JP2003343933A - 超臨界冷凍サイクル - Google Patents

超臨界冷凍サイクル

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JP2003343933A JP2002155114A JP2002155114A JP2003343933A JP 2003343933 A JP2003343933 A JP 2003343933A JP 2002155114 A JP2002155114 A JP 2002155114A JP 2002155114 A JP2002155114 A JP 2002155114A JP 2003343933 A JP2003343933 A JP 2003343933A
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cooling
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JP2002155114A
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Norihide Kawachi
Masaaki Kawakubo
Takeshi Muto
昌章 川久保
健 武藤
典秀 河地
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Denso Corp
株式会社デンソー
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT-PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06Compression machines, plant or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061Compression machines, plant or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D2021/0068Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0073Gas coolers

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱器を小型軽量化することが可能な超臨界
冷凍サイクルを提供すること。 【解決手段】 二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイ
クルに用いる放熱器200の上流側には、圧縮機100
から吐出された冷媒を冷却する蛇行形状の金属配管10
が設けられており、放熱器200に流入する冷媒温度を
低下できるようになっている。したがって、低下した冷
媒温度における耐圧強度等を考慮すればよいので、放熱
器200を小型軽量化することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高圧側の冷媒圧力
が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクル
(本明細書では、超臨界冷凍サイクルと呼ぶ。)に関す
るもので、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクル
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来技術として、二酸化炭素を冷媒と
し、冷媒を臨界圧以上に圧縮する圧縮機と、圧縮機から
吐出する臨界圧以上の冷媒を冷却する放熱器(ガスクー
ラ)とを備える超臨界冷凍サイクルがある。上記の放熱
器としては、高熱伝導性、軽量化等を目的としてアルミ
ニウム材(主にアルミニウム合金)により形成されてい
るものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の超臨
界冷凍サイクルでは、放熱器に流入する冷媒は高温であ
り、その温度は150〜180℃程度となる場合があ
る。これに対し、放熱器を形成しているアルミニウム材
(アルミニウム合金)は、高温で強度が低下しやすく、
約150℃以上の高温環境下では、強度低下が著しい。
したがって、冷媒高温時の放熱器耐圧強度等を考慮する
と、放熱器は思いの外軽量化が難しく、重量が大きくな
るとともに、体格も大きくなるという問題がある。
【0004】本発明は、上記点に鑑みてなされたもので
あり、放熱器を小型軽量化することが可能な超臨界冷凍
サイクルを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明では、二酸化炭素を冷媒と
し、冷媒を臨界圧以上に圧縮する圧縮機(100)と、
圧縮機(100)から吐出する臨界圧以上の冷媒を冷却
するアルミニウム材からなる放熱器(200)とを備え
る超臨界冷凍サイクル(1)において、圧縮機(10
0)から吐出され放熱器(200)に流入する前の冷媒
を冷却する冷却手段(10)を具備することを特徴とし
ている。
【0006】これによると、放熱器(200)に流入す
る冷媒を、流入前に冷却し温度低下することが可能であ
る。したがって、この低下した冷媒温度における耐圧強
度等を考慮すればよいので、放熱器(200)を小型軽
量化することが可能である。
【0007】また、請求項2に記載の発明では、冷却手
段(10)は、冷媒を流通する金属配管(10)である
ことを特徴としている。
【0008】これによると、金属配管(10)を介して
放熱することで、放熱器(200)に流入する前の冷媒
を冷却することができる。
【0009】また、請求項3に記載の発明では、金属配
管(10)は、蛇行形状に形成されていることを特徴と
している。
【0010】これによると、コンパクトなスペースに長
い金属配管(10)を配して放熱面積を大きくすること
が可能である。
【0011】また、請求項4に記載の発明では、放熱器
(200)は、冷媒が流通する複数のチューブ(21
1)が並設されたコア部(210)を有し、金属配管
(10)は、コア部(210)の形成面と略平行な面内
に配設されることを特徴としている。
【0012】これによると、コア部(210)を通過す
る受熱媒体が金属配管(10)にも接触しやすい。
【0013】また、請求項5に記載の発明では、金属配
管(10)は、アルミニウム材もしくは銅材からなるこ
とを特徴としている。
【0014】これによると、アルミニウム材や銅材は熱
伝導率が比較的高いので、金属配管(10)からの放熱
を良好に行なうことができる。
【0015】また、請求項6に記載の発明では、金属配
管(10)には、放熱フィン(11)が形成されている
ことを特徴としている。
【0016】これによると、金属配管(10)からの放
熱をさらに良好に行なうことができる。
【0017】また、請求項7に記載の発明では、放熱器
(200)は、冷媒が流通する複数のチューブ(21
1)が並設されたコア部(210)を有し、冷却手段
(10)は、コア部(210)の形成面に垂直方向の放
熱器(200)投影範囲内に配設されることを特徴とし
ている。
【0018】これによると、放熱器(200)と冷却手
段(10)とを隣接して設けた場合に、設置に必要なス
ペースを小さくすることが可能である。
【0019】また、請求項8に記載の発明では、冷却手
段(10)は、放熱器(200)に対し、コア部(21
0)を通過する受熱媒体流の下流側に配設されることを
特徴としている。
【0020】これによると、冷却手段(10)が受熱媒
体に放熱しても、この熱により放熱器(200)の冷却
性能が低下することを防止できる。
【0021】なお、上記各手段に付した括弧内の符号
は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を
示す一例である。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。
【0023】(第1の実施形態)図1は、本発明を適用
した第1の実施形態における二酸化炭素(CO2)を冷
媒とする超臨界冷凍サイクル1の概略構成を示す模式図
である。
【0024】図1中、100は、冷媒を圧縮する圧縮機
であり、200は、圧縮機100にて圧縮された冷媒を
冷却する放熱器(ガスクーラ)である。300は、放熱
器200から流出する冷媒を減圧するとともに、高圧側
の冷媒圧力を制御する圧力制御弁である。なお、高圧側
の冷媒圧力とは、圧縮機100の吐出側から圧力制御弁
300の冷媒入口側に至る圧力制御弁300にて減圧さ
れる前の冷媒圧力を言うものである。
【0025】400は、圧力制御弁300にて減圧され
た(液相の)冷媒を蒸発させる蒸発器であり、500
は、蒸発器400から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷
媒とに分離して気相冷媒を圧縮機100の吸入側に流出
させるとともに、超臨界冷凍サイクル1中の余剰冷媒を
蓄えるアキュームレータ(気液分離手段)である。
【0026】600は、アキュームレータ500から流
出する低圧側の冷媒と圧力制御弁300にて減圧される
前の高圧側の冷媒とを熱交換する内部熱交換器であり、
この内部熱交換器600により蒸発器400入口側での
冷媒のエンタルピを低下させて、超臨界冷凍サイクルの
冷凍能力を向上させている。
【0027】10は、圧縮機100から吐出され放熱器
200に流入する前の冷媒を冷却する金属配管10から
なる本実施形態における冷却手段である。
【0028】図2は、放熱器200と冷却手段である金
属配管10の概略構成図である。
【0029】図2に示すように、放熱器200は、コア
部210、左ヘッダタンク220、右ヘッダタンク23
0等から構成され、各部材はアルミニウムあるいはアル
ミニウム合金から成り、嵌合、かしめ、治具固定等によ
り組付けられ、予め各部材表面に設けられたろう材によ
り一体でろう付けされている。
【0030】コア部210は、内部を冷媒が流通する複
数のチューブ211および複数のフィン212(一部の
み図示)が交互に積層され、最外方のフィン212の更
に外方に強度部材としてのサイドプレート213が配設
されたものであり、各部材は一体でろう付けされてい
る。
【0031】このコア部210の図2中の左右部、即
ち、複数のチューブ211の長手方向両端部において、
チューブ211の積層方向に延びる一対のヘッダタンク
(左ヘッダタンク220と右ヘッダタンク230)が設
けられている。この両ヘッダタンク220、230には
図示しないチューブ孔が複数穿設されており、各チュー
ブ211の端部がこのチューブ孔に嵌合され、チューブ
211と両ヘッダタンク220、230が互いに連通す
るようにろう付けされている。
【0032】また、各ヘッダタンク220、230に
は、内部の空間を仕切る図示しないセパレータがろう付
けされている。そして、左ヘッダタンク220のセパレ
ータよりも下側には冷媒の導入口となるジョイント22
1が、また右ヘッダタンク230のセパレータの上側に
は冷媒の導出口となるジョイント231がそれぞれろう
付けされている。
【0033】そして、ジョイント221から流入した冷
媒は、両ヘッダタンク220、230およびチューブ2
11により構成される冷媒流路を逆S字状に流れた後、
ジョイント231から内部熱交換器600方向に流出す
るようになっている。
【0034】また、ジョイント221には、金属配管1
0の下流側端部が螺着され、圧縮機100が吐出した冷
媒は、金属配管10内を流通した後ジョイント221か
ら放熱器200内に流入するようになっている。
【0035】金属配管10は、熱伝導性が良好なアルミ
ニウム合金をパイプ状に押し出し成形した後、曲げ加工
を施すことにより蛇行形状に形成されており、本例で
は、金属配管10は、外径約9mm、内径約5mmとし
ている。なお、金属配管10には、熱伝導性が良好な銅
合金等の銅材を採用することも可能である。
【0036】蛇行形状に形成された金属配管10は、放
熱器200に対し、コア部210を通過する受熱媒体流
である空気流の下流側(紙面表側)において、コア部2
10の形成面(チューブ211積層方向の面)に略平行
であり、コア部210から若干離れた面内に配設されて
いる。そして、金属配管10の大部分は、コア部210
の形成面に垂直方向の放熱器200投影範囲内に位置し
ている。
【0037】上記位置に蛇行形状の金属配管10を設け
ることにより、放熱器200に金属配管10を螺着した
構成を設置するときのスペースをコンパクトにできると
ともに、放熱器200において内部の冷媒と熱交換した
空気が金属配管10に当たりやすくなっている。また、
放熱器200で熱交換した後の空気が金属配管10に接
触するので、放熱器200の冷却性能を低下させること
もない。
【0038】上記構成において、圧縮機100が吐出す
る高温の冷媒が、金属配管10の上流側から流入する
と、冷媒は金属配管10内を流れるときに、金属配管1
0の外部を紙面裏側から表側に向かって流れる空気に放
熱し冷却される。金属配管10内で冷却された冷媒は、
ジョイント221から放熱器200内に流入し、チュー
ブ211内を流れるときにさらに上記の空気流により冷
却され、ジョイント231から内部熱交換器600に送
られる。
【0039】上述のように、金属配管10は、放熱器2
00において冷却される前の冷媒を冷却するものであ
り、放熱器200に対して予備放熱器として機能する。
【0040】上述の構成および作動によれば、放熱器2
00に流入する冷媒を、流入前に冷却手段である金属配
管10内において冷却し温度低下することができる。し
たがって、放熱器200の設計製造にあたっては、低下
した冷媒温度における耐圧強度等を考慮すればよいの
で、放熱器200を小型軽量化することが可能である。
【0041】また、放熱器200に流入する冷媒温度を
予め低下することで、放熱器200内の温度分布を小さ
くすることができ、放熱器200からの放熱を安定させ
ることができる。
【0042】また、金属配管10は、熱伝導率が高いア
ルミニウム材により形成されているので、冷媒からの放
熱を金属配管10を介して良好に行なうことができ、金
属配管10内を流れる冷媒を効率的に冷却することがで
きる。
【0043】本発明者らは、本実施形態の超臨界冷凍サ
イクル1を用いて、冷却手段である金属配管10の冷却
効果を確認している。超臨界冷凍サイクル1を車両用の
空調装置に適用するため、放熱器200と金属配管10
からなる構成を車両エンジンルーム内前部に搭載し、車
両エンジンにより圧縮機100を駆動した。このように
して、金属配管10の上流側より180℃の冷媒を15
0kg/hの流量で流入させた。
【0044】このとき、放熱器200および金属配管1
0には、エンジンルーム内前部の標準的な温度である4
0℃の風を3.0m/sの速度で吹き付けている。この
ような評価を行い、金属配管10の管長が30cm以上
あれば、放熱器200に流入する冷媒の温度が150℃
以下になることを確認している。
【0045】(第2の実施形態)次に、第2の実施形態
について図3に基づいて説明する。本第2の実施形態
は、前述の第1の実施形態と比較して、冷却手段の構成
が異なる。なお、第1の実施形態と同様の部分について
は、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【0046】図3に示すように、本実施形態の冷却手段
は、金属配管10にプレートフィンを放熱フィン11と
して設けた予備放熱器10Aである。放熱フィン11を
形成することにより、金属配管10からの放熱をさらに
良好に行なうことができ、金属配管10内を流れる冷媒
をより効率的に冷却することができる。したがって、放
熱器200を一層小型軽量化することが可能である。
【0047】(第3の実施形態)次に、第3の実施形態
について図4に基づいて説明する。本第3の実施形態
は、前述の第1の実施形態と比較して、冷却手段である
金属配管の構成が異なる。なお、第1の実施形態と同様
の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略
する。
【0048】図4に示すように、本実施形態の放熱器2
00のジョイント221には、直線状の金属配管20が
螺着している。金属配管20の材質や径寸法等は、第1
の実施形態と同様である。この構成によっても、放熱器
200に流入する冷媒を、流入前に冷却手段である金属
配管20内において冷却し温度低下することができる。
したがって、放熱器200を小型軽量化することが可能
である。
【0049】また、金属配管20を放熱器200から圧
縮機100方向に向けて設ければ、圧縮機100から放
熱器200に冷媒を送る従来からある冷媒配管を短縮あ
るいは廃止することが可能である。
【0050】(第4の実施形態)次に、第4の実施形態
について図5に基づいて説明する。本第4の実施形態
は、前述の第3の実施形態と比較して、冷却手段の構成
が異なる。なお、第1の実施形態および第3の実施形態
と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明
を省略する。
【0051】図5に示すように、本実施形態の冷却手段
は、金属配管20にプレートフィンを放熱フィン21と
して設けた予備放熱器20Aである。放熱フィン21を
形成することにより、金属配管20からの放熱をさらに
良好に行なうことができ、金属配管20内を流れる冷媒
をより効率的に冷却することができる。したがって、放
熱器200を一層小型軽量化することが可能である。
【0052】(他の実施形態)上記第1および第2の実
施形態では、冷却手段である金属配管10あるいは予備
放熱器10Aを、放熱器200の冷却空気流下流側にお
いて、冷媒導入口であるジョイント221近傍に設けた
が、冷媒導出口であるジョイント231近傍に設けても
よい。金属配管10あるいは予備放熱器10Aをジョイ
ント231近傍に設ける方が、ジョイント221までの
距離が遠くなるという欠点はあるが、コア部210はジ
ョイント231近傍が最も低温となるため、冷媒冷却効
果が大きいという利点がある。
【0053】また、上記第2および第4の実施形態で
は、放熱フィン11もしくは放熱フィン21は、プレー
トフィンとしたが、これに限定されるものではない。例
えば、スパインフィン等であってもよい。
【0054】また、上記各実施形態では、冷却手段は金
属配管10、20もしくはこれらに放熱フィン11、2
1を形成した予備放熱器10A、20Aのいずれかであ
ったが、他の熱交換手段であってもよい。例えば、冷却
手段としてコルゲートフィンを備える銅合金製の熱交換
器等を採用してもよい。また、冷却手段として、冷却素
子等を採用してもかまわない。
【0055】また、上記各実施形態では、冷却手段で冷
媒から受熱する受熱媒体は空気であったが、他の流体で
あってもよい。例えば、本発明の超臨界冷凍サイクルを
車両に搭載する場合には、車両のエンジン冷却水を受熱
媒体としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態における超臨界冷凍サ
イクル1の概略構成を示す模式図である。
【図2】第1の実施形態における放熱器200と冷却手
段である金属配管10の概略構成を示す正面図である。
【図3】第2の実施形態における放熱器200と冷却手
段である予備放熱器10Aの概略構成を示す正面図であ
る。
【図4】第3の実施形態における放熱器200と冷却手
段である金属配管20の概略構成を示す正面図である。
【図5】第4の実施形態における放熱器200と冷却手
段である予備放熱器20Aの概略構成を示す正面図であ
る。
【符号の説明】
1 超臨界冷凍サイクル 10、20 金属配管(冷却手段、予備放熱器) 10A、20A 予備放熱器(冷却手段) 11、21 放熱フィン 100 圧縮機 200 放熱器 210 コア部 211 チューブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河地 典秀 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二酸化炭素を冷媒とし、 前記冷媒を臨界圧以上に圧縮する圧縮機(100)と、 前記圧縮機(100)から吐出する臨界圧以上の前記冷
    媒を冷却するアルミニウム材からなる放熱器(200)
    とを備える超臨界冷凍サイクル(1)において、 前記圧縮機(100)から吐出され前記放熱器(20
    0)に流入する前の前記冷媒を冷却する冷却手段(1
    0)を具備することを特徴とする超臨界冷凍サイクル。
  2. 【請求項2】 前記冷却手段(10)は、前記冷媒を流
    通する金属配管(10)であることを特徴とする請求項
    1に記載の超臨界冷凍サイクル。
  3. 【請求項3】 前記金属配管(10)は、蛇行形状に形
    成されていることを特徴とする請求項2に記載の超臨界
    冷凍サイクル。
  4. 【請求項4】 前記放熱器(200)は、前記冷媒が流
    通する複数のチューブ(211)が並設されたコア部
    (210)を有し、 前記金属配管(10)は、前記コア部(210)の形成
    面と略平行な面内に配設されることを特徴とする請求項
    2または請求項3に記載の超臨界冷凍サイクル。
  5. 【請求項5】 前記金属配管(10)は、アルミニウム
    材もしくは銅材からなることを特徴とする請求項2ない
    し請求項4のいずれか1つに記載の超臨界冷凍サイク
    ル。
  6. 【請求項6】 前記金属配管(10)には、放熱フィン
    (11)が形成されていることを特徴とする請求項2な
    いし請求項5のいずれか1つに記載の超臨界冷凍サイク
    ル。
  7. 【請求項7】 前記放熱器(200)は、前記冷媒が流
    通する複数のチューブ(211)が並設されたコア部
    (210)を有し、 前記冷却手段(10)は、前記コア部(210)の形成
    面に垂直方向の前記放熱器(200)投影範囲内に配設
    されることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいず
    れか1つに記載の超臨界冷凍サイクル。
  8. 【請求項8】 前記冷却手段(10)は、前記放熱器
    (200)に対し、前記コア部(210)を通過する受
    熱媒体流の下流側に配設されることを特徴とする請求項
    7に記載の超臨界冷凍サイクル。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102011607A (zh) * 2010-11-25 2011-04-13 天津市天矿电器设备有限公司 一种避难舱无电力驱动降温除湿装置
JP6139760B1 (ja) * 2016-07-13 2017-05-31 株式会社岡村製作所 冷却装置

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