JP2008128623A - 液体の蒸発式冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器１と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側４との間を循環する手段２，３，５と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮する蒸気圧縮機と，この蒸気圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器６とから成る蒸発式冷却装置において，負荷側における負荷熱量が変動しても，高い熱効率を確保できるようにする。
【解決手段】前記蒸気圧縮機を複数台の蒸気圧縮機１５，１６，１７に構成して，この複数台の蒸気圧縮機を，前記蒸発器から前記凝縮器に至る蒸気ダクト７中に並列に配設し，更に，この各蒸気圧縮機を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は，水等のように蒸発性を有する液体を冷却して，冷房箇所等のように冷却した液体を必要とする負荷側に供給する場合に際し，前記液体を，大気圧よりも低い減圧での沸騰蒸発にて低い温度に冷却するための装置に関する。

先行技術としての非特許文献１には，
「水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮するルーツ式圧縮機と，このルーツ式圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置。」
が記載されている。

この非特許文献１に記載されている蒸発式冷却装置は，前記蒸発器において発生した蒸気をルーツ式圧縮機にて圧縮するものであることにより，その圧縮比を比較的に高く（例えば，蒸気を圧縮する場合，温度差で約１５℃程度）できるから，前記蒸発器と前記凝縮器との間における飽和蒸気圧の温度差を大きくすることができる。

これにより，前記凝縮器において蒸気を冷却・凝縮するときの温度を，例えば約３２〜３５℃程度というように比較的高い温度に設定した場合においても，冷房箇所等の負荷側に供給する液体を，約１７〜２０℃の低い温度にまで冷却することができる等の特徴を有する。

そして，この先行技術の蒸発式冷却装置においては，冷房箇所等の負荷側における冷熱の使用量，つまり，負荷側に対する負荷熱量の変動に対しては，前記ルーツ式圧縮機を，インバーターを使用して回転制御するという構成にしている。
財団法人建築設備綜合協会発行 月刊誌「ＢＥ建築設備」２００６年３月号 第４７頁〜第５２頁「水冷媒ルーツ冷凍機の導入例」

ところで，前記ルーツ式圧縮機等の蒸気圧縮機における回転数に対する断熱効率は，一般的に言って，全ての回転域において最高値を呈するのではなく，或る特定の回転域に最高値を有し，この特定の回転域から離れるにつれて低くなる傾向を呈するものである。

これに対し，前記先行技術では，前記したように，負荷変動に対してルーツ式圧縮機の回転数をインバーターにて回転制御するという構成にしており，この場合，前記ルーツ式圧縮機を，高い断熱効率で作動できるのは極く一部の負荷熱量域に限られ，その他の大部分の負荷熱量域においては低い断熱効率の状態で作動されることになるから，蒸発式冷却装置全体としての熱効率が低くて，運転することに要するランニングコストが大幅に嵩むという問題があった。

しかも，前記ルーツ式圧縮機は，低い負荷熱量域から高い負荷熱量域の全ての負荷熱量域について常時作動しなければならず，当該ルーツ式圧縮機の作動時間が，装置全体の運転時間と同じに非常に長いから，前記ルーツ式圧縮機における寿命が短くなるという問題もあった。

本発明は，基本的には，前記先行技術の蒸発式冷却装置が有する問題を解消することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「少なくとも，水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮する蒸気圧縮機と，この圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置において，
前記蒸気圧縮機を複数台の蒸気圧縮機に構成して，この複数台の蒸気圧縮機を，前記蒸発器から前記凝縮器に至る蒸気ダクト中に並列に配設し，更に，この各蒸気圧縮機を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成した。」
ことを特徴としている。

また，本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記各蒸気圧縮機を，一つの動力源からの動力伝達にて作動するように構成し，更に，前記各蒸気圧縮機への動力伝達部の各々に，動力伝達を断続する手段を設ける。」
ことを特徴としている。

更にまた，本発明の請求項３は，
「前記請求項１又は２の記載において，前記負荷側における負荷熱量が減少したときに作動停止する蒸気圧縮機を，全ての蒸気圧縮機について行うように構成した。」
加えて，本発明の請求項４は，
「前記請求項１〜３のいずれかの記載において，前記各蒸気圧縮機が，遠心型圧縮機又は回転式容積型圧縮機である。」
ことを特徴としている。

本発明は，減圧状態での沸騰蒸発にて発生した比容積の大きい蒸気を，複数台の蒸気圧縮機の各々にて同時に吸引して圧縮するのであり，前記複数台の各蒸気圧縮機を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成したことにより，この各蒸気圧縮機の全てを同時に作動することで，冷房箇所等の負荷側における冷熱の使用量，つまり，負荷側に対する負荷熱量を最大値にすることができ，この状態から前記各蒸気圧縮機のうち一台を作動停止することで，前記負荷側に対する負荷熱量を減少することができ，更にまた，前記各蒸気圧縮機のうち作動停止する台数を多くすることで，前記負荷側に対する負荷熱量を更に減少することができるというように，前記負荷側に対する負荷熱量を，作動する蒸気圧縮機の台数を増減することによって容易に変更することができる。

このように，本発明は，蒸気ダクト中に並列に設けた複数台の蒸気圧縮機のうち作動する台数の増減変更にて負荷変動に対応するものであり，これにより，前記各蒸気圧縮機における回転数を一定にすることができ，前記各蒸気圧縮機を，その各々における断熱効率が最大値又はこれに近い値にして作動することができるから，蒸発式冷却装置全体としての熱効率が高くなり，運転することに要するランニングコストを大幅に低減できる。

また，請求項２に記載した構成によると，前記各蒸気圧縮機を各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成することを，簡単で，且つ，小型にした形態にして実現できる利点がある。

更にまた，請求項３に記載した構成にすることで，前記各蒸気圧縮機の各々における作動時間を，負荷側における負荷熱量が減少したときに作動停止している時間の分だけ短くすることができるから，前記各蒸気圧縮機における寿命の増大を図ることができる。

特に，請求項４に記載した構成にすることで，複数台の蒸気圧縮機に構成したことによる大型化を確実に回避できる利点がある。

以下，本発明の実施の形態を，図１の図面について説明する。

この図において，符号１は，密閉型に構成して成る蒸発器を示し，この蒸発器１は，その内部に入れた蒸発性液体，例えば水を大気圧より低い減圧の状態で沸騰蒸発するものであり，この蒸発器１内においての沸騰蒸発にて温度が低くなった水は，循環ポンプ２にて汲み出して管路３を介して冷房箇所等の負荷側（冷却した水の冷熱を間接的に利用する箇所）４に送られたのち，管路５を介して再び前記蒸発器１内にノズル６から噴出して戻るという循環を行うように構成されている。

符号７は，同じく密閉型に構成した凝縮器を示し，この凝縮器７は，前記蒸発器１内での沸騰蒸発にて発生した蒸気を蒸気ダクト８を介して導入し，この蒸気を冷却にて凝縮するものであり，この凝縮器７の内部及び前記蒸発器１の内部は，前記凝縮器７に接続した真空ポンプ９等の真空発生装置にて大気圧より低い減圧に保持されている。

符号１０は，前記凝縮器７に対する空冷式の冷却塔を示し，この冷却塔１０において大気空気の通風にて間接的に冷却した水を，管路１１を介して前記凝縮器７内に導いて，その上部にノズル１２より噴出することにより，前記蒸気ダクト８を介して導入される蒸気を冷却して凝縮し，この凝縮にて温度が上昇して前記凝縮器７内の底に溜まった水を，循環ポンプ１３にて汲み出したのち，管路１４を介して前記冷却塔１０に送って通風にて間接的に冷却したのち，再び前記凝縮器７内の上部に噴出する循環を行うように構成している。

なお，前記空冷式冷却塔１０は，前記図示のように，水を大気空気との間接的な接触による熱交換にて冷却する形式にすることに代えて，水を，大気空気との直接接触にて冷却する形式に構成しても良いことはもちろんである。

また，前記凝縮器７内における水の一部を，連通管路１５を介して前記蒸発器１内に供給するように構成している。

そして，前記蒸気ダクト８の途中には，複数台の蒸気圧縮機，例えば，第１の蒸気圧縮機１６，第２の蒸気圧縮機１７，及び第３の蒸気圧縮機１８が並列に設けられている。

この場合，前記複数台の各蒸気圧縮機１６，１７，１８は，一つの電動モータ１９又は内燃機関等の動力源からのベルト２０等による動力伝達にて駆動され，これら各蒸気圧縮機１６，１７，１８への動力入力部の各々には，クラッチ機構１６ａ，１７ａ，１８ａ等の動力伝達を断続する手段が設けられている。

この構成において，前記蒸発器１内における減圧状態での沸騰蒸発にて冷却されて温度が低くなった水は，循環ポンプ２にて管路３を介して負荷側４に送られて冷房等に供され，この負荷側３において温度が上昇した水は，管路５を介して再び前記蒸発器１内に戻って，ここで再び沸騰蒸発することで冷却されて温度が低くなることを繰り返す。

一方，前記蒸発器１内における沸騰蒸発にて発生した蒸気は，各蒸気圧縮機１６，１７，１８に同時に吸引して圧縮されて凝縮器７内に至り，ここでの冷却にて凝縮され，この凝縮水の一部は，連通管路１５を介して，前記蒸発器１に供給される。

前記複数台の各蒸気圧縮機１６，１７，１８の全てを同時に作動することにより，冷房箇所等の負荷側４における冷熱の使用量，つまり，負荷側に対する負荷熱量を最大値にすることができる。

この状態から前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８のうち第３の蒸気圧縮機１８を，そのクラッチ機構１８ａによる動力伝達ＯＦＦ操作にて作動停止することにより，前記蒸発器１内おける蒸発量が少なくなるから，前記負荷側４に対する負荷熱量を減少することができ，また，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８のうち第３の蒸気圧縮機１８を作動停止することに加えて，第２の蒸気圧縮機１７をも，そのクラッチ機構１７ａによる動力伝達ＯＦＦ操作にて作動停止することにより，前記蒸発器１内おける蒸発量が更に少なくなるから，前記負荷側４に対する負荷熱量を更に減少することができるというように，前記負荷側４に対する負荷熱量を，作動する蒸気圧縮機の台数を増減することによって容易に変更することができる。

なお，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８の作動停止は，最初に第１の蒸気圧縮機１６について行い，次いで第２の蒸気圧縮機１７について行うように構成したり，或いは，最初に第２の蒸気圧縮機１７について行い，次いで第１の蒸気圧縮機１６又は第３の蒸気圧縮機１８について行うように構成したりすることができる。

この場合，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８としては，遠心型圧縮機（ブロワー圧縮機）を使用することができるほか，ルーツ式圧縮機，可動翼式圧縮機又はねじ式圧縮機等のような回転式の容積型圧縮機とか，往復動式の容積型圧縮機を使用できることはいうまでもない。

但し，遠心型圧縮機を使用するか，ルーツ式圧縮機等を含む回転式の容積型圧縮機を使用することにより，往復式の容積型圧縮機を複数台使用した場合に比べて，小型化と，熱効率の向上とを図ることができる。

また，前記した実施の形態においては，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８を，一つの電動モータ１９等の動力源からの動力伝達にて作動するように構成し，更に，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８への動力伝達部の各々に，動力伝達を断続する手段，例えば，クラッチ機構１６ａ，１７ａ，１８ａを設けることによって，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成した場合であり，この構成により，前記各蒸気圧縮機を各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成することを，簡単で，且つ，小型にした形態にして実現できる利点がある。

しかし，本発明は，このような構成に限らず，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８を，その各々について単独の電動モータ又は内燃機関等の動力源にて駆動する構成にして，この各動力源による駆動及び駆動停止にて，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成しても良いことは勿論である。

次に，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８においては，図示しない制御手段によって，前記負荷側４における負荷熱量が減少したときに作動停止する蒸気圧縮機を，以下に述べるように，全ての蒸気圧縮機について行うように制御するという構成にしている。

すなわち，第１の方法としては，最初に，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８のうち第３の蒸気圧縮機１８を作動停止にしている場合，次には，第１の蒸気圧縮機１６を作動停止にするか，第２の蒸気圧縮機１７を作動停止するように構成する。

また，最初に，第１の蒸気圧縮機１６を作動停止にしている場合，次には，第２の蒸気圧縮機１７を作動停止にするか，第３の蒸気圧縮機１８を作動停止するように構成する。

更にまた，最初に，第２の蒸気圧縮機１７を作動停止にしている場合，次には，第１の蒸気圧縮機１６を作動停止にするか，第３の蒸気圧縮機１８を作動停止するというように，前記負荷側４における負荷熱量が減少したときに作動停止する蒸気圧縮機を，全ての蒸気圧縮機１６，１７，１８について行うように構成する。

第２の方法としては，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８における作動開始と，作動終了とを記憶しておき，前記蒸気圧縮機の作動台数を一台増やすときには，作動停止の状態にある蒸気圧縮機の中から作動停止が一番古い蒸気圧縮機を選択してこれを作動する。また，前記蒸気圧縮機の作動台数を一台減らすときには，作動の状態にある蒸気圧縮機の中から作動開始が一番古い蒸気圧縮機を選択して，これを作動するというように，前記負荷側３における負荷熱量が減少したときに作動停止する蒸気圧縮機を，全ての蒸気圧縮機１６，１７，１８について行うように構成する。

このような構成にすることにより，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８における作動時間を，負荷側における負荷熱量が減少したときに作動停止している時間の分だけ短くすることができるから，前記各蒸気圧縮機１６，１７，１８における寿命を増大できる。

なお，前記実施の形態は，前記凝縮器７内における蒸気の冷却・凝縮に，空冷式冷却塔１０にて冷却された水に蒸気を直接接触するという方法を採用した場合であったが，本発明は，これに限らず，前記凝縮器７において，蒸気と各種の工業用水，海水，河川水又は地下水等を直接的又は間接的に接触することによって冷却するという方法を採用することができるほか，前記凝縮器７において，蒸気と大気空気を間接的に接触することによって冷却する等のようなその他の冷却方法を採用できることはいうまでもない。

特に，前記凝縮器７内における蒸気の冷却・凝縮に，前記空冷式冷却塔１０にて冷却された水，各種の工業用水，海水，河川水又は地下水等との直接接触するという方法を採用した場合には，間接接触による方法を採用した場合のように熱交換のための温度差（約３〜５℃程度）を必要としないから，前記蒸発器１と前記凝縮器６との間における温度差を，より高くすることができ，ひいては，能力の向上を図ることができる利点がある。

加えて，本発明における蒸発性液体としては，前記実施の形態として説明した水に限らず，アルコール等のようなその他の蒸発性液体を使用できることはいうまでもないが，前記蒸発器１と負荷側４との間を循環する蒸発性液体，及び，前記凝縮器７と冷却塔１０との間を循環する蒸発性液体を，これに不凍結剤を添加することによって不凍液にしたり，前記水等の蒸発性液体に，防さび剤，防腐食剤又は防スケール剤を添加するようにしても良いは勿論である。

本発明の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 蒸発器
２ 循環ポンプ
４ 負荷側
７ 凝縮器
８ 蒸気ダクト
９ 真空ポンプ
１０ 空冷式冷却塔
１３ 循環ポンプ
１６ 第１の蒸気圧縮機
１７ 第２の蒸気圧縮機
１８ 第３の蒸気圧縮機
１６ａ，１７ａ，１８ａ クラッチ機構
１９ 電動モータ
２０ 動力伝達用ベルト

Claims (4)

1. 少なくとも，水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮する蒸気圧縮機と，この蒸気圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置において，
   前記蒸気圧縮機を複数台の蒸気圧縮機に構成して，この複数台の蒸気圧縮機を，前記蒸発器から前記凝縮器に至る蒸気ダクト中に並列に配設し，更に，この各蒸気圧縮機を，その各々別々に単独で作動及び作動停止できるように構成したことを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記各蒸気圧縮機を，一つの動力源からの動力伝達にて作動するように構成し，更に，前記各蒸気圧縮機への動力伝達部の各々に，動力伝達を断続する手段を設けたことを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
3. 前記請求項１又は２の記載において，前記負荷側における負荷熱量が減少したときに作動停止する蒸気圧縮機を，全ての蒸気圧縮機について行うように構成したことを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
4. 前記請求項１〜３のいずれかの記載において，前記各蒸気圧縮機が，遠心型圧縮機又は回転式容積型圧縮機であることを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。

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