| 【発明の名称】 |
冷凍システム |
| 【発明者】 |
【氏名】原 隆雄
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| 【要約】 |
【課題】凝縮用熱交換装置の小型化によりコスト低減、省エネ、地球環境の保全を図る冷凍システム。
【解決手段】圧縮機１からの高温高圧凝縮性ガス冷媒を分流して、分流量が多い側の凝縮性ガス冷媒は、内箱６及び外箱７の二重箱型熱交換器から成る凝縮器５の内箱６に送り、分流量が少い側の凝縮性ガス冷媒は、中圧減圧手段、拡散流手段、低圧減圧手段を含んで形成される減圧用管路８に送って、ここで凝縮及び減圧膨張して得られる低温低圧の液冷媒を凝縮器５の外箱７に送って内箱６の凝縮性ガス冷媒との間で熱交換を行なわせることによって、内箱６の凝縮性ガス冷媒を凝縮液化させる一方、外箱７の液冷媒を蒸発気化させ、次いで、内箱６の高圧液冷媒を螺旋状伝熱管９Ａを備える液管路９を経て膨張弁３に送って減圧膨張させた後、冷却器４に送って空気又は冷却水との間で蒸発潜熱を熱交換させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮機から吐出される凝縮性ガス冷媒を分流して、分流量が多い側の凝縮性ガス冷媒は内箱及び外箱を備える二重箱型熱交換器からなる凝縮器の内箱に送り、分流量が少い側の凝縮性ガス冷媒は減圧用管路に送り、ここで凝縮及び減圧膨張することにより得られる低温低圧の液冷媒は前記凝縮器の外箱に送って内箱の凝縮性ガス冷媒との間で熱交換を行なわせることによって、内箱の凝縮性ガス冷媒を凝縮液化させる一方、外箱の液冷媒を蒸発気化させ、次いで、内箱の高圧液冷媒は液管路を経て膨張弁に送って減圧膨張させた後、冷却器に送って空気又は被冷却水との間で蒸発潜熱を熱交換させることにより蒸発気化させ、この冷却器で蒸発気化した低圧凝縮性ガス冷媒と外箱で蒸発気化した低圧凝縮性ガス冷媒とは合流させた後、圧縮機に返戻させ、前記冷却器において冷凍・冷房用の冷熱を得る冷凍サイクルが形成されてなる冷凍システムにおいて、前記減圧用管路が、高温高圧の凝縮性ガス冷媒を回転流を伴い増速かつ凝縮させるとともに減圧させて中圧の液冷媒と成す中圧減圧手段と、この中圧減圧手段を経た中圧の液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止める拡散流手段と、この拡散流手段を経た中圧の液冷媒を回転流を伴い増速かつ凝縮させるとともに減圧させて低圧の液冷媒と成す低圧減圧手段とを含んで形成されることを特徴とする冷凍システム。
【請求項２】 前記減圧用管路における前記中圧減圧手段がキャピラリコイルからなり、同じく前記拡散流手段が前記キャピラリコイルに比し広い流通断面を持つ大径の短管からなり、同じく低圧減圧手段がキャピラリコイルからなる請求項１記載の冷凍システム。
【請求項３】 内箱と膨張弁の間に亘る前記液管路が、高圧液冷媒を回転流を伴い増速させて過冷却された高圧液冷媒と成す螺旋状伝熱管と、この螺旋状伝熱管を経た過冷却された高圧液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止めるためとして前記螺旋状伝熱管に比し広い流通断面を持つ大径の短管とを含んで形成される請求項２記載の冷凍システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、凝縮用熱交換面積の縮小化が可能な冷凍システムに関する。なお、本明細書でいう冷凍システムとは、冷凍装置、冷蔵装置、冷房装置等、冷媒（フロン冷媒など）の圧力、温度、相の各変化を伴うサイクルの過程で被冷却対象の冷却を行わせる各種装置における冷却システムを総称する。
【０００２】
【従来の技術】従来から汎用されている冷凍システムは図４に示されるように、冷凍サイクル中に封入されたフロン冷媒等の凝縮性ガス冷媒を圧縮機２１で高温高圧のガス冷媒にして、凝縮器２２で空気（又は冷却水）と熱交換させて凝縮液化することにより常温に近い液体に相変換した後、膨張弁２３で減圧膨張させて低温低圧の液冷媒と成し、この液冷媒を冷却器（蒸発器）２４に送って空気又は冷却用水と熱交換させることにより、蒸発気化させ低温低圧のガス冷媒とする一方、空気又は冷却用水を冷却して冷凍・冷房用の冷熱源として利用し得るようにし、低温低圧のガス冷媒は圧縮機２１に戻すようにしたものである。この場合、凝縮器２２としては、空気用ではクロスフィン形熱交換器が専ら用いられ、一方、冷却水用ではシェル形熱交換器が専ら用いられていることは周知である。なお、図４中において、２５は冷却器２４用のファンであり、また、２８は室内側の前記各機器２１，２３，２４，２５が収納されてなる室内側のハウジングである。
【０００３】このような従来の冷凍システムにおいては、利用側熱交換器として作用する冷却器２４に比して、熱源側熱交換器として作用する凝縮器２２の方が大型構造とならざるを得ないことから、装置のコンパクト化を図るために凝縮器２２を小型化しようと種々の検討が成されているが、現状の冷凍システムにおいて凝縮液化に必要とされる熱交換面積を大幅に減らすことは技術的に困難であって、依然として大型の凝縮器２２が用いられている。
【０００４】自動車用エアコン（冷房用空調機）の従来例を挙げてさらに説明すると、ラジエータの前面スペースに熱交換面積の大きい空冷式凝縮器を設置した例が殆どであることから、ラジエータ本来の能力を著しく低下させるとともに、燃料も余計に消費されるために二酸化炭素の排出に拍車をかける結果となり、更に、真夏の外気高温時には凝縮器の熱交換量が不足する結果、高圧カットによるエアコン停止が頻繁に起こる問題もあった。
【０００５】また、従来の産業用冷房機，冷却機においては、空冷式、水冷式共に設置スペース、特に室外の設置スペースが大きいこともあって、配管・電気配線工事が大掛かりとなり、工事費用が嵩むだけでなく、工事期間も長期に及ぶ等の経済的な不利が免れなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の冷凍冷房システムが抱える問題点の解消を図るためとして、本出願人は先に特許第２８３５３２５号明細書において凝縮用熱交換装置の小型化を図ることができる新規な冷凍システムを提案し、以て装置コストの低減化並びに省エネルギー化を推進して地球環境の保全に一翼を担わせ得るに至ったものであるが、本発明は上記冷凍システムに更なる改良を加えることによって、実用装置としての価値を一層高めようとするものであり、従って、本発明の目的は、凝縮用熱交換装置の小型化を図るとともに圧縮効率を高めて、安定性及び経済性に富ましめる冷凍システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を達成するため以下に述べる構成としたものである。即ち、本発明における請求項１の発明は圧縮機から吐出される凝縮性ガス冷媒を分流して、分流量が多い側の凝縮性ガス冷媒は内箱及び外箱を備える二重箱型熱交換器からなる凝縮器の内箱に送り、分流量が少い側の凝縮性ガス冷媒は減圧用管路に送り、ここで凝縮及び減圧膨張することにより得られる低温低圧の液冷媒は前記凝縮器の外箱に送って内箱の凝縮性ガス冷媒との間で熱交換を行なわせることによって、内箱の凝縮性ガス冷媒を凝縮液化させる一方、外箱の液冷媒を蒸発気化させ、次いで、内箱の高圧液冷媒は液管路を経て膨張弁に送って減圧膨張させた後、冷却器に送って空気又は被冷却水との間で蒸発潜熱を熱交換させることにより蒸発気化させ、この冷却器で蒸発気化した低圧凝縮性ガス冷媒と外箱で蒸発気化した低圧凝縮性ガス冷媒とは合流させた後、圧縮機に返戻させ、前記冷却器において冷凍・冷房用の冷熱を得る冷凍サイクルが形成されてなる冷凍システムにおいて、前記減圧用管路が、高温高圧の凝縮性ガス冷媒を回転流を伴い増速かつ凝縮させるとともに減圧させて中圧の液冷媒と成す中圧減圧手段と、この中圧減圧手段を経た中圧の液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止める拡散流手段と、この拡散流手段を経た中圧の液冷媒を回転流を伴い増速かつ凝縮させるとともに減圧させて低圧の液冷媒と成す低圧減圧手段とを含んで形成されることを特徴とする冷凍システムである。
【０００８】また、本発明における請求項２の発明は、上記請求項１記載の冷凍システムにおいて、前記減圧用管路における前記中圧減圧手段がキャピラリコイルからなり、同じく前記拡散流手段が前記キャピラリコイルに比し広い流通断面を持つ大径の短管からなり、同じく低圧減圧手段がキャピラリコイルからなる構成としたことを特徴とする。
【０００９】また、本発明における請求項３の発明は、上記請求項２記載の冷凍システムにおいて、内箱と膨張弁の間に亘る前記液管路が、高圧液冷媒を回転流を伴い増速させて過冷却された高圧液冷媒と成す螺旋状伝熱管と、この螺旋状伝熱管を経た過冷却された高圧液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止めるためとして前記螺旋状伝熱管に比し広い流通断面を持つ大径の短管とを含んで形成される構成としたことを特徴とする。
【００１０】このような本発明によれば、冷凍システムにおける凝縮行程での熱交換の態様が、基本的には凝縮性ガス冷媒に対して回転流を伴う増速作用及び減圧作用を成す過程において顕著な相・温度変化が生じるという事象に着目して、これを冷凍サイクルの凝縮工程に応用することによって、凝縮・液化のために必要な熱源の大部分を循環冷媒自体に求めるようにした点に本発明の特徴が存在するものである。
【００１１】即ち、従来の冷凍システムにおける凝縮行程が、圧縮機より吐出した高温高圧の凝縮性ガス冷媒を外気または水によって冷却して凝縮液化する方式であるのに対して、本発明に係るシステムでは、凝縮・液化のための冷却用熱源として空気や水等の冷却用流体を大量に用いる必要がなく、圧縮機より吐出した高温高圧の凝縮性ガス冷媒の一部を、内部を流れる冷媒の回転流の下での流動速度を増大させつつ減圧させることができる減圧用管路に分流することによって、強制的に熱を放出させ、液化させると同時に降圧させることによって、冷却能力を持つ低温液冷媒に相変化させ、この低温液冷媒にによって圧縮機より吐出した高温高圧の凝縮性ガス冷媒を冷却・液化させる凝縮方式を採用した点を特徴としている。
【００１２】上述する新規なシステムを採用したことにより、本発明は同等の冷凍冷房能力の下で、従来の凝縮器と比較して設置スペース比で約１／２０と小型化が可能となり、換言するなれば同じ大きさで約４倍程度の凝縮能力を引き出すことが可能であり、これによって、冷凍システムにおける装置コストの低減化並びに省エネルギー化が果たされるものである。
【００１３】本発明はまた、前記減圧用管路においてキャピラリコイルの細い管内に通過させながら流速を上げ、かつ回転を加えて熱を放出させるとともに、圧力を下げて液化させた後、外箱で蒸発気化させて圧縮機に戻す一方、内箱と膨張弁の間に亘る前記液管路において螺旋状伝熱管内に通過させながら流速を上げ、かつ回転を加えて熱を放出させ過冷却させ、膨張弁に多量で流して減圧した後、冷却器で蒸発気化させて圧縮機に戻す冷媒回路に構成したから、高・低圧の圧力差を均衡させかつ十分にとらせながら安定した量を確立した低圧凝縮性ガス冷媒の吸入が行われ、その結果、低圧域で安定した引き圧力を保持することができて、圧縮効率が高くなることにより成績係数が向上し、かつ、駆動モータに対する負荷が軽減されて運転経済性に富む冷凍システムを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態の好ましい例について添付図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の実施の形態に係る冷凍システムの冷凍回路が示される。また、図２には、図１図示の冷凍回路における減圧用管路８部の斜視図が示される。図１図示の冷凍システムは、圧縮機１と、凝縮用熱交換装置２と、膨張弁３と、冷却器４とを要素機器として備え、それら機器を冷媒配管によって循環回路に接続することによって冷凍・冷房用の装置が構成される。
【００１５】圧縮機１、膨張弁３及び冷却器４は、現行の冷凍冷房装置に使用されるものと構造、機能が基本的に変わらないので、ここではそれらについての詳細説明を省略し、本発明の特徴とされる構成要素である凝縮用熱交換装置２の態様について以下説明する。
【００１６】上記凝縮用熱交換装置２は、凝縮器５と、減圧用管路８と、液管路９とを要素部材に有し、凝縮器５は、内箱６及び該内箱６を全周囲から取囲む外箱７を備えていて、内箱６の周壁材には銅板などの熱伝達性能に優れる材質の板体が用いられて両箱６，７間で効率的な熱交換を行なうことができる二重箱型熱交換器に形成されている。内箱６及び外箱７は、外壁部に冷媒入口と冷媒出口をそれぞれ開口して有しており、内箱６の冷媒入口には高圧ガス管１０の流出側端を接続させ、内箱６の冷媒出口には前記液管路９の流入側端を接続させ、一方、外箱７の冷媒入口には液管１４の流出側端を接続させ、外箱７の冷媒出口にはガス管１３の流入側端を接続させている。
【００１７】上記減圧用管路８は、その内部を流れる凝縮性ガス冷媒の流れを基準に、中圧減圧手段と拡散流手段と低圧減圧手段とを上手側から下手側に至って直列関係に備えてなる管路であって、中圧減圧手段は例えばキャピラリコイル８−１からなり、拡散流手段は例えばキャピラリコイル８−１に比し広い流通断面を持つ大径短管１９からなり、低圧減圧手段は例えばキャピラリコイル８−２からなっている。
【００１８】前記キャピラリコイル８−１は、数ｍの所定長の熱伝達性能に優れる細径伝熱管、例えば直径３．１２ｍｍ（１／８ｉｎ）の銅製管を螺旋状に巻装して形成されるコイルチューブから成っていて、本実施形態の例では、細長い筒状のケーシング１７に収納して、付設したファン１６によりケーシング１７内に大気を送風して冷却が促進されるように形成している。このキャピラリコイル８−１は、内部を流れる冷媒に対して回転流を与えながら流動速度を増大させた後、下流端部側において減圧を行わせることができる特徴を有するものであって、その流入側端には、前記高圧ガス管１０に流入側端が分岐接続されてなる分岐ガス管１２の流出側端が接続され、流出側端には、前記大径短管１９の流入側端が接続される。
【００１９】前記大径短管１９は、例えば直径９．３６ｍｍ（３／８ｉｎ）、長さ十数ｍｍの銅製短小管が用いられ、その両端部を絞り加工などにより細径に仕上げて、その流入側端には、前述の通りキャピラリコイル８−１の流出側端が接続され、流出側端には、前記キャピラリコイル８−２の流入側端が接続される。この大径短管１９は、キャピラリコイル８−１から導出された中圧の液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止める作用を成すものであって、後続のキャピラリコイル８−２での回転増速作用及び減圧作用を増大させる機能を有する。
【００２０】前記キャピラリコイル８−２は、キャピラリコイル８−１と同様の構造であって、数ｍの所定長の熱伝達性能に優れる細径伝熱管、例えば直径３．１２ｍｍ（１／８ｉｎ）の銅製管を螺旋状に巻装して形成されるコイルチューブから成っていて、その流入側端には、前述の通り大径短管１９の流出側端が接続され、流出側端には、前記液管１４の流入側端が接続される。このキャピラリコイル８−２は、大径短管１９を経た中圧の液冷媒に対して回転流を与えながら流動速度を増大させた後、下流端部側において減圧を行わせることができる特徴を有するものである。
【００２１】なお、キャピラリコイル８−１とキャピラリコイル８−２とは、同一構造であってもよく、また、管長に差を持たせるようにしてもよく、さらに、コイル巻き方向についても同方向または、一方が時計回転方向巻きで他方が反時計回転方向巻きであってもよい。
【００２２】上記液管路９は、内箱６で凝縮・液化した液冷媒を膨張弁３に導くための管路であって、螺旋状伝熱管９Ａを管路の一部に又は全部に備え、更に螺旋状伝熱管９Ａの下手側に直列に大径短管２０を備えて、螺旋状伝熱管９Ａの流入側端は内箱６の冷媒出口に接続し、大径短管２０の流出側端は膨張弁３の入口に接続している。螺旋状伝熱管９Ａは、該管内を流動する液冷媒に回転流を積極的に起こさせて、距離を稼ぐとともに流動速度を上げて過冷却作用を促進させるために設けられたものであり、一方、大径短管２０は前記大径短管１９と略同じ構造及び作用を成す部材であって、螺旋状伝熱管９Ａを経た過冷却された高圧液冷媒を拡散流により減速させかつ回転流を止めるためとして前記螺旋状伝熱管に比し広い流通断面を持たせている。
【００２３】このような液管諮９を設けらたことにより、膨張弁３の入口部の圧力を下げさせてより低圧・低温で多量の液冷媒を膨張弁３に流通させることが可能となり、したがって、膨張弁３では減圧膨張作用がスムーズにかつ安定して行われることになる。
【００２４】上述する凝縮用熱交換装置２が設けられた上記冷凍システムは、膨張弁３の低圧側出口部を液管を介して冷却器４の冷媒入口に接続し、この冷却器４の冷媒入口を吸入用の低圧ガス管１１を介して圧縮機１の吸入口に接続し、高圧ガス管１０の流入側端を圧縮機１の吐出口に接続するとともに、前記ガス管１３の流出側端を低圧ガス管１１の途中に分岐接続することによって凝縮性ガス冷媒の密閉循環回路が形成される。
【００２５】次にこの冷凍システムの運転態様を、凝縮性ガス冷媒として例えばフロン冷媒Ｒ１２が用いられてなる装置の場合について以下説明すると、圧縮機１の吐出口から出た高温高圧の凝縮性ガス冷媒（イ）は、多量が高圧ガス管１０に、少量が分岐ガス管１２に分流して、多量例えば６０％量の凝縮性ガス冷媒は凝縮器５の内箱６に流入する。一方、少量例えば４０％量の凝縮性ガス冷媒は減圧用管路８に流れてキャピラリコイル８−１において凝縮・液化した後、減圧して低温中圧の液冷媒（ロ’）となり、大径短管１９を経てキャピラリコイル８−２において凝縮・液化した後、減圧して低温低圧の液冷媒（ロ）となって凝縮器５の外箱７に流入する。
【００２６】内箱６内の高温高圧ガス冷媒と外箱７内の低温低圧の液冷媒とが熱交換して、内箱６内の高温高圧ガス冷媒は凝縮潜熱を放出することにより液化して高圧液冷媒（ハ）となり、外箱７内の低温低圧の液冷媒は蒸発潜熱を奪取することにより気化して低圧ガス冷媒（ニ）となる。内箱６に溜まっている高圧液冷媒は、液管路９の螺旋状伝熱管９Ａを経る間に過冷却され減圧されて大径短管２０に至り、中圧液冷媒（ホ）となる。この中圧液冷媒（ホ）は膨張弁３に至り、減圧膨張して低圧低温液冷媒（ヘ）となった後、冷却器４に送り込まれて、ここでファン１５が起生する空気との間で蒸発潜熱を熱交換することにより蒸発気化する。この冷却器４で蒸発気化した低圧ガス冷媒（ト）と、外箱７で蒸発気化した低圧ガス冷媒（ニ）とは合流した後、圧縮機１に吸入され、以上のような冷凍サイクルが形成される。この冷凍サイクルにおいて前記冷却器４でファン１５が送風する空気が冷却されることにより、冷凍・冷房用の冷熱源が得られることになる。
【００２７】
【実施例】図３には、本発明の第１実施例に係る産業用冷房装置のシステム構成図が示される。図示の冷房装置は通常、空冷パッケージ型と称される種類に属していて、圧縮機１、凝縮用熱交換装置２、膨張弁３、冷却器４、ロール型ファンからなる冷却器用のファン１５及び制御盤２９が、室内に据置かれるハウジング１８内に一括して収納される。この場合、凝縮器５、減圧用管路８及び液管路９からなる凝縮用熱交換装置２は従来システムにおける空冷式の凝縮器２２（図４参照）に比べて非常に小型であり、かつ、外気を主たる冷却熱源としていないことから、図示のようにハウジング１８内の通気性が良い狭いスペースに設置することが可能であり、従って、従来のような室外に設置した凝縮器２２との間を連絡するガス管、液管が省略でき、装置コスト及び設置工事費の低廉化が可能である。
【００２９】また、従来の空冷式の凝縮器２２では、外気温度２５〜６０℃の強制送風によって凝縮液化過程をとらせていたために大きな冷却用熱交換面積を必要としていたのに対して、本発明に係る凝縮用熱交換装置２の凝縮器５は、−２０℃等の氷点以下の低温度に液化した冷媒を冷却用に利用しているため、従来の対空気用凝縮器に対して１／２０以下の熱交換面積で同等の冷却能力を持たせることができる。
【００３０】なお、上記第１実施例において、凝縮性ガス冷媒としてフロン冷媒Ｒ２２を用いた具体的実施装置に関して、その各部における冷媒の圧力・温度の状態は一例を挙げれば、図２を参照して高温高圧凝縮性ガス冷媒（イ）：１５ｋｇ／ｃｍ２，８５℃、低温中圧液冷媒（チ）：７ｋｇ／ｃｍ２，１２℃、低温低圧液冷媒（ロ）：−５０ｍｍ（水銀柱），−２０℃、高圧液冷媒（ハ）：１４ｋｇ／ｃｍ２，３５℃、低圧ガス冷媒（ニ）：−５０ｍｍ（水銀柱），−２０℃、中圧液冷媒（ホ）：０ｋｇ／ｃｍ２，−５℃、低圧低温液冷媒（ヘ）：−５０ｍｍ（水銀柱），−２０℃、低圧ガス冷媒（ト）：−５０ｍｍ（水銀柱），−２０℃となる。
【００３１】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。即ち、本発明によれば、凝縮用熱交換面積が大きいことが冷凍システムの大型化をもたらす主たる原因であった点に着目して、新規な冷凍サイクルの完成に基づき凝縮用熱交換面積の飛躍的な縮小を図ることを可能としたものであって、その結果、冷凍システムの構造をコンパクト化し得て、過剰なエネルギー消費を低減し、かつ、設置スペースの狭小化を図らせることができる。また本発明は、減圧用管路８及び液管路９を設けたことによって、圧縮機の吸入側に戻す低圧ガス冷媒に対する引き圧力を低圧域で安定して維持でき、さらに高・低圧の圧力差を均衡が保たれた十分な値にとることが可能となり、その結果、圧縮機での圧縮効率が高くなることにより成績係数が向上するとともに、エンジンやモータ等の駆動源に対する負荷が軽減されて運転経済性の面でも格段に優れており、このことは、ひいては二酸化炭素の排出を大幅に削減させることができて、地球環境の保全に多大の役割を果たし得るものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９８０１６５３１
【氏名又は名称】財団法人グリーンクロスジャパン
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| 【出願日】 |
平成１１年３月２９日（１９９９．３．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７６６３５
【弁理士】
【氏名又は名称】金丸 章一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２８３５７０（Ｐ２０００−２８３５７０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月１３日（２０００．１０．１３） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１２６２３３ |
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