JP4896505B2 - 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム - Google Patents

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムに関し、特に、二液分離した液相の非共沸混合冷媒を均一に分散させることができる手段を備える、ヒートポンプシステムまたは空調機システム若しくは冷凍機に関する。

現在、二酸化炭素は、オゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数が１であり、環境への負荷が極めて小さく、かつ毒性、可燃性が無く安全で安価であること、臨界温度が３１．１℃と低く、空調や給湯用では、サイクルの高圧側が容易に超臨界になることから冷媒と被冷却流体との温度差が小さい加熱を行うことができるので、給湯のように昇温幅が大きい加熱プロセスでは、高い成績係数（ＣＯＰ）が得られること、圧縮機の単位流入体積当たりの加熱能力が大きく、熱伝導率が高いことから、エコキュート（登録商標）の名称でヒートポンプ給湯機用冷媒として普及利用されている。

図１に、二酸化炭素を冷媒として利用する従来のヒートポンプシステム１００の代表的な構成図を示す。図１に示されるヒートポンプシステムは、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４、二酸化炭素冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６を備える。図１の矢印で示されるように、二酸化炭素冷媒は、配管１０５を介して、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、および蒸発器１０４の順番で循環する。また加熱されるべき水は、水用の配管１０６を介して凝縮器１０２に導入され、凝縮器１０２で加熱された後で暖房用／給湯用として使用される。なお空調機若しくは冷凍機システムの場合には、水用の配管１０６は無い。

図２に、二酸化炭素を冷媒として利用した従来のヒートポンプシステム１００におけるサイクルを、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図を用いて示す。なお、図２における５は外気温を表し、６は造温水過程を表す線である。

図１および図２を参照して、従来のヒートポンプのサイクルを、各構成部品の動作および各構成部品における冷媒の状態に基づいて以下に簡単に説明する。

蒸発器１０４で外部から熱を奪いながら蒸発した低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１へ送られる。この蒸発器１０４における状態は、図２の４〜１に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度は低温で一定のままであるが、外部から熱を奪うことによってエンタルピーは増大して、液相から気化し続けて飽和蒸気線に近付く。

この低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１で断熱圧縮されて高圧高温の気相の二酸化炭素になり、凝縮器１０２へ送られる。この圧縮機１０１における状態は、図２の１〜２に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素になる。

温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素は、凝縮器１０２において放熱し冷却される。この凝縮器１０２における状態は、図２の２〜３に対応する。過熱状態の気相の二酸化炭素（図２の２）から、超臨界圧の状態で冷却されてエンタルピーが減少し、液相の二酸化炭素になる（図２の３）。この凝縮器１０２において、気相の二酸化炭素冷媒から放出される熱を利用して、水用の配管１０６から導入される水を加熱して、暖房または給湯に用いる。

高圧で温度が低下した液相の二酸化炭素は、凝縮器１０２から膨張弁１０３へ送られる。膨張弁１０３で、液相の二酸化炭素は、圧力が急激に低下しかつ温度が急激に低下して、低圧低温の気相および液相の二酸化炭素になる。この膨張弁１０４における状態は、図２の３〜４に対応する。二酸化炭素は、エンタルピーが同一で温度が急激に低下する。

低圧低温の気相および液相の二酸化炭素は、再び蒸発器１０４で外部から熱を奪い蒸発して、図２の４〜１に対応する状態になり、低圧低温の気相の二酸化炭素になる。

二酸化炭素冷媒がこのようなサイクルを繰り返すことによって、ヒートポンプシステム１００が動作して、凝縮器１０２において水を加熱する。

このように動作するヒートポンプシステムにおいて冷媒として二酸化炭素を用いることは、普及利用されているが、二酸化炭素冷媒の作動圧が、約１０ＭＰａと他の冷媒と比べると非常に高く、そのため、ヒートポンプシステムにおける各構成部品を超高圧仕様にしなければならない問題があった。そのため、作動圧が低い冷媒の開発が大きな課題となっている。

二酸化炭素超臨界冷媒に代わる、オゾン層破壊の危険性がなく、地球温暖化に及ぼす悪影響が小さく、かつ不燃性ないし難燃性で、低圧において作動する等の優れた性能を有する、安全で毒性のない給湯／暖房用冷媒組成物として、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒が提案されている。

すなわち、物性的に伝熱効果の高い二酸化炭素（０．０２Ｗ／ｍＫ）とより高い比熱を有するジメチルエーテル（１３８Ｊ／ｍｏｌＫ）とを混合することによって、極めて高い熱効率を示す物性になり、低圧で作動する成績係数（ＣＯＰ）の優れた暖房用／給湯用冷媒となる。このジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した暖房用／給湯用ヒートポンプは、外気温５℃程度の条件下で、数値シミュレーションと実証実験の結果、３．５ＭＰａ以下の低圧で作動し、かつ高い成績係数（ＣＯＰ）が得られる。

このように、二酸化炭素冷媒と比べて低圧で作動するジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を用いた場合のサイクルを、図３を参照して説明する。図３は、図２と同様に、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図である。図３が、図２と大きく異なる点は、蒸発器１０４における冷媒の状態である１４〜１１が、温度が一定ではなく、ある傾斜を持った直線で表されていることである。これは、ジメチルエーテルおよび二酸化炭素からなる混合物冷媒は、非共沸特性を有し、蒸発するにつれて蒸発温度が上昇する性質を持っているからである。

ジメチルエーテルと二酸化炭素との非共沸混合物冷媒を使用する場合に、蒸発器１０４における未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒、あるいは凝縮器１０２における液相の非共沸混合物冷媒が、二液分離する問題がある。凝縮器１０２は、通常、凝縮を促進するために過冷却領域を有しているため、非共沸混合物冷媒を用いる場合には、混合物冷媒が二液分離する可能性が高い。特に、運転停止時にはこのような二液分離が顕著になる。混合物冷媒が二液分離した場合には、蒸発温度または蒸発圧力の制御が、不安定になる。

蒸発器１０４および凝縮器１０２は、冷媒が送られる伝熱管を有する。単一冷媒の場合には、その伝熱管は、気化潜熱関与領域と気化後の顕熱関与領域とに分けられるが、非共沸混合物冷媒の場合には、そのように明確に分けられず、これも蒸発温度または蒸発圧力の制御を難しくしている。

本発明は、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる手段を備える、ヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明によれば、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする膨張弁と、
膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る蒸発器とを備え、
蒸発器が、非共沸混合物冷媒が送られる伝熱管を備え、該伝熱管は、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向下方に送る下方伝熱管と、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向上方に送る上方伝熱管と、下方伝熱管と上方伝熱管とを接続する接続管とからなる部分を含むことを特徴とする。

このような鉛直方向に延在する下方伝熱管において、液相の非共沸混合物冷媒は気相の非共沸混合物冷媒より早く下降しようとし、一方、上方伝熱管において、気相の非共沸混合物冷媒は液相の非共沸混合物冷媒より早く上昇しようとする。そのため、下方伝熱管および上方伝熱管を通過する非共沸混合物冷媒は、激しい上下動を含む攪拌された状態で流動する。このような攪拌作用を有する伝熱管を用いることによって、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。さらに、伝熱管の管壁に対する非共沸混合物冷媒の衝突の効果もあり、境膜伝熱係数が上昇し、結果として伝熱効果が低下することはない。

請求項２に係る発明によれば、下方伝熱管と、上方伝熱管と、接続管とからなる部分を含む蒸発器の部分が、蒸発器内を非共沸混合物冷媒が送られる方向における下流側に配置され、かつ蒸発器全体での伝熱面積の５０％以下の伝熱面積を有することを特徴とする。

このような構成によって、蒸発器内の全ての伝熱管を鉛直方向に延在する伝熱管にしなくとも、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができ、蒸発器のより柔軟な設計が可能になる。

請求項３に係る発明によれば、蒸発器が、膨張弁から非共沸混合物冷媒が送られる第１の蒸発器部分と、該第１の蒸発器部分の下方に配置されかつ第１の蒸発器部分に接続され、圧縮機へ非共沸混合物冷媒を送る第２の蒸発器部分とから構成され、
第１の蒸発器部分が、下方伝熱管と、上方伝熱管と、接続管とから構成され、
第２の蒸発器部分が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第１の蒸発器部分に接続される端部に対してより低い位置にあるような傾斜であることを特徴とする。

このように第２の蒸発器部分の伝熱管を水平面に対して傾斜させる構成によって、さらに効果的に二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

請求項４に係る発明によれば、蒸発器が、膨張弁から非共沸混合物冷媒が送られる第３の蒸発器部分と、該第３の蒸発器部分に接続され、圧縮機へ非共沸混合物冷媒を送る第４の蒸発器部分とから構成され、
第３の蒸発器部分が、水平面に延在する伝熱管から構成され、
第４の蒸発器部分が、１本の下方伝熱管または管と、１本の上方伝熱管または管と、下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する１本の接続管とから構成され、若しくは並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成されることを特徴とする。

このような比較的簡単な構成で、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

請求項５に係る発明によれば、蒸発器が、膨張弁から非共沸混合物冷媒が送られる第５の蒸発器部分と、該第５の蒸発器部分に接続される第６の蒸発器部分と、該第６の蒸発器部分に接続され、圧縮機へ非共沸混合物冷媒を送る第７の蒸発器部分とから構成され、
第５の蒸発器部分が、水平面に延在する伝熱管から構成され、
第６の蒸発器部分が、１本の下方伝熱管または管と、１本の上方伝熱管または管と、下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する１本の接続管とから構成され、若しくは、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成され、
第７の蒸発器部分が、水平面に延在する伝熱管から構成され、若しくは、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第６の蒸発器部分に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜であることを特徴とする。

このような比較的簡単な構成でも、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。また、第７の蒸発器部分が、非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第６の蒸発器部分に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜を有する平面内に延在する伝熱管で構成されることにより、蒸発器内の未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒が圧縮機へ送られることを防止し、かつ運転停止時に、第７の蒸発器部分で生じた未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒を第６の蒸発器部分へ戻し、第７の蒸発器部分に滞留した未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒が一挙に圧縮機へ送られて、圧縮機を破壊することを防止することができる。

請求項６に係る発明によれば、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする膨張弁と、
膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る蒸発器とを備え、
凝縮器が、非共沸混合物冷媒が送られる伝熱管を備え、該伝熱管は、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向下方に送る下方伝熱管と、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向上方に送る上方伝熱管と、下方伝熱管と上方伝熱管とを接続する接続管とからなる部分を含むことを特徴とする。

攪拌作用を有する下方伝熱管および上方伝熱管を用いることによって、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。さらに、伝熱管の管壁に対する非共沸混合物冷媒の衝突の効果もあり、境膜伝熱係数が上昇し、結果として伝熱効果が低下することはない。

請求項７に係る発明によれば、下方伝熱管と、上方伝熱管と、接続管とからなる部分を含む凝縮器の部分が、凝縮器内を非共沸混合物冷媒が送られる方向における下流側に配置され、かつ凝縮器全体での伝熱面積の５０％以下の伝熱面積を有することを特徴とする。

このような構成によって、凝縮器内の全ての伝熱管を鉛直方向に延在する伝熱管にしなくとも、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができ、凝縮器のより柔軟な設計が可能になる。

請求項８に係る発明によれば、凝縮器が、圧縮機から非共沸混合物冷媒が送られる第１の凝縮器部分と、該第１の凝縮器部分の上方に配置されかつ第１の凝縮器部分に接続され、膨張弁へ非共沸混合物冷媒を送る第２の凝縮器部分とから構成され、
第１の凝縮器部分が、下方伝熱管と、上方伝熱管と、接続管とから構成され、
第２の凝縮器部分が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合物冷媒を膨張弁に送る流出口端部が、第２の凝縮器部分に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜であることを特徴とする。

このように第２の凝縮器部分の伝熱管を水平面に対して傾斜させる構成によって、さらに効果的に二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

請求項９に係る発明によれば、凝縮器が、圧縮機から非共沸混合物冷媒が送られる第３の凝縮器部分と、該第３の凝縮器部分に接続され、膨張弁へ非共沸混合物冷媒を送る第４の凝縮器部分とから構成され、
第３の凝縮器部分が、水平面に延在する伝熱管から構成され、
第４の凝縮器部分が、１本の下方伝熱管または管と、１本の上方伝熱管または管と、下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する１本の接続管とから構成され、若しくは、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成されることを特徴とする。

このような比較的簡単な構成で、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

請求項１０に係る発明によれば、非共沸混合物冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とする。

このような構成によって、二液分離したジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物からなる非共沸混合物冷媒を、均一に分散させることができる。

以下、本発明を、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態に基づいて詳細に記載する。

図４は、本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム１０００の第１の実施形態の構成図を示す。

図１に示される従来のシステム構成と、図４に示されるシステム構成との異なる点は、蒸発器２００であり、他の要素である圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６は同一である。これら同一の要素は、図１と同じ参照符号で示される。蒸発器２００は、図５ｂに示される鉛直方向に延在する伝熱管または管から構成される部分を備える。

図５ａは、蒸発器において従来使用されていた水平方向に延在する伝熱管で送られるときに、非共沸混合冷媒が移動する様子を示す模式図であり、図５ｂは、本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムの蒸発器において使用される鉛直方向に延在する伝熱管または管で送られるときに、非共沸混合冷媒が移動する様子を示す模式図である。

図５ａの水平方向に延在する伝熱管４００において、図５ａにおいて左側から送られる非共沸混合冷媒は、ほとんど攪拌されることなく伝熱管４００内を移動する。

一方、図５ｂに示される鉛直方向に延在する伝熱管または管は、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向下方に送る下方伝熱管または管２１０と、鉛直方向に延在し非共沸混合物冷媒を鉛直方向上方に送る上方伝熱管または管２３０と、下方伝熱管または管２１０と上方伝熱管または管２３０とを接続する接続管２２０とを備える。非共沸混合冷媒は、図５ｂにおいて左側から送られて、下方伝熱管または管２１０、接続管２２０、および上方伝熱管または管２３０を通り、右側から出る。

下方伝熱管または管２１０において、液相の非共沸混合物冷媒は気相の非共沸混合物冷媒より早く下降しようとし、一方、上方伝熱管または管２３０において、気相の非共沸混合物冷媒は液相の非共沸混合物冷媒より早く上昇しようとする。そのため、下方伝熱管または管２１０および上方伝熱管または管２３０を通過する非共沸混合物冷媒は、激しい上下動を含む攪拌された状態で流動する。そのため二液分離した非共沸混合物冷媒は、このような伝熱管で送られると攪拌されて均一に分散した状態に変化する。

蒸発器２００は、図６に示されるように、図５ｂに示される下方伝熱管または管２１０、上方伝熱管または管２３０、および接続管２２０を、並列または直列に配置された構成で、それぞれ複数個含む。さらに、下方伝熱管２１０および上方伝熱管２３０の管壁に対する非共沸混合物冷媒の衝突の効果もあり、境膜伝熱係数が上昇し、結果として伝熱効果が低下することはない。これは、図１７に示される伝熱試験データに示されている。図１７は、二酸化炭素とジメチルエーテルとの非共沸混合冷媒と、二酸化炭素冷媒との伝熱試験データを示し、縦軸が管理温度（℃）であり、横軸が伝熱管距離（ｍ）である。ａ、ｂは、二酸化炭素８５％でジメチルエーテルが１５％の場合の結果であり、ｃは、二酸化炭素１００％の場合の結果である。ａは、蒸発圧力２．０ＭＰａＧで、試験温度２５．０℃〜２５．３℃の試験条件であり、ｂは、蒸発圧力１．５ＭＰａＧで、試験温度２５．３℃の試験条件であり、ｃは、試験温度２３．８℃〜２３．９℃の試験条件である。図１７において、垂直とは、伝熱管が、下方および上方伝熱管または管と接続管とから構成される場合を示し、水平とは、伝熱管が、水平面に延在する場合を示す。ａ、ｂでは、これら垂直と水平の伝熱管で、冷媒の流量が、１０００ＮＬ／Ｈと５００ＮＬ／Ｈの場合の結果が示され、ｃでは、冷媒の流量が、５００ＮＬ／Ｈの場合の結果が示される。なお、ｃにおけるｐとは、蒸発圧力（ゲージ圧）あり、単位はＭＰａＧである。

図７は、蒸発器２００が、水平方向に延在する伝熱管から構成される部分２４０と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管から構成される部分２５０とからなり、部分２５０が、蒸発器２００において非共沸混合物冷媒が送られる方向で下流側に配置される様子を模式的に示す図である。蒸発器２００の全ての伝熱管を鉛直方向に延在する伝熱管にしなくとも、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができ、蒸発器のより柔軟な設計が可能になる。

図８は、第１の蒸発器部分と第２の蒸発器部分とからなる蒸発器を備える構成を示す図である。

図８において、第１の蒸発器部分２６０は、膨張弁１０３から非共沸混合物冷媒が送られる。第２の蒸発器部分２７０は、第１の蒸発器部分２６０の下方に配置され、かつ第１の蒸発器部分２６０に接続され、圧縮機１０１へ非共沸混合物冷媒を送る。第１の蒸発器部分２６０は、下方伝熱管または管と、上方伝熱管または管と、接続管とから構成され、一方、第２の蒸発器部分２７０が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成さる。

図９に、第２の蒸発器部分２７０における伝熱管の状態の例を示し、水平面Ｏに対して伝熱管が延在する平面Ｐは、水平面Ｏに対して所定の角度αを有数する。この傾斜角度αは、非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る流出口端部２７２が、第１の蒸発器部分２６０に接続される端部２７１に対してより低い位置にあるような傾斜である。

このように第２の蒸発器部分２７０の伝熱管を水平面に対して傾斜させる構成によって、さらに効果的に二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

図１０は、水平面に延在する伝熱管から構成される第３の蒸発器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第４の蒸発器部分とからなる蒸発器の構成を示す。

図１０に示される蒸発器は、膨張弁１０３から非共沸混合物冷媒が送られる第３の蒸発器部分２８０と、第３の蒸発器部分２８０に接続され、圧縮機１０１へ非共沸混合物冷媒を送る第４の蒸発器部分２８１とから構成される。第３の蒸発器部分２８０は、水平面に延在する伝熱管から構成され、一方、第４の蒸発器部分２８１は、１本の下方伝熱管または管２８２と、１本の上方伝熱管または管２８４と、下方伝熱管または管２８２と上方伝熱管または管２８４とを接続する１本の接続管２８３とから構成される。なお、第４の蒸発器部分は、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成されることもできる。

このような比較的簡単な構成の第４の蒸発器部分２８１を備えることによって、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

図１１は、水平面に延在する伝熱管から構成される第５および第７の蒸発器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第６の蒸発器部分とからなる蒸発器を示す。

図１１に示される蒸発器は、膨張弁１０３から非共沸混合物冷媒が送られる第５の蒸発器部分２９０と、第５の蒸発器部分２９０に接続される第６の蒸発器部分２９２と、該第６の蒸発器部分２９２に接続され、圧縮機１０１へ非共沸混合物冷媒を送る第７の蒸発器部分２９１とから構成される。第５の蒸発器部分２９０は、水平面に延在する伝熱管から構成される。第６の蒸発器部分２９２は、１本の下方伝熱管または管２９３と、１本の上方伝熱管または管２９５と、下方伝熱管または管２９３と上方伝熱管または管２９５とを接続する１本の接続管２９４とから構成される。なお、第７の蒸発器部分は、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成されることもできる。第７の蒸発器部分２９１は、水平面に延在する伝熱管から構成され、若しくは、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合物冷媒を圧縮機１０１に送る流出口端部が、第６の蒸発器部分２９２に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜である。

このような比較的簡単な構成の第６の蒸発器部分２９２を備えることによって、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。また、第７の蒸発器部分２９１は、非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第６の蒸発器部分２９２に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜を有する平面内に延在する伝熱管で構成されることにより、蒸発器内の未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒が圧縮機１０１へ送られることを防止し、かつ運転停止時に、第７の蒸発器部分２９１で生じた未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒を第６の蒸発器部分２９２へ戻し、第７の蒸発器部分２９１に滞留した未蒸発の液相の非共沸混合物冷媒が一挙に圧縮機１０１へ送られて、圧縮１０１機を破壊することを防止することができる。

図１２は、本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム１１００の第２の実施形態の構成図を示す。

図１に示される従来のシステム構成と、図１２に示されるシステム構成との異なる点は、凝縮器３００であり、他の要素である圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６は同一である。これら同一の要素は、図１と同じ参照符号で示される。

凝縮器３００は、図５ｂに示される鉛直方向に延在する伝熱管または管から構成される部分を備える。下方伝熱管または管２１０および上方伝熱管または管２３０を通過する非共沸混合物冷媒は、激しい上下動を含む攪拌された状態で流動し、二液分離した非共沸混合物冷媒は、攪拌されて均一に分散した状態に変化する。凝縮器３００は、図６に示されるように、下方伝熱管または管２１０、上方伝熱管または管２３０、および接続管２２０を、並列または直列に配置された構成で、複数個含むことができる。図１７に示されるように、下方伝熱管または管２１０および上方伝熱管または管２３０の管壁に対する非共沸混合物冷媒の衝突の効果もあり、境膜伝熱係数が上昇し、結果として伝熱効果が低下することはない。

図１３は、凝縮器３００が、水平方向に延在する伝熱管から構成される部分３１０と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管から構成される部分３２０とからなり、部分３２０が、凝縮器３００において非共沸混合物冷媒が送られる方向で下流側に配置される様子を模式的に示す図である。凝縮器３００の全ての伝熱管を鉛直方向に延在する伝熱管にしなくとも、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができ、凝縮器のより柔軟な設計が可能になる。

図１４は、第１の凝縮器部分と第２の凝縮器部分とからなる蒸発器を備える構成を示す図である。

図１４において、第１の凝縮器部分３３０は、圧縮機１０１から非共沸混合物冷媒が送られる。第２の凝縮器部分３４０は、第１の凝縮器部分３３０の上方に配置され、かつ第１の凝縮器部分３３０に接続され、膨張弁１０３へ非共沸混合物冷媒を送る。第１の凝縮器部分３３０は、下方伝熱管または管と、上方伝熱管または管と、接続管とから構成され、一方、第２の凝縮器部分３４０が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成さる。

図１５に、第２の凝縮器部分３４０における伝熱管の状態の例を示し、水平面Ｏに対して伝熱管が延在する平面Ｑは、水平面Ｏに対して所定の角度βを有数する。この傾斜角度βは、非共沸混合物冷媒を膨張弁１０３に送る流出口端部３４２が、第１の凝縮器部分３３０に接続される端部３４１に対してより高い位置にあるような傾斜である。

このように第２の凝縮器部分３４０の伝熱管を水平面に対して傾斜させる構成によって、さらに効果的に二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

図１６は、水平面に延在する伝熱管から構成される第３の凝縮器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第４の凝縮器部分とからなる凝縮器の構成を示す。

図１６に示される凝縮器は、圧縮機１０１から非共沸混合物冷媒が送られる第３の凝縮器部分３５０と、第３の凝縮器部分３５０に接続され、膨張弁１０３へ非共沸混合物冷媒を送る第４の凝縮器部分３５１とから構成される。第３の凝縮器部分３５０は、水平面に延在する伝熱管から構成され、一方、第４の凝縮器部分３５１は、１本の下方伝熱管または管３５４と、１本の上方伝熱管または管３５２と、下方伝熱管または管３５４と上方伝熱管または管３５２とを接続する１本の接続管３５３とから構成される。なお、第４の蒸発器部分３５２は、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管３５４と、複数本の上方伝熱管または管３５２と、複数本の下方伝熱管または管３５４と複数本の上方伝熱管または管３５２とを接続する複数本の接続管とから構成されることもできる。

このような比較的簡単な構成の第４の凝縮器部分３５２を備えることによって、二液分離した非共沸混合物冷媒を均一に分散させることができる。

非共沸混合物冷媒は、大きな温度勾配の値を示すジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることが好ましいが、本発明のヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムで使用される非共沸混合物冷媒は、これに限定されるものではなく、任意の混合物冷媒を使用することができる。

二酸化炭素を利用したヒートポンプシステムの代表的な構成図を示す。 二酸化炭素を冷媒として利用した従来のサイクルを示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 非共沸混合物冷媒を利用したサイクルを示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムの第１の実施形態の構成図を示す。 液相の非共沸混合冷媒が蒸発器において従来使用されていた水平方向に延在する伝熱管で送られるときに、非共沸混合冷媒が移動する様子を示す模式図である。 液相の非共沸混合冷媒が、本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムの蒸発器において使用される鉛直方向に延在する伝熱管で送られるときに、非共沸混合冷媒が移動する様子を示す模式図を示す。 蒸発器が、複数の下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管を含む構成を示す。 蒸発器が、水平方向の延在する伝熱管の部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管から構成される部分とからなる構成を示す。 第１の蒸発器部分と第２の蒸発器部分とからなる蒸発器を備える構成を示す図である。 第２の蒸発器部分２７０における伝熱管の状態の例を示す。 水平面に延在する伝熱管から構成される第３の蒸発器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第４の蒸発器部分とから構成される蒸発器の構成を示す。 水平面に延在する伝熱管から構成される第５の蒸発器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第６の蒸発器部分と、水平面若しくは水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成される第７の蒸発器部分とからなる蒸発器を示す。 本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムの第２の実施形態の構成図を示す。 凝縮器が、水平方向の延在する伝熱管の部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管から構成される部分とからなる構成を示す。 第１の凝縮器部分と第２の凝縮器部分とからなる蒸発器を備える構成を示す図である。 第２の凝縮器部分における伝熱管の状態の例を示す。 水平面に延在する伝熱管から構成される第３の凝縮器部分と、下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する接続管から構成される第４の凝縮器部分とからなる凝縮器の構成を示す。 二酸化炭素とジメチルエーテルとの非共沸混合冷媒と、二酸化炭素冷媒との伝熱試験データを示す。

符号の説明

１００ ヒートポンプシステム
１０１ 圧縮機
１０２、３００ 凝縮器
１０３ 膨張弁
１０４、２００ 蒸発器
１０５ 冷媒用の配管
１０６ 水用の配管
２１０、２８２、３５４ 下方伝熱管または管
２２０、２８３、３５３ 接続管
２３０、２８４、３５２ 上方伝熱管または管
２４０、３１０ 水平方向に延在する伝熱管から構成される部分
２５０、３２０ 下方伝熱管または管、上方伝熱管または管、および接続管から構成される部分
２６０ 第１の蒸発器部分
２７０ 第２の蒸発器部分
２８０ 第３の蒸発器部分
２８１ 第４の蒸発器部分
２９０ 第５の蒸発器部分
２９１ 第７の蒸発器部分
２９２ 第６の蒸発器部分
３３０ 第１の凝縮器部分
３４０ 第２の凝縮器部分
３５０ 第３の凝縮器部分
３５１ 第４の凝縮器部分
４００ 水平方向に延在する伝熱管
１０００、１１００ ヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム
Ｏ 水平面
Ｐ、Ｑ 伝熱管が延在する平面
α、β 角度

Claims (3)

1. 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
   低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒にする膨張弁と、
   膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を圧縮機に送る蒸発器とを備え、
   蒸発器が、膨張弁から非共沸混合冷媒が送られる第１の蒸発器部分と、該第１の蒸発器部分の下方に配置されかつ第１の蒸発器部分に接続され、圧縮機へ非共沸混合冷媒を送る第２の蒸発器部分とから構成され、
   第１の蒸発器部分が、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向下方に送る下方伝熱管と、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向上方に送る上方伝熱管と、下方伝熱管と上方伝熱管とを接続する接続管とから構成され、
   第２の蒸発器部分が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第１の蒸発器部分に接続される端部に対してより低い位置にあるような傾斜であり、
   非共沸混合冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とするヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
2. 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
   低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒にする膨張弁と、
   膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を圧縮機に送る蒸発器とを備え、
   蒸発器が、膨張弁から非共沸混合冷媒が送られる第５の蒸発器部分と、該第５の蒸発器部分に接続される第６の蒸発器部分と、該第６の蒸発器部分に接続され、圧縮機へ非共沸混合冷媒を送る第７の蒸発器部分とから構成され、
   第５の蒸発器部分が、水平面に延在する伝熱管から構成され、
   第６の蒸発器部分が、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向下方に送る１本の下方伝熱管または管と、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向上方に送る１本の上方伝熱管または管と、下方伝熱管または管と上方伝熱管または管とを接続する１本の接続管とから構成され、若しくは、並列または直列に配置された、複数本の下方伝熱管または管と、複数本の上方伝熱管または管と、複数本の下方伝熱管または管と複数本の上方伝熱管または管とを接続する複数本の接続管とから構成され、
   第７の蒸発器部分が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合冷媒を圧縮機に送る流出口端部が、第６の蒸発器部分に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜であり、
   非共沸混合冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とするヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
3. 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
   低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒にする膨張弁と、
   膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を圧縮機に送る蒸発器とを備え、
   凝縮器が、圧縮機から非共沸混合冷媒が送られる第１の凝縮器部分と、該第１の凝縮器部分の上方に配置されかつ第１の凝縮器部分に接続され、膨張弁へ非共沸混合冷媒を送る第２の凝縮器部分とから構成され、
   第１の凝縮器部分が、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向下方に送る下方伝熱管と、鉛直方向に延在し非共沸混合冷媒を鉛直方向上方に送る上方伝熱管と、下方伝熱管と上方伝熱管とを接続する接続管とから構成され、
   第２の凝縮器部分が、水平面に対して所定の傾斜を有する平面内に延在する伝熱管から構成され、前記傾斜は、非共沸混合冷媒を膨張弁に送る流出口端部が、第２の凝縮器部分に接続される端部に対してより高い位置にあるような傾斜であり、
   非共沸混合冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とするヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。

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