JP4641683B2 - 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、冷凍サイクル装置、特に2段圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、外気を熱源敏暖房や給湯を行う装置に用いられている冷凍サイクル装置は、圧縮機、圧縮機における高段側圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器(通常の冷凍サイクル装置では凝縮器)、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、蒸発器で外気から熱を汲み上げ、この汲み上げた熱を高圧側熱交換器で室内空気又は給湯用水に放熱している。また、この冷凍サイクル装置は、外気温度が低下したときは、蒸発温度が低下し、蒸発器がフロスト(着霜)する。そして、フロスト量(着霜量)が多くなると蒸発器の熱交換能力が低下し、暖房能力や温水加熱能力が低下する。このため蒸発器に付着した霜を取り除くデフロスト運転(除霜運転)が行われる。このデフロスト運転は、ホットガス、つまり圧縮機吐出ガスの熱源を利用するため、この間暖房運転や温水加熱運転を休止せざるを得ない。このため、デフロスト運転はできる限り短時間に終えることが要望されている。
【0003】
また、従来の冷凍サイクル装置では、デフロスト装置(除霜装置)として、冷媒回路の切換装置が比較的簡単に行えること、及び、逆サイクル方式のように、デフロスト運転時に被加熱対象である室内空気や温水を冷却することもないという点から、圧縮機吐出側の高圧ガス(いわゆるホットガス)を高圧側回路部分から蒸発器入口側にバイパスさせる単純ホットガスバイパス方式のものが多用されるようになってきている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のデフロスト装置においては、圧縮機が単段であるか2段であるかに関係なく、単純に高圧側回路部分からホットガスを蒸発器入口側に流しており、圧縮機が2段圧縮機である場合において特別の工夫がなされていなかった。
【0005】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、デフロスト運転の短時間化を図った2段圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする2段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第1バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第2バイパス回路とを有し、この第1バイパス回路及び第2バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有するものである。
【0007】
このように構成すれば、デフロスト運転時、低段側圧縮機及び高段側圧縮機がブロワとして有効に機能し、蒸発器に対し高圧側回路部分及び中間圧力部分からガス冷媒が一気に大量に流されるため、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が、前記バイパス回路を通じて蒸発器に送られるホットバイパスガスを媒介として蒸発器に送られ、蒸発器において一気に放出されるため、デフロスト運転時間を短縮することができる。
【0008】
また、前記2段圧縮機は、前記2段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第2バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有するのが好ましい。
【0009】
このように構成すれば、前記第2バイパス配管の接続が容易になる。
【0010】
また、前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置としてもよい。
【0011】
超臨界冷凍サイクルの場合には、高圧側圧力ガス及び中間圧力ガスの温度が高いので、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が大きく、デフロスト運転時間短縮の効果が大きくなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。この図1に示すように、実施の形態1に係る給湯装置は、超臨界冷凍サイクル装置1、給湯ユニット2及び制御装置3とを備えたものである。なお、この実施の形態においては、制御装置3は超臨界冷凍サイクル装置1内に設置されている。また、超臨界冷凍サイクル装置1と給湯ユニット2とは連絡水用配管5、6により接続されている。
【0013】
超臨界冷凍サイクル装置1は、2段圧縮機11、高圧側熱交換器12、電動膨張弁13、蒸発器14、アキュムレータ15を順次接続した閉回路(冷媒回路)を備えている。この冷媒回路の内部には、超臨界冷凍サイクルで運転されるような代替冷媒として二酸化炭素(CO2)が充填されている。冷凍・空調用の代表的な自然冷媒としては、ハイドロカーボン(HC:プロパンやイソブタンなど)、アンモニア、空気そしてCO2等が挙げられる。しかしながら、冷媒特性として、ハイドロカーボンとアンモニアはエネルギー効率が良いという反面可燃性や毒性の問題があり、空気は超低温域以外でエネルギー効率が劣るなどといった問題がある。これに対し二酸化炭素は、可燃性や毒性がなく安全である。
【0014】
2段圧縮機は、超臨界冷凍サイクル装置用に開発されたもので、密閉ハウジング内に低段側圧縮機11a、高段側圧縮機11b、これら圧縮機11a及び11bの駆動するための電動機11cを内蔵したものであり、低段側圧縮機11aの吐出側と高段側圧縮機11bの吸入側とを圧縮機ハウジングの外部に配設された中間連絡配管11dにより連結している。また、密閉ハウジング内空間は、中間圧力ガス、つまり低段側圧縮機11aの吐出ガスにより満たされている。なお、このように密閉ハウジング内を中間圧力とした理由は、各圧縮機の各部に作用する力、及び密閉ハウジングの内外間の圧力差を適切な範囲内に保持し、大きな力が作用することを回避したものであり、これにより高信頼性、低振動、低騒音、高効率な圧縮機とすることができる。
【0015】
なお、前記中間連絡配管11dは、低段側圧縮機11aの吐出口と高段側圧縮機11bの吸入口とを直接接続しても良いが、この実施の形態の場合は、低段側圧縮機11aの吐出ガスを密閉ハウジング内に導入し、高段側圧縮機11bの吸入口をこの密閉ハウジング内に開口することにより、低段側圧縮機11aの吐出側と高段側圧縮機11bの吸入側とを接続している。
【0016】
高圧側熱交換器12は、高段側圧縮機11bから吐出された高圧冷媒を導入する冷媒用熱交換チューブ12aと、給湯ユニット2内に配置されている貯湯タンク21から送水される給湯用水を導入する水用熱交換チューブ12bとからなり、両者が熱交換関係に形成されたものである。したがって、高段側圧縮機11bから吐出された高温高圧の冷媒ガスは貯湯タンク21から送水される給湯用水により冷却され、この給湯用水は高温高圧冷媒が発生する熱により加熱される。
【0017】
電動膨張弁13は、高圧側熱交換器12で冷却された高圧ガス冷媒を減圧するもので、パルスモータにより駆動される。また、後述する制御装置3により開度制御されている。
【0018】
蒸発器14は、電動膨張弁13により減圧された低圧の気液混合冷媒を熱源媒体としての外気と熱交換させ、この冷媒を気化させるものである。なお、この蒸発器14には蒸発器のフロスト量(着霜量)を検出するためのフロスト検出器31及び外気温度を検出する外気温度検出器32が付設されている。
【0019】
給湯ユニット2は、貯湯タンク21、温水循環ポンプ22、給湯配管23、給水配管24を備えて構成されている。
そして、貯湯タンク21の上部及び下部を前記水用熱交換チューブ12bに対し、連絡水用配管5、6を含む温水循環回路Pにより接続されている。また、貯湯タンク21では重力の差により上部になるほど温水温度が高くなる。このため、貯湯タンク21下部の温度の低い水を水用熱交換チューブ12bに送水し、水用熱交換チューブ12bで加熱された温度の高い水を貯湯タンク21の上部に導くように、温水循環回路Pが形成されるとともに、この温水循環回路P中に温水循環ポンプ22が取り付けられている。なお、貯湯タンク21内上部の温水温度、すなわち焚き上げ温度は、貯湯タンク21上部に設けられた温水温度検出器33により測定されている。
【0020】
給湯配管23は、温水蛇口、浴槽などに温水を供給するためのものであり、貯湯タンク21中の高い温度の温水を供給できるように、貯湯タンク21の上部に接続されている。なお、この給湯回路には開閉弁25が取り付けられている。
給水配管24は、貯湯タンク21内に常時水道水を供給可能とするものであり、逆止弁26、減圧弁27を介し貯湯タンク21の底部に接続されている。
【0021】
制御装置3は、操作スイッチ(図示せず)が操作されたときに運転開始指令を発信するほか、温水温度検出器33により検出される給湯用水の焚き上げ温度により圧縮機11の運転制御を行ったり、外気温度検出器32により検出される外気温度及び前記焚き上げ温度により電動膨張弁13の制御を行ったりしているが、その他に蒸発器14のフロスト量をフロスト検出器31により検出し、このフロスト量が所定値になったときに後記するデフロスト運転を行うよう指令を発信している。
【0022】
デフロスト装置を構成する要素として、前記冷媒回路には、第1バイパス回路16及び第2バイパス回路17の二つのバイパス回路が設けられている。第1バイパス回路16は、高段側圧縮機11bの吐出配管18と、蒸発器入口側の配管(つまり、電動膨張弁13と蒸発器14とを接続する配管)19との間に設けられており、途中に第1電磁開閉弁16aが設けられている。一方、第2バイパス配管17は、低段側圧縮機11aの吐出側と高段側圧縮機11bの吸入側とを接続する中間連絡配管11dと、蒸発器入口側の配管19との間に設けられており、途中に第2電磁開閉弁17aが設けられている。なお、この場合、低段側圧縮機11aの吐出側と高段側圧縮機11bの吸入側と接続する中間連絡配管11dが圧縮機ハウジングの外部に配設されているため、第2バイパス回路の接続を容易に行うことができる。
【0023】
以上のように構成された冷凍サイクル装置応用の給湯装置の動作について説明する。
まず、定常給湯運転時における冷凍サイクル装置の運転について、図2のモリエル線図を参照しながら説明する。なお、定常運転時における冷媒の流れは、図1における実線矢印のごとくになる。
2段圧縮機11を構成する低段側圧縮機11aは、アキュムレータ15からの低圧ガス(r1)を吸入して中間圧力まで圧縮する(r2)。中間圧力まで圧縮されたガス冷媒(r2)は、中間連絡配管11dにより2段圧縮機11のハウジング内に導入され、このハウジング内で若干冷却されて(r3)、高段側圧縮機11bに吸入され(r3)、超臨界圧力まで圧縮されて高圧側熱交換器12に送られる(r4)。この高圧ガス(r4)は、高圧側熱交換器12で貯湯タンク21から送水される給湯用水と熱交換し、高圧冷媒自身は冷却され(r5)、給湯用水は加熱されて貯湯タンク21上部に戻される。
【0024】
高圧側熱交換器12で冷却された高圧ガス冷媒(r5)は、電動膨張弁13で減圧され気液混合ガス冷媒となって蒸発器14に送られる(r6)。蒸発器14に送られた気液混合ガス冷媒(r6)は、外気と熱交換し、外気から熱を汲み上げて気化され、アキュムレータ15を経て低段側圧縮機11aに吸入される。なお、アキュムレータ15は、冷凍サイクル装置起動時に低圧側回路部分に溜まっていた冷媒が圧縮機に吸入されないようにするものであり、この定常運転時には格別の機能を有していない。なお、運転停止中、蒸発器を主要部分とする低圧側回路部分では、外気により冷却されていることから、高圧側回路部分のガス冷媒が低圧側回路部分に流れ込み液化して溜まるという現象が生ずる。
【0025】
以上のサイクルにより、外気から汲み上げた熱量と2段圧縮機12における仕事量相当の熱量とが高圧側熱交換器12で放熱され、この熱量により貯湯タンク21から送られてくる給湯用水が加熱され、温水となって貯湯タンク21の上部から貯められていく。
【0026】
次に、デフロスト運転時の動作について説明する。図1における波線矢印は、このデフロスト運転時の冷媒の流れを示す。上記定常運転を外気温度が低い状態で続けていると、徐々に蒸発器14に霜が付着する。この霜の量が一定量以上になると、フロスト検出器31がこれを検出する。これにより制御装置3からデフロスト指令が発せられる。このデフロスト指令により、2段圧縮機の運転、蒸発器14の送風機(図示しない)の運転、貯湯タンク21から高圧側熱交換器12への給湯水の送水など上記定常運転時の運転態様が継続されている状況下、第1バイパス回路16中の第1電磁開閉弁16a及び第2バイパス回路17中の第2電磁開閉弁17aが開かれる。
【0027】
このように第1及び第2電磁開閉弁16a、17aが開かれた状態では、電磁開閉弁16a、17aの冷媒流通抵抗が小さく設定されているので、定常運転時におけるような高低圧力差が付かない高低圧力が略バランスされた状態となる。このため、高段側圧縮機11bも低段側圧縮機11aもブロワとして機能する。したがって、両圧縮機11a、11bを運転することにより、高圧側回路部分や中間圧力部分におけるガス冷媒や電動機111c等のこれら部分の構成部材に蓄熱されていた熱が、ブロワとして機能する両圧縮機11a、11bから供給されるホットガスを媒介として蒸発器14に送られ、一気に放出される。
これにより蒸発器14に付着していた霜が一気に融かされ、短時間のうちにデフロストが完了される。
【0028】
なお、本発明の思想は、上記のような超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置に限らず、通常の冷凍サイクル装置にも適用できることはいうまでもない。ただし、超臨界冷凍サイクル装置応用給湯装置では、通常の冷凍サイクル装置の場合に比し、定常運転時における高圧側圧力が高く、高圧側回路部分の熱容量が大きいため、デフロスト時間短縮の効果が大きいといえる。
【0029】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、次のような効果を奏する。 本発明によれば、低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする2段圧縮機、この2段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記2段圧縮機を構成する高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第1バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第2バイパス回路とを有し、この第1バイパス回路及び第2バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有するので、デフロスト運転時、低段側圧縮機及び高段側圧縮機のブロワ機能が有効に発揮され、高圧側回路部分や中間圧力部分に蓄積されていた熱が一気に蒸発器に放出され、デフロスト運転時間を短縮することができる。
【0030】
また、前記2段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第2バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有するので、前記第2バイパス配管の接続が容易になる。
【0031】
また、前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置であるので、高圧ガス冷媒、中間圧力ガス冷媒、高圧側回路構成部材、中間圧力回路構成部材等に蓄積されていた熱量が大きく、デフロスト運転時間短縮の効果が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る給湯装置の回路図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る給湯装置の定常給湯運転時における冷凍サイクル装置の運転を説明するためのモリエル線図である。
【符号の説明】
1 超臨界冷凍サイクル装置
2 給湯ユニット
3 制御装置
11 2段圧縮機
11a 低段側圧縮機
11b 高段側圧縮機
11d 中間連絡配管
12 高圧側熱交換器
13 電動膨張弁
14 蒸発器
16 第1バイパス配管
16a 第1電磁開閉弁
17 第2バイパス配管
17a 第2電磁開閉弁
21 貯湯タンク
31 フロスト検出器
Claims (3)
- 低段側圧縮機及び高段側圧縮機を構成要素とする2段圧縮機、この高段側圧縮機からの吐出ガスを冷却する高圧側熱交換器、膨張弁、外気と熱交換する蒸発器を順次接続した冷媒回路を備え、この冷媒回路は、前記高段側圧縮機の吐出側から前記蒸発器の入口側に至る第1バイパス回路と、前記低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側とを接続する中間連絡配管と蒸発器の入口側の配管との間に設けられた第2バイパス回路とを有し、この第1バイパス回路及び第2バイパス回路は、定常の冷凍運転時に閉鎖され、デフロスト運転時に開放される開閉弁をそれぞれ有する冷凍サイクル装置。
- 前記2段圧縮機は、密閉ハウジング内に高段側圧縮機及び低段側圧縮機を内蔵し、前記低段側圧縮機の吐出側と前記高段側圧縮機の吸入側とが前記圧縮機ハウジングの外部に配設した中間連絡配管で接続され、前記第2バイパス回路は、この中間連絡配管に前記低段側圧縮機の吐出側との接続部を有する請求項1記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷凍サイクル装置は、高圧側圧力が超臨界圧力となる超臨界冷凍サイクル装置である請求項1又は2記載の冷凍サイクル装置。
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