JP7059582B2 - 冷却装置 - Google Patents
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Description
また、上記目的を達成するために、この発明の第2の局面による冷却装置は、高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、低温側圧縮機と、カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、カスケード熱交換器は、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、高温側回路および低温側回路に跨るように設けられ、高温側回路においてメインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを含み、サブカスケード熱交換器は、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器と、低温側回路において、メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラとを含み、過冷却器と、ガスクーラとは、高温側回路において並列に配置されている。これにより、低温側回路において、メインカスケード熱交換器から流出する液体冷媒を、過冷却器により冷却することができるので、メインカスケード熱交換器のみが冷媒の凝縮および冷却を行う場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。さらに、低温側回路において、メインカスケード熱交換器に冷媒が流入する前に、ガスクーラにより気体冷媒を冷却して、気液二相状態にすることができるので、熱交換の効率の低い気体冷媒のみがメインカスケード熱交換器に流入する場合と比較して、冷却負荷に対する冷却能力を効果的に向上させることができる。すなわち、過冷却器およびガスクーラによりメインカスケード熱交換器による気体冷媒および液体冷媒の冷却時の負担を軽減することができる。また、過冷却器とガスクーラとを高温側回路において並列に配置することにより、各々に冷媒を供給することができるので、過冷却器とガスクーラとにより低温側回路の冷媒を確実に冷却することができる。
(冷却装置の構成)
図1および図2を参照して、本発明の第1参考例による冷却装置100の構成について説明する。
冷却装置100の高温側回路101は、圧縮機10と、凝縮器11と、メイン膨張弁12と、サブ膨張弁13と、カスケード熱交換器3と、過冷却器4と、冷媒配管1とを備えている。高温側回路101は、圧縮機10、凝縮器11、メイン膨張弁12、サブ膨張弁13、カスケード熱交換器3および過冷却器4を、冷媒配管1により接続して形成されている。なお、圧縮機10は、特許請求の範囲の「高温側圧縮機」の一例である。また、凝縮器11は、特許請求の範囲の「高温側凝縮器」の一例である。
冷却装置100の低温側回路102は、圧縮機20と、カスケード熱交換器3と、過冷却器4と、冷媒配管2とを備えている。低温側回路102は、圧縮機20、カスケード熱交換器3、過冷却器4、膨張弁L1および冷却負荷Lを、冷媒配管2により接続して形成されている。なお、圧縮機20は、特許請求の範囲の「低温側圧縮機」の一例である。
次に、図2を参照して、冷却装置100の低温側回路102の圧力(pressure)と比エンタルピー(heat content)との関係を示すp-h線図(モリエル線図)について説明する。なお、図2に示す点A1、点A2、点A21、点A3および点A4は、それぞれ、図1に示す低温側回路102の冷媒配管2の位置A1、位置A2、位置A21、位置A3および位置A4における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。
図3および図4を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、カスケード熱交換器3の補助的な熱交換器として、冷却装置100が過冷却器4を備える上記第1参考例とは異なり、カスケード熱交換器3の補助的な熱交換器として、冷却装置200がガスクーラ7を備える例について説明する。なお、ガスクーラ7は、本発明の「サブカスケード熱交換器」の一例である。また、図中において、上記第1参考例と同様の構成には、第1参考例と同じ符号を付して図示している。
次に、図4を参照して、冷却装置200の低温側回路102のp-h線図について説明する。なお、図4に示す点A1、点A2、点A22、点A3および点A4は、それぞれ、図3に示す低温側回路102の冷媒配管2の位置A1、位置A2、位置A22、位置A3および位置A4における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。また、圧縮機20による圧縮過程、膨張弁L1による膨張過程および冷却負荷Lによる蒸発過程については、第1参考例と同様であるため、説明を省略する。
図5および図6を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態では、カスケード熱交換器3の補助的な熱交換器として、冷却装置100が過冷却器4のみを備える上記第1参考例、および、カスケード熱交換器3の補助的な熱交換器として、冷却装置200がガスクーラ7のみを備える上記第2実施形態とは異なり、カスケード熱交換器3の補助的な熱交換器として、冷却装置300が過冷却器4およびガスクーラ7の両方を備える例について説明する。また、図中において、上記第1参考例および第2実施形態と同様の構成には、第1参考例および第2実施形態と同じ符号を付して図示している。
次に、図6を参照して、冷却装置300の低温側回路102のp-h線図について説明する。なお、図6に示す点A1、点A2、点A22、点A21、点A3および点A4は、それぞれ、図5に示す低温側回路102の冷媒配管2の位置A1、位置A2、位置A22、位置A21、位置A3および位置A4における冷媒の比エンタルピおよび圧力を示している。圧縮機20による圧縮過程、膨張弁L1による膨張過程および冷却負荷Lによる蒸発過程については、第1参考例と同様であるため、説明を省略する。
図7を参照して、第4参考例について説明する。この第4参考例では、高温側回路101において、過冷却器4およびガスクーラ7が並列に配置される上記第3実施形態とは異なり、高温側回路101において、過冷却器4およびガスクーラ7が直列に配置される例について説明する。また、図中において、上記第3実施形態と同様の構成には、第3実施形態と同じ符号を付して図示している。
2 (低温側回路の)冷媒配管
3 カスケード熱交換器(メインカスケード熱交換器)
4 過冷却器(サブカスケード熱交換器)
7 ガスクーラ(サブカスケード熱交換器)
10 圧縮機(高温側圧縮器)
11 凝縮器(高温側凝縮器)
12 メイン膨張弁(高温側膨張弁)
13 サブ膨張弁(高温側膨張弁)
20 圧縮機(低温側圧縮器)
21 受液器
100、200、300、400 冷却装置
101 高温側回路
102 低温側回路
L 冷却負荷
L1 膨張弁(低温側膨張弁)
Claims (4)
- 高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、
低温側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、
前記カスケード熱交換器は、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられ、前記高温側回路において前記メインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを含み、
前記サブカスケード熱交換器は、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、前記低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮して気液二相状態にするガスクーラを含み、
前記低温側回路には、前記ガスクーラの下流側に前記メインカスケード熱交換器が受液器を介さずに配置され、前記メインカスケード熱交換器の下流側に前記受液器が配置されている、冷却装置。 - 高温側圧縮機と、高温側凝縮器と、高温側膨張弁と、カスケード熱交換器とを冷媒配管により接続して形成される高温側回路と、
低温側圧縮機と、前記カスケード熱交換器と、低温側膨張弁と、冷却負荷とを冷媒配管により接続して形成される低温側回路と、を備え、
前記カスケード熱交換器は、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられるメインカスケード熱交換器と、前記高温側回路および前記低温側回路に跨るように設けられ、前記高温側回路において前記メインカスケード熱交換器と並列に配置されるサブカスケード熱交換器とを含み、
前記サブカスケード熱交換器は、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の下流側に配置され、前記メインカスケード熱交換器により凝縮された液体冷媒を冷却する過冷却器と、前記低温側回路において、前記メインカスケード熱交換器の上流側に配置され、前記低温側圧縮機により圧縮された気体冷媒の一部を凝縮するガスクーラとを含み、
前記過冷却器と、前記ガスクーラとは、前記高温側回路において並列に配置されている、冷却装置。 - 前記高温側膨張弁は、前記メインカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるメイン膨張弁と、前記サブカスケード熱交換器の上流側に直列に配置されるサブ膨張弁とを含み、
前記メインカスケード熱交換器および前記メイン膨張弁と、前記サブカスケード熱交換器および前記サブ膨張弁とは、並列に配置され、
前記メイン膨張弁および前記サブ膨張弁の開度を、それぞれ独立して制御するように構成されている、請求項1または2に記載の冷却装置。 - 前記メイン膨張弁の開度を、前記高温側回路の冷媒温度または冷媒圧力に基づいて制御するように構成され、
前記サブ膨張弁の開度を、前記低温側回路の冷媒温度に基づいて制御するように構成されている、請求項3に記載の冷却装置。
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