JP2008215761A

JP2008215761A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2008215761A
Application number: JP2007056709A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Hatano; 勝利端野; Yusuke Kinoshita; 雄介木ノ下
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】従来の冷却装置の問題点を解決し、メンテナンス性のよい冷却装置を提供する。
【解決手段】被冷却流体が流入する往き管と被冷却流体が流出する戻り管とに接続される冷却ユニット２４と前記冷却ユニット２４を冷却する散水孔２１ａとを含む冷却塔２と、圧縮機３１ａ、３１ｂ、凝縮器３２ａ、３２ｂ、膨張弁３４ａ、３４ｂ、蒸発器３３ａ、３３ｂを含み、この順に冷媒が循環する冷媒管路を有するチラーユニット３とを備え、凝縮器３２ａ、３２ｂは、冷却塔２の内部に配置されて、圧縮機３１ａ、３１ｂで圧縮された冷媒が散水孔２１ａより給送された冷却媒体と熱交換される冷却装置１において、冷却ユニット２４と、凝縮器３２ａ、３２ｂとは、それぞれ別体の躯体５１，５３によって支持されるとともに、冷却ユニット２４と凝縮器３２ａ、３２ｂとを連結部５１３を介して上下に分離可能に連結した。

Description

本発明は、冷却すべき機器から戻る被冷却流体を冷却した後、冷却すべき機器に送り出す冷却装置に関し、詳しくは冷却装置の冷却塔のメンテナンス性の改良に関する。

一般に冷却を必要とする各種機械設備では、１５から３０℃に冷却された被冷却流体供給し、熱交換させ各種機械設備を冷却することが行われている。特に精度を必要とする機械設備に被冷却流体を供給するために、１８℃から２９℃程度の中低温域の冷却水を供給する装置として、伝熱（冷却）パイプを複数層に重ねて形成した冷却部と冷却部に散水する散水装置及び冷却部に通風する冷却ファンとを有する密閉蒸発式冷却塔と、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を有しかつこの順に冷媒を循環させる冷却器とを同一の筐体内に上下に一体的に設け、冷却部と蒸発器とを被冷却流体が通過するように接続し、被冷却流体をまず前記冷却部、次に前記蒸発器の順に通過させて外部に送り出すように設けるとともに、被冷却流体の温度によって冷却塔及び冷却器の運転、停止を制御する温度調節器を備えた冷却装置が提案され、実用化されている（特許文献１から３参照）。

また、この密閉型冷却装置は、凝縮器が伝熱パイプを複数層に重ねて形成し、前記冷却部と同一の筐体内に上下一体的に設け、散水装置から凝縮器へも散水される特徴的な構造を有している。
この密閉型冷却装置では、冷却器が運転中でも冷却部に散水される水の温度は上昇しないので、冷却器運転時の消費電力を減少することができ、また必要に応じバイパス管を開いて冷却部を通らずに蒸発器を通過させ、圧縮機に切換弁を操作して冷凍サイクルを逆にし、蒸発器で加熱できるので、年間を通じて一定温度の被冷却流体を供給できるという利点を有する。

特公平５−７００６９号公報特開２００１−１０８３９４号公報特開２００５−４２９６２号公報

しかしながら、密閉型冷却装置といえども、伝熱パイプ内にスケールが付着したり、伝熱パイプが腐食し伝熱パイプの肉厚が薄くなったりすることがあり、定期的なメンテナンスが必要である。また冷却水の凍結によって伝熱パイプが破損し早急なる修理を必要とすることがあった。ところが、特許文献１から３に開示された冷却装置は、冷却部と凝縮器との伝熱パイプが同一の筐体内に上下一体的に設けられているので、例えば冷却部の伝熱パイプのみを交換メンテナンスする際には、（１）凝縮器内の冷媒を抜く工程、（２）冷却部の伝熱パイプを分解、交換する工程、（３）凝縮器へ冷媒を再充填する工程が必要で、そのメンテナンスには多大の工期と費用を要していた。

従って本発明の目的は、従来の冷却装置の問題点を解決し、メンテナンス性のよい冷却装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の冷却装置は、被冷却流体が流入する往き管と被冷却流体が流出する戻り管とに接続される冷却ユニットと前記冷却ユニットを冷却する冷却手段とを含む冷却塔と、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を含み、この順に冷媒が循環する冷媒管路を有するチラーユニットとを備え、前記凝縮器は、前記冷却塔の内部に配置されて、前記圧縮機で冷却された冷媒が前記冷却手段より給送された冷却媒体と熱交換される冷却装置において、前記冷却ユニットと、前記凝縮器とは、それぞれ別体の躯体によって支持されるとともに、前記冷却ユニットと前記凝縮器とを連結部を介して上下に分離可能に連結したことを特徴とするものである。

また本発明の冷却装置は、前記凝縮器の躯体と前記冷却ユニットの躯体とを連結して、前記冷却ユニットが、前記凝縮器の上部に配置することができる。
また本発明の冷却装置において、前記連結部は、前記凝縮器の躯体の上部と前記冷却ユニットの躯体の下部とを印籠状に形成した連結部であることが好ましい。

本発明によれば、冷却ユニットと、凝縮器とは、それぞれ別体の躯体によって支持されるとともに、前記冷却ユニットと前記凝縮器とを連結部を介して上下に分離可能に連結した構成であるので、交換修理作業を容易に行うことができる。

以下本発明の詳細を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係わる冷却装置の機器構成を示す概略断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係わる冷却装置の運転フローの一部を示すチャート図である。

冷却装置１は、ケース（筐体）１０の内部に収容された冷却塔２とその下方に配置されたチラーユニット３とを有し、ケース１０の側部には外気を取り込むために通風孔（ルーバー）１１が設けられている。冷却塔２は、上から順に、モータ２０ａにより駆動される冷却ファン（送風機）２０ｂと、底面に散水孔２１aを有する散水槽２１と、内周側が入口ヘッダー２２に接続され外周側が出口ヘッダー２３に接続された密閉蒸発式の冷却ユニット２４と、冷却ユニット２４に散水される冷却水を補給する補給用水栓２７とストレーナ２６ａを有する受水槽２６を備えている。受水槽２６と散水槽２１とを接続する連結管２８の途中には散水ポンプ２９が設けられている。

冷却ユニット２４は、（後述する）銅管コイルを渦巻き状に巻回して形成された冷却パイプから構成されている。入口ヘッダー２２には、冷却ユニット２４内に被冷却流体を流入させるために往き管３０ａが接続され、出口ヘッダー２３には、冷却ユニット２４から流出する被冷却流体を蒸発器３３ａ、３３ｂに流すために戻り管３０ｂが接続され、さらに蒸発器には、被冷却流体を外部機器（不図示）に戻すためにチラー部配管３０ｄが接続されている。

チラーユニット３は、各一対の圧縮機３１ａ、３１ｂ、凝縮器３２ａ、３２ｂ、蒸発器３３ａ、３３ｂ及び膨張弁３４ａ、３４ｂ及び冷媒が循環する冷媒管路３５ａ、３５ｂを含む。凝縮器３２ａ、３２ｂは、（後述する）渦巻き状に巻回して形成された伝熱パイプを有し、各伝熱パイプは入口ヘッダー３６ａ、３６ｂを介して一対の圧縮機３１ａ、３１ｂに接続され、また出口ヘッダー３７ａ、３７ｂを介して一対の膨張弁３４ａ、３４ｂに接続されている。さらにチラーユニット３においては、冷却ユニット２４の上流側に設けられた往き管３０ａの途中（Ｘ_１）からバイパス管３０ｃが分岐され、このバイパス管３０ｃは冷却ユニット２４の下流側に設けられた戻り管３０ｂとその出口（Ｘ_２）で合流しかつ蒸発器３３ａ、３３ｂを通過するチラー部配管３０ｄに接続されている。

バイパス管３０ｃ及び戻り管３０ｂの途中にはそれぞれ被冷却流体の流路を切替える方向切換弁（二方弁）３８ａ及び３８ｂが設けられている。この方向切換弁３８ｂは往き管３０ａの途中に設けてもよい。また往き管３０ａの入口付近、チラー部配管３０ｄの出口付近、戻り管３０ｂの途中及び受水槽２６の周囲には、各々被冷却流体の入口温度を検出する温度センサ３９ａ、被冷却流体の出口温度を検出する温度センサ３９ｂ、冷却ユニット２４を通過後の被冷却流体の温度を検出する温度センサ３９ｃ及び外気湿球温度を検出する温度センサ３９ｄが設置されている。

上記冷却装置１の運転を制御する装置は、バイパス運転を行う時間を設定するタイマーと、被冷却流体の入口温度、その出口温度及び外気温度に基いて上記方向切換弁３８ａ及び３８ｂの制御装置に開閉信号を出力するシーケンサーを含む。タイマーでは、方向切換弁３８ａ及び３８ｂの開弁（閉弁）時間を指定する代わりに開弁（閉弁）する時刻を指定してもよい。

上記冷却装置１の運転方法の一例を説明する。外気の温度（Ｔ_０）が設定温度（例えば２０℃）より低い場合（例えば冬期）は、冷却水の温度は１０℃位まで低下するので、被冷却流体は次の手順で冷却される。すなわちシーケンサー（不図示）から方向切換弁３８ａを閉じかつ方向切換弁３８ｂを開く信号を出力することにより、外部機器（図示せず）で熱交換された高温の被冷却流体が冷却塔２の内部に導入され、冷却塔２の上部に配置された散水槽１２の底面に設けた多数の小孔の散水孔２１aから冷却水が冷却ユニット２４に均一に散布され、その冷却コイルの中を通過する被冷却流体が冷却される。この場合、散水された冷却水は冷却パイプの外周面に水膜を作りながら順に下方の冷却パイプに落下し、冷却パイプがそこに散水された水の蒸発潜熱で冷却され、冷却パイプ内の被冷却流体が冷却される。

ここで、上記冷却ユニット２４に散水される冷却水は、補給用水栓２７から受水槽２６に供給されるとともに、受水槽２６の下部に設けられたストレーナ２６ａで挟雑物が除去された後、散水ポンプ２９で汲み上げられて散水槽２１に給送される。さらに冷却ユニット２４は冷却水で冷却されることに加えて、送風機２０ｂにより導入された外気によっても冷却される。冷却ユニット２４で冷却された被冷却流体は、出口ヘッダー２３からチラーユニット３に給送され、そこで冷却媒体に吸熱された後、外部機器に給送される。チラーユニット３においては、圧縮機３１ａ、３１ｂで圧縮された冷媒（図示せず）を、凝縮器３２ａ、３２ｂで放熱し、膨張弁３４ａ、３４ｂを介して蒸発器３３ａ、３３ｂ内で膨張蒸発して吸熱するサイクルが繰り返される。凝縮器３２ａ、３２ｂにおいては、圧縮機３１ａ、３１ｂで圧縮された冷媒と、散水手段の一部である受水槽２６から給送される冷却水及び冷却塔２の内部に導入される外気とが熱交換される。

次に、夏期又は夏期と冬期の中間期のように外気温度が高い（例えば２０℃以上）の場合は、冷却水の温度は２０〜３０℃になり、冷却ユニット２４を被冷却流体が通過すると逆に熱を受けることとなるため、被冷却流体は次の手順で冷却される。すなわちシーケンサーから方向切換弁３８ａを開弁し、方向切換弁３８ｂを閉弁する信号を出力することにより、冷却装置１内に流入した高温の被冷却流体は、冷却ユニット２４を通らずにバイパス管３０ｃに給送されてバイパス運転が行われる。

このバイパス運転は図２に示す手順に従って実行される。ステップＳ１で、バイパス運転が行われているか否かを確認し、バイパス運転が行われている場合は、ステップＳ２でバイパス運転を行う時間が予め設定された時間を経過したか否かを確認し、バイパス運転を行う時間がその設定時間を経過した時は、ステップＳ３のように、シーケンサーから方向切換弁３８ａを閉弁し、方向切換弁３８ｂを開弁する信号を出力して、バイパス運転を解除することにより、冷却ユニット２４に被冷却流体を流す。

次に冷却ユニット２４に被冷却流体が所定時間流れた後に、シーケンサーから方向切換弁３８ａを開弁し、方向切換弁３８ｂを閉弁する信号を出力することにより、ステップＳ４に示すように、バイパス運転が行われる。また夏期又は夏期と冬期の中間期はバイパス運転が長期間に及ぶことがあるので、消費電力を節約するために、バイパス運転が行われていない場合、バイパス運転を行う時間がその設定時間を経過していない場合あるいはバイパス運転が実行された場合は、冷却装置に被冷却流体が流入する温度、冷却装置から被冷却流体が流出する温度、又は外気湿球温度を検出し、その温度を基準値と比較することにより、弁の切換え制御を行うことが望ましい。上記のバイパス運転は、１日当たり例えば１２回の頻度（例えば１１８分間隔）で、タイマーで設定した時間（例えば２分間）だけ方向切換弁３８ａを閉弁しかつ方向切換弁３８ｂを開弁する動作を繰り返すシーケンス制御を行うことにより実行される。このような弁の切換え制御により、冷却パイプの内部に流入した被冷却流体がそこに滞留することが防止される。タイマーによる上記設定時間（方向切換弁３８ｂを開く時間）は、冷却ユニット２４内の被冷却流体が全て入れ替わるだけの時間に設定すればよい。

図３は冷却ユニット及び凝縮器の構造を示す斜視図である。図４は冷却ユニット及び凝縮器の躯体の構造を示す断面図であり、図１と同一機能部分は同一の参照符号で示す。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、冷却ユニット２４は、例えば渦巻状に１３周巻回して形成された冷却パイプを２０段積層して構成され、冷却ユニット躯体５１に支持されている。また、それぞれの冷却パイプは内端を入口ヘッダー２２に、外端を出口ヘッダー２３にロウ付け等によって接続されている。躯体５１は、約φ１２００ｍｍの円環状の上部支持リング５１ａと、上部支持リング５１ａから放射状に配置された上部腕木５１ｂと、円環状の下部支持リング５１ｃ（図４参照）と、下部支持リング５１ｃから放射状に配置された下部腕木５１ｄと、上部支持リング５１ａと下部支持リング５１ｃとを連結する支持柱５１ｅとからなっている。

また、同様に凝縮器３２も渦巻状に１３周巻回して形成された伝熱パイプを１０段積層して構成され、凝縮器躯体５３に支持されている。また、それぞれの伝熱パイプは内端を入口ヘッダー３６に、外端を出口ヘッダー３７にロウ付け等によって接続されている。躯体５３は、円環状の上部支持リング５３ａと、円環状の下部支持リング５３ｃ（図４参照）と、下部支持リング５３ｃから放射状に配置された下部腕木５３ｄと、上部支持リング５３ａと下部支持リング５３ｃとを連結する支持柱５３ｅとからなっている。
そして、凝縮器３２の上部に冷却ユニット２４が配置されている。なお、図１においては凝縮器３２ａ、３２ｂと２段に、図３においては凝縮器３２の１段の例を示しているが、冷却装置を構成するチラー回路の数に合わせて凝縮器は積層される。

しかして、図３（ｂ）に示すように、冷却ユニット２４と凝縮器３２とは冷却ユニット躯体５１と凝縮器躯体５３をして分離可能に構成されている。
具体的には、図４に示すように、凝縮器躯体５３の上部支持リング５３ａは断面Ｌ型の円環状で、断面Ｌ型を上向きに突出したスリーブ部５３１が設けられている。そしてスリーブ部５３１の外径は、冷却ユニット躯体５１の下部支持リング５１ｃの内径５１１よりも（例えば数ｍｍ）小さく設定されており、冷却ユニット躯体５１と凝縮器躯体５３を接続する再には、印篭状に嵌り合う。そして、締結部５１３をボルト・ナット等で締結すると、凝縮器躯体５３の上部に冷却ユニット躯体５１を連結することができる。

また、下部腕木５１ｄ上にはパイプホルダ５２０を配置されている。そして、下部腕木５１ｄは、前記雌ねじのピッチ（例えば２ｍｍ）に冷却パイプの巻き数（例えば１３周）を乗じた寸法分、下部腕木５１ｄの内周側から外周側へと上昇するように傾斜を設けている。また、パイプホルダ５２０の上面には冷却パイプを例えば１３周保持するための凹部が設けられ、冷却コイルの積層段数分だけ設けられる。

凝縮器３２も同様に下部腕木５３ｄの内周側から外周側へと上昇するように傾斜を設けており、冷却ユニット２４と凝縮器３２とは内外径がほぼ同一である。しかして、図１に示したように冷却ユニット２４と凝縮器３２とはその上部から散水され熱交換を行うので、散水が均一に行き渡るためには、冷却ユニット２４と凝縮器３２との中心線が一致していることが好ましい。上記の構成によれば、冷却ユニット躯体５１と凝縮器躯体５３とが印籠状に嵌り合うので、冷却ユニット２４と凝縮器３２との中心を合わせて組立てることが容易にできる。
また、冷却ユニットと凝縮器とは締結部５１３において上下に分離可能に連結されているので、万が一冷却ユニットの銅管パイプの劣化や破損があった場合に、締結部５１３から冷却ユニットを取外し、容易に交換修理が可能である。冷却能力が大きい冷却装置では、冷却ユニットと凝縮器とが大型となるために特に有益である

本発明の実施の形態に係わる冷却装置の機器構成を示す概略断面図である。図１の冷却装置の運転フローの一部を示すチャート図である。冷却ユニット及び凝縮器の構造を示す斜視図である。冷却ユニット及び凝縮器の躯体の構造を示す断面図である。

符号の説明

１：冷却装置、１０：筐体、１１：ルーバー
２：冷却塔、２０ａ：モータ、２０ｂ：送風機、２１：散水槽、２２：入口ヘッダー、２３：出口ヘッダー、２４：冷却ユニット、２６：受水槽、２６ａ：ストレーナ、２７：補給用水栓、２８：連結管、２９：ポンプ、
３：チラーユニット、３０ａ：往き管、３０ｂ：戻り管、３０ｃ：バイパス管、３０ｄ：チラー部配管、３１a、３１b：圧縮機、３２、３２a、３２b：凝縮器、３３a、３３b：蒸発器、３４a、３４b：膨張弁、３５ａ、３５ｂ：冷媒管路、３６、３６ａ、３６ｂ：入口ヘッダー、３７、３７ａ、３７ｂ：出口ヘッダー、３８ａ、３８ｂ：方向切換弁、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ：温度センサ
５１：冷却ユニット躯体、５３：凝縮器躯体

Claims

被冷却流体が流入する往き管と被冷却流体が流出する戻り管とに接続される冷却ユニットと前記冷却ユニットを冷却する冷却手段とを含む冷却塔と、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を含み、この順に冷媒が循環する冷媒管路を有するチラーユニットとを備え、前記凝縮器は、前記冷却塔の内部に配置されて、前記圧縮機で冷却された冷媒が前記冷却手段より給送された冷却媒体と熱交換される冷却装置において、
前記冷却ユニットと、前記凝縮器とは、それぞれ別体の躯体によって支持されるとともに、
前記冷却ユニットと前記凝縮器とを連結部を介して分離可能に連結した
ことを特徴とする冷却装置。
前記冷却ユニットは、前記凝縮器の躯体と前記冷却ユニットの躯体とを連結して前記凝縮器の上部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記連結部は、前記凝縮器の躯体の上部と前記冷却ユニットの躯体の下部とを印籠状に形成した連結部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。