特開 2024-22092 冷凍装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024022092

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】冷凍装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20240208BHJP

   F25B 39/04 20060101ALI20240208BHJP

   F25B 41/37 20210101ALI20240208BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 331E

F25B1/00 396B

F25B39/04 C

F25B39/04 S

F25B41/37

F25B49/02 510C

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022125441

(22)【出願日】2022-08-05

(71)【出願人】

【識別番号】000239585

【氏名又は名称】フクシマガリレイ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100148138

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡

(72)【発明者】

【氏名】菊野 真二

(57)【要約】

【課題】非共沸混合冷媒を利用する冷凍装置において、蒸発器を所望の低温まで確実に冷却する。
【解決手段】凝縮器１９は、上流側の第１凝縮部４３と下流側の第２凝縮部４４とで構成されて、両凝縮部４３・４４の間から第２流路２２が分岐している。第１凝縮部４３で冷却された気液混相の非共沸混合冷媒のうち、気相の第１流体部分が第２凝縮部４４へ向かい、液相の第２流体部分が第２流路２２へ向かうように構成されている。第２流路２２には、第２流体部分を減圧する減圧部４８と、減圧後の第２流体部分を気化させる吸熱部４９とが設けられている。第１流路２１の第２凝縮部４４と膨張弁２０との間に、吸熱部４９と対になり熱交換器５６を構成する放熱部５５が設けられており、熱交換器５６において、第２凝縮部４４で冷却された第１流体部分が、第２流体部分と熱交換してさらに冷却される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非共沸混合冷媒が封入された冷凍装置であって、
少なくとも圧縮機（１８）と凝縮器（１９）と膨張弁（２０）と蒸発器（１１）を冷媒配管でループ状に接続してなる第１流路（２１）と、第１流路（２１）から分岐して膨張弁（２０）と蒸発器（１１）を迂回する第２流路（２２）とを備えており、
凝縮器（１９）が、上流側の第１凝縮部（４３）と下流側の第２凝縮部（４４）とで構成されて、両凝縮部（４３・４４）の間から第２流路（２２）が分岐しており、
第１凝縮部（４３）で冷却された気液混相の非共沸混合冷媒のうち、気相の第１流体部分が第２凝縮部（４４）へ向かい、液相の第２流体部分が第２流路（２２）へ向かうように構成されており、
第２流路（２２）には、第２流体部分を減圧する減圧部（４８）と、減圧後の第２流体部分を気化させる吸熱部（４９）とが設けられており、
第１流路（２１）の第２凝縮部（４４）と膨張弁（２０）との間に、吸熱部（４９）と対になり熱交換器（５６）を構成する放熱部（５５）が設けられており、
熱交換器（５６）において、第２凝縮部（４４）で冷却された第１流体部分が、第２流体部分と熱交換してさらに冷却されることを特徴とする冷凍装置。

【請求項2】

凝縮器（１９）が、筒状の入口ヘッダ（２５）および出口ヘッダ（２６）と、ヘッダ（２５・２６）どうしを繋ぐ多数本のチューブ（２７）と、隣接するチューブ（２７）の間に配置される放熱用のフィン（２８）とを備えるマイクロチャンネル熱交換器で構成されており、
各ヘッダ（２５・２６）が、仕切り（３３・３７）によって上流部（３４・３８）と下流部（３５・３９）に区分されており、
入口ヘッダ（２５）の上流部（３４）に、圧縮機（１８）の吐出管に接続される始端口（３６）が設けられており、
出口ヘッダ（２６）の上流部（３８）に、第１流路（２１）から第２流路（２２）への分岐点となる中間口（４０）が設けられており、
出口ヘッダ（２６）の下流部（３９）に、熱交換器（５６）の放熱部（５５）へと繋がる終端口（４１）が設けられており、
第１凝縮部（４３）が、入口ヘッダ（２５）の上流部（３４）から出口ヘッダ（２６）の上流部（３８）へ冷媒を導く一群のチューブ（２７）で構成されており、
第２凝縮部（４４）が、出口ヘッダ（２６）の上流部（３８）から入口ヘッダ（２５）の下流部（３５）へ冷媒を導く一群のチューブ（２７）と、該下流部（３５）から出口ヘッダ（２６）の下流部（３９）へ冷媒を導く一群のチューブ（２７）とで構成されている請求項１に記載の冷凍装置。

【請求項3】

中間口（４０）は出口ヘッダ（２６）の仕切り（３７）の上面に臨んでおり、
出口ヘッダ（２６）の仕切り（３７）からその上方に位置するチューブ（２７）までの上下方向距離が、該仕切り（３７）から中間口（４０）までの上下方向距離よりも大きい請求項２に記載の冷凍装置。

【請求項4】

凝縮器（１９）の１個所に、チューブ（２７）の隣接間隔が他よりも大きいギャップ部（６０）が設けられており、
ギャップ部（６０）の側方に出口ヘッダ（２６）の仕切り（３７）が配置されている請求項３に記載の冷凍装置。

【請求項5】

ギャップ部（６０）の通風抵抗を高める抵抗部材（６１）が配置されている請求項４に記載の冷凍装置。

【請求項6】

抵抗部材（６１）が、チューブ（２７）と平行なプレート（６２）と、フィン（２８）と同形でプレート（６２）を上下から挟むスペーサー（６３）とを含む請求項５に記載の冷凍装置。

【請求項7】

出口ヘッダ（２６）の仕切り（３７）の上面が中間口（４０）へ向かって下り傾斜している請求項３に記載の冷凍装置。

【請求項8】

第２流路（２２）を開閉する電磁弁（４７）を備えており、
第２流路（２２）に対するガス状冷媒の流入が検知された場合に、電磁弁（４７）が開状態から閉状態に切り換わる請求項１から７のいずれかひとつに記載の冷凍装置。

【請求項9】

第１流路（２１）における凝縮器（１９）の出口側に第１温度センサ（５１）が設けられており、
第２流路（２２）における減圧部（４８）の出口側に第２温度センサ（５２）が設けられており、
第２温度センサ（５２）で計測される第２流体部分の温度が、第１温度センサ（５１）で計測される第１流体部分の温度よりも所定温度以上高くなると、第２流路（２２）にガス状冷媒が流入しているとみなして電磁弁（４７）が閉状態に切り換わる請求項８に記載の冷凍装置。

【請求項10】

第２流路（２２）の減圧部（４８）がキャピラリチューブで構成されており、
第２凝縮部（４４）から熱交換器（５６）の放熱部（５５）へ向かう第１流体部分が、減圧部（４８）を流れる第２流体部分と熱交換して冷却される請求項１から７のいずれかひとつに記載の冷凍装置。

【請求項11】

第２凝縮部（４４）から熱交換器（５６）の放熱部（５５）へ向かう第１流体部分が、蒸発器（１１）から圧縮機（１８）へ向かう第１流体部分と熱交換して冷却される請求項１から７のいずれかひとつに記載の冷凍装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非共沸混合冷媒を利用する冷凍装置に関する。

【背景技術】

【0002】

沸点が異なる２種以上の冷媒の混合物すなわち非共沸混合冷媒を利用する冷凍装置は、相対的に高沸点の冷媒で低沸点の冷媒を冷却（凝縮）し、低温となった後者冷媒を蒸発器に送出して、被冷却対象を低温まで冷却するものである。この冷凍装置は、搭載される圧縮機が通常１台であることから、２台の圧縮機を搭載する二元冷凍装置などに比べて、小型かつ安価に製造することができる。

【0003】

このような非共沸混合冷媒（以下、単に混合冷媒と記す。）を利用する冷凍装置は、例えば特許文献１に開示されており公知である。特許文献１の冷凍装置は、冷凍サイクルを構成する圧縮機、第１凝縮器、第２凝縮器、第１膨張弁および蒸発器に加えて、混合冷媒を気相と液相に分離する気液分離器を備える。気液分離器は、第１凝縮器と第２凝縮器の間に配置されており、第１凝縮器から気液混相の混合冷媒を受け入れる流入ポートと、この混合冷媒のうち気相の第１流体部分を第２凝縮器へ向けて吐出する気体流出ポートと、液相の第２流体部分を吐出する液体流出ポートとを備える。第１流体部分の主成分は相対的に低沸点の第１冷媒であり、第２流体部分の主成分は相対的に高沸点の第２冷媒である。液体流出ポートから吐出された第２流体部分は、第２膨張弁で減圧されたのち第２凝縮器へ至り、そこを流れる第１流体部分を冷却する。第２流体部分により冷却されて凝縮した第１流体部分は、第１膨張弁で減圧されたのち蒸発器へ至り、被冷却対象を冷却する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１４８３５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の冷凍装置において、気液分離器から吐出された気相の第１流体部分は、第２凝縮器と第１膨張弁を経由して蒸発器へ至っており、第１流体部分を熱交換により冷却する機会が第２凝縮器のみに限られてしまっている。そのため、例えば外気温度が極めて高い環境下では、第１凝縮器における混合冷媒の空冷が不十分となり、第１流体部分が比較的高温のまま第２凝縮器に至り、結果として第１流体部分ひいては蒸発器を所望の低温まで冷却することができなくなるおそれがある。

【0006】

本発明の目的は、非共沸混合冷媒を利用する冷凍装置において、蒸発器を所望の低温まで確実に冷却することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、非共沸混合冷媒が封入された冷凍装置を対象とする。冷凍装置は、少なくとも圧縮機１８と凝縮器１９と膨張弁２０と蒸発器１１を冷媒配管でループ状に接続してなる第１流路２１と、第１流路２１から分岐して膨張弁２０と蒸発器１１を迂回する第２流路２２とを備える。凝縮器１９は、上流側の第１凝縮部４３と下流側の第２凝縮部４４とで構成されて、両凝縮部４３・４４の間から第２流路２２が分岐している。第１凝縮部４３で冷却された気液混相の非共沸混合冷媒のうち、気相の第１流体部分が第２凝縮部４４へ向かい、液相の第２流体部分が第２流路２２へ向かうように構成されている。第２流路２２には、第２流体部分を減圧する減圧部４８と、減圧後の第２流体部分を気化させる吸熱部４９とが設けられている。第１流路２１の第２凝縮部４４と膨張弁２０との間に、吸熱部４９と対になり熱交換器５６を構成する放熱部５５が設けられており、熱交換器５６において、第２凝縮部４４で冷却された第１流体部分が、第２流体部分と熱交換してさらに冷却されることを特徴とする。

【0008】

凝縮器１９が、筒状の入口ヘッダ２５および出口ヘッダ２６と、ヘッダ２５・２６どうしを繋ぐ多数本のチューブ２７と、隣接するチューブ２７の間に配置される放熱用のフィン２８とを備えるマイクロチャンネル熱交換器で構成されており、各ヘッダ２５・２６が、仕切り３３・３７によって上流部３４・３８と下流部３５・３９に区分されており、入口ヘッダ２５の上流部３４に、圧縮機１８の吐出管に接続される始端口３６が設けられており、出口ヘッダ２６の上流部３８に、第１流路２１から第２流路２２への分岐点となる中間口４０が設けられており、出口ヘッダ２６の下流部３９に、熱交換器５６の放熱部５５へと繋がる終端口４１が設けられており、第１凝縮部４３が、入口ヘッダ２５の上流部３４から出口ヘッダ２６の上流部３８へ冷媒を導く一群のチューブ２７で構成されており、第２凝縮部４４が、出口ヘッダ２６の上流部３８から入口ヘッダ２５の下流部３５へ冷媒を導く一群のチューブ２７と、該下流部３５から出口ヘッダ２６の下流部３９へ冷媒を導く一群のチューブ２７とで構成されている形態を採ることができる。

【0009】

中間口４０は出口ヘッダ２６の仕切り３７の上面に臨んでおり、出口ヘッダ２６の仕切り３７からその上方に位置するチューブ２７までの上下方向距離が、該仕切り３７から中間口４０までの上下方向距離よりも大きい形態を採ることができる。

【0010】

凝縮器１９の１個所に、チューブ２７の隣接間隔が他よりも大きいギャップ部６０を設け、ギャップ部６０の側方に出口ヘッダ２６の仕切り３７を配置することができる。

【0011】

ギャップ部６０の通風抵抗を高める抵抗部材６１を配置することができる。

【0012】

抵抗部材６１が、チューブ２７と平行なプレート６２と、フィン２８と同形でプレート６２を上下から挟むスペーサー６３とを含む形態を採ることができる。

【0013】

仕切り３７の上面が中間口４０へ向かって下り傾斜している形態を採ることができる。

【0014】

第２流路２２を開閉する電磁弁４７を備えており、第２流路２２に対するガス状冷媒の流入が検知された場合に、電磁弁４７が開状態から閉状態に切り換わる形態を採ることができる。

【0015】

第１流路２１における凝縮器１９の出口側に第１温度センサ５１が設けられており、第２流路２２における減圧部４８の出口側に第２温度センサ５２が設けられており、第２温度センサ５２で計測される第２流体部分の温度が、第１温度センサ５１で計測される第１流体部分の温度よりも所定温度以上高くなると、第２流路２２にガス状冷媒が流入しているとみなして電磁弁４７が閉状態に切り換わる形態を採ることができる。

【0016】

第２流路２２の減圧部４８がキャピラリチューブで構成されており、第２凝縮部４４から熱交換器５６の放熱部５５へ向かう第１流体部分が、減圧部４８を流れる第２流体部分と熱交換して冷却される形態を採ることができる。

【0017】

第２凝縮部４４から熱交換器５６の放熱部５５へ向かう第１流体部分が、蒸発器１１から圧縮機１８へ向かう第１流体部分と熱交換して冷却される形態を採ることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る冷却装置では、凝縮器１９を上流側の第１凝縮部４３と下流側の第２凝縮部４４とで構成し、第１凝縮部４３を通過して冷却された気液混相の非共沸混合冷媒のうち、気相の第１流体部分が第２凝縮部４４へ向かい、液相の第２流体部分が、両凝縮部４３・４４の間から分岐する第２流路２２へ向かうようにした。ここで、第１流体部分の主成分は、非共沸混合冷媒を構成する相対的に低沸点の冷媒であり、第２流体部分の主成分は相対的に高沸点の冷媒である。

【0019】

そのうえで本発明では、第２流路２２に減圧部４８と吸熱部４９を設けるとともに、第１流路２１の第２凝縮部４４と膨張弁２０との間に放熱部５５を設けた。そして、放熱部５５と吸熱部４９で構成される熱交換器５６において、第２凝縮部４４で冷却された第１流体部分が、第２流体部分と熱交換してさらに冷却されるようにした。このように、第２流体部分から分離した第１流体部分を複数個所で冷却すると、第１流体部分ひいては蒸発器１１を所望の低温まで確実に冷却することができる。

【0020】

本発明に係る凝縮器１９は、入口ヘッダ２５と出口ヘッダ２６を多数本のチューブ２７で繋いだマイクロチャンネル熱交換器で構成することができる。具体的には、各ヘッダ２５・２６を仕切り３３・３７によって上流部３４・３８と下流部３５・３９に区分し、入口ヘッダ２５の上流部３４に始端口３６を設け、出口ヘッダ２６の上流部３８に第２流路２２への分岐点となる中間口４０を設け、出口ヘッダ２６の下流部３９に終端口４１を設ける。そして第１凝縮部４３を、入口ヘッダ２５の上流部３４から出口ヘッダ２６の上流部３８へ冷媒を導く一群のチューブ２７で構成し、第２凝縮部４４を、出口ヘッダ２６の上流部３８から入口ヘッダ２５の下流部３５へ冷媒を導く一群のチューブ２７と、該下流部３５から出口ヘッダ２６の下流部３９へ冷媒を導く一群のチューブ２７とで構成することができる。このように、１個の凝縮器１９に第１凝縮部４３と第２凝縮部４４を設けると、各凝縮部４３・４４を個別の凝縮器で構成し、その間に気液分離器を配置する場合に比べて、冷凍装置の小型化と製造コストの削減を図ることができる。冷凍装置を構成する部材を削減することは、その製造時の溶接個所を減らして、冷媒漏れのリスクを低減することにも寄与する。

【0021】

出口ヘッダ２６の仕切り３７からその上方に位置するチューブ２７までの上下方向距離を、該仕切り３７から中間口４０までの上下方向距離よりも大きくすると、換言すれば、該仕切り３７の上面からチューブ２７を中間口４０よりも遠ざけると、第１凝縮部４３を通過して該仕切り３７の上面に滴下した第２流体部分を、中間口４０すなわち第２流路２２の側へ優先的に向かわせて、第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することを抑制することができる。このように、第２凝縮部４４へ向かう気相の第１流体部分に対する液相の第２流体部分の混入を抑制すると、第２凝縮部４４で第１流体部分を効率良く冷却することができ、また、蒸発器１１の入口から出口に向かって冷媒温度が上昇する現象いわゆる温度グライドを低減することができる。

【0022】

チューブ２７の隣接間隔が他よりも大きいギャップ部６０を設け、その側方に出口ヘッダ２６の仕切り３７を配置すると、該仕切り３７の上方に位置するチューブ２７を、該仕切り３７の上面からさらに遠ざけることができ、これにより、液相の第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することをより抑えることができる。

【0023】

仮にギャップ部６０が空洞であると、凝縮器１９を流れる熱交換風がギャップ部６０に集中し、その反作用でギャップ部６０の上下のチューブ群を流れる熱交換風が不足し、各チューブ２７を流れる冷媒が十分に冷却されないおそれがある。そこで本発明では、ギャップ部６０の通風抵抗を高める抵抗部材６１を配置した。これにより、熱交換風を上下のチューブ群へ向かわせて、各チューブ２７を流れる冷媒を的確に冷却することができる。

【0024】

抵抗部材６１が、チューブ２７と平行なプレート６２と、フィン２８と同形でプレート６２を上下から挟むスペーサー６３とを含むものであると、この抵抗部材６１でギャップ部６０の上側のチューブ群を支持することができる。また、抵抗部材６１自身はギャップ部６０の下側のチューブ群で支持されるようにして、凝縮器１９の全体の強度を高めることができる。

【0025】

仕切り３７の上面を中間口４０へ向かって下り傾斜させると、該仕切り３７の上面に滴下した第２流体部分をより確実に中間口４０すなわち第２流路２２の側へ向かわせて、第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することをより抑えることができる。

【0026】

第２流路２２に対するガス状冷媒の流入が検知された場合に、同流路２２を開閉する電磁弁４７を開状態から閉状態に切り換えると、ガス状冷媒が減圧部４８を流れ続けることによるその故障や不具合を防止することができる。

【0027】

減圧部４８の出口側における第２流体部分の温度が、凝縮器１９の出口側における第１流体部分の温度よりも所定温度以上高くなると、第２流路２２にガス状冷媒が流入しているとみなすことができる。これによれば、各流体部分の温度を計測する温度センサ５１・５２を設けるだけで、ガス状冷媒の流入を低コストで検知することができる。

【0028】

第２流路２２の減圧部４８をキャピラリチューブで構成し、第２凝縮部４４から熱交換器５６の放熱部５５へ向かう第１流体部分が、減圧部４８を流れる第２流体部分と熱交換して冷却されるようにすると、第１流体部分が冷却される機会をさらに増やして、第１流体部分ひいては蒸発器１１を所望の低温までより確実に冷却することができる。

【0029】

第２凝縮部４４から熱交換器５６の放熱部５５へ向かう第１流体部分が、蒸発器１１から圧縮機１８へ向かう第１流体部分と熱交換して冷却されるようにすると、第１流体部分が減圧前に冷却される機会をさらに増やして、第１流体部分ひいては蒸発器１１を所望の低温までより確実に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の回路図である。

【図2】同冷凍装置が搭載された急速冷凍庫の正面図である。

【図3】同急速冷凍庫で冷却される蓄冷材とコンテナの斜視図である。

【図4】同冷凍装置を構成する凝縮器の構成図である。

【図5】凝縮器を構成するチューブの断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る冷凍装置を構成する凝縮器の構成図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る冷凍装置を構成する凝縮器の構成図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る冷凍装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

（第１実施形態） 本発明に係る冷凍装置を蓄冷材用の急速冷凍庫に適用した第１実施形態を図１ないし図５に示す。本実施形態における前後、左右、上下とは、図２および図４に示す交差矢印と、各矢印の近傍に表記した前後、左右、上下の表示に従う。図２において急速冷凍庫１は、前面が開口する断熱箱体からなる庫本体２と、該開口を開閉する扉３とを備える。庫本体２と扉３で囲まれる庫内４は、垂直な隔壁５で左側の収容室６と右側の冷却室７とに区分されている。収容室６には、多数の通気孔を有する棚板８が上下多段状に設置されており、各棚板８には蓄冷材Ｍを収容するコンテナＣ（図３参照）が載置される。コンテナＣの壁面にも多数の通気孔が形成されている。

【0032】

冷却室７の上下中央には、冷凍装置１０を構成する蒸発器１１が設けられており、その上下それぞれに庫内ファン１２が設けられている。隔壁５において、各庫内ファン１２に正対する部分には一群の吹出孔１３が形成されており、蒸発器１１に正対する部分には一群の吸込孔１４が形成されている。庫内ファン１２が駆動することにより、蒸発器１１で冷却された庫内空気が吹出孔１３から収容室６へ吹き出され、同空気は棚板８上のコンテナＣを冷却したのち吸込孔１４から冷却室７へ吸い込まれる。

【0033】

庫本体２の上側に画成された機械室１７には、蒸発器１１と共に冷凍装置１０を構成する圧縮機１８と凝縮器１９などが収容されている。図１において冷凍装置１０は、圧縮機１８と凝縮器１９と膨張弁２０と蒸発器１１などを冷媒配管でループ状に接続してなる第１流路２１と、凝縮器１９の中途部で第１流路２１から分岐して蒸発器１１と圧縮機１８の間で第１流路２１に合流する第２流路２２とを備える。この冷凍装置１０には、沸点が異なる２種の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒（以下、単に混合冷媒と記す。）が封入されている。

【0034】

図４に示すように凝縮器１９は、マイクロチャンネル熱交換器で構成されており、上下に伸びる中空状の入口ヘッダ２５および出口ヘッダ２６と、ヘッダ２５・２６どうしを繋いで水平に伸びる多数本の扁平なチューブ２７と、上下に隣接するチューブ２７・２７の間にそれぞれ配置される放熱用のフィン２８とを備える。各チューブ２７の内部には、表面張力の影響が現れる数ミリ径以下の多数本のチャンネル２９が形成されている（図５参照）。各フィン２８は、波状に湾曲してその上下のチューブ２７に当接しており、凝縮器ファン３０（図１参照）は、チューブ２７とフィン２８で囲まれる細長い空間と平行な（図４で紙面に直交する方向の）熱交換風を凝縮器１９へ送給する。

【0035】

入口ヘッダ２５は、凝縮器１９の上下中央よりも上方に配置された仕切り３３によって、上側の上流部３４と下側の下流部３５とに区分されており、このうち上流部３４に、圧縮機１８の吐出管に接続される始端口３６が設けられている。出口ヘッダ２６は、凝縮器１９の上下中央よりも下方に配置された仕切り３７によって、上側の上流部３８と下側の下流部３９とに区分されている。出口ヘッダ２６の上流部３８には、第１流路２１から第２流路２２への分岐点を構成する中間口４０が設けられており、同下流部３９には、後述する熱交換器５６を介して膨張弁２０へと繋がる終端口４１が設けられている。

【0036】

圧縮機１８から吐出されたガス状の混合冷媒は、始端口３６を介して入口ヘッダ２５の上流部３４に流れ込み、そこから出口ヘッダ２６の上流部３８へ向かってチューブ２７を流れる。入口ヘッダ２５と出口ヘッダ２６の上流部３４・３８どうしを繋ぎ、混合冷媒を流す一群のチューブ２７が、本発明の第１凝縮部４３を構成する。第１凝縮部４３を流れる間に混合冷媒は空冷され、その一部が凝縮する。つまり混合冷媒は、気液混相の状態で出口ヘッダ２６の上流部３８へ流れ込む。当該上流部３８における混合冷媒の気相部分を以下では第１流体部分と呼称し、同液相部分を第２流体部分と呼称する。混合冷媒を構成する低沸点冷媒と高沸点冷媒のうち、前者は第１流体部分の主成分となり、後者は第２流体部分の主成分となる。

【0037】

出口ヘッダ２６の上流部３８に至った混合冷媒のうち第１流体部分（気相）は、該上流部３８の下半部へ移動し、そこから入口ヘッダ２５の下流部３５へ向かってチューブ２７を流れる。入口ヘッダ２５の下流部３５に至った第１流体部分は、該下流部３５の下半部へ移動し、そこから出口ヘッダ２６の下流部３９へ向かってチューブ２７を流れて、最終的に該下流部３９に設けられた終端口４１に至る。つまり第１流体部分は、出口ヘッダ２６の上流部３８で第２流体部分と分離した後、二本のチューブ２７を流れて空冷される。出口ヘッダ２６の上流部３８から入口ヘッダ２５の下流部３５へ第１流体部分を導く一群のチューブ２７と、該下流部３５から出口ヘッダ２６の下流部３９へ第１流体部分を導く一群のチューブ２７とが、本発明の第２凝縮部４４を構成する。

【0038】

一方、混合冷媒のうち第２流体部分（液相）は、出口ヘッダ２６の上流部３８を仕切り３７の上面へ向かって滴下する。当該上面に臨む出口ヘッダ２６の壁面に中間口４０が形成されており、この中間口４０から第２流体部分が第２流路２２へと流出するように構成されている。図４に拡大して示すように、中間口４０の下縁の上下位置は仕切り３７の上面と略等しい。仕切り３７の上下位置は、上下に隣接するチューブ２７の間で、かつ、その中間よりも下方とされている。このように、仕切り３７を下側のチューブ２７に寄せて配置して、仕切り３７からその上方に位置するチューブ２７までの上下方向距離を、該仕切り３７から中間口４０までの上下方向距離よりも大きくすると、換言すれば、該仕切り３７の上面からチューブ２７を中間口４０よりも遠ざけると、第１凝縮部４３を通過して該仕切り３７の上面に滴下した第２流体部分を、中間口４０すなわち第２流路２２の側へ優先的に向かわせて、第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することを抑制することができる。

【0039】

図１に示すように第２流路２２には、同流路２２を開閉する電磁弁４７と、キャピラリチューブで構成される減圧部４８と、減圧後の第２流体部分を気化させる吸熱部４９とが、上流側から記載順に配置されている。吸熱部４９で気化した第２流体部分は、蒸発器１１の下流側で第１流路２１に流入し、アキュムレータ５０を経て圧縮機１８へ戻る。

【0040】

電磁弁４７は通常は開状態に保持される。ただし、冷凍装置１０の過負荷時などには、第１凝縮部４３（凝縮器１９）で放熱不足が生じて冷媒が十分に凝縮せず、結果として第２流路２２にガス状冷媒が流入することがあり、このような場合には減圧部４８を保護すべく電磁弁４７が閉状態に切り換わる。この制御を可能とするため、第１流路２１における凝縮器１９の出口側に第１温度センサ５１が設けられており、第２流路２２における減圧部４８の出口側に第２温度センサ５２が設けられている。第２温度センサ５２で計測される第２流体部分の温度Ｔ２が、第１温度センサ５１で計測される第１流体部分の温度Ｔ１よりも所定温度α以上高くなると（Ｔ２≧Ｔ１＋α）、第２流路２２をガス状冷媒が流れているとみなして電磁弁４７が閉状態に切り換わる。電磁弁４７を閉じてから所定時間（例えば１０分間）が経過すると、電磁弁４７は再び開放される。

【0041】

一方、凝縮器１９の終端口４１から流れ出た第１流体部分は、ドライヤ５３を経てまずは第２流路２２の減圧部４８の近傍を通過し、該減圧部４８を流れる第２流体部分と熱交換して冷却される。つまり減圧部４８は、その近傍を通る第１流路２１の冷媒配管と共に補助熱交換器５７を構成する。補助熱交換器５７を通過した第１流体部分は自己熱交換器５４に至る。この自己熱交換器５４では、高圧（膨張弁２０の上流側）と低圧（蒸発器１１の下流側）の第１流体部分どうしの熱交換が行われる。詳しくは、補助熱交換器５７から流れ込む高圧の第１流体部分が、蒸発器１１からアキュムレータ５０へ向かう低圧の第１流体部分により冷却される。

【0042】

補助熱交換器５７と自己熱交換器５４を通過した高圧の第１流体部分は放熱部５５に至る。この放熱部５５は、第２流路２２の吸熱部４９と対になり熱交換器５６を構成する。吸熱部４９には、減圧部４８で減圧された第２流体部分が流れており、この第２流体部分が気化するときに放熱部５５から熱を奪うことで、第１流体部分は効果的に冷却される。

【0043】

以上のように、凝縮器１９の第１凝縮部４３を経て第２流体部分と分離した第１流体部分は、第２凝縮部４４と補助熱交換器５７と自己熱交換器５４と熱交換器５６（放熱部５５）を順に通過し、これらを流れる間に十分に冷却されて凝縮する。凝縮した第１流体部分は、膨張弁２０で減圧されたのち蒸発器１１へ至り、急速冷凍庫の庫内４の空気を的確に冷却する。高沸点冷媒を主成分とする第２流体部分を第２流路２２へと分岐させ、低沸点冷媒を主成分とする第１流体部分のみを蒸発器１１へ導くと、蒸発器１１の入口から出口に向かって冷媒温度が上昇する現象いわゆる温度グライドを低減することができる。

【0044】

凝縮器１９を、入口ヘッダ２５と出口ヘッダ２６を多数本のチューブ２７で繋いだマイクロチャンネル熱交換器で構成し、１個の凝縮器１９に第１凝縮部４３と第２凝縮部４４を設けると、各凝縮部４３・４４を個別の凝縮器で構成し、その間に気液分離器を配置する場合に比べて、冷凍装置１０の小型化と製造コストの削減を図ることができる。冷凍装置１０を構成する部材を削減することは、その製造時の溶接個所を減らして、冷媒漏れのリスクを低減することにも寄与する。

【0045】

出口ヘッダ２６の仕切り３７の上面からチューブ２７を中間口４０よりも遠ざけると、第１凝縮部４３を通過して該仕切り３７の上面に滴下した第２流体部分を、中間口４０すなわち第２流路２２の側へ優先的に向かわせることができる。このように、第２凝縮部４４へ向かう気相の第１流体部分に対する液相の第２流体部分の混入を抑制すると、第２凝縮部４４で第１流体部分を効率良く冷却することができ、また、蒸発器１１における温度グライドを低減することができる。

【0046】

（第２実施形態） 本発明の第２実施形態に係る冷凍装置の凝縮器１９を図６に示す。この凝縮器１９は、チューブ２７の隣接間隔が他よりも大きいギャップ部６０を備える点で第１実施形態と相違する。ギャップ部６０の上下寸法は、ギャップ部６０を除くチューブ２７の隣接ピッチの約３倍に設定されており、このギャップ部６０の下端部の側方に出口ヘッダ２６の仕切り３７と中間口４０とが配置されている。またギャップ部６０には、その通風抵抗を高める抵抗部材６１が配置されている。具体的には、抵抗部材６１は、チューブ２７と平行な２枚の金属製のプレート６２と、これらプレート６２を上下から挟む３枚のスペーサー６３とで構成される。プレート６２はチューブ２７と同等の上下厚みを有し、スペーサー６３はフィン２８と同一の素材で同一の形状に形成されている。プレート６２は熱伝導率の高いアルミニウムで形成されており、スペーサー６３と共に放熱作用を発揮する。他は第１実施形態と同様であるため、同じ部材には同じ符号を付してその説明を省略する。第３実施形態以降においても同様とする。

【0047】

チューブ２７の隣接間隔が他よりも大きいギャップ部６０を設け、その側方に出口ヘッダ２６の仕切り３７を配置すると、該仕切り３７の上方に位置するチューブ２７を、該仕切り３７の上面からさらに遠ざけることができ、これにより、液相の第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することをより抑えることができる。

【0048】

ギャップ部６０の通風抵抗を高める抵抗部材６１を配置すると、凝縮器１９を流れる熱交換風がギャップ部６０に集中するのを避けて、これを上下のチューブ群へ向かわせて、各チューブ２７を流れる冷媒を的確に冷却することができる。また抵抗部材６１が、チューブ２７と平行なプレート６２と、フィン２８と同形でプレート６２を上下から挟むスペーサー６３とを含むものであると、この抵抗部材６１でギャップ部６０の上側のチューブ群を支持することができる。また、抵抗部材６１自身はギャップ部６０の下側のチューブ群で支持されるようにして、凝縮器１９の全体の強度を高めることができる。

【0049】

（第３実施形態） 本発明の第３実施形態に係る冷凍装置の凝縮器１９を図７に示す。この凝縮器１９は、その全体が入口ヘッダ２５から出口ヘッダ２６へ向かって緩やかに下り傾斜している点で第１実施形態と相違する。出口ヘッダ２６の仕切り３７の上面も、中間口４０へ向かって下り傾斜しており、これによれば、該仕切り３７の上面に滴下した第２流体部分をより確実に中間口４０すなわち第２流路２２の側へ向かわせて、第２流体部分がチューブ２７（第２凝縮部４４）の側へ流出することをより抑えることができる。

【0050】

（第４実施形態） 本発明に係る冷凍装置の第４実施形態を図８に示す。本実施形態では第１凝縮部４３と第２凝縮部４４がそれぞれ個別の凝縮器、例えばフィンチューブ式熱交換器で構成されており、両凝縮部４３・４４の間に気液分離器７０が配置されている。気液分離器７０の流入ポートは第１凝縮部４３の出口に接続され、気体流出ポートは第２凝縮部４４の入口に接続され、液体流出ポートは第１流路２１から第２流路２２への分岐点を構成する。

【0051】

本発明に係る冷凍装置の適用対象は、第１実施形態で示した蓄冷材用の急速冷凍庫に限られず、食品用の冷凍庫や冷凍ショーケース、または製氷機などの各種の冷却機器に適用することができる。

【符号の説明】

【0052】

１０ 冷凍装置
１１ 蒸発器
１８ 圧縮機
１９ 凝縮器
２０ 膨張弁
２１ 第１流路
２２ 第２流路
２５ 入口ヘッダ
２６ 出口ヘッダ
２７ チューブ
２８ フィン
３３ 入口ヘッダの仕切り
３４ 入口ヘッダの上流部
３５ 入口ヘッダの下流部
３６ 始端口
３７ 出口ヘッダの仕切り
３８ 出口ヘッダの上流部
３９ 出口ヘッダの下流部
４０ 中間口
４１ 終端口
４３ 第１凝縮部
４４ 第２凝縮部
４８ 減圧部
４９ 吸熱部
５１ 第１温度センサ
５２ 第２温度センサ
５４ 自己熱交換器
５５ 放熱部
５６ 熱交換器
５７ 補助熱交換器
６０ ギャップ部
６１ 抵抗部材
６２ プレート
６３ スペーサー
７０ 気液分離器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】