JP2009150594A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸発器に供給する冷媒を予冷し、その乾き度をほぼ零にして液単相で供給することにより、蒸発器での交換熱量を大きくして冷却性能の向上ないしは蒸発器の小型化を図ることができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 冷媒を圧縮する圧縮機２と、高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器３と、凝縮した液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により液冷媒を冷却するとともに、蒸発した中間圧冷媒を圧縮機の中間吸込み口に注入する回路を備えたエコノマイザ４と、液冷媒を断熱膨張する膨張弁５と、断熱膨張した冷媒を蒸発する蒸発器７とを順次接続して冷凍サイクル８を構成した冷凍装置１において、エコノマイザ４と蒸発器７との間に、蒸発器７に供給する冷媒を予冷する冷媒予冷器１５を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷凍装置に関し、特に、蒸発器にプレート式熱交換器が用いられるターボ冷凍装置に適用して好適な冷凍装置に関するものである。

ターボ冷凍装置は、従来から大容量の熱源装置として用いられてきており、その凝縮器や蒸発器には、大きな熱量の交換に適したシェルアンドチューブ式の熱交換器が使用されてきた。ところが、昨今では、製造技術の飛躍的な進歩に伴い、１００冷凍トン未満の比較的小容量のターボ冷凍装置が製造可能となってきている。こうした小容量のターボ冷凍装置では、シェルアンドチューブ式熱交換器以外に、プレート式熱交換器が用いられるようになっている。一方、ターボ冷凍装置は、高効率な性能特性を持っているため、使用されるプレート式熱交換器についても、大型でかつ高性能な仕様が求められる。

プレート式熱交換器は、一般に複数枚のプレートを平行に積層し、その間に複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列した構成とされるため、蒸発器に用いた場合に、蒸発器入口において気液二相状態の冷媒を複数の冷媒流路に対して如何に均等に分配するかが大きな課題となる。つまり、気液二相冷媒の場合は、気相冷媒のボリュームが大きく、各流路の圧力損失の差による偏流によって複数の冷媒流路に対する液相冷媒の分配に偏りが発生し、液相冷媒の分布が不均一となり、伝熱面積が有効に活用されずに熱交換性能（冷却性能）が低下してしまう、という問題がある。

そこで、プレート式熱交換器の冷媒入口にノズルとオリフィスとを設け、圧力損失の差を緩和して複数の冷媒流路に対して万遍なく冷媒を分配し、熱交換器の伝熱面全体を有効に使用して冷却能力を向上するようにしたものが、特許文献１により提案されている。また、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増加するに当たり、上記オリフィスでの圧力損失による効率の低下を防止するため、最上段側のプレート式熱交換器のみにオリフィス機構である貫通孔を設けるとともに、複数のプレート式熱交換器を連結する配管中に気液分離器を設け、この気液分離器で分離したガス冷媒を最後段のプレート式熱交換器の下流側に戻すようにしたものが、特許文献１により提案されている。

特開２００１−１６５５９０号公報 特開２００５−３３７６８８号公報

しかしながら、上記特許文献１および２に記載されたものは、いずれも気液二相状態の冷媒を複数の冷媒流路に均等に分配するため、プレート式熱交換器の冷媒入口にオリフィス機構を有する冷媒分配手段を設けていることに変わりはない。従って、オリフィス機構での圧力損失による効率の低下は避けられないととともに、プレート式熱交換器の構成が複雑でかつ高価になるという問題を有している。

冷凍サイクル上、蒸発器入口における冷媒は、通常気液二相状態であってその乾き度は０．１程度と比較的小さい。しかし、気相冷媒の占めるボリュームは圧倒的に大きく、それが上記の如く複数の冷媒流路に対する液相冷媒の均等な分配を困難にし、上記問題を生じる根本原因となっている。従って、プレート式熱交換器を用いた場合に限らず、蒸発器の熱交換効率を改善しその小型化、高性能化を図るには、蒸発器入口における冷媒の状態を如何に液単相に近づけるかが課題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、蒸発器に供給する冷媒を予冷し、その乾き度をほぼ零にして液単相で供給することにより、蒸発器での交換熱量を大きくして冷却性能の向上ないしは蒸発器の小型化を図ることができる冷凍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に、本発明の冷凍装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却するとともに、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸込み口に注入する回路を備えたエコノマイザと、前記液冷媒を断熱膨張する膨張弁と、断熱膨張した冷媒を蒸発する蒸発器とを順次接続して冷凍サイクルを構成した冷凍装置において、前記エコノマイザと前記蒸発器との間に、前記蒸発器に供給する冷媒を予冷する冷媒予冷器を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、エコノマイザと蒸発器との間に設けた冷媒予冷器により蒸発器に供給する冷媒を予冷し、冷媒の乾き度をほぼ零にして液相状態で蒸発器に供給することができる。これによって、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器で冷却される被冷却媒体との温度差を大きく取ることができる。従って、エコノマイザ効果による冷凍能力およびＣＯＰ（成績係数）の向上と共に、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することが可能となり、冷却性能の向上ないしは蒸発器の小型化を図ることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上記の冷凍装置において、前記冷媒予冷器は、前記液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却するとともに、蒸発した冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒を予冷する冷媒予冷器の冷熱源に冷凍サイクル中を循環する液冷媒の一部を用い、その蒸発潜熱を利用しているため、液冷媒を効率よく予冷することができるとともに、外部から冷熱源を供給する必要がなく、冷媒予冷器を簡素に構成し、その設置を容易化することができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上述のいずれかの冷凍装置において、前記冷媒予冷器は、前記液冷媒と該液冷媒から分流されて減圧された冷媒とを熱交換させて前記液冷媒を予冷し、蒸発した冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた冷媒／冷媒熱交換器により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒予冷器を冷媒と冷媒とを熱交換させ、蒸発した冷媒を蒸発器と圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた冷媒／冷媒熱交換器により構成しているため、特別な構造の冷媒予冷器を用いる必要はなく、既存の冷媒／冷媒熱交換器をそのまま適用することができる。従って、冷媒予冷器を低コストで提供することができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上記の冷凍装置において、前記エコノマイザは、凝縮した液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却する中間冷却器により構成されるとともに、前記冷媒がＲ４１０Ａ等の混合冷媒とされたことを特徴とする。

本発明によれば、エコノマイザを冷媒と冷媒とを熱交換する中間冷却器により構成するとともに、冷媒予冷器を冷媒／冷媒熱交換器により構成されているため、自己膨張により冷媒組成が変化するＲ４１０Ａ等の混合冷媒を用いた冷凍サイクルであっても、エコノマイザおよび冷媒予冷器において冷媒の組成が変化することがない。従って、冷媒の組成変化により能力が不安定化するおそれがなく、規定通りの能力を発揮させることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上述のいずれかの冷凍装置において、前記冷媒予冷器は、前記液冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離し、蒸発分離により前記液相冷媒を予冷した気相冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた気液分離器により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒予冷器を液相冷媒と気相冷媒とに分離し、蒸発分離により液相冷媒を予冷した気相冷媒を蒸発器と圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた気液分離器により構成しているため、特別な構造の冷媒予冷器を用いる必要はなく、既存の気液分離器をそのまま適用することができる。従って、冷媒予冷器を低コストで提供することができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上述のいずれかの冷凍装置において、前記蒸発器は、複数のプレートを平行に積層し、複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列したプレート式熱交換器により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器に複数の冷媒流路を有するプレート式熱交換器を用いた場合でも、冷媒を予冷し乾き度をほぼ零にして液相状態で蒸発器に供給できるため、複数の冷媒流路に対して分配器を用いることなく液冷媒を均等に分配することが可能となる。これにより、各冷媒流路での液冷媒分布を均一化し、有効伝熱面積を増加して熱交換性能（冷却性能）を向上させることができる。従って、冷媒分配器を不要にし、プレート式熱交換器の構成を簡素化することができるとともに、プレート式熱交換器の小型高性能化を図ることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上記の冷凍装置において、前記蒸発器は、前記プレート式熱交換器を複数個直列多段に接続して構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、プレート式熱交換器を複数個直列多段に接続しているため、蒸発器における熱交換量（冷却能力）を増大させることができる。これにより、冷却性能の向上を図ることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上記の冷凍装置において、前記複数個のプレート式熱交換器の入口に、それぞれ前記気液分離器により構成される前記冷媒予冷器を直列多段に配設したことを特徴とする。

本発明によれば、直列多段に接続された複数個のプレート式熱交換器の入口に、それぞれ気液分離器により構成される冷媒予冷器を直列多段に配設しているため、各プレート式熱交換器に対して各冷媒予冷器から液相冷媒のみを供給することが可能となる。これにより、複数個のプレート式熱交換器の各冷媒流路に液冷媒を均等に分配し、熱交換性能（冷却性能）を向上させることができるとともに、プレート式熱交換器を小型コンパクト化することができる。

さらに、本発明にかかる冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒サイクルを切替える切替弁と、熱源側熱交換器と、冷媒を断熱膨張する膨張弁と、利用側熱交換器とを順次接続してヒートポンプサイクルを構成した冷凍装置において、前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器との間に、冷媒流通方向切替弁を介して常に一方向から高圧液冷媒を流通させ、その一部を蒸発させて前記高圧液冷媒を過冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸込み口に注入する回路を備えたエコノマイザを設けるとともに、前記エコノマイザの下流側に蒸発器として機能する前記利用側熱交換器または前記熱源側熱交換器に供給する冷媒を予冷する冷媒予冷器を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、冷暖房切替時において、冷媒流通方向切替弁を介して冷房時には蒸発器として機能する利用側熱交換器に、また暖房時には蒸発器として機能する熱源側熱交換器にそれぞれエコノマイザで過冷却された液冷媒を供給することができるとともに、エコノマイザで蒸発した中間圧冷媒を圧縮機の中間吸込み口に注入することができる。これにより、冷暖房能力の向上とＣＯＰ（成績係数）の向上を図ることができる。同時にエコノマイザの下流側に設けた冷媒予冷器により、冷房時または暖房時に蒸発器として機能する利用側熱交換器または熱源側熱交換器に供給する冷媒を予冷し、冷媒の乾き度をほぼ零にして液相状態で供給することができるため、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器側で熱交換される被熱交換媒体との温度差を大きく取ることができる。従って、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することが可能となり、熱交換性能の向上ないしは熱交換器自体の小型化を図ることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上述のいずれかの冷凍装置において、前記冷媒予冷器は、前記蒸発器入口における冷媒乾き度をほぼ零にすることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒予冷器により蒸発器入口における冷媒乾き度をほぼ零にしているため、蒸発器に対して確実に液単相冷媒のみを供給することができる。これにより、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器で冷却される被冷却媒体との温度差を大きく取ることができる。従って、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することが可能となり、冷却性能の向上ないしは蒸発器の小型化を図ることができる。

さらに、本発明の冷凍装置は、上述のいずれかの冷凍装置において、前記冷凍装置は、前記圧縮機にターボ圧縮機を用いたターボ冷凍装置であることを特徴とする。

本発明によれば、高効率で高性能な特性を持つターボ冷凍装置を、より高性能化するとともに、より小型化することができる。

本発明によると、蒸発器に供給される冷媒を予冷し、冷媒の乾き度をほぼ零にして液相状態で蒸発器に供給することができるので、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器で冷却される被冷却媒体との温度差を大きく取ることができる。このため、エコノマイザ効果を得ることができると共に、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することが可能となり、冷却性能の向上ないしは蒸発器の小型化を図ることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図３を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍装置の冷凍サイクル図が示されている。ターボ冷凍装置１は、２段ターボ圧縮機２と、凝縮器３と、エコノマイザ４と、主膨張弁５と、２台のプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを直列多段に接続して構成した蒸発器７とを順次接続して閉回路を構成した冷凍サイクル８を備えている。

２段ターボ圧縮機２は、インバータモータ９により駆動される多段圧縮機であり、吸入口２Ａおよび吐出口２Ｂの他に、図示省略の第１羽根車と第２羽根車との間に設けられる中間吸込み口２Ｃを備え、吸入口２Ａから吸い込んだ低圧冷媒ガスを第１羽根車および第２羽根車の回転により順次遠心圧縮し、圧縮した高圧冷媒ガスを吐出口２Ｂから吐き出すように構成されている。凝縮器３は、２段ターボ圧縮機２から供給される高圧冷媒ガスと冷却水回路１０を介して循環される冷却水とを熱交換させることにより、冷媒を凝縮液化するものである。

エコノマイザ４は、冷凍サイクル８の主回路中を流れる液冷媒と、主回路から分流されてエコノマイザ用膨張弁１１により減圧された冷媒とを熱交換させ、冷媒の蒸発潜熱により主回路中を流れる液冷媒を過冷却する二重管熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器からなる中間冷却器４Ａにより構成されている。また、中間冷却器４Ａは、液冷媒を過冷却することにより蒸発された冷媒ガスを２段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ｃから中間圧の圧縮冷媒中に注入するためのガス回路１２を備え、これによって、中間冷却器方式のエコノマイザサイクルを構成している。

主膨張弁５は、エコノマイザ４を経て過冷却された冷媒を断熱膨張して蒸発器７に供給するものである。蒸発器７は、複数のプレートを平行に積層し、複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路（冷水流路）とを交互に配列して構成したプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを直列多段に接続して構成されたものであり、冷水回路１３を介して被冷却媒体流路（冷水流路）に循環される冷水と、冷媒とを熱交換させることにより、冷媒を蒸発させ、その蒸発潜熱により冷水を設定温度、例えば７℃に冷却するものである。なお、冷媒の流れと冷水の流れは、向流となるようにすることが望ましい。

上記の構成に加えて、本実施形態においては、さらに、エコノマイザ４の下流側に蒸発器７に供給する冷媒を予冷し、その乾き度をほぼ零とする冷媒予冷器１５が設けられている。この冷媒予冷器１５は、上記したエコノマイザ４用の中間冷却器４Ａとほぼ同一構成の二重管熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器１５Ａから構成されており、冷凍サイクル８の主回路中を流れる液冷媒と、エコノマイザ４の下流側の主回路から分流されて冷媒予冷用膨張弁１６により減圧された冷媒とを熱交換させ、冷媒の蒸発潜熱により主回路中を流れる液冷媒を冷却するようにされたものである。また、冷媒予冷器１５は、液冷媒を冷却することにより蒸発された冷媒ガスを蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻すガス回路１７を備えている。

次ぎに、本実施形態の作用について、図２に示されるＰ−ｈ線図を参照して説明する。
２段ターボ圧縮機２の吸入口２Ａに吸入された低温低圧の冷媒ガスＡは、第１羽根車によりＢ点まで圧縮され、中間吸込み口２Ｃから注入された中間圧の冷媒ガスと混合されてＣ点の状態となった後、第２羽根車に吸い込まれてＤ点まで圧縮される。この状態で２段ターボ圧縮機２から吐き出された冷媒は、凝縮器３で冷却されることにより凝縮液化してＥ点の高圧液冷媒となる。このＥ点の液冷媒は、一部が分流され、エコノマイザ用膨張弁１１によりＦ点まで減圧されて中間冷却器４Ａに流入される。この中間圧冷媒は、中間冷却器４Ａで冷凍サイクル８の主回路中を流れる液冷媒Ｅと熱交換され、液冷媒Ｅから吸熱して蒸発した後、ガス回路１２を介して２段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ｃから圧縮途中の中間圧冷媒ガス中に注入される。

一方、エコノマイザ４用の中間冷却器４Ａにおいて、Ｆ点の冷媒と熱交換された主回路中の液冷媒Ｅは、Ｇ点まで過冷却されて冷媒予冷器１５に至る。中間冷却器４Ａを出た液冷媒の一部は分流され、冷媒予冷用膨張弁１６によりＨ点まで減圧されて冷媒予冷器１５に流入し、主回路中の液冷媒Ｇと熱交換される。このＨ点の冷媒は、冷媒予冷器１５において主回路中の液冷媒Ｇと熱交換されて蒸発して後、ガス回路１７を介して蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻されることにより、Ｉ点を経て蒸発器７の出口冷媒Ａと合流される。

Ｇ点の液冷媒は、冷媒予冷器１５での予冷によってＪ点まで冷却された後、主膨張弁５によりＫ点まで減圧され、蒸発器７の入口に至る。このＫ点の低圧冷媒は、図２に示されるように、乾き度がほぼ零の液単相冷媒である。このように、エコノマイザ４と蒸発器７との間に冷媒予冷器１５を設け、エコノマイザ４により過冷却された冷媒を更に予冷することによって、蒸発器７に乾き度がほぼ零の液単相冷媒を供給することが可能となる。

蒸発器７に供給された液単相状態の冷媒は、先ず前段側のプレート式熱交換器６Ａの複数の冷媒流路に対して均等に分配されて流通され、その間に冷水回路１３を介して被冷却媒体流路（冷水流路）に循環される冷水と熱交換されて一部の冷媒が蒸発される。前段側のプレート式熱交換器６Ａを流通した冷媒は、続いて後段側のプレート式熱交換器６Ｂに流入され、同様に冷水と熱交換されて残りの冷媒が蒸発される。これによって、冷水回路１３を介して循環される冷水は、設定温度まで冷却され、負荷側へと供給される。プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを流通した冷媒は、その出口においてやや過熱状態の低圧ガス冷媒Ａとなり、ガス回路１７からのガス冷媒と合流された後、再び２段ターボ圧縮機２に吸入され、以下同様の作用を繰り返す。

しかして、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
蒸発器７に対し、冷媒を乾き度ほぼ零の液単相状態として供給することができるため、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器７で冷却される被冷却媒体（冷水）との温度差を大きく取ることができる。従って、エコノマイザ４を設けたことによる冷凍能力の向上およびＣＯＰ（成績係数）の向上効果を得ることができると共に、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することができ、冷却性能の向上ないしは蒸発器７の小型化を図ることができる。

つまり、図３に示されるように、蒸発器７（プレート式熱交換器６Ａ）に供給される冷媒は、通常気液二相であって入口での乾き度は０．１程度、総括熱伝達ＵはＡ１、出口での総括熱伝達ＵはＢ１である。このため、前述の特許文献２のように、前段側プレート式熱交換器６Ａと後段側プレート式熱交換器６Ｂとの間に気液分離器を設け、前段側プレート式熱交換器６Ａ出口で気相冷媒を分離することにより、出口での総括熱伝達ＵをＢ２に改善することができる。蒸発器７での交換熱量Ｑは、伝熱面積をＡ、体積変化温度差をΔＴｍとすると、Ｑ＝Ａ＊Ｕ＊ΔＴｍで表されるので、総括熱伝達Ｕを大きくし、交換熱量Ｑを増大すれば、伝熱面積Ａを小さくして蒸発器７を小型化することができる。本実施形態のように、冷媒予冷器１５を設けて蒸発器７に供給する冷媒を予冷し、蒸発器入口での冷媒乾き度をほぼ零にして総括熱伝達ＵをＡ２と大きくすることにより、特許文献２のものに比べ、より効果的に冷却性能の向上ないしは蒸発器７の小型化を図ることができる。

また、冷媒予冷器１５は、冷凍サイクル８中を循環する液冷媒の一部を冷熱源とし、その蒸発潜熱を利用して液冷媒を予冷するようにしているため、液冷媒を効率よく予冷することができるとともに、外部から冷熱源を供給する必要がなく、冷媒予冷器１５を簡素に構成し、その設置を容易化することができる。
また、冷媒予冷器１５を、冷媒と冷媒とを熱交換させ、蒸発した冷媒を蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻すガス回路１７を備えた二重管熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器１５Ａにより構成しているため、特別な構造の冷媒予冷器１５とする必要はなく、既存の冷媒−冷媒熱交換器をそのまま適用することができる。従って、冷媒予冷器１５を低コストで提供することができる。

また、エコノマイザ４および冷媒予冷器１５を、冷媒と冷媒とを熱交換する二重管熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器により構成しているため、自己膨張により冷媒組成が変化するＲ４１０Ａ等の混合冷媒を用いた冷凍サイクル８であっても、エコノマイザ４および冷媒予冷器１５において冷媒の組成が変化することがなく、冷媒の組成変化による能力の不安定化を解消し、規定どおりの能力を発揮させることができる。

また、冷媒を冷媒予冷器１５により予冷し、乾き度をほぼ零にして液単相状態で蒸発器７に供給することができるため、蒸発器７に複数の冷媒流路を有するプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを用いた場合でも、複数の冷媒流路に対して分配器を用いることなく液冷媒を均等に分配することができる。このため、各冷媒流路での液冷媒分布を均一化し、有効伝熱面積を増加して熱交換性能（冷却性能）を向上させることができるとともに、プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂの構成を簡素化することができる。特に、オリフィス機構を省略して圧力損失を低減できるため、熱交換効率を高めることができる。また、プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを複数個直列多段に接続して蒸発器７を構成ことができるため、蒸発器７における熱交換量を増加させ、冷却性能の向上を図ることができる。

さらに、冷媒予冷器１５で蒸発した過熱状態の冷媒ガスを、ガス回路１７を介して蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻すようにしているため、蒸発器７から若干の冷媒液滴がキャリーオーバーされる事態が発生しても、これを確実に蒸発させることができる。従って、２段ターボ圧縮機２への冷媒液滴のキャリーオーバーを防止することができる。
なお、本実施形態において、冷媒予冷器１５に液冷媒の一部を供給する回路は、図１に破線で示されるように、エコノマイザ４の上流側から中間冷却器４Ａに液冷媒の一部を分流する回路から分岐した回路により構成してもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、冷媒予冷器２５の構成が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態において、冷媒予冷器２５は、蒸発器７（プレート式熱交換器６Ａ）の入口側に設けられた気液分離器２５Ａにより構成される。この気液分離器２５Ａによって分離された気相冷媒は、開閉弁２７を有するガス回路２６を介して蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻されるようになっている。

上記のように、蒸発器７（プレート式熱交換器６Ａ）の入口側に気液分離器２５Ａにより構成される冷媒予冷器２５を設けることによっても、蒸発器７（プレート式熱交換器６Ａ）に対して乾き度がほぼ零の液単相状態を供給することができるため、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、気液分離器２５Ａも、特別の構造を有するものではなく、冷凍装置において広範に使われている既存の気液分離器をそのまま適用することができるため、冷媒予冷器２５を低コストで提供することができる。
なお、本実施形態では、蒸発器７としてプレート式熱交換器６Ａを１台設けた例を示したが、第１実施形態と同様、複数台直列多段に接続してもよいことはもちろんである。

［第３実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、冷媒予冷器３５,３６の構成が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態は、複数台直列多段に接続されたプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂにより構成される蒸発器７に対して、各プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂの入口にそれぞれ気液分離器３５Ａ，３６Ａにより構成される冷媒予冷器３５,３６を直列多段に配設した構成としている。また、各気液分離器３５Ａ，３６Ａにより分離された気相冷媒は、開閉弁３８，４０を有するガス回路３７，３９を介して蒸発器７と２段ターボ圧縮機２との間の冷媒吸入回路に戻されるようになっている。

上記のように、蒸発器７を直列多段に接続した複数個のプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂにより構成した場合、各プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂの入口に、気液分離器３５Ａ，３６Ａにより構成される冷媒予冷器３５，３６を直列多段に配設することにより、各プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂに対して各冷媒予冷器３５，３６から乾き度がほぼ零の液単相冷媒のみを供給することができる。従って、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、複数個のプレート式熱交換器６Ａ，６Ｂの各冷媒流路に液冷媒を均等に分配することができるため、熱交換性能（冷却性能）を向上させることができるとともに、プレート式熱交換器６Ａ，６Ｂを小型コンパクト化することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、冷媒サイクルを切替える四方切替弁２０Ａと冷媒流通方向を切替える四方切替弁２０Ｂとを設けてヒートポンプサイクルを構成し、冷暖房可能なターボ冷凍装置１としている点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態のターボ冷凍装置１は、２段ターボ圧縮機２の吐出管と吸入管との間に冷媒サイクルを可逆転できる四方切替弁２０Ａを設けて、冷房サイクルと暖房サイクルとに切替えできるヒートポンプサイクル８Ａを構成するとともに、水冷式の凝縮器３に代えて空気１０Ａを熱源として利用できるフィンアンドチューブタイプの冷媒分配器２１付き空気熱交換器３Ａを設けた構成としている。

また、熱源側空気熱交換器３Ａと、利用側熱交換器７Ａとなる直列多段に接続されたプレート式熱交換器６Ａおよび６Ｂとの間に冷媒流通方向を切替えできる四方切替弁２０Ｂを設け、エコノマイザ４および冷媒予冷器１５に対して、冷房時または暖房時ともに、常に一方向から高圧液冷媒を流通させ、エコノマイザ効果および冷媒予冷効果が得られるような構成としている。

上記の構成によると、四方切替弁２０Ａ，２０Ｂを実線矢印の方向に切替え、熱源側空気熱交換器３Ａを凝縮器、利用側熱交換器７Ａを蒸発器として機能させることにより、利用側熱交換器７Ａから冷水を取り出し、冷房を行うことができる。また、四方切替弁２０Ａ，２０Ｂを破線矢印の方向に切替え、利用側熱交換器７Ａを凝縮器、熱源側空気熱交換器３Ａを蒸発器として機能させることにより、利用側熱交換器７Ａから温水を取り出し、暖房を行うことができる。そして、この間、エコノマイザ４および冷媒予冷器１５に対して、それぞれ一方向から冷媒を流通させることにより、冷房時および暖房時ともに上記の各実施形態と同様、エコノマイザ効果および冷媒予冷効果を得ることができる。

従って、本実施形態によれば、冷暖房時の何れの場合でも蒸発器として機能する熱交換器（冷房時は利用側熱交換器７Ａ、暖房時は熱源側空気熱交換器３Ａ）にエコノマイザ４で過冷却された液冷媒を供給することができるとともに、エコノマイザ４で蒸発した中間圧冷媒を２段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ｃに注入することができる。これにより、冷暖房能力の向上とＣＯＰ（成績係数）の向上を図ることができる。
同時にエコノマイザ４の下流側に設けた冷媒予冷器１５により、冷房時または暖房時に各々蒸発器として機能する利用側熱交換器７Ａまたは熱源側空気熱交換器３Ａに供給する冷媒を予冷し、冷媒の乾き度をほぼ零にして液単相状態で供給することができるため、同一圧力では、冷媒の液温度を低くし、蒸発器側で熱交換される被熱交換媒体との温度差を大きく取ることができる。従って、熱伝達率が同一であっても大きな熱量を交換することが可能となり、熱交換性能の向上ないしは熱交換器自体の小型化を図ることができる。

なお、本実施形態において、冷媒サイクルおよび冷媒流通方向を切替えるための切替弁２０Ａ，２０Ｂは、かならずしも四方切替弁である必要はなく、例えば電磁開閉弁を４個組み合わせたブリッジ回路等によって代替することが可能である。また、冷媒予冷器１５についても、図４および図５に示す第２および第３実施形態と同様、気液分離器２５Ａおよび３５Ａ，３６Ａを用いた構成とすることもできる。

さらに、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、３段以上の多段ターボ圧縮機を用いて構成した多段エコノマイザ方式のターボ冷凍装置にも同様に適用できることはもちろんである。また、エコノマイザサイクルとして、中間冷却器方式のエコノマイザサイクルを例に説明したが、気液分離器を用いた気液分離器方式のエコノマイザサイクルにも同様に適用可能である。また、蒸発器については、プレート式熱交換器に限定されるものではなく、シェルアンドチューブ式熱交換器、フィンアンドチューブ式熱交換器等、他の形式の蒸発器を用いてもよいことはもちろんである。

本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍装置の冷凍サイクル図である。 図１に示すターボ冷凍装置のＰ−ｈ線図である。 図１に示すターボ冷凍装置の冷媒乾き度と総括熱伝達Ｕの関係を表す線図である。 本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍装置の冷凍サイクル図である。 本発明の第３実施形態にかかるターボ冷凍装置の冷凍サイクル図である。 本発明の第４実施形態にかかるターボ冷凍装置の冷凍サイクル図である。

符号の説明

１ ターボ冷凍装置
２ ２段ターボ圧縮機
３ 凝縮器
３Ａ 熱源側空気熱交換器
４ エコノマイザ
４Ａ 中間熱交換器
５ 主膨張弁
６Ａ，６Ｂ プレート式熱交換器
７ 蒸発器
７Ａ 利用側熱交換器
８，８Ａ 冷凍サイクル
１５，２５，３５，３６ 冷媒予冷器
１５Ａ 冷媒−冷媒熱交換器
１６ 冷媒予冷用膨張弁
１７，２６，３７，３９ ガス回路
２０Ａ，２０Ｂ 四方切替弁
２５Ａ，３５Ａ，３６Ａ 気液分離器

Claims (11)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮した液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却するとともに、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸込み口に注入する回路を備えたエコノマイザと、前記液冷媒を断熱膨張する膨張弁と、断熱膨張した冷媒を蒸発する蒸発器とを順次接続して冷凍サイクルを構成した冷凍装置において、
   前記エコノマイザと前記蒸発器との間に、前記蒸発器に供給する冷媒を予冷する冷媒予冷器を設けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記冷媒予冷器は、前記液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却するとともに、蒸発した冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記冷媒予冷器は、前記液冷媒と該液冷媒から分流されて減圧された冷媒とを熱交換させて前記液冷媒を予冷し、蒸発した冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた冷媒／冷媒熱交換器により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記エコノマイザは、凝縮した液冷媒の一部を蒸発させ、その蒸発潜熱により前記液冷媒を冷却する中間冷却器により構成されるとともに、前記冷媒がＲ４１０Ａ等の混合冷媒とされたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒予冷器は、前記液冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離し、蒸発分離により前記液相冷媒を予冷した気相冷媒を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒吸入回路に戻す回路を備えた気液分離器により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
6. 前記蒸発器は、複数のプレートを平行に積層し、複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列したプレート式熱交換器により構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の冷凍装置。
7. 前記蒸発器は、前記プレート式熱交換器を複数個直列多段に接続して構成されていることを特徴とする請求項６に記載の冷凍装置。
8. 前記複数個のプレート式熱交換器の入口に、それぞれ前記気液分離器により構成される前記冷媒予冷器を直列多段に配設したことを特徴とする請求項７に記載の冷凍装置。
9. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒サイクルを切替える切替弁と、熱源側熱交換器と、冷媒を断熱膨張する膨張弁と、利用側熱交換器とを順次接続してヒートポンプサイクルを構成した冷凍装置において、
   前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器との間に、冷媒流通方向切替弁を介して常に一方向から高圧液冷媒を流通させ、その一部を蒸発させて前記高圧液冷媒を過冷却し、蒸発した中間圧冷媒を前記圧縮機の中間吸込み口に注入する回路を備えたエコノマイザを設けるとともに、前記エコノマイザの下流側に蒸発器として機能する前記利用側熱交換器または前記熱源側熱交換器に供給する冷媒を予冷する冷媒予冷器を設けたことを特徴とする冷凍装置。
10. 前記冷媒予冷器は、前記蒸発器入口における冷媒乾き度をほぼ零にすることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の冷凍装置。
11. 前記冷凍装置は、前記圧縮機にターボ圧縮機を用いたターボ冷凍装置であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の冷凍装置。
    

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