JP2001091074A - カスケード式冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
必要がなく、且つプロパン冷媒単独使用時での爆発の危
険を防止できるようにしたカスケード式冷凍装置を提供
する。 【解決手段】 高段側(庫外)蒸発器4と低段側(庫
内)凝縮器6とを含むカスケードコンデンサCを共通と
して、高段側循環回路Aと低段側循環経路Bとを形成す
ることでカスケード方式の二元冷凍回路を構成する。高
段側循環経路Aの冷媒として自然系冷媒(プロパン等の
炭化水素系、アンモニア)を用い、低段側循環経路Bの
冷媒として炭酸ガスを用いる。冷媒を一定温度まで冷却
する補助コンデンサ9を、カスケードコンデンサCの低
段側凝縮器6の手前に設置する。
Description
蔵庫、超低温フリーザ、冷凍ショーケース、理化学機
器、バイオメディカル機器等への利用が可能なカスケー
ド式冷凍装置に関する。
れ、このガス冷媒を循環的に圧縮、凝縮、膨張、蒸発さ
せてガスの気化熱を利用して冷凍する。ガス冷媒として
は、従来フロンが用いられていたが、大気中に放出され
ると成層圏で紫外線によって分解され、塩素原子を放出
してオゾン層を破壊する。このため地表に届く有害紫外
線が増加するということで使用が禁止された。フロンの
代替物としては、例えばアンモニア、炭酸ガス、亜硫酸
ガス、プロパン等があり、これらは単独で使用するほか
プロパンと液化炭酸ガスとを所定の割合で混合して使用
する例(特開平6−17040号公報)が開示されてい
る。
単独で使用すると、作動圧(特に凝縮圧力)が極めて高
くなり、循環回路を構成する要素機器の信頼性が問題と
なる。叉、プロパン等の可燃性ガスを単独で使用する
と、庫内等の狭い閉空間にリークされて爆発の危険が伴
う等の問題がある。
るためになされ、炭酸ガス単独のような高圧力の必要が
なく、プロパン等の可燃ガス単独使用による爆発の危険
を防止できるようにしたカスケード式冷凍装置を提供す
ることを目的とする。
の技術的手段として、本発明は、高段側に自然系冷媒、
低段側に炭酸ガス冷媒を使用するカスケード式冷凍装置
を要旨とする。又、高段側蒸発器と低段側凝縮器を含む
カスケードコンデンサを共通とし、高段側循環回路と低
段側循環回路とを形成し、前記高段側循環経路の冷媒と
して自然系冷媒を用い、低段側循環経路の冷媒として炭
酸ガス冷媒を用いることを要旨とする。更に、高段側循
環経路の冷媒として炭化水素系冷媒を用いること、冷媒
を一定温度まで冷却するための補助コンデンサを、カス
ケードコンデンサの低段側凝縮器の手前に設置するこ
と、を要旨とするものである。
冷媒、低段側に炭酸ガス冷媒を用いることで高圧作動の
抑制と爆発の危険の問題を同時に解決することができ
る。叉、低段側カスケードコンデンサの前に補助コンデ
ンサを設置することにより、COP(成績係数)の向上
を期待することができる。
面に基づいて詳説する。図1は、本発明に係るカスケー
ド式冷凍装置を示す回路ブロック図であり、高段側(庫
外)と低段側(庫内)とでそれぞれ循環回路が形成さ
れ、高段側蒸発器と低段側凝縮器とを含むカスケードコ
ンデンサCを共通としている。
高段側凝縮器2と、高段側膨張弁3と高段側蒸発器4と
を直列に接続して形成され、低段側循環回路Bは、低段
側圧縮機5と、低段側凝縮器6と、低段側膨張弁7と、
低段側蒸発器8とを直列に接続して形成され、更に低段
側圧縮機5と低段側凝縮器6との間に補助コンデンサ9
を接続することが好ましい。
置において、高段側循環回路Aには冷媒として自然系冷
媒(例えばプロパン、メタン等の炭化水素系或はアンモ
ニアガス)が用いられ、低段側循環回路Bには冷媒とし
て炭酸ガスが用いられる。
動圧が極めて高くなるが、本発明では炭酸ガスをカスケ
ード回路の低段側に使用することにより作動圧を低く抑
え、炭酸ガス特有の低温域での良好な熱交換性を有効活
用できる。叉、高段側における自然系冷媒を庫外で使用
することにより、庫内での爆発の危険を防ぐことができ
る。
は省略したが二重配管(対向流)を介して冷媒間のみで
熱交換が行われ、即ち理想状態では高段側蒸発器4と低
段側凝縮器6との交換熱量は等しいものとする。図2
は、圧力とエンタルピとの関係を示す図であり、ここに
おいて低段側凝縮温度と高段側蒸発温度の差(以下、Δ
T)が大きくなると効率即ち成績係数(COP)が落ち
込むが、前記のように補助コンデンサ9を低段側カスケ
ードコンデンサの前に設置し、冷媒を一定温度まで冷却
することでCOPを向上させることが可能となる。
ラメータとしてCOP、熱量をそれぞれ計算した結果を
示す。ここでは、深温領域におけるプロパンやR404
Aを用いた単段回路及び補助コンデンサ9がない場合と
の効率比較も併せて行った。図3(イ)から分かるよう
に、高段側の過熱度を大きくとった方が高効率を期待で
き、プロパンやR404A単段回路のCOPに比べてカ
スケード回路のCOPは−30℃〜−55℃において劣
るものの、−60℃以下の領域ではその差が殆どなく、
十分に実用レベルにあると言える。叉、低段側カスケー
ドコンデンサの手前に補助コンデンサ9を設置すると、
高段側蒸発器過熱度10degの時に0.1〜015の
COP上昇が見込める。
タとした場合のCOP、熱量の計算結果を示す。図4
(イ)から明らかなように、COPにはΔT=5℃近傍
にピーク点の存在することが確認された。叉、高段側圧
縮機1の排除容積割合を90%、80%とすると、より
大きなCOPを得ることも可能であると言える。高段側
圧縮機1の排除容積を減少させると、COPのピーク点
はΔTの小さい領域に移動し、その絶対量は増加するこ
とがわかる。カスケード方式の上段側にプロパン、下段
側に炭酸ガスを使用した自然系冷媒による冷凍回路にお
いても、高段側圧縮機に適切な冷凍回路と同程度のCO
Pを得ることが可能である。尚、本発明は、実施形態の
ものに限定されず、多元冷凍回路にも適用することが可
能である。
高段側に自然系冷媒、低段側に炭酸ガス冷媒を用いたの
で、高圧作動の抑制と爆発の危険回避を同時に達成でき
る効果を奏する。叉、低段側カスケードコンデンサの前
に補助コンデンサを設置することで、成績係数(CO
P)を向上させる効果も期待できる。
す回路ブロック図
あって、(イ)は低段側蒸発温度とCOPとの関係図、
(ロ)は低段側蒸発温度と熱量との関係図
T)をパラメータとした解析結果であって、(イ)はΔ
TとCOPとの関係図、(ロ)はΔTと熱量との関係図
Claims (4)
- 【請求項1】カスケード式冷凍装置において、高段側に
自然系冷媒、低段側に炭酸ガス冷媒を使用することを特
徴とするカスケード式冷凍装置。 - 【請求項2】高段側蒸発器と低段側凝縮器を含むカスケ
ードコンデンサを共通とし、高段側循環回路と低段側循
環回路とを形成し、前記高段側循環経路の冷媒として自
然系冷媒を用い、低段側循環経路の冷媒として炭酸ガス
冷媒を用いる請求項1記載のカスケード式冷凍装置。 - 【請求項3】高段側循環経路の冷媒として炭化水素系冷
媒を用いた請求項2記載のカスケード式冷凍装置。 - 【請求項4】冷媒を一定温度まで冷却するための補助コ
ンデンサをカスケードコンデンサの低段側凝縮器の手前
に設置した請求項2叉は3記載のカスケード式冷凍装
置。
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