JP2005156094A - 液戻し装置および冷熱生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクト、安価、高い成績係数（ＣＯＰ）で安定した冷熱生成システムおよびそのシステムにおいて用いる液戻し装置を提供する。
【解決手段】 冷凍回路に、圧縮機１、油分離器２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５、および液分離器６を含む冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を高圧側容器（凝縮器）に搬送するのにポンプ式とダンプトラップ式を併用した液戻し装置１４を備える。また、エジェクタ３３を用いた冷熱生成システムにおいても同様に、ポンプ式とダンプトラップ式の併用により、凝縮液冷媒を蒸気発生器３１に移送する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷熱生成システムの液戻し装置およびその冷熱生成システムに関する。

冷凍機において、一般に低圧側容器内の冷媒液を高圧側容器に移送する方法として、ポンプ式、ダンプトラップ式のいずれかの方式が従来から行われている。
一般的な圧縮機を用いた冷熱生成システムにおいて、ポンプ式のフローを図４、ダンプトラップ式のフローを図５に示す。なお、ポンプ式あるいはダンプトラップ式による液戻し方法については、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２００３−９０６３３号公報

従来のポンプ式液戻し装置１０は、図４に示すように、冷凍回路に、圧縮機１、油分離器２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５、および液分離器６を含む冷熱生成システムにおいて、この蒸発器５と液分離器６を接続する液戻し配管１１にポンプ１２および逆止弁１３を設けた構成となっている。
また、従来のダンプトラップ式液戻し装置２０は、図５に示すように、冷凍回路に、圧縮機１、油分離器２、凝縮器３、膨張弁４、蒸発器５、および液分離器６を含む冷熱生成システムにおいて、この液分離器６と凝縮器３を接続する液戻し配管２１に逆止弁２２、レベル計２４を備え凝縮液冷媒を貯留する受液器２３、逆止弁２５を設けるとともに、受液器２３にそれぞれ高圧側冷媒配管より電磁弁２６を設けた冷媒配管２７および低圧側冷媒配管より電磁弁２８を設けた冷媒配管２９を分岐接続する構成となっている。

図４、図５に示す圧縮機１を用いた冷凍機では、蒸発器５で蒸発した冷媒中に含まれる冷媒液が圧縮機１に混入するのを防止する目的で液分離器６が設けられる。このため液分離器６で分離した冷媒液を冷凍サイクルに戻す必要がある。ポンプ式の場合は液分離器６で分離した冷媒液をポンプ１２で逆止弁１３を経由して蒸発器５に移送するが、冷凍に必要とする圧縮機１の動力のほかにポンプ１２を用いることで補助的な動力を必要とし、冷凍機の効率を表す成績係数（ＣＯＰ）が低下する要因となる。一方、ダンプトラップ式の場合は液分離器６で分離した冷媒液を高圧受液器である凝縮器３に補助的な動力なしに移送できるが、その原理は重力を利用したものであるため、液戻し装置２０と凝縮器３（高圧受液器）との間に一定のレベル差が必要となり、機器の配置上の制約が生じる。

一方、エジェクタを用いた冷熱生成システムにおいては、ポンプ式のフローが図６、ダンプトラップ式のフローが図７のようになる。なお、図７中の電磁弁４２、４５は逆止弁でもよい。
図６、図７において、エジェクタを用いた冷熱生成システムは、冷凍回路に、一次蒸気（駆動蒸気）を発生する蒸気発生器３１、冷熱を生成し二次蒸気（被駆動蒸気）を発生する蒸発器３２、この一次蒸気により二次蒸気を吸引圧縮し、両流体を混合して噴出するエジェクタ３３、混合蒸気を凝縮させ凝縮液冷媒を発生する凝縮器３４、および蒸発器３２での冷媒の蒸発温度を調節する膨張弁３５を含む構成となっている。そして、ポンプ式液戻し装置３０は、図６に示すように、凝縮器３４と蒸気発生器３１を接続する液戻し配管３６に凝縮ポンプ３７を設けたものであり、この凝縮ポンプ３７により、凝縮器３４にて発生する凝縮液冷媒を高圧の蒸気発生器３１に移送するようになっている。

また、ダンプトラップ式液戻し装置４０は、図７に示すように、冷凍回路に、蒸気発生器３１、蒸発器３２、エジェクタ３３、凝縮器３４、および膨張弁３５を含むエジェクタを用いた冷熱生成システムにおいて、凝縮器３４と蒸気発生器３１を接続する液戻し配管４１に、電磁弁４２、レベル計４４を備え凝縮液冷媒を貯留する受液器４３、および電磁弁４５を設けるとともに、凝縮器３４と蒸気発生器３１を接続する冷媒ガス配管４６に受液器４３を分岐配管４７で接続し、冷媒ガス配管４６と分岐配管４７の接続部の上下に電磁弁４８、４９を設けたものである。

上記のように、エジェクタ３３を用いた冷熱生成システムにおいて、フロン冷媒、代替フロン冷媒、炭化水素系冷媒、アンモニア冷媒を用いた場合、システムの系は大気圧よりも高い加圧系となる場合が多い。上記のような冷媒では、通常凝縮器と蒸気発生器の圧力差は大きい。このため、凝縮液冷媒を蒸気発生器３１にポンプ式で搬送するには、ポンプ動力が大きくなるため冷凍機の効率を表す成績係数（ＣＯＰ）が低下する要因となる。また、ダンプトラップ式では圧縮機を用いた冷凍機と同様重力のみを搬送源とするため、各機器の配置上の制約が生じる。

また、上記のような冷媒でダンプトラップ式を用いて冷媒を搬送する場合、凝縮器は耐圧性に優れ、受液器の機能も兼ねるシェル＆チューブ式熱交換器が一般的に用いられる。しかし、シェル＆チューブ式熱交換器は、必要な交換熱量に応じて設計を変更する必要があるため汎用性に欠け、かつ高価であり、また、単位容積当たりの伝熱面積が小さいため熱交換器が大型化し、冷熱生成システムが大きくなるなどの欠点がある。

近年、シェル＆チューブ式熱交換器に代わってプレート式熱交換器のような容積が小さい熱交換器が凝縮器に用いられるようになった。これはプレート式熱交換器の耐圧性が著しく向上したためである。プレート式熱交換器のような容積が小さい熱交換器を用いて従来のダンプトラップ式を受液器一つで行うことも原理的には可能である。しかし、受液器４２を蒸気発生器３１からの蒸気で加圧し液戻しを行っている間はプレート式熱交換器の内部に凝縮液冷媒が貯まって冷媒ガスを凝縮するための伝熱面積が小さくなり、冷却水で十分な凝縮が得られず冷凍能力、成績係数（ＣＯＰ）が低下し、安定して冷熱を供給することができなくなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コンパクト、安価、高い成績係数（ＣＯＰ）で安定した冷熱生成システムおよびそのシステムにおいて用いる液戻し装置を提供することを目的としている。

本発明に係る液戻し装置は、冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を高圧側容器に搬送するのにポンプ式とダンプトラップ式を併用したことを特徴とする。
また、エジェクタを用いた冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を高圧の蒸気発生器に搬送するのにポンプ式とダンプトラップ式を併用したことを特徴とする。
さらに、凝縮用熱交換器をシェル＆チューブ式熱交換器に代えてプレート式熱交換器のような容積が小さく汎用性の高い熱交換器とし、凝縮液冷媒を一時的に蓄える複数個の受液器と組合わせて、ポンプ式とダンプトラップ式の併用により液戻しを行うものである。そして、上記の液戻し装置を備えた冷熱生成システムである。

本発明は、凝縮液冷媒の液戻しをポンプ式とダンプトラップ式の併用により行うので、冷熱生成システムを構成する機器の配置上の制約が緩和され、さらに補助的に必要なポンプ動力の低減が可能となるため、冷熱生成システムのコンパクト化、高効率化を図ることができる。
また、エジェクタを用いた冷熱システムにおいて、シェル＆チューブ式熱交換器に比べて伝熱面積が大きい割には容積が小さく、熱交換能力の変更が容易で汎用性が高いプレート式熱交換器を凝縮器に用い、さらに受液器を複数個設けてポンプ式とダンプトラップ式を併用することによって、冷熱生成システムのコンパクト化、高効率化、低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、請求項１に関する本発明の一実施形態例を示す構成図である。
この冷熱生成システムは、冷凍回路に、冷媒ガスを昇温昇圧する圧縮機１、冷媒ガス中に溶けている圧縮機用潤滑油を分離する油分離器２、冷媒ガスを凝縮させる凝縮器３、蒸発器５での冷媒の蒸発温度を調節する膨張弁４、冷熱を生成する蒸発器５、および圧縮機１への冷媒液の混入を防止する液分離器６を含み、さらに、液分離器６で気液分離された冷媒液を高圧側容器である凝縮器３に移送するための液戻し装置１４を有する。

この液戻し装置１４は、ダンプトラップ式とポンプ式を併用する形式で構成されている。すなわち、液分離器６と凝縮器３を接続する液戻し配管２１に、逆止弁２２、レベル計２４を備え凝縮液冷媒を蓄える受液器２３、ポンプ１２、逆止弁２５を設け、さらに、受液器２３と高圧側冷媒配管７ａとを電磁弁２６を設けた冷媒配管２７で接続し、また受液器２３と低圧側冷媒配管７ｂとを電磁弁２８を設けた冷媒配管２９で接続してなるものである。

このように構成された冷熱生成システムの運転について説明すると、冷媒は蒸発器５において冷水との熱交換によって蒸発し、液分離器６で気液に分離されたあと、冷媒ガスが圧縮機１で圧縮され高温高圧になり、凝縮器３で冷却水との熱交換によって冷却され凝縮する。この凝縮液冷媒は膨張弁４で冷熱生成に必要な状態まで減圧され、再び蒸発器５にて蒸発するとともに、冷熱を生成する。

一方、液分離器６で分離された冷媒液は、液戻し配管２１を通ってダンプトラップ式で受液器２３に流入し、レベル計２４により設定された液レベルに達するまで受液器２３に貯められる。レベル計２４で設定された液レベルに達すると、ポンプ１２によって、受液器２３内の冷媒液が凝縮器３に移送される。具体的には、電磁弁２６を開けて圧縮機１で昇圧された冷媒ガスの一部を冷媒配管２７を通じて受液器２３に導き、受液器２３内の圧力をポンプ１２で冷媒液を凝縮器３に移送できる圧力まで加圧する。この制御にはタイマーあるいは圧力計などを使用して判定すればよい。冷媒液を移送したあと、加圧された受液器２３を減圧するには電磁弁２６を閉、電磁弁２８を開にして、受液器３内の冷媒ガスを冷媒配管２９、液分離器６を介して圧縮機１の吸入口に導く。なお、ダンプトラップ式においては逆止弁２５の代わりに電磁弁を用い、バルブの開閉によりダンプトラップ式を行っても良い。

このように冷熱生成システムの運転において、凝縮液冷媒の液戻しの方法としてダンプトラップ式とポンプ式を併用することにより、それぞれ単独で用いられていた従来式に比べて機器配置上の制約やポンプ動力が緩和され、冷凍機のコンパクト化や成績係数（ＣＯＰ）の向上が可能となる。

図２は、請求項２に関する本発明の別の実施形態例を示す構成図である。
図２に示すエジェクタを用いた冷熱生成システムは、冷凍回路に、一次蒸気（駆動蒸気）を発生する蒸気発生器３１、冷熱を生成し二次蒸気（被駆動蒸気）を発生する蒸発器３２、この一次蒸気により二次蒸気を吸引圧縮し、両流体を混合して噴出するエジェクタ３３、混合蒸気を凝縮させ凝縮液冷媒を発生する凝縮器３４、および蒸発器３２での冷媒の蒸発温度を調節する膨張弁３５を含み、さらに、凝縮器３４で発生した凝縮液冷媒をダンプトラップ式とポンプ式の併用により高圧側容器である蒸気発生器３１に移送する液戻し装置１６を有する。

この液戻し装置１６は、凝縮器３４と蒸気発生器３１を接続する液戻し配管４１に、電磁弁４２、レベル計４４を備え凝縮液冷媒を蓄える受液器４３、ポンプ１２、電磁弁４５を設け、さらに、蒸気発生器３１と凝縮器３４を接続する冷媒ガス配管４６に受液器４３を分岐配管４７で接続し、冷媒ガス配管４６の分岐配管接続部の上下に電磁弁４８、４９を設けてなるものである。

上記のように構成されたエジェクタ３３を用いた冷熱生成システムの運転について説明する。冷媒は蒸気発生器３１で温水などにより加熱され一次蒸気（駆動蒸気）となる。なお、この蒸気発生器３１はシェル＆チューブ式熱交換器でもプレート式熱交換器でも機能するが、プレート式熱交換器を用いる場合は冷媒容器を用いて所謂ボイラーのように構成してもよい。蒸気発生器３１の圧力は凝縮器３４の圧力より高く、一次蒸気はエジェクタ３３に導かれる。エジェクタ３３では蒸発器３２で蒸発した冷媒ガス（二次蒸気）を一次蒸気のノズルからの噴射によって吸引し混合する。なお、この蒸発器３２はシェル＆チューブ式熱交換器でもプレート式熱交換器でも機能するが、冷熱生成システムのコンパクト化の点ではプレート式熱交換器が望ましい。エジェクタ３３では混合ガスが昇圧され凝縮器３４の冷却水によって凝縮液冷媒となり、凝縮液冷媒の一部は受液器４３にダンプトラップ式により貯まる。凝縮液冷媒の残部は膨張弁３５で冷熱生成に必要な状態まで減圧され、再び蒸発器３２にて蒸発するとともに、冷熱を生成する。

この冷熱生成システムの液戻し方法について説明する。
まず、電磁弁は液戻しを行う前は、電磁弁４５、４９が閉、電磁弁４２、４８が開の状態になっている。凝縮器３４で凝縮した凝縮液冷媒の一部は膨張弁３５から蒸発器３２へ導かれるが、残りは受液器４３にダンプトラップ式により蓄えられる。受液器４３内の冷媒液がレベル計４４により設定された液レベルに達すると、ダンプトラップ式とポンプ式の併用によって、受液器４３の冷媒液が蒸気発生器３１に移送される。具体的には、電磁弁４２、４８を閉、電磁弁４９を開にして、蒸気発生器３１内にある高温高圧の一次蒸気の一部を冷媒ガス配管４６、分岐配管４７を経て受液器４３に導き、受液器４３内の冷媒液をポンプ１２で蒸気発生器３１に移送できる圧力まで加圧する。この制御にはタイマーあるいは圧力計などを使用して判定すればよい。続いて電磁弁４５を開け、ポンプ３７を運転して冷媒液を移送する。冷媒液を移送したあと加圧された受液器４３を減圧するには電磁弁４５、４９を閉、電磁弁４２、４８を開にして、受液器４３内の冷媒ガスを凝縮器３４に導く。なお、ダンプトラップ式においては電磁弁４２、４５の代わりに逆止弁を用いても良い。

このようにエジェクタを用いた冷熱生成システムの運転において、ダンプトラップ式とポンプ式を併用することにより、それぞれ単独で用いられていた従来式に比べて機器配置上の制約やポンプ動力が緩和され、冷凍機のコンパクト化や成績係数（ＣＯＰ）の向上が可能となる。

図３は、請求項３に関する本発明のさらに別の実施形態例を示す構成図である。
図３に示すエジェクタを用いた冷熱生成システムは、冷凍回路に、一次蒸気（駆動蒸気）を発生する蒸気発生器３１、冷熱を生成し二次蒸気（被駆動蒸気）を発生する蒸発器３２、この一次蒸気により二次蒸気を吸引圧縮し、両流体を混合して噴射するエジェクタ３３、混合蒸気を凝縮させ凝縮液冷媒を発生する凝縮器３４、および蒸発器３２での冷媒の蒸発温度を調節する膨張弁３５を含み、さらに、凝縮器３４で発生した凝縮液冷媒をダンプトラップ式とポンプ式の併用により高圧側容器である蒸気発生器３１に移送する液戻し装置１８を有する。
ここで、本実施形態は、凝縮器３４にプレート式熱交換器のような冷媒の保有量が小さい熱交換器を用いた場合の液戻し装置１８を示すものであり、この液戻し装置１８は、第１の受液器４３ａと第２の受液器４３ｂを有する。すなわち、第１の受液器４３ａが、例えばプレート式熱交換器を用いた凝縮器３４と膨張弁３５を接続する冷媒配管７に設けられる。そして、この第１の受液器４３ａに、図２に示した受液器４３（ここでは第２の受液器４３ｂ）を設けた液戻し配管４１と蒸気発生器３１からの冷媒ガス配管４６とをそれぞれ接続する構成となっている。以下に、この液戻し装置１８による液戻し方法について説明する。

まず、電磁弁は液戻しを行う前は、電磁弁４５、４９が閉、電磁弁４２、４８が開の状態になっている。凝縮器３４で凝縮した凝縮液冷媒はまず第１の受液器４３ａに蓄えられ、一部は膨張弁３５から蒸発器３２へ冷媒が凝縮器３４と蒸発器３２の圧力差によって導かれる。この流量は冷熱負荷に応じて膨張弁３５で制御されることが多い。凝縮液冷媒は、図示のように、第１の受液器４３ａと第２の受液器４３ｂをある高さレベルで配管接続することで、このレベルよりも高い位置にある凝縮液冷媒は第２の受液器４３ｂへ重力の作用により流れる。第２の受液器４３ｂのレベル計４４でその受液器４３ｂ内の凝縮液冷媒の液レベルを計測し、ある液レベルに達すると液戻し運転を実施する。

液戻しを行う場合は、まず電磁弁４２、４８が閉となり、第１の受液器４３ａと第２の受液器４３ｂの配管接続（連通状態）を遮断する。次に電磁弁４９が開き、蒸気発生器３１の一次蒸気を第２の受液器４３ｂに導き、受液器４３ｂを加圧する。加圧の程度は受液器４３ｂから凝縮液冷媒が重力もしくは凝縮ポンプ３７で凝縮液冷媒が蒸気発生器３１に戻すことができる程度でよい。次いで電磁弁４５を開き、第２の受液器４３ｂから凝縮液冷媒が重力および／または凝縮ポンプ３７により蒸気発生器３１に戻る。第２の受液器４３ｂのレベル計４４により、ある液レベル以下に達すると液戻しは終了させる。このときは電磁弁４５、４９を閉にする。なお液戻しを行っている間、第１の受液器４３ａは凝縮器３４からの凝縮液冷媒を第２の受液器４３ｂの圧力とは無関係に定圧で蓄え、蒸発器３２へ冷媒を供給している。
液戻しが完了した時点では第２の受液器４３ｂは加圧された状態であるが、電磁弁４２、４８を開にすることで、第２の受液器４３ｂより低圧の第１の受液器４３ａを介して凝縮器３４に冷媒が蒸気の形で流れ、凝縮器３４で冷却されて凝縮し、液戻しを行う前の状態と同じになる。この蒸気は直ちに凝縮器３４で冷却されることと、第１の受液器４３ａには凝縮液冷媒を保有していることから、第１の受液器４３ａ内の圧力の変化は小さく短時間であり、冷熱生成温度の不安定化は極めて軽微である。
上記の液戻し運転の起動・停止を繰り返し行い、エジェクタ３３によって冷熱が供給される。

なお、図３に示した２個の受液器は内部に仕切りを設けた１つの受液器でも構わない。このように冷熱生成システムの運転において、ダンプトラップ式とポンプ式を併用することにより、それぞれ単独で用いられていた従来式に比べて機器配置上の制約やポンプ動力が緩和され、冷凍機のコンパクト化や成績係数（ＣＯＰ）の向上が可能となる。さらにプレート式熱交換器は、シェル＆チューブ式熱交換器に比べて伝熱面積が大きい割には容積が小さく、また、プレート枚数を増減することで熱交換能力の変更が可能で汎用性が高いため、本発明のエジェクタを用いた冷熱生成システムはコンパクト化・低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態例を示す構成図。 本発明の別の実施形態例を示す構成図。 本発明のさらに別の実施形態例を示す構成図。 従来の圧縮機を用いた冷熱生成システムにおけるポンプ式液戻しのフローを示す構成図。 従来の圧縮機を用いた冷熱生成システムにおけるダンプトラップ式液戻しのフローを示す構成図。 従来のエジェクタを用いた冷熱生成システムにおけるポンプ式液戻しのフローを示す構成図。 従来のエジェクタを用いた冷熱生成システムにおけるポンプ式液戻しのフローを示す構成図。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 油分離器、３ 凝縮器、４ 膨張弁、５ 蒸発器、６ 液分離器、７ 冷媒配管、１２ ポンプ、１４、１６、１８ 液戻し装置、２１ 液戻し配管、２２、２５ 逆止弁、２３ 受液器、２６、２８ 電磁弁、２７、２９ 冷媒配管、３１ 蒸気発生器、３２ 蒸発器、３３ エジェクタ、３４ 凝縮器、３５ 膨張弁、３７ 凝縮ポンプ、４１ 液戻し配管、４２、４５，４８、４９ 電磁弁、４３ 受液器、４４ レベル計、４６ 冷媒ガス配管、４７ 分岐配管

Claims (4)

1. 冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を高圧側容器に搬送するのにポンプ式とダンプトラップ式を併用したことを特徴とする液戻し装置。
2. エジェクタを用いた冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を高圧の蒸気発生器に搬送するのにポンプ式とダンプトラップ式を併用したことを特徴とする液戻し装置。
3. エジェクタを用いた冷熱生成システムにおいて、凝縮液冷媒を一時的に蓄える複数個の受液器を設けたことを特徴とする液戻し装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の液戻し装置を備えたことを特徴とする冷熱生成システム。
   

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