JPH06213518A

JPH06213518A - 混合冷媒用ヒートポンプ式エアコン

Info

Publication number: JPH06213518A
Application number: JP385893A
Authority: JP
Inventors: Mari Uchida; 麻理内田; Masaaki Ito; 正昭伊藤; Mitsuo Kudo; 光夫工藤; Hiroshi Kusumoto; 寛楠本; Hiroaki Matsushima; 弘章松嶋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】混合冷媒特有の伝熱性能低下の問題を解決し、
混合冷媒に適したヒートポンプを提供する。【構成】凝縮器として使用している熱交換器の出口側の
冷媒と、蒸発器として使用している熱交換器の出口側の
冷媒とを、熱交換可能な構造とした。【効果】凝縮器下流において、気液２相で流出した混合
冷媒のサブクールを十分にとることができ、膨張弁にお
ける制御性を良好にし、流動音の発生を防ぐことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は作動流体として、混合冷
媒を用いたヒートポンプ式空気調和機，冷凍機等の性能
改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、冷蔵庫等の冷凍サイクルにおい
て、蒸発器から圧縮機への配管途中に熱交換器を設置し
て、蒸発した低温低圧のガス冷媒と、凝縮器からの高温
高圧の液冷媒とを熱交換させるサイクルは公知である。
例えば、山田治夫：冷凍及び空気調和ｐ.５４〜５５
養賢堂(１９８５)によると、この過冷却・過熱サイクル
は標準サイクルと比べると、冷媒単位重量当りの冷凍効
果は増すが、圧縮機に吸入されるガス冷媒の比容積が増
加し、冷媒循環量が減少するという、両者の効果が相殺
される結果となるため、実際の冷凍能力への影響はそれ
ほど大きくないとしている。しかし、このサイクルを用
いることより、液冷媒は過冷却され、気泡が混入しない
状態で膨張弁を通るため、制御性が良くなるという利点
がある。また、空調機のサイクルにおいても同様のもの
があるが、圧縮機吐出温度や冷媒循環量の制御を目的と
して用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】沸点の違う２種類以上
の冷媒を混合した混合冷媒を、現状の単一冷媒用熱交換
器にそのまま適用すると、凝縮の場合、凝縮器出口部で
冷媒は完全に凝縮されず、サブクールがとれないという
問題が生じる。この理由の一つとしては、相変化が進む
と、気液界面において高沸点成分が多く凝縮し低沸点成
分が気相側に濃縮され、拡散抵抗及び熱抵抗となるた
め、図１２に示すように、低乾き度域で伝熱性能が著し
く低下するためと考えられる。さらに別の理由を線図に
より説明すると次のようになる。図１０に単一冷媒の、
図１１に混合冷媒のモリエル線図の一例を示す。モリエ
ル線図は縦軸に圧力を対数座標でとり、横軸にエンタル
ピをとったもので、冷凍サイクルの実用的な設計計算
に、広く利用されている。線図上で、左端の実線は飽和
液線を、右端は飽和蒸気線を示し、その間に等乾き度線
が引かれている。図１０の単一冷媒の場合は飽和温度一
定で凝縮が進むが、沸点の違う混合冷媒の場合は、相変
化の進行にともない混合組成に変化が生じ、気液平衡関
係に従って飽和温度も変化していく様子が図１１によっ
てわかる。また、飽和域において、単一冷媒は乾き度の
変化に対するエンタルピの変化はほとんど等間隔である
が、混合冷媒の場合は必ずしも当間隔ではなく、特に乾
き度の低い領域においてエンタルピ変化分に対する乾き
度の変化が小さい。これによっても、凝縮器出口におい
て凝縮が完了しない理由が説明できる。

【０００４】次に、混合冷媒の気液平行線図を図９に示
す。一定圧力下における、混合冷媒の相変化の過程はこ
の図により説明され、図中、横軸は高沸点冷媒Ａに対す
る、低沸点冷媒Ｂの混合組成比を表し、縦軸は温度を示
している。また、レンズ型のカーブ内が飽和域で、露点
曲線より上部が過熱域，沸騰曲線の下部が過冷却域を示
している。凝縮器内部での相変化は、組成ｘの線上を過
熱域からａ点を通り、ｂ点を経て完了し、過冷却される
と説明できるが、実際はｂ点付近では低沸点成分がリッ
チな状態であるため、有効温度差が小さくなり、凝縮が
進みにくくなる。

【０００５】蒸発の場合についても、単一冷媒と比較し
て、混合冷媒を用いることにより、図１２に示すように
高乾き度域で、熱伝達率の低下がみられる。

【０００６】また、伝熱管管頂部での熱伝達率の低下も
報告されており、これは単一冷媒の場合とは逆の現象で
ある。その理由は、相変化の過程で、混合冷媒中の低沸
点成分が先に蒸発するため、液膜の薄い管頂部の溶液が
高沸点成分リッチな状態となり、局所的な飽和温度が管
底部に比べて高くなることが原因とされている。蒸発の
場合、低乾き度域でのエンタルピ差については、この範
囲は膨張弁等のしぼり過程であるため、凝縮器と違い、
あまり問題にされていないが、高乾き度域で、蒸発が完
了しないことによる影響は空調機の設計上、大きな問題
になる。

【０００７】これらの問題を熱交換器自体で解決するた
めには、熱交換器の伝熱面積を増やす、あるいは特定の
乾き度域で、伝熱管及び、フィンを含めた伝熱促進技術
が必要となるが、その場合、熱交換器の形状が複雑にな
り、製作コストの増大につながる。また、既存の熱交換
器以外に、サイクル内に温度差を大きくとれる、新たな
熱交換器を付加することによる解決も考えられるが、や
はり、コスト高につながる。

【０００８】本発明の目的は、混合冷媒特有の伝熱特性
の問題を解決し、混合冷媒に適したヒートポンプを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
めに、凝縮器として使用している熱交換器の出口側の冷
媒と、蒸発器として使用している熱交換器の出口側の冷
媒とを、熱交換可能な構造とした。

【００１０】

【作用】上記構成により、凝縮器で凝縮液化しきれなか
った低沸点冷媒を完全に凝縮させることができる。その
結果、膨張弁には過冷却された液のみが流入し、膨張弁
の制御性が損なわれることがない。また、冷媒が過冷却
された状態で膨張弁を通過するので、音の発生を防止す
ることができる。さらに、蒸発器で蒸発しきれなかった
高沸点冷媒も完全に蒸発させることができるので、圧縮
機には十分過熱された蒸気が流入し、液バックを防ぐこ
とができる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。図２には、暖房運転時のヒートポンプにおい
て、熱交換器７ａを付加した本発明のサイクル構成の一
実施例を示す。図２において、熱交換器７ａは室外ユニ
ットＡ内の膨張弁４手前に備えられ、冷却熱源として、
圧縮機１の入口の低温側冷媒を用いている。この熱交換
器により、室内側熱交換器５で凝縮した冷媒と、室外側
熱交換器３で蒸発した冷媒とを熱交換させる構成になっ
ている。

【００１２】また、図３には、ヒートポンプの冷房運転
時のサイクルの一実施例を示す。図では、冷媒のながれ
方向は図２のサイクルとは逆に、室外側熱交換器５が凝
縮器として働くので、熱交換器７ｂは膨張弁４と室外側
熱交換器３のラインの間に設置してある。サイクルが、
各々暖房専用、あるいは冷房専用の場合、熱交換器７ｂ
及びバイパスラインへの切り替えは単純な構成となる。

【００１３】次に図１にヒートポンプにおける実施例を
示す。図中実線の矢印は、暖房運転時の冷媒の流れ方向
を、破線の矢印は冷房運転時の冷媒の流れ方向を示す。

【００１４】図１のように、ヒートポンプとしてサイク
ル構成がなされている場合、膨張弁前後の熱交換器７に
逆サイクルで冷媒が流れると不要な熱交換が起こる。こ
れを防ぐために、凝縮器からの二相状態の液冷媒が熱交
換器に流れる回路は、運転条件によって２方弁９を切り
替えて選択し、各々の配管には逆止弁８を設けてある。

【００１５】次に、熱交換器７の実施例を図５に示す。
図中白抜きの矢印は高温側冷媒を、ハッチした矢印は低
温側冷媒を示す。この熱交換器は、異なる径の伝熱管を
同心円状に配置した二重管式熱交換器である。図５
（ａ）において、二重管の外管外表面は断熱されおり、
内管内１４を凝縮器からの冷媒が流れ、環状部１５を蒸
発器からの冷媒が対向流で流れて熱交換する構造になっ
ている。また、図５（ｃ）のように圧縮機入口の冷媒配
管１１の周囲に凝縮管１２を沿わせたり、図６(ａ)のよ
うに低温配管１１の周囲に高温配管１２を螺旋状に巻き
つけた構造も考えられる。別の実施例として、蓄冷熱槽
を備えた構成も考えられる。この蓄冷熱槽によって、凝
縮器からの二相状態の冷媒を、蒸発器からの低温冷媒に
よって過冷却するものである。図６（ｂ）に蓄熱槽の断
面図を示す。蓄熱槽内の伝熱管は平滑管になっている
が、応用例として、積層したフィンを嵌合したものであ
ってもよい。

【００１６】図４に運転条件による切り替えバルブを用
いないサイクル構成図を、図７(ａ)に図４のサイクルに
付加した熱交換器７の斜視図を図７（ｂ）に断面図を示
す。このサイクルでは、膨張弁を挟んで暖房運転用冷媒
回路１６ｄ、及び冷房運転用冷媒回路１６ｃを持ち、各
々の回路には逆止弁８が設けてある。この回路に備えら
れた熱交換器７は円筒形の容器１０の下部に高温側冷媒
伝熱管１２，上部に低温側冷媒伝熱管１１を備え、両者
を間接的に熱交換させるための作動媒体１３を封入し
て、密閉したものである。凝縮器を出た冷媒は作動媒体
内に浸された下部の伝熱管１２を、蒸発器からの冷媒は
上部の伝熱管１１を流れる。この構成により、凝縮器か
ら二相状態で流出した冷媒は、熱交換器内の作動媒体と
熱交換し、完全に凝縮する。一方、作動媒体は液冷媒を
加熱源にして蒸発し、上部の伝熱管によって冷却され、
凝縮して流下するサイクルを繰り返す。図７において伝
熱管は平滑管になっているが、応用例として外面にフィ
ン加工を施したもの、積層したフィンを嵌合したもので
あってもよい。このような構造にすると、伝熱管１１に
低温の冷媒が流れ、伝熱管１２に高温の冷媒が流れる場
合には熱交換が行われるが、逆サイクルで伝熱管１１に
高温冷媒が、伝熱管１２に低温冷媒が流れる場合には、
ほとんど熱交換が行われず、切り替えバルブが不要とな
る長所がある。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、凝縮器下流において、
気液２相で流出した混合冷媒のサブクールを十分にとる
ことができ、膨張弁における制御性を良好にし、流動音
の発生を防ぐ等の効果を得る。また、蒸発器出口の混合
冷媒を十分過熱された蒸気とすることができ、圧縮機へ
の液バックを防止する効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプにおけるサイクル系統図。

【図２】暖房運転時のサイクル系統図。

【図３】冷房運転時のサイクル系統図。

【図４】温度スイッチとなる熱交換器を備えたサイクル
系統図。

【図５】熱交換器の説明図。

【図６】熱交換器の説明図。

【図７】温度スイッチとなる熱交換器の説明図。

【図８】混合冷媒の気液平衡線図。

【図９】単一冷媒のモリエル線図。

【図１０】混合冷媒のモリエル線図。

【図１１】乾き度と凝縮熱伝達率の関係を示す特性図。

【図１２】乾き度と蒸発熱伝達率の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…４方弁、３…室外側熱交換器、４…膨
張弁、５…室内側熱交換器、６…サクションタンク、７
ａ…熱交換器、７ｂ…熱交換器、７ｃ…蓄熱槽、８…逆
止弁、１６…冷媒回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者楠本寛茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者松嶋弘章茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】室内外に熱交換器を備え、冷媒の流れ方向
を使用目的に応じて逆方向に切替ることにより冷房，暖
房どちらの条件でも運転を可能とする、非共沸混合冷媒
を用いた空気調和装置において、冷房時においても、暖
房時においても、凝縮器として使用されている前記熱交
換器の下流側の冷媒と、蒸発器として使用されている前
記熱交換器の下流側の冷媒を熱交換させる手段を設けた
ことを特徴とする混合冷媒用ヒートポンプ式エアコン。