JP2017044456A - ターボ冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に低圧冷媒を用いたターボ冷凍装置において、十分な内容積を持つ中間冷却器を設置しつつ、コンパクト化を図り、且つ冷媒の圧力損失を低減させて効率を高める。【解決手段】ターボ冷凍装置１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器３と、凝縮された冷媒を膨張させる制御弁４と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器７と、凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置され、制御弁４にて膨張した冷媒を気液分離する中間冷却器５と、を具備している。中間冷却器５は、凝縮器３または蒸発器７の少なくとも一方の、円胴シェル形状の曲面壁３ａに隣接して設置され、該曲面壁３ａを、該中間冷却器５自身の構造壁として共有している。また、中間冷却器５は、その長手軸方向視で、その最大幅寸法Ｗよりも高さ寸法Ｈが大きくされている。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ冷凍装置に係り、特に中間冷却器の設置構造を工夫したターボ冷凍装置に関するものである。

例えば地域冷暖房の熱源用として使用されているターボ冷凍装置は、特許文献１の図３に示されるように、１基あるいは複数のターボ圧縮機とともに、円胴シェル形状の凝縮器と蒸発器とが平行に設置され、さらに、冷媒の気液分離と中間冷却を行う中間冷却器が凝縮器や蒸発器の近傍に配置されている。Ｒ１３４ａ等の高圧冷媒、即ち最高圧力０．２ＭＰａＧ以上で使用される冷媒を用いたターボ冷凍装置では、強度確保のために中間冷却器も円胴シェル形状に形成されている。

特開２００９−２０４２６０号公報

上記のように中間冷却器が円胴シェル形状に形成されているため、この中間冷却器をターボ圧縮機や凝縮器、蒸発器等の機器類と共に配置するにあたり、各機器類の間にある空きスペースを有効に活用することができず、ターボ冷凍装置のコンパクト性が損なわれるという問題があった。

また、ターボ圧縮機を複数有する場合は中間冷却器も複数必要であり、これら複数の中間冷却器が占有するスペースがより大きくなって上記問題が助長される。同時に、複数のターボ冷凍装置と、複数の中間冷却器との間を、それぞれ冷媒配管で接続しなければならず、これらの冷媒配管の設置スペースも必要になるとともに、冷媒配管が増加することによって冷媒の圧力損失が増大し、機器性能（効率）の低下につながっていた。

さらに、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用されるＲ１２３３ｚｄ等の低圧冷媒を用いる場合は、ガス比体積が大きい特性のため、機内のガス流速が大きくなり、高圧冷媒を用いたターボ冷凍装置に比較して中間冷却器の体格が大きくなり、この点でもターボ冷凍装置のコンパクト性が損なわれてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、特に低圧冷媒を用いたターボ冷凍装置において、十分な内容積を持つ中間冷却器を設置しつつ、コンパクト化を図り、且つ冷媒の圧力損失を低減させて効率を高めることができるターボ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、本発明は、以下の手段を採用する。
即ち、本発明に係るターボ冷凍装置は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された前記冷媒を膨張させる制御弁と、膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に挟まれて設置され、前記制御弁にて膨張した前記冷媒を気液分離する中間冷却器と、を具備してなることを特徴とする。

上記構成のターボ冷凍装置によれば、中間冷却器が凝縮器と蒸発器との間に挟まれて設置されているため、凝縮器と蒸発器との間にある空きスペースを有効に活用して中間冷却器を設置することができる。
特に低圧冷媒を使用するターボ冷凍装置においては、中間冷却器への要求強度が高圧冷媒を使用する場合よりも低いため、中間冷却器を円胴シェル形状に形成しなくてもよい。
このため、中間冷却器を自由な形状に造形して凝縮器と蒸発器との間の空きスペースに設置することにより、中間冷却器に十分な内容積を付与し、気液分離性能を高めることができる。

上記構成において、前記中間冷却器を、前記凝縮器または前記蒸発器の少なくとも一方の、円胴シェル形状の曲面壁に隣接して設置し、該曲面壁を、該中間冷却器自身の構造壁として共有させてもよい。

このようにすれば、中間冷却器が凝縮器または蒸発器の少なくとも一方に隙間なく密着する。このため、凝縮器または蒸発器との間の空きスペースを最大限に活用し、中間冷却器の内容積を拡大しつつ、ターボ冷凍装置をよりコンパクト化することができる。

上記構成において、前記中間冷却器を、隣接する前記曲面壁の長手軸方向に延在するように形成するとともに、その長手軸方向視で、該中間冷却器の最大幅寸法よりも高さ寸法を大きくしてもよい。

このようにすれば、中間冷却器の高さ寸法を稼ぐことができ、特に低圧冷媒を用いたターボ冷凍装置においては中間冷却器の気液分離性能を向上させることができる。

上記構成において、ターボ圧縮機が複数設けられている場合に、前記中間冷却器を、前記制御弁にて膨張した前記冷媒が気液混合状態で流入する気液流入室と、前記気液流入室に隣接するとともに複数の前記ターボ圧縮機にそれぞれ近接し、前記冷媒を気液分離して、その気相分を前記ターボ圧縮機に供給し、液相分を前記蒸発器に供給する複数の気液分離室と、を備えた構成としてもよい。

本構成とすることにより、中間冷却器の複数の気液分離室を、それぞれ複数のターボ圧縮機に最も近い位置に配置し、最短距離でターボ圧縮機に接続することができる。このため、中間冷却器とターボ圧縮機との間を接続する冷媒配管の長さを最小限、且つ直線状にし、ターボ冷凍装置のコンパクト化を図るとともに、冷媒の圧力損失を低減させて効率を高めることができる。

上記構成の中間冷却器において、１つの前記気液流入室を挟んで２つの前記気液分離室を背中合わせに配置してもよい。
これにより、１つの気液流入室が２つの気液分離室に共有され、気液流入室に流入した気液混合状態の冷媒が、その両側の気液分離室に分流してそれぞれターボ圧縮機に吸入される。

このように、気液流入室内に流入した気液混合状態の冷媒が両側の気液分離室から吸引されることになり、気液流入室内においては冷媒の流速を低下させて気液分離作用を高めることができる。
したがって、気液流入室と気液分離室とをそれぞれ２つずつ設ける場合に比べて、同レベルの気液分離性能を得るのであれば中間冷却器を小型化してターボ冷凍装置のコンパクト化に貢献することができる。

上記構成のターボ冷凍装置において、前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記中間冷却器とともに他の補助機器を設置し、前記他の補助機器を、前記凝縮器または前記蒸発器の少なくとも一方の、円胴シェル形状の曲面壁に隣接させて設置し、該曲面壁を、該補助機器自身の構造壁として共有させてもよい。

本構成とすることにより、中間冷却器以外の補助機器についても、凝縮器と蒸発器との間にある空きスペースを有効に活用して設置することができる。特に、潤滑油タンクのような、高い圧力が掛からないタンク状の補助機器に好適である。

以上のように、本発明に係るターボ冷凍装置によれば、特に低圧冷媒を用いたターボ冷凍装置において、十分な内容積を持つ中間冷却器を設置しつつ、コンパクト化を図り、且つ冷媒の圧力損失を低減させて効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係るターボ冷凍装置の正面図である。 図１のＩＩ矢視によるターボ冷凍装置の側面図である。 図２のＩＩＩ矢視によるターボ冷凍装置の平面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ矢視による中間冷却器の側面図である。 中間冷却器の別な実施形態を示す側面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１から図３には、本実施形態にかかるターボ冷凍装置１の概略構成図が示されている。図１は正面図、図２は側面図、図３は平面図となっている。

ターボ冷凍装置１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、凝縮器３と、高圧膨張弁４（制御弁）と、中間冷却器５と、低圧膨張弁６と、蒸発器７と、潤滑油タンク８（補助機器）と、回路箱９と、インバータユニット１０と、操作盤１１等を備えてユニット状に構成されている。潤滑油タンク８は、ターボ圧縮機２の軸受や増速器等に供給する潤滑油を貯留するタンクである。

凝縮器３と蒸発器７は耐圧性の高い円胴シェル形状に形成され、その軸線を略水平方向に延在させた状態で互いに隣り合うように平行に配置されている。凝縮器３は蒸発器７よりも相対的に高い位置に配置され、その下方に回路箱９が設置されている。中間冷却器５と潤滑油タンク８は、凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置されている。インバータユニット１０は凝縮器３の上部に設置され、操作盤１１は蒸発器７の上方に配置されている。潤滑油タンク８と回路箱９とインバータユニット１０と操作盤１１は、それぞれ平面視（図３参照）でターボ冷凍装置１の全体輪郭から大きくはみ出さないように配置されている。

ターボ圧縮機２は、電動機１３によって回転駆動される公知の遠心タービン型のものであり、その軸線を略水平方向に延在させた姿勢で蒸発器７の上方に配置されている。電動機１３はインバータユニット１０によって駆動され、ターボ圧縮機２は蒸発器７から吸入管１４を経て供給される気相状の冷媒を圧縮し、この圧縮冷媒を吐出管１５から凝縮器３に送給する。冷媒としては、例えば最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用されるＲ１２３３ｚｄ等の低圧冷媒が用いられる。

凝縮器３の内部では、ターボ圧縮機２で圧縮された高温の冷媒が水と熱交換されることにより凝縮熱を冷却されて凝縮液化される。ここで加熱された水が暖房用の熱媒等として利用される。凝縮器３で液相状になった冷媒は、凝縮器３から延出する冷媒管１６に設けられた高圧膨張弁４を通過することにより膨張（気化）し、気液混合状態となって中間冷却器５に給送され、ここに一旦貯留される。

中間冷却器５の内部では、高圧膨張弁４にて膨張した気液混合状態の冷媒が気相分と液相分とに気液分離される。ここで分離された液相状の冷媒は、中間冷却器５の底部から延出する冷媒管１７に設けられた低圧膨張弁６によりさらに膨張して蒸発器７に給送される。また、中間冷却器５で分離された気相状の冷媒は、中間冷却器５の上部から延出する冷媒管１８を経てターボ圧縮機２の中段部に給送され、再び圧縮される。

蒸発器７の内部では、低圧膨張弁６において断熱膨張した後の低温の液冷媒が水と熱交換され、ここで冷却された水は空調用の冷熱媒や工業用冷却水等として利用される。水との熱交換により気化した冷媒は、吸入管１４を経て再びターボ圧縮機２に吸入されて圧縮され、以下、このサイクルが繰り返される。

冷媒としてＲ１２３３ｚｄ等の低圧冷媒が用いられる場合は、Ｒ１３４ａ等の高圧冷媒を用いた場合のように中間冷却器５を円胴シェル形状に形成しなくてもよい。このため、図１から図３に示すように、中間冷却器５は、例えば略直方体の形状に造形されている。

中間冷却器５は、前述のように凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置されており、その一面が凝縮器３の円胴シェル形状の曲面壁３ａに隣接し、該曲面壁３ａを自身の構造壁として共有している。即ち、正面視（図１参照）で、縦に長い直方体状の中間冷却器５は、その凝縮器３側の上角部が凝縮器３によって円弧状に切り取られた形状であり、この円弧状に切り取られた部分が凝縮器３の曲面壁３ａによって閉塞された構造となっている。なお、中間冷却器５に凝縮器３の曲面壁３ａに密着する曲面壁を設け、凝縮器３と中間冷却器５とを分離可能に構成してもよい。

図２〜図４にも示すように、中間冷却器５は、隣接する凝縮器３の曲面壁３ａの長手軸方向に延在するように形成されるとともに、その長手軸方向視（図１参照）で、中間冷却器５の最大幅寸法Ｗよりも高さ寸法Ｈが大きくなるように造形されている。中間冷却器５の最下部の高さは、冷媒管１６，１７を下方に延出させるために蒸発器７の最下部よりも高位にある。つまり、中間冷却器５の高さ寸法Ｈは、ターボ圧縮機２の吐出管１５や冷媒管１６，１７の配置を妨げない程度に最大限に大きく確保されている。なお、図２に示す中間冷却器５の長さ寸法Ｌを図１に示す高さ寸法Ｈよりも大きくしてもよい。

図４に示すように、中間冷却器５は、その内部に気液流入室２１と気液分離室２２とが凝縮器３の長手軸方向に隣接するように画成されている。気液流入室２１と気液分離室２２との間は例えば３枚のバッフル板２３によって相互流通可能に区画されている。即ち、例えば中間冷却器５の側内壁に間隔を空けて交互に配置された複数のバッフル板２３の間に迷路状の気液分離通路２４が形成されている。

気液分離室２２の内部空間は多孔状のデミスタ２５によって上下に区画されている。このデミスタ２５は気液分離室２２の高さ方向の中間よりも上方に配置されている。気液流入室２１の底部には凝縮器３に繋がる冷媒管１６が接続され、気液分離室２２の底部には蒸発器７に繋がる冷媒管１７が接続されている。また、気液分離室２２の上部にはターボ圧縮機２の中段部に繋がる冷媒管１８が接続されている。

凝縮器３から冷媒管１６を経て中間冷却器５の気液流入室２１に流入した気液混合状態の冷媒は、バッフル板２３の間の気液分離通路２４を通過することにより液相分と気相分とに大まかに分離されて気液分離室２２に流入し、さらに気液分離室２２に設置されたデミスタ２５を通過することにより液相分が気相分からほぼ完全に分離される。このうちの液相分は冷媒管１７を経て蒸発器７に送給され、気相分は冷媒管１８を経てターボ圧縮機２の中段部に送給される。

図５に示すように、ターボ圧縮機２が２基設置されている場合には、中間冷却器５の気液流入室２１の両側にバッフル板２３（気液分離通路２４）を介して２つの気液分離室２２を隣接させて配置する。即ち、１つの気液流入室２１を挟んで２つの気液分離室２２を背中合わせに配置する。２つの気液分離室２２は、それぞれ２基のターボ圧縮機２に近接させて配置し、冷媒管１８で接続する。

この場合、凝縮器３から冷媒管１６を経て気液流入室２１に流入した気液混合状態の冷媒は、気液分離通路２４を通過して両側の気液分離室２２に流入し、各気液分離室２２において気液分離される。このうちの液相分はそれぞれ冷媒管１７を経て蒸発器７に送給され、気相分はそれぞれ冷媒管１８を経てターボ圧縮機２の中段部に送給される。

一方、図１から図３に示すように、中間冷却器５とともに凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置されている潤滑油タンク８は、中間冷却器５と同様に、その一面が凝縮器３の円胴シェル形状の曲面壁３ａに隣接し、該曲面壁３ａを自身の構造壁として共有している。この潤滑油タンク８は、凝縮器３の曲面壁３ａに接合してもよいし、曲面壁３ａに対して分離可能に構成してもよい。

以上のように構成されたターボ冷凍装置１は、中間冷却器５が凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置されているため、凝縮器３と蒸発器７との間にある空きスペースを有効に活用して中間冷却器５を設置することができる。特に、低圧冷媒の使用により中間冷却器５を円胴シェル形状に形成しなくてもよい場合には、中間冷却器５を自由な形状に造形して凝縮器３と蒸発器７との間の空きスペースに設置することにより、中間冷却器５に十分な内容積を付与して気液分離性能を高めることができる。

また、中間冷却器５を、凝縮器３の円胴シェル形状の曲面壁３ａに隣接して設置し、該曲面壁３ａを中間冷却器５自身の構造壁として共有させたため、中間冷却器５が凝縮器３に隙間なく密着している。このため、中間冷却器５と、凝縮器３との間の空きスペースを最大限に活用し、中間冷却器５の内容積を拡大しつつ、ターボ冷凍装置１をよりコンパクトに構成することができる。

さらに、中間冷却器５を、隣接する凝縮器３の曲面壁３ａの長手軸方向に延在するように形成するとともに、その長手軸方向視で、中間冷却器５の最大幅寸法Ｗよりも高さ寸法Ｈを大きくした。
これにより、中間冷却器５の高さ寸法Ｈを大きくして中間冷却器５の気液分離性能、即ち、中間冷却器５の内部で重力により液相分が気相分を残して落下する作用を高めることができ、特に中間冷却器５の形状を自由化できる低圧冷媒を用いたターボ冷凍装置１においては有効である。なお、中間冷却器５の長さ寸法Ｌ（図２参照）を高さ寸法Ｈ（図１参照）よりも大きくすれば、中間冷却器５の内容積をより大きくして気液分離性能を高めることができる。

また、ターボ圧縮機２が複数（ここでは２基）基設けられている場合に、中間冷却器５を、気液流入室２１と、この気液流入室２１に隣接する複数（こでは２つ）の気液分離室２２と、を備えた構成とし、複数の気液分離室２２を、それぞれターボ圧縮機２に近接配置した。

これにより、中間冷却器５の複数の気液分離室２２を、それぞれ２基のターボ圧縮機２に最も近い位置に配置し、気液分離室２２とターボ圧縮機２との間を接続する冷媒配管１８の長さを最小限、且つ直線状にすることができる。したがって、ターボ冷凍装置１のコンパクト化を図るとともに、冷媒の圧力損失や流路損失を低減させて効率を高めることができる。

上記のように気液分離室２２を複数設ける場合において、図５に示すように、１つの気液流入室２１を挟んで２つの気液分離室２２を背中合わせに配置することにより、１つの気液流入室２１が２つの気液分離室２２に共有され、気液流入室２１に流入した気液混合状態の冷媒が、その両側の気液分離室２２に分流してそれぞれターボ圧縮機２に吸入される。

このため、気液流入室２１内に流入した気液混合状態の冷媒が両側の気液分離室２２から吸引されることになり、気液流入室２１内においては冷媒の流速を低下させて気液分離作用を高めることができる。したがって、気液流入室２１と気液分離室２２とをそれぞれ２つずつ設ける場合に比べて、同レベルの気液分離性能を得るのであれば中間冷却器５を小型化してターボ冷凍装置１のコンパクト化に貢献することができる。

さらに、このターボ冷凍装置１は、凝縮器３と蒸発器７との間に、中間冷却器５とともに潤滑油タンク８を設置し、この潤滑油タンク８を、凝縮器３の円胴シェル形状の曲面壁３ａに隣接させて設置し、該曲面壁３ａを潤滑油タンク８自身の構造壁として共有させている。
このため、中間冷却器５とともに潤滑油タンク８についても、凝縮器３と蒸発器７との間にある空きスペースを有効に活用して設置することができる。特に、潤滑油タンク８のような、高い圧力が掛からないタンク状の補助機器には好適である。

以上説明したように、本実施形態に係るターボ冷凍装置１によれば、特に低圧冷媒を用いた場合において、十分な内容積を持つ中間冷却器５を設置しつつ、ターボ冷凍装置１のコンパクト化を図り、且つ冷媒の圧力損失を低減させて効率を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

例えば、上記実施形態では、中間冷却器５や潤滑油タンク８を凝縮器３に隣接するように設置し、凝縮器３の曲面壁３ａを各部材５，８自身の構造壁として共有させているが、例えば蒸発器７に隣接するように中間冷却器５や潤滑油タンク８を設置して蒸発器７の曲面壁を共有させてもよい。また、凝縮器３と蒸発器７の両方の曲面壁を共有するように中間冷却器５や潤滑油タンク８を設置してもよい。

さらに、潤滑油タンク８以外の補助機器類を凝縮器３と蒸発器７との間に設置してもよい。この場合も、その補助機器類が凝縮器３または蒸発器７の円胴シェル形状の曲面壁を自身の構造壁として共有するようにするとよい。
他の補助機器類の例としては、サブクーラー、冷却水タンク、冷媒タンク等のタンク部材や、配電盤、制御盤等の電力系部材を収容する箱等を例示することができるが、この限りではない。

また、各種の配管類をダクト状に形成し、これらを凝縮器３や蒸発器７の円胴シェルの外周面に這わせるように配設することにより、各種配管類と凝縮器３や蒸発器７との間のスペースを有効利用するようにしてもよい。

１ ターボ冷凍装置
２ ターボ圧縮機
３ 凝縮器
３ａ 凝縮器の曲面壁
４ 高圧膨張弁（制御弁）
５ 中間冷却器
７ 蒸発器
８ 潤滑油タンク（補助機器）
１０ インバータユニット
１１ 操作盤
１３ 電動機
１４ 吸入管
１５ 吐出管
１６，１７，１８ 冷媒管
２１ 気液流入室
２２ 気液分離室
Ｈ 中間冷却器の高さ寸法
Ｗ 中間冷却器の最大幅寸法

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、
   圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   凝縮された前記冷媒を膨張させる制御弁と、
   膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記凝縮器と前記蒸発器との間に挟まれて設置され、前記制御弁にて膨張した前記冷媒を気液分離する中間冷却器と、を具備してなることを特徴とするターボ冷凍装置。
2. 前記中間冷却器は、前記凝縮器または前記蒸発器の少なくとも一方の、円胴シェル形状の曲面壁に隣接して設置され、該曲面壁を、該中間冷却器自身の構造壁として共有している請求項１に記載のターボ冷凍装置。
3. 前記中間冷却器は、隣接する前記曲面壁の長手軸方向に延在するように形成されるとともに、その長手軸方向視で、該中間冷却器の最大幅寸法よりも高さ寸法が大きい請求項２に記載のターボ冷凍装置。
4. 前記ターボ圧縮機は複数設けられ、
   前記中間冷却器は、
   前記制御弁にて膨張した前記冷媒が気液混合状態で流入する気液流入室と、
   前記気液流入室に隣接するとともに複数の前記ターボ圧縮機にそれぞれ近接し、前記冷媒を気液分離して、その気相分を前記ターボ圧縮機に供給し、液相分を前記蒸発器に供給する複数の気液分離室と、を備えた請求項１から３のいずれかに記載のターボ冷凍装置。
5. １つの前記気液流入室を挟んで２つの前記気液分離室が背中合わせに配置されている請求項４に記載のターボ冷凍装置。
6. 前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記中間冷却器とともに他の補助機器が設置され、
   前記他の補助機器は、前記凝縮器または前記蒸発器の少なくとも一方の、円胴シェル形状の曲面壁に隣接して設置され、該曲面壁を、該補助機器自身の構造壁として共有している請求項１から５のいずれかに記載のターボ冷凍装置。

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