JP6978242B2 - 冷媒回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷水、温水を生成する冷媒回路装置に関する。

冷凍サイクルの凝縮熱と蒸発熱を利用し、冷水と温水を同時に取り出す装置が提案されている。例えば、特許文献１には、冷水と温水を同時に発生させるために、圧縮機、温水用及び冷水用それぞれのプレート式熱交換器、膨張弁を接続して冷媒回路を構成することが開示されている。圧縮機の冷媒戻り配管に、該圧縮機の吸入圧力を調整する調整弁を設けることにより圧縮機の過負荷を防止し、高温の温水を得るものである。

特開２００３−１７６９６３号公報

上述した特許文献１では、吸入圧力調整弁により圧縮機に戻る冷媒を絞り、冷凍サイクルの冷媒循環量を制限するので、冷却能力や加温能力が低減し、温水の温度を高めることができてもその熱量（温水量）を得ることが難しいという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷媒の熱効率を向上させ、より高い温度の温水で且つ十分な水量を供給することが可能な冷媒回路装置を提供することにある。

温水と冷水を同時に得る冷媒回路装置であって、冷媒を圧縮する圧縮機（１）と、前記圧縮機で圧縮された冷媒と水で熱交換して温水とする温水用凝縮器（２）と、第１の流路及び第２の流路を有する気液熱交換器（３）と、冷媒を過冷却する過冷却熱交換器（４）と、冷媒を減圧する膨張弁（５）と、前記膨張弁で減圧された冷媒と水で熱交換して冷水とする冷水用蒸発器（６）と、前記過冷却熱交換器を通過する冷媒を空冷する送風機と、を有し、前記圧縮機から吐出した冷媒は、前記温水用凝縮器に供給され、前記温水用凝縮器を通過した冷媒は、前記気液熱交換器の前記第１の流路に供給され、前記第１の流路を通過した冷媒は、前記過冷却熱交換器に供給され、前記過冷却熱交換器を通過した冷媒は、前記膨張弁に供給され、前記冷水用蒸発器を通過した冷媒は、前記第２の流路に導入されて前記第１の流路を通過する冷媒と熱交換され、その後、前記圧縮機に導入され、前記冷媒は、前記温水用凝縮器を通過する間に、ガス冷媒から気液混合冷媒に変化し、次に、前記第１の流路を通過する間に、前記気液混合冷媒から液冷媒に変化し、さらに、前記過冷却熱交換器を通過する間に、前記液冷媒の過冷却度が増し、前記送風機の送風量により前記過冷却熱交換器の過冷却度を制御することを特徴とする。

本願発明は、冷媒回路の高圧側に温水用凝縮器、気液熱交換器、及び過冷却熱交換器を直列に配置したので、温水用凝縮器で、高温のガス冷媒の顕熱エネルギーと凝縮する潜熱エネルギーを利用することができ、より高温の温水で且つ十分な水量を得ることが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る冷媒回路の構成を示すフロー図である。 図２は、本実施形態の冷媒回路のｐ−ｈ線図である。 図３は、エンタルピーと温度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
［本実施形態の構成説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る冷媒回路装置の構成を示す説明図である。図１に示すように、本実施形態に係る冷媒回路装置は、圧縮機１と、温水用凝縮器２と、気液熱交換器３と、過冷却熱交換器４と、膨張弁５と、冷水用蒸発器６と、アキュムレータ７と、過冷却熱交換器４を空冷するファン８（送風機）と、温度センサ９と、圧力センサ１０と、コントローラ１１を備えている。

圧縮機１は、冷媒ガスを圧縮し、圧縮した冷媒ガスを吐出し、配管Ｌ１を経由して温水用凝縮器２の冷媒側流路２ａに供給する。冷媒は、圧力が高くなるとそれに伴って温度も高くなる。そのため、圧縮後の冷媒ガスは高温、高圧の状態となって出力される。

温水用凝縮器２は、一例としてプレート式熱交換器である。温水用凝縮器２の冷媒側流路２ａには、圧縮機１より吐出された高温、高圧の冷媒ガスが供給される。水側流路２ｂには、水配管２１、２２を経由して水が図示しないポンプにより供給される。冷媒ガスと水との間で熱交換し、温水を得る。冷媒ガスは、温度が低下し凝縮を始め気液混合状態となり、配管Ｌ２経由して気液熱交換器３に供給される。温水用凝縮器２の冷媒側流路２ａと水側流路２ｂは、流体の流れる方向が逆向きとなっている。

気液熱交換器３は、一例として、二重管式の熱交換器であり、内管３ａ（第１の流路）と、外管３ｂ（第２の流路）からなる二重管構造を成している。内管３ａに高圧側冷媒配管（Ｌ２）を接続し、温水用凝縮器２より出力される高圧の冷媒（気液混合冷媒）を供給する。外管３ｂに低圧側冷媒配管（Ｌ５）を接続する。後述する冷水用蒸発器６より出力される低圧のガス冷媒を供給する。

内管３ａ、外管３ｂを流れる各冷媒どうしで熱交換を行うことにより、配管Ｌ２から供給される気液混合冷媒を液状態にして配管Ｌ３に出力する。配管Ｌ５から供給される低温のガス冷媒を昇温する。配管Ｌ３は、過冷却熱交換器４に接続されている。

過冷却熱交換器４は、一例として、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、ファン８（送風機）を備えている。ファン８を駆動させて外気と冷媒との間で熱交換を行い、送風量を制御して液冷媒の過冷却度を制御する。過冷却熱交換器４の出力は、配管Ｌ４を経由して膨張弁５に接続されている。

ファン８は、外気流を起こすファンであり、コントローラ１１の制御により回転数を変更して液冷媒の過冷却度を制御する。詳細には、配管Ｌ１に設置された圧力センサ１０で検出された圧力データに基づき、圧縮機１より出力される冷媒の圧力が既定値以上となった場合に、ファン８の回転数を上昇させて風量を増加させ、熱交換量を増加させる。その結果、過冷却度が増加する。換言すれば、圧力が高ければ回転数を上げ、低いと下げる制御を行う。具体的な制御方法としては、段階的なステップ制御やＰＩＤ制御を用いることができる。

膨張弁５は、冷媒の圧力を減圧させ、冷媒を膨張させる。一例として過熱度を制御する電子式膨張弁を用いる。膨張弁５は、コントローラ１１に接続されており、冷水用蒸発器６の出口に設けた温度センサ９で検出されるガス冷媒の過熱度が既定値となるように、弁開度を制御する。

冷水用蒸発器６は、一例としてプレート式熱交換器である。冷水用蒸発器６の冷媒側流路６ａには、膨張弁５より出力される低温の気液混合冷媒が供給される。水側流路６ｂには、水配管２３、２４を経由して水が図示しないポンプにより供給される。低温のガス冷媒と水との間で熱交換し、冷水を得る。冷水用蒸発器６の冷媒側流路６ａと、水側流路６ｂは、流体の流れる方向が逆向きとなっている。

低温の気液混合冷媒は、蒸発しガス状態となり、配管Ｌ５を経由して気液熱交換器３の外管３ｂに供給される。上述したように、気液熱交換器３の内管３ａには、高温の冷媒が供給されるので、両者の間で熱交換が行われる。即ち、気液熱交換器３の外管３ｂに供給されたガス冷媒は、温度が上昇し、配管Ｌ６を経由してアキュムレータ７に供給される。

アキュムレータ７は、液冷媒が導入された場合に、これをガス冷媒とし、配管Ｌ７を経由して圧縮機１へ供給する。なお、本実施形態では、アキュムレータ７を設ける構成としているが、必ずしも設ける必要はない。

温度センサ９は、冷水用蒸発器６の出口直後の配管Ｌ５に設置されており、冷水用蒸発器６より出力されるガス冷媒の温度を検出する。検出した温度データをコントローラ１１に出力する。コントローラ１１は、温度センサ９で検出される温度より冷水用蒸発器６の出口の冷媒の過熱度が規定値となるように、膨張弁５の開度を制御する。即ち、過熱度が高い場合には弁開度を大きくし、過熱度が低い場合には弁開度を小さくする。

圧力センサ１０は、圧縮機１の出口直後の配管Ｌ１に設置されており、圧縮機１より出力されるガス冷媒の圧力を検出する。検出した圧力データをコントローラ１１に出力する。コントローラ１１は、ガス冷媒の圧力に基づいて、ファン８の回転数を制御する。即ち、圧力が高い場合には回転数を上昇し、圧力が低い場合には回転数を低下させる。

［作用の説明］
次に、上記のように構成された本実施形態に係る冷媒回路の作用について説明する。圧縮機１にて圧縮された高温、高圧のガス冷媒は、温水用凝縮器２の冷媒側流路２ａに供給される。一方、水側流路２ｂには、水配管２１を経由して水が供給される。ガス冷媒と水との間で熱交換が行われ、水の温度が上昇して温水となり水配管２２より外部に出力される。即ち、温水を得ることができる。この際、後述するように、従来と比較して高温の温水を得ることができる。

一方、冷媒側流路２ａを流れる冷媒は、熱交換により顕熱エネルギーを放出し温度が低下する。更に、凝縮温度まで低下すると冷媒の凝縮(液化)が始まる。冷媒側流路２ａの出口付近では潜熱エネルギーを放出し、冷媒の大半が凝縮する。即ち、温水用凝縮器２の冷媒側流路２ａより出力される冷媒は、気液混合状態となっている。

次いで、気液混合状態となった冷媒は、気液熱交換器３の内管３ａに導入され、外管３ｂを流れる冷媒との間で熱交換される。このため、内管３ａを流れる冷媒はさらに潜熱エネルギーを奪われ、出口付近では全て液冷媒となる。

気液熱交換器３の内管３ａより出力される液冷媒は、配管Ｌ３を経由して過冷却熱交換器４に導入される。過冷却熱交換器４では、ファン８により供給される空気により液冷媒が冷却され、液冷媒の顕熱エネルギーが奪われ冷媒の温度が低下する。即ち、過冷却度が増加する。

その後、過冷却度が増加した液冷媒は膨張弁５に導入され、膨張弁５を適切な開度で通過することにより、液冷媒が減圧されるので、低温低圧の気液混合の冷媒となる。

その後、低温低圧で気液混合の冷媒は、冷水用蒸発器６の冷媒側流路６ａに導入される。水側流路６ｂに導入される水と熱交換され、冷媒は蒸発し気化する。水側流路６ｂを流れる水は冷却され、冷水となって出力される。即ち、冷水を得ることができる。

また、上述したように、コントローラ１１は、温度センサ９で検出される過熱度に基づき、冷媒の過熱度が規定値となるように、膨張弁５の開度を制御する。

冷水用蒸発器６より出力されるガス冷媒は、気液熱交換器３の外管３ｂに導入されて、内管３ａを流れる気液混合状態の冷媒との間で熱交換される。外管３ｂを流れるガス冷媒は温度が上昇し、更に、過熱度が増し、過熱度の高いガス冷媒として気液熱交換器３より出力される。その後、ガス冷媒は、アキュムレータ７を経由して圧縮機１の吸込管より導入され、再度圧縮され循環する。

［冷媒の熱吸収、熱放出についての説明］
図２は、横軸をエンタルピー、縦軸を圧力としたｐ−ｈ線図である。図２に示す曲線３１は飽和液線、曲線３２は飽和蒸気線である。以下、図１に示した冷媒回路と、図２に示したｐ−ｈ線図を対応させて、冷媒の流れを説明する。

図２に示す点ｐ１にて、ガス冷媒を圧縮機１にて圧縮すると、断熱圧縮により圧力、温度が上昇して点ｐ２に達する。即ち、符号Ｑ３は圧縮機１によるエンタルピーの変化量（増加）を示している。点ｐ２に達したガス冷媒を温水用凝縮器２を通過させることにより、ガス冷媒は冷却される。ガス冷媒は冷却されると、ガス冷媒の顕熱エネルギー（Ｉ）を放出する。

その後、点ｐ３に達すると冷媒が凝縮(液化)を始め、潜熱エネルギー（II）を放出する。点ｐ４に達すると、気液混合の冷媒は温水用凝縮器２から出力され、気液熱交換器３の内管３ａ（第１の流路）に導入される。気液熱交換器３の内管を通過する冷媒の潜熱エネルギーが外管３ｂを流れる冷媒に放出される。内管３ａを通過する冷媒が全て液化して液冷媒になると、液冷媒の顕熱エネルギー（III）を放出する。

そして、点ｐ５に達すると、液冷媒は過冷却熱交換器４に供給され、ファン８により冷却され、過冷却となって点ｐ６に達する。即ち、図２に示すＰ１は温水用凝縮器２によるエンタルピーの変化量（減少）を示し、Ｐ２は気液熱交換器３によるエンタルピーの変化量（減少）を示し、Ｐ３は過冷却熱交換器４によるエンタルピーの変化量（減少）を示している。

膨張弁５を通過すると、冷媒の圧力が低下し、点ｐ７にて気化し気液混合冷媒となる。更に、冷水用蒸発器６を通過することにより、冷媒は蒸発して潜熱エネルギーを奪う。このとき、冷水用蒸発器６にて冷水が得られる。冷水用蒸発器６を通過したガス冷媒は、点ｐ８にて気液熱交換器の外管３ｂ（第２の流路）に導入されるので、より過熱度が増し、その後点ｐ１に達する。即ち、符号Ｑ１は冷水用蒸発器６によるエンタルピーの変化量（増加）を示し、符号Ｑ２は気液熱交換器３によるエンタルピーの変化量（増加）を示している。以後、上記の処理を繰り返す。

本実施形態では、温水用凝縮器２の後段に気液熱交換器３を設けており、該気液熱交換器３で、外管３ｂを流れるガス冷媒の温度を上昇させている。即ち、図２の点ｐ８〜ｐ１間の温度上昇が発生している。従って、圧縮機１より出力されるガス冷媒の温度を従来よりも上昇させることができる。気液熱交換器３を設けない場合には、点ｐ８から温度上昇することなく圧縮機１で圧縮されるので、点ｐ１１の状態で温水用凝縮器２に導入することになる。従って、温水用凝縮器２における熱交換の効率が低下し、高い温度の温水を得られない。これに対し、本実施形態では、温水用凝縮器２の後段に気液熱交換器３を設け、該気液熱交換器３により、圧縮機１に導入される冷媒温度を高めているので、圧縮機１より出力される冷媒ガス温度を、より高温にすることができる。

上述した、顕熱エネルギー（Ｉ）、潜熱エネルギー（II）、顕熱エネルギー（III）の３つエネルギーを図示すると、図３のようになる。温度で比較すると、(Ｉ)＞(II)＞(III)となり、エネルギー量で比較すると、(Ｉ)≧(II)且つ(Ｉ)＞(III)となる。

［効果の説明］
本実施形態では、冷媒回路の高圧側に、温水用凝縮器２、気液熱交換器３、過冷却熱交換器４を設け、この順で冷媒を通過させる。この構成により、温水用凝縮器２では、顕熱エネルギー（Ｉ）と潜熱エネルギー（II）が、温水を生成する熱エネルギーとして直接利用することができる。

ここで、従来のように、気液熱交換器３、及び過冷却熱交換器４を設けない冷媒回路では、温水を生成する熱交換器では、図３の「従来技術」に示すように、上記(Ｉ)〜（III）の全てのエネルギーを利用でき、効率がよいように思える。しかし、同じエネルギー量であっても、「本発明」と対比して温度帯が低く、高温の温水が取り出せない結果となる。即ち、本実施形態では、温水用凝縮器２、気液熱交換器３、過冷却熱交換器４の順に冷媒を通過させる構成としているので、図３の「本発明」に示す温度帯の熱を利用でき、より高温の温水を得ることが可能となる。
更に、特許文献１に記載の吸入圧力調整弁がないので、冷媒循環量が抑制されず、高温で十分な熱量を得ることができ、結果的に十分な水量を得ることが可能となる。

詳細を述べると、前述の従来技術では温水を生成する熱交換器の冷媒側流路の入口側に高温のガス冷媒を入れても、出口側では冷媒が全て液化する（ＩとII）。さらに冷媒が冷却され過冷却（III）となることにより冷媒の温度が下がるが、水側流路と対向する流路となっていると、温度の下がった冷媒とで熱交換するので、冷媒側と水側で大きな温度差が取れず、熱交換効率が悪くなり結果的に高温の温水を得ることが困難である。
一方、本発明では、気液熱交換器３と過冷却熱交換器４を温水用凝縮器２の後段に設けることにより、過冷却となる前の気液混合冷媒と水側流路２ｂに入った水とで熱交換する（ＩとII）ので、温度差が大きくなり、熱交換効率が良くなり結果的に高温の温水を得ることができる。

更に、気液熱交換器３において、内管３ａのほぼ凝縮された冷媒の熱エネルギー（(II)と(III)）を、圧縮機１の吸込冷媒に熱交換して冷媒の過熱度を上げることに利用するので、圧縮機１より出力されるガス冷媒の温度が上昇する。即ち、潜熱エネルギー(II)や顕熱エネルギー(III)を、顕熱エネルギー(Ｉ)に転換できる。結果的に高温の温水の取り出しが可能となる。例えば、６５℃の高温水を得ることができる。

また、気液熱交換器３の後段に、過冷却熱交換器４を配置し、液冷媒の過冷却度を増加させたので、冷水用蒸発器６での冷却能力を向上させることができる。

更に、温度センサ９を設置し、膨張弁５は、冷水用蒸発器６を出たガス冷媒の過熱度が既定値になるように膨張弁５の開度を制御するので、気液熱交換器３の外管３ｂに導入するガス冷媒の温度を安定的に上昇させることができる。このため、圧縮機１に導入する冷媒の過熱度を十分に取れる様になり、圧縮機１の出力温度を上昇させることが可能になる。

また、気液熱交換器３と過冷却熱交換器４により、冷媒の過冷却度を確保でき、温水用凝縮器２内で冷媒が全て凝縮(液化)することを抑制できる。

更に、温水用凝縮器２、及び冷水用蒸発器６では、冷媒が流れる向きと水が流れる向きが逆向きとなるので、熱交換の効率を向上させることが可能となる。

更に、過冷却熱交換器４により液冷媒の過冷却度が増すので、圧縮機１より出力されるガス冷媒の温度が高くても、冷媒を十分冷却して膨張弁５に供給することが可能になる。更に、過冷却度を増した分の顕熱エネルギーにより、冷水用蒸発器６の能力を上昇させることができる。更に、圧縮機１より出力される吐出ガス冷媒の圧力に基づいてファン８の回転数を制御し、過冷却を制御するので、吸込ガス冷媒の温度を下げることができ、圧縮機１より出力される吐出ガス冷媒の温度が異常に高まることを防止できる。

１ 圧縮機
２ 温水用凝縮器
２ａ 冷媒側流路
２ｂ 水側流路
３ 気液熱交換器
３ａ 内管
３ｂ 外管
４ 過冷却熱交換器
５ 膨張弁
６ 冷水用蒸発器
６ａ 冷媒側流路
６ｂ 水側流路
７ アキュムレータ
８ ファン
９ 温度センサ
１０ 圧力センサ
１１ コントローラ
２１、２２、２３、２４ 水配管

Claims (4)

1. 温水と冷水を同時に得る冷媒回路装置であって、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒と水で熱交換して温水とする温水用凝縮器と、
   第１の流路及び第２の流路を有する気液熱交換器と、
   冷媒を過冷却する過冷却熱交換器と、
   冷媒を減圧する膨張弁と、
   前記膨張弁で減圧された冷媒と水で熱交換して冷水とする冷水用蒸発器と、
   前記過冷却熱交換器を通過する冷媒を空冷する送風機と、
   を有し、
   前記圧縮機から吐出した冷媒は、前記温水用凝縮器に供給され、
   前記温水用凝縮器を通過した冷媒は、前記気液熱交換器の前記第１の流路に供給され、
   前記第１の流路を通過した冷媒は、前記過冷却熱交換器に供給され、
   前記過冷却熱交換器を通過した冷媒は、前記膨張弁に供給され、
   前記冷水用蒸発器を通過した冷媒は、前記第２の流路に導入されて前記第１の流路を通過する冷媒と熱交換され、その後、前記圧縮機に導入され、
   前記冷媒は、前記温水用凝縮器を通過する間に、ガス冷媒から気液混合冷媒に変化し、
   次に、前記第１の流路を通過する間に、前記気液混合冷媒から液冷媒に変化し、
   さらに、前記過冷却熱交換器を通過する間に、前記液冷媒の過冷却度が増し、
   前記送風機の送風量により前記過冷却熱交換器の過冷却度を制御すること
   を特徴とする冷媒回路装置。
2. 前記温水用凝縮器、及び前記冷水用蒸発器のうちの少なくとも一方は、前記冷媒の流れ方向と前記水の流れ方向が逆向きであること
   を特徴とする請求項１に記載の冷媒回路装置。
3. 前記冷水用蒸発器を通過した冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
   前記検出された冷媒の温度に基づいて、前記冷水用蒸発器を通過した冷媒の過熱度が所定値となるように、前記膨張弁の開度を制御すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の冷媒回路装置。
4. 前記圧縮機より出力される冷媒の圧力を検出する圧力センサを備え、
   前記検出された冷媒の圧力に基づいて、前記送風量を制御すること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷媒回路装置。

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