JP2005188811A - ヒートポンプ式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
安価な温度式膨張弁を使用することができて装置コストの上昇を招くことなく膨張弁の寿命を向上させることができ、しかも冷暖房の運転切替が頻繁に行なわれても常に安定した制御が行なわれるようにする。
【解決手段】
圧縮機１と、外気側の第１の熱交換器５と、負荷側の第２の熱交換器８を備え、冷媒配管の途中に設けた切替弁３によって冷房運転と暖房運転とが切り替えられるヒートポンプ式冷凍装置において、前記第１の熱交換器５と第２の熱交換器８がそれぞれ蒸発器として作用する際に冷媒の減圧を行なう膨張弁１３、７が開度調節用に参照する物理量を、少なくとも前記切替弁と圧縮機との間の吸入管１０の途中に取り付けた感温筒１７、１６にて検出される温度または膨張弁に一端が接続された他端が前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続された均圧管１７ａ、１６ａにて検出される圧力とした。
【選択図】 図１

Description

本発明はヒートポンプ式の冷凍装置に関する。

圧縮式の冷凍装置においては、蒸発器の入口における冷媒配管に設けた膨張弁の開度を、蒸発器出口における冷媒の温度すなわち冷媒蒸気の過熱度を参照して、この過熱度が冷凍装置を効率よく運転するための適正な値となるように調節するように構成したものがあり、このような膨張弁には温度式膨張弁が従来から広く採用されている。

しかして温度式膨張弁は、弁本体にキャピラリチューブを介して接続された感温筒を備え、感温筒に伝達される温度変化が同感温筒およびキャピラリチューブ内にチャージされている媒体（通常は冷媒回路に使用されるものと同じ冷媒）の気化ガスの圧力変化として弁本体上部のダイヤフラム（あるいはベローズ）の片面側に伝達され、ダイヤフラムの他面側に付与されているばね力および冷媒回路中の冷媒圧力との釣り合いにより弁の開度が調節されるようになっている。

なお、上記冷媒回路中の冷媒圧力とは、内部均圧形のものの場合は蒸発器入口の冷媒圧力、また外部均圧形のものの場合は蒸発器出口の冷媒圧力がダイヤフラムの他面側に付与される。

ところで、ヒートポンプ式の冷凍装置においては、圧縮機と２つの熱交換器を備え、これら２つの熱交換器に圧縮機からの吐出冷媒を送る順序を切り替えることにより、冷房運転と暖房運転が切り替えられるようになっており、先に圧縮機からの吐出冷媒が送られる熱交換器が凝縮器として作用し、他方の熱交換器が蒸発器として作用する。

具体的には、一方の熱交換器を空気熱交換器、他方の熱交換器を負荷側へ供給する水との水熱交換器とした場合、冷房運転すなわち冷水供給運転の場合はまず圧縮機からの吐出冷媒が空気熱交換器に送られて凝縮し、第１の膨張弁を経て水熱交換器に送られて気化し、圧縮機に戻される。

この際、上記第１の膨張弁は水熱交換器の出口配管に取り付けられた感温筒により得られる冷媒温度（低温）を参照してその開度が調節される。

そして暖房運転すなわち温水供給運転の場合は、圧縮機からの吐出冷媒（高温ガス）が水熱交換器に送られて負荷側からの水によって冷却凝縮され、第２の膨張弁を経て空気熱交換器に送られて空気との熱交換により気化し、圧縮機に戻される。

この際、前記第１の膨張弁は開度制御が不要であるので、冷媒はこの第１の膨張弁をバイパスして第２の膨張弁に送られるのであるが、第１の膨張弁の感温筒が取り付けられている冷媒配管には、圧縮機からの高温ガス冷媒が供給されるので、第１の膨張弁のダイヤフラムには高温ガス冷媒により加熱されたチャージ媒体の気化ガスの高温高圧が掛かる。

したがって冷凍装置が、冷房運転と暖房運転が頻繁に切り替えられるような運転状態にあると、第１の膨張弁のダイヤフラムには急激な温度および圧力変化の影響を受け、弁の破損や寿命の短縮化が懸念される。

しかも運転切替時には切替前の運転状態における温度や圧力の影響が膨張弁に残るので、開度調節の応答性を損ねてしまい、頻繁な運転切替が行なわれると正確な開度調節ができなくなり、制御が不安定になるという問題もある。

また、上述のような温度、圧力の急激な変化に耐え得るようにダイヤフラムを耐久性の高い素材や寸法のものとすると、膨張弁の製作コストの上昇を招いたり、あるいは開度制御の応答性の低下の原因となったりするおそれがあって現実的ではないし、頻繁な運転切替が行なわれる場合に制御が不安定になるという問題を解決することができない。

特に、自然冷媒の見直しから冷媒としてアンモニアが採用されるケースが増加してきており、アンモニアはフロン系の冷媒に比して吐出ガス温度が高いので、ダイヤフラムへの高温、高圧による損傷を未然に防止する配慮がより高度に求められる。

さらに、外部均圧形のものでは感温筒の取り付け位置とほぼ同じ場所に均圧管を接続し、したがって温度、圧力の急激な変化はダイヤフラムのチャージガス側とは逆の面にも作用し、ダイヤフラムへの影響はより増大し、また、前述のように頻繁な冷暖房運転の切替が行なわれる際に制御が不安定となるという問題も感温筒の場合と同様に生じる。

なお、電子式膨張弁においても上述したダイヤフラムやベローズに圧力変化が及ぶ構成のものがあり、このような電子式膨張弁においても上述した温度式膨張弁と同様に急激な圧力変化の影響を受け、同じくダイヤフラムやベローズの破損の原因となるとともに、冷暖房運転の頻繁な切替が行なわれる際に制御が不安定となるという問題がある。

本発明は、従来から使用されている安価な温度式膨張弁を使用することができて装置コストの上昇を招くことなく膨張弁の寿命を向上させることができ、しかも冷暖房の運転切替が頻繁に行なわれても常に安定した制御が行なわれるヒートポンプ式冷凍装置を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る装置は、圧縮した冷媒を吐出する冷媒圧縮機と、冷房運転時には凝縮器として作用し、暖房運転時には蒸発器として作用する第１の熱交換器と、冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房運転時には凝縮器として作用する第２の熱交換器を備え、冷房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第１の熱交換器、第２の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻され、暖房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第２の熱交換器、第１の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻されるように、冷媒配管の途中に設けた切替弁によって切り替えられるヒートポンプ式冷凍装置において、前記第１の熱交換器と第２の熱交換器がそれぞれ蒸発器として作用する際に冷媒の減圧を行なう膨張弁が開度調節用に参照する物理量を、少なくとも前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に取り付けた感温筒にて検出される温度または膨張弁に一端が接続された他端が前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続された均圧管にて検出される圧力とする構成のものとしてある。

本発明の請求項２に係る装置は、前記物理量が温度であって、前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に感温筒を取り付けてなる構成のものとしてある。

本発明の請求項３に係る装置は、前記物理量が圧力であって、前記膨張弁に一端が接続された均圧管の他端を前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続してなる構成のものとしてある。

本発明の請求項４に係る装置は、前記物理量が温度と圧力であって、前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に感温筒を取り付けるとともに、前記膨張弁に一端が接続された均圧管の他端を前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続してなる構成のものとしてある。

本発明の請求項５に係る装置は、前記膨張弁を外部均圧形の温度式膨張弁で構成し、この温度式膨張弁の感温筒を前記吸入管の途中に取り付けるとともに、温度式膨張弁の均圧管の先端を、前記吸入管の途中に接続してなる構成のものとしてある。

以下、本発明に係る装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
圧縮機１の吐出口に一端が接続された吐出管２の他端が切替弁たる四方弁３の第１ポート３ａに接続され、同四方弁３の第２ポート３ｂに一端が接続された冷媒往管４の他端が、第１の熱交換器たる空気熱交換器５、第１逆止弁６および温度式の第１膨張弁７を介して第２の熱交換器たる水熱交換器８の第１冷媒管接続口８ａに接続されている。

上記水熱交換器８の第２冷媒管接続口８ｂに一端が接続された冷媒復管９の他端が前記四方弁３の第３ポート３ｃに接続され、同四方弁３の第４ポート３ｄに一端が接続された吸入管１０の他端がアキュムレータ１１を介して圧縮機の吸入口に接続されている。

また、前記第１逆止弁６を跨ぐ第１バイパス管１２には温度式の第２膨張弁１３が設けられ、かつ、前記第１膨張弁７を跨ぐ第２バイパス管１４には第２逆止弁１５を設けてある。

しかして、前記第１膨張弁７および第２膨張弁１３はいずれも外部均圧形の温度式膨張弁としてあり、各膨張弁にキャピラリチューブ１６ａ、１７ａを介して感温筒１６、１７を備えているとともに、均圧管１８、１９の一端が接続されている。

前記感温筒１６、１７は前記吸入管１０の途中におけるアキュムレータ１１よりも上流の管壁外周に取り付けられており、また前記均圧管１８、１９の他端も吸入管１０の途中における前記感温筒とアキュムレータ間に接続されている。

上述した構成の装置において、前記第１の熱交換器たる空気熱交換器５は装置の冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として作用し、また、前記第２の熱交換器たる水熱交換器８は装置の冷房運転時には蒸発器、暖房運転時には凝縮器として作用し、以下に冷房運転時と暖房運転時における装置の作用について説明する。

図１は冷房運転時（冷水供給運転時）における冷媒の流れを示した構成図であり、圧縮機１からの冷媒（本実施例ではアンモニア）は四方弁３の第１ポート３ａから第２ポート３ｂを流過して空気熱交換器５に送られ、同空気熱交換器における空気との熱交換によって凝縮し、液冷媒となって第１逆止弁６を経て第１膨張弁７にて減圧され、水熱交換器８における負荷側からの水との熱交換（水の冷却）により気化する。

気化した冷媒は四方弁３の第３ポート３ｃから第４ポート３ｄを経て吸入管１０に入り、アキュムレータにて気液分離されて圧縮機に戻される。

暖房運転時（温水供給運転時）においては、図２に示されるように圧縮機１からの冷媒が四方弁３の第１ポート３ａから第３ポート３ｃを流過して水熱交換器８に送られ、同水熱交換器における負荷側からの水との熱交換（水を加熱）によって凝縮し、液冷媒となって第２逆止弁１５を経て第２膨張弁１３にて減圧され、空気熱交換器５にいて空気との熱交換により気化する。

気化した冷媒は四方弁３の第２ポート３ｂから第４ポート３ｄを経て吸入管１０に入り、アキュムレータにて気液分離されて圧縮機に戻される。

しかして、第１膨張弁７および第２膨張弁１３の各感温筒１６、１７はいずれも前記吸入管１０に設けられており、また各膨張弁の均圧管１８、１９の先端も吸入管に接続されている。

すなわち、冷房運転時においても暖房運転時においても常に吸入ガスが流過する吸入管１０に感温筒１６、１７と均圧管１８、１９を設けてある。

したがって、感温筒１６、１７には圧縮機からの高温冷媒ガスが直接作用することはなく、また均圧管にも同高温冷媒ガスが流入することがなくて、膨張弁７、１３のいずれにも冷房運転、暖房運転の運転モードの違いに関係なく急激な圧力、温度の変化を及ぼすおそれがなく、膨張弁のダイヤフラムやベロースを損傷するおそれもなく、膨張弁の寿命を延ばすことができる。

なお、上述した実施例においてはアンモニア冷媒の冷凍装置について説明したが、他の冷媒を使用する装置にも適用することができるし、特に吐出ガス温度が高温となる冷媒を使用する装置には好適である。

また、上述した実施例においては膨張弁を外部均圧形のものとしてあるが、熱交換器における冷媒の圧力降下が小である構成であれば内部均圧形のものを採用する場合もある。

さらに、温度式膨張弁ではなく電子式膨張弁の場合も少なくとも均圧管の先端を上述した温度式膨張弁の場合と同様に吸入管に接続する。

本発明に係る装置は上述した構成のものとしてあるので、冷房運転、暖房運転の運転モードの切替にともなって冷媒の流れが変化しても、常に吸入ガスが流過させられる吸入管に感温筒を設けてあるので、感温筒を介して冷媒の温度や圧力の急激な変化が膨張弁に影響を与えるおそれがなく、したがって膨張弁の長寿命化を期すことができ、特に吐出冷媒ガス温度が高温であるアンモニア冷媒を使用する装置に好適である。

また、外部均圧形の膨張弁においては、さらに均圧管も前記吸入管に設けるので、均圧管を介しての冷媒の温度や圧力の急激な変化が膨張弁に与える影響も排除することができる。

したがって、膨張弁の長寿命化を期すことができるとともに、膨張弁は吸入管における安定した温度や圧力等の物理量に基づいて正確な開度調節がなされ、冷暖房運転が頻繁に切り替えられても常に安定した制御が行なわれる。

なお、冷房運転時における圧縮機からの吐出冷媒ガスはさほど高温とはならないので、一般的に使用されている膨張弁は冷房運転時の吐出冷媒ガス温度に十分耐え得る仕様のものとなっているが、暖房運転時における感温筒を介しての膨張弁への高温の影響や、冷房運転、暖房運転の切替時における均圧管を介しての圧力変動の影響は一般的に使用されている膨張弁では避けることができず、本発明の装置では一般的に使用されている膨張弁をそのまま採用してもこれらの高温や圧力変動による影響を受けず、膨張弁の破損の防止および長寿命化を実現できるという重大な効果がある。

さらに、感温筒や均圧管の配設位置を変更する以外は既存の装置を同じ構成とすることができ、特別な制御回路等の追加をする必要がなく、容易に実施が可能であり、しかも既存の装置にも適用が可能であるという実用上の極めて大なるメリットがある。

本発明に係る装置の実施例における、冷房運転時の冷媒の流れを付した構成図。 本発明に係る装置の実施例における、暖房運転時の冷媒の流れを付した構成図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 吐出管
３ 四方弁
４ 冷媒往管
５ 空気熱交換器
６ 第１逆止弁
７ 第１膨張弁
８ 水熱交換器
９ 冷媒復管
１０ 吸入管
１１ アキュムレータ
１２ 第１バイパス管
１３ 第２膨張弁
１４ 第２バイパス管
１５ 第２逆止弁
１６、１７ 感温筒
１８、１９ 均圧管

Claims (5)

1. 圧縮した冷媒を吐出する冷媒圧縮機と、冷房運転時には凝縮器として作用し、暖房運転時には蒸発器として作用する第１の熱交換器と、冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房運転時には凝縮器として作用する第２の熱交換器を備え、冷房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第１の熱交換器、第２の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻され、暖房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第２の熱交換器、第１の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻されるように、冷媒配管の途中に設けた切替弁によって切り替えられるヒートポンプ式冷凍装置において、前記第１の熱交換器と第２の熱交換器がそれぞれ蒸発器として作用する際に冷媒の減圧を行なう膨張弁が開度調節用に参照する物理量を、少なくとも前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に取り付けた感温筒にて検出される温度または膨張弁に一端が接続された他端が前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続された均圧管にて検出される圧力としてなるヒートポンプ式冷凍装置。
2. 前記物理量が温度であって、前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に感温筒を取り付けてなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
3. 前記物理量が圧力であって、前記膨張弁に一端が接続された均圧管の他端を前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続してなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
4. 前記物理量が温度と圧力であって、前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に感温筒を取り付けるとともに、前記膨張弁に一端が接続された均圧管の他端を前記切替弁と圧縮機との間の吸入管の途中に接続してなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
5. 前記膨張弁を外部均圧形の温度式膨張弁で構成し、この温度式膨張弁の感温筒を前記吸入管の途中に取り付けるとともに、温度式膨張弁の均圧管の先端を、前記吸入管の途中に接続してなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。

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