WO2015111175A1

WO2015111175A1 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: WO2015111175A1
Application number: PCT/JP2014/051429
Authority: WO
Inventors: 岡崎　多佳志
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-30
Also published as: CN105940276A; EP3098540A1; US10605498B2; EP3098540B1; JPWO2015111175A1; US20160320105A1; EP3098540A4

Abstract

　圧縮機１、熱源側熱交換器、膨張弁４、および、カスケード熱交換器５の熱源側が順次接続され、冷媒が循環する熱源側冷凍サイクルと、熱媒体搬送手段、負荷側熱交換器、および、カスケード熱交換器５の負荷側が順次接続され、熱媒体が循環する負荷側冷凍サイクルと、で構成され、熱源側熱交換器およびカスケード熱交換器５は、流体流路断面積をＳ、濡れ縁長さをＬとした場合、４Ｓ／Ｌで算出される相当直径が１ｍｍ未満である。

Description

ヒートポンプ装置

　本発明は、熱源側冷凍サイクルに可燃性冷媒が用いられるヒートポンプ装置に関するものである。

　従来、冷凍冷蔵庫や空気調和機などのヒートポンプ装置の冷媒として、ＨＦＣ系であるＲ４１０などのフッ化化合物が広く用いられてきた。しかし、これらの冷媒は地球温暖化への影響が大きいため、地球温暖化防止の観点から、地球温暖化への影響が小さくなる冷媒を使用することが望ましい。このような背景から、ＨＦＣ系であるＲ３２、ＨＦＯ系であるＲ１２３４ｙｆ、炭化水素系であるプロパンやイソブタンなど、地球温暖化への影響が小さくなる冷媒を用いることが提案されている。しかし、それらは従来のＨＦＣ系とは異なり、いずれも可燃性冷媒（または微燃性冷媒）であった。

　この種の可燃性冷媒が用いられたヒートポンプ装置では、冷凍サイクルを構成する熱交換器や配管などから冷媒が室内に漏洩し、火災などの事故を起こす可能性が懸念される。そこで、ヒートポンプ装置を熱源側である一次側冷凍サイクルと負荷側である二次側冷凍サイクルとに分割し、負荷側の室内への冷媒漏洩を防止する間接熱交換方式のヒートポンプ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　このヒートポンプ装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、四方弁、カスケード熱交換器からなる一次側冷凍サイクルと、負荷側熱交換器、水を搬送するポンプ、四方弁、カスケード熱交換器からなる二次側冷凍サイクルと、で構成されている。そして、カスケード熱交換器は、扁平多孔管や細径伝熱管を複数本組み合わせて流体流路が構成され、その相当直径は３ｍｍ以下で０．５ｍｍ以上になっている。

特開２００３－４３９６号公報（例えば、請求項３、図７参照）

　しかし、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置では、カスケード熱交換器の冷媒が流れる流体流路の内容積と熱源側熱交換器の冷媒が流れる流体流路の内容積との差が大きいため、冷房運転時と暖房運転時とで必要な冷媒封入量に差が生じてしまい、冷媒封入量を低減できないという課題があった。また、一次側冷凍サイクルにおいて、冷媒漏洩を想定した安全性の高い構成になっていないという課題があった。

　本発明は、以上のような課題のうち少なくとも一つを解決するためになされたもので、冷媒封入量を低減したヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

　本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、および、カスケード熱交換器の熱源側が順次接続され、冷媒が循環する熱源側冷凍サイクルと、熱媒体搬送手段、負荷側熱交換器、および、前記カスケード熱交換器の負荷側が順次接続され、熱媒体が循環する負荷側冷凍サイクルと、で構成され、前記熱源側熱交換器および前記カスケード熱交換器は、流体流路断面積をＳ、濡れ縁長さをＬとした場合、４Ｓ／Ｌで算出される相当直径が１ｍｍ未満である。

　本発明に係るヒートポンプ装置によれば、冷媒が循環する一次側冷凍サイクルの室外熱交換器およびカスケード熱交換器に、流体流路の内容積が小さい、相当直径が１ｍｍ未満のマイクロチャネル熱交換器（扁平管）を用いたので、可燃性冷媒の冷媒封入量を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の概略図である。本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の変形例である。本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置の概略図である。本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ装置の概略図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の概略図である。
　本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置は、室外ユニット１００と、室内ユニット２００と、接続配管１２、１４と、で構成されている。

　室外ユニット１００は、圧縮機１、四方弁（流路切替装置）２、熱源側熱交換器である室外熱交換器３、膨張弁４、および、カスケード熱交換器５の熱源側からなり、冷媒が循環する一次側（熱源側）冷凍サイクルと、熱媒体搬送手段である回転数が可変のポンプ１１、四方弁（流路切替装置）１５、および、カスケード熱交換器５の負荷側からなり、熱媒体が循環する二次側（負荷側）冷凍サイクルと、で構成されている。
　また、室内ユニット２００は、負荷側熱交換器である室内熱交換器１３が収納されている。
　また、室外熱交換器３には室外空気を供給する室外送風機６、室内熱交換器１３には室内空気を供給する室内送風機１６が、それぞれ設けられている。

　ここで、室外熱交換器３およびカスケード熱交換器５には、熱交換効率が高く流体流路の内容積が小さい（つまり、必要冷媒量が少なくなる）マイクロチャネル熱交換器（扁平管）が用いられる。マイクロチャネル熱交換器とは、１流体流路当たりの流体流路断面積をＳ、濡れ縁長さ（流路の内壁面の周方向の長さ）をＬとした場合、４Ｓ／Ｌで算出される相当直径が１ｍｍ未満となる熱交換器のことである。さらに、二次側冷凍サイクルの熱媒体には水が用いられ、また、一次側冷凍サイクルの冷媒には可燃性冷媒（または微燃性冷媒）、例えばプロパン、イソブタンなどが用いられる。また、室外熱交換器３の冷媒が流れる流体流路の内容積をＶ１、およびカスケード熱交換器５の冷媒が流れる流体流路の内容積をＶ２とした場合、Ｖ１およびＶ２は、０．９＜（Ｖ１／Ｖ２）＜１．１を満たすように設定されている。なお、この理由については後述する。

　次に本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ装置の動作について説明する。
［冷房運転］
　まず、冷房運転時は、一次側冷凍サイクルの四方弁２および四方弁１５が実線のように接続される。
　圧縮機１により高温・高圧となったガス冷媒は、四方弁２を通り、室外熱交換器３に流入する。そして、室外熱交換器３で室外空気と熱交換を行い、室外空気へ放熱し、自らは凝縮され、高温・高圧の液冷媒となる。室外熱交換器３から流出した冷媒は、膨張弁４により膨張させられて低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は蒸発器として作用するカスケード熱交換器５の熱源側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で二次側冷凍サイクルを循環する水と熱交換を行い、水から吸熱することで冷却し、自らは低温・低圧のガス冷媒となる。その後、カスケード熱交換器５の熱源側から流出したガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１へ戻る。

　一方、二次側冷凍サイクルでは、カスケード熱交換器５で冷媒に吸熱され冷却された水が、ポンプ１１によって吐出され、接続配管１２を通って室内熱交換器１３に流入する。そして、室内熱交換器１３で室内空気と熱交換を行い、室内空気から吸熱して室内を冷房し、自らは温度上昇する。室内熱交換器１３から流出した水は、接続配管１４および四方弁１５を通り、カスケード熱交換器５の負荷側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で冷媒と熱交換を行い、室内空気から吸熱した分の熱量を冷媒へ渡し、冷却される。その後、カスケード熱交換器５の負荷側から流出した水は、ポンプ１１へ戻る。

［暖房運転］
　つぎに、暖房運転時は、一次側冷凍サイクルの四方弁２および四方弁１５が点線のように接続される。
　圧縮機１により高温・高圧となったガス冷媒は、四方弁２を通り、凝縮器として作用するカスケード熱交換器５の熱源側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で二次側冷凍サイクルを循環する水と熱交換を行い、水に放熱することで暖め、自らは凝縮され、高温・高圧の液冷媒となる。カスケード熱交換器５の熱源側から流出した液冷媒は、膨張弁４により減圧されて低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は室外熱交換器３に流入する。そして、室外熱交換器３で室外空気と熱交換を行い、室外空気から吸熱し、自らは蒸発し、低温・低圧のガス冷媒となる。その後、室外熱交換器３から流出したガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１へ戻る。

　一方、二次側冷凍サイクルでは、カスケード熱交換器５で冷媒から吸熱し暖められた水が、ポンプ１１によって吐出され、接続配管１２を通って室内熱交換器１３に流入する。そして、室内熱交換器１３で室内空気と熱交換を行い、室内空気に放熱して室内を暖房し、自らは温度低下する。室内熱交換器１３から流出した水は、接続配管１４および四方弁１５を通り、カスケード熱交換器５の負荷側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で冷媒と熱交換を行い、室内空気に放熱した分の熱量を冷媒から奪い、加熱される。その後、カスケード熱交換器５の負荷側から流出した水は、ポンプ１１へ戻る。

　本実施の形態１に係るヒートポンプ装置は、冷媒が循環する一次側冷凍サイクルの室外熱交換器３およびカスケード熱交換器５に、流体流路の内容積が小さいマイクロチャネル熱交換器を用いたので、可燃性冷媒の冷媒封入量を低減することができる。さらに、室外熱交換器３の冷媒が流れる流体流路の内容積Ｖ１およびカスケード熱交換器５の冷媒が流れる流体流路の内容積Ｖ２を、０．９＜（Ｖ１／Ｖ２）＜１．１を満たすように定めたので、冷房運転、暖房運転のいずれにおいても必要な冷媒封入量がほぼ等しくなり、可燃性冷媒の冷媒封入量を大幅に低減することができる。
　そのため、欧州規格（例えば、ＩＥＣ規格）の許容冷媒封入量（プロパンの場合、約１５０ｇ）未満で構成できる。また、冷房運転、暖房運転のいずれにおいても必要な冷媒封入量がほぼ等しいため、両運転時の冷媒量差を吸収するための冷媒貯留タンク（図示省略）が不要となる。
　以上より、安全性および設置自由度の高いヒートポンプ装置を得ることができる。

　また、冷房運転時と暖房運転時のいずれにおいても、カスケード熱交換器５での冷媒と水との流れが対向流となるように構成し、かつ、室内熱交換器１３での水と室内空気との流れが対向流となるように構成したため、熱交換効率の高い高性能のヒートポンプ装置を得ることができる。

　なお、冷媒貯留タンクが無い場合、Ｖ１／Ｖ２が０．９以下では室外熱交換器３の冷媒が流れる流体流路の内容積が過小となり、冷房運転時において室外熱交換器３内に冷媒が収納しきれず、圧縮機１への液戻りなどの不具合が生じる。また、Ｖ１／Ｖ２が１．１以上では同様に、カスケード熱交換器５の冷媒が流れる流体流路の内容積が過小となり、暖房運転時においてカスケード熱交換器５内に冷媒が収納しきれず、圧縮機１への液戻りなどの不具合が生じる。

また、必要能力が増加してヒートポンプ装置が大型化する場合には、図２に示すように一次側冷凍サイクルを二つ、二次側冷凍サイクルに対して並列に接続し、一つの一次側冷凍サイクル当りの冷媒封入量を小さくすればよい。このように大能力が要求される場合でも、二つの冷凍サイクルの冷媒封入量の合計が許容冷媒封入量未満となるように、一つの一次側冷凍サイクル当りの冷媒封入量を低減し、モジュール化された一次側冷凍サイクルを複数接続することで、空調能力の高いヒートポンプ装置を構成することができる。

　なお、上記では一次側冷凍サイクルを二つ、二次側冷凍サイクルに対して並列に接続する例を説明したが、三つ以上としてもよい。
　また、室外熱交換器３を、フィンレス熱交換器、またはコルゲートフィンチューブ熱交換器のように上下にヘッダー分配器を有する構成とすることで、フィンと管との密着工程が不要となり、熱交換器をシンプルに構成できる。
　また、流路切替装置として四方弁２、２’、１５を用いて流路切り替えを行っているが、二方弁、三方弁などを組み合わせて行ってもよい。
　また、二次側冷凍サイクルの熱媒体には水が用いられているが、それに限定されず、不凍液などでもよい。

　実施の形態２．
　以下、本実施の形態２について説明するが、本実施の形態１との相違点を中心に説明し、重複するものについては省略する。また、本実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。
　図３は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置の概略図である。
　本実施の形態２に係るヒートポンプ装置は、図３に示すように四方弁１５を４つの開閉弁２１～２４で構成した以外は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置の構成と同じであるため、詳細な説明は省略し、二次側冷凍サイクルの動作のみ説明する。

［冷房運転］
　冷房運転時の二次側冷凍サイクルでは、カスケード熱交換器５で冷媒に吸熱され冷却された水が、ポンプ１１によって吐出され、接続配管１２を通って室内熱交換器１３に流入する。そして、室内熱交換器１３で室内空気と熱交換を行い、室内空気から吸熱して室内を冷房し、自らは温度上昇する。室内熱交換器１３から流出した水は、接続配管１４および開閉弁２２を通り、カスケード熱交換器５の負荷側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で冷媒と熱交換を行い、室内空気から吸熱した分の熱量を冷媒へ渡し、冷却される。その後、カスケード熱交換器５の負荷側から流出した水は、開閉弁２３を介してポンプ１１へ戻る。

　［暖房運転］
　つぎに、暖房運転の二次側冷凍サイクルでは、カスケード熱交換器５で冷媒から吸熱し暖められた水が、ポンプ１１によって吐出され、接続配管１２を通って室内熱交換器１３に流入する。そして、室内熱交換器１３で室内空気と熱交換を行い、室内空気に放熱して室内を暖房し、自らは温度低下する。室内熱交換器１３から流出した水は、接続配管１４および開閉弁２１を通り、カスケード熱交換器５の負荷側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で冷媒と熱交換を行い、室内空気に放熱した分の熱量を冷媒から奪い、加熱される。その後、カスケード熱交換器５の負荷側から流出した水は、開閉弁２４を介してポンプ１１へ戻る。

以上のように、本実施の形態２では、二次側冷凍サイクルにおいて四方弁の代わりに４つの開閉弁２１～２４を用いたため、水回路のように圧力損失が小さく、四方弁の開閉動作に必要な圧力差が得られない場合でも、確実に開閉動作が実施できるとう効果を得られる。

　実施の形態３．
　以下、本実施の形態３について説明するが、本実施の形態１との相違点を中心に説明し、重複するものについては省略する。また、本実施の形態１と同一部分には、同一符号を付してある。
　図４は、本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ装置の概略図である。
本実施の形態３に係るヒートポンプ装置は、図４に示すように実施の形態１に係るヒートポンプ装置から四方弁１５を省略し、その代わりに一次側冷凍サイクルに高低圧熱交換器７を設けた構成である。これにより、カスケード熱交換器５での水および冷媒の流れは、暖房運転時には対向流となるが、冷房運転時には並行流となる。なお、それ以外の構成は実施の形態１および実施の形態２よりも単純となるため、詳細な説明は省略し、一次側冷凍サイクルの動作のみ説明する。

　［冷房運転］
　まず、冷房運転時は、一次側冷凍サイクルの四方弁２が実線のように接続される。
　圧縮機１により高温・高圧となったガス冷媒は、四方弁２を通り、室外熱交換器３に流入する。そして、室外熱交換器３で室外空気と熱交換を行い、室外空気へ放熱し、自らは凝縮され、高温・高圧の液冷媒となる。室外熱交換器３から流出した液冷媒は、高低圧熱交換器７の高圧側に流入する。そして、高低圧熱交換器７で過冷却される。高低圧熱交換器７で過冷却された液冷媒は、膨張弁４により膨張させられて低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は蒸発器として作用するカスケード熱交換器５の熱源側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で二次側冷凍サイクルを循環する水と熱交換を行い、水から吸熱することで冷却し、自らは低温・低圧のガス冷媒となる。その後、カスケード熱交換器５の熱源側から流出したガス冷媒は、高低圧熱交換器７の低圧側に流入する。そして、高低圧熱交換器７で過熱される。高低圧熱交換器７で過熱されたガス冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１へ戻る。

このとき、カスケード熱交換器５の出口状態を飽和状態とすれば、カスケード熱交換器５の伝熱面積に過熱領域が無くなり、全伝熱面が有効に使用される。そのような場合には、対向流と並行流との性能差が小さくなる。すなわち、冷房運転時の対向流の効果が小さくなるため、一次側回路の四方弁を省略することができる。

　［暖房運転］
　つぎに、暖房運転時は、一次側冷凍サイクルの四方弁２が点線のように接続される。
　圧縮機１により高温・高圧となったガス冷媒は、四方弁２を通り、凝縮器として作用するカスケード熱交換器５の熱源側に流入する。そして、カスケード熱交換器５で二次側冷凍サイクルを循環する水と熱交換を行い、水に放熱することで暖め、自らは凝縮され、高温・高圧の液冷媒となる。カスケード熱交換器５の熱源側から流出した液冷媒は、膨張弁４により減圧されて低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は高低圧熱交換器７の高圧側に流入する。そして、高低圧熱交換器７で過熱される。高低圧熱交換器７で過熱された二相冷媒は、室外熱交換器３に流入する。そして、室外熱交換器３で室外空気と熱交換を行い、室外空気から吸熱し、自らは蒸発し、低温・低圧のガス冷媒となる。その後、室外熱交換器３から流出したガス冷媒は、四方弁２を介して高低圧熱交換器７の低圧側に流入する。そして、高低圧熱交換器７で過冷却される。高低圧熱交換器７で過冷却されたガス冷媒は、圧縮機１へ戻る。

　暖房運転時において、高低圧熱交換器７は高圧側、低圧側ともに低圧となるため、熱交換するための十分な温度差が生じず、熱交換量が極めて小さくなる。一方、カスケード熱交換器５では冷媒と水とが常に対向流となるため、熱交換効率の高い高性能のヒートポンプ装置を得ることができる。

本実施の形態３では、一次側冷凍サイクルに高低圧熱交換器７を設け、冷房運転時には高低圧熱交換器７で吸入冷媒を過熱することで、カスケード熱交換器５の出口を湿り状態とすることができ、カスケード熱交換器５を有効に利用することができる。

　以上より、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機１、室外熱交換器３、および膨張弁４からなる一次側冷凍サイクルと、少なくとも室内熱交換器１３、およびポンプ１１からなる二次側冷凍サイクルと、一次側冷凍サイクルと二次側冷凍サイクルとを熱交換するカスケード熱交換器と、で構成されるヒートポンプ装置において、冷媒が循環する一次側冷凍サイクルの室外熱交換器３およびカスケード熱交換器５に流体流路の内容積が小さいマイクロチャネル熱交換器を用いたので、可燃性冷媒の冷媒封入量を低減することができる。さらに、一次側冷凍サイクルは四方弁２を備え、室外熱交換器３の冷媒が流れる流体流路の内容積Ｖ１およびカスケード熱交換器５の冷媒が流れる流体流路の内容積Ｖ２を、０．９＜（Ｖ１／Ｖ２）＜１．１を満たすように定めたので、冷房運転、暖房運転のいずれにおいても必要な冷媒封入量がほぼ等しくなり、可燃性冷媒の冷媒封入量を大幅に低減することができる。
　そのため、欧州規格（例えば、ＩＥＣ規格）の許容冷媒封入量（プロパンの場合、約１５０ｇ）未満で構成できる。また、冷房運転、暖房運転のいずれにおいても必要な冷媒封入量がほぼ等しいため、両運転時の冷媒量差を吸収するための冷媒貯留タンクが不要となる。
　以上より、安全性および設置自由度の高いヒートポンプ装置を得ることができる。

　１　圧縮機、１’　圧縮機、２　四方弁、２’　四方弁、３　室外熱交換器、３’　室外熱交換器、４　膨張弁、４’　膨張弁、５　カスケード熱交換器、５’　カスケード熱交換器、６　室外送風機、６’　室外送風機、７　高低圧熱交換器、１１　ポンプ、１２　接続配管、１３　室内熱交換器、１４　接続配管、１５　四方弁、１６　室内送風機、２１　開閉弁、２２　開閉弁、２３　開閉弁、２４　開閉弁、１００　室外ユニット、２００　室内ユニット。

Claims

　圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、および、カスケード熱交換器の熱源側が順次接続され、冷媒が循環する熱源側冷凍サイクルと、
　熱媒体搬送手段、負荷側熱交換器、および、前記カスケード熱交換器の負荷側が順次接続され、熱媒体が循環する負荷側冷凍サイクルと、で構成され、
　前記熱源側熱交換器および前記カスケード熱交換器は、流体流路断面積をＳ、濡れ縁長さをＬとした場合、４Ｓ／Ｌで算出される相当直径が１ｍｍ未満である
　ことを特徴とするヒートポンプ装置。
　前記熱源側冷凍サイクルは流路切替装置を備え、
　前記熱源側熱交換器の冷媒が流れる流体流路の内容積をＶ１、および前記カスケード熱交換器の冷媒が流れる流体流路の内容積をＶ２とした場合、Ｖ１およびＶ２は、０．９＜（Ｖ１／Ｖ２）＜１．１を満たすように定められている
　ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
　前記冷媒には可燃性冷媒または微燃性冷媒が用いられている
　ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
　前記熱源側冷凍サイクルを二つ以上有し、前記負荷側冷凍サイクルに対して並列に接続した
　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
　前記負荷側冷凍サイクルに流路切替装置を設け、
　冷房運転時と暖房運転時のいずれにおいても、
　前記カスケード熱交換器での前記冷媒と前記熱媒体との流れが対向流となるように構成され、かつ、前記負荷側熱交換器での前記熱媒体と空気との流れが対向流となるように構成された
　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
　前記流路切替装置は、
　四方弁または四つの開閉弁で構成されている
　ことを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ装置。
　前記熱源側冷凍サイクルに高低圧熱交換器を設け、
　暖房運転時において、
　前記カスケード熱交換器での前記冷媒と前記熱媒体との流れが対向流となるように構成された
　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
　前記熱源側熱交換器は、上下にヘッダー分配器を有する
　ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。