JP2005308289A - アンモニアと二酸化炭素を組み合わせた二元冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】 目的の冷却には直接関与しないカスケードコンデンサを安価に製作するとともに、ここでの熱交換効率を極めて向上させることにより、システム全体の高能率化や低コスト化を図る新規な二元冷凍システムを提供する。
【解決手段】 本発明の二元冷凍システム１は、アンモニアサイクル２と炭酸ガスサイクル３とを組み合わせて成り、アンモニアサイクル２は、炭酸ガスサイクル３内のＣＯ₂ 媒体を冷却、液化する縦型流路のカスケードコンデンサ１４を具えるとともに、このカスケードコンデンサ１４は満液式の構成を採り、液体状態のＮＨ₃ 媒体が自然循環状態に供給されるものであり、またこのカスケードコンデンサ１４は、ＮＨ₃ 流路とＣＯ₂ 流路とが仕切面を介して熱交換が行えるように形成されるものであり、ＮＨ₃ 流路は上昇流、且つＣＯ₂ 流路は下降流として形成されて成ることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高元側をアンモニアサイクルで構成するとともに、低元側を炭酸ガスサイクルで構成した二元冷凍システムに関するものであって、特にアンモニア冷媒によって炭酸ガス冷媒を冷却するカスケードコンデンサを安価に製作するとともに、ここでの熱交換効率を向上させ、商業実機としての二元冷凍システムの有用性を、より一層向上させた新規な冷凍システムに係るものである。

近年、地球を取り巻くオゾン層の破壊防止や地球温暖化防止の目的から、冷凍機あるいは空調設備等に使用する冷媒を、フロン系のものから水、空気、二酸化炭素、アンモニア、炭化水素ガス等の自然冷媒（ヒートポンプ・システムへの応用を視野に入れ、国際的には自然作動流体とも呼ばれる）に移行する動きが活発になっている。このような社会的要請から本出願人も自然冷媒としてアンモニアと二酸化炭素とを適用したヒートポンプ・システム等の開発を試み、国内特許第３４５８３１０号、アメリカ特許第６，６１９，０６６号、オーストラリア特許第７４７６６６号、中国特許第ＺＬ９９８１６３４０．６号の特許取得や、特開２００３−１６６７６５等の特許出願に至っている。

このような自然冷媒を適用した二元冷凍システムは、地球環境に優しく、また目的の冷却が効率的に行える等の点で充分な効果を達成し得るものであり、これによってアンモニアと炭酸ガスを適用した二元冷凍システムは、その基本構造がほぼ確立された。
しかしながら、このような二元冷凍システムであっても、実際に商業実機として導入するには、運転効率の更なる向上や、より一層のコスト低減化等が求められるものであり、この点において、まだ開発の余地があった。
すなわち上述した二元冷凍システムは、アンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを有するために、二酸化炭素媒体を冷却するカスケードコンデンサを要するものであるが、この部分は冷凍源と、目的の冷却作用部との間において熱の受け渡しを行うだけであるから、目的の冷却作用には実質的に関与していない。このため、この部分は、言わば補機的ないしは付加的な機構部という位置付けとも言える。従って、このような部分での低コスト化、効率化、低スペース化等を図ることによって、システム全体としてトータルでの性能向上を図る可能性が残されていた。

なお、このようなカスケードコンデンサとしては、従来、シェルチューブと称される円筒多管式の熱交換器が一般に用いられていたが、このシェルチューブ型の熱交換器は、冷媒流路がほぼ水平方向に形成されており、気体状態での熱交換部分（いわゆる乾き部分）が多く生じ、また流体の流れも滞りがちとなり、必ずしも高い熱交換効率が得られていないのが実情であった。また、このシェルチューブ型の熱交換器は、冷媒流路がほぼ水平つまり横置き配置が一般的であったため、設置スペースも広い専有面積を要するものとなっていた。
因みに、このような補機部分における低コスト化、高効率化等は、冷凍システムの全体構成からすれば、一見、些細な技術改良に思えるが、上述したように実際の現場にあっては、二元冷凍システムを実機として導入する際の重要な決定要素となることが少なくなく、特に商業的な見地からは、導入にあたり大切なファクターとなっていた。

本発明は、このような背景を認識してなされたものであって、目的の冷却には実質的に関与しないカスケードコンデンサを安価に製作するとともに、ここでの熱交換効率を極めて向上させるようにして、システム全体としての高能率化や低コスト化を推進する、より商業実機に特化した新規な二元冷凍システムの開発を試みたものである。

すなわち請求項１記載のアンモニアと二酸化炭素を組み合わせた二元冷凍システムは、アンモニアを媒体としたアンモニアサイクルを高元側とし、二酸化炭素を媒体とした炭酸ガスサイクルを低元側として組み合わせて成るシステムであって、前記アンモニアサイクルは、炭酸ガスサイクル内の二酸化炭素媒体を冷却、液化する縦型流路のカスケードコンデンサを具えるとともに、このカスケードコンデンサは満液式の構成を採り、液体状のＮＨ₃ 媒体が自然循環状態に供給されるものであり、また、このカスケードコンデンサは、ＮＨ₃ 媒体を流すＮＨ₃ 流路とＣＯ₂ 媒体を流すＣＯ₂ 流路とが、仕切面を通して熱交換が行えるように形成されるものであり、ＮＨ₃ 流路は上昇流、且つＣＯ₂ 流路は下降流として形成されて成ることを特徴として成るものである。

前記請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。すなわち本発明によれば、本来の冷却作用には直接関与しないカスケードコンデンサについて、自然循環状態の移送形態を採りながらも、媒体の流れを促進ないしは加勢できるようにし、これによって高い熱交換効率が得られるようにしている。また、カスケードコンデンサ（熱交換器）は、媒体流路が上下方向（縦型）に設定される、いわゆる縦置き式であるため、カスケードコンデンサの据付け面積も抑えられ、システム全体の省スペース化に寄与する。そして、このようなカスケードコンデンサの改良によって、システム全体として冷却効率の向上やコスト削減あるいはランニングコストの低減化を達成し得るものである。

本発明の最良の形態は、以下の実施例に述べるとおりである。

本発明の二元冷凍システム１は、一例として図１に示すように、高元側のアンモニアサイクル２と、低元側の炭酸ガスサイクル３とを組み合わせて成るものであり、以下、各サイクルについて説明する。
アンモニアサイクル２は、一例として圧縮機１１と、コンデンサ１２と、ＮＨ₃ レシーバ１３と、カスケードコンデンサ１４とを具えて成り、実質的に、このカスケードコンデンサ１４によって、炭酸ガスサイクル３内のＣＯ₂ 媒体を冷却する。
なお、このような構成上、カスケードコンデンサ１４は満液式の構成を採り、ＮＨ₃ レシーバ１３から常に液体状のＮＨ₃ 媒体が供給されるものである。またＮＨ₃ レシーバ１３には、レシーバ内の液面を適宜のレベルに調整するフロートバルブ１３ａが設けられる。

更にアンモニアサイクル２は、媒体が毒性のあるアンモニアであることから、封入量が極力少量に設定されるとともに、アンモニアサイクル２を構成する部材が、一例として機械室内に設置され、目的の冷却を行う蒸発器１７（これについては後述する）から隔離される。
なおＮＨ₃ レシーバ１３は、カスケードコンデンサ１４よりも高い位置に設けることが好ましく、これは、この間に形成されるＮＨ₃ 媒体の液ヘッド差を利用してＮＨ₃ レシーバ１３からカスケードコンデンサ１４に、ＮＨ₃ 媒体を自然循環状態に供給し、これにより媒体移送に掛かるコスト（ランニングコスト）を低減し、システム全体の運転効率を向上させるためである。

一方、炭酸ガスサイクル３は、一例として上述したカスケードコンデンサ１４の他、ＣＯ₂ レシーバ１５、流量調整弁１６、目的の冷却を行う蒸発器１７とを具えて成るものである。なお蒸発器１７で目的の冷却を行うことから、ＣＯ₂ レシーバ１５は蒸発器１７よりも高い位置に設置し、これらの間にＣＯ₂ 媒体の液ヘッド差を形成することが好ましい。これは、液ヘッド差を利用してＣＯ₂ 媒体をＣＯ₂ レシーバ１５から蒸発器１７に自然循環状態に供給し、これによりシステム全体の運転効率を向上させるためである。もちろん建物の構造やビル環境等によっては、必ずしもＣＯ₂ レシーバ１５を高所に設置できないことが考えられるため、このような場合にはＣＯ₂ レシーバ１５と蒸発器１７との間に、移送を補助的に担う液ポンプ等を設けることが可能である。

次に、この二元冷凍システム１の冷却態様、すなわち媒体の循環態様を媒体の状態変化と併せて説明する。まずアンモニアサイクル２では、圧縮機１１によって圧縮された気体状のＮＨ₃ 媒体が、コンデンサ１２を通るとき、冷却水または空気によって冷やされてほぼ液体となる。そして、コンデンサ１２において、ほぼ液体となったＮＨ₃ 媒体は、その後、ＮＨ₃ レシーバ１３に送られ、ここに貯留される。なおＮＨ₃ レシーバ１３内では、フロートバルブ１３ａによって、貯留量がほぼ一定のレベルに保たれる。またコンデンサ１２によって液化されたＮＨ₃ 媒体がＮＨ₃ レシーバ１３に供給される際、液体状のＮＨ₃ 媒体がフロートバルブ１３ａによってレシーバ内の下方貯留部に送られ、気体状のＮＨ₃ 媒体がレーシバ内の上方（空間）に送られる。

その後、ＮＨ₃ レシーバ１３内に貯留された液体状のＮＨ₃ 媒体は、例えば液ヘッド差を利用したサーモサイフォン（thermo syphon:熱サイフォン）現象によって自然循環状態に下降し、カスケードコンデンサ１４に送られ、ここを下から上に上昇する間に蒸発して気体状に変化する。このとき、ＮＨ₃ 媒体は炭酸ガスサイクル３内のＣＯ₂ 媒体から熱を奪い、これを液化する。
そしてカスケードコンデンサ１４においてＣＯ₂ 媒体（炭酸ガス）と熱交換し、気化したＮＨ₃ 媒体は、いったん、ＮＨ₃ レシーバ１３内に戻され、ここから圧縮機１１に送られる。

一方、炭酸ガスサイクル３では、カスケードコンデンサ１４によって冷やされて液化したＣＯ₂ 媒体（液化炭酸ガス）がＣＯ₂ レシーバ１５に貯留される。その後、ＣＯ₂ 媒体は、例えば液ヘッド差を利用したサーモサイフォン現象によって自然循環状態に下降し、流量調整弁１６を通って、目的の冷却を行う蒸発器１７に送られ、ここで適宜温められて蒸発し、ガス化して再びＣＯ₂ レシーバ１５に戻っていく。このように蒸発器１７では、液体状のＣＯ₂ 媒体が周囲から気化熱を奪ってガス化することにより目的の冷却を行うものである。また流量調整弁１６は、蒸発器１７の負荷の大きさによって開閉量が調整される。

なおＣＯ₂ レシーバ１５と蒸発器１７との間のＣＯ₂ 媒体の循環は、主に液ヘッド差と蒸発器１７における蒸発作用とに起因するが、蒸発作用だけでも充分にＣＯ₂ 媒体を循環させることができれば、特に液ヘッド差を形成しなくても良いし、また上述した液ポンプ等も不要となる。
またＣＯ₂ レシーバ１５内に戻された気体状のＣＯ₂ 媒体は、カスケードコンデンサ１４に送られ、ここを上から下に下降する間に凝縮液化する。
なお、本実施例では、蒸発器１７によって気化したＣＯ₂ 媒体を、いったん、ＣＯ₂ レシーバ１５に導入してからカスケードコンデンサ１４に戻す移送形態を採るが、これは液化したＣＯ₂ 媒体がカスケードコンデンサ１４から落下しやすいように、カスケードコンデンサ１４の上下を均圧するためである。

次に、カスケードコンデンサ１４の詳細について更に説明する。カスケードコンデンサ１４では、上述したようにＮＨ₃ 媒体とＣＯ₂ 媒体との熱交換（伝熱）が行われ、ＮＨ₃ 媒体は液体から気体に変化し、その際の気化熱によってＣＯ₂ 媒体を冷却する。一方、ＣＯ₂ 媒体は、この冷却を受けて凝縮され、気体から液体に状態を変化させる。このようなことから、本発明ではカスケードコンデンサ１４における熱交換効率を向上させるために、ＮＨ₃ 媒体とＣＯ₂ 媒体との流路を縦型に形成しており、以下この縦型流路について説明する。ここでカスケードコンデンサ１４においてＮＨ₃ 媒体が通過する流路をＮＨ₃ 流路２１とし、ＣＯ₂ 媒体が通過する流路をＣＯ₂ 流路２２とし、これらが混合しないように仕切られた面を仕切面２３とする（図３参照）。もちろん高い熱交換効率を得るには、ＮＨ₃ 流路２１とＣＯ₂ 流路２２とを互いに接する状態、もしくは隣り合うように形成し、仕切面２３を介して効率的に熱交換が行えるようにすることが好ましい。

また本発明では、ＮＨ₃ 媒体とＣＯ₂ 媒体とが向流となるように各流路が形成されるものであり、具体的には蒸発側のＮＨ₃ 媒体がカスケードコンデンサ１４において下から上に向かう上昇流として形成されるとともに、凝縮側のＣＯ₂ 媒体がカスケードコンデンサ１４において上から下に向かう下降流として形成される。なお、これら二流体をこのように設定したのは、ガス化するＮＨ₃ 媒体は自然に上昇する傾向にあり、液化するＣＯ₂ 媒体は自然に落下する傾向を有することに因むものであり、上記形態を採ることによって、カスケードコンデンサ１４におけるＮＨ₃ 媒体とＣＯ₂ 媒体との流れを促進ないしは加勢し、二流体を極めてスムーズに流すことができ、高い熱交換効率が得られるためである。

特に本発明では、カスケードコンデンサ１４に供給されるＮＨ₃ 媒体が常に液体であるため、カスケードコンデンサ１４におけるＮＨ₃ 媒体とＣＯ₂ 媒体との熱交換は、液−液状態での熱交換部分を多く生じさせ、極めて効率的な伝熱が行える。もちろんカスケードコンデンサ１４に送られるＮＨ₃ 媒体は、ここに入り込んだ段階からＣＯ₂ 媒体との熱交換によって随時、気化して行くため、気−液状態あるいは気−気状態での熱交換部分も存在するが、このような乾き部分は最小限にとどめることができ、極めて高い熱交換効率が得られるものである。
なおカスケードコンデンサ１４におけるＮＨ₃ 媒体の蒸発温度と、ＣＯ₂ 媒体の凝縮温度との差は、一例として３℃以内に設定されるものであり、これによって、より一層高い熱交換効率が得られ、システム全体としても効率的な運転が行えるものである。

本実施例は、以上述べたように、液ヘッド差や媒体そのものの蒸発作用を主に利用して媒体を自然循環状態に移送するため、システム全体として極めて高能率に運転が行える。またカスケードコンデンサ１４には常に液体のＮＨ₃ 媒体を供給（移送）するとともに、蒸発側のＮＨ₃ 媒体を上昇流、且つ凝縮側のＣＯ₂ 媒体を下降流として流路を接触形成するため、二流体の流れが停滞することなく、熱交換を絶えず進行させることができ、高い熱交換効率を実現する。因みに、カスケードコンデンサ１４は、目的の蒸発器１７で行う冷却作用には直接関与しない部分であり、言わば補機的ないしは付加的な部分と言える。このため、このような部分においては、できる限り設備費を抑え、且つ極めて高い熱交換効率を有し、また省スペース化等にも寄与することが、ユーザ（システム設置者）から強く求められるものであり、本実施例は、この要請に充分応え得るものである。もちろん、本実施例ではシステムそのものが二元であるため、例えば圧縮機１１の潤滑油がＮＨ₃ 媒体に混入したとしても、媒体同士の直接的な接触がないため、この潤滑油がＣＯ₂ 媒体に入り込んで目的の蒸発器１７の冷却効果を低下させることがない。
〔他の実施例〕

本発明は、以上述べた実施例を一つの基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。すなわち先の図１に示した実施例では、カスケードコンデンサ１４において気化したＮＨ₃ 媒体をＮＨ₃ レシーバ１３に導入してから圧縮機１１に戻すものであり、また目的の蒸発器１７において気化したＣＯ₂ 媒体をＣＯ₂ レシーバ１５に導入してからカスケードコンデンサ１４に戻すものであった。しかしながら、各媒体の移送は、必ずしもこのような形態に限定されるものではなく、例えば図２に示すように、カスケードコンデンサ１４において気化したＮＨ₃ 媒体は、直接、圧縮機１１に戻すように移送しても構わないし、また目的の蒸発器１７において気化したＣＯ₂ 媒体は、直接カスケードコンデンサ１４に戻しても構わない。

また、カスケードコンデンサ１４としては、例えば複数の板状部材を適宜の間隙で隔てて縦型流路（ＮＨ₃ 流路２１、ＣＯ₂ 流路２２）を形成した、いわゆるプレート式熱交換器を適用することが可能であるが、その他にも例えば図３（ａ）に示すように、内部に複数の流路を長手方向に形成した熱交換器を適用することも可能である。要はＮＨ₃ 流路２１とＣＯ₂ 流路２２とが縦型で且つ向流として形成できれば、カスケードコンデンサ１４としては種々の形態が採り得るものである。なお図３（ａ）に示すカスケードコンデンサ１４の場合、熱交換を高能率に行うべく、図３（ｂ）に示すように、ＮＨ₃ 流路２１とＣＯ₂ 流路２２とを縦方向及び横方向において交互に設けることが好ましい。もちろん、ＮＨ₃ 流路２１やＣＯ₂ 流路２２等は、必ずしも四角形状断面である必要はなく、図３（ｃ）に示すように、三角形状等、種々の断面形状が採り得る。

本発明の二元冷凍システムの一例を示す骨格的説明図である。 本発明の二元冷凍システムの他の実施例を示す骨格的説明図である。 内部に複数の流路が長手方向に形成された熱交換器をカスケードコンデンサとして適用する斜視図（ａ）、並びにこのカスケードコンデンサの平面図（ｂ）、並びに流路の断面形状を異ならせたカスケードコンデンサの骨格的平面図（ｃ）である。

符号の説明

１ 二元冷凍システム
２ アンモニアサイクル
３ 炭酸ガスサイクル
１１ 圧縮機
１２ コンデンサ
１３ ＮＨ₃ レシーバ
１３ａ フロートバルブ
１４ カスケードコンデンサ
１５ ＣＯ₂ レシーバ
１６ 流量調整弁
１７ 蒸発器
２１ ＮＨ₃ 流路
２２ ＣＯ₂ 流路
２３ 仕切面

Claims (1)

1. アンモニアを媒体としたアンモニアサイクルを高元側とし、二酸化炭素を媒体とした炭酸ガスサイクルを低元側として組み合わせて成るシステムであって、
   前記アンモニアサイクルは、炭酸ガスサイクル内の二酸化炭素媒体を冷却、液化する縦型流路のカスケードコンデンサを具えるとともに、このカスケードコンデンサは満液式の構成を採り、液体状のＮＨ₃ 媒体が自然循環状態に供給されるものであり、
   また、このカスケードコンデンサは、ＮＨ₃ 媒体を流すＮＨ₃ 流路とＣＯ₂ 媒体を流すＣＯ₂ 流路とが、仕切面を通して熱交換が行えるように形成されるものであり、ＮＨ₃ 流路は上昇流、且つＣＯ₂ 流路は下降流として形成されて成ることを特徴とするアンモニアと二酸化炭素を組み合わせた二元冷凍システム。

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