JP2009133593A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内部熱交換器における内部を流通する冷媒の圧力損失を最小限とし、冷却能力の向上を図ることができる冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明の冷却装置Rは、圧縮機6と、放熱器7と、電子膨張弁8及び蒸発器9を順次環状に接続して冷媒回路5を構成して成るものであって、圧縮機6及び放熱器7が設けられた冷凍機ユニット10と、電子膨張弁8及び蒸発器9が設けられた冷却ユニット11とを備え、冷凍機ユニット10と単一若しくは複数の冷却ユニット11とを連絡配管21、22にて接続することにより、冷媒回路5を構成すると共に、放熱器7から出た冷媒と蒸発器9から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器30を二重管により構成し、当該内部熱交換器30を冷却ユニット11に設けた。
【選択図】図2

Description

本発明は、圧縮機と、放熱器と、減圧装置等から構成される冷却ユニットと共に環状の冷媒回路を構成する被冷却側に設けられた蒸発器とを備えた冷却装置に関するものである。
従来より、この種の冷却装置は、圧縮機(例えばロータリコンプレッサ)と、放熱器と、減圧装置(膨張弁やキャピラリチューブ等)及び蒸発器などを順次環状に配管接続して冷媒サイクルを構成している。圧縮機に吸入された冷媒ガスは、ここで圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、放熱器に吐出される。この放熱器で冷媒ガスは放熱した後、減圧手段にて減圧されて蒸発器に供給される。そこで冷媒は蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
ここで、近年では地球環境問題に対処すべく、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する遷臨界冷媒サイクルを用いた装置が開発されている。
このような遷臨界冷媒サイクル装置では、圧縮機内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側と圧縮機の吸込側との間の低圧側にアキュムレータを配設し、このアキュムレータに液冷媒を溜め、ガスのみを圧縮機に吸い込ませる構成としていた。そして、アキュムレータ内の液冷媒が圧縮機に戻らないように減圧装置を調整していた(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にアキュムレータを設けることはその分多く冷媒を充填する必要がある。また、上述したような液バックを防止するためにはアキュムレータの容量を拡大したり、減圧装置の絞り調整を行う必要が生ずるため、設置スペースの拡大や蒸発器における冷凍能力の低下を招く。
そこで、従来では、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えていた。図8は、従来の内部熱交換器100の斜視図を示している。この内部熱交換器100は、放熱器からの冷媒が流れる高圧側流路101と、蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路102とを備えている。放熱器からの冷媒は内部熱交換器100の下側に設けられた冷媒入口101Aから高圧側流路101内に流入し、内部熱交換器100の上側に設けられた冷媒出口101Bから流出する。蒸発器からの冷媒は、内部熱交換器100の上側に設けられた冷媒入口102Aから低圧側流路102内に流入し、内部熱交換器100の下側に設けられた冷媒出口102Bから流出する。
これにより、放熱器からの冷媒と、蒸発器からの冷媒とを熱交換させることにより、減圧装置に入る冷媒の温度を下げて蒸発器におけるエントロピー差を拡大することで、冷凍能力の向上を図っていた(例えば、特許文献2参照)。
特公平7−18602号公報 特開2005−226913号公報
しかしながら、上記特許文献2に記載の冷媒サイクル装置は、内部熱交換器を二重配管にて構成することで、低コストにて液バックの防止を実現していたが、所定の熱交換を実現させるには、当該二重配管の長く構成し、冷媒流量を確保する必要がある。しかし、係る内部熱交換器は、圧縮機や放熱器と共に冷凍機側ユニット内に設置されていたため、該内部熱交換器の設置スペースには限りがある。そのため、当該配管の管径を小さくして複数回折曲形成することで、必要な冷媒流量(長さ)を確保しつつ、少ないスペースに設置可能としていた。
しかし、管径が細くなるため、所定の冷媒流量に対し、断面積が小さくなり、冷媒流速が早くなる。これにより、内部を流通する冷媒の圧力損失が大きくなり、冷却装置の性能低下を招く問題があった。
本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、内部熱交換器における内部を流通する冷媒の圧力損失を最小限とし、冷却能力の向上を図ることができる冷却装置を提供する。
請求項1の発明の冷却装置は、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成るものであって、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器を冷却ユニットに設けたことを特徴とする。
請求項2の発明の冷却装置は、上記発明において、内部熱交換器は、冷却ユニット毎にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
請求項3の発明の冷却装置は、上記各発明において、内部熱交換器は、蒸発器と一体に構成されていることを特徴とする。
請求項4の発明の冷却装置は、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成るものであって、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器により少なくとも連絡配管の一部を構成したことを特徴とする。
請求項5の発明の冷却装置は、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成るものであって、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットと、それぞれ二重管により構成され、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器が複数設けられた内部熱交換器ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、内部熱交換器ユニットを連絡配管に設け、当該連絡配管に接続する内部熱交換器の数を選択可能としたことを特徴とする。
請求項6の発明の冷却装置は、上記各発明において、内部熱交換器を構成する二重管は内管と外管とから成り、内管内に放熱器からの冷媒が流れる高圧側流路を、内管と外管との間に蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路をそれぞれ構成することを特徴とする。
請求項7の発明の冷却装置は、上記各発明において、冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器を冷却ユニットに設けたので、例えばショーケースなどのように、冷凍機ユニットに比べて広く設置スペースを確保することができる冷却ユニットに内部熱交換器を設けることが可能となる。
そのため、所定の熱交換量を確保できる内部熱交換器を、冷媒流量に対する冷媒流路の断面積を適切に確保できる二重管にて構成することが可能となり、当該冷媒流路内の冷媒を適切な流速とすることができる。これにより、当該冷媒の圧力損失を軽減とすることができる。
従って、放熱器からの冷媒と、蒸発器からの冷媒とを適切に熱交換させることができ、効率的に放熱器から減圧装置に入る冷媒の温度を下げて蒸発器におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。これにより、アキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止することが可能となる。
また、設置スペースが広いことから、必要とされる管長の二重管を最小限の折り曲げ数にて構成することが可能となる。
請求項2の発明によれば、上記発明において、内部熱交換器は、冷却ユニット毎にそれぞれ設けられているので、それぞれの冷却ユニットにおいて減圧装置に入る冷媒と蒸発器から出た冷媒とをそれぞれに設けられた内部熱交換器にて熱交換させることが可能となる。
そのため、冷却ユニットを複数設けた場合に、従来のように全ての冷却ユニットの蒸発器における冷凍能力の確保に必要な冷媒流量を実現する内部熱交換器を冷凍機ユニットに設けていた場合に比して、それぞれの冷却ユニット毎に、内部熱交換器を備えることで、内部熱交換器それぞれの管長を短くすることが可能となる。
また、それぞれの内部熱交換器は、冷媒流量に対する冷媒流路の断面積を適切に確保することができるため、内部を流通する冷媒の圧力損失を軽減することが可能となり、冷却性能の向上を図ることができる。
請求項3の発明によれば、上記各発明において、内部熱交換器は、蒸発器と一体に構成されているので、設置現場における作業を簡素化することが可能となる。また、冷媒の漏れを検査する際に、蒸発器と内部熱交換器とを別々に行う必要がなくなり、検査作業を簡素化することが可能となる。
請求項4の発明によれば、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器により少なくとも連絡配管の一部を構成したので、冷凍機ユニットに配管接続される冷却ユニットの数や使用環境、設定温度などの熱負荷量に応じた流量の冷媒を内部熱交換器ユニットの各内部熱交換器にて熱交換することが可能となる。
特に、当該内部熱交換器ユニットは、冷凍機ユニットと各冷却ユニットとを連絡する連絡配管に設けられているため、冷凍機ユニットやショーケース等における設置スペースに限定されることなく内部熱交換器を設けることが可能となる。そのため、所定の熱交換量を確保できる内部熱交換器を、冷媒流量に対する冷媒流路の断面積を適切に確保できる二重管にて構成することが可能となり、当該冷媒流路内の冷媒を適切な流速とすることができる。これにより、当該冷媒の圧力損失を軽減とすることができる。
そのため、効率的に放熱器から減圧装置に入る冷媒の温度を下げて各蒸発器におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。また、アキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止することが可能となる。
請求項5の発明によれば、圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、少なくとも圧縮機及び放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、少なくとも減圧装置及び蒸発器が設けられた冷却ユニットと、それぞれ二重管により構成され、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器が複数設けられた内部熱交換器ユニットとを備え、冷凍機ユニットと単一若しくは複数の冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、冷媒回路を構成すると共に、内部熱交換器ユニットを連絡配管に設け、当該連絡配管に接続する内部熱交換器の数を選択可能としたので、冷凍機ユニットに配管接続される冷却ユニットの数や使用環境、設定温度などの熱負荷量に応じて連絡配管に接続する内部熱交換器ユニットの内部熱交換器の数を変更することが可能となる。
これにより、接続される冷却ユニットの数などに応じた流量の冷媒を内部熱交換器ユニットの各内部熱交換器にて熱交換することが可能となる。従って、内部を流通する冷媒の圧力損失を軽減しつつ、放熱器から出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させることが可能となり、効率的に放熱器から減圧装置に入る冷媒の温度を下げて蒸発器におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。
これにより、アキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止することが可能となる。
請求項6の発明によれば、上記各発明において、内部熱交換器を構成する二重管は内管と外管とから成り、内管内に放熱器からの冷媒が流れる高圧側流路を、内管と外管との間に蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路をそれぞれ構成するので、効率的に高圧側流路内の冷媒と低圧側流路内の冷媒とを熱交換することが可能となる。
請求項7の発明によれば、上記各発明において、冷媒として二酸化炭素を用いることから、高圧側を超臨界圧力として運転することとなるが、上記各発明を適用することで、圧縮機内に液冷媒が戻って液圧縮する不都合を効果的に防止することが可能となる。
また、冷媒として用いられる二酸化炭素は、不燃性、不腐食性を有していると共に、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した冷却装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。更に、二酸化炭素は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
まずはじめに、図1乃至図3を参照して実施例1としての冷却装置Rについて説明する。図1は本発明の冷却装置の一実施例としての冷媒回路図、図2はショーケースに設置された状態を示す概略冷媒回路図、図3は内部熱交換器の斜視図をそれぞれ示している。
本実施例の冷却装置Rは、スーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗に設置される複数台のショーケース1・・・を冷却するために用いられるものである。図2では、2台のショーケース1A、1Bを冷却するものについて示している。
図1において、5は冷却装置Rの冷媒回路であり、圧縮機6と、放熱器7と、減圧装置としての電子膨張弁8と、蒸発器9等を環状に接続することにより構成されている。
圧縮機6と放熱器7、更には、放熱器7近傍に設置される送風機14は、冷凍機ユニット10を構成し、グリル12が形成された冷凍機ユニット本体13内に収容されて、主に、スーパーマーケット等の店舗の屋外に設置される。
電子膨張弁8と、蒸発器9と、当該蒸発器9の近傍、若しくは、蒸発器9が設置される冷却ダクト内に配設される冷却用送風機15と、詳細は後述する内部熱交換器30は、冷却ユニット11を構成し、本実施例では、ショーケース1側に設置される。本実施例では、ショーケース1は、ショーケース1Aと、ショーケース1Bの2台設置されていることから、図2に示すように、それぞれのショーケースに対し、電子膨張弁8、蒸発器9、冷却用送風機15、内部熱交換器30等が配設された冷却ユニット11が設けられている。
これら冷凍機ユニット10と冷却ユニット11、11とは、低圧側の連絡配管21と高圧側の連絡配管22とにより設置時に配管接続される。
上記冷凍機ユニット10を構成する圧縮機6の冷媒吐出管16は放熱器7の入口に接続されている。ここで、実施例の圧縮機6は、内部中間圧型2段圧縮式のロータリコンプレッサであり、密閉容器6A内に駆動要素としての電動要素17と、当該電動要素17により駆動される第1及び第2の回転圧縮要素18、19にて構成されている。
図中20は圧縮機6の第1の回転圧縮要素18に冷媒を導入するための冷媒導入管であり、この冷媒導入管20の一端は第1の回転圧縮要素18の図示しないシリンダと連通している。この冷媒導入管20の他端は低圧側連絡配管21を介して内部熱交換器30の低圧側流路31の出口31Bに接続されている。
図中23は、第1の回転圧縮要素18で圧縮された冷媒を第2の回転圧縮要素19に導入するための冷媒導入管である。この冷媒導入管23は、圧縮機6の外部の中間冷却回路24を通過するように設けられている。当該中間冷却回路24には、第1の回転圧縮要素18で圧縮された冷媒を冷却するための熱交換器25が設置されており、第1の回転圧縮要素18で圧縮された中間圧の冷媒は、熱交換器25にて冷却された後、第2の回転圧縮要素19に吸い込まれる構成とされている。また、この熱交換器25は、放熱器7と一体に形成されており、熱交換器25と放熱器7の近傍には、当該熱交換器25及び放熱器7に通風して冷媒を放熱させるための放熱器用送風機14が設置されている。尚、前記冷媒吐出管16は第2の回転圧縮要素19で圧縮された冷媒を放熱器7に吐出させるための冷媒配管である。
一方、放熱器7の出口側には、前記ユニット10、11間を接続する高圧側連絡配管22が接続され、当該連絡配管22の他端は、前記内部熱交換器30の高圧側流路32の入口32Aに接続されている。
また、内部熱交換器30の高圧側流路32の出口32Bに接続された配管は、電子膨張弁8を経て蒸発器9に接続されている。そして、蒸発器9を出た配管は内部熱交換器30の低圧側流路31の入口31Aに接続されている。
なお、本実施例における冷却装置Rは、2台(複数)のショーケース1A、1Bを冷却するために用いられるものであるため、冷凍機ユニット10と各冷却ユニット11とを連絡する低圧側連絡配管21及び高圧側連絡配管22は、図2に示すように分岐して各ショーケース1A、1Bに設けられる冷却ユニット11にそれぞれ接続される。
各冷却ユニット11に設けられる上記内部熱交換器30は、放熱器7から出た高圧側の冷媒と蒸発器9から出た低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。この内部熱交換器30は、図3に示すように内管33と外管34とから成る二重管より構成され、外管34の外周は断熱材35により覆われている。そして、内管33内には放熱器7からの冷媒が流れる高圧側流路32、当該内管33と外管34の間には蒸発器9からの冷媒が流れる低圧側流路31がそれぞれ形成され、高圧側流路32と低圧側流路31とは交熱的に配置されている。
ここで、内部熱交換器30は、放熱器7からの冷媒の温度を十分に下げて電子膨張弁8を介して蒸発器9に流入する冷媒のエントロピー差を拡大させ、所定の冷凍能力を確保すると共に、蒸発器9からの液冷媒を十分に蒸発させてガス冷媒のみを圧縮機6に吸い込ませるためには、当該放熱器7からの冷媒(高圧側流路32内の冷媒)と蒸発器9からの冷媒(低圧側流路31内の冷媒)とを十分に熱交換させる必要がある。
十分な熱交換を行うためには、内部熱交換器30の高圧側流路32及び低圧側流路31内を流通する冷媒流量を確保すべく、それぞれの流路は、それぞれの冷却ユニット11における熱負荷(この場合、ショーケース1A又は1Bの庫内容量や、設定温度、外気温度などの使用環境によって異なる)に応じた所定の断面積を確保することが必要となる。図7は内部熱交換器30を構成する内管33及び外管34の外径、肉厚、これにより得られる内側断面積を示している。
(1)の内部熱交換器は、ここで示す4つの内部熱交換器の内最も各管の外径、肉厚が大きいものであり、これによって得られるそれぞれの流路の断面積が大きい。しかしながら、当該内部熱交換器にて例えば3台のショーケースそれぞれに配設される冷却ユニット11の蒸発器9にて所定の冷凍能力を確保するためには、管長は約3m程度必要とされる。当該内部熱交換器を従来の如く冷凍機ユニット10に設けるためには、それ自体の管径が大きいため折り曲げ形成することが困難となる。
これに対し、(2)や(3)の内部熱交換器は、上記(1)の内部熱交換器に比べて各管の外径や肉厚が小さく、これによって得られるそれぞれの流路の断面積も小さい。しかしながら、複数台(本実施例では2台)のショーケース1A、1Bのそれぞれに配設される冷却ユニット11に対して係る(2)や(3)の内部熱交換器30を設けることで、管長は約1m程度でも十分に高圧側冷媒と低圧側冷媒とを熱交換させることが可能となる。
そのため、当該内部熱交換器30は、管長を短くすることで小型化することが可能となり、内部熱交換器を構成する二重管の折り曲げ回数を最小限、本実施例では、図3に示すように一度の折り曲げによって、比較的設置スペースが広いショーケースの冷却ダクト内に蒸発器9と共に配設することが可能となる。また、(2)や(3)の内部熱交換器における冷媒流路の断面積であっても、必要とされる冷媒流量(熱交換量)は、それぞれの冷却ユニット11に対して必要とされる量であればよい。従って、それぞれの内部熱交換器は、複数台の冷却ユニット11全てに対して必要とされる冷媒流量を確保する必要がなくなり、当該断面積であっても、冷媒流路内の冷媒流速を低減でき、適切な流速とすることが可能となるため、圧力損失を最小限とすることができる。これにより、流速が遅くなりすぎて冷媒中のオイルが戻りにくくなる不都合を抑制しつつ、冷却能力の向上を実現することができる。
なお、図7における(4)の内部熱交換器は、上記(2)や(3)の内部熱交換器に比べて流路の断面積が小さいものである。そのため、当該内部熱交換器は、(2)や(3)の内部熱交換器を用いる場合に比して熱負荷が小さい冷却ユニット(設定温度が高い場合や、被冷却空間が小さい場合など)において用いることが望ましい。
また、本実施例における内部熱交換器30は、上述したように蒸発器9と共にショーケース1側に設けられる冷却ユニット11を構成するものであり、該内部熱交換器30は、蒸発器9の側方に位置して該蒸発器9と一体に構成されている。
これにより、設置現場における作業を簡素化することが可能となる。また、冷媒の漏れを検査する際に、蒸発器9と内部熱交換器30とを別々に行う必要がなくなり、検査作業を簡素化することが可能となる。
なお、上述の如く構成される内部熱交換器30は、当該高圧側流路32には冷媒を下から上に流すように、入口32Aが下側に、出口32Bが上側に形成されている。即ち、放熱器7からの高圧側冷媒は、下側の入口32Aから高圧側流路32に入り、上側の出口32Bから高圧側流路32を出るものとされている。
一方、低圧側流路31には冷媒を上から下に流すように、入口31Aが上端に、出口32Bが下端に形成されている。即ち、蒸発器9からの低圧側冷媒は、上端の入口31Aから低圧側流路31に入り、下端の出口32Bから低圧側流路31を出るものとされている。
これにより、高圧側流路32と低圧側流路31とを流れる冷媒は対向流となるので、当該内部熱交換器30における熱交換能力が向上する。
また、高圧側流路32には冷媒を下から上に流し、低圧側流路31には冷媒を上から下に流すようにしたことで、高圧が超臨界圧力より下がった場合には、余剰冷媒を内部熱交換器30の高圧側流路32に溜め込むことができるようになる。これにより、低外気温時などに低圧側に流れ込む余剰冷媒を低減させて圧縮機6の破損などの不都合を未然に回避することができるようになる。
また、冷却装置Rの冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素が用いられ、当該冷媒回路5の高圧側は超臨界圧力となる。
以上の構成で次に本発明の冷却装置Rの動作を説明する。圧縮機6の電動要素17が起動されると、低圧の冷媒ガスが圧縮機6の第1の回転圧縮要素18に吸い込まれて圧縮され、中間圧となり、密閉容器6A内に吐出される。密閉容器6A内に吐出された冷媒は、冷媒導入管23から一旦密閉容器6Aの外部に吐出され、中間冷却回路24に入り、熱交換器25を通過する。そこで、冷媒は放熱器用送風機14による通風を受けて放熱する。
このように、第1の回転圧縮要素18で圧縮された冷媒を熱交換器25により冷却した後、第2の回転圧縮要素19に吸い込ませることで、圧縮機6の第2の回転圧縮要素19から吐出される冷媒ガスの温度を低下することができる。
その後、冷媒は第2の回転圧縮要素19に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管16より圧縮機6の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
冷媒吐出管16から吐出された冷媒は放熱器7に流入し、そこで放熱器用送風機14による通風を受けて放熱した後、高圧側連絡配管22を介してショーケース1A、1Bのそれぞれに配設される冷却ユニット11の内部熱交換器30の高圧側流路32に流入する。高圧側流路32に入った冷媒は、当該高圧側流路32と交熱的に配設されている低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒と熱交換する。これにより、高圧側流路32を流れる放熱器7からの冷媒は低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒に熱を奪われて冷却される。
そして、内部熱交換器30で冷却され、出口32Bから出た高圧側の冷媒は電子膨張弁8に至る。このとき、電子膨張弁8の入口では冷媒ガスはまだ気体の状態である。冷媒は電子膨張弁8における圧力低下により、ガス/液体の二相混合体とされ、その状態で蒸発器9内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
このとき、それぞれの冷却ユニット11に設けられる内部熱交換器30において、放熱器7から電子膨張弁8に入る冷媒は、冷却されているため、各ショーケース1A、1Bに配設される蒸発器9におけるエントロピー差を拡大することができるようになる。従って、それぞれのショーケース1A、1Bにおける蒸発器9の冷凍能力を向上させることができる。
その後、冷媒は蒸発器9から流出して内部熱交換器30の低圧側流路31に入口31Aから入る。ここで、蒸発器9で蒸発し低温となり、該蒸発器9を出た冷媒は、完全に気体の状態でなく液体が混在した状態となる場合もあるが、内部熱交換器30の低圧側流路31を通過させて、前記高圧側流路32を流れる冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱され、この時点で冷媒の過熱度が確保され完全に気体の状態になる。
これにより、圧縮機6に液冷媒が吸い込まれて、圧縮機6が破損するなどの不都合を未然に回避することができるようになる。
尚、内部熱交換器30で加熱された冷媒は、低圧側連絡配管21、冷媒導入管20を介して圧縮機6の第1の回転圧縮要素18内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
上述したように、本実施例では、圧縮機6への液バックを回避することができると共に、蒸発器9における冷凍能力の向上を実現可能とする内部熱交換器30を従来のように冷凍機ユニット10側ではなく各冷却ユニット11に設けることで、冷凍機ユニット10に比べて広く設置スペースを確保することができる。そのため、所定の熱交換量を確保できる内部熱交換器30を、冷媒流量に対する冷媒流路の断面積を適切に確保できる二重管にて構成することが可能となり、当該冷媒流路内の冷媒を適切な流速とすることができる。これにより、当該冷媒の圧力損失を軽減とすることができる。
従って、放熱器7からの冷媒と、蒸発器9からの冷媒とを適切に熱交換させることができ、効率的に放熱器7から電子膨張弁8に入る冷媒の温度を下げて蒸発器9におけるエントロピー差を拡大して冷却能力を向上させることができる。
特に、本実施例では、単一の冷凍機ユニット10に対し、複数の冷却ユニット11を搭載したショーケースを設け、それぞれの冷却ユニット11毎に内部熱交換器30を設けている。そのため、従来のように全ての冷却ユニット11の蒸発器9における冷凍能力の確保に必要な熱交換量を確保する内部熱交換器を冷凍機ユニット10に設けていた場合に比して、それぞれの冷却ユニット11毎に必要な冷媒流量を実現する内部熱交換器30を備えることで、内部熱交換器30それぞれの管長を短くすることが可能となる。
また、内部熱交換器30の設置スペースが広いことから、必要とされる管長の二重管を最小限の折り曲げ数にて構成することが可能となる。
次に、図4及び図5を参照して実施例2としての冷却装置Sについて説明する。図4は冷却装置Sの冷媒回路図、図5は冷却装置Sを適用した概略冷媒回路図をそれぞれ示している。なお、各図において、図1乃至図3と同一の符号が付されているものは、同一の構成及び効果を奏するものであるため、説明を省略する。
実施例2の冷却装置Sは、上記実施例の冷却装置Rと同様にスーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗に設置される複数台のショーケース2・・・を冷却するために用いられるものである。図5では、2台のショーケース2A、2Bを冷却するものについて示している。
図4において、冷却装置Sを構成する圧縮機6と放熱器7、更には、放熱器7近傍に設置される送風機14は、上記実施例と同様に冷凍機ユニット10を構成する。電子膨張弁8と、蒸発器9と、当該蒸発器9の近傍、若しくは、蒸発器9が設置される冷却ダクト内に配設される冷却用送風機15は、冷却ユニット40を構成し、実施例2では、ショーケース2側に設置される。本実施例では、ショーケース2は、ショーケース2Aと、ショーケース2Bの2台設置されていることから、図5に示すように、それぞれのショーケースに対し、電子膨張弁8、蒸発器9、冷却用送風機15等が配設された冷却ユニット40が設けられている。
これら冷凍機ユニット10と冷却ユニット40、40とは、低圧側の連絡配管41と高圧側の連絡配管42とにより設置時に配管接続される。これら連絡配管41、42には、当該連絡配管41、42の一部を構成する内部熱交換器44が介設されている。
即ち、圧縮機6に接続される冷媒導入管20の他端には、内部熱交換器44の低圧側流路31が介設された低圧側連絡配管41が接続されている。ここで、係る実施例2では、単一の冷凍機ユニット10に対し、2台(複数)の冷却ユニット40が接続されており、当該低圧側連絡配管41は、分岐配管43を介して冷媒導入管20が各冷却ユニット40の蒸発器9に接続される構成とされている。そして、低圧側連絡配管41の一部を構成する内部熱交換器44の低圧側流路31は、分岐配管43と各冷却ユニット40、40との間(即ち、分岐配管43のそれぞれの冷媒上流側)に位置してそれぞれ配設されている。なお、図5では、ショーケース2A側の内部熱交換器を44Aとし、ショーケース2B側の内部熱交換器を44Bとしている。
一方、放熱器7の出口側には、内部熱交換器44の高圧側流路32が介設された高圧側連絡配管42が接続され、当該連絡配管42の他端は、電子膨張弁8の入口側に接続されている。ここで、当該高圧側連絡配管42には、放熱器7からの高圧側冷媒を各冷却ユニット40に分配するための分岐配管45が介設されている。そのため、各内部熱交換器33の高圧側流路32は、上記低圧側流路31と同様に、分岐配管45と各冷却ユニット40、40との間(即ち、分岐配管45のそれぞれの冷媒下流側)に位置してそれぞれ配設されている。
なお、当該内部熱交換器44は、上記実施例における内部熱交換器30と略同様にそれぞれの冷却ユニット40における熱負荷に応じた熱交換量を確保することができる断面積、管長を有する構成とされており、詳細は省略する。
以上の構成で本発明の冷却装置Sの動作を説明する。上記実施例と同様に、圧縮機6の第1の及び第2の回転圧縮要素18、19にて圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、冷媒吐出管16より圧縮機6の外部に吐出される。
冷媒吐出管16から吐出された冷媒は放熱器7に流入し、そこで放熱した後、分岐配管45を介して高圧側連絡配管42を構成するそれぞれの内部熱交換器44A、44Bの高圧側流路32、32に流入する。高圧側流路32に入った冷媒は、当該高圧側流路32と交熱的に配設されている低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒と熱交換する。これにより、高圧側流路32を流れる放熱器7からの冷媒は低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒に熱を奪われて冷却される。
そして、それぞれの内部熱交換器44A、44Bで冷却され、出口32Bから出た高圧側の冷媒は、それぞれの冷却ユニット40を構成する電子膨張弁8に至る。冷媒は電子膨張弁8における圧力低下により、ガス/液体の二相混合体とされ、その状態で蒸発器9内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
その後、冷媒は蒸発器9から流出して低圧側連絡配管41の一部を構成する内部熱交換器44の低圧側流路31に入る。ここで、蒸発器9で蒸発し低温となり、該蒸発器9を出た冷媒は、完全に気体の状態でなく液体が混在した状態となる場合もあるが、内部熱交換器44の低圧側流路31を通過させて、前記高圧側流路32を流れる冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱され、この時点で冷媒の過熱度が確保され完全に気体の状態になる。
その後、それぞれの内部熱交換器44A、44Bの低圧側流路31を出た冷媒は、分岐配管43にて合流した後、圧縮機6に液冷媒が吸い込まれて、圧縮機6が破損するなどの不都合を未然に回避することができるようになる。
このように、当該実施例2に示す如き冷却装置Sによれば、冷凍機ユニット10と、各冷却ユニット40、40とを接続する連絡配管41、22にそれぞれの冷却ユニット40、40に対応した内部熱交換器44を設けたことにより、冷凍機ユニット10やショーケース2A、2B等内の設置スペースに限定されることなく、内部熱交換器44を設けることが可能となる。そのため、所定の熱交換量を確保できる内部熱交換器44、44を、冷媒流量に対する冷媒流路の断面積を適切に確保できる二重管にて構成することが可能となり、当該冷媒流路内の冷媒を適切な流速とすることができる。これにより、当該冷媒の圧力損失を軽減とすることができる。
そのため、それぞれの内部熱交換器44にて、冷凍機ユニット10を構成する放熱器7から出た冷媒と、各冷却ユニット40を構成するそれぞれの蒸発器9から出た冷媒との熱交換量を確保することが可能となり、効率的に放熱器7からそれぞれの電子膨張弁8に入る冷媒の温度を下げてそれぞれの蒸発器9におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。
これにより、アキュムレータを設けることなく、圧縮機6の液圧縮による損傷の発生を防止することが可能となる。
なお、上述では、単一の冷凍機ユニット10に対し、複数の冷却ユニット40とを連絡配管41、42にて接続することにより冷媒回路5を構成するものを実施例としてあげているが、これに限定されるものではなく、単一の冷凍機ユニット10に対し、単一の冷却ユニット40とを連絡配管41、42にて接続して冷媒回路5を構成し、当該連絡配管41、42の一部を内部熱交換器44により構成しても同様の効果を得ることができる。
次に、図6を参照して実施例3としての冷却装置Tについて説明する。図6は冷却装置Tを適用した概略冷媒回路図をそれぞれ示している。なお、各図において、図1乃至図5と同一の符号が付されているものは、同一の構成及び効果を奏す
実施例3の冷却装置Tは、上記実施例の冷却装置Rや冷却装置Sと同様にスーパーマーケットやコンビニエンスストアなどの店舗に設置される複数台のショーケース3・・・を冷却するために用いられるものである。図6では、2台のショーケース3A、3Bを冷却するものについて示している。
なお、冷媒回路図は、上記実施例2において示した如き図4と略同様であり、当該実施例においても、図6に示すように、それぞれのショーケースに対し、電子膨張弁8、蒸発器9、冷却用送風機15等が配設された冷却ユニット40が設けられている。
上記実施例と同様に構成される冷凍機ユニット10と各冷却ユニット40、40とは、低圧側の連絡配管51と高圧側の連絡配管52とにより設置時に配管接続される。即ち、圧縮機6に接続される冷媒導入管20の他端には、低圧側連絡配管51が接続されている。ここで、係る実施例3では、単一の冷凍機ユニット10に対し、2台(複数)の冷却ユニット40が接続されており、当該低圧側連絡配管51は、分岐配管53を介して冷媒導入管20が各冷却ユニット40の蒸発器9に接続される構成とされている。
そして、当該低圧側連絡配管51には、該連絡配管51の一部を構成する内部熱交換器ユニット54(実際には、当該内部熱交換器ユニット54の内部熱交換器55の低圧側流路31)が、冷凍機ユニット10と分岐配管53との間(即ち、分岐配管53の冷媒下流側)に位置して配設されている。
一方、放熱器7の出口側には、高圧側連絡配管52が接続され、当該連絡配管52の他端は、電子膨張弁8の入口側に接続されている。ここで、当該高圧側連絡配管52には、放熱器7からの高圧側冷媒を各冷却ユニット40に分配するための分岐配管60が介設されている。
そして、当該高圧側連絡配管52には、該連絡配管52の一部を構成する内部熱交換器ユニット54(実際には、当該内部熱交換器ユニット54の内部熱交換器55の高圧側流路32)が、上記低圧側連絡配管51と同様に、冷凍機ユニット10と分岐配管60との間(即ち、分岐配管60の冷媒上流側)に位置してそれぞれ配設されている。
ここで、上記内部熱交換器ユニット54は、上記実施例2の内部熱交換器44と同様に構成される内部熱交換器55を複数(本実施例では、4つ)備えており、これらはそれぞれの内部熱交換器55に設けられる低圧側流路31が、分岐配管56、57を介して接続数(使用される内部熱交換器55の数)を選択(変更)可能に並列に接続される。同様に高圧側流路32は、分岐配管58、59を介して接続数(使用される内部熱交換器55の数)を選択(変更)可能に並列に接続される。
一例として示す図6では、4つ設けられた内部熱交換器55の内、2台の内部熱交換器55において熱交換可能に接続されており、2つの内部熱交換器55の低圧側流路31、31が分岐配管56、57を介して並列に接続されている。同様に2つの内部熱交換器55の高圧側流路32、32も分岐配管58、59を介して並列に接続されている。
これ以外にも、冷凍機ユニット10に接続される冷却ユニット40が4台である場合には、連絡配管51、52に接続される内部熱交換器55の数を4つとしたり、冷凍機ユニット10に接続される冷却ユニット40が1台である場合には、連絡配管51、52に接続される内部熱交換器55の数を1つとするなど、接続される冷却ユニット40の数に応じて連絡配管51、52に接続される内部熱交換器55の数を選択可能としても良い。
また、冷凍機ユニット10に接続される冷却ユニット40が2台である場合であっても、一方の冷却ユニット40の設定温度が冷凍温度であり、他方の冷却ユニット40が冷蔵温度である場合には、連絡配管51、52に接続される内部熱交換器55の数を3つなどとしても良い。
このように、連絡配管51、52に接続される内部熱交換器55の数は、冷却ユニット40、40の数や、当該冷却ユニット40の設置環境や設定温度(冷凍温度や冷蔵温度)などにより変動する熱負荷量に応じて選択(変更)可能とする。
以上の構成で本発明の冷却装置Tの動作を説明する。上記各実施例と同様に、圧縮機6の第1の及び第2の回転圧縮要素18、19にて圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、冷媒吐出管16より圧縮機6の外部に吐出される。
冷媒吐出管16から吐出された冷媒は放熱器7に流入し、そこで放熱した後、高圧側連絡配管52を構成すると共に、内部熱交換器ユニット54を構成する内部熱交換器55の内、分岐配管56を介して接続された内部熱交換器55の高圧側流路32に流入する。高圧側流路32に入った冷媒は、当該高圧側流路32と交熱的に配設されている低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒と熱交換する。これにより、高圧側流路32を流れる放熱器7からの冷媒は低圧側流路31を流れる蒸発器9からの冷媒に熱を奪われて冷却される。
そして、それぞれの内部熱交換器55で冷却された高圧側の冷媒は、分岐配管59、60を介してそれぞれの冷却ユニット40を構成する電子膨張弁8に至る。冷媒は電子膨張弁8における圧力低下により、ガス/液体の二相混合体とされ、その状態で蒸発器9内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
その後、冷媒は蒸発器9から流出し、低圧側連絡配管51の分岐配管53、57を介して、内部熱交換器ユニット54を構成する内部熱交換器55の内、分岐配管57に接続された内部熱交換器55の低圧側流路31に入る。ここで、蒸発器9で蒸発し低温となり、該蒸発器9を出た冷媒は、完全に気体の状態でなく液体が混在した状態となる場合もあるが、各内部熱交換器55の低圧側流路31を通過させて、前記高圧側流路32を流れる冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱され、この時点で冷媒の過熱度が確保され完全に気体の状態になる。
その後、内部熱交換器55の低圧側流路31を出た冷媒は、分岐配管56にて合流した後、圧縮機6に液冷媒が吸い込まれて、圧縮機6が破損するなどの不都合を未然に回避することができるようになる。
このように、当該実施例3に示す如き冷却装置Tによれば、冷凍機ユニット10と、各冷却ユニット40、40とを接続する連絡配管51、52に、接続する内部熱交換器55の数を選択可能とする内部熱交換器ユニット54を設けたことにより、冷凍機ユニット10に配管接続される冷却ユニット40の数や使用環境、設定温度などの熱負荷量に応じた流量の冷媒を内部熱交換器ユニット54の各内部熱交換器55にて熱交換することが可能となる。そのため、内部熱交換器ユニット54内における冷媒流量に対する冷媒流路の断面積(この場合、接続された内部熱交換器の各流路の合計断面積)を適切に確保できる。これにより、内部熱交換器ユニット54全体における冷媒流路内の冷媒を適切な流速とすることができ、当該冷媒の圧力損失を軽減とすることができる。
そのため、効率的に放熱器7から電子膨張弁8に入る冷媒の温度を下げて各蒸発器9におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。また、アキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止することが可能となる。
特に、当該内部熱交換器ユニット54は、冷凍機ユニット10と各冷却ユニット40とを連絡する連絡配管51、52に設けられているため、冷凍機ユニット10やショーケース等における設置スペースに限定されることなく内部熱交換器55を設けることが可能となる。
なお、上記各実施例では、冷媒として二酸化炭素を用いる。これにより、高圧側を超臨界圧力として運転することとなるが、上記各発明を適用することで、圧縮機6内に液冷媒が戻って液圧縮する不都合を効果的に防止することが可能となる。
また、冷媒として用いられる二酸化炭素は、不燃性、不腐食性を有していると共に、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した冷却装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。更に、二酸化炭素は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
また、上記各実施例では減圧装置として電子膨張弁8を使用するものとしたが、これに限らず、機械式の膨張弁やキャピラリーチューブ等を使用するものとしてもよい。
更に、上記各実施例では、本願発明の冷却装置を複数台のショーケースに適用した場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、単一のショーケースを冷却するために用いられるものとしてもよく、また、自動販売機、空気調和機、冷蔵庫などの冷却設備に用いても良い。
本発明の冷却装置の冷媒回路図である。(実施例1) 本発明の冷却装置を適用した概略冷媒回路図である。(実施例1) 内部熱交換器の斜視図である。 本発明の冷却装置の冷媒回路図である。(実施例2) 本発明の冷却装置を適用した概略冷媒回路図である。(実施例2) 本発明の冷却装置を適用した概略冷媒回路図である。(実施例3) 内部熱交換器を構成する各管の仕様を示す図である。 従来の内部交換器の斜視図である。
符号の説明
R、S、T 冷却装置
1(1A、1B)、2(2A、2B)、3(3A、3B) ショーケース
5 冷媒回路
6 圧縮機
7 放熱器
8 電子膨張弁(減圧装置)
9 蒸発器
10 冷凍機ユニット
11、40 冷却ユニット
21、41、51 連絡配管(低圧側)
22、42、52 連絡配管(高圧側)
23 冷媒導入管
30、44、55 内部熱交換器
31 低圧側流路
32 高圧側流路
33 内管
34 外管
43、45、53、56、57、58、59、60 分岐配管
54 内部熱交換器ユニット

Claims (7)

  1. 圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、
    少なくとも前記圧縮機及び前記放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、
    少なくとも前記減圧装置及び前記蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、
    前記冷凍機ユニットと単一若しくは複数の前記冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、前記冷媒回路を構成すると共に、
    前記放熱器から出た冷媒と前記蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器を前記冷却ユニットに設けたことを特徴とする冷却装置。
  2. 前記内部熱交換器は、前記冷却ユニット毎にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。
  3. 前記内部熱交換器は、前記蒸発器と一体に構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冷却装置。
  4. 圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、
    少なくとも前記圧縮機及び前記放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、
    少なくとも前記減圧装置及び前記蒸発器が設けられた冷却ユニットとを備え、
    前記冷凍機ユニットと単一若しくは複数の前記冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、前記冷媒回路を構成すると共に、
    前記放熱器から出た冷媒と前記蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を二重管により構成し、当該内部熱交換器により少なくとも前記連絡配管の一部を構成したことを特徴とする冷却装置。
  5. 圧縮機と、放熱器と、減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路を構成して成る冷却装置において、
    少なくとも前記圧縮機及び前記放熱器が設けられた冷凍機ユニットと、
    少なくとも前記減圧装置及び前記蒸発器が設けられた冷却ユニットと、
    それぞれ二重管により構成され、前記放熱器から出た冷媒と前記蒸発器から出た冷媒とを熱交換させるための内部熱交換器が複数設けられた内部熱交換器ユニットとを備え、
    前記冷凍機ユニットと単一若しくは複数の前記冷却ユニットとを連絡配管にて接続することにより、前記冷媒回路を構成すると共に、
    前記内部熱交換器ユニットを前記連絡配管に設け、当該連絡配管に接続する前記内部熱交換器の数を選択可能としたことを特徴とする冷却装置。
  6. 前記内部熱交換器を構成する二重管は内管と外管とから成り、前記内管内に前記放熱器からの冷媒が流れる高圧側流路を、前記内管と外管との間に前記蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路をそれぞれ構成することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の冷却装置。
  7. 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項6に記載の冷却装置。
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