(57)【要約】【課題】            自然冷媒、特に液化炭酸ガスを使用した場合に、高圧状態のため良好な凝縮作用が得られず、そのため、冷凍サイクルを連続運転することが不可能とされている点である。換言すると、自然冷媒の高圧状態を通例の冷凍機でも対応できるように減衰できない点である。【解決手段】        冷媒として液化炭酸ガスとプロパンガスとを主成分とする混合ガス等の自然冷媒を使用することとし、凝縮器と、一次側に膨張弁を配した蒸発器とを連結する管路に、サイクルを自己発生する高効率の熱交換器を組み付け、その熱交換器の一次側で、高圧状態の冷媒を二元凝縮し、次いでその熱交換器の二次側における蒸発作用で順次一次側に流入される高圧状態の冷媒を冷却し、この冷却と凝縮促進によって圧力を減衰させて、完全な飽和液状態とした冷媒を直接蒸発器へ流入させることとする。【選択図】          図１
2005114267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒として液化炭酸ガスとプロパンガスとを主成分とする混合ガス等の自然冷媒を使用することとし、凝縮器と、一次側に膨張弁を配した蒸発器とを連結する管路に、サイクルを自己発生する高効率の熱交換器を組み付け、その熱交換器の一次側で、高圧状態の冷媒を二元凝縮し、次いでその熱交換器の二次側における蒸発作用で順次一次側に流入される高圧状態の冷媒を冷却し、この冷却と凝縮促進によって圧力を減衰させて、完全な飽和液状態とした冷媒を直接蒸発器へ流入させることを特徴とする自然冷媒を使用した冷凍機装置。
【請求項２】
前記した冷媒はプロパンの常温での凝縮、低温での蒸発の物性が利用でき、プロパンの発火限界以上の液化炭酸ガスを混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の自然冷媒を使用した冷凍機装置。
【請求項３】
冷凍機の冷媒ガス吐出側に高圧圧力制御のための凝縮圧力制御圧力スイッチを設け、制御圧力以下の時には、前記した熱交換器へ流路を切り換える凝縮圧力制御電磁弁を閉じ、凝縮器から吐出された冷媒液を直接膨張弁を通して蒸発器へ流入させ、冷却効率を向上させるものとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自然冷媒を使用した冷凍機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自然冷媒を使用した冷凍機装置に関し、特に自然冷媒として液化炭酸ガスの混合ガスを使用しても、通常の冷凍機で対応でき、有効に冷凍サイクルの連続運転を可能とすることができる自然冷媒を使用した冷凍機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、冷凍機用冷媒は、常温で液化し得るガスは使用し得るが、理想としては次の条件を満たすものであることがよい。まず、低温においても大気以上の圧力で蒸発し、常温において比較的低圧で液化すること。臨界温度が高く凝固点が低温であること。蒸発熱と液体比熱との比が大きくガスの比容積が小さいこと。化学的に安定しており高温で分解せず金属を侵さず油を劣化することの少ないこと。粘度が少なく、熱伝導率が良好であること。引火性、爆発性がなく、人体に無害で悪臭のないこと。漏洩し難くかつ漏洩の発見が容易であること。そして価格が安いことである。
【０００３】
上記した条件をすべて満たす冷媒は知られていないが、従来はそれに近いものとしてフロンが使用されるのが通例であった。しかし、近年このフロンが地球規模での環境に悪影響を与えることが判明し、フロン代替物質の探索がすすめられ、非フロン系物質の冷媒としての利用が有力視されている。なお、ここで自然冷媒とはこの非フロン系物質を総称している。
【０００４】
この自然冷媒として現在大きく注目されているのが液化炭酸ガスであるが、この液化炭酸ガスはプロパン等の他種のガスと適切に混合しても飽和液状完全凝縮は常温雰囲気凝縮温度では臨界温度との関係から５０ａｔｍ以上の凝縮圧力がなければ不可能であり、そのために不凝縮ガスが発生してしまうことになる。また、炭酸ガスをはじめとする自然冷媒は凝縮器を通過した後でも高圧状態となっており、この高圧状態であることも不凝縮の大きな原因となっている。この液化炭酸ガスの不凝縮ガスは蒸発、冷却を発生せず、圧縮機（冷凍機）作動中に高温、高圧となって冷凍サイクルの連続運転を不可能とし、時として圧縮機の損傷、故障を引き起こしてしまう。
【０００５】
上記した実情に対処するため、圧縮機自体を頑強なものとするように試みがなされているが、現状では完成されておらず、また、完成しても圧縮機自体の価格がかなり高額なものとなってしまうことが予想される。
【特許文献１】特願平４−２５４９１号
【特許文献２】特願２００３−１６１５９０号
【発明の開示】
【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、自然冷媒、特に液化炭酸ガスを使用した場合に、高圧状態のため良好な凝縮作用が得られず、そのため、冷凍サイクルを連続運転することが不可能とされている点である。換言すると、自然冷媒の高圧状態を通例の冷凍機でも対応できるように減衰できない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した問題点を解決するため、本発明に係る自然冷媒を使用した冷凍機装置は冷媒として液化炭酸ガスとプロパンガスとを主成分とする混合ガス等の自然冷媒を使用することとし、凝縮器と、一次側に膨張弁を配した蒸発器とを連結する管路に、サイクルを自己発生する高効率の熱交換器を組み付け、その熱交換器の一次側で、高圧状態の冷媒を二元凝縮し、次いでその熱交換器の二次側における蒸発作用で順次一次側に流入される高圧状態の冷媒を冷却し、この冷却と凝縮促進によって圧力を減衰させて、完全な飽和液状態とした冷媒を直接蒸発器へ流入させることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明は前記した冷媒はプロパンの常温での凝縮、低温での蒸発の物性が利用でき、プロパンの発火限界以上の液化炭酸ガスを混合したものであることを特徴とし、冷凍機の冷媒ガス吐出側に高圧圧力制御のための凝縮圧力制御圧力スイッチを設け、制御圧力以下の時には、前記した熱交換器へ流路を切り換える凝縮圧力制御電磁弁を閉じ、凝縮器から吐出された冷媒液を直接膨張弁を通して蒸発器へ流入させ、冷却効率を向上させるものとしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る自然冷媒を使用した冷凍機装置は上記のように構成されるので、凝縮器から吐出された高温、高圧の飽和凝縮液及び未凝縮冷媒ガスをサイクル自己発生熱交換器で二元凝縮し、そのサイクル自己発生熱交換器で蒸発させた冷却温度で高圧側の圧力を減衰させることができる。そのため、液化炭酸ガスは完全な飽和凝縮液となって、蒸発、圧縮の作用に支障がないものとなり、冷凍サイクルを完全に構成できるので冷凍サイクル、強いては圧縮機（冷凍機）の連続運転を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
冷媒として液化炭酸ガスとプロパンガスとを主成分とする混合ガスの自然冷媒を使用し、凝縮器と蒸発器とを連結する高圧側の回路管路にサイクル自己発生する高効率の熱交換器を組み付け、高温、高圧の冷媒をこの熱交換器に通すことで圧力を減衰させ、その冷媒を蒸発器へ流入させることができる構成とすることで実現した。
【実施例１】
【００１１】
次に、本発明の実施の一例を図１、図２を参照して説明する。図１は本発明を実施した冷凍機装置の冷媒回路図、図２は同じくサイクル自己発生熱交換器の経時変化を説明する図である。
【００１２】
これらの図にあって１は冷凍機（圧縮機）を示している。この冷凍機１からは高温、高圧の冷媒ガスが吐出され、凝縮器２へ送り込まれる。通常、この凝縮器２において冷媒ガスは凝縮液化され、管路３を通って蒸発器４へ送られる。また、この蒸発器４の一次側には膨張弁５が設けられており、送られてくる冷媒圧力を減衰する。蒸発器４では冷媒液を蒸発させる気化熱で周囲の熱を奪い、冷却して、ファン６によってその冷気を送ることで冷凍作用を行なう。この蒸発器４を通った冷媒は低温、低圧のものとなって冷凍機１へ吸引されて戻り、循環されることで冷凍サイクルが構成される。
【００１３】
また、この本実施例にあっては冷媒として液化炭酸ガスとプロパンガスの自然冷媒混合ガスが使用される。この混合割合はプロパンガスの常温で凝縮し、低温で蒸発する物性を活用するとともに、プロパンガスの発火限界以上の液化炭酸ガスを混合したものとしている。
【００１４】
液化炭酸ガスは前記したように常温雰囲気凝縮温度では飽和液状完全凝縮はその特性から不可能であることから、前記した凝縮器２と膨張弁５を一次側に設けた蒸発器４とを連結する管路３、即ち冷媒回路の高圧側にサイクル自己発生する高効率のカスケイドタイプとした熱交換器７を組み込んである。この熱交換器７には凝縮圧力制御電磁弁８によって流路が切り換えられるものとなっている。
【００１５】
この熱交換器７は、まず一次側７ａを通過した冷媒がそのまま二次側７ｂへ流入され、その二次側７ｂを通過した冷媒が膨張弁５を通ることなく直接的に蒸発器４へ流入するように回路構成されている。
【００１６】
この熱交換器７の一次側７ａには高温、高圧の飽和凝縮液及び未凝縮の冷媒ガスが流入する。一次側７ａへ流入した前記状態の冷媒は熱交換器７内の一次側７ａを通過して一次側出口から排出され、そのまま二次側７ｂの入口に設けられた膨張弁９を介して減衰されながら二次側７ｂへ流入される。この膨張弁９を通って二次側７ｂへ流入する時点で凝縮液が蒸発を開始する。
【００１７】
この二次側７ｂにおける蒸発冷媒は、続けて流入されている一次側７ａの高温冷媒の過冷却用熱源となって未凝縮状態の冷媒の凝縮を促進させることとなる。
【００１８】
この一次側７ａにおける高温、高圧冷媒の凝縮が二次側７ｂの冷却熱によって促進されると、低温、減衰圧力の状態となる。この一次側７ａにおける凝縮熱は二次側７ｂにおける冷媒蒸発のための加熱源として作用する。
【００１９】
一次側７ａの凝縮、即ち過冷却を二次側７ｂの蒸発作用が助け、二次側７ｂの蒸発を一次側７ａにおける凝縮潜熱が助け持続される。この作用は経時的に効力が増進していき、凝縮器２から吐出され、管路３を流れる高温、高圧冷媒は蒸発温度に凝縮され、減衰された圧力状態として蒸発器４へ供給されていくことになる。
【００２０】
本実施例における熱交換器７の存在は、飽和凝縮液及び未凝縮冷媒に対して二元凝縮を行なうものとなり、この熱交換器７で蒸発した冷却温度で高圧側圧力を減衰させることとなる。そのために、冷媒としての液化炭酸ガスも完全飽和液状態とされ、蒸発、圧縮に支障のないものとなって冷凍サイクル、強いては冷凍機１の連続運転を可能とする。熱交換器７の二次側７ｂの出口から吐出された蒸発冷媒は蒸発器４に流入されることで、凝縮器２から直接蒸発する冷却能力に加えられ、冷却効力を向上させる。
【００２１】
また、図中１０は冷凍機１の冷媒ガス吐出路に設けられた、高圧圧力制御のための凝縮圧力制御圧力スイッチであり、制御圧力以下の時には前記した凝縮圧力制御電磁弁８を閉じ、つまり、熱交換器７への流路を遮断して、凝縮器２から吐出された冷媒液を通例の回路として直接膨張弁５を通して蒸発器４へ流入させ、冷却効率を向上させることができるものとしている。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は上記のように構成され、冷媒を一次側と二次側で相互に冷却し、加熱して圧力を減衰させることのできる熱交換器を組み込み使用するので、冷媒として炭酸ガスのみならず、臨界温度が低く高圧となる物質を使用する場合にも応用実施できる可能性があり、その他すべてのガス液化の圧力装置に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明を実施した冷凍機装置の冷媒回路図である。
【図２】熱交換器の経時変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    冷凍機
２    凝縮器
３    管路
４    蒸発器
５    膨張弁
６    ファン
７    熱交換器
７ａ  一次側
７ｂ  二次側
８    凝縮圧力制御電磁弁
９    膨張弁
１０  凝縮圧力制御圧力スイッチ
【図１】
2005114267.tif 000003
【図２】
2005114267.tif 000004