(57)【要約】  使用する水量を減らしながら熱交換性能を向上させることができる、凝縮を伴う冷却塔及びこれに用いられる熱交換器を提供する。冷却塔は、複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む熱交換器と、空気が上記熱交換器を通るように送風するファンと、上記熱交換器へ微粒子の水滴を噴霧する噴霧ノズルと、上記熱交換器に接続された配管と、を含む。
2017110677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子状の液滴が噴霧される複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む、熱交換器。
【請求項２】
前記冷却対象の流体が流入する入口流路と、前記入口流路から流入した冷却対象の流体を前記複数の並列する流路に分岐するヘッダーとをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記複数の並列する流路の配管径は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて太くするように勾配がつけられている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記ヘッダーの体積は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて大きくするように勾配がつけられている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記入口流路の下方に位置する、前記ヘッダーの底面にくぼみ部が形成されている、請求項３又は請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記入口流路が複数設けられている、請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記複数の入口流路に対応して、それぞれ微粒子状の液滴が噴霧される、請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器と、
空気が前記熱交換器を通るように送風するファンと、
前記熱交換器へ微粒子状の液滴を噴霧する噴霧ノズルと、
前記熱交換器に接続された配管とを含む、冷却塔。
【請求項９】
前記噴霧ノズルは、重力方向に対して傾斜させた方向で、前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、請求項８に記載の冷却塔。
【請求項１０】
前記熱交換器の前記複数の並列する流路が重力方向と実質的に平行となるように、前記熱交換器は設置されており、
前記噴霧ノズルは、斜め下向きに前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、請求項８に記載の冷却塔。
【請求項１１】
前記ファンは、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対し風量勾配を引き起こし、
前記噴霧ノズルは、その噴霧分布量が前記風量勾配と比例するように、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対して傾斜をつけて設置されている、請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の冷却塔。
【請求項１２】
前記噴霧ノズルは、ノズル流量分布の最大点が前記熱交換器の入口流路下方に位置するように、設置されている、請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の冷却塔。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、及び冷却塔に関し、特に凝縮を伴う冷却塔及びこれに用いられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却塔は冷却水に空気を送風し、水空気間で潜熱利用の熱交換を行わせることで、より効率的な冷却を実現していた。密閉式冷却塔の発明により、冷却水の汚染問題が解決されるだけでなく、水以外の冷媒に対する冷却も可能となった。密閉式冷却塔は、特許文献１に見られるように、冷却塔内の熱交換用配管を水平に設置し配管を蛇行させることにより、外気・散水と接触する表面積を増やし、熱交換性能の向上を行っていた。【０００３】
このような方法は、凝縮を伴わない冷媒の冷却には適した方法であるが、凝縮を伴う冷媒の冷却には、熱伝達率低下を招くこと、そしてシステムの圧力損失を増加させるという理由で不向きであった。特許文献２の密閉式冷却塔では、熱交換器を構成する配管を蛇行させずに、プレートフィンが通風方向に沿って下降するように熱交換器に傾斜をつけて設置した上で、熱交換器上部より熱交換器へ散水する方式が、提案されている。このような方式を採用することで、冷却塔内の凝縮済み冷媒を重力利用で循環することができるので、熱伝達率の改善・圧力損失の低減が期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実願昭６２−７８９４４号（実開昭６３−１９０７６４号）のマイクロフィルム
【特許文献２】実願昭６０−８６５６２号（実開昭６１−２０４１７３号）のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した冷却塔には以下のような課題がある。特許文献２のような傾斜をつけた熱交換器に対して上部より散水を行う場合、熱交換器全体に散水を行うために散水量を余分に必要とする。その上に、熱交換器上部は散水量が過多になり、潜熱利用を効率的に行えない。また、散水用の水循環システムが必要不可欠となる。この散水に水道水を用いた場合、水道水に含まれるカルシウム、マグネシウム、シリカなどの成分が凝縮されて結晶化し、スケールが形成されるという問題が生じる。スケール生成により熱伝達率が大幅に低下するだけでなく、頻繁なメンテナンスやフィルター設置が必要とされる。また、シリカ除去には人体に有害になる化学物質を使用する事例も発生している。【０００６】
本発明の目的は、使用する水量を減らしながら熱交換性能を向上させることができる、凝縮を伴う冷却塔及びこれに用いられる熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、微粒子状の液滴が噴霧される複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む。【０００８】
本発明に係る冷却塔は、複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む熱交換器と、空気が上記熱交換器を通るように送風するファンと、上記熱交換器へ微粒子状の液滴を噴霧する噴霧ノズルと、上記熱交換器に接続された配管と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、噴霧した液滴を、熱交換器の複数の並列する流路の表面、又はその付近で効率的に気化させることができ、使用する水量を減らしながら冷却対象の流体を凝縮させることができ、熱交換性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は最上位概念の実施形態による冷却塔を説明するための概観図であり、（ｂ）はこの冷却塔に用いられる熱交換器の概観図である。
【図２】本発明の第１実施形態の冷却塔を説明するための概観図である。
【図３】図２の冷却塔に用いられる熱交換器の概観図である。
【図４】本発明の実施形態の冷却塔のファンによる熱交換器付近の風量分布を示す概念図である。
【図５】本発明の実施形態の冷却塔を構成するファン、熱交換器、噴霧ノズルの位置関係を示す概念図である。
【図６】（ａ）は熱交換器の入口流路が一つの場合の概観と入口流路位置に合う噴霧ノズルの流量分布を示す図であり、（ｂ）は熱交換器の入口流路が複数の場合の概観と入口流路位置に合う噴霧ノズルの流量分布を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の冷却塔を用いたサーバー室の冷却システムを説明するための概観図である。
【図８】本発明の第２実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【図９】本発明の第３実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【図１２】本発明の実施形態の熱交換器を用いて冷却した場合の、湿球温度の変化による熱抵抗値の計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
具体的な実施形態について説明する前に、本発明の最上位概念の実施形態による冷却塔と、これに用いられる熱交換器について、説明する。図１（ａ）は最上位概念の実施形態による冷却塔を説明するための概観図であり、図１（ｂ）はこの冷却塔に用いられる熱交換器の概観図である。
【００１３】
図１（ａ）の冷却塔１００は、送風するファン１０９と、熱交換器１０５と、熱交換器１０５へ微粒子状の液滴を噴霧する噴霧ノズル１０６と、を含む。図１（ａ）の熱交換器１０５は図１（ｂ）のように、微粒子状の液滴が噴霧される複数の並列する流路１０３であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路１０３を含む。
【００１４】
噴霧した微粒子状の液滴を、熱交換器１０５の複数の並列する流路の表面、又はその付近で効率的に気化させることができ、使用する水量を減らしながら冷却対象の流体を凝縮させることができ、熱交換性能を向上させることができる。熱交換器１０５の熱交換性能を向上させることができ、熱交換性能を向上させた冷却塔１００を実現できる。以下、本発明のより具体的な実施形態について説明する。
【００１５】
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態による冷却塔、及びこれに用いられる熱交換器について、説明する。図２は、本発明の第１実施形態の冷却塔を説明するための概観図である。
【００１６】
［構造の説明］
本発明の第１実施形態の冷却塔は、密閉式冷却塔である。図２の密閉式冷却塔２０は、送風するファン９と、熱交換器５と、この熱交換器５へ微粒子状の液滴の一例としての微粒子の水滴を噴霧する噴霧ノズル６と、を含む。さらに密閉式冷却塔２０は、熱交換器５に接続された配管１２ａ、１２ｂを含む。さらに図２の密閉式冷却塔２０は、圧力計７と、流量調整バルブ８と、ポンプ１０と、貯水タンク１１と、を含む。
【００１７】
ファン９は、密閉式冷却塔２０の筐体１３上部に設置され、空気が熱交換器５を通り密閉式冷却塔２０の上部より外に流れるように送風する。密閉式冷却塔２０内の熱交換器５に対する空気の送風方向は、噴霧ノズル６から微粒子の水滴が噴霧される側から、冷却対象の複数の並列する流路に向かうものとする。より具体的には密閉式冷却塔２０の外側から内側に向かう図２の矢印の方向に沿って、熱交換器５に対して空気は送風される。
【００１８】
噴霧ノズル６は、熱交換器５に微粒子の水滴を噴霧する。噴霧ノズル６は、噴霧ノズル６の噴霧分布量がファン風量勾配と比例するように、熱交換器５に対して傾斜をつけて設置されている。特に噴霧ノズル６は、熱交換器５の外側上部より斜め下向きに熱交換器５へ微粒子の水滴を噴霧するように、設置されている。
【００１９】
熱交換器５は、複数の並列する流路であって、冷却対象の冷媒が重力方向、又は凝縮後の冷媒が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を、含む。以下、このような熱交換器５の複数の並列する流路を、複数流路と呼ぶ。図２は設置形態の一例として、熱交換器５の複数流路が重力方向と平行となるように、熱交換器５を設置した場合を示す。図２では、熱交換器５を密閉式冷却塔２０の両面に設置した場合を示す。熱交換器５の両面設置に対応して、噴霧ノズル６、圧力計７、流量調整バルブ８やポンプ１０がそれぞれ設置されている。
【００２０】
図３は、図２の冷却塔に用いられる熱交換器５の概観図である。図３に示すように熱交換器５は、冷却対象の冷媒が流れる入口流路１と、入口流路１から流入した冷媒を複数流路３に分岐するヘッダー２と、複数流路３に設けられたフィン４と、を含む。
【００２１】
複数流路３を含んでなる熱交換器５は、図２のような重力方向と平行に、又は冷媒粘性に基づき凝縮した液が効率的に密閉式冷却塔２０外へ重力利用で流出できる傾斜で、設置される。
【００２２】
本実施形態では、密閉式冷却塔２０の両面に設置された熱交換器５外側上部から斜め下向きに熱交換器５に対して傾斜のある噴霧ノズル６で微粒子の水滴を噴霧することにより、熱交換器５の複数流路３内を流れる、冷却対象の冷媒の凝縮冷却を行う。
【００２３】
本発明の実施形態の密閉式冷却塔２０は、図４に見られるように、ファン９と熱交換器５の位置により、熱交換器５の熱交換面上部から下部にむけて特別な制御を必要とすることなく、風量分布に勾配をつけることが可能な配置である。そこへ熱交換器５外側上部より熱交換器５に対して噴霧分布量がファン風量勾配と比例するように傾斜をつけて、噴霧ノズル６を設置する。
【００２４】
噴霧ノズル６より噴霧される水滴の大きさは、噴霧ノズル６より熱交換器５の複数流路３へ届くまでに蒸発し尽くすことのない程度の微粒子の状態であることが、好ましい。噴霧ノズル６より噴霧される水滴の直径は、例えば１５０μｍ以下にする。また、噴霧ノズル６より噴霧される水滴の最小直径は、噴霧ノズル６と複数流路３の距離、風量などのコンディションにより変わる。複数流路３を構成する配管は、噴霧ノズルから噴霧される水滴がまんべんなく接触するよう、可能な限り重なり合いを避けるように配置する方が好ましい。
【００２５】
複数流路部分（熱交換部分）全体へ噴霧を行うとき、図６に見られるように、熱交換器５の入口流路１から距離が近い複数流路部分へは、距離が遠い部分と比較して多くの噴霧流量が送れるような噴霧分布の噴霧ノズルを使用すると、噴霧水を有効活用できる。それは熱交換器５の入口流路１に近い複数流路３により多くの冷媒が流れるので、入口流路１に近い複数流路３の必要熱交換量もそれに応じて増加するからである。
【００２６】
噴霧ノズル６より噴霧される水滴の流量については、熱交換器５に水粒子が到着するまでに蒸発し尽くすことがないが、熱交換器５を通過する間にその多くが有効的に潜熱利用され蒸発できるような流量となるように、設定する。熱交換器５を通過する間に蒸発可能な量に設定し、かつ噴霧は熱交換器５から可能な限り近い距離で行うことが好ましい。このような構成により、噴霧ノズル６から噴霧された水の飛散を防ぐことができる。このとき、噴霧された水が熱交換器５全体にかかるよう位置を調整する。噴霧ノズル６は水のみを噴霧する１流体ノズルを使用することも、水と圧縮空気を合わせて同時に噴霧する２流体ノズルを使用することもある。
【００２７】
熱交換器５と噴霧ノズル６との距離は熱交換器５前面に噴霧幅が行き届き、かつ可能な限り距離を短くするように設置する。噴霧ノズル６は、密閉式冷却塔２０上部に設置されたファン９によって引き起こされる熱交換器５上下の風量分布勾配に比例するような傾斜角度と共に、設置する。
【００２８】
傾斜をつけた噴霧ノズル６は熱交換器５の外側上部より斜め下向きに微粒子状の水滴を噴霧するので、ノズルからの噴霧距離が近い熱交換器５上部は単位面積当たりの噴霧量が多い。噴霧ノズル６からの距離が遠くなるにつれて噴霧量も減少するので、同じ熱交換器５に対して勾配をつけた噴霧量を実現することができる。一つの熱交換器５に対して、ファン風量が大きい箇所では噴霧ノズル６による噴霧量を大きく、ファン風量が小さい箇所では噴霧ノズル６による噴霧量を小さくするといった組合せにより、熱交換器５の複数流路３の必要熱交換量に応じた最適化が可能になる。
【００２９】
微粒子状で噴霧される水は、ポンプ１０、圧力計７、図示しない遮断機、流量調整バルブ８、図示しない温度計などに加え、タンク１１から噴霧ノズル６までの配管もしくはチューブで構成された装置により、供給される。本実施形態の噴霧ノズル６による噴霧は、夏場などの湿球温度が高く凝縮性能が落ちる場合にのみ適応することが想定されるため、外気湿球温度計とシステム内を流れる冷媒温度を参照し、行われる。
【００３０】
なお密閉式冷却塔２０内の熱交換器５を構成する複数流路３の配管の本数を増やすことで、外気と噴霧される水滴との接触面積を増加させた構造とすることができる。加えて、熱交換器５を構成する複数流路３の配管は、配管径を細くすることによる圧力損失の増加等の影響を考慮し設計を行う。
【００３１】
密閉式冷却塔２０の筐体１３上面に設置されたファン９は、重力方向と平行に設置された熱交換器５の複数流路３に対し風量勾配を引き起こす。ファン９により引き起こされた風量勾配を、以下、ファン風量勾配と呼ぶ。図４は、本発明の実施形態の冷却塔のファンによる熱交換器付近の風量分布を示す概念図である。ファン９は、図４に示すような風量分布勾配を引き起こす。そこに微粒子の水滴を噴霧する噴霧ノズル６を、図５のように熱交換器５外側上部より熱交換器５に対して、噴霧ノズル６の噴霧分布量がファン風量勾配と比例するように、傾斜をつけて設置する。
【００３２】
なお熱交換器５の入口流路１を、図３に示されるような単数とするのではなく、複数設けることも考えられる。熱交換器５の入口流路１と噴霧ノズルによるノズル流量分布との関係について、説明する。図６（ａ）は熱交換器の入口流路が一つの場合の概観と入口流路位置に合う噴霧ノズルの流量分布を示す図であり、図６（ｂ）は熱交換器の入口流路が複数の場合の概観と入口流路位置に合う噴霧ノズルの流量分布を示す図である。
【００３３】
図６（ａ）に見られるように、ノズル流量分布の最大点が入口流路下方に来、かつ噴霧幅が熱交換器表面に収まることを考慮して、噴霧ノズルの選定、噴霧ノズルの位置選定や設置方向の選定を行う。熱交換器５の入口流路１を複数とした場合には、図６（ｂ）に見られるように、ノズル流量分布の最大点が複数の入口流路下方に来、かつ噴霧幅が熱交換器表面に収まることを考慮して、噴霧ノズルの選定、噴霧ノズルの位置選定や設置方向の選定を行う。このような選定や設置により、熱交換器の内側・外側の熱流速値分布を近づけ、流量の最適化を可能とする。
【００３４】
［冷却動作の説明］
発熱源からの熱により蒸気となった冷却対象の冷媒は、配管１２ａを経由して、入口流路１から熱交換器５へ流入する。噴霧ノズル６から噴霧された微粒子状の水滴は、ファン９による送風も寄与して、熱交換器５の複数流路３の表面、又はその付近で効率的に気化する。この熱交換器５による熱交換により、冷却対象の冷媒の凝縮が起きる。液体となった冷却対象の冷媒は、重力利用で配管１２ｂを経由して、再び発熱源の近傍へ送られる。冷却対象の冷媒を、熱交換器５を経由して循環させることにより、本実施形態の密閉式冷却塔２０は冷却を行う。
【００３５】
［効果の説明］
本実施形態の密閉式冷却塔２０によれば、複数流路３を含んで構成される熱交換器５に噴霧ノズル６で水を噴霧しつつ、ファン９で風を送ることにより、噴霧した微粒子の水滴を複数流路３の表面、又はその付近で効率的に気化させる。熱交換器５は熱交換作用により、冷却対象の冷媒を凝縮させる。噴霧した微粒子の水滴の気化により、熱交換性能を向上させることができる。
【００３６】
噴霧した微粒子の水滴を用いることにより、使用する水量を減らしつつ冷却対象の冷媒を凝縮させることができ、熱交換性能を向上させることができる。熱交換器５の熱交換性能を向上させることができ、熱交換性能を向上させた密閉式冷却塔２０を実現できる。
【００３７】
熱交換器に対して上部から散水を行う特許文献２の冷却塔と比較して、使用する水量を減らすことができるので、散水量を余分に必要とするといった問題や、熱交換器上部は散水量が過多になり潜熱利用を効率的に行えないといった問題を解消できる。また使用する水量を減らせることにより、水道水に含まれるカルシウム、マグネシウム、シリカなどの成分が凝縮されて結晶化し、スケールが形成されるという問題の顕在化を遅らせることができる。スケール生成に起因する熱伝達率の低下問題を解消し、頻繁なメンテナンスやフィルター設置を不要とすることができる。
【００３８】
その結果、凝縮を伴う密閉式冷却塔において、熱交換性能の向上、圧力損失によるシステムへの負荷低減、散水量の低減による循環システムの排除、並びに水循環に関わるスケール等の課題解決による信頼性向上を実現できる。
【００３９】
本発明の実施形態の密閉式冷却塔２０は、外気温度の上昇によりファン９のみでは冷却が困難な場合に、噴霧した水が効率的に蒸発する際の潜熱を利用した冷却方法に好適である。外気温度と冷却対象冷媒の温度を測定し、必要な条件の場合に噴霧が行われる仕組みにすることが考えられる。
【００４０】
［密閉式冷却塔の利用例］
本発明の実施形態の密閉式冷却塔の利用方法として、データセンターでのサーバーなどのＩＴ（Information Technology）機器の冷却があげられる。図７のデータセンター３０のサーバー室２１内にサーバーラック２２が設置され、ラックリアドア側に受熱部２３を設置する。サーバーラック２２内にサーバーが設置され、サーバー内ＩＴ機器から発生する熱をサーバーに搭載されているファンにより空冷し、その時に温められた空気をラックリアドア側に設置された受熱部２３により冷却することで、サーバーラック２２外に排出される空気は冷やされる。この時受熱部２３が吸熱した熱は冷媒の循環により密閉式冷却塔２０の熱交換器内に運ばれ、そこで外気に放熱される。受熱部２３と密閉式冷却塔２０の熱交換器は、液管２４及び蒸気管２５により接続されている。密閉式冷却塔２０は、サーバー室２１の上方に設置されており、受熱部２３内の冷媒は、相変化によって蒸気になり、冷媒蒸気は直接、本発明の実施形態の密閉式冷却塔２０により冷却される。密閉式冷却塔２０の熱交換器が凝縮部となり、熱交換器で凝縮された後の冷媒液は、液管２４を経由して受熱部２３に戻すことで冷媒を循環させ、外気放熱式の冷却を行う。熱交換器で凝縮された後の冷媒液は重力作用により、液管２４を経由して受熱部２３に至る。
【００４１】
本実施形態のような凝縮を伴う密閉式冷却塔２０においては、熱交換性能の向上、圧力損失によるシステムへの負荷低減、散水量の低減による循環システムの排除、並びに水循環に関わるスケール等の課題解決による信頼性向上が期待される。なお、図７では密閉式冷却塔２０をサーバー室２１の上方に設置した場合を示しているが、密閉式冷却塔２０は、サーバー室２１の上方に設置される場合と、ポンプを使用し冷媒を強制循環させることにより、上方でない場所に設置される場合がある。
【００４２】
データセンターでのサーバーなどＩＴ機器の排熱に多大な冷却電力が消費されており、冷房空調機を使用して冷却を行う代わりに、直接外気放熱を行うことで冷却電力の大幅な削減が可能となる。ファンによる外気への熱輸送は外気温の低い場合十分な冷却能力があるのに対し、夏などの外気温が高い環境下では冷却能力が失われてしまう。冷却能力の高い冷却塔を使用することで、外気温の高い環境下においても外気放熱を可能とし、結果冷却電力の削減に大きく貢献できる。
【００４３】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による冷却塔について、説明する。本実施形態の冷却塔は、第１実施形態による冷却塔と比較して、用いる熱交換器が異なる。熱交換器以外の構成は、第１実施形態による冷却塔と同様なため、その詳細な説明は省略する。図８は、本発明の第２実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【００４４】
［構造の説明］
本実施形態の熱交換器５ａでは、熱交換器５ａを構成する複数流路３の配管径を入口流路１からの距離が遠くなるにつれて太くするように勾配をつける。図８では、複数流路３の配管のうち、配管３ｂの配管径は入口流路１に近い配管３ａの配管径より太い。さらに複数流路３の配管のうち、入口流路１からの距離がより遠い配管３ｃの配管径は、配管３ｂの配管径より太い。
【００４５】
本実施形態の、入口流路１に近い距離にある複数流路３の配管径を入口流路１からの距離が遠くなるに従い、太くするような勾配をつけた熱交換器５ａでは、入口流路１から流入する冷媒蒸気を複数流路３全体に均等に配分することができる。入口流路１から流入する冷媒を均等に複数流路３に配分することにより、冷却能力の向上、熱交換器５ａ並びに密閉式冷却塔２０のサイズ縮小を可能にする。
【００４６】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による冷却塔について、説明する。本実施形態の冷却塔は、第１実施形態による冷却塔と比較して、用いる熱交換器が異なる。熱交換器以外の構成は、第１実施形態による冷却塔と同様なため、その詳細な説明は省略する。図９は、本発明の第３実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【００４７】
［構造の説明］
本実施形態の熱交換器５ｂでは、熱交換器５ｂを構成する複数流路３上部のヘッダー体積を入口流路１からの距離が遠くなるにつれて大きくするように勾配をつける。図９に見られるように、複数流路３の配管径を一定にし、入口流路１から近い距離にある複数流路３から入口流路１からの距離が遠くなるに従い、複数流路３上部のヘッダー２ａの体積を、勾配を付けて大きくする。
【００４８】
本実施形態の、複数流路３上部のヘッダー体積を入口流路１からの距離が遠くなるにつれて大きくするように勾配をつけた熱交換器５ｂでは、入口流路１から流入する冷媒蒸気を複数流路３全体に均等に配分することができる。入口流路１から流入する冷媒を均等に複数流路３に配分することにより、冷却能力の向上、熱交換器５ｂ並びに密閉式冷却塔２０のサイズ縮小を可能にする。
【００４９】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態による冷却塔について、説明する。本実施形態の冷却塔は、第１実施形態による冷却塔と比較して、用いる熱交換器が異なる。熱交換器以外の構成は、第１実施形態による冷却塔と同様なため、その詳細な説明は省略する。図１０は、本発明の第４実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【００５０】
［構造の説明］
本実施形態の熱交換器５ｃでは図１０に示すように、入口流路１の下方に位置する、ヘッダー２ｂの底面にくぼみ部２ｃが形成されている。くぼみ部２ｃでは、ヘッダー２ｂの底面の高さがヘッダー２ｂの底面の他部分の高さと比較して、低い。入口流路１の下方に位置する、ヘッダー２ｂの底面にくぼみ部２ｃをつけることにより、入口流路１から流入する冷媒蒸気に含まれる冷媒液はくぼみ部２ｃに集約される。冷媒蒸気に含まれている冷媒液が一部に集約される構造により、熱交換器５ｃの複数流路３内の冷媒凝縮により生成される液膜を薄くすることができる。液膜を薄くすることで熱伝達率を向上させ、その結果、冷却能力の向上、熱交換器５ｃ並びに密閉式冷却塔２０のサイズ縮小を可能にする。
【００５１】
なお、図１０の熱交換器５ｃでは、第２実施形態の熱交換器５ａと同様に、熱交換器５ｃを構成する複数流路の配管径を入口流路１からの距離が遠くなるにつれて太くするように勾配をつけている。図１０では、配管３ｂの配管径は入口流路１に近い配管３ａの配管径より太い。さらに、入口流路１からの距離がより遠い配管３ｃの配管径は、配管３ｂの配管径より太い。
【００５２】
本実施形態のような、入口流路１に近い距離にある複数流路３の配管径を入口流路１からの距離が遠くなるに従い、太くするような勾配をつけた熱交換器５ｃでは、入口流路１から流入する冷媒蒸気を複数流路３全体に均等に配分することができる。このような複数流路３の配管径の勾配を併用することにより、冷却能力のさらなる向上、熱交換器５ｃ並びに密閉式冷却塔２０のさらなるサイズ縮小を可能にできる。
【００５３】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態による冷却塔について、説明する。本実施形態の冷却塔は、第１実施形態による冷却塔と比較して、用いる熱交換器が異なる。熱交換器以外の構成は、第１実施形態による冷却塔と同様なため、その詳細な説明は省略する。図１１は、本発明の第５実施形態の冷却塔に用いられる熱交換器を説明するための概観図である。
【００５４】
［構造の説明］
本実施形態の熱交換器５ｄは、上述した第３実施形態の熱交換器に対し、入口流路１の下方に位置する、ヘッダー２ｄの底面にくぼみ部２ｃが形成された構成である。くぼみ部２ｃでは、ヘッダー２ｄの底面の高さがヘッダー２ｄの底面の他部分の高さと比較して、低い。入口流路１の下方に位置する、ヘッダー２ｄの底面にくぼみ部２ｃをつけることにより、入口流路１から流入する冷媒蒸気に含まれる冷媒液は一部、例えばくぼみ部２ｃ、に集約される。
【００５５】
冷媒蒸気に含まれている冷媒液が一部に集約される構造により、熱交換器５ｄの複数流路３内の冷媒凝縮により生成される液膜を薄くすることができる。液膜を薄くすることで熱伝達率を向上させ、その結果、冷却能力の向上、熱交換器５ｄ並びに密閉式冷却塔２０のサイズ縮小を可能にする。
【００５６】
また本実施形態のような、複数流路３上部のヘッダー体積が入口流路１からの距離が遠くなるにつれて大きくなるように勾配をつけた熱交換器５ｄでは、入口流路１から流入する冷媒蒸気を複数流路３全体に均等に配分することができる。入口流路１から流入する冷媒を均等に複数流路３に配分することにより、冷却能力のさらなる向上、熱交換器５ｄ並びに密閉式冷却塔２０のさらなるサイズ縮小を可能にする。
【実施例】
【００５７】
図１２は本発明の実施形態のような、重力方向と平行な複数流路３により構成される熱交換器５を用いて冷却した場合の、湿球温度の変化による熱抵抗値の計測結果を示すグラフである。図１２では、上述した実施形態のようなファン９による送風とともに、微粒子の水滴を噴霧して冷却した場合と、微粒子でない大きな水滴を同熱交換器に散水して冷却した場合とを示す。図１２では、冷却に使用する噴霧される微粒子の水滴直径は１５０μｍ以下になるように設定されている。【００５８】
冷却対象の冷媒は受熱部で温められ、密閉式冷却塔で冷却される。図１２に示されるRcvは受熱部熱抵抗であり、Rvwは放熱部（冷却塔）熱抵抗であり、Rcwは受熱部熱抵抗Rcvと放熱部（冷却塔）熱抵抗Rvwとの和を示す。【００５９】
Rcv sprayは微粒子の水滴を噴霧し冷却した場合の受熱部熱抵抗であり、Rvw sprayは微粒子の水滴を噴霧し冷却した場合の放熱部（冷却塔）熱抵抗である。さらにRcw sprayは、微粒子の水滴を噴霧し冷却した場合の受熱部熱抵抗Rcv sprayと、微粒子の水滴を噴霧し冷却した場合の放熱部（冷却塔）熱抵抗Rvw sprayとの和を示す。【００６０】
熱抵抗値の計測結果から、大幅な熱抵抗の改善が見られ、冷却能力の向上が示された。本発明の実施形態や実施例によれば、熱抵抗の改善、圧力損失の減少から冷却能力向上が可能になり、その結果、湿球温度の高い時期での外気を利用した冷却が実現できる。【００６１】
以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上述した実施形態、例えば図２では、熱交換器５の複数流路が重力方向と平行となるように、熱交換器５を設置した場合で説明したが、本発明はこれに限られない。冷却対象の流体が熱交換器５で熱交換し凝縮した後の冷却対象の流体が重力利用で循環できる程度の傾斜で設置された熱交換器５にも適用することができる。そしてこのような傾斜で設置された熱交換器５を用いた密閉式冷却塔に適用することができる。【００６２】
また、例えば密閉式冷却塔２０に使用される、冷却対象の流体は、水でもその他冷媒でもかまわない。また冷却対象の流体としては、液体、気体、混合流体の状態を想定する。また密閉式冷却塔２０に噴霧ノズル６から噴霧される水の量は蒸発潜熱分程度とし、それゆえ噴霧された水の循環システム、並びにフィルターを必要としない。【００６３】
また本発明の実施形態の冷却塔は、データセンターなどの排熱を、受熱部にて冷媒を媒体として吸熱を行うことで冷却し、吸熱した冷媒を循環させる冷媒循環サイクルを用いた冷却システムで使用することができる。【００６４】
冷媒循環サイクルでの使用方法として、放熱部を受熱部より高い位置に設置することで、循環サイクル内の冷媒の相変化による気体液体の密度差を利用した自然循環でのアプリケーションが考えられる。或いは冷媒循環サイクルでの使用方法として、放熱部位置を考慮せずポンプ等を使用した強制循環でのアプリケーションが考えられる。【００６５】
（効果のまとめ）
改めて本発明の実施形態の密閉式冷却塔による効果をまとめると、次のようになる。【００６６】
第１の効果は、熱交換を行う複数流路の配管を重力方向と平行に、又は冷媒粘性に基づき凝縮した液体が効率的に冷却塔外へ重力を利用し流入する傾斜で設置することにより、複数流路の配管内の凝縮液により形成される液膜の太さを可能な限り薄くする。これにより、熱伝達率の向上を促進する。その結果、単位体積当たりの冷却能力が向上し、熱交換器の大きさを削減する。また、凝縮液により形成される液膜の太さを薄くすることにより、凝縮前蒸気が通る有効配管内断面積を増加させ、結果圧力損失を削減する。相変化を伴う熱輸送プロセスにおいて、圧力損失は熱輸送量へ大きく影響するため、結果冷却能力の向上を実現する。【００６７】
第２の効果は、図４に見られるようなファンと熱交換器の位置関係により、熱交換器を通過する風量に特別な制御を必要とすることなく、上部から下部にむけて勾配を付けることが可能である。そこへ熱交換器外側上部より熱交換器に対して噴霧分布量がファン風量勾配と比例するように噴霧ノズルに傾斜をつけて噴霧することで、効率的に蒸発を促すことが可能になり、結果冷却能力の向上を実現する。また、効率的な蒸発により節水の効果があるだけでなく、傾斜をつけることで噴霧幅を拡大し必要ノズル数の削減が可能となる。【００６８】
同様に、図６に見られるように、ノズル流量分布の最大点が入口流路下方に来、かつ噴霧幅が熱交換器表面に収まるノズル選定・位置選定を行うことで、熱交換器内側・外側の熱流速値分布を近づけ、流量の最適化を可能とする。【００６９】
第３の効果は、冷却塔において微粒子状の水滴を噴霧することによって、環境湿球温度の高い状況下においても、水の気化を促進し熱伝達率の向上を可能とする。熱伝達率は数式（熱伝達率＝熱伝導率×面積×ΔＴ÷太さ）で算出される。ここで、ΔＴは温度差である。水滴直径を小さくすると上記数式の（太さ）が小さくなり、その結果、熱伝達率が大きくなる。よって、噴霧する微粒子状の水滴直径を小さくすることにより、熱伝達率が向上する。【００７０】
また、水粒子が液滴で存在するには表面張力が内圧と釣り合う必要があり、内圧は水滴直径が小さくなるほど高くなることから、水滴直径が小さくなると水滴の安定性が保たれにくくなる。この時、水滴近辺に他水滴が存在する場合、それらが併合し大きな水液滴として存在するが、他水滴と距離がある場合、安定性が保たれない液滴の蒸発が促進されることにより、気化を促進する結果となる。【００７１】
微粒子の状態の水を蒸発できる流量分噴霧することで水消費を減らせるだけでなく、散水用の水循環システム並びにそれに伴う循環動力（ポンプ電力、フィルターリング）を不要にする。それが原因として発生する水道水に含まれる成分（カルシウム、マグネシウム、シリカなど）の結晶化によるスケール発生の課題、並びにそれらのメンテナンスを不要にする。シリカ除去には人体に有害になる化学物質を使用する事例も発生していることから、安全性の向上に寄与する。また、必要流量の削減により貯水タンクのサイズダウンを可能とする。【００７２】
その他、以下に明記する課題解決手法はすべて冷却能力の向上に寄与する。一つ目に、熱交換器５の複数流路３を構成する配管の向きが重力方向と平行になるように設置することで、特許文献１のように配管を水平に設置したのち冷却塔内で蛇行させて距離を稼ぐ配管形状と比較し、同体積内での熱交換可能表面積を増加させることができる。【００７３】
これは、配管湾曲部分の体積ロスを無くすことで、配管をより密に設置できるからである。また、各々の配管距離を短くし本数を増やす本発明の方式では、凝縮により生成された液を複数の配管の中に保持する時間が短く、結果、熱伝達率を向上させるだけでなく、液を冷却塔外に運ぶ時に生じる圧力損失も大幅に軽減することが可能である。【００７４】
二つ目に、図８や図１０のように複数流路３の配管径を入口流路からの距離が遠くなるに従い、太くするような勾配をつける方法は、冷却対象の冷媒を熱交換器に均等に配分し、冷却能力の向上に寄与する。三つ目に、図９や図１１のように複数流路の配管径を一定にし、入口流路からの距離が遠くなるに従い、複数流路上部のヘッダー体積を、勾配を付けて大きくする構造も、前例と同様の効果を有する。四つ目に、図１０や図１１に見られるように、入口流路下方に位置するヘッダー底面の高さをヘッダー底面他部分と比較し低くし、又はくぼみをつけることで、冷却対象冷媒蒸気に混ざっている液を一部に集中することで、熱伝達率の向上に寄与する。【００７５】
このように請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。【００７６】
上記の実施形態や実施例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）微粒子状の液滴が噴霧される複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む、熱交換器。
（付記２）前記冷却対象の流体が流入する入口流路と、前記入口流路から流入した冷却対象の流体を前記複数の並列する流路に分岐するヘッダーとをさらに含む、付記１に記載の熱交換器。
（付記３）前記複数の並列する流路の配管径は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて太くするように勾配がつけられている、付記２に記載の熱交換器。
（付記４）前記ヘッダーの体積は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて大きくするように勾配がつけられている、付記２に記載の熱交換器。
（付記５）前記入口流路の下方に位置する、前記ヘッダーの底面にくぼみ部が形成されている、付記３又は付記４に記載の熱交換器。
（付記６）前記入口流路が複数設けられている、付記２乃至付記５のいずれか一つに記載の熱交換器。
（付記７）前記複数の入口流路に対応して、それぞれ微粒子状の液滴が噴霧される、付記６に記載の熱交換器。
（付記８）付記１乃至付記７のいずれか一つに記載の熱交換器と、空気が前記熱交換器を通るように送風するファンと、前記熱交換器へ微粒子状の液滴を噴霧する噴霧ノズルと、前記熱交換器に接続された配管とを含む、冷却塔。
（付記９）前記噴霧ノズルは、重力方向に対して傾斜させた方向で、前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、付記８に記載の冷却塔。
（付記１０）前記熱交換器の前記複数の並列する流路が、重力方向と実質的に平行となるように、前記熱交換器は設置されており、前記噴霧ノズルは、斜め下向きに前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、付記８に記載の冷却塔。
（付記１１）前記ファンは、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対し風量勾配を引き起こし、前記噴霧ノズルは、その噴霧分布量が前記風量勾配と比例するように、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対して傾斜をつけて設置されている、付記８乃至付記１０のいずれか一つに記載の冷却塔。
（付記１２）前記噴霧ノズルは、ノズル流量分布の最大点が前記熱交換器の入口流路下方に位置するように、設置されている、付記８乃至付記１１のいずれか一つに記載の冷却塔。【００７７】
以上、上述した実施形態や実施例を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態や実施例には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。【００７８】
この出願は、２０１５年１２月２４日に出願された日本出願特願２０１５−２５１１９１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００７９】
１    入口流路
２、２ａ、２ｂ、２ｄ    ヘッダー
２ｃ    くぼみ部
３    複数流路
３ａ、３ｂ、３ｃ    配管
４    フィン
５、１０５    熱交換器
６、１０６    噴霧ノズル
７    圧力計
８    流量調整バルブ
９、１０９    ファン
１０    ポンプ
１１    貯水タンク
１２ａ、１２ｂ    配管
１３    筐体
２０    密閉式冷却塔
２１    サーバー室
２２    サーバーラック
２３    受熱部
２４    液管
２５    蒸気管
３０    データセンター
１０３    並列する流路
１００    冷却塔
【図１】
2017110677.tif 000003
【図２】
2017110677.tif 000004
【図３】
2017110677.tif 000005
【図４】
2017110677.tif 000006
【図５】
2017110677.tif 000007
【図６】
2017110677.tif 000008
【図７】
2017110677.tif 000009
【図８】
2017110677.tif 000010
【図９】
2017110677.tif 000011
【図１０】
2017110677.tif 000012
【図１１】
2017110677.tif 000013
【図１２】
2017110677.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月5日(2018.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子状の液滴が噴霧される複数の並列する流路であって、冷却対象の流体が重力方向、又は凝縮後の流体が重力利用で循環できる傾斜で設置された複数の並列する流路を含む、熱交換器。
【請求項２】
前記冷却対象の流体が流入する入口流路と、前記入口流路から流入した冷却対象の流体を前記複数の並列する流路に分岐するヘッダーとをさらに含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記複数の並列する流路の配管径は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて太くするように勾配がつけられている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記ヘッダーの体積は、前記入口流路からの距離が遠くなるにつれて大きくするように勾配がつけられている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記入口流路の下方に位置する、前記ヘッダーの底面にくぼみ部が形成されている、請求項３又は請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記冷却対象の流体が流入する入口流路が複数設けられている、請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
送風するファンと、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記熱交換器へ微粒子状の液滴を噴霧する噴霧ノズルと、
前記熱交換器に接続された配管とを含む、冷却塔。
【請求項８】
前記噴霧ノズルは、重力方向に対して傾斜させた方向で、前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、請求項７に記載の冷却塔。
【請求項９】
前記熱交換器の前記複数の並列する流路が重力方向と実質的に平行となるように、前記熱交換器は設置されており、
前記噴霧ノズルは、斜め下向きに前記熱交換器へ前記微粒子状の液滴を噴霧する、請求項７に記載の冷却塔。
【請求項１０】
前記ファンは、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対し風量勾配を引き起こし、
前記噴霧ノズルは、その噴霧分布量が前記風量勾配と比例するように、前記熱交換器の前記複数の並列する流路に対して傾斜をつけて設置されている、請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の冷却塔。
【国際調査報告】
2017110677.tif 000015
2017110677.tif 000016
2017110677.tif 000017
2017110677.tif 000018
2017110677.tif 000019