JP5989932B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本願は、水で気化冷却する冷却装置に関するものである。

例えば特許文献１に開示されているように、水の蒸発潜熱によって対象物を気化冷却する冷却装置が知られている。この冷却装置は、熱交換容器内へ冷却水を供給すると共に、吸引作用により熱交換容器内を所定の減圧状態（例えば、大気圧以下の真空状態）にするポンプ機構（吸引手段）を備えている。この冷却装置では、熱交換容器内に供給された冷却水が蒸発し、熱交換容器内の熱交換面が冷却（気化冷却）される。こうして、上記の冷却装置では熱交換面を所定温度に維持するようにしている。

特許第５３８４２３６号公報

ところで、上述したような冷却装置では、一般に、熱交換容器内の熱交換面の温度を測定（検出）し、その測定温度（検出温度）が所定値になるように冷却水の供給温度が制御される。ところが、この温度制御方法では、熱交換面の測定温度がばらつく虞があり、そのため、制御性が悪いという問題があった。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度制御性を向上し得る冷却装置を提供することにある。

本願に開示の技術は、１つの水のタンクと、吸引口が排出管のみによって熱交換容器に接続されるエゼクタと、上記タンクの水が上記エゼクタとの間で循環する循環配管とを有し、上記タンクの水をその水温のまま上記熱交換容器に供給するポンプ機構を備え、該ポンプ機構から上記熱交換容器に供給された水の蒸発によって上記熱交換容器内の熱交換面を冷却する冷却装置を前提としている。そして、本願の冷却装置は、上記タンクの水の温度が上記熱交換面の目標温度と同じ温度になるように、上記タンクの水の温度を制御する制御部を備えているものである。

以上のように、本願の冷却装置によれば、タンクの水がエゼクタとの間で循環することにより、エゼクタの吸引口はタンクの水温に相当する飽和圧力（温度相当飽和圧力）となる。そうすると、エゼクタの吸引口に接続されている熱交換容器の内部圧力も、タンクの水温に相当する飽和圧力となる。そして、タンクの水が熱交換容器に供給されて蒸発気化することで、熱交換容器の内部温度はタンクの水温と同じ温度となる。ここで、本願の冷却装置では、タンクの水温が熱交換面の目標温度と同じ温度になるようにタンクの水温を制御するようにした。そのため、熱交換容器の内部圧力を熱交換面の目標温度に相当する飽和圧力にすることができる。これにより、熱交換容器の内部温度を熱交換面の目標温度と同じ温度に維持することができ、熱交換面の温度をその目標温度に冷却維持することができる。このように、熱交換面の温度よりもばらつきの虞が少ないタンクの水温について温度制御するようにしたので、温度制御性を向上させることができる。

図１は、実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す配管系統図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施形態の冷却装置１は、熱交換容器２０内に冷却源である水（冷却水）を供給して蒸発させて、熱交換容器２０の熱交換面２２を目標温度（設定温度）に冷却する気化冷却装置である。

冷却装置１は、水や蒸気の流体回路１０を備えている。流体回路１０は、供給菅１１と、排出管１２と、熱交換容器２０と、真空発生ユニット３０と、制御部４０とを備えている。

熱交換容器２０は、例えば円筒状に形成されており、上端に設けられた平板の下面が熱交換面２２となっている。供給菅１１は、一端（流出端）が熱交換容器２０の下面に接続され、他端（流入端）が真空発生ユニット３０に接続されている。供給菅１１は、真空発生ユニット３０から水（冷却水）が熱交換容器２０に供給される。なお、図示しないが、供給菅１１の一端には熱交換容器２０の容器内部２１に水を噴霧するためのスプレーノズルが設けられている。熱交換容器２０では、供給菅１１から容器内部２１に供給された水が熱交換面２２と熱交換して蒸発（気化）し、熱交換面２２が冷却される。つまり、熱交換容器２０の熱交換面２２は水に熱（水の蒸発潜熱）を奪われることにより冷却（気化冷却）される。

排出管１２は、一端（流入端）が熱交換容器２０の上部に接続され、他端（流出端）が真空発生ユニット３０に接続されている。排出管１２は、容器内部２１で水が蒸発して発生した蒸気（容器内部２１で蒸発しきれなかった水を含む。以下同様）が排出される。

真空発生ユニット３０は、タンク３１と、循環配管３２と、ポンプ３３と、エゼクタ３４とを備えており、本願の請求項に係るポンプ機構を構成している。タンク３１は、熱交換容器２０に供給するための水（冷却水）とエゼクタ３４を駆動させるための水が貯留されるものであり、開放タンクを構成している。循環配管３２は、タンク３１に接続されている。つまり、循環配管３２は、一端（流入端）がタンク３１の下部に接続され、他端（流出端）がタンク３１の上部に接続されている。循環配管３２には、上流側（流入端側）から順に、ポンプ３３およびエゼクタ３４が設けられている。真空発生ユニット３０では、排出管１２がエゼクタ３４の吸引口に接続され、供給菅１１が循環配管３２におけるポンプ３３の流出口とエゼクタ３４の流入口との間に接続されている。つまり、エゼクタ３４の吸引口は排出管１２を介して熱交換容器２０に接続されている。

真空発生ユニット３０では、ポンプ３３によってタンク３１の水が循環配管３２を通って循環する。つまり、循環配管３２はタンク３１の水がエゼクタ３４との間で循環するものである。真空発生ユニット３０は、ポンプ３３によってタンク３１の水が、エゼクタ３４の流入口に供給され、エゼクタ３４の流出口から排出されることにより、エゼクタ３４の吸引口において吸引作用が生じるように構成されている。つまり、タンク３１の水がエゼクタ３４との間で循環することによってエゼクタ３４が駆動される。このエゼクタ３４の吸引作用によって、容器内部２１の蒸気が排出管１２に排出される。つまり、エゼクタ３４は、排出管１２を介して容器内部２１の蒸気（蒸発しきれなかった水を含む。以下同様）を吸引する。また、真空発生ユニット３０では、循環配管３２を流れる水の一部が供給菅１１を介して熱交換容器２０に供給される。このように、真空発生ユニット３０は、タンク３１の水を熱交換容器２０の容器内部２１に供給すると共に、容器内部２１で水が蒸発して発生した蒸気を吸引するように構成されている。

タンク３１には、水（冷却水）の補給管１３が接続されている。補給管１３には、タンク３１への供給水量を調節可能な補給弁１４（流量調整弁）が設けられている。タンク３１には、補給管１３を通じて所定温度（例えば、常温）の水が供給される。また、タンク３１には、貯留されている水の温度を検出（測定）する温度センサ３５が設けられている。

上記のように構成された冷却装置１では、タンク３１の水（冷却水）を熱交換容器２０に供給して熱交換面２２を目標温度に冷却する冷却動作が行われる。具体的に、この冷却動作では、ポンプ３３が駆動されると、タンク３１の水がポンプ３３によってエゼクタ３４に供給されると共に供給菅１１を通じて熱交換容器２０の容器内部２１に供給される。容器内部２１はエゼクタ３４の吸引作用によって所定の真空減圧状態（例えば、大気圧以下の真空状態）になり、その容器内部２１に供給された水は蒸発し、熱交換面２２が目標温度に冷却（気化冷却）される。容器内部２１で水が蒸発して発生した蒸気は、排出管１２を通じてエゼクタ３４に吸引されてタンク３１に貯留される。

そして、本実施形態の制御部４０は、上記の冷却動作において、温度センサ３５の検出温度（以下、タンク３１の水温とも言う。）がその目標温度（例えば、９０℃）となるように、真空発生ユニット３０を制御する。具体的に、制御部４０は補給弁１４の開度を制御するように構成されている。タンク３１の水温の目標温度は、熱交換面２２の目標温度（９０℃）と同じ値に設定される。

ここで、流体回路１０内の圧力状態について説明する。タンク３１の内部圧力（以下、タンク内部圧力とも言う。）は大気圧であり、循環配管３２におけるポンプ３３の吐出口とエゼクタ３４の流入口との間および供給菅１１は正圧である。エゼクタ３４の吸引口の圧力（以下、吸引口圧力とも言う。）と、排出管１２の圧力と、容器内部２１の圧力（以下、容器内部圧力とも言う。）は、同じ真空減圧状態である。具体的に、エゼクタ３４では吸引口圧力が流入口に流入する水の温度（即ち、タンク３１の水温）に相当する飽和圧力（温度相当飽和圧力）となる。そのため、容器内部圧力もタンク３１の水温に相当する飽和圧力となる。

本実施形態では、冷却動作時、制御部４０によってタンク３１の水温が熱交換面２２の目標温度と同じ目標温度に制御されることにより、エゼクタ３４の吸引口圧力がその目標温度に相当する飽和圧力（温度相当飽和圧力）になる。タンク３１の水温は補給管１３から供給される水量に応じて変化する。例えば、補給弁１４の開度が大開度に設定されると、補給管１３からタンク３１への供給水量が多くなり、タンク３１の水温は低下する。また、補給弁１４の開度が小開度に設定されると、補給管１３からタンク３１への供給水量が少なくなり、タンク３１の水温は上昇する。

こうして、エゼクタ３４の吸引口圧力が目標温度に相当する飽和圧力になると、容器内部圧力もエゼクタ３４の吸引口圧力と同じ飽和圧力となる。つまり、容器内部圧力は、熱交換面２２の目標温度に相当する飽和圧力（温度相当飽和圧力）になる。一方、容器内部２１には、タンク３１の水温の目標温度（即ち、熱交換面２２の目標温度）の水がタンク３１から供給菅１１を介して供給される。容器内部２１では、タンク３１から供給された水が蒸発して熱交換面２２の目標温度と同じ温度の蒸気となる。これにより、容器内部２１の温度（以下、容器内部温度とも言う。）は熱交換面２２の目標温度と同じ温度に維持される。その結果、熱交換面２２の温度はその目標温度に冷却維持されることになる。

以上のように、上記実施形態によれば、熱交換面２２の温度の代わりにタンク３１の水温を検出（測定）し、その検出温度（測定温度）が熱交換面２２の目標温度と同じ温度になるようにした。これにより、熱交換面２２を目標温度に冷却することができる。タンク３１の水温は熱交換面２２の温度に比してばらつきの虞が少ないため、タンク３１の水温についての制御性が容易であり、その結果、熱交換面２２についての温度制御性が向上する。

本願に開示の技術は、水の蒸発によって対象物を気化冷却する冷却装置について有用である。

１ 冷却装置
１３ 補給管
１４ 補給弁（流量調整弁）
２０ 熱交換容器
２２ 熱交換面
３０ 真空発生ユニット（ポンプ機構）
３１ タンク
３２ 循環配管
３４ エゼクタ
４０ 制御部

Claims (2)

1. 水のタンクと、吸引口が排出管によって熱交換容器に接続されるエゼクタと、上記タンクの水が上記エゼクタとの間で循環する循環配管とを有し、上記タンクの水を上記熱交換容器に供給するポンプ機構を備え、該ポンプ機構から上記熱交換容器に供給された上記タンクの水の蒸発によって上記熱交換容器内の熱交換面を冷却する冷却装置であって、
   上記タンクの水の温度が上記熱交換面の目標温度と同じ温度になるように、上記タンクの水の温度を制御することにより、上記エゼクタの吸引口圧力を上記目標温度に相当する飽和圧力にし、これによって、上記熱交換容器の内部圧力を上記目標温度に相当する飽和圧力にする制御部を備えている
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   上記タンクに接続され、該タンクに上記水が供給される補給管と、
   上記補給管に設けられる流量調整弁とを備え、
   上記制御部は、上記タンクの水の温度が上記熱交換面の目標温度と同じ温度になるように、上記流量調整弁を制御するように構成されている
   ことを特徴とする冷却装置。
   

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