JP2008224206A - 2元冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】2元冷凍サイクル装置において炭酸ガスを冷媒とする冷凍機で、簡単な構造で構成機器数が少なく、運転操作やメインテナンスが容易な装置で極低温の被冷却流体を得る。
【解決手段】カスケード熱交換器31と凝縮器2間を低元冷媒が循環可能に構成し、炭酸ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧炭酸ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する低元冷媒により冷却して炭酸ガス液若しくは超臨界炭酸ガス流体とする凝縮器と、該凝縮器からのCO2液若しくは超臨界CO2流体を、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすCO2膨張装置3と、前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を前記冷却負荷6からの被冷却流体に供給し、昇華後のCO2ガスを前記圧縮機に送るCO2昇華手段とを備えてなる。
【選択図】図1
【解決手段】カスケード熱交換器31と凝縮器2間を低元冷媒が循環可能に構成し、炭酸ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧炭酸ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する低元冷媒により冷却して炭酸ガス液若しくは超臨界炭酸ガス流体とする凝縮器と、該凝縮器からのCO2液若しくは超臨界CO2流体を、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすCO2膨張装置3と、前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を前記冷却負荷6からの被冷却流体に供給し、昇華後のCO2ガスを前記圧縮機に送るCO2昇華手段とを備えてなる。
【選択図】図1
Description
本発明は、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、CO2圧縮機により圧縮されたCO2冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置に係り、特にCO2(炭酸ガス)を冷媒とし、該CO2を三重点以下の温度、圧力レベルまで冷却して固体・ガス二相CO2とした冷媒サイクルにより冷熱負荷に冷熱を供給する2元冷凍サイクル装置に関する。
冷却負荷からの被冷却流体を、−(マイナス)数十℃という極低温に冷却する冷却手段として、高温側(高元側)と低温側(低元側)との二つの冷凍サイクルを組み合わせた2元冷却手段が、従来から用いられている。
かかる2元冷却手段の1つに、特許文献1(特開平11−14172号公報)、特許文献2(特開平11−30599号公報)等の技術が提供されている。
かかる2元冷却手段の1つに、特許文献1(特開平11−14172号公報)、特許文献2(特開平11−30599号公報)等の技術が提供されている。
特許文献1及び特許文献2の技術においては、高元側冷媒としてフロンR13あるいはフロンR22を用い、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁及びカスケードコンデンサの高元側蒸発器を該高元側冷媒(フロンR13あるいはフロンR22)が流れる高元側冷凍サイクルと、低元側冷媒としてCO2(炭酸ガス)を用い、低元側圧縮機、カスケードコンデンサの低元側凝縮器、低元側膨張弁及びCO2蒸発器(低元側蒸発器)を低元側冷媒(CO2)が流れる低高元側冷凍サイクルとを組み合わせ、前記カスケードコンデンサの高元側蒸発器により該カスケードコンデンサの低元側凝縮器を冷却することによって、極低温の被冷却流体を得るとともに、CO2蒸発器においてCO2を蓄熱材として液体と固体(ドライアイス)の状態で蓄熱作用を行わせるように構成されている。
前記特許文献1(特開平11−14172号公報)、特許文献2(特開平11−30599号公報)等で提供されている従来技術にあっては、極低温の被冷却流体を得るのに、高元側冷媒(フロンR13あるいはフロンR22)が流れる高元側冷凍サイクルと低元側冷媒(CO2)が流れる低高元側冷凍サイクルとの2つの冷凍サイクルを組み合わせているため、構成機器数が多くなって構造が複雑となるとともに装置コストが高くなり、さらには運転操作やメインテナンスも煩雑となる、
等の問題点を有している。
等の問題点を有している。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、CO2圧縮機により圧縮されたCO2冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる2元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本発明はかかる目的を達成するもので、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、CO2圧縮機により圧縮されたCO2冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を低元冷媒(冷却流体)が循環可能に構成し、
CO2ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧CO2ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体(低元冷媒)により冷却してCO2液若しくは超臨界CO2流体とする凝縮器と、該凝縮器からのCO2液若しくは超臨界CO2流体を、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすCO2膨張装置と、該CO2膨張装置から送給される前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のCO2ガスを前記圧縮機に送るCO2昇華手段とを備えてなることを特徴とする。
前記CO2膨張装置としては、毛細管状の細管内を凝縮器からのCO2凝縮体を通流させることにより該CO2凝縮体を減圧して固体・ガス二相CO2を形成するキャピラリチューブ、あるいは、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記CO2凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相CO2とするスクリュー式膨張機を用いるのがよい。
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を低元冷媒(冷却流体)が循環可能に構成し、
CO2ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧CO2ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体(低元冷媒)により冷却してCO2液若しくは超臨界CO2流体とする凝縮器と、該凝縮器からのCO2液若しくは超臨界CO2流体を、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすCO2膨張装置と、該CO2膨張装置から送給される前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のCO2ガスを前記圧縮機に送るCO2昇華手段とを備えてなることを特徴とする。
前記CO2膨張装置としては、毛細管状の細管内を凝縮器からのCO2凝縮体を通流させることにより該CO2凝縮体を減圧して固体・ガス二相CO2を形成するキャピラリチューブ、あるいは、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記CO2凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相CO2とするスクリュー式膨張機を用いるのがよい。
かかる発明において好ましくは、前記CO2膨張装置を第1段膨張装置と第2段膨張装置とを直列に接続して構成し、該第1段膨張装置と第2段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置し、該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するガス管路を設けてなるのがよい。
かかる発明によれば、CO2ガスは圧縮機で60MPa以上の高圧、好ましくは飽和圧力あるいは超臨界圧力で25℃程度の温度レベルに圧縮されたCO2ガスは、凝縮器において冷却流体によって−10℃程度まで冷却されて、CO2液あるいは超臨界CO2流体となってCO2膨張装置に導かれる。
該CO2膨張装置においては、好ましくは前記キャピラリチューブあるいはスクリュー式膨張機を用いて、前記CO2の液あるいは超臨界CO2流体をCO2の三重点以下の温度(−56℃)及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすのがよい。
かかる固体・ガス二相CO2は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分(ドライアイス)を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
該CO2膨張装置においては、好ましくは前記キャピラリチューブあるいはスクリュー式膨張機を用いて、前記CO2の液あるいは超臨界CO2流体をCO2の三重点以下の温度(−56℃)及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすのがよい。
かかる固体・ガス二相CO2は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分(ドライアイス)を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
かかるCO2膨張装置による減圧時において、該CO2膨張装置を第1段膨張装置と第2段膨張装置とを直列に接続して構成するとともに、前記圧縮機を低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とを直列に接続して構成し、該第1段膨張装置と第2段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置して該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するように構成すれば、該CO2膨張装置における固体・ガス二相CO2を生成するための減圧量が大きくても、きわめて容易に三重点以下の温度(−56℃)及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体・ガス二相CO2を生成できる。
前記CO2膨張装置で、前記三重点以下の状態に保持された固体・ガス二相CO2はCO2昇華手段に導入され、該CO2昇華手段において、冷却負荷からの被冷却流体と直接的にあるいは間接的に熱交換して、該固体・ガス二相CO2の固体分が昇華し、その昇華熱によって前記冷却負荷からの被冷却流体から奪熱する。これにより、前記冷却負荷に、前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を供給することができる。
従って、かかる発明によれば、CO2ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧CO2ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのCO2凝縮体をCO2の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相CO2となす1つあるいは直列に複数設けられたCO2膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相CO2と被冷却流体とを熱交換するCO2昇華手段とを組み合わせてなるCO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献1、2等の従来技術のような、液体CO2の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の2元冷凍サイクル装置が得られる。
また、CO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献1、2等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの2つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、1つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
また、CO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献1、2等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの2つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、1つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
また、かかる発明において好ましくは、前記被冷却流体として前記冷却負荷に冷熱を供給するブラインを用い、前記CO2昇華手段は、前記CO2膨張装置から送給される前記固体・ガス二相CO2とブラインとを直接接触させて該ブラインに前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を供給するように構成された直接接触CO2昇華装置からなる。
このように構成すれば、冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相CO2とを直接接触させて、該固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相CO2側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなるのがよい。
このように構成すれば、冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相CO2とを直接接触させて、該固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相CO2側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなるのがよい。
また、かかる発明において好ましくは、前記CO2昇華手段は、前記CO2膨張装置から送給される前記固体・ガス二相CO2と前記冷却負荷からの被冷却流体とを間接接触させて該被冷却流体に前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を供給するように構成された間接接触CO2昇華熱交換器からなる。
このように構成すれば、被冷却流体を多数の細管内に流し、固体・ガス二相CO2を該細管の外側に流すことにより、CO2昇華手段として格別な装置を設置することなく汎用の熱交換器を容易に利用できる。
このように構成すれば、被冷却流体を多数の細管内に流し、固体・ガス二相CO2を該細管の外側に流すことにより、CO2昇華手段として格別な装置を設置することなく汎用の熱交換器を容易に利用できる。
また、かかる発明において、前記凝縮器において前記高圧CO2ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。
このように構成すれば、凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。
以上記載のごとく本発明によれば、CO2ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧CO2ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのCO2凝縮体をCO2の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相CO2となす1つあるいは直列に複数設けられたCO2膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相CO2と被冷却流体とを熱交換するCO2昇華手段とを組み合わせてなるCO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体CO2の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の2元冷凍サイクル装置が得られる。
また、CO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献1、2等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの2つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、1つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
又凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。特に前記凝縮器2とカスケード熱交換器との間を低元冷媒管を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧CO2ガスを冷却、凝縮するようになる。
又凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。特に前記凝縮器2とカスケード熱交換器との間を低元冷媒管を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧CO2ガスを冷却、凝縮するようになる。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1(A)は本発明の第1実施例に係る2元冷凍サイクル装置を示し、(A)はその系統図、(B)は直接接触昇華装置の他の例を示す構成図である。図2は第2実施例に係る2元冷凍サイクル装置を示し、(A)はその系統図、(B)は間接接触CO2昇華熱交換器を示す構成図である。図3は第3実施例に係る2元冷凍サイクル装置の要部系統図である。図4は本発明の作用を示すモリエル線図である。図5は炭酸ガスの状態図である。
第1実施例を示す図1(A)において、1はモータにより駆動される圧縮機で、低圧段圧縮機1bと高圧段圧縮機1aとを直列に接続して構成される。33は前記低圧段圧縮機1bのガス出口と高圧段圧縮機1aのガス入口との間に設置された中間冷却器である。
2は前記高圧段圧縮機1aから冷媒管9を通して送られる高圧CO2ガスを冷却、凝縮する凝縮器である。
2は前記高圧段圧縮機1aから冷媒管9を通して送られる高圧CO2ガスを冷却、凝縮する凝縮器である。
32は高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機、31はカスケード熱交換器で、該アンモニア冷凍機32からの高元冷媒を高元冷媒管34、35を通してカスケード熱交換器31に循環し、前記凝縮器2とカスケード熱交換器31との間を低元冷媒管20、21を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧CO2ガスを冷却、凝縮するようになっている。
3は前記凝縮器2出口に冷媒管13を介して接続されるCO2膨張装置で、この実施例では毛細管状の細管内を前記凝縮器2からのCO2凝縮体を通流させることにより、該CO2凝縮体を減圧して固体・ガス二相CO2を形成するようにした、公知のキャピラリチューブを用いている。
また、前記CO2膨張装置は、本件出願人の出願に係る特開2002−168185号公報に記載されたスクリュー式圧縮機の回転方向を逆にするとともに、吸入口と吐出口とを逆にして、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記凝縮器2からのCO2凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相CO2とするスクリュー式膨張機を用いてもよい。
また、前記CO2膨張装置は、本件出願人の出願に係る特開2002−168185号公報に記載されたスクリュー式圧縮機の回転方向を逆にするとともに、吸入口と吐出口とを逆にして、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記凝縮器2からのCO2凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相CO2とするスクリュー式膨張機を用いてもよい。
4は前記CO2膨張装置に冷媒管10を介して接続される直接接触CO2昇華装置である。該直接接触CO2昇華装置には、冷却負荷6側からブラインが循環されており、貯液槽11bの内部に溜められたブライン11a中に、前記CO2膨張装置3から前記冷媒管10を経て送給される前記固体・ガス二相CO2を該冷媒管10の端部に連結されたCO2噴出器4aより噴出して、該固体・ガス二相CO2とブラインとを直接接触させ、該ブラインの熱によって前記固体・ガス二相CO2を昇華させ、該昇華によってブラインから奪熱するようになっている。
図1(B)は前記直接接触CO2昇華装置4の他の例を示し、この例においては、前記冷媒管10の端部に連結されたCO2噴出器4bを該直接接触CO2昇華装置4内のガス空間11c内に設け、前記固体・ガス二相CO2を該CO2噴出器4bから前記ブライン11aの表面に霧状に噴出せしめるようになっている。
図1(B)は前記直接接触CO2昇華装置4の他の例を示し、この例においては、前記冷媒管10の端部に連結されたCO2噴出器4bを該直接接触CO2昇華装置4内のガス空間11c内に設け、前記固体・ガス二相CO2を該CO2噴出器4bから前記ブライン11aの表面に霧状に噴出せしめるようになっている。
5はブライン熱交換器で、該ブライン熱交換器5と前記直接接触CO2昇華装置4との間をブライン管11及び12を介して循環するブラインと、該ブライン熱交換器5と前記冷却負荷6との間を冷却管22及び23を介して循環する被冷却流体とを熱交換して、該ブラインの冷熱により前記被冷却流体を冷却するものである。7は前記ブラインを循環させるためのブラインポンプ、6aは前記被冷却流体を循環させるための冷却流体ポンプである。
前記直接接触CO2昇華装置4にて昇華したガス空間11c内のCO2ガスは、冷媒管8を介して前記低圧段圧縮機1bの吸入口に吸入されるようになっている。
前記直接接触CO2昇華装置4にて昇華したガス空間11c内のCO2ガスは、冷媒管8を介して前記低圧段圧縮機1bの吸入口に吸入されるようになっている。
かかる構成からなる2元冷凍サイクル装置において、冷媒管8を通して低圧段圧縮機1bに吸入されたCO2ガスは、該低圧段圧縮機1bにおいて、第1段目の圧縮がなされ(図4のA→B)、中間冷却器33において冷却、降温された(図4のB→C)後、高圧段圧縮機1aにおいてさらに圧縮されて(図4のC→D)、飽和圧力あるいは超臨界圧力で25℃程度の温度レベルに圧縮された高圧CO2ガスとなり、凝縮器2に導入される。
前記凝縮器2においては、該凝縮器2と前記カスケード熱交換器31との間を低元冷媒管20、21を介して循環する低元冷媒と、前記圧縮機11からの高圧CO2ガスとを熱交換して、該低元冷媒によって前記飽和圧力あるいは超臨界圧力の高圧状態のCO2ガスを−10℃程度まで冷却して、CO2液あるいは超臨界CO2流体とする(図4のD→E1)。
即ち、前記カスケード熱交換器31においては、アンモニア冷凍機32における高元冷凍サイクルのアンモニア冷媒(高元冷媒)の蒸発によってと前記凝縮器2を循環する低元冷媒を冷却する。そして低温に冷却された低元冷媒は、前記凝縮器2に送られて前記高圧CO2ガスと熱交換することにより、前記低温(−10℃程度)まで冷却、凝縮される。
即ち、前記カスケード熱交換器31においては、アンモニア冷凍機32における高元冷凍サイクルのアンモニア冷媒(高元冷媒)の蒸発によってと前記凝縮器2を循環する低元冷媒を冷却する。そして低温に冷却された低元冷媒は、前記凝縮器2に送られて前記高圧CO2ガスと熱交換することにより、前記低温(−10℃程度)まで冷却、凝縮される。
このように構成すれば、凝縮器2での高圧CO2ガス冷却用として、アンモニア冷凍機32における高元冷凍サイクルの高元冷媒により低温に冷却された低元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり、高圧CO2ガスを1段冷却で所要の低温に冷却できる。
尚、前記凝縮器2の冷却度を大きくとる必要がない場合等においては、高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機32及びカスケード熱交換器31を設けずに、他の冷却源からの冷却流体を凝縮器2に通すことにより、前記高圧CO2ガスを冷却、凝縮するように構成してもよい。
尚、前記凝縮器2の冷却度を大きくとる必要がない場合等においては、高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機32及びカスケード熱交換器31を設けずに、他の冷却源からの冷却流体を凝縮器2に通すことにより、前記高圧CO2ガスを冷却、凝縮するように構成してもよい。
前記凝縮器2において、飽和圧力あるいは超臨界圧力で−10℃程度まで冷却されたCO2液あるいは超臨界CO2流体は、該CO2膨張装置3に導入される。
キャピラリチューブからなる前記CO2膨張装置3においては、前記CO2液あるいは超臨界CO2流体を、図5に示されるような、CO2の三重点(−56℃)以下となる温度及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2(ドライアイス)とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となして、直接接触CO2昇華装置4に送給する。
この場合、かかる固体・ガス二相CO2は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分(ドライアイス)を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
キャピラリチューブからなる前記CO2膨張装置3においては、前記CO2液あるいは超臨界CO2流体を、図5に示されるような、CO2の三重点(−56℃)以下となる温度及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2(ドライアイス)とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となして、直接接触CO2昇華装置4に送給する。
この場合、かかる固体・ガス二相CO2は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分(ドライアイス)を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
該直接接触CO2昇華装置4に導入された固体・ガス二相CO2は、CO2噴出器4aもしくは4bによって貯液槽11bの内部に溜められたブライン11a中に噴出せしめられ、該ブライン11aと直接接触せしめられる。
かかるブライン11aとの直接接触により、前記固体・ガス二相CO2中の固体分(ドライアイス)は該ブラインの熱によって昇華せしめられ、該昇華によってブラインから奪熱する。これにより冷却されたブラインは、前記ブライン熱交換器5を循環して、該ブライン熱交換器5において冷却負荷6からの被冷却流体と熱交換する。
これにより、前記被冷却流体は該ブラインの冷熱により所定温度に冷却される。
かかるブライン11aとの直接接触により、前記固体・ガス二相CO2中の固体分(ドライアイス)は該ブラインの熱によって昇華せしめられ、該昇華によってブラインから奪熱する。これにより冷却されたブラインは、前記ブライン熱交換器5を循環して、該ブライン熱交換器5において冷却負荷6からの被冷却流体と熱交換する。
これにより、前記被冷却流体は該ブラインの冷熱により所定温度に冷却される。
一方、前記固体・ガス二相CO2の昇華によってガス空間11cに貯められたCO2ガスは、前記冷媒管8を介して前記低圧段圧縮機1bの吸入口に吸入される。
このように、前記低圧段圧縮機1bによって前記ガス空間11cのガスを吸引しているので、該直接接触CO2昇華装置4内の圧力が上昇することはない。
このように、前記低圧段圧縮機1bによって前記ガス空間11cのガスを吸引しているので、該直接接触CO2昇華装置4内の圧力が上昇することはない。
前記のように、かかる実施例によれば、CO2を冷媒とする1つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相CO2の昇華熱を利用して冷却負荷6に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体CO2の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の2元冷凍サイクル装置が得られる。
また、直接接触CO2昇華装置4において冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相CO2とを直接に接触させて、該固体・ガス二相CO2中の固体分の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相CO2側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなる。
また、直接接触CO2昇華装置4において冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相CO2とを直接に接触させて、該固体・ガス二相CO2中の固体分の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相CO2側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなる。
図2(A)、(B)に示される第2実施例においては、前記直接接触CO2昇華装置4に代えて、間接接触CO2昇華熱交換器30を用いている。
即ち間接接触CO2昇華熱交換器30は、図2(B)に示されるように、通常使用されている多管式熱交換器を用いることができる。
即ち間接接触CO2昇華熱交換器30は、図2(B)に示されるように、通常使用されている多管式熱交換器を用いることができる。
図2(B)において、30b及び30cは、冷却液管23、24を介して冷却負荷6に接続されるヘッダー、30aは該ヘッダー30b、30c間に架設された多数の冷却管で、内部を冷却負荷6からの被冷却流体が通流する。該冷却管30aの間には前記CO2膨張装置3から冷媒管10を通って前記固体・ガス二相CO2が通流するCO2通路30eが形成されており、前記冷却管30a内の被冷却流体と熱交換するようになっている。
即ち、該間接接触CO2昇華熱交換器30においては、前記CO2膨張装置3から送給される固体・ガス二相CO2と冷却管30aを流れる前記冷却負荷6からの被冷却流体とを間接接触させて、該被冷却流体に前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を供給する。
その他の構成は図1に示される第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
即ち、該間接接触CO2昇華熱交換器30においては、前記CO2膨張装置3から送給される固体・ガス二相CO2と冷却管30aを流れる前記冷却負荷6からの被冷却流体とを間接接触させて、該被冷却流体に前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を供給する。
その他の構成は図1に示される第1実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
第3実施例を示す図3においては、前記第1、第2実施例におけるCO2膨張装置3に代えて第1段CO2膨張装置3aと第2段CO2膨張装置3bとを冷媒管42及び43を介して直列に接続して構成するとともに、該第1段CO2膨張装置3aと第2段CO2膨張装置3bとの間に気液を分離する気液分離器41を設置している。
該気液分離器41でCO2ガスを分離させた後の液体CO2は、冷媒管43を介して前記第2段CO2膨張装置3bに送られ、該第2段CO2膨張装置3bにおいて、図5に示されるような、CO2の三重点(−56℃)以下となる温度及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2(ドライアイス)とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となして、直接接触CO2昇華装置4(あるいは間接接触CO2昇華熱交換器)に送給する。
また、前記気液分離器41で分離されたCO2ガスは、冷媒管44を介して前記高圧段圧縮機1aの吸入口に供給される。
該気液分離器41でCO2ガスを分離させた後の液体CO2は、冷媒管43を介して前記第2段CO2膨張装置3bに送られ、該第2段CO2膨張装置3bにおいて、図5に示されるような、CO2の三重点(−56℃)以下となる温度及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体CO2(ドライアイス)とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となして、直接接触CO2昇華装置4(あるいは間接接触CO2昇華熱交換器)に送給する。
また、前記気液分離器41で分離されたCO2ガスは、冷媒管44を介して前記高圧段圧縮機1aの吸入口に供給される。
かかる第3実施例のように構成すれば、CO2膨張装置3a、3bにおける固体・ガス二相CO2を生成するための減圧量が大きくても、第1段CO2膨張装置3aと第2段CO2膨張装置3bとを直列に接続して2段膨張(図4のE→F及びG→H)させることにより、液体CO2あるいは超臨界CO2流体をきわめて容易に三重点以下の温度(−56℃)及び圧力まで減圧して、−70℃程度の固体・ガス二相CO2を生成できる。
かかる発明によれば、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、CO2圧縮機により圧縮されたCO2冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる2元冷凍サイクル装置を提供できるとともに、前記凝縮器において前記高圧CO2ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。
このように構成すれば、凝縮器での高圧CO2ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器2の冷却度が大きくなり高圧CO2ガスを1段冷却で、より低温に冷却できる。
1 圧縮機
1a 高圧段圧縮機
1b 低圧段圧縮機
2 凝縮器
3 CO2膨張装置
3a 第1段CO2膨張装置
3b 第2段CO2膨張装置
4 直接接触CO2昇華装置
4a、4b CO2噴出器
5 ブライン熱交換器
6 冷却負荷
11a ブライン
30 間接接触CO2昇華熱交換器
31 カスケード熱交換器
32 アンモニア冷凍機
41 気液分離器
1a 高圧段圧縮機
1b 低圧段圧縮機
2 凝縮器
3 CO2膨張装置
3a 第1段CO2膨張装置
3b 第2段CO2膨張装置
4 直接接触CO2昇華装置
4a、4b CO2噴出器
5 ブライン熱交換器
6 冷却負荷
11a ブライン
30 間接接触CO2昇華熱交換器
31 カスケード熱交換器
32 アンモニア冷凍機
41 気液分離器
Claims (3)
- 高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、CO2圧縮機により圧縮されたCO2冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を冷却流体が循環可能に構成し、
CO2ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧CO2ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体により冷却してCO2液若しくは超臨界CO2流体とする凝縮器と、該凝縮器からのCO2液若しくは超臨界CO2流体を、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体CO2とCO2ガスとの混合体である固体・ガス二相CO2となすCO2膨張装置と、該CO2膨張装置から送給される前記固体・ガス二相CO2の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のCO2ガスを前記圧縮機に送るCO2昇華手段とを備えてなることを特徴とする2元冷凍サイクル装置。 - 前記CO2膨張装置を第1段膨張装置と第2段膨張装置とを直列に接続して構成し、該第1段膨張装置と第2段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置し、該気液分離器からのガスを高圧段圧縮機の吸入口に供給するガス管路を設けてなることを特徴とする請求項1記載の2元冷凍サイクル装置。
- 前記CO2膨張装置は、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によってCO2凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相CO2とするスクリュー式膨張機からなることを特徴とする請求項2に記載の2元冷凍サイクル装置。
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