(57)【要約】【課題】            蒸発工程の前段階となる膨張工程へより一層の低温低圧とした冷媒を送り込むことで、その冷凍能力を増大させ、能力を高めるとともに、省エネルギー化を図り、寒冷地における暖房、デフロストの作用も十分に発揮することができる機器あるいは蒸気圧縮式冷凍サイクルが存在しなかったという点である。【解決手段】        蒸気圧縮式冷凍サイクルの凝縮器と膨張弁の間に組み込まれ、一次側とその一次側を通過した冷媒が流入し、直列で通過する二次側を一体に有し、その一次側と二次側が一枚の伝熱プレートで仕切られ同一の伝熱面積と容量を有する熱交換器によって構成され、この熱交換器の一次側入口に一段減圧弁を備え、かつ、二次側入口には二段減圧弁を備え、二段減圧式とし、冷媒を過冷却することとする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮式冷凍サイクルの凝縮器と膨張弁の間に組み込まれ、一次側とその一次側を通過した冷媒が流入し、直列で通過する二次側を一体に有し、その一次側と二次側が一枚の伝熱プレートで仕切られ同一の伝熱面積と容量を有する熱交換器によって構成され、この熱交換器の一次側入口に一段減圧弁を備え、かつ、二次側入口には二段減圧弁を備え、二段減圧式とし、冷媒を過冷却することを特徴とする過冷却器。
【請求項２】
前記した過冷却器は一次側が過冷却液生成部となり、二次側は一次側冷却のための低温部となり、二次側を通過した冷媒の温度は一次側を通過した冷媒の温度よりも低温であることを特徴とする請求項１に記載の過冷却器。
【請求項３】
前記した過冷却器は、その外面を断熱材で被包し、放熱、吸熱を防止した構成としてあることを特徴とする請求項１または２に記載の過冷却器。
【請求項４】
前記した断熱材は発泡材タイプである発泡ウレタンを使用していることを特徴とする請求項３に記載の過冷却器。
【請求項５】
請求項１から４に記載された過冷却器を組み込んだことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項６】
冷房時、冷凍時と、暖房時、デフロスト時との二つの前記請求項１から４に記載の過冷却器を組み込んだ冷媒回路を形成してあることを特徴とする請求項５に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は過冷却器及びその過冷却器を組み込んだ蒸気圧縮式冷凍サイクルに関し、その冷凍サイクルの工程のうち、蒸発の前段階となる膨張（低圧低温化）を行なう膨張弁に対して、冷媒を予め過冷却して送り込み、冷凍能力の大幅な向上と省エネルギー化を図る過冷却器とその過冷却器を組み込んだ蒸気圧縮式冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒ガスを使用した冷凍サイクルにあって、その冷却あるいは暖房の効果を向上させる要素として、熱自己平衡熱交換器を組み込むことが特許文献１〜８に示すように知られている。これらの特許文献１〜８には、一次側と二次側とを一体とし、一次側へ導入させ、その一次側を通過した冷媒ガスを膨張弁を介して二次側へ送り込み、その一次側と二次側で伝熱プレートを介して相互の熱エネルギーが各々凝縮、蒸発の熱源とされ、その熱エネルギーは相乗効果で各々の機能を高め、経時変化で一次側と二次側は作用的に安定される熱交換器が記載されている。
【０００３】
特許文献９には膨張弁に代えてキャピラリーチューブを設けた熱交換機構が示されている。
【０００４】
しかしながら、従来、上記した熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルにあっても、完全といえる状態のデフロストには限界があり、デフロストに過大な作業や費用がかけられている。特に、寒冷地にあっては暖房装置としても効率的に安全に作用するには限度があり、どうしてもデフロストは電気を使用するヒーターに頼るのが現実的となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１３−０２８６９９号出願書類
【特許文献２】特開２００３−２１４７３１号公報
【特許文献３】特開２００４−３６１０３３号公報
【特許文献４】特願２００５−９８８１７号公報
【特許文献５】特開２００５−１１４２６７号公報
【特許文献６】特開２００６−６４３３１号公報
【特許文献７】特開２００９−１５６５６３号公報
【特許文献８】特開２０１１−５８６５２号公報
【特許文献９】実開昭５６−１５５２７７号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする問題点は、蒸発工程の前段階となる膨張工程へより一層の低温低圧とした冷媒を送り込むことで、その冷凍能力を増大させ、能力を高めるとともに、省エネルギー化を図り、寒冷地における暖房、デフロストの作用も十分に発揮することができる機器あるいは蒸気圧縮式冷凍サイクルが存在しなかったという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この問題点を解決するために本発明に係る過冷却器は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの凝縮器と膨張弁の間に組み込まれ、一次側とその一次側を通過した冷媒が流入し、直列で通過する二次側を一体に有し、その一次側と二次側が一枚の伝熱プレートで仕切られ同一の伝熱面積と容量を有する熱交換器によって構成され、この熱交換器の一次側入口に一段減圧弁を備え、かつ、二次側入口には二段減圧弁を備え、二段減圧式とし、冷媒を過冷却することを特徴とし、前記した過冷却器は一次側が過冷却液生成部となり、二次側は一次側冷却のための低温部となり、二次側を通過した冷媒の温度は一次側を通過した冷媒の温度よりも低温であることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る過冷却器は、前記した過冷却器は、その外面を断熱材で被包し、放熱、吸熱を防止した構成としてあることを特徴とし、前記した断熱材は発泡材タイプである発泡ウレタンを使用していることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、請求項１から４に記載された過冷却器を組み込んだことを特徴とし、冷房時、冷凍時と、暖房時、デフロスト時との二つの前記請求項１から４に記載の過冷却器を組み込んだ冷媒回路を形成してあることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る過冷却器及びその過冷却器を組み込んだ蒸気圧縮式冷凍サイクルは上記のように構成されている。そのため、冷媒は、膨張工程（膨張弁）に導入される前に、凝縮工程によって低圧低温化された状態で、さらに、過冷却器によって二段階で一層の低圧低温のものとされる。従って、その後の膨張弁と併せ三段階の低圧低温化がされることとなり、Ｐ−ｈ線図における飽和液線上までの低温過冷却状態となり、従来にない冷凍能力を得ることができる。
【００１１】
また、この過冷却器の外面を断熱することで、その過冷却器からの放熱及び吸熱は極わずかな量に抑えられ、エネルギーは一次側、二次側冷媒間にのみ移行されることとなり、非常に効率が向上することとなり、凝縮潜熱を増加するとともに蒸発潜熱を増加させる。このため、従来に比べ冷凍効率を２０〜３０％、最良では５０％の向上を図ることができる。
【００１２】
さらに、この過冷却器を二つ回路中に配し、冷房、冷凍時と暖房、デフロスト時に切り替えることで、その各々のサイクル効率も大幅に向上することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を実施した二段減圧式とした過冷却器を示す図である。
【図２】部分断面図である。
【図３】二段減圧式とした過冷却器における潜熱の移行を示すＰ−ｈ線図である。
【図４】従来の冷凍サイクルにおけるＴ−ｓ線図である。
【図５】二段減圧式の過冷却器を使用した冷凍サイクルのＴ−ｓ線図である。
【図６】冷房、冷凍時のサイクル回路図である。
【図７】暖房、デフロスト時のサイクル回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。
【実施例１】
【００１５】
次に、本発明の好ましい実施の一例を図面を参照して説明する。図中１は本発明に係る二段減圧式過冷却器を示している。この二段減圧式過冷却器１は蒸気圧縮式冷凍サイクルの凝縮工程（凝縮器）と膨張工程（膨張弁）との間にサイクル回路上組み込まれるものである。
【００１６】
この二段減圧式過冷却器１は一体的なケーシングから成り、凝縮器からの冷媒が導入される一次側２と、その一次側を通過した冷媒が導入通過する二次側３が一枚の伝熱プレート４で仕切られて一体に有している。そのため、一次側２と二次側３の伝熱面積は同一となり、容量も同一のものとなっている。
【００１７】
また、前記した一次側２の冷媒導入口には一段減圧弁５を、二次側３の一次側２を通過した冷媒の導入口には二段減圧弁６を各々備えた構成とし、凝縮器から送出された冷媒を直列に通過させるものとなっており、二次側３を通過した冷媒を蒸発工程（蒸発器）の前段階に配置される膨張弁７へ送り込むこととなっている。
【００１８】
さらに、この過冷却器１は、その外表面を、冷媒の導入口及び吐出口部分を残し、断熱材８によって被包され、過冷却器１からの放熱及び吸熱を最小限となるように制御しており、ここではこの断熱材８として気泡材タイプの発泡ウレタンを使用しているもので、外衝にも対応できるように図られている。
【００１９】
ここで、この二段減圧式過冷却器１の作用について説明する。凝縮器を通過した冷媒は気液二相の未凝縮状態となっており（冷媒温度Ｔ３）、一段減圧弁５を通過して一次側２に導入される。この時、一段減圧弁５の通過によって冷媒は減圧され低温となる（冷媒温度Ｔ４）。この減圧低温化された冷媒は一次側２から吐出され（冷媒温度Ｔ５）、二段減圧弁６を通過して（冷媒温度Ｔ６）、二次側３へ導入される。この二次側３への導入時には冷媒は一次側２の状態よりも減圧され、より一層の低温となって吐出される（冷媒温度Ｔ７）。二段減圧式過冷却器１にあっては一次側２と二次側３にあって冷媒は互いを冷却し合ってより低温過冷却液となる。
【００２０】
ここで、冷媒の温度関係を不等式を用いて説明する。前記したＴ３は一段減圧弁５を通過して低温Ｔ４となり、一段減圧弁５によって高温凝縮冷媒液を蒸発させ、低温、低圧に向け冷媒を変化させる。即ちＴ４はＴ３より低温となる。Ｔ４の冷媒は一次側２に導入されてＴａとなる（Ｔ４＝Ｔａ）。Ｔａは蒸発熱源（Ｔａより高温の熱源）がないため蒸発気化は行なえない。サイクルが進行して後にＴａはＴ４より低温となる。一次側２の通過時に冷媒は二次側３に放熱して、冷却、凝縮が進行する。この時、二次側３の冷媒はＴｂとなる。
【００２１】
前記した一次側２の冷媒Ｔａと二次側３の冷媒は一枚の伝熱プレート４によって熱交換する。一次側２から吐出された冷媒Ｔ５は凝縮器より吐出された冷媒Ｔ３よりも低温の気液二相のものであり、Ｔ５はＴ３より低温である。この冷媒Ｔ５は二段減圧弁６を通過して、さらに低温の冷媒Ｔ６となり、Ｔ６はＴ５より低温となる。
【００２２】
冷媒Ｔ６は二次側３に導入されてＴｂとなる。Ｔ６＝Ｔｂ。サイクルが進行してＴ６≧Ｔｂとなる二段減圧式過冷却器１の一次側２、二次側３を冷媒が通過中に相互補完する熱交換がなされ、温度変化が起こる。一次側２の冷媒Ｔａは二次側３の冷媒Ｔｂが低温のため凝縮熱源（低温）を得る。即ちＴｂはＴａより低温である。
【００２３】
一次側２の冷媒Ｔａは二次側３の冷媒Ｔｂより凝縮熱源（Ｔａよりも低温）を得るため蒸発せずに凝縮液となり、凝縮潜熱を増加し、相関して蒸発潜熱も増加する。一次側２の冷媒Ｔａは二次側３の冷媒Ｔｂよりも低温冷却されて、低温化されて、相関してＴ５も低温となる。相関してＴ６＝Ｔｂも低温となり、Ｔｂと熱交換するＴａもさらに低温を進行させて凝縮液化を進行させる。
【００２４】
上記した熱関係は、
Ｔ７はＴｂより低温、ＴｂはＴ６より低温もしくは同等、Ｔ６はＴ５より低温、Ｔ５はＴａより低温、ＴａはＴ４より低温、Ｔ４はＴ３より低温となる。
【００２５】
二次側３の冷媒Ｔｂは凝縮液の状態となる。二次側３の冷媒Ｔｂもわずかに蒸発するが、一次側２の冷媒Ｔａから取得する蒸発潜熱（Ｔｂよりも低温の熱）がないため過冷却を維持する。わずかに残る一次側２の冷媒Ｔａの蒸発熱源により、二次側３の冷媒Ｔｂが蒸発して吐出した冷媒Ｔ７は最も低温となる。
【００２６】
二次側３内では一次側２で冷却され凝縮液となった冷媒Ｔ５は、二段減圧弁６を通過しても一次側２の冷媒Ｔａに蒸発熱源が不足しているため蒸発不能で過冷却を進め維持して、低温、低圧の１００％の過冷却液となり、蒸発潜熱及び相関して凝縮潜熱を増大させる。
【００２７】
また、二段減圧式過冷却器１はその外表面を、冷媒の導入口、吐出口部分を残して断熱材８によって被包してあるため、二段減圧式過冷却器１からの放熱あるいは外部からの吸熱は極わずかな熱量に抑えられ、エネルギーは一次側２、二次側３の冷媒間のみに移行される。
【００２８】
一次側２を通過する冷媒は二次側３の冷媒によって凝縮潜熱を増加させ、同時に相関して蒸発潜熱を増加させるもので、一次側２は二次側３への供給冷媒液を低温にする準備室ともいえる。
【００２９】
一次側２と二次側３の通過時に冷媒は互いに熱交換をし合って経時変化し、二段減圧式過冷却器１の通過中に冷媒はアナログ的に低圧となり、Ｐ−ｈ線図の飽和液線上点まで低温の過冷却液となり（Ｐ−ｈ図中鎖線のハッチ部分）、同時に凝縮潜熱を増加させ、相関して蒸発潜熱も増加させる。尚、図３にあって１１は圧縮機に吸引される冷媒、１２は凝縮器に導入される冷媒、１３は一段減圧弁５への導入、１４は二段減圧弁６への導入、１５は膨張弁７への導入、１６は膨張弁７を通過して蒸発器への導入を示し、
Δｈ１一段減圧して低温となり二次側冷媒に冷却され増量した凝縮潜熱、
Δｈ２二段減圧して低温となり一次側冷媒に冷却され増加した凝縮潜熱、
Δｈ３二段減圧式過冷却器１により増加した蒸発潜熱及び凝縮潜熱、
Δｈｈ二段減圧式過冷却器１にて増量した全凝縮潜熱、
ΔｈＣ二段減圧式過冷却器１にて増量した全蒸発潜熱、を示している。
【００３０】
次に、Ｔ−ｓ線図（図４、図５）を参照して従来回路と、二段減圧式過冷却器１を組み込んだ回路との性能を比較する。従来例を示す図４にあって２１は圧縮機吸引冷媒、２２は圧縮機吐出冷媒状態、２３は凝縮器出口冷媒、２４は膨張弁入口冷媒、２５は蒸発器入口冷媒、２６は蒸発器出口冷媒を示している。
【００３１】
二段減圧式過冷却器１を組み込んだ冷媒回路を図５に示し、図４と比べる。この図５にあって、３１は圧縮機吸引冷媒、３２は圧縮機吐出冷媒状態、３３は一段減圧弁５の入口冷媒、３４は二段減圧弁６の入口冷媒、３５は膨張弁７の入口冷媒、３６は膨張弁７を通過して、蒸発器への入口冷媒を示す。この図５にあってはΔＳ３は凝縮潜熱、ΔＳ４は蒸発潜熱を示し、共に増加することが明瞭であり、Δ７は冷媒吐出温度を示し、これも大きくなっていることが解る。
【００３２】
続いて、本発明に係る二段減圧式過冷却器１を組み込んだ回路について図６、図７を参照して説明する。図６は具体的に冷凍、冷房時の回路を示しており、鎖線で示す系は暖房、デフロスト時の回路となる。この回路にあって４０は圧縮機を示しており、この圧縮器４０から吐出された冷媒は凝縮器４１へ導入される。そして、この凝縮器４１を通過した未凝縮状態の冷媒は前述した構成、作用を行なう過冷却器１を通過し、膨張弁７を通り、室内装置４２（蒸発器としての放熱器）を通過して冷気を室内に放出する作用をした後に圧縮機４０へ戻る。この循環を行なうこととなり、この回路では一段減圧弁５、二段減圧弁６及び膨張弁７を通ることで計三段階の減圧作用が行なわれることとなる。
【００３３】
また、図７にあって実線で示す系が暖房、デフロスト時の回路である。こちらの回路の場合、圧縮機４０を吐出した冷媒は、切替弁によって流路を切り替えられてホットガス管４３に流入する。このホットガス管４３を通過した高温高圧の冷媒は前記した室内装置４２を、この場合凝縮器として作用させ、暖気を室内に放出する。この室内装置４２を通過した冷媒は、圧縮機４０へ戻る流路を切替弁によって切り替えられ、ホットガスデフロストユニット４４の第二の過冷却器１ａへ導入される。この第二の過冷却器１ａにも一次側２ａと二次側３ａの導入口には各々一段減圧弁５ａ、二段減圧弁６ａが備えられている。但し、この場合、一次側２ａにおける一段減圧弁５ａにはバイパス４５をかけて、この一段減圧弁５ａをパスすることもできるものとしている。
【００３４】
ホットガスユニット４４内の第二の過冷却器１ａを通過した冷媒は、このユニット４４における膨張弁７ａを通り、蒸発器４２ａを通過して、圧縮機４０へ戻る。このサイクルを循環することとなる。
【００３５】
上記した各回路の説明でも解るように、本発明に係る冷凍サイクルは圧縮、凝縮、過冷却、膨張、蒸発の五工程を循環する構成となり、従来のように膨張弁のみによる減圧よりもはるかに低温が得やすいものとなっており、外気に蒸発される暖房、デフロスト回路の作用は外気温度よりの蒸発熱源を取得し易く、寒冷地における低温作用が優れたものとなる。
【符号の説明】
【００３６】
１，１ａ    過冷却器
２，２ａ    一次側
３，３ａ    二次側
４      伝熱プレート
５，５ａ    一段減圧弁
６，６ａ    二段減圧弁
７，７ａ    膨張弁
８      断熱材
１１，２２，３２    圧縮機に吸引される冷媒
１２    凝縮器に導入される冷媒
１３，３３    一段減圧弁に導入される冷媒
１４，３４    二段減圧弁に導入される冷媒
１５，２４，３５    膨張弁に導入される冷媒
１６，２５，３６    蒸発器に導入される冷媒
２２，３２    圧縮機吐出冷媒
２３    凝縮器出口冷媒
４０    圧縮機
４１    凝縮器
４２    室内装置
４２ａ  蒸発器
４３    ホットガス管
４４    ホットガスデフロストユニット
４５    バイパス
【図１】
2015048983.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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