JP2008008523A

JP2008008523A - 冷凍サイクル及び温水器

Info

Publication number: JP2008008523A
Application number: JP2006177463A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsumura; 松村賢治; Atsuhiko Yokozeki; 横関敦彦
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-17
Also published as: EP1873466A2; EP1873466A3

Abstract

【課題】
冷凍サイクルにおいて、冷媒調整要のタンクを用いず吐出圧力の調整を行う。
【解決手段】
圧縮機１０、凝縮器３０、可変減圧器９０、蒸発器１００を冷媒配管で順次接続した冷凍サイクルにおいて、凝縮器またはガスクーラから出た冷媒と圧縮機吸入冷媒を熱交換させる内部熱交換器を持たせ、可変減圧器の減圧量を調整することで蒸発器に貯まる冷媒量を変化させることで、吐出圧力を調整する。また、吐出圧力が所定の圧力以上となった場合に前記可変減圧器の減圧量を下げると好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル及び温水器の信頼性および性能向上に関するものである。

近年のオゾン層保護の観点から、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、ＣＯ２冷媒等の自然冷媒を冷媒として用いる冷凍サイクルが近年着目されている。ＣＯ２冷媒は高圧部が臨界圧力を超える遷臨界サイクルとなることが特徴で、圧力はガスクーラと熱交換する媒体の温度とサイクル内の冷媒量により規定され、特にフロン冷媒に比べ冷媒量の影響が大きい特徴を持つ。図４に模式的に示す。ＣＯ２の場合ガスクーラ側の熱交換媒体の温度にガスクーラの出口温度が支配されるため、熱交換媒体の温度が低い場合、図の破線の状態であったとする。この冷凍サイクルにおいてガスクーラ側の熱交換媒体の温度が上昇すると、ガスクーラ出口温度の上昇とともにガスクーラ出口密度も低下するため、冷媒保有量調整のため冷凍サイクルはより密度の高い高圧側へとシフトする。図４の実線がこの状態である。圧力が高くなりすぎると信頼性が低下するばかりか、適正な冷凍サイクルとならないため性能が低下する。このためサイクル内の冷媒量を調整するタンクを設けて、適切な圧力に調整することが一般的に考えられている。その例として特許文献１に示すようなものが知られている。

特開平１−５０９５１５号公報

上記従来技術では、余分にタンクを有する必要があり、冷凍サイクルの簡素化が行えな

い課題があった。

本発明の目的は、冷媒調整用のタンクを用いなくても吐出圧力の高圧を調整することができ、信頼性が高い冷凍サイクルを得ることである。

本発明の一態様では、圧縮機、凝縮器、可変減圧器及び蒸発器を冷媒配管で順次接続した冷凍サイクルにおいて、前記凝縮器から出た冷媒と前記圧縮機に吸込まれる冷媒を熱交換させる内部熱交換器を備え、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知し、前記検知した冷媒の圧力に応じて前記可変減圧器の減圧量を調整することで前記蒸発器に貯まる冷媒量を変化させる構成とする。

さらに、上記態様において、吐出圧力が所定の圧力以上となった場合に前記可変減圧器の減圧量を下げることが好ましい。

さらに、上記態様において、前記凝縮器から出た冷媒を前記内部熱交換器を通らない通路に切り替える切り替え機構を備えることが好ましい。

さらに、上記態様において、前記凝縮器から出た冷媒のうち前記内部熱交換器を通る冷媒の量と前記内部熱交換器を通らない冷媒の量を連続的に調整する機能を有することが好ましい。

さらに、上記態様において、前記内部熱交換器が逆止弁に接続され、冷房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向と暖房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向が同一方向となることが好ましい。

さらに、上記態様において、前記冷媒がＣＯ２冷媒であることが好ましい。

本発明によれば、冷媒調整用のタンクを用いず信頼性が高い冷凍サイクルを得ることができる。

図１は、第１の実施の形態の冷凍サイクルを示すブロック図である。冷媒をＣＯ２とし、図中実線の矢印は冷房時の冷媒の流れを示し、圧縮機１０からの高温高圧の冷媒は四方弁２０を通り、ガスクーラとなる室外熱交換器３０で送風機５０により空気に熱を放出し、減圧量を限界まで少なくした可変減圧器４０を通り、内部熱交換器６０でさらに冷却され、阻止弁７０ａ、接続配管８０ａと通り、可変減圧器９０で減圧され、蒸発器となる室内熱交換器１００で送風機１１０により空気から熱を奪い、接続配管８０ｂ、阻止弁７０ｂを通り再び四方弁２０を通り、内部熱交換器６０で加熱され再び圧縮機１０に吸込まれる。この冷凍サイクルのｐ−ｈ線図は図２の実線のようになる。図中の記号Ａ〜Ｆは図１の図中と同じ位置を示し、内部熱交換器でＣ→ＤとＦ→Ａの熱交換が成立している。内部熱交換器がない場合は図の破線のようになる。実線のサイクルでは、蒸発器はかわき度０．２付近のＥ点からかわき度１．０付近のＦ点まで変化することになる。この冷凍サイクルにおいて可変減圧器９０の減圧量を少なくしたものを図３に示す。減圧量を少なくすることで圧縮機１０の過熱量を少なくでき、同時に内部熱交換器６０の低温側が全て飽和温度と低くなることでその熱交換量も増えている。この場合蒸発器はかわき度０．１付近から０．６５付近まで変化することになる。この両者の蒸発器の冷媒保有量を考える。図５は低圧側の飽和領域におけるかわき度とボイド率の一般的な関係を示し、図６はこのボイド率を考慮した、かわき度と蒸発器単位体積あたりの冷媒保有量の関係を示す。図２の蒸発器はかわき度０．２から１．０までの変化であるため、全領域で平均すると、蒸発器単位体積あたりの冷媒保有量は、３５０ｋｇ／ｍ３となる。一方図３の冷凍サイクルでは、かわき度０．１から０．６５であるので４６０ｋｇ／ｍ３となる。つまり蒸発器の体積あたり最大１１０ｋｇ／ｍ３の冷媒を冷凍サイクルから減らしたのと同じ効果が得られ、蒸発器の内体積をうまく設計すれば、減圧器の減圧量の調整で、ガスクーラ内の冷媒と蒸発器内の冷媒を互いに移動させることができ、高圧を自由に調整する手段となる。このため高圧の過大、過少がなくなり、信頼性、性能が向上する状態で冷凍サイクルを運転することが可能である。以上は冷房時の運転であり、四方弁２０を切り替え冷媒の流れを破線の矢印とすれば暖房の運転となる。この場合可変減圧器９０の減圧量は限界まで下げ、可変減圧器４０で減圧する構成となる。本構成では、吐出圧力が高い場合、減圧量を下げていき（開度を大きくし、）、目的の圧力になるように調整する。逆に圧力が低いと減圧量を多くする（開度を小さくする）ことで吐出圧力を上げる制御をしている。具体的には、所定の圧力以上に吐出圧力が上がった場合に、減圧量を大きくする制御を行うこと等の方法が考えられる。

図７は第２の実施の形態である。図中記号は第１とほぼ同じであるが、開閉弁１３０ａと１３０ｂが追加され、内部熱交換器６０をバイパスできる構成となる。開閉弁１３０ａを開き、開閉弁１３０ｂを閉じると第１の実施の形態と同じであるが、開閉弁１３０ａを閉じ、開閉弁１３０ｂを開けると冷凍サイクルは図３のｐ−ｈ線図の破線の状態となる。この場合蒸発器のかわき度は０．４５から１．０まで変化することとなり、単位体積あたりの冷媒保有量は３００ｋｇ／ｍ３となる。つまり、図３の破線の冷凍サイクルと実線の冷凍サイクルでは蒸発器に貯まる冷媒量は３００ｋｇ／ｍ３から４６０ｋｇ／ｍ３まで変化させることが可能で、１６０ｋｇ／ｍ３の冷媒量調整が可能となる。開閉弁１３０ａ、１３０ｂは可変減圧装置とすることで内部熱交換器６０の熱交換量を連続的に変化させ、冷媒保有量を連続的に変化させることも可能である。なお、本実施例において、内部熱交換器がないと圧縮機に液冷媒が多く入る構成となる場合があるため、圧縮機の信頼性が低下する。図３において圧縮機の入口がＡからＦに移動してしまうためである。内部熱交換器があるため、冷媒を蒸発器に貯めるために、蒸発器の出口のかわき度を下げても、圧縮機の入口の冷媒かわき度を上げることができる。

図８は、第３の実施形態の冷凍サイクルのブロック図を示す。図中記号は第１とほぼ同じであるが、逆止弁１２０を４個追加している。第１の実施の形態では、暖房時に内部熱交換器６０は並流型になり熱交換量が低下してしまうが、この実施の形態では冷房・暖房とも内部熱交換器が向流型となり減圧装置も１つで構成が可能となる。また、第２の実施の形態のように開閉弁または可変減圧器を用いて、ガスクーラ６０をバイパスする回路をつける構成も可能である。

図９は第４の実施の形態である。基本的には第１の実施の形態と同じであるが、ガスクーラ２００は水と熱交換する構成で、低温の給水２２０ａをポンプ２１０で流動させ高温の出湯２２０ｂを得るヒートポンプ式給湯機に利用した場合である。この場合も給水２２０ａの温度が高いと吐出圧力が上がってしまうため、可変減圧器４０を調整することで冷媒を蒸発器３０に移動することで適切な吐出圧力に調整できる。

以上は冷媒をＣＯ２として説明したが、臨界点圧力以下で動作するフロン冷媒やＨＣ冷媒にも適用できる。

本発明の第１の実施形態を示す冷凍サイクルのブロック図である。冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。冷媒移動後の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。ガスクーラ熱交換媒体の温度変化に対する冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。低温側のかわき度とボイド率の関係。低温側のかわき度と冷媒保有量の関係。本発明の第２の実施形態を示すヒートポンプ式給湯機のブロック図である。本発明の第３の実施形態を示すヒートポンプ式給湯機のブロック図である。本発明の第４の実施形態を示すヒートポンプ式給湯機のブロック図である。

符号の説明

１０…圧縮機、２０…四方弁、３０…室外熱交換器、４０…可変減圧器、５０…室外送風機、６０…内部熱交換器、７０ａ・７０ｂ…阻止弁、８０ａ・８０ｂ…接続配管、９０…可変減圧器、１００…室内熱交換器、１１０…室内送風機、１３０ａ・１３０ｂ…開閉弁、１２０…逆止弁、２００…水熱交換器、２１０…水ポンプ、２２０ａ…給水、２２０ｂ…出湯。

Claims

圧縮機、凝縮器、可変減圧器及び蒸発器を冷媒配管で順次接続した冷凍サイクルにおいて、前記凝縮器から出た冷媒と前記圧縮機に吸込まれる冷媒を熱交換させる内部熱交換器を備え、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知し、前記検知した冷媒の圧力に応じて前記可変減圧器の減圧量を調整することで前記蒸発器に貯まる冷媒量を変化させることを特徴とする冷凍サイクル。
請求項１において、前記検知した圧縮機から吐出される冷媒の圧力が所定の圧力以上となった場合に前記可変減圧器の減圧量を下げることを特徴とする冷凍サイクル。
請求項１において、前記凝縮器から出た冷媒を前記内部熱交換器を通らない通路に切り替える切り替え機構を備えること特徴とする冷凍サイクル。
請求項２において、前記凝縮器から出た冷媒のうち前記内部熱交換器を通る冷媒の量と前記内部熱交換器を通らない冷媒の量を連続的に調整する機能を有することを特徴とする冷凍サイクル。
請求項１において、前記内部熱交換器が逆止弁に接続され、冷房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向と暖房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向が同一方向となることを特徴とする冷凍サイクル。
請求項１において、前記冷媒がＣＯ２冷媒であることを特徴とする冷凍サイクル。
圧縮機、凝縮器、可変減圧器及び蒸発器を冷媒配管で順次接続した冷凍サイクルを備え、前記凝縮器で水と熱交換する温水器において、前記凝縮器から出た冷媒と前記圧縮機に吸込まれる冷媒を熱交換させる内部熱交換器を備え、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知し、前記検知した冷媒の圧力に応じて前記可変減圧器の減圧量を調整することで前記蒸発器に貯まる冷媒量を変化させることを特徴とする温水器。
請求項７において、前記検知した圧縮機から吐出された冷媒の圧力が所定の圧力以上となった場合に前記可変減圧器の減圧量を下げることを特徴とする温水器。
請求項７において、前記凝縮器から出た冷媒を前記内部熱交換器を通らない通路に切り替える切り替え機構を備えること特徴とする温水器。
請求項８において、前記凝縮器から出た冷媒のうち前記内部熱交換器を通る冷媒の量と前記内部熱交換器を通らない冷媒の量を連続的に調整する機能を有することを特徴とする温水器。
請求項７において、前記内部熱交換器が逆止弁に接続され、冷房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向と暖房時に前記内部熱交換器を流れる冷媒の方向が同一方向となることを特徴とする温水器。
請求項７において、前記冷媒がＣＯ２冷媒であることを特徴とする温水器。