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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-01-10
(45)【発行日】2023-01-18
(54)【発明の名称】冷却システム及び冷却方法
(51)【国際特許分類】
F25D 16/00 20060101AFI20230111BHJP
F28D 20/02 20060101ALI20230111BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20230111BHJP
【ＦＩ】
F25D16/00
F28D20/02 D
F25B1/00 399Y
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2018202558
(22)【出願日】2018-10-29
(65)【公開番号】P2020070932
(43)【公開日】2020-05-07
【審査請求日】2021-10-21
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107641
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 耕一
(74)【代理人】
【識別番号】100163463
【弁理士】
【氏名又は名称】西尾 光彦
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 基啓
【審査官】関口 勇
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－０６４６１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１５９８２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０２１３６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｄ １６／００
Ｆ２８Ｄ ２０／０２
Ｆ２５Ｂ １／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱媒体入口と、熱媒体出口と、
蓄冷材を収容しており、前記熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽と、
冷凍サイクルの蒸発器を構成し、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路と、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路と、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードと、前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードとを切り替える切替機構と、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高く制御する制御器と、を備えた、
冷却システム。
【請求項2】
前記切替機構は、少なくとも１つの弁を含む、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項3】
前記蓄冷材は、０℃より高い凝固温度を有する、請求項１又は２に記載の冷却システム。
【請求項4】
前記熱媒体は、水を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項5】
蓄冷材を収容しており、熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽を使用することと、冷凍サイクルの蒸発器を構成しており、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器を使用することと、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードを実行することと、
前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードを実行することと、
前記蓄冷モードと前記放冷モードとを切り替えることと、を含み、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高くする、
冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、冷却システム及び冷却方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、製氷により蓄えられた冷熱を用いた冷却技術が知られている。
【0003】
例えば、特許文献１には、製氷蓄熱を行うとともに、氷の融解熱を利用して冷水を得る冷水装置が記載されている。この冷水装置において、冷凍機から供給した冷媒を断熱材で囲まれた水槽の内部に配置された製氷蓄熱装置に循環させ、製氷蓄熱装置の周囲にて製氷蓄熱が行われる。加えて、給水口より水槽の内部に注水して氷の融解熱を利用して冷水が得られる。冷水は、冷水出口から取り出される。
【0004】
一方、特許文献２には、氷蓄熱装置が記載されている。この氷蓄熱装置は、冷凍サイクル装置と、氷蓄熱槽とを備える。冷凍サイクル装置は、圧縮機、室外熱交換器、膨張機構、及び過冷却器を備える。氷蓄熱槽は、過冷却器によって過冷却状態にされた冷却液から生成される氷及び過冷却液を蓄える。氷蓄熱槽には、スラリー状の氷が生成され蓄積される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第３４９８１７１号公報
【文献】特開平１１－１４１９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１及び２に記載の技術では、蓄熱のために製氷が必要であり、省エネルギーの観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、省エネルギーの観点から有利な冷却システム及び冷却方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示は、
熱媒体入口と、
熱媒体出口と、
蓄冷材を収容しており、前記熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽と、
冷凍サイクルの蒸発器を構成し、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路と、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路と、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードと、前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードとを切り替える切替機構と、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高く制御する制御器と、を備えた、
冷却システムを提供する。
熱媒体入口と、
熱媒体出口と、
蓄冷材を収容しており、前記熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽と、
冷凍サイクルの蒸発器を構成し、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路と、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路と、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードと、前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードとを切り替える切替機構と、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高く制御する制御器と、を備えた、
冷却システムを提供する。
【発明の効果】
【0008】
上記の冷却システムは、省エネルギーの観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
（本開示の基礎となった知見）
近年、電力消費の少ない夜間の余剰電力を用いて製氷し、氷の潜熱を利用して冷熱エネルギーを蓄える氷蓄熱システムが使用されている。氷蓄熱システムにおける氷の解氷に伴う潜熱は、例えば、プラント又はビルディングの空調システム及び製造業等の冷却システムで昼間に要する冷熱エネルギーとして利用される。このような氷蓄熱システムは、安価な夜間電力により冷熱の生成コストを低減できるという消費者にとっての利点を有する。加えて、このような氷蓄熱システムは、夏季の冷熱生成に伴う昼間のピーク電力需要の平準化に寄与し、発電プラントの稼働を抑制できるという電力供給者にとっての利点を有する。
近年、電力消費の少ない夜間の余剰電力を用いて製氷し、氷の潜熱を利用して冷熱エネルギーを蓄える氷蓄熱システムが使用されている。氷蓄熱システムにおける氷の解氷に伴う潜熱は、例えば、プラント又はビルディングの空調システム及び製造業等の冷却システムで昼間に要する冷熱エネルギーとして利用される。このような氷蓄熱システムは、安価な夜間電力により冷熱の生成コストを低減できるという消費者にとっての利点を有する。加えて、このような氷蓄熱システムは、夏季の冷熱生成に伴う昼間のピーク電力需要の平準化に寄与し、発電プラントの稼働を抑制できるという電力供給者にとっての利点を有する。
【0011】
氷蓄熱システムの蓄熱方式は、間接熱交換方式（スタティック方式）と、直接熱交換方式（ダイナミック方式）とに大別される。特許文献１に記載の技術はスタティック方式の氷蓄熱システムに関し、特許文献２に記載の技術はダイナミック方式の氷蓄熱システムに関する。スタティック方式の氷蓄熱システムは、簡素な構成を有し、かつ、その運転制御が容易であり、広く普及しつつある。ダイナミック方式の氷蓄熱システムとして、水又は水溶液等の冷却液を過冷却器等の熱交換器によって過冷却状態まで冷却し、氷蓄熱槽内でその過冷却状態を解除することによって氷を生成するものがある。このようなダイナミック方式の氷蓄熱システムは、比較的低コストでスラリー状の氷を生成して蓄積できるという利点を有する。
【0012】
しかし、本発明者の検討によれば、特許文献１に記載の技術では、蓄冷時に冷凍機から供給される冷媒の温度が水の凝固温度よりも低い。一方、水槽の冷水出口から取り出される冷水の温度は水の融解温度より高くなる。換言すると、蓄冷時に冷凍機から供給される冷媒の温度は、冷水の温度より低い。このため、特許文献１に記載の技術は、冷凍機の成績係数を高めにくく、省エネルギーの観点から有利とは言い難い。特許文献２に記載の技術においても、蓄冷時に冷凍サイクル装置の過冷却器における冷媒の温度は水の凝固温度より低い。
【0013】
そこで、本発明者は、冷凍サイクルの成績係数を高めるのに有利な冷却システムについて鋭意検討を重ねた。その結果、放冷時に冷凍サイクルを用いつつ、蓄冷時における冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度と放冷時における冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度とを所定の関係に調整することを新たに思いつき、本開示の冷却システムを案出した。
【0014】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る冷却システムは、
熱媒体入口と、
熱媒体出口と、
蓄冷材を収容しており、前記熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽と、
冷凍サイクルの蒸発器を構成し、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路と、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路と、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードと、前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードとを切り替える切替機構と、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高く制御する制御器と、を備える。
本開示の第１態様に係る冷却システムは、
熱媒体入口と、
熱媒体出口と、
蓄冷材を収容しており、前記熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽と、
冷凍サイクルの蒸発器を構成し、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路と、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路と、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードと、前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードとを切り替える切替機構と、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高く制御する制御器と、を備える。
【0015】
第１態様によれば、蓄冷モードにおける冷却器の出口の熱媒体の温度が、放冷モードにおける冷却器の出口の熱媒体の温度よりも高くなる。これにより、蓄冷モードでの冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度が高くなり、冷凍サイクルの成績係数が高くなりやすい。このため、第１態様に係る冷却システムは省エネルギーの観点から有利である。
【0016】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る冷却システムでは、切替機構は、少なくとも１つの弁を含んでいてもよい。第２態様によれば、少なくとも１つの弁を用いて蓄冷モードと放冷モードとを切り替えることができる。
【0017】
本開示の第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様に係る冷却システムでは、前記蓄冷材は、０℃より高い凝固温度を有していてもよい。第３態様によれば、蓄冷モードでの冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度が高くても、蓄冷材の潜熱を利用して冷熱を蓄えやすい。このため、冷凍サイクルの成績係数が高くなりやすいとともに、多くの冷熱を蓄冷材に蓄えやすい。
【0018】
本開示の第４態様において、例えば、第１態様から第３態様のいずれか１つに係る冷却システムでは、前記熱媒体は、水を含んでいてもよい。第４態様によれば、冷却システムによって冷却された水を含む熱媒体を、例えば貯水槽及び氷蓄熱槽に直接供給できる。これにより、冷却システムの構成が簡素になりやすい。
【0019】
本開示の第５態様に係る冷却方法は、
蓄冷材を収容しており、熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽を使用することと、
冷凍サイクルの蒸発器を構成しており、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器を使用することと、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードを実行することと、
前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードを実行することと、
前記蓄冷モードと前記放冷モードとを切り替えることと、を含み、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高くする。
蓄冷材を収容しており、熱媒体入口に連接している熱媒体流路を内部に有する蓄冷槽を使用することと、
冷凍サイクルの蒸発器を構成しており、前記蓄冷材の凝固温度より低い温度まで前記熱媒体を冷却する冷却器を使用することと、
前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる第一熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体流路を通過させ、その後前記冷却器を通過させて前記熱媒体出口に前記熱媒体を導く第二熱媒体経路を使用することと、
前記熱媒体出口に前記熱媒体を導くことなく前記第一熱媒体経路を用いて前記熱媒体流路と前記冷却器との間で前記熱媒体を循環させる蓄冷モードを実行することと、
前記第二熱媒体経路を用いて前記熱媒体を前記熱媒体出口に導く放冷モードを実行することと、
前記蓄冷モードと前記放冷モードとを切り替えることと、を含み、
前記蓄冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度を、前記放冷モードにおける前記冷却器の出口の前記熱媒体の温度よりも高くする。
【0020】
第５態様によれば、第１態様と同様の効果を得ることができる。
【0021】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示は以下の実施形態に限定されない。
【0022】
図１に示す通り、冷却システム１００は、熱媒体入口１と、熱媒体出口２と、蓄冷槽３と、冷却器４１と、第一熱媒体経路５と、第二熱媒体経路６と、切替機構７と、制御器８とを備えている。蓄冷槽３は、蓄冷材３１を収容しており、その内部に熱媒体流路３２を有する。熱媒体流路３２は、熱媒体入口１に連接している。冷却器４１は、冷凍サイクル４の蒸発器を構成している。冷却器４１は、蓄冷材３１の凝固温度より低い温度まで熱媒体を冷却する熱交換器である。第一熱媒体経路５は、熱媒体流路３２と冷却器４１との間で熱媒体を循環させるための経路である。第二熱媒体経路６は、熱媒体流路３２を通過させ、その後冷却器４１を通過させて熱媒体出口２に熱媒体を導くための経路である。切替機構７は、蓄冷モードと放冷モードとを切り替えるための機構である。蓄冷モードは、熱媒体出口２に熱媒体を導くことなく第一熱媒体経路５を用いて熱媒体流路３２と冷却器４１との間で熱媒体を循環させる冷却システム１００の運転モードである。放冷モードは、第二熱媒体経路６を用いて熱媒体を熱媒体出口２に導く冷却システム１００の運転モードである。制御器８は、蓄冷モードにおける冷却器４１の出口の熱媒体の温度を、放冷モードにおける冷却器４１の出口の熱媒体の温度よりも高く制御する。
【0023】
例えば、冷却システム１００を用いて、以下の（ｉ）～（vii）のステップを含む冷却方法を実行できる。この冷却方法において、蓄冷モードにおける冷却器４１の出口の熱媒体の温度を、放冷モードにおける冷却器４１の出口の熱媒体の温度よりも高くする。
（ｉ）蓄冷槽３を使用する。
（ii）冷却器４１を使用する。
（iii）第一熱媒体経路５を使用する。
（iv）第二熱媒体経路６を使用する。
（ｖ）上記の蓄冷モードを実行する。
（vi）上記の放冷モードを実行する。
（vii）上記の蓄冷モードと、上記の放冷モードとを切り替える。
（ｉ）蓄冷槽３を使用する。
（ii）冷却器４１を使用する。
（iii）第一熱媒体経路５を使用する。
（iv）第二熱媒体経路６を使用する。
（ｖ）上記の蓄冷モードを実行する。
（vi）上記の放冷モードを実行する。
（vii）上記の蓄冷モードと、上記の放冷モードとを切り替える。
【0024】
図１に示す通り、切替機構７は、蓄冷モードと放冷モードとを切り替えることができる限り特定の機構に限定されない。切替機構７は、例えば、少なくとも１つ弁を含む。これにより、冷却システム１００において、少なくとも１つの弁を用いて蓄冷モードと放冷モードとを切り替えることができる。
【0025】
蓄冷材３１の凝固温度は特に限定されない。蓄冷材３１は、例えば、０℃より高い凝固温度を有する。このため、蓄冷モードにおいて、第一熱媒体経路５を用いて熱媒体流路３２と冷却器４１との間で熱媒体を循環させる場合、熱媒体の温度が０℃より高くても、蓄冷材３１が凝固して潜熱として蓄冷材３１に冷熱を蓄えやすい。このため、蓄冷モードでの冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度が高くても、蓄冷材３１の潜熱を利用して冷熱を蓄えやすい。
【0026】
蓄冷材３１は、典型的には、潜熱を利用して冷熱を蓄える潜熱蓄冷材である。蓄冷材３１は、例えば、テトラデカン及びペンタデカン等のパラフィン系化合物であってもよく、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する材料であってもよい。クラスレートハイドレートは、例えば、第四級アンモニウム塩又はテトラヒドロフランのクラスレートハイドレートである。第四級アンモニウム塩は、例えば、テトラｎ-ブチルアンモニウムブロマイド（ＴＢＡＢ）、テトラｎ-ブチルアンモニウムクロライド（ＴＢＡＣ）、及びテトラｎ-ブチルアンモニウムフルオリド（ＴＢＡＦ）である。
【0027】
蓄冷材３１は、アルミニウム箔の両面に樹脂フィルムが積層された積層フィルムによって包まれていてもよい。
【0028】
熱媒体流路３２は、典型的には、蓄冷槽３の内部において、熱媒体と蓄冷材３１とが熱交換できるように形成されている。熱媒体流路３２は、例えば、蓄冷槽３の内面と蓄冷材３１を包む積層フィルムの外面との間の空間又は蓄冷材３１を包む積層フィルムの外面同士の空間によって形成されている。
【0029】
冷却システム１００における熱媒体は、特に限定されない。熱媒体は、例えば、水を含んでいる。この場合、水を含む熱媒体を、例えば貯水槽又は氷蓄熱槽に直接供給して利用できる。熱媒体は、例えば、水を主成分として含んでいる。本明細書において「主成分」とは質量基準で最も多く含まれる成分を意味する。
【0030】
図１に示す通り、例えば、第一熱媒体経路５及び第二熱媒体経路６は一部の経路を共有している。例えば、第一熱媒体経路５及び第二熱媒体経路６は、熱媒体流路３２と冷却器４１における熱媒体の流路とを含む共通経路５５を共有している。共通経路５５は、熱媒体の流れ方向において熱媒体流路３２の上流に位置する一端５５ｂと、熱媒体の流れ方向において冷却器４１の下流に位置する他端５５ｂとを有する。なお、第一熱媒体経路５及び第二熱媒体経路６は互いに独立した経路であってもよい。
【0031】
図１に示す通り、冷却システム１００は、例えば、ポンプ１５をさらに備えている。ポンプ１５は、例えば、共通経路５５に配置されている。ポンプ１５の働きにより、第一熱媒体経路５又は第二熱媒体経路６を熱媒体が流れる。
【0032】
切替機構７は、例えば、第一弁７１及び第二弁７２を有する。第一弁７１及び第二弁７２のそれぞれは、例えば、三方弁である。三方弁は電動三方弁でありうる。共通経路５５の一端５５ａは第一弁７１に接続されており、共通経路５５の他端５５ｂは第二弁７２に接続されている。第一熱媒体経路５は、第一弁７１と第二弁７２とを接続する経路５７を含んでいる。熱媒体入口１から延びる経路は第一弁７１に接続されており、第二熱媒体経路６は、第二弁７２から熱媒体出口２まで延びる経路を含んでいる。第一弁７１及び第二弁７２のそれぞれを２つの開閉弁に変更してもよい。例えば、第一弁７１及び第二弁７２のそれぞれを１つの開閉弁と開度が調整可能な１つの流量調整弁に変更してもよい。この場合、例えば、放冷モードにおいて熱媒体出口２における熱媒体の流量を調整するために、冷却器４１を通過した熱媒体の一部を、経路５７を通過させて熱媒体流路３２に戻すように流すことができる。
【0033】
図１に示す通り、冷凍サイクル４は、例えば、冷却器４１と、圧縮機４２と、凝縮器４３と、膨張機構４４とを備えている。圧縮機４２で圧縮された冷媒は、凝縮器４３において、例えば、外気等の流体と熱交換して冷却され凝縮する。その後、冷媒は、膨張機構４４において減圧され、冷却器４１に供給される。冷却器４１において冷媒と熱媒体との熱交換により冷媒が蒸発し、冷媒はその後圧縮機４２に戻される。
【0034】
制御器８は、例えば、冷凍サイクル４の圧縮機４２の回転数を調整することによって、冷却器４１の出口の熱媒体の温度を制御する。制御器８は、例えば、冷凍サイクル４の運転のためのプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータである。制御器８は、冷却システム１００の運転のためのプログラムが実行可能に格納されたデジタルコンピュータであってもよい。
【0035】
図１に示す通り、冷却システム１００は、例えば、温度センサ４５をさらに備えている。温度センサ４５は、冷却器４１の出口の熱媒体の温度を検出する。制御器８は、温度センサ４５の検出結果を示す情報を取得可能に有線又は無線によって温度センサ４５に接続されている。制御器８は、例えば、温度センサ４５の検出結果に基づいて、圧縮機４２の回転数を調整するための制御信号を圧縮機４２に向かって送る。これにより、冷却器４１の出口の熱媒体の温度が所望の温度に調整される。温度センサ４５は、例えば、熱電対又はサーミスターを有する接触式温度センサである。
【0036】
図２に示す通り、蓄冷モードでは、例えば、共通経路５５と経路５７とによって閉じた経路が形成されるように第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。これにより、熱媒体流路３２と冷却器４１との間で熱媒体が循環する。
【0037】
図３に示す通り、放冷モードでは、例えば、熱媒体入口１から第一弁７１まで延びる経路と共通経路５５とが連通し、かつ、第二弁７２から熱媒体出口２まで延びる経路と共通経路５５とが連通するように第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。これにより、蓄冷槽３及び冷却器４１において冷却された熱媒体を熱媒体出口２から取り出すことができる。
【0038】
冷却システム１００の運転方法の一例について説明する。図４に示す通り、冷却システム１００の運転が開始されると、ステップＳ１００において、上記の蓄冷モードに合わせて第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。例えば、図２に示す通り、第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。次に、ステップＳ１０１に進み、冷凍サイクル４の運転が開始され、かつ、ポンプ１５の作動が開始される。次に、ステップＳ１０２に進み、制御器８は、温度センサ４５によって検出された温度Ｔｒを示す情報を取得する。制御器８は、ステップＳ１０３において、温度Ｔｒの値に基づいて温度Ｔｒが第一目標温度Ｔ１に近づくように圧縮機４２の回転数を調整する。次に、ステップＳ１０４において蓄冷が完了しているか否か判断される。例えば、冷却器４１の入口における熱媒体の温度Ｔｓ及び温度ＴｒがＴｓ－Ｔｒ≦ΔＴ１の関係を満たす場合、蓄冷が完了している判断される。ΔＴ１は、例えば、０～１Ｋである。この場合、蓄冷材３１の温度と熱媒体流路３２を流れる熱媒体との温度の差が小さく、蓄冷が完了していると判断できるからである。ステップＳ１０４における判断結果が否定的である場合、所定時間待機してステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０４における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１０５に進み、ポンプ１５及び冷凍サイクル４を停止する。
【0039】
次に、ステップＳ１０６において放冷要求があるか否か判断され、肯定的な判断がなされるまで、ステップＳ１０６における判断が繰り返される。次に、ステップＳ１０７に進み、上記の放冷モードに合わせて第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。例えば、図３に示す通り、第一弁７１及び第二弁７２の状態が調整される。次に、ステップＳ１０８に進み、冷凍サイクル４の運転が開始され、かつ、ポンプ１５の作動が開始される。次に、ステップＳ１０９に進み、制御器８は、温度センサ４５によって検出された温度Ｔｒを示す情報を取得する。制御器８は、ステップＳ１１０において、温度Ｔｒの値に基づいて温度Ｔｒが第二目標温度Ｔ２に近づくように圧縮機４２の回転数を調整する。なお、第一目標温度Ｔ１は、第二目標温度Ｔ２より高い。Ｔ２－Ｔ１は、例えば、４Ｋ（ケルビン）である。次に、ステップＳ１１１において放冷が完了しているか否か確認される。例えば、冷却器４１の入口における熱媒体の温度Ｔｓ及び蓄冷材３１の融解温度ＴｍがＴｓ－Ｔｍ≧ΔＴ２の関係を満たす場合、放冷が完了している判断される。ΔＴ２は、例えば、１～５Ｋである。この場合、蓄冷槽３における蓄冷材３１が完全に融解しており、潜熱として蓄熱材３１に蓄えられた冷熱が放出されていると判断できる。ステップＳ１１１における判断結果が否定的である場合、所定時間待機してステップＳ１０９に戻る。ステップＳ１１１における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１０５に進み、ポンプ１５及び冷凍サイクル４を停止し、冷却システム１００の運転が終了する。
【0040】
次に、図５に示す比較例１に係る冷却システム２００及び図７に示す比較例２に係る冷却システム３００と対比しながら、冷却システム１００の利点を説明する。図５に示す通り、冷却システム２００において、熱媒体入口２０１を通過した熱媒体は、冷却器２４１において使用温度まで冷却され、その後熱媒体出口２０２に導かれる。冷却器２４１は、冷凍サイクル２０４の蒸発器を構成している。冷凍サイクル２０４は、冷却器２４１、圧縮機２４２、凝縮器２４３、及び膨張機構２４４を備える。冷凍サイクル２０４は、特に説明する部分を除き冷凍サイクル４と同様に構成されている。冷却システム２００において、冷却器２４１の入口における熱媒体の温度を２５℃、冷却器２４１の出口における熱媒体の温度を２℃、外気温度を２５℃と仮定する。加えて、冷却器２４１における冷媒の温度と熱媒体の温度との差の最小値及び凝縮器２４３における冷媒の温度と外気温度との差の最小値を２Ｋ（ケルビン）と仮定する。この場合、冷却器２４１における冷媒の蒸発温度Ｔ４１及び凝縮器２４３における冷媒の凝縮温度Ｔ４３は、表１に示す通りである。
【0041】
【表1】
【0042】
上記の条件にて、冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰR、生成される冷熱量ＱCG、供給される冷熱量ＱCS、及び冷熱生成に要する消費電力量ＷCGを試算した。冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRは、逆カルノーサイクルにおける理論成績係数として、下記に示す式[１]に基づいて算出した。その値を基準値として正規化し１００と定めた。凝縮器２４３における冷媒の凝縮温度Ｔ４３を２７℃に固定したときの、冷却器２４１における冷媒の蒸発温度Ｔ４１の変化が冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRに与える影響を図６に示す。図６において、Ｔ４１が０℃である場合の冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRが１００となるように各蒸発温度Ｔ４１に対する冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRの値が正規化されている。図６に示す通り、冷却器２４１における冷媒の蒸発温度Ｔ４１が高くなると、冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRが向上する。
【0043】
【数1】
【0044】
上記の試算において、熱損失はなく、生成される冷熱量ＱCGと、供給される冷熱量ＱCSとは等しいと仮定し、生成される冷熱量ＱCG及び供給される冷熱量ＱCSのいずれも基準値として１００と正規化した。さらに、上記の試算において、冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは、下記に示す式[２]に基づいて算出し、その値を基準値として、１００と正規化した。
【0045】
【数2】
【0046】
図７に示す通り、冷却システム３００は、熱媒体入口３０１と、熱媒体出口３０２と、氷蓄熱槽３２０と、冷却器３４１とを備えている。冷却器３４１は、冷凍サイクル３０４の蒸発器を構成している。冷凍サイクル３０４は、冷却器３４１、圧縮機３４２、凝縮器３４３、及び膨張機構３４４を備える。冷凍サイクル３０４は、特に説明する部分を除き、冷凍サイクル４と同様に構成されている。冷却器３４１は、氷蓄熱槽３２０の内部に配置されている。冷却器３４１は、水の凝固温度より低い温度まで熱媒体を冷却できる。冷却システム３００の熱媒体は水である。
【0047】
冷却システム３００において、蓄冷時には、冷却器３４１の冷媒の蒸発温度は水の凝固点を下回り、氷蓄熱槽３２０において製氷が行われる。一方、放冷時には、熱媒体入口３０１を通過した熱媒体は、氷蓄熱槽３２０における氷の融解熱を利用して使用温度まで冷却され、その後熱媒体出口３０２に導かれる。冷却システム３００において、熱媒体入口３０１から流入する熱媒体の温度を２５℃、熱媒体出口２から流出する熱媒体の温度を２℃、外気温度を２５℃、水の融解温度を０℃、水の凝固温度を－５℃（過冷却度５Ｋ）と仮定する。加えて、蓄冷時における冷却器３４１における冷媒の温度と熱媒体の温度との差の最小値及び凝縮器３４３における冷媒の温度と外気温度との差の最小値を２Ｋと仮定する。さらに、放冷時における氷蓄熱槽３２０における熱媒体の温度と水の融解温度との差の最小値を２Ｋと仮定する。この場合、冷却器３４１における冷媒の蒸発温度Ｔ４１、凝縮器３４３における冷媒の凝縮温度Ｔ４３、氷蓄熱槽３２０の入口における熱媒体の温度、及び氷蓄熱槽３２０の出口における熱媒体の温度は表２に示す通りとなる。
【0048】
【表2】
【0049】
上記の条件に加えて、蓄冷時から放冷時までの間の氷蓄熱槽２０における熱損失を５％と仮定し、冷凍サイクル３０４の成績係数ＣＯＰR、生成される冷熱量ＱCG、供給される冷熱量ＱCS、及び冷熱生成に要する消費電力量ＷCGを試算した。蓄冷時の冷凍サイクル３０４の成績係数ＣＯＰRは、比較例１に係る冷却システム２００と同様に、上記の式[１]に基づいて算出した。また、生成される冷熱量ＱCG及び供給される冷熱量ＱCSは、蓄冷時から放冷時までの間の氷蓄熱槽３２０における熱損失が５％であることを考慮して、下記に示す式[３]に基づいて算出した。さらに、冷熱生成に要する消費電力量ＷQGは、比較例１に係る冷却シスム２００と同様に、上記の式[２]に基づいて算出した。
【0050】
【数3】
【0051】
上記の試算の結果、冷却システム２００における各値を基準値として１００と表すとき、蓄冷時の冷凍サイクル３０４の成績係数ＣＯＰRは７７．４であった。同様に、冷却システム３００において生成される冷熱量ＱCGは１０５．３であった。供給される冷熱量ＱCSは１００であった。冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは１３６．０であった。
【0052】
次に、冷却システム１００において、熱媒体入口１から流入する熱媒体温度を２５℃、熱媒体出口２から流出する熱媒体温度を２℃、外気温度を２５℃、蓄冷時の蓄冷材３１の融解温度を１２℃、凝固温度を１０℃（過冷却度２Ｋ）と仮定する。蓄冷時における冷却器４１における冷媒の温度と熱媒体の温度との差の最小値及び凝縮器４３における冷媒の温度と外気温度との差の最小値を２Ｋと仮定する。また、蓄冷時における蓄冷槽３における熱媒体の温度と蓄冷材３１の凝固温度との差の最小値を２Ｋと仮定し、放冷時における蓄冷槽３における熱媒体の温度と蓄冷材３１の融解温度との差の最小値を２Ｋと仮定する。この場合、冷却システム１００の各部における温度を表３に示す。
【0053】
【表3】
【0054】
上記の条件に加えて、蓄冷時から放冷時までの間の蓄冷槽３における熱損失を５％と仮定し、冷凍サイクル４の成績係数ＣＯＰR、生成される冷熱量ＱCG、供給される冷熱量ＱCS、及び冷熱生成に要する消費電力量ＷCGを試算した。蓄冷時及び放冷時の冷凍サイクル４の成績係数ＣＯＰRは、比較例１と同様に、上記の式[１]に基づいて算出した。また、蓄冷時に生成される冷熱量ＱCG及び放冷時に蓄冷槽３から供給される冷熱量ＱCSは、蓄冷時から放冷時までの間の蓄冷槽３における熱損失が５％であることを考慮して、比較例２と同様に、式[３]に基づいて算出した。なお、放冷時に冷却器４１において生成される冷熱量ＱCGと冷却器４１から供給される冷熱量ＱCSとの間には、熱損失がなく、これらが等しいと仮定した。さらに、冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは、式[２]に基づいて求めた、蓄冷時における消費電力量と放冷時における消費電力量とを合算して算出した。
【0055】
上記の試算の結果、冷却システム２００における各値を基準値として１００と表すとき、蓄冷時の冷凍サイクル４の成績係数ＣＯＰRは１１９．１であり、放冷時の冷凍サイクル４の成績係数ＣＯＰRは１００．０であった。同様に、冷却システム１００において生成される冷熱量ＱCGは１０２．５であった。冷却システム１００によって供給される冷熱量ＱCSは１００であった。冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは９４．４であった。冷却システム１００、冷却システム２００、及び冷却システム３００に関する試算結果を表４に示す。
【0056】
【表4】
【0057】
冷却システム１００において、熱媒体入口１と熱媒体出口２との間における熱媒体の経路での熱媒体の冷却に要する全冷熱のうち、蓄冷槽３の出口までの熱媒体の冷却に要する冷熱を蓄冷熱と表す。蓄冷熱は、冷却システム２００に比べて、冷却器における冷媒の蒸発温度が高い条件で冷凍サイクルを運転することにより生成できる。これにより、冷却システム２００に比べて、冷凍サイクルの運転温度が高くなり、蓄冷熱を生成するときの冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰRが高くなる。冷却システム２００の冷凍サイクル２０４の成績係数ＣＯＰRを１００と表すとき、冷却システム１００の蓄冷時における冷凍サイクル４のＣＯＰRは、１１９．１であり、冷却システム２００と比べて約１９％向上する。このため、冷却システム１００における消費エネルギーが小さい。比較例１に係る冷却システム２００の冷熱生成に要する消費電力量ＷCGを１００と表すとき、冷却システム１００の冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは、９４．４であり、冷却システム２００に比べて約６％低減される。
【0058】
加えて、上記の蓄冷熱は、冷却システム３００に比べて、冷却器における冷媒の蒸発温度が高い条件で冷凍サイクルを運転することにより生成できる。これにより、冷却システム３００に比べて、冷凍サイクルの運転温度が高くなり、蓄冷熱を生成するときの冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰRが高くなる。冷却システム３００の冷凍サイクル３０４の成績係数ＣＯＰRが７７．４であるのに対し、冷却システム１００の蓄冷時における冷凍サイクル４のＣＯＰRは、１１９．１であり、冷却システム３００と比べて約５４％向上する。加えて、冷却システム１００の放冷時における冷凍サイクル４のＣＯＰRは、１００．０となり、冷却システム３００と比べて約２９％向上する。冷却システム３００の冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは１３６．０であるのに対し、冷却システム１００の冷熱生成に要する消費電力量ＷCGは、９４．４であり、冷却システム３００に比べて約３１％低減される。
【0059】
冷却システム１００は、様々な観点から変更可能である。例えば、図８に示す冷却システム１０１又は図９に示す冷却システム１０２のように変更されてもよい。冷却システム１０１及び冷却システム１０２は、特に説明する部分を除き、冷却システム１００と同様に構成されている。冷却システム１００の構成要素と同一又は対応する冷却システム１０１及び冷却システム１０２の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。冷却システム１００に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、冷却システム１０１及び冷却システム１０２にも当てはまる。
【0060】
図８に示す通り、冷却システム１０１は、貯水槽１０を備えている。熱媒体出口２は、貯水槽１０に接続されている。冷却システム１０１における熱媒体は水である。放冷モードにおいて熱媒体出口２を通過した熱媒体である冷水は貯水槽１０に貯められ、需要に応じて貯水槽１０から冷水が供給される。このように、冷却システム１０１の熱媒体が水であることにより、貯水槽１０に熱媒体を直接供給できる。その結果、熱媒体の経路を水経路と別に設ける必要がなく、冷却システム１０１の構成が簡素になる。
【0061】
図８に示す通り、例えば、貯水槽１０の内部には、冷凍サイクル９の蒸発器を構成する冷却器９１が配置されている。冷凍サイクル９は、例えば、冷却器９１、圧縮機９２、凝縮器９３、及び膨張機構９４を備えている。圧縮機９２で圧縮された冷媒は、凝縮器９３において、例えば、外気等の流体と熱交換して冷却され凝縮する。その後、冷媒は、膨張機構９４において減圧され、冷却器９１に供給される。冷却器９１において冷媒と熱媒体との熱交換により冷媒が蒸発し、冷媒はその後圧縮機９２に戻される。冷凍サイクル９は、例えば、貯水槽１０に貯められた冷水の温度を所望の温度範囲に保つために運転される。
【0062】
図９に示す通り、冷却システム１０２は、氷蓄熱槽２０を備えている。熱媒体出口２は、氷蓄熱槽２０に接続されている。冷却システム１０２における熱媒体は水である。放冷モードにおいて熱媒体出口２を通過した熱媒体である冷水は氷蓄熱槽２０に貯められ、需要に応じて氷蓄熱槽２０から冷水が供給される。このように、冷却システム１０２の熱媒体が水であることにより、氷蓄熱槽２０に熱媒体を直接供給できる。例えば、氷蓄熱槽２０に注水して氷の融解熱を利用して冷水を得るスタティック式の氷蓄熱システムを構成する場合、熱媒体の経路を水経路と別に設ける必要がなく、冷却システム１０２の構成が簡素になる。
【産業上の利用可能性】
【0063】
本開示の冷却システムにおいて、冷熱生成時の冷凍サイクルの成績係数が高く、消費エネルギーが小さい。このため、本開示の冷却システムは、プラント及びビル等の施設の空調システム並びに製造業等の産業における冷却システムに適用できる。
【符号の説明】
【0064】
１ 熱媒体入口
２ 熱媒体出口
３ 蓄冷槽
４ 冷凍サイクル
５ 第一熱媒体経路
６ 第二熱媒体経路
７ 切替機構
８ 制御器
３１ 蓄冷材
３２ 熱媒体流路
４１ 冷却器
１００、１０１、１０２ 冷却システム
２ 熱媒体出口
３ 蓄冷槽
４ 冷凍サイクル
５ 第一熱媒体経路
６ 第二熱媒体経路
７ 切替機構
８ 制御器
３１ 蓄冷材
３２ 熱媒体流路
４１ 冷却器
１００、１０１、１０２ 冷却システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】