JP2004251557A - 二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷暖房単独、給湯蓄冷、冷房排熱給湯、暖房給湯などを高効率で運転できる冷凍装置を提供することを目的とする。
【解決手段】四方弁、室外熱交換器、第1膨張弁をバイパスするように、給湯用熱交換器と第3膨張弁を直列に接続して構成され、冷媒として二酸化炭素を用いた一次冷媒回路と、前記蓄冷熱交換器と蓄冷熱タンクとが接続された第1二次冷媒回路と、前記給湯熱交換器と前記蓄冷熱タンクとが接続された第2二次冷媒回路とを備えた。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプサイクルを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯槽に蓄えるヒートポンプ式給湯器が提案されている(例えば特許文献1参照)。
【0003】
また、圧縮機、四方切換弁、第1の熱交換器、絞り装置、及び室外熱交換器をこの順に連結し、上記第1の熱交換器に通水する温冷水経路を備えてなるヒートポンプ式チラーに、上記圧縮機と上記四方切換弁との間に第2の熱交換器を介装し、この第2の熱交換器に通水する給湯水経路を設けることで、温水、冷水の他、温水及び給湯水、冷水及び給湯水、給湯水の各製造運転を行なうことができ、多様な要望に応えることができる装置が提案されている(例えば特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−82803号公報
【特許文献2】
特開平5−223402号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプサイクルは、高温の放熱を利用するためには超臨界圧力で運転しなければならず、高いCOPを実現するためにはガスクーラーでの放熱を十分に行わなければならず、貯湯槽に温水を蓄える給湯器での利用以外には未だ十分に利用されていない。
【0006】
また、特許文献2に示されるように、温水、冷水の他、温水及び給湯水、冷水及び給湯水、給湯水の各製造運転を行うものは提案されているが、冷房、暖房、給湯などを適宜組み合わせて、又はそれぞれを単独で利用する具体的な構成は未だ提案されていない。
【0007】
そこで、本発明は従来以上の高温水を利用側ユニットに利用でき、高いCOPを実現することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【0008】
また、本発明は冷暖房単独運転、給湯と蓄冷の同時運転、冷房排熱給湯運転、暖房給湯運転などを可能とする冷凍装置を提供することを目的とする。
【0009】
また、本発明は蓄熱された冷熱に放熱することでガスクーラー出口温度を低下させることができ、冷房能力が高くCOPも高い冷凍サイクルを実現することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【0010】
また、本発明は常に給湯タンクに蓄熱することができ、冷凍サイクルで発生する温熱と冷熱を有効活用することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明は冷房、暖房、給湯などを適宜組み合わせて、又はそれぞれを単独で利用することができる冷凍装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の本発明の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置は、圧縮機、室外熱交換器、第1膨張弁、蓄冷熱交換器、第2膨張弁、室内熱交換器を順次冷媒配管により接続し、前記圧縮機の吐出側配管と吸入側配管とを切り換える位置に四方弁を設け、前記圧縮機の吐出配管より分岐して前記四方弁、前記室外熱交換器、前記第1膨張弁をバイパスするように、給湯用熱交換器と第3膨張弁を直列に接続して構成され、冷媒として二酸化炭素を用いた一次冷媒回路と、前記蓄冷熱交換器と蓄冷熱タンクとが接続された第1二次冷媒回路と、前記給湯熱交換器と前記蓄冷熱タンクとが接続された第2二次冷媒回路とを備えたので、冷暖房、給湯、蓄冷などの各単独運転が可能となり、また、暖房給湯運転、冷房給湯運転、蓄冷給湯運転、蓄冷を利用した高効率な冷房運転などが可能となる。
【0013】
また、二酸化炭素冷媒を利用することで、ガスクーラーの一次冷媒配管を細径化することができるため、水/冷媒熱交としてのガスクーラーの小型化を実現することができる。
【0014】
また、例えば深夜電力を利用して生成した蓄冷熱水を熱源として給湯や冷房に利用できるため、低ランニングコストで運転することができる。
【0015】
また、冷房運転時に室外熱交換器によって室外空気との熱交換の後、蓄冷熱交換器において、蓄熱された冷熱に放熱することでガスクーラー出口温度を低下させることができ、冷房能力が高くCOPも高い冷凍サイクルを実現することができる。
【0016】
請求項2記載の本発明の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置は、前記室内熱交換器をバイパスする開閉弁を設けたので、蓄冷運転時に室内熱交での吸熱を防止でき高効率な蓄冷運転が可能となる。
【0017】
請求項3記載の本発明の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置は、蓄冷熱タンクは、温水のみを貯めるモード、冷水のみを貯めるモード、および上部に温水、下部に冷水を貯めるモードを有し、各モードを切り換えて運転可能にしたので、蓄熱用タンクと蓄冷用タンクを一つのタンクで行うことができ、タンクの小型化や設置面積を少なくすることができる。
【0018】
請求項4記載の本発明の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置は、前記第1、第2、第3膨張弁のいずれかと並列に又は前記第1、第2、第3膨張弁のいずれかの代わりに膨張機を設けたので、膨張弁でロスしていたエネルギーを膨張機で回収して圧縮機の動力に利用できるので、さらに高効率な運転が可能となる。
【0019】
【実施例】
以下本発明の一実施例による二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置について説明する。
【0020】
図1は本実施例による冷凍装置の冷凍サイクル図である。
【0021】
本実施例の冷凍装置は、室外ユニット11と利用側ユニット12とから構成される。室外ユニット11は一次冷媒回路と二次冷媒回路を備えている。
【0022】
本実施例の冷凍装置は、圧縮機13、四方弁14、室外側熱交換器15、並列に設けた膨張弁16と膨張機17、蓄冷熱交換器18、膨張弁19、室内側熱交換器20を順次冷媒配管21により接続し、四方弁14、室外側熱交換器15、膨張弁16、膨張機17をバイパスさせる冷媒配管22と、冷媒配管22に設けた給湯用熱交換器23、膨張弁24とを備えて構成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素を使用している。また、膨張弁16と膨張機17とはいずれかだけを設けてもよい。
【0023】
さらに、膨張弁19、室内側熱交換器20をバイパスするように、バイパス配管25と開閉弁26を設けている。
【0024】
圧縮機13は、室外側熱交換器15もしくは室内側熱交換器20で蒸発された冷媒を吸引し、通常運転時では臨界圧力以上まで圧縮作用を行う。給湯用熱交換器23は、圧縮機13から吐出された一次冷媒としての二酸化炭素冷媒と、二次冷媒としての例えば水との間で熱交換する。従って給湯用熱交換器23は、一次冷媒用配管と二次冷媒用配管とを備えており、一次冷媒用配管と二次冷媒用配管とは、内部を流れるそれぞれの冷媒が対向流となるように構成されていることが好ましい。なお通常運転時では、冷媒は圧縮機13で臨界圧力以上に加圧されるので、室外側熱交換器15若しくは室内側熱交換器20、又は給湯用熱交換器23での放熱によっても凝縮することはない。膨張弁16、19、24は、室外側熱交換器15又は室内側熱交換器20又は給湯用熱交換器23から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧し、図示しない制御装置によって制御される。
【0025】
給湯用熱交換器23は、循環ポンプ(図示せず)とともに第1配管27により接続されて第1二次冷媒回路を構成している。この第1二次冷媒回路は、第1配管27によって蓄冷熱タンク28と接続されている。図に矢印で示すように、蓄冷熱タンク28の中央部から導出される冷水は、給湯用熱交換器23で加熱され、蓄冷熱タンク28の上部から流入される。
【0026】
なお、第1二次冷媒回路は、給湯タンク28内の給湯水とは分離させ、独立した回路としてもよい。この場合には、第1二次冷媒回路用の冷媒として水以外の冷媒を利用することができる。
【0027】
蓄冷熱交換器18は、循環ポンプ(図示せず)とともに第2配管29により接続されて第2二次冷媒回路を構成している。この第2二次冷媒回路は、第2配管29によって蓄冷熱タンク28と接続されている。図に矢印で示すように、蓄冷熱タンク28の中央部から導出される冷水は、蓄冷熱交換器18で冷却され、蓄冷熱タンク28の下部から流入される。
【0028】
なお、第2二次冷媒回路は、給湯タンク28内の給湯水とは分離させ、独立した回路としてもよい。この場合には、第1二次冷媒回路用の冷媒として水以外の冷媒を利用することができる。
【0029】
本実施例による運転方法について以下に説明する。
【0030】
(冷房運転)
夏期など室外側熱交換器15で外気に放熱して、室内側熱交換器20で冷房運転を行う場合には、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、室外側熱交換器15で冷却させ、膨張弁16又は膨張機17で減圧あるいは減圧しながら動力回収し、蓄冷熱交換器18を通過させて、室内側熱交換器20の順に流通させ冷房に寄与させる。この場合、給湯用熱交換器23は使用せず、絞り装置24は閉、または微開として冷媒はほとんど流さず、第1二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。また、蓄冷熱交も利用しないため、第2二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。さらに、開閉弁26は閉止しているためバイパス回路25にも冷媒は流れない。
【0031】
(蓄冷利用冷房運転)
夏期など室外側熱交換器15で外気に放熱し、さらに蓄冷熱交換器18で放熱させて、室内側熱交換器20で冷房運転を行う場合には、冷房運転と同様に、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、室外側熱交換器15で冷却させ、膨張弁16又は膨張機17で減圧あるいは減圧しながら動力回収する。さらに、蓄冷熱交換器18を通過させる際に、蓄冷熱タンク28の蓄冷水を第2二次冷媒回路に流し、蓄冷熱交換器で冷媒と熱交換させて、その温度を低下させた後、室内側熱交換器20の順に流通させる。こうすることにより、室内側熱交換器20に流入する冷媒のエンタルピーが減少して冷房能力が向上すると共に高効率な運転が可能となる。
【0032】
この場合、給湯用熱交換器23は使用せず、絞り装置24は閉、または微開として冷媒はほとんど流さず、第1二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。
【0033】
また、開閉弁26は閉止しているためバイパス回路25には冷媒は流れない。
【0034】
(冷房排熱給湯運転)
夏期など外気に放熱する排熱を利用して給湯を行いながら室内側熱交換器20で冷房運転を行う場合には、第1二次冷媒回路に水などの二次冷媒を流し、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、給湯用熱交換器23で放熱して給湯に寄与させ、膨張弁24で減圧し、蓄冷熱交換器18を通過させて、膨張弁19、室内側熱交換器20の順に流通させる。こうすることにより、冷房排熱を給湯に利用するため高効率な運転が可能となる。
【0035】
この場合、室外側熱交換器15は使用せず、絞り装置16は閉、または微開として冷媒はほとんど流さない。
【0036】
また、蓄冷熱交も利用しないため、第2二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。さらに、開閉弁26は閉止しているためバイパス回路25にも冷媒は流れない。
【0037】
さらに、蓄冷熱交換器18で放熱させ、室内側熱交換器20で冷房運転を行う場合には、蓄冷熱交換器18を通過させる際に、蓄冷熱タンク28の蓄冷水を第2二次冷媒回路に流し、蓄冷熱交換器で冷媒と熱交換させて、その温度を低下させた後、室内側熱交換器20の順に流通させる。こうすることにより、室内側熱交換器20に流入する冷媒のエンタルピーが減少して冷房能力が向上すると共に排熱を給湯に利用するため高効率な運転が可能となる。
【0038】
(蓄冷給湯運転)
夏期などの夜間に冷房に寄与させる蓄冷運転を行いながら、その排熱を利用して給湯を行う場合には、第1二次冷媒回路、および第2次冷媒回路に水などの二次冷媒を流し、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、給湯用熱交換器23で放熱して給湯に寄与させ、膨張弁24で減圧し、蓄冷熱交換器18を通過させて蓄冷に寄与させ、さらに、開閉弁26を通過させる。こうすることにより、蓄冷運転と同時にその排熱を給湯に利用するため高効率な運転が可能となる。
【0039】
この場合、室内側熱交換器20は使用せず、絞り装置19は閉として冷媒は流さないようにする。
【0040】
(給湯運転)
給湯運転時には、第1二次冷媒回路に水などの二次冷媒を流し、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、ガスクーラー23で放熱して給湯に寄与させ、膨張弁24または膨張弁16で減圧し、室外側熱交換器15で外気より吸熱させ、四方弁14を介して圧縮機13に帰還させる。
この場合、室内側熱交換器20は使用せず、絞り装置19は閉とする。また、蓄冷熱交も利用しないため、第2二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。さらに、開閉弁26は閉止しているためバイパス回路25にも冷媒は流れない。
【0041】
(暖房運転)
冬期など室内側熱交換器20での暖房運転を行う場合には、四方弁14の切り替えによって、圧縮機13を吐出した冷媒を、室内側熱交換器20で放熱して暖房に寄与させ、膨張弁19、蓄冷熱交換器18を通過させて、膨張弁16又は膨張機17で減圧あるいは減圧しながら動力回収し、室外側熱交換器15で外気より吸熱させる。この場合、給湯用熱交換器23は使用せず、絞り装置24は閉とする。また、蓄冷熱交も利用しないため、第2二次冷媒回路にも水などの二次冷媒は流さない。さらに、開閉弁26は閉止しているためバイパス回路25にも冷媒は流れない。
【0042】
(暖房給湯運転)
上記、暖房運転に加え、給湯タンク28への蓄熱を同時に行う必要がある場合には、第1二次冷媒回路に水などの二次冷媒を流し、さらに絞り装置24を開としてガスクーラー23で熱交換を行わせ、給湯タンク28に二次冷媒を流し込み蓄熱を行う。
【0043】
他の冷媒流れなどは暖房運転時と同様であるので、説明は省略する。
【0044】
本実施例においては、圧力損失の小さい二酸化炭素冷媒を利用することで、給湯用熱交換器23の一次冷媒配管を細径化することができるため、ガスクーラーとしての小型化を実現することができる。
【0045】
なお、各膨張弁と並列に又は膨張弁の代わりに膨張機を設けてもよい。
【0046】
【発明の効果】
上記実施例の説明から明らかなように、本発明によれば、二酸化炭素冷媒を利用することで、ガスクーラーの一次冷媒配管を細径化することができるため、ガスクーラーの小型化を実現することができる。
【0047】
また本発明によれば、一次冷媒回路に二酸化炭素冷媒を利用することで、従来以上の高温水を利用側ユニットに利用できるため給湯性能が向上し、高いCOPを実現することができる。
【0048】
また本発明によれば、ガスクーラーを給湯用に利用するとともに、蒸発器を蓄冷用に利用することで、利用側ユニット、温水、及び冷水の同時取り出しが可能となる。
【0049】
また、例えば深夜電力を利用して生成した蓄冷熱水を熱源として給湯や冷房に利用できるため、低ランニングコストで運転することができる。
【0050】
また、冷房運転時に室外熱交換器によって室外空気との熱交換の後、蓄冷熱交換器において、蓄熱された冷熱に放熱することでガスクーラー出口温度を低下させることができ、冷房能力が高くCOPも高い冷凍サイクルを実現することができる。
【0051】
また本発明によれば、蓄冷熱タンクに温水と冷水とを切り換えて、又は同時に使用することができ、蓄冷熱タンクの容量を低減することができる。
【0052】
また本発明によれば、膨張機を用いることで冷房利用運転時などのCOPを高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置の冷凍サイクル図
【符号の説明】
11 室外ユニット
12 利用側ユニット
13 圧縮機
14 四方弁
15 室外熱交換器
16,19,24 膨張弁
17 膨張機
18 蓄冷熱交換器
20 室内側熱交換器
21,22 配管
23 給湯熱交換器
25 バイパス配管
26 開閉弁
27,29 二次冷媒回路
28 蓄冷熱タンク

Claims (4)

  1. 圧縮機、室外熱交換器、第1膨張弁、蓄冷熱交換器、第2膨張弁、室内熱交換器を順次冷媒配管により接続し、前記圧縮機の吐出側配管と吸入側配管とを切り換える位置に四方弁を設け、前記圧縮機の吐出配管より分岐して前記四方弁、前記室外熱交換器、前記第1膨張弁をバイパスするように、給湯用熱交換器と第3膨張弁を直列に接続して構成され、冷媒として二酸化炭素を用いた一次冷媒回路と、前記蓄冷熱交換器と蓄冷熱タンクとが接続された第1二次冷媒回路と、前記給湯熱交換器と前記蓄冷熱タンクとが接続された第2二次冷媒回路とを備えたことを特徴とする二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置。
  2. 前記室内熱交換器をバイパスする開閉弁を設けたことを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置。
  3. 前記蓄冷熱タンクは、温水のみを貯めるモード、冷水のみを貯めるモード、および上部に温水、下部に冷水を貯めるモードを有し、各モードを切り換えて運転可能なことを特徴とする請求項1または2記載の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置。
  4. 前記第1、第2、第3膨張弁のいずれかと並列に又は前記第1、第2、第3膨張弁のいずれかの代わりに膨張機を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍装置。
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