JP2003139421A - 非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置 - Google Patents

非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置

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    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍サイクル内の循環組成を変更する組成分
離回路との接続点数が少なく、冷媒回路構成が簡単で製
作が容易な非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置を
提供する。 【解決手段】 圧縮機1、冷媒流路四方弁2、利用側熱
交換器5、第1減圧装置4及び熱源側熱交換器3を環状
に接続し、低沸点冷媒と高沸点冷媒とからなる非共沸混
合冷媒を循環させる冷凍サイクルからなる熱源ユニット
62と、上部に第1冷却器13および冷媒貯留器14を
環状に接続し、下部に第2冷却器12を接続し、非共沸
混合冷媒の組成を分離する冷媒精留器11を有する組成
分離回路からなる組成分離ユニット63と、冷凍サイク
ルユニット62と分離回路ユニット63とを2箇所で接
続する第1配管および第2配管とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、冷媒として非共
沸混合冷媒を用いる冷凍サイクルに関するものであり、
特に冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更し、性能
向上や高温給湯を行うことができる冷凍サイクル装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来、回転数が変更できない圧縮機を搭
載した空調機の容量制御やヒートポンプ式給湯機による
高温出湯時の高圧圧力低減のため、冷凍サイクル内を循
環する冷媒の組成を変更する冷媒組成変更手段を搭載し
た冷凍サイクル装置が提案されている。ここで、冷凍サ
イクル内を循環する非共沸混合冷媒の組成を変更して能
力を制御する例としては、特開平10−267436号
公報に開示のものが知られている。従来の冷凍サイクル
は、圧縮機の回転数を変更するインバータを用いずに高
効率で幅広い能力制御幅を得ることを目的とするもので
あり、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交
換器を備えた冷凍サイクルと、低沸点冷媒と高沸点冷媒
とからなる非共沸混合冷媒と、低沸点成分に富んだ冷媒
を生成する冷媒精留器と、冷媒精留器から出た冷媒を貯
留する第1の冷媒貯留器と、高沸点成分に富んだ冷媒を
貯留する第2の冷媒貯留器とを備え、第1の冷媒貯留器
と第2の冷媒貯留器の液冷媒量を調整することにより冷
凍サイクル内を循環する組成を連続的に変更し、常に負
荷に応じた能力を発揮させることができるというもので
ある。
【0003】従来の冷凍空調装置について、図8を用い
て説明する。図8において、60は室外機であり、圧縮
機1、四方弁2、熱源側熱交換器3及び第2の冷媒貯留
器であるアキュムレータ6を備えている。また61は室
内機であり、第1減圧装置である電子式膨張弁4と利用
側熱交換器5を備えている。室外機60と室内機61は
2本の配管で接続されており、冷凍サイクルを形成して
いる。この冷凍サイクル内には高沸点成分と低沸点成分
からなる非共沸混合冷媒が充填されている。熱源側熱交
換器3は、暖房運転時には蒸発器として動作し、冷房運
転時には凝縮器として動作する。また利用側熱交換器5
は、暖房運転時には凝縮器として動作し、冷房運転時に
は蒸発器として動作する。
【0004】室外機60において、冷凍サイクル内を循
環する非共沸混合冷媒の組成を連続的に変更する冷媒組
成変更手段について次に説明する。11は冷媒精留器で
あり、圧縮機1出口部と冷媒精留器11の下部は、電磁
弁21を介して配管で接続されており、またこの配管の
途中には、圧縮機1の吸入配管と熱交換する冷却器12
が設けられている。さらに冷媒精留器11の下部とアキ
ュムレータ6は、毛細管24と電磁弁22を介して配管
で接続されている。冷媒精留器11の上部には、冷却器
13と第1の冷媒貯留器である冷媒貯留器14が環状に
接続されており、冷却器13は、圧縮機1の吸入冷媒の
一部が電磁弁23を介して流入できるように構成されて
いる。冷媒精留器11、冷媒貯留器14、冷却器12、
冷却器13、電磁弁21、22、23、毛細管24およ
びこれらの接続配管は、室外機60内に納められてい
る。
【0005】この構成において、例えば、暖房運転時に
は、冷凍サイクル内の余剰な冷媒は、アキュムレータ6
内に貯留される。このアキュムレータ6内の冷媒は、高
沸点成分に富んだ液冷媒と、低沸点成分に富んだ蒸気冷
媒に分離される。このため、アキュムレータ6内に液冷
媒が貯留されると、サイクル内を循環する冷媒組成は、
充填組成に比べて低沸点成分が増加する。
【0006】一方、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成
の高沸点成分を増加させる場合には、圧縮機1を出た高
温高圧の蒸気冷媒の一部を電磁弁21を介して冷却器1
2に流入させ、この高温の冷媒蒸気は、冷却器12内で
低温低圧の圧縮機吸入冷媒によって冷却され、飽和蒸気
あるいは気液二相状態まで冷却される。冷却器12を出
た高圧の気液二相冷媒は冷媒精留器11の下部へ流入
し、このうち冷媒蒸気は冷媒精留器11内を上昇する。
また冷媒精留器11の上部では、上昇した冷媒蒸気が冷
却器13に流入し、電磁弁23を通って流入した低温の
圧縮機吸入冷媒によって冷却され、凝縮液化する。この
液冷媒は冷媒貯留器14に流入し、貯留される。冷媒貯
留器14内から液冷媒が冷媒精留器11の環流液として
冷媒精留器11の上部より流入する。すなわち、冷媒精
留器11内では、上昇する蒸気冷媒と、下降する液冷媒
とが気液接触を行い、熱および物質移動が行われ、冷媒
精留器11内を上昇する蒸気冷媒は徐々に低沸点成分が
増加し、低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒貯留器14内
に貯留される。
【0007】冷媒貯留器14に貯留される液冷媒の増加
とともに、アキュムレータ6内の液冷媒は減少し、アキ
ュムレータ6内に貯留されていた高沸点成分に富んだ液
冷媒が、サイクル内へ放出され、低沸点成分に富んだ液
冷媒が冷媒貯留器14内に貯留されることになる。この
結果、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を高沸点成分
に富んだものにすることができる。例えば、R32を2
3%、R125を25%、R134aを52%の重量割
合で混合した冷媒(R407C)を充填した冷凍サイク
ルにおいて、R32の組成を45%から5%の範囲で制
御することにより、能力は充填組成(R32の組成が2
3%)での能力を100とすると130%から70%の
範囲で制御することができる。
【0008】以上のように、従来の発明においては、冷
媒貯留器14に貯留する低沸点成分に富んだ液冷媒量と
アキュムレータ6に貯留する高沸点成分に富んだ液冷媒
量を調整することにより、冷凍サイクル内を循環する冷
媒組成を変更できるため、インバータによる回転数制御
を行う場合に比べ、低コストで広範囲な冷媒組成変更が
可能になるというものであった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来の冷凍サイクル装
置では、冷媒精留器11に供給する冷媒を冷却する冷却
源および冷媒精留器11の出口蒸気を冷却する冷却源と
して冷凍サイクルの低圧ガス冷媒を利用していたため、
冷凍サイクルと冷媒精留器11との接続点数が多く(図
8において、冷凍サイクルと冷媒組成変更手段の接続点
数はa〜fの6点)、冷凍サイクル装置製作の作業性が
低下するとともに冷媒回路構成が複雑になるという課題
があった。
【0010】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたもので、簡単な冷媒構成で冷凍サイクルと組成分
離回路との接続箇所が削減でき、工作性が向上するとと
もに、既存の冷凍サイクル装置に組成分離回路を容易に
接続することができ、また、各流路に適正な冷媒流量を
流すことができ、信頼性や性能向上を図ることができる
非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置を提供するこ
とを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】第1の発明に係わる非共
沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮機、冷媒
流路切り換え手段、利用側熱交換器、第1減圧装置及び
熱源側熱交換器を環状に接続し、低沸点冷媒と高沸点冷
媒とからなる非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクル
からなる熱源ユニットと、上部に第1冷却器および冷媒
貯留器を環状に接続し、下部に第2冷却器を接続し、前
記非共沸混合冷媒の組成を分離する組成分離手段を有
し、前記組成分離手段の下部から流出した前記非共沸混
合冷媒を前記第1冷却器及び前記第2冷却器の冷却源と
するようにした組成分離回路からなる組成分離ユニット
と、前記冷凍サイクルユニットと前記分離回路ユニット
とを2箇所で接続する第1配管および第2配管とを備
え、前記非共沸混合冷媒の組成の変更内容に基づいて、
前記第1配管により前記冷凍サイクルユニットの前記圧
縮機から吐出された前記非共沸混合冷媒の一部を前記組
成分離ユニットに導入し、前記組成分離回路ユニットで
前記非共沸混合冷媒の組成を変更して前記第2配管によ
り前記冷凍サイクルユニットに供給することを特徴とす
る非共沸混合冷媒を用いるものである。
【0012】また、第2の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第1配管は、組成
分離手段の下部と、圧縮機吐出部と冷媒流路切り換え手
段との間の配管に第2冷却器を介して接続され、第2配
管は、前記組成分離手段の下部と、前記冷媒流路切り換
え手段と前記圧縮機吸入部との間の配管に第1冷却器を
介して接続されるようにしたものである。
【0013】また、第3の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第1配管は、組成
分離手段の下部に接続された第2冷却器と、圧縮機吐出
部と冷媒流路切り換え手段との間の配管に接続され、第
2配管は、前記組成分離手段の下部と、前記第1減圧装
置と前記利用側あるいは熱源側熱交換器との間の低圧配
管に第1冷却器を介して接続されるようにしたものであ
る。
【0014】この発明の第4の発明に係わる非共沸混合
冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、第2配管の組
成分離手段の下部と第1冷却器との間の配管と、前記第
2配管の前記第1冷却器の出口側配管に、第2冷却器を
介して接続された第3配管を設けたものである。
【0015】また、第5の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第2冷却器と組成
分離手段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前
記組成分離手段の下部と、第3配管との接続部との間の
配管に第3減圧装置を設けたものである。
【0016】また、第6の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2冷却器と組成分離手
段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前記組成
分離手段の下部と第3配管との接続部と、第1冷却器と
の間の配管に第3減圧装置を設け、前記第2配管と前記
第3配管との接続部と、第2冷却器との間の配管に第4
減圧装置を設けたものである。
【0017】また、第7の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第2配管は、第2
冷却器を介して接続されるようにしたものである。
【0018】また、第8の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2冷却器と組成分離手
段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前記組成
分離手段の下部と第1冷却器との間の配管に第3減圧装
置を設けたものである。
【0019】また、第9の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第1配管の冷凍サイクル
と第2冷却器入口部との間の配管に第1開閉弁を設け、
第2配管の第1冷却器出口部と前記冷凍サイクルとの間
の配管に第2開閉弁を設けたものである。
【0020】また、第10の発明に係わる非共沸混合冷
媒を用いた冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルを収納し
た熱源ユニットと、組成分離回路を収納した組成分離ユ
ニットとを独立分離して設置したものである。
【0021】
【発明の実施の形態】実施の形態1.以下、この発明の
実施の形態1を示す冷凍サイクル装置について説明す
る。図1は本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す
構成図である。まず、この発明の冷凍サイクル装置の構
成について説明する。図において、62は冷凍サイクル
を収納する熱源ユニット、63は組成分離回路を収納す
る組成分離ユニットであり、これらは第1および第2配
管である2本の配管で接続され、冷媒回路内を循環する
冷媒組成が変更可能な冷凍サイクルを形成している。こ
の冷凍サイクル内には、例えば高沸点成分(R134
a)と低沸点成分(R32+R125)からなる3成分
非共沸混合冷媒R407C(R32:R125:R13
4a=23:25:52wt%)が充填されている。
【0022】冷凍サイクルは圧縮機1、四方弁2、熱源
側熱交換器3、第1減圧装置である膨張弁4、利用側熱
交換器5、アキュムレータ6で構成され、これらは熱源
ユニット62内に収納されている。また、組成分離回路
は組成分離手段である冷媒精留器11、冷媒を貯留する
ための冷媒貯留器14、第1冷却器13、第2冷却器1
2、第2減圧装置である毛細管31、第3減圧装置であ
る毛細管33、第4減圧装置である毛細管32、第1お
よび第2開閉弁である電磁弁21、22で構成され、冷
媒精留器11の上部には、第1冷却器13と冷媒貯留器
14が環状に接続されている。なお、これらは組成分離
ユニット63内に収納されている。
【0023】さらに、冷媒精留器11には、その内部に
気液の接触面積を増大させるための充填材が封入されて
いる。また、圧縮機1出口部と冷媒精留器11の下部
は、第1開閉弁である電磁弁21を介して第1配管で接
続されており、第1配管の途中には、圧縮機1の吐出ガ
スを冷媒精留器11から流出する冷媒液で冷却する第2
冷却器12と毛細管31が設けられている。また、冷媒
精留器11の下部から流出した液冷媒は、2つの配管、
すなわち、第2配管および第3配管に分岐し、一方、第
2配管は、毛細管33、第1冷却器13、電磁弁22か
らなる流路を通ってアキュムレータ6の入口部に流入す
る。また、他方、第3配管は毛細管32、第2冷却器1
2からなる流路を通って第1冷却器13と電磁弁22と
の間に合流し、アキュムレータ6の入口部に流入する。
【0024】次に、上記のように構成された本実施の形
態の動作について説明する。本実施の形態では、冷凍サ
イクル装置を、熱源側熱交換器3に水熱交換器を用い、
利用側熱交換器5に空気熱交換器を用いる空冷式給湯チ
ラーとし、冷凍サイクル内を循環する低沸点成分の組成
を変更し、高温給湯時の高圧圧力上昇を抑制する方法に
ついて説明する。この場合、利用側熱交換器5は、給湯
運転(温水供給運転)時には蒸発器として動作し、チラ
ー運転(冷水供給運転)時には凝縮器として動作する。
また熱源側熱交換器3は、給湯運転時には凝縮器として
動作し、チラー運転時には蒸発器として動作する。
【0025】まず、給湯(温水供給)運転の場合につい
て説明する。給湯運転の場合、四方弁2は実線のように
接続され、圧縮機出口部と熱源側熱交換器3の入口部が
接続されるとともに、アキュムレータ6の入口部と利用
側熱交換器5の出口部がそれぞれ接続される。圧縮機1
から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、四方弁2を経て
凝縮器として動作する熱源側熱交換器3で凝縮液化して
中温高圧の液冷媒となり、膨張弁4で減圧され、低温低
圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作する利用側
熱交換器5に流入する。この冷媒は、利用側熱交換器5
で蒸発気化し、四方弁2、アキュムレータ6を経て再び
圧縮機1へ戻る。このとき、熱源側熱交換器3に流入す
る被加熱媒体である冷水は冷媒の凝縮潜熱によって加熱
されて温水となり、貯湯タンクなどに供給される。ま
た、利用側熱交換器5に流入する被冷却媒体である空気
は冷媒の蒸発潜熱によって冷却された後、外気などへ放
出される。
【0026】次に、給湯運転時に、冷凍サイクル内を循
環する冷媒組成を変更する場合の動作について説明す
る。上述した給湯運転時において、冷凍サイクル内を循
環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合には、電
磁弁21、22を開状態とする。この時、圧縮機1を出
た高温高圧の蒸気冷媒の一部は、電磁弁21を通って第
2冷却器12に流入する。この高温の冷媒蒸気は、第2
冷却器12内で冷媒精留器11の下部から流出し毛細管
32によって減圧された低温低圧の液冷媒の一部によっ
て冷却され、飽和蒸気あるいは気液二相状態まで冷却さ
れる。第2冷却器12を出た高圧の気液二相冷媒は毛細
管31で中間圧力まで減圧された後、冷媒精留器11の
下部へ流入し、このうち冷媒蒸気は冷媒精留器11内を
上昇する。
【0027】ここで、毛細管31、32の仕様は、冷媒
精留器11の中間圧力および上昇する冷媒蒸気の流量が
適正となるように決定されている。また冷媒精留器11
の上部では、上昇した冷媒蒸気が第1冷却器13に流入
し、冷媒精留器11の下部から流出し毛細管33によっ
て減圧された液冷媒の他の一部によって冷却され、凝縮
液化する。凝縮液化した冷媒は冷媒貯留器14に流入
し、貯留される。冷媒貯留器14内では流入した液冷媒
が徐々に蓄積され、冷媒貯留器14が満液状態となる
と、オーバーフローした液冷媒が冷媒精留器11の環流
液として冷媒精留器11の上部より流入する。この状態
において、冷媒精留器11内では、上昇する蒸気冷媒
と、下降する液冷媒とが気液接触を行い、熱および物質
移動が行われ、いわゆる精留作用により、冷媒精留器1
1内を上昇する蒸気冷媒は徐々に低沸点成分が増加し、
冷媒貯留器14内に貯留された液冷媒は徐々に低沸点成
分に富んだ状態となる。なお、冷媒精留器11の下部か
ら流出する液冷媒の流量は、冷媒精留器11内を下降す
る液冷媒と冷媒精留器11に流入する気液二相冷媒中の
液冷媒との合計流量となる。以上より、低沸点成分に富
んだ液冷媒が冷媒貯留器14内に貯留され、冷凍サイク
ル内を循環する冷媒組成を高沸点成分に富んだものとす
ることができる。
【0028】ここで、冷凍サイクル内を循環する冷媒組
成の目標値と制御方法について図2および図3を用いて
説明する。図2は、R407Cにおいて、所望の給湯温
度(例えば70℃)が得られる場合の低沸点成分(R3
2+R125)の組成と高圧圧力の関係を示したもので
ある。図2において、アは低沸点成分の組成と高圧圧力
の関係を示しており、イは圧縮機の高圧圧力の使用限界
を示している。また、Aは低沸点成分が48wt%に相
当する高圧圧力を、Bは低沸点成分の組成を低下させた
場合の高圧圧力の変化を、Cは高圧圧力をイ(圧縮機の
高圧圧力の使用限界)以下とする場合の低沸点成分の組
成(21wt%)を示している。
【0029】図2より、R407Cの標準組成における
低沸点成分の組成(48wt%)では、所望の給湯温度
を得るための高圧圧力が圧縮機の使用限界値を超えるた
め、実際には所望の給湯温度を得る運転は実現できない
ことを示している。ところが、R407Cが非共沸混合
冷媒であることを利用し、低沸点成分の組成を48wt
%から21wt%へ低下させることで圧縮機の使用限界
以内で所望の給湯温度を得ることができる。従って、高
圧圧力を圧縮機の使用限界値以下に抑制しかつ所定の給
湯温度を得ることが可能な冷媒組成の目標値は、21w
t%以下となる。
【0030】さらに、冷媒組成の目標値への制御方法に
ついて図3を用いて説明する。図3は、電磁弁21、2
2を開放状態としてからの経過時間(組成変化運転時
間)に対する冷凍サイクル内を循環する低沸点成分の組
成変化を示している。図3より、冷凍サイクル内を循環
する冷媒組成を目標値とするためには、電磁弁21、2
2をTo時間(例えば、1時間)以上開放する必要があ
ることがわかる。すなわち、電磁弁21、22の開放時
間を所定時間以上とすることにより、冷媒組成の目標値
への制御が可能となる。
【0031】次に、冷凍サイクル内の循環組成を高沸点
成分が増加した状態から低沸点成分が増加した状態に変
更する場合には、電磁弁21を閉状態、電磁弁22を開
状態にする。この状態では、冷媒精留器11には冷媒の
供給が行われず、冷媒貯留器14内に貯留されている低
沸点成分に富んだ中間圧力の液冷媒は、冷媒精留器11
の上部から下部へ下降し、一部は毛細管32、第2冷却
器12、電磁弁22からなる流路を通ってアキュムレー
タ6に流入し、他の一部は毛細管33、第1冷却器1
3、電磁弁22からなる流路を通ってアキュムレータ6
に流入する。このように、冷媒貯留器14から低沸点成
分に富んだ液冷媒が冷凍サイクル内へ放出される。一
方、膨張弁4は、熱源側熱交換器3出口の冷媒過冷却度
が適正(例えば10℃)となるようにその開度が制御さ
れており、冷凍サイクル内の余剰な冷媒はアキュムレー
タ6内に貯留される。このアキュムレータ6内の冷媒
は、高沸点成分に富んだ液冷媒と、低沸点成分に富んだ
蒸気冷媒に分離され、このうち主に蒸気冷媒が圧縮機1
に吸入される。従って、冷凍サイクル内を循環する冷媒
組成を低沸点成分に富んだ状態とすることができる。
【0032】次にチラー(冷水供給)運転時の動作につ
いて説明する。チラー運転の場合、四方弁2は点線のよ
うに接続され、圧縮機1出口部と利用側熱交換器5が、
アキュムレータ6入口部と熱源側熱交換器3がそれぞれ
接続される。チラー運転時には、圧縮機1で圧縮された
高温高圧の蒸気冷媒は、四方弁2を経て凝縮器として動
作する利用側熱交換器5で凝縮液化し、膨張弁4で減圧
され、低圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作す
る熱源側熱交換器3に流入する。この冷媒は熱源側熱交
換器3で蒸発し、四方弁2、アキュムレータ6を経て再
び圧縮機1へ戻る。膨張弁4は、利用側熱交換器5出口
の冷媒過冷却度が適正(例えば10℃)となるようにそ
の開度が制御されており、冷凍サイクル内の余剰な冷媒
は、アキュムレータ6内に貯留される。チラー運転時の
冷凍サイクル内の循環組成を変更する手順は、先に説明
した給湯運転時と同様であるため省略する。
【0033】以上のように、この発明によれば、第1冷
却器13及び第2冷却器12の冷却源として冷媒精留器
11から流出した液冷媒を用いることにより、冷凍サイ
クル装置と組成分離回路との接続箇所を2箇所とし、従
来例である圧縮機1の吸入冷媒を冷却源とする場合より
も接続箇所(図8では6箇所)が削減でき、装置製作に
おける工作性が向上するため低コストにすることができ
る。また、接続箇所を2箇所としたため、熱源ユニット
と組成分離ユニットとを独立分離して設置することが可
能となり、冷凍サイクル装置の圧縮機吐出部と吸入部に
チーズ(T型)配管を設けるといった簡単な改造で既存
の冷凍サイクル装置に組成分離回路を接続することがで
き、冷凍サイクル装置の高圧圧力抑制や性能向上を容易
に実現することができる。
【0034】また、冷媒精留器11の下部から流出した
液冷媒を2つの流路に分岐し、各流路に適した毛細管を
設置したため、各流路に適正な冷媒流量を流すことがで
きるという効果がある。また、冷凍サイクルと組成分離
回路との接続配管に電磁弁を設けたため、単純な弁の開
閉操作で冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の変更を可
能とすることができる。
【0035】さらに、本実施の形態では、R32、R1
25、R134aから構成されるR407Cを用いた場
合の例を示したが、地球温暖化係数の高いR125を除
いたR32/134a系を用いた場合も同様の効果を発
揮することができる。また、HFC系冷媒であるR3
2、R125、R134a、R143a、およびHC系
冷媒であるR290、R600、R600aなどから2
つ以上の冷媒を選択し混合した非共沸混合冷媒を用いた
場合でも、地球環境に優しく循環組成の変更が可能な冷
凍サイクル装置を提供することができる。
【0036】加えて、本実施の形態では、冷媒組成の目
標値への制御を電磁弁の開放時間で行う場合の例を示し
たが、特開平11−63747号開示のように、冷凍サ
イクル内を循環する冷媒組成を検知し、冷凍サイクル内
の循環組成が目標値となるまで組成変化運転を実施する
ようにしても良く、この場合更に正確な目標値への制御
が可能となる。
【0037】実施の形態2.以下、この発明の実施の形
態2を示す冷凍サイクル装置について説明する。図4は
実施の形態2に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であ
り、実施の形態1とほぼ同様の構成であるため詳細な説
明は省略する。本実施の形態では、実施の形態1で必要
であった2本の毛細管32および33を1本の毛細管3
4に集約したものである。すなわち、冷媒精留器11か
ら流出した液冷媒は、毛細管34で減圧された後、第2
冷却器12へ供給される二相冷媒と、第1冷却器13へ
供給される二相冷媒とに分岐されることになる。以上の
ような構成とすることにより、2本の毛細管を1本に集
約することができ、冷媒回路を簡素化することができ、
低コスト化を図ることができる。
【0038】実施の形態3.以下、この発明の実施の形
態3を示す冷凍サイクル装置について説明する。図5は
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であ
り、実施の形態1とほぼ同様の構成であるため詳細な説
明は省略する。本実施の形態は、給湯(温水供給)運転
時のみ循環組成を変更する場合に用いられる。すなわ
ち、本実施の形態では、実施の形態1のように冷媒精留
器11から流出した液冷媒がアキュレータ6入口部に流
入する構成ではなく、膨張弁4と利用側熱交換器5の間
の配管に流入する構成としている。従って、膨張弁4と
利用側熱交換器5の間の配管が低圧となる給湯運転時に
は、電磁弁21および22を開放して循環組成の変更を
行うが、膨張弁4と利用側熱交換器5の間の配管が高圧
となるチラ−(冷水供給)運転時には、電磁弁21およ
び22を閉止して循環組成の変更は行わない。
【0039】以上のように、本実施の形態では、冷媒精
留器11から流出した冷媒が膨張弁4と利用側熱交換器
5の間の配管に流入する構成としているため、冷媒精留
器11から流出した液冷媒が第2冷却器12あるいは第
1冷却器13で完全蒸発しない場合でも、未蒸発液を利
用側熱交換器5で蒸発させることができ、圧縮機への液
戻りによる信頼性の低下や吐出温度低下に伴う性能低下
といった現象を抑制することができる。
【0040】なお、本実施の形態は、冷媒精留器11か
ら流出した冷媒が膨張弁4と利用側熱交換器5の間の配
管に流入する場合を示したが、冷媒精留器11から流出
した冷媒が膨張弁4と熱源側熱交換器5の間の配管に流
入するようにしてもよい。
【0041】実施の形態4.以下、この発明の実施の形
態4を示す冷凍サイクル装置について説明する。図6は
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であ
り、実施の形態1と同様の構成部分については詳細な説
明を省略する。本実施の形態では、冷媒精留器11から
流出した液冷媒を毛細管32により減圧し、減圧された
低温・低圧の二相冷媒が、第1冷却器13に流入し、冷
媒精留器11上部から流出する飽和ガスを冷却した後、
第2冷却器12に流入し、吐出ガスを冷却する構成とし
ている。従って、実施の形態1〜3で示したように冷媒
精留器11から流出した液冷媒を分岐させる必要がな
く、配管本数が低減できて冷媒回路構成の簡素化が図れ
るとともに、低コストな冷媒回路とすることができる。
【0042】実施の形態5.以下、この発明の実施の形
態5による冷凍サイクル装置について説明する。図7は
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であ
る。本実施の形態において、60は室外機であり、圧縮
機1、四方弁2、熱源側熱交換器3、アキュムレータ6
で構成されている。また、61aおよび61bは室内機
であり、本実施の形態では室内機が2台設置されてい
る。室内機61a、61bは、第1減圧装置である電子
式膨張弁4aおよび4bと利用側熱交換器5aおよび5
bで構成されている。室外機60と室内機61は2本の
延長配管で接続されており、冷凍サイクルを形成してい
る。この冷凍サイクル内には高沸点成分と低沸点成分か
らなる非共沸混合冷媒、例えばR407Cが充填されて
いる。熱源側熱交換器3は、暖房運転時には蒸発器とし
て動作し、冷房運転時には凝縮器として動作する。また
利用側熱交換器5は、暖房運転時には凝縮器として動作
し、冷房運転時には蒸発器として動作する。以上の構成
は、循環組成を変更できない通常の冷凍サイクル装置と
同様であり、運転動作に関する詳細な説明は省略する。
【0043】63は組成分離ユニットであり、室外機6
0と2本の配管との間にT型分岐管AおよびBを介して
接続されている。組成分離ユニット63は、例えば図6
のように構成されており、電磁弁21および22の開閉
操作によって循環組成の変更が可能である。本実施の形
態は、暖房運転時のみ循環組成を変更する場合に用いら
れる。すなわち、本実施の形態では、A部が高圧ガス状
態、B部が低圧二相状態となる暖房運転時には電磁弁2
1および22を開放して循環組成の変更を行うが、B部
が高圧液状態、A部が低圧ガス状態となる冷房運転時に
は、電磁弁21および22を閉止して循環組成の変更は
行わない。
【0044】すなわち、通常の暖房運転時には、冷凍サ
イクル内の余剰な冷媒は、アキュムレータ6内に貯留さ
れる。このアキュムレータ6内の冷媒は、高沸点成分に
富んだ液冷媒と、低沸点成分に富んだ蒸気冷媒に分離さ
れる。このため、アキュムレータ6内に液冷媒が貯留さ
れると、サイクル内を循環する冷媒組成は、充填組成に
比べて低沸点成分が増加する。
【0045】一方、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成
の高沸点成分を増加させる場合には、圧縮機1を出た高
温高圧の蒸気冷媒の一部をA部のT型分岐管を介して組
成分離ユニット63に流入させ、実施の形態1と同様に
低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒貯留器14内に貯留さ
れる。このとき、冷媒貯留器14に貯留される液冷媒中
の低沸点成分組成の増加とともに、アキュムレータ6内
に貯留されていた高沸点成分に富んだ液冷媒が、サイク
ル内へ放出され、低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒貯留
器14内に貯留されることになる。この結果、冷凍サイ
クル内を循環する冷媒組成を高沸点成分に富んだものに
することができる。
【0046】以上のように、本実施の形態においては、
既設の冷凍サイクル装置において、室外機60と延長配
管との接続部(2箇所)にT型分岐管を介して組成分離
ユニットを増設することにより、既設の冷凍サイクル装
置を改造することなく高圧圧力の低下や性能向上を図る
ことができる。
【0047】以上の実施の形態においては、冷媒回路に
四方弁を用いる構成について示したが、四方弁を用いな
い冷房専用機やチラ−専用機、あるいは暖房専用機やヒ
ートポンプ給湯機の場合についても成立することは言う
までもない。また、冷媒貯留器14の下部と、第1減圧
装置から圧縮機吸入までの低圧配管とを毛細管を介して
接続する配管を追加し、冷凍サイクル内の循環組成を高
沸点成分が増加した状態から低沸点成分が増加した状態
に素早く変更する構成としても良い。
【0048】
【発明の効果】以上説明したとおり、第1の発明に係わ
る非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置は、圧縮
機、冷媒流路切り換え手段、利用側熱交換器、第1減圧
装置及び熱源側熱交換器を環状に接続し、低沸点冷媒と
高沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を循環させる冷凍
サイクルからなる熱源ユニットと、上部に第1冷却器お
よび冷媒貯留器を環状に接続し、下部に第2冷却器を接
続し、前記非共沸混合冷媒の組成を分離する組成分離手
段を有し、前記組成分離手段の下部から流出した前記非
共沸混合冷媒を前記第1冷却器及び前記第2冷却器の冷
却源とするようにした組成分離回路からなる組成分離ユ
ニットと、前記冷凍サイクルユニットと前記分離回路ユ
ニットとを2箇所で接続する第1配管および第2配管と
を備え、前記非共沸混合冷媒の組成の変更内容に基づい
て、前記第1配管により前記冷凍サイクルユニットの前
記圧縮機から吐出された前記非共沸混合冷媒の一部を前
記組成分離ユニットに導入し、前記組成分離回路ユニッ
トで前記非共沸混合冷媒の組成を変更して前記第2配管
により前記冷凍サイクルユニットに供給することを特徴
とする非共沸混合冷媒を用いたので、圧縮機の吸入冷媒
を第1冷却器の冷却源とする場合よりも、冷凍サイクル
と組成分離回路との接続箇所が削減でき、工作性が向上
するため、低コストとするでことができる。また、冷凍
サイクルと組成分離ユニットとを独立分離して設置で
き、簡単な改造で既存の冷凍サイクル装置に組成分離回
路を接続することができる。
【0049】また、この発明の第2の発明に係わる非共
沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、第1配
管は、組成分離手段の下部と、圧縮機吐出部と冷媒流路
切り換え手段との間の配管に第2冷却器を介して接続さ
れ、第2配管は、前記組成分離手段の下部と、前記冷媒
流路切り換え手段と前記圧縮機吸入部との間の配管に第
1冷却器を介して接続されるようにしたので、圧縮機の
吸入冷媒を第1冷却器の冷却源とする場合よりも、冷凍
サイクルと組成分離回路との接続箇所が削減でき、工作
性が向上するため、低コストとすることができる。
【0050】また、第3の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第1配管は、組成
分離手段の下部に接続された第2冷却器と、圧縮機吐出
部と冷媒流路切り換え手段との間の配管に接続され、第
2配管は、前記組成分離手段の下部と、前記第1減圧装
置と前記利用側あるいは熱源側熱交換器との間の低圧配
管に第1冷却器を介して接続されるようにしたので、冷
媒精留器から流出した液冷媒を完全蒸発させることがで
き、信頼性や性能向上を図ることができる。
【0051】また、第4の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2配管の組成分離手段
の下部と第1冷却器との間の配管と、前記第1冷却器の
出口側の配管に、第2冷却器を介して接続された第3配
管を設けたので、第1冷却器および第2冷却器に流れる
冷媒流量の適正化を図ることができる。
【0052】また、第5の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2冷却器と組成分離手
段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前記組成
分離手段の下部と、第3配管との接続部との間の配管に
第3減圧装置を設けたので、冷媒精留器の中間圧力およ
び内部を上昇する冷媒蒸気の流量を適正に制御すること
ができる。
【0053】また、第6の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2冷却器と組成分離手
段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前記組成
分離手段の下部のと第3配管との接続部と、第1冷却器
との間の配管に第3減圧装置を設け、前記と前記第3配
管との接続部と、第2冷却器との間の配管に第4減圧装
置を設けたので、各流路に適正な冷媒流量を流すことが
できる。
【0054】また、第7の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置において、第2配管は、さら
に、第2冷却器を介して接続されるようにしたので、配
管本数を低減でき、冷媒回路の簡素化と低コスト化を図
ることができる。
【0055】また、第8の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第2冷却器と組成分離手
段の下部との間の配管に第2減圧装置を設け、前記組成
分離手段の下部と第1冷却器との間の配管に第3減圧装
置を設けたので、冷媒精留器の中間圧力および内部を上
昇する冷媒蒸気の流量を適正に制御することができると
いう効果がある。
【0056】また、第9の発明に係わる非共沸混合冷媒
を用いた冷凍サイクル装置は、第1配管の冷凍サイクル
と第2冷却器入口部との間の配管に第1開閉弁を設け、
第2配管の第1冷却器出口部と前記冷凍サイクルとの間
の配管に第2開閉弁を設けたので、単純な弁の開閉操作
により、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更する
ことができる。
【0057】また、第10の発明に係わる非共沸混合冷
媒を用いた冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルを収納し
た熱源ユニットと、組成分離回路を収納した組成分離ユ
ニットとを独立分離して設置したので、既設の冷凍サイ
クル装置の簡単な改造で組成分離回路を接続することが
でき、高圧圧力抑制や性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す冷凍サイクル
装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態1を示す低沸点成分の
組成と高圧圧力の関係を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態1を示す組成変化運転
時間と低沸点成分の組成の関係を示す図である。
【図4】 この発明の実施の形態2を示す冷凍サイクル
装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図5】 この発明の実施の形態3を示す冷凍サイクル
装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図6】 この発明の実施の形態4を示す冷凍サイクル
装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態5を示す冷凍サイクル
装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図8】 従来の空気調和機の冷媒回路構成を示す図で
ある。
【符号の説明】 1 圧縮機、2 四方弁、3 熱源側熱交換器、4、4
a、4b 第1減圧装置、5、5a、5b 利用側熱交
換器、6 アキュムレータ、11 冷媒精留器、12
第2冷却器、13 第1冷却器、14 冷媒貯留器、2
1 、22 電磁弁、31、32、33 毛細管、60
室外機、61、61a、61b 室内機、62 熱源
ユニット、63 組成分離ユニット。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮機、冷媒流路切り換え手段、利用側
    熱交換器、第1減圧装置及び熱源側熱交換器を環状に接
    続し、低沸点冷媒と高沸点冷媒とからなる非共沸混合冷
    媒を循環させる冷凍サイクルからなる熱源ユニットと、 上部に第1冷却器および冷媒貯留器を環状に接続し、下
    部に第2冷却器を接続し、前記非共沸混合冷媒の組成を
    分離する組成分離手段を有し、前記組成分離手段の下部
    から流出した前記非共沸混合冷媒を前記第1冷却器及び
    前記第2冷却器の冷却源とするようにした組成分離回路
    からなる組成分離ユニットと、 前記冷凍サイクルユニットと前記分離回路ユニットとを
    2箇所で接続する第1配管および第2配管とを備え、 前記非共沸混合冷媒の組成の変更内容に基づいて、前記
    第1配管により前記冷凍サイクルユニットの前記圧縮機
    から吐出された前記非共沸混合冷媒の一部を前記組成分
    離ユニットに導入し、前記組成分離回路ユニットで前記
    非共沸混合冷媒の組成を変更して前記第2配管により前
    記冷凍サイクルユニットに供給することを特徴とする非
    共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
  2. 【請求項2】 第1配管は、組成分離手段の下部と、圧
    縮機吐出部と冷媒流路切り換え手段との間の配管に第2
    冷却器を介して接続され、第2配管は、前記組成分離手
    段の下部と、前記冷媒流路切り換え手段と前記圧縮機吸
    入部との間の配管に第1冷却器を介して接続されるよう
    にしたことを特徴とする請求項1記載の非共沸混合冷媒
    を用いる冷凍サイクル装置。
  3. 【請求項3】 第1配管は、組成分離手段の下部に接続
    された第2冷却器と、圧縮機吐出部と冷媒流路切り換え
    手段との間の配管に接続され、第2配管は、前記組成分
    離手段の下部と、前記第1減圧装置と前記利用側あるい
    は熱源側熱交換器との間の低圧配管に第1冷却器を介し
    て接続されるようにしたことを特徴とする請求項1記載
    の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
  4. 【請求項4】 第2配管の組成分離手段の下部と第1冷
    却器との間の配管と、前記第2配管の前記第1冷却器の
    出口側配管に、第2冷却器を介して接続された第3配管
    を設けたことを特徴とする請求項2または請求項3記載
    の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
  5. 【請求項5】 第2冷却器と組成分離手段の下部との間
    の配管に第2減圧装置を設け、前記組成分離手段の下部
    と、第3配管との接続部との間の配管に第3減圧装置を
    設けたことを特徴とする請求項4記載の非共沸混合冷媒
    を用いる冷凍サイクル装置。
  6. 【請求項6】 第2冷却器と組成分離手段の下部との間
    の配管に第2減圧装置を設け、前記組成分離手段の下部
    と第3配管との接続部と、第1冷却器との間の配管に第
    3減圧装置を設け、前記第2配管と前記第3配管との接
    続部と、第2冷却器との間の配管に第4減圧装置を設け
    たことを特徴とする請求項4記載の非共沸混合冷媒を用
    いる冷凍サイクル装置。
  7. 【請求項7】 第2配管は、第2冷却器を介して接続さ
    れるようにしたことを特徴とする請求項2または請求項
    3記載の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
  8. 【請求項8】 第2冷却器と組成分離手段の下部との間
    の配管に第2減圧装置を設け、前記組成分離手段の下部
    と第1冷却器との間の配管に第3減圧装置を設けたこと
    を特徴とする請求項7記載の非共沸混合冷媒を用いる冷
    凍サイクル装置。
  9. 【請求項9】 第1配管の冷凍サイクルと第2冷却器入
    口部との間の配管に第1開閉弁を設け、第2配管の第1
    冷却器出口部と前記冷凍サイクルとの間の配管に第2開
    閉弁を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項8記載
    の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
  10. 【請求項10】 冷凍サイクルを収納した熱源ユニット
    と、組成分離回路を収納した組成分離ユニットとを独立
    分離して設置したことを特徴とする請求項9に記載の非
    共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
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