JP2006194582A - 超臨界冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 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。
【解決手段】 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から流出した冷媒を分岐させる分岐部X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13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14と、この蒸発器から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように圧縮して高圧側熱交換器12へ吐出する圧縮装置11と、分岐部Xで分岐された他方の冷媒を圧縮装置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とを備えた構成としている。
【選択図】 図1
【解決手段】 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から流出した冷媒を分岐させる分岐部X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13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14と、この蒸発器から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように圧縮して高圧側熱交換器12へ吐出する圧縮装置11と、分岐部Xで分岐された他方の冷媒を圧縮装置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とを備えた構成としている。
【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、この蒸発器(14)から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように圧縮して前記高圧側熱交換器(12)へ吐出する圧縮装置(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、前記パイパス回路(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、この蒸発器から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように圧縮して前記高圧側熱交換器へ吐出する圧縮装置と、前記分岐部で分岐された他方の冷媒を前記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、前記パイパス回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。
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
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)
- 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、この蒸発器(14)から流出した冷媒を圧力が超臨界となるように圧縮して前記高圧側熱交換器(12)へ吐出する圧縮装置(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、前記パイパス回路(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。
- 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。
- 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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- 2006-03-14 JP JP2006069461A patent/JP2006194582A/ja active Pending
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100608 |