JP3990161B2 - アンモニア冷却ユニットのエバコン構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷蔵倉庫や荷捌き室や加工室等の小規模冷却に使用する、アンモニア冷媒を用いて圧縮機、エバコン（凝縮器）、膨張弁、ブラインクーラ（蒸発器）などより冷凍サイクルを形成するアンモニア冷却ユニットのエバコン構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オゾン層破壊、地球温暖化防止に対する対策が強く要求されてきているなかで、空調、冷凍分野においてオゾン層破壊の観点からの脱フロンばかりでなく、地球温暖化の点より代替冷媒ＨＦＣの回収とエネルギ効率の向上が急務となっている。
上記要求に添うため、自然冷媒であるアンモニア、炭化水素、空気、炭酸ガス等の使用が考えられ、大型の冷却・冷凍設備にはアンモニア冷媒の採用が多く見受けられ、しかも、上記大型冷却・冷凍設備に付随する例えば冷蔵倉庫や荷捌き室や加工室等の小規模冷却・冷凍設備でも、自然冷媒のアンモニアの導入増大の傾向にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記冷却・冷凍設備に使用するアンモニア冷媒においては、
オゾン破壊係数零、地球温暖化係数零、低価格、高いＣＯＰ、高い熱伝達率、高い臨界温度と圧力、漏洩時の検出が容易、膨張弁のつまりがない、冷凍効果が大である等の長所に対し、
毒性、圧縮機吐出温度が高い、水に溶解し腐食性を生じる、銅系統の材料が使用できない、油に溶解しない、等の欠点を内蔵している。
【０００４】
そのため、アンモニアを冷媒として安全に使用する方策としては、安全確保のための取り扱い方法の熟知もさることながら、下記事項が要求される。
則ち、先ず第一に要求されることは被害を最小限に止めるための充填量を最小にすること、ついで漏れない構造にすること、漏洩した場合の安全を考慮した機器類の構造、漏洩アンモニア検出と制御の精度と確度の向上、漏洩アンモニアの除害対策が要求される。
アンモニア冷却機分野の開拓には、上記問題点の解決、克服如何にかかっている状況である。
【０００５】
そのため、上記アンモニア冷媒の充填量最小化の対策として、従来から冷凍機に使用されている液ポンプ方式や満液方式に代表される大量の冷媒量を必要とする蒸発方式に代わりに、相溶性オイルを用いた直接膨張方式の蒸発システムを開発することにより、冷媒の保有量を従来の方式の約１／５０以下までの削減を図っているが、なおこの点の一層の削減が要求されている。
【０００６】
また、冷媒の漏れを少なくする対策としては、冷媒流路回り漏洩の削減を図るべく、漏洩の可能性の高い圧縮機の軸封部を密閉型若しくは半密閉型とすることが必要とされている。そのため、電動機のロータ部とステータ部との間に高耐蝕性キャンを挿入した、ステータ部をアンモニア雰囲気から隔離した構造を持つ高効率キャンドモータ一体型圧縮機を導入し、該導入によりアンモニアガス漏れの削減を図っている。
【０００７】
また、前記冷媒の漏洩について、圧縮機以外の部位よりのアンモニア漏洩をより確実に防止するため、冷凍ユニットを一体化構造とし、工場生産型パッケージ化による対応化が図られている。
【０００８】
上記様々な対策のなかで、なお改善を必要とされる点は、早期漏洩除害対策と、冷凍ユニットの一層の高効率化運転などが挙げられる。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、アンモニア冷媒の持つ欠点を構造的に解決し安全性の向上を図ったアンモニア冷却ユニットのエバコン構造の提供を目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明のアンモニア冷却ユニットのエバコン構造は、アンモニア冷媒を用いて圧縮機、圧縮機駆動モータ、エバコン、膨張弁、蒸発器を含む部材により冷凍サイクルを構成し、下段構造体に圧縮機駆動モータ、圧縮機、制御盤、蒸発器を含むブラインクーラ、ブラインポンプ、水タンク、散水ポンプ等を配設し、
上段構造体にドレーンパンを介して、エバコン等を配設する構成とした二段階構造のアンモニア冷却ユニットにおいて、
上記エバコンは、入口側と出口側のそれぞれ集合部を介して一方向にアンモニア冷媒が流れる多管式構造となすとともに、圧縮機よりの圧縮冷媒が導入される入口側より蒸発器側に向けて下向き傾斜で形成した傾斜多管式熱交換器と、該熱交換器の傾斜冷却管の上部に設けた散水部と、前記熱交換器と散水部とを内蔵しその下部に冷却空気取り入れ部を持つ下底開放型の凝縮部と、該凝縮部の周囲に二重殻空間を形成する外部ケーシングと、その上部に設けた冷却空気を外部へ送出する空冷ファンと、より構成したエバコン構造であって、
外部ケーシングの前記冷却管部と同等高さ若しくは上部位置に空気取り入れ吸入口を設け、
外部ケーシングと凝縮部との間の空間に下向き空気流を生じさせながら前記凝縮部下底解放部に設けた冷却空気取り入れ部に導入可能にしたことを特徴とする。
【００１１】
前記発明は、本発明のアンモニア冷却ユニットのエバコン構造に付き記載したものである。
則ち、下段構造体に圧縮機駆動モータ、圧縮機、制御盤、蒸発器を含むブラインクーラ、ブラインポンプ、水タンク、散水ポンプ等を配設し、
上段構造体にドレーンパンを介して、エバコン等を配設する構成とした二段階構造のアンモニア冷却ユニットにおいて、
エバコンを従来のワンパス式コイルによる熱交換方式に代わり、入口側と出口側のそれぞれ集合部（ヘッダ）を介して一方向にアンモニア冷媒が流れる多管式構造となすとともに、圧縮機よりの圧縮冷媒が導入される入口側より蒸発器側に向けて下向き傾斜で形成した下向き傾斜多管式熱交換器、要約すれば上流側集合ヘッダより下流側集合ヘッダへ向け一方向にアンモニア冷媒が流れる下向き傾斜多管式熱交換器により構成する。そして、前記ヘッダ間を結ぶ複数の下向き傾斜冷却管へ上流側ヘッダより高圧高温冷媒ガスを導入し、下流側ヘッダに到達する過程で、冷却管の周囲を流れる冷却空気と散水により凝縮させて下流側ヘッダで液冷媒を得ているが、前記冷媒ガスは下向きの傾斜冷却管内の移動の過程で冷却管の内面に液膜を形成して、該液膜により液冷媒を形成しているが、その液冷媒のパイプ内での流れの停止を防止して平均液膜を薄くして高能率の伝熱効果を上げるようにしてある。
【００１２】
そのため、当該エバコンを形成する傾斜多管式熱交換器の使用により、本発明の目的である高能率の凝縮効果を上げるとともに、当該エバコンの大きさも小さくできるため、エバコン内に保有する冷媒保有量の削減を可能にしている。
【００１３】
また、前記アンモニア冷却ユニットのエバコン構造の主要素である前記エバコンは、
両サイドにヘッダを持つ傾斜多管熱交換器と、該熱交換器の傾斜冷却管の上部に設けた散水部と、前記熱交換器と散水部とを内蔵しその下部に冷却空気取り入れ部を持つ下底開放型の凝縮部と、該凝縮部の周囲に二重殻空間を形成する外部ケーシングと、その上部に設けた冷却空気を外部へ送出する空冷ファンと、より構成したエバコン構造であって、
外部ケーシングの前記傾斜冷却管部と同等高さ若しくは上部位置に空気取り入れ吸入口を設け、
外部ケーシングと凝縮部との間の空間に下向き空気流を生じさせながら前記凝縮部下底解放部に設けた冷却空気取り入れ部に導入可能に構成する。
【００１４】
前記発明は、圧縮機、駆動モータ、蒸発器、膨張弁、水タンクなどを内蔵する下段構造体よりの漏洩ガスの効率的除害手段及び高温高圧アンモニアガスの凝縮用の冷却空気の取り入れについて記載したもので、
そのため、エバコンの散水部と熱交換器を内蔵する凝縮部の外側に、外部ケーシングを設け二重殻構造とし、漏洩アンモニアガスに対しては、該漏洩ガスを前記二重殻空間の上部空間に集め、外部ケーシングに設けた吸入口より導入する冷却空気とともに、エバコン内で散水による除害処理を行ない、前記冷却空気により前記傾斜冷却管内を流れる高圧高温アンモニアガスの凝縮を行なうようにしたものである。
【００１５】
なお、上記二重殻構造は、前記冷却ユニットの機械側を内蔵する下部構造体と前記エバコン、ドレーンパンを内蔵する上部構造体との継目に当たるドレーンパンの上部に設けられたエバコンの凝縮部を内蔵するように構成したもので、
前記エバコンは、傾斜多管式熱交換器と、散水部と冷却空気取り入れ部と、冷却済み空気を外部へ送出する空冷ファンとより構成したものである。
そして、前記ドレーンパンの上部に設けられた、筒状角柱よりなる下底開放型の前記凝縮部の外周に外部ケーシングを設け、二重殻構造にしてある。
【００１６】
なお、前記凝縮部の一組の対向壁面を形成するヘッダ付き管板に、該管板を貫通する複数の傾斜冷却管を設け傾斜多管式熱交換器を構成してある。
前記したようにその上部に散水部を設け、該散水部より熱交換器の傾斜冷却管に散水をさせ、蒸発潜熱による冷却を行なわせ、該蒸発潜熱の発生を促進する冷却空気の取り入れを前記凝縮部の下部解放部の冷却空気取り入れ部により行ない、上部に設けた冷却ファンにより前記取り入れた冷却空気を外部へ放出するようにしたものである。
【００１７】
そして、前記冷却空気は前記二重殻を形成する外部ケーシングに設けた外気の吸入口より取り入れる構成にしてある。
上記外気の吸入口は、前記傾斜多管式熱交換器のヘッダ側の対向面の上部に設けられた漏洩アンモニア除害用吸入口と、前記熱交換器のパイプ側面に対向する外部ケーシングの前記熱交換器の傾斜冷却管と同等高さ以上の位置に設けた冷却空気用の吸入口とを設けてある。
外部ケーシングの前記吸入口より取り入れられた外気は、外部ケーシングと凝縮部との間の空間に下向き空気流を形成させながら前記凝縮部下部解放部に設けた冷却空気取り入れ部に導入し、所用の冷却と除害を行ない前記冷却ファンにより外部へ放出する
【００１８】
なお、漏洩アンモニアガスは、下部構造体の機械側よりドレーンパンとケーシングの間を抜け、上段構造体の最上部のケーシングと凝縮部との間の二重殻空間に流路を介して導入し、導入された漏洩ガスを最上部のケーシングに設けた前記漏洩アンモニア除害用吸入口より外気とともに、前記凝縮部の冷却空気取り入れ部へ導入させ、散水により溶解除害させ、溶解水はドレーンパンに回収する構成にして、常時除害が出来る完全除害を可能にしている。
【００１９】
また、前記アンモニア冷却ユニットのエバコン構造における前記ドレーンパンは、
水タンクへの排出口へ向け、浅い下降状漏斗傾斜床面を形成させるとともに、ドレーンパンの側壁内に上方に向かうスカート部を設け、該スカート部を外壁ケーシングに固設した構成が好ましい。
【００２０】
前記発明は、本エバコン構造に使用するドレーンパンの構成について記載したもので、下段構造体の水タンク真上に設けたドレーンパンの排出口に対し、パンの底面を下降傾斜面を形成させて漏斗状となし、ドレーン水のパン内での流れの停止による液の溜りの形成を防止する構成にしてある。また、前記ドレーンパンの側壁内側にスカートをはかせ、外部ケーシングに固着させドレーンパンよりの跳ね返りが下段構造体の機械側へ落下することを防止する。
【００２１】
【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。以下図面に基づいて本発明の詳細を説明する。
図１は本発明のエバコンを配設したアンモニア冷却ユニットの概略構成を示す系統図で、図２は図１に示すアンモニア冷却ユニットの内部の構成を示す破断図で、図３は図２のIII−III視図で、図４は図２のIV−IV視図である。図５（Ａ）は図２のドレーンパンの上から見た正面図で、（Ｂ）は側面図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明のアンモニア冷却ユニットは、屋外に設置され、該ユニットよりの冷熱をブラインクーラ２９を介してブライン出入口２４、２４より屋内に設置した図示していない負荷に冷熱を伝達する。
上記アンモニア冷却ユニット２０は、下段構造体１６と上段構造体１５よりなる２段階構造体を形成する。
下段構造体１６には機械側を構成するモータ一体型圧縮機３１を形成するモータ３０ａと圧縮機３０と、自動膨張弁２８、ブラインクーラ２９と水タンク３３と散水ポンプ２９ｂと制御盤３２などを内蔵し、
上段構造体１５には、ドレーンパン１２と、エバコン１９と、凝縮部１８と、外部ケーシング１５ａなどを内蔵している。
そして、上記２段階構造体は、工場生産型ユニットとして生産され、現場ではブライン配管と電気配線のみの施工で済む構成にして、ユニット構成部品は精密管理生産された同一規格品を使用し、ユニット内でのアンモニアの漏洩を皆無とする構成にしてある。
【００２３】
上記モータ一体型圧縮機３１は、圧縮機３０とモータ３０ａとにより一体型に形成され、モータ３０ａはアンモニアガスの漏洩をなくした半密閉／密閉構造にしてある。
【００２４】
上記エバコン１９は、図１、図２、図４に示すように傾斜多管式熱交換器１０と、散水部１１と、前記熱交換器１０と散水部１１を内蔵する凝縮部１８（管板１０ａを含む）と、空冷ファン１３とより構成する。
【００２５】
なお、前記傾斜多管式熱交換器１０は両サイドの併設直立管板１０ａ、１０ｂを貫通し、集合用ヘッダ１０ｃ、１０ｄとを結合する複数の傾斜冷却管１０ｇよりなり、入口側のヘッダ１０ｃより下流の出口側ヘッダ１０ｄに向け下向き傾斜にしている。
該傾斜構造により、入口側ヘッダ１０ｃに導入された冷媒ガスは下流の出口側ヘッダ１０ｄに到達する過程で後記する冷却空気及び散水による冷却により凝縮液化し液冷媒を形成するが、管内壁に形成された液膜は一ヶ所に流れを停止することなく下流の出口側ヘッダ１０ｄへ移動する。
そのため前記傾斜冷却管１０ｇにおいては、高熱伝達効率のもとに冷媒ガスは凝縮し、冷媒の当該熱交換器内に在留する時間の短縮が図られ、当該熱交換器の使用により凝縮効率の向上と大幅な冷媒保有量の削減を図ることができる。
【００２６】
また、散水部１１は、前記傾斜多管式熱交換器１０の上部に位置し、前記熱交換器の傾斜冷却管の上部より噴霧水を散水し、前記熱交換器１０の傾斜冷却管１０ｇの表面で蒸発させ蒸発潜熱により冷却管１０ｇ内に導入された高圧高温アンモニアガスを冷却する。
そして前記熱交換器１０を通過した未蒸発の冷却水は下部のドレーンパン１２、排水管１２ｂ（図２、図４参照）を経由して下段構造体１６に内蔵されている水タンク３３に貯留される。
【００２７】
また、前記凝縮部１８は下底開放型の筒状角柱よりなり、上部より前記散水部１１と傾斜多管式熱交換器１０を内蔵するとともに、下部の下底解放部に冷却空気取り入れ部１０ｈを設け、前記散水部１１の上部には空冷ファン１３を設け、その吸込み圧により、前記冷却空気取り入れ部１０ｈより取り込んだ冷却空気を前記散水部１１による噴霧雰囲気の中に置かれた傾斜冷却管１０ｇを強制冷却する構成にしてある。
【００２８】
なお、前記冷却空気は、前記凝縮部１８との間に二重殻空間を形成する外部ケーシング１５ａを設け、図４に示すように、該外部ケーシング１５ａの前記熱交換器１０の傾斜冷却管１０ｇに対向する側の冷却管と同等高さ以上の位置に吸入口１５ｃ、１５ｃを設け、該吸入口より矢印Ｂ方向の下向き流れを形成させ、前記凝縮部１８の下部解放部１０ｈを経由、空冷ファン１３に吸引させ冷却済みの空気は外気へ放出するようにしてある。
なお、前記冷却空気用吸入口１５ｃ、１５ｃは大量に冷却空気を導入する必要から開口面積はなるべく大きめにして網目構造とするとともに、導入空気によるドレーンパンよりの跳ね上がり水滴が前記吸入口より外部へ飛散することを防止するため前記傾斜冷却管の位置より同等ないしそれ以上の高さに設定してある。
【００２９】
なお、外部ケーシング１５ａと前記凝縮部１８の管板１０ａ、１０ｂに対向する側の上部には、図２に示すように、上向きガイド付き吸入口１５ｂ、１５ｂを設け、該吸入口より外気を矢印Ａに示す下向き流れを形成させ、二重殻空間の上部に溜まった漏洩アンモニアガスを前記凝縮部１８の下底解放部の冷却空気取り入れ部１０ｈを経由し空冷ファン１３により吸引させる。前記過程で、外気とともに吸い込まれた漏洩アンモニアガスは散水部１１による噴霧状散水に溶解され除害される構成にしてある。前記除害手段は常時その態勢にあるため、不慮の事故にも対応できる。
【００３０】
また、前記散水部１１よりの冷却水を受けるドレーンパン１２は前記凝縮部１８の下方に設け、前記下段構造体１６と上段構造体１５の境界を形成し、前記冷却水がドレーンパン１２内に流れの停止による液の溜まりを形成することなく下段構造体の水タンク３３へ排出させるべく、図５（Ａ）の正面図及び（Ｂ）の側面図に見るように、排水管１２ｂに向け底板形状を漏斗状に構成して、パンに落下した冷却水は矢印方向に流動する構成にしてある。
なお、パン内に落ちた冷却水のパンの外側への跳ね返りによる下段構造体１６の機械側への落下を防ぐため、パンの側面内側にスカート１２ａを嵌挿させ、該スカートの上縁を外部ケーシング１５ａに固着させる構成にしてある。
【００３１】
なお、図１に示す自動膨張弁２８は、前記エバコン１９の下流の冷媒流路１０ｆに設けた受液部２５の下流に設けたブラインクーラ２９の手前に設ける構成とし、前記自動膨張弁２８と蒸発器を形成するブラインクーラ２９とにより直接膨張方式による冷媒蒸発を行なっている。
則ち、上記直接膨張方式により、エバコン１９よりの高圧液を前記自動膨張弁２８を介して、蒸発器であるブラインクーラ２９の蒸発部２９ａに低温低圧の液と蒸気の混合状態にされた冷媒を流入させ、蒸発部２９ａ内を流れながら被冷却体であるブラインと熱交換して液冷媒を蒸発させ、蒸発部２９ａの出口ですべて過熱状態の冷媒蒸気となし、吸入ガスとして圧縮機３０の吸入側へ送り込むようにしてある。
なお、前記自動膨張弁２８を通過する冷媒流量は、蒸発部２９ａの出口側に設けた感温筒２８ａにより出口における冷媒蒸気の過熱度を検出し、適当な過熱度の状態を維持させるべく自動膨張弁２８の開度を制御して流量を制御するようにしている。
【００３２】
なお、上記直接膨張方式の構成に見るように、使用冷媒量は大幅に削減出来、従来のアンモニア冷媒使用量の約１／５０程度に抑えることができ、アンモニア冷媒使用の冷凍サイクルに使用されている前記液ポンプ方式や満液方式に比較し、安全性確保は従来方式に対し格段の向上が期待される。
【００３３】
図１に示すアンモニア冷却ユニット２０の冷媒流路を流れる冷媒の圧力や温度を検出して空冷ファン１３の運転制御や散水ノズル１１による散水の制御をする圧力スイッチ２６は、同図に見るように圧力変動の少ない受液部２５の下流の高圧液冷媒流路に設ける構成にしてある。
【００３４】
また、アンモニア冷媒使用の場合は、圧縮吐出ガスの温度が高いため、この高温吐出温度から圧縮機３０及び圧縮機駆動モータ３０ａを保護すべく、前記吐出部の近接部位に吐出温度スイッチ２２ａを設け、前記圧縮機３０及び圧縮機駆動モータ３０ａよりなるモータ一体型圧縮機３１を保護すべく適宜運転制御するようにしてある。
【００３５】
【発明の効果】
上記構成により本発明は下記効果を奏する。
アンモニア冷却ユニットのエバコンに傾斜多管式熱交換器を採用することにより、効率的凝縮運転を行なうとともに、傾斜冷却管内の液冷媒の溜りを排除することにより高率的薄膜伝熱により、熱交換器内のアンモニア冷媒の保有量の削減を可能とし、アンモニアを冷媒として使用する場合の第一に要求される充填量を最小にする課題の解決に貢献している。
また漏洩アンモニアガスに対しても、常時対応の出来る除害手段、及びパンなどからの冷却水の機外跳ね出しの防止対策等により安全運転を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のエバコンを配設したアンモニア冷却ユニットの概略構成を示す系統図である。
【図２】 図１に示すアンモニア冷却ユニットの内部の構成を示す破断図である。
【図３】 図２のIII−III視図である。
【図４】 図２のIV−IV視図である。
【図５】（Ａ）は図２のドレーンパンの上から見た正面図で、（Ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１０ 傾斜多管式熱交換器
１０ａ、１０ｂ （併設直立）管板
１０ｃ、１０ｄ （集合用）ヘッダ
１０ｇ 傾斜冷却管
１２ ドレーンパン
１２ａ スカート
１３ 空冷ファン
１５ 上段構造体
１５ａ 外部ケーシング
１５ｂ、１５ｃ 吸入口
１６ 下段構造体
１９ エバコン
１８ 凝縮部
２０ アンモニア冷却ユニット
２２ａ 吐出温度スイッチ
２４ ブライン出入口
２５ 受液部
２６ 圧力スイッチ
２８ 自動膨張弁
２８ａ 感温筒
２９ ブラインクーラ
２９ａ 蒸発部
２９ｂ 散水ポンプ
３０ 圧縮機
３０ａ モータ
３１ モータ一体型圧縮機

Claims (2)

1. アンモニア冷媒を用いて圧縮機、圧縮機駆動モータ、エバコン、膨張弁、蒸発器を含む部材により冷凍サイクルを構成し、下段構造体に圧縮機駆動モータ、圧縮機、制御盤、蒸発器を含むブラインクーラ、ブラインポンプ、水タンク、散水ポンプ等を配設し、
   上段構造体にドレーンパンを介して、エバコン等を配設する構成とした二段階構造のアンモニア冷却ユニットにおいて、
   上記エバコンは、入口側と出口側のそれぞれ集合部を介して一方向にアンモニア冷媒が流れる多管式構造となすとともに、圧縮機よりの圧縮冷媒が導入される入口側より蒸発器側に向けて下向き傾斜で形成した傾斜多管式熱交換器と、該熱交換器の傾斜冷却管の上部に設けた散水部と、前記熱交換器と散水部とを内蔵しその下部に冷却空気取り入れ部を持つ下底開放型の凝縮部と、該凝縮部の周囲に二重殻空間を形成する外部ケーシングと、その上部に設けた冷却空気を外部へ送出する空冷ファンと、より構成したエバコン構造であって、
   外部ケーシングの前記冷却管部と同等高さ若しくは上部位置に空気取り入れ吸入口を設け、
   外部ケーシングと凝縮部との間の空間に下向き空気流を生じさせながら前記凝縮部下底解放部に設けた冷却空気取り入れ部に導入可能にしたことを特徴とするアンモニア冷却ユニットのエバコン構造。
2. 前記ドレーンパンは、
   水タンクへの排出口へ向け、浅い下降状漏斗傾斜床面を形成させるとともに、ドレーンパンの側壁内に上方に向かうスカート部を設け、該スカート部を外壁ケーシングに固設したことを特徴とする請求項１記載のアンモニア冷却ユニットのエバコン構造。

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