JP2012073008A

JP2012073008A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2012073008A
Application number: JP2010220165A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Zushi; 貴宏図司
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】本実施形態は、多元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置において、低温側冷凍サイクルの膨張装置に流入する冷媒を過冷却状態にしながら、ＣＯＰの高い冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】低温側冷凍サイクルＲｂは、低温側圧縮機５、上記カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂ、補助熱交換器６の１次側流路６ａ、低温側膨張装置７及び蒸発器８を、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されている。低温側冷凍サイクルＲｂは、一端９ａが上記カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと上記低温側膨張装置７の間である、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと上記補助熱交換器６間の冷媒配管Ｐに接続され、他端９ｂが低温側圧縮機５の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に接続されたバイパス回路９を備えている。また、上記バイパス回路９は、途中に補助膨張装置１０と上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施態様は、多元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度を上昇させて、水または温水と熱交換させ、高温の温水を得る場合には、複数の冷凍サイクルを有し、上記各冷凍サイクルの冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる多元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置が使用される。

一般に、上記冷凍サイクル装置においては、低温側冷凍サイクルの膨張装置に流入する冷媒を過冷却（液相）状態にして、膨張装置の大型化を防止するとともに、膨張装置の応答性を向上している。

実開平６−６４０７１号公報

上記カスケード熱交換器によって低温側冷凍サイクルの冷媒を過冷却状態にするためには、低温側冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度を高くし、高温側冷凍サイクルの冷媒の蒸発温度との温度差を大きくする必要があった。そのため、低温側冷凍サイクルの圧縮機の吐出圧力が高くなり、圧縮機の圧縮仕事量が大きくなるため、ＣＯＰ（成績係数）が低くなるという不具合があった。

本実施形態は上記事情にもとづきなされたものであり、複数の冷凍サイクルを有し、上記各冷凍サイクルの冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる多元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置において、低温側冷凍サイクルの膨張装置に流入する冷媒を過冷却状態にしながら、ＣＯＰの高い冷凍サイクル装置を提供する。

本実施形態の冷凍サイクル装置は、複数の冷凍サイクルを有し、上記各冷凍サイクルの冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる多元冷凍サイクルを備える。
上記複数の冷凍サイクルのうち、最も高温側の冷凍サイクルを除く冷凍サイクルの少なくとも１つは、上記カスケード熱交換器と膨張装置の間に補助熱交換器を備えるとともに、一端が上記カスケード熱交換器と膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路を備える。
上記バイパス回路は途中に補助膨張装置と上記補助熱交換器とを備える。

第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図。第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置のｐ−ｈ線図（冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示す線図）第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置のｔ−ｈ線図（冷媒の温度とエンタルピとの関係を示す線図）第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図。

以下、本実施形態を図面にもとづいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図である。この冷凍サイクル装置１００は、高温側冷凍サイクルＲａと、低温側冷凍サイクルＲｂからなる二元冷凍サイクルを備える。
上記高温側冷凍サイクルＲａから説明すると、高温側冷凍サイクルＲａは、高温側圧縮機１、凝縮器２、高温側膨張装置３及びカスケード熱交換器４の１次側流路４ａを、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されている。
また、上記低温側冷凍サイクルＲｂは、低温側圧縮機５、上記カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂ、補助熱交換器６の１次側流路６ａ、低温側膨張装置７及び蒸発器８を、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されている。

さらに、上記低温側冷凍サイクルＲｂは、一端９ａが上記カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと上記低温側膨張装置７の間である、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと上記補助熱交換器６間の冷媒配管Ｐに接続され、他端９ｂが低温側圧縮機５の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に接続されたバイパス回路９を備えている。また、上記バイパス回路９は、途中に補助膨張装置１０と上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂを備えている。

次に、上記第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１００の作用について説明する。
冷凍サイクル装置１００の運転時に、高温側冷凍サイクルＲａにおいては、高温側圧縮機１で圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒が、冷媒配管Ｐを介して凝縮器２に流入する。上記凝縮器２に流入した冷媒は、この凝縮器２の冷媒と熱交換可能に配設された図示しない温水回路の水または温水と熱交換（凝縮熱を放出）して、水または温水を加温するとともに、凝縮する。

凝縮器２で凝縮され過冷却状態となった冷媒は、さらに高温側膨張装置３で減圧され、気液二相状態となって、カスケード熱交換器４の１次側流路４ａに流入する。カスケード熱交換器４の１次側流路４ａに流入した冷媒は、ここで、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂを流れる低温側冷凍サイクルＲｂの冷媒と熱交換し、加熱されて蒸発する。カスケード熱交換器４の１次側流路４ａで蒸発した冷媒は、高温側圧縮機１に吸込まれる。

また、低温側冷凍サイクルＲｂにおいては、低温側圧縮機５で圧縮され、吐出された高温高圧のガス冷媒が、冷媒配管Ｐを介して上記カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂに流入する。カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂに流入した冷媒は、カスケード熱交換器４の１次側流路４ａを流れる高温側冷凍サイクルＲａの冷媒と熱交換し、冷却されて凝縮する。
カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂで凝縮した冷媒の多くは、冷媒配管Ｐを介して上記補助熱交換器６の１次側流路６ａに流入するとともに、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂで凝縮した冷媒の一部は、バイパス回路９の一端９ａから、バイパス回路９に流入する。
バイパス回路９に流入した冷媒は、補助膨張装置１０により、低温側圧縮機１の吐出圧力と吸込み圧力の中間の圧力に減圧されて、上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂに流入する。
補助熱交換器６では、１次側流路６ａの冷媒と２次側流路６ｂの冷媒が熱交換し、１次側流路６ａの冷媒は冷却されて過冷却状態になるとともに、２次側流路６ｂの冷媒は、加熱されて蒸発する。
過冷却状態になった１次側流路６ａの冷媒は、さらに、低温側膨張装置７で減圧されて気液二相状態になり、上記蒸発器８に流入して蒸発する。蒸発器８で蒸発した冷媒は、低温側圧縮機５に吸込まれる。
また、上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂで蒸発した中間圧の冷媒は、低温側圧縮機５の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される。

図２は、図１に示した冷凍サイクル装置のｐ−ｈ線図（冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示す線図）、図３は、図１に示した冷凍サイクル装置のｔ−ｈ線図（冷媒の温度とエンタルピとの関係を示す線図）である。
図２及び図３において、ａは高温側圧縮機１の吸込み部、ｂは凝縮器２の入口部、ｃは高温側膨張装置３の入口部、ｄはカスケード熱交換器４の１次側流路４ａの入口部の冷媒の状態を表している。

また、ｅは低温側圧縮機５の入口部、ｆはカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの入口部、ｇはカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの出口部（バイパス回路９の補助膨張装置１０の入口部、補助熱交換器６の１次側流路６ａの入口部でもある）、ｈは低温側膨張装置７の入口部、ｉは蒸発器８の入口部、ｊは補助熱交換器６の２次側流路６ｂの入口部、ｋは上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂで蒸発した中間圧の冷媒が注入される低温側圧縮機５の圧縮行程中の中間圧の圧縮室の冷媒の状態を表している。
また、Ｐｃはカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの冷媒の凝縮圧力、Ｐｅはカスケード熱交換器４の１次側流路４ａの冷媒の蒸発圧力、Ｔｃはカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの冷媒の凝縮温度、Ｔｅはカスケード熱交換器４の１次側流路４ａの冷媒の蒸発温度を表している。

図２から明らかなように、補助熱交換器６の１次側流路６ａの冷媒は、２次側流路６ｂの冷媒の蒸発潜熱（図２のΔｈ´）によって冷却され（図２のΔｈ）、過冷却される。したがって、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂで冷媒が過冷却状態にならなくとも、低温側膨張装置７の入口部の冷媒を過冷却状態にできる。換言すれば、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂで冷媒を過冷却状態にする必要がない。
そのため、低温側冷凍サイクルＲｂのカスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの凝縮温度Ｔｃと、高温側冷凍サイクルＲａのカスケード熱交換器４の１次側流路４ａの蒸発温度Ｔｅとの温度差（Ｔｃ−Ｔｅ）を小さくすることができ、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの凝縮温度Ｔｃ及び凝縮圧力Ｐｃを低くすることができる。

したがって、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側圧縮機５の吐出圧力を低くすることができ、低温側圧縮機５の圧縮仕事量を減少してＣＯＰ（成績係数）を高くすることができる。
また、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側膨張装置７の入口部の冷媒を過冷却状態にできるため、蒸発器８の入口と出口間の冷媒のエンタルピ差を大きくすることができ、冷媒のエンタルピ差が大きくなる分、蒸発器８の冷媒循環量を減少して、所定の冷凍能力を確保することができる。
そのため、蒸発器８の冷媒循環量を減少に伴い、蒸発器８の流路の圧力損失が低減し、その分、蒸発器８の出口の圧力を高くでき、低温側圧縮機５の吸込み圧力を高くすることができる。これら、蒸発器８の冷媒循環量の減少に伴う低温側圧縮機５の吸込み冷媒量の減少と、吸込み圧力の上昇により、低温側圧縮機５の圧縮仕事量を減少することができ、ＣＯＰ（成績係数）を高くすることができる。

なお、低温側圧縮機５の圧縮行程中の圧縮室に、上記補助熱交換器６の２次側流路６ｂで蒸発した中間圧の冷媒が注入されるため、低温側圧縮機５から吐出される冷媒量は減少しない。したがって、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂの冷媒循環量は減少しないため、カスケード熱交換器４の１次側流路４ａを流れる冷媒との熱交換量が低下することはない。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図である。
第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置２００は、上記第１の実施形態の冷凍サイクル装置１００に対して、バイパス回路９の一端の接続位置が相違し、他の構成は、上記第１の実施形態の冷凍サイクル装置１００と同一である。したがって、同一構成部品には同一符号を付して新たな説明は省略する。

第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置２００は、バイパス回路９の一端９ａが、カスケード熱交換器４の２次側流路４ｂと低温側膨張装置７の間である、補助熱交換器の１次側流路６ａと低温側膨張装置７間の冷媒配管Ｐに接続されている。
この第２の実施形態に係る冷凍サイクル装置２００は、上記第１の実施形態に係る冷凍サイクル装置１００と同一の作用効果を奏するともに、さらに、補助膨張装置１０の入口部の冷媒を過冷却（液相）状態にすることができる。したがって、補助膨張装置１０の大型化を防止することができるとともに、補助膨張装置１０の応答性を向上することができる。

なお、上記第１の実施形態及び第２の実施形態においては、２元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置について説明したが、３元以上の冷凍サイクル備えた冷凍サイクル装置にも同様に適用することができる。
この場合、補助熱交換器及びバイパス回路は、複数の冷凍サイクルのうち、最も高温側の冷凍サイクルを除く冷凍サイクルの少なくとも１つは、または、最も高温側の冷凍サイクルを除く冷凍サイクルの全てに設ければよい。

以上、本実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、実施形態の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｒａ…高温側冷凍サイクル、Ｒｂ…低温側冷凍サイクル、１…高温側圧縮機、２…凝縮器、３…高温側膨張装置、４…カスケード熱交換器、５…低温側圧縮機、６…補助熱交換器、７…低温側膨張装置、８…蒸発器、９…バイパス回路、９ａ…バイパス回路の一端、９ａ…バイパス回路の他端、１０…補助膨張装置。

Claims

複数の冷凍サイクルを有し、上記各冷凍サイクルの冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる多元冷凍サイクルを備えた冷凍サイクル装置において、
上記複数の冷凍サイクルのうち、最も高温側の冷凍サイクルを除く冷凍サイクルの少なくとも１つは、上記カスケード熱交換器と膨張装置の間に補助熱交換器を備えるとともに、一端が上記カスケード熱交換器と膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路を備え、上記バイパス回路は途中に補助膨張装置と上記補助熱交換器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
上記バイパス回路の一端は、上記補助熱交換器と上記膨張装置の間の冷媒配管に接続されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。