JP2015124947A - Co2冷媒を用いた冷却システム - Google Patents
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Abstract
Description
CO2冷媒液をレシーバから負荷側冷却器まで送る配管系統では、熱侵入や圧力損失でフラッシュガスが発生すると、CO2冷媒液の供給量が不安定になるため、液ポンプの全揚程を高く取る必要が生じる。そのため、液ポンプの大型化を招くと共に、液ポンプの動力分の熱量がCO2冷媒液に加えられるため、冷却能力が低下するといった問題がある。特に、レシーバと負荷側冷却器とが離れていると、配管系統の圧力損失が増大し、熱侵入量が多くなるため、フラッシュガスが発生し易くなる。
また、特許文献3には、ヒートポンプ装置において、COPを向上させるため、凝縮器から膨張弁へ向かう冷媒の流路と蒸発器か圧縮機へ向かう冷媒の流路とを、円形断面を有する隔壁で形成された二重管で構成し、二重管の内側流路と外側流路とを流れる冷媒を互いに熱交換させるようにした構成が開示されている。
また、レシーバに貯留されたCO2冷媒を負荷側冷却器に送る配管系統において、往路及び復路が夫々独立した経路とした場合、広い設置スペースが必要となる。これは装置のレイアウト上の制約から問題がある。
なお、前記二重管は、互いに同心状に配置されているもの、及び互いに偏心して配置されているものを含むものとする。
また、CO2配管系統を二重管としたことで、設置スペースを縮小でき、設置スペース上の制約をクリアできる。さらに、外側流路を熱伝達係数が小さく、かつ体積が大きい気液混合状態のCO2冷媒の復路の流路としたことで、外部からの入熱を効果的に抑制できると共に、2つの流路の流路断面積をバランス良く配分できる。
従って、レシーバの容量を増加させることなく、冷却システムのコンパクト化及び低コスト化を達成できる。
さらに、外側流路を流れるCO2冷媒は内側流路を流れるCO2冷媒より温度が幾分低下するので、外側流路を流れるCO2冷媒で内側流路を流れるCO2冷媒を冷却する効果もある。
これによって、二重管の形成された冷媒導入空間に一次冷媒を導入し、一次冷媒で二重管を冷却できるため、二重管への外部からの入熱を有効に抑制でき、フラッシュガスの発生を抑制できる。
また、負荷の増減によってカスケードコンデンサやレシーバの圧力変動が起こり、これらの圧力変動が液ポンプの吸入ヘッドを低下させてキャビテーションに至る場合がある。本実施態様では、一次冷媒で復路のCO2冷媒を予冷することで、事前に増加負荷分を予冷でき、前記圧力変動を抑えることができる。
これによって、高圧充填によるガス燃料の昇温を抑制し、ガス燃料の車両への充填を効率的に行うことができる。
本発明の第1実施形態に係る冷却システムを図1〜図5に基づいて説明する。図1において、本実施形態に係る冷却システム10Aは、一次冷媒回路12、二次冷媒回路14及び負荷側冷却器16で構成されている。
一次冷媒回路12は一次冷媒が循環しており、一次冷媒として、例えば、NH3、炭化水素等の自然冷媒、又はフロン系冷媒が用いられている。一次冷媒回路12には、圧縮機18、凝縮器20、膨張弁22及びカスケードコンデンサ24が介設されている。圧縮機18として例えば往復動式圧縮機などが用いられ、カスケードコンデンサ24として例えばシェルアンドプレート式熱交換器などが用いられる。
流量調整弁36と圧力調整弁38との間の往路14a及び復路14bは、二重管40Aで構成されている。以下、図2及び図3に基づいて二重管40Aの構成を説明する。
外管48の外周面は断熱材からなる断熱層50で囲繞されている。断熱層50を構成している断熱材は、例えば、ポリウレタンフオームなどの公知の断熱材である。
ここで、往路14a及び復路14bを二重管としない従来の冷却システム、及び本実施形態の冷却システムにおいて、CO2冷媒の状態変化を図4、5及び図9、10に基づいて説明する。
従来の冷却システムにおいて、往路14aを流れるCO2冷媒はe→dの間で侵入熱と圧力損失でeの位置が飽和液線に近づいている。そのため、液ポンプ34のポンプ圧力を高くしないと、e位置で気化が起る。また、負荷側冷却器16の入口(d位置)のエンタルピも高くなり、液ポンプ34のポンプ圧力をさらに高くしないと、CO2冷媒は気化が起った状態で負荷側冷却器16に送られる。そのため、冷媒供給量が不安になったり、負荷側冷却器16内での圧力損失が増え、かつ冷媒循環量(kg/s)当りの潜熱が小さくなり、冷却能力が低下する。
本実施形態では、往路14aを流れるCO2冷媒はe→dの間でCO2冷媒の圧力損失を考慮する必要があるが、復路14bを流れるCO2冷媒で冷却されるため、気化することはない。そのため、圧力損失のみを考慮すればよいため、液ポンプ34のポンプ圧力を小さくすることができる。
また、CO2配管系統を二重管40Aとしたことで、設置スペースを縮小でき、設置スペース上の制約をクリアできる。さらに、外側流路F2を熱伝達係数が小さく、かつ体積が大きい気液混合状態のCO2冷媒が流れる流路としたことで、外部からの入熱を効果的に抑制できると共に、2つの流路の流路断面積をバランス良く配分できる。
また、二重管40Aの外周を断熱層50で囲繞したことで、外部からの入熱を遮断でき、そのため、冷却システム10Aの冷却能力のロス及び熱効率の低下を防止できる。
さらに、外側流路F2を流れるCO2冷媒は内側流路F1を流れるCO2冷媒より温度が幾分低下するので、外側流路F2を流れるCO2冷媒で内側流路F1を流れるCO2冷媒を冷却する効果もある。
本実施形態では、内管46と外管48とは同心状に配置されているが、本発明ではこの配置に限定されない。即ち、内管46と外管48とを偏心して配置してもよい。
次に、本発明の第2実施形態を図6に基づいて説明する。本実施形態に係る三重管40Bは、内側流路F1を形成する内管46と、外側流路F2を形成する外管48とで構成される二重管のさらに外側にこれらの管と同心状に配置された円形断面の管52を設けている。管52の内側には、真空圧に保持された断熱空間sが形成されている。断熱空間sに連通する管路49が設けられ、管路49には開閉弁51が設けられている。管路49は真空ポンプなどの減圧装置(不図示)に接続されている。該減圧装置で管路49を介し真空引きすることで、断熱空間sをほぼ真空圧とすることができる。なお、断熱空間sは管軸方向に仕切板で複数に仕切り、各断熱空間sに管路49を接続するようにしてもよい。その他の構成は第1実施形態と同一である。
次に、本発明の第3実施形態を図7及び図8に基づいて説明する。本実施形態に係る冷却システム10Bにおいては、図8に示すように、CO2冷媒の往路14aと復路14bを形成する流路が三重管40Cで構成されている。
三重管40Cは、内側流路F1を形成する内管46と、外側流路F2を形成する外管48とで構成される二重管のさらに外側に、これらの管と同心状に配置された管54が設けられている。管54の内側には、一次冷媒を導入する冷媒導入空間rが形成され、管54の外周面は前記第1実施形態と同様の断熱層50で囲繞されている。
また、負荷の増減によってカスケードコンデンサ24やレシーバ30の圧力変動が起こり、これらの圧力変動が液ポンプ34の吸入ヘッドを低下させてキャビテーションに至る場合があるが、本実施形態では、一次冷媒で復路14bのCO2冷媒を予冷することで、事前に増加負荷分を予冷でき、前記圧力変動を抑えることができる。
また、三重管40Cにおいて、外側流路F2を流れるCO2冷媒と冷媒導入空間rを流れる一次冷媒とは互いに向流に流れているので、一次冷媒によるCO2冷媒の冷却効果をさらに高めることができる。
12 一次冷媒回路
14 二次冷媒回路
14a 往路
14b 復路
16 負荷側冷却器
18 圧縮機
20 凝縮器
22、57 膨張弁
24 カスケードコンデンサ
36 流量調整弁
30 レシーバ
32 CO2循環路
34 液ポンプ
38 圧力調整弁
40A 二重管
40B、40C 三重管
42 水素ステーション(高圧ガス充填設備)
44 導管
46 内管
48 外管
49 管路
50 断熱層
51 開閉弁
52、54 管
56 一次冷媒分岐往路
58 一次冷媒分岐復路
F1 内側流路
F2 外側流路
r 冷媒導入空間
s 断熱空間
Claims (6)
- 一次冷媒が流れ冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路と、
前記一次冷媒回路とカスケードコンデンサを介して接続され、二次冷媒としてCO2冷媒が流れる二次冷媒回路と、
前記二次冷媒回路に設けられ、前記カスケードコンデンサで液化されたCO2冷媒を一旦貯留し、気液分離するレシーバと、
前記レシーバに貯留されたCO2冷媒液を負荷側冷却器に導入する往路、及び該負荷側冷却器で被冷却物を冷却した後の気液混合状態のCO2冷媒を前記レシーバに戻す復路からなるCO2配管系統とを有するCO2冷媒を用いた冷却システムであって、
前記CO2配管系統は、
前記往路に設けられた液ポンプと前記負荷側冷却器との間の領域で、前記往路と前記復路とは二重壁で内側流路及び外側流路が形成された二重管で構成され、
前記二重管において、前記往路を流れるCO2冷媒液は前記内側流路を流れ、前記復路を流れる気液混合状態のCO2冷媒は前記外側流路を流れるように構成されていることを特徴とするCO2冷媒を用いた冷却システム。 - 前記二重管の外周が断熱壁で囲繞されていることを特徴とする請求項1に記載のCO2冷媒を用いた冷却システム。
- 前記二重管の外周が真空圧の断熱空間で囲繞されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のCO2冷媒を用いた冷却システム。
- 前記一次冷媒回路には圧縮機、凝縮器及び膨張弁が設けられると共に、
前記二重管に冷媒導入空間が形成され、
前記凝縮器の出口で前記一次冷媒回路から分岐し、前記冷媒導入空間の一端に接続された一次冷媒分岐往路と、
前記冷媒導入空間の他端と前記圧縮機入口の前記一次冷媒回路とに接続された一次冷媒分岐復路とを有し、
前記冷媒導入空間に前記一次冷媒分岐往路を介して前記一次冷媒を導入するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のCO2冷媒を用いた冷却システム。 - 前記冷媒導入空間が前記二重管の外周面を囲繞するように形成されていることを特徴とする請求項4に記載のCO2冷媒を用いた冷却システム。
- 前記負荷側冷却器は、
車両の車載タンクにガス燃料を充填する高圧ガス充填設備に設けられ、前記高圧ガス充填設備から前記車載タンクに搭載されるガス燃料を冷却するものであることを特徴とする請求項1に記載のCO2冷媒を用いた冷却システム。
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