JP3804601B2 - 非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒として非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置に関するものであり、特に冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更し、性能向上や高温給湯を行うことができる冷凍サイクル装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電動機の回転数が変更できない圧縮機を搭載した空調機の容量制御やヒートポンプ式給湯器による高温出湯時の高圧圧力低減のため、冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成を変更する冷媒組成変更手段を搭載した冷凍サイクル装置が提案されている。これらの冷凍サイクル装置は、圧縮機の電動機の回転数を変更するインバータを用いずに高効率で幅広い能力制御幅を得ることを目的とするものであり、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、利用側熱交換器等を備えた冷凍サイクルと、低沸点冷媒と高沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒と、低沸点成分に富んだ冷媒を生成する冷媒精留器と、冷媒精留器から出た冷媒を貯留する第1の冷媒貯留器と、高沸点成分に富んだ冷媒を貯留する第2の冷媒貯留器とを備え、第1の冷媒貯留器と第2の冷媒貯留器の液冷媒量を調整することにより冷凍サイクル内を循環する組成を連続的に変更し、常に負荷に応じた能力を発揮させることができるというものである。
【0003】
そして、従来の冷凍サイクル装置では、圧縮機の出口部と冷媒精留器の下部は、電磁弁を介して配管で接続されており、またこの配管の途中には、圧縮機の吸入配管と熱交換する冷却器が設けられている。さらに、冷媒精留器の下部と第2の冷媒貯留器であるアキュムレータは、毛細管と電磁弁を介して配管で接続されている。そして冷媒精留器の上部には、冷却器と第1の冷媒貯留器が環状に接続されており、冷却器は、圧縮機の吸入冷媒の一部が電磁弁を介して流入できるように構成されている。
【0004】
圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、アキュムレータ、冷媒精留器、第1の冷媒貯留器、第1の冷却器、第2の冷却器、電磁弁、毛細管及びこれらの接続配管は室外機内に納められている。
【0005】
また、室内機は、第1の減圧装置である電子式膨張弁と利用側熱交換器で構成されている。これらの室外機と室内機は、2本の配管で接続されており、冷凍サイクルを形成している。この冷凍サイクル内には高沸点成分と低沸点成分からなる非共沸混合冷媒が充填されている。熱源側熱交換器は、暖房運転時には蒸発器として動作し、冷房運転時には凝縮器として動作する。また利用側熱交換器は、暖房運転時には凝縮器として動作し、冷房運転時には蒸発器として動作する。
【0006】
例えば、暖房運転時には、冷凍サイクル内の余剰な冷媒は、アキュムレータ内に貯留される。このアキュムレータ内の冷媒は、高沸点成分に富んだ液冷媒と、低沸点成分に富んだ蒸気冷媒に分離される。このため、アキュムレータ内に液冷媒が貯留されると、サイクル内を循環する冷媒組成は、充填組成に比べて低沸点成分が増加する。
【0007】
一方、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合には、圧縮機を出た高温高圧の蒸気冷媒の一部を電磁弁を開いて冷却器に流入させ、この高温の冷媒蒸気は、冷却器内で低温低圧の圧縮機吸入冷媒によって冷却され、飽和蒸気あるいは気液二相状態まで冷却される。冷却器を出た高圧の気液二相冷媒は冷媒精留器の下部へ流入し、このうち冷媒蒸気は冷媒精留器内を上昇する。
また冷媒精留器の上部では、上昇した冷媒蒸気が冷却器に流入し、電磁弁を通って流入した低温の圧縮機への吸入冷媒によって冷却され、凝縮液化する。この液冷媒は冷媒容器に流入し、貯留される。冷媒貯留器内から液冷媒が冷媒精留器の環流液として冷媒精留器へ上部より流入する。
【0008】
すなわち、冷媒精留器内では、上昇する蒸気冷媒と、下降する液冷媒とが気液接触を行い、熱および物質移動が行われ、冷媒精留器内を上昇する蒸気冷媒は徐々に低沸点成分が増加し、低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒容器内に貯留される。
【0009】
冷媒貯留器に貯留される液冷媒の増加とともに、アキュムレータ内の液冷媒は減少し、アキュムレータ内に貯留されていた高沸点成分に富んだ液冷媒が、サイクル内へ放出され、低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒貯留器内に貯留されることになる。この結果、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を高沸点成分に富んだものにすることができる。
例えば、R32を23%、R125を25%、R134aを52%の重量割合で混合したR407C冷媒を充填した冷凍サイクルにおいて、低沸点成分のR32の組成を45%から5%の範囲で制御することにより、能力は充填組成(R32の組成が23%)での能力を100とすると130%から70%の範囲で制御することができる。
【0010】
以上のように、従来の発明においては、冷媒貯留器に貯留する低沸点成分に富んだ液冷媒量とアキュムレータに貯留する高沸点成分に富んだ液冷媒量を調整することにより、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更できるため、インバータによる電動機の回転数制御を行う場合に比べ、低コストで広範囲な冷媒組成変更が可能になるというものであった(例えば、特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開平10−267436号公報(第4頁〜第7頁、図1)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更するために、冷媒貯留器とアキュムレータの2つの容器を用い、冷媒をいずれかの容器に貯留することによって冷媒組成を変更するものであり、冷媒組成の変更に2つの容器を必要とするために装置が大型化するとともにコストが増大するという課題があった。
また、第1冷却器での冷却能力は、冷媒精留器から流出する冷媒温度と冷却熱源である圧縮機の吸入冷媒温度との温度差と、冷媒精留器から流出する冷媒及び吸入冷媒の熱伝達率から求まる熱通過率で決定されるが、外気温度の変化に伴う上記温度差や熱通過率の制御については考慮されておらず、冷媒精留器が安定的に動作しない場合が生じるという課題があった。
【0013】
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の変更が可能な冷凍サイクル装置の小型化および低コスト化が図れるとともに、冷媒組成を安定的に変更できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、利用側熱交換器、第1減圧装置、熱源側熱交換器を順次配管で接続してなる冷凍サイクルと、非共沸混合冷媒を低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分とに分離する冷媒精留器と、冷媒精留器で分離された低沸点冷媒成分を冷却する冷媒精留器に環状に配管接続された第1冷却器と、第1冷却器で冷却された冷媒を貯留する冷媒貯留器と、冷媒精留器の下部と圧縮機の出口側とを接続する配管に設けた第2減圧装置および第1開閉弁と、第1冷却器の出口側と利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に設けた第2開閉弁と、冷媒精留器の下部と前記冷凍サイクルの低圧側とを接続する配管に設けた第3減圧装置および第3開閉弁とを備え、冷凍サイクル内の非共沸混合冷媒の低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分の割合を可変とするものである。
【0015】
また、本発明の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、利用側熱交換器、第1減圧装置、熱源側熱交換器を順次配管で接続してなる冷凍サイクルと、非共沸混合冷媒を低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分とに分離する冷媒精留器と、冷媒精留器で分離された低沸点冷媒成分を冷却する冷媒精留器に環状に配管接続された第1冷却器と、第1冷却器で冷却された冷媒を貯留する冷媒貯留器と、冷媒精留器の下部と圧縮機の出口側とを接続する配管に設けた第2減圧装置および第1開閉弁と、冷媒精留器の下部と冷凍サイクルの低圧側とを接続する配管に設けた第3減圧装置および第2開閉弁と、第3減圧装置の出口側と利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に設けた第4減圧装置および第4開閉弁とを備え、外気温度に応じて前記第4開閉弁を開閉することにより、利用側熱交換器から流出する液冷媒の一部を第1冷却器の冷熱源として供給して第1冷却器の冷却能力を可変とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1の冷凍サイクル装置について説明する。
図1は本実施の形態に係わる冷凍サイクル装置を示す構成図である。図において、冷凍サイクルは圧縮機1、四方弁2、利用側熱交換器3、過冷却器6、第1減圧装置である膨張弁4、熱源側熱交換器5、を順次配管で接続して構成され、これらは冷凍サイクルユニット62内に収納されている。
また、組成分離回路は組成分離手段である冷媒精留器11、冷媒を貯留するための冷媒貯留器14、第1冷却器13、第2冷却器12、第2減圧装置である毛細管31、第3減圧装置である毛細管32、第1開閉弁である電磁弁21、第2開閉弁である電磁弁22及び第3開閉弁である電磁弁28で構成され、第1冷却器13と冷媒貯留器14は冷媒精留器11の上部に環状に接続されている。なお、これらは組成分離ユニット63内に収納されている。
【0017】
これら冷凍サイクルユニット62及び組成分離ユニット63は、第1配管25、第2配管26及び第3配管27の3本の配管で接続され、冷媒回路内を循環する冷媒組成が変更可能な冷凍サイクル装置を形成している。この冷凍サイクル内には、例えば高沸点成分(R134a)と低沸点成分(R32+R125)からなる3成分非共沸混合冷媒R407C(標準組成;R32:R125:R134a=23:25:52wt%)が充填されている。
【0018】
さらに、冷媒精留器11には、その内部に気液の接触面積を増大させるための充填材が封入されている。
また、圧縮機1の出口側、即ち、圧縮機からの吐出冷媒が吐出する配管で、圧縮機1と四方弁2を接続する配管と冷媒精留器11の下部は、第1開閉弁である電磁弁21と毛細管31を介して第1配管25で接続されている。また、利用側熱交換器3の出口側と冷媒精留器11の上部に環状接続された部分の第1冷却器13と冷媒貯留器14の間の配管とは、第2開閉弁である電磁弁22を介して第2配管26で接続されている。さらに、圧縮機1の入口側、即ち、圧縮機へ冷媒が吸入される配管で、圧縮機1と四方弁2を接続する配管部分と冷媒精留器11の下部は、第3開閉弁である電磁弁28と毛細管32を介して第3配管27で接続されている。
【0019】
また、冷媒精留器11の下部から流出した中間圧力の気液二相冷媒は、第2冷却器12に入り液化され、第3減圧装置である毛細管32を経て減圧されたのち、低圧の気液二相冷媒となり、第2冷却器12に戻り、この第2冷却器12で冷媒精留器11の下部から流出した気液二相冷媒を完全に液化させ、即ち、過冷却状態とさせ、自身は低圧二相(または蒸気)冷媒となり、さらに第1冷却器13に入り、冷媒精留器11から出た低沸点成分の冷媒蒸気を冷却して液化させ、第3配管27を通って圧縮機1の入口部に流入する。
【0020】
また、冷凍サイクルユニット62と組成分離ユニット63とは、それぞれに収容される冷凍サイクルと組成分離回路とを第1配管25、第2配管26及び第3配管27によって接続しているので、既存の冷凍サイクルユニット62へ組成分離ユニット63を上記3本の配管により接続できる。また、その接続の際、既存の冷凍サイクルユニット62を大幅に変更することなく、接続点数も少なくでき、接続が容易である。
さらに、組成分離回路において、冷媒精留器11に第2減圧装置である毛細管31と第3減圧装置である毛細管32とが接続しており、前者は圧縮機1の吐出側と、後者は圧縮機1の吸入側と接続されているため、冷媒精留器11は中間圧で動作する。そこで、高圧で動作する場合に比べて、液組成とガス組成との差が大きくなり(非共沸性が大きくなり)、高圧で動作する場合に比べて分離効率(液・ガスの濃度差に比例する)が高くなる。
【0021】
次に、上述のように構成された本実施の形態の冷凍サイクル装置の動作について説明する。本実施の形態では、冷凍サイクル装置を、利用側熱交換器3に水熱交換器を用い、熱源側熱交換器5に空気熱交換器を用いる空冷式給湯器とし、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更し、例えば、高沸点成分を増やして高圧圧力上昇を抑制し、高温給湯を可能とする。この場合、熱源側熱交換器5は蒸発器として動作し、利用側熱交換器3は凝縮器として動作する。
【0022】
給湯器では、夜間に冷凍サイクル装置を稼動し、水道水を給水した貯湯タンク(図示省略)からポンプ(図示省略)により利用側熱交換器3の水熱交換器に水を流し、吸熱により貯湯タンク内の水を沸き上げる。この際、初めは早く温度を上げるため、冷凍サイクルの循環冷媒を標準組成とし、加熱能力を上げる。そして、ある程度温度が上昇したら(例えば55℃)、循環冷媒を高沸点成分を増加させた組成とし、高温(例えば、70℃)とする。その後は、温度維持を行うが、高温(例えば、70℃)からの温度低下(例えば、65℃)に伴う放熱ロス分を補うため、高沸点増加組成で運転する。
利用者は、沸き上がった貯湯タンクからの温水と給水(水道水)とを混合し、適切温度で使用する。そして、利用量が増えるにつれ、貯湯タンクの湯量は減少するが、渇水状態にならない限り、昼間の補給(給水)は行わない。渇水状態になれば、貯湯タンクに、循環冷媒を標準組成とし55℃程度の温水を貯める、または高沸点成分増加組成で70℃の温水を少量貯湯する等を適宜選択する。
【0023】
冷媒組成を変更しない場合は、四方弁2は実線のように接続され、圧縮機1の吐出部と利用側熱交換器3の入口部が接続されるとともに、熱源側熱交換器5の出口部と圧縮機1の吸入部がそれぞれ接続され、冷媒精留器11の下部に接続された第1配管25の第1開閉弁である電磁弁21を閉とし、利用側熱交換器3の出口側から冷媒精留器11の上部の配管に接続された第2配管26に設けた第2開閉弁である電磁弁22及び冷媒精留器11の下部から圧縮機1の吸入側へ接続された第3配管27に設けた第3開閉弁である電磁弁28を開とする。このとき、圧縮機1から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、四方弁2を経て凝縮器として動作する利用側熱交換器3で凝縮液化して中温高圧の液冷媒となり、一部は過冷却器6で過冷却された後、膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作する熱源側熱交換器5に流入する。この冷媒は、熱源側熱交換器5で蒸発気化し、四方弁2を経て再び圧縮機1へ戻る。また、利用側熱交換器3で凝縮液化した中温高圧の液冷媒のうち、他の一部は、第2配管26の第2開閉弁である電磁弁22を通過後、冷媒貯留器14を通って冷媒精留器11及び第2冷却器12を通過し、第3減圧装置である毛細管32で低圧気液二相冷媒となり、第3配管27を通って圧縮機1の吸入部へ戻る。このとき、利用側熱交換器3に流入する被加熱媒体である冷水は冷媒の凝縮潜熱によって加熱されて温水となり、貯湯タンクなどに供給される。また、熱源側熱交換器5に流入する被冷却媒体である空気は冷媒の蒸発潜熱によって冷却された後、外気などへ放出される。
【0024】
次に、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更する場合の動作について説明する。
上述した給湯運転時において、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合には、四方弁2は実線のように接続され、圧縮機1の吐出部と利用側熱交換器3の入口部が接続されるとともに、熱源側熱交換器5の出口部と圧縮機1の吸入部がそれぞれ接続され、第1配管25の第1開閉弁である電磁弁21と第3配管27の第3開閉弁である電磁弁28を開とし、第2配管26の第2開閉弁である電磁弁22を閉とする。この時、圧縮機1を出た高温高圧の蒸気冷媒の一部は、第1開閉弁である電磁弁21を通って、冷媒精留器11の下部の入口側に設けられた第2減圧装置である毛細管31で中間圧力まで減圧された後、冷媒精留器11の下部へ流入し、蒸気冷媒の一部が冷媒精留器11内を上昇する。
ここで、第2減圧装置である毛細管31、第3減圧装置である毛細管32の仕様は、組成分離回路内の圧力および組成分離回路を流れる冷媒流量が適正となるように決定されている。
【0025】
また、冷媒精留器11の上部では、上昇した冷媒蒸気が第1冷却器13に流入し、冷媒精留器11の下部に接続された第3減圧装置である毛細管32を流出した低圧気液二相冷媒によって冷却され、凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は冷媒貯留器14に流入し、貯留される。冷媒貯留器14内では流入した液冷媒が徐々に蓄積され、冷媒貯留器14が満液状態となると、オーバーフローした液冷媒が冷媒精留器11の環流液として冷媒精留器11の上部より流入する。
この状態において、冷媒精留器11内では、上昇する蒸気冷媒と、下降する液冷媒とが気液接触を行い、熱および物質移動が行われ、いわゆる精留作用により、冷媒精留器11内を上昇する蒸気冷媒は徐々に低沸点成分が増加し、冷媒貯留器14内に貯留された液冷媒は徐々に低沸点成分に富んだ状態となる。
以上より、冷凍サイクル装置に充填した標準組成の冷媒より低沸点成分に富んだ液冷媒が冷媒貯留器14内に貯留され、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を高沸点成分に富んだものとすることができる。そこで、冷媒組成を所定の高沸点成分組成とすることにより、高温給湯時の高圧圧力上昇を抑制でき、高温給湯が可能となる。冷媒組成が所定の高沸点成分組成となった後は、第1開閉弁である電磁弁21および第3開閉弁である電磁弁28を閉とし、冷媒組成を固定して運転を行う。
【0026】
一方、給湯器の使用開始時等、低温の水を温める場合は、大きな能力が要求される。この場合は、冷凍サイクル内の冷媒組成を高沸点成分に富む状態から標準組成(充填組成)に戻す。すなわち、第1開閉弁である電磁弁21を閉とし、第2開閉弁である電磁弁22と第3開閉弁である電磁弁28を開とし、利用側熱交換器3を出た高圧液冷媒により、冷媒貯留器14下部から冷媒を押し出し(冷媒貯留器14に貯留された低沸点成分に富む冷媒を冷凍サイクル内の高沸点成分に富む冷媒で追い出し)、冷媒貯留器14に貯留された低沸点成分に富む冷媒を冷凍サイクルへ戻し、冷媒組成を早く標準組成に戻すことができる。
【0027】
ここで、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の目標値と制御方法について図2および図3を用いて説明する。図2は、R407Cにおいて、所望の給湯温度(例えば70℃)が得られる場合の低沸点成分(R32+R125)の組成と高圧圧力の関係を示したものである。図2において、アは低沸点成分の組成と高圧圧力の関係を示しており、イは圧縮機の高圧圧力の使用限界を示している。また、Aは低沸点成分が48wt%に相当する高圧圧力を、Bは低沸点成分の組成を低下させた場合の高圧圧力の変化を、Cは高圧圧力をイ(圧縮機の高圧圧力の使用限界)以下とする場合の低沸点成分の組成(21wt%)を示している。
【0028】
図2より、R407Cの標準組成における低沸点成分の組成(48wt%)では、所望の給湯温度を得るための高圧圧力が圧縮機の使用限界値を超えるため、実際には所望の給湯温度を得る運転は実現できないことを示している。ところが、R407Cが非共沸混合冷媒であることを利用し、低沸点成分の組成を48wt%から21wt%へ低下させることで圧縮機の使用限界以内で所望の給湯温度を得ることができる。従って、高圧圧力を圧縮機の使用限界値以下に抑制しかつ所定の給湯温度を得ることが可能な冷媒組成の目標値は、低沸点成分(R32+R125)の組成が21wt%以下となる。即ち、実際の目標値は、所定の給湯温度等によりこの範囲から決定する。
【0029】
さらに、冷媒組成の目標値への制御方法について図3を用いて説明する。図3は、図1の第1開閉弁である電磁弁21と第3開閉弁である電磁弁28を開とし、第2開閉弁である電磁弁22を閉としてからの経過時間(組成変化運転時間)に対する冷凍サイクル内を循環する低沸点成分のR407Cの標準組成からの組成変化を示している。図3より、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を目標値とするためには、電磁弁21、28をTo時間(例えば、1時間)以上開放する必要があることがわかる。すなわち、電磁弁21、28の開放時間を所定時間以上とすることにより、冷媒組成の目標値への制御が可能となる。
なお、後述するように、冷凍サイクルを循環する冷媒組成を検知し、組成検知値と目標値との比較から第1から第3開閉弁である電磁弁21、22、28を開閉するようにしても良い。
また、標準組成のR407Cを充填した冷凍サイクルの電磁弁21、28の開放時間による組成制御方法以外に、外気温度、利用側熱交換器3の水熱交換器の入口水温、高圧圧力などを検知し、その検知値に基づいて冷媒組成を制御することも可能である。
【0030】
ここで、冷凍サイクルの冷媒組成は、次のようにして検知できる。
図4に示すように第3減圧装置である毛細管32入口部が過冷却液であることから、毛細管32入口部に第2温度検出器T2、出口部に圧力検出器P1と第1温度検出器T1を設置し、検出した圧力P1、温度T1およびT2の信号を用いて組成を演算する組成演算手段であるマイコン41を備えることにより、特開平11−63747号開示のごとく冷凍サイクルの循環組成を演算・検知することが可能となり、より正確な循環組成の演算が可能となる。
【0031】
また、第1から第3開閉弁である電磁弁21、22、28の開閉操作により、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を所望の濃度に変更する場合、開閉操作は、前記循環組成演算・検知結果あるいは前記図3で説明したように、予め実験やシミュレーションにて測定してある時間と冷凍サイクル内循環組成の関係により循環組成がわかるので、それを元に冷凍サイクル循環組成が所望の濃度となるように行われる。
【0032】
本実施の形態では、四方弁2を設けているので、低外気温時に熱源側熱交換器5表面に霜がついた場合、四方弁2を点線のように繋いで高温冷媒を熱源側熱交換器5に流し、付着した霜を溶かす霜取り運転が可能となる。この場合、圧縮機1の吐出部と熱源側熱交換器3の入口部(給湯運転時の出口部)が接続されるとともに、利用側熱交換器3の出口部(給湯運転時の入口部)と圧縮機1の吸入部がそれぞれ接続され、第1から第3開閉弁である電磁弁21、22、28を閉とする。このとき、圧縮機1から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、四方弁2を経て凝縮器として動作する熱源側熱交換器5で凝縮液化して中温高圧の液冷媒となり、膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作する利用側熱交換器3に流入する。この冷媒は、利用側熱交換器3で蒸発気化し、四方弁2を経て再び圧縮機1へ戻る。
【0033】
また、本実施の形態では、利用側熱交換器3を流出した冷媒と第1減圧装置である膨張弁4を通過して低温低圧となった冷媒とを熱交換させる過冷却器6を設け、利用側熱交換器3で凝縮液化した液冷媒を更に過冷却させている。これにより、膨張弁4の入口部で確実に過冷却度を得ることができ、冷媒音等が発生しない冷凍サイクル装置を提供することができる。逆に、冷媒音等の問題が生じない場合は、過冷却器6を省略することも可能である。
【0034】
また、本実施の形態では、第3減圧装置32の入口側に第2温度検出手段T2を、出口側に圧力検出手段P1と第1温度検出手段T1を設ける例を示したが、第3減圧装置32の代わりに冷凍サイクルの膨張弁4の入口側に第2温度検出手段T2を、出口側に圧力検出手段P1と第1温度検出手段T1を設けるようにしても良く、圧力検出手段P1により検出した圧力、第2温度検出手段T2および第1温度検出手段T1により検出したそれぞれの温度を用いて冷凍サイクルの冷媒組成を同様に検知することができ、所望の冷媒組成への変更が可能となる。
【0035】
また、本実施の形態では、利用側熱交換器3の出口側と第1冷却器13の出口側を第2開閉弁である電磁弁22を介して第2配管26で接続する構成を示したが、第2開閉弁の出口側あるいは入口側に更に毛細管を設けるように構成してもよい。また、本実施の形態では、第3配管27に第3開閉弁である電磁弁28を設ける例を示したが、電磁弁28を省略することも可能である。この場合、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の変更運転において、冷媒組成が所定の高沸点成分組成となった後も電磁弁21は常に開とする必要があり、所望の目標値で冷媒組成を固定することはできないが、低コストな冷凍サイクル装置を得ることができる。
【0036】
以上のように、本実施の形態1の冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の変更を第1から第3開閉弁である電磁弁21、22、28の開閉と冷媒貯留器14の貯留冷媒の組成変化を用いて行うため、従来例のように冷媒組成の変更に2つの容器を必要とする場合に比べ、装置の小型化が図れるとともに、冷媒回路構成や制御の簡略化を図ることができ、低コスト化を実現することができる。
【0037】
さらに、本実施の形態では、R32、R125、R134aから構成されるR407Cを用いた場合の例を示したが、地球温暖化係数の高いR125を除いたR32/134a系を用いた場合も同様の効果を発揮することができる。また、HFC系冷媒であるR32、R125、R134a、R143a、およびHC系冷媒であるR290、R600、R600aなどから2つ以上の冷媒を選択して混合した非共沸混合冷媒を用いた場合でも、地球環境に優しく循環組成の変更が可能な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【0038】
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2による冷凍サイクル装置について説明する。
図5は本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であり、本実施の形態では、第3減圧装置である毛細管32の出口側と過冷却器6の出口側(膨張弁4の入口側)とを第4減圧装置である毛細管33と第4開閉弁である電磁弁23を介して接続する配管を設けるとともに、外気温度を検知する第3温度検出手段T3を設置し、外気温度の検出値に応じて第4開閉弁である電磁弁23を開閉することにより、冷凍サイクルユニット62の過冷却器6から流出する液冷媒の一部を組成分離ユニット63における第1冷却器13の冷熱源として利用し、第1冷却器13の冷却能力を可変としている。その他の構成は実施の形態1の図1と同じである。
【0039】
以上のような構成とすることにより、外気温度に応じて第1冷却器13の冷却能力を変化させる操作は以下のようにして行う。
まず、組成分離ユニット63の第1冷却器13での冷却能力は、冷媒精留器11の上部から出たガス冷媒の飽和温度と冷却熱源である第2冷却器12を出た二相冷媒の温度との対数平均温度差(ΔT)と、冷媒精留器11から出たガス冷媒及び第2冷却器12を出た二相冷媒の熱伝達率で決まる熱通過率(K)の積で決定される。すなわち、第1冷却器13の伝熱面積をAとすれば、冷却能力Qは以下の(1)式で求められる。
Q=A×K×ΔT (1)
【0040】
次に、外気温度に対して第1冷却器の冷却能力を変化させる方法について図6を参照しながら説明する。図6は、縦軸に第1冷却器13の冷却能力、横軸に外気温度をとり、例えば入口水温65℃における外気温度と第1冷却器の冷却能力の関係を示す図である。外気温度が低い場合(例えば30℃以下)、冷凍サイクルユニット62の熱源側熱交換器5の蒸発圧力も低いため、組成分離ユニット63における冷媒精留器11の中間圧力と第2冷却器12を出た二相冷媒の圧力(≒蒸発圧力)との圧力差が大きく、対数平均温度差(ΔT)も同様に大きくなる。従って、この場合は第4開閉弁である電磁弁23を閉とする。一方、外気温度が高い場合(例えば30℃以上)、熱源側熱交換器5の蒸発圧力が高くなり、冷媒精留器11の中間圧力と第2冷却器12を出た二相冷媒の圧力(≒蒸発圧力)との圧力差が小さくなることに加え、第2冷却器12を出た冷媒の乾き度が増加し、過熱ガス状態となる場合も発生する。従って、対数平均温度差(ΔT)が極端に低下することに加え、熱伝達率も低下するため第1冷却器13での冷却能力が減少する。このような場合、第4開閉弁である電磁弁23を開とし、過冷却器6から流出する液冷媒の一部を第4減圧装置である毛細管33で減圧し、第1冷却器13の冷熱源として利用する。この操作により、第1冷却器13を通過する冷熱源側の冷媒流量が増加するとともに乾き度が低下し、対数平均温度差(ΔT)と熱通過率(K)の両者が向上するため、冷却能力を向上することができる。
【0041】
この第4開閉弁である電磁弁23の開閉操作は、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合、すなわち、第1配管25の第1開閉弁である電磁弁21と第3配管27の第3開閉弁である電磁弁28が開、第2配管26の第2開閉弁である電磁弁22が閉の状態の場合に行われ、温度検出器T3で検出された外気温度の検出値に基づいて行われる。
なお、本実施の形態では、第3減圧装置である毛細管32の出口側と過冷却器6の出口側(膨張弁4の入口側)に第4減圧装置である毛細管33と第3開閉弁である電磁弁23を設けたが、過冷却器6の出口側ではなく利用側熱交換器3の出口側(過冷却器6の入口側)に設けても良い。
【0042】
以上のように、本実施の形態によれば、外気温度が高い場合に第4開閉弁である電磁弁23を開とし、過冷却器6から流出する液冷媒の一部を第4減圧装置である毛細管33で減圧し、第1冷却器13の冷熱源として利用するため、第1冷却器13の冷却能力を向上させることができ、外気温度に関わらず冷却能力がほぼ一定となるように制御することができる。従って、外気温度が高い場合にも第1冷却器13の冷却能力不足に伴う冷媒精留器11の性能低下を防止でき、冷媒精留器11を安定的に動作させることができる。
【0043】
実施の形態3.
以下、本発明の実施の形態3による冷凍サイクル装置について説明する。
図7は本実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す構成図であり、本実施の形態では、第3減圧装置である毛細管32に流動抵抗の異なる第5減圧装置である毛細管34を並列配置するとともに、毛細管34の入口側に第5開閉弁である電磁弁24を設けるとともに、外気温度を検知する第3温度検出手段T3を設置し、外気温度の検出値に応じて第5開閉弁である電磁弁24を開閉することにより、冷媒精留器11の中間圧力を変化させ、第1冷却器13の冷却能力を可変としている。その他の構成は実施の形態2の図5と同じである。
【0044】
以上のような構成とすることにより、外気温度に応じて第1冷却器13の冷却能力を変化させる操作は以下のようにして行う。
まず、本実施の形態では、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合、第1配管25の電磁弁21、第3配管27の電磁弁28、第4開閉弁である電磁弁23を開、第2配管26の電磁弁22を閉とし、冷凍サイクルユニット62の過冷却器6から流出する液冷媒の一部を組成分離ユニット63における第1冷却器13の冷熱源として常時利用する。
【0045】
外気温度に応じて第5開閉弁である電磁弁24を開閉し、第1冷却器の冷却能力を変化させる方法について図8を参照しながら説明する。図8は、縦軸に第1冷却器13の冷却能力、横軸に外気温度をとり、例えば入口水温65℃における外気温度と第1冷却器の冷却能力の関係を示す図である。外気温度が低い場合(例えば30℃以下)、第5開閉弁である電磁弁24を閉止すると、前述したように(1)式において対数平均温度差(ΔT)が大きくなるため、第4開閉弁である電磁弁23を開とした状態では第1冷却器13の対数平均温度差(ΔT)と熱通過率(K)が向上し、第1冷却器13の冷却能力が過大となる。第1冷却器13の冷却能力が過大になると、冷媒精留器11内で下降する液冷媒が上昇する蒸気冷媒により持ち上げられるローディング現象(あるいはフラッディング現象)が発生し、精留作用(冷媒精留器11の組成分離性能)が低下する。従って、この場合は第5開閉弁である電磁弁24を開とし、冷媒精留器11の中間圧力を低下させ、冷媒精留器11の中間圧力と第2冷却器12を出た二相冷媒の圧力(≒蒸発圧力)との圧力差を小さくして対数平均温度差(ΔT)を減少させる。一方、外気温度が高い場合(例えば30℃以上)、第5開閉弁である電磁弁24を閉止し、実施の形態2と同じ運転を行う。この電磁弁24の開閉操作は、温度検出器T3で検出された外気温度の検出値に基づいて行われる。
【0046】
また、図9に示すように外気温度に応じて第4開閉弁である電磁弁23と第5開閉弁である電磁弁24の開閉を3段階で行うようにしても良い。すなわち、外気温度が20℃以下では組成分離ユニット63の第1冷却器13で十分な冷却能力が得られるために上記電磁弁23、24を閉とし、外気温度が20℃から30℃の間では電磁弁23、24を共に開とし、過冷却器6から流出する液冷媒の一部を第1冷却器13の冷熱源として利用するとともに、冷媒精留器11の中間圧力を低下させる。外気温度が30℃以上では、電磁弁23を開とし、電磁弁24を閉として実施の形態2と同じ運転を行う。このように電磁弁23、24を開閉することにより、広い外気温度範囲に対して第1冷却器13の冷却能力をほぼ一定に保つことができる。
【0047】
以上のように、本実施の形態によれば、外気温度が低い場合に第5開閉弁である電磁弁24を開とし、冷媒精留器11の中間圧力を低下させ、冷媒精留器11の中間圧力と第2冷却器12を出た二相冷媒の圧力(≒蒸発圧力)との圧力差を小さくして第1冷却器13の冷却能力を減少させることができ、外気温度に関わらず冷却能力が一定となるように制御することができる。従って、外気温度が低い場合にも第1冷却器13の冷却能力増加に伴う冷媒精留器11の性能低下を防止でき、冷媒精留器11を安定的に動作させることができる。また、電磁弁23、24を開閉することにより、広い外気温度範囲に対して第1冷却器13の冷却能力をほぼ一定に保つことができる。
【0048】
実施の形態4.
以下、本発明の実施の形態4の冷凍サイクル装置について説明する。
図10は本実施の形態に係わる冷凍サイクル装置を示す構成図である。図において、冷凍サイクルは圧縮機1、利用側熱交換器3、第1減圧装置である膨張弁4、熱源側熱交換器5、アキュムレータ7を配管接続して構成され、これらは冷凍サイクルユニット62内に収納されている。
また、組成分離回路は組成分離手段である冷媒精留器11、冷媒を貯留するための冷媒貯留器14、第1冷却器13、第2冷却器12、第2減圧装置である毛細管31、第3減圧装置である毛細管32、第4減圧装置である毛細管33、毛細管32に並列に設けられた第5減圧装置である毛細管34、第1開閉弁である電磁弁21、第3開閉弁である電磁弁28、第4開閉弁である電磁弁23、毛細管34の入口側に設けられた第5開閉弁である電磁弁24で構成され、第1冷却器13と冷媒貯留器14は冷媒精留器11の上部に環状に接続されている。なお、これらは組成分離ユニット63内に収納されている。
【0049】
これら冷凍サイクルユニット62及び組成分離ユニット63は、圧縮機1の吐出側配管と電磁弁21および毛細管31を介して冷媒精留器11の下部に接続する第1配管25、熱源側熱交換器5とアキュムレータ7の間の配管と冷媒精留器11の下部とを接続する第3配管27及び利用側熱交換器3の出口側と毛細管32の出口側とを開閉弁23と毛細管33を介して接続する配管の3本の配管で接続され、冷媒回路内を循環する冷媒組成が変更可能な冷凍サイクル装置を形成している。
【0050】
また、圧縮機1出口側、即ち、圧縮機からの吐出冷媒が吐出する配管で、圧縮機1と利用側熱交換器3を接続する配管と冷媒精留器11の下部は、電磁弁21と毛細管31を介して第1配管25で接続されている。また、圧縮機1入口側、即ち、圧縮機へ冷媒が吸入される配管で、圧縮機1と熱源側熱交換器5を接続する配管と冷媒精留器11の下部は、電磁弁28と並列に配置された毛細管32及び毛細管34を介して第3配管27で接続されている。さらに、利用側熱交換器3の出口側と毛細管32の出口側とを電磁弁23と毛細管33を介して接続する配管が設けられ、外気温度が高い場合に用いられる。その他の構成のうち、実施の形態1と同様の構成については詳細な説明を省略する。
【0051】
次に、上記のように構成された本実施の形態の冷凍サイクル装置の動作について説明する。
冷媒組成を変更しない場合は、冷凍サイクルユニット62と組成分離ユニット63を接続する3本の配管に設けられた第1開閉弁である電磁弁21、第3開閉弁である電磁弁28、第4開閉弁である電磁弁23を閉とする。このとき、圧縮機1から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、凝縮器として動作する利用側熱交換器3で凝縮液化して中温高圧の液冷媒となり、膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となって蒸発器として動作する熱源側熱交換器5に流入する。この冷媒は、熱源側熱交換器5で蒸発気化し、再び圧縮機1へ戻る。
【0052】
次に、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成を変更する場合の動作について説明する。冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の高沸点成分を増加させる場合、第1配管の電磁弁21と第3配管の電磁弁28は常に開とし、第4開閉弁である電磁弁23と第5開閉弁である電磁弁24は外気温度に応じて開閉する。すなわち、図9で示したように、外気温度が20℃以下の場合は、電磁弁23、24を閉とし、外気温度が20℃から30℃の場合は、電磁弁23、24を閉とし、外気温度が30℃以上の場合は、電磁弁23を開、電磁弁24を閉とする。なお、冷媒組成が所定の高沸点成分組成となった後は、電磁弁21および電磁弁28を閉とし、冷媒組成を固定して運転を行う。
【0053】
一方、冷凍サイクル内の冷媒組成を高沸点成分に富む状態から低沸点成分に富む状態へ変更する場合は、第1配管25の電磁弁21を閉とし、第3配管の電磁弁28を開とし、冷媒精留器11の中間圧力と圧縮機1の吸入圧力との圧力差により、冷媒貯留器14に貯留された低沸点成分に富む冷媒を冷凍サイクル内へ放出し、余剰な冷媒をアキュムレータ7へ貯留させる。アキュムレータ内に液冷媒が貯留されると、サイクル内を循環する冷媒組成は、充填組成に比べて低沸点成分が増加する。なお、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の目標値と制御方法については実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
【0054】
以上のように、本実施の形態によれば、外気温度に応じて電磁弁23、24を開閉することにより、広い外気温度範囲に対して第1冷却器13の冷却能力をほぼ一定に保つことができ、冷媒精留器11を安定して動作させることができる。
【0055】
以上の実施の形態においては、外気温度の検出値に基づいて電磁弁23や電磁弁24の開閉を行う例を示したが、利用側熱交換器3の水熱交換器の入口水温を検出し、入口水温の検出値と外気温度の検出値との差に基づいて前述の電磁弁を開閉する、あるいは高圧圧力と低圧圧力を検出し、圧力検出値の差に基づいて前述の電磁弁を開閉することも可能である。
【0056】
また、上述の実施の形態1から3では、冷凍サイクルに四方弁を用い、給湯運転のみを行うヒートポンプ給湯器について示したが、四方弁を用いない冷房専用機やチラ−(冷水供給)専用機、あるいは暖房専用機やヒートポンプ給湯器、四方弁を用いる冷暖房機、ヒートポンプ式冷温水供給装置などの場合についても同様に適用できる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機、利用側熱交換器、第1減圧装置、熱源側熱交換器を順次配管で接続してなる冷凍サイクルと、非共沸混合冷媒を低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分とに分離する冷媒精留器と、冷媒精留器で分離された低沸点冷媒成分を冷却する冷媒精留器に環状に配管接続された第1冷却器と、第1冷却器で冷却された冷媒を貯留する冷媒貯留器と、冷媒精留器の下部と圧縮機の出口側とを接続する配管に設けた第2減圧装置および第1開閉弁と、第1冷却器の出口側と利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に設けた第2開閉弁と、冷媒精留器の下部と前記冷凍サイクルの低圧側とを接続する配管に設けた第3減圧装置および第3開閉弁とを備え、冷凍サイクル内の非共沸混合冷媒の低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分の割合を可変とするので、冷凍サイクル内を循環する冷媒組成の変更を3つの開閉弁と1つの冷媒貯留器内の組成変化によって行うため、装置の小型化が図れるとともに、冷媒回路構成や制御の簡略化を図ることができ、低コスト化を実現することができる。
【0058】
また、本発明の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、第3減圧装置の出口側と利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に第4減圧装置と第3開閉弁を設け、外気温度に応じて第3開閉弁を開閉することにより、利用側熱交換器から流出する液冷媒の一部を第1冷却器の冷熱源として供給して第1冷却器の冷却能力を可変とするので、外気温度に関わらず第1冷却器の冷却能力が一定となるように制御することができ、外気温度に関わらず冷媒精留器11を安定的に動作させることができる。
【0059】
また、本発明の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置は、第2減圧装置に流動抵抗の異なる第5減圧装置を並列配置するとともに、第5減圧装置に接続した第5開閉弁を設け、外気温度に応じて第5開閉弁を開閉することにより、第1冷却器の冷却能力を可変とするので、外気温度に関わらず第1冷却器の冷却能力が一定となるように制御することができ、外気温度に関わらず冷媒精留器11を安定的に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係わる低沸点成分の組成と高圧圧力の関係を示す図である。
【図3】 本発明の実施の形態1に係わる組成変化運転時間と低沸点成分の組成の関係を示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態1に係わる組成検知の原理を示す冷媒回路構成図である。
【図5】 本発明の実施の形態2に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態2に係わる外気温度、第1冷却器の冷却能力及び電磁弁23の開閉操作の関係を示す図である。
【図7】 本発明の実施の形態3に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図8】 本発明の実施の形態3に係わる外気温度、第1冷却器の冷却能力及び電磁弁24の開閉操作の関係を示す図である。
【図9】 本発明の実施の形態3に係わる外気温度、第1冷却器の冷却能力、電磁弁23、24の開閉操作の関係を示す図である。
【図10】 本発明の実施の形態4に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【符号の説明】
1 圧縮機、 2 四方弁、 3 利用側熱交換器、 4 第1減圧装置(膨張弁)、 5 熱源側熱交換器、 6 過冷却器、 7 アキュムレータ、 11 冷媒精留器、 12 第2冷却器、 13 第1冷却器、 14 冷媒貯留器、 21 第1開閉弁、 22 第2開閉弁、 23 第4開閉弁、 24 第5開閉弁、 25 第1配管、 26 第2配管、 27 第3配管、 28第3開閉弁、 31 第2減圧装置、 32 第3減圧装置、 33 第4減圧装置、 34 第5減圧装置、 62 冷凍サイクルユニット、 63 組成分離ユニット。
Claims (6)
- 少なくとも圧縮機、利用側熱交換器、第1減圧装置、熱源側熱交換器を順次配管で接続してなる冷凍サイクルと、
非共沸混合冷媒を低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分とに分離する冷媒精留器と、
前記冷媒精留器で分離された低沸点冷媒成分を冷却する冷媒精留器に環状に配管接続された第1冷却器と、
前記第1冷却器で冷却された冷媒を貯留する冷媒貯留器と、
前記冷媒精留器の下部と前記圧縮機の出口側とを接続する配管に設けた第2減圧装置および第1開閉弁と、
前記第1冷却器の出口側と前記利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に設けた第2開閉弁と、
前記冷媒精留器の下部と前記冷凍サイクルの低圧側とを接続する配管に設けた第3減圧装置および第3開閉弁とを備え、
冷凍サイクル内の非共沸混合冷媒の低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分の割合を可変としたことを特徴とする非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。 - 前記第3減圧装置の出口側と前記利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に第4減圧装置と第4開閉弁を設け、外気温度に応じて前記第4開閉弁を開閉することにより、前記利用側熱交換器から流出する液冷媒の一部を前記第1冷却器の冷熱源として供給して前記第1冷却器の冷却能力を可変としたことを特徴とする請求項1記載の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
- 少なくとも圧縮機、利用側熱交換器、第1減圧装置、熱源側熱交換器を順次配管で接続してなる冷凍サイクルと、
非共沸混合冷媒を低沸点冷媒成分と高沸点冷媒成分とに分離する冷媒精留器と、
前記冷媒精留器で分離された低沸点冷媒成分を冷却する冷媒精留器に環状に配管接続された第1冷却器と、
前記第1冷却器で冷却された冷媒を貯留する冷媒貯留器と、
前記冷媒精留器の下部と前記圧縮機の出口側とを接続する配管に設けた第2減圧装置および第1開閉弁と、
前記冷媒精留器の下部と前記冷凍サイクルの低圧側とを接続する配管に設けた第3減圧装置および第2開閉弁と、
前記第3減圧装置の出口側と前記利用側熱交換器の出口側とを接続する配管に設けた第4減圧装置および第4開閉弁とを備え、
外気温度に応じて前記第4開閉弁を開閉することにより、前記利用側熱交換器から流出する液冷媒の一部を前記第1冷却器の冷熱源として供給し、前記第1冷却器の冷却能力を可変としたことを特徴とする非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。 - 前記第3減圧装置に流動抵抗の異なる第5減圧装置を並列配置するとともに、前記第5減圧装置に接続した第5開閉弁を設け、外気温度に応じて前記第5開閉弁を開閉することにより、前記第1冷却器の冷却能力を可変としたことを特徴とする請求項2または請求項3記載の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
- 前記第1冷却器は、前記第3減圧装置を通過後の冷媒との熱交換で冷却することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
- 前記利用側熱交換器から流出した冷媒と前記第1減圧装置を通過した冷媒とを熱交換させる過冷却器を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の非共沸混合冷媒を用いる冷凍サイクル装置。
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