JP2009168268A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地球環境に対する影響の少ない冷媒を用いて、冷凍能力を確保することが可能な冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】機械室１７内には前扉６側から、ガスクーラ１２、送風装置１３、圧縮機１１の順で配置している。そして送風装置１３を駆動すると、飲料ディスペンサ１の前面板３の空気吸い込み口３ａや底面板４の前扉６側に設けた空気吸い込み口から周辺の比較的冷たい空気をガスクーラ１２を通して取り込み、圧縮機１１から背面板５に設けた空気排出口から飲料ディスペンサ１の外部へ排出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷却水槽に貯留している冷却水で冷却した飲料を提供する飲料ディスペンサやカップ飲料を販売するカップ式自動販売機に備えられる冷却装置に関するものである。

飲料ディスペンサには適度に冷やした飲料を提供するためにシロップと希釈液（飲料水や炭酸水）を冷却するための冷却水を貯留する冷却水槽が備えられている。当該冷却水槽には羽根を回転させて冷却水を攪拌して水温を均一にする攪拌モータが設けられ、冷却水には飲料水に炭酸ガスを吸収させて炭酸水を生成するカーボネータやシロップおよび飲料水を通流させて冷却する冷却パイプと冷却装置の蒸発器が浸漬されている。
冷却装置は、低温低圧のガス冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒とする圧縮機と、圧縮機で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒を機外空気と熱交換させて放熱させることにより凝縮させて液冷媒とする凝縮器と、圧縮機および凝縮器が配置されている機械室に機外空気を取り込む送風装置と、凝縮器で凝縮させた低温高圧の液冷媒を膨張させて低温低圧の液冷媒とするキャピラリチューブと、液冷媒を蒸発させたときに発生する蒸発潜熱でその周囲にアイスバンク（氷魂）を形成して冷却水温度を略０℃に保つ蒸発器とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。これらの冷却装置で使用されていた冷媒には特定フロン冷媒（ＣＦＣ）が使われていたが、オゾン層を破壊することから生産、使用が禁止され、その後、ＨＦＣなどの代替フロン冷媒が使用されてきたが、これらはオゾン層を破壊することはないが地球温暖化係数が高く、環境問題が指摘されている。

近年、オゾン層破壊係数がゼロで、地球温暖化係数も小さい冷媒を用いた冷却装置が多くの分野で開発されており、二酸化炭素等の自然冷媒を用いたものがある。
以下、二酸化炭素を冷媒とした冷却装置について説明する。二酸化炭素を冷媒とした冷却装置は、圧縮機、ガスクーラ（放熱器）、送風装置、膨張弁、蒸発器で構成されている。
図５は、従来の二酸化炭素を冷媒とした冷却装置３０を備えた飲料ディスペンサ１を示している。冷却装置３０は、圧縮機１１とガスクーラ１２と送風装置１３で機械室１７の空間容積の大半を占有しており、図示している他に、電子膨張弁、各部品をつなぐ冷媒管路、圧力スイッチなどの安全装置などが配置され、飲料ディスペンサ１の前面板３や底面板４前側に設けた空気吸い込み口から送風装置１３で機外空気を取り込み、機械室１７内では取り込んだ機外空気で圧縮機１１およびガスクーラ１２と熱交換させて比較的高温になった空気を飲料ディスペンサ１の背面板５に設けた空気排出口から排出している。
このような飲料ディスペンサ１では、組立て性や送風装置１３が故障した際の交換作業効率を重視して送風装置１３を機械室１７内の最も背面側（図中右側）に取り付け、装置寸法の制約から圧縮機１１とガスクーラ１２とを並列に配置できないため、前面側（図中左側の空気吸い込み側）に圧縮機１１を配置して送風装置１３側にガスクーラ１２を配置している。

ＨＦＣなどの代替フロン冷媒を使用した冷却装置の場合、高圧側の冷媒圧力は１〜２ＭＰａ程度であり、この範囲内であれば、凝縮器と送風装置により約９０℃から約４０℃程度まで冷却する際に冷媒は気体から液体へと状態変化（凝縮）するため、放熱の一部が潜熱変化に利用され、効率よく冷却することができる。
一方、二酸化炭素を冷媒とする場合、高圧側の冷媒圧力は８〜１１ＭＰａの高圧となり、ガスクーラで９０℃から４０℃程度まで冷却しても、冷媒が気体から液体に変化することがなく、超臨界状態となる。このため、潜熱による放熱を利用することができず、代替フロン冷媒と比べて熱交換性が悪くなるため、ガスクーラ１２を大きくしたり、送風装置１３を大きくして放熱能力を上げる必要がある。
図６は、二酸化炭素冷媒のモリエル線図を示し、図７は、二酸化炭素冷媒（超臨界状態）の冷媒温度とエンタルピーの関係を示している。
ガスクーラ１２を通流する冷媒は、一般に高圧状態(例えば９ＭＰａ)で、入口側で９０℃の冷媒温度が機外空気との熱交換により出口側で４０℃となる。図７に示しているように、二酸化炭素冷媒では、９０℃〜６０℃の間ではエンタルピー変化は、約１．５〜２[ｋＪ／ｋｇＫ]であるが、５０℃付近から３５℃付近までは、６〜９[ｋＪ／ｋｇＫ]と変化が著しい。これは、二酸化炭素冷媒の３５℃〜５０℃付近では冷媒温度を１℃下げることでエンタルピーを大幅に小さくすることができる。つまり、ガスクーラ１２の出口付近の冷媒温度が３５℃〜５０℃、特に４０℃前後では、ガスクーラ１２の冷媒温度を１℃下げることで、放熱能力を大幅に高めることができる。

例えば、冷媒循環量を３ｇ／秒として冷媒温度を９０℃から１℃さげると、１．５[ｋＪ／ｋｇＫ]との積で、４．５[Ｗ／Ｋ]分の放熱能力が変えられるのに対し、冷媒温度４０℃から１℃さげると、９[ｋＪ／ｋｇＫ]なので、２７[Ｗ／Ｋ]分の放熱能力が向上することになる。さらに、ガスクーラ１２の出口側冷媒温度が下がれば、ガスクーラ１２のエンタルピー差も増加できるため、冷凍能力の向上にも繋がる。
特開２０００−２０７６３１号公報

しかしながら、前述したように、風上側から風下側への配置が、圧縮機１１、ガスクーラ１２、送風装置１３の場合、圧縮機１１と熱交換して高温となった空気熱をガスクーラ１２が吸い込むため、ガスクーラ１２で冷媒と熱交換させる空気温度が高く、ガスクーラ１２での機外から取り込んだ空気と冷媒との熱交換性が悪い。圧縮機１１は作動状態によっては１００℃以上になることもあり、その影響でガスクーラ１２の出口側冷媒温度が５０℃以上になることもあり、冷凍能力が著しく低下することがある。
本発明は、上記実情に鑑みて、地球環境に対する影響の少ない冷媒を用いて、冷凍能力を確保することが可能な冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る冷却装置は、冷媒を圧縮して高温高圧にする圧縮機と、前記圧縮機で高温高圧になった冷媒を機外空気と熱交換させて放熱させるガスクーラと、前記圧縮機およびガスクーラが配設されている機械室に機外空気を取り込む送風装置と、前記ガスクーラで放熱させた冷媒を蒸発させて蒸発潜熱を発生させる蒸発器と、からなる冷却装置において、
前記機械室に機外空気が取り込まれる側に前記ガスクーラ、当該取り込まれた機外空気の排出側に前記圧縮機を配置し、前記送風装置が前記機械室に取り込んだ機外空気を前記ガスクーラから前記圧縮機の順に当てて放熱させることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係る冷却装置は、上述した請求項１において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、冷却装置の機械室に機外空気が取り込まれる側にガスクーラ、当該取り込まれた機外空気の排出側に圧縮機を配置し、送風装置が機械室に取り込んだ機外空気をガスクーラから圧縮機の順に当てて放熱させることにより、ガスクーラや送風装置を大きくしなくても、冷凍能力への影響の大きいガスクーラ出口側冷媒温度を下げることができ、放熱能力と冷凍能力を効率よく上げることができ、冷却性能の向上を図ることが可能となる。
また、請求項２の発明によれば、冷媒が二酸化炭素であることにより、地球環境に対する影響の少ない冷媒を用いた冷却装置を提供することが可能となる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷却装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、本発明に係る冷却装置を備えた飲料ディスペンサの外観図である。同図に示すように、飲料ディスペンサ１は、前面に開口を有するディスペンサ本体２と、ディスペンサ本体２の前面開口を開閉可能にする態様で当該ディスペンサ本体２の前面の一側に支承された前扉６とを有し、前扉６の表面には、飲料選択ボタンを備えた操作パネル６ａが配設してある。また、前扉６の内側下方には、シロップ飲料を供給する飲料ノズルや飲料原料を供給するチューブ式ポンプが配設され、その下方には飲料容器であるカップの置き台７が設けられ、高さ調整可能なレベリング調整脚８を備えている。ディスペンサ本体２の前面板３には機外空気を機械室１７（図３参照）内に取り込むための空気吸い込み口３ａが設けられ、底面板４の前扉６側にも同様の空気吸い込み口が設けられている。また、背面板５には機械室１７内に取り込んだ空気の排出口（図示せず）が設けられている。
図２は、本発明に係る冷却装置１０の実施の形態を示す回路図である。冷却装置１０は、圧縮機１１、ガスクーラ１２、送風装置１３、電子膨張弁１４、蒸発器１５、ならびにこれらを接続する冷媒管路Ｌにより構成され、冷媒を図中矢印方向に循環させて冷却を行うものである。ここで、冷媒としては、不燃性、安全性、不腐食性を有し、更にオゾン層を破壊することがない地球環境に対する影響の少ない二酸化炭素を用いている。

圧縮機１１は、蒸発器１５から帰還した低温低圧の冷媒（二酸化炭素）を圧縮して高温高圧の超臨界状態の冷媒にするものである。圧縮機１１で圧縮された高温高圧（例えば９０℃、８〜１１ＭＰａ）の冷媒はガスクーラ１２に送られ、送風装置１３がディスペンサ本体２の前面板３や底面板４に設けている空気吸い込み口から取り込んだ機外空気と熱交換することでその周囲温度に近い温度（例えば４０℃）まで冷却（放熱）される。圧縮機１１には電源の周波数を変換するインバータ１１ａが接続してあり、飲料ディスペンサ１の熱負荷に見合った適切な電源周波数で圧縮機１１を運転する。この圧縮機１１としては、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機などが適宜適用される。
電子膨張弁１４は、ガスクーラ１２で熱交換させて温度を下げた冷媒を絞り膨張させて減圧して低温低圧（例えば−１０℃、約２．７ＭＰａ）の状態に調整して蒸発器１５に供給するものである。
蒸発器１５は、金属パイプをコイル状に巻回させて冷却水槽２０に貯留している冷却水Ｗに浸漬され、電子膨張弁１４から供給された低温低圧の冷媒が蒸発するときに発生させる蒸発潜熱でその周囲にアイスバンク（氷魂）Ｂを形成し、このアイスバンクＢの蓄熱を利用して冷却水Ｗの温度を略０℃に保ち、同じく冷却水Ｗに浸漬されているカーボネータとシロップや飲料水の冷却パイプ（図示せず）を冷却し、通流するシロップや飲料水および炭酸水を冷却する。

図３は本発明に係る冷却装置の実施の形態を示す飲料ディスペンサの断面側面図である。機械室１７内には前扉６側（図中左側）から、ガスクーラ１２、送風装置１３、圧縮機１１の順で配置している。そして送風装置１３を駆動すると、飲料ディスペンサ１の前面板３の空気吸い込み口３ａや底面板４の前扉６側に設けた空気吸い込み口から周辺の比較的冷たい空気をガスクーラ１２を通して取り込み、圧縮機１１から背面板５に設けた空気排出口から飲料ディスペンサ１の外部へ排出する。このように送風装置１３で取り込まれた機外空気はガスクーラ１２を冷却してから圧縮機１１を冷却して飲料ディスペンサ１の外部へ排出される。
圧縮機１１を運転して高圧側冷媒圧力が例えば約９ＭＰａで低圧側冷媒圧力が約３ＭＰａのとき、ガスクーラ１２の入口での冷媒温度が従来と同じ約９０℃でも、ガスクーラ１２を通流している冷媒は外気とほぼ同じ温度の空気と熱交換されるため、ガスクーラ１２出口の冷媒温度は従来の５０℃以上から４０℃近くまで下げることが可能となる。ガスクーラ１２で冷媒温度が９０℃から４０℃まで下がると、エンタルピー差は、１５４[ｋＪ／ｋｇ]と従来の８４[ｋＪ／ｋｇ]と比べて、約７０[ｋＪ／ｋｇ]増加することとなる。
冷媒循環量がほぼ同じ３ｇ／ｓとすると、放熱能力を２１０Ｗ増やすことが可能である。また、ガスクーラ１２出口の冷媒温度が下がれば、電子膨張弁１４での温度も下がるため、蒸発器１５の出口状態は配置の影響を受けずほとんど変わらないので、蒸発器１５でのエンタルピー差も増加し、冷凍能力も増えることになる。例えば、電子膨張弁１４手前の温度が４０℃とすると、圧力９ＭＰａから、エンタルピーは、約３４４[ｋＪ／ｋｇ]である。低圧側冷媒圧力が３ＭＰａのとき、蒸発温度は約−５℃である。過熱度を１０Ｋとすると、蒸発器１５出口で冷媒温度は５℃となり、蒸発器１５出口でのエンタルピーは、４４９[ｋＪ／ｋｇ]となる。

従って蒸発器１５では４４９−３４４＝１０５[ｋＪ／ｋｇ]である。ガスクーラ１２出口冷媒温度が５０℃の場合は、蒸発器１５でのエンタルピー差は、４４９−４１５＝３４[ｋＪ・ｋｇ]であり、約７０[ｋＪ／ｋｇ]のエンタルピーが増加し、冷媒循環量は高圧側と同じ３ｇ／ｓとすると、冷凍能力も２１０Ｗ分増加することができる。ただし、厳密には、ガスクーラ出口温度が下がると、高圧圧力、冷媒循環量も多少変わるため、効果には差が生じる。
また、図４に示すように、機械室１７内の前扉６側に送風装置１３を配置し、その風下側にガスクーラ１２を配置し、その風下側に圧縮機１１を配置しても同様の効果を得ることができる。
このように、機械室１７の機外空気が取り込まれる側にガスクーラ１２を配置し、当該取り込まれた機外空気の排出側に圧縮機１１を配置し、送風装置１３が機械室１７に取り込んだ機外空気をガスクーラ１２から圧縮機１１の順に当てて放熱させることにより、冷却装置１０のガスクーラ１２や送風装置１３を大きくしなくても、放熱能力、冷凍能力への影響の大きいガスクーラ１２出口の冷媒温度を下げることができ、放熱能力と冷凍能力を効率よく上げることができ、冷却性能の向上を図ることが可能となる。また、圧縮機１１とガスクーラ１２からの高温の空気を吸込んでいた送風装置１３の送風羽根や駆動モータの熱負荷が下がり、交換頻度を抑えることができる冷却装置１０を提供することが可能となる。

本発明に係る冷却装置を備えた飲料ディスペンサの外観図である。 本発明に係る冷却装置の実施の形態を示す回路図である。 本発明に係る冷却装置の実施の形態を示す断面側面図である。 本発明に係る冷却装置の実施の形態を示す断面側面図である。 従来の冷却装置を示す断面側面図である。 二酸化炭素冷媒のモリエル線図である。 二酸化炭素冷媒の冷媒温度とエンタルピーの関係を示す図である。

符号の説明

１ 飲料ディスペンサ
２ ディスペンサ本体
３ 前面板
３ａ 空気吸い込み口
４ 底面板
５ 背面板
１０ 冷却装置
１１ 圧縮機
１２ ガスクーラ
１３ 送風装置
１４ 電子膨張弁
１５ 蒸発器
１７ 機械室
２０ 冷却水槽

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮して高温高圧にする圧縮機と、前記圧縮機で高温高圧になった冷媒を機外空気と熱交換させて放熱させるガスクーラと、前記圧縮機およびガスクーラが配設されている機械室に機外空気を取り込む送風装置と、前記ガスクーラで放熱させた冷媒を蒸発させて蒸発潜熱を発生させる蒸発器と、からなる冷却装置において、
   前記機械室に機外空気が取り込まれる側に前記ガスクーラ、当該取り込まれた機外空気の排出側に前記圧縮機を配置し、前記送風装置が前記機械室に取り込んだ機外空気を前記ガスクーラから前記圧縮機の順に当てて放熱させることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
   

Images