱交換装置を提供することが可能となる。

ヒートパイプ５は、本実施形態では蒸発部５１が凝縮部５２よりも上方に配置されている。後記の通り、本実施形態のヒートパイプ５では、凝縮した作動流体ｆがコンテナ５４内に設けられたウィック５５を通じ毛細管現象で蒸発部５１に還流するところ、この構造によれば凝縮した作動流体ｆの薄膜が常にコンテナ５４内に成形され、連続して熱交換が行われる機能が発揮される。又本実施形態では、蒸発部５１と凝縮部５２付近に適当な枚数のフィン７が設けられている。
ヒートパイプ５自体の構成及び作動原理は次の通りである。

図２は、ヒートパイプの一例を示す図である。ヒートパイプ５は、両端が閉じた円筒状の管壁を有する密閉容器（コンテナ）５４の内壁に、毛細管構造（ウィック）５５を備えたものである。コンテナ５４内には作動流体ｆが真空封入されている。またコンテナ５４は、その一端と他端がそれぞれ入熱（蒸発）部５１と放熱（凝縮）部５２となっている以外は、断熱構造（断熱部５３）となっている。なお、簡単のため、図２ではコンテナ５４の蒸発部５１と凝縮部５２付近に設けられるフィン７の記載は省略している。

ヒートパイプ５の作動原理自体は従来知られたものと同様である。すなわち、ヒートパイプ５の一端側（蒸発部５１）に入熱すると、ｉ）蒸発部５１で作動流体ｆの蒸発（蒸発潜熱の吸収）が起こり、ｉｉ）蒸気が他端側（凝縮部５２）へ移動し、ｉｉｉ）凝縮部５２で蒸気が凝縮（蒸発潜熱の放出）し、そして、ｉｖ）凝縮した作動流体ｆがウィック５５を通じ毛細管現象で蒸発部５１に還流する、という一連の相変化が連続的に生じる。ヒートパイプ５では、以上のサイクルを繰り返すことによって熱が素早く移動し、極めて高い効率での熱伝導が可能となっている。
作動流体ｆも従来知られたものと同様であり、本実施形態では例えばアンモニアやブタンを用いている。但し、これらには限定されず、例えば０〜５℃の範囲で蒸発するものも使用し得る。

したがって、エアークーラー１２における熱交換は、次の要領にて行われる。
まずはじめに、ヒートパイプ５の蒸発部５１で、コンテナ５４の管壁を介して空気Ａ１より入熱を受けた作動流体ｆは、潜熱を吸収し蒸気となって凝縮部５２へと移動する。潜熱を奪われた空気Ａ１は、冷気Ａ２となってエアークーラー１２の外部へ出力される。以上の要領で本発明では、ヒートパイプ５の作動流体ｆを介して、空気Ａ１と冷媒貯溜タンク４内の冷媒との熱交換が行われる。

次に、蒸発部５１で空気Ａ１との熱交換を終えたヒートパイプ５中の作動流体ｆは蒸気となって凝縮部５２へと移動し、そこで潜熱を放出する。ここで、潜熱はコンテナ５４の管壁より冷媒貯溜タンク４内の冷媒中へと放出される。潜熱が放出され凝縮した作動流体ｆは、毛細管作用によりウィック５５を通じて蒸発部５１へと還り、再び新たな空気Ａ１との熱交換によって蒸気となり凝縮部５２へ移動、潜熱放出を繰り返す。

本発明ではこのようにして、エアークーラー１２と冷媒貯溜タンク４との間でヒートパイプ５による潜熱吸収、放出の繰り返しが行われる。繰り返しが進むごとに、エアークーラー１２へ入力される空気Ａ１と、エアークーラー１２から出力される冷気Ａ２との温度差が拡大する一方、潜熱放出の繰り返された冷媒貯溜タンク４内の冷媒温度の上昇、蒸発が進み、冷媒貯溜タンク４内におけるガス状冷媒の量が増大する。

潜熱放出の繰り返された冷媒貯溜タンク４内の冷媒は、温度の上昇、蒸発が進み、冷媒貯溜タンク４内におけるガス状冷媒の量が増大する。本発明では、このガス状冷媒をガス状冷媒取出部４２より取り出し、冷媒配管６を通じて再び圧縮機１に還している。

確認のため、本実施形態に係る熱交換装置における冷媒の流れを纏めると次の通りである。まず冷媒配管６を通じて再びコンプレッサ１に還されたガス状冷媒ｒ１は圧縮機１で圧縮され、圧縮された上記冷媒は凝縮器２で液化され、そして液化した冷媒ｒ２は膨張弁３を経て断熱膨張させた後、入力部４１から冷媒貯溜タンク４内へと入力され、一旦貯溜される。ここで、エアークーラー１２の熱交換室内に設けられた蒸発部５１で空気Ａ１との熱交換を終えたヒートパイプ５中の作動流体ｆは蒸気となって冷媒貯溜タンク４内に設けられた凝縮部５２へと移動し、そこで潜熱を放出するところ、潜熱放出の繰り返された冷媒貯溜タンク４内の冷媒は、温度の上昇、蒸発が進み、冷媒貯溜タンク４内におけるガス状冷媒の量が増大する。本実施形態では、このガス状冷媒をガス状冷媒取出部４２より取り出し、冷媒配管６を通じて再び圧縮機１に還すよう構成されている。冷媒の圧力については、圧縮機１での圧縮を経た後の液状の冷媒ｒ２は、圧縮機１で圧縮される前のガス状冷媒ｒ１よりも高圧となっている。
このように、本実施形態に係る熱交換装置も、冷媒の循環が確保され、冷凍サイクルを構成する様になっている。

［動作］
以下では、上記概略構成を備えた本実施形態に係る熱交換装置の制御及び運転要領の一例を説明する。
本実施形態では、エアークーラー１２から出力される冷気Ａ２の温度制御は、上記ヒートパイプ５の伝熱量制御を通じて実現されている。
そして本実施形態では、ヒートパイプ５の伝熱量を、冷媒の過熱度又は冷媒貯溜タンク４内における液状の冷媒の液面レベルに応じて制御する様に構成されている。
より具体的には、本実施形態では以下の各センサを用いて、ヒートパイプ５の伝熱量制御を行っている。

本実施形態では、冷媒貯溜タンク４内に液面レベルセンサ８が設けられている。
液面レベルセンサ８は、それぞれ電磁弁１０に接続されている。液面レベルセンサ８は冷媒貯溜タンク４に貯溜された蒸発前の冷媒の液面レベルを監視しており、液面レベルがあらかじめ設定されたレベルよりも高くなると電磁弁１０の駆動量（電磁弁１０からの液状冷媒ｒ２の吐出量）を減少させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を減少させる構成となっている一方、液面レベルがあらかじめ設定されたレベルよりも低くなると電磁弁１０の駆動量を増大させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を増大させる構成となっている。

また本実施形態では、ガス状冷媒取出部４２とコンプレッサ１とを繋ぐ冷媒配管６の一部に温度センサ１１が設けられている。この温度センサ１１は膨張弁３に接続されており、温度センサ１１を通過するガス状冷媒ｒ１の温度があらかじめ設定された温度よりも高くなると膨張弁３のダイアフラムの開度を増大させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を増大させる構成となっている一方、温度センサ１１を通過するガス状冷媒ｒ１の温度があらかじめ設定された温度よりも低くなると膨張弁３のダイアフラムの開度を減少させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を減少させる構成となっている。本実施形態の膨張弁３は、このようにして過熱度を一定に保とうとする、いわゆる温度式膨張弁の構成を採っている。

なお本実施形態においては、冷媒貯溜タンク４内に内圧センサ９も設けられている。これは、熱交換装置１００の安全性をより高める作用も奏するものである。
内圧センサ９は冷媒貯溜タンク４の内圧を監視しており、内圧があらかじめ設定されたレベルよりも高くなると電磁弁１０の駆動量を減少させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を減少させる構成となっている一方、内圧があらかじめ設定されたレベルよりも低くなると電磁弁１０の駆動量を増大させ、膨張弁３を経て冷媒貯溜タンク４内へと流れ込む冷媒の量を増大させる構成となっている。

以上のように本実施形態では、液面レベルセンサ８及び温度センサ１１、そして内圧センサ９を用いることによって、冷媒貯溜タンク４内に貯溜された冷媒の液面レベル及び冷媒温度、そしてタンク内の内圧が所望の範囲に収まる様制御されている。なお、例えば液面センサ８又は温度センサ１１に関し、上記設定値については最終的に制御しようとする冷気Ａ２の設定温度の上下等に応じ可変となっていても構わない。さらには、冷媒貯溜タンク４の状態が常時適正を維持するべく、不図示のマイクロコンピュータその他の演算手段を用い、液面レベルセンサ８及び温度センサ１１、そして内圧センサ９の出力を利用して本実施形態に係る熱交換装置１００を協調制御する様に設計しても構わない。

次に、以上の基本原理からなる本発明の熱交換装置につき、実施例を挙げて説明する。
なお、上で説明した構成と重複する箇所については、以下説明を省略する。

図３は、本実施例に係る熱交換装置１０１の構成を示す図である。図１と異なる箇所は、冷媒貯溜タンク４及びエアークーラー１２の一部構成、並びにこれらの内部に挿入又は設けられるヒートパイプ５の凝縮部５２及び蒸発部５１の態様である。

本実施例では、エアークーラー１２の底部には排出口１３が設けられ、内部に溜まる凝縮水ｄの排出が行われる様構成されている。

同様に、本実施例では冷媒貯溜タンク４の底側は油回収装置に連通しており、冷媒中の潤滑油ｏの排出が行われる様構成されている。

また本実施例では、ヒートパイプ５の凝縮部５２及び蒸発部５１は、冷媒貯溜タンク４及びエアークーラー１２中に水平に挿入され、配置されている。
このように配置することで、エアークーラー１２における熱交換の結果、蒸発部５１の周りに設けられたフィン７表面に生ずる凝縮水ｄの落下が容易となる。なお、熱交面すなわち蒸発部５１の氷結も容易に防止できることは上述した通りである。
また、冷媒貯溜タンク４側においても、潜熱放出が繰り返される結果、冷媒貯溜タンク４内の冷媒温度が上昇、蒸発が進むことによって凝縮部５２付近で顕在化する冷媒中の潤滑油ｏの落下が容易となる。

本実施例に係る熱交換装置１０１の制御及び運転要領については、上記の一実施形態について説明したものと概ね同様である。

本実施例の構成によれば、エアークーラー１２内部に溜まる凝縮水ｄの排出及び冷媒貯溜タンク４内に貯溜された冷媒中の潤滑油ｏの排出をすることができ、より実施可能性の高い熱交換装置を提供することが可能となる。

［変形例］
以上、本発明の内容を一実施形態及び実施例を通じて詳細に説明したが、本発明は以上の態様に限定されず、種々の態様で変形実施することが可能である。

例えば、上記実施例では、ヒートパイプ５の凝縮部５２及び蒸発部５１を共に水平に配置する構成としたが、凝縮部５２或いは蒸発部５１の少なくともいずれかを水平に配置した構成としてもかまわない。そのような態様であっても、より実施可能性の高い熱交換装置を提供することが可能である。

また本実施形態では、ヒートパイプ５の伝熱量を、冷媒の過熱度又は冷媒貯溜タンク４内における液状の冷媒の液面レベルに応じて制御する様にしたが、本発明に係る熱交換装置の制御及び運転要領についてはこれに限定されず、種々の制御及び運転要領を適用することが可能である。いずれにしても本発明は、負荷変動に対しても液バックの起きない冷媒量制御性の良い熱交換装置を提供することを一目的とするものである。
したがって、冷媒貯溜タンク４内における液状の冷媒の液面レベルを直接又は間接的に監視する手段を講じて、ガス状冷媒取出部４２から冷媒配管６及び圧縮機１に液状冷媒が流入する液バック状況を防止する態様が採られていれば同態様は本発明の主旨に包含される。

また本実施形態では、液面レベルセンサ８及び温度センサ１１のほか、さらに内圧センサ９を備える構成としたが、これに限定されず、内圧センサ９は省略されてもかまわない。

その他本実施形態では、ヒートパイプ５の数を複数本からなるものとしたが、要求仕様、設計条件その他に応じヒートパイプ５の数は単数としても複数としてもかまわない。

また本実施形態では、ヒートパイプ５は蒸発部５１が凝縮部５２よりも上方に配置される様構成したが、これに限定されず、凝縮部５２が蒸発部５１よりも上方に配置される様構成してもかまわない。この場合、凝縮した作動流体ｆはウィック５５を通じた毛細管力によらずとも重力で蒸発部５１に向かって自然落下する。

以上の通り本発明は、構造がシンプルで、被冷却物を均質に冷却可能な熱交換装置を提供する新規かつ有用なるものであることが明らかである。

Ａ１ 空気
Ａ２ 冷気
ｄ 凝縮水
ｆ 作動流体
ｏ 潤滑油
ｒ２ 液状冷媒
ｒ１ ガス状冷媒
１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 冷媒貯溜タンク
５ ヒートパイプ
６ 冷媒配管
７ フィン
８ 液面レベルセンサ
９ 内圧センサ
１０ 電磁弁
１１ 温度センサ
１２ エアークーラー
１３ 排水口
４１ 入力部
４２ ガス状冷媒取出部
５１ 蒸発部
５２ 凝縮部
５３ 断熱部
５４ コンテナ
５５ ウィック
１００、１００’、１０１ 熱交換装置
２００ 熱交チューブ

Claims (7)

1. ガス状冷媒を圧縮するための圧縮機と、
   圧縮された前記冷媒を液化するための凝縮器と、
   液化した前記冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁を経た前記冷媒を貯溜する冷媒貯溜タンクと、
   凝縮部が前記冷媒貯溜タンク内に挿入され、蒸発部が前記冷媒貯溜タンク外に露出した単数又は複数のヒートパイプと、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁及び前記冷媒貯溜タンクを順次接続して前記冷媒を循環させる冷媒配管と、
   からなる冷凍サイクルを少なくとも備えた熱交換装置であって、
   前記ヒートパイプの前記蒸発部において、被冷却体との熱交換を行う様構成されており、さらに、
   前記冷媒貯溜タンクは、液状の前記冷媒と、前記熱交換を通じ液状の前記冷媒が蒸発して得られたガス状の前記冷媒とを内部に貯溜しており、入力側からは前記膨張弁を経た前記冷媒を流入させ得る一方、出力側からは前記冷媒貯溜タンク内の上方に設けられたガス状冷媒取出部からガス状の前記冷媒を取り出し得る様構成されている、
   ことを特徴とする熱交換装置。
2. 前記ヒートパイプの前記凝縮部或いは前記蒸発部の一方又は双方を水平に配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記ヒートパイプの前記蒸発部を前記凝縮部よりも上方に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記冷媒貯溜タンクに、前記冷媒と共に前記冷媒貯溜タンク内に流入した前記圧縮機潤滑用オイルの回収機構をさらに備え設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換装置。
5. 前記ヒートパイプの伝熱量を、前記冷媒の過熱度又は前記冷媒貯溜タンク内における液状の前記冷媒の液面レベルに応じて制御する様にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換装置。
6. 前記ヒートパイプの前記蒸発部が送風ファン及び熱交換室を有するエアークーラーの前記熱交換室内に設けられ、それによって被冷却体たる空気の冷却を行わしめることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換装置。
7. 前記エアークーラーの前記熱交換室の底部に水抜き用の排水口をさらに備え設けたことを特徴とする請求項６に記載の熱交換装置。

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