JP5963669B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関するものである。

二酸化炭素（以下、単に「ＣＯ２」と示す）は、地球温暖化係数が１であり、環境負荷の小さい冷媒である。例えば、特許文献１に示されるように、かかるＣＯ２を冷媒として使用した冷凍装置が知られている。

例えばマグロ等の食品の冷凍態様では、冷凍庫内温度が−５０℃程度の超低温が必要で、その場合、冷凍装置の冷媒の蒸発温度は、−６０℃程度かそれ以下になる。しかし、ＣＯ２は、三重点が−５６．６℃であり、それ以下の温度では、冷媒が固化する。このため、上述した特許文献１のような従来の冷凍装置では、冷媒が固化することを防止するため、蒸発温度を三重点以上にしており、超低温を実現するのが困難である。

また、特許文献２には、ＣＯ２を、三重点以下に減圧して固体・ガス二相とし、蒸発器においてＣＯ２の固体の昇華により三重点以下の冷熱を利用している。しかし、固体を流動させる必要があり、膨張弁の出口や、蒸発器の入口分配器など、配管径が細い部分に固体のＣＯ２が詰まり流動が妨げられる恐れがあり、安定した連続運転が困難となる問題がある。

特開２０１１−０２７２８７号公報 国際公開第２００７／０４６３３２号パンフレット

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、地球温暖化係数の小さい冷媒の固化を防止してより低い温度で機能させることができる、冷凍装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の冷凍装置は、気液分離器を共有し、沸点の異なる２種以上の冷媒がミックスされた混合冷媒が充填されている、低段側冷媒回路及び高段側冷媒回路を備え、前記低段側冷媒回路には、前記気液分離器に対して気液二相冷媒を流出する中間冷却器が設けられており、前記中間冷却器における熱交換量を調整する熱交換量制御部をさらに備え、前記熱交換量制御部は、前記中間冷却器の熱交換量を小さくし、それにより、該中間冷却器の出口の低段側冷媒の乾き度を大きくして、前記低段側冷媒回路における低段側冷媒の循環組成において、相対的に高沸点の冷媒の比率を増加させる。

本発明の冷凍装置によれば、地球温暖化係数の小さい冷媒の固化を防止してより低い温度で機能させることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図を示す図である。 冷媒ＣＯ２と冷媒Ｒ３２とを混合させた場合の、ＣＯ２の質量比と混合冷媒の凝固点との関係を示すグラフである。 ２種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の特性を表わす気液平衡線図である。 実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図を示す図である。

以下、本発明に係る冷凍装置ならびに熱交換方法の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍装置の冷媒回路図を示す図である。冷凍装置１は、後述する気液分離器を共有し、沸点の異なる２種以上の冷媒がミックスされた混合冷媒が充填されている低段側冷媒回路３と高段側冷媒回路５とを有している。低段側冷媒回路３には、低段圧縮機７と、中間冷却器９と、気液分離器１１と、低段膨張弁１３と、蒸発器１５とが設けられている。また、高段側冷媒回路５には、高段圧縮機１７と、凝縮器１９と、高段膨張弁２１と、気液分離器１１とが設けられている。

低段側冷媒回路３においては、冷媒は、図中実線矢印で示されるように、低段圧縮機７、中間冷却器９、気液分離器１１、低段膨張弁１３及び蒸発器１５の順の循環態様で流動されている。また、高段側冷媒回路５においては、冷媒は、点線矢印で示されるように、高段圧縮機１７、凝縮器１９、高段膨張弁２１及び気液分離器１１の順の循環態様で流動されている。

低段側冷媒回路３における中間冷却器９では、低段側冷媒は、外気と熱交換して、その一部が凝縮し、気液二相状態となる。さらに、低段側冷媒回路３における蒸発器１５では、低段側冷媒は、冷凍庫内の雰囲気（空気）と熱交換して蒸発ガス化される。一方、高段側冷媒回路５における凝縮器１９では、高段側冷媒が、外気と熱交換し、過冷却状態となって凝縮液化される。

そして、このような低段側冷媒回路３及び高段側冷媒回路５にまたがる気液分離器１１には、中間冷却器９を出た気液二相状態の低段側冷媒と、高段膨張弁２１を出た気液二相状態の高段側冷媒とが流入する。流入した冷媒は、気液分離され、飽和ガスは、高段側冷媒回路５へと流れ、飽和液は、低段側冷媒回路３へと流れる。

図２は、冷媒ＣＯ２と冷媒Ｒ３２とを混合させた場合の、ＣＯ２の質量比（横軸）と混合冷媒の凝固点（縦軸）との関係を示すグラフである。

まず、循環させる冷媒としては、万が一の冷媒漏れを考慮し、地球温暖化係数（以下ＧＷＰ）が１と小さいＣＯ２を主成分として考える。しかしながら、ＣＯ２は、その三重点が−５６．６℃（ＣＯ２質量比１．０に相当）であり、例えば、冷媒の蒸発温度が−６０℃のような態様では、凝固してしまうため、液体として流動できない。

そこで、本実施の形態では、ＣＯ２よりも凝固点が低く、冷媒としての特性が優れているＲ３２をＣＯ２に混合させて、冷媒の凝固点を低下させる。Ｒ３２は、地球温暖化係数（以下ＧＷＰ）が６７５であり、空調機で使用されるＲ４１０Ａ（ＧＷＰ２０９０）や冷凍機で使用されるＲ４０４Ａ（ＧＷＰ３９２０）よりも比較的ＧＷＰが小さい。なお、本発明としては、ＣＯ２と混合させる冷媒を、Ｒ３２に限定する意図ではない。

図２に示されるようにＣＯ２の質量比を減らす（Ｒ３２の質量比を増やす）ほど、凝固点が低下する。一方で、ＣＯ２と比較してＧＷＰの大きいＲ３２が増加すれば混合冷媒のＧＷＰも大きくなる。凝固点の低下とＧＷＰの大きさはトレードオフの関係がある。

混合冷媒のＧＷＰは質量比で求まるとすると、例えば混合冷媒のＧＷＰを３００にする場合、混合比はＣＯ２：Ｒ３２＝０．５６：０．４４となる。このとき、混合冷媒の凝固点は約−７６℃である。なお、ここで言う「混合比」とは、冷媒配管内に存在するＣＯ２とＲ３２との比率で、充填組成を指す。一方、下記で説明する「循環組成」とは、ある時点で配管を通過するＣＯ２とＲ３２との質量流量比を指す。

次に、上述した冷凍装置の動作について説明する。図３は、２種類の冷媒を混合した非共沸混合冷媒の特性を表わす気液平衡線図である。図３の縦軸は、温度（Ｔ）を示し、横軸が、循環組成（低沸点成分の組成比：例えばＣＯ２とＲ３２の混合冷媒は、ＣＯ２が低沸点、Ｒ３２が高沸点である）を示している。また、図３は、ある圧力Ｐでの状態を示している。

図３のＡ点は、圧力ＰでのＣＯ２の飽和温度、Ｂ点は、圧力ＰでのＲ３２の飽和温度であり、混合冷媒の圧力Ｐでの飽和ガス線及び飽和液線は、Ａ点とＢ点とを結ぶ曲線で示される。飽和ガス線より上側は過熱蒸気状態を示し、飽和液線より下側は過冷却液状態を示し、飽和ガス線と飽和液線とで囲まれた領域は気液二相状態を示す。

非共沸混合冷媒は、圧力一定の場合でも、乾き度によって温度が変化する。低沸点成分のＣＯ２の組成がＺの場合、乾き度０の飽和液の温度はＴｓＬで、乾き度が大きくなるほど温度が高くなり、乾き度１の飽和ガスの温度はＴｓＧとなる。二相状態では、乾き度に対して温度が求まる。

ＣＯ２の組成がＺで、二相状態の温度がＴｓＭ（乾き度ｘ）であるときの、ガス組成と液組成とについて説明する。二相状態の液組成は、ＴｓＭと飽和液線との交点で求まり、ＣＯ２液とＲ３２液の比率はＹＬ：１−ＹＬとなる。一方ガス組成は、ＴｓＭと飽和ガス線との交点で求まり、ＣＯ２ガスとＲ３２ガスの比率はＹＧ：１−ＹＧとなる。図３より、乾き度が大きくなるほど液組成は低沸点であるＣＯ２の比率が少なくなる。

このような乾き度と液組成との関係のもと、本実施の形態では、次のようにして、中間冷却器の出口乾き度調整による低段側冷媒の組成制御を行う。より詳細には、中間冷却器９の出口乾き度を調整して、低段側冷媒の高沸点冷媒の組成を増加させる制御を行う。

中間冷却器９を出る二相状態の低段側冷媒の、ある時点での乾き度をｘ、温度をＴｓＭとする。中間冷却器９の熱交換量を低下させると、低段側冷媒の凝縮量が減少するため、中間冷却器出口の乾き度が増大する。

乾き度増大により、気液分離器１１に流入する低段側冷媒の液組成は、高沸点冷媒であるＲ３２がより多くなる。気液分離器１１内では、低段側冷媒入口の乾き度が大きくなるため、高段側冷媒と低段側冷媒とが混合した全体の乾き度も大きくなり、気液分離器１１内の液組成もＲ３２がより多くなる。

このように、低段側冷媒の循環組成はＲ３２の比率が多くなり、且つ、気液分離器１１内の液組成でもＲ３２の比率が多くなるという二つの状態から、高段側冷媒の循環組成ではＣＯ２の比率がより多くなるという状態がもたらされる。

中間冷却器９の熱交換量を調整する方法（低下させる方法）としては、一例として、中間冷却器９のファン９ａの回転数を低下させる態様がある。また他の例として、中間冷却器９の伝熱面積が小さくなるように、冷媒流路を制御してもよいだろう。さらに他の例としては、低段圧縮機７の回転数に対する高段圧縮機１７の回転数の比を大きくすることで、中間圧力を低下させて、冷媒と空気との温度差を小さくすることで熱交換量を低下させる態様でもよい。具体的には、相対的な関係でみて、低段圧縮機７の回転数を小さく、高段圧縮機１７の回転数を大きくする（実際には、一方の圧縮機だけを調整してもよいし、双方の圧縮機を調整してもよい）。冷凍装置１は、中間冷却器９に対するそのような熱交換量の調整を行う熱交換量制御部２３を備えている。

以上のように構成された本実施の形態１に係る冷凍装置においては、次のような優れた利点がある。低段側冷媒の循環組成について、Ｒ３２の比率をより多くすることで、充填組成に対して混合冷媒の凝固点を低下させることができるため、冷媒の固化を防止できる。これによって、ＣＯ２の三重点よりも低い温度で、地球温暖化係数の小さい混合冷媒を液相として使用することができる。すなわち、例えば、庫内温度が低下して、蒸発温度が低下した場合に、低段側冷媒のＲ３２の比率をより多くして、冷媒の固化を防止することができる。

本実施の形態１では、気液分離器の圧力と液温度とを検知することで、低段側冷媒の組成を得ることができる。図３に示すように、圧力に対して気液平衡線図が求まるので、飽和液温度を検知すれば低段側冷媒の循環組成を得ることができる。この循環組成と図２とから、凝固点を得ることができる。さらに、冷媒の蒸発器入口温度の情報を得ることで、冷媒が固化する温度に近づいているかを判定できるため、これらの情報から低段側冷媒の組成を制御して冷媒の固化を防止できる。低段膨張弁出口と蒸発器入口との間の部位の乾き度が小さいため、冷媒温度もその部位の温度が最も低くなり、固化しやすい。なお、気液分離器の圧力と液温度との検知は、例えば気液分離器出口の配管など飽和液状態の場所（過冷却状態とはなっていない場所）で行う。また、冷媒の蒸発器入口温度は、庫内空気温度から推算してもよいし、低段圧縮機吸入圧力と循環組成とから算出する飽和温度から推算してもよい。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る冷凍装置の冷媒回路図を示す図である。本実施の形態２に係る冷凍装置は、以下に説明する部分を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

冷凍装置１０１は、上記実施の形態１の冷凍装置１においてさらに過冷却熱交換器１２５が付加されている。過冷却熱交換器１２５は、高段側冷媒回路５における高段膨張弁２１の出口の高段側冷媒と、低段側冷媒回路３における気液分離器１１の出口の低段側冷媒とを熱交換するように設けられており、かかる熱交換において低段側冷媒を過冷却する。気液分離器１１では、冷媒が二相状態であり、高段側冷媒回路５に循環するガスの循環組成は、低段側冷媒回路３に循環する液の循環組成に比べて、常に低沸点のＣＯ２が多くなる。

図３に関し前述したように、同一圧力の場合には、ＣＯ２の組成が多いほど飽和液温度は低い。高段膨張弁２１の出口の冷媒は二相状態であるが、乾き度が小さく飽和液温度に近い。また、過冷却熱交換器１２５の低段側における冷媒圧力と高段側における冷媒圧力とはほぼ同じであるため、過冷却熱交換器１２５の入口温度については、低段側冷媒の入口温度より高段側冷媒の入口温度が低くなる。過冷却熱交換器１２５では、飽和液である低段側冷媒は冷却され、過冷却液となり、二相状態である高段側冷媒は加熱されより乾き度が大きくなる。

このように構成された本実施の形態２に係る冷凍装置においても、実施の形態１と同様、地球温暖化係数の小さい冷媒の固化を防止してより低い温度で機能させることができ、さらに加えて、過冷却熱交換器で低段側冷媒を冷却できるため、その分、蒸発器での冷凍能力を増加することができる利点も得られている。また、実施の形態１において述べたように、低段側冷媒の循環組成をＲ３２が多くなるように制御すると、中間冷却器での凝縮量は低下することとなる。しかしながら、このことは、低段側冷媒の循環組成のＲ３２がより多くなり、高段側冷媒の循環組成のＣＯ２がより多くなることによって、低段側冷媒の組成と高段側冷媒の組成との差がより大きくなるということでもある。そこで、本実施の形態２では、前述した過冷却熱交換器を設け、低段側冷媒の組成と高段側冷媒の組成との差がより大きくなることで過冷却熱交換器での温度差も大きくなるように構成し、過冷却熱交換器での熱交換量増加によって、中間冷却器の凝縮量低下に伴う冷凍能力の低下を減少させる利点も得ている。また、高段側冷媒の気液分離器入口の乾き度をより大きくすることで、液組成はＲ３２がより多くなり、低段側冷媒のＲ３２組成がより多くなりやすい利点もある。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

１，１０１ 冷凍装置、３ 低段側冷媒回路、５ 高段側冷媒回路、７ 低段圧縮機、９ 中間冷却器、１１ 気液分離器、１３ 低段膨張弁、１５ 蒸発器、１７ 高段圧縮機、１９ 凝縮器、２１ 高段膨張弁、２３ 熱交換量制御部、１２５ 過冷却熱交換器。

Claims (5)

1. 気液分離器を共有し、沸点の異なる２種以上の冷媒がミックスされた混合冷媒が充填されている、低段側冷媒回路及び高段側冷媒回路を備え、
   前記低段側冷媒回路には、前記気液分離器に対して気液二相冷媒を流出する中間冷却器が設けられており、
   前記中間冷却器における熱交換量を調整する熱交換量制御部をさらに備え、
   前記気液分離器は、前記低段側冷媒回路における中間冷却器の出口と、前記高段側冷媒回路に設けられた高段膨張弁の出口および高段圧縮機の入口の間とに跨り、前記中間冷却器を出た気液二相状態の低段側冷媒と、前記高段膨張弁を出た気液二相状態の高段側冷媒とが該気液分離器に流入し、流入した冷媒が、気液分離され、飽和ガスが、前記高段側冷媒回路へと流れ、飽和液が、前記低段側冷媒回路へと流れるように設けられており、
   前記熱交換量制御部は、前記中間冷却器の熱交換量を小さくし、それにより、該中間冷却器の出口の低段側冷媒の乾き度を大きくして、前記低段側冷媒回路における低段側冷媒の循環組成において、相対的に高沸点の冷媒の比率を増加させる、
   冷凍装置。
2. 混合冷媒にミックスされる冷媒には、ＣＯ２と、該ＣＯ２よりも高沸点の冷媒とが含まれており、
   前記熱交換量制御部は、前記低段側冷媒回路における蒸発器の入口温度が前記ＣＯ２の三重点よりも低くなるように、前記低段側冷媒回路の前記高沸点の冷媒の比率を増加させる、
   請求項１の冷凍装置。
3. 過冷却熱交換器をさらに備え、
   前記過冷却熱交換器は、前記高段側冷媒回路に設けられた前記高段膨張弁の出口の高段側冷媒と、前記気液分離器における前記低段側冷媒回路に配置された出口の低段側冷媒との間で熱交換を行う、
   請求項１又は２の冷凍装置。
4. 前記気液分離器の圧力と温度とに基づいて低段側冷媒の循環組成を求め、該低段側冷媒の循環組成に基づいて該低段側冷媒の凝固点を求め、前記熱交換量制御部は、該低段側冷媒の凝固点が、前記低段側冷媒回路に設けられた蒸発器の入口温度よりも低くなるように、前記低段側冷媒の循環組成を制御する、
   請求項１〜３の何れか一項の冷凍装置。
5. 前記熱交換量制御部は、前記中間冷却器のファンの回転数を低下させる態様か、前記中間冷却器の伝熱面積が小さくなるように冷媒流路を制御する態様か、あるいは、前記低段側冷媒回路に設けられた低段圧縮機の回転数に対する前記高段側冷媒回路に設けられた前記高段圧縮機の回転数の比を大きくする態様の何れかによって、前記中間冷却器の熱交換量を小さくする、
   請求項１〜４の何れか一項の冷凍装置。

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