(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉された筺体構造を持つキャビネット内に、
キャビネット内の空気とは遮断された状態で外気用送風機を介して外気を給気して外気に排気する外気通風路と、
内気用循環送風機を介してキャビネット内の空気を循環する内気循環風路と、
前記内気循環風路に配され冷凍機を介し運転する空気冷却器と、
前記外気通風路と前記内気循環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を備え、
前記内気循環風路においては、前記熱交換素子での冷却後に前記空気冷却器を介してキャビネット内に空気を送る構成とした
発熱体収納装置。
【請求項２】
内気循環風路として、空気冷却器を通過せず熱交換素子のみを通過する熱交換循環風路と、熱交換素子を通過せず空気冷却器のみを通過する冷却循環風路と、熱交換素子と空気冷却器の双方を通過する併用循環風路のいずれかを選択可能な構成とした請求項１記載の発熱体収納装置。
【請求項３】
外気温度があらかじめ定めた温度Ｔ１より低い場合には熱交換循環風路を選択し、あらかじめ定めた温度Ｔ２より高い場合には冷却循環風路を選択し、Ｔ１以上であってＴ２以下の場合には併用循環風路を選択するようにした請求項２記載の発熱体収納装置の制御方法。
【請求項４】
内部発熱体の高温部よりキャビネット外に延長設置された直接伝熱手段を備え、発熱体の内部への熱負荷を軽減するようにした請求項１または２記載の発熱体収納装置。
【請求項５】
直接伝熱手段を風路内に備えた自然高温排熱風路をキャビネットに隣接して設けた請求項４記載の発熱体収納装置。
【請求項６】
自然高温排熱風路の空気を外気用送風機に導き、機械排気することで強制高温排熱風路を形成した請求項５記載の発熱体収納装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋外に設置される制御機器や工場内の大型NC制御生産設備、化学プラントの制御設備などのほか、バイオテクノロジーを用いた発酵や培養など、自己発熱を伴うとともに使用および維持温度範囲が限定されている自己発熱体を収納する大型キャビネットに関し、特にその冷却構造と冷却制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、屋外に設置される制御機器や工場内の大型NC制御生産設備、化学プラントの制御設備などはマイクロプロセッサをはじめとした電子デバイス群が多用されることが多くなってきたことに起因して装置内の温度を抑制しなければ作動に対する信頼性が確保できなくなってきている。
【０００３】
また、バイオテクノロジーを用いた発酵や培養など自己発熱を伴うとともに使用および保存温度範囲が限定されている保存・保管が多くなりつつある。
【０００４】
従来、この種の冷凍機を用いた強制冷却による温度制御をおこなう発熱体収納装置の例として制御盤収納キャビネットなどがあり、おおよそ図８に示されたものなどが一般的であった。
【０００５】
以下、その制御盤収納キャビネットについて図８を参照しながら説明する。
図に示すように、周囲を断熱材で密閉されたキャビネット１０１内に内気循環用送風機１０２とその空気循環路１０３内に冷凍機１０４を用いた空気冷却器１０５を設け、この空気循環路内１０３に自己発熱のある制御機器１０６を設置している。そして上記空気冷却器１０５は空気循環路１０３に設けた温度センサー１０７と、この温度センサー１０７からの信号を入力として運転および停止の信号を冷凍機１０４に出力する制御部１０８により構成されている。
【０００６】
上記構成において、制御機器１０６を作動させると、その発熱のため、キャビネット１０１内部の温度は徐々に上昇してくるが、温度センサー１０７の検知温度があらかじめ設定された温度に達すると制御部１０８から冷凍機１０４への運転信号が出力され、空気冷却器１０５により空気循環路１０３の空気が冷却され、設定温度以下になった時点で運転信号の出力を停止する。これらの運転停止を繰り返すことによりキャビネット１０１内の温度は一定の温度範囲を保持するようになっていた。
【０００７】
また、冷凍機による冷却を伴わず、しかも収納キャビネットの内部空気自体は外気と入れ替えることなく、内部空気と外気との熱交換をおこなう方法としては、特開平６−３１５８４８号公報に記載されたものが知られている。
【０００８】
以下、発熱体収納装置の例として、その制御盤収納キャビネットについて図９を参照しながら説明する。
【０００９】
図に示すように、制御盤キャビネット２０１の天板２０１ａ近傍の内部に設けた内部送風ファン２０２と、上記制御盤キャビネット２０１の天板２０１ａを挟んで内部送風ファン２０２と相対する外部に設けた外部送風ファン２０３とで制御盤冷却装置を構成している。
【００１０】
上記構成により、内蔵する制御機器よりキャビネット２０１内部に熱が放散されるが、その内部の熱は内部送風ファン２０２によって天板２０１ａに運ばれ、熱伝導によって天板２０１ａを温める一方、外部送風ファン２０３によって外部空気でその温められた天板２０１ａを冷却し、外気を吸排気することなく収納キャビネット２０１の内部温度を低減するようになっていた。
【００１１】
また、特開平７−１００７３２号公報にはキャビネット自体を熱交換体とするのではなく、上記従来例の特開平６−３１５８４８号同様の方法を利用しながら、電熱板をより大きくして熱伝導効率を高めたキャビネット構成の具体例が示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の発熱体収納装置としての制御盤収納キャビネットでは、前者においては、周囲を断熱材で密閉している関係上、放熱がないため、制御設備を運転している限り、冬季などでいかに外気温度が低くても必ず冷却装置を運転させねばならず、その結果、消費エネルギーが多く、外気温度が低い時にはその低温度の外気を有効活用することで省エネ運転を可能とすることが要求されている。
【００１３】
また、後者においては外気を有効活用することで冷凍機を用いた冷却装置を廃止することはできるものの、外気温度が高い時期には、温度依存性の高い精密な温度制御が必要な発熱体を設置するには不安があり、外気温度に左右されず精密な温度制御をおこなえることが要求されている。
【００１４】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、外気温度が低い時期には空気対空気の熱交換素子を用いて消費エネルギーの極めて少ない冷却を可能とし、また、中間期には熱交換素子と冷凍機を併用しながら省エネ冷却を可能とし、外気温度が高い時期は熱交換素子をバイパスしながら冷凍機による冷却を可能とすることで、いずれの冷却モードにおいても精密な温度制御をすることのできる発熱体収納装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明における発熱体収納装置の一つの手段は、密閉された筺体構造を持つキャビネット内に、キャビネット内の空気とは遮断された状態で外気用送風機を介して外気を給気して外気に排気する外気通風路と、内気用循環送風機を介してキャビネット内の空気を循環する内気循環風路と、前記内気循環風路に配され冷凍機を介し運転する空気冷却器と、前記外気通風路と前記内気循環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を備え、前記内気循環風路においては、前記熱交換素子での冷却後に前記空気冷却器を介してキャビネット内に空気を送る構成としたものである。また、内気循環風路として、空気冷却器を通過せず熱交換素子のみを通過する熱交換循環風路と、熱交換素子を通過せず空気冷却器のみを通過する冷却循環風路と、熱交換素子と空気冷却器の双方を通過する併用循環風路のいずれかを選択可能な構成としたものである。
【００１６】
そして本発明によれば上記手段により、外気温度が低い時期には熱交換循環風路を通過させることで熱交換素子による消費エネルギーの極めて少ない冷却を可能とし、また、中間期には併用循環風路を通過させることで熱交換素子と冷凍機を併用しながら省エネ冷却を可能とし、外気温度が高い時期は冷却循環風路を通過させることで熱交換素子をバイパスしながら冷凍機による冷却をおこない、いずれの冷却モードにおいても精密な温度制御をすることのできる発熱体収納装置が得られる。
【００１７】
また、他の手段は、内部発熱体の高温部よりキャビネット外に延長設置された直接伝熱手段を備えたものである。
【００１８】
そして本発明によれば上記手段により、特に温度の高い発熱体からは直接的にキャビネット外に排熱できるため、キャビネット内部の熱負荷を軽減し、温度維持に必要な運転エネルギーを低減することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、密閉された筺体構造を持つキャビネット内に、キャビネット内の空気とは遮断された状態で外気用送風機を介して外気を給気して外気に排気する外気通風路と、内気用循環送風機を介してキャビネット内の空気を循環する内気循環風路と、前記内気循環風路に配され冷凍機を介し運転する空気冷却器と、前記外気通風路と前記内気循環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を備え、前記内気循環風路においては、前記熱交換素子での冷却後に前記空気冷却器を介してキャビネット内に空気を送る構成としたものであり、熱交換素子による外気との熱交換と、冷凍機による冷却という２種類の冷却モードを併用することにより省エネルギー冷却をおこなうという作用を有する。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、内気循環風路として、空気冷却器を通過せず熱交換素子のみを通過する熱交換循環風路と、熱交換素子を通過せず空気冷却器のみを通過する冷却循環風路と、熱交換素子と空気冷却器の双方を通過する併用循環風路のいずれかを選択可能な構成としたものであり、熱交換循環風路を通過させることで熱交換素子による消費エネルギーの極めて少ない冷却をおこない、また、併用循環風路を通過させることで熱交換素子と冷凍機を併用しながら省エネ冷却をおこない、冷却循環風路を通過させることで熱交換素子をバイパスしながら冷凍機による冷却をおこなうなど、外気温度に応じて、適していると思われる冷却モード選択を可能にするという作用を有する。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、外気温度があらかじめ定めた温度Ｔ１より低い場合には熱交換循環風路を選択し、あらかじめ定めた温度Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）より高い場合には冷却循環風路を選択し、Ｔ１以上であってＴ２以下の場合には併用循環風路を選択するようにしたものであり、外気温度が低い時期には熱交換循環風路を通過させることで熱交換素子による消費エネルギーの極めて少ない冷却を可能とし、また、中間期には併用循環風路を通過させることで熱交換素子と冷凍機を併用しながら省エネ冷却を可能とし、外気温度が高い時期は冷却循環風路を通過させることで熱交換素子をバイパスしながら冷凍機による冷却をおこない、いずれの冷却モードにおいても最も適した、精密な温度制御をするという作用を有する。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、内部発熱体の高温部よりキャビネット外に延長設置された直接伝熱手段を備えたものであり、発熱体の内部への熱負荷を軽減するという作用を有する。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、直接伝熱手段を風路内に備えた自然高温排熱風路をキャビネットに隣接して設けたものであり、より効果的に直接伝熱手段より放熱させることで発熱体の内部への熱負荷を軽減するという作用を有する。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、自然高温排熱風路の空気を外気用送風機に導き、機械排気することで強制高温排熱風路を形成したものであり、自然排気より大きな放熱を直接伝熱手段からおこなうという作用を有する。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１は本願発明における発熱体収納装置の基本構成ともいえる実施例１を示し、密閉された筺体構造を持つキャビネット１内に、多くの電子デバイス群を多用している関係上、精度の良い温度管理を必要とする制御機器２や、発熱量の比較的多い電源機器３などを設置している。
【００２８】
これらの制御機器２の上方にはキャビネット１内の空気を循環送風する内気用循環送風機４と外気を導入する外気用送風機５が備えてあり、さらにその間には空気対空気で直接顕熱を熱交換する熱交換素子６が設けてある。この熱交換素子６は略直交流方式のものを用いており、略直交する流路同士は空気の流通は無い構造になっており、この熱交換素子６の下部にある仕切Ａ７と外気用送風機５の下側から伸びる仕切Ｂ８によって保持されている。そして仕切Ａ７には熱交換素子６の結露水を受けるドレンパンＡ９が形成されている。
【００２９】
キャビネット１の外部上方には煙突状の外気給気口１０が備えてあり、この外気給気口１０から仕切Ａ７と熱交換素子６に囲まれた空間までは外気開口１１を介して連通状態となっている。このような構成を採ることによりキャビネット１内の空気とは遮断された状態で外気用送風機５を用いて外気を給気して熱交換素子６を通過したのち、また外気に排気する外気通風路１２を形成している。
【００３０】
一方、内気用循環送風機４の下方には冷凍機１３と熱媒体による配管接続している空気冷却器１４が備えてあり、この空気冷却器１４の下側には凝縮水を受けるドレンパンＢ１５が設けられ、さらにこのドレンパンＢ１５には凝縮水排水用の排水管１６を設けている。そして熱交換素子６の下部のドレンパンＡ９に接続されている排水管１６と合流しながらキャビネット１外に排水されるような構成となっている。
【００３１】
このような構成により、空気冷却器１４、制御機器２や電源機器３、熱交換素子６を順に通過し内気用循環送風機４に戻る内気循環風路１７および排水路を形成している。
【００３２】
上記構成において、外気用送風機５を運転させると、外気は外気給気口１０より吸い込まれ、外気開口１１から仕切Ａ７と熱交換素子６により形成された空間を経由して熱交換素子６を通過し、外気用送風機５によってまた外気に排出される。また、内気用循環送風機４を運転させると、空気流は冷凍機１３によって冷却された空気冷却器１４を通過し冷却空気となって自己発熱した制御機器２や電源機器３を冷却する。キャビネット１内を一巡し、制御機器２や電源機器３を冷却すると、この冷却空気流は暖められてしまうが、熱交換素子６を通過した時点で外気との熱交換をおこなって一次冷却された後、また内気用循環送風機４に戻り、再度空気冷却器１４を介してキャビネット１内に空気流を送るのである。このような運転を繰り返しつつ制御機器２の冷却に必要なエネルギーの低減を図るという作用を行うこととなる。
【００３３】
また、一次冷却用の熱交換手段としてユニット化された熱交換素子６を用いた関係上、メンテナンスも容易で、初期性能を維持し易いことも効果としてあげられる。
【００３４】
（実施例２）
図２は本願発明における発熱体収納装置の実施例２を示したものである。
【００３５】
なお、実施例１に付した符号と同一符号は同一物を示し、詳細な説明は省略する。
【００３６】
図に示すように、仕切Ａ７における空気冷却器１４近傍の通過手前部分に開閉自在で開放したとき空気冷却器１４をバイパスすることが可能なダンパーＤ１を設置し、同じく仕切Ａ７における内気用循環送風機４近傍に開閉自在で開放したとき熱交換素子６をバイパスすることが可能なダンパーＤ２を設置している。
【００３７】
また仕切Ａ７の途中にはショートサーキット防止用の仕切Ｃ１８が設けられている。
【００３８】
上記構成において、ダンパーＤ１を開き、ダンパーＤ２を閉じた状態で内気用循環送風機４および外気用送風機５を運転すると空気冷却器１４を通過せず熱交換素子６のみを通過する熱交換循環風路１９が形成できる。このとき、冷凍機１３は停止しておく。
【００３９】
また、ダンパーＤ１を閉じ、ダンパーＤ２を開いた状態で内気用循環送風機４および冷凍機１３を運転すると、熱交換素子６を通過せず空気冷却器１４のみを通過する冷却循環風路２０を形成できる。このとき、外気用送風機５は停止しておく。
【００４０】
また、ダンパーＤ１、ダンパーＤ２を両方とも閉じた状態で内気用循環送風機４、外気用送風機５および冷凍機１３を運転すると、実施例１と同様、熱交換素子６と空気冷却器１４の双方を通過する併用循環風路２１を形成できる。
【００４１】
つまり、外気温度が低い時期には熱交換素子６のみを通過する熱交換循環風路１９を、外気温度が高すぎて熱交換素子６を通過させても殆ど一次冷却の効果がない時期には空気冷却器１４のみを通過する冷却循環風路２０を、そしてそれらの時期以外の中間期には熱交換素子６と空気冷却器１４の双方を通過する併用循環風路２１のいずれかを内気循環風路１７として自在に選択可能となる。
【００４２】
さらに外気温度を検知する温度検知手段２２を設けておき、その検知温度により上記の運転モードおよび風路の選択も可能な運転制御部２３を設けておく。
【００４３】
この構成において、外気温度があらかじめ定めた温度Ｔ１より低い低温域の場合には熱交換循環風路１９を選択し、あらかじめ定めた温度Ｔ２より高い高温域の場合には冷却循環風路２０を選択し、Ｔ１以上であってＴ２以下であるような中温域の場合には併用循環風路２１を自動選択するようにすることも可能となる。
【００４４】
これらの運転モードと風路内のダンパーおよび温度の関係を示した制御ロジックを図３に掲載する。なお、このロジックにおいて「○」印は「該当すること」および各ダンパーの「開」または各機器の「運転」を示している。
【００４５】
（実施例３）
図４は本願発明における発熱体収納装置の実施例３を示したものである。
【００４６】
なお、実施例１に付した符号と同一符号は同一物を示し、詳細な説明は省略する。
【００４７】
図に示すように、上記実施例１または２の構成に加えて、電源機器３のうち特に発熱の大きな部位に直接的に接しながらキャビネット１外に延長設置された直接伝熱手段２４を備えている。
【００４８】
上記構成により、他の制御機器２よりも相対的に大きな熱はキャビネット１外に直接的な熱伝導によって放熱させることによって、内部への熱負荷を軽減することが可能になる。
【００４９】
さらにキャビネット１に隣接して煙突状の自然高温排熱風路２５を設け、上記直接伝熱手段２４をその風路内に備えることによって煙突効果を利用して、より効率的な放熱が可能となる。
【００５０】
なお、直接伝熱手段２４として単に銅やアルミなど熱伝導性の良い金属を用いるのみならず、熱媒体封入ヒートパイプなどを利用することも可能であることはいうまでもない。また、煙突効果をさらに助長するものとして通風補助ファン２５ａを設けることも可能である。
【００５１】
（実施例４）
図５は本願発明における発熱体収納装置の実施例４を示したものである。
【００５２】
なお、実施例１に付した符号と同一符号は同一物を示し、詳細な説明は省略する。
【００５３】
図に示すように仕切Ｂ８とキャビネット１の間に熱交換素子６と外気用送風機５の連通を開閉するダンパーＤ３を設け、仕切Ｂ８には自然高温排熱風路２５と外気用送風機５の連通を開閉するダンパーＤ４を設け、自然高温排熱風路２５の排気出口近傍には排気を開閉するダンパーＤ５を設けている。
【００５４】
上記構成において、ダンパーＤ３およびダンパーＤ５を閉じて、ダンパーＤ４を開放し外気用送風機５を運転させることにより、自然高温排熱風路２５の空気を外気用送風機５に直接導き、機械排気させて強制高温排熱風路２６を形成し、設定温度Ｔ２以上の高温時にも電源機器３など自己発熱の装置を強力に冷却することができることとなる。
【００５５】
これらの運転モードと風路内のダンパーおよび温度の関係を示した制御ロジックを図６に掲載する。なお、このロジックにおいて「○」印は「該当すること」および各ダンパーの「開」または各機器の「運転」を示している。
【００５６】
（参考例１）
図７は発熱体収納装置の参考例１を示したものである。
【００５７】
なお、実施例１に付した符号と同一符号は同一物を示し、詳細な説明は省略する。
【００５８】
熱交換素子６および空気冷却器１４の双方からの凝縮水をキャビネット１の外部に導く排水管１６に任意に開閉可能な排水弁２７を取り付けている。この排水弁２７は一般的な手動ゲート弁でも、電磁弁でもかまわないものである。
【００５９】
上記構成により、運転を開始すると当然ながらキャビネット１内の水分は空気冷却器１４と熱交換素子６によって凝縮結露水となって排水管１６を流れキャビネット１外部に排水されるが、運転開始後一定の時間が経過するとキャビネット１自体が機密構造であるためキャビネット１内の空気中の水分はきわめて少なくなり、ほとんど排水されなくなってくる。
【００６０】
このときに排水弁２７を閉止すると、キャビネット１内部はわずかな水分を含んだ乾燥空気状態のまま維持され水蒸気の再放出による多湿化を防止することとなる。
【００６１】
また、排水弁２７を閉止することで外部からの虫や雑菌の侵入を阻止することにも有効である。
【００６２】
なお、各実施例における上記説明では、キャビネット内部の発熱体を制御機器としたが、むろんバイオテクノロジーを用いた発酵・培養など他の発熱体に対しても本願各実施例は同様に実施可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、外気温度が低い時期には熱交換循環風路を通過させることで熱交換素子による消費エネルギーの極めて少ない冷却を可能とし、また、中間期には併用循環風路を通過させることで熱交換素子と冷凍機を併用しながら省エネ冷却を可能とし、外気温度が高い時期は冷却循環風路を通過させることで熱交換素子をバイパスしながら冷凍機による冷却をおこない、いずれの冷却モードにおいても最も適した、精密な温度制御をするという有利な効果が得られる。また、外気を利用した一次冷却した後に冷凍機による冷却を行うので、外気を活用した効果的な冷却を行うことができる。
【００６４】
また、一次冷却用の熱交換手段としてユニット化された熱交換素子を用いた関係上、メンテナンスも容易で、初期性能を維持し易いという効果が得られる。
【００６５】
また、高温部よりキャビネット外に延長設置された直接伝熱手段を備えたものであり、発熱体の内部への熱負荷を軽減するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１による発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図２】同実施例２の発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図３】同実施例２の制御ロジックを示した図
【図４】同実施例３の発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図５】同実施例４の発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図６】同実施例４の制御ロジックを示した図
【図７】同実施例５の発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図８】従来の発熱体収納装置の構造を示す概略断面図
【図９】従来の発熱体収納装置の別構成（特開平６−３１５８４８号）を示す概念図
【符号の説明】
１…キャビネット
４…内気用循環送風機
５…外気用送風機
６…熱交換素子
１２…外気通風路
１３…冷凍機
１４…空気冷却器
１６…排水管
１７…内気循環風路
１９…熱交換循環風路
２０…冷却循環風路
２１…併用循環風路
２４…直接伝熱手段
２５…自然高温排熱風路
２６…強制高温排熱風路
２７…排水弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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