JP6422398B2

JP6422398B2 - 冷凍機

Info

Publication number: JP6422398B2
Application number: JP2015105299A
Authority: JP
Inventors: 内村　知行; 知行内村
Original assignee: 荏原冷熱システム株式会社
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2035-05-25
Also published as: CN106196736B; CN106196736A; CN206131561U; JP2016217665A

Description

本発明は、冷凍機に関するもので、水冷の冷凍機やヒートポンプ、もしくは冷水機等であって、特に、変流量制御等で水流量の変動が大きい場合に適し、設計を共通化することで低廉化を図ることのできる冷凍機に関するものである。

冷凍機には、一般に断水スイッチと呼ばれる保安装置がある。これは、冷水や冷却水の流量が設計範囲外の少量となった場合に、冷水の凍結や凝縮器の高圧などの故障につながる恐れがあるため、冷凍機を安全に停止させるためのものである。
断水スイッチの形式にもいろいろなものがあるが、差圧によるものが広く使用されている。これは、冷凍機の水側の入口と出口との間の差圧を検出し、この差圧が規定値を下回れば断水したものと判断し、必要な保護動作を行うものである。実際に、この方法による断水スイッチには、差圧を圧力値として電気信号として、これが設定値を下回った場合に断水と検出するものや、差圧とばねの力により電気接点を駆動する、差圧スイッチを使用するものなどがある。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の冷凍機の熱交換器を示す図であり、図１（ａ）は熱交換器の左側面図、図１（ｂ）は熱交換器の正面図、図１（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、差圧による場合、多くの場合は、入口ノズル１と出口ノズル２との間を導圧管３で接続し、導圧管３に断水スイッチ４を設け、水の入口と水の出口との間の差圧を用いることが多い。これは、この部分が冷凍機では最も大きな差圧となるからである。入口ノズル１と出口ノズル２は、熱交換器の端部にある水室ＣＨに設けられている。

特開平７−１５８９３５号公報

しかし、冷凍機の設計の中で、水側のノズル位置は変更要求の多い部分である。ノズルの向きや接続径の変更などもあるが、冷凍機の水量が変更となると、パス数が変わりノズルの位置や方向を変更せざるを得ない。たとえば、特に偶数パスでは入口と出口のノズルが冷凍機の一方の側面で直近となるが、奇数パスではノズルが冷凍機の両側面となる。このため、奇数パス時には断水スイッチに対して長い導圧管が必要となる。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、奇数パス（３パス）の熱交換器を示す図であり、図２（ａ）は熱交換器の左側面図、図２（ｂ）は熱交換器の正面図、図２（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、奇数パスの熱交換器では、入口ノズル１と出口ノズル２は冷凍機の両側面となる。すなわち、入口ノズル１と出口ノズル２は、熱交換器の両端部にある水室ＣＨ，ＣＨに設けられている。そのため、入口ノズル１と出口ノズル２との間を長い導圧管３で接続し、導圧管３に断水スイッチ４を設けている。このようにノズル位置が変わるとそのたびに断水スイッチの取り付け位置や周辺の配管を変更する必要があった。図１および図２において、熱交換器内の符号１、２、３は、パスの番号を示し、これら符号１、２、３等は以下の図面においても同様である。

また、パス数が変わると差圧も変わる。たとえば、冷水が１２℃入口７℃出口、蒸発器が２パスの冷凍機で、冷水の差圧が１００ｋＰａとした場合、この冷凍機の仕様を変更して、たとえば冷水が１４℃入口７℃出口、蒸発器の水室仕切り板を変更して３パスの冷凍機とすると、差圧は１７２ｋＰａとなる。
冷水の温度差が５℃から７℃へと１．４倍となることで、冷水流量は逆数である約７１％に減少するが、パス数が２パスから３パスとなることで、パスあたりの伝熱管本数が２／３となり、流速は１．０７倍と微増する。これにより、パスあたりの差圧はその自乗である、約１．１５倍となり、さらにパス数が１．５倍となるので１７２ｋＰａとなる。

このため、差圧スイッチではあらかじめ複数の、異なる差圧で動作する差圧スイッチを用意し、その冷凍機にあったものを選定するか、差圧スイッチを個々の冷凍機の差圧にあわせて調整するなどの作業が必要となる。
しかし、一般に差圧スイッチの調整は難しく、想定外の流量で作動する、あるいは必要な状況で作動しないなどのトラブルを生じる元となる。

また、近年では冷凍機の水量を運転状態により変更する「変流量制御」が一般的になっている。これは、水量を減らすことで配管や冷凍機の圧力損失をかなり小さく抑えることができるため、省エネルギー等に寄与するが、一方で、水量が小さくなることで差圧スイッチの選定が難しくなる。すなわち、たとえば５０〜１００％の流量可変範囲を持つ冷凍機の断水スイッチを、流量５０％未満４０％以上で作動させようとすると、
１００％流量で差圧が１００ｋＰａであった場合、
５０％流量では差圧が２５ｋＰａとなり、
４０％流量では差圧が１６ｋＰａとなる。
つまり、１００ｋＰａ以上の差圧の耐圧のある差圧スイッチを用いて、１６〜２５ｋＰａの範囲に差圧スイッチを設定する必要があることとなり、設定はさらに困難となる。実際には、差圧スイッチの動作圧力をさらに下げることで対応することが多い。しかしこの場合は、設計上許容していない範囲での運転が行われるリスクを有する。

なお、冷凍機では熱交換器内のチューブ流速があらかじめ定められた範囲内になるようにパス数を調整することが一般的で、一例では、たとえばチューブ内流速が１〜３m/secとなるようにパス数を調整する。また、前述の変流量制御等を行う場合、冷水流量が半減してもこの基準に入ることが必要なため、最小流量においてこの範囲内に入るようにする。
しかし、流速が早くなると差圧（圧力損失）が大きくなるため、チューブ内流速はできるだけ遅くするのが一般的である。このため、実務的には流速の範囲は上述のケースであれば１〜１．５ｍ程度の、ごく狭い範囲に調整することが多い。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、冷凍機の熱交換器のパス数を変えても、断水スイッチ（差圧スイッチや差圧センサ）は共通化することができ、奇数パスの場合であっても長い導圧管を不要とすることができる冷凍機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の冷凍機は、少なくとも一以上の液用熱交換器の液側のパス数が３以上である冷凍機であって、前記液用熱交換器の液側の第Ｎパスの入口部分と第Ｎ＋１パスの出口部分との差圧を検出し、検出された差圧により冷凍機の液の流量を推定し、前記液用熱交換器のパス数を、仕切り板の位置によってパス数Ｘからパス数Ｙに切り替えることが可能となっている冷凍機であって、パス数がＸの場合に第Ｎパスの入口もしくは第Ｎ−１パスの出口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍパスの入口もしくは第Ｍ−１パスの出口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設けるとともに、パス数がＸの場合に第Ｎ＋１パスの出口もしくは第Ｎ＋２パスの入口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍ＋１パスの出口もしくは第Ｍ＋２パスの入口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設け、該差圧を両圧力検出用の孔の間の差圧として検出し、ここでＮおよびＭは１以上の整数であり、ただし第Ｎ−１パスおよび第Ｍ−１パスにおけるＮおよびＭは２以上の整数であることを特徴とする。
ここで、Ｘ，Ｙは２以上の整数であり、（Ｘ−Ｙ）の絶対値は１以上である。

本発明の好ましい態様は、前記検出された差圧があらかじめ設定した値以下となった場合に、断水したと判断することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記検出された差圧の（１／２）乗に比例した値を水の推定流量とすることを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機の熱交換器のパス数を変えても、断水スイッチ（差圧スイッチや差圧センサ）は共通化することができ、奇数パスの場合であっても長い導圧管等は不要となる。これにより、部品や設計の共通化を図ることができ、冷凍機のコストダウン等に寄与する。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の冷凍機の熱交換器を示す図であり、図１（ａ）は熱交換器の左側面図、図１（ｂ）は熱交換器の正面図、図１（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、奇数パス（３パス）の熱交換器を示す図であり、図２（ａ）は熱交換器の左側面図、図２（ｂ）は熱交換器の正面図、図２（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第１実施形態の熱交換器を示す図であり、図３（ａ）は熱交換器の左側面図、図３（ｂ）は熱交換器の正面図、図３（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、３パスから２パスに変更する場合の熱交換器の構成を示す図であり、図４（ａ）は熱交換器の左側面図、図４（ｂ）は熱交換器の正面図、図４（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を２パスとして使用する場合を示し、図５（ａ）は蒸発器の左側面図、図５（ｂ）は蒸発器の右側面図である。図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を３パスとして使用する場合を示し、図６（ａ）は蒸発器の左側面図、図６（ｂ）は蒸発器の右側面図である。図７は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を４パスとする場合を示し、図７（ａ）は蒸発器の左側面図、図７（ｂ）は蒸発器の右側面図である。

以下、本発明に係る冷凍機の実施形態を図３乃至図７を参照して説明する。図３乃至図７において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
本発明では、設計手順として、伝熱管内の流速が比較的狭い範囲に調整されることに注目した。仮に伝熱管内の流速が一定であれば、パスを変更しても冷凍機のパスあたりの差圧は等しくなる。そこで本発明では、従来水等の入口と出口で計測していた水側の差圧を、第Ｎパスの入口（以下、差圧入口）と、第Ｎ＋１パスの出口（以下、差圧出口）との間で差圧を計測することとした。このようにすると、冷凍機のパス数が変わっても、伝熱管内の流速が規定の範囲内であれば、両者間の差圧は一定の範囲内に収まるので、同一の圧力レンジの差圧スイッチを使用できる。差圧スイッチではなく、差圧センサを用いて規定の差圧以下で断水と検出することとしても良い。

また、差圧入口と差圧出口とは、第Ｎパスの入口と第Ｎ＋１パスの出口とは隣り合うため、基本的に隣り合うことになる。このため、差圧検出器の導圧配管は短くてすみ、コストダウンに寄与する。また、パス数が変わっても差圧入口となる水室の側面と、パス数が変わっても差圧出口となる水室の側面に、圧力検出用の孔を設ければ、差圧スイッチだけではなく配管等も共通化できることとなり、冷凍機の低廉化や設計工数の削減に寄与する。

次に、本発明の第１実施形態を説明する。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の第１実施形態の熱交換器を示す図であり、図３（ａ）は熱交換器の左側面図、図３（ｂ）は熱交換器の正面図、図３（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、入口ノズル１と出口ノズル２は、熱交換器の両端部にある水室ＣＨ，ＣＨに設けられている。熱交換器は、３パスの蒸発器であり、第一パスの入口（差圧入口）として冷水入口ノズル１、第二パスの出口（差圧出口）として、第二パスの水室側面５との間を導圧管３で接続し、導圧管３に差圧計（ｄＰ）６を設けている。
ここで、この熱交換器を２パスの仕様とする場合を考える。パスの変更は、水室仕切り板を変更することで可能であり、３パスから２パスであれば、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）において縦仕切りと横仕切りとを組み合わせていた水室仕切り板を、横仕切り一つとすればよい。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、３パスから２パスに変更する場合の熱交換器の構成を示す図であり、図４（ａ）は熱交換器の左側面図、図４（ｂ）は熱交換器の正面図、図４（ｃ）は熱交換器の右側面図である。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、入口ノズル１と出口ノズル２は、熱交換器の端部にある水室ＣＨに設けられている。３パスから２パスに変更する場合、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、水室仕切り板７を横仕切り一つにすればよい。このとき、３パスのときに第二パスの出口となり、２パスのときにも第二パスの出口となるところを考える。これは、図３と図４の２つの図を重ねれば分かるように、３パス時の第二パス出口の、下半分である。また、第一パスの入口は、３パス時の第一パスの入口と２パス時の第一パスの入口と重なる。したがって、第一パスの入口（本例の場合、入口ノズル）と、３パス時の第二パスの出口の下半分との間で差圧を計測するように配管し、差圧計６を取り付けることとすれば、２パスの場合でも３パスの場合でも、差圧計周りの配管は共通となる。これにより、導圧管や差圧計を共通化できる。

２パス、３パス、４パスであっても、熱交換器の断面形状および寸法は変わらないので、幾何学的に共通する箇所に差圧スイッチや差圧センサの圧力検出用の孔を設けることによって、同一導圧管および差圧スイッチ等で対応できるので、断水スイッチを共有化できる。
またこの場合、使用の冷水流量に応じて伝熱管内の流速を一定範囲内とするようにパス数を選定すれば、差圧も一定範囲内となるので差圧スイッチの設定値もほぼ同じとなる。これにより、部品を共通化することが容易となる。

本発明の第２の実施形態を図５乃至図７に示す。第２の実施形態は水側のパス数を２パス〜４パスとすることができる蒸発器である。
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を２パスとして使用する場合を示し、図５（ａ）は蒸発器の左側面図、図５（ｂ）は蒸発器の右側面図である。
図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を３パスとして使用する場合を示し、図６（ａ）は蒸発器の左側面図、図６（ｂ）は蒸発器の右側面図である。２パスと３パスの関係は、第一の実施形態と同じである。ただし、第２の実施形態では、入口ノズル１は下側にあり、出口ノズル２は上側にある。
図７（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における蒸発器を４パスとする場合を示し、図７（ａ）は蒸発器の左側面図、図７（ｂ）は蒸発器の右側面図である。差圧計６が接続されるのは第三パスの入口と、第一パスの入口との差圧となるが、第二パスの出口と第三パスの入口とは共通であるので、同じこととなる。
このように接続することで、２〜４パスのいずれであっても、配管は共通となり、第１の実施形態と同様に、差圧の範囲もほぼ一定となる。

本発明の第１および第２の実施形態をより一般化して説明すると、本発明は、液用熱交換器のパス数を、仕切り板の位置によって切り替えることが可能となっている冷凍機であって、パス数を例えばＸからＹに切り替える場合を考える。パス数がＸの場合に第Ｎパスの入口もしくは第Ｎ−１パスの出口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍパスの入口もしくは第Ｍ−１パスの出口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設けるとともに、パス数がＸの場合に第Ｎ＋１パスの出口もしくは第Ｎ＋２パスの入口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍ＋１パスの出口もしくは第Ｍ＋２パスの入口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設け、該差圧を両圧力検出用の孔の間の差圧として検出する。

なお、差圧計ではなく差圧センサとし、差圧が一定値を下回ったときに断水と判断することとしても良いし、差圧センサの値から、冷水流量を推算することもできる。このとき、差圧の値の１／２乗に比例することとして流量を推算することがよい。
また、実施形態はすべて蒸発器の場合で説明したが、凝縮器や温水熱交換器等でも同じようにすることができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１入口ノズル
２出口ノズル
３導圧管
４断水スイッチ
５水室側面
６差圧計
７水室仕切り板
ＣＨ水室

Claims

少なくとも一以上の液用熱交換器の液側のパス数が３以上である冷凍機であって、
前記液用熱交換器の液側の第Ｎパスの入口部分と第Ｎ＋１パスの出口部分との差圧を検出し、検出された差圧により冷凍機の液の流量を推定し、
前記液用熱交換器のパス数を、仕切り板の位置によってパス数Ｘからパス数Ｙに切り替えることが可能となっている冷凍機であって、
パス数がＸの場合に第Ｎパスの入口もしくは第Ｎ−１パスの出口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍパスの入口もしくは第Ｍ−１パスの出口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設けるとともに、パス数がＸの場合に第Ｎ＋１パスの出口もしくは第Ｎ＋２パスの入口となる部分と、パス数がＹの場合に第Ｍ＋１パスの出口もしくは第Ｍ＋２パスの入口となる部分とで共用されるパスの水室側面に、圧力検出用の孔を設け、該差圧を両圧力検出用の孔の間の差圧として検出し、ここでＮおよびＭは１以上の整数であり、ただし第Ｎ−１パスおよび第Ｍ−１パスにおけるＮおよびＭは２以上の整数であることを特徴とする冷凍機。
前記検出された差圧があらかじめ設定した値以下となった場合に、断水したと判断することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
前記検出された差圧の（１／２）乗に比例した値を水の推定流量とすることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍機。