JPH0348429B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シエル型の熱交換器内にチユーブを
有する蒸気圧縮冷凍装置に係り、更に詳細にはシ
エル型のサブクーラ内にチユーブを有し塩水（ブ
ライン）の冷却の如き低温冷却の用途に使用され
る蒸気圧縮冷凍装置に係る。

標準サイクルの蒸気圧縮冷凍装置にサブクーラ
を使用することにより冷凍装置のコンプレツサの
動力要件が低減され、これにより冷凍装置の運転
効率が改善されることは良く知られている。しか
し蒸気圧縮冷凍装置のエバポレータ内に於て冷却
される熱交換媒体として塩水が使用される塩水の
冷却の如き低温冷却の用途に於ては、シエル型の
サブクーラ内にはチユーブが使用されていない。
何故ならば、サブクーラのチユーブ内に於て熱交
換媒体として使用される水が冷凍装置の運転停止
時に冷凍する危険があるからである。かかる水の
凍結は一つの重大な問題である。何故ならば、一
般にエバポレータ内の塩水はエバポレータ内に於
て水の凍結温度以下の温度に冷却され、冷凍装置
の運転停止時に冷凍装置内の冷媒の温度及び圧力
が等しくなることにより、サブクーラ内の冷媒の
温度がサブクーラのチユーブ内の水が凍結するに
十分な時間に亙り水の凍結温度以下の温度に低下
するからである。サブクーラのチユーブ内に於て
多量の水が凍結すると、サブクーラのチユーブが
破断したり他の好ましからざる結果が生じる。

サブクーラのチユーブ内に於ける水凍結の危険
は、冷凍装置の運転停止後に冷凍装置が水の凍結
温度よりも高い温度となるに十分な時間に亙り、
サブクーラのチユーブ内を流れる水の流れを維持
する等の手段を講じることによつて低減される。
しかしかかる作動は水ポンプが冷凍装置の運転停
止後毎に或る時間の間運転状態に維持されなけれ
ばならないので非効率的である。また水ポンプが
故障したり冷凍装置に対する動力供給に関する故
障が発生した場合には、サブクーラ内に於て水の
凍結が発生する。従つて上述の手段はサブクーラ
内に於ける水凍結の問題を克服する満足し得る方
法ではない。

本発明の目的は、シエル型のサブクーラ内にチ
ユーブを有する蒸気圧縮冷凍装置を、塩水の冷却
の如き低温冷却の用途に於て、冷凍装置の運転停
止時にもサブクーラのチユーブ内に於て望ましか
らざる量の水が凍結するという危険を生じること
なく単純に且信頼し得る態様にて運転させるため
のドレン装置及び蒸気圧縮冷凍装置の運転方法を
提供することである。

かかる目的及び他の目的は、シエル型のサブク
ーラ内にチユーブを有する蒸気圧縮冷凍装置であ
つて、冷凍装置の運転停止時にサブクーラのシエ
ル側より液体冷媒を迅速に排出させるための排出
装置を有する蒸気圧縮冷凍装置によつて達成され
る。液体冷媒はサブクーラ内の冷媒温度がサブク
ーラのチユーブ内の望ましからざる量の水が凍結
するに十分な時間に亙り水の凍結温度よりも低い
温度に低下することを阻止するに十分な程迅速に
排出される。本発明によるサブクーラの液体冷媒
排出装置は冷凍装置のサブクーラとエバポレータ
との間に接続された排出導管と、該排出導管の途
中に設けられた弁と、冷凍装置の運転停止を検出
するセンサと、前記センサが前記冷凍装置の運転
停止を検出する場合には前記センサに応答して前
記サブクーラより前記エバポレータへ液体冷媒を
排出させるべく前記弁を開弁させる制御装置とを
含んでいる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

添付の図はシエル型のサブクーラ３内にチユー
ブ３１，３２を有する蒸気圧縮冷凍装置１を示す
概略構成図であり、サブクーラ３は本発明の原理
に従つて蒸気圧縮冷凍装置１の運転停止時にサブ
クーラ３より液体冷媒を排出させるための排出装
置４を有している。冷凍装置１は塩水の冷却の如
き低温冷却の用途に使用されるよう設計されてい
る。排出装置４を有するシエル型のサブクーラ３
内にチユーブが設けられていることに加えて、蒸
気圧縮冷凍装置１はコンデンサ２と、フラツシ
ユ・エコノマイザ５と、エバポレータ６と、二段
遠心コンプレツサ７と、冷凍装置１の運転を制御
する電子制御装置８とを含んでいる。

図示の如く、サブクーラ３及びコンピユータ２
はサブクーラ３のセクシヨンとコンデンサ２のセ
クシヨンとに分離する仕切板９を有する一つのシ
エル１０内に収容されている。しかしもし必要な
らばコンデンサ２及びサブクーラ３は互に別個の
シエル内に収容されても良い。また図示の如く、
フラツシユ・エコノマイザ５は冷凍装置１の一部
として含まれている。しかしもし必要ならばフラ
ツシユ・エコノマイザ５は本発明の基本的構造及
び作動を変更することなく冷凍装置１より省略さ
れても良い。

また図示の如く、サブクーラ３とフラツシユ・
エコノマイザ５とを連通接続するサブクーラ液体
冷媒導出管１１が設けられている。サブクーラ液
体冷媒導出管１１を経てフラツシユ・エコノマイ
ザ５へ供給される液体冷媒の流量は高圧側フロー
ト弁１２によつて制御されるようになつており、
フロート弁１２はサブクーラ液体レベル検出導管
１３を経てサブクーラ３内の液体冷媒レベルを検
出するようになつている。フラツシユ・エコノマ
イザ５はフラツシユ・エコノマイザ液体冷媒導出
管１４によりエバポレータ６に連通接続されてい
る。フラツシユ・エコノマイザ液体冷媒導出管１
４を経てエバポレータ６へ供給される液体冷媒の
流量は低圧側フロート弁１５によつて制御される
ようになつている。エバポレータ６はコンプレツ
サ冷媒蒸気導入管１６により遠心コンプレツサ７
の入口に連通接続されている。遠心コンプレツサ
７の出口はコンプレツサ冷媒蒸気導出管１７によ
りコンデンサ２に連通接続されている。フラツシ
ユ・エコノマイザ５はエコノマイザフラツシユガ
ス導出管１８により遠心コンプレツサ７の第二段
に連通接続されている。

更に図示の如く、排出装置４は排出導管２０
と、該排出導管２０の途中に設けられた圧力作動
型と制御弁２１と、該圧力作動型の制御弁２１を
開閉させる三方向ソレノイド弁２２とを含んでい
る。排出導管２０はサブクーラ液体冷媒導出管１
１とフラツシユ・エコノマイザ液体冷媒導出管１
４との間に接続されている。三方向ソレノイド弁
２２は制御弁２１に接続された圧力導出管２３
と、比較的低圧の圧力源に接続される第一の圧力
導入管２４と、比較的高圧の圧力源に接続される
第二の圧力導入管２５とを有している。図示の如
く比較的低圧の圧力源は蒸気圧縮冷凍装置１の周
りの大気であり、比較的高圧の圧力源は圧縮空気
供給源２６である。また図示の如く、三方向ソレ
ノイド弁２２は蒸気圧縮冷凍装置１を制御する電
子制御装置８に導線２７によつて電気的に接続さ
れている。

排出導管２０は、該排出導管に設けられた制御
弁２１が冷凍装置１の運転停止時に開弁される
と、或る所定の時間内にサブクーラ３より実質的
に全ての液体冷媒を排出させ得るような冷凍装置
１に対する大きさ、位置、及び構造にて設けられ
ている。勿論個々の冷凍装置によつてその大きさ
及び構造が異なる。従つて或る特定の冷凍装置に
ついて所望の所定の排出時間を達成するために
は、排出導管２０は、サブクーラ３とエバポレー
タ６との間の高さの差、冷凍装置１の運転停止時
に於けるサブクーラ３とエバポレータ６との間の
冷媒の差圧、サブクーラ３の大きさ、冷凍装置１
の運転停止時にサブクーラ３内に通常存在する液
体冷媒の量の如き因子に応じて、通常の流体工学
の原理に従つてその特定の冷凍装置に適合する大
きさ、位置、及び構造にて設けられなければなら
ない。

本発明によれば、排出装置４についての所定の
排出時間は、冷凍装置１の運転停止後にサブクー
ラ３のチユーブ３２内に於て好ましくない程の量
の水が凝固するに要する時間よりも短く選定され
る。かかる凝固時間は本発明が属する技術分野の
当業者にとつて明らかである種々の方法にて決定
されて良い。例えば上述の如き凝固時間を決定す
る一つの方法は、冷凍装置１の運転停止後にサブ
クーラ３のチユーブ３２の内の一つのチユーブに
ついての設計応力限界を越える程の水がそのチユ
ーブ内に於て凝固するに必要な時間を計算するこ
とである。かかる計算はチユーブ内にて形成され
る氷及びチユーブそれ自身を二つのチユーブとし
て捕え、その氷とチユーブとの間の熱膨張差によ
り発生される締り嵌めの程度を考慮することによ
つて行われて良い。上述の如き氷の熱膨張はチユ
ーブによつて制限され、そのチユーブの壁内にフ
ープ応力が発生される。チユーブ内の氷を設計応
力限界にまで冷凍する要する時間は、サブクーラ
３についての種々の均一な冷媒温度に於て、氷の
伝熱抵抗、チユーブ構成材料の伝熱抵抗、チユー
ブの外面に存在する冷媒の膜の伝熱抵抗を考慮す
ることによつて計算されて良い。水が凝固する際
の潜熱と組合された無限に長いチユーブについて
の熱流方程式により上述の如き凝固時間が与えら
れる。最悪の場合の凝固時間は、最悪の均一冷媒
温度を想定し、冷凍装置１の運転停止時にサブク
ーラのチユーブ３２内に停滞した水が存在するも
のと仮定し、チユーブ構成材料の熱膨張を無視
し、サブクーラのチユーブ３２内の水の感知し得
る程の冷却を無視することによつて計算される。
かくして計算される最悪の凝固時間及び或る特定
の冷凍装置１に関する工学的経験及び判断に基づ
いて、その冷凍装置１についての安全な凝固時間
が選定され、かくして選定された安全な凝固時間
よりも短い排出時間を有する排出装置４が設計さ
れて良い。

図示の如く、排出導管２０の途中に設けられた
圧力作動型の制御弁２１はバタフライ型の弁の如
き空気圧にて作動される弁である。制御弁２１は
該制御弁へソレノイド弁２２の圧力導出管２３を
経て大気圧が供給される場合には開弁し、ソレノ
イド弁２２の圧力導出管２３を経て制御弁２１へ
圧力空気源２６より高圧の空気が供給される場合
には閉弁する。三方向ソレノイド弁２２は圧力導
出管を二つの圧力導入管の何れかへ接続し他方の
圧力導入管を圧力導出管より有効にシールする
種々の弁の何れであつても良い。三方向ソレノイ
ド弁２２は導線２７により電子制御装置８へ電気
的に接続されていることが好ましく、これにより
圧力導出管２３は電子制御装置よりソレノイド弁
２２へ電力が供給されない場合には圧力導出管２
３が第一の圧力導入管２４に接続され、電子制御
装置８よりソレノイド弁２２へ電力が供給される
場合には、圧力導出管２３が第二の圧力導入管２
５へ接続されるようになつていることが好まし
い。かくして排出導管２０の途中に設けられた制
御弁２１は、電力がソレノイド弁２２へ供給され
る場合には、比較的高圧の空気源が制御弁２１に
接続されるので閉弁され、電力がソレノイド弁２
２へ供給されない場合には、比較的低圧の空気源
が制御弁２１に接続されるので開弁される。

電子制御装置８は冷凍装置１の全体的な運転を
制御することに加えて、冷凍装置１の運転をモニ
タする電気的構成要素を含んでいる。例えば電子
制御装置８は遠心コンプレツサ７のモータへ供給
される電流を検出する電気的構成要素を含んでい
て良い。上述の電流が検出される場合には、冷凍
装置１が運転状態にあり、従つて電子制御装置８
は導線２７を経てソレノイド弁２２へ電力を供給
し、これにより排出導管２０の途中に設けられた
制御弁２１を閉弁させる。これに対し上述の電流
が検出されない場合には、冷凍装置１は非運転状
態にあり、電子制御装置８は導線２７を経てソレ
ノイド弁２２へ電力を供給せず、これにより排出
導管２０の途中に設けられた制御弁２１を開弁さ
せ、液体冷媒をサブクーラ３より排出させる。

勿論上述の排出装置４は本発明の原理に従つて
構成されたサブクーラのための排出装置の一例に
過ぎず、他の多くの排出装置及び上述の排出装置
４に対する修正は当業者にとつて明らかであろ
う。例えば、もし必要なららば、排出導管２０の
入口はサブクーラ３に直接接続されて良く、また
排出導管２０の出口はエバポレータ６に直接接続
されても良い。また特殊な排出導管２０が設けら
れなくても良く、その代りに冷凍装置１の運転停
止時にサブクーラ３よりサブクーラ液体冷媒導出
管１１を経てフラツシユ・エコノマイザ５内へ液
体冷媒を排出させるべく高圧側フロート弁２が開
弁されても良い。しかしこの場合にはフラツシ
ユ・エコノマイザ５の入口に設けられた過剰寸法
の高圧側フロート弁１２に過剰寸法の孔を使用
し、また冷凍装置１の運転停止時にのみ高圧側フ
ロート弁１２を完全に開弁させる適当な制御装置
を使用することが必要とされる。これらの要件は
多くの典型的な冷凍装置に於て達成することが困
難なものである。何故ならば、過剰寸法のフロー
ト弁にはそれに固有の機械的な問題及び運転上の
問題が存在し、そのため上述の如き排出導管２０
を有する排出装置の場合に比して構成が不適当な
ものとなるからである。

またもし必要ならば、図示の圧力作動型の制御
弁２１及び三方向ソレノイド弁２２の代りに完全
に電子的な弁／制御装置が使用されても良い。ま
たコンデンサ２とエバポレータ６との間の冷媒の
差圧をモニタする制御装置が使用されても良い。
その場合には排出導管２０の途中に設けられた制
御弁２１は、モニタされた差圧が或る予め選定さ
れたレベル以下に低下し、これにより冷凍装置１
が運転されていないことが確認された場合には開
弁される。勿論上述の例は本発明の範囲内にてな
されて良い多くの修正及び変更の例に過ぎない。

図示の蒸気圧縮冷凍装置の通常の運転中には、
エバポレータ６内のチユーブ３０内を流れる塩水
の如き低温冷却媒体を冷却すべく、エバポレータ
６内に於て液体冷媒が蒸発される。かくしてエバ
ポレータ６内に於て冷却された冷却媒体は工業的
プロセスに冷却容量を与え又は他の同様の目的を
果す熱交換手段（図示せず）へ供給される。一般
に塩水の如き媒体がエバポレータ６のチユーブ３
０内に通される熱交換媒体として使用される場合
には、その熱交換媒体は水の氷点以下の温度に冷
却される。例えば塩水は０〜５〓（−18〜−15
℃）の温度に冷却される。

エバポレータ６内の冷媒蒸気はエバポレータよ
りコンプレツサ冷媒蒸気導入管１６を経て二段遠
心コンプレツサ７内へ流入する。コンプレツサ７
は冷媒蒸気を圧縮し、かくして圧縮された冷媒蒸
気をコンプレツサ冷媒蒸気導出管１７を経てコン
デンサ２へ供給する。比較的低温の水がコンデン
サ２内のチユーブ３１内を流れ、これにより冷媒
蒸気を冷却し且該冷媒を液体に凝縮する。かくし
て凝縮された液体冷媒はコンデンサ２よりサブク
ーラ３へ供給される。サブクーラ３内に於ては液
体冷媒はサブクーラ３内のチユーブ３２内を流れ
る比較的低温の水によつて更に冷却される。図示
の如く、サブクーラ３内のチユーブ３２内を流れ
る水は、その水を先ずサブクーラ３内のチユーブ
３２内に流し、次いでコンデンサ２チユーブ３１
内に流すことにより、コンデンサ２内のチユーブ
３１内を流れる水の温度よりも低い温度に維持さ
れる。しかしもし必要ならば、コンデンサ２及び
サブクーラ３に対しそれぞれ互に独立した水循環
系が設けられて良く、また他の種類の水循環装置
が使用されても良い。

サブクーラ３は該サブクーラ内のチユーブ３２
内を流れる水に顕熱を伝達することによつて、サ
ブクーラ３のシエル側を流れる液体冷媒の温度を
低下させるサーマル・エコノマイザとしても知ら
れている種類のサブクーラである。かくして冷凍
装置１の通常の運転中には、サブクーラ３を液体
冷媒にて充填された状態に維持することが好まし
い。かかるサブクーラ３内に於ける所望の液体冷
媒のレベルは、サブクーラ３よりサブクーラ液体
冷媒導出管１１を経てフラツシユ・エコノマイザ
５へ供給される液体冷媒の流量を制御する高圧側
フロート弁１２を作動させることによつて維持さ
れる。

また冷凍装置１の通常の運転中には、排出導管
２０の途中に設けられた圧力作動型の制御弁２１
は排出導管２０内を冷媒が流れることを阻止すべ
く閉弁される。制御弁２１は、電子制御装置８が
冷凍装置１の運転を検出しこれに応答して三方向
ソレノイド弁２２へ電力を供給し、これにより圧
力導出管２３が圧力導入管２５へ連通接続される
ことによつて閉弁される。かくして冷凍装置１の
通常の運転中には、比較的高圧の空気源が制御弁
２１に接続され、これにより制御弁２１が閉弁さ
れる。

サブクーラ３内に於て副次的に冷却された液体
冷媒はサブクーラよりサブクーラ液体冷媒導出管
１１を経てフラツシユ・エコノマイザ５へ流れ
る。かかる液体冷媒の一部はフラツシユ・エコノ
マイザ５内の冷媒の液体として残存する冷媒を更
に冷却すべくフラツシユされる。かくしてフラツ
シユされた媒体はフラツシユ・エコノマイザ５よ
りエコノマイザフラツシユガス導出管１８を経て
コンプレツサ７の第二段へ供給され、該コンプレ
ツサ内に於て冷媒ガスは再度圧縮されコンデンサ
２へ戻される。冷媒の比較的低温の液体部分はフ
ラツシユ・エコノマイザ５よりフラツシユ・エコ
ノマイザ液体冷媒導出管１４を経てエバポレータ
６へ供給される。フラツシユ・エコノマイザ液体
冷媒導出管１４を経てエバポレータ６へ流れる比
較的低温の液体冷媒の流量は低圧側フロート弁１
５の作動によつて制御される。

蒸気圧縮冷凍装置１の運転停止時には、遠心コ
ンプレツサ７は運転を停止し、冷凍装置１内に於
て冷媒の圧力及び温度の均一化が発生する。かか
る圧力及び温度の均一化期間中には、サブクーラ
３内の液体冷媒の一部が蒸発し、これによりサブ
クーラ３内の液体冷媒の他の部分が大きく冷却さ
れる。このことは冷凍装置の運転停止時に発生す
る。何故ならば、コンデンサ２及びサブクーラ３
内の比較的高圧及び高温の冷媒が冷凍装置１の低
圧側に存在する比較的低圧及び低温の冷媒に曝さ
れるからである。蒸気圧縮冷凍装置１が塩水の冷
却の如き低温冷却の用途に使用される場合の如く
冷媒が比較的低圧及び低温の状態にある場合に於
て冷凍装置１のエバポレータ６が冷凍装置の運転
停止前に運転されている場合には、冷凍装置の運
転停止時には、サブクーラ３内の液体冷媒の温度
が水の氷点よりも低い或る温度に等しくなる。前
述の如く、サブクーラ３内の液体冷媒の温度が長
時間に亙り水の氷点よりも低い冷媒温度に留まる
と、サブクーラ３のチユーブ３２内に於て好まし
くない程の量の水が凍結する危険がある。

しかし本発明の原理によれば、冷凍装置１の運
転停止時にサブクーラ３のチユーブ３２内に於て
好ましくない程の量の水が凍結するという危険は
排出装置４を作動させることによつて回避され
る。前述の如く、電子制御装置８は冷凍装置１の
運転をモニタし、電子制御装置８が蒸気圧縮冷凍
装置１の運転停止を検出すると、排出装置４の三
方向ソレノイド弁２２への通電が停止される。こ
のことにより三方向ソレノイド弁２２が作動され
て、比較的高圧の空気源へ接続された圧力導入管
２５より比較的低圧の空気源へ接続された圧力導
入管２４へ圧力導出管２３の空気圧接続が切換ら
れる。このことにより制御弁２１が開弁されて排
出導管２０が連通され、これによりサブクーラ３
内に於ける凍結時間よりも短い所定の時間内にサ
ブクーラ３より実質的に全ての液体冷媒が排出さ
れ、これによりサブクーラ３内に於ける凍結の問
題の発生が回避される。また制御弁２１について
上述の如き種類の制御装置が使用されるので、冷
凍装置１に電力供給に関する故障が発生しても、
ソレノイド弁２２へ電力が流れることはなく、サ
ブクーラ３内の冷媒はかかる状況に於て凍結の問
題が発生することがないよう排出装置４によつて
排出される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図はシエル型のサブクーラ内にチユーブ
を有し本発明による排出装置が組込まれた蒸気圧
縮冷凍装置を示す概略構成図である。 １……蒸気圧縮冷凍装置、２……コンデンサ、
３……サブクーラ、４……排出装置、５……フラ
ツシユ・エコノマイザ、６……エバポレータ、７
……コンプレツサ、８……電子制御装置、９……
仕切板、１０……シエル、１１……サブクーラ液
体冷媒導出管、１２……高圧側フロート弁、１３
……サブクーラ液体レベル検出導管、１４……フ
ラツシユ・エコノマイザ液体冷媒導出管、１５…
…低圧側フロート弁、１６……コンプレツサ冷媒
蒸気導入管、１７……コンプレツサ冷媒蒸気導出
管、１８……エバポレータフラツシユガス導出
管、２０……排出導管、２１……制御弁、２２…
…三方向ソレノイド弁、２３……圧力導出管、２
４……第一の圧力導入管、２５……第二の圧力導
入管、２６……圧縮空気源、２７……導線、３
０，３１，３２……チユーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シエル型のサブクーラを有し選択的に運転又
   は停止される蒸気圧縮冷凍装置の停止時に、前記
   サブクーラのチユーブ内の熱交換媒体が凍結する
   ことを防止する為に前記サブクーラのチユーブの
   シエル側より冷媒を排出させる冷媒排出装置にし
   て、 前記サブクーラ内の冷媒を前記サブクーラから
   前記蒸気圧縮冷凍装置の他の部分へ排出する導管
   と、 前記導管の開閉を行う制御弁と、 前記蒸気圧縮冷凍装置が運転されているとき前
   記導管を閉じ、前記蒸気圧縮冷凍装置が停止され
   ているとき前記導管を開くように前記制御弁を制
   御する制御装置と、 を含むことを特徴とするサブクーラの冷媒排出装
   置。 ２ シエル型のサブクーラ内にチユーブを有し選
   択的に運転又は停止される蒸気圧縮冷凍装置の停
   止時に前記サブクーラの前記チユーブ内で熱交換
   媒体が凍結することを防止する前記蒸気圧縮冷凍
   装置の運転方法にして、 前記蒸気圧縮冷凍装置の運転中には前記サブク
   ーラ内の液体冷媒のレベルを所定の値に維持する
   ために前記サブクーラより流出する冷媒の流量を
   制限する過程と、 前記蒸気圧縮冷凍装置の停止時には前記サブク
   ーラ内で液体冷媒が連結する迄の計算された連結
   時間よりも短い所定の時間内に前記サブクーラ内
   の実質的に全ての液体冷媒を前記蒸気圧縮冷凍装
   置の他の部分へ排出する過程と、 を含む運転方法。