JP2007232228A - 冷却加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却負荷と加熱負荷の変動に調和した好適な運転を行なうことにより、エネルギーの消費量を削減することができる冷却加熱装置を提供する。
【解決手段】各温度検出手段の出力に基づき、蒸発器４又は蒸発器として機能している室外熱交換器６（補助熱交換器）における冷媒の過熱度が所定の値となるよう低圧側となる膨張弁（絞り手段）を制御すると共に、圧縮機２から吐出される冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる膨張弁（絞り手段）を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの蒸発器における冷媒の吸熱により冷却対象を冷却し、放熱器における冷媒の放熱により加熱対象を加熱する冷却加熱装置に関するものである。

一般に、冷房や冷凍等のように、冷却対象を冷却する方法として蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いた冷凍装置が広く利用されている。この種の冷凍装置では、蒸発器における冷媒の蒸発作用により冷却対象を冷却し、凝縮器における冷媒の凝縮により発生する熱を大気等へ放出していた。

また、暖房や給湯等のように加熱対象を加熱する方法としても蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いたヒートポンプ装置が用いられている。この種のヒートポンプ装置では、凝縮器において冷媒が放熱して凝縮する際の放熱作用により加熱対象を加熱し、蒸発器における冷媒の蒸発により大気等の熱源から吸熱を行っていた。

上記のような冷凍装置では、冷却運転の際に、凝縮器において冷媒が放熱し、凝縮することにより発生する熱を大気中に放出していたため、エネルギーの有効的利用が図られていないばかりで無く、周囲温度の上昇をもたらすという問題があった。

一方で、上記のようなヒートポンプ装置では、ヒートポンプ運転中に蒸発器において冷媒が蒸発することによる吸熱作用は何ら有効に利用されることなく、単に大気から熱を汲み上げるのみであった。

そこで、冷却運転時においても冷凍サイクルの高圧側での放熱を有効に利用し、省エネルギーを図る冷却加熱装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。係る特許文献１に記載の冷却加熱装置は、複数の熱交換器に流れる冷媒の流路を切り換えることで、これらの熱交換器を選択的に利用するものであった。そして、蒸発器として機能する熱交換器における冷媒の蒸発作用により冷却対象を冷却し、放熱器として機能する熱交換器における冷媒の放熱により加熱対象を加熱することで、従来は利用されずに大気中に放出されていた冷却過程において発生する冷凍サイクルの高温側の熱を有効に利用することができ、エネルギーの消費量を削減することが期待できる。しかしながら、冷媒の流路の切り換えにより、運転中に冷凍サイクル内を循環する冷媒量が変動し、その結果冷凍サイクルの効率が低下するという問題が生じていた。

そこで、このような問題を解決するため、冷媒の熱交換を行っていない熱交換器内に余剰冷媒を貯留して、エネルギー効率を改善した冷却加熱装置も開発されている（例えば、特許文献２）。
特開２００４−３０９０９３号公報 特開平９−２５０８３８号公報

しかしながら、このような冷却加熱装置では、停止している熱交換器への余剰冷媒の貯留は、冷媒流路の切換時にのみしか行うことができないので、運転中の負荷変動に対して、冷凍サイクルを循環する冷媒量を常に最適となるように制御することは困難であった。従って、係る冷却加熱装置を用いても、運転中の負荷の変動による性能の低下を解消することができなかった。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、冷却負荷と加熱負荷の変動に調和した好適な運転を行うことにより、エネルギーの消費量を削減することができる冷却加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の冷却加熱装置は、圧縮機、放熱器、第１の絞り手段、第２の絞り手段及び蒸発器を順次接続して冷媒回路が構成された蒸気圧縮式冷凍サイクルを備え、放熱器における冷媒の放熱作用を利用して加熱対象を加熱し、蒸発器における冷媒の吸熱作用を利用して冷却対象を冷却することが可能とされたものであって、一端が第３の絞り手段を介して第１及び第２の絞り手段の間の配管に接続されると共に、他端が圧縮機の吸込側配管及び吐出側配管に接続され、加熱対象及び冷却対象以外の熱源と熱交換を行う補助熱交換器と、圧縮機から吐出された冷媒を放熱器に流すか補助熱交換器に流すか、及び、補助熱交換器から圧縮機に冷媒を吸い込むか蒸発器から圧縮機に冷媒を吸い込むかを制御する流路制御手段と、冷媒回路の温度、及び／又は、圧力に基づいて第１乃至第３の絞り手段を制御することにより、放熱器、補助熱交換器及び蒸発器に流れる冷媒量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明の冷却加熱装置は、上記において蒸発器、又は、蒸発器として機能している補助熱交換器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度検出手段と、圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段とを備え、制御手段は、各温度検出手段の出力に基づき、蒸発器又は蒸発器として機能している補助熱交換器における冷媒の過熱度が所定の値となるよう低圧側となる絞り手段を制御すると共に、圧縮機から吐出される冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる絞り手段を制御することを特徴とする。

請求項３の発明の冷却加熱装置は、請求項１の発明において蒸発器、又は、蒸発器として機能している補助熱交換器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度検出手段と、冷媒回路の高圧側の圧力を検出する高圧圧力検出手段とを備え、制御手段は、各温度検出手段及び高圧圧力検出手段の出力に基づき、蒸発器又は蒸発器として機能している補助熱交換器における冷媒の過熱度が所定の値となるよう低圧側となる絞り手段を制御すると共に、冷媒回路の高圧側の圧力が所定の値となるように高圧側となる絞り手段を制御することを特徴とする。

請求項４の発明の冷却加熱装置は、上記各発明において冷媒回路は冷媒として二酸化炭素が封入され、高圧側が超臨界圧力となることを特徴とする。

本発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの蒸発器における冷媒の吸熱作用により冷却対象を冷却すると共に、放熱器における冷媒の放熱作用により加熱対象を加熱することができるので、従来は利用されずに大気中に放出されていた冷却過程において発生する冷凍サイクルの高温側の熱を有効に利用することができ、エネルギーの消費量を削減することができるようになる。

特に、流路制御手段により冷媒の流れを切り替えることにより、冷却対象の冷却のみを行う冷却運転と、加熱対象の加熱のみを行なう加熱運転、及び、冷却対象の冷却と加熱対象の加熱を同時に行なう冷却加熱同時運転の全てを実現することが可能となるので、冷却負荷、若しくは、加熱負荷のバランス変動に幅広く対応し、確実な冷却対象の冷却と加熱対象の加熱を行なうことが可能となる。

更にまた、本発明によれば、冷媒回路の温度や圧力に基づいて、流路切換手段及び第１乃至第３の絞り手段を制御することにより、冷媒回路内を循環する冷媒量を、運転モードの切換時のみならず、運転中常に負荷の状態に応じて最適に調整することができるので、冷凍サイクルの効率が向上し、エネルギー消費を削減することができる。

特に、冷媒回路に冷媒として二酸化炭素が封入され、高圧側が超臨界圧力となる冷却加熱装置に本発明を適用すれば、性能を著しく向上させることができるようになる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明の実施例１における冷却加熱装置１の冷媒回路である。実施例の冷却加熱装置１は、圧縮機２と、冷媒の放熱作用により加熱対象を加熱する放熱器３と、冷媒の蒸発による吸熱作用で冷却対象を冷却する蒸発器４と、冷媒と外気（加熱対象及び冷却対象以外の熱源）との熱交換を行ない、冷媒の放熱、若しくは、吸熱を行うための補助熱交換器としての室外熱交換器６などから冷媒回路が構成された蒸気圧縮冷凍サイクルを備えている。

この場合、圧縮機２の吐出側配管７は切替弁ＳＶ１を介して放熱器３の冷媒入口側配管８に接続され、放熱器３の冷媒出口側配管９は第１の絞り手段としての膨張弁ＥＶ１に接続されている。この膨張弁ＥＶ１の出口に接続された冷媒配管１０は第２の絞り手段としての膨張弁ＥＶ２に接続されている。そして、蒸発器４の冷媒入口側配管１１がこの膨張弁ＥＶ２に接続され、蒸発器４の冷媒出口側配管１２は切替弁ＳＶ２に接続され、更にこの切替弁ＳＶ２の出口側にアキュムレータ１３が介設された圧縮機２の吸込側配管１４が接続されて冷媒回路が構成されている。

前記室外熱交換器６は、例えば所謂チューブアンドフィン式の熱交換器であり、銅管と、該銅管に設けられた伝熱促進アルミフィンとから構成され、前記銅管の内部を冷媒の流路としている。また、前記銅管内を流れる冷媒と熱交換を行う空気（外気）を室外熱交換器６に通風するためのファン１６とファンモータ１７も設けられている。

ここで、室外熱交換器６の形式はこれに限定されるものではなく、例えば、アルミ押し出し多孔偏平管を用いて、前記偏平管に設けられた孔を冷媒の流路とすることもできる（所謂マイクロチャネル熱交換器）。

この室外熱交換器６の一端の冷媒配管１８は、第３の絞り手段としての膨張弁ＥＶ３を介して前記膨張弁ＥＶ１及び膨張弁ＥＶ２の間の冷媒配管１０に接続されており、室外熱交換器６の他端の冷媒配管１９は分岐しており、一方の分岐配管１９Ａは切替弁ＳＶ３を介して圧縮機２の吐出側配管７に接続され、他方の分岐配管１９Ｂは切替弁ＳＶ４を介して圧縮機２の吸込側配管１４に接続されている。

圧縮機２の吐出側配管７には、圧縮機２で圧縮されて、当該圧縮機２から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサＴ１（吐出温度検出手段）が取り付けられている。また、蒸発器４の冷媒入口側配管１１（若しくは、蒸発器４内の冷媒配管）には、冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度センサＴ２（蒸発温度検出手段）が取り付けられ、アキュムレータ１３の入口側の吸込側配管１４には、圧縮機２に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度センサＴ３（吸込温度検出手段）が取り付けられ、更に、室外熱交換器６と膨張弁ＥＶ３の間の冷媒配管１８（若しくは、室外熱交換器６内の冷媒配管）には温度センサＴ４（温度検出手段）が取り付けられている。当該温度センサＴ４は、室外熱交換器６を蒸発器として機能させている場合には、冷媒の蒸発温度を検出するための蒸発温度検出手段となる。

ここで、この蒸気圧縮冷凍サイクルの冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されている。従って、放熱器３内部等の高圧側での冷媒圧力は臨界圧力を超える場合があるため、冷凍サイクルは遷臨界サイクルとなる場合がある。また、圧縮機２の潤滑油としては、例えば、鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）、ＰＯＥ（ポリオールエーテル）等が使用される。

また、本実施例の冷却加熱装置１は、放熱器３や補助熱交換器６及び蒸発器４に流れる冷媒量が制御装置Ｃ（制御手段）により制御されている。具体的には、当該制御装置Ｃが前記各温度センサＴ１乃至Ｔ４にて検出される冷媒回路内の各冷媒温度、若しくは、冷媒回路内の圧力、又は、冷媒回路内の温度と圧力等に基づいて、各膨張弁ＥＶ１乃至ＥＶ３を制御することにより、放熱器３や補助熱交換器６及び蒸発器４に流れる冷媒量が制御されている。尚、制御動作については、後述する動作説明で更に詳しく述べる。

次に実施例の冷却加熱装置１の動作について図１及び図２に基づき説明する。先ず、冷却負荷及び加熱負荷の状態に基づき運転モードが決定される。本実施例の冷却加熱装置１では、冷却対象の冷却のみを行う冷却運転と、加熱対象の加熱のみを行う加熱運転と、冷却対象の冷却と加熱対象の加熱を同時に行う冷却加熱同時運転とを選択的に行うことができる。各運転モードにおける各切換弁の開閉状態は図２に示す通りである。

（冷却運転）
この冷却運転で制御装置Ｃは、切替弁ＳＶ２、切替弁ＳＶ３及び膨張弁ＥＶ１を開き、切替弁ＳＶ１、切替弁ＳＶ４を閉じると共に、膨張弁ＥＶ２及び膨張弁ＥＶ３の開度を最適に調節する。これにより、圧縮機２、吐出側配管７、切替弁ＳＶ３、室外熱交換器６、膨張弁ＥＶ３、膨張弁ＥＶ２、蒸発器４、切替弁ＳＶ２、アキュムレータ１３及び吸込側配管１４を順次経て、圧縮機２へと戻る冷凍サイクルが構成される。

冷却運転を開始すると、圧縮機２により冷媒は圧縮され、高温高圧となり吐出側配管７に吐出される。その後、冷媒は室外熱交換器６に至り、空気（外気）に熱を放出して低温となる。尚、冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されており、外気温度が高い場合においては、室外熱交換器６内の冷媒圧力は臨界圧力以上となる。従って、この場合、室外熱交換器６内で冷媒の凝縮は起こらず、室外熱交換器６の入口から出口に向かって、冷媒の温度は外気への放熱とともに低下する。他方、外気温度が低い場合には、冷媒回路の高圧側の圧力は臨界圧力以下となる場合もあり、この場合は、室外熱交換器６内で冷媒は凝縮する。

そして、室外熱交換器６を出た低温高圧の冷媒は、膨張弁ＥＶ３で絞られ、中圧となり、膨張弁ＥＶ２で更に絞られ、膨張して低圧となり、蒸発器４に至る。ここでの冷媒の状態は、液冷媒と蒸気冷媒が混在する二相混合状態である。蒸発器４では液相冷媒が蒸発して蒸気冷媒となる。この冷媒の蒸発に伴う吸熱作用により冷却対象が冷却される。冷却対象は、例えば、冷却や保冷を必要とする食品及び飲料、空気調和を行う場合の空気、又は、熱搬送や蓄熱を利用したシステムにおける水、ブライン、及び、氷等が考えられる。

その後、冷媒は蒸発器４から吸込側配管１４を経て再び圧縮機２に吸い込まれる。以上の連続した冷凍サイクルの作用により、冷却対象が冷却される。

冷却運転中は、前記制御装置Ｃがアキュムレータ１３の入口側に位置する吸込側配管１４に取り付けられた吸込温度センサＴ３によって検出された吸込冷媒温度と、蒸発器４の冷媒入口側配管１１、若しくは、蒸発器４内の冷媒配管に取り付けられた蒸発温度センサＴ２により検出された冷媒の蒸発温度との差、所謂過熱度が所定の値となるように低圧側となる膨張弁ＥＶ２の開度を制御する。即ち、制御装置Ｃは、高圧側の膨張弁ＥＶ３で一旦絞られて低圧（中圧）となった位置にある、即ち、高圧側の膨張弁ＥＶ３の下流側に位置する低圧側の膨張弁ＥＶ２の開度を蒸発器４における冷媒の過熱度が所定の値となるように制御する。具体的には、過熱度が所定の値より大きい場合は制御装置Ｃにより、膨張弁ＥＶ２の開度が拡大され、逆に、過熱度が所定の値より小さい場合は制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ２の開度が縮小される。これにより、蒸発器４内部の冷媒量を適切に調整でき、その結果蒸発器４での伝熱性能が向上し、高効率な冷却運転を行うことができる。

更に、制御装置Ｃは上記膨張弁ＥＶ２による蒸発器４の過熱度制御に並行して、冷媒回路の吐出側配管７に位置する吐出温度センサＴ１により検出された吐出冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる膨張弁ＥＶ３の開度を制御する。具体的には、吐出温度センサＴ１にて検出された圧縮機２から吐出される冷媒の温度が所定の値より大きい場合は制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ３の開度が拡大され、逆に、圧縮機２から吐出される冷媒温度が所定の値より低い場合は制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ３の開度が縮小される。これにより、冷媒回路の高圧側の冷媒量を最適に調節し、高圧側の圧力を好適な値に維持することができる。その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。

冷却運転中、切替弁ＳＶ１は閉じられ、膨張弁ＥＶ１は全開とされているので、放熱器３は膨張弁ＥＶ２と膨張弁ＥＶ３の間の中圧部分に接続された余剰冷媒を貯留するための容積として機能する。上記のように膨張弁ＥＶ２による蒸発器４の過熱度制御と、膨張弁ＥＶ３による吐出温度制御は、同時に、且つ、冷却運転中継続的に行われるので、冷媒回路内を循環する冷媒量は常に最適に調節され、過剰となった冷媒は放熱器３内に貯留される。

（加熱運転）
加熱運転で制御装置Ｃは、切替弁ＳＶ１、切替弁ＳＶ４、及び、膨張弁ＥＶ２を開き、切替弁ＳＶ２及び切替弁ＳＶ３を閉じると共に、膨張弁ＥＶ１及び膨張弁ＥＶ３の開度を最適に調節する。これにより、圧縮機２、吐出側配管７、切替弁ＳＶ１、放熱器３、膨張弁ＥＶ１、膨張弁ＥＶ３、室外熱交換器６、切替弁ＳＶ４、アキュムレータ１３、及び、吸込側配管１４を順次経て圧縮機２へと戻る冷凍サイクルが構成される。

加熱運転を開始すると、圧縮機２により冷媒は圧縮されて高温高圧となり吐出側配管７に吐出される。この加熱運転では加熱対象を高温に加熱する必要があるので、通常この状態での冷媒は超臨界である。その後、冷媒は放熱器３に至り、ここで加熱対象に熱を放出し、冷媒自体は低温となる。通常ここでの冷媒の状態は臨界圧力以上の液相である。この放熱器３での冷媒の放熱作用で加熱対象が加熱される。加熱対象は、例えば、給湯負荷設備における水や、暖房装置における室内空気、若しくは、熱搬送のための熱媒等である。

尚、冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されており、放熱器３内の冷媒圧力は臨界圧力以上である場合が多い。従って、放熱器３内で冷媒の凝縮は起こらず、放熱器３の入口から出口に向かって冷媒の温度は加熱対象への放熱とともに低下する。他方、放熱器３において、加熱対象の温度は加熱対象の流路の入口から出口に向かって、冷媒からの吸熱とともに上昇する。よって、放熱器３における冷媒と加熱対象の流れの方向を対向させるように構成することにより、温度一定の下で凝縮放熱を行うＨＦＣ系冷媒に比べると、効率の高い熱交換が可能となり、且つ、高温の加熱が可能となる。

そして、放熱器３を出た低温高圧の冷媒は、膨張弁ＥＶ１、及び、膨張弁ＥＶ３で絞られ、膨張して低圧となり、室外熱交換器６に至る。ここでの冷媒の状態は、液冷媒と蒸気冷媒が混在する二相混合状態である。室外熱交換器６では液相冷媒が蒸発して蒸気冷媒となる。この冷媒の蒸発作用により、冷媒は外気から吸熱する。

その後、冷媒は室外熱交換器６から吸込側配管１４を経て再び圧縮機２に吸い込まれる。以上の連続した冷凍サイクルの作用により、加熱対象が加熱される。

加熱運転中は、前記制御装置Ｃがアキュムレータ１３の入口側の吸込側配管１４に取り付けられた吸込温度センサＴ３によって検出された圧縮機２に吸い込まれる冷媒温度と、室外熱交換器６と膨張弁ＥＶ３の間の冷媒配管１８、若しくは、室外熱交換器６内の冷媒配管に取り付けられた温度センサＴ４により検出された冷媒の温度（この場合は冷媒の蒸発温度）との差、所謂過熱度が所定の値となるように低圧側となる膨張弁ＥＶ３の開度を制御する。即ち、高圧側となる膨張弁ＥＶ１の下流側に位置する低圧側の膨張弁ＥＶ３の開度を室外熱交換器６における冷媒の過熱度が所定の値となるように制御する。具体的には、過熱度が所定の値より大きい場合は、制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ３の開度が拡大され、逆に、過熱度が所定の値より小さい場合は、制御装置Ｃにより、膨張弁ＥＶ３の開度が縮小される。これにより、蒸発器として機能する室外熱交換器６内部の冷媒量を最適に調節でき、その結果室外熱交換器６での伝熱性能が向上し、高効率な加熱運転を行うことができる。

更に、制御装置Ｃは上記膨張弁ＥＶ３による室外熱交換器６の過熱度制御に並行して、冷媒回路の吐出側配管７に取り付けられた吐出温度センサＴ１により検出された吐出冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる膨張弁ＥＶ１の開度を制御する。具体的には、吐出温度センサＴ１にて検出された圧縮機２から吐出される冷媒の温度が所定の値より大きい場合は、制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ１の開度が拡大され、逆に、吐出温度センサＴ１にて検出された圧縮機２から吐出される冷媒温度が所定の値より低い場合は、制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ１の開度が縮小される。これにより、冷媒回路の高圧側の冷媒量を最適に調整し、高圧側の圧力を好適な値に維持することができる。その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。

また、加熱運転中、切替弁ＳＶ２は閉じられ、膨張弁ＥＶ２は全開とされているので、蒸発器４は膨張弁ＥＶ１と膨張弁ＥＶ３の間の中圧部分に接続された余剰冷媒を貯留するための容積として機能する。上記のように膨張弁ＥＶ３による室外熱交換器６の過熱度制御と、膨張弁ＥＶ１による吐出温度制御は、同時に、且つ、加熱運転継続中継続的に行われるので、冷媒回路内を循環する冷媒量は常に最適に調節され、過剰となった冷媒は蒸発器４内に貯留される。

尚、当該加熱運転中に冷却対象を保冷する必要がある等の理由により、蒸発器４内部に中圧の冷媒を入出させることが好ましくない場合は、膨張弁ＥＶ２を全開とせず、閉止状態とすることにより、蒸発器４を封止することもできる。この場合においても、前述の膨張弁ＥＶ３による室外熱交換器６の過熱度制御と、膨張弁ＥＶ１による吐出温度制御とを並行して行うことにより、低圧となる室外熱交換器６内部、高圧となる放熱器３内部、及び、中圧となる膨張弁ＥＶ１と膨張弁ＥＶ３を接続する冷媒配管内部（即ち、膨張弁ＥＶ１の出口側に接続された冷媒配管１０乃至膨張弁ＥＶ３に至る冷媒配管１８内部）の冷媒量を調節することができるので、冷凍サイクルの効率を向上させる効果が得られる。

但し、この場合は運転中に過剰冷媒を調節する中間圧力部容積として、蒸発器４を利用することができないので、蒸発器４を封止する際に、蒸発器４に封入する冷媒量を最適に調節しておくことが望ましい。上記蒸発器４封入の際の封入冷媒量の調節は、冷却運転停止時の膨張弁ＥＶ２及び切替弁ＳＶ２の操作によって行うことができる。即ち、冷却運転終了時に、膨張弁ＥＶ２の開度を大きく（過熱度を小さく）した後に、切替弁ＳＶ２を閉じ、次いで、膨張弁ＥＶ２を閉じることにより、蒸発器４に封入する冷媒量を多くでき、逆に、膨張弁ＥＶ２の開度を小さく（過熱度を大きく）した後に、膨張弁ＥＶ２を閉じ、次いで、切替弁ＳＶ２を閉じることにより、蒸発器４に封入する冷媒量を少なくできる。

（冷却加熱同時運転）
冷却加熱同時運転で制御装置Ｃは、切替弁ＳＶ１、切替弁ＳＶ２及び膨張弁ＥＶ３を開き、切替弁ＳＶ３及び切替弁ＳＶ４を閉じると共に、膨張弁ＥＶ１及び膨張弁ＥＶ２の開度を最適に調節する。これにより、圧縮機２、吐出側配管７、切替弁ＳＶ１、放熱器３、膨張弁ＥＶ１、膨張弁ＥＶ２、蒸発器４、切替弁ＳＶ２、アキュムレータ１３及び吸込側配管１４を順次経て圧縮機２へと戻る冷凍サイクルが構成される。

この冷却加熱同時運転を開始すると、圧縮機２により冷媒は圧縮されて高温高圧となり吐出側配管７に吐出される。冷却加熱同時運転では加熱対象を高温に加熱する必要があるので、通常この状態での冷媒は超臨界である。その後、冷媒は放熱器３に至り、ここで加熱対象に熱を放出して低温となる。通常ここでの冷媒の状態は臨界圧力以上の液相である。この放熱器３での冷媒の放熱作用で加熱対象が加熱される。加熱対象は、例えば、給湯負荷設備における水や、暖房装置における室内空気若しくは熱搬送のための熱媒等である。

尚、冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されており、放熱器３内の冷媒圧力は臨界圧力以上である場合が多い。従って、放熱器３内で冷媒の凝縮は起こらず、放熱器３の入口から出口に向かって、冷媒の温度は加熱対象への放熱とともに低下する。他方、放熱器３において、加熱対象の温度は加熱対象の流路の入口から出口に向かって、冷媒からの吸熱とともに上昇する。よって、前述同様放熱器３における冷媒と加熱対象の流れの方向を対向させる構成とすることにより、温度一定の下で凝縮放熱を行うＨＦＣ系冷媒に比べると、効率の高い熱交換が可能であり、且つ、高温の加熱が可能となる。

そして、放熱器３を出た低温高圧の冷媒は、膨張弁ＥＶ１で絞られた後、更に膨張弁ＥＶ２で絞られ、膨張して低圧となり、蒸発器４に至る。ここでの冷媒の状態は液冷媒と蒸気冷媒が混在する二相混合状態である。蒸発器４では液相冷媒が蒸発して蒸気冷媒となる。この冷媒の蒸発に伴う吸熱作用により冷却対象が冷却される。冷却対象は、例えば、冷却や保冷を必要とする食品及び飲料、空気調和を行う場合の空気、又はＭ熱搬送や蓄熱を利用したシステムにおける水、ブライン、及び、氷等が考えられる。

その後、冷媒は蒸発器４から吸込側配管１４を経て再び圧縮機２に吸い込まれる。以上の連続した冷凍サイクルの作用により、冷却対象が冷却されると同時に加熱対象か加熱される。

この冷却加熱同時運転中は、前記制御装置Ｃがアキュムレータ１３の入口側に位置する吸込側配管１４に取り付けられた吸込温度センサＴ３によって検出された吸込冷媒温度と、蒸発器４の冷媒入口側配管１１、若しくは、蒸発器４内の冷媒配管に取り付けられた蒸発温度センサＴ２により検出された冷媒の蒸発温度との差、所謂過熱度が所定の値となるように低圧側となる膨張弁ＥＶ２の開度を制御する。即ち、高圧側となる膨張弁ＥＶ１の下流側に位置する低圧側の膨張弁ＥＶ２の開度を蒸発器４における冷媒の過熱度が所定の値となるように制御する。具体的には、過熱度が所定の値より大きい場合は制御装置Ｃにより、膨張弁ＥＶ２の開度が拡大され、逆に、過熱度が所定の値より小さい場合は制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ２の開度が縮小される。これにより、蒸発器４内部の冷媒量を適切に調整でき、その結果蒸発器４での伝熱性能が向上し、高効率な冷却運転を行うことができる。

更に、制御装置Ｃは上記膨張弁ＥＶ２による蒸発器４の過熱度制御に並行して、冷媒回路の吐出側配管７に位置する吐出温度センサＴ１により検出された吐出冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる膨張弁ＥＶ１の開度を制御する。具体的には、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より大きい場合は、制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ１の開度が拡大され、逆に、吐出温度センサＴ１で検出した冷媒温度が所定の値より低い場合は、制御装置Ｃにより膨張弁ＥＶ１の開度が縮小される。これにより、冷媒回路の高圧側の冷媒量を最適に調節し、高圧側の圧力を好適な値に維持することができる。その結果、冷凍サイクルの効率が向上する。

また、冷却加熱同時運転中、切替弁ＳＶ３及び切替弁ＳＶ４は閉じられ、膨張弁ＥＶ３は全開とされているので、室外熱交換器６は、膨張弁ＥＶ１と膨張弁ＥＶ２の間の中圧部分に接続された余剰冷媒を貯留するための容積として機能する。上記のように膨張弁ＥＶ２による蒸発器４の過熱度制御と、膨張弁ＥＶ１による吐出温度制御は、同時に、且つ冷却加熱同時運転中継続的に行われるので、冷媒回路内を循環する冷媒量は常に最適に調節され、過剰となった冷媒は室外熱交換器６内部に貯留される。

以上説明の各運転モードにおいて、目標とする過熱度の所定の値とは、蒸発器４、若しくは、蒸発器として作用する室外熱交換器６内部の液冷媒量が、熱伝達の観点と圧縮機２の液戻りを防止する観点から最適な量となるように決定される。

また、目標とする吐出温度（圧縮機２から吐出される冷媒温度の所定の値）は、遷臨界サイクルでは冷媒回路の高圧側の圧力変化により、放熱器３出口の冷媒比エンタルピが大きく変化することを考慮して、加熱対象の温度、若しくは、外気温度、又は、放熱器３、若しくは、放熱器として作用する室外熱交換器６出口の冷媒温度と、圧縮機２の吸込冷媒の状態、圧縮機２の特性、及び、加熱対象の加熱目標温度等を基準に決定する。例えば、予め圧縮機２の特性等を十分検討した上で、加熱対象の温度と蒸発温度とを基準として目標吐出温度を求める相関式、若しくは、制御マップ等を設定しておき、運転中に検出した値に基づき、上記相関式等により目標吐出温度を計算することができる。

また、本実施例では、圧縮機２からの吐出温度を所定の値とするように、高圧側の膨張弁を操作するものとしたが、吐出温度に代えて、冷媒回路の高圧側の圧力を検出する高圧圧力検出手段（圧力センサ等）を設けて、当該高圧圧力検出手段により検出された高圧側の圧力に基づいて、各膨張弁を制御することも可能である。この場合においても、加熱対象の温度と蒸発温度等に基づき、冷凍サイクルが最適な効率となる目標圧力を求め、検出した圧力が当該目標圧力となるように、高圧側の膨張弁の開度を制御する。これにより、好適な運転状態を維持することができる。

また、各運転モードにおいて、運転中の圧縮機２の回転数は一定でも良いが、冷却負荷、加熱負荷、若しくは、外気条件に応じてインバータ等により周波数を調節してもよい。

以上のように、本実施例では冷媒回路の蒸発器４における冷媒の蒸発に伴う吸熱作用により冷却対象を冷却すると共に、放熱器２における冷媒の放熱作用により加熱対象を加熱することができるので、従来は利用されずに大気中に放出されていた冷却過程において発生する冷凍サイクルの高温側の熱を有効に利用することができ、エネルギーの消費量を削減することができる。

更に、各切替弁により冷媒回路を切り替えることにより、冷却対象の冷却のみを行う冷却運転、加熱対象の加熱のみを行なう加熱運転、又は、冷却対象の冷却と加熱対象の加熱を同時に行なう冷却加熱同時運転を行うことができるので、冷却負荷、若しくは、加熱負荷の変化に幅広く対応し、確実な冷却、及び、加熱を行なうことが可能となる。

更にまた、本実施例の冷却加熱装置１の制御装置Ｃは、運転中の冷媒回路内を循環する冷媒の量を、負荷の状態に応じて、常に最適に制御するので、運転モードの切り換え時のみならず、運転中常に最適に調整することができる。例えば、冷却対象の温度が冷却によって徐々に低下するような場合であっても、蒸発器４における好適な伝熱条件と、好適な高圧を維持できるので、冷凍サイクルの効率が向上し、エネルギー消費を削減することができる。

次に、図３を用いて本発明の冷却加熱装置１の他の実施例について説明する。この実施例は、冷却加熱装置１におけるユニット構成の一例を示している。本実施例の冷却加熱装置１は、多くの点において前述の実施例１と共通するので、実施例１の冷却加熱装置１と同一、若しくは、同様の作用、又は、効果を奏する構成については詳細な説明を省略する。

図３は、本実施例の冷却加熱装置１の回路構成を示している。本実施例の冷却加熱装置１は一つの冷却加熱ユニット２４を構成しており、圧縮機２と、第１の絞り手段としての膨張弁ＥＶ１、第２の絞り手段としての膨張弁ＥＶ２、及び第３の絞り手段としての膨張弁ＥＶ３と、冷媒と加熱側熱媒（実施例では水）が流れる循環経路２９の当該加熱側熱媒との間で熱交換を行う加熱側熱交換器２６と、冷媒と熱源である外気との間で熱交換を行う室外熱交換器６と、循環経路２９に設けられて加熱側熱交換器２６に加熱側熱媒を給送する加熱側ポンプ手段としての循環ポンプ２７と、加熱側熱媒の流量を調節する加熱側流量調整手段としての流量調整弁２８と、加熱側熱交換器２６にて冷媒と熱交換した後の加熱側熱媒の温度を検出する加熱側温度センサＴ５（加熱側温度検出手段）とを備えている。

加熱側熱交換器２６は、実施例１における放熱器３に相当するものであり、冷媒の流路２６Ａと加熱側熱媒の流路２６Ｂとが交熱的に、且つ、流れる方向が対向するように接合されている。例えば、対向流式の二重管式熱交換器、若しくは、銅管接合式の熱交換器等である。

冷却加熱ユニット２４には、循環経路２９の両側に加熱側配管接続口３１、３１（加熱側接続ポート）が設けられており、この加熱側配管接続口３１、３１に、加熱負荷設備２３から加熱側熱媒を供給するための加熱側配管３２（加熱側熱媒の循環経路）と、冷却加熱装置１で加熱後の熱媒を加熱負荷設備２３へと給送するための加熱側配管３３（加熱側熱媒の循環経路）が接続される。この実施例では、加熱負荷設備２３として、貯湯タンク３４を備えた給湯設備を接続している。従って、前述の加熱側熱媒は水である。

更に、冷却加熱ユニット２４には、冷媒配管接続口３８、３８が設けられており、この冷媒配管接続口３８、３８に、膨張弁ＥＶ２によって絞り膨張された後の冷媒を冷却負荷設備２２へ供給するための冷媒配管３９と、冷却負荷設備２２に設けられた蒸発器４において冷却対象と熱交換を行ない蒸発した冷媒を冷却加熱装置１に戻すための冷媒配管４１とが接続される。これらはこの実施例の冷却加熱ユニット２４には含まれないが、冷却加熱装置１の一部を構成するものである。

また、この実施例では冷却負荷設備２２として、内部に冷却対象を貯え、冷却、及び、保冷を行う冷却容器４２を接続している。冷却対象は、例えば、牛乳、若しくは、その他の飲料等である。本実施例で冷却対象は、搾乳された牛乳（原乳）であり、当該牛乳が図示しない搾乳機から配管を介して冷却容器４２内に導入される。この冷却容器４２には蒸発器４が熱交換関係に配設され、蒸発器４で蒸発する冷媒の吸熱作用で冷却容器４２は冷却されることになる。

また、図３において、５６はこの場合の冷却負荷設備２２が備える冷却容器洗浄装置であり、洗剤や開閉弁７１を介して市水が導入される洗浄用バッファタンク５７と、洗浄用ポンプ５８、排水弁５９、循環切り替え弁６１などから構成され、更に給湯設備の貯湯タンク３４から冷却容器４２を洗浄するための高温の湯（例えば、＋８０℃程の高温の湯）を、逆止弁６２、開閉弁６３、６９が介設された高温湯供給配管６４から冷却容器洗浄装置５６の洗浄用バッファタンク５７に供給できる構成とされている。

搾乳された牛乳は開閉弁６６を介して図示しない搾乳機から冷却容器４２に導入され、攪拌機６７にて攪拌される。前述同様に蒸発器４にて蒸発する冷媒の吸熱作用により冷却された牛乳は、取出弁６８（このとき循環切り替え弁６１は閉）を開放することで取り出される。冷却容器４２を洗浄する際には、洗浄用ポンプ５８を運転し、循環用切り替え弁６１を開いて洗浄用バッファタンク５７内の温度の高い洗浄用水を冷却容器４２に循環する。洗浄用水の排出は排水弁５９を開いて行うことになる。

一方、この場合の加熱負荷設備（給湯設備）２３の貯湯タンク３４には上下複数箇所に貯湯タンク温度センサＴ８が取り付けられており、更に、貯湯タンク３４の上部から高温の湯が逆止弁７３を介して混合弁７２に取り出され、下部からは低温の湯が逆止弁７４を介して混合弁７２に取り出される。混合弁７２ではこれらの湯が混合され、逆止弁７６を介して取り出されるものであるが、この場合の混合比は出湯温度センサＴ９が検出する温度に基づき、所望の出湯温度（低温から高温）となるように調整される。尚、７９は貯湯タンク３４の給水管であり、減圧弁７９Ｂを介して貯湯タンク３４の下部に接続されている。そして、当該給水管７９から貯湯タンク３４内の下部に湯の使用量に相当する水、例えば、市水が供給される。また、７８は貯湯タンク３４内の圧力を逃がす逃がし弁、７７は貯湯タンク３４の排水弁である。

本実施例の冷却加熱装置１の動作、即ち、冷媒回路の切り換え、各膨張弁の制御、冷媒の流れと吸熱作用及び蒸発作用等については、前述した実施例１と共通するので詳細な説明を省略し、加熱対象である加熱側熱媒の動作についてのみ説明する。

給湯（水の加熱）に伴う、加熱運転及び冷却加熱同時運転時は、循環ポンプ２７を駆動する。これにより、加熱側熱媒である水は、貯湯タンク３４の下部から取り出され、加熱側熱交換器２６に送られる。加熱側熱交換器２６において、冷媒からの放熱により昇温された水（湯）は貯湯タンク３４の上部から貯湯タンク３４内に戻される。

ここで、加熱側熱交換器２６で熱交換後の水温を、加熱側温度センサＴ５により検出し、この検出された温度が所定の値になるように、流量調整弁２８の開度が制御される。具体的には、検出された湯温が所定の値より低い場合には、流量調整弁２８の開度が縮小され、逆に、検出された湯温が所定の値より高い場合には流量調整弁２８の開度が拡大される。これにより、必要とされる温度の湯を貯湯タンク３４に貯えることができる。

本実施例によれば、冷却対象である冷却容器４２内の牛乳を冷却すると同時に、冷却過程で発生する冷凍サイクルの高温側の熱を有効に利用して湯を沸かし、且つ、二酸化炭素冷媒を用いた遷臨界サイクルを利用することにより、洗浄に適した高温出湯が可能となり、この湯を貯湯タンク３４に貯えて、冷却容器４２の洗浄に用いることができる。従って、従来、冷却容器４２の洗浄用途のためにボイラー等で湯を沸かして供給していた場合に比べ、消費するエネルギーを大幅に削減することができる。また、冷凍サイクルの高温側から大気に放出する熱も削減できるので周囲温度の上昇も抑えることができる。

また、この実施例は実施例１と同様に室外熱交換器６を備えているので、冷却容器４２内の牛乳の冷却時に発生する湯だけでは、冷却容器４２の洗浄やその他の用途のために要求される給湯負荷を賄うことができない場合、大気を熱源とした給湯運転を行うことにより、不足分の湯を発生させることができる。これにより、追加給湯のための補助ボイラー等が不要となり、且つ、高効率なヒートポンプ給湯を行うため、エネルギー消費の更なる削減を図ることができるようになる。

他方、冷却対象である牛乳の量の変動や給湯負荷の変動等により、貯湯タンク３４内の湯量が過剰となった場合であっても、室外熱交換器６を冷媒の放熱器として利用できるため、確実に冷却運転を行うことができ、冷却不良による冷却対象の品質劣化を防止できる。

更に、本実施例の冷却加熱装置１は、前記実施例１と同様に運転中の冷媒回路内を循環する冷媒の量を継続的に適切に制御できるので、冷凍サイクルの効率が向上し、エネルギー消費を削減することができる。

本発明は、牛乳やその他飲料等の冷却保冷装置とその洗浄のための給湯装置や、食品等の加工に関連する冷却加熱装置、自動販売機、空気調和機、その他冷却及び加熱が求められる他の産業分野においても利用が可能である。

本発明の実施例１の冷却加熱装置を示した冷媒回路図である。 図１の冷却加熱装置の運転モード別の切替弁の状態を示す図である。 本発明の実施例２の冷却加熱装置を示した回路構成図である。

符号の説明

１ 冷却加熱装置
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 蒸発器
６ 室外熱交換器（補助熱交換器）
７ 吐出側配管
１４ 吸込側配管
２２ 冷却負荷装置
２３ 加熱負荷装置
２４ 冷却加熱ユニット
２６ 加熱側熱交換器
２７ 循環ポンプ（加熱側ポンプ手段）
２８ 流量調整弁（加熱側流量調整手段）
３１ 加熱側配管接続口
３２、３３ 加熱側配管（循環経路）
Ｔ１ 吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
Ｔ２ 蒸発温度センサ（蒸発温度検出手段）
Ｔ３ 吸込温度センサ（吸込温度検出手段）
Ｔ４ 温度センサ
ＥＶ１、ＥＶ２、ＥＶ３ 膨張弁（絞り手段）
ＳＶ１〜ＳＶ４ 切替弁（流路制御手段）

Claims (4)

1. 圧縮機、放熱器、第１の絞り手段、第２の絞り手段及び蒸発器を順次接続して冷媒回路が構成された蒸気圧縮式冷凍サイクルを備え、前記放熱器における冷媒の放熱作用を利用して加熱対象を加熱し、前記蒸発器における冷媒の吸熱作用を利用して冷却対象を冷却することが可能とされた冷却加熱装置であって、
   一端が第３の絞り手段を介して前記第１及び第２の絞り手段の間の配管に接続されると共に、他端が前記圧縮機の吸込側配管及び吐出側配管に接続され、前記加熱対象及び冷却対象以外の熱源と熱交換を行う補助熱交換器と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒を前記放熱器に流すか前記補助熱交換器に流すか、及び、前記補助熱交換器から前記圧縮機に冷媒を吸い込むか前記蒸発器から前記圧縮機に冷媒を吸い込むかを制御する流路制御手段と、
   前記冷媒回路の温度、及び／又は、圧力に基づいて前記第１乃至第３の絞り手段を制御することにより、前記放熱器、前記補助熱交換器及び前記蒸発器に流れる冷媒量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする冷却加熱装置。
2. 前記蒸発器、又は、蒸発器として機能している前記補助熱交換器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、
   前記圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度検出手段と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記各温度検出手段の出力に基づき、前記蒸発器又は蒸発器として機能している前記補助熱交換器における冷媒の過熱度が所定の値となるよう低圧側となる前記絞り手段を制御すると共に、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度が所定の値となるように高圧側となる前記絞り手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却加熱装置。
3. 前記蒸発器、又は、蒸発器として機能している前記補助熱交換器における冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、
   前記圧縮機に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度検出手段と、
   前記冷媒回路の高圧側の圧力を検出する高圧圧力検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記各温度検出手段及び高圧圧力検出手段の出力に基づき、前記蒸発器又は蒸発器として機能している前記補助熱交換器における冷媒の過熱度が所定の値となるよう低圧側となる前記絞り手段を制御すると共に、前記冷媒回路の高圧側の圧力が所定の値となるように高圧側となる前記絞り手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却加熱装置。
4. 前記冷媒回路は冷媒として二酸化炭素が封入され、高圧側が超臨界圧力となることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の冷却加熱装置。

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