JP2001091066A - 省電力及び防音冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍機圧縮機の動力効率の改善と防音対
策のできる装置の提供。 【解決手段】 冷凍機の冷媒凝縮液の蒸発潜熱を用いて
圧縮機を冷却し、気化した冷媒を再度凝縮器に循環させ
るとともに、圧縮機と電動機を真空瓶で密閉する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷蔵庫あるいは空気調
和機の省電力及び防音に関する。本発明の省電力及び防
音冷凍機は、小型の家庭用冷蔵庫あるいは空気調和機等
の内部の圧縮機の動力効率を高め、その音も効率良く遮
断できるので有用である。

【０００２】

【従来技術】冷蔵庫あるいは空気調和機は、社会生活の
必需品として広く普及している。しかし、装置の心臓部
である冷媒の圧縮機は、電力を多量に消費し、騒音も発
生するので、資源の有効利用と地球環境を考え一層の改
善努力がなされている。従来の省電力対策は、理論的な
面からは、気体の圧縮には、断熱圧縮と等温圧縮があ
り、一般に等温圧縮方式の方がエネルギー効率は優れて
いるので、二段圧縮あるいは水冷式を採用し、少しでも
等温圧縮に近ずける努力が成されている。また、圧縮機
の構造の改善も成され、最近ではロータリ式、スクリュ
ー式等の特性の優れた方式が採用されている。また、冷
凍機の騒音に対しては、発生源である圧縮機の振動対策
あるいは鉛材による遮蔽が主な対策とされていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の二段圧縮あるいは水冷式方法は、装置が複雑とな
る上に運転も煩雑で、設備費高く、特に、小型冷凍機に
は採用されず、殆どが効率の悪い断熱圧縮方式である。
また、最近の小型圧縮機は、電動機と一体化した密閉型
であるため、熱が隠り、吐出ガスの温度は、理論値より
も高いぐらいで、熱的な効率は悪化している問題があ
る。冷凍機の冷媒として、アンモニアは熱力学的特性が
優れ冷凍効率がよく、かつフロンのように地球環境の問
題も無いので、昔から使われている。しかし、断熱指数
が大きいため、吐出ガスの温度は高く、水冷式とする必
要があるため、小型の空調機用冷凍機には全く使われて
いない問題がある。また、従来の遮音対策は効果が不完
全で、例えば、音の伝わらない真空瓶で囲めば一挙に解
決可能な問題であるが、真空瓶は、熱も遮断するので、
放熱ができず内部に熱が溜ってしまい、電動機等の内部
の装置を破損させる問題があり使われていない。そこ
で、本発明は、冷蔵庫あるいは空気調和機の圧縮機に関
するエネルギー効率及び防音対策における上記問題を解
決するものであって、従来の小型圧縮機の冷却と真空遮
音の熱放散の問題を改善し、省電力と防音の性能を一挙
に向上させる簡単で安価な省電力及び防音冷凍機を提供
することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、鋭意研究開発を進めたところ、冷媒の
凝縮液の蒸発潜熱を利用することにより、目的達成が可
能であるとの知見を得ることが出来た。さらに、この技
術の利用により、熱の問題が解決できるので、真空瓶３
の利用も可能となり、圧縮機１０の音の遮断の知見も得
ることが出来た。

【０００５】本発明は、上記知見に基づいてなされたも
のであって、 （１）圧縮式冷凍機であって、冷媒凝縮液Ｌを圧縮機１
０に導き、該冷媒凝縮液Ｌの気化したガスＡを再び凝縮
器１２に循環させることを特徴とする省電力及び防音冷
凍機。 （２）上記圧縮機１０の外側を密閉構造とし、該圧縮機
１０の外部に密閉した隙間１を造り、該隙間１に上記記
載の冷媒凝縮液Ｌを導入することを特徴とした請求項１
に記載の省電力及び防音冷凍機。 （３）圧縮式冷凍機であって、凝縮器１２の後に液体ポ
ンプ２−１を設置し、該ポンプ２−１を用いて冷媒凝縮
液Ｌを請求項２記載の密閉した隙間１に導き、該冷媒凝
縮液Ｌの気化ガスＡを再び凝縮器１２に循環させること
を特徴とする省電力及び防音冷凍機。 （４）圧縮式冷凍機であって、冷媒凝縮液Ｌを請求項２
記載の密閉した隙間１に導き、該圧縮機１０の出口に排
気ポンプ２−２を設置し、該排気ポンプ２−２を用い
て、該冷媒凝縮液Ｌの気化ガスＡを再び凝縮器１２に循
環させることを特徴とする省電力及び防音冷凍機。 （５）冷凍機の冷媒にアンモニアを用いることを特徴と
した請求項１〜４に記載の省電力及び防音冷凍機。 （６）縮機１０と電動機１１の外部に真空瓶３を設置
し、該圧縮機１０の全てを真空瓶３の内部に納めること
を特徴とする省電力及び防音冷凍機。 （７）請求項６を特徴とする請求項１〜５のいずれかに
記載の省電力及び防音冷凍機。 （８）上記請求項６及び７記載の真空瓶３の材質が金属
であることを特徴とする省電力及び防音冷凍機。に特徴
を有するものである。本発明においては、凝縮液Ｌの蒸
発潜熱と高圧力を利用するので、伝熱冷却効率が高くな
っており、凝縮液Ｌと沸騰したガスＡの圧力は圧縮機の
突出圧と等しいので、凝縮器１２−圧縮機１０間の循環
のためのポンプ動力エネルギーは、僅かでよい。また特
別な冷却水も必要でなく、装置は簡単である。

【０００６】

【具体的な説明】本発明の省電力及び防音冷凍機の概略
を図１の模式図に示す。本発明の装置は、図１に示すよ
うに、一般の冷凍機の基本システムの圧縮機１０、電動
機１１、凝縮器１２、蒸発器１３および膨張弁１４と、
本発明の冷却用隙聞１、ポンプ２−１および真空瓶３を
有し、冷媒とは、例えば、フロン、アンモニア等であ
る。

【０００７】与えられた冷凍能力に対して、冷凍機の省
電力化を考えたとき、新しい断熱方法、新型圧縮機の開
発あるいは蒸発潜熱の大きい冷媒開発等いろいろと考え
られる。しかし、それぞれの技術が進んだ昨今に於い
て、最後の省電力テーマは、圧縮機効率の改善である。
即ち、熱力学的に有利な等温圧縮に近づけることです。
ところが、現在の小型冷凍機の圧縮機１０は、殆どが断
熱圧縮方式で、気体を圧縮すると、熱が蓄えられ、その
結果、熱膨張し、膨張した分だけ余分に仕事をしなけれ
ばならなくなるため、圧縮に要する動力が増える方式で
す。理論的な等温圧縮と断熱圧縮の仕事量を比較する
と、等温圧縮は、ＧＲＴ_１１ｎ（Ｐ_２／Ｐ_１）、断熱圧
縮は、ＧＲＴκ／（κ−１）｛（Ｐ_２／Ｐ_１）∧（κ−
１）／κ−１｝の式だから。例えば、冷媒ガスを２．５
⇒１２ｋｇ／ｃｍ^２まで圧縮したとき、両方式の比（等
温圧縮／断熱圧縮）は、断熱指数κが１．１８のＲ２２
のとき９０％となり、κが１．３のアンモニアでは、８
３％となる。

【０００８】即ち、等温圧縮に要する動力は、断熱圧縮
の約８３〜９０％で済むのです。このように、等温圧縮
は優れているのですが、問題は、圧縮機１０を冷却しな
ければならないことです。しかも、冷却すために電力を
使ってはならないのです。だからと言って、水冷却で
は、冷蔵庫を移動するとき、水配管工事が必要となり現
実的ではありません。他の冷却方法として、第一に思い
つくのは、凝縮液Ｌを膨張弁１４で減圧した後、圧縮機
１０の冷却に使うことです。しかし、減圧後、気化冷却
したのでは、冷却効果はあっても、気化した冷媒Ａを再
度圧縮しなければならず、総合的には電力増となってし
まいます。

【０００９】そこで、本発明者は、試行錯誤の結果、冷
媒の凝縮液Ｌを直接冷却に用いることが最善であること
を見出したのです。即ち、凝縮器１２で液化した凝縮液
Ｌをポンプ２−１で圧縮機１０に導き、蒸発潜熱を利用
して、特にシリンダー部を冷却します。冷却は高圧力下
で沸騰伝熱が利用できるので、伝熱面積は僅かでも、効
果的に圧縮機１０内部の冷媒ガスを冷却できます。この
方法では、外部冷媒の圧力変化はないので、気化した冷
媒Ａは、そのまま凝縮器１２に導くことで、再度容易に
液化させることが可能となります。また、本系統の循環
冷媒Ｈと気化冷媒Ａの合流点は、凝縮器１２の途中でも
よく、特に限定するものではない。勿論、凝縮器１２で
の再液化作業は、外気を利用するので、使用電力は増え
ません。液体ポンプ２−１の動力は入出口の圧力変化は
無いので液体ファン程度でよく僅かです。このように、
本発明では、圧縮機１０の熱を、効率的に凝縮器１２に
移すことが可能で、その結果、圧縮途中の冷媒の熱を除
去できるため、エネルギー効率の良い等温圧縮に近ずけ
ることが可能となるのです。圧縮機１０と一体の動力源
である電動機１１の発熱も同様に排出できます。また、
内外部の圧力がほぼ等しいため、シリンダー部からのガ
ス漏れは少なく、圧縮機設計は容易となります。さら
に、副次的効果として、圧縮機シリンダー部では、通常
潤滑油を用いているが、本発明では、凝縮液Ｌ自体が、
シリンダーの熱で気化し、局部的に高圧となるため、潤
滑効果を発揮し潤滑油を無用とすることも出来ます。

【０００１０】また、圧縮時の冷却伝熱をより向上させ
ることも重要なことで、様々な改善も考えられます。例
えば、シリンダー部の微小なフィン付け、あるいは穴開
け、さらに気化した冷媒が伝熱を妨害しないよう速やか
に排除できること等です。何れにしても、設計上最も大
切なことは、圧縮機１０全体を、凝縮液Ｌに沈めること
です。液体ポンプ２−１については、必ずしも液体に限
定する必要はなく、気化した出口に気体用のポンプ２−
２を設けてもよいのです。また、応用例として、図２の
ように、圧縮機１０の冷却に適した専用の第二の冷媒
（圧力を変えてもよい）を用いて独立したヒートポンプ
システムを構築してもよい。この場合、独立循環系の圧
力は、運転時の熱負荷に応じて自然と平衡圧力まで変化
バランスし、凝縮器１２の能力が大きければ、減圧し蒸
発温度が下がって冷却能力は増す。但し、システムが複
雑となる欠点もある。また、本発明の省電力及び防音冷
凍機の凝縮器１２側を暖房機として利用した場合、従来
圧縮機１０廻りの放熱として捨てられていた熱も回収で
きるので、暖房効率も格段に向上します。

【０００１１】冷凍機に於ける騒音の主たる発生源は、
圧縮機１０です。しかし、この問題は、本発明の前半の
熱冷却システムに真空瓶３を組み合わせれば、完全に解
決可能であります。即ち、内部に熱が溜らないので、圧
縮機１０・電動機１１全体を真空瓶３で被うだけでよい
からです。真空は音を完全に遮断可能だからです。設計
上の注意点は、冷媒の入口出口を一箇所に集中する等の
工夫は必要です。また、本発明の適用可能な圧縮機１０
とは、往復式、回転式、ロータリ式、スクリュー式等限
定するものではない。その他、凝縮液Ｌの流量をコント
ロールするための、レベルセンサ、温度センサの設置あ
るいは凝縮器１２の冷風量制御等は、全体のエネルギ効
率が最大となるよう考えることは当然であるが、上記条
件を満たすものであれば特に限定するものではありませ
ん。

【００１２】

【実施例】本発明の装置の働きについては、具体的な説
明の項で述べたが、その実施例についても図面を参照し
て説明する。なお本実施例は例示であり発明の範囲を限
定するものではなく、実施例の記載によって、何らの制
約を受けるものではないことは言うまでもないところで
ある。実施例１ 本発明の装置を、過冷却冷凍サイクル式の空調機（日本
標準冷凍サイクル）に適用した例について、冷媒として
Ｒ２２（フロン）を用い、凝縮圧力を１２．３ｋｇ／ｃ
ｍ^２、蒸発圧力を３．０ｋｇ／ｃｍ^２、冷媒循環量を７
４．９ｋｇ／Ｈｒで運転し、冷却能力３０１０ｋｃａｌ
／Ｈｒを引き出した結果について説明する。先ず、比較
のために、圧縮機１０の冷却を止めた従来の運転による
結果を、表１の比較例１に示した。次いで、真空瓶３を
設置後、ポンプ２−１を運転し、凝縮液Ｌの一部を冷却
用隙間１に送液し、圧縮機１０の冷却を開始した。する
と、圧縮機１０の冷媒Ｈの吐出温度は、６５℃から徐々
に低下し、冷却冷媒量が９ｋｇ／Ｈｒとなった時点で、
４８℃まで低下した。その後は、圧縮機１０の凝縮液Ｌ
量を増やしても、温度は下がらず安定した。また、気化
した冷却用冷媒Ａの温度は、凝縮温度と等しい３０℃で
あった。その時の運転データを、表１の実施例１に示し
た。

【００１３】

【表１】

【００１４】表１のデータから、本発明の効果は、明ら
かで、圧縮気体Ｈの温度を下げることで、等温圧縮に近
づき、圧縮機１０の動力は、比較例１の９７５ｗから、
９３０ｗに４％程度低下した。従来、圧縮機４周辺から
放熱していた熱１１１５ｋｃａｌも回収でき、暖房使用
時の動力効率も６％向上した。また、圧縮機１０の騒音
は、３５デシベルから、１０デシベル以下となった。

【００１５】実施例２ 第二の実施例では、断熱指数が１．３と大きく、圧縮機
１０の突出温度が高くなって、水冷式にせねばならなか
ったアンモニア冷媒を用いた例である。本発明の装置
を、実施例１と同様、過冷却冷凍サイクル式の空調機に
適用した例について、冷媒としてアンモニアを用い、凝
縮圧力を１１．９ｋｇ／ｃｍ^２、蒸発圧力を２．４ｋｇ
／ｃｍ^２、冷媒循環量を１１．９ｋｇ／Ｈｒで運転し、
冷却能力３０１０ｋｃａｌ／Ｈｒを引き出した結果を説
明する。先ず、比較のために、圧縮機１０の冷却を止め
た従来の運転を行い、その結果を、表１の比較例２に示
した。備考欄に示したように、本運転では、約１時間程
度で圧縮機１０のシリンダーが焼き付き、運転停止して
しまった。次いで、真空瓶３を設置後、始めから圧縮機
１０を冷却するためのポンプ２−１を運転しながら、冷
凍機の運転を開始した。すると、圧縮機１０の冷媒吐出
温度は、６１℃で安定した。そのとき、必要な冷却用ア
ンモニア量は１．７ｋｇ／Ｈｒであり、気化した冷却用
冷媒Ａの隙間１出口温度は、凝縮温度と等しい３０℃で
あった。今回は、焼き付けを起こさず長時間に渡り安定
した運転を達成した。取得した全データを、表１の実施
例２に示した。表１のデータから、本発明の効果は、明
らかで、圧縮機１０の吐出気体の温度を下げることで、
等温圧縮に近づき、その動力は、比較例２の８４５ｗか
ら７９０ｗに６％程度減少した。圧縮機１０から放熱す
る熱も回収できたと考えられ、暖房使用時の動力効率も
８％向上した。また、圧縮機１０の騒音は、３５デシベ
ルから、１０デシベル以下となった。さらに、実施例１
と２の比較から、同じ冷凍能力においては、使用電力の
点から、アンモニア冷媒がフロン冷媒より優れていた。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。冷凍機圧縮機１０の
冷却に冷媒の凝縮液Ｌを利用するので、蒸発潜熱が利用
でき、圧縮機を効率的に冷却できる。その結果、エネル
ギー効率のよい等温圧縮が可能となり、圧縮機動力が大
幅に減る。冷却に必要なエネルギーは、凝縮器１２のヒ
ートポンプ循環でまかなえるので、実質的にただであ
る。冷却水を必要としない効率の良いアンモニア冷凍機
が開発できるので、従来、不得意であった、小型機の分
野でも、フロンの問題が解決できる。凝縮器を暖房に利
用すれば、圧縮機の放散熱も回収できるので、効率がよ
い。圧縮機１０及び電動機１１を真空瓶３で密閉できる
ので、動力音が完全に遮断でき、静穏な冷凍機を構築で
きる。冷却水が無用であるため、冷凍機は完全独立シス
テムが可能で、装置構成も従来の設計変更を必要とせ
ず、大量生産が可能であり、経済性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による省電力及び防音冷凍機の構造を模
式的に示す断面図。

【図２】本発明による他の例の構造を模式的に示す断面
図

【符号の説明】

１…密閉隙間 １０…圧縮機 ２−１…液体用ポンプ １１…電動機 ３…真空瓶 １２…凝縮器 Ｌ…冷媒凝縮液 １３…蒸発器 Ａ…冷媒気化ガス １４…膨張弁 Ｒ…低圧側冷媒ガス Ｈ…高圧側冷媒ガ
ス

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮式冷凍機であって、冷媒凝縮液Ｌを
   圧縮機１０に導き、該冷媒凝縮液Ｌの気化したガスＡを
   再び凝縮器１２に循環させることを特徴とする省電力及
   び防音冷凍機。
2. 【請求項２】 上記圧縮機１０の外側を密閉構造とし、
   該圧縮機１０の外部に密閉した隙間１を造り、該隙間１
   に上記記載の冷媒凝縮液Ｌを導入することを特徴とした
   請求項１に記載の省電力及び防音冷凍機。
3. 【請求項３】 圧縮式冷凍機であって、凝縮器１２の後
   に液体ポンプ２−１を設置し、該ポンプ２−１を用いて
   冷媒凝縮液Ｌを請求項２記載の密閉した隙間１に導き、
   該冷媒凝縮液Ｌの気化ガスＡを再び凝縮器１２に循環さ
   せることを特徴とする省電力及び防音冷凍機。
4. 【請求項４】 圧縮式冷凍機であって、冷媒凝縮液Ｌを
   請求項２記載の密閉した隙間１に導き、該圧縮機１０の
   出口に排気ポンプ２−２を設置し、該排気ポンプ２−２
   を用いて、該冷媒凝縮液Ｌの気化ガスＡを再び凝縮器１
   ２に循環させることを特徴とする省電力及び防音冷凍
   機。
5. 【請求項５】 冷凍機の冷媒にアンモニアを用いること
   を特徴とした請求項１〜４に記載の省電力及び防音冷凍
   機。
6. 【請求項６】 圧縮機１０と電動機１１の外部に真空瓶
   ３を設置し、該圧縮機１０の全てを真空瓶３の内部に納
   めることを特徴とする省電力及び防音冷凍機。
7. 【請求項７】 請求項６を特徴とする請求項１〜５のい
   ずれかに記載の省電力及び防音冷凍機。
8. 【請求項８】 上記請求項６及び７記載の真空瓶３の材
   質が金属であることを特徴とする省電力及び防音冷凍
   機。