JP2009150620A

JP2009150620A - ２元ヒートポンプ式空気調和装置

Info

Publication number: JP2009150620A
Application number: JP2007330364A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Takayama; 司高山; Koichi Yamaguchi; 山口　　広一; Masaaki Sato; 全秋佐藤
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】炭化水素系の可燃性冷媒の使用が可能で、安全で性能が向上する２元サイクル冷凍装置を提供する。
【解決手段】本２元ヒートポンプ式空気調和装置は、第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体とが熱交換する中間熱交換器を備え、この中間熱交換器を含む第１のサイクルを構成する構成要素を屋外に設けた室外機本体に収容し、第２のサイクルを構成する構成要素のうち少なくとも第１の（利用側）熱交換器を室内に設置し、中間熱交換器を第１の熱交換器よりも下方に設置する。
【選択図】図２

Description

本発明は２元ヒートポンプ式空気調和装置に係り、特に室外機本体に収容される構成要素の配置を改善した２元ヒートポンプ式空気調和装置に関する。

従来、２元サイクルを有する２元サイクル冷凍装置は、それぞれ蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う高温側冷媒サイクルと低温側冷媒サイクルとを中間熱交換器を介して接続した構造であり、通常、マイナス数十度の低温で用いる冷凍サイクル装置などで広く用いられている。

この２元サイクル冷凍装置は空調においても用いることが可能である（例えば、特許文献１参照）。

特に炭化水素系の可燃性冷媒を使用する場合には、可燃性冷媒側のサイクルを屋外で完結させることで、可燃性冷媒を利用空間となる室内へ漏洩させることなく、安全に使用することが可能である。

しかしながら、特許文献１に記載の２元サイクル冷凍装置は、負荷状態に関わらず効率の良い運転ができるものであるが、炭化水素系の可燃性冷媒を使用する場合の安全性に対する配慮がなされていない。
特開２０００−３２０９１４号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、炭化水素系の可燃性冷媒の使用が可能で、安全で性能が向上する２元サイクル冷凍装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置は、第１の圧縮機、第１の四方弁、第１の熱交換器、第１の絞り機構、中間熱交換器が順次配管接続されてなり、内部に第１の伝熱媒体を循環させる第１のサイクルと、第２の圧縮機、第２の四方弁、前記中間熱交換器、第２の絞り機構、第２の熱交換器が順次配管接続されてなり、内部に第２の伝熱媒体を循環させる第２のサイクルとを備えかつ、前記中間熱交換器で第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体とが熱交換して、第１のサイクルと第２のサイクル間で熱移動を行う２元ヒートポンプ式空気調和装置において、前記第１のサイクルを構成する前記第１の圧縮機、前記第１の四方弁、前記第１の熱交換器、前記第１の絞り機構、前記中間熱交換器を屋外に設けた室外機本体に収容し、前記第２のサイクルを構成する前記第２の圧縮機、前記第２の四方弁、前記中間熱交換器、前記第２の絞り機構、前記第２の熱交換器のうち、少なくともこの第２の熱交換器を室内に設置し、前記中間熱交換器を前記第１の熱交換器よりも下方に設置することを特徴とする。

本発明に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置によれば、炭化水素系の可燃性冷媒の使用が可能で、安全で性能が向上する２元サイクル冷凍装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の冷凍サイクル図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置１は、熱源側となる第１のサイクル１０と利用側となる第２のサイクル２０を備える。

第１のサイクル１０は、第１の圧縮機１１、第１の四方弁１２、第１の（熱源側）熱交換器１３、第１の絞り機構１４、中間熱交換器３０が順次冷媒配管１５で接続されてなり、内部に所定の第１の伝熱媒体が循環する。

この第１の伝熱媒体としては、プロパンやイソブタンやプロピレン等、可燃性を有し、かつそのガス密度が空気より大きい炭化水素系冷媒が好ましい。但し、炭化水素系冷媒に限定されるものではない。

同様に第２のサイクル２０は第２の圧縮機２１、第２の四方弁２２、前記中間熱交換器３０、第２の絞り機構２４、第２の送風機２３ａを備える第２の（利用側）熱交換器２３が順次冷媒配管２５で接続されてなり、内部に所定の第２の伝熱媒体が循環する。

この第２の伝熱媒体としては、従来の空気調和機で使用されているフロン系冷媒や、自然冷媒であるＣＯ_２等可燃性でない冷媒があげられる。

中間熱交換器３０では、第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体とが熱交換を行うことにより、熱源側から利用側への熱移動を行い、第２の熱交換器２３により、室内の冷暖房を行う。

図１及び図２に示すように、第１のサイクル１０を構成する第１の圧縮機１１、第１の四方弁１２、第１の（熱源側）熱交換器１３、この第１の熱交換器１３に送風する送風機１３ａ、第１の絞り機構１４、中間熱交換器３０及び、第２のサイクル２０を構成する第２の圧縮機２１、第２の四方弁２２、中間熱交換器３０、第２の絞り機構２４は、屋外に設置した室外機本体４１に収容される。

室外機本体４１は、いずれも図示しない空気吸込口、空気吹出口を備えた筐体状をなし、仕切板４２によって、熱交換室４３と機械室４４に仕切られ、さらに、下部に設ける仕切部材である仕切基板４５により、仕切基板４５と底板４６間に中間熱交換器収容部４７が画定される。

仕切基板４５の熱交換室４３側端部近傍には、仕切基板４５の奥行に沿って、通気孔４５ａが設けられ、熱交換室４３と中間熱交換器収容部４７が通気孔４５ａを介して通気可能に連通し、通気孔４５ａはＬ字形状に折曲された第１の熱交換器１３の短辺側下端と対向する。

熱交換室４３には、第１の熱交換器１３が収容され、その一端１３ｂが機械室４４に達し、さらに、熱交換室４３には、送風機１３ａが収容され、第１の熱交換器１３及び送風機１３ａが仕切基板４５に取り付けられる。

機械室４４には、空気調和装置を制御する制御器４８が、最上部に設置され、仕切基板４５には端子部１１ａを備えた第１の圧縮機１１、端子部２１ａを備えた第２の圧縮機２１が載置され、制御器４８と仕切基板４５間には、第１の四方弁１２、第２の四方弁２２、第１の絞り機構１４、第２の絞り機構２４が配置され、さらに、制御器４８は第１の四方弁１２、第１の熱交換器１３、第１の絞り機構１４と冷媒配管１５との接続部１５ａ、１５ｂ、１５ｃより上方に設置される。

中間熱交換器収容部４７には、中間熱交換器３０が設置される。中間熱交換器３０は周囲を断熱材（図示せず）などで覆うのが好ましい。これにより、第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体との熱交換時、放熱ロスを低減できる。

室外機本体４１の下部に設けられる中間熱交換器収容部４７に収容される中間熱交換器３０は、制御器４８、第１の圧縮機１１および第２の圧縮機２１の端子１１ａ、２１ａより下方に位置する。

次に本実施形態の２元ヒートポンプ式空気調和装置の動作について説明する。

図３は本実施形態の２元ヒートポンプ式空気調和装置１の冷房時の温度−エンタルピ線図である。図３に示すように、夏期の冷房時には、第１のサイクル１０では第１の伝熱媒体が、第１の熱交換器１３で凝縮、中間熱交換器３０で蒸発し、第２のサイクル２０では第２の伝熱媒体が、中間熱交換器３０で凝縮、第２の熱交換器２３で蒸発することで、室内を冷房する。

この冷房運転時、中間熱交換器３０で熱交換する空気の温度は、第１の熱交換器１３の凝縮温度より低いため、空気を用いて第１の熱交換器１３を冷却することで、第１の熱交換器１３における凝縮温度を低下させ、システム効率を向上させることができる。

具体的には、中間熱交換器３０と熱交換した空気を用いた第１の熱交換器１３の冷却は、図２に示すように、送風機１３ａの回転に伴う負圧により、中間熱交換器３０と熱交換した空気が仕切基板４５に設けた通気孔４５ａを通って、第１の熱交換器１３の短辺側下端から第１の熱交換器１３に達して、第１の熱交換器１３を冷却する。

図４は本実施形態の２元ヒートポンプ式空気調和装置１の暖房時の温度−エンタルピ線図である。図４に示すように、冬季の暖房時には、第１のサイクル１０では第１の伝熱媒体が、第１の熱交換器１３で蒸発、中間熱交換器３０で凝縮し、第２のサイクル２０では第２の伝熱媒体が、中間熱交換器３０で蒸発、第２の熱交換器２３で凝縮することで、室内を暖房する。

この暖房運転時、中間熱交換器３０で熱交換する空気の温度は、第１の熱交換器１３の蒸発温度より高いため、この高温の空気を用いて第１の熱交換器１３を昇温することで、第１の熱交換器１３における蒸発温度を上昇させ、システム効率を向上させることができる。

また、暖房運転時、上記冷房運転時と同様に第１の送風機１３ａの回転に伴う負圧により、中間熱交換器３０と熱交換した空気が仕切基板４５に設けた通気孔４５ａを通って、第１の熱交換器１３の短辺側下端から第１の熱交換器１３に達して、第１の熱交換器１３を加熱し、システム効率を向上させることができる。

さらに、本２元ヒートポンプ式空気調和装置１の運転中、制御器４８が、第１の四方弁１２、第１の熱交換器１１、第１の絞り機構１４と１次サイクル１０の冷媒配管１５との接続部１５ａ、１５ｂ、１５ｃより上方に設置されるので、中間熱交換器３０あるいは接続部１５ａ、１５ｂ、１５ｃから可燃性冷媒が万一漏洩しても、そのガス密度は空気より重いため漏洩ガスは下方に流れ、上方に配置した制御器４８から発生する電気火花や基板の高温部が着火源となり、中間熱交換器３０あるいは接続部１５ａ、１５ｂ、１５ｃから漏洩した冷媒が着火・爆発して被害を及ぼすことを防ぐことができる。

また、中間熱交換器３０が、制御器４８、第１の圧縮機１１および第２の圧縮機２１の端子１１ａ、２１ａより下方に設置されるので、中間熱交換器３０から可燃性冷媒が万一漏洩しても、そのガス密度は空気より重いため漏洩ガスは下方に流れ、上方に配置した制御器４８、第１の圧縮機１１および第２の圧縮機２１の端子１１ａ、２１ａが着火源となり、中間熱交換器３０から漏洩した冷媒が着火・爆発して被害を及ぼすことを防ぐことができる。

さらに、中間熱交換器を第１の熱交換器よりも下方に設置する構造であるので、中間熱交換器の設置が容易になり、また、中間熱交換器で機械室の上部が塞がれて機械室収容構成要素のサービス性を低下させることもなく、さらに、送風機による負圧を利用し易くなり、中間熱交換器から第１の熱交換器への送気も容易になる。

本第１実施形態の２元ヒートポンプ式空気調和装置によれば、炭化水素系の可燃性冷媒の使用が可能で、安全で性能が向上する２元サイクル冷凍装置が実現する。

また、本発明の第２実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態が第１の熱交換器と中間熱交換器を仕切基板で仕切るのに対して、ドレンパンで仕切る。

例えば、図５に示すように、本第２実施形態の２元サイクル冷凍装置の室外機本体４１Ａは、仕切板４２と仕切部材であるドレンパン４９によって、第１の熱交換器１３と送風機１３ａが収容される熱交換室４３と、中間熱交換器３０Ａが収容される中間熱交換器収容部４７Ａと、底板４６に載置されて第１の圧縮機１１、第２の圧縮機２１などが収容される機械室４４に仕切られ、仕切板４２は底板４６に達せず、中間熱交換器収容部４７Ａと機械室４４は連通する。

ドレンパン４９は熱交換室４３と同様の幅をなし、周囲に立上４９ａあるいは室外機本体４１Ａの周壁及び仕切板４２に固着され、一時的に溜水可能になっている。また、中間熱交換器収容部４７に収容される中間熱交換器３０Ａは、その幅がドレンパン４９より幾分短めであり、室外機本体４１Ａのほぼ半分である。

中間熱交換器３０Ａは周囲を断熱材（図示せず）などで覆うのが好ましい。これにより、第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体との熱交換の際、放熱ロスを低減できる。しかし、中間熱交換器３０Ａで発生する放熱ロスを完全になくすことは困難であり、ドレンパン４９を中間熱交換器３０Ａの上部に設置することで、暖房運転時、第１の熱交換器１３の表面で発生した除霜水をドレンパン４９で受け、排水する。

外気温度が０℃以下になると、通常ドレンパン４９に溜まった除霜水が凍結し、排水されないおそれがあるが、中間熱交間器３０で発生した熱をドレンパン４９に導いて加熱し、除霜水の凍結を防ぎ、確実な排水が可能となる。

なお、図２に示す仕切基板４５に設けられる通気孔４５ａと同様の通気孔を落水防止構造にしてドレンパンの端部に設け、冷房運転時、中間熱交換器で熱交換する空気を用いて第１の熱交換器を冷却することで、第１の熱交換器における凝縮温度を低下させ、暖房運転時、中間熱交換器と熱交換した空気を用いて、第１の熱交換器を加熱し、システム効率を向上させることができる。

他の構成は図２に示す室外機本体と異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

本第２実施形態の２元ヒートポンプ式空気調和装置によれば、炭化水素系の可燃性冷媒の使用が可能でかつ、安全で性能が向上し、除霜水の凍結を防ぎ、確実な排水が可能な２元サイクル冷凍装置が実現する。

本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の冷凍サイクル図。本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の室外機の概念図。本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の暖房時の温度−エンタルピ線図。本発明の第１実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の冷房時の温度−エンタルピ線図。本発明の第２実施形態に係る２元ヒートポンプ式空気調和装置の室外機の概念図。

符号の説明

１…２元ヒートポンプ式空気調和装置、１０…第１のサイクル、１１…第１の圧縮機、１１ａ…端子部、１２…第１の四方弁、１３…第１の（熱源側）熱交換器、１３ａ…送風機、１３ｂ…一端、１４…第１の絞り機構、１５…冷媒配管、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…接続部、２０…第２のサイクル、２１…第２の圧縮機、２１ａ…端子部、２２…第２の四方弁、２３…第２の（利用側）熱交換器、２４…第２の絞り機構、２５…冷媒配管、３０…中間熱交換器、４１…室外機本体、４２…仕切板、４３…熱交換室、４４…機械室、４５…仕切基板、４５ａ…通気孔、４６…底板、４７…中間熱交換器収容部、４８…制御器、３０Ａ…中間熱交換器。

Claims

第１の圧縮機、第１の四方弁、第１の熱交換器、第１の絞り機構、中間熱交換器が順次配管接続されてなり、内部に第１の伝熱媒体を循環させる第１のサイクルと、
第２の圧縮機、第２の四方弁、前記中間熱交換器、第２の絞り機構、第２の熱交換器が順次配管接続されてなり、内部に第２の伝熱媒体を循環させる第２のサイクルとを備えかつ、
前記中間熱交換器で第１の伝熱媒体と第２の伝熱媒体とが熱交換して、第１のサイクルと第２のサイクル間で熱移動を行う２元ヒートポンプ式空気調和装置において、
前記第１のサイクルを構成する前記第１の圧縮機、前記第１の四方弁、前記第１の熱交換器、前記第１の絞り機構、前記中間熱交換器を屋外に設けた室外機本体に収容し、
前記第２のサイクルを構成する前記第２の圧縮機、前記第２の四方弁、前記中間熱交換器、前記第２の絞り機構、前記第２の熱交換器のうち、少なくともこの第２の熱交換器を室内に設置し、
前記中間熱交換器を前記第１の熱交換器よりも下方に設置することを特徴とする２元ヒートポンプ式空気調和装置。
前記第１の熱交換器と前記中間熱交換器間に介在する仕切部材に通気孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の２元ヒートポンプ式空気調和装置。
前記第１の熱交換器と前記中間熱交換器間に、暖房運転時に前記熱源熱交換器に発生する除霜水を溜め、排水するドレンパンを配置することを特徴とする請求項１に記載の２元ヒートポンプ式空気調和装置。
前記中間熱交換器を、空気調和装置を制御する制御器、第１の圧縮機および第２の圧縮機の端子より下方に設置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の２元ヒートポンプ式空気調和装置。
前記第１の伝熱媒体に炭化水素系冷媒を使用することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の２元ヒートポンプ式空気調和装置。