JP4885481B2 - 冷却装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば夏期には併設した冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルによるバックアップを受ける省エネ式の冷媒自然循環路を有する冷却装置の運転方法に係り、室外に配置された単一の凝縮器に対して、冷媒自然循環路と冷媒圧縮強制循環路とを組み合わせた冷凍サイクルを複数段並列に配置して高効率冷凍運転を達成し得るものである。

寒冷地においては、大規模な建物において、冬期の低温の外気条件においても冷房を必要とし、特にデータセンタ等においては通信サーバの内部発熱が大となり、冬期においても冷房運転が一般的に行なわれている。
これらの空調に使用されている空調システムは、凝縮機能をもつ室外熱交換器と、該室外熱交換器より高低差のある低位置に設けた蒸発器として機能する室内熱交換器と、圧縮機と、膨張弁とよりなり、冷媒を使用したエネルギ多消費型の冷媒圧縮強制循環系が使用されている。

しかし冬期の外気温度が低い寒冷地においては、省エネ効果をもつ空調システムとして冷媒自然循環システムが使用されている。
上記冷媒自然循環システムは、冷媒の相変化を利用したもので、温度差の作用による冷媒自然循環式のサーモサイフォン原理に基づき、冷媒の自然循環を形成させ、ランニングコストの低減と省エネルギ化を図っている。

上記冷媒自然循環システムは、図９に示すように、室内熱交換器１０１と、室外熱交換器１０２と、冷媒配管１０３とよりなる。室内熱交換器１０１は室内に室内の空気との熱交換のために設置されている。室外熱交換器１０２は、外気と熱交換をするために壁Ａを隔てて屋外に設置され、室内熱交換器１０１の設置位置よりも高い位置に設けられている。冷媒配管１０３は、内部に封入される低沸点冷媒（Ｒ２２、Ｒ２３）などが室内熱交換器１０１と室外熱交換器１０２とを循環できるように、室内熱交換器と室外熱交換器とを環状に接続している。

上記構成により、冷媒配管内に封入されている低沸点冷媒は、室内熱交換器１０１にて室内の熱より加熱され沸騰し蒸発する。蒸発した低沸点冷媒ガスは冷媒配管１０３内を上昇し蒸発熱により室内熱交換器１０１を通過する空気を冷却するとともに、該空気の除湿を行なう。
冷媒配管１０３内を上昇した低沸点冷媒ガスは室外熱交換器１０２に導入され、そこで冷たい外気により凝縮液化する。液化した低沸点冷媒は冷媒配管内を重力により流下し、再び室内熱交換器１０１に戻って蒸発−凝縮サイクルを繰り返す。

上記のようにして、外気の温度が室内温度より低い場合は、蒸発圧力が凝縮圧力より高くなるので、冷媒循環が無動力で生じ、無動力で室内の熱を室外へ移動させるとともに、室内空気の除湿を可能にしている。この結果大幅な省エネ効果を上げることができる。

特許文献１（特開平９−２６４６２０号公報）には、冷媒自然循環冷凍サイクルと冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルとを併用した冷房装置が開示されている。この装置は、圧縮機のバイパス管路及び膨張弁のバイパス管路を設け、自然放熱が可能な時期においては自然循環冷凍サイクルを用いることにより、圧縮強制循環冷凍サイクル運転時の動力経費を抑制するようにしたものである。

また本出願人は、先に、室外熱交換器、室内熱交換器、圧縮機を使用するとともに、冷媒配管路の組み合わせにより、外気温度の高温時にバックアップ可能の冷媒圧縮強制循環系としても機能する冷媒自然循環系冷凍サイクルを形成する、寒冷地対応冷媒自然循環式のサーモサイフォンチラー冷凍機を提案している（特許文献１；特開２００３−３２９３１７号公報）。

図１０は、このチラー冷凍機の概略構成図である。図１０において、このチラー冷凍機は、冷媒自然循環冷凍サイクルと該サイクルに併設した冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルとより構成し、冷媒を使用した夏期外気温度の昇温が所定値以上の場合は、前記冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルの稼動により７℃の冷熱を供給する。
即ち空冷凝縮機能をもつ室外熱交換器０１２と、それより低い位置に設けた蒸発機能をもつ室内熱交換器０１１と、膨張弁０１８とよりなる冷媒自然循環冷凍サイクルに圧縮機０１０を付設して、外気温度が高く前記冷媒自然循環冷凍サイクルの能力が不足したときは、付設した圧縮機０１０によりバックアップ用の冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルを稼動させる構成としている。

上記冷媒自然循環冷凍サイクルは、室外熱交換器（空冷コンデンサ）０１２と、それより低い位置に設けた蒸発機能をもつ室内熱交換器（満液式蒸発器）０１１と、膨張弁０１８と、蒸発圧力調整弁０１７と、切り替え弁０１３、０１４、０１５、０１６と、太管０２１ａ、０２１ｂ、０２１ｃ、０２１ｄと、細管０２５ｃ、０２５ａ、０２５ｂ、０２５ｅ、０２５ｆ、０２１ｇとより、点線矢印の流れをもつ冷凍サイクルを形成して、冷媒の使用を介して室内熱交換器０１１より７℃の冷熱を供給する。

室内熱交換器０１１での冷媒の蒸発により発生した冷媒蒸気は、冷媒の蒸発圧力と室外熱交換器０１２での凝縮圧力との圧力差、及び前記細管に形成される凝縮された戻り冷媒液の冷媒液柱高さによる一方向性から太管０２１ａ、０２１ｂ、０２１ｃ、０２１ｄを経由して該配管系の抵抗に打ち勝って室外熱交換器０１２に至り、室外熱交換器０１２において外気を介しての熱交換により凝縮され、冷媒液を形成する。

形成された冷媒液は、細管０２５ｃ、０２５ａ、０２５ｂ、０２５ｅ、０２５ｆ、０２５ｇを経由し、室外熱交換器０１１へ重力により還流する。なお室内熱交換器０１１の下流には蒸発圧力調整弁０１７を設け、外気温度の変化に対応して蒸気圧を加減する構成にしている。また空冷コンデンサ０１２の運転はインバータによるファンの回転数制御により凝縮能力を一定に維持する構成にしている。

前記冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルは、夏期外気温度が高くなり、前記冷媒自然循環冷凍サイクルによる稼動が困難になった時に、冷凍機運転に切り替えて行なうもので、前記冷媒自然循環冷凍サイクルの構成要素に圧縮機を増設したもので、圧縮機０１０と、室外熱交換器０１２と、膨張弁０１８と、室内熱交換器０１１と、切り替え弁０１６、０１４、０１５、０１３と、細管０２５ｈ、０２５ｂと、太管０２１ｄと、細管０２５ｃと、太管０２１ｃと、細管０２５ｆ、０２５ｇとにより、実線矢印の流れをもつ冷凍サイクルを形成して、室内熱交換器０１１より７℃の冷熱を供給する。

上記冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルにおいては、室内熱交換器０１１における冷媒の蒸発により発生した冷媒ガスは、圧縮機０１０で高温高圧冷媒ガスとなり、圧縮機０１０より細管０２５ｈ、切り替え弁０１６、細管０２５ｂ、切り替え弁０１４、太管０２１ｄを経て、室外熱交換器０１２へ圧送され内蔵する空冷コンデンサで凝縮され冷媒液を形成する。
形成冷媒液は、細管０２５ｃ、切り替え弁０１５、太管０２１ｃ、切り替え弁０１３、細管０２５ｆ、膨張弁０１８、細管０２５ｇを経由し、室内熱交換器０１１の満液式蒸発器に至り、蒸発し、蒸発熱により７℃の冷熱を発生する。

上記圧縮機０１０の使用の場合は、前記冷媒自然循環冷凍サイクルに圧縮機０１０とそれに接続する細管０２５ｈだけの追加部材で構成し、圧縮機０１０より室外熱交換器０１２への圧送は、細管０２５ｈ、切り替え弁０１６、細管０２５ｂ、切り替え弁０１４、太管０２１ｄを介して行なわれ、細管による高速移送によるガス流速を上げることにより、潤滑油を空冷コンデンサ０１２まで冷媒ガスとともに帯同させ、以後圧縮機０１０まで重力落差により搬送させ、円滑な圧縮機運転を可能とさせている。

特開平９−２６４６２０号公報 特開２００３−３２９３１７号公報

このように特許文献１に開示された冷房装置及び特許文献２に開示されたチラー冷凍機は、従来の冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルの構成要素である、室外熱交換器（凝縮器）、室内熱交換器（蒸発器）、圧縮機を使用するとともに、バイパス管路を含む冷媒配管路の組み合わせにより、設備コストの低減を図るとともに、外気温度の高温時にバックアップ可能の冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルとしても機能する冷媒自然循環冷凍サイクルを形成する、省エネ型冷却装置であるが、近年温度差の大きい低温冷水の冷却に対してさらに高効率な冷凍運転を可能とする冷却装置の運転方法のニーズが出てきている。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、温度差の大きい低温冷水等の冷却負荷媒体の冷却に対して、冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転又は冷媒圧縮強制循環冷凍サイクル運転に切り替え可能に構成された冷凍サイクルを複数段配置し、冷却負荷媒体を複数段の冷媒配管系で段階的に冷却していくことにより、全体として高い冷凍効率での冷凍運転を可能とする冷却装置の運転方法を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の冷却装置の運転方法は、
室外に配置され冷却を外気により行なう単一の凝縮器と、
該凝縮器より高低差のある低位置に設けた複数の満液式蒸発器とを含み、
前記単一の凝縮器と前記各蒸発器との間で冷媒が循環する複数の冷凍サイクルを構成し、該複数の冷凍サイクルは単一の前記凝縮器に対して並列に配置されており、且つ該複数の冷凍サイクルは圧縮機により冷媒を圧縮して冷媒の強制循環を行う冷媒強制循環冷凍サイクル運転と、前記圧縮機を利用することなく、冷媒を自然循環により循環させる冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転とを切り替え可能に構成されてなる冷却装置であって、
冷却負荷配管が前記複数の蒸発器に、前記夫々の冷凍サイクルを構成する蒸発器１段目から順に直列に接続するとともに、
前記夫々の冷凍サイクルの満液式蒸発器の蒸発温度を１段目を高くその後順に低く設定してなる蒸発器で構成してなる冷却装置の運転方法において、
前記冷却負荷配管中の冷却負荷媒体を、異なる蒸発温度で制御された複数の蒸発器で熱交換させる第１の冷凍運転モードと、
１段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度より外気温度が十分に低くなった場合に、１段目冷凍サイクルを冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転とすることにより、２段目冷凍サイクルの動力のみで冷却負荷媒体の冷却を行なう第２の冷凍運転モードと、
２段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度よりも十分外気温度が低くなった場合には、２段目冷凍サイクルも冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転で運転する第３の冷凍運転モードとを具え、
外気温度の低下に応じて前記３種類の冷凍運転モードを選択的に切り換えていくことを特徴とする。

本発明においては、前記構成のとおり、室外に配置された単一の凝縮器に対し、冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転又は冷媒圧縮強制循環冷凍サイクル運転に切り替え可能に構成された冷凍サイクルを複数段並列に配置することで冷却負荷媒体の冷却を行なう。
この際該蒸発器の蒸発温度を１段目を高くその後順に低く設定し、冷却負荷媒体の配管を前記冷凍サイクルの蒸発器に１段目から順に直列に接続することで、冷却負荷媒体を１段目の冷凍サイクルから順々に冷却していき、最終的に冷却負荷媒体を目的とする温度に冷却するようにしている。

本発明において、好ましくは、前記凝縮器が蒸発式凝縮器又は空冷式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器又は空冷式凝縮器の空冷ファンをインバータにより回転数制御可能な構成とする。
これにより、前記凝縮器においては、外気の影響を受ける冷媒自然循環冷凍サイクルの凝縮機能を一定に保持することができる。

また本発明において、好ましくは、前記蒸発器が満液式蒸発器であり、前記凝縮器の冷媒液送出口の高さを前記満液式蒸発器の液面高さより高く構成する。
また好ましくは、外気温度に対応してインバータにより前記冷凍サイクルの圧縮機の容量制御を可能に構成する。
本発明において、前記蒸発器に満液式蒸発器を採用することで、外気温度の低下に対し冷媒の圧力比が下がり、運転効率を上げることができる。またこのときインバータにより圧縮機の容量制御を可能に構成すると、運転効率の向上に伴って圧縮機の容量を下げることができ、これにより消費電力を低減することができる。

また本発明において、好ましくは、前記蒸発器が蒸発式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器の冷却水槽に不凍液を貯留し、冷却水として前記不凍液を使用するようにする。これによって、マイナスの湿球温度にも不凍液が凍らず、氷点下での冷凍サイクル運転を可能とする。この場合蒸発温度を下げるために、できるだけ沸点上昇の少ない不凍液、例えばＰＧ、ＥＧ等の有機溶剤を使用するとよい。
また好ましくは、前記蒸発器が蒸発式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器の冷却水槽に貯留した冷却水の濃度センサと、前記冷却水槽に補給水を補給する手段と、冷却水の濃度が設定値を越えると前記冷却水槽に補給水を補給して冷却水の濃度を設定値に保持する制御装置とからなる構成とする。これによって冷却水槽内の冷却水の濃度を自動的に設定範囲内に保持することができる。

本発明の運転方法は、例えば、前記冷凍サイクルを２段に配置した場合には、次のような運転パターンが可能となる。
（１）最初は２段とも冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルを行なう。この場合１段目と２段目とは異なる蒸発温度で制御する。また蒸発器として満液式蒸発器を採用した場合、外気温度が下がり、凝縮器での凝縮温度が下がると、圧縮比が小さくて済むため、運転効率が良くなる（２台冷凍機運転）。

（２）１段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度より外気温度が十分に低くなった場合には、１段目冷凍サイクルを冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転とすることにより、２段目冷凍サイクルの動力のみで冷却負荷媒体の冷却を行なう（混在運転）。
（３）２段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度よりも十分外気温度が低くなった場合には、２段目冷凍サイクルも冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転で運転する。この場合、動力は凝縮器の空冷ファン等補助機器の動力で済む（２台冷媒自然循環式のサーモサイフォン運転）。
このように外気温度の低下に応じて運転効率の良い３種類の冷凍運転を選択することができる。

本発明によれば、１段目の冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度を比較的高くし、２段目以降の冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度を順々に低く設定するとともに、外気温度が低下するにつれて、１段目の冷凍サイクルから順々に高効率な冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転に切り換えていくことにより、全体として高効率な冷凍運転が可能となり、従来のように１段冷凍機で冷却する場合よりも高効率運転が可能になり、ＣＯＰを向上することができる。

また好ましくは、前記凝縮器が蒸発式凝縮器又は空冷式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器又は空冷式凝縮器の空冷ファンをインバータにより回転数制御可能な構成とすることにより、前記凝縮器においては、外気の影響を受ける冷媒自然循環冷凍サイクルの凝縮機能を一定に保持することができる。

また本発明装置において、好ましくは、前記蒸発器が満液式蒸発器であり、前記凝縮器の冷媒液送出口の高さを前記満液式蒸発器の液面高さより高く構成することにより、外気温度の低下に対し冷媒の圧力比が下がり、これによって運転効率を上げることができる。
また好ましくは、外気温度に対応して、インバータにより圧縮機の容量を制御可能に構成することにより、運転効率の向上に伴って圧縮機の容量を下げることができ、これにより消費電力を低減することができる。

また本発明装置において、好ましくは、前記蒸発器が蒸発式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器の冷却水槽に不凍液を貯留し、冷却水として前記不凍液を使用することによって、蒸発温度を下げ、冷却効果を向上できるとともに、マイナスの湿球温度にも不凍液が凍らず、氷点下での冷凍サイクル運転を可能とする。
また好ましくは、前記蒸発器が蒸発式凝縮器であり、該蒸発式凝縮器の冷却水槽に貯留した冷却水の濃度センサと、前記冷却水槽に補給水を補給する手段と、冷却水の濃度が設定値を越えると前記冷却水槽に補給水を補給して冷却水の濃度を設定値に保持する制御装置とからなる構成とすることによって、冷却水槽内の冷却水の濃度を自動的に設定範囲内に保持することができる。

また本発明によれば、冷却負荷媒体を前記冷凍サイクルの蒸発器と１段目から順に熱交換させ、外気温度に対応して前記冷凍サイクルを１段目から順に冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転に切り換えていくようにしたことにより、１段目冷凍サイクルの蒸発器では高い蒸発温度でもよく、その後蒸発器の蒸発温度を順々に低温にしていき、外気温度に対応して、前記冷凍サイクルを１段目から順々に冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクルによる冷凍運転に切り換えていくことにより、高効率運転を可能とする。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明装置の第１実施例のフロー図、図２は、第１実施例の内部構成図、図３は、第１実施例の制御系を示すブロック線図、図４は、第１実施例による主な運転条件を示す図表、図５は、第１実施例と従来型冷媒自然循環式のサーモサイフォンチラー冷凍機との性能比較線図、図６は、第１実施例による冷凍運転時の運転状況の一例を示す線図である。

図１及び２において、１は冷媒蒸気通路で、１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０から供給された冷媒蒸気は、室外に配置された凝縮器３によって冷却され、冷媒液となって冷媒液通路２を通過し、再び１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０に戻る。室外凝縮器３は蒸発式凝縮器（エバコン）で構成されている。４は、本冷却装置の冷却負荷媒体である冷水を通す配管であり、５及び６は、冷水配管４が本冷却装置に出入りする入口及び出口である。

１段目冷凍サイクル１０は、上流側から、膨張弁１１と、満液式蒸発器で構成された蒸発器１２と、運転の過度的現象や冷媒封入量過多などの場合に緩衝の役割を果たすサージドラム１３と、レシプロ圧縮機１４とで構成されており、２段目冷凍サイクル２０も同様の構成となっている。なおレシプロ圧縮機１４は、インバータ制御によりその容量を制御可能に構成されている。
１５は、冷媒液を膨張弁１１をバイパスさせるためのバイパス管路、１５ａはバイパス管路１５に介設された電動弁、１６は、冷媒蒸気を圧縮機１４をバイパスさせるためのバイパス管路、１４ａ及び１６ａは、冷媒蒸気の流れを圧縮機１４側か又はバイパス管路１６側に切り替える切り替え用電動弁である。また２段目冷凍サイクル２０においても同様のバイパス管路及び切り替え用電動弁が設けられている。

図２は、第１実施例の冷却装置の内部構成を示し、図において、本冷却装置は、１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０を内臓する下部構造体３０と、その上部に、蒸発式凝縮器からなる室外熱交換器３を内臓した上部構造体４０とから構成されている。
下部構造体３０には、冷却水受水槽３１と、冷却水を配管３３を介して蒸発式凝縮器の散水部４４に供給する冷却水循環ポンプ３２が設けられている。なお１７及び２７は、満液式蒸発器からなる室内熱交換器１２及び２２の冷媒液面レベルを検知する液面レベルセンサであり、該レベル検知信号を後述するコントローラＣＬに送り、膨張弁１１及び２１の冷媒液流量を制御することによって冷媒液面レベルを制御し、これによって室内熱交換器１２及び２２の圧力を制御し、ひいては蒸発温度を設定値に保持する。また３４は、下部構造体３０の内部を密閉可能又は換気可能とする開閉可能なルーバである。

上部構造体４０において、４１は傾斜多管式熱交換器で、散水部４４とともに凝縮部を形成している。冷媒蒸気通路１から供給される冷媒蒸気がヘッダ４２を介して傾斜多管式熱交換器４１を流れる間に散水部４４から傾斜多管式熱交換器４１に散水される冷却水の蒸発潜熱により冷却されて冷媒液となり、冷媒液は、ヘッダ４３及び冷媒液通路２を経て１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０の膨張弁１１及び２１に戻るようになっている。なお冷媒がアンモニアである場合、冷却水の散水により、後述する冷却空気とともに熱交換器４１内での除害処理を行うことができる。

また上部構造体４０の下部から空冷ファン４６の作動によって傾斜多管式熱交換器４１に外気ａが導入され、冷却空気は傾斜多管式熱交換器４１を流れる冷媒蒸気を冷却した後、エリミネータ４５によって水分が除去され、上部に設けた空冷ファン４６によって外部に放出される。
なお空冷ファン４６は、インバータにより回転数制御可能な構成となっており、これにより、３が外気の影響を受ける冷媒自然循環冷凍サイクルの凝縮機能を一定に保持することができるようになっている。

４９は、冷却水受水槽３１に補給水ｗを供給する供給管であり、５０は冷却水濃度センサである。受水槽３１に貯留された冷却水は放っておくと濃縮してしまう。冷却水濃度センサ５０の検出値の基づいて後述するコントローラＣＬにより供給管４９に介設された電磁弁５１を操作して補給水ｗを受水槽３１に補給することにより、受水槽３１に貯留された冷却水の濃度を設定範囲に保持することができる。

次に第１実施例の制御系を図３に基づいて説明する。図３は、第１実施例の制御系を示すブロック線図である。図３において、Ｌ１及びＬ２は、満液式蒸発器１２及び２２の冷媒液面レベルを検知するセンサ１７及び２７によって検知された冷媒液面レベルである。
Ｔ１は、外気温度センサ４８（図２参照）によって検知した外気温度であり、Ｔ２は、冷水配管４の出口部６に設けられた冷水出口温度センサ７（図２参照）によって検知された冷水出口温度である。

かかる制御装置系において、冷媒液面レベル検知値Ｌ１及びＬ２をコントローラＣＬに送り、前述のとおりこの検出値に基づいて膨張弁１１及び２１の開度を制御し、冷媒液面レベルＬ１及びＬ２を設定レベルに制御することによって、室内熱交換器１２及び２２の冷媒蒸気圧力、ひいては冷媒蒸気温度を制御する。
また外気温度Ｔ１及び前記冷媒液面レベル検知値Ｌ１、Ｌ２から求めた冷媒圧力等に基づいて、コントローラＣＬが圧縮機１４及び２４のインバータ１８及び２８を制御して、圧縮機１４及び２４の容量（回転数）を制御する。

また外気温度検出値Ｔ１に基づいて、コントローラＣＬが電動弁１４ａ、１５ａ、１６ａ、２４ａ、２５ａ及び２６ａの開閉を制御し、１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０の強制循環冷凍サイクル運転から冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転への切り替えを自動的に行なう。
また冷水出口温度Ｔ２を検知して、その検知値が運転切り替え等により変動した時は、コントローラＣＬが空冷ファン４６のインバータ４７や圧縮機１４、２４のインバータ１８、２８を制御し、圧縮機容量（回転数）や空冷ファン回転数を制御することにより、冷水出口水温Ｔ２を自動調整する。
また前述のように、コントローラＣＬでは、冷却水濃度センサ５０の検知値を入力して、電磁弁５１を操作して、受水槽３１の冷却水濃度を常に設定範囲に保持することができる。

かかる構成の第１実施例において、以下第１実施例の運転方法を説明する。
即ち１段目冷凍サイクル１０の蒸発器１２の蒸発温度を２段目冷凍サイクル２０のそれより低く設定し、通常時（夏期）は１段目冷凍サイクル１０及び２段目冷凍サイクル２０とも膨張弁及び圧縮機を稼動させる強制循環冷凍サイクル運転を実施し、冬期は外気温度が下がると、一段ずつ冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転に切り替える。冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転に切り替わる場合、電動弁１４ａ、１５ａ、１６ａ、２４ａ、２５ａ及び２６ａにより、冷媒流路が自動的に圧縮機１４、２４及び膨張弁１１、２１をバイパスするバイパス管路１５、１６及び２５、２６に切り替わる。なお膨張弁１１、２１を通ることによる圧力損出を考慮しなければ、冷媒が膨張弁１１、２１を通る冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転としてもよい。

第１実施例における運転条件の一例を図４に示す。この例の場合１段目冷凍サイクルの蒸発温度を８℃、２段目冷凍サイクルの蒸発温度を５℃と設定しており、冷媒はアンモニアを使用している。また冷水２段目出口温度が７℃であるが、本発明では、冷却負荷媒体の最終目的温度は、外気温度以下の範囲で自由に設定することができる。冷却負荷媒体としてブラインを用いて、零度以下のブラインとすることも可能である。
また第１実施例及び従来型チラー冷凍機（強制循環冷凍サイクルのみ）の性能例を図５に示す。図５において、従来方式では、外気温度が下がると、消費電力は落ちるが、ある一定温度以下ではほぼ変わらない。第１実施例では、蒸発器１２及び２２として満液式蒸発器を採用しているため、外気温度に対し、冷媒の圧力比が下がり運転効率が良くなるため、インバータにより圧縮機１４及び２４の回転数が下がる。このため冷却装置の消費電力が減る傾向になる。

また外気温度の低下により１段目冷凍サイクル１０の膨張弁１１及び圧縮機１４をバイパスさせ、冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクルに切り換えると（混在運転）、１段目冷凍サイクル１０の主動力がなくなるため、消費電力は下がる。
さらなる外気温度の低下により２段目冷媒配管系２０の膨張弁２１及び圧縮機２４をバイパスさせ、冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクルに切り換えると（２台冷凍機停止）、動力は室外熱交換器３の空冷ファン４６等の補助機器の動力で済むので、さらに消費電力が下がる。
なお第１実施例において、受水槽３１に沸点上昇の少ないＰＧ、ＥＧ等の不凍液を貯留し、冷却水としてこれらの不凍液を使用してもよい。これによって、蒸発温度を下げて冷却能力を増大させ、かつマイナスの湿球温度にも不凍液が凍らず、氷点下での冷凍サイクル運転を可能とする。

本第１実施例による冷凍運転時の運転状況の一例を図６に基づいて説明する。図６は、冷凍能力１８５ｋｗ時の運転状況の一例を示す線図である。図６において、強制圧縮循環冷凍サイクル運転から冷媒自然循環式のサーモサイフォン運転に切り替えて安定した冷却運転ができており、冷水出口水温は運転切換時には変動するが、圧縮機１４及び２４の回転数や室外熱交換器３の空冷ファン４６の回転数制御で自動調整する。

通常の冷凍機２台の強制圧縮循環運転から冷媒自然循環式のサーモサイフォン混在運転（１段のみ切換）、さらに完全サーモサイフォン運転（２段切換）と切り替えていくと、消費電力が下がる。また外気温度が低いほど消費電力が低くなっていることがわかる。
このように本発明によれば、高効率省エネ冷凍運転が可能となり、例えば外気温−８℃以下で夏場の冷媒圧縮強制循環運転に比べ、２５％の性能向上が達成でき、−１０℃以下では倍増する場合もあることが確認できた。

次に図７は外気温度と消費動力の関係を示す。図７において、冷凍能力が１８５ｋＷの場合は、強制循環サイクル運転から冷媒自然循環式のサーモサイフォン運転に切り替えた場合動力値が減ったが、冷凍能力が大きくなると、凝縮器ファンの消費動力が増え、圧縮機を止めた動力削減量よりも大きくなる場合があった。そのため冷凍能力が大きい場合でも冷媒自然循環式のサーモサイフォン運転に切り替えて満足できる外気温はマイナス６〜７℃以下である。

次に図８は、外気温度と成績係数（ＣＯＰ＝冷凍能力／消費動力）との関係を示す。図８において、外気温度が低いほど、強制循環サイクル運転と比べて、完全冷媒自然循環式のサーモサイフォン運転時のＣＯＰが高くなることがわかる。

本発明によれば、夏期には併設した冷媒圧縮強制循冷凍サイクルによるバックアップを受ける省エネ式の冷媒自然循環路を有する寒冷地対応冷媒自然循環式のサーモサイフォンチラー冷凍機及びその運転方法に係り、冷媒自然循環路と冷媒圧縮強制循環路とを組み合わせた冷媒配管系を複数段並列に配置して高効率省エネ冷凍運転を達成し得るものであり、その用途として、例えば冬期においても冷房が必要な病院、クリーンルーム、電算センタ等の大規模建物の空調用、あるいは飲料工場、乳業工場、ビール工場、製紙工場等、通年冷水を製造するラインを有する工場等に適用されて有益である。

本発明装置の第１実施例のフロー図である。 前記第１実施例の内部構成図である。 前記第１実施例と従来型サーモサイフォンチラー冷凍機との性能比較線図である。 前記第１実施例による主な運転条件を示す図表である。 前記第１実施例と従来型サーモサイフォンチラー冷凍機との性能比較線図である。 前記第１実施例による冷凍運転時の運転状況の一例を示す線図である。 前記第１実施例による冷凍運転時の外気温度と消費動力との関係を示す線図である。 前記第１実施例による冷凍運転時の外気温度と成績係数との関係を示す線図である。 従来の冷媒自然循環システムを示す模式図である。 従来の冷媒圧縮強制循環冷凍サイクルと冷媒自然循環系冷凍サイクルとを組み合わせた寒冷地対応サーモサイフォンチラー冷凍機の概略構成図である。

１ 冷媒蒸気通路
２ 冷媒液通路
３、１０２ 室外熱交換器（凝縮器）
４ 冷水配管
５ 冷水入口部
６ 冷水出口部
７ 冷水出口温度センサ
１０ １段目冷凍サイクル
１１、２１ 膨張弁
１２、２２、１０１ 室内熱交換器（蒸発器）
１３、２３ サージドラム
１４、２４ 圧縮機
１４ａ、１５ａ、１６ａ、２４ａ、２５ａ、２６ａ 電動弁
１５、１６、２５、２６ バイパス管路
１７、２７ 冷媒液レベルセンサ
１８、２８、４７ インバータ
３１ 冷却水受水槽
３２ 冷却水循環ポンプ
３３ 冷却水配管
３４ ルーバ
４１ 熱交換器
４２、４３ ヘッダ
４４ 散水部
４５ エリミネータ
４６ 空冷ファン
４８ 外気温度センサ
４９ 補給水供給管
５０ 冷却水濃度センサ
５１ 電磁弁
１０３ 冷媒配管
ａ 外気
ＣＬ コントローラ
ｗ 補給水

Claims (1)

1. 室外に配置され冷却を外気により行なう単一の凝縮器と、
   該凝縮器より高低差のある低位置に設けた複数の満液式蒸発器とを含み、
   前記単一の凝縮器と前記各蒸発器との間で冷媒が循環する複数の冷凍サイクルを構成し、該複数の冷凍サイクルは単一の前記凝縮器に対して並列に配置されており、且つ該複数の冷凍サイクルは圧縮機により冷媒を圧縮して冷媒の強制循環を行う冷媒強制循環冷凍サイクル運転と、前記圧縮機を利用することなく、冷媒を自然循環により循環させる冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転とを切り替え可能に構成されてなる冷却装置であって、
   冷却負荷配管が前記複数の蒸発器に、前記夫々の冷凍サイクルを構成する蒸発器１段目から順に直列に接続するとともに、
   前記夫々の冷凍サイクルの満液式蒸発器の蒸発温度を１段目を高くその後順に低く設定してなる蒸発器で構成してなる冷却装置の運転方法において、
   前記冷却負荷配管中の冷却負荷媒体を、異なる蒸発温度で制御された複数の蒸発器で熱交換させる第１の冷凍運転モードと、
   １段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度より外気温度が十分に低くなった場合に、１段目冷凍サイクルを冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転とすることにより、２段目冷凍サイクルの動力のみで冷却負荷媒体の冷却を行なう第２の冷凍運転モードと、
   ２段目冷凍サイクルの蒸発器の蒸発温度よりも十分外気温度が低くなった場合には、２段目冷凍サイクルも冷媒自然循環式のサーモサイフォン冷凍サイクル運転で運転する第３の冷凍運転モードとを具え、
   外気温度の低下に応じて前記３種類の冷凍運転モードを選択的に切り換えていくことを特徴とする冷却装置の運転方法。

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