JPS59200170A - 蒸気圧縮冷凍装置のサブクーラの冷媒排出装置及び蒸気圧縮冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シェル型の熱交換器内にチューブを有する蒸
気圧縮冷凍装置に係り、更に詳細にはシェル型のサブク
ーラ内にチューブを有し塩水の冷却の如き低温冷却の用
途に使用される蒸気圧縮冷凍装置に係る。

標準ザイクルの蒸気圧縮冷凍装置にザブクーラを使用す
ることにより冷凍装置のコンプレッサの動力要件が低減
され、これにより冷凍装置の運転効率が改善されること
は良く知られている。しかし蒸気圧縮冷凍装置のエバポ
レータ内に放て冷却される熱交換媒体として塩水が使用
される塩水の冷Ｗの如き低温冷却の用途に於ては、シェ
ル型のサブクーラ内にはチューブが使用されていない。

何故ならば、サブクーラのチューブ内に於て熱交換媒体
として使用される水が冷凍装置の運転停止時に凍結する
危険があるからである。かかる水の凍結は一つの重大な
問題である。何故ならば、一般にエバポレータ内の塩水
はエバポレータ内に於て水の凍結温度以下の温度に冷却
され、冷凍装置の運転停止時に冷凍装置内の冷媒の温度
及び圧力が等しくなることにより、サブクーラ内の冷媒
の温度がサブクーラのチューブ内の水が凍結するに十分
な時間に亙り水の凍結温度以下の温度に低下するからで
ある。サブクーラのチューブ内に於て多量の水が凍結す
ると、サブクーラのチューブが破断したり他の好ましか
らざる結果が生じる。

サブクーラのチューブ内に於ける水凍結の危険は、冷凍
装置の運転停止後に冷凍装置が水の凍結温度よりも高い
温度となるに十分な時間に屋り、サブクーラのチューブ
内を流れる水の流れを維持する等の手段を講じることに
よって低減される。

しかしかかる作動は水ポンプが冷凍装置の運転停止後毎
に成る時間の間運転状態に維持されなければならないの
で非効率的である。また水ポンプが故障しｌこり冷凍装
置に対する動力供給に関する故障が発生した場合には、
ザブクーラ内に放て水の凍結が発生する。従って上述の
手段はサブクーラ内に於ける水凍結の問題を克服する満
足し得る方法ではない。

本発明の目的は、シェル型のサブクーラ内にチューブを
有する蒸気圧縮冷凍装置を、塩水の冷却の如き低温冷却
の用途に於て、冷凍装置の運転停止時にもサブクーラの
チューブ内に於て望ましからざる量の水が凍結するとい
う危険を生じることなく単純に且信頼し得る態様にて運
転させるｔｃめのドレン装置及び蒸気圧縮冷凍装置の運
転方法を提供することである。

かかる目的及び他の目的は、シェル型のサブクーラ内に
チューブを有する蒸気圧縮冷凍装置であって、冷凍装置
の運転停止時にサブクーラのシェル側より液体冷媒を迅
速に′排出させるためのドレン装置を有する蒸気圧縮冷
凍装置によって達成される。液体冷媒はサブクーラ内の
冷ｇＫ温度がサブクーラのチューブ内の望ましからざる
量の水が凍結するに十分な時間に屋り水の凍結温度より
も低い温度に低下づ゛ることを阻止するに十分な程迅速
に排出される。本発明によるサブクーラの液体冷媒ドレ
ン装置は冷凍装置のサブクーラとエバポレータとの間に
接続されたドレン導管と、該ドレン導管の途中に設けら
れた弁と、冷凍装置の運転停止を検出するセンサと、前
記センサが前記冷凍装置の運転停止を検出する場合には
前記センサに応答して前記サブクーラより前記エバポレ
ータへ液体冷媒を排出させるべく前記弁を開弁させる制
御装置とを含んでいる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

添付の図はシェル型のサブクーラ３内にチューブを有す
る蒸気圧縮冷凍装置１を示す概略構成図であり、サブク
ーラ３は本発明の原理に従って蒸気圧縮冷凍装置１の運
転停止時にサブクーラ３より液体冷媒を排出させるため
のドレン装置４を有している。冷凍装置１は塩水の冷却
の如き低温冷部の用途に使用されるよう設計されている
。ドレン装置４を有するシェル型のサブクーラ３内にチ
ューブが設けられていることに加えて、蒸気圧縮冷凍装
置１はコンデンサ２と、フラッシュ・エコノマイザ５と
、エバポレータ６と、二段遠心コンプレッサ７と、冷凍
装置１の運転を制御する電子制御装置８とを含んでいる
。

図示の如く、サブクーラ３及びコンデンサ２はサブクー
ラ３のセクションとコンデンサ２のセクションとに分離
する仕切板９を有する一つのシェル１０内に収容されて
いる。しかしもし必要ならばコンデンサ２及びサブクー
ラ３は互に別個のシェル内に収容されても良い。また図
示の如く、フラッシュ・エコノマイザ５は冷凍装置１の
一部として含まれている。しかしもし必要ならばフラッ
シュ・エコノマイザ５は本発明の基本的構造及び作動を
変更することなく冷凍装置１より省略されても良い。

また図示の如く、サブクーラ３とフラッシュ・エコノマ
イザ５とを連通接続するサブクーラ液体冷媒導出管１１
が設けられている。サブクーラ液体冷媒導出管１１を経
てフラッシュ・エコノマイザ５へ供給される液体冷媒の
流量は高圧側フロート弁１２によって制御されるように
なっており、フロート弁１２はサブクーラ液体レベル検
出導管１３を経てサブクーラ３内の液体冷媒レベルを検
出するようになっている。フラッシュ・エコノマイザ５
はフラッシュ・エコノマイザ液体冷媒導出管１４により
エバポレータ６に連通接続されている。フラッシュ・エ
コノマイザ液体冷媒導出管１４を経てエバポレータ６へ
供給される液体冷媒の流量は低圧側フロー１−弁１５に
よって制御されるようになっている。エバポレータ６は
コンプレッサ冷媒蒸気導入管１６により遠心コンプレッ
サ７の入口に連通接続されている。遠心コンプレッサ７
の出口はコンプレッサ冷媒蒸気導出管１７によりコンデ
ンサ２に連通接続されている。フラーツシュ・エコノマ
イザ５はエコノマイザフラッシュガス導出管１８により
遠心コンプレッサ７の第二段に連通接続されている。

更に図示の如く、ドレン装置４はドレン導管２０と、該
ドレン導管２０の途中に設けられた圧力作動型の制御弁
２１と、該圧力作動型の制御弁２１を開閉さぜる三方向
ソレノイド弁２２とを含パノでいる。ドレン導管２０は
サブクーラ液体冷媒導出管１１とフラッシュ・エコノマ
イザ液体冷ｉｓ出管１４との間に接続されている。三方
向ソレノイド弁２２は制御弁２１に接続された圧力導出
管２３と、比較的低圧の圧力源に接続される第一の圧力
導入管２４と、比較的高圧の圧力源に接続される第二の
圧力導入管２５とを有している。図示の如く比較的低圧
の圧力源は蒸気圧縮冷凍波＠１の周りの大気であり、比
較的高圧の圧力源は圧縮空気供給源２６である。また図
示の如く、三方向ソレノイド弁２２は蒸気圧縮冷凍装置
１を制御する電子制御装置８に導線２７によって電気的
に接続されている。

ドレン導管２０は、該ドレン導管に設けられた制御弁２
１が冷凍装置１の運転停止時に開弁されると、成る所定
の時間内にサブクーラ３より実質的に全ての液体冷媒を
排出させ得るような冷凍装置１に対する大きさ、位置、
及び構造にて設けられている。勿論側々の冷凍装置によ
ってその大きさ及び構造が異なる。従って成る特定の冷
凍装置について所望の所定の排出時間を達成するために
は、ドレン導管２０は、サブクーラ３とエバポレータ６
との間の高さの差、冷凍装置１の運転停止時に於けるサ
ブクーラ３とエバポレータ６との間の冷媒の差圧、サブ
クーラ３の大きさ、冷凍装置１の運転停止時にサブクー
ラ３内に通常存在する液体冷媒の量の如き因子に応じて
、通常の流体工学の原理に従ってその特定の冷凍装置に
適合づ−る大きさ、位置、及び構造にて設けられなけれ
ばならない。

本発明によれば、ドレン装置４につ（／〜ての所定の排
出時間（よ、冷凍装置１の運転停止後にサブクーラ３の
チューブ３２内に於て好ましくない程の量の水が凝固す
るに要する時間よりも短く選定される。かかる凝固時間
は本発明が属する技術分野の当業者にとって明らかであ
る種々の方法にて決定されて良い。例えば上述の如き凝
固時間を決定する一つの方法は、冷凍装置１の運転停止
後にサブクーラ３のチューブ３２の内の一つのチューブ
についての設計応力限界を越える程の水がそのチューブ
内に於て凝固するに必要な時間を計算することである。

かかる計算はチューブ内にて形成される氷及びチューブ
それ自身を二つのチューブとして捕え、その氷とチュー
ブとの間の熱膨張差により発生される締り嵌めの程度を
考慮することによって行われて良い。上述の如き氷の熱
膨張はチューブによって制限され、そのチューブの壁内
にフープ応力が発生される。チューブ内の氷を設計応力
限界にまで冷凍するに要する時間は、サブクーラ３につ
いての種々の均一な冷ｌ５ｉｉに於て、氷の伝熱抵抗、
チューブ構成材料の伝熱抵抗、チューブの外面に存在す
る冷媒の膜の伝熱抵抗を考慮することによって計算され
て良い。水が凝固する際の潜熱と組合された無限に長い
チューブにっいての熱流方程式により上述の如き凝固時
間が与えられる。最悪の場合の凝固時間は、最悪の均一
冷媒温度を想定し、冷凍装置１の運転停止時にサブクー
ラのチューブ３２内に停滞した水が存在するものと仮定
し、チューブ構成材料の熱膨張を無祝し、サブクーラの
チューブ３２内の水の感知し得る程の冷却を無視するこ
とによって計算される。

かくして計算される最悪の凝固時間及び成る特定の冷凍
装置１に関する工学的経験及び判断に基づいて、その冷
凍装置１についての安全な凝固時間が選定され、かくし
て選定された安全な凝固時間よりも短い排出時間を有す
るドレン装置４が設計されて良い。

図示の如く、ドレン導管２０の途中に設けられた圧力作
動型の制御弁２１はバタフライ型の弁の如き空気圧にて
作動される弁である。制御弁２１は該制御弁ヘソレノイ
ド弁２２の圧力導出管２３を経て大気圧が供給される場
合には開弁じ、ソレノイド弁２２の圧力導出管２３を経
て制御弁２１へ圧縮空気源２６より高圧の空気が供給さ
れる場合には閉弁する。三方向ソレノイド弁２２は圧力
導出管を二つの圧力導入管の何れかへ接続し他方の圧力
導入管を圧力導出管より有効にシールする種々の弁の何
れであっても良い。三方向ソレノイド弁２２は導線２７
により電子制御装置８へ電気的に接続されていることが
好ましく、これにより圧力導出管２３は電子制御装置よ
りソレノイド弁２２へ電力が供給されない場合には圧力
導出管２　　　　パ３が第一の圧力導入管２４に接続さ
れ、電子制御装置８よりソレノイド弁２２へ電力が供給
される場合には、圧力導出管２３が第二の圧力導入管２
５へ接続されるようになっていることが好ましい。

かくしてドレン導管２０の途中に設けられた制御弁２１
は、電力がソレノイド弁２２へ供給される場合には、比
較的高圧の空気源が制御弁２１に接続されるので閉弁さ
れ、電力がソレノイド弁２２へ供給されない場合には、
比較的低圧の空気源が制御弁２１に接続されるので開弁
される。

電子制御装置８は冷凍装置１の全体的な運転を制御する
ことに加えて、冷凍装置１の運転をモニタする電気的構
成要素を含んでいる。例えば電子制御装置８は遠心コン
プレッサ７のモータへ供給される電流を検出する電気的
構成要素を含んでいて良い。上述の電流が検出される場
合には、冷凍装＠１が運転状態にあり、従９て電子制御
装置８は導線２７を経てソレノイド弁２２へ電力を供給
し、これによりドレン導管２０の途中に設けられた制御
弁２１を閉弁させる。これに対し上述の電流が検出され
ない場合には、冷凍装置１は非運転状態にあり、電子制
御装置８は導ｆｌＡ２７を経てソレノイド弁２２へ電力
を供給せず、これによ多ドレン導管２０の途中に設けら
れた制御弁２１を開弁させ、液体冷媒をサブクーラ３よ
り排出させる。

勿論上述のドレン装置４は本発明のｌｔＩ′＠に従って
構成されたサブクーラのためのドレン装置の一例に過ぎ
ず、他の多くのドレン装置及び上述のドレン装置４に対
する修正は当業者にとって明らかであろう。例えば、も
し必要ならば、ドレン導管２０の入口はサブクーラ３に
直接接続されて良く、またドレン導管２０の出口はエバ
ポレータ６に直接接続されても良い。また特殊なドレン
導管２０が設けられなくても良く、その代りに冷凍装置
１の運転停止時にサブクーラ３よりサブターラ液体冷媒
導出管１１を経てフラッシュ・エコノマイザ５内へ液体
冷媒を排出させるべく高圧側フロート弁２が開弁されて
も良い。しかしこの場合にはフラッシュ・エコノマイザ
５の入口に設けられた過剰寸法の高圧側フロート弁１２
に過剰寸法の孔を使用し、また冷凍装置１の運転停止時
にのみ高圧側フロート弁１２を完全に開弁させる適当な
制御装置を使用することが必要とされる。これらの要件
は多くの典型的な冷凍装置に於て゛達成することが困難
なものである。何故ならば、過剰寸法のフロート弁には
それに固有の機械的な問題及び運転上の問題が存在し、
そのため上述の如きドレン導管２０を有するドレン装置
の場合に比して構成が不適当なものとなるからである。

またもし必要ならば、図示の圧力作動型の制御弁２１及
び三方向ソレノイド弁２２の代りに完全に電子的な弁／
制御装置が使用されても良い。またコンデンサ２とエバ
ポレータ６との間の冷−媒の差圧をモニタする制御装置
が使用されても良い。

その場合に１よドレン導管２０の途中に設けられた制御
弁２１は、モニタされた差圧が成る予め選定されたレベ
ル以下に低下し、これにより冷凍装置１が運転されてい
ないことが確認された場合には開弁される。勿論上述の
例は本発明の範囲内にてなされて良い多くの修正及び変
更の例に過ぎない。

図示の蒸気圧縮冷凍装置の通常の運転中には、エバポレ
ータ６内のチューブ３０内を流れる塩水の如き低温冷却
媒体を冷却すべく、エバポレータ６内に於て液体冷媒が
蒸発される。かくしてエバポレータ６内に於て冷却され
た冷却媒体は工業的プロセスに冷却容量を与え又は他の
同様の目的を果す熱交換手段（図示せず）へ供給される
。一般に塩水の如き媒体がエバポレータ６のチューブ３
０内に通される熱交換媒体として使用される場合には、
その熱交換媒体は水の氷点以下の温度に冷却される。例
えば塩水はＯ〜５下（−１８〜−１５℃）の温度に冷却
される。

エバポレータ６内の冷媒蒸気はエバポレータよりコンプ
レッサ冷媒蒸気導入管１６を経て二段遠心コンプレッサ
７内へ流入する。コンプレッサ７は冷媒蒸気を圧縮し、
かくして圧縮された冷Ｉｓ蒸気をコンプレッサ冷媒蒸気
導出管１７を経てコンデンサ２へ供給する。比較的低温
の水がコンデンサ２内のチューブ３１内を流れ、これに
より冷媒蒸気を冷却し且該冷媒を液体に凝縮する。かく
して凝縮された液体冷媒はコンデンサ２よりサブクーラ
３１＼供給される。サブクーラ３内に於ては液体冷媒は
サブクーラ３内のチューブ３２内を流れる比較的低温の
水によって更に冷却される。図示の如く、サブクーラ３
内のチューブ３２内を流れる水は、その水を先ずサブク
ーラ３内のチューブ３２内に流し、次いでコンデンサ２
チユーブ３１内に流すことにより、コンデンサ２内のチ
ューブ３１内を流れる水の温度よりも低い温度に維持さ
れる。しかしもし必要ならば、コンデンサ２及びサブク
ー５３に対しそれぞれ互に独立した水循環系が設けられ
て良く、また他の種類の水循環装置が使用されても良い
。

サブクーラ３は該サブクーラ内のチューブ３２内を流れ
る水に顕熱を伝達することによって、サブクーラ３のシ
ェル側を流れる液体冷媒の温度を低下させるサーマル・
エコノマイザとしても知られている種類のサブクーラで
ある。かくして冷凍装置１の通常の運転中には、サブク
ーラ３を液体冷媒にて充填された状態に維持することが
好ましい。かかるサブクーラ３内に於ける所望の液体冷
媒のレベルは、サブクーラ３よりサブクーラ液体冷媒導
出管１１を経てフラッシュ・エコノマイザ５へ供給され
る液体冷媒の流量を制御する高圧側フロート弁１２を作
動させることによって維持される。

また冷凍装置１の通常の運転中には、ドレン導管２０の
途中に設けられ／ｅ圧力作動型の制御弁２１はドレン導
管２０内を冷媒が流れることを阻止すべく閉弁される。

制御弁２１は、電子制御装置８が冷凍装置１の運転を検
出しこれに応谷して三方向ソレノイド弁２２へ電力を供
給し、これにより圧力導出管２３が圧力導入管２５へ連
通接続されることによって閉弁される。かくして冷凍装
置１の通常の運転中には、比較的高圧の空気源が制御弁
２１に接続され、これにより制御弁２１が閉弁される。

サブクーラ３内に於て副次的に冷却された液体冷媒はサ
ブクーラよりサブクーラ液体冷媒導出管１１を経てフラ
ッシュ・エコノマイザ５へ流れる。

かかる液体冷媒の一部はフラッシュ・エコノマイザ５内
の冷媒の液体として残存する冷媒を更に冷却すべくフラ
ッシュされる。かくしてフラッシュされた冷媒はフラッ
シュ・エコノマイザ５よりエコノマイザフラッシュガス
導出管１８を経てコンプレッサ７の第二段へ供給され、
該コンプレッサ内に於て冷媒ガスは再度圧縮されコンデ
ンサ２へ戻される。冷媒の比較的低温の液体部分はフラ
ッシュ・エコノマイザ５よりフラッシュ・エコノマイザ
液体冷媒導出管１４を経てエバポレータ６へ供給される
。フラッシュ・エコノマイザ液体冷媒導出管１４を経て
エバポレータ６へ流れる比較的低温の液体冷媒の流量は
低圧側フロート弁１５の作動によって制御される。

蒸気圧縮冷凍装置１の運転停止時には、遠心コンプレッ
サ７は運転を停止し、冷凍装置１内に於て冷媒の圧力及
び温度の均一化が発生する。かかる圧力及び温度の均一
化期間中には、サブクーラ３内の液体冷媒の一部が蒸発
し、これによりサブクーラ３内の液体冷媒の他の部分が
大きく冷却される。このことは冷凍装置の運転停止時に
発生する。何故ならば、コンデンサ２及びサブクーラ３
内の比較的高圧及び高温の冷媒が冷凍装置１の低圧側に
存在する比較的低圧及び低温の冷媒に曝されるからであ
る。蒸気圧縮冷凍装置１が塩水の冷却の如き低混冷即の
用途に使用される場合の如く冷媒が比較的低圧及び低温
の状態にある場合に於て冷凍装置１のエバポレータ６が
冷凍装置の運転停止前に運転されている場合には、冷凍
装置の運転停止時には、サブクーラ３内の液体冷媒の温
度が水の氷点よりも低い成る温度に等しくなる。前述の
如く、サブクーラ３内の液体冷媒の温度が長時間に及り
水の氷点よりも低い冷媒温度に留まると、サブクーラ３
のチューブ３２内に於て好ましくない程の伍の水が凍結
する危険がある。

しかし本発明の原理によれば、冷凍装置１の運転停止時
にサブクーラ３のデユープ３２内に於て好ましくない程
の量の水が凍結するという危険はドレン装置４を作動さ
せることによって回避される。前述の如く、電子制御装
置８は冷凍装置１の　　　、１運転をモニタし、電子制
御装置８が蒸気圧縮冷凍装置１の運転停止を検出すると
、ドレン装置４の三方向ソレノイド弁２２への通電が停
止される。

このことにより三方向ソレノイド弁２２が作動されて、
比較的高圧の空気源へ接続された圧力導入管２５より比
較的低圧の空気源へ接続された圧力導入管２４へ圧力導
出管２３の空気圧接続が切換られる。このことにより制
御弁２１が開弁されてドレン導管２０が連通され、これ
によりサブクーラ３内に於ける凍結時間よりも短い所定
の時間内にサブクーラ３より実質的に全ての液体冷媒が
排出され、これによりサブクーラ３内に於ける凍結の問
題の発生が回避される。また制御弁２１について上述の
如き種類の制御装置が使用されるので、冷凍装置１に電
力供給に関する故障が発生しても、ンレノイド弁２２へ
電力が流れることはなく、サブクーラ３内の冷媒はかか
る状況に於て凍結の問題が発生することがないようドレ
ン装置４によって排出される。

以上に於ては本発明を特定の＊流側について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限・定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であるこ
とは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

添付の図はシェル型のサブクーラ内にチューブを有し本
発明によるドレン装置が組込まれた蒸気圧縮冷凍装置を
示す概略構成図である。 １・・・蒸気圧縮冷凍装置、２・・・コンデンサ、３・
・・サブクーラ、４・・・ドレン装置、５・・・フラッ
シュ・エコノマイザ、６・・・エバポレータ、７・・・
コンプレッサ、８・・・電子制御装置、９・・・仕切板
、１０・・・シェル、１１・・・サブクーラ液体冷媒導
出管、１２・・・高圧側フロート弁、１３・・・サブタ
ーラ液体レベル検出導管、１４・・・フラッシュ・エコ
ノマイザ液体冷媒導出管、１５・・・低圧側フロート弁
、１６・・・コンプレッサ冷媒蒸気導入管、１７・・・
コンプレッサ冷媒蒸気導出管、１８・・・エバポレータ
フラッシュガス導出管、２０・・・ドレン導管、２１・
・・制御弁。 ２２・・・三方向ンレノイド弁、２３・・・圧力導出管
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸気圧縮冷凍装置の運転停止時にシェル型のサブ
   クーラのチューブ内に於て望ましからざる量の熱交換媒
   体が凍結することを阻止すべく前記蒸気圧縮冷凍装置の
   前記サブクーラ内の前記チューブのシェル側より冷媒を
   排出させるドレン装置にして、 前記サブクーラより前記冷媒を除去する排出装置と、 前記排出装置の開閉を行う弁装置と、 前記蒸気圧縮冷凍装置の運転を検出する検出装置と、 前記検出装置が前記蒸気圧縮冷凍装置の運転を検出する
   場合には前記排出装置を閉じ、前記検出装置が前記蒸気
   圧縮冷凍装置の運転を検出しない場合には前記排出装置
   を開くべく前記弁装置の作動を制御する制御装置と、 を含むドレン装置。
2. （２）シェル型のサブクーラ内にチューブを有する蒸気
   圧縮冷凍装置の運転停止時に前記サブクーラの前記チュ
   ーブ内に於て望ましからざる量の熱交換媒体が凍結する
   ことがないよう前記蒸気圧縮冷凍装置を運転させる方法
   にして、 前記冷凍装置が運転されている時には前記サブクーラ内
   の液体冷媒のレベルを所望の値に維持すべく前記サブク
   ーラよりの前記冷媒の流邑を制御する過程と、 前記冷凍装置の運転停止を検出する過程と、前記冷凍装
   置の運転停止が検出された場合には前記サブクーラ内に
   於ける成る予め求められた凍結時間よりも短い所定の時
   間内に前記サブクーラより実質的に全ての前記液体冷媒
   を除去する過程と、 を含む運転方法。