JP2016031174A

JP2016031174A - 冷凍機

Info

Publication number: JP2016031174A
Application number: JP2014153009A
Authority: JP
Inventors: 内村　知行; Tomoyuki Uchimura; 知行内村
Original assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems Co Ltd
Current assignee: Ebara Refrigeration Equipment and Systems Co Ltd
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-03-07
Also published as: CN105318592A

Abstract

【課題】二重冷凍サイクルの冷凍機又は二段吸収式の冷凍機において３パスの冷凍機を製作することを可能とし、省エネルギー性能に優れながら圧力損失を低減した冷凍機を提供する。
【解決手段】低圧蒸発器ＥＬと高圧蒸発器ＥＨとを備える冷凍機であって、高圧蒸発器ＥＨを通った被冷却熱媒体を分岐し、一方は高圧蒸発器ＥＨに通水した後に低圧蒸発器ＥＬに通水し、他方は直ちに低圧蒸発器ＥＬに通水する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍機に係り、特に省エネルギー性能に優れながら圧力損失を低減した冷凍機に関する。

二重冷凍サイクルの冷凍機は、蒸発器と凝縮器の両方、あるいは一方を高圧と低圧の２つ設け、それぞれ冷水や冷却水を直列に接続することで温度差を縮小して省エネルギー化を図った冷凍機である。
二段吸収式の冷凍機は、吸収器と蒸発器をそれぞれ高圧と低圧の二つに分け、やはり温度差を縮小することで省エネルギー化を図った冷凍機である。これら二重冷凍サイクルの冷凍機と二段吸収式の冷凍機は呼称はやや異なるが、基本的に同じ原理を用いて省エネルギー化を図った冷凍機である。

これらは省エネルギー性能に優れるが、その構造上、いくつかの制約がある。そのひとつが、２つの冷凍サイクルを順に通過するため、パス数が偶数パスしか取れないということである。
すなわち、冷凍機の熱媒体の出入温度差が拡大し、搬送熱量あたりの流量が低下して伝熱管内の流速が低下すると、一般に冷凍機の熱交換器はパス数（折り返し数）を増やし、伝熱面積をあまり変えずに伝熱管内の流速を上げる。これは、伝熱管内の流速が低下すると内部に汚れ等が付着しやすくなったり、熱媒体の流れに偏りが生じたり、伝熱が悪化したりするためで、一般に１〜５ｍ／秒程度の流速となるように設計する。その結果、冷凍機のパス数としては２〜３パスが一般的である。

図１（ａ）,（ｂ）は、冷凍機で用いる一般的な熱交換器を示す模式図であり、図１（ａ）は２パスの熱交換器１を示し、図１（ｂ）は３パスの熱交換器１を示す。図１（ａ）,（ｂ）に示すように、熱交換器１のパス数としては２〜３パスが一般的である。

しかしながら、二重冷凍サイクルには高圧、低圧の２つのサイクルがあり、２つのサイクルにおける蒸発器や凝縮器などの熱交換器は水量や伝熱面積といった要件はほぼ同じであるため、一方を１パス、他方を２パスとしたりするのは困難である。したがって、両サイクルとも１パスもしくは２パスとする必要があり、冷凍機全体としてみると２パスや４パス、すなわち偶数パスしか取れない。

図２（ａ），（ｂ）は、二重冷凍サイクルにおける一般的な熱交換器を示す模式図であり、図２（ａ）は２パスの熱交換器１を示し、図２（ｂ）は４パスの熱交換器１を示す。図２（ａ）,（ｂ）に示すように、二重冷凍サイクルにおける熱交換器では偶数パスしか取れない。

特開２０１１−６９５５６号公報

上述のように偶数パスとすることは、設計上は大きな課題である。なぜなら、パス数を２倍とすると流速は２倍、通過する長さも２倍となり、その結果圧力損失は８倍となり、大きく変わりすぎる。このため、単一冷凍サイクルの冷凍機であれば３パスとすることで難なく対応できるにもかかわらず、二重冷凍サイクルでは４パスか２パスの選択肢しかないために対応困難となるケースが多々ある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、二重冷凍サイクルの冷凍機又は二段吸収式の冷凍機において３パスの冷凍機を製作することを可能とし、省エネルギー性能に優れながら圧力損失を低減した冷凍機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、低圧蒸発器と高圧蒸発器とを備える冷凍機であって、高圧蒸発器を通った被冷却熱媒体を分岐し、一方は高圧蒸発器に通水した後に低圧蒸発器に通水し、他方は直ちに低圧蒸発器に通水することを特徴とする冷凍機である。

本発明の第２の態様は、低圧蒸発器と高圧蒸発器とを備える冷凍機であって、高圧蒸発器を通った被冷却熱媒体を分岐し、一方は高圧蒸発器に通水し、他方は低圧蒸発器に通水し、その後に合流させて低圧蒸発器に通水することを特徴とする冷凍機である。
本発明の第３の態様は、低圧凝縮器と高圧凝縮器とを備える冷凍機であって、低圧凝縮器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧凝縮器に通水した後に高圧凝縮器に通水し、他方は直ちに高圧凝縮器に通水することを特徴とする冷凍機である。

本発明の第４の態様は、低圧凝縮器と高圧凝縮器とを備える冷凍機であって、低圧凝縮器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧凝縮器に通水し、他方は高圧凝縮器に通水し、その後に合流させて高圧凝縮器に通水することを特徴とする冷凍機である。
本発明の第５の態様は、低圧再生器と高圧再生器とを備える吸収式の冷凍機であって、高圧再生器を通った加熱熱媒体を分岐し、一方は高圧再生器に通水した後に低圧再生器に通水し、他方は直ちに低圧再生器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機である。

本発明の第６の態様は、低圧再生器と高圧再生器と備える吸収式の冷凍機であって、高圧再生器を通った加熱熱媒体を分岐し、一方は高圧再生器に通水し、他方は低圧再生器に通水し、その後に合流させて低圧再生器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機である。
本発明の第７の態様は、低圧吸収器と高圧吸収器とを備える吸収式の冷凍機であって、低圧吸収器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧吸収器に通水した後に高圧吸収器に通水し、他方は直ちに高圧吸収器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機である。
本発明の第８の態様は、低圧吸収器と高圧吸収器とを備える吸収式の冷凍機であって、低圧吸収器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧吸収器に通水し、他方は高圧吸収器に通水し、その後に合流させて高圧吸収器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機である。

本発明によれば、二重冷凍サイクルの冷凍機又は二段吸収式の冷凍機でありながら、実質的に３パスの冷凍機を製作することができることとなり、省エネルギー性能に優れながら圧力損失を低減することができる。

図１は、冷凍機で用いる一般的な熱交換器を示す模式図である。図２は、二重冷凍サイクルにおける一般的な熱交換器を示す模式図である。図３は、本発明に係る冷凍機の一実施形態を示す模式図である。図４は、本発明に係る冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。図５は、図４に示す蒸発器の温度関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る冷凍機の実施形態を図３乃至図５を参照して説明する。図３乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図３（ａ）,（ｂ）は、本発明に係る冷凍機の一実施形態を示す模式図である。本実施形態は冷凍機の蒸発器に本発明を適用した場合のものである。
図３（ａ）に示す例においては、低圧蒸発器ＥＬと高圧蒸発器ＥＨとを備える冷凍機であって、高圧蒸発器ＥＨを通過した冷水（ブラインを含む）を分岐し、一方を高圧蒸発器ＥＨを通した後に低圧蒸発器ＥＬに流し、他方を直ちに低圧蒸発器に流した後、最後に合流させるように構成している。
図３（ｂ）に示す例においては、低圧蒸発器ＥＬと高圧蒸発器ＥＨとを備える冷凍機であって、高圧蒸発器ＥＨを通過した冷水（ブラインを含む）を分岐し、一方を高圧蒸発器ＥＨを通し、他方は低圧蒸発器ＥＬに流し、これらを合流させた後に低圧蒸発器に流すように構成している。
図３（ａ）,（ｂ）に示すように構成すると、冷水は半量ずつ、一方は高圧蒸発器を１回、低圧蒸発器を２回通過し、他方は高圧蒸発器を２回、低圧蒸発器を１回通過することになる。

図３（ａ）,（ｂ）に示す構成は、同様に凝縮器、吸収器、再生器でも適用できる。加熱と被加熱、蒸発と凝縮などの相違はあるが、技術思想はまったく同一であるため、以降の説明は蒸発器のみを例として行う。

図４は、本発明に係る冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。図４に示す蒸発器は、低圧蒸発器ＥＬと高圧蒸発器ＥＨとが、ひとつの缶胴を仕切ることで製造されており、水室も双方が接している。蒸発器の管群は、等分に６分割されており、そのうち高圧蒸発器ＥＨの下方２管群に冷水が冷水入口から供給され、ここが１パスとなる。第一パスを通過した冷水は、出口で２つに別れ、一方は高圧蒸発器ＥＨの残りひとつの管群（Ｈ２パス）に送られ、他方は低圧蒸発器ＥＬの最下部の管群（Ｌ２パス）に送られる。Ｈ２パスを通過した冷水は、隣り合う低圧蒸発器ＥＬの管群であるＨ３パスに送られ、Ｌ２パスを通過した冷水は残る管群であるＬ３パスに送られる。Ｈ３パスとＬ３パスの出口側水室は連通しており、ここで混合されて冷水出口から機外へと送られる。

図５は、図４に示す蒸発器の温度関係を示すグラフである。
本グラフは、冷水の出入りの温度差を１０℃とし、同一の伝熱係数を仮定して、従来の２パスの冷凍機と本発明の冷凍機における冷水および蒸発温度がどのように変化するかを計算したものである。

従来の二重冷凍サイクルの蒸発器（２パスを例示）は、高圧蒸発器ＥＨと低圧蒸発器ＥＬとを冷水が順に通過し、温度が漸次低下する。ここで、高圧蒸発器ＥＨは低圧蒸発器ＥＬよりも蒸発圧力を高くすることができるので、省エネルギー効果を生じる。
本発明では、第一パスで高圧蒸発器ＥＨで冷却された冷水が、分岐して一方は高圧蒸発器ＥＨのＨ２パスでさらに冷却され、その後に低圧蒸発器ＥＬのＨ３パスでさらに冷却される。他方は低圧蒸発器ＥＬを２回（Ｌ２パスとＬ３パスとを）流れ、段階的に冷却される。その後、混合して目標とする冷水温度となる。
詳細は諸条件により異なるが、このようにするとＨ２パスは蒸発器の蒸発温度との温度差が小さくなるので伝熱量が小さくなるがＨ３パスで取り返し、Ｌ２パスは逆に伝熱量が多くなるがＬ３パスが少なくなることで双方の冷水の冷却量が全体的にバランスし、その差分は蒸発温度の差異として吸収されることとなる。

したがって、この場合でも、高圧蒸発器ＥＨは低圧蒸発器ＥＬよりも蒸発圧力が高くなり、従来例に比べて若干蒸発圧力の差は小さくなるもののわずかであり、十分な省エネルギー効果を生じる。その一方で、水側の流速や伝熱面積は単一冷凍サイクルで３パスとしたときと同等となるので、二重冷凍サイクルの効果をあまり損なわずに単一冷凍サイクルと同等の自由度を実現することができる。
なお、Ｈ３パスとＬ３パスとは別にせず、Ｈ２パスとＬ２パスの出口で冷水を合流させ、第三パスは同一のパス（３パス）としても良い。図示はしないが、この場合でも本発明の効果は発揮される。

以上のようにすると、二重冷凍サイクルの冷凍機でありながら、実質的に３パスの冷凍機を製作できることとなり、省エネルギー性の高い冷凍機をさらに多くの現場で採用することが可能となる。
前述の通り、本発明は、冷凍機の蒸発器だけでなく凝縮器、吸収式冷凍機の吸収器、再生器にも適用が可能である。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１熱交換器
ＥＨ高圧蒸発器
ＥＬ低圧蒸発器

Claims

低圧蒸発器と高圧蒸発器とを備える冷凍機であって、
高圧蒸発器を通った被冷却熱媒体を分岐し、一方は高圧蒸発器に通水した後に低圧蒸発器に通水し、他方は直ちに低圧蒸発器に通水することを特徴とする冷凍機。
低圧蒸発器と高圧蒸発器とを備える冷凍機であって、
高圧蒸発器を通った被冷却熱媒体を分岐し、一方は高圧蒸発器に通水し、他方は低圧蒸発器に通水し、その後に合流させて低圧蒸発器に通水することを特徴とする冷凍機。
低圧凝縮器と高圧凝縮器とを備える冷凍機であって、
低圧凝縮器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧凝縮器に通水した後に高圧凝縮器に通水し、他方は直ちに高圧凝縮器に通水することを特徴とする冷凍機。
低圧凝縮器と高圧凝縮器とを備える冷凍機であって、
低圧凝縮器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧凝縮器に通水し、他方は高圧凝縮器に通水し、その後に合流させて高圧凝縮器に通水することを特徴とする冷凍機。
低圧再生器と高圧再生器とを備える吸収式の冷凍機であって、
高圧再生器を通った加熱熱媒体を分岐し、一方は高圧再生器に通水した後に低圧再生器に通水し、他方は直ちに低圧再生器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機。
低圧再生器と高圧再生器と備える吸収式の冷凍機であって、
高圧再生器を通った加熱熱媒体を分岐し、一方は高圧再生器に通水し、他方は低圧再生器に通水し、その後に合流させて低圧再生器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機。
低圧吸収器と高圧吸収器とを備える吸収式の冷凍機であって、
低圧吸収器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧吸収器に通水した後に高圧吸収器に通水し、他方は直ちに高圧吸収器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機。
低圧吸収器と高圧吸収器とを備える吸収式の冷凍機であって、
低圧吸収器を通った冷却熱媒体を分岐し、一方は低圧吸収器に通水し、他方は高圧吸収器に通水し、その後に合流させて高圧吸収器に通水することを特徴とする吸収式の冷凍機。