JPH01102255A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、冷媒熱交換器を有し、かつ非共沸混合冷媒（
以下、単に混合冷媒という。）を用いたヒートポンプ（
本明細書では、冷凍装置も含む。）に関するものである
。

（従来の技術） 従来、冷媒熱交換器を有し、混合冷媒を用いたヒートポ
ンプとして第５図に示すものが公知である（特開昭８２
−１９８５４号、特開昭８２−１９６５（１号、特開昭
６２−１９６５１号公報）。

このヒートポンプは圧縮機１と凝縮器２と膨張弁３と蒸
発器４と、凝縮器２を出て膨張弁３の手前の冷媒と蒸発
器４を出て圧縮機ｌの手前の冷媒とを熱交換させる冷媒
熱交換器５とを含むクローズドループからなっている。

そして、このヒートポンプは冷媒熱交換器５により、蒸
発器４の出口における冷媒を適切な湿りガス状態にして
、冷媒の蒸発により凝縮器２の出口の高圧液冷媒を過冷
却するようにしてあり、蒸発器４内での冷媒の過熱から
生ずる熱交換ロスによる成績係数ｃｏｐ（−蒸発能力／
動力）の低下を防止するとともに、圧縮機１には適当に
過熱ガス状態の冷媒を供給して圧縮機ｌでの液圧縮を防
止するようにしたものである。

（発明が解決しようとする問題点） 混合冷媒を用いたヒートポンプサイクルでは、圧縮機１
の吸込状態、即ち冷媒熱交換器５の出口状態の過熱度を
小さく、飽和温度に近づけることがシステム効率を高め
るうえで非常に重要である。

そこで、第２図に示すＴ−８線図により上記ヒートポン
プにおける各種状態の変化について説明する。

なお、周知のように第２図中曲線部分Ａは飽和液線で、
これに対して連続的に続く曲線部分Ｂは飽和蒸気線であ
る。

第５図に示すように、装置各部をａ、ｂ、・・・ｈの記
号を付して区別し、このうち、５部を凝縮器２内の凝縮
開始点、２部を蒸発冷媒が飽和蒸気となる点とすると、
例えば圧縮機１側の冷媒熱交換器５の出口で飽和蒸気の
状態になる場合の状態変化は、実線■で示すようになる
。但し、第２図のａ、ｂ、・・・。

ｈは第５図中の同符号の部分が対応し、この場合には８
点とｈ点とは重なる。したがって、点ｅから点ｇまでの
間における熱交換により冷媒は全て潜熱として熱量を被
冷却体から吸収する。

これに対して、冷媒熱交換器５内で冷媒ガスが過熱状態
になると（２部が冷媒熱交換器５内にある場合）、第５
図中のｄ、　ｅ、　ｆ、　ｇ、　ｈの各部の状態は、こ
の場合の状態変化を示す破線■上のｄ’、ｅ’。

ｒ’　、ｇ’　、ｈ’の各点に移行する。即ち、冷媒熱
交換器５内で冷媒ガスが過熱状態となり、２部から冷媒
熱交換器５を出るまでの間の熱交換により冷媒ガスは顕
然（冷媒ガスを１　’Ｃ上げるのに要する熱量は潜熱に
比して非常に小さい。）として熱量を蒸発器４に向う液
側の冷媒液から吸収して、冷媒ガスが冷媒熱交換器５の
出口に向かって急速に温度上昇するため、即ち、膨張弁
３に向かう冷媒との間の温度差が小さくなり、冷媒熱交
換器５での熱交換量が減少し、蒸発圧力の低下からＣＯ
Ｐの若干の低下が生じる。

さらに、冷媒ガスの過熱が大きくなって、蒸発器４内で
冷媒が飽和蒸気の状態になると、上記各部は、この場合
の状態変化を示す破線■上のｄ”。

ｅ”、ｆ”１ｇ”、ｈ”の各点に移行し、蒸発器４の出
口部分での冷媒ガスの温度の上昇により被冷却体流体の
温度と接近し、蒸発圧力の大巾な低下が生ずるため混合
冷媒を使った場合における蒸発器４内での小温度対向流
熱交換が出来なくなり、ｃｏｐは急激に低下するという
問題が生じる。

（問題点を解決するための手段） 上述した問題が生じるのを防ぐために、本発明は、圧縮
機と凝縮器と膨張弁と蒸発器と、凝縮器を出て膨張弁の
手前の冷媒と蒸発器を出て圧縮機の手前の冷媒とを熱交
換させる冷媒熱交換器とを含むクローズドループからな
るヒートポンプにおいて、冷媒熱交換器と凝縮器及び膨
張弁との間の液側の冷媒の温度を検出する第１．第２温
度検出器と冷媒熱交換器と蒸発器及び圧縮機との間の蒸
発側の冷媒の温度を検出する第３．第４温度検出器と、
上記第１．第２温度検出器による検出温度の差と第３．
第４温度検出器による検出温度の差との比が設定範囲内
になるように上記膨張弁の開度を調節する制御手段とを
設けて形成した。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図は、本発明に係るヒートポンプを示し、冷媒、正
確には混合冷媒が、循環するクローズドループの構成自
体は第５図に示すヒートポンプと実質的に同一であり、
互いに共通する部分には同一番号を付して説明を省略す
る。

本ヒートポンプでは、さらに冷媒熱交換器５と凝縮器２
および膨張弁３との間に、各々の間の冷媒温度ｔｃ、　
ｔｄを検出する第１．第２温度検出器６゜７と、冷媒熱
交換器５と蒸発器４および圧縮機１との間に、各々の間
の冷媒温度ｔｆ、　ｔｈを検出する第３．第４温度検出
器８，９と、上記各温度検出器からの温度信号に基づい
て膨張弁３の開度を制御する制御手段１０とを設けて形
成しである。

そして、第１．第２温度検出器６．７による検出温度の
差（ｔＣ−ｔｄ）と、第３．第４温度検出器８゜９によ
る検出温度の差Ｑｈ−ｔＤの比（ｔｃ−ｔｄ）／Ｑｈ−
ｔｒ）を設定範囲内になるように、即ち、蒸発器４内で
過熱が生じない範囲内になるように膨張弁３の開度を調
節するようにしである。具体的には、この比が設定範囲
より小さい場合には膨張弁３を開き、逆の場合には膨張
弁３を絞るようになっている。

混合冷媒を用いた場合における、冷媒熱交換器５の出口
の過熱度に対する上記温度差の比（ｔｃ−ｔｄ）／（ｔ
ｈ−ｔｆ）の変化例を第３図に示す。第３図において、
過熱度がマイナスの部分は湿りガス状態を示し、湿りガ
ス状態の（ｔｃ−ｔｄ）／Ｑｈ−ｔｆ）の過熱度に対す
る変化が小さく、過熱ガス状態の（ｔｃ−ｔｄ）／Ｑｈ
−ｔｆ）の過熱度に対する変化が大きく、本発明はこの
特性を利用したものである。

次に、この温度差の比（ｔｃ−ｔｄ）／Ｑｈ−ｔｆ）に
ついて詳説する。

上記第１図、第２図におけるＣからｄへの変化は冷媒液
の顕熱変化、ｆからｇへの変化は冷媒液の蒸発による潜
熱変化、ｇからｈへの変化は冷媒ガスの顕然変化である
。

ここで、冷媒液の比熱をＣ１い冷媒ガスの比熱をＣ１Ｖ
とし、また冷媒液の蒸発時の熱量を上記温度差（ｔｈ−
ｔｆ）で除したものを潜熱変化時の平均比熱ＣＰＬＹと
して与えると、冷媒の種類により多少の変動はあるが、 ＣＰＬＹ／　Ｃｐｔ、　”−１０ ＣＰＬ／　ＣＰＶ　弁１　、５ となる。

したがって、点りの部分の状態が飽和ガスの場合（ｇ＝
ｈの場合）は、（ｔｃ−ｔｄ）／（ｔｈ−ｔｆ）−Ｃｐ
Ｌｙ／　ＣＰＬ”　１０となり、即ち略一定となる。

一方、点りの部分の状態が過熱蒸気になると、温度差（
ｔｈ−ｔｆ）は急激に増大するが、温度差（ｔｈ−ｔｆ
）の大半が比熱の小さい過熱ガス領域（点ｇから先の点
り側部分）で生じているので、温度差（ｔｃ−ｔｄ）の
変化中は小さい。このため、温度差の比（ｔｃ　−ｔｄ
）／　（ｔｈ　−ｔｆ）は過熱状態になると急激に低下
する。ところで、点りの状態が湿りガス状態になると、
上記の比は冷媒の２相域の温度−エンタルビーの特性に
依存するとともに、−船釣に冷媒液の比熱の温度に対す
る変化巾よりも、２相域で温度−エンタルピー関係の変
化巾の方が大きいので、第３図に示すように湿り領域で
も上記の比に若干の変化が生じている。

したがって、点り部分における低過熱状態にて、比（ｔ
ｃ−ｔｄ）／Ｑｈ−ｔｆ）に、大きな変化が生じること
から、この比の変動をかなり広い範囲で許容しても、点
り部分の状態を低過熱度に保つことが出来、上述のよう
にこの範囲内に入るように制御手段１０により膨張弁３
の開度を制御させている。

そして、冷媒熱交換器出口ガスの過熱による蒸発圧力の
低下を防止して、混合冷媒を用いた蒸発器４内での小温
度差対向流熱交換を効率よく行い、ＣＯＰを向上させる
ようにしである。

なお、本発明は上記実施例に限るものでなく、第４図に
示すように、−点鎖線枠内に示すエコノマイザ１１を設
けたものであってもよく、同図中、その他の符号は第１
図のものと共通である。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、冷媒
熱交換器と凝縮器及び膨張弁との間の液側の冷媒の温度
を検出する第１．第２温度検出器と冷媒熱交換器と蒸発
器及び圧縮機との間の蒸発側の冷媒の温度を検出する第
３．第４温度検出器と、上記第１．第２温度検出器によ
る検出温度の差と第３．第４温度検出器による検出温度
の差との比が設定範囲内になるように上記膨張弁の開度
を調節する制御手段とを設けて形成しである。

このため、混合冷媒を用いたヒートポンプにおいて、蒸
発器内で過熱を生ずることなく、小温度差対向流熱交換
を行わせて、良好なＣＯＰを維持することが可能になる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るヒートポンプの冷媒
および制御系統図、第２図は混合冷媒を用いた場合のヒ
ートポンプサイクルを示すＴ−Ｓ線図、第３図は冷媒熱
交換器出口の過熱度と温度差の比（ｔｃ−ｔｄ）／Ｑｈ
−ｔｆ）との関係を示す図、第４図は本発明の第２実施
例に係るヒートポンプの冷媒および制御系統図、第５図
は従来のヒートポンプの冷媒系統図である。 ■・・・圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・膨張弁、４
・・・蒸発器、５・・・冷媒熱交換器、６．７・・・第
１．第２温度検出器、８・・・制御手段。 特許出願人　スーパーヒートポンプ・エネルギー集積シ
ステム技術研究組合 代　理　人　弁理士　青白　葆　ほか２名ト　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 第４図 第５図 臨ｌぜ□

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器と、凝縮器を
   出て膨張弁の手前の冷媒と蒸発器を出て圧縮機の手前の
   冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器とを含むクローズド
   ループからなるヒートポンプにおいて、冷媒熱交換器と
   凝縮器及び膨張弁との間の液側の冷媒の温度を検出する
   第１，第２温度検出器と冷媒熱交換器と蒸発器及び圧縮
   機との間の蒸発側の冷媒の温度を検出する第３，第４温
   度検出器と、上記第１，第２温度検出器による検出温度
   の差と第３，第４温度検出器による検出温度の差との比
   が設定範囲内になるように上記膨張弁の開度を調節する
   制御手段とを設けたことを特徴とするヒートポンプ。