JP2009257665A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の冷却装置の問題点を解決し、蒸発器の目詰まりや凍結破損のしがたい冷却装置を提供する。
【解決手段】 冷却装置１は、冷却塔２とチラーユニット３を有し、外部機器を冷却した被冷却流体を冷却塔２とチラーユニット３の蒸発器３３を通過させて冷却し、再び外部機器へ被冷却流体を送水するものである。蒸発器３３の被冷却流体入口と被冷却流体出口との間に第一バイパス回路３０ｄを設け、第一バイパス管路３０ｄと蒸発器３３とを通過する管路との第一切替手段（３８ｂ、３８ｃ）を付設する。そして、外部機器へ送水する被冷却流体の出口温度（Ｔ１）が所定の温度以下になったときに、蒸発器３３を通過させず、第一バイパス管路３０ｄを通過させて被冷却流体を送水する。
【選択図】 図１

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、前記機器に被冷却流体を送り出す冷却装置に関し、特に冷却装置を構成するチラーユニットの蒸発器のスケール付着や目詰まりの発生を低減させ、被冷却流体が凍結して、蒸発器が破損することを防止した冷却装置に関する。

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を供給し、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℃程度の中低温域の被冷却流体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（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、冬期の凍結破損防止を目的とし、被冷却流体の凍結する恐れのある温度以下になったら循環ポンプ（又は別途設けた小型循環ポンプ）を起動させ、バイパス管を経由させて冷却塔と蒸発器との間に被冷却流体を循環することが記載されている。

特公平５−７００６９号公報 特開平１０−１０３８４０号公報（第２頁から第３頁、図２、及び図３参照）

しかしながら、特許文献１及び２に記載の技術によれば、冷却装置の冷水経路は冷却塔と蒸発器を通過させるものであるので、必ずチラーユニットの蒸発器を通過する経路であり、冷却すべき機器又はそれに至る配管内で発生した錆、異物、スケール等が蒸発器内に侵入し、蒸発器内で目詰まりさせ、冷却性能を著しく低下させたり、水流が滞り、凍結破損に至ったりする恐れがある。

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、蒸発器の目詰まりや凍結破損の発生しがた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、冷却塔とチラーユニットからなり、外部機器を冷却した被冷却流体を冷却塔とチラーユニットの蒸発器を通過させて冷却し、再び外部機器へ被冷却流体を送水する冷却装置において、前記蒸発器の被冷却流体入口と被冷却流体出口との間に第一バイパス回路を設け、該第一バイパス管路と前記蒸発器とを通過する管路との第一切換手段を付設し、外部機器へ送水する被冷却流体の出口温度が所定の温度以下になったときには、前記蒸発器を通過させず、第一バイパス管路を通過させて被冷却流体を送水することを特徴とするものである。

また本発明の冷却装置は、前記冷却塔を迂回する第二バイパス管路と、該第二バイパス管路と前記冷却塔を通過する管路との第二切換手段を付設し、
前記被冷却流体の前記冷却塔入口温度が前記冷却塔出口温度よりも低いときは前記冷却塔を通過する管路を閉として前記第二バイパス管路を開とし、前記被冷却流体の前記冷却塔入口温度が前記冷却塔出口温度よりも高いときには前記冷却塔を通過する管路を開として前記第二バイパス管路を閉とするように前記第二切換手段を制御することができる。

本発明によれば、チラーユニットを稼動させないで、冷却塔のみで冷却制御されるときには、被冷却流体を蒸発器に通過させないので、被冷却流体管路内の錆、異物等を蒸発器に持ち込ませることなく、またスケールの付着も防止できる。従って、蒸発器の冷却性能を著しく低下させたり、凍結破損に至ったりすることを抑制することができる。

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に散水される散布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、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。冷却パイプは中心側から外周側に向けて若干の上り勾配となっており、出口ヘッダーの上部に設けられた空気抜き弁２５から内部の空気を排出するようになっている。また、冷却ユニット２４の内周面にはエリミネータ４０が設けられており、散布水のキャリーオーバを防止している。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３０eが接続されている。

チラーユニット３は、複数の圧縮機、凝縮器、蒸発器、膨張弁から構成されており、例えば各一対の圧縮機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、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（Ｘ１）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（Ｘ２）で合流しかつ蒸発器３３ａ、３３ｂを通過するチラー部配管３０eに接続されている。また、戻り管３０bの途中（Ｘ３）からバイパス管３０ｄが分岐され、このバイパス管３０ｄはチラー配管３０ｅとその出口（Ｘ４）で合流している。

バイパス管３０ｃ、戻り管３０ｂ及びバイパス管３０ｄの途中にはそれぞれ被冷却流体の流路を切替る方向切換弁（二方弁）３８ａ、３８ｂ及び３８ｃが設けられている。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の運転方法の一例を図２を用いて説明する。まず初期状態における方向切換弁３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、方向切換弁３８ａ、３８ｂが「閉」、方向切換弁３８ｃが「開」である。

冷却装置１の運転を開始すると、温度センサ３９ｂにて被冷却流体の出口温度Ｔ１を検知し、シーケンサ（不図示）に記憶された設定温度Ｔ０と比較する（Ｓ１）。通常は被冷却流体が外部機械設備で熱交換されるので、Ｔ１＞Ｔ０である。外部機器（図示せず）で熱交換された高温の被冷却流体は往き管３０ａを経由して冷却塔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から散布水が冷却ユニット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、散水された散布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。送風機２０ｂは図示しないインバータで回転数を制御されており、送風機２０ｂの送風量を増加することが可能かを判断する（Ｓ２）。そして、送風量の増加が可能であれば、送風量を増加させ（Ｓ３）、冷却塔２のみで運転を継続する。

被冷却流体の出口温度Ｔ１が設定温度Ｔ０以下に低下すると、送風機２０ｂの送風量を減少させ（Ｓ４）、被冷却流体の出口温度Ｔ１の温度制御を行いつつ、冷却塔２のみで運転を継続する。例えば冬期など外気湿球温度が１０℃位に低下しているときには、冷却塔２のみの運転で十分に温度制御することが出来る。

このとき、方向切換弁３８ａ、３８ｂが「閉」、方向切換弁３８ｃが「開」であるので、被冷却流体は、蒸発器３３ａ、３３ｂを通過することがなく、冷却水管路内の錆、異物等を蒸発器に持ち込ませることなく、またスケールの付着も防止できる。

ここで、上記冷却ユニット２４に散水される散布水は、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は散布水に加えて、送風機２０ｂにより導入された外気によって冷却される。

続いて、外気温度が上昇したり、外部機器からの熱負荷が上昇したりすると、冷却塔２の冷却能力では冷却不足になってくる。そこで、チラーユニット３の運転を開始する。このとき方向切換弁３８ｂを「開」とし、方向切換弁３８ｃを「閉」とすることによって、被冷却流体を蒸発器３３ａ、３３ｂに導入する（Ｓ５）。

そこで冷却ユニット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から給送される散布水及び冷却塔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、散布水の温度は２０〜３０℃になるため、被冷却流体は次の手順で冷却される。即ち温度センサ３９ａで検知した冷却塔入口水温Ｔ２よりも温度センサ３９ｃで検知した冷却塔出口水温Ｔ３の方が高い場合（Ｓ６）である。

この場合、シーケンサから方向切換弁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２を通らずにバイパス管３０ｃに給送されて第二バイパス運転が行われる（Ｓ７）。

これによって被冷却流体は冷却塔１を通さずにチラー３による蒸発器３３ａ、３３ｂでのみ冷却される。即ち入口水温Ｔ２と出口水温Ｔ３を直接比較して冷却塔１を通過することによる不必要な加熱や、冷却塔１を運転することによる不必要な電力損失を除去している。

またＳ８で、上記の冷却塔運転からバイパス運転に切替った時の入口温度Ｔ２−湿球温度Ｔ４（Ｔ４は温度センサ３９ｄの検出値））＝ΔＴａを記憶しておき、引き続き第二バイパス運転が行われる。そして、第二バイパス運転中は常時、冷却塔１への入口温度Ｔ２−湿球温度Ｔ４）の値（ΔＴｂ）が、前記Ｓ８で記憶したΔＴａ＋２℃の値より大きいかどうかを比較している（Ｓ９）。ΔＴａ＋２℃よりも大きくなったら第二バイパス運転が解除され、冷却塔１へ導く運転に切換えられる。このとき方向切換弁３８ｂが「開」に、方向切換弁３８ａが「閉」に動作する（Ｓ１０）。上記の入口温度Ｔ２−湿球温度Ｔ４がΔＴａ＋２℃大きいかどうかの比較で、ΔＴａ＋２℃を設けているのは、冷却塔１へと第二バイパス運転との切換えが交互に発生するチャタリング現象が生じるのを防止するためである。このステップＳ５の制御により、運転中の入口温度Ｔ２−湿球温度Ｔ４が、第二バイパス運転に切換えられた際のΔＴａと比較しているから、冷却塔１で確実に冷却できる条件になった際に冷却塔での運転に切換えられ、正確な冷却塔での運転と、第二バイパス運転によるチラーのみによる冷却との切換え制御が行われる。

また再び外気温度が低下し、被冷却流体の出口温度Ｔ１が設定温度Ｔ０以下になったとき（Ｓ１）には、チラーユニット３の運転を停止する（Ｓ１１）。チラーユニット３が停止すると、タイマｔがカウントアップを開始し、所定の保持時間ｔ０（例えば５分間）になるまで、この状態を保持する（Ｓ１２）。これは負荷変動による頻繁な切り替え（チャタリング）を防止するためである。そして、ｔ≧ｔ０になると、方向切換弁３８ｃを「開」に、方向切換弁３８ａを「閉」に動作させる第一バイパス運転を行う（Ｓ１３）。この第一バイパス運転においては、被冷却流体は、蒸発器３３ａ、３３ｂを通過することがなく、冷却水管路内の錆、異物等を蒸発器に持ち込ませることなく、またスケールの付着も抑制できる。

ところで、上述したように蒸発器３３ａ、３３ｂは、冷媒を膨張蒸発させて被冷却流体の熱を冷媒に吸熱させる装置であるが、蒸発器３３ａ、３３ｂの冷却水路には、ストレーナを取り付けたとしても捕獲できないごみ、配管内部の錆、又は被冷却流体に含まれるカルシウム等が流入してしまい、冷却水路内面にスケールとして付着しやすい。このスケール付着に気づかず冷却装置の運転を続けると、冷却水路が閉塞（目詰まり）し冷媒の吸熱作用によって凍結することによって、破損してしまう虞があるために、洗浄剤などを用いた定期的な洗浄作業が必要である。
しかしながら、密閉型のチラーユニットでは配管内部を直接観察することが困難であるために、スケールの影響を判断することに難があった。

図３は、蒸発器近傍配管を示す模式図、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は下方分岐部の拡大断面図である。
図３（ａ）に示すように、蒸発器３３ａ〜３３ｅは複数台（図中では５台）設けられ、出口（Ｘ２）側から流入した被冷却流体は、主管３０ｆから分岐された分岐管３０ｇを経由して蒸発器３３ａ〜３３ｅに流入する。そして蒸発器３３ａ〜３３ｅの出口には分岐管３０ｈがそれぞれ接続され、被冷却流体は主管３０ｉを経由してチラー部配管３０ｅへ流出する。

主管３０ｆには下方を向くように下方分岐部６１が設けられ、更にその下方には開閉弁６３を接続させている。図３（ｂ）に示すように、ストレーナ２６ａで捕獲できなかったごみや錆は冷却水と比較して比重が大きいので、主管３０ｆの下内面を流れ、下方側の蒸発器３３ｄ、３３ｅに流入される。分岐部６１をそれらの手前に設けることで、内部に捕獲され、蒸発器への流入を軽減することができる。
また、定期的に開閉弁６３を開け、下方分岐部６１の捕獲物を確認することによって、容易に洗浄作業の時期を決めることができる。

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。 蒸発器近傍配管を示す模式図である。

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、２５：空気抜き弁、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（第二バイパス管路）、３０ｄ：バイパス管（第一バイパス管路）、３０ｅ：チラー部配管、
３１a、３１b：圧縮機、３２、３２a、３２b：凝縮器、３３a、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ：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、３８ｃ：方向切換弁（切換手段）、３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ：温度センサ、
４０：エリミネータ、
６１：下方分岐部、６３：開閉弁、

Claims (3)

1. 冷却塔とチラーユニットからなり、外部機器を冷却した被冷却流体を冷却塔とチラーユニットの蒸発器を通過させて冷却し、再び外部機器へ被冷却流体を送水する冷却装置において、
   前記蒸発器の被冷却流体入口と被冷却流体出口との間に第一バイパス回路を設け、該第一バイパス管路と前記蒸発器とを通過する管路との第一切換手段を付設し、
   外部機器へ送水する被冷却流体の出口温度が所定の温度以下になったときには、前記蒸発器を通過させず、第一バイパス管路を通過させて被冷却流体を送水することを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷却塔を迂回する第二バイパス管路と、該第二バイパス管路と前記冷却塔を通過する管路との第二切換手段を付設し、
   前記被冷却流体の前記冷却塔入口温度が前記冷却塔出口温度よりも低いときは前記冷却塔を通過する管路を閉として前記第二バイパス管路を開とし、
   前記被冷却流体の前記冷却塔入口温度が前記冷却塔出口温度よりも高いときには前記冷却塔を通過する管路を開として前記第二バイパス管路を閉とするように前記第二切換手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記蒸発器の被冷却流体入口に下方に向けた分岐部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
   

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