JP2007155176A - 非共沸混合物冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮器において生じる未凝縮の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進して、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムを提供する。
【解決手段】 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、圧縮機と、凝縮器と、第１の膨張弁と、蒸発器と、蒸発器と圧縮機との間に配置され、凝縮器から出力される未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する凝縮促進手段とを備え、凝縮促進手段が、蒸発器から出力される低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒の冷熱の一部を利用して、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する熱交換器であることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機システムに関し、特に、凝縮器から出力される未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する手段を備えるヒートポンプシステムまたは空調機システムに関する。

現在、二酸化炭素は、オゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数が１であり、環境への負荷が極めて小さく、かつ毒性、可燃性が無く安全で安価であること、臨界温度が３１．１℃と低く、空調や給湯用では、サイクルの高圧側が容易に超臨界になることから冷媒と被冷却流体との温度差が小さい加熱を行うことができるので、給湯のように昇温幅が大きい加熱プロセスでは、高い成績係数（ＣＯＰ）が得られること、圧縮機の単位流入体積当たりの加熱能力が大きく、熱伝導率が高いことから、エコキュート（登録商標）の名称でヒートポンプ給湯機用冷媒として普及利用されている。

図１に、二酸化炭素を冷媒として利用する従来のヒートポンプシステム１００の代表的な構成図を示す。図１に示されるヒートポンプシステムは、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、蒸発器１０４、二酸化炭素冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６を備える。図１の矢印で示されるように、二酸化炭素冷媒は、配管１０５を介して、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張弁１０３、および蒸発器１０４の順番で循環する。また加熱されるべき水は、水用の配管１０６を介して凝縮器１０２に導入され、凝縮器１０２で加熱された後で暖房用／給湯用として使用される。なお空調機若しくは冷凍機システムの冷媒として二酸化炭素を利用する場合には、水用の配管１０６は無い。

図２に、二酸化炭素を冷媒として利用した従来のヒートポンプシステム１００におけるサイクルを、横軸がエンタルピーを表しかつ縦軸が温度を表す線図を用いて示す。なお、図２における５は外気温を表し、６は造温水過程を表す線である。

図１および図２を参照して、従来のヒートポンプのサイクルを、各構成部品の動作および各構成部品における冷媒の状態に基づいて以下に簡単に説明する。

蒸発器１０４で外部から熱を奪いながら蒸発した低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１へ送られる。この蒸発器１０４における状態は、図２の４〜１に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度は低温で一定のままであるが、外部から熱を奪うことによってエンタルピーは増大して、液相から気化し続けて飽和蒸気線に近付く。

この低圧低温の気相の二酸化炭素は、圧縮機１０１で断熱圧縮されて高圧高温の気相の二酸化炭素になり、凝縮器１０２へ送られる。この圧縮機１０１における状態は、図２の１〜２に対応する。二酸化炭素冷媒は、温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素になる。

温度が上昇した過熱状態の気相の二酸化炭素は、凝縮器１０２において放熱し冷却される。この凝縮器１０２における状態は、図２の２〜３に対応する。過熱状態の気相の二酸化炭素（図２の２）から、超臨界圧の状態で冷却されてエンタルピーが減少し、液相の二酸化炭素になる（図２の３）。この凝縮器１０２において、気相の二酸化炭素冷媒から放出される熱を利用して、水用の配管１０６から導入される水を加熱して、暖房または給湯に用いる。

高圧で温度が低下した液相の二酸化炭素は、凝縮器１０２から膨張弁１０３へ送られる。膨張弁１０３で、液相の二酸化炭素は、圧力が急激に低下しかつ温度が急激に低下して、低圧低温の気相および液相の二酸化炭素になる。この膨張弁１０４における状態は、図２の３〜４に対応する。二酸化炭素は、エンタルピーが同一で温度が急激に低下する。

低圧低温の気相および液相の二酸化炭素は、再び蒸発器１０４で外部から熱を奪い蒸発して、図２の４〜１に対応する状態になり、低圧低温の気相の二酸化炭素になる。

二酸化炭素冷媒がこのようなサイクルを繰り返すことによって、ヒートポンプシステム１００が動作して、凝縮器１０２において水を加熱する。

このように動作するヒートポンプシステムにおいて冷媒として二酸化炭素を用いることは、普及利用されているが、二酸化炭素冷媒の作動圧が、約１０ＭＰａと他の冷媒と比べると非常に高く、そのため、ヒートポンプシステムにおける各構成部品を超高圧仕様にしなければならない問題があった。そのため、作動圧が低い冷媒の開発が大きな課題となっている。

二酸化炭素超臨界冷媒に代わる、オゾン層破壊の危険性がなく、地球温暖化に及ぼす悪影響が小さく、かつ不燃性ないし難燃性で、低圧において作動する等の優れた性能を有する、安全で毒性のない給湯／暖房用冷媒組成物として、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒が提案されている。

すなわち、物性的に伝熱効果の高い二酸化炭素（０．０２Ｗ／ｍＫ）とより高い比熱を有するジメチルエーテル（１３８Ｊ／ｍｏｌＫ）とを混合することによって、極めて高い熱効率を示す物性になり、低圧で作動する成績係数（ＣＯＰ）の優れた暖房用／給湯用冷媒となる。このジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物冷媒を利用した暖房用／給湯用ヒートポンプは、外気温５℃程度の条件下で、数値シミュレーションと実証実験の結果、３．５ＭＰａ以下の低圧で作動し、かつ高い成績係数（ＣＯＰ）が得られる。

ジメチルエーテルおよび二酸化炭素などの非共沸混合物冷媒を用いるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムにおける問題として、凝縮器において未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒が生じることに関するものがある。このような場合、膨張弁の正常な制御ができなくなり、圧縮機の吐出温度が上昇して、冷凍効率が低下するなどの問題につながることがあった。

本発明は、凝縮器において生じる未凝縮の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進して、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明によれば、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする第１の膨張弁と、
第１の膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る蒸発器と、
蒸発器と圧縮機との間に配置され、凝縮器から出力される未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する凝縮促進手段とを備え、
凝縮促進手段が、蒸発器から出力される低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒の冷熱の一部を利用して、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する熱交換器であることを特徴とする。

このような構成によって、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進して、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないことができる。

請求項２に係る発明によれば、凝縮促進手段が、凝縮器から第１の膨張弁への配管から分岐部で分岐され、凝縮促進手段へ非共沸混合物冷媒の一部を導く第１の配管と、該第１の配管を介して凝縮促進手段に導かれた非共沸混合物冷媒を第１の膨張弁へ戻すために、凝縮器から第１の膨張弁への配管への合流部に接続された第２の配管と、蒸発器から出力される非共沸混合物冷媒を凝縮促進手段へ導く第３の配管と、該第３の配管を介して凝縮促進手段へ導かれた非共沸混合物冷媒を圧縮器へ送る第４の配管とを備え、
第３の配管を介して凝縮促進手段へ導かれた低温の非共沸混合物冷媒と、第１の配管を介して凝縮促進手段に導かれた未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒との間で熱交換を行って、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進することを特徴とする。

このような構成によって、第３の配管を介して凝縮促進手段へ導かれた低温の非共沸混合物冷媒の冷熱を利用して、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進することができる。

請求項３に係る発明によれば、凝縮器と第１の膨張弁との間に気液分離手段をさらに備え、該気液分離手段が、凝縮器から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離し、
気液分離手段によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒を、凝縮促進手段へ送り凝縮を促進した後、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒を第１の膨張弁へ送ることを特徴とする。

気液分離手段によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒だけを、凝縮促進手段を用いて凝縮することにより、効率的に非共沸混合物冷媒の凝縮を促進することができる。

請求項４に係る発明によれば、非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする第１の膨張弁と、
凝縮器と第１の膨張弁との間に配置され、凝縮器から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離する気液分離手段と、
第１の膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機へ送る蒸発器と、
気液分離手段によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒を、減圧膨張させて、合流部を介して圧縮機へ送る第２の膨張弁とを備えることを特徴とする。

凝縮器で未凝縮である気相の非共沸混合物冷媒を、気液分離手段で分離した後、第２の膨張弁を介して減圧膨張させて圧縮機へ送ることで、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないことができる。

請求項５に係る発明によれば、非共沸混合物冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とする。

オゾン層破壊の危険性がなく、地球温暖化に及ぼす悪影響が小さく、かつ不燃性ないし難燃性で、低圧において作動する等の優れた性能を有する、安全で毒性のない給湯／暖房用冷媒組成物であるジメチルエーテルと二酸化炭素との非共沸混合物冷媒を用いた場合でも、凝縮器において二液分離した液相の非共沸混合物冷媒を、再び均一な非共沸混合物冷媒にする効果を得ることができる。

以下、本発明を、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態に基づいて詳細に記載する。

図３は、本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム１０００の実施形態の構成図を示す。

図１に示される従来のシステム構成と、図３に示されるシステム構成との異なる点は、凝縮促進手段２００であり、他の要素である圧縮機１０１、凝縮器１０２、第１の膨張弁１０３、蒸発器１０４、冷媒用の配管１０５、および加熱されるべき水用の配管１０６は同一である。これら同一の要素は、図１と同じ参照符号で示される。なお空調機システムの場合には、水用の配管１０６は無い。

凝縮促進手段２００は、蒸発器１０４と圧縮機１０１との間に配置され、凝縮器１０２から出力される未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する熱交換器である。また、第１の配管２０３は、凝縮器１０２から第１の膨張弁１０３への配管から分岐部２０１で分岐され、凝縮促進手段２００へ非共沸混合物冷媒の一部を導き、第２の配管２０４は、第１の配管２０３を介して凝縮促進手段２００に導かれた非共沸混合物冷媒を第１の膨張弁１０３へ戻すために、凝縮器１０２から第１の膨張弁１０３への配管への合流部２０２に接続され、第３の配管２０５は、蒸発器１０４から出力される非共沸混合物冷媒を凝縮促進手段２００へ導き、第４の配管は、第３の配管２０５を介して凝縮促進手段２００へ導かれた非共沸混合物冷媒を圧縮器１０１へ送る。

凝縮促進手段２００を備える構成によって、凝縮器において生じる未凝縮の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進して、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムを提供することができる。

図４は、凝縮器と第１の膨張弁との間に気液分離手段をさらに備える構成を示す図である。

図４において、気液分離手段２１０は、凝縮器１０２から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離する。気液分離手段２１０によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒は、凝縮促進手段２００へ送られ凝縮が促進された後、気液分離手段２１０を介して第１の膨張弁１０３へ送られる。一方、気液分離手段２１０によって分離された液相の非共沸混合物冷媒は、第１の膨張弁１０３へ送られる。

気液分離手段２１０によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒だけを、凝縮促進手段２００を用いて凝縮することにより、効率的に非共沸混合物冷媒の凝縮を促進することができる。

図５は、気液分離手段、第１の蒸発器、第２の蒸発器と、第１の膨張弁、および第２の膨張弁とを備える構成を示す図である。

図５において、気液分離手段２１０は、凝縮器１０２と第１の膨張弁１０３との間に配置され、凝縮器１０２から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離する。蒸発器１０４は、第１の膨張弁１０３に接続され、かつ低圧低温の液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を、合流部２２１を介して圧縮機１０１へ送る。第２の膨張弁２２０は、気液分離手段２１０によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒を、減圧膨張させて、合流部２２１を介して圧縮機１０１へ送る。

この構成によって、凝縮器で未凝縮である気相の非共沸混合物冷媒を、気液分離手段で分離した後、第２の膨張弁を介して減圧膨張させて圧縮機へ送ることで、正常な動作を確保するとともに効率を低下させないことができる。

非共沸混合物冷媒は、オゾン層破壊の危険性がなく、地球温暖化に及ぼす悪影響が小さく、かつ不燃性ないし難燃性で、低圧において作動する等の優れた性能を有する、安全で毒性のない給湯／暖房用冷媒組成物であるジメチルエーテルと二酸化炭素との非共沸混合物冷媒であることが好ましいが、本発明のヒートポンプシステムまたは空調機システムで使用される非共沸混合物冷媒は、これに限定されるものではなく、任意の混合物冷媒を使用することができる。さらに、単一冷媒、例えば二酸化炭素の単一冷媒を用いるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであっても、外気温が低い場合には本発明の構成は有効である。

二酸化炭素を利用したヒートポンプシステムの代表的な構成図を示す。 二酸化炭素を冷媒として利用した従来のサイクルを示す、横軸がエンタルピーでありかつ縦軸が温度の線図である。 本発明によるヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムの実施形態の構成図を示す。 凝縮器と第１の膨張弁との間に気液分離手段をさらに備える構成を示す図である。 気液分離手段、第１の蒸発器、第２の蒸発器と、第１の膨張弁、および第２の膨張弁とを備える構成を示す図である。

符号の説明

１００ ヒートポンプシステム
１０１ 圧縮機
１０２ 凝縮器
１０３ 第１の膨張弁
１０４ 蒸発器
１０５ 冷媒用の配管
１０６ 水用の配管
２００ 凝縮促進手段
２０１ 分岐部
２０２、２２１ 合流部
２０３ 第１の配管
２０４ 第２の配管
２０５ 第３の配管
２０６ 第４の配管
２１０ 気液分離手段
２２０ 第２の膨張弁
１０００ ヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム

Claims (5)

1. 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
   低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする第１の膨張弁と、
   第１の膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機に送る蒸発器と、
   蒸発器と圧縮機との間に配置され、凝縮器から出力される未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する凝縮促進手段とを備え、
   凝縮促進手段が、蒸発器から出力される低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒の冷熱の一部を利用して、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進する熱交換器であることを特徴とするヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
2. 凝縮促進手段が、凝縮器から第１の膨張弁への配管から分岐部で分岐され、凝縮促進手段へ非共沸混合物冷媒の一部を導く第１の配管と、該第１の配管を介して凝縮促進手段に導かれた非共沸混合物冷媒を第１の膨張弁へ戻すために、凝縮器から第１の膨張弁への配管への合流部に接続された第２の配管と、蒸発器から出力される非共沸混合物冷媒を凝縮促進手段へ導く第３の配管と、該第３の配管を介して凝縮促進手段へ導かれた非共沸混合物冷媒を圧縮器へ送る第４の配管とを備え、
   第３の配管を介して凝縮促進手段へ導かれた低温の非共沸混合物冷媒と、第１の配管を介して凝縮促進手段に導かれた未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒との間で熱交換を行って、非共沸混合物冷媒の凝縮を促進することを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
3. 凝縮器と第１の膨張弁との間に気液分離手段をさらに備え、該気液分離手段が、凝縮器から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離し、
   気液分離手段によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒を、凝縮促進手段へ送り凝縮を促進した後、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒を第１の膨張弁へ送ることを特徴とする、請求項２に記載のヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
4. 非共沸混合冷媒を使用するヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システムであって、
   低圧低温の気相の非共沸混合冷媒を吸入圧縮して、高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒にする圧縮機と、
   圧縮機に接続され、かつ高圧高温の気相の非共沸混合物冷媒を液相に凝縮し放熱させて、液相の非共沸混合物冷媒にする凝縮器と、
   凝縮器に接続され、かつ液相の非共沸混合物冷媒を減圧膨張させて、低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒にする第１の膨張弁と、
   凝縮器と第１の膨張弁との間に配置され、凝縮器から出力される非共沸混合物冷媒を、凝縮された液相の非共沸混合物冷媒と、未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒とに分離する気液分離手段と、
   第１の膨張弁に接続され、かつ低圧低温の気相および液相の非共沸混合物冷媒を気相に蒸発し吸熱させて、低圧低温の気相の非共沸混合物冷媒を圧縮機へ送る蒸発器と、
   気液分離手段によって分離された未凝縮の気相の非共沸混合物冷媒を、減圧膨張させて、合流部を介して圧縮機へ送る第２の膨張弁とを備えることを特徴とするヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。
5. 非共沸混合物冷媒が、ジメチルエーテルと二酸化炭素との混合物であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムまたは空調機若しくは冷凍機システム。

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