JP2010007985A

JP2010007985A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2010007985A
Application number: JP2008169288A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Seki; 和芳関
Original assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Current assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】冷却負荷が変動しても熱交換部において冷媒の熱交換を安定して行なう。
【解決手段】冷却装置は、気相二次冷媒を凝縮して液相二次冷媒とする二次熱交換部４６と、液相二次冷媒を気化させて気相二次冷媒とする蒸発器ＥＰとを、液配管４８およびガス配管５０で接続し、液配管４８を介して液相二次冷媒を二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ流通させると共に、ガス配管５０を介して気相冷媒を蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ流通させる二次回路４４を備えている。二次回路４４は、蒸発器ＥＰと二次熱交換部４６とを接続するガス配管５０に、内部を流通する気相二次冷媒を二次熱交換部４６に流入させる前に熱交換器ＨＥに接触させて冷却する予備熱交換部５４が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、冷媒が自然循環する冷媒回路を備えた冷却装置に関するものである。

一次冷媒を機械的に強制循環させる一次回路と、二次冷媒が自然循環する二次回路とを備え、一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換するよう構成した冷却装置がある(例えば特許文献１参照)。図８に示すように、冷却装置９０の一次回路９２は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる膨張弁ＥＶと、熱交換器９４に設けられて液相一次冷媒を気化する一次熱交換部９６とを配管９８で接続して構成される。また二次回路１００は、熱交換器９４に設けられて気相二次冷媒を液化する二次熱交換部１０２と、液相二次冷媒を気化する蒸発器ＥＰとを別の配管１０４,１０６で接続して構成される。冷却装置９０は、熱交換器９４において一次冷媒と二次冷媒とが熱交換することで、最終的に蒸発器ＥＰが冷却されるようになっている。そして、冷却装置９０を備えた冷凍機器では、一次回路９２の構成部材ＣＭ,ＣＤ,ＥＶおよび熱交換器９４を、外気に晒された開放空間に配設すると共に、台板１１０を介して開放空間の下方に画成した閉鎖空間に二次回路１００を構成する蒸発器ＥＰを配設して、閉鎖空間内を冷却するよう構成される。なお、符号１０８は、二次回路１００の内圧上昇を緩衝するために設けられる膨張タンクである。

前記冷却装置９０では、一次回路９２において機械的に強制循環された一次冷媒により冷却される熱交換器９４で気相二次冷媒を液化することにより、二次回路１００において二次冷媒が自然循環するよう構成されている。そして、熱交換器９４では、液相二次冷媒が二次熱交換部１０２の内面全体に亘って環状に流通すると共に、二次熱交換部１０２の中央に気相二次冷媒が流通する環状流が生じた状態において伝熱面積を最も広く確保でき、一次熱交換部９６を流通する一次冷媒との高い熱伝達特性を示すことが判っている。
特開２００２−４８４８４号公報

ところで、前記二次回路１００において、二次熱交換部１０２に流入する気相二次冷媒の乾き度および過熱度が高い状態にあると、該二次熱交換部１０２で二次冷媒が環状流を形成し難く、二次冷媒の伝熱面積が小さくなり、一次冷媒との熱交換効率が低くなってしまう。また冷却装置９０は、周囲温度の変化、蒸発器ＥＰのデフロスト、閉鎖空間を塞ぐ扉の開閉、インバータ方式の圧縮機ＣＭの回転速度制御等により必要とされる冷却能力が刻々と変化し、このような運転状態の変化によって二次熱交換部１０２において有効に利用されない伝熱面積も変化する。すなわち、蒸発器ＥＰの冷却負荷が低く、二次熱交換部１０２に流入する二次冷媒の過熱度が小さければ、除去する顕熱が小さいため、二次熱交換部１０２で比較的早い段階に液相二次冷媒が出現し、環状流を速やかに形成するので伝熱面積の損失が少ない。一方、蒸発器ＥＰの冷却負荷が大きく、二次熱交換部１０２に流入する二次冷媒の過熱度が大きければ、除去する顕熱が大きいために二次熱交換部１０２で液相二次冷媒が出現し難く、環状流を形成するまでに多くの伝熱面積を要して伝熱面積の損失が大きくなる。

前記冷却装置９０は、冷却負荷が小さい場合に適する設計を行なうと、冷却負荷が増大した場合に熱交換器９４における熱交換性能が不足して、冷媒循環効率の低下により冷却不良を起こすおそれがある。しかしながら、冷却装置９０は、冷却負荷が大きい場合に適する設計を行なうと、熱交換器９４の肥大化による重量、体積、コストの増大を招き、熱交換器９４の内容積も増大することから、一次冷媒および二次冷媒の何れも使用量が増加し、一次回路および二次回路の経路が長くなることから、圧力損失が大きくなり、冷媒循環効率が低下する弊害もある。このように、熱交換器９４は、変動する冷却負荷に対して最適な設計を行なうことが難しく、冷却負荷の大きい場合と小さい場合の中間の特性に合わせる妥協的な構成とされていた。すなわち、熱交換器９４の内容積や形状を変更するだけでは、熱交換器９４における一次冷媒と二次冷媒との熱交換効率を向上するのは難しい。

すなわち本発明は、従来の技術に係る冷却装置に内在する前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、冷却負荷が変動しても熱交換部において冷媒の熱交換を安定して行ない得る冷却装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の冷却装置は、
気相冷媒を凝縮して液相冷媒とする熱交換部と、液相冷媒を気化させて気相冷媒とする蒸発器とを、液配管およびガス配管で接続し、液配管を介して液相冷媒を熱交換部から蒸発器へ流通させると共に、ガス配管を介して気相冷媒を蒸発器から熱交換部へ流通させる冷媒回路が構成された冷却装置において、
前記蒸発器と前記熱交換部とを接続する前記ガス配管に、内部を流通する気相冷媒を該熱交換部に流入させる前に冷却する予備熱交換部を設けたことを特徴とする。
請求項１に係る発明によれば、熱交換部で気相冷媒を液化するのに先立って、予備熱交換部で気相冷媒を冷却して過熱度および乾き度を低下させているので、熱交換部で冷媒の環状流を速やかに形成させて伝熱面積の損失を抑制することができる。すなわち、冷却負荷が変動しても、熱交換部で効率よく熱交換を行なうことができる。

請求項２に係る発明では、一次冷媒を圧縮機により機械的に強制循環する一次回路と、
二次冷媒を自然循環する二次回路としての前記冷媒回路と、
前記一次回路の一次熱交換部および前記冷媒回路の熱交換部が設けられ、該一次熱交換部を流通する一次冷媒および熱交換部を流通する二次冷媒の間で熱交換する熱交換器とを備え、
前記予備熱交換部は、前記熱交換器の外面に接触するよう配設されることを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、熱交換器を予備熱交換部の冷却手段として用いることで、放熱損失として失われる可能性のある冷却能力を有効利用することができる。

請求項３に係る発明では、前記熱交換器は、下端が前記液配管に接続すると共に上端が前記ガス配管に接続する前記熱交換部の外側を、一次冷媒の流通空間をあけて前記一次熱交換部で被覆して構成され、該一次熱交換部が熱交換器の外郭となることを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、一次熱交換部を予備熱交換部の冷却手段として用いることで、放熱損失として失われる可能性のある冷却能力を有効利用することができる。

請求項４に係る発明では、一次冷媒を圧縮機により機械的に強制循環する一次回路と、
二次冷媒を自然循環する二次回路としての前記冷媒回路と、
前記一次回路の一次熱交換部および前記冷媒回路の熱交換部が設けられ、該一次熱交換部を流通する一次冷媒および熱交換部を流通する二次冷媒の間で熱交換する熱交換器とを備え、
前記予備熱交換部は、前記一次回路における減圧手段から前記一次熱交換部を介して圧縮機に至るまでの該一次回路の低圧側配管と熱交換するよう構成されることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、比較的温度の低い一次回路の低圧側配管を予備熱交換部の冷却手段として用いることで、放熱損失として失われる可能性のある冷却能力を有効利用することができる。

請求項５に係る発明では、前記予備熱交換部は、該予備熱交換部の流入端と流出端とを結ぶ最短経路より二次冷媒の流通経路が長く延在するよう構成されることを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、予備熱交換部の内容積分だけ冷媒回路の内容積を増やすことができ、この内容積で冷媒回路の圧力上昇を緩衝することができる。

請求項６に係る発明では、前記予備熱交換部は、前記熱交換部が設置される機械室に設けられることを要旨とする。
請求項６に係る発明によれば、予備熱交換部を熱交換部が設置される機械室に配置することで、熱交換部およびガス配管との接続作業が容易になると共に、メンテナンス性を向上し得る。

請求項７に係る発明では、前記予備熱交換部は、前記液配管と熱交換するよう構成されることを要旨とする。
請求項７に係る発明によれば、液配管を予備熱交換部の冷却手段として用いることで、放熱損失として失われる可能性のある冷却能力を有効利用することができる。

本発明に係る冷却装置によれば、冷却負荷が変動しても熱交換部における二次冷媒の熱交換を安定して行ない得る。

次に、本発明に係る冷却装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。なお、実施例では、店舗等の業務用途に用いられ、野菜や肉等の物品を多量に収納し得る大型の冷蔵庫に設けられる冷却装置を例に挙げて説明する。また、従来技術において説明した部材・構成と同一の部材・構成に関しては、同一の符号を付してある。

図１に示すように、実施例に係る冷蔵庫１０は、収納室(閉鎖空間)１４を内部画成した断熱構造の箱体１２と、この箱体１２の上方に設けられ、金属パネル１８により外壁を構成したキャビネット１６とを備えている。箱体１２には、前側に開放して物品の出し入れ口となる開口部１２ａが収納室１４に連通して開設される。また箱体１２の前部には、断熱扉２２が図示しないヒンジにより回動可能に配設され、断熱扉２２を開放することで開口部１２ａを介して収納室１４に対する物品の出し入れが許容されると共に、断熱扉２２を閉成することで収納室１４を密閉し得るようになっている。

前記キャビネット１６の内部には、収納室１４を冷却するための冷却装置３２の一部および該冷却装置３２を制御する制御用電装箱Ｃが配設される機械室(開放空間)２０が画成される(図２参照)。機械室２０の底部には、箱体１２の天板１２ｂに載置されて、該機械室２０に配設する機器の共通基板となる台板２４が設置されている。そして、キャビネット１６の外壁をなす金属パネル１８には、機械室２０に連通する空気流通孔(図示せず)が適宜部位に開設され、この空気流通孔を介して機械室２０内の雰囲気と外気とが入替わるようになっている。なお、キャビネット１６は、冷蔵庫１０の天井となる金属パネル１８が設けられず、機械室２０の上方が開放されている。

前記収納室１４の上部には、箱体１２における天板１２ｂの下面から所定間隔離間して冷却ダクト２６が配設され、この冷却ダクト２６と、箱体１２の天板１２ｂに開設した切欠口１２ｃを介して収納室１４側に臨む台板２４との間に冷却室２８が画成される。この冷却室２８は、冷却ダクト２６の底部前側に形成した吸込口２６ａおよび後側に形成した冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に連通して、閉鎖空間としての収納室１４の一部を構成している。吸込口２６ａには送風ファン３０が配設され、該送風ファン３０を駆動することで、吸込口２６ａから収納室１４の空気を冷却室２８に取込み、冷気吹出口２６ｂから冷却室２８の冷気が収納室１４に送出される。天板１２ｂの切欠口１２ｃは、台板２４で気密的に塞がれて、収納室１４(冷却室２８)と機械室２０とは、台板２４で区切られて互いに独立した空間となっている(図１参照)。

図４に示す如く、冷却装置３２は、冷媒を強制循環する機械圧縮式の一次回路３４と、冷媒が自然対流するサーモサイフォンからなる二次回路(冷媒回路)４４との２系統の回路を、熱交換器ＨＥを介して熱交換するように接続(カスケード接続)した二次ループ冷凍回路が採用される。熱交換器ＨＥは、一次回路３４を構成する一次熱交換部３６と、この一次熱交換部３６と別系統に形成されて、二次回路４４を構成する二次熱交換部(熱交換部)４６とを備え、熱交換器ＨＥは圧縮機ＣＭの直上に位置させて配設されている(図２参照)。すなわち、一次回路３４および二次回路４４には、独立した冷媒循環経路が夫々形成され、二次回路４４を循環する二次冷媒としては、毒性、可燃性および腐食性を有していない安全性の高い二酸化炭素が採用される。これに対し、一次回路３４を循環する一次冷媒としては、蒸発熱や飽和圧等の冷媒としての特性に優れているブタンやプロパン等のＨＣ系の冷媒またはアンモニアなどが採用され、実施例ではイソブタンまたはプロパンが用いられている。

前記一次回路３４は、気相一次冷媒を圧縮する圧縮機ＣＭと、圧縮した一次冷媒を液化する凝縮器ＣＤと、液相一次冷媒の圧力を低下させる減圧手段としての膨張弁ＥＶと、液相一次冷媒を気化する熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６とを冷媒配管３８で接続して構成される(図４参照)。ここで、圧縮機ＣＭは、冷却装置３２の冷却運転時に連続駆動され、冷却装置３２の停止時に停止される。圧縮機ＣＭおよび凝縮器ＣＤは、機械室２０において台板２４上に共通的に配設され、凝縮器ＣＤを強制冷却する凝縮器ファンＦＭも、該凝縮器ＣＤに対向して台板２４上に配設されている。ここで、凝縮器ＣＤは、キャビネット１６の前面をなす金属パネル(フロントパネル)１８に近接して機械室２０の前側に配置され、該凝縮器ＣＤの後側に凝縮器ファンＦＭが配置される。また圧縮機ＣＭは、凝縮器ファンＦＭの後側に配置される(図２参照)。このように機械室２０では、凝縮器ＣＤ,凝縮器ファンＦＭおよび圧縮機ＣＭが、機械室２０において凝縮器ファン(送風手段)ＦＭにより送出される空気の流通方向に沿って一直線上に並んで配設される。すなわち、凝縮器ファンＦＭの駆動によりフロントパネル１８とキャビネット１６との間に設けた空気流通孔(図示せず)から外気が機械室２０に取込まれ、この外気が機械室２０の前側から後側に流通して凝縮器ＣＤおよび圧縮機ＣＭと熱交換するようになっている。

前記一次回路３４では、圧縮機ＣＭによる一次冷媒の圧縮により、圧縮機ＣＭ、凝縮器ＣＤ、膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６および圧縮機ＣＭの順に、一次冷媒が強制循環され、各機器の作用下に一次熱交換部３６において所要の冷却を行なうようになっている(図４参照)。なお、前述した制御用電装箱Ｃは、機械室２０において凝縮器ファンＦＭによる空気の流れを阻害しない位置(実施例では機械室２０の側部)で台板２４上に配設されている。

前記二次回路４４は、気相二次冷媒(気化冷媒)を液化する熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と、液相二次冷媒(液化冷媒)を気化する蒸発器ＥＰとを備え、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとが１対１の関係で対応している(図４参照)。また二次回路４４は、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとを接続する液配管４８およびガス配管５０を備え、液配管４８を介して二次熱交換部４６から蒸発器ＥＰへ重力の作用下に液相二次冷媒を供給し、ガス配管５０を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ気相二次冷媒を還流させるようになっている。更に二次回路４４は、ガス配管５０に後述する予備熱交換部５４が設けられている。前述した如く、二次熱交換部４６は、機械室２０に配設される一方、蒸発器ＥＰは、当該機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設され、台板２４を挟んで二次熱交換部４６より下方に蒸発器ＥＰが配置される。

前記二次熱交換部４６には、凝縮経路４７が、並列して複数(実施例２では３本)設けられている。また蒸発器ＥＰには、蒸発管(蒸発経路)５２が、並列して複数(実施例では３本)設けられている。図４では、凝縮経路４７をガス配管５０に接続する流入端から液配管４８に接続する流出端まで直線的な経路で表わすと共に、蒸発管５２を液配管４８に接続する流入端からガス配管５０に接続する流出端まで直線的な経路で表わしているが、凝縮経路４７および蒸発管５２を蛇行させても、直線状に形成してもよい。ここで、二次回路４４では、複数の凝縮経路４７、複数の蒸発管５２、複数の液配管４８および複数のガス配管５０が同数に設定されている。液配管４８は、上端(始端)を二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流出端に接続して台板２４を貫通して配管され、冷却室２８側に位置する下端(終端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流入端に接続される。そして、ガス配管５０は、冷却室２８側に位置する下端(始端)が蒸発器ＥＰにおける蒸発管５２の流出端に接続して台板２４を貫通して配管され、機械室２０側に位置する上端(終端)が、予備熱交換部５４を介して二次熱交換部４６における凝縮経路４７の流入端に接続される。なお、液配管４８およびガス配管５０における台板２４の貫通部位は、シール等により気密的に封止されている。

前記二次回路４４では、凝縮経路４７の流出端に接続する液配管４８を、当該凝縮経路４７の流入端に連結したガス配管５０が接続している蒸発管５２と別の蒸発管５２に接続するよう構成される。また二次回路４４では、蒸発管５２の流出端に接続するガス配管５０を、当該蒸発管５２の流入端に連結した液配管４８が接続している凝縮経路４７と別の凝縮経路４７に接続している。このように、二次回路４４には、複数の凝縮経路４７、複数の蒸発管５２、複数の液配管４８および複数のガス配管５０によって擬似的に並列する複数(実施例では３つ)のパスが形成されるが、これらのパスはシリアル接続されて全体として１つの回路が構成されている。そして、二次回路４４には、強制冷却される一次熱交換部３６との熱交換により冷却される二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に温度勾配が形成され、二次冷媒が二次熱交換部４６、液配管４８、蒸発器ＥＰおよびガス配管５０を自然対流して二次熱交換部４６に再び戻る冷媒の循環サイクルが形成される。ここで、予備熱交換部５４は、二次熱交換部４６における複数の凝縮経路４７に対応して、各凝縮経路４７に接続するガス配管５０に夫々設けられている。なお、符号７４は、二次回路４４に冷媒を充填するために設けられた冷媒チャージポートであって、実施例の二次回路４４は、単一の回路で構成されるから、冷媒チャージポート７４および安全弁(図示せず)等の付帯設備が１組で足りる。

前記蒸発器ＥＰは、管路を蛇行させた蒸発管５２と、この蒸発管５２に設けられたフィン５３とから構成されている。蒸発管５２は、液配管４８の下端に接続する流入端が、蒸発器ＥＰの下部に配置されると共に、ガス配管５０の下端に接続する蒸発管５２の流出端が、蒸発器ＥＰの上部に配置され、蒸発管５２の流入端が流出端より下方に位置するように構成される(図４参照)。また蒸発管５２の管路は、流入端と流出端との上下位置の間で延在して、蒸発管５２に流入した液相二次冷媒を、該液相二次冷媒の蒸発による作用下に管路に沿って流出端５２ｂ側まで拡散させるように導くようになっている。

実施例の熱交換器ＨＥについて具体的に説明する。図３または図５に示すように、熱交換器ＨＥは、熱伝導性に優れた金属材料からなる管状の二次熱交換部４６を内管とし、この二次熱交換部４６の外側を一次冷媒の流通空間をあけて被覆する一次熱交換部３６を外管とする二重管式熱交換器であって、並列する３本の凝縮経路４７をまとめて一次熱交換部３６で覆うよう構成される。なお、一次熱交換部３６は、金属材料で構成される。また熱交換器ＨＥは、並列するよう配置された二次熱交換部４６の凝縮経路４７が、上下方向を軸とする螺旋状に延在するよう配設され、これら凝縮経路４７の外側を覆って一次熱交換部３６が二次熱交換部４６と同様に螺旋状に延在するよう構成される。すなわち、熱交換器ＨＥは、平面に環を描くように構成された螺旋状の管状体であって(図２参照)、二次熱交換部４６における各凝縮経路４７の上端に予備熱交換部５４を介してガス配管５０が接続され、各凝縮経路４７の下端に液配管４８が接続されて、各凝縮経路４７を二次冷媒が螺旋形状に沿って渦巻きながら上方から下方に流通するようになっている。これに対して、一次熱交換部３６は、下端に膨張弁ＥＶに接続する流入側の冷媒配管３８が接続され、上端に圧縮機ＣＭに接続する流出側の冷媒配管３８が接続されて、該一次熱交換部３６の流通空間を一次冷媒が螺旋形状に沿って渦巻きながら下方から上方に流通するようになっている。すなわち、熱交換器ＨＥは、二次熱交換部４６の各凝縮経路４７を流通する二次冷媒の流通方向と一次熱交換部３６を流通する一次冷媒の流通方向とが反対向きの対向流になるよう構成される。

前記熱交換器ＨＥは、機械室２０において圧縮機ＣＭの上側に配設され、該熱交換器ＨＥのなす環の中に圧縮機ＣＭが臨むように配置されている(図１または図２参照)。また熱交換器ＨＥは、機械室２０において、圧縮機ＣＭより背が高い凝縮器ＣＤの頂部より低い位置に配置され、機械室２０からはみ出さないようになっている。更に熱交換器ＨＥは、凝縮器ファンＦＭにより送出される空気の流通方向下流側に配置されて、凝縮器ファンＦＭにより送出される空気流の経路上に位置している。そして、熱交換器ＨＥは、螺旋状に形成して横方向に冷媒が流通する経路を長くとり、上下の重なり方向の寸法を小さくして、全体として横長の形状とされている。

図４に示すように、二次回路４４には、予備熱交換部５４がガス配管５０に設けられ、この予備熱交換部５４は、一次回路３４または該二次回路４４においてガス配管５０を流通する気相二次冷媒より温度が低い部位に対して接触して冷却されるよう構成される。実施例の予備熱交換部５４は、熱交換器ＨＥの外郭を構成する一次熱交換部３６に接触するよう配置され、一次回路３４の各機器の作動下に冷却される一次熱交換部３６を冷却手段としている。すなわち、予備熱交換部５４は、内部に流通する気相二次冷媒を、熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６に流入する前に冷却し得るようになっている。

前記予備熱交換部５４は、熱伝導性に優れた金属材料からなる管状体であって、螺旋状に延在する一次熱交換部３６に沿って併設して、一次熱交換部３６に接触させて配置されている。なお、予備熱交換部５４の二次冷媒の流通方向は、一次熱交換部３６を流通する一次冷媒と反対向きの対向流となっている。実施例の二次回路４４では、３つのパスに対応して予備熱交換部５４が夫々設けられ、３本の予備熱交換部５４を並列させて上下方向を軸とする螺旋状に延在するよう構成される。すなわち、実施例の冷却装置３２では、予備熱交換部５４が熱交換器ＨＥと同様に、凝縮器ＣＤの頂部より低く位置させて圧縮機ＣＭの上側に配置され、予備熱交換部５４で形成される環の中に圧縮機ＣＭが臨むようになっている。そして、予備熱交換部５４は、流通する一次冷媒により冷却される一次熱交換部３６との接触下に冷却され、内部を流通する気相二次冷媒から顕熱を奪うようになっている。また、予備熱交換部５４は、流入端と流出端とを結ぶ最短距離より、該予備熱交換部における二次冷媒の流通経路が長く延在するように構成され、ガス配管５０に予備熱交換部５４を設けない場合と比べて予備熱交換部５４の容積分だけ二次回路４４の内容積が大きくなっている。なお、熱交換器ＨＥおよび予備熱交換部５４は、外方に露出する部分が断熱材(図示せず)で被覆されて断熱措置が施されている。

前記熱交換器ＨＥでは、一次熱交換部３６を流通する一次冷媒が二次熱交換部４６の各凝縮経路４７に直接接触する構成であるので、熱交換効率に優れている。これに対して、予備熱交換部５４は、熱交換器ＨＥの外郭を構成する一次熱交換部３６の外面に対して該予備熱交換部５４の外面が接触する構成であり、一次熱交換部３６を流通する一次冷媒により冷却された一次熱交換部３６と予備熱交換部５４とが接触伝熱により熱交換し、更に予備熱交換部５４と該予備熱交換部５４を流通する気相二次冷媒とが熱交換するようになっている。ここで、予備熱交換部５４では、熱交換器ＨＥ(一次熱交換部３６)との接触により気相二次冷媒を冷却するものの、その冷却度合いが二次冷媒の顕熱を奪うことを目的とし、潜熱による熱交換を伴わず二次冷媒の相変化を起こさないように設定されている。すなわち、予備熱交換部５４は、冷却手段となる一次熱交換部３６の冷却性能に応じて、一次熱交換部３６との接触面積、予備熱交換部の材質や厚みの選択による熱伝導性等の条件が適宜調節される。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る冷却装置３２の作用について説明する。冷却装置３２では、冷却運転を開始すると、一次回路３４および二次回路４４の夫々で冷媒の循環が開始される。先ず、一次回路３４について説明すると、圧縮機ＣＭおよび凝縮器ファンＦＭが駆動され、圧縮機ＣＭで気相一次冷媒が圧縮されて、この一次冷媒を冷媒配管３８を介して凝縮器ＣＤに供給して、凝縮器ファンＦＭによる強制冷却により凝縮液化することで液相とする。液相一次冷媒は、膨張弁ＥＶで減圧され、熱交換器ＨＥの一次熱交換部３６において二次熱交換部４６を流通する二次冷媒から熱を奪って(吸熱)一挙に膨張気化する。このように一次回路３４は、熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６により二次熱交換部４６を強制冷却するように機能している。そして、一次熱交換部３６で気化した気相一次冷媒は、冷媒配管３８を経て圧縮機ＣＭに帰還する強制循環サイクルを繰返す。

前記二次回路４４では、二次熱交換部４６が一次熱交換部３６により冷却されているから、二次熱交換部４６で気相二次冷媒が放熱して凝縮し、気相から液相に状態変化することで比重が増加することから、重力の作用下に二次熱交換部４６に沿って液相二次冷媒が流下する。二次回路４４では、二次熱交換部４６を機械室２０に配置する一方、蒸発器ＥＰを機械室２０の下方に位置する冷却室２８に配設することで、二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの間に落差を設けてある。すなわち、液相二次冷媒を、二次熱交換部４６の下部に接続した液配管４８を介して、蒸発器ＥＰへ向けて重力の作用下に自然流下させることができる。液相二次冷媒は、蒸発器ＥＰの蒸発管５２を流通する過程で該蒸発器ＥＰの周囲雰囲気から熱を奪って気化して気相に移行する。気相二次冷媒は、ガス配管５０および予備熱交換部５４を介して蒸発器ＥＰから二次熱交換部４６へ還流し、二次回路４４ではポンプやモータ等の動力を用いることなく、簡単な構成で二次冷媒が自然循環するサイクルが繰返される。

前記送風ファン３０により吸込口２６ａから冷却室２８に吸引された収納室１４の空気を、冷却された蒸発器ＥＰに吹付けることで、蒸発器ＥＰと熱交換した空気が冷気となる。そして冷気を、冷却室２８から冷気吹出口２６ｂを介して収納室１４に送出することで、収納室１４が冷却される。冷気は、収納室１４の内部を循環して、吸込口２６ａを介して再び冷却室２８内に戻るサイクルを反復する。

前記冷却装置３２では、二次回路４４において、ガス配管５０に設けた予備熱交換部５４で該予備熱交換部５４を流通する気相二次冷媒を一次熱交換部３６との熱交換により冷却することで、気相二次冷媒を蒸発器ＥＰから流出した時点と比べて過熱度および乾き度が低下された飽和状態としている。そして、二次熱交換部４６の各凝縮経路４７に流入する気相二次冷媒は、予備熱交換部５４で過熱度および乾き度が予め低下されているので、該凝縮経路４７の流入端側から直ちに環状流を形成させることができ、伝熱面積の損失を抑制することができる。すなわち、熱交換器ＨＥにおいて、一次熱交換部３６と二次熱交換部４６との伝熱面積を最大限に有効利用して、一次熱交換部３６と二次熱交換部４６との全体に亘って効率よく熱交換を行なうことができる。冷却装置３２は、冷却負荷が大きい場合であっても、予備熱交換部５４で気相二次冷媒を予備冷却して気相二次冷媒の過熱度を予め低減しているので、二次熱交換部４６に流入する気相二次冷媒が冷却負荷の増加によって変動する過熱度の上昇幅を狭くすることができる。このように、冷却装置３２は、冷却負荷が変動しても熱交換器ＨＥにおける熱交換効率の変動を抑えることができ、熱交換器ＨＥを冷却負荷に対応させることによる肥大化や、重量、体積およびコストの増大を招くことなく、システムを安定化することができる。

前記熱交換器ＨＥは、一次熱交換部３６の内部を流通する一次冷媒により冷却されて周囲温度よりも低温となるため、冷却能力の放熱損失を低減させる目的で前述の如く断熱材で被覆される構成である。冷却装置３２では、予備熱交換部５４を冷却する冷却手段として、熱交換器ＨＥの外郭を構成する一次熱交換部３６を用いて、熱交換器ＨＥにおいて放熱損失を防ぐために断熱されるべき冷却能力を予備熱交換部５４の冷却源としている。すなわち、冷却装置３２は、熱交換器ＨＥの放熱損失として失われる可能性のある冷却能力を冷媒循環サイクル中に回収することができ、熱交換器ＨＥにおける熱交換効率を一層向上することができる。しかも、熱交換器ＨＥ(一次熱交換部３６)の表面と周囲温度との差が小さくなるので、断熱材の厚みや種類等の断熱措置を簡素化することが可能となる。

前記冷却装置３２の運転停止等により圧縮機ＣＭが停止されると、一次冷媒による熱交換器ＨＥでの熱交換が停止される。この際、二次回路４４は、蒸発器ＥＰにおいて液相二次冷媒が気化して気相二次冷媒が発生する一方で、熱交換器ＨＥにおいて気相二次冷媒が液化されなくなることから、二次回路４４中の気相二次冷媒量が増加して、二次回路４４の内圧が上昇する。ここで、予備熱交換部５４は、一次熱交換部３６との接触面積を稼ぐため、該予備熱交換部５４の流入端と流出端とを結んだ最短距離より該予備熱交換部５４の流通経路が長く延在するよう設定されているので、ガス配管５０を二次熱交換部４６に直接接続する場合と比較して二次回路４４の内容積が予備熱交換部５４の分だけ大きくなっている。また、予備熱交換部５４では、該予備熱交換部５４の外面と一次熱交換部３６の外面とが接触する接触伝熱として、一次熱交換部３６との熱交換量が熱交換器ＨＥより小さくなるよう調節してあり、二次冷媒が完全に凝縮液化されない。

ところで、膨張タンクの機能は、二次回路４４における二次冷媒の高い圧力を容積によって緩衝することであるが、これは膨張タンクが存在することによって増加する二次回路４４の容積と、その容積中を二次冷媒で満たすために追加で必要となる二次冷媒量のバランスによって機能の有効性が決定される。例えば、膨張タンク中の冷媒密度が大きく、それが存在することによって増加する冷媒量が多量であると、二酸化炭素冷媒量の増加によって緩衝しなければならない圧力値が増加し、膨張タンクの設置によって追加される容積では圧力増加分を吸収できなくなり、耐圧設計の要求値はより高くなる。この場合、膨張タンクの設置は圧力緩衝にとって逆効果となる。すなわち、冷却装置３２運転中の膨張タンク中の冷媒密度が小さいことが、膨張タンクとしての機能を発現させる要件である。予備熱交換部５４の経路中の二次冷媒の状態は、経路中の熱交換量が比較的少量であるため、前述の如く完全に液化凝縮することはない。すなわち、予備熱交換部５４の経路中の冷媒密度は低い状態である。このことは、予備熱交換部５４の容積が追加されたことによって、追加で必要となる冷媒量に由来する追加圧力上昇よりも、容積が追加されたことによって圧力値が緩衝される程度が大きくなることを示している。つまり、予備熱交換部５４は、内部の二次冷媒の密度の低さ故に膨張タンクとして機能する。従って、予備熱交換部５４を設けることで、膨張タンクが不要となったり(実施例)、膨張タンクの容積を減少して膨張タンクを小型化することができる。

前記冷却装置３２において、凝縮器ファンＦＭは、必要とされる風量によって回転翼の径が決定されて、凝縮器ＣＤの大きさは、凝縮器ファンＦＭによって取り込まれる空気流と効率よく熱交換させるために回転翼の径と略同一に設定される。これに対して、圧縮機ＣＭは、凝縮器ファンＦＭや凝縮器ＣＤとは関わりなく適宜決定され、圧縮機ＣＭは凝縮器ファンＦＭや凝縮器ＣＤと比べて一般的に小型であって、その高さも凝縮器ファンＦＭや凝縮器ＣＤより低い。すなわち、機械室２０の高さは、凝縮器ファンＦＭおよび凝縮器ＣＤの高さによって決定され、圧縮機ＣＭの上側にはスペースを確保し得る。実施例の冷却装置３２は、圧縮機ＣＭの上側のスペースに熱交換器ＨＥおよび予備熱交換部５４を配置しているので、当該スペースを有効利用して機械室２０をコンパクトにし得る。

また二次回路４４は、前述の如く二次熱交換部４６で液化した二次冷媒を重力の作用下に液配管４８を介して蒸発器ＥＰに流下させる構成であるから、熱交換器ＨＥの二次熱交換部４６と蒸発器ＥＰとの落差を確保する必要がある。冷却装置３２では、熱交換器ＨＥを圧縮機の上側に配置することで、熱交換器ＨＥが機械室２０の上側に位置することになるから、機械室２０の下方に設けられた冷却室２８に配置された蒸発器ＥＰとの落差を大きく確保し得る。これにより、二次熱交換部４６では、二次冷媒を蒸発器ＥＰへ向けて自然流下させる駆動力の一つである位置エネルギーが大きくなり、二次冷媒を二次回路４４において円滑に循環させて冷却能力を向上させることができる。更に熱交換器ＨＥは、凝縮器ファンＦＭにより送出される空気の流通方向下流側に配置されて、凝縮器ファンＦＭにより送出される空気流の経路上に位置しているので、凝縮器ファンＦＭの駆動により凝縮器ＣＤとの熱交換して昇温した空気流が接触するので、熱交換器ＨＥにおける結露や霜付きを抑制できると共に、断熱措置を軽減することができる。しかも、熱交換器ＨＥに対する液配管４８および予備熱交換部５４の接続作業や予備熱交換部５４に対するガス配管５０の接続作業が行ない易く、また熱交換器ＨＥおよび予備熱交換部５４のメンテナンス性を向上し得る。

(変更例)
本発明に係る冷却装置としては、前述した実施例のものに限られるものではなく、種々の変更が可能である。

(１)図６は、変更例に係る冷蔵庫を示す側断面図である。変更例の冷蔵庫１１は、凝縮器ＣＤ、凝縮器ファンＦＭ、圧縮機ＣＭ、減圧手段としての膨張弁ＥＶ、熱交換器ＨＥが設置される機械室２０の側方に、蒸発器ＥＰおよび送風ファン３０が設置される冷却室２８を設ける構成である。変更例の冷蔵庫であっても、実施例と同様に熱交換器ＨＥを圧縮機ＣＭの上側に配置する構成とすることで、蒸発器ＥＰを機械室２０の側方に配置しても熱交換器ＨＥと蒸発器ＥＰとの間の落差を確保し得る。なお、図６において実施例で説明した部材・構成と同一の部材・構成に関しては、同一の符号を付してある。

(２)予備熱交換部を冷却する冷却手段としては、熱交換器(一次熱交換部)に限定されず、一次回路および二次回路の適宜部位を採用することができる。例えば、図７(ａ)に示すように、一次回路３４における一次熱交換部３６と圧縮機ＣＭとを接続する冷媒配管３８を予備熱交換部５４に接触させて冷却手段として用いる構成や、図７(ｂ)に示すように、一次回路３４における減圧手段としての膨張弁ＥＶと一次熱交換部３６とを接続する冷媒配管３８を予備熱交換部５４に接触させて冷却手段として用いる構成であってもよい。また図７(ｃ)に示すように、二次回路４４の液配管４８を予備熱交換部５４に接触させて冷却手段として用いる構成であってもよい。そして、予備熱交換部５４を冷却する冷却手段として、熱交換器ＨＥ、一次熱交換部３６、一次回路３４の低圧側配管および二次回路４４の液配管４８を併用してもよい。また一次回路に、凝縮器と膨張弁とを接続する冷媒配管から分岐して別の減圧手段を介して圧縮機に接続するバイパス管を設け、このバイパス管を予備熱交換部に接触させる構成であってもよい。なお、図７において実施例で説明した部材・構成と同一の部材・構成に関しては、同一の符号を付してある。また図７において斜線部は予備熱交換部５４と冷却手段との熱交換部位を示す。

(３)熱交換器は、実施例の如く二重管式熱交換器に限定されず、スパイラル式熱交換器、プレート式熱交換器、多管円筒式熱交換器、多重円管式熱交換器、渦巻管式熱交換器、渦巻板式熱交換器、タンクコイル式熱交換器およびタンクジャケット式熱交換器等を採用することができる。
(４)実施例では、冷却装置を冷蔵庫に採用する場合を例にして説明したが、冷凍庫、冷凍・冷蔵庫、ショーケースおよびプレハブ庫等の所謂貯蔵庫、その他空調機器等にも適用可能である。
(５)実施例では、機械室に配設する機器の共通基板となる台板により、機械室と収納室との間で空気の流通がないように収納室と機械室とを区切る構成であるが、機械室と収納室とを箱体の天板で区切る構成であってもよい。
(６)実施例では、一次回路の減圧手段として膨張弁を用いたが、キャピラリーチューブやその他の手段を採用することができる。

本発明の実施例に係る冷却装置により冷却される冷蔵庫を示す側断面図である。実施例に係る冷蔵庫における機械室を示す平面図である。実施例に係る熱交換器を一部破断して示す側面図である。実施例に係る冷却装置を示す概略回路図である。図２のＡ−Ａ線断面斜視図である。変更例の冷蔵庫を示す側断面図である。変更例の冷却装置を示す概略回路図である。従来の冷却装置を示す概略回路図である。

符号の説明

２０機械室，３４一次回路，３６一次熱交換部，４４二次回路(冷媒回路)，
４６二次熱交換部(熱交換部)，４８液配管，５０ガス配管，５４予備熱交換部，
ＣＭ圧縮機，ＥＶ膨張弁(減圧手段)，ＥＰ蒸発器，ＨＥ熱交換器

Claims

気相冷媒を凝縮して液相冷媒とする熱交換部(46)と、液相冷媒を気化させて気相冷媒とする蒸発器(EP)とを、液配管(48)およびガス配管(50)で接続し、液配管(48)を介して液相冷媒を熱交換部(46)から蒸発器(EP)へ流通させると共に、ガス配管(50)を介して気相冷媒を蒸発器(EP)から熱交換部(46)へ流通させる冷媒回路(44)が構成された冷却装置において、
前記蒸発器(EP)と前記熱交換部(46)とを接続する前記ガス配管(50)に、内部を流通する気相冷媒を該熱交換部(46)に流入させる前に冷却する予備熱交換部(54)を設けた
ことを特徴とする冷却装置。
一次冷媒を圧縮機(CM)により機械的に強制循環する一次回路(34)と、
二次冷媒を自然循環する二次回路としての前記冷媒回路(44)と、
前記一次回路(34)の一次熱交換部(36)および前記冷媒回路(44)の熱交換部(46)が設けられ、該一次熱交換部(36)を流通する一次冷媒および熱交換部(46)を流通する二次冷媒の間で熱交換する熱交換器(HE)とを備え、
前記予備熱交換部(54)は、前記熱交換器(HE)の外面に接触するよう配設される請求項１記載の冷却装置。
前記熱交換器(HE)は、下端が前記液配管(48)に接続すると共に上端が前記ガス配管(50)に接続する前記熱交換部(46)の外側を、一次冷媒の流通空間をあけて前記一次熱交換部(36)で被覆して構成され、該一次熱交換部(36)が熱交換器(HE)の外郭となる請求項２記載の冷却装置。
一次冷媒を圧縮機(CM)により機械的に強制循環する一次回路(34)と、
二次冷媒を自然循環する二次回路としての前記冷媒回路(44)と、
前記一次回路(34)の一次熱交換部(36)および前記冷媒回路(44)の熱交換部(46)が設けられ、該一次熱交換部(36)を流通する一次冷媒および熱交換部(46)を流通する二次冷媒の間で熱交換する熱交換器(HE)とを備え、
前記予備熱交換部(54)は、前記一次回路(34)における減圧手段(EV)から前記一次熱交換部(36)を介して圧縮機(CM)に至るまでの該一次回路(34)の低圧側配管と熱交換するよう構成される請求項１記載の冷却装置。
前記予備熱交換部(54)は、該予備熱交換部(54)の流入端と流出端とを結ぶ最短経路より二次冷媒の流通経路が長く延在するよう構成される請求項１〜４の何れか一項に記載の冷却装置。
前記予備熱交換部(54)は、前記熱交換部(46)が設置される機械室(20)に設けられる請求項１〜５の何れか一項に記載の冷却装置。
前記予備熱交換部(54)は、前記液配管(48)と熱交換するよう構成される請求項１〜６の何れか一項に記載の冷却装置。