JP2008304148A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器への冷媒供給量が負荷に応じて最適に制御されないことにより起こる冷却不良を安価に解決し、常に安定して運転することができるようにする。
【解決手段】アンモニアが冷媒として循環される１次冷媒回路１と二酸化炭素媒体が冷媒として循環される２次冷媒回路２をと備え、１次冷媒回路１にて生じる冷熱により、２次冷媒回路２の冷媒を凝縮・液化してレシーバー９に貯留し、該レシーバー９内の液冷媒を負荷側の冷却器１１に送る冷却システムであって、レシーバー９内における冷媒の液量を検出する液面センサ１２を備え、該液面センサ１２により検出される液量が予め設定された値以上である場合には冷却器１１に一定量の冷媒を供給するが、負荷の変動に伴って前記液量が変動し、該液量が予め設定された値以下になると、該量の減少分に応じて冷却器１６への液冷媒の供給量を減少せしめるコントローラＣＴを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却システムに関するものであり、特に、アンモニア(ＮＨ３)等が媒体として循環される１次冷媒回路と二酸化炭素(ＣＯ２)等が媒体として循環される２次冷媒回路を有し、１次冷媒回路にて生じる冷熱により、２次冷媒回路の二酸化炭素等を凝縮・液化して使用する冷却システムに関するものである。

今日、地球温暖化の問題により地球温暖化係数が０かほぼ０に近い冷媒の採用が求められ、冷媒として利用技術が確立されているアンモニア等の自然媒体を使用するケースが増えて来ている。

前記アンモニアは、人体に有害であるので、アンモニアをそのまま負荷側に供給すると、漏洩時にアンモニアが冷却空気等の被冷却流体内に拡散し、危険性が高い。そこで、従来からアンモニア冷媒回路は機械室等の限られた空間に設置し、負荷側冷却器との間における冷熱の移動にブラインを利用する構成のものがある。

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。

そこで、アンモニア冷媒回路とは別に二酸化炭素等の他の安全な冷媒を用いた２次冷媒回路を設け、アンモニア冷媒回路で生成した冷熱を２次冷媒回路における冷媒の凝縮用冷熱として利用し、該２次冷媒回路で生成した冷熱を負荷側に供給する構成とした装置がある(例えば、特許文献１参照)。

上述した装置では、１次冷媒回路たるアンモニア冷媒回路の冷熱によって凝縮された液冷媒を、負荷側冷却器に液ポンプで送るのが一般的であるが、この液ポンプにより冷却器に送られる冷媒量は基本的に一定に制御される。

ところで、冷却器内の液冷媒量は負荷の変動に伴って変化し、定常負荷の場合には冷却器内の液冷媒量は適正に保たれて安定した運転が行われるが、負荷が減少すると冷媒の蒸発量が小となって冷却器内の液冷媒量が増加する。

上述した状態で負荷が急激に増大すると、冷媒の蒸発圧力が上昇するが、冷却器内には前記液ポンプによって一定量の液冷媒が送り込まれるため、さらに冷媒の蒸発圧力が上昇し、２次冷媒回路における運転が不安定なままの状態が解消されない。

しかも、２次冷媒回路における冷媒の蒸発圧力の上昇は、１次冷媒回路における蒸発圧力にも影響を及ぼし、１次冷媒回路の運転も不安定になる。

そこで、従来、冷却器に送る冷媒量を一定に制御する手段として、(ａ)冷却器側に流量調整弁を設置するか、(ｂ)集注器を設置して冷却器内に保有する冷媒量(液面)を制御するか、のいずれかの方法が採用されてきた。

また、前記(ａ)の流量調整弁を設置する方法には、手動弁を使用して手動で一定量を常時供給する方法と、自動制御弁を使用して自動で流量調整を行い、一定量を常時供給する方法の、２種類の方法がある。

このうち、手動弁を使用した場合が最も安価であるが、流量が一定となるため負荷変動時に供給量が過小になると、冷却器の伝熱面積を有効に使用できずに冷却不良を起こす。反対に、供給量が過大になると、冷却器内や吸入配管内に液溜まりが生じて冷媒蒸発が阻害される等の問題が生じる。

他方、自動制御弁を使用した流量調整は、圧力や温度を検知し、負荷に応じた最適の流量を冷却器へ供給することができるが、コストが高くなる。

前記(ｂ)の集注器を設置する方法は、集注器によって冷却器内に一定量の媒体を保有するので、負荷変動にも対応でき、冷却器の伝熱面積を有効に使用することが可能となるが、設備が大型化となり設置スペースを圧迫する他、コスト高となる。
特開２００３−１６６７６５号公報

上述したように、冷却器内の液冷媒量は負荷の変動に伴って変化する。そして、冷却器への冷媒供給量が負荷に応じた最適量に制御されずに供給過小になると、冷却器の伝熱面積を有効に使用できずに冷却不良になることが多い。反対に、供給量が過大になると、冷却器内や吸入配管に液溜まりが生じ、蒸発した冷媒ガスの流れが阻害されることで冷却不良を招くことがある。

本発明は、冷却器への冷媒供給量が負荷に応じて最適に制御されないことにより起こる冷却不良を容易且つ低廉に解決し、常に安定して運転することができるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、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カスケードコンデンサにより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前記冷媒の液量を検出する液量検出センサを備え、該センサにより検出される液量が予め設定された値以上である場合には前記冷却器に一定量の冷媒を供給するが、負荷の変動に伴って前記液量が変動し、該液量が予め設定された値以下になると、該液量の減少分に応じて前記冷却器への該冷媒の供給量を減少せしめるコントローラを備えた冷却システムを提供する。

この構成によれば、冷媒として二酸化炭素を凝縮・液化して貯えたレシーバー内における二酸化炭素の液冷媒の量が液量検出センサにより検出され、この検出された液量が予め設定された値以上であるとき、コントローラは冷却器に冷媒を一定量供給するように制御する。一方、負荷の変動等によって液量が変動して予め設定された値以下になると、コントローラは冷却器に冷媒を供給する量を、液量の減少分に応じて減少せしめ、冷却器内における液冷媒の保有量が適正となるように制御する。これにより、冷却器の伝熱面積を有効に使用することができると同時に、液溜まりによる冷媒ガス流れの阻害を防止する。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、上記レシーバーと上記冷却器との間に前記レシーバー内の液冷媒を前記冷却器内に送る液ポンプを備え、上記コントローラは前記液ポンプの駆動回転数を制御して上記液冷媒の供給量を制御する構成とした冷却システムを提供する。

この構成によれば、コントローラで液ポンプの駆動回転数を制御することにより、冷却器に供給する液冷媒の量を簡単に調整することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、上記液ポンプと上記冷却器との間に前記冷却器内に送り込まれる液冷媒の供給量を制御する弁を設け、上記コントローラは前記弁を制御して前記液冷媒の供給量を制御する構成とした冷却システムを提供する。

この構成によれば、液ポンプは駆動させた状態で、コントローラにより弁の開度等を制御すると、冷却器に供給する液冷媒の量を簡単に調整することができる。

請求項１に記載の発明は、冷媒として二酸化炭素を凝縮・液化して貯えたレシーバー内における二酸化炭素の冷媒の液量を液量検出センサで検出し、この液量が変動した場合には該冷却器に供給する液冷媒の量を制御して該冷却器内における冷媒の液量を適正にコントロールするようにしているので、負荷変動等に対して追従性の優れた冷却システムを実現することができる。

また、二酸化炭素を媒体とする２次冷媒回路の運転が常に安定して行われるので、アンモニアを媒体とする１次冷媒回路の冷却能力にさほどの余裕を持たせる必要がなく、システム全体の簡素化、小型化、低ランニングコスト化を期すことができる。

さらに、構成が簡単で特殊な構成を要しないので、既存のシステムヘの適用が容易であるというメリットもある。

請求項２に記載の発明は、液ポンプの駆動回転数をコントローラで制御することにより冷却器への媒体供給量を簡単に制御することができるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、制御の簡略化を期することができる。

請求項３に記載の発明は、弁の開度をコントローラで制御することにより冷却器への媒体供給量を簡単に制御することができるので、請求項１または２に記載の発明の効果に加えて、さらに制御の簡略化を期することができる。

冷却器への冷媒供給量が負荷に応じて最適に制御されないことにより起こる冷却不良を安価に解決し、常に安定して運転することができるようにするという目的を達成するために、アンモニアが冷媒として循環される１次冷媒回路と二酸化炭素が冷媒として循環される２次冷媒回路とを備え、前記１次冷媒回路にて生じる冷熱により、前記２次冷媒回路の冷媒を凝縮・液化してレシーバー内に貯留し、該レシーバー内の液冷媒を負荷側の冷却器に送る冷却システムにおいて、前記レシーバー内における前記冷媒の液量を検出する液量検出センサを備え、該センサにより検出される液量が予め設定された値以上である場合には前記冷却器に一定量の冷媒を供給するが、負荷の変動に伴って前記液量が変動し、該液量が予め設定された値以下になると、該液量の減少分に応じて前記冷却器への該冷媒の供給量を減少せしめるコントローラを備えることにより実現した。

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。

本実施例の冷却システムは、冷媒をアンモニアとする１次冷媒回路１と、冷媒を二酸化炭素とする２次冷媒回路２と、該２次冷媒回路２内を循環する冷媒(二酸化炭素)の供給を
制御するコントローラＣＴとを備えている。

前記１次冷媒回路１は、アンモニア圧縮機３、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４、アンモニア膨張弁５、二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６とを備え、これらを二酸化炭素／アンモニアユニット１０１内に収容配置している。

前記アンモニア圧縮機３の吐出側は、アンモニア冷媒往管７ａを介して媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４の入口に接続されている。該媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４の出口は、途中にアンモニア膨張弁５を設けたアンモニア冷媒往管７ｂを介して二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６の１次側入口に接続されている。また、二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６の１次側出口は、アンモニア冷媒往管７ｃを介してアンモニア圧縮機３の入口側に接続されている。

なお、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４には、水が循環される冷却水回路が組み込まれ、該冷却水回路の入口側に冷却水往管８ａ及び出口側に冷却水復管８ｂがそれぞれ接続されている。

前記２次冷媒回路２は、二酸化炭素レシーバー９、二酸化炭素液ポンプ１０(以下、「液ポンプ１０」という)、二酸化炭素冷却器１１(以下、「冷却器１１」という)とを備え、冷却器１１を負荷側設備１０２内に収容配置し、二酸化炭素レシーバー９及び液ポンプ１０を二酸化炭素／アンモニアユニット１０１内に配置している。

前記二酸化炭素レシーバー９には、該二酸化炭素レシーバー９内に凝縮・液化して貯留されている二酸化炭素媒体の液量を、液面の高さから検出する液面センサ１２と、二酸化炭素レシーバー９内の圧力を検出する圧力計１３が取り付けられている。

前記二酸化炭素レシーバー９の出口は、二酸化炭素冷媒往管１４ａを介して液ポンプ１０の吸入口と接続されている。該液ポンプ１０の吐出口側は、途中に二酸化炭素電磁弁１５を設けた二酸化炭素冷媒往管１４ｂ介して冷却器１１の入口側に接続されている。一方、冷却器１１の出口側には、二酸化炭素冷媒復管１４ｃを介して二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６の２次側入口及び二酸化炭素レシーバー９の入口側に接続され、二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６で凝縮・液化された二酸化炭素の液冷媒が二酸化炭素レシーバー９に戻されるようになっている。

前記コントローラＣＴは、２次冷媒回路２内を循環する冷媒(二酸化炭素)の供給量を制御する冷媒供給量制御手段を構成しているものであり、マイクロコンピュータ(通称「マイコン」という)を主体として構成されている。

また、コントローラＣＴには、前記液面計１２で検出された二酸化炭素レシーバー９内の二酸化炭素の液量及び圧力計１３で検出された二酸化炭素レシーバー９内の圧力及び温度センサ１７と処理回路１８を介して検出された２次冷媒回路２内の温度の各情報がそれぞれ入力される。そして、これらの各情報に基づいて、予めプログラムされている手順に従って液ポンプ１０による冷却器１１への冷媒供給量を制御する。

ここでのコントローラＣＴの制御は、液面センサ１２により検出される二酸化炭素レシーバー９内の液量が予め設定された値以上である場合には、液ポンプ１０を駆動させて冷却器１１に一定量の冷媒を供給する。また、負荷の変動等に伴い、液量が変動して予め設定された値以下になると、液量の減少分に応じて液ポンプ１０を駆動回転数制御させ、冷却器１０への冷媒供給量を減少せしめる。これにより、冷却器１０内に供給される二酸化炭素の液媒の量が、冷却器１０の出口で完全にガス化するように制御する。

このように構成された冷却システムの動作を次に説明する。１次冷媒回路２側では、アンモニア圧縮機３で圧縮されたアンモニアガスは、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４で凝縮し、アンモニア膨張弁５で減圧されて二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６に供給される。

他方、２次冷媒回路３側における冷却器１１への冷媒(二酸化炭素)の供給量は、二酸化炭素レシーバー９の液面センサ１２によって検知され、該液面センサ１２で検出された液量が予め設定された値以上である場合には、液ポンプ１０を駆動して冷却器１１に一定量の液冷媒を供給する。一方、負荷の変動に伴って液量が変動して予め設定された値以下になると液ポンプ１０を駆動回転数制御し、液量の減少分に応じて冷却器１１への冷媒供給量を減少せしめる。また、液量が一定量以上になると再び液ポンプ１０で一定量送り、二酸化炭素レシーバー９内の液量がほぼ一定量となるように制御する。

これにより冷却器１０内の液冷媒保有量が、冷却器１１の出口で完全にガス化するのに適正な量に制御され、冷却器１１の伝熱面積を有効に使用できるようにすると同時に、液溜まりによる冷媒ガス流れの阻害を防止する。

また、冷却器１１から二酸化炭素レシーバー９への吸引は、二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６で二酸化炭素ガスがアンモニア冷媒によって冷却され、該二酸化炭素ガスが液体に相変化することで、二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー６の冷却境界壁面で圧力が低下し、吸引作用が起こることにより吸引される。

他方、液ポンプ１０は、負荷変動に関係なく一定量の冷媒液を冷却器１１へ供給するが、液面センサ１２の検知で、二酸化炭素レシーバー９の液面を一定に制御することで、負荷変動が生じても冷却器１１内の二酸化炭素媒体の保有量を一定に保持することができる。

したがって、この実施例における冷却システムによれば、二酸化炭素媒体を凝縮・液化して貯えた二酸化炭素レシーバー９内における二酸化炭素媒体の液量を液量検出センサである液面センサ１２で検出し、この検出された液量が予め設定された値以上であるときには、液ポンプ１０により二酸化炭素媒体を冷却器１１へ一定量供給するが、負荷の変動等に伴って液量が変動して予め設定された値以下になると、コントローラＣＴが液ポンプ１０の駆動回転数制御させ、液ポンプ１０が冷却器１１へ供給している二酸化炭素媒体の量を、二酸化炭素レシーバー９内の減少分に応じて減少せしめ、冷却器１１内における液冷媒量を適正にコントロールするので、負荷の変動に対する追従性に優れた冷却システムが得られる。

また、二酸化炭素を媒体とする２次冷媒回路２の運転が常に安定して行われるので、アンモニアを媒体とする１次冷媒回路１の冷却能力にさほどの余裕を持たせる必要がなく、システム全体の簡素化、小型化、低ランニングコスト化を期すことができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

例えば、上記実施の形態の構成では、二酸化炭素レシーバー９内の冷媒液を冷却器１１内に送る媒体供給量の制御を、コントローラＣＴが液ポンプ１０を駆動・停止させて行う構成について説明したが、液ポンプ１０は常に駆動させておき、コントローラＣＴが二酸化炭素自動調整弁１５の開度を調節して、冷却器１１に送る媒体供給量を制御するようにしてもよい。

また上述した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。

本発明の一実施の形態として示す冷却システムの概略構成図。

符号の説明

１ １次冷媒回路
２ ２次冷媒回路
３ アンモニア圧縮機
４ 媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー
６ 二酸化炭素／アンモニアガスケードコンデンサー
９ 二酸化炭素レシーバー
１０ 二酸化炭素液ポンプ(液ポンプ)
１１ 冷却器
１２ 液面センサ(液量検出センサ)
１７ 温度センサ
１０１ 二酸化炭素／アンモニアユニット
１０２ 負荷側設備
ＣＴ コントローラ

Claims (3)

1. 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カスケードコンデンサにより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前記冷媒の液量を検出する液量検出センサを備え、該センサにより検出される液量が予め設定された値以上である場合には前記冷却器に一定量の冷媒を供給するが、負荷の変動に伴って前記液量が変動し、該液量が予め設定された値以下になると、該液量の減少分に応じて前記冷却器への該冷媒の供給量を減少せしめるコントローラを備えたことを特徴とする冷却システム。
2. 上記レシーバーと上記冷却器との間に前記レシーバー内の液冷媒を前記冷却器内に送る液ポンプを備え、上記コントローラは前記液ポンプの液冷媒の供給量を制御する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 上記液ポンプと上記冷却器との間に前記冷却器内に送り込まれる液冷媒の供給量を制御する弁を設け、上記コントローラは前記弁を制御して前記液冷媒の供給量を制御する構成としたことを特徴とする請求項1又は２記載の冷却システム。

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