JP4859225B2 - 液体の蒸発式冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は，水等のように蒸発性を有する液体を冷却して，冷房箇所等のように冷却した液体を必要する負荷側に供給する場合に際し，前記液体を，大気圧よりも低い減圧での沸騰蒸発にて低い温度に冷却するための装置に関する。

先行技術としての非特許文献１には，
「水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮するルーツ式圧縮機と，このルーツ式圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置。」
が記載されている。

この非特許文献１に記載されている蒸発式冷却装置は，前記蒸発器において発生した蒸気をルーツ式圧縮機にて圧縮するものであることにより，その圧縮比を比較的に高く（例えば，蒸気を圧縮する場合，温度差で約１５℃程度）できるから，前記蒸発器と前記凝縮器との間における飽和蒸気圧の温度差を大きくすることができる。

これにより，前記凝縮器において蒸気を冷却・凝縮するときの温度を，例えば約３２〜３５℃程度というように比較的高い温度に設定した場合においても，冷房箇所等の負荷側に供給する液体を，約１７〜２０℃の低い温度にまで冷却することができる等の特徴を有する。
財団法人建築設備綜合協会発行 月刊誌「ＢＥ建築設備」２００６年３月号 第４７頁〜第５２頁「水冷媒ルーツ冷凍機の導入例」

ところで，前記ルーツ式圧縮機は，従来から良く知られているように，可動翼式圧縮機又はねじ式圧縮機とともに回転式圧縮機の範疇に属し，この回転式圧縮機は容積型圧縮機の範疇に属し，これら各種の容積型圧縮機は，容積の縮小を繰り返すことによって気体の圧縮を行うものであることにより，圧縮比を，例えば蒸気圧縮の場合には温度差で約１５℃程度まで圧縮できるというように，他の容積型圧縮機と同様に，可成り高くすることができるものの，多量の気体を圧縮することには適していない。

しかし，前記先行技術の蒸発式冷却装置におけるルーツ式圧縮機は，蒸発器において減圧状態で発生することで比容積が大きくなっている状態の蒸気を吸引して圧縮するものであるから，このルーツ式圧縮機にて吸引・圧縮する蒸気量を多くすることで前記蒸発式冷却装置における処理能力，つまり，冷却した液体の負荷側への供給量のアップを図るには，前記蒸発器において発生した蒸気における比容積が大きい分だけ，大きい容量の，従って大型のルーツ式圧縮機を使用しなければならないという問題があるばかりか，この大型のルーツ式圧縮機を使用する分だけ，当該ルーツ式圧縮機を駆動することに要するランニングコストがアップするという問題があった。

しかも，前記蒸発器において発生する蒸気における比容積は，前記蒸発器における減圧度，ひいては，当該蒸発器における温度が低くなるほど増大するものであるから，前記した問題（つまり，ルーツ式圧縮機の大容量化ひいては大型化，高価格化及びランニングコストのアップ）は，前記蒸発器における減圧度を高くするほど，換言すると，負荷側に供給する液体の温度を低くするほど増大するのであった。

その上，ルーツ式圧縮機等の容積型圧縮機においては，圧縮比が高くほど温度が高くなることで機器の膨張が増大するから，その圧縮比には限界値が存在するのであった。

本発明は，基本的には，前記先行技術の蒸発式冷却装置を踏襲するものの，遠心式圧縮機は，羽根車を高速回転しその羽根の間を半径方向に流動する遠心力を利用するもので，多量の気体を取り扱うことに適している点に着目し，この遠心式圧縮機を利用して，前記した問題を解消することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「少なくとも，水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮する容積型圧縮機と，この容積型圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置において，
前記蒸発器において発生した蒸気を，先ず，遠心型圧縮機にて吸引して圧縮し，次いで，前記容積型圧縮機にて吸引して圧縮するように構成した。」
ことを特徴としている。

また，本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記遠心型圧縮機と前記容積型圧縮機との間に，前記遠心型圧縮機にて圧縮した蒸気を，飽和蒸気の状態にするか又は飽和蒸気の状態に近づけるように冷却する蒸気冷却手段を備えている。」
ことを特徴としている。

更にまた，本発明の請求項３は，
「前記請求項２の記載において，前記蒸気冷却手段が，蒸気を間接的に冷却するという構成である。」
ことを特徴としている。

加えて，本発明の請求項４は，
「前記請求項１〜３のいずれかの記載において，前記容積型圧縮機が，回転式圧縮機である。」
ことを特徴としている。

本発明は，減圧状態での沸騰蒸発にて発生した比容積の大きい蒸気を，先ず，前段の遠心型圧縮機にて吸引・圧縮することで，圧力を高めるとともに比容積を小さくし，次いで，この比容積を小さくしたものを，更に，後段における容積型圧縮機にて，高い圧力にまで吸引・圧縮するものである。

これにより，液体の沸騰蒸発を行う蒸発器と，蒸気の凝縮を行う凝縮器との間における温度差を大きくするように圧縮することができるものでありながら，後段の容積型圧縮機にて吸引・圧縮する蒸気の量を，当該蒸気の比容積を前段の遠心型圧縮機にて小さくした分だけ増大することができるから，前記容積型圧縮機としては，その前段において前記遠心型圧縮機による圧縮を行って比容積を小さくする分だけ，小容量化を図ることができ，ひいては，小型で低価格の容積型圧縮機を使用することができ，しかも，容積型圧縮機の駆動に要するランニングコストを低減できる。

また，前記蒸発器から前記凝縮器への蒸気の圧縮比を，容積型圧縮機のみで圧縮を行う場合よりも，前段の遠心型圧縮機にて圧縮を行う分だけ大幅に高くすることができるから，装置全体の小型化を図ることができるばかりか，蒸発器から負荷側に供給する液体の温度を，前記先行技術の場合よりも，前段の遠心型圧縮機にて圧縮を行う分だけ低くすることができる。

ところで，前記蒸発器において発生した蒸気を前段の遠心型圧縮機にて吸引・圧縮すると，この蒸気は，飽和蒸気の状態から水分の少ない過熱蒸気の状態になり，この過熱蒸気を後段の容積型圧縮機にて圧縮するから，後段の容積型圧縮機にスケールの付着が頻繁に発生することになる。

そこで，前段の遠心型圧縮機にて吸引・圧縮した過熱蒸気を，後段の容積型圧縮機にて吸引・圧縮する前において，請求項２に記載したように，冷却にて飽和蒸気の状態にするか又は飽和蒸気の状態に近づけるように構成する。

これにより，後段の容積型圧縮機にて吸引・圧縮する過熱蒸気を，飽和蒸気の状態又は飽和蒸気に近づけた状態にすることができるから，後段の容積型圧縮機にスケールの付着が発生することを確実に低減できる。

この場合，前段の遠心型圧縮機にて吸引・圧縮した蒸気の冷却に際しては，この蒸気に対して水を直接に噴霧するという方法を採用しても良いが，この方法では蒸気の体積が，水の直接噴霧で増大し，後段の容積型圧縮機の大容量化を招来することになるから，請求項３に記載したように間接的に冷却するという方法を採用することが好ましい。

すなわち，この間接的な冷却によって，蒸気を，その体積を増大することなく飽和蒸気の状態又は飽和蒸気に近づけた状態に冷却できるから，前記容積型圧縮機の大容量化を確実に回避することができる。

また，前記後段の容積型圧縮機として，往復式圧縮機を使用することなく，請求項４に記載したように，ルーツ式圧縮機，可動翼式圧縮機又はねじ式圧縮機等の回転式圧縮機にすることにより，往復式圧縮機を使用した場合に比べて，更なる小型化，熱効率の向上及びランニングコストの低減を図ることができる。

以下，本発明の実施の形態を，図１の図面について説明する。

この図において，符号１は，密閉型に構成して成る蒸発器を示し，この蒸発器１は，その内部に入れた蒸発性液体，例えば水を大気圧より低い減圧の状態で沸騰蒸発するものであり，この蒸発器１内においての沸騰蒸発にて温度が低くなった水は，循環ポンプ２にて汲み出して管路３を介して冷房箇所等の負荷側（冷却した水の冷熱を間接的に利用する箇所）４に送られたのち，管路５を介して再び前記蒸発器１内に戻る循環を行うように構成されている。

符号６は，同じく密閉型に構成した凝縮器を示し，この凝縮器６は，前記蒸発器１内での沸騰蒸発にて発生した蒸気を蒸気ダクト７を介して導入し，この蒸気を冷却にて凝縮するものであり，この凝縮器６の内部及び前記蒸発器１の内部は，前記凝縮器６に接続した真空ポンプ８等の真空発生装置にて大気圧より低い減圧に保持されている。

符号９は，前記凝縮器６に対する空冷式の冷却塔を示し，この冷却塔９において大気空気の通風にて間接的に冷却した水を，管路１０を介して前記凝縮器６内に導いて，その上部にノズル１１より噴出することにより，前記蒸気ダクト７を介して導入される蒸気を冷却して凝縮し，この凝縮にて温度が上昇して前記凝縮器６内の底に溜まった水を，循環ポンプ１２にて汲み出し管路１３を介して前記冷却塔９に送って通風にて間接的に冷却したのち，再び前記凝縮器６内の上部に噴出する循環を行うように構成している。

なお，前記空冷式冷却塔９は，前記図示のように，水を大気空気にて間接的に冷却する形式にすることに代えて，水を，大気空気との直接接触にて冷却する形式に構成しても良いことはもちろんである。

また，前記凝縮器６内における水の一部を，連通管路１４を介して前記蒸発器１内に供給するように構成している。

そして，前記蒸気ダクト７の途中に遠心型圧縮機１５とルーツ式圧縮機１６とを直列に設けている。

この場合，前者の遠心型圧縮機１５を前段に，後者のルーツ式圧縮機１６を後段に各々位置することにより，前記蒸発器１において発生した飽和状態の蒸気を，先ず前段の遠心型圧縮機１５にて吸引して圧縮し，次いで，この前段の遠心型圧縮機１５にて圧縮した蒸気を，後段のルーツ式圧縮機１６にて吸引して圧縮したのち前記凝縮器６内に導き，この凝縮器６内において凝縮するように構成している。

また，前記蒸気ダクト７のうち前記遠心型圧縮機１５とルーツ式圧縮機１６との間の部位には，前記遠心型圧縮機１５にて圧縮された蒸気に対する蒸気冷却器１７が設けられている。

この蒸気冷却器１７は，前記遠心型圧縮機１５にて圧縮した蒸気を，過熱蒸気の状態から飽和蒸気の状態になるように冷却するか，或いは，飽和蒸気の状態に近づけるように冷却するものであり，その冷却は，前記蒸気に対して水を直接噴霧することによって行うか，或いは，前記蒸気を，大気空気又は冷却水による間接的熱交換にて行うように構成している。

この構成において，前記蒸発器１内における減圧状態での沸騰蒸発にて冷却されて温度が低くなった水は，循環ポンプ２にて管路３を介して負荷側４に送られて冷房等に供され，この負荷側３において温度が上昇した水は，管路５を介して再び前記蒸発器１内に戻って，ここで再び沸騰蒸発することで冷却されて温度が低くなることを繰り返す。

一方，前記蒸発器１内における沸騰蒸発にて発生した蒸気は，先ず，遠心型圧縮機１５にて吸引して圧縮され，次いで，ルーツ式圧縮機１６にて吸引して圧縮されて凝縮器６内に至り，ここでの冷却にて凝縮され，この凝縮水の一部は，連通管路１４を介して，前記蒸発器１に供給される。

前記した構成において，前記遠心型圧縮機１５においては，例えば，蒸気を温度差で約５℃程度圧縮することができ，前記ルーツ式圧縮機１６においては，例えば，蒸気を温度差で約１５℃程度圧縮することができる。

一方，前記凝縮器６における蒸気の冷却を，例えば，前記した空冷式冷却塔９にて行う場合，前記凝縮器６における温度は，夏期の最高で約３２〜３５℃程度であると認められるから，前記蒸発器１における温度は，前記凝縮器６における温度から前記両圧縮機１５，１６による圧縮温度を差し引いた温度になり，夏期において，冷房箇所等の負荷側４に対して，温度が約１２〜１５℃の冷水を供給することができる。

また，冷房箇所等の負荷側４に対して温度が約１７〜２０℃の冷水を供給する場合，前記凝縮器６における温度は，約３７〜４０℃になるというように比較的高い温度になるから，前記凝縮器６を小型化できるか，或いは，高い温度の冷却水又は冷却風を使用できる。

ところで，前記前記蒸発器１における沸騰蒸発にて発生した蒸気を前段の遠心型圧縮機１５にて温度差で５℃だけ圧縮すると，この蒸気は，飽和蒸気の状態から過熱蒸気の状態になり，この過熱蒸気の状態で後段のルーツ式圧縮機１６にて吸引・圧縮されることにから，前記ルーツ式圧縮機１６におけるスケールの付着が頻繁に発生する。

そこで，前記前段の遠心型圧縮機１５で圧縮することで過熱蒸気の状態になったものを，前記したように，蒸気冷却器１７において冷却して，飽和蒸気の状態にするか，又は飽和蒸気に近い状態にするように構成する。

これにより，前記後段のルーツ式圧縮機１６にスケールの付着が発生することを確実に低減できる。

但し，前記蒸気冷却器１７における蒸気の冷却は，遠心型圧縮機１５で圧縮した過熱蒸気の状態を飽和蒸気の状態にすることにとどめるべきであり，これ以上に過度に冷却すると，水滴が発生し，この水滴が後段のルーツ式圧縮機１６に吸引されることで当該ルーツ式圧縮機１６における負荷トルクの増大，耐久性の低下等を招来するから好ましいことではない。

なお，前記実施の形態は，前記凝縮器６内における蒸気の冷却・凝縮に，空冷式冷却塔９にて冷却された水に蒸気を直接接触するという方法を採用した場合であったが，本発明は，これに限らず，前記凝縮器６において，蒸気と各種の工業用水，海水又は河川水等とを直接的又は間接的に接触することによって冷却するという方法を採用することができるほか，前記凝縮器６において，蒸気と大気空気とを間接的に接触することによって冷却する等のようなその他の冷却方法を採用できることはいうまでもない。

特に，前記凝縮器６内における蒸気の冷却・凝縮に，前記空冷式冷却塔９にて冷却された水，各種の工業用水，海水又は河川水等と直接接触するという方法を採用した場合には，間接接触による方法を採用した場合のように熱交換のための温度差（約３〜５℃程度）を必要としないから，前記蒸発器１と前記凝縮器６との間における温度差を，より高くすることができる利点がある。

更にまた，前記実施の形態は，後段の圧縮に，容積型圧縮機として回転式圧縮機の範疇に属するルーツ式圧縮機１６を使用した場合であったが，本発明はこれに限らず，容積型圧縮機として，同じく回転式圧縮機の範疇に属する可動翼式圧縮機又はねじ式圧縮機を使用できるほか，往復動式圧縮機を使用できることはいうまでもないが，ルーツ式圧縮機等を含む回転式圧縮機を使用することにより，往復式圧縮機を使用した場合に比べて，更なる小型化と，熱効率の向上とを図ることができる。

加えて，本発明における蒸発性液体としては，前記実施の形態として説明した水に限らず，アルコール等のようなその他の蒸発性液体を使用できる。

本発明の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 蒸発器
２ 循環ポンプ
４ 負荷側
６ 凝縮器
７ 蒸気ダクト
８ 真空ポンプ
９ 空冷式冷却塔
１２ 循環ポンプ
１５ 遠心型圧縮機
１６ 回転式圧縮機（ルーツ式圧縮機）
１７ 蒸気冷却器

Claims (4)

1. 少なくとも，水等の蒸発性液体を大気圧よりも低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器における液体を冷房箇所等の負荷側との間を循環する手段と，前記蒸発器において発生した蒸気を吸引して圧縮する容積型圧縮機と，この容積型圧縮機にて圧縮した後の蒸気を冷却にて凝縮する凝縮器とから成る蒸発式冷却装置において，
   前記蒸発器において発生した蒸気を，先ず，遠心型圧縮機にて吸引して圧縮し，次いで，前記容積型圧縮機にて吸引して圧縮するように構成したことを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記遠心型圧縮機と前記容積型圧縮機との間に，前記遠心型圧縮機にて圧縮した蒸気を，飽和蒸気の状態にするか又は飽和蒸気の状態に近づけるように冷却する蒸気冷却手段を備えていることを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
3. 前記請求項２の記載において，前記蒸気冷却手段が，蒸気を間接的に冷却するという構成であることを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
4. 前記請求項１〜３のいずれかの記載において，前記容積型圧縮機が，回転式圧縮機であることを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。

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