JP2007278541A

JP2007278541A - 冷却システム

Info

Publication number: JP2007278541A
Application number: JP2006101980A
Authority: JP
Inventors: Yukio Yamaguchi; 幸雄山口
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-25
Also published as: EP1843109A2; EP1843109A3

Abstract

【課題】二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても冷凍能力の向上を図ることができる冷却システムを提供する。
【解決手段】冷却システムによれば、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２を蒸発器１３の熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の１０％以上２５％以下とした場合は、冷凍効率を向上させることができるので、例えばこの冷却システムを自動販売機に用いるときは極めて有利である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動販売機、空気調和装置、冷凍・冷蔵ショーケース等に用いられる冷却システムに関する。

従来、この種の冷却システムとしては、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器からなる冷凍回路を備え、冷媒を圧縮機→凝縮器→膨張機構→蒸発器→圧縮機の順に循環させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この冷却システムでは、圧縮機において高温高圧となった冷媒が、凝縮器において放熱した後、高圧配管を通じて膨張機構に供給される。そして、膨張機構において膨張して低圧となった冷媒は蒸発器に流入し、周囲の熱を吸熱することにより蒸発した後、低圧配管を通じて圧縮機に供給され、再び圧縮される。

また、従来、冷却システムにおいて一般的に使用される冷媒はフロンであったが、フロンが地球を取り巻くオゾン層を破壊することが問題となっている。このため、近年、冷却システムは、フロンの代替冷媒として自然系冷媒である二酸化炭素を使用し、冷却システムの高圧側を超臨界圧力として運転するようになっている。

上記の冷却システムにおいては、冷凍能力を向上させるために、高圧配管の外周側面と低圧配管の外周側面とを溶接して、各配管内を流れる冷媒の熱交換を行うことにより、高圧配管内を流れる冷媒の温度を低下させる方法が採用されていた。
特開２００５−２２６９１３号公報

しかしながら、前記冷却システムでは、各配管の外周の一部において熱交換を行うようにしているので、熱交換面積が小さいため各配管内を流れる冷媒の熱交換率が低く、特に二酸化炭素冷媒を用いた冷却システムでは冷凍効率（ＣＯＰ；ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の向上が図れないという問題点があった。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても冷凍効率の向上を図ることができる冷却システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を有する冷凍回路を備え、冷媒として二酸化炭素を用いた冷却システムにおいて、凝縮器と膨張機構とを接続し、凝縮器から吐出した高圧の冷媒が流れる高圧配管と、蒸発器と圧縮機とを接続し、蒸発器から吐出した低圧の冷媒が流れる低圧配管と、低圧配管内に高圧配管を配置してなり、高圧配管の冷媒と低圧配管の冷媒とを熱交換する熱交換部とを備え、熱交換部における高圧配管の外側表面積を蒸発器の熱交換用配管の内部表面積の１０％以上２５％以下とした構成となっている。

本発明の冷却システムによれば、高圧配管の外側表面積を蒸発器を構成する熱交換用配管の内部表面積の１０％以上２５％以下とした場合は、高圧配管の外側表面積が熱交換用配管の内部表面積の１０％未満である場合や、高圧配管の外側表面積が熱交換用配管の内部表面積の２５％より大きい場合よりも冷凍効率が良い。

本発明の冷却システムによれば、高圧配管の外側表面積を熱交換用配管の内部表面積の１０％以上２５％以下とすれば、冷却システムの冷凍能力を向上することができ、例えば、この冷却システムを自動販売機に用いるときは極めて有利である。

図１乃至図６は本発明の第１実施形態に係る冷却システムを示すもので、図１は冷却システムの概略構成図、図２は蒸発器の平面図、図３は図２に示す熱交換用配管のＡ−Ａ’方向の断面図、図４は図１に示す高圧配管と低圧配管とからなる熱交換器の側面断面図、図５は図４に示す高圧配管と低圧配管のＢ−Ｂ’方向の断面図、図６は熱交換用配管の内部表面積に対する高圧配管の内側表面積の割合と冷却システムの冷凍効率の関係を示す図である。

図１に示す冷却システムは、圧縮機１０、凝縮器１１、膨張機構としての膨張弁１２及び蒸発器１３からなる冷凍回路を備えている。この冷却システムで使用される冷媒は、自然系冷媒としての二酸化炭素である。

凝縮器１１は、外気を利用して冷却する空冷式を採用している。

蒸発器１３は、図１及び図２に示すように、冷媒が流れる熱交換用配管１４と、熱交換用配管１４の幅Ｌに等間隔で配置され、熱交換用配管１４の表面積を増加させるための複数のフィン１５とを備えている。また、熱交換用配管１４は、フィン１５が配置された幅Ｌにおいて実質的に熱交換が行われる。本実施形態においては、実質的に熱交換が行われる熱交換用配管１４は、第１熱交換用配管１４ａ、第２熱交換用配管１４ｂ、第３熱交換用配管１４ｃ、第４熱交換用配管１４ｄ、第５熱交換用配管１４ｅ及び第６熱交換用配管１４ｆから構成されている。

また、冷却システムは、冷媒を圧縮機１０→凝縮器１１→膨張弁１２→蒸発器１３→圧縮機１０の順に循環させることができる（図１に示す実線矢印参照）。このとき冷媒は、圧縮機１０→凝縮器１１→膨張弁１２を高圧力で循環し（以下、高圧側という）、膨張弁１２→蒸発器１３→圧縮機１０を低圧力で循環している（以下、低圧側という）。

この冷却システムの高圧側に配置された凝縮器１１と膨張弁１２とは、高圧配管２０によって接続されている。また、冷却システムの低圧側に配置された蒸発器１３と圧縮機１０とは、低圧配管２１によって接続されている。そして、冷却システムは、高圧配管２０内を流れる冷媒と低圧配管２１内を流れる冷媒とを熱交換する熱交換部としての熱交換器２２（図１に示す一点鎖線部参照）を備えている。そこで、高圧配管２０、低圧配管２１及び熱交換器２２について、図４及び図５を用いて詳細に説明する。

高圧配管２０は、凝縮器１１と膨張弁１２とを接続し、凝縮器１１から吐出した高圧の冷媒を流通させるものである（図４に示す白抜き矢印参照）。

低圧配管２１は、蒸発器１３と圧縮機１０とを接続し、蒸発器１３から吐出した低圧の冷媒を流通させるものである（図５に示す実線矢印参照）。

熱交換器２２は、高圧配管２０と低圧配管２１の一部に設けられ、接続部材２３を介して低圧配管２１内に高圧配管２０を配置してなる。この熱交換器２２は、低圧配管２１内の冷媒の流れる方向と高圧配管２０内の冷媒の流れる方向とを対向するように構成し、低圧配管２１内を流れる冷媒と高圧配管２０内を流れる冷媒との間で熱交換するものである。

ここで、図２及び図３に示すように、熱交換用配管１４の内径はｄ、管長はＬであり、実質的に熱交換が行われる熱交換用配管１４は第１乃至第６熱交換用配管１４ａ〜１４ｆの計６本から構成されている。これにより、熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１は、Ｓ１＝６πｄＬで示される。

また、図４及び図５に示すように、熱交換器２２における高圧配管２０の外径はＤであり、熱交換器２２の管長はＬ’である。これにより、熱交換器２２における高圧配管２０の外側表面積Ｓ２は、Ｓ２＝πＤＬ’で示される。

このように示される熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１に対する高圧配管２０の外側表面積Ｓ２の割合Ｘを算出し、この割合Ｘと冷却システムの冷凍効率（ＣＯＰ；ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）との関係について比較し、図６を参照して説明する。尚、冷却システムの冷凍効率を比較するために、３種類の冷媒充填量において測定を行った。

図６に示すように、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２が蒸発器１３の熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の１０％未満の場合は、冷却システムの冷凍効率が低下することが分かった。また、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２が熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の２５％より大きい場合も同様に、冷却システムの冷凍効率が低下することが分かった。つまり、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２を熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の１０％以上２５％以下とした場合は、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２が熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の１０％未満である場合や２５％より大きい場合よりも冷凍効率が向上することが分かった。

次に、以上のように構成された冷却システムの作用を説明する。

冷却システムの冷媒は、圧縮機１０→凝縮器１１→膨張弁１２→蒸発器１３→圧縮機１０の順に循環する（図１の実線矢印参照）。このとき、熱交換器２２において、低圧配管２１内を流れる冷媒（図４に示す実線矢印参照）と高圧配管２０内を流れる冷媒（図４に示す白抜き矢印参照）とが熱交換する。つまり、凝縮器１１から吐出した冷媒は熱交換器２２において冷却された後、膨張弁１２に供給される。そして、膨張弁１２から吐出した冷媒は蒸発器１３に供給され、熱交換用配管１４やフィン１５を介して蒸発が促される。そして、この冷媒が熱交換器２２において加熱された後、圧縮機１０に供給される。

このように、本実施形態の冷却システムによれば、高圧配管２０の外側表面積Ｓ２を蒸発器１３の熱交換用配管１４の合計内部表面積Ｓ１の１０％以上２５％以下とした場合は、冷凍効率を向上させることができるので、例えばこの冷却システムを自動販売機に用いるときは極めて有利である。

また、本実施形態の冷却システムによれば、熱交換器２２を低圧配管２１内の冷媒の流れる方向と高圧配管２０内の冷媒の流れる方向とが対向するように構成したので、低圧配管２１内を流れる冷媒と高圧配管２０内を流れる冷媒との間で効率良く熱交換することができる。また、熱交換器２２が冷却システムにおける冷媒の流れに応じた構造とすることができるので、熱交換器２２の設置場所の省スペース化を図ることができる。

さらに、本実施形態の冷却システムによれば、熱交換器２２において膨張弁１２に供給する前の冷媒の温度を低下させることができるので、冷媒のエンタルピー差が増加し冷凍能力を向上させることができる。

図７は本発明の第２実施形態に係る冷却システムの高圧配管と低圧配管とからなる熱交換器の側面図を示す。尚、図１乃至図６で示した冷却システムと同一構成部分は同一符号をもって表し、その説明を省略する。

図７に示す熱交換器３２は、熱交換器３２を構成する高圧配管２０と低圧配管２１とを螺旋状に形成した点で図４で示した熱交換器２２と異なる。

熱交換器３２は、高圧配管２０と低圧配管２１の一部に設けられ、接続部材２３を介して低圧配管２１内に高圧配管２０を配置してなる。この熱交換器３２は、熱交換器３２を構成する高圧配管２０と低圧配管２１とを螺旋状に形成している。また、熱交換器３２は、低圧配管２１内を流れる冷媒（図７に示す実線矢印参照）と高圧配管２０内を流れる冷媒（図７に示す白抜き矢印参照）とを熱交換するものである。さらに、熱交換部３２は、高圧配管２０内の冷媒を下から上に流し、低圧配管２１内の冷媒を上から下に流すものである。

以上のように構成された熱交換器３２を備えた冷却システムの作用は、前記第１実施形態と同様なので、その説明を省略する。

このように、本実施形態の冷却システムによれば、熱交換器３２を螺旋状に形成することにより、熱交換器３２の設置場所の省スペース化を一層図ることができる。

また、熱交換部３２は、高圧配管２０内の冷媒を下から上に流し、低圧配管２１内の冷媒を上から下に流すことにより、各配管２０，２１内にオイル溜まりが生じることを防止することができる。これにより、冷却システムにおいて圧力損失が生じることを防止できるので、冷却システムの冷凍効率の低下を抑制することができる。なお、その他の作用、効果は前記第１実施形態と同様である。

尚、前記第１及び第２実施形態において、実質的に熱交換が行われる熱交換用配管１４を第１乃至第６熱交換用配管１４ａ〜１４ｆの計６本から構成したが、これに限られない。例えば、蒸発器１３の所望の蒸発効率に応じて、実質的に熱交換が行われる熱交換用配管１４の本数を増減させても良い。

また、前記第１及び第２実施形態において、冷却システムは蒸発器１３を１つだけ備えていたが、これに限られない。例えば、図８に示す冷却システムのように複数の蒸発器１３を備えていても良い。このとき、複数の蒸発器１３は、凝縮器１１と電磁弁１６を介して接続されていても良い。これにより、電磁弁１６を制御することで、冷却システムの所望の蒸発効率を得ることができる。

さらに、前記第２実施形態において熱交換器３２を螺旋状に形成したが、これに限られない。例えば、図９に示す熱交換器４２のように渦巻き状に形成しても良い。このとき、熱交換器４２は、高圧配管２０内の冷媒を外側から中心側に流し、低圧配管２１内の冷媒を中心側から外側に流れるように構成している。これにより、熱交換器４２を渦巻き状に形成することによって、熱交換器４２の設置場所の省スペース化を一層図ることができる。その他の作用、効果は前記第１及び第２実施形態と同様である。

本発明の第１実施形態に係る冷却システムの概略構成図第１実施形態に係る蒸発器の平面図図２に示す熱交換用配管のＡ−Ａ’方向の断面図図１に示す高圧配管と低圧配管とからなる熱交換器の側面断面図図４に示す高圧配管と低圧配管のＢ−Ｂ’方向の断面図熱交換用配管の内部表面積に対する高圧配管の外側表面積の割合と冷却システムの冷凍効率の関係を示す図本発明の第２実施形態に係る冷却システムの高圧配管と低圧配管とからなる熱交換器の側面図本発明に係る冷却システムの変形例を示す概略構成図本発明に係る熱交換器の変形例を示す概略構成図

符号の説明

１０…圧縮機、１１…凝縮器、１２…膨張弁、１３…蒸発器、１４…熱交換用配管、２０…高圧配管、２１…低圧配管、２２…熱交換器。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を有する冷凍回路を備え、冷媒として二酸化炭素を用いた冷却システムにおいて、
凝縮器と膨張機構とを接続し、凝縮器から吐出した高圧の冷媒が流れる高圧配管と、
蒸発器と圧縮機とを接続し、蒸発器から吐出した低圧の冷媒が流れる低圧配管と、
低圧配管内に高圧配管を配置してなり、高圧配管の冷媒と低圧配管の冷媒とを熱交換する熱交換部とを備え、
熱交換部における高圧配管の外側表面積を蒸発器の熱交換用配管の内部表面積の１０％以上２５％以下とした
ことを特徴とする冷却システム。
前記熱交換部を、低圧配管内の冷媒の流れる方向と高圧配管内の冷媒の流れる方向とが対向するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記熱交換部の高圧配管と低圧配管を螺旋状に形成した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の冷却システム。
前記熱交換部を、高圧配管内の冷媒を下から上に流し、低圧配管内の冷媒を上から下に流すように構成した
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の冷却システム。
前記熱交換部を渦巻き状に形成した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の冷却システム。
前記熱交換部を、高圧配管内の冷媒を外側から中心側に流し、低圧配管内の冷媒を中心側から外側に流すように構成した
ことを特徴とする請求項５記載の冷却システム。