JP2017138046A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷凍装置にあって、フロンの使用量の削減するについて、それに代わる良好な冷媒の提供がなく、注目される二酸化炭素の使用は、二酸化炭素を常温凝縮しようとすると、５．０〜７．０ＭＰａの高圧が必要となり、汎用の冷凍機では使用に耐えられず、冷却するにしてもその必要な熱源の確保は、冷凍サイクルの機構上困難であったという点である。【解決手段】 蒸発器へ導入される混合冷媒の凝縮熱源をカスケードを通過する低温の戻り冷媒によって行う冷凍装置であって、前記した混合冷媒が二酸化炭素と、常温域で凝縮液化する自然冷媒（プロパン）あるいはフロン系冷媒を混合したものであることとし、前記したフロン系冷媒はハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）であることとする。【選択図】 図１

Description

本発明は冷凍装置に関し、特に、オゾン層を破壊し、地球温暖化の要因とされているフロン（フッ化炭化水素系）の使用量を削減することのできる冷凍装置に関する。

近時、地球環境の問題として異常気象、特に温暖化傾向にある気温上昇は緊急改善の課題とされており、その中でも空調、冷凍の業界では冷媒として使用されているフロン系ガス（フッ化炭化水素）はその削減対象とされている。フロンが市場に出た時には冷媒としての効率の良さや安定性のある物質としてアンモニア等から急激な切り替えが行なわれた。しかし、その安定性が逆に災いして、大気中の残存寿命が１０〜１００年以上ともなり、オゾン層の破壊を助長させ、地球温暖化を進行させる結果となっている。

特定フロンのＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）は１９９６年１月をもって全廃され、指定フロンであるＨＣＦＣ類（ハイドロクロロフルオロカーボン）の規制は２００４年１月１日から消費量と生産量の削減が始まり、２０２０年に全廃される。ＨＦＣ類（ハイドロフルオロカーボン）はオゾン層の破壊分子である塩素を含まない冷媒の開発が進んでいるが、二酸化炭素に比べるとＧＷＰ（地球温暖化係数）は数百〜数千倍を有するとされている。

現在、多くの関係者がフロン系冷媒の消費環境が危機的状態となって、その緊急的解決策を探究されており、ノンフロンにして省エネの装置開発がされているが、自然界由来ガスによる安全で安定したシステムの開発には至っていない。完全ノンフロン冷凍装置の完成には安全性、安定性、性能、コスト、部品の汎用性、法規制等の幾つもの障害があり、一気の解決は困難とされている。

本願は少しでもフロンの消費量（使用量）を削減して完全ノンフロン冷凍機の出現までの間に、フロン消費量を現在の３分の１から５分の１まで削減する過渡的技術を提供するものである。

特許第４１０８６５６号公報 特開２０１４−１９６８６８号公報 特開２０１４−１９６８６９号公報

本発明が解決しようとする問題点は、冷凍装置にあって、フロンの使用量の削減するについて、それに代わる良好な冷媒の提供がなく、注目される二酸化炭素の使用は、二酸化炭素を常温凝縮しようとすると、５．０〜７．０ＭＰａの高圧が必要となり、汎用の冷凍機では使用に耐えられず、冷却するにしてもその必要な熱源の確保は、冷凍サイクルの機構上困難であったという点である。

上記した問題点を解決するため、本発明に係る冷凍装置は、蒸発器へ導入される混合冷媒の凝縮熱源をカスケードを通過する低温の戻り冷媒によって行う冷凍装置であって、前記した混合冷媒が二酸化炭素と、常温域で凝縮液化する自然冷媒（プロパン）あるいはフロン系冷媒を混合したものであることを特徴としている。

また、本発明に係る冷凍装置は、前記したフロン系冷媒はハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）であることを特徴とし、前記した混合冷媒は質量として二酸化炭素０．７５に対しフロン系冷媒を０．２５の比率（３：１）としてあること、或いは混合比を二酸化炭素量＞フロン系冷媒（或いはプロパンガス）とした混合冷媒であることを特徴とし、前記したカスケードは複数個を多段に有していることを特徴としている。

正常・安定した冷凍サイクル圧縮機より吐出された高圧冷媒を冷却凝縮して液冷媒とし減圧・気化して蒸発され蒸発潜熱によって冷却がなされる。冷却凝縮するためには二酸化炭素では−１５℃の熱源で０．２ＭＰａとなり安全運転となる。−１５℃の熱源は通常外部より得がたく安定運転が不可能である。本発明は常温熱源において二酸化炭素を減圧・凝縮して液化冷媒を蒸発気化させるシステムを特徴としている。

さらに、本発明に係る冷凍装置は、装置起動時に混合冷媒の凝縮を促進するための強制減衰装置を組み込んであることを特徴とし、前記した強制減衰装置は、内部が中間プレートで仕切られ、同一容量とした一次側と二次側とを有し、その一次側を通した冷媒が二次側へ導入され、一次側と二次側で熱交換を行なう熱交換器であることを特徴としている。

起動時強制減衰装置により、高圧低沸点冷媒ガスを運転に安全な低圧として、常温熱源で凝縮液化するフロン等冷媒の蒸発潜熱を回路途中の熱交換器に蒸発させ未凝縮二酸化炭素の凝縮熱源とする。凝縮放熱潜熱は蒸発潜熱に相関して冷凍能力を発揮する。故に冷凍能力は外部熱源凝縮器の能力に相関して発揮され常温で凝縮する冷媒ガスが必要である。

冷媒回路最終熱交換器で蒸発器で蒸発後の低温戻り冷媒で冷却凝縮され、二酸化炭素の液化冷媒が蒸発して冷却し、冷凍能力を発揮する。

本発明に係る冷凍装置は上記のように構成されている。冷媒を二酸化炭素を主成分とし、フロン系もしくは自然冷媒（プロパン）と混合させてあることで、両成分の長所を合わせ持つことができ、また、起動時に格別な熱交換器によって二酸化炭素を凝縮するので、外部熱源を特に必要とすることもない。それによってオゾン層の破壊の助長や地球温暖化の進行も緩和させることができる。

本発明を実施した冷凍装置の冷媒回路図である。 チャート図である。 Ｐｈ線図である。

図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。

次に、本発明の好ましい実施の一例を図面を参照して説明する。そして、本実施例において使用する冷媒は、二酸化炭素とフロンガスそれも地球温暖化係数値（ＧＷＰ）の小さなハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ類）の混合冷媒で、その混合比率は質量で二酸化炭素０．７５に対しハイドロフルオロカーボンを０．２５（３：１）とする。或いは混合比を二酸化炭素量＞フロン系冷媒（或いはプロパンガス）とした混合冷媒で、この混合冷媒はオゾン層破壊係数が０、地球温暖化係数は０．３以下となる。

図中１は、冷凍機（コンプレッサー）を示しており、この冷凍機１から圧縮された高温の冷媒Ｔ２が吐出され、凝縮器（コンデンサ）２へ送られる。この凝縮器２へ冷媒が送られた際に、水冷あるいは空冷で冷却し、一部凝縮液化を図る。

冷凍装置の起動時には、常温（２５℃前後）凝縮熱源にて減圧、冷却、液化を進めるため電磁弁（ソレノイドバルブ）ＳＬＶを開として、凝縮器２からの冷媒を強制減衰装置３へ導入する。ここで、出願人が特許第４１０８６５６号として権利取得済のシステムを応用利用して冷媒の冷却、液化を行なう。

この強制減衰装置は中間プレート３ａで仕切られ、同一容量の一次側３ｂと二次側３ｃとを有する熱交換器で、一次側３ｂを通過した冷媒を膨張弁３ｄを通して減圧し、二次側３ｃへ送り、この二次側３ｃから戻り冷媒Ｔ１として冷媒機１へ戻す。二次側３ｃの冷媒は一次側３ｂを通過する冷媒の凝縮を促進し、一次側３ｂの冷媒の熱源は二次側３ｃの冷媒の蒸発を促進し、この強制的な凝縮、減圧を継続していくうちに回路全体の圧力が低圧となる。回路中で一部に低圧部が発生すれば回路全体が同圧の低圧となり、安全運転圧力となる。

この作用の際には、圧力検出スイッチ４によって高圧を検知して電磁弁ＳＬＶを開き、低圧を検知して電磁弁ＳＬＶを閉じる。繰り返して作動して全体圧力を減圧する。圧力が設定圧力（２〜２．５ＭＰａ）以下になれば電磁弁ＳＬＶを閉じて、強制減衰装置３の作動を停止し、全冷媒を凝縮器２の回路、即ち、通常の冷媒回路へ導入する。

上記した作用で、二酸化炭素は常温凝縮では高圧が必要となるのを、常温凝縮熱源で一部減圧、冷却、液化をすすめるため、常温にて凝縮し易いフロン、ここではハイドロフルオロカーボンを一部混合して利用している。そして、フロンの使用量は従来使用される量の１５％以下となる。

凝縮器２を通った冷媒Ｔ５は低温気液二相となっており一次カスケード５に導入される。この一次カスケード５では後述する蒸発器（エバポレータ）からの戻り冷媒Ｔ１３と熱交換して凝縮が促進される。

一次カスケード５を通過した冷媒は一次気液分離器７に導入され、凝縮液と未凝縮ガスに分離されるこの一次気液分離器７の下層に溜まった凝縮液は膨張弁７ａを通過し、気化低温の冷媒Ｔ７となって二次カスケード５ａの二次側に導入され、一次気液分離器７の上層にある未凝縮ガスは二次カスケード５ａの一次側に導入される。この二次カスケード５ａの二次側にあって一次側の未凝縮ガスは二次側の気化低温ガスＴ７と後述する三次カスケード５ｂからの低温戻り冷媒Ｔ９とによって冷却凝縮液となる。

二次カスケード５ａを通過した冷媒は二次気液分離器８に導入され、凝縮液と未凝縮ガスに分離される。この二次気液分離器８の下層に溜まった凝縮液は膨張弁８ａを通過して気化低温（Ｔ１０）となって三次カスケード５ｂの二次側に、蒸発器６からの戻り冷媒Ｔ１２とともに導入される。未凝縮ガスは三次カスケード５ｂの一次側に導入される。

この三次カスケード５ｂでは、二次気液分離器８からの低温気化ガスと蒸発器６からの戻り冷媒によって冷却されて低温凝縮冷媒液となる。この三次カスケード５ｂを通過した冷媒は、さらに三次気液分離器９で気液分離され、この三次気液分離器９から、低温で凝縮された冷媒液（二酸化炭素を主成分とする凝縮液）Ｔ３が膨張弁９ａでさらに減圧されて蒸発器６に導入され、蒸発し、冷却する。

蒸発器６からの蒸発後の戻り冷媒Ｔ１２は、まず、三次カスケード５ｂの二次側に入って二次気液分離器８からの分離されたガスとともに一次側の冷媒を冷却して低温凝縮冷媒液とする凝縮熱源に加わる。この三次カスケード５ｂの二次側を通過した戻り冷媒は二次カスケード５ａの二次側に入り、一次気液分離器７からの分離されたガスとともに一次側の冷媒を冷却する凝縮熱源に加わる。

二次カスケード５ａの二次側を通過した戻り冷媒は一次カスケード５の二次側へ導入され、その一次側の冷媒の凝縮熱源となり、電磁弁ＳＬＶ２を通って冷凍機１に戻り、再びこの冷凍機１から吐出されて冷凍サイクルを継続する。

このように、本実施例における冷凍装置では冷媒として二酸化炭素を主成分としながらも、格別に低温外部熱源（水冷、空冷）を必要とせず、自らの循環で減圧、冷却が実行でき、即ち、自己蒸発熱を凝縮熱源として二酸化炭素のフロン系の３倍という蒸発能力を有効に利用し、フロン系ガスの常温にて凝縮し易い特性を混合して利用し、完全ノンフロン系に到るまでの過渡的なものとして非常に有益なものとなっている。

本実施例における冷凍装置は上記のように構成されている。この実施例では、冷媒として二酸化炭素を主成分としてフロン系ガス、それもハイドロフルオロカーボンを混合したものとしているが、このフロン系ガスに代わって自然界に存在するプロパンを混合することも可能である。

１ 冷凍機
２ 凝縮器
３ 強制減衰装置
４ 圧力検出スイッチ
５ 一次カスケード
５ａ 二次カスケード
５ｂ 三次カスケード
６ 蒸発器
７ 一次気液分離器
８ 二次気液分離器
９ 三次気液分離器
３ｄ，７ａ，８ａ，９ａ 膨張弁
ＳＬＶ，ＳＬＶ２ 電磁弁

Claims (6)

1. 蒸発器へ導入される混合冷媒の凝縮をカスケードを通過する戻り冷媒によって行う冷凍装置であって、前記した混合冷媒が二酸化炭素と、常温域で凝縮液化する自然冷媒（プロパン）あるいはフロン系冷媒を混合したものであることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記したフロン系冷媒はハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記した混合冷媒は質量として二酸化炭素０．７５に対しフロン系冷媒を０．２５の比率（３：１）としてあること、或いは混合比を二酸化炭素量＞フロン系冷媒（或いはプロパンガス）とした混合冷媒であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記したカスケードは複数個を多段に有していることを特徴とする請求項１から３のうち１項に記載の冷凍装置。
5. 装置起動時に混合冷媒の凝縮を促進するための強制減衰装置を組み込んであることを特徴とする請求項１から４のうち１項に記載の冷凍装置。
6. 前記した強制減衰装置は、内部が中間プレートで仕切られ、同一容量とした一次側と二次側とを有し、その一次側を通した冷媒が二次側へ導入され、一次側と二次側で熱交換を行なう熱交換器であることを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。

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