(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＦＣ系の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器とを有し、液化した冷媒を液管を介して主膨張弁と蒸発器とを有するクーラに供給すると共に、上記蒸発器でガス化した冷媒を上記圧縮機に吸入する冷凍装置において、上記液管に取り出し口を設けて液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の吸入側に注入する吸入インジェクション回路と、上記取り出し口の凝縮器側で上記液管に設けられ、上記液管の液冷媒と上記吸入インジェクション回路の液冷媒とを熱交換する過冷却熱交換器と、上記過冷却熱交換器の出口側において、上記液管から液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路とを設けたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
上記中間圧インジェクション回路に電磁弁を設け、圧縮機の吐出ガス温度が所定値以下になった時、上記電磁弁を閉じるようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
【請求項３】
上記凝縮器によって液化された冷媒を収容する液溜めを設け、上記過冷却熱交換器を上記液溜めの出口側と上記液管の取り出し口との間に設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷凍装置、特にＨＦＣ系の冷媒を使用し、液冷媒の過冷却熱交換器を有する冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、出願人のコンデンシングユニットカタログ（２０００年５月発行）に記載された従来の冷凍装置とクーラとの接続によって構成された冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。この図において、１０は冷凍装置で、以下に述べる各装置によって構成されている。即ち、１１は圧縮機で、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系の冷媒（Ｒ２２）を圧縮する。１２は圧縮された冷媒を凝縮液化する凝縮器、１３は液化された冷媒を収容する液溜め、１４は液溜め１３の出口に結合され、液化した冷媒のみを取り出す液管、４０は液管１４の途中から取り出した冷媒を膨張弁４１を介して圧縮機１１の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路、１５は液管１４に設けられ、ガラスにより冷媒が見えるようにされたサイトグラス、１０ａは液冷媒の配管端子、１０ｂはガス冷媒の配管端子である。なお、中間圧インジェクション回路４０は液管１４の途中からでなく液溜め１３から取り出す場合もある。
【０００３】
また、２０は冷凍装置１０と共に冷凍サイクルを構成するクーラで、以下に述べる各装置によって構成されている。即ち、２０ａは液冷媒の配管端子で、液配管３１によって冷凍装置１０の配管端子１０ａと現地接続される。
２１は主膨張弁、２２は蒸発器で、冷却すべき空間の空気と熱交換して冷媒をガス化する。２０ｂはガス冷媒の配管端子で、ガス配管３２によって冷凍装置１０の配管端子１０ｂと現地接続される。
【０００４】
次に、動作について説明する。冷媒Ｒ２２は、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の吐出ガスとなり、凝縮器１２で空気と熱交換して液化する。液化したＲ２２は、液溜め１３で気液分離され、液状のＲ２２のみが液管１４、サイトグラス１５、配管端子１０ａを経て冷凍装置１０から出て行く。冷凍装置１０を出た冷媒Ｒ２２は、現地接続の液配管３１を通り、配管端子２０ａを経てクーラ２０に入る。クーラ内では主膨張弁２１で膨張し、蒸発器２２で冷却すべき空間の空気と熱交換してガス化し、配管端子２０ｂを経てクーラ２０を出る。クーラ２０を出た冷媒Ｒ２２は現地接続のガス配管３２を通り、配管端子１０ｂを経て冷凍装置１０に戻ってくる。冷凍装置１０に戻ったＲ２２は圧縮機１１の吸入側から吸い込まれて再び圧縮され、上述の冷凍サイクルを循環する。
一方、液管１４の途中から液化したＲ２２の一部が取り出され、膨張弁４１を有する中間圧インジェクション回路４０を通って圧縮機１１の中間圧部分に注入される。圧縮途中に液冷媒を注入することで圧縮機１１の吐出ガス温度を低下させ安定した運転を継続することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷凍装置１０、クーラ２０から構成される冷凍サイクルは以上のように構成されているが、使用されている冷媒（Ｒ２２）は塩素を含むＨＣＦＣ系の冷媒であるため、地球環境問題への対応から塩素を含まないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系の冷媒（Ｒ４０４Ａ）への入れ替えが進められている。
同一の冷凍装置にＲ２２を封入して運転した場合と、Ｒ４０４Ａを封入して運転した場合とを比べると、冷媒特性上の差異により、Ｒ４０４ＡはＲ２２に比べて比熱が大きいため液冷媒が冷却されにくく（過冷却度がつきにくい）、さらに冷媒流量が大きくなり圧力損失が増加するため、再蒸発して泡が出るフラッシュが液管１４で発生しやすくなる。液管１４でフラッシュが発生すると次のような問題が生じる。
【０００６】
（１）冷媒の過充填
冷凍装置１０とクーラ２０は現地接続の液配管３１とガス配管３２によって接続され冷凍サイクルを構成すると共に、この冷凍サイクルへの冷媒も現地封入される。冷媒の封入量は、現地での施工条件（クーラの容量、台数、使用温度、現地接続配管の長さ等）に合わせた適量とされるが、冷凍サイクル施工業者は、通常、液管１４に設けられたサイトグラス１５を見て冷媒封入量を決定している。即ち、サイトグラス１５でのフラッシュが見えなくなるまで冷媒を封入するようにしているため、冷媒が十分に封入されているにも関わらず、サイトグラス１５にフラッシュが出ると冷媒を過充填する結果となる。Ｒ４０４ＡはＲ２２に比べて高価である上に、Ｒ２２と同様、冷媒回収の義務があることから不必要な使用量の増加は避ける必要がある。また、冷媒を過充填すると、過剰な液冷媒が蒸発しきれずに圧縮機に戻るため、圧縮機を損傷させる結果、冷凍装置の信頼性を損なうという問題点がある。
【０００７】
（２）冷凍能力の低下
また、フラッシュが出たまま運転を続けると、フラッシュによって液管１４内の圧力損失が増大し、最悪の場合、冷凍能力が不足して不冷になるという問題点がある。
（３）中間圧インジェクション不足による吐出ガス温度の上昇
中間圧インジェクション回路４０にフラッシュが発生するとインジェクション量が不足するため、圧縮機１１の吐出ガス温度が上昇し、図示しない保護器が作動して異常停止したり、冷凍機油が高温で劣化し圧縮機が損傷するという問題点もある。
【０００８】
以上のような問題点を解消するために、冷凍装置１０の液管１４の過冷却を確保し、フラッシュの発生を防止するようにした改良案が提案されている。
以下、改良案の内容について説明する。
図４は、出願人のコンデンシングユニットのカタログ（２０００年５月発行）に記載された冷凍装置で、液管１４の途中に過冷却熱交換器１６を設け、これを凝縮器１２と結合して空冷するようにしたもので、冷媒はＲ２２を使用している。この改良案は、液溜め１３から取り出した液冷媒を空冷の過冷却熱交換器１６に流入させて空気と熱交換し、過冷却を付加することでフラッシュの発生を防止しているものである。しかしながら、このような構成の装置に冷媒としてＲ４０４Ａを用いると、Ｒ４０４Ａは上述のように冷媒流量が大きくなって圧力損失も大きいため、空冷過冷却熱交換器１６中を流れる間に得た過冷却が熱交換器内の圧力損失によって相殺され、過冷却の効果が十分にでないという問題点がある。
【０００９】
また、図５〜図８は、例えば特開平９−１９６４８０号公報に記載された過冷却熱交換器を用いた冷凍装置の例を示すものである。これらのうち、図５に示す装置は、冷凍装置１０のガス冷媒の配管端子１０ｂと圧縮機１１の吸入側とを接続する吸入ガス管１７のガス冷媒と液溜め１３の液冷媒とを過冷却熱交換器１８で熱交換させ、液冷媒を過冷却するようにしたものである。また、図６に示す装置は、液溜め１３の出口側において、液管１４の液冷媒と吸入ガス管１７のガス冷媒とを過冷却熱交換器１９で熱交換させて液冷媒を過冷却するようにしたものである。しかし、図５、図６に示す構成においては吸入ガス管１７のガス温度が上昇するため、冷凍装置１０の圧縮機１１の吐出ガス温度が上昇することになり弊害が多い。
【００１０】
また、図７では、液管１４の途中から液冷媒を取り出し、膨張弁５１を介して圧縮機１１の吸入側に注入する吸入インジェクション回路５０の冷媒と、液溜め１３の液冷媒とを過冷却熱交換器１８で熱交換させ、液冷媒を過冷却するようにしたものである。しかし、液溜め１３は液とガスの二相冷媒が存在する構造になっており、二相状態では過冷却はゼロであるため、この構成では過冷却は取れない。また、この構成で過冷却が取れる状態にすると、液溜め１３が満液になるため冷媒の過充填は免れない（図５に示す構成においても同様の問題を生じる）。また、図８は、液管１４の途中から液冷媒を取り出し、膨張弁５１を介して圧縮機１１の吸入側に注入する吸入インジェクション回路５０の冷媒と、液管１４の液冷媒とを過冷却熱交換器１９で熱交換させ、液冷媒を過冷却するようにしたもので、上述した改良案の中では最も妥当なものであるが、この場合には、過冷却熱交換器１９の入口側から吸入インジェクション回路５０の液冷媒を取り出しているため、取り出し口５２でフラッシュが発生すると安定した過冷却が確保できないという問題点がある。
【００１１】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、液冷媒に安定した過冷却を確保することができ、冷媒の過充填を未然に防ぐと共に、信頼性の高い冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る冷凍装置は、ＨＦＣ系の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器とを有し、液化した冷媒を液管を介して主膨張弁と蒸発器とを有するクーラに供給すると共に、上記蒸発器でガス化した冷媒を上記圧縮機に吸入する冷凍装置において、上記液管に取り出し口を設けて液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の吸入側に注入する吸入インジェクション回路と、上記取り出し口の凝縮器側で上記液管に設けられ、上記液管の液冷媒と上記吸入インジェクション回路の液冷媒とを熱交換する過冷却熱交換器と、上記過冷却熱交換器の出口側において、上記液管から液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路とを設けたものである。
【００１４】
この発明に係る冷凍装置は、また、ＨＦＣ系の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器とを有し、液化した冷媒を液管を介して主膨張弁と蒸発器とを有するクーラに供給すると共に、上記蒸発器でガス化した冷媒を上記圧縮機に吸入する冷凍装置において、上記液管に取り出し口を設けて液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路と、上記取り出し口の凝縮器側で上記液管に設けられ、上記液管の液冷媒と上記中間圧インジェクション回路の液冷媒とを熱交換する過冷却熱交換器とを備えたものである。
【００１５】
この発明に係る冷凍装置は、また、上記中間圧インジェクション回路に電磁弁を設け、圧縮機の吐出ガス温度が所定値以下になった時、上記電磁弁を閉じるようにしたものである。
【００１６】
この発明に係る冷凍装置は、また、上記凝縮器によって液化された冷媒を収容する液溜めを設け、上記過冷却熱交換器を上記液溜めの出口側と上記液管の取り出し口との間に設けたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１の冷凍装置とクーラとの接続によって構成された冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。この図において、１０は冷凍装置で、以下に述べる各装置によって構成されている。即ち、１１は圧縮機で、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系の冷媒（Ｒ４０４Ａ）を圧縮する。１２は圧縮された冷媒を凝縮液化する凝縮器、１３は液化された冷媒を収容する液溜め、１４は液溜め１３の出口に結合され、液化した冷媒のみを取り出す液管、４０は液管１４に設けた取り出し口４２から取り出した冷媒を電磁弁４３、膨張弁４１を経て圧縮機１１の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路、１５は液管１４に設けられ、ガラスにより冷媒が見えるようにされたサイトグラス、１０ａは液冷媒の配管端子、１０ｂはガス冷媒の配管端子、１９は取り出し口４２の凝縮器側で液管１４に設けられ、液管１４を過冷却するための過冷却熱交換器、５０は液管１４の出口側に設けられた取り出し口５２から取り出した冷媒を膨張弁５１を介して圧縮機１１の吸入側に注入する吸入インジェクション回路で、膨張弁５１の下流で過冷却熱交換器１９と熱交換して液冷媒を過冷却するようにされている。
【００１８】
また、２０は冷凍装置１０と共に冷凍サイクルを構成するクーラで、以下に述べる各装置によって構成されている。即ち、２０ａは液冷媒の配管端子で、液配管３１によって冷凍装置１０の配管端子１０ａと現地接続される。
２１は主膨張弁、２２は蒸発器で、冷却すべき空間の空気と熱交換して冷媒をガス化する。２０ｂはガス冷媒の配管端子で、ガス配管３２によって冷凍装置１０の配管端子１０ｂと現地接続される。
【００１９】
次に、この実施の形態の動作について説明する。圧縮機１１で冷媒Ｒ４０４Ａが圧縮され、高温高圧の吐出ガスとなり、凝縮器１２で空気と熱交換して液化する。液化した冷媒は、液溜め１３で気液分離され、液状のＲ４０４Ａのみが液管１４、過冷却熱交換器１９、サイトグラス１５、配管端子１０ａを経て冷凍装置１０から出て行く。冷凍装置１０を出た冷媒Ｒ４０４Ａは、現地接続の液配管３１を通り、配管端子２０ａを経てクーラ２０に入る。クーラ内では主膨張弁２１で膨張し、蒸発器２２で冷却すべき空間の空気と熱交換してガス化し、配管端子２０ｂを経てクーラ２０を出る。クーラ２０を出た冷媒Ｒ４０４Ａは現地接続のガス配管３２を通り、配管端子１０ｂを経て冷凍装置１０に戻ってくる。
冷凍装置１０に戻ったＲ４０４Ａは圧縮機１１の吸入側から吸い込まれて再び圧縮され、上述の冷凍サイクルを循環する。
【００２０】
一方、液管１４の途中の取り出し口４２から取り出された液化した冷媒Ｒ４０４Ａは、中間圧インジェクション回路４０の電磁弁４３を通り、膨張弁４１で膨張されて圧縮機１１の中間圧部分に注入される。圧縮途中に液冷媒を注入することで圧縮機１１の吐出ガス温度を低下させ安定した運転を継続することができる。また、過冷却熱交換器１９の出口側の取り出し口５２から取り出された液化した冷媒Ｒ４０４Ａは、吸入インジェクション回路５０の膨張弁５１で膨張し、過冷却熱交換器１９を通って圧縮機１１の吸入側に入る。過冷却熱交換器１９では、液管１４内の液冷媒と吸入インジェクション回路５０内の冷媒とが熱交換し、液冷媒に過冷却をつける。過冷却熱交換器１９の出口から過冷却が十分確保できた液冷媒を取り出すので、サイトグラス１５でフラッシュが発生せず、従って、冷媒の過充填を未然に防止することができると共に、吸入インジェクション回路５０及び中間圧インジェクション回路４０を流れる冷媒流量が安定し、信頼性の高い運転を維持することができる。
【００２１】
また、吸入インジェクション回路５０の流量を膨張弁５１によって適宜調整することにより、圧縮機１１の吸入ガス温度を低減することができる。即ち、吸入インジェクション回路５０の流量を増加させて液管１４の過冷却を行なった後に圧縮機１１の吸入ガス温度を低下させるようにする。そうすれば、圧縮機１１の吐出ガス温度が低下するので、中間圧インジェクションが不要となる場合が生じる。このため、圧縮機１１の吐出ガス温度が所定の条件、例えば１００℃以下となった場合には、中間圧インジェクション回路４０の電磁弁４３を閉にする。
中間圧インジェクション回路４０の流量が増えると圧縮機１１の入力が増加し、凝縮器１２を流れる冷媒循環量が増加するため高圧が上昇する。電磁弁４３の閉止によって不要な中間圧インジェクションを止めることにより、高圧上昇を防止することができ、さらに効率の良い運転が可能になる。
【００２２】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図２は、実施の形態２によって構成された冷凍サイクルの例を示す冷媒回路図である。
この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、中間圧インジェクション回路４０を過冷却熱交換器１９と熱交換させるようにした点である。即ち、過冷却熱交換器１９の出口側の取り出し口４２で液管１４から取り出した液冷媒を中間圧インジェクション回路４０の電磁弁４３を経て膨張弁４１で膨張させた後、過冷却熱交換器１９で熱交換させ、液冷媒を過冷却した後、圧縮機１１の中間圧部分に注入している。
【００２３】
このようにすると、過冷却が十分とれた液冷媒が中間圧インジェクション回路４０を通り、過冷却熱交換器１９で液管１４と熱交換した後、圧縮機１１の中間圧部分に流入する。液冷媒は過冷却が確保できるのでフラッシュの発生もなく、冷媒を過充填することも未然に防止することができる。また、中間圧インジェクション回路４０に流れる冷媒流量も安定し、圧縮機１１の吐出ガス温度も安定する。さらに、吸入インジェクション回路がないので、バイパス回路による冷凍能力の損失がなく、簡単かつ安価な回路構成で液管１４の過冷却を確保することができる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明に係る冷凍装置は、ＨＦＣ系の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器とを有し、液化した冷媒を液管を介して主膨張弁と蒸発器とを有するクーラに供給すると共に、上記蒸発器でガス化した冷媒を上記圧縮機に吸入する冷凍装置において、上記液管に取り出し口を設けて液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の吸入側に注入する吸入インジェクション回路と、上記取り出し口の凝縮器側で上記液管に設けられ、上記液管の液冷媒と上記吸入インジェクション回路の液冷媒とを熱交換する過冷却熱交換器とを備えたものであるため、液冷媒の過冷却を確保でき、冷媒の過充填を未然に防止することができる。その結果、封入冷媒価格を抑えることができ、また、過剰な冷媒が蒸発しきれずに圧縮機に戻ることによる圧縮機の損傷の危険を防止することができ、信頼性の高い冷凍サイクルを構成することができる。
【００２５】
この発明に係る冷凍装置は、また、上記過冷却熱交換器の出口側において、上記液管から液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路を設けたものであるため、液冷媒の過冷却を確保でき、冷媒の過充填を未然に防止することができると共に、過冷却を十分確保した液冷媒から中間圧インジェクションを取り出すことで安定した中間圧インジェクションが確保できるため、圧縮機の吐出ガス温度の上昇による保護器の作動で異常停止したり、冷凍機油が高温で劣化することによる圧縮機の損傷もなく、信頼性の高い運転を維持することができる。
【００２６】
この発明に係る冷凍装置は、また、ＨＦＣ系の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器とを有し、液化した冷媒を液管を介して主膨張弁と蒸発器とを有するクーラに供給すると共に、上記蒸発器でガス化した冷媒を上記圧縮機に吸入する冷凍装置において、上記液管に取り出し口を設けて液化した冷媒の一部を取り出し、膨張弁を介して上記圧縮機の中間圧部分に注入する中間圧インジェクション回路と、上記取り出し口の凝縮器側で上記液管に設けられ、上記液管の液冷媒と上記中間圧インジェクション回路の液冷媒とを熱交換する過冷却熱交換器とを備えたものであるため、液冷媒の過冷却を確保でき、冷媒の過充填を未然に防止することができると共に、中間圧インジェクション回路に流れる冷媒流量も安定し圧縮機の吐出ガス温度も安定する。さらに、吸入インジェクション回路がないので、バイパス回路による冷凍能力の損失がなく、簡単かつ安価な回路構成で液管の過冷却を確保することができる。
【００２７】
この発明に係る冷凍装置は、また、上記中間圧インジェクション回路に電磁弁を設け、圧縮機の吐出ガス温度が所定値以下になった時、上記電磁弁を閉じるようにしたものであるため、無駄な中間圧インジェクションを防止でき高圧上昇を防止することができる他、入力の低い省エネ運転が可能となる。
【００２８】
この発明に係る冷凍装置は、また、上記凝縮器によって液化された冷媒を収容する液溜めを設け、上記過冷却熱交換器を上記液溜めの出口側と上記液管の取り出し口との間に設けたものであるため、液溜めで気液分離が行なわれ、過冷却熱交換器に液冷媒のみが取り出される結果、液冷媒の過冷却の確保が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。
【図２】  この発明の実施の形態２による冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。
【図３】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルを示す冷媒回路図である。
【図４】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルの他の例を示す冷媒回路図である。
【図５】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルの更に他の例を示す冷媒回路図である。
【図６】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルの更に他の例を示す冷媒回路図である。
【図７】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルの更に他の例を示す冷媒回路図である。
【図８】  従来の冷凍装置による冷凍サイクルの更に他の例を示す冷媒回路図である。
【符号の説明】
１０  冷凍装置、  １１  圧縮機、  １２  凝縮器、  １３  液溜め、  １４液管、  １５  サイトグラス、  １９  過冷却熱交換器、  ２０  クーラ、  ２１  主膨張弁、  ２２  蒸発器、  ４０  中間圧インジェクション回路、  ４２，５２  取り出し口、  ４３  電磁弁、  ５０  吸入インジェクション回路。
【図１】
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【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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【図８】
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