JP2007155316A - 自然冷媒冷却システム - Google Patents
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Abstract
【課題】
運転停止中における２次冷媒回路の圧力の上昇を抑えることができて安全であり、しかも運転中に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、しかも装置コストやランニングコストを抑えることの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、２次冷媒回路のレシーバー７内における冷媒の気相を冷却する気相冷却コイル１８と、液相を冷却する液相冷却コイル１７を備え、負荷側冷却器９に対する冷却が停止されている運転停止時には、前記レシーバー７内の圧力に応じて前記気相冷却コイル１８に冷却媒体を供給し、前記負荷側冷却器に対する冷却が行われている通常運転時には、前記液相冷却コイル１７に冷却媒体を供給して液冷媒を過冷却する構成とした。
【選択図】 図１
運転停止中における２次冷媒回路の圧力の上昇を抑えることができて安全であり、しかも運転中に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、しかも装置コストやランニングコストを抑えることの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、２次冷媒回路のレシーバー７内における冷媒の気相を冷却する気相冷却コイル１８と、液相を冷却する液相冷却コイル１７を備え、負荷側冷却器９に対する冷却が停止されている運転停止時には、前記レシーバー７内の圧力に応じて前記気相冷却コイル１８に冷却媒体を供給し、前記負荷側冷却器に対する冷却が行われている通常運転時には、前記液相冷却コイル１７に冷却媒体を供給して液冷媒を過冷却する構成とした。
【選択図】 図１
Description
本発明はアンモニアなどの冷媒を用いた１次冷媒回路により生成した冷熱を二酸化炭素などを冷媒として用いた２次冷媒回路の凝縮熱として利用し、この二酸化炭素冷媒回路により生成した冷熱を負荷側に供給する自然冷媒冷却システムに関する。
アンモニアは、古くから冷凍装置の冷媒として利用され、その冷媒としての利用技術も確立されており、特に近年は地球温暖化問題の深刻化に伴い、広く冷媒として用いられてきたフロンに代えて、自然冷媒であって温暖化係数が０または極めて０に近いアンモニアが見直され、アンモニアを冷媒として使用する冷凍装置の採用が増加している。
しかしながらアンモニアは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、アンモニアと同じく自然冷媒であるが、毒性のない二酸化炭素を冷媒として使用する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（例えば、特許文献１参照）の自然冷媒冷却システムが実用に供されている。
上述した二酸化炭素を冷媒とする回路では、アンモニア冷媒回路により生じる冷熱を凝縮冷熱として利用し、二酸化炭素を液化してレシーバーに貯留し、この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、装置コストが嵩むという問題があった。
ところで、上述した冷却システムでは、冷凍装置を使用しない休日やメンテナンスの際に運転を停止すると、２次冷媒回路における液化二酸化炭素が外部から侵入する熱によって徐々に気化し、回路内の圧力が上昇して装置破損の危険性がある。
上記危険性を排除するために、２次冷媒回路のレシーバー内圧力が上昇すると、運転停止中においても１次冷媒回路を運転し、レシーバー内の炭酸ガスを凝縮させるようにする場合があるが、１次冷媒回路は通常大型のものとなるため、ランニングコストの上昇は避けられず、メンテナンスを行う際には１次冷媒回路を完全に停止することができないので、メンテナンスには危険が伴い、その作業には高度な技術が要求される。
そこで従来は２次冷媒回路におけるレシーバーの気相を冷却する補助冷凍装置を設け、この補助冷凍装置から供給される冷却媒体をレシーバーの気相に導き、気相の二酸化炭素を凝縮させて液化し、圧力を降下させるようにしているものがある。
そして上記補助冷凍装置は、外部からの侵入熱に相当する冷熱を供給できる小型のもので事が足りるのであるが、単に運転停止中のための補助装置としてしか利用されていないのが現状である。
特開２００３−１６６７６５号公報（第１〜４頁、図１、２）
そして上記補助冷凍装置は、外部からの侵入熱に相当する冷熱を供給できる小型のもので事が足りるのであるが、単に運転停止中のための補助装置としてしか利用されていないのが現状である。
本発明は、運転停止中における２次冷媒回路の圧力の上昇を抑えることができて安全であり、しかも運転中に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、しかも装置コストやランニングコストを抑えることのできる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、本発明の請求項１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気相を冷却する気相冷却コイルと、液相を冷却する液相冷却コイルを備え、これら気相冷却コイルと液相冷却コイルに冷却媒体を供給するサブ冷凍装置を設け、このサブ冷凍装置は、前記負荷側冷却器に対する冷却が停止されている運転停止時には、前記レシーバー内の圧力に応じて前記気相冷却コイルに冷却媒体を供給し、前記負荷側冷却器に対する冷却が行われている通常運転時には、前記液相冷却コイルに冷却媒体を供給して液冷媒を過冷却する構成のものとしてある。
本発明の請求項２に係る冷却システムは、前記サブ冷凍装置は制御回路を備え、この制御回路は、前記運転停止時には、前記液相冷却コイルへの冷却媒体の供給を停止し、前記レシーバー内の圧力が予め設定された上限値以下である状態においては前記気相冷却コイルへの冷却媒体の供給を行わないが、上記上限値を超えると、レシーバー内の圧力が予め設定された下限値に降下するまで前記気相冷却コイルに冷却媒体を供給するようにサブ冷凍装置を制御し、また、前記通常運転時には、前記気相冷却コイルへの冷却媒体の供給を停止し、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した構成のものとしてある。
本発明の請求項３に係る冷却システムは、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、負荷側冷却器に対する冷却が停止されている運転停止中には、サブ冷凍装置から供給される冷熱によってレシーバー内の気相が冷却されることにより炭酸ガスが液化され、外部からの侵入熱により上昇したレシーバー内圧力を降下させることができる。
したがって、運転停止中における装置の安全を保つことができ、またメンテナンスの際にも安全かつ確実に作業を行うことができる。
しかも、運転中においては、前記サブ冷凍装置はレシーバー内における液相を冷却する液相冷却コイルも備えているので、液相の冷媒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。
したがって、前記サブ冷凍装置を運転停止中は２次冷媒回路の圧力上昇の防止に利用することができるとともに、運転中においては液ポンプにおけるキャビテーションを確実に防止でき、装置コスト、ランニングコストを抑えつつ、安定した運転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、本発明に係る自然冷媒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。
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後述する制御回路１６に送るように構成してある。
しかして、前記レシーバー７内には液相冷却コイル１７と、気相冷却コイル１８を設けてあって、これらの冷却コイルにはサブ冷凍装置１９からの適宜の冷却媒体が供給されるようになっており、このサブ冷凍装置１９と液相冷却コイルとの間には液相用冷却媒体往管２０と同復管２１が、気相冷却コイルとの間には気相用冷却媒体往管２２と同復管２３がそれぞれ設けられている。
そして、上記液相用と気相用の各冷却媒体往管２０、２２の途中にはそれぞれ前記制御回路１６に信号線を介して接続された自動調節弁２４、２５を設けてあって、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。
また、レシーバー７の液相には、液相温度を検出する温度センサ２６を設けてあって、この温度センサは信号線を介して前記制御回路１６に接続されている。
なお、図中の符号２７は安全弁を示している。
なお、図中の符号２７は安全弁を示している。
上述のように構成した装置の制御回路１６は、前記負荷側の冷却器９に対して冷却が行われている通常運転時と、冷却が行われない運転停止時において以下のように制御が行われる。
通常運転時には、制御回路１６はサブ冷凍装置１９を運転して液相用冷却媒体往管２０の自動調節弁２４の開度を調節し、気相用冷却媒体往管２２の自動調節弁２５は閉止する。
そして制御回路１６は、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。
すなわち、通常運転時において制御回路１６は温度センサ２６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。
一方、前記負荷側冷却器９に対する冷却が行われていない運転停止時においては、制御回路１６はサブ冷凍装置１９を運転して気相用冷却媒体往管２２の自動調節弁２５の開度を調節し、液相用冷却媒体往管２０の自動調節弁２４は閉止する。
そして、制御回路１６は前記圧力センサ１５によって検出されるレシーバー７内の圧力が予め設定された上限値（２次冷媒回路２の設計圧力よりも若干低い値）以下である状態においては自動調節弁２５を閉止するかサブ冷凍装置１９の運転を停止させて前記気相冷却コイル１８への冷却媒体の供給を行わないが、上記上限値を超えると、レシーバー内の圧力が予め設定された下限値（２次冷媒回路２の常用運転圧力よりも若干低い値）に降下するまで前記気相冷却コイル１８に冷却媒体を供給するようにサブ冷凍装置１９を運転するとともに必要に応じて自動調節弁２５の開度を調節する。
すなわち、運転停止時において制御回路１６は圧力センサ１５にて検出されるレシーバー７内の冷媒圧力が上記設定上限値と下限値との間となるように、前記サブ冷凍装置１９の運転のＯＮ・ＯＦＦや自動調節弁２５の開度をコントロールし、外部からの侵入熱によって２次冷媒回路内の圧力が上昇するのを防止している。
次に、上述のように構成した冷却システムにおいて、通常運転時における液ポンプのキャビテーション防止作用を検証する。
液相冷却コイル１７によって、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に対して、−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。
液相冷却コイル１７によって、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に対して、−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。
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。
さらに、図２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２８を設け、この熱交換器に前記サブ冷凍装置１９から冷媒往管２９、自動調節弁３１を介して冷媒を熱交換器２８に送り、この熱交換器の出口を冷媒往管３０を介してサブ冷凍装置１９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２１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。
上述した実施例のものでは、前記サブ冷凍装置２１から供給される冷熱によってレシーバー７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、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。
１ １次冷媒回路
２ ２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 液相冷却コイル
１８ 気相冷却コイル
１９ サブ冷凍装置
２０ 液相用冷却媒体往管
２１ 液相用冷却媒体復管
２２ 気相用冷却媒体往管
２３ 気相用冷却媒体復管
２４、２５ 自動調節弁
２６ 温度センサ
２７ 安全弁
２８ 熱交換器
２９ 冷媒往管
３０ 冷媒復管
３１ 自動調節弁
２ ２次冷媒回路
３ アンモニア冷凍機
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９ 冷却器
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１８ 気相冷却コイル
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２１ 液相用冷却媒体復管
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２４、２５ 自動調節弁
２６ 温度センサ
２７ 安全弁
２８ 熱交換器
２９ 冷媒往管
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Claims (3)
- 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気相を冷却する気相冷却コイルと、液相を冷却する液相冷却コイルを備え、これら気相冷却コイルと液相冷却コイルに冷却媒体を供給するサブ冷凍装置を設け、このサブ冷凍装置は、前記負荷側冷却器に対する冷却が停止されている運転停止時には、前記レシーバー内の圧力に応じて前記気相冷却コイルに冷却媒体を供給し、前記負荷側冷却器に対する冷却が行われている通常運転時には、前記液相冷却コイルに冷却媒体を供給して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。
- 前記サブ冷凍装置は制御回路を備え、この制御回路は、前記運転停止時には、前記液相冷却コイルへの冷却媒体の供給を停止し、前記レシーバー内の圧力が予め設定された上限値以下である状態においては前記気相冷却コイルへの冷却媒体の供給を行わないが、上記上限値を超えると、レシーバー内の圧力が予め設定された下限値に降下するまで前記気相冷却コイルに冷却媒体を供給するようにサブ冷凍装置を制御し、また、前記通常運転時には、前記気相冷却コイルへの冷却媒体の供給を停止し、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または２に記載の自然冷媒冷却システム。
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