JP2008095989A - 凝縮器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の向上が可能な凝縮器と、成績係数の向上が期待できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】内管７に冷却水を流して内管７と外管８の間を流れる冷媒を冷却する二重管式の凝縮器において、内管７と外管８の間に形成される冷媒通路を、過熱蒸気を冷却する領域Ｃと、飽和蒸気を冷却する領域Ｄに区画するバッフル板９を設ける。バッフル板９は、過熱蒸気の冷却領域Ｃ内に内管７を挟んで千鳥状に配置されている。バッフル板９の間隔は冷媒流の下流側ほど狭くなっている。凝縮器１から流出する高温の冷媒液と、蒸発器４から流出する低温の冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器６を設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、過熱蒸気と飽和蒸気を区分して冷却する凝縮器と、この凝縮器を備えた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置では、凝縮器から流出する冷媒液を膨張弁で減圧して蒸発器に送り、減圧した冷媒液を蒸発させて周囲の熱を吸収している。さらに、蒸発器から流出する冷媒蒸気を圧縮機で加圧して凝縮器に送り、加圧した冷媒蒸気を冷却して凝縮させている。小型の装置では、内管に冷却水を流して内管と外管の間を流れる冷媒を冷却する二重管式の凝縮器が使われる傾向がある（特許文献１）。
特開平９−４２８８１号公報（図２）

しかし、この凝縮器内では、過熱蒸気と飽和蒸気が混合し、伝熱機構は温度差の少ない凝縮伝達となるため、冷却効率が悪くなり、多量の冷却水が必要になる。

ところで、凝縮器から流出する高温の冷媒液と、蒸発器から流出する低温の冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器を設けると、冷媒液のエンタルピーが低下する一方、冷媒蒸気のエンタルピーは増加するので、冷凍能力が向上し、成績係数の向上が期待できる。しかし、従来の方式では、冷凍能力の向上した分（冷媒蒸気のエンタルピーの増加分）だけ冷媒の凝縮温度が上昇（冷媒液のエンタルピーが増加）するため、つまり、成績係数の向上が打ち消される方向に作用するため、熱交換器を設けた効果が損なわれてしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、冷却効率の向上が可能な凝縮器と、冷却水量を低減しつつ成績係数の向上が期待できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、内管に冷却水を流して内管と外管の間を流れる冷媒を冷却する二重管式の凝縮器において、内管と外管の間に形成される冷媒通路を、過熱蒸気を冷却する領域と、飽和蒸気を冷却する領域に区画するバッフル板を設けたことを特徴とする。

上記バッフル板は、過熱蒸気の冷却領域内に内管を挟んで千鳥状に配置されているのが好ましい。
上記バッフル板の間隔は冷媒流の下流側ほど狭くなっているのが好ましい。
本発明の他の凝縮器は、一対のプレート式熱交換器を直列接続し、最初の熱交換器で過熱蒸気を冷却し、その次の熱交換器で飽和蒸気を冷却することを特徴とする。

上記課題を解決するための他の発明は、上記凝縮器を備えた冷凍サイクル装置であって、凝縮器から流出する高温の冷媒液と、蒸発器から流出する低温の冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器を設けたことを特徴とする。
上記バッフル板で画成される複数の区画に温度センサをそれぞれ設置し、これら温度センサの検出値に基づいて冷却水の流量を制御するのが好ましい。

本発明の凝縮器によれば、過熱蒸気を冷却する領域と、飽和蒸気を冷却する領域がバッフル板で区画されているので、冷媒の流入口付近で過熱冷媒が飽和冷媒と混合する虞がなくなり、冷却効率が良くなり、冷却水の水量が少なくて済む。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、凝縮器の冷却効率の向上にともなって、熱交換器の設置による冷媒の凝縮温度（エンタルピー）の増加が抑制され、成績係数の向上に役立つ。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の冷凍サイクル装置を示している。
この冷凍サイクル装置では、凝縮器１から流出する冷媒を受液器２で気液分離し、分離した冷媒液を膨張弁３で減圧して蒸発器４に送っている。蒸発器４では、減圧した冷媒液を蒸発させて周囲の熱を吸収し、冷媒蒸気を圧縮機５で加圧して凝縮器１に送り、加圧した冷媒蒸気を冷却して凝縮させている。さらに、凝縮器１から流出する高温の冷媒液と、蒸発器４から流出する低温の冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器６を設けてある。

凝縮器１は内管７と外管８とで二重管を構成したもので、内管７を冷却水通路とし、内管７と外管８の間を冷媒通路とし、冷却水と冷媒の流れる方向を逆にしてある。冷媒通路は過熱蒸気の冷却領域Ｃと飽和蒸気の冷却領域Ｄに区分され、過熱蒸気の冷却領域Ｃは複数のバッフル板９で仕切られている。バッフル板９は内管７を挟んで千鳥状に配置され、その切欠部９ａを介して隣接するセクション同士が連通している。また、バッフル板９の間隔は冷媒流の下流側ほど狭くなっており、最も下流側の３つのセクションには温度センサ１０₁,１０₂,１０₃が設置されている。

内管７を流れる冷却水量の過不足は次のようにして判断している。すなわち、温度センサ１０₁の検出値が温度センサ１０₂ の検出値よりも大きく、かつ、温度センサ１０₂の検出値が温度センサ１０₃ の検出値とほぼ等しい場合、最適な水量であると判断する。つまり、冷媒は温度センサ１０₁のセクションで過熱蒸気であるが、温度センサ１０₂のセクションに達した段階では飽和蒸気になっていることが分かる。また、３つの温度センサ１０₁,１０₂,１０₃の検出値がほぼ等しい場合は、過剰水量であると判断する。つまり、温度センサ１０₁のセクションよりも前で既に飽和蒸気になっていることが分かる。さらに、温度センサ１０₁の検出値＞温度センサ１０₂の検出値＞温度センサ１０₃の検出値である場合には、水量不足であると判断する。つまり、温度センサ１０₃のセクションに達した段階でも過熱蒸気のままであることが分かる。これによって、必要最低限の冷却水の水量で装置の運転が可能になり、ランニングコストを大幅に低減することができる。

この凝縮器１では、圧縮機５から吐出される過熱冷媒が流入口から内部に入り、バッフル板９で区画されたセクションを蛇行しながら流れる。その際、冷媒蒸気は内管７内を流れる冷却水との熱交換により冷却されて、比容積が減少するが、バッフル板９の間隔は下流側ほど狭くなっているので、流速の減少が抑制され、十分な熱伝達率の維持が可能である。そして、過熱蒸気が冷却領域Ｃを通過して飽和蒸気の冷却領域Ｄに達すると、冷媒は冷却されて飽和蒸気になり、領域Ｄの通過時に徐々に凝縮が進行し、完全に凝縮した状態で流出口から排出される。

ところで、冷媒通路は過熱蒸気の冷却領域Ｃと飽和蒸気の冷却領域Ｄに区分されているので、過熱蒸気が冷却途中で飽和蒸気と混合することはない。このため、入口側の高温過熱蒸気と出口側の高温冷却水との熱交換を効率的に行うことができ、冷却水はより高温状態で排出される。つまり、冷却効率が良くなり、これにともなって、冷却水の水量が少なくて済む。加えて、熱交換器６の設置により、膨張弁３に流入する冷媒が過冷却されるとともに、圧縮機５に流入する冷媒が過熱されるので、圧縮機５から流出する冷媒は適度な過熱状態になる。つまり、冷媒の凝縮温度（エンタルピー）の増加が抑制され、成績係数の向上に役立つ。

図４は、この凝縮器１における冷媒と冷却水の温度分布を示している（太線は本発明、細線は従来例）。
すなわち、過熱蒸気は領域Ｃを通過する際に温度が低下し、領域Ｄに達して飽和蒸気になった段階では、冷媒蒸気が完全に凝縮するまで（ａ点に達するまで）一定温度に保たれる。これに対し、従来の凝縮器では、過熱蒸気が冷却途中で飽和蒸気と混合してしまい、冷媒蒸気が完全に凝縮するまで（ｂ点に達するまで）一定温度に保たれる。つまり、本発明の凝縮器１は、冷却水の温度変化の傾きが従来のものに較べて大きくなっているので、冷却効率が高く、冷却水の水量が少なくて済むのである。

なお、この凝縮器１は内管７と外管８の間の冷媒通路をバッフル板９で仕切っただけの簡単な構造であるので、製作コストの上昇は少なくて済む。

図５は、他の凝縮器２０用いた実施形態を示している。
すなわち、この凝縮器２０は、一対のプレート式熱交換器２１,２２を直列接続し、最初の熱交換器２１で過熱蒸気を冷却し、その次の熱交換器２２で飽和蒸気を冷却するように構成してある。最初の熱交換器２１の容量を次の熱交換器２２のそれよりも小さくすることで（例えば、３：７の割合）、このような役割分担を可能にしてある。プレート式熱交換器２１,２２は、平行配置されたプレートで内部を仕切り、隣接するセクションに冷媒と冷却水を逆方向に流す構造になっているが、既に周知なものであるので、詳細な説明は省略する。なお、同図において、冷却水の経路は点線表示してある。その他の構成は図１と同様であるので、同一符号を付し説明を省略する。

この凝縮器２０では、２つの熱交換器２１,２２を接続する冷媒通路が絞り効果を発揮するため、過熱蒸気が最初のプレート式熱交換器２１の内部で冷却されて完全に飽和蒸気になり、過熱蒸気と飽和蒸気の混合防止に役立ち、図１の凝縮器１と同等の冷却効率を得ることができる。なお、プレート式熱交換器２１,２２は、図１の二重管式の凝縮器１に較べると、コスト的にやや割高であるが、セルアンドチューブ式の凝縮器に較べて構造が簡単で、コスト的に有利である。

ところで、熱交換器２１,２２を接続する冷媒通路と冷却水通路の一部を合体させて二重管２３にしてもよい。このようにすると、冷却効率がさらに向上し、プレート式熱交換器２１,２２の容量が小さくて済む。

本発明の冷凍サイクル装置を示す図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図１のＢ−Ｂ線断面図。 凝縮器内の冷媒と冷却水の温度分布を示す図。 図１の変形例を示す図。

符号の説明

１ 凝縮器
２ 受液器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ 圧縮機
６ 熱交換器
７ 内管
８ 外管
９ バッフル板
９ａ 切欠部
１０ 温度センサ

Claims (6)

1. 内管に冷却水を流して内管と外管の間を流れる冷媒を冷却する二重管式の凝縮器において、内管と外管の間に形成される冷媒通路を、過熱蒸気を冷却する領域と、飽和蒸気を冷却する領域に区画するバッフル板を設けたことを特徴とする凝縮器。
2. 上記バッフル板は、過熱蒸気の冷却領域内に内管を挟んで千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の凝縮器。
3. 上記バッフル板の間隔は冷媒流の下流側ほど狭くなっていることを特徴とする請求項２に記載の凝縮器。
4. 一対のプレート式熱交換器を直列接続し、最初の熱交換器で過熱蒸気を冷却し、その次の熱交換器で飽和蒸気を冷却することを特徴とする凝縮器。
5. 請求項１ないし請求項５に記載の凝縮器を備えた冷凍サイクル装置であって、凝縮器から流出する高温の冷媒液と、蒸発器から流出する低温の冷媒蒸気との間で熱交換を行う熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 請求項２または請求項３に記載の凝縮器を備えた冷凍サイクル装置であって、バッフル板で画成される複数の区画に温度センサをそれぞれ設置し、これら温度センサの検出値に基づいて冷却水の流量を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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