JP4157027B2 - ヒートポンプ式冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式の冷凍装置に関する。

ヒートポンプ式の冷凍装置においては、負荷側からの水等の冷却媒体と冷媒との熱交換を行なう熱交換器に、冷房（冷却）運転時には凝縮冷媒を減圧して供給し、暖房（加熱）運転時には圧縮機からの高温吐出冷媒ガスを供給している。

したがって、冷房運転と暖房運転の切り替えが頻繁に行なわれると、上記熱交換器には冷房運転における低温の冷媒と暖房運転における高温の冷媒が供給されて急激な温度変化を繰り返すことになり、この急激な温度変化は熱交換器の損傷の原因となる。

具体的には、熱交換器の構成部材の接合部に、温度変化による各部材の寸法変化に伴う応力が集中し、接合部やその周辺部分が破損するケースがある。
このような接合部の破損は冷媒の漏洩の原因となり、装置の運転が安定して行なわれなくなるという問題を惹き起すだけでなく、例えばアンモニアのような毒性を有する冷媒を使用する場合には、負荷側へ供給する冷却媒体への有毒冷媒の混入や装置周囲への有毒ガスの漏洩という重大な問題の原因となる。

特に、熱交換器の各部材がろう付けにより接合されているもの、例えばブレージングタイプのプレート熱交換器は接合部の損傷が懸念され、このブレージングタイプのプレート熱交換器は小型で熱交換効率に優れているのに、冷房運転と暖房運転が頻繁に切り替えられるような使用環境のヒートポンプ式冷凍装置における熱交換器としては決して好適なものとはいえない。

また、上述のような温度の急激な変化に耐え得るように熱交換器を耐久性の高い素材や構造のものとすると、製作コストの上昇を招いたり、熱交換器の寸法が大となって装置の小型化の障害となったりするおそれがある。

さらに近年、自然冷媒の見直しから冷媒としてアンモニアが採用されるケースが増加してきており、アンモニアはフロン系の冷媒に比して吐出ガス温度が高いので、運転切替に伴う熱交換器の温度変化はより大であり、熱交換器の損傷を未然に防止する配慮がより高度に求められる。

本発明は、負荷側の熱交換器における冷房運転時と暖房運転時の温度変化を小なるものに抑えることができて、冷房運転と暖房運転の切替が頻繁に行なわれても熱交換器への温度変化に伴うショックを軽減でき、従来から使用されている構造の熱交換器を使用することができて装置コストの上昇を招くことなく熱交換器の寿命を向上させることができるヒートポンプ式冷凍装置を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る装置は、圧縮した冷媒を吐出する冷媒圧縮機と、冷房運転時には凝縮器として作用し、暖房運転時には蒸発器として作用する第１の熱交換器と、冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房運転時には凝縮器として作用して負荷側へ送られる水等の冷却媒体と熱交換する第２の熱交換器を備え、冷房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第１の熱交換器、第２の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻され、暖房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第２の熱交換器、第１の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻されるように、冷媒配管の途中に設けた切替弁によって切り替えられるヒートポンプ式冷凍装置において、前記第２の熱交換器と前記切替弁との間に第３の熱交換器を設け、負荷側からの冷却媒体が第３の熱交換器と第２の熱交換器をこの順に流過せしめるように構成したものとしてあり、また、前記冷媒をアンモニアとした構成のものとしてある。

また本発明に係る装置は、前記第２の熱交換器の冷媒入口において冷房運転時に冷媒の減圧を行なう膨張弁の開度を、前記第３の熱交換器の冷媒出口温度に基づいて制御するように構成したものとしてある。

さらに本発明に係る装置は、前記切替弁が暖房運転時において所要の時間的間隔で冷房運転時の状態に切り替えられて、前記第１の熱交換器における逆サイクルによる除霜運転が行なわれる構成としてある。

以下、本発明に係る装置の実施例を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
圧縮機１の吐出口に一端が接続された吐出管２の他端が切替弁たる四方弁３の第１ポート３ａに接続され、同四方弁３の第２ポート３ｂに一端が接続された第１冷媒管４の他端が、第１の熱交換器たる空気熱交換器５、第１逆止弁６および第１膨張弁７を介して第２の熱交換器たる水熱交換器８の第１冷媒管接続口８ａに接続されている。
なお上記水熱交換器８は、小型で熱交換効率の高い熱交換器、例えばブレージングタイプのプレート熱交換器で構成してある。

上記水熱交換器８の第２冷媒管接続口８ｂに一端が接続された第２冷媒管９の他端が前記四方弁３の第３ポート３ｃに接続され、同四方弁３の第４ポート３ｄに一端が接続された吸入管１０の他端がアキュムレータ１１を介して圧縮機の吸入口に接続されている。

また、前記第１逆止弁６を跨ぐ第１バイパス管１２には第２膨張弁１３が設けられ、かつ、前記第１膨張弁７を跨ぐ第２バイパス管１４には第２逆止弁１５を設けてある。

しかして前記第２冷媒管９の途中には第３の熱交換器たるサブ熱交換器１６を設けてあり、被空調室１７の空調器１７ａ等の負荷側からの冷熱媒体たる例えば水がサブ熱交換器１６と前記水熱交換器８とをこの順に流過するようになっていて、上記サブ熱交換器１６には、温度変化に対する強度が大である熱交換器が好適であり、例えば多重管タイプの熱交換器を用いる。

具体的には前記空調器１７ａからの冷・温水戻り管１８がサブ熱交換器１６の水入口１６ｃに接続され、同出口１６ｄに一端が接続された冷・温水管１９の他端が水熱交換器８の水入口８ｃに接続され、同出口８ｄに一端が接続された冷・温水送り管２０の他端が空調器１７ａに接続されている。
なお、図中の符号１６ａ、１６ｂは冷媒管接続口を示している。

上述した構成の装置において、前記第１の熱交換器たる空気熱交換器５は装置の冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として作用し、また、前記第２の熱交換器たる水熱交換器８および第３の熱交換器たるサブ熱交換器１６は装置の冷房運転時には蒸発器、暖房運転時には凝縮器として作用し、以下に冷房運転時と暖房運転時における装置の作用について説明する。

図１は冷房運転時（冷水供給運転時）における冷媒の流れを示した構成図であり、圧縮機１からの冷媒（本実施例ではアンモニア）は四方弁３の第１ポート３ａから第２ポート３ｂを流過して空気熱交換器５に送られ、同空気熱交換器における空気との熱交換によって凝縮し、液冷媒となって第１逆止弁６を経て第１膨張弁７にて減圧され、水熱交換器８における負荷側からの水との熱交換（水の冷却）により気化する。

なお、上記第１膨張弁７の開度制御は、サブ熱交換器１６の冷媒出口温度に基づいて行なう。

気化した冷媒はサブ熱交換器１６においてさらに負荷側からの水と熱交換し、水熱交換器８では気化しきれなかった液冷媒の蒸発潜熱と冷媒ガスの顕熱を奪い、その後四方弁３の第３ポート３ｃから第４ポート３ｄを経て吸入管１０に入り、アキュムレータにて気液分離されて圧縮機に戻される。

すなわち、負荷側からの戻り冷水はまずサブ熱交換器１６である程度冷却され、さらに水熱交換器８で所要の温度に冷却される。
なお、図１中の水熱交換器８およびサブ熱交換器１６の冷媒出入口および水出入口には各部位における冷媒や水の温度の値の例を付した。

暖房運転時（温水供給運転時）においては、図２に示されるように圧縮機１からの冷媒が四方弁３の第１ポート３ａから第３ポート３ｃを流過してサブ熱交換器１６に送られ、このサブ熱交換器にて負荷側からの水をある程度加熱して水熱交換器８に送られ、同水熱交換器における負荷側からの水との熱交換（水を加熱）によって凝縮し、液冷媒となって第２逆止弁１５を経て第２膨張弁１３にて減圧され、空気熱交換器５にて空気との熱交換により気化する。

気化した冷媒は四方弁３の第２ポート３ｂから第４ポート３ｄを経て吸入管１０に入り、アキュムレータにて気液分離されて圧縮機に戻される。

しかして、水熱交換器８の温度は冷房運転時においては従来の装置における水熱交換器の温度と変わりはないが、暖房運転時においては圧縮機１からの高温吐出ガスがサブ熱交換器１６における負荷側からの水との熱交換によって温度降下し、したがって冷房運転時と暖房運転時における水熱交換器の温度差は従来のものよりも小となる。

なお、図２中の水熱交換器８およびサブ熱交換器１６の冷媒出入口および水出入口には各部位における冷媒や水の温度の値の例を付した。

したがって、水熱交換器８においては冷房運転時と暖房運転時の温度変化が小となるので、冷房運転と暖房運転が頻繁に切り替えられても急激な温度変化による損傷を抑制することができ、水熱交換器の長寿命化を図ることができる。

ところで、上述した実施例の装置においては、暖房運転時において第１の熱交換器たる空気熱交換器５に空気中の水分の凝縮による着霜するが、空気熱交換器に付着した霜の除霜運転は、所要の時間的間隔で切替弁たる四方弁３が暖房運転の状態から冷房運転の状態に自動的に切り替えられ、圧縮機１からの高温吐出冷媒を空気熱交換器５へ供給するいわゆる逆サイクル運転により行なう。

上述した逆サイクルによる除霜運転においては、第２の熱交換器たる水熱交換器８にも逆サイクル運転に伴う温度変化が生じるが、この場合においてもサブ熱交換器を介在せしめてあるので、前述した冷房運転・暖房運転の切替に伴う温度変化の抑制と同様に急激な温度変化が防止される。この除霜運転は例えば１時間に１回というように頻繁に行なわれるので、水熱交換器８の温度変化による損傷を防止する効果は顕著である。

なお、上述した実施例においてはアンモニア冷媒の冷凍装置について説明したが、他の冷媒を使用する装置にも適用することができるし、特に吐出ガス温度が高温となる冷媒を使用する装置には好適である。

本発明に係る装置は上述した構成のものとしてあるので、暖房運転時においては負荷側の熱交換器である第２の熱交換器には、第３の熱交換器にてある程度温度が降下した吐出冷媒ガスが供給される。

したがって、暖房運転における第２の熱交換器の温度を低く抑えることができ、冷房運転と暖房運転が頻繁に切り替えられても第２の熱交換器の温度変化を小ならしめることができて、従来から使用されている素材、構造の熱交換器を採用しても熱交換器の損傷のおそれはまずなく、冷媒の漏洩防止および熱交換器の長寿命化を期すことができ、特に吐出冷媒ガス温度が高温であるアンモニア冷媒を使用する装置に好適である。

また、暖房運転において第２の熱交換器へ供給される吐出ガスの温度を第３の熱交換器において降下せしめる冷熱源は負荷側から戻される水等の冷熱媒体であるので、吐出ガスの熱は確実に冷熱媒体に伝達されて冷熱の利用に無駄がなく、しかも冷房運転時、暖房運転時ともに第３の熱交換器を設けてある分、冷媒と負荷側からの冷却媒体との間の熱交換面積が大となり、熱交換効率を向上せしめることができる。

なお、冷房運転時には第３の熱交換器の冷媒出口温度に基づいて第２の熱交換器における冷媒入口の膨張弁の開度を制御するので、第２の熱交換器における蒸発域面積を広くとることができ、効率のよい熱交換を行なうことができる。

また、本発明の装置は第２の熱交換器と切替弁との間に第３の熱交換器を配設するだけの簡単な構成であり、また第３の熱交換器にも一般的に使用されている熱交換器を採用できるので、容易に製作することが可能であり、しかも既存の装置にも適用が可能であるという実用上の極めて大なるメリットがある。

さらに、本発明の装置は通常の冷房運転と暖房運転の切替に伴う第２の熱交換器への急激な温度変化を防止できるだけでなく、逆サイクル運転によって暖房時における第１の熱交換器の除霜運転が行なわれる場合にも同様に急激な温度変化を防止することができる。

本発明に係る装置の実施例における、冷房運転時の冷媒の流れを付した構成図。 本発明に係る装置の実施例における、暖房運転時の冷媒の流れを付した構成図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 吐出管
３ 四方弁
４ 第１冷媒管
５ 空気熱交換器
６ 第１逆止弁
７ 第１膨張弁
８ 水熱交換器
９ 第２冷媒管
１０ 吸入管
１１ アキュムレータ
１２ 第１バイパス管
１３ 第２膨張弁
１４ 第２バイパス管
１５ 第２逆止弁
１６ サブ熱交換器
１８ 冷・温水戻り管
１９ 冷・温水管
２０ 冷・温水送り管

Claims (4)

1. 圧縮した冷媒を吐出する冷媒圧縮機と、冷房運転時には凝縮器として作用し、暖房運転時には蒸発器として作用する第１の熱交換器と、冷房運転時には蒸発器として作用し、暖房運転時には凝縮器として作用して負荷側へ送られる水等の冷却媒体と熱交換する第２の熱交換器を備え、冷房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第１の熱交換器、第２の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻され、暖房運転時には圧縮機からの吐出冷媒が第２の熱交換器、第１の熱交換器の順に送られて圧縮機に戻されるように、冷媒配管の途中に設けた切替弁によって切り替えられるヒートポンプ式冷凍装置において、前記第２の熱交換器と前記切替弁との間に第３の熱交換器を設け、負荷側からの冷却媒体が第３の熱交換器と第２の熱交換器をこの順に流過せしめるように構成してなるヒートポンプ式冷凍装置。
2. 前記冷媒がアンモニアである請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
3. 前記第２の熱交換器の冷媒入口において冷房運転時に冷媒の減圧を行なう膨張弁の開度を、前記第３の熱交換器の冷媒出口温度に基づいて制御するように構成してなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
4. 前記切替弁は、暖房運転時において所要の時間的間隔で冷房運転時の状態に切り替えられて、前記第１の熱交換器における逆サイクルによる除霜運転が行なわれる構成としてなる請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。

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