JP2007263487A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
圧縮機から吐出される冷媒が超臨界状態となるような冷媒を用いた冷凍装置において、冷凍能力が不足するため、早急に冷却を行うためには冷媒の充填量を増加させなければならないという問題があった。その一方で、冷凍装置が十分に冷却された際には冷媒回路内に余剰冷媒が大量に発生するという問題があった。
【解決手段】
本願発明では、圧縮機、ガスクーラー、第一の減圧装置、蒸発器を順次環状に配管接続した冷媒回路において、前記ガスクーラーと前記第一の減圧装置の間に第二の減圧装置及び受液器を備え、前記受液器と前記圧縮機の吸込口を配管接続する。そして、前記第二の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吐出側圧力と吸込側圧力の圧力差に応じて制御することで、冷凍能力が不足する場合には冷媒循環量を増加させ、冷凍能力が過剰となる場合には余剰冷媒を前記受液器内に貯溜することで冷媒循環量の調整を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本願発明は圧縮機、ガスクーラー、減圧装置、蒸発器等を配管接続した冷媒回路を備え、圧縮機の吐出側圧力が超臨界圧力となる二酸化炭素（ＣＯ２）等の自然冷媒を用いた、冷凍装置に関するものである。

従来、冷凍装置はフロン系の冷媒を使用していたが、フロンはオゾン層破壊や地球温暖化等の問題を有しているため、その使用は厳しく規制され始まっており、代替冷媒としてＣＯ２や炭化水素のような自然冷媒を用いた冷凍装置の開発が進んでいる。

その自然冷媒の中でも特にＣＯ２は地球温暖化係数が低く、引火性を有する炭化水素や毒性を有するアンモニアとは異なり、不燃性かつ無毒であるため環境に優しく安全性の高い次期冷媒として期待されている。

しかし、ＣＯ２は臨界点が３１．１℃、７．３８ＭＰａであるため、冷凍装置において蒸発・凝縮の相変化伴う熱交換を行うためには非常に高い圧力を必要とする。そのため、冷凍装置において圧縮されたＣＯ２は高温高圧の超臨界状態となって圧縮機より吐出される。

このような特徴を持つ冷媒を冷凍装置に用いる際には、図１に示すようにカスケード熱交換器（内部熱交換器）を用いて内部熱交換を行う方法が有効であることが知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−２７０５１７号公報

図１おいて冷媒はＣＯ２を用いており、１１は二段圧縮機、１２はガスクーラー、１３はカスケード熱交換器、２３は膨張弁（減圧装置）、１５は蒸発器である。

圧縮機１１によって吸込まれた低圧の気体冷媒は、二段圧縮機１１によって高温高圧に圧縮され超臨界状態となって吐出される。超臨界状態で吐出された冷媒はガスクーラー１２において冷却された後にカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａに流入する。

カスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを通過した冷媒は膨張弁２３により減圧され、蒸発器１５において蒸発器１５及びその周囲を冷却する。蒸発器１５を通過した冷媒は低温低圧となり、カスケード熱交換器１３の低圧側回路１３−ｂに流入する。

ここで、通常、カスケード熱交換器１３において高圧側回路１３−ａは低圧側回路１３−ｂよりも高温となっているため、両者間において熱交換が行われる。よって、ガスクーラー１２で冷却された冷媒は、高圧側回路１３−ａを通過することでさらに冷却されるため、蒸発器１５における冷凍能力が向上する。

そして、カスケード熱交換器１３の低圧側回路１３−ｂを通過した冷媒は再び二段圧縮機１１によって吸込まれることで、冷媒回路が形成されている

しかし、二段圧縮機１１より吐出される冷媒は非常に高温高圧であるため、ガスクーラー１２や蒸発器１５等の温度が高い場合にはガスクーラー１２及びカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを通過し、冷却が行われた後も冷媒が気体状態である場合がある。

気体状態の冷媒が膨張弁２３によって減圧され蒸発器１５において吸収する熱量は、液体の冷媒が膨張弁２３によって減圧され蒸発器１５において吸収する熱量に比べて小さい。よって、蒸発器１５において効果的に冷却を行うためには、低温の液体冷媒であることが望ましい。

圧縮機から吐出される冷媒が超臨界状態となる冷媒を用いた場合、早急に冷却を行うためには、冷凍装置に充填される冷媒の量を増加させなければならない。しかし、冷凍装置が十分に冷却された際には冷凍装置内に液化した余剰冷媒が大量に発生するという問題があった。

請求項１に記載された冷凍装置は圧縮機、ガスクーラー、第１の減圧装置、蒸発器を配管接続し、冷媒として自然冷媒を用いた冷凍装置において、前記ガスクーラーと前記第１の減圧装置の間に第２の減圧装置及び受液器を備え、前記受液器と前記圧縮機の吸込口を配管接続したことを特徴としている。

請求項２に記載された冷凍装置は、請求項１に記載された冷凍装置において、前記ガスクーラーと前記第２の減圧装置の間に内部熱交換器を備え、前記蒸発器の出口と前記圧縮機の吸込口を直接配管接続した配管と別途並列に、開閉弁及び前記内部熱交換器を介して配管接続したことを特徴としている。

請求項３に記載された冷凍装置は、請求項１及び請求項２に記載された冷凍装置において、前記熱交換器と前記第２の減圧装置の中間部を、前記受液器と前記第１の減圧装置の中間部と、開閉弁を介して配管接続したことを特徴としている。

請求項４に記載された冷凍装置は、請求項１乃至請求項３に記載された冷凍装置において、前記第２の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吸込側圧力に応じて制御することを特徴としている。

請求項５に記載された冷凍装置は、請求項１乃至請求項３に記載された冷凍装置において、前記第２の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吐出側圧力と吸込側圧力の圧力差に応じて制御することを特徴としている。

請求項１に記載の発明において、圧縮機、ガスクーラー、第１の減圧装置、蒸発器を配管接続し、冷媒として自然冷媒を用いた冷凍装置において、前記ガスクーラーと前記第１の減圧装置の間に第２の減圧装置及び受液器を備え、前記受液器と前記圧縮機の吸込口を配管接続することにより、前記ガスクーラーにおいて冷却された冷媒を前記第二の減圧装置により減圧膨張させることで更に冷却し、前記受液器に液化した冷媒を貯溜することができるため、前記蒸発器に液体冷媒を供給することができる。さらに、前記受液器内のガス冷媒を前記圧縮機の吸込口から効率良く吸込むことができるため、前記第二の減圧装置による減圧効果を高めることができる。よって、液冷媒を効率よく前記受液器に貯溜し、自然冷媒を用いた冷凍装置において高い冷凍能力を得ることができる。

また、請求項２に記載の発明において、前記ガスクーラーと前記第２の減圧装置の間に内部熱交換器を備え、前記蒸発器の出口と前記圧縮機の吸込口を直接配管接続した配管と別途並列に、開閉弁及び前記内部熱交換器を介して配管接続することにより、冷凍装置の冷凍能力が十分な時は蒸発器から出た低温低圧の冷媒によりガスクーラーから出た冷媒の過冷却を行うことができる。更に、蒸発器における冷凍能力を十分に確保することにより、前記内部熱交換器において高温冷媒と低温冷媒の温度差を大きくすることができるので、熱交換効率を改善することができる。

また、請求項３に記載の発明において、前記熱交換器と前記第２の減圧装置の中間部を、前記受液器と前記第１の減圧装置の中間部と、開閉弁を介して配管接続することにより、前記第二の減圧装置及び前記受液器を介さずに冷媒を第一の減圧装置に供給することができる。これにより、前記ガスクーラー及び前記内部熱交換器による凝縮が十分な時は前記第２の減圧装置及び前記受液器における冷媒の膨張を行わず、凝縮した冷媒を蒸発器に直接送り込むことで冷凍装置の冷凍効率を改善することができる。

また、請求項４に記載の発明において、前記第二の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吸込側圧力に応じて制御することにより、前記受液器への冷媒貯溜量及び前記圧縮機への流量を制御できるため、前記圧縮機の高圧側に冷媒が偏った際に圧力が上昇することを防止できる。

また、請求項５に記載の発明において、前記第二の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吐出側圧力と吸込側圧力の圧力差に応じて制御することにより、前記受液器への冷媒貯溜量や前記圧縮機への流量を制御できるため、前記圧縮機の高圧側に冷媒が偏った際に圧力が上昇することを防止できる。なお、前記圧縮機前後の圧力差を一定とするように前記第二の減圧装置を制御するため、前記第一の膨張弁前後の圧力差も略一定となり、前記第一の減圧装置の動作を安定させることができ、以って冷凍装置の冷凍能力の安定化を図ることができる。

次に、図面に基づき本願発明の実施形態について詳述する。

（１）本願発明を適用した冷凍装置
図２は本願発明を適用した冷凍装置の冷媒回路１である。図中、１１は圧縮機、１２はガスクーラー、１３はカスケード熱交換器（内部熱交換器）、１４は受液器、１５は蒸発器、２１は第二の膨張弁（減圧装置）、２２、２４、２５及び２６は電磁弁（開閉弁）、２３は第一の膨張弁である。

なお、圧縮機１１は単段又は二段以上の多段圧縮機である。この圧縮機１１の低圧側において冷媒は亜臨界状態であり、吐出される冷媒は超臨界状態になっているため、冷凍装置全体としては遷臨界状態となっている。このような性質を示す冷媒の一つとして、本実施例では二酸化炭素を使用している。

圧縮機１１から吐出された超臨界状態の冷媒はガスクーラー１２に流入し、送風ファン１２−ａにより空気冷却が行われる。

ガスクーラー１２を出た冷媒はカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを通過し、電磁弁２２が閉じている場合は、膨張弁２１に至る。膨張弁２１によって減圧されることで冷媒は膨張・冷却される。冷却されることで液化した冷媒は受液器１４に貯溜され、電磁弁２６が開いている時、気化している冷媒はバイパス回路を解して圧縮機１１の吸込口に吸込まれる。

受液器１４に貯溜された液体の冷媒は膨張弁２３によって減圧され、蒸発器１５に流入し膨張する。よって、本冷凍装置は、膨張弁２１による膨張と膨張弁２３による膨張の二段膨張によって冷凍能力を向上させている。

一方、電磁弁２２が開いている場合は、カスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを出た冷媒は電磁弁２２を介し、膨張弁２３に至り、膨張弁２３によって減圧され蒸発器１５に流入する。

蒸発器１５に流入した冷媒は蒸発することで吸熱し、送風ファン１５−ａによって循環される外気を冷却する。電磁弁２４が閉じ、電磁弁２５が開いている場合、蒸発器１５を出た低温低圧の冷媒は圧縮機１１の低圧側から吸込まれる。

一方、電磁弁２４が開き、電磁弁２５が閉じている場合、蒸発器１５を出た低温低圧の冷媒はカスケード熱交換器１３の低圧側回路１３−ｂを介して、圧縮機１１の低圧側から吸込まれる。

（２）冷凍装置の冷凍能力が不足している場合
冷凍装置の冷凍能力が不足している時、冷媒回路１は図３のような構成をとり、電磁弁２２及び２４は閉じ、電磁弁２５及び２６は開く。圧縮機１１から吐出され、ガスクーラー１２にて冷却された冷媒はカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを介して膨張弁２１に達する。

冷凍能力が不足している場合、圧縮機１１から吐出される冷媒は非常に高温となっているため、ガスクーラー１２による冷却が充分でない場合には、ガスクーラー１２を出た冷媒は超臨界又は遷臨界状態であると考えられる。

超臨界状態の冷媒では蒸発器１５において十分に冷却を行うことは困難であるため、この冷媒を膨張弁２１により減圧することで冷却し、受液器内を液体と気体の混合状態にする。よって、受液器１４の下部には液体冷媒が、上部には気体冷媒が貯溜する。

しかし、気体冷媒が受液器１４に充満し受液器１４の内部圧力が上昇した場合、冷媒の蒸発が制限されるため膨張弁２１の減圧による冷却効果が低下する。

本願発明では受液器１４の上部と圧縮機１１の吸込口を電磁弁２６を介して接続することで、受液器１４に充満した気体冷媒は圧縮機１１により吸込まれ、受液器１４の内部圧力は減圧される。よって、受液器１４において冷媒は十分に膨張することができるため、効率よく冷媒を冷却し、液化することができる。

また、冷媒は蒸発器１５から圧縮機１１の低圧部に直接流入しており、かつ受液器１４から圧縮機１１が直接吸込んでいるため、冷媒の循環量が増加し冷凍能力がさらに向上する。

（３）冷凍装置の冷凍能力が十分である場合
冷凍装置の冷凍能力が十分である時、冷媒回路１は図４のような構成をとり、電磁弁２２及び２４は開き、膨張弁２１及び電磁弁２５及び２６は閉じる。圧縮機１１から吐出され、ガスクーラー１２にて冷却された冷媒はカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを介して膨張弁２３に達する。

冷凍能力が十分である場合、ガスクーラー１２において冷却され液化された冷媒は、カスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａに流入する。また、冷凍能力が十分な状態において、蒸発器１５から出た冷媒は低温低圧となっているため、カスケード熱交換器１３において高圧側回路１３−ａの冷媒は低圧側回路１３−ｂの冷媒によって過冷却される。

過冷却された冷媒は電磁弁２２を介して膨張弁２３において減圧され、蒸発器１５に流入する。蒸発器１５において液体冷媒は蒸発しながら吸熱することで、送風ファン１５−ａによって循環される外気を冷却する。

低温低圧となった気体冷媒は電磁弁２４を介してカスケード熱交換器１３の低圧側回路１３−ｂに流入し、高圧側回路１３−ａを流れる冷媒を冷却する。低圧側回路１３−ｂを出た冷媒は圧縮機１１の低圧側に吸込まれることで、冷凍装置を構成している。

（４）冷凍装置の冷凍能力が過剰となる場合
冷凍装置の冷凍能力が十分となり、圧縮機の高圧側において冷媒が過剰となる時、冷媒回路１は図５のような構成をとり、電磁弁２２、２４及び２６は開き、電磁弁２５は閉じる。圧縮機１１から吐出され、ガスクーラー１２にて冷却された冷媒はカスケード熱交換器１３の高圧側回路１３−ａを介して膨張弁２３に達する。

冷凍能力が十分となった場合に膨張弁２３は略閉じられるため、圧縮機１１の低圧側圧力は減少して行く。この状態が長時間継続した場合、圧縮機１１の高圧側に冷媒が偏ってしまうため、圧縮機１１の高圧側圧力は上昇する。

本実施例で冷媒として用いている二酸化炭素は遷臨界状態において非常に高い圧力となるため、圧縮機１１の高圧側において圧力が上昇することは冷凍装置の安全性を損ねると共に、冷凍装置を構成する要素の耐久圧力上昇による重量増加となる。

また、圧縮機１１の高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差が大きくなった場合、膨張弁２３前後の圧力差も大きくなるため、膨張弁２３が誤動作する可能性がある。これにより、冷凍装置全体の動作も不安定となる。

ここで、膨張弁２１を開き受液器１４において液化した液体冷媒を貯溜し、気体液体を圧縮機１１にバイパスする。これにより、圧縮機１１の高圧側に偏った冷媒を受液器１４に貯溜及び圧縮機１１に放出し、圧縮機１１の高圧側圧力を低下させることができる。

この時、圧縮機１１の高圧側圧力が所定値以下となるように膨張弁２１の弁開度を制御することで、冷凍装置の安全性を向上させることができる。

また、圧縮機１１の高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差が一定又は一定の範囲内となるように膨張弁２１の弁開度を制御することで、圧縮機１１の高圧側圧力は図６の（ロ）に示すように低圧側圧力と同時に減少する。このような制御により膨張弁２３の前後の圧力差を一定とすることで、膨張弁２３が誤動作することを防止し、冷凍装置の安定性を改善できる。

なお、膨張弁２３の弁開度を制御するにあたり、圧縮機１１の高圧側圧力と低圧側圧力を基にしているが、高圧側温度と低圧側温度による制御によっても冷凍装置の安定化を図ることができる。

また、本実施例では電磁弁によって冷媒回路制御を行っているがそれに限るものではない。例えば、図６に示すように三方弁３０を用いて冷媒回路を構成しても良い。

従来の遷臨界冷凍装置における冷媒回路 本願発明による遷臨界冷凍装置における冷媒回路 冷凍能力が不足している場合における本願発明による冷媒回路 冷凍能力が充分な場合における本願発明による冷媒回路 冷凍能力が過剰な場合における本願発明による冷媒回路 三方弁を用いた本願発明による遷臨界冷凍装置における冷媒回路

符号の説明

１ 本願発明による冷媒回路
１１ 圧縮機
１２ ガスクーラー
１３ カスケード熱交換器
１４ 受液器
１５ 蒸発器
２１、２３ 膨張弁
２２、２４、２５、２６ 電磁弁
３０ 三方弁

Claims (5)

1. 圧縮機、ガスクーラー、第１の減圧装置、蒸発器を配管接続し、冷媒として自然冷媒を用いた冷凍装置において、
   前記ガスクーラーと前記第１の減圧装置の間に第２の減圧装置及び受液器を備え、
   前記受液器と前記圧縮機の吸込口を配管接続したことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記ガスクーラーと前記第２の減圧装置の間に内部熱交換器を備え、
   前記蒸発器の出口と前記圧縮機の吸込口を直接配管接続した配管と別途並列に、
   開閉弁及び前記内部熱交換器を介して配管接続したことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記熱交換器と前記第２の減圧装置の中間部を、
   前記受液器と前記第１の減圧装置の中間部と、
   開閉弁を介して配管接続したことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の冷凍装置。
4. 前記第２の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吸込側圧力に応じて制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３の冷凍装置。
5. 前記第２の減圧装置の開閉度を前記圧縮機の吐出側圧力と吸込側圧力の圧力差に応じて制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の冷凍装置。