JP3750228B2

JP3750228B2 - 冷水装置

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Publication number: JP3750228B2
Application number: JP28743396A
Authority: JP
Inventors: 款久城; 秀行末廣
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JPH10115475A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，流水を連続的に冷却する冷水装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば飲食業等の調理場においては，調理物の冷却のために冷水が用いられる。そのため，冷水を適宜供給しうる冷水装置の利用が有効である。
従来の冷水装置としては，例えば図２に示すごとく，冷媒回路の蒸発器９５を接続した冷水タンク９６を備え，これに備蓄した水を冷却するよう構成したものがある。上記冷媒回路は，図２に示すごとく，一般的な冷媒回路であって，圧縮機９２，室外側熱交換器９３，膨張弁９４，蒸発器９５，アキュームレータ９９を順次連結したものである。
【０００３】
また，別の冷水装置としては，図３に示すごとく，上記備蓄タンク９５に代えて，螺旋状に巻回した二重管よりなる冷却器９７を用いたチラー式のものがある。このチラー式冷水装置は，冷却器９７の内管９７１に冷却すべき水Ｗを，外管９７２に冷媒Ｒを，それぞれ逆方向に流すことにより水を冷却するよう構成さている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の冷水装置においては次の問題がある。
即ち，上記の冷水タンクを備えた冷水装置の場合には，備蓄した水を低温に冷却するために比較的長時間を要する。そのため，連続して使用できる冷水の量は，冷水タンク９６の容量に制限される。また，備蓄した水の冷却能力を向上させると，冷水タンク９６内の水が凍結するという問題もあった。
【０００５】
また，上記チラー式の冷水装置は，流水を連続的に冷却することができるが，導入する水の流量や温度が変化した場合には，冷却能力が過剰となって水が凍結してしまうトラブルが発生しやすい。即ち，従来のチラー式の場合には，負荷変動に対する追従性に問題があった。
したがって，上記従来の冷水装置は，冷水を連続的に安定して供給することが困難であった。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，急激な負荷変動に対する追従性に優れ，冷水を連続的に安定して供給することができる冷水装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，流水を連続的に冷却するための冷水装置であって，
該冷水装置は，低温低圧ガス状態の冷媒を圧縮して高温高圧ガスを生成するための，ガスエンジンにより駆動される圧縮機と，
該圧縮機により生成された高温高圧ガス状態の冷媒を凝縮して高温高圧液を生成する凝縮器と，
該凝縮器により生成された高温高圧液を膨張させて所定圧力の低温低圧液を生成する第１電子膨張弁と，
該第１電子膨張弁により生成された低温低圧液と上記流水との熱交換を行って該流水を冷却すると共に低温低圧ガスを生成する水冷用熱交換器と，
該水冷用熱交換器と上記圧縮機との間に介設され，上記低温低圧ガスとその中の液体とを分離するためのアキュームレータとを有し，
かつ，上記凝縮器の下流側と上記アキュームレータの上流側との間にはこれらを結ぶバイパス回路を設けてあり，該バイパス回路には，上記凝縮器により生成した高温高圧液を膨張させて低温低圧液を生成するための第２電子膨張弁と，該第２電子膨張弁により生成された低温低圧液を蒸発させて低温低圧ガスを生成するためのバイパス熱交換器とを設けてあり，上記第２電子膨張弁は，上記アキュームレータに向かう冷媒中の液体分が増加した時点において開いて上記バイパス回路を開通させるよう構成されており，
該バイパス熱交換器は，上記ガスエンジンのエンジン冷却水を導入して上記低温低圧液を蒸発させるよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置にある。
【０００８】
本発明において最も注目すべきことは，圧縮機をガスエンジンにより駆動させるシステム（ＧＨＰ）を採用すると共に，所定圧力の低温低圧ガスを発生させる上記第１電子膨張弁を有することである。更には，上記第２電子膨張弁及びバイパス熱交換器を備えた上記バイパス回路を有することである。
【０００９】
上記圧縮機を駆動するガスエンジンとしては，例えば都市ガス，ＬＰガス等を燃料として用いるエンジンがある。
また，上記圧縮機としては，スクロール型，レシプロ型，ベーン型等の種々のコンプレッサを用いることができる。
上記凝縮器は，例えば室外空気等と冷媒との熱交換を行い，高温高圧ガス状態の冷媒を高温高圧液に変換するよう構成されている。
【００１０】
上記第１電子膨張弁は，ステッピングモータ等によりその開度を電気的に任意に調整することができる膨張弁である。そして，第１電子膨張弁はその開度を適宜調整することにより，供給された高温高圧液状態の冷媒を所望する所定圧力の低温低圧液に変換するよう構成されている。
上記水冷用熱交換器としては，例えばプレート熱交換器を用いる。このプレート熱交換器は，冷媒と上記流水の通路を上下左右においてそれぞれ交互に多数有する熱交換器である。
また，水冷用熱交換器は，１組のみを用いてもよいし，複数組用いてもよい。
【００１１】
上記バイパス回路における第２電子膨張弁は，上記第１電子膨張弁と同様の圧力調整機能を有すると共に，バイパス回路の開閉機能をも有するものである。即ち，第２電子膨張弁は，弁を閉じることにより，バイパス回路への冷媒の流入を中止し，弁を開くことによりバイパス回路を機能させるよう構成されている。
また，バイパス回路におけるバイパス熱交換器は，上記ガスエンジンのエンジン冷却水を取り入れて冷媒との熱交換を行うよう構成してある。
【００１２】
次に，本発明における作用につき説明する。
本発明の冷水装置は，上記第１電子膨張弁を有している。そしてこの第１電子膨張弁は，上記のごとく，高温高圧液状態の冷媒を低温低圧液状態に変換し，かつ，その低温低圧液を所定圧力に制御する機能を有する。そのため，常に最適な状態の冷媒を水冷用熱交換器に供給することができる。
【００１３】
即ち，上記水冷用熱交換器においては，上記低温低圧液が低温低圧ガスに変化して流水から熱を奪う。このときの冷媒の温度は，冷媒固有の飽和温度となるが，その飽和温度は上記低温低圧液状態の冷媒の圧力によって決定される。換言すれば，上記低温低圧液の圧力を所定圧力に制御することにより，冷媒温度を制御することができる。
【００１４】
そのため，例えば，流水量が少ない冷水装置の場合には，第１電子膨張弁によって，冷媒の飽和温度が常に０℃以上になるような一定の所定圧力に上記低温低圧液の圧力を制御する。これにより，例え冷却能力が過剰であっても流水の凍結を確実に防止することできる。
また，例えば，流水量が多い冷水装置の場合には，上記第１電子膨張弁によって，冷媒の飽和温度が０℃以下になるような所定圧力に上記低温低圧液の圧力を制御することもできる。これにより，流水の冷却能力を容易に向上させることができる。
【００１５】
さらに，流水の出口側温度をフィードバック等して第１電子膨張弁の開度を随時変更する制御系を設けた場合には，流水の入り口側温度や流水量の変化に応じて低温低圧液の所定圧力を随時変化させることができる。それ故，この場合には，流水量が変化しても流水の温度を精度よく制御することができる。
【００１６】
また，本発明においては，上記バイパス回路を有している。そのため，低温低圧ガス状態の冷媒を適宜上記アキュームレータの上流側に供給することができる。これにより，冷水装置の冷却能力が過剰である場合の不具合を解消することができる。
【００１７】
即ち，冷水装置の冷却能力が過剰である場合には，水冷用熱交換器において冷媒が完全にガス化せずに気液混合状態でアキュームレータに戻る。そして，アキュームレータ内の液体分が増加した場合には，上記圧縮機に液体状態の冷媒が供給され，圧縮機が故障するおそれがある。
【００１８】
これに対し，本発明においては，アキュームレータの上流側に連結された上記バイパス回路を有している。このバイパス回路は，冷却能力過剰時において，水冷用熱交換器から帰還する冷媒に対し，これよりもエンタルピーが高い低温低圧ガス状態の冷媒を供給し混合させることができる。そのため，水冷用熱交換器から帰還した冷媒は，低温低圧の気液混合状態から低温低圧ガス状態に容易に変換される。それ故，冷却能力過剰時における上記不具合を容易に解消することができる。
【００１９】
また，上記バイパス回路には第２電子膨張弁を有する。そのため，冷却能力の変化に応じてバイパス回路の開閉を容易に行うことができる。また，バイパス回路に設けたバイパス熱交換器は，上記のごとくガスエンジンのエンジン冷却水を導入している。そのため，ガスエンジンの廃熱を有効に利用することができ，冷水装置全体の省エネルギー化を図ることができる。
【００２０】
このように，本発明の冷水装置は，上記第１電子膨張弁の機能によって，流水を凍結させることなく精度良く冷却することができ，かつ上記バイパス回路の機能によって冷却能力過剰時の不具合を確実に防止することができる。
さらに，上記水冷用熱交換器の冷却能力は，冷却能力過剰による不具合を考慮する必要がないため，十分に高いに能力に設定しておくことができる。
それ故，本発明の冷水装置は，急激な負荷変動に対する追従性に優れ，冷水を連続的に安定して供給することができる。
【００２１】
次に，請求項２の発明のように，上記第１電子膨張弁は，上記水冷用熱交換器により冷却される水の温度が１〜５℃になるように，低温低圧液の圧力を制御するよう構成されていることが好ましい。水の温度が５℃を超える場合には，冷水装置としてのメリットが小さくなってしまう。また，１℃未満になるよう制御した場合には，制御ばらつき等によって流水が凍結するおそれがある。この場合の具体的な制御方法としては，上記第１電子膨張弁により生成する低温低圧液の所定圧力を一定にする方法と，所定圧力を随時変化させる方法とがある。
【００２２】
また，請求項３の発明のように，上記第１電子膨張弁は，生成する低温低圧液の圧力を，その飽和温度が−２〜０℃となる圧力に制御するよう構成されていることが好ましい。この場合には，流水の凍結を確実に防止しつつ，冷却能力を大きくすることができ，さらに安定して冷水を供給することができる。
【００２３】
また，請求項４の発明のように，上記圧縮機の下流側と上流側との間にはこれらを結ぶ第２バイパス回路を設けてあり，該第２バイパス回路には，回路を開閉するための開閉弁を設けてあることが好ましい。この場合には，上記バイパス回路だけでは冷却能力過剰による不具合を解消しきれないときに，アキュームレータと圧縮機との間において通常のルートにより供給される冷媒と第２バイパス回路から送られたエンタルピ−の高い冷媒とを混合することができる。それ故，上記不具合を確実に解消することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかる冷水装置につき，図１を用いて説明する。
本例の冷水装置１は，図１に示すごとく，流水を連続的に冷却するための冷水装置であり，低温低圧ガス状態の冷媒を圧縮して高温高圧ガスを生成するための，ガスエンジン１５により駆動される圧縮機１１を有する。即ち，本例の冷水装置１はいわゆるＧＨＰを利用したものである。
【００２５】
そして，冷水装置１は，凝縮器としての室外側熱交換器２１及び過冷却熱交換器２２と，これらにより生成された高温高圧液を膨張させて所定圧力の低温低圧液を生成する第１電子膨張弁３と，上記流水との熱交換を行う水冷用熱交換器としての２つのプレート熱交換器４１，４２と，アキュームレータ５とを有する。
【００２６】
また，上記凝縮器２１，２２の下流側とアキュームレータ５の上流側との間にはこれらを結ぶバイパス回路７０を設けてある。バイパス回路７０には，第２膨張弁７１とバイパス熱交換器７２とを設けてある。バイパス熱交換器７２は，ガスエンジン１５のエンジン冷却水回路１９に連結されており，ポンプ１６によってエンジン冷却水が導入されるよう構成されている。
【００２７】
さらに，圧縮機１１の下流側と上流側との間にはこれらを結ぶ第２バイパス回路７５を設けてあり，第２バイパス回路７５には，回路を開閉するための開閉弁７６を設けてある。
また，上記の第２膨張弁７１の上流側とアキュームレータ５の上流側との間には，バイパス回路７０を介さない第３バイパス回路７７を設けてある。そして，第３バイパス回路７７には，回路を開閉するための開閉弁７８を設けてある。
【００２８】
また，圧縮機１１の下流には，圧送した高温高圧ガス中に含有される冷凍機油を分離するためのオイルフィルター１２を設けてある。オイルフィルター１２により分離された冷凍機油は，オイルリターン７９を介して圧縮機１１に戻されるよう構成されている。
また，上記凝縮器としての室外側熱交換器２１及び過冷却熱交換器２２は，ファン２１５により強制的に導かれた外気と熱交換するよう構成されている。
【００２９】
また，上記２つのプレート熱交換器４１，４２は，並列に第１電子膨張弁３に連結されており，それぞれのプレート熱交換器４１，４２に新鮮な低温低圧状態の冷媒が供給されるよう構成されている。そして，冷却すべき流水を流す流水通路８０は，プレート熱交換器４２の下流側から流入して上流側から流出し，さらにプレート熱交換器４１の下流側から流入して上流側から流出するよう設けられている。
また，冷媒回路の要所には，図示しない制御系に接続された温度センサ６１〜６６と圧力センサ６９とが配設されている。
【００３０】
次に，本例の冷水装置１を用いて冷水を得るに当たっては，流水通路８０に流水を流し始めた時点においてガスエンジン１５により圧縮機１１を駆動させる。圧縮機１１の駆動により，高温高圧ガス状態の冷媒がオイルフィルター１２を介して室外熱交換器２１及び過冷却熱交換器２２に送られる。
【００３１】
室外熱交換器２１及び過冷却熱交換器２２においては，ファン２１５により導かれた室外空気と冷媒との熱交換が行われ，冷媒が高温高圧液となる。
次いで，高温高圧液状態の冷媒は，第１電子膨張弁３によって，常に一定の所定圧力になるよう制御されつつ低温低圧液となる。
【００３２】
低温低圧液状態の冷媒は，２つのルートに分かれてそれぞれプレート熱交換器４１，４２に導入され，流水と熱交換を行う。これにより，流水通路８０の入口８１から流入した流水は，冷媒の温度に近い温度まで冷却されて出口８２から流出する。一方，冷媒は，低温低圧ガスとなって，アキュームレータ５を介して再び圧縮器１１に供給される。
【００３３】
ここで，本例においては，冷媒としてＲ２２（ＨＣＦＣ２２）を用いており，第１電子膨張弁３により生成する低温低圧液の圧力が常に４Ｋｇ／ｃｍ²Ｇになるように制御している。この４Ｋｇ／ｃｍ²Ｇという圧力は，冷媒Ｒ２２の飽和温度が０℃となる圧力である。そのため，プレート熱交換器４１，４２内を循環する冷媒温度は，制御ばらつきを考慮しても−２〜２℃の範囲に収まる。それ故，流水を凍結させることなく約１〜５℃に連続して冷却することができる。
【００３４】
次に，流水の入り口側温度が比較的低い場合や，流水量が少ない場合の冷却能力過剰時には，次の２段階の動作によってトラブルを回避する。
まず，第１段階は，プレート熱交換器４１，４２からアキュームレータ５に向かう冷媒が十分にガス化せずに気液混合状態となり，その液体分がが増加した時点において，第２電子膨張弁７１を開いてバイパス回路７０を開通させる。
【００３５】
そして，第２電子膨張弁７１により低温低圧液状態になった冷媒をバイパス熱交換器７２によってエンタルピーの高い低温低圧ガスとしてアキュームレータ５の上流側に供給する。
これにより，プレート熱交換器４１，４２から帰還してきた気液混合状態のエンタルピーの低い冷媒と上記のエンタルピーの高い冷媒とがアキュームレータ５の上流において混合され，液体状態の冷媒がガス化される。
【００３６】
第２段階は，上記の操作によってもなお多量の低温低圧液状態の冷媒がアキュームレータ５に帰還するようになった時点において，第２バイパス回路７５の開閉弁７６を開く。これにより，第２バイパス回路７５からアキュームレータ５と圧縮機１１との間に高温高圧ガス状態の非常にエンタルピーの高い冷媒が投入される。そのため，アキュームレータ５から送られた低温低圧液状態の冷媒は，上記のエンタルピーの高い冷媒と混合され，一気にガス化される。
【００３７】
このように，本例においては，冷却能力過剰の場合のトラブルを，上記２段階の強力なトラブル回避手段によって確実に防止することができる。
したがって，本例においては，冷却能力過剰を十分に許容することができ，プレート熱交換器４１，４２の冷却能力を十分に高く設定することができる。
【００３８】
それ故，流水の入り口側温度が高い場合や流水量が多い場合においては高い冷却能力によって流水を十分に冷却することができ，一方，流水の入り口側温度が低い場合や流水量が少ない場合においては，上記の強力なトラブル回避手段によって冷却能力過剰によるトラブルを確実に回避することができる。さらに，本例においては，上記のごとく冷媒温度を目標０℃に制御している。そのため，冷却能力過剰時においても確実に流水の凍結を防止することができる。
【００３９】
なお，本例においては，冷媒としてＲ２２を用いたために，第１電子膨張弁３により制御する所定圧力を，冷媒の飽和温度０℃に相当する４Ｋｇ／ｃｍ²Ｇとしたが，冷媒の種類を代えた場合においても，制御すべき所定圧力をその冷媒の飽和温度が０℃となる圧力に変更することによって，上記と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
上記のごとく，本発明によれば，急激な負荷変動に対する追従性に優れ，冷水を連続的に安定して供給することができる冷水装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の冷水装置の構成を示す説明図。
【図２】従来例の冷水装置の構成を示す説明図。
【図３】従来例おける，チラー式冷水装置における冷却器を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．冷水装置，
１１．．．圧縮機，
１５．．．ガスエンジン，
２１．．．室外側熱交換器，
２２．．．過冷却熱交換器，
３．．．第１電子膨張弁，
４１，４２．．．プレート熱交換器（水冷用熱交換器），
５．．．アキュームレータ，
６１〜６６．．．温度センサ，
６９．．．圧力センサ，
７０．．．バイパス回路，
７１．．．第２電子膨張弁，
７２．．．バイパス熱交換器，
７５．．．第２バイパス回路，
８０．．．流水通路，

Claims

流水を連続的に冷却するための冷水装置であって，
該冷水装置は，低温低圧ガス状態の冷媒を圧縮して高温高圧ガスを生成するための，ガスエンジンにより駆動される圧縮機と，
該圧縮機により生成された高温高圧ガス状態の冷媒を凝縮して高温高圧液を生成する凝縮器と，
該凝縮器により生成された高温高圧液を膨張させて所定圧力の低温低圧液を生成する第１電子膨張弁と，
該第１電子膨張弁により生成された低温低圧液と上記流水との熱交換を行って該流水を冷却すると共に低温低圧ガスを生成する水冷用熱交換器と，
該水冷用熱交換器と上記圧縮機との間に介設され，上記低温低圧ガスとその中の液体とを分離するためのアキュームレータとを有し，
かつ，上記凝縮器の下流側と上記アキュームレータの上流側との間にはこれらを結ぶバイパス回路を設けてあり，該バイパス回路には，上記凝縮器により生成した高温高圧液を膨張させて低温低圧液を生成するための第２電子膨張弁と，該第２電子膨張弁により生成された低温低圧液を蒸発させて低温低圧ガスを生成するためのバイパス熱交換器とを設けてあり，上記第２電子膨張弁は，上記アキュームレータに向かう冷媒中の液体分が増加した時点において開いて上記バイパス回路を開通させるよう構成されており，
該バイパス熱交換器は，上記ガスエンジンのエンジン冷却水を導入して上記低温低圧液を蒸発させるよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置。
請求項１において，上記第１電子膨張弁は，上記水冷用熱交換器により冷却される水の温度が１〜５℃になるように，低温低圧液の圧力を制御するよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置。
請求項１又は２において，上記第１電子膨張弁は，生成する低温低圧液の圧力を，その飽和温度が−２〜０℃となる圧力に制御するよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置。
請求項１〜３のいずれか１項において，上記圧縮機の下流側と上流側との間にはこれらを結ぶ第２バイパス回路を設けてあり，該第２バイパス回路には，回路を開閉するための開閉弁を設けてあり，該開閉弁は，上記バイパス回路が開通した後になおも多量の低温低圧液状態の冷媒が上記アキュームレータに帰還するようになった時点において，上記第２バイパス回路を開通させるよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置。
請求項１〜４のいずれか１項において，上記水冷用熱交換器は，並列に２つ配設されており，上記第１電子膨張弁により生成された低温低圧液は，２つのルートに分かれてそれぞれ上記２つの水冷用熱交換器に導入されるよう構成されていることを特徴とする流水式冷水装置。