JP2005226913A - 遷臨界冷媒サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、低圧側にアキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止する。
【解決手段】 圧縮機１１、ガスクーラ１２、減圧装置としてのキャピラリーチューブ１４、蒸発器１５等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置１において、ガスクーラ１２から出た冷媒と蒸発器１５から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器４５を備え、この内部熱交換器４５は、ガスクーラ１２からの冷媒が流れる高圧側流路６４と、この高圧側流路６４と交熱的に配設され、蒸発器１５からの冷媒が流れる低圧側流路６６とを有し、高圧側流路６４には冷媒を下から上に流し、低圧側流路６６には冷媒を上から下に流す。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となり得る遷臨界冷媒サイクル装置に関するものである。

従来のこの種冷媒サイクル装置は、ロータリコンプレッサ（圧縮機）、ガスクーラ、減圧装置（膨張弁やキャピラリチューブ等）及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒サイクル（冷媒回路）が構成されている。そして、ロータリコンプレッサの回転圧縮要素の吸込ポートから冷媒ガスがシリンダの低圧室側に吸入され、ローラとベーンの動作により圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側より吐出ポート、吐出消音室を経てガスクーラに吐出される。このガスクーラにて冷媒ガスは放熱した後、絞り手段で絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮するものであった。

ここで、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する遷臨界冷媒サイクルを用いた装置が開発されて来ている。

このような遷臨界冷媒サイクル装置では、コンプレッサ内に液冷媒が戻って、液圧縮することを防ぐために、蒸発器の出口側とコンプレッサの吸込側との間の低圧側にアキュムレータを配設し、このアキュムレータに液冷媒を溜め、ガスのみをコンプレッサに吸い込ませる構成とされていた。そして、アキュムレータ内の液冷媒がコンプレッサに戻らないように減圧装置を調整していた（例えば、特許文献１参照）。
特公平７−１８６０２号公報

しかしながら、冷媒サイクルの低圧側にアキュムレータを設けることは、その分多くの冷媒充填量を必要とする。また、液バックを防止するためにはアキュムレータの容量を拡大したり、減圧装置の絞り調整を行わなければならず、設置スペースの拡大や蒸発器１５における冷凍能力の低下を招いていた。

本発明の遷臨界冷媒サイクル装置は、圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となり得るものであって、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、この内部熱交換器は、ガスクーラからの冷媒が流れる高圧側流路と、この高圧側流路と交熱的に配設され、蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路とを有し、高圧側流路には冷媒を下から上に流し、低圧側流路には冷媒を上から下に流すものである。

請求項２の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、上記発明において内部熱交換器は、内管と外管とから成る二重管より構成され、内管内に高圧側流路を、内管と外管の間に低圧側流路をそれぞれ構成したものである。

請求項３の発明の遷臨界冷媒サイクル装置では、請求項１の発明において内部熱交換器は、内部に二系統の流路が構成された積層板により構成され、一方の流路を高圧側流路とし、他方の流路を低圧側流路としたものである。

本発明では、ガスクーラから出た冷媒と蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、該内部熱交換器は、ガスクーラからの冷媒が流れる高圧側流路と、該高圧側流路と交熱的に配設され、蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路とを有するので、内部熱交換器によりガスクーラから減圧装置に入る冷媒の温度を下げて蒸発器におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができる。

特に、高圧側流路には冷媒を下から上に流し、低圧側流路には冷媒を上から下に流すようにしたので、高圧が超臨界圧力より下がった場合には、余剰冷媒を内部熱交換器の高圧側流路に溜め込むことが可能となり、低外気温時などに低圧側に流れ込む余剰冷媒を低減させて圧縮機の破損などの不都合を未然に回避することができるようになる。

また、請求項２の如く二重管により内部熱交換器を構成し、或いは、請求項３の如く積層式の内部熱交換器とすることで、ガスクーラからの冷媒と蒸発器からの冷媒との熱交換を円滑に行わせ、且つ、低外気温時などにおける高圧側流路への冷媒の貯溜も支障無く行えるようになる。

本発明は、係る従来技術を解決するため、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷媒サイクル装置において、低圧側にアキュムレータを設けることなく、圧縮機の液圧縮による損傷の発生を防止することを目的とする。以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の一実施例の冷媒回路図である。尚、本発明の遷臨界冷媒サイクル装置は、自販機、空気調和機、冷蔵庫又はショーケース等に使用されるものである。

図１において、１０は遷臨界冷媒サイクル装置１の冷媒回路であり、圧縮機１１、ガスクーラ１２、減圧装置としてのキャピラリチューブ１４、蒸発器１５等を環状に接続することにより構成されている。

即ち、圧縮機１１の冷媒吐出管３４はガスクーラ１２の入口に接続されている。ここで、実施例の圧縮機１１は、内部中間圧型２段圧縮式のロータリコンプレッサであり、密閉容器１１Ａ内に駆動要素としての電動要素２４と、当該電動要素２４により駆動される第１及び第２の回転圧縮要素５０、５２にて構成されている。

図中３０は圧縮機１１の第１の回転圧縮要素５０に冷媒を導入するための冷媒導入管であり、この冷媒導入管３０の一端は第１の回転圧縮要素５０の図示しないシリンダと連通している。この冷媒導入管３０の他端は後述する内部熱交換器４５の低圧側流路６６の出口６６Ｂに接続されている。

図中３２は、第１の回転圧縮要素５０で圧縮された冷媒を第２の回転圧縮要素５２に導入するための冷媒導入管である。この冷媒導入管３２は、圧縮機１１の外部の中間冷却回路１５０を通過するように設けられている。当該中間冷却回路１５０には、第１の回転圧縮要素５０で圧縮された冷媒を冷却するための熱交換器１５２が設置されており、第１の回転圧縮要素５０で圧縮された中間圧の冷媒は、熱交換器１５２にて冷却された後、第２の回転圧縮要素５２に吸い込まれる構成とされている。また、この熱交換器１５２は、ガスクーラ１２と一体に形成されており、熱交換器１５２とガスクーラ１２の近傍には、当該熱交換器１５２及びガスクーラ１２に通風して冷媒を放熱させるためのファン２２が設置されている。尚、前記冷媒吐出管３４は第２の回転圧縮要素５２で圧縮された冷媒を放熱器１２に吐出させるための冷媒配管である。

一方、放熱器１２の出口側に接続された冷媒配管３６は前記内部熱交換器４５の高圧側流路６４の入口６４Ａに接続されている。前述する内部熱交換器４５は、ガスクーラ１２から出た高圧側の冷媒と蒸発器１５から出た低圧側の冷媒とを熱交換させるためのものである。この内部熱交換器４５は、図２に示すように内管６０と外管６２とから成る二重管より構成され、外管６２の外周は断熱材６３により覆われている。そして、内管６０内にはガスクーラからの冷媒が流れる高圧側流路６４、当該内管６０と外管６２の間には蒸発器１５からの冷媒が流れる低圧側流路６６がそれぞれ形成され、高圧側流路６４と低圧側流路６６とは交熱的に配置されている。

また、当該高圧側流路６４には冷媒を下から上に流すように、入口６４Ａが下側に、出口６４Ｂが上側に形成されている。即ち、ガスクーラ１２からの高圧側冷媒は、下側の入口６４Ａから高圧側流路６４に入り、上側の出口６４Ｂから高圧側流路６４を出るものとされている。

一方、低圧側流路６６には冷媒を上から下に流すように、入口６６Ａが上端に、出口６６Ｂが下端に形成されている。即ち、蒸発器１５からの低圧側冷媒は、上端の入口６６Ａから低圧側流路６６に入り、下端の出口６６Ｂかた低圧側流路６６を出るものとされている。

これにより、高圧側流路６４と低圧側流路６６とを流れる冷媒は対向流となるので、当該内部熱交換器４５における熱交換能力が向上する。

更に、高圧側流路６４には冷媒を下から上に流し、低圧側流路６６には冷媒を上から下に流すようにしたことで、高圧が超臨界圧力より下がった場合には、余剰冷媒を内部熱交換器４５の高圧側流路６４に溜め込むことができるようになる。これにより、低外気温時などに低圧側に流れ込む余剰冷媒を低減させて圧縮機１１の破損などの不都合を未然に回避することができるようになる。

他方、内部熱交換器４５の高圧側流路６４の出口６４Ｂに接続された配管は、膨張弁１４を経て蒸発器１５に接続されている。そして、蒸発器１５を出た配管は内部熱交換器４５の低圧側流路６６の入口６６Ａに接続されている。

尚、遷臨界冷媒サイクル装置１の冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）が用いられ、当該遷臨界冷媒サイクル装置１の冷媒回路１０の高圧側は超臨界圧力となる。

以上の構成で次に本発明の遷臨界冷媒サイクル装置１の動作を説明する。圧縮機１１の電動要素２４が起動されると、低圧の冷媒ガスが圧縮機１１の第１の回転圧縮要素５０に吸い込まれて圧縮され、中間圧となり、密閉容器１１Ａ内に吐出される。密閉容器１１Ａ内に吐出された冷媒は、冷媒導入管３２から一旦密閉容器１１Ａの外部に吐出され、中間冷却回路１５０に入り、熱交換器１５２を通過する。そこで、冷媒はファン２２による通風を受けて放熱する。

このように、第１の回転圧縮要素５０で圧縮された冷媒を熱交換器１５２により冷却した後、第２の回転圧縮要素５２に吸い込ませることで、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素５２から吐出される冷媒ガスの温度を低下することができる。

その後、冷媒は第２の回転圧縮要素５２に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管３４より圧縮機１１の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。

冷媒吐出管３４から吐出された冷媒はガスクーラ１２に流入し、そこでファン２２による通風を受けて放熱した後、内部熱交換器４５の高圧側流路６４の入口６４Ａから内管６０内に形成された高圧側流路６４に流入する。そして、高圧側流路６４に入った冷媒は高圧側流路６４内を下から上に向かって流れる。ここで、前述の如く高圧側流路６４と低圧側流路６６とは交熱的に配設されているため、高圧側流路６４を流れるガスクーラ１２からの冷媒は低圧側流路６６を流れる蒸発器１５からの冷媒に熱を奪われて冷却される。

これにより、ガスクーラ１２からキャピラリチューブ１４に入る冷媒の温度を下げることができるので、蒸発器１５におけるエントロピー差を拡大することができるようになる。従って、蒸発器１５における冷凍能力を向上させることができるようになる。

一方、内部熱交換器４５で冷却され、出口６４Ｂから出た高圧側の冷媒はキャピラリチューブ１４に至る。尚、キャピラリチューブ１４の入口では冷媒ガスはまだ気体の状態である。冷媒はキャピラリチューブ１４における圧力低下により、ガス／液体の二相混合体とされ、その状態で蒸発器１５内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。

このとき、前述の如く中間冷却回路１５０にて中間圧の冷媒を冷却する効果と、内部熱交換器４５にて冷媒を冷却して、蒸発器１５におけるエントロピー差を拡大させる効果により、蒸発器１５における冷凍能力の向上を図ることができるようになる。

その後、冷媒は蒸発器１５から流出して内部熱交換器４５の内管６０と外管６２の間の低圧側流路６６に入口６６Ａから入る。そして、低圧側流路６６に入った冷媒は内管６０と外管６２の間の低圧側流路６６を上から下に向かって流れる。ここで、蒸発器１５で蒸発し低温となり、蒸発器１５を出た冷媒は、完全に気体の状態でなく液体が混在した状態となる場合もあるが、内部熱交換器４５の低圧側流路６６を通過させて、前記高圧側流路６４を流れる冷媒と熱交換させることで、冷媒が加熱され、この時点で冷媒の過熱度が確保され完全に気体の状態になる。

これにより、圧縮機１１に液冷媒が吸い込まれて、圧縮機１１が破損するなどの不都合を未然に回避することができるようになる。

尚、内部熱交換器４５で加熱された冷媒は、冷媒導入管３０から圧縮機１１の第１の回転圧縮要素５２内に吸い込まれるサイクルを繰り返す。

このように、ガスクーラ１２からの冷媒が流れる高圧側流路６４と、この高圧側流路６４と交熱的に配設され、蒸発器１５からの冷媒が流れる低圧側流路６６とを有する内部熱交換器４５を設けることで、ガスクーラ１２からキャピラリチューブ１４に入る冷媒の温度を下げて蒸発器１５におけるエントロピー差を拡大して冷凍能力を向上させることができるようになる。

特に、高圧側流路６４には冷媒を下から上に流し、低圧側流路６６には冷媒を上から下に流すようにしたので、高圧が超臨界圧力より下がった場合には、余剰冷媒を内部熱交換器４５の高圧側流路６４に溜め込むことが可能となり、低外気温時などに低圧側に流れ込む余剰冷媒を低減させて圧縮機１１の破損などの不都合を未然に回避することができるようになる。

また、内部熱交換器４５を内管６０と外管６２とから成る二重管より構成し、内管６０内に高圧側流路６４を、内管６０と外管６２の間に低圧側流路６６をそれぞれ構成したので、ガスクーラ１２からの冷媒と蒸発器１５からの冷媒との熱交換を円滑に行わせることができるようになる。更に、低外気温時などにおける高圧側流路６４への冷媒の貯溜も支障無く行えるようになる。

これらにより、遷臨界冷媒サイクル装置１の信頼性の向上を図りながら、冷凍能力の向上を図ることができるようになる。

尚、本実施例では、内部熱交換器４５は、内管６０と外管６２とから成る二重管構造としたが、これに限らず、内部に二系統の流路が構成された鋼板を積層することにより構成するものとしてもしても構わない。

この場合においても、一方の流路を高圧側流路とし、他方の流路を低圧側流路として、両流路を交熱的に配設すると共に、高圧側流路には冷媒を下から上に流し、低圧側流路には冷媒を上から下に流すことで、本実施例と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例では減圧装置としてキャピラリチューブ１４を使用するものとしたが、これに限らず、電気式若しくは機械式の膨張弁等を使用するものとしても構わない。

本発明の遷臨界冷媒サイクル装置の一実施例の冷媒回路図である。 図１の遷臨界冷媒サイクル装置の内部熱交換器の内部構成図である。

符号の説明

１ 遷臨界冷媒サイクル装置
１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１２ ガスクーラ
２２ ファン
１４ キャピラリチューブ
１５ 蒸発器
２４ 電動要素
３０、３２ 冷媒導入管
３４ 冷媒吐出管
４５ 内部熱交換器
５０ 第１の回転圧縮要素
５２ 第２の回転圧縮要素
６０ 内管
６２ 外管
６３ 断熱材
６４ 高圧側流路
６４Ａ、６６Ａ 入口
６４Ｂ、６６Ｂ 出口
６６ 低圧側流路
１５０ 中間冷却回路
１５２ 熱交換器

Claims (3)

1. 圧縮機、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となり得る遷臨界冷媒サイクル装置において、
   前記ガスクーラから出た冷媒と前記蒸発器から出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、
   該内部熱交換器は、前記ガスクーラからの冷媒が流れる高圧側流路と、該高圧側流路と交熱的に配設され、前記蒸発器からの冷媒が流れる低圧側流路とを有し、
   前記高圧側流路には冷媒を下から上に流し、前記低圧側流路には冷媒を上から下に流すことを特徴とする遷臨界冷媒サイクル装置。
2. 前記内部熱交換器は、内管と外管とから成る二重管より構成され、前記内管内に前記高圧側流路を、前記内管と外管の間に前記低圧側流路をそれぞれ構成したことを特徴とする請求項１の遷臨界冷媒サイクル装置。
3. 前記内部熱交換器は、内部に二系統の流路が構成された積層板により構成され、一方の流路を前記高圧側流路とし、他方の流路を前記低圧側流路としたことを特徴とする請求項１の遷臨界冷媒サイクル装置。

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