(57)【要約】  【課題】高圧側で超臨界状態となる冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、放熱器における高温冷媒から低温冷媒へのフィンを介しての熱移動を抑制し、冷凍効率を向上することを目的とする。  【解決手段】高圧側で超臨界状態となる冷媒を利用し、冷媒が、圧縮機１１、スパイラルフィン放熱器である第一の放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂ、電動膨張弁１３、蒸発器１４の順に循環する冷媒回路と、第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂに空気を供給する第一の送風手段１５とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第一の送風手段１５を第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂ間に設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側で超臨界状態となる冷媒を利用し、前記冷媒が、圧縮機、第一の放熱器、第二の放熱器、絞り装置、蒸発器の順に循環する冷媒回路とを備えた冷凍サイクル装置において、前記第一の放熱器をスパイラルフィンチューブ型熱交換器で構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第一の放熱器と前記第二の放熱器に空気を供給する第一の送風手段を更に備え、前記第一の送風手段を前記第一の放熱器と前記第二の放熱器間に設置したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記蒸発器に空気を供給する第二の送風手段を備え、前記蒸発器で空気を冷却除湿するとともに、前記蒸発器で生じた除湿水を貯留する除湿水貯留容器を備え、前記第一の放熱器を通過した空気の一部が前記除湿水貯留容器内の除湿水と熱交換することを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記除湿水貯留容器の一部あるいは全周を、前記第一の放熱器で取り囲むことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記第一の放熱器の少なくとも一部が前記除湿水貯留容器あるいは前記除湿水貯留容器内の除湿水と接触していることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記第二の放熱器における冷媒の流路断面積を前記第一の放熱器における冷媒の流路断面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項１から５に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記第一の放熱器と前記第二の放熱器間の冷媒温度を検出する温度センサを備え、前記温度センサからの検出値が所定値以上となった場合は、前記圧縮機の回転数を低下させることを特徴とする請求項１から６に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項８】
請求項１から７に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冷する保冷庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒として高圧側で超臨界状態となる冷媒を使用し、冷蔵あるいは冷凍に利用する冷凍サイクル装置に関する。または、この冷凍サイクル装置を搭載する保冷庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクル装置に使用される冷媒の地球温暖化に対する影響を削減する要求が高まってきており、地球温暖化に対する影響が小さい自然冷媒として、二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置が提案されている。また、二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置は、遷臨界サイクルである点を利用して高い出湯温度を得る給湯機に適用されるとともに、不燃性である点を利用して使用時の冷媒漏洩量が大きい車用の空気調和機に適用されている。
【０００３】
ここで、二酸化炭素の遷臨界サイクルを使用した冷凍サイクル装置では、冷媒は放熱器において超臨界状態となり連続的に温度変化する。したがって、放熱器において大きな温度分布が生じ、放熱器の高温部から低温部へフィンを介して熱移動し、冷媒相互間の熱交換が生じ、熱交効率が低下する。そこで、放熱器を複数に分割し、放熱器内での冷媒相互間の熱交換を抑制する構成が提案されている。例えば、下記特許文献１には、放熱器としてそれぞれ所定枚数のフィンプレートを有する複数の熱交換器を備えた空気調和機が開示されている。
以下、図面を参照しながら従来の冷凍システムを説明する。
【０００４】
図９は特許文献１に記載の冷凍システムの回路構成図である。図９に示すように、従来の冷凍システムは、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機１、放熱器２、流量制御弁３、蒸発器４からなる回路構成を有する。また、放熱器２に空気を供給する送風機５を備えている。ここで、放熱器２は熱交換器２Ａと熱交換器２Ｂからなり、冷媒が熱交換器２Ａを通過してから熱交換器２Ｂを通過するように伝熱管で接続されている。なお、熱交換器２Ａ、熱交換器２Ｂはそれぞれ独立したフィンプレートを備えている。
【０００５】
以上のように構成された特許文献１の冷凍システムについて、以下その動作を説明する。圧縮機１から吐出された高温高圧状態にある超臨界状態の二酸化炭素は、放熱器２で熱交換器２Ａ、熱交換器２Ｂの順に流れ、空気と熱交換して、温度を低下させる。温度の下がった二酸化炭素は流量制御弁３によって減圧され、低温の気液二相状態に変化し、蒸発器４に流入する。蒸発器４では、空気を冷却しながら冷媒液が蒸発し、気体に変化した冷媒は圧縮機１に戻る。
【０００６】
特許文献１では、高温側と低温側の二つの熱交換器を用いることにより、熱交換器２Ａから熱交換器２Ｂへの伝熱量が抑制され、高圧側における冷媒相互間の伝熱量を低減し、冷凍サイクルの効率を向上させている。
【特許文献１】特開２００４−１６２９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構成では、２つの熱交換器の間では伝熱が抑制されるが、それぞれの熱交換器２Ａ、熱交換器２Ｂにおいては、隣り合う伝熱管が所定の間隔で平行に配置されているフィンで一体化されており、フィンを介しての冷媒相互間の伝熱が生じ
るという課題があった。
【０００８】
また、従来の構成では、送風機５が熱交換器２Ｂ、熱交換器２Ａを通過した高温空気雰囲気下に晒され、送風機５の軸受け部に使用される潤滑剤の劣化及び蒸発が早まり、送風機５の耐久性が低下するという課題があった。
【０００９】
本発明は、従来の課題を解決するもので、フィンを介しての冷媒相互間の伝熱を抑制し、冷凍効果を向上させるとともに、送風機に流入する空気温度を低下させ、送風機の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の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、放熱器において温度分布が大きい部分はスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いたことを特徴とするものである。
【００１１】
これによって、温度差が大きい伝熱管を離間させることができ、冷媒相互間の伝熱を抑制し、放熱能力を高め、冷凍効率を向上させることができる。
また、上記従来の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、送風手段を第一の放熱器と第二の放熱器間に設置することを特徴とするものである。
【００１２】
これによって、送風手段に流入する空気温度を低下させることができ、送風手段の耐久性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
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、高圧部の冷媒が急激な温度変化をする部分においてスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いることで、隣り合う伝熱管を離間させ、冷媒相互間の熱移動を抑制でき、放熱能力を高めて冷凍効率の向上を図ることができる。また、送風手段を第一の放熱器と第二の放熱器間に設置することで、送風手段に流入する空気温度を低下させることができ、送風手段の耐久性を高めることができる。さらに、スパイラルフィンチューブ型熱交換器は形状自由度が高いため、冷媒からの放熱を、蒸発器で生じる除湿水の蒸発に利用することで、除湿水を系外へ排出できない場所に冷凍サイクル装置を設置する場合に必要となる除湿水貯留容器を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態１の冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機１１、スパイラルフィン型の第一の放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂ、電動膨張弁１３、蒸発器１４からなる回路を有する。また、第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂに空気を供給する第一の送風機１５と蒸発器１４に空気を供給する第二の送風機１６を有する。なお、第一の送風機１５は、第二の放熱器１２Ｂ、第一の放熱器１２Ａ間に配置されている。また、第二の放熱器１２Ｂの配管径を第一の放熱器１２Ａの配管径よりも小さくすることで、第二の放熱器１２Ｂの冷媒流路断面積を第一の放熱器１２Ａの冷媒流路断面積よりも小さくしている。
【００１７】
ここで、第一の放熱器１２Ａは、図２に示すように１本の冷媒配管にスパイラル状のフィンプレートを圧着固定したものであり、隣り合う伝熱管が離間しているのが特徴である。また、第一の放熱器１２Ａは、１本の冷媒配管からなるので高い耐圧設計が容易であり、高圧圧力が９〜１５ＭＰａと比較的高い冷凍サイクル装置に適用する場合、同一放熱能力をフィンチューブ型熱交換器より安価に実現することができる。
【００１８】
なお、第二の放熱器１２Ｂはフィンチューブ型熱交換器で構成されている。これは、第二の放熱器１２Ｂでは空気と冷媒の温度差が小さく、容積当たりの熱交換効率が高いフィンチューブ型熱交換器を用いることで、装置を小型化できるためである。
【００１９】
以上のように構成された実施の形態１の冷凍サイクル装置について、以下その動作を図３に示すモリエル線図で説明する。
【００２０】
低温低圧の冷媒は圧縮機１１の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される（Ａ→Ｂ）。吐出された冷媒は、第一の放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂにおいて、第一の送風機１５から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却（Ｂ→Ｃ）された後、電動膨張弁１３で減圧され低温低圧の冷媒となる（Ｃ→Ｄ）。次いで、蒸発器１４において第二の送風機１６から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機１１へと還流する（Ｄ→Ａ）。
【００２１】
ここで、冷媒として二酸化炭素を用いた場合、冷媒は高圧側において超臨界状態となり、冷媒温度は連続的に変化する。また、図４に示すように、超臨界状態での二酸化炭素の比熱は４５℃付近でピークを持ち、６０〜１２０℃ではピーク値の５０％以下となる。このため、放熱器において、冷媒温度は１２０から６０℃までは急激に低下し、４５℃付近では温度変化が小さくなる。したがって、放熱器前半部では、隣り合う伝熱管の温度差が大きくなる。そこで、本実施の形態では、冷媒温度が急激に変化する放熱器前半部において、隣り合う伝熱管が離間しているスパイラルフィン放熱器を用い、冷媒相互間の熱交換を抑制することで熱交換器効率を高め、冷凍効率を向上させている。
【００２２】
また、第一の送風機１５を第二の放熱器１２Ｂ、第一の放熱器１２Ａ間に配置しているため、第一の放熱器１２Ａの風下側に第一の送風機を配置した場合に比べて、第一の送風機１５に流入する空気温度を低減でき、第一の送風機１５の耐久性を向上させることができる。
【００２３】
また、第二の放熱器１２Ｂを第一の送風機１５の風上側に設置することで、狭いフィン間隔である第二の放熱器１２Ｂの前面に埃を付着させることができ、機械室内部への埃の侵入を抑え、第一の送風機１５の軸受け部などが埃詰まりで動作不良になることを防ぐことができるとともに、放熱器２Ｂの前面に付着した埃は、容易に除去できるので、メインテナンス性を高める利点もある。
【００２４】
さらに、第二の放熱器１２Ｂの冷媒流路断面積を第一の放熱器１２Ａの流路断面積よりも小さくすることで、第一の放熱器１２Ａと比較して冷媒温度が低下し、冷媒密度が増加する第二の放熱器１２Ｂにおいても、冷媒流速を増加させ、熱交換効率を高めることができ、冷凍効率が向上する。
【００２５】
なお、本実施の形態では、第二の放熱器１２Ｂの流路断面積を小さくする方法として、第二の放熱器１２Ｂの配管径を小さくしたが、第二の放熱器１２Ｂの配管内に部材（例えば、銅管や銅パイプ）を挿入する方法や配管の肉厚を大きくする方法でも同様の効果が得られる。
【００２６】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１の冷凍サイクル装置と同一の構成については同一番号を付す。
【００２７】
図５に示すように実施の形態２の冷凍サイクル装置は実施の形態１と同様に、冷媒として二酸化炭素を使用するとともに、圧縮機１１、スパイラルフィン型の第一の放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂ、電動膨張弁１３、蒸発器１４からなる回路を有する。また、スパイラルフィン放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂに空気を供給する第一の送風機１５と蒸発器１４に空気を供給する第二の送風機１６を有する。また、実施の形態２では、蒸発器１４において、第二の送風機１６から供給される空気を冷却除湿した際に生じる除湿水を貯留する除湿水貯留容器１８を備えるとともに、スパイラルフィン放熱器１２Ａを除湿水貯留容器１８の一部を取り囲むように配置している。なお、除湿水貯留容器１８は、除湿水を冷凍サイクル装置外へ排出できない設置場所（例えば、屋内）へ冷凍サイクル装置を適用するために用いられるものである。また、冷凍サイクル装置は冷却室１９と加熱室２０に分けられている。
【００２８】
以上のように構成された実施の形態２の冷凍サイクル装置について、以下その動作を図３に示すモリエル線図で説明する。
【００２９】
低温低圧の冷媒は圧縮機１１の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される（Ａ→Ｂ）。吐出された冷媒は、スパイラルフィン放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂにおいて、第一の送風機１５から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却（Ｂ→Ｃ）された後、電動膨張弁１３で減圧され低温低圧の冷媒となる（Ｃ→Ｄ）。次いで、蒸発器１４において第二の送風機１６から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機１１へと還流する（Ｄ→Ａ）。また、蒸発器１４で生じた除湿水は除湿水貯留容器１８に流入し、一旦貯留される。除湿水貯留容器１８に貯留された除湿水は、第二の放熱器１２Ｂ、第一の放熱器１２Ａの順に通過した空気により加熱され、蒸発する。なお、冷却室１９からは冷風が得られ、加熱室２０からは温風が得られる。
【００３０】
ここで、実施の形態２の冷凍サイクル装置では、スパイラルフィン型熱交換器がフィンチューブ型熱交換器よりも形状自由度が高いことを利用して、スパイラルフィン型熱交換器を曲げ加工し、除湿水貯留容器１８の一部を取り囲むように配置している。これにより、スパイラルフィン放熱器１２Ａを通過した空気を効率的に除湿水貯留容器１８内の除湿水に接触させることができる。したがって、除湿水の蒸発を促進でき、除湿水貯留容器１７を小型化できる。また、スパイラルフィン放熱器１２Ａを除湿水貯留容器１８を取り囲むように配置することで、スパイラルフィン放熱器１２Ａのフィンからの輻射熱を除湿水貯留容器の一方向からだけではなく、多方向から除湿水に伝熱でき、さらに除湿水貯留容器１８を小型化できる。
【００３１】
また、本実施の形態では、電動膨張弁１３を冷却室１９内に設置しているが、加熱室２０内に設置してもよい。
【００３２】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図６に示すように、実施の形態３の冷凍サイクル装置は、実施の形態２の冷凍サイクル装置において、スパイラルフィン型の第一の放熱器１２Ａのフィンを除湿水貯留容器内の除湿水と接触するように配置している。
【００３３】
したがって、本実施の形態では、スパイラルフィン型の第一の放熱器１２Ａは、第一の送風機１５から供給される空気だけでなく、除湿水貯留容器内の除湿水とも接触して熱交
換するため、実施形態２の場合よりもさらに、熱交換効率を向上させることができる。また、除湿水は冷媒からの放熱により加熱されるため、蒸発がさらに促進され、除湿水貯留容器を小型化できる。
【００３４】
（実施の形態４）
本実施形態では、本発明の冷凍サイクル装置を利用した保冷庫について説明する。実施形態１〜３の冷凍サイクル装置は、いずれも保冷庫に適用可能であるが、ここでは、図７に示すように、実施形態２の冷凍サイクル装置を用いて構成した保冷庫について説明する。
【００３５】
図７に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置は、実施の形態２の冷凍サイクル装置において、スパイラルフィン型の第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂ間の冷媒温度を検出する温度センサ２１と保冷庫の被冷却室（図示せず）の空気温度を検出する空気温度センサ２２を備えている。
【００３６】
また、図７に示すように、実施の形態４の保冷庫は、食品などの熱負荷を冷蔵する貯蔵室３２の下部に機械室３３を設け、圧縮機１１や第一の放熱器１２Ａや放熱器２Ｂなどを配置するとともに、貯蔵室３２と機械室３３の間に設けた断熱壁３４の中に、蒸発器１４や電動膨張弁１３などを配置している。
【００３７】
以上のように構成された実施の形態４の保冷庫について、以下その動作を図３に示すモリエル線図で説明する。
【００３８】
低温低圧の冷媒は圧縮機１１の動作により圧縮され高温高圧の冷媒となり吐出される（Ａ→Ｂ）。吐出された冷媒は、第一の放熱器１２Ａ、第二の放熱器１２Ｂにおいて、第一の送風機１５から供給される空気に放熱し、外気温度近傍まで冷却（Ｂ→Ｃ）された後、電動膨張弁１３で減圧され低温低圧の冷媒となる（Ｃ→Ｄ）。次いで、蒸発器１４において第二の送風機１６から供給される空気から吸熱し、冷媒は蒸発し、圧縮機１１へと還流する（Ｄ→Ａ）。また、蒸発器１４で生じた除湿水は除湿水貯留容器１８に流入し、一旦貯留される。除湿水貯留容器１８に貯留された除湿水は、第二の放熱器１２Ｂ、第一の放熱器１２Ａの順に通過した空気により加熱され、蒸発する。
【００３９】
ここで、圧縮機１１は温度検知センサー２１で検知された第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂ間の冷媒温度と、空気温度センサー２２で検知された保冷庫の被冷却室の空気温度に基づいて、その回転数が最適制御されるものである。具体的には、図８に示すように、温度センサ２１で検知された第一の放熱器１２Ａと第二の放熱器１２Ｂ間の冷媒温度Ｔｒと所定値Ｔ１を比較し、ＴｒがＴ１以上の場合は圧縮機１１の回転数を低下させる。一方、ＴｒがＴ１以下の場合は、空気温度センサ２２で検知された被冷却室の空気温度Ｔａと所定値Ｔ２を比較し、ＴａがＴ２以上の場合は、圧縮機１１の回転数を増速させ、ＴａがＴ２以下の場合は、圧縮機１１の回転数を減速させる。なお、Ｔ１は第一の送風機１５の温度が規定値以下となるように予め設定する。また、Ｔ２は被冷却対象や冷却用途によって任意に設定できる。
【００４０】
これによって、第一の送風機１５の温度上昇を抑制し、耐久性を向上させつつ、被冷却室の空気温度を目標値近傍に制御することができる。
なお、本実施の形態では、第一の送風機１５の温度上昇を防止するとともに、空気温度センサ２２を用い被冷却室の空気温度を制御対象としているが、制御対象はこの限りではない。
【００４１】
なお、実施の形態１〜４では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、他の自然冷媒（
例えば、ＨＣやアンモニア冷媒）やＨＦＣ冷媒を超臨界状態で用いた場合にも同様の効果がある。
【００４２】
また、実施の形態１〜４では、スパイラルフィン放熱器１２Ａのフィンとしては放射率が高いアルミニウムが好ましいが、その他金属材料を好適に用いることができる。また、絞り装置として電動膨張弁を用いたが、キャピラリチューブや膨張機を用いた場合でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置およびこれを備えた保冷庫は、放熱器において温度分布が大きい部分はスパイラルフィンチューブ型熱交換器を用いることで、温度差が大きい伝熱管を離間させることができ、冷媒相互間の伝熱を抑制し、放熱能力を高め、冷凍効率を向上させることができるので、冷媒のノンフロン化と機器の省エネルギー化が要求されるショーケースや業務用冷凍冷蔵庫、自動販売機などの冷蔵あるいは冷凍機器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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】スパイラルフィン放熱器の概略図
【図３】冷凍サイクル装置および保冷庫のモリエル線図
【図４】二酸化炭素冷媒の温度と比熱の関係図
【図５】本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図６】本発明の実施の形態３の冷凍サイクル装置の冷媒回路図
【図７】本発明の実施の形態４の保冷庫の冷媒回路図
【図８】本発明の実施の形態４の保冷庫の制御フローチャート
【図９】従来の冷凍システムの冷媒回路図
【符号の説明】
【００４５】
１１    圧縮機
１２Ａ  スパイラルフィン放熱器
１２Ｂ  放熱器
１３    電動膨張弁
１４    蒸発器
１５    第一の送風機
１６    第二の送風機
１７    除湿水流路
１８    除湿水貯留容器
２１    温度検知センサ
２２    空気温度検知センサ
３２    貯蔵室
３３    機械室
【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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【図９】
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