JP3492912B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍装置に係り、
特に一般空調産業や低冷水温度の必要な工業の分野で使
用する冷凍装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、地球温暖化に伴う温室効果ガス発
生量の削減が論議されている状況下において、省エネル
ギーに伴う各種の検討、技術開発が活発化する趨勢にあ
る。例えば、空調産業においても、深夜電力を利用した
氷蓄熱システムが注目されているものの、初期設備投資
に必要とするコストが問題となることがある。一般的な
水蓄熱システムのチューブプレート式の蓄氷部では、凍
結という技術的課題があり、従来、凍結事故を配慮して
冷水温度は４℃前後が限度として運用されてきた。例え
ば、日本冷凍協会発行第５版「冷凍空調便覧，２巻，機
器編」Ｐ．２８６に記載されているとおり、一般には冷
水温度は５℃や７℃の仕様となつている。 【０００３】一方、最近では、既設の水蓄熱設備を流用
して、さらに低温域の冷水温度製造の需要が高まってい
る。既に小容量領域では、レシプロ形圧縮機を用いプレ
ート式熱交換器を用いた冷凍装置で０℃に近い低温冷水
を得ている。 【０００４】また、中大容量になると、プレート式蒸発
器で１００％の冷凍容量を満足させようとするとプレー
ト式熱交換器が大型になり設置スペースの増大、コスト
の増加等の問題がある。また、従来の満液式蒸発器を有
する冷凍装置で低温水取り出しを行うには、安定した負
荷パターンの場合を除き、冷水量の変動あるいは経年的
なチューブの汚れによる伝熱性能低下で、凍結によるチ
ューブ破裂、機内浸水の恐れがあるため、実用上冷水出
口温度には限界があった。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】一般に、低温冷水を得
るためには、冷水を流通させる冷水管、すなわちチュー
ブ内の冷水が凍結しないようにする必要がある。満液式
蒸発器で０℃付近まで冷却すると、冷水量の変動や、ス
ケール付着によるチューブの熱伝達率が低下する場合に
は、チューブ出口パス側で凍結する恐れがある。一方、
プレート式熱交換器では、プレート内に形成される通路
を冷媒が流通し、プレート外表面に冷水を自然流下させ
る構造であるため、表面に結氷しても氷の膨脹等による
異常荷重の発生はなく、損傷の恐れはない。 【０００６】ところで、プレート式熱交換器の場合、容
量増加に対応するには、規格寸法で成形されるプレート
の枚数を増やす手段が考えられる。しかし、冷水の流下
によるプレート間の影響をなくすためにある程度のプレ
ート間隔が必要であり、密集した伝熱管群の構成で小形
化が可能な満液式蒸発器の場合のようには対応できな
い。このため、装置が大形化し設置面積の確保およびコ
スト面の増加という不具合がある。 【０００７】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、中大容量の低温冷水を製造し、
コスト的に安価で、省スペースを実現でき、かつ凍結に
対して信頼性の高い冷凍装置を提供することを、その目
的とするものである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る冷凍装置の第１の構成は、圧縮機、凝
縮器、蒸発器、およびこれらを接続する冷媒配管を備え
て冷凍サイクルを構成し、蒸発器として満液式蒸発器と
プレート式蒸発器を併用した冷凍装置であって、前記満
液式蒸発器で負荷側より流入する冷水を冷却し、この冷
水をさらに、前記プレート式蒸発器で０℃付近まで冷却
する冷水系統を有するものである。 【０００９】すなわち、上記第１の構成では、満液式蒸
発器による小形化、プレート式熱交換器による凍結に対
する信頼性の各メリツトを有効利用し、満液式蒸発器に
できるだけ多くの容量を受け持たせて、可能な範囲の低
い冷水温度まで冷却し、さらに残りの容量をプレート式
熱交換器で分担して冷水温度を０℃付近まで冷却するシ
リーズフローの方式を提案している。 【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
に係る冷凍装置の第２の構成は、上記第１の構成に加え
て、満液式蒸発器の冷水出口側に第１の温度検出器を備
え、該温度検出器が検知した冷水温度に応じて、満液式
蒸発器内で蒸発する冷媒ガスを圧縮機に導く配管途中に
設けた自動弁の開閉を制御して前記満液式蒸発器の冷水
出口温度を一定にするとともに、プレート式蒸発器の冷
水出口側に第２の温度検出器を備え、該温度検出器が検
知した冷水温度に応じて、圧縮機のサクションダンパー
の開閉を制御して前記プレート式蒸発器の冷水出口温度
を一定にするようにしたものである。 【００１１】すなわち、上記第２の構成では、プレート
式熱交換器の性能を最大限活用する効率の良い運転状態
で使用する方法を提案している。プレート式蒸発器の冷
水入口温度を一定制御することにより、蒸発器の負荷を
常時全負荷状態で使用するもので、プレート式蒸発器の
選定に対して必要以上の余裕を設ける必要はない。この
方法では、満液式蒸発器で冷却される冷水温度が過度に
低下することを防止するメリットもある。 【００１２】さらに、上記目的を達成するために、本発
明に係る冷凍装置の第３の構成は、上記第１の構成に加
えて、満液式蒸発器の発生冷媒ガスを圧縮機に導く配管
およびプレート式蒸発器の発生冷媒ガスを圧縮機に導く
配管の途中にそれぞれ圧力調整弁を設け、前記満液式蒸
発器およびプレート式蒸発器のそれぞれの内圧を圧力検
出器により検知し、その検知圧力に応じて前記それぞれ
の圧力調整弁を制御して、前記満液式蒸発器内圧および
プレート式蒸発器内圧をそれぞれ一定に制御するように
したものである。第３の構成では、第２の構成とは別の
手段で所定の冷水を得る方法として、各蒸発器内圧を一
定に保つことで飽和温度を保ち、所定の冷水出口温度を
得ることを提案している。 【００１３】さらに、上記目的を達成するために、本発
明に係る冷凍装置の第４の構成は、上記第１の構成に加
えて、満液式蒸発器の冷水出口からプレート式蒸発器に
至る冷水配管の途中に仕切り弁を設け、必要冷水出口温
度を高くして運転するときに、前記仕切り弁を閉じ、満
液式蒸発器の冷水出口に設けた温度検知器にて必要な温
度に制御された冷水を、前記満液式蒸発器からの冷水配
管の途中で分岐された配管から前記プレート式蒸発器を
介さないでバイパスさせ負荷側へ送水できる構成とした
ものである。 【００１４】すなわち、第４の構成では、冷水温度の高
い条件での効率的な手段を提案している。この場合、プ
レート式蒸発器を介さないので、満液式蒸発器への冷水
ポンプのみで負荷側へ送水し、プレート式蒸発器内の冷
水槽出口からの冷水ポンプを使用しないので、運転コス
トの低減を図ることができる。また、プレート式蒸発器
を介した運転では、蒸発温度が満液式蒸発器のみで運転
した場合に比べて低いことから、ＣＯＰ（成績係数）の
点でも有効である。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
ないし図３を参照して説明する。図１は、本発明の一実
施の形態を示す冷凍装置の系統図、図２は、本発明の一
実施の形態を示す冷凍装置の外観図で、（ａ）は平面
図、（ｂ）は正面図、図３は、蒸発器の内圧制御の実施
形態を示す説明図である。なお、各図で同一機器，部品
は、同一符号で示している。また、図２において、矢印
は冷媒および冷水の流れを示すものである。 【００１６】図１，２において、１は、冷凍サイクルを
構成する満液式蒸発器、２は、満液式蒸発器１と併用し
て冷凍サイクルを構成するプレート式蒸発器、３は、プ
レート式蒸発器２で発生する気液混合冷媒の気液を分離
するサージドラム、４は、満液式蒸発器１と圧縮機６と
を結ぶ冷媒ガス配管２１に設けた電動弁、５は、冷凍サ
イクルを構成する凝縮器、６は圧縮機、７は、圧縮機６
を駆動する電動機、８は、圧縮機６の吸込側の容量制御
装置、９は、満液式蒸発器１の冷水出口側の冷水配管１
３に具備した温度検知器、１２は、プレート式蒸発器２
の最終冷水出口側の冷水配管１６に具備した温度検知
器、１７は、前記冷水配管１６に設けた冷水ポンプであ
る。 【００１７】１３は、満液式蒸発器１とプレート式蒸発
器２との間を接続する冷水配管、１８（１８−１，１８
−２の総称）は、冷水配管１３に設けた仕切り弁であ
る。２０は、圧縮機６，凝縮器５，満液式蒸発器１，プ
レート式蒸発器２を接続する冷媒配管、２１は、満液式
蒸発器１，圧縮機６間の冷媒ガス配管、２２は、プレー
ト式蒸発器２，サージドラム３間の冷媒配管、２３は、
サージドラム３，圧縮機６間の冷媒ガス配管、２４は、
サージドラム３，プレート式蒸発器２間の冷媒配管で、
プレート式蒸発器２における冷媒循環回路を構成する。
２５は、クーリングタワーへ通じ凝縮器５の冷却管群に
冷却水を流通させる冷却水系を示す。また、３０，３１
は、電動機７の冷却系を示す。 【００１８】図１，２に示すように、本実施の形態の冷
凍装置は、主要機器として、満液式蒸発器１、プレート
式蒸発器２、サージドラム３、電動弁４、凝縮器５、圧
縮機６、電動機７、容量制御装置８、および冷媒配管、
冷水系統により構成される。満液式蒸発器１は、詳細を
図示しないが、一般に良く知られているように、容器内
に冷水管群（チューブバンドル）が設けられ、そのチュ
ーブ１ａ内に冷水が流通し、チューブ１ａ外は冷媒に浸
っている。チューブ１ａ内面には、図示しないが熱伝達
率を促進するための突起が形成されている。１ｂはエリ
ミネータを示す。 【００１９】また、プレート式蒸発器２は、詳細を図示
しないが、一般に良く知られているように、数枚のプレ
ートが所定の間隔で配列され、上部には、外部配管から
供給される冷水の受水槽１４を設けており、受水槽１４
の底には、各プレート上部より冷水が表面を流下するた
めに多数の小孔が穿孔されている。プレートは対接する
プレート間に冷媒通路を形成してあり、この冷媒通路内
の冷媒はプレート外表面を流下する冷水と熱交換され冷
媒の一部がガス化し、プレートから出たのち、気液混合
状態で配管２２を経てサージドラム３に送られる。サー
ジドラム３の内部は、詳細を図示しないが、一般に知ら
れているように、冷媒液とガスを分離する多孔板を設け
たものである。 【００２０】次に、本実施の形態の冷凍装置の動作につ
いて図１を参照して説明する。負荷側から冷水ポンプ
（図示せず）で供給される冷水は、まず満液式蒸発器１
に冷水管群（チューブバンドル）を構成するチューブ１
ａ内を流通する。例えば１２℃で流入する冷水は、ここ
で冷媒液と熱交換して４℃まで冷却される。満液式蒸発
器１の冷水出口側の冷水配管１３に具備された温度検知
器９により冷水温度を検知する。この検知温度と制御装
置（図示せず）に予め設定された所定の設定温度との差
を極力ゼロにするように、満液式蒸発器１から発生し冷
媒ガス配管２１を経て圧縮機６に導かれる冷媒ガス量
を、前記制御装置により電動弁４を作動させて自動調整
する。 【００２１】圧縮機６で圧縮された高温高圧の冷媒ガス
は凝縮器５に至り冷却水と熱交換して凝縮する。凝縮器
５からの冷媒液はオリフィス１０，１１を介して満液式
蒸発器１とプレート式蒸発器２へ分流される。３２，３
３は、冷媒配管２０に具備され冷媒をプレート式蒸発器
２へ送りこむための冷媒供給管を示す。次に、満液式蒸
発器１からの冷水は、冷水配管１３によりプレート式蒸
発器２へ供給される。このとき、仕切り弁１８−１が
開、仕切り弁１８−２が閉となっている。 【００２２】プレート式蒸発器２では、冷水はプレート
上部に設けられた受水槽１４に流入し、受水槽１４の底
に設けられた多数の小孔から散布され、各プレートの外
表面を流下し、プレート内の通路を流れる冷媒と熱交換
して仕様温度（例えば１℃）まで冷却される。流下した
冷水はプレート式蒸発器２の下部にある水槽１５に集め
られる。このとき、前記プレート式蒸発器２の冷媒通路
内では、冷媒液が蒸発し液とガスの混合状態で冷媒配管
２２を経てサージドラム３に入り液とガスに分離され
る。 【００２３】前記水槽１５に集められた冷水は、冷水配
管１６を介して冷水ポンプ１７により蓄熱槽（Ａ）に送
水される。この最終冷水出口側である冷水配管１６に具
備された温度検出器１２により最終冷水の温度を検知す
る。この検知温度と制御装置（図示せず）に予め設定さ
れた所定の設定温度との差を極力ゼロにするように、プ
レート式蒸発器２から発生しサージドラム３、冷媒配管
２３を経て圧縮機６に導かれる冷媒ガス量を、前記制御
装置により容量制御装置８を作動させてサクションダン
パー８ａの開閉を自動調整する。 【００２４】サージドラム３で分離された冷媒ガスは冷
媒配管２３を介して前述のように圧縮機６へ導かれる。
一方、サージドラム３で分離された冷媒液は、冷媒配管
２４により、凝縮器５から冷媒配管２０，冷媒供給弁３
２，３３を経て供給された冷媒液と合流して再度プレー
ト式蒸発器２に導かれる。上述の冷水１℃取り出し運転
は、深夜の安価な電力で行われる蓄熱運転に有効であ
る。 【００２５】なお、図１に示すように、サージドラム３
には、液面検出器３４を備え、その検知結果に応じて冷
媒供給弁３３を制御して液面調整ができる。 【００２６】次に、図３を参照して蒸発器の内圧制御に
ついて説明する。図３は、図１の系統図の要部を取り出
して示すものである。図中、図１と同一符号は同一機
器，部品を示す。図３において、２６は、満液式蒸発器
１の器内内圧を検知する圧力検出器、２７は、冷媒ガス
配管２１に設けた圧力調整弁、２８は、プレート式蒸発
器２の器内内圧を検知する圧力検出器、２９は、冷媒ガ
ス配管２３に設けた圧力調整弁である。 【００２７】図３に示す実施の形態では、満液式蒸発器
１およびプレート式蒸発器２のそれぞれの内圧を圧力検
出器２６，２８により検知し、その検知圧力を制御装置
（図示せず）に予め設定してある圧力と比較し、それぞ
れの圧力調整弁２７，２９を制御して、前記満液式蒸発
器内圧およびプレート式蒸発器内圧をそれぞれ一定の設
定圧力に制御するものである。 【００２８】次に、昼間の空調運転の場合で、冷水温度
条件を５℃あるいは７℃に上げて運転する場合には、満
液式蒸発器１の冷水出口温度を所定の５℃あるいは７℃
に調整し、プレート式蒸発器２を介さないで、冷水を全
量バイパスさせ負荷側（Ｂ）へ送水する。すなわち、冷
水配管１３の仕切り弁１８−１を閉、仕切り弁１８−２
を開として満液式蒸発器１から取り出した冷水を負荷側
（Ｂ）へ供給する。この方法では、プレート式蒸発器２
へ冷水を送らないので、プレート式蒸発器２の冷水出口
側に設けた冷水ポンプ１７を運転する必要はない。 【００２９】本実施の形態によれば、伝熱性能の高い満
液式蒸発器１と、凍結に対する信頼性の高いプレート式
蒸発器２とを併用することにより、プレート式蒸発器の
みの対応方式に比べて冷凍装置の全体寸法を小形化する
ことができる。また、冷水温度設定を上げた空調運転の
場合には、満液式蒸発器の冷水出口温度設定を調整する
ことにより、プレート式蒸発器２を介さなくても所要の
冷水温度を取り出すことができるので、冷水ポンプ１７
を運転する必要はなく、運転コストの低減化を図ること
ができる。 【００３０】この他、プレート式蒸発器２側に運転上の
支障がおきた場合でも、満液式蒸発器１単独で可能な限
り温度を下げた冷水を応急的に提供できる利点もある。 【００３１】 【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、中大容量の低温冷水を製造し、コスト的に安価
で、省スペースを実現でき、かつ凍結に対して信頼性の
高い冷凍装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施の形態を示す冷凍装置の系統図
である。 【図２】本発明の一実施の形態を示す冷凍装置の外観図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 【図３】蒸発器の内圧制御の実施形態を示す説明図であ
る。 【符号の説明】 １…満液式蒸発器、２…プレート式蒸発器、３…サージ
ドラム、４…電動弁、５…凝縮器、６…圧縮機、７…電
動機、８…容量制御装置、９，１２…温度検知器、１
０，１１…オリフィス、１３，１６…冷水配管、１４…
受水槽、１５…水槽、１７…冷水ポンプ、１８−１，１
８−２…仕切り弁、２０…冷媒配管、２１，２３…冷媒
ガス配管、２６，２８…圧力検出器、２７，２９…圧力
調整弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木庭 賢二 福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号 九州電力株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平２−52959（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−210479（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−28975（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−190507（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−162282（ＪＰ，Ｕ) 特許2691154（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 5/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】圧縮機、凝縮器、蒸発器、およびこれらを
   接続する冷媒配管を備えて冷凍サイクルを構成し、蒸発
   器として満液式蒸発器とプレート式蒸発器を併用した冷
   凍装置であって、 前記冷凍サイクルは、深夜の蓄熱運転時に、冷媒ガスが
   前記圧縮機で高温高圧に圧縮され、この冷媒ガスが前記
   凝縮器で凝縮され、この凝縮した冷媒液が前記満液式蒸
   発器と前記プレート式蒸発器へ分流してそれぞれの蒸発
   器で蒸発され、前記満液式蒸発器で蒸発された冷媒ガス
   と前記プレート式蒸発器で蒸発された冷媒ガスとが合流
   して前記圧縮機に戻されるように前記冷媒配管を接続
   し、 前記圧縮機の吸込側に容量制御装置を設け、 前記満液式蒸発器および前記プレート式蒸発器のそれぞ
   れの内圧を検知する圧力検出器を備え、 前記満液式蒸発器で蒸発された冷媒ガスを流す前記冷媒
   配管と前記プレート式蒸発器で蒸発された冷媒ガスを流
   す前記冷媒配管のそれぞれに圧力調整弁を備え、 前記満液式蒸発器内で蒸発する冷媒ガスを前記圧縮機に
   導く前記冷媒配管途中に電動弁を備え、 前記満液式蒸発器で負荷側より流入する冷水を冷却し、
   この冷水をさらに、前記プレート式蒸発器で０℃付近ま
   で冷却する冷水系統を有し、 前記満液式蒸発器の冷水出口側に第１の温度検出器を備
   え、 前記プレート式蒸発器の冷水出口側に第２の温度検出器
   を備え、 前記圧力調整弁、前記電動弁、および前記容量制御装置
   を制御する制御装置を備え、 前記制御装置は、深夜の蓄熱運転時に、前記圧力検出器
   で検知したそれぞれの内圧を予め設定してある圧力と比
   較し、前記それぞれの圧力調整弁を制御して前記満液式
   蒸発器内圧および前記プレート式蒸発器内圧をそれぞれ
   の設定圧力に制御し、前記第１の温度検出器が検知した
   冷水温度に応じて、前記満液式蒸発器の冷水出口温度を
   所定の設定温度との差が極力ゼロになるように前記電動
   弁を作動するとともに、前記第２の温度検出器が検知し
   た冷水温度に応じて、前記プレート式蒸発器の冷水出口
   温度を所定の設定温度との差が極力ゼロになるように前
   記容量制御装置を作動する機能を備え、 前記満液式蒸発器の冷水出口から前記プレート式蒸発器
   に至る冷水配管の途中に仕切り弁を設け、必要冷水出口
   温度を高くして運転するときに、前記仕切り弁を閉じ、
   前記満液式蒸発器の冷水出口に設けた前記第１の温度検
   知器にて必要な温度に制御された冷水を、前記満液式蒸
   発器からの冷水配管の途中で分岐された配管から前記プ
   レート式蒸発器を介さないでバイパスさせ負荷側へ送水
   する構成としたことを特徴とする冷凍装置。