(57)【要約】  【課題】圧縮機と同軸で接続された膨張機を用いた冷凍システムにおいて、圧縮機吐出冷媒温度の過昇を防止しつつ、圧縮機流入冷媒密度と膨張機流入冷媒密度の比を連続的かつ任意に可変することを目的とする。  【解決手段】低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３０の低元側伝熱部、前記低元側圧縮機１１と同軸で接続された膨張機１４と、蒸発器１５から成る低元側冷媒回路と、高元側冷媒として自然冷媒を用い、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張機構１８、カスケード熱交換器１３０の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路を備え、カスケード熱交換器１３０における熱交換量を変化させることで膨張機１４に流入する冷媒密度を制御することによって、圧縮機流入冷媒密度と膨張機流入冷媒密度の比を連続的かつ任意に可変することができる。【選択図】図１
2007218460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機、前段放熱器、カスケード熱交換器の低元側伝熱部、前記低元側圧縮機と同軸で接続された膨張機と、蒸発器から成る低元側冷媒回路と、
高元側圧縮機、凝縮器、高元側膨張機構、カスケード熱交換器の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路を備え、前記カスケード熱交換器における熱交換量を変化させ、前記膨張機に流入する冷媒密度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記高元側圧縮機を能力可変型圧縮機であり、前記高元側圧縮機の回転数を制御することで、前記カスケード熱交換器における熱交換量を変化させたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
低元側冷媒回路の前記膨張機の吸入温度を検出する温度センサーを備え、前記温度センサからの検出値に基づいて、前記高元側圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
低元側冷媒回路の高圧側圧力を検出する圧力センサーを備え、前記圧力センサーからの検出値に基づいて、前記高元側圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項２または３記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれか一項記載の冷凍サイクル装置を搭載するとともに、食品を冷蔵あるいは冷凍温度で保存する保冷庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機を利用した冷凍サイクル装置において、冷蔵あるいは冷凍に利用する冷凍サイクル装置および、この冷凍サイクル装置を搭載する保冷庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置において、膨張弁の代わりに圧縮機と同軸で接続された膨張機を備えた装置が知られている。この種の冷凍サイクル装置では、冷媒が膨張する過程の膨張エネルギーを動力の形で回収でき、その回収エネルギーの分だけ圧縮機動力を低減することができる。
【０００３】
また、圧縮機と同軸で接続された膨張機を用いた場合、圧縮機と膨張機が常時同一回転数で駆動されるため、圧縮機流入密度と膨張機流入密度の比は常に一定値となる運転制約が生じるが、膨張機流入冷媒と圧縮機流入冷媒が熱交換する内部熱交換器を備えることで、運転条件に対応した最適な冷凍サイクルに近づける冷凍システムが提案されている（例えば、特許文献１）。なお、特許文献１の冷凍システムは、冷凍空調装置であり、冷房運転と暖房運転という異なる運転条件において生じる圧縮機、膨張機流入密度比のアンバランスを回避するものである。
【０００４】
図４は、特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。
図４において、１は圧縮機、２ａ、２ｂは四方弁、３は熱源側熱交換器、４ａは内部熱交換器、５は膨張機、６は負荷側熱交換器である。また、７は室外機であり、８は室内機である。ここで、圧縮機１は軸をモータで駆動し圧縮するものであり、この軸が膨張機５に連結されている。膨張機５で冷媒を膨張することにより得られた膨張動力はこの連結軸に伝えられ、圧縮機１にて軸を駆動するモータ動力を低減させ、圧縮機入力を低減する。
【０００５】
以上のように構成された従来の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
【０００６】
冷房運転の場合は、圧縮機１において高温高圧のガスに圧縮され吐出された冷媒は、四方弁２ａを経て、熱源側熱交換器３にて冷却され温度が低下する。その後、冷媒は内部熱交換器４ａで圧縮機１に吸入される冷媒に熱を与え、さらに温度が低下した後、四方弁２ｂを経て膨張機５に流入し、高圧から低圧まで膨張される。その後冷媒は負荷側熱交換器６に流入し、ここで蒸発ガス化するとともに、室内空気より吸熱し、冷房運転を実施する。その後冷媒は四方弁２ａを経て内部熱交換器４ａで熱源側熱交換器３を出た冷媒から熱を受け取り加熱され、圧縮機１に吸入される。
【０００７】
一方、暖房運転の場合は、圧縮機１において高温高圧のガスに圧縮され吐出された冷媒は、四方弁２ａを経て負荷側熱交換器６にて冷却され温度が低下するとともに室内空気に放熱し暖房運転を実施する。その後冷媒は四方弁２ｂを経て膨張機５に流入し、ここで冷媒は高圧から低圧まで膨張される。その後、冷媒は熱源側熱交換器３に流入し、ここで外気から吸熱し蒸発ガス化し、四方弁２ａを経て圧縮機１に吸入される。ここで、暖房運転の場合、内部熱交換器４ａでは、膨張機５吐出冷媒と圧縮機１吸入冷媒が熱交換することとなるが、通常、両者の温度差は０から５℃と小さく、熱交換量が小さいため、冷凍空調装置の運転に影響を与えない。
【０００８】
一般に冷凍空調装置で冷暖房運転を行う場合、空気条件により密度比（膨張機流入冷媒密度／圧縮機流入冷媒密度）は暖房運転の方が大きくなる。従って、冷房運転時のみ内部熱交換器４ａで熱交換を行わせる回路構成とすることで、冷房運転時の膨張機流入冷媒密
度を大きく、圧縮機流入冷媒密度を小さくすることができ、冷暖房運転時の密度比の格差を縮小できる。
【特許文献１】特開２００４−１０８６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の構成では、密度比の可変幅は内部熱交換器における熱交換量、即ち、内部熱交換器の設計能力に依存し、密度比を連続的かつ任意に可変する手段を備えていないため、あらゆる運転条件において、密度比を一定に制御することはできない。また、内部熱交換器を用いた冷凍システムでは、圧縮機流入冷媒温度が上昇し、圧縮機吐出温度が過昇するという課題もある。
【００１０】
本発明は、従来の課題を解決するもので、圧縮機と同軸で接続された膨張機を用いた冷凍システムにおいて、圧縮機吐出冷媒温度の過昇を防止しつつ、圧縮機流入冷媒密度と膨張機流入冷媒密度の比を連続的かつ任意に可変することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機、前段放熱器、カスケード熱交換器の低元側伝熱部、前記低元側圧縮機と同軸で接続された膨張機と、蒸発器から成る低元側冷媒回路と、高元側圧縮機、凝縮器、高元側膨張機構、カスケード熱交換器の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路を備え、カスケード熱交換器における熱交換量を変化させることで膨張機に流入する冷媒密度を制御することを特徴とするものである。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、高元側圧縮機を能力可変型圧縮機とするとともに、高元側圧縮機の回転数を制御することで、カスケード熱交換器における熱交換量を変化させることを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、高元側冷凍システムの能力を変化させることで、カスケード熱交換器における熱交換量を連続的かつ任意に制御でき、あらゆる運転条件において密度比を一定に制御できる。また、このとき、膨張機を用いた低元側冷凍システムの圧縮機吸入冷媒温度はほとんど変化しないため、圧縮機吐出温度が過昇することはない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、高元側冷凍システムの能力を変化させることで、カスケード熱交換器能力を任意に可変でき、あらゆる運転条件の変化に対応して、低元側冷凍サイクルの圧縮機と膨張機の流入冷媒密度比をほぼ一定に制御できる。これにより、冷凍サイクル装置の性能を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による冷凍サイクル装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
【００１７】
図１に示すように、実施の形態１の冷凍サイクル装置は、低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３０の低元側伝熱部、低元側圧縮機１１と同軸で接続された膨張機１４、蒸発器１５から成る低元側冷媒回路
と、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８、カスケード熱交換器１３０の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路とを有する。高元側圧縮機１６としては、能力可変型であるものを用いるのが適切である。また、前段放熱器１２と凝縮器１７に外気を供給する第一の送風ファン１９と低元側蒸発器１５に空気を供給する第二の送風ファン２０を有している。高元側冷媒としては自然冷媒を用いる。特に、炭化水素系冷媒が適切である。具体的な、炭化水素系冷媒としては、プロパン、イソブタンなどが利用できる。さらに、膨張機１４の流入冷媒温度を検出する温度センサ２１を備えている。
【００１８】
以上のように構成された実施の形態１の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。
【００１９】
低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、前段放熱器１２で空冷され、さらにカスケード熱交換器１３０において高元側冷媒で冷却された後、低元側膨張機１４で減圧され気液二相状態となる。このとき、冷媒の膨張エネルギーは機械エネルギーとして回収され、低元側圧縮機１１の駆動力の一部として利用される。その後、蒸発器１５において空気から吸熱することで気化し、低元側圧縮機１１へ還流する。また、高元側圧縮機１６で圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器１７で空冷された後、高元側膨張弁１８で減圧され気液二相状態となる。その後、カスケード熱交換器１３０において低元側冷媒から吸熱することで気化し、高元側圧縮機１６へ還流する。
【００２０】
次に、実施の形態１の冷凍システムの低元冷媒の状態変化について図２を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図２は横軸を冷媒のエンタルピ、縦軸を冷媒の圧力とするモリエル線図であり、図中の各点は冷凍システムの安定時における冷媒の状態を示す。
【００２２】
安定時において、低元側圧縮機１１から吐出された冷媒は温度Ｔｂのｐ点であり、前段放熱器１２で冷却されて外気温度の近傍にある温度Ｔ２のｑ点となり、さらにカスケード熱交換器１３０で冷却されて温度Ｔ４のｒ点となる。ｐ点、ｑ点、ｒ点において冷媒は超臨界状態にあり液化しないことが遷臨界サイクルの特長である。次に、膨張機１４で膨張エネルギーを回収しつつ、減圧されて気液二相状態のｓ点となり、蒸発器１５に供給される。蒸発器１５で蒸発した冷媒はｔ点となり、低元側圧縮機１１に還流する。ここで、ｑ点とｒ点のエンタルピー差で示されるカスケード熱交換器１３０での放熱量は、高元側冷媒回路のカスケード熱交換器１３０での吸熱量とほぼ一致する。つまり、高元側圧縮機１６の回転数を変化させ、高元側冷媒回路のカスケード熱交換器１３０における吸熱量を変化させれば、ｒ点を任意に制御できる。つまり、高元側圧縮機１６の回転数を低下させれば、カスケード熱交換器１３０における熱交換量が減少し、ｒ点は図２中の右方向、即ち、高エンタルピ側へ移動する。一方、高元側圧縮機１６の回転数を増加させれば、ｒ点は図２中の左方向、即ち、低エンタルピ側へ移動する。
【００２３】
本実施の形態においては、膨張機１３に流入する冷媒温度を検出する温度センサー２１を備えているため、温度センサー２１からの検出値が所定値以上の場合は、高元側圧縮機１６の回転数を増加させ、所定値以下の場合は、高元側圧縮機１６の回転数を減少させることで、精度良く膨張機１３に流入する冷媒状態を狙いの値近傍に制御できる。
【００２４】
以上のように、本実施の形態では、運転条件によらず、膨張機流入冷媒の状態を一定に保てるため、常に冷凍サイクルの効率が最大となる運転が可能となる。
【００２５】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２の保冷庫の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同一の構成に
ついては同一番号を付して、詳細な説明は省略する。
【００２６】
図３に示すように、実施の形態２の保冷庫の冷凍システムは実施の形態１と同様に、低元側冷媒として二酸化炭素を用い、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３０の低元側伝熱部、低元側圧縮機１１と同軸で接続された膨張機１４、蒸発器１５から成る低元側冷媒回路と、高元側冷媒として炭化水素系冷媒を用い、能力可変型である高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８、カスケード熱交換器１３０の高元側伝熱部から成る高元側冷媒回路とを有する二元冷凍システムである。また、前段放熱器１２と凝縮器１７に空気を供給する第一の送風ファン１９と低元側蒸発器１５に空気を供給する第二の送風ファン２０を有している。
【００２７】
また、図３に示すように、実施の形態２の保冷庫は、食品などの熱負荷を冷蔵する貯蔵室４０の上部に機械室４１を設け、低元側圧縮機１１、前段放熱器１２、カスケード熱交換器１３０、膨張機１４、高元側圧縮機１６、凝縮器１７、高元側膨張弁１８などを配置するとともに、貯蔵室４０と機械室４１の間に設けた断熱壁４２の中に、蒸発器１５などを配置している。また、貯蔵室４０の温度調整を行うため、貯蔵室４０内の空気温度を検出する室内温度センサ４３を備えている。さらに、低元側冷媒回路の高圧側圧力を検出する圧力センサー２２を備えている。
【００２８】
以上のように構成された実施の形態２の保冷庫について、以下にその動作を説明する。低元側圧縮機１１で圧縮されて吐出された冷媒は、前段放熱器１２で空冷され、さらにカスケード熱交換器１３０において高元側冷媒に冷却された後、低元側膨張機１４で減圧され気液二相状態となる。このとき、冷媒の膨張エネルギーは機械エネルギーとして回収され、低元側圧縮機１１の駆動力として利用される。その後、蒸発器１５において空気から吸熱することで気化し、低元側圧縮機１１へ還流する。また、高元側圧縮機１６で圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器１７で空冷された後、高元側膨張弁１８で減圧され気液二相状態となる。その後、カスケード熱交換器１３０において低元側冷媒から吸熱することで気化し、高元側圧縮機１６へ還流する。
【００２９】
また、貯蔵室４０の温度調整を行うため、室内温度センサ４３の検知する温度が所定値を下回れば低元側圧縮機１１を停止するとともに、停止中に室内温度センサー４３の検知する温度が所定値を上回れば低元側圧縮機１１を起動する。
さらに、膨張機流入冷媒密度を一定に保つため、圧力センサー２２からの検出値が所定値以上の場合は、高元側圧縮機１６の回転数を増加させ、所定値以下の場合は、高元側圧縮機１６の回転数を減少させることで、精度良く膨張機１３に流入する冷媒状態を狙いの値近傍に制御できる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、運転条件によらず、膨張機流入冷媒の状態を一定に保てるため、常に冷凍サイクルの効率が最大となる運転が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯器、冷暖房空調装置など、これらを組み合わせた装置、または、保冷庫等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図２】本発明の実施の形態１による低元側冷凍サイクルのモリエル線図
【図３】本発明の実施の形態２による保冷庫の冷媒回路図
【図４】従来の冷凍システムの冷媒回路図
【符号の説明】
【００３３】
１１  低元側圧縮機  
１２  前段放熱器
１３０  カスケード熱交換器
１４  膨張機  
１５  蒸発器  
１６  高元側圧縮機
１７  凝縮器  
１８  高元側膨張弁  
１９  第一の送風ファン  
２０  第二の送風ファン    
２１  温度センサー    
２２  圧力センサー
４０  貯蔵室
４１  機械室
４２  断熱壁
４３  室内温度センサー
【図１】
2007218460.tif 000003
【図２】
2007218460.tif 000004
【図３】
2007218460.tif 000005
【図４】
2007218460.tif 000006