JP2005106446A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器で発生したドレン水の冷却利用効率を向上させる。
【解決手段】冷凍サイクル装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機１４、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器１６と、凝縮器１６により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段２２、減圧された冷媒を蒸発させて圧縮機１４に戻す蒸発器２４とを備え、減圧手段２２に流入する冷媒を蒸発器２４で発生したドレン水により冷却する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空調設備などで利用される冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮機により圧縮し、圧縮された冷媒の熱を凝縮器により例えば大気中に放熱させて冷媒を凝縮し、凝縮された冷媒を減圧部により減圧し、減圧された冷媒を蒸発器で蒸発させることにより、例えば空気などの２次冷媒を冷却したり暖めたりするものである。

このような冷凍サイクル装置では、蒸発器で２次冷媒の空気が冷却されるとき、冷却された空気中の水分が蒸発器の表面でドレン水になる。そのドレン水は比較的低温であることから、ドレン水を減圧弁の上流側に設置された例えば凝縮器に導いて散布することにより比較的高温の冷媒を冷却することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３９５６７

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、蒸発器で発生したドレン水を凝縮器まで導く配管が比較的長くなる場合、導かれる過程でドレン水は周囲空気から吸熱して昇温する。例えば、ビル空調設備に冷凍サイクル装置を適用した場合、蒸発器は室内に設置されるのに対し凝縮器はビル屋上に設置される。したがって、蒸発器と凝縮器との間の距離が数十メートルを超えるなど比較的長くなるから、ドレン水は蒸発器から凝縮器まで導かれる過程で周囲空気から吸熱して昇温することになる。その結果、ドレン水による冷却効率の向上が制限される。

本発明の課題は、蒸発器で発生したドレン水の冷熱利用率を高めてエネルギ効率を向上させることにある。

上記課題を解決するため、本発明の冷凍サイクル装置は、減圧手段に流入する冷媒を蒸発器で発生したドレン水により冷却する構成とする。すなわち、運転時においては、減圧手段に流入する前の冷媒は比較的高温であるため、その冷媒を比較的低温のドレン水で冷却するようにすれば、エネルギ効率を向上させることができる。

特に、減圧手段を蒸発器の近傍に設けるようにすれば、エネルギ効率を一層向上させることができる。例えば、圧縮機と凝縮器を室外機に設け、蒸発器と減圧手段を室内機に設けるようにする。これにより、蒸発器から減圧手段の上流側までドレン水を導く配管が短くなることから、導かれる過程でドレン水が周囲空気の影響を受けることが低減される。したがって、ドレン水は、昇温することなく比較的低い温度で維持されるから、冷媒の冷却効率を向上させて、省エネルギ化を図ることができる。

また、ドレン水を受けるドレンパンを設け、ドレンパン内のドレン水に減圧手段の入り側の冷媒配管を浸漬させる構成にすることもできる。これにより、冷媒を冷却するための熱交換器を不要にすることができる。しかも、ドレン水が配管を介して導かれることがないので、導かれる過程でドレン水が周囲空気の影響を受けることを回避できる。

ところで、蒸発器が、底部から冷媒が流入され上部から冷媒が排出される熱交換流路を有してなり、熱交換流路の底部がドレン水を受けるドレンパン内に位置して支持されるとき、冷房運転時においては、熱交換流路の一部がドレンパンのドレン水に浸漬することがある。その場合、熱交換流路の２次冷媒を冷却する面積が減少することになるから、冷房性能が劣化する。

そこで、ドレンパンのドレン水に浸漬する熱交換流路の部分より排出側の熱交換流路に、減圧手段を連結するようにしてもよい。このようにすれば、ドレン水に浸漬する熱交換流路の部分は、ドレン水で冷媒を冷やす熱交換部として利用される。そして、冷却された冷媒を減圧手段で減圧させた後、ドレン水に浸漬していない熱交換流路の部分で２次冷媒を冷やすようにすることができる。すなわち、ドレン水に浸漬した熱交換流路の部分を逆に有効利用することにより冷房性能の向上を図ることができる。

本発明によれば、蒸発器で発生したドレン水の冷熱利用効率が向上されるから、エネルギ効率を高めることができる。特に、冷房運転時の冷房能力を向上させることができる。

（実施形態１）本発明を適用してなる冷凍サイクル装置の第１の実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。本実施形態は、冷凍サイクル装置をビル空調設備に適用し、蒸発器で発生したドレン水により冷媒を冷却することで冷房運転時の冷房能力を向上させるようにした一例である。図１は、本発明の一実施形態における冷凍サイクル装置の系統図、図２は、冷房運転時の圧力とエンタルピーの関係を示す線図、図３は、温度効率と入力比の関係を示す線図である。

図１に示すように、ビル空調設備の冷凍サイクル装置１は、ビルの屋上に設置される室外機１０と、室内に設置される室内機１２を備えている。室外機１０には、ガス冷媒を高圧に圧縮する圧縮機１４が設けられている。また、冷房運転時には凝縮器として作用してガス冷媒の熱を大気に放熱させて冷媒を凝縮すると共に、暖房運転時には蒸発器として作用して液冷媒の蒸発熱を大気に放熱する熱源側の熱交換器１６が備えられている。なお、冷房運転と暖房運転を切替える四方切替え弁１９、ガス冷媒が通流する配管２１にガス阻止弁１８、液冷媒が通流する配管２３に液阻止弁２０が設けられている。

室内機１２には、減圧手段である電子膨張弁２２が設けられている。また、冷房運転時には蒸発器として作用して液冷媒の蒸発熱を大気に放熱し、暖房運転時には凝縮器として作用して圧縮されたガス冷媒の熱を大気に放熱させて冷媒を凝縮する利用側の熱交換器２４が備えられている。そして、冷媒運転時に熱交換器２４で発生するドレン水を一時的に溜めるドレンパン２６が設置されている。また、冷房運転時において電子膨張弁２２の上流側に位置する配管２３の部分に熱交換器２８が設けられている。熱交換器２８は、電子膨張弁２２に流入する冷媒をドレンパン２６に溜まったドレン水により冷却するものである。

このように構成されるビル空調設備の冷凍サイクル装置においては、室外機１０と室内機１２との間の距離が数十メートルを超えるなど比較的長くなる。したがって、ドレンパン２６内のドレン水を室外機１０まで配管を介して導くようにすると、導く過程でドレン水は周囲空気から吸熱して昇温することになる。

この点、本実施形態によれば、熱交換器２４で発生したドレン水を室内機１２の熱交換器２８にさえ導けばよいことから、ドレン水を通流させる配管２５の長さを比較的短くできる。したがって、配管２５を通流するドレン水は、周囲空気の影響をほとんど受けないことから、比較的低温（例えば、５℃〜１０℃）の温度を確保することができる。その結果、電子膨張弁２２に流入する前の比較的高温（例えば、３５℃）の冷媒を効率よく冷却することができる。

ここで、本実施形態における冷却効率について図２を参照して説明する。図２の実線で示された線図３０は、ドレン水により冷媒を冷却しないときのエンタルピーと圧力の関係を表すものである。一方、ドレン水により冷媒を冷却したとき、線図３０は、比エンタルピーが低い方（図では左側）にΔｈだけ伸びた（図２破線）。すなわち、冷媒がドレン水により冷却されることで冷房能力が向上したことがわかる。なお、線図３１は、冷媒の気相と液相の境界を表す飽和曲線である。

また、本実施形態によれば、冷媒の冷却効率が向上するから、規定の冷房能力を発揮させるとき、ドレン水により冷媒を冷却しない場合に比べ、冷媒の循環量を減らすことができる。したがって、冷媒を循環させるポンプの駆動エネルギなどの入力エネルギを低減することができる。

例えば、図３の線図は入力低減効果を計算したものである。線図に示されるように、ドレン水により冷媒を冷却するようにした場合（例えばηｔ＝８０％）は、冷媒を冷却しない場合（例えばηｔ＝０％）に比べ、入力比が（例えば、２％程度）低減されることがわかる。

なお、図３の横軸は温度効率ηｔ、縦軸は入力比を示している。温度効率ηｔは、ドレン水と冷媒との熱交換の効率を示す指標である。冷媒の入口温度をtri、冷媒の出口温度をtro、ドレン水の入口温度をtwi、ドレン水の出口温度をtwoとしたとき、ηｔ＝(two-twi)÷(tri-twi)×１００％と定義される。すなわち、温度効率ηｔが０％のとき、ドレン水と冷媒との熱交換がないことを示し、温度効率ηｔが１００％のとき、ドレン水と冷媒との熱交換が完全に行われてドレン水が冷媒の温度まで上昇したことを示す。また、入力比は、規定の冷房能力を発揮させる場合において、ドレン水により冷媒を冷却するときと冷却しないときの入力エネルギの比を示すものである。

（実施形態２）本発明を適用してなる冷凍サイクル装置の第２の実施形態について図４を参照して説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、熱交換器２８を設けることに代えて、ドレンパン２６内のドレン水に電子膨張弁２２の入り側の冷媒配管２３を浸漬させたことにある。図４は、本実施形態における熱交換器とドレンパンを示したものである。

図４に示すように、熱交換器２４は、フィンチューブ型の熱交換流路３３ａ〜３３ｆを有して形成されている。熱交換流路３３ａ〜３３ｆは、一つの流路として一体化されて形成されたものである。例えば、冷房運転時では、熱交換器２４の底部に位置する熱交換流路３３ａから冷媒が流入し、流入した冷媒は順次通流して熱交換器２４の上部に位置する熱交換流路３３ｆから排出されるようになっている。また、熱交換器２４の底部にドレンパン２６が配設されている。ドレンパン２６は、上部を開口して形成した容器であり、容器内部に熱交換器２４の底部が位置するように支持されることにより、熱交換器２４の底部を包囲している。そして、電子膨張弁２２の入り側の冷媒配管２３が、ドレンパン２６に溜まったドレン水に浸漬するように形成されている。

本実施形態によれば、冷房運転時に発生したドレン水や、熱交換器２４から下降してきたドレン水により冷媒配管２３内の冷媒が冷やされるから、ドレン水により冷媒を冷やす熱交換器を不要にすることができる。しかも、ドレン水が配管を介して導かれることがないので、導かれる過程でドレン水が周囲空気の影響を受けることを回避できる。したがって、ドレン水の冷熱利用率が向上されてエネルギ効率を高めることができる。

（実施形態３）本発明を適用してなる冷凍サイクル装置の第３の実施形態について図５を参照して説明する。本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、ドレンパンのドレン水に浸漬する熱交換流路の部分より排出側の熱交換流路に、電子膨張弁を連結するようにしたことにある。図５は、本実施形態における熱交換器とドレンパンを示したものである。

図５に示すように、熱交換器２４の底部がドレンパン２６の内部に位置して支持されると、熱交換器２４の底部付近の熱交換流路３３ａ、３３ｂがドレンパン２６内のドレン水に浸漬することがある。その場合、熱交換流路３３ａ〜３３ｆのうち熱交換流路３３ｃ〜３３ｆだけしか２次冷媒の空気を冷やすことができないなど、熱交換面積が減少することにより冷房性能が悪くなる。

この点、本実施形態では、ドレンパン２６のドレン水に浸漬する熱交換流路３３ａ、３３ｂより排出側の熱交換流路３３ｃに、電子膨張弁２２を連結させている。すなわち、電子膨張弁２２は、ドレン水に浸漬する熱交換流路３３ｂとドレン水に浸漬しない熱交換流路３３ｃの間に位置して設けられる。

本実施形態によれば、熱交換流路３３ａ、３３ｂは、ドレン水により冷媒を冷やす熱交換部として利用される。そして、冷却された冷媒を電子膨張弁２２で減圧させた後、ドレン水に浸漬していない熱交換流路３３ｅ〜３３ｆで２次冷媒の空気を冷やすようにすることができる。すなわち、ドレン水に浸漬した熱交換流路３３ａ、３３ｂの部分を逆に有効利用することにより冷房性能の向上を図ることができる。

（実施形態４）本発明を適用してなる冷凍サイクル装置の第４の実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態が第３の実施形態と異なる点は、室外機１６側にも電子膨張弁３８を設けることで暖房運転時の冷凍サイクルの性能劣化を回避するようにしたことにある。図６は、本実施形態における冷凍サイクル装置の系統図を示している。

暖房運転時においては、熱交換器２４でドレン水は発生しない。したがって、第１又は第２の実施形態の冷凍サイクル装置では暖房性能が劣化することがない。しかし、実施形態３の冷凍サイクル装置では、熱交換流路３３ｆ〜３３ｃで凝縮された冷媒は、電子膨張弁２２により減圧されて降温する。そして、降温した冷媒は、熱交換流路３３ｂ、３３ａを通流する過程で、２次冷媒の空気を温めるのではなく冷やしてしまう。したがって、暖房運転時において冷たい空気が噴出すことになるから、暖房性能が劣化する。

この点、本実施形態の冷凍サイクル装置２は、図６に示すように、室外機１６にも電子膨張弁３８を設けるようにしている。電子膨張弁３８は、熱交換器１６と熱交換器２４の間の冷媒配管の室外機１６の部分に配設されている。また、電子膨張弁２２と電子膨張弁３８の間に受液器３６を設けることにより、余剰冷媒量を調整するようにしている。

そして、暖房運転時では、電子膨張弁２２を開くことにより冷媒の減圧量をなくしたり少なくしたりする一方、電子膨張弁３８を主として制御することにより冷媒を減圧するようにしている。

本実施形態によれば、暖房運転時において、冷媒が熱交換流路３３ａ、３３ｂを通流する過程でも、熱交換流路３３ａ、３３ｂ内の冷媒が高圧に確保されるため、２次冷媒の空気を温めることができる。また、電子膨張弁３８を過冷却器として作用させることができるから、暖房性能の向上を図ることができる。

（実施形態５）本発明を適用してなる冷凍サイクル装置の第５の実施形態について説明する。本実施形態５が、第１乃至第４の実施形態と異なる点は、熱交換器２４で発生するドレン水の他、低温低圧のガス冷媒が通流する配管の表面に発生したドレン水も利用するようにしたことにある。

すなわち、冷房運転時では、熱交換器２４と圧縮機１４との間の低温低圧のガス冷媒が通流する配管２１の表面にもドレン水が発生することがある。したがって、発生したドレン水により圧縮機１４の下流側の高温高圧のガス冷媒を冷やすようにする。これにより、冷房性能を向上することができる。

また、暖房運転時には熱交換器１６の表面にドレン水が発生する。したがって、発生したドレン水により電子膨張弁３８に流入する前の冷媒を冷却するようにしてもよい。これにより、電子膨張弁３８に入る冷媒を冷却できるため、例えば２相流で入ってきたものを単相液にできることから、膨張弁の余裕が大きくなるという効果がある。したがって、電子膨張弁３８に入る冷媒を冷却しない場合に比べ、小型の膨張弁を使用することが可能になり、コスト面で有利になる。

以上、実施形態１乃至５に基づいて本発明を説明したが、これらに限られるものではない。例えば、ビル空調設備に限らず様々なものに本発明を適用することができる。

また、１つの室外機に対して複数の室内機を設置する例えばマルチ空気調和機に適用される場合、各室内機に電子膨張弁２２を設けるようにする。これにより、各室内機の電子膨張弁２２を独立して制御することができるから、例えば部屋ごとの温度状況によって冷房負荷を調整することができるという効果がある。

本発明の一実施形態である冷凍サイクル装置の系統図である。 冷房運転時の圧力とエンタルピーの関係を示す線図である。 温度効率と入力比の関係を示す線図である。 第２の実施形態の熱交換器とドレンパンを示したものである。 第３の実施形態の熱交換器とドレンパンを示したものである。 第４の本実施形態の冷凍サイクル装置の系統図を示している。

符号の説明

１ 冷凍サイクル装置
１０ 室外機
１２ 室内機
１４ 圧縮機
１６ 熱源側の熱交換器
２２ 電子膨張弁
２３ 冷媒配管
２４ 利用側の熱交換器
２６ ドレンパン
２８ 熱交換器
３６ 受液器
３８ 電子膨張弁

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段、該減圧された冷媒を蒸発させて前記圧縮機に戻す蒸発器とを備えた冷凍サイクル装置において、前記減圧手段に流入する冷媒を前記蒸発器で発生したドレン水により冷却することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記減圧手段は、前記蒸発器の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記ドレン水を受けるドレンパンを設け、該ドレンパン内のドレン水に前記減圧手段の入り側の冷媒配管を浸漬させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記蒸発器は、底部から冷媒が流入され上部から冷媒が排出される熱交換流路を有してなり、熱交換流路の底部が前記ドレン水を受けるドレンパン内に位置して支持され、前記ドレンパンのドレン水に浸漬する前記熱交換流路の部分より排出側の前記熱交換流路に、前記減圧手段を連結してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
   

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