JP2016044964A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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尭宏 松浦
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伊織 丸橋
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道美 日下
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Abstract

【課題】冷凍サイクル装置において、除霜に伴う熱損失を低減する冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】蒸発器21、圧縮機22、凝縮器23、及び送り路3を有し、常温における飽和蒸気圧が負圧である流体を主成分として含む冷媒が循環するように構成されている主回路20と、吸熱熱交換器42を有する吸熱循環路40と、放熱熱交換器52を有する放熱循環路50と、吸熱循環路40の流体と、放熱循環路50の流体とを間接的に熱交換させる内部熱交換器6と、吸熱バイパス流路70と放熱バイパス流路との少なくとも一方と、吸熱バイパス流路70における流体の流量を調整する吸熱流量調整機構75と放熱バイパス流路における流体の流量を調整する放熱流量調整機構との少なくとも一方とを備える。
【選択図】図1

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。
従来、冷凍サイクル装置の冷媒として、特定フロン又は代替フロンなどのハロゲン化炭化水素が広く使用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層の破壊又は地球温暖化を引き起こすという問題を有する。そこで、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた冷凍サイクル装置が提案されている。
特許文献1には、図10に示すように、密閉系の水冷媒冷凍機300が開示されている。この水冷媒冷凍機300は、蒸発器316と、凝縮器318と、連結配管319と、圧縮機320とで構成されている。凝縮器318は、連結配管317によって蒸発器316に連結されている。連結配管319は、蒸発器316と凝縮器318とを接続している。圧縮機320は、連結配管319に設けられている。蒸発器316は、例えば、シェルアンドチューブ蒸発器で構成され、円筒胴の内部に多数の冷却管が設けられている。円筒胴の内部では、水冷媒の液と蒸気が分離され、分離された蒸気は圧縮機320に吸い込まれる。冷却管は水冷媒液に浸されている。冷却管の内部にブライン又は水が流されている。水冷媒の蒸発潜熱によって冷却管の内部を流れるブライン又は水が冷却される。
特許文献2には、図11に示すように、例えば、水、アルコール、又はエーテルを主成分とする冷媒が用いられる空気調和装置500が開示されている。空気調和装置500は、冷媒回路502と、第1循環路504と、第2循環路505とを備えている。冷媒回路502は、蒸発器525、蒸気経路502a、凝縮器523、及び液経路502bで構成されている。蒸気経路502aには、第1圧縮機521及び第2圧縮機522が設けられている。第1循環路504の両端は蒸発器525に接続され、第2循環路505の両端は凝縮器523に接続されている。第1循環路504は、蒸発器525に貯留された冷媒液を室内熱交換器531(第1熱交換器)を経由して循環させ、第2循環路505は、凝縮器523に貯留された冷媒液を室外熱交換器533(第2熱交換器)を経由して循環させる。
第1循環路504には、室内熱交換器531よりも上流側に第1ポンプ540が設けられている。第2循環路505には、室外熱交換器533よりも上流側に第2ポンプ550が設けられている。第1循環路504における第1ポンプ540と室内熱交換器531との間の部分は、第2循環路505における第2ポンプ550と室外熱交換器533との間の部分と交わっており、その交わった位置に第1四方弁561が設けられている。さらに、第1循環路504における室内熱交換器531と蒸発器525との間の部分は、第2循環路505における室外熱交換器533と凝縮器523との間の部分と交わっており、その交わった位置に第2四方弁562が設けられている。第1四方弁561及び2四方弁562の状態が切り替えられることで空気調和装置500において暖房運転及び冷房運転が行われる。
特許第4454456号公報 国際公開第2012/147366号
特許文献1及び特許文献2では、冷凍サイクル装置における吸熱側の熱交換器に付着した霜を除去する除霜に関し、具体的な検討はなされていない。そこで、本開示は、常温における飽和蒸気圧が負圧である流体を主成分として含む冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、除霜に伴う熱損失を低減することを目的とする。
本開示にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒が循環する第1循環路と、
前記冷媒が循環する第2循環路と、
前記冷媒が循環する第3循環路と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第1循環路上及び前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を加熱する第1熱交換器と、
前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第1ポンプと、
前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を冷却する第2熱交換器と、
前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第2ポンプと、を備え、
前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
前記第2循環路は、第1の部位と第2の部位とを含み、前記第2の部位は、前記第1の部位と前記冷媒が前記蒸発器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記第3循環路は、第3の部位と第4の部位とを含み、前記第4の部位は、前記第3の部位と前記冷媒が前記凝縮器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1の部位と前記第2の部位とを接続し、前記第1の部位から前記第2の部位に前記冷媒を流す第1バイパス流路、及び前記第3の部位と前記第4の部位とを接続し、前記第3の部位から前記第4の部位に前記冷媒を流す第2バイパス流路の少なくともいずれか1つと、
前記第1バイパス流路上及び前記第3循環路上、
前記第2循環路上及び前記第2バイパス流路上、又は
前記第1バイパス流路上及び前記第2バイパス流路上に配置される第3熱交換器と、をさらに備え、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第2循環路中において前記第1の部位から前記第2の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する、第1調整機構、及び
前記第2バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第3循環路中において前記第3の部位から前記第4の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する、第2調整機構の少なくともいずれか1つ、をさらに備えたものである。
本開示の冷凍サイクル装置によれば、除霜に伴う熱損失を低減できる。
第1実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第2実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 変形例に係る冷凍サイクル装置の構成図 別の変形例に係る冷凍サイクル装置の構成図 第3実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第4実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第5実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 図7のエジェクタの構造を示す断面図 第6実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 第6実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 従来の水冷媒冷凍機の構成図 従来の空気調和装置の構成図
冷凍サイクル装置の冷媒には、冷媒成分以外の添加剤が含まれることがある。例えば、常温(日本工業規格:20℃±15℃/JIS Z8703)における飽和蒸気圧が負圧である水を冷媒成分として含む冷媒には、水の凍結を防止するための添加剤が含まれることがある。この場合、冷媒成分の温度が氷点下となる条件でも、冷凍サイクル装置の運転が可能である。
例えば、暖房運転している空気調和装置の室外熱交換器が低温の外気に曝されている状態のように、冷凍サイクル装置の吸熱側の熱源が低温の空気である運転条件では、吸熱側の熱交換器に霜が付着する可能性がある。このことは、常温における飽和蒸気圧が負圧である流体を主成分として含む冷媒を用いた冷凍サイクル装置にもあてはまる。なぜなら、このような冷凍サイクル装置において、上記の通り、冷媒成分の温度が氷点下になる可能性があるからである。
特許文献1に記載の水冷媒冷凍機300では、例えば、圧縮機320を逆回転させて、吸熱側の熱交換器に供給されるブラインの温度を除霜に必要な温度以上に上昇させて除霜を行うことが考えられる。また、特許文献2に記載の空気調和装置500では、例えば、第1四方弁561及び第2四方弁562による切り替えによって凝縮器523の内部の高温の冷媒液を吸熱側の熱交換器に供給して除霜を行うことが考えられる。これらの方法では、本来高温に保たれるべき冷媒又はブラインから除霜に必要な熱量を大幅に上回る熱量が吸熱側の熱交換器へ移動して、多大な熱損失が発生する可能性がある。なお、この知見は、本発明者らの検討に基づくものであり、これらの方法が先行技術であることを認めるものではない。
本開示の第1態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒が循環する第1循環路と、
前記冷媒が循環する第2循環路と、
前記冷媒が循環する第3循環路と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第1循環路上及び前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を加熱する第1熱交換器と、
前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第1ポンプと、
前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を冷却する第2熱交換器と、
前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第2ポンプと、を備え、
前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
前記第2循環路は、第1の部位と第2の部位とを含み、前記第2の部位は、前記第1の部位と前記冷媒が前記蒸発器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記第3循環路は、第3の部位と第4の部位とを含み、前記第4の部位は、前記第3の部位と前記冷媒が前記凝縮器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1の部位と前記第2の部位とを接続し、前記第1の部位から前記第2の部位に前記冷媒を流す第1バイパス流路、及び前記第3の部位と前記第4の部位とを接続し、前記第3の部位から前記第4の部位に前記冷媒を流す第2バイパス流路の少なくともいずれか1つと、
前記第1バイパス流路上及び前記第3循環路上、
前記第2循環路上及び前記第2バイパス流路上、又は
前記第1バイパス流路上及び前記第2バイパス流路上に配置される第3熱交換器と、をさらに備え、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第2循環路中において前記第1の部位から前記第2の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する、第1調整機構、及び
前記第2バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第3循環路中において前記第3の部位から前記第4の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する、第2調整機構の少なくともいずれか1つ、をさらに備えたものである。
第1態様によれば、除霜運転を行うときに、第2循環路(吸熱循環路)において第1熱交換器(吸熱熱交換器)の入口よりも上流を流れている冷媒が、第3熱交換器(内部熱交換器)において、第3循環路(放熱循環路)を流れている冷媒により加熱される。その後、加熱された冷媒が第1熱交換器(吸熱熱交換器)に供給されることによって、第1熱交換器(吸熱熱交換器)に付着している霜が溶かされて除去される。すなわち、第1態様によれば、第1熱交換器(吸熱熱交換器)の除霜を行うことができる。また、第1バイパス流路(吸熱バイパス流路)と第2バイパス流路(放熱バイパス流路)との少なくとも一方と、第1調整機構(吸熱流量調整機構)と第2調整機構(放熱流量調整機構)との少なくとも一方とを備えている。これにより、第1熱交換器(吸熱熱交換器)に供給される冷媒に第3熱交換器(内部熱交換器)において付与される熱量を除霜に必要な適切な量に調整できる。これにより、除霜に伴う熱損失を低減できる。
第2態様において、例えば、第1態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、前記第2の部位は、前記冷媒が前記凝縮器から流出し、前記第2熱交換器に流入するまでの間に位置してもよい。第2態様によれば、第3循環路(放熱循環路)を流れている、第2熱交換器(放熱熱交換器)で放熱する前の冷媒が第3熱交換器(内部熱交換器)に供給されるので、第3熱交換器(内部熱交換器)において熱交換する2つの流体の温度の差が大きい。このため、第3熱交換器(内部熱交換器)を小型化できる。
第3態様において、例えば、第2態様にかかる冷凍サイクル装置の前記第4の部位は、前記冷媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置してもよい。第3態様によれば、第2バイパス流路(放熱バイパス流路)において第3熱交換器(内部熱交換器)を通過した冷媒が第2熱交換器(放熱熱交換器)を通過することなく凝縮器に戻る。このため、第2バイパス流路(放熱バイパス流路)における流体の流れの圧力損失が低減され、必要な投入動力も低減される。その結果、冷凍サイクル装置の性能が向上する。
第4態様において、例えば、第1態様〜第3態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、前記第3の部位は、前記冷媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置してもよい。第4態様によれば、第3循環路(放熱循環路)を流れている、第2熱交換器(放熱熱交換器)で放熱した後の冷媒が、第3熱交換器(内部熱交換器)に供給されるので、除霜を行うときでも、第2熱交換器(放熱熱交換器)に供給される流体の温度を高く維持することができる。このため、除霜を行うときに第2熱交換器(放熱熱交換器)の性能が維持されやすい。
第5態様において、例えば、第1態様〜第4態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置の前記第1ポンプは、前記冷媒が前記蒸発器から流出し、前記第1熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第2循環路は、第5の部位と第6部位とを含み、前記第5の部位は、前記冷媒が前記蒸発器から流出し、前記第1のポンプに流入するまでの間に位置し、前記第6の部位は前記冷媒が前記第1熱交換器から流出し、前記蒸発器に流入するまでの間に位置し、前記冷凍サイクル装置は、前記第5の部位と前記第6の部位とを接続し、前記第5の部位から前記第6の部位に前記冷媒を流す第3バイパス流路と、前記第3バイパス流路を流れる前記冷媒の量と前記第2循環路中において前記第5の部位から前記第6の部位に流れる前記冷媒の量との比を調整する第3調整機構と、をさらに備えていてもよい。
第5態様によれば、除霜を行うときに、第1熱交換器(吸熱熱交換器)を通過した流体を第3バイパス流路(蒸発器バイパス流路)によって蒸発器をバイパスさせて第1ポンプ(第一送液機)の入口より上流で第2循環路(吸熱循環路)に供給できる。このため、除霜を行うときに第1熱交換器(吸熱熱交換器)を通過した流体によって蒸発器の内部の冷媒の温度が上昇することを防止できる。また、除霜に用いられた流体を、その温度が比較的高く保たれた状態で第一送液機の入口より上流で第2循環路(吸熱循環路)に再度供給することができる。これにより、除霜に伴う熱損失を小さくでき、除霜に要する時間を短縮できる。また、除霜を行った後で通常の運転に復帰するのに要する時間を短縮できる。
第6態様において、例えば、第1態様〜第5態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第1バイパス流路、前記第1調整機構、前記第2バイパス流路、及び前記第2調整機構と、を備えていてもよい。第6態様によれば、除霜を行わないときに、第2循環路(吸熱循環路)において第3熱交換器(内部熱交換器)を通過させないで流体を第1熱交換器(吸熱熱交換器)に供給でき、かつ、第3循環路(放熱循環路)において第3熱交換器(内部熱交換器)を通過させないで流体を凝縮器に戻すことができる。これにより、除霜を行わないときに、第2循環路(吸熱循環路)における流体の流れ及び第3循環路(放熱循環路)における流体の流れの圧力損失が低減され、第1ポンプ(第一送液機)及び第2ポンプ(第二送液機)に要求される動力が低減される。その結果、冷凍サイクル装置の性能が向上する。
第7態様において、例えば、第1態様〜第6態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記第3循環路を流れる液相の前記冷媒を駆動流として用いることで前記第1循環路を流れる圧縮された気相の前記冷媒を吸引するエジェクタをさらに備えていてもよい。
第7態様によれば、駆動流を形成している液相の冷媒が、エジェクタにおいて霧状に噴射された状態で、圧縮機で圧縮された気相の冷媒と接触する。これにより、エジェクタが高い凝縮性能を発揮する。その結果、凝縮器を小型化できる。
第8態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒が循環する第1循環路と、
第1熱媒が循環する第2循環路と、
第2熱媒が循環する第3循環路と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第1循環路上及び前記第2循環路上に配置され、第1熱媒の熱を前記冷媒に伝達し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記冷媒の熱を前記第2熱媒に伝達し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記第2循環路上に配置され、前記第1熱媒を加熱する第1熱交換器と、
前記第2循環路上に配置され、前記第1熱媒を循環させる第1ポンプと、
前記第3循環路上に配置され、前記第2熱媒を冷却する第2熱交換器と、
前記第3循環路上に配置され、前記第2熱媒を循環させる第2ポンプと、を備え、
前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
前記第2循環路は、第1の部位と第2の部位とを含み、前記第2の部位は、前記第1の部位と前記第1熱媒が前記蒸発器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記第3循環路は、第3の部位と第4の部位とを含み、前記第4の部位は、前記第3の部位と前記第2熱媒が前記凝縮器に流入するまでの部位との間に位置し、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1の部位と前記第2の部位とを接続し、前記第1の部位から前記第2の部位に前記第1熱媒を流す第1バイパス流路、及び前記第3の部位と前記第4の部位とを接続し、前記第3の部位から前記第4の部位に前記第2熱媒を流す第2バイパス流路の少なくともいずれか1つと、
前記第1バイパス流路上及び前記第3循環路上、
前記第2循環路上及び前記第2バイパス流路上、又は
前記第1バイパス流路上及び前記第2バイパス流路上に配置される第3熱交換器と、をさらに備え、
前記冷凍サイクル装置は、
前記第1バイパス流路を流れる前記第1熱媒の量、及び前記第2循環路中において前記第1の部位から前記第2の部位に流れる前記第1熱媒の量の比を調整する、第1調整機構、及び
前記第2バイパス流路を流れる前記第2熱媒の量、及び前記第3循環路中において前記第3の部位から前記第4の部位に流れる前記第2熱媒の量の比を調整する、第2調整機構の少なくともいずれか一つ、をさらに備えたものである。
第8態様によれば、第1態様の同様の効果を奏することができる。
第9態様において、例えば、第8態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、前記第2の部位は、前記第2熱媒が前記凝縮器から流出し、前記第2熱交換器に流入するまでの間に位置していてもよい。第9態様によれば、第2態様と同様の効果を奏することができる。
第10態様において、例えば、第9態様にかかる冷凍サイクル装置の前記第4の部位は、前記第2熱媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置していてもよい。第10態様によれば、第3態様と同様の効果を奏することができる。
第11態様において、例えば、第8態様〜第10態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、前記第3の部位は、前記第2熱媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置していてもよい。第11態様によれば、第4態様と同様の効果を奏することができる。
第12態様において、例えば、第8態様〜第11態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置の前記第1ポンプは、前記第1熱媒が前記蒸発器から流出し、前記第1熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第2循環路は、第5の部位と第6部位とを含み、前記第5の部位は、前記第1熱媒が前記蒸発器から流出し、前記第1のポンプに流入するまでの間に位置し、前記第6の部位は前記第1熱媒が前記第1熱交換器から流出し、前記蒸発器に流入するまでの間に位置し、前記冷凍サイクル装置は、前記第5の部位と前記第6の部位とを接続し、前記第5の部位から前記第6の部位に前記第1熱媒を流す第3バイパス流路と、前記第3バイパス流路を流れる前記第1熱媒の量と前記第2循環路中において前記第5の部位から前記第6の部位に流れる前記第1熱媒の量との比を調整する第3調整機構と、をさらに備えていてもよい。第12態様によれば、第5態様と同様の効果を奏することができる。
第13態様において、例えば、第8態様〜第12態様のいずれか1つにかかる冷凍サイクル装置は、前記第1バイパス流路、前記第1調整機構、前記第2バイパス流路、及び前記第2調整機構とを備えたものである。第13態様によれば、第6態様と同様の効果を奏することができる。
第14態様にかかる冷凍サイクル装置は、
冷媒が循環する第1循環路と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
第1四方弁と、
第2四方弁と、
前記蒸発器の一部と前記四方弁の一部とを接続する第1流路と、
前記第1四方弁の一部と、前記第2四方弁の一部とを接続する第2流路と、
前記第2四方弁の一部と前記第1循環路の一部とを接続する第3流路と、
前記凝縮器の一部と前記第1四方弁の一部とを接続する第4流路と、
前記第1四方弁の一部と前記第2四方弁の一部とを接続する第5流路と、
前記第2四方弁の一部と前記凝縮器の一部とを接続する第6流路と、
前記第4流路の一部と、前記凝縮器の一部とを接続する第7流路と、
前記第2流路上に配置された第1熱交換器と、
前記第5流路上に配置された第2熱交換器と、
前記第1流路上及び前記第7流路上に配置された第3熱交換器と、
前記第6流路を流れる前記冷媒の量と前記第7流路を流れる前記冷媒の量との比を調整する調整機構と、を備え、
前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
前記冷凍サイクル装置は第1の状態であるときに、
前記第1の四方弁は、前記第1流路及び前記第2流路、及び前記第4流路及び第5流路を接続し、
前記第2四方弁は、前記第3流路及び前記第2流路、及び前記第5流路及び前記第6流路とを接続し、
前記冷凍サイクル装置は第2の状態であるときに、
前記第1四方弁は、前記第1流路及び前記第5流路、及び前記第2流路及び第4流路を接続し、
前記第2四方弁は、前記第3流路及び前記第5流路、及び前記第2流路及び前記第6流路とを接続する、ものである。
第14態様によれば、第1四方弁及び第2四方弁(切替機構)によって、第1の状態と第2の状態とを切り替えることができる。これにより、必要に応じて、蒸発器に貯留された冷媒を第1熱交換器又は第2熱交換器に選択的に供給することができ、かつ、凝縮器に貯留された冷媒を第1熱交換器又は第2熱交換器に選択的に供給することができる。また、第1状態と第2状態とを切り替えることなく、除霜を行うことができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらに限定されるものではない。
<第1実施形態>
図1に示すように、冷凍サイクル装置1aは、主回路20(第1循環路)と、吸熱循環路40(第2循環路)と、放熱循環路50(第3循環路)と、内部熱交換器6(第3熱交換器)と、吸熱バイパス流路70(第1バイパス流路)と、吸熱流量調整機構75(第1調整機構)とを備えている。主回路20は、蒸発器21、圧縮機22、凝縮器23、及び送り路3を有し、蒸発器21、圧縮機22、及び凝縮器23の順に冷媒が循環するように構成されている。主回路20の内部には冷媒が充填されており、主回路20の内部は大気圧よりも低い負圧状態になっている。冷媒は、水又はアルコールなどの常温における飽和蒸気圧が負圧である流体を主成分として含む。本明細書において「主成分」とは、重量基準で最も多く含まれる成分を意味する。冷媒は、凍結防止剤などの成分を含んでいてもよい。なお、本明細書において、「流量」とは特に説明しない限り、「質量流量」を意味するものとする。図1において矢印は流体が流れる方向を示している。冷凍サイクル装置1aは、例えば、空気調和装置を形成する。
蒸発器21は、冷媒を貯留するとともに冷媒を蒸発させる。蒸発器21は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する中空の容器によって形成されている。蒸発器21の内部には、液相の冷媒が貯留されている。蒸発器21において、液相の冷媒が蒸発することによって気相の冷媒が発生する。蒸発器21は、蒸気路2を形成する配管によって圧縮機22の入口側に接続されている。蒸発器21で発生した気相の冷媒は、圧縮機22に吸入される。圧縮機22は、蒸発器21から吸入された気相の冷媒を圧縮する。圧縮機22は、例えば、軸流式又は遠心式のターボ型圧縮機である。圧縮機22の出口側は、蒸気路2を形成する配管によって凝縮器23に接続されている。凝縮器23は、圧縮機22で圧縮された気相の冷媒を凝縮させるとともに冷媒を貯留する。凝縮器23は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する中空の容器によって形成されている。凝縮器23の内部には、液相の冷媒が貯留されている。送り路3の一端は、凝縮器23に接続され、送り路3の他端は蒸発器21に接続されている。凝縮器23の内部に貯留された液相の冷媒は、送り路3を通過して蒸発器21に供給される。すなわち、送り路3は、液相の冷媒を凝縮器23から蒸発器21に送るための流路である。
吸熱循環路40は、第一送液機41(第1ポンプ)及び吸熱熱交換器42(第1熱交換器)を有する。吸熱循環路40は、蒸発器21に貯留された冷媒又は蒸発器21において冷媒と間接的に熱交換した吸熱伝熱媒体(第1熱媒)が吸熱熱交換器42に供給されて蒸発器21に戻るように蒸発器21に接続されている。第一送液機41の働きによって、吸熱熱交換器42に供給されて蒸発器21に戻るように吸熱循環路40を流体が流れる。吸熱循環路40における流体の流れ方向において第一送液機41は、吸熱熱交換器42の入口より上流に配置されている。第一送液機41は、流体の流れ方向において吸熱熱交換器42の出口より下流に配置されていてもよい。吸熱熱交換器42は、例えば、吸熱循環路40を流れる流体と室外空気とを熱交換させる、フィンチューブ型の熱交換器である。吸熱熱交換器42において、例えば、室外空気と熱交換することにより吸熱循環路40を流れる流体が吸熱する。吸熱した流体が蒸発器21に戻されることによって、蒸発器21の内部の液相の冷媒が蒸発する。蒸発器21の内部で液相の冷媒が蒸発するときの潜熱によって液相の冷媒が冷却される。
蒸発器21は、例えば、主回路20を循環する流体と吸熱循環路40を循環する流体とが直接接触する直接接触式の熱交換器として形成されている。この場合、吸熱循環路40は、蒸発器21に貯留された冷媒が吸熱熱交換器42に供給されて蒸発器21に戻るように蒸発器21に接続されている。この場合、蒸発器21における熱損失が少ないので、蒸発器21を小型化できる。
蒸発器21は、主回路20を循環する流体と吸熱循環路40を循環する流体とが壁を介して間接的に接触する間接接触式の熱交換器として形成されていてもよい。この場合、吸熱循環路40は、蒸発器21において冷媒と間接的に熱交換した吸熱伝熱媒体が吸熱熱交換器42に供給されて蒸発器21に戻るように蒸発器21に接続されている。この場合、吸熱伝熱媒体及び冷媒にそれぞれ異なる特性を持たせることができる。このため、吸熱循環路40を流れる流体として望ましい特性を吸熱伝熱媒体に持たせることができ、主回路20を流れる流体として望ましい特性を冷媒に持たせることができる。間接接触式の熱交換器としては、例えば、シェルチューブ型の熱交換器を用いることができる。この場合、蒸発器21は、シェル及びチューブを有する。シェルの内側の面とチューブの外側の面との間の空間によって冷媒を貯留するための空間が形成される。チューブは、吸熱循環路40を循環する流体である吸熱伝熱媒体の流路を形成する。チューブの少なくとも一部は、蒸発器21の内部に貯留された液相の冷媒に浸っており、吸熱伝熱媒体がチューブの内部を流れることによって、蒸発器21の内部に貯留されている液相の冷媒と熱交換する。例えば、チューブの一端が吸熱循環路40の一端につながっており、チューブの他端が吸熱循環路40の他端につながるように、吸熱循環路40が蒸発器21に接続されている。
放熱循環路50は、第二送液機51(第2ポンプ)及び放熱熱交換器52(第2熱交換器)を有する。放熱循環路50は、凝縮器23に貯留された冷媒又は凝縮器23において冷媒と間接的に熱交換した放熱伝熱媒体(第2熱媒)が放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように凝縮器23に接続されている。第二送液機51の働きによって、放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように放熱循環路50を流体が流れる。放熱循環路50における流体の流れ方向において第二送液機51は、放熱熱交換器52の入口より上流に配置されている。第二送液機51は、流体の流れ方向において放熱熱交換器52の出口より下流に配置されていてもよい。放熱熱交換器52は、例えば、放熱循環路50を流れる流体と室内空気とを熱交換させる、フィンチューブ型の熱交換器である。放熱熱交換器52において、例えば、室内空気との熱交換により放熱循環路50を流れる流体が放熱する。放熱した流体が凝縮器23に戻されることによって、圧縮機22から凝縮器23に供給された気相の冷媒が冷却され凝縮する。
凝縮器23は、例えば、主回路20を循環する流体と放熱循環路50を循環する流体とが直接接触する直接接触式の熱交換器として形成されている。この場合、放熱循環路50は、凝縮器23に貯留された冷媒が放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように凝縮器23に接続されている。この場合、凝縮器23における熱損失が少ないので、凝縮器23を小型化できる。
凝縮器23は、主回路20を循環する流体と放熱循環路50を循環する流体とが壁を介して間接的に接触する間接接触式の熱交換器として形成されていてもよい。この場合、放熱循環路50は、凝縮器23において冷媒と間接的に熱交換した放熱伝熱媒体が放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように凝縮器23に接続されている。この場合、放熱伝熱媒体及び冷媒にそれぞれ異なる特性を持たせることができる。このため、放熱循環路50を流れる流体として望ましい特性を放熱伝熱媒体に持たせることができ、主回路20を流れる流体として望ましい特性を冷媒に持たせることができる。間接接触式の熱交換器としては、例えば、シェルチューブ型の熱交換器を用いることができる。この場合、凝縮器23は、シェル及びチューブを有する。シェルの内側の面とチューブの外側の面との間の空間によって冷媒を貯留するための空間が形成される。チューブは、放熱循環路50を循環する流体である放熱伝熱媒体の流路を形成する。チューブの少なくとも一部は、凝縮器23の内部に貯留された液相の冷媒に浸っており、放熱伝熱媒体がチューブの内部を流れることによって、凝縮器23の内部に貯留されている液相の冷媒と熱交換する。例えば、チューブの一端が放熱循環路50の一端につながっており、チューブの他端が放熱循環路50の他端につながるように、放熱循環路50が凝縮器23に接続されている。
内部熱交換器6は、吸熱循環路40において吸熱熱交換器42の入口よりも上流を流れている冷媒又は吸熱伝熱媒体の少なくとも一部と、放熱循環路50を流れている冷媒又は放熱伝熱媒体の少なくとも一部とを間接的に熱交換させるための熱交換器である。内部熱交換器6は、間接接触式の熱交換器であれば特に限定されないが、例えば、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。内部熱交換器6は、吸熱バイパス流路70及び放熱循環路50に設けられている。
吸熱バイパス流路70は、吸熱熱交換器42の入口より上流に位置する分岐位置45aで吸熱循環路40から分岐して内部熱交換器6を貫いて吸熱循環路40における分岐位置45aと吸熱熱交換器42の入口との間の合流位置45bまで延びている。このように、吸熱循環路40は、内部熱交換器6を通過した冷媒又は吸熱伝熱媒体が吸熱熱交換器42に供給されるように形成されている。分岐位置45aは、吸熱循環路40において、第一送液機41の出口より下流側に位置している。また、放熱循環路50は、内部熱交換器6を貫いて延びている。内部熱交換器6は、放熱循環路50において、第二送液機51の出口と放熱熱交換器52の入口との間に配置されている。
吸熱流量調整機構75は、吸熱バイパス流路70における冷媒又は吸熱伝熱媒体の流量及び吸熱循環路40の分岐位置45aと合流位置45bとの間の部分における冷媒又は吸熱伝熱媒体の流量を調整する。吸熱流量調整機構75は、例えば、吸熱バイパス弁75a及び吸熱主流弁75bを含む。吸熱バイパス弁75aは、吸熱バイパス流路70に配置されている。吸熱主流弁75bは、吸熱循環路40における分岐位置45aと合流位置45bとの間の部分に配置されている。吸熱バイパス弁75aは、例えば、電磁弁などの仕切弁又は電動弁などの開度が調整可能な流量調整弁である。吸熱主流弁75bは、例えば、電磁弁などの仕切弁又は電動弁などの開度が調整可能な流量調整弁である。DSP(Digital Signal Processor)などの制御器(図示省略)によって、吸熱バイパス弁75aの開閉又は吸熱バイパス弁75aの開度の調節、及び、吸熱主流弁75bの開閉又は吸熱主流弁75bの開度の調節が行われる。これにより、吸熱バイパス流路70を流れる流体の流量が調整される。吸熱バイパス弁75a及び吸熱主流弁75bの一方が流量調整弁である場合、吸熱バイパス弁75a及び吸熱主流弁75bの他方は、オリフィスに置換されてもよい。また、吸熱流量調整機構75は、分岐位置45aに配置された三方弁を含んでいてもよい。この場合、吸熱バイパス弁75a及び吸熱主流弁75bは省略されてもよい。吸熱流量調整機構75に含まれる三方弁は、例えば、電動三方弁である。
次に、冷凍サイクル装置1aの動作について説明する。冷凍サイクル装置1aが通常運転を行うときに、吸熱バイパス流路70を流れる流体の流量がゼロ又は最小になるように、吸熱流量調整機構75が制御される。例えば、吸熱バイパス弁75aが閉じられ又は吸熱バイパス弁75aの開度が最小となるように吸熱バイパス弁75aが制御され、吸熱主流弁75bが開かれ又は吸熱主流弁75bが所定の開度となるように吸熱主流弁75bが制御される。これにより、内部熱交換器6では、ほとんど熱交換が発生せず、比較的低温の流体が吸熱熱交換器42に供給される。
吸熱熱交換器42が低温の外気に曝されると、吸熱熱交換器42に霜が付着する。これにより、吸熱熱交換器42の性能(熱交換量)が低下する。吸熱熱交換器42に霜が付着することによって吸熱熱交換器42の性能が所定のレベルよりも低下した場合、冷凍サイクル装置1aの運転は、吸熱熱交換器42の性能を回復させるために、通常運転から除霜運転に移行する。例えば、吸熱熱交換器42の入口における流体の温度、吸熱熱交換器42の出口における流体の温度、及び第一送液機41による送液量に基づいて吸熱熱交換器42の性能が算出される。算出された吸熱熱交換器42の性能が所定の閾値を下回ったときに冷凍サイクル装置1aの運転を、通常運転から除霜運転に移行させる。
冷凍サイクル装置1aが除霜運転を行うときに、吸熱バイパス流路70を流れる流体の流量が通常運転時におけるそれよりも増加し、かつ、吸熱循環路40の分岐位置45aと合流位置45bとの間の部分における流体の流量が通常運転時におけるそれよりも減少するように吸熱流量調整機構75が制御される。例えば、吸熱バイパス弁75aが開かれ又は吸熱バイパス弁75aの開度が増加するように吸熱バイパス弁75aが制御され、吸熱主流弁75bが閉じられ又は吸熱主流弁75bの開度が減少するように吸熱主流弁75bが制御される。これにより、内部熱交換器6において、熱交換が発生し、吸熱バイパス流路70を流れている流体が、放熱循環路50を流れている流体によって加熱される。これにより、比較的高温の流体が吸熱熱交換器42に供給され、吸熱熱交換器42に付着した霜が溶かされる。すなわち、吸熱熱交換器42に付着した霜が除去される。その結果、低下していた吸熱熱交換器42の性能が回復する。上記の方法により、算出された吸熱熱交換器42の性能が所定の閾値を上回ったとき、除霜運転が停止され、冷凍サイクル装置1aの運転は、通常運転に移行する。あるいは、冷凍サイクル装置1aは、除霜運転が所定期間継続された後に自動的に通常運転に移行するように運転されてもよい。この場合、冷凍サイクル装置1aが除霜運転を行う期間は、内部熱交換器6における熱交換量などの冷凍サイクル層1aの運転条件によって適宜定めることができる。
冷凍サイクル装置1aが除霜運転を行うときに、吸熱流量調整機構75によって、吸熱バイパス流路70を流れる流体の流量を調整することによって、内部熱交換器6において、吸熱熱交換器42に供給されるべき流体に付与される熱量を調整できる。このため、内部熱交換器6における熱交換量を吸熱熱交換器42の除霜に必要な適切な量に調整できる。これにより、吸熱熱交換器42の除霜に伴う熱損失を低減できる。
冷凍サイクル装置1aにおいて、吸熱循環路40と放熱循環路50とが互いに独立して形成されている。すなわち、冷凍サイクル装置1aは、吸熱循環路40としてのみ機能する流路と、放熱循環路50としてのみ機能する流路とを個別に備えている。このため、吸熱循環路40を循環する流体と、放熱循環路50を循環する流体とが混じり合うことがない。その結果、吸熱循環路40及び放熱循環路50において互いに異なる特性を有する流体を循環させることができる。例えば、吸熱循環路40を循環する流体は比較的低い温度になるので、凍結防止剤を比較的高い濃度で含んでいてもよい。これに対し、放熱循環路50における流体は、低い粘性を有するように、凍結防止剤を比較的低い濃度で含み、又は、凍結防止剤を含んでいなくてもよい。これにより、放熱循環路50において流体を循環させるのに必要な投入動力を低減できる。
除霜を行わないときに、吸熱循環路40において内部熱交換器6を通過させないで吸熱流量調整機構75によって流体を吸熱熱交換器42に供給できる。これにより、吸熱循環路40における流体の流れの圧力損失を低減でき、第一送液機41に要求される動力を低減できる。その結果、冷凍サイクル装置1aの性能が向上する。
(変形例)
冷凍サイクル装置1aは様々な観点から変更が可能である。例えば、冷凍サイクル装置1aは、チラー又は蓄熱システムを形成していてもよい。吸熱循環路40を流れている流体は、吸熱熱交換器42において、空気以外の気体と熱交換してもよい。また、放熱循環路50を流れている流体は、放熱熱交換器52において。空気以外の気体又は液体と熱交換してもよい。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係る冷凍サイクル装置1bについて説明する。冷凍サイクル装置1bは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1aと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1bの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1aの構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。また、第1実施形態における説明は、技術的に矛盾しない限り、第2実施形態にもあてはまる。このことは、後述する第3実施形態〜第6実施形態についても同様にあてはまる。
図2に示すように、冷凍サイクル装置1bにおいて、冷凍サイクル装置1aの吸熱バイパス流路70及び吸熱流量調整機構75が省略されている。代わりに、吸熱循環路40が内部熱交換器6を貫いて延びている。内部熱交換器6は、吸熱循環路40において、第一送液機41の出口と吸熱熱交換器42の入口との間に配置されている。このように、吸熱循環路40は、内部熱交換器6を通過した冷媒又は吸熱伝熱媒体が吸熱熱交換器42に供給されるように形成されている。
冷凍サイクル装置1bは、放熱バイパス流路80と、放熱流量調整機構85(第2調整機構)とを備えている。放熱バイパス流路80(第2バイパス流路)は、放熱循環路50から分岐して内部熱交換器6を貫いて延びている。放熱バイパス流路80は、放熱熱交換器52の入口より上流に位置する分岐位置55aで放熱循環路50から分岐している。このように、放熱バイパス流路80は、放熱循環路50における放熱熱交換器52の入口より上流を流れている冷媒又は放熱伝熱媒体が内部熱交換器6に供給されるように形成されている。冷凍サイクル装置1bが除霜運転を行うときに、放熱循環路50を流れている、放熱熱交換器52で放熱する前の冷媒又は放熱伝熱媒体が内部熱交換器6に供給されるので、内部熱交換器6おいて熱交換する2つの流体の温度の差が大きい。このため、内部熱交換器6を小型化でき、又は、冷凍サイクル装置1bが除霜運転を行う期間を短縮できる。また、放熱バイパス流路80は、分岐位置55aから、内部熱交換器6を貫いて、放熱循環路50において分岐位置55aより下流に位置する合流位置55bまで延びている。
放熱流量調整機構85は、放熱バイパス流路80における冷媒又は放熱伝熱媒体の流量及び放熱循環路50の放熱バイパス流路80が分岐している位置(分岐位置55a)より下流側の部分における冷媒又は放熱伝熱媒体の流量を調整する。放熱流量調整機構85は、例えば、放熱バイパス弁85a及び放熱主流弁85bを含む。放熱バイパス弁85aは、放熱バイパス流路80に配置されている。放熱主流弁85bは、放熱循環路50の分岐位置55aと合流位置55bとの間の部分に配置されている。放熱バイパス弁85aは、例えば、電磁弁などの仕切弁又は電動弁などの開度が調整可能な流量調整弁である。放熱主流弁85bは、例えば、電磁弁などの仕切弁又は電動弁などの開度が調整可能な流量調整弁である。DSP(Digital Signal Processor)などの制御器(図示省略)によって、放熱バイパス弁85aの開閉又は放熱バイパス弁85aの開度の調節、及び、放熱主流弁85bの開閉又は放熱主流弁85bの開度の調節が行われる。これにより、放熱バイパス流路80を流れる流体の流量が調整される。放熱バイパス弁85a及び放熱主流弁85bの一方が流量調整弁である場合、放熱バイパス弁85a及び放熱主流弁85bの他方は、オリフィスに置換されてもよい。また、放熱流量調整機構85は、分岐位置55aに配置された三方弁を含んでいてもよい。この場合、放熱バイパス弁85a及び放熱主流弁85bは省略されてもよい。放熱流量調整機構85に含まれる三方弁は、例えば、電動三方弁である。
冷凍サイクル装置1bが通常運転を行うとき、放熱バイパス流路80を流れる流体の流量がゼロ又は最小になるように、放熱流量調整機構85が制御される。例えば、放熱バイパス弁85aが閉じられ又は放熱バイパス弁85aの開度が最小となるように放熱バイパス弁85aが制御され、放熱主流弁85bが開かれ又は放熱主流弁85bが所定の開度となるように放熱主流弁85bが制御される。これにより、内部熱交換器6では、ほとんど熱交換が発生せず、比較的低温の流体が吸熱熱交換器42に供給される。
冷凍サイクル装置1bが除霜運転を行うときに、放熱バイパス流路80を流れる流体の流量が通常運転時におけるそれよりも増加し、かつ、放熱循環路50の分岐位置55aより下流側の部分における流体の流量が通常運転時におけるそれよりも減少するように放熱流量調整機構85が制御される。例えば、放熱バイパス弁85aが開かれ又は放熱バイパス弁85aの開度が増加するように放熱バイパス弁85aが制御され、放熱主流弁85bが閉じられ又は放熱主流弁85bの開度が減少するように放熱主流弁85bが制御される。これにより、内部熱交換器6において、熱交換が発生し、吸熱循環路40を流れている流体が、放熱バイパス流路80を流れている流体によって加熱される。このため、比較的高温の流体が吸熱熱交換器42に供給される。その結果、吸熱熱交換器42に付着した霜が除去される。
冷凍サイクル装置1bが除霜運転を行うときに、放熱バイパス流路80を流れる流体の流量を放熱流量調整機構85によって調整すると、内部熱交換器6において、吸熱熱交換器42に供給されるべき流体に付与される熱量を調整できる。このため、内部熱交換器6における熱交換量を吸熱熱交換器42の除霜に必要な適切な量に調整できる。これにより、吸熱熱交換器42の除霜に伴う熱損失を低減できる。また、除霜を行わないときに、放熱流量調整機構85によって、放熱循環路50において内部熱交換器6を通過させないで流体を凝縮器23に戻すことができる。これにより、放熱循環路50における流体の流れの圧力損失が低減され、必要な投入動力も低減される。その結果、冷凍サイクル装置1bの性能が向上する。
(変形例)
冷凍サイクル装置1bは、様々な観点から変更が可能である。例えば、冷凍サイクル装置1bは、図3に示す、冷凍サイクル装置1cのように変更されてもよい。冷凍サイクル装置1cは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1bと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1cの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1bの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付している。
冷凍サイクル装置1cにおいて、放熱バイパス流路80は、分岐位置55aから放熱循環路50における放熱熱交換器52の出口より下流側の位置まで延びている。すなわち、合流位置55bは、放熱循環路50における放熱熱交換器52の出口より下流側に位置している。放熱バイパス流路80において内部熱交換器6を通過した冷媒又は放熱伝熱媒体が放熱熱交換器52を通過することなく凝縮器23に戻る。このため、放熱バイパス流路80における流体の流れの圧力損失が低減され、必要な投入動力も低減される。その結果、冷凍サイクル装置1cの性能が向上する。また、放熱バイパス流路80は、放熱循環路50に合流することなく凝縮器23まで直接延びていてもよい。
冷凍サイクル装置1bは、例えば、図4に示す、冷凍サイクル装置1dのように変更されてもよい。冷凍サイクル装置1dは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1bと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1dの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1bの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付している。
冷凍サイクル装置1dにおいて、放熱バイパス流路80は、放熱循環路50において放熱熱交換器52の出口より下流を流れている冷媒又は放熱伝熱媒体が内部熱交換器6に供給されるように形成されている。具体的に、放熱バイパス流路80は、放熱循環路50において放熱熱交換器52の出口より下流に位置する分岐位置55aから内部熱交換器6を貫いて放熱循環路50において分岐位置55aよりも下流に位置する合流位置55bまで延びている。冷凍サイクル装置1dにおいて、除霜運転が行われるときに、放熱循環路50を流れている、放熱熱交換器52で放熱した後の冷媒又は放熱伝熱媒体が、内部熱交換器6に供給される。このため、吸熱熱交換器42の除霜を行うときでも、放熱熱交換器52に供給される冷媒温度を高く維持することができる。その結果、除霜を行うときに放熱熱交換器52の性能が維持されやすい。放熱バイパス流路80は、放熱循環路50に合流することなく凝縮器23まで直接延びていてもよい。
放熱循環路50から放熱バイパス流路80が分岐する位置は、冷凍サイクル装置の用途又は仕様などによって優位性が発揮されるように決定することができる。
<第3実施形態>
次に、第3実施形態に係る冷凍サイクル装置1eについて説明する。冷凍サイクル装置1eは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1aと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1eの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1aの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付している。
図5に示すように、冷凍サイクル装置1eにおいて、第一送液機41は、吸熱循環路40における吸熱熱交換器42の入口よりも上流に設けられている。また、冷凍サイクル装置1eは、蒸発器バイパス流路90(第3バイパス流路)と、戻し流量調整機構95(第3流路調整機構)とを備えている。蒸発器バイパス流路90は、吸熱熱交換器42の出口より下流に位置する特定位置47aで吸熱循環路40から分岐して蒸発器21をバイパスして吸熱循環路40における第一送液機41の入口よりも上流の位置47bまで延びている。戻し流量調整機構95は、特定位置47aよりも下流で吸熱循環路40を流れる冷媒又は吸熱伝熱媒体の流量及び蒸発器バイパス流路90を流れる冷媒又は吸熱伝熱媒体の流量を調整する。戻し流量調整機構95は、例えば、戻しバイパス弁95a及び戻し主流弁95bを含む。戻しバイパス弁95a及び戻し主流弁95bは、それぞれ、電磁弁などの仕切弁又は電動弁などの開度が調整可能な流量調整弁である。戻しバイパス弁95a及び戻し主流弁95bの一方が流量調整弁である場合、戻しバイパス弁95a及び戻し主流弁95bの他方はオリフィスに置換されてもよい。また、戻し流量調整機構95は、特定位置47aに設けられた三方弁を含んでいてもよい。この場合、戻しバイパス弁95a及び戻し主流弁95bは省略されてもよい。戻し流量調整機構95に含まれる三方弁は、例えば、電動三方弁である。
冷凍サイクル装置1eが通常運転を行うとき、蒸発器バイパス流路90における流体の流量がゼロ又は最小になるように戻し流量調整機構95が制御される。例えば、戻しバイパス弁95aが閉じられ又は戻しバイパス弁95aの開度が最小になるように戻しバイパス弁95aが制御され、戻し主流弁95bが開かれ又は戻し主流弁95bの開度が所定の開度になるように戻し主流弁95bが制御される。これにより、吸熱熱交換器42を通過した流体のほとんどが蒸発器21に戻される。
冷凍サイクル装置1eが除霜運転を行うとき、蒸発器バイパス流路90における流体の流量が通常運転時のそれよりも増加するように戻し流量調整機構95が制御される。例えば、戻しバイパス弁95aが開かれ又は戻しバイパス弁95aの開度が増加するように戻しバイパス弁95aが制御される。また、戻し主流弁95bが閉じられ又は戻し主流弁95bの開度が減少するように戻し主流弁95bが制御される。これにより、吸熱熱交換器42を通過した流体が蒸発器21に戻されることなく、第一送液機41の入口側で吸熱循環路40に再度供給される。このため、除霜を行うときに吸熱熱交換器42を通過した流体によって蒸発器21の内部の冷媒の温度が上昇することを防止できる。また、除霜に用いられた流体を、その温度が比較的高く保たれた状態で第一送液機41の入口より上流で吸熱循環路40に再度供給することができる。これにより、除霜に伴う熱損失を小さくでき、除霜に要する時間を短縮できる。また、除霜を行った後で通常運転に復帰するのに要する時間を短縮できる。
<第4実施形態>
次に、第4実施形態に係る冷凍サイクル装置1fについて説明する。冷凍サイクル装置1fは、図6に示すように、吸熱バイパス流路70及び吸熱流量調整機構75と、放熱バイパス流路80及び放熱流量調整機構85を備えている。冷凍サイクル装置1fの吸熱バイパス流路70及び吸熱流量調整機構75は、冷凍サイクル装置1aの吸熱バイパス流路70及び吸熱流量調整機構75と同様に構成されている。また、冷凍サイクル装置1fの放熱バイパス流路80及び放熱流量調整機構85は、冷凍サイクル装置1bの放熱バイパス流路80及び放熱流量調整機構85と同様に構成されている。なお、冷凍サイクル装置1fの放熱バイパス流路80は、冷凍サイクル装置1c又は冷凍サイクル装置1dの放熱バイパス流路80のように変更されてもよい。
冷凍サイクル装置1fが除霜運転を行うとき、吸熱バイパス流路70を流れている流体が、放熱バイパス流路80を流れている流体によって加熱される。これにより、比較的高温の流体が吸熱熱交換器42に供給されて、吸熱熱交換器42に付着した霜を除去できる。また、冷凍サイクル装置1fが除霜運転ではなく通常運転を行うとき、吸熱循環路40において内部熱交換器6を通過させないで流体を吸熱熱交換器42に供給でき、かつ、放熱循環路50において内部熱交換器6を通過させないで流体を凝縮器23に戻すことができる。このため、除霜を行わないときに、吸熱循環路40における流体の流れの圧力損失及び放熱循環路50における流体の流れの圧力損失が低減され、第一送液機41及び第二送液機51に要求される動力が低減される。その結果、冷凍サイクル装置1fの性能が向上する。
<第5実施形態>
次に、第5実施形態の冷凍サイクル装置1gについて説明する。冷凍サイクル装置1gは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1aと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1gの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1aの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付している。冷凍サイクル装置1gにおいて、放熱循環路50は、凝縮器23に貯留された冷媒が放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように凝縮器23に接続されている。また、図7に示すように、冷凍サイクル装置1gは、エジェクタ30を備えている。エジェクタ30は、冷媒の流れ方向において放熱熱交換器52の出口より下流側、かつ、凝縮器23より上流側で放熱循環路50に設けられている。また、エジェクタ30は、放熱循環路50を流れる液相の冷媒の流れを駆動流として圧縮機22で圧縮された気相の前記冷媒の流れを吸引する。
エジェクタ30は、例えば、図8に示すように、第一ノズル31、第二ノズル32、混合部33、ディフューザ部34、ニードルバルブ35、及びアクチュエータ36を有する。放熱用熱交換器52から流出した放熱循環路50を流れる液相の冷媒が駆動流として第一ノズル31に供給される。蒸気路2を通じて圧縮機22で圧縮された気相の冷媒が第二ノズル32に供給される。第一ノズル31から液相の冷媒が噴射されることにより、混合部33の圧力が蒸気路2の圧力より低くなる。その結果、蒸気路2を通じて気相の冷媒が第二ノズル32に連続的に吸い込まれる。第一ノズル31から霧状に噴射された液相の冷媒と第二ノズル32から噴射された気相の冷媒は、混合部33で混合される。すなわち、駆動流を形成する液相の冷媒が、エジェクタ30において霧状に噴射された状態で、圧縮機22で圧縮された気相の冷媒と接触する。これにより、エジェクタ30が高い凝縮性能を発揮する。その結果、凝縮器23を小型化できる。また、多くの場合、液相の冷媒と気相の冷媒との間のエネルギーの輸送及び液相の冷媒と気相の冷媒との間の運動量の輸送によって、気相の冷媒の圧力が上昇する。この昇圧効果により、凝縮器23の内部に貯留される冷媒の飽和温度を高めることができ、冷凍サイクル装置1gの性能を向上させることができる。ディフューザ部34は、冷媒の流れを減速させることによって静圧を回復させる。
ニードルバルブ35及びアクチュエータ36によって駆動流としての液相の冷媒の流量を調整できる。ニードルバルブ35によって第一ノズル31先端のオリフィスの断面積を変更できる。アクチュエータ36によってニードルバルブ35の位置が調整される。これにより、第一ノズル31を流れる液相の冷媒の流量を調整できる。
<第6実施形態>
次に、第6実施形態に係る冷凍サイクル装置1hについて説明する。冷凍サイクル装置1hは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置1bと同様に構成されている。冷凍サイクル装置1hの構成要素のうち、冷凍サイクル装置1bの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付している。
図9Aに示すように、冷凍サイクル装置1hは、第一熱交換器100aと、第二熱交換器100bとを備える。第一熱交換器100aは、吸熱熱交換器42又は放熱熱交換器52として機能する。第二熱交換器100bは、吸熱熱交換器42又は放熱熱交換器52として機能する。第一熱交換器100aは、例えば、室外に配置されている。第二熱交換器100bは、例えば、室内に配置されている。冷凍サイクル装置1hは、切替機構60を備えている。切替機構60は、第一状態と第二状態とを切り替えるための機構である。図9Aは、第一状態における冷凍サイクル装置1hを示している。切替機構60は、例えば、上流四方弁60a及び下流四方弁60bを含む。
吸熱循環路40の一部は、蒸発器21から、第一送液機41及び内部熱交換器6を貫いて上流四方弁60aまで延びている流路によって形成されている。また、吸熱循環路40の別の一部は、下流四方弁60bから蒸発器21まで延びている流路によって形成されている。また、冷凍サイクル装置1hは、第一熱交換器100aを含む第一流路10及び第二熱交換器100bを含む第二流路11を有する。第一流路10は、第一熱交換器100aが吸熱熱交換器42として機能するときに吸熱循環路40の一部として機能する。第一流路10の一端は、上流四方弁60aに接続され、第一流路10の他端は下流四方弁60bに接続されている。また、第二流路11は、第二熱交換器100bが吸熱熱交換器42として機能するときに吸熱循環路40の一部として機能する。第二流路11の一端は、上流四方弁60aに接続され、第二流路11の他端は下流四方弁60bに接続されている。吸熱循環路40は、蒸発器21に貯留された冷媒が吸熱熱交換器42に供給されて蒸発器21に戻るように蒸発器21に接続されている。
放熱循環路50の一部は、凝縮器23から第二送液機51を貫いて上流四方弁60aまで延びている流路によって形成されている。また、放熱循環路50の別の一部は、下流四方弁60bから凝縮器23まで延びている流路によって形成されている。第一流路10は、第一熱交換器100aが放熱熱交換器52として機能するときに放熱循環路50の一部として機能する。また、第二流路11は、第二熱交換器100bが放熱熱交換器52として機能するときに放熱循環路50の一部として機能する。放熱循環路50は、凝縮器23に貯留された冷媒が放熱熱交換器52に供給されて凝縮器23に戻るように凝縮器23に接続されている。
放熱バイパス流路80は、放熱循環路50における第二送液機51の出口と上流四方弁60aとの間に位置する分岐位置55aから内部熱交換器6を貫いて凝縮器23まで延びている。放熱流量調整機構85は、放熱バイパス弁85a及び放熱主流弁85bを含む。放熱バイパス弁85aは、放熱バイパス流路80に配置されている。放熱主流弁85bは、放熱循環路50において下流四方弁60bと凝縮器23との間に配置されている。
第一状態において、蒸発器21に貯留された冷媒が第一送液機41によって第一熱交換器100aに供給されて蒸発器21に戻り、かつ、凝縮器23に貯留された冷媒が第二送液機51によって第二熱交換器100bに供給されて凝縮器23に戻る。また、第一状態において、第一熱交換器100aが吸熱熱交換器42として機能しつつ第二熱交換器100bが放熱熱交換器52として機能する。この場合、吸熱循環路40の上流四方弁60aより上流側の部分が上流四方弁60aによって第一流路10につながり、放熱循環路50の上流四方弁60aより上流側の部分が上流四方弁60aによって第二流路11につながっている。また、第一流路10が下流四方弁60bによって吸熱循環路40の下流四方弁60bより下流側の部分につながり、第二流路11が下流四方弁60bによって放熱循環路50の下流四方弁60bより下流側の部分につながっている。
冷凍サイクル装置1hが、第一状態において除霜運転を行うとき、放熱循環路50を流れている冷媒の少なくとも一部が放熱バイパス流路80に供給されるように放熱流量調整機構85が制御される。これにより、内部熱交換器6において、吸熱循環路40の吸熱熱交換器42の入口より上流側を流れている冷媒が、放熱バイパス流路80を流れている冷媒によって加熱される。その結果、比較的高温の冷媒が吸熱熱交換器42に供給されて、吸熱熱交換器42に付着した霜が除去される。
図9Bは、第二状態における冷凍サイクル装置1hを示している。第二状態において、蒸発器21に貯留された冷媒が第一送液機41によって第二熱交換器100bに供給されて前記蒸発器21に戻り、かつ、凝縮器23に貯留された冷媒が第二送液機51によって第一熱交換器100aに供給されて凝縮器23に戻る。また、第二状態において、第一熱交換器100aが放熱熱交換器52として機能しつつ第二熱交換器100bが吸熱熱交換器42として機能する。この場合、吸熱循環路40の上流四方弁60aより上流側の部分が上流四方弁60aによって第二流路11につながり、放熱循環路50の上流四方弁60aより上流側の部分が上流四方弁60aによって第一流路10につながっている。また、第二流路11が下流四方弁60bによって吸熱循環路40の下流四方弁60bより下流側の部分につながり、第一流路10が下流四方弁60bによって放熱循環路50の下流四方弁60bより下流側の部分につながっている。
冷凍サイクル装置1hが、第二状態において除霜運転を行うとき、放熱循環路50を流れている冷媒の少なくとも一部が放熱バイパス流路80に供給されるように放熱流量調整機構85が制御される。これにより、内部熱交換器6において、吸熱循環路40の吸熱熱交換器42の入口より上流側を流れている冷媒が、放熱バイパス流路80を流れている冷媒によって加熱される。その結果、比較的高温の冷媒が吸熱熱交換器42に供給されて、吸熱熱交換器42に付着した霜が除去される。
このように、冷凍サイクル装置1hは、第一状態及び第二状態で運転されているときに、第一状態と第二状態とを切り替えることなく除霜運転を行うことができる。また、例えば、冷凍サイクル装置1hによって空気調和装置が形成されている場合、切替機構60によって、第一状態と第二状態とを切り替えることによって、暖房運転と冷房運転とを切り替えることできる。
冷凍サイクル装置1hにおいて、送り流路3は、凝縮器23から蒸発器21に向かって上流部分、中間部分、及び下流部分を含む。送り流路3の上流部分は、凝縮器23に接続されている放熱循環路50の上流側の端部を形成する流路によって形成されている。送り流路3の下流部分は、蒸発器21に接続されている吸熱循環路40の下流側の端部を形成する流路によって形成されている。送り流路3の中間部分の一端は、送り流路3の上流部分に接続され、送り流路3の中間部分の他端は、送り流路3の下流部分に接続されている。第二送液機51は、送り流路3の上流部分としても機能する放熱循環路50の部分に配置されている。これにより、第二送液機51の働きによって、凝縮器23に貯留された液相の冷媒を蒸発器21に供給できる。
切替機構60は、第一状態と第二状態とを切り替えることができればよく、上流四方弁60a及び下流四方弁60bは、それぞれ、2つの三方弁を組み合わせた、四方弁と同等の機能を有する部品に置換されてもよい。
本開示の冷凍サイクル装置は、家庭用又は業務用の空気調和装置として特に有用である。また、本開示の冷凍サイクル装置は、チラー及び蓄熱装置などのその他の装置に用いられてもよい。
1a〜1h 冷凍サイクル装置
6 内部熱交換器
21 蒸発器
22 圧縮機
23 凝縮器
3 送り路
30 エジェクタ
40 吸熱循環路
41 第一送液機
42 吸熱熱交換器
50 放熱循環路
51 第二送液機
52 放熱熱交換器
60 切替機構
70 吸熱バイパス流路
75 吸熱流量調整機構
80 放熱バイパス流路
85 放熱流量調整機構
90 蒸発器バイパス流路
95 戻し流量調整機構
100a 第一熱交換器
100b 第二熱交換器

Claims (13)

  1. 冷凍サイクル装置であって、
    冷媒が循環する第1循環路と、
    前記冷媒が循環する第2循環路と、
    前記冷媒が循環する第3循環路と、
    前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記第1循環路上及び前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を貯留し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
    前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を加熱する第1熱交換器と、
    前記第2循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第1ポンプと、
    前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を冷却する第2熱交換器と、
    前記第3循環路上に配置され、前記冷媒を循環させる第2ポンプと、を備え、
    前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
    前記第2循環路は、第1の部位と第2の部位とを含み、前記第2の部位は、前記第1の部位と前記冷媒が前記蒸発器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記第3循環路は、第3の部位と第4の部位とを含み、前記第4の部位は、前記第3の部位と前記冷媒が前記凝縮器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第1の部位と前記第2の部位とを接続し、前記第1の部位から前記第2の部位に前記冷媒を流す第1バイパス流路、及び前記第3の部位と前記第4の部位とを接続し、前記第3の部位から前記第4の部位に前記冷媒を流す第2バイパス流路の少なくともいずれか1つと、
    前記第1バイパス流路上及び前記第3循環路上、
    前記第2循環路上及び前記第2バイパス流路上、又は
    前記第1バイパス流路上及び前記第2バイパス流路上、に配置される第3熱交換器と、をさらに備え、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第1バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第2循環路中において前記第1の部位から前記第2の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する第1調整機構、及び
    前記第2バイパス流路を流れる前記冷媒の量、及び前記第3循環路中において前記第3の部位から前記第4の部位に流れる前記冷媒の量の比を調整する第2調整機構の少なくともいずれか1つ、をさらに備えた冷凍サイクル装置。
  2. 前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、
    前記第2の部位は、前記冷媒が前記凝縮器から流出し、前記第2熱交換器に流入するまでの間に位置する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記第4の部位は、前記冷媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置する、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、
    前記第3の部位は、前記冷媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第1ポンプは、前記冷媒が前記蒸発器から流出し、前記第1熱交換器に流入するまでの間に位置し、
    前記第2循環路は、第5の部位と第6部位とを含み、前記第5の部位は、前記冷媒が前記蒸発器から流出し、前記第1のポンプに流入するまでの間に位置し、前記第6の部位は前記冷媒が前記第1熱交換器から流出し、前記蒸発器に流入するまでの間に位置し、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第5の部位と前記第6の部位とを接続し、前記第5の部位から前記第6の部位に前記冷媒を流す第3バイパス流路と、
    前記第3バイパス流路を流れる前記冷媒の量と前記第2循環路中において前記第5の部位から前記第6の部位に流れる前記冷媒の量との比を調整する第3調整機構と、をさらに備えた、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記第1バイパス流路、前記第1調整機構、前記第2バイパス流路、及び前記第2調整機構と、を備えた、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記第3循環路を流れる液相の前記冷媒を駆動流として用いることで前記第1循環路を流れる圧縮された気相の前記冷媒を吸引するエジェクタをさらに備えた、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 冷凍サイクル装置であって、
    冷媒が循環する第1循環路と、
    第1熱媒が循環する第2循環路と、
    第2熱媒が循環する第3循環路と、
    前記第1循環路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記第1循環路上及び前記第2循環路上に配置され、第1熱媒の熱を前記冷媒に伝達し、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    前記第1循環路上及び前記第3循環路上に配置され、前記冷媒の熱を前記第2熱媒に伝達し、前記圧縮した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
    前記第2循環路上に配置され、前記第1熱媒を加熱する第1熱交換器と、
    前記第2循環路上に配置され、前記第1熱媒を循環させる第1ポンプと、
    前記第3循環路上に配置され、前記第2熱媒を冷却する第2熱交換器と、
    前記第3循環路上に配置され、前記第2熱媒を循環させる第2ポンプと、を備え、
    前記冷媒は常温における飽和蒸気圧が負圧であり、
    前記第2循環路は、第1の部位と第2の部位とを含み、前記第2の部位は、前記第1の部位と前記第1熱媒が前記蒸発器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記第3循環路は、第3の部位と第4の部位とを含み、前記第4の部位は、前記第3の部位と前記第2熱媒が前記凝縮器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第1の部位と前記第2の部位とを接続し、前記第1の部位から前記第2の部位に前記第1熱媒を流す第1バイパス流路、及び前記第3の部位と前記第4の部位とを接続し、前記第3の部位から前記第4の部位に前記第2熱媒を流す第2バイパス流路の少なくともいずれか1つと、
    前記第1バイパス流路上及び前記第3循環路上、
    前記第2循環路上及び前記第2バイパス流路上、又は
    前記第1バイパス流路上及び前記第2バイパス流路上に配置される第3熱交換器と、をさらに備え、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第1バイパス流路を流れる前記第1熱媒の量、及び前記第2循環路中において前記第1の部位から前記第2の部位に流れる前記第1熱媒の量の比を調整する、第1調整機構、及び
    前記第2バイパス流路を流れる前記第2熱媒の量、及び前記第3循環路中において前記第3の部位から前記第4の部位に流れる前記第2熱媒の量の比を調整する、第2調整機構の少なくともいずれか一つ、をさらに備えた冷凍サイクル装置。
  9. 前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、
    前記第2の部位は、前記第2熱媒が前記凝縮器から流出し、前記第2熱交換器に流入するまでの間に位置する、請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 前記第4の部位は、前記第2熱媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置する、請求項9に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 前記第2バイパス流路と前記第2調整機構とを備え、
    前記第3の部位は、前記第2熱媒が前記第2熱交換器から流出し、前記凝縮器に流入するまでの間に位置する、請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
  12. 前記第1ポンプは、前記第1熱媒が前記蒸発器から流出し、前記第1熱交換器に流入するまでの間に位置し、
    前記第2循環路は、第5の部位と第6部位とを含み、前記第5の部位は、前記第1熱媒が前記蒸発器から流出し、前記第1のポンプに流入するまでの間に位置し、前記第6の部位は前記第1熱媒が前記第1熱交換器から流出し、前記蒸発器に流入するまでの間に位置し、
    前記冷凍サイクル装置は、
    前記第5の部位と前記第6の部位とを接続し、前記第5の部位から前記第6の部位に前記第1熱媒を流す第3バイパス流路と、
    前記第3バイパス流路を流れる前記第1熱媒の量と前記第2循環路中において前記第5の部位から前記第6の部位に流れる前記第1熱媒の量との比を調整する第3調整機構と、をさらに備えた、請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
  13. 前記第1バイパス流路、前記第1調整機構、前記第2バイパス流路、及び前記第2調整機構と、を備えた、請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
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