JP2019124432A - サイクロン式冷凍装置および該サイクロン式冷凍装置を備えたヒートポンプシステム - Google Patents
サイクロン式冷凍装置および該サイクロン式冷凍装置を備えたヒートポンプシステム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高い冷却能力を有し、スムーズに連続運転できる冷凍装置を提供する。
【解決手段】円筒部１と、排気管３と、円筒部の内部空間１ｂに連通するキャビティ４ａを有する冷却部４と、冷媒流入管５と、減圧器６を備える。高圧下で凝縮された液相冷媒が冷媒供給管に供給され、減圧器で減圧されて固気二相冷媒を形成し、固気二相冷媒は、円筒部の内部空間に流入して下降渦流を形成すると共に、固相冷媒Ｓと気相冷媒に分離し、固相冷媒Ｓがキャビティに堆積する一方、気相冷媒は、キャビティ底部から、下降渦流の内側空間を通る上昇渦流を形成して排気管から流出する。冷却部のキャビティを貫通してのび、内部を冷却負荷９からの被冷却流体が還流する被冷却流体循環管路７ａ、７ｂと、キャビティ内における被冷却流体循環管路部分に設けられ、固相冷媒Ｓと被冷却流体の間で熱交換させる熱交換器８と、被冷却流体を還流させるポンプ１０を備える。
【選択図】図１
【解決手段】円筒部１と、排気管３と、円筒部の内部空間１ｂに連通するキャビティ４ａを有する冷却部４と、冷媒流入管５と、減圧器６を備える。高圧下で凝縮された液相冷媒が冷媒供給管に供給され、減圧器で減圧されて固気二相冷媒を形成し、固気二相冷媒は、円筒部の内部空間に流入して下降渦流を形成すると共に、固相冷媒Ｓと気相冷媒に分離し、固相冷媒Ｓがキャビティに堆積する一方、気相冷媒は、キャビティ底部から、下降渦流の内側空間を通る上昇渦流を形成して排気管から流出する。冷却部のキャビティを貫通してのび、内部を冷却負荷９からの被冷却流体が還流する被冷却流体循環管路７ａ、７ｂと、キャビティ内における被冷却流体循環管路部分に設けられ、固相冷媒Ｓと被冷却流体の間で熱交換させる熱交換器８と、被冷却流体を還流させるポンプ１０を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、サイクロン式冷凍装置および当該サイクロン式冷凍装置を備えたヒートポンプシステムに関するものである。
従来技術においては、二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として使用する冷凍装置がいくつか知られている。
この種の冷凍装置は、例えば、ＣＯ２を常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、圧縮機からの高圧の気相ＣＯ２を冷却、凝縮する凝縮器と、凝縮器によって凝縮されたＣＯ２をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固相ＣＯ２（ドライアイス）と気相ＣＯ２（炭酸ガス）との混合体である固気二相ＣＯ２とするＣＯ２膨張装置と、ＣＯ２膨張装置から送給される固気二相ＣＯ２の昇華による冷熱を、冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後の気相ＣＯ２を圧縮機に送るＣＯ２昇華手段を備えている（例えば、特許文献１参照）。
この種の冷凍装置は、例えば、ＣＯ２を常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、圧縮機からの高圧の気相ＣＯ２を冷却、凝縮する凝縮器と、凝縮器によって凝縮されたＣＯ２をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固相ＣＯ２（ドライアイス）と気相ＣＯ２（炭酸ガス）との混合体である固気二相ＣＯ２とするＣＯ２膨張装置と、ＣＯ２膨張装置から送給される固気二相ＣＯ２の昇華による冷熱を、冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後の気相ＣＯ２を圧縮機に送るＣＯ２昇華手段を備えている（例えば、特許文献１参照）。
ＣＯ２昇華手段は、直接接触ＣＯ２昇華装置（特許文献１の図１参照）または間接接触ＣＯ２昇華装置（特許文献１の図２参照）からなっている。
そして、直接接触ＣＯ２昇華装置においては、ＣＯ２膨張装置から送給される固気二相ＣＯ２が、貯液槽に貯められたブライン中に噴出せしめられ、固気二相ＣＯ２がブラインの熱によって昇華せしめられ、この昇華によってブラインが冷却され、冷却されたブラインは、ブライン熱交換器において冷却負荷からの被冷却流体と熱交換する。
そして、直接接触ＣＯ２昇華装置においては、ＣＯ２膨張装置から送給される固気二相ＣＯ２が、貯液槽に貯められたブライン中に噴出せしめられ、固気二相ＣＯ２がブラインの熱によって昇華せしめられ、この昇華によってブラインが冷却され、冷却されたブラインは、ブライン熱交換器において冷却負荷からの被冷却流体と熱交換する。
また、間接接触ＣＯ２昇華装置においては、冷却負荷からの被冷却流体が、並列配置された多数の冷却管内に流される一方、冷却管の間に設けられたＣＯ２通路に、ＣＯ２膨張装置から送給される固気二相ＣＯ２が流され、固気二相ＣＯ２が冷却管内の被冷却流体の熱によって昇華せしめられ、この昇華によって被冷却流体が極低温まで冷却される。
しかし、この従来の冷凍装置では、直接接触ＣＯ２昇華装置とした場合は、貯液槽内に固相ＣＯ２が堆積して、冷却されたブラインを貯液槽から排出する管路が塞がれ、あるいは、貯液槽への固気二相ＣＯ２の噴出口に固相ＣＯ２が付着して噴出口が塞がれることによって、また、間接接触ＣＯ２昇華装置とした場合は、ＣＯ２通路内に固相ＣＯ２が付着、堆積して、ＣＯ２通路が塞がれることによって、冷凍装置の運転に障害をきたすことがあった。
さらには、この冷凍装置は、固気二相状態での固相ＣＯ２の潜熱を利用しており、固相ＣＯ２のみの昇華熱を利用した場合に比べると、冷却能力が劣るという欠点もあった。
したがって、本発明の課題は、高い冷却能力を有し、スムーズに連続運転できる冷凍装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明によれば、上下にのび、上端開口が閉じた円筒部と、前記円筒部よりも小さい径を有し、前記円筒部の上端に接続されて前記上端から上向きに前記円筒部と同軸にのび、前記円筒部の内部空間に連通する排気管と、前記円筒部の下端に接続され、前記円筒部の前記内部空間に連通するキャビティを有する冷却部と、を備え、前記円筒部の側壁上部には冷媒流入口が形成されており、さらに、一端が前記冷媒流入口に接続され、他端から高圧下で凝縮された液相冷媒の供給を受ける冷媒流入管と、前記冷媒流入管に設けられた減圧器と、を備え、前記冷媒流入管に供給された前記液相冷媒が、前記減圧器によって減圧されて固気二相冷媒を形成し、前記固気二相冷媒は、前記円筒部の前記内部空間に流入して前記内部空間内を下降する渦流を形成するとともに、固相冷媒と気相冷媒とに分離し、前記固相冷媒が前記キャビティに堆積する一方、前記気相冷媒は前記キャビティの底部から前記下降する渦流の内側空間を通って上昇する渦流を形成して、前記排気管から流出するようになっており、さらに、前記冷却部の前記キャビティを貫通してのび、両端が前記冷却部の外部において互いに接続され、内部を冷却負荷からの被冷却流体が流れる被冷却流体循環管路と、前記被冷却流体循環管路における前記キャビティ内の部分に設けられ、前記キャビティに堆積した前記固相冷媒と前記被冷却流体との間で熱交換させる熱交換器と、前記冷却部の外部において前記被冷却流体循環管路に設けられたポンプと、を備えたものであることを特徴とするサイクロン式冷凍装置が提供される。
本発明の好ましい実施例によれば、前記熱交換器は、導熱体から形成されるとともに、流体出口および流体入口を有し、内部に前記被冷却流体が充填された容器からなり、前記被冷却流体循環管路は、一端が前記容器の前記流体出口に接続されて、前記容器から前記キャビティを通って前記冷却部の外部に突出した被冷却流体排出管路と、一端が前記容器の前記流体入口に接続されて、前記容器から前記キャビティを通って前記冷却部の外部に突出した被冷却流体供給管路と、からなり、前記被冷却流体排出管路の他端と前記被冷却流体供給管路の他端が、前記冷却負荷を介して互いに接続され、前記ポンプが前記被冷却流体排出管路または前記被冷却流体供給管路に設けられている。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記サイクロン式冷凍装置は、前記円筒部の前記内部空間および前記冷却部の前記キャビティを跨いで配置されて上下にのびる渦流制御体をさらに備え、前記渦流制御体は、円柱状の下部と、前記下部の上端面に接続し、前記下部から上向き先細りにのびる円錐台状の中間部と、前記中間部の上端面に接続し、前記中間部から上向きにのびる円柱状の上部と、からなり、前記渦流制御体の内部には、前記上昇する渦流が流通する軸方向の貫通孔が形成され、前記貫通孔は、横断面が円形であり、前記渦流制御体の底面から上向きに先細り状にのびた後、前記渦流制御体の上端面まで末広がり状にのびており、前記渦流制御体は、前記円筒部に同軸に、かつ、前記底面の下側に一定のスペースが開けられた状態で、前記下部が前記キャビティ内に位置し、前記中間部が前記キャビティおよび前記内部空間にまたがって位置するように、前記冷却部または前記円筒部またはその両方に支持されている
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記円筒部の前記内部空間が下方に向かって先細り状に形成されている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記冷媒が二酸化炭素または水またはアンモニアである。
上記課題を解決するため、また、本発明によれば、上記のサイクロン式冷凍装置と、前記サイクロン式冷凍装置の前記排気管の出口、および前記冷媒流入管の前記他端を接続する冷媒循環管路と、前記冷媒循環管路に配置され、前記サイクロン式冷凍装置の前記排気管から排出された前記気相冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒循環管路における前記圧縮機と前記サイクロン式冷凍装置の前記冷媒流入管の間の部分に配置され、前記圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を凝縮して前記液相冷媒を形成する凝縮器と、を備えたものであることを特徴とするヒートポンプシステムが提供される。
本発明によれば、高圧下で凝縮された液相冷媒を減圧して形成した固気二相冷媒を、円筒部の内部空間内に流入させて固気二相冷媒の下降する渦流を形成することによって、固気二相冷媒を固相冷媒と気相冷媒に分離し、固相冷媒を冷却部のキャビティに捕集する一方、気相冷媒は下降する渦流の内側空間を通して（上昇する渦流として）排気管から外部に排出するようにしたので、冷凍装置の運転中に、固相冷媒が冷媒流路内に付着、堆積して冷媒流路が塞がれることが防止される。
また、被冷却流体循環管路内に被冷却流体を還流させて、キャビティに堆積した固相冷媒と熱交換させるようにし、被冷却流体の流路を固相冷媒から分離したので、冷凍装置の運転中に、固相冷媒が被冷却流体の流路内に付着、堆積して被冷却流体流路が塞がれることも防止される。
それによって、冷凍装置のスムーズな連続運転が可能となる。
それによって、冷凍装置のスムーズな連続運転が可能となる。
さらに、本発明によれば、固気二相冷媒から分離した固相冷媒のみを被冷却流体と熱交換させ、固相冷媒の昇華による冷熱を被冷却流体に供給することで、固相冷媒の昇華熱を全て被冷却流体の冷却に使用できるので、従来例のような、固気二相状態での固相冷媒の潜熱を利用した被冷却流体の冷却に比べて、冷却能力がアップする。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の構成を好ましい実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の１実施例によるサイクロン式冷凍装置の概略構成を示す正面図である。
図１を参照して、本発明によれば、上下にのびる円筒部１と、円筒部１の上端開口１ａに設けられた内側フランジ２と、内側フランジ２の開口径に対応する外径を有し、一端において内側フランジ２に接続されて円筒部１の上端開口１ａから上向きに突出した排気管３が備えられる。
なお、円筒部１と排気管３との接続部の構成はこの実施例に限定されず、円筒部１は上下にのびて上端開口が閉じ、円筒部１よりも小さい径の排気管３が円筒部１の上端に接続されて当該上端から上向きに円筒部１と同軸にのびておれば、どのような構成であってもよい。
図１は、本発明の１実施例によるサイクロン式冷凍装置の概略構成を示す正面図である。
図１を参照して、本発明によれば、上下にのびる円筒部１と、円筒部１の上端開口１ａに設けられた内側フランジ２と、内側フランジ２の開口径に対応する外径を有し、一端において内側フランジ２に接続されて円筒部１の上端開口１ａから上向きに突出した排気管３が備えられる。
なお、円筒部１と排気管３との接続部の構成はこの実施例に限定されず、円筒部１は上下にのびて上端開口が閉じ、円筒部１よりも小さい径の排気管３が円筒部１の上端に接続されて当該上端から上向きに円筒部１と同軸にのびておれば、どのような構成であってもよい。
この実施例では、円筒部１の内部空間１ｂは、下方に向かって先細り状に（内径が徐々に小さくなるように）形成されているが、内部空間１ｂの内径が一定であってもよい。
また、円筒部１の下端には、円筒部１の内部空間１ｂに連通するキャビティ４ａを有する冷却部４が接続されている。
また、円筒部１の下端には、円筒部１の内部空間１ｂに連通するキャビティ４ａを有する冷却部４が接続されている。
円筒部１の側壁上部に冷媒流入口１ｃが形成されている。冷媒流入口１ｃは、好ましくは、円筒部１の横断面の接線方向にのびている。
そして、円筒部１の冷媒流入口１ｃには、冷媒流入管５の一端５ａが接続されている。冷媒流入管５は、他端５ｂから、高圧下で凝縮された液相冷媒の供給を受けるようになっている。冷媒流入管５には膨張弁（減圧器）６が設けられている。
なお、この実施例では、冷媒流入管５の他端５ｂに、液相冷媒の供給源としてボンベＧが接続されている。
そして、円筒部１の冷媒流入口１ｃには、冷媒流入管５の一端５ａが接続されている。冷媒流入管５は、他端５ｂから、高圧下で凝縮された液相冷媒の供給を受けるようになっている。冷媒流入管５には膨張弁（減圧器）６が設けられている。
なお、この実施例では、冷媒流入管５の他端５ｂに、液相冷媒の供給源としてボンベＧが接続されている。
こうして、冷媒流入管５に供給された液相冷媒が、膨張弁６によって減圧されて固気二相冷媒を形成し、固気二相冷媒は円筒部１の冷媒流入口１ｃから内部空間１ｂに流入し、内部空間１ｂの内壁面に沿って流れることによって渦流を形成する。
この場合、渦流外側の圧力は渦流内側の圧力よりも大きく、また、この渦流の外側と内側の圧力差が内部空間１ｂの上部から下部に向かって減少する。それによって、渦流は、円筒部１の冷媒流入口１ｃから冷却部４のキャビティ４ａまで伸長し、そのまま維持される。
この円筒部１の内部空間１ｂを下降する渦流によって、固気二相冷媒が固相冷媒Ｓと気相冷媒とに分離し、固相冷媒Ｓがキャビティ４ａ内に堆積する。一方、気相冷媒はキャビティ４ａの底部に達するが、このとき、渦流の外側と内側の圧力差が小さいので、気相冷媒は下降する渦流の内側空間を通って上昇する渦流を形成し、排気管３を通って外部に流出する。
そして、この冷媒の相変化を実現するため、本発明で使用される冷媒は、サイクロン式冷凍装置の内部において、三重点以下の圧力および温度レベルに維持され得るものでなければならず、この条件を満たす冷媒としては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）、水およびアンモニアを挙げることができる。
本発明によれば、また、冷却部４のキャビティ４ａを貫通してのび、両端が冷却部４の外部において互いに接続され、内部を冷却負荷９からの被冷却流体が流れる被冷却流体循環管路７と、被冷却流体循環管路７におけるキャビティ４ａ内の部分に設けられて、キャビティ４ａに堆積した固相冷媒Ｓと被冷却流体との間で熱交換させる熱交換器８が備えられる。
この実施例では、熱交換器８は、導熱体から形成されるとともに、流体出口８ａおよび流体入口８ｂを有し、内部に被冷却流体が充填された容器からなっている。
この場合、被冷却流体としては、不凍液やエタノール等を使用することができ、容器（熱交換器）８は、高い熱伝導性を有し、かつ被冷却流体による腐食等の影響を受けにくい金属、例えばアルミニウムから形成されていることが好ましい。
この場合、被冷却流体としては、不凍液やエタノール等を使用することができ、容器（熱交換器）８は、高い熱伝導性を有し、かつ被冷却流体による腐食等の影響を受けにくい金属、例えばアルミニウムから形成されていることが好ましい。
また、被冷却流体循環管路７は、一端が容器（熱交換器）８の流体出口８ａに接続されて、容器（熱交換器）８からキャビティ４ａを通って冷却部４の外部に突出した被冷却流体排出管路７ａと、一端が容器（熱交換器）８の流体入口８ｂに接続されて、容器（熱交換器）８からキャビティ４ａを通って冷却部４の外部に突出した被冷却流体供給管路７ｂからなり、被冷却流体排出管路７ａの他端と被冷却流体供給管路７ｂの他端が、冷却負荷９を介して互いに接続されている。
本発明によれば、さらに、ポンプ１０が被冷却流体排出管路７ａまたは被冷却流体供給管路７ｂに設けられ、ポンプ１０の作動によって、被冷却流体が、容器（熱交換器）８→被冷却流体排出管路７ａ→冷却負荷９→被冷却流体供給管路７ｂ→容器（熱交換器）８の順序で還流する。
こうして、本発明のサイクロン式冷凍装置においては、液相冷媒が減圧されて形成された固気二相冷媒が、円筒部１の内部空間１ａに流入して下降する渦流を形成するとともに、固相冷媒Ｓと気相冷媒に分離され、固相冷媒Ｓが冷却部４のキャビティ４ａに堆積する一方、気相冷媒は下降する渦流の内側空間を通って上昇する渦流を形成して、排気管３から外部に流出する。
そして、キャビティ４ａに堆積した固相冷媒Ｓは、容器（熱交換器）８に充填された被冷却流体の熱によって昇華され、この昇華による冷熱が被冷却流体に供給され、冷却された被冷却流体は、被冷却流体排出管路７ａを通って冷却負荷９に送出される。
この構成によれば、固気二相冷媒の下降渦流を円筒部１の内部空間１ｂに発生させて固気二相冷媒を固相冷媒Ｓと気相冷媒に分離し、固相冷媒Ｓを冷却部４のキャビティ４ａに捕集する一方、気相冷媒は下降渦流の内側空間を通して排気管３から外部に排出するので、冷凍装置の運転中に、固相冷媒Ｓが冷媒流路内に付着、堆積して冷媒流路が塞がれることが防止される。
また、被冷却流体は、被冷却流体循環管路内を還流しつつ、キャビティ４ａに堆積した固相冷媒Ｓと熱交換し、よって被冷却流体の流路が固相冷媒Ｓから分離されているので、冷凍装置の運転中に、固相冷媒Ｓが被冷却流体の流路内に付着、堆積して被冷却流体流路が塞がれることも防止され、それによって、冷凍装置のスムーズな連続運転が可能となる。
さらには、固気二相冷媒から分離した固相冷媒Ｓのみを被冷却流体と熱交換させ、固相冷媒Ｓの昇華による冷熱を被冷却流体に供給することで、固相冷媒Ｓの昇華熱を全て被冷却流体の冷却に使用できる。そのため、従来例のような、固気二相冷媒を被冷却流体と熱交換させ、固気二相状態での固相冷媒Ｓの潜熱を利用して被冷却流体を冷却する場合に比べて、冷却能力がアップする。
図２は、本発明の別の実施例によるサイクロン式冷凍装置の概略構成を示す図１に類似の図である。
図２の実施例は、円筒部１の内部空間１ｂおよび冷却部４のキャビティ４ａにわたって渦流を制御する構造を設けた点のみが図１の実施例と異なる。よって、図２中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図２の実施例は、円筒部１の内部空間１ｂおよび冷却部４のキャビティ４ａにわたって渦流を制御する構造を設けた点のみが図１の実施例と異なる。よって、図２中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図２を参照して、この実施例では、円筒部１の内部空間１ｂおよび冷却部４のキャビティ４ａに跨って渦流制御体１１が配置されて、上下にのびている。
渦流制御体１１は、円柱状の下部１１ａと、下部１１ａの上端面に接続し、下部１１ａから上向き先細りにのびる円錐台状の中間部１１ｂと、中間部１１ｂの上端面に接続し、中間部１１ｂから上向きにのびる円柱状の上部１１ｃとからなっている。
渦流制御体１１は、円柱状の下部１１ａと、下部１１ａの上端面に接続し、下部１１ａから上向き先細りにのびる円錐台状の中間部１１ｂと、中間部１１ｂの上端面に接続し、中間部１１ｂから上向きにのびる円柱状の上部１１ｃとからなっている。
渦流制御体１１は、その内部に、気相冷媒の上昇する渦流が流通する軸方向の貫通孔１２を有している。
貫通孔１２は、横断面が円形であり、渦流制御体１１の底面１１ｅから上向きに先細り状にのびた後、渦流制御体１１の上端面１１ｄまで末広がり状にのびている。
貫通孔１２は、ディフューザーの機能を有している。
貫通孔１２は、横断面が円形であり、渦流制御体１１の底面１１ｅから上向きに先細り状にのびた後、渦流制御体１１の上端面１１ｄまで末広がり状にのびている。
貫通孔１２は、ディフューザーの機能を有している。
渦流制御体１１は、円筒部１に同軸に、かつ、底面１１ｅの下側に一定のスペースが開けられた状態で、下部１１ａが冷却部４のキャビティ４ａ内に位置し、中間部１１ｂがキャビティ４ａおよび円筒部１の内部空間１ｂにまたがって位置するように、適当な支持部材（図示しない）によって、冷却部４または円筒部１またはその両方に支持されている。
そして、固気二相冷媒の下降する渦流は、渦流制御体１１の外側を通り、固気二相冷媒から分離された気相冷媒の上昇する渦流は、渦流制御体１１の貫通孔１２を通過し、通過の間に貫通孔１２のディフューザー機能によって昇圧される。
この実施例によれば、渦流制御体１１を備えたことにより、内部空間１ｂの下部およびキャビティ４ａにおいて、下降する渦流内の気相冷媒の渦流内側への移動が促進され、さらに、気相冷媒の安定した強い上昇渦流が形成される。
それによって、図１の実施例よりも、固相冷媒Ｓの捕集効率が上がり、その結果、冷凍装置の冷却性能もアップする。
それによって、図１の実施例よりも、固相冷媒Ｓの捕集効率が上がり、その結果、冷凍装置の冷却性能もアップする。
図３は、図１のサイクロン式冷凍装置が蒸発器として組み込まれたヒートポンプシステムの概略構成を示す図である。なお、図３中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図３を参照して、ヒートポンプシステム１６は、図１に示したサイクロン式冷凍装置と、サイクロン式冷凍装置の排気管３の開口、および冷媒流入管５の他端５ｂを接続する冷媒循環管路１５を備えている。
図３を参照して、ヒートポンプシステム１６は、図１に示したサイクロン式冷凍装置と、サイクロン式冷凍装置の排気管３の開口、および冷媒流入管５の他端５ｂを接続する冷媒循環管路１５を備えている。
ヒートポンプシステム１６は、さらに、冷媒循環管路１５に配置され、サイクロン式冷凍装置の排気管３から排出された気相冷媒を圧縮する圧縮機１３と、冷媒循環管路１５における圧縮機１３とサイクロン式冷凍装置の冷媒流入管５の間の部分に配置され、圧縮機１３によって圧縮された気相冷媒を凝縮して液相冷媒を形成する凝縮器１４を備えている。
図４は、このヒートポンプシステム１６において冷媒としてＣＯ２を使用した場合のモリエル線図である。
次に、図３および図４を参照して、ヒートポンプシステム１６の動作を説明する。
冷媒循環管路１５を通じて圧縮機１３に取り込まれた気相ＣＯ２は、圧縮機１３において圧縮されて（図４のＤ→Ａ）、高圧の気相ＣＯ２を形成し、冷媒循環管路１５を通じて凝縮器１４に供給される。
次に、図３および図４を参照して、ヒートポンプシステム１６の動作を説明する。
冷媒循環管路１５を通じて圧縮機１３に取り込まれた気相ＣＯ２は、圧縮機１３において圧縮されて（図４のＤ→Ａ）、高圧の気相ＣＯ２を形成し、冷媒循環管路１５を通じて凝縮器１４に供給される。
次いで、凝縮器１４において、気相ＣＯ２は高圧状態のまま冷却されて液相ＣＯ２を形成し（図４のＡ→Ｂ）、冷媒流入管５を通じて膨張弁６に供給される。
高圧の液相ＣＯ２は、膨張弁によって膨張、減圧されて固気二相ＣＯ２を形成し（図４のＢ→Ｃ）、固気二相ＣＯ２は蒸発器（サイクロン式冷凍装置）の冷媒流入口１ｃから蒸発器（サイクロン式冷凍装置）の円筒部１の内部空間１ｂに流入する。
高圧の液相ＣＯ２は、膨張弁によって膨張、減圧されて固気二相ＣＯ２を形成し（図４のＢ→Ｃ）、固気二相ＣＯ２は蒸発器（サイクロン式冷凍装置）の冷媒流入口１ｃから蒸発器（サイクロン式冷凍装置）の円筒部１の内部空間１ｂに流入する。
流入した固気二相ＣＯ２は、内部空間１ｂを下降する渦流を形成するとともに、固相ＣＯ２と気相ＣＯ２に分離する（図４のＣ→Ｅ（固気二相ＣＯ２からの固相ＣＯ２の分離過程に対応）および図４のＣ→Ｄ（固気二相ＣＯ２からの気相ＣＯ２の分離過程に対応））。
固相ＣＯ２は、蒸発器（サイクロン式冷凍装置）の冷却部４のキャビティ４ａに堆積する一方、気相ＣＯ２は、下降する渦流の内側空間を通って上昇する渦流を形成して、排気管３から冷媒循環管路１５を通って圧縮機１３に取り込まれる。
そして、蒸発器（サイクロン式冷凍装置）のキャビティ４ａに堆積した固相ＣＯ２は被冷却流体の熱によって昇華し（図４のＥ→Ｄ）、この昇華による冷熱が被冷却流体に供給される。
図６は、図３のヒートポンプシステム１６において、本発明のサイクロン式冷凍装置の代わりに公知の蒸発器を備え、冷媒としてＣＯ２を使用した場合のモリエル線図であり、Ｄ→Ａは圧縮機１３における圧縮過程に対応し、Ａ→Ｂは凝縮器１４における凝縮過程に対応し、Ｂ→Ｃは膨張弁（減圧器）６における膨張過程に対応し、Ｃ→Ｄは蒸発器における蒸発過程に対応する。
図４のグラフと図６のグラフの比較から明らかなように、本発明のヒートポンプシステム１６によれば、蒸発器（サイクロン式冷凍装置）における蒸発過程で得られるエンタルピーが、従来例よりも大幅に増大している。
これは、従来例では、固気二相ＣＯ２を被冷却流体と熱交換させ、固気二相状態での固相ＣＯ２の潜熱を利用して被冷却流体を冷却しており、そのため、固相ＣＯ２の昇華熱を被冷却流体の冷却に効率的に使用できないのに対し、本発明では、固気二相ＣＯ２から分離した固相ＣＯ２のみを被冷却流体と熱交換させ、固相ＣＯ２の昇華による冷熱を被冷却流体に供給することで、固相ＣＯ２の昇華熱を全て被冷却流体の冷却に使用できることに起因する。
その結果、本発明のヒートポンプシステム１６によれば、従来例に比べて冷却能力がアップする。
これは、従来例では、固気二相ＣＯ２を被冷却流体と熱交換させ、固気二相状態での固相ＣＯ２の潜熱を利用して被冷却流体を冷却しており、そのため、固相ＣＯ２の昇華熱を被冷却流体の冷却に効率的に使用できないのに対し、本発明では、固気二相ＣＯ２から分離した固相ＣＯ２のみを被冷却流体と熱交換させ、固相ＣＯ２の昇華による冷熱を被冷却流体に供給することで、固相ＣＯ２の昇華熱を全て被冷却流体の冷却に使用できることに起因する。
その結果、本発明のヒートポンプシステム１６によれば、従来例に比べて冷却能力がアップする。
図５は、図３のヒートポンプシステム１６において、蒸発器として、図１のサイクロン式冷凍装置に代えて図２のサイクロン式冷凍装置を備えた場合のモリエル線図であり、Ｄ→Ａは圧縮機１３における圧縮過程に対応し、Ａ→Ｂは凝縮器１４における凝縮過程に対応し、Ｂ→Ｃは膨張弁（減圧器）６における膨張過程に対応し、Ｃ→Ｅは蒸発器（サイクロン式冷凍装置）における固気二相冷媒からの固相冷媒Ｓの分離過程に対応し、Ｃ→Ｄは蒸発器（サイクロン式冷凍装置）における固気二相冷媒からの気相冷媒の分離過程に対応し、Ｅ→Ｄは蒸発器（サイクロン式冷凍装置）における固相冷媒Ｓの蒸発過程に対応する。
図５のグラフと図４のグラフとの比較から、図５の実施例では、図４の実施例よりも、Ｄ点での圧力値が高くなることがわかる。
これは、渦流制御体１１の貫通孔１２のディフューザー作用に起因するものである。
それによって、圧縮機１３の吸入圧力が上昇し、圧縮機１３の作動効率がアップするという効果が得られる。
これは、渦流制御体１１の貫通孔１２のディフューザー作用に起因するものである。
それによって、圧縮機１３の吸入圧力が上昇し、圧縮機１３の作動効率がアップするという効果が得られる。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の構成は上記実施例に限定されず、当業者が添付の特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で種々の変形例を案出し得ることは言うまでもない。
例えば、上記実施例では、ＣＯ２の圧縮過程（Ｄ→Ａ）に圧縮機を単体で使用したが、圧縮機を低圧段圧縮機と高圧段圧縮機を直列に接続したものから形成し、低圧段圧縮機および高圧段圧縮機間に中間冷却器を設けて、気相ＣＯ２を２段階圧縮するようにしてもよい。
この構成によれば、気相ＣＯ２を飽和圧力または超臨界圧力まで容易に圧縮することができる。
この構成によれば、気相ＣＯ２を飽和圧力または超臨界圧力まで容易に圧縮することができる。
また、上記実施例のＣＯ２の凝縮過程（Ａ→Ｂ）において、カスケード熱交換器を設け、カスケード熱交換器を介して高圧の気相ＣＯ２を冷却、凝縮することも可能であり、この構成によれば、凝縮器の冷却能力がアップし、高圧の気相ＣＯ２を１段冷却で、より低温まで冷却することができる。
１ 円筒部
１ａ 上端開口
１ｂ 内部空間
１ｃ 冷媒流入口
２ 内側フランジ
３ 排気管
４ 冷却部
４ａ キャビティ
５ 冷媒流入管
５ａ 一端
５ｂ 他端
６ 膨張弁（減圧器）
７ 被冷却流体循環管路
７ａ 被冷却流体排出管路
７ｂ 被冷却流体供給管路
８ 熱交換器
８ａ 流体出口
８ｂ 流体入口
９ 冷却負荷
１０ ポンプ
１１ 渦流制御体
１１ａ 下部
１１ｂ 中間部
１１ｃ 上部
１１ｄ 上端面
１１ｅ 底面
１２ 貫通孔
１３ 圧縮機
１４ 凝縮器
１５ 冷媒循環管路
１６ ヒートポンプシステム
Ｓ 固相冷媒
１ａ 上端開口
１ｂ 内部空間
１ｃ 冷媒流入口
２ 内側フランジ
３ 排気管
４ 冷却部
４ａ キャビティ
５ 冷媒流入管
５ａ 一端
５ｂ 他端
６ 膨張弁（減圧器）
７ 被冷却流体循環管路
７ａ 被冷却流体排出管路
７ｂ 被冷却流体供給管路
８ 熱交換器
８ａ 流体出口
８ｂ 流体入口
９ 冷却負荷
１０ ポンプ
１１ 渦流制御体
１１ａ 下部
１１ｂ 中間部
１１ｃ 上部
１１ｄ 上端面
１１ｅ 底面
１２ 貫通孔
１３ 圧縮機
１４ 凝縮器
１５ 冷媒循環管路
１６ ヒートポンプシステム
Ｓ 固相冷媒
Claims (6)
- 上下にのび、上端開口が閉じた円筒部と、
前記円筒部よりも小さい径を有し、前記円筒部の上端に接続されて前記上端から上向きに前記円筒部と同軸にのび、前記円筒部の内部空間に連通する排気管と、
前記円筒部の下端に接続され、前記円筒部の前記内部空間に連通するキャビティを有する冷却部と、を備え、前記円筒部の側壁上部には冷媒流入口が形成されており、さらに、
一端が前記冷媒流入口に接続され、他端から高圧下で凝縮された液相冷媒の供給を受ける冷媒流入管と、
前記冷媒流入管に設けられた減圧器と、を備え、
前記冷媒流入管に供給された前記液相冷媒が、前記減圧器によって減圧されて固気二相冷媒を形成し、前記固気二相冷媒は、前記円筒部の前記内部空間に流入して前記内部空間内を下降する渦流を形成するとともに、固相冷媒と気相冷媒とに分離し、前記固相冷媒が前記キャビティに堆積する一方、前記気相冷媒は前記キャビティの底部から前記下降する渦流の内側空間を通って上昇する渦流を形成して、前記排気管から流出するようになっており、さらに、
前記冷却部の前記キャビティを貫通してのび、両端が前記冷却部の外部において互いに接続され、内部を冷却負荷からの被冷却流体が流れる被冷却流体循環管路と、
前記被冷却流体循環管路における前記キャビティ内の部分に設けられ、前記キャビティに堆積した前記固相冷媒と前記被冷却流体との間で熱交換させる熱交換器と、
前記冷却部の外部において前記被冷却流体循環管路に設けられたポンプと、を備えたものであることを特徴とするサイクロン式冷凍装置。 - 前記熱交換器は、導熱体から形成されるとともに、流体出口および流体入口を有し、内部に前記被冷却流体が充填された容器からなり、
前記被冷却流体循環管路は、
一端が前記容器の前記流体出口に接続されて、前記容器から前記キャビティを通って前記冷却部の外部に突出した被冷却流体排出管路と、
一端が前記容器の前記流体入口に接続されて、前記容器から前記キャビティを通って前記冷却部の外部に突出した被冷却流体供給管路と、からなり、
前記被冷却流体排出管路の他端と前記被冷却流体供給管路の他端が、前記冷却負荷を介して互いに接続され、前記ポンプが前記被冷却流体排出管路または前記被冷却流体供給管路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式冷凍装置。 - 前記円筒部の前記内部空間および前記冷却部の前記キャビティを跨いで配置されて上下にのびる渦流制御体をさらに備え、
前記渦流制御体は、
円柱状の下部と、
前記下部の上端面に接続し、前記下部から上向き先細りにのびる円錐台状の中間部と、
前記中間部の上端面に接続し、前記中間部から上向きにのびる円柱状の上部と、からなり、
前記渦流制御体の内部には、前記上昇する渦流が流通する軸方向の貫通孔が形成され、前記貫通孔は、横断面が円形であり、前記渦流制御体の底面から上向きに先細り状にのびた後、前記渦流制御体の上端面まで末広がり状にのびており、
前記渦流制御体は、前記円筒部に同軸に、かつ、前記底面の下側に一定のスペースが開けられた状態で、前記下部が前記キャビティ内に位置し、前記中間部が前記キャビティおよび前記内部空間にまたがって位置するように、前記冷却部または前記円筒部またはその両方に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式冷凍装置。 - 前記円筒部の前記内部空間が下方に向かって先細り状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式冷凍装置。
- 前記冷媒が二酸化炭素または水またはアンモニアであることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン式冷凍装置。
- 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のサイクロン式冷凍装置と、
前記サイクロン式冷凍装置の前記排気管の出口、および前記冷媒流入管の前記他端を接続する冷媒循環管路と、
前記冷媒循環管路に配置され、前記サイクロン式冷凍装置の前記排気管から排出された前記気相冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒循環管路における前記圧縮機と前記サイクロン式冷凍装置の前記冷媒流入管の間の部分に配置され、前記圧縮機によって圧縮された前記気相冷媒を凝縮して前記液相冷媒を形成する凝縮器と、を備えたものであることを特徴とするヒートポンプシステム。
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2019
- 2019-01-18 WO PCT/JP2019/001499 patent/WO2019142919A1/ja unknown
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