JP6945202B2 - 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
- Publication number
- JP6945202B2 JP6945202B2 JP2018007071A JP2018007071A JP6945202B2 JP 6945202 B2 JP6945202 B2 JP 6945202B2 JP 2018007071 A JP2018007071 A JP 2018007071A JP 2018007071 A JP2018007071 A JP 2018007071A JP 6945202 B2 JP6945202 B2 JP 6945202B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refrigerant
- fluid
- cooled
- phase refrigerant
- solid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
- F25D3/12—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using solidified gases, e.g. carbon-dioxide snow
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B39/00—Evaporators; Condensers
- F25B39/02—Evaporators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
- F25B9/04—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect using vortex effect
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
- F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
- F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
- F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
- F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
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。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018007071A JP6945202B2 (ja) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 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 |
PCT/JP2019/001499 WO2019142919A1 (ja) | 2018-01-19 | 2019-01-18 | サイクロン式冷凍装置、サイクロン式冷熱回収ユニット、および該サイクロン式冷凍装置または該サイクロン式冷熱回収ユニットを備えたヒートポンプシステム |
EP19741070.7A EP3742070B1 (en) | 2018-01-19 | 2019-01-18 | Cyclone heat recovery unit and heat pump system provided with said cyclone heat recovery unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018007071A JP6945202B2 (ja) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 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 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019124432A JP2019124432A (ja) | 2019-07-25 |
JP6945202B2 true JP6945202B2 (ja) | 2021-10-06 |
Family
ID=67301511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018007071A Active JP6945202B2 (ja) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | 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 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3742070B1 (ja) |
JP (1) | JP6945202B2 (ja) |
WO (1) | WO2019142919A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020133808A1 (de) | 2020-12-16 | 2022-06-23 | Technische Universität Dresden, Körperschaft des öffentlichen Rechts | Vorrichtung, System und Verfahren zum Kühlen eines Mediums |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2043190A (en) * | 1931-09-10 | 1936-06-02 | Mccabe Maier Corp | Refrigerating apparatus and method |
FR2253193A1 (en) * | 1973-12-03 | 1975-06-27 | Air Liquide | Refrigeration of prods partic food prods - using carbon dioxide snow |
US4224801A (en) * | 1978-11-13 | 1980-09-30 | Lewis Tyree Jr | Stored cryogenic refrigeration |
JPH1130599A (ja) * | 1997-07-09 | 1999-02-02 | Toyo Eng Works Ltd | ドライアイスの蓄熱を利用する二元冷却設備の蓄熱量 計測方法及び同二元冷却設備 |
JP2004308972A (ja) * | 2003-04-03 | 2004-11-04 | Mayekawa Mfg Co Ltd | Co2冷凍機 |
JP2007248005A (ja) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Sanyo Electric Co Ltd | 冷蔵庫 |
DE102012008592A1 (de) * | 2012-04-27 | 2013-10-31 | Messer France S.A.S | Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Produkten |
-
2018
- 2018-01-19 JP JP2018007071A patent/JP6945202B2/ja active Active
-
2019
- 2019-01-18 WO PCT/JP2019/001499 patent/WO2019142919A1/ja unknown
- 2019-01-18 EP EP19741070.7A patent/EP3742070B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2019142919A1 (ja) | 2019-07-25 |
EP3742070A4 (en) | 2021-10-20 |
EP3742070B1 (en) | 2023-07-19 |
JP2019124432A (ja) | 2019-07-25 |
EP3742070A1 (en) | 2020-11-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DK2676085T3 (en) | LIQUID / DAMPFASESEPARERINGSAPPARAT | |
CN100590372C (zh) | 具有改进的液体/蒸汽接收器的制冷回路 | |
JP4897298B2 (ja) | 気液分離器モジュール | |
RU2619433C2 (ru) | Система охлаждения и способ питания множества конденсаторных испарительных систем | |
JP6456633B2 (ja) | ターボ冷凍機 | |
JP2007046806A (ja) | エジェクタ式サイクル | |
KR20020008807A (ko) | 극저온 냉동시스템 | |
CN113124581B (zh) | 涡轮制冷机 | |
JP2013257121A (ja) | 冷凍装置 | |
US20150143826A1 (en) | Refrigeration system and methods for refrigeration | |
JP6945202B2 (ja) | 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 | |
JP2009186033A (ja) | 二段圧縮式冷凍装置 | |
JP2008275211A (ja) | 蒸気圧縮式冷凍サイクル | |
JP6176470B2 (ja) | 冷凍機 | |
JP4352327B2 (ja) | エジェクタサイクル | |
CN108626916A (zh) | 压缩式制冷机用冷凝器 | |
JP2008151374A (ja) | 蒸気圧縮式冷凍サイクル | |
CN111895689A (zh) | 一种提高宽温区应用的制冷系统过冷度装置 | |
CN111486635A (zh) | 一种低温储藏装置及其控制方法 | |
CN109642760B (zh) | 用于降膜式蒸发器的制冷剂分配器 | |
CN206709434U (zh) | 冷冻式干燥机制冷系统 | |
JP2009186074A (ja) | 冷凍装置 | |
CN104676936A (zh) | 涡轮制冷机 | |
JP2008298307A (ja) | 冷凍サイクル | |
KR102536337B1 (ko) | 냉동탑차용 열교환 시스템 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201009 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210818 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210903 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6945202 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |