(57)【要約】【課題】被冷却流体の温度と蒸発温度が接近している場合や、超大型の冷凍機にも適用可能で、小型、低コストかつ高性能なプレート式熱交換器による熱交換装置を提供すること。【解決手段】大型の第１プレート式熱交換器１、小型の第２プレート式熱交換器２、低圧受液器３、液ポンプ４および膨張弁５で熱交換装置を構成する。第１プレート式熱交換器１と第２プレート式熱交換器２において液冷媒と被冷却流体を並行流で流す。これら熱交換器１，２から出て行く冷媒には過熱度は付与せず、冷媒蒸気と液冷媒を含むものとすることで伝熱面を殆ど全部液冷媒で濡らし高性能化を図る。低圧受液器３の液面高さはレベルセンサＳで検知し、制御器Ｃにより液ポンプ４の作動と膨張弁５の開度を制御することで液面高さを一定に維持する。【選択図】  図１
2004293808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２プレート式熱交換器と、
膨張弁が取付けられるとともに、下流端が前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒入口に接続され、高圧液冷媒を前記膨張弁を通して前記第１冷媒入口に供給する第１液冷媒供給ラインと、
所定液面高さを限度として内部に液冷媒を貯溜する低圧受液器と、
前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒導入ラインと、
液ポンプが取付けられるとともに、上流端が前記低圧受液器の所定液面高さより下位置に接続され、下流端が前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒入口に接続された第２液冷媒供給ラインと、
前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒戻しラインと、
前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体入口に冷媒と並行流で被冷却流体を供給する第１被冷却流体供給ラインと、
前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体入口に冷媒と並行流で前記第１熱交換機の第１被冷却流体出口から出た被冷却流体を供給する第２被冷却流体供給ラインとを備え、
前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体出口から冷却された被冷却流体を取出すようにしたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
第１および第２プレート式熱交換器と、
膨張弁が取付けられるとともに、下流端が前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒入口に接続され、高圧液冷媒を前記膨張弁を通して前記第１冷媒入口に供給する第１液冷媒供給ラインと、
所定液面高さを限度として内部に液冷媒を貯溜する低圧受液器と、
前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒導入ラインと、
液ポンプが取付けられるとともに、上流端が前記低圧受液器の所定液面高さより下位置に接続され、下流端が前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒入口に接続された第２液冷媒供給ラインと、
前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒戻しラインと、
前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体入口と第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体入口に、冷媒と並行流で、被冷却流体をそれぞれ供給する第１被冷却流体供給ラインとを備え、
前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体出口と前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体出口から、冷却された被冷却流体をそれぞれ取出すようにしたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項３】
第１プレート式熱交換器を第２プレート式熱交換器よりも相対的に大型にしたことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍機などに適用可能な熱交換装置に係り、特に、被冷却流体の温度と蒸発温度が接近している場合、及び、超大型の冷凍機に好適な、プレート式熱交換器を蒸発器として使用した熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
熱交換装置の蒸発器としては、直膨式、満液式および液ポンプ式が知られているが、いずれも、装置の小型化と冷媒保有量低減に有利なプレート式熱交換器を使用すると、被冷却流体の温度と蒸発温度が接近している場合、及び、超大型の冷凍機に適用するには以下のような課題がある。
【０００３】
［直膨式］直膨式は図３のように、高圧液冷媒を膨張弁２０に供給し、膨張弁２０を通して減圧された冷媒を直接蒸発器（熱交換器）２１に供給する。この際、冷媒は気体と液体の二相流となって蒸発器２１に供給される。蒸発器２１に供給された冷媒は被冷却流体から熱を奪いなから蒸発し、最終的に蒸発器２１内で完全に蒸発し終え、さらにその後も被冷却流体によって若干の過熱度を与えられた後、蒸発器２１から出て行くようにしている。これは、蒸発器２１から出た冷媒が圧縮機で圧縮される際に不測に液圧縮となって圧縮機を破損しないようにするための予防的処置である。なお、この直膨式では冷媒に若干の過熱度を与えるために冷媒と被冷却流体を対向流にして使用する。
【０００４】
（課題）冷凍機は冷媒の外部への漏洩を極端に嫌うため、溶接タイプまたはブレージングタイプのプレート式熱交換器が使用される。しかし、溶接タイプのプレート式熱交換器の場合、大型の熱交換器を製造することは可能であるが溶接工程に多大な手間を要し、大きなコストアップ要因となる。一方、ブレージングタイプのプレート式熱交換器の場合、比較的安価にて製造することができる反面、ブレージング用の真空炉自体の大きさに制約があるため、その大型化には自ずと限界がある。このように、プレート式熱交換器は溶接タイプもブレージングタイプもその大型化は大きなコストアップ要因となり、被冷却流体の温度と蒸発温度が接近している場合や超大型の冷凍機の場合などに対応可能な大型のプレート式熱交換器は事実上実現不可能であった。もっとも、中、小型の複数のプレート式熱交換器を組合せることによって大型の熱交換器と同等の機能を達成することは不可能ではないが、複数台のプレート式熱交換器を設置する場合は配管が複雑になるうえ冷媒と被冷却流体の流量を各プレート式熱交換器に対して均等に分配するための考慮が必要であることを考えると、設置台数が多くなるほど付帯する工程も多くなってしまい、結局は経済的に実現不可能なほど高価なものになってしまうという課題があった。
【０００５】
［満液式］満液式は典型的には多管式熱交換器であるが、この多管式熱交換器では熱交換器内部に保有した多量の液冷媒に伝熱面を全没させ、液冷媒は被冷却流体から熱を奪って蒸発する。冷媒は熱交換器内部に設けられた空間部分で気体と液体に分離し、熱交換器の上部から冷媒蒸気だけが圧縮機に吸い込まれていく。
【０００６】
（課題）この満液式にプレート式熱交換器を使用する場合、熱交換器内部のスペースは限られているから、液冷媒の供給のため、及び、冷媒を気体部分と液体部分に分離するとともにこの分離後の気体部分だけを圧縮機に吸入させるために、図４のように低圧受液器２２が別途必要になる。低圧受液器２２を設置するとその内部に冷媒を貯溜するため冷媒保有量が大幅に増大する。
【０００７】
また、前述の直膨式、後述の液ポンプ式が冷媒側の伝熱形態が基本的には強制対流下における沸騰熱伝達の形態を取るのに対し、本方式では自然対流下における沸騰熱伝達であり、核沸騰を基本とするが、平滑な素材を使用するプレート式熱交換器では沸騰の核になる部分が形成されにくく、あまり高い性能は本来的に期待できない。
【０００８】
このように満液式でプレート式熱交換器を使用する場合は様々な問題があるため、プレート式熱交換器が採用されることは特殊な場合を除いてほとんどないといってもよい。
【０００９】
［液ポンプ式］この方式は満液式の蒸発器への自然循環による液冷媒の供給をポンプで強制的に行うもので、プレート式熱交換器を使用する場合は図５のように凝縮器からの高圧液冷媒を膨張弁２０を通して低圧にしていったん低圧受液器２２に送り込む。この低圧受液器２２内で発生した冷媒蒸気は分離されて圧縮機に吸い込まれ、液冷媒は液ポンプ２４によってプレート式熱交換器２３に供給される。プレート式熱交換器２３内で発生した冷媒蒸気は、未蒸発の液冷媒と共に低圧受液器２２へ戻される。
【００１０】
（課題）液ポンプ式は液冷媒を液ポンプ２４で圧送するためプレート式熱交換器２３の設置に関する制約を受けにくいことや、液冷媒の供給量を任意に設定できるなどの利点が多い反面、低圧受液器２２に加え液ポンプ２４が必要になり、装置としては複雑で大型になるという課題がある。また、液ポンプ２４で電力を消費するが、液ポンプ２４で消費された電力は結果的には冷媒を加熱することになるので、その分圧縮機の消費電力が増大するなどの欠点もある。
【００１１】
本発明は以上の課題を解決すべくなされたものであって、その目的は、冷媒の温度と蒸発温度が接近している場合や、超大型の冷凍機にも適用可能で、小型、低コストかつ高性能なプレート式熱交換器による熱交換装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明に係る熱交換装置は、第１および第２プレート式熱交換器と、膨張弁が取付けられるとともに、下流端が前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒入口に接続され、高圧液冷媒を前記膨張弁を通して前記第１冷媒入口に供給する第１液冷媒供給ラインと、所定液面高さを限度として内部に液冷媒を貯溜する低圧受液器と、前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒導入ラインと、液ポンプが取付けられるとともに、上流端が前記低圧受液器の所定液面高さより下位置に接続され、下流端が前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒入口に接続された第２液冷媒供給ラインと、前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒戻しラインと、前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体入口に冷媒と並行流で被冷却流体を供給する第１被冷却流体供給ラインと、前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体入口に冷媒と並行流で前記第１熱交換機の第１被冷却流体出口から出た被冷却流体を供給する第２被冷却流体供給ラインとを備え、前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体出口から冷却された被冷却流体を取出すようにしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の本発明に係る熱交換装置は、第１および第２プレート式熱交換器と、膨張弁が取付けられるとともに、下流端が前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒入口に接続され、高圧液冷媒を前記膨張弁を通して前記第１冷媒入口に供給する第１液冷媒供給ラインと、所定液面高さを限度として内部に液冷媒を貯溜する低圧受液器と、前記第１プレート式熱交換器の第１冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒導入ラインと、  液ポンプが取付けられるとともに、上流端が前記低圧受液器の所定液面高さより下位置に接続され、下流端が前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒入口に接続された第２液冷媒供給ラインと、前記第２プレート式熱交換器の第２冷媒出口を前記低圧受液器の所定液面高さより上位置に接続する低圧液冷媒戻しラインと、前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体入口と第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体入口に、冷媒と並行流で、被冷却流体をそれぞれ供給する第１被冷却流体供給ラインとを備え、前記第１プレート式熱交換器の第１被冷却流体出口と前記第２プレート式熱交換器の第２被冷却流体出口から、冷却された被冷却流体をそれぞれ取出すようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の本発明に係る熱交換装置は、第１プレート式熱交換器を第２プレート式熱交換器よりも相対的に大型にしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づき説明する。同図に示す如く、本発明に係る熱交換装置は、第１プレート式熱交換器１、第２プレート式熱交換器２、低圧受液器３、液ポンプ４および膨張弁５を有する。第１プレート式熱交換器１は第２プレート式熱交換器２よりも相対的に大型とされている。第１プレート式熱交換器１の下部の第１冷媒入口６に膨張弁５付きの第１液冷媒供給ライン７が接続され、この第１液冷媒供給ライン７を通じて図外の凝縮器から液冷媒が供給されるようになっている。また第１プレート式熱交換器１の下部の第１被冷却流体入口８に第１被冷却流体供給ライン９が接続され、この第１被冷却流体供給ライン９を通じて被冷却流体が供給されるようになっている。冷媒と被冷却流体はどちらも第１プレート式熱交換器１の下部から供給され、熱交換器１内では両流体が並行流として流れるように構成されている。
【００１６】
第１プレート式熱交換器１の上部の第１冷媒出口１０は、低圧液冷媒導入ライン１１によって低圧受液器３に接続されている。この低圧受液器３に対する接続位置は、低圧受液器３内の液冷媒の所定液面高さより高い位置である。また第１プレート式熱交換器１の上部の第１被冷却流体出口１２は、第２被冷却流体供給ライン１３を通じて第２プレート式熱交換器２の下部の第２被冷却流体入口１４に接続されている。
【００１７】
第２プレート式熱交換器２の下部の第２冷媒入口１５は、第２液冷媒供給ライン１６によって低圧受液器３の底部に接続されている。この２液冷媒供給ライン１６には液ポンプ４が配設され、液ポンプ４によって低圧受液器３内の液冷媒を第２プレート式熱交換器２の第２冷媒入口１５に強制的に供給するようになっている。第２プレート式熱交換器２の上部の第２液冷媒出口１７は、低圧液冷媒戻しライン１８によって低圧受液器３に接続されている。この低圧受液器３に対する接続位置は、低圧受液器３内の液冷媒の所定液面高さより高い位置である。なお、図１では低圧液冷媒戻しライン１８が低圧液冷媒導入ライン１１と部分的に兼用された形となっている。第２プレート式熱交換器２の上部の第２被冷却流体出口１９は供給ラインＬに接続される。
【００１８】
第１プレート式熱交換器１と第２プレート式熱交換器２の内部の流体流れは、どちらも並行流とされている。すなわち、両プレート式熱交換器１，２内で冷媒と被冷却流体が共に下から上へと流れるように構成されている。
【００１９】
低圧受液器３内には、液冷媒の液面を検知するレベルセンサ２１が取付けられている。このレベルセンサ２１からの信号は制御器２２に送られ、膨張弁５の開度や液ポンプ４の作動を制御し、低圧受液器３内の液冷媒の液面高さを一定に保つように構成されている。
【００２０】
熱交換装置は以上のように構成され、この熱交換装置では、図外の凝縮器から供給された高圧液冷媒は膨張弁５で減圧され第１プレート式熱交換器１に供給される。第１プレート式熱交換器１に供給された冷媒は被冷却流体から熱を奪い蒸発しながら熱交換器の第１液冷媒出口１０へ進み低圧受液器３へ送られる。このとき、第２プレート式熱交換器２で使用する液冷媒を確保するために、第１プレート式熱交換器１を出るときの冷媒が冷媒蒸気の他に液冷媒を含むいわゆる二相流であることが従来の直膨式と異なる。
【００２１】
従来の直膨式では冷媒側の伝熱面を液冷媒でいかに多く濡らすことができるかで性能に大きな差が生じるため、各プレート間に冷媒を少しでも均一に分配し、液冷媒で濡れた伝熱面を増やす必要があった。このため分配器を取り付けていたが、冷媒は完全に蒸発させた上でさらに過熱させる必要があることや、分配器を使用しても冷媒を完全均一には分配できないため、伝熱面を完全に濡らすことは不可能であった。
【００２２】
さらに、直膨式の場合、冷媒は完全に蒸発させた上でさらに過熱させる必要があるため、被冷却流体と対向流にする必要がある。具体的には冷媒は下から上へ、被冷却流体は上から下へ熱交換器内を流れるように構成する。このとき、単一成分の冷媒を使用する場合、冷媒は熱交換器内部で発生する圧力損失のため、蒸発終了時の圧力より入口側の方が高圧となっており、その分だけ蒸発する際の温度は結果的に高くなっている。一方、被冷却流体は熱交換器内部で冷却されるので、出口側で最も温度が低くなっている。このため冷媒の入口側の温度と被冷却流体の出口側の温度が接近してしまい、対数平均温度差も小さくなってしまう問題がある。
【００２３】
従来の直膨式では以上のような問題点があったが、本発明では第１プレート式熱交換器１から出て行く冷媒すべて冷媒蒸気とせずに一部液冷媒を含ませるため伝熱面を殆ど全部液冷媒で濡らすことができることに加え、冷媒に過熱度を与える必要がないので並行流で使用することができて対数平均温度差も大きくとれることから、熱交換装置の性能が飛躍的に向上する。
【００２４】
第１プレート式熱交換器１の第１冷媒出口１０から出た冷媒は、低圧液冷媒導入ライン１１によって低圧受液器３に入る。低圧受液器３に入った冷媒のうち、液冷媒は直ちに低圧受液器３の底に溜まる。また冷媒蒸気は圧縮機に吸入されていく。このようにして低圧受液器３の底に溜まった液冷媒は、第２液冷媒供給ライン１６の液ポンプ４を通じて第２プレート式熱交換器２の第２冷媒入口１５に供給される。第２プレート式熱交換器２に供給された液冷媒は、第１プレート式熱交換器１から送られてきた被冷却流体から熱を奪い一部蒸発し、液冷媒とともに低圧受液器３へと再び還流する。
【００２５】
この第２プレート式熱交換器２でも、前述の第１プレート式熱交換器１と同様、伝熱面をほとんど完全に冷媒で濡らすことができることと、冷媒流量を液ポンプ４の選定により任意に設定できるため、例えば冷媒流量を多めに設定することで液冷媒の乱流効果による伝熱性能の向上を図ることができる。従って、第１プレート式熱交換器１よりもさらに高い性能を発揮することができる。
【００２６】
第１プレート式熱交換器１と第２プレート式熱交換器２の大きさの比率を、第１プレート式熱交換器１側により大きな比重を置くことで、熱交換装置の全交換熱量（冷却能力）の内、例えば最大で７０〜８０％程度を第１プレート式熱交換器１で賄うことが可能であり、残りの２０〜３０％を第２プレート式熱交換器２で賄うだけでよいことになる。従って、従来の液ポンプ式に比べ、液ポンプが大幅に小型化でき、液ポンプで消費する電力も削減できる。また、液ポンプで循環する冷媒流量も少量でよいため、低圧受液器３内に保有する冷媒量も少なくて済む。
【００２７】
以上の実施形態は第１と第２プレート式熱交換器２を被冷却流体についていわゆる直列接続したものであるが、第１と第２プレート式熱交換器２を被冷却流体の温度条件などにより適宜並列接続にすることも可能である。図２はこの並列接続の実施形態を示したものであって、図１と異なるのは、被冷却流体が第１と第２プレート式熱交換器２の被冷却流体入口８、１４に分散供給される点と、第１と第２プレート式熱交換器２の被冷却流体出口１２、１８から被冷却流体が供給されることである。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、プレート式熱交換器の性能を大幅に高めることにより、溶接タイプのプレート式熱交換器であれば小型化を可能にし、ブレージングタイプのプレート式熱交換器であれは設置台数を削減することが可能となる。液ポンプと低圧受液器が必要になるが、それらは小型化して使用することが可能であり、冷凍機全体としても小型化と低コスト化を図ることができる。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換装置の直列型の概略構成図。
【図２】本発明に係る熱交換装置の並列型の概略構成図。
【図３】直膨式蒸発器の概略構成図。
【図４】プレート式熱交換器を使用した満液式蒸発器の概略構成図。
【図５】プレート式熱交換器を使用した液ポンプ式蒸発器の概略構成図。
【００３０】
【符号の説明】
１        第１プレート式熱交換器
２        第２プレート式熱交換器
３        低圧受液器
４        液ポンプ
５        膨張弁
６        第１冷媒入口
７        第１液冷媒供給ライン
８        第１被冷却流体入口
９        第１被冷却流体供給ライン
１０    第１冷媒出口
１１    低圧液冷媒導入ライン
１２    第１被冷却流体出口
１３    第２被冷却流体供給ライン
１４    第２被冷却流体入口
１５    第２冷媒入口
１６    第２液冷媒供給ライン
１７    第２液冷媒出口
１８    低圧液冷媒戻しライン
１９    第２被冷却流体出口
Ｓ        レベルセンサ
Ｃ        制御器
Ｌ        供給ライン
２０    膨張弁
２１    蒸発器
２２    低圧受液器
２３    プレート式熱交換器
２４    液ポンプ
【図１】
2004293808.tif 000003
【図２】
2004293808.tif 000004
【図３】
2004293808.tif 000005
【図４】
2004293808.tif 000006
【図５】
2004293808.tif 000007