JP2009024884A - 冷凍サイクル装置および保冷庫 - Google Patents

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Abstract

【課題】高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、放熱器における高温冷媒から低温冷媒へのフィンを介しての熱移動を抑制し、冷凍効率を向上することを目的とする。
【解決手段】高圧側で超臨界状態となる冷媒を利用し、冷媒が、圧縮機11、スパイラルフィン放熱器である第一の放熱器12A、第二の放熱器12B、電動膨張弁13、蒸発器14の順に循環する冷媒回路と、第一の放熱器12Aと第二の放熱器12Bに空気を供給する第一の送風手段15とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第一の送風手段15を第一の放熱器12Aと第二の放熱器12B間に設置する。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となる冷媒を使用し、冷蔵あるいは冷凍に利用する冷凍サイクル装置に関する。または、この冷凍サイクル装置を搭載する保冷庫に関する。
近年、冷凍サイクル装置に使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置が提案されている。また、二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置は、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きい車用の空気調和機に適用されている。
ここで、二酸化炭素の遷臨界サイクルを使用した冷凍サイクル装置では、冷媒は放熱器において超臨界状態となり連続的に温度変化する。したがって、放熱器において大きな温度分布が生じ、放熱器の高温部から低温部へフィンを介して熱移動し、冷媒相互間の熱交換が生じ、熱交効率が低下する。そこで、放熱器を複数に分割し、放熱器内での冷媒相互間の熱交換を抑制する構成が提案されている。例えば、下記特許文献1には、放熱器としてそれぞれ所定枚数のフィンプレートを有する複数の熱交換器を備えた空気調和機が開示されている。
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。
図9は特許文献1に記載の冷凍システムの回路構成図である。図9に示すように、従来の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機1、放熱器2、流量制御弁3、蒸発器4からなる回路構成を有する。また、放熱器2に空気を供給する送風機5を備えている。ここで、放熱器2は熱交換器2Aと熱交換器2Bからなり、冷媒が熱交換器2Aを通過してから熱交換器2Bを通過するように伝熱管で接続されている。なお、熱交換器2A、熱交換器2Bはそれぞれ独立したフィンプレートを備えている。
以上のように構成された特許文献1の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。圧縮機1から吐出された高温高圧状態にある超臨界状態の二酸化炭素は、放熱器2で熱交換器2A、熱交換器2Bの順に流れ、空気と熱交換して、温度を低下させる。温度の下がった二酸化炭素は流量制御弁3によって減圧され、低温の気液二相状態に変化し、蒸発器4に流入する。蒸発器4では、空気を冷却しながら冷媒液が蒸発し、気体に変化した冷媒は圧縮機1に戻る。
特許文献1では、高温側と低温側の二つの熱交換器を用いることにより、熱交換器2Aから熱交換器2Bへの伝熱量が抑制され、高圧側における冷媒相互間の伝熱量を低減し、冷凍サイクルの効率を向上させている。
特開2004−162945号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、2つの熱交換器の間では伝熱が抑制されるが、それぞれの熱交換器2A、熱交換器2Bにおいては、隣り合う伝熱管が所定の間隔で平行に配置されているフィンで一体化されており、フィンを介しての冷媒相互間の伝熱が生じ
るという課題があった。
また、従来の構成では、送風機5が熱交換器2B、熱交換器2Aを通過した高温空気雰囲気下に晒され、送風機5の軸受け部に使用される潤滑剤の劣化及び蒸発が早まり、送風機5の耐久性が低下するという課題があった。
本発明は、従来の課題を解決するもので、フィンを介しての冷媒相互間の伝熱を抑制し、冷凍効果を向上させるとともに、送風機に流入する空気温度を低下させ、送風機の耐久性を向上させることを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、放熱器において温度分布が大きい部分はスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とするものである。
これによって、温度差が大きい伝熱管を離間させることができ、冷媒相互間の伝熱を抑制し、放熱能力を高め、冷凍効率を向上させることができる。
また、上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、送風手段を第一の放熱器と第二の放熱器間に設置することを特徴とするものである。
これによって、送風手段に流入する空気温度を低下させることができ、送風手段の耐久性を高めることができる。
本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、高圧部の冷媒が急激な温度変化をする部分においてスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いることで、隣り合う伝熱管を離間させ、冷媒相互間の熱移動を抑制でき、放熱能力を高めて冷凍効率の向上を図ることができる。また、送風手段を第一の放熱器と第二の放熱器間に設置することで、送風手段に流入する空気温度を低下させることができ、送風手段の耐久性を高めることができる。さらに、スパイラルフィンチューブ型熱交換器は形状自由度が高いため、冷媒からの放熱を、蒸発器で生じる除湿水の蒸発に利用することで、除湿水を系外へ排出できない場所に冷凍サイクル装置を設置する場合に必要となる除湿水貯留容器を小型化できる。
以下、本発明による冷凍サイクル装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
図1に示すように、実施の形態1の冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機11、スパイラルフィン型の第一の放熱器12A、第二の放熱器12B、電動膨張弁13、蒸発器14からなる回路を有する。また、第一の放熱器12Aと第二の放熱器12Bに空気を供給する第一の送風機15と蒸発器14に空気を供給する第二の送風機16を有する。なお、第一の送風機15は、第二の放熱器12B、第一の放熱器12A間に配置されている。また、第二の放熱器12Bの配管径を第一の放熱器12Aの配管径よりも小さくすることで、第二の放熱器12Bの冷媒流路断面積を第一の放熱器12Aの冷媒流路断面積よりも小さくしている。
ここで、第一の放熱器12Aは、図2に示すように1本の冷媒配管にスパイラル状のフィンプレートを圧着固定したものであり、隣り合う伝熱管が離間しているのが特徴である。また、第一の放熱器12Aは、1本の冷媒配管からなるので高い耐圧設計が容易であり、高圧圧力が9〜15MPaと比較的高い冷凍サイクル装置に適用する場合、同一放熱能力をフィンチューブ型熱交換器より安価に実現することができる。
なお、第二の放熱器12Bはフィンチューブ型熱交換器で構成されている。これは、第二の放熱器12Bでは空気と冷媒の温度差が小さく、容積当たりの熱交換効率が高いフィンチューブ型熱交換器を用いることで、装置を小型化できるためである。
以上のように構成された実施の形態1の冷凍サイクル装置について、以下その動作を図3に示すモリエル線図で説明する。
低温低圧の冷媒は圧縮機11の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される(A→B)。吐出された冷媒は、第一の放熱器12A、第二の放熱器12Bにおいて、第一の送風機15から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却(B→C)された後、電動膨張弁13で減圧され低温低圧の冷媒となる(C→D)。次いで、蒸発器14において第二の送風機16から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機11へと還流する(D→A)。
ここで、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、冷媒は高圧側において超臨界状態となり、冷媒温度は連続的に変化する。また、図4に示すように、超臨界状態での二酸化炭素の比熱は45℃付近でピークを持ち、60〜120℃ではピーク値の50%以下となる。このため、放熱器において、冷媒温度は120から60℃までは急激に低下し、45℃付近では温度変化が小さくなる。したがって、放熱器前半部では、隣り合う伝熱管の温度差が大きくなる。そこで、本実施の形態では、冷媒温度が急激に変化する放熱器前半部において、隣り合う伝熱管が離間しているスパイラルフィン放熱器を用い、冷媒相互間の熱交換を抑制することで熱交換器効率を高め、冷凍効率を向上させている。
また、第一の送風機15を第二の放熱器12B、第一の放熱器12A間に配置しているため、第一の放熱器12Aの風下側に第一の送風機を配置した場合に比べて、第一の送風機15に流入する空気温度を低減でき、第一の送風機15の耐久性を向上させることができる。
また、第二の放熱器12Bを第一の送風機15の風上側に設置することで、狭いフィン間隔である第二の放熱器12Bの前面に埃を付着させることができ、機械室内部への埃の侵入を抑え、第一の送風機15の軸受け部などが埃詰まりで動作不良になることを防ぐことができるとともに、放熱器2Bの前面に付着した埃は、容易に除去できるので、メインテナンス性を高める利点もある。
さらに、第二の放熱器12Bの冷媒流路断面積を第一の放熱器12Aの流路断面積よりも小さくすることで、第一の放熱器12Aと比較して冷媒温度が低下し、冷媒密度が増加する第二の放熱器12Bにおいても、冷媒流速を増加させ、熱交換効率を高めることができ、冷凍効率が向上する。
なお、本実施の形態では、第二の放熱器12Bの流路断面積を小さくする方法として、第二の放熱器12Bの配管径を小さくしたが、第二の放熱器12Bの配管内に部材(例えば、銅管や銅パイプ)を挿入する方法や配管の肉厚を大きくする方法でも同様の効果が得られる。
(実施の形態2)
図5は実施の形態2の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態1の冷凍サイクル装置と同一の構成については同一番号を付す。
図5に示すように実施の形態2の冷凍サイクル装置は実施の形態1と同様に、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機11、スパイラルフィン型の第一の放熱器12A、第二の放熱器12B、電動膨張弁13、蒸発器14からなる回路を有する。また、スパイラルフィン放熱器12Aと第二の放熱器12Bに空気を供給する第一の送風機15と蒸発器14に空気を供給する第二の送風機16を有する。また、実施の形態2では、蒸発器14において、第二の送風機16から供給される空気を冷却除湿した際に生じる除湿水を貯留する除湿水貯留容器18を備えるとともに、スパイラルフィン放熱器12Aを除湿水貯留容器18の一部を取り囲むように配置している。なお、除湿水貯留容器18は、除湿水を冷凍サイクル装置外へ排出できない設置場所(例えば、屋内)へ冷凍サイクル装置を適用するために用いられるものである。また、冷凍サイクル装置は冷却室19と加熱室20に分けられている。
以上のように構成された実施の形態2の冷凍サイクル装置について、以下その動作を図3に示すモリエル線図で説明する。
低温低圧の冷媒は圧縮機11の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される(A→B)。吐出された冷媒は、スパイラルフィン放熱器12A、第二の放熱器12Bにおいて、第一の送風機15から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却(B→C)された後、電動膨張弁13で減圧され低温低圧の冷媒となる(C→D)。次いで、蒸発器14において第二の送風機16から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機11へと還流する(D→A)。また、蒸発器14で生じた除湿水は除湿水貯留容器18に流入し、一旦貯留される。除湿水貯留容器18に貯留された除湿水は、第二の放熱器12B、第一の放熱器12Aの順に通過した空気により加熱され、蒸発する。なお、冷却室19からは冷風が得られ、加熱室20からは温風が得られる。
ここで、実施の形態2の冷凍サイクル装置では、スパイラルフィン型熱交換器がフィンチューブ型熱交換器よりも形状自由度が高いことを利用して、スパイラルフィン型熱交換器を曲げ加工し、除湿水貯留容器18の一部を取り囲むように配置している。これにより、スパイラルフィン放熱器12Aを通過した空気を効率的に除湿水貯留容器18内の除湿水に接触させることができる。したがって、除湿水の蒸発を促進でき、除湿水貯留容器17を小型化できる。また、スパイラルフィン放熱器12Aを除湿水貯留容器18を取り囲むように配置することで、スパイラルフィン放熱器12Aのフィンからの輻射熱を除湿水貯留容器の一方向からだけではなく、多方向から除湿水に伝熱でき、さらに除湿水貯留容器18を小型化できる。
また、本実施の形態では、電動膨張弁13を冷却室19内に設置しているが、加熱室20内に設置してもよい。
(実施の形態3)
図6は実施の形態3の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図6に示すように、実施の形態3の冷凍サイクル装置は、実施の形態2の冷凍サイクル装置において、スパイラルフィン型の第一の放熱器12Aのフィンを除湿水貯留容器内の除湿水と接触するように配置している。
したがって、本実施の形態では、スパイラルフィン型の第一の放熱器12Aは、第一の送風機15から供給される空気だけでなく、除湿水貯留容器内の除湿水とも接触して熱交
換するため、実施形態2の場合よりもさらに、熱交換効率を向上させることができる。また、除湿水は冷媒からの放熱により加熱されるため、蒸発がさらに促進され、除湿水貯留容器を小型化できる。
(実施の形態4)
本実施形態では、本発明の冷凍サイクル装置を利用した保冷庫について説明する。実施形態1〜3の冷凍サイクル装置は、いずれも保冷庫に適用可能であるが、ここでは、図7に示すように、実施形態2の冷凍サイクル装置を用いて構成した保冷庫について説明する。
図7に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、実施の形態2の冷凍サイクル装置において、スパイラルフィン型の第一の放熱器12Aと第二の放熱器12B間の冷媒温度を検出する温度センサ21と保冷庫の被冷却室(図示せず)の空気温度を検出する空気温度センサ22を備えている。
また、図7に示すように、実施の形態4の保冷庫は、食品などの熱負荷を冷蔵する貯蔵室32の下部に機械室33を設け、圧縮機11や第一の放熱器12Aや放熱器2Bなどを配置するとともに、貯蔵室32と機械室33の間に設けた断熱壁34の中に、蒸発器14や電動膨張弁13などを配置している。
以上のように構成された実施の形態4の保冷庫について、以下その動作を図3に示すモリエル線図で説明する。
低温低圧の冷媒は圧縮機11の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される(A→B)。吐出された冷媒は、第一の放熱器12A、第二の放熱器12Bにおいて、第一の送風機15から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却(B→C)された後、電動膨張弁13で減圧され低温低圧の冷媒となる(C→D)。次いで、蒸発器14において第二の送風機16から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機11へと還流する(D→A)。また、蒸発器14で生じた除湿水は除湿水貯留容器18に流入し、一旦貯留される。除湿水貯留容器18に貯留された除湿水は、第二の放熱器12B、第一の放熱器12Aの順に通過した空気により加熱され、蒸発する。
ここで、圧縮機11は温度検知センサー21で検知された第一の放熱器12Aと第二の放熱器12B間の冷媒温度と、空気温度センサー22で検知された保冷庫の被冷却室の空気温度に基づいて、その回転数が最適制御されるものである。具体的には、図8に示すように、温度センサ21で検知された第一の放熱器12Aと第二の放熱器12B間の冷媒温度Trと所定値T1を比較し、TrがT1以上の場合は圧縮機11の回転数を低下させる。一方、TrがT1以下の場合は、空気温度センサ22で検知された被冷却室の空気温度Taと所定値T2を比較し、TaがT2以上の場合は、圧縮機11の回転数を増速させ、TaがT2以下の場合は、圧縮機11の回転数を減速させる。なお、T1は第一の送風機15の温度が規定値以下となるように予め設定する。また、T2は被冷却対象や冷却用途によって任意に設定できる。
これによって、第一の送風機15の温度上昇を抑制し、耐久性を向上させつつ、被冷却室の空気温度を目標値近傍に制御することができる。
なお、本実施の形態では、第一の送風機15の温度上昇を防止するとともに、空気温度センサ22を用い被冷却室の空気温度を制御対象としているが、制御対象はこの限りではない。
なお、実施の形態1〜4では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、他の自然冷媒(
例えば、HCやアンモニア冷媒)やHFC冷媒を超臨界状態で用いた場合にも同様の効果がある。
また、実施の形態1〜4では、スパイラルフィン放熱器12Aのフィンとしては放射率が高いアルミニウムが好ましいが、その他金属材料を好適に用いることができる。また、絞り装置として電動膨張弁を用いたが、キャピラリチューブや膨張機を用いた場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、放熱器において温度分布が大きい部分はスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いることで、温度差が大きい伝熱管を離間させることができ、冷媒相互間の伝熱を抑制し、放熱能力を高め、冷凍効率を向上させることができるので、冷媒のノンフロン化と機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機などの冷蔵あるいは冷凍機器にも適用できる。
本発明の実施の形態1による冷凍サイクル装置の冷媒回路図 スパイラルフィン放熱器の概略図 冷凍サイクル装置および保冷庫のモリエル線図 二酸化炭素冷媒の温度と比熱の関係図 本発明の実施の形態2による冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明の実施の形態3の冷凍サイクル装置の冷媒回路図 本発明の実施の形態4の保冷庫の冷媒回路図 本発明の実施の形態4の保冷庫の制御フローチャート 従来の冷凍システムの冷媒回路図
符号の説明
11 圧縮機
12A スパイラルフィン放熱器
12B 放熱器
13 電動膨張弁
14 蒸発器
15 第一の送風機
16 第二の送風機
17 除湿水流路
18 除湿水貯留容器
21 温度検知センサ
22 空気温度検知センサ
32 貯蔵室
33 機械室

Claims (8)

  1. 高圧側で超臨界状態となる冷媒を利用し、前記冷媒が、圧縮機、第一の放熱器、第二の放熱器、絞り装置、蒸発器の順に循環する冷媒回路とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第一の放熱器をスパイラルフィンチューブ型熱交換器で構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記第一の放熱器と前記第二の放熱器に空気を供給する第一の送風手段を更に備え、前記第一の送風手段を前記第一の放熱器と前記第二の放熱器間に設置したことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記蒸発器に空気を供給する第二の送風手段を備え、前記蒸発器で空気を冷却除湿するとともに、前記蒸発器で生じた除湿水を貯留する除湿水貯留容器を備え、前記第一の放熱器を通過した空気の一部が前記除湿水貯留容器内の除湿水と熱交換することを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記除湿水貯留容器の一部あるいは全周を、前記第一の放熱器で取り囲むことを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第一の放熱器の少なくとも一部が前記除湿水貯留容器あるいは前記除湿水貯留容器内の除湿水と接触していることを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記第二の放熱器における冷媒の流路断面積を前記第一の放熱器における冷媒の流路断面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項1から5に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記第一の放熱器と前記第二の放熱器間の冷媒温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサからの検出値が所定値以上となった場合は、前記圧縮機の回転数を低下させることを特徴とする請求項1から6に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 請求項1から7に記載の冷凍サイクル装置を搭載するとともに、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保冷する保冷庫。
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