JPH04113169A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置に
関する。

［従来の技術］ 従来の冷凍サイクル装置において、単冷媒を用い、高温
高圧の凝縮冷媒の一部を中間圧まで減圧膨脹させ、低温
の２相冷媒にし、中間冷却装置を用いてこの低温の２相
冷媒で残りの凝縮冷媒を冷却し、過冷却された高圧液冷
媒を低圧まで減圧膨脹させる中間冷却型の冷凍サイクル
装置が知られている。

また、特開昭５９−１５３０７４号公報は、非共沸混合
冷媒を用い、凝縮した高沸リッチ冷媒を中間圧まで減圧
膨脹させ、低温の２相冷媒にし、この低温の２相の高沸
リッチ冷媒により高温高圧の低沸リッチ液冷媒を冷却し
、この過冷却低沸リッチ液冷媒を低圧まで減圧膨脹させ
る中間冷却型の冷凍サイクル装置を開示する（第９図参
照〉。

すなわち第９図において、凝縮器２ａで凝縮され気液分
離器３８により分離された高沸リッチ液冷媒液の一部は
、絞り装置９ａで中間圧力まで減圧膨張した後、中間冷
却装置８ａで蒸発し、カスとなって圧縮機１ａの中間圧
吸入口に送られる。

気液分離器３ａにより分離された低沸リッチカス冷媒は
凝縮器４ａにより凝縮した後、中間冷却装置８ａて上記
した中間圧力の高沸リッチ冷媒により過冷却され、その
後、絞り装置９ｂで減圧膨張し、蒸発装＠６ａで蒸発し
、圧縮機１ａの低圧吸入口に送られる。

これらの中間冷却型の冷凍サイクル装置は、高圧液冷媒
の過冷却により、冷凍効果が増大して冷却能力及び成績
係数の増加をもたらすことができる５、 更に、非共沸混合冷媒を用いる後者の例では、圧縮機１
ａの圧縮比を低下することができる。

し発明が解決しようとする課題］ しかしながら、Ｌ述した単冷媒を用いる中間冷却型の冷
凍サイクル装置において、中間冷却装置における被冷却
冷媒の過冷却は、中間圧力における蒸発温度より少し高
い温度までで、それ以上の大きな過冷却度をとることは
できなかった。

また、後者の非共沸混合冷媒を用いる中間冷却型の冷凍
サイクル装置でも、中間圧まで減圧膨張した２相の高沸
リッチ冷媒により低沸リッチ液冷媒を過冷却するので、
たとえ対向流で熱交換させても、過冷却の程度は、高沸
リッチ冷媒の中間圧力における蒸発開始温度より少し高
い温度までであり、高沸リッチ冷媒が高沸点成分を多く
含んでいるため蒸発温度が高く、大きな過冷却度をとる
ことはできない。

本発明は上記した従来の欠点を解消し、大きな過冷却度
をとることができる冷凍サイクル装置を提供することを
その目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮された非共沸混合冷
媒を、高沸点成分がより豊富な高沸リッチ冷媒及び低沸
点成分がより豊富な低沸リッチ冷媒に分離凝縮させる凝
縮装置と、凝縮した低沸リッチ冷媒を減圧膨張させる低
沸側絞り装置と、減圧された前記低沸リッチ冷媒により
前記高沸リッチ冷媒を冷却する中間冷却装置と、該中間
冷却装置から出た前記高沸リッチ冷媒を減圧膨張させる
高沸側絞り装置と、該高沸側絞り装置から出た前記高沸
リッチ冷媒を蒸発させる蒸発装置と、前記中間冷却装置
から出た前記低沸リッチ冷媒及び前記蒸発装置から出た
前記高沸リッチ冷媒を圧縮して前記凝縮装置に送出する
圧縮機とを備えることを特徴としている。

［作用］ 本発明の冷凍サイクル装置では、まず凝縮装置により高
沸リッチ冷媒及び低沸リッチ冷媒を分離凝縮させ、次に
凝縮した低沸リッチ冷媒を中間圧まで減圧膨張させ、中
間冷却装置でこの中間圧の低沸リッチ冷媒により凝縮後
の高沸リッチ冷媒を過冷却し、過冷却された高沸リッチ
冷媒を低圧まで減圧膨張させて蒸発装置で蒸発させ、圧
縮機に戻している。中間冷却装置から出た高沸リッチ冷
媒は圧縮機の中間圧吸入口に送られる。

［実施例］ 本発明の冷凍サイクル装置の一実施例を第１図に示す。

第１図において、１は圧縮機、２は第１凝縮器、３は気
液分離器、４は第２凝縮器、５は第１絞り装置、６は蒸
発装置、７は第２絞り装置、８は中間冷却装置、１０は
インジェクション回路である。

ここで、第１凝縮器２、気液弁１ｉｆｔ器３、第２凝縮
器４は本発明でいう凝縮装置を構成している。

圧縮機１から出た非共沸混合冷媒カスは第１凝縮器２で
一部凝縮した後、気液分離器３により気液分離される。

気液分離器３により分離された低沸リッチガス冷媒は第
２凝縮器４により凝縮した後、第２絞り装置７により中
間圧力まで減圧膨張した後、中間冷却装置８を経由し、
インジェクション回路１０により圧縮機１の中間圧吸入
口に送られる。気液分離器３で分離された高沸リッチ液
冷媒は中間冷却装置８で上記中間圧力の低沸リッチ冷媒
により過冷却され、その後、第１絞り装置５で減圧膨張
し、蒸発装置６で蒸発し、圧縮機コの低圧吸入口に送ら
れる。

非共沸混合冷媒の高圧・中間圧・低圧の状態を示す第２
図の温度対組成線図を用いて更に詳細に説明する。なお
、レンズ形の特性曲線の上側が飽和カス線、下側が飽和
液線である。

第２図において、圧縮機１出口の高圧カス冷媒ａは第１
凝縮器２で一部凝縮状態すとなり、気液分離器３で低沸
点成分に富む低沸リッチガス冷媒ｑと、高沸点成分に富
む高沸リッチ液冷媒Ｃに分離される。低沸リッチガス冷
媒ｑは更に第２凝縮器４により状態りまで凝縮液化され
、第２絞り装置７により中間圧力まで減圧膨張して状態
ｉとなり、中間冷却装置８において高沸リッチ液冷媒Ｃ
−ｄと熱交換され、蒸発して昇温された状態ｊとなった
後、圧縮機１に注入される。

一方、高沸リッチ液冷媒Ｃは中間冷却装置８で状態ｄま
で過冷却される。中間冷却装置８は後述するように対向
流型熱交換器であって、高沸リッチ液冷媒Ｃと低沸リッ
チ冷媒ｊとが熱交換し、高沸リッチ液冷媒ｄと低沸リッ
チ冷媒ｉとが熱交換する。したがって、熱落差が常に大
きいので中間冷却装置８は小型でよい。また中間冷却装
置８が十分大きければ、高沸リッチ冷媒液ｄを低沸リッ
チ冷媒ｉの温度近くまで過冷却することも可能である。

中間冷却装置８で状態ｄまで過冷却された高沸リッチ液
冷媒は、第１絞り装置５で状態ｅまで減圧膨張し、蒸発
装置６でこの組成にて蒸発して高沸リッチガス冷媒ｆと
なり、圧縮機１の低圧圧縮段部により中間圧力状態ｋま
で圧縮され、中間圧力の低沸リッチガス冷媒Ｊと混合さ
れて（状態１）、圧縮機１の高圧圧縮段部で状態ａまで
再び圧縮される。

なおこの実施例では、第１凝縮器２の凝縮圧力（圧縮機
１の吐出圧力）における高沸リッチ冷媒Ｃの凝縮温度は
５９℃、蒸発装置６の蒸発圧（圧縮機１の低圧吸入圧）
における高沸リッチ冷媒ｅの蒸発温度を０℃に設定して
いる。高沸リッヂ冷媒Ｃと低沸リッチ冷媒ｑとの流量比
は約８：２となっている。中間冷却装置８における潜熱
放出により低沸リッチ冷媒ｑの流量が少なくても充分に
高沸リッチ冷媒Ｃを過冷却することができる。

以上説明したようにこの実施例では、中間圧まで減圧膨
張した低沸リッチ冷媒により、高温高圧の高沸リッチ液
冷媒を過冷却しているので、中間冷却装置８における熱
落差を充分にとることができ、過冷却を充分に行い、か
つ、中間冷却装置８の伝熱面積の縮小を実現することが
できる。

ちなみに、従来技術の項で説明した第９図の装置におけ
る冷媒状態変化を第１０図に示す。非共沸混合冷媒はこ
の実施例と同じとする。この場合には、中間冷却装置８
ａにおいて中間圧の高沸リッチ冷媒のｈからｉへの状態
変化により、高圧の低沸リッチ冷媒をｅからｆまで過冷
却している。

しかし、両冷媒の間の熱落差が小さいので過冷却度を大
きくすることができない。

中間冷却装置８の一例を第３図、第４図に示す。

第４図は第３図のＡＡ断面である。中間冷却装置８は外
管２０１と内管２０２を有する２重管式熱交換器で、内
管２０２の中を中間圧低温の低沸リッチ冷媒が流れ、外
管２０１と内管２０２の間の通路２０７を高圧高温の高
沸リッチ液冷媒が流れる。外管２０１の両端近傍には入
口管２０３、出口管２０４が取り付けられている。中間
冷却装置８の中では、低沸リッチ冷媒と高沸リッチ冷媒
とは互いに流れる方向が逆になっている。内管２０２に
はフィン２０２ｆが設けられ、フィン２０２ｆの先端は
外管２０１に接している。

中間圧低温の２相の低沸リッチ冷媒は高圧高温の高沸リ
ッチ液冷媒から熱を奪い、蒸発してガス状態となって中
間冷却装置８がら出ていき、圧縮機１に送り込まれる。

高圧高温の高沸リッチ液冷媒は過冷却され、第１絞り装
置５で低圧まで減圧されて蒸発器６に送り込まれる。

ここで、中間冷却装置８の大きさに関し、従来技術との
比較をしてみる。

平均凝縮温度を６０℃、平均蒸発温度をＯ’Ｃ１過冷却
後の液冷媒温度を３５℃、中間圧を高低圧の幾何平均と
する。

従来技術の項で説明した単冷媒の場合、中間圧での蒸発
温度は約２７℃で、中間冷却装置内での温度変化は第７
図のようになる。

対数平均温度差へＴｍは次の様になる。

△Ｔｍ ＝　（△Ｔｔ−△Ｔ２）　／Ｍ　ｎ　（ΔＴ１／△Ｔ＝
　（３３−８＞／Ｊ）ｎ　（３３／８）＝１７．　６　
［℃］ 冷凍サイクル装置の冷却能力Ｑｅを４．６５ＫＷとする
と中間冷却装置での熱交換量Ｑは９００Ｗ程度になる。

したがって、 Ｑ＝ＫＡΔＴｍ Ｋ：熱通過率［Ｗ／ｍ２℃］ へ二伝熱面積［ｍ２］ であるから、Ｋ＝３００Ｗ／ｒｒ＋２℃とすると、Ａ＝
Ｑ／　（Ｋ・△Ｔａ　） ＝９００／　（３００ｘ１７．６） ＝０．１７０　［ｍ２］ となる。中間冷却装置８の外径をφ１６ｍｍ、内管２０
２の内径をφ６ｍｍ、フィン２０２ｆの枚数を８、中間
冷却装置８の長さＬは約２．５ｍになる。

一方、本実施例の場合、非共沸混合冷媒を用いているた
め、中間圧での蒸発温度は例えば第２図の如く１７℃か
ら２７℃まで変化し、中間冷却装置８内での温度変化は
第６図の様になる。

対数平均温度差へＴ＃Ｉは次の様になる。

ΔＴｍ　＝　（３２−１８＞／ｌ　ｎ　（３２／１８）
＝２４．３　［’Ｃ］ Ａ＝Ｑ／　（Ｋ・ΔＴ＃Ｉ） ＝９００／（３００Ｘ２４．３＞ ＝０．１２３　［ｍ’　］ Ｌ＝１．７８　［ｍ］ したがって、中間冷却装置８の大きさは単冷媒の場合の
約７０％となる。

この２重管を第５図の様に外径φ１００ｍｍのコイル状
に巻くとすると、６．７巻きとなり、高さＨは約１１０
ｍｍとなる。

次に、第９図の中間冷却装置８ａの大きさを考えてみる
。平均凝縮温度を６０℃、平均蒸発温度を０℃とすると
、第４図に示した装置の各部の圧力及び温度は例えば第
１０図の様になる。中間圧での蒸発温度は３４．５°Ｃ
から３８℃まで変化し、中間冷却装置８ａの温度変化は
第８図の様になる。

対数平均温度差ΔＴｍは次の様になる。

ΔＴＩＩＩ −（１５−０，５）／Ｉ　ｎ　（１５１０，５）−４，
３［”Ｃ］ △Ｔｍが小さくなると伝熱面積へを大きくする必要があ
り、熱流速Ｑ　［Ｗ／ｒｎ２］が小さくなり、管内蒸発
熱伝達率αＲ］　　［Ｗ／ｍ２］が小さくなって熱通過
率Ｋ　［Ｗ／ｍ２°Ｃ］が小さくなるため、さらにＡを
大きくする必要がある。ｑが１／８になるとαＲは０．
６倍になる。基準状態で蒸発側と液態の熱抵抗が等しい
とすると、αＲが０．６倍になるとＫは０．７５倍にな
る。そこでに＝３００ｘ０．７５＝２２５　［Ｗ／ｍ２
℃コとすると、Ａ＝Ｑ／　（Ｋ−△Ｔｔｎ　）＝９００
／　（２２５Ｘ４．３〉 ＝０．９３０　［ｍ２　］ となり、これは本実施例の中間冷却装置８の伝熱面積Ａ
＝０．１２３　［ｍ２コの約８倍となる。

中間冷却装置８ａの長さしはし＝１３．４４［ｍ］とな
り、例えば第５図の様にコイル状に巻いても、高ざＨが
ｓｏｏｍｍ以上になって置き場所に困る。すなわち同じ
大きさとしても過冷却が少ししかとれず、成績係数の増
加は小さい。

（変形態様） なお、中間冷却袋＠８は２重管式熱交換器に限らず、シ
ェル・コイル式やシェル・チューブ式、その他の形式の
熱交換器でも良い。

また、中間冷却袋＠８は対向流型であることが望ましい
が、直交流型や並行流型であっても良い。

また第１図の実施例においては、圧縮＠１を１台として
、そのシリンダ内の中間圧力となる位置にインジェクシ
ョン回路１０からの冷媒を導いているが、低段用圧縮機
と高段用圧縮機の複数の圧縮機（図示せず）を用いて、
その中間に冷媒を注入する如く構成してもよいことはも
ちろんである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の冷凍サイクル装置では、凝
縮後、中間圧まで減圧膨張した低沸リッチ冷媒により、
高圧の高沸リッチ液冷媒を過冷却している。

低沸リッチ冷媒は低沸点成分に富むために、凝縮装置で
の冷却によりより低温度で凝縮し、凝縮装置から出る低
沸リッチ液冷媒の温度が低い。したがって、凝縮装置か
ら出るこの低温度の低沸リッチ液冷媒を中間圧まで減圧
膨張させることにより、中間冷却装置に入る低沸リッチ
冷媒は更に低温となり、中間冷却装置において高沸リッ
チ冷媒をより低温度まで過冷却することができる。そし
て、この過冷却により低温冷却性能及び成績係数の向上
が可能となる。

また、中間冷却装置から出て蒸発装置に入る冷媒の温度
を一定とした場合、従来の冷凍サイクル装置に比較して
、中間冷却装置における高沸リッチ冷媒と低沸リッチ冷
媒との熱落差が大きいために、中間冷却装置の大幅な小
形化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷凍サイクル装置の一実施例を示すブ
ロック図、第２図はその温度組成線図、第３図は中間冷
却装置の一例断面図、第４図は第３図の装置のＡ−Ａ　
″断面図、第５図は中間冷却装置の変形例を示す斜視図
、第６図〜第８図は、実施例及び従来例における各種中
間冷却装置の冷媒温度変化図、第９図は従来の冷凍サイ
クル装置のブロック図、第１０図は第９図の装置の温度
組成線図である。 １・・・圧縮機 ２・・・第１凝縮器（凝縮装置） ３・・・気液分離器（凝縮装置） ４・・・第２凝縮器（凝縮装置） ５・・・第１絞り装置（高沸側絞り装置）６・・・蒸発
装置 ７・・・第２絞り装置（低沸側絞り装置）８・・・中間
冷却装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　圧縮された非共沸混合冷媒を、高沸点成分がより豊富
   な高沸リッチ冷媒及び低沸点成分がより豊富な低沸リッ
   チ冷媒に分離凝縮させる凝縮装置と、凝縮した低沸リッ
   チ冷媒を減圧膨脹させる低沸側絞り装置と、 減圧された前記低沸リッチ冷媒により前記高沸リッチ冷
   媒を冷却する中間冷却装置と、 該中間冷却装置から出た前記高沸リッチ冷媒を減圧膨脹
   させる高沸側絞り装置と、 該高沸側絞り装置から出た前記高沸リッチ冷媒を蒸発さ
   せる蒸発装置と、 前記中間冷却装置から出た前記低沸リッチ冷媒及び前記
   蒸発装置から出た前記高沸リッチ冷媒を圧縮して前記凝
   縮装置に送出する圧縮機と、を備えることを特徴とする
   冷凍サイクル装置。