JP2002310518A - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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JP2002310518A
JP2002310518A JP2001116348A JP2001116348A JP2002310518A JP 2002310518 A JP2002310518 A JP 2002310518A JP 2001116348 A JP2001116348 A JP 2001116348A JP 2001116348 A JP2001116348 A JP 2001116348A JP 2002310518 A JP2002310518 A JP 2002310518A
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liquid
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Junichi Hirohashi
純一 廣橋
Makoto Otawara
信 太田原
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02Subcoolers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/06Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure

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  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍装置において、凝縮器液出口の液冷媒配
管中の液冷媒に気泡が混入しても安定した運転状態を確
保し、冷凍能力の低下を防止する。 【解決手段】 圧縮機、凝縮器、該凝縮器からの液冷
媒を過冷却するための冷却手段を有する過冷却器、膨張
弁及び蒸発器を備えた冷凍サイクルからなる冷凍装置に
おいて、前記過冷却器の冷却手段入口が前記膨張弁の下
流側配管に接続され、また同じく冷却手段出口が前記蒸
発器の上流側配管に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍サイクルを用
いる冷凍装置に係り、空気調和機、冷凍機、冷水機、除
湿機等の冷凍装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、冷凍装置に使用されてきた特定フ
ロン(CFC系冷媒)は、1996年年初より生産全廃
となった。指定フロン(HCFC系冷媒)は1996年
より生産の総量規制開始となり、それらの代替として安
全性、性能等の面からHFC系冷媒が注目されている。
【0003】HFC系冷媒の代表としてR134aが、
HFC系混合冷媒の代表としてR404A、R507A
及びR407C等があるが、CFC、HCFC系冷媒と
比較して、圧縮機吸入ガス密度が大きく、圧縮機の入口
体積は一定であることより、ガス重量が大きくなって、
冷媒循環量が多くなり、結果として液配管中の圧力損失
が大きくなり、過冷却度が下がると共に、飽和温度降下
度も大きく液配管中で冷媒気泡が発生しやすい。
【0004】また、CFC、HCFC系冷媒と比較し
て、液冷媒の比熱が大となるため、液過冷却度が小とな
る傾向がある。また、受液器又は凝縮器の液冷媒だめ部
において液冷媒部にガス冷媒気泡が溶け込みやすい特徴
がある。
【0005】気泡を多く含む液冷媒は比体積が大きいの
で、従来の図5のような冷凍サイクルでは膨張弁3がチ
ョークして、冷媒循環量が減少し、その結果、蒸発器4
における冷媒の蒸発量が減少し、これに伴って冷凍能力
の低下や、圧縮機1に吸入されるガス冷媒温度の上昇に
基づく圧縮機1の耐久性の低下等の不具合が発生するこ
とがあった。
【0006】そこで、従来より冷凍サイクルにおいて凝
縮器2下流の液冷媒配管6に冷媒気泡が混入するのを防
止する対策がとられた。
【0007】第1の従来例として特開平6−11212
号公報に開示されたものがある。これは冷凍サイクルを
形成する受液器に関するものであり、受液器上部に下方
ほど径の大きい円錐面または半球面の外面を上にした案
内部を有しており、液ガス混合冷媒はこの円錐部または
半球面の下方の内面に導かれて円筒形壁面を伝わって液
冷媒の中へ静かに流下させ、液冷媒の中での気泡の発生
を減少させるものである。
【0008】第2の従来例として、水冷式凝縮器の場合
に冷媒封入量を増し、液冷媒の過冷却度を確保するとい
う方法がある。
【0009】また、第3の従来例として、吸入ガスと液
冷媒とを熱交換する液ガス熱交換という方法が、特開平
9−196480号公報に開示されている。すなわち、
本公報には、低温ガス冷媒と熱交換して冷凍室の温度を
下げるための蒸発器と、該蒸発器からのガス冷媒を吸入
してこれを圧縮するための圧縮機と、該圧縮機からの高
温高圧ガス冷媒を水等と熱交換して凝縮し液冷媒とする
ための凝縮器と、該凝縮器からの液冷媒を過冷却するた
めの冷却管を有する過冷却器と、該過冷却器からの液冷
媒を膨張させ低温ガス冷媒とするための膨張弁と、を備
え、これらの機器を配管接続して冷凍サイクルを構成す
る冷凍装置において、前記過冷却器の冷却管入口が前記
蒸発器の下流側配管に接続され、また同じく冷却管出口
が前記圧縮機の吸入側配管に接続される冷凍装置につい
ての例が示されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
従来例では、液冷媒配管6の液冷媒の過冷却度が不足
し、液冷媒配管6内で再び気泡が発生するという問題点
があった。
【0011】また、第2の従来例では、価格の高いHF
C冷媒を多く封入する必要があり、コスト高となるとい
う問題点があった。
【0012】さらに、本願発明に最も近い第3の従来例
では、液ガス熱交換により、圧力損失が生じこの影響で
吸入ガス密度が低下し、冷媒循環量が低下し、冷凍能力
が低下する。例えば、過冷却器のない標準サイクルに対
する本従来例の冷凍能力の低下は、蒸発温度0℃として
約15%、−40℃として約10%となるという問題点
があった。
【0013】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点を解決し、液冷媒配管に気泡が混入しても安定し
た運転状態を確保し、冷凍能力の低下を防止する冷凍装
置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明による冷凍装置は、特許請求の範囲の各請求
項に記載されたところを特徴とするものであるが、独立
発明としての請求項1に係る冷凍装置は、圧縮機、凝縮
器、該凝縮器からの液冷媒を過冷却するための冷却手段
を有する過冷却器、膨張弁及び蒸発器を備えた冷凍サイ
クルからなる冷凍装置において、前記過冷却器の冷却手
段入口が前記膨張弁の下流側配管に接続され、また同じ
く冷却手段出口が前記蒸発器の上流側配管に接続されて
いることを特徴とするものである。
【0015】
【作用】本発明におけるモリエル線図を図4に示す。気
泡を含む液冷媒が状態c、過冷却器液冷媒出口が状態
d、膨張弁下流の過冷却器ガス冷媒入口が状態e、蒸発
器4上流の過冷却器ガス冷媒出口が状態fを表してい
る。なお、aは圧縮機への吸入口の状態を表している。
【0016】本モリエル線図において過冷却器における
熱交換量は、以下の式によって示される。
【0017】G(ic−id)=G(if−ie)
(G;冷媒循環量) 一方、冷凍能力はG(ia−if)で示される。ここで冷
媒循環量Gは、過冷却器の有無に関係無く一定値であ
る。また、冷凍能力に関するエンタルピ差(ia−if
も過冷却器の有無に関係無く一定値である。すなわち、
本発明のように過冷却器を設けることは、液冷媒中の気
泡を液化させるだけで冷凍能力には何ら影響を及ぼさ
ず、過冷却器のない標準サイクルと等しい冷凍能力を有
し、第3の従来例のような冷凍能力の低下は生じない。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の冷凍装置に係る実
施例を図1ないし図3に基づいて説明する。
【0019】図1は、本発明の第一実施例を示す冷凍サ
イクル系統図である。冷凍装置は、スクリュー式あるい
はスクロール式等の圧縮機1、凝縮器2、膨張弁3、蒸
発器4、過冷却器5及び液冷媒配管6等で構成されてい
る。
【0020】図1において、過冷却器5は、被冷却側が
過冷却器液冷媒入口7から過冷却器液冷媒出口8へ液冷
媒を通す被冷却手段5aで構成され、冷却側は過冷却器
ガス冷媒入口9から過冷却器ガス冷媒出口10へとガス
冷媒を通す冷却手段5bで構成され、被冷却手段5a
は、凝縮器2の下流側であってかつ温度駆動方式あるい
は電子駆動方式の膨張弁3の上流側に設けられると共
に、冷却手段5bは、膨張弁3の下流側であってかつ蒸
発器4の上流側に設けられている。
【0021】また、温度式膨張弁の感温筒及び均圧管か
らなる冷媒流量調整手段11は、感温筒を蒸発器4の下
流の配管に密着し、膨張弁3の開度を制御する。本制御
の方法により、蒸発器4に十分な潜熱を持ったガス冷媒
が供給できる。
【0022】このような構成で、圧縮機1で圧縮された
ガス冷媒は、凝縮器2に送られて冷却水等と熱交換して
凝縮され液冷媒となる。さらに、凝縮器2液出口後に設
けられた過冷却器5で気泡が混入した液冷媒を完全に液
化、過冷却し、冷媒は膨張弁3に送られて膨張され、湿
りガス状となる。湿りガス状となった冷媒は、再び過冷
却器5に流入し、気泡が混入した液冷媒を冷却した後、
冷媒配管を通して蒸発器4へ送られて被冷却物との熱交
換後、ガス冷媒となって圧縮機1に吸入される。
【0023】ここで過冷却器5には、プレート熱交式、
シェルアンドチューブ式等いかなる熱交換器でも使用可
能である。
【0024】過冷却器液冷媒入口7より被冷却手段5a
に流入する気泡を含んだ液冷媒は、膨張弁3を通過して
蒸発温度となったガス冷媒により冷却され、前記気泡を
完全に液化し、該液冷媒は過冷却器液出口8より流出す
る。過冷却器5より流出した液冷媒は膨張弁3を通過
し、蒸発温度となり、過冷却器ガス入口9より冷却手段
5bに流入し、前述した気泡を含んだ液冷媒を冷却し、
過冷却器ガス出口10より流出し、蒸発器4へ流入す
る。
【0025】過冷却器5から蒸発器4の間の配管は乾き
度の高い冷媒が流れるため、圧力損失を低減するため、
凝縮器2から過冷却器5の間の配管より太くする。
【0026】図2は、本発明の第二実施例を示す冷凍装
置サイクル系統図である。図2において図1の冷凍装置
と異なる点は、凝縮器2と過冷却器5の間に、受液器1
2が配設されていることである。受液器12から流出す
る液冷媒は、被冷却側の配管に入り、冷却側のガス冷媒
と熱交換し、液冷媒を過冷却する。受液器12を設ける
ことにより一定の冷媒量を初期設定時に確保できる。
【0027】図3は、本発明の第三実施例を示す冷凍装
置サイクル系統図である。図3において図1の冷凍装置
と異なる点は、過冷却器5が受液器12を兼ねており、
その内部には、液冷媒が滞留している。液冷媒が被冷却
側であり、過冷却器5内の下部には冷却側のガス冷媒の
通るガス冷媒配管が設けてあり、通常は滞留している液
冷媒に浸っている。膨張弁3で断熱膨張して冷却された
ガス冷媒がガス冷媒配管の中を通過する時に、過冷却器
5内に滞留している液冷媒と熱交換し、液冷媒を過冷却
する。本過冷却器5であれば受液器12の機能を有しな
がら、受液器12を省くことができる。
【0028】過冷却器内の気泡の液化に必要な空冷式の
伝熱面積を、水冷式の伝熱面積と比較を行う。運転条件
を蒸発温度0℃、凝縮温度40℃、水冷式の場合の冷却
水入口温度32℃、出口温度37℃と仮定した場合、本
発明で必要な過冷却器の伝熱面積は水冷式の場合と比較
して約1/8で済むことになる。これは、本発明による
過冷却器内の冷却側の温度が、冷凍サイクルの蒸発温度
であり、冷却側と被冷却側の温度差が大きいことによ
る。
【0029】
【発明の効果】以上に述べたごとく、本発明によれば凝
縮器液出口配管に気泡を含んだ液冷媒が流出しても過冷
却器で完全に液化されるため、膨張弁のチョークを防ぐ
ことにより冷凍能力の低下を防ぎ、冷凍能力は現状のま
まで安定した運転を維持できるようになる。
【0030】また、液冷媒中の気泡の混入を防止するた
めには受液器又は凝縮器の液冷媒溜め部の冷媒封入量を
増す必要があったが、本発明により液溜め部の冷媒量を
最小限にし、冷媒封入量を削減でき、地球環境面におい
て温暖化防止などに寄与するだけでなく、冷凍装置の低
コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例を示すサイクル系統図を示
す。
【図2】本発明の第二実施例を示すサイクル系統図を示
す。
【図3】本発明の第三実施例を示すサイクル系統図を示
す。
【図4】本発明のモリエル線図を示す。
【図5】従来技術であるサイクル系統図を示す。
【符号の説明】 1…圧縮機 2…凝縮器 3…膨張弁 4…蒸発器 5…過冷却器 5a…被冷却手段 5b…冷却手段 6…液冷媒配管 7…過冷却器液入口 8…過冷却器液出口 9…過冷却器ガス入口 10…過冷却器ガス出口 11…冷媒流量調整手段 12…受液器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮機、凝縮器、該凝縮器からの液冷媒
    を過冷却するための冷却手段を有する過冷却器、膨張弁
    及び蒸発器を備えた冷凍サイクルからなる冷凍装置にお
    いて、 前記過冷却器の冷却手段入口が前記膨張弁の下流側配管
    に接続され、また同じく冷却手段出口が前記蒸発器の上
    流側配管に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
  2. 【請求項2】 前記冷媒は、HFC系冷媒であることを
    特徴とした請求項1に記載の冷凍装置。
  3. 【請求項3】 前記冷媒は、HFC系混合冷媒であるこ
    とを特徴とした請求項1に記載の冷凍装置。
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