JP2012193908A

JP2012193908A - 二元冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2012193908A
Application number: JP2011058753A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Zushi; 貴宏図司
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】本実施形態は、二元冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置において、高温側冷凍回路の膨張装置入り口部のフラッシュガスを低減できる二元冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】高温側冷凍回路Ｒａは、高温側圧縮機１、高温側凝縮器２の１次側流路２ａ、過冷却熱交換器３の１次側流路３ａ、高温側膨張装置４及びカスケード熱交換器５の１次側流路５ａを、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されている。また、高温側冷凍回路Ｒａは、一端９ａが上記水熱交換器２の１次側流路２ａと上記高温側膨張装置４の間である、水熱交換器２の１次側流路２ａと上記過冷却熱交換器３間の冷媒配管Ｐに接続され、他端９ｂが高温側圧縮機１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、途中に副膨張装置１０と上記過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施態様は、二元冷凍サイクルを備えた二元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、高温側冷凍回路と低温側冷凍回路からなり、上記高温側冷凍回路と低温側冷凍回路の冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる二元冷凍サイクルを備えた二元サイクル装置が使用される。

一般に、上記二元冷凍サイクル装置においては、冷媒の温度が高くなる高温側冷凍回路の冷媒に、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ等の低圧の飽和特性を有する冷媒、例えば、飽和ガス温度６５℃に相当する圧力がゲージ圧で２．８ＭＰａ以下の冷媒を使用し、圧力上昇を抑制するようにしている。

特開２０１０−１９６９５２公報

上記Ｒ１３４ａ等の低圧の飽和特性を有する冷媒は、圧力損失が大きいという特性も有している。そのため、凝縮器の出口部から膨張装置に至る配管で、圧力損失により液冷媒の一部が蒸発してフラッシュガスが生じ、このフラッシュガスが膨張装置に流入することにより膨張装置の制御性が低下したり、膨張装置の大型化を招く等の不具合があった。

本実施形態は上記事情にもとづきなされたものであり、高温側冷凍回路の膨張装置入り口部のフラッシュガスを低減できる二元冷凍サイクル装置を提供する。

本実施形態の二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を冷媒配管を介して連通した高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、上記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を冷媒配管を介して連通した低温側冷凍回路とからなり、上記高温側冷凍回路の冷媒と上記低温側冷凍回路の冷媒を上記カスケード熱交換器で熱交換する二元冷凍サイクルを備える。
上記高温側冷凍回路は、上記高温側凝縮器と膨張装置の間に過冷却交換器の１次側流路を備えるとともに、一端が上記高温側凝縮器と膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が高温側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副膨張装置と上記過冷却熱交換器の２次側流路とを備える。

第１の実施形態に係る二元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２の実施形態に係る二元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の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図である。この二元冷凍サイクル装置１００は、高温側冷凍回路Ｒａと、低温側冷凍回路Ｒｂからなる二元冷凍サイクルと、温水配管Ｈとを備える。
上記高温側冷凍回路Ｒａから説明すると、高温側冷凍回路Ｒａは、高温側圧縮機１、高温側凝縮器２の１次側流路２ａ、過冷却熱交換器３の１次側流路３ａ、高温側膨張装置４及びカスケード熱交換器５の１次側流路５ａを、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されており、冷媒として低圧の飽和特性を有するＲ１３４ａが封入されている。
また、上記低温側冷凍回路Ｒｂは、低温側圧縮機６、上記カスケード熱交換器５の２次側流路５ｂ、低温側膨張装置７及び空気熱交換器からなる低温側蒸発器８を、冷媒配管Ｐにより順次接続して構成されており、冷媒としてＲ４１０Ａが封入されている。

温水配管Ｈは、上記高温側凝縮器２の２次側流路２ｂに接続され、温水配管Ｈ内の温水は、図示しない搬送用ポンプにより破線矢印方向に流れるようになっている。したがって、上記温水配管Ｈに導かれる温水は、高温側凝縮器２の２次側流路２ｂにおいて１次側流路２ａに導かれる高温側回路の冷媒と熱交換し加温されることとなる。

さらに、上記高温側冷凍回路Ｒａは、一端９ａが上記高温側凝縮器２の１次側流路２ａと上記高温側膨張装置４の間にある、高温側凝縮器２の１次側流路２ａと上記過冷却熱交換器３間の冷媒配管Ｐに接続され、他端９ｂが高温側圧縮機１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には、途中に一端９ａ側から副膨張装置１０と上記過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂが備えられている。

次に、上記第１の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置１００の作用について説明する。
冷媒の流れを実線矢印で示す。冷凍サイクル装置１００の運転時に、高温側冷凍回路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を介して高温側凝縮器２の１次側流路２ａに流入する。上記高温側凝縮器２の１次側流路２ａに流入した冷媒は、この高温側凝縮器２の２次側流路２ｂを流れる温水配管Ｈの温水と熱交換（凝縮熱を放出）して、温水を加温するとともに凝縮する。

高温側凝縮器２の１次側流路２ａで凝縮した冷媒の多くは、冷媒配管Ｐを介して上記過冷却熱交換器３の１次側流路３ａに流入するとともに、高温側凝縮器２の１次側流路２ａ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、副膨張装置１０により、高温側圧縮機１の吐出圧力と吸込み圧力の中間の圧力に減圧されて、上記過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂに流入する。
過冷却熱交換器３では、１次側流路３ａの冷媒と２次側流路３ｂの冷媒が熱交換し、１次側流路３ａの冷媒は冷却されて過冷却度が増加するとともに、２次側流路３ｂの冷媒は、加熱されて蒸発する。
過冷却度が増加した１次側流路３ａの冷媒は、さらに、高温側膨張装置４で減圧されて気液二相状態になり、上記カスケード熱交換器５の１次側流路５ａに流入して蒸発する。カスケード熱交換器５の１次側流路５ａで蒸発した冷媒は、高温側圧縮機１に吸込まれる。
また、上記過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂで蒸発した中間圧の冷媒は、高温側圧縮機１の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される。

また、低温側冷凍回路Ｒｂにおいては、低温側圧縮機６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５の２次側流路５ｂに流入する。カスケード熱交換器５の２次側流路５ｂに流入した冷媒は、カスケード熱交換器５の１次側流路５ａを流れる高温側冷凍回路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５ｂで凝縮した冷媒は、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、上記低温側蒸発器８に流入して蒸発する。低温側蒸発器８で蒸発した冷媒は、低温側圧縮機６に吸込まれる。

図２は、図１に示した二元冷凍サイクル装置１００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）である。
図２において、ａは高温側圧縮機１の吸込み部、ｂは高温側凝縮器２の１次側流路２ａの入口部、ｃは高温側凝縮器２の１次側流路２ａの出口部（バイパス回路９の入口部）、ｄは過冷却熱交換器３の１次側流路３ａの出口部、ｅはカスケード熱交換器５の１次側流路５ａの入口部、ｆは過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂの入口部、ｇは上記過冷却熱交換器３の２次側流路３ｂで蒸発した中間圧の冷媒が注入される高温側圧縮機１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、ｈは低温側圧縮機６の入口部、ｉはカスケード熱交換器５の２次側流路５ｂの入口部、ｊはカスケード熱交換器５の２次側流路５ｂの出口部、ｋは低温側蒸発器８の入口部の冷媒の状態を表している。

図２から明らかなように、過冷却熱交換器３の１次側流路３ａの冷媒は、２次側流路３ｂの冷媒の蒸発潜熱（図２のΔｈ´）によって冷却され（図２のΔｈ）、過冷却度が増加する。また、バイパス回路９に冷媒が分流される分だけ、高温側膨張装置４に流れる液冷媒の量が減少して液冷媒の流速が低下して圧力損失が減少する。そのため、高温側膨張装置４の入口部に流入する液冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができる。したがって、高温側膨張装置４の制御性が低下したり、高温側膨張装置４を大型化する必要がない。

さらに、バイパス回路９に冷媒が分流される分だけ、カスケード熱交換器５の１次側流路５ａに流入する冷媒量が減少し、かつ、冷媒の乾き度が低下するため、プレート式熱交換器等で形成されるカスケード熱交換器５の１次側流路５ａ内での２相冷媒の分流が改善され、高温側冷凍回路Ｒａの蒸発温度と、低温側冷凍回路Ｒｂの凝縮温度の温度差が低減し、二元冷凍サイクルとしてのＣＯＰ（成績係数）が向上する。
また、高温側圧縮機１が吸込み圧力から、バイパス回路９を介して供給される冷媒の圧力になるまで圧縮する冷媒量が減少するため、圧縮機の仕事量が減少する。

なお、バイパス回路９を介して高温側圧縮機１の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される冷媒により、高温側圧縮機１から吐出される冷媒の温度が若干低下するが、圧縮室に注入される冷媒の過熱度を制御することにより、抑制することができる。また、高温側圧縮機１から吐出される冷媒量は減少しない。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置２００の冷凍サイクル構成図である。
第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置２００は、上記第１の実施形態の二元冷凍サイクル装置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の実施形態の二元冷凍サイクル装置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の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置２００は、バイパス回路９の一端９ａが、上記高温側凝縮器２の１次側流路２ａと上記高温側膨張装置４の間である、過冷却熱交換器３の１次側流路３ａと高温側膨張装置４間の冷媒配管Ｐに接続されている。
この第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置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、過冷却熱交換器３の１次側流路３ａで過冷却度が増加した液冷媒を副膨張装置１０に供給することができる。したがって、副膨張装置１０入口部に流入する冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができ、副膨張装置１０の制御性が低下することを防止できる。

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…高温側冷凍回路、Ｒｂ…低温側冷凍回路、Ｈ…温水配管、Ｐ…冷媒配管、１…高温側圧縮機、２…高温側凝縮器、３…過冷却熱交換器、４…高温側膨張装置、５…カスケード熱交換器、６…低温側圧縮機、７…低温側膨張装置、８…低温側蒸発器、９…バイパス回路、１０…副膨張装置、１００、２００…二元冷凍サイクル装置

Claims

高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を冷媒配管を介して連通した高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、上記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を冷媒配管を介して連通した低温側冷凍回路とからなり、上記高温側冷凍回路の冷媒と上記低温側冷凍回路の冷媒を上記カスケード熱交換器で熱交換する二元冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置において、
上記高温側冷凍回路は、上記高温側凝縮器と高温側膨張装置の間に過冷却交換器の１次側流路を備えるとともに、一端が上記高温側凝縮器と高温側膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が高温側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副膨張装置と上記過冷却熱交換器の２次側流路とを備えたことを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
上記バイパス回路の一端は、上記過冷却熱交換器の１次側流路と上記高温側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記載の二元冷凍サイクル装置。