JP3906830B2 - 自然循環型冷却装置及び自然循環型冷却装置を用いた熱交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、使用環境が臨界点付近になりうる冷媒を用い、冷媒の密度変化を利用して自然に冷媒を循環させ、冷熱又は温熱を輸送する熱輸送装置に関するものである。

近年、移動体通信の中継電子機器を納めた通信基地局に代表されるような電子機器の発熱を除去する分野が急速に広がっており、これらの場所では年間を通しての冷却運転が必要となる。このような用途では、冬季、夜間のように外気温度が低い場合には、換気によって冷房することも可能であるが、霧、雨、雪、塵埃の侵入を防ぐ装置が必要となり、しかも外気温度の変動によって室内温度も変動するため安定した冷却が行えない。この様な場合、室内温度と外気温度との温度差を利用し、室内から室外へ冷媒により熱を運ぶ自然循環を利用した熱輸送装置を用いることができる。この自然循環型の熱輸送装置は圧縮機を使用しないため、通常の蒸気圧縮式の冷却装置よりも年間消費電力を大幅に低減することができる。

また、近年、地球環境保全の観点から自然冷媒を用いる傾向にあり、特に可燃性の低い二酸化炭素（ＣＯ₂）を用いることが検討されている。この二酸化炭素は、臨界点である圧力７．３ＭＰａ、温度３１℃以上になる環境下では、液体とも気体とも異なる超臨界状態となる。

超臨界状態の二酸化炭素を冷媒として用いた従来の熱輸送装置がある。一般に水などの作動液を封入したヒートパイプでは作動液を循環させる場合に相変化のための潜熱分や作動液の粘性に対抗する大きなエネルギーが必要となる。超臨界状態の二酸化炭素は、密度や熱伝導度が液体と同じような物性値を示す一方、粘度が気体の物性値に近い値を有する。このため、ヒートパイプの内部空間に超臨界状態である二酸化炭素を封入すれば、水などの作動液を封入したヒートパイプに比べ、少ないエネルギーでヒートパイプ内を循環させることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、冷媒として二酸化炭素を用い、その封入量を運転時の性能と停止時の耐圧特性を考慮して決定しようとする熱輸送装置もあった（例えば、特許文献２参照）。一般に、二酸化炭素を封入したヒートパイプにおいて、停止状態で環境温度により冷媒温度が３１℃を越えた場合、ヒートパイプ内の二酸化炭素が超臨界状態となり、内圧は封入量が多いほど高くなる。このとき、内圧が例えばヒートパイプの端部封止強度等によって決まる耐圧特性よりも高くなると、ヒートパイプは破裂等を起こしてしまう。このため、冷媒の封入量を、熱搬送媒体の性能が極大となると共に、停止状態で冷媒温度が３１℃を越えた場合にも内圧がヒートパイプの耐圧以下となるように設定する。具体的には、銅製のパイプを環状に接続し、その肉厚を１．１ｍｍ、単位長さ当りの重さを２７４ｇ／ｍ、環境の最高温度を５５℃にしたときに、熱搬送媒体の圧力が１０ＭＰａより低い圧力となるように、熱搬送媒体の封入量を３００ｋｇ／ｍ³以下にしている。

特開２００１−９１１７０号公報（第１頁〜第３頁、図１） 特開２００１−９１１７３号公報（第１頁〜第３頁、図１、図２）

解決しようとする問題点は、使用環境温度によって冷媒温度が臨界温度以上になると、冷媒は超臨界状態となり、相変化による潜熱がなくなって、冷媒温度が臨界温度より低いときよりも熱伝達率が低下することである。これに対して従来の熱輸送装置では熱交換器の熱交換性能を向上する具体的な構成が全く考慮されていなかった。例えば、直交流で使用されるプレートフィンチューブ型の熱交換器を用い、二酸化炭素を冷媒とし、受熱側を負荷側として所定空間を冷却する場合、冷媒温度が３１℃よりも低い温度では気液共存状態（二相状態）となり、フロン系冷媒（例えば、Ｒ４１０ＡやＲ２２などの冷媒）とほぼ同等の冷却性能を示すが、３１℃以上の超臨界状態となる高温域では、潜熱が消失するためにフロン系冷媒に比べて冷却性能が大きく低下する。

本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、冷媒が超臨界状態となる温度域を含む動作温度で熱輸送を行なう際、臨界点以下の低温域においても、超臨界状態を示す高温域においても、高い冷却性能が得られる熱輸送装置を提供することを目的とする。

本発明の自然循環型冷却装置は、冷媒出口部が冷媒入口部より上方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である受熱側熱交換器と、前記受熱側熱交換器よりも上方に配置し、冷媒出口部が冷媒入口部より下方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である放熱側熱交換器と、前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器を環状に接続する配管と、前記配管内に封入され、所定の温度以上で超臨界状態となり、前記受熱側熱交換器及び前記放熱側熱交換器での温度変化による密度変化によって自然に前記配管内を循環する冷媒と、を備え、前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器の各々の列方向を略垂直に、段方向を略水平に配置して同一筐体内に内蔵するとともに、前記冷媒が超臨界状態となる温度域で前記受熱側熱交換器で熱交換を行う際、前記受熱側熱交換器内の冷媒と熱交換する被熱交換流体の流れ方向を前記受熱側熱交換器の列方向に沿って重力方向の上方から下方へとし、前記受熱側熱交換器における超臨界状態の冷媒が低温から高温に変化するのに対し、前記被熱交換流体を前記冷媒の高温側から低温側へ流して熱交換するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の自然循環型冷却装置は、受熱側熱交換器における冷媒の流れ方向とこの冷媒と熱交換する被熱交換流体の流れ方向とを対向流としたため、冷媒と被熱交換流体との温度差を熱交換器内で平均化でき、環境温度による冷媒温度が超臨界温度以上の高温域になっても熱交換性能の向上を図ることで、全体として熱輸送性能が低下するのを防止できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る熱輸送装置を示す構成図である。図１に示すように、放熱側熱交換器１と受熱側熱交換器２及びそれらを環状に接続する配管３、４から構成され、内部には冷媒として自然冷媒である二酸化炭素が封入されている。放熱側熱交換器１は受熱側熱交換器２よりも上方に配置されている。以下、この熱輸送装置を例えば冷却装置に適用した場合について説明する。冷却装置では、放熱側熱交換器１を熱源側熱交換器とし、受熱側熱交換器２を負荷側熱交換器として、冷却対象空間に配設する。また、環状に接続するための配管は、熱源側熱交換器１から負荷側熱交換器２への冷媒が通る配管を液管３、負荷側熱交換器２から熱源側熱交換器１への冷媒が通る配管をガス配管４と称する。冷媒として封入されている二酸化炭素は、臨界点（臨界温度：約３１℃、臨界圧力：７．３ＭＰａ）以上で超臨界状態となる。

図１に示す熱交換器１、２の内部では、圧力損失を低減するために冷媒が複数に分岐して流れるような冷媒流路が設けられており、微小高低差でも安定動作が可能である。即ち、熱源側熱交換器１の内部には、ガス配管４から分岐した複数の冷媒流路が設けられ、図１では例えば４本の流入管７及び流出管８が設けられている。また、負荷側熱交換器２も同様に、液配管３から分岐した複数の冷媒流路が設けられ、図１では例えば６本の流入管９及び流出管１０が設けられている。

また、負荷側熱交換器２の冷媒入口部と液配管３との接続部、及び熱源側熱交換器１の冷媒入口部とガス配管４との接続部には、それぞれ逆流防止手段としてＵ字型トラップ配管５及び逆Ｕ字型トラップ配管６が設けられ、冷媒の逆流が防止される。
Ｕ字型トラップ配管５は、その最低位置が負荷側熱交換器２の最低位置に対して、例えば２０ｍｍ以上低く構成される。また、逆Ｕ字型トラップ配管６は、その最高位置が熱源側熱交換器１の最高位置に対して、例えば２０ｍｍ以上高く構成される。

自然循環型の冷却装置では重力及び密度差を利用して冷媒を循環させるため、熱源側熱交換器１は負荷側熱交換器２よりも高所に設置する。熱源側熱交換器１下面と負荷側熱交換器２上面との高低差Ｈは、例えば数十ｃｍ以上になるように設置されている。

また、図１には図示しないが、熱源側熱交換器１には熱源側熱交換器用の送風機が、負荷側熱交換器２には負荷側熱交換器用の送風機が備えられており、熱源側熱交換器１の外表面へ室外空気が、負荷側熱交換器２の外表面へ室内空気が強制的に供給される。このとき、熱源側熱交換器１の外表面へ供給される室外空気の流れ方向は、室外空気入口部５１から室外空気出口部５２へ流れるように、図１では上から下へ向かう冷媒の流れと対向するように構成する。また、負荷側熱交換器２の外表面へ供給される室内空気の流れ方向も同様に、室内空気入口部５３から室内空気出口部５４へ流れるように、図１では下から上へ向かう冷媒の流れと対向するように構成する。

図２は本実施の形態に係る熱源側熱交換器１を示す斜視図である。ここでは熱交換器として例えばプレートフィンチューブ熱交換器を示す。熱源側熱交換器１は、プレートフィン３０と流入管７、流出管８などのチューブ（伝熱管）から構成されるプレートフィンチューブ熱交換器であり、列方向が略垂直に、段方向が略水平に配置されている。また、複数、例えば４本の流入管７が入口ヘッダー管１１に接続され、さらに複数、例えば４本の流出管８が出口ヘッダー管１２に接続される。入口ヘッダー管１１を出口ヘッダー管１２よりも上方になるように構成することで、流入管７と流出管８を両端とする複数の冷媒流路は、熱源側熱交換器１内を冷媒が重力方向に対して上方から下方に流れるように配置される。

また、入口ヘッダー管１１の上方には、冷媒の逆流、特に熱源側熱交換器１内の液冷媒が管端部２０に逆流するのを防止する逆流防止手段として、例えば逆Ｕ字型トラップ配管６が接続され、管端部２０でガス配管４に接続される。一方、出口ヘッダー管１２の下方には、冷媒流れ方向に下り勾配を備えた直管が接続され、管端部２１で液配管３に接続される。なお、流入管７や流出管８などの伝熱管は例えば６ｍｍ〜１３ｍｍ程度のものが、入口ヘッダー管１１、出口ヘッダー管１２、液配管３、ガス配管４は例えば７ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものが使用される。
また、負荷側熱交換器２も図２に示した熱源側熱交換器１と同様の構成であるが、負荷側熱交換器２の場合にはその内部を冷媒が重力方向に対して下方から上方に流れるように、上下方向を逆に配置すると共に、空気の流れ方向も逆にしたような構成である。即ち、流入管９の上流側には、冷媒の逆流、特に負荷側熱交換器２内のガス冷媒が液配管３に逆流するのを防止する逆流防止手段として、例えばＵ字型トラップ配管５が接続される。一方、流出管１０の下流側は冷媒流れ方向に上り勾配を備えた直管が接続され、管端部でガス配管４に接続される。なお、流入管９や流出管１０などの伝熱管は例えば６ｍｍ〜１３ｍｍ程度のものが使用される。

上記のように構成された冷媒自然循環型の冷却装置について、運転動作を以下に説明する。
室内に発熱する電子機器が設置されている場合には、通常は室外温度は室内温度よりも低い温度を示す。そこで、電子機器からの発熱を室内空気よりも低い温度の室外空気を利用して冷却する場合について説明する。このような使用に際し、冷媒が超臨界状態となる温度域である３１℃を含む動作温度で熱輸送を行なうことになる。

環境温度により冷媒温度が３１℃よりも低い低温域になると、二酸化炭素の動作はガス状態と液状態とで相変化しながら循環する。熱源側熱交換器１で室外空気と熱交換することで凝縮した液冷媒が複数の流出管８より流出し、液配管３を重力によって下降する。液配管３を下降した液冷媒は、Ｕ字型トラップ配管５を通って複数の流入管９に分岐され、負荷側熱交換器２に流入する。負荷側熱交換器２で室内空気と熱交換することで蒸発したガス冷媒は、流出管１０より流出し、ガス配管４を上昇する。そして逆Ｕ字型トラップ配管６を通って複数の流入管７に分岐され、熱源側熱交換器１に戻ることで自然循環サイクルが形成される。熱源側熱交換器１で室外空気に放熱し、負荷側熱交換器２で室内空気から受熱することで室内を冷却している。

ここで、冷媒が超臨界状態となる高温域では、凝縮や蒸発が生じないため、熱交換器１、２内では相変化は起こらず、温度変化のみである。即ち、超臨界状態の二酸化炭素は、熱源側熱交換器１で室外空気と熱交換することで温度が低下し、密度が高くなって重くなり液配管３を下降する。そして負荷側熱交換器２に流入し、室内空気と熱交換することで温度が上昇し、密度が低くなって軽くなりガス配管４を上昇する。そして、熱源側熱交換器１に戻ることで自然循環サイクルが形成される。やはり、３１℃よりも低い低温域と同様、熱源側熱交換器１で放熱し、負荷側熱交換器２で室内空気から受熱することで室内を冷却している。
超臨界状態による熱輸送では、相変化による熱輸送よりも冷却性能が低下する可能性があるが、本実施の形態では熱交換器１、２内での冷媒の流れ方向及び被熱交換流体である室内空気の流れ方向を考慮し、熱交換性能の向上を図って冷却性能の低下を防止する。

負荷側熱交換器２や熱源側熱交換器１などの熱交換器における冷媒の流れ方向と、冷媒と熱交換する被熱交換流体である空気の流れ方向とを、対向流として構成する。ここで、「対向流」とは、熱交換器１、２内で冷媒の流れ方向と被熱交換流体の流れ方向とがほぼ１８０°逆である対向流、さらには熱交換器１、２内で局所的にみれば互いに直交していたりするが、全体的な冷媒の流れ方向と全体的な空気の流れ方向が対向流である構成（直交対向流）を含んでいる。例えば、図３（ａ）に示す流れは、冷媒の流れ（黒矢印）と空気の流れ（白抜き矢印）が全体的な流れとしてみた場合に対向流とすることができる。即ち、冷媒は左右に流れながら全体的に見れば上方から下方に流れており、空気は下方から上方に流れている。このような対向流を擬似対向流と称する。これに対して図３（ｂ）に示す直交並行流は、冷媒の流れ（黒矢印）と空気の流れ（白抜き矢印）が全体的な流れとしてみた場合に並行している並行流とすることができる。これを擬似並行流と称する。図３では空気の流れ（白抜き矢印）を上下方向に垂直に示しているが、多少斜めに傾いた方向であっても、擬似対向流（図３（ａ））、擬似並行流（図３（ｂ））とすることができる。

熱交換器１、２の伝熱管内の冷媒の流れと空気の流れ方向が、図３（ａ）に示したような擬似対向流と、図３（ｂ）で示したような擬似並行流とで構成した冷媒自然循環の冷却装置を試作し、フロン系のＨＦＣ混合冷媒であるＲ４１０Ａと二酸化炭素（ＣＯ₂）をそれぞれ封入して性能比較を実施した結果を図４に示す。図４は、負荷側熱交換器２と熱源側熱交換器１との間の高低差を約０．３ｍ、室内と室外の吸込空気の温度差を１０ｄｅｇで一定、封入冷媒量を一定の条件で、室内温度を上昇させた場合の室内温度（℃）に対する冷却性能（Ｗ／Ｋ）の関係を示すグラフである。図４において、●はＣＯ₂の対向流での実験結果を示し、▲はＣＯ₂の並行流での実験結果を示し、○はＲ４１０Ａの並行流での実験結果を示す。

図４に示した結果に基づいて、並行流のＣＯ₂とＲ４１０Ａで比較すると、室内温度が３０℃以下で低温の場合、ＣＯ₂はＲ４１０Ａより若干高い程度の冷却性能を示すが、例えば４０℃以上に室内温度が高くなると、ＣＯ₂はＲ４１０Ａに比べて冷却性能が大きく低下する。これは、環境温度により冷媒温度が３１℃以上になると、ＣＯ₂は超臨界状態となり、気液の相変化、即ち蒸発（沸騰）や凝縮が生じないため、熱伝達率がＲ４１０Ａに比べて低下するからであると考えられる。

さらに、空気と冷媒を並行流とした構成では、負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１の出口側で空気と冷媒との温度差が小さくなり、熱交換効率が低下することに加え、熱交換性能が低下してしまう。図５は例えば負荷側熱交換器２内において、冷媒入口側から冷媒出口側までの空気３１と冷媒３３の温度変化を示す説明図である。室内空気と冷媒を並行流とした構成では、負荷側熱交換器２における冷媒が冷媒入口側から冷媒出口側へ向かって低温から高温に変化するのに対し、高温の室内空気も冷媒入口側から冷媒出口側へ流れることになる。従って冷媒入口側では大きな温度差が得られるため、ある程度の熱交換性能が得られるが、冷媒出口側に近づくにつれて図５に示すように温度差が小さくなり、熱交換性能は低下していく。熱源側熱交換器１についても同様である。

これに対し、図４に示したＣＯ₂の対向流の実験結果では、Ｒ４１０Ａに対する冷却性能の低下割合が小さく抑えられている。これは、空気の流れ方向と冷媒の流れ方向を対向流とした構成では、熱交換器１、２内の空気と冷媒との温度差を熱交換器全域に渡って平均的に大きくとることができるためである。
なお、対向流の構成でＲ４１０Ａを封入した場合、熱交換器１、２内では相変化が生じており入口と出口の冷媒温度はほとんど変化しないため、図４の○で示した並行流の実験結果と同様の結果となる。

図６は、ＣＯ₂が超臨界状態となる環境温度で、冷媒としてＣＯ₂とＲ４１０Ａを封入した場合、熱交換器の冷媒の出入口における空気温度と冷媒温度の変化を比較して示す説明図である。図６（ａ）は負荷側熱交換器２内での温度変化を示し、図６（ｂ）は熱源側熱交換器１内での温度変化を示す。この熱交換器１、２は共に対向流で構成し、室内の吸込空気の温度を５０℃、室外の吸込空気の温度を４０℃とした条件で、冷媒自然循環運転を行なった。図において、熱交換器の冷媒入口からの無次元距離を横軸とし、冷媒温度及び空気温度を縦軸とし、●はＣＯ₂の実験結果を、○はＲ４１０Ａの実験結果を示す。温度計測位置は冷媒の入口付近、中央付近、出口付近の３箇所とした。また、実線矢印で空気の温度変化を示す。

冷媒がＲ４１０Ａの場合、二相域が存在するため熱交換器１、２内で冷媒温度がほぼ一定で変化し、冷媒の入口側（空気の出口側）で空気との温度差が小さくなっている。これに対し、冷媒がＣＯ₂の場合、実験条件の環境温度ではＣＯ₂は超臨界状態となるため熱交換器１、２内で相変化が起こらず、熱交換器１、２内の出口側と入口側とでは５〜６ｄｅｇ程度の温度変化（△Ｔ）が生じ、熱交換器全域に渡って空気と冷媒とで平均的に大きな温度差が得られている。

本実施の形態では、このような温度変化を考慮し、図１及び図２で示したように、熱源側熱交換器１及び負荷側熱交換器２において空気と冷媒の流れ方向を対向流とする構成したので、超臨界状態で熱交換性能の向上を図り、冷却性能の低下を防止できた。熱源側熱交換器１及び負荷側熱交換器２において空気と冷媒の流れ方向を対向流とした場合、熱交換器１、２内での冷媒温度と空気温度の変化を図７に示す。図７において、３１は室内空気温度、３２は室外空気温度、３３は負荷側熱交換器２内の冷媒温度、３４は熱源側熱交換器１内の冷媒温度である。
このように空気と冷媒の流れを対向流とすることで、超臨界状態の冷媒が低温から高温に変化するのに対し、被熱交換流体である空気は冷媒の高温側から低温側へ流れて熱交換する。このため、熱源側熱交換器１内で室外空気と冷媒との温度差ΔＴｃ、及び負荷側熱交換器２内で室内空気と冷媒との温度差ΔＴｅを平均的に大きくとることができる。熱交換器全体にわたって温度差を平均的に大きくとることは、熱交換性能の向上につながり、冷却能力を増加することができる。

熱源側熱交換器１及び負荷側熱交換器２、特に負荷側熱交換器２で温度変化が生じるのは、冷媒として使用環境温度で超臨界状態になる流体を用いる冷媒自然循環型の熱輸送装置に特有の現象である。圧縮機を用いる蒸気圧縮式空気調和機では負荷側熱交換器２で蒸発潜熱を利用するので、熱源側熱交換器１内のみでしか温度変化が生じない。従って、冷媒と空気の流れを対向流とした場合の冷却性能の向上効果は、蒸気圧縮式空気調和機に比べて冷媒自然循環型の熱輸送装置で大きくなる。
冷却性能を向上することで、装置の小型化を図ることもできる。

図１に示した冷却装置において、熱源側熱交換器１及び負荷側熱交換器２共に冷媒と空気の流れ方向を対向流としたが、少なくとも負荷側熱交換器２で対向流にすることで、ある程度の冷却能力を増加できる効果を奏する。

さらに、熱源側熱交換器１内の冷媒が重力方向に対して上方から下方へ流れるように冷媒流路を構成したため、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、臨界点以下の環境下では、熱源側熱交換器１内で凝縮した液冷媒が重力によってスムーズに下方向に流下し、熱源側熱交換器１内での冷媒の逆流を防止することができる。また、臨界点以上でも冷媒の温度が低下することで密度が増加するので、重力によってスムーズに下方向に流下する構成となり、熱源側熱交換器１内での冷媒の逆流を防止することができる。

また、負荷側熱交換器２内の冷媒が重力方向に対して下方から上方へ流れるように冷媒流路を構成したため、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、臨界点以下の環境下では、負荷側熱交換器２内で蒸発したガス冷媒がスムーズに上方向に流動し、負荷側熱交換器２内での冷媒の逆流を防止することができる。また、臨界点以上でも冷媒の温度が上昇することで密度が低下するので、スムーズに上方向に流動する構成となり、負荷側熱交換器２内での冷媒の逆流を防止することができる。

上記では、負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１として、例えばプレートフィンチューブ型熱交換器を用いた例を示したが、図８（ａ）に示すように水やブラインなどの液体と冷媒との熱交換を行うプレート熱交換器や、図８（ｂ）に示すように二重管式熱交換器を用いることもできる。これらの場合には、冷媒と被熱交換流体とをほぼ完全な対向流となるように構成することができる。
また、負荷側熱交換器２内で冷媒と熱交換する流体は、室内空気に限るものではなく、水やブラインなどの液体であってもよい。冷媒と液体の熱交換においても流れ方向を対向流になるように構成することで、熱交換性能を向上することができる。
もちろん、熱源側熱交換器１と負荷側熱交換器２とが同じタイプの熱交換器である必要はない。

また、負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１の冷媒流路は、分岐した複数の冷媒流路を有するため、圧力損失が小さく微小高低差でも安定動作可能な冷媒自然循環型の冷却装置を提供することができる。本実施の形態では負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１の両方の冷媒流路を、分岐した複数の冷媒流路で構成したが、少なくともどちらか一方の冷媒流路を複数の冷媒流路に分岐して構成すれば、ある程度効果を奏することができる。
なお、複数の冷媒流路の数は上記実施の形態に限るものではない。

また、負荷側熱交換器２の冷媒入口部と液配管３との接続部、及び熱源側熱交換器１の冷媒入口部とガス配管４との接続部に冷媒の逆流を防止する逆流防止手段としてＵ字型トラップ配管５及び逆Ｕ字型トラップ配管６を設けたため、自然循環している冷媒の逆流を防止することができる。
なお、Ｕ字型トラップ配管５及び逆Ｕ字型トラップ配管６は、冷媒の逆流を防止できればよく、上記の大きさに限るものではない。負荷側熱交換器２内のガス冷媒が液配管３に流入するのを防止するには、冷媒がガス化する可能性のある部分よりも上流側に、ガス冷媒が液配管３に逆流するのを阻止するような流路や部材を設ければよい。同様に熱源側熱交換器１内の液冷媒がガス配管４に流入するのを防止するには、冷媒が液化する可能性のある部分よりも上流側に、液冷媒がガス配管４に逆流するのを阻止するような流路や部材を設ければよい。例えばトラップ配管５、６は、最低作動圧力差の非常に小さな逆止弁などを用いることもできる。
また、必ず両方の逆流防止手段５、６が必要ではなく、どちらか一方に設けたり、または逆流が起こらないような構成の場合には設けなくてもよい。例えば図１に示すように、冷媒の流れを熱源側熱交換器１では上方から下方へ、負荷側熱交換器２では下方から上方へというように構成すれば、冷媒の逆流をある程度防ぐことができる。

以下、実際に通信基地局などへ設置される熱輸送装置として、コンパクトな構成の冷媒自然循環型冷却装置について説明する。図９は、本実施の形態に係る冷媒自然循環型冷却装置を示す構成図である。この冷却装置は、通信基地局などの筐体壁４０に取り付けられ、負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１が同一筐体内に内蔵される一体構造の冷却装置である。図において、４１は室外送風機、４２は室内送風機、４３は室内外の仕切板、４４は室外空気吸込口、４５は室外空気吹出口、４６は室内空気吸込口、４７は室内空気吹出口を示す。熱交換器１、２、配管３、４内には冷媒として二酸化炭素が封入されている。図１と同様の構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

以下、図９に示した二酸化炭素を冷媒とする冷媒自然循環型冷却装置について、使用環境での冷媒温度が臨界点以下の場合、即ち環境温度での冷媒温度が３１℃よりも低い低温域での動作を説明する。熱源側熱交換器１内において冷媒は、室外送風機４１によって室外空気吸込口４４から吸込まれた室外空気へ放熱し、自らは凝縮して液化する。このとき、冷媒から凝縮潜熱を受けて温度の上昇した室外空気は室外空気吹出口４５から外気へ吹出される。一方、熱源側熱交換器１で液化した冷媒は、液配管３を下降して負荷側熱交換器２に流入する。負荷側熱交換器２内において冷媒は、室内送風機４２によって室内空気吸込口４６から吸込まれた室内空気から受熱し、自らは蒸発して気化する。このとき、冷媒に蒸発潜熱を奪われ温度の低下した室内空気は室内空気吹出口４７から室内へ吹出され、室内を冷却する。一方、負荷側熱交換器２で気化した冷媒は、ガス配管４を上昇し熱源側熱交換器１に再び戻ることで冷媒自然循環のサイクルが形成される。

また、使用環境での冷媒温度が臨界点以上、即ち環境温度での冷媒温度が３１℃以上の場合の動作は次の様である。
熱源側熱交換器１で冷媒は凝縮せずに低温の室外空気と熱交換して温度が下降する。また、負荷側熱交換器２では冷媒は蒸発せずに高温の室内空気と熱交換して温度が上昇する。冷媒は温度変化に応じて密度が変化し、やはり熱源側熱交換器１と、これよりも低い位置に設けられている負荷側熱交換器２間を循環して、冷媒自然循環のサイクルが形成される。冷媒が相変化する場合と同様、室内空気吸入口４６から取り込まれた室内空気は、負荷側熱交換器２内で冷媒と熱交換して冷却され、室内空気吹出口４７から室内へ吹き出されることで、室内の冷却が行なわれる。

図９に示した熱源側熱交換器１及び負荷側熱交換器２内では冷媒と空気の流れは対向流となっている。即ち、熱源側熱交換器１内では冷媒が重力方向に対して上方から下方へ、空気は下方から上方へと流れ、負荷側熱交換器２内では冷媒が重力方向に対して下方から上方へ、空気が上方から下方へと流れる。
このため、図７に示すように熱交換器１、２の全体に渡って冷媒と空気の温度差を平均的に大きくとることができ、冷媒が相変化による潜熱が期待できない超臨界状態においても、熱交換性能の向上を図ることで、冷却性能の低下を防止できる。

このように、通信基地局などの筐体壁に取り付けられる一体構造の冷媒自然循環型冷却装置において、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、負荷側熱交換器２及び熱源側熱交換器１における冷媒と空気の流れ方向を対向流になるように構成することにより、冷媒が超臨界状態となる場合にも熱交換性能の向上を図って、冷却性能を保持し、信頼性を向上できる。

なお、上記実施の形態では、自然循環型の熱輸送装置の受熱側熱交換器を負荷側として冷却装置として用いる場合について説明したが、放熱側熱交換器を負荷側とすれば加熱装置として用いることもできる。
また、超臨界状態を示す冷媒として二酸化炭素について説明したが、冷媒が超臨界状態となる温度域を含む動作温度で運転される場合に適用すれば、同様の効果を奏することができる。

以上のように、負荷側熱交換器、熱源側熱交換器、及びそれらを接続するガス配管、液配管を環状に接続してなる冷媒自然循環型の冷却装置において、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、負荷側熱交換器における冷媒と空気の流れ方向を対向流として使用したため、超臨界流体を用いた場合にも冷却性能の低下が小さい冷媒自然循環型の冷却装置を提供することができる。

また、負荷側熱交換器に加え、熱源側熱交換器における冷媒と空気の流れ方向も対向流として使用したため、超臨界流体を用いた場合にも冷却性能の低下が小さい冷媒自然循環型の冷却装置を提供することができる。

また、負荷側熱交換器及び熱源側熱交換器が複数の冷媒流路を有するため、圧力損失が小さく微小高低差でも安定動作可能な冷媒自然循環型の冷却装置を提供することができる。

また、負荷側熱交換器の入口部と液配管との接続部、及び熱源側熱交換器の入口部とガス配管との接続部に冷媒の逆流を防止するＵ字型トラップ配管及び逆Ｕ字型トラップ配管を設けたため、冷媒の逆流を防止することができる。

また、負荷側熱交換器及び熱源側熱交換器内の冷媒の流れが重力方向に対して上から下へとなるように冷媒流路を構成したため、冷媒の逆流を防止することができる。

また、負荷側熱交換器又は熱源側熱交換器として、プレートフィンチューブ熱交換器、プレート熱交換器、二重管式熱交換器のうち少なくとも１つを用いたため、空気のような気体と冷媒との熱交換、あるいは水やブラインなどの液体と冷媒との熱交換のいずれにおいても対向流を構成することができ、冷却性能を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係る熱輸送装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る熱源側熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒と被熱交換流体の流れを説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る室内温度と冷却性能の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器内の冷媒と空気の温度変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器内の冷媒と空気の温度変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器内の冷媒温度と空気温度の変化を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の他の例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る冷媒自然循環型冷却装置を示す構成図である。

符号の説明

１ 放熱側熱交換器
２ 受熱側熱交換器
３ 配管
４ 配管
５、６ 逆流防止手段

Claims (4)

1. 冷媒出口部が冷媒入口部より上方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である受熱側熱交換器と、
   前記受熱側熱交換器よりも上方に配置し、冷媒出口部が冷媒入口部より下方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である放熱側熱交換器と、
   前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器を環状に接続する配管と、
   前記配管内に封入され、所定の温度以上で超臨界状態となり、前記受熱側熱交換器及び前記放熱側熱交換器での温度変化による密度変化によって自然に前記配管内を循環する冷媒と、を備え、
   前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器の各々の列方向を略垂直に、段方向を略水平に配置して同一筐体内に内蔵するとともに、
   前記冷媒が超臨界状態となる温度域で前記受熱側熱交換器で熱交換を行う際、前記受熱側熱交換器内の冷媒と熱交換する被熱交換流体の流れ方向を前記受熱側熱交換器の列方向に沿って重力方向の上方から下方へとし、前記受熱側熱交換器における超臨界状態の冷媒が低温から高温に変化するのに対し、前記被熱交換流体を前記冷媒の高温側から低温側へ流して熱交換するようにしたことを特徴とする自然循環型冷却装置。
2. 前記受熱側熱交換器の冷媒入口部及び前記放熱側熱交換器の冷媒入口部の少なくともいずれか一方の冷媒入口部の上流側に、熱交換器の冷媒入口部からその上流側配管への冷媒の逆流を防止する逆流防止手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
3. 冷媒出口部が冷媒入口部より上方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である受熱側熱交換器と、
   前記受熱側熱交換器よりも上方に配置し、冷媒出口部が冷媒入口部より下方に設けられたプレートフィンチューブ熱交換器である放熱側熱交換器と、
   前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器を環状に接続する配管と、
   前記配管内に封入され、所定の温度以上で超臨界状態となり、前記受熱側熱交換器及び前記放熱側熱交換器での温度変化による密度変化によって自然に前記配管内を循環する冷媒と、
   室内側と室外側を仕切る壁面に取り付けられ、あるいは、冷却対象空間に配設され、前記受熱側熱交換器及び前記放熱側熱交換器を各々の列方向を略垂直に、段方向を略水平に配置して内蔵する筐体と、
   前記筐体内部の空間を、前記受熱側熱交換器が設けられた空間と、前記放熱側熱交換器が設けられた空間とに仕切る仕切板と、
   室内から吸い込まれた空気が前記受熱側熱交換器の列方向に沿って重力方向の下方から上方へと流れて室内へ吹き出されるように前記筐体に設けられた室内空気吸込口および室内空気吹出口と、
   室外から吸い込まれた空気が前記放熱側熱交換器内の列方向に沿って重力方向の上方から下方へ流れて室外へ吹き出されるように前記筐体に設けられた室外空気吸込口および室外空気吹出口と、
   を備えたことを特徴とする自然循環型冷却装置。
4. 受熱側熱交換器と、前記受熱側熱交換器よりも上方に配置した放熱側熱交換器と、前記受熱側熱交換器と前記放熱側熱交換器を環状に接続する配管と、前記配管内に封入され所定温度以上で超臨界状態となる冷媒と、前記受熱側熱交換器内の冷媒と熱交換する室内空気を送風する室内送風機と、を備えた自然循環型冷却装置を用いた熱交換方法であって、
   前記冷媒が超臨界状態となる温度域において、前記室内送風機により前記受熱側熱交換器内の冷媒流れ方向と対向流となるように室内空気を送風するステップと、
   前記送風された室内空気と前記受熱側熱交換器内の冷媒とが熱交換し、冷媒の温度変化による密度変化によって前記受熱側熱交換器から前記放熱側熱交換器へと冷媒を循環するステップとを備えたことを特徴とする自然循環型冷却装置を用いた熱交換方法。

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