JP2018077041A - Multistage heat pump having two-stage expansion structure using co2 refrigerant, and circulation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
以下の実施形態は、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関し、より詳細には、CO2および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いるCO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関する。 The following embodiment relates to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and a circulation method thereof, and more specifically, uses a CO 2 refrigerant using a mixed refrigerant obtained by mixing CO 2 and other refrigerants. The present invention relates to a multistage heat pump having a two-stage expansion structure and a circulation method thereof.
一般的に、ヒートポンプ(Heat Pump)は、冷媒を圧縮、凝縮、膨脹、および蒸発させる過程を経ながら室内空間を冷房または暖房させる装置である。ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器を含んで構成されるものであり、冷媒が蒸発器内で蒸発しながら周囲から熱を奪って気体となり、再び凝縮器によって周囲に熱を放出して液化する冷房サイクルである。 In general, a heat pump is a device that cools or heats an indoor space through a process of compressing, condensing, expanding, and evaporating a refrigerant. The heat pump is configured to include a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, and the refrigerant takes heat from the surroundings while evaporating in the evaporator to become a gas, which is again heated to the surroundings by the condenser. It is a cooling cycle which releases and liquefies.
このようなヒートポンプに用いられるR134aのような一般的な冷媒が、オゾン層破壊や地球温暖化といった環境破壊の主犯であると知られるようになってからは、環境を保護するため使用規制が拡大している。これにより、このような冷媒に代わって、二酸化炭素(CO2)を用いた超臨界冷房サイクルが注目を集めている。 Since general refrigerants such as R134a used in such heat pumps are known to be the main culprits of environmental destruction such as ozone depletion and global warming, use restrictions have been expanded to protect the environment. doing. As a result, supercritical cooling cycles using carbon dioxide (CO 2 ) instead of such refrigerants are attracting attention.
二酸化炭素(CO2)冷媒は、作動圧縮比が低くて圧縮効率が優秀であり、優れた熱伝達特性を持つため温度アプローチ(temperature approach)(二次流体である空気の入口温度−冷媒の出口温度の差)が既存の冷媒に比べて極めて小さく、高温高圧側の熱交換器の場合には、流入する空気の温度まで冷媒の温度を下げることができるほどに熱伝達特性が優れているという長所がある。 Carbon dioxide (CO 2 ) refrigerant has a low operating compression ratio, excellent compression efficiency, and excellent heat transfer characteristics, so that it has a temperature approach (secondary fluid air inlet temperature−refrigerant outlet). The difference in temperature) is extremely small compared to existing refrigerants, and in the case of a heat exchanger on the high-temperature and high-pressure side, heat transfer characteristics are excellent so that the temperature of the refrigerant can be lowered to the temperature of the inflowing air. There are advantages.
また、熱力学的物性値が優れており、二酸化炭素の体積冷房容量(capacity volume ratio=蒸発潜熱×気体密度)がR134aに比べて7〜8倍に達することから、超臨界冷凍サイクルを構成する圧縮機の倍体体積率を大きく減らすことができる。 Moreover, since the thermodynamic property value is excellent and the volumetric cooling capacity of carbon dioxide (capacity volume ratio = vaporization latent heat × gas density) reaches 7 to 8 times that of R134a, it constitutes a supercritical refrigeration cycle. The doubler volume ratio of the compressor can be greatly reduced.
さらに、二酸化炭素は、その表面張力が小さいため沸騰熱伝達が優秀であり、比熱が大きく、液体粘度が低く、圧力降下面においてもR134aに比べて有利である。 Furthermore, since carbon dioxide has a low surface tension, it has excellent boiling heat transfer, large specific heat, low liquid viscosity, and is advantageous over R134a in terms of pressure drop.
しかし、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルは、蒸発圧力だけでなく、高温高圧側の熱交換器圧力(既存の凝縮圧力)がR134aを冷媒とする一般的な冷凍サイクルに比べて極めて高い。すなわち、超臨界冷凍サイクルにおいて、蒸発圧力は一般の冷凍サイクルに比べて約10倍、高温高圧側の熱交換器圧力は約7倍(約120bar)も高い。 However, in the supercritical refrigeration cycle using carbon dioxide as a refrigerant, not only the evaporating pressure but also the heat exchanger pressure (existing condensing pressure) on the high-temperature and high-pressure side is extremely higher than a general refrigeration cycle using R134a as a refrigerant. . That is, in the supercritical refrigeration cycle, the evaporation pressure is about 10 times higher than that of a general refrigeration cycle, and the heat exchanger pressure on the high temperature and high pressure side is about 7 times (about 120 bar).
例えば、冷凍機の高圧冷媒気体の凝縮工程は、大気や水によって冷凍させるが、CO2を冷凍機に適用するようになれば、臨界点よりも高い120〜130barの高圧が適用されなければならない。これにより、高圧側の熱を利用して約90℃の温水や暖房機能を得るようになるのである。 For example, the condensing step of the high-pressure refrigerant gas in the refrigerator is frozen by air or water, but if CO 2 is applied to the refrigerator, a high pressure of 120 to 130 bar higher than the critical point must be applied. . Thereby, about 90 degreeC warm water and a heating function come to be obtained using the heat | fever of a high voltage | pressure side.
このような凝縮熱を利用する機器をヒートポンプと言うが、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すCOP(成績係数)は、冷凍機のCOPに1.0が加えられ、COPが3〜4に高まる。これは、電気1のエネルギーが加えられて熱3〜4倍を利用するという意味である。 A device that uses such heat of condensation is called a heat pump, but the COP (coefficient of performance) indicating the refrigeration cycle efficiency of the heat pump is such that 1.0 is added to the COP of the refrigerator and the COP increases to 3-4. This means that the energy of electricity 1 is applied and 3 to 4 times the heat is used.
しかし、CO2ヒートポンプは、低圧蒸発器側の圧力が約30barと高く、約0℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季に外気が低ければ室外機(蒸発器)の冷媒気化がなされずに補助熱源が必要となる。このような室外機の熱を冷蔵やエアコンに使用することはできるが、持続的な負荷を提供することはできない。 However, since the CO 2 heat pump has a high pressure on the low-pressure evaporator side of about 30 bar and an evaporator vaporization temperature of about 0 ° C. is obtained, the refrigerant in the outdoor unit (evaporator) can be vaporized if the outside air is low in winter. An auxiliary heat source is required without being made. Such heat from the outdoor unit can be used for refrigeration and air conditioning, but cannot provide a sustained load.
特許文献1は、このような二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプシステムおよびその性能評価方法に関するものであって、低炭素の環境に優しい二酸化炭素冷媒を利用した産業用ヒートポンプおよびそのヒートポンプシステムの性能評価方法に関する技術を記載している。 Patent Document 1 relates to an industrial heat pump system using such a carbon dioxide refrigerant and a performance evaluation method thereof, and an industrial heat pump using a low carbon environment-friendly carbon dioxide refrigerant and the performance of the heat pump system. Describes technology related to the evaluation method.
実施形態は、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法に関して記述しており、より具体的には、CO2および他の冷媒を混合した混合冷媒を用いて暖房および/または冷凍効率を高める技術を提供する。 The embodiment describes a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and a circulation method thereof, and more specifically, heating and mixing using a mixed refrigerant obtained by mixing CO 2 and other refrigerants. Provide technology to increase refrigeration efficiency.
実施形態は、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することができる低温冷媒を得ることができる、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。 In the embodiment, by installing an expansion device between the condenser and the gas-liquid separator to expand the refrigerant that is the working fluid, the low-temperature refrigerant that can be easily evaporated even in the low outdoor air in winter by the evaporator. Provided are a multistage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and a circulation method thereof.
実施形態は、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能になり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供する。 In the embodiment, by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, the CO 2 can be increased to 50 to 90%, thereby enabling application of a lower pressure on the high pressure side. A multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant that can also save energy by providing an effect of hot water for heating, and a circulation method thereof.
本発明の一実施形態における、圧縮機、凝縮器、気液分離器、膨脹装置、および蒸発器を含む二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、前記凝縮器と前記気液分離器の間に構成され、前記膨張装置は,前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させる第1膨脹装置を含み、前記第1膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。 In one embodiment of the present invention, a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure including a compressor, a condenser, a gas-liquid separator, an expansion device, and an evaporator, between the condenser and the gas-liquid separator The expansion device includes a first expansion device that reduces the pressure of the refrigerant that has passed through the condenser. The refrigerant is expanded from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device, and the expansion device A two-stage expansion process may be performed, inflated from an intermediate pressure to a low pressure.
ここで、前記冷媒は、二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。 Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one other refrigerant are mixed.
前記冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)とHFC系混合冷媒を含み、前記二酸化炭素(CO2)の割合を50%〜90%に増加させ、前記高圧での圧力を低下させて暖房用温水および温風を提供可能にする。 The refrigerant includes carbon dioxide (CO 2 ) and HFC mixed refrigerants having different boiling points, and the ratio of the carbon dioxide (CO 2 ) is increased to 50% to 90%, and the pressure at the high pressure is decreased. It will be possible to provide hot water and hot air for heating.
前記冷媒は、2つ以上の混合冷媒を含み、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は外気熱によって蒸発したり冷凍装置に適用可能である。 The refrigerant includes two or more mixed refrigerants, and with a heat pump function that uses the heat of the condenser as heating hot water, the low temperature of the evaporator can be evaporated by outside air heat or applied to a refrigeration apparatus.
前記気液分離器は、前記第1膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素(CO2)を気体として分離させてよい。 The gas-liquid separator separates a part of the carbon dioxide (CO 2 ) as a liquid from the other refrigerant having a low boiling point by reducing the pressure of the refrigerant that has passed through the condenser by the first expansion device. The remaining carbon dioxide (CO 2 ) may be separated as a gas.
前記気液分離器を通過した前記冷媒を冷凍させる第2予冷器をさらに含み、前記膨脹装置は、前記気液分離器と前記第2予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素(CO2)の圧力を低める第2膨脹装置、および前記第2予冷器と前記蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を前記第2予冷器で冷却した後、圧力を低めて前記蒸発器に吐出する第3膨脹装置を含んでよい。 The apparatus further includes a second precooler for freezing the refrigerant that has passed through the gas-liquid separator, and the expansion device is disposed between the gas-liquid separator and the second precooler and is discharged from the gas-liquid separator. A second expansion device that lowers the pressure of the carbon dioxide (CO 2 ) that is in a high-pressure gas state, and a liquid that is disposed between the second precooler and the evaporator and discharged from the gas-liquid separator A third expansion device may be included in which the other refrigerant in a state and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are cooled by the second precooler and then the pressure is reduced and discharged to the evaporator.
前記蒸発器は、前記第3膨脹装置を通過した前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を外気熱によって気化させてよい。 The evaporator may vaporize the other refrigerant that has passed through the third expansion device and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) by outside air heat.
前記蒸発器の吐出口と前記凝縮器の吐出口が連結される第1予冷器をさらに含み、前記第1予冷器は、前記蒸発器で気化した前記冷媒と前記凝縮器を通過した前記二酸化炭素(CO2)を混合して冷凍させた後、前記圧縮機に移動させてよい。 The apparatus further includes a first precooler that connects the discharge port of the evaporator and the discharge port of the condenser, and the first precooler includes the refrigerant vaporized by the evaporator and the carbon dioxide that has passed through the condenser. After (CO 2 ) is mixed and frozen, it may be moved to the compressor.
前記第2予冷器から吐出された冷媒と前記蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正して前記圧縮機に送るエジェクタやEPR(Evaporator Pressure Regulator:蒸発圧力制御装置)をさらに含んでよい。 It further includes an ejector or an EPR (Evaporator Pressure Regulator) that corrects a difference in pressure between the refrigerant discharged from the second precooler and the refrigerant discharged from the evaporator and sends it to the compressor. Good.
前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第1膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第3膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た前記冷媒の流入により気化温度を低めてよい。 In the evaporator, the refrigerant is expanded from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device so that the heating function is performed even when the outside air temperature is low, and then the low pressure is reduced from the intermediate pressure by the third expansion device. The vaporization temperature may be lowered by the inflow of the refrigerant through the two-stage expansion process.
また、一実施形態における、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法であって、圧縮機から吐出された二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮され、前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第1膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、前記第1膨脹装置を通過した前記冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を液体として分離し、残りの前記二酸化炭素(CO2)を気体として分離させ、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素(CO2)を、第2膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第2予冷器に移動させ、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を前記第2予冷器で冷凍させた後、第3膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を外気熱によって気化させ、および前記第2予冷器を通過した前記二酸化炭素(CO2)と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部が互いに熱交換後に前記圧縮機に移動することを含む。 Further, in one embodiment, a method for circulating a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure, wherein refrigerant mixed with carbon dioxide (CO 2 ) discharged from a compressor and at least one other refrigerant is condensed. The refrigerant that has been condensed in the condenser and passed through the condenser is expanded using a first expansion device to reduce the pressure, and the refrigerant that has passed through the first expansion device is utilized using a gas-liquid separator. The other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are separated as a liquid, the remaining carbon dioxide (CO 2 ) is separated as a gas, and the high pressure discharged from the gas-liquid separator The carbon dioxide (CO 2 ), which is in a gaseous state, is expanded using a second expansion device to lower the pressure and moved to the second precooler, and in a liquid state discharged from the gas-liquid separator The other refrigerant and the carbon dioxide After a part of the (CO 2) were frozen in the second precooler, inflated using a third expander discharged to the evaporator lowering the pressure, the said other refrigerant by the evaporator A part of carbon dioxide (CO 2 ) is vaporized by outside heat, and the carbon dioxide (CO 2 ) passed through the second precooler, the other refrigerant vaporized by the evaporator, and the carbon dioxide (CO 2 ) a part of which includes moving to the compressor after exchanging heat with each other.
また、一実施形態によると、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプであって、沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒を含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機の次に配置されて、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第1膨脹装置、前記第1膨脹装置の次に配置され、前記第1膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることによって沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を液体として分離し、前記二酸化炭素(CO2)の残りを気体として分離させる気液分離器、前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷却させる第2予冷器、前記気液分離器と前記第2予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素(CO2)を膨脹させて圧力を低下させる第2膨脹装置、前記第2予冷器と蒸発器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部を前記第2予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第3膨脹装置、および前記凝縮器と前記第1膨脹装置の間に配置され、前記蒸発器の吐出口と連結する第1予冷器を含み、前記混合冷媒は、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、前記蒸発器は、外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第1膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、前記第3膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなり、前記蒸発器で気化された冷媒と前記第2膨脹装置を通過した前記二酸化炭素(CO2)が混合した後、前記第1予冷器で前記凝縮器を通過した冷媒と熱交換をし、冷却後に前記圧縮機に移動することを特徴とする、二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプが提供される。 According to one embodiment, a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure, the compressor compressing a mixed refrigerant containing carbon dioxide (CO 2 ) having different boiling points and at least one other refrigerant, A condenser that is disposed next to the compressor and condenses the refrigerant that has passed through the compressor, and a first expansion device that is disposed next to the condenser and that expands the refrigerant that has passed through the condenser to lower the pressure. The other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ), which is disposed next to the first expansion device and lowers the pressure of the refrigerant having passed through the condenser by the first expansion device. A gas-liquid separator that separates the remaining carbon dioxide (CO 2 ) as a gas, and a second gas-liquid separator that is disposed next to the gas-liquid separator and cools the refrigerant that has passed through the gas-liquid separator. Precooler, front Liquid is separator and disposed between the second precooler, the carbon dioxide (CO 2) to be inflated second expander for reducing the pressure of the gaseous state discharged from the gas-liquid separator, said second ( 2 ) After cooling the other refrigerant in a liquid state and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) disposed between the precooler and the evaporator and discharged from the gas-liquid separator with the second precooler, A third expansion device for expanding and discharging pressure to the evaporator, and a first precooler disposed between the condenser and the first expansion device and connected to the discharge port of the evaporator In addition to a heat pump function that uses the heat of the condenser as heating hot water, the mixed refrigerant can be applied to a refrigeration apparatus at a low temperature of the evaporator, and the evaporator has a heating function even when the outside air temperature is low. The refrigerant is performed by the first expansion device to perform After being expanded from high pressure to intermediate pressure, the third expansion device expands from the intermediate pressure to low pressure, and the vaporization temperature is lowered by the inflow of the refrigerant through the two-stage expansion process, and is vaporized by the evaporator. After the refrigerant and the carbon dioxide (CO 2 ) that has passed through the second expansion device are mixed, the first precooler exchanges heat with the refrigerant that has passed through the condenser, and moves to the compressor after cooling. A multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure is provided.
実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒を得ることができる、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。 According to the embodiment, by installing an expansion device between the condenser and the gas-liquid separator to expand the refrigerant that is the working fluid, the low-temperature refrigerant that can be easily evaporated even in the low outdoor air in winter by the evaporator It is possible to provide a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and a circulation method thereof.
実施形態によると、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供してエネルギーを節約することができる、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプおよびその循環方法を提供することができる。 According to the embodiment, by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points so that CO 2 can be increased to 50 to 90%, it becomes possible to apply a lower pressure on the high pressure side. In addition, it is possible to provide a multistage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and a circulation method thereof, which can save energy by providing the effect of warm water for heating.
さらに、実施形態によると、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることができるようにすることにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供してオゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を利用するヒートポンプを代替することで、温室ガスの排出減少にも寄与できることはもちろん、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高く約0℃の蒸発器気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外器(蒸発器)の冷媒気化がなされず補助熱源が必要であった問題を解決することができる。 Furthermore, according to the embodiment, by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points, it is possible to increase CO 2 to 50 to 90%, thereby making it possible to use environmentally friendly carbon dioxide as a refrigerant. By substituting a heat pump that uses refrigerant that adversely affects the ozone layer and contributes to reducing greenhouse gas emissions, the pressure on the low-pressure evaporator side generated by the heat pump using carbon dioxide as a refrigerant Since the evaporator vaporization temperature of about 0 ° C. is high, the problem that the auxiliary heat source is necessary without the refrigerant vaporization of the outdoor unit (evaporator) can be solved if the outdoor temperature in winter is low.
以下、添付の図面を参照しながら、実施形態について説明する。しかし、記述される実施形態は、多様な他の形態に変形されもよく、本発明の範囲が以下で説明される実施形態によって限定されることはない。また、複数の実施形態は、当該技術分野において平均的な知識を有する者に発明をより完全に説明するために提供されるものである。図面において、要素の形状および大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることもある。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, embodiments are provided to more fully explain the invention to those skilled in the art. In the drawings, the shape and size of elements may be exaggerated for clarity.
以下の実施形態は、凝縮器と気液分離器との間に膨脹装置を架設して二段膨脹工程を適用することにより、蒸発器で冬季の低い外気環境でも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ(Cascade Heat Pump)を提供することができる。また、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がかなり低い圧力が適用可能となり、暖房用温水を提供することができる。 In the following embodiments, an expansion device is installed between a condenser and a gas-liquid separator, and a two-stage expansion process is applied, so that the evaporator can be easily evaporated even in a low outdoor environment in winter. A multi-stage heat pump (Cascade Heat Pump) having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant and capable of obtaining a refrigerant liquid can be provided. In addition, by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points so that CO 2 can be increased to 50 to 90%, it is possible to apply a pressure having a considerably low high-pressure side pressure. Can be provided.
これにより、高圧側圧力をCO2ヒートポンプ工程の130barよりもかなり低い約60〜80barの低い圧力の適用が可能となり、2つ以上の混合冷媒の適用により、凝縮器熱を温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍に適用可能となる。さらに、蒸発器気化温度が低く、外気温度が低い冬季にも外気熱を吸入して容易に気化がなされて暖房機能の実行が可能となり、3.0〜4.0の高いCOP(成績係数)に向上させる工程を提供することにより、エネルギー節約効果を提供することができる。 This allows the application of low pressures of about 60-80 bar, where the high pressure side pressure is significantly lower than 130 bar in the CO 2 heat pump process, and the application of two or more mixed refrigerants together with a heat pump function that uses the condenser heat as hot water The low temperature of the evaporator can be applied to refrigeration. Furthermore, even during the winter when the evaporator vaporization temperature is low and the outside air temperature is low, the outside air heat is sucked to easily vaporize and the heating function can be executed, and a high COP of 3.0 to 4.0 (coefficient of performance) By providing a process for improving the energy efficiency, an energy saving effect can be provided.
図1は、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in one embodiment.
図1を参照すると、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ100は、圧縮機110、凝縮器120、第1膨脹装置140、気液分離器150、第2膨脹装置141、第3膨脹装置142、蒸発器160を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ100は、第1予冷器130および第2予冷器131のうちの少なくともいずれか1つ以上をさらに含んで構成されてもよい。
Referring to FIG. 1, a
圧縮機110は、作動流体として冷媒を吸入し、臨界点よりも高い状態に圧縮した後に吐出されるようにする。
The
ここで、冷媒は、二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒で成されてよい。 Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one other refrigerant are mixed.
より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)とHFC系混合冷媒を含み、CO2の割合を50%〜90%に増加させて高圧での圧力を低下させ、暖房用温水を提供したり温風を提供したりしてよい。 More specifically, the refrigerant includes carbon dioxide (CO 2 ) and HFC-based mixed refrigerants having different boiling points, the ratio of CO 2 is increased to 50% to 90% to reduce the pressure at high pressure, Hot water for heating or hot air may be provided.
また、冷媒は、2つ以上の混合冷媒を含み、凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能である。 The refrigerant includes two or more mixed refrigerants, and the low temperature of the evaporator can be applied to the refrigeration apparatus together with a heat pump function that uses the heat of the condenser as heating hot water.
凝縮器120は、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮するものであり、凝縮器で発生する熱を利用して暖房を行ってよい。特に、冷媒としてCO2を含む冷媒を使用する場合、CO2は臨界点よりも高い高圧が適用されるため、高圧側の熱を利用して温水や暖房機能を得ることができる。
The
例えば、CO2をヒートポンプに適用する場合、臨界点よりも高い120〜130barの高圧が適用され、高圧側の熱を利用して約90℃の温水や暖房機能を得ることができる。 For example, when CO 2 is applied to a heat pump, a high pressure of 120 to 130 bar higher than the critical point is applied, and hot water or a heating function of about 90 ° C. can be obtained using the heat on the high pressure side.
このような凝縮器120は、所定の圧力と所定の温度で沸点が低い冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。
In such a
例えば、凝縮器120で、圧力60〜80bar、40℃で冷媒CO2ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。
For example, in the
第1予冷器130は、凝縮器120と第1膨脹装置140の間に配置されてよく、蒸発器160の吐出口とも連結してよい。このような第1予冷器130は、性能向上のための装置であり、省略されてもよい。
The
第1膨脹装置140は、凝縮器と気液分離器の間に構成され、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。
The
このように、第1膨脹装置140によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、その後に他の膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行するようになる。
In this way, the
気液分離器150は、第1膨脹装置140によって凝縮器120を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い他の冷媒とCO2の一部は液体として分離し、残りのCO2は気体として分離させてよい。
The gas-
既存のオート多段システムとは異なり、一実施形態によると、凝縮工程後に第1膨脹装置140で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とCO2の一部は液体として、残りのCO2は気体として、気液分離器150で得ることができるようになる。
Unlike the existing auto multistage system, according to one embodiment, if the pressure is reduced by the
第2予冷器131は、気液分離器150の下部冷媒液を冷却させてよい。
The
より具体的に説明すると、第2予冷器131は、気液分離器150から吐出された液体状態である他の冷媒とCO2の一部を冷却させてよい。また、第2膨脹装置141によって気液分離器150から吐出された高圧の気体状態であるCO2の圧力を最終圧力に低めた後、第2予冷器131を通過してよい。
More specifically, the
例えば、高圧の気体CO2は、圧力を約8〜12barに膨脹させて温度を−20℃の気体にし、第2予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却(Subcooling)させてよい。 For example, the high-pressure gas CO 2 may be expanded to a pressure of about −20 to 12 bar to a gas of −20 ° C., and the liquid in the gas-liquid separator may be further subcooled by the second precooler.
膨脹装置は、第2膨脹装置141および第3膨脹装置142を含んで構成されてよい。
The expansion device may include a
第2膨脹装置141は、気液分離器150と第2予冷器131の間に配置され、気液分離器150から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素(CO2)を膨脹させて圧力を低めてよい。第2膨脹装置141を通過した冷媒は、第2予冷器131に流入されてよい。
The
第3膨脹装置142は、第2予冷器131と蒸発器160の間に配置され、気液分離器150から吐出された液体状態である他の冷媒とCO2の一部が第2予冷器131で冷却された後、圧力を低めて蒸発器160に吐出してよい。
The
蒸発器160は、第3膨脹装置142を通過した他の冷媒とCO2の一部を外気熱によって気化させてよい。
The
例えば、予冷された冷媒液は、圧力は10barに膨脹されながら温度は約−15℃に低下し、蒸発器160で外気熱によって気化されてよい。
For example, the precooled refrigerant liquid may be vaporized by the outside air in the
より具体的に説明すると、蒸発器160は、第1膨脹装置140によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹された後、第3膨脹装置142によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を経た冷媒の流入により気化温度が低くなるため、外気温度が低い場合でも蒸発が容易に起こり、凝縮器で暖房機能を実行することができるようになる。
More specifically, the
この後、蒸発器160で気化された冷媒と第2膨脹装置141を通過して第2予冷器131を通過したCO2ガスは混合され、圧縮機110に移動してよい。ここで、蒸発器160で気化された冷媒と第2膨脹装置141を通過して第2予冷器131を通過したCOガスが圧縮機110に移動する中段に第1予冷器130が追加設置された場合は、第1予冷器130を通過した後、圧縮機110に移動してよい。
Thereafter, the refrigerant vaporized by the
この後、第1予冷器130では、蒸発器160から圧縮機110に吸入される混合気体と凝縮器120を通過した混合冷媒の熱交換がなされる。すなわち、凝縮器120を通過した高圧の冷媒が、蒸発器160から圧縮機110に吸入される冷たい気体によって冷却(Cooling)される。
Thereafter, in the
例えば、蒸発器160で気化された冷媒は、CO2気体と合わさり、第1予冷器130を経た後に圧縮機110で圧縮され、吐出温度は120〜130℃となってよい。
For example, the refrigerant vaporized by the
第1予冷器130では、約5℃を予冷させてよく、一例として、蒸発器160の出口温度を5度加熱し、凝縮器120の温度を5度低下させてよい。
In the
このように、本実施形態は、オート多段サイクルを改善したものであり、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置が仮設され、膨脹過程を二段で構成することができる。すなわち、高圧−中間圧−低圧の二段膨脹構造で構成することができる。 As described above, the present embodiment is an improvement of the auto multistage cycle, and an expansion device is temporarily installed between the condenser and the gas-liquid separator, and the expansion process can be configured in two stages. That is, it can be constituted by a two-stage expansion structure of high pressure-intermediate pressure-low pressure.
実施形態によると、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を同じように使用してもよく、CO2を50〜90%に増加させてもよい。これにより、高圧側圧力は、約60〜80barの低い圧力の適用が可能となる。 According to the embodiment, CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points may be used in the same manner, and CO 2 may be increased to 50 to 90%. Thereby, the high pressure side pressure can be applied at a low pressure of about 60 to 80 bar.
また、2つ以上の混合冷媒を適用することにより、凝縮器熱を温水として使用するヒートポンプ機能と共に蒸発器の低温を冷凍に適用可能となり、さらに蒸発器の気化温度が低いため、外気温度が低い冬季にも蒸発器160で蒸発が容易になされて暖房機能を実行することができ、3.0〜4.0の高いCOP効率を得ることができる。
Also, by applying two or more mixed refrigerants, it becomes possible to apply the low temperature of the evaporator to refrigeration together with the heat pump function that uses the condenser heat as hot water, and the vaporization temperature of the evaporator is low, so the outside air temperature is low Even in the winter, the
図2は、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを概略的に示した図である。 FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant, including an ejector, according to another embodiment.
図2を参照すると、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ200は、圧縮機210、凝縮器220、第1膨脹装置240、気液分離器250、第2膨脹装置241、第3膨脹装置242、蒸発器260、およびエジェクタ270またはEPR(蒸発圧力制御装置)を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、エジェクタが含まれた、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ200は、第1予冷器230および第2予冷器231のうちの少なくともいずれか1つ以上をさらに含んで構成されてもよい。
Referring to FIG. 2, in another embodiment, a
ここで、他の実施形態における、エジェクタが含まれた、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ200は、図1で説明した一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの構成と一部が重複するため、重複する構成に関する説明は省略し、相違する構成を中心に説明する。
Here, the
エジェクタ270は、第2予冷器231から吐出された冷媒と蒸発器260から吐出された冷媒が流入された後、互いに異なる圧力差を補正し、圧力差の補正がなされた冷媒を圧縮機210に流入させてよい。
The
このように、他の実施形態における、エジェクタやEPRが含まれた、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ200において、蒸発器の温度をさらに低くしたい場合、エジェクタ270を追加設置してよい。エジェクタ270は、互いに圧力が異なる場合に、小さい圧力差を補正するために使用されてよい。
As described above, in the
例えば、蒸発器温度を−20℃以下に低めようとすると、低圧側圧力が6barとなり、CO2気体圧力である8〜12barよりも低くなる圧力差が発生するため、これの吸入のためにエジェクタ270やEPRを適用してよい。 For example, if the evaporator temperature is lowered to −20 ° C. or lower, the low-pressure side pressure becomes 6 bar, and a pressure difference that is lower than the CO 2 gas pressure of 8 to 12 bar is generated. 270 or EPR may be applied.
このように、エジェクタ270は、5bar以内の小さい圧力差を補正するためのものであり、既存のエジェクタ適用CO2ヒートポンプシステムに適用される冷凍機の主な駆動用高圧エジェクタの機能とは大きな差がある。
As described above, the
図3a及び図3bは、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの二段膨脹工程を説明するための図である。 3a and 3b are views for explaining a two-stage expansion process of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in one embodiment.
図3aを参照すると、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ300は、図1で説明したように、圧縮機310、凝縮器320、第1予冷器330、第1膨脹装置340、気液分離器350、第2膨脹装置341、第3膨脹装置342、第2予冷器331、蒸発器360を含んで構成されてよい。
Referring to FIG. 3a, a
図3bは、CO2およびR143aの混合冷媒の割合が85:15である場合のp−h線図(圧力−比エンタルピー線図)を示している。 FIG. 3 b shows a ph diagram (pressure-specific enthalpy diagram) when the ratio of the mixed refrigerant of CO 2 and R 143 a is 85:15.
図3a及び図3bに示すように、凝縮器で、圧力70bar、40℃(地点1)で、冷媒CO2ガスと沸点が低い他の冷媒が臨界点上部の気体状態で存在してよい。 As shown in FIGS. 3a and 3b, in the condenser, at a pressure of 70 bar and 40 ° C. (point 1), the refrigerant CO 2 gas and another refrigerant having a low boiling point may be present in a gas state above the critical point.
この地点1の気体は、第1予冷器330で、蒸発器360の出口気体である地点11〜12のエネルギー量によって地点2まで過冷される。
The gas at the point 1 is supercooled to the
過冷却された気体(地点2)は、中間圧力25barまで膨脹(地点3)され、気液分離器350に捕集される。気液分離器350の液体のエンタルピーは飽和液である地点7であり、気体は飽和気体である地点4である。
The supercooled gas (point 2) is expanded to an intermediate pressure of 25 bar (point 3) and collected in the gas-
地点4のCO2気体は、最終圧力である12barである地点5まで膨脹して温度−13℃の気体になった後、第2予冷器331で地点7の飽和液を地点8まで過冷させながら、自身は加熱され、地点6となる。
The CO 2 gas at point 4 expands to point 5 where the final pressure is 12 bar and becomes a gas at a temperature of −13 ° C. Then, the saturated liquid at
過冷された地点8の液体は、最終圧12barまで第3膨脹装置342で膨脹して地点9となり、外気熱によって気化されて地点10の飽和気体となる。
The supercooled liquid at the
地点11の気体は、地点6の過熱気体と混合されて地点11の気体になった後、第1予冷器330で地点12となり、圧縮機310に吸入される。
The gas at the
圧縮機310で再び70barまで等エントロピー過程によって圧縮され、地点13の温度130℃の気体になる。この気体は、凝縮器で温水や暖房提供のヒートポンプ機能をなし、地点1の低温気体になる。ここで、他の冷媒とは、CO2ではない他の種類の冷媒を意味し、少なくとも1つ以上の冷媒であってよい。例えば、他の冷媒は、R143A、R410A、R152A、R32、R717、R290などのような各種代替冷媒が使用されてよい。
The gas is compressed by an isentropic process up to 70 bar again by the
既存のオート多段システムとは異なり、凝縮工程後に第1膨脹装置で圧力を低下させれば、沸点が低い他の冷媒全体とCO2の一部は液体として、残りのCO2は気体として、気液分離器で得られるようになる。 Unlike the existing auto multistage system, if the pressure is reduced by the first expansion device after the condensation process, the entire other refrigerant having a low boiling point and a part of CO 2 are liquid, and the remaining CO 2 is gas. It can be obtained with a liquid separator.
高圧の気体CO2は、圧力を約8〜12barに膨脹させて温度を−20℃の気体にし、第2予冷器で気液分離器の液体をさらに過冷却(Subcooling)させてよい。 The high-pressure gas CO 2 may be expanded to a pressure of about −20 to 12 bar to a gas of −20 ° C., and the liquid in the gas-liquid separator may be further subcooled by a second precooler.
第1予冷器では、約5℃を予冷させてよい。例えば、蒸発器の出口温度を5度加熱し、凝縮器の温度を5度低下させてよい。ここで、第1予冷器は、性能向上のための設備であり、省略されてもよい。 In the first precooler, about 5 ° C. may be precooled. For example, the evaporator outlet temperature may be heated 5 degrees and the condenser temperature reduced 5 degrees. Here, the first precooler is a facility for improving performance and may be omitted.
以下のとおり、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの性能評価を確認することができる。 As described below, the performance evaluation of the multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure using the CO 2 refrigerant in one embodiment can be confirmed.
例えば、冷媒の熱力学的物性値(エンタルピー、エントロピー、圧力、温度など)と性能評価は、EES(engineering equation solver)ソフトウェアなどを利用して計算されてよい。 For example, the thermodynamic property values (enthalpy, entropy, pressure, temperature, etc.) and performance evaluation of the refrigerant may be calculated using EES (engineering equation solver) software or the like.
表1は、既存のCO2ヒートポンプにCO2だけを冷媒として適用した場合を示している。 Table 1 shows a case where only CO 2 is applied as a refrigerant to an existing CO 2 heat pump.
表1を参照すると、既存のCO2ヒートポンプにCO2だけを冷媒として適用した場合、高圧と低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すCOP(成績係数)を確認することができる。 Referring to Table 1, when only CO 2 is applied as a refrigerant to an existing CO 2 heat pump, a COP (coefficient of performance) indicating the refrigeration cycle efficiency of the heat pump at high pressure and low pressure can be confirmed.
ここで、ヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すCOP(成績係数)は、凝縮器での放熱量を高温と低温での圧縮機の圧縮仕事量で割って算定してよい。 Here, the COP (coefficient of performance) indicating the refrigeration cycle efficiency of the heat pump may be calculated by dividing the amount of heat released by the condenser by the compression work of the compressor at high and low temperatures.
例えば、ヒートポンプのCOP=Qc/W、冷凍装置のCOP=Qe/Wで示してよい。このとき、ヒートポンプは凝縮器熱量/圧縮仕事量を示し、冷凍装置は蒸発器吸入量/圧縮仕事量を示してよい。 For example, it may be indicated by COP = Qc / W of the heat pump and COP = Qe / W of the refrigeration apparatus. At this time, the heat pump may indicate the condenser heat amount / compression work, and the refrigeration device may indicate the evaporator suction amount / compression work.
表2は、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、CO2とは異なる冷媒を混合冷媒として適用した場合を示している。 Table 2 shows a case where a refrigerant different from CO 2 is applied as a mixed refrigerant to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in one embodiment.
表2を参照すると、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてCO2とR143aを70:30で適用した場合が示されており、高圧、中間圧、および低圧によるヒートポンプの冷凍サイクル効率を示すCOP(成績係数)を確認することができる。 Referring to Table 2, a case where CO 2 and R143a are applied as a mixed refrigerant at 70:30 to a multistage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in one embodiment is shown. The COP (coefficient of performance) indicating the refrigeration cycle efficiency of the heat pump at the intermediate pressure and the low pressure can be confirmed.
表1および表2を参照しながら、高圧/低圧が70bar/12barである場合を比べると、既存のCO2ヒートポンプのCOPは1.3725である反面、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、低圧であるにも係わらず3.3635と245%向上し、二段膨脹のない単段膨脹でもCOPが3.3606になることを確認することができる。 Referring to Tables 1 and 2, when comparing the case where the high pressure / low pressure is 70 bar / 12 bar, the COP of the existing CO 2 heat pump is 1.3725, while the CO 2 refrigerant in one embodiment is used. The multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure is improved by 3.3635 and 245% despite the low pressure, and it can be confirmed that the COP becomes 3.3606 even in the single-stage expansion without the two-stage expansion.
したがって、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、CO2と他の冷媒を混合冷媒として適用することにより、CO2だけを用いる場合よりもCOP増加の効果がある。 Therefore, in the multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant in one embodiment, by applying CO 2 and another refrigerant as a mixed refrigerant, the effect of increasing COP is greater than when using only CO 2. There is.
図4は、一実施形態における、二段膨脹の中間圧力によるCOP変化を示した図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a change in COP due to an intermediate pressure of two-stage expansion in one embodiment.
図4を参照すると、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプに、混合冷媒としてCO2とR143aを70:30で適用した場合、二段膨脹の中間膨脹圧力が25barで最大COPを得ることができる。 Referring to FIG. 4, when CO 2 and R143a are applied as a mixed refrigerant at 70:30 to a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in one embodiment, an intermediate expansion pressure of the two-stage expansion. Can obtain the maximum COP at 25 bar.
したがって、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構を有する多段ヒートポンプに、CO2と他の冷媒を混合冷媒として適用した場合、二段膨脹の中間圧力で最大COPを得ることができる。 Therefore, when CO 2 and another refrigerant are applied as a mixed refrigerant to the multi-stage heat pump having a two-stage expansion mechanism using a CO 2 refrigerant in one embodiment, the maximum COP can be obtained at an intermediate pressure of the two-stage expansion. it can.
また、一実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、ヒートポンプとして適用されるときに、室外機である蒸発器の蒸発温度が−10〜−15℃と低く、冬季の外気温度の低下にも補助熱源なしで暖房と温水ヒートポンプの機能を実行することができる。このように、COPの向上と圧縮動力の減少により、エネルギー節約の効果を得ることができる。 In one embodiment, when the multistage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant is applied as a heat pump, the evaporation temperature of the evaporator, which is an outdoor unit, is as low as −10 to −15 ° C., The function of heating and hot water heat pump can be executed without a supplementary heat source even when the outside air temperature decreases in winter. Thus, an energy saving effect can be obtained by improving the COP and reducing the compression power.
図5は、さらに他の実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法を示したフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in still another embodiment.
図5を参照すると、さらに他の実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、圧縮機から吐出された二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された冷媒が凝縮器で凝縮される段階510、凝縮器を通過した冷媒を、第1膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させる段階520、第1膨脹装置を通過した冷媒を、気液分離器を利用して沸点が低い他の冷媒と二酸化炭素(CO2)の一部を液体として分離し、残りの二酸化炭素(CO2)を気体として分離させる段階530、気液分離器から吐出された高圧の気体状態である二酸化炭素(CO2)を、第2膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第2予冷器に移動させる段階540、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒と二酸化炭素(CO2)の一部を第2予冷器で冷凍させた後、第3膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、蒸発器で他の冷媒と二酸化炭素(CO2)の一部を外気熱によって気化させる段階550、および第2予冷器を通過した二酸化炭素(CO2)と蒸発器によって気化された他の冷媒と二酸化炭素(CO2)の一部は、互いに熱交換後に圧縮機に移動される段階560を含んでよい。
Referring to FIG. 5, in another embodiment, a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant includes carbon dioxide (CO 2 ) discharged from a compressor and at least one or more The refrigerant mixed with the other refrigerant is condensed in the
実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させることにより、蒸発器で冬季の低い外気にも容易に蒸発することのできる低温冷媒液を得ることができる。また、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることができるようにすることにより、高圧側圧力がより低い圧力の適用が可能となり、暖房用温水の効果も提供することで、エネルギーを節約することができる。 According to the embodiment, by installing an expansion device between the condenser and the gas-liquid separator to expand the refrigerant that is the working fluid, the low-temperature refrigerant that can be easily evaporated even in the low outdoor air in winter by the evaporator A liquid can be obtained. Further, by using CO 2 and HFC mixed refrigerants having different boiling points so that CO 2 can be increased to 50 to 90%, it is possible to apply a lower pressure on the high pressure side, and for heating By providing the effect of warm water, energy can be saved.
以下では、さらに他の実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法について、1つの例を挙げてさらに具体的に説明する。 Hereinafter, a circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using a CO 2 refrigerant in still another embodiment will be described more specifically with an example.
さらに他の実施形態における、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、図1〜図4で説明した、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプを利用してさらに具体的に説明する。ここで、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、第1膨脹装置、気液分離器、第2膨脹装置、第3膨脹装置、および蒸発器を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプは、第1予冷器、第2予冷器、およびエジェクタまたはEPRのうちの少なくともいずれか1つ以上をさらに含んで構成されてもよい。一方、CO2冷媒を利用した二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法は、作動流体としてCO2冷媒を含んだ冷媒が循環する方法を示してよい。 In yet another embodiment, the circulating method of multistage pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant has been described in FIGS. 1-4, a multi-stage heat pump with a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant This will be explained in more detail using this. Here, the multistage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant includes a compressor, a condenser, a first expansion device, a gas-liquid separator, a second expansion device, a third expansion device, and an evaporator. May be configured. In addition, according to the embodiment, the multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant further includes at least one of a first precooler, a second precooler, and an ejector or EPR. May be. On the other hand, the circulation method of the multi-stage heat pump with two-stage expansion structure using CO 2 refrigerant, the refrigerant containing CO 2 refrigerant as a working fluid may indicate how to circulate.
段階510で、凝縮器は、圧縮機から吐出されたCO2と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された冷媒を凝縮させてよい。
In
ここで、冷媒は、二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒が混合された混合冷媒であってよい。 Here, the refrigerant may be a mixed refrigerant in which carbon dioxide (CO 2 ) and at least one other refrigerant are mixed.
より具体的に説明すると、冷媒は、沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)とHFC系混合冷媒とを含み、CO2の割合を50%〜90%に増加させ、高圧での圧力を低下させることで暖房用温水の提供が可能となる。 More specifically, the refrigerant includes carbon dioxide (CO 2 ) and HFC mixed refrigerants having different boiling points, and increases the ratio of CO 2 to 50% to 90% and lowers the pressure at high pressure. This makes it possible to provide hot water for heating.
段階520で、第1膨脹装置は、凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させてよい。
In
このように、第1膨脹装置によって冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、第3膨脹装置によって中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹工程を実行してよい。 In this way, the refrigerant may be expanded from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device, and a two-stage expansion process may be performed in which the refrigerant is expanded from the intermediate pressure to the low pressure by the third expansion device.
段階530で、気液分離器は、第1膨脹装置を通過した冷媒を沸点が低い他の冷媒とCO2の一部を液体として分離し、残りのCO2を気体として分離させてよい。
In
段階540で、第2膨脹装置は、気液分離器から吐出された高圧の気体状態であるCO2を膨脹させて圧力を低下させ、第2予冷器に移動させてよい。
In
段階550で、第3膨脹装置は、気液分離器から吐出された液体状態である他の冷媒とCO2の一部を第2予冷器で冷凍させた後、膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出してよい。
In
この後、蒸発器で他の冷媒とCO2の一部を外気熱によって気化させてよい。 Thereafter, another refrigerant and a part of CO 2 may be vaporized by the outside air heat in an evaporator.
段階560で、第2予冷器を通過したCO2と蒸発器によって気化された他の冷媒とCO2の一部は、互いに熱交換して圧縮機に移動されてよい。
In
このとき、エジェクタやEPR(蒸発圧力制御装置)を利用して第2予冷器から吐出された冷媒と蒸発器から吐出された冷媒の互いに異なる圧力差を補正し、圧縮機に移動させてもよい。 At this time, different pressure differences between the refrigerant discharged from the second precooler and the refrigerant discharged from the evaporator may be corrected using an ejector or EPR (evaporation pressure control device), and moved to the compressor. .
第1予冷器を通過しながら冷凍させた後、圧縮機に移動されてよい。 After freezing while passing through the first precooler, it may be moved to the compressor.
第1予冷器は、蒸発器で気化された冷媒と凝縮器を通過したCO2が互いに熱交換し、圧縮機に吸入される低温気体が凝縮器の排出気体温度をさらに低めるようになる。 In the first precooler, the refrigerant vaporized in the evaporator and the CO 2 passing through the condenser exchange heat with each other, and the low-temperature gas sucked into the compressor further lowers the temperature of the exhaust gas from the condenser.
このように、実施形態によると、凝縮器と気液分離器の間に膨脹装置を設置して作動流体である冷媒を膨脹させ、沸点が互いに異なるCO2とHFC系混合冷媒を用いてCO2を50〜90%に増加させることにより、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプで発生する低圧蒸発器側の圧力が高くて約0℃の蒸発器の気化温度を得るようになるため、冬季の外気が低ければ室外機(蒸発器)の冷媒気化がなされず補助熱源が必要になるという問題を解決することができる。 As described above, according to the embodiment, the expansion device is installed between the condenser and the gas-liquid separator to expand the refrigerant that is the working fluid, and CO 2 and HFC mixed refrigerant having different boiling points are used for CO 2. Is increased to 50 to 90%, the pressure on the low-pressure evaporator side generated by the heat pump using carbon dioxide as a refrigerant is high, and the vaporization temperature of the evaporator of about 0 ° C. is obtained. If it is low, the problem that the outdoor unit (evaporator) does not vaporize the refrigerant and an auxiliary heat source is required can be solved.
これにより、環境に優しい二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを提供し、オゾン層に悪影響を及ぼす冷媒を使用するヒートポンプに代替することにより、温室ガスの排出減少にも寄与することができる。 Thereby, it is possible to contribute to the reduction of greenhouse gas emissions by providing a heat pump using environmentally friendly carbon dioxide as a refrigerant and substituting it with a heat pump using a refrigerant that adversely affects the ozone layer.
以上のように、本発明の実施形態について限定された実施形態と図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能である。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、および/あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物や均等冷媒としてHFCの代りにオゾンに影響を及ぼすHCFC系冷媒やアンモニア(R717)、プロパン(R290)などによって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described based on the limited embodiments and the drawings, but those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method and / or components of the described system, structure, apparatus, circuit, etc. may be in a different form than the described method. As combined with or combined with other components or equivalents or equivalent refrigerants as opposed to or replaced by HCFC refrigerants that affect ozone instead of HFC, ammonia (R717), propane (R290), etc. Can also achieve adequate results.
したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。 Accordingly, even different embodiments belong to the appended claims as long as they are equivalent to the claims.
100:多段ヒートポンプ
110:圧縮機
120:凝縮器
130:第1予冷器
131:第2予冷器
140:第1膨脹装置
141:第2膨脹装置
142:第3膨脹装置
150:気液分離器
160:蒸発器
100: Multi-stage heat pump 110: Compressor 120: Condenser 130: First precooler 131: Second precooler 140: First expansion device 141: Second expansion device 142: Third expansion device 150: Gas-liquid separator 160: Evaporator
Claims (11)
前記凝縮器と前記気液分離器との間に構成され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第1膨脹装置
を含み、
前記第1膨脹装置によって前記冷媒は高圧から中間圧に膨脹され、前記膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹される、二段の膨脹構造を有することを特徴とする、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 A multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure including a compressor, a condenser, a gas-liquid separator, an expansion device, and an evaporator,
A first expansion device that is configured between the condenser and the gas-liquid separator and expands the refrigerant that has passed through the condenser to reduce the pressure;
The refrigerant is expanded from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device, and has a two-stage expansion structure in which the refrigerant is expanded from the intermediate pressure to a low pressure by the expansion device.
A multistage heat pump having a two-stage expansion structure.
二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒を混合した混合冷媒であることを特徴とする、
請求項1に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 The refrigerant is
It is a mixed refrigerant obtained by mixing carbon dioxide (CO 2 ) and at least one other refrigerant,
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 1.
沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)とHFC系混合冷媒とを含み、前記二酸化炭素(CO2)の割合を50%〜90%に増加して前記高圧での圧力を低下させ、暖房用温水および温風の提供が可能であることを特徴とする、
請求項2に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 The refrigerant is
Hot water for heating, including carbon dioxide (CO 2 ) and HFC mixed refrigerant having different boiling points, increasing the ratio of the carbon dioxide (CO 2 ) to 50% to 90% and reducing the pressure at the high pressure And hot air can be provided,
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 2.
2つ以上の混合冷媒を含み、前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と同時に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であることを特徴とする、
請求項2に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 The refrigerant is
The low temperature of the evaporator is applicable to a refrigeration apparatus simultaneously with a heat pump function including two or more mixed refrigerants and using the heat of the condenser as heating hot water,
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 2.
前記第1膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを液体として分離し、残りの前記二酸化炭素(CO2)を気体として分離させることを特徴とする、
請求項2に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 The gas-liquid separator is
By reducing the pressure of the refrigerant that has passed through the condenser by the first expansion device, the other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are separated as a liquid, and the remaining carbon dioxide. Separating carbon (CO 2 ) as a gas,
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 2.
をさらに含み、
前記膨脹装置は、
前記気液分離器と前記第2予冷器の間に配置され、前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素(CO2)を膨脹させて圧力を低める第2膨脹装置、および
前記第2予冷器と前記蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを前記第2予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低めて前記蒸発器に吐出する第3膨脹装置
を含む、
請求項5に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 A second precooler for freezing the refrigerant that has passed through the gas-liquid separator;
The expansion device is
A second expansion device that is disposed between the gas-liquid separator and the second precooler and expands the carbon dioxide (CO 2 ) in a high-pressure gas state discharged from the gas-liquid separator to lower the pressure. And the other refrigerant that is disposed between the second precooler and the evaporator and is in a liquid state discharged from the gas-liquid separator and a part of the carbon dioxide (CO 2 ). (2) a third expansion device that cools with a precooler and then expands and lowers the pressure to discharge to the evaporator;
A multistage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 5.
をさらに含み、
前記第1予冷器は、
前記蒸発器で気化された前記冷媒と前記凝縮器を通過した前記二酸化炭素(CO2)とを熱交換し、冷却後に前記圧縮機に移動させることを特徴とする、
請求項2に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 A first precooler connecting the discharge port of the evaporator and the discharge port of the condenser;
The first precooler includes:
The refrigerant vaporized by the evaporator and the carbon dioxide (CO 2 ) that has passed through the condenser are heat-exchanged and moved to the compressor after cooling.
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 2.
をさらに含む、
請求項6に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 An ejector or an evaporation pressure control device (EPR) that corrects a difference in pressure between the refrigerant discharged from the second precooler and the refrigerant discharged from the evaporator and sends it to the compressor
Further including
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 6.
外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第1膨脹装置によって前記冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第3膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した前記冷媒の流入により気化温度が低くなることを特徴とする、
請求項6に記載の二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 The evaporator is
A second stage in which the first expansion device expands the refrigerant from a high pressure to an intermediate pressure, and then the third expansion device expands the intermediate pressure to the low pressure so that the heating function is performed even when the outside air temperature is low. The vaporization temperature is lowered by the inflow of the refrigerant that has performed the expansion step of
A multi-stage heat pump having the two-stage expansion structure according to claim 6.
前記凝縮器を通過した前記冷媒を、第1膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させ、
前記第1膨脹装置を通過した前記冷媒から、気液分離器を利用して沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを液体として分離し、残りの前記二酸化炭素(CO2)を気体として分離し、
前記気液分離器から吐出された高圧の気体状態である前記二酸化炭素(CO2)を、第2膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低下させて第2予冷器に移動させ、
前記気液分離器から吐出された液体状態である前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを前記第2予冷器で冷凍した後、第3膨脹装置を利用して膨脹させて圧力を低めて蒸発器に吐出し、前記蒸発器で前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを外気熱によって気化させ、および
前記第2予冷器を通過した前記二酸化炭素(CO2)と前記蒸発器によって気化された前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを、互いに熱交換した後に前記圧縮機に移動させること
を含む、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプの循環方法。 A condenser that condenses carbon dioxide (CO 2 ) discharged from the compressor and a refrigerant in which at least one other refrigerant is mixed;
The refrigerant that has passed through the condenser is expanded using a first expansion device to reduce the pressure,
The other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are separated from the refrigerant that has passed through the first expansion device as a liquid using a gas-liquid separator, and the remaining carbon dioxide Separating (CO 2 ) as a gas;
The carbon dioxide (CO 2 ), which is in a high-pressure gas state discharged from the gas-liquid separator, is expanded using a second expansion device to reduce the pressure and move to the second precooler,
The other refrigerant in a liquid state discharged from the gas-liquid separator and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are frozen by the second precooler and then expanded using a third expansion device. The pressure is lowered and discharged to the evaporator, the other refrigerant and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are vaporized by outside heat in the evaporator, and the carbon dioxide that has passed through the second precooler. (CO 2 ), the other refrigerant vaporized by the evaporator, and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are exchanged with each other and then moved to the compressor.
A circulation method of a multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure.
沸点が互いに異なる二酸化炭素(CO2)と少なくとも1つ以上の他の冷媒とを含む混合冷媒を圧縮する圧縮機、
前記圧縮機の次に配置され、前記圧縮機を通過した冷媒を凝縮する凝縮器、
前記凝縮器の次に配置され、前記凝縮器を通過した冷媒を膨脹させて圧力を低下させる第1膨脹装置、
前記第1膨脹装置の次に配置され、前記第1膨脹装置によって前記凝縮器を通過した冷媒の圧力を低下させることにより、沸点が低い前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを液体として分離し、前記二酸化炭素(CO2)の残りを気体として分離させる気液分離器、
前記気液分離器の次に配置され、前記気液分離器を通過した冷媒を冷凍する第2予冷器、
前記気液分離器と前記第2予冷器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された気体状態の前記二酸化炭素(CO2)を膨脹させて圧力を低下させる第2膨脹装置、
前記第2予冷器と蒸発器との間に配置され、前記気液分離器から吐出された液体状態の前記他の冷媒と前記二酸化炭素(CO2)の一部とを前記第2予冷器で冷却した後、膨脹させて圧力を低下させて前記蒸発器に吐出する第3膨脹装置、および
前記凝縮器と前記第1膨脹装置との間に配置され、前記蒸発器の吐出口に連結する第1予冷器
を含み、
前記混合冷媒は、
前記凝縮器の熱を暖房用温水として用いるヒートポンプ機能と共に、前記蒸発器の低温は冷凍装置に適用可能であり、
前記蒸発器は、
外気温度が低い場合にも暖房機能を実行するように、前記第1膨脹装置によって冷媒が高圧から中間圧に膨脹した後、前記第3膨脹装置によって前記中間圧から低圧に膨脹する、二段の膨脹工程を実行した冷媒の流入により気化温度が低くなり、
前記蒸発器で気化された冷媒と前記第2膨脹装置を通過した前記二酸化炭素(CO2)とが混合された後、前記凝縮器を通過した冷媒と前記第1予冷器で熱交換され、冷却後に前記圧縮機に移動されることを特徴とする、
二段膨脹構造を有する多段ヒートポンプ。 A multi-stage heat pump having a two-stage expansion structure,
A compressor that compresses a mixed refrigerant including carbon dioxide (CO 2 ) having different boiling points and at least one other refrigerant;
A condenser that is arranged next to the compressor and condenses the refrigerant that has passed through the compressor;
A first expansion device that is arranged next to the condenser and expands the refrigerant that has passed through the condenser to reduce the pressure;
The other refrigerant having a low boiling point and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) is disposed next to the first expansion device and reduces the pressure of the refrigerant that has passed through the condenser by the first expansion device. A gas-liquid separator that separates the remainder of the carbon dioxide (CO 2 ) as a gas,
A second precooler that is arranged next to the gas-liquid separator and freezes the refrigerant that has passed through the gas-liquid separator;
A second expansion device that is disposed between the gas-liquid separator and the second precooler, and expands the carbon dioxide (CO 2 ) in a gaseous state discharged from the gas-liquid separator to reduce the pressure;
The second refrigerant is disposed between the second precooler and the evaporator, and the other refrigerant in a liquid state discharged from the gas-liquid separator and a part of the carbon dioxide (CO 2 ) are used in the second precooler. A third expansion device which is cooled and then expanded to lower the pressure and discharged to the evaporator; and a third expansion device disposed between the condenser and the first expansion device and connected to a discharge port of the evaporator. Including 1 precooler,
The mixed refrigerant is
Along with a heat pump function that uses the heat of the condenser as warm water for heating, the low temperature of the evaporator is applicable to a refrigeration apparatus,
The evaporator is
A refrigerant is expanded from a high pressure to an intermediate pressure by the first expansion device and then expanded from the intermediate pressure to a low pressure by the third expansion device so that the heating function is performed even when the outside air temperature is low. The vaporization temperature is lowered by the inflow of the refrigerant that has performed the expansion process,
After the refrigerant vaporized by the evaporator and the carbon dioxide (CO 2 ) that has passed through the second expansion device are mixed, heat exchange is performed between the refrigerant that has passed through the condenser and the first precooler to cool the refrigerant. It is moved to the compressor later,
A multistage heat pump having a two-stage expansion structure.
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KR (1) | KR101811957B1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110507058A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-29 | 北京建筑大学 | A kind of miniature air source heat pump curling device and method |
CN113701390A (en) * | 2021-09-15 | 2021-11-26 | 上海海洋大学 | Analysis method of carbon dioxide double-stage compression refrigeration cycle exergy |
CN113915800A (en) * | 2021-09-27 | 2022-01-11 | 河南科技大学 | High-temperature double-source heat pump device |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114739029B (en) * | 2021-01-07 | 2024-04-19 | 中国科学院理化技术研究所 | Multipurpose carbon dioxide heat pump cold and hot combined supply system |
US20230213246A1 (en) * | 2022-01-02 | 2023-07-06 | AirMyne, Inc. | Using Carbon Dioxide From A Direct Air Capture System As A Low Global Warming Car And Industrial Refrigerant |
US11801476B2 (en) | 2022-01-02 | 2023-10-31 | AirMyne, Inc. | Efficient and fully automated catalytic direct carbon dioxide capture from air system |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS51103754U (en) * | 1975-02-18 | 1976-08-19 | ||
JPH01314857A (en) * | 1988-06-14 | 1989-12-20 | Nippon Denso Co Ltd | Refrigerating cycle |
JPH10332212A (en) * | 1997-06-02 | 1998-12-15 | Toshiba Corp | Refrigeration cycle of air conditioner |
JP2003172523A (en) * | 2001-09-28 | 2003-06-20 | Mitsubishi Electric Corp | Heat-pump floor heater air conditioner |
JP2004053179A (en) * | 2002-07-23 | 2004-02-19 | Sanyo Electric Co Ltd | Refrigerator |
US20050150248A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-07-14 | Manole Dan M. | Method and apparatus for control of carbon dioxide gas cooler pressure by use of a capillary tube |
JP2006177597A (en) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Hitachi Home & Life Solutions Inc | Freezing equipment, and air conditioner using it |
JP2007093105A (en) * | 2005-09-28 | 2007-04-12 | Sanyo Electric Co Ltd | Freezing device and gas-liquid separator |
WO2009147826A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-10 | パナソニック株式会社 | Refrigeration cycle device |
JP2010071643A (en) * | 2009-11-27 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Supercritical vapor compression type refrigerating cycle, and heating and cooling air conditioning equipment and heat pump water heater using the same |
JP2012077984A (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Daikin Industries Ltd | Refrigerating circuit |
JP2016169906A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Refrigerator unit |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004198063A (en) * | 2002-12-20 | 2004-07-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Non-azeotropic refrigerant mixture, refrigerating cycle and refrigerating device |
KR100528292B1 (en) * | 2004-05-04 | 2005-11-15 | 삼성전자주식회사 | Heat-pump type air conditioner |
KR100596157B1 (en) | 2004-12-08 | 2006-07-04 | 김진일 | Refrigerator using mixed refrigerant with carbon dioxide |
JP2007162988A (en) * | 2005-12-12 | 2007-06-28 | Sanden Corp | Vapor compression refrigerating cycle |
JP4841287B2 (en) | 2006-03-29 | 2011-12-21 | 三洋電機株式会社 | Refrigeration equipment |
JP6213299B2 (en) * | 2014-02-25 | 2017-10-18 | 株式会社富士通ゼネラル | Refrigeration cycle equipment |
-
2016
- 2016-11-09 KR KR1020160148838A patent/KR101811957B1/en active IP Right Grant
-
2017
- 2017-11-08 JP JP2017215195A patent/JP6554156B2/en active Active
Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS51103754U (en) * | 1975-02-18 | 1976-08-19 | ||
JPH01314857A (en) * | 1988-06-14 | 1989-12-20 | Nippon Denso Co Ltd | Refrigerating cycle |
JPH10332212A (en) * | 1997-06-02 | 1998-12-15 | Toshiba Corp | Refrigeration cycle of air conditioner |
JP2003172523A (en) * | 2001-09-28 | 2003-06-20 | Mitsubishi Electric Corp | Heat-pump floor heater air conditioner |
JP2004053179A (en) * | 2002-07-23 | 2004-02-19 | Sanyo Electric Co Ltd | Refrigerator |
US20050150248A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-07-14 | Manole Dan M. | Method and apparatus for control of carbon dioxide gas cooler pressure by use of a capillary tube |
JP2006177597A (en) * | 2004-12-22 | 2006-07-06 | Hitachi Home & Life Solutions Inc | Freezing equipment, and air conditioner using it |
JP2007093105A (en) * | 2005-09-28 | 2007-04-12 | Sanyo Electric Co Ltd | Freezing device and gas-liquid separator |
WO2009147826A1 (en) * | 2008-06-03 | 2009-12-10 | パナソニック株式会社 | Refrigeration cycle device |
JP2010071643A (en) * | 2009-11-27 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Supercritical vapor compression type refrigerating cycle, and heating and cooling air conditioning equipment and heat pump water heater using the same |
JP2012077984A (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Daikin Industries Ltd | Refrigerating circuit |
JP2016169906A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Refrigerator unit |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110507058A (en) * | 2019-08-26 | 2019-11-29 | 北京建筑大学 | A kind of miniature air source heat pump curling device and method |
CN113701390A (en) * | 2021-09-15 | 2021-11-26 | 上海海洋大学 | Analysis method of carbon dioxide double-stage compression refrigeration cycle exergy |
CN113915800A (en) * | 2021-09-27 | 2022-01-11 | 河南科技大学 | High-temperature double-source heat pump device |
CN113915800B (en) * | 2021-09-27 | 2023-03-03 | 河南科技大学 | High-temperature double-source heat pump device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6554156B2 (en) | 2019-07-31 |
KR101811957B1 (en) | 2017-12-22 |
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