JP2009002564A - 冷媒冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子機器の冷却、または、断熱筐体内の冷却を行うための冷媒循環経路を形成する冷媒冷却回路に関するものである。

従来、例えば発熱量の大きな電子機器を冷却するために、または、自動販売機、冷蔵庫、空調機などの庫内を冷却するために冷媒冷却回路が使われている。冷媒冷却回路は、主に圧縮機、放熱器、絞り部、蒸発器を経て冷媒を循環する冷媒循環経路（冷凍サイクル）を形成して、蒸発器による蒸発潜熱を利用して、蒸発器と熱接続して電子機器を冷却する、または、蒸発器にファンを付設して冷却庫内を空気循環させて冷却をする。
蒸発器内での蒸発する冷媒と蒸発器管壁との熱伝達率は、図８に示すように冷媒の気液比（以下、ボイド率と呼ぶ）と関係する。この例は管路を垂直に立てた蒸発管に一様な加熱を与え、下端から液が供給される場合について、伝熱様式の変化を定性的に示したものである。熱伝達率は、下端部でボイド率が０で冷媒が完全に液体状態である液単相流にあるときには低く、その後、熱交換により気化が始まり気泡を巻き込んで気泡流になると、ボイド率が約０．３までは直線的に増加する。そして、ボイド率が約０．３から０．７までは、熱伝達率が一定であり、ボイド率が約０．７を超えると気泡流から環状噴霧流となると更に上昇し、最終的には完全に気体状態になるドライアウトの直前で最も高くなることになる。（例えば、非特許文献１参照）。
一方、冷凍サイクルを効率的に使用する冷媒冷却回路としては、例えば、冷媒に二酸化炭素を使用した空調機の冷媒制御において、蒸発器の過熱度を一定値（たとえば、５℃）となるように膨張弁の開度制御するとともに、冷媒量調整手段を用いて高圧側の温度、圧力が所定値となるように制御する回路が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
植田辰洋著「気液二相流」昭和５６年９月２０日発行養賢堂（Ｐ221 図１２．１） 特開２００６−１５３３４９号公報

しかしながら、蒸発器の過熱度を一定に制御することは、蒸発器の下流部では、気相状態となることから、上記のようにドライアウト状態で使用することになり、蒸発器を効率的使用する面では不利であり、必要以上に大きな蒸発器を使用することになっていた。
そこで、本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、蒸発器を効率良く使用して、ひいては、蒸発器を搭載する機器、冷却庫内のスペースを有効に使用できるような蒸発器の小型化を図る冷媒冷却回路を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明の冷媒冷却回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、
前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記絞り部の開度により冷媒の流量を制御することを特徴とする。
請求項２に係る発明の冷媒冷却回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、
前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記圧縮機の回転数により冷媒の流量を制御することを特徴とする。
請求項３に係る発明の冷媒冷却回路は、請求項１または請求項２において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

本発明に請求項１に係る冷媒冷却回路によれば、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記絞り部の開度により冷媒の流量を制御する構成したことにより
冷媒が蒸発器内でドライアウトすることなく蒸発器壁と熱交換するので、熱伝達率が高い状態を維持して蒸発器の熱交換量を増加させることができる。その結果、蒸発器を小型化することが出来る。
本発明に請求項２に係る冷媒冷却回路によれば、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記圧縮機の回転数（圧縮比）を変えて冷媒の流量を制御する構成したことにより、上記と同様に冷媒がドライアウトすることなく熱伝達率が高い状態を維持して運転できるので、蒸発器を小型化することが出来る。さらに、前記圧縮機の回転数により冷媒の流量を制御するので制御性が向上するという効果を奏する。

本発明に請求項３に係る自動販売機によれば、冷媒が二酸化炭素を使用しているので、温暖化係数を上げることなく冷却できるので、地球環境に優しいとともに、不燃性であるので火災などに対して安全性の高い冷媒冷却回路を提供することができる。

（実施の形態１）
以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施の形態１を詳細に説明する。なお、この実施の形態１によりこの発明が限定されるものではない。
図１〜図６は、請求項１の本発明に係る実施の形態１を説明した図である。図１は、実施の形態１に係る冷却冷媒回路の回路図である。図２は、図１に示した当該気液検出手段である光センサの説明図であり、図３（ａ）は、蒸発器の上流部に配設した光センサの説明図であり、図３（ｂ）は、蒸発器の下流部に配設した光センサの説明図である。図４は、実施の形態１に関する制御手段のブロック図である。図５は、実施の形態１に関する蒸発器の熱伝達率を測定した結果を示す説明図である。図６は、実施の形態１に関する制御のフローチャートである。
実施の形態１における冷媒冷却回路は、図１に示すように、主に、２段圧縮式の圧縮機１、ガスクーラ（放熱器）２、電子膨張弁（絞り部）３、蒸発器４を配管６で接続して、冷媒を循環可能な冷凍サイクルを形成したものである。また、２段圧縮式の圧縮機１から吐出する中間圧の冷媒の放熱を行う中間熱交換器１０、冷凍機油を圧縮機１に戻すオイルセパレータ１１が圧縮機１と接続されている。さらに、蒸発器４の上流側と下流側には冷媒の気液比を検出する気液検出手段としての光センサ５１，５２が接続され、これら光センサ５１，５２の信号により電子膨張弁３、圧縮機１などを制御する制御装置７０が設けられている。冷媒は、本実施の形態１では、不燃性、安全性、不腐食性を有し、さらにオゾン層への影響が少ない二酸化炭素である。

より詳細に説明すると、圧縮機１は、蒸発器４から帰還される二酸化炭素を圧縮して高温高圧の状態とするものであり、中間熱交換器１０を使用して２段階の圧縮動作を実行する。具体的に、圧縮機１は、２段階の圧縮動作において、１段階目の圧縮動作を行う第１圧縮機１ａと、２段階目の圧縮動作を行う第２圧縮機１ｂとの間に中間熱交換器１０を設けてある。そして、中間熱交換器１０は、第１圧縮機１ａによる１段階目の圧縮動作の後に、第１圧縮機１ａが圧縮した状態の二酸化炭素を冷却して第２圧縮機１ｂに戻す。このように、圧縮機１は、中間熱交換器１０を介して２段階の圧縮動作を実行することで、低消費電力で高圧縮効率を得て二酸化炭素を所望とする高温高圧の状態に圧縮することが可能になる。また、圧縮機１は、インバータ（不図示）により駆動され、回転数を変えることにより冷媒循環量、高圧側圧力などを制御することが可能である。
ガスクーラ２は、圧縮機１から供給される高温高圧の二酸化炭素を、放熱させて二酸化炭素を冷却するためのものである。本実施例におけるガスクーラ２は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。このガスクーラ２には、ファン２１が設けてあり、ファン２１は、ガスクーラ２を送風するためのものである。

電子膨張弁３は、ガスクーラ２から供給される二酸化炭素を減圧し、蒸発温度および流量を制御するためのものである。電子膨張弁３は、パルスモータ（不図示）に直結され、制御装置７０によりパルスモータの回転角度を制御することにより膨張弁の開度を変える。
蒸発器４は、電子膨張弁３から供給される液相の二酸化炭素が蒸発した潜熱を利用して周囲温度を冷却するためのものである。本実施例における蒸発器４は、例えば銅管とアルミフィンとで構成したフィンチューブタイプのものを使用してある。
また、蒸発器４は図示をしていない冷却負荷に接続される。例えば、電子機器であれば、蒸発器４はＩＧＢＴなどの発熱素子に熱接続される。自動販売機、冷蔵庫、冷凍ショーケース・冷蔵ショーケース、あるいは飲料ディスペンサなどであれば、蒸発器４は断熱筐体の冷却庫の内部にファンとともに配置され、庫内を循環空気で冷却する。
中間熱交換器１０は、第１圧縮機１ａで圧縮された中間圧の冷媒を冷却して第２圧縮機１ｂに戻すためのものである。中間熱交換器１０は、例えば、アルミ製の板状体であるアルミフィンを銅製のチューブが貫通したいわゆるフィンアンドチューブタイプの凝縮器で構成され、ガスクーラ２と併設されている。

オイルセパレータ１１は、圧縮機１から吐出した冷凍機油を圧縮機１に戻すためのものである。冷凍機油は、圧縮機１の内部における摩擦、冷媒漏れなどを防止するが、この冷凍機油を圧縮機１の内部で完全に封止することが困難である。特に、上記のごとく圧縮機１によって二酸化炭素を高圧に圧縮しており、この圧力が例えばＨＦＣ冷媒（ハイドロフルオロカーボン）を使用したときと比較してはるかに高圧であるので、圧縮機１からの冷凍機油の吐出量は多くなる。そこで、本実施の形態１では、圧縮機１において、第２圧縮機１ｂの出口側と、第１圧縮機１ａの入口側との間にオイルセパレータ１１を接続しており、第２圧縮機１ｂから吐出した冷凍機油を第１圧縮機１ａに戻している。
内部熱交換器１４は、冷媒循環経路の高圧側と低圧側との間で熱交換を行うためのものである。冷媒循環経路の高圧側とは、圧縮機１の出口側からガスクーラ２を経て電子膨張弁３の入口側までの間である。また、冷媒循環経路の低圧側とは、電子膨張弁３の出口側から蒸発器４を経て圧縮機１の入口側までの間である。
ファン２１は、圧縮機１、ガスクーラ２、中間熱交換器１０の熱を排気するためのものである。ファン２１は、ガスクーラ２と圧縮機１の間に配設してあり、中間熱交換器１０、ガスクーラ２に対しては吸い込む態様で空気を流す送風し、圧縮機１に対しては、押し込む態様で空気を送風する。

光センサ５１は、電子膨張弁３と蒸発器４との間に配設され、蒸発器４の上流側の冷媒のボイド率を検出するためのものである。光センサ５１は、図２に示すように投光部５１ａ、受光部５１ｂとを有し、配管６の上下面に取設した検出窓５１ｃ、５１ｃを介して、対峙した位置で取設されている。投光部５１ａは、光を投光するためのものであり、受光部５１ｂは、投光部５１ａより投光された光を受光してその光量を検出して信号に変換をして制御装置７０に送信する。
検出窓５１ｃ、５１ｃは、その中央部をサイトグラスで構成され、冷媒の温度、圧力に適合する態様で配管６の上下面に取設されている。
光センサ５２は、電子膨張弁３の下流側に配設され、蒸発器４の下流側の冷媒のボイド率を検出するためのものである。光センサ５２は、前述と同様に、受光部５２ｂとの有し、配管６の上下面に取設した検出窓５２ｃ、５２ｃを介して、対峙した位置で取設されている。
図３に示すように、光センサ５１，５２は、気液二相の冷媒を通過した光量を測定する。冷媒を通過する光は、冷媒が液相状態の場合には吸収する率が高く、気相状態の場合には吸収する率が低いので、受光部５１ｂでの光量を測定することにより、冷媒の気液比（ボイド率）を検出することが出来る。

なお、ボイド率を検出する気液検出手段として、光センサ５１，５２を使用したが、超音波センサを用いても同様な効果を得る事ができる。
制御装置７０は、図４に示すように内部に主制御部７１、メモリ７２などを有し、光センサ５１、５２よりの冷媒のボイド率を検知して、電子膨張弁３、圧縮機１などを制御するものである。
発明者らは、図1に示す回路と同等な実験回路を製作し、蒸発器４に模擬負荷（具体的には一定の発熱量を発生するヒータ）を接続して、更に計測用として質量流量計、予冷器、サイトグラスを接続して、蒸発器４の熱伝達率の測定を行った。圧縮機１のインバータによる回転数、電子膨張弁３の開度により循環する冷媒の質量流量（質量速度）を一定に制御して、予冷器で蒸発器４の冷媒温度を変化させ、そのときのボイド率、熱伝達率を測定した。熱伝達率は、蒸発器４の表面温度と冷媒温度との差、および、模擬負荷の加熱量より算出した。
その結果を図５に示す。蒸発器４の下流側のボイド率を図中の括弧内に付記している。図から判るように、質量速度は異なる場合でもボイド率が１となるドライアウトの状態では熱伝達率が急激に低下をするので、ボイド率を１の近傍に維持して運転をすることで蒸発器を高い熱伝達率で稼動させることができる。

また、実験では、サイトグラスにより冷媒の気液の状態を観察した。図８に示される垂直管路の場合の環状噴霧流は、壁面に液相が位置するが、実験は水平管路を使用しているので、むしろ図３（ａ）（ｂ）に示されるように上部が気相で下部が液相に分かれる事が目視で確認された。
かかる構成において、圧縮機１を運転すると、図１に示すように２段の圧縮機１の第１圧縮機１ａで圧縮された冷媒が中間熱交換器１０で一度放熱され、さらに２段目の第２圧縮機１ｂにて高圧に圧縮される。圧縮された冷媒は、オイルセパレータ１１を介してガスクーラ２で放熱され、内部熱交換器１４内で熱交換を行うとともに電子膨張弁３に流入する。電子膨張弁３では、低温低圧に膨張され、気液二流相となり、光センサ５１を介して蒸発器４に流入する。蒸発器４内で冷媒が蒸発して、光センサ５２と内部熱交換器１４の低圧側配管を介して、２段圧縮機１の第１圧縮機１ａの入口に戻る。
一方、オイルセパレータ１１では、冷媒の中の冷凍機油のみを分離して２段圧縮機１の入口に戻す。
次に制御方法について、図６のフローチャートを用いて説明をする。制御装置７０は、圧縮機が稼動しているかを確認して（Ｓ１）、稼動していなければ待機状態に戻る（Ｓ１分岐Ｎ）。稼動していれば、センサ５１から蒸発器４の上流側における冷媒のボイド率を読み込む（Ｓ２）。

上流側冷媒のボイド率が０．５以上であれば、冷媒が絞り過ぎと判定をして電子膨張弁の開度を大きくする（Ｓ４）。ボイド率が０．５以下であれば、次にセンサ５２から蒸発器４の下流側における冷媒のボイド率を読み込む（Ｓ５）。
下流側冷媒のボイド率が０．９５以上であれば（Ｓ６分岐Ｙ）、冷媒が絞り不足と判定をして電子膨張弁３の開度を小さくする（Ｓ７）。ボイド率が０．９５以下であれば、初めに戻り同じ制御を繰り返して、蒸発器内の入口部から出口部に至るボイド率を適正に保つ制御を行う。
このように、ボイド率を１よりやや低い値のなるように冷媒流量を制御することにより、蒸発器を熱伝達率が高い状態で運転できることが判る。
（実施の形態２）
次に、請求項２の発明に係る実施の形態２を図７に示すフローチャートにて説明をする。実施の形態２が実施の形態１と相違する点は、ボイド率により電子膨張弁３を制御するかわりに圧縮機の回転数を変えることに制御すること点である。その他の構成は、実施の形態１と実質的に同一であるので、その説明を省略する。
図７に示すように、制御装置７０は、圧縮機１が稼動しているかを確認して（Ｓ１）、稼動していなければ待機状態に戻る（Ｓ１分岐Ｎ）。稼動していれば、センサ５１から蒸発器４の上流側における冷媒のボイド率を読み込む（Ｓ２）。

上流側冷媒のボイド率が０．５以上であれば、冷媒が絞り過ぎと判定をして圧縮機１の回転数を増やす（Ｓ４ａ）。０．５以下であれば、次にセンサ５２から蒸発器４の下流側における冷媒のボイド率を読み込む（Ｓ５）。
下流側冷媒のボイド率が０．９５以上であれば（Ｓ６分岐Ｙ）、冷媒が絞り不足と判定をして圧縮機１の回転数を減らす（Ｓ７ａ）。０．９５以下であれば、初めに戻り同じ制御を繰り返して、蒸発器内の入口部から出口部に至るボイド率を適正に保つ制御を行う。
かかる冷却冷媒回路において、前述の実施の形態１と同一の効果が得られるとともに、電子膨張弁３と比較をして、冷媒の質量流量は圧縮機の回転数と比例的に増加させることが出来るので、制御性が容易となる効果を有する。
また、電子膨張弁３と圧縮機１の回転数を組み合わせて制御すれば、さらにきめ細かく冷媒の流量を制御することが容易にできる。
また、冷媒に二酸化炭素を使用することで、フロン冷媒と異なり地球温暖化への影響を低減されるとともに、HC冷媒と比較して引火性が低いので安全に冷却装置を稼動できるという効果を奏する。

以上のように、本発明に係る冷却冷媒回路は、冷凍サイクルの蒸発器の潜熱を利用して、電子機器の冷却、または、断熱筐体内の冷却をさせるのに有用である。

実施の形態１に係る冷却冷媒回路の回路図。 図１に示した光センサ部の説明図。 図１で示した光センサ部の説明図であり、（ａ）は蒸発器の上流部に配設したセンサ、（ｂ）は、蒸発器の下流部に配設した光センサの説明図。 実施の形態１に関する制御手段のブロック図。 実施の形態１に関する熱伝達率を測定した結果を示す説明図。 実施の形態１に関する制御のフローチャート。 実施の形態２に関する制御のフローチャート。 蒸発管における冷媒の流動を伝熱様式の変化を示す説明図。

符号の説明

１ 圧縮機
１ａ 第１圧縮機
１ｂ 第２圧縮機
２ ガスクーラ（放熱器）
３ 電子膨張弁（絞り部）
４ 蒸発器
１０ 中間熱交換器
１１ オイルセパレータ
１４ 内部熱交換器
２１ ファン
５１、５２ 光センサ
５１ａ、５２ａ 投光部
５１ｂ、５２ｂ 受光部
５１ｃ、５２ｃ 検出窓
７０ 制御装置

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、
   前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記絞り部の開度により冷媒の流量を制御することを特徴とする冷媒冷却回路。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器から供給される冷媒の流量を調節する絞り部と、前記絞り部から供給される冷媒を蒸発させて前記圧縮機に帰還させる蒸発器と有した冷媒循環経路を形成した冷媒冷却回路において、
   前記蒸発器の上流および下流側に流れる冷媒の気液比を検出する気液検出手段を設け、当該気液検出手段により検出した気液比に応じて、前記圧縮機の回転数により冷媒の流量を制御することを特徴とする冷媒冷却回路。
3. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷媒冷却回路。
   

Images