JPS6053264B2 - 熱節減冷凍システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は家庭用として又は他の用途に使用される流体
を冷却する冷凍システムに関する。

特に、本発明は被冷却流体から熱を吸収するために熱交
換器に液状冷媒を流入させる前に、この冷媒をフラツシ
ユエコノマイザ内で過冷却するようにした冷凍システム
に関する。 蒸気圧縮式冷凍システムは、通常、圧縮機
を用いてガス状冷媒の昇温、昇圧を行なう。

この圧縮機にはガス状冷媒を冷却してこれを液状冷媒に
相変化させる凝縮器が接続されている。この液状冷媒は
、次にフラツシユエコノマイザ内で過冷却され、その一
部が蒸発し、残りの液状冷媒から熱を吸収する。気化し
た冷媒は、通常は、凝縮器へ再循環させるために圧縮機
内へ吸入されるが、一方、冷却された液状冷媒は蒸発器
又は冷却器へ送られる。冷却器内において該冷媒は、被
冷却流体から熱を吸収して蒸発し、そしてこのようにし
て気化されたガス状冷媒が圧縮機へ吸入されてサイクル
を完了する。 上記冷凍システムにおいては、圧縮機は
多段圧縮機であり、フラツシユエコノマイザからのフラ
ツシユ蒸発した冷媒を該多段圧縮機の段と段の間に吸入
させるようにし、それによつてフラツシユエコノマイザ
を凝縮器および冷却器（蒸発器）に対して中間圧力に維
持することができるようになされている。

フラツシユエコノマイザに関する基本特許は、１９４２
年に発行された米国特許第２２７７６４７号である。こ
の基本特許では、凝縮器と蒸発器との間にフラツシユエ
コノマイザを設け、該エコノマイザからのフラッシュ蒸
発したガス状冷媒を圧縮機の第１段と第２段との間に吸
引し、一方、フラッシュ過程において冷却された液状冷
媒を蒸発器へ移動させるようにしている。その他いろい
ろな型式の多段圧縮機がいろいろなエコノマイザと組合
わされて使用されている。

他の型式の多段圧縮機が種々なエコノマイザと共に使用
されている。米国特許第３２３２０７４号には蒸発器と
凝縮器との間にフラツシユエコノマイザを設けて、フラ
ッシュ蒸発されたガス状冷媒を二段圧縮機の第２段に吸
引させ、一方、液状冷媒を凝縮器を介して電動機の冷却
のために給送することが記載されている。また他の米国
特許においては、組合せインペラ羽根を有する遠心圧縮
機と組合せてエコノマイザを使用し、エコノマイザから
のフラッシュ蒸発したガス状冷媒を遠心凝縮器の組合せ
インペラ羽根の中間部に吸入させ、それによつて単段圧
縮機内に２つの異なる圧力レベルを創生することができ
るようになされている。

また、他の米国特許においては、単段圧縮機とともにエ
コノマイザを設け、液状冷媒を凝縮器からエコノマイザ
に流し、ここでエコノマイザの温度が所望のレベルに達
するまでのガス状冷媒を圧縮機内へ吸引するようになさ
れている。この時点で弁が開いて冷媒が冷却器（蒸発器
）へ吸引され、冷却器から圧縮機がフラッシュ蒸発され
た冷媒ガスを回収する。圧縮機は連続的に運転するが、
圧縮機に至る吸込導管はエコノマイザと凝縮器とに交互
に接続されるので、圧縮機は、凝縮器またはエコノマイ
ザから定常的に冷媒を吸入し、エコノマイザから凝縮器
へ流れる冷媒が常に所望の温度に維持されるようにする
。単弾圧縮機を有する既設の蒸気圧縮システムにフラツ
シユエコノマイザを使用するためには、従来はフラッシ
ュ蒸発されたガス状冷媒を再圧縮することができるよう
に第２の圧縮機を設ける必要があつた。

更に、エコノマイザ／凝縮器を設けることによつてこの
再圧縮されたガス状冷媒を凝縮して液状冷媒とし、それ
を再びフラッシュ蒸発させてそれ自体と最初のフラッシ
ュ過程からの液状冷媒を更に冷却することができる。こ
のシステムは、顕熱式過冷却に適用することができない
Ｒ一１１のような冷媒に特に適用することができる。相
変化による潜熱冷却は、Ｒ−１１及びそれに類する冷媒
を過冷却するための唯一の実用的な方法である。フラツ
シユエコノマイザを利用する従来の冷凍システムは、圧
力レベルを変えてブラッシングを起こさせるために多段
圧縮機を必要としていた。

従つて、従来は、単段圧縮機を有する冷凍システムはフ
ラッシュを起させるのに必要な圧力差を提供することが
できないので、フラッシュ節減（エコノマイジング）工
程を実施するための装置をあとから組入れることはでき
なかつた。ここに開示する本発明の冷凍システムは、フ
ラツシユエコノマイザからのフラッシュ蒸発されたガス
状冷媒を再圧縮するために、第２圧縮機または第２圧縮
機段を追加する必要なしに、単段圧縮機にあとから組込
むことができる。

本発明によれば、フラツシユエコノマイザ内にフラッシ
ュ蒸発されたガス状冷媒を凝縮させるためのエコノマイ
ザ凝縮器を設けることによりシステムの総合効率を向上
させ、しかも、第２圧縮機または第２圧縮機段を設ける
必要を回避する。本発明の目的は、効率の良い冷凍シス
テムを提供することにあや。

本発明のより特定的な目的は、単段圧縮機を備えたフラ
ッシュ節減型冷凍システムを提供することにある。

本発明の更に特定的な目的は、液状冷媒を過冷却するた
めにフラッシュ蒸発させ、次にフラッシュ蒸発したガス
状冷媒をフラツシユエコノマイザ内で再凝縮させるよう
にした蒸気圧縮式冷凍システムを提供することにある。

本発明の別な目的は液状冷媒を冷却して、冷凍システム
の総合効率を向上させることにある。本発明の更に別な
目的は、フラッシュ蒸発された冷媒を再凝縮して、この
フラッシュされた冷媒を冷凍システムの蒸発器のための
過冷却された液状冷媒として利用できるようにすること
にある。上記目的は、本発明の好適な１実施態様によれ
ば単段蒸気圧縮式冷凍システム内にフラツシユエコノマ
イザを設けることによつて達成される。この実施態様で
は、凝縮器を圧縮機に接続して、圧縮機から受け取るガ
ス状冷媒を凝縮器内で凝縮して液状冷媒にする。フラツ
シユエコノマイザは、凝縮器から液状冷媒を受け取り、
この冷媒をフラッシュさぜて、液状冷媒の一部をガスに
相変化させ残りの液状冷媒から熱を吸収し、過冷却させ
る。この過冷却された液状冷媒は次に蒸発器に移動して
、ここで液体から被冷却流体から熱を吸収してガスに相
変化する。このガス状冷媒は蒸発器から圧縮機に進み、
ここで再圧縮されてサイクルを再び開始する。一方、フ
ラツシユエコノマイザ内でフラッシュされたガス状冷媒
は該フラツシユエコノマイザ内でエコノマイザ凝縮器に
よつて再凝縮させる。エコノマイザ凝縮器は、フラッシ
ュ蒸発された冷媒を再凝縮させるのに十分に低い温度の
冷却用液体を受取り、かくして再凝縮された液状冷媒を
蒸発器へ導き、システムの総合効率を向上させる。１フ
ラツシユエコノマイザョという用語は、液状冷媒をフラ
ッシュ蒸発させて該冷媒の一部をガスに相変化させ、残
りの液状冷媒から熱エネルギーを吸収して該液状冷媒を
過冷却させるようにしたすべてのエコノマイザを意味す
る。

本発明においては、冷凍回路にサーマル（熱）エコノマ
イザ型のフラツシユエコノマイザを組入れる。本発明の
特徴は、サーマル（熱）エコノマイザを組入れ、該エコ
ノマイザ内においてフラッシュ蒸発したガス状冷媒を、
多段圧縮機の中間圧力の段へ吸引させるのではなく、該
エコノマイザ内において再凝縮させるようにしたことに
ある。このサーマル（熱）フラツシユエコノマイザを設
けることにより、単段圧縮式冷凍システムに第２の圧縮
機を追加する必要なしにエコノマイザの利点を組入れる
ことを可能にする。もちろん、このようなサーマルフラ
ツシユエコノマイザを使用するには、該エコノマイザ内
においてフラッシュ蒸発したガス状冷媒を再凝縮させる
のに適当な温度の冷却用流体を利用できることが必要で
あるが、そのような冷却用流体として、特に冷却するた
めのエネルギーを必要としない水を利用することができ
る。このようにして、本発明によれば、フラッシュ蒸発
したガス状冷媒を圧縮するために第２圧縮機または圧縮
機の第２段を駆動する必要がないので、それだけエネル
ギーを節減することができる。１エコノマイザ・凝縮器
ョとは、エコノマイザとしても機能する凝縮器を意味す
る。

以下に説明する本発明の実施例は、単段圧縮機と、凝縮
器どＪ蒸発器即ち冷却器を有する蒸気圧縮式冷凍システ
ムに適用したものであるが、本発明は単段蒸気圧縮シス
テム以外の冷凍システムにも適用できることを理解され
たい、本発明はさらに単一の冷凍システム内に複数の凝
縮器を利用できるようにすることができる。

複数凝縮器は本明細書に記載するように使用することも
できるし、あるいは、吸収式、蒸気発生式及びスクリュ
ー圧縮機式等の他の方式の冷凍システムにも使用するこ
とができる。第１図を参照すると、電気モータ１３３の
軸に取付けられた圧縮機羽根１１１を有する単段圧縮機
１１０を備えた蒸気圧縮式冷凍システムが示されている
。

圧縮機１１０は、吸入口１１２を通してガス状冷媒を受
入れて圧縮し、それによつて冷媒の温度および圧力を増
大させた後吐出口１１４を通して吐出する。ガス状冷媒
は、吐出口１１４から管路１２０を通つて凝縮器１２２
へ移動し、そこで液状冷媒に相変化する。液状冷媒は、
凝縮器１２２の底部から管路１２４を通してフラツシユ
エコノマイザ１２８へ移送される。液状冷媒は、フラツ
シユエコノマイザ内でノズル１２６を通して噴出されフ
ラッシュ蒸発して、液状冷媒の一部が相変化してガス状
となり、残りの液状冷媒から熱を吸収して過冷却させる
。この過冷却された液状冷媒は、溜め１３０として示さ
れたフラツシユエコノマイザ１２８の底部に収集され、
そこから管路１３２を通つて膨張制御装置１３４へ送ら
れ、ここで圧力を低下される。液状冷媒は。この膨張制
御装置から冷却器即ぢ蒸発器１３６へ移送され、該冷却
器を通過する際に冷却すべき流体から熱を吸収しガスに
相変化する。次いで。このガス状冷媒は、冷却器から管
路１４０を通つてて圧縮機１１０の吸入口１１２へ吸引
され、圧縮機内で再圧縮されて、次のサイクルを開始す
る。冷却器１３６内には、熱交換コイル１３８を設け。
冷却すべき水または他の流体を導入管１６４を通してコ
イル１３８内へ流入させ、排出管１６６を通して流出さ
せる。この冷却すべき水は、コイル１３８内を通る間に
該コイルを潜没させている液状冷媒と熱交換して冷却さ
れる。かくして、冷却された水は、排出管１６６から流
出して、冷房すべき区域（部屋）へ送給される。フラツ
シユエコノマイザ即ち熱エコノマイザ１２８の内部には
フラッシュ蒸発したガス状冷媒と熱交換するようにエコ
ノマイザ凝縮器１４２を設けて、ガス状冷媒から熱を吸
収して液状冷媒に凝縮させるようにする。

凝縮用水は管路１５２を通してエコノマイザ凝縮器１４
２へ供給する。凝縮用水は、エコノマイザ／凝縮器を通
し、次に凝縮器１２２の導管１５４を通してコイル１６
０内へ流入させる。次に、この凝縮用水は、コイル１６
０内を通つて、管路１５６から排出される。このように
、凝縮用水は、エコノマイザ凝縮器１４２内で熱を吸収
し、そしてさらに凝縮器１２２内で熱を吸収する。エコ
ノマイザ凝縮器に使用するこの低温度水は、必ずしも凝
縮器１２２へも循環させる必要はない。エコノマイザ凝
縮器１４２の凝縮用水としてビルジングの供給水を使用
する場合には、この水をビルジングの給水設備に戻して
ビル内の給水源としてそのまま使用するようにすること
もできる。圧縮機１１０はガス状冷媒の圧力をＰ１に上
昇させる。

その後、この冷媒の圧力は熱エコノマイザ１２８内でＰ
２に降下する。熱エコノマイザから冷却器１３６へ流れ
る冷媒の圧力は膨張制御装置３４によつてＰ２からＰ３
に低下される。次に、圧力Ｐ３の冷媒は冷却器１３６か
ら圧縮機１１０の吸入口に戻り、冷媒の圧力は圧縮機に
よつてＰ３からＰ１に増大される。第２図は本発明のシ
ステムに使用する代表的な冷媒例えばＲ−１１の圧力対
エンタルピーの関係一を示すグラフである。

このグラフ上の点Ａを出発点とすれば、冷媒の圧力およ
びエンタルピーが点Ａから点Ｂに増加することが理解で
きよう。この場合、点Ａと点Ｂとの間の距離は、圧縮機
１１０によつてもたらされる圧力変化とエンタルピー変
化を示す。点Ｂから点Ｃまでの距離は、ガス状冷媒が液
状冷媒に相態変化するのに従つて生じる凝縮器１２２内
におけるエンタルピー変化を示す。点Ｃから点Ｄに至る
直線は冷媒が熱エコノマイザ１２８内でフラッシュ蒸発
されるのに従つて生じる圧力降下を示す。フラツシユエ
コノマイザ即ち熱エコノマイザ１２８内においてフラッ
シュ蒸発してガス状に相変化した冷媒は、フラッシュ蒸
発しなかつた残りの液状冷媒から熱を吸収して該ガス状
冷媒を点Ｄから点下にまで冷却させる。冷媒がフラッシ
ュ蒸発する過程は点Ｅに至る直線によつて示されている
、このフラッシュ蒸発したガス状冷媒は、エコノマイザ
凝縮器１４２によつて点Ｅから点Ｆにまで再凝縮される
。かくして、フラッシュ蒸発しなかつた液状冷媒も、フ
ラッシュ蒸発し、次いで再凝縮されて液状となつた冷媒
も、いずれも点Ｆにくる。点Ｆから点Ｇまでの距離は、
液状冷媒が膨脹制御装置１３４によつてフラッシュされ
て冷却器１３６へ送られる際に生じる圧力降下を示す。
点Ｇから点までの距離は、冷却器１３６内において冷却
すべき液体から熱が吸収される際に生じるエンタルピー
の変化を示す。圧力レベルを示すＰｌ，Ｐ２，Ｐ３の符
号は第１図および第２図の両方に示されている。モリエ
ル線図では曲線の左側部が液状冷媒が１００％飽和する
圧力／エンタルピー線を表わし、そして曲線の右側部が
ガス状冷媒が１００％飽和する圧力／エンタルピー線を
表わす。

これらの２つの線の間にある領域は液体と蒸気との二相
混合物を示す。一定量の冷媒からより大きな冷却仕事量
を得るためには、冷媒を可能な限り曲線の左側にまで冷
却し、冷却器１３６内で冷媒がフラッシュするとき、冷
却すべき液体から吸収される。

ＧからＡまでの距離で表わされる熱の量ができるだけ多
くなるようにすることが望ましい。熱エコノマイザ１２
８がないとすれば、冷却器１３６において冷媒によつて
吸収される熱はグラフ上の点Ｄから点Ｅまでの距離に比
例することは自明である。本発明においてはフラツシユ
エコノマイザ１２８を介設したことによつて、該エコノ
マイザ内で冷媒が点Ｆにまで冷却されるので、冷却器１
３６内において冷却すべき液体から吸収される熱の量を
点Ｇから点Ａまでの直線によつて示される距離に比例し
て増大させることができる。この距離ＤＥから距離ＧＡ
への長さの増大は、冷凍システムによつて吸収すること
ができる熱量の点からみた効率の増大を表わす。この熱
エコノマイザ式冷凍システムを最適化するためには、凝
縮用水を先ずエコノマイザ凝縮器１４２へ、そして次に
主凝縮器１２２へ循環させる。

エコノマイザ凝縮器１４２は主凝縮器１２２よりかなり
低い温度で作動する。従つて、凝縮用水は、先ずエコノ
マイザ凝縮器へ、そして次に主凝縮器へ循環させるよう
にして使用するのが有利である。もちろん、主凝縮器１
２２にかかる負荷を充足するために該凝縮器へ追加の凝
縮用水を供給することができる。第１図では、熱エコノ
マイザ１２８を円筒体の内部に設けてある。

エコノマイザ凝縮器１４２はノズル１２６から噴出され
フラッシュされる冷媒ガスに接触するように該円筒体内
に配設された熱交換コイルとして示してある。この物理
的な配置は、本発明の、エコノマイザ凝縮器を包含した
フラツシユエコノマイザを、円筒形の加圧区画室を有す
る在来の冷凍機の一部分内に組入れることができること
を示すために例示されたものである。上記実施態様は、
冷凍システムの作動効率を増大させる熱エコノマイザを
備えた改良型圧縮冷凍システムを示すものである。特に
、効率を向上させるために既設の単段蒸気圧縮式冷凍シ
ステムに適用することができるシステムを例示したが、
エコノマイザ凝縮器を備えた熱エコノマイザを吸収式及
び他の方式の冷凍システムに使用することも同様に本発
明の精神及び範囲内である。以上本発明を特に好適な実
施態様について説明してきたが、本発明の精神及び範囲
内において多くの変更及び変型が可能であることは、当
業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を組入れた蒸気圧縮式冷凍システムの概
略図であり、第２図は本発明の冷凍システムを示す圧力
エンタルピーグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷媒を使用して流体を冷却するための冷凍システム
   において、ガス状冷媒を昇温および昇圧させるための圧
   縮機１１１と、該冷媒をガスから液体に相変化させるた
   めに前記圧縮機に接続された主凝縮器１２２と、該凝縮
   器に接続されており、前記液体に相変化された液状冷媒
   を一部フラッシュ蒸発させて、残りの液状冷媒から熱を
   吸収させるための熱エコノマイザ１２８と、該フラッシ
   ュ蒸発したガス状冷媒を凝縮させて液状冷媒とするため
   のエコノマイザ凝縮器１４２と、前記冷却すべき流体を
   冷却するために、該熱エコノマイザおよびエコノマイザ
   凝縮器から液状冷媒を受取り、前記冷却すべき流体を冷
   却してガス状となつた冷媒を前記圧縮機へ排出するため
   の蒸発器１３６とを設けたことを特徴とする冷凍システ
   ム。 ２ 冷却用水を先ず前記エコノマイザ凝縮器へ、そして
   次に前記主凝縮器へ直列的に通して該エコノマイザ凝縮
   器と主凝縮器を共にこの冷却用水で冷却するようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷凍シス
   テム。