JP2020115060A

JP2020115060A - 冷却装置および空調システム

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Publication number: JP2020115060A
Application number: JP2019006434A
Authority: JP
Inventors: 前田　洋輔; Yosuke Maeda; 洋輔前田
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: JP6647765B1

Abstract

【課題】冷却塔の代替として用いることができ、冷凍機などで用いられる冷却水を経済的に冷却することができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１０は、冷却水Ｗ１の熱を吸収する熱媒体Ｍを収容した吸熱部２と、吸熱部２の上方に配置され、冷却水Ｗ１の熱を吸収して吸熱部２の内部で沸騰または蒸発した熱媒体Ｍの蒸気を冷却し凝縮させる放熱部４と、吸熱部２と放熱部４とを連通させる上向ダクト３と、放熱部４で凝縮された液体の熱媒体Ｍを吸熱部２に還流させるための下降配管６とを備えており、熱媒体Ｍとしてアンモニア水が用いられる。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置および空調システムに関し、特に、ビル空調や工場において用いられる冷却水を冷却するための冷却塔を代替し得る冷却装置およびこれを備える空調システムに関する。

従来、ビル空調や工場において、冷凍機で用いられる冷却水の温度を低下させるために冷却塔が使用されている。冷却塔は、通常、施設の屋上など、外気と接する屋外の場所に設置されている。

冷却塔は、ポンプによって冷凍機との間を冷却水が循環するように設けられている。冷却塔で冷却された冷却水は、冷凍機の凝縮器に送られて冷媒ガスと熱交換を行う。また、冷媒ガスとの熱交換により吸熱した冷却水は、再び冷凍機から冷却塔に戻されて冷却されてから、再度冷凍機へと送られて使用される。

冷却塔は、冷却水の蒸発潜熱を利用する冷却装置であり、典型的にはファンを用いて強制的に水を蒸発させることによって冷却水の温度を低下させている。例えば、開放式の冷却塔では、外気（ファンによって生じた気流）と接触させて冷却水の一部を蒸発させており、約３７℃の冷却水の約１％を蒸発させることによって、残りの冷却水を約３２℃まで冷却することができる。

特許文献１は、冷却塔を用いて冷却水を供給するように構成された吸収サイクル動作設備を記載している。特許文献１に記載の設備では、冷却水の温度検出機構を設けて、冷却水の温度に基づいて冷却塔のファンの回転数を制御することによって、冷却水の温度を設定温度に調整している。

特開平９−１４５１９４号公報特開平５−３５３５５号公報特開昭６２−２７２８６０号公報

冷却塔は、冷却水の蒸発潜熱を利用する合理的な冷却装置であるが、外気温度が低い場合や外気湿度が高い場合等には、冷却塔での蒸発による水蒸気の白煙が発生するという問題がある。冷却塔は屋外に設置されていることが多く、白煙が発生する状況は好ましくないことがある。

また、冷却塔では、多量の冷却水の強制的な蒸発によって冷却が行われるので、蒸発した水および冷却塔からの飛散により失われる水を常に補給する必要がある。このため、特に冷却水に上水を使用する都市部では、水の補給コストが大きな負担となる。なお、冷却塔において、蒸発分を補うための補給水量は、例えば、循環水量（約１６６０ｍ³／ｈ）の１．５％に設定されており、比較的多い量である。

また、冷却塔で繁殖したレジオネラ菌が冷却水と共に飛散し、周辺の人々に重大な被害を及ぼすことがある。

さらに、冷却塔は、冷却源として水を必要としているため、災害時などに水が供給されない場合には、冷却設備の運転継続が困難になるという問題がある。

したがって、白煙を出さず、なおかつ冷却水の補給量を減らすことができる、運転コストが安価な冷却装置を提供することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、従来の冷却塔の代替として用いることができ、外気に左右されず冷却水の冷却を好適に行うことができる省エネルギーな冷却装置を提供することをその主たる目的とする。

本発明の実施形態による冷却装置は、冷却水の熱を吸収する熱媒体を収容した吸熱部と、前記吸熱部の上方に配置され、前記冷却水の熱を吸収して前記吸熱部の内部で沸騰または蒸発した熱媒体の蒸気を冷却し凝縮させる放熱部と、前記吸熱部と前記放熱部とを連通させる上向ダクトと、前記放熱部で凝縮された液体の熱媒体を前記吸熱部に還流させるための下降配管とを備え、前記熱媒体としてアンモニア水が用いられる。

ある実施形態において、前記アンモニア水として２３ｗｔ％〜３０ｗｔ％濃度のアンモニア水が用いられ、上記の冷却装置は、３５℃〜４５℃の冷却水を３０℃〜３５℃に冷却するように構成されている。

ある実施形態において、前記下降配管に、前記放熱部から自然落下で流れる熱媒体の流れによって電力を発生させる電磁誘導式発電装置が設けられている。

ある実施形態において、上記の冷却装置は、前記放熱部を冷却する冷却ファンと、前記下降配管の上端に接続され前記放熱部で凝縮した熱媒体を貯蔵するすり鉢形状の熱媒チャンバとをさらに備える。

ある実施形態において、前記吸熱部を収容し、前記吸熱部の外側において前記冷却水が流出入するように構成された冷却水容器をさらに備え、前記吸熱部の外壁に、前記冷却水と接する複数のフィンが設けられている。

本発明の実施形態による空調システムは、上記いずれかの冷却装置と、前記冷却装置との間を前記冷却水が循環するように設けられた冷凍機と、前記冷凍機から冷水が供給される空調機とを備える。

本発明の実施形態による冷却装置によれば、白煙を出さず、また、運転コストを安価にしながら冷却水を適切に冷却することができる。

本発明の実施形態による冷却装置を備える空調システムを示す模式図である。本発明の実施形態による冷却装置を示す模式図である。アンモニア水のアンモニア濃度と１気圧のときの沸点との関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態による冷却装置の一部を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態による冷却装置１０を備える空調（空気調和）システム１００の構成を示す。空調システム１００は、本実施形態による冷却装置１０と、冷却装置１０から冷却水Ｗ１が供給される冷凍機２０と、冷凍機２０から冷水Ｗ２が供給される空調機３０とを備えている。

空調システム１００において、本実施形態の冷却装置１０は、図１に示す冷却塔９０の代替の冷却装置として設けることができるものであり、冷却塔９０は必須ではない。ただし、空調システム１００は、冷却装置１０と冷却塔９０との両方を備え、必要に応じて、冷却装置１０と冷却塔９０との両方または一方を冷却水の冷却に用いるように構成されていてもよい。冷却塔９０は屋外に設置される一方で、冷却装置１０は、冷却水が密閉されており飛散も蒸発もないため、屋内に設置することも可能である。

冷却装置１０は、冷凍機２０との間に冷却水Ｗ１の循環経路を形成している。より具体的には、冷却装置１０で冷却された冷却水Ｗ１は、ポンプ１５によって冷凍機２０の凝縮器２２に送られ、ここで、フロンガスなどの冷媒ガスと熱交換を行う。そして、冷媒ガスの冷却により加温された冷却水Ｗ１’が冷却装置１０へと戻され、再度冷却される。冷凍機入口での冷却水Ｗ１の温度は例えば約３２℃であり、冷凍機出口での冷却水Ｗ１’の温度は例えば約３７℃である。なお、特に区別する必要がない場合、以下では、冷凍機２０から送られる冷却水Ｗ１’と、冷却装置１０で冷却した後の冷却水Ｗ１とをまとめて単に冷却水Ｗ１と称することがある。

また、冷凍機２０は、上記の凝縮器２２に加えて、冷媒ガスを圧縮・高温化して凝縮器２２へと送る圧縮機２４と、凝縮器２２で液化した冷媒ガスが供給される蒸発器２６とを備えている。冷凍機２０は、蒸発器２６において、熱交換器の内部を流れる冷水Ｗ２を冷却するように構成されている。冷凍機２０で生成された冷水Ｗ２は、負荷である空調機３０へと送られ、空調のために使用される。また、空調機３０で使用された冷水Ｗ２は、冷凍機２０に戻され、再度冷却される。空調機３０に送られる冷水Ｗ２の温度は例えば５℃以下であり、ポンプ２５によって冷凍機２０と空調機３０との間を循環する。

以下、図２を参照しながら、本実施形態の冷却装置１０の詳細構成を説明する。

図２に示すように、冷却装置１０は、冷却対象である冷却水Ｗ１’の熱を吸収する熱媒体Ｍを収容した吸熱部２と、吸熱部２で蒸発した熱媒体Ｍ（以下、熱媒蒸気と呼ぶことがある）を吸熱部２の上方へと誘導する上向ダクト３と、上向ダクト３の中を上昇してきた熱媒蒸気を下向へと反転させるターンダクト３ａと、ターンダクト３ａから排出された熱媒蒸気を冷却し凝縮させる放熱部４と、放熱部４を冷却する冷却ファン９と、放熱部４で凝縮した熱媒体Ｍを一旦貯蔵するすり鉢形状の熱媒チャンバ５と、熱媒チャンバ５で貯蔵された熱媒体Ｍを吸熱部２へ戻すための下降配管６と、下降配管６に設置された電磁誘導式発電装置７とを備えている。

本実施形態において、吸熱部２に収容される熱媒体Ｍとしては、低沸点の熱媒体が用いられており、具体的には、アンモニアと水との混合物（以下、アンモニア水と呼ぶことがある）が用いられている。また、アンモニア水としては、約２３ｗｔ％（重量％）〜約３０ｗｔ％濃度のアンモニア水が用いられている。

図３は、アンモニア水のアンモニア濃度（ｗｔ％）と、１気圧のときの沸点（℃）との関係を示すグラフである。図３からわかるように、アンモニア水は、アンモニア濃度によって沸点が異なり、アンモニア濃度が高いほど沸点は低くなる傾向がある。グラフからわかるように、約２３ｗｔ％〜約３０ｗｔ％濃度のアンモニア水は、その沸点が約３０℃〜約４０℃となる。一例をあげると、工業的に入手しやすい約２５ｗｔ％濃度のアンモニア水の沸点は、約３８℃である。

したがって、冷却装置１０に導入された例えば３５℃〜４５℃の冷却水Ｗ１’からの放熱によって、上記濃度のアンモニア水を沸騰させることが可能であり、また、アンモニア水の蒸発潜熱を冷却水Ｗ１’から奪うことによって、冷却水の温度を例えば３０℃〜４０℃にまで下げることができる。アンモニア水は、上記のようにアンモニア濃度を選択することによって沸点を変更することができ、また、化学的にも安定しているため、冷却水Ｗ１の冷却に適している。

熱媒体Ｍとして使用するアンモニア水（アンモニア水Ｍと呼ぶことがある）のアンモニア濃度は、導入される冷却水Ｗ１’の温度等を考慮して適宜選択されてよいが、例えば、約２５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の濃度のアンモニア水Ｍを用いて、約３５℃〜約４０℃の冷却水を約３０℃〜３５℃に冷却することができる。より具体的には、約２５ｗｔ％〜約２８ｗｔ％の濃度のアンモニア水Ｍを用いて、約３８℃〜約４０℃（入口温度３９℃設定）の冷却水を約３０℃〜約３２℃（出口温度３１℃設定）に冷却することができる。

再び図２を参照して冷却装置１０の構成を説明する。図２に示す冷却装置１０は、吸熱部２を取り囲み、内部を冷却水Ｗ１が流出入するように構成された冷却水容器８を備えている。冷却水容器８は、吸熱部２の外側において、冷却水Ｗ１が流出入できるように構成されている。また、吸熱部２の外壁には、冷却水容器８内の冷却水Ｗ１と接する複数のフィン２ａが設けられている。フィン２ａは、熱伝導率が高い金属、例えば銅から形成される。

なお、吸熱部２、上向ダクト３、ターンダクト３ａ、放熱部４、熱媒チャンバ５等の、アンモニア水Ｍまたはアンモニア水Ｍの蒸気と接する部材については、アンモニアとの反応性の低い材料、例えば、ステンレスから形成することが好適である。

以上の構成において、冷凍機２０（図１参照）において温度上昇した冷却水Ｗ１’は、複数のフィン２ａが設けられて熱交換性が向上した吸熱部２に接するようにして、流入路１１から冷却水容器８へと流入する。流入した冷却水Ｗ１’は、吸熱部２の内部に収容されたアンモニア水Ｍに熱を与え、アンモニア水Ｍを沸騰または蒸発させる。なお、流入路１１は、冷却水Ｗ１’の熱が吸熱部２に効率的に伝わる限り、任意の場所に任意の態様で設けられていてよい。

このとき、アンモニア水Ｍの蒸発潜熱は比較的大きいので、アンモニア水Ｍの蒸発のために冷却水Ｗ１は効果的に放熱する。そして、放熱した冷却水Ｗ１の温度は所定の温度に低下し、すなわち冷却されてから冷却水容器８から回収される。冷却水容器８から回収された冷却水Ｗ１は、流出路１２を介して冷凍機２０へと送られる。この過程において、冷却水Ｗ１の冷却は、冷却水Ｗ１の蒸発を伴わずに行われるため、白煙が発生することはない。なお、流出路１２は、吸熱部２によって冷却された冷却水Ｗ１を適切に取り出せる限り、任意の場所に任意の態様で設けられていてよい。

また、冷却水Ｗ１を冷却する過程において、吸熱部２では、冷却水Ｗ１からの放熱によってアンモニア水Ｍが加温されて沸騰または蒸発し、液面上方にアンモニア水Ｍの蒸気（熱媒蒸気）が発生する。そして、発生したアンモニア水Ｍの蒸気は、吸熱部２の上壁に連通接続された上向ダクト３を通って、上方へと移動する。冷却水Ｗ１の流量が１６６０ｍ³／ｈ、入口水温度が３９℃、冷却後温度が３１℃の場合、上向ダクト３の内径は例えば６５０ｍｍに設計され、上向ダクト３の内部を流れる熱媒蒸気の流速は例えば１５ｍ／ｓに設定される。

上向ダクト３の上端にあるターンダクト３ａは、図示するようにＵ字型に曲げられており、その端部が放熱部４に連通接続されている。放熱部４は、吸熱部２の上方に配置されており、上向ダクト３およびターンダクト３ａによって誘導された熱媒蒸気を冷却し、凝縮させることができる。ターンダクト３ａは、熱媒蒸気の流れ方向を下向に反転させることができ、放熱部４で凝縮した熱媒体が上向ダクト３を通って吸熱部２に戻ることを防止することができる。

また、本実施形態では、冷却ファン９によって放熱部４を外側から冷却しており、これによって放熱部４における熱媒蒸気の凝縮を促進させることができる。冷却ファン９は、放熱部４の横側に限られず、放熱部４の上側や下側に設けられていてもよいし、２つ以上が設けられていてもよい。また、ファンに限られず、放熱部４を冷却することができる種々の冷却手段が設けられていてもよい。

放熱部４において凝縮し液化した液体の熱媒体、すなわちアンモニア水Ｍは、放熱部４の下部に連通接続されたすり鉢状の熱媒チャンバ５にいったん貯蔵される。熱媒チャンバ５はすり鉢状に形成されているので、放熱部４で液化したアンモニア水Ｍを適切に収集することができる。また、熱媒チャンバ５はすり鉢形状となっており、加熱側となる冷却水Ｗ１’の温度変化などによって凝縮する熱媒量が変化したときにもこれに対応するとともに、アンモニア水Ｍが少量であっても小径の下降配管６の入り口を容易に塞ぐことができ、下降配管６に気泡が混入しないように機能する。

このようにして、熱媒チャンバ５で集められたアンモニア水Ｍは、自重により、熱媒チャンバ５の下端に接続された下降配管６を介して自然落下し、吸熱部２へと還流する。冷却水Ｗ１の流量が１６６０ｍ³／ｈ、入口水温度が３９℃、冷却後温度が３１℃の場合、下降配管６の内径は例えば１００ｍｍに設計され、下降配管６の内部を流れるアンモニア水の流速は例えば１．１ｍ／ｓに設定される。

上記のようにアンモニア水Ｍは還流されるが、吸熱部２において、アンモニア水Ｍを沸騰させる領域（すなわち上向ダクト３に通じる領域）と、還流したアンモニア水Ｍが下降配管６から排出される領域とは、壁２ｂによって上部で隔てられていてもよい。壁２ｂを設けることによって、沸騰が行われる領域に対して、下降配管６から比較的低温のアンモニア水Ｍが直接排出されることが防止されるので、効率的に沸騰を行い得る。また、壁２ｂの下部は開放されて連通部を形成しており、下降配管６から排出されたアンモニア水Ｍは、連通部を介して沸騰領域へと流入することができる。したがって、アンモニア水Ｍは閉じた空間の内部を循環することができ、冷却水Ｗ１の冷却を行っている間もアンモニア水Ｍを補給する必要がない。

以上に説明したように、本実施形態の冷却装置１０は、冷却水Ｗ１の蒸発潜熱ではなく、低沸点熱媒体であるアンモニア水Ｍの蒸発潜熱を利用して冷却水Ｗ１を冷却するように構成されている。これにより、従来の冷却塔とは異なり、ファンによる冷却水の強制的な蒸発を行わずに済み、低温時や高湿度時における白煙の発生を防止することができる。

また、冷却水Ｗ１は、吸熱部２において吸熱により温度が下げられ、冷却水Ｗ１の蒸発や装置からの飛散を伴わないため、冷却水Ｗ１の補給を不要にすることができる。なお、特許文献２には、水やアルコールなどの作動液を用いて熱搬送を行うサーモサイフォンが記載されているが、特許文献２は、アンモニア水を熱媒体として用いて冷却塔の代替として用いられる冷却装置を開示するものではない。

このように本発明の実施形態による冷却装置１０は、従来の冷却塔を代替し得るものであり、例えば、冷却能力：１５４４２ｋＷ、循環水量：１６６０ｍ³／ｈに設計される。また、冷却装置１０の入口水温度は３９℃に設定され、出口水温度は３１℃に設定され得る。冷却装置１０は、このような冷却能力を実現しながらも、冷却塔のように外気の環境に左右されることなく、安定して経済的に冷却水の冷却を行うことができる。

また、本実施形態の冷却装置１０は、下降配管６に設置された電磁誘導式発電装置７を備えている。電磁誘導式発電装置７は、下降配管６を挟んで対向する一対の磁極を有する磁石７ａと、下降配管６の延伸方向（熱媒体の流れ方向）と直交し、かつ、磁石７ａが形成する磁場方向と直交する方向において下降配管６を挟んで対向するように配置された電極対７ｂとによって構成されている。

磁石７ａは、下降配管６の延伸方向と直交する方向に磁場を形成できる限り任意の態様を有していてよく、例えば、下降配管６を挟んで対向する一対の磁石によって構成されていてもよいし、Ｕ字型の単一の磁石によって構成されていてもよい。

下降配管６内を熱媒体が自然落下により流れるとき、電磁誘導式発電装置７では、磁場を横切って流れる熱媒体によって、電極対７ｂの間に起電力が発生する。すなわち、本実施形態では、冷却水Ｗ１からの熱吸収により熱媒体Ｍがガス化することにより発生する気体の運動エネルギーが、放熱部４において凝縮され位置エネルギーとなり、さらに、下降配管６を通過するときに電気エネルギーに変換される。なお、特許文献３には、ヒートパイプ内に充填されたナトリウムなどの金属原料を１０００℃程度の高温の熱源を用いて気化して高速に移動させるときに電力を取り出すように構成された所謂ＭＨＤ（Magneto-Hydro-Dynamics）発電機が開示されており、発電の原理としては本実施形態においても同様の原理によって発電を行うことができる。

電極対７ｂに生じた起電力は、下降配管６を熱媒体が流れていることを指し示す表示灯の駆動のために用いられてもよいし、あるいは、発生した起電力を冷却ファン９を駆動するための補助電力として用いて放熱部４での冷却を促進させるようにしてもよい。このように、電磁誘導式発電装置７を用いて、上方に配置された熱媒体の位置エネルギーによる下降流から、電磁誘導により電気エネルギーを回収するようにすれば、さらなる省エネルギー化を実現し得る。

以上、本発明の実施形態による冷却装置を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、図４に示す冷却装置１０Ａのように、熱媒体Ｍが収容された吸熱部２の内部を、流入路１１から流入した冷却水Ｗ１’が水平方向に往復するパイプに沿って流れた後、流出路１２から冷却水Ｗ１が流出するように構成されていてもよい。このようにすれば、図１に示した冷却水容器８を設けなくてもよく、流入した冷却水Ｗ１’がパイプ外側のアンモニア水Ｍに熱を与えてアンモニア水Ｍを沸騰させるとともに、アンモニア水Ｍの蒸発潜熱によりパイプ内を流れる冷却水Ｗ１を冷却することができる。なお、図４には、吸熱部２の近傍のみを示しているが、図２に示した冷却装置１０と同様の構成を有する放熱部４や熱媒チャンバ５等が設けられていることは言うまでもない。

本発明の実施形態による冷却装置は、ビル空調や工場で使用する冷却水を冷却するために好適に利用される。

２吸熱部
３上向ダクト
３ａターンダクト
４放熱部
５熱媒チャンバ
６下降配管
７電磁誘導式発電装置
７ａ磁石
７ｂ電極
８冷却水容器
９冷却ファン
１０冷却装置
１１流入路
１２流出路
２０冷凍機
３０空調機
１００空調システム
Ｍ熱媒体（アンモニア水）
Ｗ１冷却水
Ｗ２冷水

特開平９−１４５１９４号公報特公平５−３５３５５号公報（特開昭６３−２４７５９５号公報）特開昭６２−２７２８６０号公報

Claims

冷却水の熱を吸収する熱媒体を収容した吸熱部と、
前記吸熱部の上方に配置され、前記冷却水の熱を吸収して前記吸熱部の内部で沸騰または蒸発した熱媒体の蒸気を冷却し凝縮させる放熱部と、
前記吸熱部と前記放熱部とを連通させる上向ダクトと、
前記放熱部で凝縮された液体の熱媒体を前記吸熱部に還流させるための下降配管と
を備え、
前記熱媒体としてアンモニア水が用いられる、冷却装置。
前記アンモニア水として２３ｗｔ％〜３０ｗｔ％濃度のアンモニア水が用いられ、３５℃〜４５℃の冷却水を３０℃〜３５℃に冷却するように構成されている、請求項１に記載の冷却装置。
前記下降配管に、前記放熱部から自然落下で流れる熱媒体の流れによって電力を発生させる電磁誘導式発電装置が設けられている、請求項１または２に記載の冷却装置。
前記放熱部を冷却する冷却ファンと、前記下降配管の上端に接続され前記放熱部で凝縮した熱媒体を貯蔵するすり鉢形状の熱媒チャンバとをさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
前記吸熱部を収容し、前記吸熱部の外側において前記冷却水が流出入するように構成された冷却水容器をさらに備え、前記吸熱部の外壁に、前記冷却水と接する複数のフィンが設けられている、請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置。
請求項１から５のいずれかに記載の冷却装置と、前記冷却装置との間を前記冷却水が循環するように設けられた冷凍機と、前記冷凍機から冷水が供給される空調機とを備える空調システム。