(57)【要約】【課題】簡単な構造の膨張機構を用いて冷凍能力を大幅に増大させることができる冷凍装置を提供することに。【解決手段】圧縮機１、送風機２ａを含む凝縮器２、膨張機構１０及び送風機３ａを含む蒸発器３を冷媒配管４，５，６，７で直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成する冷凍装置において、前記膨張機構１０を、円筒状のハウジング１１と、該ハウジング１１内に同心状に配された渦管１３とで構成し、前記渦管１３に形成されたノズルから冷媒を該渦管１３内に接線方向に噴出して渦管１３内に渦流を発生させ、該渦流を渦管１３の端部から開放することによって冷媒を膨張させるようにする。又、前記凝縮器２と前記膨張機構１０を接続する冷媒配管５にプレ膨張弁８を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、送風機を含む凝縮器、膨張機構及び送風機を含む蒸発器を冷媒配管で直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成する冷凍装置において、
前記膨張機構を、円筒状のハウジングと、該ハウジング内に同心状に配された渦管とで構成し、前記渦管に形成されたノズルから冷媒を該渦管内に接線方向に噴出して渦管内に渦流を発生させ、該渦流を渦管端部から開放することによって冷媒を膨張させるようにしたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記凝縮器と前記膨張機構を接続する冷媒配管にプレ膨張弁を配置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】
プレ膨張弁を電子式膨張弁としたこと特徴とする請求項２記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記膨張機構のハウジング内の前記渦管の端部と冷媒出口との間にバッフルを設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記バッフルを放射状に配列されたバッフルステー又は網状部材で構成したことを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦流を利用した膨張機構を用いた蒸気圧縮式の冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷凍装置は、圧縮機によって圧縮された高圧冷媒を凝縮器における熱交換によって液化させて高温の凝縮冷媒とし、この凝縮冷媒を膨張手段によって膨張させて低温冷媒を生成し、この低温冷媒を蒸発器にて蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によって所要の冷却を行うものである。この冷凍装置の膨張手段としては、従来から絞り機構を利用したものが主流であり、キャピラリーチューブ等の細管を利用したものや、高速ジェット噴流によって膨張させるエジェクタを利用したもの等が知られている。
【０００３】
又、特許文献１，２には、冷媒循環回路の凝縮器の下流側に膨張手段としてボルテックスチューブを設け、該ボルテックスチューブにおいて凝縮冷媒の膨張を等エントロピ膨張に近づけることによって蒸発能力の向上を図った冷凍装置が提案されている。
【特許文献１】特開平８−３０３８７９号公報
【特許文献２】特開平８−３１３０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２において提案された冷凍装置は、何れもボルテックスチューブによる渦流を熱分離の手段として使用しているものの、汎用の冷凍サイクルには利用しづらいという問題がある。ボルテックスチューブは、渦流によって冷媒を高温と低温に熱分離するものであり、一次冷媒を二分して低温冷媒を生成するために低温冷媒の流量が減少するという欠点を有している。しかも、ボルテックスチューブから出た高温冷媒を凝縮器の上流に戻す構成が採用されているため、圧力の低い方から高い方へ冷媒を戻すという矛盾がある。
【０００５】
そこで、本出願人は、図８に示すような膨張機構を先に提案した（特願２００６−１３６５０２、特願２００７−１５４６８４において）。ここで、図８に示す膨張機構について説明する。
【０００６】
図８は本出願人が先に提案した膨張機構の断面図であり、図示の膨張機構１１０は、円筒状の外筒１１１内にボルテックスチューブ１１３を同心的に組み込んで構成されており、このボルテックスチューブ１１３は、その上部外周がリング状の支持板１１２によって外筒１１１の内周面に支持されている。そして、外筒１１１内は、前記支持板１１２とその下方に配されたリング状のバッフル板１１４とで上方からチャンバＳ１、膨張室Ｓ２、液溜部Ｓ３に区画されている。ここで、前記ボルテックスチューブ１１３の下端は膨張室Ｓ２内に開口しており、その開口部にはゾーンセパレータ１１５が設けられている。このゾーンセパレータ１１５は、ボルテックスチューブ１１３の中心部に形成される真空域Ｒ１と膨張室Ｓ２のボルテックスチューブ１１３の開口端よりも下方の気液分離域Ｒ２とを分離するものであって、その上端部はボルテックスチューブ１１３内の下端部に臨み、両者間には円筒状の微小な隙間が形成されている。
【０００７】
ところで、前記バッフル板１１４には複数のスリット（不図示）が放射状に形成されており、このバッフル板１１４の下方の前記液溜部Ｓ３内の上部には複数枚の邪魔板１１６が放射状に配設されている。
【０００８】
又、ボルテックスチューブ１１３は、その上端開口部がカバー１１７によって覆われるとともに、上端外周部には、前記チャンバＳ１に開口する複数のノズル１１８（図８には１つのみ図示）が接線方向に設けられている。そして、ボルテックスチューブ１１３の上部中心部には、吸込管１１９が外筒１１１の上壁及び前記カバー１１７を貫通して上方から挿入されており、この吸込管１１９の下端はボルテックスチューブ１１３の内部に開口している。
【０００９】
更に、外筒１１１の外周部にはチャンバＳ１に開口するポート１２０と膨張室Ｓ２に開口するポート１２１が設けられ、外筒１１１の下端中心部には液溜部Ｓ３に開口するポート１２２が設けられており、膨張室Ｓ２内の上下方向においてポート１２１と気液分離ゾーンＲ２の間のボルテックスチューブ１１３の外周には整流器１２３が設けられている。
【００１０】
而して、図示しないが、冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、上記膨張機構及び蒸発器を冷媒配管で接続して閉ループの冷媒循環回路を形成することによって構成されており、圧縮機の吐出側から導出する冷媒配管は、凝縮器の入口側に接続され、凝縮器の出口側から導出する冷媒配管は、膨張機構１１０のポート１２０に接続されている。又、膨張機構１１０のポート１２２から導出する冷媒配管は、蒸発器の入口側に接続され、蒸発器の出口側から導出する冷媒配管は、膨張機構１１０の吸込管１１９に接続されている。そして、膨張機構１１０のポート１２１から導出する冷媒配管は、圧縮機の吸入側に接続されている。
【００１１】
しかしながら、図８に示す膨張機構１１０は構造が複雑であるという欠点がある。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、簡単な構造の膨張機構を用いて冷凍能力を大幅に増大させることができる冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を解決するため、請求項１記載の発明は、圧縮機、送風機を含む凝縮器、膨張機構及び送風機を含む蒸発器を冷媒配管で直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成する冷凍装置において、前記膨張機構を、円筒状のハウジングと、該ハウジング内に同心状に配された渦管とで構成し、前記渦管に形成されたノズルから冷媒を該渦管内に接線方向に噴出して渦管内に渦流を発生させ、該渦流を渦管端部から開放することによって冷媒を膨張させるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記凝縮器と前記膨張機構を接続する冷媒配管にプレ膨張弁を配置したことを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、プレ膨張弁を電子式膨張弁としたこと特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記膨張機構のハウジング内の前記渦管の端部と冷媒出口との間にバッフルを設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記バッフルを放射状に配列されたバッフルステー又は網状部材で構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、膨張機構によって冷媒を等エントロピ膨張させることができ、該膨張機構での冷媒の圧力損失が小さく抑えられ、蒸発器へ供給する冷媒の流量を極力減じることなく、冷媒のエンタルピ差をより大きく、且つ、冷媒温度を低くすることができるため、冷凍能力が大きくて効率の高い冷凍装置を得ることができる。
【００１９】
又、膨張機構には可動部が存在せず、且つ、簡単な構造を有しているため、該膨張機構の耐久性が高められるとともに、該膨張機構を多種多様な冷媒に適用することができ、この膨張機構を用いても、従来の冷凍サイクルを殆どそのまま使用することができるため、現在稼働中の冷凍装置を冷凍能力が大きい高効率なものに改良することも容易に可能である。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、冷媒が膨張機構に導入される以前にプレ膨張弁によって高圧液冷媒を断熱膨張させるようにしたため、冷媒が蒸発器３で蒸発し切れず、液冷媒のまま圧縮機に吸引されるという不具合の発生を防ぐことができるとともに、負荷変動に対応することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明によれば、プレ膨張弁をプログラム制御によって人為的に制御することができる電子式膨張弁としたため、ハンチングの発生を防ぐことができる。
【００２２】
請求項４及び５記載の発明によれば、ハウジング内の底部の液溜部にバッフルを設けたため、このバッフルによって冷媒の旋回運動が阻止され、液溜部に溜まった液冷媒が冷媒出口から正常に流出して蒸発器へと安定的に供給され、蒸発器での蒸発に供せられて所要の冷却が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る冷凍装置の基本構成を示す冷媒循環回路図、図２は同冷凍装置の膨張機構の断面図である。
【００２５】
本実施の形態に係る冷凍装置は、図１に示すように、圧縮機１、送風機２ａを含む凝縮器２、送風機３ａを含む蒸発器３及び本発明に係る膨張機構１０を冷媒配管４，５，６，７で接続して閉ループの冷媒循環回路を形成することによって構成されている。そして、冷媒配管５の途中にはプレ膨張弁８が設けられている。
【００２６】
次に、前記膨張機構１０の構成の詳細を図２に基づいて説明する。
【００２７】
膨張機構１０は、円筒容器状のハウジング１１を備えており、該ハウジング１１内は仕切壁１２によって上下のチャンバＳ１と拡大室Ｓ２とに区画されている。そして、ハウジング１１内には、該ハウジング１１の上壁の中央部から下方に向かって延びる円筒状の渦管１３が同心状に収容されており、該渦管１３は、仕切壁１２を貫通して拡大室Ｓ２まで延び、その下端は拡大室Ｓ２に開口している。
【００２８】
又、上記渦管１３のチャンバＳ１内に臨む上端部には、チャンバＳ１と渦管１３内とを連通する２つのノズル１４が渦管１３の内周面に対して接線方向に形成されている。
【００２９】
更に、ハウジング１１の上端外周部には、チャンバＳ１に開口するポート１５が設けられており、このポート１５には前記凝縮器２から延びる前記冷媒配管５が接続されている（図１参照）。又、ハウジング１１の底壁中央には、拡大室Ｓ２に開口するポート１６が設けられており、このポート１６には前記蒸発器３へと連なる前記冷媒配管６が接続されている。
【００３０】
次に、以上の構成を有する膨張機構１０を備えた冷凍装置の作用を図３に示すモリエル線図を参照しながら以下に説明する。
【００３１】
圧縮機１が駆動源である不図示の電動モータによって駆動されると、該圧縮機１によってガス冷媒が圧縮され（圧縮行程）、図３にａにて示す状態（圧力Ｐ2、エンタルピｉ2）の高温高圧のガス冷媒が冷媒配管４へと吐出され、このガス冷媒は、冷媒配管４を通って凝縮器２へと導入される。
【００３２】
凝縮器２では、高温高圧のガス冷媒が外気に凝縮熱Ｑ2を放出して図３のａ→ｂへと状態変化して液化し（凝縮行程）、図３にｂにて示す状態（圧力Ｐ2、エンタルピｉ3）の液冷媒となる。尚、このときの放熱量（凝縮熱）Ｑ2は（ｉ2−ｉ3）で表される。
【００３３】
そして、上述のように凝縮器２において液化した高圧の液冷媒は、冷媒配管５を流れる過程でプレ膨張弁８にて断熱膨張（等エンタルピ膨張）して図３に示すｂ→ｅ（圧力Ｐ2’、エンタルピｉ3）へと状態変化した後(プレ膨張行程)、膨張機構１０のポート１５からハウジング１１内のチャンバＳ１内に導入される。プレ膨張弁８では、凝縮器２で凝縮した冷媒の一部が断熱膨張し、その温度が或る程度降下するとともに、気液混合状態となって体積が増えた状態で膨張機構１０へと送られる。
【００３４】
膨張機構１０においては、チャンバＳ１内に導入された高圧の液冷媒は、２つのノズル１４から渦管１３内に接線方向に噴き出して渦管１３の内壁面を高速で回転する渦流を形成するため、渦管１３内の壁面静圧が上昇する。従って、渦管１３内の中心部には渦によって低圧部が生じ、この低圧部のために拡大室Ｓ２から渦管１３内にガス冷媒が自由に流入し、このガス冷媒の流入によって低圧部の圧力は上昇し、その結果、渦管１３内の壁面静圧は更に上昇する。
【００３５】
而して、渦管１３内の渦流によって上昇した壁面静圧は渦管１３の開放端で一気に開放されて降下するため、冷媒は温度降下して拡大室Ｓ２に吹き出される。つまり、冷媒が有する圧力エネルギーがノズル１４によって運動エネルギーに変換され、運動エネルギーによって形成された渦管１３内の渦流が壁面静圧に変換され、その壁面静圧が一気に開放されることによって冷媒が等エントロピ膨張し（膨張行程）、図３に示すｅ→ｃ（圧力Ｐ1、エンタルピｉ4）へと状態変化する。尚、膨張機構として膨張弁等の絞りを用いる場合には、冷媒は図３のｂ→ｃ’（圧力Ｐ1、エンタルピｉ3）へと状態変化する断熱膨張（等エンタルピ膨張）を行う。
【００３６】
而して、膨張機構１０の拡大室Ｓ２にて膨張した冷媒は、ハウジング１１の下端に開口するポート１６から冷媒配管６を通って蒸発器３へと導入される。そして、蒸発器３においては、低温低圧の液冷媒が周囲から蒸発熱Ｑ１を奪って図３のｃ→ｄへと状態変化して蒸発し（蒸発行程）、状態ｄ（圧力Ｐ1、エンダルピｉ1）のガス冷媒となる。この蒸発器３における液冷媒の蒸発によって冷却が行われ、蒸発時の吸熱量（蒸発潜熱）Ｑ1は（ｉ1−ｉ4）で表されるが、膨張機構として膨張弁等の絞りを用いた場合には前述のように冷媒は図３のｂ→ｃ’（圧力Ｐ1、エンタルピｉ3）へと状態変化する断熱膨張（等エンタルピ膨張）を行う。これに対して、本実施の形態では、前述のように冷媒は膨張機構１０において等エントロピ膨張して図３のｅ→ｃ（圧力Ｐ1、エンタルピｉ4）へと状態変化するため、図示のΔｉ（＝ｉ3−ｉ4）だけ吸熱量Ｑ２が増え、その分だけ当該冷凍装置の冷凍能力が高められる。
【００３７】
そして、蒸発器３において蒸発したガス冷媒は、冷媒配管７を通って圧縮機１へと吸引され、圧縮機１においては、図３に示す状態ｄ（圧力Ｐ1、エンタルピｉ1）のガス冷媒は、圧縮機１によって圧縮されて図３のｄ→ａ（圧力Ｐ2、エンタルピｉ2）へと状態変化し（圧縮行程）、以後、前記と同様の作用を繰り返す。ここで、圧縮機１の所要動力（モータ出力）Ｌは、図３において（ｉ2−ｉ1）で表される。
【００３８】
而して、本発明に係る冷凍装置においては、以上説明した冷凍サイクルが繰り返され、蒸発器３での冷媒の蒸発に伴う吸熱によって所要の冷凍が行われるが、本実施の形態によれば以下のような効果が得られる。
【００３９】
即ち、本実施の形態では、冷媒を等エントロピ膨張させる膨張機構１０を用いたため、該膨張機構１０での冷媒の圧力損失が小さく抑えられ、蒸発器３へ供給する冷媒の流量を極力減じることなく、冷媒のエンタルピ差をより大きく、且つ、冷媒温度を低くすることができ、冷凍能力が大きくて効率の高い冷凍装置を得ることができる。
【００４０】
又、膨張機構１０には可動部が存在しないため、該膨張機構１０の耐久性が高められるとともに、該膨張機構１０を多種多様な冷媒に適用することができ、この膨張機構１０を用いても、従来の冷凍サイクルを殆どそのまま使用することができるため、現在稼働中の冷凍装置を冷凍能力が大きい高効率なものに改良することも容易に可能である。
【００４１】
その他、本実施の形態では、プレ膨張弁８を設けたが、このプレ膨張弁８の開度を、蒸発器３の二次側である冷媒配管７を流れる冷媒の温度と圧力に基づいて制御すれば、冷媒が蒸発器３で蒸発し切れず、液冷媒のまま圧縮機に吸引されるという不具合の発生を防ぐことができるとともに、負荷変動に対応することができる。尚、プレ膨張弁８には機械式及び電子式の何れも使用可能であるが、プログラム制御によって人為的に制御することができる電子式のものを使用すればハンチングの発生を防ぐことができるというメリットが得られる。
次に、膨張機構の他の形態を図４〜図７に基づいて説明する。
【００４２】
図４は別形態に係る膨張機構の断面図、図５は同膨張機構内での冷媒の流れを示す断面図、図６は図５のＡ−Ａ線断面図、図７は他の形態に係る膨張機構の断面図であり、これらの図においては図２に示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。
【００４３】
図４〜図６に示す膨張機構１０’は、ハウジング１１内の底部の液溜部にバッフル１８を設けたことを特徴としており、バッフル１８は、図６に示すように、複数枚（図示例では、８枚）のバッフルステー１９を等角度ピッチで放射状に配列して構成されている。
【００４４】
而して、本形態に係る膨張機構１０’においては、ノズル１４から渦管１３内へと噴射される冷媒の噴流は、図５に示すように、渦管１３内に渦流３１を形成するが、この渦流３１は渦管１３の内壁に遠心力で押し付けられる状態になるために渦管１３の壁面静圧が上昇する。そして、冷媒が渦管１３から拡大室Ｓ２内に吹き出すとき、渦管１３の規制壁としての内壁から開放されると、壁面静圧は消えて無くなり、同時に冷媒温度も急激に降下するために低温冷媒が気液混合状態で拡大室Ｓ２内に吹き出す。
【００４５】
上述のように渦管１３の内壁による規制から開放されて温度降下した冷媒は、減速しながら拡大室Ｓ２の内壁に沿って旋回流３２になって降下する。そして、降下した冷媒は、拡大室Ｓ２の内壁とバッフル１８の間隙を通って液溜部１７へ流入し、更に膨張機構１０のポート１６へと流れるが、液溜部１７において冷媒の旋回流３２はバッフルステー１９にてその旋回運動が阻害されて止められる。
【００４６】
因みに、液溜部１７での冷媒の旋回運動を阻止しない場合には、液冷媒が旋回流、つまり渦を形成し、中央部に配置したポート１６は渦の中央となって低圧となるため、ポート１６から冷媒が流出しづらい現象が生じる。
【００４７】
而して、本形態に係る膨張機構１０では、ハウジング１１内の底部の液溜部１７にバッフル１８を設け、このバッフル１８によって冷媒の旋回運動を阻止するようにしたため、液溜部１７に溜まった液冷媒がポート１６から正常に流出して冷媒配管６を通って蒸発器３（図１参照）へと供給され、蒸発器３での蒸発に供せられて所要の冷却を行う。
【００４８】
尚、拡大室Ｓ２に流入した冷媒のうちのガス冷媒は、渦管１３の中心部に形成される低圧部へ向かって上昇して上昇流３３を引き起こし、低圧部の圧力上昇と渦流３１をより強く渦管１３の内壁に押し付けるため、渦管１３の壁面静圧を一層大きくするよう作用する。
【００４９】
又、図７に示す膨張機構１０”は、バッフル１８’として網状部材をハウジング１１内の底部に設置したことを特徴としており、この網状部材から成るバッフル１８’によっても拡大室Ｓ２での冷媒の旋回運動を阻止することができ、前記と同様の効果が得られる。尚、網状部材としては、バッフル機能を有しているものであれば任意のものを用いることができ、例えば、金属たわしのように細い金属が集まったもの、冷媒に対して安定な物質から成る連続発泡体等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る冷凍装置の基本構成を示す冷媒循環回路図である。
【図２】本発明に係る冷凍装置の膨張機構の断面図である。
【図３】本発明に係る冷凍装置における冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【図４】別形態に係る膨張機構の断面図である。
【図５】別形態に係る膨張機構内での冷媒の流れの状態を示す断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】別形態に係る膨張機構の断面図である。
【図８】従来の膨張機構の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１              圧縮機
２              凝縮器
２ａ            凝縮器の送風機
３              蒸発器
３ａ            蒸発器の送風機
４〜７          冷媒配管
８              プレ膨張弁
１０            膨張機構
１０’，１０”  膨張機構
１１            ハウジング
１２            仕切壁
１３            渦管
１４            ノズル
１５，１６      ポート
１７            液溜部
１８，１８’    バッフル
１９            バッフルステー
３１            渦流
３２            旋回流
３３            上昇流
Ｓ１            チャンバ
Ｓ２            拡大室
【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】
2009127920.tif 000009
【図８】
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