JP7178624B2

JP7178624B2 - 冷却管

Info

Publication number: JP7178624B2
Application number: JP2018168123A
Authority: JP
Inventors: 浩通福本; 都志夫忽那; 研人上原; 聖一八重樫; 昌彦高田; 忠司羽生
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2022-11-28
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: JP2020041725A

Description

本発明は、冷却管に関し、特に冷凍装置システムに用いられる冷却管に関する。

従来から、水槽（氷蓄熱槽）内の冷却管に対して、主にフロン系冷媒を供給して循環させ、冷却管外に氷を成長させる技術が知られている。

冷却管に冷媒を供給する方法としては、例えば、冷却管の直近に膨張弁を設置し、高圧液を断熱膨張して低圧蒸気になった冷媒を直接コイルに供給する直膨式が挙げられる（例えば特許文献１）。直膨式の場合、膨張弁の下流に配置された分配器を介して、最上段の冷却管からフロン系冷媒を供給（トップフィード）している。

特許第３５９０３３７号公報

一方、ＣＯ_２を冷媒として用いた場合、フロン系冷媒等と比較して常用圧力が高いために、高圧化に耐えうるように上述の分配器の強度を上げなければならず手間である。

本発明は、上記課題を解決するために発明されたものであり、冷凍装置システムの部品（例えば分配器）の強度を上げるなどの特別な構造を採用することなく、ＣＯ_２冷媒を好適に循環させることのできる冷却管を提供することを目的とする。

上記目的を達成する冷却管は、氷蓄熱槽の内部に配設され、内部をＣＯ_２冷媒が流通する冷却管である。冷却管は、上方から前記ＣＯ_２冷媒が流入するとともに、上下方向に延在する供給冷媒竪管と、下側の一端が前記供給冷媒竪管の最下部に連結するとともに、前記氷蓄熱槽の内部を上方に向けて蛇行するように配置され、上側の他端から前記ＣＯ_２冷媒が流出するとともに、蛇行する平面に直交する直交方向に沿って複数設けられる蛇行パイプと、複数の前記蛇行パイプの上側の端部を互いに連結する連結管と、前記連結管に連結するとともに前記上下方向に延在する延在パイプと、を有し、複数の前記蛇行パイプの前記一端は、前記直交方向に沿って延在する水平ヘッダーを介して、前記供給冷媒竪管の前記最下部に連結する。

このように構成された冷却管によれば、ＣＯ_２冷媒を循環させるための駆動力として、供給冷媒竪管に充填されるＣＯ_２冷媒の高さヘッドを利用することができる。したがって、冷凍装置システムの部品の強度を上げるなどの特別な構造を採用することなく、ＣＯ_２冷媒を好適に循環させることのできる冷却管を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る冷凍装置システムを示す系統図である。冷却管の構成を示す正面図である。冷却管の構成を示す側面図である。本発明の第２実施形態に係る冷凍装置システムを示す系統図である。変形例１に係る冷凍装置システムを示す系統図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を、図１～図３を参照しつつ説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍装置システム１を示す系統図である。図２は、冷却管２０の構成を示す正面図である。図３は、冷却管２０の構成を示す側面図である。以下、図１～図３を参照して、冷凍装置システム１の構成について説明する。

第１実施形態に係る冷凍装置システム１は、図１に示すように、水が貯留される氷蓄熱槽１０と、氷蓄熱槽１０の内部に配設される冷却管２０と、ＣＯ_２冷媒が循環する循環ライン３０と、ＣＯ_２冷媒を気液分離する気液分離器４０と、ＣＯ_２冷媒を貯留するための受液器５０と、ＣＯ_２冷媒を冷却して液化する冷却機構６０と、受液器５０内の液状のＣＯ_２冷媒を気液分離器４０に送液する液ポンプ７０と、を有する。

氷蓄熱槽１０は水槽であり、内部には水が供給され、供給された水は氷蓄熱槽１０において冷却され、冷水は氷蓄熱槽１０の外部に供給される。冷水は、例えばプロセス冷却に用いられる。

冷却管２０は、図１～図３に示すように、氷蓄熱槽１０の内部に配設されている。冷却管２０は、例えば、断面が円形、楕円形または長円形の管を用いることができる。冷却管２０内を流通するＣＯ_２冷媒の蒸発潜熱を利用して、氷蓄熱槽１０の内部の水を冷却する。以下、図２および図３を参照して、冷却管２０の構成について詳細に説明する。以下、理解の容易のため、図２の左右方向をＸ方向、図３の左右方向をＹ方向、図２および図３の上下方向をＺ方向と称する。

冷却管２０は、図２、図３に示すように、Ｚ方向に延在する供給冷媒竪管２１と、氷蓄熱槽１０の内部をＺ方向に向けて蛇行するように、Ｙ方向に沿って５つ配置される蛇行パイプ２２と、供給冷媒竪管２１の最下部２１Ａおよび５つの蛇行パイプ２２の下側の一端２２ａを連結する水平ヘッダー２３と、５つの蛇行パイプ２２の上側の他端２２ｂを互いに連結する連結管２４と、連結管２４に連結するとともにＺ方向に延在する延在パイプ２５と、を有する。

供給冷媒竪管２１には、上方からＣＯ_２冷媒が流入して、流入したＣＯ_２冷媒は、供給冷媒竪管２１の内部を下方に向けて流通する。供給冷媒竪管２１のＺ方向の長さ（高さヘッド）は、氷蓄熱槽１０の内部においてＣＯ_２冷媒を循環させるための駆動力となる。したがって、ＣＯ_２冷媒を好適に循環させることができるように、高さヘッドを調整することが好ましい。

蛇行パイプ２２は、図２に示すように、ＸＺ平面上をＺ方向に向けて蛇行するように一端２２ａから他端２２ｂまで設けられる。蛇行パイプ２２の一端２２ａからＣＯ_２冷媒が流入し、蛇行パイプ２２の他端２２ｂからＣＯ_２冷媒が流出する。蛇行パイプ２２は、図３に示すように、ＸＺ平面に直交するＹ方向（直交方向に相当）に沿って５つ設けられる。

１本の蛇行パイプ２２は、図２に示すように、Ｘ方向に向けて延在する水平コイル２２Ａと、Ｚ方向に隣り合う水平コイル２２Ａ同士を、互いに連結する垂直ベンド管２２Ｂと、を有する。

水平コイル２２Ａは、Ｚ方向に沿って複数（図２では１４本）設けられる。

垂直ベンド管２２Ｂは、直線状のパイプを折り曲げることによって構成される。垂直ベンド管２２Ｂは、水平コイル２２Ａとは別体で構成されており、垂直ベンド管２２Ｂおよび水平コイル２２Ａは、溶接によって互いに固定されている。このように構成された蛇行パイプ２２によれば、１本からなる蛇行パイプと比較して容易に製造することができる。

水平ヘッダー２３は、図３に示すように、Ｙ方向に延在する。水平ヘッダー２３の一端（図３の左端）２３ａは、供給冷媒竪管２１の最下部２１Ａと、液密気密に連結されている。

連結管２４は、５つの蛇行パイプ２２の上側の他端２２ｂを互いに連結する。連結管２４は、図３に示すように、Ｙ方向に延在する。

延在パイプ２５は、図２、図３に示すように、Ｚ方向に延在する。延在パイプ２５の最下部２５Ａは、連結管２４の一端（図３の左端）２４ａと液密気密に連結されている。

図１～図３を参照して、このように構成された冷却管２０において、気液分離器４０から供給される液状のＣＯ_２冷媒は、供給冷媒竪管２１の上方から供給冷媒竪管２１の内部に流入する。供給冷媒竪管２１の内部に流入したＣＯ_２冷媒は、供給冷媒竪管２１の内部を下方に移動して最下部２１Ａに到達する。そして、ＣＯ_２冷媒は、水平ヘッダー２３を介して、５本の蛇行パイプ２２の一端２２ａに流入する。蛇行パイプ２２の一端２２ａに流入したＣＯ_２冷媒は、供給冷媒竪管２１に充填されるＣＯ_２冷媒の高さヘッドを駆動力として、５本の蛇行パイプ２２の内部を上方に向けて流通し、蛇行パイプ２２の他端２２ｂに到達する。そして、ＣＯ_２冷媒は、連結管２４において合流して、延在パイプ２５を介して、氷蓄熱槽１０の外部に流出する。このように、本実施形態に係る冷却管２０によれば、氷蓄熱槽１０の内部に満遍なく冷却管２０が配置されるため、氷蓄熱槽１０の内部の水を好適に冷却することができる。

循環ライン３０は、図１に示すように、ＣＯ_２冷媒が循環するように構成されている。循環ライン３０は、冷却管２０および気液分離器４０の間に配置される第１循環ライン３１と、気液分離器４０および受液器５０の間に配置される第２循環ライン３２と、を有する。

第１循環ライン３１には、電磁弁３１Ａおよび流量調整弁３１Ｂが配置されている。

気液分離器４０は、第１循環ライン３１を介して冷却管２０と接続されている。また、気液分離器４０は、第２循環ライン３２を介して受液器５０と接続されている。

気液分離器４０は、氷蓄熱槽１０の内部の水の冷却に用いられて少なくとも一部が気化したＣＯ_２冷媒を受け入れ、このＣＯ_２冷媒を気液分離するように構成されている。気液分離器４０において分離された液状のＣＯ_２冷媒は、再度、第１循環ライン３１を介して冷却管２０に供給される。また、気液分離器４０において分離されたガス状のＣＯ_２冷媒は、第２循環ライン３２を介して受液器５０に供給される。

受液器５０は、ＣＯ_２冷媒を貯留するように構成されている。受液器５０に貯留されるＣＯ_２冷媒は、主として冷却機構６０において液化されたＣＯ_２冷媒である。

受液器５０には、送りライン５１が接続されており、受液器５０内のガス状のＣＯ_２冷媒が送りライン５１を介して、冷却機構６０に送られる。また、受液器５０には、戻りライン５２が接続されており、冷却機構６０で液化されたＣＯ_２冷媒が受液器５０に戻される。受液器５０に貯留されている液状のＣＯ_２冷媒は、液ポンプ７０によって、気液分離器４０に送られる。

冷却機構６０は、ＣＯ_２冷媒を冷却して液化するように構成されている。冷却機構６０は、アンモニア冷媒が循環するアンモニア冷凍サイクルである。冷却機構６０は、圧縮機６１と、凝縮器６２と、膨張弁６３と、蒸発器としての熱交換器６４と、アンモニア冷媒ライン６５と、を有する。冷却機構６０は、一般的なアンモニア冷凍サイクルであるため、詳細な説明は省略する。

以上説明したように、本実施形態に係る冷却管２０は、氷蓄熱槽１０の内部に配設され、内部をＣＯ_２冷媒が流通する冷却管２０である。冷却管２０は、上方からＣＯ_２冷媒が流入するとともに、Ｚ方向に延在する供給冷媒竪管２１と、一端２２ａが供給冷媒竪管２１の最下部２１Ａに連結するとともに、氷蓄熱槽１０の内部を上方に向けて蛇行するように配置され、他端２２ｂからＣＯ_２冷媒が流出する蛇行パイプ２２と、を有する。このように構成された冷却管２０によれば、ＣＯ_２冷媒を循環させるための駆動力として、供給冷媒竪管２１に充填されるＣＯ_２冷媒の高さヘッドを利用することができる。したがって、冷凍装置システム１の部品の強度を上げるなどの特別な構造を採用することなく、ＣＯ_２冷媒を好適に循環させることのできる冷却管２０を提供することができる。

また、蛇行パイプ２２は、Ｚ方向に沿って複数設けられ、Ｘ方向に延在する水平コイル２２Ａと、Ｚ方向に隣り合う複数の水平コイル２２Ａ同士を、互いに連結する垂直ベンド管２２Ｂと、を有し、水平コイル２２Ａおよび垂直ベンド管２２Ｂは、溶接によって固定されている。このように構成された冷却管２０によれば、１本のパイプからなる冷却管と比較して、製造が容易となる。

また、蛇行パイプ２２は、当該蛇行パイプ２２が蛇行するＸＺ平面に直交するＹ方向に沿って、複数設けられる。また、５本の蛇行パイプ２２の一端２２ａは、Ｙ方向に沿って延在する水平ヘッダー２３を介して、供給冷媒竪管２１の最下部２１Ａに連結する。このように構成された冷却管２０によれば、Ｙ方向に沿って満遍なく蛇行パイプ２２が配置されることになるため、好適に氷蓄熱槽１０の内部の水を冷却することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る冷凍装置システム２の構成について説明する。

図２は、第２実施形態に係る冷凍装置システム２を示す系統図である。第１実施形態と共通する部分は説明を省略し、第２実施形態のみに特徴のある個所について説明する。なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して説明し、重複した説明は省略する。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、冷却機構６０が設けられる位置などが異なる。

第２実施形態に係る冷凍装置システム２は、図２に示すように、氷蓄熱槽１０と、冷却管２０と、循環ライン３０と、気液分離器４０と、冷却機構６０と、を有する。氷蓄熱槽１０、冷却管２０、循環ライン３０、および気液分離器４０の構成は、上述した第１実施形態に係る冷凍装置システム１と同様であるため、説明は省略する。また、第２実施形態に係る冷凍装置システム２は、液ポンプ７０を有しない。

第２実施形態に係る冷凍装置システム２の冷却機構６０は、図２に示すように、氷蓄熱槽１０の上部に配置されている。このように構成された冷凍装置システム２によれば、気液分離器４０内の液状のＣＯ_２冷媒は、位置エネルギー差によって、冷却管２０に移動される。よって、液ポンプを必要とすることなく、ＣＯ_２冷媒を循環させることができ、冷凍装置システム２を小型化することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。

例えば、上述した第２実施形態では、氷蓄熱槽１０の内部に１つの循環ライン３０が配置されていた。しかしながら、図３に示すように、冷凍装置システム３は、氷蓄熱槽１０の内部に、複数（図３では４つ）の循環ライン３０が配置される構成であってもよい。このように構成された冷凍装置システム３によれば、４つの循環ライン３０を流れるＣＯ_２冷媒の循環をオン／オフにすることによって、冷却効率を可変にすることができる。

また、上述した実施形態では、蛇行パイプ２２は、水平コイル２２Ａおよび垂直ベンド管２２Ｂを有し、水平コイル２２Ａおよび垂直ベンド管２２Ｂは、溶接によって互いに連結されていた。しかしながら、蛇行パイプは、１本の配管を折り曲げて構成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、蛇行パイプ２２は、Ｙ方向に沿って、５本設けられた。しかしながらこれに限定されず、蛇行パイプ２２は、１～４本、または６本以上設けられていてもよい。

１、２、３冷凍装置システム、
１０氷蓄熱槽、
２０冷却管、
２１供給冷媒竪管、
２１Ａ供給冷媒竪管の最下部、
２２蛇行パイプ、
２２ａ蛇行パイプの一端、
２２ｂ蛇行パイプの他端、
２２Ａ水平コイル、
２２Ｂ垂直ベンド管、
２３水平ヘッダー。

Claims

氷蓄熱槽の内部に配設され、内部をＣＯ_２冷媒が流通する冷却管であって、
上方から前記ＣＯ_２冷媒が流入するとともに、上下方向に延在する供給冷媒竪管と、
下側の一端が前記供給冷媒竪管の最下部に連結するとともに、前記氷蓄熱槽の内部を上方に向けて蛇行するように配置され、上側の他端から前記ＣＯ_２冷媒が流出するとともに、蛇行する平面に直交する直交方向に沿って複数設けられる蛇行パイプと、
複数の前記蛇行パイプの上側の端部を互いに連結する連結管と、
前記連結管に連結するとともに前記上下方向に延在する延在パイプと、を有し、
複数の前記蛇行パイプの前記一端は、前記直交方向に沿って延在する水平ヘッダーを介して、前記供給冷媒竪管の前記最下部に連結する冷却管。
前記蛇行パイプは、
前記上下方向に沿って複数設けられ、左右方向に延在する水平コイルと、
前記上下方向に隣り合う複数の前記水平コイル同士を、互いに連結する垂直ベンド管と、を有し、
前記水平コイルおよび前記垂直ベンド管は、溶接によって固定されている、請求項１に記載の冷却管。