| 【発明の名称】 |
蒸発器及びこれを有する冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】大津 亨
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| 【要約】 |
【課題】冷凍機の起動時における蒸発器の冷水出口部分での過冷却解除という有害な現象を生起することなく冷凍機の円滑な起動に資することができる蒸発器を提供することを目的とする。
【解決手段】蒸発器２４で熱交換する冷水の出口側の管板２９の内側面に下方が開口する半密閉のチャンバ３４を設け、このチャンバ３４内に高温の冷媒ガスを供給して管板２９の内側面を加熱するようにしたものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内側面を高温の冷媒ガスで加熱するようにしたことを特徴とする蒸発器。
【請求項２】 〔請求項１〕に記載する蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面に下方が開口する半密閉のチャンバを設け、このチャンバ内に高温の冷媒ガスを供給するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項３】 〔請求項１〕に記載する蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面の上下方向に分散させて多数のヘッダ管を配設し、このヘッダ管を介し管板の内側面に向けて高温の冷媒ガスを噴射するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項４】 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の冷媒ガスを蒸発器の内部に排出するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項５】 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に通路を設けこの通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項６】 〔請求項１〕乃至〔請求項５〕に記載する何れか１つの蒸発器において、高温の冷媒ガスは、冷凍機の凝縮器から蒸発器に直接高温の冷媒ガスを供給するホットガスバイパス管路から分岐する分岐管路を介して供給するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項７】 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に圧縮機の潤滑系統の潤滑油を流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の潤滑油を当該潤滑油の油タンクに戻すように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項８】 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に電気ヒータを配設し、この電気ヒータに通電して管板を加熱するように構成したことを特徴とする蒸発器。
【請求項９】 圧縮機、凝縮器及び膨張弁とともに冷凍サイクルを形成する冷凍機の蒸発器として〔請求項１〕乃至〔請求項８〕に記載する何れか１つの蒸発器を有することを特徴とする冷凍機。
【請求項１０】 上記〔請求項９〕に記載する冷凍機をダイナミック氷蓄熱システムの冷凍機として有することを特徴とするダイナミック氷蓄熱システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸発器及びこれを有する冷凍機に関し、特に過冷却水を作る冷媒スプレー式シェル・アンド・チューブ形の蒸発器に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】夜間余剰電力の有効利用を図るシステムの一種としてダイナミック氷蓄熱システムが提案されている。このシステムは、夜間電力を使い冷水を冷凍機で−１．０℃〜−３．０℃程度まで過冷却し、このようにしてできた過冷却水に衝撃を与えてシャーベット状の氷に変化させることによりこのシャーベット状の氷を氷蓄熱槽に蓄熱するとともに、このようにしてできた氷を解氷して昼間の空調運転に使用するシステムである。
【０００３】図５は上記ダイナミック氷蓄熱システムに適用する冷凍機の一例を示す系統図である。同図に示すように、圧縮機１で圧縮して得る冷媒ガスは凝縮器２で凝縮して冷媒液となり、膨張弁３を介して蒸発器４に至る。冷媒液はこの蒸発器４で冷水と熱交換することにより蒸発して圧縮機１に戻る。上記ダイナミック氷蓄熱システムにおいては蒸発器４が過冷却水を作る過冷却器として機能する。すなわち、蒸発器４はその入口側から供給される０．８℃〜０℃程度の冷水を冷却し、その出口側から−１．０℃〜−３．０℃程度の過冷却水として氷蓄熱槽（図示せず。）に向けて排出する。ここで蒸発器４は一般に、冷媒スプレー式シェル・アンド・チューブ形のものが用いられる。この冷媒スプレー式シェル・アンド・チューブ形の蒸発器４は、冷水を流通させるように円筒状のシェル５内にその軸方向に亘り水平に配設された多数の伝熱管６と、各伝熱管６に向けて冷媒液を噴霧するようにシェル５内の上部に配設したスプレー７とを有しており、冷媒ポンプ８で汲み上げた冷媒液をスプレー７で伝熱管６に向けて噴霧することにより伝熱管６を流通する冷水を冷却するように構成してある。伝熱管６に向けて噴霧した冷媒液はシェル５の下面に固着した液溜め９に貯溜され、冷媒ポンプ８に汲み上げられて循環する。
【０００４】かかるダイナミック氷蓄熱システムに適用する冷凍機は、その運転を停止した場合でも、冷水は、通常継続して循環させている。冷水の循環を停止させた場合には、冷水が流通する管路に対する外部からの衝撃等、何らかの原因で冷水が氷結する虞があるからである。一方、冷水の循環管路の途中で入熱があった場合には、蒸発器４内の冷媒ガスが凝縮し、これが冷媒液の液膜となって蒸発器４の管板の内側面に付着する。図７は蒸発器４の管板をその近傍部分とともに示す縦断面である。同図に示すように、管板１０はシェル５の両端部を塞ぐ部材であり、これを貫通する伝熱管６を支持している。この管板１０の外側には蓋１１で仕切る水室１２が形成してあり、この水室１２を介して冷水が流入又は流出するようになっている。なお、伝熱管６の上方には多数のスプレー７が配設してあり、各スプレー７を介して冷媒液が伝熱管６に噴霧される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の如き冷凍機において、停止後、再起動する際、当該冷凍サイクルの全体が平衡して定常状態になる前の過渡状態においては、冷凍機の停止期間に凝縮して管板１０に付着した冷媒液が先に蒸発してしまい、これに伴う気化熱を管板１０から奪う。この結果、管板１０が局部的に冷却されて、特に冷水の出口側の管板１０に固着された伝熱管６を流通する冷水を過剰に冷却してしまい、この部分で過冷却解除が発生する。すなわち、冷却水が氷結する。
【０００６】本願発明は、上記従来技術に鑑み、冷凍機の起動時における蒸発器の冷水出口部分での過冷却解除という有害な現象を生起することなく冷凍機の円滑な起動に資することができる蒸発器及びこれを有する冷凍機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００８】１） 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内側面を高温の冷媒ガスで加熱するようにしたこと。本発明によれば、冷凍機の停止中に上記管板の内側面に付着する冷媒液膜が起動時に蒸発して管板の温度が低下するのを防止することができる。
【０００９】２） 上記１）に記載する蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面に下方が開口する半密閉のチャンバを設け、このチャンバ内に高温の冷媒ガスを供給するように構成したこと。本発明によれば、チャンバ内が高温になることにより、上記管板の内側面を加熱する。
【００１０】３） 上記１）に記載する蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面の上下方向に分散させて多数のヘッダ管を配設し、このヘッダ管を介し管板の内側面に向けて高温の冷媒ガスを噴射するように構成したこと。本発明によれば、管板の内側面に噴射する冷媒ガスによりこの管板を加熱することができるばかりでなく、この管板の内側面に付着する冷媒液を吹き飛ばすこともできる。
【００１１】４） 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の冷媒ガスを蒸発器の内部に排出するように構成したこと。本発明によれば、管板を冷媒ガスで加熱することができる。
【００１２】５） 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に通路を設けこの通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するように構成したこと。本発明によれば、通路を流通する冷媒ガスで管路は加熱される。
【００１３】６） 上記１）乃至上記５）に記載する何れか１つの蒸発器において、高温の冷媒ガスは、冷凍機の凝縮器から蒸発器に直接高温の冷媒ガスを供給するホットガスバイパス管路から分岐する分岐管路を介して供給するように構成したこと。本発明によれば、ホットガスバイパス管路及び分岐管路を介して高温の冷媒ガスを凝縮器から直接供給することができる。
【００１４】７） 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に圧縮機の潤滑系統の潤滑油を流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の潤滑油を当該潤滑油の油タンクに戻すように構成したこと。本発明によれば、熱容量が大きい潤滑油を加熱源として管板を加熱することができる。
【００１５】８） 蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に電気ヒータを配設し、この電気ヒータに通電して管板を加熱するように構成したこと。本発明によれば、電気ヒータに通電することにより、この発熱で管板を加熱することができる。
【００１６】９） 圧縮機、凝縮器及び膨張弁とともに冷凍サイクルを形成する冷凍機の蒸発器として上記１）乃至上記８）に記載する何れか１つの蒸発器を有すること。本発明によれば、冷凍機の起動時の過渡状態における蒸発器の管板の内側に付着する冷媒液膜の蒸発による、当該管板の異常な温度低下を防止することができる。
【００１７】１０） 上記９）に記載する冷凍機をダイナミック氷蓄熱システムの冷凍機として有すること。本発明によれば、冷凍機の起動時の過渡状態における蒸発器の管板の内側に付着する冷媒液膜の蒸発による、当該管板の異常な温度低下を防止することができるので、管板の過冷却による冷水の過冷却解除という有害な現象を生起することはない。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】図１は本発明の実施の形態に係る蒸発器を、これを有する冷凍機とともに示し、同時に当該冷凍機をダイナミック氷蓄熱システムの冷凍機として用いた場合の態様を示す系統図である。本形態に係る冷凍機としてはターボ冷凍機又はスクリュー冷凍機が好適であり、また蒸発器としてはスプレー式シェルアンドチューブ形のものが好適である。
【００２０】図１に示すように、圧縮機２１で圧縮して得る冷媒ガスは凝縮器２２で凝縮して冷媒液となり、膨張弁２３を介して蒸発器２４に至る。冷媒液はこの蒸発器２４で冷水と熱交換することにより蒸発して圧縮機２１に戻る。当該ダイナミック氷蓄熱システムにおいては蒸発器２４が過冷却水を作る過冷却器として機能する。すなわち、蒸発器２４はその入口側から供給される０．８℃〜０℃程度の冷水を冷却し、その出口側から−１．０℃〜−３．０℃程度の過冷却水として氷蓄熱槽２５に向けて排出する。氷蓄熱槽２５に向かって流入する過冷却水は、この氷蓄熱槽２５の上方で衝突板２６に衝突し、このときの衝撃により氷結し、シャーベット状の氷として貯溜される。氷蓄熱槽２５の冷水はポンプ２７で汲み上げて蒸発器２４に供給する。かくして、冷凍機の蒸発器２４を介して氷蓄熱槽２５との間で冷水の循環経路が形成される。
【００２１】蒸発器２４の管板２８、２９のうち下流側の管板２９には、起動後の一定時間その内側面に高温の冷媒ガスを供給するように構成してある。この場合の、高温の冷媒ガスは、その供給方法に特別な制限はないが、本形態ではホットガスバイパス管路３０の途中から分岐する分岐管路３１を介して供給するようになっている。ここで、ホットガスバイパス管路３０とは、凝縮器２２と蒸発器２４とを直接連通する管路で、開閉弁３２により開閉することができるようになっており、開閉弁３２が開状態のときには、凝縮器２２の高温・高圧の冷媒ガスを直接蒸発器２４に供給することができるようにしたものである。このことにより軽負荷時の円滑な運転が保証される。すなわち、ホットガスバイパス管路３０を介した冷媒ガスは、冷凍機としての仕事に寄与するものではないが、この冷媒ガスも含めて圧縮機２１の負荷としてやることにより圧縮機２１のサージング（圧縮機２１が吸入する冷媒ガス量の不足により生起され、圧縮動作が間欠的になる現象）を防止することができる。分岐管路３１にも開閉弁３３が設けてあり、この開閉弁３３の操作により高温の冷媒ガスを管板２９に供給する。具体的には、例えば図２及び図３の実施例に示す通りである。なお、図２及び図３中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】図２は第１の実施例に係る管板２９及びその近傍部分を抽出して示す縦断面図である。同図に示すように、本実施例は、管板２９の内側に半密閉の空間を形成するチャンバ３４を設け、このチャンバ３４の下方に臨む分岐管路３１の開口３１ａを介してこのチャンバ３４内に高温の冷媒ガスを供給するようにしたものである。ここで、チャンバ３４は伝熱管３５を取り囲んでその内側に半密閉の空間を形成するとともに下方が開口する筒状の部材として形成してある。なお、図２中、３６は円筒状のシェル、３７は蓋で、管板２９の外側に固着され、その内部の空間で水室３８を形成している。
【００２３】かかる実施例によれば、分岐管路３１を介してチャンバ３４内に高温の冷媒ガスを供給することにより、チャンバ３４内に高温の冷媒ガスが閉じ込められる結果、この冷媒ガスで管板２９の内側面を加熱することができる。したっがって、当該冷凍機の起動後の一定時間、開閉弁３３を開いて高温の冷媒ガスを供給することにより、管板２９の内側面に付着する冷媒液の液膜の蒸発に伴う気化熱により管板２９の温度が低下するのを防止することができる。
【００２４】図３は第２の実施例に係る管板２９及びその近傍部分を抽出して示す縦断面図である。同図に示すように、本実施例は、当該蒸発器２４の内部に導入した分岐管路３１に上下方向に分散して複数のヘッダ管３９を設け、このヘッダ管３９を介して高温の冷媒ガスを管板２９の内側面に向けて噴射するように構成したものである。なお、図中、図２と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２５】かかる実施例によれば、分岐管路３１のヘッダ管３９を介して管板２９の内側面に高温の冷媒ガスを噴射することにより、この冷媒ガスが管板２９の内側面に当たって管板２９を加熱すると同時に管板２９の内側面に付着する冷媒液の液膜を吹き飛ばすことができる。したっがって、図２に示す実施例の場合と同様に、当該冷凍機の起動後の一定時間、開閉弁３３を開いて高温の冷媒ガスを供給することにより、管板２９の温度が低下するのを防止することができるばかりでなく、管板２９に付着する冷媒液の液膜自体を吹き飛ばすことができるので、当該液膜の蒸発に伴う管板２９の温度低下をより確実に防止することができる。
【００２６】図２及び図３に示す実施例は、管板２９の内側面を加熱するものであるが、必ずしもこれらに限定するものではない。他に図４乃至図５に示す実施例が考えられる。
【００２７】図４は第３の実施例に係る管板２９及びその近傍部分を抽出して示す縦断面図である。同図に示すように、本実施例は、管板２９の内部に高温の冷媒ガスを流す通路４０を形成したものである。この通路４０に図２及び図３の場合と同様に、分岐管路３１から高温の冷媒ガスを供給してこの管板２９を加熱し、その後開口部４０ａを介して蒸発器２４の下部でその内部に臨むようにしたものである。なお、図４中図１乃至図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】かかる実施例によれば、分岐管路３１を介して通路４０に高温の冷媒ガスを流通させることにより管板２９を加熱することができるので、当該冷凍機の起動後の一定時間、開閉弁３３を開いて通路４０に高温の冷媒ガスを流通させることにより、管板２９の内側面に付着する冷媒液の液膜の蒸発に伴う気化熱による管板２９の温度の低下を防止することができる。
【００２９】なお、図４に示す第３の実施例において、通路４０には潤滑油を供給するようにしても良い。すなわち、ターボ冷凍機及びスクリュー冷凍機ではその圧縮機に回転部分を有するので、その軸受部分の潤滑を行う潤滑系が必要になるが、この潤滑には、一般に潤滑油が用いられる。そして、この潤滑油には当該冷凍機の冷媒と相溶性の良いものを用いている。このため、潤滑油は所定の高温（６０℃程度）に保持しなければならない。潤滑油の温度が低下すると冷媒が溶け込んで潤滑油としての所定の粘性を有しなくなるからである。そこで、分岐管路３１を、この潤滑油を潤滑させるための油ポンプ（図示せず。）の吐出口から分岐する管路として形成することにより、この分岐管路３１を介して通路４０に高温の潤滑油を供給することができる。この場合には通路４０の開口部４０ａを潤滑油を貯溜する油タンク（図示せず。）に連通させて油タンクに戻すように構成する。
【００３０】図５は第４の実施例に係る管板２９及びその近傍部分を抽出して示す縦断面図である。同図に示すように、本実施例は、管板２９の外側面に通路４１を形成してこの通路４１の内部に高温の冷媒ガスを流すようにしたものである。すなわち、通路４１には、分岐管路３１から高温の冷媒ガスを供給してこの管板２９を加熱し、その後開口部４１ａを介して蒸発器２４の下部でその内部に臨むようにしたものである。なお、図５中図１乃至図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３１】かかる実施例によれば、分岐管路３１を介して通路４１に高温の冷媒ガスを流通させることにより管板２９を加熱することができるので、当該冷凍機の起動後の一定時間、開閉弁３３を開いて通路４１に高温の冷媒ガスを流通させることにより、管板２９の内側面に付着する冷媒液の液膜の蒸発に伴う気化熱による管板２９の温度の低下を防止することができる。
【００３２】なお、図５に示す第４の実施例において、通路４１の代わりに電気ヒータを設けても良い。この場合にも第４の実施例と同様に、管板２９を外側から加熱することができ、この加熱によっても第４の実施例と同様の作用を得る。
【００３３】
【発明の効果】以上実施の形態とともに詳細に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内面を高温の冷媒ガスで加熱するようにしたので、冷凍機の停止中に上記管板の内側面に付着する冷媒液膜が起動時に蒸発して管板の温度が低下するのを防止することができる。この結果、本発明によれば、冷水の過冷却を防止することができる。
【００３４】〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する発明蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面に下方が開口する半密閉のチャンバを設け、このチャンバ内に高温の冷媒ガスを供給するように構成したので、チャンバ内が高温になることにより、上記管板の内側面を加熱する。この結果、本発明によれば、起動時の過渡状態において、管板に付着する冷媒液が蒸発しても管板の温度が低下するのを防止することができ、冷水の過冷却を防止することができる。
【００３５】〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する蒸発器において、冷水の出口側の管板の内側面の上下方向に分散させて多数のヘッダ管を配設し、このヘッダ管を介し管板の内側面に向けて高温の冷媒ガスを噴射するように構成したので、管板の内側面に噴射する冷媒ガスによりこの管板を加熱することができるばかりでなく、この管板の内側面に付着する冷媒液を吹き飛ばすこともできる。この結果、本発明によれば、管板の温度低下を最も確実に防止することができる。
【００３６】〔請求項４〕に記載する発明は、蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の冷媒ガスを蒸発器の内部に排出するように構成したので、管板を冷媒ガスで加熱することができる。この結果、本発明によれば、冷水の過冷却を防止することができる。
【００３７】〔請求項５〕に記載する発明は、蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に通路を設けこの通路に高温の冷媒ガスを流通させてこの管板を加熱するように構成したので、通路を流通する冷媒ガスで管路は加熱される。この結果、本発明によれば、冷水の過冷却を防止することができる。
【００３８】〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項５〕に記載する何れか１つの蒸発器において、高温の冷媒ガスは、冷凍機の凝縮器から蒸発器に直接高温の冷媒ガスを供給するホットガスバイパス管路から分岐する分岐管路を介して供給するように構成したので、ホットガスバイパス管路及び分岐管路を介して高温の冷媒ガスを凝縮器から直接供給することができる。この結果、本発明によれば管板の加熱媒体を、簡単な構成で、供給することができる。
【００３９】〔請求項７〕に記載する発明は、蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の内部に通路を設け、この通路に圧縮機の潤滑系統の潤滑油を流通させてこの管板を加熱するとともに加熱後の潤滑油を当該潤滑油の油タンクに戻すように構成したので、熱容量が大きい潤滑油を加熱源として管板を加熱することができる。この結果、効率の良い管板の加熱を行うことができる。
【００４０】〔請求項８〕に記載する発明は、蒸発器の両端部の管板の内、この蒸発器で熱交換する冷水の出口側の管板の水室に臨む外側面に電気ヒータを配設し、この電気ヒータに通電して管板を加熱するように構成したので、電気ヒータに通電することにより、この発熱で管板を加熱することができる。この結果、電熱で管板を加熱して冷水の異常冷却を防止することができる。
【００４１】〔請求項９〕に記載する発明は、圧縮機、凝縮器及び膨張弁とともに冷凍サイクルを形成する冷凍機の蒸発器として〔請求項１〕乃至〔請求項８〕に記載する何れか１つの蒸発器を有するので、冷凍機の起動時の過渡状態における蒸発器の管板の内側に付着する冷媒液膜の蒸発による、当該管板の異常な温度低下を防止することができる。この結果、当該冷凍機の起動時の過渡状態においても冷却水の過冷却現象を生起することなく安定な運転を行うことができる。
【００４２】〔請求項１０〕に記載する発明は、〔請求項９〕に記載する冷凍機をダイナミック氷蓄熱システムの冷凍機として有するので、冷凍機の起動時の過渡状態における蒸発器の管板の内側に付着する冷媒液膜の蒸発による、当該管板の異常な温度低下を防止することができるので、管板の過冷却による冷水の過冷却解除という有害な現象を生起することはない。この結果、本発明によれば、当該ダイナミック氷蓄熱システムの起動時の過渡状態においても、冷水の過冷却解除を生起することなく安定した運転を確保することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月８日（１９９９．３．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８４９９
【弁理士】
【氏名又は名称】光石 俊郎 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２５７９８７（Ｐ２０００−２５７９８７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２２日（２０００．９．２２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−５９６８２ |
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