JPH0833254B2 - ヒ−トポンプシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は混合冷媒を用いたヒートポンプシステムに
関するものである。

（従来の技術） 冷房運転と暖房運転との切換可能なヒートポンプ式空
気調和機においては、通常、暖房性能が冷房性能よりも
劣るために、例えば冷房負荷に見合った容量の装置を据
付けて冷房運転する場合には電気ヒータによる補助加熱
が必要となり、また暖房負荷に見合った大きな容量の装
置で運転する場合には冷房能力が過剰になるという問題
がある。そこで暖房能力を冷房能力よりも大きくするよ
うな改良が種々試みられており、その具体例としては、
例えば特開昭57−198968号公報に記載されている混合冷
媒を用いた空気調和機を挙げることができる。第３図に
その冷媒回路図を示しており、同図において、31は圧縮
機であって、この圧縮機31に四路切換弁32を介して室内
熱交換器33と室外熱交換器34とが接続されると共に、両
熱交換器33、34は、第１減圧機構35、第１気液分離器3
6、第２減圧機構37が順次介設された液管38によって相
互に接続されて冷媒循環回路が構成されている。一方、
上記第１気液分離器36の上部にはバイパス配管39が接続
されている。このバイパス配管39には、室内熱交換器33
と四路切換弁32とを接続している第１ガス管40に沿わせ
て配設された熱交換器41と、第３減圧機構42、第２気液
分離器43、第４減圧機構44、開閉弁45とが順次介設され
ており、その端部は室内熱交換器33と第１減圧機構35と
の間の液管38に接続されている。さらに上記第１ガス管
40と熱交換可能に冷媒タンク46が設けられており、この
冷媒タンク46は上記第２気液分離器43の上部に接続され
ている。そして上記のような回路内には、R22とこのR22
よりも沸点の低いR13B1とを混合した非共沸混合冷媒を
充填している。

上記装置においては、圧縮機31から吐出される冷媒
を、図中実線矢印で示す方向に、室外熱交換器34側から
室内熱交換器33へと回流させることによって冷房運転が
行われる。このとき室外熱交換器34で凝縮した液冷媒
は、第２減圧機構37流通時に減圧されて気液混合相とな
り、第１気液分離器36において、R13B1の濃度の高いガ
ス冷媒と、R22濃度の高い液冷媒とに分離される。一
方、バイパス配管39における熱交換器41は、室内熱交換
器33で蒸発した低温冷媒が第１ガス管40流通することに
よって低温状態に維持され、このため上記第１気液分離
器36から上記バイパス配管39に流入するガス冷媒は、上
記熱交換器41において凝縮する。そして第３減圧機構42
で再度気液混合相となった後に、第２気液分離器43にお
いて、上記第１気液分離器36における組成よりもさらに
R13B1の濃度の高いガス冷媒と、R22濃度の高い液冷媒と
に分離される。このガス冷媒は、上記熱交換器41と同様
に低温に維持される冷媒タンク46に流入して凝縮し、液
冷媒として上記冷媒タンク46内に貯まることとなる。な
お上記第２気液分離器43における液冷媒は、第４減圧機
構44と開閉弁45とを通して室内熱交換器33の入口に導か
れる。以上の過程によってタンク46にはR13B1の濃度の
高い冷媒が貯まることとなり、この結果、冷媒循環回路
には充填組成よりもR22の濃度の高い冷媒が循環するこ
ととなる。

一方、図中破線矢印の方向に冷媒を循環させる暖房運
転時には、第１ガス管40を圧縮機31からの高温吐出ガス
冷媒が流通するために、上記熱交換器41及び冷媒タンク
46は高温に保持され、この結果、冷房運転時のような凝
縮を生じず、したがって冷媒循環回路には充填組成の冷
媒が循環することとなる。つまり冷媒循環回路を循環す
る冷媒中に、低沸点冷媒を混入させることによって能力
の増加を図ることが可能であり、そこで暖房時には低沸
点冷媒を適度に混入した充填組成での冷媒を循環させて
暖房能力の増加を図る一方、冷房時には循環冷媒中の低
沸点冷媒濃度を低下させ、これにより冷房能力の増加は
抑えて、暖房能力のみの増加を図るようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記従来装置においては、冷房時と暖房
時とで冷媒循環回路をそれぞれ循環する混合冷媒の組成
の差（以下、冷暖組成比と言う）をそれ程大きくするこ
とができないために、暖房能力と冷房能力との差を充分
満足し得る程には大きくできないと共に、構成が複雑に
なるという問題がある。つまり暖房時の循環冷媒の組成
は充填冷媒組成と同一であり、例えばこの充填冷媒組成
よりもさらに低沸点冷媒濃度の高い組成に変化させるこ
と等はできないために、上記冷暖組成比をそれ程大きく
することはできないのである。そして冷房時側で上記充
填冷媒組成から低沸点冷媒を減ずるために、気液分離
と、分離されたガス相の凝縮とを二段階に繰返す構成と
なされており、また上記気液分離と凝縮とをさらに繰返
す構成とすることによって、低沸点冷媒濃度をより小さ
くすることが可能ではあるものの、その繰返し回数に応
じて気液分離器や熱交換器、減圧機構等の数量が増大
し、このため構成が複雑になってしまうのである。

この発明は上記に鑑みなされたものであって、その目
的は、例えば空気調和機における上記冷暖組成比をより
大きくなし得ると共に、構成の簡素化が可能なヒートポ
ンプシステムを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） そこでこの発明のヒートポンプシステムは、圧縮機１
の吐出配管２と吸込配管３とを四路切換弁４に接続する
と共に、この四路切換弁４に、第１ガス管５、熱源側熱
交換器６、液管７、利用側熱交換器８、第２ガス管９を
順次接続して冷媒循環回路を構成し、さらに上記液管７
には第１減圧機構10、気液分離器11、第２減圧機構12を
順次介設する一方、上記第２ガス管９と熱交換可能に設
けた冷媒タンク13を第１接続管14で上記気液分離器11の
上部に接続すると共に、上記冷媒タンク13を、暖房運転
時に開動作する常閉の開閉弁15の介設された第２接続管
16で上記気液分離器11の下部に接続し、上記冷媒循環回
路を流れる冷媒を非共沸混合冷媒で構成している。

（作用） 上記のヒートポンプシステムを例えば空気調和機とし
て構成した装置を例に挙げて説明する。冷房運転を開閉
弁15を閉にして行うことによって、気液分離器11の上部
側に分離される低沸点冷媒濃度の高いガス冷媒は、低温
状態にある冷媒タンク13に第１接続管14を通して流入
し、ここで凝縮して液冷媒となって貯留される。したが
って冷媒循環回路には高沸点冷媒濃度の高い混合冷媒が
循環する。一方、暖房運転を開閉弁15を開にして行うこ
とによって、冷媒タンク13には高沸点冷媒濃度の高い冷
媒が残留し、このため冷媒循環回路には充填組成よりも
低沸点冷媒濃度の高い混合冷媒が循環する。つまり開閉
弁15を開にすることによって、気液分離器11の下部側に
分離される高沸点冷媒濃度の高い液冷媒が冷媒タンク13
に流入する。この冷媒タンク13は、暖房運転時には第２
ガス管９を圧縮機１からの高温吐出ガス冷媒が流通する
ことによって高温状態にあるために、上記冷媒タンク13
に流入する液冷媒は加熱されて一部が蒸発し、ガス冷媒
となって第１接続管14を通して気液分離器11の上部側に
戻ることとなる。すなわち気液分離器11から液冷媒が冷
媒タンク13に流入する一方、冷媒タンク13からは流入液
冷媒からガス化したガス冷媒が気液分離器11に戻るよう
な冷媒タンク13と気液分離器11との間の環流が生ずるの
である。そして冷媒タンク13でガス化する冷媒の組成
は、流入液冷媒よりも低沸点冷媒濃度の高い冷媒となる
ために、上記冷媒タンク13には、上記環流の進行と共に
高沸点冷媒濃度が漸時高くなる液冷媒が残留することと
なり、したがって冷媒循環回路には、充填組成に比べて
低沸点冷媒濃度の高い冷媒が循環することとなる。この
ように気液分離器11と冷媒タンク13とを各一基設ける簡
素な構成によって、冷媒循環回路を流れる冷媒の組成
が、充填組成に対して冷房運転時にはより高沸点冷媒濃
度が高く、また暖房運転時にはより低沸点冷媒濃度が高
い状態にそれぞれ変更されるので、より大きな冷暖組成
比を得ることが可能となる。

（実施例） 次にこの発明のヒートポンプシステムの具体的な実施
例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

第１図には、冷暖切換機能を有する空気調和機として
構成したこの発明の一実施例における装置の冷媒回路図
を示している。図において、１は圧縮機であって、この
圧縮機１の吐出配管２と吸込配管３とは四路切換弁４に
接続されている。そしてこの四路切換弁４の一方の接続
ポートに、第１ガス管５、熱源側熱交換器となる室外熱
交換器６、液管７、利用側熱交換器となる室内熱交換器
８、第２ガス管９を順次接続し、この第２ガス管９を上
記四路切換弁４の他方の接続ポートに接続して、冷媒循
環回路を構成している。さらに上記液管７には、室外熱
交換器６側から順次、第１減圧機構10、気液分離器11、
第２減圧機構12を介設している。また上記第２ガス管９
と熱交換可能な状態で冷媒タンク13を設けると共に、こ
の冷媒タンク13を、第１接続管14と、開閉弁15の介設さ
れた第２接続管16とによって、上記気液分離器11の上部
と下部とにそれぞれ接続している。そして上記のような
冷媒回路に、例えばR22と、このR22よりも沸点の低いR1
3B1とを混合した非共沸混合冷媒を充填している。なお
第２図には上記非共沸混合冷媒における温度−組成線図
を示している。

上記構成の空気調和機における作動状態について次に
説明する。まず冷房運転は、四路切換弁４を第１図中、
実線表示の切換位置に位置させると共に、開閉弁15を閉
弁して圧縮機１を起動する。圧縮機１から吐出される冷
媒は、図中実線矢印のように室外熱交換器６側から室内
熱交換器８へと回流して圧縮機１に返流され、この循環
によって冷媒は室外熱交換器６で屋外に熱を放出して凝
縮し、室内熱交換器８で室内より熱を吸収して蒸発して
室内の冷房が行われる。このとき室外熱交換器６で凝縮
した液冷媒は第１減圧機構10で減圧され、第２図のＡ点
で示すような気液混合相となる。そして気液分離器11に
おいて、Ｂ点のR22濃度の大きい液冷媒とR13B1濃度の大
きいＣ点のガス冷媒とに分離される。一方、冷媒タンク
13は、室内熱交換器８で蒸発して低温となって第２ガス
管９を流通する循環冷媒によって冷却されている。この
ため上記気液分離器11上部側のガス冷媒は、第１接続管
14を通して上記冷媒タンク13へと流入し、この冷媒タン
ク13内で凝縮し、液冷媒となって貯まっていく。つまり
上記冷媒タンク13内には、R13B1濃度の高い液冷媒がた
まり、この結果、冷凍サイクル内を循環する混合冷媒は
R22濃度の大きい状態となって冷房運転は行われること
となる。

次に暖房運転について説明する。暖房運転は四路切換
弁４を第１図中、破線で表示する切換位置に切換えると
共に、開閉弁15を開弁して圧縮機１を起動する。このと
き圧縮機１からの吐出ガス冷媒は、図中破線矢印で示す
ように、室内熱交換器８側から室外熱交換器６へと回流
する。そして室内熱交換器８で凝縮した液冷媒は、第２
減圧機構12で減圧され、前記冷房運転時と略同様に、気
液分離器11においてR22濃度の大きい液冷媒と、R13B1濃
度の大きいガス冷媒とに分離される。そしてこのとき上
記気液分離器11の下部側と冷媒タンク13とを接続してい
る第２接続管16における開閉弁15が開弁状態にあるため
に、上記気液分離器11の液冷媒の一部は上記冷媒タンク
13へも流入する。この冷媒タンク13は、圧縮機１からの
高温吐出ガス冷媒が流通する第２ガス管９によって高温
状態にあり、したがって上記冷媒タンク13に流入する液
冷媒は加熱されてその一部が蒸発する。そして上記冷媒
タンク13と気液分離器11の上部とを接続している第１接
続管14を通して上記冷媒タンク13において蒸発したガス
冷媒は気液分離器11に返流される。つまり圧縮機１から
室内熱交換器８、気液分離器11を経て室外熱交換器６へ
と循環する冷凍サイクルでの冷媒循環と同時に、一部の
冷媒は、気液分離器11から液状態で冷媒タンク13に流入
し、ガス状態で気液分離器11に返流するような環流も生
じることとなる。上記気液分離器11と冷媒タンク13間の
環流においては、第２図において、例えばＡ点で気液分
離されたＢ点での組成となって冷媒タンク13に流入した
液冷媒は、加熱されることによってC1点における組成の
ガス冷媒を発生すると共に、冷媒タンク13内には、上記
Ｂ点よりもR22濃度の高いB1点での組成の液冷媒が残留
する。このように、冷媒タンク13に残留する液冷媒は、
気液分離器11から流入する液冷媒よりもR22濃度が高く
なるような組成の変化を生じていくのである。したがっ
て、上記のような冷媒タンク13と気液分離器11間の環流
が継続される結果、冷媒タンク13内に残留する液冷媒
は、第２図においてB1点からさらにB2、B3・・・への組
成変化を生じてR22濃度が非常に高くなっていき、この
ため冷媒循環回路を循環する冷媒の組成は、R13B1濃度
の高い状態となった暖房運転が行われることとなる。

以上の説明のように上記実施例においては、冷媒循環
回路に気液分離器11と冷媒タンク13とを各一基設けて接
続した簡素な構成で、冷房運転時には充填冷媒の組成よ
りも高沸点冷媒R22の濃度の高い冷媒が冷媒循環回路を
循環する一方、暖房運転時には充填冷媒の組成よりも低
沸点冷媒R13B1の濃度の高い冷媒が循環するようにそれ
ぞれ循環冷媒の組成変化を生ずる。一般に低沸点冷媒濃
度が大きい程、能力が増加することが知られており、こ
のため冷房能力の増加は抑えられ、暖房能力のみの増加
を図ることができる。そして従来装置では、暖房運転時
に流れる充填冷媒組成に対して冷房運転時にのみ組成の
変化が得られるだけであり、したがってそれらの間の冷
媒組成の差をそれ程大きくすることはできず、また構成
が複雑なのもとなっていたが、上記実施例においては、
暖房運転時には充填冷媒組成よりも低沸点冷媒濃度が高
く、また冷房運転時には充填冷媒組成よりも高沸点冷媒
濃度が高くなるようにそれぞれ変更されると共に、特に
暖房運転側では、より低沸点冷媒状態への移行がなし得
るので、冷房運転時と暖房運転時とにおける循環冷媒の
組成比を従来より大きくすることが可能となる。この結
果、暖房能力と冷房能力との差を大きくし得るので、よ
り低容量の空調機においても暖房時の快適性が得られ、
設備費の低価格化が可能になると共に、冷房時における
過大な能力での運転が抑えられ、運転効率の向上を図る
ことも可能となる。さらに上記実施例の装置において
は、暖房時に開閉弁15を閉弁状態で運転する場合には、
冷媒タンク13には液冷媒が貯留されなくなり、したがっ
て上記開閉弁15を適当に開閉制御すること、例えば外気
温が比較的高くて暖房負荷が小さい場合には上記開閉弁
15を閉弁状態にして運転すること等によって、充填組成
比に近づいた組成の冷媒が循環することとなり、このよ
うに暖房負荷に合わせた能力調整も可能となって空調快
適性をさらに向上させることも可能となる。

なお上記実施例では冷媒としてR22とR13B1との混合冷
媒を例にして説明したが、その他の冷媒によって構成す
ること、さらに３種類以上の冷媒を混合した混合冷媒を
用いること等も可能である。また上記においては空気調
和機として構成した例について説明したが、その他の冷
凍装置や、空調機能の他に例えば給湯加熱機能等を有す
るヒートポンプシステムにもこの発明の適用が可能であ
る。

（発明の効果） 上記のようにこの発明のヒートポンプシステムにおい
ては、冷媒循環回路に気液分離器と冷媒タンクとを各一
基配設して接続した簡素な構成で、上記冷媒循環回路を
流れる冷媒を、充填冷媒組成よりも高沸点冷媒濃度の高
い状態と、充填冷媒組成よりも低沸点冷媒濃度の高い状
態とにそれぞれ変化させ得るので、従来装置に比べて組
成の変化幅をより大きくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を適用して空気調和機として構成した
装置の冷媒回路図、第２図は上記装置において用いた非
共沸混合冷媒の温度−組成線図、第３図は従来装置の冷
媒回路図である。 １……圧縮機、２……吐出配管、３……吸込配管、４…
…四路切換弁、５……第１ガス管、６……室外熱交換器
（熱源側熱交換器）、７……液管、８……室内熱交換器
（利用側熱交換器）、９……第２ガス管、10……第１減
圧機構、11……気液分離器、12……第２減圧機構、13…
…冷媒タンク、14……第１接続管、15……開閉弁、16…
…第２接続管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機（１）の吐出配管（２）と吸込配管
   （３）とを四路切換弁（４）に接続すると共に、この四
   路切換弁（４）に、第１ガス管（５）、熱源側熱交換器
   （６）、液管（７）、利用側熱交換器（８）、第２ガス
   管（９）を順次接続して冷媒循環回路を構成し、さらに
   上記液管（７）には第１減圧機構（10）、気液分離器
   （11）、第２減圧機構（12）を順次介設する一方、上記
   第２ガス管（９）と熱交換可能に設けた冷媒タンク（1
   3）を第１接続管（14）で上記気液分離器（11）の上部
   に接続すると共に、上記冷媒タンク（13）を、暖房運転
   時に開動作する常閉の開閉弁（15）の介設された第２接
   続管（16）で上記気液分離器（11）の下部に接続し、上
   記冷媒循環回路を流れる冷媒を非共沸混合冷媒で構成し
   ていることを特徴とするヒートポンプシステム。