JP6176470B2 - 冷凍機 - Google Patents

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本発明は、例えばターボ冷凍機等の蒸気圧縮式とされた冷凍機に関するものである。
ターボ冷凍機等の蒸気圧縮式とされた冷凍機は、液冷媒を蒸発させるための蒸発器を備えている。この蒸発器として、シェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。シェルアンドチューブ式熱交換器は、冷媒を収容するタンクと、このタンク内に配置された多数の伝熱管とを備えている。多数の伝熱管は、タンク内に下方から導かれた液冷媒中に浸されており、液冷媒の蒸発潜熱によって伝熱管内を流れる水等の熱媒体が冷却されるようになっている。
特許文献1には、シェルアンドチューブ式とされた蒸発器に対して、伝熱管の配置を変更することで、熱交換効率を向上させる発明が開示されている。
特開2004−92957号公報
しかし、伝熱管の配置を適正化しても、冷媒の蒸発器入口条件については、冷凍サイクル上設定される条件に依存している。したがって、蒸発器に流入する冷媒の乾き度が高い運転条件では、冷媒中のガス成分が多いため、蒸発器内部の上昇流速を抑制し、熱交換器寸法が大きくなるという問題がある。また、蒸発器内で冷媒を全体に分配するための多孔板(ディストリビュータ)を配置していても、流入した直近の孔部から冷媒液が吹き抜けてしまい、冷媒液を適性に分配できないという問題がある。その結果、蒸発器内で冷媒が適性に分配できないと、一部の伝熱管の周囲に液冷媒が存在しないドライアウトが発生してしまい、熱交換性能を低下させてしまうという問題もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シェルアンドチューブ式蒸発器の熱交換効率を向上させた冷凍機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の冷凍機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザと、該エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器と、該予冷却器からの液冷媒を膨張させる主膨張弁と、該主膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ式蒸発器とを備えていることを特徴とする。
本発明は、エコノマイザを用いて凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行う冷凍機について、エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器を採用することとした。この予冷却器によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁によって膨張された後にシェルアンドチューブ式蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。したがって、シェルアンドチューブ式蒸発器内に設けられた伝熱管周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式蒸発器内に流入するので、蒸発器内に配置された多孔板(ディストリビュータ)によって冷媒液を蒸発器全体に分配することができる。また、蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器における熱交換量(蒸発潜熱)を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器の内部の流速を低減し、小型化することができる。
なお、冷凍機としては、典型的には、圧縮機にターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機が挙げられる。
さらに、本発明の参考例としての冷凍機では、前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒によって冷却される熱交換器とされていることを特徴とする。
予冷却器として、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒によって冷却される熱交換器を用いることとした。この熱交換器としては、プレート式熱交換器が好適に用いられる。予冷却用膨張弁に導かれる液冷媒としては、凝縮器から直接導かれる液冷媒や、エコノマイザから導かれる液冷媒が用いられる。予冷却器にて液冷媒を冷却して蒸発した後のガス冷媒は、好適には、圧縮機の吸込側に導かれる。
さらに、本発明の参考例としての冷凍機では、前記予冷却器と前記主膨張弁との間の液冷媒の温度が所望値となるように、前記予冷却用膨張弁の開度を制御する制御部を備えていることを特徴とする。
予冷却器と主膨張弁との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁の開度を制御することとした。これにより、蒸発器入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。なお、予冷却器と主膨張弁との間の液冷媒の温度を計測する温度センサを備えていることが好ましい。
さらに、本発明の冷凍機では、前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器とされていることを特徴とする。
予冷却器として、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器を用いることとした。この気液分離器としては、ガス冷媒と液冷媒とが上下に分離されて収容される所定の体積を有するタンクが好適に用いられる。予冷却用膨張弁に導かれる液冷媒としては、エコノマイザから導かれる液冷媒が用いられる。気液分離器にて分離された液冷媒は主膨張弁へと導かれ、ガス冷媒は、好適には、圧縮機の吸込側に導かれる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記気液分離器内の液位が、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することによって所望値とされ、前記主膨張弁によって前記蒸発器の入口における冷媒の乾き度が適正値となるように制御される
気液分離器内の液位が所望値となるように、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することとした。これにより、蒸発器入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
予冷却器によって液冷媒に過冷却を付け、シェルアンドチューブ式蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、シェルアンドチューブ式蒸発器内に設けられた伝熱管周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式蒸発器内に流入するので、蒸発器内に配置された多孔板(ディストリビュータ)によって冷媒を蒸発器全体に分配することができる。また、蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器における熱交換量(蒸発潜熱)を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
本発明の第1参考実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。 図1の蒸発器を示した横断面図である。 本発明の第1参考実施形態にかかるターボ冷凍機のP−h線図である。 本発明の第2参考実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。 本発明の第2参考実施形態にかかるターボ冷凍機のP−h線図である。 本発明の第実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。 本発明の第実施形態にかかるターボ冷凍機のP−h線図である。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1参考実施形態]
以下、本発明の第1参考実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、ターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機1の概略構成図が示されている。ターボ冷凍機1は、後述するように、2段エコノマイザサイクルを構成している。
ターボ冷凍機1は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機3と、ターボ圧縮機3によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器8と、凝縮器8からの液冷媒を冷却するエコノマイザ9と、エコノマイザ9からの液冷媒を冷却する予冷却器11と、予冷却器11からの液冷媒を膨張させる主膨張弁13と、主膨張弁13によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器15とを備えている。
ターボ圧縮機3は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。ターボ圧縮機3は、ハウジング内に、同軸上に設けられた2つの羽根車3a,3bと、吸込冷媒流量を調整する入口ベーン(図示せず)とを備えている。
各羽根車3a,3bは、増速機7を介して駆動モータ5によって回転させられる。駆動モータ5は電動モータとなっている。この電動モータは、インバータ装置によって回転周波数可変にて動作する場合もある。駆動モータ5の回転周波数は、図示しない制御部によって制御される。
2つの羽根車3a,3bは、冷媒流路に対して直列に接続されている。ターボ圧縮機3に流入した冷媒は、上流側の羽根車3aによって圧縮された後に、下流側の羽根車3bによってさらに圧縮されるようになっている。2つの羽根車3a,3bの間(中間段)には、後述するエコノマイザ9からのガス冷媒が導入されるようになっている。
ターボ圧縮機3の下流側に設けられた凝縮器8には、冷却水配管20が接続されており、冷却水配管20から導かれた冷却水によって冷媒の凝縮潜熱が奪われるようになっている。凝縮器8としては、シェルアンドチューブ式熱交換器が好適に用いられるが、プレート式熱交換器で合っても良い。
凝縮器8にて凝縮液化された液冷媒は、凝縮器出口流路22を通り、主流路24と、エコノマイザ用分岐流路25と、予冷却用分岐流路26の3つの流路に分けられる。
エコノマイザ9は、プレート式熱交換器とされており、主流路24を流れて導かれる液冷媒と、エコノマイザ用分岐流路25を流れて導かれる冷媒とが熱交換するようになっている。エコノマイザ用分岐流路25には液冷媒を減圧膨張させるための副膨張弁27が設けられている。副膨張弁27は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によってその開度が制御されるようになっている。副膨張弁27によって減圧膨張された冷媒がエコノマイザ9に導かれるようになっている。これにより、エコノマイザ9では、エコノマイザ用分岐流路25から導かれる冷媒の蒸発潜熱によって、主流路24を流れる液冷媒が冷却されて過冷却が行われるようになっている。主流路24を流れる液冷媒を冷却して蒸発したガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29を介して、ターボ圧縮機3の中間段(上流側羽根車3aと下流側羽根車3bとの間)へと導かれる。エコノマイザ9にて冷却された液冷媒は、主流路24を通り、予冷却器11へと導かれる。
予冷却器11は、プレート式熱交換器とされており、エコノマイザ9にて冷却されて主流路24を流れる液冷媒と、凝縮器出口流路22から分岐された予冷却用分岐流路26を流れて導かれる冷媒とが熱交換するようになっている。予冷却用分岐流路26には液冷媒を減圧膨張させるための予冷却用膨張弁31が設けられている。予冷却用膨張弁31は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によってその開度が制御されるようになっている。具体的には、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁31の開度が制御されるようになっている。
予冷却用膨張弁31によって減圧膨張された冷媒が予冷却器11へと導かれるようになっており、これにより、予冷却器11では、予冷却用分岐流路26から導かれた冷媒の蒸発潜熱によって、主流路24を流れる液冷媒が冷却されて更に過冷却が行われるようになっている。主流路24を流れる液冷媒を冷却して蒸発したガス冷媒は、予冷却器出口ガス流路34を介して、ターボ圧縮機3の吸込口(上流側羽根車3aの上流側)へと導かれる。予冷却器11にて冷却された液冷媒は、主流路24を通り、主膨張弁13へと導かれる。
主膨張弁13は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によって開度が制御される。主膨張弁13によって、主流路24を流れる液冷媒が減圧膨張されるようになっている。
蒸発器15には、容器内部に伝熱管35を備えており、この伝熱管35に対して、外部の熱負荷に対して冷水を供給する冷水配管33が接続されている。冷水が伝熱管35内を流れる際に、蒸発器15内の液冷媒の蒸発潜熱によって冷却されるようになっている。蒸発器15にて蒸発されたガス冷媒は、主流路を介してターボ冷凍機3の吸込口(上流側羽根車3aの上流側)へと導かれる。
蒸発器15は、図2に示されているように、シェルアンドチューブ式熱交換器とされている。蒸発器15は、円筒形とされ、その軸線が水平になるように横置きとされた容器37と、円筒形の容器37の軸線方向(長手方向)に延在するように設けられた多数の伝熱管35とを備えている。
容器37の下方には、冷媒入口部39が設けられており、この冷媒入口部39から流入した冷媒が多孔板(ディストリビュータ)41を通過して伝熱管35へと導かれるようになっている。多孔板41を通過する際に、下方から流入した冷媒は容器37の長手方向へと分配され、長手方向に延在する伝熱管35の全体に亘って冷媒が導かれるようになっている。同図には、容器37内に導かれた液冷媒の液面Lが示されている。この液面Lが最上位の伝熱管35よりも上方に位置することにより、全ての伝熱管35が液冷媒に浸されることになる。
伝熱管35内を流れる冷水によって蒸発潜熱を奪われて蒸発気化したガス冷媒は、容器37内を上方へと流れ、容器の上部に設けた冷媒出口部43へと導かれる。冷媒出口部43は、主流路(図1参照)に接続されており、ガス冷媒がターボ圧縮機3へと導かれるようになっている。
ターボ冷凍機1の制御部(図示せず)は、ターボ冷凍機1の制御盤内の制御基板に設けられており、CPUおよびメモリを備えている。制御部は、冷却水温度、冷媒圧力、冷水出入口温度等に基づき制御周期ごとにデジタル演算により各制御量を算出するようになっている。
次に、上記構成のターボ冷凍機1の動作について説明する。
ターボ圧縮機3は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する制御部によって所定周波数で回転させられる。
蒸発器15から吸い込まれた低圧ガス冷媒(図3の状態A)は、ターボ圧縮機3の上流側羽根車3aによって圧縮され、中間圧まで圧縮される(図3の状態B)。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される(図3の状態C)。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機3の下流側羽根車3bによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる(図3の状態D)。
ターボ圧縮機3から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器8へと導かれる、凝縮器8において、冷却水配管20内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる(図3の状態E)。そして、高圧液冷媒は、主流路24と、エコノマイザ用分岐流路25と、予冷却用分岐流路26とに分岐される。
主流路24を流れる高圧液冷媒は、エコノマイザ9においてエコノマイザ用分岐流路25を流れる冷媒によって冷却され(図3の状態F)、予冷却器11へと導かれる。一方、エコノマイザ用分岐流路25を流れる高圧液冷媒は、副膨張弁27によって中間圧まで等エンタルピ膨張させられ(図3の状態G)、エコノマイザ9へと導かれる。そして、エコノマイザ9において蒸発する際に主流路24を流れる高圧液冷媒から熱を奪い、主流路24を流れる高圧液冷媒に過冷却を与える。エコノマイザ用分岐流路25を流れた冷媒は、エコノマイザ9を通過した後、エコノマイザ出口ガス流路29を介して、ターボ圧縮機3の中間段に流れ込む。
エコノマイザ9にて過冷却を付けられた高圧液冷媒は、予冷却器11へと導かれ、予冷却用分岐流路26を流れる冷媒によって更に過冷却され(図3の状態H)、主膨張弁13へと導かれる。一方、予冷却用分岐流路26を流れる高圧液冷媒は、予冷却用膨張弁31によって、ターボ圧縮機3の冷媒吸込圧まで等エンタルピ膨張させられ(図3の状態I)、予冷却器11へと導かれる。そして、予冷却器11において蒸発する際に主流路24を流れる高圧液冷媒から熱を奪い、主流路24を流れる高圧液冷媒に更に過冷却を与える(図3の状態H)。予冷却用膨張弁31の開度は、図示しない制御部によって、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。予冷却用分岐流路26を流れた冷媒は、予冷却器11を通過した後、予冷却器出口ガス流路34を介して、ターボ圧縮機3の吸込口に流れ込む。
予冷却器11にて過冷却を与えられた主流路24の高圧液冷媒は、主膨張弁13によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ(図3の状態J)、蒸発器15において蒸発し(図3の状態Jから状態A)、冷水配管33から伝熱管35に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば12℃で流入した冷水は7℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器15において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路24を介して、ターボ圧縮機3の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ9を用いて凝縮器8からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機1について、エコノマイザ9からの液冷媒を更に冷却する予冷却器11を採用することとした。この予冷却器11によって液冷媒には更に過冷却が付けられ、主膨張弁13によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図3に示したように、予冷却器11を採用しない場合の蒸発器15入口の状態J’と、本実施形態のように予冷却器11を採用した場合の蒸発器15入口の状態Jとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器15内に設けられた伝熱管35周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器15内に流入するので、蒸発器15内に配置された多孔板(ディストリビュータ)41(図2参照)によって冷媒を蒸発器15の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器15における熱交換量(蒸発潜熱)を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器を小型化することができる。
また、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁31の開度を制御することとしたので、蒸発器15入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
[第2参考実施形態]
次に、本発明の第2参考実施形態について、図4及び図5を用いて説明する。
本実施形態は、第1参考実施形態のプレート式熱交換器とされたエコノマイザ9を気液分離タンクとした点で相違し、その他については同様であるので、同様の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
本実施形態のエコノマイザ9’は、気液分離タンクとされており、凝縮器8にて凝縮された液冷媒が主流路24を介して導かれるようになっている。主流路24には、副膨張弁27が設けられており、エコノマイザ9’へ流入する液冷媒を減圧膨張して冷却するようになっている。
エコノマイザ9’では、気液が分離されるようになっている。分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29を介してターボ圧縮機3の中間段へと導かれる。エコノマイザ9’の液冷媒出口には、主流路24と予冷却用分岐流路26が接続されている。これにより、エコノマイザ9’にて分離された液冷媒は、主流路24を介して予冷却器11へと導かれる一方で、予冷却用分岐流路26を介して予冷却器11へと導かれる。予冷却用分岐流路26には予冷却用膨張弁31が設けられている。予冷却用膨張弁31の開度は、第1実施形態と同様に、図示しない制御部によって、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。
次に、上記構成のターボ冷凍機1の動作について説明する。
ターボ圧縮機3は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する図示しない制御部によって所定周波数で回転させられる。
蒸発器15から吸い込まれた低圧ガス冷媒(図5の状態A)は、ターボ圧縮機3の上流側羽根車3aによって圧縮され、中間圧まで圧縮される(図5の状態B)。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される(図5の状態C)。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機3の下流側羽根車3bによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる(図5の状態D)。
ターボ圧縮機3から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器8へと導かれる、凝縮器8において、冷却水配管20内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる(図5の状態E)。
凝縮器8の高圧液冷媒は、主流路24を通り副膨張弁27によって減圧膨張させられて冷却され、気液二相状態となる(図5の状態G)。
減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、エコノマイザ9’に流れ込み、気液分離タンク内で液相に分離される(図5の状態F)。一方、エコノマイザ9’にて分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29を介して、ターボ圧縮機3の中間段に流れ込む。
エコノマイザ9にて分離された液冷媒は、予冷却器11へと導かれ、予冷却用分岐流路26を流れる冷媒によって更に過冷却され(図5の状態H)、主膨張弁13へと導かれる。一方、予冷却用分岐流路26を流れる液冷媒は、予冷却用膨張弁31によって、等エンタルピ膨張させられ(図5の状態I)、予冷却器11へと導かれる。そして、予冷却器11において蒸発する際に主流路24を流れる液冷媒から熱を奪い、主流路24を流れる高圧液冷媒に過冷却を与える(図5の状態H)。予冷却用膨張弁31の開度は、図示しない制御部によって、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。予冷却用分岐流路26を流れた冷媒は、予冷却器11を通過した後、予冷却器出口ガス流路34を介して、ターボ圧縮機3の吸込口に流れ込む。
予冷却器11にて過冷却を与えられた主流路24の液冷媒は、主膨張弁13によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ(図5の状態J)、蒸発器15において蒸発し(図5の状態Jから状態A)、冷水配管33から伝熱管35に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば12℃で流入した冷水は7℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器15において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路24を介して、ターボ圧縮機3の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ9’を用いて凝縮器8からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機1について、エコノマイザ9’からの液冷媒を冷却する予冷却器11を採用することとした。この予冷却器11によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁13によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図5に示したように、予冷却器11を採用しない場合の蒸発器15入口の状態J’と、本実施形態のように予冷却器11を採用した場合の蒸発器15入口の状態Jとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器15内に設けられた伝熱管35周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器15内に流入するので、蒸発器15内に配置された多孔板(ディストリビュータ)41(図2参照)によって冷媒を蒸発器15の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器15における熱交換量(蒸発潜熱)を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
また、予冷却器11と主膨張弁13との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁31の開度を制御することとしたので、蒸発器15入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
[第実施形態]
次に、本発明の第実施形態について、図6及び図7を用いて説明する。
本実施形態は、第2参考実施形態のプレート式熱交換器とされた予冷却器11を気液分離タンクとした点で相違し、その他については同様であるので、同様の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
本実施形態の予冷却器11’は、気液分離タンク(気液分離器)とされており、エコノマイザ9’にて液化された液冷媒が主流路24を介して導かれるようになっている。気液分離タンクである予冷却器11’の上部には、分離されたガス冷媒をターボ圧縮機3の吸込口へと導く予冷却器出口ガス流路34が設けられており、この予冷却器出口ガス流路34には、予冷却器出口ガス膨張弁36が設けられている。この予冷却器出口ガス膨張弁36と、主流路24に設けられた主膨張弁13とは、図示しない制御部によって、予冷却器11’の気液分離タンク内の液位L’が所望値となるよう、その開度が制御される。
予冷却器11’では、主膨張弁13及び予冷却器出口ガス膨張弁36によって二相とされた冷媒を気液に分離されるようになっている。分離されたガス冷媒は、予冷却器出口ガス膨張弁36にて減圧された後、予冷却器出口ガス流路34を介してターボ圧縮機3の吸込口へと導かれる。
予冷却器11’の液冷媒出口には、主流路24が接続されている。これにより、予冷却器11’にて分離された液冷媒は、主流路24を介して主膨張弁13へと導かれる。
次に、上記構成のターボ冷凍機1の動作について説明する。
ターボ圧縮機3は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する図示しない制御部によって所定周波数で回転させられる。
蒸発器15から吸い込まれた低圧ガス冷媒(図7の状態A)は、ターボ圧縮機3の上流側羽根車3aによって圧縮され、中間圧まで圧縮される(図7の状態B)。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される(図7の状態C)。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機3の下流側羽根車3bによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる(図7の状態D)。
ターボ圧縮機3から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器8へと導かれる、凝縮器8において、冷却水配管20内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる(図7の状態E)。
凝縮器8の高圧液冷媒は、主流路24を通り副膨張弁27によって減圧膨張させられ、気液二相状態となる(図7の状態G)。
減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、エコノマイザ9’に流れ込み、気液分離タンク内で液冷媒に分離される(図7の状態F)。一方、エコノマイザ9’にて分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路29を介して、ターボ圧縮機3の中間段に流れ込む。
エコノマイザ9’にて分離された液冷媒は、予冷却用膨張弁31によって減圧膨張されて冷却され、気液二相状態となる(図7の状態K)。減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、予冷却器11’に流れ込み、気液分離タンク内で液冷媒に分離される(図7の状態H)。予冷却用膨張弁31の開度は、図示しない制御部によって、エコノマイザ9’の気液分離タンク内の液位L’が所望値となるように制御される。
一方、予冷却器11’の気液分離タンクにて分離されたガス冷媒は、予冷却器出口ガス膨張弁36にて減圧された後、予冷却器出口ガス流路34を介してターボ圧縮機3の吸込口へと導かれる。
予冷却器11’にて過冷却を与えられた主流路24の液冷媒は、主膨張弁13によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ(図7の状態J)、蒸発器15において蒸発し(図7の状態Jから状態A)、冷水配管33から伝熱管35に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば12℃で流入した冷水は7℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器15において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路を介して、ターボ圧縮機3の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ9’を用いて凝縮器8からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機1について、エコノマイザ9’からの液冷媒を冷却する予冷却器11’を採用することとした。この予冷却器11’によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁13によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図7に示したように、予冷却器11を採用しない場合の蒸発器15入口の状態J’と、本実施形態のように予冷却器11を採用した場合の蒸発器15入口の状態Jとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器15内に設けられた伝熱管35周囲に液冷媒が存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器15内に流入するので、蒸発器15内に配置された多孔板(ディストリビュータ)41(図2参照)によって冷媒を蒸発器15の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器15に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器15における熱交換量(蒸発潜熱)を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
また、予冷却器11’の気液分離タンク内の液位L’が所望値となるように、主膨張弁13と予冷却器出口ガス膨張弁36の開度を制御することとしたので、蒸発器15入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
なお、上述した各実施形態では、ターボ冷凍機を一例として説明したが、本発明はこれに限定されず、蒸気圧縮式とされた冷凍機であれば適用することができ、圧縮機としては、スクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、ロータリ圧縮機等を用いることができる。
1 ターボ冷凍機(冷凍機)
3 ターボ圧縮機(圧縮機)
8 凝縮器
9,9’ エコノマイザ
11,11’ 予冷却器
13 主膨張弁
15 蒸発器(シェルアンドチューブ式蒸発器)
27 副膨張弁
31 予冷却用膨張弁
34 予冷却器出口ガス流路
35 伝熱管
36 予冷却器出口ガス膨張弁

Claims (1)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    該凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザと、
    該エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器と、
    該予冷却器からの液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
    該主膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ式蒸発器と、
    を備え、
    前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器とされ、
    前記気液分離器内の液位が、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することによって所望値とされ、
    前記主膨張弁によって前記蒸発器の入口における冷媒の乾き度が適正値となるように制御されることを特徴とする冷凍機。
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