JP2015068541A - 直接接触熱交換器および冷媒システム - Google Patents
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Abstract
Description
また、地球温暖化だけでなく、サイクル効率(性能)や、不燃性などの安全性も考慮して各種の冷媒の開発が進められている。
つまり、HFC冷媒を使用し、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、および室内熱交換器などを含んで構成される。
特許文献1では、自然冷媒である二酸化炭素と水を用いており、二酸化炭素によりヒートポンプサイクルを構成するとともに、二酸化炭素の冷熱を水に伝えて搬送する。二酸化炭素と水は、熱交換槽内で混合される。それによって水と二酸化炭素は直接接触し、二酸化炭素の冷熱が水に伝達される。そして、二酸化炭素は分離器に移送されて水と分離された後、ヒートポンプサイクルへと戻される。
熱交換槽内に導入された二酸化炭素は、槽内に設けられた撹拌用の板により水と一緒に撹拌されながら、槽内の下部で水と混合される。
しかしながら、特許文献1のように二酸化炭素が熱交換槽の上部から導入されると、気液二相の二酸化炭素の液は槽内の水と混合されても、二酸化炭素のガスは、水中をすぐに浮上して槽内の上部に滞留してしまい、水と十分に混合されない。
そのため、直接接触によって得られる高いサイクル効率が減殺されてしまう。
一方、第1冷媒の液も、直接接触熱交換器内の第2冷媒の液と混合されることで、第2冷媒と十分に直接接触する。そのときの熱の授受によってガス化した第1冷媒も、上記同様、第2冷媒中を拡散され、第2冷媒と十分に直接接触する。
以上により、第1冷媒と第2冷媒とを直接接触させることによる高い熱交換効率を十分に得ることができるので、ヒートポンプサイクルの効率を向上させることができる。
本発明における混合室では、第1冷媒流入口から流入した第1冷媒と、第2冷媒とが十分に接触することで熱の授受が行われる。その後、混合室内の第1冷媒および第2冷媒は分離室へと流入して分離される。
ここで、第1冷媒流入口よりも上方で混合室と分離室とが連通するので、混合室内で第1冷媒流入口から浮上、拡散されることで、第1冷媒流入口の周辺の流れよりも緩慢となった液が、分離室へと注がれる。このため、混合室内の流動が、分離室における第1冷媒および第2冷媒の分離に影響することを極力抑え、密度差に基づいて第1冷媒および第2冷媒を十分に分離させることができる。
GWPが顕著に低い(0である)水を第2冷媒に用いることにより、第1冷媒と第2冷媒との封入量の比率に応じて定まる冷媒システムのGWPを低くすることができる。
また、本発明の冷媒システムでは、第1熱交換器が凝縮器として機能し、第2熱交換器が蒸発器として機能することにより、第1冷媒から移行した第2冷媒の冷熱が利用に供される。このような冷却利用時における直接接触熱交換器内部の圧力条件下では、第1冷媒の液と第2冷媒の液との液密度の差を十分に確保できる。
したがって、直接接触熱交換器において混合された第1冷媒および第2冷媒を、第1冷媒の液と、第2冷媒の液と、そして第1冷媒のガスとに密度差に基づいて十分に分離させることができる。
そして、第1冷媒のガスを取り出してヒートポンプサイクルに流すとともに、第2冷媒の液を取り出して熱搬送サイクルに流すことができる。
上記構成によれば、熱搬送サイクルの室内に設けられる配管内、および第2熱交換器内には水が流れる。
そうすると、直接接触熱交換器内の第1冷媒が熱搬送サイクルに流れ込んだとしても、室内において第1冷媒の燃焼が発生するのを水により阻止することができる。
したがって、第1冷媒の燃焼性を問わず、室内における燃焼のリスクを抑えることができる。
図1に示す冷媒システム1は、第1冷媒が循環する熱源サイクル10(ヒートポンプサイクル)と、第2冷媒が循環する熱搬送サイクル20と、第1冷媒および第2冷媒を直接接触させる直接接触熱交換器30とを備える。
冷媒サイクル1の全体が、大気に対して密閉されたクローズドサイクルとされる。
第1冷媒および第2冷媒には、沸点が極端に相違するものを用いる。第1冷媒の沸点よりも第2冷媒の沸点は高い。
本実施形態では、第1冷媒にはHFO(Hydro Fluoro Olefin)冷媒の一種であるR1234zeを使用し、第1冷媒のことを熱源サイクル側冷媒(以下、Heat Source Cycle、HSC冷媒)と称する。ここで、R1234zeの他に、HFO冷媒R1234yf、HFC冷媒R32などのHSC冷媒も、第1冷媒に好適に用いることができる。
一方、第2冷媒には水を使用し、第2冷媒のことを水冷媒と称する。
大気圧下では、R1234zeの沸点は約−19℃であり、水の沸点は100℃である。
室外機1Aは、以下で説明する圧縮機11、第1熱交換器12、第1送風機13、減圧部14、および直接接触熱交換器30を備える。
室内機1Bは、以下で説明する第2熱交換器21を備える。
本実施形態の冷媒システム1は、室内空気を冷却するものとする。
冷媒システム1が備える室外機1Aおよび室内機1Bには、許容される機器筐体サイズ等を考慮して、熱源サイクル10の構成要素、熱搬送サイクル20の構成要素、および直接接触熱交換器30が適宜に配置される。
各サイクル10,20の構成要素および直接接触熱交換器30は、室外機1Aや室内機1Bの筐体に必ずしも収められている必要はない。
例えば、ポンプ23は、室外機1Aに配置された直接接触熱交換器30と、室内機1Bの第2熱交換器21との間で、熱搬送サイクル20の回路を構成する配管に対して取り付けている。ポンプ23は、室外機1Aに配置されていてもよい。また、ポンプ23が室内機1Bに配置されることも本発明は許容する。
[熱源サイクル]
熱源サイクル10は、HSC冷媒を圧縮する圧縮機11、圧縮されたHSC冷媒と外気との間の熱交換を行う第1熱交換器12、第1熱交換器12に向けて送風する第1送風機13、およびHSC冷媒の圧力を減圧させる減圧部14を備える。
HSC冷媒は、HSC冷媒の圧力・温度の状態変化に伴うヒートポンプ作用により、直接接触熱交換器30を介して熱源サイクル10を循環する。
使用されるHSC冷媒の体積能力に応じて、圧縮機11の押しのけ量を定めることが好ましい。
第1熱交換器12は、使用されるHSC冷媒の体積能力に応じて、圧力損失を考慮したサイズに設定されることが好ましい。
第1送風機13は、プロペラファン等であり、第1熱交換器12による熱交換を促進させる。
減圧部14としては、冷媒を霧状に噴射して膨張させるとともに、冷媒がより十分に蒸発するように流量を制御する膨張弁を好適に用いることができる。また、減圧部14として、絞り作用により冷媒を減圧させるキャピラリーチューブを用いることもできる。
次に、熱搬送サイクル20は、水冷媒と室内空気との間の熱交換を行う第2熱交換器21と、第2熱交換器21に向けて送風する第2送風機22と、水冷媒を循環させるポンプ23とを備える。
水冷媒は、ポンプ23により圧送されることで、直接接触熱交換器30を介して熱搬送サイクル20を循環する。
第2送風機22は、プロペラファン等であり、第2熱交換器21による熱交換を促進させる。
ポンプ23としては、容積型、非容積型など、任意の種類のポンプを用いることができる。
本実施形態のポンプ23は、低消費電力で駆動する直流(DC)モータを備え、回転数が制御可能なDCポンプとされる。このようなDCポンプを採用することで、冷媒システム1の作動に必要な動力入力を抑えられるので、冷媒システム1の効率向上に寄与できる。
次に、直接接触熱交換器30は、HSC冷媒および水冷媒を混合して直接的に熱交換させる。
また、直接接触熱交換器30は、混合したHSC冷媒および水冷媒を互いに分離させる。このため、直接接触熱交換器30から熱源サイクル10へと戻されるHSC冷媒から、水冷媒を分離するための分離器を必要としない。
タンク31は、円筒状に形成されており、底311と、底311の周縁から立ち上がる周壁312と、周壁312の開口を塞ぐ蓋313とを有する。
タンク31の容量は、タンク31内に貯留する水冷媒に持たせたい熱容量を考慮して定められる。タンク31の内部の高さは、貯留する水冷媒の液とHSC冷媒とを十分に混合させることができる液位と、混合したHSC冷媒および水冷媒を十分に分離させることを考慮して定められる。
タンク31内には気液二相のHTC冷媒が流入するため、タンク31の内部には、水冷媒(液)に加え、HSC冷媒の液も貯留される。したがって、「液位」は、水冷媒およびHSC冷媒の液を合わせた液位を意味する。
区分壁32は、タンク31の内径に対応する幅で、予め定められたタンク31内の基準液位Lよりも高く、かつタンク31内部の高さよりも低い高さに形成される。
区分壁32において上端32A側の所定領域には、厚み方向に貫通した複数の連通孔320が形成される。これらの連通孔320により、混合室35と分離室36とが連通する。これらのうち1以上の連通孔320は、後述するHSC流入口351よりも上方に位置する。
複数の連通孔320のうち1以上の連通孔320は、基準液位Lよりも下方に位置する。このため、連通孔320を介して、混合室35および分離室36の間の液の往来が許容される。
混合室35および分離室36に貯留された液の液面と蓋313との間は、HSC冷媒のガスが溜まるガス溜空間37とされる。
[混合室]
混合室35は、熱源サイクル10の減圧部14を経て流入したHSC冷媒と、熱搬送サイクル20から流入した水冷媒とを混合することで熱交換させる。熱交換によりHSC冷媒の冷熱が水冷媒に移行すると、HSC冷媒は蒸発(ガス化)する。
混合室35には、HSC冷媒を流入させる配管HINの開口であるHSC流入口351と、水冷媒を流入させる配管WINの開口である水流入口352とが配置される。
HSC流入口351は、上述の抵抗板33の下面に対向する。
水流入口352は、抵抗板33と周壁312との間の付近で、下方に向けて開口する。
例えば、配管HINをタンク31の側方あるいは上方から混合室35内に引き込むこともできる。但し、HSC冷媒と水冷媒とが十分に混合されるように、貯留される液の液位よりもHSC流入口351が下方に位置するように配管HINを設けることとする。
また、配管WINをタンク31の側方あるいは下方から混合室35内に引き込むこともできる。
配管HINおよび配管WINは、HSC流入口351および水流入口352の各々からの流れが異なる向きから合流するように設けられることが好ましい。
次に、分離室36は、互いに混合されることで熱交換が行われたHSC冷媒と水冷媒とを分離させる。水冷媒と分離されたHSC冷媒のガスを熱源サイクル10に戻すことにより、熱源サイクル10に水冷媒が混入することによるサイクル効率の低下、破損および錆の発生などを未然に防止する。
混合室35から分離室36へと流入した液は、分離室36内で密度差に基づいて、HSC冷媒ガス、水冷媒(液)、およびHSC冷媒の液に分離される。
水流出口362は、分離室36内の下部に配置することが好ましい。本実施形態の水流出口362は、タンク31の側方から分離室36内に引き込まれて下方へと向けて屈曲した配管WOUTの下端に位置し、底311に向けて開口する。
配管WOUTの取り回しは任意である。例えば、配管WOUTをタンク31の下方から分離室36内に引き込むこともできる。
一方、区分壁32により混合室35が分離室36に対して隔てられているので、HSC流入口351から混合室35内に流入したHSC冷媒が、HSC流入口351と同じくタンク31内の下部に位置する水流出口362からすぐには出て行かず、混合室35において水冷媒と十分に混合される。
ガス溜空間37には、HSC冷媒のガスを熱源サイクル10へと流出させる配管HOUTの開口であるHSC流出口371が配置される。
HSC流出口371は、ガス溜空間37内の上部に配置されることが好ましい。
HSC流出口371は、タンク31の上方からガス溜空間37へと引き込まれる配管HOUTの下端に位置し、下方に向けて開口する。
HSC流出口371は、タンク31内の基準液位Lに対して十分に離間している。
配管HOUTの取り回しは任意である。例えば、配管HOUTをタンク31の側方からガス溜空間37に引き込むこともできる。
本実施形態の冷媒システム1による冷却作用について説明する。
まず、熱源サイクル10の作用について説明する。
熱源サイクル10の圧縮機11によりHSC冷媒が圧縮されると、HSC冷媒は高温・高圧に状態変化する。そして、第1熱交換器12によりHSC冷媒は外気へと放熱され、圧力を維持したまま凝縮する。その後、HSC冷媒は、減圧部14により減圧されることで低温・低圧の気液二相の状態となって直接接触熱交換器30へと流入する。
直接接触熱交換器30において、HSC冷媒はタンク31内の水冷媒と直接接触し、水冷媒に冷熱を伝える。これによってHSC冷媒が蒸発する。
蒸発したHSC冷媒ガスはタンク31内のガス溜空間37に溜まる。そこから配管HOUTを通じて取り出されたHSC冷媒が、熱源サイクル10の圧縮機11へと導入される。
以上の一連のプロセスが繰り返される。
ポンプ23により熱搬送サイクル20を循環される水冷媒は、直接接触熱交換器30においてHSC冷媒と直接接触する。それによって温度が低下した水冷媒は、第2熱交換器21まで搬送される。そして、第2熱交換器21において水冷媒が室内空気から吸熱することで、室内空気が冷却される。その後、水冷媒は直接接触熱交換器30へと流入する。
以上の一連のプロセスが繰り返される。
混合室35内の下部に位置するHSC流入口351から、気液二相のHSC冷媒が混合室35内に上方に向けて流入する。そして、HSC冷媒のガスは、混合室35内に貯留された液中を浮上しつつ拡散される。その過程で、HSC冷媒のガスと水冷媒とが混合し、十分に直接接触する。HSC冷媒の一部のガスは、液面を脱してガス溜空間37に溜まる。
一方、HSC冷媒の液も、混合室35内の水冷媒と混合されることで、水冷媒と十分に直接接触する。それによってガス化したHSC冷媒も、上記同様、液中で拡散されながら、水冷媒と十分に直接接触する。
また、HSC流入口351から流入したHSC冷媒の流れが、HSC流入口351に面して設けられた抵抗板33により圧力損失を生じる。このため、HSC冷媒を上方へとゆっくりと流動させながら水冷媒とより十分に接触させることができる。
その混合室35内の液を分離室36へと移動させ、分離室36において、HSC冷媒のガスと、水冷媒と、HSC冷媒の液とに、相互の密度差によって分離させる。
本実施形態のHSC流出口371はガス溜空間37内の最も上部に位置するので、HSC流出口371から流出するHSC冷媒のガスは、飽和水蒸気圧レベルまでしか水冷媒を含有しない。
HSC冷媒のGWPは4〜2300である。一方、水冷媒のGWPは0である。GWPが顕著に低い水冷媒と、HSC冷媒とを併用することにより、「5」程度の非常に低いGWPを実現することができる。
したがって、HSC冷媒の燃焼性を問わず、室内における燃焼のリスクを抑えることができる。
本発明の冷媒システムの機器構成は任意であり、例えば、直接接触熱交換器30において熱交換により冷却された水冷媒が分配される複数の室内機1Bを備えるものとしてもよい。その場合、各室内機1Bに分配可能な能力の1台のポンプ23を室内機1Bの外に配置することが経済上好ましい。
本発明における第1冷媒および第2冷媒には、極端に沸点が相違する任意の冷媒、すなわち非共沸の冷媒を用いることができる。例えば、第1冷媒がプロパンで第2冷媒が水冷媒、第1冷媒が二酸化炭素で第2冷媒が水冷媒、第1冷媒がアンモニアで第2冷媒が水冷媒、など種々の冷媒の組み合わせを採用できる。
また、第2冷媒としては、水冷媒に限らず、例えばブラインを用いることも許容される。ブラインとして、エチレングリコール、あるいはプロプレングリコールを主成分とするものを例示できる。
そして、本発明の直接接触熱交換器および冷媒システムは、空気調和機に限らず、冷凍庫、給湯機、チラーなどに適用することもできる。
1A 室外機
1B 室内機
2 冷媒システム
3 冷媒システム
10 熱源サイクル(ヒートポンプサイクル)
11 圧縮機
12 第1熱交換器
13 第1送風機
14 減圧部
20 熱搬送サイクル
21 第2熱交換器
22 第2送風機
23 ポンプ
30 直接接触熱交換器
31 タンク
32 区分壁
32A 上端
33 抵抗板
35 混合室
36 分離室
37 ガス溜空間
311 底
312 周壁
313 蓋
320 連通孔
351 HSC流入口(第1冷媒流入口)
352 水流入口
362 水流出口
371 HSC流出口
HIN 配管
HOUT 配管
L 基準液位
WIN 配管
WOUT 配管
Claims (4)
- ヒートポンプサイクルを循環する第1冷媒と、熱利用に供される第2冷媒とを直接接触させる直接接触熱交換器であって、
前記第1冷媒および前記第2冷媒が混合される混合室と、
前記第1冷媒および前記第2冷媒が分離される分離室と、を備え、
前記混合室では、貯留される液の液位よりも下方に位置する第1冷媒流入口を介して前記第1冷媒が液中に流入し、
前記混合室と前記分離室とは、前記第1冷媒流入口よりも上方で連通する、
ことを特徴とする直接接触熱交換器。 - 前記第2冷媒は、水である、
請求項1に記載の直接接触熱交換器。 - 第1冷媒を圧縮する圧縮機、前記第1冷媒と熱源との間の熱交換を行う第1熱交換器、および前記第1冷媒の圧力を減圧させる減圧部を含んで構成されるヒートポンプサイクルと、
第2冷媒と熱負荷との間の熱交換を行う第2熱交換器、および前記第2冷媒を圧送するポンプを含んで構成される熱搬送サイクルと、
前記ヒートポンプサイクルを流れる前記第1冷媒、および前記熱搬送サイクルを流れる前記第2冷媒を直接接触させる請求項1または2に記載の直接接触熱交換器と、を備え、
前記第1熱交換器は、凝縮器として機能し、
前記第2熱交換器は、蒸発器として機能する、
ことを特徴とする冷媒システム。 - 空気調和機として構成され、
前記第2熱交換器は、室内に設置され、
前記直接接触熱交換器から前記第2熱交換器へと前記第2冷媒が流れる経路、および前記第2熱交換器から前記直接接触熱交換器へと前記第2冷媒が流れる経路が室内を通り、
前記第2冷媒は、水である、
請求項3に記載の冷媒システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013201787A JP6125391B2 (ja) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | 直接接触熱交換器および冷媒システム |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013201787A JP6125391B2 (ja) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | 直接接触熱交換器および冷媒システム |
Publications (2)
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JP (1) | JP6125391B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3502587A4 (en) * | 2017-02-21 | 2020-02-12 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | REFRIGERANT FLUID SYSTEM PROVIDED WITH A DIRECT CONTACT HEAT EXCHANGER, AND CONTROL METHOD OF REFRIGERANT FLUID SYSTEM |
-
2013
- 2013-09-27 JP JP2013201787A patent/JP6125391B2/ja active Active
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3502587A4 (en) * | 2017-02-21 | 2020-02-12 | Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Ltd. | REFRIGERANT FLUID SYSTEM PROVIDED WITH A DIRECT CONTACT HEAT EXCHANGER, AND CONTROL METHOD OF REFRIGERANT FLUID SYSTEM |
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