JP2018128152A - 凝縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から導入される冷媒を案内する案内部と、案内部を経由して冷媒が導入される熱交換部と、を備える凝縮器において、騒音を抑制する。【解決手段】外部から導入される冷媒を案内する案内部２５，２７，２８と、案内部を経由して冷媒が導入される熱交換部１９と、を備え、案内部は、冷媒の流れに対向する表面を有して複数の孔部が形成された多孔板２５，３３と、多孔板２５，３３の裏面側に区画形成された空間Ｒ１，Ｒ２と、を有する凝縮器３を提供する。【選択図】図４

Description

本発明は、凝縮器に関する。

冷凍機は、電気電子関連工場のようなクリーンルームを有する工場空調や、地域冷暖房などの用途に幅広く使用されている熱源機器である。冷凍機は、遠心圧縮機、凝縮器、蒸発器といった構成機器を近傍に配置して一体とし、ユニット化されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−３２７７００号公報

冷凍機の高効率化に伴い、冷凍機から発生する騒音の増大が課題となっている。冷凍機から発生する騒音の原因は、機械的な誘因による騒音と、流体的な誘因による騒音の２種類に大別される。

機械的な誘因による騒音は、遠心圧縮機やポンプが作動する時に発生する、ブレードの動きやディフューザの羽枚数などによる周期的な流量変動によるものである。この周期的な流量変動により圧力脈動が生じ、これによりＮＺ音と呼ばれる騒音が発生する。
機械的な誘因により発生する騒音は、特徴的かつ単一の周波数特性となる性質が有り、冷凍機内部の配管等の音響固有値と共鳴し、音が増幅されることが知られている。

この発明は、外部から導入される冷媒を案内する案内部と、案内部を経由して冷媒が導入される熱交換部と、を備える凝縮器において、騒音を抑制することができる凝縮器を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、凝縮器は、外部から導入される冷媒を案内する案内部と、前記案内部を経由して前記冷媒が導入される熱交換部と、を備え、前記案内部は、前記冷媒の流れに対向する表面を有して複数の孔部が形成された多孔板と、前記多孔板の裏面側に区画形成された空間と、を有する。

このような構成によれば、案内部において発生する騒音を低減することができる。即ち、凝縮器から発生する騒音が凝縮器の後段に設けられている共鳴空間に到達する前に励振力を低減することができる。

上記凝縮器において、前記熱交換部は、前記冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する複数の伝熱チューブであり、前記多孔板は、前記冷媒の流れ方向下流側に向かうにしたがって前記伝熱チューブの一端に近づくように傾斜する第一斜面と、上流側端部が前記第一斜面の上流側端部と接続され、前記冷媒の流れ方向下流側に向かうにしたがって前記伝熱チューブの他端に近づくように傾斜する第二斜面と、を有してよい。

このような構成によれば、冷媒を伝熱チューブ側に分散させながら、騒音を吸収することができる。

上記凝縮器において、前記多孔板は、前記第一斜面及び第二斜面の前記冷媒の流れ方向下流側に接続され、前記伝熱チューブの長手方向に延在する邪魔板を有してよい。

このような構成によれば、邪魔板の背面を騒音低減のために活用することができる。

本発明によれば、案内部において発生する騒音を低減することができる。即ち、凝縮器から発生する騒音が凝縮器の後段に設けられている共鳴空間に到達する前に励振力を低減することができる。

本発明の実施形態の冷凍機の概略構成図である。 本発明の実施形態の凝縮器の断面図である。 本発明の実施形態の凝縮器の案内部の詳細図である。 図３のＩＶ矢視図であり、本発明の実施形態の凝縮器の案内部の側面図である。 本発明の実施形態の凝縮器の下流整流板の断面図である。

以下、本発明の実施形態の冷凍機１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の冷凍機１は、冷媒Ｗを圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された冷媒Ｗを冷却水によって凝縮する凝縮器３と、凝縮器３からの冷媒Ｗを減圧する膨張器である第一膨張弁４と、第一膨張弁４からの冷媒Ｗを気液二相に分離するエコノマイザ６（気液分離器）と、を備えている。

また、冷凍機１は、エコノマイザ６からの気相Ｗ１を、圧縮機２内へ流入可能とする流入路８と、エコノマイザ６からの液相を再度減圧する第二膨張弁５と、第二膨張弁５からの冷媒Ｗを蒸発させる蒸発器７とを備えている。

凝縮器３の気相部と蒸発器７の気相部との間には、ホットガスバイパス管９が設けられている。ホットガスバイパス管９には、ホットガスバイパス管９内を流れる高温冷媒ガスの流量を制御するためのホットガスバイパス弁１０が設けられている。

冷凍機１は、圧縮機２と凝縮器３と第一膨張弁４と第二膨張弁５と蒸発器７を順次接続する配管１２を有する冷凍サイクル１１を有している。具体的には、圧縮機２と凝縮器３とを接続する配管１２ａと、凝縮器３とエコノマイザ６とを接続する配管１２ｂと、エコノマイザ６と蒸発器７とを接続する配管１２ｃと、蒸発器７と圧縮機２とを接続する配管１２ｄとを有している。
冷媒Ｗは、例えば、代替フロンのＲ１３４ａ（ハイドロフルオロカーボン）等が用いられる。

圧縮機２は、遠心式の二段圧縮機であり、電源からの入力周波数を変更するインバータにより回転数制御された電動モータ（図示せず）によって駆動されている。
凝縮器３は、圧縮機２で圧縮された冷媒Ｗを冷却水等によって熱交換させることで冷却し、液体の状態とする装置である。例えば、凝縮器３は、シェルアンドチューブ式の熱交換器である。

第一膨張弁４は、凝縮器３からの液体の冷媒Ｗを断熱膨張して減圧し、液体の一部を蒸発させることによって、冷媒Ｗを気液二相の状態とする。
エコノマイザ６は、第一膨張弁４において気液二相の状態とされた冷媒Ｗを気相Ｗ１と液相とに分離する装置である。

流入路８は、エコノマイザ６によって気液二相の冷媒Ｗから分離された気相Ｗ１を、圧縮機２に流入させる装置である。
第二膨張弁５は、第一膨張弁４と同様に、エコノマイザ６で気相Ｗ１が分離されて、液相のみとなった冷媒Ｗを断熱膨張して減圧するものである。なお、本実施形態の冷凍機１では、膨張弁を用いて冷媒Ｗを減圧する構成としているがこれに限ることはなく、他の手段を用いて冷媒Ｗを減圧してもよい。
蒸発器７は、第二膨張弁５からの冷媒Ｗを水等との間で熱交換して蒸発させ、飽和蒸気の状態とするものである。

次に、本実施形態の凝縮器３の詳細構造について説明する。
図２に示すように、本実施形態の凝縮器３は、有底円筒状のケーシング１４と、ケーシング１４の内部に設けられた第一管板１５及び第二管板１６と、冷媒Ｗをケーシング１４の内部に導入する導入配管１２ａと、冷媒Ｗをケーシング１４の外部に排出する排出配管１２ｂと、冷却水が導入される複数の伝熱チューブ１９（熱交換部）と、外部から導入される冷媒Ｗを案内する案内部である複数の上流整流板２７と、下流整流板２８と、邪魔板２５（バッフルプレート）と、を有している。伝熱チューブ１９には、案内部である上流整流板２７、下流整流板２８、及び邪魔板２５を経由して冷媒Ｗが導入される。

ケーシング１４は、円筒形状のケーシング本体２２と、ケーシング本体２２の長手方向Ｌの一端と他端に設けられた一対のフタ部２３と、を有している。第一管板１５は、ケーシング１４の一端側に設けられた板状部材である。第一管板１５の主面は、フタ部２３の主面と平行である。第一管板１５よりも一端側の空間は、第一ヘッダ内空間Ｓ１である。

第二管板１６は、ケーシング１４の他端側に設けられた板状部材である。第二管板１６の主面は、フタ部２３の主面と平行である。第二管板１６よりも他端側の空間は、第二ヘッダ内空間Ｓ２である。
第一管板１５及び第二管板１６には、伝熱チューブ１９を挿通させるための複数の貫通孔２４が形成されている。ケーシング１４と第一管板１５と第二管板１６とで囲まれた空間は、ケーシング内空間Ｓ３である。

複数の伝熱チューブ１９は、ケーシング内空間Ｓ３でケーシング１４の長手方向Ｌに延在している。複数の伝熱チューブ１９は、第一管板１５及び第二管板１６に形成された複数の貫通孔２４に挿通されることによって所定の位置に位置決めされる。

導入配管１２ａは、ケーシング内空間Ｓ３に冷媒Ｗを導入するための配管である。導入配管１２ａは、ケーシング１４の長手方向Ｌの略中央に形成されている。導入配管１２ａの中心軸は、ケーシング１４の中心軸Ａと略直交している。即ち、導入配管１２ａを介してケーシング内空間Ｓ３に導入される冷媒Ｗの流れ方向は、伝熱チューブ１９の延在方向と略直交する。

排出配管１２ｂは、ケーシング内空間Ｓ３から冷媒Ｗを排出するための配管１２である。排出配管１２ｂは、ケーシング１４の長手方向Ｌの略中央であって、導入配管１２ａの反対側に形成されている。排出配管１２ｂの中心軸は、ケーシング１４の中心軸Ａと略直交している。

邪魔板２５は、導入された冷媒Ｗを均一に凝縮器３本体内へ分散させる案内部である。上流整流板２７及び下流整流板２８は、導入された冷媒Ｗ、及び邪魔板２５に衝突した冷媒Ｗを整流する案内部である。

図３に示すように、邪魔板２５は、板状の部材であり、導入配管１２ａから導入される冷媒Ｗが衝突する位置に設けられている。邪魔板２５は、邪魔板２５の主面がケーシング１４の中心軸Ａと平行となるように、導入配管１２ａと複数の伝熱チューブ１９との間に配置されている。

図４に示すように、邪魔板２５は、冷媒Ｗの流れ方向（導入配管１２ａの中心軸）に対して傾斜するように配置されている。邪魔板２５は、邪魔板２５の主面が冷媒Ｗの流れ方向と直交するように配置してもよい。

複数の上流整流板２７及び下流整流板２８は、邪魔板２５の上流側に配置されている。は、複数の上流整流板２７は、下流整流板２８の上流側に配置されている。

上流整流板２７は、ケーシング１４の中心軸Ａと直交するように流れる冷媒Ｗをケーシング１４の中心軸Ａに沿うように案内する。上流整流板２７は、邪魔板２５に向かうに従ってケーシング１４の端部に近づくように傾斜する上流傾斜部３０と、ケーシング１４の中心軸Ａに沿うように形成されている上流整流板本体部３１と、を有している。
本実施形態の凝縮器３は、四つの上流整流板２７を有している。以下、四つの上流整流板２７のうち上流側に配置された二つの上流整流板２７を第一上流整流板２７ａと呼び、第一上流整流板２７のａ下流側に配置された二つの上流整流板２７を第二上流整流板２７ｂと呼ぶ。

下流整流板２８は、導入配管１２ａから導入される冷媒Ｗの流れ方向に沿う主部３２と、主部３２の下流側端部に接続された下流傾斜部３３と、を有している。下流傾斜部３３は、邪魔板２５に向かうに従ってケーシング１４の端部に近づくように傾斜している。具体的には、下流傾斜部３３は、冷媒Ｗの流れ方向下流側に向かうにしたがって伝熱チューブ１９の一端に近づくように傾斜する第一斜面３３ａと、上流側端部が第一斜面３３ａの上流側端部と接続され、冷媒Ｗの流れ方向下流側に向かうにしたがって伝熱チューブ１９の他端に近づくように傾斜する第二斜面３３ｂと、を有している。下流傾斜部３３の下流側端部は、邪魔板２５に接続されている。

図４及び図５に示すように、本実施形態の下流整流板２８の第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂは、多孔板である。即ち、第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂには、複数の孔部３６が形成されている。孔部３６は、第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂに規則的に配置されている。第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂとして、パンチングメタルを利用することができる。

第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂは、例えば、ＳＵＳ３０４等の金属から形成することができる。孔部３６の形状は、円形に限ることはなく、矩形状でもよいし、スリット状でもよい。板部の材料は、金属に限ることはなく、例えば、ポリアセタール樹脂のようなプラスチックでもよい。

第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂの端部には、第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂと交差する主面を有する第一壁部３７が設けられている。第一斜面３３ａと第二斜面３３ｂとの交差稜線３８と反対側の縁部同士は、第二壁部３９によって接続されている。
第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂの裏面側（冷媒Ｗの流れ方向の下流側）には、区画形成された共鳴器として機能する第一空間Ｒ１が形成されている。第一空間Ｒ１は、第一斜面３３ａ、第二斜面３３ｂ、第一壁部３７、第二壁部３９、及び邪魔板２５によって形成されている空間である。第一空間Ｒ１とケーシング内空間Ｓ３とは、第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂに形成されている孔部３６によってのみ連通している。

図３及び図４に示すように、本実施形態の邪魔板２５は、第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂと同様の多孔板である。即ち、邪魔板２５には、複数の孔部３６が形成されている。
邪魔板２５の裏面側（冷媒Ｗの流れ方向の下流側）には、区画形成された第二空間Ｒ２が形成されている。第二空間Ｒ２は、邪魔板２５、四つの側壁部４２、及び、後壁部４３によって形成されている空間である。

後壁部４３は、邪魔板２５の裏面側（冷媒Ｗの流れ方向の下流側）に、邪魔板２５と平行に配置された板状の部材である。邪魔板２５と後壁部４３とは、略同形状である。
側壁部４２は、邪魔板２５の四つの縁部と、後壁部４３の四つの縁部とを接続する板状部材である。第二空間Ｒ２とケーシング内空間Ｓ３とは、邪魔板２５に形成されている孔部３６によってのみ連通している。

なお、邪魔板２５の孔部３６は、ケーシング内空間Ｓ３に露出する面にのみ形成されている。即ち、邪魔板２５の孔部３６は、第一空間Ｒ１に面する面には形成されていない。

本実施形態の凝縮器３において、多孔板である第一斜面３３ａ、第二斜面３３ｂ、及び邪魔板２５と、その裏面側に区画形成された空間Ｒ１，Ｒ２とは、単一の周波数の騒音に対して高い吸音率を確保することができる音響デバイスとして機能する。
音響デバイスの共鳴周波数は、空間Ｒ１，Ｒ２の体積、（邪魔板２５と後壁部４３との距離Ｌ）、孔部３６の直径φ、及び多孔板の開口率σによって調整することができる。

上記実施形態によれば、案内部（下流整流板２８、邪魔板２５）が、多孔板と、多孔板の裏面側に区画形成された空間Ｒ１，Ｒ２と、を有することによって、案内部において発生する騒音を低減することができる。即ち、凝縮器３から発生する騒音が凝縮器３と蒸発器７との間の配管１２内の空間と共鳴する前に騒音を低減することができる。換言すれば、凝縮器３から発生する騒音が凝縮器３の後段に設けられている共鳴空間に到達する前に励振力を低減することができる。

また、下流整流板２８の下流傾斜部３３（第一斜面３３ａ及び第二斜面３３ｂ）を多孔板とし、この背面側に第一空間Ｒ１を形成したことによって、冷媒Ｗを伝熱チューブ１９側に分散させながら、騒音を吸収することができる。
また、邪魔板２５を多孔板とし、この背面側に第二空間Ｒ２を形成したことによって、邪魔板２５の背面を騒音低減のために活用することができる。

また、案内部は、従来の構造を流用するため、小さな改造範囲で実現することができる。これにより、騒音低減を可能にする案内部を低コストで形成することができる。
また、空間Ｒ１，Ｒ２の体積、孔部３６の直径φ、及び多孔板の開口率σを調整することによって、音響デバイスとしての共鳴周波数を調整することができる。
また、多孔板が冷媒Ｗの流れに対向する表面を有していることによって、冷媒Ｗは多孔板に直接的に衝突する。これにより、冷媒Ｗの流れによる音響レジスタンス（吸音性能）を大きくすることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、板部に形成される孔部３６の直径は同一としたが、これに限ることはなく、孔部３６の直径を異ならせてもよい。

１ 冷凍機
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 第一膨張弁（膨張器）
５ 第二膨張弁（膨張器）
６ エコノマイザ
７ 蒸発器
８ 流入路
９ ホットガスバイパス管
１０ ホットガスバイパス弁
１１ 冷凍サイクル
１２ 配管
１４ ケーシング
１５ 第一管板
１６ 第二管板
１９ 伝熱チューブ（熱交換部）
２２ ケーシング本体
２３ フタ部
２４ 貫通孔
２５ 邪魔板（案内部、多孔板）
２７ 上流整流板（案内部）
２８ 下流整流板（案内部）
３０ 上流傾斜部
３１ 上流整流板本体部
３２ 主部
３３ 下流傾斜部
３３ａ 第一斜面（多孔板）
３３ｂ 第二斜面（多孔板）
３６ 孔部
３７ 第一壁部
３８ 交差稜線
３９ 第二壁部
４２ 側壁部
４３ 後壁部
Ｌ 長手方向
Ｒ１ 第一空間
Ｒ２ 第二空間
Ｓ１ 第一ヘッダ内空間
Ｓ２ 第二ヘッダ内空間
Ｓ３ ケーシング内空間
Ｗ 冷媒

Claims (3)

1. 外部から導入される冷媒を案内する案内部と、
   前記案内部を経由して前記冷媒が導入される熱交換部と、を備え、
   前記案内部は、
   前記冷媒の流れに対向する表面を有して複数の孔部が形成された多孔板と、
   前記多孔板の裏面側に区画形成された空間と、を有する凝縮器。
2. 前記熱交換部は、前記冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する複数の伝熱チューブであり、
   前記多孔板は、前記冷媒の流れ方向下流側に向かうにしたがって前記伝熱チューブの一端に近づくように傾斜する第一斜面と、上流側端部が前記第一斜面の上流側端部と接続され、前記冷媒の流れ方向下流側に向かうにしたがって前記伝熱チューブの他端に近づくように傾斜する第二斜面と、を有する請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記多孔板は、前記第一斜面及び第二斜面の前記冷媒の流れ方向下流側に接続され、前記伝熱チューブの長手方向に延在する邪魔板を有する請求項２に記載の凝縮器。

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