JP2009024989A - 電動式チラー - Google Patents

Abstract

【課題】これまでも空調用氷蓄熱チラーは各空調機器メーカーから発売されているが、いずれも大きく、重く、低いエネルギー消費効率で価格も高価であったため、補助金が得られる状態でも普及が捗らず、補助金が打ち切りになるなどの経緯があった。そこで地球温暖化防止の効果を遺憾なく発揮することが出来る、電動式チラーを提供する。
【解決手段】製氷管に細いキャピラリーチューブを垂直に極めて多数使用し、大きな伝熱面積を持ちながら極めて熱交換器の体積が小さく、製氷管群をグループに別けて並列に配置することによって、氷を高速度で融解することに成功し、小形でありながら空調設備の高い尖塔負荷に容易に即応でき、ピークシフトもピークカットも自在。
【選択図】図１

Description

この発明はオフィスビル、商業ビル、ホテル、医療・福祉施設、療養所などの業務用の空気調和設備に関する。

１９８０年代の好景気時代に建てられエネルギーに余り関心なく吸収式や空冷式など非省エネルギー的で炭酸ガス排出量の極めて大きい設備が多く存在する。

この発明は、上記多種建物の業務用空気調和設備について在来より蓄熱容量の割合に小型軽量で、且つ、冷却能力が大きく、新築は元より、リニューアルに使用しても、既設の空調機や古い配管との接続による氷蓄熱槽の内部の汚染の虞れ無く使用出来、且つ、炭酸ガス排出量の激減を可能にする電動式チラーに関する。

請求項２は現場の状況に合わせて必要となるポンプ設備を内装して生産性の低い現場施工を減らし、経済性を高め、炭酸ガス排出量激減のさらなる普及を図り、さらに、請求項３に関しては省エネルギー化のみならず、直接に地球環境を守る目的で炭酸ガス排出量をゼロ化するため、原子力発電が有効に利用出来る夜間電力に空調電力をシフトし、且つ、ユーザーが廉価な夜間電力の利用による経済的なメリットを享受するために、在来は大きく、重く、高価で殆ど普及の進まなかった氷蓄熱システムを、在来商品に比べ極度に小型化・軽量化し、且つ、不凍液を必要とせず、新冷媒の直接膨張による製氷技術と、短時間に極めて多くの氷を融解して蓄熱容量の割に大きな瞬時冷却能力を持つ電動式チラーに関する。

また、請求項４は最近高い省エネルギー性により注目される冷却・除湿分離型空調設備の熱源装置として対応可能な電動式チラーを視野に収めたものである。

発明が解決しようとする課題

多くの熱エネルギーを必要とする空気調和設備について、地球温暖化防止のために為すべき事は、電動式圧縮機を用い、氷蓄熱を行って、昼間の電力需要を夜間に移行し、原子力発電によるクリーンエネルギーを主体として使用する方式を徹底的に追求することであり、それには在来より軽量・小型で大きい冷却能力と高い効率と経済性を持つ電動チラーが必要である。また新築設備より、リニューアル設備の需要が多い我が国の現状から考えて新築は無論の事、リニューアルの物件にも容易に適合出来るものが望ましい。

課題を解決するための手段

そこで本発明では内径の細いキャピラリーチューブを使用し、伝熱面積が大きく内容積の極めて小さい製氷ユニットを用いて、圧縮機の大きさと冷媒充填量のバランスを図李、不凍液を使用せず、冷媒による直接膨張式で、夜間電力時間帯に運転する氷蓄熱を可能とすると同時に、午後１時から４時までの空調設備の尖塔負荷に対して、充分な余裕をもって対応するために、短時間に氷を融解して瞬時に大きな冷熱を取り出す事が出来るよう、製氷のための伝熱面積の数倍の融解のための伝熱面積を自由に採れる構造を持たせた。

さらに、リニューアル物件では、長く使用に供され、発錆などの多い負荷側の配管に接続される事を配慮して、これらの循環水に含まれる不純物を氷蓄熱槽に持ち込まない様に間接的に氷蓄熱槽と循環水とを熱交換できる熱交換器を準備し、容易に地球温暖化ガス排出量の削減に役立つ事の目的を果たせる様に改めた。

発明の効果

これによって、補助金の対象とされたにも拘わらず、大きくて重くて高価な上にエネルギー消費効率の極めて低く冷却能力も小さかったため、普及が捗らず、補助金も打ち切りとなった在来の氷蓄熱チラーに替わって、本発明による電動式チラーは地球温暖化防止の効果を遺憾なく発揮することが出来る。

本発明を実施する場合の電動式チラーは次のとおりの構成とする。主たる機器は、電動式圧縮機と、冷媒切り替え４方弁と、冷房時期には氷蓄熱製氷器となって暖房時期には蓄熱用温水加熱器となる冷媒対循環冷温水用の第１熱交換器と、冷房時期には循環冷水の冷却器となって暖房時期には循環温水の加熱器となる冷媒対冷温水用の第２熱交換器と、蓄熱槽の冷水または温水と循環冷温水との間で間接的に熱交換を行う水対水用の第３熱交換器と、ファンによって外気を通風し、散水を行って冷房時期には外気に熱を放出する冷媒凝縮器となって暖房時期には外気から熱を取り入れる蒸発器となる第４の熱交換器と、第４熱交換器に通風するファンと、第１熱交換器を収納する蓄熱槽と、蓄熱槽と第３の熱交換器との間に蓄熱冷温水を循環するための循環ポンプ、第４熱交換器に散水を循環散水する散水ポンプと、前記散水ポンプと同様の目的を持つ散水受け皿、これらに必要な冷媒配管、冷温水配管、蓄熱水経路切り替え用電動３方弁、自動制御装置、電気配線構造体、断熱材、化粧板などからなる。

請求項２の実施には、負荷側に冷温水を循環する冷温水ポンプを設置する。

請求項３を実施するためには、前記第１熱交換器を、外径３ｍｍ以下のキャピラリーチューブ極めて多数をほぼ垂直方向に縦横一定のピッチで碁盤の目の平面配列に平行に並べた多数のグループを、さらに前記縦横の一定のピッチよりやや粗い間隔をもって平行に並べ、各グループの中心上部には冷媒のデストリビューター、同じく下部には冷媒のコレクターと前記コレクターから立ち上がる冷媒戻り主管を備え、グループ毎にチューブプレートで纏めた形状の製氷ユニットを氷蓄熱槽内部に収納する形態とする。

請求項４を実施するためには、上に加えて、空調換気用外気を取り入れ、蓄熱槽の冷温水を主として使用し、冷房時期には冷却除湿を行い、暖房時期には加熱加湿を行う外気調和機を本体と一体化して組み込む。

本発明による電動チラーの実施例をフロー図に沿って説明する。図の中央にある冷媒圧縮機１は公害の原因にならない新冷媒のインバーター駆動電動機内蔵型で冷媒切り替え４方弁２にその吐出管、吸込管で連結されており、冷媒切り替え４方弁２のシリンダー内部にある切替摺動子３は冷房の場合は左に位置しているので、冷媒圧縮機１からの高温高圧の冷媒ガスは、冷媒切り替え４方弁２のシリンダーを通過して上方の第４熱交換器４に至り、散水受け皿５から散水ポンプ６によって吸い込まれた散水が第４熱交換器４の上方から散水され、ファン７によって通風される外気に蒸発する際の潜熱で冷却された散水によって第４熱交換器４を通過する際に冷却凝縮されて、高圧常温の液冷媒となる。

前記液冷媒は冷房時夜間電力供給時間帯に開かれる氷蓄熱用電磁弁８と次位の絞り９を通過すると、ここは第１熱交換器１０と冷媒切り替え４方弁２を介して冷媒圧縮機１の吸込管に接続されているため、圧力が低下し、蓄熱槽１１の内部にほぼ垂直に、平面的には碁盤の目状態に１０ｍｍ〜２０ｍｍの間隔に平行に設置された多数のキャピラリーチューブ１２からなる多数の製氷管グループ１３の上部の冷媒デストリビューター１４に至り、圧力低下のため、液冷媒は蒸発が始まり、自身の蒸発潜熱で低温となり、液・ガス混合の状態で垂直のキャピラリーチューブ１２内を下降しながら蒸発を続けて、さらに低温となるためキャピラリーチューブ１２の外周に接する蓄熱槽１１内に貯留された蓄熱水から熱を奪って温度を低下させ、夜間電力供給時間帯には空調機器は運転されずに蓄熱水は蓄熱槽１１内に留まっているため、氷点まで冷却された後はキャピラリーチューブ１２の周囲から凍結して、次第に氷は直径を増し、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の一定の間隔にあるキャピラリーチューブ１２同志の氷が接し、さらに発達し、製氷管グループ１３毎に隅にＲが付いた正方形または長方形断面の氷柱１５が蓄熱槽１１内の０℃となった蓄熱水に浸った状態で出来上がる。

製氷管グループ１３同志の間隔はキャピラリーチューブ１２同志の間隔よりやや粗く採ってあるため、製氷管グループ１３同志の氷が接触結合する寸前に冷媒圧縮機１の運転を停止して氷蓄熱を完了することができる。勿論、冷媒圧縮機１の運転中は、蒸発して蓄熱水を凍結させたガス冷媒は製氷管グループ１３の下方の冷媒コレクター１６から、中心にある冷媒戻り管１７を経てヘッダー１８から冷媒切り替え４方弁２に至り、切り替え摺動子３を経て、冷媒圧縮機１の吸い込み管を経て冷媒圧縮機１に戻り、さらに冷凍サイクル内を絶えず循環し、蓄熱槽１１内の蓄熱水から熱を奪い、凍結させて、持ち去った熱エネルギーを第４熱交換器４にて散水の蒸発潜熱と外気の冷気を利用して、外気中に放出する。

冷房時夜間電力供給時間帯に氷蓄熱を完了した後は機械は一時停止するが、間もなく空調使用時間帯となり、空調運転が開始され、冷温水ポンプ１９が稼働し、負荷側から熱負荷を吸収して温度の上昇した冷水が戻ってくる。この戻り冷水は第２熱交換器２０と第３熱交換器２１を順次通過する。第２熱交換器２０の出口には第１温度センサー２２があり、第１温度調節器２３の働きで第１設定温度、例えば１０℃より高い場合は冷媒圧縮機１が運転され、冷房運転のため冷媒切り替え４方弁２の摺動子３は左に位置しているため、冷媒圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒ガスは冷房蓄熱運転の場合と同様に第４熱交換器４で凝縮液化され、冷房時空調時間帯に開かれる冷房用電磁弁２４と絞り２５を通過すると、第２熱交換器２０と冷媒切り替え４方弁２を介して冷媒圧縮機１の吸込管に接続されているため、圧力が低下し、液冷媒は蒸発が始まり、自身の蒸発潜熱で低温となり、液・ガス混合の状態で第２熱交換器２０内部を上昇通過し、さらに低温となって、同じ第２熱交換器２０を逆向きに通過する負荷側からの戻り冷水を冷却し、冷水出口温度が第１設定温度の１０℃を保つ様、冷媒圧縮機１は第１温度調節器２３の指令によってインバーターで適切な速度で運転を継続され、蒸発した冷媒ガスは冷媒切り替え４方弁２を経て冷媒圧縮機１に戻りさらに循環冷却に充てられる。

１０℃まで冷却された戻り冷水は冷温水ポンプ１９により第３熱交換器２１を通過する。この第３熱交換器２１の出口には第２温度センサー２６があり、第２温度調節器２７の働きで第２設定温度、例えば７℃より高い場合は、循環ポンプ２８が運転され蓄熱槽１１から蓄熱冷水を第３熱交換器２１を通過させて、第１熱交換器２０で１０℃まで冷却された戻り冷水を出口で７℃に保つように循環ポンプ２８がインバーター制御される。

かくして、チラー出口冷水温度は７℃に保たれることになるが、負荷側の熱負荷の大きさは絶えず変化するので戻り温度は負荷が大きければ上がり気味、負荷が小さければ下がり気味となり、最大負荷の場合には往き温度より５℃上昇の１２℃となるように循環ポンプ２８の水量を設定しても、負荷の大きさがゼロに近くなれば、戻り温度は７℃に近付き、蓄熱槽１１の蓄熱冷水の顕熱の有効利用が難しくなり、蓄熱槽１１の大きさが大きくなる結果となる。

この無駄を防ぐために、本実施例では第２熱交換器２０の入口上流に第３温度センサー２９を取り付け第３温度調節器３０により、負荷側の流量減少によって各負荷機器への分配に支障を来さない範囲で、インバーターに指令して冷温水ポンプ１９の水量を加減し、ほぼ温度差５℃が保たれ、蓄熱槽１１の蓄熱水の顕熱の有効利用が可能となるように、負荷の大きさが減った場合は冷水量も減らして対応する。

なお、循環ポンプ２８が運転され、蓄熱槽１１の蓄熱水を第３熱交換器２１に循環させる場合は冷房時は蓄熱槽１１の下部から冷たい蓄熱水を取り出し、温まった戻り冷水を蓄熱槽１１の上方、水面直下に戻し、暖房時は逆に暖かい蓄熱水を蓄熱槽１１上方の水面直下から取り出して、温度の下がった戻り温水は蓄熱槽１１の下部へ戻す様に、２台の蓄熱水経路切り替え電動３方弁３１を切り替えて運用する。但し、前記蓄熱水経路切り替え電動３方弁３１は、電動切り替えを行う場合は中央ポートと上のポートが繋がり、逆の場合は中央ポートと下のポートが繋がる様な構造か或いは逆作動のものを使用する。

暖房期間中は冷媒切り替え４方弁２の切替摺動子３は右に位置する。夜間電力供給時間帯では，外気温度が通常より低く、ヒートポンプ運転に適さない場合は蓄熱槽１１下部に設けた蓄熱用電気ヒーター３２を使用し、自然対流によって蓄熱水を加熱し、夜間電力供給時間帯の終了までに、必要とされる温度まで加温する。外気温度が通常で、ヒートポンプの運転に適する場合は蓄熱用電気ヒーター３２を使用せず冷媒圧縮機１をヒートポンプ運転で使用する。

夜間電力供給時間帯におけるヒートポンプ蓄熱運転の場合は第１熱交換器１０を凝縮器として温水蓄熱を行い、暖房用夜間電力蓄熱電磁弁３３と外気熱源電磁弁３４を開いて、絞り３５を通し第４熱交換器４を蒸発器として使用し、冷媒を循環させて、外気から熱を吸収して蓄熱槽１１に蓄熱を行い、空調運転時間帯には昼間暖房用電磁弁３６と外気熱源電磁弁３４を開いて絞り３５を通し第４熱交換器４を蒸発器として使用して暖房を行うが、冷媒や水の流れは冷房運転に略準じるため、詳細説明は省略する。

本発明による氷蓄熱装置は［００１０］［発明を実施するための最良の形態］に示した通り、製氷管として外径３ｍｍ〜２ｍｍ程度、内径２ｍｍ〜１ｍｍ程度と、かなり細いキャピラリーチューブを使用しているため、在来使用されている外径２２ｍｍ〜２１ｍｍ程度、内径１５ｍｍ〜９ｍｍ程度の冷却管と比較すると外径による伝熱面積を同じにするため前者の製氷管の長さを長く採っても、例えば外径２ｍｍ、内径１ｍｍのものと、外径１６ｍｍ、内径１５ｍｍのもので正確に比較すると、前者の長さを８倍にしても、管内の断面積の比率は１５^２＝２２５、１^２＝１で１／２２５で、内容積の比率は８／２２５＝０．０３６となり、１６ｍｍ外径の伝熱管に比較するとその熱交換器の内容積は僅か３．６％となり、同じ水張り量を採っても蓄熱槽の大きさは大きな違いがあり、本発明による氷蓄熱装置の大きさは大幅に削減され軽量小型となり、自然とコストも安くなる。

さらに、ほぼ垂直に配置した製氷管は内部の液・ガス混合の冷媒の重量と冷媒圧縮機の流入による圧力とが相俟って、製氷管の上部から下部までの内部圧力をほぼ均等に出来る流量範囲があり、これに適う流量で運用すれば上下に関係なく何処の高さを採ってもキャピラリーチューブ１２を中心に正確な同一外径の氷を着氷させ、同一寸法断面の氷柱を成型できるので、氷柱同志の間隔を極めて小さくすることが可能で、在来の氷蓄熱の氷体積効率が精々６０％止まりであった処を、本発明による氷蓄熱の氷体積効率は９５％にも達し得るため、さらに不凍液循環ポンプや不凍液配管などのスペースも不必要となるため、氷蓄熱装置としての体積は概ね１／４以下まで小型化出来る。

また、在来の製品が全て不凍液を使用する２段階熱交換方式であったものを、単段、すなわち、直接フロン膨張型を可能にしたため、エネルギー消費効率についても在来の製品が夜間蓄熱時平均２．３程度であったものが４．５以上に改善することも可能となり、よって、小型・軽量・高効率・適切コストの実現が可能となり、昼間の圧縮機運転を全廃することも視野に入れた徹底した地球温暖化防止のための炭酸ガス排出量の徹底した削減も可能となった。

さらに、製氷管グループ１３の数を自由に増す事によって氷を融解して冷房に使用出来る速度を自由に加減出来る点も極めて大きな特色で、瞬時冷却能力の大きさを必要に応じて増すことが可能な製品設計はこれまで全く存在していない。

上の説明の通り、小型・軽量・高効率・大きな瞬時冷却能力などの特色を兼ね備えた本発明による電動式チラーは地球上の全ての人民の望む地球温暖化防止に向けて、業務用空気調和設備の主たる熱源機としての大きな需要が期待出来る。

また軽量・小型を活かして、設置場所を選ばず、同一建物でも時間帯別に使用したりする部分に対して冷温水を供給するなどのきめ細かな対応が出来る。

は本発明による電動式チラーのフロー図である。

符号の説明

１．冷媒圧縮機
２．冷媒切り替え４方弁
３．切替摺動子
４．第４熱交換器
５．散水受け皿
６．散水ポンプ
７．ファン
８．氷蓄熱用電磁弁
９．絞り
１０．第１熱交換器
１１．蓄熱槽
１２．キャピラリーチューブ
１３．製氷管グループ
１４．冷媒ディストリビューター
１５．氷柱
１６．冷媒コレクター
１７．冷媒戻り管
１８．ヘッダー
１９．冷温水ポンプ
２０．第２熱交換器
２１．第３熱交換器
２２．第１温度センサー
２３．第１温度調節器
２４．冷房用電磁弁
２５．絞り
２６．第２温度センサー
２７．第２温度調節器
２８．循環ポンプ
２９．第３温度センサー
３０．第３温度調節器
３１．蓄熱水経路切り替え電動３方弁
３２．蓄熱用電気ヒーター
３３．暖房用夜間電力蓄熱電磁弁
３４．外気熱源電磁弁
３５．絞り
３６．昼間暖房用電磁弁

Claims (4)

1. 電動式圧縮機と、冷媒切り替え４方弁と、冷房時期には氷蓄熱製氷器となって暖房時期には蓄熱用温水加熱器となる冷媒対蓄熱冷温水用の第１熱交換器と、冷房時期には循環冷水の冷却器となって暖房時期には循環温水の加熱器となる冷媒対冷温水用の第２熱交換器と、蓄熱槽の冷水または温水と循環冷温水との間で間接的に熱交換を行う水対水用の第３熱交換器と、ファンによって外気を通風し、散水を行って冷房時期には外気に熱を放出する冷媒凝縮器となって暖房時期には外気から熱を取り入れる蒸発器となる第４熱交換器と、第４熱交換器に通風するファンと、第１熱交換器を収納する蓄熱槽と、蓄熱槽と第３の熱交換器との間に冷温水を循環するための循環ポンプ、第４熱交換器に散水を循環散水する散水ポンプと、前記散水ポンプと同様の目的を持つ散水受け皿とを内部に一体化収容した事を特色とする電動式チラー。
2. 機外に備えられたファンコイルユニットなどの負荷側空調機器に冷温水を循環するための機外冷温水循環ポンプを内部に収納したことを特色とする請求項１の電動式チラー。
3. 外径３ｍｍ以下のキャピラリーチューブ極めて多数をほぼ垂直方向に縦横一定のピッチで碁盤の目の平面配列に平行に並べた多数のグループを、さらに前記縦横の一定のピッチよりやや粗い間隔をもって平行に並べ、各グループの中心上部には冷媒のデストリビューター、同じく下部には冷媒のコレクターと前記コレクターから立ち上がる冷媒戻り主管を備え、グループ毎にチューブプレートで纏めた形状の製氷ユニットを請求項１の第１熱交換器として備えたことを特色とする請求項１の電動式チラー。
4. 空調換気用外気を取り入れ、冷房時期には冷却除湿を行い、暖房時期には加熱加湿を行う外気調和機を本体と一体化内装した事を特色とする請求項１の電動式チラー。

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