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公開番号2024066586
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-16
出願番号2022176037
出願日2022-11-02
発明の名称熱交換器及びそれを使用した冷却装置
出願人関東精機株式会社,学校法人日本大学
代理人個人,個人
主分類F28D 7/02 20060101AFI20240509BHJP(熱交換一般)
要約【課題】冷媒が流れるコイル等のチューブ群(管群)を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能な熱交換器及びそれを使用した冷却装置を提供する。
【解決手段】冷媒3aが流れるコイル81を内側容器82と外側容器83との隙間に設定する。内側容器82に戻り冷却液2aを導入する冷却液インレット管83aを取り付けるための貫通穴82aを設けると共に、内側容器82と外側容器83を連通させるスリット部82bを設ける。外側容器83の底面に冷却液インレット管83a、冷却液アウトレット管83b、冷媒インレット管83c、外側容器83の側面に冷媒アウトレット管83dをそれぞれ設ける。コイル81を構成するチューブの縦方向間隔Bをチューブの外径ΦAに対し、2～5.2の範囲内の比に設定する。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備えた熱交換器であって、
前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されている
ことを特徴とする熱交換器。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、
前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備えた熱交換器（１００、２００）であって、
前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の縦方向間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器において、
前記コイル（８１）は、外径の異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、
圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、
液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、
膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備えた冷却装置であって、
前記熱交換器は、前記第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）が３次元または２次元状に配設されたチューブ群（８１、３００、４００）を備え、
前記チューブ群（８１、３００、４００）を構成する前記チューブ（８１ａ、８１ｂ、３０１、４０１）の縦方向間隔（Ｂ）は、該チューブの外径（ΦＡ）に対し２から５.２倍の範囲内に設定されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
第１熱媒体（３ａ）を圧縮する圧縮器（５）と、
圧縮された前記第１熱媒体（３ａ）を液化させる凝縮器（６）と、
液化された前記第１熱媒体（３ａ）を膨張させる膨張弁（７）と、
膨張された前記第１熱媒体（３ａ）と、所定の回路（２）を循環する第２熱媒体（２ａ）との間で熱交換を行わせる熱交換器（１００、２００）とを備えた冷却装置（１）であって、
前記熱交換器（１００、２００）は、第１熱媒体（３ａ）が流れるチューブ（８１ａ、８１ｂ）が螺旋状に巻かれたコイル（８１）と、
前記コイル（８１）を収容しながら前記第１熱媒体（３ａ）と熱交換を行う第２熱媒体（２ａ）を一時的に貯蔵しながら通過させる容器（８２，８３）とを備え、
前記コイル（８１）は前記チューブ（８１ａ、８１ｂ）の間隔（Ｂ）が該チューブの外径（ΦＡ）に対して２から５.２倍の範囲内の比で螺旋状に巻かれて構成されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却装置において、
前記コイル（８１）は、外径の異なる複数のコイル（８１ａ、８１ｂ）によって構成されている
ことを特徴とする冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びそれを使用した冷却装置に関し、より詳細には冷媒が流れるコイル等のチューブ群（管群）を有する熱交換器において所定の冷却性能を維持しながら省スペース化と省エネルギー化を達成することが可能な熱交換器及びそれを使用した冷却装置に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
極めて高い加工精度が要求されるマシニングセンタ、ＮＣ研削盤、半導体製造装置等の精密工作機械においては、被加工部材（ワーク）の熱変形だけでなく、ワークを加工する切削工具が取り付けられるヘッド本体及びその駆動部、ならびにワークが取り付けられるテーブル本体及びその駆動部、さらには、作動油、潤滑油に対しても加工時に発生する熱（加工熱）によって、熱変形・熱変性することがないように、冷却液（クーラント）によって冷却する必要がある。一方、クーラントはこれら精密工作機械から加工熱を効率よく奪うように、冷却装置によって高精度に温度管理される必要がある。
【０００３】
ところで、我が国では、地球温暖化防止、ひいては持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の観点から、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、フロンガス等の、いわゆる温室効果ガスの排出量をプラスマイナスゼロにするカーボンニュートラル（或いは「脱炭素社会」）の実現に向けた取り組みが各企業において行われている。そのため精密工作機械から加工熱を奪う上記冷却装置に対しても、環境に優しいグリーン冷媒（例えば、R-1234yf）の採用、消費電力の低減（省エネルギー化）、冷却装置全体のコンパクト化（省スペース化）、高精度・高応答性の温度制御技術等を、確立することによりメーカはカーボンニュートラルの実現に向けて取り組んでいる。
【０００４】
上記高精度・高応答性の温度制御技術を実現する技術として、圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮器および膨張弁を通過させずに熱交換器に導入するバイパス路とバイパス流量調整弁を備え、温度制御装置により低冷却モードではバイパス流量調整弁の開度を変更する一方、通常冷却モードではバイパス流量調整弁の開度を全閉とした状態で、圧縮機（駆動モータ）のインバータ周波数を変更することにより主軸頭の温度を設定温度になるようにフィードバック制御する冷却装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００５】
同様に、バイパス路とバイパス流量調整弁を備え、膨張弁の開度とバイパス流量調整弁の開度とを一対一に対応する値に連動させて同時に変更することにより主軸頭の温度を設定温度になるようにフィードバック制御する冷却装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００６】
また、工作機械から奪った熱を空気中ではなく冷却水に排熱する水冷式の凝縮器を備えた冷却装置も知られている（例えば、特許文献３を参照。）。熱を冷却水に排熱することにより、工場内の温度上昇を抑制して空調装置の負荷を軽減し、これにより省エネルギー化、ひいては脱炭素社会の実現に貢献することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特許第４７８６９６０号
特許第５０２０６６４号
特許第６５９５２５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷却装置のサイズをコンパクト化しようとする場合、冷却装置の構成要素の内で容積の大きい熱交換器をコンパクト化することが考えられる。そして、熱交換器のサイズをコンパクト化しようとする場合、冷媒が流れるコイルのサイズをコンパクト化することが考えられる。
【０００９】
一般に、コイルのサイズをコンパクト化することは、クーラントと冷媒との間の伝熱面積が減少することになる。この場合、同等の冷却性能を維持するためには、コイルを流れる冷媒の流量を増加させることが考えられる。冷媒の流量を増加させるためには、冷媒の流速を増加させるか、流速を保ったままコイルを構成するチューブの外径を大きくする必要がある。
【００１０】
しかし、冷媒の流速を増加させることは、冷媒を圧縮して送り出す圧縮機の消費電力を増大させることになるため、省エネルギー化の観点から好ましくない。一方、コイルを構成するチューブの外径を大きくすることはコイルの縦方向および横方向の寸法が増大し、省スペースの観点から好ましくない。
（【００１１】以降は省略されています）

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