JP5761857B2 - 二元冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、二元冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機やヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置には、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置がある。この二元冷凍サイクル装置は、単元冷凍サイクル装置に比べ、より高温の熱を供給できることが知られている。
二元冷凍サイクル装置の低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルは、それぞれ圧縮機や膨張装置を有し、高温側冷媒配管、低温側冷媒配管によりそれぞれ接続されている。そして、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルは、カスケード熱交換器によって熱交換可能に接続されている。
これにより、低温側冷凍サイクルによって汲み上げた熱を、高温側冷凍サイクルにより、さらに汲み上げて高温の熱として利用側機器に供給する。

特開２００２−３４６４０３号公報

上述した二元冷凍サイクル装置に用いられるカスケード熱交換器や利用側熱交換器及び熱源側熱交換器は、熱交換性能を確保するため体積や重量が大きいため、装置自体が大きくなり、設置面積も大きくなる傾向にある。さらに、一般的な二元冷凍サイクル装置は重量物であるカスケード熱交換器やその他の熱交換器を横並びに配置したものが知られている。
しかし、カスケード熱交換器やその他の熱交換器を横並びに配置する従来のものでは設置面積が大きく、狭い室内などへの設置が困難であった。

本実施形態に記載の二元冷凍サイクル装置は上記課題を解決するためになされたもので
あり、２つの圧縮機と、熱源側熱交換器と、カスケード熱交換器と、利用側熱交換器を有
する二元冷凍サイクル装置において、利用側熱交換器は、利用側流体が流動する利用側配管を介して熱利用側機器へ温熱を供給し、カスケード熱交換器は、高温側冷媒と低温側冷媒とが熱交換する。さらに、カスケード熱交換器と利用側熱交換器には、縦長方形状のプレート式熱交換器が用いられている。さらに、カスケード熱交換器と利用側熱交換器は、膨張装置を介して冷媒配管により接続されている。さらに、カスケード熱交換器は、支持台の上方に配置され、下方には記利用側熱交換器が支持台の脚部に囲まれるように配置されている。

第１の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の概略図。 第１の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の筐体内部図。 第２の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の筐体内部図。 第３の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の概略図。 第３の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の筐体内部図。 第３の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置のＰ−ｈ線図。 第４の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の概略図。 第４の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の筐体内部図。

図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の二元冷凍サイクル装置１００は、内部を低温側冷媒が流動する低温側冷凍サイクルａと、内部を高温側冷媒が流動する高温側冷凍サイクルｂを有している。低温側冷凍サイクルａと高温側冷凍サイクルｂは、低温側冷媒と高温側冷媒とを熱交換させるためのカスケード熱交換器５によって接続されている。

低温側冷凍サイクルａは、低温側圧縮機１ａと、低温側圧縮機１ａに接続された低温側四方弁２ａと、カスケード熱交換器５の低温側冷媒流路と、低温側膨張装置４ａと、外部熱源である室外空気と熱交換する熱源側熱交換器３が、低温側冷媒配管６ａにより順次接続されて構成されている。
熱源側熱交換器３には送風機１１が設けられており、室外空気との熱交換を促進させるようになっている。

高温側冷凍サイクルｂは、高温側圧縮機１ｂと、高温側圧縮機１ｂに接続された高温側四方弁２ｂと、カスケード熱交換器５の高温側冷媒流路と、高温側膨張装置４ｂと、利用側熱交換器７とが、順次高温側冷媒配管６ｂで接続されて構成されている。
利用側熱交換器７には、二元冷凍サイクル装置１００によって汲み上げられた熱を利用する熱利用機器へ、熱を供給するための利用側配管１８が接続されている。
利用側配管１８内には熱利用機器へ、水やブラインなどの利用側流体が封入され、汲み上げられた熱を供給するようになっている。
利用側配管１８内には送流ポンプ１０によって送流される利用側流体が流動している。

低温側冷凍サイクルａと高温側冷凍サイクルｂには、それぞれ特性の異なる冷媒が封入されている。
封入される冷媒の種類は二元冷凍サイクル装置１００の用途によって異なるが、例えば、利用側熱交換器７を水熱交換器とし９０℃近い高温の湯を生成するための高温ヒートポンプ給湯機である場合、低温側冷凍サイクルａに使用される低温側冷媒には、Ｒ４１０Ａのような―１５℃程度の低外気温においても良好な性能を有する冷媒が好ましく、高温側冷凍サイクルｂに用いられる高温側冷媒にはＲ１３４ａのような９５℃程度の高温において良好な熱交換性能を有する冷媒が好ましい。

二元冷凍サイクル装置１００には運転を制御するための電気部品箱２２が備えられている。電気部品箱２２には、運転制御手段である制御器２３が設けられている。制御器２３は、低温側圧縮機１ａ及び高温側圧縮機１ｂを駆動する図示しないインバータ回路の動作や、低温側膨張装置４ａ及び高温側膨張装置４ｂの開度や、低温側四方弁２ａ及び高温側四方弁２ｂの切替えを制御する。これらインバータ回路及び制御器２３によって、低温側冷凍サイクルａと高温側冷凍サイクルｂは最適な運転条件で運転される。

二元冷凍サイクル装置１００の運転時の冷媒の流れを図１に実線矢印で示す。
低温側冷凍サイクルａと高温側冷凍サイクルｂを運転すると、低温側冷凍サイクルａにおいて、低温側冷媒は、低温側圧縮機１ａから低温側四方弁２ａ、カスケード熱交換器５の低温側流路、低温側膨張装置４ａ及び熱源側熱交換器３を順次通過し、低温側四方弁２ａから低温側圧縮機１ａへと戻る。
同様に高温側冷凍サイクルｂにおいて、高温側圧縮機１ｂで圧縮された高温側冷媒が、高温側四方弁２ｂ、利用側熱交換器７、高温側膨張装置４ｂ及びカスケード熱交換器５の高温側流路を順次通過し、高温側四方弁２ｂから高温側圧縮機１ｂへと戻る。
このとき、低温側冷媒は熱源側熱交換器３で蒸発し、カスケード熱交換器５の低温側流路で凝縮する。また、高温側冷媒は、利用側熱交換器７において、利用側配管１８内を流動する水等の利用側流体に温熱を供給しつつ凝縮する。そして、カスケード熱交換器５の高温側流路において、高温側膨張装置４ｂによって減圧された液状の高温側冷媒は蒸発し、蒸発熱として低温側冷媒の凝縮熱を吸収する。

本実施形態の二元冷凍サイクル装置１００は、図示しないが、内部に低温側冷凍サイクルａ及び高温側冷凍サイクルｂを収容した筐体を有している。
筐体内部には、図２に示すように、支持台２０が備えられており、支持台２０の上方にカスケード熱交換器５が配置されており、下方には利用側熱交換器７が支持台２０の脚部に囲まれるようにして配置されている。

利用側熱交換器７には、縦長方形状のプレート式熱交換器が用いられており、側面から高温側冷媒配管６ｂを接続可能なように配置されている。
カスケード熱交換器５は縦長長方形状のプレート式熱交換器であり、側面に２対の接続口を有している。この２対の接続口の内、一方の対には低温側冷凍サイクルａの低温側冷媒配管６ａが接続されており、他方の対には高温側冷凍サイクルｂの高温側冷媒配管６ｂが接続されている。高温側冷凍サイクルｂの利用側熱交換器７と、カスケード熱交換器５を接続するための高温側膨張装置４ｂはパルスモータバルブであり、パルスモータ部分を上方とし、下方と側方の夫々に延出する配管部分を有する、略Ｌ字形状となっている。

高温側膨張装置４ｂの下方に延出する配管部分には、高温側冷媒配管６ｂにより利用側熱交換器７と接続されており、側方に延出する配管部分には、高温側冷媒配管６ｂによりカスケード熱交換器５が接続されている。高温側冷媒配管６ｂの、高温側膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５とを接続している部分は、曲げの無い直管状に形成された直管状部分９となっている。
このように、高温側膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５が曲げの無い直管状部分９を介して接続されることにより、高温側膨張装置４ｂから吐出し撹拌された状態の気液二相冷媒が、配管の曲げに基因する遠心力等の影響を受けることなく、冷媒配管内を良好な気液分布状態で流動することができる。さらに、直管状部分９の長さは、重力の影響により内部を流動する冷媒の気相と液相が偏った状態とならないように、最適な長さに設定されるのが好ましい。

プレート式熱交換器であるカスケード熱交換器５は縦長の略長方形状であり、利用側熱交換器７の上方に縦長に配置することで、筐体の設置面積を低減でき、スペース効率の向上を図ることができる。
また、内部で２種類の冷媒が気液状態変化しつつ熱交換を行なうカスケード熱交換器に比べ、常時液体である利用側流体が流動する利用側熱交換器７は重量が重い。
利用側熱交換器７に接続される利用側配管１８も、内部に利用側流体が流動するため重く、利用側熱交換器７が筐体の下方に配置されることで、装置全体の安定性とメンテナンス性が向上する。

上述のように、設置面積の大きなカスケード熱交換器５と利用側熱交換器７を縦に配置することで、装置全体の据付面積を抑えることができ、狭い室内等にも設置することができる。
さらに、カスケード熱交換器５内には、高温側冷媒又は低温側冷媒のみ流動するのに対して、利用側熱交換器７には利用側の用途により、水や洗浄剤など、不特定の様々な流体が用いられる。このため、利用側熱交換器７内部には、汚れの沈着や腐食の発生が起こり、定期的なメンテナンスを必要とするが、本実施形態のように、利用側熱交換器７をカスケード熱交換器５の下方に配置することで、利用側熱交換器７の着脱や、メンテナンスの作業性が良好となる。
さらに、高温側膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５とを接続している高温側冷媒配管６ｂを、直管とすることで、高温側膨張装置４ｂからカスケード熱交換器５へ流動する冷媒の気相と液相が、良好な分流状態となる。これにより、カスケード熱交換器５内の高温側冷媒の蒸発温度と、低温側冷媒の凝縮温度の温度差が低減され、熱交換性能が良好となり二元冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）が向上する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図３を用いて説明する。尚、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本第２の実施形態では、高温側冷凍サイクルｂの高温側膨張装置４ｂは、受液器１１を介して利用側熱交換器７に接続されている。受液器１１は略円筒形状のタンクであり、内部に高温側冷媒が貯留されるようになっている。また、この受液器１１の高さは、支持台２０の高さと略同一か、又はそれよりも低く形成されており、受液器１１と高温側膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５を接続している高温側冷媒配管６ｂは、湾曲することなく直管で形成されている。
高温側冷凍サイクルｂの高温側冷媒の量が多く、受液器１１が必要な場合に、上述のように、高温側冷媒管６ｂの高温側膨張装置４ｂと利用側熱交換器７の間に接続することで、設置面積を大きく必要とせず、スペース効率が良い。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について、図４、図５、図６を用いて説明する。尚、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図４、図５に示すように、本第３の実施形態において、高温側冷凍サイクルｂの高温側膨張装置４ｂは、過冷却熱交換器１２を介して利用側熱交換器７に接続されている。
過冷却熱交換器１２は、縦長円筒状に形成されており、内部に一次側流路１２ａと二次側流路１２ｂを有している。過冷却熱交換器１２の上端と下端には、高温側冷媒配管６ｂが接続されており、利用側熱交換器７と一次側流路１２ａと高温側膨張装置４ｂとが連通するように接続されている。
また、過冷却熱交換器１２と高温側膨張装置４ｂが接続されている高温側冷媒配管６ｂの中途部から分岐した管には、膨張弁１６が接続されている。この膨張弁１６は、過冷却熱交換器１２の上方側面に接続され、二次側流路１２ｂと連通している。さらに、過冷却熱交換器１２の下方側面からは、二次側流路１２ｂと高温側圧縮機１ｂの圧縮機構部に接続されるためのインジェクション回路１７が接続されている。
一次側流路１２ａから吐出された液状の高温側冷媒は、膨張弁１６により減圧され気液二相冷媒となり、二次側流路１２ｂに流動する。そして、一次側流路１２ａ内を流動する冷媒を冷却し、インジェクション回路１７から高温側圧縮機１ｂの圧縮機構部へと流動する。

図６に第３の実施形態の二元冷凍サイクル装置１００のP−ｈ線図を示す。
ｌは高温側圧縮機１ｂの吸込み部、ｍは高温側凝縮器である利用側熱交換器７の高温側冷媒流路の入口部、ｃは利用側熱交換器７の高温側冷媒流路の出口部（インジェクション回路１７の入口部）、ｄは過冷却熱交換器１２の一次側流路１２ａの出口部、ｅはカスケード熱交換器５の高温側流路の入口部、ｆは過冷却熱交換器１２の二次側流路１２ｂの入口部、ｇは上記過冷却熱交換器１２の二次側流路１２ｂで蒸発した中間圧の冷媒が注入される高温側圧縮機１ｂの圧縮行程中の中間圧の圧縮室の冷媒の状態を表している。

また、ｈは低温側圧縮機３の入口部、ｉはカスケード熱交換器５の低温側流路の入口部、ｊはカスケード熱交換器５の低温側流路５ｂの出口部、ｋは低温側蒸発器８の入口部の冷媒の状態を表している。

図６から明らかなように、過冷却熱交換器１２の一次側流路１２ａの冷媒は、二次側流路１２ｂの冷媒の蒸発潜熱（図２のΔｈ´）によって冷却され（図２のΔｈ）、過冷却度が増加する。また、インジェクション回路１７に冷媒が分流される分だけ、高温側膨張装置４ｂに流れる液冷媒の量が減少して液冷媒の流速が低下して圧力損失が減少する。そのため、高温側膨張装置４ｂの入口部に流入する液冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができる。したがって、高温側膨張装置４ｂの制御性が低下したり、高温側膨張装置４ｂを大型化する必要がない。

さらに、二次側流路１２ｂに分流される分だけ、カスケード熱交換器５へ流動する冷媒量が減少し、且つ、冷媒の乾き度が低下するため、カスケード熱交換器５の高温側冷凍サイクルｂ側流路内での二相冷媒の分流がさらに改善され高温側冷媒の蒸発温度と、低温側冷媒の凝縮温度の差が低減し、二元冷凍サイクル装置１００の成績係数（ＣＯＰ）がさらに向上する。
また、高温側圧縮機１ｂが吸込み圧力からインジェクション回路１７を介して供給される冷媒の圧力になるまで圧縮する冷媒量が減少するため、高温側圧縮機１ｂの仕事量が減少する。
なお、インジェクション回路１７を介して高温側圧縮機１ｂの圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される冷媒により、高温側圧縮機１ｂから吐出される冷媒の温度が若干低下するが、圧縮室に注入される冷媒の過熱度を制御することにより、抑制することができる。また、高温側圧縮機１ｂから吐出される冷媒量は減少しない。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について、図７、図８を用いて説明する。尚、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本第４の実施形態では、高温側冷凍サイクルｂの高温側膨張装置４ｂは、液ガス熱交換器１３を介して利用側熱交換器７に接続されている。

ここで、高温側冷媒配管６ｂの、圧縮機１ｂと利用側熱交換器７と膨張装置４ｂを接続している区間を高圧側配管６ｂａとし、膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５と四方弁２ｂを接続している区間を低圧側配管６ｂｂとすると、高圧側配管６ｂａ内は、圧縮機１ｂの吐出圧力と同様の圧力となっており、低圧側配管６ｂｂ内は、膨張装置４ｂにより減圧された圧力となっている。液ガス熱交換器１３は、高圧側配管６ｂａの膨張装置４ｂと利用側熱交換器７の間の区間に接続された高圧側流路１３ａと、低圧側配管６ｂｂのカスケード熱交換器５と高温側四方弁２ｂの間の区間に接続された低圧側流路１３ｂを、熱交換可能に接合したものである。
ここで、低圧側配管６ｂｂの膨張装置４ｂとカスケード熱交換器５とを接続している部分は、第１の実施形態同様に直間状部分９となっている。
なお、図８に示すように、液ガス熱交換器１３の高圧側流路１３ａと低圧側流路１３ｂは、上下方向へ直立した配管を平行に接合されて形成されている。また、カスケード熱交換器５の下方側に高温側膨張装置４ｂが配置され、さらに高温側膨張装置４ｂの下方側に利用側熱交換器７が配置されているため、液ガス熱交換器１３は高温側膨張装置４ｂの下方で、高圧側流路１３ａが上方へ向かう流れで、低圧側流路１３ｂが下方へ向かう流れである対交流となるように接続されている。

このように配置することにより、余分に湾曲した高温側冷媒配管を用いることなく、より省スペース化を行いつつ、良好な分流状態としより効果的な熱交換を行なうことができる。
尚、上記実施形態では液ガス熱交換器１３は、２本の冷媒配管を平行に接合したものについて説明したが、上記実施形態に限らず、二重管熱交換器など、対向流となる種々の熱交換器を用いてよい。

なお、第１乃至第４の実施形態において低温側圧縮機及び、高温側圧縮機は夫々四方弁を介して冷媒配管に接続されているが、四方弁を介さずに冷媒配管に接続されても良い。
また、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

１ａ…低温側圧縮機、１ｂ…高温側圧縮機、２ａ…低温側四方弁、２ｂ…高温側四方弁、３…熱源側熱交換器、４ａ…低温側膨張装置、４ｂ…高温側膨張装置、５…カスケード熱交換器、６ａ…低温側冷媒配管、６ｂ…高温側冷媒配管、７…利用側熱交換器、９…直管状部分、１０…送流ポンプ、１１…受液器、１２…過冷却熱交換器、１３…液ガス熱交換器、１６…膨張弁、１７…インジェクション回路、１８…利用側配管、２０…支持台、２２…電気部品箱、２３…制御器、１００…二元冷凍サイクル装置、ａ…低温側冷凍サイクル、ｂ…高温側冷凍サイクル

Claims (5)

1. ２つの圧縮機と、熱源側熱交換器と、カスケード熱交換器と、利用側熱交換器を有する二元冷凍サイクル装置において、
   前記利用側熱交換器は、利用側流体が流動する利用側配管を介して熱利用側機器へ温熱を供給し、
   前記カスケード熱交換器は、高温側冷媒と低温側冷媒とが熱交換し、
   前記カスケード熱交換器と前記利用側熱交換器には、縦長方形状のプレート式熱交換器が用いられており、
   前記カスケード熱交換器と前記利用側熱交換器は、膨張装置を介して冷媒配管により接続されており、前記カスケード熱交換器は、支持台の上方に配置され、下方には前記利用側熱交換器が前記支持台の脚部に囲まれるように配置されることを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張装置と前記カスケード熱交換器を接続している冷媒配管が直管であることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
3. 前記利用側熱交換器と前記膨張装置は、受液器を介して、冷媒配管により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
4. 前記利用側熱交換器と前記膨張装置は、過冷却熱交換器を介して、冷媒配管により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
5. 前記利用側熱交換器と前記膨張装置は、液ガス熱交換器を介して、冷媒配管により接続されていることを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。

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