JP4385999B2

JP4385999B2 - 内部熱交換器

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Publication number: JP4385999B2
Application number: JP2005152541A
Authority: JP
Inventors: 馨倉; 裕一高橋
Original assignee: Fuji Electric Retail Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Retail Systems Co Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006329503A

Description

本発明は、例えば断熱筐体の庫内の冷却を行うための冷媒循環経路を形成する冷媒冷却回路に設けてあり、冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器に関するものである。

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、あるいは飲料ディスペンサなどの断熱筐体の冷却庫内を冷却するための冷媒冷却回路が知られている。冷媒冷却回路は、主に圧縮機、放熱器、絞り部、蒸発器を経て冷媒を循環する冷媒循環経路を形成してある。そして、冷媒冷却回路を循環する冷媒としては、地球環境に対する影響の少ない冷媒が使用してある。例えば、不燃性、安全性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ないなどの点で、二酸化炭素を冷媒として使用してある。

上記冷媒冷却回路では、圧縮機の出口側から放熱器を経て絞り部の入口側までの高圧側における放熱器と絞り部との間、絞り部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における蒸発器と圧縮機との間に内部熱交換器を設けてある。この内部熱交換器は、高圧側の冷媒管路と低圧側の冷媒管路とを、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、放熱器から得られる冷媒が液化しやすくなる一方、蒸発器から気化した冷媒が圧縮機に供給されることになる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５４４２４号公報

ところで、冷媒冷却回路の冷媒として二酸化炭素を使用すると、当該二酸化炭素の臨界温度が約３１℃と低いことから、従前の冷媒（例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン））を使用したときと比較してはるかに圧力が高くなる。そして、上述した従来の冷媒冷却回路では、内部熱交換器が高圧側の冷媒管路と低圧側の冷媒管路とを単純に熱交換可能な距離をおいて設けてあるだけである。このため、内部熱交換器での熱交換効率が悪く、蒸発器を通過した二酸化炭素が一部液化したままで圧縮機に供給されるという問題がある。

また、周囲温度が２７℃以上において内部熱交換器の熱交換効率が悪いと、放熱器の温度が二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）を越える場合がある。この場合、放熱器において二酸化炭素が気化したままで液化しなくなる超臨界圧力の状態となる。二酸化炭素が一部気化したままであると、高圧側の圧力上昇を抑えることができなくなる。

また、圧縮機では、その内部に冷凍機油を完全に封止することが困難であり、冷媒循環経路の循環運転時に圧縮機から冷凍機油が吐出される。内部熱交換器の熱交換効率が悪いと、圧縮機から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機に戻すことが難しくなる。

そこで、細管とした高圧側冷媒配管を太管とした低圧側冷媒配管の内部に内装した２重管構造として、低圧側冷媒配管と高圧側冷媒配管との間で熱交換を行う内部熱交換器が考えられる。この場合、太管である低圧側冷媒配管の両端口と細管である高圧側冷媒配管の外面との間や、細管である高圧側冷媒配管の両端口と当該両端口に設ける口管の内面との間においてろう付け不良が生じると、気密性が十分でなくなり冷媒漏れが生じてしまうことになる。このため、上記部位における気密性を確実に維持することが望まれる。

本発明は、上記実情に鑑みて、冷媒冷却回路の高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装した２重管構造とした内部熱交換器について、高圧側冷媒配管および低圧側冷媒配管の各口元における気密性を確実に維持することができる内部熱交換器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る内部熱交換器は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器とを有する冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路に設けてあり、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器において、高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装してあり、前記高圧側冷媒配管を挿通して前記低圧側冷媒配管の端部と前記高圧側冷媒配管の外周面とに気密性を有して固着した第１固着部材と、前記第１固着部材と分割して設けてあり前記高圧側冷媒配管を挿通して前記高圧側冷媒配管の端部と当該端部に配置した口管の内周面とに気密性を有して固着した第２固着部材とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る内部熱交換器は、上記発明において、前記第１固着部材と前記第２固着部材とを離隔して前記高圧側冷媒配管の外周面を露出したことを特徴とする。

本発明に係る内部熱交換器は、上記発明において、前記高圧側冷媒配管を前記低圧側冷媒配管の内部に複数内装してあり、前記第１固着部材および前記第２固着部材は前記各高圧側冷媒配管、前記低圧側冷媒配管および前記口管に係り気密性を有して固着してあることを特徴とする。

本発明に係る内部熱交換器は、上記発明において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

本発明に係る内部熱交換器は、高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装してあり、高圧側冷媒配管を挿通して低圧側冷媒配管の端部と高圧側冷媒配管の外周面とに気密性を有して固着した第１固着部材と、第１固着部材と分割して設けてあり高圧側冷媒配管を挿通して高圧側冷媒配管の端部と当該端部に配置した口管の内周面とに気密性を有して固着した第２固着部材とを備えた。このため、第１固着部材側と第２固着部材側とに分けて固着される。この結果、固着作業において相互の加熱の影響を防ぐことができるため、高圧側冷媒配管および低圧側冷媒配管の各口元において固着不良を生じることがなく、その気密性を確実に維持することができる。

第１固着部材と第２固着部材とを離隔して高圧側冷媒配管の外周面を露出したことによって、第１固着部材については低圧側冷媒配管の端部から表出した部位を固着し、第２固着部材については口管の開口端部から表出した部位を固着する。この結果、固着作業において固着部位を目視しながら作業を行うことができるため、固着作業を容易、かつ確実に行うことができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る内部熱交換器の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明に係る内部熱交換器を適用した冷媒冷却回路の一実施例を示す概略図である。図１に示す冷媒冷却回路は、主に、圧縮機１、ガスクーラー（放熱器）２、電子膨張弁（絞り部）３、蒸発器４を接続して、冷媒を循環可能な冷媒循環経路を形成したものである。また、冷媒は、本実施例では、例えば二酸化炭素を使用してある。二酸化炭素は、不燃性、安全性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ない冷媒である。

圧縮機１は、蒸発器４から帰還される二酸化炭素を圧縮して高温高圧の状態とするものである。圧縮機１は、本実施例では、中間熱交換器１０を介して２段階の圧縮動作を実行する。具体的に、圧縮機１は、２段階の圧縮動作において、１段階目の圧縮動作を行う第１圧縮機１ａと、２段階目の圧縮動作を行う第２圧縮機１ｂとを有している。そして、第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂとの間に中間熱交換器１０を設けてある。中間熱交換器１０は、第１圧縮機１ａによる１段階目の圧縮動作の後に、第１圧縮機１ａが圧縮した状態の二酸化炭素を冷却して第２圧縮機１ｂに戻す。このように、圧縮機１は、中間熱交換器１０を介して２段階の圧縮動作を実行することで、低消費電力で高圧縮効率を得て二酸化炭素を所望とする高温高圧の状態に圧縮することが可能になる。なお、本実施例では、第１圧縮機１ａでの１段階目の圧縮によって二酸化炭素を約６ＭＰａに圧縮し、第２圧縮機１ｂでの２段階目の圧縮によって二酸化炭素を約９ＭＰａに圧縮する。

また、圧縮機１には、オイルセパレータ１１が接続してある。オイルセパレータ１１は、圧縮機１から吐出した冷凍機油を圧縮機１に戻すためのものである。冷凍機油は、圧縮機１の内部における摩擦、冷媒漏れなどを防止するが、この冷凍機油を圧縮機１の内部で完全に封止することが困難である。特に、上記のごとく圧縮機１によって二酸化炭素を高圧に圧縮しており、この圧力が従前の冷媒（例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン））を使用したときと比較してはるかに高圧であるので、圧縮機１からの冷凍機油の吐出量は多くなる。そこで、本実施例では、圧縮機１において、第２圧縮機１ｂの出口側と、第１圧縮機１ａの入口側との間にオイルセパレータ１１を接続しており、第２圧縮機１ｂから吐出した冷凍機油を第１圧縮機１ａに戻している。

なお、圧縮機１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、或いは、これらの圧縮能力を調整可能なインバータ圧縮機などがある。そして、冷媒冷却回路を配設する対象、環境、あるいは、冷媒冷却回路のコストなどに見合う圧縮機を適宜適用すればよい。

ガスクーラー２は、圧縮機１から供給される高温高圧の二酸化炭素を、放熱させて二酸化炭素を液化するためのものである。本実施例におけるガスクーラー２は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。このガスクーラー２には、ファン２１が設けてある。ファン２１は、ガスクーラー２を送風するためのものであり、ファンモータ２２によって駆動される。

電子膨張弁３は、ガスクーラー２から供給される二酸化炭素を減圧し、蒸発温度および流量を制御するためのものである。

蒸発器４は、電子膨張弁３から供給される液体の二酸化炭素が蒸発したとき、周囲の熱を吸収することによって周囲温度を冷却するためのものである。本実施例における蒸発器４は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。この蒸発器４には、ファン４１が設けてある。ファン４１は、蒸発器４を送風するためのものであり、ファンモータ４２によって駆動される。

蒸発器４は、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、あるいは飲料ディスペンサなどにおける断熱筐体の冷却庫の内部に配置してある。特に、本実施例では、例えば自動販売機において、複数（実施例では３室）の冷却庫（商品収納庫）をそれぞれ独立して冷却するために、各冷却庫内に蒸発器４（４ａ，４ｂ，４ｃ）をそれぞれ配置してある。すなわち、蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃは、電子膨張弁３から３方に分岐したそれぞれの経路に接続してある。また、前記各経路において各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃの入口側には、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれ設けてある。そして、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃを選択的に開放することで、各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに電子膨張弁３からの二酸化炭素が供給される。また、各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃの出口側の経路は、互いに集合して圧縮機１の第１圧縮機１ａに接続してある。なお、本実施例における電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、その入口側と出口側との圧力差（例えば入口側が高圧で出力側が低圧）、およびバネ弾性力を利用することによって弁体を弁座に当接させるよう助勢して閉鎖状態になり、この状態から電磁コイル部に通電されると弁体が弁座から離間されて開放状態になる構成のものが採用してある。

また、電子膨張弁３から各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに至る各経路であって、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃと各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃとの間には、それぞれ減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けてある。減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃと蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃとの間の経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用する。本実施例における減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、前記各経路中に設けたオリフィスとして形成してある。なお、減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用するものであればオリフィスに限定されない。

例えば、二酸化炭素の循環運転において、電磁弁１２ａのみを開放状態とした場合、閉鎖状態にしてある電磁弁１２ｂ，１２ｃを有した経路に設けた蒸発器４ｂ，４ｃは、上記循環運転が実行されている冷媒循環経路の蒸発器４ａと出口側が集合してある。このため、閉塞状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃの入口側と出口側との圧力差がほぼ等しくなる。このとき、減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けてあるため、閉鎖状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃを有した経路では、減圧手段１３ｂ，１３ｃが経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用して、閉鎖状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃの出口側が低圧になり入口側が高圧になる。これにより、閉鎖状態にある電磁弁１２ｂ，１２ｃの入口側と出口側との間に圧力差が生じ、入口側と出口側との圧力差によって電磁弁１２ｂ，１２ｃの閉塞状態が助勢されるので、当該電磁弁１２ｂ，１２ｃの閉鎖状態が維持される。

また、断熱筐体の冷却庫の内部に設けた蒸発器４に関し、冷媒循環経路への冷媒の循環運転時に伴って結露水などが排水として発生する。そして、排水は、冷却庫の外部であって圧縮機１およびガスクーラー２などを配した部位にある蒸発手段１５に導かれる。この蒸発手段１５は、圧縮機１（第２圧縮機１ｂ）とガスクーラー２との間であって、オイルセパレータ１１の出口側からガスクーラー２の入口側の間の経路に設けてある。図には明示しないが、蒸発手段１５は、排水を導かれる蒸発皿と、当該蒸発皿の内方に配置した蒸発パイプと、当該蒸発パイプに接触する吸水性の蒸発シートとを有している。蒸発パイプは、オイルセパレータ１１の出口側からガスクーラー２の入口側の間の経路に接続してあって、圧縮機１から吐出した高温高圧の二酸化炭素が通過する。すなわち、蒸発皿に導かれた排水は、蒸発シートに吸収され、高温高圧の二酸化炭素が通過する蒸発パイプによって加熱されて蒸発する。このとき、排水によって蒸発パイプに通過する二酸化炭素を予冷する。

ところで、二酸化炭素を冷媒として使用したとき、外気温が高温となる夏場などでは、ガスクーラー２の温度が二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）を越える場合がある。この場合、ガスクーラー２において二酸化炭素が気化したままで液化しなくなる超臨界圧力の状態となる。一方、蒸発器４を通過した二酸化炭素は、全て気化していることが望ましい。蒸発器４を通過した二酸化炭素が一部液化したままで圧縮機１に供給されると、圧縮機１は液圧縮を起こしてシリンダーを破損してしまうおそれがある。

そこで、ガスクーラー２と電子膨張弁３との間、蒸発器４と圧縮機１（第１圧縮機１ａ）との間に内部熱交換器１４を設けてある。図２は内部熱交換器を示す斜視図、図３は内部熱交換器を示す断面図、図４は内部熱交換器の高圧側冷媒配管を示す斜視図、図５は内部熱交換器の断面図である。

内部熱交換器１４は、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行うためのものである。冷媒循環経路の高圧側とは、圧縮機１の出口側（圧縮後）からガスクーラー２を経て電子膨張弁３の入口側までの間である。また、冷媒循環経路の低圧側とは、電子膨張弁３の出口側から蒸発器４を経て圧縮機１の入口側（圧縮前）までの間である。なお、上述したように圧縮機１を第１圧縮機１ａおよび第２圧縮機１ｂで構成して２段階の圧縮動作を行う場合において、冷媒循環経路の高圧側とは、第２圧縮機１ｂの出口側（圧縮後）からガスクーラー２を経て電子膨張弁３の入口側までの間であり、冷媒循環経路の低圧側とは、電子膨張弁３の出口側から蒸発器４を経て第２圧縮機１ｂの入口側（圧縮前）までの間である。すなわち、冷媒循環経路の低圧側は、第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂとの間であって、第１圧縮機１ａから中間熱交換器１０を介して第２圧縮機１ｂに至り中間圧となる経路を含む。

図２〜図５に示すように内部熱交換器１４は、高圧側であるガスクーラー２と電子膨張弁３との間に高圧側冷媒配管１４１を設けてある。また、内部熱交換器１４は、低圧側である蒸発器４と圧縮機１（第１圧縮機１ａ）との間に低圧側冷媒配管１４２を設けてある。高圧側冷媒配管１４１は、抵抗管路としてのキャピラリチューブをなし、低圧側冷媒配管１４２の内部に内装してある。また、高圧側冷媒配管１４１は、低圧側冷媒配管１４２の内部に複数（本実施例では３つ）内装してある。このように、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４１を低圧側冷媒配管１４２の内部に内装した２重管構造としてある。

また、内部熱交換器１４は、上述したように複数の高圧側冷媒配管１４１を低圧側冷媒配管１４２の内部に内装した形態で上下方向に螺旋状にして形成してある。具体的に、高圧側冷媒配管１４１は、図２〜図４に示すように、螺旋状とした下端部に高圧側冷媒配管１４１の入口部１４１ａを設け、螺旋状とした上端部に高圧側冷媒配管１４１の出口部１４１ｂを設けてある。これら入口部１４１ａおよび出口部１４１ｂは、高圧側冷媒配管１４１の複数の抵抗管路を集束した一口の口管をなしている。一方、低圧側冷媒配管１４２は、図２〜図４に示すように、高圧側冷媒配管１４１の抵抗管路を覆う態様で設けてあり、高圧側冷媒配管１４１の入口部１４１ａの後段から出口部１４１ｂの前段に至り螺旋状に形成してある。この低圧側冷媒配管１４２は、螺旋状とした上端部に入口部１４２ａを設け、螺旋状とした下端部に出口部１４２ｂを設けてある。このように、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４１が下方から上方に向けて冷媒を送る態様で設けてあり、低圧側冷媒配管１４２が上方から下方に向けて冷媒を送る態様で設けて高圧側と低圧側との冷媒に対向流を生じさせる。これにより、ガスクーラー２から得られる二酸化炭素は、液化しやすくなる。一方、圧縮機１には、蒸発器４から気化した二酸化炭素が供給される。また、内部熱交換器１４は、螺旋状とすることで設置容積を低減している。なお、高圧側冷媒配管１４１および低圧側冷媒配管１４２の長さを変えることで、熱交換量を自由に設定することが可能である。

図３に示すように、高圧側冷媒配管１４１は、各抵抗管路の相互の外周壁を非接触な形態で設けてあり、かつ、高圧側冷媒配管１４１をなす各抵抗管路の外周壁と低圧側冷媒配管１４２の内周壁とは相互に非接触な形態で設けてあることが相互の熱交換の上で望ましい。さらに、低圧側冷媒配管１４２の外周には、可撓性を有したチューブ状の断熱材１４３が設けてあり、低圧側と高圧側との間の熱交換が外気の影響を受けないように構成してある。

図４および図５に示すように高圧側冷媒配管１４１および低圧側冷媒配管１４２の各口元には、二酸化炭素の漏れを防ぐために第１固着部材１４４Ａと第２固着部材１４４Ｂとが設けてある。

図５に示すように第１固着部材１４４Ａは、各高圧側冷媒配管１４１を挿通する挿通穴１４４Ａａを有し、かつ、低圧側冷媒配管１４２の端部に挿入する態様で柱状に形成してある。ここで、低圧側冷媒配管１４２の端部は、低圧側冷媒配管１４２の入口部１４２ａ（あるいは出口部１４２ｂ）をなす三又状の分岐管１４２ｃにおける１つの開口端部である。分岐管１４２ｃは、相反する方向にそれぞれ開口する本管の側部に入口部１４２ａ（あるいは出口部１４２ｂ）を有している。分岐管１４２ｃは、本管に高圧側冷媒配管１４１を挿通して、当該本管の一方の開口端部を低圧側冷媒配管１４２に接続し、他方の開口端部から高圧側冷媒配管１４１を延出してある。この他方の開口端部が低圧側冷媒配管１４２の端部である。第１固着部材１４４Ａは、挿通穴１４４Ａａに複数の高圧側冷媒配管１４１を挿通した形態で、低圧側冷媒配管１４２の端部に挿入してある。そして、第１固着部材１４４Ａは、低圧側冷媒配管１４２の端部から表出した部位からろう付けされることによって低圧側冷媒配管１４２の端部と各高圧側冷媒配管１４１の外周面とに気密性を有して固着してある。

図５に示すように第２固着部材１４４Ｂは、各高圧側冷媒配管１４１を挿通する挿通穴１４４Ｂａを有し、かつ、高圧側冷媒配管１４１の端部に配置した口管１４１ｃに挿入する態様で柱状に形成してある。ここで、口管１４１ｃは、高圧側冷媒配管１４１の出口部１４１ｂ（あるいは入口部１４２ａ）をなす筒状管であって、複数の高圧側冷媒配管１４１の端口を集束して一口にするためのものである。そして、口管１４１ｃは、一方の開口端部で複数の高圧側冷媒配管１４１の端口を集束して、他方の開口端部が高圧側冷媒配管１４１の出口部１４１ｂ（あるいは入口部１４２ａ）をなす。第２固着部材１４４Ｂは、第１固着部材１４４Ａと分割して設けてあり、挿通穴１４４Ｂａに複数の高圧側冷媒配管１４１を挿通した形態で、口管１４１ｃの一方の開口端部に挿入してある。そして、第２固着部材１４４Ｂは、口管１４１ｃの一方の開口端部から表出した部位からろう付けされることによって各高圧側冷媒配管１４１の端部と当該端部に配置した口管の内周面とに気密性を有して固着してある。

また、図５に示すように第１固着部材１４４Ａと第２固着部材１４４Ｂとは、離隔して配置してあり、高圧側冷媒配管１４１の外周面を露出して設けてある。

以下、二酸化炭素を冷媒として使用する本発明の冷媒冷却回路の動作について説明する。まず、冷却庫にある蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃから帰還された二酸化炭素は、内部熱交換器１４を介して第１圧縮機１ａに吸引されて低圧圧縮（約６ＭＰａに圧縮）される。第１圧縮機１ａから吐出された二酸化炭素は、中間熱交換器１０を経て冷却された後に第２圧縮機１ｂに吸引されて高圧圧縮（約９ＭＰａに圧縮）される。このとき、第２圧縮機１ｂから二酸化炭素と共に吐出された冷凍機油は、オイルセパレータ１１によって第１圧縮機１ａの入口側に戻される。

次いで、第２圧縮機１ｂから吐出された二酸化炭素は、蒸発手段１５で予冷されて、ガスクーラー２に送られる。ガスクーラー２に送られた二酸化炭素は、放熱されて液化して、内部熱交換器１４を介して電子膨張弁３に至る。

次いで、電子膨張弁３において、二酸化炭素は、減圧されて蒸発温度および流量を制御される。その後、二酸化炭素は、選択的に開放状態にある電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃを経て、減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに至る。

最後に、蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに供給された二酸化炭素は、吸熱して加熱蒸気として気化される。二酸化炭素の吸熱によって蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃを設けた冷却庫の内部が冷却されることになる。そして、二酸化炭素は、蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃから内部熱交換器１４を介して第１圧縮機１ａに吸引されて帰還して循環運転が行われる。

上記二酸化炭素の循環運転において、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４１と低圧側冷媒配管１４２との間で熱交換を行う。上述したように内部熱交換器１４は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管１４１を低圧側冷媒配管１４２の内部に内装してある。このため、相互の熱交換面積を大きく取れるので熱交換効率が向上する。また、複数の高圧側冷媒配管１４１を低圧側冷媒配管１４２の内部に内装することにより、相互の熱交換面積をさらに大きく取れるので熱交換効率がさらに向上する。また、低圧側冷媒配管１４２を断熱材１４３で被覆してあるため、熱交換に際して外気の影響、すなわち外部との熱交換を抑えるので、熱交換効率がさらに向上する。このように、熱交換効率が向上することにより、ガスクーラー２において二酸化炭素が液化しやすくなるので、高圧側の圧力上昇を抑えることが可能になる。また、熱交換効率が向上することにより、蒸発器４において二酸化炭素が気化するので、一部液化したままで二酸化炭素が圧縮機１に供給される事態を防ぐことが可能になる。さらに、熱交換効率が向上することにより、圧縮機１から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機１に戻し易くなる。特に、上記内部熱交換器１４は、低圧側冷媒配管１４２が上方から下方に向けて冷媒を送り、高圧側冷媒配管１４１が下方から上方に向けて冷媒を送る形態で設けてある。このため、低圧側において圧縮機１への冷凍機油の戻りを良くすることが可能になる。

また、内部熱交換器１４は、高圧側出口の冷媒温度を所定温度（例えば１８℃）以下に冷却して高圧側圧力が仕様限界を超える事態を防ぐ。具体的には、上述したように断熱筐体の冷却庫を３室とした場合、各冷媒循環経路を３室全て、２室あるいは１室のみの循環運転が考えられる。ここで、３室全てを循環運転したときの内部熱交換器１４の高圧側圧力は１０ＭＰａ（基準圧力）であり、本実施例での冷媒冷却回路における仕様限界の高圧側圧力は１２ＭＰａであったとする。この場合、高圧側圧力が最も上がる１室のみの循環運転のとき、高圧側圧力が仕様限界を超えないための内部熱交換器１４の高圧側出口の冷媒温度は１８℃以下である。すなわち、内部熱交換器１４によって高圧側出口の冷媒温度を１８℃以下に冷却すれば高圧側圧力が仕様限界を超えない。このように内部熱交換器１４では、二酸化炭素冷媒を用いて複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、例えば１つの蒸発器４ａを介して冷媒を循環運転した場合に、循環する冷媒に余剰が発生することになるが、低圧側冷媒配管１４２および高圧側冷媒配管１４１によって低圧側と高圧側との間で熱交換させることで液冷媒を気化して圧縮機１に戻す。この結果、圧縮機１における液圧縮を防いで圧縮機１の損傷を防止することが可能になる。また、同時に高圧側を冷却するため、冷媒密度が高くなり高圧側圧力を下げることが可能になる。

また、上述した内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４１を低圧側冷媒配管１４２の内部に内装した２重管構造とし、高圧側冷媒配管１４１を挿通して低圧側冷媒配管１４２の端部と高圧側冷媒配管１４１の外周面とに気密性を有してろう付けした第１固着部材１４４Ａと、第１固着部材１４４Ａと分割して設けてあり高圧側冷媒配管１４１を挿通して高圧側冷媒配管１４１の端部と当該端部に配置した口管１４１ｃの内周面とに気密性を有してろう付けした第２固着部材１４４Ｂとを備えている。このため、第１固着部材１４４Ａ側と第２固着部材１４４Ｂ側とに分けて固着される。この結果、ろう付け作業において相互の加熱の影響を防ぐことができるため、高圧側冷媒配管１４１および低圧側冷媒配管１４２の各口元においてろう付け不良を生じることがなく、低圧側冷媒配管１４２の端部と高圧側冷媒配管１４１の外周面との間、および高圧側冷媒配管１４１の端部と当該端部に配置した口管１４１ｃの内周面との間の気密性を確実に維持することが可能になる。

さらに、第１固着部材１４４Ａと第２固着部材１４４Ｂとは、離隔して配置してあり、高圧側冷媒配管１４１の外周面を露出してある。このため、第１固着部材１４４Ａについては低圧側冷媒配管１４２の端部から表出した部位をろう付けし、第２固着部材１４４Ｂについては口管１４１ｃの一方の開口端部から表出した部位をろう付けする。この結果、上記各ろう付け作業において各ろう付け部位を目視しながら作業を行うことができるため、ろう付け作業を容易、かつ確実に行うことが可能になる。

ここで、例えば第１固着部材１４４Ａおよび第２固着部材１４４Ｂを一体として図６に示すように固着部材１４４として構成してある場合、ろう付けを行う部位としては、固着部材１４４の両端と高圧側冷媒配管１４１との部位、固着部材１４４の外周面と分岐管１４２ｃおよび口管１４１ｃとの部位がある。この場合、固着部材１４４の両端と高圧側冷媒配管１４１との部位をろう付けし、固着部材１４４の外周面と分岐管１４２ｃおよび口管１４１ｃとの部位をろう付けする。このように、各部位を個々にろう付けすると、先にろう付けした部位に対して後にろう付けした部位の加熱の影響を受けることになり、ろう付け不良が生じるおそれがある。また、固着部材１４４の両端と高圧側冷媒配管１４１との部位に関しては全てのろう付けが終わった後に目視できないのでろう付け不良があるか否かを確認することが困難である。これに対して本実施例の内部熱交換器１４は、上述した構成によって上記のごとく、ろう付け作業において相互の加熱の影響を防ぐことができ、さらにろう付け部位を目視しながら作業を行うことができる。

本発明に係る内部熱交換器を適用した冷媒冷却回路の一実施例を示す概略図である。内部熱交換器を示す斜視図である。内部熱交換器を示す断面図である。内部熱交換器の高圧側冷媒配管を示す斜視図である。固着部材を示す断面図である。従前の固着部材を示す断面図である。

符号の説明

１圧縮機
１ａ第１圧縮機
１ｂ第２圧縮機
２ガスクーラー（放熱器）
２１ファン
２２ファンモータ
３電子膨張弁（絞り部）
４（４ａ，４ｂ，４ｃ）蒸発器
４１ファン
４２ファンモータ
１０中間熱交換器
１１オイルセパレータ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ電磁弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ減圧手段
１４内部熱交換器
１４１高圧側冷媒配管
１４１ａ入口部
１４１ｂ出口部
１４１ｃ口管
１４２低圧側冷媒配管
１４２ａ入口部
１４２ｂ出口部
１４２ｃ分岐管
１４３断熱材
１４４Ａ第１固着部材
１４４Ａａ挿通穴
１４４Ｂ第２固着部材
１４４Ｂａ挿通穴
１５蒸発手段

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器とを有する冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路に設けてあり、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器において、
高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装してあり、
前記高圧側冷媒配管を挿通して前記低圧側冷媒配管の端部内周面と前記高圧側冷媒配管の外周面とに気密性を有して挿着される第１固着部材と、
前記第１固着部材と分割して設けてあり前記高圧側冷媒配管を挿通して前記高圧側冷媒配管の端部外周面と当該端部に配置した口管の内周面とに気密性を有して挿着される第２固着部材と、
を備え、前記第１固着部材の外部表面側から該第１固着部材と前記低圧側冷却配管の端部と前記高圧側冷媒配管とをろう付けして固着するとともに、前記第２固着部材の外部表面側から該第２固着部材と前記口管の端部と前記高圧側冷媒配管とをろう付けして固着することを特徴とする内部熱交換器。
前記第１固着部材と前記第２固着部材とを離隔して前記高圧側冷媒配管の外周面を露出したことを特徴とする請求項１に記載の内部熱交換器。
前記高圧側冷媒配管を前記低圧側冷媒配管の内部に複数内装してあり、前記第１固着部材および前記第２固着部材は前記各高圧側冷媒配管、前記低圧側冷媒配管および前記口管に係り気密性を有し、ろう付けによって固着してあることを特徴とする請求項１または２に記載の内部熱交換器。
前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の内部熱交換器。