JP2017172908A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空気調和機1は、凝縮器4から流れ出た非共沸混合冷媒の圧力を気液二相の状態にまで減少させる第1減圧部51と、気液二相の状態にまで減圧された非共沸混合冷媒を気相および液相に分離する気液分離器11と、気液分離器11における気相の冷媒を、蒸発器6へと供給する第1経路121と、気液分離器11における液相の冷媒を蒸発器6に対してバイパスする第2経路122と、第1経路121を流れる冷媒を、第2経路122を流れる冷媒との間で熱交換することで凝縮させるインタークーラー13と、第1経路121を流れる冷媒の圧力を減少させる第2減圧部52と、第2経路122を流れる冷媒の圧力を減少させる第3減圧部53とを備える。
【選択図】図1
Description
R32とは逆に、R1234yfやR1234ze(E)は、GWPは良いが、R32やR410Aと比べて性能が劣る。
特許文献1の空気調和機では、第1の冷媒であるR32と、第2の冷媒であるR134a(またはR1234yf)とを、第1の冷媒が80wt%、第2の冷媒が20wt%の混合比で用いている。
温度すべりは、凝縮で言えば、凝縮開始の温度と凝縮終了の温度との差である。凝縮開始温度と凝縮終了温度とが冷媒によって異なっており、沸点が高いR134aが先に液化し、沸点が低いR32がその後に液化するため、温度すべりが発生する。温度すべりは、2種混合冷媒の場合で、例えば、6℃程度あり、3種混合冷媒の場合は、例えば13℃程度にも達する。こういった温度すべりを考慮して冷凍サイクルの運転範囲を成立させるのが難しい。
温度すべりが大きいと、暖房等の加熱用途の運転時に、蒸発器として機能する室外の熱交換器に着霜が発生する。蒸発器を流れる冷媒の温度は外気温以上にはならないので、例えば、外気温が7℃であって、温度すべりが10℃であるならば、蒸発開始温度が氷点下の温度条件となり、蒸発器への着霜が不可避的に発生する。そのため、加熱用途の冷凍サイクル装置においてGWPを低減することが困難である。
特許文献1では、凝縮器の途中で冷媒を分岐させ、気液分離した上で、気相を凝縮器に戻しているが、それによる温度すべりの抑制効果は限定的であり、それよりも、冷媒回路に封入されているR32の濃度が高いことの方が、温度すべりの抑制に寄与している。特許文献1では、R134aまたはR1234yfの比率が10〜20%に留まるため、GWPを十分に下げることができていない。
本発明によれば、冷媒回路に封入される混合冷媒において、低GWPである沸点の高い冷媒の混合比率を増やすことにより、GWPを低減することができる。
〔第1実施形態〕
図1に示す第1実施形態の空気調和機1は、外気を熱源として室内空気(熱負荷)の加熱、つまり暖房が可能な冷凍サイクル装置である。
以下、空気調和機1について説明するが、以下で述べる構成は、熱負荷としての水を加熱する給湯器等の冷凍サイクル装置にも同様に適用することができる。
冷媒回路2には、非共沸混合冷媒が封入されている。
圧縮機3、減圧部5、および第2熱交換器6は、室外機7を構成している。第2熱交換器6は、ファン61により送風される外気と冷媒との間で熱交換させる。
第1熱交換器4は、室内機8を構成している。第1熱交換器4は、ファン41により送風される室内空気と冷媒との間で熱交換させる。
冷媒回路2には、非共沸混合冷媒が封入されている。非共沸混合冷媒は、図1に矢印で示す向きに冷媒回路2を循環する。
空気調和機1は暖房運転されるため、本実施形態においては、第1熱交換器4のことを凝縮器4と称し、第2熱交換器6のことを蒸発器6と称する。
つまり、凝縮圧力、体積能力、および冷凍効果に優れるR32を採用しつつ、GWPが小さい第2冷媒(R1234yf)の混合比率を十分に高くすることにより、所定値以下のGWPを担保している。冷媒回路2に封入される混合冷媒の組成として、第2冷媒の混合比率が第1冷媒の混合比率よりも多いことが好ましい。
また、冷媒回路2に封入された非共沸混合冷媒の全体におけるCO2の混合比率は、5wt%以下である。体積能力に優れるCO2を加えることで、圧縮機3の小型化が可能となる。
また、第2冷媒として、R1234yfおよびR1234ze(E)の両方を用いることもできる。
上記のように封入混合比率とは異なる運転時の混合比率を実現するため、空気調和機1は、減圧部51〜53と、気液分離器11と、気液分離器11における気相の冷媒を蒸発器6へと供給する第1経路121と、気液分離器11における液相の冷媒を蒸発器6に供給せずにバイパスする第2経路122と、インタークーラー13(冷媒間熱交換器)とを備えている。そして、凝縮器4から流れ出て減圧部51(第1減圧部)により減圧された気液二相の混合冷媒を気液分離器11により気液分離し、液相から分離された気相をインタークーラー13により液相との熱交換により凝縮させてから蒸発器6へと供給することで、R1234yfリッチな液冷媒から分離されたR32リッチな冷媒が蒸発器6に流れるようにしている。
図7に、温度すべりと、R32の混合比率(濃度)との関係を示すように、温度すべりのピークである20wt%を超える領域では、R32の混合比率(濃度)が高いほど、温度すべりが小さい。
本実施形態で用いる混合冷媒には、若干量のCO2も含まれているが、以下で説明する回路10の作用に基本的には影響しないため、CO2についての記載は省略する。CO2は、R32およびR1234yfと比べて沸点が低いので、以下で述べる作用の間を通じて、基本的には気相の状態である。
本実施形態で用いられる混合冷媒が、CO2を含まずに、R32とR1234yfのみから構成されていてもよい。
減圧部51〜53、気液分離器11、受液器110、およびインタークーラー13は、室外機7を構成している。
減圧部51により気液二相の中間圧力p1まで減圧された混合冷媒は、沸点が高いR1234yfの方がR32よりも液化している状態で気液分離器11に流入する。
流入した冷媒は、気液分離器11において、中間圧力p1に対応する乾き度に従って気液分離される。気液分離器11に溜まる飽和液(5)は、R32よりもR1234yfを多く含んでいる。気液分離器11内の液相は、受液器110を介してインタークーラー13の低温経路13Lへと供給される。
気液分離器11において液相の冷媒は、第2経路122(バイパス経路)を通じて蒸発器6を迂回される。図1および図2には、第2経路122を破線で示している。
ここで、冷媒回路2に封入されているR1234yfの混合比率が高いため、主としてR1234yfを含む液冷媒を分離し、蒸発器6をバイパスさせることで、蒸発器6に流入する混合冷媒におけるR32の混合比率を大幅に高め、その分だけ温度すべりを小さくすることができる。
本実施形態では、気液分離器11の乾き度を決める中間圧力p1を減圧部51により適宜にコントロールすることにより、R32の見かけの混合比率を高めて温度すべりを十分に小さくすることができる。
室外機7を小型化する観点からは、遠心分離式および表面張力式が好ましい。
インタークーラー13は、気相が流れる高温経路13Hと、液相が流れる低温経路13Lとを備えている。高温経路13Hは、気液分離器11における気相を蒸発器6へと供給する第1経路121の一部に相当する。低温経路13Lは、気液分離器11における液相を蒸発器6へと供給する第2経路122の一部に相当する。
インタークーラー13は、高温経路13Hを流れる気相と、低温経路13Lを流れる液相との間で熱交換させる。熱交換により、高温経路13Hの気相は、低温経路13Lの液相へと放熱されて凝縮される。凝縮された冷媒が蒸発器6に流入し、外気との熱交換によりガス化してこそ、潜熱によりエネルギー変化を得る冷凍サイクルを成立させることができる。
気液分離器11から流れ出た気相が、インタークーラー13により飽和液まで凝縮されることが好ましい(7)。
圧縮機3から吐出された高温高圧の冷媒は(1)、凝縮器4へと流入する(2)。凝縮器4により室内空気へと放熱することで凝縮された冷媒は(3)、減圧部51により中間圧力p1にまで減圧されて気液二相の状態となり(4)、気液分離器11により気液分離される(5)・(6)。
気液分離器11により液相(5)と分離されたR32リッチな気相(6)は、インタークーラー13により液相(5)と熱交換されることで凝縮される(7)。さらに、減圧部52により蒸発圧力p2にまで減圧されてから(8)、蒸発器6に流入する。蒸発器6を流れる混合冷媒におけるR32の混合比率が高いため、蒸発開始温度と蒸発終了温度との温度すべりは小さい。蒸発器6により蒸発したガス冷媒は(9)、圧縮機3へと供給される。
一方、液相(5)は、受液器110、インタークーラー13を経た後、減圧部53により減圧され(10)、第2経路122の終端(11)に向けて蒸発しながら下流側へ流れていく。
また、蒸発器6から圧縮機3を経て凝縮器4へと流入する混合冷媒の組成もR32リッチであるため、凝縮の温度すべりも抑えることができる。
以上により、空気調和機1の運転範囲を広い運転範囲に亘り成立させることが可能となる。
エネルギーの収支を考慮し、気液分離器11により分岐した液相(5)と気相(6)との流量を設定することが好ましい。例えば、気液分離器11の乾き度が0.5の場合は、液相と気相との流量が等しくなるように(1:1)、第2減圧部51および第3減圧部52の各々の絞り量を調整するとよい。
図3に示す空気調和機1は、受液器110と、気液分離器11および受液器110の間の流路11Aを開閉する弁14とを第2経路122に備えている。
第1実施形態で説明したように、気液分離器11の気相を蒸発器6に流入させ、気液分離器11の液相をバイパスしながら運転していると、受液器110における液位が増加する。
受液器110内に液冷媒が貯留されている適宜なタイミングで、弁14を閉じ、気液分離器11から受液器110への液受け入れを停止する。このとき、減圧部53を開放する(開度が全開)。
そのまま運転を継続すると、第2経路122の終端(11)が接続されている経路の低圧に引っ張られるように、受液器110内の液冷媒が、終端(11)に向けて、蒸発しながら下流側へ流れていく。このとき、主として、沸点の低いR32が蒸発し、第2経路122の終端(11)から放出される。放出されたR32リッチな冷媒が圧縮機3へと吸入され、冷媒回路2を循環することにより、R32の運転時の混合比率が高められることとなる。
R32リッチな冷媒の放出に伴い、第2経路122内では、R1234yfが濃縮される。
なお、受液器110内の液位を検知し、所定の開始液位以上に貯留されているならばR32放出運転モードを開始し、受液器110内の液位が所定の終了液位を下回ればR32放出運転モードを終了するようにしてもよい。
つまり、弁14を開くことに代えて流量調整弁により流路11Aの流量を増加し、弁14を閉じることに代えて流量調整弁により流路11Aの流量を減少させるとよい。
次に、図4〜図6を参照し、第2実施形態を説明する。
第2実施形態に係る空気調和機9は、外気を熱源として室内空気(熱負荷)の加熱および冷却が可能である。つまり、空気調和機9は、冷房の用途と暖房の用途とに兼用される。
図4〜図6は、同一の空気調和機9が備える構成を示している。
空気調和機9は、四方弁19により、冷媒の流れの向きを切り替えることで、図4に示す暖房運転と、図5および図6に示す冷房運転とが可能である。
冷房運転時は(図5および図6)、第1熱交換器4が蒸発器として機能し、第2熱交換器6が凝縮器として機能する。
図4〜図6では、圧縮機3の吐出口から蒸発器の入口までの経路を実線で示し、蒸発器の出口から圧縮機3の吸入口までの経路を二点鎖線で示している。
図4に示すように、空気調和機9には、絞り膨張させる第1実施形態の減圧部53に代えて、気液分離器11により気相と分離された液相が導入されるバイパス区間15A(破線で示す)と、バイパス区間15Aを開閉する開閉弁151とを備えている。
バイパス区間15Aの終端は、蒸発器6から流れ出て圧縮機3へと向かう経路15Bに接続されている。バイパス区間15Aは、冷媒の圧力を減少させる第3減圧部に相当する。
バイパス区間15Aおよび経路15Bにより、気液分離器11における液相を蒸発器6に供給せずにバイパスさせる第2経路122が構成されている。
その処理が暖房運転時にも冷房運転時にも成立するように、空気調和機9は、ブリッジ回路16を備えている。
ブリッジ回路16は、冷媒の流れの向きを一方向に定める4つの逆止弁161〜164から構成されている。
図4を参照し、暖房運転について説明する。
暖房運転時は、開閉弁151を開き、バイパス区間15Aを開通させておく。
また、冷房運転で気液分離しないときのために受液器110に用意されている合流経路17の開閉弁171を閉じておく。合流経路17は、受液器110内と、気液分離器11内の気相が取り出される第1経路121とを結んでいる。
なお、図4〜図6では、閉じている弁を黒色で示している。
次に、図5および図6を参照し、冷房運転について説明する。
冷房運転時については、冷凍サイクルの向きが暖房運転時とは逆になるため、第1熱交換器4のことを蒸発器4と称し、第2熱交換器6のことを凝縮器6と称する。
これに伴い、減圧部51および減圧部52の各々の機能が暖房運転時とは入れ替わっている。
冷房運転時、減圧部52は、凝縮器6から流れ出た冷媒の圧力を気液二相の状態にまで減少させる第1減圧部に相当し、減圧部51は、液相と気液分離されて第1経路121を流れる冷媒の圧力を蒸発器4の入口の圧力にまで減少させる第2減圧部に相当する。
ここでは、センサ18により検知された室内空気の温度が所定値を下回っている場合に、温度すべりを抑える処理を行い(図6)、室内空気の温度が所定値以上である場合には、この処理は行わない(図5)。なお、蒸発器4を流れる冷媒の温度も検知し、その温度と室内空気の検知温度との差に基づいて、温度すべりを抑える処理を行うか否かを判定することもできる。その他にも、適宜な判定基準を用いることができる。
この場合は、バイパス区間15Aの開閉弁151を閉じ、受液器110に用意されている合流経路17の開閉弁171を開く。
気液分離器11における液相は、受液器110を介して合流経路17へと流入し、合流経路17から第1経路121へと流出する。つまり、気液分離器11から液相の状態で流出した冷媒が、気液分離器11から気相の状態で流出した冷媒と合流する。
なお、気液分離器11に十分な容量が確保されていれば、受液器110は必ずしも必要でない。
この場合は、暖房運転時(図4)と同様に、バイパス区間15Aの開閉弁151を開き、受液器110に用意されている合流経路17の開閉弁171を閉じることにより、中間圧力にまで減圧された冷媒を気相と液相とに分離する。
なお、冷房運転時でも常時、温度すべりを抑える処理を行うのであれば、開閉弁151は必要ない。
気液分離器11において液相と分離されたR32リッチな気相は、経路15Bから低温経路13Lに流入した冷媒と熱交換されることで凝縮される。そして、ブリッジ回路16の逆止弁162を通過し、第2減圧部(減圧部51)により減圧されてから蒸発器4へと流入する。
以上により、冷媒回路2を循環するR32の見かけの混合比率を高めることができるので、温度すべりを抑え、室内空気と冷媒温度との温度差が大きい場合であっても、蒸発器6への着霜を回避することができる。
本発明における非共沸混合冷媒として、沸点が異なる適宜な冷媒を用いることができる。冷媒回路に封入される混合冷媒において、低GWPである沸点の高い冷媒の混合比率を増やすことにより、GWPを低減することができる。
2 冷媒回路
3 圧縮機
4 第1熱交換器
5 減圧部
51〜53 減圧部
6 第2熱交換器
7 室外機
8 室内機
9 空気調和機(冷凍サイクル装置)
10 回路
11 気液分離器
11A 流路
110 受液器
121 第1経路
122 第2経路
13 インタークーラー
13H 高温経路
13L 低温経路
14 弁
15A バイパス区間(第3減圧部、経路)
15B 経路
151 開閉弁
16 ブリッジ回路
161〜164 逆止弁
17 合流経路
171 開閉弁
18 センサ
19 四方弁
p1 中間圧力
p2 蒸発圧力
Claims (5)
- 非共沸混合冷媒が封入され、圧縮機、第1熱交換器、減圧部、および第2熱交換器を含んで構成された冷媒回路を有し、熱負荷の加熱が可能な冷凍サイクル装置であって、
前記第1熱交換器および前記第2熱交換器のうちのいずれか一方である凝縮器から流れ出た前記非共沸混合冷媒の圧力を気液二相の状態にまで減少させる第1減圧部と、
前記気液二相の状態にまで減圧された前記非共沸混合冷媒を気相および液相に分離する気液分離器と、
前記気液分離器における気相の冷媒を、前記第1熱交換器および前記第2熱交換器のうちの他方である蒸発器へと供給する第1経路と、
前記気液分離器における液相の冷媒を前記蒸発器に対して供給せずにバイパスする第2経路と、
前記第1経路を流れる冷媒を、前記第2経路を流れる冷媒との間で熱交換することで凝縮させるインタークーラーと、
前記第1経路を流れる冷媒の圧力を減少させる第2減圧部と、
前記第2経路を流れる冷媒の圧力を減少させる第3減圧部と、を備える、
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記気液分離器から液相を受け入れる受液器と、
前記気液分離器および前記受液器の間の流路を開閉または前記流路を流れる冷媒の流量を調整することが可能な弁と、を前記第2経路に備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、
第1冷媒としてのR32と、
第2冷媒としてのR1234yfおよびR1234ze(E)の少なくとも一方と、を含み、
前記冷媒回路に封入されている前記非共沸混合冷媒の全体として、前記第1冷媒の重量%濃度が30〜70%である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、
第3冷媒としてのCO2を含み、
前記第3冷媒の重量%濃度が5%以下である、
ことを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記熱負荷の加熱および冷却が可能であって、
前記冷媒回路における冷媒流れの向きを切り替える切替弁と、
前記冷媒回路における冷媒流れの向きを切り替えるブリッジ回路と、
前記気液分離器における液相を、前記気液分離器における気相に合流させる合流経路と、を備え、
第3減圧部は、前記気液分離器における液相を、前記蒸発器から流れ出た冷媒に合流させる経路を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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