JP2006183889A

JP2006183889A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2006183889A
Application number: JP2004375185A
Authority: JP
Inventors: Toshio Takeuchi; 俊雄竹内
Original assignee: Nissan Motor Light Truck Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Light Truck Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】ヒートポンプ装置におけるＣＯＰを向上させる。
【解決手段】冷媒が循環する閉回路を形成する配管１０に、少なくとも、過熱蒸気の冷媒を圧縮して高温・高圧の過熱蒸気とする圧縮機１２と、圧縮機１２により高温・高圧の過熱蒸気となった冷媒から高熱源へと放熱させ、冷媒を過冷却液とする凝縮器１４と、凝縮器１４により過冷却液となった冷媒を膨張させて湿り蒸気とする膨張弁１６と、膨張弁１６により湿り蒸気となった冷媒に低熱源から吸熱させ、冷媒を過熱蒸気とする蒸発器１８と、を介装して構成されるヒートポンプ装置において、凝縮器１４出口と膨張弁１６入口とを接続する配管と、蒸発器１８出口と圧縮機１２入口とを接続する配管と、を接触させて一体化する。そして、圧縮機１２へと向かう冷媒に膨張弁１６へと向かう冷媒の熱を伝達することで、蒸発器１８の出口における過熱度を確保するための膨張弁１６の制御を不要とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調機器などで使用されるヒートポンプ装置において、その効率を示すＣＯＰ（成績係数；Coefficient Of Performance）を向上させる技術に関する。

空調機器などで使用されるヒートポンプ装置は、特開２００２−９８４３７号公報（特許文献１）に記載されるように、冷媒が循環する閉回路に、少なくとも、圧縮機，凝縮器，膨張弁及び蒸発器を介装して構成されるものである。かかるヒートポンプ装置は、冷媒を適宜圧縮，凝縮，膨張及び蒸発させることで、低熱源から高熱源へと熱を移動させ、冷房又は暖房などを行うヒートポンプサイクルを実現する。冷媒の特性を示すモリエ線図上にヒートポンプサイクルを重畳表示すると、図４に示すように、圧縮機による圧縮行程、凝縮器による凝縮行程、膨張弁による膨張行程及び蒸発器による蒸発行程から構成されていることが把握できる。
特開２００２−９８４３７号公報

ところで、圧縮機に対して気相及び液相の冷媒が混在する湿り蒸気が供給されると、その耐久性などが損なわれるおそれがあるので、従来技術では、蒸発器出口における冷媒が所定の過熱度を有する過熱蒸気となるように、膨張弁の開度を制御している。しかしながら、蒸発器出口における冷媒が過熱蒸気となるように膨張弁の開度を制御すると、ヒートポンプ装置として提供されるべきエネルギが過熱度を確保するために浪費されることとなり、ＣＯＰの更なる向上を阻止する要因となっていた。

そこで、本発明は以上のような従来技術の問題点に鑑み、凝縮器から膨張弁へと向かう冷媒と蒸発器から圧縮機へと向かう冷媒との間で熱交換を行うことで、膨張弁を制御することによる過熱度の確保を不要とし、ＣＯＰを向上させたヒートポンプ装置を提供することを特徴とする。

このため、本発明では、冷媒が循環する閉回路を形成する配管に、少なくとも、過熱蒸気の冷媒を圧縮して高温・高圧の過熱蒸気とする圧縮機と、圧縮機により高温・高圧の過熱蒸気となった冷媒から高熱源へと放熱させ、その冷媒を過冷却液とする凝縮器と、凝縮器により過冷却液となった冷媒を膨張させて湿り蒸気とする膨張弁と、膨張弁により湿り蒸気となった冷媒に低熱源から吸熱させ、その冷媒を過熱蒸気とする蒸発器と、を介装して構成されるヒートポンプ装置において、凝縮器から膨張弁へと向かう冷媒と、蒸発器から圧縮機へと向かう冷媒と、の間で熱交換を行う熱交換手段を備えたことを特徴とする。

熱交換手段としては、凝縮器出口と膨張弁入口とを接続する配管と、蒸発器出口と圧縮機入口とを接続する配管と、を接触させて一体化した構成とすることが望ましい。このようにすれば、２つの配管を接触させて一体化するだけで、容易に熱交換手段を構成することができる。また、熱交換効率を向上させるべく、熱伝達率が良好なアルミニウム又はこれを主成分とするアルミニウム合金により、配管を構成することが望ましい。

本発明に係るヒートポンプ装置によれば、蒸発器から圧縮機へと向かう冷媒に、凝縮器から膨張弁へと向かう冷媒の熱が伝達されるので、圧縮機へと向かう冷媒の温度が上昇する一方、膨張弁へと向かう冷媒の温度が低下する。このため、膨張弁の開度を制御しなくとも、蒸発器出口における冷媒の過熱度、及び、膨張弁入口における冷媒の過冷却度が確保され、過熱度を確保するためのエネルギが不要となることから、ＣＯＰを向上させることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の前提となるヒートポンプ装置の基本構成を示す。
ヒートポンプ装置は、冷媒が循環する閉回路を形成する配管１０に、少なくとも、圧縮機（コンプレッサ）１２と、凝縮器（コンデンサ）１４と、膨張弁（エキスパンジョンバルブ）１６と、蒸発器（エバポレータ）１８と、を介装して構成される。冷媒としては、一般的に、オゾン層を破壊するおそれがないHFC-134a（R134a）が用いられる。

圧縮機１２は、蒸発器１８により過熱蒸気となった冷媒を圧縮して高温・高圧の過熱蒸気とする。凝縮器１４は、圧縮機１２により高温・高圧の過熱蒸気となった冷媒から高熱源へと放熱させ、その冷媒を過冷却液とする。膨張弁１６は、凝縮器１４により過冷却液となった冷媒を膨張させて湿り蒸気とする。蒸発器１８は、膨張弁１６により湿り蒸気となった冷媒に低熱源から吸熱させ、その冷媒を過熱蒸気とする。このとき、膨張弁１６は、冷媒が通過するときその圧力が低下するので低温で蒸発し、冷媒が蒸発器１８を通過するとき、その周囲の低熱源から吸熱して蒸発することができる。

図２は、車両に装備されたエアコンディショナの冷房装置として、本発明に係るヒートポンプ装置を適用した概略構成を示す。
車室外たるエンジンルームには、エンジン又は電動モータで駆動される圧縮機１２と、凝縮器１４と、が配設される。一方、車室内には、膨張弁１６及び蒸発器１８が内蔵されて一体化されたクーリングユニット２０が配設される。

そして、本発明の特徴として、凝縮器１４からクーリングユニット２０の膨張弁１６へと向かう冷媒と、クーリングユニット２０の蒸発器１８から圧縮機１２へと向かう冷媒と、の間で熱交換を行う熱交換手段が備えられる。熱交換手段としては、凝縮器１４の出口とクーリングユニット２０の入口、即ち、その膨張弁１６の入口とを接続する配管１０Ａと、クーリングユニット２０の出口、即ち、その蒸発器１８と圧縮機１２とを接続する配管１０Ｂと、を接触させて一体化することで構成する。具体的には、クーリングユニット２０における冷媒入口及び冷媒出口に接続される配管１０Ａ及び１０Ｂを、図３（Ａ）に示すように、その一部を沿わせて接触させつつ一体化するか、又は、同図（Ｂ）に示すように、略同心に配設される内外２重構造とする。なお、熱交換手段としては、図３に示す構成に限らず、配管１０Ａ及び１０Ｂを流通する冷媒間で熱交換が可能であれば、如何なる構成であってもよい。

かかるヒートポンプ装置によれば、蒸発器１８から圧縮機１２へと向かう冷媒に、凝縮器１４から膨張弁１６へと向かう冷媒の熱が伝達されるので、圧縮機１２へと向かう冷媒の温度が上昇する一方、膨張弁１６へと向かう冷媒の温度が低下する。このため、膨張弁１６の開度を制御しなくとも、蒸発器１８の出口における冷媒の過熱度、及び、膨張弁１６の入口における冷媒の過冷却度が確保され、過熱度を確保するためのエネルギが不要となることから、ＣＯＰを向上させることができる。

本発明の出願人がシミュレーションを行ったところ、膨張弁１６の入口における冷媒温度が約６０〜７０℃、蒸発器１８の出口における冷媒温度が約１０℃の場合、蒸発器１８の出口における冷媒温度を約３℃過熱できるように配管１０Ａ及び１０Ｂを一体化すると、標準状態でＣＯＰを約５〜１０％向上させることができた。
なお、一体化させる配管１０Ａ及び１０Ｂは、アルミニウム又はこれを主成分とするアルミニウム合金から構成することが望ましい。このようにすれば、配管１０Ａ及び１０Ｂが熱伝達率の良好な部材から構成されるので、熱交換手段における熱交換効率を向上させることができる。

本発明の前提となるヒートポンプ装置の基本構成図本発明に係るヒートポンプ装置を適用して構築した冷房装置の概略構成図熱交換手段の具体的構成を示し、（Ａ）は第１実施形態の説明図、（Ｂ）は第２実施形態の説明図冷媒特性を示すモリエ線図にヒートポンプサイクルを重畳表示した説明図

符号の説明

１０配管
１０Ａ配管
１０Ｂ配管
１２圧縮機
１４凝縮器
１６膨張弁
１８蒸発器
２０クーリングユニット

Claims

冷媒が循環する閉回路を形成する配管に、少なくとも、過熱蒸気の冷媒を圧縮して高温・高圧の過熱蒸気とする圧縮機と、該圧縮機により高温・高圧の過熱蒸気となった冷媒から高熱源へと放熱させ、その冷媒を過冷却液とする凝縮器と、該凝縮器により過冷却液となった冷媒を膨張させて湿り蒸気とする膨張弁と、該膨張弁により湿り蒸気となった冷媒に低熱源から吸熱させ、その冷媒を過熱蒸気とする蒸発器と、を介装して構成されるヒートポンプ装置において、
前記凝縮器から膨張弁へと向かう冷媒と、前記蒸発器から圧縮機へと向かう冷媒と、の間で熱交換を行う熱交換手段を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
前記熱交換手段は、前記凝縮器出口と膨張弁入口とを接続する配管と、前記蒸発器出口と圧縮機入口とを接続する配管と、を接触させて一体化した構成からなることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
前記配管は、アルミニウム又はこれを主成分とするアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置。