JP5752428B2 - 水冷媒冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、冷媒として水を用いた水冷媒冷凍システムに係り、詳しくは冷凍機を運転しないで冷却塔の運転のみで所定の冷水温度に冷却するフリークーリング運転による省エネ効果が有効に発揮できる水冷媒冷凍システムに関する。

従来より、冷媒として水を用いた冷凍システムとしては、図５に示されるように、冷媒が蒸発器５１、圧縮機５２、凝縮器５３の順に循環する回路からなる冷凍機５４に対し、前記蒸発器５１の冷媒が送り配管を通って負荷に供給され、戻り配管を通って該蒸発器５１に戻される冷水系回路５５と、前記凝縮器５３の冷媒が冷却塔５６で冷却され該凝縮器５３に戻される冷却水系回路５７とが接続された水冷媒冷凍システム５０が知られている（例えば下記特許文献１参照。）。かかる水冷媒冷凍システムにおいては、冷水系回路５５の冷媒及び冷却水系回路５７の冷媒として共に同じ水が用られているため、両回路の冷水と冷却水を混合でき、熱交換時の熱損失がないなどの特徴を有している。

このような水冷媒冷凍システム５０では、図５及び図６に示されるように、予め、冷水系回路５５の戻り配管から分岐して冷却水系回路５７の冷却塔５６への供給配管に至るバイパス路５８を設けるとともに、冷却水系回路５７の冷却塔５６から凝縮器５３に至る管路の途中から分岐して冷水系回路５５の送り配管に至るバイパス路５９を設け、且つ前記バイパス路５８、５９にはそれぞれバルブ６０、６１を設けておき、システムの省エネ化を図るため、外気湿球温度が低いとき、図６に示されるように、圧縮機５２を停止して冷凍機５４を運転しないとともにバルブ６０、６１を開とし、戻り配管の冷媒がバイパス路５８を通って冷却塔５６に送られ、冷却塔５６の運転のみで所定の冷水温度に冷却された後、バイパス路５９を通って送り配管に送られるフリークーリング運転が行われている。

また、下記特許文献２には、凝縮器の底部と蒸発器の底部とに連結される第一の連通路と、連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプを設け、凝縮器の底部と蒸発器の底部とに連結され、フリークーリング運転時に前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開にして前記強制循環ポンプを駆動して前記凝縮器内の冷水を前記蒸発器内に送る第二の連通路と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷水還り管に設けられた第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁より上流側から分岐し、フリークーリング運転時に冷水還り管の冷水を凝縮器に送る第二のバイパス管路とを含み、外部湿球温度が所定の値以下の場合に、制御装置によって、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、同時にバイパス管の第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放して強制循環ポンプを運転して、フリークーリング運転が行われる水蒸気圧縮冷凍機システムが開示されている。

特開２００６−９７９８９号公報 特開２０１０−２３０２６４号公報

しかしながら、外気湿球温度が低下してフリークーリング運転が可能な条件になった場合でも、配管ラインの弁の切り換えが手動で行われるので、冷凍機の安定運転を確保するためにシーズンごとに運転状態を切り換える運転が行われていた。また、一日の間にフリークーリング可能な条件を上下する外気湿球温度の場合でも、安全側で運転するために、本来フリークーリング運転可能な条件であってもフリークーリング運転には切り換えないで冷凍機運転のままで運転していた。従って、フリークーリング運転による省エネ効果が有効に発揮できていないという問題があった。

さらに、上記特許文献２に記載されるような従来の水冷媒冷凍システムでは、フリークーリング運転への切り換え時に、ポンプの運転を停止し、各制御弁の切り換えによってバイパス路を循環する流路に設定した後、ポンプの運転を再開する操作が必要となり、切り換え時に一時的に配管系統を冷水系と冷却水系とに分割する必要があり、運転の切り換え操作が複雑であった。

そこで本発明の主たる課題は、冷凍機運転時とフリークーリング運転時の切り換えを容易にし、フリークーリング運転による省エネ性が有効に発揮できる水冷媒冷凍システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、冷媒として水を用い、冷媒が蒸発器、圧縮機、凝縮器の順に循環する回路からなる冷凍機に対し、前記蒸発器の冷媒が冷水ポンプによって送り配管を通って負荷に供給され、熱交換が行われた後、戻り配管を通って前記凝縮器に送られる冷水系回路と、前記凝縮器の冷媒が冷却水ポンプによって冷却塔に供給され、該冷却塔で冷却された後、前記蒸発器に送られる冷却水系回路とが接続された水冷媒冷凍システムであって、
前記水冷媒冷凍システムでは、前記冷水系回路の冷媒及び冷却水系回路の冷媒として共に同じ水が用いられ、両回路の冷水と冷却水とが混合可能とされており、
前記蒸発器には、冷却水系回路の冷却塔で冷却された冷媒が送られる配管が接続され、蒸発器内に冷媒が散水されることにより冷媒の蒸発が行われ、蒸発器の底部に溜まった冷却された冷媒は、蒸発器の底部に接続された送り配管を通って冷水ポンプによって負荷に供給されるようになっており、
前記凝縮器では前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気に対し、冷水系回路の戻り配管を通って戻された冷媒を散水することにより、冷媒蒸気を冷却して再液化させるものであって、凝縮器の底部に溜まった冷媒は、冷却水ポンプによって冷却塔に送られるようになっており、
前記冷却水系回路の蒸発器の前段に、流通する冷媒の温度を測定する第１温度計を設置するとともに、前記冷水系回路の蒸発器の後段に、流通する冷媒の温度を測定する第２温度計を設置し、
前記冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度より高いとき、前記圧縮機を稼働して冷凍機を作動させる冷凍機運転が行われ、前記冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度と同等以下のとき、前記圧縮機を停止する操作のみでフリークーリング運転が行われることを特徴とする水冷媒冷凍システムが提供される。

上記請求項１記載の発明は、冷媒として水を用いた水冷媒冷凍システムにおいて、冷媒が蒸発器、圧縮機、凝縮器の順に循環する回路からなる冷凍機に対し、前記蒸発器の冷媒が負荷などに供給され、熱交換が行われた後、凝縮器に送られる冷水系回路と、前記凝縮器の冷媒が冷却塔で冷却され蒸発器に送られる冷水系回路とが接続された回路構成を有するものである。そして、前記冷却水系回路の蒸発器の前段に、流通する冷媒の温度を測定する第１温度計を設置するとともに、前記冷水系回路の蒸発器の後段に、流通する冷媒の温度を測定する第２温度計を設置している。

本水冷媒冷凍システムの運転においては、冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度（第１温度計の測定温度）が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度（第２温度計の測定温度）より高いとき、前記圧縮機を稼働して冷凍機を作動させる冷凍機運転が行われ、前記冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度と同等以下のとき、前記圧縮機を停止する操作のみでフリークーリング運転が行われるようになっている。

このように本水冷媒冷凍システムでは、冷媒の流路を切り換えることなく、そのままの状態で、圧縮機の運転を制御することによって冷凍機運転とフリークーリング運転とが切り換え可能となっているため、運転状態の切り換えが容易にできるとともに、こまめに運転状態を切り換えたとしてもシステムの安定化が図れるようになる。従って、所定の温度条件になった時点で運転状態をフリークーリング運転に切り換えることにより、フリークーリング運転による省エネ性が有効に発揮できるようになる。

請求項２に係る本発明として、前記圧縮機はインバータ制御により回転数が制御可能とされている請求項１記載の水冷媒冷凍システムが提供される。

上記請求項２記載の発明では、冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度と冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度との温度差に応じて、冷凍機の冷凍能力を調整可能とするため、前記圧縮機として、インバータ制御により回転数が制御可能なものが用いられている。

以上詳説のとおり本発明によれば、冷凍機運転時とフリークーリング運転時の切り換えを容易にし、フリークーリング運転による省エネ性が有効に発揮できる水冷媒冷凍システムが提供できるようになる。

本発明に係る水冷媒冷凍システム１の冷凍機運転時のシステム構成図である。 冷凍機運転時のシステム構成図（その２）である。 フリークーリング運転時のシステム構成図である。 他の形態に係る水冷媒冷凍システム１のシステム構成図である。 従来の水冷媒冷凍システム５０のシステム構成図（冷凍機運転時）である。 従来の水冷媒冷凍システム５０のシステム構成図（フリークーリング運転時）である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る水冷媒冷凍システム１は、図１に示されるように、冷媒として水を用いたものであって、この冷媒が蒸発器２、圧縮機３、凝縮器４の順に循環する回路からなる冷凍機５に対し、前記蒸発器２の冷媒が冷水ポンプ６によって送り配管を通って負荷などに供給され、熱交換が行われた後、戻り配管を通って前記凝縮器４に送られる冷水系回路７と、前記凝縮器４の冷媒が冷却水ポンプ８によって冷却塔９に供給され、該冷却塔９で冷却された後、前記蒸発器２に送られる冷却水系回路１０とが接続された回路構成を有している。

前記水冷媒冷凍システム１の運転では、図１及び図２に示されるように、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度より高いとき、前記圧縮機３を稼働して冷凍機５を作動させる冷凍機運転とし、図３に示されるように、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度と同等以下のとき、前記圧縮機３を停止するフリークーリング運転とする制御が行われる。

以下、本水冷媒冷凍システム１のシステム構成と、冷凍機運転時及びフリークーリング運転時の運転状態とについて具体的に説明する。

（システム構成）
前記冷凍機５は、密閉系の水冷媒冷凍機であり、蒸発器２で蒸発した冷媒を圧縮機３で圧縮して高温高圧蒸気とし、凝縮器４で冷却して再液化するものである。

前記蒸発器２は、例えば大気圧より低い減圧状態の蒸発器２内で冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱を周囲から吸収することによって、周囲の水冷媒を冷却するものである。蒸発器２には、冷却水系回路１０の冷却塔９で冷却された冷媒が送られる配管が接続され、蒸発器２内に冷媒が散水されることにより冷媒の蒸発が行われている。蒸発器２の底部に溜まった冷却された冷媒は、蒸発器２の底部に接続された配管を通って冷水ポンプ６によって各負荷に供給される。

前記凝縮器４は、圧縮機３で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気に対し、冷水回路７の戻り配管を通って戻された冷媒を散水することにより、冷媒蒸気を冷却して再液化させるものである。凝縮器４の底部に溜まった冷媒は、冷却水ポンプ８によって冷却塔９に送られる。

前記圧縮機３は、ターボ式、ルーツ式、スクリュー式、軸流式など公知の水蒸気圧縮機を用いることができる。前記圧縮機３は、インバータ制御により、回転数が制御可能とされたものを用いることが望ましい。これにより、後段で詳述するように、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度と冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度との温度差に応じて回転数を制御して、冷凍機の冷凍能力の制御を行うことが可能となる。

前記冷却塔９は、密閉式の冷却塔が好ましく、冷媒が通る冷却水管を冷却塔内に配管し、この管外側で冷却用の外気と散布水を散水して冷媒の冷却を行うものである。なお、冷却塔９として開放式のものを使用してもよい。

（冷凍機運転時の運転状態）
次に、本水冷媒冷凍システム１の運転状態について説明する。先ずはじめに圧縮機３を稼働させた冷凍機運転時の運転状態について、図１に基づいて説明する。図１に示される例では、冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度が２０℃、凝縮器４に送られる冷媒の温度が２３℃に設定された条件の下で、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度が前述の２０℃より若干高い２１℃の場合である。

このように、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度（２１℃）が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度（２０℃）より高いときは、圧縮機３を稼働して冷凍機５を作動させる冷凍機運転が行われ、冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度を２０℃に保持している。本例においては、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度（２１℃）と冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度（２０℃）との差が１℃と小さいため、圧縮機３がインバータ制御によって低い回転数に制御され、冷凍機５として冷媒の流量が小流量に設定されている。

なお、図示しないが、冷却水系回路１０の蒸発器２の前段には、流通する冷媒の温度を測定する第１温度計が設置されるとともに、冷水系回路７の蒸発器２の後段には、同じく第２温度計が設置され、それぞれ制御機に測定温度が送られ、制御機によって圧縮機３の運転が制御されている。

次に、冷凍機運転時の他の運転状態について、図２に基づいて説明する。図２に示される例は、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度（３２℃）が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度（２０℃）より大幅に高い場合である。

この場合、蒸発器２では１２℃（３２℃−２０℃）の冷却を行わなければならない。これに対し、同様の温度条件を従来の水冷媒冷凍システム５０（図５参照）に適用した場合、蒸発器５１に接続された冷水系回路５５の往きと還りの冷媒の温度差である３℃（２３℃−２０℃）の冷却を行わなければならない。すなわち、本水冷媒冷凍システム１では、従来のシステム（図５）と比較すると蒸発器２において４倍の冷媒の蒸発量が必要となる。一方、蒸発温度（蒸発器の入口温度）と凝縮温度（凝縮器の出口温度）との差は、従来の１２℃（３５℃−２３℃）から３℃（３５℃−３２℃）となり、１／４となる。従って、本水冷媒冷凍システム１では、前記圧縮機３として、大流量で小圧力差の運転に向いているターボ圧縮機、軸流圧縮機などを用いることが好ましい。

（フリークーリング運転時の運転状態）
次に、圧縮機３を停止して冷凍機５を作動させないフリークーリング運転時の運転状態について、図３に基づいて説明する。同図３に示されるように、冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度（２０℃）が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度（２０℃）と同等の場合、或いはそれ以下の場合、圧縮機３を停止して蒸発器２及び凝縮器４での熱交換を行わず、冷水系回路７の戻り冷媒を冷却塔９に直接供給するとともに、冷却塔９で冷却された冷媒を冷水系回路７の送り冷媒として直接供給する。

このように、本水冷媒冷凍システム１では、冷凍機運転とフリークーリング運転との切り換えが圧縮機３の運転停止のみで行われ、バルブの開閉など冷媒の流路を切り換える操作が不要であるため、システムの安定性を保持したまま運転状態の切り換えが可能となり、操作が容易化できる。

ところで、本水冷媒冷凍システム１は、冷却塔のみを用いたフリークーリングを中心とした冷却システムを改修して、冷却能力を増強するのに有効である。すなわち、工場などで冷媒を冷却塔で冷却することによって冷熱を得ているフリークーリングシステムにおいて、蒸発器、圧縮機及び凝縮器を追加することによって冷却能力を増強することが可能となる。

（他の形態例）
本水冷媒冷凍システム１では、図４に示されるように、上記形態例に係る流路構成と従来の流路構成（図５参照）とに切り換え可能なように、冷水系回路７の凝縮器４に至る手前で分岐して蒸発器２に接続する冷水用分岐路２０を形成するとともに、この分岐点から凝縮器４に至る間及び冷水用分岐路２０にそれぞれバルブ２１、２２を設け、且つ冷却水系回路１０の蒸発器２に至る手前で分岐して凝縮器４に接続する冷却水用分岐路２３を形成するとともに、この分岐点から蒸発器２に至る間及び冷却水用分岐路２３にそれぞれバルブ２４、２５を設けることができる。

上記形態例に係る流路構成では、バルブ２１、２４を開、バルブ２２、２５を閉に制御し、冷水系回路７において蒸発器２の冷媒が送り配管を通って負荷に供給された後、凝縮器４に送られ、冷却水系回路１０において凝縮器４の冷媒が冷却塔９で冷却され蒸発器２に送られるようになっている。一方、従来の流路構成では、バルブ２１、２４を閉、バルブ２２、２５を開に制御し、冷水系回路７において蒸発器２の冷媒が送り配管を通って負荷に供給された後、蒸発器２に戻され、冷却水系回路１０において凝縮器４の冷媒が冷却塔９で冷却された後、凝縮器４に戻されるようになっている。

図４に示されるシステム１は、図２に示されるような圧縮機３の流量が過大となる条件のときに特に有効であり、かかる条件下で従来の流路構成に切り換えることによって、上記形態例に係る流路構成の場合には冷却水系回路１０の蒸発器２に供給される冷媒の温度が冷水系回路７の蒸発器２から供給される冷媒の温度より大きくなったとき直ちにフリークーリング運転から冷凍機運転への切り換えが行われていたが、ある温度範囲（冷却水温度が冷水温度より５℃程度低い範囲）までは圧縮機３の運転制御により所定の冷水温度で運転を継続することが可能となる。

１…水冷媒冷凍システム、２…蒸発器、３…圧縮機、４…凝縮器、５…冷凍機、６…冷水ポンプ、７…冷水系回路、８…冷却水ポンプ、９…冷却塔、１０…冷却水系回路

Claims (2)

1. 冷媒として水を用い、冷媒が蒸発器、圧縮機、凝縮器の順に循環する回路からなる冷凍機に対し、前記蒸発器の冷媒が負荷に供給され、熱交換が行われた後、戻り配管を通って前記凝縮器に送られる冷水系回路と、前記凝縮器の冷媒が冷却塔に供給され、該冷却塔で冷却された後、前記蒸発器に送られる冷却水系回路とが接続された水冷媒冷凍システムであって、
   前記冷水系回路の冷媒及び冷却水系回路の冷媒として共に同じ水が用いられ、両回路の冷水と冷却水とが混合可能とされ、
   前記蒸発器には、冷却水系回路の冷却塔で冷却された冷媒が送られる配管が接続され、蒸発器内に冷媒が散水されることにより冷媒の蒸発が行われ、蒸発器の底部に溜まった冷却された冷媒は、蒸発器の底部に接続された送り配管を通って冷水ポンプによって負荷に供給されるようになっており、
   前記凝縮器では前記圧縮機で圧縮された高温・高圧の冷媒蒸気に対し、冷水系回路の戻り配管を通って戻された冷媒を散水することにより、冷媒蒸気を冷却して再液化させるものであって、凝縮器の底部に溜まった冷媒は、冷却水ポンプによって冷却塔に送られるようになっており、
   前記冷却水系回路の蒸発器の前段に、流通する冷媒の温度を測定する第１温度計を設置するとともに、前記冷水系回路の蒸発器の後段に、流通する冷媒の温度を測定する第２温度計を設置し、
   前記冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度より高いとき、前記圧縮機を稼働して冷凍機を作動させる冷凍機運転が行われ、前記冷却水系回路の蒸発器に供給される冷媒の温度が前記冷水系回路の蒸発器から供給される冷媒の温度と同等以下のとき、前記圧縮機を停止する操作のみでフリークーリング運転が行われることを特徴とする水冷媒冷凍システム。
2. 前記圧縮機はインバータ制御により回転数が制御可能とされている請求項１記載の水冷媒冷凍システム。

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