JP3657579B2 - 冷暖房システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，冷媒の循環による冷暖房システムに関する。さらに詳細には，圧縮比の異なる２系統のサイクルを併用する冷暖房システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，電気を主なエネルギー源とした冷暖房システムには，水等の熱交換媒体を蓄えている蓄熱槽を有するものがある。夜間の非運転期間にその蓄熱槽内の熱交換媒体に冷熱や温熱を蓄え，昼間の冷暖房の冷熱源や温熱源として利用するものである。例えば，冷房運転時期には，夜間に蓄熱槽の水を冷やして氷を作っておく。そして，昼間の冷房運転時には，冷媒の一部を蓄熱槽の氷と熱交換させるのである。これにより，ピーク時の冷暖房機器の負荷を小さくし，ピーク時エネルギー消費量を減らすことができる。
【０００３】
この従来の冷暖房システムにおける冷房運転時の冷媒の循環について簡単に説明する。冷媒は，圧力と温度の関係によってその状態が変化し，その相変化に伴う潜熱を利用するものである。室内機に設けられた熱交換器で室内の熱を奪って蒸発し低圧ガスとなった冷媒は，２つに分けられる。そして，冷媒の一部は，室外機に設けられた熱交換器において室外の空気中に放熱して凝縮液化され，冷媒の他の一部は，蓄熱槽に設けられた熱交換器で冷却されて凝縮液化される。室外機で放熱する部分の冷媒は，３０℃以上の外気に放熱して凝縮できる程度に高圧に圧縮される必要がある。一方，０℃近くの蓄熱槽と熱交換する部分の冷媒は，あまり高圧に圧縮される必要はない。そこで，この従来の冷暖房システムでは，圧縮比の異なる２つの圧縮機を備えて，それらを使い分けることにより，２種類の圧縮比を得るようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来の冷暖房システムでは，２台の圧縮機を備える必要がある。そのため，構造が複雑となり，製造コストが割高になるという問題点があった。
【０００５】
本発明は，前記した従来の冷暖房システムが有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，１台の圧縮機を使用して２種類のサイクルを併用できる冷暖房システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた本発明に係る冷暖房システムは，室外機熱交換器と室内機熱交換器とが設けられた環路に圧縮機により冷媒を循環させて冷暖房を行う冷暖房システムであって，環路における室外機熱交換器と室内機熱交換器との間の分岐点と圧縮機とを結ぶ副流路と，副流路に設けられた中間圧熱交換器とを有し，圧縮機は，環路に冷媒を循環させるための高圧吐出口および低圧吸入口の他に，副流路に接続された中間圧抽出入口を有するものであり，冷房時には，室外機熱交換器から室内機熱交換器へ向かう方向に環路の冷媒を循環させるとともに，中間圧抽出入口から副流路へ抽出された冷媒を分岐点で環路の冷媒と合流させ，暖房時には，室内機熱交換器から室外機熱交換器へ向かう方向に環路の冷媒を循環させるとともに，分岐点で環路から副流路へ分流された冷媒を中間圧抽出入口で圧縮機に流入させるものである。
【０００７】
すなわち本発明では，室外機熱交換器と室内機熱交換器と圧縮機との間を冷媒が循環されることで，冷暖房が行われる冷暖房システムであり，室外機熱交換器と室内機熱交換器との間に副流路への分岐点が設けられている。この副流路には，中間圧熱交換器が接続され，圧縮機の中間圧抽出入口によって中間圧の冷媒が循環されている。従って，中間圧熱交換器として蓄熱槽や別のシステムの蒸発器等を利用して，主流路のサイクルと併用することができる。これにより，１台の圧縮機を使用して２種類のサイクルを併用できる冷暖房システムとすることができた。この冷暖房システムでは，冷房時には中間圧抽出入口から冷媒を抽出して，中間圧熱交換器から分岐点へと向かわせ，暖房時には分岐点で冷媒を分流して，その一部を中間圧熱交換器から中間圧抽出入口に流入させればよい。これにより，副流路を流れる冷媒は，中間圧熱交換器において室外機熱交換器と同じ方向の熱交換をすることとなり，システム全体としてのエネルギー消費量を減少させることができる。
【０００８】
また，本発明では，圧縮機は，低圧吸入口から高圧吐出口に至る圧縮過程に，低圧吸入口と高圧吐出口とのいずれからも遮断された中間圧力部分が存在する構造であり，中間圧抽出入口は，圧縮機の中間圧力部分に連通していることが望ましい。
例えば，マルチベーン式の圧縮機やスクロール式の圧縮機では，圧縮機内部に取り込まれた冷媒が，圧力の異なる複数のブロックに仕切られて次第に圧縮される構造となっている。従って，圧縮機中には，冷媒が低圧の吸入側とも高圧の吐出側とも遮断された中間圧力部分が存在している。中間圧抽出入口が，その中間圧力部分に連通されていれば，吸入側や吐出側の圧力に影響を与えることなく，中間圧状態の冷媒を取り出しあるいは流し込むことが比較的容易にできるからである。
【０００９】
また，本発明では，室外機熱交換器と分岐点との間に圧力差を維持しつつ冷媒を通過させる第１差圧手段と，室内機熱交換器と分岐点との間に圧力差を維持しつつ冷媒を通過させる第２差圧手段とを有することが望ましい。
冷房時には，分岐点において，室外機熱交換器から室内機熱交換器へ向かう方向に環路を循環される冷媒と，中間圧抽出入口から副流路へ抽出された冷媒とが合流される必要がある。しかし，室外機熱交換器から流出される冷媒の圧力と副流路から分岐点へ流入される冷媒の圧力とには差がある。第１差圧手段によれば，その圧力差を維持しつつ冷媒が通過されるので，両冷媒がスムーズに合流される。また，暖房時には，分岐点において，室内機熱交換器から室外機熱交換器へ向かう方向に環路を循環される冷媒と，副流路を循環される冷媒とに分流される必要がある。室内機熱交換器から流出される冷媒は高圧となっているが，第２差圧手段によって，室内機熱交換器と分岐点との間の圧力差を維持しつつ冷媒が通過されるので，スムーズに分流される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を具体化した一実施の形態について，添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態は，１台のマルチベーン式圧縮機を使用した冷暖房システムに，本発明を具体化したものである。
【００１１】
本実施の形態の冷暖房システム１は，図１に示すように，圧縮機２と，３台の熱交換器すなわち室内機熱交換器１１，室外機熱交換器１２，中間圧熱交換器１３とが冷媒配管３によって接続されて構成されている。室内機熱交換器１１および室外機熱交換器１２は，その内部を通過する冷媒に室内または室外の空気と熱交換させるためのものである。中間圧熱交換器１３としては，従来技術で説明した蓄熱槽を使用することもできるが，ここでは，蓄熱せず，他のサイクルを組み合わせて利用することとしている。例えば，冷房運転時にはコージェネレーション排熱等を熱源とした吸収式冷凍機または吸着式冷凍機の蒸発器を使用すればよい。また，暖房運転時にはコージェネレーション排熱または圧縮機２の駆動用のガスエンジンの排熱等を熱源として利用できる。
【００１２】
圧縮機２には，低圧ガス状態の冷媒を吸入する吸入口２１，高圧ガス状態の冷媒を吐出する吐出口２２，中間圧ガス状態の冷媒を流入または流出させる中間圧抽出入口２３の３つの冷媒出入り口が形成されている。そして，吐出口２２には，四方弁１５の入口ポート１５ａが接続されている。四方弁１５は，４つのポートを有し，そのうちの２つずつを互いに連通させる切換弁である。すなわち四方弁１５は，入口ポート１５ａと第１サイドポート１５ｂとが連通するとともに，出口ポート１５ｃと第２サイドポート１５ｄとが連通する第１の状態（図４参照）と，入口ポート１５ａと第２サイドポート１５ｄとが連通するとともに，出口ポート１５ｃと第１サイドポート１５ｂとが連通する第２の状態（図５参照）とのいずれかの状態をとるものである。四方弁１５の出口ポート１５ｃは，低圧用のアキュミュレータ１４を介して圧縮機２の吸入口２１へと接続されている。アキュミュレータ１４は，流入された冷媒から液体部分を分離して，気体部分のみを流出させるためのものである。
【００１３】
四方弁１５の第１サイドポート１５ｂは室外機熱交換器１２に接続され，さらに室外機熱交換器１２には２つの減圧弁１６ａ，１６ｂが接続されている。２つの減圧弁１６ａ，１６ｂは，流体の通過方向が逆になるように，互いに並列に接続されている。また，四方弁１５の第２サイドポート１５ｄは室内機熱交換器１１に接続され，室内機熱交換器１１には，膨張弁１８と減圧弁１９とが接続されている。膨張弁１８は減圧弁１９よりさらに精密な圧力制御が可能な弁であり，膨張弁１８と減圧弁１９とは，流体の通過方向が逆になるように並列に接続されている。この室内機熱交換器１１と膨張弁１８と減圧弁１９とが，室内機２０に含まれる。さらに室内機２０にはレシーバタンク１７が接続されている。レシーバタンク１７は，流入された冷媒から液体部分のみを流出させるためのものである。
【００１４】
また，減圧弁１６ａ，１６ｂとレシーバタンク１７とを接続する冷媒配管３の途中には，配管の分岐点４が設けられている。そして，この分岐点４と圧縮機２の中間圧抽出入口２３とを結ぶ副流路に，容量制御弁３１と中間圧熱交換器１３とアキュミュレータ３５とが直列に接続されている。
【００１５】
ここで，圧縮機２は，図２，図３に示すように，マルチベーン式の圧縮機２である。圧縮機２の内部には，シリンダ２４と，シリンダ２４の内部で旋回するロータ２５とが設けられている。ロータ２５には，複数の可動式ベーン２９が取り付けられている。この圧縮機２では，吸入口２１から吸入された低圧ガス状態の冷媒が，吸入ポート２８からシリンダ２４とロータ２５との間隙に入る。そして，ロータ２５の回転によって隣接するベーン２９の間の容積が減少することにより，冷媒が圧縮される。その結果，高圧ガス状態となった冷媒が，吐出ポート２６から吐出口２２へと吐出されるものである。さらに，シリンダ２４には，吸入ポート２８と吐出ポート２６との約中間位置に２つの中間圧ポート２７が設けられている。２つの中間圧ポート２７は，中間圧抽出入口２３に連通されている。
【００１６】
この圧縮機２によれば，図３に示すように，吸入ポート２８から吸入された冷媒は，複数のベーン２９により仕切られた状態で順次圧縮されていく。そして，中間圧ポート２７と吐出ポート２６との間や，中間圧ポート２７と吸入ポート２８との間は，必ずベーン２９によって仕切られている。従って，中間圧ポート２７が連通される部分は，常に中間圧状態であり，吐出ポート２６や吸入ポート２８とは連通されていない。そのため，中間圧抽出入口２３では，吸入側や吐出側の圧力に影響を与えることなく，外部圧力と中間圧ポート２７との圧力差によって，冷媒が圧縮機２へ流入したりあるいは流出したりする。
【００１７】
次に，この冷暖房システム１における冷媒の流れを，図４（冷房運転時）と，図５（暖房運転時）とを参照して説明する。図４，図５において，冷媒配管３の各所に示した矢印はそれぞれの位置を流れている冷媒の状態とその通過方向を示している。一重矢印が低圧ガス状態，二重矢印が中間圧ガス状態，三重矢印が高圧ガス状態を示し，黒塗り矢印は液状態の冷媒を示している。
【００１８】
冷房運転時には，四方弁１５は第１の状態とされる。従って，図４に示すように，圧縮機２の吐出口２２から吐出された高圧ガス状態の冷媒は，室外機熱交換器１２で外気に放熱して凝縮する。さらに，レシーバタンク１７でわずかに混じっている気体部分が除かれ，液状態の冷媒だけが膨張弁１８に送られそこで膨張される。そして，室内機熱交換器１１で室内の熱を奪って気化し，低圧ガス状態となる。さらに，四方弁１５の第２サイドポート１５ｄから出口ポート１５ｃへと流され，アキュミュレータ１４で液体部分が除かれ，低圧ガス状態の冷媒だけが吸入口２１へ吸入される。
【００１９】
またこのとき，中間圧抽出入口２３の内部側より外部側が低圧となり，中間圧ガス状態の冷媒が圧縮機２から流出されて，中間圧熱交換器１３へと送出される。中間圧熱交換器１３において低温で凝縮され液化した冷媒は，分岐点４からレシーバタンク１７へ流され，前述のように室内機熱交換器１１へ送られる。
【００２０】
冷房運転の場合，中間圧熱交換器１３から流出した中間圧液状態の冷媒と，室外機熱交換器１２から流出した高圧液状態の冷媒とがともに，分岐点４へ向かう。そのため，減圧弁１６ａによって高圧液状態の冷媒を減圧し，中間圧液状態の冷媒と同程度の圧力としてから分岐点４へ流入させるようにしている。これにより，分岐点４では両側から流れ込む液状態の冷媒が，スムーズに混合するのである。あるいは，容量制御弁３１により中間圧熱交換器１３への冷媒循環量を制御して，分岐点４での混合比を調整することとしてもよい。
【００２１】
ここで，中間圧熱交換器１３としては，吸収式冷凍機または吸着式冷凍機の蒸発器を利用している。一般的にこれらの蒸発器は，７℃の冷水を取り出す必要から５℃程度の蒸発温度で使用されている。しかし，この冷暖房システム１では，この蒸発器を１０〜１５℃の範囲の蒸発温度で使用する。蒸発温度を高めに設定したことで，吸収式冷凍機または吸着式冷凍機の効率が約１０％高められている。その一方で，この蒸発温度と中間圧熱交換器１３へ流入される冷媒の温度との温度差が減少したことになる。これにより，中間圧熱交換器１３での熱交換能力は低下しているが，この点は伝熱面積を大きくすることによって補うことができる。
【００２２】
次に，暖房運転時について説明する。暖房運転時には，四方弁１５は第２の状態とされる。従って，図５に示すように，圧縮機２の吐出口２２から吐出された高圧ガス状態の冷媒は，室内機熱交換器１１で室内へ放熱して凝縮される。さらに，減圧弁１９で減圧され，レシーバタンク１７によって気体部分が除かれて，液体状態の冷媒だけが分岐点４に向かう。分岐点４では，液体状態の冷媒が図中左右の流路へと分けられる。冷媒の一部は，室外機熱交換器１２で外気の熱を奪って気化し，低圧ガス状態となる。そして，第１サイドポート１５ｂから出口ポート１５ｃへと流れ，圧縮機２の吸入口２１へ吸入される。冷媒の他の一部は，容量制御弁３１を介して中間圧熱交換器１３へ流され，中間圧熱交換器１３で加熱されて気化することで中間圧ガス状態となって，アキュミュレータ３５へ流される。そして，中間圧抽出入口２３へ中間圧ガス状態の冷媒として流入する。ここで，中間圧熱交換器１３の熱源としては，コージェネレーション用として設けられるガスタービン等の排熱や圧縮機２の駆動用のガスエンジン排熱を利用すればよい。
【００２３】
暖房運転の場合，分岐点４において分流され，中間圧熱交換器１３に流入された冷媒を中間圧抽出入口２３から圧縮機２に流入させる必要がある。そこで，減圧弁１６ｂによって室外機熱交換器１２へ流入させる液状態の冷媒の圧力を調節することで吸入口２１へ吸入される低圧ガス状態の冷媒の圧力を調節している。それにより，中間圧抽出入口２３の内部側の圧力を調整し，中間圧熱交換器１３から流出された中間圧ガス状態の冷媒の圧力の方が高くなるようにするのである。さらに，容量制御弁３１により減圧弁１６ｂと協調させて，中間圧熱交換器１３への冷媒循環量や冷媒の中間圧を制御することとしてもよい。
【００２４】
このような冷暖房システム１とすることで，蓄熱槽や冷温水配管が不要となっているので，イニシャルコストを低減させることができた。また，冷温熱媒体として水を使用していないので，水を嫌う物件にも使用できるようになった。さらに，水を介することなく，ガス同士で直接熱交換できるので，大きな伝熱面積を取ることが可能となった。また，蓄熱槽に氷を形成しても熱移動のロスによるエネルギーの無駄があるが，このシステムであれば排熱をその場で使用できるので，無駄が少ない。従って，他のシステムと組み合わせることで，コージェネレーションシステムとして利用できる。このようなシステムの一例を，図６に示す。この例では，マイクロガスタービンから排出された高温の排ガスを利用して温水焚吸収式冷凍機を運転させる。そして，その吸収式冷凍機の蒸発器や凝縮器を冷暖房システム１の中間圧熱交換器１３として利用し，冷媒と熱交換させて冷暖房に利用するものである。
【００２５】
以上詳細に説明したように，本実施の形態の冷暖房システム１によれば，マルチベーン式の圧縮機２は，吸入口２１，吐出口２２，中間圧抽出入口２３の３つの冷媒出入り口を有している。また，室内機熱交換器１１または室外機熱交換器１２への冷媒ガスの通過方向は四方弁１５によって切り換えられている。さらに，中間圧抽出入口２３には中間圧熱交換器１３が接続されているので，中間圧を利用する冷凍サイクルを並行して実行できる。従って，１台の圧縮機を使用して２種類のサイクルを併用できる冷暖房システムとなった。
【００２６】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記実施の形態では，圧縮機２としてマルチベーン式圧縮機２を使用しているが，これに代えてスクロール式圧縮機を使用することもできる。スクロール式圧縮機においても，圧縮機中に冷媒が吸入側とも吐出側とも連通していない状態で中間圧となる場所がある。ここに，中間圧ポートを設ければ，マルチベーン式圧縮機２の場合と同様に機能させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば，１台の圧縮機を使用して２種類のサイクルを併用できる冷暖房システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る冷暖房システムの構成を示す概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係るマルチベーン式圧縮機を示す断面図である。
【図３】本実施の形態に係るマルチベーン式圧縮機の圧縮室を示す断面図である。
【図４】本実施の形態に係る冷暖房システムの冷房運転時の冷媒の流れを示す説明図である。
【図５】本実施の形態に係る冷暖房システムの暖房運転時の冷媒の流れを示す説明図である。
【図６】本実施の形態の冷暖房システムを利用したコージェネレーションシステムの例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 冷暖房システム
２ 圧縮機
３ 冷媒配管
４ 分岐点
１１ 室内機熱交換器
１２ 室外機熱交換器
１３ 中間圧熱交換器
１６ａ，１６ｂ 減圧弁
１９ 減圧弁
２１ 吸入口
２２ 吐出口
２３ 中間圧抽出入口

Claims (3)

1. 室外機熱交換器と室内機熱交換器とが設けられた環路に圧縮機により冷媒を循環させて冷暖房を行う冷暖房システムにおいて，
   前記環路における前記室外機熱交換器と前記室内機熱交換器との間の分岐点と前記圧縮機とを結ぶ副流路と，
   前記副流路に設けられた中間圧熱交換器とを有し，
   前記圧縮機は，前記環路に冷媒を循環させるための高圧吐出口および低圧吸入口の他に，前記副流路に接続された中間圧抽出入口を有するものであり，
   冷房時には，前記室外機熱交換器から前記室内機熱交換器へ向かう方向に前記環路の冷媒を循環させるとともに，前記中間圧抽出入口から前記副流路へ抽出された冷媒を前記分岐点で前記環路の冷媒と合流させ，
   暖房時には，前記室内機熱交換器から前記室外機熱交換器へ向かう方向に前記環路の冷媒を循環させるとともに，前記分岐点で前記環路から前記副流路へ分流された冷媒を前記中間圧抽出入口で前記圧縮機に流入させることを特徴とする冷暖房システム。
2. 請求項１に記載する冷暖房システムにおいて，
   前記圧縮機は，前記低圧吸入口から前記高圧吐出口に至る圧縮過程に，前記低圧吸入口と前記高圧吐出口とのいずれからも遮断された中間圧力部分が存在する構造であり，
   前記中間圧抽出入口は，前記圧縮機の中間圧力部分に連通していることを特徴とする冷暖房システム。
3. 請求項１または請求項２に記載する冷暖房システムにおいて，
   前記室外機熱交換器と前記分岐点との間に圧力差を維持しつつ冷媒を通過させる第１差圧手段と，
   前記室内機熱交換器と前記分岐点との間に圧力差を維持しつつ冷媒を通過させる第２差圧手段とを有することを特徴とする冷暖房システム。

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