JP6087717B2 - 冷水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、凍結温度に近い冷水を製造することができる冷水製造装置に関する。

一般的に、冷水を製造する冷水製造装置としては、冷媒との熱交換を行う熱交換器を備えて、熱交換器を通過する水を、０℃近くまで冷却するものが一般的に知られている。このような冷水製造装置においては、水が凍結温度に近くなり凍結すると、その体膨張により機器の破損を招くおそれがあることから、冷水製造装置の作動を停止させることが一般的に行われている。

例えば、特許文献１では、熱交換器の水流出側の温度が、水の凍結温度付近に達したときか、または、熱交換器の水の流入側と流出側との圧力差が所定圧に達したときに、冷媒の流れを停止し、また、製造された水の温度が水の凍結温度より０．１℃以上の所定温度より高くなり、冷媒の流れが停止してから一定の時間が経過したときに、冷媒を流して運転を再開するようにしている。

また、特許文献２では、冷媒が循環する冷凍機の停止後に一定時間が経過したかを判断し、さらにそのときに水の温度が設定温度よりも低い場合には、冷凍機の停止時間を延ばすようにしており、これによって、特許文献１よりもさらに、冷凍機の停止時間を長く確保して、冷凍機の寿命向上を図るようにしている。

特開平７−４８１５号公報 特開２００４−３２５０２８号公報

従来の冷水製造装置は、装置の停止と再開の頻度を高くすると、装置に負担がかかり、装置の寿命を縮めるおそれがあるという思想に基づき、停止から再開までの時間をできる限り長く確保することで、停止と再開の頻度を低くすることを行っている。

しかしながら、発明者の研究によれば、そのように停止と再開の頻度を低くすると、温度の変化が緩慢になり、変化幅が大きくなる、という課題があることが分かった。変化幅が大きくなる結果として、水温が設定温度よりもかなり高くなってしまうという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、製造される水の水温の変化幅を小さくして、可能な限り低い設定温度の近傍で水温が変化するようにすることができる冷水製造装置を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、熱交換器を通過して冷媒が循環する冷媒循環部と、前記熱交換器を通過して水が循環する水循環部とを有し、熱交換器において冷媒との熱交換により設定温度になるように冷却された冷水を製造する冷水製造装置において、
前記冷媒循環部は、水の温度が設定温度よりも低い下限温度を下回ると作動を停止し、水の温度が設定温度よりも高い上限温度を上回ると作動を再開するようになっており、
さらに前記冷媒循環部の作動停止に合わせて、熱交換器に流入する水の温度を上昇させて冷媒循環部の作動の再開を促進する復帰促進手段を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記冷媒循環部の作動再開に合わせて、前記復帰促進手段を停止させる復帰促進停止手段を備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のものにおいて、前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入する水に、該流入する水よりも高い温度の水を混入することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載のものにおいて、前記復帰促進停止手段は、前記流入する水よりも高い温度の水の混入を徐々に減少させることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１または２記載のものにおいて、前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入前の水に、設定温度よりも高い水との間で熱交換を行わせることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１または２記載のものにおいて、前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入前の水に、前記冷媒循環部から排出された設定温度よりも高い気体との間で熱交換を行わせることを特徴とする。

本発明によれば、凍結を防止するために、冷媒循環部は、水の温度が設定温度よりも低い下限温度を下回ると作動を停止し、水の温度が設定温度よりも高い上限温度を上回ると作動を再開するようになっている一方で、冷媒循環部の作動が停止されたときに、復帰促進手段が、水の温度を上昇させるようにするために、水の温度が上限温度に迅速に達し、作動停止から短時間で冷媒循環部の作動を再開することができる。このように、短時間で冷媒循環部を復帰させることで、水温の温度変化の変化幅を小さい範囲にとどめて、可能な限り冷凍温度に近い設定温度近傍で水温が変化するようにすることができる。

本発明の第１実施形態による冷水製造装置の概略回路図である。 本発明の第１実施形態による冷水製造装置の水の温度変化を表すグラフである。 本発明の第１実施形態の変形例による冷水製造装置の水の温度変化を表すグラフである。 本発明の第２実施形態による冷水製造装置の概略回路図である。 本発明の第３実施形態による冷水製造装置の概略回路図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１において、第１実施形態による冷水製造装置１０は、大まかに、冷媒が循環する冷媒循環部１２と、冷却対象である水が流れる水循環部１４と、を備える。

冷媒循環部１２は、水との熱交換を行う熱交換器２０と、圧縮機２２と、凝縮器２４と、膨張弁２８と、を備え、これらを接続する循環路３０を通り例えばフロン等の冷媒が循環される。

水循環部１４は、冷媒との熱交換を行う前記熱交換器２０と、熱交換器２０で冷却された冷水を貯留するタンク４０と、水を熱交換器２０に向けて圧送するポンプ４２と、を備え、これらを接続する循環路４４を通り水が循環される。タンク４０とポンプ４２との間の流路には、水を補給するための補給路４６が連結され、補給路４６は電動弁５０及び定流量弁５６を介して、給水源５４に連結される。また、タンク４０にはオーバフロー管５８が設けられる。

さらに熱交換器２０とタンク４０との間の供給分岐点６７からは、冷水を外部へと供給する供給路６０が分岐され、供給路６０は定流量弁６２及び電磁開閉弁６４を介して、供給部６６へと連結される。さらに、供給分岐点６７とタンク４０との間の流路にも定流量弁６８が設けられている。

冷水製造装置１０は、コントローラ７０を備え、コントローラ７０は主として冷媒循環部１２及び水循環部１４の制御を行う。コントローラ７０には、各種センサからの信号が入力される。センサとしては、循環路３０を循環する冷媒の圧力を計測する圧力センサ、タンク４０のレベルを計測するレベルセンサ８２、循環路４４を循環する水の温度を計測する温度センサとすることができ、温度センサは任意の循環路４４の地点に配することができる。例えば、熱交換器２０の水の入口及び出口、ポンプ４２と熱交換器２０との間、熱交換器２０と供給分岐点６７との間に、温度センサ８４〜８７を適宜、配することができる。

コントローラ７０は、センサから入力された各種データに基づき、次の制御を行う。

・冷媒循環部１２の作動停止制御
水の温度を計測するいずれかの温度センサからの温度データに基づき、冷却循環部１２の作動を停止し、冷却循環部１２の作動を再開する。例えば、設定温度Ｔ０と、設定温度Ｔ０より低く凍結温度より高い下限温度Ｔｄと、設定温度Ｔ０より高い上限温度Ｔｕとが予め設定されており、温度データが下限温度Ｔｄを下回ったときに、冷媒循環部１２の作動を停止する。例えば、冷媒循環部１２の圧縮機２２の作動を停止させ冷媒の循環を停止する。温度データは、例えば、熱交換器２０の水の出口に設けられた温度センサ８４からの温度データとすることができるが、これに限定されるものではない。

この制御は、冷水が凍結するおそれがある場合に、機器の破損を防ぐために、冷媒循環部１２の作動を停止させて、熱交換器２０による冷水の冷却を停止させるためのものである。特に、供給路６０の電磁開閉弁６４が閉じられて、冷水の外部への供給が無い状態で、冷媒循環部１２が作動し、循環路４４を冷水が循環していると、冷水の冷却が進み、凍結するおそれがある。このような場合に、冷媒循環部１２の作動を停止させることで、凍結を防止することができる。

・冷媒循環部１２の復帰制御
冷媒循環部１２の作動が停止中に、温度データが上限温度Ｔｕを上回ったときに、冷媒循環部１２の作動を再開させる。温度データは、例えば、熱交換器２０の水の出口に設けられた温度センサからの温度データとすることができるが、これに限定されるものではない。

・復帰促進制御
冷媒循環部１２の作動の停止後、再開を促進させるために、所定の条件（後述の復帰促進開始条件）が満足されると、補給路４６から循環路４４の冷水よりも高い温度を持つ水、例えば常温水を補給し、冷水の温度を迅速に上限温度Ｔｕ以上にする。具体的には、補給路４６に設けられた電動弁５０を開き、給水源５４からの常温水を循環路４４に混入させる。

ここで、このコントローラ７０と補給路４６と補給路４６に設けられた電動弁５０とによって、「復帰促進手段」が構成される。

・復帰促進停止制御
復帰促進制御を行った後、所定の条件（後述の復帰促進停止条件）が満足されると、電動弁５０を閉じて、常温水の補給を停止する。

ここで、このコントローラ７０と補給路４６と補給路４６に設けられた電動弁５０とによって、「復帰促進停止手段」が構成される。

・レベル制御
冷水が外部で使用されるために供給部６６へと供給される等でタンク４０内の水位が低下しレベルセンサ８２からのレベルが低位レベルになると、電動弁５０を開き、給水源５４からの常温水を循環路４４へと補給する。このとき、定流量弁５６によって決まる循環路４４への常温水の補給量は、熱交換器２０によってほぼ設定温度Ｔ０に冷却することができるように、補給による負荷と熱交換器２０による冷却能力が平衡されるようになっているとよい。一方、レベルセンサ８２からのレベルが高位レベルになると、電動弁５０を閉じて補給を停止する。

以上のように構成された冷水製造装置の作用を以下に説明する。

通常の作動時においては、冷媒循環部１２の圧縮機２２及び凝縮器２４が作動して、循環路３０を冷媒が循環しており、水循環部１４のポンプ４２が作動して、循環路４４を水が循環しており、水は、熱交換器２０において冷媒と熱交換を行い、熱交換器２０から出た水が設定温度となるように冷却され、タンク４０に貯留される。

冷水の外部への使用が要求される場合には、電磁開閉弁６４が開かれ、冷水が供給部６６へと供給される。このとき、循環路４４では、定流量弁６２と定流量弁６８とのバランスによって定量が供給部６６へと供給され、定量がタンク４０へと送られる。使用によって、タンク４０内のレベルが低下して低位レベルを下回ると、「レベル制御」が実行され、電動弁５０が開かれ、循環路４４へと常温水が補給される。上述のように、補給水量は、熱交換器２０による冷却能力とバランスしているため、設定温度となった水を供給することができ、その温度はほぼ一定に保持される。

一方、冷水の外部への使用の要求が解除されると、電磁開閉弁６４が閉じられる。この状態で冷媒循環部１２が作動していると、循環路４４を循環する水の冷却が進むことになる。熱交換器２０から出た水の温度が下限温度Ｔｄを下回ると、「作動停止制御」によって、冷媒循環部１２の作動が停止される。これとほぼ同時に、「復帰促進制御」が実行され、補給路４６からの常温水が定量弁５６を介して定量、循環路４４に混入される。この「復帰促進制御」がなされる復帰促進開始条件としては、例えば次のものとすることができる。

・前記冷媒循環部１２の「作動停止制御」のための信号が出されたこと
・「作動停止制御」のための信号が出されてから所定時間が経過したこと
・任意の地点の温度が下限温度Ｔｄまたは下限温度Ｔｄ±ΔＴ１に達したこと

ここで、例えば、任意の地点の温度が下限温度Ｔｄ+ΔＴ１としたことを条件とした場合には、冷媒循環部１２の「作動停止制御」が行われるよりも先に、「復帰促進制御」が行われることも起こり得る。このように「復帰促進制御」を「作動停止制御」よりも先に実行することにより、温度のアンダーシュートを見越して「復帰促進制御」の開始タイミングを早めてもよい。

「復帰促進制御」によって、循環路４４を流れる水の温度が上昇するので、上限温度Ｔｕに迅速に達することになる。冷媒循環部１２の作動が停止されれば、循環路４４を循環する水の温度が自動的に上昇していくが、自然に任せると上限温度Ｔｕに達するまでに時間がかかる。しかしながら、常温水を混入することにより、上限温度Ｔｕに達するまでの時間が短縮されることとなる。

循環路４４を流れる水の温度が上限温度Ｔｕに達すると、「復帰制御」が実行され、冷媒循環部１２の作動が再開する。これとほぼ同時に、「復帰促進停止制御」により、常温水の補給が停止される。この「復帰促進停止制御」がなされる復帰促進停止条件としては、例えば、次のものとすることができる。

・前記冷媒循環部１２の「復帰制御」のための信号が出されたこと
・「復帰制御」のための信号が出されてから所定時間経過したこと
・任意の地点の温度が上昇温度Ｔｕまたは上昇温度Ｔｕ±ΔＴ２に達したこと

ここで、例えば、任意の地点の温度が上限温度Ｔｕ−ΔＴ２としたことを条件とした場合には、冷媒循環部１２の「復帰制御」が行われるよりも先に、「復帰促進停止制御」が行われることも起こり得る。「復帰促進停止」を「復帰制御」よりも先に実行することにより、温度のオーバーシュートを見越して「復帰促進停止制御」の実行タイミングを早めてもよい。

この「復帰促進停止制御」において、好ましくは、常温水の補給の停止は、電動弁５０を瞬時に閉じる代わりに、徐々に閉じていき、つまり、常温水の補給量を徐々に減少させるようにする。これによって、冷媒循環部１２に与える負荷の変化を緩和させることができる。

冷媒循環部１２が再開されて、冷水の外部への使用の要求がないときには、上記「作動停止制御」、「復帰促進制御」、「復帰制御」及び「復帰促進停止制御」が繰り返されることとなる。結果として、冷媒循環部１２の停止時間が短くなるために、温度の変化幅が小さくなり、設定温度に近い温度で、水が制御される。

図２は、この温度の時間変化を表したものであり、時間ｔ１まで冷水の外部への供給が行われており、この間は、外部への供給に応じた常温水の補給と、熱交換器２０による冷却とのバランスにより、上限温度Ｔｕと下限温度Ｔｄよりも小さい温度範囲（Ｔ０−≦Ｔ≦Ｔ０＋）で、設定温度Ｔ０を上下している。

次に、時間ｔ１で、冷水の外部への供給が停止されたものとすると、冷却が急激に進み、下限温度Ｔｄを下回るので、冷媒循環部１２が停止する（時間ｔ２）。よって、温度が上昇していく。ここで、「復帰促進制御」が開始されると（時間ｔ３）（図２においては、ある地点の温度が設定温度Ｔ０に達したことを条件としている）、温度の上昇変化が大きくなり、迅速に上限温度Ｔｕに達するので（時間ｔ４）、「復帰制御」が行われていることが分かる。そして、復帰制御と同時に、「復帰促進停止制御」がなされる。一方、この「復帰促進制御」が行われないと、図２の仮想線で示したように温度が変化していくために、その温度幅が大きくなり、設定温度Ｔ０に対して、かなり温度が高くなってしまうことが分かる。

尚、図２の例は、給水源５４から補給される水の温度を２２℃とし、熱交換器２０で冷却された冷水の設定温度を例えば２℃に設定し、下限温度Ｔｄを１．３℃、上限温度Ｔｕを２．７℃とした例である。

図３は、さらに、第１実施形態の変形例であり、「復帰促進制御」を「作動停止制御」よりも十分手前で開始することにより、冷媒循環部１２の停止を起こさせないようにする例である。即ち、作動停止制御の条件が満足する前に、復帰促進制御を開始することで、冷媒循環部１２は停止することなく作動を継続し、また、「復帰促進停止制御」を適宜時点で行うことにより、水循環部１４を循環する水の温度が高くなりすぎることを防ぐ。これによって、「作動停止制御」と「復帰制御」は結果として省略されるが、より一層、狭い温度範囲で、温度変化させることができる。

図４は、第２実施形態を表す図である。同図において第１実施形態と同一・同様の部分、部材は、同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。

この実施形態では、循環路４４の熱交換器２０の入口よりも手前に、熱交換器９０が設けられる。熱交換器９０には、分岐路９２を介して給水源５４からの常温水が導入されるようになっており、分岐路９２には電磁開閉弁９４が設けられる。これによって、熱交換器９０において、循環路４４を循環する水は、給水源５４から分岐路９２を通り導入された常温水との熱交換が可能となっている。よって、この実施形態では、コントローラ７０と、熱交換器９０と、分岐路９２と、電磁開閉弁９４とによって「復帰促進手段」が構成される。

以上のように構成される冷水製造装置においても、第１実施形態と同様に作用効果を奏することができる。即ち、復帰促進開始条件が満足されると、コントローラ７０により電磁開閉弁９４が開かれ、常温水を分岐路９２に流して、熱交換器９０に導入して、熱交換器２０に流入する水を常温水で加熱する。また、復帰促進停止条件が満足されると、電磁開閉弁９４を閉じ、熱交換器９０内の常温水は排出するか、または再利用される。

このようにこの第２実施形態では、常温水を直接、混入する代わりに、循環路４４を循環する冷水を、常温水によって暖めているために、冷水の無駄がないようにすることができる。

図５は、第３実施形態を表す図である。同図において第１実施形態と同一・同様の部分、部材は、同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。

この実施形態では、循環路４４の熱交換器２０の入口よりも手前に、熱交換器９０が設けられる。熱交換器９０には、排気路１０２を介して凝縮器２４において冷媒と熱交換されて暖められた空気が導入されるようになっており、排気路１０２にはダンパー１０４が設けられる。これによって、熱交換器９０において、循環路４４を循環する水は凝縮器２４から排気路１０２を通り導入された空気との熱交換が可能となっている。よって、この実施形態では、コントローラ７０と、熱交換器９０と、排気路１０２と、ダンパー１０４とによって「復帰促進手段」が構成される。

この場合、凝縮器２４のファンは、冷媒循環部１２が作動停止中も作動しているものとする。

以上のように構成される冷水製造装置においても、第１及び第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。即ち、復帰促進開始条件が満足されると、コントローラ７０によりダンパー１０４が開かれ、暖められた空気を排気路１０２に流して、熱交換器９０に導入して、熱交換器２０に流入する水を空気で加熱する。また、復帰促進停止条件が満足されると、ダンパー１０４を閉じ、熱交換器９０内の空気を排出する。循環路４４を循環する水は、この凝縮器で暖められた空気の排熱で暖められる。これによって、第１及び第２実施形態と同様の作用効果を奏することができると共に、排熱を利用しているので、省エネルギ化を図ることができる。

以上の例は、水を対象物としていたが、水としては、真水に限らず、海水その他の水溶液とすることも可能であり、水溶液の融点に合わせて、前記設定温度、上限温度、下限温度をそれぞれ設定するとよい。

１０ 冷水製造装置
１２ 冷媒循環部
１４ 水循環部
４６ 補給路（復帰促進手段）
５０ 電磁開閉弁（復帰促進手段）
７０ コントローラ（復帰促進手段、復帰促進停止手段）
９０ 熱交換器（復帰促進手段）
９２ 分岐路（復帰促進手段）
９４ 電磁開閉弁（復帰促進手段）
１０２ 排気路（復帰促進手段）
１０４ 電磁開閉弁（復帰促進手段）

Claims (6)

1. 熱交換器を通過して冷媒が循環する冷媒循環部と、前記熱交換器を通過して水が循環する水循環部とを有し、熱交換器において冷媒との熱交換により設定温度になるように冷却された冷水を製造する冷水製造装置において、
   前記冷媒循環部は、水の温度が設定温度よりも低い下限温度を下回ると作動を停止し、水の温度が設定温度よりも高い上限温度を上回ると作動を再開するようになっており、
   さらに前記冷媒循環部の作動停止に合わせて、熱交換器に流入する水の温度を上昇させて冷媒循環部の作動の再開を促進する復帰促進手段を備えることを特徴とする冷水製造装置。
2. 前記冷媒循環部の作動再開に合わせて、前記復帰促進手段を停止させる復帰促進停止手段を備えることを特徴とする請求項１記載の冷水製造装置。
3. 前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入する水に、該流入する水よりも高い温度の水を混入することを特徴とする請求項１または２記載の冷水製造装置。
4. 前記復帰促進停止手段は、前記流入する水よりも高い温度の水の混入を徐々に減少させることを特徴とする請求項３記載の冷水製造装置。
5. 前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入前の水に、設定温度よりも高い水との間で熱交換を行わせることを特徴とする請求項１または２記載の冷水製造装置。
6. 前記復帰促進手段は、前記熱交換器に流入前の水に、前記冷媒循環部から排出された設定温度よりも高い気体との間で熱交換を行わせることを特徴とする請求項１または２記載の冷水製造装置。

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