JP4652449B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は冷凍装置に関し、特に冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機を備えた冷凍装置に関する。

近年、冷凍サイクルの効率をさらに向上させるために、動力回収型冷凍サイクルが提案されている。特許文献１によれば、膨張機を使用して、冷媒の膨張仕事を回収することにより圧縮機の入力を低減している。動力回収型冷凍サイクルに使用される膨張機は、例えば特許文献２に開示されている。

図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍装置を示しており、圧縮機１とガス冷却器（あるいは放熱器）２と膨張機（あるいは膨張装置）３と蒸発器５とを備え、これらが直列に接続されて冷凍サイクルを形成している。膨張機３は発電機４に連結されている。圧縮機１は回転式電動機や走行用エンジン等の駆動手段（図示せず）により駆動される。冷媒は、圧縮機１において常温低圧から高温高圧へと圧縮された後、ガス冷却器２において常温高圧へと冷却される。その後、冷媒は膨張機３において低温低圧へと膨張した後、蒸発器４で常温まで加熱され、再び圧縮機１に戻る。膨張機３では、冷媒の膨張仕事を回収して発電機４を駆動し、電力を発生させる。

図５は、従来の冷凍装置のモリェル線図を示している。膨張機３において、冷媒は１０ｍｓから２０ｍｓの短時間で膨張するため断熱膨張するとみなすことができ、冷媒は等エントロピ線（ｃ→ｄ）に沿ってエンタルピを低下させていく。従って、膨張弁を用いて膨張仕事をさせることなく単純に等エンタルピ変化させる場合と比較して、膨張仕事△iexp分だけ蒸発器５における比エンタルピ差が増加し、冷凍能力を増大させることが可能となる。また、膨張機３は、発電機４に冷媒の膨張仕事△iexpから電力を発生させ、その電力を圧縮機１へ供給することにより圧縮機１の駆動に必要な電力を低減することができる。以上のように、蒸発器５の冷凍能力の増加と、圧縮機１の駆動電力の低減により、冷凍装置のＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。

図５から明らかなように、冷凍装置に用いる膨張機３においては、入口ｃは単相、出口ｄは二相（気体−液体）の冷媒となるので、膨張過程において相変化が起こる。

図６は、特許文献２の図９（ｂ）に記載された従来の冷凍装置に用いる膨張機の作動室容積と圧力の関係を示すグラフである。膨張過程の前半は、非圧縮性流体に近い超臨界相あるいは液相冷媒（単相冷媒）が膨張するので、容積変化に対する圧力降下が大きいが、膨張過程の後半は、冷媒は圧力と温度を降下させながら液相から気相へと相変化を起こすことで大き<膨張するので、容積変化に対する圧力降下は小さい。

特開２０００−３２９４１６号公報 特開２００４−２５７３０３号公報

冷媒の相変化に関しては、図４の冷凍装置の蒸発器５に設けられた冷媒管の内部での核沸騰において、伝熱面から相変化が起こることや、伝熱面の表面形状や熱流束が相変化に影響することが一般的に知られている。しかしながら、膨張機３における冷媒の相変化は、図５の等エントロピ線に沿った断熱膨張の過程で起こるので、壁面からの熱流束が無く、かつ、作動室の壁面は流体損失や摺動損失低減のために滑らかに形成されているので、相変化は壁面からと同様に冷媒の内部からも起こる。流体の内部に気泡核を生むためには、飽和温度以上の温度となることによってエネルギーを蓄えた過熱液体が必要であり、過熱液体を生じる過程で相変化の遅れが生じていた。相変化の遅れが生じると、相変化に伴う冷媒の膨張率が小さくなるので、膨張機３で回収する冷媒の膨張仕事が減少するという課題が生じていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、相変化の遅れを防止することができる高効率の冷凍装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷凍装置は、圧縮機と、ガス冷却器と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機と、蒸発器とを順次直列に接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、前記膨張機の入口には網目状や棒状の流体撹拌部材が設けられており、冷媒を二酸化炭素とし、冷媒に非凝縮性気体として窒素を１重量％以下混入させたことを特徴とする。

この構成により、冷媒に混ぜられた非凝縮性気体が、膨張機の冷媒内部から相変化を起こすための気泡核となり、相変化遅れを防止することができるので、高効率の冷凍装置を提供することができる。

非凝縮性気体の沸点は−４０℃以下であるのが好ましい。本発明に係る冷凍装置を寒冷地における給湯、暖房用途に用いる場合でも、十分な余裕を以って非凝縮性気体を用いることができるので、相変化遅れを防止する効果を増大することができる。

非凝縮性気体を窒素とするのがよい。窒素は比較的に安価で容易に入手できる。

また、非凝縮性気体の濃度を１重量％以下とするのがよい。

冷凍装置には、膨張機の入口に流体撹拌部材を設けることもできる。流体撹拌部材は、冷媒に混じった非凝縮性気体の気泡を小さな気泡に分解し、相変化のための気泡核の数を増すように作用して、相変化遅れを防止する効果を増大する。

冷媒を二酸化炭素とするのが好ましい。二酸化炭素を使用すると、冷凍装置の高低圧の差圧を大きくすることができるとともに、非凝縮性気体を使用することで、冷媒として二酸化炭素のみを使用した従来の冷凍装置で生じていた相変化遅れを防止することができる。

まず、図４の冷凍装置は従来のものとして記載しているが、これは本発明にも適用できるものである。すなわち、本発明に係る冷凍装置は、圧縮機１と、ガス冷却器あるいは放熱器２と、膨張機あるいは膨張装置３と、蒸発器５とを順次直列に接続して冷凍サイクルを形成している。本発明に係る冷凍装置はまた、膨張機３に連結された発電機４を備えている。本発明に係る冷凍装置は、非凝縮性気体を混ぜた冷媒を使用している点で従来の冷凍装置と相違している。

非凝縮性気体は、冷媒の状態（圧力及び温度）に関係なく常に気体の状態を維持する。ここで、非凝縮性気体とは、その凝縮温度が、冷凍装置運転中の冷媒が取りうる最低温度以下である物質と定義する。非凝縮性気体は、冷媒が液体の状態でも常に気体であるため、膨張機３において、非凝縮性気体は冷媒内部から相変化を起こすための気泡核となり、前述の相変化遅れ発生を防止することができる。なお、非凝縮性気体に求められる他の用件として、冷媒との反応性、冷媒への溶解度が共に非常に小さ<、冷媒への影響が無いことが望ましい。また、冷媒に混入する非凝縮性気体の量については、その量が多すぎると、冷媒の特性が劣化して冷凍サイクル性能の低下を引き起し、その量が少なすぎると、冷媒中に存在する気泡核が少なくなり相変化遅れの防止効果が小さくなる。したがって、非凝縮性気体は適切な量にする必要がある。

＜実施例＞
冷凍サイクルを循環する冷媒を二酸化炭素とし、非凝縮性気体として窒素を１.０重量％混入した場合の実験を実施した。

窒素の大気圧における沸点は−１９５．８℃、３．４ＭＰａでの臨界点は−１４７．０℃であり、一般的な冷凍サイクル中の二酸化炭素が取りうる−４０℃以上の温度において、窒素は常に気体である。また、窒素の二酸化炭素に対する反応性、溶解度も非常に小さい。

実験は、図４の冷凍サイクルを用い、まず真空引きしたサイクルに、窒素を１００ｇ封入し、次に冷媒としての二酸化炭素を１０ｋｇ封入した状態で行った。なお、膨張機３には、吸込み容積が１１．８ｃｃであるスウィング型膨張機を用いた。

図１乃至図３は実験結果を示すグラフである。図中、「ＮＣ−１有り」とは、１.０重量％の窒素を二酸化炭素に混入した場合を意味しており、「ＮＣ−１無し」とは、冷媒として純粋二酸化炭素を使用した場合を意味している。図１において、横軸は膨張機３に接続した負荷量（Ｗ）を示しており、縦軸は膨張機３の回転速度（ｒｐｍ）を示している。例えば、膨張機３の回転速度を１８００ｒｐｍ付近に設定すると、「ＮＣ−１有り」は、負荷を２００Ｗから３００Ｗに向上させることができる。また、膨張機３の回転速度を９００ｒｐｍ付近に設定した場合も、「ＮＣ−１有り」は、負荷を９００Ｗから１０００Ｗに向上させることができる。すなわち、図１のグラフは、１.０重量％の窒素の添加により膨張機３に連結された発電機４の発電電力が向上したことを示している。

図２は、膨張機３の入口の二酸化炭素の温度と膨張機３の効率との関係を示すグラフである。このグラフは、１.０重量％の窒素の添加により、実験した温度域のすべてにおいて、膨張機３の効率が向上していることを示している。

図３は、膨張機３の入口の二酸化炭素の温度と冷凍サイクルのＣＯＰとの関係を示すグラフである。ＣＯＰは、蒸発器５で得る熱量と、膨張機３での電力回収を差引いて圧縮機１に投入した電力の比で定義される成績係数であり、この値が大きいほうが冷凍サイクルの効率が高い。図３は、１.０重量％の窒素の添加により、実験した温度域のすべてにおいて、ＣＯＰが向上し、冷凍サイクルの効率が向上していることを示している。別の実験によれば、冷媒への１.０重量％あるいはそれ以下の窒素の添加が好ましい。

以上から明らかなように、冷媒に非凝縮性気体を混入することにより、膨張機効率を向上させ、かつ冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、膨張機３は発電機４に連結される構成としたが、膨張機３のシャフト（図示せず）と圧縮機１のシャフト（図示せず）とが軸方向に一致するように連結されている構成であってもよい。

また、膨張機３の入口に、網目状や棒状の流体撹拌部材を挿入しておいてもよい。流体撹拌部材により、冷媒に混入した非凝縮性気体の気泡を小さな気泡に分解し、相変化のための気泡核の数を増すことで、相変化遅れを防止する効果を増し、高効率の冷凍装置を提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、膨張機３にスウィング型膨張機を用いたが、スクロール型、ローリングピストン型、スライディングベーン型等、他の容積型膨張機を備える構成としてもよい。

また、非凝縮性気体は窒素に限定されるものではなく、アルゴン、ネオンといった希ガス等を用いてもよい。

本発明を添付した図面を参照して具体例を元に十分記載したが、当業者には様々な変形例も理解できるところである。したがって、そのような変形例が本発明の精神と範囲から逸脱することがなければ、それらは本発明に含まれるものである。

本発明に係る冷凍装置は冷凍装置や冷蔵装置に限定されるものではなく、一般空調機や給湯器用ヒートポンプ装置に適用することが可能である。

膨張機に加わる負荷と膨張機の回転速度との関係を示すグラフ 膨張機入口の二酸化炭素の温度と膨張機効率との関係を示すグラフ 膨張機入口の二酸化炭素の温度と冷凍サイクルのＣＯＰとの関係を示すグラフ 本発明に係る冷凍装置と従来の冷凍装置の概略図 従来の冷凍装置のモリエル線図 従来の冷凍装置に用いる膨張機の作動室容積と圧力の関係を示すグラフ

符号の説明

１ 圧縮機
２ ガス冷却器
３ 膨張機
４ 発電機
５ 蒸発器

Claims (1)

1. 圧縮機と、ガス冷却器と、冷媒の膨張エネルギーを回収する膨張機と、蒸発器とを順次直列に接続して冷凍サイクルを形成する冷凍装置であって、
   前記膨張機の入口には網目状や棒状の流体撹拌部材が設けられており、
   冷媒を二酸化炭素とし、冷媒に非凝縮性気体として窒素を１重量％以下混入させたことを特徴とする冷凍装置。

Images