JP2015121396A - 冷媒熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを増大させることなく圧縮機への液バックを確実に防止すると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減し、かつ冷媒量を低減する冷媒熱交換器を提供する。
【解決手段】冷媒熱交換器２４は、第１の冷媒が導入される第１の導入口５６、内部で気化した第１の冷媒が導出される第１の導出口６４、第２の冷媒の導入口７０及び第２の導出口７６、が形成された筒状の中空容器５０と、この内部に配置され、表裏面に第１の冷媒及び第２の冷媒の熱交換流路を形成するプレート重合体５２と、この上方空間に上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び冷媒ガス導出管６６を有する中空ハウジング６８と、第２の冷媒の冷媒導入路７４及び冷媒導出路８０とを備える。中空ハウジングの上面壁は、上壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍機などに用いられる冷媒熱交換器に関する。

冷凍サイクルを構成する冷凍機には蒸発器や凝縮器が設けられている。蒸発器は冷媒と被冷却物とを熱交換させ、冷媒が被冷却物から蒸発潜熱を奪うことで被冷却物を冷却する。凝縮器は気化した冷媒を冷却水や外気と熱交換させ、冷媒を冷却水や外気で冷却し液化させる。冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路と二次冷媒回路とを有する冷凍機では、一次冷媒回路と二次冷媒回路とは満液式蒸発器（カスケードコンデンサ）を介して連結され、これらの冷媒熱交換器で、一次冷媒と二次冷媒とが熱交換される。かかる冷媒熱交換器では、一次冷媒が二次冷媒から蒸発潜熱を奪い気化する。

特許文献１には、満液式蒸発器が開示されている。この満液式蒸発器では、中空容器内で気化した冷媒は、圧縮機の入口に連結した吸引管に吸引される。そして、前記吸引管の入口には、邪ま板が設けられて液状冷媒の侵入を防止している。

特許文献２には、熱交換効率の良いシェルアンドプレート式熱交換器で構成された満液式冷媒蒸発器が開示されている。この蒸発器は、気化した冷媒を圧縮機に導く導管にフィルタ式の液滴分離器が設けられている。また、中空容器の側方隔壁とプレート重合体との間の空間に充填材が充填されている。

特許文献３にも、特許文献２と同様の構成のシェルアンドプレート式冷媒熱交換器が開示されている。この冷媒熱交換器にも、気化した冷媒を圧縮機に導く導管の入口にフィルタ式の液滴分離器が設けられている。特許文献４にもシェルアンドプレート式冷媒熱交換器が開示されている。この冷媒熱交換器は、冷媒を吸入する吸入口にデミスタが設けられ、このデミスタによって冷媒の気液分離が行われるように構成されている。

特表２００５−５０２０１６号公報 国際公開第２０１２／１０７６４５号公報 国際公開第１９９７／０４５６８９号公報 特開２０１１−１９６５８２号公報

冷媒熱交換器が冷媒蒸発器として使用される場合、液状の冷媒が圧縮機に侵入する液バックを防止する必要がある。しかし、特許文献１に開示された邪ま板による液滴分離方式は、蒸発液面との距離が十分にとれない場合に、液滴の分離効果はあまり良くない。従って、圧縮機への液バックが生じるおそれがある。

一方、特許文献２又は特許文献３に開示されたフィルタ式の液滴分離器は液滴の分離効果が良いが、大きな圧力損失が起りやすく、そのため、冷凍機の動力が増加するおそれがある。また、特許文献４に記載された冷媒の気液分離を行うデミスタは、比較的に高価であり、製造コストを増大させる。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、製造コストを増大させることなく圧縮機への液バックを確実に防止すると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減し、かつ冷媒量を低減可能な冷媒熱交換器を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の冷媒熱交換器は、第１の冷媒が導入される第１の導入口、内部で気化した第１の冷媒が導出される第１の導出口、第２の冷媒が導入される第２の導入口、及び第２の冷媒が導出される第２の導出口、が形成された筒状の中空容器と、該中空容器の内部に配置され、表裏面に第１の冷媒及び第２の冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ねられたプレート重合体と、プレート重合体の上方空間に中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び第１の導出口に接続された冷媒ガス導出管を有する中空ハウジングと、第２の導入口と第２の冷媒の熱交換流路とを結ぶ冷媒導入路、及び第２の冷媒の熱交換流路と第２の導出口とを結ぶ冷媒導出路とを備え、中空ハウジングの上面壁は、上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている。

本発明の冷媒熱交換器は、もともと熱交換効率が良いシェルアンドプレート式熱交換器であり、熱交換効率が良い分だけ使用する冷媒量を低減できる利点がある。

また、前記構成において、プレート重合体に形成された熱交換流路で第２の冷媒と熱交換して気化した第１の冷媒ガスは、上昇して中空ハウジングの下方から中空ハウジングを迂回し、中空容器の上部隔壁面に対向配置された冷媒ガス導入孔から中空ハウジングに流入する。第１の冷媒ガスはかかる長い迂回流路を通る間に、重力により第１の冷媒ガスに含まれる液滴を分離されるので、液滴分離効果を向上でき、圧縮機への液バックを防止できる。また、中空ハウジングの上面壁は、上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている。このため、プレート重合体と上面壁との距離を長くすることができる。従って、熱交換して気化した第１の冷媒ガスが上面壁に至るまでの流路が長くなり、この流路を通る間に、重力により第１の冷媒ガスに含まれる液滴を分離させることができる。よって、液滴分離効果がより向上し、圧縮機への液バックを確実に防止可能な冷媒熱交換器を実現できる。また、液滴分離にあたりデミスタを用いていないので、製造コストを低減できる。

また、第１の冷媒ガスが上昇して冷媒ガス導入孔に到達する流路の途中に、特許文献２又は特許文献３に開示されたフィルタ式の液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、本発明の冷媒熱交換器が組み込まれた冷凍機のＣＯＰを向上できる。

さらに、前記構成に加えて、中空ハウジングを中空容器の上部隔壁に対向配置したまま中空容器の軸方向に延設すると共に、第１の導入口に接続されると共に、中空ハウジングの下面に中空ハウジングの長手方向に設けられ、第１の冷媒をプレート重合体に散布する散布孔を有する冷媒散布管をさらに備えるようにすることができる。

これによって、第１の冷媒液をプレート重合体に対し軸方向に均一にかつプレート重合体の上面に広く散布できるので、第１の冷媒と第２の冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器への第１の冷媒の供給量を低減できると共に、一次冷媒回路全体の第１の冷媒量を低減できる。

また、本発明の一実施態様として、中空ハウジングの側方隔壁と前記プレート重合体との間に形成された空間を上下に仕切ると共に、前記中空容器に対して前記プレート重合体を固定する２列のステーを設け、これら２列のステーの間に区画され、第１の冷媒液で満たされる空間に充填材を充填するようにすることができる。これによって、中空容器へ供給する第１の冷媒の供給量を低減できる。

さらに、本発明の一実施態様として、中空ハウジングの横断面を、横方向の長辺と上下方向の短辺とで構成された矩形状に形成することができる。これによって、第１の冷媒が第１の導出口に達するまでに長い迂回流路を形成でき、その邪ま板効果で液滴分離効果を向上できる。また、中空ハウジングが下方へ突出しないので、中空容器の容積を低減でき、その分第１の冷媒の供給量を低減できる。また、中空容器の横断面を横方向へ広げてあるので、第１の冷媒の圧力損失を低減でき、これによって、下流側に設けられる圧縮機の動力を低減できる。

さらに、本発明の一実施態様として、前記冷媒散布管に形成される散布孔を冷媒散布管の軸方向に多数配列することができる。これによって、第１の冷媒液をプレート重合体に対し軸方向に均一にかつプレート重合体の上面に広く散布できるので、第１の冷媒と第２の冷媒との熱交換効率を向上できる。

さらに、本発明の一実施態様として、冷媒ガス導入孔を中空ハウジングの上面壁に中空ハウジングの軸方向に軸対称に２列に配置することができる。これによって、第１の冷媒が中空ハウジングに流入するときの圧力損失を低減できる。

さらに、本発明の一実施態様として、中空ハウジング及び冷媒散布管を一体に形成することができる。これによって、中空容器への中空ハウジング及び冷媒散布管の取付けが容易になる。さらに、本発明の一実施態様として、プレート重合体を構成するプレートの形状は、中空容器の軸方向視において、該中空容器の軸心を通る水平線に対して上下方向に非対称に形成され、中空容器の軸心よりも下側のプレートは、該中空容器の内壁面に近接して沿って円形状に形成され、中空容器の軸心よりも上側のプレートは、偏平状に形成されてもよい。これによって、水平線よりも下側のプレートと中空容器の内壁面との隙間を小さくすることができ、中空容器を小型化することができる。従って、プレートの外周と中空容器の内壁面との隙間に詰め物をする必要性が無くなるとともに中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。

本発明によれば、中空容器内の上部に中空ハウジング及び冷媒散布管を設けたことで、製造コストを増大させることなく圧縮機への液バックを確実に防止できると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減でき、かつ使用冷媒量を低減できる。

本発明の一実施形態に係る空調設備の全体構成図である。 前記空調設備に組み込まれたＣＯ_２液化器の正面視断面図である。 前記ＣＯ_２液化器の左側面図である。 前記ＣＯ_２液化器のＡ―Ａ線に沿う右側面視断面図である。 図２に示すＣＯ_２液化器の一部拡大断面図である。 前記ＣＯ_２液化器に設けられた中空ハウジングの上面図である。 本発明の他の実施形態に係る前記ＣＯ_２液化器のＡ―Ａ線に沿う右側面視断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

次に、本発明をサーバ室の空調設備を構成するＣＯ_２液化器に適用した一実施形態を図１〜図６により説明する。図１は本実施形態に係る空調設備１０の全体構成図である。空調設備１０は、冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路１２と、サーバ室３４の空調を行う二次冷媒回路１４とを備えている。一次冷媒回路１２には、一次冷媒としてＮＨ_３冷媒が循環すると共に、冷凍サイクルを構成する機器として、圧縮機１６、蒸発式凝縮器（エバコン）１８、ＮＨ_３レシーバ２０、膨張弁２２及びＣＯ_２液化器２４が設けられている。

一次冷媒回路１２には、圧縮機１６をバイパスするバイパス路２６ａ及び膨張弁２２をバイパスするバイパス路２６ｂが設けられている。バイパス路２６ａには、ＮＨ_３冷媒の流れを一次冷媒回路１２又はバイパス路２６ａに切り換えるために開閉する切換弁２８ａが設けられている。バイパス路２６ｂにはＮＨ_３冷媒の流れを一次冷媒回路１２又はバイパス路２６ｂに切り換えるために開閉する切換弁２８ｂが設けられている。

二次冷媒回路１４は、二次冷媒としてＣＯ_２冷媒が循環しており、ＣＯ_２レシーバ３０及びＣＯ_２冷媒を循環させるＣＯ_２液ポンプ３２が設けられている。ＣＯ_２液化器２４とＣＯ_２レシーバ３０とはＣＯ_２循環路４２によって接続されている。二次冷媒回路１４はサーバ室３４の内部に導設され、サーバ室３４の内部に設けられた複数の冷却器３６に接続されている。サーバ室３４の内部では、サーバが収納された多数のサーバラック４０が上下に積み上げられ、直線状に整列しかつ横方向に複数の列を形成して配置されている。

二次冷媒回路１４は、ＣＯ_２冷媒の蒸発温度が常温に設定されるように高圧に保持されている。例えば、ＣＯ_２冷媒の蒸発温度を２２℃とするためには、５．９ＭＰａに調整される。

かかる構成において、一次冷媒回路１２では、ＮＨ_３冷媒ガスは圧縮機１６によって圧縮され、圧縮機１６から吐出されたＮＨ_３冷媒ガスは蒸発式凝縮器１８で外気ａにより冷却され液化する。液化したＮＨ_３冷媒はＮＨ_３レシーバ２０に一旦貯留される。ＮＨ_３レシーバ２０に一旦貯留されたＮＨ_３冷媒液は膨張弁２２で減圧された後、ＣＯ_２液化器２４でＣＯ_２冷媒と熱交換され、ＣＯ_２冷媒より吸熱して気化する。気化したＮＨ_３冷媒は再び圧縮機１６に送られて圧縮される。

二次冷媒回路１４を循環するＣＯ_２冷媒は一旦ＣＯ_２レシーバ３０に貯留され気液分離される。ＣＯ_２レシーバ３０内のＣＯ_２冷媒ガスはＣＯ_２循環路４２を介してＣＯ_２液化器２４に送られ、ＣＯ_２液化器２４でＮＨ_３冷媒液と熱交換される。ＮＨ_３冷媒液との熱交換で液化されたＣＯ_２冷媒はＣＯ_２循環路４２を介してＣＯ_２レシーバ３０に戻る。

ＣＯ_２レシーバ３０内のＣＯ_２冷媒液は、二次冷媒回路１４を介して冷却器３６に送られる。冷却器３６でＣＯ_２冷媒液はサーバ室３４内の空気と熱交換し、その蒸発潜熱でサーバ室３４内の空気を冷却し一部が気化する。

サーバ室３４内で後述するホット流ｈｆが形成されるホット領域の空気は、サーバの放熱により例えば３５℃ぐらいに昇温している。この昇温した空気を冷却器３６を流れる２２℃のＣＯ_２冷媒液で、例えば２５℃に冷却し、後述するコールド流ｃｆが形成されるコールド領域に供給できる。サーバ室３４内の空気との熱交換で気液二相流となったＣＯ_２冷媒はＣＯ_２レシーバ３０に戻る。

冷却器３６で冷却された室内空気は、冷却器３６に設けられた送風機３８により、サーバラック４０の間の空間を下方に向かうコールド流ｃｆを形成する。各サーバラック４０にはサーバ間に隙間が形成されており、これらの隙間にコールド流ｃｆから冷却空気が流入する多数の冷気通路ｃｗが形成される。冷却空気はサーバを冷却し昇温した後、サーバラック４０の外側へ流出する。サーバラック４０の外側へ流出した昇温空気は冷却器３６に向かって上昇するホット流ｈｆを形成する。

次に、図２〜図６に基づいて、ＣＯ_２液化器２４の構成を説明する。ＣＯ_２液化器２４は、シェルアンドプレート式熱交換器を構成し、一次冷媒回路１２に満液式蒸発器（カスケードコンデンサ）として組み込まれている。ＣＯ_２液化器２４では一次冷媒であるＮＨ_３冷媒液と二次冷媒であるＣＯ_２冷媒ガスとが熱交換され、ＮＨ_３冷媒がＣＯ_２冷媒から吸熱して気化し、ＣＯ_２冷媒は液化する。

図２〜図４において、断面が円形で円筒形状を有する中空容器５０の内部にプレート重合体５２が収容されている。プレート重合体５２は、円板状の多数のプレート５４が重ね合されて円筒形状に形成されている。中空容器５０の上壁の軸方向一端にＮＨ_３導入口５６が形成され、ＮＨ_３導入口５６にＮＨ_３導入管５８が設けられている。中空容器５０の内部でＮＨ_３導入管５８の先端にＮＨ_３散布管６０が接続されている。ＮＨ_３散布管６０は中空容器５０の上壁５０ａに対してほぼ平行に配置されている。

図４に示すように、ＮＨ_３散布管６０には、下方に向けて多数の細径の散布孔６０ａが軸方向に２列に形成されている。

図５はＮＨ_３導入管５８、ＮＨ_３散布管６０及び中空ハウジング６８の拡大図である。ＮＨ_３導入管５８は一次冷媒回路１２に接続されている。ＮＨ_３導入管５８からＮＨ_３散布管６０にＮＨ_３冷媒液が供給される。中空ハウジング６８は中空容器５０の軸方向に延設されており、中空ハウジング６８の下面にＮＨ_３散布管６０がタップ溶接ｗによって固定されている。従って、中空ハウジング６８とＮＨ_３散布管６０とは一体に形成されている。

ＮＨ_３導入管５８と中空容器５０の軸方向反対側の上壁端部に、ＮＨ_３導出口６４が形成され、ＮＨ_３導出口６４にＮＨ_３導出管６６が設けられている。ＮＨ_３導出管６６は一次冷媒回路１２に接続されている。ＮＨ_３導出管６６の下端には中空ハウジング６８が一体に連結されている。

図４に示すように、中空ハウジング６８の横断面は、横方向（即ち水平方向）の長辺６８ａと上下方向の短辺６８ｂとを有する四角形をなしている。

図６は中空ハウジング６８の上面図である。図６に示すように、中空ハウジング６８の上面には、長手方向に軸対称に２列に配置された多数のＮＨ_３ガス導入孔６８ｃが形成されている。

図２及び図３において、中空容器５０の一方の側壁にＣＯ_２導入口７０が形成され、ＣＯ_２導入口７０にＣＯ_２導入管７２が形成されている。ＣＯ_２導入管７２はＣＯ_２循環路４２に接続され、プレート重合体５２の内部にＣＯ_２導入管７２と各プレート５４の表裏面に形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通するＣＯ_２流路７４が形成されている。

また、ＣＯ_２導入管７２の下方の側壁にＣＯ_２導出口７６が形成され、ＣＯ_２導出口７６にＣＯ_２導出管７８が形成されている。ＣＯ_２導出管７８はＣＯ_２循環路４２に接続され、プレート重合体５２の内部にＣＯ_２導出管７８と各プレート５４の表裏面に形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通するＣＯ_２流路８０が形成されている。

プレート重合体５２を構成する多数のプレート５４は表裏両面に特定の凹凸パターンをもち、これらのプレート５４が表裏交互に重ねられている。これによって、プレート５４の表裏面に２つの独立した流路が交互に形成されている。一方の流路は中空容器５０の内部空間に開口し、この開口からＮＨ_３冷媒が流入する。各プレート５４には同じ位置に２つの開口が形成され、これらの開口が重ね合されることでＣＯ_２流路７４及び８０が形成される。開口７０から流入したＣＯ_２冷媒ガスはＣＯ_２流路７４を介し、プレート５４に表裏面に形成された他方の流路を流れ、その間ＮＨ_３冷媒と熱交換した後、ＣＯ_２流路８０を介して開口７６から流出する。

かかるシェルアンドプレート式熱交換器のプレート重合体５２の構成は従来公知である（例えば特開２０１２−５７９００号公報参照）。

図４に示すように、中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間にステー８２ａ及び８２ｂが架設されている。ステー８２ａの下方に中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間を仕切るステー８４ａが設けられ、ステー８２ｂの下方に中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間を仕切るステー８４ｂが設けられている。そして、ステー８２ａとステー８４ａとの間に形成される空間ｓ１に、棒状の充填材８６が充填され、ステー８２ｂとステー８４ｂとの間に形成される空間ｓ２に、棒状の充填材８６が充填されている。

ＮＨ_３冷媒液とＣＯ_２冷媒ガスとはプレート重合体５２で熱交換され、ＮＨ_３冷媒液はＣＯ_２冷媒から吸熱し気化する。逆に、ＣＯ_２冷媒ガスは冷却され液化する。気化したＮＨ_３冷媒ガスは上昇し、ＮＨ_３ガス導入孔６８ｃから中空ハウジング６８の内部に流入し、ＮＨ_３導出管６６から一次冷媒回路１２に流出する。

かかる構成において、外気温度が２０℃（ＷＢ１５℃・相対湿度６０％）以下の場合には、圧縮機１６を稼働させない運転を行う。即ち、ＮＨ_３冷媒は、ＣＯ_２液化器２４と蒸発式凝縮器１８との間をバイパス路２６ａ及び２６ｂを通って循環する。

ＣＯ_２液化器２４で、ＣＯ_２冷媒ガスは、蒸発式凝縮器１８で外気ａと熱交換して凝縮した２０℃のＮＨ_３冷媒と熱交換する。この熱交換でＮＨ_３冷媒は蒸発し、ＣＯ_２冷媒は２２℃のＣＯ_２液となる。

蒸発式凝縮器１８には伝熱管１８ａが設けられ、伝熱管１８ａは一次冷媒回路１２に接続されている。蒸発式凝縮器１８の内部に貯留された冷却水は水ポンプ１８ｂにより汲み上げられ伝熱管１８ａに散布される。この冷却水に蒸発潜熱で伝熱管１８ａを流れるＮＨ３冷媒ガスは冷却され液化する。

圧縮機１６を稼働させない運転では、ＣＯ_２液化器２４で気化したＮＨ_３冷媒ガスはサーモサイフォン作用でバイパス路２６ａを上昇する。蒸発式凝縮器１８で液化したＮＨ_３冷媒液は、その重力で一次冷媒回路１２及びバイパス路２６ｂを流下し、ＣＯ_２液化器２４に戻る。

外気温度が２０℃（ＷＢ１５℃・相対湿度６０％）以上の場合には、切換弁２８ａ及び２８ｂを閉じ、圧縮機１６を稼働させる運転を行う。

ＣＯ_２液化器２４で、ＣＯ_２冷媒はＮＨ_３冷媒液と熱交換し、２２℃のＣＯ_２液となる。２２℃のＣＯ_２冷媒液は、サーバ室３４に設けられた冷却器３６に送られ、冷却器３６でサーバ室３４内の空気を２５℃に冷却する。２５℃に冷却された室内空気は送風機３８で下方に送られ、コールド流ｃｆを形成する。

冷却空気はサーバラック４０間に形成された冷気通路ｃｗを通り、情報処理機器を冷却すると共に、３５℃の昇温し、サーバラック４０の外側へ流出する。その後、上昇するホット流ｈｆを形成する。ホット流ｈｆは冷却器３６で２５℃に冷却される。

本実施形態によれば、冷媒として、オゾン層破壊作用がなくかつ地球温暖化係数がゼロに近い自然冷媒のＮＨ_３及びＣＯ_２を用いているので、地球温暖化のおそれがなく、かつこれらの冷媒は高い冷却能力をもつので、冷却効率を向上できる。

さらに、二次冷媒回路内を高圧に保持することでＣＯ_２冷媒を常温に調整し、冷却器３６におけるＣＯ_２冷媒の蒸発温度が常温となるように調整しているので、サーバ室３４内の空気をＣＯ_２冷媒の蒸発潜熱で容易に常温に冷却できる。また、二次冷媒回路１４に常温のＣＯ_２冷媒が流れるので、結露が発生するおそれがなく、万一、サーバ室３４内でＣＯ_２冷媒が漏洩しても、気化するので情報処理機器を損傷するおそれがない。

また、冷却器３６から出たコールド流ｃｆとサーバラック４０から出たホット流ｈｆとをサーバ室３４内で別な領域に区分けして形成しているので、これらの空気流が混じり合うことがない。そのため、サーバ室３４の冷却効率を向上できる。

また、外気温度が常温以下のとき、圧縮機１６の運転を止め、蒸発式凝縮器１８において、常温以下の外気ａでＮＨ_３冷媒を冷却すると共に、ＣＯ_２液化器２４と蒸発式凝縮器１８との間で、ＮＨ_３冷媒をサーモサイフォン作用を利用して自然循環させるようにしているので、圧縮機１６の動力を節減できＣＯＰを向上できる。

また、ＣＯ_２液化器２４では、中空ハウジング６８は、横方向に長い長辺６８ａを有する矩形状に形成した横断面を有しているので、優れた邪ま板効果を有している。気化したＮＨ_３冷媒は中空ハウジング６８の外側に形成された迂回流路を通ることで、ＮＨ_３ガス導入孔６８ｃに達するまでに液滴分離効果を向上できる。そのため、圧縮機１６への液バックを効果的に防止できる。

また、ＮＨ_３冷媒ガスの流路にはフィルタ式の液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、圧縮機動力を低減できＣＯＰを向上できる。

また、ＮＨ_３散布管６０によりＮＨ_３冷媒液をプレート重合体５２の軸方向に均一にかつプレート重合体５２の上面に広く散布できるので、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器５０へ供給するＮＨ_３冷媒量を低減できると共に、一次冷媒回路１２を流れるＮＨ_３冷媒量を低減できる。

また、空間ｓ１及びｓ２に充填材８６を充填することで、中空容器５０に供給するＮＨ３冷媒量を低減できる。こうして一次冷媒回路１２を流れるＮＨ_３冷媒量を大幅に低減できるので、ＮＨ_３レシーバ２０を小型化できる。

また、中空ハウジング６８の横断面を、横方向に長い長辺を有する矩形状に形成したことで、中空ハウジング６８が下方へ突出しない。そのため、中空容器５０の容積を低減でき、その分ＮＨ_３冷媒の供給量を低減できる。また、中空ハウジング６８の横断面を横方向へ広げてあるので、中空ハウジング６８の内部を通るＮＨ_３冷媒ガスの圧力損失を低減でき、これによって、圧縮機１６の動力を低減できる。

さらに、ＮＨ_３散布管６０に形成された散布孔６０ａをＮＨ_３散布管６０の軸方向に多数配列したので、ＮＨ_３冷媒液をプレート重合体５２に対し軸方向に均一にかつプレート重合体５２の上面に広く散布できる。これによって、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。

さらに、ＮＨ_３導入孔６８ｃを中空ハウジング６８の上面壁に中空ハウジング６８の軸方向に軸対称に２列に配置したので、ＮＨ_３冷媒ガスが中空ハウジング６８に流入するときの圧力損失を低減できる。

さらに、中空ハウジング６８及びＮＨ_３散布管６０をタップ溶接ｗで一体に形成したので、中空容器への中空ハウジング及び冷媒散布管の取付けが容易になる。

なお、本発明者等の試算によれば、圧縮機１６を稼働した運転で、ＮＨ_３冷媒の凝縮温度を３５℃とし、蒸発温度を１６℃とし、外気温度をＷＢ＋１５℃以上とした運転では、ＣＯＰが６前後の運転が可能になる。また、圧縮機１６を稼働しないフリークーリング運転で、外気温度をＷＢ＋１５℃以下とした場合、ＣＯＰが１３以上の運転が可能になる。また、本実施形態の空調設備１０Ａが東京地区に設けられたサーバ室に適用された場合、年間のフリークーリング運転日は２００日以上となり、年間ＣＯＰは１０以上となる。

また、前述した実施形態では、中空容器５０とプレート重合体５２との間に空間ｓ１、ｓ２が形成されている場合を示したが、中空容器５０とプレート重合体５２との間の空間ｓ１、ｓ２が狭くなるようにしてもよい。この場合、図７（断面図）に示すように、プレート重合体５２を構成するプレート５４の形状は、中空容器５０の軸方向視において、中空容器５０の軸心Ｓを通る水平線Ｈに対して上下方向に非対称に形成されている。即ち、中空容器５０の軸心Ｏよりも下側のプレート５４ａは、中空容器５０の軸心Ｏよりも下方の位置Ｓを中心とした曲率半径を有して中空容器５０の内壁面５０ｂに近接して沿って半円形状に形成される。また、中空容器５０の軸心Ｏよりも上側のプレート５０ｂは、中空容器５０の軸心０を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状（半楕円形状）に形成されている。プレート重合体５２の上方の空間部５０ｃには、ＮＨ_３導入管６０及び中空ハウジング６８が配設されている。これらについては、前述したので、その説明は省略する。

このように、プレート５４の外周と中空容器５０の内壁面５０ｂとの隙間ｓ１、ｓ２を小さくすることで、中空容器５０を小型化することができる。従って、プレート５４の外周と中空容器５０の内壁面５０ｂとの隙間に詰め物をする必要性が無くなるとともに、中空容器５０の小型化と相まって、ＣＯ_２液化器２４（冷媒熱交換器）の製造コストを低減することができる。

本発明によれば、圧縮機への液バックを確実に防止すると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減し、かつ冷媒量を低減可能な冷媒熱交換器を実現できる。

１０ 空調設備
１２ 一次冷媒回路
１４ 二次冷媒回路
１６ 圧縮機
１８ 蒸発式凝縮器
２０ ＮＨ_３レシーバ
２２ 膨張弁
２４ ＣＯ_２液化器（冷媒熱交換器）
２６ａ、２６ｂ バイパス路
２８ａ、２８ｂ 切換弁
３０ ＣＯ_２レシーバ
３４ サーバ室
３６ 冷却器
３８ 送風機
４０ サーバラック
４２ ＣＯ_２循環路
５０ 中空容器
５０ａ 上壁
５０ｂ 内壁面
５０ｃ 空間部
５２ プレート重合体
５４ プレート
５４ａ プレートの下側
５４ｂ プレートの上部
５６ ＮＨ_３導入口
５８ ＮＨ_３導入管（第１の導入口）
６０ ＮＨ_３散布管
６０ａ 散布孔
６４ ＮＨ_３導出口（第１の導出口）
６６ ＮＨ_３導出管（冷媒ガス導出管）
６８ 中空ハウジング
６８ａ 長辺
６８ｂ 短辺
６８ｃ ＮＨ_３導入孔（冷媒ガス導入孔）
７０ ＣＯ_２導入口（第２の導入口）
７２ ＣＯ_２導入管
７４ ＣＯ_２流路（冷媒導入路）
７６ ＣＯ_２導出口（第２の導出口）
７８ ＣＯ_２導出管
８０ ＣＯ_２流路（冷媒導出路）
８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ ステー
８６ 充填材
ａ 外気
ｃｆ コールド流
ｃｗ 冷気通路
ｈｆ ホット流
ｓ１、ｓ２ 空間

前記目的を達成するため、本発明の冷媒熱交換器は、第１の冷媒が導入される第１の導入口、内部で気化した第１の冷媒が導出される第１の導出口、第２の冷媒が導入される第２の導入口、及び第２の冷媒が導出される第２の導出口、が形成された筒状の中空容器と、
該中空容器の内部に配置され、表裏面に第１の冷媒及び第２の冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ねられたプレート重合体と、
前記プレート重合体の上方空間に前記中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び前記第１の導出口に接続された冷媒ガス導出管を有する中空ハウジングと、
前記第２の導入口と前記第２の冷媒の熱交換流路とを結ぶ冷媒導入路、及び前記第２の冷媒の熱交換流路と前記第２の導出口とを結ぶ冷媒導出路とを備え、
前記中空ハウジングの前記上面壁は、前記上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の前記中空容器の軸方向に延設され、
前記冷媒ガス導入孔は、前記上面壁に筒状の前記中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている冷媒熱交換器であって、
前記プレート重合体を構成するプレートの形状が、中空容器の軸心（Ｏ）よりも下側のプレートは、中空容器の軸心（Ｏ）よりも下方の位置（Ｓ）を中心とした曲率半径を有して中空容器の内壁面に近接して沿って半円形状に形成されるとともに、中空容器の軸心（Ｏ）よりも上側のプレートは、中空容器の軸心（０）を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有した半楕円形状に形成したことを特徴とする。

かかる発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間ｓ１、ｓ２が狭くする事が出来。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面ｂとの隙間ｓ１、ｓ２を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。

本発明の冷媒熱交換器は、もともと熱交換効率が良いシェルアンドプレート式熱交換器であり、熱交換効率が良い分だけ使用する冷媒量を低減できる利点がある。また、前記構成において、プレート重合体に形成された熱交換流路で第２の冷媒と熱交換して気化した第１の冷媒ガスは、上昇して中空ハウジングの下方から中空ハウジングを迂回し、中空容器の上部隔壁面に対向配置された冷媒ガス導入孔から中空ハウジングに流入する。第１の冷媒ガスはかかる長い迂回流路を通る間に、重力により第１の冷媒ガスに含まれる液滴を分離されるので、液滴分離効果を向上でき、圧縮機への液バックを防止できる。また、中空ハウジングの上面壁は、上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている。このため、プレート重合体と上面壁との距離を長くすることができる。従って、熱交換して気化した第１の冷媒ガスが上面壁に至るまでの流路が長くなり、この流路を通る間に、重力により第１の冷媒ガスに含まれる液滴を分離させることができる。よって、液滴分離効果がより向上し、圧縮機への液バックを確実に防止可能な冷媒熱交換器を実現できる。また、液滴分離にあたりデミスタを用いていないので、製造コストを低減できる。

本発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間ｓ１、ｓ２が狭くする事ができる。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面ｂとの隙間ｓ１、ｓ２を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る空調設備の全体構成図である。 前記空調設備に組み込まれたＣＯ_２液化器の正面視断面図である。 前記ＣＯ_２液化器の左側面図である。 前記ＣＯ_２液化器のＡ―Ａ線に沿う右側面視断面図である。 図２に示すＣＯ_２液化器の一部拡大断面図である。 前記ＣＯ_２液化器に設けられた中空ハウジングの上面図である。 本発明の実施形態に係る前記ＣＯ_２液化器のＡ―Ａ線に沿う右側面視断面図である。

図６は本発明の参考例に係る中空ハウジング６８の上面図である。図６に示すように、中空ハウジング６８の上面には、長手方向に軸対称に２列に配置された多数のＮＨ_３ガス導入孔６８ｃが形成されている。

また、前述した本発明の参考例では、中空容器５０とプレート重合体５２との間に空間ｓ１、ｓ２が形成されている場合を示したが、図８に示す実施例では中空容器５０とプレート重合体５２との間の空間ｓ１、ｓ２が狭くなるようにしている。この場合、図７（断面図）に示すように、プレート重合体５２を構成するプレート５４の形状は、中空容器５０の軸方向視において、中空容器５０の軸心Ｓを通る水平線Ｈに対して上下方向に非対称に形成されている。即ち、中空容器５０の軸心Ｏよりも下側のプレート５４ａは、中空容器５０の軸心Ｏよりも下方の位置Ｓを中心とした曲率半径を有して中空容器５０の内壁面５０ｂに近接して沿って半円形状に形成される。また、中空容器５０の軸心Ｏよりも上側のプレート５０ｂは、中空容器５０の軸心０を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状（半楕円形状）に形成されている。プレート重合体５２の上方の空間部５０ｃには、ＮＨ_３導入管６０及び中空ハウジング６８が配設されている。これらについては、前述したので、その説明は省略する。

本発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間ｓ１、ｓ２が狭くする事ができる。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面ｂとの隙間ｓ１、ｓ２を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。

Claims (8)

1. 第１の冷媒が導入される第１の導入口、内部で気化した第１の冷媒が導出される第１の導出口、第２の冷媒が導入される第２の導入口、及び第２の冷媒が導出される第２の導出口、が形成された筒状の中空容器と、
   該中空容器の内部に配置され、表裏面に第１の冷媒及び第２の冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ねられたプレート重合体と、
   前記プレート重合体の上方空間に前記中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び前記第１の導出口に接続された冷媒ガス導出管を有する中空ハウジングと、
   前記第２の導入口と前記第２の冷媒の熱交換流路とを結ぶ冷媒導入路、及び前記第２の冷媒の熱交換流路と前記第２の導出口とを結ぶ冷媒導出路とを備え、
   前記中空ハウジングの前記上面壁は、前記上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の前記中空容器の軸方向に延設され、
   前記冷媒ガス導入孔は、前記上面壁に筒状の前記中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている
   ことを特徴とする冷媒熱交換器。
2. 前記中空容器の上部隔壁に対向配置されたまま前記筒状の中空容器に軸方向に延設された前記中空ハウジングと、
   前記第１の導入口に接続されると共に、前記中空ハウジングの下面に前記中空ハウジングの長手方向に設けられ、前記第１の冷媒を前記プレート重合体に散布する散布孔を有する冷媒散布管とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒熱交換器。
3. 前記中空容器の側方隔壁と前記プレート重合体との間に形成された空間を上下に仕切ると共に、前記中空容器に対して前記プレート重合体を固定する２列のステーと、
   前記２列のステーで区画され前記第１の冷媒液で満たされる空間に充填された充填材とをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒熱交換器。
4. 前記中空ハウジングの横断面は、横方向の長辺と上下方向の短辺とで構成された矩形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷媒熱交換器。
5. 前記散布孔は前記の冷媒散布管の軸方向に配列された多数の散布孔で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒熱交換器。
6. 前記冷媒ガス導入孔は、前記中空ハウジングの上面壁に該中空ハウジングの軸方向に軸対称に２列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒熱交換器。
7. 前記中空ハウジング及び前記冷媒散布管は一体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒熱交換器。
8. 前記プレート重合体を構成する前記プレートの形状は、前記中空容器の軸方向視において、該中空容器の軸心を通る水平線に対して上下方向に非対称に形成され、
   前記中空容器の軸心よりも下側のプレートは、該中空容器の内壁面に近接して沿って円形状に形成され、
   前記中空容器の軸心よりも上側のプレートは、偏平状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の冷媒熱交換器。

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