| 【発明の名称】 |
冷却システム |
| 【発明者】 |
【氏名】小原 孝一
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| 【要約】 |
【課題】熱負荷が正常な状態では冷却ができ、熱負荷が正常作動温度より低いとき、また負荷が小さく通電しても自己発熱で温度が上がらないときでも作動温度まで加熱でき、正常作動させることができる冷却システムを提供する。
【解決手段】ベーパサイクルを用いて発熱の大きい機器（熱負荷）を冷却する冷却システムにおいて、冷媒ガスが循環する第１伝熱媒体循環路１０のコンプレッサ３の出口と第２熱交換器２の入口を接続する管路の制御弁２４を開にし、高温ガスの循環路を形成し、制御弁２２を制御し高温ガスが第１熱交換器をバイパスするようにすることにより、高温ガスの循環路が形成され、エバポレータ２により熱負荷と熱交換する媒体である第３伝熱媒体を加熱するようにして、加熱された第３伝熱媒体により熱負荷を加熱できるようにする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１伝熱媒体となる冷媒ガスをコンプレッサで断熱圧縮し、高温・高圧となったガスを、第１熱交換器に導き、冷却源となる第２伝熱媒体との間で熱交換した後、膨張弁に導き断熱自由膨張させ、寒冷な気液２相状態を得て第２熱交換器に導き、その液相部の気化潜熱により第３伝熱媒体を冷却し、この冷却された第３伝熱媒体を熱負荷となる熱源に導き、熱負荷と第３伝熱媒体が熱交換し得るようにした冷却システムにおいて、第１伝熱媒体の循環路で、コンプレッサの出口と第２熱交換器の入口を接続するとともに制御弁が介設された管路を設け、この管路の制御弁を開にすることにより、高温ガスの循環路が形成され、前記第２熱交換器により第３伝熱媒体を加熱するようにし、熱負荷を加熱し得るようにしたことを特徴とする冷却システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機、船舶、車両などのベーパサイクルシステムを用いた冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】航空機搭載電子機器は、小型軽量化が求められ、たとえばレーダ装置などの様に大きな電力を消費するにもかかわらずコンパクトな設計がされる結果、熱負荷となるこれら機器の発熱部（以下熱負荷という）の冷却が問題となり、冷却システムが必要となる。この種の冷却システムには、冷媒ガスを断熱圧縮し、高温高圧になったガスを冷却して液化し、膨張弁で断熱自由膨張させ寒冷な気液２相状態を得て、その液相部の気化潜熱を冷却に用いるベーパーサイクルが一般的に用いられる。図３は従来における冷却システムの構成を示している。
【０００３】図３に示す従来の冷却システムは、第１伝熱媒体循環路６０、第２伝熱媒体流路５０および第３伝熱媒体循環路６６の三つの流体流路で構成されている。それぞれの流体流路の間は熱交換器を介して熱の授受が行われる。すなわち、第１伝熱媒体循環路６０と第２伝熱媒体流路５０は第１熱交換器５１を介して、また第１伝熱媒体循環路６０と第３伝熱媒体循環路６６は第２熱交換器５２を介して熱の授受が行われる。つぎに各伝熱媒体循環路の主な構成を述べる。
【０００４】第１伝熱媒体循環路６０は、冷媒ガス（第１伝熱媒体）例えばフロンガスの循環路で、モータ５３Ａで駆動されるコンプレッサ５３、制御弁５６、第１熱交換器（コンデンサ）５１、膨張弁５５、第２熱交換器（エバポレータ）５２が循環路を構成する管路で接続されている。さらに、コンプレッサ５３をバイパスする管路が設けられ制御弁５４が介設されている。またコンプレッサ５３の出口の管路には流量センサ５９、圧力センサ６４が、エバポレータ５２の出口の管路には温度センサ５７、圧力センサ５８が介設されている。第３伝熱媒体循環路６６は伝熱媒体例えばエチレングリコール混合液（第３伝熱媒体）の循環路で、ポンプ６１、第２熱交換器５２および熱負荷６２が循環路を構成する管路で接続されている。また熱負荷６２の入口の管路には温度センサ６５が介設されている。
【０００５】つぎに従来の冷却システムの作動について記述する。第１伝熱媒体循環路６０では、第１伝熱媒体となるガスは、モータ５３Ａで駆動されるコンプレッサ５３で断熱圧縮され、高温高圧となったガスは三方弁である制御弁５６を通ってコンデンサ５１に導かれ、コンデンサ５１の対向流路である第２伝熱媒体流路５０を流れる第２伝熱媒体（例えばヒートシンクとなる燃料タンクからエンジンに供給される燃料など）との間で熱交換し冷却され、大部分は液化して膨張弁５５に導かれ、膨張弁５５で断熱自由膨張し、寒冷な気液２相状態の流体（気液２相流体）となる。この気液２相流体は、エバポレータ５２に導かれ、エバポレータ５２における第１伝熱媒体の対向流路である第３伝熱媒体循環路６６を循環している第３伝熱媒体（例えばエチレングリコール混合液）との間で熱交換し、液相部の気化潜熱で第３伝熱媒体を冷却し気化する。その気化した第１伝熱媒体はコンプレッサ５３の入口に入力され再び圧縮されて循環する。第３伝熱媒体循環路６６では、ポンプ６１により第３伝熱媒体が循環されており、前記のとおりエバポレータ５２で冷却された第３伝熱媒体は、熱負荷６２に導かれ熱負荷６２を冷却して再びポンプ６１の入口に戻され循環する。
【０００６】温度センサ６５で検出する第３伝熱媒体の温度が目標値より低く（高く）なったときにはモータ５３Ａの回転速度を下降（上昇）させ、コンプレッサ５３の入口圧力を高く（低く）することによりエバポレータ５２での第１伝熱媒体の流量を減少（増加）させて第３伝熱媒体の温度を上げる（下げる）温度制御がコントローラ６３により行われている。
【０００７】さらに、システムを安定に作動させるため、第１伝熱媒体循環路６０では、コンプレッサ入口の温度センサ５７、圧力センサ５８の信号を用いてコンプレッサ５３に流入する第１伝熱媒体が液状のままで流入しないように膨張弁５５の開度を制御する完全ガス化制御がコントローラ６３で行われている。
【０００８】またコンプレッサ５３に流入する第１伝熱媒体の流量がコンプレッサ入口圧力と出口圧力の比（圧縮比）に依存する一定の値を下回るとサージングが発生し不安定になるため流量センサ５９によるガス流量、コンプレッサ入口の圧力センサ58、出口の圧力センサ６４によるそれぞれの圧力を検出し、コンプレッサ５３に流入するガスの流量が一定値以下にならないようにコンプレッサ５３をバイパスする管路に介設された制御弁５４の開度を制御するコンプレッササージング防止制御がコントローラ６３で行われている。
【０００９】さらにコンプレッサ５３で圧縮された第１伝熱媒体が第２伝熱媒体によりコンデンサ５１で過度に冷却されるとガスが液化することにより圧力が下がりすぎ、膨張弁５５で必要な寒冷が得られなくなるので、第１伝熱媒体のコンデンサ５１の入口での圧力を圧力センサ６４で検出し、圧力が所定範囲に入るように制御弁５６によりコンデンサ５１をバイパスする第１伝熱媒体の量を調節するコンデンサ圧力の維持制御も前記コントローラ６３で行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の冷却システムは以上のように構成されているが、熱負荷が作動温度より低いとき、熱負荷に通電して自己発熱により温度が上昇するまで正常な作動が得られず、待ち時間が発生する。また負荷が小さく自己発熱でも温度が上がらず温度が低すぎるときには正常な作動が得られなくなる。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、正常な状態では熱負荷の冷却ができ、熱負荷となる機器の周囲の気温が低い状態での起動時などで熱負荷が作動温度より低いばあいには、加熱ができる冷却システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【問題を解決するための手段】上記の目的を達成するために本発明の冷却システムは、第１の伝熱媒体となるガスをコンプレッサで断熱圧縮し、高温・高圧となったガスを、第１の熱交換器に導き、冷却源となる第２の伝熱媒体との間で熱交換した後、膨張弁に導き断熱自由膨張させ、寒冷な気液２相状態を得て第２の熱交換器で、第３の伝熱媒体を冷却し、この冷却された第３の伝熱媒体を熱負荷となる熱源に導き、熱負荷と第３の伝熱媒体が熱交換し得るようにした冷却システムにおいて、第１の伝熱媒体の循環路で、コンプレッサの出口と第２の熱交換器の入口を接続するとともに制御弁が介設された管路を設け、この管路の制御弁を開にすることにより、高温ガスの循環路が形成され、前記第２の熱交換器により第３の伝熱媒体を加熱し、熱負荷を加熱し得るようにし、熱負荷の通常の作動状態では冷却ができ、起動時などの熱負荷が正常作動温度より低いときには、正常作動温度まで加熱できるようにすることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】図1は、本発明が提供する冷却システムの実施例を示す構成図である。まずその構成について記述する。図１に示す本発明の冷却システムの冷却および加熱に係わる流路は、第１伝熱媒体循環路１０、第２伝熱媒体流路２０および第３伝熱媒体循環路２５三つの流体流路で構成されている。それぞれの流体流路の間は熱交換器を介して各伝熱媒体間で熱の授受が行われる。すなわち、第１伝熱媒体循環路１０は第１熱交換器１を介して、また第１伝熱媒体循環路１０と第２伝熱媒体流路２０は第１熱交換器１を介して、また第１伝熱媒体循環路１０と第３伝熱媒体循環路２５は第２熱交換器２を介して熱の授受が行われる。
【００１３】つぎに各伝熱媒体循環路の主な構成を述べる。第１伝熱媒体循環路１０は、冷媒ガス（第１伝熱媒体）例えばフロンガスの循環路で、モータ３Ａで駆動されるコンプレッサ３、第１熱交換器（コンデンサ）１、膨張弁５、第２熱交換器（エバポレータ）２が循環路を構成する管路で接続されている。さらに、コンプレッサ３をバイパスする管路が設けられ制御弁４が介設されている。またコンプレッサ３の出口とエバポレータ２の入口を接続する管路が設けられ制御弁２４が介設されている。さらにコンプレッサ３の出口の管路には流量センサ９、圧力センサ２７が、エバポレータ２の出口の管路には温度センサ７、圧力センサ８が介設されている。
【００１４】第３伝熱媒体循環路２５は伝熱媒体例えばエチレングリコール混合液（第３伝熱媒体）の循環路で、ポンプ１１、第２熱交換器２および熱負荷１２が循環路を構成する管路で接続されている。また熱負荷の入口の管路には温度センサ１４が、熱負荷には温度センサ３０が介設されている。
【００１５】つぎに本発明が提供する図１の冷却システムの作動について図２も参照して記述する。本冷却システムはモード１とモード２の二つのモードで作動される。なお図２は二つの作動モードにおける各構成品の作動状態を示すもので、モードに応じて作動状態が変わるものを示している。モード１では、図１における制御弁４、膨張弁５、制御弁２２Ａおよび２２Ｂはコントローラ１３により開度が制御されており、制御弁２４は閉であることを示している。図１に示す各構成品のうち図２に記載された構成品が前記した作動状態にある時をモード１という。モード２でも同様に、制御弁４は閉、膨張弁５は閉、制御弁２２Ａは開、制御弁２２Ｂは閉、制御弁２４は開であることを示している。
【００１６】モード１の作動このモード１では、熱負荷、冷却システムともに正常作動状態で、熱負荷の冷却を行う場合である。第１伝熱媒体が、モータ３Ａで駆動されるコンプレッサ３で断熱圧縮され、高温・高圧のガスとなり、コンデンサ１に導かれる。コンデンサ１の対向流路は第２伝熱媒体流路２０で、高温・高圧のガスは第２伝熱媒体流路２０を流れる第２伝熱媒体により冷却される。冷却されたガスの大部分は液化し気液２相流体となり、膨張弁５に導かれ、膨張弁５で断熱自由膨張することにより、寒冷な気液２相流体となり、エバポレータ２に入力される。エバポレータ２の対向流路は第３伝熱媒体循環路２５で、前記の寒冷な２相流体は、熱負荷を冷却するためにポンプ１１により循環されている第３伝熱媒体と熱交換し、気化潜熱により第３伝熱媒体を冷却して気化しコンプレッサ入口にもどる。第３伝熱媒体循環路２５の第３伝熱媒体により熱負荷１２を冷却する。
【００１７】温度センサ１４で検出する出力信号はコントローラ１３に入力され、第３伝熱媒体の温度が目標値より低く（高く）なったときには、モータ３Ａの回転速度を下降（上昇）させ、コンプレッサ３の入口圧力を高く（低く）することによりエバポレータ２での第１伝熱媒体の流量を減少（増加）させて第３伝熱媒体の温度を上げる（下げる）ように温度制御される。
【００１８】さらに、システムを安定に作動させるため、前記第１伝熱媒体循環路１０では温度センサ７、圧力センサ８の信号がコントローラ１３に入力されコンプレッサ３に流入する第１伝熱媒体が液状のままで流入しないように膨張弁５の開度を制御する前記完全ガス化制御が行われている。またコンプレッサ３に流入する第１伝熱媒体の流量が減少しすぎるとサージングが発生し不安定になるため、流量センサ９によりガス流量、圧力センサ８、２７により圧力を検出し、これらの出力信号もコントローラ１３に入力され、コンプレッサ３に流入するガスの流量が一定値以下にならないようにコンプレッサ３のバイパス管路に介設された制御弁４の開度を制御する前記コンプレッササージング防止制御が行われている。さらにコンプレッサ３で圧縮された第１伝熱媒体が第２伝熱媒体によりコンデンサ１で過度に冷却されないように、第１伝熱媒体のコンデンサ１の入口での圧力を圧力センサ２７で検出し、圧力が所定範囲に入るように制御弁２２の一方のポート２２Ａを通って第１熱交換器１をバイパスする第１伝熱媒体の量を調節する前記コンデンサ圧力の維持制御も前記コントローラ１３で行われている。
【００１９】モード２の作動モード２は、熱負荷１２が作動温度より低く、加熱が必要な場合である。コンプレッサ３で断熱圧縮され高温・高圧となった第１の伝熱媒体１０を熱源として、第２熱交換器２で第３伝熱媒体２５を加熱し、熱負荷１２を加熱する。熱負荷に介設された温度センサ３０の検出信号ががコントローラ１３に入力され、熱負荷１２が作動温度範囲まで加熱された時点で通常作動のモード１に切り替えて運転される。
【００２０】上記の作動モードの選択は、温度センサ３０の熱負荷の温度信号によりコントローラ１３が自動判断して行うか、操作パネル２８から手動選択によりコントローラ１３に司令信号を伝達して行う。本発明の冷却システムは、以上の構成により、上記モード１では、熱負荷の通常の冷却ができ、さらに上記モード２では、熱負荷の加熱が必要となる場合、熱負荷の加熱もできることになる。
【００２１】なお、図示例では、制御弁２２が熱交換器１の第１伝熱媒体循環路１０に介設されているが、第２伝熱媒体流路２０の第１熱交換器１を通る管路とそのバイパス管路に介設しても良い。また制御弁２２は三方弁を用いているが、２個の制御弁に置き換えることもできる。
【００２２】
【発明の効果】本発明の冷却システムは上記のように構成されており、システムが正常に作動しているときには通常の冷却ができ、熱負荷が正常作動温度より低いとき、コンプレッサで断熱圧縮された高温・高圧となった第１伝熱媒体を熱源にして第３伝熱媒体を加熱し熱負荷を加熱することができるようにするので、熱負荷が正常作動温度より低いときでも熱負荷を加熱し正常作動させることができる。これにより熱負荷となる機器の使用温度範囲を低温域まで拡張することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１９９３
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
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| 【出願日】 |
平成１０年９月１０日（１９９８．９．１０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７８９２
【弁理士】
【氏名又は名称】西岡 義明
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| 【公開番号】 |
特開２０００−８８３６０（Ｐ２０００−８８３６０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２５７１５９ |
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