KR20240000568A

KR20240000568A - 냉동 장치

Info

Publication number: KR20240000568A
Application number: KR1020237040248A
Authority: KR
Inventors: 웬핑 우; 야스시 하세가와; 요시에 도가노; 아키마사 요코야마; 다츠오 이시구로; 다이치 요시이; 가즈토 요시다
Original assignee: 미츠비시 쥬코 서멀 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2024-01-02
Also published as: WO2022249984A1; CN117355711A; JP2022180058A

Abstract

열교환 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 터보 냉동기는 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기로 압축한 냉매를 응축하는 응축기와, 응축기로 응축한 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와, 팽창 밸브로 팽창시킨 냉매를 증발시키는 증발기(5)와, 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어부를 구비한다. 증발기(5)는 외각을 형성하는 압력용기(11)와, 압력용기(11)의 내부에 수용되어 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관(16a)을 갖는 전열관군(16)과, 전열관군(16)으로 상방으로부터 냉매를 공급하는 냉매 트레이(13)와, 전열관군(16)에서 증발되지 않고 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 냉매를 냉매 트레이(13)에 유도하는 이덕터(10)를 갖고 있다. 팽창 밸브 제어부는, 케이스의 하부에 저류되어 있는 냉매의 수위가, 터보 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 이덕터(10)가 순환시키는 냉매량에 따른 수위가 되도록, 팽창 밸브의 개방도를 제어한다.

Description

냉동 장치

본 개시는 냉동 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 지역 냉난방의 열원용으로서 사용되고 있는 터보 냉동 장치는, 잘 알려진 바와 같이, 냉매를 압축하는 터보 압축기와, 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 팽창시키는 제어 밸브와, 팽창한 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하고 있다. 증발기는 외각을 형성하는 압력용기와 압력용기 내에 배치되는 전열관을 갖고 있고, 압력용기 내에 공급되는 팽창된 냉매와 전열관 내를 유통하는 피냉각 냉매를 열교환함으로써, 냉매를 증발시키고 있다.

터보 냉동 장치에 이용되는 증발기로서, 전열관의 표면에 냉매의 액막을 형성하는 액막식 증발기가 알려져 있다. 액막식 증발기는, 내부에 피냉각 매체가 유통하고 상하방향 및 수평방향으로 전열관이 나란한 전열관군에 대해, 상방으로부터 액상의 냉매를 공급하여, 각 전열관의 표면에 냉매의 액막을 형성한다. 이와 같은 액막식 증발기에서는, 전열관군에서 증발되지 않고 압력용기의 하부에 저류된 액상의 냉매를, 증발기의 상부로 재순환하여 전열관군으로 다시 공급하는 경우가 있다(예를 들어, 특허문헌 1).

특허문헌 1에는, 쉘 내에 수용되는 관속(tube bundle) 및 관속에 상방으로부터 냉매를 공급하는 분배기를 구비하는 증발기가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 증발기에서는, 펌프나 이젝터를 사용하여, 쉘의 하부로부터 분배기로 액체 냉매를 재순환시키고 있다.

미국 특허출원 공개 제2011/0120181호 명세서

액막식 증발기에서는, 열교환을 행하는 전열면은 전열관의 표면 중, 액막이 형성되어 있는 부분만이다. 이 때문에, 전열관의 표면에 액막이 형성되지 않은 부분이 발생한 경우(이하, 전열관의 표면에 액막이 형성되지 않은 것을 「드라이 아웃(dry out)」이라고도 칭한다), 드라이 아웃이 발생한 부분에서는 열교환이 행해지지 않기 때문에, 열교환 효율이 저감된다는 문제가 있었다. 특히, 액막식 증발기는, 전열관군에 상방으로부터 냉매를 공급하기 때문에, 하부에 위치하는 전열관일수록 드라이 아웃이 발생할 가능성이 높다. 따라서 열교환 효율의 저감을 억제하기 위해서는, 최하단에 배치되는 전열관까지 냉매가 충분히 널리 퍼지도록, 전열관군에 냉매를 공급할 필요가 있다.

그러나 증발기에 유도되는 냉매의 양은 냉동 장치의 운전 조건(예를 들어, 냉동 장치의 부하나 온도)에 의해 변동한다. 이 때문에, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 증발기처럼, 냉동 장치의 운전 조건을 고려하고 있지 않은 증발기에서는, 냉동 장치의 운전 조건에 따라서는, 전열관군에 충분히 냉매가 공급되지 않아, 열교환 효율이 저감할 가능성이 있었다.

본 개시는 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 냉동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 냉동 장치는 이하의 수단을 채용한다.

본 개시의 일 태양에 관한 냉동 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로 압축한 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기로 응축한 상기 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와, 상기 팽창 밸브로 팽창시킨 상기 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 팽창 밸브의 개방도(opening degree)를 제어하는 팽창 밸브 제어부를 구비하는 냉동 장치로서, 상기 증발기는 외각을 형성하는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되어, 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관을 갖는 전열관군과, 상기 전열관군으로 상방으로부터 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부와, 상기 전열관군에서 증발되지 않고 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 상기 냉매 공급부로 유도하는 순환부를 갖고, 상기 팽창 밸브 제어부는, 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매의 수위가, 상기 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 상기 순환부가 순환시키는 냉매량에 따른 수위로 되도록, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어한다.

본 개시에 의하면, 증발기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 제1 실시형태에 관한 터보 냉동 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시형태에 관한 증발기를 나타내는 종단면도다.
도 3은 본 개시의 제1 실시형태에 관한 증발기를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 본 개시의 제1 실시형태의 변형예에 관한 증발기를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 본 개시의 제2 실시형태에 관한 터보 냉동 장치의 개략구성도이다.
도 6은 본 개시의 제2 실시형태에 관한 터보 냉동 장치를 나타내는 몰리에르 선도(Mollier chart)이다.

이하에, 본 개시에 관한 냉동 장치의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

〔제1 실시형태〕

이하, 본 개시의 제1 실시형태에 대하여 도 1부터 도 3을 이용하여 설명한다.

본 실시형태에 관한 터보 냉동 장치(냉동 장치)(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 냉매를 압축하는 터보 압축기(압축기)(2)와, 터보 압축기(2)로 압축된 냉매를 응축하는 응축기(3)와, 응축기(3)로 응축한 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(4)와, 팽창 밸브(4)로 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기(5) 등을 구비하며, 유닛 형상으로 구성되어 있다.

터보 압축기(2)와 응축기(3)의 상부는 토출 배관(6)에 의해 접속되어 있다. 토출 배관(6)은 터보 압축기(2)로 압축된 냉매를 응축기(3)로 유도하고 있다. 응축기(3)의 저부와 팽창 밸브(4)와 증발기(5)의 상부는, 냉매 배관(7)에 의해 접속되어 있다. 냉매 배관(7)에는, 팽창 밸브(4)가 설치되어 있다. 냉매 배관(7)은 응축기(3)로 응축한 냉매를 증발기(5)로 유도하고 있다. 증발기(5)의 상부와 터보 압축기(2)는 흡입 배관(8)에 의해 접속되어 있다. 흡입 배관(8)은 증발기(5)로 증발한 냉매를 터보 압축기(2)로 유도하고 있다.

또한, 냉매 배관(7)의 도중 위치로부터는, 분기 배관(17)이 분기되어 있다. 분기 배관(17)은, 냉매 배관(7) 중, 팽창 밸브(4)보다도 상류 측으로부터 분기되어 있다. 분기 배관(17)의 하류단은 이덕터(eductor)(10)에 접속되어 있다.

분기 배관(17)은 응축기(3)로 응축한 냉매의 일부를 이덕터(10)에 유도하고 있다. 또한, 이덕터(10)와 증발기(5)는 제1 순환 배관(14)에 의해 접속되어 있다. 제1 순환 배관(14)의 상류단은 증발기(5)의 압력용기(11)의 저부에 접속되어 있다. 또한, 제1 순환 배관(14)의 하류단은 이덕터(10)에 접속되어 있다. 제1 순환 배관(14)은 증발기(5)의 하류에 저류된 액상의 냉매를 이덕터(10)에 유도하고 있다. 또한, 이덕터(10)에는, 이덕터(10) 내의 냉매를 배출하는 제2 순환 배관(15)의 상류단이 접속되어 있다. 제2 순환 배관(15)의 하류단은, 냉매 배관(7) 중, 팽창 밸브(4)보다도 하류 측에 접속되어 있다. 제2 순환 배관(15)은 이덕터(10)로부터 배출된 냉매를, 냉매 배관(7)을 통해 증발기(5)로 유도하고 있다.

터보 압축기(2)는 전동기(9)에 의해 회전 구동되는 공지의 원심터빈형의 것이며, 그의 축선을 거의 수평방향으로 연재시킨 자세로 증발기(5)의 상방에 배치되어 있다. 전동기(9)는 인버터 유닛에 의해 구동된다. 터보 압축기(2)는 후술하는 바와 같이, 증발기(5)의 냉매 출구로부터 흡입 배관(8)을 거쳐 공급되는 기상 상태의 냉매를 압축한다. 냉매로서는, 예를 들어 최고 압력 0.2 MPaG 미만에서 사용되는 R1233zd 등의 저압 냉매가 사용된다.

응축기(3) 및 증발기(5)는 내압성이 높은 원통 쉘 형상으로 형성되고, 그의 중심 축선을 거의 수평방향으로 연재시킨 상태에서 서로 인접하도록 평행하게 배치되어 있다. 응축기(3)는 증발기(5)보다도 상대적으로 높은 위치에 배치되어 있어도 된다.

이덕터(10)는 내부를 흐르는 액상의 냉매의 유속차 및 압력차에 의해, 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 액상의 냉매를 흡인한다. 구체적으로는, 분기 배관(17)으로부터 이덕터(10)에 유도된 액상의 냉매(응축기(3)로부터의 냉매)가, 이덕터(10)의 내부의 메인 유로를 유통하여, 이덕터(10)로부터 제2 순환 배관(15)으로 배출된다. 이에 따라, 메인 유로의 외주부에 설치된 제1 순환 배관(14)과의 접속 부분이 저압으로 됨으로써, 제1 순환 배관(14)을 통해서 압력용기(11) 내의 액상의 냉매가 이덕터(10) 내에 흡인된다. 이덕터(10) 내에 흡인된 액상의 냉매는 노즐로부터 분사된 냉매와 함께, 제2 순환 배관(15)으로 배출된다. 이와 같이, 이덕터(10)는 터보 냉동 장치(1) 내의 압력차(응축기(3) 내의 냉매의 압력과, 증발기(5) 내의 냉매의 압력과의 차등)를 이용하여 냉매를 순환시킨다.

이하, 도 2를 이용하여 증발기(5)에 대해 상세하게 설명한다.

증발기(5)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 외각을 형성하는 압력용기(케이스)(11)와, 압력용기(11)의 내부로 냉매를 도입하는 냉매 입구관(12)과, 냉매 입구관(12)의 하방에 설치되는 냉매 트레이(냉매 공급부)(13)와, 압력용기(11)의 내부에 수용된 전열관군(16)과, 증발한 냉매를 압력용기(11)로부터 배출하는 냉매 출구관(도시 생략)을 갖고 있다.

압력용기(11)는, 중심 축선을 따라 연재하는 원통부(11a)와, 당해 원통부(11a)의 중심 축선을 따르는 방향의 양단부를 폐쇄하는 2매의 관판(tube plate)(도시 생략)을 일체적으로 갖는다. 원통부(11a)는 상술한 바와 같이, 중심 축선이 거의 수평으로 되도록 배치되어 있다. 각 관판은 원반 형상의 판재이다.

또한, 이하의 설명에 있어서, 중심 축선을 따르는 방향(도 2의 지면 안쪽 방향)을 길이방향이라고 칭한다. 또한, 연직 상하방향을 간단히 상하방향이라고 칭한다. 또한, 길이방향 및 상하방향과 교차하는 방향을 횡방향(lateral direction)이라고 칭한다.

냉매 입구관(12)은 상하방향으로 연장되는 원통 형상의 부재로서, 거의 직선 형상으로 형성되어 있다. 냉매 입구관(12)은 원통부(11a)의 상부를 상하방향으로 관통하도록 설치되어 있다. 냉매 입구관(12)은 원통부(11a)의 중심 축선을 따르는 방향에 있어서의 거의 중앙에 설치되어 있다. 냉매 입구관(12)은 냉매 배관(7)(도 1 참조)과 접속되어 있다. 즉, 팽창 밸브(4)로 팽창한 냉매는 냉매 배관(7) 및 냉매 입구관(12)을 통해, 압력용기(11)의 내부로 유도된다.

냉매 트레이(13)는 대략 직사각형 판 형상의 부재이다. 냉매 트레이(13)는 압력용기(11)의 내부의 상부에, 판면이 대략 수평으로 되도록 배치되어 있다. 또한, 냉매 트레이(13)는 냉매 입구관(12)의 하단과 판면이 대향하도록 설치되었다. 냉매 트레이(13)는 횡방향의 양단부가 압력용기(11)의 원통부(11a)의 내주면으로부터 소정 거리만큼 이간하여 배치되어 있다. 또한, 냉매 트레이(13)는 압력용기(11)의 길이방향의 거의 전역에 걸쳐 설치되어 있다. 냉매 트레이(13)의 길이방향의 양단부는 각각 관판에 고정되어 있다. 냉매 트레이(13)에는, 상하방향으로 관통하는 다수의 구멍이 형성되어 있다. 다수의 구멍은 냉매 트레이(13)의 거의 전역에 형성되어 있다. 냉매 입구관(12)으로부터 토출된 액냉매는, 냉매 트레이(13) 상에 배출된다. 냉매 트레이(13)에 배출된 냉매는 냉매 트레이(13)의 상면을 흐르고, 그 후에 다수의 구멍을 통해서 하방으로 낙하한다. 이와 같이 하여, 냉매 트레이(13)는 냉매 입구관(12)으로부터 공급된 냉매를 길이방향 및 횡방향으로 분배하고 있다.

전열관군(16)은 압력용기(11)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 전열관군(16)은 냉매 트레이(13)의 하방에 배치되어 있다. 전열관군(16)은 길이방향을 따라 연재하는 복수의 전열관(16a)에 의해 구성되어 있다. 복수의 전열관(16a)은 거의 평행하게 배치되어 있다. 복수의 전열관(16a)은 상하방향 및 횡방향으로 소정의 간격으로 나란히 배치되어 있다. 상세하게는, 복수의 전열관(16a)은 상하방향으로 복수단으로 나란히 있는 동시에, 횡방향으로 복수열로 나란히 있다. 각 전열관(16a)의 내부에는, 피냉각액으로서의 물이 유통하고 있다. 또한, 각 전열관(16a)은 직선 형상으로 형성되어 있다. 또한, 각 전열관(16a)은 압력용기(11)의 길이방향의 일단으로부터 타단까지 연장되어 있고, 각 관판을 관통하고 있다.

냉매 출구관은 상하방향으로 연장되는 원통 형상의 부재로서, 원통부(11a)의 상부에 형성된 개구(도시 생략)와 연통하도록 설치되어 있다. 냉매 출구관은 흡입 배관(8)(도 1참조)과 접속되어 있다. 즉, 증발기(5)로 증발한 냉매는 냉매 출구관 및 흡입 배관(8)을 통해, 압력용기(11)의 외부로 배출되어, 터보 압축기(2)로 유도된다.

또한, 터보 냉동 장치(1)는 제어 장치(18)를 구비하고 있다. 제어 장치(18)는 팽창 밸브(4)의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어부와, 터보 압축기(2)에 설치되어 있는 도시 생략의 인렛 가이드 베인(IGV)을 제어하는 IGV 제어부(조정 수단 제어부)를 갖고 있다.

제어 장치(18)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 및 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 독출하여, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은 ROM이나 기타의 기억 매체에 미리 인스톨하여 두는 형태나, 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통해서 전송되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 독취 가능한 기억 매체란, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.

팽창 밸브 제어부는 팽창 밸브(4)의 개방도를 제어함으로써, 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 냉매의 수위를 조정할 수 있다. 또한, 팽창 밸브 제어부는, 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 냉매의 수위가, 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건(예를 들어, 터보 냉동 장치(1)의 부하나 온도)에 의해 변화하는 이덕터(10)의 운전 능력(이덕터(10)가 순환시킬 수 있는 냉매의 양)에 따른 수위로 되도록, 팽창 밸브(4)의 개방도를 제어한다.

구체적으로는, 예를 들어 팽창 밸브 제어부는 이덕터(10)의 운전 능력이 저감한 경우에는, 냉매의 수위를 상승시켜도 된다. 또한, 팽창 밸브 제어부는 이덕터(10)의 운전 능력이 상승한 경우에는, 냉매의 수위를 하강시켜도 된다.

상세하게는, 팽창 밸브 제어부는 이덕터(10)의 운전 능력에 의해, 표면에 충분히 냉매가 공급되는 전열관(16a) 중 최하단에 위치하는 전열관(16a)이 냉매의 액면의 바로 위가 되도록, 냉매의 수위를 조정해도 된다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 이덕터(10)의 운전 능력에 의해, 위에서 1단부터 5단의 전열관(16a)(도 3의 액막식 전열관군(16A) 참조)까지 충분히 냉매를 공급할 수 있는 경우에는, 5단의 전열관(16a)이 냉매의 액면의 바로 위가 되도록, 냉매의 수위를 조정하고, 위에서 6단 및 7단의 전열관(16a)(도 3의 만액식 전열관군(16B) 참조)이 냉매의 액면보다도 하방에 위치하도록 하여도 된다. 즉, 6단 및 7단의 전열관(16a)은 냉매에 침지하도록 해도 된다.

한편, 도 2에 나타내는 바와 같이, 이덕터(10)의 운전 능력에 의해, 모든 전열관(16a)에 충분히 냉매를 공급할 수 있는 경우에는, 7단의 전열관(16a)보다도 하방으로 되도록, 냉매의 수위를 조정해도 된다.

IGV 제어부는 응축기(3)로부터 이덕터(10)를 향하는 냉매의 압력을 조정할 수 있다. 이덕터(10)를 향하는 냉매의 압력을 조정함으로써, 이덕터(10)가 순환시키는 냉매량을 조정할 수 있다. IGV 제어부는 이덕터(10)가 순환시키는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, IGV(순환부 조정 수단)의 개방도를 제어한다.

구체적으로는, 예를 들어 IGV 제어부는 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건 등에 의해, 이덕터(10)의 운전 능력이 저감한 경우에는, 응축기(3)로부터 이덕터(10)를 향하는 냉매의 압력을 상승시켜도 된다. 또한, IGV 제어부는 이덕터(10)의 운전 능력이 상승한 경우에는, 응축기(3)로부터 이덕터(10)를 향하는 냉매의 압력을 저하시켜도 된다.

상세하게는, IGV 제어부는 이덕터(10)가 순환시킬 수 있는 냉매량(운전 능력)이 소정의 양보다도 적은 경우에는, 응축기(3)로부터 이덕터(10)를 향하는 냉매의 압력을 상승시킴으로써, 이덕터(10)가 순환시킬 수 있는 냉매량을 증대시켜도 된다. 또한, 소정의 양이란, 냉매 트레이(13)로부터 냉매를 공급할 필요가 있는 전열관(16a)(즉, 액면보다도 상방의 전열관(16a)) 중, 최하단에 위치하는 전열관(16a)의 표면에 충분히 냉매가 공급되는 냉매의 양이라도 된다. 또한, 소정의 양은 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건 등에 따라서 미리 산출한 양이라도 된다.

또한, 소정의 양은 전열관군(16)으로 증발하는 냉매의 양(q)에, 전열관군(16)에서 증발되지 않고 압력용기(11)의 하부에 저류되어 이덕터(10)에 의해 순환되는 냉매의 양(Q)을 더한 양(q+Q)이라도 된다.

본 실시형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.

이덕터(10)가 순환시키는 냉매량(이하, 「이덕터(10)의 운전 능력」이라고 칭하는 경우도 있다)이 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건에 의해 변화하는 경우가 있다. 예를 들어, 본 실시형태에 관한 이덕터(10)와 같이, 터보 냉동 장치(1) 내의 압력차(응축기(3) 내의 냉매의 압력과, 증발기(5) 내의 냉매의 압력과의 차등)를 이용하여 냉매를 순환시키는 장치인 경우가 있다. 이 경우에는, 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건에 기인하여, 터보 냉동 장치(1) 내의 압력차가 작은 경우 등에는, 이덕터(10)가 순환시킬 수 있는 냉매량이 적어진다. 순환시킬 수 있는 냉매량이 적어지면, 냉매 트레이(13)로부터 전열관군(16)으로 공급되는 냉매량도 적어진다. 이 때문에, 전열관군(16)으로 충분히 냉매를 공급할 수 없고, 일부의 전열관(16a)(특히, 하부에 배치되는 전열관(16a))에 있어서, 전열관(16a)의 표면에 충분히 냉매가 널리 퍼지지 않은 상태(이하, 이 상태를 「드라이 아웃」이라고 칭한다)로 될 가능성이 있다.

한편, 본 실시형태에서는, 팽창 밸브 제어부는 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 냉매의 수위가, 터보 냉동 장치(1)의 운전 조건에 의해 변화하는 이덕터(10)의 운전 능력에 따른 수위로 되도록, 팽창 밸브(4)의 개방도를 제어하고 있다. 이에 따라, 냉매의 수위를 이덕터(10)의 운전 능력에 따른 수위로 할 수 있다. 따라서 예를 들어, 이덕터(10)의 운전 능력이 저감한 경우에, 팽창 밸브(4)의 개방도를 제어하여 수위를 상승시킴으로써, 전열관군(16) 중 하부에 배치되어 있는 전열관(16a)을 액면보다도 하방으로 할 수 있다. 환언하면, 전열관군(16) 중 하부에 배치되어 있는 전열관(16a)을 저류하고 있는 냉매에 침적시킬 수 있다. 따라서 냉매 트레이(13)로부터 냉매를 공급할 필요가 있는 전열관(16a)(즉, 액면보다도 상방의 전열관(16a))의 수를 감소시킬 수 있기 때문에, 적은 냉매량이라도 드라이 아웃의 발생을 억제할 수 있다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 냉매의 수위를 이덕터(10)의 운전 능력에 따른 수위로 할 수 있기 때문에, 증발기(5)의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 조정 수단 제어부가, 이덕터(10)가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, IGV를 제어하고 있다. 이에 따라, 충분한 양의 냉매를 순환시켜, 냉매 트레이(13)로부터 충분한 양의 냉매를 전열관군(16)으로 공급할 수 있다. 따라서 드라이 아웃의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 증발기(5)의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

[변형예]

또한, 상기 제1 실시형태에서는, 냉매를 순환시키는 순환부로서 이덕터(10)를 적용한 예에 대하여 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 나타내는 바와 같이, 이덕터(10) 대신에 펌프(19)를 설치해도 된다. 펌프(19)는 압력용기(11)의 하부에 저류되어 있는 냉매를 승압한다.

또한, 펌프(19)는 인버터 장치(도시 생략) 등에 의해 회전수가 변경 가능하도록 되어 있다. 제어 장치(18)는 인버터 장치를 제어함으로써, 펌프(19)의 회전수를 조정할 수 있다. 즉, 제어 장치(18)는 펌프(19)의 운전 능력(펌프(19)가 순환시킬 수 있는 냉매의 양)을 조정할 수 있다.

이와 같은 구성이라도, 상기 제1 실시형태와 마찬가지의 효과를 발휘한다.

[제2 실시형태]

상기 제1 실시형태에서는, 본 개시의 냉동 장치가 1단 압축식의 터보 냉동 장치(1)에 적용되는 예에 대해 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 본 개시의 냉동 장치는, 도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 타단 압축식의 터보 냉동 장치(21)에 적용되어도 된다.

본 실시형태에 관한 터보 냉동 장치(21)는 저단 압축기(2A) 및 고단 압축기(2B)를 구비하고 있는 점, 중간 냉각기(22) 등을 갖고 있는 점, 중간 배관(23)을 구비하고 있는 점, 및 저압 팽창 밸브(4A) 및 고압 팽창 밸브(4B)를 구비하고 있는 점에서, 상기 제1 실시형태와 다르다. 그 외의 점은, 상기 제1 실시형태와 마찬가지이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여 그의 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에 관한 냉매 배관(7)에는, 상류 측으로부터 차례로, 고압 팽창 밸브(4B), 중간 냉각기(22), 저압 팽창 밸브(4A)가 설치되어 있다. 또한, 저압 팽창 밸브(4A)는 분기 배관(17)이 분기되는 위치보다도 하류 측에 설치되어 있다. 또한, 고압 팽창 밸브(4B), 중간 냉각기(22)는 분기 배관(17)이 분기되는 위치보다도 상류 측에 설치되어 있다.

중간 냉각기(22)는 응축기(3)로부터 배출된 냉매를 기액 분리한다. 기상의 냉매는 중간 배관(23)을 통해, 고단 압축기(2B)의 흡입 측으로 유도된다. 액상의 냉매는 냉매 배관(7) 헤드에 의해 증발기(5)로 유도된다.

본 실시형태에 있어서의 이덕터(10)의 운전 능력의 조정 방법에 대해, 도 6의 몰리에르 선도를 이용하여 설명한다.

먼저 도 6의 실선으로 나타내는 경우의 냉매에 대해 설명한다. 고단 압축기(2B)로부터 배출된 가스 냉매(a)는 응축기(3)로 유입된다. 응축기(3)로 유입된 냉매는, 응축기(3)에서 물과 열교환함으로써 응축된다. 응축기(3)로부터 배출된 고온·고압의 액냉매(b)는, 고압 팽창 밸브(4B)로 팽창 및 감압되어(c), 기액 2상 냉매로 되어 중간 냉각기(22)에 유입된다. 중간 냉각기(22)에 유입된 기액 2상 냉매는 기액 분리되고, 엔탈피가 낮은 액냉매(d)는 저압 팽창 밸브(4A)로 유도된다. 이덕터(10)의 주 유로에는, 분기 배관(17)을 거쳐 액냉매(d)가 유입하는 것으로 된다. 액냉매보다도 엔탈피가 높은 가스 냉매는 중간 배관(23)을 통해 고단 압축기(2B)로 향한다.

중간 냉각기(22)로부터 저압 팽창 밸브(4A)에 유입된 액냉매는, 저압 팽창 밸브(4A)에 의해 팽창 및 감압되고(e), 기액 2상 냉매로 되어, 증발기(5)에 유입된다. 증발기(5)에 유입된 액냉매에서, 전열관군(16)에서 증발되지 않은 액냉매(e)는, 제1 순환 배관(14)을 통해서 이덕터(10)로 유도된다. 즉, 이덕터(10)에서는, 액냉매(d)와 액냉매(e)의 압력차(도 6의 P1)가 구동력으로 된다.

증발기(5)에 유입된 기액 2상 냉매는, 본 실시형태의 경우에는 물과 열교환하여 증발하고, 가스 냉매로 되어서 증발기(5)로부터 유출된다. 증발기(5)로부터 유출된 가스 냉매(f)는 저단 압축기(2A)에 흡입되어 압축된다(g).

중간 냉각기(22)에 의해 기액 분리된 가스 냉매는 중간 배관(23)을 통해, 저단 압축기(2A)와 고단 압축기(2B) 사이에 흡입되면, 저단 압축기(2A)로 압축된 가스 냉매와 합류하고(h), 합류한 냉매는 고단 압축기(2B)로 압축되어 토출된다(a).

다음에, 도 6의 파선으로 나타내는, 고단 압축기(2B)의 입구에 설치되어 있는 IGV의 개방도를 좁힌 경우에 대해 설명한다. 이 경우에는, 고압 팽창 밸브(4B)로 팽창 및 감압된 냉매(c')의 압력이 냉매(c)보다도 높아진다. 냉매(c')는 기액 2상 냉매로 되어 중간 냉각기(22)에 유입된다. 중간 냉각기(22)에 유입된 기액 2상 냉매는 기액 분리되고, 엔탈피가 낮은 액냉매(d')는 저압 팽창 밸브(4A)로 유도된다. 이덕터(10)의 주 유로에는, 분기 배관(17)을 거쳐 액냉매(d')가 유입하는 것으로 된다. 액냉매보다도 엔탈피가 높은 가스 냉매는 중간 배관(23)을 통해서 고단 압축기(2B)로 향한다.

중간 냉각기(22)로부터 저압 팽창 밸브(4A)에 유입된 액냉매는 저압 팽창 밸브(4A)에 의해 팽창 및 감압되고(e'), 기액 2상 냉매로 되어, 증발기(5)에 유입된다. 증발기(5)에 유입된 액냉매에서, 전열관군(16)에서 증발되지 않은 액냉매(e')는, 제1 순환 배관(14)을 통해 이덕터(10)로 유도된다. 즉, 이덕터(10)에서는, 액냉매(d')와 액냉매(e')와의 압력차(도 6의 P2)가 구동력으로 된다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 압력차(P2)는 압력차(P1)보다도 크다. 즉, 도 6의 파선으로 나타내는 경우의 쪽이, 이덕터(10)의 운전 능력을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, IGV의 개방도를 조정함으로써, 이덕터(10)의 운전 능력을 조정할 수 있다.

증발기(5)에 유입된 기액 2상 냉매는, 본 실시형태의 경우에는 물과 열교환하여 증발하고, 가스 냉매로 되어 증발기(5)로부터 유출된다. 증발기(5)로부터 유출된 가스 냉매(f)는 저단 압축기(2A)에 흡입되어 압축된다(g').

중간 냉각기(22)에 의해 기액 분리된 가스 냉매는 중간 배관(23)을 통해, 저단 압축기(2A)와 고단 압축기(2B) 사이에 흡입되면, 저단 압축기(2A)로 압축된 가스 냉매와 합류하고(h'), 합류한 냉매는 고단 압축기(2B)로 압축되어 토출된다(a).

또한, 본 개시는 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 적절히 변형이 가능하다.

예를 들어, 상기 각 실시형태에서는, 제어 장치(18)가 팽창 밸브 제어부 또는 IGV 제어부의 양쪽을 구비하는 예에 대해 설명했지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 제어 장치(18)는 팽창 밸브 제어부 또는 IGV 제어부의 어느 한쪽만을 갖고 있어도 된다.

이상 설명한 실시형태에 기재된 냉동 장치는, 예를 들어 다음과 같이 파악된다.

본 개시에 일 태양에 관한 냉동 장치는, 냉매를 압축하는 압축기(2)와, 상기 압축기로 압축한 상기 냉매를 응축하는 응축기(3)와, 상기 응축기로 응축한 상기 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(4)와, 상기 팽창 밸브로 팽창시킨 상기 냉매를 증발시키는 증발기(5)와, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어부를 구비하는 냉동 장치(1)로서, 상기 증발기는 외각을 형성하는 케이스(11)와, 상기 케이스의 내부에 수용되어 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관(16a)을 갖는 전열관군(16)과, 상기 전열관군으로 상방으로부터 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부(13)와, 상기 전열관군에서 증발되지 않고 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 상기 냉매 공급부로 유도하는 순환부(10)를 갖고, 상기 팽창 밸브 제어부는, 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매의 수위가, 상기 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 상기 순환부가 순환시키는 냉매량에 따른 수위로 되도록, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어한다.

순환부가 순환시키는 냉매량(이하, 「순환부의 운전 능력」이라고 칭하는 경우도 있다)이, 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 경우가 있다. 예를 들어, 순환부가 이덕터처럼, 냉동 장치 내의 압력차(응축기 내의 냉매의 압력과, 증발기 내의 냉매의 압력과의 차등)를 이용하여 냉매를 순환시키는 장치인 경우가 있다. 이 경우에는, 냉동 장치의 운전 조건에 기인하여, 냉동 장치 내의 압력차가 작은 경우 등에는, 순환부가 순환시킬 수 있는 냉매량이 적어진다. 순환시킬 수 있는 냉매량이 적어지면, 냉매 공급부로부터 전열관군으로 공급되는 냉매량도 적어진다. 이 때문에, 전열관군으로 충분히 냉매를 공급할 수 없으며, 일부의 전열관(특히, 하부에 배치되는 전열관)에 있어서, 전열관의 표면에 충분히 냉매가 널리 퍼지지 않는 상태(이하, 이 상태를 「드라이 아웃」이라고 칭한다)로 될 가능성이 있다.

상기 구성에서는, 팽창 밸브 제어부는, 케이스의 하부에 저류되어 있는 냉매의 수위가, 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 순환부의 운전 능력에 따른 수위로 되도록, 팽창 밸브의 개방도를 제어하고 있다. 이에 따라, 냉매의 수위를 순환부의 운전 능력에 따른 수위로 할 수 있다. 따라서 예를 들어, 순환부의 운전 능력이 저감한 경우에, 팽창 밸브의 개방도를 제어하여 수위를 상승시킴으로써, 전열관군 중 하부에 배치되어 있는 전열관을 액면보다도 하방으로 할 수 있다. 환언하면, 전열관군 중의 하부에 배치되어 있는 전열관을 저류하고 있는 냉매에 침적시킬 수 있다. 따라서 냉매 공급부로부터 냉매를 공급할 필요가 있는 전열관(즉, 액면보다도 상방의 전열관)의 수를 감소시킬 수 있기 때문에, 적은 냉매량이라도 드라이 아웃의 발생을 억제할 수 있다. 이와 같이 상기 구성에서는, 냉매의 수위를 순환부의 운전 능력에 따른 수위로 할 수 있기 때문에, 증발기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 개시에 일 태양에 관련된 냉동 장치는, 상기 순환부가 순환시키는 냉매량을 조정하는 순환부 조정 수단과 상기 순환부 조정 수단을 제어하는 조정 수단 제어부를 구비하고, 상기 조정 수단 제어부는 상기 순환부가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, 상기 순환부 조정 수단을 제어한다.

상기 구성에서는, 조정 수단 제어부가, 순환부가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, 순환부 조정 수단을 제어하고 있다. 이에 따라, 충분한 양의 냉매를 순환시켜, 냉매 공급부로부터 충분한 양의 냉매를 전열관군으로 공급할 수 있다. 따라서 드라이 아웃의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 증발기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 소정량이란, 냉매 공급부로부터 냉매를 공급할 필요가 있는 전열관(즉, 액면보다도 상방의 전열관) 중, 최하단에 위치하는 전열관의 표면에 충분히 냉매가 공급되는 냉매의 양이라도 된다. 또한, 소정량은 냉동 장치의 운전 조건 등에 따라서 미리 산출한 양이라도 된다.

또한, 본 개시에 일 태양에 관련된 냉동 장치는, 냉매를 압축하는 압축기(2)와, 상기 압축기로 압축한 상기 냉매를 응축하는 응축기(3)와, 상기 응축기로 응축한 상기 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(4)와, 상기 팽창 밸브로 팽창시킨 상기 냉매를 증발시키는 증발기(5)를 구비하는 냉동 장치(1)로서, 상기 증발기는 외측 쉘을 형성하는 케이스(11)와, 상기 케이스의 내부에 수용되어 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관(16a)을 갖는 전열관군(16)과, 상기 전열관군으로 상방으로부터 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부(13)와, 상기 전열관군에서 증발되지 않고 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 상기 냉매 공급부에 유도하는 순환부(10)를 갖고, 상기 순환부가 순환시키는 냉매량을 조정하는 순환부 조정 수단과, 상기 순환부 조정 수단을 제어하는 조정 수단 제어부를 추가로 구비하고, 상기 조정 수단 제어부는, 상기 순환부가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, 상기 순환부 조정 수단을 제어한다.

또한, 본 개시에 일 태양에 관계된 냉동 장치는, 상기 순환부는 상기 응축기 내의 상기 냉매의 압력과, 상기 증발기 내의 상기 냉매의 압력과의 압력차를 이용하여 상기 냉매를 순환시키는 이덕터(10)를 갖는다.

상기 구성에서는, 이덕터의 순환의 능력이 저감한 경우라도, 드라이 아웃의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 증발기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 개시에 일 태양에 관련된 냉동 장치는, 상기 순환부는 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 승압하는 펌프(19)를 갖는다.

상기 구성에서는, 펌프를 이용하여 냉매를 순환시킬 수 있다.

1: 터보 냉동 장치(냉동 장치)
2: 터보 압축기(압축기)
2A: 저단 압축기
2B: 고단 압축기
3: 응축기
4: 팽창 밸브
4A: 저압 팽창 밸브
4B: 고압 팽창 밸브
5: 증발기
6: 토출 배관
7: 냉매 배관
8: 흡입 배관
9: 전동기
10: 이덕터(순환부)
11: 압력용기(케이스)
11a: 원통부
12: 냉매 입구관
13: 냉매 트레이(냉매 공급부)
14: 제1 순환 배관
15: 제2 순환 배관
16: 전열관군
16A: 액막식 전열관군
16B: 만액식 전열관군
16a: 전열관
17: 분기 배관
18: 제어 장치
19: 펌프
21: 터보 냉동 장치
22: 중간 냉각기
23: 중간 배관

Claims

냉매를 압축하는 압축기와,
상기 압축기로 압축한 상기 냉매를 응축하는 응축기와,
상기 응축기로 응축한 상기 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와,
상기 팽창 밸브로 팽창시킨 상기 냉매를 증발시키는 증발기와,
상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 팽창 밸브 제어부를 구비하는 냉동 장치로서,
상기 증발기는 외측 쉘을 형성하는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되어 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관을 갖는 전열관군과, 상기 전열관군으로 상방으로부터 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부와, 상기 전열관군에서 증발되지 않고 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 상기 냉매 공급부로 유도하는 순환부를 갖고,
상기 팽창 밸브 제어부는, 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매의 수위가, 상기 냉동 장치의 운전 조건에 의해 변화하는 상기 순환부가 순환시키는 냉매량에 따른 수위로 되도록, 상기 팽창 밸브의 개방도를 제어하는 냉동 장치.
제1항에 있어서,
상기 순환부가 순환시키는 냉매량을 조정하는 순환부 조정 수단과,
상기 순환부 조정 수단을 제어하는 조정 수단 제어부를 구비하고,
상기 조정 수단 제어부는, 상기 순환부가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, 상기 순환부 조정 수단을 제어하는 냉동 장치.
냉매를 압축하는 압축기와,
상기 압축기로 압축한 상기 냉매를 응축하는 응축기와,
상기 응축기로 응축한 상기 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브와,
상기 팽창 밸브로 팽창시킨 상기 냉매를 증발시키는 증발기를 구비하는 냉동 장치로서,
상기 증발기는 외측 쉘을 형성하는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되어 상하방향으로 나란히 배치되는 복수의 전열관을 갖는 전열관군과, 상기 전열관군으로 상방으로부터 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급부와, 상기 전열관군에서 증발되지 않고 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 상기 냉매 공급부로 유도하는 순환부를 갖고,
상기 순환부가 순환시키는 냉매량을 조정하는 순환부 조정 수단과,
상기 순환부 조정 수단을 제어하는 조정 수단 제어부를 추가로 구비하며,
상기 조정 수단 제어부는, 상기 순환부가 순환하는 냉매량이 소정량보다도 커지도록, 상기 순환부 조정 수단을 제어하는 냉동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 순환부는 상기 응축기 내의 상기 냉매의 압력과, 상기 증발기 내의 상기 냉매의 압력과의 압력차를 이용하여 상기 냉매를 순환시키는 이덕터를 갖는 냉동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 순환부는 상기 케이스의 하부에 저류되어 있는 상기 냉매를 승압하는 펌프를 갖는 냉동 장치.