JP2012107836A - 二元冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱運転時に放熱熱交換器で加熱された加熱対象物を冷却してしまうことなく、高速に除霜を行うことができる二元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【解決手段】高温側冷凍サイクルと、低温側冷凍サイクルと、中間熱交換器とを備え、高温側冷凍サイクルは、ホットガスバイパス回路と、高温側圧縮機からの吐出冷媒がホットガスバイパス回路に導入される状態とホットガスバイパス回路に導入されない状態とを切り換える高温側流路切換機構とを備え、低温側冷凍サイクルは、低温側圧縮機からの吐出冷媒が中間熱交換器に導入される状態と、空気熱交換器に導入される状態とを切り換える低温側流路切換機構を備え、除霜時は、高温側圧縮機からの吐出冷媒をホットガスバイパス回路に導入する状態とし、低温側圧縮機からの吐出冷媒を空気熱交換器に導入する状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二元冷凍サイクル装置に関する。

ヒートポンプ式高温水発生機において、高温の温水を発生させるために、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクルが用いられることがある。

ここで、空気熱源のヒートポンプ式高温水発生機においては、外気温度が低い場合など、運転状態によって、空気側熱交換器に霜が着いてしまう。このため、適正な加熱運転を維持するために、霜を取り除くこと（除霜）が不可欠となる。

この空気熱源のヒートポンプ式装置における一般的な除霜方式は「逆サイクルデフロスト」である。そして、二元冷凍サイクル装置の場合、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルともに、四方切換弁を用いた機器構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９−３８５６８号公報

しかしながら、特開昭５９−３８５６８号公報に開示されている二元冷凍サイクルの構成で除霜運転を行った場合、除霜を行うことは、逆サイクル運転を行うこと、即ち、冷却運転を行うことになってしまう。つまり、通常は加熱運転を行い、負荷に熱を供給しているにもかかわらず、一時的とはいえ、冷却運転に相当する除霜運転を行ってしまうことになる。

そこで、本発明は、加熱運転時に放熱熱交換器で加熱された加熱対象物を冷却してしまうことなく、高速に除霜を行うことができる二元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は、高温側冷凍サイクルと、低温側冷凍サイクルと、前記高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルとの間で熱交換を行う中間熱交換器とを備え、前記高温側冷凍サイクルは、高温側圧縮機と、放熱熱交換器と、高温側減圧装置と、前記中間熱交換器とが順次接続されて構成され、前記低温側冷凍サイクルは、低温側圧縮機と、前記中間熱交換器と、低温側減圧装置と、空気熱交換器とが順次接続されて構成され、前記高温側冷凍サイクルは、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒を前記放熱熱交換器をバイパスして前記中間熱交換器に導入するホットガスバイパス回路と、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒がホットガスバイパス回路に導入される状態とホットガスバイパス回路に導入されない状態とを切り換える高温側流路切換機構とを備え、前記低温側冷凍サイクルは、前記低温側圧縮機からの吐出冷媒が前記中間熱交換器に導入される状態と、前記空気熱交換器に導入される状態とを切り換える前記低温側流路切換機構を備え、前記低温側冷凍サイクルの空気熱交換器を除霜する際には、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒を前記ホットガスバイパス回路に導入する状態に前記高温側流路切換機構を制御し、且つ、前記低温側圧縮機からの吐出冷媒を前記空気熱交換器に導入する状態に前記低温側流路切換機構を制御することを特徴とする。

本発明によれば、加熱運転時に放熱熱交換器で加熱された加熱対象物を冷却してしまうことなく、高速に除霜を行うことができる。

本発明の実施形態１の冷凍サイクル系統図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る二元冷凍サイクル装置を示す。

この二元冷凍サイクル装置は、高温側冷凍サイクルＡと、低温側冷凍サイクルＢと、高温側冷凍サイクルＡと低温側冷凍サイクルＢとの間で熱交換を行う中間熱交換器５とを備える。

具体的には、この二元冷凍サイクル装置は、高温の温水を生成する装置であり、ヒートポンプ式高温水発生機とも称される。また、放熱熱交換器７は、水側熱交換器とも称することができる。

高温側冷凍サイクルＡは、高温側圧縮機６と、放熱熱交換器７と、高温側減圧装置８と、中間熱交換器５とが順次接続されて構成される。一方、低温側冷凍サイクルＢは、低温側圧縮機１と、中間熱交換器５と、低温側減圧装置３と、空気熱交換器２とが順次接続されて構成される。

高温側冷凍サイクルＡは、高温側圧縮機６からの吐出冷媒を放熱熱交換器７をバイパスして中間熱交換器５に導入するホットガスバイパス回路１０と、高温側圧縮機６からの吐出冷媒がホットガスバイパス回路１０に導入される状態とホットガスバイパス回路１０に導入されない状態とを切り換える高温側流路切換機構９とを備える。

高温側流路切換機構９は、高温側圧縮機６からの吐出冷媒が放熱熱交換器７に導入される状態と、放熱熱交換器７及び中間熱交換器に導入される状態とを切り換えるものである。具体的には、高温側流路切換機構９は、ホットガスバイパス回路１０に配置される電磁弁（二方弁）によって構成される。

低温側冷凍サイクルＢは、低温側圧縮機１からの吐出冷媒が中間熱交換器５に導入される状態と、空気熱交換器２に導入される状態とを切り換える低温側流路切換機構４を備える。低温側流路切換機構４は、四方切換弁によって構成される。

暖房運転時、低温側冷凍サイクルＢでは、冷媒は実線で示す矢印の流れとなる。

まず、低温側圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、低温側流路切換機構４を径由して流入する凝縮器に相当する中間熱交換器５により冷却され凝縮液化される。この高圧液冷媒は、低温側減圧装置３により減圧された後、蒸発器に相当する空気熱交換器２で蒸発され低温低圧のガス冷媒となり低温側冷凍サイクル低温側圧縮機１に戻るサイクルである。

同様に、高温側冷凍サイクルＡでは、高温側圧縮機６，凝縮器に相当する放熱熱交換器７，高温側減圧装置８，蒸発器に相当する中間熱交換器５の各機器を、冷媒が循環する構成である。

次に、低温側冷凍サイクルＢの空気熱交換器２に着いてしまった霜を取り除くための除霜運転時の制御について説明する。

低温側冷凍サイクルＢの空気熱交換器２を除霜する際には、高温側圧縮機６からの吐出冷媒をホットガスバイパス回路１０に導入する状態に高温側流路切換機構９を制御し、且つ、低温側圧縮機１からの吐出冷媒を空気熱交換器２に導入する状態に低温側流路切換機構４を制御する。具体的には、低温側冷凍サイクルＢの空気熱交換器２を除霜する際には、高温側圧縮機６からの吐出冷媒を放熱熱交換器７及び中間熱交換器５に導入する状態に高温側流路切換機構９を制御する。

具体的には、除霜運転時、低温側冷凍サイクルＢでは、冷媒は破線で示す矢印の流れとなる。

まず、低温側圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、低温側流路切換機構４を径由して霜が着いてしまった空気熱交換器２に流入する。ここで、高温高圧のガス冷媒は、空気熱交換器２に着いた霜を溶解することで冷却され凝縮液化される。この高圧液冷媒は、低温側減圧装置３により減圧された後、蒸発器に中間熱交換器５で蒸発され低温低圧のガス冷媒となり低温側冷凍サイクル低温側圧縮機１に戻ることになる。

一方、高温側冷凍サイクルＡでは、低温側冷凍サイクルＢが逆サイクル運転による除霜運転を行うが、暖房運転時と同様に、高温側圧縮機６，凝縮器に相当する放熱熱交換器７，高温側減圧装置８，蒸発器に相当する中間熱交換器５の各機器を、冷媒が循環する構成のままである。

なお、中間熱交換器５では、低温側冷凍サイクルＢが除霜運転を行うことで、中間熱交換器５の温度低下が発生するが、高温側冷凍サイクルＡのホットガスバイパス回路１０における高温側流路切換機構９を開弁して、除霜運転に合わせ、高温高圧のガス冷媒を中間熱交換器５に適宜供給する。従って、除霜時における供給水温の温度低下抑制，適正な除霜運転の維持を図ることができる。

そうすることで、中間熱交換器５の温度低下を抑制し、ヒートポンプ式装置として不可欠である空気熱交換器２の除霜が行えるようにする。

また、高温側冷凍サイクルＡで、逆サイクル運転を行うことなく、暖房運転を継続するので、負荷側設備と接続される放熱熱交換器７の温度低下も抑制することができる。しかも、除霜運転時における加熱能力の低下を最小限に抑えることで、温水を継続して供給することができる。

以上のように、本実施形態に係る二元冷凍サイクル装置によれば、低温側冷凍サイクルＢの空気熱交換器２が着霜した場合、低温側冷凍サイクルＡＢは、低温側流路切換機構４を切り換えて低温側圧縮機１からの吐出冷媒を空気熱交換器２に導入するいわゆる逆サイクル運転を行うため、高速で除霜を行うことができる。その一方、高温側冷凍サイクルＡでは、高温側圧縮機６からの吐出冷媒をホットガスバイパス回路１０に導入するいわゆるホットガスバイパス運転を行うため、中間熱交換器５に熱を供給することができ、且つ、放熱熱交換器７から熱を奪うことがない。

従って、加熱運転時に放熱熱交換器７で加熱された加熱対象物を冷却してしまうことなく、高速に除霜を行うことができる。

また、上記二元冷凍サイクル装置によれば、空気熱源のヒートポンプ式装置において不可欠となる低温側冷凍サイクルにおける除霜運転の際、負荷設備と接続される放熱熱交換器７を備える高温側冷凍サイクルでは、低温側冷凍サイクルの除霜運転を呼応した運転と、放熱熱交換器７に対する加熱運転が可能になる。これにより、高温側冷凍サイクルに四方切換弁を用いた逆サイクル除霜運転を行う構成に対して、低温側冷凍サイクルＢが除霜時における供給温水の一時的な水温低下や、負荷側設備に設置される水槽内の水温低下を抑えることができるようになる。

また、従来では、負荷側に設置される水槽容量が極端に小さい場合などに除霜運転に伴って水温が著しく低下してしまうなど、負荷側設備構成との組合せによって発生する製品保護制御作動による装置の停止、あるいは、負荷側設備の停止に至ってしまうおそれがあるが、上記二元冷凍サイクル装置によれば、そういった不都合も抑止できる。

さらには、高温側冷凍サイクルＡの構成が、四方切換弁を用いた機器構成ではないため、部品点数が少ないシンプルな回路構成となる。ここで、回路構成の簡素化という観点では、高温側冷凍サイクルＡだけでなく、低温側冷凍サイクルＢも四方切換弁を廃止して、ホットガスバイパス回路を有した構成とすることも一案であるが、空気熱交換器２の除霜を行うという観点では、逆サイクル除霜運転がより大きな除霜能力が得られ望ましい。このため、極力シンプルで、かつ、高い除霜能力をもつことができるという効果もある。

また、上記構成であれば、低温側冷凍サイクルＢに、空調調和装置として、安価なパッケージエアコンを用いることも可能であり、回路構成の簡素化とともに、コスト低減を図ることが可能となる。

なお、本実施形態に係る二元冷凍サイクル装置は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、高温側流路切換機構９は、ホットガスバイパス回路１０に配置される電磁弁（二方弁）によって構成されるものとして説明したが、高温側圧縮機６からの吐出冷媒がホットガスバイパス回路１０に導入される状態とホットガスバイパス回路１０に導入されない状態とを切り換えることができるものであれば、これに限定されるものではない。例えば、高温側圧縮機から放熱熱交換器７へ向かう経路とホットガスバイパス回路１０との分岐部や、高温側減圧装置８から中間熱交換器５に向かう経路とホットガスバイパス回路１０との合流部に三方弁が配置されるものであってもよい。

三方弁として三方切換弁を用いた場合、高温側圧縮機６からの吐出冷媒が放熱熱交換器７のみに供給される状態と、放熱熱交換器７のみに導入される状態とを切り換える構成が考えられる。また、三方弁として流量比率調整弁を用いた場合、高温側圧縮機６からの吐出冷媒が放熱熱交換器７のみに供給される状態と、放熱熱交換器７及びホットガスバイパス回路１０に導入される状態とを切り換える構成が考えられる。

また、上記実施形態では、低温側流路切換機構４は、四方切換弁によって構成されるものとして説明したが、冷媒の流れ方向を逆転させるいわゆる逆サイクル運転を行うことができる構造であれば、四方切換弁に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、高温側冷凍サイクルＡの放熱熱交換器７は水を加熱するものとして説明したが、加熱対象は水に限られず、ブライン等の液体であってもよく、また、空気であってもよい。

１ 低温側圧縮機
２ 空気熱交換器
３ 低温側減圧装置
４ 低温側流路切換機構
５ 中間熱交換器
６ 高温側圧縮機
７ 放熱熱交換器
８ 高温側減圧装置
９ 高温側流路切換機構
１０ ホットガスバイパス回路

Claims (2)

1. 高温側冷凍サイクルと、低温側冷凍サイクルと、前記高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルとの間で熱交換を行う中間熱交換器とを備え、
   前記高温側冷凍サイクルは、高温側圧縮機と、放熱熱交換器と、高温側減圧装置と、前記中間熱交換器とが順次接続されて構成され、
   前記低温側冷凍サイクルは、低温側圧縮機と、前記中間熱交換器と、低温側減圧装置と、空気熱交換器とが順次接続されて構成され、
   前記高温側冷凍サイクルは、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒を前記放熱熱交換器をバイパスして前記中間熱交換器に導入するホットガスバイパス回路と、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒がホットガスバイパス回路に導入される状態とホットガスバイパス回路に導入されない状態とを切り換える高温側流路切換機構とを備え、
   前記低温側冷凍サイクルは、前記低温側圧縮機からの吐出冷媒が前記中間熱交換器に導入される状態と、前記空気熱交換器に導入される状態とを切り換える前記低温側流路切換機構を備え、
   前記低温側冷凍サイクルの空気熱交換器を除霜する際には、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒を前記ホットガスバイパス回路に導入する状態に前記高温側流路切換機構を制御し、且つ、前記低温側圧縮機からの吐出冷媒を前記空気熱交換器に導入する状態に前記低温側流路切換機構を制御することを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
2. 前記高温側流路切換機構は、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒が前記放熱熱交換器に導入される状態と、前記放熱熱交換器及び前記中間熱交換器に導入される状態とを切り換え、
   前記低温側冷凍サイクルの空気熱交換器を除霜する際には、前記高温側圧縮機からの吐出冷媒を前記放熱熱交換器及び前記中間熱交換器に導入する状態に前記高温側流路切換機構を制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。

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