JP2000320917A - ヒートポンプ冷温水機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】利用側熱交換器４にプレート式、冷媒に非共沸
混合冷媒を用いたヒートポンプ冷温水機において、冷媒
循環方向を制御し効率のよい熱交換を得る。 【解決手段】非共沸混合冷媒は蒸発、凝縮過程において
単一冷媒と異なり温度勾配が発生する。これを考慮し冷
却運転時は、利用側熱交換器４内での熱交換方法を並行
流、加熱運転時は対向流になるよう制御器８は四方弁５
を制御する。本発明によれば、利用側熱交換器４がプレ
ート式、冷媒が非共沸混合冷媒であっても四方弁５の制
御方法のみで従来のヒートポンプ冷温水機と同じ性能が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空調，産業用途に用
いられるヒートポンプ冷温水機に係り、さらに詳細に
は、利用側熱交換器をプレート式熱交換器，冷媒に新冷
媒(非共沸混合冷媒)を用いた時の冷凍サイクル技術に係
わる。

【０００２】

【従来の技術】従来のヒートポンプ冷温水機は、例えば
図４に示すような冷凍サイクルを構成しており、冷却，
加熱運転は四方弁５を切り換えることにより冷媒の循環
方向を逆転させ、冷却運転時には冷却媒体と冷媒が対向
流、加熱運転時は加熱媒体と冷媒が並行流になるよう四
方弁５を制御している。また図５にプレート式熱交換器
の構造を示す。プレート式熱交換器は同じ形のプレート
２０を何枚も重ね、プレート２０の間に流れる流体を交
互に流すことによって熱交換を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、冷凍サイクルで
使用する冷媒はオゾン破壊等の環境問題から新冷媒（オ
ゾン破壊係数ゼロの冷媒を複数ブレンドした非共沸混合
冷媒、例えばＲ４０７Ｃの場合Ｒ３２，Ｒ１２５，Ｒ１
３４ａの３成分より構成される）に切り換えつつある。

【０００４】この新冷媒は従来の冷媒（Ｒ２２等の単一
冷媒）と比較して特性が異なるため、例えば冷却運転時
熱交換器内で冷却媒体を冷却する際、冷媒は蒸発工程に
あるが、この時単一冷媒では蒸発開始から終了まで温
度，圧力が一定であるのに対し、非共沸混合冷媒は複数
の成分より構成されるため一定ではなく温度勾配が発生
し、単純に冷媒を変更しただけだと従来の冷媒と異なっ
た冷却能力になる。加熱能力についても同様である。ま
た冷凍サイクル機器においてもコンパクト化が求めら
れ、冷温水を作る熱交換器においては、シェルアンドチ
ューブ式からプレート式に変わりつつある。

【０００５】しかしプレート式熱交換器は、シェルアン
ドチューブ式と比較し冷媒が流れる流路が狭いため、圧
力損失が大きく前述した冷媒の特性も考慮すると単純に
冷凍サイクルの熱交換器，冷媒を変更しただけでは従来
の性能を満足させることはできない。

【０００６】本発明では、プレート式熱交換器且つ新冷
媒を用いたヒートポンプ冷温水機において、従来の冷媒
と同等の性能を果たす手段を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のプレート式熱交
換器を用いたヒートポンプ冷温水機は特許請求の範囲の
請求項に記載した構成を有する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１，図２，
図３により説明する。

【０００９】図１は本実施例に係わる冷凍サイクル系統
図である。

【００１０】圧縮機１，排熱側熱交換器２，膨張弁３，
利用側熱交換器４，四方弁５、及びこれらを結ぶ冷媒配
管６により冷凍サイクルが構成され、利用側熱交換器４
には冷却または加熱媒体が循環する配管７が接続されて
いる。

【００１１】冷凍サイクルを冷却または加熱運転に制御
するため制御器８が設けられ、制御器８より運転目的に
合わせ四方弁５を制御する。本発明では、利用側熱交換
器４にプレート式、冷凍サイクル内を循環する冷媒を新
冷媒（非共沸混合冷媒、以下新冷媒と記す）を用いる。
冷媒配管６内を循環する新冷媒は制御器８，四方弁５に
制御され、冷却運転時には矢印９、加熱運転時には矢印
１０のごとく循環する。

【００１２】一方配管７を循環する被媒体は冷却，加熱
に係わらず矢印１１の方向に循環する。従来では利用側
熱交換器４での被媒体及び冷媒の熱交換方法は冷却運転
時には対向流、加熱運転時には並行流としていたが、新
冷媒では図２，図３に示す如く特性が異なる。図２は利
用側熱交換器４での冷却媒体と冷媒の温度変化特性を示
す。横軸は利用側熱交換器の出入口間を示し無次元数で
ある。縦軸は温度を示す。図２中の特性線１２は従来の
単一冷媒の温度変化、特性線１３は新冷媒の温度変化、
特性線１４は従来の冷却媒体の温度変化、特性線１５は
本発明を用いた時の冷却媒体の温度変化を示す。各特性
線１２〜１５の入口温度をａ，出口温度をｂとする。

【００１３】特性線１２，１３は熱交換時蒸発過程にあ
り特性線１２は単一冷媒であることから温度は一定であ
るが、特性線１３は新冷媒のため温度は一定でなく蒸発
過程において温度勾配のある特性となる。この結果、特
性線１２，１３の利用側熱交換器４出口温度に差が生
じ、特性線１３とのそれぞれの算術平均温度差は次の式
１〜３で表され、新冷媒を用いた特性線１３の方が性能
的に優れていることがわかる。

【００１４】

【数１】 単一冷媒の算術平均温度差 Ｔ１＝（（１４ｂ−１２ａ）＋（１４ａ−１２ｂ））／２ …（式１） 新冷媒の算術平均温度差 Ｔ２＝（（１４ｂ−１３ａ）＋（１４ａ−１３ｂ））／２ …（式２） 式１と式２の差 Ｔ２−Ｔ１＝（１２ｂ−１３ｂ）／２＞０ …（式３） 一方利用側熱交換器４を凝縮器として用いる場合は、四
方弁５を切り替えることによって冷媒循環方向を逆転さ
せる。この時の利用側熱交換器４内の温度特性は図３で
示され、図３中の特性線１６は従来の単一冷媒の温度変
化、特性線１７は新冷媒の温度変化、特性線１８は従来
の技術を用いた時の加熱媒体の温度変化、特性線１９は
本発明を用いた時の加熱媒体の温度変化を示す。各特性
線１６〜１９の出入口温度は前記同様入口温度をａ，出
口温度をｂとする。

【００１５】加熱運転時の場合は利用側熱交換器４出口
部の特性線１６ｂ，１７ｂは新冷媒が凝縮するときの温
度勾配により特性線１７の方が特性線１８との差が小さ
い。前記同様算術平均温度差は式４〜６となり特性線１
７の方が性能が低くなることがわかる。

【００１６】

【数２】 単一冷媒の算術平均温度差 Ｔ３＝（（１６ｂ−１８ｂ）＋（１６ａ−１８ａ））／２ …（式４） 新冷媒の算術平均温度差 Ｔ４＝（（１７ｂ−１８ｂ）＋（１７ａ−１８ａ））／２ …（式５） 式４と式５の差 Ｔ４−Ｔ３＝（１７ｂ−１６ｂ）／２＜０ …（式６） また利用側熱交換器４にプレート式熱交換器を用いた場
合、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器と比較して
冷媒の流路が狭いため、圧力損失が大きい。特に利用側
熱交換器４が凝縮器として機能する場合は、冷媒側は高
圧になるため前記に記述した新冷媒自身の凝縮時の温度
勾配に加えて、熱交換器を通過するときの圧力損失の影
響も大きく、冷媒が低圧で流れている冷却運転時以上に
性能の差が表れる。

【００１７】以上より新冷媒を用いると冷却時には性能
が向上し、加熱時には性能が低下するため、これを改善
するためには利用側熱交換器４を冷却、加熱運転用にそ
れぞれ専用の熱交換器を設けるか、もしくは性能が劣る
加熱運転時にあわせて利用側熱交換器４を設計しなけれ
ばならない。

【００１８】そこで本発明では従来冷却運転時は冷媒と
被媒体との熱交換を対向流、加熱運転時は並行流という
方式に対し、冷却運転時は並行流、加熱運転時は対向流
になるよう冷媒の循環方向を変えることによって冷却時
の新冷媒と冷却媒体との温度差を小さくすることにより
性能向上を押さえ、加熱時の温度差を大きくすることに
より性能を向上させれば、前記課題を解決することがで
きる。即ち冷却、加熱運転の目的に合わせ、冷却時には
図１の矢印９、加熱時には矢印１０の方向へ冷媒が流れ
るように制御器８は四方弁５を制御すればよい。その時
の利用側熱交換器４内での温度変化は冷却時は特性線１
３，１５、加熱時は特性線１７，１９の組み合わせとな
る。この時の算術平均温度差は式７，８となる。

【００１９】本発明を用いた冷却時の算術平均温度差

【００２０】

【数３】 Ｔ５＝（（１５ａ−１３ａ）＋（１５ｂ−１３ｂ））／２ …（式７） 本発明を用いた加熱時の算術平均温度差

【００２１】

【数４】 Ｔ６＝（（１７ａ−１９ｂ）＋（１７ｂ−１９ａ））／２ …（式８）

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、利用側熱交換器４がプ
レート式、冷媒が非共沸混合冷媒であっても四方弁５の
制御方法のみで従来のヒートポンプ冷温水機と同じ性能
が得られる。また冷却運転時には並行流にて冷却媒体を
冷却することから、従来の対向流と比較し冷却媒体が凍
結しにくく、信頼性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたヒートポンプ冷温水機の冷凍サ
イクル系統図。

【図２】ヒートポンプ冷温水機の利用側熱交換器の熱交
換特性図（冷却）。

【図３】ヒートポンプ冷温水機の利用側熱交換器の熱交
換特性図（加熱）。

【図４】従来技術を用いたヒートポンプ冷温水機の冷凍
サイクル系統図。

【図５】プレート熱交換器の構造図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…排熱側熱交換器、３…膨張弁、４…利
用側熱交換器、５…四方弁、６…冷媒配管、７…被媒体
配管、８…制御器、９…冷却時の冷媒循環方向、１０…
加熱時の冷媒循環方向、１１…被媒体の循環方向、１２
…冷却時の冷媒（単一冷媒）側温度特性、１３…冷却時
の冷媒（混合冷媒）側温度特性、１４…冷却時の被媒体
側温度特性（対向流）、１５…冷却時の被媒体側温度特
性（並行流）、１６…加熱時の冷媒（単一冷媒）側温度
特性、１７…加熱時の冷媒（混合冷媒）側温度特性、１
８…加熱時の被媒体側温度特性（並行流）、１９…加熱
時の被媒体側温度特性（対向流）、２０…プレート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 室田 善人 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム内 (72)発明者 加藤木 健一郎 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム内 (72)発明者 相山 真之 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム内 Ｆターム(参考） 3L092 AA09 AA14 BA11 3L103 AA27 AA35 AA50 BB43 CC02 CC28 DD15 DD57

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却または加熱する媒体（水等の流体）と
   新冷媒（非共沸混合冷媒）の熱交換器としてプレート式
   熱交換器を採用し、圧縮機，排熱側熱交換器，膨張弁，
   四方弁その他の補器を冷媒配管により接続構成されるヒ
   ートポンプ冷温水機において、冷却運転（プレート式熱
   交換器を冷却器として使用する場合）には冷却媒体と新
   冷媒を並行流とし、加熱運転（プレート式熱交換器を凝
   縮器として使用する場合）には冷却媒体と新冷媒を対向
   流とすることを特徴としたヒートポンプ冷温水機。