JP2016056979A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】シェル内の長手方向両端域に対する冷媒分配機能を高めるとともに、凝縮器内での冷媒圧力損失を低減して凝縮器性能を向上することにより、高性能化されたターボ冷凍機を提供することを目的とする。【解決手段】シェルアンドチューブ型の凝縮器３を備えたターボ冷凍機において、凝縮器３の冷媒入口部１３に、そのシェル１１の長さ方向に沿うヘッダ１４が設けられ、そのヘッダ１４には、少なくとも長さ方向の両端部位に開口部１６が設けられ、該ヘッダ１４を介して圧縮機からの高温高圧冷媒ガスが凝縮器３のシェル１１内の長手方向両端域に対して滑らかにかつ均一に分配可能とされている。【選択図】図２

Description

本発明は、シェルアンドチューブ型の凝縮器を備えているターボ冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機においては、従来から、水冷式の凝縮器が用いられる場合が多く、その凝縮器として、シェル内に多数の伝熱チューブが配設され、そのシェル内に導入される高温高圧の冷媒ガスと伝熱チューブ内を流通する冷却水とを熱交換させ、冷媒ガスを凝縮液化するシェルアンドチューブ型の熱交換器が使用されているケースが多い。

かかる凝縮器では、ターボ圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガスがシェル内に導入されるが、この冷媒ガスは、流速が大きく、また過熱域のガスであることから、凝縮器内において、冷媒ガスが直接伝熱チューブに衝突しないように、あるいは冷媒ガスがシェル内において偏流しないようにするため、特許文献１に示されるように、冷媒入口部に対向するようにバッフル板を設置し、バッフル板に冷媒ガス流を衝突させることにより、伝熱チューブに直に衝突することによる共振や冷媒ガス流の偏流を防いでいた。

特開昭６０−１０３２７７号公報

しかしながら、上記の如く、バッフル板に流速の大きい冷媒ガス流を衝突させて冷媒ガスをシェル内に分配するものでは、バッフル板によって冷媒流れ方向を変える際、シェルの長手方向の速度ベクトルが冷媒侵入方向の速度ベクトルに対し十分大きくならず、シェルの長手方向両端域に十分に冷媒を分配することができないことから、その両端域において冷媒流れの淀み域が発生し、凝縮器性能が低下する等の課題があった。また、衝突による圧力損失が大きく、凝縮器内での冷媒の圧力損失の増大によって性能が低下する等の課題があった。

特に、ターボ冷凍機では、昨今、環境負荷を軽減するため、地球温暖化係数（ＧＷＰ）およびオゾン破壊係数（ＯＤＰ）が共に低い、ＨＣＦＯ（ヒドロクロロフルオロオレフィン）冷媒の１つであるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒等の採用が検討されている。このＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、現在使われているＲ１３４ａ冷媒等の高圧冷媒に比べて、圧力が低く、かつ密度も低いことから、凝縮器に流入する冷媒ガスの体積流量が大きく、また流速も大きくなることが予測される。このため、冷媒をバッフル板に衝突させて分配する方式のものでは、圧力損失が大きくなるとともに、冷媒分配機能の低さにより、冷凍サイクル上での損失が大きくなってしまう等の課題が生じることとなる。

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、シェル内の長手方向両端域に対する冷媒分配機能を高めるとともに、凝縮器内での冷媒圧力損失を低減して凝縮器性能を向上することにより、高性能化されたターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、シェルアンドチューブ型の凝縮器を備えたターボ冷凍機において、前記凝縮器の冷媒入口部に、そのシェルの長さ方向に沿うヘッダが設けられ、前記ヘッダには、少なくとも長さ方向の両端部位に開口部が設けられ、該ヘッダを介して圧縮機からの高温高圧冷媒ガスが前記凝縮器のシェル内の長さ方向両端域に対して滑らかにかつ均一に分配可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、シェルアンドチューブ型凝縮器の冷媒入口部に、シェルの長さ方向に沿うヘッダが設けられるとともに、そのヘッダの少なくとも長さ方向の両端部位に開口部が設けられ、該ヘッダを介して圧縮機からの高温高圧冷媒ガスが凝縮器のシェル内の長さ方向両端域に対して滑らかにかつ均一に分配可能とされているため、圧縮機から凝縮器に導入される高温高圧の冷媒ガスをその冷媒入口部に設けられているヘッダを介して、滑らかにかつその長さ方向両端部位に設けた開口部によりシェル内の長さ方向両端域に対して均一に分配することができる。従って、バッフル板に冷媒を衝突させて分配していたものに比べ、圧力損失を低減して凝縮器性能を向上することができる。また、シェル内の両端域に対して十分に冷媒を供給し、流れの淀み域をなくしてシェル内全域に均一に冷媒を分配することにより、伝熱面全体を有効に活用し、しかも冷媒の均一な分配により伝熱チューブ群に対する冷媒流れを平均化して流動抵抗を小さくすることにより、凝縮器内での圧力損失を更に低減し、凝縮器性能を向上することで、ターボ冷凍機をより高性能化することができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記ヘッダ内には、前記冷媒入口部から流入する前記高温高圧冷媒ガスを滑らかに長さ方向両端域に導く案内羽根が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ヘッダ内に冷媒入口部から流入する高温高圧冷媒ガスを滑らかに長さ方向両端域に導く案内羽根が設けられているため、冷媒入口部からヘッダ内に流入した高温高圧冷媒ガスを、案内羽根に沿って滑らかにヘッダの長さ方向両端域に導き、その両端部位に設けられている開口部からシェル内へと分配することができる。従って、凝縮器に導入される高温高圧冷媒ガスをその入口部においてヘッダによって滑らかに左右方向に分配し、圧力損失を低減するとともに、冷媒の分配性を改善して、凝縮器性能の向上を図ることができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記開口部は、中央部位から両端部位にかけて開口面積が漸次大きくなるように設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、開口部が、中央部位から両端部位にかけて開口面積が漸次大きくなるように設けられているため、ヘッダ内に導入された高温高圧冷媒ガスを開口面積が中央部位から両端部位にかけて漸次大きくされている開口部により、シェル内の長さ方向両端域に対して、より多く分配することができる。従って、シェル内全域に対する冷媒分配を更に均一化して伝熱面全体を有効に活用し、また冷媒のシェル内での流動抵抗をより小さくして圧力損失を低減することにより、凝縮器性能の一層の向上を図ることができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記ヘッダは、前記シェルの長さ方向両端部に向ってダクト状に左右に分岐された構成とされ、それぞれの先端側部位に前記開口部が設けられた構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ヘッダが、シェルの長さ方向両端部に向ってダクト状に左右に分岐された構成とされ、それぞれの先端側部位に開口部が設けられた構成とされているため、ヘッダ内に導入された高温高圧の冷媒ガスを、シェルの長さ方向両端部に向って分岐されているダクト状部位を介して左右方向に分配し、その先端側部位に設けられている開口部を介してシェル内の両端域に均一に分配することができる。従って、これによっても凝縮器に導入される高温高圧冷媒ガスをその入口部においてヘッダにより滑らかに分配し、圧力損失を低減するとともに、冷媒の分配性を改善することにより、凝縮器性能の向上を図ることができる。

本発明によると、圧縮機から凝縮器に導入される高温高圧の冷媒ガスをその冷媒入口部に設けられているヘッダを介して、滑らかにかつその長さ方向両端部位に設けた開口部によりシェル内の長さ方向両端域に対して均一に分配することができるため、バッフル板に冷媒を衝突させて分配していたものに比べ、圧力損失を低減して凝縮器性能を向上することができる。また、シェル内の両端域に対して十分に冷媒を供給し、流れの淀み域をなくしてシェル内全域に均一に冷媒を分配することにより、伝熱面全体を有効に活用し、しかも冷媒の均一な分配により伝熱チューブ群に対する冷媒流れを平均化して流動抵抗を小さくすることにより、凝縮器内での圧力損失を更に低減し、凝縮器性能を向上することによって、ターボ冷凍機をより高性能化することができる。

本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の冷凍サイクル図である。 上記ターボ冷凍機を構成する凝縮器の正面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）および左側面図（Ｃ）である。 本発明の第２実施形態に係る凝縮器の正面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）および左側面図（Ｃ）である。 上記凝縮器の変形例を示す正面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）および左側面図（Ｃ）である。 本発明の第３実施形態に係る凝縮器の平面図である。

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および図２を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の冷凍サイクル図が示され、図２には、そのターボ冷凍機を構成する凝縮器の正面図（Ａ）とその平面図（Ｂ）および左側面図（Ｃ）が示されている。

ターボ冷凍機１は、モータ２Ａで駆動され、冷媒を圧縮する多段ターボ圧縮機（単に圧縮機とも云う。）２と、圧縮機２で圧縮された高温高圧冷媒ガスを凝縮液化するシェルアンドチューブ型の凝縮器３と、凝縮された液冷媒を中間圧に減圧する第１減圧手段としての第１膨張弁４と、エコノマイザとして機能する中間冷却器（気液分離器）５と、液冷媒を低圧に減圧する第２減圧手段としての第２膨張弁６と、第２膨張弁６を経た冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ型の蒸発器７とを順次冷媒配管８で接続することにより構成される閉サイクルの冷凍サイクル９を備えている。

本実施形態の冷凍サイクル９は、中間冷却器５で分離・蒸発されたガス冷媒を多段ターボ圧縮機２の低段側で圧縮された中間圧の冷媒ガス中に、中間ポートを介してインジェクションする公知のエコノマイザ回路１０を備えたものとされている。ここでのエコノマイザ回路１０は、中間冷却器５を気液分離器により構成した気液分離方式のエコノマイザ回路１０とされているが、凝縮器３で凝縮された冷媒の一部を分流し、その冷媒を減圧して液冷媒と熱交換させるインタークーラ方式のエコノマイザ回路としてもよい。なお、エコノマイザ回路１０は、本発明において必須のものではない。

また、ここでは、環境負荷を軽減するため、上記冷凍サイクル９中に、地球温暖化係数（ＧＷＰ）およびオゾン破壊係数（ＯＤＰ）が共に低い、ＨＣＦＯ（ヒドロクロロフルオロオレフィン）冷媒の１つであるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒等が所要量充填されているものとする。このＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、低圧冷媒であって密度が低く、現行のターボ冷凍機に用いられているＨＦＣ冷媒の１つであるＲ１３４ａ冷媒等の高圧冷媒に対して密度が５分の１程度であることが知られている。

さらに、図２（Ａ）ないし（Ｃ）には、上記冷凍サイクル９に組み込まれるシェルアンドチューブ型凝縮器３の概略構成図が示されている。
この凝縮器３は、円胴形状のシェル１１を備え、その長さ方向の両端側に管板を配設して水室を形成し、両管板間に多数の伝熱チューブ１２を設けたものであり、多数の伝熱チューブ１２内にクーリングタワー等で冷却された冷却水を水配管およびポンプを介して循環する一方、シェル１１内に圧縮機２で圧縮された高温高圧の冷媒ガスを冷媒配管および冷媒入口部１３を介して導入し、その冷媒ガスと冷却水とを熱交換させて冷媒を凝縮液化するものである。かかる凝縮器３自体、公知のものである。

本実施形態における凝縮器３は、圧縮機２から供給される高温高圧の冷媒ガスを、冷媒入口部１３を経て滑らかにシェル１１内に導入し、かつシェル１１内全域に対して均一に分配するためのヘッダ１４が設けられた構成とされている。このヘッダ１４は、多数の伝熱チューブ１２群が配設されているシェル１１の上部に、その長さ方向に沿って設置されるものであり、長さ方向の中央部に冷媒入口部１３が水平方向に設けられた直方体形状のヘッダとされている。

また、ヘッダ１４には、内部の冷媒入口部１３に対応する部位に、冷媒入口部１３から導入された冷媒ガス流をその長手方向の両端側に向って滑らかに向きを変えるための案内羽根１５が複数枚連続的に設けられているとともに、その長手方向の両端部位に、向きが変えられた冷媒ガス流をシェル１１内の特に両端域において流れの淀み箇所が生じないように、シェル１１内全域に均一に分配可能な開口部１６が設けられている。なお、開口部１６には、冷媒ガス流をシェル１１内の各方向に分散して流出させるため、例えば格子状ガイド部材等が設けられることが望ましい。

以上に説明の構成により、本実施形態によると、以下の作用効果を奏する。
上記ターボ冷凍機１において、モータ２Ａにより圧縮機２が駆動されると、蒸発器７から低圧のガス冷媒が吸込まれ、高温高圧の冷媒ガスに多段圧縮される。圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器３に圧送され、そこで冷却水と熱交換されることによって凝縮液化される。この液冷媒は、第１膨張弁４、エコノマイザとして機能する中間冷却器５、第２膨張弁６を経て過冷却されるとともに、低圧に減圧されて蒸発器７に導入される。蒸発器７に導かれた冷媒は、被冷却媒体と熱交換され、被冷却媒体を冷却するとともに、自身は蒸発され、再び圧縮機２に吸込まれて圧縮される動作を繰り返す。

また、中間冷却器（気液分離器）５において分離・蒸発され、液冷媒を過冷却した中間圧の冷媒は、エコノマイザ回路１０を経て多段ターボ圧縮機２の中間ポートから低段側圧縮部で圧縮された中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされる。これによって、冷凍能力を向上させるエコノマイザとして作用を果たすことになる。

一方、このターボ冷凍機１の冷凍サイクル９中には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）およびオゾン破壊係数（ＯＤＰ）が共に低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒が充填されている。かかる冷媒は、低圧冷媒であり、かつ密度が低い（Ｒ１３４ａ冷媒に対して５分の１程度）ことから、能力の確保が難しいとされているが、一般にターボ圧縮機は大流量の冷媒圧縮に適しているとされており、高回転化によって冷媒循環量を増加することで、その弱点をカバーすることができる。

この際、ターボ圧縮機２から凝縮器３に流入する高温高圧冷媒ガスの体積流量は、高圧冷媒を用いていたものに比べて大きくなり、流速も更に大きくなる。従って、冷媒ガスを冷媒入口部１３に対向配置したバッフル板に衝突させてシェル１１内に分配させるようにした従来方式のものでは、凝縮器３内での圧力損失が増大し、しかもシェル１１内全域に均一に冷媒を分配することが困難なことから、冷凍機の能力の低下が予測される。

しかるに、本実施形態においては、シェルアンドチューブ型の凝縮器３にあって、その冷媒入口部１３に、シェル１１の長さ方向に沿うヘッダ１４が設けられるとともに、そのヘッダ１４の少なくとも長さ方向の両端部位に開口部１６が設けられ、該ヘッダ１４を介して圧縮機２からの高温高圧冷媒ガスが凝縮器３のシェル１１内の長さ方向両端域に対して滑らかにかつ均一に分配可能とされている。このため、圧縮機２から凝縮器３に導入される高温高圧の冷媒ガスをその冷媒入口部１３に設けられているヘッダ１４を介して、滑らかにかつその長さ方向両端部位に設けられている開口部１６によりシェル１１内の長さ方向両端域に対して均一に分配することができる。

従って、バッフル板に冷媒を衝突させて分配していた従来のものに比べ、凝縮器３内での圧力損失を低減して凝縮器性能を向上することができる。また、シェル１１内の両端域に対して十分に冷媒を供給し、流れの淀み域をなくしてシェル１１内の全域に均一に冷媒を分配できるため、伝熱面全体を有効に活用し、しかも冷媒の均一な分配により伝熱チューブ１２群に対する冷媒流れを平均化して流動抵抗を小さくできるため、凝縮器３での圧力損失を更に低減して凝縮器性能を向上することにより、ターボ冷凍機１をより高性能化することができる。

さらに、本実施形態では、ヘッダ１４内に冷媒入口部１３から流入する高温高圧の冷媒ガスを滑らかに長さ方向両端域に導く複数枚の案内羽根１５が設けられているため、冷媒入口部１３からヘッダ１４内に流入した高温高圧冷媒ガスを、案内羽根１５に沿って滑らかにヘッダ１４の長さ方向両端域に導き、その両端部位に設けられている開口部１６からシェル１１内へと分配することができる。従って、凝縮器３に導入される高温高圧冷媒ガスを冷媒入口部１３においてヘッダ１４により滑らかに左右方向に分配し、圧力損失を低減するとともに、冷媒の分配性を改善して、凝縮器性能の向上を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３および図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、ヘッダ１４に設けられる開口部１６Ａないし１６Ｃまたは１６Ｄ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、ヘッダ１４からシェル１１内に冷媒ガスを流出し、その冷媒ガスをシェル１１内全域に分配する開口部１６Ａないし１６Ｃまたは１６Ｄを、ヘッダ１４の中央部位から両端部位にかけて開口面積が漸次大きくなるように設けたものである。

つまり、第１の形態は、図３（Ｂ）に示されるように、ヘッダ１４の中央部位から両端部位にかけて、各々３個の開口部１６Ａないし１６Ｃを設け、その各３個の開口部１６Ａないし１６Ｃの開口面積を、両端部側に行くに従って段階的に漸次大きくなるように設定したものである。また、その変形例の第２の形態は、図４（Ｂ）に示されるように、ヘッダ１４の中央部位から両端部位にかけて、連続的に設けられる一対の開口部１６Ｄの開口面積を、両端部側に行くに従って連続的に漸次大きくなるように設定したものである。

このように、ヘッダ１４に設けられる開口部１６Ａないし１６Ｃまたは１６Ｄを、その開口面積が中央部位から両端部位にかけて漸次大きくなるように設定した構成とすることにより、ヘッダ１４内に導入された高温高圧冷媒ガスを、開口面積が中央部位から両端部位にかけて漸次大きくされている開口部１６Ａないし１６Ｃまたは１６Ｄにより、シェル１１内の長さ方向両端域により多く分配することができる。このため、シェル１１内全域に対する冷媒分配を更に均一化して伝熱面全体を有効に活用し、また冷媒のシェル１１内での流動抵抗をより小さくして圧力損失を低減することにより、凝縮器性能の一層の向上を図ることができる。

なお、本実施形態において、各開口部１６Ａないし１６Ｃまたは１６Ｄに、それぞれ冷媒ガス流をシェル１１内の各方向に分散して流出させるため、第１実施形態と同様、例えば格子状ガイド部材等が設けられることが望ましい。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３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および第２実施形態に対して、凝縮器３のヘッダ１４Ａが分岐ダクト構造とされている点が異なる。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。
本実施形態では、図５に示されるように、凝縮器３に設けられるヘッダ１４Ａが、左右にダクト状に１４Ａ１，１４Ａ２に２分岐され、そのダクト状部位１４Ａ１，１４Ａ２がシェル１１の長さ方向に沿って左右両側に延長された構成とされている。

そして、各ダクト状部位１４Ａ１，１４Ａ２の先端側部位に、それぞれ開口部１６Ｅが設けられ、シェル１１内の長さ方向両端域に対して高温高圧冷媒ガスが均一に分配可能な構成とされている。なお、この開口部１６Ｅにも、上記各実施形態と同様、冷媒ガス流を各方向に分散して流出させるための格子状ガイド部材等が設けられているものとする。

このように、凝縮器３のヘッダ１４Ａをシェル１１の長さ方向両端部に向ってダクト状１４Ａ１，１４Ａ２に左右に２分岐した構成とし、それぞれの先端側部位に開口部１６Ｅを設けた構成とすることにより、ヘッダ１４Ａ内に導入された高温高圧冷媒ガスを、シェル１１の長さ方向両端部に向って分岐されているダクト状部位１４Ａ１，１４Ａ２を介して左右方向に分配し、各々の先端側部位に設けられている開口部１６Ｅを介してシェル１１内の両端域に均一に分配することができ、これによっても凝縮器３に導入される高温高圧冷媒ガスをその冷媒入口部１３においてヘッダ１４Ａにより滑らかに分配し、圧力損失を低減するとともに、冷媒の分配性を改善して、凝縮器性能の向上を図ることができる。

なお、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、上記実施形態では、環境負荷を軽減するため、ＧＷＰ、ＯＤＰが共に低い、低圧冷媒であるＨＣＦＯ冷媒を用いた例について説明したが、本発明は、使用する冷媒の種類に制限されるものではなく、高圧冷媒を使用したターボ冷凍機に適用してもよいことはもちろんである。

また、上記実施形態においては、ヘッダ１４を横長の直方体形状とした例について説明したが、ヘッダ１４の形状は、このように形状に限定されるものではなく、楕円形状やその他の形状としてもよい。また、案内羽根１５は、ヘッダ１４内に流入された高温高圧の冷媒ガス流の向きをその左右方向に圧力損失がつかないように滑らかに変更し得るものであれば、その形状について特に制限されるものではない。

さらに、上記実施形態では、開口部１６、１６Ａないし１６Ｅに対して、格子状ガイド部材を設けることが望ましい旨説明したが、このガイド部材は、開口部から流出される冷媒ガス流を各方向に分散して流出させることができるものであればよく、格子状のガイド部材に限定されるものではない。

１ ターボ冷凍機
２ 多段ターボ圧縮機（圧縮機）
３ 凝縮器
１１ シェル
１２ 伝熱チューブ
１３ 冷媒入口部
１４，１４Ａ ヘッダ
１４Ａ１，１４Ａ２ ダクト状部位
１５ 案内羽根
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｅ 開口部

Claims (4)

1. シェルアンドチューブ型の凝縮器を備えたターボ冷凍機において、
   前記凝縮器の冷媒入口部に、そのシェルの長さ方向に沿うヘッダが設けられ、
   前記ヘッダには、少なくとも長さ方向の両端部位に開口部が設けられ、該ヘッダを介して圧縮機からの高温高圧冷媒ガスが前記凝縮器のシェル内の長手方向両端域に対して滑らかにかつ均一に分配可能とされていることを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記ヘッダ内には、前記冷媒入口部から流入する前記高温高圧冷媒ガスを滑らかに長さ方向両端域に導く案内羽根が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記開口部は、中央部位から両端部位にかけて開口面積が漸次大きくなるように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記ヘッダは、前記シェルの長さ方向両端部に向ってダクト状に左右に分岐された構成とされ、それぞれの先端側部位に前記開口部が設けられた構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
   

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