JP7391811B2

JP7391811B2 - 冷凍機械

Info

Publication number: JP7391811B2
Application number: JP2020163122A
Authority: JP
Inventors: 悠輝難波; 隆英伊藤; 篤塩谷; 寿幸石田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2023-12-05
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: EP4198416A4; JP2022055607A; EP4198416A1; WO2022070828A1

Description

本開示は、冷凍機械に関する。

近年、冷凍機械の分野では、ＧＷＰ（温暖化係数）の値を小さく抑えることが求められている。このため、使用可能な冷媒の種類には制約がある場合が多い。低ＧＷＰを実現可能な冷媒として具体的には、Ｒ３２と呼ばれる冷媒や二酸化炭素が挙げられる（下記特許文献１参照）。

他方で、このような低ＧＷＰ冷媒を用いた場合、冷凍機械の冷凍能力向上の妨げとなることがある。特に、－４５～－７０℃程度の超低温を目標温度とする冷凍機械ではその影響が顕著である。そこで、例えば冷凍機械に用いられる圧縮機の圧縮比を高める等の措置が考えられる。

特許第４５４３４６９号公報

しかしながら、上記のように圧縮比を単に高めた場合、圧縮機の吐出温度が過度に高くなってしまい、所望の冷凍能力を発揮できなくなる虞がある。このように、低ＧＷＰ冷媒を用いながらも、超低温の冷凍能力を有する冷凍機械に対する要請が高まっている。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、低ＧＷＰと高い冷凍能力とを両立させることが可能な冷凍機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る冷凍機械は、冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる蒸発器、前記蒸発器を通過した低圧気相の前記第一冷媒を圧縮する第一圧縮機、及び該第一圧縮機を通過した前記第一冷媒の圧力を下げる低温側膨張弁を有する低温サイクルと、外気と第二冷媒とを熱交換させる放熱器、及び前記放熱器に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機、及び該放熱器を通過した前記第二冷媒の圧力を下げる高温側膨張弁を有する高温サイクルと、前記第一圧縮機から流通する前記第一冷媒と前記高温側膨張弁から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器と、前記低温サイクル、及び前記高温サイクルの少なくとも一方に設けられ、圧縮される前の前記第一冷媒又は前記第二冷媒を、前記第一圧縮機、及び前記第二圧縮機の少なくとも一方に供給するガスインジェクション回路と、を備え、前記第一冷媒は、二酸化炭素とＲ３２冷媒とを含む混合冷媒であり、前記第二冷媒は、二酸化炭素であり、前記低温側膨張弁、及び前記高温側膨張弁は、それぞれ２つずつの膨張弁を有し、前記低温サイクル、及び前記高温サイクルは、前記２つの膨張弁の間にそれぞれ設けられた低温側レシーバ、及び高温側レシーバをさらに備え、前記ガスインジェクション回路は、前記低温側レシーバから前記第一冷媒を前記第一圧縮機に供給する低温側回路と、前記高温側レシーバから前記第二冷媒を前記第二圧縮機に供給する高温側回路と、を有する。

本開示によれば、低ＧＷＰと高い冷凍能力とを両立させることが可能な冷凍機械を提供することができる。

本開示の実施形態に係る冷凍機械の構成を示す冷媒回路図である。本開示の実施形態に係る冷凍機械のサイクル線図である。

（冷凍機械の構成）
以下、本開示の実施形態に係る冷凍機械１００について、図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、冷凍機械１００は、高温サイクルＣＨと、低温サイクルＣＬと、これら高温サイクルＣＨと低温サイクルＣＬを接続する中間熱交換器１０と、ガスインジェクション回路９と、を備えている。つまり、この冷凍機械１００は、カスケードサイクル型の冷凍回路を構成している。高温サイクルＣＨで外気と熱交換した冷媒（後述する第二冷媒）は、中間熱交換器１０で低温サイクル側の他の冷媒（後述する第一冷媒）と熱交換する。低温サイクルでは、室内の空気と冷媒との間で熱交換が行われる。

（高温サイクルの構成）
高温サイクルＣＨは、高温側配管Ｐ２と、第二圧縮機４と、放熱器５と、高温側膨張弁６（高温側第一膨張弁６１、及び高温側第二膨張弁６２）と、高温側レシーバ８２と、を有している。高温側配管Ｐ２は環状に接続された管路であり、その内部には第二冷媒が充填されている。第二冷媒は、二酸化炭素のみを含む。

高温側配管Ｐ２上には、第二冷媒の流れ方向の上流側から下流側に向かって、第二圧縮機４と、放熱器５と、高温側第一膨張弁６１と、高温側レシーバ８２と、高温側第二膨張弁６２と、がこの順番で配列されている。

第二圧縮機４は、中間熱交換器１０から供給された低圧の気相冷媒を圧縮して、高温高圧の気相冷媒を生成する。第二圧縮機４は、いわゆるスクロータリー型と呼ばれる二段圧縮機であり、低圧側としてロータリー圧縮機４１が用いられ、高圧側としてスクロール圧縮機４２が用いられている。これらロータリー圧縮機４１とスクロール圧縮機４２は、異例として同軸に連結されている。

第二圧縮機４で生成された高温高圧の気相冷媒は、放熱器５に流入する。放熱器５は、冷凍室（冷凍対象となる部屋）の外部に設けられている。放熱器５では、第二冷媒と外部の空気との間で熱交換が行われる。なお、放熱器５には不図示のファンによって外気が強制的に送られることが望ましい。これにより、放熱器５では気相冷媒が凝縮し、高圧の液相冷媒が生成される。

高圧の液相冷媒は、高温側第一膨張弁６１、高温側レシーバ８２、及び高温側第二膨張弁６２をこの順で通過する。高圧の液相冷媒は、高温側第一膨張弁６１を通過することで一定程度圧力が下がり、中圧中温の液相冷媒となる。この液相冷媒は、高温側レシーバ８２に貯留されて気液分離される。このうち、気相成分はガスインジェクション回路９としての高温側回路９２を通じて第二圧縮機４（具体的には、高圧側のスクロール圧縮機４２の上流側の位置）に供給される。つまり、高温側回路９２を通じて、圧縮される前の低温の第二冷媒（気相成分）が第二圧縮機４に送られる。

高温側レシーバ８２を通過した中温中圧の液相冷媒は、高温側第二膨張弁６２を通過することでさらに圧力が下がり、低温低圧の液相冷媒となる。

高温側第二膨張弁６２を経て低温低圧となった液相冷媒は、中間熱交換器１０に流入する。中間熱交換器１０では、高温サイクルＣＨ中の第二冷媒と、後述する低温サイクル中の第一冷媒との間で熱交換が行われる。具体的には、低温サイクルＣＬを流通する高温高圧の気相冷媒（第一冷媒）と、高温サイクルＣＨを流通する低温低圧の液相冷媒（第二冷媒）との間で熱交換が行われる。これに伴って、高温サイクルＣＨでは、中間熱交換器１０を流通する液相冷媒の温度が上昇するとともに、液相から気相に変化する。

中間熱交換器１０を経て気相となった冷媒は、再び第二圧縮機４に吸入される。高温サイクルＣＨではこのようなサイクルが連続的に行われる。

（低温サイクルの構成）
低温サイクルＣＬは、低温側配管Ｐ１と、第一圧縮機２と、蒸発器１と、低温側膨張弁３（低温側第一膨張弁３１、及び低温側第二膨張弁３２）と、低温側レシーバ８１と、を有している。低温側配管Ｐ１は環状に接続された管路であり、その内部には第一冷媒が充填されている。第一冷媒は、二酸化炭素と、Ｒ３２冷媒との混合冷媒である。Ｒ３２冷媒は、１６重量％以上、２２重量％以下の範囲で第二冷媒に含まれている。その残余の成分は二酸化炭素である。

低温側配管Ｐ１上には、第一冷媒の流れ方向の上流側から下流側に向かって、第一圧縮機２と、低温側第一膨張弁３１と、低温側レシーバ８１と、低温側第二膨張弁３２と、蒸発器１と、がこの順番で配列されている。

第一圧縮機２は、蒸発器１から供給された低圧の気相冷媒を圧縮して、高温高圧の気相冷媒を生成する。第一圧縮機２は、第二圧縮機４と同様に、いわゆるスクロータリー型と呼ばれる二段圧縮機であり、低圧側としてロータリー圧縮機２１が用いられ、高圧側としてスクロール圧縮機２２が用いられている。これらロータリー圧縮機４１とスクロール圧縮機４２は、異例として同軸に連結されている。

第一圧縮機２で生成された高温高圧の気相冷媒は、中間熱交換器１０に流入する。中間熱交換器１０では、高温サイクルＣＨ中の第二冷媒と、低温サイクル中の第一冷媒との間で熱交換が行われる。具体的には、低温サイクルＣＬを流通する高温高圧の気相冷媒（第一冷媒）と、高温サイクルＣＨを流通する低温低圧の液相冷媒（第二冷媒）との間で熱交換が行われる。これにより、中間熱交換器１０では気相冷媒が凝縮し、高圧の液相冷媒が生成される。

高圧の液相冷媒は、低温側第一膨張弁３１、低温側レシーバ８１、及び低温側第二膨張弁３２をこの順で通過する。高圧の液相冷媒は、低温側第一膨張弁３１を通過することで一定程度圧力が下がり、中圧中温の液相冷媒となる。この液相冷媒は、低温側レシーバ８１に貯留されて気液分離される。このうち、気相成分はガスインジェクション回路９としての低温側回路９１を通じて第一圧縮機２（具体的には、高圧側のスクロール圧縮機２２の上流側の位置）に供給される。つまり、低温側回路９１を通じて、圧縮される前の低温の第一冷媒（気相成分）が第一圧縮機２に送られる。

低温側レシーバ８１を通過した中温中圧の液相冷媒は、低温側第二膨張弁３２を通過することでさらに圧力が下がり、低温低圧の液相冷媒となる。

低温側第二膨張弁３２を経て低温低圧となった液相冷媒は、蒸発器１に流入する。蒸発器１は、冷凍室の内部に設けられている。蒸発器１では、冷凍室内の空気と第一冷媒との間で熱交換が行われる。なお、蒸発器１には、ファンによって冷凍室内の空気を強制的に送ることが望ましい。低温の液相冷媒によって冷凍室内の熱が吸収されることで、冷凍室内の温度が低くなる方向に変化する。つまり、冷凍室内が冷却される。これに伴って、蒸発器１を流通する液相冷媒の温度が上昇するとともに、液相から気相に変化する。蒸発器１を経て気相となった冷媒は再び第一圧縮機２に吸入される。このようなサイクルが連続的に行われることで、冷凍室の温度が所望の値に調節される。

（作用効果）
近年、冷凍機械の分野では、ＧＷＰ（温暖化係数）の値を小さく抑えることが求められている。このため、使用可能な冷媒の種類には制約がある場合が多い。低ＧＷＰ冷媒としては上述した二酸化炭素やＲ３２冷媒が例として挙げられる。他方で、このような低ＧＷＰ冷媒を用いた場合、冷凍機械の冷凍能力向上の妨げとなることがある。特に、－４５～－７０℃程度の超低温を目標温度とする冷凍機械ではその影響が顕著である。そこで、例えば冷凍機械に用いられる圧縮機の圧縮比を高める等の措置が考えられる。しかしながら、上記のように圧縮比を単に高めた場合、圧縮機の吐出温度が過度に高くなってしまい、所望の冷凍能力を発揮できなくなる虞がある。

そこで、本実施形態では、冷凍機械１００は、低温サイクルＣＬ、及び高温サイクルＣＨと、これらの間に設けられた中間熱交換器１０と、を主に備えるカスケードサイクルを構成している。これにより、第一圧縮機２、及び第二圧縮機４で必要とされる圧縮比をそれぞれ小さく抑えることができる。その結果、これら圧縮機から吐出される冷媒の温度（吐出温度）をさらに下げることができる。つまり、冷凍機械１００の冷凍能力をさらに高めることができる。

具体的には図２に示すように、高温サイクルＣＨと低温サイクルＣＬのサイクル線図が互いに中間位置（中間熱交換器１０）で重畳されている。これにより、高温サイクルＣＨのみを用いた場合に比べて、より低い温度にまで冷媒の温度を下げることができる。例えば、高温サイクルＣＨの放熱器出口温度が３４℃である場合、低温サイクルＣＬでは蒸発温度を－６８℃程度の超低温とすることができる。

また、カスケードサイクルを用いることにより、低温サイクルＣＬと高温サイクルＣＨとで異なる種類の冷媒を用いることが可能となる。低温サイクルＣＬでは二酸化炭素を主成分としつつ、Ｒ３２を含む混合冷媒が第一冷媒として用いられる。高温サイクルＣＨでは二酸化炭素が第二冷媒として用いられる。このように二酸化炭素を主として用いることにより、低ＧＷＰを実現しながらも、二酸化炭素のみを冷媒とした場合に比べて冷凍能力をさらに高めることが可能となる。また、高温サイクルＣＨでは、二酸化炭素のみを第二冷媒として用いることから、Ｒ３２を混合した場合に比べて密度が過度に低くならない。これにより、第二圧縮機４で必要とされる圧縮比を小さく抑えることもできる。

加えて、ガスインジェクション回路９によって、第一圧縮機２、及び第二圧縮機４の少なくとも一方に、圧縮される前の低温の第一冷媒又は第二冷媒が供給される。これにより、例えば第一圧縮機２、及び第二圧縮機４を複数段の圧縮機によって構成した場合に、これら複数段の中間位置に低温の冷媒を供給することで、最終的な冷媒の吐出温度をさらに下げることが可能となる。

また、上記構成によれば、第一冷媒として、１６重量％以上２２重量％以下のＲ３２を含む二酸化炭素との混合冷媒が用いられる。これにより、ＧＷＰを１５０以下に抑え、国際的な規制値以下とすることが可能となる。このように、本実施形態によれば、低ＧＷＰと高い冷凍能力とを両立させることが可能な冷凍機械１００を提供することができる。

さらに、上記構成によれば、ガスインジェクション回路９は、高圧側のスクロール圧縮機２２，４２の上流側に冷媒を供給するように構成されている。ここで、スクロール圧縮機２２，４２では、ケーシングの内部を流通する冷媒が、流れ方向等の制約をあまり受けることなく圧縮室に向けて流入する構成が採られる。つまり、ロータリー圧縮機２１，４１に比べて、スクロール圧縮機２２，４２では圧縮室の外部に他の冷媒を追加しやすいと言える。これにより、ガスインジェクション回路９によってより容易かつ円滑に冷媒を追加することが可能となる。

より具体的には、上記構成によれば、低温サイクルＣＬ、及び高温サイクルＣＨにそれぞれガスインジェクション回路９としての低温側回路９１、及び高温側回路９２が設けられている。これにより、低温サイクルＣＬと高温サイクルＣＨの双方で、圧縮機（第一圧縮機２、及び第二圧縮機４）の吐出温度を下げることが可能となる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

＜付記＞
各実施形態に記載の冷凍機械は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る冷凍機械１００は、冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる蒸発器１、前記蒸発器１に前記第一冷媒を圧縮して供給する第一圧縮機２、及び該第一圧縮機２を通過した前記第一冷媒の圧力を下げる低温側膨張弁３を有する低温サイクルＣＬと、外気と第二冷媒とを熱交換させる放熱器５、及び前記放熱器５に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機４、及び該放熱器５を通過した前記第二冷媒の圧力を下げる高温側膨張弁６を有する高温サイクルＣＨと、前記第一圧縮機２から流通する前記第一冷媒と前記高温側膨張弁６から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器１０と、前記低温サイクルＣＬ、及び前記高温サイクルＣＨの少なくとも一方に設けられ、圧縮される前の前記第一冷媒又は前記第二冷媒を、前記第一圧縮機２、及び前記第二圧縮機４の少なくとも一方に供給するガスインジェクション回路９と、を備え、前記第一冷媒は、二酸化炭素とＲ３２冷媒とを含む混合冷媒であり、前記第二冷媒は、二酸化炭素である。

上記構成によれば、冷凍機械１００は、低温サイクルＣＬ、及び高温サイクルＣＨと、これらの間に設けられた中間熱交換器１０と、を主に備えるカスケードサイクルを構成している。これにより、第一圧縮機２、及び第二圧縮機４で必要とされる圧縮比をそれぞれ小さく抑えることができる。その結果、これら圧縮機から吐出される冷媒の温度（吐出温度）をさらに下げることができる。つまり、冷凍機械１００の冷凍能力をさらに高めることができる。
また、カスケードサイクルを用いることにより、低温サイクルＣＬと高温サイクルＣＨとで異なる種類の冷媒を用いることが可能となる。低温サイクルＣＬでは二酸化炭素を主成分としつつ、Ｒ３２を含む混合冷媒が第一冷媒として用いられる。高温サイクルＣＨでは二酸化炭素が第二冷媒として用いられる。このように二酸化炭素を主として用いることにより、低ＧＷＰを実現しながらも、二酸化炭素のみを冷媒とした場合に比べて冷凍能力をさらに高めることが可能となる。また、高温サイクルＣＨでは、二酸化炭素のみを第二冷媒として用いることから、Ｒ３２を混合した場合に比べて密度が過度に低くならない。これにより、第二圧縮機４で必要とされる圧縮比を小さく抑えることもできる。
加えて、ガスインジェクション回路９によって、第一圧縮機２、及び第二圧縮機４の少なくとも一方に、圧縮される前の低温の第一冷媒又は第二冷媒が供給される。これにより、例えば第一圧縮機２、及び第二圧縮機４を複数段の圧縮機によって構成した場合に、これら複数段の中間位置に低温の冷媒を供給することで、最終的な冷媒の吐出温度をさらに下げることが可能となる。

（２）第２の態様に係る冷凍機械１００では、前記第一冷媒は、１６重量％以上２２重量％以下のＲ３２冷媒を含む混合冷媒である。

上記構成によれば、第一冷媒として、１６重量％以上２２重量％以下のＲ３２を含む二酸化炭素との混合冷媒が用いられる。これにより、ＧＷＰを１５０以下に抑え、国際的な規制値以下とすることが可能となる。

（３）第３の態様に係る冷凍機械１００では、前記第一圧縮機２、及び前記第二圧縮機４は、それぞれ低圧側のロータリー圧縮機２１，４１と、該ロータリー圧縮機２１，４１に連結された高圧側のスクロール圧縮機２２，４２とを含み、前記ガスインジェクション回路９は、前記スクロール圧縮機２２，４２の上流側に前記第一冷媒又は前記第二冷媒を供給するように構成されている。

上記構成によれば、ガスインジェクション回路９は、高圧側のスクロール圧縮機２２，４２の上流側に冷媒を供給するように構成されている。ここで、スクロール圧縮機２２，４２では、ケーシングの内部を流通する冷媒が、流れ方向等の制約をあまり受けることなく圧縮室に向けて流入する構成が採られる。つまり、ロータリー圧縮機２１，４１に比べて、スクロール圧縮機２２，４２では圧縮室の外部に他の冷媒を追加しやすいと言える。これにより、ガスインジェクション回路９によってより容易かつ円滑に冷媒を追加することが可能となる。

（４）第４の態様に係る冷凍機械１００では、前記低温側膨張弁３、及び前記高温側膨張弁６は、それぞれ２つずつの膨張弁を有し、前記低温サイクルＣＬ、及び前記高温サイクルＣＨは、前記２つの膨張弁の間にそれぞれ設けられた低温側レシーバ８１、及び高温側レシーバ８２をさらに備え、前記ガスインジェクション回路９は、前記低温側レシーバ８１から前記第一冷媒を前記第一圧縮機２に供給する低温側回路９１と、前記高温側レシーバ８２から前記第二冷媒を前記第二圧縮機４に供給する高温側回路９２と、を有する。

上記構成によれば、低温サイクルＣＬ、及び高温サイクルＣＨにそれぞれガスインジェクション回路９としての低温側回路９１、及び高温側回路９２が設けられている。これにより、低温サイクルＣＬと高温サイクルＣＨの双方で、圧縮機（第一圧縮機２、及び第二圧縮機４）の吐出温度を下げることが可能となる。

１００冷凍機械
１蒸発器
２第一圧縮機
３低温側膨張弁
４第二圧縮機
５放熱器
６高温側膨張弁
９ガスインジェクション回路
１０中間熱交換器
２１ロータリー圧縮機
２２スクロール圧縮機
３１低温側第一膨張弁
３２低温側第二膨張弁
４１ロータリー圧縮機
４２スクロール圧縮機
６１高温側第一膨張弁
６２高温側第二膨張弁
８１低温側レシーバ
８２高温側レシーバ
９１低温側回路
９２高温側回路
ＣＨ高温サイクル
ＣＬ低温サイクル
Ｐ１低温側配管
Ｐ２高温側配管

Claims

冷凍室内の空気と第一冷媒とを熱交換させる蒸発器、前記蒸発器を通過した低圧気相の前記第一冷媒を圧縮する第一圧縮機、及び該第一圧縮機を通過した前記第一冷媒の圧力を下げる低温側膨張弁を有する低温サイクルと、
外気と第二冷媒とを熱交換させる放熱器、及び前記放熱器に前記第二冷媒を圧縮して供給する第二圧縮機、及び該放熱器を通過した前記第二冷媒の圧力を下げる高温側膨張弁を有する高温サイクルと、
前記第一圧縮機から流通する前記第一冷媒と前記高温側膨張弁から流通する前記第二冷媒とを熱交換させる中間熱交換器と、
前記低温サイクル、及び前記高温サイクルの少なくとも一方に設けられ、圧縮される前の前記第一冷媒又は前記第二冷媒を、前記第一圧縮機、及び前記第二圧縮機の少なくとも一方に供給するガスインジェクション回路と、
を備え、
前記第一冷媒は、二酸化炭素とＲ３２冷媒とを含む混合冷媒であり、前記第二冷媒は、二酸化炭素であり、
前記低温側膨張弁、及び前記高温側膨張弁は、それぞれ２つずつの膨張弁を有し、
前記低温サイクル、及び前記高温サイクルは、前記２つの膨張弁の間にそれぞれ設けられた低温側レシーバ、及び高温側レシーバをさらに備え、
前記ガスインジェクション回路は、
前記低温側レシーバから前記第一冷媒を前記第一圧縮機に供給する低温側回路と、
前記高温側レシーバから前記第二冷媒を前記第二圧縮機に供給する高温側回路と、
を有する冷凍機械。
前記第一冷媒は、１６％以上２２重量％以下のＲ３２冷媒を含む混合冷媒である請求項１に記載の冷凍機械。
前記第一圧縮機、及び前記第二圧縮機は、それぞれ低圧側のロータリー圧縮機と、該ロータリー圧縮機に連結された高圧側のスクロール圧縮機とを含み、前記ガスインジェクション回路は、前記スクロール圧縮機の上流側に前記第一冷媒又は前記第二冷媒を供給するように構成されている請求項１又は２に記載の冷凍機械。