JP4269752B2

JP4269752B2 - 蒸気圧縮式冷凍機

Info

Publication number: JP4269752B2
Application number: JP2003102504A
Authority: JP
Inventors: 猛酒井; 秀峰村端; 進川村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: DE10327953A1; JP2004085178A; CN1469091A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、暖房装置や給湯装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
蒸気圧縮式冷凍機（ヒートポンプサイクル）を利用した暖房装置や給湯装置は、周知のごとく、低圧冷媒を蒸発させて低温側から吸熱し、この吸熱した熱量と圧縮機の圧縮仕事に相当する熱量とを高圧側熱交換器にて放熱することにより室内に吹き出す空気や給湯水を加熱するものである。
【０００３】
したがって、蒸気圧縮式冷凍機を利用した暖房装置や給湯装置では、低圧側熱交換器での吸熱量が多いほど、圧縮機の消費動力を小さくすることができ、暖房装置や給湯装置の効率を向上させることができる。
【０００４】
しかし、低圧側熱交換器で吸熱するには、低圧冷媒の圧力を低温側の温度（低温側熱交換器の雰囲気温度）相当の圧力より低くする必要があるので、冬場等の外気温度が低いときには、これに応じて、低圧側冷媒の圧力も下げる必要がある。
【０００５】
一方、高圧側冷媒の圧力は、必要とする冷媒温度に相当する圧力に維持する必要があるので、冬場等の外気温度が低いときには、圧縮機の圧縮比（吐出圧／吸入圧）が大きくなり、圧縮機の消費動力が増大する。
【０００６】
また、低圧側熱交換器にて吸熱するには、低圧側冷媒の温度を低温側熱交換器の雰囲気温度（外気温度）より低下させる必要があるため、低圧側熱交換器の表面に霜が付着してしまう。このため、通常、定期的に低圧側熱交換器を加熱して付着している霜を融解除去し、融解した融解水を低圧側熱交換器の下方側に配置したドレンパンで集めて所定箇所に排水している。
【０００７】
しかし、冬場等の外気温度が低いときには、ドレンパン内の融解水が凍結してしまうため、電気ヒータ等の加熱手段によりドレンパン内の融解水が再凍結することを防止している。
【０００８】
したがって、冬場等の外気温度が低いときには、圧縮機の消費動力増大に加えて、ドレンパン内の融解水を加熱するための熱エネルギを必要とするので、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギが増大してしまう。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を提供し、第２には、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、少なくとも、圧縮機（１０）を駆動する電動モータ（１１）、及び電動モータ（１１）の駆動電流を制御する電気回路（１２）を有して構成された駆動手段と、駆動手段で発生した廃熱を低圧側熱交換器（４０）内を流れる冷媒に与える廃熱供与手段（１３、６１）とを備え、高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて使用対象装置の流体を加熱することを特徴とする。
【００１１】
これにより、圧縮機（１０）の圧縮比を小さくすることができるとともに、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧縮機（１０）での消費動力、つまり圧縮機（１０）の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなる。
【００１２】
したがって、駆動手段の廃熱を有効利用して圧縮機（１０）の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機の効率（成績係数）を向上させることができるとともに、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を得ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、廃熱供与手段は、廃熱にて加熱された空気を低圧側熱交換器（４０）に導くことにより駆動手段で発生した廃熱を低圧側熱交換器（４０）内を流れる冷媒に与えることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、廃熱供与手段は、廃熱を低圧側熱交換器（４０）に導く熱伝導手段であることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項４に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、少なくとも、圧縮機（１０）を駆動する電動モータ（１１）、及び電動モータ（１１）の駆動電流を制御する電気回路（１２）を有して構成された駆動手段と、低圧側熱交換器（４０）で発生した凝縮水を蓄えるドレンパン（７０）と、駆動手段で発生した廃熱をドレンパン（７０）に蓄えられた水に与える廃熱供与手段（１３）とを備え、高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて使用対象装置の流体を加熱することを特徴とする。
【００２３】
これにより、廃熱を利用してドレンパン（７０）内の水が再凍結することを防止できるので、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減しつつ、電気ヒータ等の加熱手段を廃止することができるとともに、従来と異なる新規な蒸気圧縮式冷凍機を得ることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明では、廃熱供与手段は、廃熱をドレンパン（７０）に蓄えられた水に導く熱伝導手段であることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項６に記載の発明では、高圧冷媒の圧力は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とするものである。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とするものである。
【００２７】
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機（１）を用いる暖房装置であって、高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。
【００２８】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減しつつ、従来と異なる新規な暖房装置を得ることができる。
【００２９】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機（１）を用いる給湯装置であって、高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて水を加熱することを特徴とする。
【００３０】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機の消費エネルギを低減しつつ、従来と異なる新規な給湯装置を得ることができる。
【００３１】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機を給湯用の水を加熱する給湯装置に適用したものであって、図１は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の模式図であり、図２は蒸気圧縮式冷凍機１を構成する各機器の配置図である。
【００３３】
図１中、圧縮機１０は電動モータ１１から動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、電動モータ１１の駆動電流はインバータ回路等からなる電気回路１２にて制御されている。そして、本実施形態では、電動モータ１１及び電気回路１２により「特許請求の範囲」に記載された「駆動手段」が構成されている。
【００３４】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用しているとともに、高圧側の冷媒圧力、つまり圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させて、必要とする冷媒温度に相当する圧力まで加圧している。
【００３５】
水冷媒熱交換器２０は、高温・高圧冷媒と給湯水とを熱交換して高温・高圧冷媒の熱を給湯水に与える高圧側熱交換器であり、膨脹弁３０は水冷媒熱交換器２０から流出した高圧冷媒を減圧する減圧手段である。
【００３６】
なお、本実施形態では、膨脹弁３０として、高圧側冷媒の温度をパラメータとして蒸気圧縮式冷凍機１の成績係数が略最大となるように高圧冷媒を等エンタルピ的に減圧するものを採用している。
【００３７】
蒸発器４０は低圧冷媒を蒸発させて外気から吸熱する低圧側熱交換器であり、ファン４１は蒸発器４０に外気を供給する送風手段であり、アキュムレータ５０は、蒸発器４０から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１０の吸入側に供給している。
【００３８】
なお、本実施形態では、気相冷媒と共にアキュムレータ５０にて分離された冷凍機油を圧縮機１０に供給するとともに、吸入冷媒にて電動モータ１１を冷却している。
【００３９】
また、図２中、ダクト６１は、電気回路１２で発生した廃熱を蒸発器４０内を流れる冷媒に与える廃熱供与手段をなすものである。具体的には、本実施形態に係る廃熱供与手段では、電気回路１２の放熱フィン１３をダクト６１内に配置して、ファン４１の送風作用を利用して廃熱にて加熱された空気を蒸発器４０に導いて蒸発器４０内を流れる冷媒に与えている。
【００４０】
次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の作用効果を述べる。
【００４１】
図３は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１の作動を示すｐ−ｈ線図であり、廃熱にて加熱された空気を蒸発器４０に導くと、蒸発器４０から見ると、あたかも外気温度が上昇したかのごとく、低圧側の冷媒圧力が破線の状態から実線の状態に上昇する。
【００４２】
このため、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、等エントロピ線の傾きが大きくなって圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなる。したがって、本実施形態では、従来は、外気中に放熱されていた電気回路１２の廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、圧縮機１０と電動モータ１１とは直結されていることに加えて、吸入冷媒にて電動モータ１１を冷却しているので、電動モータ１１で発生した廃熱も低圧側の冷媒に与えられこととなる。
【００４４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、廃熱にて加熱された空気をダクト６１を介して蒸発器４０に導いて蒸発器４０内を流れる冷媒に与えたが、本実施形態は、図４に示すように、電気回路１２の放熱フィン１３を蒸発器４０に接触させることにより電気回路１２の廃熱を空気を介さずに直接的に蒸発器４０に導くようにしたものである。
【００４５】
つまり、本実施形態において放熱フィン１３は、電気回路１２の廃熱を蒸発器４０に導く熱伝導手段として機能することなる。なお、本実施形態は、放熱フィン１３を蒸発器４０のプレートフィンに接触させたが、本実施形態は、これに限定されるものではないことは勿論のこと、熱伝導手段として放熱フィン１３以外のものを採用してもよいことは言うまでもない。
【００４６】
（第３実施形態）
第１、２実施形態では、電気回路１２で発生した廃熱を蒸発器４０内を流れる冷媒に与えたが、本実施形態は、電気回路１２で発生した廃熱を圧縮機１０に吸入される冷媒に与える廃熱供与手段を採用したものである。
【００４７】
具体的には、図５に示すように、放熱フィン１３でアキュムレータ５０から流出した冷媒と廃熱とが熱交換するようにしたものである。
【００４８】
これにより、図６に示すように、圧縮機１０に吸入される冷媒の過熱度が上昇するので、吐出圧を破線の状態から実線の状態まで低下させても必要とする冷媒温度を確保することができる。
【００４９】
したがって、圧縮機１０の圧縮比が小さくなるとともに、圧縮機１０での消費動力、つまり圧縮機１０の吸入側におけるエンタルピと吐出側におけるエンタルピとの差が小さくなるので、従来は、外気中に放熱されていた電気回路１２の廃熱を有効利用して圧縮機１０の消費動力を低減して、蒸気圧縮式冷凍機１の効率（成績係数）を向上させることができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、放熱フィン１３でアキュムレータ５０から流出した冷媒と廃熱とを熱交換させたので、放熱フィン１３が廃熱を圧縮機１０の吸入側に導く熱伝導手段として機能したが、放熱フィン１３にて加熱された空気を圧縮機１０の吸入側に導くことにより廃熱を圧縮機１０に吸入される冷媒に与えてもよいことは言うまでもない。
【００５１】
また、図５では気液分離器５０と圧縮機１０との間で電気回路１２で発生した廃熱を冷媒に与えたが、蒸発器４０と気液分離器５０との間で電気回路１２で発生した廃熱を冷媒に与えてもよい。
【００５２】
（第４実施形態）
本実施形態は、電気回路１２で発生した廃熱でドレンパン７０を加熱することにより、ドレンパン７０に蓄えられた水を加熱するものである。
【００５３】
具体的には、図７に示すように、放熱フィン１３をドレンパン７０に接触させることにより電気回路１２の廃熱を放熱フィン１３を介してドレンパン７０に伝え、ドレンパン７０に蓄えられた水を加熱するものである。つまり、本実施形態では、放熱フィン１３が廃熱をドレンパン７０に蓄えられた水に導く熱伝導手段として機能する。
【００５４】
これにより、廃熱を利用してドレンパン７０内の融解水が再凍結することを防止できるので、蒸気圧縮式冷凍機１の消費エネルギを低減しつつ、電気ヒータ等の加熱手段を廃止することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、放熱フィン１３により廃熱を直接にドレンパン７０側に与えたが、廃熱により加熱された空気をダクトを介してドレンパン７０側に供給することにより廃熱をドレンパン７０に蓄えられた水に与えてもよい。
【００５６】
（第５実施形態）
本実施形態は、図８に示すように、放熱フィン１３と蒸発器４０からアキュムレータ５０に至る冷媒配管とを接触させる等してインバータ回路等からなる電気回路１２で発生する廃熱を圧縮機１０に吸入される冷媒に与える熱交換器を構成して吸入冷媒を加熱するものである。
【００５７】
（第６実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、放熱フィン１３とアキュムレータ５０から圧縮機１０に至る冷媒配管とを接触させる等してインバータ回路等からなる電気回路１２で発生する廃熱を圧縮機１０に吸入される冷媒に与える熱交換器を構成して吸入冷媒を加熱するものである。
【００５８】
（第７実施形態）
第５、６実施形態では、放熱フィン１３を介して電気回路１２で発生する廃熱を圧縮機１０に吸入される冷媒に与えたが、本実施形態は、図１０に示すように、冷媒に熱を与える熱交換器１３ａに、電気回路１２を構成するＩＧＢＴやダイオード等の発熱電気部品を直接に接合配置したものである。
【００５９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば室内に吹き出す空気を加熱する暖房装置に適用しもよい。
【００６０】
また、上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用しているとともに、高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上まで上昇させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば冷媒をフロン（Ｒ１３４ａ）として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上とする、又は冷媒をフロン（Ｒ１３４ａ）として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力未満とする等としてもよい。
【００６１】
また、上述の実施形態では、減圧手段として等エンタルピ的に冷媒を減圧する膨脹弁を採用したが、本発明は、これに限定されるものではなく、等エントロピ的に冷媒を減圧するノズルや膨脹機を採用し、減圧時に回収した膨脹エネルギにて圧縮機１０の消費動力を低減してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機を構成する各機器の配置図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機のｐ−ｈ線図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機を構成する各機器の配置図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機を構成する各機器の配置図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機のｐ−ｈ線図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機を構成する各機器の配置図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。
【図１０】本発明の第７実施形態に係る熱交換器の模式図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機、１１…電気回路、１３…放熱フィン、
２０…水冷媒熱交換器、３０…膨脹弁、４０…蒸発器、
５０…アキュムレータ、６１…ダクト。

Claims

低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、
低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
少なくとも、前記圧縮機（１０）を駆動する電動モータ（１１）、及び前記電動モータ（１１）の駆動電流を制御する電気回路（１２）を有して構成された駆動手段と、
前記駆動手段で発生した廃熱を前記低圧側熱交換器（４０）内を流れる冷媒に与える廃熱供与手段（１３、６１）とを備え、
前記高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて使用対象装置の流体を加熱することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
前記廃熱供与手段（１３、６１）は、前記廃熱にて加熱された空気を前記低圧側熱交換器（４０）に導くことにより前記駆動手段で発生した廃熱を前記低圧側熱交換器（４０）内を流れる冷媒に与えることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記廃熱供与手段（１３）は、前記廃熱を前記低圧側熱交換器（４０）に導く熱伝導手段であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１０）と、
高圧冷媒の熱を放熱させる高圧側熱交換器（２０）と、
高圧冷媒を減圧する減圧手段（３０）と、
低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器（４０）と、
少なくとも、前記圧縮機（１０）を駆動する電動モータ（１１）、及び前記電動モータ（１１）の駆動電流を制御する電気回路（１２）を有して構成された駆動手段と、
前記低圧側熱交換器（４０）で発生した凝縮水を蓄えるドレンパン（７０）と、
前記駆動手段で発生した廃熱を前記ドレンパン（７０）に蓄えられた水に与える廃熱供与手段（１３）とを備え、
前記高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて使用対象装置の流体を加熱することを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
前記廃熱供与手段（１３）は、前記廃熱を前記ドレンパン（７０）に蓄えられた水に導く熱伝導手段であることを特徴とする請求項４に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
前記高圧冷媒の圧力は、冷媒の臨界圧力以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒として、二酸化炭素が用いられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機（１）を用いる暖房装置であって、前記高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする暖房装置。
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気圧縮式冷凍機（１）を用いる給湯装置であって、前記高圧側熱交換器（２０）の高圧冷媒にて水を加熱することを特徴とする給湯装置。