(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高段側蒸発器と低段側凝縮器を含むカスケードコンデンサを共通とし、高段側循環回路と低段側循環回路とを形成したカスケード式冷凍装置において、前記高段側循環回路の冷媒として炭化水素系冷媒を用い、低段側循環回路の冷媒として炭酸ガス冷媒を用い、前記低段側循環回路の炭酸ガス冷媒を一定温度まで冷却するための補助コンデンサを、前記カスケードコンデンサの低段側凝縮器の手前に設置することを特徴とするカスケード式冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用・業務用冷蔵庫、超低温フリーザ、冷凍ショーケース、理化学機器、バイオメディカル機器等への利用が可能なカスケード式冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、冷凍装置にはガス冷媒が用いられ、このガス冷媒を循環的に圧縮、凝縮、膨張、蒸発させてガスの気化熱を利用して冷凍する。ガス冷媒としては、従来フロンが用いられていたが、大気中に放出されると成層圏で紫外線によって分解され、塩素原子を放出してオゾン層を破壊する。このため地表に届く有害紫外線が増加するということで使用が禁止された。
フロンの代替物としては、例えばアンモニア、炭酸ガス、亜硫酸ガス、プロパン等があり、これらは単独で使用するほかプロパンと液化炭酸ガスとを所定の割合で混合して使用する例（特開平６−１７０４０号公報）が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
冷媒として炭酸ガスを単独で使用すると、作動圧（特に凝縮圧力）が極めて高くなり、循環回路を構成する要素機器の信頼性が問題となる。叉、プロパン等の可燃性ガスを単独で使用すると、庫内等の狭い閉空間にリークされて爆発の危険が伴う等の問題がある。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題を解消するためになされ、炭酸ガス単独のような高圧力の必要がなく、プロパン等の可燃ガス単独使用による爆発の危険を防止できるようにしたカスケード式冷凍装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための手段として、本発明は、高段側蒸発器と低段側凝縮器を含むカスケードコンデンサを共通とし、高段側循環回路と低段側循環回路とを形成したカスケード式冷凍装置において、前記高段側循環回路の冷媒として炭化水素系冷媒を用い、低段側循環回路の冷媒として炭酸ガス冷媒を用い、前記低段側循環回路の炭酸ガス冷媒を一定温度まで冷却するための補助コンデンサを、前記カスケードコンデンサの低段側凝縮器の手前に設置することを特徴とする。
【０００６】
本発明は、高段側に炭化水素系冷媒、低段側に炭酸ガス冷媒を用いることで高圧作動の抑制と爆発の危険の問題を同時に解決することができる。又、低段側カスケードコンデンサの前に補助コンデンサを設置することにより、ＣＯＰ（成績係数）の向上を期待することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳説する。
図１は、本発明に係るカスケード式冷凍装置を示す回路ブロック図であり、高段側（庫外）と低段側（庫内）とでそれぞれ循環回路が形成され、高段側蒸発器と低段側凝縮器とを含むカスケードコンデンサＣを共通としている。
【０００８】
高段側循環回路Ａは、高段側圧縮機１と、高段側凝縮器２と、高段側膨張弁３と高段側蒸発器４とを直列に接続して形成され、低段側循環回路Ｂは、低段側圧縮機５と、低段側凝縮器６と、低段側膨張弁７と、低段側蒸発器８とを直列に接続して形成され、更に低段側圧縮機５と低段側凝縮器６との間に補助コンデンサ９を接続することが好ましい。
【０００９】
このように構成されたカスケード式冷凍装置において、高段側循環回路Ａには冷媒として炭化水素系冷媒が用いられ、低段側循環回路Ｂには冷媒として炭酸ガスが用いられる。
【００１０】
冷媒として炭酸ガスを単独で使用すると作動圧が極めて高くなるが、本発明では炭酸ガスをカスケード回路の低段側に使用することにより作動圧を低く抑え、炭酸ガス特有の低温域での良好な熱交換性を有効に活用できる。又、高段側における炭化水素系冷媒を庫外で使用することにより、庫内での爆発の危険を防ぐことができる。
【００１１】
カスケードコンデンサＣにおいては、図示は省略したが二重配管（対向流）を介して冷媒間のみで熱交換が行われ、即ち理想状態では高段側蒸発器４と低段側凝縮器６との交換熱量は等しいものとする。図２は、圧力とエンタルピとの関係を示す図であり、ここにおいて低段側凝縮温度と高段側蒸発温度の差（以下、ΔＴ）が大きくなると効率即ち成績係数（ＣＯＰ）が落ち込むが、前記のように補助コンデンサ９を低段側カスケードコンデンサの前に設置し、冷媒を一定温度まで冷却することでＣＯＰを向上させることが可能となる。
【００１２】
図３（イ）、（ロ）に低段側蒸発温度をパラメータとしてＣＯＰ、熱量をそれぞれ計算した結果を示す。ここでは、深温領域におけるプロパンやＲ４０４Ａを用いた単段回路及び補助コンデンサ９がない場合との効率比較も併せて行った。図３（イ）から分かるように、高段側の過熱度を大きくとった方が高効率を期待でき、プロパンやＲ４０４Ａ単段回路のＣＯＰに比べてカスケード回路のＣＯＰは−３０℃〜−５５℃において劣るものの、−６０℃以下の領域ではその差が殆どなく、十分に実用レベルにあると言える。叉、低段側カスケードコンデンサの手前に補助コンデンサ９を設置すると、高段側蒸発器過熱度１０ｄｅｇの時に０．１〜０１５のＣＯＰ上昇が見込める。
【００１３】
図４（イ）、（ロ）に前記ΔＴをパラメータとした場合のＣＯＰ、熱量の計算結果を示す。図４（イ）から明らかなように、ＣＯＰにはΔＴ＝５℃近傍にピーク点の存在することが確認された。叉、高段側圧縮機１の排除容積割合を９０％、８０％とすると、より大きなＣＯＰを得ることも可能であると言える。高段側圧縮機１の排除容積を減少させると、ＣＯＰのピーク点はΔＴの小さい領域に移動し、その絶対量は増加することがわかる。カスケード方式の上段側にプロパン、下段側に炭酸ガスを使用した自然系冷媒による冷凍回路においても、高段側圧縮機に適切な冷凍回路と同程度のＣＯＰを得ることが可能である。
尚、本発明は、実施形態のものに限定されず、多元冷凍回路にも適用することが可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、カスケード式冷凍装置の高段側に炭化水素系冷媒、低段側に炭酸ガス冷媒を用いることで、庫内で使用する低段側における高圧力圧縮の抑制と爆発の危険を同時に解決することができる。又、低段側循環回路における凝縮器の手前に補助コンデンサを設置することにより、炭酸ガス冷媒のＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカスケード式冷凍装置の一例を示す回路ブロック図
【図２】圧力とエンタルピとの関係図
【図３】低段側蒸発温度をパラメータとした解析結果であって、（イ）は低段側蒸発温度とＣＯＰとの関係図、（ロ）は低段側蒸発温度と熱量との関係図
【図４】低段側凝縮温度と高段側蒸発温度との差（ΔＴ）をパラメータとした解析結果であって、（イ）はΔＴとＣＯＰとの関係図、（ロ）はΔＴと熱量との関係図
【符号の説明】
１…高段側圧縮機
２…高段側凝縮器
３…高段側膨張弁
４…高段側蒸発器
５…低段側圧縮機
６…低段側凝縮器
７…低段側膨張弁
８…低段側蒸発器
９…補助コンデンサ
Ａ…高段側循環回路
Ｂ…低段側循環経路
Ｃ…カスケードコンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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