(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮器からの冷媒液が膨張弁を通過して気液二相流となった冷媒を蒸発器へ送られる冷媒液と圧縮機の中間圧部へ送られる冷媒ガスとに分離する冷凍機のエコノマイザであって、前記気液二相流冷媒を流入させる流入部と、前記流入部から流入した冷媒を旋回させることにより冷媒液と冷媒ガスに分離する遠心分離部と、分離された冷媒ガスを流出させる冷媒ガス流出部と、前記遠心分離部で分離された冷媒液の旋回を抑制する旋回抑制部と、分離された冷媒液を流出させる冷媒液流出部と、を備え、
前記旋回抑制部には、冷媒液の旋回方向と交差するように冷媒液旋回抑制板が配置され、
前記遠心分離部と前記旋回抑制部との間には、仕切り板が配置されていることを特徴とするエコノマイザ。
【請求項２】
請求項１に記載のエコノマイザにおいて、前記仕切り板の周囲には、前記遠心分離部から前記旋回抑制部に流入する冷媒液が通過する隙間が設けてあることを特徴とするエコノマイザ。
【請求項３】
請求項２に記載のエコノマイザにおいて、前記冷媒液旋回抑制板は、前記遠心分離部から冷媒液が流入する部分に切り欠きを有することを特徴とするエコノマイザ。
【請求項４】
請求項１に記載のエコノマイザにおいて、前記遠心分離部で分離された冷媒ガスに含まれる液滴を除去する液滴除去部を備えることを特徴とするエコノマイザ。
【請求項５】
請求項１に記載のエコノマイザにおいて、前記遠心分離部で分離された冷媒ガスの流れを整流する冷媒ガス整流部を設けたことを特徴とするエコノマイザ。
【請求項６】
請求項１に記載のエコノマイザにおいて、前記遠心分離部を有するエコノマイザ本体と、前記エコノマイザ本体に滞留する冷媒液の滞留量を検知する液面検知部とを備え、
前記液面検知部は、前記エコノマイザ本体の上部および下部で連通することを特徴とするエコノマイザ。
【請求項７】
請求項１に記載のエコノマイザにおいて、冷媒液流出部の断面積は、前記冷媒液流出部から流出する前記冷媒液の質量流量を前記流入部から流入する前記気液二相流冷媒の質量流量で除した値を流入部の冷媒流れ方向に直交する断面積に乗じた値以上の大きさに設定されることを特徴とするエコノマイザ。
【請求項８】
請求項１から７までの何れか一項に記載のエコノマイザを備えることを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エコノマイザ及びエコノマイザを備える冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術として、圧縮機、凝縮器、蒸発器、二段膨張機構を有した冷凍装置が、用いられている。その中でも、特許文献１に挙げられるように、成績係数（ＣＯＰ）向上を目的に、凝縮器からの冷媒液が膨張弁を通過して二相流となった冷媒をフラッシュ蒸気（冷媒ガス）、冷媒液に分離し、フラッシュ蒸気を中間吸込み口へ、冷媒液を蒸発器に送り出すエコノマイザが用いられている。なお、特許文献１に示されるエコノマイザは、気液分離手法として、重力分離方式を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４４２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来技術である重力分離方式では、一定の流速を持った流体（冷媒）を、狭い配管より広い容積を持った空間に流出させることで流体の流速を下げ、重力の作用により気液分離を行っている。
【０００５】
しかしながら、従来技術では一定容積の空間を要し、気液分離の効率化と小型化によるコストダウンは難しいという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術（重力分離方式）のエコノマイザと比較し、気液分離に必要とされる空間体積を少なくし、装置全体の小型化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【０００８】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、本発明においては、凝縮器からの液冷媒が膨張弁を通過して気液二相流となって流入する冷媒を蒸発器へ送られる冷媒液と圧縮機の中間圧部へ送られる冷媒ガスとに分離する冷凍機のエコノマイザであって、前記気液二相流冷媒を流入させる流入部と、前記流入部から流入した冷媒を旋回させることにより冷媒液と冷媒ガスに分離する遠心分離部と、分離された冷媒ガスを流出させる冷媒ガス流出部と、分離された冷媒液を流出させる冷媒液流出部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来技術の重力分離方式エコノマイザに比べて、気液分離性能を向上させることが可能であるため、小型化が可能である。また、小型化による必要部材の低減により、コストダウンが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例における遠心圧縮機のシステム構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例における冷凍サイクル線図である。
【図３】本発明の実施例におけるエコノマイザの例である。
【図４】図３におけるＡ断面図である。
【図５】図３におけるＢ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施例は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを基本原理とした多段式（具体的には、二段式の）ターボ冷凍機に関するものである。図１は本実施例に係るターボ冷凍機の構成を、図２はｐ−ｈ線図に基づいた冷凍サイクル線図を模式的に示したものである。
【００１２】
このターボ冷凍機は、図１のような二段遠心圧縮機を備えるものであり、以下の原理によって作動する。図２に示すように、状態点Ｓ９において湿り蒸気である冷媒は蒸発器５にて被冷却物より熱を奪い状態点Ｓ１の飽和蒸気となる。飽和蒸気に状態変化した冷媒は遠心圧縮機１の一段目で断熱圧縮され内部エネルギーが増大し、過熱蒸気の状態点Ｓ２へ昇圧される。状態点Ｓ２における冷媒は一次膨張弁７で絞り膨張により発生し、エコノマイザ４にて分離されたフラッシュ蒸気（冷媒ガス）を取り入れ、状態点Ｓ３に至る。状態点Ｓ３の蒸気は圧縮機二段目によって圧力Ｐ４まで昇圧され更なる過熱度を持つ状態点Ｓ４となる。
【００１３】
その後冷媒は凝縮器２を通過する過程で、輸送した熱量を冷却水へ受け渡し、冷却され、乾き飽和蒸気、湿り蒸気、飽和液と状態変化を経たのち、過冷却器３を経て、過冷却液である状態点Ｓ５へと達する。過冷却液となった冷媒は一次膨張弁７を通過し、二相流状態のＳ６でエコノマイザ４に流入する。エコノマイザ４では、一次膨張弁７での絞り膨張にて中間圧力Ｐｅｃｏまで一旦減圧された際に発生したフラッシュ蒸気（状態点Ｓ７）と、冷媒液（状態点Ｓ８）とに分離される。このうち冷媒液のみが蒸発圧力Ｐ１まで二次膨張弁８で絞り膨張され、湿り蒸気に戻り（状態点Ｓ９）、再度同様のサイクルを繰り返す。
【００１４】
状態点Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８でのエンタルピをｈ６、ｈ７、ｈ８とすると、エコノマイザ４内部での気液二相流冷媒の流量割合はエンタルピの比｛(ｈ７−ｈ６)／(ｈ７−ｈ８)｝となる。この割合は圧縮比や過冷却度で変化するが、大部分が液である。この一例では、液の割合は８５％と冷媒全体の大部分を占めており、一部分（１５％）はフラッシュして蒸発している状態となっている。エコノマイザ４では、この大部分の冷媒液をフラッシュ蒸気を混入させずに、蒸発器に送ることが重要な機能であり、更にフラッシュ蒸気を分離し、圧縮機に送る役割を果たしている。
【００１５】
ここで、遠心分離方式のエコノマイザ４の特異性について説明する。気液分離器で互いに分離される二つの成分は、気液分離器が組み込まれる装置の本質的な機能に照らして優先順位を付けることができる。便宜上この優先順位の高い方を主たる成分とし、優先順位の低い方を従たる成分とするならば、一般的な気液分離器は、気液分離器の上方から流出する気体が主たる成分であり、下方から流出する液体が従たる成分となっている。例えば冷媒ガスと冷凍機油とを分離する油分離器の場合には、主たる成分が気体の冷媒ガスであり、従たる成分が液体の冷凍機油である。また、圧縮機の上流側に配置される気液分離器の場合には、圧縮機に液冷媒が吸入されるのを防止するのが本質的な機能であることから、主たる成分が気体の冷媒ガスであり、従たる成分が液体の冷媒液である。そして、このような一般的な気液分離器では、気液分離器の上方から流出する主たる成分について配慮されるが、気液分離器の下方から流出する従たる成分については特に配慮されないものである。一方で、エコノマイザ４は、主たる成分が気液分離器の下方から流出する冷媒液であり、従たる成分が気液分離器の上方から流出する冷媒ガスであり、上述のような一般的な気液分離器とは、主従の関係が逆転したものである。従って、エコノマイザ４は、分離対象が同一物質の二相流体であり、主たる成分としての冷媒液が質量流量基準で圧倒的に多く、気液分離器の下方から良好に流出するようにとの配慮がなされているところが一般的な気液分離器とは異なる点である。
【００１６】
図３は、本実施例のエコノマイザ４における構成図の例である。なお、エコノマイザ４はエコノマイザ本体２９と、液面検知部１０４とに大別される。また、エコノマイザ本体２９は、液滴除去部１０１、遠心分離部１０２、旋回抑制部１０３に分かれる。
【００１７】
エコノマイザ本体２９は、外筒１５と外筒１５の内部に配置される内筒１４を有する。外筒１５は円筒状の容器であり、二相流冷媒流入部１１を溶接等により固定をするための穴が設けられている。外筒１５の上下には管板２２が溶接等により固定してある。なお、上の管板２２にはフラッシュ蒸気が流れる冷媒ガス出口部１２用の配管が溶接等により固定してあり、下の管板２２には冷媒液が流出する冷媒液出口部１３用の配管が溶接等により固定してある。
【００１８】
液滴除去部１０１には、デミスタ１６が設置してあり、二枚の固定板２０にて上下を固定されている。なお、デミスタ１６はステンレス製ワイヤーを不均一に絡ませたシートを積層させたものである。その不均一に絡んだワイヤーで冷媒液滴を捕捉することにより、フラッシュ蒸気内部に存在する微細な液滴を除去する能力を有している。
【００１９】
液滴除去部１０１と遠心分離部１０２とは、固定板２１によって区画される。
【００２０】
遠心分離部１０２では円筒状の内筒１４が固定板２１にて、中心軸が外筒１５の中心軸と一致するように溶接等により固定されている。そして、内筒１４の内壁部には十字に組まれた冷媒ガス整流板１７が溶接等により固定されている。
【００２１】
遠心分離部１０２の下方には、冷媒液の旋回を抑制する旋回抑制部１０３が設けられている。
【００２２】
旋回抑制部１０３には、外筒１５の内壁に接するように、冷媒液旋回抑制板１９が９０°間隔（計４枚）に設置してある。遠心分離部１０２と旋回抑制部１０３の間には、仕切り板１８が溶接等により固定されており、冷媒液旋回抑制板１９が支柱の役目を兼ねている。冷媒液旋回抑制板１９は、旋回抑制部１０３の径方向外方から内方に向かって設けられており、具体的には、壁面から径方向中間位置にかけて設けられている。また、旋回抑制部１０３は、冷媒液液面高さを可及的に平らに維持するために冷媒液を貯留する部分としても機能し、冷媒液出口部１３から流出しないようにする役割を果たしている。
【００２３】
仕切り板１８は、その上方での旋回流がその下方の冷媒液に影響を与えて、冷媒液の旋回を助長したり冷媒液を巻き上げたりすることの無いように空間を仕切るものである。仕切り板１８と外筒１５の間には隙間１８ａが設けられており、外筒１５の内面に沿って旋回している冷媒液が、旋回抑制部１０３に流入する。冷媒液旋回抑制板１９の上部には、冷媒液流入促進を目的に切り欠き１９ａが設けられている。
【００２４】
また、旋回抑制部１０３の中央には、冷媒液液面調整空間２３が設けられている。旋回抑制部１０３の内部空間を冷媒液旋回抑制板１９で周方向に仕切った場合には、仕切られた各空間によって冷媒液液面高さの不均一が生じ得るが、冷媒液液面調整空間２３が存在することにより、この不均一を抑制し、冷媒液が遠心分離部１０２に再流入するのを防止する効果を有する。また、冷媒液旋回抑制板１９が旋回抑制部１０３中央部の冷媒液出口部１３用の配管開口部にかからないように構成しているので、冷媒液の流出抵抗になることがない。
【００２５】
液面検知部１０４は、外筒２７と上下の管板２６からなり、外筒２７には液面検知用センサ２８を取付けるための穴２７ａが空けられている。外筒２７の上下には管板２６が溶接等で固定してある。
【００２６】
液面検知部１０４の上部と、エコノマイザ本体２９の上部（具体的には、液滴除去部１０１）は、気相連通配管２５で接続されており、液面検知部１０４の下部と、エコノマイザ本体２９の下部（具体的には、旋回抑制部１０３）は液相連通配管２４で接続されている。なお、液相連通配管２４を接続するために、エコノマイザ本体２９の管板２２に取付け穴２４ａと、液面検知部１０４の管板２６に取付け穴２４ｂが空けられている。同様に、気相連通配管２５を接続するために、エコノマイザ本体２９の管板２２に取付け穴２５ａ、液面検知部１０４の管板２６に取付け穴２５ｂが空けられている。
【００２７】
次に、二相流冷媒流入部１１、冷媒液出口部１３における断面積の関係について説明する。冷媒液出口部１３の流路断面積は、冷媒液出口部１３での質量流量を、二相流冷媒流入部での質量流量で除した値（比率）を、二相流冷媒流入部１１の流路断面積に乗じた値以上とする。なお、二相流冷媒流入部１１の流路断面積は、流入部の冷媒流れ方向に直交する断面１１ａの面積であり、冷媒液出口部１３の流路断面積は、流出部の冷媒流れ方向に直交する断面の面積である。好ましくは、旋回抑制部１０３における貯留量が過剰になることを防止するために、冷媒液出口部１３の流路断面積が二相流冷媒流入部１１の流路断面積以上になるように、余裕を持って配管を選定する。
【００２８】
配管の選定の一例を説明すると、冷媒液出口部１３から流出する冷媒の質量流量の比率が二相流冷媒流入部１１から流入する冷媒の８５％として、入口の配管の内径が５０mmである場合、出口の配管には内径が４６.１mm（＝５０×√０.８５）か、あるいはこれ以上の寸法のものを採用することが好ましい。具体的には、出口の配管には、入口の配管と同径の５０mmのものか、あるいはさらに大きい径のものを選定すると良い。
【００２９】
次に、エコノマイザ４の作用について、冷媒の流れに沿って説明する。一次膨張弁７からの二相流冷媒の流れは、二相流冷媒流入部１１からエコノマイザ４へ流入する。流入した二相流冷媒は外筒１５の内壁に沿って旋回流を形成し、遠心分離作用によって中央側を流れる冷媒ガスと壁面側を流れる冷媒液とに分離される。
【００３０】
分離された冷媒ガスは、内筒１４、冷媒ガス整流板１７、デミスタ１６の順番で通過する。冷媒ガスは更に冷媒ガス出口部１２を経て、遠心圧縮機１の二段目入口へ流入する。
【００３１】
分離された冷媒液は、外筒１５の内壁に沿って旋回流を形成し仕切り板１８下部の旋回抑制部１０３に流入する。流入した冷媒液は、冷媒液旋回抑制板１９に衝突し、旋回流が抑制された状態で冷媒液出口部１３を経て、蒸発器５に至る。
【００３２】
二相流冷媒流入部１１と冷媒液出口部１３の流路断面積の比率を、二相流冷媒流入口から流入する二相流冷媒液に対する、分離後における冷媒液の比率に応じた値に設定しているので、出口での管内流速増加による圧力損失増加を防ぎ、流入した二相流冷媒から分離された冷媒液をエコノマイザに過剰に溜めることなく、良好に流すことができるという作用がある。
【００３３】
また、液滴除去部１０１、及び旋回抑制部１０３各々と連通する液面検知部１０４を設置し、液面検知用センサ２８からの信号にて、二次膨張弁８を動作させることにより、エコノマイザ４内部の冷媒液液面を制御可能としている。
【００３４】
次に、エコノマイザ４の効果について気液分離の過程に沿って説明する。一次膨張弁７からの二相流冷媒の流れは、二相流冷媒流入部１１からエコノマイザ４へ流入する。流入した二相流冷媒は外筒１５の内壁に沿って旋回流を形成し、遠心分離作用にて液滴を若干含んだ冷媒ガスの流れと、冷媒液の流れに分離される。
【００３５】
分離された液滴を若干含んだ冷媒ガスは、次に冷媒ガス整流板１７を通過し、デミスタ１６に流入する。冷媒ガス整流板１７は、旋回流によりガスの流れに液滴が同伴するのを防止する効果がある。更にデミスタ１６の液滴分離作用により、冷媒ガスに若干含まれた液滴は除去され、冷媒ガスは液滴を含まない状態で冷媒ガス出口部１２を経て、遠心圧縮機１の二段目入口へ流入する。分離された冷媒液の流れは、外筒１５の内壁に沿って旋回流を形成し、仕切り板１８下部に流入する。なお、仕切り板１８下部に設置した冷媒液旋回抑制板１９の上部に切り欠き形状を配したことにより、仕切り板１８下部への冷媒液の流入を促進するとともに、衝撃により飛散した液が仕切り板１８上部に流入するのを防止する効果がある。
【００３６】
仕切り板１８は、冷媒液旋回抑制板１９に衝突した冷媒液が仕切り板１８の上面に飛散するのを防ぐ効果があり、衝突にて発生した液滴が遠心分離部１０２の冷媒ガスの旋回流に巻き上げられて液滴除去部１０１へ浸入し、気液分離性能が低下するのを防止する効果がある。
【００３７】
仕切り板１８下部に流入した冷媒液は、冷媒液旋回抑制板１９にて旋回流が抑制されるので、冷媒液出口部１３から流出する冷媒液への冷媒ガスの巻き込みが防止される。また、旋回流の発生を抑制できるため、冷媒液液面高さが中央部では低くなり、壁面近傍ではせり上がることによる不具合を防止することができる。即ち、冷媒液の旋回流を抑制しなければ、旋回流により中央部の冷媒液液面高さが低下し、押込みヘッド不足により冷媒液の排出が悪化するおそれがあり、場合によっては、冷媒液出口部１３が冷媒ガスの空間と連通してしまい、冷媒液出口部１３から冷媒ガスが流出するおそれがある。仮に旋回抑制部１０３を設けない場合には、全体での冷媒液液面高さを高くする必要がある。加えて、旋回抑制部１０３における壁面近傍の冷媒液液面が、仕切り板１８より高くなり、遠心分離部１０２に冷媒液が流入することで、気液分離性能が低下するおそれがある。この点、本実施例では、旋回抑制部１０３を設けることにより、旋回流を抑制し、冷媒液液面高さの不均一を抑制することにより、気液分離性能を向上できる効果がある。
【００３８】
また、冷媒液旋回抑制板１９によって周方向に仕切られた各空間にて冷媒液の高さに不均一が生じた場合には、一部の液面が仕切り板１８の上部に達し、気液分離性能を低下させるおそれがある。この点、本実施例では、冷媒液旋回抑制板１９は旋回抑制部１０３の中央部までは延びておらず、旋回抑制部１０３全体の液面の不均一を良好に防止することができるため、延いては、旋回抑制部１０３における冷媒液が遠心分離部１０２へ浸入することを防ぐことができる。
【００３９】
本実施例では液面検知部１０４をエコノマイザ本体２９と別体で設けることにより、旋回抑制部１０３での冷媒液液面位置を安定して検出可能とした。検知した冷媒液液面の高さを基に、二次膨張弁８の開閉動作にてエコノマイザ４内部での冷媒液液面を仕切り板１８より低い位置に保持し、冷媒液液面が仕切り板１８の設置位置よりも高くなることで生じる、気液分離性能の急激な低下を防止する効果がある。
【００４０】
冷媒液出口部１３での質量流量を二相流冷媒流入部１１での質量流量にて除して得られる値（係数）を、二相流冷媒流入部１１の流路断面積に乗じた値以上となるように冷媒液出口部１３の流路断面積を設定することで、冷媒液出口部１３の流動抵抗が極端に大きくなることはないので、流入した二相流冷媒から分離された冷媒液がエコノマイザに過剰に滞留して、冷媒液の液面が上昇することを防止できる。すなわち、遠心分離部１０２まで、液面が上昇して、気液分離性能を低下することがないので、小型で気液分離性能が高いエコノマイザを提供することができる。
【００４１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更可能である。例えば、内筒１４内部の冷媒ガス整流板１７、冷媒液旋回抑制板１９の設置条件は４枚ではなく、３枚以下であってもよく、５枚以上であってもよい。また、９０°ずつ均等に配置するものではなく、異なる角度で不均一に配置されていてもよく、内筒の直径の全長にわたって設置されるものであってもよいし、壁面に接触していなくてもよい。
【００４２】
また、二相流冷媒流入部１１、冷媒液出口部１３は既存のＪＩＳ配管を用いても良いし、そうではなくても問題ない。例えば、冷媒液出口部１３の流路断面積が、冷媒液出口部１３での体積流量を二相流冷媒流入部１１での質量流量で除した値（比率）を、二相流冷媒流入部１１の流路断面積に乗じた値以上であれば、規格外配管等や、縦長楕円形状等の異形配管でもよい。
【００４３】
また、液滴除去部に設置されている液滴除去装置は、上記で説明したようなワイヤーシートを積層させた構造でなくてもよい。例えば、隔壁にて液滴除去部に複数の空間を設け、壁面に液滴を付着（捕捉）させる構造でもよい。
【００４４】
また、液滴除去部の内部にはデミスタ１６や隔壁等の構造物がなく、広い空間により冷媒ガスの流速が下がり、液滴を除去する構造でもよい。あるいは、液滴除去部における気液分離性能が高い場合は、液滴除去部自体がなくてもよい。
【００４５】
また、旋回抑制部として広い空間が確保されており、冷媒液液面が確保されている場合、仕切り板１８、冷媒液旋回抑制板１９、冷媒液液面調整空間２３のいずれか、もしくは全てがなくてもよい。
【００４６】
また、エコノマイザの外筒は円筒形状であれば、管板２２を用いずに円筒上下の端部を絞りにて成形してもよい。
【００４７】
また、本実施形態では多段圧縮式のターボ冷凍機を例に説明したが、本発明はこれに限らずスクロール式、スクリュー式、ロータリー式等、様々な圧縮方式の冷凍機に対して適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  遠心圧縮機
２  凝縮器
３  過冷却器
４  エコノマイザ
５  蒸発器
６  電動機
７  一次膨張弁
８  二次膨張弁
１１  二相流冷媒流入部
１２  冷媒ガス出口部
１３  冷媒液出口部
１４  内筒
１５、２７  外筒
１６  デミスタ
１７  冷媒ガス整流板
１８  仕切り板
１９  冷媒液旋回抑制板
２０、２１  固定板
２２、２６  管板
２３  冷媒液液面調整空間
２４  液面検知部用冷媒液配管
２５  液面検知部用冷媒ガス配管
２８  液面検知用センサ
１０１  液滴除去部
１０２  遠心分離部
１０３  旋回抑制部
１０４  液面検知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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