JP5411643B2 - 冷凍サイクル装置および温水暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置およびこの冷凍サイクル装置を用いた温水暖房装置に関する。

従来、冷媒回路の凝縮器の下流側に過冷却熱交換器が設けられ、この過冷却熱交換器に膨張させた冷媒を流入させることにより凝縮器から流出した冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、図６に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。

この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、バイパス路１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、凝縮器１１２、過冷却熱交換器１１３、主膨張弁１１４および蒸発器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。バイパス路１２０は、凝縮器１１２と過冷却熱交換器１１３の間で冷媒回路１１０から分岐し、過冷却熱交換器１１３を経由して蒸発器１１５と圧縮機１１１の間で冷媒回路１１０につながっている。また、バイパス路１２０には、過冷却熱交換器１１３よりも上流側にバイパス膨張弁１２１が設けられている。

そして、特許文献１には、冷凍能力の向上を図るために、凝縮器１１２に流れる全冷媒流量に対するバイパス路１２０に流れるバイパス冷媒流量の比（バイパス比）を１％以上２５％以下の範囲となるようにバイパス膨張弁１２１を制御することが記載されている。

特許第４０３６２８８号公報

ところで、上記のような冷凍サイクル装置において高効率な運転を実現するには、過冷却熱交換器において、バイパス路を流れる冷媒を過熱（スーパーヒート）せず、かつ、冷媒回路を流れる冷媒を所定の状態まで過冷却することが好ましい。これを実現するには、過冷却熱交換器が適切に構成される必要がある。この点、特許文献１には、過冷却熱交換器の構成について特に記載されていない。

本発明は、このような事情に鑑み、適切に構成された過冷却熱交換器を備え、高効率な運転が可能な冷凍サイクル装置、およびこの冷凍サイクル装置を用いた温水暖房装置を提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、バイパス路において過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満に保てば、高いＣＯＰ（Coefficient of Performance）が得られることを見出した。しかしながら、乾き度がそのような範囲に収まるように制御した場合には、過冷却熱交換器の容量によっては、外気温度が低く、かつ、凝縮器に求められる加熱能力が増大したときに、冷媒回路を流れる冷媒の過冷却が不十分となったり過剰になったりすることがある。本発明はこのような観点からなされたものである。

すなわち、本発明は、圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記主膨張手段の間または前記凝縮器と前記過冷却熱交換器の間で、前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒回路につながるバイパス路と、前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、前記バイパス路において前記過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、前記バイパス膨張手段を制御する制御装置と、を備え、前記過冷却熱交換器は、前記バイパス路において当該過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記バイパス膨張手段の開度が調整されたときに、前記凝縮器において当該凝縮器に流入する冷媒と被加熱流体との間の熱交換量に対する前記過冷却熱交換器での前記バイパス路で減圧された冷媒と前記凝縮器から流出した冷媒との間の熱交換量の比率が、０．２以上０．８以下となるように構成されている、冷凍サイクル装置を提供する。

また、本発明は、加熱手段により生成した温水を暖房に利用する温水暖房装置であって、前記加熱手段として上記の冷凍サイクル装置を備える、温水暖房装置を提供する。

上記によれば、過冷却熱交換器が適切に構成されているので、バイパス路において過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満に保ったときに、外気温度が低くかつ凝縮器に求められる加熱能力が増大したとしても、冷媒回路を流れる冷媒を適切な状態に過冷却することができる。したがって、本発明によれば、高効率な運転を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 蒸発器入口での冷媒の乾き度と熱交換比率の相関図であり、（ａ）は冷媒としてＲ４０７Ｃを用いたときを示し、（ｂ）は冷媒としてＲ４１０Ａを用いたときを示す。 冷媒としてＲ４０７Ｃを用いたときの冷凍サイクル装置のモリエル線図であり、（ａ）は蒸発器の入口での冷媒の乾き度が０．５５のときを示し、（ｂ）は蒸発器の入口での冷媒の乾き度が０のときを示す。 冷媒としてＲ４１０Ａを用いたときの冷凍サイクル装置のモリエル線図であり、（ａ）は蒸発器の入口での冷媒の乾き度が０．４５のときを示し、（ｂ）は蒸発器の入口での冷媒の乾き度が０のときを示す。 外気温度と熱交換比率の、凝縮器における冷媒の凝縮温度ごとの相関図 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

図１に、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置１を示す。この冷凍サイクル装置１は、冷媒を循環させる冷媒回路２と、バイパス路３と、制御装置４とを備えている。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

冷媒回路２は、圧縮機２１、凝縮器２２、過冷却熱交換器２３、主膨張弁２４および蒸発器２５が配管により環状に接続されて構成されている。本実施形態では、蒸発器２５と圧縮機２１の間に、気液分離を行うサブアキュムレータ２６および主アキュムレータ２７が設けられている。また、冷媒回路２には、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁２８が設けられている。

本実施形態では、冷凍サイクル装置１が、加熱手段により生成した温水を暖房に利用する温水暖房装置の加熱手段を構成しており、凝縮器２２が、冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となっている。具体的には、凝縮器２２に供給管７１と回収管７２が接続されており、供給管７１を通じて凝縮器２２に水が供給され、凝縮器２２で加熱された水（温水）が回収管７２を通じて回収されるようになっている。回収管７２により回収された水（温水）は、例えばラジエータ等の暖房機に直接的または貯湯タンクを介して送られ、これにより暖房が行われる。

バイパス路３は、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐し、過冷却熱交換器２３を経由して蒸発器２５と圧縮機２１の間で冷媒回路２につながっている。本実施形態では、サブアキュムレータ２６と主アキュムレータ２７の間でバイパス路３が冷媒回路２につながっている。また、バイパス路３には、過冷却熱交換器２３よりも上流側にバイパス膨張弁３１が設けられている。

通常運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して凝縮器２２に送られ、デフロスト運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して蒸発器２５に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。

圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は、凝縮器２２に流入し、凝縮器２２を通過する水に放熱する。凝縮器２２から流出した高圧冷媒は、過冷却熱交換器２３に流入し、バイパス膨張弁３１で減圧された低圧冷媒によって過冷却される。過冷却熱交換器２３から流出した高圧冷媒は、主膨張弁２４側とバイパス膨張弁３１側とに分流する。

主膨張弁２４側に分流した高圧冷媒は、主膨張弁２４によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２５に流入する。蒸発器２５に流入した低圧冷媒は、ここで空気から吸熱する。一方、バイパス膨張弁３１側に分流した高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に、過冷却熱交換器２３に流入する。過冷却熱交換器２３に流入した低圧冷媒は、凝縮器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。その後、過冷却熱交換器２３から流出した低圧冷媒は、蒸発器２５から流出した低圧冷媒と合流し、再度圧縮機２１に吸入される。

本実施形態の冷凍サイクル装置１の構成は、低外気温度時に圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力が低下して冷媒循環量が減少し、これにより凝縮器２２の加熱能力が低下することを防止するためのものである。これを実現するには、過冷却により蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させるとともに、バイパス路３によって冷媒をバイパスさせることにより、冷媒回路２の低圧側部分を流れる吸熱効果の小さい気相冷媒の量を抑え、これにより冷媒回路２の低圧側部分での圧力損失を低減させることが重要である。冷媒回路２の低圧側部分での圧力損失が低減すれば、その分圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力が上昇して比体積が減少するため、冷媒循環量が増加する。また、蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させれば、バイパスにより蒸発器２５を通過する冷媒の質量流量が低下したとしても、蒸発器２５での吸熱量を確保することができる。すなわち、冷媒の過冷却度およびバイパス量を調整すれば、凝縮器２２の加熱能力向上効果と冷凍サイクル装置１のＣＯＰ向上効果の双方が得られる。

本実施形態では、過冷却熱交換器２３は、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度が調整されたときに、凝縮器２２における凝縮器２２に流入する冷媒と水との間の熱交換量Ｑｃに対する過冷却熱交換器２３におけるバイパス路３で減圧された冷媒と凝縮器２２から流出した冷媒との間の熱交換量Ｑｓｃの比率である熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．２以上０．８以下となる伝熱面積を有するように設計されている。

本構成によれば、過冷却熱交換器２３の伝熱面積が適切に設定されているので、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満に保ったときに、外気温度が低くかつ凝縮器２２に求められる加熱能力が増大したとしても、冷媒回路２を流れる冷媒を適切な状態に過冷却することができる。

例えば、冷媒としてＲ４０７Ｃを用いた場合には、外気温度ＡＴ＝−２５℃、凝縮器２２での冷媒の凝縮温度Ｔｃ＝７０℃の条件では、図２（ａ）に示すとおり、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．２以上０．８以下の範囲であれば、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉは０以上０．５５以下の範囲に収まり、さらに、図３（ａ）（ｂ）に示すとおり、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度Ｘｅｉが０以上０．５５以下であれば、過冷却熱交換器２３から流出する冷媒が過冷却状態になる。同様に、冷媒としてＲ４１０Ａを用いた場合にも、外気温度ＡＴ＝−２５℃、凝縮器２２での冷媒の凝縮温度Ｔｃ＝６０℃の条件では、図２（ｂ）および、図４（ａ）（ｂ）から、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．２以上０．８以下の範囲であれば、過冷却熱交換器２３から流出する冷媒が過冷却状態になる。よって、本実施形態では、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．２以上０．８以下の範囲になるように、過冷却熱交換器２３の伝熱面積を規定した。なお、図３および図４でＰｃは凝縮器２２を通過する冷媒の圧力を、Ｐｓは蒸発器２５を通過する冷媒の圧力を指す。

より好ましい態様では、過冷却熱交換器２３は、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満に保ったときに、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが、０．２以上０．７以下となる伝熱面積を有する。このようになっていれば、冷媒としてＲ４１０Ａを用いたときの乾き度Ｘｅｉを０以上０．４５以下に保つことができ、過冷却熱交換器２３から流出する冷媒が過冷却状態になる（図２（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）参照）。

次に制御装置４が行う制御について説明する。

図１に示すように、バイパス路３には、過冷却熱交換器２３に流入する冷媒の温度（流入温度）Ｔｂｉを検出する入口温度センサ６１と、過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の温度（流出温度）Ｔｂｏを検出する出口温度センサ６２が設けられている。制御装置４は、各種のセンサ６１,６２で検出される検出値等に基づいて、圧縮機２１の回転数、四方弁２８の切り換え、ならびに主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

本実施形態では、制御装置４は、通常運転時に、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御する。このとき、過冷却熱交換器２３の伝熱面積を適切に設定しているので、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが０．２以上０．８以下になる。

なお、過冷却熱交換器２３の伝熱面積に限らず、例えば、凝縮器２２に圧力センサまたは温度センサを配設して凝縮器２２の凝縮温度を求め、凝縮器２２の出口に温度センサを配設し、その差温である凝縮器２２の出口側における過冷却度を１〜５Ｋ程度に保ちながら、かつ、過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度を０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御すれば、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃは０．２以上０．８以下になるように制御できる。

なお、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御することで、過冷却熱交換器２３の過冷却効果を最大限まで確保できるため、蒸発器２５の入口〜出口間における冷媒エンタルピ差を拡大できる。同時に、蒸発器２５入口における冷媒の湿り度を大きくできるため、蒸発器２５における無意味な圧力損失増大を抑制、すなわち圧縮機２１の吸入圧力上昇を図れ、冷媒流量の増大、凝縮（加熱）能力の増大を図ることが可能となる。

具体的には、制御装置４は、流入温度Ｔｂｉと、流出温度Ｔｂｏとが略等しくなるように、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御する。

なお、入口温度センサ６１の代わりに、圧力センサをバイパス路３における過冷却熱交換器２３出口、または、蒸発器２５と圧縮機２１との間に設置し、この圧力センサで検出される圧力に基づいて、バイパス路３において過冷却熱交換器２３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１を制御してもよい。

具体的には、圧力センサで検出される圧力から飽和温度を求めて、流出温度Ｔｂｏが飽和温度になるように制御すればよい。

一般に、外気温度ＡＴが低くなるほど、蒸発器２５における蒸発圧力が低下するため、過冷却熱交換器２３における過冷却度が同一の場合、蒸発器２５に流入する冷媒の乾き度が大きくなり、すなわち蒸発に寄与しない冷媒ガス成分が多くなるため、蒸発器による吸熱能力が低下してしまう。そのような場合、制御装置４により、図５に示すとおり、外気温度ＡＴが低いほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように主膨張弁２４およびバイパス膨張３１を制御することが好ましい。

このようにすれば、過冷却熱交換器２３出口における過冷却度を大きくでき、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピを低下させることにより、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが小さい場合に比べて、蒸発器２５における冷媒のエンタルピ変化量の拡大、すなわち吸熱能力の増大が図れる。その結果、外気温度ＡＴ低下時において、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピ上昇に伴う蒸発器２５での冷媒の吸熱量の減少分を補完することができる。なお、外気温度ＡＴは例えば外気温センサで検出すればよい。

また、冷媒の凝縮温度Ｔｃが高くなるほど、蒸発器２５の入口における冷媒のエンタルピが同一の場合、過冷却熱交換器２３出口における過冷却度を大きくする必要があり、そのためには過冷却熱交換器２３の熱交換量を、凝縮器２２における熱交換量に対して大きくする必要がある。そのような場合、図５に示すとおり、凝縮器２２での冷媒の凝縮温度Ｔｃが高くなるほど、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが大きくなるように主膨張弁２４およびバイパス膨張３１を制御することが好ましい。

このようにすれば、過冷却熱交換器２３の熱交換量が、凝縮器２２における熱交換量に対して大きくなり、蒸発器２５入口における冷媒のエンタルピを低下させることができ、熱交換比率Ｑｓｃ／Ｑｃが小さい場合に比べて、蒸発器２５における冷媒のエンタルピ変化量の拡大、すなわち吸熱能力の増大が図れる。その結果、凝縮温度Ｔｃの上昇に起因する、蒸発器２５に流入する冷媒のエンタルピ上昇に伴う、蒸発器２５での冷媒の吸熱量の減少分を補完することができる。

なお、凝縮温度Ｔｃは流出温度Ｔｂｏを採用すればよい。

なお、バイパス路３は、必ずしも過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐している必要はなく、凝縮器２２と過冷却熱交換器２３の間で冷媒回路２から分岐していてもよい。

さらに、本発明の主膨張手段およびバイパス膨張手段は、必ずしも膨張弁である必要はなく、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すればよい。

また、凝縮器２２で加熱される被加熱流体は、必ずしも水である必要はなく、空気であってもよい。すなわち、本発明は空調装置にも適用可能である。

本発明は、冷凍サイクル装置によって水を加熱し、その水を暖房に利用する温水暖房装置に特に有用である。

１ 冷凍サイクル装置
２ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 過冷却熱交換器
２４ 主膨張弁（主膨張手段）
２５ 蒸発器
３ バイパス路
３１ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
４ 制御装置
６１ 入口温度センサ
６２ 出口温度センサ

Claims (5)

1. 圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、
   前記過冷却熱交換器と前記主膨張手段の間または前記凝縮器と前記過冷却熱交換器の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒回路につながるバイパス路と、
   前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、
   前記バイパス路において前記過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、前記バイパス膨張手段を制御する制御装置と、を備え、
   前記過冷却熱交換器は、前記バイパス路において当該過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記バイパス膨張手段の開度が調整されたとき、前記凝縮器における当該凝縮器に流入する冷媒と被加熱流体との間の熱交換量に対する前記過冷却熱交換器における前記バイパス膨張手段で減圧された冷媒と前記凝縮器から流出した冷媒との間の熱交換量の比率である熱交換比率が、０．２以上０．８以下となるように構成され、
   前記バイパス路において前記過冷却熱交換器に流入する冷媒の温度を検出する入口温度センサと、
   前記バイパス路において前記過冷却熱交換器から流出する冷媒の温度を検出する出口温度センサと、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記出口温度センサで検出される温度が前記入口温度センサで検出される温度と略等しくなるように前記バイパス膨張手段を制御する、冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、
   前記過冷却熱交換器と前記主膨張手段の間または前記凝縮器と前記過冷却熱交換器の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒回路につながるバイパス路と、
   前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、
   前記バイパス路において前記過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、前記バイパス膨張手段を制御する制御装置と、を備え、
   前記過冷却熱交換器は、前記バイパス路において当該過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記バイパス膨張手段の開度が調整されたとき、前記凝縮器における当該凝縮器に流入する冷媒と被加熱流体との間の熱交換量に対する前記過冷却熱交換器における前記バイパス膨張手段で減圧された冷媒と前記凝縮器から流出した冷媒との間の熱交換量の比率である熱交換比率が、０．２以上０．８以下となるように構成され、
   前記制御装置は、外気温度が低くなるほど前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御する、冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張手段および蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、
   前記過冷却熱交換器と前記主膨張手段の間または前記凝縮器と前記過冷却熱交換器の間で前記冷媒回路から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間で前記冷媒回路につながるバイパス路と、
   前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けられたバイパス膨張手段と、
   前記バイパス路において前記過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満になるように、前記バイパス膨張手段を制御する制御装置と、を備え、
   前記過冷却熱交換器は、前記バイパス路において当該過冷却熱交換器から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるように前記バイパス膨張手段の開度が調整されたとき、前記凝縮器における当該凝縮器に流入する冷媒と被加熱流体との間の熱交換量に対する前記過冷却熱交換器における前記バイパス膨張手段で減圧された冷媒と前記凝縮器から流出した冷媒との間の熱交換量の比率である熱交換比率が、０．２以上０．８以下となるように構成され、
   前記制御装置は、前記凝縮器での冷媒の凝縮温度が高くなるほど前記熱交換比率が大きくなるように前記バイパス膨張手段を制御する、冷凍サイクル装置。
4. 前記凝縮器は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行わせて被加熱流体を加熱する熱交換器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 加熱手段により生成した温水を暖房に利用する温水暖房装置であって、
   前記加熱手段として請求項４に記載の冷凍サイクル装置を備える、温水暖房装置。

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