JP2008134031A - 非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を使用し、冷媒液配管におけるフラッシュガス発生を防止し、かつ、蒸発器の伝熱性能を向上させる。
【解決手段】凝縮器２により凝縮された液冷媒と蒸発器４により蒸発されたガス冷媒とを熱交換させる対向流式の液−ガス熱交換器５を設け、この液−ガス熱交換器は、凝縮器により凝縮された液冷媒を液冷媒がフラッシュしない過冷却度に冷却し、かつ蒸発器により蒸発されたガス冷媒を乾き度が１．０以上に過熱するように形成し、蒸発器は、蒸発器から排出されるガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように形成することにより、非共沸混合冷媒を使用しても冷媒液配管におけるフラッシュガス発生を防止でき、かつ、蒸発器の伝熱性能を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置に係り、具体的には、液冷媒配管におけるフラッシュガスの発生を防止するとともに、蒸発器における熱交換性能を向上させて成績係数を高めるのに好適な冷凍装置に関する。

フロン代替冷媒として種々の冷媒が提案されているが、例えば、特許文献1には、代替冷媒としてＨＦＣ系のＲ４０４ＡあるいはＲ５０７を使用した冷凍装置が開示されている。このような代替冷媒は、冷媒の物性上から冷媒循環量が増加するのを余儀なくされ、液配管における圧力損失が大きくなり、液配管中でフラッシュガスが発生しやすいという問題がある。そこで、特許文献1では、蒸発器により蒸発されたガス冷媒により凝縮器により凝縮された液冷媒を適度に過冷却して、液配管中においてフラッシュガスが発生するのを防止し、運転状態を安定に保つことが提案されている。

一方、特許文献2には、非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置において、蒸発器の伝熱性能を良好に維持して成績係数（COP）を改善するため、蒸発器により蒸発されたガス冷媒を凝縮器により凝縮され膨張弁に流入される液冷媒により過熱する冷媒熱交換器を設けることが提案されている。これによれば、蒸発器出口の冷媒の乾き度を０．９５以下で運転して蒸発器の伝熱性能を良好に維持する一方、蒸発器出口の冷媒を冷媒熱交換器により過熱して圧縮機入口の冷媒の乾き度を１．０以上にするようにしている。同様の構成の冷凍装置が、特許文献３にも記載されている。特許文献3では、沸点の異なる複数の冷媒からなる非共沸混合冷媒を使用した場合でも、蒸発器内を確実に液で満たすことができ、蒸発器内の冷媒の偏流を確実の防止するようにしている。

特開平９−１９６４８０号公報 特開２０００−８１２５号公報 特開２００５−８３６０８号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載された従来技術では、凝縮器出口の冷媒状態については、沸点の異なる複数の冷媒からなる非共沸混合冷媒を使用した場合、蒸発器内を確実に液で満たすことができるとしている。

本発明が解決しようとする課題は、同一圧力条件における液冷媒温度がガス冷媒温度よりも低い温度勾配をもつ非共沸混合冷媒を使用した場合において、過冷却を大きくとることにより蒸発器の入口温度を低下させ、蒸発器内の媒体と冷媒温度差を大きくすることにより、蒸発器の伝熱性能を向上させることにある。

本発明は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高温高圧のガス冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、該凝縮器により凝縮された液冷媒を減圧する膨張弁と、該膨張弁により減圧された液冷媒を蒸発させて冷熱を発生する蒸発器とを備え、該蒸発器により蒸発されたガス冷媒を前記圧縮機に戻す冷凍サイクルを非共沸混合冷媒を用いて形成してなる冷凍装置を対象とする。

そして、上記の課題を解決するため、凝縮器により凝縮された液冷媒と蒸発器により蒸発されたガス冷媒とを熱交換させる対向流式の液−ガス熱交換器を設け、この液−ガス熱交換器は、凝縮器により凝縮された液冷媒を液冷媒がフラッシュしない過冷却度に冷却し、かつ蒸発器により蒸発されたガス冷媒を乾き度が１．０以上に過熱するように形成する。また、蒸発器は、この蒸発器から排出されるガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように形成する。

本発明によれば、液−ガス熱交換器により凝縮器から排出される液冷媒（二相冷媒）がフラッシュしない過冷却度に冷却されるから、液冷媒配管における圧力損失が大きくても、液冷媒の温度を蒸発温度よりも低くでき、フラッシュガスの発生を防止できる。また、液−ガス熱交換器と蒸発器の熱バランスを、蒸発器出口のガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように形成されているから、蒸発器内に液冷媒を満たすことができ、蒸発器の伝熱性能を向上させることができる。しかも、蒸発器から排出される乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下のガス冷媒は、液−ガス熱交換器によって乾き度が１．０以上に過熱されるから、圧縮機が液圧縮を行うことによる損傷を防止できる。さらに、蒸発器における蒸発温度の上昇により、圧縮機の吸入圧力を上昇させることができ、圧縮機の吸入と吐出の圧力比が小さくなるから、圧縮機の効率を向上させることができる。

上記の場合において、蒸発器の出口のガス冷媒の乾き度を検出する乾き度検出手段と、検出された乾き度を１．０未満、好ましくは０．９５以下に設定された設定値に前記膨張弁を制御することが好ましい。

また、非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における液冷媒温度がガス冷媒温度よりも低い温度勾配を持つ非共沸混合冷媒を用いることができる。これによれば、蒸発器から液−ガス熱交換器に流入されたガス冷媒の温度を、凝縮器から排出される液冷媒の温度により近づけることができ、蒸発温度を更に上昇させて性能を向上させることができる。

一方、凝縮器から液−ガス熱交換器に流入された液冷媒は、さらに低下させ過冷却が大きくなることにより、蒸発器入口温度を低下させ、蒸発器内の媒体と冷媒温度差を大きくすることにより、蒸発器の伝熱性能を向上させることができる。また、非共沸混合冷媒には、例えば、Ｒ４０７Ｃを用いることができる。また、液−ガス熱交換器は、二重管式又はプレート式熱交換器を用いることができる。

本発明によれば、非共沸混合冷媒を使用し、冷媒液配管におけるフラッシュガス発生を防止し、かつ、蒸発器の伝熱性能を向上させて、成績係数を高めることができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。図１に、本発明の一実施形態の冷凍装置の系統構成図を示す。図示のように、本実施形態の冷凍装置は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された高温高圧のガス冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮器２により凝縮された液冷媒を減圧する膨張弁３と、膨張弁３により減圧された液冷媒を蒸発させて冷熱を発生する蒸発器４とを備え、蒸発器４により蒸発されたガス冷媒を圧縮機１に戻す冷凍サイクルが形成されている。特に、本実施形態では、凝縮器２により凝縮された液冷媒と蒸発器４により蒸発されたガス冷媒とを熱交換させる対向流式の液−ガス熱交換器５が設けられている。

液−ガス熱交換器５は、凝縮器２により凝縮された液冷媒が膨張弁３までの液冷媒配管内でフラッシュしない過冷却度に冷却するように、かつ蒸発器４により蒸発されたガス冷媒を乾き度が１．０以上に過熱するように、熱バランスが設計されて形成されている。また、蒸発器４は、蒸発器の出口におけるガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように熱バランスが設計されて形成されている。そして、本実施形態では、同一圧力条件における液冷媒温度がガス冷媒温度よりも低い温度勾配を持つ非共沸混合冷媒であるR４０７Cを用いて冷凍サイクルが形成されている。

また、蒸発器４の出口の冷媒配管に、蒸発器出口のガス冷媒の温度を検出するサーミスタなどの温度センサ６と、蒸発器出口のガス冷媒の圧力を検出する圧力センサ７が設けられている。これらの温度センサ６と圧力センサ７により検出されたガス冷媒の温度と圧力に基づいて、図示していない制御手段において、蒸発器出口のガス冷媒の乾き度を演算するようになっている。

このように構成される本実施形態の冷凍装置の動作を説明する。圧縮機１により圧縮された非共沸混合冷媒の高圧／高温のガス冷媒は、凝縮器２により例えば冷却水と熱交換し、高圧／高温の液とガスの二相冷媒となり、液−ガス熱交換器５に流入し高圧／高温の液冷媒になる。この液冷媒は膨張弁３により減圧され、蒸発器４で蒸発して液とガスの二相冷媒になり、液−ガス熱交換器５で過熱されガス冷媒となって圧縮機１に戻る。

凝縮器２の出口冷媒である液とガスの二相状態の冷媒と、蒸発器４の出口冷媒である液とガスの二相状態の冷媒は、液−ガス熱交換器５で熱交換し、凝縮器２からの冷媒は液冷媒に、蒸発器４からの冷媒はガス冷媒となる。

また、蒸発器４の出口冷媒の乾き状態を制御するため、温度センサ６の検出温度と、圧力センサ７の検出圧力により、図示していない制御手段は、蒸発器４の出口冷媒の液とガスの割合である乾き度を求め、その乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように膨張弁３により制御する。

ここで、図２に、液−ガス熱交換器５内の冷媒温度の状態変化を示す。図示のように、凝縮器２の出口冷媒と、蒸発器４の出口冷媒を二重管やプレート式熱交換器を使用した液−ガス熱交換器５内で、流れ方向を対向流とし熱交換させる。これにより、蒸発器４の出口冷媒温度を凝縮器２の出口冷媒温度に近づけることができる。その結果、圧縮機１の吸入圧力を上昇させることができ、圧縮機１の吸入と吐出の圧力比を小さくでき、圧縮機効率の向上を図ることができる。

図３に、本実施形態の蒸発器４の出口冷媒の乾き度による蒸発温度と、冷却能力及び成績係数（冷却能力／消費電力）を比率にして示す。図から明らかなように、乾き度が少ない程、蒸発温度が上昇し冷却能力と成績係数は向上する。しかし、圧縮機１にはガス冷媒で吸入させる必要があり、蒸発器４の出口冷媒の乾き度が少ない場合、液−ガス熱交換器５の容量を大きくする必要がある。

そこで、本実施形態によれば、液−ガス熱交換器５は、凝縮器２から排出される液冷媒が膨張弁３までの液冷媒配管内でフラッシュしない過冷却度に冷却し、かつ蒸発器４により蒸発されたガス冷媒を乾き度が１．０以上に過熱するように、熱バランスが設計されているから、液冷媒配管における圧力損失が大きくても、液冷媒の温度を蒸発温度よりも低くでき、非共沸混合冷媒を使用しても冷媒液配管におけるフラッシュガス発生を防止できる。また、蒸発器４は、蒸発器の出口におけるガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように熱バランスが設計されているから、蒸発器４の伝熱性能を向上させることができ、冷凍装置の成績係数を向上することができる。したがって、本実施形態は、同一圧力条件における液冷媒温度がガス冷媒温度よりも低い温度勾配を持つ非共沸混合冷媒である例えばR４０７Cに好適である。

また、温度センサ６と圧力センサ７により検出されたガス冷媒の温度と圧力に基づいて、制御手段において蒸発器出口のガス冷媒の乾き度を演算し、これに基づいて膨張弁３の開度を制御することにより、本発明の狙いとする制御を安定に行うことができる。

本発明の一実施形態の冷凍装置の系統構成図である。 液−ガス熱交換器内における冷媒温度の状態変化を説明する図である。 蒸発器の出口冷媒の乾き度による蒸発温度と、冷却能力及び成績係数（冷却能力／消費電力）を比率で示した図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ 液−ガス熱交換器
６ 温度センサ
７ 圧力センサ

Claims (5)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機により圧縮された高温高圧のガス冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器と、該凝縮器により凝縮された液冷媒を減圧する膨張弁と、該膨張弁により減圧された液冷媒を蒸発させて冷熱を発生する蒸発器とを備え、該蒸発器により蒸発されたガス冷媒を前記圧縮機に戻す冷凍サイクルを非共沸混合冷媒を用いて形成してなる冷凍装置において、
   前記凝縮器により凝縮された液冷媒と前記蒸発器により蒸発されたガス冷媒とを熱交換させる対向流式の液−ガス熱交換器を設け、
   該液−ガス熱交換器は、前記凝縮器により凝縮された液冷媒を該液冷媒がフラッシュしない過冷却度に冷却し、かつ前記蒸発器により蒸発されたガス冷媒を乾き度が１．０以上に過熱するように形成され、
   前記蒸発器は、該蒸発器から排出されるガス冷媒の乾き度が１．０未満、好ましくは０．９５以下になるように形成されたことを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項1において、
   前記蒸発器の出口のガス冷媒の乾き度を検出する乾き度検出手段と、検出された乾き度を１．０未満、好ましくは０．９５以下に設定された設定値に前記膨張弁を制御することにより制御する制御手段とを設けたことを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項1又は2において、
   前記非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における液冷媒温度がガス冷媒温度よりも低い温度勾配を持つ非共沸混合冷媒であることを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項1乃至3のいずれか1項において、
   前記非共沸混合冷媒は、Ｒ４０７Ｃであり、
   前記液−ガス熱交換器は、二重管式又はプレート式熱交換器であることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項1において、
   前記凝縮器で凝縮された液冷媒を、前記液−ガス熱交換器により過冷却し、前期蒸発器の冷媒入口温度をさらに低下させることにより、熱交換する媒体との温度差を拡大して、蒸発器の伝熱性能を向上させてなることを特徴とする冷凍装置。

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