JP2005180890A - 多段式熱交換器をもつヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本空冷空調機はヒートポンプの効率化を向上させると共に、新代替冷媒ガスＨＦＣ、特にＨＦＣ１３４ａを単体ガスで使用した空調機を運転する。
【手段】本空調機のシステムは通常の空冷凝縮器２の後に、この２のガス管の断面積比で７０％以下と狭めた追設の空冷凝縮器２’を追設し、その熱交換は通常の空冷凝縮器２と追設の空冷凝縮器２’とを同温の大気で同時に行うように併設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンプレッサー１、空冷凝縮器２、膨張弁３またはキャピラリーチューブ４、蒸発器５よりなるヒートポンプで、その冷媒ガスがＨＣＦＣ系一般の冷媒ガスでの運転能力の向上と、ＨＦＣ系冷媒ガスでの、特に単体ガス１３４ａでの運転とその能力の高効率化にある。

空冷の熱交換器は室外機のヒートポンプで、今日迄一般に凝縮器と呼ばれている。そのガスパイプの配管はその径が通常単一同径の３分管と云われる９．５ｍｍφで、時々９．５ｍｍφより太いものや細いものが使われているが、それらは同径のパイプで配管されている。

そこで、本発明は空冷凝縮器での放熱能力へ焦点化し、ヒートポンプ能力の向上と、ＨＦＣ系冷媒ガスとそのオイルとの相溶性に対して、それらの問題は冷媒ガスの凝縮を十分に行うことで解決して、ヒートポンプの運転能力を大きく改善する点にある。

請求項１は、図１のブロックダイヤグラムで説明すると、ヒートポンプはコンプレッサー１、空冷通常凝縮器２、膨張弁３、そして、蒸発器５をガスパイプ６の配管で結び、蒸発器５とコンプレッサー１とをガスパイプ７の配管で結んだシステムで、その特長が空冷凝縮器２に凝縮器２’を追設する点にある。

請求項２は、図２のブロックダイヤグラムで説明すると、ヒートポンプはコンプレッサー１、四方弁８、空冷通常凝縮器２、キャピラリーチューブ４、そして、蒸発器５をガスパイプ６の配管で結び、蒸発器５とコンプレッサー１とを四方弁８を介してガスパイプ７の配管で結んだシステムで、その特長が冷房時は空冷凝縮器２に凝縮器２’を追設し、暖房時は蒸発器５が凝縮器として動作するその蒸発器５に凝縮器２’を追設する点にある。

この追設する空冷凝縮器２’と空冷凝縮器２を通る冷媒ガスの配管はそのパイプの断面積比で７０％以内とし、好ましくは５０％以内と狭めることで大気との熱交換の高効率化を計り、冷媒ガス凝縮の向上を計るものである。その組立の構成とその配置は、この追設凝縮器２’と通常の空冷凝縮器２とが同時に同温度の大気と熱交換できるように凝縮器２の上部（図４）や、その下部（図５）に、そして、その中間（図６）に取り付けるものとする。

冷媒ガスは、高圧・高温のガスがコンプレッサー１で吐出され、空冷凝縮器２で大気と熱交換をし、通常の凝縮状態となり、さらにこのガスは空冷凝縮器２’へ送られ、ガス配管パイプの断面積を狭めた追設の空冷凝縮器２’で再び同温の大気と熱交換することで完全凝縮をし、そのガス温度を下げる。

その結果、冷媒ガスは凝縮が促進され、ヒートポンプの運転効率は凝縮温度を下げることで、通常のＨＣＦＣ系冷媒ガスを使用した場合でも向上する。ＨＦＣ系の冷媒ガスはその分子構造に塩素原子をもたない理由でオイルが蒸発器で分離を起し、鉱物系の潤滑油と相溶しないとされており、通常単独冷媒ガスでの運転が不可能とされてきた。しかし、ＨＦＣ系の冷媒ガス、特に１３４ａでも完全凝縮した冷媒ガスは、オイルとの相溶性がよくなりヒートポンプの運転を可能にした。

本発明の効果は、凝縮器２の後に冷媒ガス配管のそのパイプの断面積比で７０％以下に狭めたガスパイプを持つ凝縮器２’を追設して、通常凝縮器２で大気と熱交換した冷媒ガスをこの追設凝縮器２’へ通すと、冷媒ガスがよく凝縮してヒートポンプの運転効率を向上させる。この追設凝縮器２’へ送られる冷却用大気はその特長が通常凝縮器２へ送られると同温度の大気である点にある。

冷媒ガスは通常の凝縮器２で一次凝縮をし、さらに、このガスパイプの断面積比で７０％以下に狭めたガスパイプをもつ追設凝縮器２’で熱交換をすることで、二次凝縮するとさらによく凝縮する。この凝縮は凝縮器２と追設凝縮器２’とで、両者が同時に同温の大気で熱交換される。
冷媒ガスとオイルとの相溶性の課題はガスパイプの断面積比で７０％以下の追設凝縮器２’を通すことで解決され、塩素原子をもたないＨＦＣ系の冷媒ガス、特に単体ガス１３４ａを用いた場合においてもヒートポンプの運転を可能とした。

使用した機器は空冷エアコン３ＨＰで、これを用いた場合のデータを次に示す。空冷凝縮器の放熱能力は通常９，０００ｋｃａｌ／ｈとされている。追設凝縮器２’はガスパイプの断面積比で通常凝縮器の５０％以下へ狭めた空冷凝縮器４，０００ｋｃａｌ／ｈを通常凝縮器の上部へ取り付けて、空冷凝縮器２も、追設凝縮器２’も両者が同時に同温度の大気で熱交換出来るような構造とその配置で準備をした。

空冷エアコン３ＨＰはその冷媒ガスがＨＣＦＣ２２で、そのガス量が２．４ｋｇである。表１は追設凝縮器２’を追設せずに空冷エアコンを運転したデータを示す。横軸は下記の計測量２０項目で、縦軸は測定経過時間（分）を示す。
１． コンプレッサー吸入口のガス温度（℃）
２． コンプレッサー吐出口のガス温度（℃）
３． 通常凝縮器入口のガス温度（℃）
４． 通常凝縮器出口のガス温度（℃）
５． 追設凝縮器入口のガス温度（℃）
６． 追設凝縮器出口のガス温度（℃）
７． キャピラリーチューブ入口のガス温度（℃）
８． キャピラリーチューブ出口のガス温度（℃）
９． 蒸発器出口のガス温度（℃）
１０． 凝縮器吸込みの空気温度（℃）
１１． 凝縮器吹出しの空気温度（℃）
１２． 追設凝縮器吸込みの空気温度（℃）
１３． 追設凝縮器吹出しの空気温度（℃）
１４． 蒸発器吸込みの空気温度（℃）
１５． 蒸発器吹出しの空気温度（℃）
１６． コンプレッサーの吸入部圧力（ＭＰａ）
１７． コンプレッサーの吐出部圧力（ＭＰａ）
１８． 通常凝縮器の出口部圧力（ＭＰａ）
１９． 追設凝縮器の出口部圧力（ＭＰａ）
２０． 電流値（Ａ）

表２は冷媒ガスがＨＣＦＣ２２のままで、通常の空冷凝縮器２を通して大気と熱交換した後に、追設凝縮器２’を通して運転したデータを示す。

表２は冷媒ガスがＨＣＦＣ２２で、追設凝縮器を用いた場合のそれぞれの計測項目に関する実験結果を示す。図７は凝縮時の冷媒ガス温度の変化量を示す。これらの値は冷媒ガスの凝縮器入口温度と出口温度のその温度差から求めたものであり、追設の凝縮器を導入した場合のそれらの値は通常凝縮器での入口温度と追設凝縮器での出口温度とのその温度差から求めたものを示す。図８は蒸発時での冷媒ガス温度の変化量を示しており、それらの値は冷媒ガスの蒸発器入口温度と出口温度の温度差を示す。これらの結果を解析するとそこから理解できることは、冷媒ガスが過凝縮されることで、蒸発器でより大きな蒸発潜熱を使用可能になる点にある。図９は、ヒートポンプシステムでの電源の電流値を、図１０は成績係数ＣＯＰ値を比較したもの（比ＣＯＰ）を示す。これらの値はＨＣＦＣ２２で通常運転を行ったものを基準とした成積係数ＣＯＰとの比較であり、この値の算出は凝縮器を追設してＨＣＦＣ２２またはＨＦＣ１３４ａで運転したときのＣＯＰを、凝縮器を追加せずにＨＣＦＣ２２で運転したときのＣＯＰで除することで算出している。冷媒ガスＨＣＦＣ２２を使用した場合、追設凝縮器追設後は追設前と比較して電流値も下がっていることからも理解できるが、これらの成績係数ＣＯＰを算出し比較すると、追設後はＣＯＰが約５％も上昇したことが如実に実証された。

表３は本空冷エアコン装置から冷媒ガスＨＣＦＣ２２を抜き取り、新たに冷媒ガスＨＦＣ１３４ａを規定量投入し、運転したデータを示す。

冷媒ガスの凝縮状態は追設凝縮器の出入口にサイトグラスを取り付けガス相の泡の混入状態で観察した。その結果は、ガス相の泡の混入状態から判断すると冷媒ガスが追設凝縮器の入口ではわずかに凝縮した程度であったが、出口ではほぼ完全に凝縮していることが観測された。その結果、空調機が正常に稼動し、運転が長時間継続可能になったものと判断する。その成績係数ＣＯＰは、約４０％の向上がＨＣＦＣ２２での運転と比較して明白化した。

凝縮器２’を追設せずに単体ガスＨＦＣ１３４ａのみで運転した場合は鉱油との相溶性がないため、鉱油が蒸発器で分離をおこし、冷媒ガスと共にコンプレッサーへ戻らず、コンプレッサーが約２時間程度で焼き付きを起こした。しかし、凝縮器２’を追設した空調機は正常稼動が可能になり、すでに実用的に長時間運転できることを十分に確認している。

空調機は単体ガスで冷媒ガスＨＦＣ１３４ａを用いた場合に鉱油との相溶性がないので、鉱油が蒸発器で分離を起し、単独ガスでの運転が通常不可能とされてきたが、その運転機能は追設凝縮器を付設することで、発明を実施するための最良の形態が実証された。

図１は請求項１に記載のヒートポンプの構成をブロックダイヤグラムで示す。 図２は請求項２に記載のヒートポンプの構成をブロックダイヤグラムで示す。 図３は通常の空冷凝縮器２の上部に追設空冷凝縮器２’を追設し、その２と２’のガス配管のパイプはその断面積比で７０％以下の径へ狭めた構造を示す。 図４は通常の空冷凝縮器２の上部に追設凝縮器２’を付設した場合の側面から見た構造を示す。 図５は通常の空冷凝縮器２の下部に追設凝縮器２’を付設した場合の側面から見た構造を示す。 図６は通常の空冷凝縮器２の中間に追設凝縮器２’を付設した場合の側面から見た構造を示す。 図７は凝縮時の冷媒ガス温度の変化量を示す。 図８は蒸発時での冷媒ガス温度の変化量を示す。 図９はヒートポンプシステムでの電源の電流値を示す。 図１０は成績係数ＣＯＰ値の比較を示す。

符号の説明

１ …コンプレッサー
２ …通常の空冷凝縮器
２’…追設の空冷凝縮器
３ …膨張弁
４ …キャピラリーチューブ
５ …蒸発器
６ …コンプレッサー１、凝縮器２、凝縮器２’、膨張弁３を結ぶ高圧ガスパイプ
７ …蒸発器５とコンプレッサー１を結ぶ低圧ガスパイプ
８ …四方弁

Claims (2)

1. 本空冷凝縮器のヒートポンプは、コンプレッサー１、通常空冷凝縮器２、膨張弁３、蒸発器５で構成され、その凝縮器２は凝縮器２’を追設する。
   空冷凝縮器の構造は冷媒ガスが凝縮器２’と凝縮器２を通るが、その両者の２’と２とのガス管の断面積比が７０％以内とし、好ましくは５０％以内へ狭める。そして、その両者間の配置は追設凝縮器２’と通常の空冷凝縮器２とが併設で、空冷用大気が同時に同温度で通過できるように、両者が重ならないような構造で一体化させる。
2. 本空冷凝縮器のヒートポンプは、コンプレッサー１、通常空冷凝縮器２、キャピラリーチューブ４、蒸発器５で構成され、冷房時にはその凝縮器２が凝縮器２’を追設し、暖房時には凝縮器２が蒸発器として、蒸発器５が凝縮器としてそれぞれ動作するので、蒸発器５が凝縮器２’を追設し、凝縮器２’は冷房運転、暖房運転のいずれの場合でも四方弁８の切替えにより凝縮器として機能する。
   空冷凝縮器の構造は冷媒ガスが凝縮器２’と凝縮器２を通るが、その両者の２’と２とのガス管の断面積比が７０％以内とし、好ましくは５０％以内へ狭めて、その両者間の配置は追設凝縮器２’と通常の空冷凝縮器２とが併設で、空冷用大気が同時に同温度で通過できるように、両者が重ならないような構造で一体化させる。

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