JP2004077039A

JP2004077039A - 蒸発式凝縮器

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Publication number: JP2004077039A
Application number: JP2002238913A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kitani; 木谷　一夫; Takeshi Koyama; 小山　健
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】小型化、軽量化が可能な、アンモニア圧縮式冷凍機に用いられる蒸発式凝縮器を提供する。
【解決手段】圧縮器と凝縮器と蒸発器とを備え、アンモニアを冷媒とする圧縮式冷凍機に用いられ、前記圧縮器から供給されるアンモニア冷媒を凝縮する手段として、冷却水を散布する手段と、空気を流通させる手段とを配設し、前記アンモニア冷媒が流通する流路と前記冷却水と空気とからなる凝縮媒体が流通する流路とを積層組立したプレートフィン型熱交換器を設けることを特徴とする蒸発式凝縮器である。この蒸発式凝縮器では、上記プレートフィン型熱交換器でのアンモニア冷媒と凝縮媒体の流動が直交流型で行われるようにするのが望ましい。さらに、上記凝縮媒体が流通する流路に組み込まれるコルゲートフィンをヘリンボーン型にするのが望ましい。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮式冷凍機に好適な蒸発式凝縮器に関し、さらに詳しくは、アンモニアを冷媒に使用した圧縮式冷凍機に用いられ、冷凍サイクルにおける凝縮過程での熱交換効率の向上を図ることにより、装置の小型化、軽量化を達成することができる蒸発式凝縮器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球の温暖化対策として、フロン系冷媒の使用が規制され、地球環境保護の観点から自然系冷媒であるアンモニアを冷媒とするアンモニア圧縮式冷凍機が注目されている。
【０００３】
図１は、アンモニア圧縮式冷凍機の全体構成を示す概略図である。圧縮式冷凍機では、基本的には圧縮機１、凝縮器２および蒸発器３が設けられ、冷媒配管５により接続されて冷凍サイクルが構成されている。
【０００４】
圧縮機１ではアンモニア冷媒がポリトロープ圧縮されるように構成されており、凝縮器２では、圧縮されたアンモニア冷媒が冷却水と熱交換されて冷媒液となる。液化したアンモニア冷媒液は、受液器２ａに高圧の状態で溜められた後、そこから送り出されて膨張弁４で絞り膨張されて、圧力を下げて蒸発器３に送られて、アンモニアとして蒸発する。そして、再び、蒸発したアンモニアを圧縮器１で吸い込んで圧縮するようにすれば、蒸発器３内は低い圧力に保たれるとともに、連続して冷却作業が行われることになる。
【０００５】
後述するように、アンモニア圧縮式冷凍機では、圧縮機によって圧縮されたアンモニア冷媒が圧縮機から供給される時、温度が比較的高温になる。このため、凝縮温度が低く保つことができる、蒸発式凝縮器が多用されている。
【０００６】
図２は、従来の蒸発式凝縮器の全体構成を示す図である。同図に示すように、凝縮器２全体はケーシング６に覆われており、ケーシング６には空気吸込口６ａと同吹出口６ｂが設けられている。そして、ケーシング６内にはアンモニア冷媒が流れる伝熱体７と、この伝熱体７に冷却水を散布する散水ノズル８と、水滴が外部へ飛散するのを防ぐエリミネータ９と、ケーシング内に空気を流通させる送風機１０が配置される。
【０００７】
上記伝熱体７内を流通するアンモニア冷媒は、散水ノズル８から伝熱体７に散布された冷却水がケーシング６内を上方へ流過する空気と接触して蒸発する際の蒸発潜熱によって冷却されて凝縮し、冷媒出口７ｂから送り出されるようになっている。さらに、図中では冷却水を溜める水槽１１および冷却水用のポンプ１２を示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
非フロン系で、自然系冷媒としてアンモニア冷媒を使用した圧縮式冷凍機において、アンモニアは圧縮機により圧縮されると、その熱力学的性質からフロン系冷媒に比べて大幅に高温になり、大幅な過熱状態になる。したがって、圧縮器から吐出されたアンモニア冷媒は、このような高温、かつ過熱状態で凝縮器に導入されることになる。
【０００９】
そこで、蒸発式凝縮器を採用して凝縮温度が低く保つようにしても、凝縮器で高温のアンモニア冷媒を確実に液化するためには、過熱状態に対応して凝縮器の容量を大きくし、冷却水または冷却空気を多量に供給しなければならない。このため、冷媒の凝縮過程でエネルギーを多量に消費することになることから、従来のアンモニア冷凍機に用いられる蒸発式凝縮器は大容量となり、冷凍装置全体として大型化、重量化が避けられない。
【００１０】
本発明は、上述したアンモニア冷凍機に用いられる蒸発式凝縮器での問題点を解消するためになされたものであり、アンモニア冷媒を使用した圧縮式冷凍機であっても、凝縮過程での熱交換効率の向上を図ることにより、装置の小型化、軽量化を達成することができる蒸発式凝縮器を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した課題を解決するため、蒸発式凝縮器の冷却メカニズムを詳細に検討した。すなわち、圧縮式冷凍機に用いられる蒸発式凝縮器では、散布ノズル等の散布手段によって散布された冷却水は、伝熱体の表面を膜状になって流れ落ち、高温の冷媒から熱を奪って蒸発する。一方、送風機等の流通手段によって送られた空気が蒸発した水蒸気を取り込んで、高温で高い絶対湿度の空気となって、瀕縮器の上部から排出される。
【００１２】
したがって、蒸発式凝縮器では凝縮媒体として冷却水および空気が用いられるが、冷却作用のほとんどは水の蒸発潜熱によって行われる。伝熱作用の点からは、蒸発式凝縮器は凝縮温度が低く有利な方法であるが、常に、伝熱体の表面を冷却水の膜で覆うことと、空気の流通を確保することが必要になる。
【００１３】
一方、産業機器用として、小型、軽量で熱交換効率に優れる熱交換器として、プレートフィン型熱交換器が汎用されている。図３は、このプレートフィン型熱交換器における積層組立体（コア部）の構成を説明する図であるが、熱交換器の心臓部であるコア部は、低温流体通路と高温流体通路を仕切る板状のチューブプレート２１と、伝熱促進用のコルゲート型や各種の形状からなるフィン２２が交互に積層され、また、チューブプレート２１同士の間隔を保ち、流路を密封するためのスペーサーバー２３が両側面に並べられた基本構造で構成されている。図中の矢印は、低温流体と高温流体の流動方向を示している。
【００１４】
図３に示すプレートフィン型熱交換器は組立製造に際して、チューブプレート２１、フィン２２、スペーサーバー２３などの各種構成要素をろう材を介して積層組立し、真空加熱炉中で高温でろう付けして、積層組立体を一体化に製造している。したがって、プレートフィン型熱交換器は低温流体と高温流体とが流路を仕切っているチューブプレート２１を介して熱交換を行なうものであるため、その装置の大きさの割に伝熱面積が広くとれる構造であり、装置の小型化、軽量化が可能であるという特徴がある。
【００１５】
本発明者らは、上述した冷却メカニズムを有する蒸発式凝縮器の小型化、軽量化には、プレートフィン型熱交換器を採用することが有効であることに着目し、種々の検討の重ねた。その結果、アンモニア冷凍機に用いられる蒸発式凝縮器であっても、冷凍性能を低下させることなく、装置の小型化、軽量化が達成できることを知見した。
【００１６】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記の（１）および（２）の蒸発式凝縮器を要旨としている。
（１）　圧縮器と凝縮器と蒸発器とを備え、アンモニアを冷媒とする圧縮式冷凍機に用いられ、前記圧縮器から供給されるアンモニア冷媒を凝縮する手段として、冷却水を散布する手段と、空気を流通させる手段とを配設し、前記アンモニア冷媒が流通する流路と前記冷却水と空気とからなる凝縮媒体が流通する流路とを積層組立したプレートフィン型熱交換器を設けることを特徴とする蒸発式凝縮器である。
（２）　上記（１）の蒸発式凝縮器では、上記プレートフィン型熱交換器でのアンモニア冷媒と凝縮媒体の流動が直交流型で行われるようにするのが望ましい。さらに、上記凝縮媒体が流通する流路に組み込まれるコルゲートフィンをヘリンボーン型にするのが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の蒸発式凝縮器の具体的な構成例とその作用について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図４は、本発明の蒸発式凝縮器の全体構成を示す図である。凝縮器２全体を覆うケーシング６は側面下部に空気吸込口６ａを、上部に空気吹出口６ｂをそれぞれ備え、空気吹出口６ｂに設けた送風機１０の駆動によりケーシング６内に上向きの空気流路を形成させている。この空気流路に対向するように、上方から冷却水を散布する散水ノズル８が配設されており、さらに散布された冷却水がケーシング６外に飛散するのを防止するためのエリミネータ９が備えられている。
【００１９】
前記冷却水と空気とからなる凝縮媒体が流通する、ケーシング６内の中心部にはプレートフィン型熱交換器２０が配置されている。また、ケーシング６下部に冷却水を溜める水槽１１を設けてあって、同水槽に一端が接続された送水管１３の他端がポンプ１２を介して前記散水ノズル８に接続されている。
【００２０】
そして、前記プレートフィン型熱交換器２０は、前記アンモニア冷媒が流通する流路と前記凝縮媒体が流通する流路とが一体に積層組立られた構造であり、圧縮機から供給されるアンモニア冷媒は冷媒入口２０ａから流通させ、プレートフィン型熱交換器２０内の高温流体流路でアンモニアガスから冷媒液に凝縮されて、冷媒出口２０ｂから受液器に供給される。
【００２１】
一方、前記プレートフィン型熱交換器２０の凝縮媒体が流通する低温流体流路には、上方から散水ノズル８によって散布される冷却水が供給され、流路全面を冷却水の膜で覆い、アンモニア冷媒から熱を奪って蒸発する。この低温流体流路には、下方から空気が供給されて、空気が蒸発した水蒸気を取り込んで、凝縮器の上部から排出される。
【００２２】
前述の通り、蒸発式凝縮器が適切な冷却メカニズムを発揮するには、流路を常に冷却水の膜で覆うことと、空気の流通を確保することが必要になる。これらを確保するには、散布される冷却水の流体抵抗と、流通する空気の圧力損失を適切にする必要がある。冷却水の流体抵抗と空気の圧力損失を調整するには、高温流体流路に組み込まれるコルゲートフィンのフィン高さとフィンピッチを適正にする必要がある。
【００２３】
図５は、本発明の蒸発式凝縮器で採用したプレートフィン型熱交換器の平面構成を示した図である。同図に示すように、アンモニア冷媒用の高温流体流路２４と凝縮媒体用の低温流体流路２５とが積層組立され、サイドプレート２６に保持されて一体構造となっている。
【００２４】
図５において、本発明の蒸発式凝縮器の設計例では、低温流体流路２５に組み込まれるコルゲートフィン２２は、板厚０．２５ｍｍのアルミニウム製であって、フィン高さは２５．４ｍｍ、フィンピッチは３フィン／２５．４ｍｍとしている。冷媒用の高温流体流路に組み込まれるコルゲートフィンは図示していないが、因みに、同板厚のアルミニウム製であって、フィン高さは３．２ｍｍ、フィンピッチは１１フィン／２５．４ｍｍとすることができる。
【００２５】
通常、凝縮媒体用の低温流体流路全面を冷却水の膜で覆うようにするには、フィンピッチを密にして、フィン高さも低めにするのが有効であるが、過剰にフィンピッチを密にし、フィン高さを低くすると、流体抵抗が大きくなり冷却水の供給に支障を生ずることになる。一方、凝縮器内を流れる空気の圧力損失を少なくするには、フィンピッチを若干粗くして、フィン高さを高めるのがよい。したがって、所定の流体抵抗と圧力損失の両方を満足するような最適のフィン高さとフィンピッチは、試験および解析によって検討を行う必要がある。
【００２６】
プレートフィン型熱交換器内部での低温流体と高温流体の流動方法は、基本的には向流型と直交流型に区分されるが、本発明の蒸発式凝縮器では、前記図３において矢印でに示すように、直交流型にするのが望ましい。冷媒用の高温流体の流動方向と直交させることによって、凝縮媒体用の低温流体流路の供給幅を確保することができ、空気の圧力損失を減少させることができるからである。
【００２７】
前述の通り、プレートフィン型熱交換器は組立製造に際して、チューブプレート、フィン、スペーサーバーなどの各種構成要素が高温ろう付けされて、積層組立されるので、コア部は一定の座屈強度を確保する必要がある。また、プレートフィン型熱交換器のコア部では、熱交換器の昇温と降温の繰り返しによってフィンは圧縮または座屈と引張が繰り返されているため、これに抗する強度が必要になる。このため、凝縮媒体が流通する低温流体流路に組み込まれるコルゲートフィンは、その流れ方向に対してうねらせたヘリンボーン型にするのが望ましい。
【００２８】
図６は、本発明の蒸発式凝縮器で採用した低温流体流路に組み込まれるヘリンボーン型フィンの外観形状およびその寸法仕様を示す図である。図６に示すように、本発明の蒸発式凝縮器の設計例では、うねりピッチが１９．４ｍｍで、うねり量が２．５ｍｍのヘリンボーン型フィンを用いた。凝縮媒体の流れ方向にうねらせたヘリンボーン型を補強フィンとして配置することにより、凝縮過程での熱交換効率の向上が図れると同時に、座屈や繰り返し荷重に対して強くなり、組立製造時や高温時においても座屈変形や損傷等を発生するおそれがない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の蒸発式凝縮器によれば、アンモニア冷媒を使用した圧縮式冷凍機であっても、冷凍サイクルにおける凝縮過程での熱交換効率の向上を図ることにより、冷凍能力の低下をきたすことなく、装置の小型化、軽量化を達成することができる。しかも、組立製造や長時間の繰り返し使用に際しても、プレートフィン型熱交換器の積層組立体（コア部）が変形または損傷するすることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンモニア圧縮式冷凍機の全体構成を示す概略図である。
【図２】従来の蒸発式凝縮器の全体構成を示す図である。
【図３】このプレートフィン型熱交換器における積層組立体（コア部）の構成を説明する図である。
【図４】本発明の蒸発式凝縮器の全体構成を示す図である。
【図５】本発明の蒸発式凝縮器で採用したプレートフィン型熱交換器の平面構成を示した図である。
【図６】本発明の蒸発式凝縮器で採用した低温流体流路に組み込まれるヘリンボーン型フィンの外観形状およびその寸法仕様を示す図である。
【符号の説明】
１：圧縮器、　２：凝縮器
２ａ：受液器、　３：蒸発器
４：膨張弁、　５：冷媒配管
６：ケーシング、　６ａ：空気吸込口
６ｂ：空気吹出口、　７：伝熱体７
８：散水ノズル、　９：エリミネータ
１０：送風機、　１１：水槽
１２：冷却水用ポンプ、　１３：送水管
２０：プレートフィン型熱交換器
２０ａ：冷媒入口、　２０ｂ：冷媒出口
２１：チューブプレート、　２２：フィン
２３：スペーサーバー、　２４：冷媒用高温流体流路
２５：凝縮媒体用低温流体流路
２６：サイドプレート

Claims

圧縮器と凝縮器と蒸発器とを備え、アンモニアを冷媒とする圧縮式冷凍機に用いられ、前記圧縮器から供給されるアンモニア冷媒を凝縮する手段として、冷却水を散布する手段と、空気を流通させる手段とを配設し、前記アンモニア冷媒が流通する流路と前記冷却水と空気とからなる凝縮媒体が流通する流路とを積層組立したプレートフィン型熱交換器を設けることを特徴とする蒸発式凝縮器。
上記プレートフィン型熱交換器でのアンモニア冷媒と凝縮媒体の流動が直交流型で行われることを特徴とする請求項１に記載の蒸発式凝縮器。
上記凝縮媒体が流通する流路に組み込まれるコルゲートフィンがヘリンボーン型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸発式凝縮器。