WO2010098005A1 - 2元式ヒートポンプ及び冷凍機 - Google Patents
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- WO2010098005A1 WO2010098005A1 PCT/JP2009/071436 JP2009071436W WO2010098005A1 WO 2010098005 A1 WO2010098005 A1 WO 2010098005A1 JP 2009071436 W JP2009071436 W JP 2009071436W WO 2010098005 A1 WO2010098005 A1 WO 2010098005A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
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- F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
- F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system
Definitions
- the present invention relates to a two-way heat pump and a refrigerator having two vapor compression cycles of a low element side and a high element side.
- a vapor compression cycle consisting of a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator
- the refrigerant sucked by the compressor Density decreases.
- the flow rate (mass flowing per unit time) of the refrigerant circulating in the vapor compression cycle is lowered, and the heating or refrigeration capacity is lowered.
- the compression ratio in the compressor increases, the compression work increases, and the so-called heating or refrigeration operating coefficient decreases. Therefore, in cold districts where the outside air temperature is low, the heating capacity and heating efficiency are problematic.
- a refrigerant having a high density for example, R404A, R407C, R717, etc. even at a low temperature.
- a refrigerant having a high density even at a low temperature when condensed, that is, heated in a warm state such as indoors, the condensation pressure becomes high, and it is necessary to increase the pressure circulation strength of the refrigerant circulation path and the equipment, resulting in a low manufacturing cost. Bulky.
- binary heat pumps in which the refrigerants are different have been proposed.
- this binary heat pump two vapor compression cycles are provided on the low element side and the high element side, a refrigerant having a high density at low temperatures is used on the low element side, and a refrigerant having a high evaporation temperature is disposed on the high element side. use.
- the high-side refrigerant is evaporated using the high-temperature condensation heat of the low-side refrigerant as a heat source, and the room heating and the heating medium are supplied using the high-side condenser as a heat source.
- the condensation temperature of the low-side refrigerant can be set lower than the temperature of the room or the like warmed by heating. Therefore, the condensation pressure of the low source side heat pump can be lowered.
- the evaporation of the high-side refrigerant is performed by the condensation heat on the low-side side, so that the evaporation temperature of the high-side refrigerant can be set higher than that of the low-temperature outside air or the like. Therefore, about the high-source side heat pump, the capacity and the operation coefficient such as heating can be improved.
- Patent Documents 1 and 2 As an example of such a binary heat pump, means as shown in Patent Documents 1 and 2 have been proposed.
- the waste heat source type high temperature heat pump is provided with two evaporators 44 and 45 in series and the waste heat 46 is sufficient, as described in the attached drawings 1 and the like.
- the waste heat is absorbed by the upstream evaporator 44, and when the waste heat 46 is insufficient, in addition to the waste heat, the condensation heat of the air heat source type low-temperature heat pump is used as the downstream evaporator. 44 absorbs heat.
- the heat pump type heat medium device described in Patent Document 2 is provided with two condensers, an upstream side and a downstream side, in series in a low-stage heat pump that uses outside air as a heat source, and radiates heat in the downstream condenser.
- the heat medium is preheated by the condensed heat
- the refrigerant of the high-stage heat pump is evaporated by the condensed heat radiated in the upstream condenser 13
- the preheated heat is condensed by the condensation heat of the high-stage heat pump. Increase the temperature of the medium.
- JP-A-62-225860 Japanese Patent Laid-Open No. 04-263758
- an object of the present invention is to provide a binary heat pump that can further improve the heating capability, cooling capability, and operation coefficient of the low-source side heat pump and the high-source side heat pump.
- the dual heat pump according to the present invention is characterized in that two condensers are provided in series in each of the low-side heat pump and the high-side heat pump, and the condenser on the upstream side of the low-side heat pump.
- the heat medium is pre-heated by the heat of condensation in the refrigerant
- the refrigerant of the high heat pump is evaporated in the evaporator by the heat of condensation in the condenser downstream of the low heat pump, and the condensation in the condenser upstream of the high heat pump is performed.
- the purpose is to further raise the temperature of the preheated heating medium by heat.
- the heat amount radiated by the condenser on the downstream side of the high-side heat pump is stored in the heat storage tank.
- the binary heat pump according to the present invention will be described with reference to the thermodynamic cycle shown in FIG. 1 (hereinafter simply referred to as “cycle”).
- cycle the component which comprises each process of this cycle, for example, the compressor 1 which comprises a compression process, is not illustrated.
- the cycle shown in FIG. 1 includes a low-side heat pump 1, a high-side heat pump 2, a heat medium path 3, and a heat storage tank 4.
- the low-source-side heat pump 1 includes a first compressor 11 that compresses the refrigerant gas in the state L1 to the high-temperature and high-pressure state L2, and a first compressor that condenses the high-temperature and high-pressure refrigerant gas in the state L2 to the saturated liquid state L3.
- the upstream condensing element 12U, the first downstream condensing element 12L that cools the saturated liquid in the state L3 to the supercooled liquid state L4, and the supercooled liquid in the state L4 are gas-liquid mixed of the refrigerant liquid and the refrigerant gas.
- the refrigerant 15 is included.
- the high-side heat pump 2 compresses the refrigerant gas in the state H1 to the high temperature and high pressure state H2, and the second compressor 21 condenses the high temperature and high pressure refrigerant gas in the state H2 to the saturated liquid state H3.
- the expansion valve 23 includes a second evaporation element 24 that evaporates the gas-liquid mixed refrigerant in the state H5 to the saturated gas state H1, and a second refrigerant 25 that circulates these elements in this order.
- the heat medium path 3 includes a pump 31, an upstream heat absorber 32, a downstream heat absorber 33, a heat radiator 34, and a heat medium 35 that flows through these in this order.
- the first evaporation element 14 provided in the low-source side heat pump 1 absorbs the heat quantity Q L2 from the outside air.
- the refrigerant of the low-side heat pump has a higher density at the same temperature than the refrigerant of the high-side heat pump. Therefore, even if the outside air temperature is low, the density of the refrigerant gas sucked into the first compressor 11 is large, and the flow rate of the circulating first refrigerant 15 is large. For this reason, even if outside temperature is low, the fall of the thermal radiation amount in 12 U of 1st upstream condensation elements and 12 L of 1st downstream condensation elements can be suppressed. Moreover, since it can suppress that the compression ratio in the 1st compressor 11 becomes large, the fall of an operating coefficient can be suppressed.
- the upstream heat absorber 32 provided in the heat medium path 3 absorbs heat Q L11 radiated from the first upstream condensation element 12U provided in the low-source heat pump 1. Since the high temperature gas refrigerant discharged from the first compressor 11 flows into the first upstream condensing element 12U, the condensing temperature in the first upstream condensing element is high.
- the circulating heat medium 35 can be preheated to a high temperature.
- the condensation heat in the first upstream condensation element 12U is used for preheating water having a low temperature, the condensation temperature can be kept lower than, for example, the indoor heating temperature. Therefore, the condensation pressure of the first refrigerant 15 can be set to a low value. Thereby, the compression ratio of the low-source side heat pump 1 can be kept low, and the operation coefficient is improved.
- the second evaporation element 24 provided in the high-source side heat pump 2 absorbs the heat quantity Q L12 from the outlet of the first downstream-side condensation element 12L provided in the low-source side heat pump 1.
- the temperature of the first refrigerant 15 at the outlet of the first downstream side condensation element 12L is sufficiently higher than the outside air temperature. Therefore, the second evaporation element 24 in the high-source side heat pump 2 can be used as a heat source having a temperature sufficiently higher than the outside air temperature. That is, if the evaporation temperature is high in the high-source side heat pump 2, the evaporation pressure in the second evaporation element 24 is increased. Therefore, the density of the second refrigerant gas 25 sucked into the second compressor 21 can be increased.
- the amount of heat radiation in the second upstream condensation element 22U and the second downstream condensation element 22L can be increased in the same manner as the low-source heat pump 1 described above.
- the compression ratio in the second compressor 21 can be reduced, the operating coefficient can be improved.
- the downstream side heat absorber 33 provided in the heat medium path 3 absorbs the heat quantity Q H11 from the second upstream side condensation element 22U provided in the high-source side heat pump 2.
- the second upstream condensation element 22U the high-temperature second refrigerant gas 15 discharged from the second compressor 21 condenses, so the condensation temperature becomes high. Therefore, the heat medium can be heated to a higher temperature by exchanging heat with the high-temperature condensation heat and the preheated heat medium 35 in the heat medium path 3.
- the amount of heat Q H12 radiated from the second downstream side condensation element 22 ⁇ / b> L provided in the high-source side heat pump 2 is stored in the heat storage tank 4.
- the second refrigerant 25 after being condensed by the second upstream condensing element 22U is still in a sufficiently high temperature state. Therefore, the amount of heat obtained by supercooling the second refrigerant 25 can be stored as a reusable heat source.
- the refrigerant of the low heat pump 1 can be evaporated using this heat storage tank as a heat source instead of low-temperature outside air. Therefore, it is desirable that the evaporator of the low-side heat pump be configured to absorb the heat quantity Q L2a from the heat storage tank instead of absorbing heat from low-temperature outside air.
- the two-way heat pump that absorbs heat from the heat storage tank will be specifically described with reference to the cycle shown in FIG.
- the cycle shown in FIG. 2 is the cycle shown in FIG. 1 only in that the evaporation of the first refrigerant 15 in the low-source heat pump 1 is performed by absorbing the heat quantity Q L2a from the heat storage tank 4 instead of the outside air.
- the evaporation temperature in the first evaporation element 14 can be increased. Therefore, the heat radiation capability and the operation coefficient of the low-source side heat pump 1 can be improved.
- the heat storage tank 4 When the heat storage tank 4 is used as a heat source, a frosting phenomenon does not occur in the low-side evaporator, so that a defrosting operation is not necessary. Further, when the temperature of the heat storage tank 4 decreases due to continuation of the operation and the operation coefficient decreases from the heat absorption from the outside air, the operation is again switched to the operation for absorbing heat from the outside air.
- the cycle shown in FIG. 3 includes a third expansion valve 53 and a third evaporation element 54 in addition to the cycle shown in FIG. That is, in the cycle shown in FIG. 1, when the first evaporation element 14 is frosted due to heat absorption from the low-temperature outside air, the first compressor 11, the first upstream condensation element 12 ⁇ / b> U, and the first downstream The first refrigerant 15 that has passed through the side condensing element 12L is replaced with the first expansion valve 13 and the first evaporating element 14, and sequentially into a new third expansion valve 53 and a third evaporating element 54, respectively. Circulate. Further, the third evaporation element 54 absorbs the heat quantity Q L2b from the heat storage tank 4.
- the new low-source heat pump 1 evaporates the first refrigerant 15 in the third evaporation element 54 by using the heat storage tank 4 that is sufficiently hot as compared with the low-temperature outside air as a heat source, and thereby the heat medium path 3.
- the heating of the heat medium 35 that circulates can be maintained.
- the first refrigerant 15 is divided between the first compressor 11 and the first upstream condensing element 12U, and the diverted refrigerant passes through the first evaporating element 14 to the first refrigerant 15U.
- the first refrigerant 15 is merged between the downstream condensation element 12 ⁇ / b> L and the third expansion valve 53. Therefore, a part of the high-temperature first gas refrigerant 15 discharged from the first compressor 11 can be defrosted in a short time by introducing it into the frosted first evaporation element 14.
- the above-described binary heat pump can evaporate the low-side refrigerant at a low temperature while exhibiting a high heating capacity and an operation coefficient. Therefore, the binary heat pump described above can be used as a refrigerator.
- the binary refrigerator according to the present invention will be described in detail with reference to the cycle shown in FIG.
- the components of the cycle shown in FIG. 4 are the same as the cycle shown in FIG. 1 except that the heat storage tank 4 is not provided, and the heat absorption source and the heat radiation destination of the low-source side and high-source side heat pumps are Each is different from the cycle shown in FIG.
- the component numbers corresponding to the components of the cycle shown in FIG. 1 are set to the component numbers obtained by adding 100 uniformly to the component numbers shown in FIG.
- the second evaporation element 124 included in the high-side heat pump 102 includes a second upstream evaporation element 124U and a second downstream evaporation element 124L.
- the second downstream evaporation element is a heat medium.
- Heat quantity Q H2 is absorbed from the upstream radiator 132 provided in the path 103, and the heat medium 135 circulating in the heat medium path is pre-cooled.
- the first evaporation element 114 included in the low heat source heat pump 101 absorbs the heat quantity Q L2 from the downstream radiator 133 provided in the heat medium path 103 and cools the precooled heat medium 135 to a lower temperature.
- the low-temperature heat medium 135 absorbs heat from the indoor air or food stored in the freezer in the heat absorber 134 to perform cooling, freezing of the food, or the like.
- the second upstream evaporating elements 124U provided to the high-stage-side heat pump 102 absorbs heat Q L12 from the first downstream condenser element 112L provided in the low stage-side heat pump 101. Therefore, the second refrigerant 125 evaporates using the heat quantity Q H2 from the upstream radiator 132 and the heat quantity Q L12 from the first downstream condensing element 112L as heat absorption sources.
- the condensation heat of the first upstream condensing element 112U provided in the low-source side heat pump 101 and the second condensing element 122 provided in the high-source side heat pump 102 is radiated to the outside air.
- the evaporation temperature in the low-source side heat pump 101 can be set lower than the evaporation temperature in the high-source side heat pump 102. Therefore, the heat medium 135 circulating through the heat medium path 103 is first pre-cooled by the heat of evaporation in the high-side heat pump 102, and the pre-cooled heat medium is further cooled by the lower-temperature heat of evaporation in the low-side heat pump 101. Can be cooled to low temperatures.
- the “heating medium paths 3, 103” are not limited to the closed path in which the heating medium circulates, but may be an open path in which the heating medium flows out in one direction without being circulated.
- “Thermal storage tank 4” is a container that stores a heat storage medium such as liquid, fluid, and solid, and has a heat exchanger that performs heat storage and heat dissipation. Examples of the heat storage medium include water and oil. It includes not only liquids such as solids, gases, and those that change phase between them.
- “Compressor” such as “first compressor 11” means all devices that compress refrigerant gas, and examples thereof include scroll type, centrifugal type, reciprocating type, rotary type, and screw type. Moreover, it is not limited to a single-stage type, and includes a multistage type compressor such as a two-stage type.
- Condensation element such as “first upstream condensation element 12U” means a piping structure, a shell structure, a container or the like that radiates and liquefies the heat of the refrigerant gas that passes through, and other heat absorption elements, etc. Combined with to form a heat exchanger.
- first upstream condensation element 12U means a piping structure, a shell structure, a container or the like that radiates and liquefies the heat of the refrigerant gas that passes through, and other heat absorption elements, etc. Combined with to form a heat exchanger.
- coolant etc. lower than the temperature of refrigerant gas correspond.
- the “expansion valve” such as “first expansion valve 13” means all means for reducing the pressure of the liquefied refrigerant or gas-liquid mixed refrigerant, and corresponds to, for example, a nozzle, a valve, or a capillary tube.
- Evaporation element such as “first evaporation element 14” means a piping structure, shell structure, container, or the like that absorbs heat from a heat source and evaporates liquid refrigerant contained in the gas-liquid mixed refrigerant. Combined with to form a heat exchanger.
- the heat source element corresponds to outside air, water, or other refrigerant that is higher than the temperature of the refrigerant.
- the “first refrigerant 15” means a refrigerant having a high density even at a low temperature, for example, R404A, R407C, or R410.
- the “second refrigerant 25” means a refrigerant having a low condensation pressure even when the condensation temperature is high, for example, R134a, R152a, or R600a.
- the “heat absorber” such as the “upstream heat absorber 32” means a heat exchanger that absorbs heat from another heat source.
- the heat medium 35, 135” or the like means a fluid that absorbs heat and dissipates heat in the above-described heat medium path, and includes not only water but also oil and refrigerant. “Diversion” means that one refrigerant path is divided into two paths and a part of the refrigerant is taken out. “Merging” means that refrigerant flowing in two paths is collected in one path.
- the heat medium flowing in the heat medium path can be preheated by the high-temperature condensation heat radiated from the condensation element on the upstream side of the low-source heat pump.
- the condensation heat radiated from the condensing element downstream of the low-side heat pump enables the refrigerant of the high-side heat pump to evaporate at a temperature higher than the outside air temperature.
- the coefficient can be greatly improved.
- the preheated heating medium can be heated to a higher temperature under a high operating coefficient by the high-temperature condensation heat radiated from the condensation element upstream of the high-side heat pump.
- the condensation heat radiated from the downstream condensation element provided in the high-source side heat pump can be stored as a reusable heat source.
- the heating capacity and operating coefficient of the low heat source heat pump when the outside air temperature is low can be greatly improved, thereby The heating capacity and operating coefficient of the heat pump can also be greatly improved.
- the low-side heat pump As a result of operating the low-side heat pump using low-temperature outside air or the like as a heat source, when frosting occurs on the evaporator, the low-side heat pump switches to an evaporator that absorbs heat from the heat storage tank, and the frosted evaporator By introducing a part of the high-temperature refrigerant gas discharged from the compressor, it is possible to quickly defrost. Furthermore, heating can be continued without interrupting the defrosting operation.
- the cooling medium is precooled by the evaporation heat of the high-end heat pump, and the cooling medium is further cooled by the low-temperature evaporation heat of the low-end heat pump to cool the heating medium to a lower temperature. Can do.
- thermodynamic cycle which absorbs heat from outside air and stores heat while raising the temperature of the heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which absorbs heat from a thermal storage tank, and heat-stores, heating up a heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which absorbs heat from a thermal storage tank, and defrosts, heating up a heat medium. It is a Mollier diagram which shows the thermodynamic cycle which pre-cools a heat medium with the high-end side refrigerator, and cools the heat medium pre-cooled with the low-source side refrigerator further. It is a block diagram for implement
- FIGS. 5, 6, 7, and 8 correspond to the above-described cycles of FIGS. 1, 2, 3, and 4, respectively.
- the configurations shown in FIGS. 5 to 8 are all configurations that can implement all the cycles shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4 described above, and the paths and components used in each cycle are shown in bold lines.
- the paths and components not used in the cycle, that is, used in other cycles are indicated by thin lines. Therefore, the configurations indicated by the thick lines in FIGS. 5 to 8 can be configured individually or in combination of two or more.
- a binary heat pump and the like will be sequentially described based on the configuration indicated by bold lines.
- the on-off valve V12 and the like those that are painted black indicate the closed state, and those that are not painted black indicate the opened state.
- the two-way heat pump shown in FIG. 5 includes a low-side heat pump 1, a high-side heat pump 2, a heat medium path 3, and a heat storage tank 4.
- the low-source side heat pump 1 includes a first compressor 11, a first four-way valve 16, a first upstream condensing element 12U, an on-off valve V11, a first downstream condensing element 12L, an on-off valve V12, a first The expansion valve 13, the first evaporation element 14, the on-off valve V14, the first four-way valve 16, and R404A that is a first refrigerant that circulates these in this order are provided.
- the high-side heat pump 2 includes a second compressor 21, a second four-way valve 26, a second upstream condensing element 22U, an on-off valve V21, a second downstream condensing element 22L, an on-off valve V22, a second Expansion valve 23, second evaporation element 24, on-off valve V 23, on-off valve V 24, and R 134 a that is a second refrigerant that circulates these in this order.
- the heat medium path 3 includes a pump 31, an on-off valve V31, an upstream heat absorber 32, a downstream heat absorber 33, an on-off valve V32, a radiator 34, and water that is a heat medium 35 that flows through these in this order. Yes.
- first compressor 11 and the second compressor 21 are both driven by an electric motor, and the on-off valve V21 and the like, the first four-way valve 16 and the like are not shown. It is an electromagnetic valve that opens and closes by an electrical signal from a control device.
- the first upstream condensing element 12U and the upstream heat absorber 32 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QL11 .
- the first downstream condensation element 12L and the second evaporation element 24 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QL12 .
- the second upstream condensation element 22U and the downstream heat absorber 33 constitute a shell-and-tube heat exchanger, and exchange the heat quantity QH11 .
- 22 L of 2nd downstream condensation elements are provided in the thermal storage tank 4, and heat quantity Q H12 is stored in the liquid in this thermal storage tank. Further, the first evaporation element 14 absorbs the heat quantity Q L2 from the outside air sent by the blower. Further, the radiator 34 radiates the heat quantity of the circulating high-temperature heat medium 35 to the air for heating or the water for the heat medium.
- the binary heat pump shown in FIG. 6 is different from the configuration shown in FIG. 5 in that the first expansion valve 13 and the first evaporation element 14 provided in the low-source side heat pump 1 are different from each other in the first expansion.
- the valve 13-1 and the first evaporation element 14-1 are changed. Note that when the binary heat pump shown in FIG. 6 is configured independently without regard to the other configurations shown in FIGS. 5, 7, and 8, the first expansion valve 13-1 and the first evaporation element 14 are used.
- ⁇ 1 corresponds to the first expansion valve 13 and the first evaporation element 14, respectively.
- the R404A that is the first refrigerant 15 flows out of the first downstream condensing element 12L, and then the on-off valve V14 and the first expansion valve.
- the refrigerant flows back to the first compressor 11 via 13-1, the first evaporation element 14-1, and the on-off valve V15.
- the first evaporation element 14-1 is provided in the heat storage tank 4, and absorbs the heat quantity Q L2a stored in the water in the heat storage tank.
- the binary heat pump shown in FIG. 7 maintains the heating of the water circulating in the heat medium path 3 when frost formation occurs in the first evaporation element 14 that absorbs heat from the outside air in the configuration shown in FIG.
- the configuration shown in FIG. 7 is the same as the configuration shown in FIG. 5, and further includes a third expansion valve 53 (corresponding to 13-1 in FIG. 6) and a third evaporation element 54 (14-1 in FIG. 6). It corresponds to.) Has been added. That is, in the configuration shown in FIG.
- R404A of the first refrigerant 15 that has passed through the first downstream condensation element 12L is changed.
- the first compression is performed via the on-off valve V14, the third expansion valve 53, the third evaporation element 54, and the on-off valve V15 sequentially. Circulate through machine 11. Further, the third evaporation element 54 absorbs the heat quantity Q L2b stored in the water in the heat storage tank 4.
- R404A of the first refrigerant 15 is diverted at the outlet of the first compressor 11, and the diverted refrigerant R404A is passed through the on-off valve V16, the first evaporation element 14, and the on-off valve V17. 1 is combined with the refrigerant R404A flowing out from the downstream condensation element 12L. Therefore, a part of the high-temperature refrigerant R404A discharged from the first compressor 11 can be defrosted in a short time by introducing it into the frosted first evaporation element 14.
- the binary refrigerator shown in FIG. 8 is the same as the configuration shown in FIG. 5 except that the heat storage tank 4 is not provided, and the heat absorption source and the heat radiation destination of the low-side and high-side heat pumps. However, they are different from the configuration shown in FIG.
- the component numbers corresponding to the component components shown in FIG. 5 are given the component numbers shown in FIG.
- the refrigerant R404A which is the first refrigerant 115, includes the first compressor 111, the first four-way valve 116, the on-off valve V13, Upstream condensing element 112U (corresponding to first evaporating element 14 in the configuration shown in FIG. 5), open / close valve V17, first downstream condensing element 112L, first expansion valve 113, first evaporating element 114 (corresponding to the first upstream condensing element 12U in the configuration shown in FIG. 5) and the first four-way valve 116 are returned to the first compressor 111 in this order.
- the refrigerant R134a which is the second refrigerant 125
- the refrigerant R134a is converted into the second compressor 121, the second four-way valve 126, the second condensing element 122, the on-off valve V25, the second expansion valve 123, 2 upstream evaporation elements 124U, an on-off valve V26, an on-off valve V27, a second downstream evaporation element 124L (corresponding to the second upstream condensation element 22U in the configuration shown in FIG. 5), and a second.
- the refrigerant flows back to the second compressor 121 via the four-way valve 126 in this order.
- the heat medium path 103 includes a pump 131, an on-off valve V33, an upstream radiator 132, a downstream radiator 133, an on-off valve V34, a heat absorber 134, and water that is a heat medium 135 that flows in this order. Yes.
- the second downstream side evaporation element 124L of the high-side heat pump 102 absorbs the amount of heat Q H2 from the upstream side radiator 132 of the heat medium path 103 and precools the water as the heat medium.
- the first evaporating element 114 included in the low-source-side heat pump 101 absorbs the amount of heat Q L2 from the downstream radiator 133 of the heat medium path 103 and cools the precooled water to a lower temperature.
- the heat absorber 134 provided in the heat medium path 103 absorbs heat from the room or a freezer and cools the room or freezes food.
- the second upstream evaporation element 124U included in the high-source heat pump 102 absorbs heat Q L12 from the first downstream condensation element 112L included in the low-source heat pump 101. Further, the condensed heats Q L11 and Q H11 in the first upstream condensing element 112U included in the low-source heat pump 101 and the second condensing element 122 included in the high-source heat pump 102 are radiated to the outside air.
- the heating capacity and operating coefficient of the low-source side heat pump and the high-source side heat pump can be further improved, it can be widely used in industries related to heat pumps and refrigerators.
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Abstract
低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させる。低元側ヒートポンプ1の第1の上流側凝縮要素12Uにおいて、第1の冷媒R404Aが放熱する凝縮熱QL11によって水を予熱し、第1の下流側凝縮要素12Lにおいて放熱する凝縮熱QL12によって、高元側ヒートポンプ2の第2の蒸発要素24において第2の冷媒R134aを蒸発させ、この高元側ヒートポンプの第2の上流側凝縮要素22Uにおいて放熱する凝縮熱QH11によって、予熱した水をさらに昇温させる。また高元側ヒートポンプ2の第2の下流側凝縮要素22Lにおいて放熱する凝縮熱QH12を、蓄熱槽4に蓄熱する。蓄熱槽4に十分蓄熱ができた場合には、低元側ヒートポンプ1は、この蓄熱槽から熱量QL2aを吸熱する。
Description
本発明は、低元側と高元側との2つの蒸気圧縮サイクルを有する2元式ヒートポンプ及び冷凍機に関する。
圧縮機、凝縮器、膨脹弁、および蒸発器からなる蒸気圧縮サイクルにおいては、吸熱される側の温度、すなわち蒸発器における冷媒の蒸発温度と蒸発圧力とが低いと、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下する。しかるに、圧縮機が吸引する冷媒の密度が低下すると、蒸気圧縮サイクルを循環する冷媒の流量(単位時間に流れる質量)が低下して、暖房あるいは冷凍能力が低下する。さらに圧縮機における圧縮比が大きくなって圧縮仕事が増加し、いわゆる暖房あるいは冷凍の動作係数も低下する。したがって外気温度が低い寒冷地等では、暖房能力と暖房効率の低下が問題となる。
このような寒冷地等における暖房能力や動作係数の低下に対しては、低温においても密度の大きい、例えばR404A、R407C、R717等の冷媒を使用することが考えられる。しかるに低温においても密度が大きい冷媒は、屋内等の暖かい状態において凝縮すなわち暖房を行なうと、凝縮圧力が高くなって、冷媒の循環する経路及び機器の耐圧強度を増強する必要があり、製造コストが嵩む。
そこで上述した寒冷地における外気温度や、冷媒温度が低い場合の問題を解決するために、それぞれ冷媒が異なる、いわゆる2元式ヒートポンプが提案されている。この2元式ヒートポンプでは、低元側と高元側との2つの蒸気圧縮サイクルを設けて、低元側に低温時の密度の大きい冷媒を使用し、高元側に蒸発温度が高い冷媒を使用する。そして低元側冷媒の高温の凝縮熱を熱源として、高元側の冷媒の蒸発を行ない、高元側の凝縮器を熱源として、室内の暖房や熱媒の供給を行なう。
すなわち低元側の冷媒の凝縮は、高元側の冷媒の蒸発熱によって行なうため、低元側の冷媒の凝縮温度を、暖房によって暖められた室内等の温度より低く設定することができる。したがって低元側ヒートポンプの凝縮圧力を低くすることができる。他方高元側の冷媒の蒸発は、低元側の凝縮熱によって行なうため、高元側の冷媒の蒸発温度を、低温の外気等より高く設定することができる。したがって高元側ヒートポンプについて、暖房等の能力と動作係数とを向上させることができる。
このような2元式ヒートポンプの例として、特許文献1及び2に示すような手段が提案されている。特許文献1に記載のヒートポンプ装置は、その添付図面1等に記載されているように、廃熱源式高温ヒートポンプに、2つの蒸発器44,45を直列に設けて、廃熱46が十分な場合には、この廃熱を上流側の蒸発器44に吸熱させ、廃熱46が不十分な場合には、この廃熱に加えて、空気熱源式低温ヒートポンプの凝縮熱を、下流側の蒸発器44に吸熱させている。
他方特許文献2に記載のヒートポンプ式熱媒装置は、外気を熱源とする低段側のヒートポンプに、上流側と下流側との2つの凝縮器を直列に設けて、下流側の凝縮器において放熱される凝縮熱によって熱媒を予熱し、上流側の凝縮器13において放熱される凝縮熱によって、高段側のヒートポンプの冷媒を蒸発させ、さらに高段側のヒートポンプの凝縮熱によって、予熱した熱媒を高温にする。
しかしながら上述した従来技術については、さらに暖房等の加熱能力と動作係数とを向上させるための改良すべき課題がある。すなわち特許文献1に記載のヒートポンプ装置については、低元側ヒートポンプ(空気熱源式低温ヒートポンプ)、及び高元側ヒートポンプ(廃熱源式高温ヒートポンプ)の双方について、給熱(凝縮熱)量と動作係数とを、さらに向上させ得る余地がある。
特許文献2に記載のヒートポンプ式熱媒装置については、低元側(低段側)のヒートポンプの、上流側の凝縮器において放熱する凝縮熱によって、高元側(高段側)のヒートポンプの蒸発器において冷媒を蒸発させ、下流側の凝縮器における凝縮熱によって、熱媒を予熱している。このため高段側のヒートポンプの蒸発器において冷媒を十分蒸発させるべく、上流側の凝縮器における放熱量を確保しようとすると、下流側の凝縮器における凝縮温度が低下して、熱媒を十分に予熱することが困難となる。逆に熱媒を十分に予熱すべく、下流側の凝縮器における凝縮温度を低下しないようにすると、上流側の凝縮器における凝縮熱が減少するため、高段側のヒートポンプの蒸発器における吸熱量が減少する。このため高段側のヒートポンプの凝縮器において放熱できる凝縮熱も少なくなり、予熱した熱媒をさらに昇温することが困難となる。
そこで本発明の目的は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力、冷却能力及び動作係数を、さらに向上させることができる2元式ヒートポンプを提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明による2元式ヒートポンプの特徴は、低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとに、それぞれ2つの凝縮器を直列に設け、低元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって熱媒を予熱し、低元側ヒートポンプの下流側の凝縮器における凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を蒸発器において蒸発させ、高元側ヒートポンプの上流側の凝縮器における凝縮熱によって、予熱した熱媒の温度をさらに昇温することにある。さらに高元側ヒートポンプの下流側の凝縮器が放熱する熱量を、蓄熱槽に蓄熱することにある。
図1に示す熱力学サイクル(以下単に「サイクル」という。)を参照しつつ、本発明による2元式ヒートポンプを説明する。なおこのサイクルの各行程を構成する構成部品、例えば圧縮行程を構成する圧縮機1は、図が煩雑になることを避けるために、図示していない。これらの構成部品については、別途図5~図8において詳述する。さて図1に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ1と、高元側ヒートポンプ2と、熱媒経路3と、蓄熱槽4とを備えている。
低元側ヒートポンプ1は、状態L1の冷媒ガスを、高温高圧の状態L2にまで圧縮する第1の圧縮機11、状態L2の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態L3まで凝縮する第1の上流側凝縮要素12U、状態L3の飽和液を過冷却液の状態L4に冷却する第1の下流側凝縮要素12L、状態L4の過冷却液を、冷媒液と冷媒ガスとからなる気液混合冷媒の状態L5まで減圧する第1の膨張弁13、状態L5の低温の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態L1に蒸発させる第1の蒸発要素14、及びこれらをこの順序で循環する第1の冷媒15を有している。
また高元側ヒートポンプ2は、状態H1の冷媒ガスを高温高圧の状態H2にまで圧縮する第2の圧縮機21、状態H2の高温高圧の冷媒ガスを、飽和液の状態H3まで凝縮する第2の上流側凝縮要素22U、状態H3の飽和液を過冷却液の状態H4まで放熱する第2の下流側凝縮要素22L、状態H4の過冷却液を気液混合の状態H5まで減圧する第2の膨張弁23、状態H5の気液混合冷媒を、飽和ガスの状態H1に蒸発させる第2の蒸発要素24、及びこれらをこの順序で循環する第2の冷媒25を有している。熱媒経路3は、ポンプ31、上流側吸熱器32、下流側吸熱器33、放熱器34、及びこれらをこの順序で流れる熱媒35を有している。
次に上述したサイクルの動作を説明する。すなわち低元側ヒートポンプ1に設けた第1の蒸発要素14は、外気から熱量QL2を吸熱する。しかるに上述したように、2元式ヒートポンプでは、低元側ヒートポンプの冷媒は、高元側ヒートポンプの冷媒に比べて、同一温度における密度が大きい。したがって外気温度が低くても、第1の圧縮機11に吸引される冷媒ガスの密度も大きく、循環する第1の冷媒15の流量も多い。このため外気温度が低くても、第1の上流側凝縮要素12U及び第1の下流側凝縮要素12Lにおける放熱量の低下を抑制することができる。また第1の圧縮機11における圧縮比が大きくなることを抑制できるので、動作係数の低下を抑制することができる。
熱媒経路3に設けた上流側吸熱器32は、低元側ヒートポンプ1に設けた第1の上流側凝縮要素12Uから放熱される熱量QL11を吸熱する。第1の上流側凝縮要素12Uには、第1の圧縮機11から吐出される高温のガス冷媒が流入するため、この第1の上流側凝縮要素における凝縮温度は高く、したがって熱媒経路3を循環する熱媒35を、高い温度に予熱することができる。また第1の上流側凝縮要素12Uにおける凝縮熱は、温度の低い水の予熱に利用されるため、この凝縮温度を、例えば室内の暖房温度に較べて、低く抑えることができる。よって第1の冷媒15の凝縮圧力を低い値に設定することが可能となる。これにより低元側ヒートポンプ1の圧縮比を低く抑えることができ、動作係数が向上する。
また高元側ヒートポンプ2に設けた第2の蒸発要素24は、低元側ヒートポンプ1に設けた第1の下流側凝縮要素12Lの出口から熱量QL12を吸熱する。ここで第1の下流側凝縮要素12Lの出口における第1の冷媒15の温度は、外気温度より十分高い。よって高元側ヒートポンプ2における第2の蒸発要素24に対して、外気温度より十分高い温度の熱源として利用できる。すなわち高元側ヒートポンプ2において蒸発温度が高ければ、第2の蒸発要素24における蒸発圧力が高くなる。したがって第2の圧縮機21に吸引される第2の冷媒ガス25の密度を高くすることができる。このため上述した低元側ヒートポンプ1と同様に、第2の上流側凝縮要素22U及び第2の下流側凝縮要素22Lにおける放熱量を増加することができる。また第2の圧縮機21における圧縮比を小さくできるので、動作係数を向上させることができる。
熱媒経路3に設けた下流側吸熱器33は、高元側ヒートポンプ2に設けた第2の上流側凝縮要素22Uから熱量QH11を吸熱する。ここで第2の上流側凝縮要素22Uでは、第2の圧縮機21から吐出される高温の第2の冷媒ガス15が凝縮するため、凝縮温度は高温となる。したがって高温の凝縮熱と予熱された熱媒経路3の熱媒35と熱交換させることにより、この熱媒を、さらに高温に加熱することができる。また高元側ヒートポンプ2に設けた第2の下流側凝縮要素22Lから放熱される熱量QH12は、蓄熱槽4に蓄熱される。ここで第2の上流側凝縮要素22Uで凝縮した後の第2の冷媒25は、未だ十分高温の状態にある。よって第2の冷媒25を、過冷却することによって得られる熱量を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
さて蓄熱槽4に熱が蓄熱されて昇温した場合には、低温の外気に替えて、この蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプ1の冷媒を蒸発させることができる。そこで低元側ヒートポンプの蒸発器は、低温の外気からの吸熱に替えて、蓄熱槽から熱量QL2aを吸熱するように構成することが望ましい。図2に示すサイクルを参照しつつ、蓄熱槽から吸熱する2元式ヒートポンプを具体的に説明する。
すなわち図2に示すサイクルは、低元側ヒートポンプ1における第1の冷媒15の蒸発を、外気に替えて蓄熱槽4から熱量QL2aを吸熱することによって行なう点だけが、図1に示したサイクルと相違している。すなわち第1の冷媒15を蒸発させる熱源を、特に低温時の外気に替えて、蓄熱槽4とすることによって、第1の蒸発要素14における蒸発温度を高くすることができる。したがって低元側ヒートポンプ1の放熱能力と動作係数とを向上させることができる。なお蓄熱槽4を熱源にする場合は、低元側の蒸発器に着霜現象が生じることはないため、除霜運転が不要となる。また運転の継続によって蓄熱槽4の温度が低下して、外気からの吸熱より動作係数が低下する場合には、再び外気からの吸熱する運転に切り替える。
ところで低温の外気を熱源とすると、低元側ヒートポンプの蒸発器に霜が着き、この蒸発器の伝熱機能が劣化して吸熱能力が低下する。したがって所定の運転時間の経過毎に、蒸発器に着いた霜を除霜する必要がある。ここで除霜運転を行なう間も、暖房等を中断せずに継続できるように構成することが望ましい。図3に示すサイクルを参照しつつ、暖房等を継続しつつ除霜する2元式ヒートポンプを具体的に説明する。
すなわち図3に示すサイクルは、図1に示したサイクルに、さらに第3の膨張弁53と第3の蒸発要素54とを追加して備えている。すなわち図1に示したサイクルにおいて、低温の外気からの吸熱によって、第1の蒸発要素14が着霜したときには、第1の圧縮機11、第1の上流側凝縮要素12U、及び第1の下流側凝縮要素12Lを通過した第1の冷媒15を、第1の膨張弁13及び第1の蒸発要素14に替えて、それぞれ新たな第3の膨張弁53と第3の蒸発要素54とに順次循環させる。また第3の蒸発要素54は、上記蓄熱槽4から熱量QL2bを吸熱する。
したがってこの新たな低元側ヒートポンプ1は、第3の蒸発要素54において、低温の外気に比べて十分高温の蓄熱槽4を熱源として、第1の冷媒15を蒸発させ、これにより熱媒経路3を循環する熱媒35の加熱を維持することができる。さらに上記第1の冷媒15を、第1の圧縮機11と第1の上流側凝縮要素12Uとの間で分流させ、この分流した冷媒を、第1の蒸発要素14を経由して、第1の下流側凝縮要素12Lと第3の膨張弁53との間で、第1の冷媒15と合流させる。したがって第1の圧縮機11から吐出した高温の第1のガス冷媒15の一部を、着霜した第1の蒸発要素14に導入することによって、短時間に除霜することができる。
また上述した2元式ヒートポンプは、高い加熱能力と動作係数とを発揮させつつ、低元側の冷媒を低い温度で蒸発させることができる。したがって上述した2元式ヒートポンプを、冷凍機として利用することができる。図4に示すサイクルを参照しつつ、本発明による2元式冷凍機を具体的に説明する。
すなわち図4に示すサイクルの構成部品は、蓄熱槽4を備えていない点を除いて、図1に示すサイクルと同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図1に示すサイクルと相違する。なお図1に示すサイクルの構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図1に示す部品番号に、一律100を加えた部品番号にしてある。
さて高元側ヒートポンプ102が有する第2の蒸発要素124は、第2の上流側蒸発要素124Uと、第2の下流側蒸発要素124Lとからなり、この第2の下流側蒸発要素は、熱媒経路103に設けた上流側放熱器132から熱量QH2を吸熱し、この熱媒経路を循環する熱媒135を予冷する。また低元側ヒートポンプ101が有する第1の蒸発要素114は、熱媒経路103に設けた下流側放熱器133から熱量QL2を吸熱し、予冷した熱媒135をさらに低温に冷却する。そして低温の熱媒135は、吸熱器134において、室内空気や冷凍庫に収納した食品等から吸熱して、冷房や食品の冷凍等を行なう。
また高元側ヒートポンプ102に設けた第2の上流側蒸発要素124Uは、低元側ヒートポンプ101に設けた第1の下流側凝縮要素112Lから熱量QL12を吸熱する。したがって第2の冷媒125は、上流側放熱器132からの熱量QH2と、第1の下流側凝縮要素112Lからの熱量QL12とを吸熱源として蒸発する。なお低元側ヒートポンプ101に設けた第1の上流側凝縮要素112U、及び高元側ヒートポンプ102に設けた第2の凝縮要素122の凝縮熱は、それぞれ外気に放熱する。
上述した2元式冷凍機のサイクルにおいては、低元側のヒートポンプ101における蒸発温度を、高元側のヒートポンプ102における蒸発温度より、低く設定することができる。したがって高元側のヒートポンプ102における蒸発熱によって、まず熱媒経路103を循環する熱媒135を予冷し、さらに低元側のヒートポンプ101における、より低温の蒸発熱により、予冷した熱媒を、更に低温に冷却することができる。
ここで「熱媒経路3、103」は、熱媒が循環する閉じた経路に限らず、熱媒が循環しないで一方向に流出する開いた経路であってもよい。「蓄熱槽4」とは、液体、流動体及び固体等の蓄熱媒体を収納した容器であって、蓄熱及び放熱を行なう熱交換器を有するものを意味し、この蓄熱媒体としては、水や油等の液体に限らず固体や気体、及びこれらの間で相変化するものも含む。「第一の圧縮機11」等の「圧縮機」とは、冷媒ガスを圧縮する全ての機器を意味し、例えばスクロール型、遠心型、往復型、ロータリー型、及びスクリュー型が該当する。また単段式のものに限らず、2段式等の多段式の圧縮機を含む。
「第1の上流側凝縮要素12U」等の「凝縮要素」とは、通過する冷媒ガスの有する熱を放熱して液化する配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、他の吸熱要素等と組み合わさって熱交換器を形成する。なお吸熱要素としては、冷媒ガスの温度より低温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。「第1の膨張弁13」等の「膨張弁」とは、液化冷媒または気液混合冷媒の圧力を減少させる全ての手段を意味し、例えばノズル、バルブあるいはキャピラリーチューブが該当する。「第1の蒸発要素14」等の「蒸発要素」とは、熱源から吸熱して、気液混合冷媒に含まれる液冷媒を蒸発させる配管構造、シェル構造、あるいは容器等を意味し、熱源要素と組み合わさって熱交換器を形成する。なお熱源要素としては、冷媒の温度より高温の外気、水、または他の冷媒等が該当する。
「第1の冷媒15」とは、低温でも密度が大きい冷媒を意味し、例えばR404A、R407C、あるいはR410が該当する。「第2の冷媒25」とは、凝縮温度が高くても、凝縮圧力が低い冷媒を意味し、例えばR134a、R152a、あるいはR600aが該当する。「上流側吸熱器32」等の「吸熱器」とは、他の熱源から吸熱する熱交換器を意味する。「熱媒35、135」等とは、上述した熱媒経路において、吸熱及び放熱を行う流体を意味し、水に限らず油や冷媒等も含む。「分流」とは、1つの冷媒経路を2つの経路に分けて、冷媒の一部を取出すことを意味する。「合流」とは、2つの経路を流れる冷媒を、1つの経路に集合させることを意味する。
低元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、熱媒経路を流れる熱媒を予熱することができる。同時に低元側ヒートポンプの下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱によって、高元側ヒートポンプの冷媒を外気温度に較べて高い温度で蒸発させることが可能となり、高元側ヒートポンプの予熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができる。また高元側ヒートポンプの上流側の凝縮要素から放熱される高温の凝縮熱によって、予熱した熱媒を、高い動作係数の下で、さらに高温に昇温することができる。また高元側ヒートポンプに設けた下流側の凝縮要素から放熱される凝縮熱を、再利用可能な熱源として蓄熱することができる。
蓄熱槽を熱源として、低元側ヒートポンプの冷媒を蒸発させることによって、外気温度が低い場合における低元側ヒートポンプの加熱能力と動作係数とを、大幅に向上させることができ、これにより高元側ヒートポンプの加熱能力及び動作係数も、大幅に向上させることができる。
低温の外気等を熱源として低元側ヒートポンプを作動させた結果、蒸発器に着霜した場合には、低元側ヒートポンプにおいて、蓄熱槽から吸熱する蒸発器に切り替えると共に、着霜した蒸発器に圧縮機から吐出した高温の冷媒ガスの一部を導入することによって、速やかに除霜することが可能となる。さらにこの除霜運転を行なう間も、暖房を中断せずに継続することができる。
高元側ヒートポンプの蒸発熱によって、熱媒経路の熱媒を予冷し、さらに低元側ヒートポンプの低温の蒸発熱によって、予冷した熱媒を冷却することによって、熱媒を更に低温に冷却することができる。
1、101 低元側ヒートポンプ
11、111 第1の圧縮機
12U、112U 第1の上流側凝縮要素
12L、112L 第1の下流側凝縮要素
13、113 第1の膨張弁
14、114 第1の蒸発要素
15、115 R404A(第1の冷媒)
2、102 高元側ヒートポンプ
21、121 第2の圧縮機
122 第2の凝縮要素
22U 第2の上流側凝縮要素
22L 第2の下流側凝縮要素
23、123 第2の膨張弁
24、124 第2の蒸発要素
124U 第2の上流側蒸発要素
124L 第2の下流側蒸発要素
25、125 R134a(第2の冷媒)
3、103 熱媒経路
31、131 ポンプ
32、132 上流側吸熱器又は上流側放熱器
33、133 下流側吸熱器又は下流側放熱器
34、134 放熱器又は吸熱器
35、135 水(熱媒)
4 蓄熱槽
53 第3の膨張弁
54 第3の蒸発要素
11、111 第1の圧縮機
12U、112U 第1の上流側凝縮要素
12L、112L 第1の下流側凝縮要素
13、113 第1の膨張弁
14、114 第1の蒸発要素
15、115 R404A(第1の冷媒)
2、102 高元側ヒートポンプ
21、121 第2の圧縮機
122 第2の凝縮要素
22U 第2の上流側凝縮要素
22L 第2の下流側凝縮要素
23、123 第2の膨張弁
24、124 第2の蒸発要素
124U 第2の上流側蒸発要素
124L 第2の下流側蒸発要素
25、125 R134a(第2の冷媒)
3、103 熱媒経路
31、131 ポンプ
32、132 上流側吸熱器又は上流側放熱器
33、133 下流側吸熱器又は下流側放熱器
34、134 放熱器又は吸熱器
35、135 水(熱媒)
4 蓄熱槽
53 第3の膨張弁
54 第3の蒸発要素
次に図5~図8を参照しつつ、上述した2元式ヒートポンプ、及び2元式冷凍機の構成について詳述する。なお図5、図6、図7及び図8の構成は、上述した図1、図2、図3及び図4のサイクルに、それぞれ対応している。また図5~図8に示す構成は、いずれも上述した図1、図2、図3及び図4に示した全てサイクルを実施できる構成であって、各サイクルにおいて使用する経路及び構成部品を太線で示し、そのサイクルには使用しない、すなわち他のサイクルで使用する経路及び構成部品については、細線で示してある。したがって図5~図8において太線で示す構成は、それぞれ単独、あるいは2つ以上の組合せで構成することができる。以下それぞれ太線で示した構成に基づいて、2元式ヒートポンプ等を順次説明する。なお開閉弁V12等については、黒く塗潰したものは閉弁状態を、黒く塗潰していないものは開弁状態を示している。
さて図5に示す2元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ1と、高元側ヒートポンプ2と、熱媒経路3と、蓄熱槽4とを備えている。低元側ヒートポンプ1は、第1の圧縮機11、第1の四方弁16、第1の上流側凝縮要素12U、開閉弁V11、第1の下流側凝縮要素12L、開閉弁V12、第1の膨張弁13、第1の蒸発要素14、開閉弁V14、第1の四方弁16、及びこれらをこの順序で循環する第1の冷媒であるR404Aを有している。
また高元側ヒートポンプ2は、第2の圧縮機21、第2の四方弁26、第2の上流側凝縮要素22U、開閉弁V21、第2の下流側凝縮要素22L、開閉弁V22、第2の膨張弁23、第2の蒸発要素24、開閉弁V23、開閉弁V24、及び、これらをこの順序で循環する第2の冷媒であるR134aを有している。熱媒経路3は、ポンプ31、開閉弁V31、上流側吸熱器32、下流側吸熱器33、開閉弁V32、放熱器34、及びこれらをこの順序で流れる熱媒35である水を有している。
なお第1の圧縮機11及び第2の圧縮機21は、いずれも電動機で駆動される圧縮機であって、開閉弁V21等、及び第1の四方弁16等は、いずれも図示していない制御装置からの電気信号によって開閉する電磁弁である。また第1の上流側凝縮要素12Uと上流側吸熱器32とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量QL11を交換する。第1の下流側凝縮要素12Lと第2の蒸発要素24とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量QL12を交換する。第2の上流側凝縮要素22Uと下流側吸熱器33とは、相互でシェル・アンド・チューブ型の熱交換器を構成しており、熱量QH11を交換する。
第2の下流側凝縮要素22Lは、蓄熱槽4内に設けられており、この蓄熱槽内の液体に熱量QH12を蓄熱する。また第1の蒸発要素14は、送風機によって送られる外気から熱量QL2を吸熱する。さらに放熱器34は、循環する高温の熱媒35たる水の熱量を暖房用空気、あるいは熱媒用の水等に放熱する。
次に図6に示す2元式ヒートポンプは、図5に示す構成において、低元側ヒートポンプ1に設けた第1の膨張弁13と第1の蒸発要素14とを、それぞれ別の第1の膨張弁13-1と第1の蒸発要素14-1とに変更したものである。なお図6に示す2元式ヒートポンプを、他の図5、図7及び図8に示す構成と関係なく、単独で構成する場合は、第1の膨張弁13-1と第1の蒸発要素14-1とが、それぞれ第1の膨張弁13と第1の蒸発要素14とに該当する。
すなわち図6に示す2元式ヒートポンプは、低元側ヒートポンプ1において、第1の冷媒15であるR404Aは、第1の下流側凝縮要素12Lを流出した後に、開閉弁V14、第1の膨張弁13-1、第1の蒸発要素14-1、及び開閉弁V15を経由して、第1の圧縮機11に還流する。ここで第1の蒸発要素14-1は、蓄熱槽4内に設けられており、この蓄熱槽内の水に蓄熱された熱量QL2aを吸熱する。
次に図7に示す2元式ヒートポンプは、図5に示す構成において、外気から吸熱する第1の蒸発要素14に着霜が生じた場合に、熱媒経路3を循環する水の加熱を維持しつつ、この第1の蒸発要素を除霜する構成を示している。さて図7に示す構成は、図5に示した構成に、さらに第3の膨張弁53と(図6では13-1に該当する。)第3の蒸発要素54と(図6では14-1に該当する。)が追加されている。すなわち上述した図5に示した構成において、低温の外気からの吸熱によって、第1の蒸発要素14が着霜したときには、第1の下流側凝縮要素12Lを通過した第1の冷媒15のR404Aを、第1の膨張弁13及び第1の蒸発要素14に替えて、開閉弁V14、第3の膨張弁53、第3の蒸発要素54、及び開閉弁V15を順次経由して、第1の圧縮機11に循環させる。また第3の蒸発要素54は、上記蓄熱槽4内の水に蓄熱された熱量QL2bを吸熱する。
さらに第1の冷媒15のR404Aを、第1の圧縮機11の出口で分流させ、この分流した冷媒R404Aを、開閉弁V16、第1の蒸発要素14、及び開閉弁V17を経由して、第1の下流側凝縮要素12Lから流出する冷媒R404Aと合流させる。したがって第1の圧縮機11から吐出した高温の冷媒R404Aの一部を、着霜した第1の蒸発要素14に導入することによって、短時間に除霜することができる。
次に図8に示す2元式冷凍機は、図5に示す構成と、蓄熱槽4を備えていない点を除いて同等であって、低元側及び高元側ヒートポンプの吸熱源及び放熱先が、それぞれ図5に示す構成と相違する。なお図5に示す構成部品に相当する構成部品については、参照の便宜等のため、図5に示す部品番号に、一律100を加えた部品番号にしてある。
さて図8に示す2元式冷凍機は、低元側ヒートポンプ101において、第1の冷媒115たる冷媒R404Aは、第1の圧縮機111、第1の四方弁116、開閉弁V13、第1の上流側凝縮要素112U(図5に示す構成では、第1の蒸発要素14に該当する。)、開閉弁V17、第1の下流側凝縮要素112L、第1の膨張弁113、第1の蒸発要素114(図5に示す構成では、第1の上流側の凝縮要素12Uに該当する。)、及び第1の四方弁116をこの順序で経由して、第1の圧縮機111に還流する。高元側ヒートポンプ102では、第2の冷媒125たる冷媒R134aが、第2の圧縮機121、第2の四方弁126、第2の凝縮要素122、開閉弁V25、第2の膨張弁123、第2の上流側蒸発要素124U、開閉弁V26、開閉弁V27、第2の下流側蒸発要素124L(図5に示す構成では、第2の上流側凝縮要素22Uに該当する。)、及び第2の四方弁126をこの順序で経由して、第2の圧縮機121に還流する。
また熱媒経路103は、ポンプ131、開閉弁V33、上流側放熱器132、下流側放熱器133、開閉弁V34、吸熱器134及びこれらをこの順序で流れる熱媒135である水を有している。
さて高元側ヒートポンプ102が有する第2の下流側蒸発要素124Lは、熱媒経路103の上流側放熱器132から熱量QH2を吸熱して、熱媒である水を予冷する。低元側ヒートポンプ101が有する第1の蒸発要素114は、熱媒経路103の下流側放熱器133から熱量QL2を吸熱して、予冷した水をさらに低温に冷却する。なお熱媒経路103に設けた吸熱器134は、室内あるいは冷凍庫から吸熱し、室内の冷房あるいは食品等の冷凍を行なう。
なお高元側ヒートポンプ102が有する第2の上流側蒸発要素124Uは、低元側ヒートポンプ101が有する第1の下流側凝縮要素112Lから、熱量QL12を吸熱する。また低元側ヒートポンプ101が有する第1の上流側凝縮要素112U、及び高元側ヒートポンプ102が有する第2の凝縮要素122における凝縮熱QL11及びQH11は、それぞれ外気に放熱される。
低元側ヒートポンプと高元側ヒートポンプとの加熱能力及び動作係数を、さらに向上させることができるため、ヒートポンプ及び冷凍機に関する産業に広く利用可能である。
Claims (4)
- 低元側ヒートポンプ(1)と高元側ヒートポンプ(2)と熱媒経路(3)と蓄熱槽(4)とを備え、
上記低元側ヒートポンプ(1)は、第1の圧縮機(11)、第1の上流側凝縮要素(12U)、第1の下流側凝縮要素(12L)、第1の膨張弁(13)、第1の蒸発要素(14)、及びこれらをこの順序で循環する第1の冷媒(15)を有し、
上記高元側ヒートポンプ(2)は、第2の圧縮機(21)、第2の上流側凝縮要素(22U)、第2の下流側凝縮要素(22L)、第2の膨張弁(23)、第2の蒸発要素(24)、及びこれらをこの順序で循環する第2の冷媒(25)を有し、
上記熱媒経路(3)は、ポンプ(31)、上流側吸熱器(32)、下流側吸熱器(33)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(35)を有し、
上記第1の蒸発要素(14)は、外気から熱量QL2を吸熱し、
上記上流側吸熱器(32)は、上記第1の上流側凝縮要素(12U)から熱量QL11を吸熱し、
上記第2の蒸発要素(24)は、上記第1の下流側凝縮要素(12L)から熱量QL12を吸熱し、
上記下流側吸熱器(33)は、上記第2の上流側凝縮要素(22U)から熱量QH11を吸熱し、
上記蓄熱槽(4)は、上記第2の下流側凝縮要素(22L)から放熱される熱量QH12を蓄熱する
ことを特徴とする2元式ヒートポンプ。 - 請求項1において、上記第1の蒸発要素(14)は、外気からの吸熱に替えて、上記蓄熱槽(4)から熱量QL2aを吸熱する
ことを特徴とする2元式ヒートポンプ。 - 請求項1において、さらに第3の膨張弁(53)と第3の蒸発要素(54)とを有し、
上記第1の蒸発要素(14)が着霜したときには、
上記第1の冷媒(15)は、上記第1の圧縮機(11)、第1の上流側凝縮要素(12U)、第1の下流側凝縮要素(12L)、第3の膨張弁(53)、及び第3の蒸発要素(54)をこの順序で循環し、
上記第3の蒸発要素(54)は、上記蓄熱槽(4)から熱量QL2bを吸熱し、
さらに上記第1の冷媒(15)は、上記第1の圧縮機(11)と第1の上流側凝縮要素(12U)との間で分流し、
上記分流した冷媒は、上記第1の蒸発要素(14)を経由して、上記第1の下流側凝縮要素(12L)と第3の膨張弁(53)との間で、上記第1の冷媒(15)と合流する
ことを特徴とする2元式ヒートポンプ。 - 低元側ヒートポンプ(101)と高元側ヒートポンプ(102)と熱媒経路(103)とを備え、
上記低元側ヒートポンプ(101)は、第1の圧縮機(111)、第1の上流側凝縮要素(112U)、第1の下流側凝縮要素(112L)、第1の膨張弁(113)、第1の蒸発要素(114)、及びこれらをこの順序で循環する第1の冷媒(115)を有し、
上記高元側ヒートポンプ(102)は、第2の圧縮機(121)、第2の凝縮要素(122)、第2の膨張弁(123)、第2の蒸発要素(124)、及びこれらをこの順序で循環する第2の冷媒(125)を有し、
上記熱媒経路(103)は、ポンプ(131)、上流側放熱器(132)、下流側放熱器(133)、及びこれらをこの順序で流れる熱媒(135)を有し、
上記第2の蒸発要素(124)は、上記上流側放熱器(132)と第1の下流側凝縮要素(112L)とから、それぞれ熱量QH2及びQL12を吸熱し、
上記第1の蒸発要素(114)は、上記下流側放熱器(133)から熱量QL2を吸熱し、
上記第1の上流側凝縮要素(112U)及び第2の凝縮要素(122)は、それぞれ外気に熱量QL11及びQH11を放熱する
ことを特徴とする2元式冷凍機。
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