JP2007218459A - 冷凍サイクル装置および保冷庫 - Google Patents

Abstract

【課題】低元側冷媒として二酸化炭素、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用いた二元冷凍システムにおいて、カスケードコンデンサとして二重管式熱交換器を用いた場合においても、低元側冷媒が高元側冷凍システム内に流入し、高元側冷凍システムの構成機器が破損するのを防ぐことを目的とする。
【解決手段】冷媒として二酸化炭素を用いた低元側冷凍システムと冷媒として炭化水素系冷媒を用いた高元側冷凍システムから成る二元冷凍システムにおいて、カスケード熱交換器１３として、内管と外管の中間に外界と連通する空洞部２１を備えた二重管式熱交換器を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置において、冷蔵あるいは冷凍に利用する冷凍サイクル装置および、この冷凍サイクル装置を搭載する保冷庫に関するものである。

近年、冷凍システムに使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍システムが提案されている。また、二酸化炭素を使用した冷凍システムは、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きいカーエアコンに適用されている。
一方、冷蔵あるいは冷凍に利用する比較的蒸発温度が低い冷凍システムにおいては、高外気温度条件において効率が著しく低下するとともに、蒸発温度の低下に伴って吐出ガス温度が非常に高くなるという問題があり、適用が進んでいない。そこで、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍システムの放熱器を、他の冷媒を使用した冷凍システムで冷却する二元冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら従来の二元冷凍システムを説明する。

図８は特許文献1に記載の二元冷凍システムの回路構成図である。

図８に示すように、従来の二元冷凍システムは、低元側冷媒として二酸化炭素を使用し、低元側圧縮機５、低元側凝縮器６、低元側膨張弁７、低元側蒸発器８からなる低元側冷凍システムと、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を使用し、高元側圧縮機１、高元側凝縮器２、高元側膨張弁３、高元側蒸発器４からなる高元側冷凍システムとを有し、さらに、低元側圧縮機５と低元側凝縮器６との間に補助コンデンサ９を有している。また、高元側蒸発器４と低元側凝縮器６とを含むカスケードコンデンサＣを共通としている。なお、カスケードコンデンサＣは二重管式熱交換器であり、低元側凝縮器６と高元側蒸発器４の間で冷媒間のみで熱交換が行われる。
以上の構成により、低元側における高圧力圧縮と吐出ガス温度の過昇を抑制している。また、低元側冷凍システムにおける凝縮器の手前に補助コンデンサを設置することで、低元側冷凍システムの成績係数を向上させている。
特許第３６０４９７３号公報

特許文献1には、カスケードコンデンサである二重管式熱交換器の内管または外管にどちらの冷媒が用いられるかについて記載は無い。図８に示す構成では、カスケードコンデンサとして用いている二重管式熱交換器の内管と外管を隔てる管壁が損傷し、内管と外管が連通した場合に、作動圧力が高い低元側冷凍システム内の二酸化炭素冷媒が、高元側冷凍システム内に流入し、高元側冷凍システムの圧力が上昇し、構成機器を破損するという課題がある。これは、一般的に冷媒として炭化水素系が用いられる高元側冷凍システムの作動圧力は、冷媒として二酸化炭素が用いられる低元側冷凍システムの作動圧力の１／５〜１／１０程度であるため、高元側冷凍システムの耐圧条件は低元側冷凍システムと比較して、低く設定されているためである。

本発明は、低元側冷媒と、高元側冷媒とを用いた二元冷凍システムにおいて、カスケー
ドコンデンサとして二重管式熱交換器を用いた場合において、低元側冷媒が高元側冷凍システム内に流入し、高元側冷凍システムの構成機器が破損するのを防ぐことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、低元側冷凍システムと高元側冷凍システムから成る二元冷凍システムにおいて、カスケード熱交換器として、内管と外管の中間に外界と連通する空洞部を備えた二重管式熱交換器を用いることを特徴とするものである。

これによって、内管と外管を隔てる管壁に損傷が発生した場合においても、内管と外管が連通する前に、内管と空洞部、または、外管と空洞部が連通し、低元側から高元側へ冷媒が流入することを防止できる。
また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、高元側冷凍システムの構成機器の耐圧限界から決定される所定圧力以上を検知すると弁が開放されるリリースバルブを高元側冷媒回路内に備えたことを特徴とするものである。

これによって、カスケード熱交換器において、低元側冷凍システムから高元側冷凍システムへ冷媒が流入した場合においても、高元側冷凍システムの圧力が構成機器の耐圧限界を超過することがなく、構成機器の破損を防止できる。

本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、低元側冷媒として二酸化炭素、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用いた二元冷凍システムにおいて、低元側冷凍システムから高元側冷凍システムへの冷媒流入による構成機器の破損を防止することができる。

以下、本発明による冷凍サイクル装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の冷凍サイクル装置の冷媒回路図、図２は実施の形態１の冷凍サイクル装置のカスケード熱交換器１３の配管断面図である。

図１に示すように、実施の形態１の二元冷凍システムは、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３の低元側伝熱部、低元側膨張弁１４、低元側蒸発器１５から成る低元側冷媒回路と、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８、カスケード熱交換器１３の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路とを有する二元冷凍システムである。低元側冷媒として二酸化炭素を主成分とする冷媒を、高元側冷媒としては、炭化水素系冷媒を用いるが望ましい。また、前段放熱器１２と凝縮器１７に空気を供給する第一の送風ファン１９と低元側蒸発器１５に空気を供給する第二の送風ファン２０を有している。なお、第一の送風ファン１９が形成する風路内において前段放熱器１２を凝縮器１７よりも下流側に配置している。

ここで図２に示すようにカスケード熱交換器１３の冷媒配管は二重管構造となっており、内管と外管の中間に外界と連通する空洞部２１を有している。また、内管に炭化水素系冷媒、外管に二酸化炭素冷媒が流通している。

以上のように構成された実施の形態１の二元冷凍システムについて、以下その動作を説
明する。

低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、前段放熱器１２で空冷され、さらにカスケード熱交換器１３において高元側冷媒に冷却された後、低元側膨張弁１４で減圧され気液二相状態となる。その後、低元側蒸発器１５において空気から吸熱することで気化し、低元側圧縮機１１へ還流する。また、高元側圧縮機１６で圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器１７で空冷された後、高元側膨張弁１８で減圧され気液二相状態となる。その後、カスケード熱交換器１３において低元側冷媒から吸熱することで気化し、高元側圧縮機１６へ還流する。

ここで、凝縮器１７に比べて平均温度が高い前段放熱器１２は、第一の送風ファン１９の下流側に設置されているので、凝縮器１７の放熱能力や第一の送風ファン１９の耐久性に悪影響を与えることがない。

次に、実施の形態１の二元冷凍システムの低元冷媒の状態変化について図３を用いて詳細に説明する。

図３は横軸を冷媒のエンタルピ、縦軸を冷媒の圧力とするモリエル線図であり、図中の各点は冷凍システムの安定時における冷媒の状態を示す。

安定時において、低元側圧縮機１１から吐出された冷媒は温度Ｔｂのｐ点であり、前段放熱器１２で冷却されて外気温度の近傍にある温度Ｔ２のｑ点となり、さらにカスケード熱交換器１３で冷却されて温度Ｔ４のｒ点となる。ｐ点、ｑ点、ｒ点において冷媒は超臨界状態にあり液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。次に、低元側膨張弁１４で減圧されて気液二相状態のｓ点となり、低元側蒸発器１５に供給される。低元側蒸発器１５で蒸発した冷媒はｔ点となり、低元圧縮機１１に還流する。ここで、ｐ点とｑ点のエンタルピー差は前段放熱器１２での放熱量を示し、ｑ点とｒ点のエンタルピー差はカスケード熱交換器１３での放熱量を示す。また、ｑ点とｒ点のエンタルピー差で示されるカスケード熱交換器１３での放熱量は、高元側冷凍システムのカスケード熱交換器１３での吸熱量とほぼ一致する。従って、前段放熱器１２を空冷することで、低元側冷凍システムのカスケード熱交換器１３での放熱量、即ち、高元側冷凍システムのカスケード熱交換器１３での吸熱量を低減できるので、高元側冷凍システムで使用される可燃性の炭化水素系冷媒の使用量を抑制することができる。

ここで、本実施形態のカスケード熱交換器１３としては、図２に示すように、内管と外管を隔てる壁に、複数の空洞部２１を備えた二重管式熱交換器を用いている。また、空洞部２１は、外気と連通するように構成されている。このため、熱交換器１３において、内管と外管を隔てる管壁に損傷が発生した場合においても、内管と外管が連通する前に、強度が低い内管と空洞部２１、または、外管と空洞部２１が連通し、低元側から高元側へ冷媒が流入することを防止できる。また、高元側冷媒よりも温度が高い低元側冷媒が外管を流通しているため、二重管式熱交換器表面への着霜、結露を抑制できる。ここで、複数の空洞部を、内管と外管とを隔てる壁に設けるのではなく、内管と外管との間全体を空洞部とする構成も採用しうる。しかしながら、この場合は、内管と外管の間の熱抵抗が大きくなってしまう。本実施の形態における二重管式熱交換器は、内管と外管を隔てる壁の一部に、複数の空洞部２１を備えているため、内管と外管を隔てる壁の一部は繋がっており、内管と外管の熱抵抗を最小限に抑制することができる。

なお、実施の形態１では、低元側、高元側冷凍システムにおいて、膨張機構として膨張弁を用いているが、膨張機構の形式はこの限りではなく、キャピラリチューブや膨張機、エジェクタを好適に用いることができる。特に、低元側冷凍システムにおいて、膨張機構
として、エジェクタや膨張機を用いることで、膨張エネルギーを回収でき、冷凍サイクル装置の効率が向上する。

（実施の形態２）
図４は実施の形態２の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１の冷凍サイクル装置と同一の構成については同一番号を付す。

図４に示すように実施の形態２の冷凍サイクル装置は実施の形態１と同様に、低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３の低元側伝熱部、低元側膨張弁１４、低元側蒸発器１５から成る低元側冷媒回路と、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用い、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８、カスケード熱交換器１３の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路とを有する二元冷凍システムである。

ここで、前段放熱器１２はスパイラルフィンチューブ熱交換器で形成され、カスケード熱交換器１３と凝縮器１７は一体型熱交換器として、フィンチューブ熱交換器で一体に形成されている。カスケード熱交換器１３は二重管となっており、高温の低元側冷媒が外管を、低温の高元側冷媒が内管を流れて互いに熱交換するものである。また、カスケード熱交換器１３と凝縮器１７は共通のフィン（図示せず）を有し、フィンを介してわずかに熱交換するものである。

第一の送風ファン１９は外気を導入して、一体型熱交換器と前段放熱器１２の空冷を促進するものであり、第一の送風ファン１９が形成する風路の上流側に一体型熱交換器、下流側に前段放熱器１２を配置している。また、第二の送風ファン２０は低元側蒸発器１５に空気を供給するためのものである。

さらに、高元側圧縮機１６と凝縮器１７間に所定の圧力以上を検知すると弁が開放されるリリースバルブ２２を有している。リリースバルブ２２は、第一の送風ファン１９が形成する風路内に設置されている。また、弁の開放圧力は、高元側圧縮機の耐圧限界値近傍に設定されている。

以上のように構成された実施の形態２の二元冷凍システムについて、以下その動作を説明する。

低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、前段放熱器１２で空冷され、さらにカスケード熱交換器１３において高元側冷媒に冷却された後、低元側膨張弁１４で減圧され気液二相状態となる。その後、低元側蒸発器１５において空気から吸熱することで気化し、低元側圧縮機１１へ還流する。また、高元側圧縮機１６で圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器１７で空冷された後、高元側膨張弁１８で減圧され気液二相状態となる。その後、カスケード熱交換器１３において低元側冷媒から吸熱することで気化し、高元側圧縮機１６へ還流する。

ここで、凝縮器１７に比べて平均温度が高い前段放熱器１２は第一の送風ファン１９の下流側に設置されているので、凝縮器１７の放熱能力や第一の送風ファン１９の耐久性に悪影響を与えることはない。

また、前段放熱器１２は一枚のフィンを冷媒配管に巻き付けてなるスパイラルフィンチューブ熱交換器で形成されているため、超臨界状態を維持しながら前段放熱器１２で放熱した場合においても入口近傍の高温冷媒と出口近傍の低温冷媒が直接熱交換することがなく、効率よく放熱することができる。

また、カスケード熱交換器１３と凝縮器１７は共通のフィンを有しているため、外気温度よりも低い温度となる二重管外表面に発生する結露を凝縮器１７からの伝熱によって抑制することができる。さらに、二重管外管はフィンを有しているので、外気温が低下した場合に高元側冷凍サイクルを停止して低元側冷凍サイクルのみを稼働しても十分な放熱能力を確保できる。なお、二重管式熱交換器であるカスケード熱交換器１３における冷媒の流れ方向は対向流とすることが望ましい。

さらに、高元側冷凍システム内にリリースバルブ２２を有しているので、カスケード熱交換器１３において、低元側冷凍システムと高元側冷凍システムが連通した場合においても、高元側冷凍システムの圧力が構成機器の耐圧限界を超過することはなく、構成機器を破損する恐れがない。また、高元側冷凍システムからリリースされた炭化水素系冷媒は、リリースバルブ２２の上流側に存在する第一の送風ファン１９により直ちに拡散されるため、爆発する危険はない。

（実施の形態３）
図５は実施の形態３の冷凍サイクル装置を用いた保冷庫の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同一の構成については同一番号を付して、詳細な説明は省略する。

図５に示すように、実施の形態３の保冷庫の二元冷凍システムは実施の形態１と同様に、低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３の低元側伝熱部、低元側膨張弁１４、低元側蒸発器１５から成る低元側冷媒回路と、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用い、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８、カスケード熱交換器１３の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路とを有する二元冷凍システムである。また、前段放熱器１２と凝縮器１７に空気を供給する第一の送風ファン１９と低元側蒸発器１５に空気を供給する第二の送風ファン２０を有している。なお、第一の送風ファン１９が形成する風路内において前段放熱器１２を凝縮器１７よりも下流側に配置している。

ここで、図６に示すようにカスケード熱交換器１３では、低元側冷凍システムと高元側冷凍システムの配管が溶接されている。冷媒の流れの方向は対向流としている。
また、図５に示すように、実施の形態３の保冷庫は、食品などの熱負荷を冷蔵する貯蔵室４０の上部に機械室４１を設け、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８などを配置するとともに、貯蔵室４０と機械室４１の間に設けた断熱壁４２の中に、低元側膨張弁１４、低元側蒸発器１５などを配置している。また、貯蔵室４０の温度調整を行うため、貯蔵室４０内の空気温度を検出する室内温度センサ４３を備えている。このように、上部に機械室４１を設けた業務用冷蔵庫などの保冷庫においては、比較的高温となる天井付近の外気で空冷を行うため前段放熱器１２のみでは十分な冷却が行えず、二元冷凍システムは能力と効率を確保する上で特に有効である。

以上のように構成された実施の形態３の保冷庫について、以下にその動作を説明する。

低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、前段放熱器１２で空冷され、さらにカスケード熱交換器１３において高元側冷媒に冷却された後、低元側膨張弁１４で減圧され気液二相状態となる。その後、低元側蒸発器１５において空気から吸熱することで気化し、低元側圧縮機１１へ還流する。また、高元側圧縮機１６で圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器１７で空冷された後、高元側膨張弁１８で減圧され気液二相状態となる。その後、カスケード熱交換器１３において低元側冷媒から吸熱することで気化し、高元側圧縮機１６へ還流する。

ここで、凝縮器１７に比べて平均温度が高い前段放熱器１２は、第一の送風ファン１９の下流側に設置されているので、凝縮器１７の放熱能力や第一の送風ファン１９の耐久性に悪影響を与えることがない。

また、実施の形態３におけるカスケード熱交換器は、低元側冷凍システムと高元側冷凍システムの配管が溶接されている形状であるため、低元側から高元側への冷媒の流入の危険をほぼ完全に排除できる。

さらに、貯蔵室４０の温度調整を行うため、室内温度センサ４３の検知する温度が所定値を下回れば低元側圧縮機１１と高元側圧縮機１６を停止するとともに、停止中に室内温度センサー４３の検知する温度が所定値を上回れば低元側圧縮機１１と高元側圧縮機１６を起動する。ここで、低元側圧縮機１１と高元側圧縮機１６を停止する際は高元側圧縮機１６の停止を遅らせることが望ましい。これは、低元側圧縮機１１が停止した際にカスケード熱交換器１３に滞留する高温の冷媒が十分減圧されないまま低元側膨張弁１４を介して低元側蒸発器１５に供給されて、貯蔵室４０内を加温してしまうことを抑制するためである。低元側圧縮機１１と高元側圧縮機１６を起動する際も、同様に高元側圧縮機１６を先行して起動することが望ましい。これは、低元側圧縮機１１が起動した際にカスケード熱交換器１３に滞留する高温の冷媒が十分減圧されないまま低元側膨張弁１４を介して低元側蒸発器１５に供給されて、貯蔵室４０内を加温してしまうことを抑制するためである。

なお、カスケード熱交換器における低元側冷媒配管と高元側冷媒配管の別の溶接方法として、図７のように、配管Ａの外表面に配管Ｂを螺旋状に巻き付け、溶接する方法もある。この場合、配管Ｂの伝熱管長を増加させることができるので、カスケード熱交換器における熱交換効率が向上する。このとき、低元側冷媒の方が、高元側冷媒よりも冷媒密度が大きく、圧力損失が小さいため、配管Ｂに低元側冷媒を流す方が好ましい。

以上、実施形態１〜３においては冷凍サイクル装置について、実施形態３では冷凍サイクル装置を用いた保冷庫について説明した。実施形態１〜３の冷凍サイクル装置の各構成は、適宜組み合わせを変更した実施が可能である。たとえば、実施形態３の保冷庫に、実施形態１で説明したカスケード熱交換器を用いることもできる。実施形態２で説明したリリースバルブを実施形態１の構成に適用することも可能である。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、低元側冷媒として二酸化炭素、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用いた二元冷凍システムにおいて、カスケードコンデンサとして二重管式熱交換器を用いた場合においても、低元側冷媒が高元側冷凍システム内に流入し、高元側冷凍システムの構成機器が破損するのを防ぐことができるので、冷媒のノンフロン化と機器の安全性が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機などの冷蔵あるいは冷凍機器にも適用できる。

本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明の実施の形態１による二重管式熱交換器の構成図 本発明の実施の形態１による低元側冷凍サイクルのモリエル線図 本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明の実施の形態３による保冷庫の冷媒回路図 本発明の実施の形態３によるカスケード熱交換器の構成図 本発明の実施の形態３によるカスケード熱交換器の別の実施形態の断面図 従来の冷凍システムの冷媒回路図

符号の説明

１１ 低元側圧縮機
１２ 前段放熱器
１３ カスケード熱交換器
１４ 低元側膨張弁
１５ 低元側蒸発器
１６ 高元側圧縮機
１７ 凝縮器
１８ 高元側膨張弁
１９ 第一の送風ファン
２０ 第二の送風ファン
２１ 空洞部
２２ リリースバルブ
４０ 貯蔵室
４１ 機械室
４２ 断熱壁
４３ 室内温度センサ

Claims (7)

1. 低元側圧縮機、前段放熱器、カスケード熱交換器の低元側伝熱部、低元側膨張機構、低元側蒸発器を順に前記低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と、
   高元側圧縮機、凝縮器、高元側膨張機構、前記カスケード熱交換器の高元側伝熱部を順に前記高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路とを有し、
   前記カスケード熱交換器は内管および外管を有する二重管式熱交換器であり、
   前記二重管式熱交換器において、前記内管と前記外管の中間に冷媒の流通しない空洞部を設けた冷凍サイクル装置。
2. 前記内管に高元側冷媒を流通させ、前記外管に低元側冷媒を流通させる請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記低元側冷媒は二酸化炭素を主成分とする冷媒である請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記前段放熱器と前記凝縮器に空気を供給する第一の送風ファンをさらに備え、第一の送風ファン１９が形成する風路内において前段放熱器１２を凝縮器１７よりも下流側に配置している冷凍サイクル装置。
5. 所定圧力以上を検知すると弁が開放されるリリースバルブを高元側冷媒回路内にさらに備え、前記リリースバルブを、前記第一の送風ファンの吹き出し側に設置したことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル装置。
6. 低元側圧縮機、前段放熱器、カスケード熱交換器の低元側伝熱部、低元側膨張機構、低元側蒸発器を順に前記低元側冷媒が循環する低元側冷媒回路と、
   高元側圧縮機、凝縮器、高元側膨張機構、前記カスケード熱交換器の高元側伝熱部を順に前記高元側冷媒が循環する高元側冷媒回路とを有し、
   前記カスケード熱交換器として、前記高元側膨張機構と前記高元側圧縮機までの配管の外周面一部を接合して用いる冷凍サイクル装置。
7. 請求項１から６に記載の冷凍サイクル装置を搭載するとともに、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保冷する保冷庫。

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