JP2005337577A5

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Publication number: JP2005337577A5
Application number: JP2004156539A
Authority: JP
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2007-06-07

Description

冷却ユニット及び冷凍装置

この発明は、冷却ユニット及び冷凍装置に関するものである。

図９は従来の冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。Ａは冷凍ユニット、Ｂは冷却ユニットである。冷凍ユニットＡは、圧縮機１、凝縮器２、液溜３、サイトグラス４、アキュムレータ５、送風機６から構成されている。冷却ユニットＢは、開閉弁８、絞り装置９、蒸発器１０、送風機１１から構成されている。１２、１３は冷凍ユニットＡと冷却ユニットＢを接続する配管である。図中の矢印は冷媒の流れを表す。圧縮機１で圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器２に送り込まれる。凝縮器２に流れ込んだ冷媒は、空気に熱を放出することにより、ほぼ飽和状態（過冷却度＝0℃）の液状態となる。冷却ユニットＢに流れ込んだ冷媒は、絞り装置９で減圧され、気液二相流状態となり、蒸発器１０にて周囲空気から熱を吸収することで、ガス化し、再び冷凍ユニットＡに搭載されている圧縮機１へと流れる。
冷凍ユニットＡを出た液冷媒は飽和状態であるため、冷凍ユニットＡと冷却ユニットＢとを接続する接続配管１２での圧力損失により、冷却ユニットＢの絞り装置９手前でフラッシュが発生する。しかし、接続配管１２において、周囲空気と熱交換し、液冷媒の温度は下がる。すなわち、周囲温度との熱交換による液温度低下と圧力損失との関係により、絞り装置９手前でフラッシュが発生するかどうかが決まる。

絞り装置９手前でフラッシュが発生すると、ハンチングが発生し、冷却性能が低下する。また、絞り装置９の容量アップ、冷媒充填量の増大に繋がる。
地球温暖化対策から、冷媒がR22からR404A、R507に切り替わっている。R404Aの液密度は、R22の液密度に比べて小さくなり、さらにR404Aの冷媒循環量もR22に比べ大きいため、２倍程度、R404Aの圧力損失が大きくなる。また、R404Aの液比熱はR22のそれに比べ、約1.5倍大きくなり、絞り装置９手前の温度が低下しにくい。その結果、R404AはR22に比べ、絞り装置９手前で過冷却を確保するのが困難となり、フラッシュが起こり易い。
以上のことを踏まえて、圧力損失と放熱とを考慮した過冷却度（絞り装置手前）の比較結果を図１０に示す。冷凍ユニットＡ出口の過冷却度は1.5℃である。図１０からも分かるように、絞り装置９手前の過冷却度は、R404Aの方がR22に比べ小さいことが判る。この結果から、R404A(又はR507)は、R22と同等の過冷却度を確保させるためには、何らかの手段が必要となる。R410Aに関しても、R22より圧力損失が大きくなり、比熱も大きいため、R404Aと同じく何らかの対策が必要となる。
このような問題を解決するために、冷凍ユニットに過冷却を増大させるための過冷却手段を具備した方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２５９９６２号公報

特許文献１記載の技術では、冷凍ユニット側に過冷却を増大させる過冷却手段を具備しているため、延長配管が長い時や、高低差が大きい時などは、冷凍ユニットではフラッシュが発生していないが、冷却ユニットの絞り装置手前ではフラッシュが発生し、システムが安定しないという問題があった。
さらに、冷凍装置は、空調装置のように冷凍ユニット（室外機）と冷却ユニット（室内機）のセットで売られることはなく、冷凍ユニットと冷却ユニットが別々に売られている。このため、過冷却を増大させる過冷却手段を具備していない冷凍ユニットと組み合わされた場合、ハンチングが発生し、システムが安定せず、所定の能力が得られないという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、冷凍装置の動作点を安定させることにより、安定した冷却能力が得られ、かつ信頼性を向上させた冷却ユニット及び冷凍装置を提供するものである。

この発明に係る冷却ユニットは、配管で冷凍ユニットと接続され、R404A、R410AまたはR507のいずれか１つの冷媒が前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入する冷却ユニットであって、流入した前記冷媒を減圧する絞り装置、前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器、前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段を備えたものである。

また、この発明に係る冷凍装置は、R404A、R410AまたはR507のいずれか１つを冷媒とする冷凍装置であって、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から流入した前記冷媒に熱放出させる凝縮器とを備えた冷凍ユニット、配管で前記冷凍ユニットと接続され、前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入した前記冷媒を減圧する絞り装置と、前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器と、前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段とを備えた冷却ユニットを備えたものである。

この発明は、配管で冷凍ユニットと接続され、R404A、R410AまたはR507のいずれか１つの冷媒が前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入する冷却ユニットにおいて、流入した前記冷媒を減圧する絞り装置、前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器、前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段を備えたことにより、冷凍装置の動作点が安定することにより、安定した冷却能力が得られ、信頼性を向上させた冷却ユニットを提供できる。

また、この発明は、R404A、R410AまたはR507のいずれか１つを冷媒とする冷凍装置において、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から流入した前記冷媒に熱放出させる凝縮器とを備えた冷凍ユニット、配管で前記冷凍ユニットと接続され、前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入した前記冷媒を減圧する絞り装置と、前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器と、前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段とを備えた冷却ユニットを備えたことにより、冷凍装置の動作点が安定することにより、安定した冷却能力が得られ、信頼性を向上させた冷凍装置を提供できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。Ａは冷凍ユニット、Ｂは冷却ユニットである。冷凍ユニットＡは、圧縮機１、凝縮器２、液溜３、サイトグラス４、アキュムレータ５、送風機６から構成されている。冷却ユニットＢは、過冷却手段７、開閉弁８、絞り装置９、蒸発器１０、送風機１１から構成されている。１２、１３は冷凍ユニットＡと冷却ユニットＢをそれぞれ接続する配管であり、１２が液管、１３がガス管である。図中の矢印は冷媒の流れを表す。この実施の形態１では、開閉弁８として電磁弁８を、絞り装置９として温度式膨張弁９を用いている。この実施の形態１では、冷媒にR404Aが用いられているが、R410A、又はR507であっても良い。

次に、この実施の形態１の動作を、図２のモリエル線図を用いて説明する。図２の横軸はエンタルピー、縦軸は圧力を表している。圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧のガス状態(2)となり、凝縮器２に流れ込む。凝縮器２に流れ込んだ冷媒は、周囲に熱を放出することで、状態(3)の液冷媒となる。ここで、状態(3)の液冷媒は、接続配管１２を通り、冷却ユニットＢに導かれる。そして、冷却ユニットＢ内に設けられた過冷却手段７にて、低温・低圧のガス冷媒と熱交換し、状態(3)から状態(4)に冷却される。状態(4)の液冷媒は、温度式膨張弁９に流れ込み、そこで減圧され、気液二相の状態(5)の冷媒となる。状態(5)の冷媒は蒸発器１０に送り込まれ、そこで周囲空気から熱を吸収することで、状態(6)の冷媒となって、蒸発器１０から出る。状態(6)のガス冷媒は過冷却手段７に流れ込み、そこで高圧の液冷媒と熱交換するため、温度が上昇し、状態(1)のガス冷媒となって、過冷却手段７から排出され、再び圧縮機１に吸引される。

次に、この発明の過冷却手段７の具体的構造を図３により説明する。過冷却手段７は二重管構造となっており、外管７ａの環状通路部にはガス冷媒（状態(6)→状態(1)）が流れ、内管７ｂの円管状通路部には液冷媒（状態(3)→状態(4)）がそれぞれ流れており、冷媒の流し方は対向流である。なお、外管７ａの環状通路部に液冷媒を、また内管７ｂの円管通路部にガス冷媒を流しても同等の効果が得られる。

図４は過冷却手段７による性能アップ効果を示すテーブルである。図中の冷凍能力比は、過冷却手段７が無い時の冷凍能力を１とした場合の値である。図４からも判るように、僅かではあるが冷凍能力の向上（4.6%〜7.1%程度）を図ることができる。
冷凍ユニットＡ側を工夫することで、過冷却を大きくすることは可能であるが、接続配管の長さ、高低差、曲がり等の不確定な要素が多いため、安定して温度式膨張弁3b前で過冷却を得ることはかなりの困難性を伴うものである。しかるに、この発明のように冷却ユニット側Ｂに過冷却手段７を設け、液冷媒の状態(3)から状態(4)に過冷却度（サブクール）を大きくすることにより、接続配管１２の圧力損失によって誘発される膨張弁９手前のフラッシュを確実に防止することができる。その結果、ハンチングを防止することができ、安定した冷却能力が得られるとともに、冷媒の充填量も小さくすることが可能となる。
また、冷却ユニット側Ｂに過冷却手段７を設けた場合、接続配管１３での吸熱が無いので、液冷媒との温度差が大きくとれ、過冷却手段７の伝熱面積を小さくすることができる。このことは、冷却ユニットＢに過冷却手段７を設けるメリットの一つでもある。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。Ａは冷凍ユニット、Ｂは冷却ユニットである。冷凍ユニットＡは、圧縮機１、凝縮器２、液溜３、サイトグラス４、アキュムレータ５、送風機６から構成されている。冷却ユニットＢは、開閉弁８、絞り装置９、熱交換器１４、送風機１１から構成されている。１２、１３は冷凍ユニットＡと冷却ユニットＢをそれぞれ接続する配管であり、１２が液管、１３がガス管である。図中の矢印は冷媒の流れを表す。この実施の形態２では、開閉弁８として電磁弁８を、絞り装置９として温度式膨張弁９を用いている。この実施の形態２では、冷媒はR404AあるいはR507を用いている。

次に、この発明の冷却ユニットＢに設けられる熱交換器１４の具体的構造を図６により説明する。この熱交換器１４は空冷式では良く用いられるプレートフィンチューブタイプの熱交換器である。図６において、１４ａはフィン、１４ｂは伝熱管であり、伝熱管１４ｂ中を冷媒が流れる。この実施の形態２では、過冷却を確保するために、接続配管１２（液管）から流れてきた液冷媒は、一旦、熱交換器１４の放熱器として作用する一部の伝熱管１４ｂを流れ、液冷媒は周囲空気と熱交換し、冷却され、過冷却度が大きくなった後、開閉弁８を通り、温度式膨張弁９で減圧されて、再び熱交換器１４の蒸発器として作用する残りの大部分の伝熱管１４ｂを通り、周囲空気から熱を奪うことで蒸発し、ガス冷媒となる。
図７はワンターン（１往復）でどの程度の過冷却が得られるかを試算した結果を示すテーブルである。６HPクラスの熱交換器において、熱交換器１４のワンターンを過冷却に利用すると、図７より過冷却度は4.7℃増加し、かなりの効果が得られることが判る。

以上説明したように、液管１２の液冷媒を一旦、冷却ユニットＢに設けた熱交換器１４に流すことにより、過冷却度（サブクール）を大きくすることができ、接続配管１２の圧力損失による温度式膨張弁９手前でフラッシュを確実に防止することが可能となる。その結果、ハンチングを防止することができ、安定した冷却能力が得られるとともに、冷媒の充填量も小さくすることが可能となる。
なお、この実施の形態２では、熱交換器１４の一部に液管１２を通すようにしたが、構造を単純化するために、冷却ユニットＢの風路、例えば膨張弁９の上流側に液管１２を設置することによっても、得られる過冷却度は小さくなるが、同等の効果を期待することができる。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。この実施の形態３では、実施の形態２を改良したものである。開閉弁８を通ってから熱交換器１４の放熱器として作用する一部に流れ込む構成となっている。熱交換器１４をこのように構成した理由は、冷凍ユニットＡが停止し、再度、運転する時に発生する衝撃圧（衝撃音）対策のためである。すなわち、冷凍ユニットＡは、ポンプダウン運転で停止するため、開閉弁８の前後で大きな圧力差が生じる。しかも、冷却ユニットＡは、通常は冷蔵倉庫内等に設置されているため、周囲温度が低く、その結果、冷蔵倉庫内の液管の過冷却度が大きくなる。前記のような状態で、開閉弁８を開けると、大きな衝撃圧（衝撃音）が発生し、温度式膨張弁９にダメージを与えかねない状態に陥る。そこで、開閉弁８と温度式膨張弁９との距離を長くすることで、温度式膨張弁９に到達するまでの管路抵抗等でエネルギーを散逸させることにより、衝撃圧（衝撃音）を減少させることができる。さらに、冷蔵倉庫内での液管の長さが短くなっているので、過冷却の大きな液量も少なくなり、その効果も衝撃圧（衝撃音）抑制を期待できる。

この発明の実施の形態１における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。この発明の実施の形態１における冷凍装置の動作を示すモリエル線図である。この発明の実施の形態１における冷凍装置の過冷却手段の構成を示す断面図である。過冷却手段による性能アップ効果を示すテーブルである。この発明の実施の形態２における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。この発明の実施の形態２における冷凍装置の熱交換器の構成を示す斜視図である。熱交換器の構成により得られる過冷却を試算した結果を示すテーブルである。この発明の実施の形態３における冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。従来の冷凍装置の概略を示す冷凍サイクル図である。圧力損失と放熱とを考慮した過冷却度（絞り装置手前）の比較結果を示す特性図である。

符号の説明

Ａ冷凍ユニット、Ｂ冷却ユニット、１圧縮機、２凝縮器、３液溜、４サイトグラス、５アキュムレータ、６送風機、７過冷却手段、７ａ外管、７ｂ内管、８開閉弁（電磁弁）、９絞り装置（温度式膨張弁）、１０蒸発器、１１送風機、１２配管（液管）、１３配管（ガス管）、１４熱交換器、１４ａフィン、１４b 伝熱管。

Claims

配管で冷凍ユニットと接続され、R404A、R410AまたはR507のいずれか１つの冷媒が前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入する冷却ユニットであって、
流入した前記冷媒を減圧する絞り装置、
前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器、
前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段
を備えた冷却ユニット。
過冷却手段は、配管から流入した冷媒と蒸発器から流出した前記冷媒とを熱交換させる熱交換器であることを特徴とする請求項１記載の冷却ユニット。
過冷却手段は、絞り装置の上流の配管であって蒸発器における風路に位置することを特徴とする請求項１記載の冷却ユニット。
過冷却手段は、蒸発器の一部を通ることを特徴とする請求項３記載の冷却ユニット。
過冷却手段において、入口に開閉弁が位置し、出口に絞り装置が位置することを特徴とする請求項３記載の冷却ユニット。
R404A、R410AまたはR507のいずれか１つを冷媒とする冷凍装置であって、
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から流入した前記冷媒に熱放出させる凝縮器とを備えた冷凍ユニット、
配管で前記冷凍ユニットと接続され、前記冷凍ユニットから前記配管を経由して流入した前記冷媒を減圧する絞り装置と、前記絞り装置から流入した前記冷媒に吸熱させる蒸発器と、前記絞り装置の上流に設けられ前記冷媒の過冷却を増大させる過冷却手段とを備えた冷却ユニット
を備えた冷凍装置。