(57)【要約】【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となる熱交換装置及び熱交換システムを提供する。【解決手段】  本発明にかかる熱交換装置１００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、一端２Ａが第二の流路４と接続し他端２２Ｂが大気開放された導入路２２内または第二の流路４内に冷却流体のミスト３０を生成して供給するミスト生成手段６と、第二の流路４の排出側４Ａに負圧を与える負圧発生手段２０を有し、ミスト３０を熱交換器５内に負圧によって引き入れ、ミスト３０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
2008267771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
一端が第二の流路と接続し他端が大気開放された導入路内または第二の流路内に前記冷却流体の噴霧を生成して供給するミスト生成手段と、
第二の流路の排出側に負圧を与える負圧発生手段を有する熱交換装置。
【請求項２】
前記ミスト生成手段は、前記冷却流体を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルに貯留タンク内の冷却流体を供給する供給手段を有する請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記負圧発生手段は、回転駆動されることで第二の流路の排出側に接続された排気路内に吸引力を発生させる吸引ファンである請求項１または２記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記排気路内を流れる冷却流体を冷却する冷却手段と、
前記冷却手段で冷却されて液化した冷却流体を前記貯留タンクへ戻す回収手段を有する請求項３記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記冷却手段は、前記吸引ファンよりも冷却流体搬送方向の上流側に位置する排気路に設けられている請求項４記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記冷却手段は、前記導入路の開放端よりも吸気上流側で、同開放端と対向するように配置されている請求項４または５記載の熱交換装置。
【請求項７】
熱交換器を備えた熱交換装置と、熱交換媒体を圧縮／膨張させると共に前記熱交換器へ導入する冷凍サイクル部を有し、前記熱交換装置が請求項１ないし６の何れかに記載の熱交換装置である熱交換システム。
【請求項８】
熱交換器を備えた熱交換装置と、熱交換媒体を前記熱交換器へ導入する冷却装置を有し、前記熱交換装置が請求項１ないし６の何れかに記載の熱交換装置である熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  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、それを備えた熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  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。
【特許文献１】特開２００６−１６２２０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  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。また、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。このような背景において、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となる熱交換装置及び熱交換システムを提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  上記目的を達成するため、本発明にかかる熱交換装置は、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、一端が第二の流路と接続し他端が大気開放された導入路内または第二の流路内に、冷却流体の噴霧を生成して供給するミスト生成手段と、第二の流路の排出側に負圧を与える負圧発生手段を有することを特徴としている。
本発明にかかる熱交換装置において、ミスト生成手段は、冷却流体を噴射する噴射ノズルと、噴射ノズルに貯留タンク内の冷却流体を供給する供給手段を有することを特徴としている。
本発明にかかる熱交換装置において、負圧発生手段は、回転駆動されることで第二の流路の排出側に接続された排気路内に吸引力を発生させる吸引ファンであることを特徴としている。【０００５】  本発明にかかる熱交換装置において、排気路内を流れる冷却流体を冷却する冷却手段と、冷却手段で冷却されて液化した冷却流体を貯留タンクへ戻す回収手段を有することを特徴としている。
本発明にかかる熱交換装置において、冷却手段は、吸引ファンよりも冷却流体搬送方向の上流側に位置する排気路に設けられていることを特徴としている。
本発明にかかる熱交換装置において、冷却手段は、導入路の開放端よりも吸気上流側で、同開放端と対向するように配置されていることを特徴としている。【０００６】  本発明にかかる熱交換システムは、熱交換器を備えた熱交換装置と、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を有し、熱交換装置が請求項１ないし６の何れかに記載の熱交換装置であることを特徴としている。
本発明にかかる熱交換システムは、熱交換器を備えた熱交換装置と、熱交換媒体を熱交換器へ導入する冷却装置を有し、熱交換装置が請求項１ないし６の何れかに記載の熱交換装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】  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、一端が第二の流路と接続し他端が大気開放された導入路内または第二の流路内に冷却流体の噴霧を生成して供給するミスト生成手段と、第二の流路の排出側に負圧を与える負圧発生手段を有するので、導入路から第二の流路に導入される空気と噴霧状（ミスト状）の冷却流体とが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。
冷却流体が噴霧（ミスト）状で第二の流路内に導入される際、第二の流路の排出側が負圧化されているので、噴霧（ミスト）が第二の通路に吸い込まれることになり、噴霧（ミスト）が蒸発して第二の流路内圧が高まっても効率的に噴霧状（ミスト状）の冷却流体を第二の流路から排出でき、連続して効率的な熱交換を行える。【０００８】  本発明によれば、ミスト生成手段が、冷却流体を噴射する噴射ノズルと、噴射ノズルに貯留タンク内の冷却流体を供給する供給手段を有するので、導入路から第二の流路に導入される空気と噴射ノズルから噴射された噴霧状（ミスト状）の冷却流体とが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、負圧発生手段が、回転駆動されることで第二の流路の排出側に接続された排気路内に吸引力を発生させる吸引ファンであるので、汎用性のあるものを利用できコスト低減を図ることができる。【０００９】  本発明によれば、排気路内を流れる冷却流体を冷却する冷却手段と、冷却手段で冷却されて液化した冷却流体を貯留タンクへ戻す回収手段を有するので、貯留タンクへの冷却流体の補給回数や補給量を低減することができ、メンテナンスにかかるコストを低減することができる。
本発明によれば、冷却手段が吸引ファンよりも冷却流体搬送方向の上流側に位置する排気路に設けられているので、吸引ファンは、冷却手段で冷却されて湿度の低下した空気を吸引することになり、湿度による吸引ファンの故障や劣化を低減することができ、コスト低減を図ることができる。
本発明によれば、冷却手段が導入路の開放端よりも吸気上流側で、同開放端と対向するように配置されているので、冷却手段用の駆動源やファンなど用いなくても、吸引ファンが回転駆動することで導入路の開放端に吸い込まれる空気で冷却装置を冷却することができるため、構成の簡素化による低コスト化と消費電力の低減を図ることができる。また、導入路の開放端から吸い込まれる空気は、冷却手段から熱を奪ってその温度が高くなるため、吸入空気の相対湿度が低くなり、第二の経路内で噴霧状（ミスト状）の冷却流体がより気化し易くなり、より効率的に熱交換媒体から熱量を奪うことができる。【００１０】  本発明によれば、上記の熱交換装置と、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、あるいは熱交換媒体を熱交換器へ導入する冷却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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  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１の実施形態）
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１００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、一端２２Ａが第二の流路４と接続し、他端が大気開放されて開放端２２Ｂとされた導入路２２内を介して第二の流路４内へ供給するミスト生成手段６と、第二の流路４の排出側となる排出口４Ｂに負圧を与える負圧発生手段となる吸引ファン２０を備えている。導入路２２の開放端２２Ｂ側には、導入される空気内の塵や異物を除去するエアーフィルタ２１が配置されている。【００１２】  熱交換器５は、ケーシング内部に銅やステンレス等の金属製の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。なお、図２は熱交換器５の内部を模式的に示している。【００１３】  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ポンプ６２と配管６３Ａ，６３Ｂを備えている。噴射ノズル６１は、耐圧を有する配管６３Ａを介して加圧ポンプ６２の吐出側に接続されている。加圧ポンプ６２の吸入側には、耐圧を有する配管６３Ｂ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。加圧ポンプ６２とタンク８の間の配管６３Ｂには冷却流体３を浄化するフィルタ手段６４が配置されていて、加圧ポンプ６２に対して異物を除去した冷却媒体３を供給するように構成されている。本形態において、加圧ポンプ６２と管材６３Ａ，６３Ｂで供給手段が構成されている。【００１４】  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。【００１５】  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、フィルタ手段６４には、水を浄化するフィルタや濾過器等を用いるのが好ましい。【００１６】  熱交換媒体１は、熱交換装置１００に接続される装置によって異なってくるが、例えばＣＦＣ系のＲ−１２、ＨＣＦＣ系のＲ−２２，Ｒ−１２３、ＨＦＣ系のＲ−１３４ａ，Ｒ−４０４Ａ，Ｒ−４０７��，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（温水）、空気などの自然冷媒、蒸気、不凍液等が挙げられる。【００１７】  吸引ファン２０は、第二の流路４の排出口４Ｂに一端２３Ａが接続され、他端２３Ｂが大気開放された排気路２３の他端２３Ｂ側に配置されている。吸引ファン２０は、回転駆動されることで吸引力を発生させるもので、本形態では排気路２３内を介して排出口４Ｂ側を負圧化するように機能する。【００１８】  このような構成の熱交換装置１００の作用について説明するが、熱交換器５の第一の流路２には既に熱交換媒体１が供給されているものとする。この状態で排気路２３の吸引ファン２０が回転駆動すると、第二の流路４の排出口４Ｂ側が負圧化されて開放端２２Ｂから導入路２２内に空気がエアーフィルタ２１を介して吸入される。そして加圧ポンプ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冷却流体３がミスト状に噴射される。噴射されたミスト３０は、図２に示すように、導入路２２内で空気と混合された状態で熱交換器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、その熱を奪うことで温度上昇して気化し、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。気化された冷却流体３は、第二の流路４の空気と一緒に排気路２３を通って大気中に排出される。【００１９】  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。【００２０】  噴射されたミスト３０の形態としては、気化性を考慮すると微細なもの好ましいが、第二の流路４でのプレート面に付着して水滴になる粒子径のものが含まれていても無論かまわない。この場合、空気中のミスト３０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。【００２１】  本形態では、冷却媒体３が熱交換器５内を通過する際に蒸発するので、クーリングタワー方式に比べて冷却媒体３が繰り返し使用されることがなく、熱交換器５内での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。より好ましくは、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の発生をより抑えられる。【００２２】  本形態において、噴射ノズル６１は導入路２２に設けられていて、噴射ノズル６１から噴射されたミスト３０と排気路２３の吸引ファン２０の作用により吸引される空気を混合させてから第二の流路４内に供給する混合供給方式としたが、供給方式としてはこのような形態に限定されるものではない。例��ば、熱交換器５に噴射ノズル６１を装着して第二の流路４にミスト３０を直接噴射供給し、熱交換器５内で空気を混合させる直噴供給方式しても良い。【００２３】（第２の実施形態）
図３に示す第２の形態に係る熱交換装置２００は、第１の形態の構成に、排気路２３内を流れる空気と冷却流体３を冷却する冷却手段４０と、冷却手段４０で冷却されて液化した冷却流体３をタンク８へ戻す回収手段となる回収路４１とを追加した構成とされている。このため、第一の形態と同一の構成要素には第一の形態で用いた符号を付し、詳細な説明は省略するものとする。【００２４】  冷却手段４０は、熱交換を終えて排気路２３内を流れている空気と冷却流体３との混合体を内部に導入するラジエータ構造であって、吸引ファン２０よりも冷却流体搬送方向の上流側に位置する排気路２３上に設けられている。さらに、この冷却手段４０は、導入路２２の開放端２２Ｂよりも吸気上流側で、同開放端２２Ｂと対向するように配置されている。【００２５】  このような構成の熱交換装置２００によると、熱交換器５内で熱交換されて排気路２３内に排出された空気と冷却流体３は冷却手段４０に導入される。導入された冷却流体３は冷却手段４０によって冷却されることで、少なくともその一部が液化する。この液化した冷却流体３は回収路４１を通ってタンク８に回収される。このため、タンク８への冷却流体３の補給回数や補給量を低減することができ、メンテナンスにかかるコストを低減することができる。【００２６】  冷却手段４０を吸引ファン２０よりも冷却流体搬送方向の上流側に位置する排気路２３に設けたので、吸引ファン２０が冷却手段４０で冷却されて湿度の低下した空気を吸引することになる。このため湿度による吸引ファン２０の故障や劣化を低減することができ、コスト低減を図ることができる。【００２７】  冷却手段４０を導入路２２の開放端２２Ｂよりも吸気上流側で、同開放端２２Ｂと対向するように配置したので、冷却手段４０に当てる冷却風の駆動源やファンなど別途設けなくても、吸引ファン２０が回転駆動することで導入路２２の開放端２２Ｂに吸い込まれる空気で冷却手段４０を冷却することができる。このため、構成の簡素化による低コスト化と消費電力の低減を図ることができる。また導入路２２の開放端２２Ｂから吸い込まれる空気は、冷却手段４０から熱を奪ってその温度が高くなるため、吸入空気の相対湿度が低くなり、第二の経路４内で噴霧状（ミスト状）の冷却流体３がより気化し易くなり、より効率的に熱交換媒体１から熱量を奪うことができる。【００２８】（第３の実施形態）
本形態は、第１および第２の実施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装置２００と、熱交換媒体１を圧縮／膨張させると共に熱交換装置の熱交換器５へ導入する冷凍サイクル部３００を備えている。熱交換装置２００に代えて熱交換装置１００としても良い。【００２９】  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が配置された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。このシステムを冷却用の空調システムとした場合、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３０５内に設けられる。【００３０】  このような熱交換システムによると、冷房時においては、熱交換媒体１（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、熱交換媒体１（二相冷媒）の凝縮率を高められる。これにより、膨張弁３０４を通過した際の熱交換媒体１（二相冷媒）の膨張率が大きくなって、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熱交換媒体１（二相冷媒）が供給されるため、効率的に熱交換を行え、冷房効率がアップし、消費電力を抑制することができる。【００３１】（第４の実施形態）
本形態は、第１の形態や第２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５に示すように熱交換装置２００と、熱交換媒体１を熱交換器５へ導入する冷却装置４００を有している。本形態においても熱交換装置２００に代えて熱交換装置１００としても良い。冷却装置４００は、熱交換媒体１として水（冷却水）を用いる周知の水冷式のチラーであって、二次側の熱交換媒体１を熱交換器５との間で熱交換媒体１（冷却水）循環する経路４０１を備えている。
このように熱交換システムによると、冷却装置４００の二次側の熱交換媒体１（冷却水）の熱を熱交換器５で効率的に熱交換することができるので、冷却効率がアップし、消費電力を抑制することができる。【００３２】  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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明の第１の実施形態である熱交換装置の概略構成図である。
【図２】  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。
【図３】  本発明の第２の実施形態である熱交換装置の概略構成図である。
【図４】  本発明の第３の実施形態である熱交換システムの概略構成図である。
【図５】  本発明の第４の実施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】
【００３４】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
８    貯留タンク
２０    負圧発生手段（吸引ファン）
２２    導入路
２２Ａ    導入路の一端
２２Ｂ    導入路の開放端
２３    排気路
４０    冷却手段
４１    回収手段
６１    噴射ノズル
１００，２００    熱交換装置
３００    冷凍サイクル部
４００    冷却装置
【図１】
2008267771.tif 000003
【図２】
2008267771.tif 000004
【図３】
2008267771.tif 000005
【図４】
2008267771.tif 000006
【図５】
2008267771.tif 000007