JPH11325627A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】中大容量の低温冷水を製造し、コスト的に安価
で、かつ凍結に対して信頼性の高い冷凍装置を提供す
る。 【解決手段】冷水を満液式蒸発器１に通水し、さらにプ
レート式蒸発器２で０℃付近まで冷却する冷水系統を有
し、凝縮器５からプレート式蒸発器２に至る冷媒ガスバ
イパス配管９および配管途中に弁１０設け、サージドラ
ム３に圧力検知器２６を設け、プレート式蒸発器２のプ
レート表面が結氷したときに、圧力検知器２６の検知信
号を用いて、蒸発圧力が或る設定圧力を下回ると、バイ
パス配管９途中の弁１０を開にし、かつプレート式蒸発
器入口部の冷媒供給弁１１を閉じて解氷運転を行い、蒸
発圧力が別の設定圧力まで回復すると、バイパス配管９
途中の弁１０を閉じ、かつ冷媒供給弁１１を開にして解
氷運転を解除するように制御回路を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍装置に係り、
特に一般空調産業や低冷水温度の必要な工業の分野で使
用する冷凍装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球温暖化に伴う温室効果ガス発
生量の削減が論議されている状況下において、省エネル
ギーに伴う各種の検討、技術開発が活発化する趨勢にあ
る。例えば、空調産業においても、深夜電力を利用した
氷蓄熱システムが注目されているものの、初期設備投資
に必要とするコストが問題となることがある。一般的な
水蓄熱システムのチューブプレート式の蓄氷部では、凍
結という技術的課題があり、従来、凍結事故を配慮して
冷水温度は４℃前後が限度として運用されてきた。例え
ば、日本冷凍協会発行第５版「冷凍空調便覧，２巻，機
器編」Ｐ．２８６に記載されているとおり、一般には冷
水温度は５℃や７℃の仕様となつている。

【０００３】一方、最近では、既設の水蓄熱設備を流用
して、さらに低温域の冷水温度製造の需要が高まってい
る。既に小容量領域では、レシプロ形圧縮機を用いプレ
ート式熱交換器を用いた冷凍装置で０℃に近い低温冷水
を得ている。

【０００４】また、中大容量になると、プレート式蒸発
器で１００％の冷凍容量を満足させようとするとプレー
ト式熱交換器が大型になり設置スペースの増大、コスト
の増加等の問題がある。また、従来の満液式蒸発器を有
する冷凍装置で低温水取り出しを行うには、安定した負
荷パターンの場合を除き、冷水量の変動あるいは経年的
なチューブの汚れによる伝熱性能低下で、凍結によるチ
ューブ破裂、機内浸水の恐れがあるため、実用上冷水出
口温度には限界があった。

【０００５】一般に、低温冷水を得るためには、冷水を
流通させる冷水管、すなわちチューブ内の冷水が凍結し
ないようにする必要がある。満液式蒸発器で０℃付近ま
で冷却すると、冷水量の変動や、スケール付着によるチ
ューブの熱伝達率が低下する場合には、チューブ出口パ
ス側で凍結する恐れがある。一方、プレート式熱交換器
では、プレート内に形成される通路を冷媒が流通し、プ
レート外表面に冷水を自然流下させる構造であるため、
表面に結氷しても氷の膨脹等による異常荷重の発生はな
く、損傷の恐れはない。

【０００６】ところで、プレート式熱交換器の場合、容
量増加に対応するには、規格寸法で成形されるプレート
の枚数を増やす手段が考えられる。しかし、冷水の流下
によるプレート間の影響をなくすためにある程度のプレ
ート間隔が必要であり、密集した伝熱管群の構成で小形
化が可能な満液式蒸発器の場合のようには対応できな
い。このため、装置が大形化し設置面積の確保およびコ
スト面の増加という不具合がある。

【０００７】このため、満液式蒸発器による小形化、プ
レート式熱交換器による凍結に対する信頼性の各メリツ
トを有効利用し、満液式蒸発器にできるだけ多くの容量
を受け持たせて、可能な範囲の低い冷水温度まで冷却
し、さらに残りの容量をプレート式熱交換器で分担して
冷水温度を０℃付近まで冷却するシリーズフローの方式
が開発された。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記方式における実用
上の課題として、飽和温度が０℃以下となるプレート式
蒸発器のプレート外表面に付着する氷の影響がある。氷
が付着すると、プレート式蒸発器の熱伝達性能が低下
し、性能不足を起こすおそれがある。このため、解氷手
段が必要となる。

【０００９】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、中大容量の低温冷水を製造し、
コスト的に安価で、かつ凍結に対して信頼性の高い冷凍
装置を提供することを、その目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る冷凍装置の第１の構成は、圧縮機、凝
縮器、蒸発器、およびこれらを接続する冷媒系統を備え
て冷凍サイクルを構成し、蒸発器に通水する冷水系統を
有する冷凍装置において、前記蒸発器として満液式蒸発
器とプレート式蒸発器を併用して、冷水を前記満液式蒸
発器に通水し、さらに前記プレート式蒸発器で０℃付近
まで冷却するように構成するとともに、少なくとも、前
記プレート式蒸発器の冷媒系統入口に設けた冷媒供給弁
と、前記プレート式蒸発器の冷媒系統出口からの液，ガ
ス混合冷媒を気液分離させるサージドラムと、分離され
た冷媒ガスを圧縮機吸込口に導く配管とを備え、前記凝
縮器から前記プレート式蒸発器に至る冷媒ガスバイパス
配管および該配管途中に弁を設け、前記プレート式蒸発
器の内圧相当部位に圧力検知器を設け、前記プレート式
蒸発器のプレート表面が結氷したときに、前記圧力検知
器の検知信号を用いて、蒸発圧力が或る設定圧力を下回
ると、前記バイパス配管途中の弁を開にし、かつ前記プ
レート式蒸発器入口部の前記冷媒供給弁を閉じて解氷運
転を行い、蒸発圧力が別の設定圧力まで回復すると、前
記バイパス配管途中の弁を閉じ、かつ前記冷媒供給弁を
開にして解氷運転を解除するように制御回路を構成した
ものである。

【００１１】また、上記目的を達成するために、本発明
に係る冷凍装置の第２の構成は、上記第１の構成に加え
て、解氷運転に入ると、圧縮機の吸込部に設けられてい
る容量制御装置のベーンダンパーを最低可能制御開度ま
で絞つて保持するようにし、解氷運転が解除されると、
元の自動温度調整回路に切り替わるようにしたものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態を
示す冷凍装置の系統図である。図中、矢印は冷媒および
冷水の流れを示すものである。図１において、１は、冷
凍サイクルを構成する満液式蒸発器、２は、満液式蒸発
器１と併用して冷凍サイクルを構成するプレート式蒸発
器、３は、プレート式蒸発器２で発生する気液混合冷媒
の気液を分離するサージドラム、４は、満液式蒸発器１
と圧縮機６とを結ぶ冷媒ガス配管２１に設けた電動弁、
５は、冷凍サイクルを構成する凝縮器、６は圧縮機、７
は、圧縮機６を駆動する電動機、８は、圧縮機６の吸込
側の容量制御装置である。

【００１３】９は、凝縮器５からプレート式蒸発器２の
入口部に至る冷媒ガスバイパス配管、１０は、その冷媒
ガスバイパス配管９の途中に設けられた電磁弁、１１
（１１−１，１１−２の総称）は、プレート式蒸発器２
の入口部の冷媒供給弁で、冷媒供給弁１１は、冷媒配管
２０に設けられている。１２は、満液式蒸発器１の冷水
出口側の冷水配管１３に具備した温度検知器、１８は、
プレート式蒸発器２の最終冷水出口側の冷水配管１６に
具備した温度検知器、１７は、前記冷水配管１６に設け
た冷水ポンプである。

【００１４】１３は、満液式蒸発器１とプレート式蒸発
器２との間を接続する冷水配管、１９（１９−１，１９
−２の総称）は、冷水配管１３に設けた仕切り弁であ
る。２０は、圧縮機６，凝縮器５，満液式蒸発器１，プ
レート式蒸発器２を接続する冷媒系統の冷媒配管、２１
は、満液式蒸発器１，圧縮機６間の冷媒ガス配管、２２
は、プレート式蒸発器２，サージドラム３間の冷媒配
管、２３は、サージドラム３，圧縮機６間の冷媒ガス配
管、２４は、サージドラム３，プレート式蒸発器２間の
冷媒配管で、プレート式蒸発器２における冷媒循環回路
を構成する。２５は、クーリングタワーへ通じ凝縮器５
の冷却管群に冷却水を流通させる冷却水系統である。ま
た、３１は、電動機７の冷却系を示す。

【００１５】図１に示すように、本実施の形態の冷凍装
置は、主要機器として、満液式蒸発器１、プレート式蒸
発器２、サージドラム３、電動弁４、凝縮器５、圧縮機
６、電動機７、容量制御装置８、冷媒ガスバイパス配管
９、電動弁１０、および冷媒系統、冷水系統により構成
される。

【００１６】満液式蒸発器１は、詳細を図示しないが、
一般に良く知られているように、容器内に冷水管群（チ
ューブバンドル）が設けられ、そのチューブ１ａ内に冷
水が流通し、チューブ１ａ外は冷媒に浸っている。チュ
ーブ１ａ内面には、図示しないが熱伝達率を促進するた
めの突起が形成されている。１ｂはエリミネータを示
す。

【００１７】また、プレート式蒸発器２は、詳細を図示
しないが、一般に良く知られているように、数枚のプレ
ートが所定の間隔で配列され、上部には、外部配管から
供給される冷水の受水槽１４を設けており、受水槽１４
の底には、各プレート上部より冷水を表面に流下させる
ための多数の小孔が穿孔されている。プレートは対接す
るプレート間に冷媒通路を形成してあり、この冷媒通路
内の冷媒はプレート外表面を流下する冷水と熱交換され
冷媒の一部がガス化し、プレートから出たのち、気液混
合状態で冷媒配管２２を経てサージドラム３に送られ
る。サージドラム３の内部は、詳細を図示しないが、一
般に知られているように、冷媒液とガスを分離する多孔
板を設けたものである。

【００１８】次に、本実施の形態の冷凍装置の動作につ
いて図１を参照して説明する。負荷側から冷水ポンプ
（図示せず）で供給される冷水は、まず満液式蒸発器１
に冷水管群（チューブバンドル）を構成するチューブ１
ａ内を流通する。例えば１２℃で流入する冷水は、ここ
で冷媒液と熱交換して４℃まで冷却される。満液式蒸発
器１の冷水出口側の冷水配管１３に具備された温度検知
器１２により冷水温度を検知する。この検知温度と制御
装置（３０）に予め設定された所定の設定温度との差を
極力ゼロにするように、満液式蒸発器１から発生し冷媒
ガス配管２１を経て圧縮機６に導かれる冷媒ガス量を、
前記制御装置により電動弁４を作動させて自動調整す
る。

【００１９】圧縮機６で圧縮された高温高圧の冷媒ガス
は凝縮器５に至り冷却水と熱交換して凝縮する。凝縮器
５からの冷媒液は冷媒配管２０を経て満液式蒸発器１と
プレート式蒸発器２へ分流される。次に、満液式蒸発器
１からの冷水は、冷水配管１３によりプレート式蒸発器
２へ供給される。このとき、仕切り弁１９−１が開、仕
切り弁１９−２が閉となっている。

【００２０】プレート式蒸発器２では、冷水はプレート
上部に設けられた受水槽１４に流入し、受水槽１４の底
に設けられた多数の小孔から散布され、各プレートの外
表面を流下し、プレート内の通路を流れる冷媒と熱交換
して仕様温度（例えば１℃）まで冷却される。流下した
冷水はプレート式蒸発器２の下部にある水槽１５に集め
られる。このとき、前記プレート式蒸発器２の冷媒通路
内では、冷媒液が蒸発し液とガスの混合状態で冷媒配管
２２を経てサージドラム３に入り液とガスに分離され
る。

【００２１】前記水槽１５に集められた冷水は、冷水配
管１６を介して冷水ポンプ１７により蓄熱槽（Ａ）に送
水される。この最終冷水出口側である冷水配管１６に具
備された温度検出器１８により最終冷水の温度を検知す
る。この検知温度と制御装置に予め設定された所定の設
定温度との差を極力ゼロにするように、プレート式蒸発
器２から発生しサージドラム３、冷媒配管２３を経て圧
縮機６に導かれる冷媒ガス量を、前記制御装置により容
量制御装置８を作動させてサクションダンパー８ａの開
閉を自動調整する。

【００２２】サージドラム３で分離された冷媒ガスは冷
媒配管２３を介して前述のように圧縮機６へ導かれる。
一方、サージドラム３で分離された冷媒液は、冷媒配管
２４により、凝縮器５から冷媒配管２０，冷媒供給弁１
１（１１−１，１１−２）を経て供給された冷媒液と合
流して再度プレート式蒸発器２に導かれる。上述の冷水
１℃取り出し運転は、深夜の安価な電力で行われる蓄熱
運転に有効である。

【００２３】次に、図１を参照して本発明の特徴部につ
いて説明する。冷水量の変動や、スケール付着によるプ
レートの熱伝達率が低下する場合には、プレート式蒸発
器２のプレート外表面で結氷する恐れがある。結氷して
も、プレート間隔の確保により氷の膨脹等による以上荷
重の発生はなく、損傷の恐れはないが、性能低下を引き
起こす。

【００２４】結氷によりプレート表面の熱伝達性能が低
下すると蒸発圧力が低下する。プレート式蒸発器２の内
圧相当部位であるサージドラム３に取り付けた圧力検知
器２６の信号を操作盤３０（制御装置）に取り込み、制
御装置に予め設定されている設定値以下になると、プレ
ート式蒸発器２の冷水出口温度を所定の設定温度に一定
制御する運転状態から、容量制御装置８を強制的に最低
可能制御開度までベーンダンパー８ａを絞って保持す
る。

【００２５】次に、冷媒ガスバイパス配管９の電磁弁１
０を開き、冷媒供給弁１１を閉じる。こうして凝縮器５
から加熱ガスを冷媒ガスバイパス配管９を経てプレート
式蒸発器２に送ることにより、プレート表面に付着して
いる氷を解氷する。解氷後、蒸発圧力が所定の設定圧力
まで回復すると、冷媒ガスバイパス配管９の電磁弁１０
を閉じ、冷媒供給弁１１を開く。さらに容量制御装置８
を元の自動温度調整運転に戻し、解氷運転を解除する。

【００２６】本実施の形態によれば、伝熱性能の高い満
液式蒸発器１と、凍結に対する信頼性の高いプレート式
蒸発器２を併用した冷凍装置において、プレート式蒸発
器２が結氷状態に陥った際の対応を自動化することによ
り、メンテナンス性の向上を図ったものであり、冷凍サ
イクル内の冷媒ガス温度を有効利用した低コストな手段
を提供するものである。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、中大容量の低温冷水を製造し、コスト的に安価
で、かつ凍結に対して信頼性の高い冷凍装置を提供する
ことことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す冷凍装置の系統図
である。

【符号の説明】

１…満液式蒸発器、２…プレート式蒸発器、３…サージ
ドラム、４…電動弁、５…凝縮器、６…圧縮機、７…電
動機、８…容量制御装置、９…冷媒ガスバイパス配管、
１０…電磁弁、１１，１１−１，１１−２…冷媒供給
弁、１２，１８…温度検知器、１３，１６…冷水配管、
１４…受水槽、１５…水槽、１７…冷水ポンプ、１９−
１，１９−２…仕切り弁、２０…冷媒配管、２１，２３
…冷媒ガス配管、２６…圧力検出器、３０…操作盤。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、凝縮器、蒸発器、およびこれら
   を接続する冷媒系統を備えて冷凍サイクルを構成し、蒸
   発器に通水する冷水系統を有する冷凍装置において、 前記蒸発器として満液式蒸発器とプレート式蒸発器を併
   用して、冷水を前記満液式蒸発器に通水し、さらに前記
   プレート式蒸発器で０℃付近まで冷却するように構成す
   るとともに、 少なくとも、前記プレート式蒸発器の冷媒系統入口に設
   けた冷媒供給弁と、前記プレート式蒸発器の冷媒系統出
   口からの液，ガス混合冷媒を気液分離させるサージドラ
   ムと、分離された冷媒ガスを圧縮機吸込口に導く配管と
   を備え、 前記凝縮器から前記プレート式蒸発器に至る冷媒ガスバ
   イパス配管および該配管途中に弁を設け、 前記プレート式蒸発器の内圧相当部位に圧力検知器を設
   け、 前記プレート式蒸発器のプレート表面が結氷したとき
   に、前記圧力検知器の検知信号を用いて、蒸発圧力が或
   る設定圧力を下回ると、前記バイパス配管途中の弁を開
   にし、かつ前記プレート式蒸発器入口部の前記冷媒供給
   弁を閉じて解氷運転を行い、 蒸発圧力が別の設定圧力まで回復すると、前記バイパス
   配管途中の弁を閉じ、かつ前記冷媒供給弁を開にして解
   氷運転を解除するように制御回路を構成したことを特徴
   とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 解氷運転に入ると、圧縮機の吸込部に設
   けられている容量制御装置のベーンダンパーを最低可能
   制御開度まで絞つて保持するようにし、解氷運転が解除
   されると、元の自動温度調整回路に切り替わるようにし
   たことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。