JP6796906B2 - 冷媒熱交換器及びこれを備えた二次冷媒式冷凍装置 - Google Patents

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Description

本発明は、シェルアンドプレート式の冷媒熱交換器とこれを備えた二次冷媒式冷凍装置に関するものである。
冷凍装置においては、冷媒が冷媒回路に設けられた圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器等の冷凍サイクル構成機器を通過しながら状態変化することによって冷凍サイクルが繰り返され、これによって冷却負荷が冷却される。
ところで、冷凍装置の冷媒には従来からフロン系冷媒が用いられていたが、フロン系冷媒は、オゾン層の破壊や地球温暖化等の自然破壊を招くため、近年は冷媒としてNH(アンモニア)やCO(二酸化炭素)等の自然冷媒が用いられるようになっている。特に、NHは冷凍能力が高いため、大型冷凍装置に多く用いられている。
しかしながら、NHは毒性を有しているため、室内の空調や食品等の冷凍に用いられる冷凍装置として、一次冷媒にNHを用いた冷凍サイクル構成機器に対して、無害なCOを冷凍庫等の冷却負荷側の二次冷媒として用いる二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)が採用されつつある(例えば、特許文献1参照)。
斯かる二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)においては、一次冷媒(NH)が各種冷凍サイクル構成機器を通過しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される一次冷媒回路と、二次冷媒(CO)が循環することによって冷却負荷を冷却する二次冷媒回路とが冷媒熱交換器(CO液化器)によって接続されている。
ところで、冷媒熱交換器(CO液化器)としては、熱交換効率の高いシェルアンドプレート式熱交換器が多く用いられている。ここで、特許文献2において提案された冷媒熱交換器を図8及び図9に基づいて説明する。
即ち、図8は特許文献2において提案された冷媒熱交換器の破断側面図、図9は図8のD−D線断面図であり、図示の冷媒熱交換器108は、一次冷媒としてNH、二次冷媒としてCOを使用するNH/CO冷凍装置に設けられるものであって、円筒状のシェル130aを備える中空容器130と、該中空容器130内に収容されたプレート重合体131を備えている。
上記プレート重合体131は、表裏面に不図示の凹凸パターンが形成された円板状の複数のプレート132を重ね合わせて構成されており、これの上下には軸方向(図8の左右方向)に沿う水平な貫通流路135,136がそれぞれ形成されている。そして、このプレート重合体131においては、中空容器130の内部空間Sに開放された不図示の第1の通路と、内部空間Sに対して閉鎖され且つ前記貫通流路135,136に連通する不図示の第2の通路とが複数のプレート132間に交互に形成されている。ここで、プレート重合体131は、中空容器130の内部空間Sに下方に偏位した状態で配置されており、内部空間Sのプレート重合体131の上方に形成される空間には、NH散布管137と吸入ヘッダ140が配置されている。そして、NH散布管137と吸入ヘッダ140には、NH冷媒が循環する不図示の一次冷媒回路の冷媒配管102c,102dがそれぞれ接続されている。又、プレート重合体131に形成された上下の貫通流路135,136には、CO冷媒が循環する不図示の二次冷媒回路の冷媒配管103c,103dがそれぞれ接続されている。
而して、冷媒配管102cからNH散布管137へと導入されるNH冷媒液は、NH散布管137から中空容器130の内部空間Sへと散布され、この散布されたNH冷媒液は、プレート重合体131に形成された不図示の第1の通路を流れる。これに対して、冷媒配管103cからプレート重合体131の貫通流路135へと導入されるCO冷媒ガスは、プレート重合体131の不図示の第2の通路を流れる過程で、第1の通路を流れるNH冷媒液との間で熱交換し、NH冷媒液から蒸発潜熱を奪われて液化し、NH冷媒液は、CO冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化する。
そして、冷媒熱交換器108において液化したCO冷媒は、冷媒配管103dから排出されて二次冷媒回路を循環することによって冷凍庫等の冷却負荷を冷却する。又、冷媒熱交換器108において気化したNH冷媒ガスは、中空容器130の内部空間Sを上昇し、吸入ヘッダ140から冷媒配管102dへと流れて不図示の圧縮機へと吸入されて圧縮され、一次冷媒回路を状態変化しながら循環する。
特開2014−001861号公報 特開2015−121396号公報
ところで、特許文献2において提案された図8及び図9に示す冷媒熱交換器(CO液化器)108を備える二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)においては、一次冷媒回路のNH冷媒の充填量を少なく抑えて冷媒熱交換器108の小型コンパクト化とコストダウンを図ることが望まれる。
しかしながら、図8及び図9に示す従来の冷媒熱交換器(CO液化器)108においては、プレート重合体131に複数の円板状のプレート132(図9参照)を用いているため、各プレート132と中空容器130のシェル130aとの間に形成される径方向隙間(プレート132の両横部の隙間)が大きくなり、結果的にNH冷媒の充填量が多くなってしまう。このため、図9に示すように、プレート132の両横部の隙間にゴム製の充填材146を詰めることが行われているが、この充填材146のサイズが大きいためにコストが高く、冷媒熱交換器108のコストアップを招いてしまう。
従って、本発明の第1の目的は、小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる冷媒熱交換器とこれを備えた二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
又、図8及び図9に示す従来の冷媒熱交換器(CO液化器)108においては、プレート重合体131に複数の円板状のプレート132を用いているため、中空容器130の内部空間Sにおいてプレート重合体131の上方に形成される空間が比較的小さく、この空間に配置される吸入ヘッダ140に向かうNH冷媒ガスの速度が比較的大きくなる。このため、NH冷媒ガスに含まれるミスト(液滴)の重力沈降による分離性能が低下し、ミスト(液滴)が圧縮機に吸引される液バックが発生し、圧縮機の破損等の種々の不具合を招くという問題がある。
上記問題の液バック防止策として、細かい鉄線を或る開口率や厚さになるように編んだ金網(デミスタ)をプレート重合体131の上部に設けるデミスタ方式がある。冷媒熱交換器(CO液化器)108におけるNH冷媒ガスの圧力は、蒸発温度が低いときに真空圧力であるため、NH冷媒ガス通路における圧力損失は、二次冷媒式冷凍装置の冷凍能力を低下させるとともに、本来COP(成績係数)の高い二次冷媒式冷凍装置の特長に悪影響を与えることになる。
従って、本発明の第2の目的は、大型化とコストアップを招くことなく、液バックの発生を防ぐことができる冷媒熱交換器とこれを備えた二次冷媒式冷凍装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、円筒状のシェルを備える中空容器と、該中空容器内に収容されたプレート重合体を備え、前記プレート重合体を、同一部位に孔が形成された2枚のプレートを重ね合わせ、これらのプレートの各孔の周縁同士を溶接して成るペアプレートを複数重ね合わせ、隣接する2つの前記ペアプレートの外周縁同士を溶接して構成し、前記各プレートに形成された前記孔を連ねて前記プレート重合体を貫通する貫通流路を形成するとともに、前記中空容器の内部空間に開放された第1の通路と、前記内部空間に対して閉鎖され且つ前記貫通流路に連通する第2の通路とを複数の前記プレート間に交互に形成し、前記中空容器の内部空間から前記第1の通路を流れる一次冷媒と、前記貫通流路から前記第2の通路を流れる二次冷媒とを前記プレートを介して熱交換させるシェルアンドプレート式の冷媒熱交換器において、前記プレートを楕円板で構成するとともに、前記プレート重合体を、前記プレートの短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が前記中空容器の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置し、前記中空容器のシェルと前記プレート重合体との間の径方向隙間に、軸方向に長い丸棒状の充填材を充填し、前記中空容器の内部空間の前記プレート重合体の上方の空間に、一次冷媒液を分配しながら前記内部空間に噴射するディストリビュータと、前記第1の通路を流れる過程における二次冷媒ガスとの熱交換によって気化した一次冷媒ガスを吸入する吸入ヘッダとを配置したことを特徴とする。
請求項に記載の発明は、一次冷媒が各種冷凍サイクル構成機器を通過しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される一次冷媒回路と、二次冷媒が循環することによって冷却負荷を冷却する二次冷媒回路とを、請求項1に記載の冷媒熱交換器によって接続して二次冷媒式冷凍装置を構成した特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、冷媒熱交換器の中空容器に収容されたプレート重合体を形成する複数のプレートを楕円板で構成し、プレート重合体を、プレートの短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置したため、該プレート重合体と中空容器のシェルとの間の径方向隙間(プレートの両横部の隙間)が小さく抑えられる。このため、一次冷媒の充填量を減らして中空容器、延いては冷媒熱交換器の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。
、中空容器のシェルとプレート重合体との間に小さな径方向隙間に丸棒状の充填材を充填したため、中空容器の内部空間において一次冷媒が占める容積が小さく抑えられて該一次冷媒の充填量が更に減少し、その分だけ中空容器、延いては冷媒熱交換器を更に小型化してコストダウンを図ることができる。そして、充填材として小径のものを使用することができるため、該充填材のコストを低く抑えて冷媒熱交換器のコストダウンを図ることができる。
更に、プレート重合体の複数のプレートを楕円板で構成し、プレート重合体を、プレートの短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器の内部空間においてプレート重合体の上方に、ディストリビュータと吸入ヘッダを配置するための比較的大きな空間が形成される。このため、中空容器を小型化しても、その内部空間にディストリビュータと吸入ヘッダを配置するための空間を確保することができる。この結果、冷媒熱交換器の小型コンパクト化とコストダウンを実現することができるとともに、一次冷媒の充填量を減らすことができる。
請求項に記載の発明によれば、二次冷媒式冷凍装置は、小型コンパクト化とコストダウンを実現した冷媒熱交換器を備えるため、全体が小型コンパクトに構成されるとともに、コストダウンが図られる。又、一次冷媒ガスに含まれるミスト(液滴)が冷媒熱交換器において確実に分離除去されるため、圧縮機への液バックが防がれて圧縮機の破損等の不具合の発生が抑えられる。
本発明に係る二次冷媒式冷凍装置の基本構成を示す回路図である。 本発明に係る冷媒熱交換器の破断側面図である。 図2のA−A線断面図である。 図2のB−B線断面図である。 (a)は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、(b)はペアプレートの模式的な側断面図、(c)はプレート重合体の構成を模式的に示す側断面図である。 図2のC−C線断面図である。 本発明に係る冷媒熱交換器の吸入ヘッダの分解斜視図である。 特許文献2において提案された冷媒熱交換器の破断側面図である。 図8のD−D線断面図である。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
[二次冷媒式冷凍装置の構成]
図1は本発明に係る二次冷媒式冷凍装置の基本構成を示す回路図であり、図示の二次冷媒式冷凍装置1は、一次冷媒としてNH冷媒を循環させる一次冷媒回路2と二次冷媒としてCO冷媒を循環させる二次冷媒回路3を備えるNH/CO冷凍装置として構成されている。
<一次冷媒回路>
上記一次冷媒回路2は、一次冷媒であるNH冷媒の流れ方向に沿って配置された冷凍サイクル構成機器である2段圧縮機4、NH受液器5、エコノマイザ6、電子式膨張弁7及び本発明に係る冷媒熱交換器8を冷媒配管2a,2b,2c,2dによって順次接続して閉ループを構成している。ここで、冷媒配管2bのエコノマイザ6の上流(NH冷媒の流れ方向上流)からは冷媒配管2eが分岐しており、この冷媒配管2eは、エコノマイザ6の入口側に接続されている。そして、この冷媒配管2eには温度式膨張弁9が設けられており、エコノマイザ6の出口側から延びる冷媒配管2fは、2段圧縮機4の低段圧縮部4aと高段圧縮部4bとを接続する冷媒配管2gに接続されている。
前記2段圧縮機4は、往復動式(レシプロ式)圧縮機であって、上述のように低圧側の低段圧縮部4aと高圧側の高段圧縮部4bとで構成されており、両者は冷媒配管2gによって接続されている。この2段圧縮機4は、ハーメチックモータ10によって駆動されるが、このハーメチックモータ10は、インバータ11によって回転数制御される。
ところで、2段圧縮機4には、摺動部分を冷却及び潤滑するための冷凍機油が使用されるが、この冷凍機油は、オイルクーラ12によって冷却されつつ、オイル配管13a,13bを経てオイルクーラ12と2段圧縮機4との間を循環する。ここで、オイルクーラ12の入口側には冷却水配管14aが接続されており、オイルクーラ12の出口側から延びる冷却水配管14bは、前記ハーメチックモータ10の入口側に接続されている。そして、ハーメチックモータ10の出口側から延びる冷却水配管14cは、2段圧縮機4の入口側に接続されている。尚、冷凍機油には、NH冷媒に対して非溶解性を示すアルキルベンゼン(AG)系等のオイルが使用されている。
前記NH受液器5は、NH冷媒ガスを液化させるための凝縮器として機能するものであって、シェルアンドチューブ式熱交換器によって構成されている。このNH受液器5の軸方向両端に取り付けられたカバー5aの一方の入口側には冷却水配管14dが接続され、出口側からは冷却水配管14eが延びている。そして、NH受液器5内の両カバー5a間には、冷却水配管14dから導入される冷却水が循環するための複数の伝熱管5bが架設されている。尚、一方の冷却水配管14dからは、前記オイルクーラ12の入口側に接続されている前記冷却水配管14aが分岐している。又、他方の冷却水配管14eの途中には、前記2段圧縮機4の出口側から延びる冷却水配管14fが接続されている。
そして、NH受液器5の上部には、2段圧縮機4の高段圧縮部4bから延びる冷媒配管2aが接続されている。又、NH受液器5の下部には冷媒液溜めポット5cが形成されており、この冷媒液溜めポット5cからは冷媒配管2bが延びている。尚、冷媒液溜めポット5cには、当該冷媒液溜めポット5cに溜まるNH冷媒液の上限液位を検出する上限レベルセンサ15aと下限液位を検出する下限レベルセンサ15bが設けられており、これらの上限レベルセンサ15aと下限レベルセンサ15bからの検出信号は不図示の制御装置へと送信される。
前記エコノマイザ6は、中間冷却器として機能するものであって、冷媒配管2bを流れるNH冷媒液の一部を冷媒配管2eへと抽出し、この抽出したNH冷媒液を温度式膨張弁9によって減圧(等エンタルピ膨張)して蒸発させることによって、エコノマイザ6を流れるNH冷媒液を過冷却するものであって、その作用の詳細は後述する。
前記電子式膨張弁7は、エコノマイザ6によって過冷却されたNH冷媒液を減圧(等エンタルピ膨張)することによって、冷媒配管2eを流れるNH冷媒液の蒸発温度を下げる機能を果たすものである。
前記冷媒熱交換器8は、一次冷媒回路2と二次冷媒回路3とを接続するものであって、シェルアンドプレート式熱交換器として構成されている。この冷媒熱交換器8は、二次冷媒であるCO冷媒ガスを液化するためのCO液化器として機能するとともに、電子式膨張弁7によって減圧された一次冷媒であるNH冷媒液を蒸発させるNH蒸発器として機能するものであって、その構成の詳細は後述する。
冷媒熱交換器8の上部には、NH受液器5において液化したNH冷媒液を導入するための冷媒配管2cが接続されており、冷媒熱交換器8の上部からは2段圧縮器4の低段圧縮部4aへと連なる冷媒配管2dが延びている。ここで、冷媒配管2dは、二次冷媒であるCOガスとの熱交換によって気化したNH冷媒ガスを2段圧縮機4の低段圧縮部4aへと導くものであって、その途中には、NH冷媒ガスの温度を検出する温度センサ(T)16と圧力を検出する圧力センサ(P)17が設けられている。尚、これらの温度センサ(T)16と圧力センサ(P)17からの検出信号は不図示の制御装置へと送信される。
ところで、NH冷媒に混入する冷凍機油は、油分離部18によってNH冷媒から分離されて2段圧縮機4の吸入側へと戻されるが、ここで、油分離部18の構成を以下に説明する。
即ち、冷媒熱交換器8の下部には油溜めポット8aが形成されており、この油溜めポット8aの下端と冷媒配管2dとがオイル戻し配管19によって接続されている。このオイル戻し配管19には電動弁20とフロートセンサ21及び電磁開閉弁22が設けられており、オイル戻し配管19の電動弁20とフロートセンサ21との間には、冷媒配管2aから分岐する冷媒配管2hが接続されている。そして、冷媒配管2hには電磁開閉弁23が設けられている。
<二次冷媒回路>
二次冷媒回路3は、二次冷媒であるCO冷媒の流れ方向に沿って配置されたレシーバ(CO受液器)24、液ポンプ25、複数の冷却ユニット26及び本発明に係る冷媒熱交換器(CO液化器)8を冷媒配管3a,3b,3c,3dによって順次接続して閉ループを構成している。
上記レシーバ24は、CO冷媒液を貯留するためのものであって、その下部には液溜めポット24aが形成されている。そして、この液溜めポット24aからは冷媒配管3aが延びており、この冷媒配管3aの途中に前記液ポンプ25が設けられている。尚、液ポンプ25は、駆動源である不図示のモータによって駆動される。
複数の前記冷却ユニット26は、冷却負荷である冷凍庫50の内部に収容されており、これらは冷媒配管3aから分岐する複数の冷媒配管3e(図1には1つのみ図示)によって冷凍庫50内で並列に接続されている。そして、各冷却ユニット26から延びる冷媒配管3f(図1には1つのみ図示)は、冷媒配管3bにそれぞれ接続されている。ここで、各冷却ユニット26は、二次冷媒であるCO冷媒液の一部を蒸発させる蒸発器としても機能する熱交換器26aと該熱交換器26aを流れるCO冷媒と冷凍庫50内の空気との熱交換を促進するためのファン26bをそれぞれ備えている。
複数の冷却ユニット26からそれぞれ延びる冷媒配管3fが接続された冷媒配管3bは、前記レシーバ24の上部に接続されている。そして、レシーバ24の上部から延びる冷媒配管3cは、前記冷媒熱交換器8の側面上部に接続されており、冷媒熱交換器8の側面下部から延びる冷媒配管3dは、レシーバ24の上部に接続されている。
[二次冷媒式冷凍装置の作用]
次に以上のように構成された二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)1の作用について説明する。
二次冷媒式冷凍装置1においては、一次冷媒であるNH冷媒が一次冷媒回路2を状態変化しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される。
即ち、冷媒配管2dから2段圧縮機4の低圧縮部4aへと吸引されたNH冷媒ガスが低段圧縮部4aで一次圧縮され、この一次圧縮されたNH冷媒ガスは、冷媒配管2gから高段圧縮部4bへと吸引されて該高段圧縮部4bで二次圧縮される。そして、高段圧縮部4bで二次圧縮された高圧のNH冷媒ガスは、冷媒配管2aを経てNH受液器5の内部へと導入され、冷却水配管14dからNH受液器5に導入されて該NH受液器5内の複数の伝熱管5bを流れる冷却水によって冷却されて液化する。このようにして液化したNH冷媒液は、NH受液器5の底部に形成された冷媒液溜めポット5cに貯留される。尚、冷媒液溜めポット5cに貯留されるNH冷媒液の液位の上限と下限は、上限レベルセンサ15aと下限レベルセンサ15bによってそれぞれ検出される。又、NH冷媒ガスの冷却に供されて温度が高くなった冷却水は、冷却水配管14eへと排出される。
NH受液器5における凝縮によって液化した高圧のNH冷媒液は、冷媒液溜めポット5cから冷媒配管2bを経てエコノマイザ6へと導入され、このエコノマイザ6によって一部が過冷却される。
即ち、冷媒配管2bを流れるNH冷媒液の一部は、冷媒配管2eへと抽出され、温度式膨張弁9によって減圧された後にエコノマイザ6へと導入される。又、冷媒配管2bを流れる他の高圧のNH冷媒液は、減圧されることなくそのままエコノマイザ6へと導入される。すると、温度式膨張弁9によって減圧されて蒸発温度が低下した低圧のNH冷媒液は、エコノマイザ6をそのまま流れる高圧のNH冷媒液から蒸発潜熱を奪って蒸発するため、冷媒配管2bを流れる高圧のNH冷媒液が過冷却される。そして、エコノマイザ6における蒸発によって気化したNH冷媒ガスは、冷媒配管2fから冷媒配管2gへと導入され、冷媒配管2gを流れるNH冷媒ガスと共に2段圧縮機4の高段圧縮部4bへと吸引されて該高段圧縮部4bによって二次圧縮される。尚、エコノマイザ6において気化したNH冷媒ガスは、冷媒配管2gへの液バックを防ぐために温度式膨張弁9によって過熱度が調整される。
而して、エコノマイザ6によって過冷却された高圧のNH冷媒液は、冷媒配管2cを流れる過程で電子式膨張弁7によって減圧されて蒸発温度が下げられた後、NH蒸発器としても機能する冷媒熱交換器8に導入される。この冷媒熱交換器8に導入されたNH冷媒液は、2次冷媒回路3を循環するCO冷媒との熱交換によって蒸発して気化する。具体的には、冷媒熱交換器8においては、低圧のNH冷媒液は、二次冷却回路3に設けられたレシーバ24から冷媒配管3cを経て当該冷媒熱交換器8に導入されるCO冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って蒸発し、蒸発潜熱が奪われたCO冷媒ガスは、冷却されて液化する。従って、冷媒熱交換器8は、CO凝縮器及びNH蒸発器として機能する。
そして、冷媒熱交換器8において気化したNH冷媒ガスは、冷媒配管2dから2段圧縮機4の低段圧縮部4aへと吸引されて圧縮され、以後、同様の作用が繰り返される。このように、NH冷媒が二次冷媒回路2を状態変化しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される。尚、冷媒配管2dを流れるNH冷媒ガスの温度と圧力は、温度センサ16と圧力センサ17によってそれぞれ検出され、不図示の制御装置は、温度センサ16と圧力センサ17によって検出された温度と圧力によってNH冷媒ガスの過熱度を算出し、この過熱度が設定値となるように電子式膨張弁7の開度を調整する。
以上のように、本実施の形態では、圧縮機として往復動式(レシプロ式)の低段圧縮部4aと高段圧縮部4bを備える2段圧縮機4を使用し、低段圧縮部4aと高段圧縮部4bとの間にエコノマイザ6を設けてNH冷媒液を過冷却するようにしたため、冷却温度を低温域まで下げることができ、冷凍サイクルの成績係数(COP)を高めることができる。
ところで、2段圧縮機4の摺動部の潤滑と冷却に供される冷凍機油は、オイル配管13a,13bを経てオイルクーラ12と2段圧縮機4の間を循環し、冷却水配管14dから分岐する冷却水配管14aからオイルクーラ12に導入される冷却水によって冷却されてその温度上昇が抑えられる。尚、オイルクーラ12において冷凍機油の冷却に供された冷却水は、冷却水配管14bを経てハーメチックモータ10へと導入されて該ハーメチックモータ10の冷却に供される。そして、ハーメチックモータ10の冷却に供された冷却水は、冷却水配管14cから2段圧縮機4に導入され、該2段圧縮機4の冷却に供された後、冷却水配管14fから排出されて冷却水配管14eを流れる冷却水に合流する。
又、冷媒熱交換器8に導入されたNH冷媒に含まれる冷凍機油は、NH冷媒から分離されて冷媒熱交換器8の下部に形成された油溜めポット8aに貯留される。そして、この油溜めポット8aに貯留された冷凍機油は、オイル戻し管19から電動弁20を経てフロートセンサ21へと送られて該フロートセンサ21の不図示の貯留空間に溜められる。ここで、フロートセンサ21に設けられた不図示のフロートが上限位置に達していない間は、電動弁20が開けられるとともに、電磁開閉弁22,23が共に閉じられ、冷凍機油は、フロートセンサ21の貯留空間に順次溜められる。
上述のように冷凍機油がフロートセンサ21の貯留空間に溜められた結果、不図示のフロートが上限位置まで上昇したことが検出されると、電動弁20が閉じられるとともに、電磁開閉弁22,23が共に開かれる。すると、2段圧縮機4によって圧縮されて冷媒配管2aへと排出される高圧のNH冷媒ガスの圧力が冷媒配管2hを経てフロートセンサ21の貯留空間に作用するため、フロートセンサ21の貯留空間に溜められた冷凍機油がオイル戻し管19から冷媒配管2dへと導入され、この冷凍機油は、冷媒配管2dを流れるNH冷媒ガスと共に2段圧縮機4へと吸引される。そして、2段圧縮機4へと吸引された冷凍機油は、該2段圧縮機4の低段圧縮部4aと高段圧縮部4bの摺動部分の潤滑と冷却に供される。
上述のように冷凍機油がフロートセンサ21から2段圧縮機4へと供給された結果、フロートセンサ21のフロートが下限位置へと下降したことが検出されると、電磁開閉弁2,23が共に閉じられるとともに、電動弁20が開かれる。すると、冷媒熱交換器8の油溜めポット8aに貯留されている冷凍機油がオイル戻し管19を経てフロートセンサ21へと導入され、この冷凍機油がフロートセンサ21の貯留空間に溜められる。以後、同様の作用が繰り返されて冷凍機油が2段圧縮機4へと間欠的に供給される。
又、二次冷媒式冷凍装置1においては、二次冷媒であるCO冷媒が二次冷媒回路3を循環することによって冷凍負荷である冷凍庫50内が所定の温度まで冷却される。
即ち、液ポンプ25が駆動されることによってCO冷媒が二次冷媒回路3を循環するが、レシーバ24に貯留されている低温のCO冷媒液は、液溜めポット24aから冷媒配管3aを経て冷凍庫50内の複数の各冷却ユニット26へとそれぞれ供給される。すると、各冷却ユニット26においては、低温のCO冷媒液と冷凍庫50内の空気との熱交換によって冷凍庫50内が所定の温度まで冷やされる。このとき、CO冷媒液の一部は、冷凍庫50内の空気から蒸発潜熱を奪って蒸発して気化する。従って、複数の各冷却ユニット26からは一部が気化したCO冷媒が各冷媒配管3fから冷媒配管3bへと流れて合流し、冷媒配管3bを気液二相流となってレシーバ24へと向かう。
冷媒配管3bからレシーバ24に導入される気液二相のCO冷媒は、レシーバ24において気液が分離され、CO冷媒液は、レシーバ24内の底部に溜り、CO冷媒ガスは、レシーバ24内の上部に溜まる。そして、レシーバ24内の底部に溜まったCO冷媒液は、前述と同様に液溜めポット24aから冷媒配管3aを経て冷凍庫50内の複数の各冷却ユニット26へとそれぞれ供給されて冷凍庫50内の冷却に供される。
又、レシーバ24内のCO冷媒ガスは、冷媒配管3cを経て冷媒熱交換器8へと導入され、冷媒配管2cから冷媒熱交換器8へと導入される低圧のNH冷媒液から蒸発潜熱を奪われて液化する。このように冷媒熱交換器8においてNH冷媒液との熱交換によって冷却されて液化したCO冷媒液は、冷媒配管3dを経てレシーバ24に戻されて該レシーバ24内の底部に貯留される。
以後、二次冷媒であるCO冷媒が二次冷媒回路3を循環することによって、冷凍庫50内が所定の温度まで冷却される。
[冷媒熱交換器]
次に、本発明に係る冷媒熱交換器(CO液化器)8の構成の詳細を図2〜図5に基づいて以下に説明する。
図2は本発明に係る冷媒熱交換器の破断側面図、図3は図2のA−A線断面図、図4は図2のB−B線断面図、図5(a)は本発明に係る冷媒熱交換器のプレートの正面図、図5(b)はペアプレートの模式的な側断面図、図5(c)はプレート重合体の構成を模式的に示す側断面図である。
本発明に係る冷媒熱交換器(CO液化器)8は、前述のようにシェルアンドプレート式熱交換器を構成し、一次冷媒であるNH冷媒液と二次冷媒であるCO冷媒ガスとを熱交換させ、NH冷媒液をCO冷媒ガスからの吸熱(蒸発潜熱の吸熱)によって気化させ、CO冷媒ガスを放熱(冷却)によって液化させる機能を果たすものである。
この冷媒熱交換器8は、図2に示すように、中空容器30の内部空間Sにプレート重合体31を収容して構成されている。ここで、中空容器30は、横置きされた円筒状のシェル30aの軸方向(図2の左右方向)両端の開口部を円板状のフラットエンド30bで閉塞して構成されている。
上記プレート重合体31は、図3、図4及び図5(a)に示す楕円板状の複数のプレート32を重ね合わせて楕円柱状に成形されており、各プレート32の短軸が上下方向となるようにして中空容器30内の内部空間Sに収容されている。又、図3及び図4に示すように、プレート重合体31は、その軸心が中空容器30の軸心に対して下方にオフセットした位置にあるように内部空間Sの下方に偏位して配置されている。尚、プレート重合体31は、不図示の支持具によって中空容器30内に固定されている。
上記各プレート32の表裏両面には不図示の凹凸パターンが形成されており、図5(a)に示すように、各プレート32の中心を通る垂直線上の上下2箇所には円孔32a,32bがそれぞれ形成されている。そして、このような2枚のプレート32を重ね合わせ、これらのプレート32の上下の各円孔32a,32bの周縁同士を溶接することによって、図5(b)に示すようなベアプレート32Aが製作される。
次に、複数のペアプレート32A同士を重ね合わせ、図5(c)に示すように、隣接する2つのペアプレート32Aの外周縁同士を溶接すれば、隣接するプレート32の間には、中空容器30の内部空間Sに開放された第1の通路33と、内部空間Sに対して閉鎖された第2の通路34が当該プレート重合体31の長手方向(図5(c)の左右方向)に沿って交互に形成される。又、プレート重合体31の上下には、各プレート32の上下に形成された円孔32a,32bを連ねて構成された貫通流路35,36がそれぞれ水平に形成されており、これらの貫通流路35,36に複数の前記第2の通路34が連通している。尚、各貫通流路35,36の末端部(図5(c)の右端部)は閉じられている。
そして、図2に示すように、中空容器30の一方(図2の左方)のフラットエンド30bの前記貫通流路35,36に連なる上下には、円孔状のガス入口30b1と液出口30b2がそれぞれ開口しており、上側のガス入口30b1には図1に示す冷媒配管3cが接続され、下側の液出口30b2には図1に示す冷媒配管3dが接続されている。
又、中空容器30の下部には前記油溜めポット8aが形成されており、この油溜めポット3aには図1に示すオイル戻し管19が接続されている。
而して、本実施の形態に係る冷媒熱交換器8においては、図3及び図4に示すように、プレート重合体31は、楕円板状の各プレート32の短軸が上下方向となるようにして中空容器30の内部空間Sに下方に偏位して収容されているため、内部空間Sのプレート重合体31の上方には比較的大きな空間が形成されている。従って、本実施の形態では、図2に示すように、中空容器30の内部空間の上部に形成された比較的大きな空間にディストリビュータ37と吸入ヘッダ40が中空容器30の軸方向に沿って配置されている。
上記ディストリビュータ37は、図4に示すように、逆V字状に屈曲された箱型のプレート37aを中空容器30のシェル30aの上部内周に溶接することによって形成されており、その周方向両端(図4の左右両端)には、内部空間Sに開口する矩形の開口部37bがそれぞれ形成されている。そして、中空容器30のシェル30aのディストリビュータ37が配置された部位の頂部には、図1に示す冷媒配管2cがシェル30aを貫通して接続されており、この冷媒配管2cは、ディストリビュータ37の内部に開口している。尚、プレート37aの材質には、耐食性と低温に対する耐性が高いステンレス等が選定される。
又、前記吸入ヘッダ40は、中空容器30のシェル30aの頂部内周に軸方向に沿って長く配置されているが、その構成の詳細を図6及び図7に基づいて以下に説明する。
図6は図2のC−C線断面図、図7は吸入ヘッダの分解斜視図である。
吸入ヘッダ40は、軸方向に所定距離隔てて垂直に配置された2枚の側板41の間に、ベースプレート42とバッフルプレート43,44を架設して構成されており、2枚の側板41は、その円弧状の上端縁が中空容器30のシェル30aの頂部内周に溶接されることによってシェル30aに固定されている。
上記ベースプレート42は、図7に示すように、中央の水平部42Aと、この水平部42Aの左右両端から延びるV字状の屈曲部42Bと、各屈曲部42Bの端部が折り返された折り返し部42Cを備えている。そして、このベースプレート42の水平部42Aの幅方向中心部の軸方向に離間した2箇所には円孔状の液落下孔42aが形成されている。
又、前記バッフルプレート43は、チャンネル状に成形されたものであって、底辺の水平部43Aと、この水平部43Aの左右両端から上方に向かって開くように斜めに立ち上がる斜面部43Bを備えており、左右の斜面部43Bの上端縁の長手方向2箇所には細長く切り欠かれた矩形の切欠き43aが形成されている(図7参照)。そして、このバッフルプレート43の水平部43Aの幅方向中心部の軸方向に離間した2箇所(ベースプレート42の水平部42Aに形成された前記液落下孔42aに対応する位置)には円孔状の液落下孔43bが形成されている。従って、このバッフルプレート43を、その水平部43Aをベースプレート42の水平部42Aの上に重ねてベースプレート42に溶接して両者を接合すると、該バッフルプレート43の液落下孔43bとベースプレート42の液落下孔42aとが連通し、これらの液落下孔42a,43bは、中空容器30の内部空間Sに開口している(図6参照)。
前記バッフルプレート44は、図6に示すように、バッフルプレート43の左右2箇所に配置されるものであって、横断面コの字状に屈曲成形されている。尚、吸入ヘッダ40を構成する側板41とベースプレート42及びバッフルプレート43,44の材質には、耐食性と低温に対する耐性の高いステンレス等が選定される。
而して、図6に示すように、吸入ヘッダ40においては、両側板41とベースプレート42及び中空容器30のシェル30aによって画成された空間は、バッフルプレート43,44によって左右各2つの室S1,S2と中央の室S3とに区画されている。尚、左右各2つの室S1,S2は、中空容器30の軸心を通る垂直な中心線に対して左右対称に配置されている。
ここで、吸入ヘッダ40の左右両端部には、図6に示すように、中空容器30のシェル30aと両側板41及びベースプレート42によって形成された軸方向に細長い矩形の開口部45が形成されており、左右の各室S1は、開口部45を介して中空容器30の内部空間Sに開口している。
又、図6に示すように、左右の各バッフルプレート44とベースプレート42との間には、軸方向に長い矩形の隙間δが形成されており、左右の室S1と室S2とは隙間δを介して互いに連通している。
更に、図7に示すように、バッフルプレート43の左右の傾斜部43Bの上端縁には各2つの前記切欠き43aがそれぞれ形成されており、図に示すように、左右2つの各室S2は、切欠き43aを介して中央の室S3にそれぞれ連通している。従って、吸入ヘッダ40の内部には、バッフルプレート43,44によって迷路(ラビリンス)状の流路が形成されている。
そして、図2に示すように、中空容器30のシェル30aの吸入ヘッダ40が配置される箇所の頂部には、図1に示す冷媒配管2dが接続されており、この冷媒配管2dは、吸入ヘッダ40内の中央の室S3に開口している。
次に、以上のように構成された冷媒熱交換器8の作用について説明する。
図1に示すエコノマイザ6によって過冷却され、電子式膨張弁7によって減圧されたNH冷媒液が冷媒配管2cから冷媒熱交換器8のディストリビュータ37へと供給されると、このNH冷媒液は、ディストリビュータ37内で左右に分配されて左右の開口部37b(図4参照)から中空容器30の内部空間Sへと噴出しながら落下する。そして、このNH冷媒液は、プレート重合体31の複数のプレート32間に交互に形成された第1の通路33を図5(c)に矢印にて示すように上方に向かって流れる。
他方、図1に示すレシーバ24から冷媒配管3cを経て冷媒熱交換器8へと導入されるCO冷媒ガスは、図5(c)に矢印にて示すように、冷媒熱交換器8のプレート重合体31に形成された上側の貫通流路35から複数の第2の通路34を経て下側の貫通流路36へと流れ込み、その過程で第1の通路33を流れるNH冷媒液との間で熱交換して液化する。具体的には、プレート重合体31の複数の第1の通路33を流れるNH冷媒液がCO冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化するため、CO冷媒ガスが冷却されて液化する。
そして、NH冷媒液との熱交換によって液化したCO冷媒液は、下側の貫通流路36から冷媒配管3dへと流れて図1に示すレシーバ24に貯留される。これに対して、CO冷媒ガスから蒸発潜熱を奪って気化したNH冷媒ガスは、中空容器30の内部空間Sを上昇して吸入ヘッダ40へと吸引される。
吸入ヘッダ40においては、図6に矢印にて示すように、NH冷媒ガスが左右の開口部45から左右の各室S1にそれぞれ流入し、左右の各室S1から隙間δを通って左右の各室S2へとそれぞれ流入する。そして、左右の各室S2へと流入したNH冷媒ガスは、バッフルプレート43に形成された左右の切欠き43aをそれぞれ通過して中央の室S3に流入し、最終的には室S3から冷媒配管2dを経て図1に示す2段圧縮機4へと吸引される。このように、冷媒熱交換器8において気化したNH冷媒ガスは、吸入ヘッダ40において迷路を構成するバッフルプレート43,44に衝突しながら方向を急変させて流れるため、これに含まれるミスト(液滴)が分離され、2段圧縮機4への液バックが確実に防がれる。このように2段圧縮機4への液バックが防がれる結果、液バックに伴う2段圧縮機4の破損等の不具合の発生が抑えられる。尚、NH冷媒ガスから分離されたミスト(液滴)は、吸入ヘッダ40のバッフルプレート43とベースプレート42に形成された各2つの液落下孔43b,42aから内部空間Sへと落下し、CO冷媒ガスとの熱交換によって蒸発して気化し、再び吸入ヘッダ40へと吸引される。
以上において、本発明に係る冷媒熱交換器8においては、中空容器30に収容されたプレート重合体31を形成する複数のプレート32を楕円板で構成し、プレート重合体31を、プレート32の短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器30の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置したため、プレート重合体31と中空容器30のシェル30aとの間の径方向隙間(プレート32の両横部の隙間)が小さく抑えられる。このため、一次冷媒であるNH冷媒の充填量を減らして中空容器30、延いては冷媒熱交換器8の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。尚、図3及び図4に示すように、中空容器30のシェル30aとプレート重合体31との間の小さな径方向隙間に、軸方向(図3及び図4の紙面垂直方向)に長いゴム製の丸棒状の充填材46を複数充填すれば、中空容器30の内部空間SにおいてNH冷媒が占める容積が小さく抑えられて該NH冷媒の充填量が更に減少するため、その分だけ中空容器30、延いては冷媒熱交換機器8を更に小型化してコストダウンを図ることができる。又、充填材46として小径のものを使用することができるため、該充填材46のコストを低く抑えることができる。
又、本発明に係る冷媒熱交換器8においては、プレート重合体31の複数のプレート32を楕円板で構成し、プレート重合体31を、プレート32の短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が中空容器30の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置したため、中空容器30の内部空間Sにおいてプレート重合体31の上方に、ディストリビュータ37と吸入ヘッダ40を配置するための比較的大きな空間が形成される。このため、中空容器30を小型化しても、その内部空間Sにディストリビュータ37と吸入ヘッダ40を配置するための空間を確保することができる。この結果、冷媒熱交換器8の小型コンパクト化とコストダウンを実現することができるとともに、NH冷媒の充填量を減らすことができる。
更に、本実施の形態では、冷媒熱交換器8に設けられた吸入ヘッダ40の内部にバッフルプレート43,44によって迷路状の流路を形成したため、中空容器30の内部空間Sで気化したNH冷媒ガスのバッフルプレート43,44への衝突と迷路状の流路での流れ方向の急変によって、該NH冷媒ガスに含まれるミスト(液滴)が効果的に分離除去される。このため、ミスト(液滴)が2段圧縮機4に吸引される液バックの発生が防がれ、この液バックに伴う2段圧縮機4の破損等の不具合の発生が抑えられる。
そして、NH冷媒ガスに含まれるミスト(液滴)の分離は、重力沈降方式やデミスタ方式によらないため、中空容器30を大型化してNH冷媒ガスの上昇速度を低く抑える必要がない。このため、プレート重合体31の第1の通路33を流れるNH冷媒ガスの圧力損失に伴う性能低下を招くことなく中空容器30を小型化することができ、結果的に冷媒熱交換器8の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。
又、本実施の形態では、吸入ヘッダ40の底部に液落下孔42a,43bを形成したため、吸入ヘッダ40においてNH冷媒ガスから分離されたミスト(液滴)が液落下孔42a,43bから中空容器30の内部空間Sへと落下し、このミスト(液滴)は、CO冷媒ガスとの熱交換によって蒸発してガス化する。
以上のように、本発明に係る冷媒熱交換器8の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができるため、この冷媒熱交換器8を備える二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)1全体の小型コンパクト化とコストダウンを図ることができる。
尚、以上は一次冷媒としてNH、二次冷媒としてCOをそれぞれ使用した二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)とこれに設けられた冷媒熱交換器(CO液化器)に対して本発明を適用した形態について説明したが、二次冷媒式凍装置に使用される一次冷媒には、プロパン、ブタン、イソブタン等の他の任意の自然冷媒を選定することができる。
1 二次冷媒式冷凍装置(NH/CO冷凍装置)
2 一次冷媒回路
2a〜2h 一次冷媒回路の冷媒配管
3 二次冷媒回路
3a〜3f 二次冷媒回路の冷媒配管
4 2段圧縮機
4a 2段圧縮機の低段圧縮部
4b 2段圧縮機の高段圧縮部
5 NH受液器
6 エコノマイザ
7 電子式膨張弁
8 冷媒熱交換器(CO液化器)
9 温度式膨張弁
10 ハーメチックモータ
11 インバータ
12 オイルクーラ
13a,13b オイル配管
14a〜14f 冷却水配管
15a 上限レベルセンサ
15b 下限レベルセンサ
16 温度センサ
17 圧力センサ
18 油分離部
19 オイル戻し管
20 電動弁
21 フロートセンサ
22,23 電磁開閉弁
24 レシーバ(CO受液器)
25 液ポンプ
26 冷却ユニット
26a 冷却ユニットの熱交換器
26b 冷却ユニットのファン
30 中空容器
30a 中空容器のシェル
30b 中空容器のフラットエンド
31 プレート重合体
32 プレート
32A ペアプレート
32a,32b プレートの円孔
33 第1の通路
34 第2の通路
35,36 貫通流路
37 ディストリビュータ
40 吸入ヘッダ
41 吸入ヘッダの側板
42 吸入ヘッダのベースプレート
42a ベースプレートの液落下孔
43 バッフルプレート
43a バッフルプレートの切欠き
43b バッフルプレートの液落下孔
44 バッフルプレート
46 充填材
50 冷凍庫(冷却負荷)
S 中空容器の内部空間
S1〜S3 吸入ヘッダ内の室

Claims (2)

  1. 円筒状のシェルを備える中空容器と、該中空容器内に収容されたプレート重合体を備え、
    前記プレート重合体を、同一部位に孔が形成された2枚のプレートを重ね合わせ、これらのプレートの各孔の周縁同士を溶接して成るペアプレートを複数重ね合わせ、隣接する2つの前記ペアプレートの外周縁同士を溶接して構成し、
    前記各プレートに形成された前記孔を連ねて前記プレート重合体を貫通する貫通流路を形成するとともに、前記中空容器の内部空間に開放された第1の通路と、前記内部空間に対して閉鎖され且つ前記貫通流路に連通する第2の通路とを複数の前記プレート間に交互に形成し、
    前記中空容器の内部空間から前記第1の通路を流れる一次冷媒と、前記貫通流路から前記第2の通路を流れる二次冷媒とを前記プレートを介して熱交換させるシェルアンドプレート式の冷媒熱交換器において、
    前記プレートを楕円板で構成するとともに、前記プレート重合体を、前記プレートの短軸が上下方向となり、且つ、その軸心が前記中空容器の軸心に対して下方にオフセットするよう下方に偏位させて配置し
    前記中空容器のシェルと前記プレート重合体との間の径方向隙間に、軸方向に長い丸棒状の充填材を充填し、
    前記中空容器の内部空間の前記プレート重合体の上方の空間に、一次冷媒液を分配しながら前記内部空間に噴射するディストリビュータと、前記第1の通路を流れる過程における二次冷媒ガスとの熱交換によって気化した一次冷媒ガスを吸入する吸入ヘッダとを配置したことを特徴とする冷媒熱交換器。
  2. 一次冷媒が各種冷凍サイクル構成機器を通過しながら循環することによって冷凍サイクルが繰り返される一次冷媒回路と、二次冷媒が循環することによって冷却負荷を冷却する二次冷媒回路とを、請求項1に記載の冷媒熱交換器によって接続して構成されることを特徴とする二次冷媒式冷凍装置。
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