JP5733866B1 - Refrigerant heat exchanger - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストを増大させることなく圧縮機への液バックを確実に防止すると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減し、かつ冷媒量を低減する冷媒熱交換器を提供する。【解決手段】冷媒熱交換器24は、第1の冷媒が導入される第1の導入口56、内部で気化した第1の冷媒が導出される第1の導出口64、第2の冷媒の導入口70及び第2の導出口76、が形成された筒状の中空容器50と、この内部に配置され、表裏面に第1の冷媒及び第2の冷媒の熱交換流路を形成するプレート重合体52と、この上方空間に上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び冷媒ガス導出管66を有する中空ハウジング68と、第2の冷媒の冷媒導入路74及び冷媒導出路80とを備える。中空ハウジングの上面壁は、上壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられる。【選択図】図2Provided is a refrigerant heat exchanger that reliably prevents liquid back to the compressor without increasing manufacturing cost, reduces pressure loss of refrigerant gas, reduces power loss, and reduces the amount of refrigerant. To do. A refrigerant heat exchanger includes a first inlet port through which a first refrigerant is introduced, a first outlet port from which a first refrigerant vaporized inside is led out, and a second refrigerant port. A cylindrical hollow container 50 in which an inlet 70 and a second outlet 76 are formed, and a plate that is disposed inside and forms a heat exchange channel for the first refrigerant and the second refrigerant on the front and back surfaces. A hollow housing 68 having a polymer 52, a refrigerant gas introduction hole and a refrigerant gas outlet pipe 66 formed in the upper surface wall in the upper space, and a refrigerant inlet path 74 and a refrigerant outlet path 80 of a second refrigerant are provided. The upper surface wall of the hollow housing is disposed opposite to the inner surface of the upper wall and extends in the axial direction of the cylindrical hollow container, and the refrigerant gas introduction hole is formed in the axial direction of the cylindrical hollow container on the upper surface wall. A plurality are provided at intervals. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、冷凍サイクルを構成する冷凍機などに用いられる冷媒熱交換器に関する。 The present invention relates to a refrigerant heat exchanger used in a refrigerator or the like constituting a refrigeration cycle.
冷凍サイクルを構成する冷凍機には蒸発器や凝縮器が設けられている。蒸発器は冷媒と被冷却物とを熱交換させ、冷媒が被冷却物から蒸発潜熱を奪うことで被冷却物を冷却する。凝縮器は気化した冷媒を冷却水や外気と熱交換させ、冷媒を冷却水や外気で冷却し液化させる。冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路と二次冷媒回路とを有する冷凍機では、一次冷媒回路と二次冷媒回路とは満液式蒸発器(カスケードコンデンサ)を介して連結され、これらの冷媒熱交換器で、一次冷媒と二次冷媒とが熱交換される。かかる冷媒熱交換器では、一次冷媒が二次冷媒から蒸発潜熱を奪い気化する。 The refrigerator constituting the refrigeration cycle is provided with an evaporator and a condenser. The evaporator exchanges heat between the refrigerant and the object to be cooled, and the refrigerant cools the object to be cooled by taking the latent heat of evaporation from the object to be cooled. The condenser exchanges heat between the vaporized refrigerant and cooling water or outside air, and cools and liquefies the refrigerant with cooling water or outside air. In a refrigerator having a primary refrigerant circuit and a secondary refrigerant circuit constituting a refrigeration cycle, the primary refrigerant circuit and the secondary refrigerant circuit are connected via a full-liquid evaporator (cascade condenser), and heat exchange of these refrigerants is performed. The primary refrigerant and the secondary refrigerant exchange heat with each other. In such a refrigerant heat exchanger, the primary refrigerant takes the evaporation latent heat from the secondary refrigerant and vaporizes.
特許文献1には、満液式蒸発器が開示されている。この満液式蒸発器では、中空容器内で気化した冷媒は、圧縮機の入口に連結した吸引管に吸引される。そして、前記吸引管の入口には、邪ま板が設けられて液状冷媒の侵入を防止している。
特許文献2には、熱交換効率の良いシェルアンドプレート式熱交換器で構成された満液式冷媒蒸発器が開示されている。この蒸発器は、気化した冷媒を圧縮機に導く導管にフィルタ式の液滴分離器が設けられている。また、中空容器の側方隔壁とプレート重合体との間の空間に充填材が充填されている。
特許文献3にも、特許文献2と同様の構成のシェルアンドプレート式冷媒熱交換器が開示されている。この冷媒熱交換器にも、気化した冷媒を圧縮機に導く導管の入口にフィルタ式の液滴分離器が設けられている。特許文献4にもシェルアンドプレート式冷媒熱交換器が開示されている。この冷媒熱交換器は、冷媒を吸入する吸入口にデミスタが設けられ、このデミスタによって冷媒の気液分離が行われるように構成されている。
Patent Document 3 also discloses a shell-and-plate refrigerant heat exchanger having the same configuration as
冷媒熱交換器が冷媒蒸発器として使用される場合、液状の冷媒が圧縮機に侵入する液バックを防止する必要がある。しかし、特許文献1に開示された邪ま板による液滴分離方式は、蒸発液面との距離が十分にとれない場合に、液滴の分離効果はあまり良くない。従って、圧縮機への液バックが生じるおそれがある。
When the refrigerant heat exchanger is used as a refrigerant evaporator, it is necessary to prevent liquid back from entering the compressor with liquid refrigerant. However, the droplet separation method using the baffle plate disclosed in
一方、特許文献2又は特許文献3に開示されたフィルタ式の液滴分離器は液滴の分離効果が良いが、大きな圧力損失が起りやすく、そのため、冷凍機の動力が増加するおそれがある。また、特許文献4に記載された冷媒の気液分離を行うデミスタは、比較的に高価であり、製造コストを増大させる。
On the other hand, the filter-type droplet separator disclosed in
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、製造コストを増大させることなく圧縮機への液バックを確実に防止すると共に、冷媒ガスの圧力損失を低減して動力損失を低減し、かつ冷媒量を低減可能な冷媒熱交換器を実現することを目的とする。 In view of the problems of the conventional technology, the present invention reliably prevents liquid back to the compressor without increasing the manufacturing cost, reduces the pressure loss of the refrigerant gas, reduces the power loss, and the amount of the refrigerant. It aims at realizing the refrigerant | coolant heat exchanger which can reduce this.
前記目的を達成するため、本発明の冷媒熱交換器は、第1の冷媒が導入される第1の導入口、内部で気化した第1の冷媒が導出される第1の導出口、第2の冷媒が導入される第2の導入口、及び第2の冷媒が導出される第2の導出口、が形成された筒状の中空容器と、
該中空容器の内部に配置され、表裏面に第1の冷媒及び第2の冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ねられたプレート重合体と、
前記プレート重合体の上方空間に前記中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び前記第1の導出口に接続された冷媒ガス導出管を有する中空ハウジングと、
前記第2の導入口と前記第2の冷媒の熱交換流路とを結ぶ冷媒導入路、及び前記第2の冷媒の熱交換流路と前記第2の導出口とを結ぶ冷媒導出路とを備え、
前記中空ハウジングの前記上面壁は、前記上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の前記中空容器の軸方向に延設され、
前記冷媒ガス導入孔は、前記上面壁に筒状の前記中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている冷媒熱交換器であって、
前記プレート重合体を構成するプレートの形状が、中空容器の軸心(O)よりも下側のプレートは、中空容器の軸心(O)よりも下方の位置(S)を中心とした曲率半径を有して中空容器の内壁面に近接して沿って半円形状に形成されるとともに、中空容器の軸心(O)よりも上側のプレートは、中空容器の軸心(0)を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有した半楕円形状に形成したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a refrigerant heat exchanger according to the present invention includes a first inlet through which a first refrigerant is introduced, a first outlet through which a first refrigerant vaporized inside is derived, and a second outlet. A cylindrical hollow container formed with a second inlet through which the refrigerant is introduced and a second outlet through which the second refrigerant is derived;
A plate polymer that is arranged inside the hollow container and on which front and back surfaces are stacked with a large number of plates on which concavities and convexities that form heat exchange channels for the first refrigerant and the second refrigerant are formed;
A hollow housing having a refrigerant gas introduction pipe connected to the first outlet and a refrigerant gas introduction hole formed in an upper surface wall of the upper space of the plate polymer so as to face the upper partition wall of the hollow container;
A refrigerant introduction path connecting the second inlet and the heat exchange flow path of the second refrigerant, and a refrigerant outlet path connecting the heat exchange flow path of the second refrigerant and the second outlet. Prepared,
The upper wall of the hollow housing is disposed in close proximity to the inner surface of the upper partition wall and extends in the axial direction of the cylindrical hollow container,
The refrigerant gas introduction hole is a refrigerant heat exchanger provided in the upper surface wall with a plurality of intervals in the axial direction of the cylindrical hollow container ,
The plate constituting the plate polymer has a radius of curvature centered on a position (S) below the axis (O) of the hollow container, with the plate below the axis (O) of the hollow container. And is formed in a semicircular shape along the vicinity of the inner wall surface of the hollow container, and the plate above the axis (O) of the hollow container is centered on the axis (0) of the hollow container A semi-elliptical shape having a radius of curvature larger than the radius of curvature is characterized .
かかる発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間s1、s2が狭くする事が出来。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面bとの隙間s1、s2を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。According to this invention, the spaces s1 and s2 between the hollow container and the plate polymer can be narrowed. Thus, the hollow container can be reduced in size by reducing the gaps s1 and s2 between the outer periphery of the plate and the inner wall surface b of the hollow container. Therefore, coupled with the downsizing of the hollow container, the manufacturing cost of the refrigerant heat exchanger can be reduced.
本発明の冷媒熱交換器は、もともと熱交換効率が良いシェルアンドプレート式熱交換器であり、熱交換効率が良い分だけ使用する冷媒量を低減できる利点がある。また、前記構成において、プレート重合体に形成された熱交換流路で第2の冷媒と熱交換して気化した第1の冷媒ガスは、上昇して中空ハウジングの下方から中空ハウジングを迂回し、中空容器の上部隔壁面に対向配置された冷媒ガス導入孔から中空ハウジングに流入する。第1の冷媒ガスはかかる長い迂回流路を通る間に、重力により第1の冷媒ガスに含まれる液滴を分離されるので、液滴分離効果を向上でき、圧縮機への液バックを防止できる。また、中空ハウジングの上面壁は、上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の中空容器の軸方向に延設され、冷媒ガス導入孔は、上面壁に筒状の中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている。このため、プレート重合体と上面壁との距離を長くすることができる。従って、熱交換して気化した第1の冷媒ガスが上面壁に至るまでの流路が長くなり、この流路を通る間に、重力により第1の冷媒ガスに含まれる液滴を分離させることができる。よって、液滴分離効果がより向上し、圧縮機への液バックを確実に防止可能な冷媒熱交換器を実現できる。また、液滴分離にあたりデミスタを用いていないので、製造コストを低減できる。
The refrigerant heat exchanger of the present invention is originally a shell-and-plate heat exchanger with good heat exchange efficiency, and has an advantage that the amount of refrigerant to be used can be reduced by the amount of good heat exchange efficiency. Further, in the above configuration, the first refrigerant gas vaporized by heat exchange with the second refrigerant in the heat exchange flow path formed in the plate polymer rises and bypasses the hollow housing from below the hollow housing, The refrigerant flows into the hollow housing from the refrigerant gas introduction hole arranged to face the upper partition wall surface of the hollow container. While the first refrigerant gas passes through such a long bypass flow path, the droplets contained in the first refrigerant gas are separated by gravity, so that the droplet separation effect can be improved and the liquid back to the compressor is prevented. it can. The upper wall of the hollow housing is disposed in opposition to the inner surface of the upper partition wall so as to extend in the axial direction of the cylindrical hollow container, and the refrigerant gas introduction hole is formed on the upper wall of the cylindrical hollow container. A plurality are provided with intervals in the direction. For this reason, the distance between the plate polymer and the top wall can be increased. Accordingly, the flow path through which the first refrigerant gas vaporized by heat exchange reaches the upper wall becomes long, and the droplets contained in the first refrigerant gas are separated by gravity while passing through this flow path. Can do. Accordingly, a refrigerant heat exchanger can be realized in which the droplet separation effect is further improved and the liquid back to the compressor can be surely prevented. In addition, since a demister is not used for droplet separation, the manufacturing cost can be reduced.
また、第1の冷媒ガスが上昇して冷媒ガス導入孔に到達する流路の途中に、特許文献2又は特許文献3に開示されたフィルタ式の液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、本発明の冷媒熱交換器が組み込まれた冷凍機のCOPを向上できる。
Further, since the filter type droplet separator disclosed in
さらに、前記構成に加えて、中空ハウジングを中空容器の上部隔壁に対向配置したまま中空容器の軸方向に延設すると共に、第1の導入口に接続されると共に、中空ハウジングの下面に中空ハウジングの長手方向に設けられ、第1の冷媒をプレート重合体に散布する散布孔を有する冷媒散布管をさらに備えるようにすることができる。 Further, in addition to the above configuration, the hollow housing extends in the axial direction of the hollow container while being opposed to the upper partition wall of the hollow container, is connected to the first inlet, and is formed on the lower surface of the hollow housing. It is possible to further include a refrigerant distribution tube provided in the longitudinal direction and having a distribution hole for distributing the first refrigerant to the plate polymer.
これによって、第1の冷媒液をプレート重合体に対し軸方向に均一にかつプレート重合体の上面に広く散布できるので、第1の冷媒と第2の冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器への第1の冷媒の供給量を低減できると共に、一次冷媒回路全体の第1の冷媒量を低減できる。 Thereby, since the first refrigerant liquid can be uniformly distributed in the axial direction with respect to the plate polymer and widely spread on the upper surface of the plate polymer, the heat exchange efficiency between the first refrigerant and the second refrigerant can be improved. Therefore, the supply amount of the first refrigerant to the hollow container can be reduced, and the first refrigerant amount of the entire primary refrigerant circuit can be reduced.
また、本発明の一実施態様として、中空ハウジングの側方隔壁と前記プレート重合体との間に形成された空間を上下に仕切ると共に、前記中空容器に対して前記プレート重合体を固定する2列のステーを設け、これら2列のステーの間に区画され、第1の冷媒液で満たされる空間に充填材を充填するようにすることができる。これによって、中空容器へ供給する第1の冷媒の供給量を低減できる。 Further, as one embodiment of the present invention, two rows for vertically partitioning a space formed between a side partition of a hollow housing and the plate polymer and fixing the plate polymer to the hollow container These stays are provided, and the space between the two rows of stays and filled with the first refrigerant liquid can be filled with the filler. Thereby, the supply amount of the 1st refrigerant | coolant supplied to a hollow container can be reduced.
さらに、本発明の一実施態様として、中空ハウジングの横断面を、横方向の長辺と上下方向の短辺とで構成された矩形状に形成することができる。これによって、第1の冷媒が第1の導出口に達するまでに長い迂回流路を形成でき、その邪ま板効果で液滴分離効果を向上できる。また、中空ハウジングが下方へ突出しないので、中空容器の容積を低減でき、その分第1の冷媒の供給量を低減できる。また、中空容器の横断面を横方向へ広げてあるので、第1の冷媒の圧力損失を低減でき、これによって、下流側に設けられる圧縮機の動力を低減できる。 Furthermore, as one embodiment of the present invention, the cross section of the hollow housing can be formed in a rectangular shape composed of a long side in the horizontal direction and a short side in the vertical direction. Accordingly, a long bypass channel can be formed before the first refrigerant reaches the first outlet, and the droplet separation effect can be improved by the baffle plate effect. Further, since the hollow housing does not protrude downward, the volume of the hollow container can be reduced, and the supply amount of the first refrigerant can be reduced accordingly. Moreover, since the cross section of the hollow container is expanded in the lateral direction, the pressure loss of the first refrigerant can be reduced, and thereby the power of the compressor provided on the downstream side can be reduced.
さらに、本発明の一実施態様として、前記冷媒散布管に形成される散布孔を冷媒散布管の軸方向に多数配列することができる。これによって、第1の冷媒液をプレート重合体に対し軸方向に均一にかつプレート重合体の上面に広く散布できるので、第1の冷媒と第2の冷媒との熱交換効率を向上できる。 Furthermore, as one embodiment of the present invention, a large number of spray holes formed in the coolant spray pipe can be arranged in the axial direction of the coolant spray pipe. Thereby, since the first refrigerant liquid can be uniformly distributed in the axial direction with respect to the plate polymer and widely spread on the upper surface of the plate polymer, the heat exchange efficiency between the first refrigerant and the second refrigerant can be improved.
さらに、本発明の一実施態様として、冷媒ガス導入孔を中空ハウジングの上面壁に中空ハウジングの軸方向に軸対称に2列に配置することができる。これによって、第1の冷媒が中空ハウジングに流入するときの圧力損失を低減できる。 Furthermore, as one embodiment of the present invention, the refrigerant gas introduction holes can be arranged in two rows on the upper wall of the hollow housing so as to be axially symmetrical with respect to the axial direction of the hollow housing. Thereby, the pressure loss when the first refrigerant flows into the hollow housing can be reduced.
さらに、本発明の一実施態様として、中空ハウジング及び冷媒散布管を一体に形成することができる。これによって、中空容器への中空ハウジング及び冷媒散布管の取付けが容易になる。さらに、本発明の一実施態様として、プレート重合体を構成するプレートの形状は、中空容器の軸方向視において、該中空容器の軸心を通る水平線に対して上下方向に非対称に形成され、中空容器の軸心よりも下側のプレートは、該中空容器の内壁面に近接して沿って円形状に形成され、中空容器の軸心よりも上側のプレートは、偏平状に形成されてもよい。これによって、水平線よりも下側のプレートと中空容器の内壁面との隙間を小さくすることができ、中空容器を小型化することができる。従って、プレートの外周と中空容器の内壁面との隙間に詰め物をする必要性が無くなるとともに中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。 Furthermore, as one embodiment of the present invention, the hollow housing and the refrigerant distribution tube can be formed integrally. This facilitates the attachment of the hollow housing and the refrigerant spray tube to the hollow container. Furthermore, as one embodiment of the present invention, the shape of the plate constituting the plate polymer is asymmetric in the vertical direction with respect to a horizontal line passing through the axis of the hollow container in the axial direction of the hollow container. The plate below the axis of the container may be formed in a circular shape along the vicinity of the inner wall surface of the hollow container, and the plate above the axis of the hollow container may be formed in a flat shape. . As a result, the gap between the plate below the horizontal line and the inner wall surface of the hollow container can be reduced, and the hollow container can be reduced in size. Therefore, it is not necessary to fill the gap between the outer periphery of the plate and the inner wall surface of the hollow container, and the manufacturing cost of the refrigerant heat exchanger can be reduced in combination with the miniaturization of the hollow container.
本発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間s1、s2が狭くする事ができる。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面bとの隙間s1、s2を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。
According to the present invention, the spaces s1 and s2 between the hollow container and the plate polymer can be narrowed. Thus, the hollow container can be reduced in size by reducing the gaps s1 and s2 between the outer periphery of the plate and the inner wall surface b of the hollow container. Therefore, coupled with the downsizing of the hollow container, the manufacturing cost of the refrigerant heat exchanger can be reduced.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention to that unless otherwise specified.
次に、本発明をサーバ室の空調設備を構成するCO2液化器に適用した一実施形態を図1〜図6により説明する。図1は本実施形態に係る空調設備10の全体構成図である。空調設備10は、冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路12と、サーバ室34の空調を行う二次冷媒回路14とを備えている。一次冷媒回路12には、一次冷媒としてNH3冷媒が循環すると共に、冷凍サイクルを構成する機器として、圧縮機16、蒸発式凝縮器(エバコン)18、NH3レシーバ20、膨張弁22及びCO2液化器24が設けられている。
Next, an embodiment in which the present invention is applied to a CO 2 liquefier constituting air conditioning equipment in a server room will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an
一次冷媒回路12には、圧縮機16をバイパスするバイパス路26a及び膨張弁22をバイパスするバイパス路26bが設けられている。バイパス路26aには、NH3冷媒の流れを一次冷媒回路12又はバイパス路26aに切り換えるために開閉する切換弁28aが設けられている。バイパス路26bにはNH3冷媒の流れを一次冷媒回路12又はバイパス路26bに切り換えるために開閉する切換弁28bが設けられている。
The
二次冷媒回路14は、二次冷媒としてCO2冷媒が循環しており、CO2レシーバ30及びCO2冷媒を循環させるCO2液ポンプ32が設けられている。CO2液化器24とCO2レシーバ30とはCO2循環路42によって接続されている。二次冷媒回路14はサーバ室34の内部に導設され、サーバ室34の内部に設けられた複数の冷却器36に接続されている。サーバ室34の内部では、サーバが収納された多数のサーバラック40が上下に積み上げられ、直線状に整列しかつ横方向に複数の列を形成して配置されている。
In the secondary
二次冷媒回路14は、CO2冷媒の蒸発温度が常温に設定されるように高圧に保持されている。例えば、CO2冷媒の蒸発温度を22℃とするためには、5.9MPaに調整される。
The secondary
かかる構成において、一次冷媒回路12では、NH3冷媒ガスは圧縮機16によって圧縮され、圧縮機16から吐出されたNH3冷媒ガスは蒸発式凝縮器18で外気aにより冷却され液化する。液化したNH3冷媒はNH3レシーバ20に一旦貯留される。NH3レシーバ20に一旦貯留されたNH3冷媒液は膨張弁22で減圧された後、CO2液化器24でCO2冷媒と熱交換され、CO2冷媒より吸熱して気化する。気化したNH3冷媒は再び圧縮機16に送られて圧縮される。
In such a configuration, in the
二次冷媒回路14を循環するCO2冷媒は一旦CO2レシーバ30に貯留され気液分離される。CO2レシーバ30内のCO2冷媒ガスはCO2循環路42を介してCO2液化器24に送られ、CO2液化器24でNH3冷媒液と熱交換される。NH3冷媒液との熱交換で液化されたCO2冷媒はCO2循環路42を介してCO2レシーバ30に戻る。
The CO 2 refrigerant circulating in the secondary
CO2レシーバ30内のCO2冷媒液は、二次冷媒回路14を介して冷却器36に送られる。冷却器36でCO2冷媒液はサーバ室34内の空気と熱交換し、その蒸発潜熱でサーバ室34内の空気を冷却し一部が気化する。
The CO 2 refrigerant liquid in the CO 2 receiver 30 is sent to the cooler 36 via the secondary
サーバ室34内で後述するホット流hfが形成されるホット領域の空気は、サーバの放熱により例えば35℃ぐらいに昇温している。この昇温した空気を冷却器36を流れる22℃のCO2冷媒液で、例えば25℃に冷却し、後述するコールド流cfが形成されるコールド領域に供給できる。サーバ室34内の空気との熱交換で気液二相流となったCO2冷媒はCO2レシーバ30に戻る。
The air in the hot region in which a hot flow hf, which will be described later, is formed in the
冷却器36で冷却された室内空気は、冷却器36に設けられた送風機38により、サーバラック40の間の空間を下方に向かうコールド流cfを形成する。各サーバラック40にはサーバ間に隙間が形成されており、これらの隙間にコールド流cfから冷却空気が流入する多数の冷気通路cwが形成される。冷却空気はサーバを冷却し昇温した後、サーバラック40の外側へ流出する。サーバラック40の外側へ流出した昇温空気は冷却器36に向かって上昇するホット流hfを形成する。
The room air cooled by the cooler 36 forms a cold flow cf that goes downward in the space between the server racks 40 by a
次に、図2〜図6に基づいて、CO2液化器24の構成を説明する。CO2液化器24は、シェルアンドプレート式熱交換器を構成し、一次冷媒回路12に満液式蒸発器(カスケードコンデンサ)として組み込まれている。CO2液化器24では一次冷媒であるNH3冷媒液と二次冷媒であるCO2冷媒ガスとが熱交換され、NH3冷媒がCO2冷媒から吸熱して気化し、CO2冷媒は液化する。
Next, based on FIGS. 2-6, the configuration of the CO 2 liquefier 24. The CO 2 liquefier 24 constitutes a shell and plate heat exchanger, and is incorporated in the
図2〜図4において、断面が円形で円筒形状を有する中空容器50の内部にプレート重合体52が収容されている。プレート重合体52は、円板状の多数のプレート54が重ね合されて円筒形状に形成されている。中空容器50の上壁の軸方向一端にNH3導入口56が形成され、NH3導入口56にNH3導入管58が設けられている。中空容器50の内部でNH3導入管58の先端にNH3散布管60が接続されている。NH3散布管60は中空容器50の上壁50aに対してほぼ平行に配置されている。
2 to 4, a
図4に示すように、NH3散布管60には、下方に向けて多数の細径の散布孔60aが軸方向に2列に形成されている。 As shown in FIG. 4, the NH 3 spray pipe 60 has a large number of narrow spray holes 60 a formed in two rows in the axial direction downward.
図5はNH3導入管58、NH3散布管60及び中空ハウジング68の拡大図である。NH3導入管58は一次冷媒回路12に接続されている。NH3導入管58からNH3散布管60にNH3冷媒液が供給される。中空ハウジング68は中空容器50の軸方向に延設されており、中空ハウジング68の下面にNH3散布管60がタップ溶接wによって固定されている。従って、中空ハウジング68とNH3散布管60とは一体に形成されている。
FIG. 5 is an enlarged view of the NH 3 introduction pipe 58, the NH 3 spraying pipe 60 and the
NH3導入管58と中空容器50の軸方向反対側の上壁端部に、NH3導出口64が形成され、NH3導出口64にNH3導出管66が設けられている。NH3導出管66は一次冷媒回路12に接続されている。NH3導出管66の下端には中空ハウジング68が一体に連結されている。
On wall end portion of the axially opposite side of the NH 3 inlet tube 58 and the
図4に示すように、中空ハウジング68の横断面は、横方向(即ち水平方向)の長辺68aと上下方向の短辺68bとを有する四角形をなしている。
As shown in FIG. 4, the cross section of the
図6は本発明の参考例に係る中空ハウジング68の上面図である。図6に示すように、中空ハウジング68の上面には、長手方向に軸対称に2列に配置された多数のNH3ガス導入孔68cが形成されている。
FIG. 6 is a top view of a
図2及び図3において、中空容器50の一方の側壁にCO2導入口70が形成され、CO2導入口70にCO2導入管72が形成されている。CO2導入管72はCO2循環路42に接続され、プレート重合体52の内部にCO2導入管72と各プレート54の表裏面に形成されたCO2冷媒の熱交換流路とを連通するCO2流路74が形成されている。
2 and 3, a CO 2 introduction port 70 is formed on one side wall of the
また、CO2導入管72の下方の側壁にCO2導出口76が形成され、CO2導出口76にCO2導出管78が形成されている。CO2導出管78はCO2循環路42に接続され、プレート重合体52の内部にCO2導出管78と各プレート54の表裏面に形成されたCO2冷媒の熱交換流路とを連通するCO2流路80が形成されている。
Moreover, CO 2 outlet 76 is formed in the side wall below the CO 2 inlet tube 72, CO 2 discharge pipe 78 to the CO 2 outlet 76 is formed. The CO 2 lead-out
プレート重合体52を構成する多数のプレート54は表裏両面に特定の凹凸パターンをもち、これらのプレート54が表裏交互に重ねられている。これによって、プレート54の表裏面に2つの独立した流路が交互に形成されている。一方の流路は中空容器50の内部空間に開口し、この開口からNH3冷媒が流入する。各プレート54には同じ位置に2つの開口が形成され、これらの開口が重ね合されることでCO2流路74及び80が形成される。開口70から流入したCO2冷媒ガスはCO2流路74を介し、プレート54に表裏面に形成された他方の流路を流れ、その間NH3冷媒と熱交換した後、CO2流路80を介して開口76から流出する。
A large number of
かかるシェルアンドプレート式熱交換器のプレート重合体52の構成は従来公知である(例えば特開2012−57900号公報参照)。
The structure of the
図4に示すように、中空容器50の側壁とプレート重合体52との間にステー82a及び82bが架設されている。ステー82aの下方に中空容器50の側壁とプレート重合体52との間を仕切るステー84aが設けられ、ステー82bの下方に中空容器50の側壁とプレート重合体52との間を仕切るステー84bが設けられている。そして、ステー82aとステー84aとの間に形成される空間s1に、棒状の充填材86が充填され、ステー82bとステー84bとの間に形成される空間s2に、棒状の充填材86が充填されている。
As shown in FIG. 4, stays 82 a and 82 b are installed between the side wall of the
NH3冷媒液とCO2冷媒ガスとはプレート重合体52で熱交換され、NH3冷媒液はCO2冷媒から吸熱し気化する。逆に、CO2冷媒ガスは冷却され液化する。気化したNH3冷媒ガスは上昇し、NH3ガス導入孔68cから中空ハウジング68の内部に流入し、NH3導出管66から一次冷媒回路12に流出する。
Heat exchange is performed between the NH 3 refrigerant liquid and the CO 2 refrigerant gas in the
かかる構成において、外気温度が20℃(WB15℃・相対湿度60%)以下の場合には、圧縮機16を稼働させない運転を行う。即ち、NH3冷媒は、CO2液化器24と蒸発式凝縮器18との間をバイパス路26a及び26bを通って循環する。
In such a configuration, when the outside air temperature is 20 ° C. (WB 15 ° C./
CO2液化器24で、CO2冷媒ガスは、蒸発式凝縮器18で外気aと熱交換して凝縮した20℃のNH3冷媒と熱交換する。この熱交換でNH3冷媒は蒸発し、CO2冷媒は22℃のCO2液となる。
In the CO 2 liquefier 24, the CO 2 refrigerant gas exchanges heat with the 20 ° C. NH 3 refrigerant condensed by exchanging heat with the outside air a in the
蒸発式凝縮器18には伝熱管18aが設けられ、伝熱管18aは一次冷媒回路12に接続されている。蒸発式凝縮器18の内部に貯留された冷却水は水ポンプ18bにより汲み上げられ伝熱管18aに散布される。この冷却水に蒸発潜熱で伝熱管18aを流れるNH3冷媒ガスは冷却され液化する。
The
圧縮機16を稼働させない運転では、CO2液化器24で気化したNH3冷媒ガスはサーモサイフォン作用でバイパス路26aを上昇する。蒸発式凝縮器18で液化したNH3冷媒液は、その重力で一次冷媒回路12及びバイパス路26bを流下し、CO2液化器24に戻る。
In an operation in which the
外気温度が20℃(WB15℃・相対湿度60%)以上の場合には、切換弁28a及び28bを閉じ、圧縮機16を稼働させる運転を行う。
When the outside air temperature is 20 ° C. (WB 15 ° C./
CO2液化器24で、CO2冷媒はNH3冷媒液と熱交換し、22℃のCO2液となる。22℃のCO2冷媒液は、サーバ室34に設けられた冷却器36に送られ、冷却器36でサーバ室34内の空気を25℃に冷却する。25℃に冷却された室内空気は送風機38で下方に送られ、コールド流cfを形成する。
In the CO 2 liquefier 24, the CO 2 refrigerant exchanges heat with the NH 3 refrigerant liquid to become a 22 ° C. CO 2 liquid. The 22 ° C. CO 2 refrigerant liquid is sent to a cooler 36 provided in the
冷却空気はサーバラック40間に形成された冷気通路cwを通り、情報処理機器を冷却すると共に、35℃の昇温し、サーバラック40の外側へ流出する。その後、上昇するホット流hfを形成する。ホット流hfは冷却器36で25℃に冷却される。
The cooling air passes through the cool air passage cw formed between the server racks 40, cools the information processing equipment, raises the temperature to 35 ° C., and flows out of the
本実施形態によれば、冷媒として、オゾン層破壊作用がなくかつ地球温暖化係数がゼロに近い自然冷媒のNH3及びCO2を用いているので、地球温暖化のおそれがなく、かつこれらの冷媒は高い冷却能力をもつので、冷却効率を向上できる。 According to the present embodiment, as the refrigerant, NH 3 and CO 2 , which are natural refrigerants that have no ozone depleting action and have a global warming potential close to zero, there is no fear of global warming, and these Since the refrigerant has a high cooling capacity, the cooling efficiency can be improved.
さらに、二次冷媒回路内を高圧に保持することでCO2冷媒を常温に調整し、冷却器36におけるCO2冷媒の蒸発温度が常温となるように調整しているので、サーバ室34内の空気をCO2冷媒の蒸発潜熱で容易に常温に冷却できる。また、二次冷媒回路14に常温のCO2冷媒が流れるので、結露が発生するおそれがなく、万一、サーバ室34内でCO2冷媒が漏洩しても、気化するので情報処理機器を損傷するおそれがない。
Furthermore, the CO 2 refrigerant is adjusted to room temperature by maintaining the inside of the secondary refrigerant circuit at a high pressure, and the evaporation temperature of the CO 2 refrigerant in the cooler 36 is adjusted to be room temperature. Air can be easily cooled to room temperature by the latent heat of vaporization of the CO 2 refrigerant. In addition, since the normal temperature CO 2 refrigerant flows through the secondary
また、冷却器36から出たコールド流cfとサーバラック40から出たホット流hfとをサーバ室34内で別な領域に区分けして形成しているので、これらの空気流が混じり合うことがない。そのため、サーバ室34の冷却効率を向上できる。
Further, since the cold flow cf from the cooler 36 and the hot flow hf from the
また、外気温度が常温以下のとき、圧縮機16の運転を止め、蒸発式凝縮器18において、常温以下の外気aでNH3冷媒を冷却すると共に、CO2液化器24と蒸発式凝縮器18との間で、NH3冷媒をサーモサイフォン作用を利用して自然循環させるようにしているので、圧縮機16の動力を節減できCOPを向上できる。
Further, when the outside air temperature is below normal temperature, the operation of the
また、CO2液化器24では、中空ハウジング68は、横方向に長い長辺68aを有する矩形状に形成した横断面を有しているので、優れた邪ま板効果を有している。気化したNH3冷媒は中空ハウジング68の外側に形成された迂回流路を通ることで、NH3ガス導入孔68cに達するまでに液滴分離効果を向上できる。そのため、圧縮機16への液バックを効果的に防止できる。
Further, in the CO 2 liquefier 24, the
また、NH3冷媒ガスの流路にはフィルタ式の液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、圧縮機動力を低減できCOPを向上できる。 Further, since no filter type droplet separator is provided in the flow path of the NH 3 refrigerant gas, pressure loss can be reduced. Therefore, compressor power can be reduced and COP can be improved.
また、NH3散布管60によりNH3冷媒液をプレート重合体52の軸方向に均一にかつプレート重合体52の上面に広く散布できるので、NH3冷媒とCO2冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器50へ供給するNH3冷媒量を低減できると共に、一次冷媒回路12を流れるNH3冷媒量を低減できる。
Further, since the widely be sprayed uniformly and the upper surface of the plate the
また、空間s1及びs2に充填材86を充填することで、中空容器50に供給するNH3冷媒量を低減できる。こうして一次冷媒回路12を流れるNH3冷媒量を大幅に低減できるので、NH3レシーバ20を小型化できる。
In addition, by filling the spaces s1 and s2 with the
また、中空ハウジング68の横断面を、横方向に長い長辺を有する矩形状に形成したことで、中空ハウジング68が下方へ突出しない。そのため、中空容器50の容積を低減でき、その分NH3冷媒の供給量を低減できる。また、中空ハウジング68の横断面を横方向へ広げてあるので、中空ハウジング68の内部を通るNH3冷媒ガスの圧力損失を低減でき、これによって、圧縮機16の動力を低減できる。
Moreover, the
さらに、NH3散布管60に形成された散布孔60aをNH3散布管60の軸方向に多数配列したので、NH3冷媒液をプレート重合体52に対し軸方向に均一にかつプレート重合体52の上面に広く散布できる。これによって、NH3冷媒とCO2冷媒との熱交換効率を向上できる。
Further, since numerous arranged spraying
さらに、NH3導入孔68cを中空ハウジング68の上面壁に中空ハウジング68の軸方向に軸対称に2列に配置したので、NH3冷媒ガスが中空ハウジング68に流入するときの圧力損失を低減できる。
Furthermore, since the NH 3 introduction holes 68c are arranged in two rows on the upper surface wall of the
さらに、中空ハウジング68及びNH3散布管60をタップ溶接wで一体に形成したので、中空容器への中空ハウジング及び冷媒散布管の取付けが容易になる。
Furthermore, since the
なお、本発明者等の試算によれば、圧縮機16を稼働した運転で、NH3冷媒の凝縮温度を35℃とし、蒸発温度を16℃とし、外気温度をWB+15℃以上とした運転では、COPが6前後の運転が可能になる。また、圧縮機16を稼働しないフリークーリング運転で、外気温度をWB+15℃以下とした場合、COPが13以上の運転が可能になる。また、本実施形態の空調設備10Aが東京地区に設けられたサーバ室に適用された場合、年間のフリークーリング運転日は200日以上となり、年間COPは10以上となる。
According to the estimation by the present inventors, in the operation in which the
また、前述した本発明の参考例では、中空容器50とプレート重合体52との間に空間s1、s2が形成されている場合を示したが、図8に示す実施例では中空容器50とプレート重合体52との間の空間s1、s2が狭くなるようにしている。この場合、図7(断面図)に示すように、プレート重合体52を構成するプレート54の形状は、中空容器50の軸方向視において、中空容器50の軸心Sを通る水平線Hに対して上下方向に非対称に形成されている。即ち、中空容器50の軸心Oよりも下側のプレート54aは、中空容器50の軸心Oよりも下方の位置Sを中心とした曲率半径を有して中空容器50の内壁面50bに近接して沿って半円形状に形成される。また、中空容器50の軸心Oよりも上側のプレート50bは、中空容器50の軸心0を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有して偏平状(半楕円形状)に形成されている。プレート重合体52の上方の空間部50cには、NH3導入管60及び中空ハウジング68が配設されている。これらについては、前述したので、その説明は省略する。
In the above-described reference example of the present invention, the case where the spaces s1 and s2 are formed between the
このように、プレート54の外周と中空容器50の内壁面50bとの隙間s1、s2を小さくすることで、中空容器50を小型化することができる。従って、プレート54の外周と中空容器50の内壁面50bとの隙間に詰め物をする必要性が無くなるとともに、中空容器50の小型化と相まって、CO2液化器24(冷媒熱交換器)の製造コストを低減することができる。
Thus, by reducing the gaps s1 and s2 between the outer periphery of the
本発明によれば、中空容器とプレート重合体との間の空間s1、s2が狭くする事ができる。このように、プレートの外周と中空容器の内壁面bとの隙間s1、s2を小さくすることで、中空容器を小型化することができる。従って、中空容器の小型化と相まって、冷媒熱交換器の製造コストを低減することができる。 According to the present invention, the spaces s1 and s2 between the hollow container and the plate polymer can be narrowed. Thus, the hollow container can be reduced in size by reducing the gaps s1 and s2 between the outer periphery of the plate and the inner wall surface b of the hollow container. Therefore, coupled with the downsizing of the hollow container, the manufacturing cost of the refrigerant heat exchanger can be reduced.
10 空調設備
12 一次冷媒回路
14 二次冷媒回路
16 圧縮機
18 蒸発式凝縮器
20 NH3レシーバ
22 膨張弁
24 CO2液化器(冷媒熱交換器)
26a、26b バイパス路
28a、28b 切換弁
30 CO2レシーバ
34 サーバ室
36 冷却器
38 送風機
40 サーバラック
42 CO2循環路
50 中空容器
50a 上壁
50b 内壁面
50c 空間部
52 プレート重合体
54 プレート
54a プレートの下側
54b プレートの上部
56 NH3導入口
58 NH3導入管(第1の導入口)
60 NH3散布管
60a 散布孔
64 NH3導出口(第1の導出口)
66 NH3導出管(冷媒ガス導出管)
68 中空ハウジング
68a 長辺
68b 短辺
68c NH3導入孔(冷媒ガス導入孔)
70 CO2導入口(第2の導入口)
72 CO2導入管
74 CO2流路(冷媒導入路)
76 CO2導出口(第2の導出口)
78 CO2導出管
80 CO2流路(冷媒導出路)
82a、82b、84a、84b ステー
86 充填材
a 外気
cf コールド流
cw 冷気通路
hf ホット流
s1、s2 空間
DESCRIPTION OF
26a,
60 NH 3 spray pipe
66 NH 3 outlet pipe (refrigerant gas outlet pipe)
68
70 CO 2 inlet (second inlet)
72 CO 2 introduction pipe 74 CO 2 passage (refrigerant introduction passage)
76 CO 2 outlet (second outlet)
78 CO 2 outlet pipe 80 CO 2 passage (refrigerant outlet passage)
82a, 82b, 84a, 84b Stay 86 Filling material a Outside air cf Cold flow cw Cold air passage hf Hot flow s1, s2 Space
Claims (2)
該中空容器の内部に配置され、表裏面に第1の冷媒及び第2の冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ねられたプレート重合体と、
前記プレート重合体の上方空間に前記中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面壁に形成された冷媒ガス導入孔及び前記第1の導出口に接続された冷媒ガス導出管を有する中空ハウジングと、
前記第2の導入口と前記第2の冷媒の熱交換流路とを結ぶ冷媒導入路、及び前記第2の冷媒の熱交換流路と前記第2の導出口とを結ぶ冷媒導出路とを備え、
前記中空ハウジングの前記上面壁は、前記上部隔壁の内面に近接して対向配置されて筒状の前記中空容器の軸方向に延設され、
前記冷媒ガス導入孔は、前記上面壁に筒状の前記中空容器の軸方向に間隔を有して複数設けられている冷媒熱交換器であって、
前記プレート重合体を構成するプレートの形状が、中空容器の軸心(O)よりも下側のプレートは、中空容器の軸心(O)よりも下方の位置(S)を中心とした曲率半径を有して中空容器の内壁面に近接して沿って半円形状に形成されるとともに、中空容器の軸心(O)よりも上側のプレートは、中空容器の軸心(0)を中心として曲率半径よりも大きな曲率半径を有した半楕円形状に形成したことを特徴とする冷媒熱交換器。 A first inlet through which the first refrigerant is introduced, a first outlet through which the first refrigerant vaporized therein is led out, a second inlet through which the second refrigerant is introduced, and a second A cylindrical hollow container in which a second outlet from which the refrigerant is led out is formed;
A plate polymer that is arranged inside the hollow container and on which front and back surfaces are stacked with a large number of plates on which concavities and convexities that form heat exchange channels for the first refrigerant and the second refrigerant are formed;
A hollow housing having a refrigerant gas introduction pipe connected to the first outlet and a refrigerant gas introduction hole formed in an upper surface wall of the upper space of the plate polymer so as to face the upper partition wall of the hollow container;
A refrigerant introduction path connecting the second inlet and the heat exchange flow path of the second refrigerant, and a refrigerant outlet path connecting the heat exchange flow path of the second refrigerant and the second outlet. Prepared,
The upper wall of the hollow housing is disposed in close proximity to the inner surface of the upper partition wall and extends in the axial direction of the cylindrical hollow container,
The refrigerant gas introduction hole is a refrigerant heat exchanger provided in the upper surface wall with a plurality of intervals in the axial direction of the cylindrical hollow container ,
The plate constituting the plate polymer has a radius of curvature centered on a position (S) below the axis (O) of the hollow container, with the plate below the axis (O) of the hollow container. And is formed in a semicircular shape along the vicinity of the inner wall surface of the hollow container, and the plate above the axis (O) of the hollow container is centered on the axis (0) of the hollow container A refrigerant heat exchanger characterized by being formed in a semi-elliptical shape having a radius of curvature larger than the radius of curvature .
前記第1の導入口に接続されると共に、前記中空ハウジングの下面に前記中空ハウジングの長手方向に設けられ、前記第1の冷媒を前記プレート重合体に散布する散布孔を有する冷媒散布管とをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の冷媒熱交換器。
The hollow housing extending in the axial direction in the cylindrical hollow container while being opposed to the upper partition wall of the hollow container;
A refrigerant distribution pipe connected to the first introduction port and provided on the lower surface of the hollow housing in the longitudinal direction of the hollow housing and having a distribution hole for distributing the first refrigerant to the plate polymer; The refrigerant heat exchanger according to claim 1, further comprising:
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