JP6817124B2 - 圧縮式冷凍機用凝縮器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機から吐出された高圧の冷媒ガスと冷却水(冷却流体)との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器に関するものである。
従来、冷凍空調装置などに利用されるターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水(被冷却流体)から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水(冷却流体)で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁(膨張機構)とを、冷媒配管によって連結して構成されている。
例えば、ターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機に用いられる凝縮器は、円筒形の缶胴と該缶胴の両端部に設けられた管板とにより形成された空間内に、多数の伝熱管を千鳥状等に配列した伝熱管群を配置して構成されている。圧縮機から吐出された高圧の冷媒ガスは、缶胴の上部から前記空間内に流入して伝熱管群を通過する間に伝熱管内を流れる冷却水との間の熱交換によって冷却されて凝縮する。
特開2016−23913号公報
ターボ冷凍機等の圧縮式冷凍機に用いられている冷媒の種類には、R123等の低圧冷媒と、R134a等の高圧冷媒とがある。低圧冷媒を用いたターボ冷凍機は運転時、機器の内圧が大気圧より低い場所がある。このため、配管などの接続部から空気などが機器内部に漏れることがある。空気は冷凍機作動温度下では、凝縮しないため、凝縮器内に滞留する。空気のような不凝縮ガスが存在すると、伝熱管近傍では蒸気分圧が下がり、凝縮器の凝縮性能が低下するという問題があることから、低圧冷媒ターボ冷凍機は不凝縮ガスを抽出する必要がある。通常は、凝縮器上部空間で抽気する。しかし、運転時、凝縮器上部空間は冷媒蒸気の流れがあり、空気は冷媒蒸気と一緒に伝熱管群内部へ流れ、伝熱管群内に滞留するため、容易に抽出できないという問題点がある。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、不凝縮ガスが滞留しやすい場所に抽気管を配置することにより、不凝縮ガスを効果的に抽気することができ、冷媒の凝縮性能を維持することができる圧縮式冷凍機用凝縮器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、本発明の圧縮式冷凍機用凝縮器は、缶胴と、該缶胴の両端を閉塞する管板と、前記缶胴内に配置された複数の伝熱管群とを備え、前記缶胴内に導入された冷媒ガスと前記伝熱管群を流通する冷却水との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器において、不凝縮ガスを抽気する抽気管を前記複数の伝熱管群のうち第1パスの伝熱管群の周囲に配置し、前記抽気管は、前記第1パスの伝熱管群の断面形状を四辺形で近似したときに、前記四辺形の中心との距離が最も近い辺に隣接しており、前記抽気管は、前記缶胴の側面から前記四辺形の中心の近傍まで延びていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズル側に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置したことを特徴とする
本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮器の冷媒入口を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルから遠い位置に配置し、前記抽気管を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルに近い位置に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、冷媒入口が2個以上ある凝縮器の場合、前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記缶胴内に挿入された前記抽気管の先端部は閉塞されており、前記先端部側の下部に抽気孔を有していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記缶胴内に挿入された前記抽気管の先端は斜面にカットされており、該カット面は下向きに配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記抽気管は、前記第1パスの伝熱管群の上方に配置された第1抽気管と、前記第1パスの伝熱管群の下方に配置された第2抽気管であることを特徴とする。
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
(1)不凝縮ガスが滞留しやすい場所に抽気管を配置することにより、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
(2)伝熱管群の中心と抽気管の距離が近いため、管群内部に滞留しがちの不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
(3)不凝縮ガスを常時排出できるため、凝縮器の凝縮性能を維持できる。
図1は、本発明に係る凝縮器を備えたターボ冷凍機を示す模式図である。 図2は、図1に示す凝縮器の全体構造の一例を示す断面図である。 図3は、本発明の第1の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の側断面図である。 図4は、本発明の第1の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の正面図である。 図5は、本発明の第2の実施形態に係る凝縮器を示す図であり、凝縮器の側断面図である。 図6(a),(b)は、図3および図5に示す抽気管の断面図である。 図7は、上下2パスの伝熱管群を備えた凝縮器であって、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合の実施形態を示す側断面図である。 図8は、冷媒蒸気入口が2個以上ある凝縮器を示す正面図である。
以下、本発明に係る圧縮式冷凍機用凝縮器の実施形態を図1乃至図8を参照して説明する。図1乃至図8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。本実施形態においては、圧縮式冷凍機の一例としてターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機を示すが、スクリュー式、レシプロ式、スクロール式等の圧縮機を用いたものであってもよい。
図1は、本発明に係る凝縮器を備えたターボ冷凍機を示す模式図である。図1に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機1と、圧縮された冷媒ガスを冷却水(冷却流体)で冷却して凝縮させる凝縮器2と、冷水(被冷却流体)から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器3と、凝縮器2と蒸発器3との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ4とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管5によって連結して構成されている。冷媒にはR123等の低圧冷媒を用いている。
図1に示す実施形態においては、ターボ圧縮機1は、多段ターボ圧縮機から構成されている。ターボ圧縮機1は、冷媒配管5によってエコノマイザ4と接続されており、エコノマイザ4で分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段(この例では2段)の中間部分(この例では一段目と二段目の間の部分)に導入されるようになっている。
図1に示すように構成されたターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機1と凝縮器2と蒸発器3とエコノマイザ4とを冷媒が循環し、蒸発器3で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器3からの熱量および圧縮機モータから供給されるターボ圧縮機1の仕事に相当する熱量が凝縮器2に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ4にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機1の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機により圧縮される。2段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ4による冷凍効果部分が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ4を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。
図2は、図1に示す凝縮器2の全体構造の一例を示す断面図である。図2に示すように、凝縮器2は、円筒形の缶胴11と缶胴11の両端部に設けられた管板12,12とにより形成された空間内に、多数の伝熱管13を千鳥状に配列した伝熱管群14を配置して構成されている。冷媒ガス(冷媒蒸気)は缶胴11の上部にある冷媒蒸気入口11INより流入し、伝熱管群14の中を通過し、伝熱管群14の中を通過する間に伝熱管内に流れる冷却水との間の熱交換によって冷却されて凝縮する。凝縮した凝縮液(冷媒液)は缶胴11の底部にある冷媒液出口11OUTより流出するようになっている。伝熱管13は、内部に冷却水(冷却流体)が流通するようになっており、缶胴11の長手方向に延びている。管板12,12には、それぞれヘッダ部15R,15Lが接続されている。ヘッダ部15Lは仕切板16により上下に区画されており、ヘッダ部15Lには冷却水入口用ノズル17INと冷却水出口用ノズル17OUTが設けられている。
図2においては、上下2パスの伝熱管群として説明する。すなわち、多数の伝熱管13からなる伝熱管群14は、冷却水入口用ノズル17INに連通する下段伝熱管群14Lと冷却水出口用ノズル17OUTに連通する上段伝熱管群14Uとからなっている。冷却水は、ヘッダ部15Lの冷却水入口用ノズル17INから流入して下段伝熱管群14Lを流れた後にヘッダ部15Rで折り返し、上段伝熱管群14Uを流れた後に冷却水出口用ノズル17OUTから流出するようになっている。
図3および図4は、本発明の第1の実施形態に係る凝縮器2を示す図であり、図3は凝縮器2の側断面図、図4は凝縮器2の正面図である。第1の実施形態においては、図3に示すように、多数の伝熱管13からなる伝熱管群14は、冷却水入口用ノズル17INに連通する下段伝熱管群14Lと冷却水出口用ノズル17OUTに連通する上段伝熱管群14Uとからなっている。すなわち、冷却水の第1パスは下段伝熱管群14Lである。図4に示すように、冷却水は、ヘッダ部15Lの冷却水入口用ノズル17INから流入して下段伝熱管群14Lを流れた後にヘッダ部15Rで折り返し、上段伝熱管群14Uを流れた後に冷却水出口用ノズル17OUTから流出するようになっている。
圧縮機吐出口から冷媒蒸気入口11INを介して凝縮器2内へ流入した冷媒蒸気は、伝熱管群内へ流れると共に、ノズル側やターン側にも流れる。冷媒蒸気は、流れながら伝熱管表面で凝縮される。伝熱管表面で冷媒蒸気は凝縮されるが、冷媒蒸気中に混入している不凝縮ガス(空気等)は残る。冷媒蒸気の流れがある程度強い所では、不凝縮ガスは冷媒蒸気と一緒に流れ、滞留しにくい。ノズル側では、冷媒蒸気入口11INから遠く、冷媒蒸気の流れが弱くなっている。また、第1パスの伝熱管群では、冷却水温度が低く、冷媒蒸気が凝縮しやすい。特に、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lの冷却水入口用ノズル17INに近い側は、冷却水温度が低く、冷媒蒸気が凝縮しやすい。冷媒蒸気中に混入している不凝縮ガスはここで滞留しやすい。
そこで、本発明においては、図3に示すように、不凝縮ガスを抽気する抽気管18を複数の伝熱管群のうち第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lの周囲に配置している。図3に示す例では、抽気管18は、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lの上下に配置されている。また、本発明においては、図4に示すように、抽気管18は、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lにおける凝縮器2の長手方向の中心CLより冷却水入口用ノズル側に配置されている。図4に示す例では、抽気管18は、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lにおける冷却水入口付近に配置されている。
上述したように、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lの冷却水入口付近は、冷却水温度が低いために冷媒蒸気が凝縮しやすく、かつ冷媒蒸気入口11INから遠いために冷媒蒸気の流れが弱くなっている場所であるため、不凝縮ガスが滞留しやすい。
しかしながら、本発明によれば、不凝縮ガスが滞留しやすい場所である第1パスの伝熱管群(下段伝熱管群14L)の冷却水入口付近に抽気管18を配置しているため、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。ここで、冷却水入口付近とは、冷却水の温度が最も低い位置(凝縮器の長手方向の端部)が最良であり、必要な抽気が実施可能な範囲までを含むものである。
また、凝縮器2の冷媒蒸気入口11INを凝縮器2の長手方向の中心CLより冷却水入口用ノズル17INから遠い位置に配置し、抽気管18を凝縮器2の長手方向の中心CLより冷却水入口用ノズル17INに近い位置に配置している。このように凝縮器2の冷媒蒸気入口11INを凝縮器2の長手方向の中心CLより冷却水入口用ノズル17INから遠い位置に配置することで、ターン側では冷媒蒸気の流れが強くなり、不凝縮ガスが滞留しにくくなる。反対に、ノズル側では冷媒蒸気の流れが弱くなり、ノズル側の冷却水温度が低い伝熱管群に滞留した不凝縮ガスは冷媒蒸気の流れによる影響を受けにくく、抽気しやすくなる。そして、ノズル側に抽気管18を配置しているため、不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る凝縮器2を示す図であり、凝縮器2の側断面図である。図3に示す第1の実施形態においては、抽気管18を第1パスの伝熱管群(下段伝熱管群14L)の上下に配置したが、図5に示す第2の実施形態においては、抽気管18を第1パスの伝熱管群(下段伝熱管群14L)の左右に配置している。抽気管18を第1パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置していることは、図4に示す第1の実施形態と同様である。図5に示す第2の実施形態の凝縮器2における冷媒蒸気の流れや抽気管18による不凝縮ガスの抽気作用は、図3に示す第1の実施形態の凝縮器2と同様である。
なお、図3に示す実施形態と図5に示す実施形態とを組み合わせ、抽気管18を第1パスの伝熱管群(下段伝熱管群14L)の上下左右に配置してもよい。
抽気管18を第1パスの伝熱管群の上下、左右または上下左右のいずれかに配置するかは、缶胴のサイズ、伝熱管群の形状、冷媒蒸気入口の位置等に応じて、必要な抽気が実施可能かつコストとを勘案し、実験により適宜定めればよい。
図6(a),(b)は、図3および図5に示す抽気管18の断面図である。抽気管18は単純な両端が開口する管でもよいが、好ましい態様によれば、図6(a)に示すように、抽気管18は、円筒状の管からなり、その先端部が閉塞され、後端部に開口18aを有し、先端部側の下部に抽気孔18hを有している。図6(b)に示すように、抽気管18は管の先端を斜面にカットした短管でもよい。カット面は下側向きにする。このような構成により、冷媒液が抽気管に流入し難く、抽気しやすい。抽気管18は、その先端部側が缶胴11内に挿入されることにより、抽気孔18hを介して缶胴11内の不凝縮ガスを抽気し、抽気した不凝縮ガスを後端部の開口18aよりパージタンク(図示せず)に排出するようになっている。
図3乃至図5に示す実施形態において、不凝縮ガスを抽気する抽気管18を第1パスの伝熱管群の周囲に配置することを説明したが、抽気管18と伝熱管群との位置関係について更に説明する。
抽気管18は、第1パスの伝熱管群断面の周囲において、第1パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に配置する。例えば、第1パスの伝熱管群の断面形状を四辺形(図3および図5に示す例では台形)で近似したときに、前記四辺形の中心との距離が最も近い辺に隣接して抽気管18を配置する。四辺形のうち、対向する2つの辺と四辺形の中心との距離が等しくなる場合があるが、抽気管を1本にする場合には、抽気管の設置位置までの配管、設置費用を削減するため、配管の短い位置に設置する。このように、第1パスの伝熱管群断面の周囲において、第1パスの伝熱管群の中心との距離が近い位置に抽気管18を配置することにより、管群内部に滞留しがちな不凝縮ガスを効果的かつ安価に抽気できる。
図3および図5に示す実施形態においては、上下2パスの伝熱管群を備えた凝縮器の場合を説明したが、1パスの伝熱管群を備えた凝縮器、左右2パスの伝熱管群を備えた凝縮器、3パスの伝熱管群を備えた凝縮器および4パスの伝熱管群を備えた凝縮器の場合も同様である。すなわち、1パスの伝熱管群、左右2パスの伝熱管群、3パスの伝熱管群および4パスの伝熱管群のうち、第1パスの伝熱管群の周囲に抽気管を配置する。抽気管と第1パスの伝熱管群との位置関係は、図3および図5に示す実施形態と同様である。
図7は、上下2パスの伝熱管群を備えた凝縮器であって、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合の実施形態を示す側断面図である。図7に示すように、伝熱管群断面において横方向に長い大型機の場合には、第1パスの伝熱管群である下段伝熱管群14Lの上方に配置された抽気管18の先端18eを缶胴11に固定するとともに抽気管18が缶胴11を貫通する部分18fを缶胴11に固定する。すなわち、長尺の抽気管18を両端支持することにより、抽気管18の振動防止を図っている。抽気管18には、2個以上の抽気孔18hを設ける。なお、下段伝熱管群14Lの下方にも抽気管18が設置されているが(図示せず)、下方の抽気管18も同様に両端支持になっている。
図8は、冷媒蒸気入口が2個以上ある凝縮器を示す正面図である。タンデム機のように圧縮機が2個以上ある冷凍機では、図8に示すように、凝縮器2には冷媒蒸気入口11INが2個以上設置される。冷媒蒸気入口11INが2個以上ある場合、冷却水入口用ノズル側のみに抽気管を設けた場合、2個の冷媒蒸気入口から流入する冷媒蒸気の流れが凝縮器中央近傍で相互に衝突することにより渦を生成し、ターン側からノズル側への不凝縮ガスを含んだ流れが阻害され、ターン側にも不凝縮ガスが滞留しやすくなる。そのため、抽気管18を第1パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設ける。これにより、ノズル側とターン側に滞留した不凝縮ガスを効果的に抽気できる。
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 ターボ圧縮機
2 凝縮器
3 蒸発器
4 エコノマイザ
5 冷媒配管
11 缶胴
11IN 冷媒蒸気入口
11OUT 冷媒液出口
12 管板
13 伝熱管
14 伝熱管群
14L 下段伝熱管群
14U 上段伝熱管群
15L ヘッダ部
15R ヘッダ部
16 仕切板
17IN 冷却水入口用ノズル
17OUT 冷却水出口用ノズル
18 抽気管
18h 抽気孔

Claims (8)

  1. 缶胴と、該缶胴の両端を閉塞する管板と、前記缶胴内に配置された複数の伝熱管群とを備え、前記缶胴内に導入された冷媒ガスと前記伝熱管群を流通する冷却水との間で熱交換を行って冷媒ガスを凝縮させる圧縮式冷凍機用凝縮器において、
    不凝縮ガスを抽気する抽気管を、前記複数の伝熱管群のうち第1パスの伝熱管群の周囲に配置し
    前記抽気管は、前記第1パスの伝熱管群の断面形状を四辺形で近似したときに、前記四辺形の中心との距離が最も近い辺に隣接しており、
    前記抽気管は、前記缶胴の側面から前記四辺形の中心の近傍まで延びていることを特徴とする圧縮式冷凍機用凝縮器。
  2. 前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズル側に配置したことを特徴とする請求項1記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  3. 前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における冷却水入口付近に配置したことを特徴とする請求項1または2記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  4. 前記凝縮器の冷媒入口を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルから遠い位置に配置し、
    前記抽気管を凝縮器の長手方向の中心より冷却水入口用ノズルに近い位置に配置したことを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  5. 冷媒入口が2個以上ある凝縮器の場合、前記抽気管を前記第1パスの伝熱管群における冷却水入口用ノズル側と冷却水ターン側の両方に設けたことを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  6. 前記缶胴内に挿入された前記抽気管の先端部は閉塞されており、前記先端部側の下部に抽気孔を有していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  7. 前記缶胴内に挿入された前記抽気管の先端は斜面にカットされており、該カット面は下向きに配置されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
  8. 前記抽気管は、前記第1パスの伝熱管群の上方に配置された第1抽気管と、前記第1パスの伝熱管群の下方に配置された第2抽気管であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧縮式冷凍機用凝縮器。
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