CN105940276A - 热泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的热泵装置包括：热源侧冷冻循环，其依次连接压缩机(1)、热源侧热交换器、膨胀阀(4)以及阶式热交换器(5)的热源侧，供制冷剂循环；和负荷侧冷冻循环，其依次连接热媒质运送构件、负荷侧热交换器以及阶式热交换器(5)的负荷侧，供热媒质循环，热源侧热交换器以及阶式热交换器(5)在使流体流路截面积为S，使润湿周长为L的情况下，按照4S/L算出的等效直径不足1mm。

Description

热泵装置
技术领域
本发明涉及在热源侧冷冻循环中使用可燃性制冷剂的热泵装置。
背景技术
以往，作为冷冻冰箱、空气调节机等的热泵装置的制冷剂，广泛使用HFC类的R410等氟化化合物。但是，由于这些制冷剂对地球暖化的影响大，所以，从防止地球暖化的观点出发，希望使用对地球暖化的影响小的制冷剂。从这样的背景出发，提出了使用HFC类的R32、HFO类的R1234yf、烃类的丙烷、异丁烷等对地球暖化影响小的制冷剂。但是，这些与以往的HFC类不同，都是可燃性制冷剂(或者微燃性制冷剂)。
在使用这种可燃性制冷剂的热泵装置中，担心制冷剂从构成冷冻循环的热交换器、配管等向室内泄漏，引起火灾等事故的可能性。因此，提出了间接热交换方式的热泵装置，该间接热交换方式的热泵装置将热泵装置分割为作为热源侧的一次侧冷冻循环和作为负荷侧的二次侧冷冻循环，防止制冷剂向负荷侧的室内泄漏(例如，参照专利文献1)。
该热泵装置包括：一次侧冷冻循环，其包括压缩机、热源侧热交换器、膨胀阀、四通阀、阶式热交换器；和二次侧冷冻循环，其包括负荷侧热交换器、运送水的泵、四通阀、阶式热交换器。而且，阶式热交换器将多根扁平多孔管、细径传热管组合，构成流体流路，其等效直径在3mm以下、0.5mm以上。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003－4396号公报(例如，参照权利要求3、图7)
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1记载的以往的热泵装置中，由于供阶式热交换器的制冷剂流动的流体流路的内容积和供热源侧热交换器的制冷剂流动的流体流路的内容积的差大，所以，制冷运转时和制热运转时需要的制冷剂封入量产生差，存在不能降低制冷剂封入量这样的课题。另外，存在如下这样的课题，即，没有成为在一次侧冷冻循环中设想了制冷剂泄漏的安全性高的结构。
本发明是为了解决上面那样的课题中的至少一个而做出的发明，以提供一种降低了制冷剂封入量的热泵装置为目的。
用于解决课题的手段
本发明的热泵装置包括：热源侧冷冻循环，其依次连接压缩机、热源侧热交换器、膨胀阀以及阶式热交换器的热源侧，供制冷剂循环；和负荷侧冷冻循环，其依次连接热媒质运送构件、负荷侧热交换器以及所述阶式热交换器的负荷侧，供热媒质循环，所述热源侧热交换器以及所述阶式热交换器在使流体流路截面积为S，使润湿周长为L的情况下，按照4S/L算出的等效直径不足1mm。
发明效果
根据本发明的热泵装置，因为供制冷剂循环的一次侧冷冻循环的室外热交换器以及阶式热交换器使用流体流路的内容积小的等效直径不足1mm的微通道热交换器(扁平管)，所以，能够降低可燃性制冷剂的制冷剂封入量。
附图说明
图1是有关本发明的实施方式1的热泵装置的示意图。
图2是有关本发明的实施方式1的热泵装置的变形例。
图3是有关本发明的实施方式2的热泵装置的示意图。
图4是有关本发明的实施方式3的热泵装置的示意图。
具体实施方式
下面，根据附图，说明本发明的实施方式。另外，本发明并不受下面说明的实施方式限定。另外，在下面的附图中，存在各构成部件的大小的关系与实际的大小的关系不同的情况。
实施方式1.
图1是有关本发明的实施方式1的热泵装置的示意图。
有关本发明的实施方式1的热泵装置包括室外单元100、室内单元200和连接配管12、14。
室外单元100包括供制冷剂循环的一次侧(热源侧)冷冻循环和供热媒质循环的二次侧(负荷侧)冷冻循环，该一次侧(热源侧)冷冻循环包括压缩机1、四通阀(流路切换装置)2、作为热源侧热交换器的室外热交换器3、膨胀阀4以及阶式热交换器5的热源侧，该二次侧(负荷侧)冷冻循环包括作为热媒质运送构件的转速可变的泵11、四通阀(流路切换装置)15以及阶式热交换器5的负荷侧。
另外，室内单元200收纳有作为负荷侧热交换器的室内热交换器13。
另外，分别在室外热交换器3设置供给室外空气的室外送风机6，在室内热交换器13设置供给室内空气的室内送风机16。
这里，室外热交换器3以及阶式热交换器5使用热交换效率高、流体流路的内容积小(也就是需要制冷剂量少)的微通道热交换器(扁平管)。微通道热交换器是指在使每个流体流路的流体流路截面积为S，使润湿周长(流路的内壁面的周方向的长度)为L的情况下，按照4S/L算出的等效直径不足1mm的热交换器。再有，二次侧冷冻循环的热媒质使用水，另外，一次侧冷冻循环的制冷剂使用可燃性制冷剂(或者微燃性制冷剂)，例如丙烷、异丁烷等。另外，在供室外热交换器3的制冷剂流动的流体流路的内容积为V1，以及供阶式热交换器5的制冷剂流动的流体流路的内容积为V2的情况下，V1以及V2被设定为满足0.9＜(V1/V2)＜1.1。另外，后面阐述该理由。
接着，对有关本发明的实施方式1的热泵装置的动作进行说明。
[制冷运转]
首先，在制冷运转时，一次侧冷冻循环的四通阀2以及四通阀15像实线那样连接。
因压缩机1而成为高温·高压的气体制冷剂穿过四通阀2，流入室外热交换器3。而且，在室外热交换器3与室外空气进行热交换，向室外空气散热，自身被冷凝而成为高温·高压的液体制冷剂。从室外热交换器3流出的制冷剂通过膨胀阀4膨胀，成为低温·低压的二相制冷剂。该二相制冷剂流入作为蒸发器发挥作用的阶式热交换器5的热源侧。而且，在阶式热交换器5与在二次侧冷冻循环中循环的水进行热交换，通过从水吸热而将之冷却，自身成为低温·低压的气体制冷剂。此后，从阶式热交换器5的热源侧流出的气体制冷剂经四通阀2返回压缩机1。
另一方面，在二次侧冷冻循环中，在阶式热交换器5被制冷剂吸热并被冷却了的水由泵11排出，穿过连接配管12，流入室内热交换器13。而且，在室内热交换器13与室内空气进行热交换，从室内空气吸热，对室内进行制冷，自身的温度上升。从室内热交换器13流出的水穿过连接配管14以及四通阀15，向阶式热交换器5的负荷侧流入。而且，在阶式热交换器5与制冷剂进行热交换，将从室内空气吸热的量的热量向制冷剂交付并被冷却。此后，从阶式热交换器5的负荷侧流出的水返回泵11。
[制热运转]
接着，在制热运转时，一次侧冷冻循环的四通阀2以及四通阀15像虚线那样连接。
因压缩机1而成为高温·高压的气体制冷剂穿过四通阀2，流入作为冷凝器发挥作用的阶式热交换器5的热源侧。而且，在阶式热交换器5与在二次侧冷冻循环中循环的水进行热交换，通过向水散热而将其加热，自身被冷凝，成为高温·高压的液体制冷剂。从阶式热交换器5的热源侧流出的液体制冷剂被膨胀阀4减压，成为低温·低压的二相制冷剂。该二相制冷剂流入室外热交换器3。而且，在室外热交换器3与室外空气进行热交换，从室外空气吸热，自身蒸发，成为低温·低压的气体制冷剂。此后，从室外热交换器3流出的气体制冷剂经四通阀2返回压缩机1。
另一方面，在二次侧冷冻循环中，在阶式热交换器5从制冷剂吸热而被加热的水由泵11排出，穿过连接配管12，流入室内热交换器13。而且，在室内热交换器13与室内空气进行热交换，向室内空气散热，对室内进行制热，自身温度降低。从室内热交换器13流出的水穿过连接配管14以及四通阀15，流入阶式热交换器5的负荷侧。而且，在阶式热交换器5与制冷剂进行热交换，从制冷剂夺取向室内空气散热的量的热量，被加热。此后，从阶式热交换器5的负荷侧流出的水返回泵11。
有关本实施方式1的热泵装置因为在供制冷剂循环的一次侧冷冻循环的室外热交换器3以及阶式热交换器5使用流体流路的内容积小的微通道热交换器，所以，能够降低可燃性制冷剂的制冷剂封入量。再有，因为将供室外热交换器3的制冷剂流动的流体流路的内容积V1以及供阶式热交换器5的制冷剂流动的流体流路的内容积V2确定为满足0.9＜(V1/V2)＜1.1，所以，在制冷运转、制热运转的任意运转时，需要的制冷剂封入量都大致相等，能够大幅降低可燃性制冷剂的制冷剂封入量。
由此，能够以不足欧洲规格(例如，IEC规格)的允许制冷剂封入量(在丙烷的情况下为大约150g)构成。另外，由于在制冷运转、制热运转的任意运转时，需要的制冷剂封入量都大致相等，所以，不需要用于吸收两种运转时的制冷剂量的差的制冷剂储存罐(省略图示)。
根据如上所述，能够得到安全性以及设置自由度高的热泵装置。
另外，因为在制冷运转时和制热运转时的任意运转时，构成为阶式热交换器5中的制冷剂和水的流动都成为逆向流，且构成为室内热交换器13中的水和室内空气的流动成为逆向流，所以，能够得到热交换效率高的高性能的热泵装置。
另外，在没有制冷剂储存罐的情况下，在V1/V2为0.9以下时，供室外热交换器3的制冷剂流动的流体流路的内容积过小，在制冷运转时，不能将制冷剂完全收纳在室外热交换器3内，产生向压缩机1返液等不良状况。另外，在V1/V2为1.1以上时，同样地供阶式热交换器5的制冷剂流动的流体流路的内容积过小，在制热运转时不能将制冷剂完全收纳在阶式热交换器5内，产生向压缩机1返液等不良状况。
另外，在增加必要能力，热泵装置大型化的情况下，如图2所示，只要将二个一次侧冷冻循环相对于二次侧冷冻循环并联连接，使每一个一次侧冷冻循环的制冷剂封入量变小即可。即使在像这样要求大能力的情况下，以使二个冷冻循环的制冷剂封入量的总和不足允许制冷剂封入量的方式，降低每一个一次侧冷冻循环的制冷剂封入量，连接多个模块化的一次侧冷冻循环，由此，能够构成空调能力高的热泵装置。
另外，虽然在上述中说明了将二个一次侧冷冻循环相对于二次侧冷冻循环并联地连接的例子，但是，也可以是三个以上。
另外，通过将室外热交换器3做成像无翅片热交换器或者波纹翅片管热交换器那样沿上下具有集管分配器的结构，不需要翅片和管的紧密结合工序，能够简单地构成热交换器。
另外，虽然作为流路切换装置，使用四通阀2、2’、15，进行流路切换，但是，也可以将二通阀、三通阀等组合来进行。
另外，虽然二次侧冷冻循环的热媒质使用了水，但是，并非限定于此，也可以是防冻液等。
实施方式2.
下面，对本实施方式2进行说明，但是，以与本实施方式1的不同点为中心进行说明，省略重复的内容。另外，对与本实施方式1相同的部分标注相同的符号。
图3是有关本发明的实施方式2的热泵装置的示意图。
由于有关本实施方式2的热泵装置如图3所示，除由4个开闭阀21～24构成四通阀15以外，与有关实施方式1的热泵装置的结构相同，所以，省略详细的说明，仅说明二次侧冷冻循环的动作。
[制冷运转]
在制冷运转时的二次侧冷冻循环中，在阶式热交换器5被制冷剂吸热并被冷却的水由泵11排出，穿过连接配管12，流入室内热交换器13。而且，在室内热交换器13与室内空气进行热交换，从室内空气吸热，对室内进行制冷，自身温度上升。从室内热交换器13流出的水穿过连接配管14以及开闭阀22，流入阶式热交换器5的负荷侧。而且，在阶式热交换器5与制冷剂进行热交换，将从室内空气吸热的量的热量交付给制冷剂，并被冷却。此后，从阶式热交换器5的负荷侧流出的水经开闭阀23返回泵11。
[制热运转]
接着，在制热运转的二次侧冷冻循环中，在阶式热交换器5从制冷剂吸热而被加热的水由泵11排出，穿过连接配管12，流入室内热交换器13。而且，在室内热交换器13与室内空气进行热交换，向室内空气散热，对室内进行制热，自身温度降低。从室内热交换器13流出的水穿过连接配管14以及开闭阀21，流入阶式热交换器5的负荷侧。而且，在阶式热交换器5与制冷剂进行热交换，从制冷剂夺取向室内空气散热的量的热量，并被加热。此后，从阶式热交换器5的负荷侧流出的水经开闭阀24返回泵11。
像上面那样，在本实施方式2中，由于在二次侧冷冻循环中替代四通阀，使用了4个开闭阀21～24，所以，像水回路那样，压力损失变小，即使在不能得到四通阀的开闭动作所需要的压力差的情况下，也可以得到能够可靠地实施开闭动作这样的效果。
实施方式3.
下面，对本实施方式3进行说明，但是，以与本实施方式1的不同点为中心进行说明，省略重复的内容。另外，对与本实施方式1相同的部分标注相同的符号。
图4是有关本发明的实施方式3的热泵装置的示意图。有关本实施方式3的热泵装置如图4所示，是从有关实施方式1的热泵装置省略了四通阀15，替代它在一次侧冷冻循环设置了高低压热交换器7的结构。据此，阶式热交换器5中的水以及制冷剂的流动虽然在制热运转时成为逆向流，但是，在制冷运转时成为并行流。另外，由于除此之外的结构与实施方式1以及实施方式2相比更简单，所以，省略详细的说明，仅说明一次侧冷冻循环的动作。
[制冷运转]
首先，在制冷运转时，一次侧冷冻循环的四通阀2像实线那样连接。
因压缩机1而成为高温·高压的气体制冷剂穿过四通阀2，流入室外热交换器3。而且，在室外热交换器3与室外空气进行热交换，向室外空气散热，自身被冷凝，成为高温·高压的液体制冷剂。从室外热交换器3流出的液体制冷剂流入高低压热交换器7的高压侧。而且，在高低压热交换器7被过冷却。在高低压热交换器7被过冷却了的液体制冷剂通过膨胀阀4膨胀，成为低温·低压的二相制冷剂。该二相制冷剂流入作为蒸发器发挥作用的阶式热交换器5的热源侧。而且，在阶式热交换器5与在二次侧冷冻循环中循环的水进行热交换，通过从水吸热而将之冷却，自身成为低温·低压的气体制冷剂。此后，从阶式热交换器5的热源侧流出的气体制冷剂流入高低压热交换器7的低压侧。而且，在高低压热交换器7被过热。在高低压热交换器7被过热了的气体制冷剂经四通阀2返回压缩机1。
此时，若使阶式热交换器5的出口状态成为饱和状态，则在阶式热交换器5的传热面积中没有过热区域，整个传热面被有效地使用。在这样的情况下，逆向流和并行流的性能差变小。即，由于制冷运转时的逆向流的效果变小，所以，能够省略一次侧回路的四通阀。
[制热运转]
接着，在制热运转时，一次侧冷冻循环的四通阀2像虚线那样连接。
因压缩机1而成为高温·高压的气体制冷剂穿过四通阀2，流入作为冷凝器发挥作用的阶式热交换器5的热源侧。而且，在阶式热交换器5与在二次侧冷冻循环中循环的水进行热交换，通过向水散热而将其加热，自身被冷凝，成为高温·高压的液体制冷剂。从阶式热交换器5的热源侧流出的液体制冷剂被膨胀阀4减压，成为低温·低压的二相制冷剂。该二相制冷剂流入高低压热交换器7的高压侧。而且，在高低压热交换器7被过热。在高低压热交换器7被过热了的二相制冷剂流入室外热交换器3。而且，在室外热交换器3与室外空气进行热交换，从室外空气吸热，自身蒸发，成为低温·低压的气体制冷剂。此后，从室外热交换器3流出了的气体制冷剂经四通阀2流入高低压热交换器7的低压侧。而且，在高低压热交换器7被过冷却。在高低压热交换器7被过冷却了的气体制冷剂返回压缩机1。
在制热运转时，由于高低压热交换器7的高压侧、低压侧都成为低压，所以，没有产生用于热交换的足够的温度差，热交换量极小。另一方面，由于在阶式热交换器5中制冷剂和水总是成为逆向流，所以，能够得到热交换效率高的高性能的热泵装置。
在本实施方式3中，在一次侧冷冻循环设置高低压热交换器7，在制冷运转时，通过在高低压热交换器7使吸入制冷剂过热，能够使阶式热交换器5的出口成为湿润状态，能够有效地利用阶式热交换器5。
根据如上所述，在本发明的冷冻循环装置中，热泵装置包括：一次侧冷冻循环，其至少包括压缩机1、室外热交换器3以及膨胀阀4；二次侧冷冻循环，其至少包括室内热交换器13以及泵11；和阶式热交换器，其使一次侧冷冻循环和二次侧冷冻循环进行热交换，其中，在供制冷剂循环的一次侧冷冻循环的室外热交换器3以及阶式热交换器5使用流体流路的内容积小的微通道热交换器，因此，能够降低可燃性制冷剂的制冷剂封入量。再有，一次侧冷冻循环具备四通阀2，将供室外热交换器3的制冷剂流动的流体流路的内容积V1以及供阶式热交换器5的制冷剂流动的流体流路的内容积V2确定为满足0.9＜(V1/V2)＜1.1，因此，在制冷运转、制热运转的任意运转时，需要的制冷剂封入量都大致相等，能够大幅降低可燃性制冷剂的制冷剂封入量。
由此，能够以不足欧洲规格(例如，IEC规格)的允许制冷剂封入量(在丙烷的情况下为大约150g)构成。另外，由于在制冷运转、制热运转的任意运转时，需要的制冷剂封入量都大致相等，所以，不需要用于吸收两种运转时的制冷剂量的差的制冷剂储存罐。
根据如上所述，能够得到一种安全性以及设置自由度高的热泵装置。
符号说明
1：压缩机；1’：压缩机；2：四通阀；2’：四通阀；3：室外热交换器；3’：室外热交换器；4：膨胀阀；4’：膨胀阀；5：阶式热交换器；5’：阶式热交换器；6：室外送风机；6’：室外送风机；7：高低压热交换器；11：泵；12：连接配管；13：室内热交换器；14：连接配管；15：四通阀；16：室内送风机；21：开闭阀；22：开闭阀；23：开闭阀；24：开闭阀；100：室外单元；200：室内单元。

Claims (8)

1.一种热泵装置，其特征在于，包括：
热源侧冷冻循环，其依次连接压缩机、热源侧热交换器、膨胀阀以及阶式热交换器的热源侧，供制冷剂循环；和
负荷侧冷冻循环，其依次连接热媒质运送构件、负荷侧热交换器以及所述阶式热交换器的负荷侧，供热媒质循环，
所述热源侧热交换器以及所述阶式热交换器在使流体流路截面积为S，使润湿周长为L的情况下，按照4S/L算出的等效直径不足1mm。
2.如权利要求1所述的热泵装置，其特征在于，
所述热源侧冷冻循环具备流路切换装置，
在使供所述热源侧热交换器的制冷剂流动的流体流路的内容积为V1，以及使供所述阶式热交换器的制冷剂流动的流体流路的内容积为V2的情况下，V1以及V2被确定为满足0.9＜(V1/V2)＜1.1。
3.如权利要求1或2所述的热泵装置，其特征在于，
所述制冷剂使用可燃性制冷剂或者微燃性制冷剂。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的热泵装置，其特征在于，
具有二个以上所述热源侧冷冻循环，相对于所述负荷侧冷冻循环并联地连接。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的热泵装置，其特征在于，
在所述负荷侧冷冻循环设置流路切换装置，
在制冷运转时和制热运转时的任意运转时，
构成为所述阶式热交换器中的所述制冷剂和所述热媒质的流动都成为逆向流，且构成为所述负荷侧热交换器中的所述热媒质和空气的流动成为逆向流。
6.如权利要5所述的热泵装置，其特征在于，
所述流路切换装置包括四通阀或者四个开闭阀。
7.如权利要求1至4中的任一项所述的热泵装置，其特征在于，
在所述热源侧冷冻循环中设置高低压热交换器，
在制热运转时，所述阶式热交换器中的所述制冷剂和所述热媒质的流动成为逆向流。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的热泵装置，其特征在于，
所述热源侧热交换器沿上下具有集管分配器。
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