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図面 (14)

課題

非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現するとともに、加熱能力を維持するものを提供する。

解決手段

圧縮機18、凝縮器19、分岐部23、主膨張弁20、及び蒸発器21をこの順に配置した冷媒回路11に、冷媒熱交換器12、エコノマイザ膨張弁14が設けられたエコノマイザ流路13、エコノマイザ熱交換器15、温度センサ16、及び制御装置17が設けられている。制御装置17は、モリエル線図において、温度センサ16で温度検出する位置の冷媒の状態を示す第4点(A6)が、凝縮器19の出口の冷媒の状態を示す第1点(A5)と、第1点(A5)と主膨張弁20の入口の冷媒の状態を示す第2点(A7)との中点である第3点との間に位置する状態となるように、温度センサ16で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁14の開度を制御する。

概要

背景

ヒートポンプシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合、冷媒の非等温性によって、例えばフロン系の冷媒R22のような単一冷媒を用いた場合よりも着霜が生じやすくなることが知られている。

図10は、蒸発器出口で着霜限界温度T0よりも高い温度T1となるように圧力調整されたヒートポンプシステムの冷凍サイクルの一部を示す。このシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いると、蒸発器入口で着霜限界温度T0を下回る温度T2となる場合があり、特に蒸発器入口における着霜が顕著となる。

蒸発器入口での着霜を防止することを目的として、特許文献1には、図11に示すヒートポンプシステム100が開示されている。ヒートポンプシステム100では、圧縮機101の下流の凝縮器102と主膨張弁105との間に副膨張弁103、気液分離器104が設けられている。また、気液分離器104の気相部104aと主膨張弁105の下流の蒸発器106とがデフロストバイパス配管108で接続されている。さらに、気液分離器104の気相部104aと、蒸発器106と圧縮機101との間に設けられた液だめ107とがバイパス冷媒配管109で接続されている。

このシステム100では、期の低外気温時などにおいて室外にある蒸発器106に着霜が生じた場合に、気液分離器104で分離された気相成分を室外にある蒸発器106の除霜に用いる。

しかしながら、ヒートポンプシステム100に副膨張弁103、気液分離器104を追加することにより、ユニットサイズが大きくなるとともに、ユニットコストが高くなる。また、蒸発器106へ流れる冷媒は、冷沸点冷媒リッチとなり、取り出せる熱量も大幅に低下する。

概要

非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現するとともに、加熱能力を維持するものを提供する。圧縮機18、凝縮器19、分岐部23、主膨張弁20、及び蒸発器21をこの順に配置した冷媒回路11に、冷媒熱交換器12、エコノマイザ膨張弁14が設けられたエコノマイザ流路13、エコノマイザ熱交換器15、温度センサ16、及び制御装置17が設けられている。制御装置17は、モリエル線において、温度センサ16で温度検出する位置の冷媒の状態を示す第4点(A6)が、凝縮器19の出口の冷媒の状態を示す第1点(A5)と、第1点(A5)と主膨張弁20の入口の冷媒の状態を示す第2点(A7)との中点である第3点との間に位置する状態となるように、温度センサ16で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁14の開度を制御する。

目的

本発明は、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現するとともに、加熱能力を維持することを課題とする

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

圧縮機、凝縮器絞り機構、及び蒸発器をこの順に配置して非共沸混合冷媒である冷媒循環させる冷媒回路と、前記凝縮器と前記絞り機構との間の前記冷媒回路に設けられた分岐部と前記圧縮機とを連通するエコノマイザ流路と、前記エコノマイザ流路に設けられたエコノマイザ膨張弁と、前記凝縮器を通過した前記冷媒と、前記エコノマイザ膨張弁を通過した前記冷媒とを熱交換させるエコノマイザ熱交換器と、前記冷媒回路を前記分岐部から前記絞り機構へ流れる前記冷媒と、前記蒸発器を通過した前記冷媒回路の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器と、前記エコノマイザ熱交換器を通過した直後の前記冷媒回路の前記冷媒の温度または該冷媒と実質的に同じ状態の前記冷媒の温度を検出する温度センサと、前記冷媒のモリエル線図において、前記凝縮器の出口の前記冷媒の状態を示す第1点、前記絞り機構の入口の前記冷媒の状態を示す第2点、前記第1点と前記第2点との中点である第3点、及び前記温度センサの検出位置の前記冷媒の状態を示す第4点を表した場合、前記第4点が前記第1点と前記第3点との間に位置する状態となるように、前記温度センサで検出した前記冷媒の温度に基づいて前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置とを備える、ヒートポンプシステム

請求項2

前記エコノマイザ流路は前記圧縮機における中間圧力領域と連通するように構成されている、請求項1に記載のヒートポンプシステム。

請求項3

前記温度センサは前記エコノマイザ熱交換器と前記冷媒熱交換器との間の前記冷媒回路、または前記分岐部と前記エコノマイザ膨張弁との間の前記エコノマイザ流路に配置されている、請求項1または2に記載のヒートポンプシステム。

請求項4

前記制御装置は、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より低いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を減少させ、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より高いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を増加させる、請求項1から3のいずれか1項に記載のヒートポンプシステム。

技術分野

0001

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

背景技術

0002

ヒートポンプシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合、冷媒の非等温性によって、例えばフロン系の冷媒R22のような単一冷媒を用いた場合よりも着霜が生じやすくなることが知られている。

0003

図10は、蒸発器出口で着霜限界温度T0よりも高い温度T1となるように圧力調整されたヒートポンプシステムの冷凍サイクルの一部を示す。このシステムにおいて、冷媒として非共沸混合冷媒を用いると、蒸発器入口で着霜限界温度T0を下回る温度T2となる場合があり、特に蒸発器入口における着霜が顕著となる。

0004

蒸発器入口での着霜を防止することを目的として、特許文献1には、図11に示すヒートポンプシステム100が開示されている。ヒートポンプシステム100では、圧縮機101の下流の凝縮器102と主膨張弁105との間に副膨張弁103、気液分離器104が設けられている。また、気液分離器104の気相部104aと主膨張弁105の下流の蒸発器106とがデフロストバイパス配管108で接続されている。さらに、気液分離器104の気相部104aと、蒸発器106と圧縮機101との間に設けられた液だめ107とがバイパス冷媒配管109で接続されている。

0005

このシステム100では、期の低外気温時などにおいて室外にある蒸発器106に着霜が生じた場合に、気液分離器104で分離された気相成分を室外にある蒸発器106の除霜に用いる。

0006

しかしながら、ヒートポンプシステム100に副膨張弁103、気液分離器104を追加することにより、ユニットサイズが大きくなるとともに、ユニットコストが高くなる。また、蒸発器106へ流れる冷媒は、冷沸点冷媒リッチとなり、取り出せる熱量も大幅に低下する。

先行技術

0007

特開平7−332814号公報

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現するとともに、加熱能力を維持することを課題とする。

課題を解決するための手段

0009

前記課題を解決するための手段として、本発明のヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、絞り機構、及び蒸発器をこの順に配置して非共沸混合冷媒である冷媒を循環させる冷媒回路と、前記凝縮器と前記絞り機構との間の前記冷媒回路に設けられた分岐部と前記圧縮機とを連通するエコノマイザ流路と、前記エコノマイザ流路に設けられたエコノマイザ膨張弁と、前記凝縮器を通過した前記冷媒と、前記エコノマイザ膨張弁を通過した前記冷媒とを熱交換させるエコノマイザ熱交換器と、前記冷媒回路を前記分岐部から前記絞り機構へ流れる前記冷媒と、前記蒸発器を通過した前記冷媒回路の前記冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器と、前記エコノマイザ熱交換器を通過した直後の前記冷媒回路の前記冷媒の温度または該冷媒と実質的に同じ状態の前記冷媒の温度を検出する温度センサと、前記冷媒のモリエル線図において、前記凝縮器の出口の前記冷媒の状態を示す第1点、前記絞り機構の入口の前記冷媒の状態を示す第2点、前記第1点と前記第2点との中点である第3点、及び前記温度センサの検出位置の前記冷媒の状態を示す第4点を表した場合、前記第4点が前記第1点と前記第3点との間に位置する状態となるように、前記温度センサで検出した前記冷媒の温度に基づいて前記エコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置とを備えるようにした。

0010

この構成によれば、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置を備えることにより、モリエル線図における分岐部の冷媒の状態と実質的に同じ状態を示す第4点の位置を変更できる。これにより、冷媒熱交換器での熱交換量を増減させることができる。つまり、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいて、モリエル線図における第4点を第1点と第3点との間に位置させるようにエコノマイザ膨張弁の開度を調整することができる。これにより、冬期にエコノマイザ熱交換器での過冷却量を減らして冷媒熱交換器での熱交換量を増やすことで、蒸発器の出入口エンタルピ差を小さくでき、出入口の温度差を小さくできる。すなわち、蒸発器内の冷媒の温度勾配が小さくできる。また、蒸発器の出口の冷媒のクオリティを小さくすることができ、冷媒の伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで、着霜の可及的な低減を実現できる。また、蒸発器に着霜する場合であっても、空気流れ方向において、着霜が均一化し、デフロストインターバルを長くすることができる。本構成では、副膨張弁、気液分離器等の追加の構成を必要としないため、装置の大型化及び製造コストの増加を回避することができる。つまり、冷媒として非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。なお、上記のように、冷媒熱交換器での熱交換量を増加させる、すなわち、エコノマイザ膨張弁の開度を減少させた場合、エコノマイザ熱交換における冷媒の過冷却量が減少する。しかし、蒸発器での冷媒の蒸発圧力を上昇させることができ、熱交換量が増加するため、システム全体としての取り出せる熱量を維持できる。従って、加熱能力を維持することができる。

0011

上記構成では、前記エコノマイザ流路は前記圧縮機における中間圧力領域と連通することが好ましい。

0012

前記温度センサは前記エコノマイザ熱交換器と前記冷媒熱交換器との間の前記冷媒回路、または前記分岐部と前記エコノマイザ膨張弁との間の前記エコノマイザ流路に配置されることが好ましい。

0013

前記制御装置は、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より低いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を減少させ、前記温度センサにより検出された前記冷媒の温度が予め設定された温度より高いと判定した場合、前記エコノマイザ膨張弁の開度を増加させることが好ましい。この構成によれば、冷媒回路を分岐部から絞り機構へ流れる冷媒と、蒸発器を通過した冷媒回路の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器での熱交換量を高精度に調整できる。

発明の効果

0014

本発明によれば、温度センサで検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁の開度を制御する制御装置を備えるので、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムにおいて、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。また、加熱能力を維持することができる。

図面の簡単な説明

0015

本発明の実施形態に係るヒートポンプシステムを示す概略図。
蒸発器の概略を示す模式図。
本発明の実施形態に係るヒートポンプシステムにおける冷凍サイクルのモリエル線図(点A6における冷媒の温度に基づくエコノマイザ膨張弁の開度制御あり)。
比較例に係るヒートポンプシステムにおける冷凍サイクルのモリエル線図(点B12における冷媒の過熱度に基づくエコノマイザ膨張弁の開度制御あり)。
非共沸混合冷媒の温度勾配の比較を示す図。
フロスト性改善前の着霜状態を示す模式図。
フロスト性改善後の着霜状態を示す模式図。
蒸発器の性能曲線を示す図。
圧縮機の性能曲線を示す図。
蒸発器出口における冷媒のクオリティと局所熱伝達率との関係を示す線図。
本発明の変形例に係るヒートポンプシステムを示す概略図。
非共沸混合冷媒の温度変化による着霜現象を説明する冷媒線図。
従来のヒートポンプシステムを示す概略図。

実施例

0016

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

0017

図1は、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム10を示す。ヒートポンプシステム10は、冷媒回路11、冷媒熱交換器12、エコノマイザ流路13、エコノマイザ膨張弁14、エコノマイザ熱交換器15、温度センサ16、及び制御装置17を備えている。

0018

冷媒回路11は、圧縮機18、凝縮器19、主膨張弁(絞り機構)20、及び蒸発器21をこの順に配置して冷媒を循環させる回路である。ヒートポンプシステム10で用いられる冷媒は、非共沸混合冷媒である。本実施形態における冷媒は、低沸点のR134a(フルオロカーボン系、沸点−26.1℃)、及び高沸点のR245fa(フルオロカーボン系、沸点15.3℃)をそれぞれ7:3の割合で混合した混合冷媒である。

0019

凝縮器19と主膨張弁20との間の冷媒回路11には、エコノマイザ流路13が分岐する分岐部23が設けられている。エコノマイザ流路13は、分岐部23と後述する圧縮機18の中間部18dとを接続する。エコノマイザ流路13に、冷媒を断熱状態膨張させて低温低圧にするエコノマイザ膨張弁14が設けられている。

0020

凝縮器19と分岐部23との間の冷媒回路11には、エコノマイザ熱交換器15が設けられている。また、エコノマイザ熱交換器15は、エコノマイザ膨張弁14と凝縮器19との間のエコノマイザ流路13に設けられている。エコノマイザ熱交換器15は、凝縮器19を通過した冷媒液と、エコノマイザ膨張弁14を通過した冷媒とを熱交換させる。

0021

分岐部23と主膨張弁20との間の冷媒回路11には、冷媒熱交換器12が設けられている。また、冷媒熱交換器12は、蒸発器21と圧縮機18との間の冷媒回路11に設けられている。冷媒熱交換器12は、蒸発器21を通過した冷媒回路11の冷媒と、冷媒回路11を分岐部23から主膨張弁20へ流れる冷媒液とを熱交換させる。

0022

圧縮機18は、本実施形態ではスクリュ圧縮機である。圧縮機18は、冷媒を吸い込む吸込口18aと、吸込口18aから吸い込んだ冷媒を圧縮する圧縮室18bと、圧縮室18bで圧縮した冷媒を吐出する吐出口18cと、圧縮室18bを外部と連通する中間部18dとを備えている。また、圧縮機18の圧縮室18bは、吸込口18aの吸込圧力よりも高く、かつ吐出口18cの吐出圧力よりも低い圧力となる中間圧力領域を備えている。中間圧力領域は中間部18dに接続されたエコノマイザ流路13と連通している。

0023

凝縮器19は、圧縮機18とエコノマイザ熱交換器15との間の冷媒回路11に配置されている。凝縮器19には、冷媒回路11の冷媒と熱交換する熱媒体流通する熱媒体流路24が設けられている。凝縮器19では、冷媒回路11の冷媒は熱媒体流路24の熱媒体に熱を奪われることで凝縮して液体となり、熱媒体は加熱される。

0024

主膨張弁20は、冷媒熱交換器12と蒸発器21との間の冷媒回路11に配置されている。主膨張弁20は、分岐部23側から冷媒熱交換器12を通過した冷媒を、断熱状態で膨張させて低温低圧にする。主膨張弁20は、所定の開度に維持されている。

0025

蒸発器21は、主膨張弁20と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11に配置されている。図2に示すように、蒸発器21は、フィンプレートフィン)21aとチューブ21bとを組み合わせて構成された熱交換器であり、後述するように、疑似対向流となるように構成した熱交換器である。蒸発器21は、主膨張弁20と冷媒回路11を介して接続された冷媒入口21c、及び冷媒熱交換器12と冷媒回路11を介して接続された冷媒出口21dを備えている。蒸発器21の詳細については後述する。

0026

エコノマイザ熱交換器15と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11または分岐部23とエコノマイザ膨張弁14との間のエコノマイザ流路13には、温度センサ16が設けられている。温度センサ16は、エコノマイザ熱交換器15を通過した直後の冷媒回路11の冷媒の温度、または、その冷媒と実質的に同じ状態の冷媒の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ16の検出位置は、分岐部23と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11に設けられている。

0027

制御装置17は、温度センサ16と電気的に接続されている。制御装置17は、温度センサ16で検出された冷媒温度検出値)、つまり温度センサ16からの電気信号に応じた値に基づいてエコノマイザ膨張弁14の開度を調整する。具体的には、温度センサ16が検出した冷媒回路11の冷媒の温度(検出値)が予め設定された値(設定値)よりも高い場合、制御装置17はエコノマイザ膨張弁14の開度を増加させる。温度センサ16が検出した冷媒回路11の冷媒の温度(検出値)が予め設定された値(設定値)よりも低い場合、制御装置17はエコノマイザ膨張弁14の開度を減少させる。

0028

次に、図2を参照して蒸発器21の詳細について説明する。上述したように、蒸発器21は、フィン(プレートフィン)21aとチューブ21bとを組み合わせて構成されるコイルエレメントプレートフィンコイル)を備えた熱交換器である。

0029

フィン21aは、フィン21a,21a間で空気の流路を形成するように、空気の流通方向と略直交する水平方向の蒸発器21の一端と他端との間に互いに間隔をあけて複数配置されている。

0030

チューブ21bは、冷媒入口(入口ヘッダ)21cで分岐して冷媒出口(出口ヘッダ)21dで合流する複数の分岐流路21eからなっている。各分岐流路21eは、複数のフィン21aを貫通して複数のフィン21aと略直交する方向に延びる複数(本実施形態では4箇所)の内面溝付伝熱管からなる直線部分21f、及び前記一端または前記他端で直線部分21fと直線部分21fとを直列的に接続する複数(本実施形態では3箇所)のUベンド管からなる折り返し部分(図示せず)を有している。すなわち、各分岐流路21eは、冷媒入口21cと冷媒出口21dとの間で蛇行するように形成されている。

0031

各分岐流路21eの4箇所の直線部分21fは、空気の流通方向に交差する方向に配置されている。具体的には、互いに接続される直線部分21f,21f間では、空気入口21g側に位置する直線部分21fが空気出口21h側に位置する直線部分21fよりも上方に配置されている。4箇所の直線部分21fは、空気出口21h側から空気入口21g側に向かって斜め上方に等間隔で配置されている。従って、各分岐流路21eは内部に冷媒液が滞留しない構成となっている。複数の分岐流路21eは、鉛直方向に等間隔で配置されている。

0032

フィン21a,21a間には、チューブ21bの冷媒と熱交換する空気の流路が形成されている。空気は空気入口21g(冷媒出口21d側)から導入され、空気出口21h(冷媒入口21c側)から導出される。一方、冷媒は、冷媒入口21cから冷媒出口21dの間でコイル21bの各分岐流路21eを蛇行しながら、風下側(空気出口21h側)から風上側(空気入口21g側)に向かって流れる。従って、空気入口21gから空気出口21hへ流通する空気と、冷媒入口21cから冷媒出口21dへ流通する冷媒とは、疑似対向流を形成する。

0033

以上の構成からなるヒートポンプシステム10の動作について、図1図3Aを参照して説明する。図3Aにおける点A1〜点A12のうち、点A1、点A2、点A5〜点A10、及び点A12に対応する位置を図1に示す(点A3、点A4、及び点A11は図1には図示しない)。

0034

図3Aにおいて、点A1から、点A2〜点A9を経て点A1に戻る状態変化線は、冷凍サイクルの冷媒回路11の部分に対応し、点A6から、点A10〜点A11を経て、点A12に至るまでの状態変化線は、冷凍サイクルのエコノマイザ流路13の部分に対応する。

0035

圧縮機18の吸込口18aから吸い込まれた冷媒は、圧縮機18の圧縮室18bで圧縮された後、高温高圧となって吐出口18cから吐出される。なお、圧縮機18の吸込口18aは点A1に対応し、圧縮機18の吐出口18cは点A2に対応する。すなわち、ここで説明した圧縮行程に対応する範囲は、図3Aにおける点A1A2間である。

0036

圧縮機18から吐出された冷媒は、冷媒回路11を通って、凝縮器19に導入される。凝縮器19に導入された冷媒は、熱媒体流路24の熱媒体と熱交換して凝縮する。熱媒体流路24の熱媒体は、この熱交換により加熱され図示しない供給先へ供給される。なお、凝縮器19の入口は点A2に対応し、凝縮器19の出口は点A5に対応する。すなわち、ここで説明した凝縮行程に対応する範囲は、図3Aにおける点A2A5間である。図3Aにおいて、線分A2A5と飽和蒸気線との交点A3では、冷媒は乾き飽和蒸気の状態である。線分A2A5と飽和液線との交点A4では、冷媒は飽和液の状態である。

0037

凝縮器19で凝縮した冷媒は、冷媒回路11へ流出し、エコノマイザ熱交換器15を経て分岐部23へ流れる。冷媒回路11の冷媒は、エコノマイザ熱交換器15を通過する際、エコノマイザ膨張弁14を通過したエコノマイザ流路13の冷媒と熱交換する。なお、冷媒回路11側のエコノマイザ熱交換器15の入口は点A5に対応し、分岐部23は点A6に対応する。すなわち、エコノマイザ熱交換器15における熱交換行程に対応する冷媒回路11側の範囲は、図3Aにおける点A5A6間である。

0038

分岐部23に到達した冷媒は、エコノマイザ膨張弁14の開度に応じて、冷媒回路11、及びエコノマイザ流路13のそれぞれに分流される。

0039

分岐部23を通過したエコノマイザ流路13の冷媒は、エコノマイザ膨張弁14を通過した後、低温低圧となり、エコノマイザ熱交換器15に流入する。流入した冷媒は、エコノマイザ熱交換器15で凝縮器19を通過した冷媒回路11の冷媒と熱交換して圧縮機18の中間部18dに流入する。そして、中間部18dから圧縮室18bの中間圧力領域に流入した冷媒は、圧縮室18bで圧縮されて吐出口18cから吐出される。なお、分岐部23は点A6に対応し、エコノマイザ膨張弁14の出口はA10に対応する。すなわち、ここで説明したエコノマイザ膨張弁14における膨張行程に対応する範囲は、図3Aにおける点A6A10間である。エコノマイザ熱交換器15における熱交換行程に対応するエコノマイザ流路13側の範囲は、図3Aにおける点A10A12間である。図3Aにおいて、線分A10A12と飽和蒸気線との交点A11では、冷媒は乾き飽和蒸気の状態である。

0040

冷媒回路11を分岐部23から主膨張弁20へ流れる冷媒は、冷媒熱交換器12で蒸発器21を通過した冷媒回路11の冷媒と熱交換して過冷却される。なお、分岐部23からの冷媒熱交換器12の入口は点A6に対応し、主膨張弁20への冷媒熱交換器12の出口は、点A7に対応する。すなわち、ここで説明した冷媒熱交換器12における熱交換行程に対応する分岐部23と主膨張弁20との間の範囲は、図3Aにおける点A6A7間である。

0041

冷媒熱交換器12で過冷却された冷媒は、主膨張弁20を通過した後、低温低圧となる。なお、主膨張弁20の入口は点A7に対応し、主膨張弁20の出口は点A8に対応する。すなわち、ここで説明した主膨張弁20における膨張行程に対応する範囲は、図3Aにおける点A7A8間である。

0042

主膨張弁20を通過した冷媒は、図1及び図2に示す冷媒入口21cから蒸発器21に流入する。流入した冷媒は、分岐流路21eを蛇行して冷媒入口21cから冷媒出口21dに向かって流れる。一方、空気入口21g(冷媒出口21d側)から導入された空気は、空気出口21h(冷媒入口21c側)から導出される。以上のように、冷媒が蒸発器21の端部間を蛇行しつつ、冷媒入口21cから冷媒出口21dに流れるので、冷媒入口21cから冷媒出口21dに直進する場合と比較して熱交換効率を上昇させることができる。また、冷媒入口21cから冷媒出口21dへ流通する冷媒と空気入口21gから空気出口21hへ流通する空気とが、疑似対向流を形成するようにして熱交換を行うので、熱交換効率を上昇させることができる。

0043

蒸発器21の冷媒入口21cから流入した冷媒は、上述したように、空気と熱交換して気化し、湿り蒸気熱平衡クオリティが1未満の蒸気)となって冷媒出口21dから冷媒回路11に流出する。空気は、前記熱交換により冷却され蒸発器21の外部に放出される。なお、蒸発器21の冷媒入口21cは点A8に対応し、蒸発器21の冷媒出口21dは点A9に対応する。すなわち、ここで説明した蒸発行程に対応する範囲は、図3Aにおける点A8A9間である。

0044

蒸発器21を通過した冷媒回路11の冷媒は、上述したように、冷媒回路11を分岐部23から主膨張弁20へ流れる冷媒と熱交換して加熱され過熱蒸気(熱平衡クオリティが1超える蒸気)となって圧縮機18の吸込口18aに流入する。なお、蒸発器21からの冷媒熱交換器12の入口は、点A9に対応し、圧縮機18の吸込口18aは、点A1に対応する。すなわち、ここで説明した冷媒熱交換器12における熱交換行程に対応する蒸発器21と圧縮機18との間の範囲は、図3Aにおける点A9A1間である。

0045

制御装置17は、上述したように、温度センサ16で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁14の開度を制御する。具体的には、制御装置17は、図3Aに示す冷媒のモリエル線図において、上記点A6(第4点)が、上記点A5(第1点)と、上記点A5(第1点)と上記点A7(第2点)の中点A0(第3点)との間に位置するようにエコノマイザ膨張弁14の開度を制御する。ここで、点A5(第1点)は凝縮器19の出口の冷媒の状態を示す点である。点A7(第2点)は主膨張弁20の入口の冷媒の状態を示す点である。点A0(第3点)は点A5(第1点)と点A7(第2点)の中点である。点A6(第4点)は分岐部23の冷媒の状態を示す点である。

0046

続いて、ヒートポンプシステム10の制御について具体的に説明する。なお、本発明の実施例に係る図3Aにおける点A1〜A12は、制御装置17により点A6における冷媒の温度に基づきエコノマイザ膨張弁14を開度制御した場合の冷媒の各状態を示す点である。比較例に係る図3Bにおける点B1〜B12は、制御装置17により点B12における冷媒の過熱度に基づきエコノマイザ膨張弁14を開度制御した場合の冷媒の各状態を示す点である。図3BにおけるB1〜B12は、図3AにおけるA1〜A12とそれぞれ対応した同一位置における冷媒の各状態を示す。

0047

温度センサ16が検出した冷媒回路11の冷媒の温度(検出値)が、外気温度と関連付けて予め設定された値(設定値)よりも高い場合、制御装置17は、エコノマイザ膨張弁14の開度を増加させる。これは、図3Aに示す冷媒のモリエル線図において、第4点(A6)が第1点(A5)と第3点(A0)との間の所定位置に位置するように、制御装置17がエコノマイザ膨張弁14の開度を調整することと同じである。前記所定位置は、冷媒回路11の冷媒の予め設定された温度により決定される。

0048

温度センサ16が検出した冷媒回路11の冷媒の温度(検出値)が、外気温度と関連付けて予め設定された値(設定値)よりも低い場合、制御装置17は、エコノマイザ膨張弁14の開度を減少させる。これは、図3Aに示す冷媒のモリエル線図において、第4点(A6)が第1点(A5)と第3点(A0)との間の前記所定位置に位置するように、制御装置17がエコノマイザ膨張弁14の開度を調整することと同じである。

0049

本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム10では、冷媒熱交換器12の熱交換量にかかわらず、冷媒熱交換器12の出口の冷媒の液温度はほぼ一定である。すなわち、図3BにおけるB6及びB7に対応する冷媒熱交換器12の熱交換量を図3AにおけるA6及びA7に対応する冷媒熱交換器12の熱交換量に変更しても、冷媒熱交換器12の出口の冷媒の液温度はほぼ一定である。そのため、冬期にエコノマイザ過冷却量を、図3Bに示すB5B6に対応する量から図3Aに示すA5A6に対応する量となるように減らして冷媒熱交換器12での熱交換量(A6A7)を増やすことで、蒸発器21の冷媒入口21cと冷媒出口21dのエンタルピ差を小さくできる。これを示した図4から分かるように、「冷媒(改善後)」で示された温度勾配は、「冷媒(改善前)」で示された温度勾配よりも小さくなっていることが分かる。また、蒸発器21内での温度勾配が小さくできるとともに、蒸発器21出口のクオリティ低下に伴い、伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで着霜の低減を実現できる。また、着霜する場合であっても、図5Bに示すように、図5Aと比較して、空気流れ方向で着霜が均一化され、フィン21a,21aの一方のフィン21aから略一定の範囲内で着霜が生じる。空気流れ方向において、空気流路閉塞されないので、デフロストインターバルを長くすることができる。図5Bに示した着霜状態を実現できる本発明により、図5Aに示したフィン21a,21a間を閉塞するような着霜状態を改善できることが分かる。

0050

図6は、蒸発器21の冷媒出口21dにおける冷媒が乾き状態(熱平衡クオリティが1以上)である場合と湿り状態(熱平衡クオリティが1未満)である場合との蒸発器性能の比較を示す。蒸発器21の冷媒出口21dにおいて、冷媒が湿り状態である場合の方が、乾き状態である場合よりも熱伝達率が向上していることが分かる。本発明によれば、蒸発器21の出口の冷媒を湿り状態にすることにより、熱伝達率を上昇させることができる。すなわち、ヒートポンプシステム10の性能を向上させることができる。

0051

図7は、圧縮機18の吸込口18aから吸い込まれる冷媒が乾き状態である場合と湿り状態である場合との圧縮機性能の比較を示す。圧縮機18で吸い込まれる冷媒が乾き状態である場合の方が、湿り状態である場合よりも圧縮機18の断熱効率比(%)が向上していることが分かる。従って、本発明によれば、冷媒熱交換器12で圧縮機18に吸い込まれる冷媒を加熱して乾き状態の度合いをより高めることにより、ヒートポンプシステム10の性能を向上させることができる。

0052

図8は、蒸発器21の冷媒出口21d(A9,B9)の冷媒のクオリティと局所熱伝達率との関係を示す。制御装置17によるエコノマイザ膨張弁14の開度制御を、エコノマイザ膨張弁14と圧縮機18の中間部18dとの間のエコノマイザ流路における冷媒の過熱度に基づいて行なっている比較例に係るヒートポンプシステムでは、冷媒出口21d(点B9)における冷媒の状態が飽和蒸気に近い状態である。これに対して、制御装置17によるエコノマイザ膨張弁14の開度制御を、エコノマイザ熱交換器15と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11における冷媒の温度に基づいて行なっている本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム10では、冷媒出口21d(点A9)における冷媒の状態が、比較例に係るヒートポンプシステムよりも湿り側(低クオリティ側)に位置している。すなわち、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム10での冷媒の局所熱伝達率は、制御装置17によりエコノマイザ膨張弁14をエコノマイザ流路における冷媒の過熱度に基づいて開度制御している比較例に係るヒートポンプシステムでの冷媒のそれよりも向上している。すなわち、本発明の実施形態に係るヒートポンプシステム10の性能が比較例に対して向上している。

0053

図3Bの蒸発行程(B8B9)は圧力P1で行われるのに対し、図3Aの蒸発行程(A8A9)は圧力P2で行われる。このように、本発明では、エコノマイザ過冷却量を低下させることにより、蒸発器21での蒸発圧力を上昇させることができるため、蒸発器21での熱交換量を増加させることができ、システム全体として取り出せる熱量を維持できる。

0054

本発明によれば、温度センサ16で検出した冷媒の温度に基づいてエコノマイザ膨張弁14の開度を制御する制御装置17を備えることにより、モリエル線図における分岐部23の冷媒の状態を示す第4点(A6)の位置を変更できる。これにより、冷媒熱交換器12での熱交換量を増減させることができる。つまり、温度センサ16で検出した冷媒の温度に基づいて、モリエル線図における第4点(A6)を第1点(A5)と第3点(A0)との間に位置させるようにエコノマイザ膨張弁14の開度を調整することができる。これにより、冬期にエコノマイザ過冷却量を減らして冷媒熱交換器12での熱交換量を増やすことで、蒸発器21の出入口のエンタルピ差を小さくでき、出入口の温度差を小さくできる。すなわち、蒸発器21内の冷媒の温度勾配が小さくできる。また、蒸発器21の冷媒出口21dの非共沸混合冷媒のクオリティが低下するので、前記冷媒の伝熱性能を向上させることができる。よって、蒸発温度が上昇し、冷媒入口温度も高くなることで、着霜の可及的な低減を実現できる。また、蒸発器21に着霜する場合であっても、空気流れ方向において、着霜が均一化し、デフロストインターバルを長くすることができる。本構成では、副膨張弁、気液分離器等の追加の構成を必要としないため、装置の大型化及び製造コストの増加を回避することができる。つまり、冷媒として非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステム10において、大型化及び製造コストの増加を回避しつつ着霜の可及的な低減を実現できる。上記のように、冷媒熱交換器12での熱交換量を増加させる、すなわち、エコノマイザ膨張弁14の開度を減少させた場合、エコノマイザ熱交換における冷媒の過冷却量が減少する。しかし、蒸発器21での冷媒の蒸発圧力を上昇させることができ、熱交換量が増加するため、システム全体としての取り出せる熱量を維持できる。従って、加熱能力を維持することができる。

0055

制御装置17は、温度センサ16により検出された冷媒の温度に応じた検出値が、外気温度と関連付けて予め設定された値(設定値)より低いと判定した場合、エコノマイザ膨張弁14の開度を減少させる。また、温度センサ16により検出された冷媒の温度に応じた検出値が、外気温度と関連付けて予め設定された値(設定値)より高いと判定した場合、エコノマイザ膨張弁14の開度を増加させる。これにより、検出値が設定値となるように調整され、冷媒回路11を分岐部23から主膨張弁20へ流れる冷媒と、蒸発器21を通過した冷媒回路11の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器12での熱交換量を高精度に調整することができる。

0056

なお、本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、以下に例示するように、変更が可能である。

0057

非共沸混合冷媒は上記実施形態で用いた混合冷媒成分比でなくてもよく、また、上記実施形態で用いた混合冷媒以外の混合冷媒であってもよい。

0058

圧縮機18は、2段スクリュ圧縮機でもよいし、スクリュ圧縮機以外の圧縮機であってもよい。

0059

絞り機構はオリフィスであってもよい。

0060

蒸発器21のコイル21bの直線部分21fの数は4以外であってもよい。

0061

図9に示すように、主膨張弁20と蒸発器21との間の冷媒回路11から分岐し、蒸発器21と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11に合流する並行流路31を設け、並行流路31に水流路33の水との熱交換により冷媒を気化させる蒸発器32を配置してもよい。このような構成であっても、蒸発器32の冷媒入口の温度を上昇させることができるので、水流路33の水の凍結を回避できる。

0062

並行流路31を設けずに、蒸発器21の代わりとして、水流路33の水との熱交換により冷媒を気化させる蒸発器32を採用してもよい。この場合も、水流路33の凍結防止の効果が得られる。

0063

上記実施形態では、温度センサ16を、分岐部23と冷媒熱交換器12との間の冷媒回路11に設けたが、この位置に限定されない。例えば、エコノマイザ熱交換器15と分岐部23との間の冷媒回路11、または、分岐部23とエコノマイザ膨張弁14との間のエコノマイザ流路13に温度センサ16を設けてもよい。

0064

上記実施形態では、ヒートポンプシステムを運転する際の外気温度を制御装置17に予め記憶させている(初期設定する)ことが前提とされているが、制御装置17は外気温度を初期設定するものに限定されない。制御装置17は、外気温度センサを電気的に接続して外気温度(検出値)が必要に応じて都度設定されるように構成されていてもよい。

0065

10ヒートポンプシステム
11冷媒回路
12冷媒熱交換器
13エコノマイザ流路
14エコノマイザ膨張弁
15エコノマイザ熱交換器
16温度センサ
17制御装置
18圧縮機
18a吸込口
18b圧縮室
18c吐出口
18d 中間部
19凝縮器
20主膨張弁(絞り機構)
21蒸発器
21aフィン(コイルエレメント)
21bチューブ(コイルエレメント)
21c冷媒入口(ヘッダ
21d冷媒出口(ヘッダ)
21e分岐流路(コイルエレメント)
21f 直線部分(コイルエレメント)
21g空気入口
21h 空気出口
23分岐部
24熱媒体流路
31並行流路
32 蒸発器
33 水流路

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