JP2010281496A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスクーラにおける熱負荷や内部熱交換器における熱交換量の変化にかかわらず、冷凍サイクルを確実に高効率化することができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置(1)は、冷媒が循環する循環路(4)に、冷媒の流れ方向から順に、蒸発器(14)、圧縮機(6)、ガスクーラ(8)、ガスクーラを経由した冷媒を蒸発器を経由した冷媒と熱交換させる内部熱交換器(10)、膨張弁(12)を介挿した冷凍回路(2)を備え、蒸発器は、膨張弁を経由した冷媒をファン(22)による送風(24)と熱交換させる第１伝熱経路(20)を有し、冷凍回路は、第１伝熱経路を経由した冷媒をファンによる送風と再び熱交換させる第２伝熱経路(26,36)を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置に係り、詳しくは、ヒートポンプ式給湯機として用いられて好適な冷凍装置に関する。

この種の冷凍装置は、例えばヒートポンプ式給湯機であって、超臨界状態となる例えば二酸化炭素冷媒が循環する循環路に、冷媒の流れ方向から順に、蒸発器、圧縮機、ガスクーラ、内部熱交換器、膨張弁を介挿した冷凍回路を備えている。
上記内部熱交換器は、ガスクーラを経由した冷媒を蒸発器を経由した冷媒と熱交換させることにより、膨張弁に流入される前の冷媒の温度を低下させ、蒸発器の前後におけるエンタルピ差を大きくして冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を大きくしている。

そして、冷媒温度や冷媒圧力に応じて内部熱交換器に流入される冷媒量を調整することにより、内部熱交換器における熱交換量を制御し、ひいては冷凍サイクルのＣＯＰを更に大きくして高効率化する技術が開示されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００２−２２８２８２号公報 特開２００３−４３１６号公報

しかしながら、上記各従来技術では、ガスクーラにおける熱負荷の減少に伴いガスクーラを経由した冷媒の温度低下率が減少し、結果として内部熱交換器における熱交換量が減少する場合には、内部熱交換器における熱交換量を制御しても、蒸発器の前後におけるエンタルピ差をあまり大きくすることができず、冷凍サイクルを高効率化できないとの問題がある。

また、一般に、内部熱交換器における伝熱経路は所定長に固定されており、内部熱交換器における熱交換量は比較的小さいことから、ガスクーラにおける熱負荷の変化に伴いガスクーラを経由した冷媒の温度低下率が変化し、結果として内部熱交換器における熱交換量が大幅に変化する場合には、蒸発器の前後におけるエンタルピ差を制御するための制御幅が狭すぎるため、このエンタルピ差を適切に大きくすることができず、冷凍サイクルを容易に高効率化できないとの問題もある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ガスクーラにおける熱負荷や内部熱交換器における熱交換量の変化にかかわらず、冷凍サイクルを確実に高効率化することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１の冷凍装置は、冷媒が循環する循環路に、冷媒の流れ方向から順に、蒸発器、圧縮機、ガスクーラ、ガスクーラを経由した冷媒を蒸発器を経由した冷媒と熱交換させる内部熱交換器、膨張弁を介挿した冷凍回路を備え、蒸発器は、膨張弁を経由した冷媒をファンによる送風と熱交換させる第１伝熱経路を有し、冷凍回路は、第１伝熱経路を経由した冷媒をファンによる送風と再び熱交換させる第２伝熱経路を備えることを特徴としている。

また、請求項２の発明では、請求項１において、内部熱交換器から膨張弁に向けて流れる冷媒の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段にて検出された冷媒温度に応じて第２伝熱経路と循環路とを切り換える流路切換手段とを備えることを特徴としている。
更に、請求項３の発明では、請求項２において、流路切換手段は、温度検出手段にて検出された冷媒温度が所定の設定温度以上となるとき、循環路から第２伝熱経路に切り換えることを特徴としている。

更にまた、請求項４の発明では、請求項３において、第２伝熱経路は蒸発器内に設けられることを特徴としている。
また、請求項５の発明では、請求項３において、第２伝熱経路は、その外周面にフィンを有することを特徴としている。
更に、請求項６の発明では、請求項１乃至５の何れかにおいて、冷凍回路はヒートポンプであって、冷媒は二酸化炭素であることを特徴としている。

請求項１の本発明の冷凍装置によれば、冷凍回路は、蒸発器の第１伝熱経路を経由した冷媒をファンによる送風と再び熱交換させる第２伝熱経路を備える。これにより、ガスクーラにおける熱負荷の減少に伴いガスクーラを経由した冷媒の温度低下率が減少し、結果として内部熱交換器における熱交換量が減少しても、内部熱交換器に代わって蒸発器の前後におけるエンタルピ差を確実に大きくすることができる。

しかも、第２伝熱経路を設けることにより、ガスクーラにおける熱負荷の変化に伴いガスクーラを経由した冷媒の温度低下率が変化し、結果として内部熱交換器における熱交換量が大幅に変化しても、蒸発器における熱交換の許容量を実質的に２倍程度に大きくすることができることから、蒸発器の前後におけるエンタルピ差を制御するための制御幅を広げることができ、このエンタルピ差を適切に大きくすることができる。従って、ガスクーラにおける熱負荷や内部熱交換器における熱交換量にかかわらず、冷凍装置の冷凍サイクルを確実に高効率化することができる。

また、請求項２の発明によれば、内部熱交換器から膨張弁に向けて流れる冷媒の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段にて検出された冷媒温度に応じて第２伝熱経路と循環路とを切り換える流路切換手段とを備える。これにより、ガスクーラにおける熱負荷が減少、或いは大幅に変化しても、これらを即座に検出して第２伝熱経路にてアシストすることができるため、蒸発器の前後におけるエンタルピ差を必要に応じて迅速に大きくすることができ、冷凍装置の冷凍サイクルを更に確実に高効率化することができる。

更に、請求項３の発明によれば、具体的には、流路切換手段は温度検出手段にて検出された冷媒温度が所定の設定温度以上となるとき、循環路から第２伝熱経路に切り換える。
更にまた、請求項４の発明によれば、第２伝熱経路は蒸発器内に設けられることにより、冷凍回路、ひいては冷凍装置の小型化を図ることができる。
また、請求項５の発明によれば、第２伝熱経路がその外周面にフィンを有することにより、第１伝熱経路を経由した冷媒をファンによる送風と効率的に熱交換させることができるため、冷凍装置の冷凍サイクルを更に高効率化することができる。

更に、請求項６の発明によれば、具体的には、冷凍回路はヒートポンプ回路であって、冷媒は二酸化炭素である。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の要部を概略的に示した模式図である。 図１のヒートポンプの冷凍サイクルを示したモリエル線図である。 図１の制御ユニットにて行われる流路切換制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の要部を概略的に示した模式図である。 図４の第２伝熱経路の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき先ず第１実施形態から説明する。
図１は、本発明に係る冷凍装置の一例としてヒートポンプ式給湯装置１の要部を概略的に示した模式図である。
この給湯装置１は、湯水を加熱して沸き上げる冷凍回路であるヒートポンプ２と、ヒートポンプ２にて沸き上げられた湯水が貯留される図示しないタンクユニットとから構成されており、タンクユニットに貯留された湯水を使用して、図示しない風呂の湯張り及び追い焚きや、風呂、台所、洗面所、シャワー等の図示しない給湯栓への給湯等を行う。

ヒートポンプ２は、超臨界状態となる例えば二酸化炭素冷媒が循環する循環路４に、冷媒の流れ方向から順に、圧縮機６、ガスクーラ８、内部熱交換器１０、膨張弁１２、蒸発器１４が介挿されて冷凍サイクルを構成し、圧縮機６にて超臨界状態まで圧縮された高温高圧の二酸化炭素冷媒をガスクーラ８においてタンクユニットに連通される湯路１６を流れる湯水で冷却することにより、湯水を冷媒との熱交換によって加熱して沸き上げる公知のものである。

ここで、内部熱交換器１０は、ガスクーラ８を経由した冷媒を蒸発器１４を経由した冷媒にて加熱することにより、膨張弁１２に流入される前の冷媒の温度を上昇させ、蒸発器１４の前後を流れる冷媒のエンタルピ差を大きくして冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）を大きくしている。
詳しくは、図２のヒートポンプ２の冷凍サイクルを示したモリエル線図に基づいて説明する。

先ず、圧縮機６にて超臨界状態まで圧縮されて高温高圧にガス化された冷媒（ａ）は、ガスクーラ８に流入され、湯路１６を流通する湯水で冷却されてガス化されたままエンタルピｉが減少した冷媒（ｂ）にされる。
冷媒（ｂ）は、内部熱交換器１０に流入され、蒸発器１４の伝熱部１８に貫通して設けられた第１伝熱経路２０を経由した冷媒で冷却されてガス化されたまま更にエンタルピｉが減少した冷媒（ｃ）にされる。

冷媒（ｃ）は、液化することなく膨張弁１２に流入されて膨張され、減圧された冷媒（ｄ）にされる。
冷媒（ｄ）は、蒸発器１４の第１伝熱経路２０に流入され、蒸発器１４のファン２２による送風２４により大気熱によって加熱され、ガス化されたままエンタルピｉが増大した冷媒（ｅ）にされる。

冷媒（ｅ）は、ガスクーラ８を経由した冷媒で加熱されてガス化されたまま更にエンタルピｉが増大した冷媒（ｆ）にされる。
冷媒（ｆ）は、圧縮機６に流入され、超臨界状態まで圧縮されて高温高圧にガス化された冷媒（ａ）にされる。
このようなモリエル線図により、冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数）が一般に能力(kW)÷消費電力(kW)で算出されることから、ヒートポンプ２の冷凍サイクルのＣＯＰは、冷媒（ａ）のエンタルピから冷媒（ｃ）のエンタルピを減じたエンタルピ差Δｉ_(ａ-c)を冷媒（ａ）のエンタルピから冷媒（ｆ）のエンタルピを減じたエンタルピ差Δｉ_(ａ-f)で割った（Δｉ_(ａ-c)÷Δｉ_(ａ-f)）にて算出される。

ところで、本実施形態では、ヒートポンプ２は、第１伝熱経路２０を経由した冷媒をファン２２による送風と再び熱交換させる第２伝熱経路２６を備えている。
第２伝熱経路２６は、循環路４から冷媒の流れ方向からみて蒸発器１４から内部熱交換器１０に延びる流路（循環路）４ａの分岐点Ａにて分岐され、蒸発器１４の伝熱部１８を貫通した後に流路４ａの合流点Ｂにて合流され、ファン２６による送風２４を第１伝熱経路２０とともに受けている。

流路４ａの分岐点Ａと合流点Ｂとの間には、第１電磁弁２８が介挿され、一方、第２伝熱経路２６の分岐点Ａの近傍には、第２電磁弁３０が介挿されている。
一方、循環路４のうち、冷媒の流れ方向からみて内部熱交換器１０から膨張弁１２に延びる流路４ｂには、この流路４ｂを流れる冷媒の冷媒温度Ｔを検出するサーミスタ（温度検出手段）３２が設けられている。

そして、第１及び第２電磁弁２８，３０、及びサーミスタ３２は、ヒートポンプ２、ひいては給湯装置１を総合的に制御する制御ユニット３４に電気的に接続され、制御ユニット３４は、サーミスタ３２にて検出される冷媒温度Ｔに応じて第１及び第２電磁弁２８，３０を開閉することにより、流路４ａと第２伝熱経路２６とを切り換える流路切換制御を行っている（流路切換手段）。

以下、図３のフローチャートを参照して、上記流路切換制御の制御ルーチンについて説明する。
先ず、本制御が開始されるとＳ１（Ｓはステップを表し、以下同様とする。）に移行し、Ｓ１では、サーミスタ３２にて検出される冷媒温度Ｔが所定の設定温度Ｔｓ以上（Ｔ≧Ｔｓ）であるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴ≧Ｔｓが成立すると判定された場合にはＳ２に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴ≧Ｔｓが成立しないと判定された場合にはＳ３に移行する。

Ｓ２では、第１電磁弁２８を閉弁するとともに第２電磁弁３０を開弁することにより、冷媒の流通を流路４ａから第２伝熱経路２６に切り換えて、本制御をリターンする。
一方、Ｓ３では、第１電磁弁２８を開弁するとともに第２電磁弁３０を閉弁することにより、冷媒の流通を第２伝熱経路２６から流路４ａに切り換え、通常の冷媒の流通経路にして本制御をリターンする。

ここで、図２中の（ｃ）、（ｂ）は、それぞれ冷媒温度がＴ_１、Ｔ_２となる等温線上に位置づけられ、上記流路切換制御における設定温度Ｔｓを冷媒（ｂ）における冷媒温度Ｔ_２に設定することにより、サーミスタ３２にて検出される冷媒（ｃ）の冷媒温度Ｔが図２中においてエンタルピ差Δｉ_(ａ-c)を発生させる冷媒（ｃ）の冷媒温度Ｔ_１から冷媒（ｂ）の冷媒温度Ｔ_２まで減少したときを検出することができる。そして、この場合に上記流路切換制御におけるＳ２のステップを行うことにより、冷媒（ｃ）の冷媒温度Ｔが図２中の冷媒（ｂ）の冷媒温度Ｔ_２まで減少するのに伴い蒸発器１４の前後のエンタルピ差Δｉが冷媒（ａ）のエンタルピから冷媒（ｂ）のエンタルピを減じたエンタルピ差Δｉ_(ａ-ｂ)程度しか発生しない状態を回避するべく、内部熱交換器１０に代わって蒸発器１４にてエンタルピ差Δｉ_(ａ-c)を確保することができる。

以上のように、本実施形態では、ヒートポンプ２は、第１伝熱経路２０を経由した冷媒をファン２２による送風２４と再び熱交換させる第２伝熱経路２６を備える。これにより、ガスクーラ８における熱負荷の減少に伴いガスクーラ８を経由した冷媒の温度低下率が減少し、結果として内部熱交換器１０における熱交換量が減少しても、内部熱交換器１０に代わって蒸発器１４の前後におけるエンタルピ差Δｉを確実に大きくすることができる。

しかも、第２伝熱経路２６を設けることにより、ガスクーラ８における熱負荷の変化に伴いガスクーラ８を経由した冷媒の温度低下率が変化し、結果として内部熱交換器１０における熱交換量が大幅に変化しても、蒸発器１４における熱交換の許容量を実質的に２倍程度に大きくすることができることから、蒸発器１４の前後におけるエンタルピ差Δｉを制御するための制御幅を広げることができ、このエンタルピ差Δｉを適切に大きくすることができる。従って、ガスクーラ８における熱負荷や内部熱交換器１０における熱交換量にかかわらず、給湯装置１の冷凍サイクルを確実に高効率化することができる。

また、上記流路切換制御を行うことにより、ガスクーラ８における熱負荷が減少、或いは大幅に変化しても、これらを即座に検出して第２伝熱経路２６にてアシストすることができるため、蒸発器１４の前後におけるエンタルピ差Δｉを必要に応じて迅速に大きくすることができ、冷凍サイクルを更に確実に高効率化することができる。
更に、第２伝熱経路２６が蒸発器１４内に設けられることにより、ヒートポンプ２、ひいては給湯装置１の小型化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、当該第２実施形態の給湯装置１の要部を概略的に示した模式図である。
当該第２実施形態は、上記第１実施形態における第２伝熱経路２６を蒸発器１４の伝熱部１８の外部に配置して熱交換器として利用するものであり、上記第１実施形態と同様の構成をなしている。

具体的には、本実施形態の第２伝熱経路３６は、伝熱部１８とは反対側のファン２２の近接に配置され、第１伝熱経路２０を加熱した後の送風２４を受けて加熱される。
図５は、第２伝熱経路３６の斜視図を示しており、第２伝熱経路３６には、その外周面３６ａに所定の範囲に亘ってフィン３８が装着され、フィン３８は熱伝導率性の高い銅などから形成されている。即ち、本実施形態の第２伝熱経路３６はファン２２からの送風２４をフィン３８を介して受ける熱交換器として機能している。

以上のように、本実施形態では、第２伝熱経路３６がその外周面３６ａにフィン３８を有することにより、第１伝熱経路２０を流通した冷媒をファン２２による送風２４により効率的に冷却することができるため、給湯装置１の冷凍サイクルを更に高効率化することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上記各実施形態では、第１電磁弁２８が流路４ａの分岐点Ａと合流点Ｂとの間に介挿され、第２電磁弁３０が第２伝熱経路２６の分岐点Ａの近傍に介挿されているが、これに限らず、第１及び第２電磁弁２８，３０の代わりに、分岐点Ａに図示しない三方弁を１つ設けて流路４と第２伝熱経路２６とを切り換えて連通させるようにしても良い。
また、上記各実施形態では、給湯装置１に搭載されるヒートポンプ２について説明しているが、これに限定されず、例えば車両用空調装置に搭載される二酸化炭素冷媒以外の超臨界状態となる冷媒が循環する冷凍回路等にも適用することができるのは勿論である。

１ ヒートポンプ式給湯装置（冷凍装置）
２ ヒートポンプ（冷凍回路）
４ 循環路
４ａ 流路（循環路）
６ 圧縮機
８ ガスクーラ
１０ 内部熱交換器
１２ 膨張弁
１４ 蒸発器
２０ 第１伝熱経路
２２ ファン
２６ 第２伝熱経路
３２ サーミスタ（温度検出手段）
３６ 第２伝熱経路
３６ａ 外周面
３８ フィン

Claims (6)

1. 冷媒が循環する循環路に、冷媒の流れ方向から順に、蒸発器、圧縮機、ガスクーラ、前記ガスクーラを経由した冷媒を前記蒸発器を経由した冷媒と熱交換させる内部熱交換器、膨張弁を介挿した冷凍回路を備え、
   前記蒸発器は、前記膨張弁を経由した冷媒をファンによる送風と熱交換させる前記第１伝熱経路を有し、
   前記冷凍回路は、前記第１伝熱経路を経由した冷媒を前記ファンによる前記送風と再び熱交換させる第２伝熱経路を備えることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記内部熱交換器から前記膨張弁に向けて流れる冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段にて検出された冷媒温度に応じて前記第２伝熱経路と前記循環路とを切り換える流路切換手段とを備えることを特徴とする請求項１の冷凍装置。
3. 前記流路切換手段は、前記温度検出手段にて検出された冷媒温度が所定の設定温度以上となるとき、前記循環路から前記第２伝熱経路に切り換えることを特徴とする請求項２の冷凍装置。
4. 前記第２伝熱経路は前記蒸発器内に設けられることを特徴とする請求項３の冷凍装置。
5. 前記第２伝熱経路は、その外周面にフィンを有することを特徴とする請求項３の冷凍装置。
6. 前記冷凍回路はヒートポンプであって、前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかの冷凍装置。

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