JP2007155266A

JP2007155266A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2007155266A
Application number: JP2005353687A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sato; 全秋佐藤; Koichi Yamaguchi; 山口　　広一; Kazuhisa Tsunoda; 和久角田; Hajime Ono; 一小野
Original assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合冷媒を用いた場合であっても、圧縮機からの吐出温度を下げることで保護装置を不要とすること。
【解決手段】ジメチルエーテルと二酸化炭素とを混合した冷媒を用いる冷凍サイクル装置１０において、圧縮機１１、凝縮器１２、膨張弁１３、蒸発器１４とが順次接続された冷凍サイクルユニットと、圧縮機１１が吐出する冷媒の吐出温度が所定温度以上になったときに、蒸発器１４又は蒸発器１４出口側の低圧側冷媒と凝縮器１２又は凝縮器１２出口側の高圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器４０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和装置、冷凍機、ヒートポンプ式給湯機等の冷凍サイクル装置に関し、特に高効率・高信頼性のものが得られる技術に関する。

冷凍サイクル装置、特にヒートポンプ式給湯機の冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を使用したものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、自然冷媒である二酸化炭素を利用する場合には、高圧で圧縮する必要があり、この高圧による安全性確保のために装置全体の耐圧の強化等の対策が必要である。

このため、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）と二酸化炭素との混合冷媒を使用することが提案されている。前記混合冷媒であれば、二酸化炭素を冷媒とした場合に比べ、使用圧力を低下させることができ、高効率な冷凍サイクルを得ることができる。
特開２００１−２０１１７７号公報

上述したジメチルエーテルと二酸化炭素との混合冷媒を用いた冷凍サイクルでは、次のような課題が考えられる。すなわち、前記混合冷媒の物性上、圧縮機出口側の吐出温度が高くなるという特徴を有する。冷媒の吐出温度が高くなると圧縮機に使用される材料の使用温度範囲を逸脱する可能性が高くなるため、吐出温度を下げる保護装置が必要となり、装置が複雑化するとともに、製造コストが上昇する虞がある。

そこで本発明は、高効率のサイクルを実現するためにジメチルエーテルと二酸化炭素との混合冷媒を用いた場合であっても、圧縮機からの吐出温度を下げることで保護装置を不要とすることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は次のように構成されている。

ジメチルエーテルと二酸化炭素とを混合した冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器とが順次接続された冷凍サイクルユニットと、前記圧縮機の出口と膨張装置の入口間の高圧側冷媒と前記膨張装置の出口と圧縮機の入口間の低圧側冷媒とを熱交換させる熱交換手段とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、高効率のサイクルを実現するためにジメチルエーテルと二酸化炭素との混合冷媒を用いた場合であっても、圧縮機からの吐出温度を下げることで保護装置を不要とすることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の構成を示すブロック図、図２は同冷凍サイクル装置１０におけるＰ−ｈ線図（圧力−エンタルピ線図）、図３はＴ−ｈ線図（温度−エンタルピ線図）である。

冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。なお、図中１５は圧縮機１１の出口側の冷媒温度に基づいて、後述する二方弁３０，３１の開閉を指令する制御部を示している。この冷凍サイクル装置１０には、ジメチルエーテルと二酸化炭素が所定の割合（例えば、５：９５〜３０：７０）で混合された混合冷媒が用いられている。

放熱器１２の出口側と膨張弁１３の入口側との間には、第１分岐２０及び第２分岐２１が設けられ、第１分岐２０と第２分岐２１との間には二方弁３０が設けられている。また、第１分岐２０は内部熱交換器４０を介して第２分岐２１に接続されている。

蒸発器１４の出口側と圧縮機１１の入口側との間には、第３分岐２２及び第４分岐２３が設けられ、第３分岐２２と第４分岐２３との間には二方弁３１が設けられている。また、第３分岐２２は内部熱交換器４０を介して第４分岐２３に接続されている。

このように構成された冷凍サイクル装置１０においては、次のようにして冷凍サイクルの運転が行われる。なお、通常時には二方弁３０，３１は開かれている。

冷凍サイクル装置１０の運転が開始されると、通常の冷凍サイクルで混合冷媒が圧縮−凝縮−膨張−蒸発−圧縮のサイクルで運転される。このときのサイクルは図２及び図３中実線Ｐで示されたものとなる。

次に、圧縮機１１の出口における混合冷媒の温度が所定温度を超えると、二方弁３０，３１が閉じる。これにより、混合冷媒は内部熱交換器４０側へ導入され、高圧側と低圧側との熱交換が行われる（図３中α１，α２）。すなわち、蒸発の一部を内部熱交換器４０が受け持つことになり、蒸発器１４が吸入すべき熱量を減少でき、膨張弁１３の絞り量を小さくして蒸発温度及び蒸発圧力を上昇させることができる。蒸発圧力の上昇に伴い、圧縮機１１の吸込圧力も上昇し、吐出温度の低下につながる（図３中ΔＴ）。このときのサイクルは図２及び図３中破線Ｑで示されたものとなる。

上述したように本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０によれば、内部熱交換器４０において蒸発器１４が吸入すべき熱量を減少することができるため、蒸発温度及び蒸発圧力を上昇させることで、運転時における圧縮機１１の温度上昇を防止し、装置の信頼性を高めることができる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０の構成を示すブロック図、図５は同冷凍サイクル装置１０におけるＴ−ｈ線図（温度−エンタルピ線図）である。図４において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置５０においては、放熱器１２の代わりに、放熱器１２Ａ及び放熱器１２Ｂが設けられ、これら放熱器１２Ａ及び放熱器１２Ｂの中間に、第１分岐２０及び第２分岐２１が設けられている。

このように構成されていると上述した冷凍サイクル装置１０と同様にして運転が行われる。すなわち、圧縮機１１の出口における混合冷媒の温度が所定温度を超えると、二方弁３０，３１が閉じ、混合冷媒は内部熱交換器４０側へ導入され、高圧側と低圧側との熱交換が行われる（図５中β１，β２）。そして、圧縮機１１の吸込圧力が上昇し、吐出温度が低下する（図５中ΔＴ）。

放熱器１２Ａと放熱器１２Ｂの間の混合冷媒は、前述した放熱器１２の出口よりも高い温度となるため、蒸発器１４の出口温度が高い場合においても内部熱交換器４０における熱交換のための温度差を確保しやすくなる。

上述したように本実施の形態に係る冷凍サイクル装置５０によれば、前述した冷凍サイクル装置１０と同様の効果を得ることができるとともに、蒸発器１４の出口温度が高い場合においても内部熱交換器４０における熱交換のための温度差を確保しやすくなる。

図６は本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクル装置６０の構成を示すブロック図である。図６において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置６０においては、蒸発器１４の代わりに、蒸発器１４Ａ及び蒸発器１４Ｂが設けられ、これら蒸発器１４Ａ及び蒸発器１４Ｂの中間に、第３分岐２２及び第４分岐２３が設けられている。

このように構成されていると上述した冷凍サイクル装置１０と同様にして運転が行われる。すなわち、圧縮機１１の出口における混合冷媒の温度が所定温度を超えると、二方弁３０，３１が閉じ、混合冷媒は内部熱交換器４０側へ導入され、高圧側と低圧側との熱交換が行われる。そして、圧縮機１１の吸込圧力が上昇し、吐出温度が低下する。

蒸発器１４Ａと蒸発器１４Ｂの間の混合冷媒は、前述した蒸発器１４の出口よりも低い温度となるため、放熱器１２の出口温度が低い場合においても内部熱交換器４０における熱交換のための温度差を確保しやすくなる。

上述したように本実施の形態に係る冷凍サイクル装置６０によれば、前述した冷凍サイクル装置１０と同様の効果を得ることができるとともに、放熱器１２の出口温度が低い場合においても内部熱交換器４０における熱交換のための温度差を確保しやすくなる。

なお、前記第１ないし第３の実施の形態に係る冷凍サイクル装置おいて、放熱器１２、１２Ａ出口側の冷媒又は蒸発器１４、１４Ａ出口側の冷媒のいずれか一方は、常時内部熱交換器を通るようにしても良い。このようにした場合にも、同様の効果を得ることができるとともに、二方弁３０又は３１のいずれかを省略することができる。

さらには、放熱器１２、１２Ａ出口側の冷媒及び蒸発器１４、１４Ａ出口側の冷媒の両方が、常時内部熱交換器を通るようにし、常時熱交換させるようにしても良い。その場合には、二方弁３０及び３１の両方を省略することができる。

図７は本発明の第４の実施の形態に係る冷凍サイクル装置７０の構成を示すブロック図である。図７において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置７０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。放熱器１２の入口側と蒸発器１４の出口側は、補助膨張弁７１を介して接続されている。

このように構成された冷凍サイクル装置７０では、蒸発器１４出口側では入口に比べ蒸発温度が高く、空気との温度差が小さいため、未蒸発液が残りやすいという不具合を解消する。すなわち、吐出ガスの一部を補助膨脹弁７１を介して蒸発器１４出口に流入させる。蒸発器１４から出た蒸発完了していない２相冷媒と吐出過熱蒸気を直接接触熱交換することにより、吸込みガスの液バックを防止するとともに蒸発（低圧側）圧力を高くし、高低圧差が少なくなることから吐出温度も抑えることができる。

図８は本発明の第５の実施の形態に係る冷凍サイクル装置８０の構成を示すブロック図である。図８において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置８０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。放熱器１２の入口側と蒸発器１４の出口側が内部熱交換器８１に接続されている。

冷凍サイクル装置８０では、圧縮機１１からの吐出ガスと蒸発器１４出口を内部熱交換器８１において熱交換させ、蒸発器１４から出た蒸発完了していない２相冷媒を完全に蒸発させる。吸込みガスの液バックを防止するとともに蒸発(低圧側)圧力を高くし、高低圧差が少なくなることから吐出温度も抑えることができる。

図９は本発明の第６の実施の形態に係る冷凍サイクル装置９０の構成を示すブロック図である。図９において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置８０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

放熱器１２の出口側と膨張弁１３の入口側との間には第１分岐９１が設けられ、膨張弁１３と蒸発器１４との間には第２分岐９２が設けられている。第１分岐９１と第２分岐９２との間には、バイパス管９３が設けられている。バイパス管９３は内部熱交換器９４において蒸発器１４の出口側と熱交換されるとともに、補助膨張弁９５が設けられている。

冷凍サイクル装置９０では、２方弁による選択的に熱交換させるのではなく、放熱器１２と膨張弁１３の間から蒸発器１４出口に設けられた内部熱交換器９４と膨張弁９５を介し、膨張弁１３と蒸発器１４の入口側の間に戻すバイパス回路を設ける。これにより補助膨張弁９５の開度により内部熱交換器９４における熱交換量を連続的に制御することができ、最適な運転が可能となる。

図１０は本発明の第７の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示すブロック図である。図１０において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

放熱器１２の出口側と膨張弁１３の入口側との間に気液分離器１０１、膨張弁１３と蒸発器１４の入口側には第１分岐１０２が設けられており、気液分離器１０１と第１分岐１０２とがバイパス管１０３を介して接続されている。バイパス管１０３は内部熱交換器１０４において蒸発器１４の出口側と熱交換されるとともに、補助膨張弁１０５が設けられている。

冷凍サイクル装置１００では、放熱器１２においても温度勾配があるため、放熱器１２出口に近づくにつれて熱交換温度差が取れにくくなり、未凝縮冷媒が残るという不具合を解決する。すなわち、気液分離器１０１で分離されたガス成分を蒸発器１４出口冷媒と内部熱交換器１０４により熱交換させ、蒸発器１４入口に流入させる。内部熱交換器１０４では、気液分離器１０１のガスは冷却され、蒸発器１４出口冷媒は未蒸発分があれば蒸発する。液バック防止、吐出温度上昇抑制を行うことができるとともに膨張弁１３における二相での膨張を防ぎ、制御を安定させることができる。

図１１は本発明の第８の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１１０の構成を示すブロック図である。図１１において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置１１０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３Ａ，１３Ｂと、膨張弁１３Ｂの出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

膨張弁１３Ａと膨張弁１３Ｂとの間に気液分離器１１１、膨張弁１３Ｂと蒸発器１４の入口側には第１分岐１１２が設けられており、気液分離器１１１と第１分岐１１２とがバイパス管１１３を介して接続されている。バイパス管１１３は内部熱交換器１１４において蒸発器１４の出口側と熱交換されるとともに、補助膨張弁又はキャピラリ１１５が設けられている。

冷凍サイクル装置１１０では、気液分離器１１１にて分離するガス量を増加させることにより、内部熱交換器１１４での熱交換量を増大させ、圧縮機１１吸込みの状態を最適に制御することができる。当然、キャピラリよりも補助膨張弁の方がガス量を調整し易く、制御範囲が広くなる。

図１２は本発明の第９の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１２０の構成を示すブロック図である。図１２において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置１２０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

放熱器１２の出口側と膨張弁１３の入口側との間に気液分離器１２１、蒸発器１４の出口側と圧縮機１１との間には第１分岐１２２が設けられており、気液分離器１２１と第１分岐１２２とがバイパス管１２３を介して接続されている。バイパス管１２３には補助膨張弁１２４とヒータ１２５が設けられている。

冷凍サイクル装置１２０では、気液分離器１２１で分離されたガス成分を蒸発器１４出口冷媒と合流させ、直接接触熱交換させる。ガスのバイパス管１２３にヒータ１２５等の外部熱源を導入することで効果を高めることもできる。

図１３は本発明の第１０の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１３０の構成を示すブロック図である。図１３において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置１３０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３と、この膨張弁１３の出口側に接続されるとともに、その出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

放熱器１２の出口側と膨張弁１３の入口側との間に気液分離器１３１、膨張弁１３と蒸発器１４の入口側には第１分岐１３２が設けられており、気液分離器１０１と第１分岐１０２とがバイパス管１３３を介して接続されている。バイパス管１３３は内部熱交換器１３４において蒸発器１４の出口側と熱交換されるとともに、補助膨張弁１３５が設けられている。

冷凍サイクル装置１３０では、気液分離器１３１の液冷媒の一部を蒸発器１４出口冷媒と熱交換させる。これにより、蒸発圧力を上昇させても液バックを防止でき、吐出温度上昇を抑制できる。

図１４は本発明の第１１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１４０の構成を示すブロック図である。図１４において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

冷凍サイクル装置１４０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の出口側に接続された放熱器１２と、この放熱器１２の出口側に接続された膨張装置である膨張弁１３Ａ，１３Ｂと、膨張弁１３Ｂの出口側に接続されるとともにその出口側が圧縮機１１に接続された蒸発器１４からなる冷凍サイクルユニットを有している。

膨張弁１３Ａと膨張弁１３Ｂとの間に気液分離器１４１、膨張弁１３Ｂと蒸発器１４の入口側には第１分岐１４２が設けられており、気液分離器１１１と第１分岐１１２とがバイパス管１１３を介して接続されている。バイパス管１１３は内部熱交換器１１４において蒸発器１４の出口側と熱交換されるとともに、補助膨張弁又はキャピラリ１１５が設けられている。

冷凍サイクル装置１４０では、気液分離器１４１で分離する液冷媒の温度を補助膨張弁１１５により制御することで最適な熱交換量に制御しやすくなる。

なお、上記各実施の形態においては、圧縮機から吐出された高圧側の冷媒が放熱器により凝縮される例で説明したが、本発明は高圧側の冷媒が凝縮状態となるものに限らず、より高い圧力で超臨界状態、すなわち、圧縮機からの吐出冷媒の状態がＰ−ｈ線図上における飽和液線と飽和蒸気線との交点における圧力と温度以上となるものであって、放熱器が超臨界領域で作動するも良い。本発明は、このような場合においても圧縮機からの吐出温度を下げることで保護装置を不要とすることが可能となる。

また、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。同冷凍サイクル装置における圧力−エンタルピ線図。同冷凍サイクル装置における温度−エンタルピ線図。本発明の第２の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。同冷凍サイクル装置における温度−エンタルピ線図。本発明の第３の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第４の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第５の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第６の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第７の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第８の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第９の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第１０の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。本発明の第１１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０，５０〜１４０…冷凍サイクル装置、１１…圧縮機、１２，１２Ａ，１２Ｂ…凝縮器、１３，１３Ａ，１３Ｂ…膨張弁、１４，１４Ａ，１４Ｂ…蒸発器、１５…制御部、３０，３１…二方弁、４０…内部熱交換器。

Claims

ジメチルエーテルと二酸化炭素とを混合した冷媒を用いる冷凍サイクル装置において、
圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器とが順次接続された冷凍サイクルユニットと、
前記圧縮機の出口と膨張装置の入口間の高圧側冷媒と前記膨張装置の出口と圧縮機の入口間の低圧側冷媒とを熱交換させる熱交換手段とを備えていることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記蒸発器出口から前記圧縮機入口までの低圧側冷媒と、前記放熱器出口から前記膨張弁までの高圧側冷媒との間で熱交換することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記蒸発器出口から前記圧縮機入口までの低圧側冷媒と、前記放熱器中間位置の高圧側冷媒との間で熱交換することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記蒸発器中間位置の低圧側冷媒と、前記放熱器出口から前記膨張弁までの高圧側冷媒との間で熱交換することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
低圧側冷媒と高圧側冷媒を熱交換させるとき、前記膨張装置の絞り量を小さくなるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。