JP6719570B2

JP6719570B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP6719570B2
Application number: JP2018541836A
Authority: JP
Inventors: 正紘伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-07-08
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Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に、冷媒と水との間で熱交換が行われる水熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

冷媒と水との間で熱交換を行うことによって、水を温めたり、あるいは、水を冷やす水熱交換器がある。水熱交換器には、プレート板を使用した水熱交換器が知られている。この種の水熱交換器では、冷媒通路と水通路とがプレート板を介して配置されている。水と冷媒との伝熱面積を増やすために、プレート板の枚数を増やすことが行われている。

特開２０１３−１４２４８５号公報（特許第５４１１３０４号）

しかしながら、特許文献１に記載されたプレート式熱交換器は、プレート板の枚数を増やすと、分岐する冷媒通路の数が増えて、冷媒流速が低下することになる。このため、伝熱面積は増えるものの、熱伝達率が下がってしまい、水熱交換器としての熱交換性能は効果的には上がらない。

特に、水熱交換器を凝縮器として使用する場合には、冷媒の圧力損失が、蒸発器として使用する場合の冷媒の圧力損失よりも小さくなり、冷媒流速が低下することになる。このため、水熱交換器には、伝熱面積を増やしながら、冷媒の流速を上げることが求められている。

上述したように、水熱交換器には、伝熱面積を増やすとともに、冷媒の流速を上げることが求められている。本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、その目的は、水熱交換器を凝縮器として運転する場合に、冷媒の流速を上げることができる冷凍サイクル装置を提供することである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、積層された複数のプレート板によって形成され、複数のプレート板が積層する方向に延びる第１冷媒通路、第２冷媒通路、第３冷媒通路および第４冷媒通路を含む複数の冷媒通路を有する水熱交換器を備えている。複数の冷媒通路は、第１冷媒通路、第２冷媒通路、第３冷媒通路および第４冷媒通路の順に直列接続されるとともに、複数の冷媒通路の内部には冷媒が流れる。冷媒が第１冷媒通路および第３冷媒通路を流れる方向と、第２冷媒通路および第４冷媒通路を流れる方向が逆行している。水熱交換器は、積層された第１水熱交換部と第２水熱交換部とからなる。第１冷媒通路および第２冷媒通路は、第１水熱交換部および第２水熱交換部に形成されている。第３冷媒通路および第４冷媒通路は、第１水熱交換部には形成されず、第２水熱交換部に形成されている。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、第１冷媒通路、第２冷媒通路、第３冷媒通路および第４冷媒通路が、この順に直列に接続され、その第１冷媒通路および第３冷媒通路を流れる冷媒の方向と、第２冷媒通路および第４冷媒通路を流れる冷媒の方向とが逆行していることで、水熱交換器を流れる冷媒の流速が低下するのを抑制することができ、熱交換性能を向上させることができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。実施の形態１において、冷凍サイクル装置における第１熱交換器の基本構成を示す分解斜視図である。実施の形態１において、第１熱交換器を凝縮器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、冷媒回路における冷媒の流れを示す図である。実施の形態１において、第１熱交換器を凝縮器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、第１熱交換器における冷媒の流れを示す分解斜視図である。比較例に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。比較例に係る冷凍サイクル装置の第１熱交換器を凝縮器として運転させる場合の、第１熱交換器における冷媒の流れを示す分解斜視図である。実施の形態１において、冷凍サイクル装置における第１熱交換器の実際の構成の一例を示す分解斜視図である。実施の形態１において、第１熱交換器を凝縮器として使用する場合の、ＣＯＰ比と第１熱交換器におけるプレート板の枚数比との関係を示すグラフである。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。実施の形態２において、冷凍サイクル装置における第１熱交換器の基本構成を示す分解斜視図である。実施の形態２において、第１熱交換器を凝縮器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、冷媒回路における冷媒の流れを示す図である。実施の形態２において、第１熱交換器を凝縮器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、第１熱交換器における冷媒の流れを示す分解斜視図である。実施の形態２において、第１熱交換器を蒸発器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、冷媒回路における冷媒の流れを示す図である。実施の形態２において、第１熱交換器を蒸発器として冷凍サイクル装置を運転させる場合の、第１熱交換器における冷媒の流れを示す分解斜視図である。実施の形態２において、冷凍サイクル装置における第１熱交換器の実際の構成の一例を示す分解斜視図である。

実施の形態１．
はじめに、水熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の全体の構成について説明する。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、圧縮機３と、水熱交換器としての第１熱交換器５と、第２熱交換器７と、膨張弁９と備えている。第１熱交換器５が凝縮器として使用される場合には、圧縮機３の吐出側と第１熱交換器５とが、冷媒配管４１によって繋がっている。第１熱交換器５と膨張弁９とが、冷媒配管４２によって繋がっている。膨張弁９と第２熱交換器７とが、冷媒配管４３によって繋がっている。第２熱交換器７と圧縮機３の吸入側とが、冷媒配管４４によって繋がっている。

次に、その水熱交換器としての第１熱交換器５の基本的な構造（単位構成）について説明する。図１および図２に示すように、第１熱交換器５は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを含む。第１水熱交換部２１には、たとえば、複数のプレート板６５、６６、６２が互いに間隔を隔てて配置されている。第２水熱交換部２２には、たとえば、複数のプレート板６１、６３、６４が互いに間隔を隔てて配置されている。

プレート板６５、６６、６１、６３、６４のそれぞれには、長手方向における第１端部および第２端部に、冷媒または水が流れる開口部７１が３つずつ形成され、プレート板６２の長手方向における第１端部および第２端部に冷媒または水が流れる開口部７１が１つずつ形成されている。プレート板６１〜６５が積層することで複数の開口部７１同士が重なり、冷媒が流れる冷媒通路もしくは水が流れる水通路が形成される。

また、対向するプレート板６１〜６５の間にはシール部材７３が所定の位置に設けられている。シール部材７３が、対向するプレート板に挟まれることで、開口部７１によって形成された冷媒通路と水通路とが仕切られる。なお、図４では、説明の便宜上、プレート板とプレート板とが少し離されている状態を示す。

なお、プレート板６１、６３〜６５の長手方向の第１端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち一番右側に位置する１つの開口部７１は、重なり合うことで、冷媒が流れる通路である第１冷媒通路２４（第１冷媒通路）として形成され、プレート板６１、６３〜６５の長手方向の第１端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち一番左側に位置する１つの開口部７１は、重なり合うことで、水が流れる通路である第２水通路２９として形成される。

さらに、プレート板６１、６３〜６５の長手方向の第２端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち一番左側に位置する１つの開口部７１は、重なり合うことで、水が流れる通路である第１水通路２８として形成され、プレート板６１、６３〜６５の長手方向の第２端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち中央に位置する１つの開口部７１は、重なり合うことで、冷媒が流れる通路である第２冷媒通路２５（第２冷媒通路）として形成される。

また、第２水熱交換部２２である積層されたプレート板６１、６３、６４の長手方向の第１端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち、中央に位置する１つの開口部７１は、冷媒が流れる通路である第３冷媒通路２６（第３冷媒通路）として形成され、積層されたプレート板６１、６３、６４の長手方向の第２端部のそれぞれに形成された３つの開口部７１のうち、一番右側に位置する１つの開口部７１は、冷媒が流れる通路である第４冷媒通路２７（第４冷媒通路）として形成されている。なお、第１端部は第２端部よりも重力方向の上側に位置している。

また、冷媒配管４１は、第１冷媒通路２４に繋がり、冷媒配管４２は、第４冷媒通路２７に繋がっている。第１水通路２８には、水が流れる配管である水配管５８が繋がり、第２水通路２９には、水が流れる配管である水配管５９が繋がっている。

また、第１水熱交換部２１では、プレート板６５とプレート板６６とで挟まれた空間には、第１冷媒通路２４を流れた冷媒を第２冷媒通路２５へと流す冷媒通路３３（第５冷媒通路）が形成され、プレート板６６とプレート板６２とで挟まれた空間には、第１水通路２８を流れた水を第２水通路２９へと流す水通路５３が形成されている。第２水熱交換部２２では、プレート板６３とプレート板６４とで挟まれた空間には、第３冷媒通路２６を流れた冷媒を第４冷媒通路２７へと流す冷媒通路３６（第６冷媒通路）が配置され、プレート板６１とプレート板６３とで挟まれた空間には、第１水通路２８を流れた水を第２水通路２９へと流す水通路５２が形成されている。また、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２の狭間にあたる、プレート板６４とプレート板６５とで挟まれた空間には、第１水通路２８を流れた水を第２水通路２９へと流す水通路５５が形成されている。

また、第１熱交換器５には、第２冷媒通路２５と第３冷媒通路２６と繋ぎ、第２冷媒通路２５から流入された冷媒を第３冷媒通路２６へと流すバイパス通路３１が配置されている。

なお、図１では、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２の基本構成を示すため、プレート板を３枚のみ積層させた例を挙げたが、実際の第１熱交換器５では、第１水熱交換部２１には、プレート板６６とプレート板６２との間に、さらに複数のプレート板６５およびプレート板６６が交互に積層され、第２水熱交換部２２では、プレート板６１とプレート板６３との間に、さらに複数のプレート板６３およびプレート板６４が交互に積層される。第１水熱交換部２１では、プレート板６５およびプレート板６６の枚数に応じて、冷媒通路３３と水通路５３とが交互に複数配置されることになる。また、第２水熱交換部２２では、プレート板６３およびプレート板６４の枚数に応じて、冷媒通路３６と水通路５２とが交互に複数配置されることになる。

次に、上述した冷凍サイクル装置１の動作として、第１熱交換器５を凝縮器として運転させる場合について説明する。

図３に示すように、圧縮機３を駆動させることによって、圧縮機３から高温高圧のガス状態の冷媒が吐出する。以下、実線矢印にしたがって冷媒が流れる。吐出した高温高圧のガス冷媒（単相）は、冷媒配管４１を流れて、水熱交換器としての第１熱交換器５に流れ込む。第１熱交換器５では、流れ込んだガス冷媒と、送り込まれた水との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は凝縮し、低温高圧の液冷媒（単相）になる。この熱交換によって、水配管５８から第１熱交換器５に流れ込み水配管５９へ流れる水が温められることになる。第１熱交換器５における冷媒の流れについては、後で詳しく説明する。

第１熱交換器５から送り出された高圧の液冷媒は、冷媒配管４２を流れた後、膨張弁９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、冷媒配管４３を流れて、第２熱交換器７に流れ込む。第２熱交換器７では、流れ込んだ二相状態の冷媒と、たとえば、空気との間で熱交換が行われて、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発し、低圧のガス冷媒（単相）になる。第２熱交換器７から送り出された低圧のガス冷媒は、冷媒配管４４を流れて圧縮機３に到達し、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

次に、第１熱交換器５における冷媒等の流れについて説明する。冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流れる。冷媒は、まず、第１水熱交換部２１を流れ、その後、第２水熱交換部２２を流れる。

圧縮機３から吐出した冷媒は、冷媒配管４１（四方弁１１）を流れて第１冷媒通路２４に到達する。図４に示すように、第１冷媒通路２４を流れた冷媒Ｒは、第１水熱交換部２１の冷媒通路３３を、重力方向の上から下へ向かって流れる。冷媒通路３３を流れた冷媒Ｒは、第２冷媒通路２５へ到達する。

第２冷媒通路２５を流れた冷媒Ｒは、バイパス通路３１を流れて第３冷媒通路２６へ到達する。第３冷媒通路２６を流れた冷媒Ｒは、第２水熱交換部２２の冷媒通路３６を、重力方向の上から下へ向かって流れる。冷媒通路３６を流れた冷媒Ｒは、第４冷媒通路２７へ到達する。第４冷媒通路２７を流れた冷媒Ｒは、第１熱交換器５の外へ送り出される。

一方、水は、第１水熱交換部２１または第２水熱交換部２２を並列に流れる。水通路５８を流れてきた水は、第１水通路２８に到達する。第１水通路２８を流れた水Ｗは、第１水熱交換部２１の水通路５３と第２水熱交換部２２の水通路５２と第１水熱交換部２１および第２水熱交換部２２の水通路５５を並列に流れる。

水通路５５を流れる水Ｗと冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが温められる。水通路５２を流れる水Ｗと冷媒通路３６を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが温められる。温められた水Ｗは、第１熱交換器５の外へ送り出される。第１熱交換器５では、以下、この動作が繰り返されることになる。

上述した冷凍サイクル装置１における第１熱交換器５では、冷媒が第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流れることで、熱伝達率の向上を図ることができる。このことについて、比較例に係る冷凍サイクル装置と比べて説明する。

図５に示すように、比較例に係る冷凍サイクル装置１０１は、圧縮機１０３と、水熱交換器としての第１熱交換器１０５と、第２熱交換器１０７と、膨張弁１０９と備えている。第１熱交換器１０５が凝縮器として使用される場合には、圧縮機１０３の吐出側と第１熱交換器１０５とが、冷媒流路１４１によって繋がっている。第１熱交換器１０５と膨張弁１０９とが、冷媒流路１４２によって繋がっている。膨張弁１０９と第２熱交換器１０７とが、冷媒流路１４３によって繋がっている。第２熱交換器１０７と圧縮機１０３の吸入側とが、冷媒流路１４４によって繋がっている。

図６に示すように、第１熱交換器１０５では、複数のプレート板１６０、１６１、１６２、１６３、１６４、１６５が積層されている。プレート板１６０とプレート板１６１とで挟まれた空間には、第１水通路１２８から流入された水を第２水通路１２９へと流す水通路１５１が配置されている。プレート板１６１とプレート板１６２とで挟まれた空間には、第１冷媒通路１２４から流入された冷媒を第２冷媒通路１２５へと流す冷媒通路１３１が配置されている。プレート板１６２とプレート板１６３とで挟まれた空間には、第１水通路１２８から流入された水を第２水通路１２９へと流す水通路１５２が配置されている。プレート板１６３とプレート板１６４とで挟まれた空間には、第１冷媒通路１２４から流入された冷媒を第２冷媒通路１２５へと流す冷媒通路１３２が配置されている。プレート板１６４とプレート板１６５とで挟まれた空間には、第１水通路１２８から流入された水を第２水通路１２９へと流す水通路１５３が配置されている。

次に、第１熱交換器１０５を凝縮器として運転させる場合について説明する。この動作は、上述した冷凍サイクル装置１の場合と同様である。図５に示すように、圧縮機１０３から吐出した冷媒は、水熱交換器としての第１熱交換器１０５、膨張弁１０９、第２熱交換器１０７を順次流れて、圧縮機１０３に戻る。第１熱交換器１０５では、流れ込んだ冷媒（ガス冷媒）と、送り込まれた水との間で熱交換が行われて、高温高圧のガス冷媒は、凝縮して高圧の液冷媒になる。

次に、第１熱交換器１０５における冷媒等の流れについて説明する。図６に示すように、圧縮機１０３から送られた冷媒は、冷媒流路１４１を流れて第１冷媒通路１２４に到達する。第１冷媒通路１２４を流れた冷媒は、冷媒通路１３１または冷媒通路１３２を並列に流れる。冷媒通路１３１または冷媒通路１３２を流れた冷媒は、第２冷媒通路１２５に到達する。第２冷媒通路１２５を流れた冷媒Ｒは、第１熱交換器１０５の外へ送り出される。

一方、水通路１５８を流れてきた水は、第１水通路１２８に到達する。第１水通路１２８を流れた水は、水通路１５１、水通路１５２または水通路１５３を並列に流れる。冷媒が、冷媒通路１３１、１３２を流れ、水が、水通路１５１、１５２、１５３を流れる間に、熱交換が行われて水が温められる。温められた水は、第２水通路１２９に到達する。第２水通路１２９を流れた水は、第１熱交換器１０５の外へ送り出される。

すでに述べたように、水熱交換器を凝縮器として使用する場合には、冷媒の圧力損失が、水熱交換器を蒸発器として使用する場合の冷媒の圧力損失よりも小さくなり、冷媒流速が低下することになる。比較例に係る冷凍サイクル装置の第１熱交換器では、第１熱交換器１０５に送り込まれた冷媒は、冷媒通路１３１と冷媒通路１３２とを並列に流れることになる。このため、冷媒の流速を上げるのに限界がある。

比較例に係る冷凍サイクル装置１０１では、冷媒が冷媒通路１３１、１３２を並列に流れるのに対して、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の第１熱交換器５では、冷媒は冷媒通路３３、３６を直列に流れる。冷媒は、まず、第１水熱交換部２１の冷媒通路３３を流れ、その後、第２水熱交換部２２の冷媒通路３６を流れる。これにより、冷媒が冷媒通路１３１、１３２を並列に流れる場合と比べて、冷媒の流速をおよそ２倍に上げることができる。その結果、伝熱性能が上がり、熱伝達率の向上を図ることができる。

上述したように、図２では、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２の基本構成を示していているが、実際の第１熱交換器５では、第１水熱交換部２１には、所定枚数のプレート板６５等が配置され、また、第２水熱交換部２２でも、所定枚数のプレート板６３等が配置される。第１水熱交換部２１では、プレート板６５等の枚数に応じて、冷媒通路３３と水通路５３とが交互に複数配置されることになる。また、第２水熱交換部２２では、プレート板６３等の枚数に応じて、冷媒通路３６と水通路５２とが交互に複数配置されることになる。

そのような第１熱交換器５の一例を図７に示す。図７に示される第１熱交換器５の第１水熱交換部２１では、図２に示される一つの第１水熱交換部２１を基本単位とする複数の第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等が配置されている。また、第１熱交換器５の第２水熱交換部２２では、図２に示される一つの第２水熱交換部２２を基本単位とする複数の第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等が配置されている。

この第１熱交換器５を凝縮器として運転する場合には、上述したように、冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流れる。第１冷媒通路２４を流れた冷媒は、第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等のそれぞれの冷媒通路３３を流れ、次に、バイパス通路３１を流れた後、第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等のそれぞれの冷媒通路３６を流れることになる。

一方、水は、第１水熱交換部２１または第２水熱交換部２２を並列に流れる。第１水通路２８を流れた水は、第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等のそれぞれの水通路５３と第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等のそれぞれの水通路５２とを並列に流れる。水通路５３を流れる水と冷媒通路３３を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が温められる。また、水通路５２を流れる水と冷媒通路３６を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が温められる。温められた水は、第２水通路２９から第１熱交換器５の外へ送り出される。

ここで、第１水熱交換部２１に配置されるプレート板６５等の枚数（枚数Ａ）と、第２水熱交換部２２に配置されるプレート板６３等の枚数（枚数Ｂ）とは、同じ枚数である必要はなく、異なる枚数としてもよい。枚数Ａと枚数Ｂとを異なる枚数にすることで、凝縮器として使用した場合の性能を向上させることができる。

そのグラフを図８に示す。横軸は、枚数Ａと枚数Ｂとの総枚数（一定）に対する枚数Ａの枚数比である。縦軸は、成績係数ＣＯＰ（Coefficient of performance）比（対枚数Ａ＝枚数Ｂ）である。図８に示すように、総枚数に対して、冷媒が先に流れる第１水熱交換部２１のプレート板６５等の枚数を増やすことで、成績係数ＣＯＰ比が上がっており、性能が向上することが判明した。

実施の形態２．
ここでは、第１熱交換器を凝縮器として使用する場合には、冷媒が第１熱交換器を直列に流れ、第１熱交換器を蒸発器として使用する場合には、冷媒が並列に流れる第１熱交換器を備えた冷凍サイクル装置について説明する。

図９に示すように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路の基本構成は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置と同様であるが、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路構成に加え、四方弁１１、第１電磁弁１３（第１開閉弁）、第２電磁弁１５（第２開閉弁）、逆止弁１７、冷媒配管３９をさらに備えている。なお、実施の形態１と同一または同等な構成部分については、図１に示される冷凍サイクル装置１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

次に、本実施の形態に係る第１熱交換器５の基本的な構造（単位構成）について説明する。ここでは、実施の形態１に係る第１熱交換器５の構造と異なる部分について説明する。図９に示すように、バイパス通路３１に第１電磁弁１３が設けられ、第２冷媒通路２５から第３冷媒通路２６へ流れる冷媒の流れを制御している。また、冷媒配管４１と第３冷媒通路２６とを繋ぐ冷媒配管３９が配置されている。

冷媒配管３９には、第２電磁弁１５が設けられ、圧縮機３から第３冷媒通路２６へ流れる冷媒の流れを制御している。第４冷媒通路２７と第２冷媒通路２５とを繋ぐ冷媒通路３８（第７冷媒通路）が形成されている。冷媒通路３８には、逆止弁１７が設けられている。逆止弁１７は、第４冷媒通路２７から第２冷媒通路２５へ向かって順方向となるように設けられている。

次に、上述した冷凍サイクル装置の動作として、第１熱交換器５を凝縮器として運転させる場合について説明する。この場合には、前述したように、冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流れる。図１１に示すように、第１電磁弁１３は「開」とされる。第２電磁弁１５は「閉」とされる。冷媒は、矢印にしたがって流れる。

図１１および図１２に示すように、圧縮機３から送られた冷媒は、冷媒配管４１を流れて第１冷媒通路２４に到達する。第１冷媒通路２４を流れた冷媒Ｒは、第１水熱交換部２１の冷媒通路３３を、重力方向の上から下へ向かって流れる。冷媒通路３３を流れた冷媒Ｒは、第２冷媒通路２５へ到達する。

第２冷媒通路２５を流れた冷媒Ｒは、バイパス通路３１（第１電磁弁１３）を流れて第３冷媒通路２６へ到達する。第３冷媒通路２６を流れた冷媒Ｒは、第２水熱交換部２２の冷媒通路３６を、重力方向の上から下へ向かって流れる。冷媒通路３６を流れた冷媒Ｒは、第４冷媒通路２７へ到達する。第４冷媒通路２７を流れた冷媒Ｒは、第１熱交換器５の外へ送り出される。

一方、水は、第１水熱交換部２１または第２水熱交換部２２を並列に流れる。水通路５８を流れてきた水は、第１水通路２８に到達する。第１水通路２８を流れた水Ｗは、第１水熱交換部２１の水通路５３と第２水熱交換部２２の水通路５２とを並列に流れる。

水通路５３を流れる水Ｗと冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが温められる。水通路５２を流れる水Ｗと冷媒通路３６を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが温められ、第２水通路２９に到達する。第２水通路２９を流れた水は、第１熱交換器５の外へ送り出される。

次に、第１熱交換器５を蒸発器として運転させる場合について説明する。この場合には、冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを並列に流れる。図１３に示すように、第１電磁弁１３は「閉」とされる。第２電磁弁１５は「開」とされる。冷媒は、矢印にしたがって流れる。

圧縮機から吐出した高温高圧のガス状態の冷媒は、冷媒配管４４（四方弁１１）を流れて第２熱交換器７に流れ込む。第２熱交換器７では、高温高圧の冷媒は空気等と熱交換されて、凝縮して低温高圧の液冷媒になる。低温高圧の液冷媒は、冷媒配管４３を流れて膨張弁９に到達する。低温高圧の液冷媒は、膨張弁９によって、低圧のガス冷媒と液冷媒との二相状態の冷媒になる。二相状態の冷媒は、冷媒配管４２を流れて第１熱交換器５に流れ込む。

第１熱交換器５では、流れ込んだ冷媒と水との間で熱交換が行われて、二相状態の冷媒は、液冷媒が蒸発して低圧のガス冷媒（単相）になる。この熱交換によって、水が冷やされることになる。第１熱交換器５における冷媒の流れについては、後で詳しく説明する。第１熱交換器５から送り出された低圧のガス冷媒は圧縮機３に流れ込み、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、再び圧縮機３から吐出する。以下、このサイクルが繰り返される。

次に、第１熱交換器５における冷媒等の流れについて説明する。冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを並列に流れる。図１４に示すように、第４冷媒通路２７を流れた冷媒Ｒは、冷媒通路３６を流れる冷媒Ｒと、冷媒通路３８（逆止弁１７）を流れる冷媒Ｒとに分岐される。冷媒通路３８を流れた冷媒Ｒは、第２冷媒通路２５を流れた後、冷媒通路３３を流れる。こうして、冷媒Ｒは、第１水熱交換部２１の冷媒通路３３と、第２水熱交換部２２の冷媒通路３６とを並列に流れることになる。

冷媒通路３３を流れた冷媒Ｒは、第１冷媒通路２４に到達する。冷媒通路３６を流れた冷媒Ｒは、第３冷媒通路２６、冷媒配管３９（第２電磁弁１５）を流れて、第１冷媒通路２４を流れた冷媒Ｒと合流する。合流した冷媒Ｒは、第１熱交換器５の外へ送り出される。

水通路５３を流れる水Ｗと冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが冷やされる。水通路５２を流れる水Ｗと冷媒通路３６を流れる冷媒Ｒとの間で熱交換が行われて、水Ｗが冷やされる。冷やされた水Ｗは、第２水通路２９に到達する。第２水通路２９を流れた水は、第１熱交換器５の外へ送り出される。第１熱交換器５では、以下、この動作が繰り返されることになる。

上述した冷凍サイクル装置１では、第１熱交換器５を凝縮器として運転させる場合には、冷媒Ｒが第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流れることで、熱伝達率の向上を図ることができる。一方、第１熱交換器５を蒸発器として運転させる場合には、冷媒Ｒは第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２を並列に流れることになる。

第１熱交換器５を蒸発器として運転させる場合、冷媒Ｒを第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを直列に流すと、圧力損失が大きくなる。そこで、この場合には、冷媒Ｒを第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２を並列に流すことで、冷媒Ｒの圧力損失を抑制することができる。その結果、蒸発器としての性能を確保することができる。

なお、図１０では、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２の基本構成を示していているが、実際の第１熱交換器５では、第１水熱交換部２１には、所定枚数のプレート板６５等が配置され、また、第２水熱交換部２２でも、所定枚数のプレート板６３等が配置される。第１水熱交換部２１では、プレート板６５等の枚数に応じて、冷媒通路３３と水通路５３とが交互に複数配置されることになる。また、第２水熱交換部２２では、プレート板６３等の枚数に応じて、冷媒通路３６と水通路５２とが交互に複数配置されることになる。

そのような第１熱交換器５の一例を図１５に示す。図１５に示される第１熱交換器５の第１水熱交換部２１では、図１０に示される一つの第１水熱交換部２１を基本単位とする複数の第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等が配置されている。また、第１熱交換器５の第２水熱交換部２２では、図１０に示される一つの第２水熱交換部２２を基本単位とする複数の第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等が配置されている。

水は、第１水熱交換部２１または第２水熱交換部２２を並列に流れる。第１水通路２８を流れた水は、第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等のそれぞれの水通路５３と第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等のそれぞれの水通路５２とを並列に流れる。水通路５３を流れる水と冷媒通路３３を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が温められる。また、水通路５２を流れる水と冷媒通路３６を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が温められる。温められた水は、第２水通路２９から第１熱交換器５の外へ送り出される。この場合においても、プレート板６５等の総枚数に対して、冷媒が先に流れる第１水熱交換部２１のプレート板６５等の枚数を増やすことで、成績係数ＣＯＰ比が上がり、性能を向上させることができる。

一方、この第１熱交換器５を蒸発器として運転する場合には、上述したように、冷媒は、第１水熱交換部２１と第２水熱交換部２２とを並列に流れる。第１冷媒通路２４を流れた冷媒は、第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等のそれぞれの冷媒通路３３を流れ、同時に、第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等のそれぞれの冷媒通路３６を流れることになる。

水も、第１水熱交換部２１または第２水熱交換部２２を並列に流れる。第１水通路２８を流れた水は、第１水熱交換部２１ａ、２１ｂ等のそれぞれの水通路５３と第２水熱交換部２２ａ、２２ｂ等のそれぞれの水通路５２とを並列に流れる。水通路５３を流れる水と冷媒通路３３を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が冷やされる。また、水通路５２を流れる水と冷媒通路３６を流れる冷媒との間で熱交換が行われて、水が冷やされる。冷やされた水は、第２水通路２９から第１熱交換器５の外へ送り出される。なお、この場合、成績係数ＣＯＰ比（対枚数Ａ＝枚数Ｂ）とプレート板の枚数比との関係では、枚数比にかかわらず、ＣＯＰ比は１００％になる。

なお、上述した各冷凍サイクル装置１では、第１冷媒通路２４と冷媒配管４１とが接続されている接続部分（接続部Ａ）、第２冷媒通路２５とバイパス通路３１とが接続されている接続部分（接続部Ｂ）、第３冷媒通路２６とバイパス通路３１とが接続されている接続部分（接続部Ｃ）、第４冷媒通路２７と冷媒配管４２とが接続されている接続部分（接続部Ｄ）、第１水通路２８と水配管５８とが接続されている接続部分（接続部Ｅ）、第２水通路２９と水配管５９とが接続されている接続部分（接続部Ｆ）が、第２水熱交換部２２に対して、第１水熱交換部２１が配置されている側とは反対側の位置に配置されている場合を例に挙げて説明した。

冷凍サイクル装置１（第１熱交換器５）としては、接続部Ａ〜接続部Ｆは、第１水熱交換部２１の側に配置されていてもよい。接続部Ａ〜接続部Ｆを、第２水熱交換部２２側または第１水熱交換部２１側に配置することで、第１熱交換器５の組み立てを容易にすることができる。

また、各実施の形態において説明した冷凍サイクル装置の構成部材については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、水熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に有効に利用される。

１冷凍サイクル装置、３圧縮機、５第１熱交換器、７第２熱交換器、９膨張弁、１１四方弁、１３第１電磁弁、１５第２電磁弁、１７逆止弁、２１第１水熱交換部、２２第２水熱交換部、２４第１冷媒通路、２５第２冷媒通路、２６第３冷媒通路、２７第４冷媒通路、２８第１水通路、２９第２水通路、３１バイパス通路、３２、３３、冷媒通路、３９、４１、４２、４３、４４冷媒配管、５２、５３、５５水通路、５８、５９水配管、６１、６２、６３、６４、６５、６６プレート板、７１開口部、７３シール部材、Ｒ冷媒、Ｗ水。

Claims

積層された複数のプレート板によって形成され、前記複数のプレート板が積層する方向に延びる第１冷媒通路、第２冷媒通路、第３冷媒通路および第４冷媒通路を含む複数の冷媒通路を有する水熱交換器を備え、
前記複数の冷媒通路は、前記第１冷媒通路、前記第２冷媒通路、前記第３冷媒通路および前記第４冷媒通路の順に直列接続されるとともに、前記複数の冷媒通路の内部には冷媒が流れ、
前記冷媒が前記第１冷媒通路および前記第３冷媒通路を流れる方向と、前記第２冷媒通路および前記第４冷媒通路を流れる方向が逆行しており、
前記水熱交換器は、積層された第１水熱交換部と第２水熱交換部とからなり、
前記第１冷媒通路および前記第２冷媒通路は、前記第１水熱交換部および前記第２水熱交換部に形成され、
前記第３冷媒通路および前記第４冷媒通路は、前記第１水熱交換部には形成されず、前記第２水熱交換部に形成されている、冷凍サイクル装置。
前記複数の冷媒通路は、
前記第１水熱交換部に形成され、前記第１冷媒通路と前記第２冷媒通路とを繋ぐ第５冷媒通路と、
前記第２水熱交換部に形成され、前記第３冷媒通路と前記第４冷媒通路とを繋ぐ第６冷媒通路と、
前記第２冷媒通路と前記第３冷媒通路とを繋ぐバイパス通路と
を含む、請求項１記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機と、
四方弁と、
熱交換器と、
膨張弁と、
前記四方弁と前記第１冷媒通路とを繋ぐ第１冷媒配管と、
前記膨張弁と前記第４冷媒通路とを繋ぐ第２冷媒配管と、
前記膨張弁と前記熱交換器とを繋ぐ第３冷媒配管と、
前記熱交換器と前記四方弁とを繋ぐ第４冷媒配管と、
前記バイパス通路に設けられた第１開閉弁と、
前記第１水熱交換部に形成され、前記第４冷媒通路と前記第５冷媒通路とを繋ぐ第７冷媒通路と、
前記第７冷媒通路に設けられ、前記第４冷媒通路から前記第５冷媒通路へ向かって順方向となる逆止弁と、
前記第３冷媒通路と前記第１冷媒配管とを繋ぐ第５冷媒配管と、
前記第５冷媒配管に設けられた第２開閉弁と
を有する、請求項２記載の冷凍サイクル装置。
前記第１冷媒通路は前記第２冷媒通路よりも上方に位置し、
前記第３冷媒通路は前記第４冷媒通路よりも上方に位置する、請求項２記載の冷凍サイクル装置。
前記水熱交換器は、
前記複数のプレート板が積層する方向にそれぞれ延び、前記第１水熱交換部および前記第２水熱交換部に形成された第１水通路および第２水通路と、
前記第１水熱交換部に形成され、前記第１水通路と前記第２水通路とを繋ぐ第３水通路と、
前記第２水熱交換部に形成され、前記第１水通路と前記第２水通路とを繋ぐ第４水通路と
を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。