WO2007046332A1

WO2007046332A1 - Ｃｏ２冷凍機

Info

Publication number: WO2007046332A1
Application number: PCT/JP2006/320566
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; Katsumi Fujima; Nerson Mugabi; Choiku Yoshikawa
Original assignee: Mayekawa Mfg. Co., Ltd.; The Doshisha
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2007-04-26
Also published as: JP4973872B2; US7818971B2; JPWO2007046332A1; EP1939548A1; US20080245505A1; CN101326409A

Abstract

安全で、温度差のある高温熱源と冷温熱源の同時取り出しを可能とするとともに、制御の安定化を図り、成績係数を向上させたＣＯ２冷凍機を実現することを課題であり、ＣＯ２（炭酸ガス）を冷媒とし、超臨界域まで圧縮するとともに、膨張弁を経てＣＯ２の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる冷凍サイクルをもつＣＯ２冷凍機において、多段圧縮機３，４と、凝縮器５と膨張手段７との間の冷媒流路１に設けられた中間冷却器６と、凝縮器５と中間冷却器６の間の冷媒流路１から分岐し膨張手段９を介在して中間冷却器６を通り多段圧縮機３，４間の冷媒流路１に接続する第２の冷凍サイクル２とを備え、該第２の冷凍サイクルは、中間冷却器６において冷媒流路１との間で蒸発潜熱を吸収し、膨張手段９の後流側でもＣＯ２の三重点Ｐｔｒ以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成した。

Description

CO冷凍機

2

技術分野

[0001] 本発明は、 CO (炭酸ガス）を冷媒とし、 COを三重点以下の圧力及び温度レベル

2 2

まで冷却して個体 ·ガス二相 COとした冷媒サイクルを用い、温度差のある高温熱源

2

と冷温熱源の同時取り出しを可能とするとともに、制御の安定化を図り、成績係数を向上させた CO冷凍機に関する。

2

背景技術

[0002] 冷却負荷力の被冷却流体をマイナス数十 °Cと!、う極低温に冷却する冷却手段として、高温側（高元側）と低温側 (低元側）との 2つの冷媒サイクルを組み合わせた 2 元冷却手段が従来から用いられて、る。

例えば特許文献 1 (特開 2004— 170007号公報）には、アンモニアを冷媒として用いる高元側冷凍サイクルに、 COを冷媒として用いる低元側冷凍サイクルの CO冷

2 2 媒を冷却、液化するカスケードコンデンサを備えるとともに、 CO冷凍サイクルの膨張

2

弁通過後の圧力及び温度を COの三重点以下の圧力及び温度レベルとすることに

2

より、固体'ガス二相の COとし、固体 COの昇華による冷熱を冷却負荷力の被冷

2 2

却流体に供給することにより、 COの三重点（一 56°C)以下の極低温域での冷却を

2

可能にした手段が開示されている。

[0003] また特許文献 2 (特開 2004— 308972号公報）には、 COガスを飽和圧力又は超

2

臨界圧力に圧縮する圧縮機と、凝縮器力の CO凝縮体を COの三重点以下の圧

2 2

力及び温度レベルに減圧して固体'ガス二相とする膨張装置と、該二相 COの昇華

2 による冷熱を冷却負荷力の被冷却流体に供給するとともに、昇華後の COガスを

2 前記圧縮機に送る昇華手段とを備えた CO冷凍機が開示され、またこの CO冷凍機

2 2 の凝縮器で高圧 COガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の

2

高元側冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して、該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設けることが開示されている。

[0004] 特許文献 1：特開 2004— 170007号公報特許文献 2：特開 2004— 308972号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力しながら特許文献 1及び 2に開示された手段は、極低温の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することは可能であるが、同時に高温熱源を供給できるものではない。

また CO冷媒を COの三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、 COの固

2 2 2 体'ガス二相をつくり、固体 COの昇華による冷熱を供給するものであるため、冷媒

2

流路に詰まりを生じたり、あるいは冷媒流路に圧損等を生じて冷凍サイクルの運転が不安定となるおそれがある。

[0006] 本発明は、力かる従来技術の課題に鑑み、オゾン破壊係数がゼロで、地球温暖化係数が 1であるため、環境への負荷小さぐ毒性、可燃性がなく安全で安価であるという COの長所を生かし、また温水及び給湯供給において非常に効率が良いという

2

長所をもつ CO冷媒を用いたヒートポンプサイクルの長所を生かし、かつ温度差のあ

2

る高温熱源と冷温熱源の同時取り出しを可能とするとともに、制御の安定ィ匕を図り、成績係数を向上させた CO冷凍機を実現することを目的とする。

2

課題を解決するための手段

[0007] 前記目的を達成するため、本発明の CO冷凍機の第 1の構成は、

2

CO (炭酸ガス)を冷媒とし、

2

圧縮機を直列に多段に設けることにより COを超臨界域まで圧縮するとともに、

2

凝縮器力出た CO凝縮体を膨張手段を通すことにより COの三重点以下の圧力

2 2

及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第 1の冷凍サイクルと、

前記第 1冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、

前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り前記第 1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、 COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第 2の冷凍

2

サイクルとからなることを特徴とする。 [0008] 本発明の前記第 1の構成は、前記構成を有する第 1冷凍サイクルに、前記構成を有する第 2の冷凍サイクルを組み合わせることにより、前記中間冷却器で第 1の冷凍サイクル力第 2の冷凍サイクルに熱吸収がなされ、これによつて第 1の冷凍サイクルでは冷媒が過冷却され、次の膨張段階で三重点以下の圧力及び温度レベルへの到達が容易になるとともに、第 2の冷凍サイクルでは、第 1の冷凍サイクルカゝら熱源が付与されて COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持することが容易になる。

2

[0009] これによつて第 1の冷凍サイクルでは、凝縮器にお!、て高温の給湯、例えば 80°C 近辺の給湯が可能になるとともに、第 2の冷凍サイクルでは、膨張手段を経て COの

2 三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体'ガス二相とすることができ、蒸発器において該二相 COの昇華による極低温の冷熱、例えば— 56°C〜― 78°C (大気

2

圧下)の冷熱を冷却負荷力の被冷却流体に供給することができる。

[0010] また第 1の構成では、圧縮機を多段にすることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。また例えば第 1の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第 2の中間冷却器を蒸発部とし、前記中間冷却器と前記第 2の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第 2の中間冷却器を通り前記第 1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、 COの三重点以上の圧

2

力及び温度レベルを維持するように構成された第 3の冷凍サイクルとからなるように構成すれば、さらに冷凍機の成績係数を向上させることができる。

[0011] 次に本発明の第 2の構成は、

CO (炭酸ガス)を冷媒とし、 COガスを超臨界域まで圧縮するとともに、

2 2

凝縮器カゝら出た CO凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、 C

2

Oの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第 1の冷凍サイ

2

クルと、

アンモニア、 HC又は COを冷媒とし、前記第 1の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱

2

交換を行なう第 1のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でも COの三重

2 点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第 2の冷凍サイクルと、 COを冷媒とし、該第 2の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第 2のカス

2

ケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことにより COの三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第 3の冷凍サイクルとからなることを特徴とする。

[0012] 本発明の第 2の構成では、 COガスを超臨界域まで圧縮する第 1の冷凍サイクルで

2

高温の熱源、例えば約 80°Cの給湯を効率良く供給することができる。

また第 2の冷凍サイクルは、アンモニア、 HCガス又は COを冷媒として用いた冷凍

2

サイクルとし、アンモニア又は HC等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、冷凍機全体の効率をさらに良くすることができ、 COを冷媒として用いた冷凍サイクルとする

2

と、前述した COの安全性及び無害等の長所を有するとともに、第 1冷凍サイクル及

2

び第 3冷凍サイクルの冷媒と同じ冷媒を用いることになり、装置全体として安全かつ無害であり、安価となる。

[0013] また前記第 2の構成において、第 3の冷凍サイクルで CO冷媒を COの三重点以

2 2

下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させることにより、蒸発器において該ニ相 COの昇華による極低温の冷熱、例えば— 56°C〜― 78°C (大気圧下）の冷熱を

2

冷却負荷からの被冷却流体に供給することができる。

[0014] 前記第 2の構成において、好ましくは、 CHガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第 3の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第 3のカスケードコンデンサを備えた第 4の冷凍サイクルを付設すれば、さらに低温の冷熱源、例えば—120°C付近の冷熱源を供給することができる。

[0015] 前記第 2の構成において、前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第 1〜第 3の力スケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させる接触式熱交換器に構成してもよい。 COの分子量 44に対して、アンモニア、 HCガス、窒素ガス、ある

2

いは空気の分子量が十分小さいので、両者を直接混合しても重力分離が可能である。例えばサイクロン型の熱交を用い、サイクロン内で両者を直接接触させることにより、容易に重力分離が可能となる。

[0016] また本発明の第 2の構成における前記第 1の冷凍サイクル又は前記第 3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループと、該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路とを備えれば、該熱回路力種々の冷却負荷に対してそれぞれに対応し得る冷熱源を供給することができる。 [0017] 前記閉回路ループにはいずれも安全かつ無害な COが循環するので、ホテル又

2

はレストラン等種々の高温熱源及び低温熱源を必要とする建物内へ閉回路ループを配設しても安全性を確保することができる。

また閉回路ループに設けられる熱回路には、膨張手段や圧縮機を設ければ、個々の熱回路で冷凍サイクルを構成することができ、これによつて各種の冷却負荷に応じた冷熱源を供給することができる。

[0018] また好ましくは、本発明の第 2の構成における前記第 1の冷凍サイクル又は前記第 3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に気液分離器を介して前記閉回路ループを接続すれば、前記熱回路に確実に液冷媒を取り出すことができる。

また本発明の第 1構成又は第 2構成において、 COの三重点以下の圧力及び温度

2

レベルで使用される膨張手段をキヤビラリチューブ又は膨張タービンとすれば、膨張手段における固相 COの詰まりによる抵抗増大又は閉塞を確実に防止することがで

2

きる。

発明の効果

[0019] 本発明の第 1構成によれば、 CO (炭酸ガス)を冷媒とし、圧縮機を直列に多段に

2

設けることにより COを超臨界域まで圧縮するとともに、凝縮器カゝら出た CO凝縮体

2 2 を膨張手段を通すことにより COの三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、

2

蒸発器で蒸発させる第 1の冷凍サイクルと、第 1冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り第 1の冷凍サイタルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、 COの三重点以上の圧力及び温度

2

レベルを維持するように構成された第 2の冷凍サイクルとからなることにより、高温熱源の供給、例えば 80°C近辺の高温の給湯が可能になるとともに、同時に極低温の冷熱、例えば 56°C〜一 78°C (大気圧下）の冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することができる。

[0020] また第 2の冷凍サイクルでは常に COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持

2

するように構成されるので、固相の CO

2が生成されず、従って膨張手段での抵抗増大ゃ詰まりを生じず、安定した冷凍運転を行なうことができる。またこれに併せ圧縮機を多段にすることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上することができる。

なお本発明において COの三重点以下の圧力及び温度レベルにすることによって

2

固気二相の COが形成される場合であっても、好ましくは膨張手段としてキヤビラリチ

2

ユーブゃ膨張タービンを用いることにより、冷媒流路での抵抗増大や詰まりを防止することがでさる。

[0021] また本発明の第 2の構成によれば、 CO (炭酸ガス)を冷媒とし、 COガスを超臨界

2 2

域まで圧縮するとともに、凝縮器から出た CO凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、

2

蒸発部で蒸発させ、 COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構

2

成された第 1の冷凍サイクルと、アンモニア、 HC又は COを冷媒とし、前記第 1の冷

2

凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第 1のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でも COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構

2

成された第 2の冷凍サイクルと、 COを冷媒とし、該第 2の冷凍サイクルの蒸発部との

2

間で熱交換を行なう第 2のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことにより C Oの三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第 3の冷凍サイクル

2

とからなることにより、前記第 1の構成と同様に、高温熱源の供給、例えば高温の給湯が可能になるとともに、同時に極低温の冷熱源を供給することができる。

[0022] また第 2の冷凍サイクルで、 COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持する

2

ように構成されたことにより、冷媒流路での抵抗増大や詰まりが生ぜず、安定した冷凍運転を行なうことができる。

なお第 2の冷凍サイクルでアンモニア又は HC等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、さらに効率が向上し、一方 COを冷媒として用いた冷凍サイクルとすると、自然

2

冷媒としての COの長所 (無害、安全等)を享受することができるとともに、第 1冷凍サ

2

イタル及び第 3冷凍サイクルと同じ CO冷媒を用いることにより、装置全体として安価

2

となる。

[0023] 前記第 2の構成において、好ましくは、 CHガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第 3の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第 3のカスケードコンデンサを備えた第 4の冷凍サイクルを付設すれば、さらに低温の冷熱源、例えば—120°C付近の冷熱源を供給することができ、あるいは前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第 1〜第 3のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させる接触式の熱交換器で構成するようにすれば、熱伝達効率をさらに向上させることができる。

[0024] また本発明の第 2の構成における第 1冷凍サイクル又は第 3冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループに、該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路を接続したことにより、病院、ホテル又はレストラン等種々の高温熱源及び低温熱源を必要とする冷却負荷に対して該熱回路からこれら冷却負荷に対応した種々の冷熱源を供給することができ、また閉回路ループにはいずれも毒性がない無害な自然冷媒である COが循環するので、建物内での

2

安全を確保することができる。

また第 1冷凍サイクル又は第 3冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と閉回路ループとの間に気液分離器を介在させることにより、閉回路ループに液相の COを確実

2 に供給することができる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]本発明の第 1実施例のブロック線図である。

[図 2]前記第 1実施例のモリエル線図である。

[図 3]本発明の第 2実施例のブロック線図である。

[図 4]前記第 2実施例のモリエル線図である。

[図 5]本発明の第 3実施例のブロック線図である。

[図 6]本発明の第 4実施例のブロック線図である。

[図 7A]前記第 4実施例のカスケードコンデンサ 54の立面図である。

[図 7B]前記第 4実施例のカスケードコンデンサ 54の平面図である。

[図 8]本発明の第 5実施例のブロック線図である。

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明をそれのみに限定する趣旨ではない。図 1は、本発明の第 1実施例のブロック線図、図 2は、第 1実施例のモリエル線図、図 3は、本発明の第 2実施例のブロック線図、図 4は、第 2実施例のモリエル線図、図 5は、本発明の第 3実施例のブロック線図、図 6は、本発明の第 4実施例のブロック線図、図 7Aは、第 4実施例のカスケードコンデンサ 54の立面図、図 7Bはその平面図、図 8は、本発明の第 5実施例のブロック線図である。

実施例 1

[0027] 第 1実施例を示す図 1において、 1は、 COを冷媒とした第 1の冷凍サイクルの冷媒

2

流路であり、 2は、 COを冷媒とした第 2の冷凍サイクルの冷媒流路である。 3は、第 1

2

冷凍サイクル 1及び第 2冷凍サイクル 2で兼用する高段圧縮機であり、 5は、同様に第 1及び第 2冷凍サイクル兼用の凝縮器である。 6は、中間冷却器であり、中間冷却器 6 の上流側で第 2冷凍サイクルの冷媒流路 2が分岐し、膨張弁 9を経て中間冷却器 6の蒸発部 6aに接続する。

第 1冷凍サイクルの冷媒流路 1は、中間冷却器 6の凝縮部 6bに接続し、その後膨張弁 7を経て蒸発器 8の蒸発部 8aに接続する。

[0028] 4は、低段圧縮機であり、 9は給湯ラインで、給湯ライン 9に供給された水 wは、凝縮器 5で加熱されて図示しない温熱源負荷に給湯される。また 10は冷却負荷ラインで、冷却負荷ライン 10に供給された被冷却流体!:は、蒸発器 8で CO冷媒の蒸発潜熱を

2

吸収され冷却されて図示しない冷却負荷に供給される。 Ptrは、 COの三重点ライン

2

を示す。

[0029] 力かる構成の CO冷凍機の作動を図 1及び図 2により説明する。図 2は、第 1実施

2

例のモリエル線図であり、図 2において、 S1は飽和液線、 Syは飽和蒸気線、 Tkは等温線、 Kは COの臨界点（臨界温度 31. 1°C、臨界圧 7. 38Mpa)である。また Ptrは

2

CO冷媒の三重点の圧力（0· 518Mpa)を示す。

2

まず第 1冷凍サイクル 1において、 CO冷媒は、高段圧縮機 3で圧縮され、臨界点

2

Kを越えて超臨界域に達する（図 2中 A→B)。その後凝縮器 5で水 wに凝縮熱を付与して凝縮する（同上 B→C)。水 wは凝縮熱を得て約 80°Cに加熱され、給湯ライン 9 から図示しな！、温熱源負荷に供給される。

[0030] 一方凝縮器 5の下流側で冷媒の一部が分岐して第 2冷凍サイクルの冷媒流路 2に入り、その後膨張弁 9を経て膨張し、中間冷却器 6の蒸発部 6aに入る（同上 C→D)。第 1冷凍サイクルの冷媒流路 1を通る冷媒は、中間冷却器 6の凝縮部 6bに入る。ここで凝縮部 6bの冷媒から蒸発部 6aの冷媒に蒸発潜熱が吸収され (同上 C→E)、蒸発部 6aの冷媒がその蒸発潜熱を得て蒸発する。蒸発部 6aで一部蒸発した冷媒は接続点 cで第 1冷凍サイクルの冷媒に合流する（同上 D→A及び H→A)。冷媒通路 2及び接続点 cは COの三重点（― 56°C及び 0. 518Mpa)以上の圧力及び温度レベル

2

を維持する。

[0031] 中間冷却器 6の凝縮部 6bを出た冷媒は、膨張弁 7を経て断熱膨張し、蒸発器 8の蒸発部 8aに至る（同上 E→F)。膨張弁 7の下流側は COの三重点以下の圧力及び

2

温度レベルとなっており、ここで CO冷媒は固気二相となり、蒸発器 8で冷却負荷ライ

2

ン 10から蒸発器 8に供給された被冷却流体!:力も昇華潜熱を奪って気化し（同上 F→ G)、一方被冷却流体 rは COの三重点以下の温度である 56°C〜一 78°C (大気圧

2

下）の極低温度に冷却される。

その後冷媒流路 1を通る冷媒は、低段圧縮機 4で断熱圧縮させる（同上 G→H)。

[0032] このように第 1実施例によれば、超臨界域を形成する CO冷凍サイクルと、 COの

2 2 三重点以下の圧力及び温度まで減圧された冷凍サイクルとにより、約 80°Cの高温の給湯と— 56°C以下の極低温の冷熱源を同時に供給することができる。

また第 2冷凍サイクルの冷媒流路 2は COの三重点以上の圧力及び温度に維持さ

2

れるので、 CO冷媒が固相を呈することがなぐこのため冷媒流路 2に抵抗の増大や

2

詰まりを生じることがない。また圧縮機を多段に構成しているので、成績係数を向上させることができる。

なお COの三重点以下の圧力及び温度となる膨張弁 7では、キヤビラリチューブや

2

膨張タービンを用いることにより、冷媒流路内部の抵抗の増大や詰まりを確実に防止することができる。

実施例 2

[0033] 次に本発明の第 2実施例を図 3及び 4に基づいて説明する。第 2実施例は、前記第 1実施例において、さらに第 2の冷凍サイクルを付加したものであり、図 3及び 4において、図 1及び 2と同一符号を付した機器、部材は第 1実施例と同一の構造及び機能を有し、これらの説明は省略する。

図 3及び 4において、高段圧縮機 3と低段圧縮機 4との間に中段圧縮機 14が設けられるとともに、第 1冷凍サイクルの冷媒流路 1は、中間冷却器 6の下流側で第 3冷凍サイタルの冷媒流路 11が分岐し、冷媒流路 11の冷媒は、膨張弁 13を経て断熱膨張され、減圧かつ低温となって第 2中間冷却器 12の膨張部 12aに流入する。

[0034] 一方冷媒流路 1は、第 2中間冷却器 12の凝縮部 12bに接続しており、第 2中間冷却器 12で凝縮部 12bから蒸発部 12a側に蒸発潜熱が奪われて、冷媒流路 11の冷媒が蒸発する。冷媒流路 11で蒸発した冷媒は、第 1冷凍サイクルの中段圧縮機 14と低段圧縮機 4との間の冷媒流路 1の接続点 c'で接続する。なお膨張弁 13を経て接続点 c'に至る第 1冷凍サイクルは、 COの三重点以上の圧力及び温度レベルに維

2

持される。

[0035] 力かる第 2実施例の構成では、図 4のモリエル線図に示すように冷凍運転がなされる。即ち高段圧縮機 3を経た冷媒は超臨界域に入り（図 4中 I→J)、その後凝縮器 5で水 wを加熱して凝縮する（同 _hJ→L)。第 1実施例と異なるところは、凝縮器 5で冷却された冷媒は、中間冷却器 6及び第 2中間冷却器 12によって 2段に亘つて冷却され（図 4中 1段目； L→C、 2段目； C→E)、膨張弁 7を経て COの三重点以下の圧力及び

2

温度レベルに減圧される（同上 E→F)。

[0036] 一方第 2冷凍サイクル 2で膨張弁 9を経た冷媒は、中間冷却器 6の凝縮部 6aで蒸発潜熱を付与されて蒸発し接続点 cに至る（同上 L→M→I)。また第 3冷凍サイクルで膨張弁 13を経た冷媒は、第 2中間冷却器 12の蒸発部 12aで蒸発潜熱を付与されて蒸発し接続点 c'に至る（同上 C→D→A)。

力かる第 2実施例によれば、前記第 1実施例に作用効果に加えて、圧縮機を 3段にしたことにより、成績係数をさらに向上することができる長所をもつ。

実施例 3

[0037] 次に本発明の第 3実施例を図 5に基づいて説明する。図 5において、第 1冷凍サイクル 21は COを冷媒として用い、圧縮機 23、凝縮器 24、膨張弁 25及びカスケードコ

2

ンデンサ 26等を有する冷媒流路 22で構成される。まず圧縮機 23で断熱圧縮された冷媒は、超臨界域に達し、その後凝縮器 24で水 wによって冷却され、膨張弁 25を経て断熱膨張され、カスケードコンデンサ 26の蒸発部 26aに入る。

カスケードコンデンサ 26では、凝縮部 26bを通る第 2冷凍サイクルの冷媒カも蒸発潜熱を奪い、蒸発して圧縮機 23に戻る。凝縮器 24では給湯ライン 27から供給された水 wが加熱され、約 80°Cの高温水 hとなって図示しな、高熱源負荷に給湯される。

[0038] 第 2冷凍サイクル 31は、アンモニア又は HCを冷媒として用い、冷媒流路 32に、圧縮機 33、カスケードコンデンサ 26の凝縮部 26b、膨張弁 34及びカスケードコンデンサ 35の蒸発部 35a等を介設して構成される。

第 2冷凍サイクル 31では、圧縮機 33で圧縮された冷媒は、カスケードコンデンサ 2

6の凝縮部 26bで第 1冷凍サイクルの CO冷媒に蒸発潜熱を奪われて凝縮され、そ

2

の後膨張弁 34を経て断熱膨張され、カスケードコンデンサ 35の蒸発部 35aに入る。カスケードコンデンサ 35で第 3冷凍サイクルの冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発し、再び圧縮機 33に入る。なお第 2冷凍サイクル 31では、常に COの三重点以上の圧

2

力及び温度レベルに維持される。

[0039] 第 3冷凍サイクル 41では、 COを冷媒として用い、 CO冷媒流路 42に、圧縮機 43

2 2

、カスケードコンデンサ 35の凝縮部 35b、膨張弁 44及び蒸発器 45が介設されて構成されている。第 3冷凍サイクル 41では、膨張弁 44を経た後の冷媒流路は、図示のとおり COの三重点以下の圧力及び温度レベルに維持されており、従って膨張弁 44

2

を経た後では、 CO冷媒は固気二相になり、蒸発器 45で固相の CO冷媒は冷却負

2 2

荷ライン 46から蒸発器 45に供給される被冷却流体!:から昇華潜熱を奪って昇華する。これによつて被冷却流体 rを極低温、即ち COの三重点以下の温度である 56°C

2

〜一 78°Cに冷却することが可能となる。

[0040] このように第 3実施例によれば、約 80°Cの高温の給湯と— 56°C〜― 78°Cの極低温の被冷却流体を供給することが可能になるとともに、第 1冷凍サイクル 21及び第 2 冷凍サイクル 31を常に COの三重点以上の圧力及び温度レベルで運転するため、

2

CO冷媒が固相状態とはならず、そのため冷媒流路で抵抗の増大や詰まりを生じる

2

ことなぐ安定した冷凍運転を可能とする。また第 2冷凍サイクル 31で冷媒としてアンモ-ァ又は HCを用いて、るため、高効率の運転が可能となる。

実施例 4 [0041] 次に本発明の第 4実施例を図 6及び 7に基づいて説明する。図 6及び 7において、本実施例は、図 5に示す前記第 3実施例の構成に、さらに空気又は窒素 (N )を冷媒

2 とする第 4冷凍サイクル 51を負荷したことにより、さらに超低温の冷熱源を供給可能としたものである。

図 6において、図 5と同一の符号を付した機器、部材は図 5に示す機器、部材と同一の構成及び機能を有するものであり、これらの説明を省略する。第 4冷凍サイクル 5 1は、空気又は窒素を冷媒とし、冷媒流路 52に、アンモニア 53、カスケードコンデンサ 54、膨張タービン 55及び蒸発器 57を介設して構成されている。 56は、圧縮機 53 の駆動モータである力膨張タービン 55の稼動により回生される回生モータとなっている。

[0042] 第 4冷凍サイクル 51では、圧縮機 53で断熱圧縮された冷媒は、カスケードコンデンサ 54にお、て第 3冷凍サイクル 41の冷媒に蒸発潜熱を奪われて冷却される。その後膨張タービン 55を経て断熱膨張され、 120°Cの温度に冷却されて蒸発器 57に至る。蒸発器 57で冷却負荷ライン 58から供給された被冷却流体!:から蒸発潜熱を奪つて蒸発するとともに、被冷却流体 rを 100°C付近の超低温に冷却する。

[0043] 図 7にカスケードコンデンサ 54の構成を示す。図 7の Aはその立面図、 Bは平面図である。図 7において、カスケードコンデンサ 54は、内部が中空のサイクロン 540からなり、上部に第 2冷凍サイクル 41の冷媒である CO冷媒の入口管 541が水平にかつ

2

サイクロン 540に対して接線方向に取り付けられている。また 543は、第 5冷凍サイクル 51の冷媒である空気又は N冷媒の入口管で、サイクロン 540の下部に水平にか

2

つサイクロン 540に対して接線方向に取り付けられて、る。

[0044] 542は、サイクロン 540の下部に設けられた CO冷媒の出口管で、水平にかつサイ

2

クロン 540に対して接線方向に取り付けられている。 544は、空気又は N冷媒の出

2 口管でサイクロン 540の上部に取り付けられて、る。

力かる構成において、入口管 541からサイクロン 540の内部に供給された CO冷媒

2 は、固気二相状態でサイクロン 540の内面に沿って螺旋を描きながら、分子量が 44 と空気又は窒素に比べて重、ために下方に沈降して、く。

[0045] 一方入口管 543から供給された空気又は窒素は、サイクロン 540の内面沿って螺旋を描きながら、 COより軽いために上昇していく。 COと空気又は窒素は、サイクロ

2 2

ン 540内に互いに交流方向に供給されているため、それぞれの出口管 542又は 544 力出て行くが、このように直接接触式の熱交^^であるため、熱伝達効率が極めて良い。また両者は、分子量が大きく異なるため、それらの分離が容易である。

このように第 4実施例によれば、 80°Cの高温の給湯と 100°C近辺の超低温の冷熱源を同時に供給することができ、また安定した冷凍運転が可能で、効率の良い冷媒サイクルを実現することができる。

実施例 5

[0046] 次に本発明の第 5実施例を図 8に基づいて説明する。図 8において、第 1冷凍サイクル 21、第 2冷凍サイクル 31及び第 2冷凍サイクル 41は、前記第 3実施例と同一の構成であり、第 3実施例を示す図 5と同一の符号を付しており、これらの説明を省略する。

図 8において、 28は気液分離器であり、その液相部 28bが第 1冷凍サイクル 21の液相部分の冷媒流路 22 (膨張弁 25の上流側）に分岐管 29を介して連通されて、る。また気液分離器 36は、その液相部 36bが第 2冷凍サイクル 31の液相部分の冷媒流路 32 (膨張弁 34の上流側）に分岐管 37を介して連通されて、る。

[0047] 61及び 71は、各種の冷却負荷を有する建物（例えば病院、ホテル、レストラン等） 6 0の内部に略水平に配置された閉回路ループであり、閉回路ループ 61の始端は気液分離器 28の液相部 28bに接続され、終端は気液分離器 28の気相部 28aに接続されている。また閉回路ループ 62の始端は、気液分離器 36の液相部 36bに、終端は気相部 36aに接続されて、それぞれ冷媒液が矢印方向に流れている。

閉回路ループ 61の液相ライン 61bには、閉路状熱回路 62の始端が接続され、閉路状熱回路 61の気相ライン 61aには閉路状熱回路 62の終端が接続されている。閉路状熱回路 62には熱交 63が介設され、ここで閉回路ループ 61の液相ライン 6 lbから取り出した CO冷媒液の蒸発潜熱等を冷却負荷側の被冷却流体 rから奪って

2

冷却負荷側を冷却し、冷媒液は蒸発して気相となり、閉回路ループ 61の気相ライン 6 laに戻るように構成されて、る。

[0048] また閉回路ループ 71では、液相ライン 71bに始端が接続され、気相ライン 71aに終端が接続された閉路状熱回路 72が設けられ、閉路状熱回路 72では、膨張弁 73と、熱交^^ 74と、圧縮機 75とが介設された冷凍サイクルが構成されている。閉路状熱回路 72において、液相ライン 71bから取り出された CO冷媒液は、膨張弁 73で断熱

2

膨張し、熱交換器 74で冷却負荷側力も蒸発潜熱を奪って冷却負荷側の被冷却流体 rを冷却し、冷媒液は蒸発して気相となり、閉回路ループ 71の気相ライン 71aに戻るように構成されている。（なお閉回路ループ 61, 71については、本発明者等が先に提案した特開 2003— 329318号公報に詳しく開示されているのでこれを参照されたい。）

[0049] このように第 5実施例によれば、 80°Cの高温の給湯と— 80°C付近の極低温の冷熱を同時に供給することができるとともに、多様な冷却負荷を有する建物 (例えば病院、ホテル、レストラン等）の需要に十分に応じることができる。

また建物内の閉回路ループ 61, 71に供給される冷媒は、自然冷媒であり安全かつ無害な CO冷媒であり、安全に冷凍運転することができるとともに、第 1冷凍サイクル

2

21、第 2冷凍サイクル 31、及び建物 60内で配設される閉回路ループ 61, 71は、常に COの三重点以上の圧縮機及び温度レベルで運転されるために、冷媒流路内部

2

での抵抗増大や詰まりを生ぜず、安定した高効率な運転が可能となる。

産業上の利用可能性

[0050] 本発明によれば、高温の給湯と極低温の冷熱を同時に供給できるとともに、病院、ホテル、レストラン等多様な冷却負荷を要する場所の需要に十分に対応可能であるとともに、安定した冷凍運転と高効率で成績係数を向上させた安全で安価な CO冷

2 凍機を実現することができる。

Claims

請求の範囲

[1] CO (炭酸ガス)を冷媒とし、

2

2 2

2

サイクルとからなることを特徴とする CO冷凍機。

2

[2] 前記第 1の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第 2の中間冷却器を蒸発部とし、

前記中間冷却器と前記第 2の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第 2の中間冷却器を通り前記第 1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、

COの三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第 3の冷凍

2

サイクルとからなることを特徴とする請求項 1記載の CO冷凍機。

2

[3] CO (炭酸ガス)を冷媒とし、 COガスを超臨界域まで圧縮するとともに、

2 2

2

クルと、

2

ケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことにより COの三重点以下の圧力及び

2

温度レベルまで減圧して蒸発させる第 3の冷凍サイクルとからなることを特徴とする C o冷凍機。

2

[4] CHガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第 3の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第 3のカスケードコンデンサを備えた第 4の冷凍サイクルを付設したことを特徴とする請求項 3記載の CO冷凍機。

2

[5] 前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第 1〜第 3のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させて熱交換する接触式熱交換器で構成したことを特徴とする請求項 3又は 4記載の CO冷凍機。

2

[6] 前記第 1の冷凍サイクル又は前記第 3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループと、

該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路とを備えたことを特徴とする請求項 3記載の CO冷凍機。

2

[7] 前記第 1の冷凍サイクル又は前記第 3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と前記閉回路ループとの間に気液分離器を介在させてなることを特徴とする請求項 6記載の CO冷凍機。

2

[8] COの三重点以下の圧力及び温度レベルで使用される前記膨張手段をキヤビラリ

2

チューブ又は膨張タービンとすることを特徴とする請求項 1又は 3記載の CO冷凍機