JP3229824U - 熱交換器およびその熱交換器を備えた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力が高く、均一に冷却できる熱交換器およびその熱交換器を備えた冷却装置を提供する。【解決手段】熱交換器は、上部１２と、上部に対して間隔をあけて対向する下部１４と、上部と下部をつなげる側部１６と、上部と下部の間の空間を第１空間２４と第２空間２６に分割する隔壁１８と、第１空間に冷媒を入れるための入口２０と、第２空間から冷媒を出すための出口と、上部と下部の間において、第１空間から第２空間に冷媒を流すための第３空間３２とを備える。冷媒が流れる経路が長く、第２空間で気化されやすく、第２空間全体で冷媒は気液二相の飽和状態になり、潜熱により吸熱するため、被冷却物を均一に冷却できる。【選択図】図２

Description

本考案は、熱交換器およびその熱交換器を備えた冷却装置に関するものである。

従来、下記特許文献１などの種々の冷却装置が開発および開示されている。冷却装置は被冷却物に取り付けられた熱交換器で液体の冷媒が気化し、その相変化したときの潜熱によって冷却対象を冷却する。

特開２０１５−０５０２３２

過冷却の液相冷媒が被冷却物に取り付けられた熱交換器に供給されると、冷媒に熱が加わり冷媒は気液二相の飽和状態になる。この飽和状態になるまでは冷媒の温度変化による顕熱によって被冷却物の熱を吸熱することになる。顕熱による吸熱は潜熱による吸熱よりも単位流量あたりの吸熱量が小さいため、被冷却物に対する冷却能力が小さくなる。過冷却の液相冷媒が熱交換器に供給されても、熱交換器で冷媒が相変化し、潜熱により被冷却物から吸熱することが好ましい。冷媒が相変化する場合でも、冷媒が液体の部分と気液二相の部分で被冷却物からの吸熱量が異なる。そのため、被冷却物が均一に冷却されないことになる。

そこで本考案の目的は、冷却能力が高く、被冷却物を均一に冷却できる熱交換器およびその熱交換器を備えた冷却装置を提供することにある。

以上の課題を解決すべく、本考案に係る熱交換器は、以下に述べるような構成を有する。

本考案の熱交換器は、上部と、前記上部に対して間隔をあけて対向する下部と、前記上部と下部をつなげる側部と、前記上部と下部の間の空間を第１空間と第２空間に分割する隔壁と、前記第１空間に冷媒を入れるための入口と、前記第２空間から冷媒を出すための出口と、前記上部と下部の間において、第１空間から第２空間に冷媒を流すための第３空間とを備える。

本考案によれば、冷媒は第１空間、第３空間および第２空間の順番に流れる。冷媒が流れる経路が長く、過冷却の液相冷媒であっても第２空間で気化されやすくなっている。第２空間全体で冷媒は気液二相の飽和状態になっており、下部全体で冷媒の温度は変わらないまま潜熱により被冷却物から吸熱するため、被冷却物を均一に冷却できる。

本考案の熱交換器を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 フィンの構成を示す斜視図である。 冷却装置の構成を示す図である。 上部に入口、下部に出口を設けた熱交換器を示す斜視図である。

本考案の熱交換器および冷却装置について図面を参照して説明する。実施形態が異なっていても同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

[実施形態１]
図１、図２、図３に示す熱交換器１０は、上部１２、下部１４、側部１６、隔壁１８、入口２０および出口２２を備える。熱交換器１０は冷媒を気化させる装置（蒸発器）である。上部１２、下部１４、側部１６および隔壁１８は冷媒に腐食されない材料で構成され、たとえばアルミニウムまたは銅などで構成される。

上部１２および下部１４は平板状である。上部１２および下部１４は四角形になっている。上部１２と下部１４は互いに対向するように配置されている。側部１６は長板状になっている。側部１６は上部１２と下部１４の周縁同士をつなげている。上部１２、下部１４および側部１６によって内部に空間を備えた箱体が形成されている。なお、上部１２および下部１４の形状は四角形に限定されない。上部１２と下部１４が対向し、それらの周縁が側部１６でつなげられれば、上部１２と下部１４の形状は他の形状であってもよい。

熱交換器１０は吸熱部になっており、その中でも下部１４が吸熱面になっている。被冷却物に下部１４が取り付けられる。被冷却物の熱が熱交換器１０の下部１４で吸熱される。

隔壁１８は平板状である。隔壁１８は上部１２と下部１４の間に配置されている。隔壁１８は上部１２および下部１４と平行になっている。隔壁１８が上部１２と下部１４の間の空間を分割している。上部１２と隔壁１８の間の空間を第１空間２４、下部１４と隔壁１８の間の空間を第２空間２６とする。

一の側部１６に２つの開口が形成されており、それらの開口は冷媒の入口２０と出口２２である。入口２０と出口２２に配管２８、３０が取り付けられる。入口２０は第１空間２４に冷媒を入れるための開口である。出口２２は第２空間２６から冷媒を出すための開口である。

上部１２と下部１４の間に隔壁１８が配置されていない箇所を設け、その箇所を第３空間３２とする。第３空間３２は第１空間２４における入口２０の反対側と第２空間２６における出口２２の反対側をつなげる空間である。第１空間２４の冷媒は第３空間３２を通って第２空間２６に流れる。したがって、冷媒は入口２０、第１空間２４、第３空間３２、第２空間２６および出口２２の順番で流れる。冷媒は第１空間２４の全体を通った後に第３空間３２に流れ、第２空間２６の全体を通って出口２２に到達するため、冷媒の経路が最も長くなっている。なお、隔壁１８における入口２０と出口２２の反対側の部分に開口を設け、その開口を第３空間３２にしてもよい。

被冷却物の熱が下部１４を介して冷媒に伝熱され、第２空間２６を流れる液相冷媒が気化する。第２空間２６の全体で冷媒が気化することで、下部全体で冷媒の温度は変わらないまま潜熱により被冷却物から吸熱するため、下部１４の全体が均一に冷却される。さらに、冷媒が気化するときに利用できなかった熱は隔壁１８を介して第１空間２４を流れる冷媒に伝わる。この熱により第１空間２４に過冷却の液相冷媒が供給されても、冷媒は第２空間２６を流れる前に気液二相の飽和状態になる。

第１空間２４と第２空間２６にフィン３４を備えてもよい（図４）。フィン３４はアルミニウムまたは銅などの冷媒に腐食されない材料で構成される。フィン３４は、複数の帯状体３６を溶接等で固定したものである。１つの帯状体３６は折り曲げ加工されて凸部３８と凹部４０が形成されている。凸部３８および凹部４０は第１空間２４と第２空間２６を形成する上部１２、下部１４および隔壁１８に接するように配置される。隣り合う帯状体３６は凸部３８と凹部４０が完全に重ならないようにずらして固定されている。フィン３４に対して冷媒の接する面積が広がる。冷媒は凸部３８と凹部４０で形成された空間４２を流れていく。

本願の冷却装置５０は、上記熱交換器１０、タンク５２、ポンプ５４および凝縮器５６を備える（図５）。

タンク５２は冷媒を溜める。溜められる冷媒は液体になっている。ポンプ５４は液体の冷媒をタンク５２から熱交換器１０に向けて送り、冷媒を循環させる。ポンプ５４はダイアフラム式ポンプ、ソレノイド式ポンプまたは翼車式ポンプなどである。

凝縮器５６は熱交換器１０で気体になった冷媒を液化する装置である。凝縮器５６は冷媒を液化できるのであればその構成は限定されない。たとえば、凝縮器５６は配管およびフィンを備え、フィンで冷媒の熱を放熱することで冷媒を液化する。熱交換器１０が吸熱部になっているのに対して、凝縮器５６は排熱部になっている。

凝縮器５６の出口と熱交換器１０の入口２０が第１配管２８でつなげられ、熱交換器１０の出口２２と凝縮器５６の入口が第２配管３０でつなげられている。第１配管２８の途中にタンク５２とポンプ５４が備えられる。第１配管２８と第２配管３０を冷媒が流れる。必要に応じて第１配管２８と第２配管３０にバルブが備えられてもよい。この第１配管２８のバルブは冷媒を膨張させる膨張弁を含む。熱交換器１０の入口に液相冷媒を気液二相状態にするためのヒーターが備えられてもよい。

冷却装置５０を使用した冷却方法について説明する。本説明において熱交換器１０に入れられる冷媒は過冷却になっているとする。（１）タンク５２に溜められた冷媒がポンプ５４によって熱交換器１０に送られる。

（２）冷媒が熱交換器１０の入口２０から第１空間２４に流れる。第１空間２４に入れられた時の冷媒は過冷却の液相になっている。冷媒が第１空間２４を流れる間に、冷媒の温度が上昇し、冷媒は気液二相の飽和状態になる。

（３）冷媒は第１空間２４から第３空間３２を通って第２空間２６に流れる。冷媒が第２空間２６を流れる間に、第２空間２６で一部冷媒が気化する。冷媒が気化するときにフィン３４および下部１４などから熱を吸収する。被冷却物から熱を吸収し、被冷却物を冷却することができる。

（４）気液二相の冷媒は第２空間２６から出口２２を通って出される。冷媒は第２配管３０を通って凝縮器５６に送られる。

（５）気液二相の冷媒は凝縮器５６で液相になり、タンク５２に送られて溜められる。再びタンク５２の冷媒はポンプ５４によって熱交換器１０に送られる。

本願は熱交換器１０に第１空間２４と第２空間２６を備えることで、熱交換器１０の内部空間の長さが長くなり、第２空間２６に確実に気液二相の飽和状態の冷媒が供給されるようになっている。第２空間２６を形成するための下部１４に被冷却物を取り付けたりすることで、被冷却物の冷却効果を高めることができる。第２空間２６全体で冷媒が気化されるため、下部１４の全面で均一に吸熱することが可能になる。被冷却物を均一に冷却することができる。なお、上記説明は冷媒が過冷却になっていることを前提に説明したが、冷媒が通常温度であれば当然に第２空間２６に気液二相の冷媒を供給することができる。

[実施形態２]
図６の熱交換器６０のように、入口２０が上部１２、出口２２が下部１４に形成されていてもよい。その他、冷媒が第１空間２４、第３空間３２および第２空間２６の順番で通過できるのであれば、入口２０と出口２２の位置および形状は限定されない。

[実施形態３]
図２と図３に示す第１空間２４と第２空間２６の容量は同一になっているが、それらの容量は異なっていてもよい。供給される過冷却の液相冷媒が気液二相の飽和状態になるように第１空間２４の容量を設計し、熱交換器１０での冷媒の圧力損失が大きくならないように第２空間２６の容量を設計する。

[実施形態４]
冷媒が熱交換できる面積が増えればフィン３４の形状は限定されない。たとえば、上部１２、下部１４、側部１６および隔壁１８に直接凹凸を形成してもよい。第１空間２４および第２空間２６にフィン３４を配置する以外に、上部１２、下部１４および側部１６の外面に凹凸を配置してもよい。フィン３４がなくても冷媒の熱交換が十分可能であれば、フィン３４を設けない構成であってもよい。

[実施形態５]
冷却装置５０は、凝縮器１２に熱交換器１０を使用してもよい。第１空間２４に気液二相状態の冷媒が入れられ、第２空間２６で液体に凝縮される。

（第１項）一態様に係る熱交換器は、上部と、前記上部に対して間隔をあけて対向する下部と、前記上部と下部をつなげる側部と、前記上部と下部の間の空間を第１空間と第２空間に分割する隔壁と、前記第１空間に冷媒を入れるための入口と、前記第２空間から冷媒を出すための出口と、前記上部と下部の間において、第１空間から第２空間に冷媒を流すための第３空間とを備える。

第１項に記載の熱交換器によれば、冷媒は第１空間、第３空間および第２空間を通過するため、冷媒の経路が長くなっている。第１空間で冷媒が気液二相の飽和状態になり、第２空間で冷媒が気化していく。下部で均一に被冷却物を冷却できる。

（第２項）前記第１空間、第２空間またはその両方にフィンを配置した。

第２項に記載の熱交換器によれば、フィンによって冷媒の熱交換の効率を高めている。

（第３項）前記第３空間は、前記第１空間における入口の反対側と第２空間における出口の反対側をつなげる。

第３項に記載の熱交換器によれば、第１空間、第３空間および第２空間が最も長い冷媒の経路を形成しており、第２空間に確実に気液二相状態の冷媒が供給されるようになっている。

（第４項）一態様に係る冷却装置は、前記熱交換器と、液体の冷媒を溜めるタンクと、前記冷媒を熱交換器に供給するためのポンプと、前記熱交換器で気化された気体の冷媒を液化する凝縮器とを備える。

第４項に記載の冷却装置によれば、上記した熱交換器を用いることで、冷却能力が高くなっている。

その他、本考案は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：熱交換器
１２：上部
１４：下部
１６：側部
１８：隔壁
２０：入口
２２：出口
２４：第１空間
２６：第２空間
２８、３０：配管
３２：第３空間
３４：フィン
３６：帯状体
３８：凸部
４０：凹部
５０：冷却装置
５２：タンク
５４：ポンプ
５６：凝縮器

Claims (4)

1. 上部と、
   前記上部に対して間隔をあけて対向する下部と、
   前記上部と下部をつなげる側部と、
   前記上部と下部の間の空間を第１空間と第２空間に分割する隔壁と、
   前記第１空間に冷媒を入れるための入口と、
   前記第２空間から冷媒を出すための出口と、
   前記上部と下部の間において、第１空間から第２空間に冷媒を流すための第３空間と、
   を備えた熱交換器。
2. 前記第１空間、第２空間またはその両方にフィンを配置した請求項１の熱交換器。
3. 前記第３空間は、前記第１空間における入口の反対側と第２空間における出口の反対側をつなげる請求項１または２の熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれかの熱交換器と、
   液体の冷媒を溜めるタンクと、
   前記冷媒を熱交換器に供給するためのポンプと、
   前記熱交換器で気化された気体の冷媒を液化する凝縮器と、
   を備えた冷却装置。

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