(57)【要約】【課題】            熱自己平衡熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルであっても、本来的に冷媒の有する冷凍能力を最大限まで発揮させることができ、しかも過冷却や液バックを防ぐことができる安全運転が可能となる二段減圧式熱交換器及びそれを組み入れた冷凍サイクルは知られていないという点である。【解決手段】        凝縮器から送出された冷媒が一段減圧弁を通して導入される一次側と、その一次側を通過した冷媒が二段減圧弁を通して導入される二次側とを一体として備え、その一次側と二次側は一枚の伝熱プレートによって仕切られて同一の伝熱面積・容量を有することとし、また、二段減圧式熱交換器の外周面は断熱構造が施されていることとする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮器から送出された冷媒が一段減圧弁を通して導入される一次側と、その一次側を通過した冷媒が二段減圧弁を通して導入される二次側とを一体として備え、その一次側と二次側は一枚の伝熱プレートによって仕切られて同一の伝熱面積・容量を有することを特徴とする二段減圧式熱交換器。
【請求項２】
前記した二段減圧式熱交換器の外周面は断熱構造が施されていることを特徴とする請求項１に記載の二段減圧式熱交換器。
【請求項３】
前記した二次側は一次側の持つ未凝縮冷媒の凝縮潜熱を蒸発熱源にして熱吸引し、蒸発低温となり一次側の冷媒を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の二段減圧式熱交換器。
【請求項４】
前記した一次側と二次側は相互に冷媒を冷却し合い、相乗効果によって冷媒を経時変化して冷却・低圧にされながら液冷媒状態を維持することとなり、同義的に蒸発潜熱を増加することを特徴とする請求項１から３のうち１項に記載の二段減圧式熱交換器。
【請求項５】
前記した一次側と二次側の存在によって高圧冷媒を中間圧状態を経由させて蒸発器の導入側に配された膨張弁を通過させることで蒸発気化させ、低圧の冷媒ガスとすることを特徴とする請求項１から４のうち１項に記載の二段減圧式熱交換器。
【請求項６】
前記した二段減圧式熱交換器を凝縮器と蒸発器の導入側に配された膨張弁との間に組み入れてあることを特徴とする冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二段減圧式熱交換器及びそれを組み入れた冷凍サイクルに関し、特に、一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルにあって、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発の繰り返される工程に二段減圧式熱交換器を組み入れ、冷凍機運転中の冷凍能力を向上させ、安全運転を可能とするための二段減圧式熱交換器及びそれを組み入れた冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒ガスを使用した冷凍サイクルにあって、その冷却あるいは暖房の効果を向上させる要素として、熱自己平衡熱交換器を組み込むことが特許文献１〜８に示すように知られている。これらの特許文献１〜８には、一次側と二次側とを一体とし、一次側へ導入させ、その一次側を通過した冷媒ガスを膨張弁を介して二次側へ送り込み、その一次側と二次側で伝熱プレートを介して相互の熱エネルギーが各々凝縮、蒸発の熱源とされ、その熱エネルギーは相乗効果で各々の機能を高め、経時変化で一次側と二次側は作用的に安定される熱交換器が記載されている。
【０００３】
特許文献９には膨張弁の一種としてキャピラリーチューブを設けた熱交換機構が示されている。
【０００４】
しかしながら、従来、上記した熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルにあっても、完全といえる状態の冷凍能力には限界があり、特にデフロストに過大な作業や費用がかけられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１３−０２８６９９号出願書類
【特許文献２】特開２００３−２１４７３１号公報
【特許文献３】特開２００４−３６１０３３号公報
【特許文献４】特開２００５−９８８１７号公報
【特許文献５】特開２００５−１１４２６７号公報
【特許文献６】特開２００６−６４３３１号公報
【特許文献７】特開２００９−１５６５６３号公報
【特許文献８】特開２０１１−５８６５２号公報
【特許文献９】実開昭５６−１５５２７７号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【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、前記した熱自己平衡熱交換器を組み込んだ冷凍サイクルであっても、本来的に冷媒の有する冷凍能力を最大限まで発揮させることができ、しかも過冷却や液バックを防ぐことができる安全運転が可能となる二段減圧式熱交換器及びそれを組み入れた冷凍サイクルは知られていないという点である。
【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に、本発明に係る二段減圧式熱交換器は、凝縮器から送出された冷媒が一段減圧弁を通して導入される一次側と、その一次側を通過した冷媒が二段減圧弁を通して導入される二次側とを一体として備え、その一次側と二次側は一枚の伝熱プレートによって仕切られて同一の伝熱面積・容量を有することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係る二段減圧式熱交換器は、前記した二段減圧式熱交換器の外周面は断熱構造が施されていることを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明に係る二段減圧式熱交換器は、前記した二次側は一次側の持つ未凝縮冷媒の凝縮潜熱を蒸発熱源にして熱吸引し、蒸発（一次側の持つ蒸発熱源容量範囲）低温となり一次側の冷媒を冷却することを特徴とし、前記した一次側と二次側は相互に冷媒を冷却し合い、相乗効果によって冷媒を経時変化して冷却・低圧にされながら液冷媒状態を維持することとなり、同義的に蒸発潜熱を増加することを特徴とし、前記した一次側と二次側の存在によって高圧冷媒を中間圧状態を経由させて蒸発器の導入側に配された膨張弁を通過させることで蒸発気化させ、低圧の冷媒ガスとすることを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係る冷凍サイクルは、前記した二段減圧式熱交換器を凝縮器と蒸発器の導入側に配された膨張弁との間に組み入れてあることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る二段減圧式熱交換器及びそれを組み入れた冷凍サイクルは上記のように構成されている。二段減圧式熱交換器一次側の冷媒導入前に一段減圧弁が設けられており、この一次側導入前に僅かに減圧蒸発・低温液とし、この一次側を通過した冷媒は二次側の導入前に二段減圧弁により、さらに、その一次側を通過した冷媒を減圧蒸発・低温液とすることができるので、熱交換器の効用がさらに向上することとなる。
【００１２】
また、二段減圧式熱交換器の外周面は断熱構造としてあり、外部への放熱、外部からの吸熱は遮断されているため、完全に近く伝熱プレートを介して一次側と二次側との間におけるのみの熱交換が可能となり、この断熱作用で、外部との熱交換機能がなく、蒸発熱源が外部から無いため、冷媒が蒸発気化してしまうこともなくなる。冷凍能力は冷媒と外気熱との温度差、冷媒循環量、冷媒密度等が影響するが、本発明では二段減圧式熱交換器によって、従来利用されていないエネルギーを活用して凝縮液の増量ができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を実施した冷凍サイクルを示す図である。
【図２】Ｐ−ｈ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面として示し、実施例で説明したように構成したことで実現した。
【実施例１】
【００１５】
次に、本発明の好ましい実施の一例を図面を参照して説明する。図中１０は本発明に係る二段減圧式熱交換器を示している。この二段減圧式熱交換器１０は伝熱プレート１３を挟んで冷媒が導入される一次側１１とその一次側１１を通過した冷媒が導入される二次側１２とを一体に有しており、その一次側１１と二次側１２は伝熱プレート１３によって同一の伝熱面積と容量を有するものとなっている。
【００１６】
また、この二段減圧式熱交換器１０は、その外周面は断熱材１４で被包された断熱構造となっており、外部への放熱と、外部からの吸熱は遮断されている。そのため、液冷媒は冷凍サイクル系外部に蒸発をすることがなく、凝縮液増量を進め冷凍効率を高める。
【００１７】
一方、図中１５は、前記した二段減圧式熱交換器１０が組み入れられる冷凍サイクル（回路）の圧縮機である。この圧縮機１５は冷媒ガスを圧縮して、高温高圧の液状冷媒を吐出し、この高温高圧の液状冷媒を凝縮器１６へ送り込む。
【００１８】
この凝縮器１６を通過した冷媒は二段減圧式熱交換器１０の一次側１１に導入されるが、この導入口１１ａの手前には一段減圧弁１７が設けられており、この一段減圧弁１７によって、冷媒は僅かに減圧蒸発・低温度とされ、その減圧、低温化された状態で冷媒が導入口１１ａから一次側１１に導入され、中間圧冷媒となる。ここに中間圧冷媒とは、一般的に膨張弁で蒸発気化され低圧冷媒に相変化する以前の冷却によって低圧となったものをいう。
【００１９】
この一次側１１を通過した冷媒は吐出口１１ｂから吐出され、二次側１２に導入されるが、この二次側１２の導入口１２ａの手前にも二段減圧弁１８が設けられ、一次側１１を通過してきた冷媒をさらに僅かに減圧蒸発・低温度の状態とされ一次側１１の冷媒よりも低圧、低温の中間圧冷媒として二次側１２に導入することとなる。
【００２０】
ここで、二段減圧式熱交換器１０は断熱材１４による断熱構造となっているので、外部への放熱と外部からの吸熱が遮断され、伝熱プレート１３を介しての一次側１１と二次側１２の間のみで熱交換が可能となっている。
【００２１】
二次側１２は一次側１１を通過する未凝縮冷媒が有する凝縮潜熱を蒸発熱源として吸熱し、蒸発低温となり、一次側１１を通過する冷媒を冷却する。二段減圧式熱交換器１０は外部との熱交換機能はなく、蒸発熱源がないので、冷媒は蒸発気化することはなく、一次側１１と二次側１２は相互に冷却し合って相乗効果を発揮し、経時変化して、一次側１１と二次側１２の冷媒は冷却、低圧にされながら液冷媒状態を維持する。同義的に蒸発潜熱を増加することとなり、冷凍サイクル自体の効率を向上させる。
【００２２】
この二段減圧式熱交換器１０と冷凍サイクルに組み入れることで、高圧高温の冷媒を直接低圧低温の冷媒に相変化させるのではなく、中間圧を経由して後述する膨張弁へ導入し、蒸発気化・低圧低温の冷媒ガスとさせる。
【００２３】
冷凍サイクルにあっては、凝縮潜熱が増加すれば蒸発潜熱も増加するのであって、放熱凝縮潜熱が大きいと吸熱蒸発潜熱も大きくなる。この原理原則にのっとって本発明はいかに凝縮、蒸発潜熱を大きくするかという点に特徴があり、冷凍サイクル中に二段減圧式熱交換器１０を組み入れて高圧冷媒液を増量させ、冷凍サイクルの効率を向上させる。凝縮、蒸発潜熱の増幅は凝縮熱源を下げて温度差を大きくとることになってなされる。
【００２４】
二段減圧式熱交換器１０の二次側１２を通過して吐出口１２ｂから吐出された冷媒は、膨張弁１９を通過して低圧低温とされ蒸発器２０を通過して、圧縮機１５へと循環される。
【００２５】
次いで、この二段減圧式熱交換器１０を組み入れた冷凍サイクルのＰ-ｈ線の変化を図２を参照して説明する。この図２にあって１は圧縮機１５による吸引前の冷媒ガス状態を示しており、２が圧縮機１５から吐出された高温、高圧の冷媒ガスを示している。この２で示す冷媒ガスは凝縮器１６を経由して二段減圧式熱交換器１０へ導入されるが、３はその一次側導入口１１ａの手前に配された一段減圧弁１７に導入される前の冷媒を示し、圧力としては２と同等となっている。
【００２６】
また、５が二段減圧弁１８に導入前の中間圧とされた液冷媒を示し、６が膨張弁１９に導入される前の中間圧の液冷媒を示し、４が膨張弁１９を通過した後の蒸発冷媒ガスを示している。これによって一段減圧弁１７に導入される前の液冷媒から、膨張弁１９に導入される前の中間圧の液冷媒までは大きく圧力が低下されていることが解る。
【００２７】
さらに、エンタルピーｈについては、Δｈ１は圧縮機１５の仕事熱を示し、Δｈ２が蒸発潜熱を示しており、Δｈ１＋Δｈ２が凝縮潜熱となる。そして、Δｈ３が二段減圧式熱交換器１０を冷凍サイクルに組み入れたことによる蒸発潜熱の増加量を示しており、この蒸発潜熱が大きく増加するため、冷凍サイクルとしての効能が大きく向上していることが明確である。
【００２８】
冷媒ガスが一段減圧弁１７を通過して一次側１１内にある時、その冷媒ガスは未蒸発湿り冷媒（未凝縮）となっている。この冷媒ガスは二段減圧弁１８を通過して二次側１２内でより低温の冷媒液となって、伝熱プレート１３に接している一次側１１内の中間圧冷媒を冷却して過冷却冷媒液とする。
【００２９】
二段減圧式熱交換器１０は前述したように、外部との熱交換がされないので、一次側１１と二次側１２は順次作用して、一次側１１の冷媒が二次側１２の冷媒で冷却され、この一次側１１が冷却されて低温となった一次側１１の冷媒は二次側に導入される冷媒の温度がより低温とされる相乗効果を発揮する。同一の伝熱プレート１３の伝熱面の一次側１１の冷媒温度をより低温とし、繰り返し二次側１２の冷媒を冷却する。連成する二次側１２の冷媒の経時変化で、一次側１１内の中間圧冷媒は過冷却冷媒となり、より完全な低温冷媒液となり、冷媒の気体相変化による熱交換能力を発揮する状態を維持、増幅する。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本実施例に係る二段減圧式熱交換器及びこれを組み入れた冷凍サイクルは上記のように構成されている。この冷凍サイクルは、冷凍・冷房は勿論の事暖房機能も有することとなるのは当然である。また、デフロスト作用としてもホットガスが利用可能となり、一般的な電気ヒーターの使用が無用ないしは節電でき、大きな省エネルギー効果を得ることができる。
【００３１】
冷凍サイクルにおいて膨張弁では無駄なエネルギーの損失をしていると言われている。従来Ｐ−ｈ線図上３に膨張弁が取り付けられていて、結果冷媒は４−１線に垂直に減圧（断熱膨張）する。故にエンタルピーΔｈ３は存在しなく無駄なエネルギーの損失となっていた。
断熱被膜した二段減圧式熱交換器により、外部との熱交換無く熱交換器の構成により一次側・二次側の僅かな熱を利用して冷媒を液化して蒸発・凝縮潜熱を増加させることができる。
【００３２】
初めに、凝縮器１６を吐出して一段減圧弁１７を通過して流入した冷媒は、熱交換器同一伝熱面を通して二次側１２の冷媒液が冷却される。冷却された二次側１２の冷媒はより低温になり一次側１１の冷媒を冷却する。冷却された一次側１１の冷媒はより低温になり二段減圧弁１８に向かい通過後二段減圧弁導入口１２ａの冷媒温度（一元冷媒液温度）より低温になる。故に二次側１２により一次側１１が冷却され、冷却された一次側１１の冷媒が二次側１２に少量の蒸発可能冷媒を供給し続け次第に低温冷媒液を増量する。僅かに残る凝縮器１６から送られる未凝縮熱源を利用して蒸発潜熱を増加することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    圧縮機による吸引前の冷媒ガス
２    圧縮機から吐出された高温・高圧ガス
３    一段減圧弁導入前の高圧液冷媒
４    膨張弁通過後の蒸発冷媒ガス
５    二段減圧弁導入前の中間圧液冷媒
６    膨張弁導入前の中間圧液冷媒
１０  二段減圧式熱交換器
１１  一次側
１１ａ  導入口
１１ｂ  吐出口
１２  二次側
１２ａ  導入口
１２ｂ  吐出口
１３  伝熱プレート
１４  断熱材
１５  圧縮機
１６  凝縮器
１７  一段減圧弁
１８  二段減圧弁
１９  膨張弁
２０  蒸発器
【図１】
2016061537.tif 000003
【図２】
2016061537.tif 000004