(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャーベット状の氷を蓄えるダイナミック型の氷蓄熱槽と、
前記氷蓄熱槽に供給管および返送管を介して接続されて前記氷蓄熱槽内から供給される低温液体によって冷媒ガスを凝縮する複数個の凝縮器と、
前記供給管に設けられて前記氷蓄熱槽から前記凝縮器に低温液体を供給する給液ポンプと、
前記凝縮器に冷媒液配管および冷媒ガス配管を介して接続されて前記凝縮器から自然循環により流下供給される冷媒液との熱交換により気化潜熱による冷熱を放熱する冷房用熱交換器と、
を備えた冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
前記供給管に設けられて前記氷蓄熱槽から取出されて前記凝縮器に供給する低温液体の温度を測定する温度センサと、
前記氷蓄熱槽から取出されて凝縮器に供給する低温液体の温度と前記凝縮器に供給する給液量とそれによって得られる低温エネルギー量との相対関係を予めデータ化して記憶した液温−給液量相関データメモリと、
各凝縮器に対して要求される冷房負荷に基づいて設定されたエネルギー量に対応して、前記液温−給液量相関データメモリから前記温度センサで測定される低温液体の温度に対応する給液量を抽出し、抽出した給液量になるように前記給液ポンプを制御するポンプ制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷媒自然循環式冷房システム。
【請求項２】
請求項１に記載の冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
外気温度を測定する外気温度センサと、
前記外気温度センサで測定される外気温度に基づいて、外気温度が高いほど数値が大きくなるように設定エネルギー量を変更する設定エネルギー量変更手段とを備えている冷媒自然循環式冷房システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
各凝縮器に対して要求される冷房負荷の大きさの相違に応じ、初期設定で、要求冷房負荷に見合うように要求冷房負荷の大きいものほど低温気体の流動抵抗が小さくなるように設定してある冷媒自然循環式冷房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、氷を蓄える氷蓄熱槽から複数個の凝縮器に、給液ポンプによって低温液体を供給し、凝縮器に冷媒液配管および冷媒ガス配管を介して冷房用熱交換器を接続し、凝縮器で冷媒ガスを凝縮液化し、その冷媒液を凝縮器から冷房用熱交換器に自然循環により流下供給し、冷房用熱交換器で冷媒液との熱交換により気化潜熱による冷熱を放熱するとともに冷媒液を蒸発させ、その冷媒ガスを凝縮器に自然循環により上昇させるように構成した冷媒自然循環式冷房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のような冷媒自然循環式冷房システムとしては、従来、次のようなものが知られている。
すなわち、ビル内に、鉛直方向に所定間隔を隔てて各階冷房用凝縮器ユニットが設けられ、その各階冷房用凝縮器ユニットには凝縮器が備えられ、凝縮器の一次側配管に冷水供給量制御用の三方弁が設けられている。
【０００３】
凝縮器の二次側配管に、接続部を備えたヘッダーが連通接続され、そのヘッダーに冷房用配管を介して冷房用熱交換器が連通接続されている。
凝縮器の一次側配管には、地域冷暖房プラントや氷蓄熱システムなどからの冷水配管が接続されている。
以上の構成により、凝縮器に冷水を送って冷媒を凝縮液化し、冷媒を自然循環させて冷房を行うようになっている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１−２５６７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような従来例の場合、凝縮器に供給する冷水の温度の変動によって凝縮器での凝縮圧力が変動するため、通常、凝縮器に凝縮圧力を測定する圧力センサを設け、測定される凝縮圧力が一定になるように、前述従来例の三方弁といった流量制御弁を制御するようにしている。
【０００５】
しかしながら、床面積の広い大型ビルなどでは、多数の凝縮器が備えられており、それらの凝縮器それぞれに圧力センサと流量制御弁とを設けなければならないため、圧力センサと流量制御弁の使用個数が極めて多くなり、システムを構築する費用が高価になる欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、冷媒を自然循環させて冷房を行うシステムを安価に構築できるようにするとともに、データに基づいて、精度の高い流量制御を簡単な構成で行うことができるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、外気温度の変化にも良好に対応できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、各凝縮器の要求冷房負荷の相違にも良好に対応できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
シャーベット状の氷を蓄えるダイナミック型の氷蓄熱槽と、
前記氷蓄熱槽に供給管および返送管を介して接続されて前記氷蓄熱槽内から供給される低温液体によって冷媒ガスを凝縮する複数個の凝縮器と、
前記供給管に設けられて前記氷蓄熱槽から前記凝縮器に低温液体を供給する給液ポンプと、
前記凝縮器に冷媒液配管および冷媒ガス配管を介して接続されて前記凝縮器から自然循環により流下供給される冷媒液との熱交換により気化潜熱による冷熱を放熱する冷房用熱交換器と、
を備えた冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
前記供給管に設けられて前記氷蓄熱槽から取出されて前記凝縮器に供給する低温液体の温度を測定する温度センサと、
前記氷蓄熱槽から取出されて凝縮器に供給する低温液体の温度と前記凝縮器に供給する給液量とそれによって得られる低温エネルギー量との相対関係を予めデータ化して記憶した液温−給液量相関データメモリと、
各凝縮器に対して要求される冷房負荷に基づいて設定されたエネルギー量に対応して、前記液温−給液量相関データメモリから前記温度センサで測定される低温液体の温度に対応する給液量を抽出し、抽出した給液量になるように前記給液ポンプを制御するポンプ制御手段とを備えて構成する。
ここで、「液温−給液量相関データメモリ」とは、個別の設定低温エネルギー量について温度と給液量とを数値として対応させたものとか、温度と給液量の変化を近似的に二次曲線などの関数とし、温度を入力して給液量を演算するための数式などを記憶させたもののことをいう。
【０００８】
（作用・効果）
種々の考察の結果、凝縮器での冷媒の凝縮を円滑に行わせることに対して、システム全体の冷房負荷の変動状況を考慮し、凝縮器内から冷媒液が無くなることを回避するうえで必要な低温エネルギー量を求めておくことで、凝縮器の個数のいかんにかかわらず、氷蓄熱槽から取り出す低温エネルギー量を一定化することで凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様の効果を発揮できることを見出すに至った。
請求項１に係る発明の冷媒自然循環式冷房システムの構成によれば、上記考察結果に着目し、ダイナミック型の氷蓄熱槽により、流動性を確保しながら氷密度の高い状態で氷を蓄え、その氷蓄熱槽から凝縮器に低温液体を供給し、その低温液体の温度を温度センサで測定し、その低温液体の温度に基づき、設定低温エネルギー量を得るに必要な給液量を液温−給液量相関データメモリから抽出し、抽出した給液量になるように給液ポンプを制御して氷蓄熱槽から取り出す低温エネルギー量を一定化する。
したがって、供給管に温度センサを設けるとともに、その温度センサによって測定される低温液体の温度に基づく給液ポンプの給液量を制御するだけで、凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様に、冷媒液を凝縮して冷媒を良好に自然循環させることができ、冷媒自然循環式冷房システムを安価に構築できる。
更に、低温状態では、氷蓄熱槽から凝縮器に氷を含有した低温液体を供給することができ、氷の融解潜熱を利用して効果的に凝縮器で冷媒を凝縮液化できる。しかも、氷の含有率の変化に伴って、温度と単位給液量当たりの低温エネルギー量が変化するが、その温度と給液量と低温エネルギー量の相関を液温−給液量相関データメモリにデータ化して記憶しておき、低温液体の温度に基づき、設定低温エネルギー量を得るに必要な給液量を抽出して給液ポンプを制御するから、低温液体中の氷の融解潜熱により凝縮器での凝縮圧力が必要以上に低下するとか、それに伴って氷蓄熱槽の氷が溶け過ぎるといったことを回避でき、データに基づいて、精度の高い流量制御を簡単な構成で行うことができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
外気温度を測定する外気温度センサと、
前記外気温度センサで測定される外気温度に基づいて、外気温度が高いほど数値が大きくなるように設定エネルギー量を変更する設定エネルギー量変更手段とを備えて構成する。
【００１３】
（作用・効果）
請求項２に係る発明の冷媒自然循環式冷房システムの構成によれば、外気温度を測定し、外気温度が高くなれば設定エネルギー量を高くし、逆に、外気温度が低くなれば設定エネルギー量を低くするといったように、外気温度に基づいて設定エネルギー量を変更する。
したがって、一日のうちの朝方と昼過ぎとか、夏期と中間期などといった外気温度の変化にも良好に対応し、凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様に、凝縮器での負荷変動に良好に対応できる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
請求項１または２に記載の冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
各凝縮器に対して要求される冷房負荷の大きさの相違に応じ、初期設定で、要求冷房負荷に見合うように要求冷房負荷の大きいものほど低温気体の流動抵抗が小さくなるように設定して構成する。
【００１５】
（作用・効果）
請求項３に係る発明の冷媒自然循環式冷房システムの構成によれば、凝縮器から冷媒液を供給する冷房用熱交換器の個数や容量であるとか、コンピュータなどの放熱量の多い電子機器が設置されている箇所の冷房用熱交換器であるなど、要求される冷房負荷が各凝縮器ごとで異なる場合に、それらの要求冷房負荷の大きさの相違に応じ、要求冷房負荷の大きい凝縮器には要求冷房負荷の小さい凝縮器よりも低温液体を多く流すといったように、初期設定で要求冷房負荷に見合った流動抵抗に設定する。
したがって、凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様に、各凝縮器の要求冷房負荷の相違にも良好に対応できる。
【発明の効果】
【００１６】
種々の考察の結果、凝縮器での冷媒の凝縮を円滑に行わせることに対して、システム全体の冷房負荷の変動状況を考慮し、凝縮器内から冷媒液が無くなることを回避するうえで必要な低温エネルギー量を求めておくことで、凝縮器の個数のいかんにかかわらず、氷蓄熱槽から取り出す低温エネルギー量を一定化することで凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様の効果を発揮できることを見出すに至った。
請求項１に係る発明の冷媒自然循環式冷房システムの構成によれば、上記考察結果に着目し、ダイナミック型の氷蓄熱槽により、流動性を確保しながら氷密度の高い状態で氷を蓄え、その氷蓄熱槽から凝縮器に低温液体を供給し、その低温液体の温度を温度センサで測定し、その低温液体の温度に基づき、設定低温エネルギー量を得るに必要な給液量を液温−給液量相関データメモリから抽出し、抽出した給液量になるように給液ポンプを制御して氷蓄熱槽から取り出す低温エネルギー量を一定化する。
したがって、供給管に温度センサを設けるとともに、その温度センサによって測定される低温液体の温度に基づく給液ポンプの給液量を制御するだけで、凝縮器での凝縮圧力を一定化するのと同様に、冷媒液を凝縮して冷媒を良好に自然循環させることができ、冷媒自然循環式冷房システムを安価に構築できる。
更に、低温状態では、氷蓄熱槽から凝縮器に氷を含有した低温液体を供給することができ、氷の融解潜熱を利用して効果的に凝縮器で冷媒を凝縮液化できる。しかも、氷の含有率の変化に伴って、温度と単位給液量当たりの低温エネルギー量が変化するが、その温度と給液量と低温エネルギー量の相関を液温−給液量相関データメモリにデータ化して記憶しておき、低温液体の温度に基づき、設定低温エネルギー量を得るに必要な給液量を抽出して給液ポンプを制御するから、低温液体中の氷の融解潜熱により凝縮器での凝縮圧力が必要以上に低下するとか、それに伴って氷蓄熱槽の氷が溶け過ぎるといったことを回避でき、データに基づいて、精度の高い流量制御を簡単な構成で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例１を示す全体構成図であり、建物の屋上などに、シャーベット状の氷を作製する製氷機１と、製氷機１で作製されたシャーベット状の氷を蓄えるダイナミック型の氷蓄熱槽２と、多数の凝縮器３とが設置されている。
【００１９】
製氷機１と氷蓄熱槽２とが、溶液ポンプ４を介装した溶液配管５と氷供給管６とを介して接続されている。
氷蓄熱槽２と凝縮器３とが、給液ポンプ７を介装した供給管８、分岐供給管８ａ，８ｂ，８ｃ、分岐返送管９ａ，９ｂ，９ｃおよび返送管９を介して接続され、氷蓄熱槽２内から供給される低温液体によって冷媒ガスを凝縮するようになっている。給液ポンプ７としては、回転数を変更することにより吐出容量を変更可能なポンプが使用されている。
【００２０】
凝縮器３に冷媒液配管１０および冷媒ガス配管１１を介して室内ユニット１２に備えられた冷房用熱交換器１３が接続されている。室内ユニット１２には、冷房用熱交換器１３に室内から戻された空気を供給する送風ファン１４が設けられている。
以上の構成により、冷媒を凝縮器３と冷房用熱交換器１３との間で自然循環させ、凝縮器３で冷媒ガスを凝縮液化し、その冷媒液を凝縮器３から自然循環により冷房用熱交換器１３に流下供給し、冷媒液との熱交換により蒸発させ、その際の気化潜熱により冷熱を放熱し、得られた冷風を室内に供給して冷房を行ったり、天井空間内に供給して冷熱による躯体蓄熱を行ったりするようになっている。
【００２１】
供給管８に温度センサ１５が設けられ、氷蓄熱槽２から取出されて凝縮器３に供給する低温液体の温度を測定するように構成されている。
温度センサ１５にポンプ制御手段としてのマイクロコンピュータ１６が接続され、そのマイクロコンピュータ１６に給液ポンプ７が接続されている。また、外気温度を測定する外気温度センサ１７がマイクロコンピュータ１６に接続されている。
【００２２】
マイクロコンピュータ１６には、図２のブロック図に示すように、液温−給液量相関データメモリ１８、給液量抽出手段１９、ポンプ回転数算出手段２０および設定エネルギー量変更手段２１が備えられている。
液温−給液量相関データメモリ１８では、氷蓄熱槽２から取出されて凝縮器３に供給する低温液体の温度と凝縮器３に供給する給液量とそれによって得られる低温エネルギー量との相対関係が予めデータ化して記憶されている。
【００２３】
図３は、全熱量として１００ｋＷを得る場合の低温液体の温度（冷水温度）と給液量（冷水流量）との相関の一例を示すグラフであり、このような相関グラフに基づき、通常、使用される低温液体の温度範囲（−５℃〜１℃）を考慮し、その下限温度および上限温度それぞれの給液量に１０％上乗せした値を設定給液量とし、かつ、その設定給液量を繋いだ直線（Ａ―Ｂ）の式を求める。
すなわち、冷水流量をｙ、温度をｘとすれば、近似的に
ｙ＝（５５／６）ｘ＋１０１
となる。この一次式が設定エネルギー量を１００ｋＷとした場合の液温−給液量相関データとして記憶されることになるのである。
また、設定エネルギー量が増減した場合それぞれに対応するように一次式がｙ＝Ａｎｘ＋Ｂｎ（ｎは正の整数）として記憶されている。
【００２４】
給液量抽出手段１９では、液温−給液量相関データメモリ１８から温度センサ１５で測定される低温液体の温度に対応する給液量を抽出するようになっている。前述の一次式の場合であれば、温度センサ１５で測定される低温液体の温度を一次式ｙ＝（５５／６）ｘ＋１０１に代入して、給液量を算出する。
【００２５】
ポンプ回転数算出手段２０では、給液量抽出手段１９で抽出された給液量を得るに必要な給液ポンプ７のポンプ回転数を算出し、その回転数となる制御信号を給液ポンプ７に出力するようになっている。
【００２６】
設定エネルギー量変更手段２１では、外気温度センサ１７で測定される外気温度に基づいて、外気温度が高いほど数値が大きくなるように設定エネルギー量を変更するようになっている。
例えば、下記のように、外気温度の範囲を区分けし、各区分それぞれに対応する前述一次式の係数に対する値が予め設定されていて、測定外気温度に対応する係数を一次式に当て嵌めるのである。
外気温度範囲                係数
４０℃以上              Ａ１          Ｂ１
３７〜４０℃              Ａ２          Ｂ２
３４〜３７℃              Ａ３          Ｂ３
３１〜３４℃              Ａ４          Ｂ４
２８〜３１℃              Ａ５          Ｂ５
前述した具体一次式が、例えば、３７〜４０℃に該当するとすれば、Ａ２＝５５／６、Ｂ２＝１０１となる。
【００２７】
以上の構成により、氷蓄熱槽２から凝縮器３に供給される低温液体の氷含有率の変化に伴う、低温液体の温度と給液量と低温エネルギー量の相関のいかんにかかわらず、氷蓄熱槽２から凝縮器３に供給される低温液体の温度に基づいて、凝縮器３への給液量を制御し、設定された量の低温エネルギーを凝縮器３に供給できるようになっている。
なお、分岐供給管８ａ，８ｂ，８ｃおよび分岐返送管９ａ，９ｂ，９ｃそれぞれの管径が、冷房用熱交換器１３で要求される冷房負荷の大きさの相違に応じ、初期設定で、要求冷房負荷に見合うように要求冷房負荷の大きいものほど低温液体の流動抵抗が小さくなるように設定されている。
【実施例２】
【００２８】
図４は、本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例２を示す全体構成図であり、実施例１と異なるところは、次の通りである。
すなわち、ビル内の各階などの鉛直方向に所定間隔を隔てた箇所に凝縮器３が設けられ、供給管８および返送管９が鉛直方向の竪管に構成され、それらの供給管８および返送管９それぞれに水平分岐管を介して凝縮器３が連通接続され、いわゆるリバースリターン方式により氷蓄熱槽２からの低温液体を凝縮器３に供給するように構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【実施例３】
【００２９】
図５は、本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例３を示す全体構成図であり、実施例１と異なるところは、次の通りである。
すなわち、供給管８および返送管９が鉛直方向の竪管に構成され、それらの供給管８および返送管９それぞれに鉛直方向に所定間隔を隔てて水平分岐管を介して流量を可変設定可能な供給側ヘッダー３１および返送側ヘッダー３２が連通接続されている。
ビル内の各階などの鉛直方向に所定間隔を隔てた箇所それぞれに複数個の凝縮器３が設けられ、凝縮器３それぞれと供給側ヘッダー３１および返送側ヘッダー３２が分岐供給管３３および分岐返送管３４を介して連通接続され、各凝縮器３の要求冷房負荷に見合うように供給側ヘッダー３１および返送側ヘッダー３２の流量が設定されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３０】
上述実施例では、ひとつの凝縮器３にひとつの冷房用熱交換器１３を接続して示しているが、本発明としては、ひとつの凝縮器３に複数個の冷房用熱交換器１３を接続して構成するものでも良い。
また、本発明としては、例えば、室内ユニット１２に暖房用熱交換器を備え、その暖房用熱交換器に温水あるいは自然循環による冷媒蒸気を供給するように構成したものなど、暖房機能を持つものと組み合わせる場合にも適用できる。
【００３１】
また、上述実施例では、液温−給液量相関データメモリ１８において、温度と給液量の変化を近似的に一次式とし、温度を入力して給液量を演算する数式を記憶させているが、例えば、個別の設定低温エネルギー量について温度と給液量とを数値として対応させたものとか、温度と給液量の変化を近似的に二次曲線などの関数とし、温度を入力して給液量を演算するための数式などを記憶させて構成するものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例１を示す全体構成図である。
【図２】ブロック図である。
【図３】冷水温度と冷水流量との相関を示すグラフである。
【図４】本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例２を示す全体構成図である。
【図５】本発明に係る冷媒自然循環式冷房システムの実施例３を示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…製氷機
２…氷蓄熱槽
３…凝縮器
７…給液ポンプ
８…供給管
９…返送管
１０…冷媒液配管
１１…冷媒ガス配管
１３…冷却用熱交換器
１５…温度センサ
１６…マイクロコンピュータ（ポンプ制御手段）
１７…外気温度センサ
１８…液温−給液量相関データメモリ
２１…設定エネルギー量変更手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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