JP2007155315A

JP2007155315A - 自然冷媒冷却システム

Info

Publication number: JP2007155315A
Application number: JP2006301355A
Authority: JP
Inventors: Hideto Miura; 英人三浦; Toshiji Sato; 年司佐藤
Original assignee: Toyo Seisakusho KK
Current assignee: Toyo Seisakusho KK
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】
負荷の急激な変動が生じても、液ポンプにキャビテーションが生じることなく安定した運転を行うことができ、しかも装置のコンパクト化および装置コストの低減を達成できる冷却システムを提供する。
【解決手段】
１次冷媒回路１と２次冷媒回路２を備え、１次冷媒回路にて生じる冷熱により、２次冷媒回路の冷媒を凝縮してレシーバー７に貯留し、同レシーバー内の液冷媒を液ポンプ８によって負荷側の冷却器９に送る自然冷媒冷却システムにおいて、前記レシーバー７内における冷媒の液相のみを冷却する液相冷却手段７を備え、この液相冷却手段により液冷媒を過冷却するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は１次冷媒回路と２次冷媒回路を備え、これら１次と２次の冷媒回路の少なくともいずれか一方にアンモニア、二酸化炭素、水などの自然冷媒を使用し、１次冷媒回路により供給される冷熱によって２次冷媒回路の凝縮を行う自然冷媒冷却システムに関する。

近年、地球温暖化問題の深刻化に伴い、従来から広く冷媒として用いられてきたフロンに代えて、アンモニアなどの自然冷媒を使用する冷凍装置の採用が増加している。

アンモニア冷媒回路は、その利用技術が十分確立しているとはいえ、人体に有毒であるので、アンモニア冷媒回路の冷熱を直接負荷側に供給するのではなく、ブラインや他の冷媒を使用する２次冷媒回路を介在せしめて負荷側に冷熱を供給する構成が実用に供されている。

しかし、ブラインにより冷熱を移送する場合にはブラインを送るポンプに大なる動力を要し、ランニングコストが嵩み、省エネルギー化に資することができない。

また２次冷媒回路を用いるものとして、二酸化炭素を冷媒として採用する装置があり（例えば、特許文献１参照）、この二酸化炭素も当然自然冷媒であるというメリットがあるが、この二酸化炭素を冷媒とする冷媒回路では、レシーバーに貯留した液冷媒を液ポンプで負荷側冷却器に送る構成となっているが、負荷の変動に伴うレシーバー内の圧力変化により前記液ポンプにおいてキャビテーションが発生し、ポンプの損傷を惹き起こすという問題がある。

上記キャビテーションを解消するためには、液ポンプの吸入側における液圧を上昇させればよく、従来は液化二酸化炭素を液ポンプに供給する高さ（押込揚程）を大ならしめるという手段か、液ポンプの吸入側にインデューサーを設けるという手段を用いていた。

前者の手段の場合、装置寸法が大となりしかも高さには自ずと限界があり十分な対策とはいえず、また後者の手段の場合、装置コスト、ランニングコストが嵩むという問題があった。
特開２００３−１６６７６５号公報（第１〜４頁、図１、２）

本発明は、負荷の急激な変動が生じても、液ポンプにキャビテーションが生じることなく安定した運転を行うことができ、しかも装置のコンパクト化および装置コストの低減を達成できる自然冷媒冷却システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷却システムは、少なくともいずれか一方に自然冷媒が循環される１次冷媒回路と２次冷媒回路を備え、１次冷媒回路にて生じる冷熱により、２次冷媒回路の冷媒を凝縮してレシーバーに貯留し、同レシーバー内の液冷媒を液ポンプによって負荷側の冷却器に送る自然冷媒冷却システムにおいて、前記レシーバー内における冷媒の液相のみを冷却する液相冷却手段を備え、この液相冷却手段により液冷媒を過冷却するようにした構成のものとしてある。

また、前記液相冷却手段は制御回路を備え、この制御回路は、前記レシーバー内の圧力に基づいて演算される飽和温度から過冷却温度を設定し、この設定過冷却温度に応じて液冷媒への冷熱供給量を調節するように構成したものとしてある。

さらに前記液相冷却手段は、前記液相内に冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成したものとしてある。

また、前記液相冷却手段は、自然対流によって前記液相から導出した液冷媒を過冷却して前記レシーバーに戻す冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成したものとしてある。

さらに前記液相冷却手段は、前記液ポンプから負荷側の冷却器に送られる液冷媒を分流せしめて過冷却した後、前記レシーバーに戻す冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成したものとしてある。

また、前記レシーバーと液ポンプとの間における冷媒管まわりに、この冷媒管内における冷媒の温度上昇を防止するための冷媒管冷却手段を設けた構成のものとしてある。

本発明によれば、レシーバー内における液相がレシーバー内の圧力状態に対応する過冷却温度に冷却され、したがって液ポンプにおける液冷媒の気化が防止される。

すなわち、レシーバーから液ポンプへの液冷媒の供給高さを大とする必要がなくて装置寸法を小なるものに抑えることができ、しかもインデューサーも不要で装置コストも抑えることができる。

また、液相冷却手段の冷熱には１次冷媒回路の冷熱を利用することもでき、装置コストのさらなる低減を期すことができる。

したがって、装置コスト、ランニングコストを抑えつつ、安定した運転を行うことができ、しかもコンパクトな装置の実現を図ることができる。

さらに、前記レシーバーと液ポンプとの間に冷媒管冷却手段を設けたものでは、液ポンプに送る冷媒の温度をより低く保つことができ、液ポンプにおける液冷媒の気化をさらに確実に防止することができる。

以下、本発明に係る冷却システムの実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図において、符号１は冷媒をアンモニアとする１次冷媒回路を、符号２は冷媒を二酸化炭素とする２次冷媒回路２をそれぞれ示している。

前記１次冷媒回路１においては、アンモニア冷凍機３の吐出側に一端が接続されたアンモニア冷媒往管４の他端がカスケードコンデンサ５の１次側入口に接続され、同カスケードコンデンサの１次側出口に一端が接続されたアンモニア冷媒復管６の他端が前記アンモニア冷凍機３の吸入側に接続されている。

前記２次冷媒回路２は、レシーバー７、液ポンプ８、冷却器９を備え、レシーバーの液相に一端が接続された二酸化炭素冷媒往管１０の他端が調整弁１１を介して冷却器９の冷媒入口に接続され、同冷媒出口に一端が接続された二酸化炭素冷媒復管１２の他端が前記レシーバー７の気相に接続されている。

また、前記レシーバー７の気相に一端が接続された再凝縮用冷媒送り管１３の他端が前記カスケードコンデンサの２次側入口に接続され、同カスケードコンデンサの２次側出口に一端が接続された凝縮冷媒戻り管１４の他端がレシーバーに接続されている。

前記レシーバー７にはレシーバー内における冷媒の蒸発圧力を検出する圧力センサ１５を設けてあり、このセンサは検出した圧力の信号を信号線を介して制御回路１６に送るように構成してある。

また、前記二酸化炭素冷媒往管１２における液ポンプ８と手動調整弁１１との途中に一端が接続されたバイパス管１７の他端をレシーバー７に接続してあって、バイパス管の途中には、前記圧力センサ１５からの信号線が接続され、圧力センサにより検出されるレシーバー内の冷媒の蒸発圧力に応じて開度が調節される自動調節弁１８と、手動式の調整弁１９を設けてあり、レシーバー内の蒸発圧力の変動に対応して冷却器９への液冷媒の供給量を調節することができるように構成してあり、かくすることによって冷却器９内における液冷媒量のコントロールを行うことができるようになっている。

しかして、前記レシーバー７の液相内には、液相冷却手段たる冷却コイル２０を設けてあって、この冷却コイルには過冷却冷凍装置２１からの適宜の冷却媒体が供給されるようになっており、この過冷却冷凍装置と冷却コイルとの間には冷却媒体往管２２と同復管２３が設けられている。

そして、上記冷却媒体往管２２の途中には自動調節弁２４を設けてあって、この自動調節弁は前記制御回路１６からの指令によって開度が調節されるようになっている。

上記制御回路１６は、レシーバー７の液相温度を検出する温度センサ２５が接続されていて、前記圧力センサ１５によって検出されるレシーバー内圧力に基づいて飽和温度を演算し、この飽和温度から過冷却温度を設定し、この設定過冷却温度に応じて液冷媒への冷熱供給量を調節するように構成したものとしてある。

すなわち、制御回路１６は温度センサ２５にて検出される液冷媒の温度が上記設定過冷却温度となるように、前記自動調節弁２４の開度をコントロールする。
なお、図中の符号２６は安全弁を示している。

上述のように構成した冷却システムにおいて、仮に従来の冷却システムでは二酸化炭素を−３５℃の飽和状態で扱っているものを、−３７．５℃となるように２．５℃過冷却すると、−３５℃での飽和圧力が１．２ＭＰａ・Ａであるのに対し、−３７．５℃での飽和圧力が１．１ＭＰａ・Ａであるから、飽和圧力の差は０．１ＭＰａ・Ａとなる。

ところで従来の冷却システムでは、液ポンプへの液冷媒の供給高さを１．２〜１．８ｍとしているが、上記差圧０．１ＭＰａ・Ａを上記供給高さ（Ｈ）に換算すると、液化二酸化炭素の比重は１．１であるから
Ｈ＝（０．１／０．０９８）×（１０／１．１）＝９．３ｍ
となる。

すなわち、本発明の冷却システムではレシーバーから液ポンプへの液冷媒の供給高さを実際に大ならしめることなく、９．３ｍの供給高さを稼いだに等しく、したがって装置の小型化に多大なる貢献をすることになる。
なお、二酸化炭素は飽和蒸気圧力が高く、１℃あたりの飽和蒸気圧力の変化が大であるので、過冷却にともなう液ポンプへの液冷媒の供給圧力の変化が顕著に現れる。

上述した実施例のものでは、レシーバー７の液相内に冷却コイルを設けて液冷媒を過冷却する構成としてあるが、レシーバー７の外部に冷却コイルを設け、この冷却コイル内にレシーバー７からの液冷媒を流過させて外部からの冷却媒体により過冷却するように構成する場合もある。

具体的には図２に示されるように前記レシーバーの外部に冷却コイル２７を設け、この冷却コイルとレシーバーとの間に冷媒の導出管２８と戻し管２９を接続し、レシーバー内の液冷媒が冷却コイル２７において過冷却されてレシーバー内に戻されるように構成する。

また、図３に示されるように、外部に設けた冷却コイル２７に対し、液ポンプ８の下流側に一端が接続された送り管３０の他端を冷却コイルに接続し、過冷却した冷媒を戻し管２９を介してレシーバー７に戻す構成とする場合もある。

さらに、図４に示されるように、前記レシーバー７と液ポンプ８間における二酸化炭素冷媒往管１０まわりに、冷媒管冷却手段たる熱交換器３１を設け、この熱交換器に前記過冷却冷凍装置２１から冷媒往管３２、自動調節弁３４を介して冷媒を熱交換器３１に送り、この熱交換器の出口を冷媒往管３２を介して過冷却冷凍装置２１に戻す構成とする場合もあり、この場合にも上記自動調節弁３４は制御回路１６によってコントロールされるようにする。

かくすると、レシーバー７から液ポンプ８に至る冷媒を確実に過冷却状態に維持することができ、液ポンプにおける液冷媒の気化をより確実に防止することができる。

上述した各実施例のものでは、前記過冷却冷凍装置２１から供給される冷熱によってレシーバー７内やこのレシーバーと液ポンプ８間の二酸化炭素冷媒往管１０を過冷却する構成としてあるが、過冷却冷凍装置を設けず、１次冷媒回路１から冷熱を供給するように構成する場合もある。

また、上述した各実施例においては自然冷媒としてアンモニア、二酸化炭素を使用する場合について説明したが、他の自然冷媒として水を使用する場合もあるし、一方の冷媒回路においては自然冷媒に代えて、Ｒ３１８、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｅ、Ｒ５０７Ａ、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒を使用する場合もある。

本発明に係る冷却システムの実施例を示す構成図。本発明に係る冷却システムの他の実施例を示す構成図。本発明に係る冷却システムのさらに他の実施例を示す構成図。本発明に係る冷却システムのさらに他の実施例を示す構成図。

符号の説明

１１次冷媒回路
２２次冷媒回路
３アンモニア冷凍機
４アンモニア冷媒往管
５カスケードコンデンサ
６アンモニア冷媒復管
７レシーバー
８液ポンプ
９冷却器
１０二酸化炭素冷媒往管
１１手動調整弁
１２二酸化炭素冷媒復管
１３再凝縮用冷媒送り管
１４凝縮冷媒戻り管
１５圧力センサ
１６制御回路
１７バイパス管
１８自動調節弁
１９手動調整弁
２０冷却コイル
２１過冷却冷凍装置
２２冷却媒体往管
２３冷却媒体復管
２４自動調節弁
２５温度センサ
２６安全弁
２７冷却コイル
２８導出管
２９戻し管
３０送り管
３１熱交換器
３２冷媒往管
３３冷媒復管
３４自動調節弁

Claims

少なくともいずれか一方に自然冷媒が循環される１次冷媒回路と２次冷媒回路を備え、１次冷媒回路にて生じる冷熱により、２次冷媒回路の冷媒を凝縮してレシーバーに貯留し、同レシーバー内の液冷媒を液ポンプによって負荷側の冷却器に送る自然冷媒冷却システムにおいて、前記レシーバー内における冷媒の液相のみを冷却する液相冷却手段を備え、この液相冷却手段により液冷媒を過冷却するように構成してなる自然冷媒冷却システム。
前記液相冷却手段は制御回路を備え、この制御回路は、前記レシーバー内の圧力に基づいて演算される飽和温度から過冷却温度を設定し、この設定過冷却温度に応じて液冷媒への冷熱供給量を調節するように構成してなる請求項１に記載の自然冷媒冷却システム。
前記液相冷却手段は、前記液相内に冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成してなる請求項１または２に記載の自然冷媒冷却システム。
前記液相冷却手段は、自然対流によって前記液相から導出した液冷媒を過冷却して前記レシーバーに戻す冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成してなる請求項１または２に記載の自然冷媒冷却システム。
前記液相冷却手段は、前記液ポンプから負荷側の冷却器に送られる液冷媒を分流せしめて過冷却した後、前記レシーバーに戻す冷却コイルを備え、この冷却コイルに、１次冷媒回路または外部から供給される冷熱媒体を流通せしめ、同冷熱媒体の流通量を調節することにより、液冷媒の過冷却温度を調節できるように構成してなる請求項１または２に記載の自然冷媒冷却システム。
前記レシーバーと液ポンプとの間における冷媒管まわりに、この冷媒管内における冷媒の温度上昇を防止するための冷媒管冷却手段を設けてなる請求項１乃至５に記載の自然冷媒冷却システム。