JP4852408B2 - ヒートポンプ式冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを形成してなるヒートポンプ式冷凍装置に係り、具体的には、冷却及び加熱の両運転モードにおいて利用側熱交換器で対向流による熱交換をおこない、冷凍効率を向上させることができるヒートポンプ式冷凍装置に関する。

圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張弁、利用側熱交換器などで冷凍サイクルを形成して負荷流体の冷却や加熱をおこなう冷凍機や空気調和機などの冷凍装置において、利用側熱交換器で冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換することにより、熱交換効率を向上させることが従来から知られている。

例えば、特許文献１には、利用側熱交換器を直列接続された複数の熱交換部で構成し、冷却運転モードの時に、それぞれの熱交換部で冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換することが記載されている。

この構成によれば、冷却運転モードでは各熱交換部でそれぞれ対向流による熱交換がおこなわれるため、熱交換効率を向上することができるが、加熱運転モードではそれぞれ並行流による熱交換となるため、熱交換効率が低下する。その結果、凝縮圧力が上昇して消費電力が増加し、冷凍効率が低下することとなる。

また、例えば、特許文献２に記載されているように、利用側熱交換器を並列接続された２つの熱交換部で構成して、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、それぞれ並行流と対向流により冷媒と負荷流体とを熱交換することが知られている。

これによれば、両運転モードにおいて対向流による熱交換がおこなわれて、熱交換効率を向上することができるとされている。

特開２００５−３３７６８８号公報 特開２００２−４８３５９号公報

しかしながら、特許文献２に記載されているように並列接続された熱交換部に冷媒を通流すると、各熱交換部への冷媒分配のバランスが悪くなり、また、複数の熱交換部を直列接続する場合と比べて冷媒流速が遅くなるため、両運転モードで効率的な熱交換をおこなうことができない場合がある。

本発明は、冷却及び加熱の両運転モードで利用側熱交換器の熱交換効率を向上させ、冷凍効率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のヒートポンプ式冷凍装置は、圧縮機と、四方弁と、熱源側熱交換器と、膨張弁と、利用側熱交換器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成し、利用側熱交換器を通流する負荷液体を冷却及び加熱する基本構成を通している。そして、利用側熱交換器は、複数の熱交換部を有しており、各熱交換部の冷媒が流れる配管と各熱交換部の負荷液体が流れる配管はそれぞれ直列に接続されており、冷却及び加熱の両方の運転モードで、複数の熱交換部のうち冷媒が流れる最も下流の熱交換部を流れる冷媒と、複数の熱交換部のうち負荷液体が流れる最も上流の熱交換部を流れる負荷液体とが対向流により熱交換されるように構成されることを特徴とする。より具体的には、利用側熱交換器は、第１熱交換部と第２熱交換部を有しており、一方の運転モードの時に、冷媒は第１熱交換部のみ通流し、他方の運転モードの時に、冷媒は第１熱交換部において負荷液体と並行流により熱交換された後、第２熱交換部において利用側熱交換器に流入する熱交換されていない負荷液体と対向流により熱交換されるように構成される。

これによれば、冷却及び加熱の両運転モードで、利用側熱交換器において必ず冷媒と負荷流体とが対向流により熱交換され、かつ対向流による熱交換は、２つの熱交換部のうち冷媒の下流側、つまり利用側熱交換器の出口側で、利用側熱交換器に流入してきた熱交換されていない負荷流体との間でおこなわれる。

したがって、冷却運転においては、利用側熱交換器の出口側の冷媒は温度の最も高い負荷流体と対向流で熱交換されるので、蒸発圧力を上昇させることができ、加熱運転時においては利用側熱交換器の出口側の冷媒は温度の最も低い負荷流体と対向流で熱交換されるので、凝縮圧力を低下させることができる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

この場合において、第２熱交換部の両端に接続された冷媒配管をバイパスするバイパス配管が設けられ、該バイパス配管には、第１熱交換部の方向に冷媒を通流させる第１の弁が設けられてなるものとする。

つまり、一方の運転モードの時には、冷媒は第２熱交換部をバイパスして第１熱交換部にのみ通流され、ここで対向流により熱交換されて利用側熱交換器から流出する。また、他方の運転モードの時には、冷媒はまず第１熱交換部で並行流により熱交換された後、第１の弁があることによって第２熱交換部にも通流し、ここで、利用側熱交換器に流入する熱交換されていない負荷液体と対向流により熱交換されることとなる。

また、この第１の弁とは別に、第２熱交換部の両端に接続された冷媒配管のいずれか一方に、第１熱交換部とは異なる方向に冷媒を通流させる第２の弁を設けることができる。

これによれば、一方の運転モードの時に、第２熱交換部にほとんど冷媒を通流せず、確実にバイパス配管側だけに冷媒を通流させることができるので、第１熱交換部で対向流により熱交換される負荷流体は、その前に第２熱交換部で熱交換されず、利用側熱交換器に流入してきた時と同じ状態で第１熱交換部において熱交換される。したがって、効率的な熱交換がおこなわれる。

また、第１及び第２熱交換部の少なくとも一方を、冷媒配管が直列接続された複数の熱交換部で構成することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のヒートポンプ式冷凍装置の第２態様のヒートポンプ式冷凍装置は、圧縮機と、四方弁と、熱源側熱交換器と、膨張弁と、利用側熱交換器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成し、利用側熱交換器を通流する負荷液体を冷却又は加熱する基本構成を有している。そして、利用側熱交換器は、冷却運転モードの時にのみ冷媒が通流して、該冷媒と負荷液体とが対向流で熱交換される第３熱交換部と、加熱運転モードの時にのみ冷媒が通流して、該冷媒と負荷液体とが対向流で熱交換される第４熱交換部を有してなることを特徴とする。

この場合、第３及び第４熱交換部は冷却及び加熱の各運転モード専用に設けられているので、上述のヒートポンプ式冷凍装置と同様に、冷却及び加熱の両運転モードで、利用側熱交換器において必ず冷媒と負荷液体とが対向流により熱交換される。したがって、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

また、第３及び第４熱交換部の冷媒配管は並列に接続して、第３熱交換部の両側に接続された冷媒配管のいずれか一方に、一方の運転モードの時に冷媒を通流する第３の弁を設け、第４熱交換部の両側に接続された冷媒配管のいずれか一方に、他方の運転モードの時に冷媒を通流する第４の弁を設けることができる。

この構成の場合、第３及び第４熱交換部は形式的には並列接続されているが、第３及び第４の弁が設けられているので、並列に冷媒が通流することはない。

また、第３及び第４熱交換部と冷媒配管が直列に接続された第５熱交換部が設けられ、一方の運転モードの時に、冷媒は第５熱交換部において負荷液体と並行流により熱交換された後、第３及び第４熱交換部のいずれか一方において熱交換されていない利用側熱交換器に流入する負荷液体と対向流により熱交換され、他方の運転モードの時に、冷媒は第３及び第４熱交換部のいずれか一方において負荷液体と対向流により熱交換された後、第５熱交換部において熱交換されていない利用側熱交換器に流入する負荷液体と対向流により熱交換されるように構成することができる。また、これに代えて、第３及び第４熱交換部と冷媒配管が直列に接続された第５熱交換部が設けられてなり、一方の運転モードの時に、冷媒は第３及び第４熱交換部のいずれか一方において負荷液体と対向流により熱交換された後、第５熱交換部において熱交換されていない利用側熱交換器に流入する負荷液体と対向流により熱交換され、他方の運転モードの時に、冷媒は第５熱交換部において負荷液体と並行流により熱交換された後、第３及び第４熱交換部のいずれか一方において熱交換されていない利用側熱交換器に流入する負荷液体と対向流により熱交換されるように構成することもできる。

これによれば、冷却及び加熱の両運転モードで、利用側熱交換器において必ず冷媒と負荷流体とが対向流により熱交換され、かつ対向流による熱交換は、熱交換器の冷媒の下流側、つまり利用側熱交換器の出口側で、利用側熱交換器に流入してきた熱交換されていない負荷流体との間でおこなわれる。

したがって、冷却運転においては、利用側熱交換器の出口側の冷媒は温度の最も高い負荷流体と対向流で熱交換されるので、蒸発圧力を上昇させることができ、加熱運転時においては利用側熱交換器の出口側の冷媒は温度の最も低い負荷流体と対向流で熱交換されるので、凝縮圧力を低下させることができる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

また、第３及び第４熱交換部の四方弁側に接続された冷媒の配管のいずれか一方を、四方弁をバイパスするよう構成してもよい。これによれば、冷却運転時の冷媒出口側が四方弁を介さずに圧縮機の方へ通流するので、四方弁による圧力損失を低減して冷凍効率を向上することができる。

本発明によれば、利用側熱交換器の熱交換効率を向上させて、冷凍効率を向上させることができる。

以下、本発明を適用してなるヒートポンプ式冷凍装置の実施例を図１〜図１２を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施例のヒートポンプ式冷凍装置（以下、単に冷凍装置という。）の冷凍サイクル構成を示す図である。図１に示すように、冷凍装置２０は、圧縮機１と、四方弁２と、熱源側熱交換器３と、膨張弁４と、利用側熱交換器５と、アキュムレータ６などを、冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成している。また、熱源側熱交換器３には、例えば室外の空気と冷媒とを熱交換させるための送風ファン９などが設けられている。

このような冷凍装置２０の基本的な動作について説明する。冷却運転時には、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を介して熱源側熱交換器３に導かれ、熱源側熱交換器３において、例えば室外の空気との熱交換により冷却されて凝縮液化する。この高圧液冷媒は、膨張弁４により減圧された後、利用側熱交換器５において、負荷流体である水との熱交換により蒸発して、低温低圧のガス冷媒となり四方弁２，アキュムレータ６を介して圧縮機１に戻る。利用側熱交換器５における熱交換により冷却された冷却水は、例えば複数の居住室内に通流されるようになっており、各室で室内空気と熱交換され、これにより居住室内が冷房される。

一方、加熱運転時には、四方弁２が切り替えられ、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、利用側熱交換器５に導かれ、利用側熱交換器５において、負荷流体である水との熱交換により冷却されて凝縮液化する。液化した冷媒は、膨張弁４で減圧され、熱源側熱交換器３に流入し、ここで室外空気などとの熱交換により蒸発してガス冷媒となり、四方弁２，アキュムレータ６を介して圧縮機１に戻る。利用側熱交換器５における熱交換により加熱された温水は、例えば複数の居住室内に通流されるようになっており、各室で室内空気と熱交換され、これにより居住室内が暖房される。

なお、本実施例では、負荷流体として水を例にあげて説明しているが、これに限らず、ブラインなどを用いてもよいし、また、空気と直接熱交換させることも可能である。

次に、本発明の特徴部である利用側熱交換器５の詳細について説明する。図１に示すように、利用側熱交換器５は、２つの熱交換部５ａ，５ｂを有して構成されており、各熱交換部の冷媒配管及び水の配管は直列に接続されている。また、熱交換部５ｂの冷媒配管の両端をバイパスするバイパス配管１１が設けられており、バイパス配管１１には、冷却運転モードのときにのみ冷媒を通流する逆止弁１２が設けられている。

また、熱交換部５ｂの膨張弁４側の冷媒の配管には、加熱運転モードのときにのみ冷媒を通流する逆止弁１３が設けられている。また、負荷流体である水は、図１に示すように、水配管を通流して熱交換部５ｂ，５ａの順に熱交換されるように構成されている。

ここで、利用側熱交換器５を構成する熱交換部は、シェルチューブ式熱交換器，積層プレート式熱交換器，又は二重管式熱交換器など公知の熱交換器を適用することができる。

このように構成された利用側熱交換器５における冷媒と水との熱交換の詳細について図２を用いて説明する。図２（ａ），（ｂ）は冷却運転時における説明、図２（ｃ），（ｄ）は加熱運転時における説明である。また、図２（ａ），（ｃ）において太線で示したのは冷媒の通流する流路である。また、図２（ｂ），（ｄ）において実線矢印で示したのは各熱交換部での水の温度の推移であり、一点鎖線で示したのは各熱交換部での冷媒の温度推移である。

冷却運転時は、図２（ａ）に示すように膨張弁４側から流入した冷媒は、逆止弁１３が設けられているため熱交換部５ｂ方向へは流れず、バイパス配管１１を介して熱交換部５ａへ通流し、ここで熱交換された後四方弁２側へ流出する。

つまり、この場合図２（ａ），（ｂ）に示すように、冷媒と水との熱交換は熱交換部５ａのみでおこなわれ、熱交換部５ａにおける冷媒と水との熱交換は対向流による熱交換である。

これによれば、利用側熱交換器５の出口部の冷媒は、熱交換される前の最も温度の高い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口部の水温近くまで温度を上げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の蒸発温度及び蒸発圧力を上昇させて高効率な運転が可能となる。

一方、加熱運転時は図２（ｃ）に示すように、四方弁２側から流入した冷媒は、熱交換部５ａを通流した後、逆止弁１２が設けられていることからバイパス配管１１へは通流せず、熱交換部５ｂを通流して膨張弁４側へ流出する。

この場合は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、冷媒はまず熱交換部５ａで並行流により熱交換され、その後熱交換部５ｂで対向流により熱交換される。

これによれば、冷却運転時と同様に、利用側熱交換器５の出口部の冷媒は、熱交換される前の最も温度の低い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口部の水温近くまで温度を下げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の凝縮温度及び凝縮圧力を低下させて高効率な運転が可能となる。

このように、本実施例は、熱交換部５ａで冷媒と水とが並行流で熱交換される加熱運転モードの時にのみ、熱交換部５ａで並行流により熱交換された冷媒が熱交換部５ｂに通流され、熱交換部５ｂでは、冷媒と熱交換部５ａで熱交換される前の水とが対向流で熱交換されるものである。

つまり、加熱運転モードの時には、熱交換部５ａは並行流で熱交換するため、効率的な熱交換がおこなわれないが、この場合には、下流側に対向流で熱交換する熱交換部５ｂが設けられていることによって効率的に熱交換がされることとなる。

これによれば、両運転モードにおいて、必ず利用側熱交換器５の冷媒下流側で対向流による熱交換がおこなわれ、かつここで熱交換される水は利用側熱交換器５に流入してきた熱交換されていない水である。したがって、冷却運転においては、下流側の冷媒は温度の最も高い水と熱交換されるので、蒸発圧力を上昇させることができ、加熱運転時においては下流側の冷媒は温度の最も低い水と熱交換されるので、凝縮圧力を低下させることができる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器５で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

また、本実施例によれば、冷媒を並列に通流させることなく、両運転モードにおいて対向流による熱交換をおこなうことができるので、並列接続の場合に生じるそれぞれの熱交換部の冷媒流量バランス悪化による熱交換性能の低下を防止できる。

さらに、加熱運転時に、休止熱交換部を設けず全ての熱交換部に冷媒を流すことで、休止熱交換部に冷媒液がたまることを防止でき、安定した運転が可能となる。

なお、本実施例では、冷却運転時は対向流熱交換のみ、加熱運転時は並行流熱交換及び対向流熱交換の併用とする例を示したが、冷却運転と加熱運転とを入れ替えてもよい。

本発明の第２実施例について説明する。本実施例は、利用側熱交換器５以外は第１実施例と同様であるので、利用側熱交換器５に関する部分のみ説明する。

図３に示すように、本実施例では利用側熱交換器５は、冷媒流路が直列接続された熱交換部５ｃ，５ｄ，５ｅを有して構成されている。この構成は、実施例１における熱交換部５ａにおける冷媒流路及び水の流路を、直列接続された２つの冷媒流路及び水の流路を有する熱交換部５ｃ，５ｄとしたものである。このように、実施例１で説明した熱交換部５ａは１つの熱交換部である必要はなく、直列接続された複数台の熱交換部としてもよい。同様に、熱交換部５ｂも直列接続された複数台の熱交換部とすることができる。

本実施例の利用側熱交換器での冷媒と水との熱交換は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すとおりであり、基本的に実施例１と同様である。すなわち、本実施例は、熱交換部５ｃ，５ｄで冷媒と水とが並行流で熱交換される加熱運転モードの時にのみ、熱交換部５ｃ，５ｄで熱交換された冷媒が熱交換部５ｅに通流され、熱交換部５ｅでは、冷媒と熱交換部５ｃ，５ｄで熱交換される前の水とが対向流で熱交換されるものである。

これによれば、冷却運転においては水温度の最も高い入口温度と冷媒出口温度を対向流で熱交換させて、蒸発圧力を上昇させ、加熱運転時においては水温度の最も低い入口温度と冷媒出口温度を対向流で熱交換させて、凝縮圧力を低下させることで高効率な運転が可能となる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器５で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

なお、実施例１，２では、冷却運転時は対向流による熱交換のみ，加熱運転時は、並行流及び対向流による熱交換がなされる例を示したが、これとは逆に、冷却運転時に並行流及び対向流による熱交換がなされ、加熱運転時に対向流による熱交換のみがおこなわれるように構成してもよい。また、逆止弁１２，１３を適宜電磁弁などの開閉弁とすることもできる。

本発明の第３実施例について説明する。本実施例は、利用側熱交換器５及びその周辺の構成以外は第１実施例と同様であるので、第１実施例と異なる部分のみ説明する。

図５に示すように、利用側熱交換器５は、膨張弁４側に設けられた熱交換部５ｇの冷媒配管と、四方弁２側に設けられ冷媒配管が並列接続された熱交換部５ｆ，５ｈの冷媒配管とが直列に接続されて構成されている。また、熱交換部５ｇと熱交換部５ｈとを接続する配管には、熱交換部５ｇから熱交換部５ｈの方向へのみ冷媒を通流する逆止弁１４が設けられている。さらに、熱交換部５ｇと熱交換部５ｆとを接続する配管には、熱交換部５ｆから熱交換部５ｇの方向へのみ冷媒を通流する逆止弁１５が設けられている。

このように構成された利用側熱交換器５における冷媒と水との熱交換の詳細について図６を用いて説明する。冷却運転時には、膨張弁４側から流入した冷媒は、熱交換部５ｇを通流した後、逆止弁１５が設けられていることによって熱交換部５ｆの方向には流れず、熱交換部５ｈ側へ流出する。

つまり、この場合図６（ａ），（ｂ）に示すように、冷媒と水との熱交換は熱交換部５ｇ，５ｈの順でおこなわれ、熱交換部５ｇでは冷媒と水とが並行流により熱交換され、熱交換部５ｈでは対向流により熱交換される。

これによれば、利用側熱交換器５の出口の冷媒は、熱交換される前の温度の最も高い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口の水温近くまで温度を上げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の蒸発温度及び蒸発圧力を上昇させて高効率な運転が可能となる。

一方、加熱運転時は図６（ｃ）に示すように、四方弁２側から流入した冷媒は、熱交換部５ｈには流れず、熱交換部５ｆ，５ｇの順に流れた後、膨張弁４側へ流出する。

この場合は、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、冷媒は熱交換部５ｇ，５ｆで対向流により水と熱交換される。また、熱交換部５ｈに冷媒が通流していないことから、冷却運転時と同様に、利用側熱交換器５の出口の冷媒は、熱交換される前の温度の最も低い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口の水温近くまで温度を下げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の凝縮温度及び凝縮圧力を低下させて高効率な運転が可能となる。

つまり、本実施例の利用側熱交換器は、冷却運転モードの時にのみ冷媒が通流して、冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換する熱交換部５ｈと、加熱運転モードの時にのみ冷媒が通流して、冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換する熱交換部５ｆを有するものである。熱交換部５ｆ，５ｈの熱交換能力によっては、熱交換部５ｇを設けない構成も可能である。また、本実施例では、熱交換部５ｆ，５ｈが形式的には並列接続されているが、逆止弁１５，１６を設けているため、実質的には冷媒が並列に通流されることはない。

したがって、冷媒を並列に通流させることなく、両運転モードにおいて対向流による熱交換をおこなうことができるので、並列接続の場合に生じるそれぞれの熱交換部の冷媒流量バランス悪化による熱交換性能の低下を防止できる。

また、これによれば、両運転モードにおいて、必ず利用側熱交換器５の冷媒下流側で対向流による熱交換がおこなわれ、かつここで熱交換される水は利用側熱交換器５に流入してきた熱交換されていない水である。したがって、冷却運転においては、下流側の冷媒は温度の最も高い水と熱交換されるので、蒸発圧力を上昇させることができ、加熱運転時においては下流側の冷媒は温度の最も低い水と熱交換されるので、凝縮圧力を低下させることができる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器５で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。

本発明の第４実施例について説明する。本実施例は、図７に示すように、第３実施例において、逆止弁１４を開閉弁１７にする点と、冷却運転における熱交換部５ｈの出口側の配管を四方弁２に接続するのではなく、四方弁２をバイパスしてアキュムレータ６に接続する点のみ異なる。開閉弁１７は、冷却運転の時に「開」，加熱運転の時に「閉」となるように制御される。

本実施例の利用側熱交換器５における冷媒と水との熱交換については、第３実施例と同様であるが、逆止弁１４を開閉弁１７にすることにより、加熱運転時に逆止弁１５を通流した冷媒が熱交換部５ｈへ通流するのを確実に防止することができる。また、熱交換部５ｈの出口側の配管を、四方弁２をバイパスして直接アキュムレータ６に接続することにより、冷却運転時に四方弁２によって低圧側に生じる圧力損失を回避することができる。したがって、より一層熱交換を向上させ、冷凍効率を向上することができる。

本発明の第５実施例について説明する。本実施例は、利用側熱交換器５及びその周辺の構成以外は第１実施例と同様であるので、第１実施例と異なる部分のみ説明する。

図８に示すように、利用側熱交換器５は、四方弁２側に設けられた熱交換部５ｋの冷媒配管と、膨張弁４側に設けられ冷媒配管が並列接続された熱交換部５ｉ，５ｊの冷媒配管とが直列に接続されて構成されている。また、熱交換部５ｋと熱交換部５ｉとを接続する配管には、熱交換部５ｋから熱交換部５ｉの方向へのみ冷媒を通流する逆止弁１８が設けられている。さらに、熱交換部５ｋと熱交換部５ｊとを接続する配管には、熱交換部５ｊから熱交換部５ｋの方向へのみ冷媒を通流する逆止弁１９が設けられている。

このように構成された利用側熱交換器５における冷媒と水との熱交換の詳細について図９を用いて説明する。冷却運転時には、膨張弁４側から流入した冷媒は、逆止弁１８が設けられていることによって熱交換部５ｉの方向には流れず、熱交換部５ｊ，５ｋを通流した後四方弁２側へ流出する。

つまり、この場合図９（ａ），（ｂ）に示すように、冷媒と水との熱交換は熱交換部５ｊ，５ｋの順でおこなわれ、熱交換部５ｊ，５ｋにおいて対向流により熱交換がおこなわれる。また、この場合、熱交換部５ｉに冷媒は通流しないことから熱交換部５ｉで熱交換はおこなわれず、熱交換部５ｋで熱交換される水は、利用側熱交換器５に流入してきたときと同じ温度を保っている。

これによれば、利用側熱交換器５の出口の冷媒は、熱交換される前の温度の最も高い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口の水温近くまで温度を上げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の蒸発温度及び蒸発圧力を上昇させて高効率な運転が可能となる。

一方、加熱運転時は図９（ｃ）に示すように、四方弁２側から流入した冷媒は、まず、熱交換部５ｋを通流し、その後、逆止弁１９が設けられていることによって熱交換部５ｊには流れず、熱交換部５ｉを通流して、膨張弁４側へ流出する。

この場合は、図９（ｃ），（ｄ）に示すように、冷媒は最初に熱交換部５ｋで並行流により水と熱交換され、次に、熱交換部５ｉで対向流により熱交換されていない水と熱交換される。したがって、冷却運転時と同様に、利用側熱交換器５の出口の冷媒は、熱交換される前の温度の最も低い水と熱交換されるため、利用側熱交換器５の入口の水温近くまで温度を下げることができ、熱交換効率が向上される。その結果、冷媒の凝縮温度及び凝縮圧力を低下させて高効率な運転が可能となる。

つまり、本実施例の利用側熱交換器は、冷却運転モードの時にのみ冷媒が通流して、冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換する熱交換部５ｊと、加熱運転モードの時にのみ冷媒が通流して、冷媒と負荷流体とを対向流で熱交換する熱交換部５ｉを有するものである。熱交換部５ｉ，５ｊの熱交換能力によっては、熱交換部５ｋを設けない構成も可能である。また、本実施例では、熱交換部５ｉ，５ｊが形式的には並列接続されているが、逆止弁１８，１９を設けているため、実質的には冷媒が並列に通流されることはない。

これによれば、両運転モードにおいて、必ず利用側熱交換器５の冷媒下流側で対向流による熱交換がおこなわれ、かつここで熱交換される水は利用側熱交換器５に流入してきた熱交換されていない水である。したがって、冷却運転においては、下流側の冷媒は温度の最も高い水と熱交換されるので、蒸発圧力を上昇させることができ、加熱運転時においては下流側の冷媒は温度の最も低い水と熱交換されるので、凝縮圧力を低下させることができる。その結果、冷却及び加熱の両運転モードにおいて、利用側熱交換器５で効率のよい熱交換がおこなわれ、冷凍効率を向上することができる。
（参考例１）

本発明の参考例１について説明する。本参考例は、負荷流体である水の配管の構成以外は第３実施例と同様であるので、第３実施例と異なる部分のみ説明する。

図１０に示すように、水の配管は、最初に熱交換部５ｈの上部側から下部側へ流れ、次に熱交換部５ｇの上部側から下部側へ流れ、続いて熱交換部５ｆの下部側から上部側へ流れるように構成されている。

これによれば、冷却運転時には、冷媒は熱交換部５ｇ，５ｈの順に流れるので、冷却運転では利用側熱交換部５ｇ、５ｈとも対向流の流れ形式となり、高効率な運転が可能となる。

加熱運転では冷媒は熱交換部５ｆ，５ｇの順に流れ熱交換部５ｆが対向流，５ｇが並行流となる。他の実施例では冷媒出口部と水入口部を対向流で熱交換させる方式であったが、本参考例では出口部の冷媒が並行流で熱交換される。この場合、対向流で熱交換するより冷媒出口温度は上昇してしまうが、本熱交換の大半が対向流で熱交換する熱交換部５ｆでおこなわれるため、熱交換部５ｇの熱交換量は小さい。つまり、熱交換部５ｇの水出口温度の上昇は小さいため、冷媒出口温度の上昇も小さくでき、従来の並行流で熱交換する方式より大幅に凝縮温度の低下が可能となり、高効率な運転が可能となる。
（参考例２）

本発明の参考例２について説明する。本参考例は、図１２に示すように、参考例１において、逆止弁１４を開閉弁１７にする点と、冷却運転における熱交換部５ｈの出口側の配管を四方弁２に接続するのではなく、四方弁２をバイパスしてアキュムレータ６に接続する点のみ異なる。開閉弁１７は、冷却運転の時に「開」，加熱運転の時に「閉」となるように制御される。

本参考例の利用側熱交換器５における冷媒と水との熱交換については、参考例１と同様であるが、逆止弁１４を開閉弁１７にすることにより、加熱運転時に逆止弁１５を通流した冷媒が熱交換部５ｈへ通流するのを確実に防止することができる。また、熱交換部５ｈの出口側の配管を、四方弁２をバイパスして直接アキュムレータ６に接続することにより、冷却運転時に四方弁２によって低圧側に生じる圧力損失を回避することができる。したがって、より一層熱交換を向上させ、冷凍効率を向上することができる。

本発明の第１実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 第１実施例の利用側熱交換器における、冷媒と水との熱交換の詳細を説明する図である。 本発明の第２実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 第２実施例の利用側熱交換器における、冷媒と水との熱交換の詳細を説明する図である。 本発明の第３実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 第３実施例の利用側熱交換器における、冷媒と水との熱交換の詳細を説明する図である。 本発明の第４実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 本発明の第５実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 第５実施例の利用側熱交換器における、冷媒と水との熱交換の詳細を説明する図である。 本発明の第６実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。 第６実施例の利用側熱交換器における、冷媒と水との熱交換の詳細を説明する図である。 本発明の第６実施例のヒートポンプ式冷凍装置の冷凍サイクル構成を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 熱源側熱交換器
４ 膨張弁
５ 利用側熱交換器
６ アキュムレータ
１１ バイパス配管
１２〜１５ 逆止弁
１７ 開閉弁
１８，１９ 逆止弁

Claims (10)

1. 圧縮機と、四方弁と、熱源側熱交換器と、膨張弁と、利用側熱交換器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成し、前記利用側熱交換器を通流する負荷液体を冷却及び加熱するヒートポンプ式冷凍装置において、
   前記利用側熱交換器は、複数の熱交換部を有しており、各熱交換部の前記冷媒が流れる配管と各熱交換部の前記負荷液体が流れる配管はそれぞれ直列に接続されており、
   冷却及び加熱の両方の運転モードで、前記複数の熱交換部のうち前記冷媒が流れる最も下流の前記熱交換部を流れる冷媒と、前記複数の熱交換部のうち前記負荷液体が流れる最も上流の前記熱交換部を流れる負荷液体とが対向流により熱交換されるように構成されてなることを特徴とするヒートポンプ式冷凍装置。
2. 前記利用側熱交換器は、第１熱交換部と第２熱交換部を有しており、
   一方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第１熱交換部のみ通流し、他方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第１熱交換部において前記負荷液体と並行流により熱交換された後、前記第２熱交換部において前記利用側熱交換器に流入する熱交換されていない前記負荷液体と対向流により熱交換されるように構成されてなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
3. 前記第２熱交換部の両端に接続された冷媒配管をバイパスするバイパス配管が設けられ、該バイパス配管には、前記第１熱交換部の方向に前記冷媒を通流させる第１の弁が設けられてなる請求項２に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
4. 前記第１の弁とは別に、前記第２熱交換部の両端に接続された冷媒配管のいずれか一方に、前記第１熱交換部とは異なる方向に前記冷媒を通流させる第２の弁が設けられてなることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
5. 前記第１の弁は、冷却運転モードの時に、前記膨張弁を出た前記冷媒が前記第１熱交換部に向けて流れる前記冷媒配管に配設され、前記第２の弁は、加熱運転モードの時に、前記第２熱交換部を出た前記冷媒が前記膨張弁に向けて流れる前記冷媒配管に配設されていることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
6. 前記利用側熱交換器は、冷却運転モードの時にのみ前記冷媒が通流して、該冷媒と前記負荷液体とが対向流で熱交換される第３熱交換部と、加熱運転モードの時にのみ前記冷媒が通流して、該冷媒と前記負荷液体とが対向流で熱交換される第４熱交換部とを有してなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
7. 前記第３及び第４熱交換部の冷媒配管は並列に接続されてなり、
   前記第３熱交換部の両側に接続された冷媒配管のいずれか一方には、一方の運転モードの時に冷媒を通流してなる第３の弁が設けられ、
   前記第４熱交換部の両側に接続された冷媒配管のいずれか一方には、他方の運転モードの時に冷媒を通流してなる第４の弁が設けられてなることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
8. 前記第３及び第４熱交換部と冷媒配管が直列に接続された第５熱交換部が設けられてなり、
   一方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第５熱交換部において前記負荷液体と並行流により熱交換された後、前記第３及び第４熱交換部のいずれか一方において熱交換されていない前記利用側熱交換器に流入する前記負荷液体と対向流により熱交換され、
   他方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第３及び第４熱交換部のいずれか一方において前記負荷液体と対向流により熱交換された後、前記第５熱交換部において熱交換されていない前記利用側熱交換器に流入する前記負荷液体と対向流により熱交換されるように構成されてなることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
9. 前記第３及び第４熱交換部と冷媒配管が直列に接続された第５熱交換部が設けられてなり、
   一方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第３及び第４熱交換部のいずれか一方において前記負荷液体と対向流により熱交換された後、前記第５熱交換部において熱交換されていない前記利用側熱交換器に流入する前記負荷液体と対向流により熱交換され、
   他方の運転モードの時に、前記冷媒は前記第５熱交換部において前記負荷液体と並行流により熱交換された後、前記第３及び第４熱交換部のいずれか一方において熱交換されていない前記利用側熱交換器に流入する前記負荷液体と対向流により熱交換されてなることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ式冷凍装置。
10. 前記第３及び第４熱交換部の前記四方弁側に接続された冷媒の配管のいずれか一方は、前記四方弁をバイパスするよう構成されてなることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ式冷凍装置。

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