JPWO2007046332A1 - Co2冷凍機 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1(特開2004−170007号公報)には、アンモニアを冷媒として用いる高元側冷凍サイクルに、CO2を冷媒として用いる低元側冷凍サイクルのCO2冷媒を冷却、液化するカスケードコンデンサを備えるとともに、CO2冷凍サイクルの膨張弁通過後の圧力及び温度をCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルとすることにより、固体・ガス二相のCO2とし、固体CO2の昇華による冷熱を冷却負荷からの被冷却流体に供給することにより、CO2の三重点(−56℃)以下の極低温域での冷却を可能にした手段が開示されている。
またCO2冷媒をCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、CO2の固体・ガス二相をつくり、固体CO2の昇華による冷熱を供給するものであるため、冷媒流路に詰まりを生じたり、あるいは冷媒流路に圧損等を生じて冷凍サイクルの運転が不安定となるおそれがある。
CO2(炭酸ガス)を冷媒とし、
圧縮機を直列に多段に設けることによりCO2を超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たCO2凝縮体を膨張手段を通すことによりCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第1の冷凍サイクルと、
前記第1冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、
前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り前記第1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
CO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第2の冷凍サイクルとからなることを特徴とする。
CO2(炭酸ガス)を冷媒とし、CO2ガスを超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たCO2凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、CO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第1の冷凍サイクルと、
アンモニア、HC又はCO2を冷媒とし、前記第1の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第1のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でもCO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第2の冷凍サイクルと、
CO2を冷媒とし、該第2の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第2のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことによりCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第3の冷凍サイクルとからなることを特徴とする。
また第2の冷凍サイクルは、アンモニア、HCガス又はCO2を冷媒として用いた冷凍サイクルとし、アンモニア又はHC等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、冷凍機全体の効率をさらに良くすることができ、CO2を冷媒として用いた冷凍サイクルとすると、前述したCO2の安全性及び無害等の長所を有するとともに、第1冷凍サイクル及び第3冷凍サイクルの冷媒と同じ冷媒を用いることになり、装置全体として安全かつ無害であり、安価となる。
また閉回路ループに設けられる熱回路には、膨張手段や圧縮機を設ければ、個々の熱回路で冷凍サイクルを構成することができ、これによって各種の冷却負荷に応じた冷熱源を供給することができる。
また本発明の第1構成又は第2構成において、CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルで使用される膨張手段をキャピラリチューブ又は膨張タービンとすれば、膨張手段における固相CO2の詰まりによる抵抗増大又は閉塞を確実に防止することができる。
なお本発明においてCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルにすることによって固気二相のCO2が形成される場合であっても、好ましくは膨張手段としてキャピラリチューブや膨張タービンを用いることにより、冷媒流路での抵抗増大や詰まりを防止することができる。
なお第2の冷凍サイクルでアンモニア又はHC等の冷媒を用いた冷凍サイクルとすれば、さらに効率が向上し、一方CO2を冷媒として用いた冷凍サイクルとすると、自然冷媒としてのCO2の長所(無害、安全等)を享受することができるとともに、第1冷凍サイクル及び第3冷凍サイクルと同じCO2冷媒を用いることにより、装置全体として安価となる。
また第1冷凍サイクル又は第3冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と閉回路ループとの間に気液分離器を介在させることにより、閉回路ループに液相のCO2を確実に供給することができる。
図1は、本発明の第1実施例のブロック線図、図2は、第1実施例のモリエル線図、図3は、本発明の第2実施例のブロック線図、図4は、第2実施例のモリエル線図、図5は、本発明の第3実施例のブロック線図、図6は、本発明の第4実施例のブロック線図、図7Aは、第4実施例のカスケードコンデンサ54の立面図、図7Bはその平面図、図8は、本発明の第5実施例のブロック線図である。
第1冷凍サイクルの冷媒流路1は、中間冷却器6の凝縮部6bに接続し、その後膨張弁7を経て蒸発器8の蒸発部8aに接続する。
まず第1冷凍サイクル1において、CO2冷媒は、高段圧縮機3で圧縮され、臨界点Kを越えて超臨界域に達する(図2中A→B)。その後凝縮器5で水wに凝縮熱を付与して凝縮する(同上B→C)。水wは凝縮熱を得て約80℃に加熱され、給湯ライン9から図示しない温熱源負荷に供給される。
第1冷凍サイクルの冷媒流路1を通る冷媒は、中間冷却器6の凝縮部6bに入る。ここで凝縮部6bの冷媒から蒸発部6aの冷媒に蒸発潜熱が吸収され(同上C→E)、蒸発部6aの冷媒がその蒸発潜熱を得て蒸発する。蒸発部6aで一部蒸発した冷媒は接続点cで第1冷凍サイクルの冷媒に合流する(同上D→A及びH→A)。冷媒通路2及び接続点cはCO2の三重点(−56℃及び0.518Mpa)以上の圧力及び温度レベルを維持する。
その後冷媒流路1を通る冷媒は、低段圧縮機4で断熱圧縮させる(同上G→H)。
また第2冷凍サイクルの冷媒流路2はCO2の三重点以上の圧力及び温度に維持されるので、CO2冷媒が固相を呈することがなく、このため冷媒流路2に抵抗の増大や詰まりを生じることがない。また圧縮機を多段に構成しているので、成績係数を向上させることができる。
なおCO2の三重点以下の圧力及び温度となる膨張弁7では、キャピラリチューブや膨張タービンを用いることにより、冷媒流路内部の抵抗の増大や詰まりを確実に防止することができる。
図3及び4において、高段圧縮機3と低段圧縮機4との間に中段圧縮機14が設けられるとともに、第1冷凍サイクルの冷媒流路1は、中間冷却器6の下流側で第3冷凍サイクルの冷媒流路11が分岐し、冷媒流路11の冷媒は、膨張弁13を経て断熱膨張され、減圧かつ低温となって第2中間冷却器12の膨張部12aに流入する。
かかる第2実施例によれば、前記第1実施例に作用効果に加えて、圧縮機を3段にしたことにより、成績係数をさらに向上することができる長所をもつ。
カスケードコンデンサ26では、凝縮部26bを通る第2冷凍サイクルの冷媒から蒸発潜熱を奪い、蒸発して圧縮機23に戻る。凝縮器24では給湯ライン27から供給された水wが加熱され、約80℃の高温水hとなって図示しない高熱源負荷に給湯される。
第2冷凍サイクル31では、圧縮機33で圧縮された冷媒は、カスケードコンデンサ26の凝縮部26bで第1冷凍サイクルのCO2冷媒に蒸発潜熱を奪われて凝縮され、その後膨張弁34を経て断熱膨張され、カスケードコンデンサ35の蒸発部35aに入る。
カスケードコンデンサ35で第3冷凍サイクルの冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発し、再び圧縮機33に入る。なお第2冷凍サイクル31では、常にCO2の三重点以上の圧力及び温度レベルに維持される。
図6において、図5と同一の符号を付した機器、部材は図5に示す機器、部材と同一の構成及び機能を有するものであり、これらの説明を省略する。第4冷凍サイクル51は、空気又は窒素を冷媒とし、冷媒流路52に、アンモニア53、カスケードコンデンサ54、膨張タービン55及び蒸発器57を介設して構成されている。56は、圧縮機53の駆動モータであるが、膨張タービン55の稼動により回生される回生モータとなっている。
かかる構成において、入口管541からサイクロン540の内部に供給されたCO2冷媒は、固気二相状態でサイクロン540の内面に沿って螺旋を描きながら、分子量が44と空気又は窒素に比べて重いために下方に沈降していく。
このように第4実施例によれば、80℃の高温の給湯と−100℃近辺の超低温の冷熱源を同時に供給することができ、また安定した冷凍運転が可能で、効率の良い冷媒サイクルを実現することができる。
図8において、28は気液分離器であり、その液相部28bが第1冷凍サイクル21の液相部分の冷媒流路22(膨張弁25の上流側)に分岐管29を介して連通されている。また気液分離器36は、その液相部36bが第2冷凍サイクル31の液相部分の冷媒流路32(膨張弁34の上流側)に分岐管37を介して連通されている。
閉回路ループ61の液相ライン61bには、閉路状熱回路62の始端が接続され、閉路状熱回路61の気相ライン61aには閉路状熱回路62の終端が接続されている。閉路状熱回路62には熱交換器63が介設され、ここで閉回路ループ61の液相ライン61bから取り出したCO2冷媒液の蒸発潜熱等を冷却負荷側の被冷却流体rから奪って冷却負荷側を冷却し、冷媒液は蒸発して気相となり、閉回路ループ61の気相ライン61aに戻るように構成されている。
また建物内の閉回路ループ61,71に供給される冷媒は、自然冷媒であり安全かつ無害なCO2冷媒であり、安全に冷凍運転することができるとともに、第1冷凍サイクル21、第2冷凍サイクル31、及び建物60内で配設される閉回路ループ61,71は、常にCO2の三重点以上の圧縮機及び温度レベルで運転されるために、冷媒流路内部での抵抗増大や詰まりを生ぜず、安定した高効率な運転が可能となる。
Claims (8)
- CO2(炭酸ガス)を冷媒とし、
圧縮機を直列に多段に設けることによりCO2を超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たCO2凝縮体を膨張手段を通すことによりCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧し、蒸発器で蒸発させる第1の冷凍サイクルと、
前記第1冷凍サイクルの凝縮器と膨張手段との間の冷媒流路に設けられた中間冷却器を蒸発部とし、
前記凝縮器と該中間冷却器の間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記中間冷却器を通り前記第1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
CO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第2の冷凍サイクルとからなることを特徴とするCO2冷凍機。 - 前記第1の冷凍サイクルの前記中間冷却器の下流側に設けられた第2の中間冷却器を蒸発部とし、
前記中間冷却器と前記第2の中間冷却器との間の冷媒流路から分岐し膨張手段を介して前記第2の中間冷却器を通り前記第1の冷凍サイクルの多段圧縮機間の冷媒流路に接続され、
CO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第3の冷凍サイクルとからなることを特徴とする請求項1記載のCO2冷凍機。 - CO2(炭酸ガス)を冷媒とし、CO2ガスを超臨界域まで圧縮するとともに、
凝縮器から出たCO2凝縮体を膨張手段を通して減圧させ、蒸発部で蒸発させ、CO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第1の冷凍サイクルと、
アンモニア、HC又はCO2を冷媒とし、前記第1の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第1のカスケードコンデンサを備え、膨張手段の後流側でもCO2の三重点以上の圧力及び温度レベルを維持するように構成された第2の冷凍サイクルと、
CO2を冷媒とし、該第2の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第2のカスケードコンデンサを備え、膨張手段を通すことによりCO2の三重点以下の圧力及び温度レベルまで減圧して蒸発させる第3の冷凍サイクルとからなることを特徴とするCO2冷凍機。 - CHガス、空気又は窒素ガスを冷媒とし前記第3の冷凍サイクルの蒸発部との間で熱交換を行なう第3のカスケードコンデンサを備えた第4の冷凍サイクルを付設したことを特徴とする請求項3記載のCO2冷凍機。
- 前記夫々の冷凍サイクル間に介設された第1〜第3のカスケードコンデンサを高元側冷媒と低元側冷媒とを直接接触させて熱交換する接触式熱交換器で構成したことを特徴とする請求項3又は4記載のCO2冷凍機。
- 前記第1の冷凍サイクル又は前記第3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路に連通し略水平状に配置された閉回路ループと、
該閉回路ループより液を取り出してその蒸発潜熱により熱交換を行なって液相より気相に移行させ前記閉回路ループのガス側に戻す熱回路とを備えたことを特徴とする請求項3記載のCO2冷凍機。 - 前記第1の冷凍サイクル又は前記第3の冷凍サイクルの液相部分の冷媒流路と前記閉回路ループとの間に気液分離器を介在させてなることを特徴とする請求項6記載のCO2冷凍機。
- CO2の三重点以下の圧力及び温度レベルで使用される前記膨張手段をキャピラリチューブ又は膨張タービンとすることを特徴とする請求項1又は3記載のCO2冷凍機。
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