JP2007278666A - 二元冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水を高温側回路に用いたノンフロンの二元冷凍装置において、ＣＯＰ及び施工性の向上と低温側回路と高温側回路の冷媒が熱交換する冷媒熱交換器の小型化とを図ることである。
【解決手段】二元冷凍装置（1）は、第１圧縮機構（11）と凝縮器（12）と膨張弁（19）と冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）とが順に接続され、水が冷媒として循環する高温側回路（10）と、第２圧縮機構（31）と冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）と第２膨張機構（32）と冷凍庫内の庫内ユニット（36）に収納された冷凍熱交換器（34）とが順に接続され、二酸化炭素が冷媒として循環する低温側回路（30）とを備えている。冷媒熱交換器（13）では、蒸発部（14）内の水が放熱部（15）を流れる二酸化炭素から吸熱して蒸発する一方、放熱部（15）を流れる二酸化炭素が蒸発部（14）内の水に放熱して凝縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二元冷凍装置に関し、特に冷媒としてフロンを用いない冷凍装置に係るものである。

従来より、フロンを冷媒として用い、冷凍サイクルを行う冷凍装置が広く利用されてきた。このフロンは、オゾン層の破壊や地球温暖化などの問題があるため、近年ではフロン冷媒を用いない冷凍装置の検討がなされている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の二元冷凍装置は、水が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う高温側回路と空気が循環して空気冷凍サイクルを行う低温側回路とを備えている。

上記高温側回路は、高温側圧縮機と復水槽と流量圧力調整手段と撒布式の蒸発器とが順に接続される一方、上記低温側回路は、低温側圧縮機と熱交換器と膨張機と冷凍室とが順に接続されている。上記低温側回路の熱交換器は、上記高温側回路の蒸発器内に配置されており、これにより、蒸発器内の水と熱交換器を流れる空気とが熱交換を行う。

上記冷凍装置の高温側回路では、高温側圧縮機から吐出した水蒸気が、復水器で凝縮した後に、流力圧力調整手段で膨張する。そして、膨張した水は、高温側回路にスプレーノズルから撒布されて蒸発し、高圧側圧縮機に吸入されて圧縮される。一方、上記低温側回路では、冷凍室の空気が、低温側圧縮機に吸入されて圧縮された後、蒸発器内の熱交換器で水から吸熱して温度上昇する。その後、膨張機で膨張して温度低下した空気は、冷凍室に直接供給されて冷凍室を冷却する。

このように、上記二元冷凍装置では、冷媒として水と空気とを用い、ノンフロン冷凍装置を実現している。さらに、水のみを用いた冷凍装置では、冷却温度が０℃より高い温度に制限されてしまうが、空気を低温側回路に用いているので、０℃以下の幅広い温度領域での冷却が可能となる。
特開２００４−２５１５４１号公報

しかしながら、特許文献１の二元冷凍装置では、低温側回路の冷媒として空気を用いているために、水と空気とが熱交換を行うための高温側回路の蒸発器及び低温側回路の熱交換器が非常に大きくなるという問題点があった。

また、上記二元冷凍装置では、冷凍室が遠く離れて配置されている場合など、空気を搬送するダクトが長くなり、施工性が悪化すると共に、ダクトで搬送するための搬送動力が大きくなるためにＣＯＰが低下するという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、水を高温側回路に用いたノンフロンの二元冷凍装置において、ＣＯＰ及び施工性の向上と低温側回路と高温側回路の冷媒が熱交換する冷媒熱交換器の小型化とを図ることを目的とする。

第１の発明は、第１圧縮機構（11）と凝縮器（12）と第１膨張機構（19）と冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）とが順に接続され、水が冷媒として循環する高温側回路（10）と、第２圧縮機構（31）と上記冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）と第２膨張機構（32）と蒸発器（34）とが順に接続され、二酸化炭素が冷媒として循環する低温側回路（30）とを備え、上記冷媒熱交換器（13）は、高温側回路（10）の水と低温側回路（30）の二酸化炭素とが熱交換を行うように構成されている。

この第１の発明では、高温側回路（10）では、水を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる一方、低温側回路（30）では、二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。そして、上記冷媒熱交換器（13）において、蒸発部（14）を流れる水が、放熱部（15）を流れる二酸化炭素から吸熱して蒸発する一方、放熱部（15）を流れる二酸化炭素は、蒸発部（14）を流れる水に放熱する。

第２の発明は、第１の発明において、上記低温側回路（30）は、亜臨界サイクルで運転される。

この第２の発明では、高温側回路（10）において、水冷媒が、冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）で所定の低温度（例えば、５℃〜１２℃）で蒸発するように設定されており、これにより、低温側回路（30）において、冷媒である二酸化炭素が冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）で臨界温度（３０．９７８℃）より低い所定温度で凝縮する亜臨界サイクルが行われる。また、放熱部（15）における二酸化炭素の凝縮温度は、２０℃以下に設定することが好ましい。

つまり、低温側回路（30）では、二酸化炭素が蒸発器（34）で蒸発した後、第２圧縮機構（31）で臨界圧力７．３MPaより低い圧力まで圧縮すればよいので、第２圧縮機構（31）の圧縮動力が、超臨界サイクルを行う場合と比べて小さくなる。また、高温側回路（10）の冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）の温度を低温側回路（30）が亜臨界サイクルを行うように所定の低温度に設定しているので、蒸発器（34）の入口と出口とのエンタルピー差が、低温側回路（30）が超臨界サイクルを行う場合と比べて大きくなる。

第３の発明は、第１の発明において、上記低温側回路（30）の第２圧縮機構（31）及び第２膨張機構（32）は、駆動軸（38）が一体に連結されている。

この第３の発明では、第２圧縮機構（31）が、第２膨張機構（32）における冷媒の膨張により得られた動力を回収する。

第４の発明は、第１の発明において、上記高温側回路（10）は、上記冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）における蒸発温度が水の三重点温度より高い温度に設定されている。

この第４の発明では、上記冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）において、水が液相又は気相の状態で存在し、氷が生成されることがない。

第５の発明は、第１の発明において、上記低温側回路（30）は、上記蒸発器（34）の蒸発温度が二酸化炭素の三重点温度より高い温度に設定されている。

この第５の発明では、上記低温側回路（30）において、上記蒸発器（34）では、二酸化炭素が固相の状態で存在することがない。

本発明によれば、低温側回路（30）の冷媒として二酸化炭素を用いたために、低温側回路（30）に空気を用いた場合と比べて、高温側回路（10）の水と低温側回路（30）の冷媒とが熱交換を行う冷媒熱交換器（13）を小型に形成することができる。これにより、省スペース化を図ることができる。

また、蒸発器（34）が低温側回路（30）の冷媒配管と接続されているので、従来のダクトが不要になることから、施工性が向上すると共に、ダクトの動力が不要になることからＣＯＰが向上する。このようにして、ノンフロンでありながら、フロンの二元冷凍機同等の効率をも得ることができる。

また、水と二酸化炭素は、オゾン層を破壊することがないという特性に加えて、毒性が殆ど無く、爆発性を有さないという性質を有する。つまり、水と二酸化炭素は、環境や人体にとって無害な冷媒であるので、装置の信頼性が向上する。

また、上記第２の発明によれば、高温側回路（10）の冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）の温度を所定の低温度（例えば、５〜１２℃）に設定して、低温側回路（30）が、放熱部（15）で二酸化炭素が凝縮する亜臨界サイクルで運転されるようにしたために、低温側回路（30）において、第２圧縮機構（31）で二酸化炭素冷媒を圧縮する動力を低減することができると共に、蒸発器（34）の入口と出口とのエンタルピー差を大きくすることができることから、ＣＯＰを向上させることができる。なお、放熱部（15）における凝縮温度を２０℃以下とすれば、エンタルピー差が確実に大きくなり、所定の高ＣＯＰを得ることができる。

また、放熱部（15）で二酸化炭素が凝縮することから、冷媒熱交換器（13）をさらに小型に形成することができる。

また、上記第３の発明によれば、第２圧縮機構（31）が、第２膨張機構（32）における冷媒の膨張により得られた動力を回収することができるので、運転効率を向上させることができる。

また、上記第４の発明によれば、冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）で氷が生成されることがないので、冷媒熱交換器（13）や該冷媒熱交換器（13）の入口又は出口に接続された配管が凍結することがない。これにより、高温側回路（10）において、冷媒である水を円滑に循環させることができると共に、凍結による冷媒熱交換器（13）や配管の破損を防止することができる。

また、上記第５の発明によれば、上記低温側回路（30）において、上記蒸発器（34）では、二酸化炭素が固相の状態で存在することがないので、低温側回路（30）内で二酸化炭素冷媒を円滑に循環させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る二元冷凍装置（1）は、冷凍庫内を冷却するものであって、高温側回路（10）と低温側回路（30）とを備えている。

上記高温側回路（10）は、第１圧縮機構（11）と、凝縮器（12）と、膨張弁（19）と冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）とが順に接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路に構成されている。上記高温側回路（10）では、冷媒として水が充填されている。

上記凝縮器（12）内には、伝熱管（17）が設置されている。該伝熱管（17）は、両端が図示しないクーリングタワーに配管接続されており、冷却水が流通するように構成されている。そして、凝縮器（12）では、導入されたガス冷媒としての水蒸気が伝熱管（17）内の冷却水と熱交換して凝縮するように構成されている。

上記膨張弁（19）は、上記凝縮器（12）から流れた水を膨張させるものであり、第１膨張機構に構成されている。

上記冷媒熱交換器（13）は、蒸発部（14）と後述する低温側回路（30）の放熱部（15）とを備えている。上記蒸発部（14）は、円筒形の容器に構成される一方、上記放熱部（15）は、上記蒸発部（14）内に導入された伝熱管状に形成されている。上記蒸発部（14）には、一端が上記膨張弁（19）の出口側に接続された配管の他端が導入されており、該他端には、冷媒である水を噴射するためのスプレーノズル（16）が設けられている。上記蒸発部（14）は、膨張後に噴射された水が、放熱部（15）を流れる冷媒と熱交換を行って、一部又は全部が蒸発し、残りの水が下部に貯留されるように構成されている。また、蒸発部（14）では、圧力が、例えば１．４kPaに設定されており、冷媒である水が、例えば１２℃で蒸発するように設定されている。つまり、蒸発部（14）では、水の蒸発温度が水の三重点温度（０．０１℃）より高く、かつ、後述するように、低温側回路（30）が亜臨界サイクルで運転されるような低温度に設定されている。

上記第１圧縮機構（11）は、吸入側が蒸発部（14）の頂部に接続される一方、吐出側が凝縮器（12）の頂部に接続されており、蒸発部（14）で水蒸気となった冷媒を吸入して圧縮した後、凝縮器（12）に該冷媒を送るように構成されている。

一方、上記低温側回路（30）は、第２圧縮機構（31）と上記冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）と第２膨張機構（32）と蒸発器である冷凍熱交換器（34）とが順に接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒回路に構成されている。また、上記低温側回路（30）では、冷媒として二酸化炭素が充填されている。

上記冷凍熱交換器（34）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器により構成されており、冷凍庫内の庫内ユニット（36）に収納されている。また、該庫内ユニット（36）において、冷凍熱交換器（34）の近傍には庫内ファン（35）が設けられている。上記庫内ユニット（36）は、冷凍庫内の空気を、庫内ファン（35）によって取り込み、冷凍熱交換器（34）を流れる二酸化炭素冷媒と熱交換させて冷却した後に、再び冷凍庫内に供給して冷凍庫内を冷却するように構成されている。

また、本実施形態では、冷凍庫内の設定温度が、例えば、−１５℃に設定されている。そして、該冷凍熱交換器（34）では、二酸化炭素冷媒の蒸発温度が、例えば、−２０℃となるように設定されている。つまり、蒸発器（34）では、蒸発温度が二酸化炭素の三重点温度である−５６．５５８℃より高い温度に設定されている。

上記第２圧縮機構（31）と第２膨張機構（32）とは、例えば、何れもローリングピストン型の流体機械に構成されている。なお、上記第２圧縮機構（31）及び第２膨張機構（32）は、ローリングピストン型の流体機械に限定されず、例えば、スクロール型の容積流体機械であってもよい。

上記第２圧縮機構（31）は、電動機（37）を介して第２膨張機構（32）と接続されている。具体的に、電動機（37）は、図示しないステータと、該ステータの内側に配置されたロータとを備えている。上記ロータには、駆動軸であるシャフト（38）が貫通しており、該シャフト（38）は、一端側が、第２圧縮機構（31）に接続されて、第２圧縮機構（31）の駆動軸に構成される一方、他端側が、第２膨張機構（32）と接続されて、第２膨張機構（32）の駆動軸に構成されている。つまり、第２圧縮機構（31）の駆動軸と第２膨張機構の駆動軸は、一体に連結されている。このような構成により、第２圧縮機構（31）は、第２膨張機構（32）において冷媒の膨張により得られた動力と、電動機（37）へ通電して得られた動力との両方によって回転駆動されるように構成されている。

上記冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）は、上述したように、蒸発部（14）内に導入されている。そして、上記蒸発部（14）では、水が１２℃程度で蒸発するように設定されているので、上記放熱部（15）では、二酸化炭素冷媒が、臨界温度（３０．９７８℃）よりも低い所定温度（例えば、２０℃）で凝縮するように構成されている。つまり、上記低温側回路（30）では、高圧が二酸化炭素の臨界圧力（７．３MPa）より低い圧力値（例えば、５．７MPa）となる亜臨界サイクルが行われるように構成されている。

−運転動作−
本実施形態に係る二元冷凍装置（1）の運転動作について説明する。

高温側回路（10）では、第１圧縮機構（11）が駆動して、図１の矢印に示す方向に水が循環する。

冷媒である水は、第１圧縮機構（11）で圧縮されて約９０℃の水蒸気となって吐出し、凝縮器（12）に流入する。該凝縮器（12）は、例えば、内圧が４．７kPaに設定されており、該凝縮器（12）に流入した水蒸気は、伝熱管（17）内の冷却水に放熱して凝縮し、約３２℃の水となる。

凝縮器（12）に貯溜された水は、冷媒配管を通って膨張弁（19）で膨張した後、スプレーノズル（16）により、冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）に噴射され、例えば、１２℃の蒸発温度で蒸発する。ここで、蒸発部（14）の蒸発温度は、水の三重点温度（０．０１℃）より高い温度に設定されているので、蒸発部（14）において、水冷媒が氷となることがないことから、水冷媒の循環が円滑に行われると共に、凍結による冷媒熱交換器（13）や該冷媒熱交換器（13）に接続された配管の破損が起こることがない。

上記蒸発部（14）内の水蒸気は、第１圧縮機構（11）へ再び吸入されて圧縮される。高温側回路（10）ではこのような循環が繰り返されて蒸気圧縮冷凍サイクルが行われる。

一方、低温側回路（30）では、電動機（37）と第２膨張機構（32）によって第２圧縮機構（31）を駆動して、図１の矢印に示す方向に、二酸化炭素が循環する。

冷媒である二酸化炭素は、第２圧縮機構（31）において圧縮され、例えば、５．７MPa、６７℃の吐出ガスとなる。そして、二酸化炭素の吐出ガスは、冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）に導入され、例えば、２０℃で凝縮する。

その後、膨張機構（32）で膨張し、冷凍熱交換器（34）に導入される。該冷凍熱交換器（34）は、二酸化炭素が、庫内ファン（35）によって取り込まれた冷凍庫内の空気から吸熱して−２０℃で蒸発する。これにより、庫内空気が冷却され、庫内が−１５℃に維持される。なお、冷凍熱交換器（34）では、圧力が１．９７MPaに設定されている。また、冷凍熱交換器（34）では、二酸化炭素の三重点温度−５６．５５８℃より高い−２０℃で蒸発するので、上記蒸発器（34）内において、二酸化炭素が固相となることがないことから、低温側回路（30）では二酸化炭素冷媒が円滑に流れる。

−実施形態の効果−
上記二元冷凍装置（1）では、高温側回路（10）の冷媒として水が用いられ、また低温側回路（30）の冷媒として二酸化炭素が用いられている。したがって、上記二元冷凍装置（1）は、オゾン層破壊や地球温暖化をもたらすことなく、さらに、毒性が少なく爆発性もないことから、装置としての信頼性が向上する。

また、低温側回路（30）では、冷媒として二酸化炭素を用い、空気を用いていないために、ダクトが不要になると共にダクトの動力が不要になることから、施工性が向上すると共に、ＣＯＰが向上する。

このようにして、ノンフロンでありながら、フロンの二元冷凍機同等の効率をも得ることができる。

さらに、低温側回路（30）で蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われるので、本実施形態のように、冷凍庫内の温度が−１５℃程度というさほど低くない場合に、空気冷凍サイクルと比べて高いＣＯＰが得られる。

また、高温側回路（10）の蒸発部（14）の温度を１２℃に設定して、低温側回路（30）において、二酸化炭素冷媒が２０℃で凝縮する亜臨界サイクルを行うようにしたために、超臨界サイクルを行う場合と比べて、第２圧縮機構（31）での圧縮動力を小さくできると共に、蒸発器（34）における入口と出口とのエンタルピー差を確実に大きくすることができることから、ＣＯＰが向上する。さらに、上記第２圧縮機構（31）が、第２膨張機構（32）での冷媒により得られた動力を回収するようにしたために、運転効率が向上する。

また、冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）で、二酸化炭素が凝縮するので、冷媒熱交換器（13）が、従来の水と空気とを冷媒として用いた二元冷凍装置の冷媒熱交換器に比べて非常にコンパクトに形成することができるので、省スペース化を図ることができる。

また、上記高温側回路（10）の上記冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）における蒸発温度を水の三重点温度より高い所定温度に設定したために、冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）内で氷が生成されることがないので、高温側回路（10）において、水冷媒を円滑に循環させることができると共に、冷媒熱交換器（13）や該冷媒熱交換器（13）に接続された配管が凍結して破損することがない。

また、上記低温側回路（30）は、上記冷凍熱交換器（34）の蒸発温度が二酸化炭素の三重点温度より高い所定温度に設定されているので、二酸化炭素が固体となることがないことから、低温側回路（30）内で二酸化炭素冷媒が円滑に循環する。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、高温側回路（10）の第１膨張機構として膨張弁（19）を用いたが、第１膨張機構は、冷媒を圧送するポンプや凝縮器（12）と蒸発部（14）の設置高さを調整することによって、この冷媒配管を流れる冷媒（水）の圧力を調整する構成としてもよい。

また、上記実施形態の二元冷凍装置（1）は、庫内冷却を行うものであったが、その他の冷却や加熱などの用途に用いても良い。

また、上記実施形態の冷凍サイクルにおける冷媒の温度及び圧力は例示であって、特に限定されない。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二元冷凍装置について有用である。

実施形態に関わる二元冷凍装置の概略構成図である。

符号の説明

1 二元冷凍装置
10 高温側回路
11 第１圧縮機構
12 凝縮器
13 冷媒熱交換器
14 蒸発部
15 放熱部
19 膨張弁（第１膨張機構）
30 低温側回路
31 第２圧縮機構
32 第２膨張機構
34 冷凍熱交換器（蒸発器）
38 シャフト（駆動軸）

Claims (5)

1. 第１圧縮機構（11）と凝縮器（12）と第１膨張機構（19）と冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）とが順に接続され、水が冷媒として循環する高温側回路（10）と、
   第２圧縮機構（31）と上記冷媒熱交換器（13）の放熱部（15）と第２膨張機構（32）と蒸発器（34）とが順に接続され、二酸化炭素が冷媒として循環する低温側回路（30）とを備え、
   上記冷媒熱交換器（13）は、高温側回路（10）の水と低温側回路（30）の二酸化炭素とが熱交換を行うように構成されている
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記低温側回路（30）は、亜臨界サイクルで運転される
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
3. 請求項１において、
   上記低温側回路（30）の第２圧縮機構（31）及び第２膨張機構（32）は、駆動軸（38）が一体に連結されている
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
4. 請求項１において、
   上記高温側回路（10）は、上記冷媒熱交換器（13）の蒸発部（14）における蒸発温度が水の三重点温度より高い温度に設定されている
   ことを特徴とする二元冷凍装置。
5. 請求項１において、
   上記低温側回路（30）は、上記蒸発器（34）における蒸発温度が二酸化炭素の三重点温度より高い温度に設定されている
   ことを特徴とする二元冷凍装置。

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