(57)【要約】【課題】  低段側冷媒回路の蒸発器において外気条件によらず効率的に超低温を得ることができる二元冷凍装置を提供する。【解決手段】  圧縮機２、放熱器３、減圧装置としての膨張弁４、及び、蒸発器などから成る高段側冷媒回路７と、圧縮機８、放熱器としての冷媒配管９、減圧装置としての膨張弁１０及び蒸発器１２などから成る低段側冷媒回路１３と、高段側冷媒回路７の蒸発器と低段側冷媒回路１３の放熱器９とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器６とを備え、低段側冷媒回路１３の冷媒として二酸化炭素を用い、冷媒配管９において当該二酸化炭素を凝縮させると共に、高段側冷媒回路７の圧縮機２から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量よりも多くする。【選択図】  図２
2005180866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る高段側冷媒回路と、
圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る低段側冷媒回路と、
前記高段側冷媒回路の蒸発器と前記低段側冷媒回路の放熱器とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器とを備え、
前記低段側冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用い、前記放熱器において当該二酸化炭素を凝縮させると共に、前記高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、前記低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量よりも多くしたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
前記高段側冷媒回路の圧縮機の排除容積を、前記低段側冷媒回路の圧縮機の排除容積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１の二元冷凍装置。
【請求項３】
前記高段側冷媒回路の圧縮機の回転数を、前記低段側冷媒回路の圧縮機の回転数よりも高くしたことを特徴とする請求項１の二元冷凍装置。
【請求項４】
前記高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、前記低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量の５倍以下としたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の二元冷凍装置。
【請求項５】
前記高段側冷媒回路の冷媒として、Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ１２７０、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ又はＲ４０７Ｃを用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４の二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高段側冷媒回路と、低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の蒸発器と低段側冷媒回路の放熱器とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器とを備えた二元冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍装置では、圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器から成る冷媒回路を備え、当該冷媒回路の蒸発器で冷媒が蒸発するときの冷却作用を利用して庫内などに収納された物品を冷凍保存する構成とされていた。このような冷凍装置で、例えば、−３０℃や−５０℃の超低温を得ようとする場合、一元の冷凍装置では、蒸発器での蒸発温度を係る超低温領域とするためにコンプレッサの圧縮比が非常に高くなり、コンプレッサ自体の温度又は冷媒回路内に吐出される冷媒ガスの温度が高くなる関係上極めて困難となっていた。
【０００３】
このため、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とをカスケード接続した二元冷凍装置を用いることが考えられる。この場合、高段側冷媒回路の蒸発器と低段側冷媒回路の放熱器とを交熱的に配設し、低段側冷媒回路の放熱器を流れる冷媒から高段側冷媒回路の蒸発器における冷媒の蒸発により吸熱させ、高段側冷媒回路の放熱器で低段側冷媒回路の蒸発器から汲み上げた熱を外部に捨てることで、低段側冷媒回路の蒸発器における冷媒の蒸発温度を超低温領域とする構成としていた。（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】冷凍空調便覧第５版Ｉ巻基礎編（社）日本冷凍協会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような二元冷凍装置の低段側冷媒回路において冷媒は低温となるため、使用冷媒によっては粘性が著しく増加して、冷媒回路内を流れる冷媒の流量が低下する恐れがあった。
【０００５】
また、二元冷凍装置により冷却される庫内の温度は略一定であるため、負荷も年間を通じて略一定となる。このため、低段側冷媒回路も年間を通じて略一定の負荷で運転されるものとなるが、高段側冷媒回路では放熱器で外気と熱交換する構成とされているために、外気温度の変化により運転能力にも変化が生じる問題があった。
【０００６】
本発明は、係る従来の課題を解決するために、低段側冷媒回路の蒸発器において外気条件によらず効率的に所定の超低温を得ることができる二元冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明の二元冷凍装置では、圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る高段側冷媒回路と、圧縮機、放熱器、減圧装置及び蒸発器などから成る低段側冷媒回路と、高段側冷媒回路の蒸発器と低段側冷媒回路の放熱器とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器とを備え、低段側冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用い、放熱器において当該二酸化炭素を凝縮させると共に、高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量よりも多くしたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明の二元冷凍装置では、上記発明において高段側冷媒回路の圧縮機の排除容積を、低段側冷媒回路の圧縮機の排除容積よりも大きくしたものである。
【０００９】
請求項３の発明の二元冷凍装置では、請求項１の発明において高段側冷媒回路の圧縮機の回転数を、低段側冷媒回路の圧縮機の回転数よりも高くしたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４の発明の二元冷凍装置では、上記各発明において高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、前記低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量の５倍以下としたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５の発明の二元冷凍装置では、上記各発明において高段側冷媒回路の冷媒として、Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ１２７０、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ又はＲ４０７Ｃを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高段側冷媒回路と低段側冷媒回路とを所謂カスケード接続して成る冷凍装置の前記低段側冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用い、この二酸化炭素を放熱器にて凝縮させるようにしているので、低温において粘性が低く、熱運搬性能が非常に高い二酸化炭素の特性を利用し、低段側冷媒回路の蒸発器において効率的に極低温を得ることが可能となる。
【００１３】
特に、高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量よりも多くしているので、外気条件により能力が変動する高段側冷媒回路により支障無く低段側冷媒回路の二酸化炭素を凝縮させることができるようになる。
【００１４】
また、請求項２の発明によれば、上記において高段側冷媒回路の圧縮機の排除容積を、低段側冷媒回路の圧縮機の排除容積よりも大きくしているので、両圧縮機を効率が良くなる所定の回転数で制御しながら、高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量よりも多くすることができるようになる。これにより、二元冷凍装置の運転効率を改善することができるようになる。
【００１５】
また、請求項３の発明によれば、請求項１において高段側冷媒回路の圧縮機の回転数を、低段側冷媒回路の圧縮機の回転数よりも高くしているので、両圧縮機として排除容積が同一のものを利用した場合にも、高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量よりも多くすることができるようになる。
【００１６】
また、請求項４の発明によれば、上記各発明において高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量の５倍以下としているので、最も効率の良い範囲で二元冷凍装置を運転することができるようになる。
【００１７】
そして、請求項５の発明の如く高段側冷媒回路の冷媒として、Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ１２７０、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ又はＲ４０７Ｃを用いることにより、高段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路の圧縮機から吐出される冷媒の体積流量の５倍以下として効率的な運転を実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の一実施例の二元冷凍装置１の冷媒回路図である。実施例の二元冷凍装置１は、圧縮機２、放熱器３、減圧装置としての膨張弁４、及び、蒸発器５を順次環状に接続して成る高段側冷媒回路７と、圧縮機８、放熱器９、減圧装置としての膨張弁１０、及び、蒸発器１２を順次環状に配管接続して成る低段側冷媒回路１３と、高段側冷媒回路７の蒸発器５と低段側冷媒回路１３の放熱器９とを交熱的にカスケード接続するカスケード熱交換器６とから構成されている。
【００２０】
また、本発明の二元冷凍装置１では、高段側冷媒回路７の圧縮機２の排除容積を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の排除容積より大きく設定している。これによって、高段側冷媒回路７の圧縮機２から吐出される冷媒の体積流量が、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量よりも多くなるようにしている。
【００２１】
そして、前記高段側冷媒回路７内には冷媒としてアンモニア（Ｒ７１７）、プロパン（Ｒ２９０）、プロピレン（Ｒ１２７０）やフッ素系冷媒のＲ４１０、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃなどが所定量封入（実施例ではプロピレンとする）されると共に、低段側冷媒回路１３内には冷媒として自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が所定量封入されている。この二酸化炭素冷媒は低温においても粘性が低く、熱運搬性能が非常に高いため、低段側冷媒回路１３での使用に適している。
【００２２】
次に、二元冷凍装置１の動作を説明する。先ず、低段側冷媒回路１３の蒸発器１２において冷媒の蒸発温度がー３０℃となるように運転する場合について説明する。
【００２３】
ここで、低段側冷媒回路１３の蒸発器１２が冷却しなければならない冷凍庫内の負荷（冷凍負荷）が１０ｋＷ、外気温度が＋５０℃の条件下で当該二元冷凍装置１を運転する場合、高段側冷媒回路７の凝縮負荷は１４．７７ｋＷとなる（高段側冷媒回路７から低段側冷媒回路１３の圧縮機２の入力が１０ｋＷに加算される）。また、高段側冷媒回路７の圧縮機２及び低段側冷媒回路１３の圧縮機８は運転効率が良いとされるある所定の回転数、例えば６０％の運転効率で定速で運転すると共に、高段側冷媒回路７の圧縮機２の排除容積を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の排除容積より大きく設定している。
【００２４】
そして、両冷媒回路７、１３の圧縮機２、８が前述の如く定速で運転されると、高段側冷媒回路７の圧縮機２内に低温低圧の冷媒が吸い込まれ、圧縮されて高温高圧のガス冷媒（プロピレン）となり、圧縮機２から吐出される。圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは放熱器３に流入する。そこで冷媒ガスは外気と熱交換して凝縮する。このとき、冷媒は外気に熱を捨てる。
【００２５】
この放熱器３を出た冷媒は膨張弁４で絞られ、減圧された後、カスケード熱交換器６の蒸発器５に流入する。係るカスケード熱交換器６にて冷媒は放熱器９を通過する冷媒から熱を奪って蒸発膨張する。このとき、冷媒の蒸発温度は＋５℃となる。また、冷媒が蒸発する際の吸熱作用でカスケード熱交換器６の放熱器９が冷却される。そして、このカスケード熱交換器６を出た冷媒は圧縮機２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００２６】
一方、低段側冷媒回路１３の圧縮機８に吸い込まれ、圧縮されて高温高圧となったガス冷媒（二酸化炭素）は、圧縮機８から吐出されて、カスケード熱交換器６の放熱器９に入り、そこでカスケード熱交換器６の蒸発器５を通過する冷媒に熱を奪われて放熱する。このとき、冷媒は＋１５℃程に冷却される。ここで、カスケード熱交換器６において冷媒（二酸化炭素）は凝縮し、液若しくは気／液混合状態となる。
【００２７】
このカスケード熱交換器６内の放熱器９を出た冷媒は膨張弁１０で絞られ、減圧される。そして、蒸発器１２に流入し、そこで蒸発膨張する。このとき、蒸発器１２における冷媒の蒸発温度が前述の如くの−３０℃程となる。この蒸発する際の吸熱作用で冷凍機器などの低温機器の庫内を冷却する。
【００２８】
上記条件で圧縮機２及び圧縮機８を運転することにより、図２に示す如く低段側冷媒回路１３の圧縮機８の体積流量は４．６８／ｍ3ｈ、高段側冷媒回路７の圧縮機２の体積流量は１４．４／ｍ3ｈ、体積流量比は３．１（圧縮機２の体積流量／圧縮機８の体積流量）となる。この場合、低圧側冷媒回路１３の成績係数（ＣＯＰ）は２．１と良好な数値を得ることができる。
【００２９】
尚、上記凝縮負荷に対して、高段側冷媒回路７に図２に列挙する冷媒を封入した場合、高段側冷媒回路７の体積流量は図２に示すようになった。また、この時の成績係数（ＣＯＰ）は体積流量比が５以下である場合に、最も効率の良い範囲内で二元冷凍装置１を運転することができる。従って、図２のＲ４０７Ｃから上に列挙された冷媒が高段側冷媒回路７に使用する冷媒として適している。
【実施例２】
【００３０】
次に、低段側冷媒回路１３の蒸発器１２の蒸発温度が−５０℃となるように運転する場合について説明する。ここで、低段側冷媒回路１３の蒸発器１２が冷却しなければならない冷凍庫内の負荷（冷凍負荷）が１０ｋＷ、外気温度が＋５０℃の条件下で当該二元冷凍装置１を運転する場合、高段側冷媒回路７の凝縮負荷は１６．２１ｋＷとなる。また、前述の如く圧縮機２及び圧縮機８を効率の良い所定の回転数（実施例では６０％の効率）で運転して、高段側冷媒回路７の圧縮機２の排除容積を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の排除容積より大きくしている。
【００３１】
両冷媒回路７、１３の圧縮機２、８が運転されると、高段側冷媒回路７の圧縮機２内に低温低圧の冷媒が吸い込まれ、圧縮されて高温高圧のガス冷媒（プロピレン）となり、圧縮機２から吐出される。圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒ガスは放熱器３に流入する。そこで冷媒ガスは外気と熱交換して凝縮する。このとき、冷媒は空気に熱を捨てる。
【００３２】
この放熱器３を出た冷媒は膨張弁４で絞られ、減圧された後、カスケード熱交換器６の蒸発器５に流入する。係るカスケード熱交換器６にて冷媒は放熱器９を通過する冷媒から熱を奪って蒸発膨張する。このとき、冷媒の蒸発温度は＋５℃程となる。また、冷媒が蒸発する際の吸熱作用でカスケード熱交換器６の放熱器９が冷却される。そして、このカスケード熱交換器６を出た冷媒は圧縮機２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００３３】
一方、この場合における低段側冷媒回路１３の動作を図３を参照して説明する。図３はこの場合の２次元冷凍装置１の低段側冷媒回路１３のモリエル線図を示している。即ち、低段側冷媒回路１３の圧縮機８に吸い込まれ（図３のＡの状態）、圧縮されて高温高圧となったガス冷媒（二酸化炭素）は、圧縮機８から吐出されて（図３のＢの状態：このとき、吐出冷媒温度は＋１２７．８℃）、カスケード熱交換器６の放熱器９に入り、そこでカスケード熱交換器６の蒸発器５を通過する冷媒に熱を奪われて放熱する。このとき、冷媒は＋１５℃に冷却されて凝縮し、液若しくは気／液混合状態となる（図３のＣの状態）。
【００３４】
このカスケード熱交換器６内の放熱器９を出た冷媒は膨張弁１０で絞られ、減圧される（図３のＤの状態）。そして、蒸発器１２に流入し、そこで蒸発膨張する。このとき、蒸発器１２における冷媒の蒸発温度が前述の如くの−５０℃となる。冷媒は当該温度で蒸発し、この蒸発する際の吸熱作用で冷凍機器などの低温機器の庫内を冷却する。
【００３５】
上記条件で圧縮機２及び圧縮機８を運転することにより、図２に示す如く低段側冷媒回路１３の圧縮機８の体積流量を８．６４／ｍ3ｈ、高段側冷媒回路７の圧縮機２の体積流量が２２．０／ｍ3ｈ、体積流量比は２．５（圧縮機２の体積流量／圧縮機８の体積流量）となる。この場合、低段側冷媒回路１３の成績係数（ＣＯＰ）は１．６１と前記実施例同様に良好な数値を得ることができる。
【００３６】
更に、上記凝縮負荷に対して、高段側冷媒回路７に図２に列挙する冷媒を封入した場合、高段側冷媒回路７の体積流量は図２に示すようになった。また、この時の成績係数（ＣＯＰ）は体積流量比が５以下である場合に、最も効率の良い範囲内で二元冷凍装置１を運転することができる。従って、図２のＲ４０７Ｃから上に列挙された冷媒が高段側冷媒回路７に使用する冷媒として適している。
【００３７】
このように、低段側冷媒回路１３に低温においても粘性の低く、熱運搬性能が非常に高い二酸化炭素を冷媒として封入することで、低段側冷媒回路１３の蒸発器１２において効率的に超低温を得ることができるようになる。
【００３８】
また、高段側冷媒回路７の圧縮機２の排除容積を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の排除容積よりも大きく設定することで、高段側冷媒回路７の圧縮機２から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量よりも多くしているので、外気が高温となるような条件下であっても、高段側冷媒回路７の体積流量を多くしているため、カスケード熱交換器６の放熱器９を通過する低段側冷媒回路１３の冷媒は、当該カスケード熱交換器６の蒸発器５に熱を充分に与えて放熱することができるので、外気条件により高段側冷媒回路７の能力が低下しても、支障無く低段側冷媒回路１３の二酸化炭素を凝縮させることができるようになる。
【００３９】
一方、係る条件下で、高段側冷媒回路７の圧縮機２を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の体積流量の５倍以下となるものは、高段側冷媒回路に封入する冷媒として図２のＲ４０７Ｃから上に記載された冷媒を使用した場合に限定される。即ち、図２に記載のブタン（Ｒ６００）やイソブタン（Ｒ６００ａ）を使用した場合には、体積流量比が５以上となる。体積流量比が５を超えると圧縮機の入力が増大するなど、成績係数も悪化してしまう。これにより、体積流量比が５を超える冷媒は当該高段側冷媒回路７に封入する冷媒として適していない。従って、本発明において使用に適した冷媒は図２のＲ４０７から上に記載の冷媒であり、当該冷媒を高段側冷媒回路７の冷媒として使用した際に、上述の如く高効率の運転を達成することが可能となる。
【００４０】
尚、上記各実施例では、圧縮機２及び圧縮機８の回転数を一定とし、高段側冷媒回路７の圧縮機２の排除容積を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の排除容積よりも大きく設定することにより、高段側冷媒回路７の圧縮機２から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量よりも多くするものとしたが、高段側冷媒回路７の圧縮機２の回転数を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の回転数よりも高くすることにより、高段側冷媒回路７の圧縮機２から吐出される冷媒の体積流量を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量よりも多くするものとしても構わない。
【００４１】
この場合、両圧縮機２、８の排除容積が同一のものを使用した場合であっても、高段側冷媒回路７の圧縮機２の回転数を、低段側冷媒回路１３の圧縮機８の回転数よりも高くして、低段側冷媒回路１３の圧縮機８から吐出される冷媒の体積流量の５倍以下とすることで、上記各実施例の如く最も効率の良い範囲で二元冷凍装置１を運転することができるようになる。
【００４２】
尚、本実施例では低段側冷媒回路１３に封入する冷媒として二酸化炭素を使用することで、二酸化炭素は低温となった場合にも粘性が低い性質を有するので、当該低段側冷媒回路１３での使用に適している。また、当該二酸化炭素は不燃性の冷媒であるため、低圧側冷媒回路１３に二酸化炭素を使用することで、二元冷凍装置１の安全性の向上を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施例の二元冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】低段側冷媒回路の蒸発器での冷媒の蒸発温度を−３０℃又はー５０℃とする場合に高段側冷媒回路に封入する冷媒と、その際の圧縮機の体積流量比を示す図である。
【図３】実施例２の二元冷凍装置の低段側冷媒回路のモリエル線図である。
【００４４】
１  二元冷凍装置
２、８  圧縮機
３  放熱器
４、１０  膨張弁
６  カスケード熱交換器
７  高段側冷媒回路
１２  蒸発器
１３  低段側冷媒回路
【図１】
2005180866.tif 000003
【図２】
2005180866.tif 000004
【図３】
2005180866.tif 000005