JP2007107736A

JP2007107736A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2007107736A
Application number: JP2005296255A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakamichi; 憲治中道
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP4551305B2

Abstract

【課題】圧縮行程が略等温圧縮となるように冷却することで、ＣＯＰを大きくすることができる冷凍装置を提供すること。
【解決手段】シリンダ２１内に吸入した空気Ａを水Ｗの微粒子と共に圧縮する第１ピストン装置２０と、第１ピストン装置２０から吐出された空気Ａの放熱熱交換器３０と、放熱熱交換器３０から空気Ａを吸入して膨張させる第２ピストン装置４０と、第２ピストン装置４０から吐出された空気Ａに含まれる水Ｗを除去する気液分離器５０と、気液分離器５０から供給された空気Ａが冷却対象との熱交換により吸熱する冷凍熱交換器６０と、第１ピストン装置２０及び第２ピストン装置４０と同軸に連結して駆動する電動機１３と、第１ピストン装置２０及び第２ピストン装置４０間の位相を制御する位相調整装置８０とを具備して構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調装置や食品冷蔵装置等に適用される冷凍装置に関する。

従来より、たとえば家庭用空調装置や車両用空調装置等においては、冷凍サイクルを循環する冷媒としてフロンが用いられている。しかし、近年のオゾン層破壊という環境問題からフロン使用に関する規制が強化されつつあり、たとえば自然冷媒である二酸化炭素を使用した冷凍サイクルが実用化されているが、冷媒を圧縮する動力が大きいという課題を有している。

さらに、冷媒としてフロンを使用しないノンフロン冷凍装置として、圧縮性ガスである空気が圧縮及び膨張を繰り返して冷媒回路を循環することにより冷却する空気圧縮式冷凍装置が広く知られている。
このような空気方式の冷凍装置にはスターリング冷凍機があり、シリンダ内を摺動するピストンの往復動作により、空気等の作動ガスが等温圧縮、等容放熱、等温膨張及び等容受熱する行程を繰り返し、シリンダの膨張室に連通して設けた冷却器により冷却作用を行うように構成されている。（たとえば、特許文献１参照）
また、往復移動の位相を半周期ずらした二つのピストンを互いに並列に設けたシリンダ内にそれぞれ嵌挿し、各シリンダ内の上端部に存在する気体を各ピストンにより冷凍機の冷媒回路内に交互に送り出すことにより、この気体が各冷却ジャケット内の液状冷媒を交互に冷却するので、こうして低温となった液状冷媒を所望の冷却対象に供給して利用する冷凍機が提案されている。（たとえば、特許文献２参照）
特開平８−２７１０７７号公報特開平１０−６８５５７号公報

ところで、上述した従来の空気圧縮冷凍装置は、ピストン装置の圧縮で温度上昇した空気を冷却するため、ピストン装置に多数の冷却フィンを取り付けたり、圧縮後の空気を冷却するためにピストン装置下流に熱交換器（アフタークーラ）を設けた構成を採用している。従って、空気を圧縮するピストン装置内においては圧縮熱の大きい断熱圧縮となるため、ピストン装置の圧縮に必要な駆動力が大きいという問題がある。すなわち、冷凍装置のＣＯＰ算出を算出する際に分母となる圧縮動力が大きいため、ＣＯＰ（冷凍機性能）を大きくして効率のよい冷凍装置を提供することは困難であった。

このように、空気等の圧縮性ガスが圧縮及び膨張を繰り返す従来の冷凍装置は、圧縮行程が圧縮熱の大きい断熱膨張となるためＣＯＰを大きくすること困難になるので、圧縮行程が略等温圧縮となるような冷却を実現して圧縮動力を低減することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮行程が略等温圧縮となるように冷却することで、ＣＯＰを大きくすることができる冷凍装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る冷凍装置は、シリンダ内に吸入した圧縮性ガスを冷却用液体の微粒子と共に圧縮する第１ピストン装置と、前記第１ピストン装置から吐出された前記圧縮性ガスの放熱手段と、前記放熱手段から前記圧縮性ガスを吸入して膨張させる第２ピストン装置と、前記第２ピストン装置から吐出された前記圧縮性ガスに含まれる前記冷却用液体を除去する気液分離手段と、前記気液分離手段から供給された前記圧縮性ガスが冷却対象との熱交換により吸熱する冷却手段と、前記第１ピストン装置及び前記第２ピストン装置と同軸に連結して駆動する駆動手段と、前記第１ピストン装置及び前記第２ピストン装置間の位相を制御する位相調整装置とを具備して構成したことを特徴とするものである。

このような冷凍装置によれば、第１ピストン装置がシリンダ内に吸入した圧縮性ガスを冷却用液体の微粒子と共に圧縮するので、シリンダ内で圧縮される圧縮性ガスは、冷却用液体の微粒子により圧縮と同時に効率よく冷却されて略等温圧縮の状態となる。また、第２ピストン装置で圧縮性ガスが膨張する際には、位相を制御されて同軸に連結された第１ピストン装置の圧縮を助ける方向の駆動力が発生するので、駆動手段の動力を低減することができる。

上記の冷却装置において、前記第１ピストン装置のシリンダ内に前記冷却用液体を含んで変形可能な多孔体を配設し、前記シリンダ内で圧縮された前記圧縮性ガスが前記多孔体を通過して吐出されることが好ましく、これにより、圧縮行程の進行により多孔体が変形するとともに、多孔体に含まれた冷却用液体が泡状に微粒化するので、多孔体を通過する圧縮性ガスを効率よく冷却することができる。

上記の冷凍装置において、前記冷媒用液体を前記第１ピストン装置のシリンダ内部に噴射するノズルを備えることが好ましく、これにより、冷媒用液体（たとえば水）をシリンダ内の空気に直接噴霧することにより、液体の気化熱を利用して冷媒である空気をより冷却することができる。

上記の冷却装置において、前記気液分離手段で回収した前記冷却用液体を、前記第１ピストン装置に繰り返し供給するための冷却用液体循環系を設けることが好ましく、これにより、冷却用液体を有効に使用することができる。
上記の冷凍装置において、前記圧縮性ガスを空気とし、かつ、前記冷媒用液体を水とすることが好ましく、これにより、自然冷媒の使用により環境問題が生じることはない。

上述した本発明の冷凍装置によれば、第１ピストン装置がシリンダ内に吸入した圧縮性ガスを冷却用液体の微粒子と共に圧縮し、シリンダ内で圧縮される圧縮性ガスが冷却用液体の微粒子により効率よく冷却されて略等温圧縮の状態となるため、冷凍装置の駆動力を低減してＣＯＰを向上させることができる。また、第１ピストン装置及び駆動手段と同軸に連結した第２ピストン装置は、圧縮性ガスが膨張する際に第１ピストン装置の圧縮動力として使用可能な駆動力を発生するので、この駆動力により駆動手段の消費動力が低減されて冷凍装置のＣＯＰを向上させることができる。

以下、本発明に係る冷凍装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す冷凍装置１０は、冷媒として機能する空気等の圧縮性ガスが冷凍サイクルを構成する冷媒回路内を循環し、圧縮及び膨張を繰り返して冷熱を発生させる装置である。この冷凍装置１０で発生する冷熱は、たとえば空調装置の冷房運転や、食品等を貯蔵する冷凍・冷蔵装置の運転等に利用することができる。以下の説明では、冷媒となる圧縮性ガスとして、フロンのような環境問題が生じない自然冷媒の空気を使用するものとする。

冷凍装置１０は、空気圧縮用の第１ピストン装置（以下、「圧縮ピストン」と呼ぶ）２０と、高温の圧縮空気を冷却するために設けた放熱熱交換器３０と、圧縮空気膨張用の第２ピストン装置（以下、「膨張ピストン」と呼ぶ）４０と、膨張した空気から液分を除去する気液分離器５０と、冷熱を取り出す冷凍熱交換器６０とが閉回路の管路１１で連結され、圧縮ピストン２０及び膨張ピストン４０を同軸のクランク軸１２に連結して駆動する電動機１３等の駆動源と、圧縮ピストン２０及び膨張ピストン４０間の位相を制御する位相調整装置８０とを具備した構成とされる。なお、管路１１には、流れ方向を一方向に規定する逆止弁１４が適所に設けられている。

圧縮ピストン２０は、シリンダ２１内を電動機１３で駆動されるピストン２２が往復動し、シリンダ２１内に吸入した空気Ａを、たとえば水Ｗのような冷却用液体の微粒子と共に圧縮する。以下の説明では、冷却用液体として空気Ａと同様に自然界に存在する水Ｗを使用するが、この水Ｗもフロンのような環境問題が生じることはない。
圧縮ピストン２０のシリンダ２１には、空気Ａを吸い込む空気吸入口２３及び圧縮空気を流出させる圧縮空気吐出口２４が設けられ、さらに、シリンダ２１の内部には水Ｗを含んで変形可能なスポンジ等の多孔体２５が配設されている。この多孔体２５は圧縮空気吐出口２４を塞ぐようにして配設され、圧縮された空気Ａは必ず多孔体２５を通過して流出するように構成されている。

すなわち、圧縮ピストン２０はレシプロ式の圧縮機として機能するので、ピストン２２が下降する圧縮行程が進行して空気Ａをシリンダ２１内で圧縮することにより、図２に示すように、多孔体２５が押圧されて変形するとともに、シリンダ２１内で圧縮されて温度上昇する空気Ａは、水Ｗの顕熱や蒸発潜熱により圧縮と同時に冷却される。この圧縮行程においては、シリンダ２１内で圧縮された空気Ａが水Ｗを含んだ多孔体２５を通過して吐出されるので、多孔体２５に含まれた水Ｗが圧縮された空気Ａの通過により泡状に微粒化され、温度上昇した空気Ａは微粒化して接触面積を増した水Ｗから効率よく吸熱して冷却される。
この結果、圧縮行程を略等温圧縮とすることができるので、圧縮行程における圧縮熱が小さくなって圧縮ピストン２０を駆動する電動機３０の消費動力を小さくすることができる。なお、上述した水Ｗによりシリンダ２１の圧縮容積内を冷却することは、水Ｗの顕熱のみを利用しても可能となるが、水Ｗの蒸発潜熱を利用するように冷凍サイクルの各種温度を設定すればより一層冷却効率が向上する。

放熱熱交換器３０は、圧縮ピストン２０から吐出された圧縮空気Ａと、冷凍熱交換器６０から導入して圧縮ピストン２０に吸入される空気Ａとの間で熱交換を行わせることにより、圧縮空気Ａの温度を低下させる放熱手段である。すなわち、放熱熱交換器３０は、圧縮ピストン２０内で水Ｗに冷却されて温度低下した圧縮空気Ａが保有する熱をより低温の空気Ａに放熱させることにより、さらに温度低下させる機能を有している。

膨張ピストン４０は、放熱熱交換器３０で放熱した圧縮空気Ａをシリンダ４１内に導入することにより、ピストン４２を押し上げて膨張させる機能を有している。この膨張により圧縮空気Ａは温度低下し、かつ、ピストン４２が上昇してクランク軸１２を回転させる駆動力が発生する。この駆動力は、圧縮ピストン２０を駆動するクランク軸１２と同軸に連結され、圧縮ピストン２０の圧縮を助ける方向に作用するので、電動機１３の消費動力低減に貢献する。また、圧縮ピストン２０及び膨張ピストン４０の間を連結するクランク軸１２には、両ピストン２０，４０間の位相を適切に制御する位相調整装置８０が設けられているので、スムーズな運転が可能となる。
なお、図中の符号４３は放熱熱交換器３０から圧縮空気Ａをシリンダ４１内に導入する空気吸入口、４４は膨張して温度低下した空気Ａを気液分離器に供給する空気吐出口である。

気液分離器５０は、低温の空気中に含まれている水Ｗを分離させて除去し、底部の貯蔵部５１に回収する気液分離手段である。気液分離器５０の貯蔵部５１に回収した水Ｗは、圧縮ピストン２０で再利用するため、水ポンプ７０を運転して水配管７１で連結されたシリンダ２１に供給される。この結果、圧縮ピストン２０、放熱熱交換器３０、膨張ピストン４０、気液分離器５０及び水ポンプ７０を管路１１及び水配管７１で連結した閉回路の冷却用液体循環系が形成され、この冷却用液体循環系を水Ｗが循環することにより、冷却用液体の水Ｗを繰り返し有効に使用することができる。なお、図中の符号７２は水噴射弁である。

冷凍熱交換器６０は、気液分離器５０から供給された低温の空気Ａが冷却対象との熱交換により吸熱し、冷却対象を冷却する冷却手段である。この冷却対象は、たとえば空調装置の場合は室内の空気となり、冷凍・冷蔵装置の場合は冷凍・冷蔵室内の空気となる。
この熱交換により温度上昇した空気Ａは、放熱熱交換器３０を通過して加熱された後、圧縮ピストン２０のシリンダ２１内に再度吸入されて圧縮される。こうして圧縮された空気Ａは、以下同様の経路を循環して圧縮及び膨張を繰り返すので、冷凍熱交換器６０には低温の空気Ａが連続して供給される。

上述したように、本発明の冷凍装置１０は、圧縮ピストン２０がシリンダ２１内に吸入した空気Ａを冷却用液体である水Ｗの微粒子と共に圧縮し、シリンダ２１内で圧縮される空気Ａが水Ｗの微粒子により効率よく冷却されて略等温圧縮の状態となるため、冷凍装置１０を駆動する電動機１３の駆動力を低減してＣＯＰを向上させることができる。
また、圧縮ピストン２０及び電動機１３と同軸に連結した膨張ピストン４０は、空気Ａが膨張する際に圧縮ピストンの圧縮動力として使用可能な駆動力を発生するので、この駆動力によっても電動機１３の消費動力が低減され、冷凍装置１０のＣＯＰをより一層向上させることができる。

ところで、上述した水Ｗ等によるシリンダ２１内の冷却は、比較的低速のレシプロ圧縮には有効であるが、回転速度が桁違いに高速となるターボ機械系の圧縮機では、液体の微粒子が衝突するエネルギにより翼等を破損させる原因となるため適用は困難である。
また、上述した実施形態では、圧縮ピストン２０内に水を含んだ多孔体２５を設置して圧縮と同時に冷却する構成としたが、たとえば図３に示す他の実施形態のように、シリンダ２１内に水Ｗの微粒子を噴射する噴霧ノズル７３等の手段を設けた構成としてもよい。このように、冷媒用液体の水Ｗを微粒子にしてシリンダ２１内の空気Ａに直接噴霧することにより、液体の気化熱を有効に利用して冷媒である空気を効率よく冷却することができる。このような噴霧ノズル７３による水Ｗの噴霧については、上述した多孔体２５と併用してもよいし、あるいは、噴霧ノズル７３を単独で使用することも可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば圧縮性ガスが空気に、そして、冷却用液体が水に限定されないなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る冷凍装置の一実施形態を示す冷凍サイクルの構成図である。図１の第１ピストン装置において、ピストン２２が圧縮を完了した状態を示す図である。本発明に係る冷凍装置について、他の実施形態を示す冷凍サイクルの要部を示す図である。

符号の説明

１０冷凍装置
１２クランク軸
１３電動機（駆動手段）
２０第１ピストン装置（圧縮ピストン）
２５多孔体
３０放熱熱交換器（放熱手段）
４０第２ピストン装置（膨張ピストン）
５０気液分離器（気液分離手段）
６０冷凍熱交換器（冷却手段）
７０水ポンプ
７３噴霧ノズル

Claims

シリンダ内に吸入した圧縮性ガスを冷却用液体の微粒子と共に圧縮する第１ピストン装置と、
前記第１ピストン装置から吐出された前記圧縮性ガスの放熱手段と、
前記放熱手段から前記圧縮性ガスを吸入して膨張させる第２ピストン装置と、
前記第２ピストン装置から吐出された前記圧縮性ガスに含まれる前記冷却用液体を除去する気液分離手段と、
前記気液分離手段から供給された前記圧縮性ガスが冷却対象との熱交換により吸熱する冷却手段と、
前記第１ピストン装置及び前記第２ピストン装置と同軸に連結して駆動する駆動手段と、
前記第１ピストン装置及び前記第２ピストン装置間の位相を制御する位相調整装置とを具備して構成したことを特徴とする冷凍装置。
前記第１ピストン装置のシリンダ内に前記冷却用液体を含んで変形可能な多孔体を配設し、前記シリンダ内で圧縮された前記圧縮性ガスが前記多孔体を通過して吐出されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記冷媒用液体を前記第１ピストン装置のシリンダ内部に噴射するノズルを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
前記気液分離手段で回収した前記冷却用液体を、前記第１ピストン装置に繰り返し供給するための冷却用液体循環系を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍装置。
前記圧縮性ガスを空気とし、かつ、前記冷媒用液体を水としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷凍装置。