JP7005855B2 - 冷却システム及び冷却システムの改造方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却システム及び冷却システムの改造方法に関する。

従来、冷凍・冷蔵装置の冷媒としてフロンガスが利用されてきた。しかしながら、近年、地球温暖化やオゾン層破壊などの環境問題がクローズアップされており、１９９７年の京都議定書や２０１５年のパリ協定など、国際社会が一丸となって環境問題に取り組み始めている。こうした背景より、フッ素を含有しない冷媒（ノンフロン冷媒）の開発や、ノンフロン冷媒を利用した冷却システムの研究開発が進められている（例えば、特許文献１）。

特開２０１７－６７３９３号公報

ノンフロン冷媒としては、二酸化炭素、アンモニアやプロパン等の炭化水素等が知られている。ところが、二酸化炭素、アンモニアの場合には、冷媒を循環するための循環機構（配管等）の導入費用が高額となってしまう。また、プロパン等の炭化水素の場合には、可燃性の問題があった。このため、ノンフロン冷媒の冷却システムの普及が遅れていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、導入コストが安い、ノンフロン冷媒の冷却システム及びその冷却システムへの改造方法を提供しようとするものである。

本発明の冷却システムは、可燃性冷媒である第１冷媒を用いて熱交換を行う第１冷却ユニットと、不燃性冷媒である第２冷媒を用いて熱交換を行う第２冷却ユニットと、各部を制御する制御ユニットを備え、前記第２冷却ユニットは、屋内の冷却装置に配された第２蒸発機と、屋外に配され第２冷媒を収容する第２冷媒収容槽と、前記第２冷媒収容槽及び前記第２蒸発機の間で前記第２冷媒を循環する第２冷媒循環機構と、を備え、前記第１冷却ユニットは、屋外に配された第１圧縮機と、前記第２冷媒収容槽に配された第１蒸発機と、前記第１圧縮機及び前記第１蒸発機の間で前記第１冷媒を循環する第１冷媒循環機構と、前記第１圧縮機を収容する筐体と、前記筐体において前記第１圧縮機よりも上方に設けられた第１排気ファンと、前記第１圧縮機よりも下方に設けられた第２排気ファンと、前記第１冷媒の漏れを検出する第１冷媒漏れ検出センサと、を備え、前記第１冷媒は前記筐体において気体であり、前記筐体には、高さ方向において前記第１排気ファン及び前記第２排気ファンの間に開口が形成され、前記第１冷媒漏れ検出センサは、前記第１圧縮機よりも下方に設けられるとともに、前記第１冷媒循環機構に設けられ、前記制御ユニットは、前記第１冷媒の漏れが未検出の場合には、前記第１排気ファンを運転する一方前記第２排気ファンを停止し、前記第１冷媒の漏れが検出された場合には、前記第１排気ファンを停止する一方前記第２排気ファンを運転することを特徴とする。

本発明の冷却システムは、可燃性冷媒である第１冷媒を用いて熱交換を行う第１冷却ユニットと、不燃性冷媒である第２冷媒を用いて熱交換を行う第２冷却ユニットと、各部を制御する制御ユニットを備え、前記第２冷却ユニットは、屋内の冷却装置に配された第２蒸発機と、屋外に配され第２冷媒を収容する第２冷媒収容槽と、前記第２冷媒収容槽及び前記第２蒸発機の間で前記第２冷媒を循環する第２冷媒循環機構と、を備え、前記第１冷却ユニットは、屋外に配された第１圧縮機と、前記第２冷媒収容槽に配された第１蒸発機と、前記第１圧縮機及び前記第１蒸発機の間で前記第１冷媒を循環する第１冷媒循環機構と、前記第１圧縮機を収容する筐体と、前記筐体において前記第１圧縮機よりも上方に設けられた第１排気ファンと、前記第１圧縮機よりも下方に設けられた第２排気ファンと、前記第１冷媒の漏れを検出する第１冷媒漏れ検出センサと、を備え、前記第１冷却ユニットから漏れた前記第１冷媒は前記筐体において気体であり、前記筐体には、高さ方向において前記第１排気ファン及び前記第２排気ファンの間に開口が形成され、前記第１冷媒漏れ検出センサは、前記第１圧縮機よりも下方に設けられるとともに、前記第１冷媒循環機構に設けられ、前記制御ユニットは、前記第１冷媒の漏れが未検出の場合には、前記第１排気ファンを運転する一方前記第２排気ファンを停止し、前記第１冷媒の漏れが検出された場合には、前記第１排気ファンを停止する一方前記第２排気ファンを運転することを特徴とする。

本発明によれば、可燃性冷媒の系統が屋外にあるため、ノンフロン冷媒の冷却システムの導入コストが安くなる。結果、ノンフロン冷媒の冷却システムの導入が広まるため、結果として、地球温暖化やオゾン層破壊などの環境問題の解決に至る。

冷却システムの概要を示す構成図である。 防爆構造の概要を示す構成図である。 改造前の冷却システムの概要を示す構成図である。

図１に示すように、冷却システム２は、第１冷媒を用いて熱交換を行う第１冷却ユニット１００と、第２冷媒を用いて熱交換を行う第２冷却ユニット２００と、各部を制御する制御ユニット３００を備える。

第１冷媒は、フロンを除く可燃性冷媒であり、第２冷媒は、フロンを除く不燃性冷媒である。また、第１冷媒は気体であることが好ましく、第２冷媒は液体であることが好ましい。可燃性冷媒とは、２０１４年２月現在における高圧法における可燃性に区分する冷媒であり、例えば、アンモニアや炭化水素（プロピレン、プロパン、ブタン等）がある。不燃性冷媒には、ブライン液や二酸化炭素がある。

第２冷却ユニット２００は、屋内の冷却装置Ｒに配された第２蒸発機２１０と、屋外に配され第２冷媒を収容する第２冷媒収容槽２２０と、第２冷媒収容槽２２０及び第２蒸発機２１０の間で第２冷媒を循環する第２冷媒循環機構２３０と、屋外に設けられ第２冷媒を収容する第２冷媒蓄熱槽２４０と、第２冷媒収容槽２２０及び第２冷媒蓄熱槽２４０の間で第２冷媒を循環する第２蓄熱循環機構２５０と、を備える。

冷却装置Ｒは、例えば、冷蔵品や冷凍品を収容するショーケース、冷蔵庫、冷凍庫や空調装置などがある。第２冷媒循環機構２３０は、配管Ｈ２と、配管Ｈ２に設けられたポンプＰ２と、配管Ｈ２に設けられた弁Ｂ２と、を備える。第２蓄熱循環機構２５０は、送り用と戻り用の配管Ｈ２と、各配管Ｈ２に設けられたポンプＰ２及び弁（図示省略）を備える。

第１冷却ユニット１００は、屋外に配された第１圧縮機１１０と、第２冷媒収容槽２２０に配された第１蒸発機１２０と、第１圧縮機１１０及び第１蒸発機１２０の間で第１冷媒を循環する第１冷媒循環機構１３０と、屋外に配された第１蓄熱系圧縮機１５０と、第２冷媒蓄熱槽２４０に配された第１蓄熱系蒸発機１６０と、第１蓄熱系圧縮機１５０及び第１蓄熱系蒸発機１６０の間で第１冷媒を循環する第１蓄熱系冷媒循環機構１７０と、を備える。第１冷媒循環機構１３０や第１蓄熱系冷媒循環機構１７０は、それぞれ、配管Ｈ１と、配管Ｈ１に設けられ第１冷媒の流通を促すポンプＰ１と、を備える。

制御ユニット３００は、各圧縮機、各蒸発機や各ポンプ等を個別に制御する。これにより、以下（１）～（４）の動作の運転及び停止を切り替えることができる。
（１）第１圧縮機１１０で生成した冷熱を第２冷媒収容槽２２０へ供給すること
（２）第２冷媒収容槽２２０の冷熱を第２蒸発機２１０へ供給すること
（３）第１蓄熱系圧縮機１５０で生成した冷熱を第２冷媒蓄熱槽２４０に蓄積すること
（４）第２冷媒蓄熱槽２４０に蓄積された冷熱を第２冷媒収容槽２２０へ供給すること

次に、冷却システム２の使用方法について説明する。

制御ユニット３００は、各圧縮機、各蒸発機や各ポンプ等を個別に制御する。このとき、第１冷媒循環機構１３０及び第２冷媒循環機構２３０は運転状態となる。このため、第１圧縮機１１０で生成した冷熱は第２冷媒収容槽２２０へ供給されるとともに、第２冷媒蓄熱槽２４０の冷熱は第２冷媒収容槽２２０へ供給される。これにより、第１圧縮機１１０により生成した冷熱を用いて、冷却装置Ｒは対象物を冷却することができる（冷熱供給状態）。

また、制御ユニット３００により、第１蓄熱系冷媒循環機構１７０は運転状態となり、第２蓄熱循環機構２５０は停止状態となる。このとき、第１蓄熱系圧縮機１５０が生成した冷熱は第２冷媒蓄熱槽２４０に蓄熱される（蓄熱状態）。

さらに、制御ユニット３００により、第１冷媒循環機構１３０及び第１蓄熱系冷媒循環機構１７０は停止し、第２冷媒循環機構２３０及び第２蓄熱循環機構２５０は運転状態となる。これにより、第１蓄熱系圧縮機１５０が生成した冷熱は第２蒸発機２１０へ供給される（蓄熱供給状態）。

したがって、電力コストが安い時間帯では蓄熱状態に遷移し、電力コストが高い場合には、蓄熱供給状態に遷移することにより、ランニングコストを抑えることができる。

ところで、第１冷却ユニット１００は、第１冷媒（可燃性冷媒）を用いて熱交換を行うものである。このため、第１冷媒の漏れによる引火や爆発のリスクを低減する必要がある。そこで、第１冷媒（可燃性冷媒）の循環経路は、屋内ではなく、屋外に設定する。この際、風通しのよいところに設定することが好ましい。さらに、冷却システム２は、防爆構造４００を備えることが好ましい。防爆構造４００は、第１冷媒（可燃性冷媒）の循環経路のうち、特定部位（例えば、第１圧縮機１１０や第１蓄熱系圧縮機１５０）に対して設けられることが好ましい。以下、防爆構造４００の詳細を説明するが、第１圧縮機１１０や第１蓄熱系圧縮機１５０の共通部分については、第１圧縮機１１０に対して設けられる場合を例にして説明する。

防爆構造４００は、図１～２に示すように、第１圧縮機１１０を収容する筐体４１０と、筐体において第１圧縮機１１０よりも上方に設けられた第１排気ファン４２０と、第１圧縮機１１０よりも下方に設けられた第２排気ファン４３０と、第１冷媒の漏れを検出する第１冷媒漏れ検出センサ４４０と、第１冷媒の流通を遮断する遮断弁４５０と、を備える。

筐体４１０には、高さ方向において第１排気ファン４２０及び第２排気ファン４３０の間に開口４１０Ｘが形成される。第１冷媒漏れ検出センサ４４０は、第１圧縮機１１０よりも下方に設けられる（図２）とともに、第１冷媒循環機構１３０の配管Ｈ１に設けられる（図１）。遮断弁４５０は、第１冷媒循環機構１３０の配管Ｈ１に設けられる。

制御ユニット３００は、第１冷媒漏れ検出センサ４４０からのセンシング信号により、第１冷媒の漏れが発生しているか否かを判別する。そして、第１冷媒の漏れが未検出の場合には、制御ユニット３００は、遮断弁４５０は開状態とし、ポンプＰ１及び第１排気ファン４２０を運転する一方、第２排気ファン４３０を停止する。これにより、第１圧縮機１１０に対し外部空気を供給することが可能となるため、第１圧縮機１１０の放熱が可能となる。一方、第１冷媒の漏れが検出された場合には、制御ユニット３００は、遮断弁４５０は閉状態とし、ポンプＰ１及び第１排気ファン４２０を停止する一方第２排気ファンを運転する。これにより、漏れた第１冷媒を筐体４１０の外部へ送り出すことが可能となる。結果、可燃性の第１冷媒による引火等を未然に防ぐことができる。

なお、第２冷媒収容槽２２０は気密構造を有することが好ましい。また、第１蓄熱系冷媒循環機構１７０は、第２冷媒収容槽２２０において第２冷媒に浸漬することが好ましい。これらの構造により、第２冷媒収容槽２２０において第１冷媒の漏れが発生した場合には、気泡として検出可能となる。したがって、かかる構造は、第１冷媒漏れ検出構造として機能する。したがって、通常時の第２冷媒収容槽２２０は第２冷媒で満たされることが好ましい。必要に応じて、第２冷媒収容槽２２０を撮影するカメラと、カメラ映像の画像解析により、気泡の有無を検出可能な画像解析装置を設けてもよい。

また、フロンを冷媒とする既設の冷却システムから、ノンフロン冷媒の冷却システムへ移行する際、既存施設を廃棄する場合、廃棄コスト及び新設の導入コストが膨大となる。そこで、ノンフロン冷媒の冷却システムにおいても、既設の流用の最大化、及び改造コストの最小化が望ましい。

図３のように、既存の冷却システムが、屋内の冷却装置Ｒに配された蒸発機ＥＸと、冷却装置Ｒとは別体の圧縮機ＣＰと、蒸発機ＥＸ及び圧縮機ＣＰの間でフロンを循環する循環機構ＣＲと、を備える場合、次のようにして、ノンフロン冷媒の冷却システムへの改造することが好ましい。

まず、第２冷媒収容槽２２０及び第１冷却ユニット１００（少なくとも、第１圧縮機１１０、第１蒸発機１２０及び第１冷媒循環機構１３０）を屋外に設ける新設ステップと、既設の循環機構ＣＲを第２冷媒循環機構２３０として利用して、第２蒸発機２１０（既設の蒸発機ＥＸ）及び第２冷媒収容槽２２０を接続する接続ステップと、既設の循環機構ＣＲにおいてフロンを抜き取るとともに、ノンフロン冷媒（第２冷媒）を導入する冷媒置換ステップと、を備えることが好ましい。また、第１蓄熱系圧縮機１５０、第１蓄熱系蒸発機１６０、及び第１蓄熱系冷媒循環機構１７０、第２冷媒蓄熱槽２４０及び第２蓄熱循環機構２５０を新設する蓄熱槽新設ステップと、を備えることが好ましい。なお、既設の循環機構ＣＲを第２冷媒循環機構２３０として利用する場合、閉じた構造（Ｏ字状）の循環機構ＣＲの一部を切断して、開いた構造（Ｃ字状）として利用することが好ましい。これにより、第２蒸発機２１０（既設の蒸発機ＥＸ）及び第２冷媒収容槽２２０における熱交換効率を高めることができる。また、既存の圧縮機ＣＰは、第１圧縮機１１０や第１蓄熱系圧縮機１５０として用いてもよい。

これにより、フロンを冷媒とする既設の冷却システムから、ノンフロン冷媒の冷却システムへ移行する際、既設の流用の最大化が可能となるため、改造コストの最小化が可能となる。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１００ 第１冷却ユニット
１１０ 第１圧縮機
１２０ 第１蒸発機
１３０ 第１冷媒循環機構
１５０ 第１蓄熱系圧縮機
１６０ 第１蓄熱系蒸発機
１７０ 第１蓄熱系冷媒循環機構
２００ 第２冷却ユニット
２１０ 第２蒸発機
２２０ 第２冷媒収容槽
２３０ 第２冷媒循環機構
２４０ 第２冷媒蓄熱槽
２５０ 第２蓄熱循環機構
３００ 制御ユニット
４００ 防爆構造
４１０ 筐体
４１０Ｘ 開口
４２０ 第１排気ファン
４３０ 第２排気ファン
４４０ 検出センサ
４５０ 遮断弁

Claims (3)

1. 可燃性冷媒である第１冷媒を用いて熱交換を行う第１冷却ユニットと、
   不燃性冷媒である第２冷媒を用いて熱交換を行う第２冷却ユニットと、
   各部を制御する制御ユニットを備え、
   前記第２冷却ユニットは、
   屋内の冷却装置に配された第２蒸発機と、
   屋外に配され第２冷媒を収容する第２冷媒収容槽と、
   前記第２冷媒収容槽及び前記第２蒸発機の間で前記第２冷媒を循環する第２冷媒循環機構と、を備え、
   前記第１冷却ユニットは、
   屋外に配された第１圧縮機と、
   前記第２冷媒収容槽に配された第１蒸発機と、
   前記第１圧縮機及び前記第１蒸発機の間で前記第１冷媒を循環する第１冷媒循環機構と、
   前記第１圧縮機を収容する筐体と、
   前記筐体において前記第１圧縮機よりも上方に設けられた第１排気ファンと、
   前記第１圧縮機よりも下方に設けられた第２排気ファンと、
   前記第１冷媒の漏れを検出する第１冷媒漏れ検出センサと、を備え、
   前記第１冷媒は前記筐体において気体であり、
   前記筐体には、高さ方向において前記第１排気ファン及び前記第２排気ファンの間に開口が形成され、
   前記第１冷媒漏れ検出センサは、前記第１圧縮機よりも下方に設けられるとともに、前記第１冷媒循環機構に設けられ、
   前記制御ユニットは、前記第１冷媒の漏れが未検出の場合には、前記第１排気ファンを運転する一方前記第２排気ファンを停止し、前記第１冷媒の漏れが検出された場合には、前記第１排気ファンを停止する一方前記第２排気ファンを運転することを特徴とする冷却システム。
2. 可燃性冷媒である第１冷媒を用いて熱交換を行う第１冷却ユニットと、
   不燃性冷媒である第２冷媒を用いて熱交換を行う第２冷却ユニットと、
   各部を制御する制御ユニットを備え、
   前記第２冷却ユニットは、
   屋内の冷却装置に配された第２蒸発機と、
   屋外に配され第２冷媒を収容する第２冷媒収容槽と、
   前記第２冷媒収容槽及び前記第２蒸発機の間で前記第２冷媒を循環する第２冷媒循環機構と、を備え、
   前記第１冷却ユニットは、
   屋外に配された第１圧縮機と、
   前記第２冷媒収容槽に配された第１蒸発機と、
   前記第１圧縮機及び前記第１蒸発機の間で前記第１冷媒を循環する第１冷媒循環機構と、
   前記第１圧縮機を収容する筐体と、
   前記筐体において前記第１圧縮機よりも上方に設けられた第１排気ファンと、
   前記第１圧縮機よりも下方に設けられた第２排気ファンと、
   前記第１冷媒の漏れを検出する第１冷媒漏れ検出センサと、を備え、
   前記第１冷却ユニットから漏れた前記第１冷媒は前記筐体において気体であり、
   前記筐体には、高さ方向において前記第１排気ファン及び前記第２排気ファンの間に開口が形成され、
   前記第１冷媒漏れ検出センサは、前記第１圧縮機よりも下方に設けられるとともに、前記第１冷媒循環機構に設けられ、
   前記制御ユニットは、前記第１冷媒の漏れが未検出の場合には、前記第１排気ファンを運転する一方前記第２排気ファンを停止し、前記第１冷媒の漏れが検出された場合には、前記第１排気ファンを停止する一方前記第２排気ファンを運転する
   ことを特徴とする冷却システム。
3. 前記第２冷却ユニットは、
   前記屋外に設けられ前記第２冷媒を収容する第２冷媒蓄熱槽と、
   前記第２冷媒収容槽及び前記第２冷媒蓄熱槽の間で前記第２冷媒を循環する第２蓄熱循環機構と、を更に備え、
   前記第１冷却ユニットは、
   屋外に配された第１蓄熱系圧縮機と、
   前記第２冷媒蓄熱槽に配された第１蓄熱系蒸発機と、
   前記第１蓄熱系圧縮機及び前記第１蓄熱系蒸発機の間で前記第１冷媒を循環する第１蓄熱系冷媒循環機構と、を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記第１蓄熱系圧縮機が生成した冷熱を前記第２冷媒蓄熱槽に蓄熱する蓄熱状態と、前記第１蓄熱系圧縮機が生成した冷熱を前記第２蒸発機へ供給する冷熱供給状態と、の間で切替自在であることを特徴とする請求項１または２記載の冷却システム。

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