JP2012193908A - 二元冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本実施形態は、二元冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置において、高温側冷凍回路の膨張装置入り口部のフラッシュガスを低減できる二元冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】高温側冷凍回路Raは、高温側圧縮機1、高温側凝縮器2の1次側流路2a、過冷却熱交換器3の1次側流路3a、高温側膨張装置4及びカスケード熱交換器5の1次側流路5aを、冷媒配管Pにより順次接続して構成されている。また、高温側冷凍回路Raは、一端9aが上記水熱交換器2の1次側流路2aと上記高温側膨張装置4の間である、水熱交換器2の1次側流路2aと上記過冷却熱交換器3間の冷媒配管Pに接続され、他端9bが高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に接続されたバイパス回路9を備えている。また、上記バイパス回路9は、途中に副膨張装置10と上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】高温側冷凍回路Raは、高温側圧縮機1、高温側凝縮器2の1次側流路2a、過冷却熱交換器3の1次側流路3a、高温側膨張装置4及びカスケード熱交換器5の1次側流路5aを、冷媒配管Pにより順次接続して構成されている。また、高温側冷凍回路Raは、一端9aが上記水熱交換器2の1次側流路2aと上記高温側膨張装置4の間である、水熱交換器2の1次側流路2aと上記過冷却熱交換器3間の冷媒配管Pに接続され、他端9bが高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に接続されたバイパス回路9を備えている。また、上記バイパス回路9は、途中に副膨張装置10と上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明の実施態様は、二元冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置に関する。
冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度を上昇させて、水または温水と熱交換させ、高温の温水を得る場合には、高温側冷凍回路と低温側冷凍回路からなり、上記高温側冷凍回路と低温側冷凍回路の冷媒をカスケード熱交換器によって熱交換させる二元冷凍サイクルを備えた二元サイクル装置が使用される。
一般に、上記二元冷凍サイクル装置においては、冷媒の温度が高くなる高温側冷凍回路の冷媒に、R134a、R245fa、HFO−1234yf、HFO−1234ze等の低圧の飽和特性を有する冷媒、例えば、飽和ガス温度65℃に相当する圧力がゲージ圧で2.8MPa以下の冷媒を使用し、圧力上昇を抑制するようにしている。
上記R134a等の低圧の飽和特性を有する冷媒は、圧力損失が大きいという特性も有している。そのため、凝縮器の出口部から膨張装置に至る配管で、圧力損失により液冷媒の一部が蒸発してフラッシュガスが生じ、このフラッシュガスが膨張装置に流入することにより膨張装置の制御性が低下したり、膨張装置の大型化を招く等の不具合があった。
本実施形態は上記事情にもとづきなされたものであり、高温側冷凍回路の膨張装置入り口部のフラッシュガスを低減できる二元冷凍サイクル装置を提供する。
本実施形態の二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を冷媒配管を介して連通した高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、上記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を冷媒配管を介して連通した低温側冷凍回路とからなり、上記高温側冷凍回路の冷媒と上記低温側冷凍回路の冷媒を上記カスケード熱交換器で熱交換する二元冷凍サイクルを備える。
上記高温側冷凍回路は、上記高温側凝縮器と膨張装置の間に過冷却交換器の1次側流路を備えるとともに、一端が上記高温側凝縮器と膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が高温側圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路を備え、上記バイパス回路は途中に副膨張装置と上記過冷却熱交換器の2次側流路とを備える。
上記高温側冷凍回路は、上記高温側凝縮器と膨張装置の間に過冷却交換器の1次側流路を備えるとともに、一端が上記高温側凝縮器と膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が高温側圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路を備え、上記バイパス回路は途中に副膨張装置と上記過冷却熱交換器の2次側流路とを備える。
以下、本実施形態を図面にもとづいて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図である。この二元冷凍サイクル装置100は、高温側冷凍回路Raと、低温側冷凍回路Rbからなる二元冷凍サイクルと、温水配管Hとを備える。
上記高温側冷凍回路Raから説明すると、高温側冷凍回路Raは、高温側圧縮機1、高温側凝縮器2の1次側流路2a、過冷却熱交換器3の1次側流路3a、高温側膨張装置4及びカスケード熱交換器5の1次側流路5aを、冷媒配管Pにより順次接続して構成されており、冷媒として低圧の飽和特性を有するR134aが封入されている。
また、上記低温側冷凍回路Rbは、低温側圧縮機6、上記カスケード熱交換器5の2次側流路5b、低温側膨張装置7及び空気熱交換器からなる低温側蒸発器8を、冷媒配管Pにより順次接続して構成されており、冷媒としてR410Aが封入されている。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置の冷凍サイクル構成図である。この二元冷凍サイクル装置100は、高温側冷凍回路Raと、低温側冷凍回路Rbからなる二元冷凍サイクルと、温水配管Hとを備える。
上記高温側冷凍回路Raから説明すると、高温側冷凍回路Raは、高温側圧縮機1、高温側凝縮器2の1次側流路2a、過冷却熱交換器3の1次側流路3a、高温側膨張装置4及びカスケード熱交換器5の1次側流路5aを、冷媒配管Pにより順次接続して構成されており、冷媒として低圧の飽和特性を有するR134aが封入されている。
また、上記低温側冷凍回路Rbは、低温側圧縮機6、上記カスケード熱交換器5の2次側流路5b、低温側膨張装置7及び空気熱交換器からなる低温側蒸発器8を、冷媒配管Pにより順次接続して構成されており、冷媒としてR410Aが封入されている。
温水配管Hは、上記高温側凝縮器2の2次側流路2bに接続され、温水配管H内の温水は、図示しない搬送用ポンプにより破線矢印方向に流れるようになっている。したがって、上記温水配管Hに導かれる温水は、高温側凝縮器2の2次側流路2bにおいて1次側流路2aに導かれる高温側回路の冷媒と熱交換し加温されることとなる。
さらに、上記高温側冷凍回路Raは、一端9aが上記高温側凝縮器2の1次側流路2aと上記高温側膨張装置4の間にある、高温側凝縮器2の1次側流路2aと上記過冷却熱交換器3間の冷媒配管Pに接続され、他端9bが高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に接続されたバイパス回路9を備えている。また、上記バイパス回路9には、途中に一端9a側から副膨張装置10と上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bが備えられている。
次に、上記第1の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置100の作用について説明する。
冷媒の流れを実線矢印で示す。冷凍サイクル装置100の運転時に、高温側冷凍回路Raにおいては、高温側圧縮機1で圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒が、冷媒配管Pを介して高温側凝縮器2の1次側流路2aに流入する。上記高温側凝縮器2の1次側流路2aに流入した冷媒は、この高温側凝縮器2の2次側流路2bを流れる温水配管Hの温水と熱交換(凝縮熱を放出)して、温水を加温するとともに凝縮する。
冷媒の流れを実線矢印で示す。冷凍サイクル装置100の運転時に、高温側冷凍回路Raにおいては、高温側圧縮機1で圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒が、冷媒配管Pを介して高温側凝縮器2の1次側流路2aに流入する。上記高温側凝縮器2の1次側流路2aに流入した冷媒は、この高温側凝縮器2の2次側流路2bを流れる温水配管Hの温水と熱交換(凝縮熱を放出)して、温水を加温するとともに凝縮する。
高温側凝縮器2の1次側流路2aで凝縮した冷媒の多くは、冷媒配管Pを介して上記過冷却熱交換器3の1次側流路3aに流入するとともに、高温側凝縮器2の1次側流路2aで凝縮した冷媒の一部は、バイパス回路9の一端9aから、バイパス回路9に流入する。
バイパス回路9に流入した冷媒は、副膨張装置10により、高温側圧縮機1の吐出圧力と吸込み圧力の中間の圧力に減圧されて、上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bに流入する。
過冷却熱交換器3では、1次側流路3aの冷媒と2次側流路3bの冷媒が熱交換し、1次側流路3aの冷媒は冷却されて過冷却度が増加するとともに、2次側流路3bの冷媒は、加熱されて蒸発する。
過冷却度が増加した1次側流路3aの冷媒は、さらに、高温側膨張装置4で減圧されて気液二相状態になり、上記カスケード熱交換器5の1次側流路5aに流入して蒸発する。カスケード熱交換器5の1次側流路5aで蒸発した冷媒は、高温側圧縮機1に吸込まれる。
また、上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bで蒸発した中間圧の冷媒は、高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される。
バイパス回路9に流入した冷媒は、副膨張装置10により、高温側圧縮機1の吐出圧力と吸込み圧力の中間の圧力に減圧されて、上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bに流入する。
過冷却熱交換器3では、1次側流路3aの冷媒と2次側流路3bの冷媒が熱交換し、1次側流路3aの冷媒は冷却されて過冷却度が増加するとともに、2次側流路3bの冷媒は、加熱されて蒸発する。
過冷却度が増加した1次側流路3aの冷媒は、さらに、高温側膨張装置4で減圧されて気液二相状態になり、上記カスケード熱交換器5の1次側流路5aに流入して蒸発する。カスケード熱交換器5の1次側流路5aで蒸発した冷媒は、高温側圧縮機1に吸込まれる。
また、上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bで蒸発した中間圧の冷媒は、高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される。
また、低温側冷凍回路Rbにおいては、低温側圧縮機6で圧縮され、吐出された高温高圧のガス冷媒が、冷媒配管Pを介して上記カスケード熱交換器5の2次側流路5bに流入する。カスケード熱交換器5の2次側流路5bに流入した冷媒は、カスケード熱交換器5の1次側流路5aを流れる高温側冷凍回路Raの冷媒と熱交換し、冷却されて凝縮する。
カスケード熱交換器4の2次側流路5bで凝縮した冷媒は、さらに、低温側膨張装置7で減圧されて気液二相状態になり、上記低温側蒸発器8に流入して蒸発する。低温側蒸発器8で蒸発した冷媒は、低温側圧縮機6に吸込まれる。
カスケード熱交換器4の2次側流路5bで凝縮した冷媒は、さらに、低温側膨張装置7で減圧されて気液二相状態になり、上記低温側蒸発器8に流入して蒸発する。低温側蒸発器8で蒸発した冷媒は、低温側圧縮機6に吸込まれる。
図2は、図1に示した二元冷凍サイクル装置100のp−h線図(冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示す線図)である。
図2において、aは高温側圧縮機1の吸込み部、bは高温側凝縮器2の1次側流路2aの入口部、cは高温側凝縮器2の1次側流路2aの出口部(バイパス回路9の入口部)、dは過冷却熱交換器3の1次側流路3aの出口部、eはカスケード熱交換器5の1次側流路5aの入口部、fは過冷却熱交換器3の2次側流路3bの入口部、gは上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bで蒸発した中間圧の冷媒が注入される高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室の冷媒の状態を表している。
図2において、aは高温側圧縮機1の吸込み部、bは高温側凝縮器2の1次側流路2aの入口部、cは高温側凝縮器2の1次側流路2aの出口部(バイパス回路9の入口部)、dは過冷却熱交換器3の1次側流路3aの出口部、eはカスケード熱交換器5の1次側流路5aの入口部、fは過冷却熱交換器3の2次側流路3bの入口部、gは上記過冷却熱交換器3の2次側流路3bで蒸発した中間圧の冷媒が注入される高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室の冷媒の状態を表している。
また、hは低温側圧縮機6の入口部、iはカスケード熱交換器5の2次側流路5bの入口部、jはカスケード熱交換器5の2次側流路5bの出口部、kは低温側蒸発器8の入口部の冷媒の状態を表している。
図2から明らかなように、過冷却熱交換器3の1次側流路3aの冷媒は、2次側流路3bの冷媒の蒸発潜熱(図2のΔh´)によって冷却され(図2のΔh)、過冷却度が増加する。また、バイパス回路9に冷媒が分流される分だけ、高温側膨張装置4に流れる液冷媒の量が減少して液冷媒の流速が低下して圧力損失が減少する。そのため、高温側膨張装置4の入口部に流入する液冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができる。したがって、高温側膨張装置4の制御性が低下したり、高温側膨張装置4を大型化する必要がない。
さらに、バイパス回路9に冷媒が分流される分だけ、カスケード熱交換器5の1次側流路5aに流入する冷媒量が減少し、かつ、冷媒の乾き度が低下するため、プレート式熱交換器等で形成されるカスケード熱交換器5の1次側流路5a内での2相冷媒の分流が改善され、高温側冷凍回路Raの蒸発温度と、低温側冷凍回路Rbの凝縮温度の温度差が低減し、二元冷凍サイクルとしてのCOP(成績係数)が向上する。
また、高温側圧縮機1が吸込み圧力から、バイパス回路9を介して供給される冷媒の圧力になるまで圧縮する冷媒量が減少するため、圧縮機の仕事量が減少する。
また、高温側圧縮機1が吸込み圧力から、バイパス回路9を介して供給される冷媒の圧力になるまで圧縮する冷媒量が減少するため、圧縮機の仕事量が減少する。
なお、バイパス回路9を介して高温側圧縮機1の圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される冷媒により、高温側圧縮機1から吐出される冷媒の温度が若干低下するが、圧縮室に注入される冷媒の過熱度を制御することにより、抑制することができる。また、高温側圧縮機1から吐出される冷媒量は減少しない。
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200の冷凍サイクル構成図である。
第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200は、上記第1の実施形態の二元冷凍サイクル装置100に対して、バイパス回路9の一端の接続位置が相違し、他の構成は、上記第1の実施形態の二元冷凍サイクル装置100と同一である。したがって、同一構成部品には同一符号を付して新たな説明は省略する。
図3は、第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200の冷凍サイクル構成図である。
第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200は、上記第1の実施形態の二元冷凍サイクル装置100に対して、バイパス回路9の一端の接続位置が相違し、他の構成は、上記第1の実施形態の二元冷凍サイクル装置100と同一である。したがって、同一構成部品には同一符号を付して新たな説明は省略する。
第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200は、バイパス回路9の一端9aが、上記高温側凝縮器2の1次側流路2aと上記高温側膨張装置4の間である、過冷却熱交換器3の1次側流路3aと高温側膨張装置4間の冷媒配管Pに接続されている。
この第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200は、上記第1の実施形態に係る冷凍サイクル装置100と同一の作用効果を奏するともに、さらに、過冷却熱交換器3の1次側流路3aで過冷却度が増加した液冷媒を副膨張装置10に供給することができる。したがって、副膨張装置10入口部に流入する冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができ、副膨張装置10の制御性が低下することを防止できる。
この第2の実施形態に係る二元冷凍サイクル装置200は、上記第1の実施形態に係る冷凍サイクル装置100と同一の作用効果を奏するともに、さらに、過冷却熱交換器3の1次側流路3aで過冷却度が増加した液冷媒を副膨張装置10に供給することができる。したがって、副膨張装置10入口部に流入する冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができ、副膨張装置10の制御性が低下することを防止できる。
以上、本実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、実施形態の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Ra…高温側冷凍回路、Rb…低温側冷凍回路、H…温水配管、P…冷媒配管、1…高温側圧縮機、2…高温側凝縮器、3…過冷却熱交換器、4…高温側膨張装置、5…カスケード熱交換器、6…低温側圧縮機、7…低温側膨張装置、8…低温側蒸発器、9…バイパス回路、10…副膨張装置、100、200…二元冷凍サイクル装置
Claims (2)
- 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器を冷媒配管を介して連通した高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、上記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器を冷媒配管を介して連通した低温側冷凍回路とからなり、上記高温側冷凍回路の冷媒と上記低温側冷凍回路の冷媒を上記カスケード熱交換器で熱交換する二元冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置において、
上記高温側冷凍回路は、上記高温側凝縮器と高温側膨張装置の間に過冷却交換器の1次側流路を備えるとともに、一端が上記高温側凝縮器と高温側膨張装置の間の冷媒配管に接続され、他端が高温側圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路を備え、上記バイパス回路は途中に副膨張装置と上記過冷却熱交換器の2次側流路とを備えたことを特徴とする二元冷凍サイクル装置。 - 上記バイパス回路の一端は、上記過冷却熱交換器の1次側流路と上記高温側膨張装置の間の冷媒配管に接続されていることを特徴とする請求項1記載の二元冷凍サイクル装置。
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