JP2021046959A

JP2021046959A - 冷却装置の運転方法および冷却装置

Info

Publication number: JP2021046959A
Application number: JP2019168628A
Authority: JP
Inventors: 久也仲山; Hisaya Nakayama
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-25

Abstract

【課題】作業者が手動で氷をたたき割ることなく、安全かつ自動に運転することのできる冷却塔の運転方法を提供する。【解決手段】冷却装置の運転方法は、送風機６２を運転して、外気を吸込口６１Ａから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吹出口６１Ｂから排出する第１工程と、送風機を運転して、外気を吹出口から導入して、熱交換器によって不凍液と熱交換された外気を吸込口から排出する第２工程と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却装置の運転方法および冷却装置に関する。

冷凍サイクルの凝縮器において、冷媒（アンモニアやフロン）を冷却して液化する方法として、空冷式や水冷式が存在する。水冷式では、冷媒の冷却に冷却水または不凍液が用いられる。冷媒から凝縮熱を奪った冷却水または不凍液は、冷却塔で外気等を使い冷却され、再び凝縮器に供給し冷媒を冷却する。

一方、空冷式凝縮器では、冷媒が外気で直接冷却される。空冷式では構造的な複雑さを持たない点がメリットであるが、気体（冷媒）と気体（外気）との熱交換率の悪さによる装置の大型化というデメリットが存在するため、特別な理由が無ければ通常は用いられない。

水冷式凝縮器の熱交換率は空冷式凝縮器より高いが、冷却水または不凍液の凝縮熱を排熱する冷却塔が必要になり、冬期は凍結管理が必要になる。このため、本州以南では水冷式凝縮器が多く用いられてきた。一方、冬期の寒さの厳しい北海道地区（寒冷地区）では、空冷式凝縮器が多く使用されていた。

しかしながら、北海道地区においても冷凍装置のコンパクト化や高ＣＯＰを目指して、水冷式凝縮器の導入が始まり、それに従い冷却塔（冷却装置に相当）も使用されてきている。

冷却塔としては、例えば下記の特許文献１に示すように、散布水を上部から散布するノズル、外気を導入する送風機、および水または不凍液が散布水および外気と熱交換する熱交換器を有する密閉式冷却塔が知られている。密閉式冷却塔では、水または不凍液は、散布水、および送風機が吸い込んだ外気により冷却される。

特開昭６０−２３２４９１号公報

寒冷地区において、水冷式凝縮器を採用した場合、冷却塔において外気を吸い込む吸込口に氷が生成して吸込口が詰まってしまい、送風機の動力が増加し好ましくない。また寒冷地区において、水冷式凝縮器を採用した場合、生成した氷によって送風機の破損が生じた。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、冷却装置の内部に氷が生成または成長することを抑制して、送風機の動力が増加することなく、自動で連続運転することのできる冷却装置の運転方法および冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る冷却装置の運転方法は、吸込口から外気を導入して吹出口から前記外気を排気する送風機、および前記送風機によって導入した前記外気と熱交換して水または不凍液が冷却される熱交換器を有する冷却装置の運転方法である。冷却装置の運転方法は、前記送風機を運転して、前記外気を前記吸込口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吹出口から排出する第１工程と、前記送風機を運転して、前記外気を前記吹出口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吸込口から排出する第２工程と、を有する。

また、上記目的を達成する本発明に係る冷却装置は、吸込口から外気を導入して吹出口から前記外気を排気する送風機、前記送風機によって導入した前記外気と熱交換して水または不凍液が冷却される熱交換器、および前記送風機の回転を制御する制御部を有する冷却装置である。前記制御部は前記送風機を運転することによって、前記外気を前記吸込口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吹出口から排出する。また、前記制御部は前記送風機を運転することによって、前記外気を前記吹出口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吸込口から排出する。

上述の冷却装置の運転方法および冷却装置によれば、第２工程において、送風機を運転して、外気を前記吹出口から導入して、熱交換器によって水または不凍液と熱交換された外気を吸込口から排出する。このため、吹出口から導入された外気は、水または不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、吸込口から排出される。よって、吸込口に生成された氷を融解することができる。一方、第２工程を続けると、熱交換器の吸込口側と反対側（熱交換器の内側）に氷が生成する。そこで、第１工程を行うことによって、吸込口から導入された外気は、水または不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、熱交換器を通過して、吹出口から排出される。よって熱交換器の内側に生成された氷を融解することができる。したがって、第１工程および第２工程を所定の時間おきに、繰り返し行うことによって、冷却装置の内部に氷が生成または成長することを抑制して、送風機の動力が増加することなく、自動で連続運転することができる。

本実施形態に係る冷凍装置の全体構成図である。本実施形態に係る冷却塔の概略図であって、正転工程における外気の流れを示す図である。逆転工程における外気の流れを示す図である。吸込口に氷が生成された様子を示す写真である。逆転工程によって氷が融解する様子を示す写真である。変形例に係る冷却塔の概略図であって、正転工程における外気の流れを示す図である。変形例に係る冷却塔の、逆転工程における外気の流れを示す図である。

本発明の実施形態を、図１、図２を参照しつつ説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本実施形態に係る冷凍装置１の全体構成図である。図２は、本実施形態に係る冷却塔６０の概略図である。

まず、本実施形態に係る冷却塔６０が用いられる冷凍装置１の構成について説明する。

冷凍装置１は、図１に示すように、冷凍庫１０と、ＣＯ_２冷媒が循環する循環ライン２０と、ＣＯ_２冷媒を貯留するためのＣＯ_２受液器３０と、アンモニア冷媒が循環する循環ライン４６を備えるアンモニア冷凍サイクル４０と、不凍液が循環する冷却回路５０と、冷却回路５０に接続される冷却塔６０と、を有する。

冷凍庫１０は、公知の冷凍庫であるため、詳細な説明は省略する。

循環ライン２０は、ＣＯ_２冷媒が循環するように構成されている。循環ライン２０は、図１に示すように、ＣＯ_２受液器３０から、冷凍庫１０に液状のＣＯ_２冷媒を送るＣＯ_２送りライン２１と、冷凍庫１０から出てくる気液混合のＣＯ_２冷媒をＣＯ_２受液器３０に戻すＣＯ_２戻りライン２２と、ガス化したＣＯ_２冷媒を再液化する再液化ライン２３と、を有する。

ＣＯ_２送りライン２１は、図１に示すように、ＣＯ_２受液器３０の下方に接続されている。また、ＣＯ_２戻りライン２２は、図１に示すように、ＣＯ_２受液器３０の上方に接続されている。

また、ＣＯ_２送りライン２１には第１ポンプＰ１が設けられ、第１ポンプＰ１によってＣＯ_２受液器３０内の液状のＣＯ_２冷媒は、冷凍庫１０に流れる。

再液化ライン２３は、ＣＯ_２受液器３０の上方に接続されている。ＣＯ_２受液器３０内のガス状のＣＯ_２冷媒は、再液化ライン２３を通る際に、後述するアンモニア冷凍サイクル４０の熱交換器４１によって再液化される。そして、再液化された液状のＣＯ_２冷媒は、ＣＯ_２受液器３０に戻る。

アンモニア冷凍サイクル４０は、アンモニア冷媒が循環する。アンモニア冷凍サイクル４０は、ガス状のＣＯ_２冷媒を冷却して液化する。アンモニア冷凍サイクル４０は、図１に示すように、蒸発器としての熱交換器（カスケードコンデンサ）４１と、圧縮機である冷凍機４２と、凝縮器４３と、アンモニア受液器４４と、膨張弁４５と、アンモニア冷媒が循環する循環ライン４６と、を有する。

熱交換器４１において、ガス状のＣＯ_２冷媒の熱により蒸発したアンモニア冷媒ガスは冷凍機４２によって圧縮され、高温高圧のアンモニア冷媒ガスは凝縮器４３において冷却されて凝縮し、液化したアンモニア冷媒液はアンモニア受液器４４に貯留され、アンモニア受液器４４のアンモニア冷媒液は膨張弁４５に送られて膨張され、低圧のアンモニア冷媒液は熱交換器４１に送られてガス状のＣＯ_２冷媒の冷却に用いられる。

凝縮器４３には、冷却回路５０が導設されている。冷却回路５０を循環する液体としては、冷凍装置１の停止中に冷却回路５０に滞留した液体の凍結事故を防ぐ観点から、不凍液を用いることが好ましい。冷却回路５０を循環する不凍液は、凝縮器４３でアンモニア冷媒によって加熱される。なお、冷却回路５０を循環する液体としては、不凍液に限定されず、冷却水であってもよい。

冷却回路５０は、冷却塔６０に接続される。不凍液は、冷却水ポンプ５１によって、冷却回路５０を循環する。凝縮器４３でアンモニア冷媒の排熱を吸収した不凍液は、冷却塔６０で外気および散布水と接触し、散布水の蒸発潜熱によって冷却される。

次に、図２、図３を参照して、本実施形態に係る冷却塔（冷却装置に相当）６０の構成について詳述する。図２は、正転工程における外気の流れを示す図である。図３は、逆転工程における外気の流れを示す図である。

本実施形態において、冷却塔６０は、密閉式の冷却塔６０である。密閉式の冷却塔６０であれば、不凍液は直接外気と接触することがないため、不凍液が汚れにくく、冷却塔６０のメンテナンスの頻度を抑えることができる。

冷却塔６０は、図２に示すように、ケーシング６１と、送風機６２と、熱交換器６３と、散水管６４と、散水ポンプ６５と、制御部（不図示）と、を有する。

ケーシング６１は、図２に示すように、熱交換器６３の外側に設けられる吸込口６１Ａと、送風機６２の上方に設けられる吹出口６１Ｂと、を有する。

送風機６２は、ケーシング６１の内部に配置される。送風機６２は、不図示のモーターによって回転される。送風機６２は例えば３枚のブレードによって構成される。送風機６２が正転回転することによって、図２に示すように、外気を吸込口６１Ａから導入して、熱交換器６３において不凍液と熱交換された外気を吹出口６１Ｂから排出する。また、送風機６２が逆転回転することによって、図３に示すように、外気を吹出口６１Ｂから導入して、熱交換器６３において不凍液と熱交換された外気を吸込口６１Ａから排出する。

熱交換器６３は、ケーシング６１の内部に配置される。熱交換器６３は、銅管コイルによって形成される。熱交換器６３の中を通過する不凍液は、散布水および外気と熱交換して、冷却される。

散水管６４は、ケーシング６１の内部に配置される。散水管６４には、散布水が循環する。散水管６４の先端に設けられるノズル６４Ａから吐出される散布水は、熱交換器６３に向けて散布される。

散水ポンプ６５は、ケーシング６１の下方に貯蔵された散布水をノズル６４Ａに向けてくみ上げる。

以上のように構成された冷却塔６０において、不凍液がケーシング６１内に設けられた熱交換器６３内を通過する。このとき、熱交換器６３には、ノズル６４Ａから吐出された散布水がかかって、この散布水が蒸発するときの蒸発潜熱で熱交換器６３を通過する不凍液が冷却される。

制御部は、送風機６２を回転させるモーターの正転回転・逆転回転を制御する。制御部は、公知のＣＰＵを用いることができる。

以上、冷凍装置１および冷却塔６０の構成について説明した。次に、本実施形態に係る冷却塔６０の運転方法を実施例として説明する。なお、本発明は下記の実施例のみに限定されるものではない。

送風機６２を正転回転させたとき（正転工程、第１工程）、図２に示すように、吸込口６１Ａから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、熱交換器６３を通過して、吹出口６１Ｂから排出される。このとき、不凍液は、散布水の蒸発潜熱および外気によって冷却される。

例えば、北海道地区（寒冷地区）において正転工程を続けていると、ケーシング６１の吸込口６１Ａに氷が生成した（図４参照）。また、凍結に伴って、冷却塔６０の送風機６２の３枚のブレードのうち２枚が欠損した。原因としては、ブレードに付着した氷の成長と、熱交換器６３の氷の詰まりによる送風機６２の静圧上昇によるベアリング劣化と考えられる。また、送風機６２の動力が１割程度増加した。

なお正転工程においては、熱交換器６３の内側６３Ａには氷は生成せず、氷は吸込口６１Ａに生成される傾向があった。これは、吸込口６１Ａから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、熱交換器６３の内側６３Ａを通過するためであると考えられる。

そこで、送風機６２を逆転回転したところ（逆転工程、第２工程）、吹出口６１Ｂから導入された外気は、熱交換器６３を通過する際に温められて、吸込口６１Ａから排出されて、吸込口６１Ａに生成された氷を融解した（図５参照）。また、送風機６２の動力は元の動力に戻すことができた。

さらに、例えば、北海道地区（寒冷地区）において逆転工程を続けていると、熱交換器６３の内側６３Ａに氷が生成した。

そこで、送風機６２を正転運転したところ（正転工程）、吸込口６１Ａから導入された外気は、熱交換器６３を通過する際に温められて、吹出口６１Ｂから排出されて、熱交換器６３の内側６３Ａに生成された氷を融解した。

上記の正転工程および逆転工程を、冬季の間、一日おきに繰り返し行うことによって、冷却塔６０の内部に氷が生成または成長することを抑制して、送風機６２の動力が増加することなく、自動で連続運転することができた。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却塔６０の運転方法は、吸込口６１Ａから外気を導入して吹出口６１Ｂから外気を排気する送風機６２、および送風機６２によって導入した外気と熱交換して不凍液が冷却される熱交換器６３を有する冷却塔６０の運転方法である。冷却塔６０の運転方法は、送風機６２を運転して、外気を吸込口６１Ａから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吹出口６１Ｂから排出する正転工程（第１工程）と、送風機６２を運転して、外気を吹出口６１Ｂから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吸込口６１Ａから排出する逆転工程（第２工程）と、を有する。この方法によれば、第２工程において、送風機６２を運転して、外気を吹出口６１Ｂから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吸込口６１Ａから排出する。このため、吹出口６１Ｂから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、吸込口６１Ａから排出される。よって、吸込口６１Ａに生成された根氷を融解することができる。一方、第２工程を続けると、熱交換器６３の内側６３Ａに氷が生成する。そこで、第１工程を行うことによって、吸込口６１Ａから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、熱交換器６３を通過して、吹出口６１Ｂから排出される。よって熱交換器６３の内側６３Ａに生成された氷を融解することができる。したがって、第１工程および第２工程を所定の時間おきに、繰り返し行うことによって、冷却塔６０の内部に氷が生成または成長することを抑制して、送風機６２の動力が増加することなく、自動で連続運転することができる。

また、本実施形態に係る冷却塔６０の運転方法は、密閉式冷却塔に用いられる。このため、不凍液は直接外気と接触することがないため、不凍液が汚れにくく、冷却塔６０のメンテナンスの頻度を抑えることができる。

また、第１工程では、送風機６２を正転運転して、第２工程では、送風機６２を逆転運転する。このため、第１工程から第２工程に切り替える際に、送風機６２の上下を反転するように付け替える必要がなく、作業性が向上する。

また、正転工程および逆転工程を順次繰り返す。この運転方法によれば、冷却塔６０の内部に氷が生成することなく連続的に運転することができる。このため、送風機６２のブレードの破損を確実に防止することができる。

また、以上説明したように、本実施形態における冷却塔６０は、吸込口６１Ａから外気を導入して吹出口６１Ｂから外気を排気する送風機６２、送風機６２によって導入した外気と熱交換して不凍液が冷却される熱交換器６３、および送風機６２の回転を制御する制御部を有する。制御部は送風機６２を運転することによって、外気を吸込口６１Ａから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吹出口６１Ｂから排出し、制御部は送風機６２を運転することによって、外気を吹出口６１Ｂから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吸込口６１Ａから排出する。この構成によれば、第２工程において、送風機６２を運転して、外気を吹出口６１Ｂから導入して、熱交換器６３によって不凍液と熱交換された外気を吸込口６１Ａから排出する。このため、吹出口６１Ｂから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、吸込口６１Ａから排出される。よって、吸込口６１Ａに生成された根氷を融解することができる。一方、第２工程を続けると、熱交換器６３の内側６３Ａに氷が生成する。そこで、第１工程を行うことによって、吸込口６１Ａから導入された外気は、不凍液と熱交換されることによって、温められた状態で、熱交換器６３を通過して、吹出口６１Ｂから排出される。よって熱交換器６３の内側６３Ａに生成された氷を融解することができる。したがって、第１工程および第２工程を所定の時間おきに、繰り返し行うことによって、冷却塔６０の内部に氷が生成または成長することを抑制して、送風機６２の動力が増加することなく、自動で連続運転することができる。

＜変形例＞
次に、図６、図７を参照して、変形例に係る冷却塔１６０の構成について説明する。図６は、変形例に係る冷却塔１６０の構成を示す概略図であって、正転工程における外気の流れを示す図である。図７は、変形例に係る冷却塔１６０の概略図であって、逆転工程における外気の流れを示す図である。

変形例に係る冷却塔１６０は、上述した実施形態に係る冷却塔６０と比較して、開放式である点が異なる。なお、上記実施形態に係る冷却塔６０と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

変形例に係る冷却塔１６０は、開放式の冷却塔である。開放式の冷却塔１６０であれば、外気と冷却水を直接接触させるため、冷却効率がよく、冷却塔１６０自体をコンパクト化することができる。

冷却塔１６０は、図６に示すように、ケーシング６１と、送風機６２と、充填材（熱交換器）１６３と、散水管１６４と、制御部と、を有する。ケーシング６１、送風機６２、および制御部は、上述した実施形態に係る冷却塔６０と同一の構成であるため、説明は省略する。

開放式の冷却塔１６０を用いる場合、冷却回路５０を循環する液体としては粘性の高い不凍液を用いることは不適切で、冷却水が用いられる。

充填材１６３は、ケーシング６１の内部に配置される。充填材１６３は、上部から散布された冷却水の冷却塔１６０内の滞留時間を長くするために用いられる。

散水管１６４は、ケーシング６１の内部に配置される。散水管１６４には、冷却回路５０を循環する冷却水が循環する。散水管１６４の先端に設けられるノズル１６４Ａから吐出される冷却水は、充填材１６３に向けて散布される。

以上のように構成された冷却塔１６０において、冷却回路５０からの冷却水は散水管１６４によって充填材１６３へ散水され、充填材１６３に沿って流下する間に空気と接触し、蒸発潜熱で冷却される。

変形例に係る冷却塔１６０の運転方法は、上述した実施形態に係る冷却塔６０の運転方法と同様であるため、説明は省略する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。

例えば、上述した実施形態では、正転工程および逆転工程は、１日おきに繰り返していたが、正転工程および逆転工程を行う期間は、本発明の効果を奏する期間であれば、１日に限定されない。

また、上述した実施形態では、冷凍サイクルの冷媒としてアンモニアを用いたが、これに限らずフロンや他の自然冷媒を用いてもよい。

また、上述した実施形態では、送風機６２の上下を反転することなく、第１工程（正転工程）から第２工程（逆転工程）に切り替えた。しかしながら、第１工程から第２工程に切り替える際に、送風機６２の上下を反転するように付け替えてもよい。このとき、第１工程および第２工程では、送風機６２を正転させることによって、上述した効果を奏することができる。

また、上述した実施形態では、冷却装置の一例として冷却塔６０を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は他の公知の冷却装置にも適用することができる。

６０、１６０冷却塔、
６１Ａ吸込口、
６１Ｂ吹出口、
６２送風機、
６３熱交換器、
１６３充填材（熱交換器）。

Claims

吸込口から外気を導入して吹出口から前記外気を排気する送風機、および前記送風機によって導入した前記外気と熱交換して水または不凍液が冷却される熱交換器を有する冷却装置の運転方法であって、
前記送風機を運転して、前記外気を前記吸込口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吹出口から排出する第１工程と、
前記送風機を運転して、前記外気を前記吹出口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吸込口から排出する第２工程と、を有する冷却装置の運転方法。
密閉式冷却塔に用いられる、請求項１に記載の冷却装置の運転方法。
前記第１工程では、前記送風機を正転運転して、
前記第２工程では、前記送風機を逆転運転する、請求項１または２に記載の冷却装置の運転方法。
前記第１工程および前記第２工程を、順次繰り返す、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置の運転方法。
吸込口から外気を導入して吹出口から前記外気を排気する送風機、前記送風機によって導入した前記外気と熱交換して水または不凍液が冷却される熱交換器、および前記送風機の回転を制御する制御部を有する冷却装置であって、
前記制御部は前記送風機を運転することによって、前記外気を前記吸込口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吹出口から排出し、
前記制御部は前記送風機を運転することによって、前記外気を前記吹出口から導入して、前記熱交換器によって前記水または前記不凍液と熱交換された前記外気を前記吸込口から排出する冷却装置。