JPH0612201B2 - 熱ポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、非共沸混合冷媒を用い、冷媒精留塔により冷
凍回路の主回路を流れる冷媒組成を変化させ、常に負荷
に適応した能力を発生することができる熱ポンプ装置に
関する。

従来の技術 近年、室内を冷暖房するために熱ポンプ装置を組込んだ
冷暖兼用のエアコンディショナが多用されている。

この熱ポンプ装置は、冷凍サイクルの主回路を流れる冷
媒を高沸点に富んだ組成にすると圧縮機の冷媒ガスの比
容積が大きくなり、冷媒循環量が減少して、加熱・冷却
能力を小さくすることができ、逆に、低沸点に富んだ組
成にすると冷媒循環量が増加して、加熱・冷却能力を大
きくすることができるので、圧縮機の回転数を変化させ
ずに冷凍サイクルの負荷に見合った能力変化をさせるこ
とができるものである。さらに、冷媒組成を変化させる
ことによって、同じ温度でも高沸点では圧力を低く、低
沸点では圧力を高くすることができるので、例えば、高
温を得る場合には高沸点に富んだ冷媒組成にして高圧を
低下させることにより、機器に耐圧設計を有利にするこ
とができる。また、低温を得る場合には低沸点に富んだ
冷媒組成にして負圧になることを防止することにより、
空気や水の侵入による機器の破壊を防止することができ
る。

従来、この種の熱ポンプ装置は第２図に示すように、非
共沸混合冷媒を用い、冷媒精留塔により冷凍サイクルの
主回路を流れる冷媒組成を変化させる構成としたものが
一般的であった。

以下、その構成について第２図を参照しながら説明す
る。

図に示すように、１は圧縮機、２は負荷側熱交換器、
３，４は主絞り装置、７は三方弁、６は熱源側熱交換器
で、これらの部材は順次接続されて冷凍サイクルの主回
路を形成している。

８は冷媒精留塔で、その塔頂部は電磁弁１５を介して、
また、塔底部は電磁弁１６を介してそれぞれ三方弁７に
接続されている。１１は塔頂貯留器で、冷媒精留塔８の
塔頂部に接続管１７と冷却源９が配設された接続管１８
とで接続されている。１２は塔底貯留器で、冷媒精留塔
８の塔底部に接続管１９と加熱源１０が配設された接続
管２０とで接続されている。５は副絞り装置で、一端は
熱源側熱交換器６の上流側に、他端は電磁弁１３，１４
を介して塔頂貯留器１１と塔底貯留器１２にそれぞれ接
続されている。そして、これらの部材で冷凍サイクルの
副回路が形成されている。上記構成において、圧縮器１
で圧縮された高温高圧の冷媒蒸気は、矢印Ａの方法へ流
れ、負荷側熱交換器２で凝縮して主絞り装置３に入る。
通常運転時には三方弁７は第２図に示す方向に開いてお
り、絞り装置３を出た冷媒は主絞り装置４を経て熱源側
熱交換器６に入り蒸発して圧縮機１に戻る。

主回路の冷媒組成を変えるときには、三方弁７を90゜時
計方向に回転させ、主絞り装置３を出た冷媒を三方弁７
を経て冷媒精留塔８に導入させて行う。

そして、主回路内を流れる冷媒をより低沸点成分に富む
ようにするには、電磁弁１３，１５を開き、電磁弁１
４，１６を閉じる。これにより、電磁弁１５を通過した
冷媒は冷媒精留塔８の塔頂部に導入され、そのうちの液
成分は冷媒精留塔８内を下方に流れ、塔底貯留機１２よ
り出て加熱源１０で発生したガス成分と気液接触しなか
ら徐々に高沸点成分に富んだ液体となって塔底貯留器１
２に貯留される。一方、塔貯部に導入された冷媒のうち
のガス成分は、加熱源１０で発生して冷媒精留塔８内を
上昇中に精留作用によって徐々に低沸点成分に富んだ冷
媒になったガスと共に冷却源９に入り凝縮，液化して塔
頂貯留器１１に貯留されると共に、開放されている電磁
弁１３を通過して副絞り装置５に入り、熱源側熱交換器
６で蒸発して圧縮機１に戻る。

この流れにより、三方弁７を90゜時計方向に回転させ、
電磁弁１３，１５を開き、電磁弁１４，１６を閉じた時
から、塔底貯留器１２には主回路を流れる冷媒組成、す
なわち塔頂部に導入された冷媒組成よりもより高沸点成
分に富んだ冷媒が貯留されることになり、主回路を流れ
る残りの冷媒も同様にして徐々に低沸点成分に富んだも
のにすることができる。

次に、主回路内を流れる冷媒をより高沸点成分に富むよ
うにするには、先ほどとは逆に電磁弁１３，１５を閉
じ、電磁弁１４，１６を開く。これにより、三方弁７を
経て電磁弁１６を通過した冷媒は冷媒精留塔８の塔低部
に導入され、そのうちのガス成分は冷媒精留塔８内を上
昇し、塔頂貯留器１１より出て冷媒精留塔８を下降する
冷媒液と気液接触しながら徐々に低沸点成分に富んだガ
スとなり、冷却源９で凝縮して低沸点成分に富んだ液体
となって塔頂貯留器１１に貯留される。一方、塔低部に
導入された冷媒のうちの液成分は、塔頂貯留器１１より
出て冷媒精留塔８を下降中に精留作用によって徐々に高
沸点成分に富んだ冷媒になった液体と共に塔低貯留器１
２に貯留されると共に、開放されている電磁弁１４を通
過して副絞り装置５に入り熱源側熱交換器６で蒸発して
圧縮機１に戻る。

この流れにより、三方弁７を90゜時計方向に回転させ、
電磁弁１３，１５を閉じ、電磁弁１４，１６を開いた時
から、塔頂貯留器１１には、主回路を流れる冷媒組成、
すなわち塔底部に導入された冷媒組成よりもより低沸点
成分に富んだ冷媒が貯留されることになり、主回路を流
れる残りの冷媒も同様にして徐々に高沸点成分に富んだ
ものにすることができる。

以上のように、従来の熱ポンプ装置では、三方弁７およ
び電磁弁１３，１４，１５，１６の操作により、主回路
を流れる冷媒の組成を高沸点成分に富んだものから低沸
点成分に富んだものにまで変化させていた。

発明が解決しようとする課題 このような従来の熱ポンプ装置では、三方弁７によって
冷媒回路を切り換えるため構成が複雑になり、また、圧
縮機１で吐出した冷媒量すべてを冷媒精留塔８の塔頂部
又は塔底部に導入するようにしているため導入時の冷媒
速度が非常に速くなり、冷媒精留塔８内を気体は上昇
し、液体は下降するという正常な精留作用の現象が乱さ
れて精留作用が十分に行なわれず、従って、主回路を流
れる冷媒組成をあまり変化させることできないので負荷
への対応性が悪くなるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、常に負荷に応じ
た好適な冷媒組成をより簡単に得ることができる熱ポン
プ装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するために、圧縮機と負荷側
熱交換機と主絞り装置と熱源側熱交換器とを順次接続し
てなる冷凍サイクルの主回路と、冷媒精留塔と、前記冷
媒精留塔の塔頂部に接続した塔頂貯留器と、前記冷媒精
留塔の塔底部に接続した塔底貯留器と、前記負荷側熱交
換器と前記熱源側熱交換器の間と前記塔頂貯留器および
前記塔底貯留器とを接続する接続管にそれぞれ配設した
開閉弁と、前記塔頂貯留器と前記熱源側熱交換器とを副
絞り装置を介して接続する接続管に配設した開閉弁と、
前記塔底貯留器と前記熱源側熱交換器とを前記副絞り装
置を介して接続する接続管に配設した開閉弁とからなる
副回路とを備え、非共沸混合冷媒を前記主回路から前記
塔頂貯留器または前記塔底貯留器に分流させ、前記塔頂
貯留器または前記塔底貯留器から前記主回路に帰還させ
る構成としてものである。

また、非共沸混合冷媒を塔頂貯留器または塔底貯留器か
ら主回路に帰還させる流出口を、前記塔頂貯留器および
前記塔底貯留器のそれぞれの底部に配設して構成したも
のである。

作用 本発明は上記した構成により、主回路内を流れる冷媒を
副回路内の塔頂貯留器又は塔底貯留器に分流し、精流塔
内の精留作用によって組成の変化した冷媒を主回路内へ
戻すことによる冷媒精流塔内の精留作用の乱れをなくす
ることができる。

また、その動作を開閉弁の開閉のみによって行なうこと
ができる。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しながら
説明する。

図に示すように、２１は圧縮機、２２は負荷側熱交換
機、２３，２４は主絞り装置、２６は熱源側熱交換機
で、これらの部材は順次接続されて冷凍サイクルの主回
路を形成している。

２８は冷媒精留塔で、その塔頂部には接続管３７と冷却
源２９が配設された接続管３８とにより塔頂貯留器３１
が接続され、また、その塔底部には接続か３９と加熱源
３０が配設された接続管４０とにより塔底貯留器３２が
接続されている。

負荷側熱交換器２２と熱源側交換器２６の間には、開閉
弁３５が配設された接続管４１により塔頂貯留器３１が
接続され、また、開閉弁３６が配設された接続管４２に
より塔底貯留器３２が接続されている。熱源側熱交換器
２６の上流側には、副絞り装置２５と開閉弁３３が配設
された接続管４３により塔頂貯留器３１が接続され、ま
た、副絞り装置２５と開閉弁３４が配設された接続管４
４により塔底貯留器３２が接続されている。そして、塔
頂貯留器３１から接続管４３への流出口は塔頂貯留器３
１の底部に、また、塔底貯留器３２から接続管４４への
流出口は塔底貯留器３２の底部にそれぞれ配設されてい
る。

なお、開閉弁３３，３４，３５，３６は電磁弁で形成さ
れているが、これに限定されるものではない。

以上の各部材で冷凍サイクルの副回路が形成されてい
る。上記構成において、圧縮器２１で圧縮された高温高
圧の非共沸混合冷媒（以下、冷媒という）の蒸気は矢印
Ａの方向へ流れ、負荷側熱交換器２２で凝縮して主絞り
装置２３に入る。通常運転時には開閉弁３５，３６（以
下、開閉弁３３，３４，３５，３６を電磁弁という）は
閉じられているのでそのまま主絞り装置２４に入り、低
温低圧になった冷媒は熱源側熱交換器２６で蒸発して再
び圧縮機１７に戻る。

この主回路を流れる冷媒組成を変えるには、すなわち、
主回路を流れる冷媒をより好沸点成分に富むようにする
には、電磁弁３３，３５を閉じ、電磁弁３４，３６を開
く。そうすると、主絞り装置２３を出た主回路を流れる
冷媒の一部は開いている電磁弁３６へ分流し、残りは主
絞り装置２４に流入して通常運転と同様の回路で流れ
る。電磁弁３６６へ流入した冷媒は塔底貯留器３２に入
るが、冷媒量が主回路を流れる冷媒の一部であるため、
および、塔底貯留器３２に流入するため、従来例のよう
に冷媒精留塔２８の直接吹き込んだり、あるいは、主回
路を流れる全冷媒を流入したりしないので冷媒精留塔２
８内の気液の流れを乱すことがない。

塔底貯留器３２に入った冷媒は、一部は開いている電磁
弁３４を通って副絞り装置２５に入り、熱源側熱交換器
２６の上流側で主回路を流れる冷媒と合流し、残りは加
熱源３０が配設された接続管４０に入り、加熱されて冷
媒精留塔２８内を蒸気となって上昇する。このとき、塔
頂貯留器３１に貯留されている冷媒液も接続管３７から
冷媒精留塔２８内を下降し、上昇してくる冷媒蒸気と気
液接触していわゆる精留作用を行なう。先ほども述べた
ように、本実施例においては、冷媒精留塔２８内の気液
の流れはほとんど乱されないため、精留作用は極めて円
滑に行なわれ、冷媒蒸気は上昇するにつれて低沸点成分
に富んだものとなり、冷却源２９が配設された接続管３
８に導入されて液化し、電磁弁３３が閉じられているこ
とにより塔頂貯留器３１に貯留される。そして、この様
な精留作用が繰り返され、ついには、塔頂貯留器31には
非常に低沸点成分に富んだ冷媒だけが貯留されることに
なる。したがって、残りの冷媒、すなわち、主回路を流
れる冷媒の組成は、非常に高沸点成分に富んだものにす
ることができるため、負荷が小さくなって、主回路に高
沸点成分に富んだ冷媒が必要になった時には、以上の様
な電磁弁３３，３４，３５，３６の開閉操作だけで所望
の高沸点成分に富んだ組成に、しかも広範囲で可変する
ことができる。

次に、主回路をより低沸点成分に富むようにするには、
先ほどとは逆に、電磁弁３３，３５を開き、電磁弁３
４，３６を閉じる。そうすると、主絞り装置２３を出た
主回路を流れる冷媒の一部は分流して開いている電磁弁
３５を通り塔頂貯留器３１に流入するが、電磁弁３３も
開いているため流入してきた冷媒の一部は接続管４３を
通り、副絞り装置２５を通って主回路を合流する。そし
て、残りの冷媒は接続管３７から冷媒精留塔２８内に入
り下降する。このとき、塔底貯留器３２内の冷媒液の一
部が加熱源３０で加熱されて冷媒精留塔２８内を上昇
し、下降する液と気液接触して、いわゆる精留作用を行
なう（この精留作用も先述した作用と同作用で極めて円
滑に行なわれる。）。このようにして、下降する冷媒液
は徐々に高沸点成分に富んだものとなり、電磁弁３４が
閉じられているため塔底貯留器２７に貯留される。そし
て、このような精留作用が繰り返され、ついには、塔底
貯留器３２には非常に高沸点成分に富んだ冷媒だけが貯
留されることになる。したがって、残りの冷媒、すなわ
ち、主回路を流れる冷媒の組成は、非常に低沸点成分に
富んたものにすることができるため、負荷が大きくなっ
て主回路に低沸点成分に富んだ冷媒が必要になった時に
は、以上の様な電磁弁３３，３４，３５，３６の開閉操
作だけで所望の低沸点成分に富んだ組成に、しかも広範
囲で可変することができる。

このように、本発明の実施例の熱ポンプ装置によれば、
低沸点成分に富んだ冷媒組成から高沸点成分に富んだ冷
媒組成まで非常に広範囲な所望の冷媒組成を得ることが
できるという効果がある。

また、塔頂貯留器３１および塔底貯留器３２から主回路
に流出させる流出口を、それぞれの貯留器の底部に配設
することにより、それぞれの貯留器から冷媒を流出させ
るための電磁弁３３，３４が閉じられているときには、
主回路において不要な組成の冷媒を貯留器の全容量まで
貯留することができるため、所望の組成を得るための貯
留量としては、十分に容量があり、また、電磁弁３３，
３４が開いているときには、流入してきた冷媒を流出さ
せるだけで貯留することがないため、装置全体を封入す
る冷媒量を最少に抑えることができるという効果があ
る。

なお、本実施例の加熱源３０，冷却源２９については説
明をしていないが、加熱源３０については電気ヒータや
圧縮機吐出冷媒など、冷却源２９については水冷や絞り
装置出口冷媒等を利用することができ、これらを使用し
たものも本発明に含まれるものである。

また、本実施例は、冷媒精留塔２８が負荷側熱交換器２
２内圧力と熱源側熱交換器２６内圧力との中間圧力で動
作する一例であるが、負荷側熱交換器２２内圧力、ある
いは、熱源側熱交換２６内圧力等で動作してもよく、こ
れらは本発明に含まれるものである。

発明の効果 以上の実施例の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、冷凍サイクルの主回路を流れる非共沸混合冷媒の一
部を副回路中に冷媒精留塔の塔頂貯留器あるいは塔底貯
留器に選択的に分流させたことにより、冷媒精留塔内の
精留作用を乱すことなく、非常に高沸点成分に富んだ、
あるいは、低沸点成分に富んだ冷媒を貯留することがで
きる。これにより、主回路内を流れる冷媒組成の可変幅
を大きくすることができ、常に負荷に対応した好適な冷
媒組成を得ることができる熱ポンプ装置を提供すること
ができる。また、貯留器よりの流出口をその底部に配設
したことにより、熱ポンプ装置全体に封入する冷媒量を
最少にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱ポンプ装置の構成を示す
構成図、第２図は従来例の熱ポンプ装置の構成を示す構
成図である。 ２１……圧縮機、２２……負荷側熱交換器、２３，２４
……主絞り装置、２５……副絞り装置、２６……熱源側
熱交換器、２８……冷媒精留塔、３１……塔頂貯留器、
３２……塔底貯留器、３３，３４，３５，３６……開閉
弁（電磁弁）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機と負荷側熱交換器と主絞り装置と熱
   源側熱交換器とを順次接続してなる冷凍サイクルの主回
   路と、冷媒精留塔と、前記冷媒精留塔の上部に接続した
   塔頂貯留器と、前記冷媒精留塔の下部に接続した塔底貯
   留器と、前記負荷側熱交換器と前記熱源側熱交換器の間
   と前記塔頂貯留器および前記塔底貯留器とを接続する接
   続管にそれぞれ配設した開閉弁と、前記塔頂貯留器と前
   記熱源側熱交換器とを副絞り装置を介して接続する接続
   管に配設した開閉弁と、前記塔底貯留器と前記熱源側熱
   交換器とを前記副絞り装置を介して接続する接続管に配
   設した開閉弁とからなる副回路とを備え、さらに、前記
   冷媒精留塔の下部冷媒を加熱する加熱源と、前記冷媒精
   留塔の上部冷媒を冷却する冷却源を設け、非共沸混合冷
   媒を前記主回路から前記塔頂貯留器または前記塔底貯留
   器に分流させ、前記塔頂貯留器または前記塔底貯留器か
   ら前記主回路に帰還させてなる熱ポンプ装置。
2. 【請求項２】非共沸混合冷媒を塔頂貯留器または塔底貯
   留器から主回路に帰還させる流出口を、前記塔頂貯留器
   および前記塔底貯留器のそれぞれの底部に配設してなる
   特許請求の範囲第１項記載の熱ポンプ装置。