JP3567349B2

JP3567349B2 - アンモニア冷凍装置

Info

Publication number: JP3567349B2
Application number: JP03896296A
Authority: JP
Inventors: 誠佐野; 久隆浅見
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: JPH09210479A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器にて冷凍サイクルを構成する圧縮式アンモニア冷凍装置（ヒートポンプも含む）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機、冷媒凝縮器、膨張弁、冷媒蒸発器にて冷凍サイクルを構成し、そして前記冷媒凝縮器、蒸発器は、多管式熱交換器の一種と考えられるシェルアンドチューブ式が使用され、又膨張弁には温度式自動膨張弁が多用されている。
【０００３】
上記多管式熱交換器は、熱効率を上げるため伝熱管内外の流体の流れ方向を対向流にすることが必要であるが、管内流体の流れが流量や圧力損失の関係から複数パスを余儀なくされ、そのため管内外の流れは半向流となる欠点を持っている。
シェルアンドチューブ方式は、シェル中央に設けられた円筒に多数の伝熱管を並列に同心円状に巻き取りコイル状に形成する構造にして、シェル側を流れる流体とコイルチューブ内を流れる流体が、向流に近い形で熱交換するようにしたものである。
【０００４】
また、自動膨張弁は、連続給液方法であって、しかも、コスト高、大型、シール漏れ、作動応答遅速、配線ノイズがあり、ポテンショメータ等の機械的摺動部の劣化、又、差動による誤動作もあり、種々問題点を内蔵している。
特に低温域における前記冷媒給液は、冷媒循環量が微小量になるので、冷媒の適性供給には膨張弁の作動も極微小量の給液を正確に行なう必要がある。
また、周知のように、蒸発器への冷媒液の供給過多は圧縮機への液戻りを生じ冷凍設備の冷えを悪くする。また、逆に冷媒液の供給過小は熱交換量に不足をきたすことになる。
上記低温域に使用される自動膨張弁の問題点及び前記種々の問題点を解決すべく、本発明者等により特開平１ー１６７５５号公報に開示された提案、及び特開平２ー１５４９６号公報に開示されている提案がある。即ち、上記提案においては、蒸発器出口の冷媒ガスの過熱度を検出し、過熱度に応じて適正な断続的給液制御を行なうようにしたものである。
【０００５】
上記シェルアンドチューブ方式の熱交換器に対し、プレート熱交換器がある。該熱交換器は、図３及び図５に示すように、薄い金属シート（通常０．４〜１．２ｍｍ）をプレス加工により凹凸を付け、その周辺を合成ゴムよりなるガスケット張りをしたプレート伝熱板５１を一枚のエレメントとし必要枚数重ね合わせ伝熱部６０を形成する構成とし、各プレート伝熱板５１間に形成される一枚おきの流路５１ａ・５１Ｗに、高温流体と低温流体とが互いに向流方向のワンパスを形成させ、熱交換をするようにしてある。
図５に見るように、上部流入口５３Ｂより流入した１次側流体は、一枚おきにプレート伝熱板５１の流路５１ａに沿いワンパスを形成しながら下降して、下部流出口５２Ｂより流出するようにしてある。
また、下部流入口５２Ａより流入した２次側流体は、前記１次側流体が通過した伝熱板流路５１ａに隣接する伝熱板流路５１ａ夫々でワンパスを形成しつつそれぞれ上昇して、上部流出口５３Ａより流出するようにしてある。
なお、上記複数のプレート伝熱板５１により形成された伝熱部６０を固定板５６とプレッシャプレートを形成する可動板または遊動板５７で挟み、ボルト部材５９で締め付け一体構造としたものである。
かかる構成は後記する前記蒸発器用プレート熱交換器の作動流体組成物入口部からプレート熱交換器の夫々のパスに作動流体組成物の流路が形成されるように前記入口空間と出口側空間内にインサートノズルを収納配置したことを除いて公知である。
【０００６】
そして上記構成のプレート熱交換器の場合は、前記伝熱部を形成するすべての伝熱板のプレート断面での熱通過は、気液２相状態の向流による伝熱係数の大きな伝熱部と乾き蒸気による伝熱係数の小さな伝熱部とにより行なわれるものと考えられ、下記有利な点を内蔵している。即ち、
１）その熱通過率は、前記ワンパス流路と、完全向流と、前記伝熱板に流路形成用の平行波型ないしヘリボーン型のプレートパターンに起因する乱流効果とにより、多管式熱交換器に比較して高い伝熱係数が得られ、その熱通過率は３〜５倍の値を取る。
２）完全向流式が採用できるので、９０％以上の熱回収が可能である。
３）器内の冷媒滞留量が少なく起動が簡単で且つ高速制御応答が可能である。
４）伝熱面積の増減は、伝熱板の積層枚数の増減により容易に変更できる。また分解洗浄点検が容易である。
５）伝熱板面の剪断応力高く、またデッドスペースが少ないため、汚物の付着が少ない。また、熱伝達率が高いため壁面温度が低くカルシュウムや微生物の付着が少ない。
６）高性能でコンパクトの構造のため、据え付け面積や荷重も小さく、そのためスペースの有効利用が図れる。
【０００７】
一方、冷媒としてアンモニアを対象として考えた場合、フロンのような地球環境破壊の恐れはなく、フロンに比較して安価で且つ熱伝達率が良い。また、冷媒としての許容温度（臨界温度）や圧力が高く、水に溶解するため、膨張弁の詰まりがない。また、蒸発潜熱が大きく冷凍効果も大きい。
然し、アンモニアには毒性や可燃性があるばかりでなく、圧縮機の潤滑油として使用される鉱物油は非溶融性のため、油のみの回収循環は極めて困難である等の欠点を持つ。
【０００８】
そのため、アンモニアを使用する場合は、特に非溶融性に起因する欠点のために不具合を生じないシステムが必要で、例えば単段圧縮タイプの場合、圧縮機と凝縮器との間及び蒸発器と圧縮機との間には油分離器を設け、凝縮時液化分離した油を分離する油溜めを設け、また、ミスト状でアンモニアと同伴してサイクル内に混入し配管経路の所々に溜まった油を分離取り除くため高圧受液器の底部、蒸発器の下部入り口にそれぞれ油抜き部を設け、これらにより集められた油は再び噴霧状にして圧縮機に戻す必要がある。
【０００９】
また、蒸発器もボトムフィード型の満液構造を取らざるを得なく、このためにも冷媒液の増大を止むなくされている状況である。
また、２段圧縮機を使用する場合は、前記蒸発器温度が例えば−４０℃以下に冷却した場合には潤滑油の流動性の低下等から惹起される詰まり等の諸問題が起きる。
【００１０】
上記したように従来アンモニアを使用した冷凍装置では、アンモニアが潤滑油に対しての非溶融性に起因する装置の煩雑化は避け得られない状況にあった。
まして、複数枚の小間隔で並設した伝熱板に設けたプレートパターンを形成する凹部に流路を形成するプレート熱交換器をアンモニア冷凍装置に使用することは、プレート熱交換器やアンモニア自体が冷凍能力の点で、前記したように優れていても、非溶融の潤滑油が詰まりの原因を形成する限り不可能の問題であった。
しかしながら、前記アンモニアと優れた溶融性を持ち、長期間の使用にも品質的に保障される潤滑油が開発されれば、前記問題点は殆どの部分が解決される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、本願発明者等が開発した潤滑性及び安定性にも優れた潤滑油とアンモニア冷媒とを混合してなる冷凍機用作動流体組成物（国際公開Ｎｏ．ＷＯ９４／１２５９４参照）と前記プレート式熱交換器とを効果的に組合せ、アンモニア冷凍装置におけるアンモニア充填量の極小化と低コスト化を図るとともに、前記開発をより有意義化し、特にプレート熱交換器の伝熱面積の有効利用を図ったアンモニア冷凍装置の提供を目的としたものである。
【００１２】
また、本発明は、前記発明の目的に加え、作動流体組成物保有量の削減と均一分配を可能にしたアンモニア冷凍装置の提供を目的としたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、前記アンモニア冷媒と、該アンモニアと相溶性の潤滑油とを混合した作動流体組成物を前記サイクル中を循環させるとともに、前記蒸発器と凝縮器にプレート熱交換器を使用し、少なくとも前記蒸発器用プレート熱交換器の入口側内部空間内にインサートノズルを収納配置し、該入口側内部空間と前記インサートノズルの外周との間に形成される適当間隙により、作動流体組成物流入用の流路を形成させ、前記蒸発器用プレート熱交換器の作動流体組成物入口部からプレート熱交換器の夫々のパスに作動流体組成物の流路が形成されるようにしたものである。
【００１４】
これにより、アンモニア冷凍機に、アンモニアと相溶性の潤滑油との混合物よりなる作動流体組成物を使用することにより、冷凍サイクルに所々に発生する分離した油の除去回収及び圧縮機への戻し機構も不必要となるとともに、特に蒸発器の満液式構造の必要はなくなり、また分離した油による詰まり現象も皆無となったため、前記高熱透過率、高熱回収率のプレート熱交換器をアンモニア冷凍機の凝縮器、蒸発器への使用を可能にしている。
【００１５】
この場合、プレート熱交換器は、前記したようにその構造上冷媒通路はワンパスの向流式熱交換形式が採用されるため、冷媒液の蒸発には、伝熱板であるすべてのプレート断面での伝熱は、伝熱係数の大きな気液二相流伝熱部と伝熱係数の小さな乾き蒸気伝熱部とにより行なわれている。
上記事項より、プレート熱交換器の特性を十分に生かすためには、蒸発器を流れる冷媒の乾き度をつまり過熱度を低く押さえる必要がある。
【００１６】
上記過熱度設定を１〜４℃の範囲に小幅にすることにより、プレート熱交換器の伝熱面積をより有効に利用でき、延いては所要伝熱面積を小さくできる。
【００１７】
この場合上記過熱設定を小さくし、負荷の変動に対し高速応答機能を持たせるために、蒸発器の入り口と出口との温度差により敏感に作動して断続給液を可能とする電子膨張弁で形成するのがよい。
【００１８】
又本発明は、前記蒸発器用プレート熱交換器の作動流体組成物入口部からプレート熱交換器の夫々のパスに作動流体組成物の流路が形成されるように前記入口空間内にインサートノズルを収納配置し、好ましくは出入口夫々の内部空間内に前記作動流体組成物充填用インサートノズルを設け、前記熱交換器内に充填させる作動流体組成物の削減と均一分配を図ったことを特徴としたものである。
【００１９】
即ち、プレート熱交換器の出入口内部空間に前記インサートノズルを設けることにより、作動流体組成物保有量の削減と作動流体組成物の各パスへの均一分配が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図示例と共に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の実施例に係わる単段圧縮タイプの直膨式アンモニア冷凍装置の概略の構成を示すブロック図で、図２は本発明の実施例に係わる２段式圧縮タイプの極低温冷凍装置の概略の構成を示すブロック図である。
【００２１】
先ず本実施例に用いる作動流体は、下記一般式（１）で表わされるエーテル化合物の１種若しくは２種以上よりなる潤滑油をアンモニア冷媒に対し、１〜７重量％程度、好ましくは３〜５％程度添加して形成する。
Ｒ１ −［−Ｏ−（ＰＯ）ｍ−（ＥＯ）ｎ−Ｒ２］ｘ（１）
なお、上記一般式において、Ｒ１は炭素数１〜６の炭化水素基、Ｒ２は炭素数１〜６個のアルキル基であり、ＰＯはオキシプロピレン基、ＥＯはオキシエチレン基、ｘは１〜４の整数、ｍは正の整数であり、ｎは０または正の整数である。
【００２２】
図１に見るように、本実施例のアンモニア冷凍装置は、
前記アンモニアと一般式（１）で表される１種又は２種以上のポリエーテル化合物との混合物よりなり２層分離を起こすことのない作動流動組成物を、冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器１４を含むサイクルを循環させて行う冷凍サイクルを構成し、その構成は、キャンドモータが直結した圧縮機１１と凝縮器１２とプレート熱交換器用自動膨張弁１３と蒸発器１４とよりなる。
前記凝縮器１２と蒸発器１４は、図５に示すように夫々プレート熱交換器６０で構成され、両者をベース４０上に支持棒７０を介して一体的に固定している。
そして図５及び図３に見るように、凝縮器１２側では上部流入口５３Ｂより流入した１次側流体（作動流体組成物）は、一枚おきにプレート伝熱板５１の流路５１ａに沿いワンパスを形成しながら下降しながら冷却水との熱交換により凝縮し、下部流出口５２Ｂより膨張弁１３側に導出され、一方下部流入口５２Ａより流入した２次側流体（冷却水）は、前記１次側流体が通過した伝熱板流路５１ａに隣接する伝熱板流路５１Ｗに沿って前記１次側流体と熱交換しながら上昇して、上部流出口５３Ａより流出するようにし、冷却水との熱交換により水冷且つ凝縮されるコンデンサ部を形成する。
前記蒸発器１４は、下部流入口５２Ａより作動流体組成物が導入され、ブラインと熱交換しながら蒸発して、上部流出口５３Ａより圧縮機１１吸入口に導入され、そして前記下部流入口５２Ａと上部流出口５３Ａ夫々の内部空間にインサートノズル３０を収納配置する事により、アンモニアの限界充填を可能とする直接膨張式ブラインチラーを形成してある。
【００２３】
蒸発器１４の入口側に取付けられる膨張弁１３は、蒸発器１４の入り口と出口の温度差等により作動して、ＯＮ、ＯＦＦの断続制御をする電子膨張弁１３よりなり、作動流体組成物の過熱度を１〜３℃に押さえるように設定している。
即ち具体的には図６に示すように、蒸発器１４の入口側配管５２Ａと出口側配管５３Ａ夫々に温度センサ３１、３１を取付け、即ち入口側配管５２Ａに取付けたセンサ３１が冷媒蒸発温度を、出口側配管５３Ａに取付けたセンサ３１が過熱された冷媒ガス温度を測定し、２つのセンサ３１、３１の温度差によりマイコン３４にて過熱度を測定し、前記過熱度に基づいて電子膨張弁１３のＯＮ、ＯＦＦの断続制御をする。
前記過熱度は従来の自動膨張弁１３に見られた過熱度５℃以上の場合に比較し小さくすることができ、プレート熱交換器の特性を生かした制御を可能とし、プレート熱交換器の伝熱面積を、より有効に利用できるようにしてある。
【００２４】
上記構成により、プレート熱交換器の特性である伝熱係数の高い二相流伝熱部をより有効に作動させ、且つアンモニア充填量を最小に押さえることができる。
【００２５】
図２には本発明の実施例に係わる２段圧縮式冷凍装置が示されているが、該冷凍装置は、図に示すように、低段圧縮機１１Ａと高段圧縮機１１Ｂとの間にガスクーラ２２を配設するとともに、プレート熱交換器よりなる凝縮器１２と、ガスクーラ２２と、冷媒を減圧気化させる膨張弁２０とよりなる冷却器２３と、前記したプレート熱交換器用自動膨張弁１３と、プレート熱交換器よりなる蒸発器１４とよりなる。
【００２６】
図３には、蒸発器１４に使用するプレート熱交換器６０の下部流入口５２Ａと上部流出口５３Ａの双方に、作動流体組成物保有量削減と作動流体組成物の各パスへの均一分配を可能にするインサートノズル３０を設けたプレート熱交換器６０の要部断面図が示してある。
図に示すように、固定板５６と所定枚数のプレート伝熱板５１と可動板５７とよりなるプレート熱交換器６０において、前記プレート伝熱板５１はそれぞれ予め設けてあるガスケットを介して狭い流路間隙を形成するよう前記固定板５６と可動板５７との間を密着連設させるために図５に示すボルト５９でボルト締めしてある。
蒸発器１４を構成するプレート熱交換器６０は下部流入口５２Ａよりの内部空間５２ａと上部流出口５３Ａの内部空間（不図示）に、予めインサートノズル３０を装着する取り付けボルト３１１を該ノズルの後端３０ａより挿入し、作動流体組成物下部流入口フランジ５８に固定する。前記固定板５６と連設したプレート伝熱板５１に設けた前記出入口を含むの内部空間５２ａと前記インサートノズルの外周３０ｂとの間に形成される適当間隙３２により、作動流体組成物導入口５５からの作動流体組成物流出入用の流路を形成させ、作動流体組成物充填量の削減と作動流体組成物液の均一分配を図るようにしてある。
【００２７】
【実施例】
図４（Ａ）、（Ｂ）には、本冷凍システムに使用したプレート熱交換器の試験結果を示してある。
試験は下記項目に基づいて行なった。
シリーズ１（図１に示す単段式圧縮機）
モータ回転数１１７０ｒｐｍ，
蒸発温度 −３８℃〜−３３℃
過熱度２．５℃〜８℃
実線で示す
シリーズ２（図２に示す２段式圧縮機）
モータ回転数１２３０〜１３００ｒｐｍ
蒸発温度 −３７℃〜−３３．５℃
過熱度３℃〜４．５℃
点線で示す。
これらの図に見るように下記事項が理解される。
１）蒸発温度の上昇とともに蒸発器１４の総括伝熱係数が大きくなる。
２）過熱度が大きくなるに従い蒸発器１４の総括伝熱係数は小さくなり、従って蒸発温度−３７℃、総括伝熱係数を７００Ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃以上維持しようとすると、過熱度は最大でも１〜４℃以下、好ましくは１℃〜３℃以下が好ましいことが理解される。
３）モータ回転数の増加によって、冷凍能力は増大し、総括伝熱係数も大きくなる。
上記結果より推論するに、本ユニットの蒸発器１４は、伝熱係数が大きくなることにより伝熱面積を小さくすることができ、例えば、同じ負荷で対数温度差が一定とした場合、蒸発温度−３７℃過熱度４℃の運転条件に対しモータ回転数の増加により総括伝熱係数を６９０Ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃から８３５Ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ℃まで大きくすることができ、伝熱面積は２０％小さくすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上記構成により、アンモニアと相溶性潤滑油とアンモニアとの混合物よりなる作動流体組成物を使用したアンモニア冷凍装置に係わり、特に前記作動流体組成物の使用と相埃って高い熱通過率を持つプレート熱交換器の使用を可能にするとともに、アンモニア充填量を最小にしたアンモニア冷凍装置の提供が可能となり、これによりプレート熱交換器の優れた特性を十分に引き出すことができ、総括伝熱係数の高く、且つアンモニア充填量の極小化を可能としたアンモニア冷凍装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる単段圧縮タイプの直膨式アンモニア冷凍装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係わる２段式圧縮タイプの極低温冷凍装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図３】インサートノズルの概略構成と取り付け状況を示す破断側面図である。
【図４】本冷凍システムに使用したプレート熱交換器の試験結果を示す図である。
【図５】汎用プレート熱交換器の概略の構成を示す分解斜視図である。
【図６】蒸発器の入口と出口の温度差等により作動流体組成物の過熱度を測定する装置構成を示す。
【符号の説明】
１１圧縮機
１２凝縮器
１３プレート熱交換器用自動膨張弁
１４蒸発器
２０膨張弁
２２ガスクーラ
２３冷却器
３０インサートノズル

Claims

アンモニア冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器にて冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍装置において、
前記アンモニア冷媒と、該アンモニアと相溶性の潤滑油とを混合した作動流体組成物を前記サイクル中を循環させるとともに、前記蒸発器と凝縮器にプレート熱交換器を使用し、前記蒸発器の入口側と出口側の温度差に基づいて前記膨張弁を制御し、少なくとも前記蒸発器用プレート熱交換器の入口側内部空間内にインサートノズルを収納配置し、該入口側内部空間と前記インサートノズルの外周との間に形成される適当間隙により、作動流体組成物流入用の流路を形成させたことを特徴とするアンモニア冷凍装置。
前記蒸発器の入口側と出口側の温度差に基づいて蒸発器用プレート熱交換器の過熱度を１〜４℃の範囲になるように、前記膨張弁を制御したことを特徴とする請求項１記載のアンモニア冷凍装置。