特許 7498618 空冷式冷凍機

(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】2024-06-04

(45)【発行日】2024-06-12

(54)【発明の名称】空冷式冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 39/04 20060101AFI20240605BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240605BHJP

   F25B 27/00 20060101ALI20240605BHJP

   F24F 1/42 20110101ALI20240605BHJP

【ＦＩ】

F25B39/04 N

F25B1/00 381G

F25B1/00 381H

F25B27/00 H

F24F1/42

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020130372

(22)【出願日】2020-07-31

(65)【公開番号】P2022026757

(43)【公開日】2022-02-10

【審査請求日】2022-12-28

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】金 承龍

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－０８３６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４７６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７６２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６３７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２６４６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３０３９８８７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１９／１９８１７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００７－１９８６１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００－４９／０４

Ｆ２４Ｆ １／００－１／０２

Ｆ２４Ｆ １／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒が流れる冷媒管を備える凝縮器と、
前記凝縮器の上部に設置され、水を貯留可能であり、底部に穴を有する水受け部と、
前記凝縮器の下部に設置され、前記水受け部から落下した前記水を溜める貯水部と、
前記水受け部に接続され、前記水受け部に前記水を供給する少なくとも１つの第１の配管と少なくとも１つの第２の配管と、
雨水を溜める貯水槽と、
前記第１の配管に備えられた第１の弁と、
前記第２の配管に備えられた第２の弁と、
前記第１の弁と前記第２の弁を制御する温度スイッチと、
を備え、
前記水受け部には、前記第１の配管により、前記貯水槽が溜めた前記雨水が前記水として供給されるとともに、前記第２の配管により、前記凝縮器以外の装置で生成された凝縮水が前記水として供給され、
前記凝縮器以外の装置は、前記凝縮器を備える空冷式冷凍機が設置されている建物の内部または外部にある熱交換機であり、
前記温度スイッチは、外気の温度が上昇して予め定めた温度に達すると、前記第１の弁を開いて、前記第１の配管から前記雨水を前記水として前記水受け部に供給するとともに、前記第２の弁を開いて、前記第２の配管から前記凝縮水を前記水として前記水受け部に供給することで、前記雨水と前記凝縮水の両方を前記水受け部に供給する、
ことを特徴とする空冷式冷凍機。

【請求項2】

前記貯水部には、前記冷媒管の一部が配置されている、
請求項１に記載の空冷式冷凍機。

【請求項3】

前記貯水部は、前記貯水部に溜まった前記水を攪拌するスクリュを備える、
請求項２に記載の空冷式冷凍機。

【請求項4】

前記貯水部に備えられた弁と、
前記貯水部に備えられた前記弁を制御する温度スイッチと、
を備え、
前記貯水部に備えられた前記弁を制御する前記温度スイッチは、前記貯水部に溜まった前記水の温度が予め定めた温度に達すると、前記貯水部に備えられた前記弁を開き、前記貯水部から前記水を排出する、
請求項２に記載の空冷式冷凍機。

【請求項5】

前記スクリュには、太陽光発電による電力が供給される、
請求項３に記載の空冷式冷凍機。

【請求項6】

前記第１の弁と前記第２の弁と前記温度スイッチには、太陽光発電による電力が供給される、
請求項１に記載の空冷式冷凍機。

【請求項7】

前記貯水部に備えられた前記弁とこの前記弁を制御する前記温度スイッチには、太陽光発電による電力が供給される、
請求項４に記載の空冷式冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空冷式冷凍機に関し、より詳細には、凝縮器を備える空冷式冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

建物内に設置されて空調に使用される空冷式冷凍機（例えば、エアコン）は、空気の熱を回収し、建物の外に設置された冷凍機の凝縮器から放熱している。冷凍機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を備え、冷凍サイクルと冷媒（例えば、冷媒ガス）を利用することで、空気を冷却する。

【0003】

冷凍サイクルには、圧縮過程、凝縮過程、膨張過程、及び蒸発過程という４つの過程が含まれる。これらの過程は、それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器で実行される。圧縮過程で圧縮された高温・高圧の冷媒ガスは、凝縮器で外部の空気と熱交換をし、凝縮して常温・高圧の冷媒液に相変化する。この冷媒液は、膨張過程で低温・低圧の液体になり、蒸発器で周囲の空気から熱を奪って蒸発し、周囲の空気の温度を下げる。蒸発した冷媒は、圧縮機で圧縮されて高温・高圧の冷媒ガスになる。

【0004】

従来の冷凍機の例は、特許文献１に記載されている。特許文献１には、空冷式の凝縮器に用いる補助冷却装置の例が記載されており、この補助冷却装置は、凝縮器の排熱部の温度が高いときに、凝縮器の冷却用の吸い込み空気を給水されたクーリングマットに通過させることで冷却させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－１９８６１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、地球温暖化などの影響により、外気の温度が、凝縮器で冷媒ガスを熱交換させるための設計温度を超える頻度が多くなっており、凝縮器の放熱能力が低下することが課題となっている。凝縮器の放熱能力が低下すると、冷凍機は、冷却性能が低下し、トリップ状態となって動作が停止する可能性もある。このため、空冷式冷凍機には、凝縮器の放熱能力をさらに向上させることが望まれている。

【0007】

本発明は、凝縮器の放熱能力を向上させることができる空冷式冷凍機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】

【0008】

本発明による空冷式冷凍機は、冷媒が流れる冷媒管を備える凝縮器と、前記凝縮器の上部に設置され、水を貯留可能であり、底部に穴を有する水受け部と、前記凝縮器の下部に設置され、前記水受け部から落下した前記水を溜める貯水部と、前記水受け部に接続され、前記水受け部に前記水を供給する１つ以上の配管と、雨水を溜める貯水槽とを備える。前記水受け部には、前記配管の少なくとも１つにより、前記貯水槽が溜めた前記雨水が前記水として供給される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によると、凝縮器の放熱能力を向上させることができる空冷式冷凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施例による空冷式冷凍機の凝縮器の構成を示す模式図。

【図2】凝縮器の下部に設置された貯水部を示す模式図。

【図3】自然エネルギーによる電源と、この電源から電力が供給される凝縮器の構成要素を示す図。

【図4】本発明の実施例による空冷式冷凍機の構成を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明による空冷式冷凍機は、凝縮器で冷媒ガスが熱交換（放熱）をするときに、空気だけではなく、水を使用して冷媒ガスから熱を奪うことで、凝縮器の放熱能力を向上させ、冷凍機の冷却性能の低下やトリップの発生を抑制することができる。凝縮器での冷媒ガスの熱交換に使用する水には、捨てられる水（例えば、雨水や、他の熱交換機から得られた凝縮水）を用いることができる。凝縮器での冷媒ガスの熱交換に水を用いると、放熱効率（冷却効率）が向上して省エネ効果を得ることができ、冷凍機のランニングコストを低減することができる。

【0012】

本発明による空冷式冷凍機は、任意の空調設備に用いることができ、例えば、原子力発電所の内部に設置されて空調に使用される空冷式冷凍機（エアコン）に用いることができる。

【0013】

以下、本発明の実施例による空冷式冷凍機について、図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0014】

図４は、本発明の実施例１による空冷式冷凍機５１の構成を示す模式図である。図４には、空冷式冷凍機５１の冷凍サイクルを行う要素、すなわち凝縮器１、膨張弁２１、蒸発器３１、及び圧縮機４１を示している。本実施例による空冷式冷凍機５１は、冷媒として冷媒ガスを用いる。

【0015】

凝縮器１は、凝縮過程を実施する。すなわち、凝縮器１は、圧縮機４１で圧縮されて生成した高温・高圧の冷媒ガスを放熱させて冷却し、常温・高圧の冷媒液に凝縮させる。

【0016】

膨張弁２１は、膨張過程を実施する。すなわち、膨張弁２１は、凝縮器１で凝縮して生成した常温・高圧の冷媒液を減圧し、低温・低圧の冷媒液に変化させる。

【0017】

蒸発器３１は、蒸発過程を実施する。すなわち、蒸発器３１は、膨張弁２１で低温・低圧に変化した冷媒液を蒸発させ、低温・低圧の冷媒ガスに変化させる。冷媒液は、周囲の空気から熱を奪って蒸発し、周囲の空気の温度を下げる。

【0018】

圧縮機４１は、圧縮過程を実施する。すなわち、圧縮機４１は、蒸発器３１で蒸発して生成した低温・低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温・高圧の冷媒ガスに変化させる。

【0019】

図１は、本実施例による空冷式冷凍機５１の凝縮器１の構成を示す模式図である。凝縮器１は、冷媒ガスの冷却に、空気と水（特に、捨てられる水）を用いる。

【0020】

凝縮器１は、冷媒管２と、フィン３と、ファン１１を備える。冷媒管２は、内部を冷媒が流れる管である。フィン３は、冷媒管２に複数が設置されており、冷媒管２の内部を流れる冷媒ガスを効率的に冷却する効果を有する。ファン１１は、凝縮器１の側面の任意の位置に設けられ、冷媒管２とフィン３に送風して冷媒管２の内部を流れる冷媒ガスを冷却する。

【0021】

冷媒管２には、圧縮機４１から高温・高圧の冷媒ガスが流入する。凝縮器１は、この冷媒ガスを冷却し、常温・高圧の冷媒液に凝縮させる。冷媒管２は、この冷媒液を膨張弁２１に流出させる。

【0022】

凝縮器１は、さらに、水受け部４と、貯水部５と、貯水槽１２と、第１の配管１３と、第２の配管１４を備える。

【0023】

水受け部４は、凝縮器１の上部に設置され、冷媒ガスの熱交換に使用する水を貯留可能な容器であり、底部に複数の穴４ａを有する。水受け部４には、第１の配管１３と第２の配管１４が接続されている。水受け部４は、第１の配管１３と第２の配管１４により供給された水を溜め、溜まった水を底部の穴４ａから重力の作用によって冷媒管２とフィン３へ落下させる。水受け部４の底部の穴４ａは、水受け部４に溜まった水を水滴としてまたは霧状で落下させることができるような大きさを備える。冷媒管２の内部を流れる冷媒ガスは、ファン１１による送風に加えて、水受け部４から落下した水によっても冷却される。

【0024】

貯水部５は、凝縮器１の下部に設置され、水受け部４から落下した水を溜める容器である。貯水部５には、冷媒管２の一部が配置されており、冷媒液を膨張弁２１に流出させる部分である凝縮器出口１５が設けられている。また、貯水部５には、弁６（例えば、ソレノイドバルブ）が設置されている。弁６が開くと、貯水部５に溜まった水が貯水部５から排出される。

【0025】

貯水槽１２は、雨水を溜める容器である。貯水槽１２は、例えば建物の屋上に設置される。

【0026】

第１の配管１３は、貯水槽１２と水受け部４を接続し、貯水槽１２が溜めた雨水を水受け部４に供給する。第１の配管１３には、弁１０（例えば、ソレノイドバルブ）が設置されている。

【0027】

第２の配管１４は、凝縮器１以外の装置と水受け部４を接続し、凝縮器１以外の装置で生成された凝縮水を水受け部４に供給する。凝縮器１以外の装置とは、例えば、空冷式冷凍機５１が設置されている建物（例えば、原子力発電所の建屋）の内部にある熱交換機（例えば、空冷式冷凍機５１が設置されている部屋と異なる部屋に設置されている冷凍機の凝縮器）や、空冷式冷凍機５１が設置されている建物の外部にある熱交換機である。第２の配管１４には、弁８（例えば、ソレノイドバルブ）が設置されている。

【0028】

凝縮器１は、少なくとも１つの貯水槽１２を備えることができる。水受け部４には、第１の配管１３により、貯水槽１２が溜めた雨水が供給され、第２の配管１４により、凝縮器１以外の装置で生成された凝縮水が供給される。凝縮器１は、少なくとも１つの第１の配管１３と、少なくとも１つの第２の配管１４を備えることができる。凝縮器１は、第１の配管１３と第２の配管１４のうち、一方だけを備えてもよい。また、第１の配管１３と第２の配管１４は、それぞれ雨水と凝縮水以外の水、例えば水道水を水受け部４に供給してもよい。

【0029】

凝縮器１は、弁１０と弁８を制御する温度スイッチ９と、弁６を制御する温度スイッチ７を備える。温度スイッチ９は、外気の温度が上昇して予め定めた設定温度に達すると作動し、弁１０と弁８を開く。温度スイッチ７は、貯水部５に溜まった水の温度が上昇して予め定めた設定温度に達すると作動し、弁６を開く。

【0030】

従来の空冷式冷凍機は、冷媒管２を流れる冷媒ガスを、ファン１１による送風によって空気のみで冷却して凝縮させる。

【0031】

本実施例による空冷式冷凍機５１の凝縮器１は、冷媒管２を流れる冷媒ガスを、従来と同様に空気で冷却し、さらに水受け部４から落下した水を用いて冷却して、凝縮させる。水受け部４には、雨水と凝縮水がそれぞれ第１の配管１３と第２の配管１４により供給される。

【0032】

温度スイッチ９は、外気の温度が上昇して予め定めた設定温度に達すると、弁１０と弁８を開く。この設定温度は、凝縮器１の放熱能力などに応じて任意に定めることができる。弁１０が開くと、貯水槽１２に溜められた雨水が第１の配管１３から水受け部４に供給される。弁８が開くと、凝縮水が第２の配管１４から水受け部４に供給される。水受け部４に供給された水は、水受け部４の底部の穴４ａから重力の作用によって落下し、冷媒管２とフィン３に到達する。

【0033】

外気の温度が高くなると凝縮器１の放熱能力が低下することがある。これを防止するために、外気の温度が高くなると、温度スイッチ９が弁１０と弁８を開き、水を用いて冷媒ガスを冷却する。水受け部４から落下して冷媒管２とフィン３に到達した水は、顕熱で冷媒管２を流れる冷媒ガスを冷却する。また、冷媒管２とフィン３の表面には、水受け部４から落下した水が水滴となって付く。この水滴は、ファン１１の送風により気化し、気化熱で冷媒管２を流れる冷媒ガスを冷却する。

【0034】

このように、本実施例による空冷式冷凍機５１の凝縮器１は、冷媒管２を流れる冷媒ガスを、空気で冷却するだけでなく、水（例えば、雨水や凝縮水などの捨てられる水）を用いて冷却することで、冷媒ガスの冷却効率を向上し、凝縮器１の放熱能力を向上させることができるとともに、省エネ効果を得ることができる。

【0035】

水受け部４から落下した水は、冷媒管２とフィン３の表面に付着したり気化したりしなければ、貯水部５に溜まる。貯水部５に溜まった水は、貯水部５の内部に位置する冷媒管２を流れる冷媒液（冷媒ガスが凝縮して生成された冷媒液）と熱交換をする。貯水部５では、特に凝縮器出口１５の付近において、冷媒管２を流れる冷媒液が、貯水部５に溜まった水により過冷却される。この過冷却により、冷媒液がさらに冷却され、凝縮器１の放熱能力がより向上して、さらなる省エネ効果を得ることができる。

【0036】

図２は、凝縮器１の下部に設置された貯水部５を示す模式図である。貯水部５は、内部にスクリュ１６を備える。スクリュ１６は、モータ１７により駆動され、貯水部５に溜まった水を攪拌し、貯水部５の中で強制的に水の流れ１８を作る。

【0037】

貯水部５の中の水に流れ１８がないと、貯水部５での熱交換率が低く、冷媒管２を流れる冷媒液の過冷却の効果が低い。そこで、貯水部５の内部にスクリュ１６を設置し、スクリュ１６によって貯水部５の中の水に強制対流（水の流れ１８）を生じさせ、熱交換率を上げる。この強制対流により、冷媒管２を流れる冷媒液の冷却効果が向上し、冷媒液のさらなる過冷却効果を得ることができ、凝縮器１の放熱能力をより向上させることができる。省エネ効果も、さらに向上する。

【0038】

温度スイッチ７は、貯水部５に溜まった水の温度が上昇して予め定めた設定温度に達すると、弁６を開く。この設定温度は、冷媒管２を流れる冷媒液の想定温度と貯水部５の容量などに応じて任意に定めることができる。弁６が開くと、貯水部５の内部の水は、貯水部５から排出される。

【0039】

貯水部５の内部の水は、冷媒管２を流れる冷媒液との熱交換により温度が上昇し、熱交換率が低下する。このため、貯水部５に溜まった水の温度が高くなったらこの水を交換して、熱交換率の低下を防ぐ必要がある。貯水部５に溜まった水の温度が高くなり、温度スイッチ７が弁６を開くと、貯水部５に溜まった水が排出される。排水後に弁６が閉じて、水受け部４から落下した水が新たに貯水部５に溜まることで、貯水部５に溜まった水を交換することができる。弁６が開いて貯水部５の内部の水を交換することにより、凝縮器１の放熱能力をさらに向上させることができ、さらなる省エネ効果を得ることができる。

【0040】

なお、弁６は、貯水部５の上部に設置されていると、貯水部５に溜まった水のうち温度が高い水を、より効果的に排出できる。

【0041】

凝縮器１の構成要素には、電源として、太陽光や風力などの自然エネルギーを用いて発電した電力を用いることができる。

【0042】

図３は、自然エネルギーによる電源と、この電源から電力が供給される凝縮器１の構成要素を示す図である。図３には、一例として、太陽光発電で得られた電力を凝縮器１の構成要素に供給する構成を示している。太陽光発電による電力が供給される凝縮器１の構成要素の例は、弁６、８、１０と、温度スイッチ７、９と、スクリュ１６を駆動するモータ１７である。

【0043】

太陽光で発電を行うソーラーパネル６１は、チャージコントローラー６２に接続されている。チャージコントローラー６２は、蓄電池６３と、弁６、８、１０と、温度スイッチ７、９と、モータ１７に接続されている。チャージコントローラー６２は、蓄電池６３への充電と蓄電池６３の放電を制御する。弁６、８、１０と温度スイッチ７、９とモータ１７は、チャージコントローラー６２の制御により、ソーラーパネル６１と蓄電池６３から電力が供給される。

【0044】

本実施例による空冷式冷凍機５１では、凝縮器１の構成要素の電源に、自然エネルギーを用いて発電した電力を使うことができるので、省エネ効果を得ることができる。また、凝縮器１の放熱能力が低下するのは、日射量が多く外気の温度が上昇する日中であることが多いので、太陽光発電で得られた電力を用いると、冷媒ガスを冷却し、凝縮器１の放熱能力を向上させる効果を十分に得ることができる。

【0045】

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0046】

１…凝縮器、２…冷媒管、３…フィン、４…水受け部、４ａ…穴、５…貯水部、６…弁、７…温度スイッチ、８…弁、９…温度スイッチ、１０…弁、１１…ファン、１２…貯水槽、１３…第１の配管、１４…第２の配管、１５…凝縮器出口、１６…スクリュ、１７…モータ、１８…水の流れ、２１…膨張弁、３１…蒸発器、４１…圧縮機、５１…空冷式冷凍機、６１…ソーラーパネル、６２…チャージコントローラー、６３…蓄電池。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】