JP2006220351A

JP2006220351A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2006220351A
Application number: JP2005033762A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Ishiki; 良和石木; Shoji Kikuchi; 昭治菊地; Kyuhei Ishihane; 久平石羽根; Tsunayuki Itagaki; 綱之板垣
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24
Also published as: CN1818506A

Abstract

【課題】
過冷却度を大きく確保して冷却能力を増加させ、しかも消費電力は増加させないようにして成績係数を向上させる。
【解決手段】
熱源側熱交換器（凝縮器）２と膨張装置３とを接続する冷媒配管の途中に熱源側熱交換器（凝縮器）２から流出する凝縮液冷媒を更に冷却するための補助熱交換器５を配置する。この補助熱交換器には外部からの冷却水を流して熱源側熱交換器２からの液冷媒を更に冷却する。
本発明によれば、利用側熱交換器（蒸発器）４を循環する冷媒の循環量を減少させることなく液冷媒の過冷却度を大きく確保でき、圧縮機の所要動力を増加させることなく、冷凍サイクルの成績係数を向上させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷水或いは冷温水を製造するための冷凍装置に関し、特に冷凍サイクルを循環する冷媒の過冷却度を大きく確保するものに関する。

冷凍サイクルを利用して冷水等を製造する冷凍装置の高効率化を図るためには、圧縮機の所要動力を増加させずに冷却能力を増加させる必要がある。このためには凝縮器で凝縮された液冷媒の過冷却度を大きく確保し、膨張装置で減圧されて二相状態となった冷媒と、蒸発器出口で気化した冷媒とのエンタルピ差を大きく確保することが必要であり、これによって単一質量あたりの冷媒が冷水から奪う熱量を多くすることができる。この液冷媒の過冷却度を大きく確保する方法としては、凝縮器と膨張装置の間に補助熱交換器を設置し、この補助熱交換器の副側に、液冷媒配管から分岐させた冷媒を減圧・膨張させたものを流し、この減圧・膨張された冷媒で主回路となる前記冷媒配管を流れる凝縮冷媒を該補助熱交換器で更に冷却し、前記減圧・膨張され補助熱交換器で蒸発された分岐冷媒は前記圧縮機の中間圧力室或いは圧縮機の低圧側に注入されるようにしたものが、例えば特許文献１に記載されている。

特開平１１−２４８２６４号公報

上記の補助熱交換器の副側に分岐冷媒を使用する方法では、補助熱交換器で熱交換した後の分岐冷媒を冷凍サイクル中に戻す必要があるため、圧縮機中間圧室或いは低圧側へ送る必要がある。例えば、分岐冷媒を圧縮機中間圧室へ戻す場合、圧縮機には主吸込口から吸入する冷媒に加え、中間圧室から注入される分岐冷媒も圧縮するため、圧縮機の所要動力はその分増加し、このため消費電力は増加することになる。また、分岐冷媒を低圧側へ送る場合、圧縮機の主吸込口から吸入する冷媒量は、補助熱交換器がない場合とほぼ同じであるため、圧縮機の所要動力としては増加しないが、蒸発器へ循環し、冷水から熱量を奪う冷媒の循環量が減少する。このため、冷水から奪う熱量が減少し、冷却能力が減少することになる。これらのように、液冷媒の過冷却度を大きく確保するために冷凍サイクルの中から分岐させた分岐冷媒を補助熱交換器の副側へ流すことは、冷凍サイクルの成績係数（＝冷却能力÷消費電力）を向上することができないという問題がある。

本発明の目的は、過冷却度を大きく確保して冷却能力を増加すると共に、消費電力は増加させないようにして成績係数を向上させることができる冷凍装置を得ることにある。

上記課題を解決するために、本発明の特徴は、圧縮機、凝縮器、膨張装置及び利用側熱交換器となる蒸発器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷水を製造するようにした冷凍装置において、前記冷媒配管における凝縮器と膨張装置との間に補助熱交換器を配置し、該補助熱交換器に冷却水を流すことにより、この冷却水と前記凝縮器で凝縮された液冷媒とを熱交換させるようにしたことにある。

ここで、前記凝縮器は空気で冷媒を冷却するようにした空気熱交換器、或いは水で冷媒を冷却するようにした水冷凝縮器で構成することができる。

本発明の他の特徴は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷温水を製造するようにした冷凍装置において、前記冷媒配管における熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に、冷媒配管を流れる冷媒を冷却水と熱交換させるための補助熱交換器を配置し、更に、この補助熱交換器で冷却された冷媒が前記膨張装置に、冷却運転及び加熱運転の何れにおいても常に同一方向から流入するように、逆止弁で構成されたブリッジ回路を備えることにある。

本発明の更に他の特徴は、圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷温水を製造するようにした冷凍装置において、前記冷媒配管における熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に、冷媒配管を流れる冷媒を水と熱交換させるための補助熱交換器を配置し、前記補助熱交換器の主側には前記冷媒を流し、補助熱交換器の副側には水を流すと共に、前記補助熱交換器と前記膨張装置における冷媒流れ方向が、冷却運転と加熱運転では逆方向になるようにしたことにある。

ここで、前記補助熱交換器は、前記熱源側熱交換器と前記膨張装置との間に配置され、冷水製造時には熱源側熱交換器で冷却された冷媒を更に冷却した後、膨張装置で減圧膨張させ、温水製造時には利用側熱交換器で冷却された冷媒を膨張装置で減圧膨張させた後、前記補助熱交換器と熱源側熱交換器で冷媒を蒸発させるように構成することができる。

熱源側熱交換器（凝縮器）と膨張装置を接続する冷媒配管の途中に熱源側熱交換器（凝縮器）から流出する凝縮液冷媒を冷却するための補助熱交換器を配置し、この補助熱交換器のもう一方側の流路には、冷却水系統を配管接続する構成とすることにより、冷水製造の際には、補助熱交換器を過冷却器として機能させることができ、液冷媒の過冷却度を大きく確保し、冷却能力を増加させることができる。しかも、本発明では、過冷却器として作用する補助熱交換器の副側に、主側である冷凍サイクル中の冷媒を分岐して用いず、別系統の冷却水を使用しているので、圧縮機の所要動力を増加させることなく、また利用側熱交換器（蒸発器）を循環する冷媒循環量も減少させずに、冷凍サイクルの成績係数を向上できる効果が得られる。

また、四方弁を有し、冷温水を製造する冷凍装置における加熱運転では、膨張装置と熱源側熱交換器（蒸発器）を接続する冷媒配管の途中に補助熱交換器を配置する構成とし、補助熱交換器の副側に別系統の冷却水を使用することで、補助熱交換器を蒸発器の一部として作用させることができ、蒸発性能を向上させ、蒸発圧力を高く保てるという効果がある。これによって、加熱運転での成績係数も向上でき、更に着霜抑制にも効果があり、積算暖房能力を大きく確保できる効果も得られる。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は本発明の冷凍装置の第１実施例を示す図である。
図１における冷凍装置の冷凍サイクル構成は、圧縮機１、空気熱交換器（熱源側熱交換器）２、補助熱交換器５、膨張装置（膨張弁）３及び水側熱交換器（利用側熱交換器）４が冷媒配管で順次連結されて構成されており、矢印は冷媒の流れる方向を示す。

圧縮機１で圧縮・吐出された高温・高圧のガス冷媒は、空気熱交換器２で外部の空気と熱交換され、凝縮・液化し、更に補助熱交換器５で補助熱交換器に外部から供給される冷却水と熱交換されて、更に過冷却される。その後、冷媒は膨張装置４により減圧・膨張され、水熱交換器４に流入し、負荷（冷却器等）側から流入する水と熱交換して水を冷却することで蒸発し、再びガス冷媒となって前記圧縮機１へ戻るサイクルを構成する。冷水は、水側熱交換器４で冷媒が蒸発する際の熱量として、水が冷やされ、製造される。

図２は、図１に示される実施例において、補助熱交換器５を設けた本実施例と、本実施例のような補助熱交換器を備えていない場合の冷凍サイクルをモリエル線図上に示したものである。この図に示すように、補助熱交換器５がない場合には、冷凍サイクルはａ→ｂ→ｃ→ｄの順に循環することになる。ここで冷却能力は、ｄ→ａにおけるエンタルピ差ｈと、冷凍サイクル内を循環する冷媒循環量ｇとの積によって表される。補助熱交換器５を備える本実施例の場合、補助熱交換器５に外部から供給される冷却水により、図上でｃ→ｅへと過冷却され、その後膨張装置３でｅ→ｆと減圧されるため、冷却能力は、ｆ→ａにおけるエンタルピ差ｉと冷凍サイクル内を循環する冷媒循環量ｇとの積によって表され、冷却能力を補助熱交換器５による過冷却分だけ増加させることができる。

一方、圧縮機の所要動力は、圧縮機の仕事分であるａ→ｂのエンタルピ差ｊと冷凍サイクル内を循環する冷媒循環量ｇとの積によって表されるため、補助熱交換器がある場合とない場合とで差異はなく同じになる。従って、本実施例によれば、冷凍サイクルの成績係数（＝冷却能力÷消費電力）を向上できることになる。

図３は、図１に示す実施例における熱源側熱交換器である空気熱交換器２を、水冷凝縮器９に変更した例を示し、他の構成は図１の実施例と同様である。矢印は冷媒の流れる方向を示す。

以上述べた本発明の実施例によれば、冷却運転時に消費電力を増加させることなく過冷却度を大きく確保して、冷却能力を増加させ、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる効果が得られる。

図４は本発明の冷凍装置の第２実施例を示すもので、図１に示される実施例に対して、気液分離器６、ブリッジ回路７及び四方弁８を追加し、水側熱交換器４に供給される冷水又は温水に対して冷却運転と加熱運転の切換えを可能にし、冷水及び温水の両方をつくることを可能にした冷凍装置である。実線の矢印は冷却運転時の冷媒の流れ方向を示し、点線の矢印は加熱運転時の冷媒の流れ方向を示す。即ち、本実施例では、圧縮機１の吸込側に気液分離器を、圧縮機吐出側には四方弁８を設けている。また、ブリッジ回路７は熱源側熱交換器（空気熱交換器）２と水側熱交換器を接続する配管の間に設置されており、冷却運転と加熱運転のどちらの場合でも、冷媒はまず補助熱交換器５に流れた後膨張装置３に流れるように、冷媒の流れ方向が同一方向となるように、逆止弁を組合せて構成されている。前記気液分離器６は圧縮機１に液冷媒が直接戻らないようにするためのものである。

冷却運転時には、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は四方弁８により空気熱交換器２側に流れ、ここで冷却・凝縮されブリッジ回路７を経て補助熱交換器５に流れる。この補助熱交換器５で冷却水により更に冷却された後、膨張装置３に入り減圧膨張される。その後、再びブリッジ回路７を経て水側熱交換器４に流れ、水側熱交換器４に入口４ａから流入する水を冷却して、冷媒は蒸発し、気液分離器６でガス冷媒だけが圧縮機に吸入される。水側熱交換器４で冷却された水（冷水）は出口４ｂから冷房用途等のために供給される。

加熱運転時には、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は四方弁８により水側熱交換器４側に流れ、この水側熱交換器４に供給された水を加熱し、冷媒は水を温めることにより凝縮・液化する。この凝縮・液化の際の熱量として、水が温められる。その後冷媒はブリッジ回路７を経て補助熱交換器５に入るが、加熱運転時には補助熱交換器５で冷媒を更に冷却する必要はないので、補助熱交換器５に冷却水を供給する必要はない（補助熱交換器での冷媒の冷却は行わない）。

図５は、図４に示す実施例におけるブリッジ回路７をなくした場合の変形例である。冷却運転と加熱運転の切換えは四方弁８で為され、四方弁部における冷媒の流れ方向は図４の実施例と同様であるが、補助熱交換器５と膨張装置３との間における冷媒の流れ方向は冷却運転時と加熱運転時とでは逆方向になる。この図４に示す例では膨張装置３を水側熱交換器４と補助熱交換器５との間に設けているので、冷却運転時には実線の矢印で示すように、加熱運転時には点線の矢印で示すように冷媒は流れる。

冷却運転時は、図１に示される第１実施例と同じ作用、効果が得られる。加熱運転時の場合、圧縮機１で圧縮・吐出された高温・高圧ガス冷媒は、水側熱交換器４により、水と熱交換され凝縮・液化し、膨張装置３により減圧・膨張され、補助熱交換器５で、補助熱交換器に供給される水と熱交換して熱量を奪い、渇き度が大きくなり、その後、空気熱交換器２に流入して空気と熱交換され、蒸発して再びガス冷媒となり、気液分離器６を経て圧縮機１へ戻る。温水は、水側熱交換器４で冷媒が凝縮・液化する際の熱量で水が温められ、製造される。このため、本実施例では、加熱能力を直接増加させる効果はないものの、冷凍サイクルの蒸発性能を向上できるため、蒸発圧力を高く保つことができる効果がある。

図６は、図５に示される実施例において、補助熱交換器５がある場合と、ない場合の加熱運転時の冷凍サイクルをモリエル線図上に示したものである。補助熱交換器５がない場合、冷凍サイクルはｋ→ｌ→ｍ→ｎの順に循環することになり、ここで加熱能力はｌ→ｍにおけるエンタルピ差ｒと、冷凍サイクル内を循環する冷媒循環量ｓとの積によって表される。次に、補助熱交換器５がある場合には、蒸発圧力が高く保てるため、膨張装置３によってｍ→ｏへと減圧され、補助熱交換器５によって、ｏ→ｐとなり、空気熱交換器２によってｐ→ｑの蒸発行程を辿ることになる。このように、空気熱交換器２が負担する熱交換量を、補助熱交換器５が一部負担するため、空気熱交換器２の出口冷媒温度を高く取り出すことが可能となる。そして、空気熱交換器２の出口冷媒温度にて過熱度を一定値に確保しようとする場合、即ち補助熱交換器５がない場合と同一の過熱度にする場合には、蒸発圧力を高く維持できる。蒸発圧力を高く保つことで、圧縮機１に吸入される冷媒の比体積を減少させ、冷媒循環量を増加できる効果が得られる（ｓ→ｔ）。更に、圧縮機１の効率を向上させる効果もあり、その結果加熱能力を増加できる効果も得られる。また、圧縮機１の全断熱効率を向上させる効果もあり、消費電力の低減も見込め、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。蒸発圧力を高く保つことは、空気熱交換器内の冷媒の温度を高く保つことにもなり、加熱運転時における空気熱交換器２への着霜量を低減させることができる。この結果、着霜による加熱能力の減少を抑制でき、積算暖房能力を大幅に向上できる効果も得られる。

以上述べたように、本発明の第２実施例によれば、冷却運転と加熱運転の両方を可能とし、冷却運転時には前記第１実施例と同様の効果が得られると共に、加熱運転時には、蒸発圧力を上昇させて、加熱能力の増加、着霜量の低減を図ることができ、冷凍サイクルの成績係数と積算暖房能力を向上させることが可能になる。

本発明の冷凍装置の第1実施例を示す冷凍サイクル構成図である。図１の冷凍装置の効果を説明するためのモリエル線図である。図１に示す本発明の冷凍装置の一部変形例を示す冷凍サイクル構成図である。本発明の冷凍装置の第２実施例を示す冷凍サイクル構成図である。図４に示す本発明の冷凍装置の一部変形例を示す冷凍サイクル構成図である。図５の冷凍装置の効果を説明するためのモリエル線図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…空気熱交換器（熱源側熱交換器）、３…膨張装置、４…水側熱交換器（利用側熱交換器）、５…補助熱交換器、６…気液分離器、７…ブリッジ回路、８…四方弁、９…水冷凝縮器（熱源側熱交換器）。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張装置及び利用側熱交換器となる蒸発器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷水を製造するようにした冷凍装置において、
前記冷媒配管における凝縮器と膨張装置との間に補助熱交換器を配置し、該補助熱交換器に冷却水を流すことにより、この冷却水と前記凝縮器で凝縮された液冷媒とを熱交換させるようにしたことを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、前記凝縮器は空気で冷媒を冷却するようにした空気熱交換器で構成されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１において、前記凝縮器は水で冷媒を冷却するようにした水冷凝縮器で構成されていることを特徴とする冷凍装置。
圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷温水を製造するようにした冷凍装置において、
前記冷媒配管における熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に、冷媒配管を流れる冷媒を冷却水と熱交換させるための補助熱交換器を配置し、
更に、この補助熱交換器で冷却された冷媒が前記膨張装置に、冷却運転及び加熱運転の何れにおいても常に同一方向から流入するように、逆止弁で構成されたブリッジ回路を備えることを特徴とする冷凍装置。
圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、膨張装置及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続されて冷凍サイクルを構成し、冷温水を製造するようにした冷凍装置において、
前記冷媒配管における熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に、冷媒配管を流れる冷媒を水と熱交換させるための補助熱交換器を配置し、前記補助熱交換器の主側には前記冷媒を流し、補助熱交換器の副側には水を流すと共に、
前記補助熱交換器と前記膨張装置における冷媒流れ方向が、冷却運転と加熱運転では逆方向になるようにしたことを特徴とする冷凍装置。
請求項５において、前記補助熱交換器は、前記熱源側熱交換器と前記膨張装置との間に配置され、冷水製造時には熱源側熱交換器で冷却された冷媒を更に冷却した後、膨張装置で減圧膨張させ、温水製造時には利用側熱交換器で冷却された冷媒を膨張装置で減圧膨張させた後、前記補助熱交換器と熱源側熱交換器で冷媒を蒸発させるように構成したことを特徴とする冷凍装置。