JP4497527B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に係り、特に、冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により被冷却媒体を冷却する複数の熱交換器を直列に多段に接続して構成された冷凍装置に関する。

冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により被冷却媒体（例えば、水）を冷却する熱交換器として、例えば、プレート式熱交換器が用いられる。プレート式熱交換器は、複数のプレートを平行に立設して複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路とを交互に配列し、配列された複数の冷媒流路および複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部で連通させて形成される。例えば、冷媒の入口管路は、複数の冷媒流路を互いに連通する連結管を被冷却媒体流路の下部に挿入して構成される。そのため、冷媒入口側の冷媒流路から連結管を通って次の冷媒流路に冷媒が流入する際に圧力損失が生じる。この連結管による圧力損失は、冷媒入口側から末端に至る各冷媒流路ごとに異なり、その圧力損失分布に応じて各冷媒流路を通流する冷媒の量（特に、液冷媒の量）に偏りが生じる。その結果、各冷媒流路の熱交換量に偏りが生じて、全体としての熱交換率が低下するという問題がある。

このような問題を解決するため、従来、冷媒の入口管路を、冷媒流路と被冷却媒体流路の配列方向に貫通して一端から他端まで挿入して設け、各冷媒流路内に位置する入口管路の管壁にオリフィス孔を穿設して、冷媒の入口管路と各冷媒流路とを連通する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、特許文献１によれば、プレート式の各冷媒流路の入口側に圧力損失が比較的大きいオリフィス機構を設けたことから、各冷媒流路の圧力損失の差が緩和されるので、各冷媒流路に流れる冷媒量の偏りを抑制できる。

特開２００１−１６５５９０号公報（第２図、第２頁参照）

ところで、プレート式熱交換器の熱交換量（冷却能力）を増加させるため、一般に、プレート式熱交換器を並列または直列に複数台設けることが行われている。しかし、プレート式熱交換器を並列に接続すると、冷媒流路の断面積が増えるから冷媒の流速が遅くなる。冷媒の流速が遅くなると、気液混合の冷媒流れが、気液分離した冷媒流れになることから、熱交換効率が低下するという問題がある。これに対し、プレート式熱交換器を直列に接続すれば、冷媒の流速は変わらないから、並列の場合のような問題は生じない。

しかしながら、特許文献１のような冷媒の入口部にオリフィス孔を設けたプレート式熱交換器を直列に接続すると、各段間のオリフィス孔によってそれぞれ圧力損失があることから、最上段のプレート式熱交換器の蒸発圧力と最後段のプレート式熱交換器の蒸発圧力の差が大きくなる。そのため、例えば、最上段の蒸発圧力を適正に設定すると、最後段の蒸発圧力が低くなり過ぎる場合がある。最後段の蒸発圧力が低くなりすぎると、圧縮機の吸引圧力が低くなりすぎ、冷媒の循環量が低下して冷凍サイクル効率が低下するという問題があることが知られている。一方、最後段のプレート式熱交換器の蒸発圧力を適正に設定すると、最上段のプレート式熱交換器の蒸発圧力が高くなりすぎ、これによって蒸発温度が高くなるため、熱交換効率が低下するという問題がある。このように、熱交換量を増加させるために、特許文献１に記載のプレート式熱交換器を単に直列多段に接続すると、熱交換効率や冷凍サイクル効率の低下により、成績係数が低下するという問題がある。

本発明は、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させるにあたって、成績係数の低下を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により被冷却媒体を冷却する複数の熱交換器が直列に多段に接続して構成され、各熱交換器として、それぞれ複数のプレートを平行に立設して各プレート間に冷媒流路と被冷却媒体流路とを交互に配列し、配列された複数の冷媒流路および複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部で連通させて形成されたプレート式熱交換器を用いる冷凍装置において、複数のプレート式熱交換器のうち、冷凍サイクルの最上流側に配設される最上段のプレート式熱交換器は、冷媒の入口管路がプレート式熱交換器の側壁の下部に設けられた冷媒入口を介して複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路の下部を配列方向に貫通して一端から他端まで挿入して設けられ、各冷媒流路内に位置する入口管路の管壁に穿設された貫通孔を介して各冷媒流路に連通されてなり、最上段のプレート式熱交換器以外のプレート式熱交換器は、このプレート式熱交換器の側壁の下部に設けられた冷媒入口とこの冷媒入口に最も近い位置の冷媒流路の下部が連結管を介して連通されるとともに、複数の冷媒流路の下部がそれぞれ配列方向に隣り合う冷媒流路の下部と連結管を介して連通されてなることを特徴とする。

すなわち、本発明は、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させるにあたって、最上段のプレート式熱交換器のみにオリフィス機構である貫通孔を設け、それよりも後段側のプレート式熱交換器の各冷媒流路の入口部にはオリフィス機構を設けない構成としたことを特徴とする。その結果、プレート式熱交換器を直列多段に設けても、全体の圧力損失を低減して、最上段の蒸発圧力と最後段の蒸発圧力の差を低減できる。これにより、例えば、最上段の蒸発圧力を下げて設定しても最後段の蒸発圧力を高く保持でき、また、最後段の蒸発圧力を上げて設定しても最上段の蒸発圧力を低く保持できるから熱交換効率や冷凍サイクル効率が低下して成績係数が下がるという問題を解決できる。

ところで、冷媒入口部における冷媒の偏流は、比重の高い液冷媒の流れの慣性に関係することが考えられる。したがって、オリフィス機構による冷媒の偏流抑制効果は、液冷媒の混合率に相関すると考えられるから、液冷媒の混合率が比較的高い最上段のプレート式熱交換器に設けることは効果的である。一方、後段に向かうにつれて液冷媒の混合率が低下するから、オリフィス機構による冷媒の偏流抑制効果が小さいと考えられる。したがって、本発明によれば、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させることができるとともに、全体の蒸発圧力差を狭い範囲に抑えることができるから、効果的に成績係数の低下を抑制することができる。

また、上記の場合において、複数のプレート式熱交換器を連結する冷媒管路に気液分離器を設け、この気液分離器で分離したガス冷媒を冷凍サイクルの最後段のプレート式熱交換器の下流側に戻すように構成することができる。これによれば、蒸発に寄与しない気相の冷媒がプレート式熱交換器に流入しないから熱交換効率を一層向上することができる。

また、冷凍装置は、冷凍サイクルを構成する冷媒を空気で凝縮する空気熱交換器と、この空気熱交換器に空気を送風する送風ファンと、複数のプレート式熱交換器とを筐体内に収納してなり、この筐体は、上面と上部周囲に通風口を有してなり、上面の通風口に送風ファンを臨ませて配置し、上部周囲の通風口に空気熱交換器を臨ませて配置し、筐体の下部に複数のプレート式熱交換器を並べて配置して構成することができる。これによれば、プレート式熱交換器の高さ寸法を低くできる。

また、最上段のプレート式熱交換器と後段のプレート式熱交換器において、冷媒の流れと水の流れが対向流になるように配置する。これによれば、並流の場合よりも冷媒の温度を水の温度に近づける（蒸発温度を高める）ことが可能となり、冷媒装置の性能が向上される。また、冷媒の流れと水の流れを対向流にしつつ、水を最上段のプレート式熱交換器を通流させてから、後段のプレート式熱交換器に通流させる構成とすることで、並流の場合よりも冷媒の温度を水の温度に近づける（蒸発温度を高める）ことが可能となり、冷凍装置の性能が向上されるとともに、水の出口付近の冷媒温度が比較的高くできるので水が凍結することを防止できる。

本発明によれば、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させるにあたって、成績係数の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明を適用してなる冷凍装置の一実施形態を示す図である。図２は最上段のプレート式熱交換器の断面図、図３は後段のプレート式熱交換器の断面図である。

本実施形態の冷凍装置は、図１に示すように、圧縮機１、空気熱交換器３、膨張弁５、最上段のプレート式熱交換器７、および後段のプレート式熱交換器８が冷媒配管で順次連結された冷凍サイクルを備えて構成されている。圧縮機１は、四方切替弁９を介して冷媒配管に連結されている。この四方切替弁９は、冷却運転時は圧縮機１の吐出側を空気熱交換器３に接続するとともに吸引側をプレート式熱交換器８に接続し、加熱運転時は圧縮機１の吐出側をプレート式熱交換器８に接続するとともに吸引側を空気熱交換器３に接続する。図中において、四方切替弁９の実線は冷却運転、破線は加熱運転を示す。また、圧縮機１の吸引側にはアキュムレータ１１が設けられ、圧縮機１にガス冷媒を導くようになっている。空気熱交換器３は冷媒と空気とを熱交換させるもので、送風ファン１３により空気が送風されるようになっている。最上段のプレート式熱交換器７および後段のプレート式熱交換器８は、冷媒と被冷却媒体である水とを熱交換させるもので、膨張弁５側から最上段のプレート式熱交換器７、後段のプレート式熱交換器８の順で直列多段に連結されている。

このような構成の冷凍装置は、冷房運転時、圧縮機１から吐出されるガス冷媒が空気熱交換器３で凝縮され、凝縮した液冷媒が膨張弁５を介して最上段のプレート式熱交換器７に流入する。プレート式熱交換器７では液冷媒の一部が蒸発し、残りの液冷媒は後段のプレート式熱交換器８に流入して蒸発し、これによって水が冷却される。プレート式熱交換器８から排出されたガス冷媒はアキュムレータ１１を介して圧縮機１に戻される。一方、加熱運転時は、圧縮機１から吐出されるガス冷媒がプレート式熱交換器７、８で凝縮し、この凝縮熱で水が加熱される。プレート式熱交換器７で凝縮された液冷媒は、膨張弁５を介して空気熱交換器３に流入し、空気の熱で蒸発気化させて圧縮機１に戻される。

次に、本実施形態の特徴部であるプレート式熱交換器７、８の構成について図２、３を参照して説明する。プレート式熱交換器７、８は、それぞれ複数のプレート１５を平行に立設して形成されている。各プレート１５の間には、冷媒流路１７と水流路１９とが交互に配列されている。これらの複数の冷媒流路１７および複数の水流路１９は、それぞれ上部と下部で連通させて形成されている。冷媒流路１７の入口は下部に設けられ、出口は上部に設けられている。この冷媒の入口と出口は、プレート式熱交換器の片側に設けられている。

最上段のプレート式熱交換器７の複数の冷媒流路１７の上部は、図２に示すように、連結管２１で連結されて連通され、下部には、入口管路２３が設けられている。入口管路２３は、複数の冷媒流路１７と複数の水流路１９を配列方向に貫通して一端から他端まで挿入して配置され、入口管路２３の管壁の各冷媒流路１７内に位置する部分に貫通孔２５が穿設されている。なお、貫通孔２５は、入口管路２３の管壁の下側に形成されている。また、プレート式熱交換器７は、下部の入口管路２３に連通する冷媒入口と、上部の連結管２１に連通する冷媒出口が片側の側壁に設けられている。プレート式熱交換器７の冷媒出口は、冷媒配管を介して後段のプレート式熱交換器８の冷媒入口に連結されている。また、水流路１９の入口は上部に設けられ、出口は下部に設けられている。

一方、図３に示すように、後段のプレート式熱交換器８の複数の冷媒流路１７の上部および下部は、それぞれ連結管２１で連結して連通されている。また、プレート式熱交換器８は、下部の連結管２１に連通する冷媒入口と、上部の連結管２１に連通する冷媒出口が片側の側壁に設けられている。プレート式熱交換器８の水出口は、最上段のプレート式熱交換器７の水入口に連結されている。

すなわち、本発明は、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させるにあたって、最上段のプレート式熱交換器7のみにオリフィス機構である貫通孔２５を設け、それよりも後段のプレート式熱交換器８の各冷媒流路の入口部にはオリフィス機構を設けない構成としたことを特徴とする。

このように構成することで、プレート式熱交換器を直列多段に設けても、オリフィスによる熱交換器全体の圧力損失を低減し、最上段のプレート式熱交換器７の蒸発圧力と後段のプレート式熱交換器８の圧力の差を低減することができる。これにより、最上段のプレート式熱交換器および後段のプレート式熱交換器の蒸発圧力の差を狭い範囲に保持できるから、いずれかのプレート式熱交換器の蒸発圧力が上がりまたは下がることで熱交換効率や冷凍サイクル効率が低下して成績係数が低下するという問題を解決できる。

このように本実施形態によれば、プレート式熱交換器を直列多段に設けて熱交換量を増大させることができるとともに、効果的に成績係数の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、最上段のプレート式熱交換器７と後段のプレート式熱交換器８において、冷媒の流れと水の流れが対向流になるように配置している。これによれば、図５に示すように、並流の場合よりも冷媒の温度を水の温度に近づける（蒸発温度を高める）ことが可能となり、冷凍装置の性能が向上される。また、これに代えて、図６に示すように、冷媒の流れと水の流れを対向流にしつつ、水を最上段のプレート式熱交換器７を通流させてから、後段のプレート式熱交換器８に通流させる構成にできる。これによれば、図７に示すように、並流の場合よりも冷媒の温度を水の温度に近づける（蒸発温度を高める）ことが可能となり、冷凍装置の性能が向上されるとともに、水の出口付近の冷媒温度が比較的高くなるので、水が凍結することを防止できる。

また、本実施形態において、図８に示すように、最上段のプレート式熱交換器７の冷媒出口と、後段のプレート式熱交換器８の冷媒入口とを連結する冷媒管路に気液分離器３０を設けた構成にすることができる。気液分離器３０は、分離した液冷媒の吐出側をプレート式熱交換器８の冷媒入口に導き、分離したガス冷媒をプレート式熱交換器８の下流側に戻す構成になっている。これによれば、蒸発に寄与しない気相の冷媒がプレート式熱交換器８に流入しないから熱交換効率を一層向上することができる。なお、気液分離器３０から排出されるガス冷媒を導く管路は、バルブ３１で開閉可能に形成することができる。

また、本実施形態の冷凍装置は、図９に示すように、筐体３３内に、例えば、４つの空気熱交換器３、２つの送風ファン１３、最上段のプレート式熱交換器７および後段のプレート式熱交換器８が収められて構成されている。筐体３３は、上面と上部周囲に通風口が設けられている。上面の通風口には送風ファン１３が臨ませて２つ並べて配置されている。上部周囲の通風口には空気熱交換器３が２つ配置されている。また、各送風ファン１３と筐体３３内を仕切るように空気熱交換器３が２つ設けられている。最上段のプレート式熱交換器７、および後段のプレート式熱交換器８は、筐体３３の下部に並べて配置されている。

このように、冷媒と水とのプレート式熱交換器を２つ直列に配置することにより、例えば、プレート式熱交換器のプレートを高さ方向に伸ばして熱交換量を増大させる場合に比べて、プレート式熱交換器の高さを低くできる。すなわち、プレート式熱交換器の高さが高くなることにより、空気熱交換器３に流入する空気が妨げられることを回避できる。

また、本実施形態では、熱交換効率を重視して、冷媒と水の流れを図４、６のように向流としたが、これに限らず、並流とすることもできる。この場合、水の凍結を抑制することができる。また、向流と並流とを適宜組み合わせてもよい。また、被冷却媒体として水を用いているがこれに限らない。

また、本実施形態では、最上段のプレート式熱交換器７と後段のプレート式熱交換器８を直列に２段備えたものを挙げて説明したが、これに限らず、後段のプレート式熱交換器を複数設けてもよい。

本発明を適用してなる冷凍装置の一実施形態を示す図である。 最上段のプレート式熱交換器の断面図である。 後段のプレート式熱交換器の断面図である。 最上段のプレート式熱交換器、および後段のプレート式熱交換器における冷媒と水の流れを説明する図である。 図４における冷媒と水の温度変化を示す図である。 最上段のプレート式熱交換器、および後段のプレート式熱交換器における冷媒と水の流れの変形例を説明する図である。 図６における冷媒と水の温度変化を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。 冷凍装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
３ 空気熱交換器
５ 膨張弁
７、８ プレート式熱交換器
１５ プレート
１７ 冷媒流路
１９ 水流路
２１ 連結管
２３ 入口管路
２５ 貫通孔

Claims (5)

1. 冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により被冷却媒体を冷却する複数の熱交換器が直列に多段に接続して構成され、前記各熱交換器として、それぞれ複数のプレートを平行に立設して各プレート間に冷媒流路と被冷却媒体流路とを交互に配列し、配列された複数の冷媒流路および複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部で連通させて形成されたプレート式熱交換器を用いる冷凍装置において、
   前記複数のプレート式熱交換器のうち、前記冷凍サイクルの最上流側に配設される最上段のプレート式熱交換器は、前記冷媒の入口管路が前記プレート式熱交換器の側壁の下部に設けられた冷媒入口を介して前記複数の冷媒流路と前記複数の被冷却媒体流路の下部を配列方向に貫通して一端から他端まで挿入して設けられ、前記各冷媒流路内に位置する前記入口管路の管壁に穿設された貫通孔を介して前記各冷媒流路に連通されてなり、
   前記最上段のプレート式熱交換器以外のプレート式熱交換器は、該プレート式熱交換器の側壁の下部に設けられた冷媒入口と該冷媒入口に最も近い位置の冷媒流路の下部が連結管を介して連通されるとともに、前記複数の冷媒流路の下部がそれぞれ配列方向に隣り合う冷媒流路の下部と連結管を介して連通されてなることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記複数のプレート式熱交換器を連結する冷媒管路に気液分離器を設け、該気液分離器で分離したガス冷媒を前記冷凍サイクルの最後段の前記プレート式熱交換器の下流側に戻すことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記冷凍サイクルの前記冷媒を空気で凝縮する空気熱交換器と、この空気熱交換器に空気を送風する送風ファンと、前記複数のプレート式熱交換器とを筐体内に収納してなり、
   前記筐体は、上面と上部周囲に通風口を有してなり、前記上面の通風口に前記送風ファンを臨ませて配置し、前記上部周囲の通風口に前記空気熱交換器を臨ませて配置し、前記筐体の下部に前記複数のプレート式熱交換器を並べて配置してなることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記プレート式熱交換器は、前記冷媒流路の前記冷媒の流れと、前記被冷却媒体流路の前記被冷却媒体の流れを対向流になるように形成してなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 前記被冷却媒体は、前記最上段の前記プレート式熱交換器を通流してから、他の前記プレート式熱交換器に通流することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。

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