JP4519825B2

JP4519825B2 - 冷凍サイクル

Info

Publication number: JP4519825B2
Application number: JP2006297275A
Authority: JP
Inventors: 真一坂本; 恭彦岡; 孝之杉本
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2022-07-23
Also published as: JP2007033024A

Description

この発明は、冷凍サイクルに関し、例えばヒートポンプ式給湯機の熱源ユニットに使用することができる冷凍サイクルに関するものである。

ヒートポンプ式給湯機としては、一般には図５に示すように、貯湯タンク５０を有するタンクユニット５１と、冷凍サイクル５２を有する熱源ユニット５３とを備える。また、冷凍サイクル５２は、圧縮機５４と、水熱交換器（凝縮器）５５と、膨張弁５７と、蒸発器５８とを順に接続して構成される。そして、タンクユニット５１は、上記貯湯タンク５０と循環路５９とを備え、この循環路５９には、水循環用ポンプ６０と熱交換路６１とが介設されている。この場合、熱交換路６１は水熱交換器５５にて構成される。

上記装置においては、圧縮機５４を駆動させると共に、ポンプ６０を駆動（作動）させると、貯湯タンク５０の底部に設けた取水口から貯溜水（温湯）が循環路５９に流出し、これが熱交換路６１を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器５５によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口から貯湯タンク５０の上部に返流される。これによって、貯湯タンク５０に高温の温湯を貯めるものである。

また、従来においては、上記冷凍サイクルの冷媒として、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒が使用されてきたが、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題から、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような代替冷媒が使用されるようになっている。しかしながらこのＲ−１３４ａにおいても、依然として地球温暖化能が高いなどの問題があることから、近年では、このような問題のない自然系冷媒を使用することが推奨されつつある。この自然系冷媒として炭酸ガス等の超臨界冷媒が有用であることは、公知である。

ところが上記装置においては、外気温度が変化することによって、水熱交換器（ガス冷却器）側及び蒸発器側の負荷変動が生じ、季節ごとに冷媒循環量が相違する。すなわち、図３に示すように、外気温度が高い時（高外気時）はＩのようなサイクルとなり、外気温度が低い時（低外気時）はＩＩのようなサイクルとなり、夏場（高外気時）においては、蒸発器５８内の密度が冬場（低外気時）よりも大となる。このため、季節ごとに最適な冷媒量での運転が困難であり、夏場においては循環量が不足気味となって、過度の過熱運転となり、冬場においては循環量が過剰気味となって湿り運転となり、圧縮機の信頼性の低下を招くおそれがあった。

このため、図４に示すように、高圧側に冷媒調整容器６５を設け、流量調整弁６６を調整することによって、この冷媒調整容器（レシーバ）６５内の冷媒量を増減させて、外気温度に応じた冷媒循環量とすることも考えられる。この場合、高圧側において、分岐すると共に、この分岐部よりも下流側の位置において合流するバイパス回路６７を設けると共に、このバイパス回路６７に上記レシーバ６５を介設し、さらに、このレシーバ６５の出口側に流量調整弁６６を設ける。すなわち、バイパス回路６７は、ガス冷却器５５の上流側から分岐してレシーバ６５に接続される第１通路６８と、このレシーバ６５から導出されて第１通路６８の分岐部よりも下流側においてガス冷却器５５に合流する第２通路６９とを備え、第２通路６９に上記調整弁６６が介設される。また、膨張弁５７と蒸発器５８とを接続する冷媒通路７０がこのレシーバ６５内を通過する。

従って、図４に示す冷凍サイクルでは、バイパス回路６７を介してこのレシーバ６５内に入った高圧冷媒と、この冷媒通路７０を流れる低圧冷媒との熱交換が行われる。そして、調整弁６６の開度を調整することによって、レシーバ６６内を通過する冷媒流量を調整して、レシーバ６６内の冷媒温度を調整する。すなわち、流量調整弁６６の開度制御によって、要求された冷媒温度に保持し、レシーバ６５内を適切な冷媒収容量とすることができ、この回路内の冷媒循環量を最適な量とすることができる。なお、本願に関連する従来技術としては、特許文献１、２を挙げることができる。

特開昭６０−１８８７６２号公報実願昭５５−７７１４５号（実開昭５７−２４９６４号）のマイクロフィルム

しかしながら、図４に示すような冷凍サイクルでは、上記のように、流量調整弁６６を使用しなければならず、コスト高となる。また、高圧側においてガス冷却器５５の途中にバイパス回路６７を設けるため、回路構成が複雑化して製造しにくく、コストが一層かかることになる。しかも、ガス冷却器５５を循環する冷媒の一部をバイパスさせるため、熱ロスとなり、加熱能力を損なうおそれもある。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、各季節に応じた冷媒循環量となって、過熱運転や湿り運転を回避することが可能であって、しかも、流量調整弁等を使用することなく、低コストにて構成することが可能な冷凍サイクルを提供することにある。

そこで請求項１の冷凍サイクルは、圧縮機１５からの吐出冷媒を、ガス冷却器１６、減圧機構１７、蒸発器１８を順次経由させて上記圧縮機１５へと返流させる冷凍サイクルであって、上記減圧機構１７と蒸発器１８との間の冷媒通路２２に絞り３３を介設し、また、上記減圧機構１７と絞り３３との間の冷媒通路２２を、接続通路３１を介して冷媒調整容器３０に接続し、さらに、上記冷媒調整容器３０を、上記蒸発器１８の出口から圧縮機１５の吸入口に至る冷媒配管２４に熱的に接触させ、この冷媒配管２４内の冷媒と上記冷媒調整容器３０内の冷媒とが熱交換されるよう構成し、また、上記ガス冷却器１６と減圧機構１７との間の冷媒配管２１と、上記蒸発器１８の出口から圧縮機１５の吸入口に至る冷媒配管２４とを熱交換する液ガス熱交換器２７を設けたことを特徴としている。

請求項１の冷凍サイクルでは、減圧機構１７と蒸発器１８との間の冷媒通路２２と冷媒調整容器３０とを、接続通路３１を介して接続しているので、冷媒調整容器３０内へは、減圧機構１７と蒸発器１８との間から冷媒（ガス冷媒）が導入される。そして、この冷媒調整容器３０は、蒸発器出口から圧縮機吸入口に至る冷媒配管２４に付設されるので、冷媒配管２４内の冷媒と、冷媒調整容器３０内の冷媒との熱交換の信頼性は高く、安定して外気温度に応じた冷媒循環量とすることができる。そのため、例えば、夏場においては外気が高温であるので、冷媒調整容器３０は高温側に保持され、冷媒調整容器３０内の貯留される冷媒量が少なくなり、冷凍サイクルの循環路内の冷媒循環量を増加させることができる。また、冬場においては外気が低温であるので、冷媒調整容器３０が低温側に保持され、冷媒調整容器３０内に貯留される冷媒量が増加し、冷凍サイクルの循環路内の冷媒循環量を減少させることができる。すなわち、外気温度に依存して変化する温度環境下に冷媒調整容器３０を置くことにより、冷媒調整容器３０内に貯留される冷媒量を増減させて、外気温度に応じた冷媒循環量とすることができる。このため、各季節に応じた冷媒量でもって循環させることができ、過度の過熱運転や湿り運転となることを防止することができる。しかも、この冷媒循環量は、調整弁が介設されるバイパス回路等を設けることなく、外気温度に依存して変化する温度環境によって調整することができる。また、上記冷凍サイクルでは、絞り３３を設けることにより、最適な吸入過熱度をつけることができる。

請求項２の冷凍サイクルは、高圧側が超臨界圧力で運転することを特徴としている。

請求項１の冷凍サイクルによれば、外気温度に応じた冷媒循環量とすることができ、各季節に応じた冷媒量でもって循環させることができる。このため、過度の過熱運転や湿り運転となることを防止することができ、圧縮機の信頼性の向上を図ることができる。しかも、この冷凍サイクルが使用されるヒートポンプ式給湯機等のシステムの能力を最大限に引き出すことも可能である。また、この冷媒循環量は、調整弁が介設されるバイパス回路等を設けることなく、外気温度に依存して変化する温度環境によって調整することができるので、低コストにてこの冷凍サイクルを構成することができる。また、上記冷凍サイクルによれば、冷媒配管内の冷媒と、冷媒調整容器内の冷媒との熱交換の信頼性は高く、安定して外気温度に応じた冷媒循環量とすることができる。これにより、圧縮機の信頼性の向上を一層確実に図ることができる。さらに、上記冷凍サイクルによれば、絞りを設けることにより、最適な吸入過熱度をつけることができ、効率のよい安定した運転が可能となる。

請求項２の冷凍サイクルによれば、地球環境に優しい冷凍サイクルとなる。また、高圧側の圧力が高くなるので、冷媒調整容器を低圧側に設けることによる利点を充分に生かすことができ、上記請求項１の作用効果を特に有効に発揮することができる。

次に、この発明の冷凍サイクルの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこの冷凍サイクルを使用したヒートポンプ式給湯機の簡略図を示し、このヒートポンプ式給湯機は、タンクユニット１と熱源ユニット２を備え、タンクユニット１の水（温湯）を熱源ユニット２にて加熱するものである。

タンクユニット１は貯湯タンク３を備え、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に出湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に市水（水道水）が供給され、出湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口７が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口８が開設され、取水口７と湯入口８とが循環路９にて連結されている。そして、この循環路９に水循環用ポンプ１０と熱交換路１１とが介設されている。

次に、熱源ユニット２はこの実施の形態に係る冷凍サイクルＲを備え、この冷凍サイクルＲは、圧縮機１５と、熱交換路１１を構成する水熱交換器（ガス冷却器）１６と、減圧機構（電動膨張弁）１７と、空気熱交換器（蒸発器）１８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機１５の吐出口と、ガス冷却器１６とを冷媒通路２０にて接続し、ガス冷却器１６と電動膨張弁１７とを冷媒通路２１にて接続し、電動膨張弁１７と蒸発器１８とを冷媒通路２２にて接続し、蒸発器１８と圧縮機１５とをアキュームレータ２３が介設された冷媒通路２４にて接続している。そして、冷媒としては、例えば、高圧側を超臨界圧力で使用する炭酸ガス（ＣＯ２）を用いる。なお、水熱交換器１６としてのガス冷却器は、圧縮機１５にて圧縮された高温・高圧の超臨界冷媒を冷却する機能を有するものである。また、上記冷媒通路２０には、圧力保護スイッチとしてのＨＰＳ２５と、圧力センサ２６とが設けられている。さらに、上記蒸発器１８には、能力調整用のファン４０が付設されている。

また、この冷凍サイクルＲには、ガス冷却器１６から流出した高圧冷媒を冷却する液ガス熱交換器２７を備える。この場合、この液ガス熱交換器２７は、例えば、二重管構造であって、ガス冷却器１６からの冷媒が通過する第１通路２８と、蒸発器１８からの冷媒が通過する第２通路２９とを備える。すなわち、第１通路２８が、ガス冷却器１６と電動膨張弁１７とを連結する冷媒通路２１の一部を構成し、第２通路２９が、蒸発器１８と圧縮機１５とを連結する冷媒通路２４の一部を構成する。このため、第１通路２８を通過する高圧高温の冷媒と第２通路２９を通過する低圧低温の冷媒との間で熱交換され、ガス冷却器１６からの冷媒に過冷却を付与し、また、アキュームレータ２３に入る冷媒を加熱して、圧縮機１５の湿り圧縮を防止することができる。

さらに、この冷凍サイクルＲには、冷媒調整容器３０が上記冷媒通路２４（蒸発器出口から圧縮機吸入口に至る冷媒配管であって、さらに具体的には、液ガス熱交換器２７の第２通路２９とアキュームレータ２３との間）に付設されている。このため、冷媒調整容器３０は冷媒通路２４と接触し、この冷媒調整容器３０内の冷媒と冷媒通路２４内の冷媒との熱交換が可能とされている。また、この冷媒調整容器３０には接続通路３１が接続される。すなわち、この接続通路３１は、上記冷媒通路２２（減圧機構１７と蒸発器１８との間の冷媒通路）と、冷媒調整容器３０とを接続するものである。このため、この冷凍サイクルＲの冷媒（ガス冷媒）が減圧機構１７と蒸発器１８との間から引き出されて、冷媒調整容器３０に液冷媒として貯留する。なお、この冷媒調整容器３０の容量としては、このサイクル（圧縮機１５→ガス冷却器１６→減圧機構１７→蒸発器１８→圧縮機１５と冷媒が循環する循環路）の全容量の１／１０程度（例えば、３００〜４００ｃｃ程度）とするのが好ましい。

そして、減圧機構１７と蒸発器１８との間の冷媒通路２２において、接続通路３１の接続部３２（Ａ点）よりも蒸発器１８側に絞り３３を介設している。なお、この絞り３３としては、キャピラリーチューブ等の固定絞りを使用することができるが、もちろん電動膨張弁等にても構成することができる。また、この絞り３３としては、例えば、外気温度が７℃で、この冷凍サイクルが４５００Ｗの加熱能力である場合に、３〜５℃の吸入過熱度となる絞りを選択するのが好ましい。

ところで、このヒートポンプ給湯機は、循環路９の熱交換路１１よりも上流側の温度を検出する温度センサ（入水サーミスタ）３４と、循環路９の熱交換路１１よりも下流側の温度を検出する温度センサ（出湯サーミスタ）３５と、蒸発器１８の温度を検出する温度センサ（空気熱交サーミスタ）３６、圧縮機１５の吐出温度を検出する温度センサ（吐出管サーミスタ）３７と、外気温度を検出する温度センサ（外気温度サーミスタ）３８等が設けられている。そして、これらのセンサからのデータ（検出された温度）がこのヒートポンプ給湯機の図示省略の制御部（例えば、マイクロコンピュータ等からなる）に入力され、これらのデータに基づいて、各種の制御が行われる。

すなわち、ヒートポンプ式給湯機の運転時には、例えば、吐出管サーミスタ３７にて吐出管の温度が検出され、この吐出管温度を目標吐出管温度となるように、電動膨張弁１７の開度を調整（制御）することができる。また、入水サーミスタ３４の温度が所定温度（例えば、６０℃）以上であれば、貯湯タンク３内の湯が沸き上がっているとして運転を停止させたり、また、外気温度サーミスタ３８の温度に基づいて、圧縮機１５の運転周波数を制御して、湯加熱能力（沸上能力）等を調整したりすることができる。

次に、このヒートポンプ式給湯機の運転動作（湯沸かし運転）を説明する。圧縮機１５を駆動させると共に、水循環用ポンプ１０を駆動（作動）させる。すると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口７から貯溜水（温湯）が流出し、これが循環路９の熱交換路１１を流通する。また、圧縮機１５からの吐出冷媒が、ガス冷却器１６、減圧機構１７、蒸発器１８とを順次経由して上記圧縮機１５へと返流する。そのため、循環路９の熱交換路１１を流通する水がガス冷却器１６である水熱交換器によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口８から貯湯タンク３の上部に返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に温湯が貯湯されることになる。なお、現状の電力料金制度は夜間の電力料金単価が昼間に比べて低く設定されているので、この運転は、低額である深夜時間帯に行い、コストの低減を図るようにするのが好ましい。

この運転の際のモリエル線図は図２のようになる。すなわち、この冷凍サイクルにおいては、ａの状態の高圧冷媒が圧縮機１５から吐出され、この高圧冷媒がガス冷却器１６（水熱交換器）に導入される。このガス冷却器１６では、熱交換路１１を通過する水と熱交換を行う。これによって、この熱交換路１１を通過する水は加熱される（沸き上げられる）。そして、この熱交換により、高圧冷媒は水に対して放熱し、そのエンタルピがａからｂの状態にまで低下する。このｂの状態の高圧冷媒が減圧機構１７（膨張弁）に送られる。この減圧機構１７でこの高圧冷媒がＡ点まで減圧され、さらに、絞り３３でｃの状態まで低下する。そして、この低圧冷媒が蒸発器１８へ導入される。この蒸発器１８では、この低圧冷媒が空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒は吸熱して蒸発して、Ｂ点ではｄの状態となる。すなわち、そのエンタルピがｃからｄの状態まで増大し、このｄの状態の低圧冷媒が圧縮機１５へ送られる。

この場合、減圧機構１７と蒸発器１８との間の冷媒通路２２における接続通路３１との接続部３２（Ａ点）での状態の冷媒が、蒸発器出口から圧縮機吸入口に至る配管であって、液ガス熱交換器２７の第２通路２９とアキュームレータ２３との間（Ｂ点）での冷媒と熱交換される。このため、上記Ｂ点での温度が外気に応じて上昇すれば、冷媒調整容器３０の温度も上昇して、冷媒貯留量が減少し、また、上記Ｂ点での温度が外気に応じて下降すれば、上記冷媒調整容器３０での温度も下降して、冷媒貯留量が増加する。そして、図２の破線（等温線）で示すようにＡ点とＢ点とで温度差がなくなれば、冷媒調整容器３０内の冷媒貯留量の変化がなくなり、一定の冷媒循環量でもって冷媒が循環することになる。このように、この冷凍サイクルＲではＡ点の温度とＢ点の温度とがほぼ等しくなる。その一方、絞り３３を設けているので、図２に示すように、Ｂ点での温度が、蒸発温度にこの絞り３３の圧力降下に見合う温度が付加されたもの（Ａ点での温度）となって、圧力降下に見合う一定の過熱度（Ｓ）を得ることができ、効率の良い運転が可能となっている。

ところで、蒸発器出口から圧縮機吸入口に至る冷媒配管（冷媒通路２４）は、外気温度の影響を受け、外気温度が高温である夏場においては、外気温度が低温である冬場よりも高温である。そのため、図３に示すように、外気温度が高い時（高外気時）はＩのようなサイクルとなり、外気温度が低い時（低外気時）はＩＩのようなサイクルとなり、夏場（高外気時）においては、蒸発器１８内の密度が冬場（低外気時）よりも大となる。このため、高外気時と低外気時とでは蒸発器１８内の冷媒量差が大であり、高外気時に多くの冷媒循環量が必要であるにもかかわらず、この冷媒循環量を確保することができず、また、低外気時では少ない冷媒循環量でよいのにもかかわらず、冷媒循環量が多くなっていた。

しかしながら、冷媒調整容器３０と接続通路３１とを設けることによって、夏場においては外気が高温であるので、冷媒調整容器３０は高温側に保持され、冷媒調整容器３０内の貯留される冷媒量が少なくなり、冷凍サイクルの循環路内の冷媒循環量を増加させることができる。また、冬場においては外気が低温であるので、冷媒調整容器３０が低温側に保持され、冷媒調整容器３０内に貯留される冷媒量が増加し、冷凍サイクルの循環路内の冷媒循環量を減少させることができる。すなわち、外気温度に依存して変化する温度環境下に冷媒調整容器３０を置くことにより、冷媒調整容器３０内の冷媒量を増減させて、外気温度に応じた冷媒循環量とすることができる。このため、各季節に応じた冷媒量でもって循環させることができ、過度の過熱運転や湿り運転となることを防止することができる。

なお、本願の対象外ではあるが、参考までにいうと、外気温度に依存して変化する温度環境下に置く他の方法として次の場合がある。例えば、冷媒調整容器３０を単に、外気にさらされる位置（例えば、この冷凍サイクルが収納されるケーシングの外部）に配置する。この場合、外気に冷媒調整容器３０がさらされれば、この冷媒調整容器３０はその外気の温度に応じて暖められたり、冷やされたりすることになる。また、蒸発器１８にはファン４０が付設されるので、このファン４０にて生じる風通路内に冷媒調整容器３０を配置する。この場合、蒸発器１８の上流の風上であっても、蒸発器１８の上流の風下であってもよい。この場合も、この風通路内の温度が外気に依存するからである。特に、熱交換上、冷媒調整容器３０を蒸発器１８よりも下流の風下側に配置するのが好ましい。さらには、ペルチェ素子等を使用してもよい。ここで、ペルチェ素子とは、異種の導体（または半導体）の接点に電流を通すとき、接点でジュール熱以外に熱の発生または吸収が起こる現象であるペルチェ効果を発揮することができる素子である。従って、この場合、上記外気温度サーミスタ３８にて外気温度を検知（検出）して、この外気温度に基づいて、ペルチェ素子を冷媒調整容器３０に対して発熱・吸熱させる。また、冷媒調整容器３０を水と熱交換するようにしてもよい。この場合、冷却用の水としては、市水（水道水）や、貯湯タンク３の取水口７から循環路９へ流出した水等にて構成することができる。市水（水道水）を使用する場合は、貯湯タンク３に水道水を供給する水道管に冷媒調整容器３０を付設すればよく、循環路９の水を使用する場合は、貯湯タンク３の取水口７とガス冷却器１６の入口との間の配管に冷媒調整容器３０を付設すればよい。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、冷凍サイクルとしては、ヒートポンプ式給湯機以外の空調装置やショーケース等の各種の冷凍装置に使用することが可能であり、また、冷媒としては、炭酸ガス以外に、エチレンやエタン、酸化窒素等の超臨界で使用する冷媒であってもよく、さらには、超臨界で使用する冷媒ではなく、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）やクロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）のような冷媒を使用してもよい。

この発明の冷凍サイクルの実施形態を示す簡略図である。上記冷凍サイクルのモリエル線図である。従来の冷凍サイクルのモリエル線図である。冷凍サイクルの比較例を示す簡略図である。従来の冷凍サイクルの簡略図である。

符号の説明

１５・・圧縮機、１６・・ガス冷却器、１７・・減圧機構、１８・・蒸発器、２２・・冷媒通路、２４・・冷媒配管、３０・・冷媒調整容器、３１・・接続通路、３２・・接続部、３３・・絞り、４０・・ファン、

Claims

圧縮機（１５）からの吐出冷媒を、ガス冷却器（１６）、減圧機構（１７）、蒸発器（１８）を順次経由させて上記圧縮機（１５）へと返流させる冷凍サイクルであって、上記減圧機構（１７）と蒸発器（１８）との間の冷媒通路（２２）に絞り（３３）を介設し、また、上記減圧機構（１７）と絞り（３３）との間の冷媒通路（２２）を、接続通路（３１）を介して冷媒調整容器（３０）に接続し、さらに、上記冷媒調整容器（３０）を、上記蒸発器（１８）の出口から圧縮機（１５）の吸入口に至る冷媒配管（２４）に熱的に接触させ、この冷媒配管（２４）内の冷媒と上記冷媒調整容器（３０）内の冷媒とが熱交換されるよう構成し、また、上記ガス冷却器（１６）と減圧機構（１７）との間の冷媒配管（２１）と、上記蒸発器（１８）の出口から圧縮機（１５）の吸入口に至る冷媒配管（２４）とを熱交換する液ガス熱交換器（２７）を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
高圧側を超臨界圧力で運転することを特徴とする請求項１の冷凍サイクル。