JP2008275249A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルにおいて、地球温暖化防止を図りつつ、ＣＯＰ向上を図ることができる。
【解決手段】冷凍サイクルは、圧縮機２０、ガスクーラ３０、可変減圧器９０及び蒸発器１００を冷媒配管で順次接続して構成され、封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作される。この冷凍サイクルは、ガスクーラ３０から出た高圧のＣＯ_２冷媒と蒸発器１００から出て圧縮機２０に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と、ガスクーラ３０から出たＣＯ_２冷媒の一部を内部熱交換器６０の低圧側入口部に合流させるバイパス回路９４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに係り、特にＣＯ_２冷媒（二酸化炭素冷媒）の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作する空調用途の冷凍サイクルに好適なものである。なお、このＣＯ_２冷媒にはＣＯ_２単独冷媒及びＣＯ_２混合冷媒を含む。

近年のオゾン層保護の観点から、オゾン破壊係数がゼロであり且つ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい自然冷媒であるＣＯ_２冷媒を用いる冷凍サイクルが着目されている。しかし、空調用途としてフロン冷媒と同じ冷凍サイクル構成でＣＯ_２冷媒を用いると、ＣＯＰ（coefficient of performance：成績係数）が低下するため、広まっていない。ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクルでは高圧部が臨界圧力を超える遷臨界サイクルとすることができるため、給湯用途の冷凍サイクルに用いた場合には効率が高く、その分野で広く使用されつつある。そこで、環境負荷が小さいという利点があるＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクルのＣＯＰを改善し、空調用途として拡大すること、給湯用途での効率をさらに向上することが望まれる。

ＣＯ_２冷媒を用いた従来の冷凍サイクルとして、内部熱交換器を用いた図５及び図７に示す冷凍サイクルがある。図５及び図７における実線が冷房時、破線が暖房時の冷媒の流れである。なお、図５の冷凍サイクルに関連するものとして特開２０００−３４６４６６号公報（特許文献１）が挙げられ、図７の冷凍サイクルに関連するものとして特表平６−５１５５７０号公報（特許文献２）が挙げられる。

図５の冷凍サイクルについて説明する。冷房時において、圧縮機１０から出た冷媒は、四方弁２０を通りガスクーラとなる熱源側熱交換器３０で冷却され、全開となる熱源側可変減圧装置４０を通り内部熱交換器６２で冷却され、阻止弁７０ａを通り利用側可変減圧装置９０で低圧低温に減圧され、蒸発器となる利用側熱交換器１００で空気を冷却しつつ、自身は加熱され、接続管８０ｂ及び阻止弁７０ｂを通り内部熱交換器６２で加熱され、圧縮機１０に吸入される。暖房時においては、冷媒の流れが逆となり、可変減圧器９０が全開、可変減圧器４０で減圧させる構成となる。

この冷凍サイクルの冷房時の効果を図６のｐ−ｈ線図（モリエル蒸気圧線図）で説明する。図６においてアルファベットは図５に示すアルファベットの位置と同じである。また、図６の破線が内部熱交換器６２を使わない場合のサイクルのｐ−ｈ線図、実線が内部熱交換器６２を使った場合のサイクルのｐ−ｈ線図である。図６から明らかなようにＣＤとＦＡとで熱交換することで、蒸発器側の比エンタルピ差ＥＦが伸びることとなり、性能が向上する。なお、図５に示す冷凍サイクルにフロン冷媒を用いると、蒸発器側の比エンタルピ差が伸びるが、同時に圧縮機部の等エントロピ線の傾きが大きくなることで圧縮機動力が増えてしまい、ＣＯＰの向上効果が得られない。

図７の冷凍サイクルについて説明する。この冷凍サイクルは、図５に示す冷凍サイクルに冷媒量調整用のアキュームレータ２００を追加したものである。このアキュームレータ２００は四方弁２０と内部熱交換器６０の低圧側との間に設置されている。この図７に示す冷凍サイクルの場合、アキュームレータ２００の出口の冷媒はかわき度の高い状態に自動的に制御されるため、内部熱交換器６０の低圧側が冷媒の過熱に使われる。

一方、フロン冷媒を用いた冷凍サイクルとして、内部熱交換器を用いた図８に示す冷凍サイクルがある。図８における実線が冷房時、破線が暖房時の冷媒の流れである。

この図８に示す冷凍サイクルでは、冷房時に、凝縮器３０から流出される冷媒の一部がバイパスとして取り出され、可変減圧装置９５で減圧されてバイパス熱交換器６４に流れ、バイパス熱交換器６４で凝縮器３０から流出される残りの冷媒と熱交換し、この残りの冷媒を冷却すると共に自身は過熱された後、圧縮機に吸入される。これによって、バイパス冷媒の冷熱はバイパス熱交換器で回収しつつ、接続配管、蒸発器に流れる冷媒流量を減らせるため、冷媒圧力損失の低減から、性能向上が可能である。

特開２０００−３４６４６６号公報 特表平６−５１５５７０号公報

しかし、図５及び図７に示す冷凍サイクルでは、接続配管及び蒸発器に全ての冷媒が流れるため、冷媒圧力損失が大きくなり、性能低下を招いていた。また、内部熱交換器６２で過熱された冷媒が圧縮機１０に吸込まれるため、冷媒の温度が異常に上昇した場合に圧縮機の信頼性を低下するおそれがあった。なお、特許文献１の冷凍サイクルでは、圧縮機に吸入される冷媒温度が上昇した際に内部熱交換器をバイパスして冷媒の一部を流すようにして冷媒の温度上昇を抑えるようにしているが、接続配管、蒸発器を流れた冷媒をバイパスしているため、効率の低下を招いていた。

さらには、図８に示す冷凍サイクルでは、フロン冷媒を用いた冷凍サイクルの性能向上を目的としており、ＣＯ_２冷媒を用いた冷凍サイクルへの適用は配慮されていなかった。

本発明の目的は、地球温暖化防止を図りつつ、ＣＯＰ向上を図ることができる冷凍サイクルを得ることにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、圧縮機、ガスクーラ、可変減圧器及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して構成され、封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作され、前記ガスクーラから出た高圧のＣＯ_２冷媒と前記蒸発器から出て前記圧縮機に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、前記ガスクーラから出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部に合流させるバイパス回路を設けたことにある。

また、本発明の第２の態様は、圧縮機、切替弁、熱源側熱交換器、可変減圧器及び利用側熱交換器を冷媒配管で順次接続して構成され、封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作され、前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器から出た高圧のＣＯ_２冷媒と前記利用側熱交換器または前記熱源側熱交換器から出て前記圧縮機に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、前記切替弁は、冷房時に前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記可変減圧器及び前記利用側熱交換器の順にＣＯ_２冷媒を流すように切替え且つ暖房時に前記圧縮機、前記利用側熱交換器、前記可変減圧器及び前記熱源側熱交換器の順にＣＯ_２冷媒を流すように切替えるように動作する冷凍サイクルにおいて、前記冷房時に前記熱源側熱交換器から出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部にバイパスすると共に前記暖房時に前記利用側熱交換器から出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部に合流させるバイパス回路を設けたことにある。

係る本発明におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記内部熱交換器の高圧側の流れと低圧側の流れとが前記冷房時及び前記暖房時の何れも対向流になるように構成したこと。
（２）前記内部熱交換器の低圧側入口に冷媒量調整用のアキュームレータを設け、前記バイパス回路にバイパス可変減圧器を設け、前記圧縮機の吐出温度を調節するようにバイパス可変減圧器を制御する制御装置を設けたこと。

係る本発明の冷凍サイクルによれば、地球温暖化防止を図りつつ、ＣＯＰ向上を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図１から図４を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。図１から図４における実線が冷房時、破線が暖房時の冷媒の流れである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の冷凍サイクルを図１を用いて説明する。

本実施形態の冷凍サイクルは、圧縮機１０、切替弁である四方弁２０、熱源側熱交換器である室外熱交換器３０、熱源側可変減圧器４０、利用側可変減圧器９０及び利用側熱交換器である室内熱交換器１００を冷媒配管で順次接続して構成されている。この冷凍サイクルは、封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作される遷臨界サイクルである。ＣＯ_２冷媒を用いることにより地球温暖化防止を図ることができる。

四方弁２０は、冷房時に圧縮機１０、室外熱交換器３０、熱源側可変減圧器４０、利用側可変減圧器９０及び室内熱交換器１００の順に冷媒を流すように切替え、暖房時に圧縮機１０、室内熱交換器１００、利用側可変減圧器９０、熱源側可変減圧器４０及び室外熱交換器３０の順に冷媒を流すように切替えるように動作する。

この冷凍サイクルには、室外熱交換器３０または室内熱交換器１００から出た高圧のＣＯ_２冷媒と室内熱交換器１００または室外熱交換器３０から出て圧縮機１０に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器６０が備えられている。

さらには、冷房時に室外熱交換器３０から出た高圧の冷媒の一部を内部熱交換器６０の低圧側入口部にバイパスすると共に暖房時に室内熱交換器１００から出た冷媒の一部を内部熱交換器６０の低圧側入口部にバイパスするバイパス回路９４が設けられている。このバイパス回路９４には、バイパス可変減圧器９５が設けられている。

まず、冷房時の動作について説明する。圧縮機１０からの高温高圧の冷媒は、四方弁２０を通り、ガスクーラとなる室外熱交換器３０で室外送風機（熱源側送風機）５０により通風される室外空気に熱を放出する。室外熱交換器３０から出た冷媒は、減圧量を限界まで少なくした熱源側可変減圧器４０を通って内部熱交換器６０の高圧側流路に導かれ、この高圧側流路で低圧側流路を流れる冷媒により冷却された後、阻止弁７０ａ及び接続配管８０ａを通り、利用側可変減圧器９０で減圧される。この減圧された冷媒は、蒸発器となる室内熱交換器（利用側熱交換器）１００で送風機１１０により通風される室内空気から熱を奪い、接続配管８０ｂ及び阻止弁７０ｂを経て、再び四方弁２０を通り、内部熱交換器６０の低圧側流路に導かれ、この低圧側流路で高圧側流路を流れる冷媒により加熱された後に、再び圧縮機１０に吸込まれる。

また、ガスクーラとなる室外熱交換器３０から出た内部熱交換器６０に入る前の高圧冷媒の一部をバイパスとして取り出し、バイパス可変減圧装置９５で減圧し、内部熱交換器６０の低圧側流路の入口に合流させている。ここで、バイパス回路９４に設けたバイパス可変減圧器９５により、圧縮機吐出温度を調節するようにバイパス流量を制御する。

この冷凍サイクルの冷房時には、内部熱交換器６０の本来の比エンタルピ差を増大させて性能を向上させる効果と、高圧冷媒の一部をバイパスすることによる接続配管８０ａ、蒸発器となる室内熱交換器１００の圧力損失の低減とが同時に可能となり、ＣＯＰ向上を図ることができる。また、なお、バイパス冷媒の冷熱は内部熱交換器６０で自身に回収されるため、その損失はない。

以上は冷房時の運転であり、四方弁２０を切替えて冷媒の流れを破線の矢印とすれば暖房の運転となる。この場合、可変減圧器９０の減圧量は限界まで下げ、可変減圧器４０で減圧する構成となる。この冷凍サイクルでは、接続配管８０ａの圧力損失の低減効果はなくなるが、蒸発器となる室外熱交換器３０の圧力損失の低減は可能であるため、内部熱交換器６０の本来の比エンタルピ差を増大させて性能を向上させる効果と、高圧冷媒の一部をバイパスすることによる室外熱交換器３０の圧力損失の低減とが同時に可能となり、ＣＯＰ向上を図ることができる。これによって、空調用途として拡大すること、給湯用途での効率をさらに向上することが可能となる。なお、暖房時のバイパス冷媒の冷熱も内部熱交換器６０で自身に回収されるため、その損失はない。

以上説明したように、本実施形態によれば、地球温暖化防止を図りつつ、圧縮機の信頼性確保とＣＯＰ向上を図ることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の冷凍サイクルについて図２を用いて説明する。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態の冷凍サイクルでは、第１実施形態の冷凍サイクルに、内部熱交換器の低圧側入口に冷媒量調整用のアキュームレータを設け、前記バイパス回路にバイパス可変減圧器を設け、前記圧縮機の吐出温度を調節するようにバイパス可変減圧器を制御する制御装置を追加して設けている。

アキュームレータ２００は一般的にサイクル内の冷媒量を調整する有効な手段であるが、内部熱交換器６０と併用する場合、圧縮機吸入冷媒の温度を上げてしまい、高圧力比等の圧縮機でその吐出温度が高温となる条件では、その吐出温度が信頼性を低下するまで上昇する危険がある。

しかし、この第２実施形態では、バイパス可変減圧器９５の減圧量を調整し、より多くの冷媒をバイパスすることで、圧縮機吸込み冷媒の温度を調整することが可能となり、信頼性を向上することができる。なお、この場合のバイパス冷媒の冷熱は内部熱交換器６０で回収しているため、大きなＣＯＰの低下はない。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の冷凍サイクルについて図３を用いて説明する。この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第３実施形態では、逆止弁１２０を４個追加して、内部熱交換器６０の高圧側流路の流れと低圧側流路の流れとが冷房時及び暖房時の何れも対向流になるように構成したものである。具体的には、内部熱交換器６０と可変減圧器４０の直列回路に対して、２つの逆止弁１２０の直列回路を並列に２列設け、一方の逆止弁１２０の直列回路の中間点に室外熱交換器３０の一側を接続し、他方の逆止弁１２０の直列回路の中間点に室内熱交換器１００の一側を接続したものである。この第３実施形態によれば、冷房時・暖房時とも内部熱交換器６０の高圧側流路と低圧側流路が対向流となり、熱交換能力が向上するのに加え、可変減圧装置４０を１つで構成することが可能となるため、安価なものとすることができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の冷凍サイクルについて図４を用いて説明する。この第４実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第４実施形態はヒートポンプ式給湯機に利用した例である。具体的には、四方弁２０、阻止弁７０ａ、７０ｂ、接続配管８０ａ、８０ｂがなく、利用側熱交換器として水と冷媒とが熱交換する水・冷媒熱交換器３００を用いたしたものである。水・冷媒熱交換器３００は、給湯に用いられる水回路３００ａと、ガスクーラに用いられる冷媒回路３００ｂとを有している。水ポンプ３１０により水回路３００ａに給水され、水・冷媒熱交換器３００で加熱された後に出湯される。このヒートポンプ式給湯機において、給水の温度が高いと、圧縮機１０の吐出圧力が上がってしまうため、バイパス可変減圧器９５を調整することで冷媒を蒸発器３０に多く流し、適切な吐出圧力に調整できる。

本発明の第１実施形態の冷凍サイクルの構成図である。 本発明の第２実施形態の冷凍サイクルの構成図である。 本発明の第３実施形態の冷凍サイクルの構成図である。 本発明の第４実施形態の冷凍サイクルの構成図である。 従来例１の冷凍サイクルの構成図である。 図５の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。 従来例２の冷凍サイクルの構成図である。 従来例３の冷凍サイクルの構成図である。

符号の説明

１０…圧縮機、２０…四方弁、３０…室外熱交換器（熱源側熱交換器、冷房時のガスクーラ）、４０…熱源側可変減圧器、５０…室外送風機（熱源側送風機）、６０…内部熱交換器、７０ａ・７０ｂ…阻止弁、８０ａ・８０ｂ…接続配管、９０…利用側可変減圧器、９４…バイパス回路、９５…バイパス可変減圧器、１００…室内熱交換器（利用側熱交換器、暖房時のガスクーラ）、１１０…室内送風機（利用側送風機）、１２０…逆止弁、２００…アキュームレータ、３００…利用側熱交換器、３１０…水ポンプ。

Claims (4)

1. 圧縮機、ガスクーラ、可変減圧器及び蒸発器を冷媒配管で順次接続して構成され、
   封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作され、
   前記ガスクーラから出た高圧のＣＯ_２冷媒と前記蒸発器から出て前記圧縮機に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えた冷凍サイクルにおいて、
   前記ガスクーラから出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部に合流させるバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
2. 圧縮機、切替弁、熱源側熱交換器、可変減圧器及び利用側熱交換器を冷媒配管で順次接続して構成され、
   封入されたＣＯ_２冷媒の高圧圧力が臨界圧力を超えて動作され、
   前記熱源側熱交換器または前記利用側熱交換器から出た高圧のＣＯ_２冷媒と前記利用側熱交換器または前記熱源側熱交換器から出て前記圧縮機に吸込まれる低圧のＣＯ_２冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、
   前記切替弁は、冷房時に前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記可変減圧器及び前記利用側熱交換器の順にＣＯ_２冷媒を流すように切替え且つ暖房時に前記圧縮機、前記利用側熱交換器、前記可変減圧器及び前記熱源側熱交換器の順にＣＯ_２冷媒を流すように切替えるように動作する冷凍サイクルにおいて、
   前記冷房時に前記熱源側熱交換器から出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部にバイパスすると共に前記暖房時に前記利用側熱交換器から出たＣＯ_２冷媒の一部を前記内部熱交換器の低圧側入口部に合流させるバイパス回路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
3. 請求項２において、前記内部熱交換器の高圧側の流れと低圧側の流れとが前記冷房時及び前記暖房時の何れも対向流になるように構成したことを特徴とする冷凍サイクル。
4. 請求項１または２において、前記内部熱交換器の低圧側入口に冷媒量調整用のアキュームレータを設け、前記バイパス回路にバイパス可変減圧器を設け、前記圧縮機の吐出温度を調節するようにバイパス可変減圧器を制御する制御装置を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。

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