(57)【要約】【課題】シェルアンドチューブ式蒸発器の熱交換効率を向上させた冷凍機を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器８と、凝縮器８からの液冷媒を冷却するエコノマイザ９と、エコノマイザ９からの液冷媒を冷却する予冷却器１１と、予冷却器１１からの液冷媒を膨張させる主膨張弁１３と、主膨張弁１３によって膨張された冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ式蒸発器１５とを備えている。予冷却器１１は、予冷却用膨張弁３１によって膨張された冷媒によって冷却されるプレート式熱交換器とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザと、
該エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器と、
該予冷却器からの液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
該主膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ式蒸発器と、
を備えていることを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒によって冷却される熱交換器とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記予冷却器と前記主膨張弁との間の液冷媒の温度が所望値となるように、前記予冷却用膨張弁の開度を制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器とされていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記気液分離器内の液位が所望値となるように、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばターボ冷凍機等の蒸気圧縮式とされた冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ冷凍機等の蒸気圧縮式とされた冷凍機は、液冷媒を蒸発させるための蒸発器を備えている。この蒸発器として、シェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。シェルアンドチューブ式熱交換器は、冷媒を収容するタンクと、このタンク内に配置された多数の伝熱管とを備えている。多数の伝熱管は、タンク内に下方から導かれた液冷媒中に浸されており、液冷媒の蒸発潜熱によって伝熱管内を流れる水等の熱媒体が冷却されるようになっている。
特許文献１には、シェルアンドチューブ式とされた蒸発器に対して、伝熱管の配置を変更することで、熱交換効率を向上させる発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、伝熱管の配置を適正化しても、冷媒の蒸発器入口条件については、冷凍サイクル上設定される条件に依存している。したがって、蒸発器に流入する冷媒の乾き度が高い運転条件では、冷媒中のガス成分が多いため、蒸発器内部の上昇流速を抑制し、熱交換器寸法が大きくなるという問題がある。また、蒸発器内で冷媒を全体に分配するための多孔板（ディストリビュータ）を配置していても、流入した直近の孔部から冷媒液が吹き抜けてしまい、冷媒液を適性に分配できないという問題がある。その結果、蒸発器内で冷媒が適性に分配できないと、一部の伝熱管の周囲に液冷媒が存在しないドライアウトが発生してしまい、熱交換性能を低下させてしまうという問題もある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、シェルアンドチューブ式蒸発器の熱交換効率を向上させた冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の冷凍機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザと、該エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器と、該予冷却器からの液冷媒を膨張させる主膨張弁と、該主膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させるシェルアンドチューブ式蒸発器とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、エコノマイザを用いて凝縮器からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行う冷凍機について、エコノマイザからの液冷媒を冷却する予冷却器を採用することとした。この予冷却器によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁によって膨張された後にシェルアンドチューブ式蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。したがって、シェルアンドチューブ式蒸発器内に設けられた伝熱管周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式蒸発器内に流入するので、蒸発器内に配置された多孔板（ディストリビュータ）によって冷媒液を蒸発器全体に分配することができる。また、蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器における熱交換量（蒸発潜熱）を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器の内部の流速を低減し、小型化することができる。
なお、冷凍機としては、典型的には、圧縮機にターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機が挙げられる。
【０００８】
さらに、本発明の冷凍機では、前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒によって冷却される熱交換器とされていることを特徴とする。
【０００９】
予冷却器として、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒によって冷却される熱交換器を用いることとした。この熱交換器としては、プレート式熱交換器が好適に用いられる。予冷却用膨張弁に導かれる液冷媒としては、凝縮器から直接導かれる液冷媒や、エコノマイザから導かれる液冷媒が用いられる。予冷却器にて液冷媒を冷却して蒸発した後のガス冷媒は、好適には、圧縮機の吸込側に導かれる。
【００１０】
さらに、本発明の冷凍機では、前記予冷却器と前記主膨張弁との間の液冷媒の温度が所望値となるように、前記予冷却用膨張弁の開度を制御する制御部を備えていることを特徴とする。
【００１１】
予冷却器と主膨張弁との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁の開度を制御することとした。これにより、蒸発器入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。なお、予冷却器と主膨張弁との間の液冷媒の温度を計測する温度センサを備えていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の冷凍機では、前記予冷却器は、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器とされていることを特徴とする。
【００１３】
予冷却器として、予冷却用膨張弁によって膨張された冷媒を気液に分離して収容する気液分離器を用いることとした。この気液分離器としては、ガス冷媒と液冷媒とが上下に分離されて収容される所定の体積を有するタンクが好適に用いられる。予冷却用膨張弁に導かれる液冷媒としては、エコノマイザから導かれる液冷媒が用いられる。気液分離器にて分離された液冷媒は主膨張弁へと導かれ、ガス冷媒は、好適には、圧縮機の吸込側に導かれる。
【００１４】
さらに、本発明の冷凍機では、前記気液分離器内の液位が所望値となるように、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することを特徴とする。
【００１５】
気液分離器内の液位が所望値となるように、前記主膨張弁と、該気液分離器のガス流出側に設けたガス側調整弁との開度を制御することとした。これにより、蒸発器入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
予冷却器によって液冷媒に過冷却を付け、シェルアンドチューブ式蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、シェルアンドチューブ式蒸発器内に設けられた伝熱管周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式蒸発器内に流入するので、蒸発器内に配置された多孔板（ディストリビュータ）によって冷媒を蒸発器全体に分配することができる。また、蒸発器に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器における熱交換量（蒸発潜熱）を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。
【図２】図１の蒸発器を示した横断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機のＰ−ｈ線図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機のＰ−ｈ線図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態にかかるターボ冷凍機のＰ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、ターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機１の概略構成図が示されている。ターボ冷凍機１は、後述するように、２段エコノマイザサイクルを構成している。
【００１９】
ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器８と、凝縮器８からの液冷媒を冷却するエコノマイザ９と、エコノマイザ９からの液冷媒を冷却する予冷却器１１と、予冷却器１１からの液冷媒を膨張させる主膨張弁１３と、主膨張弁１３によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器１５とを備えている。
【００２０】
ターボ圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。ターボ圧縮機３は、ハウジング内に、同軸上に設けられた２つの羽根車３ａ，３ｂと、吸込冷媒流量を調整する入口ベーン（図示せず）とを備えている。
各羽根車３ａ，３ｂは、増速機７を介して駆動モータ５によって回転させられる。駆動モータ５は電動モータとなっている。この電動モータは、インバータ装置によって回転周波数可変にて動作する場合もある。駆動モータ５の回転周波数は、図示しない制御部によって制御される。
２つの羽根車３ａ，３ｂは、冷媒流路に対して直列に接続されている。ターボ圧縮機３に流入した冷媒は、上流側の羽根車３ａによって圧縮された後に、下流側の羽根車３ｂによってさらに圧縮されるようになっている。２つの羽根車３ａ，３ｂの間（中間段）には、後述するエコノマイザ９からのガス冷媒が導入されるようになっている。
【００２１】
ターボ圧縮機３の下流側に設けられた凝縮器８には、冷却水配管２０が接続されており、冷却水配管２０から導かれた冷却水によって冷媒の凝縮潜熱が奪われるようになっている。凝縮器８としては、シェルアンドチューブ式熱交換器が好適に用いられるが、プレート式熱交換器で合っても良い。
【００２２】
凝縮器８にて凝縮液化された液冷媒は、凝縮器出口流路２２を通り、主流路２４と、エコノマイザ用分岐流路２５と、予冷却用分岐流路２６の３つの流路に分けられる。
【００２３】
エコノマイザ９は、プレート式熱交換器とされており、主流路２４を流れて導かれる液冷媒と、エコノマイザ用分岐流路２５を流れて導かれる冷媒とが熱交換するようになっている。エコノマイザ用分岐流路２５には液冷媒を減圧膨張させるための副膨張弁２７が設けられている。副膨張弁２７は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によってその開度が制御されるようになっている。副膨張弁２７によって減圧膨張された冷媒がエコノマイザ９に導かれるようになっている。これにより、エコノマイザ９では、エコノマイザ用分岐流路２５から導かれる冷媒の蒸発潜熱によって、主流路２４を流れる液冷媒が冷却されて過冷却が行われるようになっている。主流路２４を流れる液冷媒を冷却して蒸発したガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９を介して、ターボ圧縮機３の中間段（上流側羽根車３ａと下流側羽根車３ｂとの間）へと導かれる。エコノマイザ９にて冷却された液冷媒は、主流路２４を通り、予冷却器１１へと導かれる。
【００２４】
予冷却器１１は、プレート式熱交換器とされており、エコノマイザ９にて冷却されて主流路２４を流れる液冷媒と、凝縮器出口流路２２から分岐された予冷却用分岐流路２６を流れて導かれる冷媒とが熱交換するようになっている。予冷却用分岐流路２６には液冷媒を減圧膨張させるための予冷却用膨張弁３１が設けられている。予冷却用膨張弁３１は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によってその開度が制御されるようになっている。具体的には、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁３１の開度が制御されるようになっている。
予冷却用膨張弁３１によって減圧膨張された冷媒が予冷却器１１へと導かれるようになっており、これにより、予冷却器１１では、予冷却用分岐流路２６から導かれた冷媒の蒸発潜熱によって、主流路２４を流れる液冷媒が冷却されて更に過冷却が行われるようになっている。主流路２４を流れる液冷媒を冷却して蒸発したガス冷媒は、予冷却器出口ガス流路３４を介して、ターボ圧縮機３の吸込口（上流側羽根車３ａの上流側）へと導かれる。予冷却器１１にて冷却された液冷媒は、主流路２４を通り、主膨張弁１３へと導かれる。
【００２５】
主膨張弁１３は、電子式膨張弁とされており、図示しない制御部によって開度が制御される。主膨張弁１３によって、主流路２４を流れる液冷媒が減圧膨張されるようになっている。
【００２６】
蒸発器１５には、容器内部に伝熱管３５を備えており、この伝熱管３５に対して、外部の熱負荷に対して冷水を供給する冷水配管３３が接続されている。冷水が伝熱管３５内を流れる際に、蒸発器１５内の液冷媒の蒸発潜熱によって冷却されるようになっている。蒸発器１５にて蒸発されたガス冷媒は、主流路を介してターボ冷凍機３の吸込口（上流側羽根車３ａの上流側）へと導かれる。
【００２７】
蒸発器１５は、図２に示されているように、シェルアンドチューブ式熱交換器とされている。蒸発器１５は、円筒形とされ、その軸線が水平になるように横置きとされた容器３７と、円筒形の容器３７の軸線方向（長手方向）に延在するように設けられた多数の伝熱管３５とを備えている。
容器３７の下方には、冷媒入口部３９が設けられており、この冷媒入口部３９から流入した冷媒が多孔板（ディストリビュータ）４１を通過して伝熱管３５へと導かれるようになっている。多孔板４１を通過する際に、下方から流入した冷媒は容器３７の長手方向へと分配され、長手方向に延在する伝熱管３５の全体に亘って冷媒が導かれるようになっている。同図には、容器３７内に導かれた液冷媒の液面Ｌが示されている。この液面Ｌが最上位の伝熱管３５よりも上方に位置することにより、全ての伝熱管３５が液冷媒に浸されることになる。
伝熱管３５内を流れる冷水によって蒸発潜熱を奪われて蒸発気化したガス冷媒は、容器３７内を上方へと流れ、容器の上部に設けた冷媒出口部４３へと導かれる。冷媒出口部４３は、主流路（図１参照）に接続されており、ガス冷媒がターボ圧縮機３へと導かれるようになっている。
【００２８】
ターボ冷凍機１の制御部（図示せず）は、ターボ冷凍機１の制御盤内の制御基板に設けられており、ＣＰＵおよびメモリを備えている。制御部は、冷却水温度、冷媒圧力、冷水出入口温度等に基づき制御周期ごとにデジタル演算により各制御量を算出するようになっている。
【００２９】
次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
ターボ圧縮機３は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する制御部によって所定周波数で回転させられる。
【００３０】
蒸発器１５から吸い込まれた低圧ガス冷媒（図３の状態Ａ）は、ターボ圧縮機３の上流側羽根車３ａによって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図３の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される（図３の状態Ｃ）。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機３の下流側羽根車３ｂによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる（図３の状態Ｄ）。
【００３１】
ターボ圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器８へと導かれる、凝縮器８において、冷却水配管２０内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる（図３の状態Ｅ）。そして、高圧液冷媒は、主流路２４と、エコノマイザ用分岐流路２５と、予冷却用分岐流路２６とに分岐される。
【００３２】
主流路２４を流れる高圧液冷媒は、エコノマイザ９においてエコノマイザ用分岐流路２５を流れる冷媒によって冷却され（図３の状態Ｆ）、予冷却器１１へと導かれる。一方、エコノマイザ用分岐流路２５を流れる高圧液冷媒は、副膨張弁２７によって中間圧まで等エンタルピ膨張させられ（図３の状態Ｇ）、エコノマイザ９へと導かれる。そして、エコノマイザ９において蒸発する際に主流路２４を流れる高圧液冷媒から熱を奪い、主流路２４を流れる高圧液冷媒に過冷却を与える。エコノマイザ用分岐流路２５を流れた冷媒は、エコノマイザ９を通過した後、エコノマイザ出口ガス流路２９を介して、ターボ圧縮機３の中間段に流れ込む。
【００３３】
エコノマイザ９にて過冷却を付けられた高圧液冷媒は、予冷却器１１へと導かれ、予冷却用分岐流路２６を流れる冷媒によって更に過冷却され（図３の状態Ｈ）、主膨張弁１３へと導かれる。一方、予冷却用分岐流路２６を流れる高圧液冷媒は、予冷却用膨張弁３１によって、ターボ圧縮機３の冷媒吸込圧まで等エンタルピ膨張させられ（図３の状態Ｉ）、予冷却器１１へと導かれる。そして、予冷却器１１において蒸発する際に主流路２４を流れる高圧液冷媒から熱を奪い、主流路２４を流れる高圧液冷媒に更に過冷却を与える（図３の状態Ｈ）。予冷却用膨張弁３１の開度は、図示しない制御部によって、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。予冷却用分岐流路２６を流れた冷媒は、予冷却器１１を通過した後、予冷却器出口ガス流路３４を介して、ターボ圧縮機３の吸込口に流れ込む。
【００３４】
予冷却器１１にて過冷却を与えられた主流路２４の高圧液冷媒は、主膨張弁１３によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ（図３の状態Ｊ）、蒸発器１５において蒸発し（図３の状態Ｊから状態Ａ）、冷水配管３３から伝熱管３５に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば１２℃で流入した冷水は７℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器１５において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路２４を介して、ターボ圧縮機３の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
【００３５】
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ９を用いて凝縮器８からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機１について、エコノマイザ９からの液冷媒を更に冷却する予冷却器１１を採用することとした。この予冷却器１１によって液冷媒には更に過冷却が付けられ、主膨張弁１３によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図３に示したように、予冷却器１１を採用しない場合の蒸発器１５入口の状態Ｊ’と、本実施形態のように予冷却器１１を採用した場合の蒸発器１５入口の状態Ｊとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に設けられた伝熱管３５周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に流入するので、蒸発器１５内に配置された多孔板（ディストリビュータ）４１（図２参照）によって冷媒を蒸発器１５の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器１５における熱交換量（蒸発潜熱）を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器を小型化することができる。
また、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁３１の開度を制御することとしたので、蒸発器１５入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４及び図５を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態のプレート式熱交換器とされたエコノマイザ９を気液分離タンクとした点で相違し、その他については同様であるので、同様の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００３７】
本実施形態のエコノマイザ９’は、気液分離タンクとされており、凝縮器８にて凝縮された液冷媒が主流路２４を介して導かれるようになっている。主流路２４には、副膨張弁２７が設けられており、エコノマイザ９’へ流入する液冷媒を減圧膨張して冷却するようになっている。
エコノマイザ９’では、気液が分離されるようになっている。分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９を介してターボ圧縮機３の中間段へと導かれる。エコノマイザ９’の液冷媒出口には、主流路２４と予冷却用分岐流路２６が接続されている。これにより、エコノマイザ９’にて分離された液冷媒は、主流路２４を介して予冷却器１１へと導かれる一方で、予冷却用分岐流路２６を介して予冷却器１１へと導かれる。予冷却用分岐流路２６には予冷却用膨張弁３１が設けられている。予冷却用膨張弁３１の開度は、第１実施形態と同様に、図示しない制御部によって、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。
【００３８】
次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
ターボ圧縮機３は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する図示しない制御部によって所定周波数で回転させられる。
【００３９】
蒸発器１５から吸い込まれた低圧ガス冷媒（図５の状態Ａ）は、ターボ圧縮機３の上流側羽根車３ａによって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図５の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される（図５の状態Ｃ）。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機３の下流側羽根車３ｂによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる（図５の状態Ｄ）。
【００４０】
ターボ圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器８へと導かれる、凝縮器８において、冷却水配管２０内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる（図５の状態Ｅ）。
凝縮器８の高圧液冷媒は、主流路２４を通り副膨張弁２７によって減圧膨張させられて冷却され、気液二相状態となる（図５の状態Ｇ）。
【００４１】
減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、エコノマイザ９’に流れ込み、気液分離タンク内で液相に分離される（図５の状態Ｆ）。一方、エコノマイザ９’にて分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９を介して、ターボ圧縮機３の中間段に流れ込む。
【００４２】
エコノマイザ９にて分離された液冷媒は、予冷却器１１へと導かれ、予冷却用分岐流路２６を流れる冷媒によって更に過冷却され（図５の状態Ｈ）、主膨張弁１３へと導かれる。一方、予冷却用分岐流路２６を流れる液冷媒は、予冷却用膨張弁３１によって、等エンタルピ膨張させられ（図５の状態Ｉ）、予冷却器１１へと導かれる。そして、予冷却器１１において蒸発する際に主流路２４を流れる液冷媒から熱を奪い、主流路２４を流れる高圧液冷媒に過冷却を与える（図５の状態Ｈ）。予冷却用膨張弁３１の開度は、図示しない制御部によって、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように制御される。予冷却用分岐流路２６を流れた冷媒は、予冷却器１１を通過した後、予冷却器出口ガス流路３４を介して、ターボ圧縮機３の吸込口に流れ込む。
【００４３】
予冷却器１１にて過冷却を与えられた主流路２４の液冷媒は、主膨張弁１３によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ（図５の状態Ｊ）、蒸発器１５において蒸発し（図５の状態Ｊから状態Ａ）、冷水配管３３から伝熱管３５に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば１２℃で流入した冷水は７℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器１５において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路２４を介して、ターボ圧縮機３の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
【００４４】
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ９’を用いて凝縮器８からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機１について、エコノマイザ９’からの液冷媒を冷却する予冷却器１１を採用することとした。この予冷却器１１によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁１３によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図５に示したように、予冷却器１１を採用しない場合の蒸発器１５入口の状態Ｊ’と、本実施形態のように予冷却器１１を採用した場合の蒸発器１５入口の状態Ｊとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に設けられた伝熱管３５周囲に液冷媒存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に流入するので、蒸発器１５内に配置された多孔板（ディストリビュータ）４１（図２参照）によって冷媒を蒸発器１５の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器１５における熱交換量（蒸発潜熱）を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
また、予冷却器１１と主膨張弁１３との間の液冷媒の温度が所望値となるように、予冷却用膨張弁３１の開度を制御することとしたので、蒸発器１５入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
【００４５】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図６及び図７を用いて説明する。
本実施形態は、第２実施形態のプレート式熱交換器とされた予冷却器１１を気液分離タンクとした点で相違し、その他については同様であるので、同様の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００４６】
本実施形態の予冷却器１１’は、気液分離タンク（気液分離器）とされており、エコノマイザ９’にて液化された液冷媒が主流路２４を介して導かれるようになっている。気液分離タンクである予冷却器１１’の上部には、分離されたガス冷媒をターボ圧縮機３の吸込口へと導く予冷却器出口ガス流路３４が設けられており、この予冷却器出口ガス流路３４には、予冷却器出口ガス膨張弁３６が設けられている。この予冷却器出口ガス膨張弁３６と、主流路２４に設けられた主膨張弁１３とは、図示しない制御部によって、予冷却器１１’の気液分離タンク内の液位Ｌ’が所望値となるよう、その開度が制御される。
予冷却器１１’では、主膨張弁１３及び予冷却器出口ガス膨張弁３６によって二相とされた冷媒を気液に分離されるようになっている。分離されたガス冷媒は、予冷却器出口ガス膨張弁３６にて減圧された後、予冷却器出口ガス流路３４を介してターボ圧縮機３の吸込口へと導かれる。
予冷却器１１’の液冷媒出口には、主流路２４が接続されている。これにより、予冷却器１１’にて分離された液冷媒は、主流路２４を介して主膨張弁１３へと導かれる。
【００４７】
次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
ターボ圧縮機３は、商用周波数、もしくは、図示しないインバータ装置を制御する図示しない制御部によって所定周波数で回転させられる。
【００４８】
蒸発器１５から吸い込まれた低圧ガス冷媒（図７の状態Ａ）は、ターボ圧縮機３の上流側羽根車３ａによって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図７の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９から流入する中間圧ガス冷媒と合流することによって冷却される（図７の状態Ｃ）。中間圧ガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機３の下流側羽根車３ｂによって更に圧縮され高圧ガス冷媒となる（図７の状態Ｄ）。
【００４９】
ターボ圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器８へと導かれる、凝縮器８において、冷却水配管２０内を流れる冷却水によって高圧ガス冷媒は略等圧で冷却され、高圧液冷媒となる（図７の状態Ｅ）。
凝縮器８の高圧液冷媒は、主流路２４を通り副膨張弁２７によって減圧膨張させられ、気液二相状態となる（図７の状態Ｇ）。
【００５０】
減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、エコノマイザ９’に流れ込み、気液分離タンク内で液冷媒に分離される（図７の状態Ｆ）。一方、エコノマイザ９’にて分離されたガス冷媒は、エコノマイザ出口ガス流路２９を介して、ターボ圧縮機３の中間段に流れ込む。
【００５１】
エコノマイザ９’にて分離された液冷媒は、予冷却用膨張弁３１によって減圧膨張されて冷却され、気液二相状態となる（図７の状態Ｋ）。減圧膨張されて気液二相状態とされた冷媒は、予冷却器１１’に流れ込み、気液分離タンク内で液冷媒に分離される（図７の状態Ｈ）。予冷却用膨張弁３１の開度は、図示しない制御部によって、エコノマイザ９’の気液分離タンク内の液位Ｌ’’が所望値となるように制御される。
一方、予冷却器１１’の気液分離タンクにて分離されたガス冷媒は、予冷却器出口ガス膨張弁３６にて減圧された後、予冷却器出口ガス流路３４を介してターボ圧縮機３の吸込口へと導かれる。
【００５２】
予冷却器１１’にて過冷却を与えられた主流路２４の液冷媒は、主膨張弁１３によって低圧まで等エンタルピ膨張させられ（図７の状態Ｊ）、蒸発器１５において蒸発し（図７の状態Ｊから状態Ａ）、冷水配管３３から伝熱管３５に導かれた冷水から熱を奪う。これにより、例えば１２℃で流入した冷水は７℃で負荷側に返送されることになる。蒸発器１５において蒸発した低圧ガス冷媒は、主流路を介して、ターボ圧縮機３の吸込口に流れ込み、再び圧縮される。
【００５３】
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、エコノマイザ９’を用いて凝縮器８からの液冷媒を冷却するエコノマイザサイクルを行うターボ冷凍機１について、エコノマイザ９’からの液冷媒を冷却する予冷却器１１’を採用することとした。この予冷却器１１’によって液冷媒には過冷却が付けられ、主膨張弁１３によって膨張された後にシェルアンドチューブ式の蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができる。これは、図７に示したように、予冷却器１１を採用しない場合の蒸発器１５入口の状態Ｊ’と、本実施形態のように予冷却器１１を採用した場合の蒸発器１５入口の状態Ｊとを比較すれば明らかである。
したがって、シェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に設けられた伝熱管３５周囲に液冷媒が存在しないドライアウトを抑制することができる。また、乾き度が低下された冷媒がシェルアンドチューブ式の蒸発器１５内に流入するので、蒸発器１５内に配置された多孔板（ディストリビュータ）４１（図２参照）によって冷媒を蒸発器１５の長手方向全体に分配することができる。また、蒸発器１５に流入する冷媒の乾き度を低下させることができるので、蒸発器１５における熱交換量（蒸発潜熱）を増大させることができ、冷媒循環量の低減によって蒸発器内部の流速を低下させ、熱交換器寸法を小型化することができる。
また、予冷却器１１’の気液分離タンク内の液位Ｌ’が所望値となるように、主膨張弁１３と予冷却器出口ガス膨張弁３６の開度を制御することとしたので、蒸発器１５入口における冷媒の乾き度を適正値に制御することができる。
【００５４】
なお、上述した各実施形態では、ターボ冷凍機を一例として説明したが、本発明はこれに限定されず、蒸気圧縮式とされた冷凍機であれば適用することができ、圧縮機としては、スクリュー圧縮機、スクロール圧縮機、ロータリ圧縮機等を用いることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  ターボ冷凍機（冷凍機）
３  ターボ圧縮機（圧縮機）
８  凝縮器
９，９’  エコノマイザ
１１，１１’  予冷却器
１３  主膨張弁
１５  蒸発器（シェルアンドチューブ式蒸発器）
２７  副膨張弁
３１  予冷却用膨張弁
３４  予冷却器出口ガス流路
３５  伝熱管
３６  予冷却器出口ガス膨張弁
【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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【図６】
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【図７】
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