JP2007263431A - 遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスクーラとサブクーラで一つの熱交換器を構成する遷臨界冷凍サイクル装置において、それらにおける冷媒の冷却を最も効率的に行えるようにした製造方法を提供する。
【解決手段】コンプレッサ１４、ガスクーラ１９、キャピラリチューブ２２及びエバポレータ１７を順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷凍サイクル装置を製造するに際して、コンプレッサ１４の中間圧力の冷媒を冷却するためのサブクーラ１８を設け、ガスクーラ１９とサブクーラ１８とを一体化して熱交換器７を構成すると共に、当該熱交換器７全体の冷媒配管本数に対するサブクーラ１８の冷媒配管本数の比率を、２０％以上３０％以下に設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧側が超臨界となる遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法に関するものである。
近年地球環境問題から例えば二酸化炭素（ＣＯ2）を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が開発されて来ている（例えば、特許文献１参照）。この二酸化炭素を冷媒として使用した場合、冷凍サイクルの高圧側が超臨界となる遷臨界サイクルとなるため、蒸発器の冷却作用を使用する冷蔵、冷凍、或いは、冷房目的の装置では、ガスクーラで冷媒をより効率的に冷却してその熱をより多く放出させる必要がある。
一方、係る冷凍サイクルでは高圧側の圧力が極めて高くなるため、サイクルを構成するコンプレッサとしては通常二段圧縮のものが使用される。更に、このコンプレッサの高段側圧縮手段における圧縮効率を向上させるため、この種装置では低段側圧縮手段から吐出されて高段側圧縮手段に吸い込まれる前の冷媒を冷却するためのサブクーラが使用される。
特開２００５−１８８９２４
このサブクーラは通常ガスクーラと一体化されて一つの熱交換器を構成する。この場合、熱交換器は複数本の冷媒配管とこれらが貫通する熱交換用のフィンとから構成され、各冷媒配管の端部をベンド配管（このベンド配管は冷媒配管と一体化、即ち、配管の折曲にて構成されている場合もある）にて接続することにより蛇行する冷媒通路を構成している。そして、何れかの冷媒配管がサブクーラとして、残りの冷媒配管がガスクーラとして使用されることになる。
一方、ガスクーラやサブクーラでは上述したようにできるだけ冷媒を冷却させる必要があるため、熱交換器は大きい程良いことになるが、実際の装置としてはスペース上の制約があり、冷媒配管の本数も限られてくる。従って、一つの熱交換器におけるガスクーラとサブクーラのための冷媒配管の本数比率を適切に設定する必要がある。即ち、ガスクーラの冷媒配管の本数が多い場合には、サブクーラにおける冷媒の冷却能力が不足し、逆にガスクーラの本数が少なければ、当該ガスクーラにおける冷媒の放熱が少なくなって充分に冷却できなくなるからである。
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、ガスクーラとサブクーラで一つの熱交換器を構成する遷臨界冷凍サイクル装置において、それらにおける冷媒の冷却を最も効率的に行えるようにした製造方法を提供するものである。
本発明の製造方法は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータを順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷凍サイクル装置を製造するに際して、コンプレッサの中間圧力の冷媒を冷却するためのサブクーラを設け、ガスクーラとサブクーラとを一体化して熱交換器を構成すると共に、当該熱交換器全体の冷媒配管本数に対するサブクーラの冷媒配管本数の比率を、２０％以上３０％以下に設定することを特徴とする。
請求項２の発明の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法は、上記において熱交換器全体の冷媒配管本数に対するサブクーラの冷媒配管本数の比を、２３％以上２８％以下とすることを特徴とする。
請求項３の発明の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法は、上記各発明においてコンプレッサは低段側圧縮手段と高段側圧縮手段とを備え、低段側圧縮手段から吐出された冷媒がサブクーラに流入し、このサブクーラからにて冷却された冷媒が高段側圧縮手段に吸入されると共に、この高段側圧縮手段から吐出された冷媒がガスクーラに流入することを特徴とする。
請求項４の発明の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法は、上記各発明において冷媒として二酸化炭素が使用されることを特徴とする。
図６はサブクーラとガスクーラを一体化して熱交換器を構成し、例えば冷媒配管の総本数６０本で、そのうちの７本〜２０本をサブクーラとして使用し、残りをガスクーラとして使用した場合のサブクーラ出口温度を計測し、グラフとしてプロットしたものである。冷媒は二酸化炭素を使用し、コンプレッサは低段側圧縮手段と高段側圧縮手段を有する二段圧縮式ロータリコンプレッサを用いたものである。
この図からも明らかな如く、サブクーラの冷媒配管の本数が１４本（全本数に対するサブクーラの本数の比率２３．３％の付近までは温度降下は急激であるものの、それ以降は温度降下は緩慢となっていることが分かる。即ち、熱交換器の全冷媒配管の本数に対するサブクーラの冷媒配管の本数の比率が２０％以上３０％以下の範囲、望ましくは２３％以上２８％以下とした場合に、より少ないサブクーラの冷媒配管本数で、即ち、ガスクーラの冷媒配管本数をより多くしながら、サブクーラ出口温度をできるだけ下げられることが分かる。
本発明ではコンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータを順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷凍サイクル装置を製造するに際して、コンプレッサの中間圧力の冷媒を冷却するためのサブクーラを設け、ガスクーラとサブクーラとを一体化して熱交換器を構成すると共に、当該熱交換器全体の冷媒配管本数に対するサブクーラの冷媒配管本数の比率を、２０％以上３０％以下に設定、請求項２では２３％以上２８％以下とするので、ガスクーラの冷媒配管本数をできるだけ多く確保し、ガスクーラでの冷媒の冷却能力を維持しながら、サブクーラでの冷媒の冷却能力もできるだけ確保して効率的なサイクル運転を実現することができるようになるものである。
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用する実施例としての低温ショーケース１の斜視図、図２は遷臨界冷凍サイクル装置の実施例としての図１の低温ショーケース１の冷却ユニット２の斜視図、図３は冷却ユニット２を押し上げるリフト機構３の斜視図、図４は冷却ユニット２の冷媒回路図、図５はサブクーラ１８とガスクーラ１９とが一体化されて構成された熱交換器７の側面図である。
実施例の低温ショーケース１は前面に開口する断熱箱体８から本体が形成されており、この断熱箱体８内に陳列室９が構成され、その前面は透明扉１１にて開閉自在に閉塞されている。断熱箱体８の下側には機械室１２が構成されており、この機械室１２に図２の冷却ユニット２が収納されている。
冷却ユニット２はベース１３上にコンプレッサ１４、熱交換器７、断熱性の冷却箱１６が据え付けられて一体化されたものであり、冷却箱１６内に後述するエバポレータ１７と図示しない送風機が取り付けられている。断熱箱体８の底壁には図示しない連通孔が形成されており、この図３に示したリフト機構３にてこの冷却ユニット１４を押し上げ、冷却箱１６を断熱箱体８の底壁下面に押し付けて内部を連通孔にて陳列室９内に連通させる。そして、エバポレータ１７と熱交換した冷気を送風機で陳列室９内に循環させ、所定の温度（冷蔵）に冷却する構成とされている。
次に、図４において冷却ユニット２の冷媒回路内には二酸化炭素（ＣＯ2）が冷媒として所定量封入されている。コンプレッサ１４は密閉容器内に低段側圧縮手段（１段目のロータリ圧縮要素）と高段側圧縮手段（２段目のロータリ圧縮要素）と及びそれらを駆動する駆動要素が収納された二段（多段）圧縮式ロータリコンプレッサであり、このコンプレッサ１４の中間吐出口１４Ａにサブクーラ１８の入口が接続され、このサブクーラ１８の出口はコンプレッサ１４の中間吸込口１４Ｂに接続されている。
低段側圧縮手段にて圧縮された中間圧力の冷媒は中間吐出口１４Ａからサブクーラ１８に入り、そこで冷却された後、中間吸込口１４Ｂからコンプレッサ１４に帰還し、今度は高段側圧縮手段に吸い込まれる。この高段側圧縮手段にて超臨界圧力（高圧）まで圧縮された冷媒は最終吐出口１４Ｃから吐出されてガスクーラ１９に入る。このガスクーラ１９で冷媒は冷却されるが、冷媒は超臨界圧力でガス状態のままである。このガスクーラ１９で冷却された冷媒は内部熱交換器２１に入り、そこを通過した後（ここまでは超臨界圧力）、減圧装置としてのキャピラリチューブ２２にて減圧され、その過程で液／ガス混合状態となり、エバポレータ１７に入って液状態の冷媒が蒸発する。このときの吸熱作用で陳列室９内は冷却される。
エバポレータ１７を出た冷媒は再び内部熱交換器２１に入り、そこでガスクーラ１９からの冷媒と熱交換して冷却した後、未蒸発の冷媒はガス化してコンプレッサ１４の吸込口１４Ｄ（低圧）から低段側圧縮手段に吸い込まれる循環を繰り返す。
この場合、サブクーラ１８とガスクーラ１９は一体化されて熱交換器７を構成している。図５は係る熱交換器７の側面図を示している。熱交換器７は実施例では左右に渡る６０本の冷媒配管２３とこれらが貫通する熱交換フィンと左右の管板２４から成る。熱交換フィンは管板２４に隠れて図５では見えない。また、図５で見えている配管２６部分は直管状の冷媒配管の端部を接続するベンド配管であり、このベンド配管２６で各冷媒配管２３が連通されて蛇行状の冷媒通路を構成している。
また、図５において熱交換器７は所謂フィンチューブ型の熱交換器であり、図中１８Ａはサブクーラ１８の入口配管で、熱交換器７の空気流出側（図５の向かって左側）における上部に配置されている。１８Ｂはサブクーラ１８の出口配管であり、熱交換器７の空気流出側の下部に配置されている。また、１９Ａはガスクーラ１９の入口配管であり、熱交換器７の空気流入側（図５の向かって右側）と流出側の中間における上部に配置されている。更に、１９Ｂはガスクーラ１９の出口配管であり、熱交換器７の空気流入側の下部に配置されている。即ち、全体としてガスクーラ１９は熱交換器７の空気流入側にあり、より温度の高くなるサブクーラ１８は熱交換器７の空気流出側に位置している。
特に、図５の場合、サブクーラ１８において最も温度が高くなる入口側では冷媒配管が上下方向に並行に配置されており（ベンド配管２６が上下となっている）、その下流側では千鳥状に配置（ベンド配管２６が斜めになっている）されている。これは、より温度が高い入口側の冷媒配管を疎として熱交換効率を良くするためである。
次に、サブクーラ１８の冷媒配管の本数を変化させた場合のサブクーラ１８の出口温度を計測した結果が図６にグラフとして示されている。サブクーラ１８とガスクーラ１９の冷媒配管の合計本数は６０本であり、データはサブクーラ１８が７本で残り５３本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が９本で残り５１本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１０本で残り５０本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１１本で残り４９本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１３本で残り４７本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１４本で残り４６本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１７本で残り４３本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が１９本で残り４１本がガスクーラ１９の場合、サブクーラ１８が２０本で残り４０本がガスクーラ１９の場合それぞれの出口温度をプロットしている。
即ち、サブクーラ１８の冷媒配管２３の本数が増大する程、やはり出口温度が低下していくものの、図６からも明らかな如く１４本目までに比べてそれより本数が増えていっても温度低下の割合は極めて緩慢となる。即ち、それ以上サブクーラ１８の冷媒配管２３を増やしても出口温度は殆ど変化しない状態となることが分かる。
そこで、本発明ではガスクーラ１９を含む熱交換器７全体の冷媒配管２３の本数に対するサブクーラ１８の冷媒配管２３の本数の割合（サブクーラの冷媒配管本数／冷媒配管の総本数（６０本）×１００）を、この１４本目を中心とした前後の２０％以上３０％以下とし、理想的には更にその１４本目に近い範囲の２３％以上２８％以下で、実施例では１４本目そのものである２３．３％に設定し、熱交換器７を製造した。
これにより、サブクーラ１８における冷媒の冷却能力を最大限のところまで持っていきながら、できるだけサブクーラ１８の冷媒配管２３本数を削減し、それによって、ガスクーラ１９の本数を最大限確保して、ガスクーラ１９における冷却能力をできるだけ維持できるようになった。特に、熱交換器７の高さ寸法は押し上げられたときのベース１３と断熱箱体８の底壁間に入る大きさに制限されてるため、係る制約に応えながら、サブクーラ１８とガスクーラ１９の冷媒冷却能力を最大限に発揮させ、冷却ユニット２の運転効率と能力改善を図ることが可能となった。
尚、図５の例ではサブクーラ１８の入口側の冷媒配管２３の配置を疎としたが、熱交換器７の寸法によっては図７のように入口側を一部密としても良く、図８に示すように入口側の後半部分を密にしても良い。但し、能力的には図５の例が最も好適である。
本発明を適用する実施例としての低温ショーケースの斜視図である。 遷臨界冷凍サイクル装置の実施例としての図１の低温ショーケースの冷却ユニットの斜視図である。 図２の冷却ユニットを押し上げるリフト機構の斜視図である。 図２の冷却ユニットの冷媒回路図である。 サブクーラとガスクーラとが一体化されて構成された熱交換器の側面図である。 図５の熱交換器におけるサブクーラの冷媒配管本数を変化させた場合のサブクーラ出口温度をグラフ化した図である。 図５の熱交換器の他の実施例の側面図である。 図５の熱交換器の更に他の実施例の側面図である。
符号の説明
１ 低温ショーケース
２ 冷却ユニット
７ 熱交換器
１４ コンプレッサ
１７ エバポレータ
１８ サブクーラ
１９ ガスクーラ
２２ キャピラリチューブ（減圧装置）
２３ 冷媒配管

Claims (4)

  1. コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置及びエバポレータを順次接続して構成され、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷凍サイクル装置において、
    前記コンプレッサの中間圧力の冷媒を冷却するためのサブクーラを設け、
    前記ガスクーラとサブクーラとを一体化して熱交換器を構成すると共に、当該熱交換器全体の冷媒配管本数に対する前記サブクーラの冷媒配管本数の比率を、２０％以上３０％以下に設定することを特徴とする遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法。
  2. 前記熱交換器全体の冷媒配管本数に対する前記サブクーラの冷媒配管本数の比を、２３％以上２８％以下とすることを特徴とする請求項１に記載の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法。
  3. 前記コンプレッサは低段側圧縮手段と高段側圧縮手段とを備え、前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒が前記サブクーラに流入し、該サブクーラからにて冷却された冷媒が前記高段側圧縮手段に吸入されると共に、該高段側圧縮手段から吐出された冷媒が前記ガスクーラに流入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法。
  4. 冷媒として二酸化炭素が使用されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の遷臨界冷凍サイクル装置の製造方法。
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