JP4345530B2

JP4345530B2 - 熱交換型冷却装置

Info

Publication number: JP4345530B2
Application number: JP2004068590A
Authority: JP
Inventors: 和樹最首
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005257158A

Description

本発明は、屋外に設置される箱体構造物で、内部に温度、湿度、粉塵などが性能、寿命に影響を与える機器を収容し、その機器の発熱量が多いため寒冷期においても冷却を要する箱体構造物に関し、特にその冷却装置と制御方法に関するものである。

従来、屋外に設置される箱体構造物の冷却装置としては、箱体構造物の外壁に冷却装置を設置することによって、外気温度が低い時に外気と箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）とで熱交換を行うことで内気が冷却されることから、既設のエアコンなどの冷却装置の冷房負荷が軽減し、その運転時間が減少し、省エネとなるものがあった（例えば、特許文献１参照）。

また、外気吸込口に電熱器を配置することで、寒冷地の使用でも熱交換素子に結露しないようにしたものがあった（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１５６４７８号公報（図１）特開平６−３２３５９３号公報（図１）

しかしながら、前記特許文献１の構成では、外気と内気の熱交換により箱体構造物を冷却するものなので、外気温度が低く、また箱体構造物内も冷えている場合には、箱体構造物内を暖めるということはできない。

箱体構造物に収容されている機器の中には、起動に際し一定以上の周囲温度が必要なものがあるため、このような機器が収容されている場合、周囲温度によっては機器が起動できないという課題がある。

このため、箱体構造物に収容されている機器が起動する際に、外気温度が機器の起動する周囲温度より低く、また箱体構造物内も冷えている場合には、一時的に箱体構造物内を加熱することが要求されている。

また前記特許文献２の構成では、外気が箱体構造物内に直接入るため、箱体構造物に粉塵、水分などが侵入し、収容されている機器への悪影響が懸念される。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、熱交換型冷却装置に加熱手段を内蔵することによって、外気温度が低く、また箱体構造物内が冷えている場合には、加熱手段により箱体構造物内を加熱し、それ以外の場合は外気と内気の熱交換を用いて、箱体構造物内を冷却することにより、外気、内気の温度条件に関わらず箱体構造物に収容されている機器が起動でき、また少ない消費電力で箱体構造物内に粉塵、水分などの侵入を防ぎ年間を通じて箱体構造物内の冷却を可能とした冷媒を用いないクリーンな熱交換型冷却装置を提供することを目的としている。

本発明の熱交換型冷却装置は、上記目的を達成するために、箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路が互いに独立するよう配置し、外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、外気風路と内気風路
の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、内気温度を計測する内気温度センサと、外気温度を計測する外気温度センサと、前記内気風路の吹き出し側に加熱手段と、前記内気風路内に内気側ファンと、前記外気風路内に外気側ファンとを備え、前記内気温度センサで計測した内気温度と、前記外気温度センサで計測した外気温度とともに所定の最低起動温度よりも低い場合には、前記加熱手段と前記内気側ファンを運転し、前記外気側ファンを停止するものである。

この手段により、外気、内気の温度条件に関わらず箱体構造物に収容されている機器が起動でき、また少ない消費電力で年間を通じ箱体構造物内の冷却を可能とした冷媒を用いないクリーンな熱交換型冷却装置が得られる。

また、本発明の熱交換型冷却装置は、上記目的を達成するために、前記内気温度センサで計測した内気温度が所定の最低起動温度よりも低く、かつ、前記外気温度センサで計測した外気温度が所定の最低起動温度よりも高い場合に、前記加熱手段と前記内気側ファンと前記外気側ファンを運転するものである。

この手段により、複数の送風機で内気側ファンによる内気風路と外気側ファンによる外気風路が構成され、内気風路の送風機の制御と外気風路の送風機の制御を個別におこなうことができると共に、内気風路と外気風路を構成できれば、送風機の配置も自由に選択できるようになる。

また、外気と内気が熱交換することによる内気温度低下を抑え、箱体構造物内を加熱する熱交換型冷却装置が得られる。

本発明によれば、熱交換による冷却手段と加熱手段を併用することで、外気、内気の温度条件に関わらず箱体構造物に収容されている機器が起動でき、また箱体構造物を密閉した状態で、水分や粉塵を混入させることなく、少ない消費電力で年間を通じて、冷媒を用いないクリーンな冷暖房を箱体構造物内に対してできるという効果が得られる。

また、加熱手段を内気風路の吹出口に配置することで、外気が寒冷な時期においても箱体構造物に収容された機器が起動できる周囲温度にすることができる。

また、外気温度が内気温度より低い時に、内気を加熱する際には、外気側ファンを停止することで、外気と内気が熱交換することによる内気温度低下を抑えて、箱体構造物内を効率よく加熱することができる。

本発明は、箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路が互いに独立するよう配置し、外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、外気風路と内気風路の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、内気温度を計測する内気温度センサと、外気温度を計測する外気温度センサと、前記内気風路の吹き出し側に加熱手段と、前記内気風路内に内気側ファンと、前記外気風路内に外気側ファンとを備え、前記内気温度センサで計測した内気温度と、前記外気温度センサで計測した外気温度とともに所定の最低起動温度よりも低い場合には、前記加熱手段と前記内気側ファンを運転し、前記外気側ファンを停止するものであり、外気、内気の温度条件に関わらず箱体構造物に収容されている機器が起動でき、また少ない消費電力で年間を通じ箱体構造物内の冷暖房を可能とした冷媒を用いないクリーンな熱交換型冷却装置となるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（前提例１）
図１は、熱交換型冷却装置Ａの概略図を示す。箱体構造物Ｂ内の空気（以下、これを内気と称する）は内気吸込口１より送風機２の内気側ファン２Ａに取込まれたのち、熱交換素子３を通過して、また箱体構造物Ｂ内に戻る循環させる内気風路５を形成している。

一方、箱体構造物Ｂ外の空気（以下、これを外気と称する）は、外気吸込口６より取込み、熱交換素子３、送風機２の外気側ファン２Ｂ、外気吹出口７を介して、また外気に排出する外気風路８を形成している。

これら両風路が独立するよう設置され、また外気風路８と内気風路５の交点には外気と
内気の顕熱を交換する熱交換素子３が配置されている。また、内気吸込口１からの空気は、加熱手段９により加熱されて内気風路５の内気吹出口４から箱体構造物Ｂ内部に吹出される。熱交換型冷却装置Ａの取付けは、図２に示すように、箱体構造物Ｂの外壁に取付けられ、所謂る「外付け」装着にて構成されている。

上記構成により、熱交換型冷却装置Ａは、外気温度が内気温度より低い時に外気を取り入れ、箱体構造物Ｂ内部の暖かい空気との間で熱交換素子３にて熱交換をおこない、暖かくなった外気は排気し、冷たくなった空気を箱体構造物Ｂ内に給気する。

また、外気温度が低く、また内気温度も低い時に、箱体構造物Ｂに収容されている機器Ｃが起動する際には、加熱手段９により箱体構造物Ｂ内を加熱する。

これにより機器Ｃの周囲温度を暖かくすることができ、機器Ｃが起動可能となる。

また、外気風路８、内気風路５が独立していることから、外気と内気の空気は混合しないため、外気に含まれる水分、粉塵が箱体構造物Ｂの内部に混入することがなく、箱体構造物Ｂ内部の機器Ｃへの水分、粉塵による悪影響も発生しない。

（前提例２）
図１に示すように、送風機２に内気側ファン２Ａと外気側ファン２Ｂを一軸上に設けることにより、一つの送風機２で両方のファンを回すことができる。その結果、内気風路５と外気風路８を形成することができ、また、制御においても一軸の回転のため、運転停止が同時に行なえることになる。その他の構成は、前提例１に同様である。

（前提例３）
複数の送風機２に各々内気側ファン２Ａまたは外気側ファン２Ｂを設けた場合（図示せず）は、各々の送風機２を個別に制御して内気風路５の風量と外気風路８の風量を変えることができるため、外気温度と内気温度を検知して加熱手段９を制御することができる。その他の構成は、実施の形態１に同様である。

（前提例４）
図１に示すように、加熱手段９を内気吹出口４に配置したものである。

これにより、加熱手段９で加熱した内気が熱交換素子３で外気と熱交換して温度が低下することを抑制する。

よって、加熱手段９で加熱した内気を効率よく箱体構造物Ｂ内に吹出すことができる。

（前提例５）
図２に示すように、熱交換型冷却装置Ａの箱体構造物Ｂへの設置面に対して、積層方向が直交になるように熱交換素子３を配置する。

これにより、機器Ｃの発熱量が大きいときに、熱交換型冷却装置Ａの冷却能力増大を熱交換素子３の積層数を増加することで対応できることから、熱交換型冷却装置Ａの箱体構造物Ｂへの設置面を大きくしないですむ。

（前提例６）
図２に示すように、機器Ｃの冷却ファンＤにより発生する風路と内気風路５を一体化させる。

これにより、冷却ファンＤを内気側ファン２Ａの代用とすることができ、図３に示すように内気側ファン２Ａを省略することができる。

（実施の形態１）
図４に示すように、前提例１に加えて、外気温度を計測する外気温度センサ１０を外気吸込口６に内気温度を計測する内気温度センサ１１を内気吸込口１に備え、マイクロコンピュータ（図示せず）などからなる制御部１２を備えたものである。

外気温度センサ１０により計測した外気温度と、内気温度センサ１１により計測した内気温度と、箱体構造内Ｂに設置されている機器Ｃの最低起動温度から制御部１２で運転判断し、外気側ファン２Ｂと加熱手段９を発停制御する。

なお、図１の構成の内気側ファン２Ａ（または冷却ファンＤ）と外気側ファン２Ｂの場合も同様な制御をおこなうことができる。

以下、制御部１２の制御方法を図５の制御チャートを用いて説明する。

まず、機器Ｃ運転指令２０より始まり、内気温度センサ１１により、内気温度を計測する（内気温度計測２１）。そして、運転判定２２で機器Ｃの最低起動温度と内気温度を比較する。そして、内気温度が最低起動温度以上ならば、機器Ｃを運転する機器Ｃ運転２３となる。

そして、内気温度が最低起動温度より低ければ、加熱手段９を運転して加熱手段運転２４をする。

そして、外気温度センサ１０により外気温度計測２５をして機器Ｃの最低起動温度と外気温度を比較する。外気温度が最低起動温度より高ければ、外気側ファンを回し外気側ファン２Ｂ運転２７し、内気温度計測２１に戻る。そして、外気温度が最低起動温度以下であれば、外気側ファン２Ｂを停止して外気側ファン２Ｂ停止２８から内気温度計測２１に戻る。

このような運転制御により、箱体構造物Ｂ内が冷えており内蔵されている機器Ｃが起動できない場合に、加熱手段を主体に箱体構造物Ｂ内を加熱し、外気温度が機器Ｃの最低起動温度より低く熱交換による加熱だけでは不充分または熱交換による加熱ができない場合にのみ加熱手段９を併用することで、外気温度が低く、また箱体構造物Ｂ内も冷えている時にでも、起動するにあたり最低限必要な周囲温度があれば、機器Ｃの起動温度にも対応することができる。

なお、外気温度センサ１０、内気温度センサ１１、制御部１２の位置は、外気温度、内気温度が計測できる場所であれば、図４に示した位置に限定されるものではないということは言うまでもない。

また、本実施の形態では、内気側ファン２Ａを使用した場合について説明したが、内気側ファン２Ａを廃止し、冷却ファンＤを代用とした場合には、冷却ファンＤを用い内気側ファン２Ａと同様に制御することも可能である。

（実施の形態２）
図６は本発明における熱交換型冷却装置Ａの内気側ファン２Ａと外気側ファン２Ｂの風量と内気温度の相関図である。

図６に示すように、内気温度が設定上限温度以上のときは、内気側ファン２Ａを最大風量で運転する。そして、内気温度が設定下限温度以上、設定上限温度未満のときは、内気温度に合わせ、内気側ファン２Ａの風量を増減する。そして、内気温度が設定下限温度未満になると内気側ファン２Ａを停止する。

この制御により、消費電力を抑えて箱体構造物Ｂ内の温度を設定上限温度と設定下限温度の範囲内に冷却することができる。

設定上限温度と設定下限温度の間に、内気循環温度を設定する。そして、内気温度が設定下限温度以上、内気循環温度以下の時に、外気側ファン２Ｂを停止し、内気側ファン２Ａの運転による内気循環により箱体構造物Ｂを冷却する。

これにより、外気側ファン２Ｂの消費電力を削減することができる。

冬季などの外気温度が低い時には、箱体構造物Ｂからの放熱量が増加するため、内気循環だけで冷却できることもあるため、省エネルギーになる。

本発明は、携帯電話基地局のように屋外に設置される箱体構造物で、内部に発熱体を有し、その発熱量が多く冬期においても冷却を要するものの、冷却に使用する電力を削減するための装置とその制御方法である。

本発明の前提例となる熱交換型冷却装置の概略図同箱体構造物に設置した構成図同構造を示した概略図同概略図本発明の熱交換型冷却装置の制御チャート同風量と内気温度の相関図

１内気吸込口
２送風機
２Ａ内気側ファン
２Ｂ外気側ファン
３熱交換素子
４内気吹出口
５内気風路
６外気吸込口
７外気吹出口
８外気風路
９加熱手段
１０外気温度センサ
１１内気温度センサ
１２制御部
Ａ熱交換型冷却装置
Ｂ箱体構造物
Ｃ機器
Ｄ冷却ファン
Ｅ制御部

Claims

箱体構造物内の空気（以下、内気と称す）を取込み、また箱体構造物内に戻し循環させる内気風路と、箱体構造物外の空気（以下、外気と称す）を取込み、また箱体構造物外に排出する外気風路が互いに独立するよう配置し、外気風路と内気風路の空気を搬送する送風機と、外気風路と内気風路の交点に配され外気と内気の顕熱を交換する熱交換素子と、
内気温度を計測する内気温度センサと、
外気温度を計測する外気温度センサと、
前記内気風路の吹き出し側に加熱手段と、
前記内気風路内に内気側ファンと、
前記外気風路内に外気側ファンとを備え、
前記内気温度センサで計測した内気温度と、前記外気温度センサで計測した外気温度とともに所定の最低起動温度よりも低い場合には、前記加熱手段と前記内気側ファンを運転し、前記外気側ファンを停止する熱交換型冷却装置。
前記内気温度センサで計測した内気温度が所定の最低起動温度よりも低く、かつ、前記外気温度センサで計測した外気温度が所定の最低起動温度よりも高い場合に、前記加熱手段と前記内気側ファンと前記外気側ファンを運転する請求項１記載の熱交換型冷却装置。