JP2003074998A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
機を用いた冷凍サイクル装置を提供すること。 【解決手段】 低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要
素とする2段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガス
を冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する
蒸発器を順次接続した冷媒回路を備える。そして、この
冷媒回路に、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器
の入口側に至る第1バイパス回路と、前記低段側圧縮機
の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第2バイパス回
路とを設け、更に、この第1バイパス回路及び第2バイ
パス回路に、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト
運転時に開放される開閉弁をそれぞれ設ける。
Description
置、特に2段圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関す
る。
う装置に用いられている冷凍サイクル装置は、圧縮機、
圧縮機における高段側圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧
側熱交換器(通常の冷凍サイクル装置では凝縮器)、膨
張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路
を備え、蒸発器で外気から熱を汲み上げ、この汲み上げ
た熱を高圧側熱交換器で室内空気又は給湯用水に放熱し
ている。また、この冷凍サイクル装置は、外気温度が低
下したときは、蒸発温度が低下し、蒸発器がフロスト
(着霜)する。そして、フロスト量(着霜量)が多くな
ると蒸発器の熱交換能力が低下し、暖房能力や温水加熱
能力が低下する。このため蒸発器に付着した霜を取り除
くデフロスト運転(除霜運転)が行われる。このデフロ
スト運転は、ホットガス、つまり圧縮機吐出ガスの熱源
を利用するため、この間暖房運転や温水加熱運転を休止
せざるを得ない。このため、デフロスト運転はできる限
り短時間に終えることが要望されている。
ロスト装置(除霜装置)として、冷媒回路の切換装置が
比較的簡単に行えること、及び、逆サイクル方式のよう
に、デフロスト運転時に被加熱対象である室内空気や温
水を冷却することもないという点から、圧縮機吐出側の
高圧ガス(いわゆるホットガス)を高圧側回路部分から
蒸発器入口側にバイパスさせる単純ホットガスバイパス
方式のものが多用されるようになってきている。
うな従来のデフロスト装置においては、圧縮機が単段で
あるか2段であるかに関係なく、単純に高圧側回路部分
からホットガスを蒸発器入口側に流しており、圧縮機が
2段圧縮機である場合において特別の工夫がなされてい
なかった。
る問題点に着目してなされたものである。その目的とす
るところは、デフロスト運転の短時間化を図った2段圧
縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することにある。
するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低段側圧縮
機及び高段側圧縮機を構成要素とする2段圧縮機、この
高段側圧縮機からの吐出ガスを冷却する高圧側熱交換
器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷
媒回路を備え、この冷媒回路は、前記高段側圧縮機の吐
出側から前記蒸発器の入口側に至る第1バイパス回路
と、前記低段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側
に至る第2バイパス回路とを有し、この第1バイパス回
路及び第2バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖さ
れ、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有
するものである。
時、低段側圧縮機及び高段側圧縮機がブロワとして有効
に機能し、蒸発器に対し高圧側回路部分及び中間圧力部
分からガス冷媒が一気に大量に流されるため、高圧ガス
冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧
力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が、前記バイパ
ス回路を通じて蒸発器に送られるホットバイパスガスを
媒介として蒸発器に送られ、蒸発器において一気に放出
されるため、デフロスト運転時間を短縮することができ
る。
は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機
を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮
機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した
中間連絡配管で接続され、前記第2バイパス回路は、こ
の中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部
を有するのが好ましい。
配管の接続が容易になる。
力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置としても
よい。
力ガス及び中間圧力ガスの温度が高いので、高圧ガス冷
媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力
回路構成部材等に蓄積されていた熱量が大きく、デフロ
スト運転時間短縮の効果が大きくなる。
面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の実施
の形態に係る給湯装置の回路図である。この図1に示す
ように、実施の形態1に係る給湯装置は、超臨界冷凍サ
イクル装置1、給湯ユニット2及び制御装置3とを備え
たものである。なお、この実施の形態においては、制御
装置3は超臨界冷凍サイクル装置1内に設置されてい
る。また、超臨界冷凍サイクル装置1と給湯ユニット2
とは連絡水用配管5、6により接続されている。
11、高圧側熱交換器12、電動膨張弁13、蒸発器1
4、アキュムレータ15を順次接続した閉回路(冷媒回
路)を備えている。この冷媒回路の内部には、超臨界冷
凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭
素(CO2)が充填されている。冷凍・空調用の代表的
な自然冷媒としては、ハイドロカーボン(HC:プロパ
ンやイソブタンなど)、アンモニア、空気そしてCO2
等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイ
ドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いとい
う反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外
でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これ
に対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
に開発されたもので、密閉ハウジング内に低段側圧縮機
11a、高段側圧縮機11b、これら圧縮機11a及び
11bの駆動するための電動機11cを内蔵したもので
あり、低段側圧縮機11aの吐出側と高段側圧縮機11
bの吸入側とを圧縮機ハウジングの外部に配設された中
間連絡配管11dにより連結している。また、密閉ハウ
ジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機1
1aの吐出ガスにより満たされている。なお、このよう
に密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機
の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧
力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用すること
を回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、
低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
圧縮機11aの吐出口と高段側圧縮機11bの吸入口と
を直接接続しても良いが、この実施の形態の場合は、低
段側圧縮機11aの吐出ガスを密閉ハウジング内に導入
し、高段側圧縮機11bの吸入口をこの密閉ハウジング
内に開口することにより、低段側圧縮機11aの吐出側
と高段側圧縮機11bの吸入側とを接続している。
bから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チュ
ーブ12aと、給湯ユニット2内に配置されている貯湯
タンク21から送水される給湯用水を導入する水用熱交
換チューブ12bとからなり、両者が熱交換関係に形成
されたものである。したがって、高段側圧縮機11bか
ら吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク21から
送水される給湯用水により冷却され、この給湯用水は高
温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモー
タにより駆動される。また、後述する制御装置3により
開度制御されている。
された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱
交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、こ
の蒸発器14には蒸発器のフロスト量(着霜量)を検出
するためのフロスト検出器31及び外気温度を検出する
外気温度検出器32が付設されている。
循環ポンプ22、給湯配管23、給水配管24を備えて
構成されている。そして、貯湯タンク21の上部及び下
部を前記水用熱交換チューブ12bに対し、連絡水用配
管5、6を含む温水循環回路Pにより接続されている。
また、貯湯タンク21では重力の差により上部になるほ
ど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク21下部
の温度の低い水を水用熱交換チューブ12bに送水し、
水用熱交換チューブ12bで加熱された温度の高い水を
貯湯タンク21の上部に導くように、温水循環回路Pが
形成されるとともに、この温水循環回路P中に温水循環
ポンプ22が取り付けられている。なお、貯湯タンク2
1内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タ
ンク21上部に設けられた温水温度検出器33により測
定されている。
水を供給するためのものであり、貯湯タンク21中の高
い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク21の上
部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁2
5が取り付けられている。給水配管24は、貯湯タンク
21内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止
弁26、減圧弁27を介し貯湯タンク21の底部に接続
されている。
が操作されたときに運転開始指令を発信するほか、温水
温度検出器33により検出される給湯用水の焚き上げ温
度により圧縮機11の運転制御を行ったり、外気温度検
出器32により検出される外気温度及び前記焚き上げ温
度により電動膨張弁13の制御を行ったりしているが、
その他に蒸発器14のフロスト量をフロスト検出器31
により検出し、このフロスト量が所定値になったときに
後記するデフロスト運転を行うよう指令を発信してい
る。
記冷媒回路には、第1バイパス回路16及び第2バイパ
ス回路17の二つのバイパス回路が設けられている。第
1バイパス回路16は、高段側圧縮機11bの吐出配管
18と、蒸発器入口側の配管(つまり、電動膨張弁13
と蒸発器14とを接続する配管)19との間に設けられ
ており、途中に第1電磁開閉弁16aが設けられてい
る。一方、第2バイパス配管17は、低段側圧縮機11
aの吐出側と高段側圧縮機11bの吸入側とを接続する
中間連絡配管11dと、蒸発器入口側の配管19との間
に設けられており、途中に第2電磁開閉弁17aが設け
られている。なお、この場合、低段側圧縮機11aの吐
出側と高段側圧縮機11bの吸入側と接続する中間連絡
配管11dが圧縮機ハウジングの外部に配設されている
ため、第2バイパス回路の接続を容易に行うことができ
る。
応用の給湯装置の動作について説明する。まず、定常給
湯運転時における冷凍サイクル装置の運転について、図
2のモリエル線図を参照しながら説明する。なお、定常
運転時における冷媒の流れは、図1における実線矢印の
ごとくになる。2段圧縮機11を構成する低段側圧縮機
11aは、アキュムレータ15からの低圧ガス(r1)
を吸入して中間圧力まで圧縮する(r2)。中間圧力ま
で圧縮されたガス冷媒(r2)は、中間連絡配管11d
により2段圧縮機11のハウジング内に導入され、この
ハウジング内で若干冷却されて(r3)、高段側圧縮機
11bに吸入され(r3)、超臨界圧力まで圧縮されて
高圧側熱交換器12に送られる(r4)。この高圧ガス
(r4)は、高圧側熱交換器12で貯湯タンク21から
送水される給湯用水と熱交換し、高圧冷媒自身は冷却さ
れ(r5)、給湯用水は加熱されて貯湯タンク21上部
に戻される。
冷媒(r5)は、電動膨張弁13で減圧され気液混合ガ
ス冷媒となって蒸発器14に送られる(r6)。蒸発器
14に送られた気液混合ガス冷媒(r6)は、外気と熱
交換し、外気から熱を汲み上げて気化され、アキュムレ
ータ15を経て低段側圧縮機11aに吸入される。な
お、アキュムレータ15は、冷凍サイクル装置起動時に
低圧側回路部分に溜まっていた冷媒が圧縮機に吸入され
ないようにするものであり、この定常運転時には格別の
機能を有していない。なお、運転停止中、蒸発器を主要
部分とする低圧側回路部分では、外気により冷却されて
いることから、高圧側回路部分のガス冷媒が低圧側回路
部分に流れ込み液化して溜まるという現象が生ずる。
た熱量と2段圧縮機12における仕事量相当の熱量とが
高圧側熱交換器12で放熱され、この熱量により貯湯タ
ンク21から送られてくる給湯用水が加熱され、温水と
なって貯湯タンク21の上部から貯められていく。
明する。図1における波線矢印は、このデフロスト運転
時の冷媒の流れを示す。上記定常運転を外気温度が低い
状態で続けていると、徐々に蒸発器14に霜が付着す
る。この霜の量が一定量以上になると、フロスト検出器
31がこれを検出する。これにより制御装置3からデフ
ロスト指令が発せられる。このデフロスト指令により、
2段圧縮機の運転、蒸発器14の送風機(図示しない)
の運転、貯湯タンク21から高圧側熱交換器12への給
湯水の送水など上記定常運転時の運転態様が継続されて
いる状況下、第1バイパス回路16中の第1電磁開閉弁
16a及び第2バイパス回路17中の第2電磁開閉弁1
7aが開かれる。
a、17aが開かれた状態では、電磁開閉弁16a、1
7aの冷媒流通抵抗が小さく設定されているので、定常
運転時におけるような高低圧力差が付かない高低圧力が
略バランスされた状態となる。このため、高段側圧縮機
11bも低段側圧縮機11aもブロワとして機能する。
したがって、両圧縮機11a、11bを運転することに
より、高圧側回路部分や中間圧力部分におけるガス冷媒
や電動機111c等のこれら部分の構成部材に蓄熱され
ていた熱が、ブロワとして機能する両圧縮機11a、1
1bから供給されるホットガスを媒介として蒸発器14
に送られ、一気に放出される。これにより蒸発器14に
付着していた霜が一気に融かされ、短時間のうちにデフ
ロストが完了される。
界冷凍サイクル装置応用給湯装置に限らず、通常の冷凍
サイクル装置にも適用できることはいうまでもない。た
だし、超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置では、通常
の冷凍サイクル装置の場合に比し、定常運転時における
高圧側圧力が高く、高圧側回路部分の熱容量が大きいた
め、デフロスト時間短縮の効果が大きいといえる。
で、次のような効果を奏する。本発明によれば、低段側
圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする2段圧縮機、
この2段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出ガスを冷
却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発
器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前
記2段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出側から前記
蒸発器の入口側に至る第1バイパス回路と、前記2段圧
縮機における低段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入
口側に至る第2バイパス回路とを有し、この第1バイパ
ス回路及び第2バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉
鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞ
れ有するので、デフロスト運転時、低段側圧縮機及び高
段側圧縮機のブロワ機能が有効に発揮され、高圧側回路
部分や中間圧力部分に蓄積されていた熱が一気に蒸発器
に放出され、デフロスト運転時間を短縮することができ
る。
内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段
側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記
圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続
され、前記第2バイパス回路は、この中間連絡配管に前
記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有するので、前記
第2バイパス配管の接続が容易になる。
力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置であるの
で、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成
部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が
大きく、デフロスト運転時間短縮の効果が大きくなる。
ある。
運転時における冷凍サイクル装置の運転を説明するため
のモリエル線図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要
素とする2段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガス
を冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する
蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路
は、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側
に至る第1バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側
から前記蒸発器の入口側に至る第2バイパス回路とを有
し、この第1バイパス回路及び第2バイパス回路は、定
常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放さ
れる開閉弁をそれぞれ有する冷凍サイクル装置。 - 【請求項2】 前記2段圧縮機は、密閉ハウジング内に
高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧
縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮
機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続さ
れ、前記第2バイパス回路は、この中間連絡配管に前記
低段側圧縮機の吐出側との接続部を有する請求項1又は
2記載の冷凍サイクル装置。 - 【請求項3】 前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が
超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置である請求項
1〜3のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
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