JP5792585B2 - 冷凍機、冷蔵ショーケース及び自動販売機 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮器で冷却された冷媒を熱交換器でさらに冷却する冷凍機に関し、詳しくは、前記凝縮器で冷却された冷媒を、前記熱交換器で冷却された冷媒と熱交換させて冷却することにより、冷媒中へのガスの混入を抑制することができる冷凍機、並びにこの冷凍機を備えた冷蔵ショーケース及び自動販売機に関する。

従来の冷凍機として、冷媒を昇圧する圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された冷媒を熱交換により放熱させる凝縮器と、前記凝縮器を通過した冷媒を断熱膨張させる第１減圧手段および第２減圧手段と、前記第１減圧手段によって減圧された冷媒と、前記第２減圧手段によって減圧される前の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、前記第２減圧手段によって減圧された冷媒を熱交換により蒸発させる蒸発器と、前記第１減圧手段および内部熱交換器を通過した冷媒を高圧の一次流体とし、前記内部熱交換器および第２減圧手段を通過した冷媒を低圧の二次流体として、これら一次流体と二次流体とを混合して圧縮機に導入するエジェクタと、を備えたものがあった（例えば特許文献１参照）。

このような冷凍機は、凝縮器を通過した冷媒を、エジェクタの駆動流となる前記一次流体として導入される冷媒と、吸引流となる前記二次流体として導入される冷媒と、の２つに分岐し、前記駆動流側の冷媒を第１減圧手段によって減圧し、前記吸引流側の冷媒と内部熱交換器で熱交換させることにより、前記吸引流側の冷媒を冷却している。このように、従来の冷凍機は、凝縮器を通過した吸引流側の冷媒を内部熱交換器でさらに冷却することにより、冷媒中へのガスの混入を抑制していた。

特開２００８−８２６９３号公報

しかし、前記従来の冷凍機においては、凝縮器周辺の外気が高温となったり、凝縮器の性能が低下した場合、凝縮器を通過した冷媒中にガスが混入するおそれがあった。前記冷媒中にガスが混入した場合、管路抵抗の増加により冷媒循環量が減少し、第１減圧手段に流入した冷媒の内部熱交換器における熱交換量が減少する。これにより、エジェクタを駆動する前記一次流体が減少し、エジェクタ効率が低下するおそれがあった。また、前記冷媒による冷却エネルギーが低下するおそれがあった。

さらに、前記冷却エネルギーは、内部熱交換器において、前記第２減圧手段に流入する冷媒中に混入したガスを液化するために使用されることとなる。このため、前記第２減圧手段に流入する冷媒の冷却が不十分となるおそれがあった。冷媒の冷却が不十分であると、冷媒の過冷却度が小さくなり、多量のガスが混入した冷媒が蒸発器に流入し、蒸発器での熱交換量を減少させるおそれがあった。

以上のような問題により、冷凍機の効率が低下するおそれがあった。このような問題は、二酸化炭素のような液化しない冷媒が使用された場合でも同様に生じるおそれがあった。

そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、凝縮器周辺の外気が高温となったり、凝縮器の性能が低下した場合であっても、凝縮器を通過した冷媒を十分に冷却し、冷媒中へのガスの混入を抑制することができる冷凍機を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明による冷凍機は、冷媒を昇圧する圧縮機と、前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する凝縮器と、前記凝縮器で冷却された冷媒をさらに冷却し、その冷却された冷媒を第１流量調整手段で減圧した後、前記凝縮器で冷却された冷媒と熱交換させることで前記冷媒を冷却する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通過した冷媒を第２流量調整手段によって減圧した後、その冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記第１流量調整手段を通過し前記第１熱交換器で冷却された冷媒を駆動流とし、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流とし、これらの冷媒を前記圧縮機に供給するエジェクタと、を含んで構成されたものである。

また、本発明による冷蔵ショーケース及び自動販売機は、本発明による冷凍機により冷却される。

本発明による冷凍機によれば、圧縮機で冷媒を昇圧し、凝縮器により前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却し、第１熱交換器により、前記凝縮器で冷却された冷媒をさらに冷却し、その冷却された冷媒を第１流量調整手段で減圧した後、前記凝縮器で冷却された冷媒と熱交換させることで前記冷媒を冷却し、蒸発器により、前記第１熱交換器を通過した冷媒を第２流量調整手段によって減圧した後、その冷媒を蒸発させ、エジェクタにより、前記第１流量調整手段を通過し前記第１熱交換器で冷却された冷媒を駆動流とし、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流とし、これらの冷媒を前記圧縮機に供給することができる。このように、凝縮器を通過した冷媒を冷却するための熱交換流体として、凝縮器を通過した後に第１熱交換器でさらに冷却された冷媒を使用するため、第１熱交換器での熱交換量が減少せず、第１熱交換器の熱交換効率の低下を抑制することができる。したがって、凝縮器周辺の外気が高温となったり、凝縮器の性能が低下した場合であっても、凝縮器を通過した冷媒を十分に冷却することが可能となり、第１熱交換器を通過した冷媒中へのガスの混入を抑制することができる。

本発明による冷凍機の第１実施形態を示す概略構成図である。 前記冷凍機の第１実施形態における冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。 前記冷凍機の第１実施形態のエジェクタを示す断面図である。 本発明による冷凍機の第２実施形態を示す概略構成図である。 前記冷凍機の第２実施形態における冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。 本発明による冷凍機の第３実施形態を示す概略構成図である。 前記冷凍機の第３実施形態における冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。

以下、本発明による冷凍機の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による冷凍機の第１実施形態を示す図である。この冷凍機は、冷凍サイクルを実施するものであって、圧縮機１と、凝縮器２と、第１熱交換器３と、第１流量調整手段４と、第２流量調整手段５と、蒸発器６と、エジェクタ７と、冷媒配管８ａ〜８ｈとを備える。この冷凍機は、食品や飲み物を収納する冷蔵ショーケース内を冷却するために使用されているが、自動販売機の機内の冷却のために使用されてもよく、冷蔵庫や空調等のヒートポンプや、エコキュート（登録商標）に使用されてもよい。この冷凍機の冷媒は、代替フロン、二酸化炭素、炭化水素、アンモニア及び空気等、一般に冷媒として使用されている単冷媒が使用される。なお、冷媒として、複数種類の冷媒を混合した混合冷媒が使用されてもよい。以下、本発明による冷凍機の冷媒が、気化及び液化する冷媒の場合について説明する。

前記圧縮機（コンプレッサ）１は、気体冷媒を圧縮して高温高圧となった冷媒を吐出するものであって、冷媒配管８ａ，８ｈが接続されている。この圧縮機１は、モーターやエンジン（図示省略）により駆動される。

この圧縮機１により気体冷媒が断熱圧縮されて昇圧されると、冷媒の状態は、図２に示すように、等エントロピー線Ａに沿ってｈからａまで移動する。

前記圧縮機１に対して冷媒進行の下流側（以下単に「下流側」という。）には、図１に示すように、凝縮器（コンデンサ）２が設けられている。この凝縮器２は、圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒を外気と熱交換させて冷却し、液冷媒にする熱交換器であって、冷媒配管８ａ，８ｂが接続されている。凝縮器２は、ファン２１を備えており、ファン２１により送風することで冷媒と外気との熱交換を促進させることができる。なお、凝縮器２は、冷媒を冷却可能であればよく、外気との熱交換に限らず、熱交換流体やその他の方法によるものでもよい。

この凝縮器２により冷媒が冷却されると、冷媒の状態は、図２に示すように、等圧力線Ｂに沿ってａからｂまで移動する。冷媒が混合冷媒である場合には、冷媒の状態は、等圧力線Ｂから上下にずれて移動する。この際の等圧力線Ｂからのずれは、混合された冷媒の種類や混合の割合に応じて変化する。凝縮器２が正常に動作している場合、冷媒は過冷却液となり、前記ｂは、飽和液線αより左側の領域にプロットされる。

前記凝縮器２の下流側には、図１に示すように、第１熱交換器３が設けられている。この第１熱交換器３は、凝縮器２を通過した冷媒をさらに冷却するためのカスケード熱交換器（内部熱交換器）であって、冷媒配管８ｂ〜８ｅが接続されている。凝縮器２を通過した冷媒は、冷媒配管８ｂから第１熱交換器３に流入し、第１熱交換器３で熱交換により冷却され、冷媒配管８ｃに流出する。

この第１熱交換器３により冷媒が冷却されると、冷媒の状態は、図２に示すように、等圧力線Ｂに沿ってｂからｃまで移動する。したがって、凝縮器周辺の外気が高温となったり、凝縮器の性能が低下することにより、凝縮器２を通過した冷媒が十分に冷却されなかった場合であっても、冷媒を確実に過冷却液にすることができる。したがって、第１熱交換器３を通過し、冷媒配管８ｃに流出した冷媒中における、ガスの混入を抑制することができる。また、冷媒が過冷却液となっているため、後述するエジェクタ７の駆動流となる冷媒の減少を抑制でき、エジェクタ７の効率の低下を防止することができる。さらに、この冷媒による、第１熱交換器３における冷却エネルギーの低下を抑制することができる。

前記第１熱交換器３の下流側に接続された前記冷媒配管８ｃは、図１に示すように、冷媒配管８ｃ_１と冷媒配管８ｃ_２とに分岐している。冷媒配管８ｃ_１の下流側には第１流量調整手段４が、冷媒配管８ｃ_２の下流側には第２流量調整手段５が設けられている。この第１流量調整手段４及び第２流量調整手段５は、前記第１熱交換器３を通過した冷媒を、流量を調整することにより減圧する。第１流量調整手段４には冷媒配管８ｃ_１，８ｄが、第２流量調整手段５には冷媒配管８ｃ_２，８ｆが接続されている。この第１流量調整手段４及び第２流量調整手段５は、冷媒を減圧可能であればよく、例えば、減圧弁、膨張弁又はキャピラリチューブ等を使用してもよい。

第１熱交換器３を通過した冷媒は、この冷媒配管８ｃ_１及び８ｃ_２に分岐して流入する。冷媒配管８ｃ_１に流入した冷媒は第１流量調整手段４に流入して減圧される。冷媒配管８ｃ_２に流入した冷媒は第２流量調整手段５に流入して減圧される。

第１流量調整手段４により冷媒が減圧されると、冷媒の状態は、図２に示すように、等比エンタルピー線Ｃに沿ってｃからｄまで移動する。また、第２流量調整手段５により冷媒が減圧されると、冷媒の状態は、等比エンタルピー線Ｄに沿ってｃからｆまで移動する。

第１流量調整手段４により減圧された冷媒は、図１に示すように、冷媒配管８ｄを通り、再び第１熱交換器３に流入し、凝縮器２を通過して冷媒配管８ｂから流入した冷媒を冷却するための熱交換流体として使用される。これにより、冷媒は熱を得て気化し、凝縮器２を通過して冷媒配管８ｂから流入した冷媒は、熱を奪われて冷却される。

このように、凝縮器２を通過した冷媒を冷却するための熱交換流体として、凝縮器２で冷却され、さらに第１熱交換器３で冷却された、ガスを含まない冷媒が使用されるため、第１熱交換器３の熱交換効率の低下を抑制することができる。したがって、凝縮器２が故障したり、凝縮器２の周辺の外気が高温となることにより、凝縮器２を通過した冷媒中にガスが混入した場合であっても、凝縮器２を通過した冷媒を第１熱交換器３により十分に冷却することが可能となり、第１熱交換器３を通過した冷媒中へのガスの混入を抑制することができる。

第１熱交換器３で冷媒が気化すると、気化した冷媒の状態は、図２に示すように、等圧力線Ｅに沿ってｄからｅまで移動する。冷媒は過熱蒸気となり、ｅは飽和蒸気線βより右側の領域にプロットされる。

前記第２流量調整手段５の下流側には、図１に示すように、蒸発器（エバポレータ）６が設けられている。この蒸発器６は、第２流量調整手段５によって減圧された冷媒を蒸発させ、熱を奪うことにより冷蔵ショーケース９のショーケース内を冷却するものであって、冷媒配管８ｆ，８ｇが接続されている。

蒸発器６により冷媒が気化すると、冷媒の状態は、図２に示すように、等圧力線Ｆに沿ってｆからｇまで移動する。冷媒は過熱蒸気となり、ｇは飽和蒸気線βより右側の領域にプロットされる。

前記蒸発器６の下流側かつ前記第１熱交換器３の下流側には、図１に示すように、エジェクタ７が設けられている。このエジェクタ７は、前記第１熱交換器３を通過した気体冷媒及び前記蒸発器６を通過した気体冷媒を、混合して前記圧縮機１に供給するものであって、図３に示すように、ノズル７１と、吸引部７２と、混合部７３と、ディフューザ７４とを含んで構成される。

ノズル７１は、差圧を発生させるための駆動流の導入口であり、冷媒配管８ｅと接続されている。前記第１熱交換器３を通過した気体冷媒は、冷媒配管８ｅを通ってノズル７１から駆動流として導入される。この駆動流は、ノズル７１により加速され、減圧される。

この減圧により生じた差圧により、吸引部７２から吸引流が導入される。この吸引部７２は、吸引流を導入するための導入口であり、冷媒配管８ｇと接続されている。蒸発器６を通過した気体冷媒は、冷媒配管８ｇを通って吸引部７２から吸引流として導入される。

上記駆動流及び吸引流は、混合部７３で混合される。混合部７３で混合された駆動流と吸引流とは、昇圧されてディフューザ７４に送られる。

上記混合された冷媒は、混合部７３から下流側に向けて径が拡大するように形成されたディフューザ７４で減速され、さらに昇圧される。このディフューザ７４は、冷媒配管８ｈと接続されており、昇圧された冷媒は、冷媒配管８ｈを通じて圧縮機１に供給される。このように、エジェクタ７を使用することにより、成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）を向上させることができる。

エジェクタ７から冷媒が吐出されると、冷媒の状態は、図２に示すように、ｈの状態となる。冷媒はその後、再び前記圧縮機１に供給され、上記の冷凍サイクルを繰り返す。

次に、本発明による冷凍機の第２実施形態を図４，５に基づいて説明する。
図４に示すように、この冷凍機は、第１熱交換器３と第１流量調整手段４との間に、第２熱交換器１０をさらに備える。この第２熱交換器１０は、第１熱交換器３で冷却された冷媒と冷蔵ショーケース９のショーケース内の空気とを熱交換させるものであって、冷蔵ショーケース９内に設けられ、冷媒配管８ｃ_１，８ｉが接続されている。

第１熱交換器３で冷却され、冷媒配管８ｃ_１を通じて流入した冷媒は、第２熱交換器１０でショーケース内の空気と熱交換されて熱を得る。これにより、冷媒の状態は、図５に示すように、等圧力線Ｂに沿ってｃからｉまで移動する。この際、第２熱交換器１０での熱交換量は、冷媒が過冷却液の状態を維持できる範囲内で任意に設定される。

第２熱交換器１０で熱を得た冷媒は、図４に示すように、冷媒配管８ｉを通じて第１流量調整手段４に供給され、減圧された後、第１熱交換器３で熱交換流体として使用される。第１流量調整手段４で減圧されることにより、冷媒の状態は、図５に示すように、等比エンタルピー線Ｃに沿ってｉからｄまで移動する。

このように、第１熱交換器３で熱交換流体として使用される冷媒に、事前に熱を与えることによって、第１流量調整手段４での膨張エネルギーを増加させることができ、第１熱交換器３における熱交換効率を向上させることができる。

また、第２熱交換器１０の周辺の空気は、冷媒によって熱を奪われ、冷却される。したがって、冷蔵ショーケース９のショーケース内の冷却効率を向上させることができる。

さらに、本発明による冷凍機の第３実施形態を図６，７に基づいて説明する。
図６に示すように、この冷凍機は、前記第２熱交換器１０を備え、さらに第１流量調整手段４と第１熱交換器３との間に第３熱交換器１１をさらに備える。この第３熱交換器１１は、第２熱交換器１０で熱を得た冷媒を２つに分岐し、分岐した一方の冷媒と他方の冷媒との間で熱交換する内部熱交換器であって、冷媒配管８ｄ，８ｉ_１，８ｊ，８ｋが接続されている。

冷媒配管８ｉは、冷媒配管８ｉ_１と冷媒配管８ｉ_２とに分岐しており、第２熱交換器１０で熱を得た冷媒は、上記２本の冷媒配管８ｉ_１，８ｉ_２に分岐して流入する。冷媒配管８ｉ_１に流入した冷媒は、前記第３熱交換器１１で冷却され、冷媒配管８ｋを通じて第２流量調整手段５に供給される。

冷媒配管８ｉ_１に流入した冷媒が第３熱交換器１１で冷却されると、冷媒の状態は、図７に示すように、等圧力線Ｂに沿ってｉからｋまで移動する。この冷媒が第２流量調整手段５により減圧されると、冷媒の状態は、等比エンタルピー線Ｄに沿ってｋからｆまで移動する。

冷媒配管８ｉ_２に流入した冷媒は、図６に示すように、第１流量調整手段４により減圧され、冷媒配管８ｄを通じて第３熱交換器１１に流入する。第１流量調整手段４により冷媒が減圧されると、冷媒の状態は、図７に示すように、等比エンタルピー線Ｃに沿ってｉからｄまで移動する。

この冷媒が第３熱交換器１１に流入すると、冷媒配管８ｉ_１から流入した冷媒を冷却するための熱交換流体として使用される。これにより、冷媒の少なくとも一部が気化し、冷媒の状態は、図７に示すように、等圧力線Ｅに沿ってｄからｊまで移動する。この際、第３熱交換器１１での熱交換量は、冷媒が湿り飽和蒸気の状態を維持できる範囲内で任意に設定される。

前記第３熱交換器１１を通過した冷媒は、図６に示すように、冷媒配管８ｊを通じて第１熱交換器３に流入し、前記凝縮器２を通過した冷媒を冷却するための熱交換流体として使用され、冷媒配管８ｅから流出する。これにより、冷媒の状態は、図７に示すように、等圧力線Ｅに沿ってｊからｅまで移動する。

なお、本発明による冷凍機において、蒸発器６を複数備える構成とし、この複数の蒸発器６をそれぞれ異なった冷蔵ショーケース９内に設けるようにしてもよい。このように構成することで、１つの冷凍機により複数の冷蔵ショーケース９を冷却することができる。
また、エジェクタ７と圧縮機１との間に、エジェクタ７から吐出された冷媒を気体と液体に分離する気液分離器（図示省略）を設けてもよい。これにより、冷凍機の一部が故障し、エジェクタ７から吐出される冷媒に液冷媒が含まれるようになった場合であっても、液冷媒が圧縮機１に流入するのを防止することができる。

また、本発明による冷凍機において、二酸化炭素等のように液化しない冷媒が使用された場合であっても、同様の効果を奏する。このばあい、冷媒は液冷媒とならず、超臨界流体となる場合がある。

さらに、本発明による冷蔵ショーケース及び自動販売機の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本発明による冷蔵ショーケース９は、本発明による冷凍機によってショーケース内部の空気を冷却し、収納された食品や飲み物等を冷却した状態で保管する。この冷蔵ショーケース９は、前記冷凍機の構成のうち、少なくとも前記蒸発器６を備える。必要に応じて冷凍機の他の構成を備えてもよく、冷凍機全てを備えてもよい。

このように、冷蔵ショーケース９は、本発明による冷凍機によって冷却されるため、冷凍機の凝縮器が故障等した場合であっても、確実にショーケース内を冷却することができる。

また、本発明による自動販売機は、本発明による冷凍機によって内部の空気を冷却し、収納された食品や飲み物等を冷却した状態で保管するものである。この自動販売機は、前記冷凍機の構成のうち、少なくとも前記蒸発器６を備える。必要に応じて冷凍機の他の構成を備えてもよく、冷凍機全てを備えてもよい。

このように、自動販売機は、本発明による冷凍機によって冷却されるため、冷凍機の凝縮器が故障等した場合であっても、確実に内部を冷却することができる。

１…圧縮機
２…凝縮器
２１…ファン
３…第１熱交換器
４…第１流量調整手段
５…第２流量調整手段
６…蒸発器
７…エジェクタ
８ａ〜８ｈ，８ｃ_１，８ｃ_２，８ｉ_１，８ｉ_２…冷却配管
９…冷蔵ショーケース
１０…第２熱交換器
１１…第３熱交換器
Ａ…等エントロピー線
Ｂ，Ｅ，Ｆ…等圧力線
Ｃ，Ｄ…等比エンタルピー線
α…飽和液線
β…飽和蒸気線

Claims (6)

1. 冷媒を昇圧する圧縮機と、
   前記圧縮機で昇圧された冷媒を冷却する凝縮器と、
   前記凝縮器で冷却された冷媒をさらに冷却し、その冷却された冷媒を第１流量調整手段で減圧した後、前記凝縮器で冷却された冷媒と熱交換させることで前記冷媒を冷却する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器を通過した冷媒を第２流量調整手段によって減圧した後、その冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記第１流量調整手段を通過し前記第１熱交換器で冷却された冷媒を駆動流とし、前記蒸発器を通過した冷媒を吸引流とし、これらの冷媒を前記圧縮機に供給するエジェクタと、
   を含んで構成されたことを特徴とする冷凍機。
2. 前記第１熱交換器と前記第１流量調整手段との間に、第２熱交換器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記第１流量調整手段と前記第２流量調整手段とは、減圧弁又は膨張弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機。
4. 前記エジェクタと前記圧縮機との間に、エジェクタを通過した冷媒を気体冷媒と液冷媒とに分離する気液分離手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍機により冷却されることを特徴とする冷蔵ショーケース。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍機により冷却されることを特徴とする自動販売機。

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