JP2008089291A - 熱交換装置及び熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 効率的な熱交換が可能であり、コンパクトで低コストな熱交換装置及び熱交換システムを提供する。
【解決手段】 熱交換媒体１が流れる第一の流路２及び冷却流体３が流れる第二の流路４を備えた熱交換器５と、冷却流体３を噴霧する噴射ノズル６１と、噴射ノズル６１に冷却流体３を加圧供給する加圧供給手段６２を有し、冷却流体３の噴霧を生成して第二の流路４内へ供給するミスト生成手段６を備え、ミスト３Ａを熱交換器５内に供給し、ミストの気化熱で熱交換媒体１の熱を効率的に奪う。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換媒体と冷却流体との間で熱交換を行う熱交換装置に関し、詳しくは冷却流体を噴霧して熱交換媒体との間で熱交換を行う熱交換装置と、それを有する熱交換システムに関する。

熱交換媒体を熱交換器に導入して熱交換を行う熱交換装置が知られている。このような熱交換装置の冷却形態には、熱交換器に空気などの気流を当てて熱交換器を介して熱交換媒体を冷却する空冷式がある。また、空気で熱を奪うよりも、水の持つ熱（顕熱）を利用する方が、熱交換効率を良くすることから、熱交換媒体が導入される熱交換器を冷却流体となる冷却水の中に入れることや、熱交換器内に冷却水を導入して冷却する水冷式も提案されている。
このような熱交換装置を用いたシステムとしては、空調システムや冷凍システムに用いるヒートポンプが挙げられ、この場合、熱交換媒体は冷媒ガス（二相冷媒ガス）となる。水冷式の空調システムや熱交換装置としては特許文献１が挙げられる。
特開２００６−１６２２０７

水冷式の熱交換装置に用いる冷却流体（冷却水）としては、地下水、雨水、水道水等が挙げられるが、何れも冷却流体の顕熱を利用して熱を奪うため、大量の水が必要となり、設備の大型化、高コストとなってしまう。今までのクーリングタワーのような開放型水冷式では、水の経路が開放空間とされているので、レジオネラ菌のような有害物を発生させるおそれがあった。また、既存のシステムが空冷式の場合、システム全てを水冷式のものに入れ替えるので、コスト高の一要因となっている。環境問題、省エネルギー問題を考えた場合、より効率的な熱交換を実現することが要望されている。
本発明は、効率的な熱交換が可能であり、コンパクトで低コストな熱交換装置及び熱交渙システムを提供することを、目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明では、熱交換媒体が流れる第一の流路及び冷却流体が流れる第二の流路を備えた熱交換器と、冷却流体の噴霧を生成し、第二の流路内へ供給するミスト生成手段を有することを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の熱交換装置において、ミスト生成手段が、冷却流体を噴霧する噴射ノズルと、噴射ノズルに冷却流体を加圧供給する加圧供給手段を有することを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項２記載の熱交換装置において、噴射ノズルから噴射された噴霧を第二の流路へ供給する送風手段を有することを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項３記載の熱交換装置において、送風手段は、送風ファンと、送風ファンで発生した気流を第二の流路へ導入する導入路を有することを特徴としている。
請求項５の発明は熱交換システムであって、熱交換媒体を圧縮／膨張させると共に熱交換器へ導入する冷凍サイクル部と、請求項１乃至４の何れかに記載の熱交換装置を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、熱交換媒体が流れる第一の流路及び冷却流体が流れる第二の流路を備えた熱交換器と、冷却流体の噴霧を生成し、第二の流路内へ供給するミスト生成手段を有することで、冷却流体が噴霧（ミスト）状で第二の流路内に導入されるので、第二の流路内で気化し易く、気化熱により熱交換媒体から熱量を奪うことになる。このため、従来の（顕熱）だけを用いる水冷式に比べて効率的に熱交換を行えるので、熱交換に使用する冷却流体の量を激減することができ、設備の小型化、低コスト化を図ることができる。
本発明によれば、ミスト生成手段が、冷却流体を噴霧する噴射ノズルと、噴射ノズルに冷却流体を加圧供給する加圧供給手段を有するので、第二の流路内に対する噴霧状の冷却流体の充填効率が高められ、より大きな熱量を熱交換媒体から熱を奪うことができ、熱交換効率を高めることができる。
本発明によれば、噴射ノズルから噴射された噴霧を第二の流路へ供給する送風手段を更に有するので、噴射ノズルから噴射された冷却流体の噴霧をより確実に第二の流路へ供給することができ、確実に熱交換媒体から熱量を奪うことができ、より効率的な熱交換を行える。
本発明によれば、熱交換媒体を圧縮／膨張させると共に熱交換器へ導入する冷凍サイクル部と、請求項１ないし４の何れかに記載の熱交換装置を備えた熱交換システムとしたので、従来の水冷式に比べて効率的に熱交換を行えるので、熱交換に使用する冷却流体の量を激減することができ、設備の小型化、低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
（第一の形態）
図１は、熱交換装置１００の概略構成を示す図である。この熱交換装置は、熱交換媒体１が流れる第一の流路２及び冷却流体３が流れる第二の流路４を備えた熱交換器５と、冷却流体３の噴霧（ミスト）３０を生成し、第二の流路４内へ供給するミスト生成手段６を備えている。
図１に示す熱交換器５は、ケーシング内部に複数のプレートが同一方向に並列され、プレート間に空間が形成されたプレート式熱交換器である。本形態では、図２に示すように、プレート間に形成される空間が第一の流路２と第二の流路４となる。第一の流路２と第二の流路４とは交互に配置され、それぞれが導入口２Ａ，４Ａから排出口２Ｂ，４Ｂまで連通するように形成されている。熱交換器５の形式としては、プレート式に限定されるものではなく、例えばシェル＆チューブ式（多管式）、プレートフィン式等が挙げられる。

ミスト生成手段６は、冷却流体３を噴霧する噴射ノズル６１と、噴射ノズル６１に冷却流体３を加圧供給する加圧供給手段となる加圧ポンプ６２を備えている。噴射ノズル６１は、耐圧を有する管材６３を介して加圧ポンプ６２の排出側に接続されている。加圧ポンプ６２の吸入側には、管材６４を介して冷却流体３が貯留されたタンク８が接続されている。

噴射ノズル６１には、加圧された冷却流体３を単独で噴射して噴霧（ミスト）３０を生成する一流体ノズルまたは冷却流体３と圧搾空気を同時に噴射して噴霧（ミスト）３０を生成する二流体ノズルを用いることができる。二流体ノズルを噴射ノズル６１として用いる場合には、二流体ノズルへ空気を供給するコンプレッサと冷却流体３を供給する搬送ポンプを設ければよい。二流体ノズルを用いる場合、これらコンプレッサと搬送ポンプが加圧供給手段となる。

噴射ノズル６１から噴射されたミスト３０の粒子は、数ミクロン〜数十ミクロンの超微細な霧状水滴（所謂ドライミスト３Ａ）となるものが好ましく、この条件を満たすものであれば、一流体ノズルでも二流体ノズル方式のどちらを用いてもよい。本形態において、噴射ノズル６１は熱交換器５に設けられた口金状の導入口４Ａに取付け、ミスト３０を熱交換器５内の第二の流路４に直接噴射供給する直噴式としている。噴射ノズル６１の取付け位置は、熱交換器５の導入口４Ａに限定されるものではなく、例えば図１に符号５Ａで示すように、第二の流路４の導入側に位置するように、熱交換器５の上部に装着して、第二の流路４に冷却流体３のミスト３０を直接噴射供給するようにしても良い。

冷却流体３としては、水が挙げられ、噴射ノズル６１の詰まりを考慮すると不純物が極力少ない純水であるのが好ましい。このため、タンク８内には純粋を貯留するか、タンク８への水の流入経路に、水を浄化するフィルタや濾過器のような濾過手段を設けるのが好ましい。

熱交換媒体１としては、ＣＦＣ系のＲ−１２、ＨＣＦＣ系のＲ−２２，Ｒ−１２３、ＨＦＣ系のＲ−１３４ａ，Ｒ−４０４Ａ，Ｒ−４０７Ｃ，Ｒ４１０Ａ等の化学冷媒（二層冷媒ガス）や、アンモニア、二酸化炭素、炭化水素、水、空気などの自然冷媒、蒸気、不凍液等が挙げられる。

このような構成の熱交換装置１００においては、熱交換器５の第一の流路２に熱交換媒体１が供給されている状態で、加圧ポンプ６２が作動すると、噴射ノズル６１にはタンク８内の冷却流体３が供給され、ノズルの噴射圧になることでミスト状に噴射される。噴射されたミスト３０は、熱交換器５の第二の流路４へと供給される。供給されたミスト３０は、熱交換媒体１でプレートが加熱されている場合には、その熱によって気化し、その際の気化熱によってプレートを冷却することで熱交換媒体１から熱量を奪って冷却する。このため、従来の（顕熱）だけを用いる水冷式に比べて効率的に熱交換を行えるので、熱交換に使用する冷却流体の量を激減することができ、設備の小型化、低コスト化を図ることができる。

ミスト生成手段６が、冷却流体３を噴霧する噴射ノズル６１と、噴射ノズル６１に冷却流体を加圧供給する加圧ポンプ６２を有するので、第二の流路４内に対するミスト状の冷却流体３の充填効率が高められ、より大きな熱量を熱交換媒体１から熱を奪うことができ、熱交換効率を高めることができる。

噴射された冷却流体３の形態としては、気化性を考慮するとドライミスト３Ａだけであるのが好ましいが、第二の流路４のプレート面に付着して水滴になる粒子径のウエットミスト３Ｂが含まれていても無論かまわない。この場合、ドライミスト３Ａが気化するときに奪う気化熱とウエットミスト３Ｂが気化するときに奪う気化熱と、気化しないで熱交換器５のプレート面に付着して流れる冷却流体３の顕熱とによりプレートを介して熱交換媒体１から熱量を奪い、冷却することができる。

（第二の形態）
第一の形態では、ミスト３０を熱交換器５内の第二の流路４に直接噴射する直噴式としたが、本形態に係る熱交換装置２００では、熱交換器５への導入前に空気と混合させて導入する間接噴射式としている。熱交換装置２００の構成としては、図３に示すように、噴射ノズル６１から噴射されたミスト３０を第二の流路４へ供給する送風手段２０を第一の形態の構成に追加していると共に、噴射ノズル６１の取付け位置を第一の形態とは異ならせている。

送風手段２０は、送風ファン２１と、第二の流路４（導入口４Ａ）と送風ファン２１に連通すると共に、噴射ノズル６１から噴射されたミスト３０と送風ファン２１で発生した気流を混合する混合室となる混合流路２２を備えている。本形態において、噴射ノズル６１は、送風ファン２１と熱交換器５の導入口４Ａとの間の混合流路２２にノズル先端が導入口４Ａに向かうように装着されている。混合流路２２の筒状であって、その直径や全長は、噴射ノズル６１の噴射角や噴射圧力、送風ファン２１からの送風量などにより、送風ファン２１で発生させた気流に冷却流体３がミスト状で混合できる径や長さとするのが好ましい。

このように送風手段２０を有する間接噴射式の熱交換装置２００では、噴射ノズル６１から噴射された冷却流体３のミスト３０は、送風ファン２１で発生させた気流と混合流路２２内で混合されて熱交換器５の導入口４Ａへ向かって搬送される。このため、確実に第二の流路４へミスト状の冷却流体３を供給することができ、確実に熱交換媒体１から熱量を奪え、より効率的な熱交換を行える。また、混合流路２２の容積が大きい場合、送風ファン２１で発生した気流中でミスト３０が気化することによる冷却効果を期待することができる。この場合、第二の流路４には、冷却された空気と冷却に使用されたかったミスト状の冷却流体３が導入されるので、冷却された空気とミスト３０の気化熱により効率的に冷却効果を高めることができると考えられる。

本形態では、間接噴射式の熱交換装置に送風手段２０を設けているが、第一の形態のような直噴式の熱交換装置１００に送風手段２０を追加しても、確実に第二の流路４へミスト状の冷却流体３を供給することができると共に、第二の流路４内でのミスト３０の流れを速められ、確実に熱交換媒体１から熱量を奪え、より効率的な熱交換を行える。

本形態で用いる送風ファン２１は定流量式のもので良いが、可変流量式のものであっても良い。可変流量式の場合、熱交換媒体１の第一の流路２への流入温度に応じて送風量を増減制御することで、例えば、流入温度が低い場合には低回転とし、流入温度が高い場合には高回転とすることで、熱交換媒体１の温度に応じてミストの導入量を制御でき、熱交換媒体１の温度低減に必要な最適なミストを第二の流路４に供給することができる。無論、熱交換媒体１の温度に応じて制御するのは、送風ファン２１に限らず、噴射ノズル６１からのミスト噴射量を制御しても無論構わないし、送風ファン２１と噴射ノズル６１の双方を制御して、生成されるミスト量や導入されるミスト量を補正するようにして、熱交換媒体１の温度に応じて冷却流体３のミスト３０の導入量を制御できると共に、必要最小限な駆動力で済むので省エネとなる。

第二の流路４は熱交換器５内では密閉回路となるので、クーリングタワー方式に比べてレジオネラ菌のような有害物を発生のおそれも少なくなる。よれ好ましくは、タンク８と第二の流路４との間を密閉空間とし、冷却流体３に純水を用いることでレジオネラ菌のような有害物を発生のより抑えられると共に、万が一発生した場合でも密閉回路であるので外部に漏れることはないので、環境への影響も極めて少なくできる。

（第三の形態）
本形態は、第一の形態や第二の形態で説明した熱交換装置を備えた熱交換システムに関するものである。この熱交換システムは、図４に示すように熱交換媒体１を圧縮／膨張させると共に熱交換器５へ導入する冷凍サイクル部３００と、熱交換装置１００を備えている。熱交換装置１００に代えて熱交換装置２００としても良い。

冷凍サイクル部３００は、所謂ヒートポンプ装置であって、蒸発器３０１と凝縮器３０２との間に圧縮機３０３と膨張弁３０４が配置されて周知の構成であって、各部をつなぐ配管内には熱交換媒体１として二相冷媒が封入されている。各熱交換装置の熱交換器５は、本形態においては凝縮器３０２として機能する。このシステムを空調システムとした場合、冷房時においては、蒸発器３０１は室内などに設置されるファンコイルユニット内に設けられる。

このような熱交換システムに熱交換装置１００または熱交換装置２００を用いることで、冷房時においては、二相冷媒の温度を凝縮器３０２（熱交換器５）で効率的に奪い取ることができ、二相冷媒の凝縮率を高められる。このため、膨張弁３０４を通過した際の二相冷媒の膨張率が大きくなるので、蒸発器３０１には従来の顕熱だけを用いる水冷式に比べて温度の低い二相冷媒が供給されるので、効率的に熱交換を行えるので冷房効率がアップし消費電力を抑制することができる。
本形態では、熱交換システムとしてヒートポンプを用いる空調システムを例示したが、空調システムに限定されるものではなく、例えば、給湯機器、冷凍機器、コンピュータの中央演算回路（ＣＰＵ）や電子基盤や電子機器の冷却に用いる熱交換システム等にも適用することができる。

本発明の第一の形態である熱交換装置の概略構成図である。 熱交換器内での第一、第二の流路の構成とミスト状の冷却流体による熱交換の概念を示す図でする。 本発明の第二の形態である熱交換装置の概略構成図である。 本発明の第三の形態である熱交換システムの概略構成図である。

符号の説明

１ 熱交換媒体
２ 第一の流路
３ 冷却流体
３Ａ，３Ｂ 噴霧
４ 第二の流路
５ 熱交換器
６ ミスト生成手段
２０ 送風手段
２１ 送風ファン
２２ 導入路
６１ 噴射ノズル
６２ 加圧供給手段
１００，２００ 熱交換装置
３００ 冷凍サイクル部

Claims (5)

1. 熱交換媒体が流れる第一の流路及び冷却流体が流れる第二の流路を備えた熱交換器と、
   前記冷却流体の噴霧を生成し、第二の流路内へ供給するミスト生成手段を有する熱交換装置。
2. 前記ミスト生成手段は、冷却流体を噴霧する噴射ノズルと、前記噴射ノズルに冷却流体を加圧供給する加圧供給手段を有する請求項１記載の熱交換装置。
3. 前記噴射ノズルから噴射された噴霧を第二の流路へ供給する送風手段を有する請求項２記載の熱交換装置。
4. 前記送風手段は、送風ファンと、前記送風ファンで発生した気流を第二の流路へ導入する導入路を有する請求項３記載の熱交換装置。
5. 熱交換媒体を圧縮／膨張させると共に熱交換器へ導入する冷凍サイクル部と、請求項１ないし４の何れかに記載の熱交換装置を備えたことを特徴とする熱交換システム。

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