JP2009299909A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
比体積の大きな冷媒を用いても、ガス接続配管で生じる圧力損失を低減して、能力不足を解消できる冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】
冷凍サイクル装置に圧縮機１００，熱源側熱交換器１３０，減圧器及び利用側熱交換器２２０を配管で順次接続し、切替弁により冷房運転と暖房運転を切り替え、作動冷媒はＲ４１０Ａに対して同一蒸発温度での蒸気比体積が１.５倍以上である冷媒を使用し、冷房運転時に前記熱源側熱交換器から出た前記冷媒を過冷却するための冷凍機を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍機や空気調和機などの冷凍サイクル装置に関し、特に冷凍サイクル装置の能力向上に関するものである。

冷凍サイクル装置に使われる冷媒は多種のものがあり、それぞれその用途によって選定が行われる。そのシステムにおける能力の確保やＣＯＰ値等が重要な選定項目となる。冷媒自身のＣＯＰが良くても能力が発揮できなければ選択されない。

特許文献１では、システムが持つ容量不足（圧縮機の吐出量不足や熱交換器の性能不足）を補うため、凝縮器から出た冷媒を別冷凍サイクルで過冷却させ、容量増大を行っている。

特開２００２−２８６３１０号公報

直接膨張型冷凍サイクルで利用側と熱源側が離れている場合には、その接続配管で生ずる圧力損失が問題となる。図４は一般的な直設膨張型冷凍サイクルを用いた空気調和機の構成を示す。冷房時は図中実線の矢印の方向に冷媒が流れ、圧縮機１００から出た冷媒は四方弁１２０を通り室外熱交換器１３０で室外ファン１５０によってファン１５０で送り込まれる空気により冷却され凝縮し、全開状態にした室外膨張弁，冷媒量調整用の受液器１６０を通り室外から出る。そして液接続配管３１０で離れた室内機に導かれる。室内機では室内膨張弁２１０により減圧され、室内熱交換器２２０で室内ファン２３０で送り込まれる空気を冷やし、冷媒自身は加熱され蒸発し室内機を出て行く。そしてガス接続配管３２０を通り室外機に再び戻ってくる。そして四方弁１２０を通り圧縮機１００に吸込まれる。暖房時は四方弁１２０を切り替えることで図の破線のように冷媒が流れる。ここで、冷房運転時においてはガス接続配管の圧力損失が問題となる。図６はこの空気調和機のｐ−ｈ線図を示す。横軸が比エンタルピで縦軸は圧力である。図中Δｐと表現しているのが、ガス接続配管３２０で生じる圧力損失である。この圧力損失は圧縮機１００の吸入圧力を押し下げてしまうため、結果、圧縮機に吸込まれる冷媒の比体積の増大すなわち密度の低下から圧縮機に吸われる冷媒の質量流量が下がり能力が低下する。これを補うため圧縮機の容量増加やインバータ駆動の場合は回転数増加で循環量を増加させようとするが、このΔｐはさらに増加する。この悪循環のため、これ以上能力が上げられないという状況に陥る。これを防止するため、比較的比体積の小さい冷媒が選定させたり、ガス接続配管の管径を増加される施工がなされる。しかし、冷媒を比体積で選ぶ方法では、冷媒の選択幅が少なくなり、ＣＯＰの悪い、または地球温暖化係数ＧＷＰの高い冷媒を選ばなければならないといったことになる場合が多く、ガス接続配管の管径の増加は施工性を悪くする。また、既存に設置されている空調機，冷凍機ではその既存設置の配管の交換ができない場合があり、その場合もとの冷媒より比体積の大きい冷媒は使えないことになる。これは前述のようにいくら大きな圧縮機，熱交換器をもってきても不可能ということである。

本発明の目的は、比体積の大きな冷媒を用いても、ガス接続配管で生じる圧力損失を低減できるようにして、能力不足を解消できる冷凍サイクル装置を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機，熱源側熱交換器，減圧器及び利用側熱交換器を配管で順次接続し、切替弁により冷房運転と暖房運転を切り替える冷凍サイクル装置において、作動冷媒はＲ４１０Ａに対して同一蒸発温度での蒸気比体積が１.５倍以上である冷媒を使用し、冷房運転時に前記熱源側熱交換器から出た前記冷媒を過冷却するための冷凍機を備えることを特徴とする。

ここで、熱源側熱交換器と追加冷凍機の凝縮器を一体化することもできる。

また、熱源側熱交換器の熱源を追加冷凍機から得るようにすることもできる。

更に、利用側熱交換器を分割し、この分割された熱交換器のそれぞれに流入する冷媒どうしを熱交換させる熱交換器を設けるようにすると利用側熱交換器の温度が極端に低下するのを防止して霜付などを防止できる。

本発明によれば、比体積の大きな冷媒を用いても、その流量を減らすことが可能となり、従って、ガス接続配管で生じる圧力損失を低減できるから、能力不足を解消できる冷凍サイクル装置が得られる。

比体積の大きな冷媒、例えば地球温暖化係数の低い冷媒（低ＧＷＰ冷媒）を採用すると、ガス接続配管の圧力損失に起因する能力未達成が生じる。この課題は圧縮機吐出量や熱交換器増加では対応困難である。なお、配管径を増加させれば解決できるが、大きな冷媒配管に置き換える施工が必要となる。本発明は、冷媒を大きく過冷却することで、冷媒質量流量が少なくても能力を発揮できる構成として、大きな径の冷媒配管に置き換えなくても十分な能力を確保できるようにしたものである。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

図１は本発明の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。図では空気調和機に適用した場合の例で、冷媒としてＲ１３４ａを用いている。通常このようなシステムでは配管の圧力損失を考慮し、Ｒ４０７ＣやＲ４１０Ａあるいはこれらに準ずる比体積を持つ冷媒が選定される。Ｒ１３４ａはＲ４１０Ａに比べ同一蒸発温度で蒸気比体積が２倍程度ある。Ｒ１３４ａは冷媒としてのＣＯＰは高いが、その比体積の大きさから圧力損失が大きく、接続配管を持つ空気調和機や冷凍機には敬遠されている。図中記号は前述の図４と同じである。ここでは、過冷却熱交換器４４０で接する冷凍機が付加されている。この冷凍機は過冷却冷凍機用圧縮機４００，過冷却冷凍機用熱交換器４１０，過冷却冷凍機用膨張弁４３０，過冷却熱交換器４４０で構成され、内部は冷媒が流れている。この冷凍機は空気調和機が冷房運転している間動作し、室外熱交換器１３０により凝縮した冷媒を大きく過冷却するために使われる。図７はこの空気調和機のｐ−ｈ線図を示す。過冷却冷凍機がないサイクルＡに対して、冷媒を−２０度まで過冷却冷凍機で冷却されたサイクルＢを記述している。図はサイクルＡが持つ冷凍効果ΔｈＡよりサイクルＢの冷凍効果ΔｈＢが大きくなっている状態を示している。冷却能力はこの冷凍効果Δｈに冷媒の質量流量を掛けたものであるため、サイクルＢは少ない流量で能力確保が可能であり、比体積の大きいＲ１３４ａのような冷媒を用いてもガス接続管の圧力損失の増大による能力未達を解消できる。図８は追加冷凍機での過冷却の大きさからどれだけ冷凍効果が増加するかを示している。冷媒がＲ１３４ａの場合で、凝縮温度５０℃，蒸発温度５℃としている。液の温度が５０℃すなわち過冷却冷凍機が無動作に対して、過冷却していく（図の左側）にしたがい冷凍効果が大きくなっていく。図９はこれを同一能力を発揮する冷媒質量流量で表している。液温５０℃（冷凍機無動作）を基準１.０としている。−２０℃まで冷却すると冷媒質量流量はほぼ半分とできるため、圧力損失の大幅な低減が可能であり、Ｒ１３４ａのようなＲ４１０Ａに対して同一蒸発温度で１.５倍以上の蒸気比体積をもつ冷媒でも十分使用が可能となる。

図２は本発明の実施例２を示す冷凍サイクル構成図である。図２において図１と同じ符号を付した部分は同一又は相当する部分を示している。この実施例では、図１での過冷却冷凍機での過冷却冷凍機用熱交換器４１０を室外熱交換器１３０と一体化したものである。この場合図１の過冷却冷凍機用ファン４２０を省略できる。

図３は本発明の実施例３を示す冷凍サイクル構成図である。図３において図１と同じ符号を付した部分は同一又は相当する部分を示している。この実施例では、図１での過冷却冷凍機を液接続配管に施工する構成として設置自由度を上げている。

図５は本発明の実施例４を示す冷凍サイクル構成図である。図５において図１と同じ符号を付した部分は同一又は相当する部分を示している。この実施例では、室外熱交換器は空気と熱交換するのではなく、過冷却冷凍機で熱交換させている。冷房時は過冷却冷凍機用圧縮機４００から出た冷媒は、過冷却冷凍機用四方弁４５０を通り、過冷却冷凍機用熱交換器４１０で過冷却冷凍機用ファン４２０によって送り込まれる空気で凝縮し、過冷却冷凍機用膨張弁４３０で減圧される。そして逆止弁４６０を通り、過冷却熱交換器４４０で空気調和機の冷媒を大きく過冷却させ、室外熱交換器５００で空気調和機の冷媒を凝縮させ、自身は蒸発し、過冷却冷凍機用圧縮機４００に吸われる。暖房時は過冷却冷凍機用四方弁４５０を切り替え、空気調和機で蒸発器となった室外熱交換器で空気調和機の冷媒を蒸発させ、自身は凝縮し、逆止弁４７０を通り、過冷却冷凍機用膨張弁４３０で減圧される。そして過冷却冷凍機用熱交換器４１０で空気により蒸発し、過冷却冷凍機用圧縮機４００に吸われる。暖房時には過冷却熱交換器４４０は機能させない。

図１０は本発明の実施例５を示す冷凍サイクル構成図で、冷凍サイクルの室内側を示す図である。図１０において実施例１〜４と同じ符号を付した部分は同一又は相当する部分を示している。前述の実施例では室内熱交換器へ−２０℃の冷媒を直接送り込むため、そこで部分的に極低温の空気（例えば−１０℃）を吹き出し不快感を与えたり、空気中水分凍結のため、空気流路を塞ぎ、円滑な熱交換を妨げる恐れがある。この実施例では、室内熱交換器２２０を分割し（２２０ａ，２２０ｂ）その間に逆止弁６１０，６２０と液ガス熱交換器６００を追加している。冷媒状態変化をこの図のＡ〜Ｅの記号と図１１のｐ−ｈ線図で説明する。蒸発温度は５℃とする。まずＡには−２０℃程度の低温液の冷媒状態である。そして液ガス熱交換器６００で後述する蒸発温度（５℃）レベルの冷媒Ｃと熱交換して昇温し、状態Ｂとなる。ここでは５℃程度の冷媒Ｃと熱交換するため冷媒Ｂは２℃程度となる。そしてＢは分割室内熱交換器２２０ａで蒸発しＣの状態となる。Ｃは前述の低温のＡと熱交換することでその熱が失われ、飽和状態Ｄの状態となる。ここでもやはり飽和状態であるため温度は５℃程度である。そして分割室内熱交換器２２０ｂで蒸発し室内機を出て行く。このように構成することで、空気とは飽和温度レベルあるいはそれより若干低い温度と熱交換することが可能であり、前述の問題は無くなる。暖房時は液ガス熱交換器６００で熱交換を起こらないよう、逆止弁により、破線の方向に冷媒が流れる。しかし、暖房時Ｃ点の冷媒温度とＢ点の冷媒温度に差がない場合は逆止弁を設けず、液ガス熱交換器６００を通過する構成としてもかまわない。また室内膨張弁２１０は液ガス熱交換器６００と室内熱交換器２２０の間でもかまわない。

また冷媒として非共沸混合冷媒を用いる場合は、Ｃ点の温度は同じ蒸発圧力でも高い温度を示すため、５℃より高い温度となる。そのためＢ点は飽和状態まで加熱することが可能で、より高い温度が得られることになる。

なお、上記実施例１〜５では冷媒をＲ１３４ａとして説明したが、Ｒ４１０Ａに対して同一蒸発温度での蒸気比体積が１.５倍以上（例えば２倍）ある冷媒では有効である。また空気調和機としているが、同じく接続配管をもつ直接膨張型システム、例えば冷凍機にも同様に適用できる。

更に、上記実施例１〜５において、冷房運転時には、過冷却熱交換器４４０に入る前の冷媒の一部を取り出し、減圧させて温度を下げ、残りの冷媒と熱交換させて当該冷媒を冷やし、取り出した前記一部の冷媒は蒸発した後、圧縮機の吸入部や中間部に注入させる構成としても良い。このように構成することにより、過冷却熱交換器４４０に入る冷媒は事前に冷却されているため、追加冷凍機の能力を下げることができ、コスト低減やコンパクト化が可能となる。

空調機や冷凍機の更新（リニューアル）する場合、設置上の制約により既設の配管は変更せずに、室外ユニット及び室内ユニットのみを新しいものに更新できるようにすることが望ましい。Ｒ４１０Ａのような比較的高圧の冷媒を用いたシステムからＲ１３４ａのような低圧の冷媒を用いたシステムに更新する場合、本発明の採用により配管径を変えずに対応できるので、有効でなる。

本発明の実施例１を示す冷凍サイクル構成図。 本発明の実施例２を示す冷凍サイクル構成図。 本発明の実施例３を示す冷凍サイクル構成図。 従来の冷凍サイクル装置を示す冷凍サイクル構成図。 本発明の実施例１を示す冷凍サイクル構成図。 従来の冷凍サイクル装置のｐ−ｈ線図。 本発明の実施例１におけるｐ−ｈ線図。 液接続配管の冷却温度と冷凍効果との関係を示す線図。 液接続配管の冷却温度と冷媒質量流量との関係を示す線図。 本発明の実施例５を示す冷凍サイクル構成図。 本発明の実施例５におけるｐ−ｈ線図。

符号の説明

１００ 圧縮機
１２０ 四方弁
１３０ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
１４０ 室外膨張弁
１５０ 室外ファン
１６０ 受液器
２１０ 室内膨張弁
２２０ 室内熱交換器（利用側熱交換器）
２２０ａ，２２０ｂ 分割室内熱交換器
２３０ 室内ファン
３１０ 液接続配管
３２０ ガス接続配管
４００ 過冷却冷凍機用圧縮機
４１０ 過冷却冷凍機用熱交換器
４２０ 過冷却冷凍機用ファン
４３０ 過冷却冷凍機用膨張弁
４４０ 過冷却熱交換器
４５０ 過冷却冷凍機用四方弁
４６０，４７０，６１０，６２０ 逆止弁
６００ 液ガス熱交換器

Claims (4)

1. 圧縮機，熱源側熱交換器，減圧器及び利用側熱交換器を配管で順次接続し、切替弁により冷房運転と暖房運転を切り替える冷凍サイクル装置において、
   作動冷媒はＲ４１０Ａに対して同一蒸発温度での蒸気比体積が１.５倍以上である冷媒を使用し、
   冷房運転時に前記熱源側熱交換器から出た前記冷媒を過冷却するための冷凍機を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１において、前記熱源側熱交換器と前記冷凍機の凝縮器とを一体化したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項１において、前記熱源側熱交換器の熱源を前記冷凍機から得ることを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記利用側熱交換器を分割し、この分割された熱交換器のそれぞれに流入する冷媒どうしを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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