JP2006029628A - Ｃｏ２冷凍装置のノンフロスト運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＯ_２冷凍装置において、寒期においても空気採熱熱交換器の空気側伝熱面の着霜、凍結を外気条件に即応して効果的に防止できるノンフロスト運転方法を提供する。
【解決手段】 ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機１、同圧縮機で圧縮されて高温・高圧となったガス状冷媒を冷却するガスクーラ２、同ガスクーラで冷却されたＣＯ_２冷媒を減圧する減圧装置（キャピラリチューブ部）３、及び同減圧装置で減圧されて低温となったＣＯ_２冷媒で負荷を冷却する空気採熱型熱交換器４により構成されるヒートポンプサイクルを備え、ガスクーラ２がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器（給湯ライン）５を具備したＣＯ_２冷凍装置において、外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて給湯器５に供給する給水量を減少させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸発器の冷却負荷が外気であり、すなわち蒸発器が空気採熱型熱交換器であり、圧縮機で圧縮されて高温・高圧となったガス状冷媒を冷却する冷却器がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器を具備したＣＯ_２冷凍サイクルを構成する冷凍装置の寒期におけるノンフロスト運転方法に関する。

従来ヒートポンプ式給湯器においては、蒸発器が空気採熱型熱交換器である場合に、寒期において同空気採熱型熱交換器の空気側伝熱面に着霜が生じたり、あるいは凍結したりして、能力が低下する問題がある。

この対策として、たとえば特許文献１（特開２００３−２２２３９１号公報）には、圧縮機からのホットガスを空気採熱型熱交換器に供給するためのデフロスト回路を備え、貯湯タンクの水循環用ポンプを停止した状態で、ホットガスを空気採熱型熱交換器に供給するデフロスト運転を可能としており、デフロスト運転を開始して所定時間以上継続したときに、水循環ポンプを駆動させている。

特開２００３−２２２３９１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたデフロスト運転では、圧縮機からのホットガスを空気採熱型熱交換器に供給するためのデフロスト回路及びデフロスト運転を実行するための制御装置を付設する必要があり、装置自体が複雑化し、かつ高価となるという問題点がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、蒸発器が外気から採熱する空気採熱型熱交換器である場合において、寒期においても空気採熱熱交換器の空気側伝熱面の着霜及び凍結を装置の複雑化を招くことなく、安価にかつ効果的に防止できるノンフロスト運転方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機、同圧縮機で圧縮されて高温・高圧となったガス状冷媒を冷却する冷却器、同冷却器で冷却されたＣＯ_２冷媒を減圧する減圧装置、及び同減圧装置で減圧されて低温となったＣＯ_２冷媒で負荷を冷却する蒸発器により構成されるヒートポンプサイクルを備え、前記蒸発器の冷却負荷が外気であり、前記冷却器がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器を具備したＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法において、外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることを特徴とする。

前記構成を有するＣＯ_２冷凍装置において、外気（空気）から採熱される熱量Ｑａは、次の式で求められる。
Ｑａ＝（Ｔｉ−Ｔｏ）Ｇ×ｈ
ただし、Ｔｉ：入口空気温度、Ｔｏ：出口空気温度、Ｇ：風量、ｈ：空気エンタルピ係数
空気から採熱される熱量は、ＣＯ_２冷媒の採熱熱量と同じである。前記冷却器が具備した給湯器への供給水量を減少させることにより、同冷却器の出口側ＣＯ_２冷媒の温度が高くなり、ＣＯ_２冷媒の採熱量が減少する。

このため空気から採熱される熱量が減少し、これによって空気出口温度Ｔｏが上昇する。空気出口温度Ｔｏが上昇することによって、同冷却器の空気側伝熱面に接する空気を露点温度以上にして、着霜及び凍結を防止する。
本発明方法が適用される前記構成のＣＯ_２冷凍装置のように、前記蒸発器の負荷が変動するヒートポンプサイクルである場合は、寒期運転するに際し、外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることにより、蒸発器出口温度の低下を未然に防止して、ノンフロスト運転が可能となる。
本発明は超臨界ＣＯ_２冷凍サイクルにおいても適用可能である。

また本発明方法が適用される前記構成のＣＯ_２冷凍装置の減圧装置としては、膨張弁又はキャピラリチューブを使用可能である。
キャピラリチューブの長さの求め方は、まず高圧側、すなわちキャピラリチューブ入口側の圧力・温度、質量流量、キャピラリチューブ内径を与え、設定した飽和圧力まで膨張させることができる長さを算定する。具体的には、各コントロールボリュームの圧力損失をあらかじめ与え、その圧力損失を得るために必要なコントロールボリューム長さを算出し、足し合わせることによってキャピラリチューブの長さとする。

また好ましくは、本発明方法が適用されるＣＯ_２冷凍装置のように、前記蒸発器の負荷が変動するヒートポンプサイクルである場合は、キャピラリチューブを、複数のキャピラリチューブを並列配置したキャピラリチューブ並列構造で構成するとともに、前記複数のキャピラリチューブの夫々の上流側に開閉弁を設け、前記蒸発器の負荷に応じて前記開閉弁の開閉制御を行うようにする。
また好ましくは、前記冷却器の出口側冷媒循環ラインに分岐管を設け、同分岐管にリリーフ弁を介在させて緩衝タンクを設け、同緩衝タンクから前記循環ラインに冷媒を戻す戻し管を開閉弁を介在させて設ける。
なお１個のキャピラリチューブに開閉弁を設けないでおく理由は、運転停止時の際にＣＯ_２冷媒循環ラインの冷媒の流れを遮断しないようにするためである。

蒸発器の冷却負荷が変動するヒートポンプサイクルである場合は、１個のキャピラリチューブですべて対応することはできず、変動する負荷に対して前記開閉弁を開閉して対応可能な１個又は複数のキャピラリチューブを選択して減圧動作を行なわせる。
蒸発器の負荷が少ない場合、ＣＯ_２冷媒が過剰となる。すなわち冷却器への供給水量を減少させると、冷却器出口側のＣＯ_２冷媒の温度が高くなり、ＣＯ_２冷媒の採熱量（冷却器内で流入ＣＯ_２冷媒の乾き度が高くなり）が減少する。冷却器内での流入ＣＯ_２冷媒の乾き度が高くなることにより、低圧側のＣＯ_２冷媒の保有量が減少する。これによって高圧側のＣＯ_２冷媒保有量が増加し、高圧側の圧力が上昇する。

このようにＣＯ_２冷媒の圧力がある一定値を越えたときは、前記分岐管、緩衝タンク及び戻し管を設け、前記緩衝タンクにリリーフ弁を介して余剰のＣＯ_２を逃がすようにリリーフ弁を設定する。その後蒸発器の負荷が大きくなってＣＯ_２が足りなくなった場合は、前記開閉弁を開けて、緩衝タンク内のＣＯ_２をヒートポンプサイクル側に戻す操作を行なう。

本発明によれば、ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機、同圧縮機で圧縮されて高温・高圧となったガス状冷媒を冷却する冷却器、同冷却器で冷却されたＣＯ_２冷媒を減圧する減圧装置、及び同減圧装置で減圧されて低温となったＣＯ_２冷媒で負荷を冷却する蒸発器により構成されるヒートポンプサイクルを備え、前記蒸発器の冷却負荷が外気であり、前記冷却器がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器を具備したＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法において、外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることにより、蒸発器出口空気温度の低下を未然に防止して、ノンフロスト運転が可能となる。
また外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることにより、外気の気象状態に敏感に対応した運転が可能となるため、確実なノンフロスト運転が可能となる。さらに余分な装置の付設を伴うことがなく、安価であり、簡単にノンフロスト運転を達成できる。

本発明方法に適用されるＣＯ_２冷凍装置に使用される減圧装置は、膨張弁又はキャピラリチューブがともに使用可能であり、キャピラリチューブを使用する場合は、現実の負荷の各変化に対する動的特性では、好ましくは、キャピラリチューブを、複数のキャピラリチューブを並列配置したキャピラリチューブ並列構造で構成するとともに、前記複数のキャピラリチューブの夫々の上流側に開閉弁を設け、前記冷却器の負荷に応じて前記開閉弁の開閉制御を行うことにより、蒸発器の冷却負荷変動及び本発明の運転方法を実施することによる付加変動に対して、十分に対応可能である。

また好ましくは、前記冷却器の出口側冷媒循環ラインに分岐管を設け、同分岐管にリリーフ弁を介在させて緩衝タンクを設け、同緩衝タンクから前記循環ラインに冷媒を戻す戻し管を開閉弁を介在させて設けることにより、前記と同様の付加変動に対して十分に対応できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本発明の第１実施例を図１〜２に基づいて説明する。図１は第１実施例として本発明を適用した超臨界ＣＯ_２冷凍サイクルの概略構成を示す図、図２は本実施例の前記超臨界ＣＯ_２冷凍サイクルのモリエル線図である。
ガスクーラ２を例えば給湯熱源として使用する場合に、その給湯温度及び給湯量に応じて圧縮機１の負荷も変動し、これに合わせて減圧膨張行程の入口温度も変動する。

そこで本実施例においては、図１に示すように、前記減圧膨張行程として機能するキャピラリチューブ部３を並列した複数のキャピラリチューブ３１で構成し、それぞれのキャピラリチューブ３１の上流側に電磁弁３２を設け、ガスクーラ１の負荷に応じて、制御装置３３で前記電磁弁３２の開閉制御を行うように構成している。

４は、ＣＯ_２冷媒の蒸発潜熱で外気を冷却する空気採熱型熱交換器（蒸発器）で、外気は通常０から３５℃の間を変動する。また５はガスクーラ２で熱交換によりＣＯ_２冷媒を冷却するために供給される給水ラインで、たとえばＣＯ_２冷媒の温度が１５℃から１３０℃に変動する間に、ＣＯ_２冷媒との熱交換により熱交換後の温度が１０℃から９０℃の範囲に亘って変動する。また９は給水ライン５に介装された流量調整弁で、外気温度計１０の測定値によって自動的に給水の流量を調整するようになっている。

また６は、本冷凍サイクルのＣＯ_２冷媒循環ラインと分岐管７で連絡された緩衝タンクで、空気採熱型熱交換器（蒸発器）４の負荷が小さい場合に余分なＣＯ_２冷媒を受け容れる。７ａはリリーフ弁で、たとえばＣＯ_２冷媒循環ラインの圧力が１１ＭＰａを越えたら、開放されるように設定される。８は戻し管で、開閉弁８ａが介装されている。

このように構成すれば、空気採熱型熱交換器４の入口側温度Ｄが変動しても、前記複数のキャピラリチューブ３１夫々の上流側に設けた電磁弁３２の開閉制御によりＣＯ_２が通過するキャピラリチューブ３１を並列構造の数に比例して整数倍に変化させることができ、結果として、キャピラリチューブ部３の下流側の蒸発温度を低くすることが可能となり、言い換えれば二相域での膨張過程の変動を吸収できる。即ちガスクーラ２の出口温度及び空気採熱型熱交換器４の温度及び圧力をみながら、電磁弁３２の開閉を制御して、冷媒を通すキャピラリチューブを切り替えることにより、キャピラリチューブ部３入口側のガスクーラ２の負荷変動も、蒸発器４側の負荷変動のいずれに対しても対応可能となる。

すなわち本実施例の冷凍サイクルにおいて、ガスクーラ２の給湯負荷の変動によって、たとえば図２に示すモリエル線図上で、負荷がＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３の３種に変動する場合、電磁弁３２を開閉制御し、これらの負荷に対応可能な図１の並列構造のキャピラリチューブ３１のいずれかを選定する。たとえばガスクーラ２の給湯負荷が大きいと（Ｃ_１の場合）、液相に近いほうへ移行するので、ＣＯ_２冷媒の密度が大きくなり、従ってこの場合流量一定とすれば、キャピラリチューブの長さは長くなる。ガスクーラ１２の給湯負荷が小さくなるほどＣＯ_２冷媒の密度が小さくなり、したがって必要なキャピラリチューブは短くて済む。ガスクーラ２の給湯負荷が小さくなるほど、ＣＯ_２冷媒の密度が小さくなり、従って必要なキャピラリチューブの長さが長くなる。気相域においては、キャピラリチューブの内径を大きくし、かつ長さを長くする必要がある。

このように負荷の変動に応じて、その場合の負荷に十分対応できるキャピラリチューブに対応する部分の電磁弁３２を開放する。また同時に、前記のようにガスクーラ２の出口温度及び空気採熱型熱交換器４の温度及び圧力をみながら、電磁弁３２を切り替える。このように操作することによって、負荷変動に対応することができる。
従って代替手段として、ガスクーラ２の出口側に温度センサを設け、あるいは空気採熱型熱交換器４の入口側に温度センサ又は圧力センサを設け、これらのセンサの検出値に基づいて電磁弁３２の開閉を自動的に制御するようにしてもよい。

なお少なくとも１個の電磁弁３２は、運転停止等の際にＣＯ_２冷媒循環ラインの流れを遮断しないように開放しておく。
また本冷凍サイクルのＣＯ_２冷媒循環質量は最大容積で設定されている。そのためＣ_３の運転に移行した場合は、ＣＯ_２冷媒の密度が小さくなるため、ＣＯ_２冷媒量が余ってくる。

このまま運転を続けた場合、圧縮機１内の圧力が上がってくるので、余ったＣＯ_２冷媒を分岐管７から緩衝タンク６に移す。たとえば実際の運転では、ＣＯ_２質量がＤ_１のサイクルで１０Ｋｇ、Ｄ_２で７Ｋｇ、Ｄ_３で４〜５Ｋｇ必要である。従ってＣ_２、あるいはＣ_３のサイクルに移行すると、ＣＯ_２が余るので、緩衝タンク６にＣＯ_２を移す。そのためリリーフ弁７ａをたとえばＣＯ_２冷媒循環ラインの圧力が１１ＭＰａを越えたら、開放されるように設定する。
本冷凍サイクルの運転が止まったら、戻し管８の開閉弁８ａを開けて、緩衝タンク６に溜まっているＣＯ_２を冷凍サイクルの循環ラインに戻す。

この第１実施例の装置によれば、キャピラリチューブ部３を、複数のキャピラリチューブ３１を並設した構成とし、それぞれのキャピラリチューブ３１に電磁弁３２を介装し、ガスクーラ２の給湯負荷に応じて同電磁弁３２を開閉制御するとともに、不要なＣＯ_２を受け容れる緩衝タンク６を設け、負荷が小さい場合に不要なＣＯ_２を緩衝タンク６に移送するようにしたことにより、すべての運転条件に対し、対応が可能となる。

なお代替手段として、ガスクーラ２の出口側にＣＯ_２冷媒温度を検知する温度センサを設け、分岐管７に同温度センサからの信号により作動する電磁弁を設け、前記温度センサの検出値に基づいて、同電磁弁を開放するようにしてもよい。
このように第１実施例によれば、膨張弁を不要とした安価なる構造で、負荷変動が大きい冷凍サイクルのあらゆる条件で運転が可能となる。またステップモータや電導膨張弁を組み合わせる等の複雑な制御系が不要なために、誤動作が一切なく経済的で信頼が高い。

かかる運転条件の変動及び負荷の変動に対応可能な第１実施例の装置を用いて、寒期における本発明のノンスロスト運転を行う場合を説明する。
寒期にガスクーラ２への供給水量を減少して、空気採熱熱交換器（蒸発器）４の空気側伝熱面が凍結することを防止する。本装置においては、外気温度計１０の計測値に基づいて、流量調整弁９が自動的に給水ライン５の流量を調節する。

すなわち流量調整弁９を絞るにつれて、ガスクーラ２への供給水量が減少すると、ガスクーラ２の出口側のＣＯ_２冷媒温度が上昇し、図２のモリエル線図上で、冷凍サイクルが液相側から気相側に移行する。
すなわち図２における（Ａ→Ｂ_２→Ｃ_２→Ｄ_２→Ａ）運転、又は（Ａ→Ｂ_３→Ｃ_３→Ｄ_３→Ａ）運転を行う。この場合ガスクーラ２における給湯負荷が小さくなり、ＣＯ_２が気相側に移行すると、本冷凍サイクルの圧縮器１内でのＣＯ_２圧力が大きくなるので、ＣＯ_２圧力が一定値を超えると、リリーフ弁７ａが作動して、余ったＣＯ_２冷媒は分岐管７を介して緩衝タンク６に移送する。

このように寒期において外気温度計１０の検出値が低温になってくると、流量調整弁９の開度が自動的に絞られ、それによってガスクーラ２の出口側ＣＯ_２冷媒温度が上昇するので、ノンフロスト運転が容易に可能となる。
本実施例方法によれば、外気の温度を検知して、同温度計測値に基づいてガスクーラ２に供給する給水量を減少させることにより、外気の気象状態に敏感に対応した運転が可能となるため、確実なノンフロスト運転が可能となる。さらに余分な装置の付設を伴うことがなく、安価であり、簡単にノンフロスト運転を達成できる。
なお外気の温度を検知する以外に、外気の湿度、雨、雪等の気象条件のうち一つ以上を計測して、それらの値に基づいて運転を制御するようにしてもよい。

以上記載のごとく本発明によれば、空気採熱型熱交換器（蒸発器）を使用し、冷却器がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器を具備したＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法において、外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることにより、余分な装置を付設することなく、簡単かつ安価にして、外気条件に即応した寒期におけるノンフロスト運転を容易に行うことができる。

本発明方法の第１の実施例を適用した超臨界ＣＯ_２冷凍サイクルを示す概略構成図である。 前記第１実施例を適用した超臨界ＣＯ_２冷凍サイクルのモリエル線図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ ガスクーラ
３ キャピラリチューブ部
４ 空気採熱型熱交換器（蒸発器）
５ 給水ライン
６ 緩衝タンク
７ 分岐管
７ａ リリーフ弁
８ 戻し管
８ａ 開閉弁
９ 流量調整弁
１０ 外気温度計
３２ 電磁弁
３３ 制御装置

Claims (5)

1. ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機、同圧縮機で圧縮されて高温・高圧となったガス状冷媒を冷却する冷却器、同冷却器で冷却されたＣＯ_２冷媒を減圧する減圧装置、及び同減圧装置で減圧されて低温となったＣＯ_２冷媒で負荷を冷却する蒸発器により構成されるヒートポンプサイクルを備え、前記蒸発器の冷却負荷が外気であり、前記冷却器がＣＯ_２冷媒を冷却する給湯器を具備したＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法において、
   外気の温度、湿度等外気の気象状態を検知して、同気象状態に基づいて前記給湯器に供給する給水量を減少させることを特徴とするＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法。
2. 前記減圧装置を膨張弁又はキャピラリチューブで構成することを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法。
3. 前記キャピラリチューブを、複数のキャピラリチューブを並列配置したキャピラリチューブ並列構造で構成するとともに、前記複数のキャピラリチューブの夫々の上流側に開閉弁を設け、前記蒸発器の負荷に応じて前記開閉弁の開閉制御を行うことを特徴とする請求項２記載のＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法。
4. 前記冷却器の出口側冷媒循環ラインに分岐管を設け、同分岐管にリリーフ弁を介在させて緩衝タンクを設け、同緩衝タンクから前記循環ラインに冷媒を戻す戻し管を開閉弁を介在させて設けたことを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法。
5. 前記ＣＯ_２冷凍装置が超臨界ＣＯ_２冷凍装置であることを特徴とする請求項１記載のＣＯ_２冷凍装置のノンフロスト運転方法。

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