CN101583832B - 液体的蒸发式冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液体的蒸发式冷却装置，具备：在负压下使制冷用蒸发性液体沸腾蒸发的蒸发器(1)；将蒸气冷凝的冷凝器(2)；负荷(14)侧的制冷用间接式热交换器(6)；基于大气空气的冷却用热交换器(11)；使蒸发器的制冷用蒸发性液体在与制冷用间接式热交换器之间循环的制冷用循环机构(5、7)；使冷凝器的冷却用蒸发性液体在与冷却用热交换器之间循环的冷却用循环机构(10、12)，在从蒸发器向冷凝器的蒸气导管(19)中设置有蒸气压缩机构(20)，在不伴随制冷用蒸发性液体的温度上升的情况下，降低冷凝器侧的温度由于大气温度的降低而低于蒸发器侧的温度时的运行成本。在所述蒸气导管(19)设置有绕过所述蒸气压缩机的旁通蒸气通路(22)，在该旁通蒸气通路设置有开闭阀(23)，在所述冷凝器侧的温度低于所述蒸发器侧的温度时，停止所述蒸气压缩机的运行，并打开所述开闭阀。

Description

液体的蒸发式冷却装置
技术领域
本发明涉及将如水等的具有蒸发性的液体即制冷用蒸发性液体供给于如制冷部位等的负荷侧时，利用其负压下的沸腾蒸发和基于大气的冷却，在所述负荷侧将所述制冷用蒸发性液体冷却至必要的规定温度的冷却装置。
背景技术
作为先行技术的专利文献1，记载如下。
“蒸发式冷却装置具备：在低于大气压的负压下使水等制冷用蒸发性液体沸腾蒸发的蒸发器；将在该蒸发器产生的蒸气用水等冷却用蒸发性液体冷凝的冷凝器；设置于制冷部位等负荷侧的制冷用间接式热交换器；将大气空气作为冷却源的冷却用热交换器；使所述蒸发器中的制冷用蒸发性液体在与所述制冷用间接式热交换器之间循环的制冷用循环机构；以及使所述冷凝器中的冷却用蒸发性液体在与所述冷却用热交换器之间循环的冷却用循环机构，并且，在自所述蒸发器向所述冷凝器的蒸气导管中设置罗茨式压缩机等蒸气压缩机。”
在该先行技术的蒸发式冷却装置中，利用蒸发器中的沸腾蒸发将制冷用蒸发性液体在所述制冷部位等负荷侧冷却至必要的规定温度，将利用该沸腾蒸发产生的蒸气导向冷凝器，利用以大气空气为冷却源的冷却用蒸发性液体冷凝，通过利用蒸气压缩机压缩在所述蒸发器产生的蒸气，将其压入冷凝器，能够使所述蒸发器和所述冷凝器之间具有比不使用所述蒸气压缩机的情况大所述压缩比的量的温差，因此，即使在作为冷却源的大气的温度高的状态下，也能够将供给于负荷侧的制冷剂用蒸发性液体的温度比大气的温度降低与所述压缩比相当的温差的量。
例如，作为所述蒸气压缩机使用了罗茨式压缩机的情况下，能够将蒸气的压缩比在温差中设为约15℃左右，因此，作为所述冷却用热交换器的冷却源的大气中的温度在夏季等中，即使利用该大气冷却后的冷却用蒸发性液体的温度即供给于冷凝器的冷却用蒸发性液体的温度最高达到32～35℃，也能够将供给于负荷侧的蒸发性液体可靠地冷却至约17～20℃的低温。
专利文献1：日本特开2006-97989号公报。
发明内容
所述先行技术的蒸发式冷却装置如上所述，将大气作为冷却源，但大气的温度在四季中不同，在大气的温度变低的冬季等中，冷凝器侧的温度有时比供给于所述制冷部位等负荷侧的制冷剂用蒸发性液体的温度即制冷剂用蒸发性液体的负荷侧中所需的规定温度低，这样，能够在冷凝器侧的温度比负荷侧所需的规定温度即蒸发器侧的温度低的状态下，将由蒸发器产生的蒸气在不使用所述蒸气压缩机的情况下导向冷凝器而冷凝。
但是，在所述先行技术的蒸发式冷却装置中，在使用逆变器自动控制该蒸气压缩机中的转速，将蒸发器侧的温度维持为在负荷侧所需的规定温度的情况下，及不进行所述自动控制的情况下的任意情况下，从所述蒸发器向冷凝器的蒸气压缩机始终运转，因此，如上所述，在冬季等中，冷凝器侧的温度比蒸发侧的规定温度降低的状态下，所述蒸气压缩机徒劳地运行，由于该徒劳的运转，导致运转成本变高。
为了实现该运行成本的降低，在冷凝器的温度比蒸发侧的规定温度低的情况下，停止所述蒸气压缩机的运转即可，但在上述结构的情况下，从蒸发器向冷凝器的蒸气的流动形成为因所述蒸气压缩机的运转停止几乎闭塞的状态，导致蒸发器中的沸腾蒸发停止，因此，不能持续所述蒸发器中的沸腾蒸发引起的制冷用蒸发性液体的冷却，甚至制冷用蒸发性液体的温度受到负荷侧中的热负荷而上升，导致供给于负荷侧的制冷用蒸发性液体的温度不能够维持在该负荷侧所需的规定温度。
本发明的技术目的在于提供消除了这些问题的蒸发式冷却装置。
为了实现该技术问题，技术方案1如下所述，
“一种液体的蒸发式冷却装置，其具备：蒸发器，其使制冷用蒸发性液体在低于大气压的负压下沸腾蒸发；冷凝器，其利用冷却用蒸发性液体使由该蒸发器产生的蒸气冷凝；制冷用间接式热交换器，其设置于负荷侧；冷却用热交换器，其以大气空气为冷却源；制冷用循环机构，其使所述蒸发器中的制冷用蒸发性液体在所述蒸发器与所述制冷用间接式热交换器之间循环；冷却用循环机构，其使所述冷凝器中的冷却用蒸发性液体在所述冷凝器与所述冷却用热交换器之间循环，并且，在从所述蒸发器向所述冷凝器的蒸气导管中设置有蒸气压缩机，所述蒸发式冷却装置的特征在于，
在所述蒸气导管设置有绕过所述蒸气压缩机的旁通蒸气通路，在该旁通蒸气通路设置有开闭阀，当所述冷凝器侧的温度低于所述蒸发器侧的温度时，停止所述蒸气压缩机的运转，并且打开所述开闭阀。”
技术方案2以技术方案1所述的液体的蒸发式冷却装置为基础，其特征在于，
“根据所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度，将所述开闭阀打开时的开度控制为：在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下减小，在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下增大。”
技术方案3以技术方案1所述的液体的蒸发式冷却装置为基础，其特征在于，
“在所述冷却用循环机构设置有绕过所述冷却用热交换器的旁通循环管路，在该旁通循环管路设置有在所述冷凝器侧的温度低于所述蒸发器侧的温度时打开的控制阀，根据冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度，将该控制阀打开时的开度控制为：在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下增大，在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下减小。”
发明效果
在所述技术方案1所述的结构中，在冬季等中，因大气的温度降低使得冷凝器侧的温度降低至低于所述蒸发器侧的温度的温度时，停止所述蒸气压缩机的运转，由此能够实现温度低的状态下的运行成本的降低。
另一方面，通过打开绕过所述蒸气压缩机的旁通蒸气通路中的开闭阀，在所述蒸发器产生的蒸气通过所述旁通蒸气通路流向冷凝器，因此，能够可靠地防止所述蒸发器中的沸腾蒸发因所述蒸气压缩机的运转停止而停止的情况，并且，能够使基于所述蒸发器中的沸腾蒸发的制冷用蒸发性液体的冷却持续，由此能够可靠地阻止从所述蒸发器向负荷侧供给的制冷用蒸发性液体的温度因所述蒸气压缩机的运行停止而超过规定温度上升的情况。
其次，通过以所述技术方案1的记载作为前提，形成技术方案2中记载的结构，在冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下，所述开闭阀的开度变小，自蒸发器流向冷凝器的蒸气的流量减少，因此，由此能够防止温度向低的一侧降低，另一方面，冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下，开闭阀的开度变大，自蒸发器流向冷凝器的蒸气的流量增加，由此，能够防止向高的一侧的温度上升，能够将供给于负荷侧的制冷用蒸发性液体的温度维持在规定温度。
另外，通过以所述技术方案1的记载作为前提，形成技术方案3中记载的结构，所述开闭阀打开的同时，冷却用循环机构中的旁通蒸气通路中的控制阀打开，从所述冷凝器向冷却用热交换器的冷却用蒸发性液体的一部分经由旁通蒸气通路直接返回所述冷凝器，返回所述冷凝器的冷却用蒸发性液体的温度上升，因此，所述冷凝器中的冷凝性能降低所述绕过的流量的量。
还有，所述控制阀的开度在冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下增大，使得经由所述旁通蒸气通路直接返回所述冷凝器的冷却用蒸发性液体的温度变高，所述冷凝器中的冷凝性能降低，由此，能够防止温度向低的一侧降低，另一方面，所述控制阀中的开度通过在冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下减小，经由所述旁通循环管路直接返回所述冷凝器的冷却用蒸发性液体的温度降低，所述冷凝器中的冷凝性能增加，由此，能够防止温度向高的一侧上升，能够将供给于负荷侧的制冷用蒸发性液体的温度维持在规定温度。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的图。
图2是表示本发明的第二实施方式的图。
图3是表示本发明的第三实施方式的图。
图中：1-蒸发器；2-冷凝器；3-真空泵；5、7-制冷用循环管路；6-制冷用间接式热交换器；10、12-冷却用循环管路；11、11’-冷却用热交换器；14-负荷侧；15、30-通风塔；19-蒸气导管；20-罗茨式压缩机(蒸气压缩机)；22-旁通蒸气通路；23-开闭阀；24-控制器；25、26-温度传感器；27-旁通循环管路；28-控制阀；29-流体室。
具体实施方式
以下，结合附图说明本发明的实施方式。
图1表示第一实施方式。
在该图1中，符号1表示密闭构造的蒸发器，符号2表示同样密闭结构的冷凝器，冷凝器2与用于使该冷凝器2及所述蒸发器1内的两者成为低于大气压的负压的真空泵3等真空产生装置连接。
放入所述蒸发器1内的水等制冷用蒸发性液体进行如下循环，即，利用循环泵4汲出，经由制冷用循环管路5送至制冷用间接式热交换器6后，经由制冷用循环管路7从喷嘴8再次向所述蒸发器1内的上部喷出而返回。
另外，放入所述冷凝器2内的水等冷却用蒸发性液体进行如下循环，即，利用循环泵9汲出经由冷却用循环管路10送至构成为密闭型的冷却用热交换器11后，经由冷却用循环管路12从喷嘴13再次向所述冷凝器2内的上部喷出而返回。
在这种情况下，所述制冷用间接式热交换器6设置于如室内的制冷部位等需要规定温度的制冷用蒸发性液体的负荷侧14。
另一方面，在所述密闭型冷却用热交换器11中，在设置于户外的通风塔15内设置密闭结构的传热管11a，使冷却用蒸发性液体在该传热管11a的内部和所述冷凝器2之间循环，并且，在所述通风塔15内，在所述传热管11a的外侧除喷洒利用泵16循环的水之外，还利用风扇17与大气的空气强制通风。
此外，在所述蒸发器1和所述冷凝器2的相互之间经由底部的连通路18来连接，使其各自的水等蒸发性液体相互往来。
另外，所述蒸发器1的上部和所述冷凝器2的上部之间经由蒸气导管19连接，在该蒸气导管19的中途设置有作为将所述蒸发器1内产生的蒸气朝向所述冷凝器2压缩的蒸气压缩机的一例的罗茨式压缩机20。
该罗茨式压缩机20以利用来自能够改变转速的电动马达21或内燃机等动力源的动力源的直接或经由带等的动力传递而旋转的方式被驱动。
进而，在所述蒸气导管19设置有绕过所述罗茨式压缩机20的旁通蒸气通路22，在该旁通蒸气通路22的中途设置有开闭阀23。
另外，在图1中，符号24是控制器，该控制器24是将设置于所述蒸发器1或所述制冷用循环管路5、7的温度传感器25及设置于所述冷凝器2或冷却用循环管路10、12的温度传感器26作为输入，将所述旁通蒸气通路22如下所述地开闭控制。
即，首先，所述控制器24在所述冷凝器2侧的温度(冷凝器2内的温度或冷却用蒸发性液体的温度)处于蒸发器侧的温度(蒸发器内的温度或制冷用蒸发性液体的温度)以上的状态时，根据所述冷凝器2侧的温度或蒸发器1侧的温度，将所述罗茨式压缩机20中的转速控制为：该温度变高的情况下加速，该温度降低的情况下减速。
其次，所述控制器24如下所述地运行，即，在所述冷凝器2侧的温度低于蒸发器1侧的温度的状态时，停止所述罗茨式压缩机20的运转，并且，打开所述开闭阀23。而且，根据所述冷凝器2侧的温度或所述蒸发器1侧的温度，将所述开闭阀23打开时的开度控制为：该温度降低的情况下减小，在该温度上升的情况下增大。
在该结构中，在所述冷凝器2侧的温度为蒸发器1侧的温度以上的状态时，使罗茨式压缩机20运转，关闭旁通蒸气通路22中的开闭阀23，由此，在所述蒸发器1中进行制冷用蒸发性液体的沸腾蒸发，将利用该沸腾蒸发冷却的制冷用蒸发性液体从该蒸发器1向负荷侧14侧作为制冷来供给，通过使用于制冷等中而温度变高后，返回所述蒸发器1利用沸腾蒸发来冷却，并反复进行如上所述的操作。
利用所述蒸发器1中的沸腾蒸发产生的蒸气均被罗茨式压缩机20压缩后送入冷凝器2，在该冷凝器2中，被在该冷凝器2和将大气的空气作为冷却源的冷却用热交换器11之间循环的冷却用蒸发性液体冷却而冷凝。
在这种情况下，所述蒸发器1中的制冷用蒸发性液体的温度除了根据冷凝器2侧的温度以及作为其冷却源的大气温度的变化而变动之外，还根据负荷14侧的热负荷的增减而变动，但通过根据所述冷凝器2侧的温度或蒸发器1侧的温度将所述罗茨式压缩机20中的转速控制为：在该温度变高的情况下加速，在该温度降低的情况下减速，从而能够将供给于所述负荷14的制冷用蒸发性液体的温度维持为在该负荷14所需的规定温度(例如，在制冷的情况下为20℃)。
还有，由于季节的变化等，在冬季等时，大气温度降低，从而在所述冷凝器2侧的温度成为低于蒸发器1侧的温度的状态时停止所述罗茨式压缩机20的运转，并且，打开所述旁通蒸气通路22中的开闭阀23，使所述蒸发器1中产生的蒸气通过所述旁通蒸气通路22流向冷凝器2侧，从而能够可靠地防止所述蒸发器1的沸腾蒸发由于所述罗茨式压缩机20的运行停止而停止的情况，进而，能够使所述蒸发器1中的沸腾蒸发引起的制冷用蒸发性液体的冷却持续，由此能够可靠地阻止从所述蒸发器1向负荷14侧供给的制冷用蒸发性液体的温度因所述罗茨式压缩机20的运转停止而超过规定温度上升的情况(由于停止罗茨式压缩机20的运转，所以将这种运转状态称为自由冷却(フリ一ク一ニング))。
在这种情况(自由冷却)下，所述蒸发器1中的制冷用蒸发性液体的温度除了根据冷凝器2侧的温度以及作为其冷却源的大气温度的变化而变动之外，还根据负荷14侧的热负荷的增减而变动，但根据所述冷凝器2侧的温度或蒸发器1侧的温度，将所述开闭阀23打开时的开度控制为：该温度降低的情况下减小，该温度上升的情况下增大，从而能够将供给于所述负荷14的制冷用蒸发性液体的温度维持在该负荷14所需的规定温度(例如，在制冷的情况下为20℃)。
此外，为了确保所述蒸发器1的蒸气通过旁通蒸气通路22向冷凝器2的流动，从所述罗茨式压缩机20运转且关闭所述开闭阀23的状态切换为停止所述罗茨式压缩机20的运转并打开所述开闭阀23时的温度优选设定为所述冷凝器2侧的温度比蒸发器1侧的温度低约5℃以上，例如，在负荷14中所需的规定温度为20℃的情况下，所述冷凝器2侧温度降低至15℃以下时，停止所述罗茨式压缩机20的运转，将所述开闭阀23切换为打开。
其次，图2表示第二实施方式。
在该第二实施方式中，代替如所述第一实施方式那样，根据冷凝器2侧的温度或所述蒸发器1侧的温度来控制开闭阀23打开时的开度的结构，在连接所述冷凝器2和所述密闭型的冷却用热交换器11的冷却用循环管路10、12设置绕过所述冷却用热交换器11的旁通循环管路27，在该旁通循环管路27设置控制阀28，利用所述控制器24除将该控制阀28及所述开闭阀23控制为在所述冷凝器2侧的温度低于所述蒸发器1侧的温度时打开之外，还根据所述冷凝器2侧的温度或所述蒸发器1侧的温度，将所述控制阀28打开时的开度控制为：在该温度降低的情况下增大，在该温度上升的情况下减小，其他结构与所述第一实施方式的情况相同。
根据该结构可知，由于冬季的变化等，在冬季等中，大气温度降低使得所述冷凝器2侧的温度成为低于蒸发器1侧的温度的状态的情况下，打开所述开闭阀23的同时打开旁通循环管路27中的控制阀28，使从所述冷凝器2向冷却用热交换器11的冷却用蒸发性液体的一部分经由所述旁通循环管路27直接返回所述冷凝器2，返回所述冷凝器2的冷却用蒸发性液体的温度上升，因此，所述冷凝器2中的冷凝性能降低所述绕过的流量的量。
并且，所述控制阀28的开度在冷凝器2侧的温度或所述蒸发器1侧的温度降低的情况下变大，使得经由所述旁通循环管路27直接返回所述冷凝器2的冷却用蒸发性液体的温度变高，所述冷凝器2中的冷凝性能降低，由此，能够防止温度向低的一侧降低，另一方面，所述控制阀28的开度在冷凝器2侧的温度或所述蒸发器1侧的温度上升的情况下减小，使得经由所述旁通循环管路27直接返回所述冷凝器的冷却用蒸发性液体的温度降低，所述冷凝器2的冷凝性能增加，由此，能够防止温度向高的一侧上升，能够将供给于负荷14侧的制冷用蒸发性液体的温度维持在规定温度。
其次，图3表示第三实施方式。
所述第一实施方式及第二实施方式是利用所述密闭型冷却用热交换器11冷却相对于所述冷凝器2的冷却用蒸发性液体的情况，但该第三实施方式是在所述冷却用蒸发性液体的冷却中使用了开放型冷却用热交换器11’的情况，其他结构与所述第一实施方式或所述第二实施方式的情况相同。
即，在该第三实施方式中的开放型的冷却用热交换器11’中，在放入二次侧冷却用液体的流体室29内设置传热管11b，使相对于所述冷凝器2的冷却用蒸发性液体在该传热管11b的内部和所述冷凝器2之间循环，在所述流体室29内，在相对于所述冷凝器2的冷却用蒸发性液体和放入所述流体室34内的二次侧冷却用液体之间进行间接的热交换，另一方面，在基于风扇31的强制通风的通风塔30内设置有拉西环等填充层32，并进行如下所述循环，即，利用循环泵33汲出在该通风塔30的底部积存的所述二次侧冷却用液体供给于所述流体室29内，接着，利用喷嘴34将该流体室29内的二次侧冷却用液体向所述通风塔30内的填充层32喷洒，并沿该填充层32流下，从而利用与所述通风塔30内的大气空气的直接接触来冷却所述二次侧冷却用液体，并利用该冷却的二次侧冷却用液体来进行在所述冷凝器2和所述传热管11b内之间循环的冷却用蒸发性液体的冷却。
在该第三实施方式中，能够在将所述冷凝器2内保持为低于大气压的负压的状态的基础上，使用“开放型冷却用热交换器11’”。另外，使用防冻溶液作为所述二次侧冷却用液体，由此能够在大气温度降低至冰点以下的情况下，可靠地避免在所述冷凝器2和冷却用热交换器11”之间循环的冷却用蒸发性液体发生冻结的情况。
在所述技术方案1中“以大气空气作为冷却源的冷却用热交换器”中当然包括所述第一及第二实施方式中说明的“密闭型冷却用热交换器11”，当然还包括所述第三实施方式中说明的“开放型冷却用热交换器11’”。
还有，在所述第三实施方式中，当然可以构成为与所述第一实施方式或所述第二实施方式相同地进行蒸气导管19的旁通蒸气通路22中的开闭阀23的温度控制、或进行冷却用循环管路10、12的旁通循环管路27中的控制阀28的温度控制。
另外，在所述各实施方式中，作为制冷用蒸发性液体及冷却用蒸发性液体并不限于所述各实施方式说明的水或各种水溶液，可以使用如醇等其他蒸发性液体，此外，还可以向这些水等蒸发性液体中适当地添加防冻剂、防蚀剂、防锈剂或防垢剂。
进而，作为蒸气压缩机并不限于所述各实施方式中说明的罗茨式压缩机，也可以使用可变翼(可变翼)式压缩机或螺旋式压缩机等旋转型压缩机，此外，在压缩比可以低的情况下还可以使用离心式(鼓风机)压缩机。

Claims (3)

1.一种液体的蒸发式冷却装置，其具备：
蒸发器，其使制冷用蒸发性液体在低于大气压的负压下沸腾蒸发；
冷凝器，其利用冷却用蒸发性液体使由该蒸发器产生的蒸气冷凝；
制冷用间接式热交换器，其设置于负荷侧；
冷却用热交换器，其以大气空气为冷却源；
制冷用循环机构，其使所述蒸发器中的制冷用蒸发性液体在所述蒸发器与所述制冷用间接式热交换器之间循环；
冷却用循环机构，其使所述冷凝器中的冷却用蒸发性液体在所述冷凝器与所述冷却用热交换器之间循环，
并且，在从所述蒸发器向所述冷凝器的蒸气导管中设置有蒸气压缩机，
所述蒸发式冷却装置的特征在于，
在所述蒸气导管设置有绕过所述蒸气压缩机的旁通蒸气通路，在该旁通蒸气通路设置有开闭阀，当所述冷凝器侧的温度低于所述蒸发器侧的温度时，停止所述蒸气压缩机的运转，并且打开所述开闭阀。
2.根据权利要求1所述的液体的蒸发式冷却装置，其特征在于，
根据所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度，将所述开闭阀打开时的开度控制为：在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下减小，在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下增大。
3.根据权利要求1所述的液体的蒸发式冷却装置，其特征在于，
在所述冷却用循环机构设置有绕过所述冷却用热交换器的旁通循环管路，在该旁通循环管路设置有在所述冷凝器侧的温度低于所述蒸发器侧的温度时打开的控制阀，根据冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度，将该控制阀打开时的开度控制为：在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度降低的情况下增大，在所述冷凝器侧的温度或所述蒸发器侧的温度上升的情况下减小。
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