JP6432964B2 - 冷凍サイクル装置及び熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置を活用する熱交換システムに関するものである。

例えば２０ｋＷ以上の冷却能力を持つ業務用ブレージングプレート式熱交換器（以下「冷凍サイクル装置」と言う。）においては、冷凍サイクル装置の体積及び重量が問題となる。体積及び重量の大きな冷凍サイクル装置は、設置スペースの制約（面積、基礎工事の必要性等）があり、また、１台のみの設置となってしまうことが多いため故障時には復旧に時間がかかり業務を停止せざるを得なくなってしまう。なお、２５ｋＷの冷却能力を持つ従来の冷凍サイクル装置の平均的な体積及び重量は、１２００ｍｍ×２０００ｍｍ×１５００ｍｍのサイズであり、４００ｋｇの重量である。
このため、冷凍サイクル装置の小型化が、例えば特許文献１に示されるように、従来から試みられてきた。

また、従来の冷凍サイクル装置は、蒸発器、凝縮器、圧縮器、膨張弁、サブクーラ・スーパーヒータ、その他の部材（例えばオイルレシーバ）が分離されそれらの間の配管が必要である。部品数が多くなり、設置に当たり多くの配管を溶接しなければならない。
特許文献２には、２以上の媒体を利用できる（すなわち、蒸発器と凝縮器を兼用できる。）熱交換機用パッケージが開示されている。これによれば部品数（配管数）を減少させることができる。しかし、冷凍サイクル装置の小型化の効果が十分に得られるものではない。

以上のとおり、２０ｋＷ以上の冷却能力を持つ業務用冷凍サイクル装置であって、１０００ｍｍ角の立方体に収容でき、２００ｋｇ以下となるように小型化され、かつ、部品数を少なくしたものは、知られていなかった。

冷凍サイクル装置の故障時には、業務を停止させないですむことが好ましい。しかし、上述のとおり、代替機を設置するスペースの問題と、設置にかかる手間の問題とがあり、冷凍サイクル装置の故障時に業務を停止させないですむ熱交換システムは、知られていなかった。

特開平０５−０１８６３４号公報 米国特許６，５６４，８６２号公報

解決しようとする課題は、小型化され部品数の少ない冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の故障時に業務を停止させないですむ熱交換システムを提供することである。

本発明の冷凍サイクル装置は、
蒸発器と、凝縮器と、圧縮器と、膨張弁とを含む冷凍サイクル装置であって、
前記蒸発器と前記凝縮器とを含み一体成型された蒸発凝縮ユニットを備え、
前記蒸発凝縮ユニットは、前記凝縮器内を流れた高圧冷媒から前記蒸発器内を流れた低圧冷媒へ熱を移動させる熱移動機構を備えることを特徴とする。

蒸発凝縮ユニットは、蒸発器及び凝縮器を一体化したものであり、さらに、熱移動機構によってサブクーラ・スーパーヒータの機能をも備える。蒸発凝縮ユニット、圧縮器及び膨張弁によって冷凍サイクル装置を構成することができ、部品数が少なく、小型化が可能なものとなる。

本発明の冷凍サイクル装置は、 前記高圧冷媒を前記凝縮器から前記蒸発凝縮ユニット外に移動する第一の流路と、
前記低圧冷媒を前記蒸発器から前記蒸発凝縮ユニット外に移動する第二の流路とを備え、
前記熱移動機構は前記第一の流路と前記第二の流路とが接するものであることを特徴とする。

高圧冷媒から低圧冷媒へ熱を移動させるにあたり、高圧冷媒が低圧冷媒よりも高温であるので、高圧冷媒の流路と低圧冷媒の流路が接することで熱移動を実現する。

本発明の冷凍サイクル装置は、
前記凝縮器内においては前記高圧冷媒を上から下に流し、
前記第一の流路は、前記凝縮器から前記高圧冷媒を下から上に流すように前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた境界部と、前記境界部の上端から前記高圧冷媒を前記蒸発凝縮ユニット外の前記蒸発器側に流す第一の排出部とを備え、
前記蒸発器内においては前記低圧冷媒を下から上に流し、
前記第二の流路は、前記蒸発器の上端から前記低圧冷媒を前記蒸発凝縮ユニット外の前記凝縮器側に流す第二の排出部とを備え、
前記蒸発凝縮ユニットの上部において前記第一の排出部と前記第二の排出部とが接するものであることを特徴とする。

蒸発凝縮ユニットの具体的な構成の形態を与えるものである。かかる形態の優位性については、実施例で詳述する。

本発明の冷凍サイクル装置は、
前記蒸発器内において前記低圧冷媒が液体であることを特徴とする。

小型化のためには、蒸発器及び凝縮器も小型になる。冷媒の単位体積当たりの熱交換量は冷媒が気体でなく液体であるほうが高くなる。高圧冷媒は液体であるが、低圧冷媒は液体の場合も気体の場合もあり得る。そこで、低圧冷媒を液体として冷媒の単位体積当たりの熱交換量を高め、蒸発器を小型化する。

本発明の冷凍サイクル装置は、
前記蒸発器内においては前記低圧冷媒を下から上に流し、
前記蒸発器への前記低圧冷媒の流入方向と逆の方向にオイルを吸引するオイル戻り機構を前記蒸発器の下部に備えることを特徴とする。

冷媒は、熱交換を行う主成分の他に、オイルを含んでいる。蒸発器においては、主成分が蒸発し（又は液体として高温化され）オイルが残留する。残留したオイルを吸引して蒸発器から除去する。

本発明の冷凍サイクル装置は、
前記オイル戻り機構に吸引されたオイルを前記低圧冷媒と合わせて前記蒸発器内に噴霧する低圧冷媒流入器を備えることを特徴とする。

吸引されたオイルは、低圧冷媒に含有されていたものであり、低圧冷媒に戻すことが好ましい。また、これによればオイルレシーバが不要となり、冷凍サイクル装置の部品数を少なくすることができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、
５００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの直方体空間に収容でき、 重量が２００ｋｇ以下であることを特徴とする。

上述のとおりの実装によれば、５００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの直方体空間に収容でき、重量が２００ｋｇ以下とすることが可能である。

本発明の熱交換システムは、
冷凍サイクル装置を２台以上備えることを特徴とする。

小型・軽量の冷凍サイクル装置であり、２台以上を備えることが容易である。故障の場合の代替機を備えることもできる。

本発明の熱交換システムは、
備える冷凍サイクル装置として稼動用冷凍サイクル装置及び予備用冷凍サイクル装置を含み、
前記稼動用冷凍サイクル装置の稼動状態を監視し、以上が発見された場合には該稼動用冷凍サイクル装置の稼動を中止し予備用冷凍サイクル装置を稼動用冷凍サイクル装置とする監視機構を備えることを特徴とする。

故障の場合の代替機となる予備用冷凍サイクル装置を活用し、冷凍サイクル装置の故障時に業務を停止させないですむ。

小型化され部品数の少ない冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の故障時に業務を停止させないですむ熱交換システムを提供することができる。

図１は、冷凍サイクル装置を示す図である。 図２は、蒸発凝縮ユニットを示す図である。 図３は、熱移動機構を示す図である。 図４は、熱効率を説明する図である。 図５は、蒸発器の下部を示す図である。 図６は、圧縮器、蒸発凝縮ユニット及び冷凍サイクル装置を示す図である。 図７は、熱交換システムを示す図である。

図１は、冷凍サイクル装置を示す図である。冷凍サイクル装置１には、蒸発凝縮ユニット２、圧縮器３及び膨張弁４が備えられている。蒸発凝縮ユニット２には、温水用パイプ５１及び冷水用パイプ５２が接続されている。

図２は、蒸発凝縮ユニットを示す図である。蒸発凝縮ユニット２は、凝縮器２１及び蒸発器２２を備えている。

凝縮器２１は、温水用のパイプ５１が図において矢印で示す方向の水流で接続されている。凝縮器２１には高圧冷媒流入口２１ａが設けられ、圧縮器３から高圧冷媒流入口２１ａに流入された高圧冷媒は、凝縮器２１を通過した後、第一の流路２３（境界部２３ａ及び第一の排出部２３ｂ）を経て、高圧冷媒流出口２１ｂから流出し、膨張弁４に送られる。

蒸発器２２は、冷水用のパイプ５２が図において矢印で示す方向の水流で接続されている。蒸発器２２には低圧冷媒流入口２２ａが設けられ、膨張弁４から低圧冷媒流入口２２ａに流入された低圧冷媒は、蒸発器２２を通過した後、第二の流路（第二の排出部）２４を経て、低圧冷媒流出口２２ｂから流出し、圧縮器３に送られる。

第一の排出部２３ｂと第二の排出部２４とは、熱移動機構２５において接触している。図３は、熱移動機構を示す図である。第一の排出部２３ｂと第二の排出部２４とが積層され、第一の排出部２３ｂ内の高圧冷媒（比較的高温）から第二の排出部２４内の低圧冷媒（比較的低温）に熱が移動する。第二の排出部２４は、一側が蒸発器２２に、他側が低圧冷媒流出口２２ｂに接続されている。第一の排出部２３ｂは、一側が境界部２３ａに、他側が高圧冷媒流出口２１ｂに接続されている。（図において、境界部２３ａ及び高圧冷媒流出口２１ｂは図の手前側及び奥側に存在する。）

図４は、熱効率を説明する図である。図は、縦軸に圧力、横軸に比エンタルピ（冷媒の単位重量当たりエンタルピ）をとって冷媒の状態変化を表すもので、いわゆる「モリエル線図」である。熱移動機構２５がない場合の線を実線で示す。熱効率（冷凍サイクル装置の冷却能力）は、図におけるｈの大きさによって表される。
熱移動機構２５において、高圧冷媒が冷却されるので、膨張弁４に流入する高圧冷媒の温度（エンタルピ）が下がり、膨張弁４に相当する線が図の点線の位置に移動する。すなわち、ｈの値が大きくなり、熱効率が向上する。かかる熱効率の向上は、熱移動機構２５において外部のエネルギを使用せずに実現されている。熱移動機構２５はサブクーラ・スーパーヒータとして機能する。

また、低圧冷媒については、熱移動機構２５によって与熱されるので、かかる与熱の前の蒸発器２２内においては比較的低温の液体の状態を保つことが可能である。液体の冷媒は単位体積当たりの冷却効果が高い。すなわち、蒸発器２２（蒸発凝縮ユニット２）を小型化することができる。

再び図２に基づいて説明する。蒸発器２２の下部の低圧冷媒流入口２２ａの近傍にオイル戻り機構２６が設けられている。オイル戻り機構２６は、蒸発器２２の下部のオイルを吸引するものである。冷媒には品質保持のためにオイルが混入されているが、蒸発器２（又は熱移動機構２５）において冷媒が蒸発してもオイルは蒸発せず、オイルが蒸発器２２内に残留する。かかるオイルを吸引するものである。

従来は、吸引したオイルを収容するオイルレシーバが用いられていた。しかし、オイルは元々冷媒に混入されたものであり、再び冷媒内に戻すことが好ましい。そこで、オイル戻り機構２６によって吸引されたオイルを噴霧器４１に送り、膨張弁４を経た冷媒と共に蒸発器２２内は噴霧する。噴霧された冷媒（及びオイル）は蒸発器２２内で液体となる。

図５は、蒸発器の下部を示す図である。（Ａ）のとおり、低圧冷媒流入口２２ａの下方にオイル戻り機構２６が設けられている。低圧冷媒流入口２２ａから流入された低圧冷媒は、低圧冷媒流路２２ｂに送られる。冷水流路２２ｃが低圧冷媒流路２２ｂと積層されており、冷水が低圧冷媒によって冷却される。

（Ｂ）に、オイル戻り機構２６がない場合の低圧冷媒の流れを示す。低圧冷媒流入口２２ａから流入された低圧冷媒は流入時の慣性によって低圧冷媒流入口２２ａと反対側に流れ、冷媒６は図に曲線で示したように奥側に偏ってしまう。そこで、従来は（Ｃ）に示すようにディストリビュータ２２ｄを設け、低圧冷媒の圧力を均一化して低圧冷媒流路２２ｂの各々にほぼ等量の低圧冷媒が送られるようにしていた。

オイル戻り機構２６がオイルを吸引するものであるので、低圧冷媒流入口２２ａに流入する冷媒の流速と、オイル戻り機構２６の吸引力とを調整して、蒸発器２２の下部において流入時の慣性を打ち消して低圧冷媒流路２２ｂの各々にほぼ等量の低圧冷媒が送られるようにすることができる、すなわち、ディストリビュータ２２ｄが不要となる。このためには、低圧冷媒流入口２２ａとオイル戻り機構２６とが逆方向であること、すなわち低圧冷媒の流入方向と逆の方向にオイル戻り機構２６による吸引が行われること、が必要である。

図６は、圧縮器、蒸発凝縮ユニット及び冷凍サイクル装置を示す図である。（Ａ）に圧縮機３及び蒸発凝縮ユニット２を示す。蒸発凝縮ユニット２は、圧縮機３に対抗する面を示している。高圧冷媒流入口２１ａ、高圧冷媒流出口２１ｂ、低圧冷媒流入口２２ａ、低圧冷媒流出口２２ｂ及びオイル戻り機構２６が示されている。高圧冷媒流入口２１ａ、高圧冷媒流出口２１ｂ、低圧冷媒流入口２２ａ及び低圧冷媒流出口２２ｂについては、気体流路が液体流路よりも大きな径となっている。なお、温水流路５１及び冷水流路５２への接続口は、反対側（図における裏側）に設けられている。

（Ｂ）に熱交換機１を示す。図の手前側に圧縮機３が、奥側に蒸発凝縮ユニット２が設けられている。温水流路５１及び冷水流路５２への接続口は図の奥側の面にあり、配管が容易に接続可能である。

出願人は、（Ｂ）に示す熱交換機を試作し、２５ｋＷの冷却能力を持つものを、４００ｍｍ×７００ｍｍ×７００ｍｍのサイズ、１６０ｋｇの質量とすることができた。５００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの直方体空間に収容でき、重量が２００ｋｇ以下である。

図７は、熱交換システムを示す図である。４台の図６（Ｂ）に示す冷凍サイクル装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄ）が、ラック７に裁置されている。熱交換対象水を流すパイプ５（温水流路５１及び冷水流路５２のそれぞれに２本、合計４本のパイプを表す。）が分岐され、パイプ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄが、冷凍サイクル装置１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄにそれぞれ接続されている。パイプ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄ（のうち温水流入路及び冷水流入路）には、監視機構９に制御される電磁弁８ａ、８ｂ、８ｃ及び８ｄが設けられている。監視機構９は、冷凍サイクル装置１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄのそれぞれについて、運転・停止を制御し稼働状況を把握するための信号線に接続されている。

２５ｋＷの冷却能力を持つ冷凍サイクル装置３台を稼動させて、７５ｋＷの冷却能力を持つ熱交換システムとする。電磁弁８ａ、８ｂ及び８ｃを開き、８ｄを閉じる。冷凍サイクル装置１ａ、１ｂ及び１ｃを稼動させ、１ｄを停止させる。冷凍サイクル装置１ａ、１ｂ及び１ｃが稼動用冷凍サイクル装置、冷凍サイクル装置１ｄが予備用冷凍サイクル装置となる。

冷凍サイクル装置１ａが正常に稼動していないことが、信号線によって把握されたとする。監視機構９は、電磁弁８ａを閉じて冷凍サイクル装置１ａを停止させ、電磁弁８ｄを開いて冷凍サイクル装置１ｄを稼動させる。冷凍サイクル装置１ａが故障しても、予備用冷凍サイクル装置１ｄを活用して、７５ｋＷの冷却能力を持つ熱交換システムの稼動が継続する。故障した冷凍サイクル装置１ａは、修理又は交換することができる。

４台の冷凍サイクル装置の全体としての体積及び重量は、２５ｋＷの冷却能力を持つ従来の冷凍サイクル装置１台よりも小さい。この体積及び重量で、７５ｋＷの冷却能力を持つ熱交換システムであり、稼動用冷凍サイクル装置が故障しても予備用冷凍サイクル装置によって運転を継続できるものが提供される。

以上、３台の稼動用冷凍サイクル装置と１台の予備用冷凍サイクル装置を用いる例を説明した。稼動用冷凍サイクル装置及び予備用冷凍サイクル装置の台数は、適宜に設定することができる。

小型化され部品数の少ない冷凍サイクル装置、及び冷凍サイクル装置の故障時に業務を停止させないですむ熱交換システムであり、多くの企業による利用が考えられる。

１ 冷凍サイクル装置
２ 蒸発凝縮ユニット
２１ 凝縮器
２２ 蒸発器
２３ 第一の流路
２４ 第二の流路
２５ 熱移動機構
３ 圧縮器
４ 膨張弁
５ パイプ
６ 冷媒
７ ラック
８ 電磁弁
９ 監視機構

Claims (7)

1. 蒸発器と、凝縮器と、圧縮器と、膨張弁とを含む冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器と前記凝縮器とを含み一体成型された蒸発凝縮ユニットと、
   高圧冷媒を前記凝縮器から前記蒸発凝縮ユニット外に移動する第一の流路と、
   低圧冷媒を前記蒸発器から前記蒸発凝縮ユニット外に移動する第二の流路とを備え、
   前記蒸発凝縮ユニットは、前記凝縮器内を流れた高圧冷媒から前記蒸発器内を流れた低圧冷媒へ熱を移動させる熱移動機構を備え、
   前記熱移動機構は前記第一の流路と前記第二の流路とが接するものであり、
   前記凝縮器内においては前記高圧冷媒を上から下に流し、
   前記第一の流路は、前記凝縮器から前記高圧冷媒を下から上に流すように前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた境界部と、前記境界部の上端から前記高圧冷媒を前記蒸発凝縮ユニット外の前記蒸発器側に流す第一の排出部とを備え、
   前記蒸発器内においては前記低圧冷媒を下から上に流し、
   前記第二の流路は、前記蒸発器の上端から前記低圧冷媒を前記蒸発凝縮ユニット外の前記凝縮器側に流す第二の排出部とを備え、
   前記蒸発凝縮ユニットの上部において前記第一の排出部と前記第二の排出部とが接するものであることを特徴とする、冷凍サイクル装置。
2. 前記蒸発器内において前記低圧冷媒が液体であることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記蒸発器内においては前記低圧冷媒を下から上に流し、
   前記蒸発器への前記低圧冷媒の流入方向と逆の方向にオイルを吸引するオイル戻り機構を前記蒸発器の下部に備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記オイル戻り機構に吸引されたオイルを前記低圧冷媒と合わせて前記蒸発器内に噴霧する低圧冷媒流入器を備えることを特徴とする、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. ５００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの直方体空間に収容でき、
   重量が２００ｋｇ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置を２台以上備えることを特徴とする、熱交換システム。
7. 備える冷凍サイクル装置として稼動用冷凍サイクル装置及び予備用冷凍サイクル装置を含み、
   前記稼動用冷凍サイクル装置の稼動状態を監視し、異常が発見された場合には該稼動用冷凍サイクル装置の稼動を中止し予備用冷凍サイクル装置を稼動用冷凍サイクル装置とする監視機構を備えることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換システム。