JP2004003804A - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】給湯器用の蒸気圧縮式冷凍機の圧縮機の吸入側において、冷媒過熱度を確保する。
【解決手段】圧縮機に吸入される冷媒を加熱する加熱器60を蒸発器30の上方側に配置する。これにより、蒸発器30で発生した凝縮水が加熱器60に流れ、加熱器60の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【選択図】 図6
【解決手段】圧縮機に吸入される冷媒を加熱する加熱器60を蒸発器30の上方側に配置する。これにより、蒸発器30で発生した凝縮水が加熱器60に流れ、加熱器60の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、給湯器に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
蒸気圧縮式冷凍機を用いた従来の空調装置では、室内に吹き出す空気を冷却する第1の蒸発器に加えて、第2の蒸発器を第1の蒸発器の空気流れ上流側に設けている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
なお、第2の蒸発器は、冷媒回路中、圧縮機と圧縮機の吸入側に設けた気液分離器との間に設けられたもので、気液二層状態の冷媒が流入して液相冷媒を蒸発させるものである。
【0004】
【特許文献1】
実開昭57−73564号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸気圧縮式冷凍機では圧縮機にて冷媒を断熱的に圧縮するが、図4に示されるp−h線図からも明らかなように、圧縮機の圧縮仕事、すなわち圧縮機の吸入側と吐出側とのエンタルピ差が同一であっても、圧縮機の吸入側における冷媒過熱度は小さいと、圧縮機から吐出される冷媒の温度が低下する。
【0006】
このため、給湯器等の蒸気圧縮式冷凍機にて回収された熱を利用する装置において、圧縮機の吸入側における冷媒過熱度は小さいと、圧縮機から吐出される冷媒の温度が低下し、十分な温度の熱を得ることができないおそれがある。
【0007】
本発明は、上記点に鑑み、圧縮機の吸入側において、冷媒過熱度を確保することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)が蒸発器(30)の上方側に配置されていることを特徴とする。
【0009】
これにより、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、加熱器(60)は、熱交換器(70)のうち上方側に配置されていることを特徴とする。
【0011】
これにより、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0012】
請求項3に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、加熱器(60)は、熱交換器(70)のうち、上方側であって、かつ、風上側に配置されていることを特徴とする。
【0013】
これにより、熱交換器(70)の大型化を招くことなく、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0014】
請求項4に記載の発明では、加熱器(60)は、圧縮機(10)の吸入側に接続される冷媒配管(61)を蒸発器(30)の上方側に配置することにより構成されていることを特徴とする。
【0015】
これにより、簡素な構成にて加熱器(60)を構成して蒸気圧縮式冷凍機の製造原価低減を図りつつ、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0016】
請求項5に記載の発明では、加熱器(60)は、空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器(61)、及び圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒と圧縮機(10)に吸入される低圧の冷媒とを熱交換する内部熱交換器(62)を有して構成されていることを特徴とする。
【0017】
これにより、高圧側の負荷状況によらず、常に高い効率を維持しながら蒸気圧縮式冷凍機を運転することができる。
【0018】
請求項6に記載の発明では、外部熱交換器(61)の冷媒流れ下流側に内部熱交換器(62)が配置されていることを特徴とする。
【0019】
これにより、内部熱交換器(62)の冷媒流れ下流側に外部熱交換器(61)を配置した場合に比べて、外部熱交換器(61)に流入する冷媒の温度と空気との温度差を大きくすることができるので、圧縮機(10)の消費動力を増大させることなく、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0020】
なお、請求項7に記載の発明では、放冷された高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及びノズルから噴射する冷媒と蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)を備えることを特徴とするものである。
【0021】
また、請求項8に記載の発明のごとく、圧縮機(10)の吐出圧を、冷媒の臨界圧力以上まで上昇させてもよい。
【0022】
また、請求項9に記載の発明のごとく、冷媒として、二酸化炭素を用いてもよい。
【0023】
請求項10に記載の発明では、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機にて給湯水を加熱することを特徴とする。
【0024】
これにより、十分な温度の給湯水を確実に供給することができる。
【0025】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0026】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯器に適用したものであって、図1は給湯器(蒸気圧縮式冷凍機)の模式図である。
【0027】
圧縮機10は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器20は圧縮機10から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【0028】
なお、圧縮機10は電動モータ(図示せず。)により駆動されており、水冷媒熱交換器20の加熱能力を大きくするときには、圧縮機10の回転数を増大させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機10の回転数を低下させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【0029】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒としてフロン(R404)を用いてもよいことは言うまでもない。
【0030】
なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、水冷媒熱交換器20にて冷媒が凝縮するが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器20内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有するので、水冷媒熱交換器20は放熱器として機能する。
【0031】
また、蒸発器30は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室外空気から熱を回収する低圧側熱交換器であり、エジェクタ40は冷媒を減圧膨張させて蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機10の吸入圧を上昇させるものである。
【0032】
なお、エジェクタ40は、図2に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル41、ノズル41から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル41から噴射する冷媒流とを混合する混合部42、及びノズル41から噴射する冷媒と蒸発器30から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ43等からなるものである。
【0033】
因みに、本実施形態では、ノズル41から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル(流体工学(東京大学出版会)参照)を採用している。
【0034】
なお、混合部42においては、ノズル41から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器30からエジェクタ40に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部42においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ43においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ40においては、混合部42及びディフューザ43の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部42とディフューザ43とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【0035】
また、図1中、気液分離器50はエジェクタ40から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器50の気相冷媒流出口は圧縮機10の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器30側の流入側に接続される。
【0036】
加熱器60は室外空気にて圧縮機10に吸入される冷媒を加熱する加熱手段であり、本実施形態では、加熱器60は、図3に示すように、蒸発器30の上方側に配置された状態で蒸発器30と一体化されて1つの室外熱交換器70を構成している。なお、室外熱交換器70の詳細は、後述する。
【0037】
なお、図4はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すp−h線図であり、そのマクロ的作動は周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。因みに、図4の●で示される符号は、図1に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【0038】
次に、室外熱交換器70について述べる。
【0039】
室外熱交換器70は、図5に示すように、気液分離器50、エジェクタ40及び圧縮機10(図示せず。)と共にケーシング内に収納されて室外ユニットを構成している。
【0040】
そして、蒸発器30及び加熱器60は、図3、6に示すように、冷媒が流通するチューブ31、61、及びその外表面に接合された薄板状のフィン32、62からなる、空気と冷媒とを熱交換する熱交換器であり、本実施形態では、蒸発器30と加熱器60とは、フィン32、62にて一体化されている。
【0041】
なお、本実施形態では、フィン32、62は上下方向に延びる薄帯板状のものであり、ろう付け又は拡管処理等の機械的接合方法によりチューブ31、61に接合されている。
【0042】
また、本実施形態では、冷媒と共に蒸発器30内に流れ込んだ冷凍機油が蒸発器30内に滞留することを防止するために、巨視的に見て、蒸発器30内において、冷媒が上部側から下部側に流れるように設定されている。
【0043】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0044】
本実施形態によれば、加熱器60にて圧縮機10に吸入される冷媒を加熱するので、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0045】
したがって、圧縮機10の圧縮仕事、つまり圧縮機10の消費動力を増大させることなく、確実に圧縮機10から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができるので、十分な温度の給湯水を供給することができる。
【0046】
ところで、本実施形態では、気液分離器50から飽和液状態の冷媒が蒸発器30に供給されるのに対して、膨脹弁等の減圧手段にて冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させた冷媒を蒸発器にて導入する膨脹弁サイクルでは、比較的に多量の気相成分を含む気液二相状態の冷媒が蒸発器が導入されるので、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機は、蒸発器30内における冷媒の圧力損失が膨脹弁サイクルに比べて小さくなるとともに、飽和液を蒸発させることができ、膨脹弁サイクルに比べて効率よく多くの熱を外気から回収することができる。
【0047】
したがって、蒸発器30と加熱器60とを一体化しても、膨脹弁サイクルに比べて室外熱交換器70が大きくなってしまうことはなく、むしろ、膨脹弁サイクルに比べて室外熱交換器70を小型にすることができる。
【0048】
つまり、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機は、極めて給湯器等の熱を回収する装置に適していると言える。
【0049】
以上に述べたように、本実施形態では、圧縮機10の消費動力を増大させることなく、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0050】
なお、ノズル41に流入する前の冷媒と圧縮機10の吸入冷媒とを熱交換して過熱度を高める手段があるが、この手段では、ノズル41に流入する冷媒のエンタルピが小さくなる。一方、エンタルピが小さくなるほど、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧力の変化量に対するエンタルピの変化量が小さくなるため、減圧膨脹時に回収可能なエネルギの最大理論値は小さくなる。
【0051】
このため、ノズル41に流入する前の冷媒と圧縮機10の吸入冷媒とを熱交換して過熱度を高める手段では、エジェクタ40にて回収することができるエネルギが減少するので、得策ではない。
【0052】
また、加熱器60を蒸発器30の上方側に配置しているので、蒸発器30で発生した凝縮水が加熱器60に流れ、加熱器60の温度が低下してしまうことを未然に防止できる。したがって、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0053】
(第2実施形態)
本実施形態は、図7に示すように、室外熱交換器70のうち、上方側であって、かつ、風上側に加熱器60を配置したものである。
【0054】
これにより、圧縮機10に吸入される冷媒の過熱度を確実に上昇させつつ、室外熱交換器70を大型にすることなく、蒸発器30の表面積を増大させて吸熱能力を増大させることができる。
【0055】
(第3実施形態)
本実施形態は、図8に示すように、圧縮機10の吸入側に接続される冷媒配管、つまりチューブ61を蒸発器30の上方側に配置することにより加熱器60を構成したものである。
【0056】
因み、本実施形態では、チューブ61は蒸発器30の上方側に配置されいるのみで、蒸発器30と一体化されていないが、第1、2実施形態と同様に一体化してもよい。
【0057】
これにより、簡素な構成にて加熱器60を構成することができるので、給湯器の製造原価を低減することができる。
【0058】
なお、図9に示すように、チューブ61にフィン61a等の突起形状を設けて表面積を増大させて吸熱能力を高める、又はチューブ61を渦巻き状として加熱器60の大型化を抑制しながら、表面積を増大させて吸熱能力を高めてもよい。
【0059】
(第4実施形態)
上述の実施形態では、室外空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器のみにより加熱器60を構成したが、図10に示すように、室外空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器61、及び圧縮機10にて圧縮された高圧冷媒のうち水冷媒熱交換器20から流出した冷媒と圧縮機10に吸入される低圧冷媒のうち外部熱交換器61から流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器62により加熱器60を構成したものである。
【0060】
次に、本実施形態の作用効果を図11に基づいて述べる。
【0061】
水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高くなると、水冷媒熱交換器20から流出する冷媒の温度が上昇するので、エジェクタサイクルの低圧側圧力、つまり蒸発器30内の蒸発圧力が上昇して加熱器60に流入する冷媒の温度が上昇してしまう。
【0062】
このため、加熱器60に流入する冷媒と室外空気との温度差が小さくなるため、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高くなると、外部熱交換器61での吸熱量が低下してしまう。
【0063】
逆に、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が低くなると、水冷媒熱交換器20から流出する冷媒の温度が上昇するので、加熱器60に流入する冷媒と内部熱交換器62に流入する高圧冷媒との温度差が小さくなるため、内部熱交換器62を介して圧縮機10に吸引される冷媒に与えられる熱量が減少してしまい、圧縮機10の吐出圧力、吐出温度及び吐出冷媒流量が低下してしまう。
【0064】
このため、エジェクタ40での昇圧量及びポンプ能力が低下するので、圧縮機10の消費動力が増大するとともに、蒸発器30での吸熱量が減少する。
【0065】
これに対して、本実施形態では、外部熱交換器61及び内部熱交換器62にて加熱器60を構成しているので、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高いときには、内部熱交換器62で回収できる熱量が増大し、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が低いときには、外部熱交換器61で回収できる熱量が増大するので、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度、つまり高圧側の負荷状況によらず、常に高い効率を維持しながら給湯器(蒸気圧縮式冷凍機)を運転することができる。
【0066】
また、外部熱交換器61の冷媒流れ下流側に内部熱交換器62を配置しているので、内部熱交換器62の冷媒流れ下流側に外部熱交換器61を配置した場合に比べて、外部熱交換器61に流入する冷媒の温度と室外空気との温度差を大きくすることができ、圧縮機10の消費動力を増大させることなく、十分な温度を給湯水を供給することができる。
【0067】
ところで、エジェクタサイクルでは、ノズル41にて冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させることにより圧縮機10の消費動力の一部を回収するものであるので、ノズル41に流入する冷媒状態をにおける等エントロピ線の傾き、つまり比エンタルピ変化量に対する圧力変化量が小さいほど、ノズル41でのエンタルピ変化量が大きくなり、動力回収量が増大する。
【0068】
しかし、等エントロピ線の傾きは、ノズル41に流入する冷媒の温度が低くなるほど大きくなるので、内部熱交換器62にてノズル41に流入する冷媒の温度を過度に低下させると、エジェクタ40での動力回収量が減少してしまう。
【0069】
したがって、本実施形態のごとく、外部熱交換器61の冷媒流れ下流側に内部熱交換器62を配置すれば、内部熱交換器62での熱交換量を抑制することができるので、内部熱交換器62にてノズル41に流入する冷媒の温度を過度に低下してしまうことを防止でき、エジェクタ40での動力回収量が減少してしまうことを防止できる。
【0070】
(その他の実施形態)
第1、2実施形態では、加熱器60と蒸発器30とが一体化されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、両者30、60を別体としてもよい。なお、このとき、加熱器60と蒸発器30との間に空間があってもよい。
【0071】
また、上述の実施形態では、エジェクタ40を用いた蒸気圧縮式冷凍機であったが、蒸気圧縮式冷凍機として膨脹弁サイクルを採用してもよい。
【0072】
また、上述の実施形態では、給湯器に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空調装置や冷蔵装置等のその他の装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図2】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図3】本発明の実施形態に係る室外熱交換器と気液分離器との接続状態を示す模式図である。
【図4】p−h線図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る室外ユニットを構成を示す模式図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図7】本発明の第2実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図8】本発明の第3実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図9】本発明の第3実施形態の変形例に係る加熱器の模式図である。
【図10】本発明の第4実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図11】本発明の第4実施形態に係る給湯器の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
30…蒸発器、31…チューブ、32…フィン、60…加熱器、
61…チューブ61、62…フィン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、給湯器に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
蒸気圧縮式冷凍機を用いた従来の空調装置では、室内に吹き出す空気を冷却する第1の蒸発器に加えて、第2の蒸発器を第1の蒸発器の空気流れ上流側に設けている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
なお、第2の蒸発器は、冷媒回路中、圧縮機と圧縮機の吸入側に設けた気液分離器との間に設けられたもので、気液二層状態の冷媒が流入して液相冷媒を蒸発させるものである。
【0004】
【特許文献1】
実開昭57−73564号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蒸気圧縮式冷凍機では圧縮機にて冷媒を断熱的に圧縮するが、図4に示されるp−h線図からも明らかなように、圧縮機の圧縮仕事、すなわち圧縮機の吸入側と吐出側とのエンタルピ差が同一であっても、圧縮機の吸入側における冷媒過熱度は小さいと、圧縮機から吐出される冷媒の温度が低下する。
【0006】
このため、給湯器等の蒸気圧縮式冷凍機にて回収された熱を利用する装置において、圧縮機の吸入側における冷媒過熱度は小さいと、圧縮機から吐出される冷媒の温度が低下し、十分な温度の熱を得ることができないおそれがある。
【0007】
本発明は、上記点に鑑み、圧縮機の吸入側において、冷媒過熱度を確保することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)が蒸発器(30)の上方側に配置されていることを特徴とする。
【0009】
これにより、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、加熱器(60)は、熱交換器(70)のうち上方側に配置されていることを特徴とする。
【0011】
これにより、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0012】
請求項3に記載の発明では、圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、加熱器(60)は、熱交換器(70)のうち、上方側であって、かつ、風上側に配置されていることを特徴とする。
【0013】
これにより、熱交換器(70)の大型化を招くことなく、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0014】
請求項4に記載の発明では、加熱器(60)は、圧縮機(10)の吸入側に接続される冷媒配管(61)を蒸発器(30)の上方側に配置することにより構成されていることを特徴とする。
【0015】
これにより、簡素な構成にて加熱器(60)を構成して蒸気圧縮式冷凍機の製造原価低減を図りつつ、蒸発器(30)で発生した凝縮水が加熱器(60)に流れ、加熱器(60)の温度が低下してしまうことを未然に防止しながら、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0016】
請求項5に記載の発明では、加熱器(60)は、空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器(61)、及び圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒と圧縮機(10)に吸入される低圧の冷媒とを熱交換する内部熱交換器(62)を有して構成されていることを特徴とする。
【0017】
これにより、高圧側の負荷状況によらず、常に高い効率を維持しながら蒸気圧縮式冷凍機を運転することができる。
【0018】
請求項6に記載の発明では、外部熱交換器(61)の冷媒流れ下流側に内部熱交換器(62)が配置されていることを特徴とする。
【0019】
これにより、内部熱交換器(62)の冷媒流れ下流側に外部熱交換器(61)を配置した場合に比べて、外部熱交換器(61)に流入する冷媒の温度と空気との温度差を大きくすることができるので、圧縮機(10)の消費動力を増大させることなく、圧縮機(10)の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0020】
なお、請求項7に記載の発明では、放冷された高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及びノズルから噴射する冷媒と蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)を備えることを特徴とするものである。
【0021】
また、請求項8に記載の発明のごとく、圧縮機(10)の吐出圧を、冷媒の臨界圧力以上まで上昇させてもよい。
【0022】
また、請求項9に記載の発明のごとく、冷媒として、二酸化炭素を用いてもよい。
【0023】
請求項10に記載の発明では、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機にて給湯水を加熱することを特徴とする。
【0024】
これにより、十分な温度の給湯水を確実に供給することができる。
【0025】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0026】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯器に適用したものであって、図1は給湯器(蒸気圧縮式冷凍機)の模式図である。
【0027】
圧縮機10は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器20は圧縮機10から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【0028】
なお、圧縮機10は電動モータ(図示せず。)により駆動されており、水冷媒熱交換器20の加熱能力を大きくするときには、圧縮機10の回転数を増大させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機10の回転数を低下させて圧縮機10から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【0029】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒としてフロン(R404)を用いてもよいことは言うまでもない。
【0030】
なお、冷媒としてフロンを用いた場合には、水冷媒熱交換器20にて冷媒が凝縮するが、冷媒として、二酸化炭素を用いた場合には、高圧側冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器20内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有するので、水冷媒熱交換器20は放熱器として機能する。
【0031】
また、蒸発器30は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより冷媒を蒸発させて室外空気から熱を回収する低圧側熱交換器であり、エジェクタ40は冷媒を減圧膨張させて蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機10の吸入圧を上昇させるものである。
【0032】
なお、エジェクタ40は、図2に示すように、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル41、ノズル41から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器30にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル41から噴射する冷媒流とを混合する混合部42、及びノズル41から噴射する冷媒と蒸発器30から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ43等からなるものである。
【0033】
因みに、本実施形態では、ノズル41から噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル(流体工学(東京大学出版会)参照)を採用している。
【0034】
なお、混合部42においては、ノズル41から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器30からエジェクタ40に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部42においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ43においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ40においては、混合部42及びディフューザ43の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部42とディフューザ43とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【0035】
また、図1中、気液分離器50はエジェクタ40から流出した冷媒が流入するとともに、その流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離手段であり、気液分離器50の気相冷媒流出口は圧縮機10の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器30側の流入側に接続される。
【0036】
加熱器60は室外空気にて圧縮機10に吸入される冷媒を加熱する加熱手段であり、本実施形態では、加熱器60は、図3に示すように、蒸発器30の上方側に配置された状態で蒸発器30と一体化されて1つの室外熱交換器70を構成している。なお、室外熱交換器70の詳細は、後述する。
【0037】
なお、図4はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すp−h線図であり、そのマクロ的作動は周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。因みに、図4の●で示される符号は、図1に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【0038】
次に、室外熱交換器70について述べる。
【0039】
室外熱交換器70は、図5に示すように、気液分離器50、エジェクタ40及び圧縮機10(図示せず。)と共にケーシング内に収納されて室外ユニットを構成している。
【0040】
そして、蒸発器30及び加熱器60は、図3、6に示すように、冷媒が流通するチューブ31、61、及びその外表面に接合された薄板状のフィン32、62からなる、空気と冷媒とを熱交換する熱交換器であり、本実施形態では、蒸発器30と加熱器60とは、フィン32、62にて一体化されている。
【0041】
なお、本実施形態では、フィン32、62は上下方向に延びる薄帯板状のものであり、ろう付け又は拡管処理等の機械的接合方法によりチューブ31、61に接合されている。
【0042】
また、本実施形態では、冷媒と共に蒸発器30内に流れ込んだ冷凍機油が蒸発器30内に滞留することを防止するために、巨視的に見て、蒸発器30内において、冷媒が上部側から下部側に流れるように設定されている。
【0043】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0044】
本実施形態によれば、加熱器60にて圧縮機10に吸入される冷媒を加熱するので、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0045】
したがって、圧縮機10の圧縮仕事、つまり圧縮機10の消費動力を増大させることなく、確実に圧縮機10から吐出される冷媒の温度を所定温度以上とすることができるので、十分な温度の給湯水を供給することができる。
【0046】
ところで、本実施形態では、気液分離器50から飽和液状態の冷媒が蒸発器30に供給されるのに対して、膨脹弁等の減圧手段にて冷媒を等エンタルピ的に減圧膨脹させた冷媒を蒸発器にて導入する膨脹弁サイクルでは、比較的に多量の気相成分を含む気液二相状態の冷媒が蒸発器が導入されるので、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機は、蒸発器30内における冷媒の圧力損失が膨脹弁サイクルに比べて小さくなるとともに、飽和液を蒸発させることができ、膨脹弁サイクルに比べて効率よく多くの熱を外気から回収することができる。
【0047】
したがって、蒸発器30と加熱器60とを一体化しても、膨脹弁サイクルに比べて室外熱交換器70が大きくなってしまうことはなく、むしろ、膨脹弁サイクルに比べて室外熱交換器70を小型にすることができる。
【0048】
つまり、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機は、極めて給湯器等の熱を回収する装置に適していると言える。
【0049】
以上に述べたように、本実施形態では、圧縮機10の消費動力を増大させることなく、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0050】
なお、ノズル41に流入する前の冷媒と圧縮機10の吸入冷媒とを熱交換して過熱度を高める手段があるが、この手段では、ノズル41に流入する冷媒のエンタルピが小さくなる。一方、エンタルピが小さくなるほど、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧力の変化量に対するエンタルピの変化量が小さくなるため、減圧膨脹時に回収可能なエネルギの最大理論値は小さくなる。
【0051】
このため、ノズル41に流入する前の冷媒と圧縮機10の吸入冷媒とを熱交換して過熱度を高める手段では、エジェクタ40にて回収することができるエネルギが減少するので、得策ではない。
【0052】
また、加熱器60を蒸発器30の上方側に配置しているので、蒸発器30で発生した凝縮水が加熱器60に流れ、加熱器60の温度が低下してしまうことを未然に防止できる。したがって、圧縮機10の吸入側において、所定値以上の冷媒過熱度を確実に確保することができる。
【0053】
(第2実施形態)
本実施形態は、図7に示すように、室外熱交換器70のうち、上方側であって、かつ、風上側に加熱器60を配置したものである。
【0054】
これにより、圧縮機10に吸入される冷媒の過熱度を確実に上昇させつつ、室外熱交換器70を大型にすることなく、蒸発器30の表面積を増大させて吸熱能力を増大させることができる。
【0055】
(第3実施形態)
本実施形態は、図8に示すように、圧縮機10の吸入側に接続される冷媒配管、つまりチューブ61を蒸発器30の上方側に配置することにより加熱器60を構成したものである。
【0056】
因み、本実施形態では、チューブ61は蒸発器30の上方側に配置されいるのみで、蒸発器30と一体化されていないが、第1、2実施形態と同様に一体化してもよい。
【0057】
これにより、簡素な構成にて加熱器60を構成することができるので、給湯器の製造原価を低減することができる。
【0058】
なお、図9に示すように、チューブ61にフィン61a等の突起形状を設けて表面積を増大させて吸熱能力を高める、又はチューブ61を渦巻き状として加熱器60の大型化を抑制しながら、表面積を増大させて吸熱能力を高めてもよい。
【0059】
(第4実施形態)
上述の実施形態では、室外空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器のみにより加熱器60を構成したが、図10に示すように、室外空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器61、及び圧縮機10にて圧縮された高圧冷媒のうち水冷媒熱交換器20から流出した冷媒と圧縮機10に吸入される低圧冷媒のうち外部熱交換器61から流出した冷媒とを熱交換する内部熱交換器62により加熱器60を構成したものである。
【0060】
次に、本実施形態の作用効果を図11に基づいて述べる。
【0061】
水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高くなると、水冷媒熱交換器20から流出する冷媒の温度が上昇するので、エジェクタサイクルの低圧側圧力、つまり蒸発器30内の蒸発圧力が上昇して加熱器60に流入する冷媒の温度が上昇してしまう。
【0062】
このため、加熱器60に流入する冷媒と室外空気との温度差が小さくなるため、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高くなると、外部熱交換器61での吸熱量が低下してしまう。
【0063】
逆に、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が低くなると、水冷媒熱交換器20から流出する冷媒の温度が上昇するので、加熱器60に流入する冷媒と内部熱交換器62に流入する高圧冷媒との温度差が小さくなるため、内部熱交換器62を介して圧縮機10に吸引される冷媒に与えられる熱量が減少してしまい、圧縮機10の吐出圧力、吐出温度及び吐出冷媒流量が低下してしまう。
【0064】
このため、エジェクタ40での昇圧量及びポンプ能力が低下するので、圧縮機10の消費動力が増大するとともに、蒸発器30での吸熱量が減少する。
【0065】
これに対して、本実施形態では、外部熱交換器61及び内部熱交換器62にて加熱器60を構成しているので、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が高いときには、内部熱交換器62で回収できる熱量が増大し、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度が低いときには、外部熱交換器61で回収できる熱量が増大するので、水冷媒熱交換器20に流入する給湯水の温度、つまり高圧側の負荷状況によらず、常に高い効率を維持しながら給湯器(蒸気圧縮式冷凍機)を運転することができる。
【0066】
また、外部熱交換器61の冷媒流れ下流側に内部熱交換器62を配置しているので、内部熱交換器62の冷媒流れ下流側に外部熱交換器61を配置した場合に比べて、外部熱交換器61に流入する冷媒の温度と室外空気との温度差を大きくすることができ、圧縮機10の消費動力を増大させることなく、十分な温度を給湯水を供給することができる。
【0067】
ところで、エジェクタサイクルでは、ノズル41にて冷媒を等エントロピ的に減圧膨脹させることにより圧縮機10の消費動力の一部を回収するものであるので、ノズル41に流入する冷媒状態をにおける等エントロピ線の傾き、つまり比エンタルピ変化量に対する圧力変化量が小さいほど、ノズル41でのエンタルピ変化量が大きくなり、動力回収量が増大する。
【0068】
しかし、等エントロピ線の傾きは、ノズル41に流入する冷媒の温度が低くなるほど大きくなるので、内部熱交換器62にてノズル41に流入する冷媒の温度を過度に低下させると、エジェクタ40での動力回収量が減少してしまう。
【0069】
したがって、本実施形態のごとく、外部熱交換器61の冷媒流れ下流側に内部熱交換器62を配置すれば、内部熱交換器62での熱交換量を抑制することができるので、内部熱交換器62にてノズル41に流入する冷媒の温度を過度に低下してしまうことを防止でき、エジェクタ40での動力回収量が減少してしまうことを防止できる。
【0070】
(その他の実施形態)
第1、2実施形態では、加熱器60と蒸発器30とが一体化されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、両者30、60を別体としてもよい。なお、このとき、加熱器60と蒸発器30との間に空間があってもよい。
【0071】
また、上述の実施形態では、エジェクタ40を用いた蒸気圧縮式冷凍機であったが、蒸気圧縮式冷凍機として膨脹弁サイクルを採用してもよい。
【0072】
また、上述の実施形態では、給湯器に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空調装置や冷蔵装置等のその他の装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図2】本発明の実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図3】本発明の実施形態に係る室外熱交換器と気液分離器との接続状態を示す模式図である。
【図4】p−h線図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る室外ユニットを構成を示す模式図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図7】本発明の第2実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図8】本発明の第3実施形態に係る室外熱交換器の模式図である。
【図9】本発明の第3実施形態の変形例に係る加熱器の模式図である。
【図10】本発明の第4実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図11】本発明の第4実施形態に係る給湯器の効果を示す説明図である。
【符号の説明】
30…蒸発器、31…チューブ、32…フィン、60…加熱器、
61…チューブ61、62…フィン。
Claims (10)
- 圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
前記圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)が前記蒸発器(30)の上方側に配置されていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。 - 圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
前記圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と前記蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、
前記加熱器(60)は、前記熱交換器(70)のうち上方側に配置されていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。 - 圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒を放冷し、蒸発器(30)にて低圧の冷媒を蒸発させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
前記圧縮機(10)に吸入される冷媒を加熱する加熱器(60)と前記蒸発器(30)と一体化された熱交換器(70)を有し、
前記加熱器(60)は、前記熱交換器(70)のうち、上方側であって、かつ、風上側に配置されていることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。 - 前記加熱器(60)は、前記圧縮機(10)の吸入側に接続される冷媒配管(61)を前記蒸発器(30)の上方側に配置することにより構成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 前記加熱器(60)は、空気と冷媒とを熱交換する外部熱交換器(61)、及び前記圧縮機(10)にて圧縮された高圧の冷媒と前記圧縮機(10)に吸入される低圧の冷媒とを熱交換する内部熱交換器(62)を有して構成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 前記外部熱交換器(61)の冷媒流れ下流側に前記内部熱交換器(62)が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 放冷された前記高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル、及び前記ノズルから噴射する冷媒と前記蒸発器(30)から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部とを有するエジェクタ(40)を備えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 前記圧縮機(10)の吐出圧は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
- 請求項1ないし9のいずれか1つに記載の蒸気圧縮式冷凍機にて給湯水を加熱することを特徴とする給湯器。
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