JP2019168213A - ブラインチラー及び冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２冷媒を用いてブラインを冷却するブラインチラー及び、このブラインチラーを用いた冷却システムを提供する。【解決手段】このブラインチラー８０ａ、８０ｂ、及び冷却システム１００は、ＣＯ２冷媒を圧縮する圧縮部２０と、この圧縮部２０で圧縮されたＣＯ２冷媒を熱交換して液化する熱交換部２１と、この熱交換部２１で液化したＣＯ２冷媒を断熱膨張させる膨張部２４と、この膨張部２４で膨張したＣＯ２冷媒と冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃで熱交換したブラインとを熱交換して冷却するブライン熱交換部２８と、を有している。即ち、温暖化係数の小さいＣＯ２冷媒を用いてブラインの冷却を行い、このブラインを用いて冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却を行う。これにより、温暖化係数の高い温室効果ガスの使用量を低減することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＯ２冷媒を用いてブラインを冷却するブラインチラー及び、このブラインチラーによって冷却されたブラインを冷蔵庫、冷水装置、空調システム等の温度管理設備の冷却に利用する冷却システムに関するものである。

例えば商店や商業施設等では、庫内（室内）を所定の温度に維持管理する冷蔵庫や冷蔵ショーケース、空調システム等の温度管理設備が複数利用されている。このような温度管理設備の冷却システムの一つとして、例えば、下記［特許文献１］、［特許文献２］には、ブライン（不凍液）を冷却して蓄熱し、このブラインを冷却負荷に流下させて冷却する蓄熱冷却システムに関する発明が開示されている。このブラインを用いて冷却するシステムは、冷蔵庫や工場等の冷水装置、冷房空調等の温度管理に利用されるブラインチラーに対しても適用可能である。

特開平１１−２８１１０３号公報 特開２０００−６５４０１号公報

これら従来の冷却システムでは冷媒としてＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）やＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）といった特定フロンやＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）といった代替フロンが使用されてきた。しかしながら、現在、特定フロンはオゾン層破壊物質として、また代替フロンは温室効果ガスとして、国際的な規制が行われている。このため、これらフロンに替わる環境負荷（温暖化係数）の小さいＣＯ_２冷媒への代替が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＣＯ_２冷媒を用いてブラインを冷却するブラインチラー及び、このブラインチラーを備えた冷却システムの提供を目的とする。

本発明は、
（１）ブラインを貯留するクッションタンク３０と、前記クッションタンク３０内のブラインを冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃ側に供給する供給配管４０と、前記冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃで熱交換した戻りブラインを冷却するブライン冷却手段３２と、を備え、
前記ブライン冷却手段３２は、ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮部２０と、前記圧縮部２０で圧縮されたＣＯ_２冷媒を熱交換して液化する熱交換部２１と、前記熱交換部２１で液化したＣＯ_２冷媒を断熱膨張させる膨張部２４と、前記膨張部２４で膨張したＣＯ_２冷媒と前記戻りブラインとを熱交換して冷却するブライン熱交換部２８と、を有することを特徴とするブラインチラー８０ａ、８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（２）戻りブラインを貯留する第２のクッションタンク３６と、前記第２のクッションタンク３６内に貯留した戻りブラインをブライン冷却手段３２に供給する戻りブライン供給配管６０と、をさらに有することを特徴とする上記（１）記載のブラインチラー８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（３）複数のブライン冷却手段３２が戻りブライン供給配管６０に対して並列に接続したことを特徴とする上記（２）記載のブラインチラー８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のブラインチラー８０ａ、８０ｂと、供給配管４０に接続した冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃと、クッションタンク３０内のブラインを前記供給配管４０を介して前記冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃ側に圧送するポンプ手段４２と、を有することを特徴とする冷却システム１００を提供することにより、上記課題を解決する。

本発明に係るブラインチラー、冷却システムは温暖化係数の小さいＣＯ_２冷媒を用いてブラインの冷却を行い、このブラインを用いて冷却負荷の冷却を行う。これにより、温暖化係数の高い温室効果ガスの使用量を低減することができる。

本発明に係る第１の形態のブラインチラーを備えた冷却システムの概略構成図である。 本発明に係る第２の形態のブラインチラーを備えた冷却システムの概略構成図である。

本発明に係るブラインチラー８０ａ、８０ｂ及び冷却システム１００について図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る第１の形態のブラインチラー８０ａを備えた冷却システム１００の概略構成図である。また、図２は本発明に係る第２の形態のブラインチラー８０ｂを備えた冷却システム１００の概略構成図である。

先ず、本発明に用いるブラインは、エチレングリコールやプロピレングリコール等の周知の不凍液を水で希釈して、所定の濃度に調製したものである。そして、図１、図２に示すブラインチラー８０ａ、８０ｂは、このブラインを貯留するクッションタンク３０と、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃからの戻りブラインを冷却してクッションタンク３０内に吐出するブライン冷却手段３２と、クッションタンク３０内のブラインを冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃ側に供給する供給配管４０と、を備えている。

また、ブラインチラー８０ａ、８０ｂのブライン冷却手段３２は、ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮部２０と、この圧縮部２０で圧縮されたＣＯ_２冷媒を冷却して液化する熱交換部２１と、この熱交換部２１で液化したＣＯ_２冷媒を断熱膨張させる膨張弁等の周知の膨張部２４と、この断熱膨張したＣＯ_２冷媒との熱交換により戻りブラインを冷却するブライン熱交換部２８と、を有している。また、ブライン冷却手段３２は、熱交換部２１で液化したＣＯ_２冷媒を更に冷却する液ガス熱交換部２２を有することが好ましい。尚、この液ガス熱交換部２２は、熱交換部２１で液化した上流側のＣＯ_２冷媒と、ブライン熱交換部２８で戻りブラインの冷却に使用した下流側のＣＯ_２冷媒との間で熱交換を行い、上流側のＣＯ_２冷媒を冷却するものが好ましい。また、ブライン冷却手段３２の圧縮部２０及び熱交換部２１は、ＣＯ_２冷媒を用いた周知の冷凍装置の室外機３４を用いることが好ましい。さらに、ブライン冷却手段３２は、ＣＯ_２冷媒中に混入した水分を除去するための周知のドライヤ１０を、熱交換部２１と液ガス熱交換部２２との間に有していても良い。また、ＣＯ_２冷媒中に混入した夾雑物を除去する周知のサクションフィルタ１２を、液ガス熱交換部２２と圧縮部２０との間に有していても良い。

また、図２に示す本発明に係る第２の形態のブラインチラー８０ｂは、上記の構成に加え、戻りブラインを貯留する第２のクッションタンク３６と、この第２のクッションタンク３６内に貯留した戻りブラインをブライン冷却手段３２側に供給する戻りブライン供給配管６０と、この戻りブライン供給配管６０に第２のクッションタンク３６内の戻りブラインを圧送するポンプ手段６２と、を有している。尚、第２の形態のブラインチラー８０ｂでは、複数のブライン冷却手段３２を設け、これらを戻りブライン供給配管６０に対して並列に接続することが好ましい。

そして、第１の形態のブラインチラー８０ａには、帰還配管４６のブライン熱交換部２８よりも下流側に温度センサＳ１が設けられ、ブライン冷却手段３２によって冷却された戻りブラインの温度を取得して制御部に出力する。また、第２の形態のブラインチラー８０ｂには、クッションタンク３０内に設置され貯留したブラインの温度を取得する温度センサＳ１と、帰還配管４６に設置され戻りブラインの温度を取得する温度センサＳ３と、ブライン熱交換部２８の下流側に設置されブライン冷却手段３２で冷却された戻りブラインの温度をブライン冷却手段３２毎に取得する温度センサＳ４と、が設けられている。

また、本発明に係る冷却システム１００は、上記のブラインチラー８０ａ、８０ｂと、このブラインチラー８０ａ、８０ｂの供給配管４０に接続した冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃと、クッションタンク３０内のブラインを供給配管４０を介して冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃ側に圧送するポンプ手段４２と、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃで熱交換された戻りブラインをブラインチラー８０ａ、８０ｂ側に送る帰還配管４６と、これらの各部を制御する図示しない制御部と、を有している。

また、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃは、例えば冷蔵倉庫、その他の冷蔵設備、冷水装置、冷房空調設備等であり、供給配管４０からのブラインと直接もしくは間接的に熱交換して庫内（室内）の被冷却物を冷却する熱交換器５２をそれぞれ有している。

ここで、冷却負荷５０Ａはブラインとの熱交換により直接庫内を冷却する冷蔵倉庫の例を示している。また、冷却負荷５０Ｂは間接熱交換器５８を介して被冷却物としての槽内の水を間接的に冷却する冷水装置の例を示しており、冷却負荷５０Ｃは間接熱交換器５８を介して被冷却物としての室内の空気を間接的に冷却する冷房空調設備の例を示している。尚、間接熱交換器５８は、ブラインと冷却媒体との熱交換を行う冷水熱交換器５８ａと、この冷却媒体を熱交換器５２と冷水熱交換器５８ａとの間で循環させるポンプ手段５９と、を有している。尚、冷却媒体には特に限定は無いが、水を用いることが好ましい。そして、間接熱交換器５８は、ブラインとの熱交換で冷却された冷却媒体を冷却負荷５０Ｂ、５０Ｃ内の被冷却物と熱交換させることで、これら被冷却物を間接的に冷却する。

また、ブラインと熱交換が行われる熱交換器５２もしくは冷水熱交換器５８ａの上流には３方弁５４がそれぞれ設けられており、この３方弁５４の一方の吐出側がそれぞれの熱交換器５２もしくは冷水熱交換器５８ａと接続する。また、３方弁５４の他方の吐出側には熱交換器５２、冷水熱交換器５８ａの下流で合流するバイパス管５６が接続する。また、各冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃにはそれぞれの被冷却物の温度を測定して出力する温度センサＳ２がそれぞれ設けられている。

尚、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃは単体で構成しても良いが、図１、図２に示すように、基本的に複数台接続して用いる。この際、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃは直列に接続し、さらに低温での冷蔵が要求される冷却負荷（冷却負荷５０Ａ）を上流側に配置し、それよりも若干高い温度での冷蔵が許容される冷却負荷（冷却負荷５０Ｂ、５０Ｃ）を下流側に順に配置する。この構成では上流側の冷却負荷５０Ａに低温のブラインが供給され、このブラインとの熱交換により庫内の冷却が行われる。また、この冷却に用いられたブラインは下流側の冷却負荷５０Ｂ、５０Ｃに順々に供給され、直接もしくは間接熱交換器５８を介して庫内の冷却が行われる。この構成では、低い冷却温度が要求される冷却負荷５０Ａに最も低温のブラインを供給して庫内の冷却を行い、さほどの冷却温度が要求されない冷却負荷５０Ｂ、５０Ｃには前段の冷却負荷で使用したブラインを用いて冷却を行う。このように、ブラインの持つ冷熱をカスケード的に無駄なく利用することで、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの効率的な冷却を行うことができる。そして、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却に使用された戻りブラインは帰還配管４６を介してブラインチラー８０ａ、８０ｂ側に流下する。

次に、本発明に係る第１の形態のブラインチラー８０ａ及びこれを備えた冷却システム１００の動作を図１を用いて説明する。先ず、制御部は温度センサＳ１を介してブライン熱交換部２８の下流側のブラインの温度を取得して、このブラインの温度が予め設定された所定の温度を超えている場合にブライン冷却手段３２を動作させる。これにより、圧縮部２０が動作してＣＯ_２冷媒を圧縮し高温高圧状態にして吐出する。次に、この高温高圧のＣＯ_２冷媒は熱交換部２１において外気もしくは水との熱交換により冷却し液化する。次に、このＣＯ_２冷媒はドライヤ１０により内部に混入した不要な水分が除去される。次に、ＣＯ_２冷媒は液ガス熱交換部２２を流下して、ブラインの冷却に用いられた下流側のＣＯ_２冷媒との間で熱交換が行われ更に冷却する。次に、このＣＯ_２冷媒は膨張部２４にて断熱膨張し低温低圧の気液二相冷媒となる。次に、このＣＯ_２冷媒はブライン熱交換部２８を流下して負荷冷却後の戻りブラインとの間で熱交換が行われ気化する。そして、この際のＣＯ_２冷媒の吸熱により戻りブラインの温度が低下する。ブライン熱交換部２８にて冷却された戻りブラインはクッションタンク３０に吐出され貯留される。また、ブライン熱交換部２８で気化したＣＯ_２冷媒は液ガス熱交換部２２に流入し、上流側のＣＯ_２冷媒（液相）との間で熱交換がなされる。次に、ＣＯ_２冷媒はサクションフィルタ１２にて無用な夾雑物が除去された後、圧縮部２０に吸引され、高温高圧のＣＯ_２冷媒として再度吐出される。そして、制御部は温度センサＳ１を介して取得した冷却後のブラインの温度が予め設定された温度以下となった場合、ブライン冷却手段３２を停止する。これにより、クッションタンク３０内には所定の温度のブラインが貯留される。

これと並行して、冷却システム１００の制御部はポンプ手段４２を動作させる。これにより、クッションタンク３０内のブラインはポンプ手段４２によって圧送され最上流に位置する冷却負荷５０Ａの３方弁５４に到達する。このとき制御部は、温度センサＳ２を介して取得した冷却負荷５０Ａの庫内の温度が予め設定された温度よりも高い場合に、３方弁５４の吐出方向を熱交換器５２側とする。この場合、ブラインは熱交換器５２もしくは冷水熱交換器５８ａを流下して直接もしくは間接的に庫内の被冷却物との熱交換が行われ、冷却負荷５０Ａの被冷却物の温度は低下する。そして、後段の冷却負荷５０Ｂ側に流下する。また、冷却負荷５０Ａの庫内の温度が予め設定された温度よりも低い場合、制御部は冷却負荷５０Ａの冷却状態は十分であるとして３方弁５４の吐出方向をバイパス管５６側とする。この場合、ブラインは熱交換器５２を通らずにバイパス管５６を通って後段の冷却負荷５０Ｂ側に直接流下する。そして、冷却負荷５０Ｂ側に流下したブラインは、冷却負荷５０Ａと全く同様にして熱交換器５２（冷水熱交換器５８ａ）もしくはバイパス管５６を通って冷却負荷５０Ｃ側に流下する。また、冷却負荷５０Ｃ側に流下したブラインは、同様にして熱交換器５２（冷水熱交換器５８ａ）もしくはバイパス管５６を通って帰還配管４６に流下する。そして、この戻りブラインは、ブライン熱交換部２８にて気液二相状態のＣＯ_２冷媒との間で熱交換が行われ（ＣＯ_２冷媒の気化時の吸熱により）冷却される。冷却された戻りブラインはクッションタンク３０内に吐出されるとともに、ポンプ手段４２によって再度冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃ側に圧送され、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却に給される。

次に、本発明に係る第２の形態のブラインチラー８０ｂ及びこれを備えた冷却システム１００の動作を図２を用いて説明する。尚、ブライン冷却手段３２の動作及び冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却動作は第１の形態のブラインチラー８０ａのものと全く同一なため説明は省略する。

先ず、冷却システム１００の制御部はポンプ手段４２、６２を動作させる。これにより、クッションタンク３０内のブラインは供給配管４０に圧送され冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却に給される。そして、第２の形態のブラインチラー８０ｂでは、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却に用いられた戻りブラインは、帰還配管４６を介して第２のクッションタンク３６に吐出される。このとき帰還配管４６を流下する戻りブラインの温度は温度センサＳ３が取得して制御部に出力する。また、制御部は温度センサＳ３が取得した戻りブラインの温度もしくは温度センサＳ１が取得したクッションタンク３０内のブラインの温度に応じて、動作させるブライン冷却手段３２の台数を決定する。次に、制御部は動作させるブライン冷却手段３２と対応した温度センサＳ４を確認し、この温度センサＳ４の示す温度が所定の値以上の場合にそのブライン冷却手段３２を動作させる。

また、第２のクッションタンク３６内に貯留された戻りブラインはポンプ手段６２の動作により戻りブライン供給配管６０内に圧送され、各ブライン冷却手段３２のブライン熱交換部２８に供給される。そして、動作中のブライン冷却手段３２のブライン熱交換部２８においてＣＯ_２冷媒との熱交換が行われ冷却される。ブライン冷却手段３２によって冷却された戻りブラインは配管６４を通ってクッションタンク３０に吐出され貯留される。そして、冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却に給される。

また、ブライン熱交換部２８の下流側には温度センサＳ４がブライン冷却手段３２毎に設けられ、それぞれのブライン熱交換部２８で冷却された戻りブラインの温度を取得して制御部に出力する。制御部は温度センサＳ４が取得した冷却後の戻りブラインの温度が所定の温度以下を示した場合、そのブライン冷却手段３２を停止する。これにより、戻りブラインの過度の冷却によるブライン熱交換部２８内での凍結を防止することができる。また、ブライン冷却手段３２の停止により温度センサＳ４の示す温度が所定の値以上になると制御部はそのブライン冷却手段３２を再度動作させる。

そして、この第２の形態のブラインチラー８０ｂでは、戻りブラインを第２のクッションタンク３６に一旦貯留し、第２のクッションタンク３６からブライン冷却手段３２に戻りブラインを供給するため、細かな制御が可能となり冷却効率の向上を図ることができる。

以上のように、本発明に係るブラインチラー８０ａ、８０ｂ、及び冷却システム１００は温暖化係数の小さいＣＯ_２冷媒を用いてブラインの冷却を行い、このブラインを用いて冷却負荷５０Ａ〜５０Ｃの冷却を行う。これにより、温暖化係数の高い温室効果ガスの使用量を低減することができる。

尚、本例で示したブラインチラー８０ａ、８０ｂ、冷却システム１００、ブライン冷却手段３２等の各部の構成、機構、形状、寸法、配管経路、動作等は一例であるから、本例に限定される訳ではなく、本発明は本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能である。

２０ 圧縮部
２１ 熱交換部
２４ 膨張部
２８ ブライン熱交換部
３０ クッションタンク
３２ ブライン冷却手段
３６ 第２のクッションタンク
４０ 供給配管
４２ ポンプ手段
５０Ａ〜５０Ｃ 冷却負荷
６０ 戻りブライン供給配管
８０ａ、８０ｂ ブラインチラー
１００ 冷却システム

Claims (4)

1. ブラインを貯留するクッションタンクと、前記クッションタンク内のブラインを冷却負荷側に供給する供給配管と、前記冷却負荷で熱交換した戻りブラインを冷却するブライン冷却手段と、を備え、
   前記ブライン冷却手段は、ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部で圧縮されたＣＯ_２冷媒を熱交換して液化する熱交換部と、前記熱交換部で液化したＣＯ_２冷媒を断熱膨張させる膨張部と、前記膨張部で膨張したＣＯ_２冷媒と前記戻りブラインとを熱交換して冷却するブライン熱交換部と、を有することを特徴とするブラインチラー。
2. 戻りブラインを貯留する第２のクッションタンクと、前記第２のクッションタンク内に貯留した戻りブラインをブライン冷却手段に供給する戻りブライン供給配管と、をさらに有することを特徴とする請求項１記載のブラインチラー。
3. 複数のブライン冷却手段が戻りブライン供給配管に対して並列に接続したことを特徴とする請求項２記載のブラインチラー。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のブラインチラーと、供給配管に接続した冷却負荷と、クッションタンク内のブラインを前記供給配管を介して前記冷却負荷側に圧送するポンプ手段と、を有することを特徴とする冷却システム。

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