JP2013024510A - 水冷媒冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの省エネルギー化を図り、キャビテーションを防止した水冷媒冷凍システムを提供する。
【解決手段】冷媒として水を用い、冷媒が蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４の順に循環する回路からなる冷凍機５に対し、蒸発器２の冷媒が室内負荷に供給され蒸発器２に戻される冷水系回路７と、凝縮器４の冷媒が冷却塔９で冷却され凝縮器４に戻される冷却水系回路１０とが接続された水冷媒冷凍システム１である。
冷水系回路７において、室内負荷から蒸発器２に戻される流路と蒸発器２から室内負荷に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプ１１が配設され、冷却水系回路１０において、冷却塔９から凝縮器４に戻される流路と凝縮器４から冷却塔９に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプ１２が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒として水を用いた水冷媒冷凍システムに係り、詳しくは冷凍機と、冷水系回路及び冷却水系回路との圧力差を利用してエネルギーを回収するようにした水冷媒冷凍システムに関する。

従来より、冷媒として水を用いた水冷媒冷凍システムとしては、図３に示されるように、冷媒が蒸発器５１、圧縮機５２、凝縮器５３の順に循環する回路からなる冷凍機５４に対し、前記蒸発器５１の冷媒が送り配管を通って室内負荷に供給され、戻り配管を通って蒸発器５１に戻される冷水系回路５５と、前記凝縮器５３の冷媒が送り配管を通って冷却塔５６で冷却され、戻り配管を通って凝縮器５３に戻される冷却水系回路５７とが接続された水冷媒冷凍システム５０が知られている（例えば下記特許文献１参照。）。

かかるシステム５０では、冷凍機５４、冷水系回路５５及び冷却水系回路５７の全ての回路に共通して冷媒として水を用い、蒸発器５１及び凝縮器５３において直接熱交換を行っているため、各回路間の熱交換の必要がなくなり、熱交換による熱損失がなく熱効率に優れたシステムとなる。

前記冷凍機５４においては、蒸発器５１内での冷媒の蒸発温度に見合うように図示しない真空ポンプによって蒸発器５１内が真空状態に維持されるとともに、その他の凝縮器５３や配管系内が真空状態になっている。このため、冷水系回路及び冷却水系回路の一部も真空圧となり、この冷水系回路及び冷却水系回路に設置されたポンプやバルブなどにおいてキャビテーションが生じやすくなっていた。

特開２００６−９７９８９号公報

このようなキャビテーションを防止するには、冷水系回路及び冷却水系回路を正圧とし、冷水系回路・冷却水系回路を循環する冷水と冷凍機を循環する冷水との間で熱交換を行う熱交換器を設置する必要があった。

しかしながら、水冷媒冷凍システムにこのような熱交換器を設置すると、本システムの特徴である各回路に共通して水冷媒を使用することによる熱効率の向上という効果が発揮されなくなり、熱交換器での熱損失が生じるため、システムの省エネルギー化が図れないという問題があった。

そこで本発明の主たる課題は、システムの省エネルギー化を図り、キャビテーションを防止した水冷媒冷凍システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、冷媒として水を用い、冷媒が蒸発器、圧縮機、凝縮器の順に循環する回路からなる冷凍機に対し、前記蒸発器の冷媒が室内負荷に供給され蒸発器に戻される冷水系回路と、前記凝縮器の冷媒が冷却塔で冷却され凝縮器に戻される冷却水系回路とが接続された水冷媒冷凍システムであって、
前記冷水系回路において、前記室内負荷から蒸発器に戻される流路と前記蒸発器から室内負荷に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプが配設され、
前記冷却水系回路において、前記冷却塔から凝縮器に戻される流路と前記凝縮器から冷却塔に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプが配設されていることを特徴とする水冷媒冷凍システムが提供される。

上記請求項１記載の発明では、水冷媒冷凍システムにおいて冷凍機では蒸発器での蒸発温度に見合うように真空圧力を維持する必要がある一方で、冷水系回路及び冷却水系回路ではポンプの圧力により正圧となることから、これらの冷凍機と冷水系回路・冷却水系回路との間を冷媒が流通する際の圧力差を利用して動力を回収する動力回収ポンプを備えている。このため、各動力回収ポンプで回収した動力を給水ポンプの動力源として利用することができ、システムの省エネ運転が可能になるとともに、エネルギーの有効利用が図れるようになる。

また、冷水系回路及び冷却水系回路の冷媒を循環させる冷水ポンプ及び冷却水ポンプの前段にそれぞれ補助ポンプを設けるとともに、これらの補助ポンプの駆動源として前記動力回収ポンプで回収した動力を用いた場合には、冷水ポンプ及び冷却水ポンプの吸込側を正圧とすることができ、これらのポンプにおけるキャビテーションを防止することができるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記冷水系回路において、前記室内負荷から前記蒸発器に戻される流路の途中に前記動力回収ポンプが配設されるとともに、前記蒸発器から室内負荷に送られる流路の途中に前記動力回収ポンプによって回収された動力を駆動源とするポンプが配設され、
前記冷却水系回路において、前記冷却塔から前記凝縮器に戻される流路の途中に前記動力回収ポンプが配設されるとともに、前記凝縮器から冷却塔に送られる流路の途中に前記動力回収ポンプによって回収された動力を駆動源とするポンプが配設されている請求項１記載の水冷媒冷凍システムが提供される。

上記請求項２記載の発明は、具体的な動力回収ポンプとこれによって回収された動力を駆動源とする補助ポンプの配設位置を規定したものである。

以上詳説のとおり本発明によれば、システムの省エネルギー化を図り、キャビテーションを防止した水冷媒冷凍システムが提供できるようになる。

本発明に係る水冷媒冷凍システム１のシステム構成図である。 フリークーリング運転時のシステム構成図である。 従来の水冷媒冷凍システム５０のシステム構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る水冷媒冷凍システム１は、図１に示されるように、冷媒として水を用いたものであって、この冷媒が蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４の順に循環する回路からなる冷凍機５に対し、前記蒸発器２の冷媒が冷水ポンプ６によって送り配管を通って室内負荷（図示せず）に供給され、熱交換が行われた後、戻り配管を通って蒸発器２に戻される冷水系回路７と、前記凝縮器４の冷媒が冷却水ポンプ８によって送り配管を通って冷却塔９に供給され、該冷却塔９で冷却された後、戻り配管を通って凝縮器４に戻される冷却水系回路１０とが接続された回路構成とされている。

更に、冷水系回路７において、室内負荷から蒸発器２に戻される流路と蒸発器２から室内負荷に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプ１１が配設されるとともに、冷却水系回路１０において、冷却塔９から凝縮器４に戻される流路と凝縮器４から冷却塔９に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプ１２が配設されている。

より詳細には、冷水系回路７において、室内負荷から蒸発器２に戻される流路（戻り配管）の途中に動力回収ポンプ１１が配設されるとともに、蒸発器２から室内負荷に送られる流路（送り配管）の途中であって、冷水ポンプ６より前段に、動力回収ポンプ１１によって回収された動力を駆動源の一部又は全部とする補助冷水ポンプ１３が配設されている。また、冷却水系回路１０において、冷却塔９から凝縮器４に戻される流路（戻り配管）の途中に動力回収ポンプ１２が配設されるとともに、凝縮器４から冷却塔９に送られる流路（送り配管）の途中であって、冷却水ポンプ８より前段に、動力回収ポンプ１２によって回収された動力を駆動源の一部又は全部とする補助冷却水ポンプ１４が配設されている。

本水冷媒冷凍システム１では、冷凍機５が蒸発器２での冷媒の蒸発温度に見合うように真空圧力を維持する必要がある一方で、冷水系回路７及び冷却水系回路１０では正圧となることから、これらの冷凍機５と冷水系回路７、冷却水系回路１０との間を冷媒が流通する際の圧力差を利用した動力回収ポンプ１１、１２を備えているため、各動力回収ポンプ１１、１２で回収した動力を補助冷水ポンプ１３又は補助冷却水ポンプ１４の動力源等として利用することができ、システムの省エネ運転が可能になるとともに、エネルギーの有効利用が図れるようになる。

各構成要素について具体的に説明すると、
前記蒸発器２は、例えば大気圧より低い減圧状態（真空状態）の蒸発器２内で冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱を周囲から吸収することによって、周囲の水冷媒を冷却するものである。この蒸発器２での蒸発温度に見合う真空圧力を維持するため、図示しない真空ポンプによって真空状態に維持されている。蒸発器２には、底部に溜まった冷却された冷媒を室内負荷に送る送り配管が接続されるとともに、室内負荷から蒸発器２に戻り、蒸発器２内に冷媒を散水することにより冷媒を蒸発させる戻り配管が接続されている。

前記凝縮器４は、圧縮機３で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気に対し、冷却水回路１０の戻り配管を通って戻された冷媒を散水することにより、冷媒蒸気を冷却して再液化させるものである。凝縮器４には、底部に溜まった再液化された冷媒を冷却塔９に送る送り配管が接続されるとともに、冷却塔９で冷却された冷媒が戻される戻り配管が接続されている。

前記圧縮機３は、ターボ式、ルーツ式、スクリュー式、軸流式など公知の水蒸気圧縮機を用いることができる。前記圧縮機３は、インバータ制御により、回転数が制御可能とされたものを用いることが望ましい。これにより、冷水系回路７において蒸発器２の送り配管の冷媒の温度と戻り配管の冷媒の温度との温度差に応じて回転数を制御して、冷凍機の冷凍能力の制御を行うことが可能となる。

前記冷却塔９は、密閉式の冷却塔が好ましく、冷媒が通る冷却水管を冷却塔内に配管し、この管外側で冷却用の外気と散布水を散水して冷媒の冷却を行うものである。なお、冷却塔９には開放式のものを使用することもできる。

次に、動力回収ポンプ１１、１２について説明する。冷水ポンプ６又は冷却水ポンプ８によって高圧で送られた冷媒は、室内負荷又は冷却塔９などによって圧力が低下するものの蒸発器２や凝縮器４の真空状態に比べれば比較的高圧に保たれているため、そのまま蒸発器２や凝縮器４に排出するにはエネルギーロスが大きい。このため、蒸発器２や凝縮器４に排出する手前の戻り配管にそれぞれ、動力回収ポンプ１１、１２を設け、比較的高圧の冷媒によって動力回収ポンプ１１、１２を駆動して、そのエネルギーを回収するようにしている。回収されたエネルギーは、例えば動力回収ポンプ１１、１２の回転軸を、蒸発器２や凝縮器４の送り配管に設けられた補助ポンプ１３、１４の駆動用のモータに連結又は直結することにより、補助ポンプ１３、１４の駆動用に利用され、エネルギーの有効利用が図れるようになる。また、補助冷水ポンプ１３を設けることにより、冷水ポンプ６の吸込側の圧力が増加するため、キャビテーションが防止できるようになる。冷却水ポンプ８でも同様の効果がある。

数値を例示してより詳細に説明すると、図１に示されるように、冷水系回路７において、例えば冷水ポンプ６で吸い込み側の圧力１００ｋＰａを５００ｋＰａに加圧して送水し、冷水系回路（主に室内負荷等）での圧力損失が４００ｋＰａとすると、戻り冷水の圧力は１００ｋＰａとなる。一方で、蒸発器２内では蒸発温度を２０℃とすると圧力は−９９ｋＰａ（１０１．３−２．３ｋＰａ）であるので、圧力差ΔＰは１９９ｋＰａとなる。また、蒸発器２で冷却された冷水を送水するには−９９ｋＰａの蒸発器２から１００ｋＰａの送り配管へ送水する必要があり、その圧力差は１９９ｋＰａである。従って、１９９ｋＰａの圧力差の動力を動力回収ポンプ１１で回収して、補助冷水ポンプ１３で１９９ｋＰａの送水をすればよいので、理論的には補助冷水ポンプ１３のモータ動力が不要となる。しかし、実際には機械損失等が生じるため外部からの動力が必要となるが、動力回収ポンプ１１によって補助冷水ポンプ１３の動力の大部分がまかなわれる。

一方、冷却水系回路１０においても同様に、冷却水ポンプ８で吸い込み側の圧力１００ｋＰａを３００ｋＰａに加圧して送水し、冷却水系回路（主に冷却塔９）の圧力損失が２００ｋＰａとすると、戻り冷却水の圧力は１００ｋＰａとなる。一方で凝縮器４内では凝縮温度を３３℃とすると圧力は−９６．３ｋＰａ（１０１．３−５ｋＰａ）であるので圧力差ΔＰは１９６．３ｋＰａとなる。この圧力差分の送水をするために動力回収ポンプ１２を利用することにより、使用電力が最小となる。

ところで、本水冷媒冷凍システム１では、蒸発器２近傍の戻り配管を流通する冷媒の温度が送り配管を流通する冷媒の温度と同等以下のとき、図２に示されるように、圧縮機３を停止して冷凍機５を稼働することなく、冷却塔９によって冷媒を冷却するフリークーリング運転に切り換える制御を行うことができる。

このような水冷媒冷凍システム１としては、図１及び図２に示されるように、冷水系回路７の戻り配管から分岐して冷却水系回路１０の冷却塔９への供給配管に至るバイパス路１５を設けるとともに、冷却水系回路１０の冷却塔９から凝縮器４に至る管路の途中から分岐して冷水系回路７の送り配管に至るバイパス路１６を設け、且つ前記バイパス路１５、１６にそれぞれバルブ１７、１８を設けるとともに、前記冷水系回路７の分岐点から蒸発器２に至る途中及び前記冷却水系回路１０の分岐点から凝縮器４に至る途中にそれぞれバルブ１９、２０を設けておき、システムの省エネ化を図るため、外気湿球温度が低いとき、図２に示されるように、圧縮機３を停止して冷凍機５を運転しないとともにバルブ１７、１８を開、バルブ１９、２０を閉とし、戻り配管の冷媒がバイパス路１５を通って冷却塔９に送られ、冷却塔９の運転のみで所定の冷水温度に冷却された後、バイパス路１６を通って送り配管に送られるフリークーリング運転を可能としたものである。

１…水冷媒冷凍システム、２…蒸発器、３…圧縮機、４…凝縮器、５…冷凍機、６…冷水ポンプ、７…冷水系回路、８…冷却水ポンプ、９…冷却塔、１０…冷却水系回路、１１・１２…動力回収ポンプ、１３…補助冷水ポンプ、１４…補助冷却水ポンプ

Claims (2)

1. 冷媒として水を用い、冷媒が蒸発器、圧縮機、凝縮器の順に循環する回路からなる冷凍機に対し、前記蒸発器の冷媒が室内負荷に供給され蒸発器に戻される冷水系回路と、前記凝縮器の冷媒が冷却塔で冷却され凝縮器に戻される冷却水系回路とが接続された水冷媒冷凍システムであって、
   前記冷水系回路において、前記室内負荷から蒸発器に戻される流路と前記蒸発器から室内負荷に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプが配設され、
   前記冷却水系回路において、前記冷却塔から凝縮器に戻される流路と前記凝縮器から冷却塔に供給される流路との圧力差を利用した動力回収ポンプが配設されていることを特徴とする水冷媒冷凍システム。
2. 前記冷水系回路において、前記室内負荷から前記蒸発器に戻される流路の途中に前記動力回収ポンプが配設されるとともに、前記蒸発器から室内負荷に送られる流路の途中に前記動力回収ポンプによって回収された動力を駆動源とするポンプが配設され、
   前記冷却水系回路において、前記冷却塔から前記凝縮器に戻される流路の途中に前記動力回収ポンプが配設されるとともに、前記凝縮器から冷却塔に送られる流路の途中に前記動力回収ポンプによって回収された動力を駆動源とするポンプが配設されている請求項１記載の水冷媒冷凍システム。

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