JP2006292229A - Ｃｏ２冷凍サイクル装置及びその超臨界冷凍運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒として種々の長所を有するＣＯ_２冷媒を使用した超臨界冷凍サイクルにエコノマイザサイクルを採用することによって、さらに冷凍効果を向上させるとともに、安定した冷凍運転を達成し得る冷凍装置及びその超臨界冷凍運転方法を実現する。
【解決手段】 ＣＯ_２冷媒を超臨界域まで圧縮した後冷却させ、冷却したＣＯ_２冷媒を減圧させた後気液分離し、ガス化したＣＯ_２冷媒をスクリュー圧縮機２に導入し、低温の液冷媒のみを蒸発器１で蒸発させるようにした超臨界冷凍サイクルを行なう冷凍装置において、膨張弁４で１次減圧された気液混合冷媒を気液分離器５で気液分離し、気液分離後の気相部ｇをスクリュー圧縮機２の閉じ込み空間Ｓ（圧縮過程の中間圧となる箇所）に導入し、気液分離後の液相部ｒを細管にて断熱膨張させるキャピラリチューブ６に導入した後、蒸発器１で蒸発させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＯ_２を媒体とした超臨界冷凍サイクル装置において、気液分離器とスクリュー圧縮機との間にスクリュー圧縮機の閉じ込み空間（圧縮過程の中間圧となる箇所）にガス冷媒を導くための吸入回路を接続して、冷凍効率を向上させるとともに、気液分離器の液相部に第２段減圧装置を接続して、安定運転を可能とした冷凍装置及びその超臨界運転方法に関する。

近年冷凍機ではフロン系冷媒の使用を削減する方向であり、フロン系冷媒以外の冷媒（例えば二酸化炭素など）の使用が検討されている。
二酸化炭素は、地球温暖化指数（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａ：ＧＷＰ）が、代表的なフレオン系冷媒であるＲ１３４ａの約１／１３００で、環境にやさしい冷媒であり、また作動圧縮比が低くて体積効率に優れ、熱伝達性能が非常に優秀である。２次熱伝達媒体である空気の流入時の温度と、冷媒の流出管付近の温度差とが、既存の冷媒に比べて遥かに小さいために、冷凍サイクルの効率を上げることができ、冬季において外部温度が低い場合にも、わずかな温度差だけで外気から熱を抽出できる。

また二酸化炭素は、体積冷房能力（蒸発潜熱×気体密度）が既存の冷媒であるＲ１３４ａの７〜８倍に達するため、圧縮機の容量を大きく減らすことができ、表面表力が小さくて沸騰熱伝達が優秀であり、低圧比熱が大きく、液体粘度が低くて熱伝達性能に優れるなど、冷媒として優秀な熱力学特性を有している。
また冷凍サイクルとしてみれば、作動圧力が既存の冷媒に比べて蒸発器側は１０倍、ガスクーラ（既存の凝縮器）側は６〜８倍と非常に高く、熱交換器内部での冷媒の圧力降下による損失が既存の冷媒に比べて相対的に小さいため、圧力降下は大きいが、熱伝達性能に優れ、微細チャンネルの熱交換器管を使用することが可能である。

二酸化炭素は、臨界温度が３１．１℃、臨界圧力が７．３８ＭＰａであるため、通常超臨界圧力サイクルとなるが、冷凍サイクルの高圧側において、冷媒が超臨界域で状態変化し液化しないことがある。従って減圧装置における冷媒の膨張を大きくするために、減圧装置における減圧率やコンプレッサの圧縮比を高くする必要がある。
このように減圧装置における減圧率を大きくすると、減圧装置において大きな流路損失が必要で、１個の電動膨張弁では所定の圧力まで減圧することが困難となる。

そのため膨張後の冷媒の圧力を所定の圧力まで減圧するには、圧力差が大きくなるので、減圧装置を多段に配置する必要がある。このように従来の冷凍機の構造、特に減圧装置を、超臨界域で状態変化し液化しない冷媒に最適なように改変する必要がある。
例えば特許文献１（特開２００４−８５１０３号公報）には、上記のような課題を解決するひとつの手段として、冷凍サイクルの高圧側において超臨界域で状態変化する冷媒を使用するのに最適な冷蔵庫の構成が提案されている。

特許文献１では、減圧装置が、キャピラリーチューブ及び電動膨張弁を直列に接続して構成され、電動膨張弁がキャピラリーチューブの下流側に配設されている。これによって超臨界域での膨張過程をキャピラリーチューブで行なうとともに、二相域での膨張過程を電動膨張弁で行なうようにし、電動膨張弁の開度を調整することにより、冷却器（蒸発器）の出口温度をコントロールできるようにしている。

特開２００４−８５１０３号公報

キャピラリチューブは、複雑な制御系が不要であり、安価で、故障が少なく、冷媒の充填量を節約でき、装置停止時は高低圧が平衡するので、始動トルクを小さくできる（電動機が小形でよい）等の長所をもつ。
しかしながらキャピラリーチューブは、上流側の圧力値と下流側の冷媒の気化容積によってその内径と長さとが決定されるものであり、膨張弁のように開度の調節ができないため、最適作動条件が限定されており、上流側の圧力が安定していないと、その断熱膨張作用がうまく発揮されない。

また気体の圧力は温度によって大きく変化し、冷媒に気体が混じっていると、冷媒の圧力も温度の変動によって大きく変化する。特に超臨界圧下の流体は非常に特異な性質を有しており、圧力変化も大きいと考えられ、ＣＯ_２冷媒を用いた超臨界域を形成する冷凍サイクルにおいて、単に減圧装置を多段に直列に接続しただけでは、前述のような圧力変動によって冷媒の減圧サイクル用及び気化作用が効率良くなされないという問題がある。特にキャピラリーチューブを用いた場合には、減圧作用がうまく発揮されないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、冷媒として種々の長所を有するＣＯ_２冷媒を使用した超臨界冷凍サイクル装置において、さらに冷凍効果を向上させるとともに、圧力の変動を克服して安定した冷凍運転を達成し得る冷凍装置及びその超臨界冷凍運転方法を実現することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のＣＯ_２冷凍サイクル装置は、
ＣＯ_２を媒体とし、ＣＯ_２冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機、圧縮されたＣＯ_２冷媒を冷却する冷却器、冷却されたＣＯ_２冷媒を２相状態まで減圧する減圧装置及び減圧されたＣＯ_２冷媒を蒸発させる蒸発器よりなり、前記減圧装置が第１段減圧装置及び第２段減圧装置を直列に接続してなるＣＯ_２冷凍サイクル装置において、
前記第１段減圧装置と第２段減圧装置との間に気液分離器を介設し、
前記圧縮機をスクリュー圧縮機で構成し、
前記気液分離器の気相部と前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間との間に気相部の吸入回路を接続し、
前記気液分離器の液相部に前記第２減圧装置を接続したことを特徴とする。

また本発明の超臨界冷凍運転方法は、
前記ＣＯ_２冷凍サイクル装置を用いて、
前記第１段減圧装置で減圧された２相状態のＣＯ_２冷媒を前記気液分離器で気液分離し、
分離した気相部を前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間に導入するとともに、
分離した液相部を第２段減圧装置に接続して安定運転を行なうことを特徴とする。

二酸化炭素は、臨界温度が３１．１℃、臨界圧力が７．３８ＭＰａであるため、通常超臨界圧力サイクルとなるが、本発明は、前述のような多くの長所を有するＣＯ_２冷媒を用いた超臨界冷凍サイクルにおいて、減圧装置が第１段減圧装置及び第２段減圧装置を直列に接続してなり、第１段減圧装置と第２段減圧装置との間に気液分離器を介設し、気液分離器で気液分離された気相部をスクリュー圧縮機の閉じ込み空間に逃がすことによって、ガス冷媒による圧力変動を解消し、合わせてスクリュー圧縮機の圧縮効率を増大させて冷凍サイクルのＣＯＰを向上させるようにしたものである。

本発明においては、冷凍サイクルの圧力変動の要因である気相部をスクリュー圧縮機側に逃がし、気液分離器内で液相部の液面を形成し、液相部に第２段の減圧装置を接続することによって第２段減圧装置に対する圧力変動を除去する。このため第２減圧装置は気液分離器の液相部に接続されて圧力変動がなく、かつ第２減圧装置の入口はモリエル線図上の液飽和線上にあるため、常に安定した冷凍運転が可能となる。

スクリュー圧縮機の閉じ込み空間（スクリュー圧縮機の圧縮過程の中間圧となる箇所）は、気液分離器内の気相部より低圧となっているため、気相部はスクリュー圧縮機の閉じ込み空間に接続した吸入回路によって容易にスクリュー圧縮機に吸引される。スクリュー圧縮機の閉じ込み空間にガス冷媒が吸入されると、圧縮効率が増大し、これがＣＯＰの向上を可能とする。

もし気液分離器内の気相部をスクリュー圧縮機入口の吸入配管に供給した場合、圧縮効率が悪くなり、その吸入配管は開放空間となっているので、そこに液体が入ると、ロッキングを起こしてしまう。従って気相部に冷媒液が混じっていると、ロッキングを起こす原因となる。
一方スクリュー圧縮機の圧縮高低の中間圧となる箇所は、閉じ込み空間であるので、液体が混入してもロッキングを起こさない。

本発明装置において、好ましくは、第１段減圧装置を膨張弁で構成し、第２段減圧装置を毛細管状の細管で構成されたキャピラリチューブで構成するようにする。
前述のように本発明では、冷凍サイクルの圧力変動の要因である気相部をスクリュー圧縮機側に逃がし、気液分離器内で液相部の液面を形成し、液相部に第２段の減圧装置を接続することによって、第２段減圧装置に作用する圧力変動をなくしているため、第２段減圧装置を圧力変動に不適なキャピラリチューブで構成しても何ら不具合いはなく、逆に前述のキャピラリチューブの長所が発揮される。
また超臨界域を形成し、あるいは２相流となっていて圧力変動の激しいＣＯ_２冷媒が流入する第１減圧装置には開度調節が可能な膨張弁で構成することによって減圧作用の低下を防止するようにしている。

本発明装置において、例えば気液分離器の液相部に１個以上のキャピラリチューブ液入口をラジアル方向に分散配置するようにする。この場合各キャピラリチューブに加わる冷媒液相部の圧力を均一にすることができ、各キャピラリチューブに均一流量の冷媒を流入させることができる。

本発明装置によれば、第１段減圧装置と第２段減圧装置との間に気液分離器を介設し、圧縮機をスクリュー圧縮機で構成し、前記気液分離器の気相部と前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間との間に気相部の吸入回路を接続し、前記気液分離器の液相部に前記第２減圧装置を接続したことにより、気液分離器で分離した気相部（冷媒ガス）をスクリュー圧縮機の閉じ込み空間に逃がすことにより、第２減圧装置に加わる圧力変動をなくし、安定した運転が可能になるとともに、圧縮効率が増大し、ＣＯＰを向上させることができる。また気相部に冷媒液が混入していたとしてもロッキングを起こさない。

また気液分離器の液相部に第２減圧装置を接続したことにより、第２減圧装置には圧力変動が発生せず、かつ第２減圧装置の入口はモリエル線図上の液飽和線上にあるため、常に安定した冷凍運転が可能となる。
これによってＣＯ_２冷媒を用いた超臨界域での冷凍サイクルに必要な高い減圧率に対して十分対応可能な冷凍装置を実現できる。

また好ましくは、第１段減圧装置を膨張弁で構成し、第２段減圧装置を毛細管状の細管で構成されたキャピラリチューブで構成することにより、超臨界域を形成し、あるいは２相流となっていて圧力変動の激しいＣＯ_２冷媒が流入する第１減圧装置には開度調節が可能な膨張弁で構成することによって、減圧作用の低下を防止することができるとともに、圧力変動が発生しない第２減圧装置をキャピラリチューブで構成したことにより、安価で、故障が少なく、安定した減圧作用を発揮できるキャピラリチューブの長所が十分に発揮され、かつ減圧作用の低下をきたすことがない。。

また気液分離器の液相部に１個以上のキャピラリチューブ液入口をラジアル方向に分散配置するようにすれば、各キャピラリチューブに加わる冷媒液相部の圧力を均一にすることができ、各キャピラリチューブに均一流量の冷媒を流入させることができる。

また本発明方法によれば、前記ＣＯ_２冷凍サイクル装置を用いて、前記第１段減圧装置で減圧された２相状態のＣＯ_２冷媒を前記気液分離器で気液分離し、分離した気相部を前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間に導入するとともに、分離した液相部を第２段減圧装置に接続して安定運転を行なうことにより、第２減圧装置に加わる圧力変動をなくし、安定した運転が可能になるとともに、圧縮効率が増大し、ＣＯＰを向上させることができ、また気相部に冷媒液が混入していたとしてもロッキングを起こさないという長所を有する。

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、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明の第１実施例の全体系統図、図２は、前記第１実施例のＣＯ_２冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルのモリエル線図、図３は前記第１実施例の一部を構成するスクリュー圧縮機の横断平面図である。

図１〜２において、１は、ＣＯ_２冷媒を他の熱源から蒸発潜熱を奪って蒸発させる蒸発器、２は、蒸発器１で蒸発したＣＯ_２冷媒を断熱圧縮してＣＯ_２冷媒を超臨界状態とするスクリュー圧縮機、３は、超臨界状態となったＣＯ_２冷媒を冷却する冷却器、４は、液体となったＣＯ_２冷媒を減圧膨張させ、一部を気化させて２相状態（液体＋気体）とする膨張弁、５は、２相状態となったＣＯ_２冷媒を気相部ｇと液相部ｒとに分離する気液分離器、６は、気液分離器５の液相部ｒに接続された断熱膨張機能を有する細管構造のキャピラリチューブ、７は、気液分離器５の気相部ｇをスクリュー圧縮機２の圧縮過程の中間圧となる閉じ込み空間に導入する吸入配管である。

図２は、第１実施例の冷凍サイクルのモリエル線図であり、モリエル線図上で第１実施例の作動を説明する。図中、Ｓｒは飽和液線、Ｓｖは飽和蒸気線である。まずスクリュー圧縮機２によりＣＯ_２冷媒は、臨界点Ｋ（臨界温度３１．１℃、臨界圧力７．３８ＭＰａ）を超えて超臨界領域に達する（Ａ→Ｂ）。次に冷却器３によりＣＯ_２冷媒を冷却して凝縮させ液相とする（Ｂ→Ｃ）。次いでＣＯ_２冷媒は膨張弁４を通って断熱膨張され（Ｃ→Ｃ１）、気液分離器５で気相部ｇと液相部ｒに分離される。気相部ｇの冷媒ガスは吸入配管７を通って圧縮機２の閉じ込み空間に導入される（Ｃ１→Ａ１）。

ここでスクリュー圧縮機２の構造を図３に基づいて説明する。図３において、２１はロータケーシング、２２はオスロータ、２３はメスロータ、２４は吐出口、２５は吸入口、２６は給油孔、２７は軸受、２８はスラスト軸受、２９はベアリングヘッドのロータケーシング側端面、３０はベアリングヘッド、３１は、圧縮過程の中間圧となる閉じ込み空間Ｓに設けられ、スクリュー圧縮機２の気液分離器５の気相部ｇに溜まった冷媒ガスを吸入するガス吸入孔である。ガス吸入孔３１は、ロータケーシング２１とベアリングヘッド３０に設けられているが、どちらか一方でもよい。
次に図２に戻ると、液相部ｒに溜まった冷媒液は、キャピラリチューブ６を通って断熱膨張され（Ｄ１→Ｄ）、その後蒸発器１で他の熱源から蒸発潜熱を奪って蒸発する（Ｄ→Ａ）。

かかる第１実施例の構成によれば、膨張弁４でＣＯ_２冷媒を断熱膨張した後、気液分離器５で気相部ｇと液相部ｒとに分離し、気相部ｇの冷媒ガスをスクリュー圧縮機２の閉じ込み空間Ｓに設けられた吸入口３１に導入し、液相部ｒの冷媒液をキャピラリチューブ６に導入するという２段減圧サイクルを行なっているため、本実施例の冷凍能力を示すＲ（Ｄ・Ａ間の長さ）は、従来の１段減圧サイクルの冷凍能力Ｒ’と比べて向上している。

また冷媒ガスを圧縮機２の圧縮過程の中間圧となる閉じ込み空間Ｓに導入しているため、圧縮効率を増大させ、ＣＯＰを向上させることができるとともに、スクリュー圧縮機２の閉じ込み空間Ｓは密閉空間であるので、液体冷媒が混入してもロッキングを起こさない。

また膨張弁４で１次減圧されて気液２相状態となったＣＯ_２冷媒は、気液分離器５で気液分離され、気相部ｇを吸入配管７を通してスクリュー圧縮機２側に逃がしているので、気液分離器５内の液相面には気相部ｇによる圧力変動が作用しない。
従って液相部ｒに接続されたキャピラリチューブ６には気相部ｇによる圧力変動が作用せず、このためキャピラリチューブ６には最適作動圧力が加わり、これによって減圧率を高めることができるとともに、常に安定した冷凍運転が可能となる。
また気液分離器５の液相部ｒにキャピラリチューブ６の入口を接続しているため、キャピラリチューブ６の入り口をモリエル線図上の飽和液線上に位置させることにより、安定運転を可能する。

次に本発明の第２実施例を図４〜５に基づいて説明する。図４（ａ）は、第２実施例の気液分離器を示す斜視図、（ｂ）は図（ａ）中のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿う横断面図、図５は第２実施例の蒸発器の斜視図である。
図４〜５において、１３は、図示しない膨張弁を経て２相状態となったＣＯ_２冷媒を気液分離器１１に供給する配管であり、気液分離器１１にはその周面にラジアル方向に分散配置された４本のキャピラリチューブ１２を備える。キャピラリチューブ１２の入口は気液分離器１１の液相部ｒに接続されている。

各キャピラリチューブ１２は、図５に示すように、ヘッダ１５を介して蒸発器１４に接続されているが、ヘッダ１５の上流側に流量調整弁１６が介設されている。１７は、蒸発器１４で蒸発したＣＯ_２冷媒をスクリュー圧縮機に供給する配管である。その他の構成は前記第１実施例と同一である。

かかる第２実施例の構成において、各キャピラリチューブ１２の入口が気液分離器１１で気液分離された液相部ｒの同一平面上に位置しているので、各キャピラリチューブに加わる圧力は同一となり、各キャピラリチューブには同一流量のＣＯ_２冷媒が流れる。
また各キャピラリチューブ１２の入口は液相部ｒに接続されているので、気相部ｇの圧力変動が直接キャピラリチューブの入口に伝わることがなく、圧力変動が少ないので、安定した冷凍運転が可能となる。

さらに各キャピラリチューブ１２の下流側に介装された流量調整弁１５により各キャピラリチューブ１２の冷媒流量を調整できるので、冷凍サイクルの部分負荷を含めて幅広い負荷変動に対応可能である。

本発明によれば、冷媒として種々の長所を有するＣＯ_２を媒体とした超臨界冷凍サイクルにおいて、超臨界冷凍サイクルの大きな減圧率や圧縮率に十分対応できるとともに、高ＣＯＰで安定した冷凍運転を可能とする冷凍装置及びその超臨界冷凍運転方法を実現できる。

本発明装置の第１実施例の全体系統図である。 前記第１実施例のＣＯ_２冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクルのモリエル線図である。 前記第１実施例の一部を構成するスクリュー圧縮機の横断平面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施例の気液分離器を示す斜視図、（ｂ）は図（ａ）中のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿う横断面図である。 本発明の第２実施例の蒸発器の斜視図である。

符号の説明

１，１４ 蒸発器
２ スクリュー圧縮機
３ 冷却器
４ 膨張弁
５，１１ 気液分離器
６，１２ キャピラリチューブ
７ 吸入配管
１５ ヘッダ
１６ 流量調整弁
１３，１７ 配管
２１ ロータケーシング
２２ オスロータ
２３ メスロータ
２４ 吐出口
２５ 吸入口
２６ 給油孔
２７ 軸受
２８ スラスト軸受
３０ ベアリングヘッド
３１ ガス吸入孔
Ｓ 閉じ込み空間

Claims (4)

1. ＣＯ_２を媒体とし、ＣＯ_２冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機、圧縮されたＣＯ_２冷媒を冷却する冷却器、冷却されたＣＯ_２冷媒を２相状態まで減圧する減圧装置及び減圧されたＣＯ_２冷媒を蒸発させる蒸発器よりなり、前記減圧装置が第１段減圧装置及び第２段減圧装置を直列に接続してなるＣＯ_２冷凍サイクル装置において、
   前記第１段減圧装置と第２段減圧装置との間に気液分離器を介設し、
   前記圧縮機をスクリュー圧縮機で構成し、
   前記気液分離器の気相部と前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間との間に気相部の吸入回路を接続し、
   前記気液分離器の液相部に前記第２減圧装置を接続したことを特徴とするＣＯ_２冷凍サイクル装置。
2. 前記第１段減圧装置を膨張弁で構成し、
   前記第２段減圧装置を毛細管状の細管で構成されたキャピラリチューブで構成したことを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２冷凍サイクル装置。
3. 前記気液分離器の液相部に１個以上のキャピラリチューブ液入口をラジアル方向に分散配置したことを特徴とする請求項２記載のＣＯ_２冷凍サイクル装置。
4. 請求項１記載のＣＯ_２冷凍サイクル装置を用いて、
   前記第１段減圧装置で減圧された２相状態のＣＯ_２冷媒を前記気液分離器で気液分離し、
   分離した気相部を前記スクリュー圧縮機の閉じ込み空間に導入するとともに、
   分離した液相部を第２段減圧装置に接続して安定運転を行なうことを特徴とするＣＯ_２冷凍サイクル装置の超臨界冷凍運転方法。

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