JP2008309343A - 膨張機構及びこれを備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器を通過する冷媒の流量を増大させて冷凍能力を大幅に高めることができる膨張機構を提供すること。
【解決手段】ボルテックスチューブ１３を備え、該ボルテックスチューブ１３に凝縮器からの高圧液冷媒を導入してその内部で渦流を発生させ、該渦流によって発生する真空域Ｒ１の吸引力によって蒸発器からのガス冷媒をボルテックスチューブ１３内に吸引し、該ガス冷媒と前記高圧液冷媒とをミキシングして低温冷媒と高温冷媒とに熱分離するとともに、ボルテックスチューブ１３から膨張室Ｓ２内の気液分離域Ｒ２へと流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに気液分離して液冷媒を液溜部Ｓ３に貯留し、該液冷媒を前記蒸発器に導入し、ガス冷媒を前記圧縮機に導入するようにした膨張機構１０において、前記真空域Ｒ１と前記気液分離域Ｒ２の間に両者を分離するゾーンセパレータ１６を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボルテックスチューブを利用した膨張機構及びこれを備えた冷凍装置に関するものである。

冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で接続して構成され、凝縮器において凝縮した高圧液冷媒を膨張機構によって膨張させて減圧し、この減圧された低圧液冷媒を蒸発器で蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によって冷却を行うものである。

ところで、斯かる冷凍装置の膨張機構としては、今までは膨張弁やキャピラリーチューブ等の絞り機構を利用するものが主流であるが、その他としては高速ジェット噴流によって液冷媒を膨張させるエジェクタ、ボルテックスチューブを利用するもの等が知られている。

特許文献１，２には、冷凍サイクルにおける膨張機構にボルテックスチューブを利用した冷凍装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１，２に記載された冷凍装置は、何れもボルテックスチューブでの渦流を熱分離の手段として利用しているものの、汎用の冷凍サイクルには利用しづらいという問題を有している。ボルテックスチューブは、渦流によって冷媒を高温と低温に熱分離するものであり、一次冷媒を二分して低温冷媒を生成するために低温冷媒の流量が減少するという欠点を有している。しかも、ボルテックスチューブから出た高温冷媒を凝縮器の上流に戻す構成が採用されているため、圧力の低い方から高い方へ冷媒を戻すという矛盾がある。

そこで、本出願人は、図４に示す膨張機構を備えた冷凍機を先に提案した（特願２００６−１３６５０２において）。ここで、図４に示す膨張機構について説明する。

図４は従来の膨張機構の縦断面図であり、図示の膨張機構１１０は、円筒状の外筒１１２内にボルテックスチューブ１１３を同心的に組み込んで構成されており、このボルテックスチューブ１１３は、その上部外周がリング状の支持板１１４によって外筒１１２の内周面に支持されている。そして、外筒１１２内は、前記支持板１１４とその下方に配されたリング状のバッフル板１１５とで上方からチャンバＳ１、膨張室Ｓ２、液溜部Ｓ３に区画されており、前記ボルテックスチューブ１１３の下端は膨張室Ｓ２内に開口している。

又、ボルテックスチューブ１１３は、その上端開口部がカバー１１８によって覆われるとともに、上端外周部には、前記チャンバＳ１に開口する複数のノズル１１９が接線方向に設けられている。そして、ボルテックスチューブ１１３の上部中心部には、吸込管１２０が外筒１１２の上壁及び前記カバー１１８を貫通して上方から挿入されており、この吸込管１２０の下端はボルテックスチューブ１１３の内部に開口している。

更に、外筒１１２の外周部にはチャンバＳ１に開口するポート１２１と膨張室Ｓ２に開口するポート１２２が設けられ、外筒１１２の下端中心部には液溜部Ｓ３に開口するポート１２３が設けられている。

而して、図示しないが、冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、蒸発器及び上記膨張機構１１０を冷媒配管で接続して閉回路である冷媒循環回路を形成することによって構成されており、圧縮機の吐出側から導出する冷媒配管は、凝縮器の入口側に接続され、凝縮器の出口側から導出する冷媒配管は、膨張機構１１０のポート１２１に接続されている。又、膨張機構１１０のポート１２３から導出する冷媒配管は、蒸発器の入口側に接続され、蒸発器の出口側から導出する冷媒配管は、膨張機構の吸込管１２０に接続されている。そして、膨張機構１１０のポート１２２から導出する冷媒配管は、圧縮機の吸入側に接続されている。
特開平８−３０３８７９号公報 特開平８−３１３０７２号公報

しかしながら、図４に示す膨張機構１１０おいては、効果的な真空ポンプ作用が得られず、蒸発器での冷媒流量を大きくすることが難しいために高い冷凍能力を得ることができないという問題があった。以下、その理由を膨張機構１１０内部での冷媒の挙動を示す図５に基づいて説明する。

冷凍装置の凝縮器において液化した高圧の液体冷媒は、膨張機構１１０のポート１２１から外筒１１２内のチャンバＳ１内に導入され、複数のノズル１１９からボルテックスチューブ１１３内に接線方向に噴流となって噴き出す。この噴流は、ボルテックスチューブ１１３の内壁に沿って渦を形成し、ボルテックスチューブ１１３の下端開口部から水平に近い方向へと吹き出す。液体冷媒の渦流が形成されるボルテックスチューブ１１３内においては、壁面静圧が上昇する反面、中央部は負圧状態となって真空域Ｒ１が形成され、この真空域Ｒ１が真空ポンプとして作用し、蒸発器において蒸発した低温・低圧のガス冷媒は、吸込管１２０からボルテックスチューブ１１３内へと吸引され、このガス冷媒は、ボルテックスチューブ１１３内で渦流を形成する液冷媒とミキシングされる。

ボルテックスチューブ１１３の下端開口部より下方の膨張室Ｓ２内の気液分離域Ｒ２には大きな渦が発生するが、同時にボルテックスチューブ１１３内へ渦を巻きながら流れ込む上昇気流も発生する。このため、ボルテックスチューブ１１３の内壁に沿った渦によって生じる真空域Ｒ１の真空度が低下し、吸込管１２０からの吸引力が低下するために蒸発器での冷媒流量が減少し、冷凍能力の低下を招くという問題が発生する。つまり、ボルテックスチューブ１１３の中心に発生する真空域Ｒ１とこれより下流の気液分離域Ｒ２とが連続しているため、ポンプ作用と気液分離作用とが干渉し合って冷媒循環量が減少し、冷凍能力の低下を招く。

又、膨張機構１１０の膨張室Ｓ２においては、ボルテックスチューブ１１３から吹き出した液冷媒が渦を形成し、ポート１２２に向かう上昇気流も壁面に沿った渦を形成しているために減速せず、ミスト状の冷媒がポート１２２にキャリーオーバーし、ポート１２２から圧縮機に戻るガス冷媒にミスト状の冷媒が混入し、この混入したミスト状の冷媒が冷媒配管内で蒸発するために圧縮機の吸込条件が悪化して圧縮機の負荷が増大するという問題も発生する。

ところで、ボルテックスチューブ１１３内の渦は、外筒１１２内の膨張室Ｓ２に流出すると、該膨張室Ｓ２で等エントロピ膨張して急激に流速を落としながら状態変化し、遠心分離作用によって気液分離されて液冷媒とガス冷媒となり、低温・低圧の液冷媒は、バッフル板１１５を通過して液溜部Ｓ３に貯留されるとともに、外筒１１２の下端に開口するポート１２３から冷媒配管を通って蒸発器へと導入される。

ところが、液溜部Ｓ３内に貯留される液冷媒は旋回運動しているため、ポート１２３から液冷媒が流出しにくく、蒸発器に供給される液冷媒の流量が減少して冷凍能力の低下を招くという問題も発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的とする処は、蒸発器を通過する冷媒の流量を増大させて冷凍能力を大幅に高めることができる膨張機構及びこれを備えた冷凍装置を提供することにある。

又、本発明の第２の目的とする処は、耐久性に優れ、多種多様な冷媒に適用することができる膨張機構及びこれを備えた冷凍装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ボルテックスチューブを備え、該ボルテックスチューブに凝縮器からの高圧液冷媒を導入してその内部で渦流を発生させ、該渦流によって発生する真空域の吸引力によって蒸発器からのガス冷媒をボルテックスチューブ内に吸引し、該ガス冷媒と前記高圧液冷媒とをミキシングして低温冷媒と高温冷媒とに熱分離するとともに、ボルテックスチューブから膨張室内の気液分離域へと流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに気液分離して液冷媒を液溜部に貯留し、該液冷媒を前記蒸発器に導入し、ガス冷媒を前記圧縮機に導入するようにした膨張機構において、前記真空域と前記気液分離域の間に両者を分離するゾーンセパレータを設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記気液分離域とガス冷媒を圧縮機に戻すポートとの間に整流器を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、複数のスリットが放射状に形成されたバッフル板を前記気液分離域と前記液溜部の間に設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記液溜部に複数枚の邪魔板を放射状に配設したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して構成される冷凍装置において、前記膨張機構を請求項１〜４の何れかに記載の膨張機構で構成したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ボルテックスチューブ内の真空域と膨張室内の気液分離域とを分離するゾーンセパレータを設けたため、膨張室内に発生する上昇気流のボルテックスチューブ内への流れ込みがゾーンセパレータによって阻止され、ボルテックスチューブの内壁に沿った渦によって生じる真空域の真空度が低下することがない。このため、蒸発器からボルテックスチューブ内へと吸引されるガス冷媒の流量、つまり、蒸発器を流れる冷媒の流量が増大し、蒸発器での吸熱量が増えて冷凍機の冷凍能力が大幅に高められる。

請求項２記載の発明によれば、気液分離域とガス冷媒を圧縮機に戻すポートとの間に整流器を設けたため、膨張室内でポートに向かう上昇気流が整流器を通過することによって減速され、これに含まれるミスト状の冷媒が分離され、ミスト状の冷媒がポートにキャリーオーバーすることがない。このため、ポートから圧縮機に戻るガス冷媒にミスト状の冷媒が混入することがなく、混入したミスト状の冷媒が冷媒配管内で蒸発するために圧縮機の吸込条件が悪化して圧縮機の負荷が増大するという問題の発生が防がれる。

請求項３記載の発明によれば、複数のスリットが放射状に形成されたバッフル板を気液分離域と液溜部の間に設けたため、液溜部に貯留された液冷媒のガス冷媒との再混合が防がれ、圧縮機へのガス冷媒の吸込条件の悪化が防がれる。

請求項４記載の発明によれば、液溜部に複数枚の邪魔板を放射状に配設したため、液溜部内での液冷媒の旋回運動が邪魔板による抵抗によって抑制され、液冷媒がポートから流出し易くなり、蒸発器に供給される液冷媒の流量が増大して冷凍装置の冷凍能力が高められる。

請求項５記載の発明によれば、ボルテックスチューブによる膨張と熱分離及び気液分離機能によって冷媒を等エントロピ膨張させる膨張機構を用いたため、該膨張機構での冷媒の圧力損失が小さく抑えられ、蒸発器へ供給する冷媒の流量を極力減じることなく、冷媒のエンタルピ差をより大きく、且つ、冷媒温度を低くすることができ、冷凍能力が大きくて効率の高い冷凍装置を得ることができる。

又、膨張機構には可動部が存在しないため、該膨張機構の耐久性が高められるとともに、膨張機構において膨張と気液分離を同時に行うようにしたため、冷凍装置の小型化と低コスト化が実現される。

更に、膨張機構は多種多様な冷媒に適用することができ、この膨張機構を用いても、従来の冷凍サイクルを殆どそのまま使用することができるため、現在稼働中の冷凍装置を冷凍能力が大きい高効率なものに改良することも容易に可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は発明に係る冷凍装置の冷媒回路図、図２は本発明に係る膨張機構の断面図である。

本実施の形態に係る冷凍装置は、図１に示すように、圧縮機１、送風機２ａを含む凝縮器２、送風機３ａを含む蒸発器３及び本発明に係る膨張機構１０を冷媒配管４，５，６，７，８で接続して閉回路である２つの冷媒循環回路Ａ，Ｂを形成することによって構成されている。ここで、冷媒循環回路Ａは、圧縮機１と凝縮器２及び膨張機構１０を冷媒配管４，５，８で接続して構成され、冷媒循環回路Ｂは、膨張機構１０と蒸発器３とを冷媒配管６，７で接続して構成されている。

又、冷媒配管５の途中にはプレ膨張弁９が設けられており、蒸発器３の二次側である冷媒配管７には温度検出器１１が設けられており、後述のようにプレ膨張弁９の開度は温度検出器１１によって検知される冷媒温度に基づいて制御される。

次に、本発明に係る前記膨張機構１０の構成の詳細を図２に基づいて説明する。

本発明に係る膨張機構１０は、円筒状の外筒１２内にボルテックスチューブ１３を同心的に組み込んで構成されており、このボルテックスチューブ１３は、その上部外周がリング状の支持板１４によって外筒１２の内周面に支持されている。そして、外筒１２内は、前記支持板１４とその下方に配されたリング状のバッフル板１５とで上方からチャンバＳ１、膨張室Ｓ２、液溜部Ｓ３に区画されている。ここで、前記ボルテックスチューブ１３の下端は膨張室Ｓ２内に開口しており、その開口部にはゾーンセパレータ１６が設けられている。このゾーンセパレータ１６は、後述のようにボルテックスチューブ１３の中心部に形成される真空域Ｒ１と膨張室Ｓ２のボルテックスチューブ１３の開口端よりも下方の気液分離域Ｒ２とを分離するものであって、その上端部はボルテックスチューブ１３内の下端部に臨み、両者間には円筒状の微小な隙間δが形成されている。

ところで、前記バッフル板１５には複数のスリット（不図示）が放射状に形成されており、このバッフル板１５の下方の前記液溜部Ｓ３内の上部には複数枚の邪魔板１７が放射状に配設されている。

又、ボルテックスチューブ１３は、その上端開口部がカバー１８によって覆われるとともに、上端外周部には、前記チャンバＳ１に開口する複数のノズル１９（図２には１つのみ図示）が接線方向に設けられている。そして、ボルテックスチューブ１３の上部中心部には、吸込管２０が外筒１２の上壁及び前記カバー１８を貫通して上方から挿入されており、この吸込管２０の下端はボルテックスチューブ１３の内部に開口している。

更に、外筒１２の外周部にはチャンバＳ１に開口するポート２１と膨張室Ｓ２に開口するポート２２が設けられ、外筒１２の下端中心部には液溜部Ｓ３に開口するポート２３が設けられており、膨張室Ｓ２内の上下方向においてポート２２と気液分離ゾーンＲ２の間のボルテックスチューブ１３の外周には整流器２４が設けられている。

而して、図１に示すように、前記圧縮機１の吐出側から導出する冷媒配管４は、前記凝縮器２の入口側に接続され、凝縮器２の出口側から導出する冷媒配管５は、前記膨張機構１０のポート２１に接続されている。又、膨張機構１０のポート２３から導出する冷媒配管６は、前記蒸発器３の入口側に接続され、蒸発器３の出口側から導出する冷媒配管７は、膨張機構１０の前記吸込管１７に接続されている。そして、膨張機構１０のポート２２から導出する冷媒配管８は、圧縮機１の吸入側に接続されている。

次に、以上の構成を有する膨張機構１０を備えた冷凍装置の作用を図３に示すモリエル線図を参照しながら以下に説明する。

圧縮機１が駆動源である不図示の電動モータによって駆動されると、該圧縮機１によってガス冷媒が圧縮され（圧縮行程）、図３にａにて示す状態（圧力Ｐ₂、エンタルピｉ₂）の高温・高圧のガス冷媒が冷媒配管４へと吐出され、このガス冷媒は、冷媒配管４を通って凝縮器２へと導入される。

凝縮器２では、高温・高圧のガス冷媒が外気に凝縮熱Ｑ₂を放出して図３のａ→ｂへと状態変化して液化し（凝縮行程）、図３にｂにて示す状態（圧力Ｐ₂、エンタルピｉ₃）の液冷媒となる。尚、このときの放熱量（凝縮熱）Ｑ₂は（ｉ₂−ｉ₃）で表される。

そして、上述のように凝縮器２において液化した高圧の液冷媒は、冷媒配管５を流れる過程でプレ膨張弁９にて断熱膨張して図３に示すｂ→ｆ（圧力Ｐ₂’、エンタルピｉ₃）へと状態変化した後(膨張行程)、膨張機構１０のポート２１から外筒１２内のチャンバＳ１内に導入される。膨張機構１０においては、チャンバＳ１内に導入された高圧の液冷媒は、複数のノズル１９からボルテックスチューブ１３内に接線方向に噴き出してボルテックスチューブ１３の内壁面を高速で回転する渦流を形成する。

液冷媒の渦が形成されるボルテックスチューブ１３内においては、壁面静圧が上昇する反面、中央部は負圧状態となって真空域Ｒ１が形成され、この真空域Ｒ１が真空ポンプとして作用し、後述のように蒸発器３において蒸発して図３にｄにて示す状態（圧力Ｐ₁、エンタルピｉ₁）となった低温・低圧のガス冷媒が冷媒配管７を通って吸込管２０からボルテックスチューブ１３内へと吸引され、このガス冷媒は、図３のｄ→ｆへと状態変化し、ボルテックスチューブ１３内で渦流を形成する液冷媒とミキシングされる。

ところで、本実施の形態では、前述のように凝縮器２で凝縮した液冷媒は、プレ膨張弁９にて断熱膨張して図３に示すｂ→ｆ（圧力Ｐ₂’、エンタルピｉ₃）へと状態変化した後、膨張機構１０へと導入されため、膨張機構１０に流入する冷媒の体積が増大することとなり、膨張機構１０のノズル１９からボルテックスチューブ１３内に接線方向に噴き出す冷媒の流速も増大する。この結果、ボルテックスチューブ１３内での渦流の流速が増大し、渦流の中心部の負圧も大きくなって真空域Ｒ１での真空度が高まり、吸込管２０からボルテックスチューブ１３へと吸い込まれるガス冷媒の流量が増え、蒸発器３へと導かれて冷却に供せられる冷媒の量が増えるため、当該冷凍装置の冷凍能力が高められる。つまり、図３に示すｃ→ｄ→ｆの経路を繰り返しながら冷媒循環回路Ｂを循環する冷媒の流量が増大して当該冷凍装置の冷凍能力が高められる。

而して、前述のように膨張機構１０のボルテックスチューブ１３内でミキシングされた冷媒は、ボルテックスチューブ１３内で渦流を形成して、ボルテックスチューブ１３とゾーンセパレータ１６との間の微小隙間δを通って外筒１２内の膨張室Ｓ２に流出し、該膨張室Ｓ２で等エントロピ膨張して急激に流速を落としながら図３のｆ→ｃ（圧力Ｐ₁、エンタルピｉ₄）へと状態変化し、膨張室Ｓ２内のボルテックスチューブ１３の下端開口部の下方に形成された気液分離域Ｒ２において遠心分離作用によって気液分離されて状態ｃの液冷媒とガス冷媒となる。尚、膨張機構として膨張弁等の絞りを用いる場合には、冷媒は図３のｂ→ｃ’（圧力Ｐ₁、エンタルピｉ₃）へと状態変化する断熱膨張（等エンタルピ膨張）を行う。

気液分離域において分離された液冷媒は、バッフル板１５のスリットを通過してその下の邪魔板１７の間から液溜部Ｓ３へと落下し、該液溜部Ｓ３に貯留されるが、液溜部Ｓ３の上方はバッフル板１５によって覆われているため、液溜部Ｓ３に貯留された液冷媒のガス冷媒との再混合が防がれ、圧縮機１へのガス冷媒の吸込条件の悪化が防がれる。

ところで、気液分離域Ｒ２には冷媒の大きな渦が発生すると同時に、ボルテックスチューブ１３内へ渦を巻きながら流れ込もうとする上昇気流も発生するが、本実施の形態では、ボルテックスチューブ１３内の真空域Ｒ１と膨張室Ｓ２内の気液分離域Ｒ２とを分離するゾーンセパレータ１６を設けたため、上昇気流のボルテックスチューブ１３内への流れ込みがゾーンセパレータ１６によって阻止される。このため、ボルテックスチューブ１３の内壁に沿った渦によって生じる真空域Ｒ１の真空度が低下することがない。

而して、膨張機構１０の液溜部Ｓ３に貯留された液冷媒は、外筒１２の下端に開口するポート２３から冷媒配管６を通って蒸発器３へと導入される。そして、蒸発器３においては、低温・低圧の液冷媒が周囲から蒸発熱Ｑ₁を奪って図３のｃ→ｄへと状態変化して気化し（蒸発行程）、状態ｄ（圧力Ｐ₁、エンダルピｉ₁）のガス冷媒となる。

ところで、液溜部Ｓ３においては液冷媒は旋回運動するが、本実施の形態では、液溜部Ｓ３に複数枚の邪魔板１７を放射状に配設したため、液冷媒の旋回運動が邪魔板１７による抵抗によって抑制され、液冷媒がポート２３から流出し易くなり、蒸発器３に供給される液冷媒の流量が増大して冷凍装置の冷凍能力が高められる。

ここで、蒸発器３における液冷媒の蒸発によって冷却が行われ、蒸発時の吸熱量（蒸発潜熱）Ｑ₁は（ｉ₁−ｉ₄）で表されるが、膨張機構として膨張弁等の絞りを用いた場合には前述のように冷媒は図３のｂ→ｃ’（圧力Ｐ₁、エンタルピｉ₃）へと状態変化する断熱膨張（等エンタルピ膨張）を行う。これに対して、本実施の形態では、前述のように冷媒は膨張機構１０において等エントロピ膨張して図３のｂ→ｃ（圧力Ｐ₁、エンタルピｉ₄）へと状態変化するため、図示のΔｉ（＝ｉ₃−ｉ₄）だけ吸熱量Ｑ₂が増え、その分だけ当該冷凍装置の冷凍能力が高められる。

そして、蒸発器３において蒸発したガス冷媒は、前述のように膨張機構１０のボルテックスチューブ１３の中心部に形成された真空域Ｒ１の負圧に引かれて冷媒配管７を流れ、膨張機構１０の吸込管２０からボルテックスチューブ１３内へと吸引されるが、前述のようにゾーンセパレータ１６の作用によって真空域Ｒ１の真空度が高められるため、蒸発器３から吸込管２０を介してボルテックスチューブ１３内へと吸引されるガス冷媒の流量、つまり、蒸発器３を流れる冷媒の流量が増大し、蒸発器３での吸熱量Ｑ₁が増えて冷凍能力が高められる。

而して、ボルテックスチューブ１３内に吸引されたガス冷媒は、前述のようにボルテックスチューブ１３内で渦流を形成する液冷媒とミキシングされ、以後、前記と同様の動作を繰り返す。従って、冷媒循環回路Ｂにおいては、冷媒は、図３に示すｃ→ｄ→ｂの経路を繰り返す。

他方、膨張機構１０において、渦流の運動エネルギーの大きな外周部の高温のガス冷媒は、バッフル板１５に衝突して跳ね返され、運動エネルギーを失って昇温及び昇圧されて図３のｃ→ｅ（圧力Ｐ₁’、エンタルピｉ₁’）へと状態変化し、外筒１２の側部に開口するポート２２から冷媒配管８を通って圧縮機１の吸入側に戻される。但し、この経路間では外部との熱交換はなされない。

ところで、膨張機構１０の膨張室Ｓ２においては、ボルテックスチューブ１３から吹き出した液冷媒が渦を形成し、ポート２２に向かう上昇気流も壁面に沿った渦を形成するが、本実施の形態では、膨張室Ｓ２内の気液分離域Ｒ２とガス冷媒を圧縮機１に戻すポート２２との間に整流器２４を設けたため、ポート２２に向かう上昇気流が整流器２４を通過することによって減速され、これに含まれるミスト状の冷媒が分離され、ミスト状の冷媒がポート２２にキャリーオーバーすることがない。このため、ポート２２から圧縮機１に戻るガス冷媒にミスト状の冷媒が混入することがなく、混入したミスト状の冷媒が冷媒配管８内で蒸発するために圧縮機１の吸込条件が悪化して圧縮機１の負荷が増大するという問題の発生が防がれる。

圧縮機１においては、図３の状態ｅ（圧力Ｐ₁’、エンタルピｉ₁’）の高温ガス冷媒は、圧縮機１によって圧縮されて図３のｅ→ａ（圧力Ｐ₂、エンタルピｉ₂）へと状態変化し（圧縮行程）、以後、前記と同様の作用を繰り返す。ここで、圧縮機１の所要動力（モータ出力）Ｌは、図３において（ｉ₂−ｉ₁’）で表され、この所要動力Ｌは、蒸発器３において蒸発したガス冷媒をそのまま圧縮機１に戻す従来の冷凍装置の所要動力Ｌ’（＝ｉ₂−ｉ₁）に比して図３に示すΔＬ（＝ｉ₁’−ｉ₁）だけ小さく抑えられる。

而して、本発明に係る冷凍装置においては、以上説明した冷凍サイクルが繰り返され、蒸発器３での冷媒の蒸発に伴う吸熱によって所要の冷凍が行われるが、本実施の形態によれば、以上説明した効果に加えて以下のような効果が得られる。

即ち、本実施の形態では、ボルテックスチューブ１３による膨張と熱分離及び気液分離機能によって冷媒を等エントロピ膨張させる膨張機構１０を用いたため、該膨張機構１０での冷媒の圧力損失が小さく抑えられ、蒸発器３へ供給する冷媒の流量を極力減じることなく、冷媒のエンタルピ差をより大きく、且つ、冷媒温度を低くすることができ、冷凍能力が大きくて効率の高い冷凍装置を得ることができる。

尚、ボルテックスチューブ１３は、一次冷媒の流量を約二分することによって高温冷媒と低温冷媒を生成するものであるため、一般的には冷却に使用され得る冷媒の量は圧縮機１から吐出される冷媒の量よりも少なくなるという欠点を有するが、本実施の形態では、蒸発器３において蒸発したガス冷媒をボルテックスチューブ１３内の中心部に形成される真空域Ｒ１の負圧によってボルテックスチューブ１３に吸引して戻すようにしたため、ボルテックスチューブ１３内の冷媒流量が増大し、蒸発器３において冷却に供せられる冷媒の量が減少することがないという効果が得られる。

又、膨張機構１０には可動部が存在しないため、該膨張機構１０の耐久性が高められるとともに、膨張機構１０において膨張と気液分離を同時に行うようにしたため、冷凍装置の小型化と低コスト化が実現される。

更に、膨張機構１０は多種多様な冷媒に適用することができ、この膨張機構１０を用いても、従来の冷凍サイクルを殆どそのまま使用することができるため、現在稼働中の冷凍装置を冷凍能力が大きい高効率なものに改良することも容易に可能である。

その他、本実施の形態では、プレ膨張弁９の開度を、蒸発器３の二次側である冷媒配管７に設けた温度検出器１１によって検出される冷媒温度に基づいて制御するようにしたため、冷媒が蒸発器３で蒸発し切れず、液冷媒のまま膨張機構１０に戻されるという不具合の発生を防ぐことができる。尚、本実施の形態では冷媒配管５の途中にプレ膨張弁９を設けたが、このプレ膨張弁９は必須のものではない。

本発明に係る冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明に係る膨張機構の縦断面図である。 本発明に係る冷凍装置における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。 従来の膨張機構の縦断面図である。 従来の膨張機構内での冷媒の挙動を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
２ａ 凝縮器の送風機
３ 蒸発器
３ａ 蒸発器の送風機
４〜８ 冷媒配管
９ プレ膨張弁
１０ 膨張機構
１１ 温度検出器
１２ 外筒
１３ ボルテックスチューブ
１４ 支持板
１５ バッフル板
１６ ゾーンセパレータ
１７ 邪魔板
１８ カバー
１９ ノズル
２０ 吸込管
２１〜２３ ポート
２４ 整流器
Ａ，Ｂ 冷媒循環回路
Ｒ１ 真空域
Ｒ２ 気液分離域
Ｓ１ チャンバ
Ｓ２ 膨張室
Ｓ３ 液溜部
δ 隙間

Claims (5)

1. ボルテックスチューブを備え、該ボルテックスチューブに凝縮器からの高圧液冷媒を導入してその内部で渦流を発生させ、該渦流によって発生する真空域の吸引力によって蒸発器からのガス冷媒をボルテックスチューブ内に吸引し、該ガス冷媒と前記高圧液冷媒とをミキシングして低温冷媒と高温冷媒とに熱分離するとともに、ボルテックスチューブから膨張室内の気液分離域へと流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒とに気液分離して液冷媒を液溜部に貯留し、該液冷媒を前記蒸発器に導入し、ガス冷媒を前記圧縮機に導入するようにした膨張機構において、
   前記真空域と前記気液分離域の間に両者を分離するゾーンセパレータを設けたことを特徴とする膨張機構。
2. 前記気液分離域とガス冷媒を圧縮機に戻すポートとの間に整流器を設けたことを特徴とする請求項１記載の膨張機構。
3. 複数のスリットが放射状に形成されたバッフル板を前記気液分離域と前記液溜部の間に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の膨張機構。
4. 前記液溜部に複数枚の邪魔板を放射状に配設したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の膨張機構。
5. 圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して構成される冷凍装置において、
   前記膨張機構を請求項１〜４の何れかに記載の膨張機構で構成したことを特徴とする冷凍装置。
   

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