JP2013185762A - 冷媒サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱効率を向上させることができる内部熱交換器を備えた冷媒サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷媒サイクル装置１２は、冷媒を吸引して圧縮する圧縮機１６と、圧縮機１６で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器である庫外熱交換器１８と、庫外熱交換器１８で冷却された冷媒を減圧する電子膨張弁１０と、電子膨張弁１０で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器２４、２８、３０と、庫外熱交換器１８から電子膨張弁１０に向かう高圧側冷媒と蒸発器２４、２８、３０から圧縮機１６に向かう低圧側冷媒とを熱交換器させる内部熱交換器２２とを備え、内部熱交換器２２を、冷却ファン４５の送風方向Ｂに対して傾斜姿勢で設置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、放熱器から減圧装置に向かう高圧側冷媒と、蒸発器から圧縮機に向かう低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷媒サイクル装置に関する。

従来、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍ショーケース・冷蔵ショーケース、或いは飲料ディスペンサ等の断熱筐体の冷却庫内を冷却するための冷媒サイクル装置が知られている。冷媒サイクル装置は、主に圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を経て冷媒を循環する冷媒回路を有し、冷媒回路を循環する冷媒として、例えば、地球環境に対する影響や、不燃性、安全性、不腐食性等を考慮して、二酸化炭素を冷媒として使用することがある。

上記の冷媒回路では、圧縮機の出口側から放熱器を経て減圧装置の入口側までの高圧側配管における放熱器と減圧装置との間と、減圧装置の出口側から蒸発器を経て圧縮機の入口側までの低圧側配管における蒸発器と圧縮機との間に、内部熱交換器を設けることが一般的である。この内部熱交換器は、高圧側配管と低圧側配管とを、互いに熱交換可能な距離を有して非接触向流するように配設してある。これにより、放熱器を出た冷媒をさらに低温化させ、蒸発器を出た冷媒をより確実に気化させて圧縮機に供給することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４９０２６号公報

上記のように、内部熱交換器を用いることにより、冷媒サイクル装置の能力向上を図ることができ、二酸化炭素冷媒のような高圧側が従来の冷媒に比べてより高温高圧になる冷凍回路では、内部熱交換器による高圧側冷媒の低温化が冷凍効率を一層向上させる手段となる。

ところが、内部熱交換器を設置することにより、装置の構成部品数が増加するため、装置の大型化やコスト増加を惹起することになり、特に、内部熱交換器での熱交換性能を向上させようとした場合には、当該内部熱交換器を構成する２重管を長く大きくする必要があったが、装置のさらなる大型化とコスト増加を生じることになる。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、冷媒サイクルの効率を向上させることができる内部熱交換器を備えた冷媒サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷媒サイクル装置は、冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、該放熱器で冷却された冷媒を減圧する膨張装置と、該膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記放熱器から前記減圧装置に向かう高圧側冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かう低圧側冷媒とを熱交換器させる内部熱交換器とを備えた冷媒サイクル装置であって、前記内部熱交換器を、冷却ファンの送風方向に対して傾斜姿勢で設置したことを特徴とする。

このような構成によれば、内部熱交換器を冷却ファンの送風方向に対して傾斜姿勢で設置したことにより、冷却ファンの送風を内部熱交換器の全体にまんべんなく当てて外気への排熱を促すことができ、当該内部熱交換器での高圧側冷媒の温度を一層低下させることができ、冷媒サイクルの効率を向上させることができる。

前記内部熱交換器は、前記高圧側冷媒が流通する高圧側配管と、前記低圧側冷媒が流通する低圧側配管との２重管を、上下方向に延びるコイルとして巻回させて構成されると共に、前記コイルの中心軸が前記冷却ファンの送風方向に対して傾斜して設置されるとよい。そうすると、コイルを構成するように巻回された２重管同士の隙間を、冷却ファンの送風が円滑に通過し、冷却ファンの送風方向に対して上流側（風上側）にある２重管だけでなく、下流側（風下側）にある２重管にも送風を十分に吹き付けることができ、コイルの全体を十分に冷却することができる。

前記内部熱交換器は、前記低圧側配管の外側に前記高圧側配管を配置した外高圧式の２重管であると、高圧側配管を流通する高圧側冷媒を、内側の低圧側配管を流通する低圧側冷媒と、冷却ファンの送風とで包み込むように冷却することができるため、高圧側冷媒をより低温化させることができる。

前記コイルは、２重管の巻きピッチが該２重管の管外径の２倍以上であることが好ましい。そうすると、２重管同士の隙間を十分に確保することができるため、該隙間に冷却ファンの送風を円滑に通すことができ、冷却効果を一層高くすることができる。

前記冷却ファンは、前記放熱器を冷却可能に設置され、前記内部熱交換器は、前記冷却ファンの送風方向で下流側に設置されると、放熱器を冷却する冷却ファンを用いて内部熱交換器も同時に冷却することができ、設置スペースや部品点数を削減することができる。

前記冷媒が二酸化炭素である場合には、高圧側が一層高温高圧になるが、当該冷媒サイクル装置では、内部熱交換器での高圧側冷媒の冷却効率が高いため、高圧側冷媒を十分に低温化させることができ、サイクル効率を一層向上させることができる。

本発明によれば、内部熱交換器を冷却ファンの送風方向に対して傾斜姿勢で設置したことにより、冷却ファンの送風を内部熱交換器の全体にまんべんなく当てて外気への排熱を促すことができ、当該内部熱交換器での高圧側冷媒の温度を一層低下させることができ、サイクル効率を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷媒サイクル装置の全体構成図である。 図２は、図１に示す冷媒サイクル装置を自動販売機に搭載するためにユニット化した状態での一構成例を示す斜視図である。 図３は、図２に示す冷媒サイクル装置の側面図である。 図４は、内部熱交換器を構成する２重管の一構成例を示す模式図である。 図５は、内部熱交換器を構成するコイルの傾斜角度を説明するための模式説明図である。 図６は、内部熱交換器高圧側温度と熱交換器長さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る冷媒サイクル装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷媒サイクル装置１２の全体構成図である。この冷媒サイクル装置１２は、例えば、自動販売機の冷却加熱装置として用いられ、３つの商品収納庫１４ａ、１４ｂ、１４ｃをそれぞれ冷却・加熱し、販売用の缶飲料等の商品を所定温度に保持するためのものである。勿論、冷媒サイクル装置１２は、自動販売機以外、例えば室内用や車両用の空調装置や各種ショーケース等に適用することもできる。

先ず、冷媒サイクル装置１２の冷媒回路の構成の一例について説明する。

図１に示すように、冷媒サイクル装置１２は、図示しない自動販売機の機械室に配置される圧縮機１６、庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、内部熱交換器２２及び電子膨張弁１０と、商品収納庫１４ａに配設される蒸発器２４及び加熱用熱交換器２６と、商品収納庫１４ｂに配設される蒸発器２８と、商品収納庫１４ｃに配設される蒸発器３０とを備え、これらが所定量の冷媒（例えば、二酸化炭素）を封入した配管によって接続されることで冷媒回路を構成している。商品収納庫１４ｂには、さらに、庫内を加熱するためのヒータ３２が設けられている。

圧縮機１６は、低温低圧の冷媒を配管３４を介して吸引口から吸引し、それを圧縮することで高温高圧状態にして吐出口から吐出側配管３５へと吐出するものであり、例えば２段圧縮式で構成される。吐出側配管３５は三方弁３６によって２方に分岐しており、一方の配管３８は庫外熱交換器１８に接続され、他方の配管４０は商品収納庫１４ａ内へと配設されて加熱用熱交換器２６に接続される。三方弁３６を切替制御することにより、圧縮機１６から吐出された冷媒は庫外熱交換器１８又は加熱用熱交換器２６に択一的に流通される。

庫外熱交換器１８の出口側において、配管３８は、補助熱交換器２０及び内部熱交換器２２を順に経由して分配器４２に接続される。分配器４２は、配管３８を３方に分岐させ、分岐した各配管４３ａ、４３ｂ、４３ｃは、それぞれ電子膨張弁（膨張装置）１０を介して蒸発器２４、２８、３０に接続された後、その出口側の配管４４ａ、４４ｂ、４４ｃが、蒸発器２４、２８、３０の出口側で配管３４に合流し、内部熱交換器２２を経て圧縮機１６の吸引口に接続される。一方、加熱用熱交換器２６の出口側において、配管４０は、庫外熱交換器１８と補助熱交換器２０の間の配管３８に合流し、補助熱交換器２０の入口側へと接続される。電子膨張弁１０は、図示しない制御装置の制御下にパルス駆動制御されることで、冷媒を減圧して膨張させ、冷媒流量及び冷媒蒸発温度を制御する。

圧縮機１６で圧縮されて高温高圧となった冷媒を放熱させるための放熱器である庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０には、これらを冷却可能な冷却ファン（庫外ファン、ユニットファン）４５が近接配置される。補助熱交換器２０は省略してもよい。また、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６には、図示しないファンが近接配置される。庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０に近接配置される冷却ファン４５は庫外送風用であり、庫外熱交換器１８等の周囲に外気を通過させて外部へと送出するためのものである。一方、蒸発器２４、２８、３０及び加熱用熱交換器２６に近接配置されるファンは庫内送風用であり、蒸発器２４等の周囲を通過して加熱又は冷却された空気を各庫内に循環させるためのものである。

このような冷媒サイクル装置１２では、圧縮機１６の回転数や電子膨張弁１０の開度を変化させ、さらに、三方弁３６や分配器４２を適宜開閉制御することにより、各庫内を所望の温度域で管理することができる。

冷媒サイクル装置１２では、商品収納庫１４ａ〜１４ｃに収納される商品種類や気候条件等に応じて、例えば３つの運転モード（ＣＣＣ運転、ＨＣＣ運転、ＨＨＣ運転）を実行することができる。ＣＣＣ運転は、各庫１４ａ〜１４ｃを全て冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管３８側に切り替え、分配器４２を３方分配とする。ＨＣＣ運転は、商品収納庫１４ａを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｂ、１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｂ、４４ｃの２方分配とする。ＨＨＣ運転は、商品収納庫１４ａ、１４ｂを加熱（ＨＯＴ）運転し、商品収納庫１４ｃを冷却（ＣＯＬＤ）運転する運転モードであり、三方弁３６を配管４０側に切り替え、分配器４２を配管４４ｃの１方分配とし、ヒータ３２をオンする。勿論、冷媒サイクル装置１２の運転モードは上記以外のものであってもよく、電子膨張弁１０が適用される冷媒回路の構成も上記冷媒サイクル装置１２以外の構成であってもよい。

次に、冷媒サイクル装置１２の冷凍機器（例えば、自動販売機）への搭載時の構成例について説明する。

図２は、図１に示す冷媒サイクル装置１２を自動販売機（図示せず）に搭載するためにユニット化した状態での一構成例を示す斜視図であり、図３は、図２に示す冷媒サイクル装置１２の側面図である。冷媒サイクル装置１２は、図２及び図３に示すように、庫内に設置される蒸発器２４、２８、３０を除くほとんどの部品が、架台であるユニットベース５０上に設置されることでコンデンシングユニットを形成し、図示しない自動販売機等の機械室（庫外）に設置される。

ユニットベース５０上には、圧縮機１６、庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０、内部熱交換器２２等の各要素が所定の止め具やマウント等を介して固定されている。

放熱器である庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０を冷却するための冷却ファン４５は、ユニットベース５０の外縁部に設置された庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０に対して、外側から外気Ａ（図３参照）を吸引して通過させることにより、これら庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０を冷却する。同時に、冷却ファン４５は、庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０を通過した送風Ｂを、圧縮機１６や内部熱交換器２２等の各要素に吹き付けることにより、これら圧縮機１６及び内部熱交換器２２等の冷却も行うことができる。

つまり、冷媒サイクル装置１２では、庫外熱交換器１８及び補助熱交換器２０をユニットベース５０の外縁部に設置すると共に、その内側に冷却ファン４５を設置することにより、１台の冷却ファン４５で、ユニットベース５０上の各要素（圧縮機１６、庫外熱交換器１８、補助熱交換器２０及び内部熱交換器２２等）を同時に冷却可能であり、ユニット構造の効率化と小型化を図っている。

次に、内部熱交換器２２の具体的な構成について説明する。

内部熱交換器２２は、例えば、図４に示すように、庫外熱交換器１８（補助熱交換器２０）から電子膨張弁１０に向かう高圧側冷媒が流通する配管３８（以下、「高圧側配管３８」ともいう）と、蒸発器２４、２８、３０から圧縮機１６に向かう低圧側冷媒が流通する配管３４（以下、「低圧側配管３４」ともいう）とからなる２重管５２を有し、図２及び図３に示すように、２重管５２を上下方向に延びるコイル５４として巻回し、省スペースで所望の熱交換距離を確保している。図４に示すように、内部熱交換器２２を構成する２重管５２は、高圧側配管３８を低圧側配管３４の外側に配置した外高圧式の２重管であり、高圧側冷媒と低圧側冷媒とが非接触向流によって熱交換可能に構成されている。

ところで、このような内部熱交換器２２は、従来、コイル５４の中心軸Ｏを鉛直方向に向け、ユニットベース５０の上面に対して配管軸が平行となる姿勢、つまり、コイル５４の中心軸Ｏが送風Ｂに直交する方向に設置されていた。このため、冷却ファン４５の送風Ｂが、コイル５４の一側面側にのみ吹き付けられ、冷却ファン４５と反対側の２重管５２の冷却が十分ではなく、冷媒として高圧側が高温高圧になる二酸化炭素等を用いた場合には、当該内部熱交換器２２での高圧側冷媒の冷却効率が低いため、十分に低温化させることができず、冷凍効率の向上に限界があった。一方、内部熱交換器２２での冷却効率を向上させるため、２重管５２を管長を延ばすことも考えられるが、コイル５４が大型化し、設置スペースやコストの点で問題がある。

そこで、本実施形態に係る冷媒サイクル装置１２では、図３に示すように、内部熱交換器２２は、コイル５４の中心軸Ｏが、冷却ファン４５の送風Ｂの方向（以下、「送風方向Ｂ」ともいう。図３では水平方向）に対して傾斜姿勢で設置されている。より具体的には、コイル５４の中心軸Ｏの上方が冷却ファン４５に近接する方向、つまりコイル５４の中心軸Ｏの上方が送風方向Ｂの上流側に傾いて設置されることにより、ユニットベース５０の上面に対して２重管５２の配管軸が傾いている。

図５に、内部熱交換器２２を構成するコイル５４の傾斜角度（倒れ角度）を説明するための模式説明図を示す。図５に示すように、２重管５２の管外径をＤ、コイル５４の巻き径をＬ、コイル５４の巻きピッチをＰ（＝２・Ｄ）、鉛直方向Ｖ（送風方向Ｂに対して直交する方向。換言すれば、ユニットベース５０の上面に直交する方向）に対するコイル５４（の中心軸Ｏ又は配管中心軸Ｏ１）の倒れ角度をθ、とすると、倒れ角度θは、次の式（１）によって決定することができる。例えば、式（１）によれば、管外径Ｄ＝１０．５ｍｍ、巻き径Ｌ＝１００ｍとすると、ピッチＰ＝２１ｍｍとなり、倒れ角度θ＝６°として決定することができる。なお、倒れ角度θは、２重管５２の管外径Ｄ等に応じて適宜変更可能であるが、例えば、一般的な自動販売機等の場合には、上記条件から算出される角度に加えて組立や設置時の角度バラツキを考慮し、２〜１０°程度に設定するとよい。
θ＝Ｔａｎｈ（Ｄ／Ｌ） ・・・（１）

以上のように、本実施形態に係る冷媒サイクル装置１２によれば、内部熱交換器２２を冷却ファン４５の送風方向Ｂに対して傾斜姿勢で設置したことにより、冷却ファン４５の送風Ｂを内部熱交換器２２の全体にまんべんなく当てて外気への排熱を促すことができ、当該内部熱交換器２２での高圧側冷媒の温度を一層低下させることができ、冷媒サイクルの効率（ユニット効率）を向上させることができる。特に、冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、高圧側が一層高温高圧になるが、当該内部熱交換器２２での高圧側冷媒の冷却効率が高いため、高圧側冷媒を十分に低温化させることができ、サイクル効率を一層向上させることができる。

当該冷媒サイクル装置１２では、内部熱交換器２２は、高圧側冷媒が流通する高圧側配管３８と、低圧側冷媒が流通する低圧側配管３４との２重管５２を、上下方向に延びるコイル５４として巻回させて構成されると共に、コイル５４の中心軸Ｏが冷却ファン４５の送風方向Ｂに対して傾斜して設置される。このため、コイル５４を構成するように巻回された２重管５２同士の隙間を、冷却ファン４５の送風Ｂが円滑に通過し、冷却ファン４５の送風Ｂに対して上流側（風上側）にある２重管５２だけでなく、下流側（風下側）にある２重管５２にも送風Ｂを十分に吹き付けることができ、コイル５４の全体を十分に冷却することができる。この場合、コイル５４をより効果的に冷却するため、２重管５２同士の隙間を規定する巻きピッチＰは、十分に広く、例えば管外径Ｄの２倍以上とすると冷却効果を一層高くすることができる。

また、内部熱交換器２２を構成する２重管５２が、高圧側配管３８を低圧側配管３４の外側に配置した外高圧式の２重管であることにより、高圧側配管３８を流通する高圧側冷媒を、内側の低圧側配管３４を流通する低圧側冷媒と、冷却ファン４５の送風Ｂとで包み込むように冷却することができるため、高圧側冷媒をより低温化させることができる。例えば、図６に示すように、内部熱交換器２２では、（１）冷却ファン４５による冷却（外気からの冷却）と、（２）低圧側冷媒による冷却（低圧部からの冷却）とにより、例えば、４５℃の高圧側冷媒を３０℃以下まで低下させることができ、高圧側冷媒の高い冷却効率を得ることができることがわかる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、内部熱交換器２２を冷却する冷却ファンとして、放熱器（庫外熱交換器１８）を冷却する冷却ファン４５を兼用したが、内部熱交換器２２用の冷却ファンを別途設けても勿論よく、また、冷却ファン４５の送風方向Ｂを逆方向とし、内部熱交換器２２の外側から外気を吸い込んで当該内部熱交換器２２を通過させる配置としてもよい。

１０ 電子膨張弁
１２ 冷媒サイクル装置
１６ 圧縮機
１８ 庫外熱交換器
２０ 補助熱交換器
２２ 内部熱交換器
２４、２８、３０ 蒸発器
２６ 加熱用熱交換器
３４ 低圧側配管
３８ 高圧側配管
４５ 冷却ファン
５２ ２重管
５４ コイル

Claims (6)

1. 冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、該放熱器で冷却された冷媒を減圧する膨張装置と、該膨張装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記放熱器から前記減圧装置に向かう高圧側冷媒と前記蒸発器から前記圧縮機に向かう低圧側冷媒とを熱交換器させる内部熱交換器と、
   を備えた冷媒サイクル装置であって、
   前記内部熱交換器を、冷却ファンの送風方向に対して傾斜姿勢で設置したことを特徴とする冷媒サイクル装置。
2. 請求項１記載の冷媒サイクル装置において、
   前記内部熱交換器は、前記高圧側冷媒が流通する高圧側配管と、前記低圧側冷媒が流通する低圧側配管との２重管を、上下方向に延びるコイルとして巻回させて構成されると共に、前記コイルの中心軸が前記冷却ファンの送風方向に対して傾斜して設置されることを特徴とする冷媒サイクル装置。
3. 請求項２記載の冷媒サイクル装置において、
   前記内部熱交換器は、前記低圧側配管の外側に前記高圧側配管を配置した外高圧式の２重管であることを特徴とする冷媒サイクル装置。
4. 請求項２記載の冷媒サイクル装置において、
   前記コイルは、２重管の巻きピッチが該２重管の管外径の２倍以上であることを特徴とする冷媒サイクル装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷媒サイクル装置において、
   前記冷却ファンは、前記放熱器を冷却可能に設置され、
   前記内部熱交換器は、前記冷却ファンの送風方向で下流側に設置されることを特徴とする冷媒サイクル装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷媒サイクル装置において、
   前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする冷媒サイクル装置。

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