特開 2024-93752 冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024093752

(43)【公開日】2024-07-09

(54)【発明の名称】冷却システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240702BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240702BHJP

   F25B 11/02 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 J

F25B1/00 331Z

F25B11/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022210318

(22)【出願日】2022-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】000110099

【氏名又は名称】トキコシステムソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】吉田 純

(72)【発明者】

【氏名】山本 竜平

(72)【発明者】

【氏名】蓮仏 達也

(57)【要約】

【課題】気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より簡易な構成を実現可能な技術を提供する。
【解決手段】冷却システム１は、空気圧縮機１０と、空気圧縮機１０により圧縮された乾燥空気と冷却水との間で熱交換を行うアフタークーラ２０と、アフタークーラ２０を通過した乾燥空気を圧縮するコンプレッサ３２と、コンプレッサ３２により圧縮された乾燥空気が流出する経路Ｌ３と、経路Ｌ３を通じて供給される乾燥空気を断熱膨張させる膨張タービン３４と、膨張タービン３４から吐出された乾燥空気を被冷却負荷６０に供給する経路Ｌ４と、被冷却負荷６０と熱交換が行われた後の乾燥空気を空気圧縮機１０に送る経路Ｌ５と、経路Ｌ３の乾燥空気と経路Ｌ５の乾燥空気との間で熱交換を行う寒冷回収熱交換器５０と、経路Ｌ３の乾燥空気と寒冷回収熱交換器５０よりも下流の経路Ｌ５の乾燥空気と、冷却水との間で熱交換を行う冷却水熱交換器４０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体を圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機により圧縮された気体とその気体より低温の第１の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器を通過した気体を圧縮する第２の圧縮機と、
前記第２の圧縮機により圧縮された気体が流出する第１の経路と、
前記第１の経路を通じて供給される気体を断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する第２の経路と、
前記被冷却負荷と熱交換が行われた後の気体を前記第１の圧縮機に送る第３の経路と、
前記第１の経路の気体と、前記第３の経路の気体との間で熱交換を行う第２の熱交換器と、
前記第１の経路の気体と、前記第２の熱交換器よりも下流の前記第３の経路の気体と、前記第１の経路の気体よりも低温の第２の流体との間で熱交換を行う第３の熱交換器と、を備える、
冷却システム。

【請求項2】

前記第３の熱交換器に流入する前記第３の経路の気体の温度は、前記第２の流体の温度よりも低い、
請求項１に記載の冷却システム。

【請求項3】

前記第３の熱交換器に流入する前記第３の経路の気体の温度は、前記第２の流体の温度よりも高い場合と、前記第２の流体の温度よりも低い場合とがある、
請求項２に記載の冷却システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、乾燥空気等の気体を冷媒として用いて、被冷却負荷を冷却する冷却システムが知られている（例えば、特許文献１）。

【0003】

特許文献１では、空気圧縮機、及びタービン・コンプレッサユニットを用いて、乾燥空気の圧縮及び冷却を２段階で繰り返した後、断熱膨張させることで、寒冷エネルギを発生させ、被冷却負荷を冷却している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０２０／０８４７２５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１では、例えば、タービン・コンプレッサのコンプレッサ側の後段の熱交換器、及び被冷却負荷から圧縮機への低圧戻り部分の熱交換器等、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う熱交換器が複数存在する。そのため、冷却システムの構成が複雑化し、コスト上昇を招来する可能性がある。

【0006】

そこで、上記課題に鑑み、気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より簡易な構成を実現可能な技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
気体を圧縮する第１の圧縮機と、
前記第１の圧縮機により圧縮された気体とその気体より低温の第１の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器を通過した気体を圧縮する第２の圧縮機と、
前記第２の圧縮機により圧縮された気体が流出する第１の経路と、
前記第１の経路を通じて供給される気体を断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する第２の経路と、
前記被冷却負荷と熱交換が行われた後の気体を前記第１の圧縮機に送る第３の経路と、
前記第１の経路の気体と、前記第３の経路の気体との間で熱交換を行う第２の熱交換器と、
前記第１の経路の気体と、前記第２の熱交換器よりも下流の前記第３の経路の気体と、前記第１の経路の気体よりも低温の第２の流体との間で熱交換を行う第３の熱交換器と、を備える、
冷却システムが提供される。

【発明の効果】

【0008】

上述の実施形態によれば、気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より簡易な構成を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】冷却システムの一例を示す図である。

【図2】比較例に係る冷却システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

【0011】

［冷却システムの構成］
図１を参照して、本実施形態に係る冷却システム１の構成について説明する。

【0012】

図１は、冷却システム１の一例を示す図である。

【0013】

図１に示すように、冷却システム１は、空気圧縮機１０と、アフタークーラ２０と、タービン・コンプレッサユニット３０と、冷却水熱交換器４０と、寒冷回収熱交換器５０と、被冷却負荷６０とを含む。

【0014】

冷却システム１は、乾燥空気を冷媒として用いる空気冷媒式であり、被冷却負荷６０を冷却する。

【0015】

尚、冷却システム１は、冷媒として乾燥空気とは異なる他の気体を用いてもよい。例えば、他の気体は、窒素、酸素、ヘリウム等である。

【0016】

乾燥空気は、冷却システム１の運転に支障が無い露点まで水蒸気が除去された空気である。乾燥空気に含まれる水蒸気の量は、例えば、所定基準以下になるように予め調整される。

【0017】

空気圧縮機１０は、経路Ｌ１から流入する乾燥空気を圧縮し、経路Ｌ２（経路Ｌ２１）に吐出する。

【0018】

経路Ｌ１には、冷却システム１を循環する乾燥空気が経路Ｌ５（経路Ｌ５３）から戻される。また、経路Ｌ１には、開閉弁Ｖ１が設けられ、開閉弁Ｖ１を通じて、冷却システム１の外部から経路Ｌ１に乾燥空気を補充することが可能である。これにより、冷却システム１は、その内部の流体（空気）の温度変化（密度変化）に伴う空気圧縮機１０の吸入圧変化を補正することができる。経路Ｌ１の乾燥空気の設計上の温度（以下、「設計温度」）は、例えば、約３２℃である。

【0019】

経路Ｌ２は、経路Ｌ２１，Ｌ２２を含む。

【0020】

アフタークーラ２０は、経路Ｌ２に設けられ、経路Ｌ２１の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。これにより、アフタークーラ２０は、空気圧縮機１０により圧縮された相対的に温度が高い乾燥空気を相対的に温度が低い冷却水によって冷却することができる。アフタークーラ２０により冷却後の経路Ｌ２２の乾燥空気の設計温度は、冷却水の温度が約３０℃の場合、例えば、約４０℃である。経路Ｌ２１の乾燥空気は、アフタークーラ２０を通過し、経路Ｌ２２に流出する。

【0021】

タービン・コンプレッサユニット３０は、コンプレッサ３２と、膨張タービン３４とを含む。

【0022】

コンプレッサ３２及び膨張タービン３４の回転軸は、連結されており、膨張タービン３４は、流入する乾燥空気によって回転駆動され、コンプレッサ３２は、膨張タービン３４の回転エネルギによって駆動される。

【0023】

コンプレッサ３２は、経路Ｌ２（経路Ｌ２２）から流入する乾燥空気を圧縮し、経路Ｌ３（経路Ｌ３１）に吐出する。コンプレッサ３２により圧縮された経路Ｌ３１の乾燥空気の設計温度は、例えば、約６２℃まで上昇する。

【0024】

経路Ｌ３は、経路Ｌ３１～Ｌ３３を含む。

【0025】

冷却水熱交換器４０は、経路Ｌ３１の乾燥空気と、経路Ｌ５（経路Ｌ５２）の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。経路Ｌ３１から冷却水熱交換器４０に流入する乾燥空気の設計温度は、例えば、約６２℃まで上昇する。冷却水熱交換器４０に流入する冷却水の温度は、約３０℃である。これにより、冷却水熱交換器４０は、コンプレッサ３２により圧縮された相対的に温度が高い乾燥空気を相対的に温度が低い冷却水によって冷却することができる。経路Ｌ３１の乾燥空気は、冷却水熱交換器４０を通過し、経路Ｌ３２に流出する。

【0026】

経路Ｌ３２には、経路Ｌ６の一端が連結される。

【0027】

経路Ｌ５は、経路Ｌ５１～Ｌ５３を含む。

【0028】

寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ３２の乾燥空気と、被冷却負荷６０と熱交換を行った後の経路Ｌ５（経路Ｌ５１）の乾燥空気との間で熱交換を行う。経路Ｌ５１から寒冷回収熱交換器５０に流入する乾燥空気の設計温度は、例えば、約２８℃である。これにより、寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ５１の相対的に低い温度の乾燥空気の寒冷エネルギを回収し、経路Ｌ３２の相対的に高い温度の乾燥空気を冷却することができる。また、寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ５１の乾燥空気の温度を空気圧縮機１０に吸入可能な温度範囲に向けて回復させることができる。経路Ｌ３２の乾燥空気は、寒冷回収熱交換器５０を通過し、経路Ｌ３３に流出し、経路Ｌ５１の乾燥空気は、寒冷回収熱交換器５０を通過し、経路Ｌ５２に流出する。寒冷回収熱交換器５０を通過後の経路Ｌ３３の乾燥空気の設計温度は、例えば、約３０℃である。また、寒冷回収熱交換器５０を通過後の経路Ｌ５２の乾燥空気の設計温度は、例えば、約３８℃である。

【0029】

膨張タービン３４は、経路Ｌ３３から流入する乾燥空気を断熱膨張させ、経路Ｌ４に流出させる。これにより、膨張タービン３４は、経路Ｌ３３の乾燥空気の温度を低下させ、経路Ｌ４に流出させることができる。経路Ｌ４の乾燥空気の設計温度は、例えば、－７５℃～－５８℃の温度範囲にある。

【0030】

経路Ｌ３３には、その開度によって膨張タービン３４の負荷（乾燥空気の流量）を調整可能な調整弁Ｖ３が設けられる。これにより、冷却システム１の制御装置は、調整弁Ｖ３を制御し、膨張タービン３４の負荷を調整することができる。

【0031】

被冷却負荷６０は、経路Ｌ４から流入する乾燥空気により冷却される。本例では、被冷却負荷６０は、経路Ｌ４から流入する乾燥空気と、被冷却流体との間で熱交換を行うことで、被冷却流体を冷却し、熱交換後の乾燥空気を経路Ｌ５に流出させる。被冷却負荷６０は、例えば、超低温冷凍庫であり、被冷却流体は、庫内の空気である。

【0032】

冷却水熱交換器４０は、上述の如く、経路Ｌ３１の乾燥空気と、経路Ｌ５２の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。

【0033】

例えば、経路Ｌ５２から冷却水熱交換器４０に流入する乾燥空気の温度は、冷却水の温度よりも高い。これにより、冷却水熱交換器４０は、相対的に温度が低い冷却水によって、相対的に温度が高い乾燥空気の温度を低下させ、空気圧縮機１０での吸入に適切な温度範囲まで冷却することができる。

【0034】

また、経路Ｌ５２から冷却水熱交換器４０に流入する乾燥空気の温度は、冷却水の温度よりも低くてもよい。これにより、冷却水熱交換器４０は、相対的に温度が高い冷却水によって、相対的に温度が低い乾燥空気の温度を上昇させ、空気圧縮機１０での吸入に適切な温度範囲まで回復させることができる。この場合、冷却水熱交換器４０において、冷却水は、経路Ｌ３１の乾燥空気に対する低温側の媒体として作用し、経路Ｌ５２の乾燥空気に対する高温側の媒体として作用する。これにより、冷却システム１の温端温度差（温端損失）及び冷端温度差を抑制し、冷却システム１のエネルギ効率（省エネ性）を向上させることができる。

【0035】

また、経路Ｌ５２から冷却水熱交換器４０に流入する乾燥空気の温度は、例えば、被冷却負荷６０の負荷変動等によって、冷却水の温度よりも高い場合と低い場合とがあってもよい。これにより、冷却水熱交換器４０は、被冷却負荷６０の負荷変動等に応じて、経路Ｌ５２の乾燥空気の温度を空気圧縮機１０への吸入に適切な温度範囲に向けて冷却したり加温したりすることができる。

【0036】

経路Ｌ６は、上述の如く、一端で経路Ｌ３２から分岐し、他端で経路Ｌ５２に合流するバイパス経路である。

【0037】

経路Ｌ６には、その開度によって経路Ｌ３の圧力を調整可能な調整弁Ｖ６が設けられる。これにより、冷却システム１の制御装置は、調整弁Ｖ６を制御し、膨張タービン３４の入口の圧力を所定の圧力範囲に維持することができる。所定の圧力範囲は、例えば、膨張タービン３４の入口の圧力が略一定であると判断可能な範囲である。

【0038】

［比較例に係る冷却システムとの対比］
次に、図２を参照して、本実施形態に係る冷却システム１と比較例に係る冷却システム１Ｃとの対比を行う。

【0039】

図２は、比較例に係る冷却システム１Ｃを示す図である。

【0040】

尚、比較例に係る冷却システム１Ｃ（図２）では、本実施形態に係る冷却システム１（図１）と同じ構成に対して同じ符号が付されている。

【0041】

図２に示すように、比較例に係る冷却システム１Ｃは、本実施形態に係る冷却システム１と異なり、冷却水熱交換器４０に代えて、アフタークーラ４０Ｃ１及びサクションクーラ４０Ｃ２を含む。

【0042】

アフタークーラ４０Ｃ１は、経路Ｌ３１の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。これにより、アフタークーラ４０Ｃ１は、コンプレッサ３２により圧縮された相対的に温度が高い乾燥空気を相対的に温度が低い冷却水によって冷却することができる。経路Ｌ３１の乾燥空気は、アフタークーラ４０Ｃ１を通過し、経路Ｌ３２に流出する。

【0043】

サクションクーラ４０Ｃ２は、経路Ｌ５２の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行う。これにより、サクションクーラ４０Ｃ２は、冷却水によって、乾燥空気の温度を空気圧縮機１０での吸入に適切な温度範囲まで冷却したり加温したりすることができる。経路Ｌ５２の乾燥空気は、サクションクーラ４０Ｃ２を通過し、経路Ｌ５３に流出する。

【0044】

このように、比較例に係る冷却システム１Ｃでは、経路Ｌ３１の乾燥空気の冷却用のアフタークーラ４０Ｃ１と、経路Ｌ５２の乾燥空気の冷却用或いは加温用のサクションクーラ４０Ｃ２とが設けられる。そのため、外部から供給される冷却水を用いて熱交換を行う熱交換器の数が多くなり、冷却システム１Ｃの構成や熱プロセスが複雑になる可能性がある。

【0045】

これに対して、本実施形態に係る冷却システム１では、経路Ｌ３１の乾燥空気の冷却機能、及び経路Ｌ５２の乾燥空気の冷却或いは加温の機能を冷却水熱交換器４０に集約させることができる。そのため、冷却システム１は、比較例に係る冷却システム１Ｃに比して、その構成や熱プロセスをシンプル化することができる。

【0046】

また、本実施形態に係る冷却システム１は、上述の如く、冷却水熱交換器４０において、外部からの冷却水を、経路Ｌ３１の乾燥空気の冷却用、且つ、経路Ｌ５２の乾燥空気の加温用として利用する。そのため、冷却システム１は、比較例に係る冷却システム１Ｃに比して、上述の如く、エネルギ効率（省エネ性）を向上させることができる。

【0047】

［作用］
次に、本実施形態に係る冷却システムの作用について説明する。

【0048】

本実施形態では、冷却システムは、第１の圧縮機と、第１の熱交換器と、第２の圧縮機と、第１の経路と、膨張タービンと、第２の経路と、第３の経路と、第２の熱交換器と、第３の熱交換器と、を備える。冷却システムは、例えば、上述の冷却システム１である。第１の圧縮機は、例えば、上述の空気圧縮機１０である。第１の熱交換器は、例えば、上述のアフタークーラ２０である。第２の圧縮機は、例えば、上述のコンプレッサ３２である。第１の経路は、例えば、上述の経路Ｌ３である。膨張タービンは、例えば、上述の膨張タービン３４である。第２の経路は、例えば、上述の経路Ｌ４である。第３の経路は、例えば、上述の経路Ｌ５である。第２の熱交換器は、例えば、上述の寒冷回収熱交換器５０である。第３の熱交換器は、例えば、上述の冷却水熱交換器４０である。具体的には、第１の圧縮機は、気体を圧縮する。気体は、例えば、乾燥空気、窒素、酸素、ヘリウム等である。また、第１の熱交換器は、第１の圧縮機により圧縮された気体とその気体より低温の第１の流体との間で熱交換を行う。第１の流体は、例えば、上述の冷却水である。また、第２の圧縮機は、第１の熱交換器を通過した気体を圧縮する。また、第１の経路には、第２の圧縮機により圧縮された気体が流出する。膨張タービンは、第１の経路を通じて供給される気体を断熱膨張させる。また、第２の経路は、膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する。被冷却負荷は、例えば、上述の被冷却負荷６０である。また、第３の経路は、被冷却負荷と熱交換が行われた後の気体を第１の圧縮機に送る。また、第２の熱交換器は、第１の経路の気体と、第３の経路の気体との間で熱交換を行う。そして、第３の熱交換器は、第１の経路の気体と、第２の熱交換器よりも下流の第３の経路の気体と、第１の経路の気体よりも低温の第２の流体との間で熱交換を行う。第２の流体は、例えば、上述の冷却水である。

【0049】

これにより、冷却システムは、第１の経路の気体を冷却する機能と、第３の経路の気体を第１の圧縮機に吸入可能な温度範囲まで戻す機能とを第３の熱交換器に集約することができる。そのため、より簡易に冷却システムを実現することができる。

【0050】

また、本実施形態では、第３の熱交換器に流入する第３の経路の気体の温度は、第２の流体の温度よりも低くてもよい。

【0051】

これにより、冷却システムは、第２の流体を用いて、第１の経路の気体を冷却し、且つ、第３の経路の気体に加温することができる。そのため、冷却システムは、その温端温度差及び冷端温度差を抑制し、エネルギ効率を向上させることができる。

【0052】

また、本実施形態では、第３の熱交換器に流入する第３の経路の気体の温度は、第２の流体の温度よりも高い場合と、第２の流体の温度よりも低い場合とがあってもよい。

【0053】

これにより、冷却システムは、被冷却負荷の負荷変動等に伴う第３の経路の気体の温度の変化に合わせて、第３の経路の気体を第１の圧縮機に吸入可能な温度に向けて冷却したり加温したりすることができる。

【0054】

以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ 冷却システム
１０ 空気圧縮機
２０ アフタークーラ
３０ タービン・コンプレッサユニット
３２ コンプレッサ
３４ 膨張タービン
４０ 冷却水熱交換器
５０ 寒冷回収熱交換器
６０ 被冷却負荷
Ｌ１ 経路
Ｌ２ 経路
Ｌ２１，Ｌ２２ 経路
Ｌ３ 経路
Ｌ３１～Ｌ３３ 経路
Ｌ４ 経路
Ｌ５ 経路
Ｌ５１～Ｌ５３ 経路
Ｌ６ 経路
Ｖ１ 開閉弁
Ｖ３ 調整弁
Ｖ６ 調整弁

【図1】

【図2】