JP3490691B2 - 水蒸気圧縮冷凍機および蓄熱槽の組合せにおける水質管理システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水の蒸発熱を利用
して、冷水又は氷を得る環境重視型の水蒸気圧縮冷凍お
よび蓄熱槽の組合せ手段に関する。更に詳しくは、水蒸
気圧縮冷凍機、蓄熱槽水および冷却塔水における水質管
理に係り、例えば、運転中に冷凍機の蒸発器内で水が蒸
発する際に残余の水に含まれた水中の不純物（例えば硬
水におけるカルシウム）が濃縮し、また冷却水の散布に
伴い水蒸気が凝縮器内で凝縮する際に不純物の濃度が変
化するが、かような不純物の濃度変化に起因する水質管
理を円滑に行う技術に係る。

【０００２】

【従来技術とその問題点】フロン又は代替フロンを冷媒
とする冷凍機は永い間常用されてきたが、これらの冷媒
はオゾン層を破壊する問題や温暖化等の地球環境の悪化
をもたらす原因物質として、その使用に制限が加えられ
てきた。環境重視という観点からは、水に勝る冷媒は世
の中にない。

【０００３】このフロンなどを冷媒とする冷凍機では空
調用水等の熱交換は熱交換器を介している。

【０００４】ところが、水の蒸発熱を利用して、冷水又
は氷を得る水蒸気圧縮冷凍機では、空調用水等の熱交換
は熱交換器等を介さず、水―水直接とすることが可能と
なる。この場合、使用する水（以下、「原水」と言うこ
とがある）に不純物が、多かれ少なかれ、溶け込んでい
る。そして、この不純物が溶け込んだままで、原水は蒸
発したり、凝縮したりするのであるから、原水中の「不
純物」の濃度がその都度変化し、水質が思うように管理
できないという問題が存在する。

【０００５】実際に、原水の水質管理が難しいため、水
蒸気圧縮冷凍機において熱交換器を利用する場合が多い
が、熱交換器において熱ロスが発生するために効率が低
下する。

【０００６】従来技術では、水以外の冷媒を利用する場
合に、冷凍機の蒸発器部分において冷媒を蒸発せしめ、
その蒸発熱を熱交換器を介して水に熱伝達し蓄熱器に蓄
熱させる。蒸発した冷媒蒸気を圧縮機で圧縮して凝縮器
において熱交換器を介して冷却水により冷却凝縮して元
の液相の冷媒に戻る。水以外の冷媒系を使用する場合で
は、冷媒は熱交換器を介する、閉じられた流路におい
て、蒸発、凝縮等の相変化がもたらされる。

【０００７】水系冷媒では厳密な密蔽回路とする必要性
はなく、冷媒の回収も不要であることから、開放回路に
よる熱利用が容易にできると判断されがちである。

【０００８】しかしながら、この条件は、原水が良質で
あって、不純物の含有量が極めて少ない状態でのみ可能
なものに過ぎないことが判明している。不純物を多く含
む原水利用では空調用水、蓄熱槽内水などの水質の管理
ができず、運転休止に追い込まれる懸念がある。

【０００９】この様相を図面で補足説明すると、従来型
システムである図４において、水蒸気圧縮冷凍機３０を
運転しようとするとき、水蒸気圧縮冷凍機内の蒸発部３
２において冷媒である水を蒸発せしめ、蒸発部において
得られた水蒸気を水蒸気圧縮冷凍機内の圧縮機３４によ
り所定の条件で圧縮して、水蒸気圧縮冷凍機内の凝縮器
３６へ導く。凝縮器では冷媒である水蒸気が冷却されて
水に戻る。蒸発器３２で蒸発して不足した冷媒（水）は
補給水供給口から配管１１を経て水蓄熱槽２０を介し蒸
発器３２に導かれる。また、蒸発器３２における過剰お
よび冷却された冷媒（水）は排水配管１３を経て水蓄熱
槽２０（冷熱のみ貯留）を介してブロー水１４として排
出される。供給水およびブロー水は熱交換器５０が介在
しているので、そこで熱交換される。更に、水蒸気圧縮
冷凍機内の凝縮器３６では、冷却塔冷却水１７が凝縮器
３６に導入され、水蒸気が凝縮する。凝縮した水は凝縮
水配管１８を経て一部ブロー水管１９から排出される。
同様に、冷却塔４０から放熱の為の水蒸気が排出され
る。

【００１０】従来型のシステムにあっては、蓄熱槽内水
および冷却塔内水の水質管理はそれぞれの補給水量とブ
ロー水量とにより調節する必要がある。また、補給水お
よび冷却塔給水とを必要とするため、使用する水量が多
くなる。つまり蓄熱槽ブロー水を再利用することなく排
水することから、管理を要する水の使用量が増えること
を意味し、管理の煩わしさ、熱的ロスの増大、資源とし
ての水をロスする等々の問題が内在している。

【００１１】本発明は、水蒸気圧縮冷凍機および水、氷
・水蓄熱槽を組合わせたシステムに用いる水の水質管理
を効率よく、経済的に実施するシステムに関し、蓄熱槽
内水、冷却塔内水および冷却塔ブロー水のそれぞれの水
質を円滑に管理する技術である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】而して、本発明の課題
は、冷媒（水）の水質管理を効率よく実施するためのも
のであって、例えば、冷媒（水）がスケールを生じる硬
水の場合であっても、実際に蓄熱槽内水および冷却塔内
水においてスケール障害が発生しない限界の管理を施し
て、カルシウム、その他不純物の析出濃度未満となるよ
うに適切に制御することを課題とする発明である。

【００１３】更に、本発明では、用水の水質管理を簡便
に行うことおよびブロー水量の節減等の省資源化も課題
である。

【００１４】

【課題を解決しようとする手段】本発明は、水蒸気圧縮
冷凍機と蓄熱槽（水および水・氷を対象とするもの）と
を配管により結合せしめて、両装置を有機的に組合わせ
ておき、運転時に蓄熱槽に補給水を供給し、また蓄熱槽
内の水の一部を冷却塔補給水として、熱交換器を介し
て、供給して、前記補給水の水質を管理しながら、水蒸
気圧縮冷凍機の運転により生じた冷熱を蓄熱槽から取出
し、冷却水や空調用冷水（或いは氷）として利用するも
のである。

【００１５】この際に補給水量と冷却塔補給水量との割
合を適宜調整することにより、蓄熱槽内水、冷却塔内水
およびブロー水のそれぞれの水質を制御・管理すること
が可能となるシステムである。

【００１６】而して、本発明の請求項１に係わるシステ
ムは、冷媒として水を用いる圧縮冷熱発生および水、水
・氷蓄熱槽の組合わせ手段における水質を管理するに際
し、熱交換器と水および水・氷を蓄熱する蓄熱槽、その
蓄熱槽と水蒸気圧縮冷凍機とを配管により結合せしめ、
その配管を介して蓄熱槽に補給水を供給せしめること、
蓄熱槽内水の一部を冷却塔への冷却塔補給水として、熱
交換器を介して、供給すること、および該補給水の水量
と該冷却塔補給水の水量との割合を適宜に制御すること
からなる。この冷却塔補給水は、水質からみれば、蓄熱
槽内の水に限られることがなく、蒸発器の水とほぼ同等
である。従って、これらの一部を冷却塔への冷却塔補給
水として取出すことができる。これらの水は熱交換器を
介し、または介することなく、供給または取出される。

【００１７】また、請求項２に係わる発明は、蓄熱槽が
水を対象とするとき、補給水量と冷却塔補給水または取
出水の量との比率を１／１から１００／１までの範囲に
制御する水蒸気圧縮冷凍機および水、水・氷蓄熱槽との
組合わせ手段による水質管理システムである。

【００１８】更に、請求項３に係わる発明は、蓄熱槽が
氷と水との共存状態にあるとき、補給水量と、冷却塔補
給水または取出水の量との比率を１／１から１００／１
までの範囲とする水蒸気圧縮冷凍機および水、水・氷蓄
熱槽との組合わせ手段による水質管理システムである。
図１により後述するように、ここで、冷却塔補給水また
は取出水には配管１２、１３、水蒸気圧縮冷凍機３０の
蒸発器３２内の水を含む。また冷却塔補給水の供給先の
水には、冷却塔４０に注入する場合に、凝縮器３６の水
を配管１７、１８を介してポンプアップ等により輸送す
ることが可能な冷却塔循環水を含むものである。

【００１９】本発明により、冷却水などにおけるシリカ
およびカルシウム等のスケール障害を回避でき、また補
給水の水質においてシリカ等が低濃度であればブロー水
量を大幅に節減できる等の省資源化に加えて、省エネル
ギー効果も発現できる。

【００２０】

【実施の態様】本発明を図面に基づいて説明する。

【００２１】図１は、本発明の１実施例を示すシステム
の概略図である。水質を管理するに際し、水および水・
氷を蓄熱する蓄熱槽２０と水蒸気圧縮冷凍機３０とを配
管１２、１３とにより組合わせ、蓄熱槽２０に補給水Ａ
Ａを補給水供給口１１から供給せしめること、蓄熱槽内
の水の一部を冷却塔への冷却塔補給水ＣＣとして、熱交
換器５０を介して、供給すること、および該補給水の水
量ＡＡと該冷却塔補給水の水量ＣＣとの割合を適宜に制
御するように為すことからなる水質管理技術である。

【００２２】水蒸気圧縮冷凍機３０を運転しようとする
とき、水蒸気圧縮冷凍機内の蒸発器３２において冷媒で
ある水を蒸発せしめ、蒸発部において得られた水蒸気を
水蒸気圧縮冷凍機３０内の圧縮機３４により所定の条件
で圧縮して、水蒸気圧縮冷凍機３０内の凝縮器３６へ導
く点は従来技術と同様である。凝縮器３６では冷媒であ
る水蒸気が冷却されて水に戻る。蒸発器３２で蒸発して
不足した冷媒（水）は補給水供給口から配管１１を経て
蓄熱槽２０を介し蒸発器３２に導かれる。然るに、蒸発
器３２における過剰および冷却された冷媒（水）は排水
配管１３を経て蓄熱槽２０（この蓄熱槽は冷熱のみを蓄
熱する）を介し、連結配管１５によって、冷却塔補給水
として作用する。この冷却塔補給水としての取出しは、
蓄熱槽２０、配管１２、水蒸気圧縮機の蒸発器３２及び
配管１３の何れの箇所でもよい。また、冷却塔補給水は
熱交換器５０が介在しているので、そこで熱交換され
る。更に、水蒸気圧縮冷凍機３０内の凝縮器３６では、
冷却塔補給水が冷却塔４０に導入され、凝縮器用の冷却
配管１７を経て、冷却塔冷却水が凝縮器３６に導かれ
る。凝縮水の一部は凝縮水配管１８を経てブロー水管１
９からブローＧＧとして排出される。同様に、冷却塔４
０から放熱の為に水蒸気ＦＦが排出される。なお、蓄熱
槽２０から冷却塔補給水ＣＣを取り出すことについて付
言すると、配管１２、１３、水蒸気圧縮冷凍機３０の蒸
発器３２内の水を取り出しても蓄熱槽内水と、配管で連
結しているのであるから、同じものであり、当然ほぼ同
等の水質である。また冷却塔補給水ＣＣを冷却塔４０に
入れるところも同様で、凝縮器３６の水を配管１７、１
８を介してポンプ等により冷却塔循環水とすることも容
易に理解できるので、図面による説明を省略する。

【００２３】

【実施例】＜実施例１＞図１に示した蓄熱槽において、
水を対象とした場合の水質管理の状況を水質の１項目で
ある全蒸発残留物（ＴＤＳと略記する）を代表として説
明する。

【００２４】先ず、水蓄熱槽に供給する補給水の量ＡＡ
は毎時10.2kg、ＴＤＳ濃度が100mg/ltl.（リットル）で
あるとき、蒸発器３２において蒸発する蒸発量ＤＤは5.
1kg/h、凝縮器における凝縮量ＥＥも5.1kg/hである。

【００２５】この運転条件では、冷却塔から蒸発する蒸
発量ＦＦは6.7kg/h.となり、不純物は含まれない（０mg
/ltl.）。しかし、冷却塔のブロー水量ＧＧは3.5kg/
h.、ＴＤＳは291mg/ltl.となる。また、水蓄熱槽からの
冷却塔補給水となる水量ＣＣは5.1kg/h.、ＴＤＳは200m
g/ltl.である。但し、「ltl.」とはリットルを示し、ま
た「h.」は時間を示す。

【００２６】このときの水質変化の様子を図２にグラフ
として示した。このグラフにおけるＴＤＳ濃度と水質の
関係は、不純物一般に当てはまり、不純物がカルシウ
ム、シリカ等の場合に加え、電気伝導率の変化も類似す
ることから、広範囲に水質管理が可能となる。 ＜実施例２＞図１に示した蓄熱槽において、氷を対象と
した場合の水質管理の状況を水質の１項目であるＴＤＳ
を代表として説明する。

【００２７】先ず、氷蓄熱槽に供給する補給水の量ＡＡ
が、実施例１と同様に、10.2kg/h.、ＴＤＳも100mg/lt
l.であるとき、蒸発器３２において蒸発する蒸発量ＤＤ
は5.1kg/h、凝縮器における凝縮量ＥＥも5.1kg/hであ
る。

【００２８】この運転条件では、冷却塔から蒸発する蒸
発量ＦＦは6.7kg/h.となり、不純物は含まれない（０mg
/ltl.）。しかし、冷却塔のブロー水量ＧＧも3.5kg/
h.、ＴＤＳは平均291mg/ltl.となる。但し、氷蓄熱の場
合ＴＤＳ濃度は製氷のサイクルに伴って変動し、最大Ｔ
ＤＳは約373mg/ltl. 最小ＴＤＳは約196mg/ltl.とな
る。更に、水蓄熱槽からの冷却塔補給水となる水量ＣＣ
は5.1kg/h.、ＴＤＳは平均200mg/ltl.で、最大値は約27
0mg/ltl.、最小値は約135mg/ltl.となる。

【００２９】この状態における冷媒（水）の水質の変化
を図３のグラフに示した。製氷回数に対応して、水のＴ
ＤＳ濃度が変動（漸増）する様子が判る。その他カルシ
ウム、マンガン、シリカ、電気伝導度などの水質を既述
した要領により管理できる。 ＜実施例３＞図１に示した蓄熱槽において、水を対象と
した場合の水質管理の状況において、補給水と冷却塔補
給水との量比を変化させた例をＴＤＳを代表として説明
する。

【００３０】この場合、水蓄熱槽に供給する補給水の量
ＡＡは7.65kg/h.、ＴＤＳ濃度は100mg/ltl.（実施例１
と同質の水）であるとするとき、蒸発器３２において蒸
発する蒸発量ＤＤは5.1kg/h、凝縮器における凝縮量Ｅ
Ｅも5.1kg/hとする（実施例１と同量の負荷条件）。

【００３１】この運転条件では、冷却塔から蒸発する蒸
発量ＦＦも6.7kg/h.となり、当然不純物は含まれない
（０mg/ltl.）。しかし、冷却塔のブロー水量ＧＧは
０．９５kg/h.、ＴＤＳは８０５mg/ltl.となる。

【００３２】また、水蓄熱槽から冷却塔補給水となる水
量ＣＣは２．５５kg/h.、ＴＤＳは３00mg/ltl.と増加す
る。ここでも、カルシウム、シリカ、電気伝導度などの
水質を、既述した要領により、管理できる。 ＜比較例＞図４に示した水蓄熱槽における水質管理の状
況を説明する。

【００３３】先ず、水蓄熱槽に供給する補給水の量ＡＡ
は10.2kg/h.、ＴＤＳ濃度は100mg/ltl.であるとき、蒸
発器３２において蒸発する蒸発量ＤＤは5.1kg/h、凝縮
器における凝縮量ＥＥも5.1kg/hである。

【００３４】この運転条件では、水蓄熱槽からのブロー
水量ＢＢは5.1kg/h.、ＴＤＳは200mg/ltl.となる。

【００３５】冷却塔には冷却塔補給水を別途供給する必
要があり、その量ＨＨは2.44kg/h.であり、ＴＤＳは100
mg/ltl.である。また、冷却塔から蒸発する蒸発量ＦＦ
は6.7kg/h.となり、不純物は含まれない（０mg/lt
l.）、冷却塔のブロー水量ＧＧは0.84kg/h.、ＴＤＳは2
91mg/ltl.となる。従って、補給水の全使用量は12.64kg
/h.となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、冷却水などにおけるシ
リカおよびカルシウム等のスケール障害を回避でき、ま
た補給水の水質においてシリカ等が低濃度であればブロ
ー水量を大幅に節減できる。省資源化に加えて、省エネ
ルギー効果も達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明システムの一実施例を示す模式図。

【図２】本発明の別の実施例における水蓄熱時の水質変
化を示すグラフ。

【図３】本発明の他の実施例における氷蓄熱時の水質変
化を示すグラフ。

【図４】従来技術の比較例となる模式図。

【符号の説明】

１１ 補給水 １２ 蓄熱槽と蒸発器との間の給水管 １３ 蓄熱槽と蒸発器との間の排水管 １４ 氷蓄熱槽側ブロー水管 １５ 連結配管（冷却塔補給水の給水管） １６ 冷却塔給水の給水管 １７ 凝縮器水散布配管 １８ 凝縮器排水管 １９ 冷却塔側ブロー水管 ２０ 水（氷）蓄熱槽 ３０ 水蒸気圧縮冷凍機 ３２ 冷凍機の蒸発器 ３４ 冷凍機の圧縮機 ３６ 冷凍機の凝縮器 ４０ 冷却塔 ４１ 冷却塔の蒸発部 ５０ 熱交換器 ＡＡ 補給水 ＢＢ 氷蓄熱槽側ブロー水 ＣＣ 連結配管における冷却塔補給水 ＤＤ 冷凍機における蒸発水 ＥＥ 凝縮水 ＦＦ 冷却塔の蒸発水 ＧＧ 冷却塔のブロー水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ２８Ｇ 13/00 Ｆ２８Ｇ 13/00 Ａ Ｚ (56)参考文献 特開2001−74322（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−257890（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−287592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−245975（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 395 F24F 5/00 102 F24F 11/02 102 F25B 19/00 F28C 3/08 F28G 13/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒として水を用いる圧縮冷熱発生および
   水、水・氷蓄熱槽の組合せ手段における蓄熱槽内水、冷
   却塔内水およびブロー水のそれぞれの水質を管理するに
   際し、 蒸発器、圧縮機及び凝縮器からなる水蒸気圧縮冷凍機と
   蓄熱槽と熱交換器とを配管により結合せしめ、 該配管を介して該蓄熱槽に補給水を供給せしめること、 蓄熱槽内の水または前記水蒸気圧縮冷凍機内の蒸発器の
   水の一部を冷却塔への冷却塔補給水または取出水とし
   て、熱交換器を介してまたは介することなく、供給また
   は取出すこと、および、 該補給水の水量と該冷却塔補給水または取出水の水量と
   の割合を適宜に制御することからなる水蒸気圧縮冷凍機
   および蓄熱槽の組合せにおける水質管理システム。
2. 【請求項２】蓄熱槽が水を対象とし、補給水量と冷却塔
   補給水または取出水の量との比率を１／１から１００／
   １までの範囲とする請求項１に記載の水蒸気圧縮冷凍機
   および蓄熱槽の組合せにおける水質管理システム。
3. 【請求項３】蓄熱槽が氷と水との共存状態にあるとき、
   補給水量と冷却塔補給水または取出水の量との比率を１
   ／１から１００／１までの範囲とする請求項１に記載の
   水蒸気圧縮冷凍機および蓄熱槽の組合せにおける水質管
   理システム。但し、冷却塔補給水または取出水には配管
   １２、１３、水蒸気圧縮冷凍機３０の蒸発器３２内の水
   を含み、また冷却塔補給水の供給先の水には冷却塔４０
   に入れ得る凝縮器３６の水から配管１７、１８を介して
   ポンプ等により輸送し得る冷却塔循環水を含む。