(57)【要約】【課題】二酸化炭素を冷媒として用いる遷臨界サイクル装置において、製造コストを極力抑えて、キャピラリチューブの耐久性を改善しながら、所望の減圧効果を確保する。【解決手段】圧縮機１０、放熱器１１、減圧手段１３、蒸発器１８等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用いる遷臨界サイクル装置において、減圧手段１３を、第１のキャピラリチューブ１３Ａと、この第１のキャピラリチューブ１３Ａに直列に接続され、当該第１のキャピラリチューブ１３Ａより内径の小成る第２のキャピラリチューブ１３Ｂから構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用いる遷臨界冷凍サイクル装置において、
前記減圧手段を、第１のキャピラリチューブと、該第１のキャピラリチューブに直列に接続され、当該第１のキャピラリチューブより内径の小成る第２のキャピラリチューブから構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第１のキャピラリチューブの長さを、前記第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブの合計の長さの４０％以上８０％以下としたことを特徴とする請求項１に記載の遷臨界冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第２のキャピラリチューブ内の通路断面積を、前記第１のキャピラリチューブ内の通路断面積の３０％以上７０％以下としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遷臨界冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１のキャピラリチューブを前記第２のキャピラリチューブの上流側に配したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の遷臨界冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記第１のキャピラリチューブと前記第２のキャピラリチューブは、ストレーナを介して直列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の遷臨界冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記ストレーナは垂直方向に配置されており、冷媒が上から下に向けて流れることを特徴とする請求項５に記載の遷臨界冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を冷媒として用いる遷臨界冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段としてのキャピラリチューブ及び蒸発器等を順次環状に配管接続して冷媒回路が構成されている。そして、圧縮機にて圧縮されて、高温高圧となった冷媒ガスが、放熱器にて放熱した後、減圧装置で減圧されて（絞られて）蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して、周囲を冷却するものであった。
【０００３】
また、近年では地球環境問題に対処するため、この種の冷凍サイクル装置においても、従来のフロン系冷媒に替えて、自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）を用いて、冷媒回路の高圧側を臨界圧力以上とする遷臨界冷凍サイクル装置が開発されて生きている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した二酸化炭素冷媒は他の冷媒と比べて圧力損失が少ないため、減圧手段として従来のキャピラリチューブを転用しても所望の減圧効果を得ることができなかった。このため、二酸化炭素冷媒を用いた場合には、従来のキャピラリチューブより内径が小成るキャピラリーチューブを用いるか、従来のキャピラリチューブの長さ寸法を拡大して、所望の減圧効果を得る必要があった。
【０００５】
しかしながら、キャピラリチューブの内径を縮小しすぎると、キャピラリチューブ内に塵埃や沈殿性有機物が詰まって冷媒流通に支障を来たし、最悪の場合には、キャピラリチューブが閉塞してしまい、その結果、破損する恐れがあった。これにより、キャピラリチューブの耐久性が著しく低下する問題が生じていた。また、全長を拡大した場合には、その分、キャピラリチューブの材料コストがかかるため、製造コストが高騰する問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、二酸化炭素を冷媒として用いる遷臨界サイクル装置において、製造コストを極力抑えて、キャピラリチューブの耐久性を改善しながら、冷媒の減圧効果を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器等を環状に接続して成り、二酸化炭素を冷媒として用いるものであって、減圧手段を、第１のキャピラリチューブと、この第１のキャピラリチューブに直列に接続され、当該第１のキャピラリチューブより内径の小成る第２のキャピラリチューブから構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、上記発明において第２のキャピラリチューブの長さを、第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブの合計の長さの４０％以上８０％以下としたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、請求項１又は請求項２に記載の発明において第２のキャピラリチューブ内の通路断面積を、第１のキャピラリチューブ内の通路断面積の３０％以上７０％以下としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の発明において第１のキャピラリチューブを第２のキャピラリチューブの上流側に配したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の発明において第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブは、ストレーナを介して直列に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明の遷臨界冷凍サイクル装置は、請求項５に記載の発明においてストレーナは垂直方向に配置されており、冷媒が上から下に向けて流れることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の遷臨界冷凍サイクル装置によれば、減圧手段を、第１のキャピラリチューブと、この第１のキャピラリチューブに直列に接続され、当該第１のキャピラリチューブより内径の小成る第２のキャピラリチューブから構成したので、減圧手段を第１のキャピラリチューブのみで構成した場合より、著しく製造コストを低減することができる。
【００１４】
また、減圧手段を内径の小成る第２のキャピラリチューブのみで構成した場合には、所望の減圧効果を得るために、第２のキャピラリチューブの長さ寸法をある程度長くする必要があり、これによって、冷媒が閉塞する不都合が生じ易くなるが、本発明の如く第１のキャピラリチューブと共に直列に接続することで、長さ寸法の拡大による閉塞の問題も解消することができる。
【００１５】
従って、本発明により、製造コストを抑制すると共に、キャピラリチューブの耐久性を改善しながら、冷媒の所望の減圧効果を確保ことができる。
【００１６】
特に、請求項２及び請求項３の如くキャピラリチューブの長さを、第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブの合計の長さの４０％以上８０％以下とし、第２のキャピラリチューブ内の通路断面積を、第１のキャピラリチューブ内の通路断面積の３０％以上７０％以下とすることで、製造コストを極力抑えながら、キャピラリチューブが閉塞する不都合を極力回避することができる。
【００１７】
特に、請求項４の如く第１のキャピラリチューブを第２のキャピラリチューブの上流側に配し、請求項５の如く第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブは、ストレーナを介して直列に接続することで、第２のキャピラリチューブに塵埃や沈殿性有機物が流れる不都合を未然に回避することができる。特に、請求項６の如くストレーナは垂直方向に配置されており、冷媒が上から下に向けて流れるものとすれば、ストレーナにて塵埃や沈殿性有機物を捕獲し易くなる。これらにより、キャピラリチューブの耐久性をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の遷臨界冷凍サイクル装置の一実施例の冷媒回路図である。本実施例の遷臨界冷凍サイクル装置１は、自販機、空気調和機、冷蔵庫又はショーケース等に使用されるものであり、圧縮機１０、放熱器１１、減圧手段１３、蒸発器１８等を環状に接続することにより冷媒回路が構成されている。
【００１９】
この場合、圧縮機１０の冷媒吐出管４０は放熱器１１に接続され、放熱器１１の冷媒出口側配管４２はストレーナ１５に接続されている。ストレーナ１５の出口側には、減圧手段１３の第１のキャピラリチューブ１３Ａが接続され、第１のキャピラリーチューブ１３Ａの出口側にはストレーナ１７を介して減圧手段１３の第２のキャピラリチューブ１３Ｂが接続されている。ストレーナ１７は、当該ストレーナ１７内を冷媒が上から下に向けて流れるように垂直方向に配置されている。そして、蒸発器１８の冷媒入口側配管４３がこの第２のキャピラリチューブ１３Ｂに接続され、蒸発器１８の出口側には、圧縮機１０の冷媒導入管４５が接続されて冷媒回路が構成されている。
【００２０】
本実施例の圧縮機１０は、内部中間圧型２段圧縮式のロータリコンプレッサであり、密閉容器１２内に駆動要素としての電動要素１４と、当該電動要素１４により駆動される第１及び第２の回転圧縮要素３２、３４を備えて、第１の回転圧縮要素３２で圧縮され、密閉容器１２内に吐出された冷媒が冷媒導入管４１を介して第２の回転圧縮要素３４に導入されるように構成されている。
【００２１】
また、放熱器１１は、例えば所謂チューブアンドフィン式の熱交換器であり、銅管と、該銅管に設けられた伝熱促進アルミフィンとから構成され、前記銅管の内部を冷媒の流路としている。また、前記銅管内を流れる冷媒と熱交換を行う空気（外気）を放熱器１１に通風するためのファン１１Ｆも設けられている。
【００２２】
ここで、上記放熱器１１の形式はこれに限定されるものではなく、例えば、アルミ押し出し多孔偏平管を用いて、前記偏平管に設けられた孔を冷媒の流路とすることもできる（所謂マイクロチャネル熱交換器）。
【００２３】
そして、本発明の遷臨界冷凍サイクル装置１の冷媒回路には、環境問題を考慮して自然冷媒である二酸化炭素が冷媒として使用されており、冷媒回路の高圧側では、冷媒の圧力が臨界圧力を超えて上昇するため、冷凍サイクルは遷臨界サイクルとなる。係る二酸化炭素冷媒は、従来の冷媒（例えば、ＨＦＣ１３４ａ）と比べて、圧力損失が少ないため、遷臨界冷凍サイクル装置１の冷媒回路に従来使用されていたキャピラリチューブをそのまま転用しても冷媒を充分に減圧することができなかった。このように、冷媒の減圧が不足すると、蒸発器１８における冷凍能力が著しく低下するため、冷却対象の冷却に支障を来す不都合が生じることとなる。
【００２４】
このため、当該遷臨界冷凍サイクル装置１の減圧手段としてキャピラリチューブを用る場合には、従来のキャピラリチューブより内径を縮小することにより、減圧効果を確保していた。しかしながら、内径を縮小しすぎるとキャピラリチューブ内に塵埃や沈殿性有機物等が詰まって、冷媒流通に支障を来たし、最悪の場合には、キャピラリチューブが閉塞して、破損する恐れがあった。これにより、キャピラリチューブの耐久性が著しく低下する問題が生じていた。
【００２５】
このような耐久性の悪化を解消して、キャピラリチューブの減圧効果を確保するには、キャピラリチューブの全長を拡大する必要があるが、この場合、キャピラリチューブの長さ寸法が３ｍ以上にも及ぶため、当該キャピラリチューブの長さ寸法の拡大により、製造コストが著しく高騰する問題が生じていた。これにより、二酸化炭素冷媒を用いた遷臨界冷凍サイクル装置は、他の冷媒を用いた装置より高価な仕様となっていた。
【００２６】
そこで、本発明の遷臨界冷凍サイクル装置１では、減圧手段として、内径の異なる２つのキャピラリチューブ（第１のキャピラリチューブ１３Ａと第１のキャピラリチューブ１３Ａより内径の小成る第２のキャピラリチューブ１３Ｂ）を用い、第２のキャピラリチューブ１３Ｂを第１のキャピラリチューブ１３Ａに直列に接続して、冷媒を多段（本実施例では２段）減圧するものとする。
【００２７】
この場合、従来のキャピラリチューブ（第１のキャピラリチューブ１３Ａ）から閉塞が生じ難い範囲でキャピラリチューブの内径（キャピラリチューブ内の通路断面積）を縮小したものを第２のキャピラリチューブ１３Ｂとして使用し、当該第２のキャピラリチューブ１３Ｂの減圧で不足する分を、従来のキャピラリチューブと略同径（略同一の通路断面積）の第１のキャピラリチューブ１３Ａを用いるものとする。
【００２８】
ところで、係る所望の減圧効果を得るために、上述したように第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を小さくすれば、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ寸法はその分縮小できるが、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの閉塞が生じ易く、反対に、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を大きくすれば、第２のキャピラリチューブ１３Ｂが閉塞する不都合は生じ難くなるが、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ寸法がその分拡大して、コストアップに繋がる。そこで、係る第２のキャピラリチューブ１３Ｂの閉塞が生じ難く、且つ、コストアップを抑えることできるような値に第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積と、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ寸法を設定することが望ましい。
【００２９】
そこで、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積と、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ寸法を種々変更して、係る第２のキャピラリチューブ１３Ｂの閉塞性とそのときかかるコストを実験にて検証した。先ず、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積より小さい所定の通路断面積に固定し、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの長さを種々変更した場合に最適な減圧効果が得られるよう第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さを調節し、そのときのコストと閉塞性の関係を検証した。その結果を図２に示す。図２において、横軸は第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さの全体（第１のキャピラリチューブと第２のキャピラリチューブの合計の長さ）に対する比率を表し、破線がコスト、実線が閉塞性を示している。
【００３０】
図２に示すように、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ比率が０．４（４０％）未満になると、内径の小なる第２のキャピラリチューブ１３Ｂの長さが大きく成りすぎるため、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの閉塞性が著しく高くなり、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの破損を来すような不都合が生じることが解った。一方、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さ比率が０．８（８０％）を超えると、コストが高くなり過ぎてしまう。従って、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さを、第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブ１３Ｂの合計の長さの４０％以上８０％以下に設定することが望ましい。更に望ましくは、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さを、第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブ１３Ｂの合計の長さの５０％以上７０％に設定することが好ましい。尚、本実施例の遷臨界冷凍サイクル装置１は、第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さを、最適値である第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブ１３Ｂの合計の長さの６０％に設定するものとする。
【００３１】
次に、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの長さ寸法をある値に固定し、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を種々変更した場合に最適な減圧効果が得られるよう第１のキャピラリチューブ１３Ａの長さを調節し、そのときの閉塞性とコストの関係を検証した。その結果を図３に示す。図３において、横軸は第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積に対する第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積比を示し、破線がコスト、実線が閉塞性を示している。
【００３２】
図３に示すように、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積比が０．３（３０％）未満になると、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの内径が小さすぎるため、閉塞性が著しく高くなり、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの破損を来すような不都合が生じてしまう。一方、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積比が０．７（７０％）を超えると、コストが高くなり過ぎてしまう。以上の結果、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を、第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積の３０％以上７０％以下に設定することが望ましい。更に望ましくは、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を、第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積の４０％以上６０％以下に設定することが好ましい。尚、本実施例の遷臨界冷凍サイクル装置１は、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を、最適値である第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積の５０％に設定する。
【００３３】
以上の構成で次に本発明の遷臨界冷凍サイクル装置１の動作を説明する。放熱器１１のファン１１Ｆ及び蒸発器１８のファン１８の運転が開始され、圧縮機１０の電動要素１４が起動されると、低圧の冷媒ガスが圧縮機１０の第１の回転圧縮要素３２に吸い込まれて圧縮され、中間圧となり、密閉容器１２内に吐出される。密閉容器１２内に吐出された冷媒は、冷媒導入管４１を介して第２の回転圧縮要素３４に吸い込まれて圧縮され、高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管３４より圧縮機１０の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００３４】
冷媒吐出管４０から吐出された冷媒は放熱器１１に流入し、そこでファン１１による通風を受けて放熱した後、ストレーナ１５を通過して、減圧手段１３の第１のキャピラリチューブ１３Ａに至る。尚、第１のキャピラリチューブ１３Ａの入口では冷媒ガスはまだ超臨界の状態である。冷媒は第１のキャピラリチューブ１３Ａにおいて１段目の減圧が行われ、その後、ストレーナ１７を経て第２のキャピラリチューブ１３Ｂに至る。そこで２段目の減圧が行われる。これにより、冷媒の圧力は所望の圧力まで充分に低下される。また、冷媒は当該第２のキャピラリチューブ１３Ｂにおける圧力低下によりガス／液体の二相混合体とされ、その状態で蒸発器１８内に流入する。そして当該蒸発器１８にて冷媒は空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
【００３５】
このとき、前述の如く冷媒は第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブにおける２段減圧により、所望の圧力まで充分に低下されているため、当該蒸発器１８において冷凍能力を発揮して、冷却対象を冷却することができる。
【００３６】
その後、蒸発器１８から流出した低温低圧の冷媒は冷媒導入管４５から圧縮機１０の第１の回転圧縮要素３２に吸い込まれるサイクルを繰り返す。
【００３７】
以上詳述した如く、本発明により二酸化炭素冷媒のように圧力損失が少ない冷媒を遷臨界冷凍サイクル装置１に使用した場合であっても、第１のキャピラリチューブ１３Ａと、この第１のキャピラリチューブ１３Ａに直列に接続され、第１のキャピラリチューブ１３Ａより内径の小成る第２のキャピラリチューブ１３Ｂとを用いた２段減圧により、コストアップを抑制すると共に、キャピラリチューブ１３Ｂの耐久性を改善しながら、所望の減圧効果を得ることができる。
【００３８】
特に、第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブ１３Ｂの合計の長さの４０％以上８０％以下とし、第２のキャピラリチューブ１３Ｂ内の通路断面積を、第１のキャピラリチューブ１３Ａ内の通路断面積の３０％以上７０％以下とすることで、上記製造コストの高騰と第２のキャピラリチューブ１３Ｂが閉塞する不都合を極力回避することができる。
【００３９】
更に、第１のキャピラリチューブ１３Ａを第２のキャピラリチューブ１３Ｂの上流側に配することで、塵埃や沈殿性有機物が第２のキャピラリチューブ１３Ｂに流れ難く成ると共に、第１のキャピラリチューブ１３Ａと第２のキャピラリチューブ１３Ｂはストレーナ１７を介して直列に接続することで、第２のキャピラリチューブ１３Ｂに塵埃や沈殿性有機物が流れる不都合を未然に回避することができるようになる。特に、本実施例の如くストレーナ１７内を冷媒が上から下に流れるよう、当該ストレーナ１７を垂直方向に配置することで、冷媒が流れやすくなると共に、当該冷媒中に混在した塵埃や沈殿性有機物を捕獲し易くなる。これにより、第２のキャピラリチューブ１３Ｂの耐久性を著しく改善することができる。
【００４０】
従って、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側が超臨界圧力となる遷臨界冷凍サイクル装置１を安価に製造し、且つ、信頼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】
【００４１】
【図１】本発明の遷臨界冷凍サイクル装置の一実施例の冷媒回路図である。
【図２】第１のキャピラリチューブの長さ比率とコスト及び閉塞性の関係を示す図である。
【図３】第２のキャピラリチューブ内の通路断面積比とコスト及び閉塞性の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  遷臨界冷凍サイクル装置
１０  圧縮機
１１  放熱器
１３  減圧手段
１３Ａ  第１のキャピラリチューブ
１３Ｂ  第２のキャピラリチューブ
１５、１７  ストレーナ
１８  蒸発器
３２  第１の回転圧縮要素
３４  第２の回転圧縮要素
４０  冷媒吐出管
４１、４５  冷媒導入管
【図１】
2007263402.tif 000003
【図２】
2007263402.tif 000004
【図３】
2007263402.tif 000005