JP2004286289A - 冷媒サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素や炭化水素或いはアンモニアなどの自然冷媒を用い、高温・低温の双方使用状態において高効率な運転を可能とする冷媒サイクル装置を提供する。
【解決手段】圧縮機２、８、ガスクーラ３、カスケード熱交換器６、膨張弁４、１１及び蒸発器１２などから冷媒回路が構成された冷媒サイクル装置１において、炭化水素若しくはアンモニアと、二酸化炭素とを冷媒として用いると共に、二酸化炭素の圧縮−放熱−凝縮−蒸発に伴う吸熱作用により、圧縮された炭化水素若しくはアンモニアを放熱させ、当該炭化水素若しくはアンモニアの凝縮−蒸発を行わせる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用・業務用冷蔵庫、超低温フリーザ、冷凍ショーケース、理化学機器、バイオメディカル機器等の低温機器や、給湯器、暖房機などの高温機器に適用可能な冷媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より冷媒サイクルを用いた低温機器においては、圧縮機により冷媒を圧縮し、これを凝縮、減圧、蒸発させ、その際に生じる吸熱作用を利用して冷却作用を達成するものである。この場合の冷媒としては、従来フロンが用いられていたが、大気中に放出されると成層圏で紫外線によって分解され、塩素原子を放出してオゾン層を破壊する。このため地表に届く有害紫外線が増加するということで使用が禁止されるに至った。このフロンの代替物としては、例えばアンモニア、炭化水素、二酸化炭素などの自然冷媒があり、これらは単独で使用するほか、これらを組み合わせたものも開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−９１０７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、冷媒サイクルは高段側冷媒回路と低段側冷媒回路から成る二元冷凍サイクルとされ、高段側冷媒回路には炭化水素やアンモニアを、低段側冷媒回路には二酸化炭素（炭酸ガス）を使用している。そして、係る構成とすることで、二酸化炭素を使用することによる高圧作動の抑制と、炭化水素を使用することによる爆発の危険回避を達成することとしていた。
【０００５】
しかしながら、係る構成では高段側冷媒回路の冷媒が炭化水素などであるために、例えば給湯器などの高温機器を加熱するために用いる場合には、効率が悪くなる問題がある。
【０００６】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、二酸化炭素や炭化水素或いはアンモニアなどの自然冷媒を用い、高温・低温の双方使用状態において高効率な運転を可能とする冷媒サイクル装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、二酸化炭素の圧縮−放熱−凝縮−蒸発に伴う吸熱作用により、圧縮された炭化水素若しくはアンモニアの放熱を行わせ、これを凝縮−蒸発させるので、二酸化炭素のヒートポンプによる放熱を用いて効率的に高温機器の加熱を行い、炭化水素若しくはアンモニアの蒸発によって効率的な低温機器の冷却を達成できる。
【０００８】
これにより、自然冷媒を用いて高温・低温双方の作用を効率的に発揮させることができるようになり、特に、高温作用・低温作用の双方が必要な機器において著しい効果が得られるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳説する。図１は、本発明の一実施例の冷媒サイクル装置１の冷媒回路図である。実施例の冷媒サイクル装置１は、圧縮機２、放熱器としてのガスクーラ３、減圧装置としての膨張弁４、及び、蒸発器となるカスケード熱交換器６を順次環状に配管接続して成る高段側冷媒回路７と、圧縮機８、放熱器としての冷媒配管９、減圧装置としての膨張弁１１、及び、蒸発器１２を順次環状に配管接続して成る低段側冷媒回路１３とから構成されている。
【００１０】
前記低段側冷媒回路１３の冷媒配管９は高段側冷媒回路７のカスケード熱交換器６内を通過し、それと交熱的に設けられており、これにより、高段側冷媒回路７と低段側冷媒回路１３とは相互にカスケード接続された二元冷媒回路を構成する。そして、前記高段側冷媒回路７内には冷媒として自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ_２）が所定量封入されると共に、低段側冷媒回路１３内には冷媒として同じく自然冷媒であるエタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素、若しくは、アンモニアが所定量封入（実施例では炭化水素とする）されている。
【００１１】
次に、図２に示す両冷媒回路の圧力とエンタルピとの関係を参照しながら冷媒サイクル装置１の動作を説明する。両冷媒回路７、１３の圧縮機２、８が運転されると、高段側冷媒回路７の圧縮機２にて圧縮され、吐出された高温高圧のガス冷媒（二酸化炭素）はガスクーラ３に入り、そこで放熱する。このガスクーラ３は例えば給湯器（高温機器）のタンクに交熱的に設けられ、ガスクーラ３に流入した高温ガス冷媒の熱量が湯沸かしに利用されることになる。
【００１２】
ここで、ガスクーラ３においては冷媒（二酸化炭素）は凝縮せずガス状態のまま温度が低下する。即ち、高段側冷媒回路７の高圧側は超臨界状態となる。また、このときガスクーラ３の温度は極めて高温となるので、給湯器のような高温機器の加熱に使用する場合には成績係数（ＣＯＰ）も向上し、効率的且つ効果的に加熱作用を発揮することができる。
【００１３】
このガスクーラ３を出た冷媒は膨張弁４で絞られ、減圧される。この減圧の過程で冷媒は凝縮を始め、液或いは気液混合状態でカスケード熱交換器６に流入する。そこで冷媒は蒸発膨張し、そのときの吸熱作用でカスケード熱交換器６は冷却される。そして、このカスケード熱交換器６を出た冷媒は圧縮機２に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００１４】
一方、低段側冷媒回路１３の圧縮機８にて圧縮され、吐出された高温高圧のガス冷媒（炭化水素）は冷媒配管９に入り、そこでカスケード熱交換器６により冷却されて放熱する。理想状態ではカスケード熱交換器６と冷媒配管９との交換熱量は等しいものと図２の如くなり、冷媒配管９内を通る冷媒は凝縮する。
【００１５】
このカスケード熱交換器６内の冷媒配管９を出た冷媒（液）は膨張弁１１にて絞られ、減圧された後、蒸発器１２に入って蒸発膨張する。このときの吸熱作用で例えば冷凍・空調機器などの低温機器を冷却する。このとき、炭化水素を用いた単段の冷媒回路に比較して少ない仕事量で大きなエンタルピ差が得られるようになり、成績係数（ＣＯＰ）も向上する。また、蒸発器１２にて得られる温度も極低温となるので、超低温フリーザなどにも適用可能となる。
【００１６】
このように、冷媒サイクル装置１ではガスクーラ３にて給湯器のような高温機器の加熱を、また、蒸発器１２にて冷凍・空調機器などの低温機器の冷却を同時に且つ効率的に行うことが可能となる。また、炭化水素一元の冷媒回路に比較して冷媒量や圧力を低下させられるので、爆発の危険性も少なくなる。
【００１７】
次に、図３は本発明の他の実施例の冷媒サイクル装置１の冷媒回路図を示している。この場合の冷媒回路は、冷媒として二酸化炭素と、エタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素、若しくは、アンモニア（実施例ではプロパン）を所定割合で混合した二酸化炭素−プロパン混合冷媒を用いて構成される二段冷媒回路であり、圧縮機１６と、この圧縮機１６の吐出側に接続された放熱器としてのガスクーラ１７と、気液分離器１８と、蒸発器及び放熱器となる中間蒸発器１９と、蒸発器２１及び中間減圧装置としての膨張弁２２と減圧装置としての膨張弁２３などから構成される。
【００１８】
前記気液分離器１８はガスクーラ１７の出口側に接続されており、この気液分離器１８から出た液層配管２４は膨張弁２２を介して中間蒸発器１９の入口に接続されている。そして、この中間蒸発器１９の出口は圧縮機１６の吸込側に接続される。前記機械室１８から出た気層配管２６は、中間蒸発器１９内を交熱的に通過した後、膨張弁２３に至る。この膨張弁２３は蒸発器２１の入口に接続され、蒸発器２１の出口は圧縮機１６の吸込側に接続される。
【００１９】
以上の構成で圧縮機１６が運転されると、圧縮されて吐出された高温高圧の混合冷媒（二酸化炭素とプロパン）は、ガスクーラ１７に流入して放熱する。この放熱は前述同様に給湯器などの高温機器の加熱に利用される。ここで、この場合の高圧側の圧力条件は、二酸化炭素が臨界域となって凝縮するものとされ、従って、混合冷媒中の二酸化炭素はガスクーラ１７を通過する過程で凝縮し、液化する。一方、高圧条件で沸点の低いプロパンはガス状のままガスクーラ１７にて温度だけが低下する。
【００２０】
ガスクーラ１７を出た気（プロパン）液（二酸化炭素）混合状態の冷媒は、次に気液分離器１８に入り、そこで液状の二酸化炭素とガス状のプロパンとに分離される。そして、液状の二酸化炭素（一部プロパンが混ざっている場合もある）は気液分離器１８から液層配管２４に入り、膨張弁２２で絞られ、減圧されて中間蒸発器１９に流入する。そこで二酸化炭素は膨張蒸発し、そのときの吸熱作用で中間蒸発器１９を冷却する。
【００２１】
一方、ガス状のプロパン（一部二酸化炭素が混ざっている場合もある）は気層配管２６に入り、中間蒸発器１９内を通過する過程で前述した二酸化炭素の蒸発による吸熱作用で強力に冷却され、凝縮する。そして、膨張弁２３で絞られて減圧され、蒸発器２１に流入して膨張蒸発する。このときの沸点は著しく低いものであり、前述同様の超低温フリーザにも適用可能である。そして、蒸発器２１を出たプロパンは、中間蒸発器１９を出た二酸化炭素と合流して圧縮機１６に吸い込まれる循環を繰り返す。
【００２２】
この場合にも二酸化炭素の放熱にて高温機器を加熱し、プロパンの蒸発にて低温機器を冷却できるので、前述同様の効率的且つ効果的な加熱・冷却作用を得ることができる。
【００２３】
尚、上記各実施例では二元冷媒回路及び二段冷媒回路について説明したが、それに限らず、更に多元の或いは多段の冷媒回路に本発明を適用することも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、二酸化炭素の圧縮−放熱−凝縮−蒸発に伴う吸熱作用により、圧縮された炭化水素若しくはアンモニアの放熱を行わせ、これを凝縮−蒸発させるので、二酸化炭素のヒートポンプによる放熱を用いて効率的に高温機器の加熱を行い、炭化水素若しくはアンモニアの蒸発によって効率的な低温機器の冷却を達成できる。
【００２５】
これにより、自然冷媒を用いて高温・低温双方の作用を効率的に発揮させることができるようになり、特に、高温作用・低温作用の双方が必要な機器において著しい効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【図２】図１の冷媒サイクル装置の圧力とエンタルピの関係を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１ 冷媒サイクル装置
２、８、１６ 圧縮機
３、１７ ガスクーラ（放熱器）
４、１１、２２、２３ 膨張弁（減圧装置）
６ カスケード熱交換器
１２、２１ 蒸発器
１８ 気液分離器
１９ 中間蒸発器
２４ 液層配管
２６ 気層配管

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから冷媒回路が構成された冷媒サイクル装置において、
   炭化水素若しくはアンモニアと、二酸化炭素とを冷媒として用いると共に、
   前記二酸化炭素の圧縮−放熱−凝縮−蒸発に伴う吸熱作用により、圧縮された前記炭化水素若しくはアンモニアを放熱させ、当該炭化水素若しくはアンモニアの凝縮−蒸発を行わせることを特徴とする冷媒サイクル装置。
2. 前記冷媒回路は、
   圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る高段側冷媒回路と、
   圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る低段側冷媒回路と、
   前記高段側冷媒回路の蒸発器と前記低段側冷媒回路の放熱器とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器とを備え、
   前記高段側冷媒回路の冷媒として前記二酸化炭素を用い、前記低段側冷媒回路の冷媒として前記炭化水素若しくはアンモニアを用いることを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置。
3. 前記冷媒回路は、
   前記放熱器の出口側に接続された気液分離器と、
   該気液分離器の液層配管に接続された中間減圧装置と、
   該中間減圧装置の出口側に接続された中間蒸発器とを備え、
   前記気液分離器の気層配管を前記中間蒸発器と交熱的に配置した後、前記減圧装置の入口に接続すると共に、前記炭化水素と前記二酸化炭素の混合物を冷媒として用い、前記気液分離器の液層配管に流入する前記二酸化炭素を前記中間減圧装置にて減圧し、前記中間蒸発器にて蒸発させることによって、前記気液分離器の気層配管に流入する前記炭化水素を冷却し、該炭化水素を前記蒸発器にて蒸発させることを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置。

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