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図面 (5)

課題

プレート式熱交換器を用いる場合、凝縮潜熱放熱する凝縮過程においては、良好な熱交換が行われるが、顕熱を放熱する過熱域過冷却域では熱交換効率が低下するため凝縮器を大きくする必要があり、これにより冷凍サイクル装置自体も巨大になる問題があった。

解決手段

冷媒圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を過熱し冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器を備える冷凍サイクル装置を提供する。凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成る第1の凝縮器と、プレート式熱交換器からなる第2の凝縮器を備えており、冷媒を第1の凝縮器から第2の凝縮器へ流動させ、被加熱流体を第2の凝縮器から第1の凝縮器へ流動させ、且つ、第1の凝縮器と第2の凝縮器において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させ熱交換させる

概要

背景

一般的に冷凍サイクル装置は、圧縮機と凝縮器膨張装置蒸発器とこれらを順次接続する冷媒配管を備えている。冷凍サイクル装置内には冷媒封入されており、圧縮機で圧縮された冷媒は凝縮器で凝縮され、その際に発生する凝縮潜熱により被加熱流体を加熱する。凝縮した冷媒は、膨張装置により減圧され、蒸発器内蒸発し、圧縮機へ吸込まれる。

ここで、被加熱流体として水などの液体が用いられる場合、冷凍サイクル装置の凝縮器にはプレート式熱交換器、又は冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器が用いられる。

プレート式熱交換器は、冷媒の凝縮過程などで生じる潜熱熱交換する場合において高い熱交換効率を有しているが、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程においては、熱交換効率は高くない。

一方、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器は、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程において高い熱交換効率を有しているが、凝縮過程などで生じる潜熱を熱交換する場合には、熱交換効率は高くない。

概要

プレート式熱交換器を用いる場合、凝縮潜熱を放熱する凝縮過程においては、良好な熱交換が行われるが、顕熱を放熱する過熱域過冷却域では熱交換効率が低下するため凝縮器を大きくする必要があり、これにより冷凍サイクル装置自体も巨大になる問題があった。冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を過熱し冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器を備える冷凍サイクル装置を提供する。凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成る第1の凝縮器と、プレート式熱交換器からなる第2の凝縮器を備えており、冷媒を第1の凝縮器から第2の凝縮器へ流動させ、被加熱流体を第2の凝縮器から第1の凝縮器へ流動させ、且つ、第1の凝縮器と第2の凝縮器において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させ熱交換させる

目的

効果

実績

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請求項1

冷媒圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体熱交換させ、被加熱流体を加熱するとともに冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備える冷凍サイクル装置において、前記凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り前記冷媒と前記被加熱流体が熱交換可能に構成された第1の凝縮器と、プレート式熱交換器からなる第2の凝縮器とを備えており、冷媒の入口側、又は出口側の少なくともいずれか一方に第1の凝縮器が設けられたことを特徴とする冷凍サイクル装置。

請求項2

冷媒を前記第1の凝縮器から前記第2の凝縮器へ流動させるとともに、被加熱流体を前記第2の凝縮器から前記第1の凝縮器へ流動させ、且つ、前記第1の凝縮器と前記第2の凝縮器において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。

請求項3

前記第1の凝縮器が二重管熱交換器であることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。

請求項4

前記第1の凝縮器は、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管を接触させて構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。

技術分野

0001

本発明の実施の形態は、冷凍サイクル装置に関する。

背景技術

0002

一般的に冷凍サイクル装置は、圧縮機と凝縮器膨張装置蒸発器とこれらを順次接続する冷媒配管を備えている。冷凍サイクル装置内には冷媒封入されており、圧縮機で圧縮された冷媒は凝縮器で凝縮され、その際に発生する凝縮潜熱により被加熱流体を加熱する。凝縮した冷媒は、膨張装置により減圧され、蒸発器内蒸発し、圧縮機へ吸込まれる。

0003

ここで、被加熱流体として水などの液体が用いられる場合、冷凍サイクル装置の凝縮器にはプレート式熱交換器、又は冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器が用いられる。

0004

プレート式熱交換器は、冷媒の凝縮過程などで生じる潜熱熱交換する場合において高い熱交換効率を有しているが、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程においては、熱交換効率は高くない。

0005

一方、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器は、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程において高い熱交換効率を有しているが、凝縮過程などで生じる潜熱を熱交換する場合には、熱交換効率は高くない。

先行技術

0006

特開2005−106385号公報

発明が解決しようとする課題

0007

凝縮器内における冷媒の凝縮過程には、圧縮機で圧縮されたばかりの高温高圧ガス状態のまま顕熱を熱交換する過熱域と、ガス状態から液体状態へ凝縮し潜熱を熱交換する凝縮過程と、液体状態のまま顕熱を熱交換する過冷却域がある。

0008

ここで、プレート式熱交換器から成る凝縮器は、凝縮潜熱を熱交換する凝縮過程においては、良好な熱交換が行われるが、顕熱を熱交換する過熱域と過冷却域では熱交換効率が低下するため凝縮器を大きくする必要があり、これにより冷凍サイクル装置自体も大型化する問題があった。

課題を解決するための手段

0009

本発明の実施形態は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を過熱するとともに冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器を備える冷凍サイクル装置である。ここで、凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り、冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成された第1の凝縮器10と、プレート式熱交換器からなる第2の凝縮器11を備えており、第1の凝縮器10において冷媒の顕熱による熱交換を行い、第2の凝縮器11において冷媒の凝縮潜熱による熱交換を行う。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略図。
本発明の第1の実施形態に係る凝縮器の概略図。
本発明の実施形態に係る冷媒の凝縮過程の概略図。
本発明の第2の実施形態に係る凝縮器の概略図。

実施例

0011

以下、図面にもとづいて、本発明の実施形態について説明を行う。
(第1の実施形態)
第1の実施形態の冷凍サイクル装置100について図1を用いて説明する。
冷凍サイクル装置100は、圧縮機1、凝縮器2、膨張装置3と蒸発器4を備えており、順次冷媒配管5で接続されている。

0012

冷凍サイクル装置100内にはR410Aなどの冷媒が封入されている。圧縮機1で圧縮された高温高圧ガス状態の冷媒は冷媒配管5を介して凝縮器2へ流動し、凝縮器2内において被加熱流体と熱交換し、凝縮過程である過熱域、凝縮域、過冷却域を経ながら凝縮する。その後、冷媒は冷媒配管5内を流動し、膨張装置3により減圧され蒸発器4内にて蒸発潜熱を吸収しながら低温低圧ガス状態となる。低温低圧状態となった冷媒は冷媒配管5を介して圧縮機1へ戻り、上述の経路循環する。

0013

本実施形態の冷凍サイクル装置100は、例えばヒートポンプ給湯機に用いられる。この場合、被加熱流体として水が用いられ、凝縮器2は冷媒−水熱交換器として機能する。そして、凝縮器5には、冷媒配管5と共に流体ポンプ6が接続された水配管7が接続され、冷媒と水との間で熱交換がなされる。

0014

本実施形態における凝縮器2は第1の凝縮器10と、第2の凝縮器11とで構成されている。
以下、本明細書において、第1の凝縮器10は冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成されており、第2の凝縮器11はプレート式熱交換器であることを意味する。

0015

第1の実施形態では、第1の凝縮器10として二重管熱交換器を用いる。
第1の凝縮器10である二重管熱交換器2aは凝縮器2の冷媒の入口側に設けられており、その他の部分には第2の凝縮器11であるプレート式熱交換器2bが設けられている。
そして、冷媒を第1の凝縮器10から第2の凝縮器11へ流動させるとともに、被加熱流体を第2の凝縮器11から第1の凝縮器10へ流動させ、且つ第1の凝縮器10と第2の凝縮器11において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させるように構成されている。

0016

具体的には、二重管熱交換器2aは図2に示すように、被加熱流体伝熱管である水伝熱管2aw内部に同芯軸上に冷媒伝熱管2arが設けられており、冷媒入口2ar1側に水出口2aw2が設けられ、冷媒出口2ar2側に水入口2aw1が設けられている対向流式の熱交換器である。即ち、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成り、冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成されている。

0017

プレート式熱交換器2bは、内部に複数枚プレート間隙を有して積層されており、隣設するプレート間の間隙に交互に被加熱流体である水と冷媒とを流動させ熱交換するものである。
また、プレート式熱交換器2bは、略直方体状をなし、長手方向の一端側に、冷媒配管5が接続され冷媒を流入するための冷媒入口2br1と、水配管7が接続される水出口2bw2が設けられている。
プレート式熱交換器2bには、プレートの長辺方向の他端部に、冷媒配管5が接続され冷媒を流出するための冷媒出口2br2、水配管7が接続される水入口2bw1が設けられている。

0018

上述の構成において、第2の凝縮器11であるプレート式熱交換器2b内では、冷媒と被加熱流体である水は対向流で流動し熱交換を行う。

0019

まず、被加熱流体である水の流れについて図1及び図2に基づいて説明する。
水は流体ポンプ6により、水配管7を介してプレート式熱交換器2bの長手方向他端側に設けられた水入口2bw1からプレート式熱交換器2b内へ流入し、加熱されつつ長手方向一端側に設けられた水出口2bw2から水配管7へ流出する。そして二重管熱交換器2aの水配管7から水入口2aw1を介して二重管熱交換器2aの水伝熱管2aw内へ流入し、加熱され温湯となり、二重管熱交換器2aの水出口2aw2から水配管7へ流出し、図示しない利用側ユニットへ供給される。

0020

次に冷媒が凝縮器2内を流動する過程を説明する。
圧縮機1から吐出された冷媒は、冷媒入口2ar1から第1の凝縮器10である二重管熱交換器2a内へ流入し、被加熱流体である水と熱交換して冷却される。ここで、二重管熱交換器2a内では高温高圧ガス状態の過熱域であり、冷媒から水へ顕熱が熱交換される過程となっている。
その後、ガス状態の冷媒は二重管熱交換器2aの冷媒出口2ar2、冷媒配管7から、プレート式熱交換器2bの冷媒入口2br1を介してプレート式熱交換器2b内へ流入する。プレート式熱交換器2b内で冷媒は凝縮域と過冷却域の過程を経て水と熱交換を行う。即ち気体状態の冷媒は、凝縮域において凝縮潜熱を水へ熱交換しつつ、凝縮し液体状態となる。その後、過冷却域において顕熱が熱交換される。

0021

ここで、凝縮器2内での凝縮過程における冷媒と水の温度変化の様子を模式的に図3に示す。
凝縮器2を上述のような構成とすることで、第1の凝縮器10である二重管熱交換器2aにおいて過熱域である顕熱の熱交換を行い、第2の凝縮器11であるプレート式熱交換器2bにおいて凝縮域である凝縮潜熱の熱交換を行う。
これにより、凝縮器2を大型にすることなく、過熱域と凝縮域において効率よく冷媒と被加熱流体である水との最適な熱交換を行うことができる。

0022

また、過熱域において、圧縮機から吐出された高温高圧ガス状態の冷媒から被加熱流体である水へ効率よく熱量の伝播が行われる。このため、圧縮機から吐出される冷媒の温度を余分に高くする必要が無く、凝縮器がプレート式熱交換器のみで構成される場合に比べて圧縮機の吐出温度吐出圧力を低くすることができ、圧縮機や各配管負荷を低減することができる。

0023

次に、その他の実施形態について説明を行う。
(第2の実施形態)
本実施形態の冷凍サイクル装置100は、上述した第1の実施形態と同様に圧縮機1、凝縮器2、膨張装置3、蒸発器4を冷媒配管5で順次接続して構成されている。
第1の実施形態と異なる構成として第1の凝縮器10がある。図4に示すように本実施形態の凝縮器2は、第1の凝縮器10である伝熱管熱交換器2cと、第2の凝縮器11であるプレート式熱交換器2bを有している。

0024

伝熱管熱交換器2cは、冷媒伝熱管2crと被加熱流体伝熱管2cwを管軸方向に略平行に接触され、ロウ付けなどにより溶着されている。また、冷媒入口2cr1側に水出口2cw2が設けられ、冷媒出口2cr2側に水入口2cw1が設けられている対向流式の熱交換器である。
ここで、伝熱管熱交換器2cは、冷媒伝熱管2crが被加熱流体伝熱管2cwの周囲に接触して螺旋状に巻き付き形成されたもの、又は被加熱流体伝熱管2cwが冷媒伝熱管2crの周囲に螺旋状に巻き付き接触されて形成されたもので良い。

0025

プレート式熱交換器2bは第1の実施形態のものと同一である。
上述の伝熱管熱交換器2cとプレート式熱交換器2b内の被加熱流体である水の流れについて説明する。

0026

水は流体ポンプ6により、水配管7を介して水入口2bw1からプレート式熱交換器2b内へ流入し、加熱されつつプレート式熱交換器2bの水出口2bw2から水配管7へ流出する。そして水配管7から水入口2cw1を介して伝熱管熱交換器2cの水伝熱管2cw内へ流入し、加熱され温湯となり、水出口2cw2から水配管7へ流出し図示しない利用側ユニットへ供給される。

0027

次に冷媒が凝縮器2内を流動する過程を説明する。
圧縮機1から吐出された冷媒は、冷媒入口2br1から第1の凝縮器10である伝熱管熱交換器2c内へ流入し、被加熱流体である水と熱交換して冷却される。ここで、伝熱管熱交換器2c内では高温高圧ガス状態の過熱域であり、冷媒から水へ顕熱が熱交換される過程となっている。
その後、ガス状態の冷媒は伝熱管熱交換器2cの冷媒出口2cr2、冷媒配管5から、プレート式熱交換器2bの冷媒入口2br1を介して、プレート式熱交換器2b内へ流入する。プレート式熱交換器2b内で冷媒は、凝縮域と過冷却域の過程を経て水と熱交換を行う。即ち気体状態の冷媒は、凝縮域において凝縮潜熱を熱交換しつつ凝縮し液体状態となり、その後、過冷却域において顕熱が熱交換される。

0028

凝縮器2を上述のような構成とすることで、伝熱管熱交換器2cにおいて過熱域である顕熱の熱交換を行い、プレート式熱交換器2bにおいて凝縮域である凝縮潜熱の熱交換を行う。
これにより、凝縮器2を大型にすることなく、第1の実施形態同様に、過熱域と凝縮域において効率よく冷媒と被加熱流体である水との熱交換を行うことができる。

0029

また、過熱域において、圧縮機から吐出された高温高圧ガス状態の冷媒から被加熱流体である水へ効率よく熱量の伝播が行われる。このため、圧縮機から吐出される冷媒の温度を余分に高くする必要が無く、凝縮器がプレート式熱交換器のみで構成される場合に比べて圧縮機の吐出温度と吐出圧力を低くすることができ、圧縮機や各配管の負荷を低減することができる。

0030

上述した第1及び第2の実施形態では、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管により形成され、冷媒と被加熱流体とが熱交換可能である第1の凝縮器10を、冷媒の入口側に設けたが、冷媒の出口側に設けても良い。
このような構成とすることで、冷媒と被加熱流体である水とは、第2の凝縮器11で凝縮過程における過熱域と凝縮域での熱交換を行い、第1の凝縮器10で過冷却域での熱交換を行う。これにより、凝縮域及び過冷却域での熱交換率が増加し、凝縮器2の小型化が可能である。

0031

また、凝縮器2は、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管により形成され、冷媒と被加熱流体とが熱交換可能である第1の凝縮器10を冷媒の入口側及び出口側の双方に設けて、各第1の凝縮器10の中間に第2の凝縮器11を設けても良い。
このような構成とすることで、凝縮過程における過熱域と過冷却域の両方の熱交換を第1の凝縮器10で行い、凝縮域での熱交換を第2の凝縮器11で行うことが出来る。これにより、第1及び第2の実施形態における効果に加え、過冷却域での熱交換率が増加し、さらに凝縮器2の小型化が可能である。

0032

本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

0033

1…圧縮機、2…凝縮器、2a…二重管熱交換器、2b…プレート式熱交換器、2c…伝熱管熱交換器、3…膨張装置、4…蒸発器、5…冷媒配管、6…流体ポンプ、7…水配管、10…第1の凝縮器、11…第2の凝縮器、100…冷凍サイクル装置

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