TWI571606B

TWI571606B - A refrigeration unit using a triple tube heat exchanger

Info

Publication number: TWI571606B
Application number: TW100128718A
Authority: TW
Inventors: Masashi Morisawa
Original assignee: Topre Corp
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2017-02-21
Also published as: JP5608467B2; JP2012042088A; TW201217729A

Description

使用三重管式熱交換器之冷凍裝置

發明領域

本發明係有關於一種藉由使流動於3個獨立流道中之流體間進行熱交換的三重管式熱交換器對經冷凝器冷凝後之液態冷媒進行過冷卻以提高冷凍能力的冷凍裝置。

發明背景

一般的冷凍裝置是藉由冷媒管道將壓縮機、冷凝器、減壓器以及蒸發器串聯連接以構成封閉迴路的冷媒循環回路，藉由冷凝器的散熱使經壓縮機壓縮的高壓氣態冷媒液化成液態冷媒，並藉由膨脹閥等減壓器使該高壓的液態冷媒膨脹並減壓後，使沸點下降的低壓液態冷媒在蒸發器中蒸發，且從冷凍庫內等吸取此時的蒸發潛熱，由此將冷凍庫內等冷卻。

作為提高這類冷凍裝置的冷凍能力或性能係數(COP)的方法，例如在專利文獻1中所記載的方法包括：設置蒸汽熱交換器，使用冷凝器液化的高壓液態冷媒與抽出其一部分而被減壓的低壓的氣態冷媒進行熱交換，從而將高壓液態冷媒加以過冷卻。

又，在專利文獻2中所提出的方法則是設置蒸汽熱交換器(輔助熱交換器)和氣液分離器，且在蒸汽熱交換器中使經過冷凝器液化的高壓液態冷媒與在氣液分離器中分離的低壓氣態冷媒進行熱交換，從而對高壓液態冷媒進行過冷卻。

專利文獻1　日本實開平1-169772號公報

專利文獻2　日本特開平11-014167號公報

然而，採用專利文獻1公開的方法時，由於吸入壓縮機的氣態冷媒被加熱而導致壓縮機的排出溫度上升，因此需要將以冷凝器液化的高壓液態冷媒的一部分抽出以注入氣態冷媒中而降低壓縮機的排出溫度；而且一旦如上前述將以冷凝器液化的高壓液態冷媒的一部分抽出並進行注入，就會有減少蒸發器內的冷媒循環量而使冷凍能力下降的問題。

而採用專利文獻2的方法時，由於在氣液分離器中分離的低溫低壓的氣態冷媒會繞過蒸發器而流入壓縮機，因此負荷變動或壓縮機旋轉數的變動會導致氣液分離器的分離性能下降，並且會發生一部分液態冷媒被吸入壓縮機的返液現象，會有使壓縮機的負荷增大等問題。

本發明係有鑑於上述問題而成者，目的在於提供一種冷凍裝置，藉由高壓液態冷媒的過冷卻來提高冷凍能力，同時能夠防止液態冷媒流入壓縮機所導致的返液發生。

為了達成上述目的，本發明申請專利範圍第1項的冷凍裝置藉由冷媒管道至少將壓縮機、冷凝器、三重管式熱交換器、減壓器、氣液分離器以及蒸發器串聯連接以構成封閉回路的冷媒循環回路，其特徵在於：使從前述冷凝器流向前述減壓器的液態冷媒通過前述三重管式熱交換器的第1外側流道，使被前述氣液分離器分離的氣態冷媒通過前述三重管式熱交換器的內側流道，使被前述蒸發器蒸發的氣態冷媒通過前述三重管式熱交換器的第2外側流道，並且使通過該第2外側流道的氣態冷媒與通過前述內側流道的氣態冷媒合流並導入前述壓縮機。

申請專利範圍第2項之發明是在申請專利範圍第1項中，其特徵在於前述三重管式熱交換器的內側流道的截面積被設定成比第1及第2外側流道之各截面積小。

申請專利範圍第3項之發明是在申請專利範圍第1或2項中，其特徵在於使從前述冷凝器流向前述減壓器之液態冷媒的一部分注入至將前述氣液分離器與前述三重管式熱交換器之內側通道連接的冷媒管道中。

根據申請專利範圍第1項之發明，因在冷凝器中的冷凝而被液化且流向減壓器的高壓液態冷媒在通過三重管式熱交換器的第1外側流道的過程中，由於通過內側流道的氣態冷媒(被氣液分離器分離的氣態冷媒)與通過第2外側流道的氣態冷媒(被蒸發器蒸發的氣態冷媒)間的熱交換而可有效地過冷卻，因此其過冷卻產生的熱量就能相應地增大蒸發器中的蒸發潛熱，從而使冷凍裝置的冷凍能力及性能係數(COP)得以提高。

根據本發明申請專利範圍第2項，由於三重管式熱交換器的內側流道的截面積被設定成比第1及第2外側流道之各截面積小，因此即使由於負荷變動等導致液態冷媒從氣液分離器流入三重管式熱交換器的內側流道，也會由於其液態冷媒透過與流動於第1外側流道的高壓液態冷媒間的熱交換而蒸發，因此能夠防止液態冷媒流入壓縮機導致返液發生。

根據本發明申請專利範圍第3項，由於被注入於連接氣液分離器與三重管式熱交換器之內側通道的冷媒管道中的液態冷媒蒸發，使提供給三重管式熱交換器中之高壓冷媒過冷卻用的氣態冷媒(在氣液分離器中分離後通過內側通道的氣態冷媒)的溫度上升得以冷卻，因此能夠不影響減壓器的溫度控制，而抑制壓縮機吸入的氣態冷媒的溫度上升，從而可使壓縮機的排出溫度上升得到抑制，以防止壓縮機內的油劣化。另外，注入的液態冷媒量會使蒸發器內的冷媒循環量相應地減少，但伴隨這種冷媒循環量減少而來的冷凍能力下降卻能被三重管式熱交換器中的高壓冷媒的有效率過冷卻加以補償。

圖式簡單說明

第1圖是本發明之冷凍裝置的冷媒回路圖。

第2圖是本發明之冷凍裝置的三重管式熱交換器的連接圖。

第3圖是第2圖的X-X線剖視圖。

第4圖是表示本發明之冷凍裝置中的冷媒狀態變化的莫理耳圖。

第5圖是將本發明之冷凍裝置的三重管式熱交換器中相對於冷媒流量之氣液熱交換量與過去的螺旋式熱交換器進行比較的圖。

具體實施方式

以下根據附圖說明本發明的實施形態。

第1圖是本發明之冷凍裝置的冷媒回路圖，第2圖是該冷凍裝置之三重管式熱交換器的連接圖，第3圖是第2圖的X-X線剖視圖。

如第1圖所示，本發明的冷凍裝置基本上是用冷媒管道L1、L2、L3、L4、L5、L6將壓縮機1、冷凝器2、三重管式熱交換器3、作為減壓器的膨脹閥4、氣液分離器5、以及蒸發器6等主要設備連接而成。

冷媒管道L1用於將壓縮機1的排出側與冷凝器2的入口側連接，在該冷媒管道L1上連接著分油器7和電磁開閉閥V1。另外，在從冷凝器2的出口側延伸而與三重管式熱交換器3之入口側連接的冷媒管道L2上連接著接收槽(receiver tank)8和乾燥器(D)9以及檢視窗(S.G)10。而在將三重管式熱交換器3的出口側和氣液分離器5加以連接的冷媒管道L3上設有前述膨脹閥4，從蒸發器6的出口側延伸的冷媒管道L5與三重管式熱交換器3連接，以及從三重管式熱交換器3延伸而與壓縮機1的吸入側連接的冷媒管道L6上連接有吸入壓力調節閥(ZSP閥)V2和儲液器(accumulator)11。

另外，從分油器7延伸的回油管L7連接在冷媒管道L6的吸入壓力調節閥V2與儲液器11之間，其途中設有油冷卻器12。

並且，從冷媒管道L2的檢視窗10與三重管式熱交換器3之間分支出注入管道L8，該注入管道L8與冷媒管道L9的途中連接，而該冷媒管道L9則是從氣液分離器5的上部延伸而與三重管式熱交換器3連接，在前述注入管道L8的途中設有電磁開閉閥V3和流量調節用的毛細管13。另外，從三重管式熱交換器3延伸的冷媒管道L10與冷媒管道L6剛從三重管式熱交換器3延伸出的部分連接。

以下根據第2圖及第3圖說明三重管式熱交換器3的構造及與之相連的冷媒管道L2、L3、L5、L6、L9、L10的連接構造。

如第3圖所示，三重管式熱交換器3如下構成：中心部是沿第3圖的紙面垂直方向配置的圓管狀之第1管14，在該第1管14的外周配置有第2管15，該第2管15的管壁沿圓周方向連續而成為放射狀(花瓣狀)截面，從而變形成凹凸狀，在該第2管15的外周配置有大直徑之圓管狀的第3管16。在第1管14的內部形成內側流道S1，在第2管15的內部形成第1外側流道S2，在第2管15與第3管16之間的空間形成有第2外側流道S3。在本實施形態中，內側流道S1的截面積被設定成比第1及第2外側流道S2、S3之各截面積小。

然後，如第2圖所示，從前述冷凝器2(參照第1圖)延伸的冷媒管道L2與三重管式熱交換器3的第1外側流道S2(參照第3圖)的入口連接，從第1外側流道S2的出口延伸的冷媒管道L3與氣液分離器5連接，在其途中設有前述膨脹閥4。另外，從蒸發器6延伸的冷媒管道L5與三重管式熱交換器3的第2外側流道S3(參照第3圖)的入口連接，且在第2外側流道S3的出口連接冷媒管道L6，且冷媒管道L6連向壓縮機1(參照第1圖)。

而從氣液分離器5延伸的冷媒管道L9與三重管式熱交換器3的內側流道S1(參照第3圖)的入口連接，且在其途中連接從冷媒管道L2分支出的注入管道L8，在該注入管道L8的途中設有前述電磁開閉閥V3和流量調節用的前述毛細管13。並且，從內側流道S1的出口延伸的冷媒管道L10與從第2外側流道S3的出口延伸的冷媒管道L6連接。

以下使用第4圖的莫理耳圖(P-i線圖)說明上述結構的冷凍裝置的作用。

一旦壓縮機1受圖中未示的發動機等動力源的驅動，處於第4圖的a所示狀態(壓力P₁、焓i₁)的氣態冷媒便被壓縮機1壓縮而成為第4圖的b所示狀態(壓力P₂、焓i₂)的高溫高壓的氣態冷媒(壓縮過程)，該氣態冷媒通過冷媒管道L1而被導入冷凝器2。另外，此時的壓縮機1的壓縮動力W(熱量換算)用(i₂-i₁)來表示。

在冷凝器2中，高溫高壓的氣態冷媒向外部空氣散放冷凝熱Q₂而從第4圖中之b→c作狀態變化(相變)，從而液化(冷凝過程)，並且變成第4圖中c所示狀態(壓力P₂、焓i₃)的高壓液態冷媒。而此時的散熱量(冷凝熱)Q₂用(i₂-i₃)來表示。

然後，如上述般在冷凝器2中液化之高壓液態冷媒的一部分通過注入管道L8而被注入冷媒管道L9，但該液態冷媒因通過毛細管13而被減壓，從而發生絕熱膨脹(等焓膨脹)，且成為第4圖中d所示的狀態(壓力P₁、焓i₃)，其中一部分氣化，且與如後述般在氣液分離器5中分離而沿著第2圖的箭頭方向流過冷媒管道L9的處於第4圖中狀態d’(壓力P₁、焓i₃’)的低壓氣態冷媒合流。

另一方面，其餘大部分的高壓液態冷媒則從冷媒管道L2流向三重管式熱交換器3，且在沿著第2圖中箭頭方向在三重管式熱交換器3的第1外側流道S2(參照第3圖)中流動的過程中，由於藉由在冷媒管道L9中流動且在途中與從注入管道L8注入之低壓液態冷媒(一部分正在氣化)合流而沿第2圖中箭頭方向流過三重管式熱交換器3之內側流道S1(參照第3圖)的低壓氣態冷媒、與因在蒸發器6中之蒸發而汽化進而從冷媒管道L5沿第2圖的箭頭方向流過三重管式熱交換器3之第2外側流道S3(參照第3圖)的處於第4圖中之狀態a’(壓力P₁、焓i₁’)的低壓氣態冷媒之間進行的熱交換而被過冷卻。即，從冷凝器2流向膨脹閥4的高壓液態冷媒由於通過三重管式熱交換器3而被過冷卻，從而從第4圖中c→c’的狀態(壓力P₂、焓i₃’)作狀態變化，且以圖中所示的ΔQ₂(=i₃-i₃’)被過冷卻。另外，在三重管式熱交換器3中，如第2圖的箭頭所示，高壓液態冷媒在第1外側流道S2中流動的方向與2個系統的低壓氣態冷媒在內側流道S1和第2外側流道S3中流動的方向互為相反(逆流)。

而在三重管式熱交換器3中被過冷卻的高壓液態冷媒則在通過膨脹閥4時被減壓而作絕熱膨脹(等焓膨脹)(膨脹過程)，並且從第4圖中c’→d’的狀態(壓力P₁、焓i₃’)作狀態變化，其中一部分發生氣化。如此發生部分氣化的冷媒通過冷媒管道L3後導入至氣液分離器5而進行氣液分離，並且低壓氣態冷媒在如上述般從冷媒管道L9流向三重管式熱交換器3的途中與從注入管道L8注入的低壓液態冷媒(一部分正在被氣化)合流，並且合流後的氣態冷媒在流過三重管式熱交換器3的內側流道S1的過程中，被用於對在第1外側流道S2中流動的高壓液態冷媒進行過冷卻。而且流過三重管式熱交換器3的內側通道S1而向冷媒管道10排出的低壓氣態冷媒則如第1圖及第2圖所示般與流過冷媒管道L6的低壓氣態冷媒(以蒸發器6蒸發而在三重管式熱交換器3中提供給高壓液態冷媒進行過冷卻的低壓氣態冷媒)合流。

另外，氣液分離器5內的呈第4圖中狀態d’(壓力P₁、焓i₃’)的低壓液態冷媒通過冷媒管道L4後被導入蒸發器6，且在通過該蒸發器6的過程中從周圍吸取蒸發熱Q₁而從d’→a’(壓力P₁、焓i₁’)作狀態變化而蒸發(蒸發過程)，成為狀態a’的氣態冷媒。而且此時的蒸發熱量(蒸發潛熱)Q₁用(i₁’-i₃’)來表示，但如前所述，由於在蒸汽熱交換器3中按ΔQ₂(=i₃-i₃’)對高壓液態冷媒進行了過冷卻，因此可按該過冷卻的熱量ΔQ₂而相應地增大蒸發熱量Q₁，並且相應地提高冷凍能力。

然後，在蒸發器6中蒸發的低壓氣態冷媒通過冷媒管道L5後供給至三重管式熱交換器3，且在如前述般流過三重管式熱交換器3的第2外側流道S3的過程中，被用於對流過第1外側流道S2的高壓液態冷媒進行過冷卻。而且如此用於對高壓液態冷媒進行過冷卻的低壓氣態冷媒由於與高壓液態冷媒間的熱交換以及與來自冷媒管道L10之氣態冷媒的合流而使溫度上升，且在被吸入壓縮機1的階段，其狀態從第4圖所示的a’→a(壓力P₁、焓i₁)變化，從而以圖示的熱量ΔQ₁(=i₁-i₁’)而被過熱。而且該氣態冷媒被壓縮機1再度壓縮，然後重複與以上同樣的狀態變化(冷凍循環)，而包含在從壓縮機1排出的高壓氣態冷媒中的油則藉由分油器7實現與冷媒的分離，分離後的油從回油管L7返回冷媒管道L6，且在儲液器11中與氣態冷媒混合後被吸引到壓縮機1，用於壓縮機1內各部分的潤滑。

本發明的冷凍裝置反覆進行以上所說明的冷凍循環，並且藉由蒸發器6中隨著低壓液態冷媒的蒸發而產生的吸熱來進行所需的冷凍，根據本發明的冷凍裝置，可得到以下效果。

亦即，藉由在冷凝器2中的冷凝而液化並且流向膨脹閥4的高壓液態冷媒在通過三重管式熱交換器3的第1外側流道S2的過程中，因通過內側流道S1的氣態冷媒(由氣液分離器5分離的氣態冷媒)、與從注入管道L8注入的低壓液態冷媒(一部分正在氣化)、以及通過第2外側流道S3的氣態冷媒(由蒸發器6蒸發的氣態冷媒)之間的熱交換而被有效率地過冷卻，因此其過冷卻產生的熱量使蒸發器6中的蒸發潛熱相應增大，使冷凍能力及性能係數(COP)得以提高。在本實施例中，冷凍裝置的設定溫度到達時間縮短3%，並且如後所述，三重管式熱交換器3的熱交換效率提高30%～70%。

另外，在三重管式熱交換器3中，管壁沿圓周方向連續而成為放射狀截面、從而變形成凹凸狀的第2管15的傳熱面積增大，因此確保了很高的熱交換效率。而且流過第2管內部的第1外側流道S2的高壓液態冷媒與分別流過內側流道S1及第2外側流道S3的2個系統的低壓氣態冷媒之間進行熱交換，從而能夠對流過第1外側流道S2的高壓液態冷媒進行過冷卻，因此流過第1外側流道S2的高壓液態冷媒與流過內側流道S1及第2外側流道S3的2個系統的低壓氣態冷媒間的熱交換量增大，能夠有效地對流過第1外側流道S2的高壓液態冷媒進行過冷卻，從而提高冷凍裝置的冷凍能力。

另外，本發明的冷凍裝置將三重管式熱交換器3的內側流道S1的截面積設定成比第1及第2外側流道S2、S3之各截面積小，因此即使由於負荷變動等導致液態冷媒從氣液分離器5流入三重管式熱交換器3的內側流道S1，也會藉由其液態冷媒與在第1外側流道S2流動的高壓液態冷媒間的熱交換而蒸發，因此能夠防止液態冷媒流入壓縮機1所導致之返液發生。

另外，本發明的冷凍裝置由於在連接氣液分離器5與三重管式熱交換器3之內側通道S1的冷媒管道L9中所注入的液態冷媒蒸發，使提供給三重管式熱交換器3中之高壓冷媒過冷卻用的氣態冷媒(在氣液分離器5中分離後通過內側通道S1的氣態冷媒)的溫度上升得以冷卻，因此能夠不影響膨脹閥4的溫度控制而抑制壓縮機1吸入的氣態冷媒的溫度上升。因此可得到使壓縮機1的排出溫度上升得到抑制，防止了壓縮機1內的油劣化的效果。另外，注入的液態冷媒量會使蒸發器6內的冷媒循環量相應地減少，但伴隨該冷媒循環量減少而來的冷凍能力下降卻能被三重管式熱交換器3中的高壓液態冷媒的有效率過冷卻加以補償。

第5圖中用曲線A、B分別表示與本發明冷凍裝置之三重管式熱交換器及過去的螺旋式熱交換器之冷媒流量相對的氣液熱交換量，將二者加以比較可知，本發明之冷凍裝置的三重管式熱交換器的氣液熱交換量大於過去的螺旋式熱交換器。

另外，下表中顯示出與本發明冷凍裝置之三重管式熱交換器及過去的螺旋式熱交換器的各種冷凍庫內溫度(-20℃、-10℃、0℃、10℃)相對的各氣液熱交換量(W)。

從上表可知，本發明之冷凍裝置的三重管式熱交換器的氣液熱交換量大於過去的螺旋式熱交換器，並且本發明之冷凍裝置的三重管式熱交換器顯著地提高了性能。

另外，在本實施例中，使用膨脹閥作為減壓器，但減壓器也可以使用毛細管或渦流管等其它任意裝置。

1．．．壓縮機

2．．．冷凝器

3．．．三重管式熱交換器

4．．．膨脹閥(減壓器)

5．．．氣液分離器

6．．．蒸發器

7．．．分油器

8．．．接收槽(receiver...tank)

9．．．乾燥器

10．．．檢視窗

11．．．儲液器(accumulator)

12．．．油冷卻器

13．．．毛細管

14．．．第1管

15．．．第2管

16．．．第3管

L1～L6．．．冷媒管道

L7．．．回油管

L8．．．注入管道

L9、L10．．．冷媒管道

S1．．．內側流道

S2．．．第1外側流道

S3．．．第2外側流道

V1．．．電磁開閉閥

V2．．．吸入壓力調節閥(ZSP閥)

V3．．．電磁開閉閥