JP2018159496A - 圧縮式冷凍機用凝縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】不凝縮ガスが滞留しやすい場所に抽気管を配置することにより、不凝縮ガスを効果的に抽気することができ、冷媒の凝縮性能を維持することができる圧縮式冷凍機用凝縮器を提供する。【解決手段】缶胴１１と、缶胴１１の両端を閉塞する管板１２と、缶胴１１内に配置された複数の伝熱管群１４とを備え、缶胴１１内に導入された冷媒ガスと伝熱管群１４を流通する冷却水との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器において、不凝縮ガスを抽気する抽気管１８を複数の伝熱管群のうち第１パスの伝熱管群１４Ｌの周囲に配置した。【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機から吐出された高圧の冷媒ガスと冷却水（冷却流体）との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器に関するものである。

従来、冷凍空調装置などに利用されるターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁（膨張機構）とを、冷媒配管によって連結して構成されている。

例えば、ターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機に用いられる凝縮器は、円筒形の缶胴と該缶胴の両端部に設けられた管板とにより形成された空間内に、多数の伝熱管を千鳥状等に配列した伝熱管群を配置して構成されている。圧縮機から吐出された高圧の冷媒ガスは、缶胴の上部から前記空間内に流入して伝熱管群を通過する間に伝熱管内を流れる冷却水との間の熱交換によって冷却されて凝縮する。

特開２０１６−２３９１３号公報

ターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機に用いられている冷媒の種類には、Ｒ１２３等の低圧冷媒と、Ｒ１３４ａ等の高圧冷媒とがある。低圧冷媒を用いたターボ冷凍機は運転時、機器の内圧が大気圧より低い場所がある。このため、配管などの接続部から空気などが機器内部に漏れることがある。空気は冷凍機作動温度下では、凝縮しないため、凝縮器内に滞留する。空気のような不凝縮ガスが存在すると、伝熱管近傍では蒸気分圧が下がり、凝縮器の凝縮性能が低下するという問題があることから、低圧冷媒ターボ冷凍機は不凝縮ガスを抽出する必要がある。通常は、凝縮器上部空間で抽気する。しかし、運転時、凝縮器上部空間は冷媒蒸気の流れがあり、空気は冷媒蒸気と一緒に伝熱管群内部へ流れ、伝熱管群内に滞留するため、容易に抽出できないという問題点がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、不凝縮ガスが滞留しやすい場所に抽気管を配置することにより、不凝縮ガスを効果的に抽気することができ、冷媒の凝縮性能を維持することができる圧縮式冷凍機用凝縮器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、本発明の圧縮式冷凍機用凝縮器は、缶胴と、該缶胴の両端を閉塞する管板と、前記缶胴内に配置された複数の伝熱管群とを備え、前記缶胴内に導入された冷媒ガスと前記伝熱管群を流通する冷却水との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器において、不凝縮ガスを抽気する抽気管を前記複数の伝熱管群のうち第１パスの伝熱管群の周囲に配置したことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズル側に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１パスの伝熱管群断面の周囲において、前記第１パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に前記抽気管を配置したことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮器の冷媒入口を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルから遠い位置に配置し、前記抽気管を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルに近い位置に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、冷媒入口が２個以上ある凝縮器の場合、前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設けたことを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）不凝縮ガスが滞留しやすい場所に抽気管を配置することにより、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
（２）伝熱管群の中心と抽気管の距離が近いため、管群内部に滞留しがちの不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
（３）不凝縮ガスを常時排出できるため、凝縮器の凝縮性能を維持できる。

図１は、本発明に係る凝縮器を備えたターボ冷凍機を示す模式図である。 図２は、図１に示す凝縮器の全体構造の一例を示す断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の側断面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の正面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の側断面図である。 図６（ａ），（ｂ）は、図３および図５に示す抽気管の断面図である。 図７は、上下２パスの伝熱管群を備えた凝縮器であって、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合の実施形態を示す側断面図である。 図８は、冷媒蒸気入口が２個以上ある凝縮器を示す正面図である。

以下、本発明に係る圧縮式冷凍機用凝縮器の実施形態を図１乃至図８を参照して説明する。図１乃至図８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。本実施形態においては、圧縮式冷凍機の一例としてターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機を示すが、スクリュー式、レシプロ式、スクロール式等の圧縮機を用いたものであってもよい。
図１は、本発明に係る凝縮器を備えたターボ冷凍機を示す模式図である。図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３と、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ４とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管５によって連結して構成されている。冷媒にはＲ１２３等の低圧冷媒を用いている。

図１に示す実施形態においては、ターボ圧縮機１は、多段ターボ圧縮機から構成されている。ターボ圧縮機１は、冷媒配管５によってエコノマイザ４と接続されており、エコノマイザ４で分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段（この例では２段）の中間部分（この例では一段目と二段目の間の部分）に導入されるようになっている。

図１に示すように構成されたターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機１と凝縮器２と蒸発器３とエコノマイザ４とを冷媒が循環し、蒸発器３で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器３からの熱量および圧縮機モータから供給されるターボ圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器２に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ４にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機により圧縮される。２段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ４による冷凍効果部分が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ４を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。

図２は、図１に示す凝縮器２の全体構造の一例を示す断面図である。図２に示すように、凝縮器２は、円筒形の缶胴１１と缶胴１１の両端部に設けられた管板１２，１２とにより形成された空間内に、多数の伝熱管１３を千鳥状に配列した伝熱管群１４を配置して構成されている。冷媒ガス（冷媒蒸気）は缶胴１１の上部にある冷媒蒸気入口１１_ＩＮより流入し、伝熱管群１４の中を通過し、伝熱管群１４の中を通過する間に伝熱管内に流れる冷却水との間の熱交換によって冷却されて凝縮する。凝縮した凝縮液（冷媒液）は缶胴１１の底部にある冷媒液出口１１_ＯＵＴより流出するようになっている。伝熱管１３は、内部に冷却水（冷却流体）が流通するようになっており、缶胴１１の長手方向に延びている。管板１２，１２には、それぞれヘッダ部１５Ｒ，１５Ｌが接続されている。ヘッダ部１５Ｌは仕切板１６により上下に区画されており、ヘッダ部１５Ｌには冷却水入口用ノズル１７_ＩＮと冷却水出口用ノズル１７_ＯＵＴが設けられている。

図２においては、上下２パスの伝熱管群として説明する。すなわち、多数の伝熱管１３からなる伝熱管群１４は、冷却水入口用ノズル１７_ＩＮに連通する下段伝熱管群１４Ｌと冷却水出口用ノズル１７_ＯＵＴに連通する上段伝熱管群１４Ｕとからなっている。冷却水は、ヘッダ部１５Ｌの冷却水入口用ノズル１７_ＩＮから流入して下段伝熱管群１４Ｌを流れた後にヘッダ部１５Ｒで折り返し、上段伝熱管群１４Ｕを流れた後に冷却水出口用ノズル１７_ＯＵＴから流出するようになっている。

図３および図４は、本発明の第１の実施形態に係る凝縮器２を示す図であり、図３は凝縮器２の側断面図、図４は凝縮器２の正面図である。第１の実施形態においては、図３に示すように、多数の伝熱管１３からなる伝熱管群１４は、冷却水入口用ノズル１７_ＩＮに連通する下段伝熱管群１４Ｌと冷却水出口用ノズル１７_ＯＵＴに連通する上段伝熱管群１４Ｕとからなっている。すなわち、冷却水の第１パスは下段伝熱管群１４Ｌである。図４に示すように、冷却水は、ヘッダ部１５Ｌの冷却水入口用ノズル１７_ＩＮから流入して下段伝熱管群１４Ｌを流れた後にヘッダ部１５Ｒで折り返し、上段伝熱管群１４Ｕを流れた後に冷却水出口用ノズル１７_ＯＵＴから流出するようになっている。

圧縮機吐出口から冷媒蒸気入口１１_ＩＮを介して凝縮器２内へ流入した冷媒蒸気は、伝熱管群内へ流れると共に、ノズル側やターン側にも流れる。冷媒蒸気は、流れながら伝熱管表面で凝縮される。伝熱管表面で冷媒蒸気は凝縮されるが、冷媒蒸気中に混入している不凝縮ガス（空気等）は残る。冷媒蒸気の流れがある程度強い所では、不凝縮ガスは冷媒蒸気と一緒に流れ、滞留しにくい。ノズル側では、冷媒蒸気入口１１_ＩＮから遠く、冷媒蒸気の流れが弱くなっている。また、第１パスの伝熱管群では、冷却水温度が低く、冷媒蒸気が凝縮しやすい。特に、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌの冷却水入口用ノズル１７_ＩＮに近い側は、冷却水温度が低く、冷媒蒸気が凝縮しやすい。冷媒蒸気中に混入している不凝縮ガスはここで滞留しやすい。

そこで、本発明においては、図３に示すように、不凝縮ガスを抽気する抽気管１８を複数の伝熱管群のうち第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌの周囲に配置している。図３に示す例では、抽気管１８は、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌの上下に配置されている。また、本発明においては、図４に示すように、抽気管１８は、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌにおける凝縮器２の長手方向の中心ＣＬより冷却水入口用ノズル側に配置されている。図４に示す例では、抽気管１８は、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌにおける冷却水入口付近に配置されている。

上述したように、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌの冷却水入口付近は、冷却水温度が低いために冷媒蒸気が凝縮しやすく、かつ冷媒蒸気入口１１_ＩＮから遠いために冷媒蒸気の流れが弱くなっている場所であるため、不凝縮ガスが滞留しやすい。
しかしながら、本発明によれば、不凝縮ガスが滞留しやすい場所である第１パスの伝熱管群（下段伝熱管群１４Ｌ）の冷却水入口付近に抽気管１８を配置しているため、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。ここで、冷却水入口付近とは、冷却水の温度が最も低い位置（凝縮器の長手方向の端部）が最良であり、必要な抽気が実施可能な範囲までを含むものである。

また、凝縮器２の冷媒蒸気入口１１_ＩＮを凝縮器２の長手方向の中心ＣＬより冷却水入口用ノズル１７_ＩＮから遠い位置に配置し、抽気管１８を凝縮器２の長手方向の中心ＣＬより冷却水入口用ノズル１７_ＩＮに近い位置に配置している。このように凝縮器２の冷媒蒸気入口１１_ＩＮを凝縮器２の長手方向の中心ＣＬより冷却水入口用ノズル１７_ＩＮから遠い位置に配置することで、ターン側では冷媒蒸気の流れが強くなり、不凝縮ガスが滞留しにくくなる。反対に、ノズル側では冷媒蒸気の流れが弱くなり、ノズル側の冷却水温度が低い伝熱管群に滞留した不凝縮ガスは冷媒蒸気の流れによる影響を受けにくく、抽気しやすくなる。そして、ノズル側に抽気管１８を配置しているため、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る凝縮器２を示す図であり、凝縮器２の側断面図である。図３に示す第１の実施形態においては、抽気管１８を第１パスの伝熱管群（下段伝熱管群１４Ｌ）の上下に配置したが、図５に示す第２の実施形態においては、抽気管１８を第１パスの伝熱管群（下段伝熱管群１４Ｌ）の左右に配置している。抽気管１８を第１パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置していることは、図４に示す第１の実施形態と同様である。図５に示す第２の実施形態の凝縮器２における冷媒蒸気の流れや抽気管１８による不凝縮ガスの抽気作用は、図３に示す第１の実施形態の凝縮器２と同様である。
なお、図３に示す実施形態と図５に示す実施形態とを組み合わせ、抽気管１８を第１パスの伝熱管群（下段伝熱管群１４Ｌ）の上下左右に配置してもよい。
抽気管１８を第１パスの伝熱管群の上下、左右または上下左右のいずれかに配置するかは、缶胴のサイズ、伝熱管群の形状、冷媒蒸気入口の位置等に応じて、必要な抽気が実施可能かつコストとを勘案し、実験により適宜定めればよい。

図６（ａ），（ｂ）は、図３および図５に示す抽気管１８の断面図である。抽気管１８は単純な両端が開口する管でもよいが、好ましい態様によれば、図６（ａ）に示すように、抽気管１８は、円筒状の管からなり、その先端部が閉塞され、後端部に開口１８ａを有し、先端部側の下部に抽気孔１８ｈを有している。図６（ｂ）に示すように、抽気管１８は管の先端を斜面にカットした短管でもよい。カット面は下側向きにする。このような構成により、冷媒液が抽気管に流入し難く、抽気しやすい。抽気管１８は、その先端部側が缶胴１１内に挿入されることにより、抽気孔１８ｈを介して缶胴１１内の不凝縮ガスを抽気し、抽気した不凝縮ガスを後端部の開口１８ａよりパージタンク（図示せず）に排出するようになっている。

図３乃至図５に示す実施形態において、不凝縮ガスを抽気する抽気管１８を第１パスの伝熱管群の周囲に配置することを説明したが、抽気管１８と伝熱管群との位置関係について更に説明する。
抽気管１８は、第１パスの伝熱管群断面の周囲において、第１パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に配置する。例えば、第１パスの伝熱管群の断面形状を四辺形（図３および図５に示す例では台形）で近似したときに、前記四辺形の中心との距離が最も近い辺に隣接して抽気管１８を配置する。四辺形のうち、対向する２つの辺と四辺形の中心との距離が等しくなる場合があるが、抽気管を１本にする場合には、抽気管の設置位置までの配管、設置費用を削減するため、配管の短い位置に設置する。このように、第１パスの伝熱管群断面の周囲において、第１パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に抽気管１８を配置することにより、管群内部に滞留しがちな不凝縮ガスを効果的かつ安価に抽気できる。

図３および図５に示す実施形態においては、上下２パスの伝熱管群を備えた凝縮器の場合を説明したが、１パスの伝熱管群を備えた凝縮器、左右２パスの伝熱管群を備えた凝縮器、３パスの伝熱管群を備えた凝縮器および４パスの伝熱管群を備えた凝縮器の場合も同様である。すなわち、１パスの伝熱管群、左右２パスの伝熱管群、３パスの伝熱管群および４パスの伝熱管群のうち、第１パスの伝熱管群の周囲に抽気管を配置する。抽気管と第１パスの伝熱管群との位置関係は、図３および図５に示す実施形態と同様である。

図７は、上下２パスの伝熱管群を備えた凝縮器であって、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合の実施形態を示す側断面図である。図７に示すように、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合には、第１パスの伝熱管群である下段伝熱管群１４Ｌの上方に配置された抽気管１８の先端１８ｅを缶胴１１に固定するとともに抽気管１８が缶胴１１を貫通する部分１８ｆを缶胴１１に固定する。すなわち、長尺の抽気管１８を両端支持することにより、抽気管１８の振動防止を図っている。抽気管１８には、２個以上の抽気孔１８ｈを設ける。なお、下段伝熱管群１４Ｌの下方にも抽気管１８が設置されているが（図示せず）、下方の抽気管１８も同様に両端支持になっている。

図８は、冷媒蒸気入口が２個以上ある凝縮器を示す正面図である。タンデム機のように圧縮機が２個以上ある冷凍機では、図８に示すように、凝縮器２には冷媒蒸気入口１１_ＩＮが２個以上設置される。冷媒蒸気入口１１_ＩＮが２個以上ある場合、冷却水入口用ノズル側のみに抽気管を設けた場合、２個の冷媒蒸気入口から流入する冷媒蒸気の流れが凝縮器中央近傍で相互に衝突することにより渦を生成し、ターン側からノズル側への不凝縮ガスを含んだ流れが阻害され、ターン側にも不凝縮ガスが滞留しやすくなる。そのため、抽気管１８を第１パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設ける。これにより、ノズル側とターン側に滞留した不凝縮ガスを効果的に抽気できる。

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 ターボ圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ エコノマイザ
５ 冷媒配管
１１ 缶胴
１１_ＩＮ 冷媒蒸気入口
１１_ＯＵＴ 冷媒液出口
１２ 管板
１３ 伝熱管
１４ 伝熱管群
１４Ｌ 下段伝熱管群
１４Ｕ 上段伝熱管群
１５Ｌ ヘッダ部
１５Ｒ ヘッダ部
１６ 仕切板
１７_ＩＮ 冷却水入口用ノズル
１７_ＯＵＴ 冷却水出口用ノズル
１８ 抽気管
１８ｈ 抽気孔

Claims (6)

1. 缶胴と、該缶胴の両端を閉塞する管板と、前記缶胴内に配置された複数の伝熱管群とを備え、前記缶胴内に導入された冷媒ガスと前記伝熱管群を流通する冷却水との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器において、
   不凝縮ガスを抽気する抽気管を前記複数の伝熱管群のうち第１パスの伝熱管群の周囲に配置したことを特徴とする圧縮式冷凍機用凝縮器。
2. 前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズル側に配置したことを特徴とする請求項１記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
3. 前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置したことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
4. 前記第１パスの伝熱管群断面の周囲において、前記第１パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に前記抽気管を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
5. 前記凝縮器の冷媒入口を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルから遠い位置に配置し、
   前記抽気管を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルに近い位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
6. 冷媒入口が２個以上ある凝縮器の場合、前記抽気管を前記第１パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。

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