JP4238263B2 - 冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、冷却システムに関し、とりわけフォースド・ドラフト構造の閉回路蒸発熱交換装置を有する冷却システムに関する。

閉回路蒸発熱交換装置は、冷却や冷媒の凝縮を行う様々な産業上のセッティングに用いられる。概して、冷却すべき領域から熱を取り出してこの熱を熱交換装置に搬送するような冷却流体を用いることにより冷却が行われる。熱交換装置において、流体が再び冷却される。冷媒の凝縮システムの場合には、冷却プロセスの一部として、冷媒蒸気が熱交換装置に入る。この熱交換装置において冷媒蒸気が凝縮し、熱交換装置に液体として残る。両方の場合において、空気が熱交換コイルに送られて液体または蒸気から熱が除去される。冷却プロセスは、水をコイル上に噴霧することにより促進され、ある割合の水が空気流により蒸発する。

このようなシステムにおいて、空気分配プレナム内の熱交換コイル上に噴霧された水の大部分は蒸発することなく空気分配プレナムの底部に設けられた排水溜め内に排水（ドレン）される。この排水溜めから水がストレーナを介して汲み上げられて噴霧ノズルに戻されて再利用される。一般的な蒸発熱交換装置の製品は、閉回路および開冷却タワーの両方に共通する部品を用いるよう設計されている。従来の閉回路タワー内の排水溜めは、閉回路構造と同様に開タワーにも用いることができるような十分に大きな容量となっている。

上述のように、熱交換装置により行われる冷却は、熱交換装置のコイル上に水を噴霧することにより促進される。しかしながら、このような促進された冷却は必ずしも必要ではない。例えば、冬季には水の蒸発効果を用いなくとも十分な冷却を行うことができる。すなわち、いわゆる「乾燥動作」が可能となる。

しかしながら、乾燥動作においても排水を行うための排水溜めが必要とされ、さもなければシステムに対する冷却空気の強制的な流れにより水が凍結してこのシステムにダメージを与えてしまう。排水溜めにおける排水および補充のプロセスは時間を消費し、通常は数時間かかるので、このことが問題となる。さらに、フロートバルブやレベル制御器等を取り付けることにより乾燥または湿潤動作用の排水溜めを各々準備するために、少なくとも排水または補充の期間のうちの一部の間において、通常は冷却システムを止めることが必要となる。このため、排水溜めの排水および補充を毎日行うことについて実用上のまたは経済的な実現性は考慮されていない。このことは、乾燥動作は、毎年、昼間であっても温度が予想通りに十分に低く「湿潤」動作が必要とされないような短期間でしか行うことができない。その結果、水、および水用ポンプや排水溜め加熱器の動作に必要とされる電力を節約することができる可能性が非常に小さくなってしまうことが理解されよう。

また、ある閉回路蒸発熱交換装置システムにおいて、空気分配プレナムから遠く隔てて排水溜めを配置することが知られている。湿潤動作の間、蒸発しなかった（非蒸発の）ほとんどの水はドレンされるか遠隔の排水溜めに連続的に汲み上げられ、この遠隔の排水溜めから汲み戻されて再び熱交換コイルに噴霧される。このような遠隔の排水溜めの利点は、空気分配プレナム内には少量の水が残るだけであり比較的素早くドレンが行われるので、乾燥動作を行うために水全体を空気分配プレナム内の排水溜めからドレンする必要がないことである。遠隔の排水溜め内の水は空気分配プレナム内の冷却空気流に接触することはなく、適合する加熱器によって冷凍を防止することができる。

しかしながら、遠隔の排水溜めにはいくつかの問題点がある。第１に、この排水溜めに適合する追加のスペースが必要とされ、概して高価となる。第２に、水が汲み上げられるのに必要な追加の静高さに対応するためにより強力なポンプが必要とされる。第３に、必要とされる構成要素の全体数および取り付けコストも増加する。これらの複合的な要因によって、水の消費および噴霧ポンプの電力に関してより効率的なシステムを動作させることにより節約されるコストを上回る場合がある。しかしながら、遠隔の排水溜めは、乾燥動作を行って様々な状況下における過剰冷却を防止するのに必要となる。

従来の閉回路蒸発熱交換装置の構成の他の問題点として、空気分配プレナム内の部品の検査、機能テスト、クリーニング等の定期メンテナンスを行うためにシステムの中断操作が必要なことが挙げられる。このことは、遠隔の排水溜めを有していない従来のシステムにとってとりわけ問題となる。なぜならば、排水溜め内の機器および水用組立システムが影響を受けるからである。システムの運転のこのような定期的な中断は破損を生じ易くし、かつ費用がかかるようになることは明らかである。

本発明は、上述の問題点を少なくとも部分的に解決することができる蒸発熱交換装置を提供することを目的とする。

第１の態様によれば、本発明は、空気分配プレナムと、水を前記プレナム内に噴霧する手段と、前記プレナムに噴霧された非蒸発の水を収集する収集表面であって、この水は、実質的に当該収集表面上に残ることなく前記プレナム内にある排水溜めにドレンされるようになっているような収集表面と、を備えた閉回路蒸発熱交換装置を提供する。

当業者にとって、排水溜めは主要空気分配プレナム内に設けられているがこの排水溜めは非蒸発の水を収集するために用いられるのではなく、代わりに収集表面が排水溜め内へ排水を行うことが理解できよう。このことは、排水溜めは少なくとも部分的にプレナムの主要部分から熱的に隔離していることを意味している。このことにより、周囲の空気の温度が凝固点以下となった場合であっても水が凍結することを防止することができる。これに対して、プレナム内で空気流に接触するような従来の排水溜めの構成ではこのことを達成することができない。このような構成においては、必要に応じて湿潤動作および乾燥動作の間で素早く切り替えを行うことができ、また、排水溜めを遠く離れた場所に設けた場合の欠点がないような、実質的に融通が利くという利点がある。

寒い気候における動作の間、水が凍結することを防止するよう排水溜めは構成されている。このことは、十分な熱の隔離を確実に行い、加熱手段、好ましくはサーモスタット制御のものを設けることにより達成することができる。このことにより、同様に周囲の温度も変化させることができる。

収集表面は、単に当該収集表面の下方にある排水溜め内に排水を行うことができるよう構成されている。すなわち、配置は実質的に従来の構成と同様のものとなっているが、排水溜めを覆い単数または複数のドレン穴を有するふたまたは類似のものが設けられている。この場合、ふたの上面が収集表面を形成している。

しかしながら、収集表面と排水溜めとの間に設けられたドレン接合部分であって、収集表面と排水溜めとの間で液体ロック（ｌｉｑｕｉｄ ｌｏｃｋ）を形成し、両者の間において異なる空気圧が維持されるよう構成されたドレン接合部分を更に備えていることが好ましい。この特徴の利点は、排水溜めが実質的に大気圧に維持され、これに対して、プレナムの主要部分は外部から加えられた空気流により圧力が上昇することにある。排水溜めの内部が主要空気分配プレナムの内部から物理的に隔離されることにより、水の噴霧との接触も避けることができる。これらの２つの要因によって、ファンが運転することによりシステムが運転動作中であっても、少なくとも排水溜めに対してメンテナンスのためにアクセスすることができる。このような性能により、定期的なメンテナンスにおいて動作を中止させなければならない従来技術のシステムに対して十分な利点が得られることが理解できよう。

噴霧に用いられ、排水溜めを介してシステムを循環する水量は、従来技術においては開タワー冷却システムに用いられる排水溜めに関するものとほぼ同様の容量であった。しかしながら、出願人は、本発明により、排水溜めの各モジュール間における共通性という小さな利益が失われるが、共通の排水溜めを用いることにより容量の削減はもはや必要とされることなく、より少ない水を用いることにより実際に追加の利益が達成されることを意味することを見いだした。

このため、より好ましい実施の形態においては、蒸発水噴霧システムは、湿潤動作に用いられるのにちょうど十分な水で動作するよう構成されている。ある例示的な実施の形態においては、システムは、コイル領域１平方メートルあたり約９０リットルの水で動作するようになっている。このことは、（標準サイズの排水溜めを用いた場合に一定であるような）約２４０リットル／ｍ^２の水量が用いられる従来のシステムとは対照的である。

水量が十分に減少することにより、水を節約することができることのみならず、他のケースと比べて排水溜めを小さくすることができ、水が冷凍することを防止するために必要とされる加熱器の性能を落とすことができ、必要とされる化学的水処理を少なくすることができ、これらの事項の全てによりコストを低減することができる。

上述の本発明の好ましい実施の形態は、蒸発プロセスにおいて必要とされる最小限の水量の使用を含むことが理解されよう。実際には、この最小限の水量は、配管を含む水分配システムの容量、任意の時点における空気分配プレナムを通過して落下する水の割合、およびポンプシステムを適切に動作させるのに必要とされる最小限の水量に基づいて決まる。このことは、湿潤動作のための最小限の水量よりも十分に大きな水量が用いられるが、この最小限必要とされる水量が実際には考慮されないような従来技術とは対照的である。

本発明において、実際には蒸発によって失われた水を補充する手段が設けられていることが理解されよう。フロート動作バルブ、電子センサ、光学センサ等のような従来技術により知られた様々な手段を用いることができる。このような水の補充は、任意の時点におけるシステム内の実際の水量が予め設定された最大量および最小量の間で循環するという固有の履歴現象を有している。

本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して実施例のみにより以下に記載する。

最初に、図１に従来技術の閉回路蒸発熱交換装置を示す。冷却液体が通過するようなシールされた熱交換コイルＡが、空気分配プレナム（空気分配室）Ｂ内に設けられている。モータＤにより駆動されるファンシステムＣがプレナムＢの一端に設けられている。プレナムＢの頂部には、複数のノズルＥが設けられており、これらのノズルＥは熱交換コイルＡに水を噴霧するよう構成されている。排水溜めＦがプレナムＢの底部に設けられており、この排水溜めＦはコイル領域１平方メートルあたり２４０リットルの処理能力となっており、排水溜めＦから噴霧ノズルＥへ水を汲み上げるポンプＧが設置されている。フロートバルブを使用する水補充システムＨにより、排水溜め内の水について最小限の量が維持されるようになっている。

従来技術によって良く知られるように、動作を行う際に、冷却液体または冷媒蒸気が熱交換コイルＡに供給され、熱が取り出されて原状に復帰する前に冷却または凝縮が行われる。ファンＣは空気分散プレナムＢ内の熱交換コイルＡに急流の空気を供給し、冷却流体または蒸気から熱を取り出す。ポンプＧを用いて排水溜めＦから水を汲み上げるような水噴霧システムにより蒸発冷却が行われる。ノズルＥから噴霧された水のうちの一部分は蒸発する。残りの水は排水溜めＦ内に集められ、噴霧ノズルＥに戻されて再利用される。蒸発により失われた水は、水補充システムＨにより補充される。

検査またはメンテナンスを行うにあたり排水溜めＦにアクセスするために、システムを中断させてファンＣのスイッチを止める必要がある。このことにより、運転を実際に行うことができる回数が制限されてしまう。さらに、周囲の温度が、水噴霧システムの追加の冷却効果をもはや必要としなくなるような温度となれば、強制的な冷却空気流による冷却効果により水が凍結することを防止するために、全ての水を排水溜めＦからドレンしなければならなくなる。このことは時間を大きく消費するので、かなりの期間（例えば１日以上の期間）、湿潤動作が必要となるまで温度が再び十分に上昇しないと操作者が確信した時のみにおいてしか行うことができない。

本発明の実施の形態について図２ａおよび２ｂを用いて説明する。図１を参照して記載される装置と同様に、閉回路蒸発熱交換装置は、空気分配プレナム（空気分配室）４内に配置された熱交換コイル２を備えており、この熱交換コイル２は、冷却流体または冷媒を冷却されるべき領域（図示せず）へ、またはこの領域からパイプ連結器６を介して搬送するようになっている。空気分配プレナム４の一端には、ベルト１２を介してモータ１０により駆動されるファン８が配置されている。ファン８の回転翼はケーシング１４内に収容されており、図２ａにおいては見ることができないようになっている。

図１に示すシステムと異なり、空気分配プレナム４の底部には開口の排水溜めは設けられていない。代わりに、空気分配プレナム４の一端の下方部分に、傾斜したバッフル壁１８によって排水溜め１６が区画されている。この実施の形態において、排水溜めはコイル領域１平方メートルあたり９０リットルの処理能力を有するが、このことは単なる例示に過ぎず、この数値は例えばコイルの長さにより決まる。バッフル壁１８は、プレナム４の後端壁２０から下方に延びている。このバッフル壁１８は、当該バッフル壁１８の端部と排水溜め１６のベース部との間に隙間を残すよう、終点が定められている。バッフル壁１８はプレナム４の２つの対向する側壁の間で延びている。言い換えると、図２ａの紙面に対して垂直に、または図２ｂにおいて左から右に延びている。

空気分配プレナム４の下方部分における、排水溜め１６により揚水されない側の領域には、傾斜ベース部２２が形成されている。ベース部２２は、バッフル壁１８に向かって傾斜しているが、プレナム４の一方の側壁から他方に延びる小さな隙間２４を残すよう、終点が定められている。ベース部はまた、２つの側壁の間で延び、隙間２４はプレナム４の幅に沿って延びている。バッフル壁１８およびベース部２２は各々、熱交換コイル２から落下した水が着地するような収集表面を形成している。

排水溜め１６内において、フロート動作バルブ２６が設けられており、このバルブ２６は、排水溜め１６内の水の最小限の高さレベルを維持するための注水口２８に接続されている。この水の高さレベルは、熱交換装置の湿潤動作に必要とされる、（システムの残りの部分におけるパイプの容量等を考慮した）最小限の量を維持するよう設定されている。

排水溜め１６のベース部においてストレーナ３０が設けられており、ポンプ３２により排水溜めからこのストレーナ３０を通って水が引き上げられて、プレナムの後端２０の外側にある鉛直パイプ３４に汲み上げられる。この鉛直パイプ３４はプレナム４に再び入って水を分配パイプ３６に供給するようになっている。

複数のノズル３８が水分配パイプ３６に沿って間隔をあけて配置されており、ポンプ３２により加えられた圧力によって、水が熱交換コイル２に向かって円錐状に噴霧するよう押し出される。このようなノズル３８の一例が上方にある切り抜きの詳細図によってより明確に示されている。水分配パイプ３６の上方には、複数の整流器（ｄｒｉｆｔ ｅｌｉｍｉｎａｔｏｒｓ）４０が設けられており、この整流器の一例も同様に切り抜きの詳細図によってより明確に示されている。これらの分離された水滴は気流に取り込まれて、熱交換装置に残留し、これらの水滴がシステムから失われることを抑止することができる。

最後に、一対のアクセス扉４２がプレナムの端部壁２０の下方部分に設けられており、排水溜め１６の内部に対する外部からのアクセスを可能としている。

以下に、このような装置の動作について記載する。従来技術のシステムに示すように、ファン８は空気を熱交換コイル２に吹きつけ、このコイル２内にある冷却流体から熱を取り出す。追加の冷却が必要とされる場合には、ポンプ３２が作動して排水溜め１６からストレーナ３０を介して水を引き上げ、ノズル３８に水を押込み、熱交換コイルに対して十分な噴霧を行う。水の一部分が蒸発することにより十分な冷却効果が得られる。蒸発しなかった水（非蒸発の水）は空気分配プレナム４の底部に向かって落下し、バッフル壁１８または傾斜ベース部２２により形成される収集表面に達する。これらの部分に落下する水はそこに残留することなく両者の間にある小さな隙間２４に排水される。

図２ａより理解できるように、排水溜め内における水のレベルは、隙間２４が少なくとも部分的に水によって満たされるような高さとなる。このことにより、空気分配プレナム４と排水溜め１６との間においてウォーターロック（ｗａｔｅｒ ｌｏｃｋ）が形成される。このウォーターロックにより、プレナム４の主要部分と排水溜め１６との間で異なる空気圧力が維持され、検査またはメンテナンス行うにあたり空気溜め１６へのアクセスを行うことができるようになる。この間、主要ファン８の運転を行い続け、システムを運転可能とすることができる。

乾燥動作を行う間、ポンプ３２が停止し、残った水が隙間２４を通って排水溜め１６内に流出する。排水溜め１６内において、水はもはやファン１２により生成された空気流に直接的に接触することはない。空気分配プレナム４の主要部分には水がもはや残らないので、すなわち、冷却空気流に接触することがないので、水が凍結する可能性が大きく減少することが理解できよう。

図２ａには示されていないが、排水溜め１６内の水の温度を凝固点より上で維持するようサーモスタット制御の加熱器が設けられている。しかしながら、排水溜め１６が分配プレナム４に比べて比較的小さく、この排水溜め１６はバッフル壁１８により冷却空気流から隔離されていることにより、このような加熱器に必要とされる電力は比較的小さくなる。

更に、排水溜め１６内の水量は図１の排水溜めＦ内の水量よりも十分に少なくなることが理解できよう。このことにより、装置を充満させるのに必要とされる水量を節約することができるのみならず、必要とされる薬品処理のコストおよび水が凍結することを防止するために必要とされる熱量を節約することができる。

このような実施の形態により、必要に応じて湿潤または乾燥モードにより動作することができ、さらに、これらのモードを非常に素早く切り替えることができるような、十分に融通が利くという全体的な利点が得られる。

図２ａおよび２ｂにより参照されるような上述の装置と同様の試作品の装置を組み立ててテストを行った。テスト機の排水溜めの水の容量は８６０リットルであり、ファンは毎秒２７立方メートルの空気流を熱交換コイルに送った。しかしながら、排水溜め内部における通常の大気圧はウォーターロックの働きにより維持された。

蒸発冷却システムのポンプのスイッチが切られ、周囲の温度が−１０℃まで低下した場合において、排水溜めおよびウォーターロックは、４ＫＷという適度の電力の排水溜めヒーターから送られた熱により、全く冷凍されることはなかった。

参照のみの目的のために示される従来の閉回路蒸発熱交換装置の断面図である。 図２ａおよび図２ｂは、本発明による閉回路蒸発熱交換装置の縦断面図および端面図をそれぞれ示す。

Claims (3)

1. 空気分配プレナムと、
   水を前記プレナム内に噴霧する手段と、
   前記プレナム内に噴霧された非蒸発の水を収集する収集表面であって、この水が、実質的に当該収集表面上に残ることなく前記プレナム内にある排水溜めにドレンされるよう構成されている収集表面と、
   前記収集表面と前記排水溜めとの間に設けられたドレン接合部分であって、前記プレナムと前記排水溜めとの間で液体ロックを形成し、両者の間において異なる空気圧が維持されるよう構成されたドレン接合部分と、
   を備え、
   前記排水溜め内の水は、空気分配プレナム内の強制的な空気流に触れないようになっていることを特徴とする閉回路蒸発熱交換装置。
2. 前記の水を噴霧する手段は、熱交換装置の前記湿潤動作に用いられるのにちょうど十分な水で動作するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. コイル領域１平方メートルあたり約９０リットルの水で動作するよう構成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換装置。

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