JP2006153455A - 超臨界冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外気温が低温状態での圧縮装置の出力低下を防止すると共に耐久性を高めることが可能な超臨界冷凍装置を提供する。
【解決手段】 圧縮された冷媒を冷却する高圧側熱交換器１２から流出した冷媒を分岐させる分岐部Ｘと、分岐された一方の冷媒を減圧させる第１の減圧装置１３と、第１の減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１４と、蒸発器から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように低段側と高段側で２段圧縮して高圧側熱交換器１２へ吐出する２段圧縮装置１１と、分岐された他方の冷媒を２段圧縮装置１１の中間圧力部１１ｄへ導くためのバイパス回路１６と、バイパス回路を開閉する開閉弁１７と、パイパス回路１６を流れる冷媒を減圧する第２の減圧装置１８と、開閉弁を外気温度に応じて開閉制御する制御手段３とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超臨界冷凍装置に関し、特に、外気を蒸発器の熱源流体とした超臨界冷凍装置に関する。

外気を蒸発器の熱源流体とし、圧縮装置として２段圧縮機を用いた超臨界冷凍装置では、一般的に、外気温度が低下した場合、蒸発圧力、つまり低圧側圧力が低下する。また、この低圧側圧力の低下に伴い低段側圧縮機の吐出側圧力、つまり中間圧力が低下する。これに対し高段側圧縮機の吐出圧力、つまり高圧側圧力は、高段側圧縮機の吐出側ガスが水や空気などの利用側熱交換媒体を加熱する熱源に使用されることから、高段側圧縮機の吐出側ガスの温度を高く維持することが必要となる場合、つまり、高圧側圧力を高く維持することが必要となる場合（例えば、高圧圧力が低下しないようにする場合）がある。この場合、前記２段圧縮機を用いた冷凍装置では、高圧側圧力と中間圧力との圧力差が外気温の低下とともに大きくなっていた。
特に無し

ところが、このように高圧側圧力と中間圧力との圧力差が外気温の低下とともに大きくなると、高段側圧縮機の高低圧力差が大きくなるため、圧縮効率が悪くなる。即ち、寒冷地において、外気温が０℃以下の低温状態では、圧縮装置の出力を維持することが困難であるばかりでなく、各部材に作用する力が大きくなり、耐久性が低下するという問題が発生する心配があった。例えば、高低圧力差が大きくなると、例えば、高段側圧縮機におけるベーンバルブや吐出弁の破損などにつながる恐れがあった。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、外気温が低温状態での運転時における圧縮装置の出力低下を防止し得ると共に、耐久性を高めることが可能な超臨界冷凍装置を提供できるようにすることにある。

請求項１に記載の本発明では、圧力が超臨界となるように圧縮された冷媒を冷却する高圧側熱交換器（１２）と、この高圧側熱交換器（１２）から流出した冷媒を分岐させる分岐部（Ｘ）と、この分岐部（Ｘ）で分岐された一方の冷媒を減圧させる第１の減圧装置（１３）と、この第１の減圧装置（１３）で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）と、共通の密閉ハウジング（１１Ｈ）内に低段側圧縮部（１１ａ）と高段側圧縮部（１１ｂ）とを有し、前記蒸発器（１４）から流出した冷媒を低段側圧縮部（１１ａ）と高段側圧縮部（１１ｂ）とで圧力が超臨界となるように２段圧縮して高段側圧縮部（１１ａ）から前記高圧側熱交換器（１２）へ吐出する２段圧縮装置（１１）と、前記分岐部（Ｘ）で分岐された他方の冷媒を前記圧縮装置（１１）の中間圧力部（１１ｄ）へ導くためのバイパス回路（１６）と、このバイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）と、前記パイパス路（１６）を流れる冷媒を減圧する第２の減圧装置（１８）と、前記開閉弁（１７）を外気温度に応じて開閉制御する制御手段（３）とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明では、請求項１に記載の超臨界冷凍装置において、前記第１の減圧装置（１３）が電動膨張弁であり、前記第２の減圧装置（１８）がキャピラリーチューブであることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明では、請求項１に記載の超臨界冷凍装置において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、外気温度低下時に、高圧側圧力を高く維持し、圧縮装置の吐出ガスの温度を高く維持することができるため、外気温が低温状態での運転時における圧縮装置の出力低下を防止し得ると共に、圧縮装置の耐久性を高めることが可能で、寒冷地での使用に好適な超臨界冷凍装置と成せる。

外気温が低温状態での運転時における圧縮装置の出力低下を防止し得ると共に、耐久性を高めることが可能な超臨界冷凍装置を提供できるようにすることを目的として、圧力が超臨界となるように圧縮された冷媒を冷却する高圧側熱交換器と、この高圧側熱交換器から流出した冷媒を分岐させる分岐部と、この分岐部で分岐された一方の冷媒を減圧させる第１の減圧装置と、この第１の減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、共通の密閉ハウジング内に低段側圧縮部と高段側圧縮部とを有し、前記蒸発器から流出した冷媒を低段側圧縮部と高段側圧縮部とで圧力が超臨界となるように２段圧縮して高段側圧縮部から前記高圧側熱交換器へ吐出する２段圧縮装置と、前記分岐部で分岐された他方の冷媒を前記２段圧縮装置の中間圧力部へ導くためのバイパス回路と、このバイパス回路を開閉する開閉弁と、前記パイパス路を流れる冷媒を減圧する第２の減圧装置と、前記開閉弁を外気温度に応じて開閉制御する制御手段とを備える構成とすることで実現している。

以下、本発明をヒートポンプ式給湯装置に具体化した実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図であり、図２は本発明の実施の形態に係る圧力制御の説明図である。

図１に示すように、ヒートポンプ式給湯装置Ａは、超臨界冷凍サイクル装置１、給湯ユニット２及び制御装置３とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置３は超臨界冷凍サイクル装置１内に設置されている。また、超臨界冷凍サイクル装置１と給湯ユニット２とは連絡水用配管５、６により接続されている。

前記超臨界冷凍サイクル装置１は、インバータ駆動式２段圧縮機（圧縮装置）１１、高圧側熱交換器１２、電動膨張弁（第１の減圧装置）１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５を冷媒配管で順次接続した冷媒回路を備えている。また、この冷媒回路における冷媒の流れは、定常運転時は図１の実線矢印のようになっている。

前記インバータ駆動式２段圧縮機１１は、共通の密閉ハウジング１１Ｈ内に低段側圧縮機（低段側圧縮部）１１ａ、高段側圧縮機（高段側圧縮部）１１ｂ、これら高段側圧縮機１１ａ及び低段側圧縮機１１ｂを駆動する共用の電動機１１ｃを内蔵したものであり、低段側圧縮機１１ａの吐出側と高段側圧縮機１１ｂの吸入側とを中間圧力となる連絡配管（中間圧力部）１１ｄにより連結している。また、密閉ハウジング１１Ｈ内の空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機１１ａの吐出ガスにより満たされている。

また、前記インバータ駆動式２段圧縮機１１は、超臨界冷凍サイクル運転中、後述する制御装置３により運転周波数が制御され、回転数が可変制御される。なお、高段側圧縮機１１ｂの吐出配管には、高段側圧縮機１１ｂから吐出される吐出ガス温度を検出するための吐出ガス温度検出器３１が設けられている。

前記高圧側熱交換器１２は、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ１２ａと、給湯ユニット２内に配置されている貯湯タンク２１から送水される給湯水を導入する水用熱交換チューブ１２ｂとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機１１ｂから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク２１から送水される給湯水により冷却され、この給湯水は高段側圧縮機１１ｂの吐出ガスが有する熱により加熱される。

前記電動膨張弁１３は、高圧側熱交換器１２で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動され、また、超臨界冷凍サイクル運転中では後述する制御装置３により開度制御されている。

前記蒸発器１４は、電動膨張弁１３により減圧された低圧の気液混合冷媒を、熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器１４には外気温度を検出するための外気温度検出器３２が付設され、この外気温度検出器３２で検出された外気温度検出信号は、制御装置３に送信される。

そして、上記のように構成され、上記のような構成機器を備えた冷媒回路には、高圧側熱交換器１２の出口側配管途中の分岐部Ｘで一端側が分岐され、他端側が合流部Ｙにおいて低段側圧縮機１１ａと高段側圧縮機１１ｂとを接続する連絡配管１１ｄに繋がれたバイパス回路１６が設けられており、このバイパス回路１６の途中には、電磁開閉弁（開閉弁）１７及びキャピラリーチューブ（第２の減圧装置）１８が設けられている。

また、上記冷媒回路の内部には、代替冷媒としての二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン（ＨＣ：プロパンやイソブタンなど）、アンモニア、空気そしてＣＯ2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面、可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。

次に、給湯ユニット２は、貯湯タンク２１、温水循環ポンプ２２、給湯配管２３、給水配管２４を備えて構成されている。そして、貯湯タンク２１の上部及び下部は、前記水用熱交換チューブ１２ｂに対し、連絡水用配管５、６を含む温水循環回路Ｐにより接続されている。

前記温水循環回路Ｐは、貯湯タンク２１下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ１２ｂに送水し、水用熱交換チューブ１２ｂで加熱された温度の高い水を貯湯タンク２１の上部に導くように形成されている。また、温水循環回路Ｐ中に温水循環ポンプ２２が取り付けられている。なお、貯湯タンク２１内では、比重力の差により上部では温度の高い温水が貯留され、下部では温度の低い水が貯留されている。また、貯湯タンク２１内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク２１上部に設けられた焚き上げ温度検出器３３により測定されている。

前記給湯配管２３は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク２１中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク２１の上部に接続されている。なお、この給湯回路には給湯用の開閉弁２５が取り付けられている。給水配管２４は、貯湯タンク２１内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁２６、減圧弁２７を介し貯湯タンク２１の底部に接続されている。

前記制御装置３は、定常運転中所定の手順に従いインバータ駆動式２段圧縮機の運転周波数及び電動膨張弁１３の開度を制御するものであるが、外気温度が低下したときは次のような制御をする。すなわち、外気温度検出器３２が検出する外気温度が所定温度、例えば０℃以下においては、外気温度の低下に対し、高圧側圧力の低下を抑制するように電動膨張弁１３の開度を絞り制御するとともに、圧縮機能力をほぼ一定とするようにインバータ駆動式２段圧縮機１１の回転数（運転周波数）を大きくするように制御している。

また、前記制御装置３は、上記外気温度が上記所定温度（０℃）まで低下したときに、電磁開閉弁１７を開放している。電磁開閉弁１７が開放されることにより、図１において破線矢印で示すように高圧ガス冷媒が中間圧力の連絡配管（中間圧力部）１１ｄにバイパスされる。

以上のように制御されることにより、図２に示すように、高圧側圧力は、外気温度の低下に対し略一定の圧力を保持するように制御される。また、中間圧力は、従来のようにバイパス回路１６が無いときには、図２の破線のように低下するのに対し、この実施の形態の場合には、同図の実線のようにその圧力低下が抑制されている。したがって、高段側圧縮機１１ｂの高低圧力差の増大が抑制される。また、このときバイパスされる高圧側冷媒ガスが高圧側熱交換器１２で冷却されているため、高段側圧縮機１１ｂに吸入される冷媒ガスの過熱度が小さくなる。

なお、中間圧力ついて、本発明のものと従来のものとでは、外気温度の低下に対し従来のものとの圧力差が拡大しているが、これはキャピラリーチューブ１８の作用によるものである。また、図２において、圧力線図を外気温度−１０℃までのみ示しているが、これは、偶々この給湯装置の運転許容範囲を−１０℃と定めていることによるものである。

以上のように構成された実施の形態によれば、外気温度が低下したとき、高段側圧縮機１１ｂにおいては、高低圧力差が小さくなることにより、吐出弁やベーンバルブの破損の恐れがなくなり、圧縮装置の耐久性が向上する。また、高段側圧縮機１１ｂの圧縮比が小さくなることと、吸入ガスの過熱度小さくなることから、その運転効率が向上する。そのため、外気温度が０℃以下になる寒冷地などの冬季の運転でも、圧縮装置の出力低下が防止される。

また、外気温度が低下したとき、高圧側圧力が高く維持されるため、高段側圧縮機１１ｂの吐出側ガス温度が高く維持される。特に図２のように、高圧側圧力が一定に維持されるような場合は、給湯用温水を所定値、この場合略一定値に維持することが可能となる。

また、この実施の形態においては、冷媒として二酸化炭素を使用しているので、冷媒ガスについて可燃性や毒性の問題が無く、取り扱いが容易となる。

また、インバータ駆動式２段圧縮機（圧縮装置）１１は、低段側圧縮機１１ａの吐出ガスを導入した密閉ハウジング１１Ｈ内に、低段側圧縮機１１ａ、高段側圧縮機１１ｂ及び駆動用電動機１１ｃを内蔵しているので、圧縮装置のハウジング１１Ｈ内が中間圧力となる。したがって、シリンダー内外及び圧縮機ハウジング内外の圧力差が半減され、各部に作用する力が小さくなる。この結果、バイパス回路１６による高低圧力差の増大防止効果と相俟って、インバータ駆動式２段圧縮機（圧縮装置）１１の耐久性能をより一層向上させることができる。

なお、本発明は、次のように変形して具体化することも可能である。

（１） 上記実施の形態においては、バイパス回路１６を０℃にて開放するようにしているが、この温度は冷凍装置の設計により適宜変更することが可能である。

（２） また、バイパス回路１６における電磁開閉弁（開閉弁）１７とキャピラリーチューブ（第２の減圧装置）１８との接続順序を逆にしても良い。すなわち、バイパスされる冷媒ガスがキャピラリーチューブ１８を通過した後に電磁開閉弁１７を通過するようにすることも可能である。

（３） 上記実施の形態においては、圧縮装置はインバータ駆動式２段圧縮機１１を用いているが、他の形式の容量可変２段圧縮機を用いても良い。

（４） また、上記実施の形態は、本発明に係る超臨界冷凍装置をヒートポンプ式給湯装置に具体化したものであるが、この超臨界冷凍装置を他の加熱装置、例えば、室内空気を加熱する暖房機に具体化することも可能である。

本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。 本発明の実施の形態に係る圧力制御の説明図である。

符号の説明

１ 超臨界冷凍サイクル装置
２ 給湯ユニット
３ 制御装置（制御手段）
１１ インバータ駆動式２段圧縮機（圧縮装置）
１１Ｈ 密閉ハウジング
１１ａ 低段側圧縮機（低段側圧縮部）
１１ｂ 高段側圧縮機（高段側圧縮部）
１１ｃ 電動機
１１ｄ 連絡配管（中間圧力部）
１２ 高圧側熱交換器
１３ 電動膨張弁（第１の減圧装置）
１４ 蒸発器
１５ アキュムレータ
１６ バイパス回路
１７ 電磁開閉弁（開閉弁）
１８ キャピラリーチューブ（第２の減圧装置）
Ｘ 分岐部
Ｙ 合流部

Claims (3)

1. 圧力が超臨界となるように圧縮された冷媒を冷却する高圧側熱交換器（１２）と、この高圧側熱交換器（１２）から流出した冷媒を分岐させる分岐部（Ｘ）と、この分岐部（Ｘ）で分岐された一方の冷媒を減圧させる第１の減圧装置（１３）と、この第１の減圧装置（１３）で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器（１４）と、共通の密閉ハウジング（１１Ｈ）内に低段側圧縮部（１１ａ）と高段側圧縮部（１１ｂ）とを有し、前記蒸発器（１４）から流出した冷媒を低段側圧縮部（１１ａ）と高段側圧縮部（１１ｂ）とで圧力が超臨界となるように２段圧縮して高段側圧縮部（１１ａ）から前記高圧側熱交換器（１２）へ吐出する２段圧縮装置（１１）と、前記分岐部（Ｘ）で分岐された他方の冷媒を前記圧縮装置（１１）の中間圧力部（１１ｄ）へ導くためのバイパス回路（１６）と、このバイパス回路（１６）を開閉する開閉弁（１７）と、前記パイパス路（１６）を流れる冷媒を減圧する第２の減圧装置（１８）と、前記開閉弁（１７）を外気温度に応じて開閉制御する制御手段（３）とを備えたことを特徴とする超臨界冷凍装置。
2. 前記第１の減圧装置（１３）が電動膨張弁であり、前記第２の減圧装置（１８）がキャピラリーチューブであることを特徴とする請求項１に記載の超臨界冷凍装置。
3. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の超臨界冷凍装置。

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