JP2005337700A - 冷媒冷却回路 - Google Patents

Abstract

【課題】内部熱交換器での熱交換効率を向上させて、高圧側の圧力上昇を抑え、蒸発器を通過した冷媒の液化を促進させ、圧縮機への冷凍機油の戻りを良くする。
【解決手段】抵抗管路をなす複数の高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装して、低圧側冷媒配管１４Ｂを断熱材１４Ｃで被覆する。これにより高圧側冷媒配管１４Ａと低圧側冷媒配管１４Ｂとの相互の熱交換面積を大きく取れ、かつ、外気の影響を受け難いので熱交換効率が向上する。熱交換効率の向上により、ガスクーラーで冷媒が液化しやすくなるので高圧側の圧力上昇を抑えられ、冷凍機油を圧縮機に戻し易くなる。また、高圧側冷媒配管１４Ａおよび低圧側冷媒配管１４Ｂを上下方向に螺旋状に形成し、低圧側冷媒配管１４Ｂが上方から下方に冷媒を送り、高圧側冷媒配管１４Ａが下方から上方にて冷媒を送る形態であるため、圧縮機への冷凍機油の送りが良くなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば断熱筐体の庫内の冷却を行うための冷媒循環経路を形成する冷媒冷却回路に関するものである。

従来、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍ショーケース・冷蔵ショーケース、あるいは飲料ディスペンサなどの断熱筐体の冷却庫内を冷却するための冷媒冷却回路が知られている。冷媒冷却回路は、主に圧縮機、放熱器、絞り部、蒸発器を経て冷媒を循環する冷媒循環経路を形成してある。そして、冷媒冷却回路を循環する冷媒としては、地球環境に対する影響の少ない冷媒が使用してある。例えば、不燃性、安全性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ないなどの点で、二酸化炭素を冷媒として使用してある。

上記冷媒冷却回路では、圧縮機の出口側から放熱器を経て絞り部の入口側までの高圧側における放熱器と絞り部との間、絞り部の出口側から蒸発器を経て圧縮機の入口側までの低圧側における蒸発器と圧縮機との間に内部熱交換器を設けてある。この内部熱交換器は、高圧側の冷媒管路と低圧側の冷媒管路とを、互いに熱交換可能な距離を有して非接触向流するように配設してある。これにより、放熱器から得られる冷媒が液化しやすくなる一方、蒸発器から気化した冷媒が圧縮機に供給されることになる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−５４４２４号公報

ところで、冷媒冷却回路の冷媒として二酸化炭素を使用すると、当該二酸化炭素の臨界温度が約３１℃と低いことから、従前の冷媒（例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン））を使用したときと比較してはるかに圧力が高くなる。そして、上述した従来の冷媒冷却回路では、内部熱交換器が高圧側の冷媒管路と低圧側の冷媒管路とを単純に熱交換可能な距離をおいて設けてあるだけである。このため、内部熱交換器での熱交換効率が悪く、蒸発器を通過した二酸化炭素が一部液化したままで圧縮機に供給されるという問題がある。

また、内部熱交換器の熱交換効率が悪いと、放熱器の温度が二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）を越える場合がある。この場合、放熱器において二酸化炭素が気化したままで液化しなくなる超臨界圧力の状態となる。二酸化炭素が一部気化したままであると、高圧側の圧力上昇を抑えることができなくなる。

また、圧縮機では、その内部に冷凍機油を完全に封止することが困難であり、冷媒循環経路の循環運転時に圧縮機から冷凍機油が吐出される。内部熱交換器の熱交換効率が悪いと、圧縮機から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機に戻すことが難しくなる。

なお、断熱筐体に複数の冷却庫を有し、各冷却庫内をそれぞれ独立して冷却する場合、具体的には、例えば自動販売機において、複数の商品収納庫をそれぞれ独立して冷却する場合がある。この場合、各冷却庫（商品収納庫）内に蒸発器をそれぞれ配置し、絞り部の出口側の経路を分岐して各蒸発器に接続するとともに、各蒸発器の出口側の経路を集合させて圧縮機に接続することで、圧縮機、放熱器、絞り部を共通とした複数の冷媒循環経路を形成する。また、絞り部から蒸発器に至る上記各経路には、それぞれ電磁弁を設ける。そして、各電磁弁を選択的に開放することによって、開放した電磁弁のある経路に接続した蒸発器を介して冷媒を循環運転させる。これにより、各冷却庫（商品収納庫）を独立して冷却する。しかし、複数の蒸発器を接続して複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路においては、全ての蒸発器を介して冷媒を循環運転した状態を基準として冷媒の循環量を設定している。このため、例えば１つの蒸発器を介して冷媒を循環運転した場合に、循環する冷媒に余剰が発生することになる。この結果、圧縮機に液冷媒が戻って圧縮機が損傷するおそれがある。また、冷媒が気化しない超臨界状態では、余剰冷媒の増加によって液・気体の状態が混在して高圧側圧力が高くなり、圧力異常になって冷媒冷却回路の仕様限界を超えてしまう。この問題は、冷媒冷却回路の冷媒として超臨界温度が約３１℃である二酸化炭素を使用した場合に顕著にあらわれることになる。この問題に対し、アキュームレータを用いて、気液を分離することで圧縮機への液冷媒の戻りを防止したり、アキュームレータに冷媒を一時滞留することで高圧側への冷媒流入を防いで高圧側圧力の上昇を防止することが考えられる。しかしながら、冷媒を滞留する容積を有するアキュームレータが必要になることや、冷熱熱量を破棄することになって冷却効率が低下するなどの問題があるため好ましくない。

本発明は、上記実情に鑑みて、内部熱交換器における熱交換効率を向上させて、高圧側の圧力上昇を抑えることができ、また放熱器において冷媒の液化を促進させることができ、さらに圧縮機への冷凍機油の戻りを良くすることができ、さらにまた複数の冷媒循環経路を形成した場合の余剰冷媒による不都合を防ぐことができる冷媒冷却回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る冷媒冷却回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成して、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けた冷媒冷却回路において、前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間に対向流をなすことを特徴とする。

本発明の請求項２に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１において、前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす前記高圧側冷媒配管を前記低圧側冷媒配管の内部に複数内装してあることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１または２において、前記低圧側冷媒配管を断熱材で被覆してあることを特徴とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項４に係る冷媒冷却回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成して、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けた冷媒冷却回路において、前記内部熱交換器は、扁平形状とした低圧側冷媒配管と、扁平形状とした内部に複数の抵抗管路を有した高圧側冷媒配管とを接触した状態で並設して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間に対向流をなすことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る冷媒冷却回路は、上記請求項４において、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管とを共に断熱材で被覆してあることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１〜５のいずれか一つにおいて、前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管が上方から下方に向けて冷媒を送り、高圧側冷媒配管が下方から上方に向けて冷媒を送る形態で設けてあることを特徴とする。

本発明の請求項７に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１〜６のいずれか一つにおいて、前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管および前記高圧側冷媒配管の長さを１．３ｍ以上としてあることを特徴とする。

本発明の請求項８に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１〜７のいずれか一つにおいて、前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管および前記高圧側冷媒配管を螺旋状に配してあることを特徴とする。

本発明の請求項９に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１〜８のいずれか一つにおいて、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

本発明の請求項１０に係る冷媒冷却回路は、二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される二酸化炭素冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される二酸化炭素冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される二酸化炭素冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有し、前記蒸発器を複数設けて、前記圧縮機、前記放熱器および前記絞り部を共通とした複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けたことを特徴とする。

本発明の請求項１１に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１０において、前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間で熱交換を行うことを特徴とする。

本発明の請求項１２に係る冷媒冷却回路は、上記請求項１０または１１において、前記蒸発器から前記圧縮機に帰還する二酸化炭素冷媒が余剰を伴うとき、前記内部熱交換器は、前記高圧側冷媒配管の出口の冷媒温度を、高圧側圧力が前記圧縮機の仕様限界を下回るような温度にする熱交換量に設定してあることを特徴とする。

本発明に係る冷媒冷却回路は、内部熱交換器について、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、低圧側冷媒配管と高圧側冷媒配管との間に対向流をなす。これにより、相互の熱交換面積を大きく取れるので熱交換効率を向上することができる。また、抵抗管路をなす複数の高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装することで、相互の熱交換面積をさらに大きく取れるので熱交換効率をさらに向上することができる。さらに、低圧側冷媒配管を断熱材で被覆することで、熱交換に際して外気の影響、すなわち外部との熱交換を抑えるので熱交換効率をさらに向上することができる。

また、本発明に係る冷媒冷却回路は、内部熱交換器について、扁平形状とした低圧側冷媒配管と、扁平形状とした内部に複数の抵抗管路を有した高圧側冷媒配管とを接触した状態で並設して、低圧側冷媒配管と高圧側冷媒配管との間に対向流をなす。これにより、相互の熱交換面積を大きく取れるので熱交換効率を向上することができる。さらに、低圧側冷媒配管と高圧側冷媒配管とを共に断熱材で被覆することで、熱交換に際して外気の影響を、すなわち外部との熱交換抑えるので熱交換効率をさらに向上することができる。

そして、熱交換効率が向上することにより、放熱器において冷媒が液化しやすくなるので、高圧側の圧力上昇を抑えることができる。また、熱交換効率が向上することにより、蒸発器において二酸化炭素が気化するので、一部液化したままで二酸化炭素が圧縮機に供給される事態を無くすことができる。さらに、熱交換効率が向上することにより、圧縮機から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機に戻し易くすることができる。

また、低圧側冷媒配管が上方から下方に向けて冷媒を送り、高圧側冷媒配管が下方から上方に向けて冷媒を送る形態で設けることで、低圧側において圧縮機への冷凍機油の戻りを良くすることができる。

また、低圧側冷媒配管および高圧側冷媒配管の長さを１．３ｍ以上としてあれば、内部熱交換器の高圧側出口の冷媒温度を所定温度以下に冷却して高圧側圧力が仕様限界を超える事態を防ぐことができる。さらに、低圧側冷媒配管および高圧側冷媒配管を螺旋状に配すれば、低圧側冷媒配管および高圧側冷媒配管を長尺に形成しても設置容積を低減することができる。

特に、本発明の内部熱交換器は、冷媒として二酸化炭素を用いて冷媒循環経路が比較的高圧状態になる冷媒冷却回路に有用である。

また、蒸発器を複数設けて、圧縮機、放熱器および絞り部を共通とした複数の冷媒循環経路を形成して、冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けた。そして、内部熱交換器は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間で熱交換を行う。これにより、二酸化炭素冷媒を用いて複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、例えば１つの蒸発器を介して冷媒を循環運転した場合に、循環する冷媒に余剰が発生することになるが、低圧側冷媒配管および高圧側冷媒配管によって低圧側と高圧側との間で熱交換させることで液冷媒を気化して圧縮機に戻すことが可能になる。この結果、圧縮機における液圧縮を防いで圧縮機の損傷を防止することができる。また、同時に高圧側を冷却するため、冷媒密度が高くなり高圧側圧力を下げることができる。特に、余剰冷媒量が多い場合には、高圧側圧力が高くなるが冷却熱容量（熱交換量）も大きくなるため、高圧側圧力を低下させることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷媒冷却回路の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明に係る冷媒冷却回路の一実施例を示す概略図である。図１に示すように、本実施例における冷媒冷却回路は、主に、圧縮機１、ガスクーラー（放熱器）２、電子膨張弁（絞り部）３、蒸発器４を接続して、冷媒を循環可能な冷媒循環経路を形成したものである。また、冷媒は、本実施例では、例えば二酸化炭素を使用してある。二酸化炭素は、不燃性、安全性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ない冷媒である。

圧縮機１は、蒸発器４から帰還される二酸化炭素を圧縮して高温高圧の状態とするものである。圧縮機１は、本実施例では、中間熱交換器１０を使用して２段階の圧縮動作を実行する。具体的に、圧縮機１は、２段階の圧縮動作において、１段階目の圧縮動作を行う第１圧縮機１ａと、２段階目の圧縮動作を行う第２圧縮機１ｂとの間に中間熱交換器１０を設けてある。そして、中間熱交換器１０は、第１圧縮機１ａによる１段階目の圧縮動作の後に、第１圧縮機１ａが圧縮した状態の二酸化炭素を冷却して第２圧縮機１ｂに戻す。このように、圧縮機１は、中間熱交換器１０を介して２段階の圧縮動作を実行することで、低消費電力で高圧縮効率を得て二酸化炭素を所望とする高温高圧の状態に圧縮することが可能になる。なお、本実施例では、第１圧縮機１ａでの１段階目の圧縮によって二酸化炭素を約６ＭＰａに圧縮し、第２圧縮機１ｂでの２段階目の圧縮によって二酸化炭素を約９ＭＰａに圧縮する。

また、圧縮機１には、オイルセパレータ１１が接続してある。オイルセパレータ１１は、圧縮機１から吐出した冷凍機油を圧縮機１に戻すためのものである。冷凍機油は、圧縮機１の内部における摩擦、冷媒漏れなどを防止するが、この冷凍機油を圧縮機１の内部で完全に封止することが困難である。特に、上記のごとく圧縮機１によって二酸化炭素を高圧に圧縮しており、この圧力が従前の冷媒（例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン））を使用したときと比較してはるかに高圧であるので、圧縮機１からの冷凍機油の吐出量は多くなる。そこで、本実施例では、圧縮機１において、第２圧縮機１ｂの出口側と、第１圧縮機１ａの入口側との間にオイルセパレータ１１を接続しており、第２圧縮機１ｂから吐出した冷凍機油を第１圧縮機１ａに戻している。

なお、圧縮機１としては、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、或いは、これらの圧縮能力を調整可能なインバータ圧縮機などがある。そして、冷媒冷却回路を配設する対象、環境、あるいは、冷媒冷却回路のコストなどに見合う圧縮機を適宜適用すればよい。

ガスクーラー２は、圧縮機１から供給される高温高圧の二酸化炭素を、放熱させて二酸化炭素を液化するためのものである。本実施例におけるガスクーラー２は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。このガスクーラー２には、ファン２１が設けてある。ファン２１は、ガスクーラー２を送風するためのものであり、ファンモータ２２によって駆動される。

電子膨張弁３は、ガスクーラー２から供給される二酸化炭素を減圧し、蒸発温度および流量を制御するためのものである。

蒸発器４は、電子膨張弁３から供給される液体の二酸化炭素が蒸発したとき、周囲の熱を吸収することによって周囲温度を冷却するためのものである。本実施例における蒸発器４は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。この蒸発器４には、ファン４１が設けてある。ファン４１は、蒸発器４を送風するためのものであり、ファンモータ４２によって駆動される。

蒸発器４は、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍ショーケース・冷蔵ショーケース、あるいは飲料ディスペンサなどにおける断熱筐体の冷却庫の内部に配置してある。特に、本実施例では、例えば自動販売機において、複数（実施例では３室）の冷却庫（商品収納庫）をそれぞれ独立して冷却するために、各冷却庫内に蒸発器４（４ａ，４ｂ，４ｃ）をそれぞれ配置してある。すなわち、蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃは、電子膨張弁３から３方に分岐したそれぞれの経路に接続してある。また、前記各経路において各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃの入口側には、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれ設けてある。そして、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃを選択的に開放することで、各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに電子膨張弁３からの二酸化炭素が供給される。また、各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃの出口側の経路は、互いに集合して圧縮機１の第１圧縮機１ａに接続してある。なお、本実施例における電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、その入口側と出口側との圧力差（例えば入口側が高圧で出力側が低圧）、およびバネ弾性力を利用することによって弁体を弁座に当接させるよう助勢して閉鎖状態になり、この状態から電磁コイル部に通電されると弁体が弁座から離間されて開放状態になる構成のものが採用してある。

また、電子膨張弁３から各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃに至る各経路であって、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃと各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃとの間には、それぞれ減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けてある。減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃと蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃとの間の経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用する。本実施例における減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、前記各経路中に設けたオリフィスとして形成してある。なお、減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用するものであればオリフィスに限定されない。

なお、蒸発器４の周辺部の温度は、蒸発器４が周辺部の熱を吸収することによって低下する。冷凍サイクルとしては、蒸発器４で吸収した蒸発熱を捨てる必要があるが、蒸発器４を設けた断熱筐体の庫内は、外部の気温よりかなり低い温度になっており、低温部から奪った熱を高温の外部へ直接捨てることができない。そこで、圧縮機１は、蒸発器４の蒸発熱を外部の気温より高い温度にして捨てるため、蒸発器４から供給される二酸化炭素を高温高圧の蒸気に変換する役目を担っている。

また、断熱筐体の冷却庫の内部に設けた蒸発器４に関し、冷媒循環経路への冷媒の循環運転時に伴って結露水などが排水として発生する。そして、排水は、冷却庫の外部であって圧縮機１およびガスクーラー２などを配した部位にある蒸発手段１５に導かれる。この蒸発手段１５は、圧縮機１（第２圧縮機１ｂ）とガスクーラー２との間であって、オイルセパレータ１１の出口側からガスクーラー２の入口側の間の経路に設けてある。図には明示しないが、蒸発手段１５は、排水を導かれる蒸発皿と、当該蒸発皿の内方に配置した蒸発パイプと、当該蒸発パイプに関わる吸水性の蒸発シートとを有している。蒸発パイプは、オイルセパレータ１１の出口側からガスクーラー２の入口側の間の経路に接続してあって、圧縮機１から吐出した高温高圧の二酸化炭素が通過する。すなわち、蒸発皿に導かれた排水は、高温高圧の二酸化炭素が通過する蒸発パイプによって加熱され、蒸発シートに吸収されて蒸発する。このとき、排水によって蒸発パイプに通過する二酸化炭素を予冷する。

ところで、二酸化炭素を冷媒として使用したとき、外気温が高温となる夏場などでは、ガスクーラー２の温度が二酸化炭素の臨界温度（約３１℃）を越える場合がある。この場合、ガスクーラー２において二酸化炭素が気化したままで液化しなくなる超臨界圧力の状態となる。一方、蒸発器４を通過した二酸化炭素は、全て気化していることが望ましい。蒸発器４を通過した二酸化炭素が一部液化したままで圧縮機１に供給されると、圧縮機１は液圧縮を起こしてシリンダーを破損してしまうおそれがある。

そこで、ガスクーラー２と電子膨張弁３との間、蒸発器４と圧縮機１（第１圧縮機１ａ）との間に内部熱交換器１４を設けてある。図２は内部熱交換器を示す平面図、図３は内部熱交換器を示す正面図、図４は内部熱交換器を示す側面図、図５は内部熱交換器を示す斜視図、図６は内部熱交換器の断面図である。

内部熱交換器１４は、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行うためのものである。冷媒循環経路の高圧側とは、圧縮機１の出口側からガスクーラー２を経て電子膨張弁３の入口側までの間である。また、冷媒循環経路の低圧側とは、電子膨張弁３の出口側から蒸発器４を経て圧縮機１の入口側までの間である。

図２〜図６に示すように内部熱交換器１４は、高圧側であるガスクーラー２と電子膨張弁３との間に高圧側冷媒配管１４Ａを設けてある。また、内部熱交換器１４は、低圧側である蒸発器４と圧縮機１（第１圧縮機１ａ）との間に低圧側冷媒配管１４Ｂを設けてある。高圧側冷媒配管１４Ａは、抵抗管路としてのキャピラリチューブをなし、低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装してある。また、高圧側冷媒配管１４Ａは、低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に複数（本実施例では３つ）内装してある。このように、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装した２重管構造としてある。

この内部熱交換器１４は、上述したように複数の高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装した形態で上下方向に螺旋状にして形成してある。具体的に、高圧側冷媒配管１４Ａは、図２〜図５に示すように、螺旋状とした下端に高圧側冷媒配管１４Ａの入口部１４Ａａを設け、螺旋状とした上端に高圧側冷媒配管１４Ａの出口部１４Ａｂを設けてある。これら入口部１４Ａａおよび出口部１４Ａｂは、高圧側冷媒配管１４Ａの複数の抵抗管路を集束した一口の管をなしてある。そして、高圧側冷媒配管１４Ａは、図６に示すように、複数の抵抗管路を束ねた形態で、螺旋状に形成してある。一方、低圧側冷媒配管１４Ｂは、図６に示すように、高圧側冷媒配管１４Ａの全ての抵抗管路を覆う態様で設けてあり、図２〜図５に示すように、高圧側冷媒配管１４Ａの入口部１４Ａａの後段から出口部１４Ａｂの前段に至り螺旋状に形成してある。この低圧側冷媒配管１４Ｂは、螺旋状とした上端側に入口部１４Ｂａを設け、螺旋状とした下端側に出口部１４Ｂｂを設けてある。このように、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４Ａが下方から上方に向けて冷媒を送る態様で設けてあり、低圧側冷媒配管１４Ｂが上方から下方に向けて冷媒を送る態様で設けて高圧側と低圧側との冷媒に対向流を生じさせる。これにより、ガスクーラー２から得られる二酸化炭素は、液化しやすくなる。一方、圧縮機１には、蒸発器４から気化した二酸化炭素が供給される。

図６に示すように、高圧側冷媒配管１４Ａは、各抵抗管路の相互の外周壁を非接触な形態で設けてあり、かつ、高圧側冷媒配管１４Ａをなす各抵抗管路の外周壁と低圧側冷媒配管１４Ｂの内周壁とは相互に非接触な形態で設けてあることが相互の熱交換の上で好ましい。さらに、低圧側冷媒配管１４Ｂの外周には、可撓性を有したチューブ状の断熱材１４Ｃが設けてあり、低圧側と高圧側との間の熱交換が外気の影響を受けないように構成してある。

本実施例において、高圧側冷媒配管１４Ａは、その抵抗配管の外径がφ３．０ｍｍ、肉厚が０．５ｍｍ、長さが２０６０ｍｍとしてある。また、低圧側冷媒配管１４Ｂは、外径がφ９．５２ｍｍ、肉厚が０．８ｍｍ、長さが１９５７ｍｍとしてある。さらに、断熱材１４Ｃは、外径がφ１９．０ｍｍ、肉厚が３．０ｍｍ、長さが１８００ｍｍとしてある。このように、内部熱交換器１４は、長尺であるが螺旋状とすることで設置容積を低減している。

内部熱交換器１４は、その長さを１．３ｍ以上とすることが好ましい。この長さについて詳述すると、上述したように断熱筐体の冷却庫を３室とした場合、各冷媒循環経路を３室全て、２室あるいは１室のみの循環運転が考えられる。図７に示すように、３室全てを循環運転したときの内部熱交換器１４の高圧側圧力は１０ＭＰａ（基準圧力）であり、かつ、本実施例での冷媒冷却回路における仕様限界の高圧側圧力は１２ＭＰａであったとするである。この場合、高圧側圧力が最も上がる１室のみの循環運転のとき、高圧側圧力が仕様限界を超えないための内部熱交換器１４の高圧側出口の冷媒温度は１８℃以下である。すなわち、内部熱交換器１４によって高圧側出口の冷媒温度を１８℃以下に冷却すれば高圧側圧力が仕様限界を超えない。さらに、図８に示すように、高圧側の冷媒温度を少なくとも１８℃にするための内部熱交換器１４の交換熱量は１６０Ｗである。そして、図９に示すように、内部熱交換器１４の交換熱量を１６０Ｗ以上にするための当該内部熱交換器１４の長さが１．３ｍ以上となる。このように、内部熱交換器１４の長さを１．３ｍ以上とすれば、内部熱交換器１４の高圧側出口の冷媒温度を１８℃以下にして、高圧側圧力を仕様値内（１２ＭＰａ）にできる。

図１０は内部熱交換器の熱交換量を示す図である。図１０に示すように内部熱交換器１４の熱交換量は、蒸発器４（４ａ，４ｂ，４ｃ）から圧縮機１（１ａ）に帰還する二酸化炭素冷媒が余剰を伴うとき、高圧側冷媒配管１４Ａの出口（出口部１４Ａｂ）の冷媒温度を、高圧側圧力が圧縮機１の仕様限界を下回るような温度にする熱交換量に設定してある。例えば、図１において蒸発器４の熱交換量比を、蒸発器４ａ：蒸発器４ｂ：蒸発器４ｃで「１：２：３」とする。また、冷媒循環量を「ａ」として全て（３つ）の蒸発器４を動作した場合の余剰冷媒量を「０」とする。この場合、蒸発器４ａのみ１つを動作したとき、余剰冷媒量は５ａ／６となり、図１０に示すように１段目である第１圧縮機１ａの容積が２ｃｃである場合に、内部熱交換器１４の熱交換量ｍｉｎは、ｙ＝８０ｘ（ｙ：内部熱交換器熱交換量，ｘ＝圧縮機容量，８０：係数）の式によって１６０Ｗになる。さらに、内部熱交換器１４の熱交換量ｍａｘは、ｙ＝５００ｘ（ｙ：内部熱交換器熱交換量，ｘ＝圧縮機容量，５００：係数）の式によって１０００Ｗになる。すなわち、上記例によれば、内部熱交換器１４の熱交換量は、図７、図８および図１０に示すように、蒸発器４（４ａ，４ｂ，４ｃ）から圧縮機１（１ａ）に帰還する二酸化炭素冷媒が余剰を伴うとき、高圧側冷媒配管１４Ａの出口（出口部１４Ａｂ）の冷媒温度を、高圧側圧力が圧縮機１の仕様限界（１２ＭＰａ）を下回るような温度（１８℃以下）にする熱交換量（１６０Ｗ〜１０００Ｗ）に設定してある。なお、上記例では、高圧側圧力が圧縮機１の仕様限界を下回るような温度を１８℃以下としてあるが、２０℃以下であってもよい。

このように内部熱交換器１４では、二酸化炭素冷媒を用いて複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、例えば１つの蒸発器４ａを介して冷媒を循環運転した場合に、循環する冷媒に余剰が発生することになるが、低圧側冷媒配管１４Ｂおよび高圧側冷媒配管１４Ａによって低圧側と高圧側との間で熱交換させることで液冷媒を気化して圧縮機１に戻す。この結果、圧縮機１における液圧縮を防いで圧縮機１の損傷を防止することが可能になる。また、同時に高圧側を冷却するため、冷媒密度が高くなり高圧側圧力を下げることが可能になる。

以下、二酸化炭素を冷媒として使用する本発明の冷媒冷却回路の動作について説明する。なお、冷媒冷却回路の以下の動作において、電磁弁１２ａのみが開放状態で、他の電磁弁１２ｂ，１２ｃが閉塞状態であることとする。

冷却庫にある蒸発器４ａから帰還された二酸化炭素は、内部熱交換器１４を介して第１圧縮機１ａに吸引されて低圧圧縮（約６ＭＰａに圧縮）される。第１圧縮機１ａから吐出された二酸化炭素は、中間熱交換器１０を経て冷却された後に第２圧縮機１ｂに吸引されて高圧圧縮（約９ＭＰａに圧縮）される。このとき、第２圧縮機１ｂから二酸化炭素と共に吐出された冷凍機油は、オイルセパレータ１１によって第１圧縮機１ａの入口側に戻される。

次いで、第２圧縮機１ｂから吐出された二酸化炭素は、蒸発手段１５で予冷されて、ガスクーラー２に送られる。ガスクーラー２に送られた二酸化炭素は、放熱されて液化して、内部熱交換器１４を介して電子膨張弁３に至る。

次いで、電子膨張弁３において、二酸化炭素は、減圧されて蒸発温度および流量を制御される。その後、二酸化炭素は、開放状態にある電磁弁１２ａを経て、減圧手段１３ａを介して蒸発器４ａに至る。

最後に、蒸発器４ａに供給された二酸化炭素は、吸熱して加熱蒸気として気化される。二酸化炭素の吸熱によって蒸発器４ａを設けた冷却庫の内部が独立して冷却されることになる。そして、二酸化炭素は、蒸発器４ａから内部熱交換器１４を介して第１圧縮機１ａに吸引されて帰還して循環運転が行われる。

上記二酸化炭素の循環運転において、閉鎖状態にしてある電磁弁１２ｂ，１２ｃを有した経路に設けた蒸発器４ｂ，４ｃは、上記循環運転が実行されている冷媒循環経路の蒸発器４ａと出口側が集合してある。このため、従前では電磁弁１２ａのみが開放状態である場合に、閉塞状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃの入口側と出口側との圧力差がほぼ等しくなる。しかし、本実施例では、各電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、各蒸発器４ａ，４ｂ，４ｃとの間の経路に減圧手段１３ａ，１３ｂ，１３ｃがそれぞれ設けてある。このため、閉鎖状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃを有した経路では、減圧手段１３ｂ，１３ｃが経路中に圧力抵抗を付与する絞りとして作用するため、閉鎖状態の電磁弁１２ｂ，１２ｃの出口側が低圧になり入口側が高圧になる。これにより、閉鎖状態にある電磁弁１２ｂ，１２ｃの入口側と出口側との間に圧力差が生じ、入口側と出口側との圧力差によって電磁弁１２ｂ，１２ｃの閉塞状態が助勢されるので、当該電磁弁１２ｂ，１２ｃの閉鎖状態が維持される。

また、上記二酸化炭素の循環運転において、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４Ａと低圧側冷媒配管１４Ｂとの間で熱交換を行う。ここで、内部熱交換器１４は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装してある。このため、相互の熱交換面積を大きく取れるので熱交換効率が向上する。また、複数の高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂの内部に内装することにより、相互の熱交換面積をさらに大きく取れるので熱交換効率がさらに向上する。また、低圧側冷媒配管１４Ｂを断熱材１４Ｃで被覆してあるため、熱交換に際して外気の影響、すなわち外部との熱交換を抑えるので、熱交換効率がさらに向上する。

このように、熱交換効率が向上することにより、ガスクーラー２において二酸化炭素が液化しやすくなるので、高圧側の圧力上昇を抑えることが可能になる。また、熱交換効率が向上することにより、蒸発器４において二酸化炭素が気化するので、一部液化したままで二酸化炭素が圧縮機１に供給される事態を無くすことが可能になる。

さらに、熱交換効率が向上することにより、圧縮機１から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機１に戻し易くなる。特に、上記内部熱交換器１４は、低圧側冷媒配管１４Ｂが上方から下方に向けて冷媒を送り、高圧側冷媒配管１４Ａが下方から上方に向けて冷媒を送る形態で設けてある。このため、低圧側において圧縮機１への冷凍機油の戻りを良くすることが可能になる。

また、内部熱交換器１４は、高圧側冷媒配管１４Ａおよび低圧側冷媒配管１４Ｂの長さを１．３ｍ以上としてある。これにより、内部熱交換器１４の高圧側出口の冷媒温度を１８℃以下に冷却して高圧側圧力が仕様限界を超える事態を防ぐ。さらに、高圧側冷媒配管１４Ａを低圧側冷媒配管１４Ｂに内装した形態で上下方向に螺旋状にして形成してあるため、設置容積を低減することが可能になる。なお、高圧側冷媒配管１４Ａおよび低圧側冷媒配管１４Ｂの長さを変えることで、熱交換量を自由に設定することができる。

以下、内部熱交換器の別の実施例を説明する。図１１は内部熱交換器の別の実施例を示す断面図である。

図１１に示すように、内部熱交換器１４′は、高圧側冷媒配管１４Ａ′が、扁平形状とした内部に複数の抵抗管路を有してなる。また、内部熱交換器１４′は、低圧側冷媒配管１４Ｂ′が、扁平形状としてある。そして、高圧側冷媒配管１４Ａ′と低圧側冷媒配管１４Ｂ′との扁平とした外周面を接触した状態で並設してある。これにより、相互の熱交換面積を大きく取れるので熱交換効率が向上する。

また、内部熱交換器１４′は、高圧側冷媒配管と１４Ａ′と低圧側冷媒配管１４Ｂ′とを共に断熱材１４Ｃ′で被覆してある。これにより、熱交換に際して外気の影響、すなわち外部との熱交換を抑えるので、熱交換効率がさらに向上する。さらに、熱交換効率が向上することにより、圧縮機１から吐出した冷凍機油を冷媒循環経路に循環させて圧縮機１に戻し易くなる。

また、熱交換効率が向上することにより、ガスクーラー２において二酸化炭素が液化しやすくなるので、高圧側の圧力上昇を抑えることが可能になる。また、熱交換効率が向上することにより、蒸発器４において二酸化炭素が気化するので、一部液化したままで二酸化炭素が圧縮機１に供給される事態を無くすことが可能になる。

また、図には明示しないが、内部熱交換器１４′は、高圧側冷媒配管１４Ａ′と低圧側冷媒配管１４Ｂ′とを並設した形態で上下方向に螺旋状にして形成し、高圧側冷媒配管１４Ａ′では、下方から上方に向けて冷媒を送り、低圧側冷媒配管１４Ｂ′では、上方から下方に向けて冷媒を送る形態としてある。これにより、低圧側において圧縮機１への冷凍機油の戻りを良くすることが可能になる。

また、内部熱交換器１４′は、高圧側冷媒配管１４Ａ′および低圧側冷媒配管１４Ｂ′の長さを１．３ｍ以上としてある。これにより、内部熱交換器１４の高圧側出口の冷媒温度を１８℃以下に冷却して高圧側圧力が仕様限界を超える事態を防ぐ。さらに、高圧側冷媒配管１４Ａ′と低圧側冷媒配管１４Ｂ′とを並設した形態で上下方向に螺旋状にして形成してあるため、設置容積を低減することが可能になる。なお、高圧側冷媒配管１４Ａ′および低圧側冷媒配管１４Ｂ′の長さを変えることで、熱交換量を自由に設定することができる。

本発明に係る冷媒冷却回路の一実施例を示す概略図である。 内部熱交換器を示す平面図である。 内部熱交換器を示す正面図である。 内部熱交換器を示す側面図である。 内部熱交換器を示す斜視図である。 内部熱交換器の断面図である。 高圧側圧力と内部熱交換器の高圧側出口の冷媒温度との関係を示す図である。 内部熱交換器の交換熱量と内部熱交換器の高圧側出口の冷媒温度との関係を示す図である。 内部熱交換器の長さと内部熱交換器の交換熱量との関係を示す図である。 内部熱交換器の熱交換量を示す図である。 内部熱交換器の別の実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
１ａ 第１圧縮機
１ｂ 第２圧縮機
２ ガスクーラー（放熱器）
２１ ファン
２２ ファンモータ
３ 電子膨張弁（絞り部）
４（４ａ，４ｂ，４ｃ） 蒸発器
４１ ファン
４２ ファンモータ
１０ 中間熱交換器
１１ オイルセパレータ
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 電磁弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 減圧手段
１４ 内部熱交換器
１４Ａ 高圧側冷媒配管
１４Ａａ 入口部
１４Ａｂ 出口部
１４Ｂ 低圧側冷媒配管
１４Ｂａ 入口部
１４Ｂｂ 出口部
１４Ｃ 断熱材
１４′内部熱交換器
１４Ａ′ 高圧側冷媒配管
１４Ｂ′ 低圧側冷媒配管
１４Ｃ′ 断熱材
１５ 蒸発手段

Claims (12)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成して、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けた冷媒冷却回路において、
   前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間に対向流をなすことを特徴とする冷媒冷却回路。
2. 前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす前記高圧側冷媒配管を前記低圧側冷媒配管の内部に複数内装してあることを特徴とする請求項１に記載の冷媒冷却回路。
3. 前記低圧側冷媒配管を断熱材で被覆してあることを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒冷却回路。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成して、前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けた冷媒冷却回路において、
   前記内部熱交換器は、扁平形状とした低圧側冷媒配管と、扁平形状とした内部に複数の抵抗管路を有した高圧側冷媒配管とを接触した状態で並設して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間に対向流をなすことを特徴とする冷媒冷却回路。
5. 前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管とを共に断熱材で被覆してあることを特徴とする請求項４に記載の冷媒冷却回路。
6. 前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管が上方から下方に向けて冷媒を送り、高圧側冷媒配管が下方から上方に向けて冷媒を送る形態で設けてあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の冷媒冷却回路。
7. 前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管および前記高圧側冷媒配管の長さを１．３ｍ以上としてあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の冷媒冷却回路。
8. 前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管および前記高圧側冷媒配管を螺旋状に配してあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の冷媒冷却回路。
9. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の冷媒冷却回路。
10. 二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される二酸化炭素冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される二酸化炭素冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される二酸化炭素冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有し、前記蒸発器を複数設けて、前記圧縮機、前記放熱器および前記絞り部を共通とした複数の冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、
    前記冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行う内部熱交換器を設けたことを特徴とする冷媒冷却回路。
11. 前記内部熱交換器は、抵抗管路をなす高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に内装して、前記低圧側冷媒配管と前記高圧側冷媒配管との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１０に記載の冷媒冷却回路。
12. 前記蒸発器から前記圧縮機に帰還する二酸化炭素冷媒が余剰を伴うとき、前記内部熱交換器は、前記高圧側冷媒配管の出口の冷媒温度を、高圧側圧力が前記圧縮機の仕様限界を下回るような温度にする熱交換量に設定してあることを特徴とする請求項１０または１１に記載の冷媒冷却回路。

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