JP2019045077A - 直接接触熱交換器を備えた冷媒システム - Google Patents

Abstract

【課題】直接接触熱交換器を備えた冷媒システムにあって、自給式ポンプを使用しなくとも、熱負荷へと搬送冷媒を搬送するポンプの気泡による停止を避け、安定して動作可能な冷媒システムを提供すること。【解決手段】本発明の冷媒システム１は、熱源と熱源サイクル冷媒（ＨＳＣ冷媒）とを熱交換させる室外熱交換器１２と、ＨＳＣ冷媒を圧縮する圧縮機１１と、ＨＳＣ冷媒の圧力を減少させる減圧部１３と、ＨＳＣ冷媒とＨＳＣ冷媒に直接接触する搬送冷媒（水冷媒）とを熱交換させる直接接触熱交換器３０と、熱負荷と水冷媒とを熱交換させる室内熱交換器２１と、直接接触熱交換器３０から室内熱交換器２１に向けて水冷媒を圧送するポンプ２２と、直接接触熱交換器３０からポンプ２２へと向かう水冷媒と、水冷媒に混入したＨＳＣ冷媒とを受け入れて気液分離させる気液分離器２３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、２種類の冷媒を直接接触させる直接接触熱交換器を備えた冷媒システムに関する。

空気調和機や冷凍機等の冷凍サイクルを利用する機器には、現状、Ｒ４１０Ａに代表されるＨＦＣ（hydrofluorocarbon））冷媒が使用されているが、地球温暖化を防止するための規制強化を背景に、ＧＷＰ（Global-warming potential）が低い冷媒の開発が進められている。
低ＧＷＰの他、サイクル効率（性能）や、不燃性などの安全性も考慮して各種の冷媒の開発が進められている。

本発明の発明者は、ＨＦＣ冷媒等の熱源サイクル冷媒が循環する熱源サイクル（冷凍サイクル）と、熱負荷へと水冷媒を搬送する熱搬送ループと、熱源サイクル冷媒と水冷媒とをタンク内で直接接触させる直接接触熱交換器とを備えた冷媒システムを提案している（特許文献１）。直接接触熱交換器において、熱源サイクル冷媒と水冷媒とが混合される。
特許文献１では、直接接触熱交換器における熱源サイクル冷媒と水冷媒との密度差が冷却運転時と比べて小さい加熱運転時には、直接接触熱交換器を経た熱源サイクル冷媒を減圧させてから分離タンクへと移送することで、熱源サイクル冷媒と水冷媒とを十分に分離させている。

特開２０１５−８７０５１号公報

直接接触熱交換器において混合した熱源サイクル冷媒と水冷媒は、密度差により分離されるとは言え、これらを十分に分離することは難しい。そのため、直接接触熱交換器から熱負荷に向けてポンプにより搬送される水冷媒には、熱源サイクル冷媒の液相あるいは気相（気泡）が混入する。
水冷媒に混入した熱源サイクル冷媒は、水冷媒を圧送するポンプの駆動部の発熱の影響を受けて乾き度が大きくなる。それによって水中に発生した熱源サイクル冷媒の気泡がポンプの羽根車等に滞留することで、ポンプを回転させる背圧が不十分となり、ポンプが停止するおそれがある。
それを避けるため、気泡が滞留したとしても動作可能な自給式のポンプを使用すればよいが、自給式ポンプは、液による背圧を必要とする典型的なポンプと比べて非常に高価である。

以上より、本発明は、直接接触熱交換器を備えた冷媒システムにあって、自給式ポンプを使用しなくとも、熱負荷へと搬送冷媒を搬送するポンプの気泡による停止を避け、安定して動作可能な冷媒システムを提供することを目的とする。

本発明の冷媒システムは、熱源と熱源サイクル冷媒とを熱交換させる熱源側熱交換器と、熱源サイクル冷媒を圧縮する圧縮機と、熱源サイクル冷媒の圧力を減少させる減圧部と、熱源サイクル冷媒と、熱源サイクル冷媒に直接接触する搬送冷媒とを熱交換させる直接接触熱交換器と、熱負荷と搬送冷媒とを熱交換させる熱負荷側熱交換器と、直接接触熱交換器から熱負荷側熱交換器に向けて搬送冷媒を圧送するポンプと、直接接触熱交換器からポンプへと向かう搬送冷媒と、搬送冷媒に混入した熱源サイクル冷媒とを受け入れて気液分離させる気液分離器と、を備えることを特徴とする。

本発明の冷媒システムは、気液分離器を経てポンプへと向かう搬送冷媒が通過する狭隘な開口を有する気泡破壊部を備えることが好ましい。

本発明の冷媒システムは、気液分離器において搬送冷媒から分離した熱源サイクル冷媒の気相を熱負荷側熱交換器の出口側へと流出させる気相流出経路と、熱負荷側熱交換器の出口側に位置し、絞りまたは弁である圧力損失付与部と、を備えることが好ましい。

本発明の冷媒システムは、熱負荷側熱交換器が備わる室内機と、熱源側熱交換器、圧縮機、および直接接触熱交換器が備わる室外機と、室内機および室外機を結び、ポンプ、気液分離器、および圧力損失付与部が備わる内外接続配管と、を有することが好ましい。

本発明の冷媒システムは、熱源側熱交換器を経た熱源サイクル冷媒と、圧縮機へと吸入される熱源サイクル冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えることが好ましい。

本発明の冷媒システムにおいて、減圧部は、熱源サイクル冷媒の減圧範囲の少なくとも一部を受け持ち、直接接触熱交換器を経た搬送冷媒と熱源サイクル冷媒との気液二相流の圧力を減少させる直接接触後減圧部を有することが好ましい。

本発明の冷媒システムにおいて、直接接触熱交換器は、圧縮機、減圧部、熱源側熱交換器、および直接接触熱交換器を含んで構成された熱源サイクルにおいて蒸発器として機能し、直接接触熱交換器を経た搬送冷媒が熱負荷の冷却に供されることが好ましい。

本発明の冷媒システムは、圧縮機から吐出された熱源サイクル冷媒が直接接触熱交換器へと流入する向きと、直接接触熱交換器から流出した熱源サイクル冷媒が圧縮機へと吸入される向きとに熱源サイクル冷媒の流れの向きを切り替え可能な方向切替弁を備えることが好ましい。その場合、熱源サイクル冷媒の流れの向きに応じて、直接接触熱交換器を経た搬送冷媒が、熱負荷の冷却または加熱に供される。

本発明によれば、直接接触熱交換器から流出する搬送冷媒に熱源サイクル冷媒が混入しており、ポンプによる入熱により乾き度が大きくなることへの対策として、直接接触熱交換器から、気液分離器を介してポンプへと搬送冷媒を流入させている。気液分離器により気液二相流の乾き度を下げているため、その後乾き度が大きくなっても気泡によるポンプの停止には至らない。
したがって、搬送冷媒への熱源サイクル冷媒の混入が現実的には避けられず、かつポンプによる入熱により乾き度が大きくなる状況下、ポンプの停止に至ることなく、冷媒システムを安定して動作させることができる。
気液分離器に加え、気泡破壊部を備えていると、気液分離後にも搬送冷媒に含まれる気泡が細分化されるので、ポンプにおける気泡の噛み込みをより十分に防ぐことができる。

第１実施形態に係る冷媒システムの構成を模式的に示す図である。 第２実施形態に係る冷媒システムの構成を模式的に示す図である。 第３実施形態に係る冷媒システムの構成を模式的に示す図である（冷却運転時）。 第３実施形態に係る冷媒システムの構成を模式的に示す図である（加熱運転時）。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１に示す冷媒システム１は、高い熱交換効率を得るため、熱源サイクル冷媒と搬送冷媒とを直接接触させる直接接触熱交換器３０を備えている。
冷媒システム１は、熱源サイクル冷媒の冷凍サイクルにより搬送冷媒に得られた冷熱を熱負荷の冷却に利用する。

（冷媒の説明）
熱源サイクル冷媒（ＨＳＣ（Heat Source Cycle）冷媒）としては、例えば、ＨＦＣ冷媒やＨＦＯ冷媒等を用いることができる。
ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）冷媒としては、Ｒ４１０ＡやＲ３２を例示することができる。
ＨＦＯ（Hydro Fluoro Olefin）冷媒としては、Ｒ１２３４ｚｅやＲ１２３４ｙｆを例示することができる。ＧＷＰ（Global Warming Potential）の低減を図る観点からは、ＨＦＯ系の冷媒を用いることが好ましい。
その他、熱源サイクル冷媒として、例えばプロパン、イソブタン等の炭化水素（ＨＣ）系冷媒を用いることもできる。それらのＨＣ系冷媒は、Ｒ１２３４ｚｅやＲ１２３４ｙｆと比べてもＧＷＰが低い。

熱源サイクル冷媒（以下、ＨＳＣ冷媒）として用いる冷媒は、サイクル効率やＧＷＰ等を考慮して適宜に選定することができる。熱源サイクル冷媒として、２種あるいは３種以上の冷媒を用いることもできる。

搬送冷媒としては、例えば水が好適である。以下、搬送冷媒のことを水冷媒と称する。水冷媒は、ＧＷＰが０である。また、水冷媒は、燃焼性を有していない。
水冷媒は、冷媒システム１における温度変化域に亘り液相である。

（冷媒システムの概略構成）
冷媒システム１は、外気を熱源とし、熱負荷としての室内空気を冷却するために冷却運転（冷房）される空気調和機として構成されている。この冷媒システム１は、室外機１Ａと、室内機１Ｂと、室外機１Ａおよび室内機１Ｂを結ぶ内外接続配管１Ｃとを備えている。

室外機１Ａには、圧縮機１１と、室外熱交換器１２と、減圧部１３と、直接接触熱交換器３０と、電磁弁１４と、それらを収容する図示しない筐体とが備わる。
室内機１Ｂには、室内熱交換器２１と、室内熱交換器２１を収容する図示しない筐体とが備わる。
そして、内外接続配管１Ｃには、ポンプ２２と、気液分離器２３と、気泡破壊部２４と、圧力損失付与部２６とが備わる。

上記の機器構成は、筐体の設置スペース等に応じて適宜に変更することができる。例えば、ポンプ２２、気液分離器２３、気泡破壊部２４、および圧力損失付与部２６を室内機１Ｂに配置することもできる。

ＨＳＣ冷媒は、圧縮機１１による圧縮、室外熱交換器１２による凝縮、減圧部１３による膨張、および直接接触熱交換器３０による蒸発の各過程からなる熱源サイクル１０（冷凍サイクル）をなす。
直接接触熱交換器３０において、熱源サイクル冷媒との熱交換により冷却される搬送冷媒は、直接接触熱交換器３０と室内熱交換器２１とを結ぶ熱搬送ループ２０をポンプ２２により駆動されて循環する。

以下、冷媒システム１に備わる各構成要素を説明する。

（熱源サイクルに関する構成要素）
圧縮機１１は、ＨＳＣ冷媒を圧縮して吐出する。環境負荷等の観点からは、冷凍機油（潤滑油）が使用されないオイルフリーの圧縮機を採用することが好ましい。

室外熱交換器１２は、ＨＳＣ冷媒と外気との間で、ＨＳＣ冷媒が流れるチューブ等を介して間接的に熱交換を行わせる。熱交換を促進させるため、ファンにより室外熱交換器１２に向けて外気を送風することが好ましい。

減圧部１３は、ＨＳＣ冷媒の圧力を減少させる。減圧部１３として、膨張弁やキャピラリーチューブ等を用いることができる。
熱負荷（室内空気）が設定温度になるように、冷媒システム１に備わる図示しない制御部により、設定温度に適合する蒸発圧力を保つように減圧部１３が調整されることが好ましい。

直接接触熱交換器３０は、ＨＳＣ冷媒と水冷媒とを直接的に接触させて熱交換させる。直接接触熱交換器３０は、水冷媒を貯留するタンク３１と、ＨＳＣ冷媒入口３２Ａと、ＨＳＣ冷媒出口３２Ｂと、水冷媒入口３３Ａと、水冷媒出口３３Ｂとを備えている。
ＨＳＣ冷媒入口３２Ａは、タンク３１の下部に位置しており、ＨＳＣ冷媒出口３２Ｂは、タンク３１の上部に位置している。

タンク３１内に貯留されている水冷媒と、ＨＳＣ冷媒入口３２Ａからタンク３１内に流入した、水冷媒よりも温度の低いＨＳＣ冷媒とが、タンク３１内において直接的に接触して混合されることで熱を授受する。
ここで、減圧部１３を経たＨＳＣ冷媒は、タンク３１内において所定の設定圧力の下、水冷媒と混合されつつ沸騰し、気泡となって水中を浮上する。ＨＳＣ冷媒の液相から気相への相転移に伴う潜熱、および気泡となり浮上する過程においてＨＳＣ冷媒が水冷媒と十分に接触することにより、ＨＳＣ冷媒と水冷媒との間の伝熱が促進され、タンク３１内の水冷媒が冷却される。

ＨＳＣ冷媒と水冷媒とがより十分に接触するように、タンク３１の内部に、ＨＳＣ冷媒入口３２Ａから流入したＨＳＣ冷媒の流れが当たる部材を配置することもできる。ＨＳＣ冷媒入口３２Ａは、タンク３１の底部には限らず、タンク３１の側壁等の適宜な位置に設けることもできる。

タンク３１内において、ＨＳＣ冷媒と水冷媒とは、密度の違いに基づいて分離される。
ＨＳＣ冷媒の気相は、タンク３１内部の液面よりも上部の空間から、ＨＳＣ冷媒出口３２Ｂを通じてタンク３１の外部へと流出し、圧縮機１１へと吸入される。

直接接触熱交換器３０によれば、熱を授受するもの同士が直接接触するため、熱を授受するもの同士がチューブ等を介して間接的に接触するため十分な温度差が要求される典型的な熱交換器と比べて高い熱交換効率を得ることができる。

電磁弁１４は、冷媒システム１に備わる図示しない制御部により、冷媒システム１の運転している間は開放され、冷媒システム１の運転停止時には閉められる。運転中は、ＨＳＣ冷媒がタンク３１内へと押し込まれるため、タンク３１内の水冷媒がＨＳＣ冷媒入口３２Ａから流出してしまうことはないので、電磁弁１４は開放される。運転停止時には電磁弁１４を閉めることにより、タンク３１内の水冷媒がＨＳＣ冷媒入口３２Ａから、熱源サイクルをなす配管へと流れ出てしまうことを防止する。

（水搬送ループに関する構成要素）
水冷媒出口３３Ｂからタンク３１の外へと流出した水冷媒は、熱負荷の冷却に利用された後、水冷媒入口３３Ａからタンク３１内へと流入する。水冷媒は、ポンプ２２により搬送力が与えられて熱搬送ループ２０を循環する。
直接接触熱交換器３０、ポンプ２２、および室内熱交換器２１を含んで構成される熱搬送ループ２０に水冷媒が存在することにより、ＨＳＣ冷媒が燃焼性を有していたとしても、冷媒システム１の全体として燃焼性を低減することができる。

水冷媒が流れる室内熱交換器２１は、水冷媒と、熱負荷である室内空気との間で間接的に熱交換を行わせる。熱交換を促進させるため、ファンにより吸い込んだ室内空気を室内熱交換器２１に向けて送風することが好ましい。室内熱交換器２１およびファンは、例えば、ファンコイルユニットとして構成することができる。

ポンプ２２は、直接接触熱交換器３０から室内熱交換器２１に向けて水冷媒を圧送する。
本実施形態におけるポンプ２２は、直接接触熱交換器３０と室内熱交換器２１を接続する配管（内外接続配管１Ｃの一部）に設けられている。
ポンプ２２として、容積型、非容積型等の任意の種類のポンプを用いることができる。

（本実施形態より解決される課題）
ところで、直接接触熱交換器３０のタンク３１内において、ＨＳＣ冷媒と水冷媒とをそれぞれの密度の違いに基づいて十分に分離することは難しい。
そのため、熱搬送ループ２０を流れる水冷媒には、気相あるいは液相のＨＳＣ冷媒が混入している。水冷媒およびＨＳＣ冷媒からなる気液二相の流体は、ポンプ２２のモータ等の駆動部の発熱の影響を受けて乾き度が大きくなり、特に、熱源であるモータ等の熱の影響を直接的に受けるポンプ２２の通過時に乾き度が大きい。そのため、直接接触熱交換器３０から流出したＨＳＣ冷媒の気泡に加え、直接接触熱交換器３０から流出した後、ＨＳＣ冷媒の気化により水中に発生した気泡が、ポンプの羽根車等に滞留することで背圧が不足すると、ポンプ２２は自給式ではないため停止する。ポンプ２２が停止すれば、熱負荷への冷熱の搬送が停止してしまう。

直接接触熱交換器３０においてＨＳＣ冷媒と水冷媒とが十分には分離されていないと、熱源サイクル１０を循環するＨＳＣ冷媒に水冷媒が混入する。それによるサイクル効率の低下を抑えるため、例えば、特開２０１５−６８５４１号公報に記載されているように、直接接触熱交換器３０のタンク３１の内部を、水冷媒とＨＳＣ冷媒との混合が行われる混合室と、混合室から移送された水冷媒とＨＳＣ冷媒との混合液の密度差による分離が行われる分離室とに仕切り、水冷媒とＨＳＣ冷媒とを十分に分離させることが有効である。

（本実施形態の主旨、および特徴的構成）
本実施形態は、熱搬送ループ２０を流れる水冷媒へのＨＳＣ冷媒の混入に起因してポンプ２２が停止することを未然に防ぐための方策を提供する。本実施形態は、ポンプ２２の停止による熱搬送ループ２０の機能停止を生ずることなく冷媒システム１を安定して動作させるため、直接接触熱交換器３０から水冷媒を受け入れて気液分離を図る気液分離器２３を熱搬送ループ２０に備えることを主要な特徴とする。

気液分離器２３は、直接接触熱交換器３０の水冷媒出口３３Ｂから流出した水冷媒（ＨＳＣ冷媒が混入）が、気液二相流の状態であったとしても、気液分離を図ることにより、好ましくは液相、あるいは、出来る限り乾き度の低い気液二相の流体をポンプ２２へと供給する。
気液分離器２３は、直接接触熱交換器３０からポンプ２２へと向かう水冷媒を、水冷媒に混入したＨＳＣ冷媒と共に受け入れ、液相と、気相（ＨＳＣ冷媒）とに分離させる。気液分離器２３により気相と分離された液相（主として水冷媒）が、気液分離器２３の水冷媒出口２３１から流出し、ポンプ２２へと流入する。

この気液分離器２３は、気相が溜まる上部に取り付けられた配管２５を通じて室内熱交換器２１の出口２１１側の配管へと接続されている。気液分離器２３の気相部から室内熱交換器２１の出口２１１側へと接続することにより、気相の流出に必要な圧力差、つまり、気液分離器２３における圧力と、それよりも低い出口２１１側の圧力との差が得られるので、圧力差に従い、ＨＳＣ冷媒の気相が気液分離器２３から配管２５を通じて出口２１１側へと流出する。ＨＳＣ冷媒を流出させる配管２５のことを、以下では気相流出路２５と称する。

上述のように、気液分離器２３の気相部から室内熱交換器２１の出口２１１側へと接続することにより、ＨＳＣ冷媒の気相の流出に必要な圧力差が得られる。そのため、必須ではないが、気相をより確実に流出させるため、室内熱交換器２１の出口２１１側に、必要な限度で圧力損失を付与するための絞りまたは電磁弁（２６）を設けることが好ましい。その絞りまたは電磁弁のことを圧力損失付与部２６と称する。
なお、本実施形態において、第２実施形態（図２）と同様に、気液分離器２３により液相と分離された気相が、気液分離器２３と圧縮機１１の吸入側との圧力差に従い、圧縮機１１へと吸入されるように構成することもできる。

気液分離器２３としては、重力タンク式、遠心分離式、表面張力式、衝突分離式等の気液分離機構のうち、適宜な機構を採用することができる。
重力タンク式、遠心分離式、および衝突分離式では、直接接触熱交換器３０から、ＨＳＣ冷媒の混入した水冷媒をタンクに受け入れ、気相と液相との密度差を利用してタンク内で気液分離を図る。タンクの底部に液相が溜まる重力タンク式および衝突分離式の場合は、タンク内の気相の流れへの液相の巻き込みを抑える観点より、重力の働く上下方向に長い縦長のタンクを用いることが好ましい。衝突分離式では、タンク内に、流体を衝突させるための部材を設置する。
遠心分離式では、遠心力による分離効果を高めるため、直径の大きいタンクを使用することが好ましい。遠心分離式は、タンクの内部における外周側に液相、内周側に気相が分布するため、巻き込み抑止の点で有利である。
表面張力式では、表面張力により液相を溝に保持することで、気相と分離する。

（特徴的構成による作用）
上述した機構の気液分離器２３によっても、気相と液相とが完全には分離されないため、気液分離器２３の液相の出口２３１から流出した液には、気相（気泡）が少ないながらも混入している。しかし、気液分離器２３を経たことで、気液分離器２３を経ていない場合と比べて乾き度が低下しており、水冷媒中の気相の量が減少している。その分、気液分離器２３を経た後にポンプ２２の熱の影響を受け乾き度が上がったために水冷媒中に発生する気泡も減少する。そのため、水冷媒中の気泡がポンプ２２の部材（羽根車等）の表面に滞留したとしても、気泡が滞留するのは部材の表面の一部に留まり、ポンプ２２の部材の表面の大部分には液（ほぼ水冷媒）が接触する。したがって、ポンプ２２の背圧が確保されるため、ポンプ２２の停止には至らない。

（好ましい構成および作用）
ここで、気液分離器２３を経た水冷媒に含まれている気泡の成長や、気泡同士の凝集を防ぐようにすると、ポンプ２２の背圧をより十分に確保することができる。そのため、気液分離器２３とポンプ２２との間に気泡を破壊して細分化する気泡破壊部２４を付加し、気液分離器２３から流出した水冷媒を気泡破壊部２４に流入させることが好ましい。
気泡破壊部２４は、例えば、水冷媒を通過させる狭隘な開口を有するオリフィスまたはメッシュ、フィルタ等である。微小な多数の開口が形成された円板等も、気泡破壊部２４として用いることができる。気泡破壊部２４が気液分離器２３と一体に設けられていてもよい。

気泡破壊部２４の通過時に、気泡破壊部２４の開口の寸法よりも大きい気泡は破壊されるため、気泡破壊部２４を経た水冷媒中の気泡の大きさを開口の寸法に応じて制限することができる。気泡破壊部２４の開口の寸法は、熱搬送ループ２０に必要な流量も考慮して定められる。気泡破壊部２４は、気液分離器２３とポンプ２２との間の複数箇所に配置されていてもよい。

気泡破壊部２４により水冷媒中の気泡の成長や凝集を防ぐことにより、水冷媒中に空洞が形成されないので、液によるポンプ２２の背圧をより確実に得ることができる。
気泡破壊部２４を経た後の水冷媒中の気泡の成長や再凝集を抑えるため、気泡破壊部２４は、ポンプ２２の近傍に配置することが好ましい。ポンプ２２の熱源に近い気泡破壊部２４により気泡が破壊されて細分化されるので、その後、気泡が成長、凝集するにしても、ポンプ２２の動作には支障を来たさない。

気相と液相との分離が促進されるように気液分離器２３のサイズを大きくしなくても、気泡破壊部２４により気泡を細分化することで、気泡によりポンプ２２の動作に支障を来たすことを避けることができる。そのため、気液分離器２３のサイズを抑えることができるので、気液分離器２３および気泡破壊部２４の一式のサイズもコンパクトに抑えることができ、これらを内外接続配管１Ｃに容易に設置することができる。気液分離器２３および気泡破壊部２４の一式を室内機１Ｂに設置する場合も、室内機１Ｂのサイズを抑えることができる。

（本実施形態による効果）
上述したように、直接接触熱交換器３０において混合される水冷媒とＨＳＣ冷媒とを十分に分離させることは難しいため、直接接触熱交換器３０から取り出される水冷媒にはＨＳＣ冷媒が混入する。そして、ポンプ２２のモータ等の発熱の影響により、乾き度が大きくなり水冷媒中に気泡が発生すること自体は避けられないとしても、本実施形態の冷媒システム１によれば、気液分離器２３、そして好ましくは気泡破壊部２４を備えていることにより、それらを備えていない場合と比べて、呼び水が必要な典型的なポンプ２２に背圧を得ることができる。
そのため、高価な自給式のヒューガルポンプ等を導入することなく、安価な典型的なポンプ２２を使用していながら、気泡の滞留によるポンプ２２の停止を未然に防止することができる。

自給式の特殊なポンプが必要ないため、直接接触熱交換器３０を備えていない既設の空気調和システムにおいて、水用のポンプ（２２）および水冷媒の流れる配管を残し、空気調和機の構成要素に相当する構成のみを、直接接触熱交換器３０を含む熱源サイクル１０に置き換えることにより、冷媒システム１を容易に実現できる。つまり、空気調和機と比べて耐用年数の長いポンプ２２をそのまま利用して、自然冷媒である水冷媒とＨＳＣ冷媒とを直接接触させるため低ＧＷＰでありながら高い熱交換効率を実現する冷媒システム１の利用を促進することができる。

気液分離器２３および気泡破壊部２４は、直接接触熱交換器３０の水冷媒出口３３Ｂとポンプ２２の流入部との間である限りにおいて、設置箇所を選ばずに、適宜な箇所に設置することができるので、設置箇所の自由度が高い。
例えば、室外機１Ａと室内機１Ｂとを接続する内外接続配管１Ｃに、気液分離器２３および気泡破壊部２４を設けることができる。これらを内外接続配管１Ｃに設けることとすれば、室内機１Ｂや室外機１Ａの筐体サイズに影響しない。

直接接触熱交換器３０を備えた既設の冷媒システムに対して、気液分離器２３および気泡破壊部２４、およびこれらに付随する気相流出路２５等の配管を適宜な箇所に付加することにより、本実施形態の冷媒システム１を実現可能である。ここで、気液分離器２３、気泡破壊部２４、気相流出路２５、および圧力損失付与部２６を含む部材一式を、ポンプ２２への気泡の滞留を抑えるための増設キットとして提供するのも良い。

水冷媒中の気泡によるポンプ２２の動作への影響をより十分に抑えるため、直接接触熱交換器３０よりも下方にポンプ２２が位置するように、両者にヘッド差を与えて、水冷媒中の気泡が直接接触熱交換器３０を志向して浮上するようにしてもよい。
但し、本実施形態の冷媒システム１において、機器の配置への制約を伴うヘッド差は必ずしも必要がなく、最低限、気液分離器２３を備えていれば足りる。ヘッド差を与えたとしても、水冷媒中の気泡がポンプ２２に流入することを確実に防ぐことは難しいので、ポンプ２２における気泡の滞留を抑えるため、気液分離器２３による気液分離が必要である。

本実施形態の冷媒システム１において、気液分離器２３から流出する気相が、気液分離器２３と圧縮機１１の吸入側との圧力差に従い、圧縮機１１へと吸入されるように構成することもできる。この場合、ＨＳＣ冷媒の気相に混入した水冷媒が圧縮機１１へ吸入されることを避けるため、水分を吸着する部材により、気液分離器２３から圧縮機１１へと向かうＨＳＣ冷媒から水分を吸着することが好ましい。
上記のように気液分離器２３からの気相を圧縮機１１へと吸入させる場合、現実的な配管（気相流出路２５）の取り回しを考えると、気液分離器２３は、圧縮機１１に近い位置、つまり、通常、圧縮機１１が配置される室外機１Ａの筐体に収められる。
それに対し、本実施形態では、気液分離器２３からの気相を室内熱交換器２１の出口２１１側へと流出させるので、例えば、気液分離器２３が内外接続配管１Ｃに設けられているのであれば、気相流出路２５も、内外接続配管１Ｃに設けることができる。あるいは、気液分離器２３が室内機１Ｂに設けられているのであれば、気相流出路２５も、室内機１Ｂに設けることができる。つまり、冷媒回路の配管が複雑となったり、気液分離器２３の設置場所が室外機１Ａに限られたりといった制約が加わることを避けることができる。ＨＳＣ冷媒による熱源サイクル１０ではなく、水冷媒による熱搬送ループ２０へ気液分離器２３からの気相を流出させていれば、気液分離器２３からの気相に水が混入していても問題ない。

〔第２実施形態〕
次に、図２を参照し、本発明の第２実施形態について説明する。
ポンプ２２による入熱により乾き度が大きくなることに対し、上述の第１実施形態では、直接接触熱交換器３０よりも熱負荷側において、気液分離器２３により乾き度を低くする。さらに、第２実施形態では、直接接触熱交換器３０よりも熱源側においても、乾き度を低くする。それによって、直接接触熱交換器３０における気泡の発生を抑制する。

以下、第１実施形態と相違する事項を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。

第２実施形態の冷媒システム２（図２）は、第１実施形態の冷媒システム１の構成要素に加えて、ＨＳＣ冷媒同士の間で熱交換させる内部熱交換器１５を熱源サイクル１０に備えている。

内部熱交換器１５は、圧縮機１１に吸入される冷媒と、室外熱交換器１２を経た冷媒とを熱交換させる。圧縮機１１から吐出され、室外熱交換器１２により外気へ放熱された冷媒は、さらに、内部熱交換器１５において、圧縮機１１へ吸入される冷媒へと放熱される。内部熱交換器１５により、過冷却が大きく確保されることとなる。

内部熱交換器１５によれば、室外熱交換器１２を経たＨＳＣ冷媒が直接接触熱交換器３０に流入する前の気液二相流におけるボイド率を内部熱交換器１５がない場合と比べて下げることができる。ボイド率は、気液二相流の中で気体の占める体積比率であり、ボイド率が低ければ、直接接触熱交換器３０における気泡の発生を抑えることができる。
つまり、内部熱交換器１５により過冷却を大きくする分だけボイド率を下げて、直接接触熱交換器３０における気泡の発生を抑えている。この作用によれば、水冷媒からの気泡除去の目的で使用する気液分離器２３のサイズダウンを図ることができる。

ところで、内部熱交換器１５を経たＨＳＣ冷媒を、仮に、膨張弁等により十分に減圧させてから直接接触熱交換器３０へ流入させるとすれば、減圧されているために直接接触熱交換器３０における沸騰が促進されるため、気泡の発生も促進される。
そのため、内部熱交換器１５により直接接触熱交換器３０における気泡の発生を抑える効果を十分に得る観点より、第１実施形態（図１）において室外熱交換器１２と直接接触熱交換器３０との間に位置していた減圧部１３をなくし、直接接触熱交換器３０と気液分離器２３との間に直接接触後減圧部２７を設けている。
直接接触後減圧部２７は、圧縮機１１により昇圧されたＨＳＣ冷媒の圧力が、所定の下限圧力に減圧しきるまでの熱源サイクル１０の減圧範囲の少なくとも一部を受け持っており、気液分離器２３により気液二相流が気液分離される前に、気液二相流の圧力を減少させる。

上述のように、直接接触熱交換器３０において水冷媒とＨＳＣ冷媒とが十分には分離されないため、熱搬送ループ２０を流れる水冷媒にＨＳＣ冷媒が混入している。そのため、直接接触後減圧部２７を含んで、ＨＳＣ冷媒の圧縮、凝縮、減圧による膨張、および蒸発による熱源サイクル１０が構成されている。ＨＳＣ冷媒の蒸発は、直接接触熱交換器３０に加え、室内熱交換器２１も担う。
直接接触後減圧部２７から気液分離器２３に流入し、気液分離器２３により液相と分離された気相は、直接接触熱交換器３０のタンク３１内へと流出し、ＨＳＣ冷媒出口３２Ｂを通じてタンク３１内から圧縮機１１へと吸入される。
なお、第２実施形態においても、第１実施形態（図１）と同様に、気液分離器２３により液相と分離された気相を室内熱交換器２１の出口２１１側へ流出させるように構成することもできる。

直接接触後減圧部２７により、ＨＳＣ冷媒の減圧範囲の全部を担うように構成することもできるし、直接接触熱交換器３０のＨＳＣ冷媒入口３２Ａの手前に位置する電磁弁１４により圧力損失を与えることとして、電磁弁１４と、直接接触後減圧部２７とにより、ＨＳＣ冷媒の減圧範囲を分担するようにしてもよい。この場合は、電磁弁１４と、直接接触後減圧部２７とにより、熱源サイクル１０の減圧部が構成されている。

電磁弁１４と直接接触後減圧部２７との双方を備えていると、電磁弁１４および直接接触後減圧部２７のそれぞれの圧力損失を適宜に設定することで、熱源サイクル１０を十分に成立させ、サイクル効率も考慮して、種々の目的のシステムに適合させることが可能となる。

第２実施形態のように内部熱交換器１５が設けられていると、電磁弁１４により絞られた後の冷媒の乾き度が小さくなるため、直接接触熱交換器３０において気相が発生し難くなる。そのため、水冷媒に気相が混入することに起因してポンプ２２が気体を噛むことを防止できるので、ポンプ２２の停止を避けて冷媒システム２の安定動作に寄与できる。
直接接触熱交換器３０における気泡の発生を抑制しつつ、気液分離器２３による水冷媒からＨＳＣ冷媒ガスの分離除去、および気泡破壊部２４による気泡の細分化を行うことで、ポンプ２２のガス噛み現象のリスクを限りなく小さくすることができる。

〔第３実施形態〕
次に、図３および図４を参照し、本発明の第３実施形態について説明する。
第３実施形態により、冷房と暖房とに兼用される空気調和機への適用例を示す。
第３実施形態の冷媒システム３は、第１実施形態（図１）の冷媒システム１の構成要素に加え、方向切替弁１８を備えている。

方向切替弁１８は、圧縮機１１から吐出されたＨＳＣ冷媒が直接接触熱交換器３０へと流入する向き（図４）と、直接接触熱交換器３０から流出したＨＳＣ冷媒が圧縮機１１へと吸入される向き（図３）とにＨＳＣ冷媒の流れの向きを切り替え可能に構成される。方向切替弁１８として、例えば、四方弁を用いることができる。

方向切替弁１８により、ＨＳＣ冷媒の流れが、図３に示すように、直接接触熱交換器３０から流出したＨＳＣ冷媒が圧縮機１１へと吸入される向きに切り替えられると、直接接触熱交換器３０を経ることで冷却された水冷媒が、熱負荷の冷却に供される。
図３に示す冷却運転時に、直接接触熱交換器３０は蒸発器として機能する。このとき、直接接触熱交換器３０では、ＨＳＣ冷媒入口３２Ａからタンク３１内に流入したＨＳＣ冷媒が、タンク３１内で水冷媒と直接接触して混合し、熱交換される。

一方、方向切替弁１８により、ＨＳＣ冷媒の流れが、図４に示すように、圧縮機１１から吐出されて直接接触熱交換器３０へと流入する向きに切り替えられると、直接接触熱交換器３０を経ることで加熱された水冷媒が、熱負荷の加熱に供される。
図４に示す加熱運転時に、直接接触熱交換器３０は凝縮器として機能する。加熱運転時に、タンク３１内でＨＳＣ冷媒と水冷媒とを混合させると、加熱運転時の圧力条件下、所定の凝縮温度において水冷媒とＨＳＣ冷媒との密度差が冷却運転時と比べて小さいため、水冷媒とＨＳＣ冷媒とを分離させることが難しい。

加熱運転時の上記課題への方策として、本実施形態では、加熱運転時（図４）には、タンク３１に設けた管路１９を介して、タンク３１内の水冷媒と管路１９を流れるＨＳＣ冷媒とを間接的に接触させて熱交換させる。
管路１９は、加熱運転時にのみ使用され、冷却運転時には使用されない。圧縮機１１から吐出されて管路１９を流れ、減圧部１３へと向かうＨＳＣ冷媒の流路と、冷却運転時に減圧部１３から電磁弁１４を通過してタンク３１に流入し、タンク３１の上部から圧縮機１１に向けて流出するＨＳＣ冷媒の流路とを切り替えるため、本実施形態の冷媒システム３は開閉弁１９１，１９２を備えている。

冷却運転時（図３）には、開閉弁１９１を閉め、開閉弁１９２を開いた状態とする。そうすると、第１実施形態の冷媒システム１（図１）と同様に、ＨＳＣ冷媒入口３２Ａからタンク３１内に流入したＨＳＣ冷媒が、タンク３１内の水冷媒と直接接触することで熱交換される。
そして、第１実施形態と同様に、ポンプ駆動部による入熱による乾き度の増大を考慮して、予め、気液分離器２３により乾き度を低下させ、かつ気泡破壊部２４により気泡を細分化させている。そのため、気泡を噛み込んでポンプ２２が停止することなく、冷媒システム３を安定して動作させることができる。

加熱運転時（図４）には、開閉弁１９２および電磁弁１４を閉め、開閉弁１９１を開いた状態とする。そうすると、圧縮機１１から吐出されたＨＳＣ冷媒が管路１９を流れ、タンク３１内の水冷媒と間接的に熱交換される。そして、タンク３１内の温水が熱搬送ループ２０により熱負荷へと供給される。
加熱運転時にはタンク３１から熱搬送ループ２０へと取り出される液の乾き度が冷却運転時と比べて小さいため、気泡の噛み込みによるポンプ２２停止への対策の必要性が冷却運転時と比べて低いと言える。しかし、加熱運転時にも、冷却運転時と変わらず、ＨＳＣ冷媒の混入した水冷媒を気液分離器２３および気泡破壊部２４を介してポンプ２２へと流入させればよく、冷媒システム３は安定して動作する。

本実施形態によれば、冷却運転時にはタンク３１内において水冷媒とＨＳＣ冷媒とを直接接触させていることで高い熱交換効率を得ることができることに加え、気泡の噛み込みによるポンプ２２の停止を未然に防ぐことができ、加熱運転時には、タンク３１内の水冷媒とＨＳＣ冷媒とを間接的に接触させることで熱源サイクルを確実に成立させ、熱源側も含め、冷媒システム３を安定して動作させることができる。したがって、冷却と加熱とに兼用される冷媒システム３を提供することができる。

加熱運転時にタンク３１内の水冷媒とＨＳＣ冷媒との分離が難しいことに対する方策としては、本実施形態のように水冷媒とＨＳＣ冷媒とを間接的に熱交換させることには限られず、適宜な方策を採用することができる。
例えば、特開２０１５−８７０５１号公報（特許文献１）の図１に記載されているように、直接接触熱交換器のタンク内の水冷媒とＨＳＣ冷媒との混合液を減圧してから別の分離タンクへと移送し、その分離タンクにおいて水冷媒とＨＳＣ冷媒とを密度差に基づいて分離させるようにしてもよい。ＨＳＣ冷媒と分離された水冷媒が分離タンクから熱搬送ループへと戻される。

第２実施形態（図２）の冷媒システム２の構成要素に、方向切替弁１８、管路１９、および開閉弁１９１，１９２を加えることによっても、第３実施形態の冷媒システム３と同様の冷却および加熱に兼用のシステムを構成することができ、第３実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

搬送冷媒としては、水に限らず、例えばブラインを用いることができる。ブラインとして、エチレングリコール、あるいはプロプレングリコールを主成分とするものを例示できる。
そして、本発明の冷媒システムは、空気調和機に限らず、冷凍庫、給湯機、チラー等に適用することもできる。

１〜３ 冷媒システム
１Ａ 室外機
１Ｂ 室内機
１Ｃ 内外接続配管
１０ 熱源サイクル
１１ 圧縮機
１２ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）
１３ 減圧部
１４ 電磁弁
１５ 内部熱交換器
１８ 方向切替弁
１９ 管路
２０ 熱搬送ループ
２１ 室内熱交換器（熱負荷側熱交換器）
２２ ポンプ
２３ 気液分離器
２４ 気泡破壊部
２５ 気相流出路
２６ 圧力損失付与部
２７ 直接接触後減圧部
３０ 直接接触熱交換器
３１ タンク
３２Ａ ＨＳＣ冷媒入口
３２Ｂ ＨＳＣ冷媒出口
３３Ａ 水冷媒入口
３３Ｂ 水冷媒出口
１９１，１９２ 開閉弁
２１１ 室内熱交換器の出口
２３１ 水冷媒出口

Claims (8)

1. 熱源と熱源サイクル冷媒とを熱交換させる熱源側熱交換器と、
   前記熱源サイクル冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記熱源サイクル冷媒の圧力を減少させる減圧部と、
   前記熱源サイクル冷媒と、前記熱源サイクル冷媒に直接接触する搬送冷媒とを熱交換させる直接接触熱交換器と、
   熱負荷と前記搬送冷媒とを熱交換させる熱負荷側熱交換器と、
   前記直接接触熱交換器から前記熱負荷側熱交換器に向けて前記搬送冷媒を圧送するポンプと、
   前記直接接触熱交換器から前記ポンプへと向かう前記搬送冷媒と、前記搬送冷媒に混入した前記熱源サイクル冷媒とを受け入れて気液分離させる気液分離器と、を備える、
   ことを特徴とする冷媒システム。
2. 前記気液分離器を経て前記ポンプへと向かう前記搬送冷媒が通過する狭隘な開口を有する気泡破壊部を備える、
   請求項１に記載の冷媒システム。
3. 前記気液分離器において前記搬送冷媒から分離した前記熱源サイクル冷媒の気相を前記熱負荷側熱交換器の出口側へと流出させる気相流出経路と、
   前記熱負荷側熱交換器の前記出口側に位置し、絞りまたは弁である圧力損失付与部と、を備える、
   請求項１または２に記載の冷媒システム。
4. 前記熱負荷側熱交換器が備わる室内機と、
   前記熱源側熱交換器、前記圧縮機、および前記直接接触熱交換器が備わる室外機と、
   前記室内機および前記室外機を結び、前記ポンプ、前記気液分離器、および前記圧力損失付与部が備わる内外接続配管と、を有する、
   請求項３に記載の冷媒システム。
5. 前記熱源側熱交換器を経た前記熱源サイクル冷媒と、前記圧縮機へと吸入される前記熱源サイクル冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備える、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒システム。
6. 前記減圧部は、前記熱源サイクル冷媒の減圧範囲の少なくとも一部を受け持ち、前記直接接触熱交換器を経た前記搬送冷媒と前記熱源サイクル冷媒との気液二相流の圧力を減少させる直接接触後減圧部を有する、
   請求項５に記載の冷媒システム。
7. 前記直接接触熱交換器は、
   前記圧縮機、前記減圧部、前記熱源側熱交換器、および前記直接接触熱交換器を含んで構成された熱源サイクルにおいて蒸発器として機能し、
   前記直接接触熱交換器を経た前記搬送冷媒が前記熱負荷の冷却に供される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒システム。
8. 前記圧縮機から吐出された前記熱源サイクル冷媒が前記直接接触熱交換器へと流入する向きと、前記直接接触熱交換器から流出した前記熱源サイクル冷媒が前記圧縮機へと吸入される向きとに前記熱源サイクル冷媒の流れの向きを切り替え可能な方向切替弁を備え、
   前記熱源サイクル冷媒の流れの向きに応じて、前記直接接触熱交換器を経た前記搬送冷媒が、前記熱負荷の冷却または加熱に供される、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の冷媒システム。

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