JP2009293848A - 冷媒回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大化を招来する虞れがなく、冷凍能力および成績係数の向上を図ることができる冷却装置を提供すること。
【解決手段】冷媒を蒸発させる蒸発器１１と、蒸発器１１から吐出された冷媒を吸引して圧縮する圧縮機１２と、圧縮機１２で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１３と、凝縮器１３から吐出された冷媒を減圧膨張させて蒸発器１１に送出する膨張機構１４とを冷媒配管１５で順次接続してなる冷媒回路１０を有した装置であって、膨張機構１４は、冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回して形成され、通過する冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離し、かつ液相冷媒が気相冷媒に相変化することを抑制する気液分離流動減圧態様の蒸発抑制管１４ａを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒回路装置に関し、より詳細には、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍／冷蔵ショーケース、飲料ディスペンサ、あるいはエアコンなどの空調機器などにおける所定部位を冷却するのに用いられる冷媒回路装置に関する。

従来、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍／冷蔵ショーケース、飲料ディスペンサ、あるいはエアコンなどの空調機器などにおける所定部位を冷却するのに用いられる冷媒回路装置は、蒸発器、圧縮機、凝縮器および減圧膨張機構を備えて構成されている。

蒸発器は、所定の冷却部位に配設されており、供給された冷媒を蒸発させるものである。圧縮機は、蒸発器から吐出された冷媒を吸引し、圧縮して高温高圧の状態にするものである。凝縮器は、圧縮機で高温高圧の状態にされ、該圧縮機から供給された高温高圧冷媒を凝縮させて液化するものである。減圧膨張機構は、例えばキャピラリーチューブなどであり、凝縮器から吐出された冷媒を減圧膨張させて上記蒸発器に供給するものである。

このような蒸発器、圧縮機、凝縮器および減圧膨張機構が冷媒配管を通じて順次環状に接続されることにより冷媒回路が構成され、かかる冷媒回路で冷媒を相変化させながら循環させるようにしている。これにより、蒸発器の配設部位は、冷媒が蒸発することにより熱を吸収するために冷却されることになる。

しかし、かかる冷媒回路装置では、所定部位を冷却することはできるものの、冷凍能力および成績係数が十分に高いものとはいえず、また、高効率運転をさせるためには、圧縮機から供給された高圧冷媒を完全に液化し、減圧膨張機構に流入させる必要があった。そのため、凝縮器が大型化、しいては冷媒回路装置が大型化してしまう問題があった。

それらの問題を解決するため、冷凍能力および成績係数の向上を更に図るべく、エジェクタおよび気液分離器を備えた冷媒回路装置が提案されている。エジェクタは、凝縮器から吐出された高圧冷媒を減圧させることによるエネルギーを利用して、蒸発器より吐出された低圧の冷媒（低圧冷媒）を吸引し、吸引した低圧冷媒を高圧冷媒と混合させ、該低圧冷媒を昇圧させた後に吐出するものである。気液分離器は、エジェクタから供給された混合冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離し、気相冷媒を圧縮機に送出する一方、液相冷媒を蒸発器に供給するものである。

このような冷媒回路装置では、圧縮機、凝縮器、エジェクタおよび気液分離器が順次環状に接続され、かつエジェクタの低圧冷媒の吸入口と気液分離器の液相冷媒の吐出口との間に蒸発器が設けられることにより冷媒回路が構成され、かかる冷媒回路で冷媒を相変化させながら循環させるようにしている。

そして、エジェクタにおいて凝縮器から供給された高圧冷媒を減圧させるとともに、蒸発器より吐出された低圧冷媒を吸引し、吸引した低圧冷媒を高圧冷媒と混合させ、低圧冷媒を昇圧させて吐出するので、圧縮機に送出される冷媒の圧力を高くすることができ、その結果、冷凍能力および成績係数を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３２２２６３号公報

ところが、上述したような冷媒回路装置では、エジェクタや気液分離器を必要とするだけでなく、冷媒回路の構成も複雑なものとなり、装置全体に要するコストの増大化を招来する虞れがあった。

本発明は、上記実情に鑑みて、コストの増大化を招来する虞れがなく、冷凍能力および成績係数の向上を図ることができる冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る冷媒回路装置は、冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から吐出された冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から吐出された冷媒を減圧膨張させて前記蒸発器に送出する膨張機構とを冷媒配管で順次接続してなる冷媒回路を有した装置であって、前記膨張機構は、前記冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回して形成され、通過する冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離し、かつ液相冷媒が気相冷媒に相変化することを抑制する気液分離流動減圧態様の蒸発抑制管を備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る冷媒回路装置は、上述した請求項１において、前記蒸発抑制管は、前記凝縮器から吐出された冷媒が通過する冷媒配管の管内断面積に対する管内断面積の比が０．０５〜０．３０であり、かつ管内径に対する巻外径の比が５〜２５であることを特徴とする。

本発明の冷媒回路装置によれば、膨張機構を構成する気液分離流動減圧態様の蒸発抑制管が、冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回して形成されてなり、通過する冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離し、かつ液相冷媒が気相冷媒に相変化することを抑制するので、エンタルピーを減少させることができる。しかも、従来のようにエジェクタや気液分離器を必要とせず、回路構成も複雑なものとならず、安価なものである。したがって、コストの増大化を招来する虞れがなく、冷凍能力および成績係数の向上を図ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる冷媒回路装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である冷媒回路装置を模式的に示す模式図である。ここで例示する冷媒回路装置は、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍／冷蔵ショーケース、飲料ディスペンサ、あるいはエアコンなどの空調機器などにおける所定部位を冷却するのに用いられるものであり、冷媒回路１０を備えている。

冷媒回路１０は、冷媒を循環させる回路であり、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３および膨張機構１４を冷媒配管１５で順次接続して構成してある。

蒸発器１１は、所定の冷却部位に配設してあり、供給された冷媒を蒸発させるものである。この冷媒が蒸発することにより、蒸発器１１の周辺領域は、熱が奪われることになる結果、冷却される。本実施の形態における蒸発器１１は、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いる。図１中の符号１６は、蒸発器１１の周囲に空気を通過させるための送風ファンである。

圧縮機１２は、蒸発器１１から吐出された冷媒を吸引し、圧縮して高温高圧の状態にするものである。本実施の形態における圧縮機１２としては、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、あるいはこれらの圧縮能力を調整可能なインバータ圧縮機などを適用することができ、冷媒回路装置を配設する対象、環境、あるいは装置全体に要するコストなどに見合うものを適宜適用すれば良い。

凝縮器１３は、圧縮機１２で高温高圧の状態に圧縮された高温高圧冷媒を凝縮させて液化するものである。本実施の形態における凝縮器１３は、例えば銅などの金属製の配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いる。図１中の符号１７は、凝縮器１３の周囲に空気を通過させるための送風ファンである。

膨張機構１４は、凝縮器１３から吐出された冷媒を減圧膨張させる、すなわち該冷媒を減圧して低温低圧の状態に調整するものであり、減圧膨張させた冷媒を蒸発器１１に供給するものである。このような膨張機構１４は、気液分離流動減圧態様の蒸発抑制管（以下、蒸発抑制管とも称する）１４ａを備えている。蒸発抑制管１４ａは、図２に示すように、冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回して構成したコイル状のものである。

このような蒸発抑制管１４ａは、次のような寸法を有している。すなわち、凝縮器１３から吐出された冷媒が通過する冷媒配管１５、つまり凝縮器１３から膨張機構１４に至る冷媒配管１５の管内断面積に対する管内断面積の比（以下、管内断面積比とも称する）が０．０５〜０．３０であり、好ましくは０．０５〜０．２５である。また、管内径ｄに対する（巻回部分の）巻外径Ｄの比（以下、単にＤ／ｄとも称する）が５〜２５であり、好ましくは５〜２０である。

さらに詳しく述べると、蒸発抑制管１４ａの管内径ｄは、１．２〜２．５ｍｍであり、好ましくは１．２〜２．０ｍｍである。また、巻回部分の巻数は特に決められたものではないが、例えば２以上あり、ピッチｐは管外径にほぼ等しいか、それより大きいことが好ましい。

以上のような構成を有する冷媒回路装置においては、蒸発器１１で蒸発して吐出された冷媒は、圧縮機１２に吸引されて高温高圧の状態に圧縮されて凝縮器１３に供給される。凝縮器１３に供給された冷媒は凝縮して液化する。この凝縮器１３で液化されて吐出された冷媒は、膨張機構１４で減圧膨張し、蒸発器１１に供給される。つまり、冷媒は、冷媒回路１０を相変化しながら循環することになり、この循環を繰り返すことにより、蒸発器１１で冷媒が蒸発して周囲から熱を奪うことにより、該蒸発器１１の配設部位を冷却することができる。

そして、膨張機構１４を構成し、かつ配管を螺旋状に巻回することにより形成された蒸発抑制管１４ａが、管内断面積比が０．０５〜０．３０であり、Ｄ／ｄが５〜２５であるので、凝縮器１３から吐出された液相冷媒を減圧膨張させながら、気液混合冷媒を遠心力と減圧とにより良好な気相分離を実現できる。より詳細に説明すると、蒸発抑制管１４ａでは、通過する気液混合冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離する。ここで分離された液相冷媒は、配管内の外側を通過することになり、遠心力により外側に移動しようとする気相冷媒に内側から押圧され液相から気相への相変化が抑制されることになる。これにより、液相冷媒が気相冷媒に相変化することが抑制される蒸発抑制効果が生じ、後述する［実施例］で明らかなように、かかる膨張機構１４を通過することによりエンタルピーが減少する。つまり、膨張機構１４の入口部分における冷媒のエンタルピーよりも膨張機構１４の出口部分における冷媒のエンタルピーの方が小さくなり、両者間におけるエンタルピー変化量は負となる。このようにエンタルピーが減少することにより、冷凍量を大きく確保することが可能になり、冷凍能力および成績係数を向上させることができる。

一方、管内断面積比が０．０５未満だと、通過する冷媒を良好に気液分離させることが困難になり、管内断面積比が０．３０を超えると、通過する冷媒を減圧させるために長大な距離を必要とし、実情に沿わない。また、Ｄ／ｄが２５を超えると、通過する冷媒を良好に気液分離させながら蒸発抑制効果を得ることが困難になる。

従って、本実施の形態の冷媒回路装置によれば、膨張機構１４を構成する蒸発抑制管１４ａが、冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回することにより形成され、通過する冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離し、かつ液相冷媒が気相冷媒に相変化することを抑制するので、エンタルピーを減少させることができる。しかも、従来のようにエジェクタや気液分離器を必要とせず、回路構成も複雑なものとならず、安価なものである。したがって、コストの増大化を招来する虞れがなく、冷凍能力および成績係数の向上を図ることができる。特に、蒸発抑制管１４ａが、管内断面積比が０．０５〜０．３０であり、かつＤ／ｄが５〜２５である寸法を有することにより、上述した作用効果をより確実に奏することができる。

また、上記冷媒回路装置においては、蒸発抑制管１４ａの抵抗係数が該管内流のレイノルズ数と図３に示すような関係にあるため、蒸発抑制管１４ａの減圧特性が容易に算出でき、さらには蒸発抑制管１４ａを含む冷凍システムの回路を容易に設計することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更をおこなうことができる。

上述した実施の形態における冷媒回路装置での蒸発抑制管１４ａは、配管を螺旋状に巻回し、しかも巻回部分の巻外径の大きさが一定であったが、本発明の冷媒回路装置においては、図４に示すように、蒸発抑制管１４ｂは、管内断面積比を一定に保持しながら、同一平面上を巻外径が漸次小さくなる態様で配管を巻回して形成したものであっても良く、また、図５に示すように、蒸発抑制管１４ｃは、管内断面積比を一定に保持しながら、巻外径が漸次小さくなる態様で配管を巻回して形成してものであっても良い。尚、図示の例では、巻外径が漸次小さくなる態様で配管を巻回して形成したものであったが、本発明では、巻外径が漸次大きくなる態様で配管を巻回して形成したものであっても良い。

また、上述した実施の形態における冷媒回路装置での蒸発抑制管１４ａは、配管を螺旋状に巻回し、しかも巻回部分におけるＤ／ｄの大きさが一定であったが、図６に示すように、本発明の冷媒回路装置における蒸発抑制管１４ｄは、管内断面積比が漸次小さくなる配管を巻外径が一定の大きさとなる態様で螺旋状に巻回したものであっても良い。尚、図示の例では、管内断面積が漸次小さくなる配管を巻外径が一定の大きさとなる態様で螺旋状に巻回したものであったが、本発明では、管内断面積比が漸次大きくなる配管を巻外径が一定の大きさとなる態様で螺旋状に巻回したものであっても良い。

さらに、本実施の形態では、膨張機構１４が１つの蒸発抑制管１４ａを備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでもなく、複数の蒸発抑制管１４ａを備えても良い。また、複数の蒸発抑制管１４ａを備える場合、これら蒸発抑制管１４ａを直列となる態様で配設しても良いし、並列となる態様で配設しても良い。

以下に、本発明の実施例を比較例と比較しつつ説明する。まず、図７に示すような回路を作製した。ここに例示する回路は、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３およびテストセクションを冷媒配管で順次接続して構成したもので、蒸発器１１、圧縮機１２および凝縮器１３は、上述した実施の形態において説明したものである。テストセクションは、図８に示すように、２つの蒸発抑制管１４ａを直列となる態様で配設した膨張機構１４と、標準的な膨張弁を配設した膨張機構１４０とが並列となる態様で構成している。そして、それぞれの膨張機構１４の上流側および下流側に電磁弁１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂが配設してある。

＜実施例＞
図７および図８に示す回路において、電磁弁１８ａ，１９ａを開成させる一方、電磁弁１８ｂ，１９ｂを閉成させることにより本発明の冷媒回路１０を作製した。蒸発抑制管１４ａの寸法は、管内径が１．５ｍｍ、管内断面積比が０．２３、Ｄ／ｄが１６．７、巻回数が１６、ピッチが管外径に等しい３．２ｍｍであった。かかる冷媒回路１０は、上述した実施の形態と同様に、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３および膨張機構１４を冷媒配管（１５）で順次接続して構成したものである。

＜比較例＞
図７および図８に示す回路において、電磁弁１８ｂ，１９ｂを開成させる一方、電磁弁１８ａ，１９ａを閉成させることにより比較用の冷媒回路を作製した。かかる冷媒回路は、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３および膨張機構１４０を冷媒配管（１５）で順次接続して構成したものである。

上述した実施例および比較例の冷媒回路を冷媒の種類、冷媒充填量（２３５ｇ）、圧縮機運転周波数（６０Ｈｚ）などを共通にして、状態（イ）〜（ニ）（比較例では、状態（イ）〜（ニ′））の温度、圧力、状態（ハ）および（ニ）（（ニ′））のエンタルピーなどを測定し、冷凍能力および成績係数を求めた。結果を以下に示すとともに、Ｐ−ｈ線図（モリエル線図）を図９に示す。

＜実施例の実験結果＞
冷凍能力 ：５２７Ｗ
圧縮機消費電力 ：２３４Ｗ
成績係数 ：２．３
冷媒の状態
状態（イ） ：過熱蒸気、圧力０．２０ＭＰａ、温度２４．１℃
状態（ロ） ：過熱蒸気、圧力０．８７ＭＰａ、温度９２．８℃
状態（ハ） ：湿り蒸気、圧力０．７９ＭＰａ、温度２６．３℃、エンタルピー：１１３．８ｋｃａｌ／ｋｇ
状態（ニ） ：湿り蒸気、圧力０．２５ＭＰａ、温度−４．５℃、エンタルピー：１１０．７ｋｃａｌ／ｋｇ

＜比較例の実験結果＞
冷凍能力 ：４８１Ｗ
圧縮機消費電力 ：２３４Ｗ
成績係数 ：２．１
冷媒の状態
状態（イ） ：過熱蒸気、圧力０．２０ＭＰａ、温度２４．３℃
状態（ロ） ：過熱蒸気、圧力０．８７ＭＰａ、温度９３．５℃
状態（ハ） ：湿り蒸気、圧力０．７８ＭＰａ、温度２６．４℃、エンタルピー：１１４．１ｋｃａｌ／ｋｇ
状態（ニ′） ：湿り蒸気、圧力０．２５ＭＰａ、温度−４．３℃、エンタルピー：１１４．１ｋｃａｌ／ｋｇ

ここで、状態（イ）は圧縮機１２の入口側における冷媒の状態、状態（ロ）は凝縮器１３の入口側における冷媒の状態、状態（ハ）は各膨張機構１４の入口側における冷媒の状態、状態（ニ）は実施例における蒸発器１１の入口側における冷媒の状態を示すものである。状態（ニ′）は比較例における蒸発器１１の入口側における冷媒の状態を示すものである。

上記実験結果および図９に示された結果より、本発明の冷媒回路１０においては、状態（ハ）のエンタルピーよりも状態（ニ）のエンタルピーの方が小さくなっており、膨張機構１４でエンタルピーが減少したことが明らかである。このようにエンタルピーが減少する結果、本発明の冷媒回路１０は、比較例の冷媒回路に比して冷凍能力および成績係数がそれぞれ約１０％向上していることが確認できる。

以上のように、本発明の冷媒回路装置は、例えば自動販売機、冷蔵庫、冷凍／冷蔵ショーケース、飲料ディスペンサ、あるいはエアコンなどの空調機器などにおける所定部位を冷却するのに有用である。

本発明の実施の形態である冷媒回路装置を模式的に示す模式図である。 図１に示した冷媒回路の要部を拡大して示す拡大模式図である。 図１に示した蒸発抑制管における管内径に対する巻外径の比の違いによる、抵抗係数と冷媒のレイノルズ数との関係を示す図表である。 本発明の実施の形態における蒸発抑制管の変形例を拡大して示す拡大模式図である。 本発明の実施の形態における蒸発抑制管の変形例を拡大して示す拡大模式図である。 本発明の実施の形態における蒸発抑制管の変形例を拡大して示す拡大模式図である。 本発明の実施例および比較例の冷媒回路を作製するための回路を模式的に示した模式図である。 図７に示した回路の要部を拡大して示す拡大模式図である。 実験結果から得られたＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１０ 冷媒回路
１１ 蒸発器
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 膨張機構
１４ａ 蒸発抑制管
１５ 冷媒配管
１６，１７ 送風ファン

Claims (2)

1. 冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   蒸発器から吐出された冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、
   圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   凝縮器から吐出された冷媒を減圧膨張させて前記蒸発器に送出する膨張機構と
   を冷媒配管で順次接続してなる冷媒回路を有した装置であって、
   前記膨張機構は、前記冷媒が通過する配管を螺旋状に巻回して形成され、通過する冷媒を遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離し、かつ液相冷媒が気相冷媒に相変化することを抑制する気液分離流動減圧態様の蒸発抑制管を備えたことを特徴とする冷媒回路装置。
2. 前記蒸発抑制管は、前記凝縮器から吐出された冷媒が通過する冷媒配管の管内断面積に対する管内断面積の比が０．０５〜０．３０であり、かつ管内径に対する巻外径の比が５〜２５であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。

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