JP4786599B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は冷却システムに関するものであり、特に、アンモニア(ＮＨ３)が媒体として循環される１次冷媒回路と二酸化炭素(ＣＯ２)が媒体として循環される２次冷媒回路を有し、１次冷媒回路にて生じる冷熱により、２次冷媒回路の二酸化炭素を凝縮・液化して使用する冷却システムに関するものである。

今日、地球温暖化の問題により地球温暖化係数が０かほぼ０に近い冷媒の採用が求められ、冷媒として利用技術が確立されているアンモニア等の自然媒体を使用するケースが増えて来ている。

前記アンモニアは、人体に有害であるので、アンモニアをそのまま負荷側に供給すると、漏洩時にアンモニアが冷却空気等の被冷却流体内に拡散し、危険性が高い。そこで、従来からアンモニア冷媒回路は機械室等の限られた空間に設置し、負荷側冷却器との間における冷熱の移動にブラインを利用する構成のものがある。

しかし、ブラインにより冷熱を移送する場合には、ブラインを送るポンプに大なる動力を要し、ランニングコストが嵩み、省エネルギー化に資することができない。

そこで、アンモニア冷媒回路とは別に二酸化炭素等の他の安全な冷媒を用いた２次冷媒回路を設け、アンモニア冷媒回路で生成した冷熱を２次冷媒回路における冷媒の凝縮用冷熱として利用し、該２次冷媒回路で生成した冷熱を負荷側に供給する構成とした装置がある(例えば、特許文献１参照)。

上述した装置では、１次冷媒回路たるアンモニア冷媒回路の冷熱によって凝縮された液冷媒を、負荷側冷却器に液ポンプで送るのが一般的であるが、この液ポンプにより冷却器に送られる冷媒量は基本的に一定に制御される。

ところで、冷却器内の液冷媒量は負荷の変動に伴って変化し、定常負荷の場合には冷却器内の液冷媒量は適正に保たれて安定した運転が行われるが、負荷が減少すると冷媒の蒸発量が小となって冷却器内の液冷媒量が増加する。

上述した状態で負荷が急激に増大すると、冷媒の蒸発圧力が上昇するが、冷却器内には前記液ポンプによって一定量の液冷媒が送り込まれるため、さらに冷媒の蒸発圧力が上昇し、２次冷媒回路における運転が不安定なままの状態が解消されない。

しかも、２次冷媒回路における冷媒の蒸発圧力の上昇は、１次冷媒回路における蒸発圧力にも影響を及ぼし、１次冷媒回路の運転も不安定になる。

そこで、従来、冷却器に送る冷媒量を一定に制御する手段として、(ａ)冷却器側に流量調整弁を設置するか、(ｂ)集注器を設置して冷却器内に保有する冷媒量(液面)を制御するか、のいずれかの方法が採用されてきた。

また、前記(ａ)の流量調整弁を設置する方法には、手動弁を使用して手動で一定量を常時供給する方法と、自動制御弁を使用して自動で流量調整を行い、一定量を常時供給する方法の、２種類の方法がある。

このうち、手動弁を使用した場合が最も安価であるが、流量が一定となるため負荷変動時に供給量が過小になると、冷却器の伝熱面積を有効に使用できずに冷却不良を起こす。反対に、供給量が過大になると、冷却器内や吸入配管内に液溜まりが生じて冷媒蒸発が阻害される等の問題が生じる。

他方、自動制御弁を使用した流量調整は、圧力や温度を検知し、負荷に応じた最適の流量を冷却器へ供給することができるが、コスト高となる。

前記(ｂ)の集注器を設置する方法は、集注器によって冷却器内に一定量の媒体を保有するので、負荷変動にも対応でき、冷却器の伝熱面積を有効に使用することが可能となるが、設備が大型化となり設置スペースを圧迫する他、コストも高くなる。
特開２００３−１６６７６５号公報

上述したように、冷却器内の液冷媒量は負荷の変動に伴って変化する。そして、冷却器への冷媒供給量が負荷に応じた最適量に制御されずに供給過小になると、冷却器の伝熱面積を有効に使用できずに冷却不良になることが多い。反対に、供給量が過大になると、冷却器内や吸入配管に液溜まりが生じ、蒸発した冷媒ガスの流れが阻害されることで冷却不良を招くことがある。

本発明は、冷却器への冷媒供給量が負荷に応じて最適に制御されないことにより起こる冷却不良を容易、かつ低廉に解決し、常に安定して運転することができるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、自然冷媒又はフロン冷媒が循環される１次冷媒回路と二酸化炭素が冷媒として循環される２次冷媒回路を備え、１次冷媒回路にて生じる冷熱により２次冷媒回路の冷媒をカスケードコンデンサにより凝縮してレシーバーに貯留し、同レシーバー内の液冷媒を液ポンプによって負荷側の冷却器に送る自然冷媒冷却システムであって、
前記レシーバーと前記冷却器との間に設けられ、かつ前記冷却器内に送り込まれる液冷媒の供給量を制御する膨張弁と、前記冷却器の出口における前記冷媒のガス過熱度または／及び圧力に応じて前記膨張弁を制御して前記冷却器へ供給される冷媒量を最適量に調整せしめるコントローラとを備えた冷却システムにおいて、
上記レシーバーと上記膨張弁との間に、前記レシーバー内の液冷媒を上記冷却器内に送る液ポンプを備えるとともに、
上記液ポンプと上記冷却器との間における冷媒管の途中に前記膨張弁と並列的に、前記冷却器へ供給される液冷媒量を調整するバイパス配管手段を設け、
更に、前記バイパス配管手段は、バイパス配管と該バイパス配管内に直列な状態で配設された二酸化炭素電磁弁と二酸化炭素手動調整弁とを有する冷却システムを提供する。

この構成によれば、二酸化炭素の液冷媒を冷却器へ供給する量を調整するための膨張弁がコントローラにより、負荷変動にて変わる冷却器の出口における冷媒のガス過熱度または／及び圧力に応じて制御され、冷却器内における液冷媒の保有量が常に適正となるように調整される。

この構成によれば、液ポンプの駆動により、レシーバー内の液冷媒を冷却器に安定供給することができる。

この構成によれば、膨張弁が閉じられた状態で液ポンプが駆動させた際に、液ポンプから吐き出された液冷媒が、バイパス配管を通して冷却器側へ僅かに流され、前記液ポンプによる液ハンマー現象の発生を抑えることができる。

請求項１に記載の発明は、負荷変動により変わる冷却器の出口における冷媒のガス過熱度または／及び圧力に応じて、コントローラが膨張弁をコントロールし、二酸化炭素の液冷媒が冷却器へ供給される量を調整し、冷却器内における液冷媒の保有量が常に適正となるように調整しているので、負荷変動等に対して追従性の優れた冷却システムを効率良くすることができる。

また、二酸化炭素を媒体とする２次冷媒回路の運転が常に安定して行われるので、アンモニアを媒体とする１次冷媒回路の冷却能力に余裕を持たせる必要がなく、システム全体の簡素化、小型化、低ランニングコスト化を期待することができる。

さらに、構成が簡単で特殊な構成を要しないので、既存のシステムヘの適用が容易であるというメリットもある。

この発明は、液ポンプの駆動により、レシーバー内の液冷媒を冷却器に安定して供給することができるので、上記の効果に加えて、制御の簡略化を期待することができる。

この発明は、液ポンプによる液ハンマー現象の発生を抑えることができるので、前記の効果に加えて、冷却器に液冷媒を安定供給することができる。
また、上記バイパス配管手段は、バイパス配管と該バイパス配管内に直列な状態で配設された二酸化炭素電磁弁と二酸化炭素手動調整弁とを有しているので、バイパス配管を通じて流れる液冷媒の流量は、二酸化炭素電磁弁の制御に二酸化炭素手動調整弁の微調整を加えて冷却器の安定した運転に資することができる。

冷却器への冷媒供給量が負荷に応じて最適に制御されないことにより起こる冷却不良を容易、かつ低廉に解決し、常に安定して冷却システムの運転を可能にすると云う目的を達成するために、アンモニアが冷媒として循環される１次冷媒回路と二酸化炭素が冷媒として循環される２次冷媒回路とを備え、前記１次冷媒回路にて生じる冷熱により、前記２次冷媒回路の冷媒を凝縮・液化してレシーバー内に貯留し、該レシーバー内の液冷媒を負荷側の冷却器に送る冷却システムにおいて、前記レシーバーと前記冷却器との間に設けられ、かつ前記冷却器内に送り込まれる液冷媒の供給量を制御する膨張弁と、前記冷却器の出口における前記冷媒のガス過熱度または／及び圧力に応じて前記膨張弁を制御して前記冷却器へ供給される該冷媒量を最適量に調整せしめるコントローラとを備えた冷却システムを提供したことにより実現した。

以下、本発明に係る冷却システムの実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。

本実施例の冷却システムは、冷媒をアンモニアとする１次冷媒回路１と、冷媒を二酸化炭素とする２次冷媒回路２と、該２次冷媒回路２内を循環する冷媒(二酸化炭素)の供給を制御するコントローラＣＴとを備えている。

前記１次冷媒回路１は、アンモニア圧縮機３、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４、
アンモニア膨張弁５、二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６とを備え、これらを二酸化炭素／アンモニアユニット１０１内に収容配置している。

前記アンモニア圧縮機３の吐出側は、アンモニア冷媒往管７ａを介して媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４の入口に接続されている。該媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４の出口は、途中にアンモニア膨張弁５を設けたアンモニア冷媒往管７ｂを介して二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６の１次側入口に接続されている。また、二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６の１次側出口は、アンモニア冷媒往管７ｃを介してアンモニア圧縮機３の入口側に接続されている。

なお、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４には、水が．循環される冷却水回路が組み込まれ、該冷却水回路の入口側に冷却水往管８ａ及び出口側に冷却水復管８ｂがそれぞれ接続されている。

前記２次冷媒回路２は、二酸化炭素レシーバー９、二酸化炭素液ポンプ１０(以下、「液ポンプ１０」という)、二酸化炭素冷却器１１(以下、「冷却器１１」という)とを備え、冷却器１１を負荷側設備１０２内に収容配置し、二酸化炭素レシーバー９及び液ポンプ１０を二酸化炭素／アンモニアユニット１０１内に配置している。

前記二酸化炭素レシーバー９には、該二酸化炭素レシーバー９内に凝縮・液化して貯留されている二酸化炭素媒体の液量を、液面の高さから検出する液面計１２と、二酸化炭素レシーバー９内の圧力を検出する圧力計１３が取り付けられている。

前記二酸化炭素レシーバー９の出口は、二酸化炭素冷媒往管１４ａを介して液ポンプ１０の吸入口と接続されている。該液ポンプ１０の吐出口側は、途中に二酸化炭素電子膨張弁１５を設けた二酸化炭素冷媒往管１４ｂ介して冷却器１１の入口側に接続されている。

一方、冷却器１１の出口側は、二酸化炭素冷媒復管１４ｃを介して二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６の２次側入口及び二酸化炭素レシーバー９の入口側に接続され、二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６で凝縮・液化された二酸化炭素の液冷媒が二酸化炭素レシーバー９に戻されるようになっている。また、二酸化炭素冷媒復管１４ｃには、冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス過熱度(温度)を検出する温度センサとしての温度計１７と、同じく冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス圧力を検出する圧力センサとしての圧力計１８が取り付けられている。

前記コントローラＣＴは、２次冷媒回路２内を循環する冷媒(二酸化炭素)の供給量を制御する冷媒供給量制御手段を構成しているものであり、マイクロコンピュータを主体として構成されている。

また、コントローラＣＴには、前記液ポンプ１０、前記液面計１２、前記圧力計１３、前記温度計１７、前記圧力計１８の他に、負荷側設備１０２内の温度を検出する温度計１９が接続されている。そして、該コントローラＣＴには、液面計１２で検出された二酸化炭素レシーバー９内における二酸化炭素の液冷媒量の情報、圧力計１３で検出された二酸化炭素レシーバー９内の圧力の情報の他に、温度計１７で検出された冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス過熱度(温度)の情報、圧力計１８で検出された冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス圧力の情報、温度計１９で検出された負荷側設備１０２内における温度の情報が入力される。

コントローラＣＴは、これらの各情報に基づいて、予めプログラムされている手順に従って二酸化炭素電子膨張弁１５による冷却器１１への冷媒供給量を制御する。

ここでのコントローラＣＴの制御は、冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス過熱度及び圧力に応じて二酸化炭素電子膨張弁１５を制御して冷却器１１への液冷媒の供給量を最適量に調整せしめる。すなわち、温度センサ１７で検出された冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス過熱度及び圧力センサ１８で検出された冷却器１１の出口における二酸化炭素媒体のガス圧力が予め設定された値の範囲内にあるときには、そのときにおける二酸化炭素電子膨張弁１５における液冷媒の供給量の状態を保持する。

一方、負荷の変動等に伴い、前記ガス過熱度及びガス圧力が予め設定された値の範囲から外れた状態になると、二酸化炭素電子膨張弁１５による液冷媒の量を制御して、ガス過熱度及びガス圧力の変化分に応じて冷却器１１への冷媒供給量を減少または増大せしめる。これにより、冷却器１１内に供給される二酸化炭素の液媒体は、冷却器１１の出口で完全にガス化される。

このように構成された冷却システムの動作を次に説明する。１次冷媒回路２側では、アンモニア圧縮機３で圧縮されたアンモニアガスは、媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー４で凝縮し、アンモニア膨張弁５で減圧されて二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６に供給される。

他方、２次冷媒回路３側においては、液ポンプ１０が駆動されて、二酸化炭素レシーバー９内の液冷媒が冷却器１１に一定量の液冷媒を供給する。一方、負荷の変動に伴って冷却器１１の出口におけるガス過熱度及びガス圧力が変動し、予め設定された範囲以外になると、二酸化炭素電子膨張弁１５を制御して、ガス過熱度及びガス圧力の変化分に応じて冷却器１１への冷媒供給量を減少または増大せしめ、冷却器１１の出口におけるガス過熱度及びガス圧力がほぼ一定範囲内に保持されるようにする。

これにより冷却器１１内の液冷媒保有量が、冷却器１１の出口で完全にガス化されて、冷却器１１の伝熱面積を有効に使用できるようにすると同時に、液溜まりによる冷媒ガス流れの阻害を防止する。

また、冷却器１１から二酸化炭素レシーバー９への吸引は、二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６で二酸化炭素ガスがアンモニア冷媒によって冷却され、該二酸化炭素ガスが液体に相変化することで、二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー６の冷却境界壁面で圧力が低下し、吸引作用が起こることにより吸引される。

他方、液ポンプ１０は、負荷変動に関係なく一定量の冷媒液を冷却器１１へ供給するが、液面計１２の検知で、二酸化炭素レシーバー９の液面を一定に制御することで、負荷変動が生じても冷却器１１内の二酸化炭素媒体の保有量を一定に保持することができる。

したがって、この実施例における冷却システムによれば、負荷変動により変わる冷却器１１の出口における冷媒のガス過熱度及び圧力に応じて二酸化炭素電子膨張弁１５をコントロールし、二酸化炭素レシーバー９内に貯えている二酸化炭素の液冷媒が冷却器１１へ供給される量を調整し、該冷却器１１内における液冷媒の保有量が適正となるように調整するので、負荷変動等に対して追従性の優れた冷却システムを実現することができる。

また、二酸化炭素を媒体とする２次冷媒回路２の運転が常に安定して行われるので、アンモニアを媒体とする１次冷媒回路１の冷却能力に余裕を持たせる必要がなく、システム全体の簡素化、小型化、低ランニングコスト化を期待することができる。

なお、上記実施の形態の構成では、冷却器１１の出口における冷媒のガス過熱度とガス
圧力に応じて二酸化炭素電子膨張弁１５をコントロールする構造を開示して説明したが、ガス過熱度またはガス圧力の何れか一方の情報を基準にして、その変化に応じて二酸化炭素電子膨張弁１５をコントロールするようにしてもよい。

また、上記実施の形態の構成では、二酸化炭素レシーバー９内の冷媒液を冷却器１１に液ポンプ１０の駆動で送るようにした構造を開示して説明したが、冷却器１１を二酸化炭素レシーバー９よりも低い位置に配置し、該冷却器１１と二酸化炭素レシーバー９の高低差で二酸化炭素レシーバー９内の冷媒液を冷却器１１に送り込むようにすれば、液ポンプ１０の使用を無くすことも可能である。

図２は、本発明に係る冷却システムの他の実施例を示すものである。この図２に示す実施例の構成は、液ポンプ１０と冷却器１１との間における二酸化炭素冷媒往管１４ｂの途中に、二酸化炭素電子膨張弁１５と並列的に、冷却器１１に供給される液冷媒量を調整するバイパス配管手段２０を設けたものである。

前記バイパス配管手段２０は、バイパス配管２１と、このバイパス配管２１内に直列な状態で配設された二酸化炭素電磁弁２２と二酸化炭素手動調整弁２３を有する。

本実施例の構造では、二酸化炭素電子膨張弁１５が閉じられた状態で液ポンプ１０が駆動されるときに、バイパス配管２１を通して冷却器１１側へ液冷媒を僅かに流し、液ポンプ１０による液ハンマー現象の発生を抑えるようにしたものである。そのバイパス配管２１を通して液冷媒を流す量は、二酸化炭素電磁弁２２の制御に二酸化炭素手動調整弁２３の微調整を加えて制御する。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

又上述した実施例においては、一次冷媒回路の冷媒としてアンモニアを使用する場合について説明したが、自然冷媒に代えて、Ｒ３１８，Ｒ２４５ｆａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ４０７Ｅ，Ｒ５０７Ａ，Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒を使用する場合もある。

本発明の一実施の形態として示す冷却システムの概略構成図。 本発明の他の実施の形態として示す冷却システムの概略構成図。

符号の説明

１ １次冷媒回路
２ ２次冷媒回路
３ アンモニア圧縮機
４ 媒体アンモニア凝縮器兼レシーバー
６ 二酸化炭素／アンモニアカスケードコンデンサー
９ 二酸化炭素レシーバー
１０ 二酸化炭素液ポンプ(液ポンプ)
１１ 冷却器
１２ 液面計(液量検出センサ)
１７ 温度センサ
１５ 二酸化炭素電子膨張弁
１７ 温度計(温度センサ)
１８ 圧力計(圧力センサ)
２０ バイパス配管手段
２１ バイパス配管
２２ 二酸化炭素電磁弁
２３ 二酸化炭素手動調整弁
１０１ 二酸化炭素／アンモニアユニット
１０２ 負荷側設備
ＣＴ コントローラ

Claims (1)

1. 自然冷媒又はフロン冷媒が循環される１次冷媒回路と二酸化炭素が冷媒として循環される２次冷媒回路を備え、１次冷媒回路にて生じる冷熱により２次冷媒回路の冷媒をカスケードコンデンサにより凝縮してレシーバーに貯留し、同レシーバー内の液冷媒を液ポンプによって負荷側の冷却器に送る自然冷媒冷却システムであって、
   前記レシーバーと前記冷却器との間に設けられ、かつ前記冷却器内に送り込まれる液冷媒の供給量を制御する膨張弁と、前記冷却器の出口における前記冷媒のガス過熱度または／及び圧力に応じて前記膨張弁を制御して前記冷却器へ供給される冷媒量を最適量に調整せしめるコントローラとを備えた冷却システムにおいて、
   上記レシーバーと上記膨張弁との間に、前記レシーバー内の液冷媒を上記冷却器内に送る液ポンプを備えるとともに、
   上記液ポンプと上記冷却器との間における冷媒管の途中に前記膨張弁と並列的に、前記冷却器へ供給される液冷媒量を調整するバイパス配管手段を設け、
   更に、前記バイパス配管手段は、バイパス配管と該バイパス配管内に直列な状態で配設された二酸化炭素電磁弁と二酸化炭素手動調整弁とを有することを特徴とする冷却システム。

Images