JPH09119726A - 二元冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低温側及び高温側冷凍回路２，４を併用する二
元運転の他、高温側のみの単段運転も可能にする。 【解決手段】 低外気時、二元運転により、液体熱交換
器６の水を、高温側冷媒の凝縮作用により加熱すると共
に補助熱交換器７で低温側冷媒の吐出ガスの保有する顕
熱により加熱し、各圧縮機１，３の一台あたりの圧縮比
を小にして効率を高める。高外気時、高温側の単段運転
の際に、補助蒸発器９により蒸発能力を補い、溶液熱交
換器６での水の加熱量を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低温側冷凍回路と
高温側冷凍回路との２つの冷凍回路を備え、給湯を目的
とした温水機等に適用する二元冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の冷凍装置として、特開平
４−２５４１５６号公報に開示され、且つ図５に示すも
のがあり、このものは、次のａ〜ｆの構成要素を備え
る。

【０００３】ａ．低温側圧縮機ＬＣをもつ低温側冷凍回
路Ｌ。

【０００４】ｂ．高温側圧縮機ＨＣをもつ高温側冷凍回
路Ｈ。

【０００５】ｃ．低温側冷凍回路Ｌの高圧冷媒と高温側
冷凍回路Ｈの低圧冷媒を潜熱交換させて、低温側冷凍回
路Ｌの高圧ガス冷媒を凝縮すると共に高温側冷凍回路Ｈ
の低圧液冷媒を蒸発させる冷媒熱交換器Ｍ。

【０００６】ｄ．高温側圧縮機ＨＣの吐出ガスを凝縮さ
せて高温液体たる温水を生成する液体熱交換器Ｎ。

【０００７】ｅ．低温側冷凍回路Ｌに介装し、冷媒熱交
換器Ｍ及び予熱熱交換器Ｋで凝縮する冷媒の熱源を得る
熱源側熱交換器Ｊ。

【０００８】尚、Ｋは低温側冷凍回路Ｌにおける冷媒熱
交換器Ｍの通過後の気液混合冷媒を更に凝縮して、液体
熱交換器Ｎに供給前の生成対象液体を予熱する予熱熱交
換器、ＬＶは低温側膨張機構、ＨＶは高温側膨張機構、
Ｔは生成温水を溜める貯湯槽、Ｏは温水循環ポンプ、Ｖ
は温調用流量制御弁である。

【０００９】このものでは、低温側及び高温側の二元の
冷凍回路を用いることにより、低温側及び高温側各段の
それぞれの圧縮機ＬＣ，ＨＣの圧縮比を小さくし、単段
圧縮機をもつ一元システムに比べ、高い効率で運転でき
るようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧縮比の増大
で効率の低下が問題となるのは、主に、熱源側熱交換器
Ｊが配設される外気の温度が低い場合である。熱源側熱
交換器Ｊでの蒸発圧力が下がり、凝縮圧力との差圧が拡
大し、圧縮機で確保すべき圧縮比が増大するからであ
る。従って、外気温度が高い条件下では、圧縮比はそれ
ほど過大になることはなく、敢えて低温側及び高温側双
方の圧縮機ＬＣ，ＨＣを併用する二元運転をする必要は
なく、高温側圧縮機ＨＣのみの単段運転で足り、むしろ
単段運転のほうが効率が高いものとなる。

【００１１】それにも拘らず、上記のものでは、両圧縮
機ＬＣ，ＨＣを併用した二元運転のみしか行えず、高温
側圧縮機ＨＣのみを単段運転して高圧側冷凍回路Ｈのみ
を作動させることはできない。高温側冷凍回路Ｈの液体
熱交換器Ｎで液体を加熱できるのは、冷媒熱交換器Ｍで
高温側の冷媒を蒸発させて熱源を取っているからであ
り、冷媒熱交換器Ｍで高温側冷媒を蒸発させるために
は、低温側冷凍回路Ｌを作動させ、冷媒熱交換器Ｍで低
温側冷媒を凝縮させ、低温側及び高温側の冷媒間で潜熱
交換させる必要があるからである。このため、必ず２台
の圧縮機ＬＣ，ＨＣを併用運転することが温水生成のた
めの条件になり、高外気時には、高効率運転が保証され
ない問題がある。

【００１２】本発明の主目的は、低温側及び高温側冷凍
回路を併用する二元運転のみならず高温側のみの単段運
転をも可能とし、外気条件等にかかわらず高い効率で運
転することができる二元冷凍装置を提供する点にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記主目的を達成するため、図１に示すように、次のＡ
〜Ｆの構成要素を具備しているものとした。

【００１４】Ａ．低温側圧縮機１をもつ低温側冷凍回路
２。この低温側冷凍回路２に流す低温側冷媒の代表例に
は、Ｒ２２等がある。

【００１５】Ｂ．高温側圧縮機３をもつ高温側冷凍回路
４。この高温側冷凍回路４に流す高温側冷媒の代表例に
は、ＨＦＣ−１３４ａ等がある。

【００１６】Ｃ．低温側冷凍回路２の高圧冷媒と高温側
冷凍回路４の低圧冷媒とを潜熱交換可能にした冷媒熱交
換器５。この冷媒熱交換器５は、冷媒同士を熱交換させ
るものであって、いわゆる、二重管式熱交換器、プレー
ト式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器等、多
様な形式の熱交換器を含む概念である。

【００１７】Ｄ．高温側圧縮機３から吐出する吐出ガス
を凝縮させて高温液体を生成する液体熱交換器６。この
液体熱交換器６は、図１に示すように、別付の給湯タン
ク（図示せず）に入・出口管６１，６２で接続する容器
６００の内部に冷媒配管６０を配管する方式のものや、
給湯タンク内に直接配管を内装する方式のもの等があ
る。

【００１８】Ｅ．低温側冷凍回路２に介装する熱源側熱
交換器８。この熱源側熱交換器８は、図１に示すよう
に、ファン８１を付設し、多数枚のフィン８２と複数パ
スの冷媒配管８０とを直交させたクロスフィンコイル
等、空気式のものが代表的なものであるが、液冷式のも
のであってもよい。

【００１９】Ｆ．高温側冷凍回路４に介装する補助蒸発
器９。この補助蒸発器９も、熱源側熱交換器８と同様、
多数枝のフィン８２と複数パスの冷媒配管９０とを直交
させたクロスフィンコイル等、主として空気式のもので
あるが、液冷式のものであってもよい。

【００２０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、外気条件に応じて実際に高効率運転を行わ
せるため、低外気時、低温側圧縮機１及び高温側圧縮機
３を併用運転し、高外気時、高温側圧縮機３を単段運転
する外気温度対応の運転制御手段１０１を備えている構
成にした。

【００２１】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載の発明において、夜間貯湯運転と昼間追焚運転
との間などで運転を切換え、それぞれに適合した運転を
行わせるため、切換指令の入力に応じて、低温側圧縮機
１及び高温側圧縮機３の併用運転と、高温側圧縮機３の
単段運転とを切換える運転切換手段１０２を備えている
構成にした。

【００２２】

【発明の作用効果】請求項１記載の発明では、以下のよ
うに、低温側圧縮機１及び高温側圧縮機３を併用運転す
る二元運転、並びに、高温側圧縮機３のみの単段運転が
行なえる。

【００２３】二元運転時、低温側冷凍回路２では、実線
矢印の通り、低温側圧縮機１、冷媒熱交換器５、熱源側
熱交換器８、低温側圧縮機１の順に低温側冷媒を流し、
一方、高温側冷凍回路４では、高温側圧縮機３、液体熱
交換器６、補助蒸発器９、冷媒熱交換器５、高温側圧縮
器３の順に高温側冷媒を流す。

【００２４】図２に示すように、低温側圧縮機１から吐
出した低温側の吐出ガスｘは、冷媒熱交換器５で凝縮し
てｚの状態まで液化し、熱源側熱交換器８でｚ’からｗ
の状態に蒸発気化して、低温側圧縮機１に戻る。一方、
図３中点線で示すように高温側圧縮機３から吐出した高
温側の吐出ガスは、液体熱交換器６でｐからｑの状態を
経てｒの状態に凝縮液化し、補助蒸発器９及び冷媒熱交
換器５でｒ’からｓの状態に蒸発気化して、高温側圧縮
器３に戻る。この場合、冷媒熱交換器５で高温側冷媒
は、低温側冷媒の凝縮潜熱を奪って蒸発し、高温側冷媒
の蒸発はほとんど冷媒熱交換器５で行なわれる。こうし
て、低温側冷凍回路２と高温側冷凍回路４との二元連携
がなされ、液体熱交換器６での生成対象液体は、高温側
冷媒の凝縮作用により加熱される。このとき、低外気時
で熱源側熱交換器８の蒸発圧力が低くても、液体熱交換
器６での凝縮圧力を大きく確保でき、低温側及び高温側
圧縮機１，３の各々一台あたりの圧縮比は小さくできる
ため、高効率運転が行える。一方、高温側圧縮機３のみ
の単段運転時、高温側冷凍回路４のみにおいて、高温側
圧縮機３、液体熱交換器６、補助蒸発器９、冷媒熱交換
器５、高温側圧縮機３の順に高温側冷媒を流す。

【００２５】図３中実線で示すように、高温側圧縮機３
から吐出した吐出ガスは、液体熱交換器６でＰからＱの
状態を経てＲの状態に凝縮液化し、補助蒸発器９及び冷
媒熱交換器５でＲ’からＳの状態に蒸発気化して、高温
側圧縮機３に戻る。この場合、高温側冷媒は冷媒熱交換
器５で低温側冷媒の凝縮潜熱を利用することはできない
が、補助蒸発器９により蒸発作用を補うことができる。
こうして、高温側冷凍回路４のみの単段運転が行え、液
体熱交換器６での生成対象液体は、高温側冷媒の凝縮作
用により加熱される。このとき、高外気時には、低外気
時に比べて蒸発圧力が高く、凝縮圧力との差圧が過大で
はないから、高温側圧縮機３のみの単段運転のみで高効
率運転を発揮できる。

【００２６】請求項２記載の発明では、外気温度対応の
運転制御手段１０１により、低外気時、低温側圧縮機１
及び高温側圧縮機３を併用する二元運転を、高外気時、
高温側圧縮機３の単段運転をするから、外気条件に応じ
て実際に高効率運転を行わせることができる。

【００２７】請求項３記載の発明では、運転切換手段１
０２により、切換指令の入力に応じて、低温側圧縮機１
及び高温側圧縮機３を併用する二元運転と、高温側圧縮
機３の単段運転とを切換えるから、夜間貯湯運転と昼間
追焚運転との間などで運転を切換え、それぞれに適合し
た運転を行わせることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１に示す二元冷凍装置は、低温
側圧縮機１をもち、Ｒ２２を低温側冷媒に用いた低温側
冷凍回路２と、高温側圧縮機３をもち、ＨＦＣ−１３４
ａを高温側冷媒に用いた高温側冷凍回路４とを備え、こ
れらを、低温側冷凍回路２の高圧冷媒と高温側冷凍回路
４の低圧冷媒とを潜熱交換させる冷媒熱交換器５を介し
て連携したものである。

【００２９】６は、高温側圧縮機３から吐出する吐出ガ
スを外付けの給湯タンクと循環ポンプを介して連結する
容器６００の内部に配管した冷媒配管６０に流して凝縮
させ、高温液体たる温水を生成する液体熱交換器、７
は、低温側圧縮機１の吐出ガスと液体熱交換器６の出口
側の温水とを顕熱交換させる補助熱交換器、８は、ファ
ン８１を付設し、多数枚のフィン８２と複数パスの冷媒
配管８０とを直交させたクロスフィンコイルから成る熱
源側熱交換器、９は、図４に明示するように、熱源側熱
交換器８とファン８１及びフィン８２を供用し、且つ熱
源側熱交換器８の冷媒配管８０の風下側（風向きは白抜
き矢印で示す）に複数パスの冷媒配管９０を配設した補
助蒸発器、１０は、冷媒熱交換器５と熱源側熱交換器８
との間で冷媒を可逆的に流す四路切換弁から成る切換機
構である。又、２１は低温側膨張機構、４１は高温側膨
張機構、６１は外付けの給湯タンクから容器６００へ温
水を導く入口管、６２は同出口管である。

【００３０】一台の低温側圧縮機１には、冷媒熱交換器
５及び熱源側熱交換器８を２組並列に接続していると共
に、各冷媒熱交換器５に対応させて、高温側冷凍回路４
を２組に独立させて設けており、高温側圧縮機３の一台
あたりの容量を過大にすることなく、複数台の高温側圧
縮機３により液体熱交換器６での加熱を行うことによ
り、液体熱交換器６での取出し出力を効果的に向上させ
るようにしている。

【００３１】各圧縮器１，３及び切換機構１０は、コン
トローラ１００からの指令により発停及び切換制御され
る。コントローラ１００には、外気温度センサー２０１
から入力する外気温度が低い時、低温側圧縮機１及び高
温側圧縮機３を併用運転し、高い時、高温側圧縮機３を
単段運転する外気温度対応の運転制御手段１０１を設け
ている。又、夜間貯湯運転と昼間追焚運転との間などで
運転モードを切換えるモードセレクタ２０２からの切換
指令に応じて、昼間追焚運転時には低温側圧縮機１及び
高温側圧縮機３を併用運転し、夜間貯湯運転時には高温
側圧縮機３を単段運転する運転切換手段１０２を設けて
いる。更に、機構機構１０を切換えて熱源側熱交換器８
をデフロストする時、温水の温度低下を抑制するため、
低温側圧縮器１及び高温側圧縮機３を併用運転するデフ
ロスト運転制御手段１０３を設けている。

【００３２】こうして、以上の構成により、主に低外気
時を想定した二元給湯運転、主に高外気時を想定した高
温側単段運転、低温側冷凍回路２の逆サイクルによるデ
フロスト運転、又、低温側及び高温側の併用によるデフ
ロスト運転をそれぞれ可能にしているのである。

【００３３】二元給湯運転時、補助熱交換器７に流す低
温側冷媒の吐出ガスの顕熱により、液体熱交換器６での
生成対象液体を加熱することとしているのであり、図２
に示すように、低温側の吐出ガスｘの温度は、Ｒ２２の
場合で１００℃程度と高く、通常の生成対象液体の取出
し温度６０〜７０℃に比べて高いため、液体を効果的に
加熱できる。更に、このように低温側の吐出ガスの顕熱
を利用する分だけ、高温側冷媒の凝縮温度及び吐出ガス
温度を下げることができる。ＨＦＣ−１３４ａの場合、
図３に示すように吐出ガス温度で、単段運転時（実線）
の９０℃に比べて、二元運転時（点線）は７８℃に低下
できる。このため、高温側圧縮機３の圧縮比を一層小さ
くでき、より一層効率の高い運転が行なえると共に、信
頼性を向上できるのである。

【００３４】更に、この二元運転時、補助熱交換器７に
よる加熱は、液体熱交換器６での生成対象液体の取出側
で行うこととしているため、生成対象液体の加熱を効果
的に行うことができ、取出す液体の温度を一層高くする
ことができる。

【００３５】デフロスト運転時には、図１に示すように
低温側冷凍回路２において、低温側圧縮機１、熱源側熱
交換器８、冷媒熱交換器５、補助熱交換器７、低温側圧
縮機１の順に低温側冷媒を流すのであり、低温側圧縮機
１から吐出した吐出ガスは、熱源側熱交換器８でｗから
ｚ’の状態に凝縮液化し、冷媒熱交換器５及び補助熱交
換器７でｚからｘの状態に蒸発気化して、低温側圧縮機
１に戻る。このとき、補助熱交換器７で、液体熱交換器
６での生成対象液体の保有する顕熱を回収できるため、
熱源側熱交換器８に供給する吐出ガスの保有熱量を大き
くでき、該熱源側熱交換器８での着霜を効果的に除去す
ることができる。又、補助熱交換器７での顕熱回収によ
り生成対象液体の温度低下を招くことから、高温側冷凍
回路４を併用して作動させて液体熱交換器６での加熱を
確保することとした場合にも、高温側冷媒回路４にとっ
て冷媒熱交換器５が唯一の蒸発器となるのではなく、補
助蒸発器９が蒸発作用を補うため、高温側冷凍回路４で
の円滑な運転を持続できる。こうして、熱源側熱交換器
８のデフロストにも好適合ならしめることができ、その
デフロストを簡易かつ良好に行なうことができるのであ
る。

【００３６】又、以上のものでは、熱源側熱交換器８に
補助蒸発器９を付設し、通過空気を供用させているか
ら、各熱交換器８，９を独立状に設けてそれぞれにファ
ンを設置する場合に比べて、構成の簡易化を図ることが
できているし、更に、着霜の多いのは低温側冷媒が蒸発
する熱源側熱交換器８側であって、この熱源側熱交換器
８の冷媒配管８０を通過空気の風上側に、補助蒸発器９
の冷媒配管９０を通過空気の風下側にそれぞれ配設して
いるから、デフロスト時、その着霜を効果的に除去でき
ると共に、高温側冷凍回路４を併用作動させて補助蒸発
器９を作動させた場合にも、この補助蒸発器９での冷却
による悪影響を低減でき、そのデフロストの効果を一層
向上することができているのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る二元冷凍装置の冷媒回路図。

【図２】低温側冷凍回路のモリエル線図。

【図３】高温側冷凍回路のモリエル線図。

【図４】熱源側熱交換器及び補助蒸発器部分の要部側面
図。

【図５】従来例の冷媒回路図。

【符号の説明】

１；低温側圧縮機、２；低温側冷凍回路、３；高温側圧
縮機、４；高温側冷凍回路、５；冷媒熱交換器、６；液
体熱交換器、７；補助熱交換器、８；熱源側熱交換器、
９；補助蒸発器、１０；切換機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 次のＡ〜Ｆの構成要素を具備しているこ
   とを特徴とする二元冷凍装置。 Ａ．低温側圧縮機（１）をもつ低温側冷凍回路（２）。 Ｂ．高温側圧縮機（３）をもつ高温側冷凍回路（４）。 Ｃ．低温側冷凍回路（２）の高圧冷媒と高温側冷凍回路
   （４）の低圧冷媒とを潜熱交換可能にした冷媒熱交換器
   （５）。 Ｄ．高温側圧縮機（３）から吐出する吐出ガスを凝縮さ
   せて高温液体を生成する液体熱交換器（６）。 Ｅ．低温側冷凍回路（２）に介装する熱源側熱交換器
   （８）。 Ｆ．高温側冷凍回路（４）に介装する補助蒸発器
   （９）。
2. 【請求項２】 低外気時、低温側圧縮機（１）及び高温
   側圧縮機（３）を併用運転し、高外気時、高温側圧縮機
   （３）を単段運転する外気温度対応の運転制御手段（１
   ０１）を備えている請求項１記載の二元冷凍装置。
3. 【請求項３】 切換指令の入力に応じて、低温側圧縮機
   （１）及び高温側圧縮機（３）の併用運転と、高温側圧
   縮機（３）の単段運転とを切換える運転切換手段（１０
   ２）を備えている請求項１又は請求項２記載の二元冷凍
   装置。