JP6804076B1

JP6804076B1 - 多段式熱交換器及びその使用方法とその多段式熱交換器を組み入れた冷凍装置

Info

Publication number: JP6804076B1
Application number: JP2020109485A
Authority: JP
Inventors: 紘晃松下
Original assignee: 株式会社マック
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2040-06-25
Also published as: JP2022006908A

Abstract

【課題】冷媒の流通に各熱交換器ごとに抵抗があり、スムーズさに欠けるという問題点があった。【解決手段】少なくとも第一次、第二次の熱交換で冷媒の高圧を減衰させ、少なくとも第二次と第三次の熱交換で再び凝縮液の生成をするために、同心円状に間隔をもって形成されている多重管を有し、その多重管の最外間隔には圧縮機から吐出され、凝縮器を通過した冷媒の入口を一端に形成し、他端に出口を形成した第一流路を形成し、その第一流路の冷媒出口からは第一流路の内側に形成された第二流路へと連結する第一外流路を形成し、この構成を順次複数連続して、多重管の各間隔に一連に冷媒を流通させる構成とし、前記多重管の中心管は、冷媒の凝縮液化作用を促進させるための流体の流路としてあることとする。【選択図】図１

Description

本願発明は冷媒として非共沸冷媒を使用し、既存の冷凍装置であっても常温凝縮熱源で高圧ガスの圧力を３．０Ｍｐａ以下に減衰し、蒸発能力は低下させることなく冷凍サイクルを安定して連続運転させるための多段式熱交換器及びその使用方法と、その多段式熱交換器を組み入れた冷凍装置に関する。

近年、地球温暖化の大きな原因の一つとして、温室効果の高い、冷凍装置回路に冷媒として使用されるフロンが挙げられている。このフロンに代って冷媒として推奨されているのが炭酸ガスであり、この炭酸ガスは毒性がなく、不燃性、不活性で温暖化係数は１、オゾン破壊係数は０で理想的ではあるが、臨界点が高く、高温、高圧となり、従来の冷凍装置は耐圧の点で使用は不可能である。

そのため、炭酸ガスをそのまま冷媒として使用するには耐圧、耐熱、性能等々炭酸ガスに対応した改造が不可欠で、全く新規な装置となり費用が非常にかかってしまう。冷媒ガスのリプレースによる地球温暖化防止の方法も一案とされてはいるが、冷凍装置の対応費用が必要となり、対応可能技術も必要となってくる。

そこで、現状では炭酸ガスを成分として含有する非共沸冷媒の使用が行われているが、この非共沸冷媒は、液冷媒、蒸気冷媒、乾燥冷媒状態の中で、凝縮、蒸発工程である蒸気冷媒の状態で極端な温度勾配があり、最終膨張弁で減圧膨張させるまでの未凝縮状態にあって、同圧状況下では比エンタルピーが消耗されると、即ち乾き度が小さくなると（凝縮が進行すると）、冷媒温度は低下し、冷媒液状態も多くなり、また、乾き度が大きくなり飽和蒸気線に近づくと冷媒温度は上昇し、気液二相で未凝縮ガスが多くなる。

凝縮回路中の未凝縮冷媒を小減圧、蒸発して冷却し、小減圧前の冷媒と熱交換してこれを冷却、減圧する。自身を減圧して実現する低温は必ず減圧前の冷媒温度よりも低温のため、減圧前冷媒は冷却されて減圧される。この低温は外部凝縮熱源温度よりも低温のため、外部凝縮熱源温度では不可能な凝縮圧力が可能となる。上記条件は冷凍サイクル断熱状態での比エンタルピーの移動である。

凝縮過程にあっても、より低温の熱源を受ければ再び冷却凝縮液化して、再度蒸発気化することは可能である。凝縮過程にあって、自身冷媒を蒸発冷却して、高圧冷媒を低圧にする熱交換が終了すると、蒸発冷媒熱源を利用して、再び冷却凝縮液化して再生し、冷凍回路の膨張弁で蒸発、冷却作用を行なうことを目的とする多段式熱交換器を提供する。

特許第６６８２０８１号公報

本願出願人は、特許文献１に示す熱交換器を多段に直列に連結した冷凍方法を開発し、提供した。しかしながら、この冷凍方法に使用される多段に連結した熱交換器にあっても、冷媒の流通に各熱交換器ごとに抵抗があり、スムーズさに欠けるという問題点があった。

上記した問題点を解決するために、本発明に係る多段式熱交換器は、少なくとも第一次、第二次、第三次の熱交換作用があり、第二次の熱交換作用で再び凝縮液の生成をするために、第一次の熱交換作用の後に冷媒を減圧させる構成としてあり、同心円状に間隔をもって形成されている多重管を有し、その多重管の最外間隔には圧縮機から吐出され、凝縮器を通過した冷媒の入口を一端に形成し、他端に出口を形成した第一流路を形成し、その第一流路の冷媒出口からは第一流路の内側に形成された第二流路へと連結する第一外流路を形成し、この構成を順次複数連続して、多重管の各間隔に一連に冷媒を流通させる構成とし、前記多重管の中心管は、冷媒の凝縮液化作用を促進させるための流体の流路としてあることを特徴としている。

また、本発明に係る多段式熱交換器は、前記した多重管の内部側管は順次、段階的に外部に突出し、流体の入口及び出口を形成していることを特徴とし、前記した第一外流路には途中に第一次の熱交換作用の後に冷媒を減圧させる減圧弁が介在されていることを特徴とし、前記した多重管は四重構造としてあり、前記した第一流路、第二流路に加え、第三流路及び第四流路を有していることを特徴としている。

さらに、本発明に係る多段式熱交換器の使用方法は、請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第四流路を通過した冷媒を、膨張弁を介して蒸発器へ送り、その蒸発器から圧縮機へ冷媒を戻すことを特徴としている。

そして、本発明に係る多段式熱交換器の使用方法は、請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第三流路を通過した冷媒を、膨張弁を介して蒸発器へ送りその蒸発器を通過した冷媒を第四流路へ送り、その第四流路を通過した冷媒を圧縮機へ戻すことを特徴としている。

また、本発明に係る多段式熱交換器の使用方法は、請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第三流路を通過した冷媒を膨張弁を介して蒸発器へ送り、その蒸発器を通過した冷媒を圧縮機へ戻すとともに、外部冷却熱源を第四流路に循環させることを特徴とし、前記した外部冷却熱源は冷却水とし、その流通方向は第三流路における冷媒の流通方向と同一としてあることを特徴としている。

さらに、本発明に係る冷凍装置は、請求項１から５に記載の多段式熱交換器を回路中の凝縮器と蒸発器の冷媒が流入する一次側にある膨張弁との間に組み入れてあることを特徴としている。

本願発明は上記のように構成されており、単一の多段式熱交換器としてあるので、冷媒の流通には抵抗がなく、流れがスムーズなものとなって、より一層の能力を発揮でき、冷凍サイクルを安全に連続運転できることとなる。

本願発明の第一実施例を示す図である。第二実施例を示す図である。第三実施例を示す図である。多段式熱交換器の断面図である。

図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。

次に、本発明の好ましい実施の例を図面を参照して説明する。図中１０は冷凍サイクルにおける圧縮機を示し、１１は凝縮器、１２は膨張弁、１３は蒸発器を示しており、圧縮機１０から吐出された冷媒は凝縮器に入り、膨張弁１２を通過して蒸発器１３に入り、再び圧縮機１０へと循環する。本実施例では、このサイクルで凝縮器１１と膨張弁１２の間に多段式熱交換器（多段蒸発式凝縮再生装置）１４が組み入れられている。

この多段式熱交換器１４は、本実施例にあっては同心円状の四重管を有している。この四重管のうち最外管１５は最も径が大きく、長さは最短のものとされており、この最外管１５の一方端部には凝縮器１１からの気液二相の冷媒の入口１が形成され、他端に出口２が形成されている。

最外管１５の内側には第二管１６が設けられており、この第二管１６は最外管１５よりも径は小さく、長さはやや長いものとなっており、その第二管１６の両端部は最外管１５の外方へ突出している。ここで、最外管１５の両端開口は第二管１６との間の閉塞壁によって密閉され、内部を気密状態とされている。

前記した最外管１５から冷媒出口２は第一外流路１７に連結され、第二管１６の一方端部の冷媒入口３へ連通されて、冷媒を第二管１６の内部へと送る。ここで第一外流路１７には途中に冷媒を僅かに減圧する減圧弁９が介在されている。ここで最外管１５の内壁と第二管１６の外壁との間は第一流路１８となり、第一次の熱交換作用がなされる。

第二管の内側には第三管１９が設けられており、この第三管１９は第二管１６よりも径は小さく長さはやや長いものとされ、その第三管１９の両端は第二管１６の外方へ突出されている。ここで、第二管１６の両端開口は第三管１９との間の閉塞壁によって密閉され、内部を気密状態とされている。

第二管１６の冷媒入口３から、第二管１６と第三管１９との間に間隔として形成されている第二流路２０を通って出口４から第二外流路２１に連結され、第三管１９の端部の冷媒入口５へ送られる。ここで、第二管１６の内壁と第三管１９の外壁との間の第二流路２０では第二次の熱交換作用がなされる。

この第二次熱交換で蒸発冷却すると、比エンタルピーは第一次熱交換作用での凝縮比エンタルピーと第二次熱交換の発する蒸発比エンタルピーとがバーター熱交換して、凝縮比エンタルピーが消耗し、蒸発比エンタルピーも消耗する。この状態では膨張弁１２で蒸発も不可能で冷却能力も発揮できない。

膨張弁１２に凝縮液冷媒を供給するために、第三管１９は設けられ、この第三管１９の中心に第四管となる中心管２２が設けられている。この中心管２２は第三管１９よりも径は小さく、長さはやや長いものとされ、この中心管２２の両端は、第三管１９の両端から突出しており、第三管１９の両端開口は中心管２２との間の閉塞壁で密閉され気密状態とされている。尚、この中心管２２の内径サイズは、最外管１５と第二管１６との間隔、即ち、第一流路１８の幅、また、第二管１６と第三管１９の間隔、即ち、第二流路２０の幅と略同一となっている。

この中心管２２と第三管１９との間隔は第三流路２３となっており、この第三流路２３の幅も中心管２２の内径サイズと略一致している。第一実施例では、冷媒のこの第三流路２３を通り冷媒出口６から第三外流路２４を通って、中心管２２の一端の入口７へと連通され、中心管２２の出口８が膨張弁１２へと連接されている。この第三流路２３では第三次の熱交換がなされる。第三流路２３では冷媒は冷却され、膨張弁１２に凝縮液冷媒を供給することが可能となる。つまり、冷媒がサイクルを循環した後には第三流路２３は冷却状態となっている。

第三流路２３には、より一層の凝縮、減圧効果を得るため形成され、第二次熱交換で蒸発冷却された冷媒が、その状態で流入され、第二流路２０（第二次熱交換）と第三流路２３（第三次熱交換）は管壁を介して熱交換され、熱ロスがなく、効率よく熱伝導される。中心管２２は、内部が第四流路２６となり、第三流路２３と同作用をして、第三次熱交換の補助を行い、この中心管２２では冷媒の凝縮液化作用を促進させる（第四次熱交換）。

次に、図２を参照して第二実施例について説明する。この図２では第一実施例と同一部位には同一符号を付して詳細な説明は省略する。この第二実施例では第三流路２３を通った冷媒は冷媒出口６から膨張弁１２に流入するように回路が構成されており、膨張弁１２を通って蒸発器１３を通過した冷媒は、中心管２２の入口７へ導入され、中心管２２内を通過して圧縮機１０へと戻る。

中心管２２を流通する冷媒は冷却熱源として、その効用は第一実施例の場合と同様で、第三次熱交換の補助を行い、冷媒の凝縮液化作用を促進させる。

続いて、図３を参照して第三実施例について説明する。この図３にあっても第一実施例と同一部位には同一符号を付して詳細な説明は省略する。この第三実施例では第三流路２３を通った冷媒は第二実施例と同様に膨張弁１２に回路が形成され、膨張弁１２から蒸発器１３を通った冷媒は圧縮機１０へ戻る。ここで、中心管２２による第四流路２６には、単独外部流路２７と連通され、この単独外部流路２７には途中に外部冷却熱源９Ａが介在されており、この外部冷却熱源９Ａは通常冷却水が使用される。

単独外部流路２７によって外部冷却熱源９Ａの流れる方向は、第一、第二の実施例では出口とされている８側から流入され入口とされている７から流出される。この方向性によって外部冷却熱源９Ａは第三流路２０における冷媒の流れ方向と沿うこととなり、その第三流路２０における冷媒をよりよく冷却し、凝縮液化作用を促進させる。

本実施例における多段式熱交換器は上記のように構成され使用されるもので、凝縮器１１から吐出された冷媒の凝縮過程にあって、第一次、第二次の熱交換作用で、冷媒の高圧を減衰させ、第二次、第三次の熱交換で再び凝縮液を生成し、冷却能力を発揮することができる。中心管２２内の第四流路（第四次熱交換）ではより一層の凝縮、減衰効果が得られる。

第一次熱交換では凝縮器１１より流出された気液二相の冷媒の凝縮液化を継続し、その時の凝縮冷却熱源として、第二流路２０より冷却熱源を受ける。第二流路２０の冷却熱は第一流路１８（第一次熱交換）で液化した凝縮冷媒液が第一外流路１７に介在されている減圧弁９で減圧、蒸発して冷却熱となる。

第一流路１８（第一次熱交換）は第二流路２０（第二次熱交換）に放熱し（エンタルピーの消耗）、第二流路２０は第一流路１８を冷却（エンタルピーの吸収）する第一流路１８と第二流路２０は互いにバーター熱交換し、第二流路２０の出口５では冷凍回路中の蒸発潜熱は０となる。

しかし、第一流路１８の高温、高圧冷媒を自己冷却すると圧縮機１０から減圧弁９までの間を冷却低圧とする。第一流路１８と第二流路２０の一組の熱交換で、冷凍回路の高圧側を低圧にすることができる。これは、冷媒の特性と凝縮熱源温度による高圧状態でも自己冷却システムで自己減衰する。

冷媒は、第二流路２０の出口４から第三流路２３の入口５へ導入され、圧縮機１０の冷媒の吐出圧力と吸引力によって冷媒は出口６へと流通する。

冷媒は第三流路２３を通過中に第二流路２０の冷却熱と熱交換し、再び凝縮液化を増幅する。この時の熱交換時間を長く維持するため中心管２２を設けて、その第四流路２６により連続して僅かな温度差による熱交換の非効率性を補うことになる。従って、中心管２２の流路は第二流路２０の冷却熱源に加えて第三流路２３の冷却熱を含む冷却熱源と熱交換する。

本願発明の実施例は上記したように構成されている。実施例では多重管は、最外管１５から中心管２２まで段階的に端部を外方に突出させ、冷媒の入口、出口を設けているが、この構成にこだわらず、最外管１５の両開口に、各々複数の内部管の端部開口を面一に揃え、流路を塞ぐ閉塞壁に入口、出口を各々形成する構成とすることも可能である。

１冷媒の第一流路への入口
２同出口
３冷媒の第二流路への入口
４同出口
５冷媒の第三流路への入口
６同出口
７冷媒の第四流路への入口
８同出口
９減圧弁
９Ａ外部冷却熱源
１０圧縮機
１１凝縮器
１２膨張弁
１３蒸発器
１４多段式熱交換器
１５最外管
１６第二管
１７第一外流路
１８第一流路
１９第三管
２０第二流路
２１第二外流路
２２中心管
２３第三流路
２４第三外流路
２６第四流路
２７単独外部流路

Claims

少なくとも第一次、第二次、第三次の熱交換作用があり、第二次の熱交換作用で再び凝縮液の生成をするために、第一次の熱交換作用の後に冷媒を減圧させる構成としてあり、同心円状に間隔をもって形成されている多重管を有し、その多重管の最外間隔には圧縮機から吐出され、凝縮器を通過した冷媒の入口を一端に形成し、他端に出口を形成した第一流路を形成し、その第一流路の冷媒出口からは第一流路の内側に形成された第二流路へと連結する第一外流路を形成し、この構成を順次複数連続して、多重管の各間隔に一連に冷媒を流通させる構成とし、前記多重管の中心管は、冷媒の凝縮液化作用を促進させるための流体の流路としてあることを特徴とする多段式熱交換器。
前記した多重管の内部側管は順次、段階的に外部に突出し、流体の入口及び出口を形成していることを特徴とする請求項１に記載の多段式熱交換器。
前記した第一外流路には途中に第一次の熱交換作用の後に冷媒を減圧させる減圧弁が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の多段式熱交換器。
前記した多重管は四重構造としてあり、前記した第一流路、第二流路に加え、第三流路及び第四流路を有していることを特徴とする請求項１から３のうち１項に記載の多段式熱交換器。
前記した第四流路は多重管の中心管であることを特徴とする請求項４に記載の多段式熱交換器。
前記請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第四流路を通過した冷媒を、膨張弁を介して蒸発器へ送り、その蒸発器から圧縮機へ冷媒を戻すことを特徴とする多段式熱交換器。
前記請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第三流路を通過した冷媒を、膨張弁を介して蒸発器へ送りその蒸発器を通過した冷媒を第四流路へ送り、その第四流路を通過した冷媒を圧縮機へ戻すことを特徴とする多段式熱交換器の使用方法。
前記請求項４に記載の多段式熱交換器を用い、第三流路を通過した冷媒を膨張弁を介して蒸発器へ送り、その蒸発器を通過した冷媒を圧縮機へ戻すとともに、外部冷却熱源を第四流路に循環させることを特徴とする多段式熱交換器の使用方法。
前記した外部冷却熱源は冷却水とし、その流通方向は第三流路における冷媒の流通方向と同一としてあることを特徴とする請求項８に記載の多段式熱交換器の使用方法。
請求項１から５に記載の多段式熱交換器を回路中の凝縮器と蒸発器の冷媒が流入する一次側にある膨張弁との間に組み入れてあることを特徴とする冷凍装置。