CN103403475A - 超临界循环以及利用了该超临界循环的热泵供给热水机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力设定得低些以降低制造成本、且能够使各设备的壁厚变薄以谋求与之相应的性能提高的超临界循环以及利用了超临界循环的热泵供给热水机。在将压缩机(9)、散热器(11)、第1电子膨胀阀(12)、中间压力容器(13)、第2电子膨胀阀(16A、16B)、以及蒸发器(17A、17B)按该顺序进行配管连接由此构成冷媒回路(21)的超临界循环中，在第1电子膨胀阀(12)的下游侧设置对中间压力进行检测的压力传感器(34)，并设有当该压力传感器(34)的检测值满足了规定的中间压力条件时禁止第1电子膨胀阀(12)向开放方向的控制的控制部件(35)。

Description

超临界循环以及利用了该超临界循环的热泵供给热水机
技术领域
本发明涉及使高压侧(压缩机喷出侧)的压力成为冷媒的临界压力以上的超临界蒸汽压缩式制冷循环(以下在本发明中称作“超临界循环”。)以及利用了该循环的热泵供给热水机。
背景技术
在利用了CO2冷媒等的超临界循环中，通常使构成冷媒回路的设备类的设计压力与该系统中的最大压力对应起来进行设计，但是却需要提高设备类的耐压性能。因此，制造成本变高且壁厚变厚，由此有时传热时的损耗会增大而导致性能下降。尤其是，在具有冷媒仅在单一方向上循环的制冷循环的系统中，高压侧膨胀阀以后的冷媒回路的压力在通常运转时低于高压侧的压力，但在过渡性运转时压力有时会有所上升。因此，以该系统的最大压力进行设计为实情。
此外，由专利文献1已经提出了如下构成，即：在超临界循环的冷媒回路中，在散热器与蒸发器之间设置第1膨胀阀、中间压力容器(气液分离器)以及第2膨胀阀，利用第1膨胀阀来对从散热器流出的冷媒进行减压，并且对散热器出口的冷媒压力进行控制，由此将循环的效率维持在最适值。进而，由专利文献2已经提出了如下构成，即：在同样的超临界循环中，在散热器与蒸发器之间设置电磁阀、第1减压装置、中间压力容器以及第2减压装置，由压力传感器对中间压力容器内的压力进行检测并开闭电磁阀，由此将中间压力容器内的压力确保在规定压力，以防止送往蒸发器的冷媒量的下降、即制冷循环的能力的下降。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-115470号公报
专利文献2：日本发明专利第3326835号公报
发明内容
发明概要
发明要解决的课题
然而，上述专利文献1、2所记载的内容是通过第1膨胀阀或第1减压装置将冷媒压力从高压减压成中间压力，并非是将第1膨胀阀或第1减压装置以后的冷媒回路的压力控制为规定的中间压力条件以下的压力，以将中间压力的压力上升抑制在一定值以下的压力。因此，即便在过渡性运转条件下有时第1膨胀阀或第1减压装置以后的压力会超过超临界压力而使得冷媒仅在一个方向上循环的系统中，也需要以系统的最大压力来设计第1膨胀阀或第1减压装置以后的设备类，没有避开由此引起的成本上升、性能下降。
此外，在具备将由中间压力容器(气液分离器)分离出的中间压力的冷媒气体向压缩机进行喷射的回路的超临界循环中，上述情况下的、超过了超临界压力的较高压力的临界状态的冷媒(接近于液冷媒的状态的冷媒)有可能经由气体喷射回路而向压缩机进行喷射，这曾成为压缩机的故障、损伤等的要因。
本发明正是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些以降低制造成本，并且能够使各设备的壁厚变薄以谋求与之相应的性能提高的超临界循环以及利用了该超临界循环的热泵供给热水机。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述的课题，本发明的超临界循环以及利用了该超临界循环的热泵供给热水机采用以下技术方案。
即、本发明的第1方式涉及的超临界循环是将压缩机、散热器、第1电子膨胀阀、中间压力容器、第2电子膨胀阀、以及蒸发器按照该顺序进行配管连接由此构成冷媒回路的超临界循环，在所述第1电子膨胀阀的下游侧设置对中间压力进行检测的压力传感器，并设有当该压力传感器的检测值满足了规定的中间压力条件时禁止所述第1电子膨胀阀向开放方向的控制的控制部件。
根据本发明的第1方式，在第1电子膨胀阀的下游侧设置对中间压力进行检测的压力传感器，并设有当该压力传感器的检测值满足了规定的中间压力条件时禁止第1电子膨胀阀向开放方向的控制的控制部件。因此，即便在将第1电子膨胀阀以后的压力始终控制在规定的中间压力条件以下的压力、过渡时压力有所上升的情形下，也能将压力的上升抑制在一定值以下的值。因此，能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些以降低各自的制造成本，并且通过使各设备的壁厚变薄，从而能够减小传热时的损耗等，以谋求与之相应的性能提高。其中，在利用了CO2冷媒的情况下，由于其临界压力为约7.2MPa，因此针对散热器等的设计压力例如为14MPa的情况，即便将中间压力容器以后的设备类的设计压力设定得稍高于临界压力，也能成为耐得住其大约一半的压力的设计，通过简单计算也能够推定出可使壁厚变为大致一半。
进而，在上述的超临界循环中，所述中间压力容器被作为带有气液分离功能的容器，并设有将由该中间压力容器分离出的中间压力冷媒气体向所述压缩机进行喷射的气体喷射回路。
根据本发明的第1方式，中间压力容器被作为带有气液分离功能的容器，并设有将由该中间压力容器分离出的中间压力冷媒气体向压缩机进行喷射的气体喷射回路。因此，经由气体喷射回路而将由中间压力容器分离出的中间压力冷媒气体向压缩机进行喷射，从而利用其节约效果能够提高能力以及制冷系数(COP)。此时，通过第1电子膨胀阀能够始终将向压缩机喷射的中间压力冷媒的压力控制在规定的中间压力条件以下的压力。由此，不用将较高压力的冷媒、例如临界状态的冷媒向压缩机喷射，便能够防止喷射相应冷媒所引起的压缩机的故障、损伤等。
进而，在上述的任一个超临界循环中，所述中间压力条件被设定为与所述第1电子膨胀阀相比被设在下游侧的设备类的设计压力以下。
根据本发明的第1方式，中间压力条件被设定为与第1电子膨胀阀相比被设在下游侧的设备类的设计压力以下。因此，通过将该设定压力作为阈值来禁止第1电子膨胀阀向开放方向的控制，从而超临界循环中的中间压力以及低压不会超过与第1电子膨胀阀相比被设在下游侧的中间压力容器等的中间压力设备类、或者蒸发器等的低压设备类的设计压力。因此，能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力设定得低些以降低它们的制造成本，并且通过使各设备类的壁厚变薄，从而能够减小传热时的损耗等，以谋求传热性能的提高。
进而，本发明的第2方式涉及的热泵供给热水机具备上述任一个超临界循环，所述散热器被作为使冷媒和水进行热交换来加热水的冷媒/水热交换器，通过该冷媒/水热交换器能制造温水。
根据本发明的第2方式，具备上述任一个超临界循环，该散热器被作为使冷媒和水进行热交换来加热水的冷媒/水热交换器，经由该冷媒/水热交换器可以制造温水。因此，在通过热泵循环使超临界循环运转来制造温水时，即便在如高外部气温时、高温入水时等那样高压、中间压力易于变高的运转条件下，也能够始终将第1电子膨胀阀以后的压力控制在规定的中间压力条件以下的压力，将压力的上升抑制在一定值以下的值，以稳定地运转。因此，能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些，以低成本制造热泵供给热水机，且通过使各设备类的壁厚变薄，也能减小传热时的损耗等，利用由此带来的性能提高，能够谋求热泵供给热水机的能力增强以及高性能化。
发明效果
根据本发明的第1方式涉及的超临界循环，即便在将第1电子膨胀阀以后的压力始终控制在规定的中间压力条件以下的压力、过渡时压力有所上升的情形下，也能将压力的上升抑制在一定值以下的值，因此能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些以降低各自的制造成本，并且通过使各设备的壁厚变薄，从而能够减小传热时的损耗等，以谋求与之相应的性能提高。
根据本发明的第2方式涉及的热泵供给热水机，在通过热泵循环使超临界循环运转来制造温水时，即便在如高外部气温时、高温入水时等那样高压、中间压力易于变高的运转条件下，也能够始终将第1电子膨胀阀以后的压力控制在规定的中间压力条件以下的压力，将压力的上升抑制在一定值以下的值，以稳定地运转，因此能够将中间压力容器以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些，以低成本制造热泵供给热水机，且通过使各设备类的壁厚变薄，也能减小传热时的损耗等，利用由此带来的性能提高，能够谋求热泵供给热水机的能力增强以及高性能化。
附图说明
图1是适用了本发明的一实施方式涉及的超临界循环的热泵供给热水机的冷媒回路图。
图2是适用了图1所示的超临界循环的热泵供给热水机的冷媒回路的莫里尔线图。
图3是用于将适用了图1所示的超临界循环的热泵供给热水机的中间压力控制在规定的中间压力条件以下的压力的控制状态图。
具体实施方式
以下，参照图1至图3，对本发明的一实施方式进行说明。
在图1中示出适用了本发明的一实施方式涉及的超临界循环的热泵供给热水机的冷媒回路图，在图2中示出其莫里尔线图。
适用了本实施方式的超临界循环的热泵供给热水机1具备：利用了CO2冷媒的超临界循环热泵2、和与省略图示的存贮热水罐单元相连接的水循环系统路线3。
存贮热水罐单元侧的水循环系统路线3与省略图示的存贮热水罐以及供水系统相连接，并具备与超临界循环热泵2中的散热器(冷媒/水热交换器)11的水侧流路相连接的供水侧系统路线3A、和取出由该冷媒/水热交换器11制造出的温水的温水取出侧系统路线3B，在供水侧系统路线3A设有水泵4以及流量控制阀5。
超临界循环热泵2由按如下方式形成的闭合循环的冷媒回路21构成，即：于密封腔6内内置有低级侧压缩机7以及高级侧压缩机8的2级压缩机(压缩机)9、对冷媒气体中的油进行分离的油分离器10、对冷媒气体进行散热的散热器(冷媒/水热交换器)11、将冷媒减压成中间压力的第1电子膨胀阀12、带有气液分离功能的中间压力容器13、对中间压力冷媒和向2级压缩机9吸入的低压冷媒进行热交换的内部热交换器14、过冷却线圈15A、15B、将中间压力冷媒减压成低温低压的气液二相冷媒的第2电子膨胀阀16A、16B、使从省略了图示的送风机送风的外部气体和冷媒进行热交换的多台蒸发器(空气热交换器)17A、17B、以及被串联连接的第1储蓄器18以及第2储蓄器19，依次经由冷媒配管20相连接。
冷媒回路21中的设于下游侧的第2储蓄器19与上游侧的第1储蓄器18相比也可容积小，能够构成为相对于2级压缩机9的密封腔6外周而经由托架等一体式设置。
此外，超临界循环热泵2的散热器11，在一方的冷媒侧流路上使从2级压缩机9喷出的高温高压的冷媒气体循环，在另一方的水侧流路上经由水循环系统路线3使水循环，由此能够被作为对水和冷媒气体进行热交换的冷媒/水热交换器。而且，在该冷媒/水热交换器11中被构成为利用高温高压的冷媒气体来加热水由此制造温水。
在上述超临界循环热泵2的冷媒回路21中连接有回油回路22，该回油回路22将来自2级压缩机9的由被设于冷媒喷出配管20A的油分离器10分离出的油返回到2级压缩机9的冷媒吸入配管20B侧。在该回油回路22中，设有对流经后述的气体喷射回路31的冷媒和油进行热交换的二重管式热交换器23、和由电磁阀24以及两根毛细管25A、25B的并联回路构成的回油量调整机构26。回油回路22被连接在第1储蓄器18与第2储蓄器19之间的冷媒吸入配管20B。
在上述冷媒回路21中，热气体旁路回路27被连接在冷媒喷出配管20A与蒸发器17A、17B的冷媒入口侧之间，该热气体旁路回路27在低外部气温下的运转时等在蒸发器17A、17B的表面生成了霜的情况下，用于将从2级压缩机9喷出的高温高压的热气体冷媒导入到蒸发器17A、17B来对该霜进行除霜。在该热气体旁路回路27中，设有在探测到生成霜时被开闭的电磁阀28、冷媒流量调整用的毛细管29以及止回阀30A、30B等。
此外，在冷媒回路21中设有气体喷射回路31，该气体喷射回路31将由带有气液分离功能的中间压力容器13分离出的中间压力冷媒气体经由设于回油回路22的二重管式热交换器23而向被作为2级压缩机9的中间压力气体气氛的密封腔6内进行喷射。为了防止临界状态的冷媒向2级压缩机9喷射，在该气体喷射回路31中设有在CO2冷媒的临界压力下开闭气体喷射回路31的电磁阀32以及止回阀33。
进而，在本实施方式中构成为，在将冷媒减压成中间压力的第1电子膨胀阀12的下游侧的冷媒回路21中设置对中间压力进行检测的压力传感器34，并且设有当该压力传感器34的检测值满足了规定的中间压力条件时禁止第1电子膨胀阀12向开放方向的控制的控制部件35。也就是说，控制部件35如图3所示那样进行动作，即：如果压力传感器34的检测值超过被设定为比CO2冷媒的临界压力(约7.2MPa)稍高的值的设定压力A，则判定为满足规定的中间压力条件，禁止第1电子膨胀阀12向开放方向的控制(禁止向开放方向的运算)，如果压力传感器34的检测值相对于设定压力A而变为具有一定滞后现象的设定压力B以下，则中止该控制的禁止。此外，在本例中，也可如果超过设定压力A，则禁止第1电子膨胀阀12向开放方向的控制，但是也可以在禁止向开放方向的控制的基础上，暂时关闭第1电子膨胀阀12。
第1电子膨胀阀12通常对高压的冷媒进行减压，并且基于散热器11出口的冷媒温度来控制散热器11出口的冷媒压力，为了将循环的效率维持在最适值而被控制，但是也可构成为具备让该通常控制优先地如上所述那样控制中间压力以满足规定的中间压力条件的控制系统。此外，在本实施方式中，也可将设定压力A设定为稍高于CO2冷媒的临界压力(约7.2MPa)的值，以控制电磁阀32的频繁的ON/OFF动作，但是也可设定为临界压力。
根据以上说明的构成，通过本实施方式起到以下的作用效果。
在热泵供给热水机1中，如果利用了CO2冷媒的超临界循环热泵2运转，则被2级压缩机9进行过2级压缩的高温高压的冷媒气体，在由油分离器10分离出冷媒中的油之后，被导入到散热器(冷媒/水热交换器)11中，在此与从水循环系统路线3的供水侧系统路线3A向水侧流路流通的水进行热交换。该水被来自高温高压冷媒气体的散热进行加热，被升温之后，经由温水取出侧系统路线3B而返回到存贮热水罐(省略图示)，直到存贮热水罐内的存贮热水量达到规定量为止，由散热器(冷媒/水热交换器)11连续地持续进行冷媒与水的热交换，如果存贮热水量达到规定量，则存贮热水运转结束。
由散热器11与水进行热交换而被冷却后的冷媒，通过为了将循环的效率维持在最适值而被控制的第1电子膨胀阀12进行减压而至中间压力容器13，在此进行气液分离。由中间压力容器13分离出的中间压力的气体冷媒经由电磁阀32、止回阀33以及二重管式热交换器23而通过气体喷射回路31喷射到2级压缩机9的密封腔6内的中间压力冷媒气体中，被吸入到高级侧压缩机8进行再次压缩。根据该气体喷射带来的节约效果，能够使超临界循环热泵2的加热能力以及制冷系数(COP)提高，能够增大供给热水能力。
另一方面，由中间压力容器13分离出的液冷媒，在内部热交换器(中间冷却器)14中与由蒸发器17A、17B蒸发后的低压的冷媒气体进行热交换而被过冷却之后，经由过冷却线圈15A、15B而通过第2电子膨胀阀16A、16B进行减压，成为低温低压的气液二相冷媒而流入到蒸发器(空气热交换器)17A、17B中。流入至蒸发器(空气热交换器)17A、17B的冷媒与由送风机送风的外部气体进行热交换，从外部气体吸热来进行蒸发气化。
由蒸发器17A、17B气化后的冷媒，在内部热交换器14中与中间压力液冷媒进行热交换，供于中间压力液冷媒的过冷却之后，在通过第1储蓄器18以及第2储蓄器19的过程中分离出液体部分(液冷媒、油)，仅气体冷媒被吸入到2级压缩机9中，被再次压缩。以下，通过反复执行同样动作，供于制造温水。在图2中示出该2级压缩、2级膨胀气体喷射循环的超临界循环的莫里尔线图。由于该循环本身为公知的，所以省略详细说明。
在存贮热水运转时于蒸发器17A、17B堆积了霜的情况下，探测该情况，将电磁阀28设为开放，将从2级压缩机9喷出的热气体冷媒从油分离器10的下游侧起经由热气体旁路回路27而导入到蒸发器17A、17B，由此能够进行除霜运转。此外，由油分离器10从冷媒中分离出的油，经由回油回路22而在二重管式热交换器23中与中间压力冷媒气体进行热交换来加热该冷媒气体之后，经由回油量调整机构26而在第1储蓄器18与第2储蓄器19之间返回到冷媒吸入配管20B。该油一旦被第2储蓄器19分离之后，经由在第2储蓄器19的冷媒出口管所设的回油孔而各拾取少量，返回到2级压缩机9。
在此，在如高外部气温时、高温入水时等那样高压、中间压力易于变高的运转条件下，过渡时高压有时会变高。此时，第1电子膨胀阀12通过通常控制而在开放方向上动作(通常控制的运算被设为开放方向)，但是在本实施方式中，设于第1电子膨胀阀12下游的压力传感器34的检测值如图3所示那样进行作用，即：如果超过满足基于中间压力容器13以后的设备类的设计压力(耐压压力)而被预先设定的中间压力条件的设定压力A，则控制部件35禁止第1电子膨胀阀12向开放方向的控制，将压力的上升抑制在一定值以下的值。
因而，根据本实施方式，能够将中间压力容器13以后的设备类的设计压力(耐压压力)设定得低些以降低各自的制造成本，并且通过使各设备的壁厚变薄，从而能够减小传热时的损耗等，以谋求与之相应的性能提高。这样，能够谋求热泵供给热水机1的低成本化、以及能力增强带来的高性能化。
其中，在利用了CO2冷媒的情况下，由于临界压力约7.2MPa，因此针对散热器11等设计压力例如为14MPa的情况，即便将中间压力容器13以后的设备类的设计压力设定得稍高于临界压力，也成为耐得住其大约一半的压力的设计，通过简单计算也能够推定出可使壁厚变为大致一半。
此外，根据本实施方式构成为，中间压力容器13被作为带有气液分离功能的容器，并设有将由该中间压力容器13分离出的中间压力的冷媒气体向2级压缩机9进行喷射的气体喷射回路31，因此经由气体喷射回路31而将由中间压力容器13分离出的中间压力的冷媒气体向2级压缩机9进行喷射，从而利用其节约效果能够提高超临界循环热泵2的能力以及制冷系数(COP)。
同时，在气体喷射时，通过第1电子膨胀阀12能够始终将向2级压缩机9喷射的中间压力的冷媒气体的压力控制在规定的中间压力条件以下的压力，因此不用将临界压力以上的较高压力的冷媒、例如临界状态的冷媒向2级压缩机9喷射，便能防止喷射相应冷媒所引起的2级压缩机9的故障、损伤等。
进而，由于上述的中间压力条件被设定为与第1电子膨胀阀12相比被设在下游侧的设备类的设计压力以下，因此通过将该设定压力作为阈值来禁止第1电子膨胀阀12向开放方向的控制，从而超临界循环中的中间压力以及低压不会超过与第1电子膨胀阀12相比被设在下游侧的中间压力容器13等的中间压力设备类、或者蒸发器17A、17B等的低压设备类的设计压力。因此，能够将中间压力容器13以后的设备类的设计压力设定得低些以降低它们的制造成本，并且通过使各设备类的壁厚变薄，从而能够减小传热时的损耗等，以谋求性能的提高。
本发明并不限定于上述实施方式涉及的发明，在不脱离其宗旨的范围内可以适当地变形。例如，在上述的实施方式中，对将超临界循环适用为热泵供给热水机1的例子进行了说明，但是本发明的超临界循环并不限于热泵供给热水机，当然也能广泛适用于各种制冷机、空调机、热泵等。此外，关于使用冷媒，并不限于CO2冷媒，也可利用其他的超临界压力冷媒。
进而，在上述的实施方式中，对利用了2级压缩机9的例子进行了说明，但是并不限于此，当然也可构成为利用单级的压缩机。此外，对将过冷却线圈15A、15B、第2电子膨胀阀16A、16B以及蒸发器17A、17B设为多个系统的例子进行了说明，但是这些部件也可以为单一系统。进而，对将多个第1储蓄器18以及第2储蓄器19串联连接的例子进行了说明，但是储蓄器也可以为1个。此外，压力传感器34被设置在第1电子膨胀阀12下游侧的冷媒配管中，但是也可以设置在中间压力容器13中。
符号说明
1  热泵供给热水机
2  超临界循环热泵
9  2级压缩机(压缩机)
11 散热器(冷媒/水热交换器)
12 第1电子膨胀阀
13 中间压力容器
16A、16B 第2电子膨胀阀
17A、17B 蒸发器
20 冷媒配管
21 冷媒回路
31 气体喷射回路
34 压力传感器
35 控制部件

Claims (4)

1.一种超临界循环，是将压缩机、散热器、第1电子膨胀阀、中间压力容器、第2电子膨胀阀、以及蒸发器按照该顺序进行配管连接由此构成冷媒回路的超临界循环，
在所述第1电子膨胀阀的下游侧设置对中间压力进行检测的压力传感器，并设有当该压力传感器的检测值满足了规定的中间压力条件时禁止所述第1电子膨胀阀向开放方向的控制的控制部件。
2.根据权利要求1所述的超临界循环，其中，
所述中间压力容器被作为带有气液分离功能的容器，并设有将由该中间压力容器分离出的中间压力冷媒气体向所述压缩机进行喷射的气体喷射回路。
3.根据权利要求1或2所述的超临界循环，其中，
所述中间压力条件被设定为与所述第1电子膨胀阀相比被设在下游侧的设备类的设计压力以下。
4.一种热泵供给热水机，具备权利要求1至3任一项所述的超临界循环，所述散热器被作为使冷媒和水进行热交换来加热水的冷媒/水热交换器，通过该冷媒/水热交换器能制造温水。
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