JPH09210479A

JPH09210479A - アンモニア冷凍装置

Info

Publication number: JPH09210479A
Application number: JP3896296A
Authority: JP
Inventors: Makoto Sano; 誠佐野; Hisataka Asami; 久隆浅見
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 1997-08-12
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: JP3567349B2

Abstract

(57)【要約】【課題】アンモニア充填量の極小化と低コスト化を図
ったアンモニア冷凍装置を提供する。【解決手段】アンモニア冷媒と、該アンモニアと相溶
性の潤滑油とを混合した作動流体組成物を前記サイクル
中を循環させるとともに、前記蒸発器１４と凝縮器に１
２プレート熱交換器を使用する構成と、前記膨張弁１３
の制御により、蒸発器１４用プレート熱交換器の過熱度
を１〜４℃の範囲に設定したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アンモニア冷媒を
圧縮する冷媒圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器にて
冷凍サイクルを構成する圧縮式アンモニア冷凍装置（ヒ
ートポンプも含む）に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機、冷媒凝
縮器、膨張弁、冷媒蒸発器にて冷凍サイクルを構成し、
そして前記冷媒凝縮器、蒸発器は、多管式熱交換器の一
種と考えられるシェルアンドチューブ式が使用され、又
膨張弁には温度式自動膨張弁が多用されている。

【０００３】上記多管式熱交換器は、熱効率を上げるた
め伝熱管内外の流体の流れ方向を対向流にすることが必
要であるが、管内流体の流れが流量や圧力損失の関係か
ら複数パスを余儀なくされ、そのため管内外の流れは半
向流となる欠点を持っている。シェルアンドチューブ方
式は、シェル中央に設けられた円筒に多数の伝熱管を並
列に同心円状に巻き取りコイル状に形成する構造にし
て、シェル側を流れる流体とコイルチューブ内を流れる
流体が、向流に近い形で熱交換するようにしたものであ
る。

【０００４】また、自動膨張弁は、連続給液方法であつ
て、しかも、コスト高、大型、シール漏れ、作動応答遅
速、配線ノイズがあり、ポテンショメータ等の機械的摺
動部の劣化、又、差動による誤動作もあり、種々問題点
を内蔵している。特に低温域における前記冷媒給液は、
冷媒循環量が微小量になるので、冷媒の適性供給には膨
張弁の作動も極微小量の給液を正確に行なう必要があ
る。また、周知のように、蒸発器への冷媒液の供給過多
は圧縮機への液戻りを生じ冷凍設備の冷えを悪くする。
また、逆に冷媒液の供給過小は熱交換量に不足をきたす
ことになる。上記低温域に使用される自動膨張弁の問題
点及び前記種々の問題点を解決すべく、本発明者等によ
り特開平１ー１６７５５号公報に開示された提案、及び
特開平２ー１５４９６号公報に開示されている提案があ
る。即ち、上記提案においては、蒸発器出口の冷媒ガス
の過熱度を検出し、過熱度に応じて適正な断続的給液制
御を行なうようにしたものである。

【０００５】上記シェルアンドチューブ方式の熱交換器
に対し、プレート熱交換器がある。該熱交換器は、図３
及び図５に示すように、薄い金属シート（通常０．４〜
１．２ｍｍ）をプレス加工により凹凸を付け、その周辺
を合成ゴムよりなるガスケット張りをした伝熱板５１を
一枚のエレメントとし必要枚数重ね合わせ伝熱部６０を
形成する構成とし、各伝熱板５１間に形成される流路５
１ａに、一枚おきに高温流体と低温流体とが互いに向流
方向のワンパスを形成させ、熱交換をするようにしてあ
る。図５に見るように、上部流入口５３Ａより流入した
１次側流体は、一枚おきに伝熱板５１の流路５１ａ沿い
ワンパスを形成しながら下降して、下部流出口５２Ａよ
り流出するようにしてある。また、下部流入口５２Ｂよ
り流入した２次側流体は、前記１次側流体が通過した伝
熱板流路５１ａに隣接する伝熱板流路５１ａ夫々でワン
パスを形成しつつそれぞれ上昇して、上部流出口５３Ｂ
より流出するようにしてある。なお、上記複数の伝熱板
５１により形成された伝熱部６０を固定板５６とプレッ
シャプレートを形成する可動板または遊動板５７で挟
み、ボルト部材５９で締め付け一体構造としたものであ
る。かかる構成は公知である。

【０００６】そして上記構成のプレート熱交換器の場合
は、前記伝熱部を形成するすべての伝熱板のプレート断
面での熱通過は、気液２相状態の向流による伝熱係数の
大きな伝熱部と乾き蒸気による伝熱係数の小さな伝熱部
とにより行なわれるものと考えられ、下記有利な点を内
蔵している。即ち、１）その熱通過率は、前記ワンパス流路と、完全向流
と、前記伝熱板に流路形成用の平行波型ないしヘリボー
ン型のプレートパターンに起因する乱流効果とにより、
多管式熱交換器に比較して高い伝熱係数が得られ、その
熱通過率は３〜５倍の値を取る。２）完全向流式が採用できるので、９０％以上の熱回収
が可能である。３）器内の冷媒滞留量が少なく起動が簡単で且つ高速制
御応答が可能である。４）伝熱面積の増減は、伝熱板の積層枚数の増減により
容易に変更できる。また分解洗浄点検が容易である。５）伝熱板面の剪断応力高く、またデッドスペースが少
ないため、汚物の付着が少ない。また、熱伝達率が高い
ため壁面温度が低くカルシュウムや微生物の付着が少な
い。６）高性能でコンパクトの構造のため、据え付け面積や
荷重も小さく、そのためスペースの有効利用が図れる。

【０００７】一方、冷媒としてアンモニアを対象として
考えた場合、フロンのような地球環境破壊の恐れはな
く、フロンに比較して安価で且つ熱伝達率が良い。ま
た、冷媒としての許容温度（臨界温度）や圧力が高く、
水に溶解するため、膨張弁の詰まりがない。また、蒸発
潜熱が大きく冷凍効果も大きい。然し、アンモニアには
毒性や可燃性があるばかりでなく、圧縮機の潤滑油とし
て使用される鉱物油は非溶融性のため、油のみの回収循
環は極めて困難である等の欠点を持つ。

【０００８】そのため、アンモニアを使用する場合は、
特に非溶融性に起因する欠点のために不具合を生じない
システムが必要で、例えば単段圧縮タイプの場合、圧縮
機と凝縮器との間及び蒸発器と圧縮機との間には油分離
器を設け、凝縮時液化分離した油を分離する油溜めを設
け、また、ミスト状でアンモニアと同伴してサイクル内
に混入し配管経路の所々に溜まった油を分離取り除くた
め高圧受液器の底部、蒸発器の下部入り口にそれぞれ油
抜き部を設け、これらにより集められた油は再び噴霧状
にして圧縮機に戻す必要がある。

【０００９】また、蒸発器もボトムフィード型の満液構
造を取らざるを得なく、このためにも冷媒液の増大を止
むなくしている状況である。また、２段圧縮機を使用す
る場合は、前記蒸発器温度が例えば−４０℃以下に冷却
した場合には潤滑油の流動性の低下等から惹起される詰
まり等の諸問題が起きる。

【００１０】上記したように従来アンモニアを使用した
冷凍装置では、アンモニアが潤滑油に対しての非溶融性
に起因する装置の煩雑化は避け得られない状況にあっ
た。まして、複数枚の小間隔で並設した伝熱板に設けた
プレートパターンを形成する凹部に流路を形成するプレ
ート熱交換器をアンモニア冷凍装置に使用することは、
プレート熱交換器やアンモニア自体が冷凍能力の点で、
前記したように優れていても、非溶融の潤滑油が詰まり
の原因を形成する限り不可能の問題であった。しかしな
がら、前記アンモニアと優れた溶融性を持ち、長期間の
使用にも品質的に保障される潤滑油が開発されれば、前
記問題点は殆どの部分が解決される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の請求
項１記載の発明は、本願発明者等が開発した潤滑性及び
安定性にも優れた潤滑油とアンモニア冷媒とを混合して
なる冷凍機用作動流体組成物（国際公開Ｎｏ．ＷＯ９４
／１２５９４参照）と前記プレート式熱交換器とを効果
的に組合せ、アンモニア冷凍装置におけるアンモニア充
填量の極小化と低コスト化を図るとともに、前記開発を
より有意義化し、特にプレート熱交換器の伝熱面積の有
効利用を図ったアンモニア冷凍装置の提供を目的とした
ものである。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明の目的に加え、作動流体組成物保有量の削減と
均一分配を可能にしたアンモニア冷凍装置の提供を目的
としたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１記載の発明は、前記アンモニア冷
媒と、該アンモニアと相溶性の潤滑油とを混合した作動
流体組成物を前記サイクル中を循環させるとともに、前
記蒸発器と凝縮器にプレート熱交換器を、又膨張弁に電
子式膨張弁を使用し、前記蒸発器の入口側と出口側の温
度差に基づいて前記膨張弁を制御し、蒸発器用プレート
熱交換器の過熱度を１〜４℃の範囲に設定したことを特
徴とするものである。

【００１４】これにより、アンモニア冷凍機に、アンモ
ニアと相溶性の潤滑油との混合物よりなる作動流体組成
物を使用することにより、冷凍サイクルに所々に発生す
る分離した油の除去回収及び圧縮機への戻し機構も不必
要となるとともに、特に蒸発器の満液式構造の必要はな
くなり、また分離した油による詰まり現象も皆無となっ
たため、前記高熱透過率、高熱回収率のプレート熱交換
器をアンモニア冷凍機の凝縮器、蒸発器への使用を可能
にしている。

【００１５】この場合、プレート熱交換器は、前記した
ようにその構造上冷媒通路はワンパスの向流式熱交換形
式が採用されるため、冷媒液の蒸発には、伝熱板である
すべてのプレート断面での伝熱は、伝熱係数の大きな気
液二相流伝熱部と伝熱係数の小さな乾き蒸気伝熱部とに
より行なわれている。上記事項より、プレート熱交換器
の特性を十分に生かすためには、蒸発器を流れる冷媒の
乾き度をつまり過熱度を低く押さえる必要がある。

【００１６】上記過熱度設定を１〜４℃の範囲に小幅に
することにより、プレート熱交換器の伝熱面積をより有
効に利用でき、延いては所要伝熱面積を小さくできる。

【００１７】この場合上記過熱設定を小さくし、負荷の
変動に対し高速応答機能を持たせるために、蒸発器の入
り口と出口との温度差により敏感に作動して断続給液を
可能とする電子膨張弁で形成するのがよい。

【００１８】請求項２記載の発明は、前記蒸発器用プレ
ート熱交換器の作動流体組成物入口部、好ましくは出入
口夫々に作動流体組成物充填用インサートノズルを設
け、前記熱交換器内に充填させる作動流体組成物の削減
を図ったことを特徴としたものである。

【００１９】即ち、プレート熱交換器の出入口に前記イ
ンサートノズルを設けることにより、作動流体組成物保
有量の削減と作動流体組成物の各パスへの均一分配が可
能になる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例の形態を、
図示例と共に説明する。ただし、この実施例に記載され
ている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に
特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに
限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。図１
は本発明の実施例に係わる単段圧縮タイプの直膨式アン
モニア冷凍装置の概略の構成を示すブロック図で、図２
は本発明の実施例に係わる２段式圧縮タイプの極低温冷
凍装置の概略の構成を示すブロック図である。

【００２１】先ず本実施例に用いる作動流体は、下記一
般式（１）で表わされるエーテル化合物の１種若しくは
２種以上よりなる潤滑油をアンモニア冷媒に対し、１〜
７重量％程度、好ましくは３〜５％程度添加して形成す
る。Ｒ１ −［−Ｏ−（ＰＯ）ｍ−（ＥＯ）ｎ−Ｒ２］ｘ（１）なお、上記一般式において、Ｒ１は炭素数１〜６の炭化
水素基、Ｒ２は炭素数１〜６個のアルキル基であり、Ｐ
Ｏはオキシプロピレン基、ＥＯはオキシエチレン基、ｘ
は１〜４の整数、ｍは正の整数であり、ｎは０または正
の整数である。

【００２２】図１に見るように、本実施例のアンモニア
冷凍装置は、前記アンモニアと一般式（１）で表される
１種又は２種以上のポリエーテル化合物との混合物より
なり２層分離を起こすことのない作動流動組成物を、冷
媒圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器１４を含むサイク
ルを循環させて行う冷凍サイクルを構成し、その構成
は、キャンドモータ１５が直結した圧縮機１１と凝縮器
１２とプレート熱交換器用膨張弁１３と蒸発器１４とよ
りなる。前記凝縮器１２と蒸発器１４は、図５に示すよ
うに夫々プレート熱交換器で構成され、両者をベース４
０上に支持棒を介して一体的に固定している。そして図
５に見るように、凝縮器１２側では上部流入口５２より
流入した１次側流体（作動流体組成物）は、一枚おきに
伝熱板５１の流路３０ａ沿いワンパスを形成しながら下
降しながら冷却水との熱交換により凝縮し、下部流出口
５３より膨張弁１３側に導出され、一方下部流入口５２
Ｂより流入した２次側流体（冷却水）は、前記１次側流
体が通過した伝熱板流路５１ａに隣接する伝熱板流路５
１ａに沿って前記１次側流体と熱交換しながら上昇し
て、上部流出口５３Ａより流出するようにし、冷却水と
の熱交換により水冷且つ凝縮されるコンデンサ部を形成
する。前記蒸発器１４は、下部流入口５２Ａより作動流
体組成物が導入され、ブラインと熱交換しながら蒸発し
て、上部流出口５３Ａより圧縮機吸入口に導入され、そ
して前記下部流入口５２Ａと上部流出口５３Ａ夫々にイ
ンサートノズル３０を設ける事により、アンモニアの限
界充填を可能とする直接膨張式ブラインチラーを形成し
てある。

【００２３】蒸発器１４の入口側に取付けられる膨張弁
１３は、蒸発器１４の入り口と出口の温度差等により作
動して、ＯＮ、ＯＦＦの断続制御をする電子膨張弁１３
よりなり、作動流体組成物の過熱度を１〜３℃に押さえ
るように設定している。即ち具体的には図６に示すよう
に、蒸発器１４の入口側配管５２Ａと出口側配管５３Ａ
夫々に温度センサ３１、３１を取付け、即ち入口側配管
５２Ａに取付けたセンサ３１が冷媒蒸発温度を、出口側
配管５３Ａに取付けたセンサ３１が過熱された冷媒ガス
温度を測定し、２つのセンサ３１、３１の温度差により
マイコン３４にて過熱度を測定し、前記過熱度に基づい
て電子膨張弁１３のＯＮ、ＯＦＦの断続制御をする。前
記過熱度は従来の自動膨張弁１３に見られた過熱度５℃
以上の場合に比較し小さくすることができ、プレート熱
交換器の特性を生かした制御を可能とし、プレート熱交
換器の伝熱面積を、より有効に利用できるようにしてあ
る。

【００２４】上記構成により、プレート熱交換器の特性
である伝熱係数の高い二相流伝熱部をより有効に作動さ
せ、且つアンモニア充填量を最小に押さえることができ
る。

【００２５】図２には本発明の実施例に係わる２段圧縮
式冷凍装置が示されているが、該冷凍装置は、図に示す
ように、低段圧縮機２１と高段圧縮機１１との間にガス
クーラ２２を配設するとともに、プレート熱交換器より
なる凝縮器１２と、ガスクーラ２２と、冷媒を減圧気化
させる膨張弁１３２０とよりなる冷却器２３と、前記し
たプレート熱交換器用膨張弁１３と、プレート熱交換器
よりなる蒸発器１４とよりなる。

【００２６】図３には、蒸発器１４に使用するプレート
熱交換器の下部流入口５２Ａと上部流出口５３Ａの双方
に、作動流体組成物保有量削減と作動流体組成物の各パ
スへの均一分配を可能にするインサートノズル３０を設
けたプレート熱交換器の要部断面図が示してある。図に
示すように、固定板５６と所定枚数の伝熱板５１と可動
板５７とよりなるプレート熱交換器において、前記伝熱
板５１はそれぞれ予め設けてあるガスケットを介して狭
い流路間隙を形成するよう前記固定板５６と可動板５７
との間を密着連設させるために図５に示すボルトでボル
ト締めしてある。蒸発器１４を構成するプレート熱交換
器は下部流入口５２Ａと上部流出口５３Ａに、予めイン
サートノズル３０を装着した取り付け板３１を、該ノズ
ルの後端３０ａより挿入し、前記固定板５６と連設した
伝熱板５１に設けた前記出入口を含む挿入孔５２ａと前
記インサートノズルの外周３０ｂとの間に形成される適
当間隙により、作動流体組成物流出入用の流路を形成さ
せ、作動流体組成物充填量の削減と作動流体組成物液の
均一分配を図るようにしてある。

【００２７】

【実施例】図４（Ａ）、（Ｂ）には、本冷凍システムに
使用したプレート熱交換器の試験結果を示してある。試
験は下記項目に基づいて行なった。シリーズ１（図１に示す単段式圧縮機）モータ回転数１１７０ｒｐｍ，蒸発温度 −３８℃〜−３３℃ 過熱度２．５℃〜８℃ 実線で示すシリーズ２（図２に示す２段式圧縮機）モータ回転数１２３０〜１３００ｒｐｍ蒸発温度 −３７℃〜−３３．５℃ 過熱度３℃〜４．５℃ 点線で示す。これらの図に見るように下記事項が理解される。１）蒸発温度の上昇とともに蒸発器１４の総括伝熱係数
が大きくなる。２）過熱度が大きくなるに従い蒸発器１４の総括伝熱係
数は小さくなり、従って蒸発温度−３７℃、総括伝熱係
数を７００Ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃以上維持しようとする
と、過熱度は最大でも１〜４℃以下、好ましくは１℃〜
３℃以下が好ましいことが理解される。３）モータ回転数の増加によって、冷凍能力は増大し、
総括伝熱係数も大きくなる。上記結果より推論するに、本ユニットの蒸発器１４は、
伝熱係数が大きくなることにより伝熱面積を小さくする
ことができ、例えば、同じ負荷で対数温度差が一定とし
た場合、蒸発温度−３７℃過熱度４℃の運転条件に対し
モータ回転数の増加により総括伝熱係数を６９０Ｋｃａ
ｌ／ｍ²ｈ℃から８３５Ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃まで大きくす
ることができ、伝熱面積は２０％小さくすることができ
る。

【００２８】

【発明の効果】上記構成により、アンモニアと相溶性潤
滑油とアンモニアとの混合物よりなる作動流体組成物を
使用したアンモニア冷凍装置に係わり、特に前記作動流
体組成物の使用と相埃って高い熱通過率を持つプレート
熱交換器の使用を可能にするとともに、アンモニア充填
量を最小にしたアンモニア冷凍装置の提供が可能とな
り、これによりプレート熱交換器の優れた特性を十分に
引き出すことができ、総括伝熱係数の高く、且つアンモ
ニア充填量の極小化を可能としたアンモニア冷凍装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わる単段圧縮タイプの直膨
式アンモニア冷凍装置の概略の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】本発明の実施例に係わる２段式圧縮タイプの極
低温冷凍装置の概略の構成を示すブロック図である。

【図３】インサートノズルの概略構成と取り付け状況を
示す破断側面図である。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）は本冷凍システムに使用したプ
レート熱交換器の試験結果を示す図である。

【図５】汎用プレート熱交換器の概略の構成を示す分解
斜視図である。

【図６】蒸発器の入口と出口の温度差等により作動流体
組成物の過熱度を測定する装置構成を示す。

【符号の説明】

１１圧縮機、高段圧縮機１２凝縮器１３プレート熱交換器用膨張弁１４蒸発器２０膨張弁２１低段圧縮機２２ガスクーラ２３冷却器３０インサートノズル

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【手続補正書】

【提出日】平成８年４月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図４】本冷凍システムに使用したプレート熱交換器の
試験結果を示す図である。

【符号の説明】１１圧縮機、高段圧縮機１２凝縮器１３プレート熱交換器用膨張弁１４蒸発器２０膨張弁２１低段圧縮機２２ガスクーラ２３冷却器３０インサートノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンモニア冷媒を圧縮する冷媒圧縮機、
凝縮器、膨張弁、及び蒸発器にて冷凍サイクルを構成す
るアンモニア冷凍装置において前記アンモニア冷媒と、
該アンモニアと相溶性の潤滑油とを混合した作動流体組
成物を前記サイクル中を循環させるとともに、前記蒸発
器と凝縮器にプレート熱交換器を、又膨張弁に電子式膨
張弁を使用し、前記蒸発器の入口側と出口側の温度差に
基づいて前記膨張弁を制御し、蒸発器用プレート熱交換
器の過熱度を１〜４℃の範囲に設定したことを特徴とす
るアンモニア冷凍装置。
【請求項２】前記蒸発器用プレート熱交換器の作動流
体組成物入口部と出口部夫々に作動流体組成物充填用イ
ンサートノズルを設け、前記熱交換器内に充填させる作
動流体組成物の削減を図った請求項１記載のアンモニア
冷凍装置。