JP2006038306A

JP2006038306A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2006038306A
Application number: JP2004216697A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Ishiki; 良和石木; Shoji Kikuchi; 昭治菊地; Kyuhei Ishihane; 久平石羽根; Koji Ito; 浩二伊藤; Tsunayuki Itagaki; 綱之板垣; Shinichi Sugiyama; 慎一杉山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】
蒸発器として作用する熱交換器の圧力損失を小さし、熱交換性能を向上させて、冷凍サイクルの成績係数を向上させる。
【解決手段】
空気熱交換器２と膨張装置４とを接続する冷媒配管途中に補助熱交換器８を配置し、該補助熱交換器の入口側又は出口側の冷媒配管途中から分岐して前記補助熱交換器を通り、四方弁５と圧縮機１の吸入側を接続する冷媒配管の途中に接続される分岐配管を設け、この分岐配管の分岐部と補助熱交換器との間に補助熱交換器用膨張装置９を設けた。
これにより、蒸発器としての熱交換効率が向上し、圧縮機の吸入圧力の低下も防止できるため、冷媒循環量を増大して性能を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍装置に係わり、特に利用側熱交換器にプレート式熱交換器を使用した冷凍装置に関する。

冷凍サイクルを利用して冷温水をつくる冷凍装置の高効率化を図るためには、蒸発温度（低圧側圧力）を高く、凝縮温度（高圧側圧力）を低く設定して圧縮動力を小さくすることが重要となる。このように冷凍サイクルの高効率化を図る場合、冷凍サイクル内を循環する冷媒と、これと熱交換する水及び空気等の熱交換流体との温度差が小さくなるため、従来は水熱交換器、及び空気熱交換器での必要熱交換能力を確保するための一手段として伝熱面積を多くすることで対応する場合が多い。この伝熱面積を増やす方法としては、冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により水などの被冷却体を冷却する熱交換器として、例えば複数のプレートを平行に立設して複数の冷媒流路と複数の被冷却媒体流路をそれぞれ各流路の下部と上部で連通させて形成されるプレート式熱交換器とするものがある。この場合、プレート枚数を多くしたり、プレート式熱交換器を直列に複数台接続して伝熱面積を増やすことが考えれている。

特開２０００−３２０９１７

ところで、伝熱面積を増やして熱交換能力を大きくする手段として、例えばプレート式熱交換器を用いる場合、プレート枚数を多くして伝熱面積を増やすと、被冷却流体及び冷媒の流路数が多くなるため、熱交換流体の流速が遅くなり熱交換性能が低下する。これを回避するため、プレート式熱交換器を複数台直列に接続して通路数を増やさないで伝熱面積を増やす方法がとられたり、流体の流れ方向のプレート寸法を大きくする方法がとられている。これらのように流路数を増やさないで流体の流れ方向に伝熱面積を増やすと伝熱性能は悪化しないが、流体の流動抵抗が増大するため、プレート式熱交換器での圧力損失が大きくなり、冷凍サイクルの圧縮機への冷媒吸入圧力が低下し圧縮機の冷媒吸入量が減少する。すなわち、冷凍サイクルの冷媒循環量が少なくなり冷凍装置の性能が悪くなり効率が低下するという問題がある。さらには、流動抵抗の増大によりプレート式熱交換器の冷媒上流側ほど冷媒温度が高くなり、もう一方側を流れる水などの熱交換流体との温度差が小さくなり熱交換効率が悪くなるという問題がある。

本発明の目的は、冷凍サイクルの成績係数（＝冷却又は加熱能力／消費電力）を向上させることにある。

本発明の他の目的は、冷凍サイクルを循環する冷媒の蒸発潜熱により被冷却体を冷却する蒸発器での流動抵抗を小さくすることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、四方弁、空気熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、冷温水をつくる冷凍装置において、前記空気熱交換器と前記膨張装置とを接続する冷媒配管途中に補助熱交換器を配置し、該補助熱交換器の入口側又は出口側の冷媒配管途中から分岐して前記補助熱交換器を通り、前記四方弁と前記圧縮機の吸入側を接続する冷媒配管の途中に接続される分岐配管を設け、この分岐配管の分岐部と前記補助熱交換器との間に補助熱交換器用膨張装置を設けたことを特徴とする。

ここで、前記補助熱交換器及び前記膨張装置の部分における冷媒流れ方向が冷却運転及び加熱運転の何れにおいても同一方向となるように、逆止弁によるブリッジ回路を設けると良い。

また、前記利用側熱交換器としてプレート式熱交換器を用いると良い。

更に、前記冷凍サイクルを流れる冷媒としてＲ４０７Ｃを用いると更に効果的である。

本発明によれば、蒸発器として作用する熱交換器の圧力損失の増加を防いだ上で伝熱面積を増やすことが可能となり、冷凍装置の成績係数を向上させることができる。また、利用側熱交換器を複数台用いることによりコンパクトに利用側熱交換器をまとめることが可能となり、ユニットの大きさを抑えて成績係数の向上を図ることができる冷凍装置を得ることができる。

本発明の基本構成例を述べる。圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器の主要構成機器等が配管接続されることにより形成される冷温水をつくる冷凍装置であって、熱源側熱交換器（凝縮器）と膨張装置を接続する冷媒配管の途中には熱源側熱交換器（凝縮器、空気側熱交換器）から流出する凝縮液冷媒を冷却するための補助熱交換器を配置する。補助熱交換器の入口側又は出口側の冷媒配管途中から分岐して前記補助熱交換器を通り、前記四方弁と前記圧縮機の吸入側を接続する冷媒配管系の途中に接続される分岐配管を設ける。この分岐配管の分岐部と前記補助熱交換器との間に補助熱交換器用膨張装置を設けている。

このように構成することにより、例えば、蒸発器としてプレート式熱交換器を用いた冷凍装置においては、熱交換流体の流路数を増やさずに冷媒流れ方向に伝熱面積を増やしても、凝縮器から流出してくる冷媒の一部が分岐されてプレート式熱交換器をバイパスするため、プレート式熱交換器での圧力損失を小さくできる。このため、プレート式熱交換器の冷媒入口側での被冷却流体との温度差が大きくなり、熱交換効率を向上できる。また、圧縮機から吐出される冷媒ガスの流れ方向を四方弁によって切り換え、冷却運転及び加熱運転を可能とするヒートポンプサイクルにおいて、逆止弁を４個用いてブリッジ回路を形成し、補助熱交換器及び膨張装置の冷媒流れ方向は冷却運転時と加熱運転で同一方向に流れる構成とすることにより、加熱運転した場合でも、熱源側熱交換器（蒸発器）の圧力損失を小さくでき、冷却運転と同様の効果が得られる。
以下、本発明の具体的実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の冷凍装置の実施例１を示す構成図である。
本実施例における冷凍サイクル構成は、図１に示すように、圧縮機１、四方弁５、空気熱交換器２、膨張装置４、プレート式熱交換器３、アキュムレータ６、補助熱交換器８及び補助熱交換器用膨張装置９が冷媒配管で順次連結されて冷凍サイクルが構成されている。圧縮機１は四方弁５を介して冷媒配管に接続されている。この四方弁５は、冷却運転時は圧縮機１の吐出側を空気熱交換器２に接続するとともに吸入側を利用側熱交換器３に接続し、加熱運転時は圧縮機１の吐出側をプレート式熱交換器３に接続するとともに吸入側を空気熱交換器２に接続する。図中において、四方弁５の実線は冷却運転、破線は加熱運転を示す。また、圧縮機１の吸入側にはアキュムレータ６が設けられ、圧縮機１にガス冷媒を導くようになっている。空気熱交換器２は冷媒と空気とを熱交換させるもので、送風ファン１０により空気が送風されるようになっている。プレート式熱交換器３ａ、３ｂは冷媒と被冷却又は加熱体である水とを熱交換させるもので、膨張装置４、プレート式熱交換器３ａ，３ｂの順で直列多段に接続されている。

このような構成の冷凍装置は、冷却運転時、圧縮機１から吐出されるガス冷媒が空気熱交換器２で凝縮され、凝縮した液冷媒が補助熱交換器８で、冷媒配管１１から分岐され補助熱交換器用膨張装置９で減圧された冷媒で更に冷却され、膨張装置４を介して上段側のプレート式熱交換器３ａに流入する。プレート式熱交換器３ａでは液冷媒の一部が蒸発し、残りの液冷媒は後段のプレート式熱交換器３ｂに流入して蒸発し、これによって水が冷却される。プレート式熱交換器３から流出されたガス冷媒はアキュムレータ６を介して圧縮機１に吸入される。一方、加熱運転時は、圧縮機１から吐出されるガス冷媒がプレート式熱交換器３で凝縮し、この凝縮熱で水が加熱される。プレート式熱交換器３で凝縮された液冷媒は、膨張装置４を介して空気熱交換器２に流入し、空気の熱で蒸発気化させて圧縮機１に戻される。補助熱交換器８は、補助熱交換器用膨張装置を閉状態となるため作用しない。

このように、本実施例によれば、冷却運転時に圧縮機１から吐出され空気熱交換器２で凝縮液化して流出してくる液冷媒は、補助熱交換器で冷却されて、その一部は補助熱交換器８の低圧側を通りプレート式熱交換器３の冷媒出口側の吸入配管系の途中であるアキュムレータ入口側冷媒配管に接続され、プレート式熱交換器３から流出してくる冷媒と合流される。すなわち、プレート式熱交換器３を一部の冷媒がバイパスするため、プレート式熱交換器３を流れる冷媒流量が減少し、そこでの圧力損失が小さくなる。その結果、特にプレート式熱交換器の上流側の冷媒温度上昇を防止でき、水との温度差を大きくできるため熱交換効率が良好となる。また、そこでの圧力損失が小さくる結果、圧縮機吸入圧力低下による圧縮機吸入冷媒量（冷凍サイクルの冷媒循環量）の低下を防止できるため冷凍装置の性能低下を防止できる。すなわち、プレート式熱交換器の熱交換能力をアップさせるために、プレート式熱交換器を直列に複数台接続して伝熱面積を増やしても（通路数を増やさずに冷媒流れ方向に伝熱面積を増やす）、プレート式熱交換器３の圧力損失を小さく抑えることが可能となり、冷凍サイクルの運転効率の低下を抑制できる。更に、図１に示した実施例では利用側熱交換器３を複数台で構成しているため、これらを並べて配置することにより水熱交換器の高さを低くでき、冷凍装置もコンパクトに纏めることができる。

また、図２に実施例２を示す。この実施例は、実施例１においてプレート式熱交換器３を２台ではなく１台で構成した場合の例で、プレート式熱交換器３の高さは大きくなるが、冷凍サイクルの動作及び効果は、上記図１の実施例１と同じである。

図３に実施例３を示す。この実施例は、図１に示した実施例１において、膨張装置４、及び、補助熱交換器８の冷媒流れ方向が、冷却運転と加熱運転で同じとなるよう逆止弁４個用いてブリッジ回路を形成させ、実施例１で述べた冷却運転時の性能向上効果を加熱運転においても利用できる構成としたものである。

このような構成の冷凍装置は、冷却運転時、圧縮機１から吐出され空気熱交換器２で凝縮液化された冷媒は、ブリッジ回路の逆止弁１２ａ、補助熱交換器８を通り、補助熱交換器８から流出した液冷媒の一部を分岐した後、膨張装置４により減圧されてプレート式熱交換器３へ流入する。プレート式熱交換器３を流出した冷媒は、補助熱交換器８を出た後、分岐され補助熱交換器８で蒸発ガス化した冷媒と合流しアキュムレータを通り再び圧縮機１に吸入される。一方、加熱運転時、圧縮機１から吐出された冷媒ガスは、四方弁５でプレート式熱交換器３の方向へ切り換えられる。プレート式熱交換器３では凝縮液化され、その後、ブリッジ回路の逆止弁１２ｃ、補助熱交換器８に流入する。ここで液冷媒は、さらに冷却された後、一部は分岐して冷媒流量が少なくなって膨張装置４、逆止弁１２ｄを通過した後、空気熱交換器２に流入する。ここで、液冷媒は蒸発ガス化して、補助熱交換器８を出た後、分岐され補助熱交換器８でプレート式熱交換器３からの凝縮冷媒を冷却することによって蒸発ガス化した冷媒と合流し、アキュムレータを通り再び圧縮機１に吸入される。このように、加熱運転においても冷却運転の場合と同様、蒸発器として作用する空気熱交換器での圧力損失を小さくできるので、冷却運転時と同じように冷凍サイクル性能を向上できる。

図４に実施例４を示す。この実施例は、実施例３においてプレート式熱交換器３を２台ではなく１台で構成した場合の例で、プレート式熱交換器３の高さは大きくなるが、冷凍サイクルの動作及び効果は、上記図１の実施例３と同じである。

上記各実施例の冷凍装置の具体的構成例を図５に示す。図に示すように、筐体１４内には、例えば４つの空気熱交換器２、２つの送風ファン１０、上段のプレート式熱交換器３ａ、及び後段のプレート式熱交換器３ｂが収められて構成されている。筐体１４は上面と上部周囲に通風口が設けられている。上面の通風口には送風ファン１０を臨ませて２つ並べて配置されている。上部周囲の通風口には空気熱交換器２が２つ配置されている。また、各送風ファン１０と筐体１４内を仕切るように空気熱交換器２が２つ設けられている。上段のプレート式熱交換器３ａ及び後段のプレート式熱交換器３ｂは筐体14の下部に並べて配置されている。

このように、冷媒と水が熱交換するプレート式熱交換器を２つ直列に配置することにより、例えばプレート式熱交換器３の高さ方向に伝熱面積を増やして熱交換能力を増大させる場合に比べ、プレート式熱交換器３の高さを低くできる。すなわち、プレート式熱交換器の高さが高くなることにより、空気熱交換器２に流入する空気が妨げられることを回避できる。

本発明の冷凍装置の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。本発明の冷凍装置の実施例２を示す冷凍サイクル構成図である。本発明の冷凍装置の実施例３を示す冷凍サイクル構成図である。本発明の冷凍装置の実施例４を示す冷凍サイクル構成図である。本発明の冷凍装置の具体的構成例を示す縦断面図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…空気熱交換器、３…利用側熱交換器、４…膨張装置、５…四方弁、８…補助熱交換器、９…補助熱交換器用膨張装置、１０…送風ファン。

Claims

圧縮機、四方弁、空気熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、冷温水をつくる冷凍装置において、
前記空気熱交換器と前記膨張装置とを接続する冷媒配管途中に補助熱交換器を配置し、該補助熱交換器の入口側又は出口側の冷媒配管途中から分岐して前記補助熱交換器を通り、前記四方弁と前記圧縮機の吸入側を接続する冷媒配管の途中に接続される分岐配管を設け、この分岐配管の分岐部と前記補助熱交換器との間に補助熱交換器用膨張装置を設けたことを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、前記補助熱交換器及び前記膨張装置の部分における冷媒流れ方向が冷却運転及び加熱運転の何れにおいても同一方向となるように、逆止弁によるブリッジ回路を設けたことを特徴とする冷凍装置。
請求項１又は２において、前記利用側熱交換器はプレート式熱交換器であることを特徴とする冷凍装置。
請求項１〜３の何れかにおいて、前記冷凍サイクルを流れる冷媒はＲ４０７Ｃであることを特徴とする冷凍装置。