JP2013113571A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の消費エネルギーを減らすことにより、冷凍サイクル効率を向上させること。
【解決手段】圧縮機１、放熱器２、冷却器３、膨張手段４、蒸発器５の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路６と、熱媒体循環手段７、前記冷却器３、前記蒸発器５、外部熱源用熱交換器８を有し、熱媒体が循環する熱媒体回路９とを備え、前記熱媒体回路９において、前記外部熱源用熱交換器８から前記蒸発器５へ前記熱媒体循環手段７にて搬送される前記熱媒体の少なくとも一部が、前記冷却器３へ搬送される構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置で加熱能力一定で運転する場合、圧縮機１の動力を低減して冷媒循環量を低減できるため、冷凍サイクルの効率を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置に関するものである。

住宅の省エネルギーおよびＣＯ_２発生量削減のために住宅用ヒートポンプ温水暖房給湯装置に対する期待が高まっていて、冷凍サイクル効率を向上する技術が求められている。

冷凍サイクル効率の向上を目的とした技術の一例として、図６に記載の構成の空気調和システムが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

図６に記載の空気調和システムは、圧縮機１、放熱器２、膨張手段４、蒸発器５を環状に接続してなる冷媒回路６と、蒸発器５に外部熱源用熱交換器８と熱交換する第１熱媒体を流通させて、蒸発器５内を流れる冷媒を蒸発させる第１熱媒体回路９と、放熱器２に水または不凍液からなる第２熱媒体を流通させ、冷媒回路６を流れる冷媒と熱交換された水媒体を熱端末機器１１に循環させて室内の暖房を行う第２熱媒体回路１０とを備えた空気調和システムにおいて、放熱器２の上流側の第２熱媒体と、蒸発器５の上流側の第１熱媒体とを熱交換させる過冷却熱交換器１３を設けたものである。

第２熱媒体は、過冷却熱交換器１３においてより低温の第１熱媒体により冷却されてから放熱器２に流入するため、放熱器２出口の冷媒のエンタルピは過冷却熱交換器１３を備えない空気調和システムに比べて低減する。その結果、放熱器２の出入口におけるエンタルピ差が拡大する。

また、第１熱媒体は、過冷却熱交換器１３においてより高温の第２熱媒体により加熱されてから蒸発器５に流入するため、第１熱媒体から吸熱するのに要する冷媒の温度も上昇して、蒸発器５内部の平均冷媒温度と圧力が上昇する。

前記空気調和システムは、上記の二つの作用によって、冷凍サイクルの効率を向上することを目的としたものである。

特開２０１０−２１６７８４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、放熱器の上流の第２熱媒体が第１熱媒体によって冷却されるために、過冷却熱交換器を設けない場合と比べて放熱器における必要加熱量が増大する（同等加熱能力の場合）。

そのため、圧縮機の消費エネルギーが増加して、必ずしも冷凍サイクル効率が向上するとは限らない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の消費エネルギーを低減することにより、冷凍サイクル効率を向上させた冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、冷却器、膨張手段、蒸発器の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記冷却器、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器を有し、熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記熱媒体回路において、前記外部熱源用熱交換器から前記蒸発器へと前記熱媒体循環手段にて搬送される前記熱媒体の少なくとも一部が、前記冷却器へ搬送される構成としたことを特徴とするものである。

これによって、冷却器における冷媒は、より低温の液相熱媒体と熱交換し、冷媒温度は低下し、蒸発器入口のエンタルピが減少し、蒸発器出口のエンタルピを略同一で運転する場合、蒸発器の出入口でのエンタルピ差が増大する。

本発明によれば、圧縮機の消費エネルギーを低減することにより、冷凍サイクル効率を向上させた冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水生成装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 同冷凍サイクル装置のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図） 同冷凍サイクル装置を備えた温水生成装置の構成図 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図 同冷凍サイクル装置のモリエル線図（圧力−エンタルピ線図） 従来の空気調和システムの構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、冷却器、膨張手段、蒸発器の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記冷却器、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器を有し、熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記熱媒体回路において、前記外部熱源用熱交換器から前記蒸発器へと前記熱媒体循環手段にて搬送される前記熱媒体の少なくとも一部が、前記冷却器へ搬送される構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、冷却器において冷媒はより低温の液相熱媒体と熱交換し、冷媒温度が低下し、蒸発器入口の冷媒のエンタルピが減少する。通常、蒸発器出口の冷媒が略飽和蒸気となるように運転するので、冷却器を備えない冷凍サイクル装置に比べて蒸発器の出入口でのエンタルピ差が増大し、蒸発器における吸熱が増大する。

その結果、加熱能力一定で運転する場合は、冷媒循環量を減らすことが可能なので圧縮機動力を低減して消費電力を低減でき、冷凍サイクルの効率が向上する。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記冷却器、前記蒸発器、前記外部熱源用熱交換器の順で環状に接続された回路に、前記熱媒体循環手段を配設し、前記熱媒体回路を形成したことを特徴とするものである。

これにより、冷却器で液相熱媒体は、より高温の放熱器出口の冷媒と熱交換した後に蒸発器に流入するため、冷媒はより高い温度の液相熱媒体と熱交換するので蒸発圧力が上昇する。

その結果、圧縮機吸入圧力が上昇して圧縮機の必要動力が減少し、かつ圧縮機入口における冷媒密度が増加することにより冷媒循環量が増加するため、加熱能力一定の場合、第
１の発明の効果に加えて更に圧縮機の消費エネルギーが低減され、冷凍サイクルの効率が向上する。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の放熱器により加熱された水または不凍液を、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とするものである。

これにより、放熱器により加熱された水や不凍液を、暖房機器（温風機、ラジエータ、床暖房パネル等）や給湯機器などに使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１、放熱器２、冷却器３、膨張手段４、蒸発器５の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路６を備えている。

また、熱媒体回路９は、外部熱源用熱交換器８の上流で冷却器３に接続する流路と蒸発器５に接続する流路とに分岐され、冷却器３の下流と蒸発器５の下流で分岐流路が接続され、再度合流し、外部熱源用熱交換器８に流入するように形成されている。すなわち、熱媒体回路９において、冷却器３と蒸発器５は並列接続されていることを特徴とする。

冷却器３は、冷媒と液相熱媒体との間で熱交換するための構成であり、例えばプレート熱交換器や二重管式熱交換器等を用いることができる。

液相熱媒体としては、例えば、水や不凍液等を用いることができる。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、またはＲ７４４やＲ２９０等の単一冷媒等を用いることができる。

外部熱源用熱交換器８は、例えば、地中熱、地下水熱、湖水熱、海水熱などを吸熱するためのものである。地中熱や各種水熱を吸熱する場合、樹脂管や金属管を外部熱源用熱交換器８として用いて地中あるいは水中に設置し、管の内部に液相熱媒体を循環させる。上記前述の外部熱源は、放熱器２出口の冷媒より低温の液相熱媒体を冷却器３に供給可能である。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、本実施の形態の特徴的な構成である冷却器３の作用と効果を図２のモリエル線図を用いて説明する。図２の破線は冷却器３を備えない一般的な冷凍サイクル、実線は冷却器３を備えた本発明の冷凍サイクルを示す。以下、両者を比較して説明する。

まず、冷却器３を備えない一般的な冷凍サイクルの場合では、図２において、圧縮機１で圧縮された高圧ガス冷媒（ａ）は放熱器２に流入し（ｂ）、放熱してエンタルピが減少する（ｃ）。冷媒は、膨張手段４により減圧膨張されて低温の気液二相冷媒（ｆ）となり蒸発器５に導入される。

熱媒体回路９において液相熱媒体は、地中熱などの外部熱源から外部熱源用熱交換器８によって吸熱し、蒸発器５において低温の気液二相冷媒（ｆ）に熱を供給する。その結果、蒸発器５出口の冷媒（ｇ）は蒸発気化し、圧縮機１に吸入される。

次に、冷却器３を備えた本発明の冷凍サイクル装置について、冷却器３の作用と効果を
図２に沿って説明する。冷却器３出口の冷媒（ｄ）は、より低温の液相熱媒体によって冷却されるため、冷却器を備えない場合（ｃ）に比べてエンタルピがさらに低くなる。そのため、蒸発器５入口のエンタルピも低減する。

通常、冷凍サイクル装置は蒸発器５出口で、冷媒は略飽和蒸気となるように運転されるので、蒸発器出口のエンタルピは冷却器３の有無にかかわらず同一である。従って、冷却器３を備える場合の蒸発器５出入口におけるエンタルピ差（Ｈ１）は冷却器３を備えない場合のエンタルピ差（Ｈ２）に比べて増加する。

膨張手段４を通過した後の冷媒（ｅ）の液相の割合は、冷却器３が無い場合の冷媒（ｆ）に比べて増加するので、蒸発器５の中で蒸発に寄与する冷媒の割合が増加することになる。

このように蒸発器５における吸熱量が増大するため、加熱能力一定の場合、圧縮機動力を減少させて冷媒循環量を低減することができる。そのため、圧縮機の消費エネルギーを低減することができて冷凍サイクルの運転効率が向上する。

冷却器３の効果は、蒸発器５入口における冷媒（ｅ）が飽和液体になるまで熱交換する場合にほぼ最大となる。蒸発器５入口における冷媒（ｅ）がさらに冷却されて過冷却状態になっても、蒸発器５の中で気化潜熱を発揮することには寄与しないため効果は拡大しない。

従って、冷却器３は、蒸発器入口の冷媒（ｅ）が飽和液線（Ｓ_Ｌ）上に位置するまで冷却するだけの熱交換能力があれば最大の効果を発揮することができる。

図３は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置を備えた温水生成装置の構成図である。放熱器２は、水または不凍液などの第２熱媒体を加熱し、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とする。

第２熱媒体回路１０は、ラジエータ、床暖房パネルまたは給湯器などの熱端末機器１１および第２熱媒体循環手段１２、放熱器２が環状に接続されて内部に水または不凍液などの第２熱媒体が循環する。

放熱器２は第２熱媒体を加熱して、第２熱媒体は第２熱媒体循環手段１２により加圧されて熱端末機器１１に熱を供給する。熱端末機器１１により放熱して温度が低下した第２熱媒体は、再度、放熱器２に戻って加熱されて、連続的に熱端末機器１１に熱を供給可能に構成される。

特に、第２熱媒体として温水を生成することによって、幅広い種類の暖房機器や給湯用貯湯槽に熱を供給することが可能で、１台の温水生成装置により家庭内の暖房、給湯需要を幅広く対応することが可能である。

また、放熱器２で加熱される第２熱媒体は、必ずしも液体である必要はなく、空気であってもよい。すなわち、本発明は空調装置にも適用可能である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態の冷凍サイクル装置の構成図である。なお、本実施の形態では、第１実施の形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

圧縮機１、放熱器２、冷却器３、膨張手段４および蒸発器５の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路６と、熱媒体循環手段７、冷却器３、蒸発器５、外部熱源用熱交換器８の順で環状に接続され、液相熱媒体が循環する熱媒体回路９とを備えたもので、熱媒体回路９において、冷却器３は蒸発器５の上流に直列接続されていることを特徴とする。

液相熱媒体は矢印の方向に流通し、冷却器３で加熱された液相熱媒体は冷媒と対向する方向に蒸発器５に流入する。

本実施の形態の冷凍サイクル装置の特徴的な構成である冷却器３について、冷却器３を備えない冷凍サイクル装置と比較しながらその作用と効果を説明する。

図５は、本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置のモリエル線図である。実線は冷却器３を備えた場合の冷凍サイクル、破線は冷却器３を備えない場合の冷凍サイクルを示す。

冷却器３で液相熱媒体は、より高温の放熱器２出口の冷媒と熱交換して加熱されるため、蒸発器５に流入する液相熱媒体温度は冷却器３を備えない場合よりも上昇する。その結果、蒸発器内の冷媒はより高い温度の液相熱媒体と熱交換するため蒸発圧力（ｅ〜ｇの冷媒圧力）が冷却器３を備えない場合（ｆ〜ｈの冷媒圧力）よりも上昇する。

従って、圧縮機１吸入部における冷媒圧力がＰ１からＰ２に上昇するので、その結果、冷媒密度が増加し、冷媒循環量が増加する。すなわち、同一冷媒循環量を確保する場合、圧縮機１の回転数を低減できるため、圧縮機１の消費エネルギーを低減でき、冷凍サイクルの運転効率が向上する。

第１の実施の形態の効果に加え、加熱能力一定の場合、圧縮機１の回転数を低減でき、更に冷凍サイクルの運転効率を向上することができる。

本実施の形態の冷凍サイクル装置の場合でも、実施の形態１と同様に温水生成装置を構成することが可能である。

本発明は、冷凍サイクル装置によって水を加熱し、その水を暖房・給湯に利用する温水生成装置に特に有用である。

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 冷却器
４ 膨張手段
５ 蒸発器
６ 冷媒回路
８ 外部熱源用熱交換器
７ 熱媒体循環手段
９ 熱媒体回路

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、冷却器、膨張手段、蒸発器の順で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路と、熱媒体循環手段、前記冷却器、前記蒸発器、外部熱源用熱交換器を有し、熱媒体が循環する熱媒体回路とを備え、前記熱媒体回路において、前記外部熱源用熱交換器から前記蒸発器へ前記熱媒体循環手段にて搬送される前記熱媒体の少なくとも一部が、前記冷却器へ搬送される構成としたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷却器、前記蒸発器、前記外部熱源用熱交換器の順で環状に接続された回路に、前記熱媒体循環手段を配設し、前記熱媒体回路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記請求項１または２に記載の放熱器により加熱された水または不凍液を、暖房と給湯の少なくとも一方に利用することを特徴とする温水生成装置。