JP4973872B2 - Ｃｏ２冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＯ_２ を冷媒とし、ＣＯ_２を三重点以下の圧力及び温度レベルまで冷却して個体・ガス二相ＣＯ_２とした冷媒サイクルを用い、温度差のある高温熱源と冷温熱源の同時取り出しを可能とするとともに、制御の安定化を図り、成績係数を向上させたＣＯ_２冷凍機に関する。

冷却負荷からの被冷却流体をマイナス数十℃という極低温に冷却する冷却手段として、高温側（高元側）と低温側（低元側）との２つの冷媒サイクルを組み合わせた２元冷却手段が従来から用いられている。
例えば特許文献１（特開２００４−１７０００７号公報）には、アンモニアを冷媒として用いる高元側冷凍サイクルに、ＣＯ_２を冷媒として用いる低元側冷凍サイクルのＣＯ_２冷媒を冷却、液化するカスケードコンデンサを備えるとともに、ＣＯ_２冷凍サイクルの膨張弁通過後の圧力及び温度をＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルとすることにより、固体・ガス二相のＣＯ_２とし、固体ＣＯ_２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ことにより、ＣＯ_２の三重点（−５６℃）以下の極低温域での冷却を可能にした手段が開示されている。

また特許文献２（特開２００４−３０８９７２号公報）には、ＣＯ_２ガスを飽和圧力又は超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、凝縮器からのＣＯ_２凝縮体をＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体・ガス二相とする膨張装置と、該二相ＣＯ_２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ＣＯ_２ガスを前記圧縮機に送る昇華手段とを備えたＣＯ_２冷凍機が開示され、またこのＣＯ_２冷凍機の凝縮器で高圧ＣＯ_２ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元側冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して、該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設けることが開示されている。

特開２００４−１７０００７号公報 特開２００４−３０８９７２号公報

しかしながら特許文献１及び２に開示された手段は、極低温の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することは可能であるが、同時に高温熱源を供給できるものではない。
またＣＯ_２冷媒をＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、ＣＯ_２の固体・ガス二相をつくり、固体ＣＯ_２の昇華による冷熱を供給するものであるため、冷媒流路に詰まりを生じたり、あるいは冷媒流路に圧損等を生じて冷凍サイクルの運転が不安定となるおそれがある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、オゾン破壊係数がゼロで、地球温暖化係数が１であるため、環境への負荷小さく、毒性、可燃性がなく安全で安価であるというＣＯ_２の長所を生かし、また温水及び給湯供給において非常に効率が良いという長所をもつＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプサイクルの長所を生かし、かつ温度差のある高温熱源と冷温熱源の同時取り出しを可能とするとともに、制御の安定化を図り、成績係数を向上させたＣＯ_２冷凍機を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のＣＯ_２冷凍機の第１の構成は、
ＣＯ_２ を冷媒とし、
圧縮機を直列に多段に設けることによりＣＯ_２を超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第１の冷凍サイクルと、
前記第１冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、
前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り前記第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルとからなり、
更に、前記第１の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第２の中間冷却器を蒸発部とし、
前記中間冷却器と前記第２の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第２の中間冷却器を通り前記第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
ＣＯ _２ の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第３の冷凍サイクルとからなることを特徴とする。

本発明の前記第１の構成は、前記構成を有する第１冷凍サイクルに、前記構成を有する第２の冷凍サイクルを組み合わせることにより、前記中間冷却器で第１の冷凍サイクルから第２の冷凍サイクルに熱吸収がなされ、これによって第１の冷凍サイクルでは冷媒が過冷却され、次の膨張段階で三重点以下の圧力及び温度レベルへの到達が容易になるとともに、第２の冷凍サイクルでは、第１の冷凍サイクルから熱源が付与されてＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持することが容易になる。

これによって第１の冷凍サイクルでは、凝縮器において高温の給湯、例えば８０℃近辺の給湯が可能になるとともに、第２の冷凍サイクルでは、膨張手段を経てＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体・ガス二相とすることができ、蒸発器において該二相ＣＯ_２の昇華による極低温の冷熱、例えば−５６℃〜−７８℃（大気圧下）の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することができる。

また第１の構成では、圧縮機を多段にすることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。また例えば第１の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第２の中間冷却器を蒸発部とし、前記中間冷却器と前記第２の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第２の中間冷却器を通り前記第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第３の冷凍サイクルとからなるように構成すれば、さらに冷凍機の成績係数を向上させることができる。

次に本発明の第２の構成は、
ＣＯ_２ を冷媒とし、ＣＯ_２ガスを超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第１の冷凍サイクルと、
アンモニア、ＨＣ又はＣＯ_２を冷媒とし、前記第１の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第１のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でもＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルと、
ＣＯ_２を冷媒とし、該第２の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第２のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第３の冷凍サイクルとからなり、
更にＣＨガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第３の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第３のカスケードコンデンサを備えた第４の冷凍サイクルを付設したことを特徴とする。

本発明の第２の構成では、ＣＯ_２ガスを超臨界域まで圧縮する第１の冷凍サイクルで高温の熱源、例えば約８０℃の給湯を効率良く供給することができる。
また第２の冷凍サイクルは、アンモニア、ＨＣガス又はＣＯ_２を冷媒として用いた冷凍サイクルとし、アンモニア又はＨＣ等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、冷凍機全体の効率をさらに良くすることができ、ＣＯ_２を冷媒として用いた冷凍サイクルとすると、前述したＣＯ_２の安全性及び無害等の長所を有するとともに、第１冷凍サイクル及び第３冷凍サイクルの冷媒と同じ冷媒を用いることになり、装置全体として安全かつ無害であり、安価となる。

また前記第２の構成において、第３の冷凍サイクルでＣＯ_２冷媒をＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させることにより、蒸発器において該二相ＣＯ_２の昇華による極低温の冷熱、例えば−５６℃〜−７８℃（大気圧下）の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することができる。

前記第２の構成において、好ましくは、ＣＨガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第３の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第３のカスケードコンデンサを備えた第４の冷凍サイクルを付設すれば、さらに低温の冷熱源、例えば−１２０℃付近の冷熱源を供給することができる。

前記第２の構成において、前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第１〜第３のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させる接触式熱交換器に構成してもよい。ＣＯ_２の分子量４４に対して、アンモニア、ＨＣガス、窒素ガス、あるいは空気の分子量が十分小さいので、両者を直接混合しても重力分離が可能である。例えばサイクロン型の熱交換器を用い、サイクロン内で両者を直接接触させることにより、容易に重力分離が可能となる。

また本発明の第２の構成における前記第１の冷凍サイクル又は前記第３の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループと、該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路とを備えれば、該熱回路から種々の冷却負荷に対してそれぞれに対応し得る冷熱源を供給することができる。

前記閉回路ループにはいずれも安全かつ無害なＣＯ_２が循環するので、ホテル又はレストラン等種々の高温熱源及び低温熱源を必要とする建物内へ閉回路ループを配設しても安全性を確保することができる。
また閉回路ループに設けられる熱回路には、膨張手段や圧縮機を設ければ、個々の熱回路で冷凍サイクルを構成することができ、これによって各種の冷却負荷に応じた冷熱源を供給することができる。

また好ましくは、本発明の第２の構成における前記第１の冷凍サイクル又は前記第３の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に気液分離器を介して前記閉回路ループを接続すれば、前記熱回路に確実に液冷媒を取り出すことができる。
また本発明の第１構成又は第２構成において、ＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルで使用される膨張手段をキャピラリチューブ又は膨張タービンとすれば、膨張手段における固相ＣＯ_２の詰まりによる抵抗増大又は閉塞を確実に防止することができる。

本発明の第１構成によれば、ＣＯ_２（炭酸ガス）を冷媒とし、圧縮機を直列に多段に設けることによりＣＯ_２を超臨界域まで圧縮するとともに、凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第１の冷凍サイクルと、第１冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルとからなることにより、高温熱源の供給、例えば−８０℃近辺の高温の給湯が可能になるとともに、同時に極低温の冷熱、例えば−５６℃〜−７８℃（大気圧下）の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することができる。

また第２の冷凍サイクルでは常にＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成されるので、固相のＣＯ_２が生成されず、従って膨張手段での抵抗増大や詰まりを生じず、安定した冷凍運転を行なうことができる。またこれに併せ圧縮機を多段にすることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。
なお本発明においてＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルにすることによって固気二相のＣＯ_２が形成される場合であっても、好ましくは膨張手段としてキャピラリチューブや膨張タービンを用いることにより、冷媒流路での抵抗増大や詰まりを防止することができる。

また本発明の第２の構成によれば、ＣＯ_２（炭酸ガス）を冷媒とし、ＣＯ_２ガスを超臨界域まで圧縮するとともに、凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第１の冷凍サイクルと、アンモニア、ＨＣ又はＣＯ_２を冷媒とし、前記第１の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第１のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でもＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルと、ＣＯ_２を冷媒とし、該第２の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第２のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第３の冷凍サイクルとからなることにより、前記第１の構成と同様に、高温熱源の供給、例えば高温の給湯が可能になるとともに、同時に極低温の冷熱源を供給することができる。

また第２の冷凍サイクルで、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成されたことにより、冷媒流路での抵抗増大や詰まりが生ぜず、安定した冷凍運転を行なうことができる。
なお第２の冷凍サイクルでアンモニア又はＨＣ等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、さらに効率が向上し、一方ＣＯ_２を冷媒として用いた冷凍サイクルとすると、自然冷媒としてのＣＯ_２の長所（無害、安全等）を享受することができるとともに、第１冷凍サイクル及び第３冷凍サイクルと同じＣＯ_２冷媒を用いることにより、装置全体として安価となる。

前記第２の構成において、好ましくは、ＣＨガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第３の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第３のカスケードコンデンサを備えた第４の冷凍サイクルを付設すれば、さらに低温の冷熱源、例えば−１２０℃付近の冷熱源を供給することができ、あるいは前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第１〜第３のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させる接触式の熱交換器で構成するようにすれば、熱伝達効率をさらに向上させることができる。

また本発明の第２の構成における第１冷凍サイクル又は第３冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループに、該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路を接続したことにより、病院、ホテル又はレストラン等種々の高温熱源及び低温熱源を必要とする冷却負荷に対して該熱回路からこれら冷却負荷に対応した種々の冷熱源を供給することができ、また閉回路ループにはいずれも毒性がない無害な自然冷媒であるＣＯ_２が循環するので、建物内での安全を確保することができる。
また第１冷凍サイクル又は第３冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と閉回路ループとの間に気液分離器を介在させることにより、閉回路ループに液相のＣＯ_２を確実に供給することができる。

本発明の第１実施例のブロック線図である。 前記第１実施例のモリエル線図である。 本発明の第２実施例のブロック線図である。 前記第２実施例のモリエル線図である。 本発明の第３実施例のブロック線図である。 本発明の第４実施例のブロック線図である。 前記第４実施例のカスケードコンデンサ５４の立面図である。 前記第４実施例のカスケードコンデンサ５４の平面図である。 本発明の第５実施例のブロック線図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。
図１は、本発明の第１実施例のブロック線図、図２は、第１実施例のモリエル線図、図３は、本発明の第２実施例のブロック線図、図４は、第２実施例のモリエル線図、図５は、本発明の第３実施例のブロック線図、図６は、本発明の第４実施例のブロック線図、図７Ａは、第４実施例のカスケードコンデンサ５４の立面図、図７Ｂはその平面図、図８は、本発明の第５実施例のブロック線図である。

第１実施例を示す図１において、１は、ＣＯ_２を冷媒とした第１の冷凍サイクルの冷媒流路であり、２は、ＣＯ_２を冷媒とした第２の冷凍サイクルの冷媒流路である。３は、第１冷凍サイクル１及び第２冷凍サイクル２で兼用する高段圧縮機であり、５は、同様に第１及び第２冷凍サイクル兼用の凝縮器である。６は、中間冷却器であり、中間冷却器６の上流側で第２冷凍サイクルの冷媒流路２が分岐し、膨張弁９を経て中間冷却器６の蒸発部６ａに接続する。
第１冷凍サイクルの冷媒流路１は、中間冷却器６の凝縮部６ｂに接続し、その後膨張弁７を経て蒸発器８の蒸発部８ａに接続する。

４は、低段圧縮機であり、９は給湯ラインで、給湯ライン９に供給された水ｗは、凝縮器５で加熱されて図示しない温熱源負荷に給湯される。また１０は冷却負荷ラインで、冷却負荷ライン１０に供給された被冷却流体ｒは、蒸発器８でＣＯ_２冷媒の蒸発潜熱を吸収され冷却されて図示しない冷却負荷に供給される。Ｐｔｒは、ＣＯ_２の三重点ラインを示す。

かかる構成のＣＯ_２冷凍機の作動を図１及び図２により説明する。図２は、第１実施例のモリエル線図であり、図２において、Ｓｌは飽和液線、Ｓｙは飽和蒸気線、Ｔｋは等温線、ＫはＣＯ_２の臨界点（臨界温度３１．１℃、臨界圧７．３８Ｍｐａ）である。またＰｔｒはＣＯ_２冷媒の三重点の圧力（０．５１８Ｍｐａ）を示す。
まず第１冷凍サイクル１において、ＣＯ_２冷媒は、高段圧縮機３で圧縮され、臨界点Ｋを越えて超臨界域に達する（図２中Ａ→Ｂ）。その後凝縮器５で水ｗに凝縮熱を付与して凝縮する（同上Ｂ→Ｃ）。水ｗは凝縮熱を得て約８０℃に加熱され、給湯ライン９から図示しない温熱源負荷に供給される。

一方凝縮器５の下流側で冷媒の一部が分岐して第２冷凍サイクルの冷媒流路２に入り、その後膨張弁９を経て膨張し、中間冷却器６の蒸発部６ａに入る（同上Ｃ→Ｄ）。
第１冷凍サイクルの冷媒流路１を通る冷媒は、中間冷却器６の凝縮部６ｂに入る。ここで凝縮部６ｂの冷媒から蒸発部６ａの冷媒に蒸発潜熱が吸収され（同上Ｃ→Ｅ）、蒸発部６ａの冷媒がその蒸発潜熱を得て蒸発する。蒸発部６ａで一部蒸発した冷媒は接続点ｃで第１冷凍サイクルの冷媒に合流する（同上Ｄ→Ａ及びＨ→Ａ）。冷媒通路２及び接続点ｃはＣＯ_２の三重点（−５６℃及び０．５１８Ｍｐａ）以上の圧力及び温度レベルを維持する。

中間冷却器６の凝縮部６ｂを出た冷媒は、膨張弁７を経て断熱膨張し、蒸発器８の蒸発部８ａに至る（同上Ｅ→Ｆ）。膨張弁７の下流側はＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルとなっており、ここでＣＯ_２冷媒は固気二相となり、蒸発器８で冷却負荷ライン１０から蒸発器８に供給された被冷却流体ｒから昇華潜熱を奪って気化し（同上Ｆ→Ｇ）、一方被冷却流体ｒはＣＯ_２の三重点以下の温度である−５６℃〜−７８℃（大気圧下）の極低温度に冷却される。
その後冷媒流路１を通る冷媒は、低段圧縮機４で断熱圧縮させる（同上Ｇ→Ｈ）。

このように第１実施例によれば、超臨界域を形成するＣＯ_２冷凍サイクルと、ＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度まで減圧された冷凍サイクルとにより、約８０℃の高温の給湯と−５６℃以下の極低温の冷熱源を同時に供給することができる。
また第２冷凍サイクルの冷媒流路２はＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度に維持されるので、ＣＯ_２冷媒が固相を呈することがなく、このため冷媒流路２に抵抗の増大や詰まりを生じることがない。また圧縮機を多段に構成しているので、成績係数を向上させることができる。
なおＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度となる膨張弁７では、キャピラリチューブや膨張タービンを用いることにより、冷媒流路内部の抵抗の増大や詰まりを確実に防止することができる。

次に本発明の第２実施例を図３及び４に基づいて説明する。第２実施例は、前記第１実施例において、さらに第２の冷凍サイクルを付加したものであり、図３及び４において、図１及び２と同一符号を付した機器、部材は第１実施例と同一の構造及び機能を有し、これらの説明は省略する。
図３及び４において、高段圧縮機３と低段圧縮機４との間に中段圧縮機１４が設けられるとともに、第１冷凍サイクルの冷媒流路１は、中間冷却器６の下流側で第３冷凍サイクルの冷媒流路１１が分岐し、冷媒流路１１の冷媒は、膨張弁１３を経て断熱膨張され、減圧かつ低温となって第２中間冷却器１２の膨張部１２ａに流入する。

一方冷媒流路１は、第２中間冷却器１２の凝縮部１２ｂに接続しており、第２中間冷却器１２で凝縮部１２ｂから蒸発部１２ａ側に蒸発潜熱が奪われて、冷媒流路１１の冷媒が蒸発する。冷媒流路１１で蒸発した冷媒は、第１冷凍サイクルの中段圧縮機１４と低段圧縮機４との間の冷媒流路１の接続点ｃ’で接続する。なお膨張弁１３を経て接続点ｃ’に至る第１冷凍サイクルは、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルに維持される。

かかる第２実施例の構成では、図４のモリエル線図に示すように冷凍運転がなされる。即ち高段圧縮機３を経た冷媒は超臨界域に入り（図４中Ｉ→Ｊ）、その後凝縮器５で水ｗを加熱して凝縮する（同上Ｊ→Ｌ）。第１実施例と異なるところは、凝縮器５で冷却された冷媒は、中間冷却器６及び第２中間冷却器１２によって２段に亘って冷却され（図４中１段目；Ｌ→Ｃ、２段目；Ｃ→Ｅ）、膨張弁７を経てＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧される（同上Ｅ→Ｆ）。

一方第２冷凍サイクル２で膨張弁９を経た冷媒は、中間冷却器６の凝縮部６ａで蒸発潜熱を付与されて蒸発し接続点ｃに至る（同上Ｌ→Ｍ→Ｉ）。また第３冷凍サイクルで膨張弁１３を経た冷媒は、第２中間冷却器１２の蒸発部１２ａで蒸発潜熱を付与されて蒸発し接続点ｃ’に至る（同上Ｃ→Ｄ→Ａ）。
かかる第２実施例によれば、前記第１実施例に作用効果に加えて、圧縮機を３段にしたことにより、成績係数をさらに向上することができる長所をもつ。

次に本発明の第３実施例を図５に基づいて説明する。図５において、第１冷凍サイクル２１はＣＯ_２を冷媒として用い、圧縮機２３、凝縮器２４、膨張弁２５及びカスケードコンデンサ２６等を有する冷媒流路２２で構成される。まず圧縮機２３で断熱圧縮された冷媒は、超臨界域に達し、その後凝縮器２４で水ｗによって冷却され、膨張弁２５を経て断熱膨張され、カスケードコンデンサ２６の蒸発部２６ａに入る。
カスケードコンデンサ２６では、凝縮部２６ｂを通る第２冷凍サイクルの冷媒から蒸発潜熱を奪い、蒸発して圧縮機２３に戻る。凝縮器２４では給湯ライン２７から供給された水ｗが加熱され、約８０℃の高温水ｈとなって図示しない高熱源負荷に給湯される。

第２冷凍サイクル３１は、アンモニア又はＨＣを冷媒として用い、冷媒流路３２に、圧縮機３３、カスケードコンデンサ２６の凝縮部２６ｂ、膨張弁３４及びカスケードコンデンサ３５の蒸発部３５ａ等を介設して構成される。
第２冷凍サイクル３１では、圧縮機３３で圧縮された冷媒は、カスケードコンデンサ２６の凝縮部２６ｂで第１冷凍サイクルのＣＯ_２冷媒に蒸発潜熱を奪われて凝縮され、その後膨張弁３４を経て断熱膨張され、カスケードコンデンサ３５の蒸発部３５ａに入る。
カスケードコンデンサ３５で第３冷凍サイクルの冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発し、再び圧縮機３３に入る。なお第２冷凍サイクル３１では、常にＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルに維持される。

第３冷凍サイクル４１では、ＣＯ_２を冷媒として用い、ＣＯ_２冷媒流路４２に、圧縮機４３、カスケードコンデンサ３５の凝縮部３５ｂ、膨張弁４４及び蒸発器４５が介設されて構成されている。第３冷凍サイクル４１では、膨張弁４４を経た後の冷媒流路は、図示のとおりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルに維持されており、従って膨張弁４４を経た後では、ＣＯ_２冷媒は固気二相になり、蒸発器４５で固相のＣＯ_２冷媒は冷却負荷ライン４６から蒸発器４５に供給される被冷却流体ｒから昇華潜熱を奪って昇華する。これによって被冷却流体ｒを極低温、即ちＣＯ_２の三重点以下の温度である−５６℃〜−７８℃に冷却することが可能となる。

このように第３実施例によれば、約８０℃の高温の給湯と−５６℃〜−７８℃の極低温の被冷却流体を供給することが可能になるとともに、第１冷凍サイクル２１及び第２冷凍サイクル３１を常にＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルで運転するため、ＣＯ_２冷媒が固相状態とはならず、そのため冷媒流路で抵抗の増大や詰まりを生じることなく、安定した冷凍運転を可能とする。また第２冷凍サイクル３１で冷媒としてアンモニア又はＨＣを用いているため、高効率の運転が可能となる。

次に本発明の第４実施例を図６及び７に基づいて説明する。図６及び７において、本実施例は、図５に示す前記第３実施例の構成に、さらに空気又は窒素（Ｎ_２）を冷媒とする第４冷凍サイクル５１を負荷したことにより、さらに超低温の冷熱源を供給可能としたものである。
図６において、図５と同一の符号を付した機器、部材は図５に示す機器、部材と同一の構成及び機能を有するものであり、これらの説明を省略する。第４冷凍サイクル５１は、空気又は窒素を冷媒とし、冷媒流路５２に、アンモニア５３、カスケードコンデンサ５４、膨張タービン５５及び蒸発器５７を介設して構成されている。５６は、圧縮機５３の駆動モータであるが、膨張タービン５５の稼動により回生される回生モータとなっている。

第４冷凍サイクル５１では、圧縮機５３で断熱圧縮された冷媒は、カスケードコンデンサ５４において第３冷凍サイクル４１の冷媒に蒸発潜熱を奪われて冷却される。その後膨張タービン５５を経て断熱膨張され、−１２０℃の温度に冷却されて蒸発器５７に至る。蒸発器５７で冷却負荷ライン５８から供給された被冷却流体ｒから蒸発潜熱を奪って蒸発するとともに、被冷却流体ｒを−１００℃付近の超低温に冷却する。

図７にカスケードコンデンサ５４の構成を示す。図７のＡはその立面図、Ｂは平面図である。図７において、カスケードコンデンサ５４は、内部が中空のサイクロン５４０からなり、上部に第２冷凍サイクル４１の冷媒であるＣＯ_２冷媒の入口管５４１が水平にかつサイクロン５４０に対して接線方向に取り付けられている。また５４３は、第５冷凍サイクル５１の冷媒である空気又はＮ_２冷媒の入口管で、サイクロン５４０の下部に水平にかつサイクロン５４０に対して接線方向に取り付けられている。

５４２は、サイクロン５４０の下部に設けられたＣＯ_２冷媒の出口管で、水平にかつサイクロン５４０に対して接線方向に取り付けられている。５４４は、空気又はＮ_２冷媒の出口管でサイクロン５４０の上部に取り付けられている。
かかる構成において、入口管５４１からサイクロン５４０の内部に供給されたＣＯ_２冷媒は、固気二相状態でサイクロン５４０の内面に沿って螺旋を描きながら、分子量が４４と空気又は窒素に比べて重いために下方に沈降していく。

一方入口管５４３から供給された空気又は窒素は、サイクロン５４０の内面沿って螺旋を描きながら、ＣＯ_２より軽いために上昇していく。ＣＯ_２と空気又は窒素は、サイクロン５４０内に互いに交流方向に供給されているため、それぞれの出口管５４２又は５４４から出て行くが、このように直接接触式の熱交換器であるため、熱伝達効率が極めて良い。また両者は、分子量が大きく異なるため、それらの分離が容易である。
このように第４実施例によれば、８０℃の高温の給湯と−１００℃近辺の超低温の冷熱源を同時に供給することができ、また安定した冷凍運転が可能で、効率の良い冷媒サイクルを実現することができる。

次に本発明の第５実施例を図８に基づいて説明する。図８において、第１冷凍サイクル２１、第２冷凍サイクル３１及び第２冷凍サイクル４１は、前記第３実施例と同一の構成であり、第３実施例を示す図５と同一の符号を付しており、これらの説明を省略する。
図８において、２８は気液分離器であり、その液相部２８ｂが第１冷凍サイクル２１の液相部分の冷媒流路２２（膨張弁２５の上流側）に分岐管２９を介して連通されている。また気液分離器３６は、その液相部３６ｂが第２冷凍サイクル３１の液相部分の冷媒流路３２（膨張弁３４の上流側）に分岐管３７を介して連通されている。

６１及び７１は、各種の冷却負荷を有する建物（例えば病院、ホテル、レストラン等）６０の内部に略水平に配置された閉回路ループであり、閉回路ループ６１の始端は気液分離器２８の液相部２８ｂに接続され、終端は気液分離器２８の気相部２８ａに接続されている。また閉回路ループ６２の始端は、気液分離器３６の液相部３６ｂに、終端は気相部３６ａに接続されて、それぞれ冷媒液が矢印方向に流れている。
閉回路ループ６１の液相ライン６１ｂには、閉路状熱回路６２の始端が接続され、閉路状熱回路６１の気相ライン６１ａには閉路状熱回路６２の終端が接続されている。閉路状熱回路６２には熱交換器６３が介設され、ここで閉回路ループ６１の液相ライン６１ｂから取り出したＣＯ_２冷媒液の蒸発潜熱等を冷却負荷側の被冷却流体ｒから奪って冷却負荷側を冷却し、冷媒液は蒸発して気相となり、閉回路ループ６１の気相ライン６１ａに戻るように構成されている。

また閉回路ループ７１では、液相ライン７１ｂに始端が接続され、気相ライン７１ａに終端が接続された閉路状熱回路７２が設けられ、閉路状熱回路７２では、膨張弁７３と、熱交換器７４と、圧縮機７５とが介設された冷凍サイクルが構成されている。閉路状熱回路７２において、液相ライン７１ｂから取り出されたＣＯ_２冷媒液は、膨張弁７３で断熱膨張し、熱交換器７４で冷却負荷側から蒸発潜熱を奪って冷却負荷側の被冷却流体ｒを冷却し、冷媒液は蒸発して気相となり、閉回路ループ７１の気相ライン７１ａに戻るように構成されている。（なお閉回路ループ６１，７１については、本発明者等が先に提案した特開２００３−３２９３１８号公報に詳しく開示されているのでこれを参照されたい。）

このように第５実施例によれば、８０℃の高温の給湯と−８０℃付近の極低温の冷熱を同時に供給することができるとともに、多様な冷却負荷を有する建物（例えば病院、ホテル、レストラン等）の需要に十分に応じることができる。
また建物内の閉回路ループ６１，７１に供給される冷媒は、自然冷媒であり安全かつ無害なＣＯ_２冷媒であり、安全に冷凍運転することができるとともに、第１冷凍サイクル２１、第２冷凍サイクル３１、及び建物６０内で配設される閉回路ループ６１，７１は、常にＣＯ_２の三重点以上の圧縮機及び温度レベルで運転されるために、冷媒流路内部での抵抗増大や詰まりを生ぜず、安定した高効率な運転が可能となる。

本発明によれば、高温の給湯と極低温の冷熱を同時に供給できるとともに、病院、ホテル、レストラン等多様な冷却負荷を要する場所の需要に十分に対応可能であるとともに、安定した冷凍運転と高効率で成績係数を向上させた安全で安価なＣＯ_２冷凍機を実現することができる。

Claims (6)

1. ＣＯ_２ を冷媒とし、
   圧縮機を直列に多段に設けることによりＣＯ_２を超臨界域まで圧縮するとともに、
   凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第１の冷凍サイクルと、
   前記第１冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、
   前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り前記第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
   ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルとからなり、
   更に、前記第１の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第２の中間冷却器を蒸発部とし、
   前記中間冷却器と前記第２の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第２の中間冷却器を通り前記第１の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
   ＣＯ _２ の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第３の冷凍サイクルとからなることを特徴とするＣＯ_２冷凍機。
2. ＣＯ_２ を冷媒とし、ＣＯ_２ガスを超臨界域まで圧縮するとともに、
   凝縮器から出たＣＯ_２凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、ＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第１の冷凍サイクルと、
   アンモニア、ＨＣ又はＣＯ_２を冷媒とし、前記第１の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第１のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でもＣＯ_２の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第２の冷凍サイクルと、
   ＣＯ_２を冷媒とし、該第２の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第２のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことによりＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第３の冷凍サイクルとからなり、
   更にＣＨガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第３の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第３のカスケードコンデンサを備えた第４の冷凍サイクルを付設したことを特徴とするＣＯ_２冷凍機。
3. 前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第１〜第３のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させて熱交換する接触式熱交換器で構成したことを特徴とする請求項２記載のＣＯ_２冷凍機。
4. 前記第１の冷凍サイクル又は前記第３の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループと、
   該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路とを備えたことを特徴とする請求項２記載のＣＯ_２冷凍機。
5. 前記第１の冷凍サイクル又は前記第３の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と前記閉回路ループとの間に気液分離器を介在させてなることを特徴とする請求項４記載のＣＯ_２冷凍機。
6. ＣＯ_２の三重点以下の圧力及び温度レベルで使用される前記膨張手段をキャピラリチューブ又は膨張タービンとすることを特徴とする請求項１又は２記載のＣＯ_２冷凍機。

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