JP2014531013A - 熱源を動力とするコンプレッサーのないクーリングシステム - Google Patents

Abstract

本発明のクーリングシステムは、熱エネルギーを供給する熱源（１）と、熱源（１）によって冷媒（３）を加熱し、冷媒の温度及び圧力を上げて気化させる動力発生器（２）と、動力発生器（２）内で生じる差圧の作用により、液体の冷媒（３）が動力発生器（２）から流れ入り、液体の冷媒（３）の温度を下げる凝縮器（５）と、液体の冷媒（３）を減圧するとともに熱を吸収して噴出させるスロットル（７）と、その内部で冷媒がクーリング出力部（１０）と熱交換を行う蒸発器（８）と、蒸発器８の底部に蓄積された液体の冷媒（３）を重力の作用によって自由に動力発生器（２）内に回流させる液体冷媒回流装置（１５）と、を備える。蒸発器（８）、液体冷媒回流装置（１５）、動力発生器（２）は、上下方向に上から下に向けて順次配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、クーリングシステム、特に、熱源を動力とするコンプレッサーのないクーリングシステムに関する。

通常の圧縮式クーラーは、コンプレッサー、凝縮器、蒸発器、及び膨張弁という四つの部分から構成されている。その動作過程として、蒸発器で気化した後の低圧の熱交換冷媒（例えば、フレオン）のガスは、コンプレッサーによって引き出され、高圧ガスになるように圧縮され、凝縮器に送り込まれる。そこで、高圧になったガスは高圧の液体に凝縮され、膨張弁を介して流量が調整された後、低圧の液体冷媒になって蒸発器に輸送される。常温且つ低圧の液体冷媒が蒸発器でクーリング出力部から吸熱を行うことで、一つのクーリングサイクルを完成する。

しかしながら、圧縮クーリング技術においては、例えば、コストが高く、取り付けが不便であるとともに、電力の消費が多く、ノイズが大きいなどの不都合がある。

圧縮クーリングに存在する問題を解決するために、例えば、特許文献１には、ソーラー空調システムが開示される。このソーラー空調システムは、図４に示すように、光エネルギーを熱エネルギーに変換させるための光管接収器８が片側に設けられたエネルギーアキュムレータ２を備え、このアキュムレータ２の内部における管状交換器３に低沸点の冷媒が収容されている。クーリングサイクルにおいて、当該冷媒は交換器３内で熱を受けて気化し、高温高圧のガスを形成する。当該ガスが交換器から室外凝縮器１０に放出され、温度及び圧力が低下した後、減圧スロットル１２を通過する。この時、当該冷媒は低温液体状態であり、室内蒸発器１１に入って熱を吸収することで室内の温度を低下させる。そして、当該冷媒はブースター７を通過し、圧力調整バルブ６を介して電磁四方弁からエネルギーアキュムレータ内の交換器３に入ることで、一つのクーリングサイクルが完了する。

前記特許文献１中の空調器は、熱交換冷媒の循環中にコンプレッサーを利用していないが、冷媒の循環を実現するため、ブースター７を使って蒸発器内の冷媒を駆動して交換器まで回流させる。このような構造は、依然としてコンプレッサーと類似し、熱交換後に冷媒が蒸発器から交換器に回流する動力にかかる問題を根本的に解決していない。

中国特許出願公開第ＣＮ１７１０３４６号明細書

上記問題を解決するために、本発明は、コンプレッサーを利用することなく熱源だけでクーリングを実現できるクーリングシステム提供することを目的とする。

本発明は、クーリングシステムを提供する。このクーリングシステムは、
熱エネルギーを供給する熱源と、
その内部に配置された前記熱源によって冷媒を加熱し、前記冷媒の温度及び圧力を上げて気化させる動力発生器と、
前記動力発生器内の高温によって生じる差圧の作用により、液体の冷媒が前記動力発生器から流れ入り、その内部で前記液体の冷媒の温度を下げる凝縮器と、
前記凝縮器を通過した前記液体の冷媒が前記差圧の作用によって噴出され、噴出時の射流により冷媒が減圧するとともに熱を吸収するように制御するスロットルと、
前記スロットルから噴出された低温且つ低圧の冷媒が噴き入り、その内部で前記冷媒がクーリング出力部と熱交換を行い、液体としてその底部に蓄積される蒸発器と、
前記蒸発器の底部に蓄積された液体の冷媒を重力の作用によって自由に前記動力発生器内に回流させる液体冷媒回流装置と、を備える。
また、前記液体冷媒回流装置は、上部バルブと、液体蓄積タンクと、下部バルブと、を備え、前記液体蓄積タンクの上端は前記上部バルブを介して蒸発器に連通され、前記液体蓄積タンクの下端は前記下部バルブを介して動力発生器に連通される。前記上部バルブと前記下部バルブは同時に開くことがなく、それぞれタイミングをずらして開くことができる。
また、前記蒸発器、前記液体冷媒回流装置、及び前記動力発生器は、上下方向に上から下に向けて順次配置される。

本発明では、通常の各種の熱源によって冷媒を加熱することで冷媒を動力源から蒸発器に流動させ、且つ、重力を冷媒が蒸発器から動力源まで回流する動力としている。重力の作用で、上部バルブと下部バルブがタイミングずらして開き、液体蓄積タンクによって２回にわけて動力発生器と蒸発器との差圧をバランスさせることで、熱交換を完了した液体冷媒が蒸発器から動力発生器に回流され、次のサイクルに送り込む。このように、動力発生器と蒸発器との差圧によって冷媒が回流できない問題を適切に解決できる。

図１は、本発明に係るクーリングシステムの第１実施形態を示す図面である。 図２は、上部バルブが開いている液体冷媒回流装置の動作状態を示す図面である。 図３は、本発明に係るクーリングシステムの第２実施形態を示す図面である。 図４は、従来の技術におけるクーリングシステムを示す図面である。

図１に示すように、本発明のクーリングシステムは、熱エネルギーを供給する熱源１と、液体冷媒３及び気体冷媒４を収納する動力発生器２と、凝縮器５と、スロットル７と、蒸発器８と、クーリング出力部１０と、液体冷媒回流装置１５と、を備えている。
動力発生器２は、動力発生器２内に配置された熱源１によって液体冷媒３及び気体冷媒４を含む冷媒を加熱し、その温度及び圧力を上げて気化させる。動力発生器２内の高温によって生じる差圧の作用で、液体冷媒３は動力発生器２から凝縮器５に流れ入む。液体冷媒の温度は凝縮器５の中で下がる。
スロットル７は、凝縮器を通過した液体冷媒が前記差圧の作用でスロットル７から噴出されるように制御を行い、液体冷媒はスロットル７を通過するときの射流作用によって減圧されるとともに熱を吸収する。スロットル７から噴出された低温且つ低圧の冷媒は蒸発器８に噴き入れられ、前記蒸発器８内でクーリング出力部１０と熱交換を行い、液体冷媒の形で蒸発器８の底部に蓄積される。蒸発器８の底部に蓄積された液体冷媒は、液体冷媒回流装置１５によって、重力の作用で動力発生器内に自由に回流される。

前記液体冷媒回流装置１５は、上部バルブ１２と、液体蓄積タンク１３と、下部バルブ１４と、を備え、液体蓄積タンク１３の上端は上部バルブ１２を介して蒸発器８に連通され、液体蓄積タンク１３の下端は下部バルブ１４を介して動力発生器２に連通される。また、上部バルブ１２と下部バルブ１４は同時に開くことがなく、それぞれタイミングをずらして開くようにする。また、蒸発器８、液体冷媒回流装置１５、及び動力発生器２は、上下方向に上から下に向けて順次配置される。

システム全体の具体的な動作過程は、以下のようである。液体冷媒３は動力発生器２の中で加熱され、温度及び圧力が上昇して気化される。システム全体において、蒸発器側は低温且つ低圧の状態であり、動力発生器側は高温且つ高圧の状態である。例えば、蒸発器側の温度は２０℃であるが、動力発生器側の温度は６０℃である。以下の表を参照すると、冷媒としてＦ−１２を用いる例の場合、２０℃の時の圧力は０．４６８９ＭＰａであり、６０℃の時の圧力は１．４２７ＭＰａである。つまり、蒸発器側と動力発生器側との間の差圧は、０．９５８ＭＰａである。

蒸発器側と動力発生器側との間の差圧の作用で、動力発生器の下部にある気化されていない液体冷媒は、動力発生器における気液境界面の下方に位置するパイプ出口を介して動力発生器２から流れ出し、凝縮器５に至る。凝縮器５において、液体冷媒は温度が下がるが、まだ高圧の液体冷媒である。当該高圧の液体冷媒は、スロットルから蒸発器８の中に噴出される。この際、液体冷媒は圧力が低下され、気化されるとともに蒸発器内のクーリング出力部からの熱量を吸収して、熱交換を実現する。

冷媒の温度、圧力対照表

動力発生器と蒸発器との間の差圧の減少を防止し、冷媒が動力発生器に回流して続いて循環利用されるようにするために、動力発生器と蒸発器との間に液体冷媒回流装置１５を設置する。

液体冷媒回流装置１５は、例えば、電子スイッチ型の上部バルブ１２と、液体蓄積タンク１３と、電子スイッチ型の下部バルブ１４とを備える。液体蓄積タンク１３の上端は、上部バルブ１２を介して蒸発器８に連通され、液体蓄積タンク１３の下端は、下部バルブ１４を介して動力発生器２に連通される。

特に、蒸発器８、液体冷媒回流装置１５、及び動力発生器２は、上下方向に上から下に向けて順次配置される。

当該蒸発器中の気体冷媒はクーリング出力部１０との熱交換を行った後、低温且つ低圧の液体冷媒になる。液体冷媒は、蒸発器の底部に蓄積される。蒸発器８の底部に連通する上部バルブ１２は、定期的に開くことができる。開いてから所定時間が過ぎた後、液体蓄積タンク１３と蒸発器８との圧力のバランスが取られ、液体蓄積タンク１３の底部の液体冷媒は重力の作用で自由に液体蓄積タンク１３内に流れ入る。
図２に示すように、その後、上部バルブ１２は閉じる。そして、下部バルブ１４が開き、所定時間が過ぎた後、液体蓄積タンク１３と動力発生器２との圧力のバランスが取られ、液体蓄積タンク１３中の液体冷媒は、同じく、重力の作用で自由に動力発生器２に回流する。その後、下部バルブ１４は閉じる。このように、上部バルブと下部バルブとが交互に開いて、動力発生器と蒸発器との間の圧力が隔離される。液体冷媒回流装置１５によって、動力発生器と蒸発器との間の差圧を保持しながら、システムの連続運転を推進すると共に、液体冷媒の回流を実現する。上記過程によって、クーリングサイクルを実現できる。

このように、本発明によれば、重力の作用だけで冷媒の蒸発器から動力源への回流を実現し、且つ、システム全体が連続運転できるように、上部バルブと下部バルブによって動力発生器と蒸発器との間で所定の差圧を保持する。

前記バルブの定期的な開閉時間間隔は、コントローラによって制御できる。

本発明において、好ましくは、水冷式或いは風冷式を採用する。図３に示すように、本発明において、二重凝縮の直列連接を採用してもよい。即ち、まず、温水蓄積タンク２０を通過し、次に、風冷式凝縮器を通過して二次冷却される。

冷却冷媒としては、アンモニア、Ｆ１２、Ｆ２２、Ｆ５０２、液体窒素、１３４Ａなどであってもよい。

上記のように、本発明は、通常の各種の熱源を冷媒が動力源から蒸発器まで流れる動力とし、且つ、重力を冷媒が蒸発器から動力源まで回流する動力としている。そのため、通常のクーリングシステムで採用するコンプレッサーに係る複雑な電気エネルギーと機械エネルギーとの変換過程がないため、その構造が簡単で、コストが低く、いろいろな場合に適用できる。

このため、本発明のクーリングシステムによれば、通常の各種の熱源、例えば、温水器や各種のボイラの余熱などを利用でき、圧縮式クーリングに必須とした大量な電力が必要ではないため、エネルギーの節約が実現できる。また、本発明のクーリングシステムによれば、コンプレッサーによるノイズがなく、コストが低く、適用範囲が広い。使用者は、各地の異なる情況に基づいて、異なる熱源、例えば、太陽エネルギー、電加熱器の熱源、或いは、ボイラなどの余熱などを熱源として利用できる。

１ 熱源
２ 動力発生器
３ 液体冷媒
４ 気体冷媒
５ 凝縮器
７ スロットル
８ 蒸発器
１０ 出力部
１２ 上部バルブ
１３ 液体蓄積タンク
１４ 下部バルブ
１５ 液体冷媒回流装置
２０ 温水蓄積タンク

Claims (7)

1. 熱エネルギーを供給する熱源と、
   その内部に配置された前記熱源によって冷媒を加熱し、前記冷媒の温度及び圧力を上げて気化させる動力発生器と、
   前記動力発生器内の高温によって生じる差圧の作用により、液体の冷媒が前記動力発生器から流れ入り、その内部で前記液体の冷媒の温度を下げる凝縮器と、
   前記凝縮器を通過した前記液体の冷媒が前記差圧の作用によって噴出され、噴出時の射流により冷媒が減圧するとともに熱を吸収するように制御するスロットルと、
   前記スロットルから噴出された低温且つ低圧の冷媒が噴き入り、その内部で前記冷媒がクーリング出力部と熱交換を行い、液体としてその底部に蓄積される蒸発器と、
   前記蒸発器の底部に蓄積された液体の冷媒を重力の作用によって自由に前記動力発生器内に回流させる液体冷媒回流装置と、を備え、
   前記蒸発器、前記液体冷媒回流装置、及び前記動力発生器は、上下方向に上から下に向けて順次配置されることを特徴とするクーリングシステム。
2. 前記液体冷媒回流装置が、上部バルブと、液体蓄積タンクと、下部バルブと、を備え、前記液体蓄積タンクの上端は前記上部バルブを介して蒸発器に連通され、前記液体蓄積タンクの下端は前記下部バルブを介して動力発生器に連通され、且つ、前記上部バルブと前記下部バルブは同時に開くことがなく、それぞれタイミングをずらして開く請求項１に記載のクーリングシステム。
3. 前記液体の冷媒が、動力発生器における気液境界面の下方に位置するパイプ出口を介して前記動力発生器から流れ出す請求項１に記載のクーリングシステム。
4. 前記凝縮器が、水冷式又は風冷式、或いは両方の直列連接方式を採用する請求項１に記載のクーリングシステム。
5. 前記冷媒が、いかなる気液相変化冷媒である請求項１に記載のクーリングシステム。
6. 前記冷媒が、アンモニア、Ｆ１２、Ｆ２２、Ｆ５０２、液体窒素、又は１３４Ａである請求項５に記載のクーリングシステム。
7. 前記液体冷媒回流装置が、定期的に開く請求項１に記載のクーリングシステム。