(57)【要約】【課題】そこで、本発明の目的は、簡易な制御で冷凍サイクルの幅広い運転においても、暖房システムにおける除霜運転を極力少なくすることにある。また、別の発明の目的は、簡易な制御で冷凍サイクルの幅広い運転においても、水を冷却するシステムにおける水の凍結を防止することにある。【解決手段】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルで、蒸発器となる熱交換器を直列に分割し、分割した蒸発器は冷媒の流れる方向に対して、流入側と流出側に分かれるが、その冷媒流入側となる蒸発器の入口と出口の冷媒を熱交換する冷媒−冷媒熱交換器付加することで、低温部分の冷媒をより高い温度の冷媒で昇温させる。そのため空気を熱源とするヒートポンプ暖房機においては着霜しにくくなり、また、水を冷却するシステムにおいては水の凍結を防止することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機，利用側熱交換器，減圧装置，熱源側熱交換器を配管で順次接続し、非共沸混合冷媒を循環させてなる冷凍サイクルにおいて、
前記蒸発器の一部を構成し、冷媒流の上流側に配設された第一熱交換器と、
前記蒸発器の一部を構成し、冷媒流の下流側に配設された第二熱交換器と、
前記第一熱交換器の冷媒流上流側の冷媒と前記第一熱交換器の冷媒流下流側の冷媒とを熱交換する冷媒−冷媒熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記蒸発器内の冷媒と熱交換する空気の空気流と向流型の配置になるように前記第一熱交換器と前記第二熱交換器とを配設したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記請求項１の冷凍サイクル装置において、
暖房時には前記冷媒−冷媒熱交換器を通し、冷房時には前記冷媒−冷媒熱交換器を通さない構成を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記請求項２の冷凍サイクル装置において、
前記冷媒−冷媒熱交換器と前記第二熱交換器との間に配設され、前記冷媒−冷媒熱交換器から前記第二熱交換器の順方向へ冷媒を流すと共に逆方向には冷媒を流さない第一逆止弁と、
前記第一逆支弁の冷媒流下流側と前記第一熱交換器との間を、冷媒が流れることができるように配設したバイパス流路と、
前記バイパス流路上に配設され、前記第一逆支弁の冷媒流下流側から前記第一熱交換器への順方向へ冷媒を流すと共に逆方向には冷媒を流さない第二逆止弁と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項５】
圧縮機，熱源側熱交換器，減圧装置及び利用側熱交換器を配管で順次接続し、非共沸混合冷媒を循環させてなる冷凍サイクルにおいて、
前記蒸発器となる熱交換器を直列に分割し、分割した蒸発器は冷媒の流れる方向に対して、流入側と流出側に分かれ、その冷媒流入側となる蒸発器の入口と出口の冷媒を熱交換する冷媒−冷媒熱交換器を付加することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記請求項５の冷凍サイクル装置において、
切り替え弁により冷房の際の冷媒の流れと暖房の際の冷媒の流れとを切り替えられるようにし、
前記分割された熱交換器を凝縮器として利用する場合には前記冷媒−冷媒熱交換器に冷媒が流れないようにすると共に前記分割された熱交換器を蒸発器として利用する場合には前記冷媒−冷媒熱交換器に冷媒が流れるように構成することを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記請求項５の冷凍サイクル装置において、
前記冷媒−冷媒熱交換器に冷媒が流れる場合と流れない場合を切り替えられる構成を追加したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍サイクル装置に関し、特に、その省エネ性および快適性に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のエネルギー枯渇問題，地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和機や冷凍機で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に地球温暖化問題に対する注目度は高く、冷媒が漏れることでの直接的影響すなわちＧＷＰが小さく、間接的影響すなわち消費エネルギーが小さい冷媒が求められている。
【０００３】
また、冷媒は人体に近いところで使用されることもあり、無毒性，低燃焼性等の安全面における配慮も重要となっている。以上のことを考慮し、冷凍サイクルに使われる冷媒の開発や選定が行われることになり、そのシステムにおける体積能力の確保やＣＯＰ値，安全性等が重要な選定項目となる。
【０００４】
ここで、単独の冷媒で必要な特性（ｅｘ．性能・低環境負荷・安全性）が得られない場合には、冷媒を数種混合することによって目的の特性の冷媒を得ることがある。例えばＣＯＰが高く直接的環境負荷も小さいが燃える冷媒とＣＯＰが低いが消化性のある冷媒とを混合して、要求性能は確保し、燃焼性を低くすることが可能となる。このとき、得られた冷媒が非共沸混合冷媒であると、飽和域において温度勾配を有することになり、蒸発過程で冷媒の入口温度が低下してしまう。冷媒によっては、この低下が極端な場合も生ずる。
【０００５】
すると、空気を熱源とするヒートポンプ暖房機（空気調和機）では暖房時における室外熱交換器では、その低い冷媒温度のため空気中の水分が熱交換器に付着凍結する着霜現象が起きやすくなり、除霜運転による無駄なエネルギー消費が発生する。また除霜運中は暖房ができないため快適性を損なうこととなる。
【０００６】
また、水を冷却するシステムにおいては水が凍結するため、膨張する氷での水−冷媒熱交換器の破壊が起こりやすく、水が流れないことでの快適性が低下する。
【０００７】
特許文献１では蒸発器に流れる冷媒の圧力損失を増加させるように冷媒流動抵抗が大きな構成にし、蒸発器入口温度を上げている。
【０００８】
特許文献２では蒸発器を２分割し、間に可変膨張弁を設けて蒸発器の入口圧力を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１９０５７１号公報
【特許文献２】特開平９−１７０８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図８は一般的な冷凍サイクルを用いた空気調和機の構成を示す。
【００１１】
暖房時は図中破線の矢印の方向に冷媒が流れ、圧縮機１００から出た冷媒は四方弁１２０を通り、ガス接続配管３２０を経て、室内熱交換器２１０で室内ファン２２０によって送り込まれる空気を暖め、冷媒自身は冷却されて凝縮し、室内機を出て、液接続配管３１０で室外機に導かれる。冷媒は膨張弁１４０で圧力と温度を下げられ、室外熱交換器１３０で室外ファン１５０によって送り込まれる空気を冷やし、冷媒自身は加熱されて蒸発し、四方弁１２０を通って圧縮機１００に吸い込まれる。以後、この流れを繰り返すことになる。冷房時は逆の動作となり、図中実線矢印で示される冷媒の流れとなる。
【００１２】
ここで、冷媒としてプロパンとＣＯ2との混合物を考える。プロパンはＣＯＰが高くＧＷＰも低い冷媒であるが燃焼性が高いため、不燃のＣＯ2と混合することで燃焼性を下げることが可能である。ここでは質量分率で５０％：５０％とする。
【００１３】
図９はこの冷媒を用いた暖房時のｐ−ｈ線図を示す。図中Ａ〜Ｄの記号は図８のサイクル図の位置を表している。熱源の空気温度を１５℃と想定すれば、蒸発器の一番高い図中Ａ点は１０℃程度となる。ここで問題となるのが、Ｄ点すなわち蒸発器となる室外熱交換器１３０の入口温度である。熱源空気温度が１５℃程度であるにも関わらず、Ｄ点は−１０℃程度であるので、空気中の水分が室外熱交換器に凍結付着する着霜現象が起こる。
【００１４】
この着霜は、時間とともに室外熱交換器のフィン間で増大し、空気流路であるフィン間を塞ぎ、熱交換量が落ちることとなる。このため、ある程度着霜した時点で除霜運転を行い、熱交換量を確保しなければならない。この除霜運転中は暖房運転ができず快適性が損なわれる。また、暖房以外にエネルギーを消費してしまうこととなるので、その分だけ効率が低下することとなる。
【００１５】
また、この非共沸混合冷媒を別な用途である水を冷却するシステムで用いた場合には、冷却対象の水を凍結させてしまう虞もある。
【００１６】
これらを避けるために、特許文献１や２に開示の技術が知られている。
【００１７】
特許文献１では蒸発器の冷媒の流動抵抗が大きくなるようにして、蒸発器圧力を上げることで蒸発器の冷媒入口温度を上昇させる手法がある。図１０はこの場合の冷凍サイクルのｐ−ｈ線図である。しかし、これでは圧縮機回転数が可変である場合などの冷凍サイクルの幅広い運転には対応できない。圧縮機の回転数が少ないと冷媒流量が減って圧力損失が小さくなり、Ｄ点はやはり温度が下がってしまう。逆に流量が増えると抵抗増大により今度はＡ点が下がってしまう。
【００１８】
また、特許文献２には図１１に示す空気調和機の構成が提案されている。図中記号は図８と同じであるが、図８の室外熱交換器１３０を図１０では１３０ａと１３０ｂに分割し、その間に可変膨張弁１４５を追加している。図１２はｐ−ｈ線図を示す。可変膨張弁１４５で絞ることにより図９に比してＤ点が押し上げられ、高い温度となっている。しかし、この可変膨張弁を制御し、適正な圧力を維持する制御方法が必要となる。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、簡易な制御で冷凍サイクルの幅広い運転においても、暖房システムにおける除霜運転を極力少なくすることにある。また、別の発明の目的は、簡易な制御で冷凍サイクルの幅広い運転においても、水を冷却するシステムにおける水の凍結を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上基本発明の目的は、
圧縮機，利用側熱交換器，減圧装置，熱源側熱交換器を配管で順次接続し、非共沸混合冷媒を循環させてなる冷凍サイクルにおいて、
前記蒸発器の一部を構成し、冷媒流の上流側に配設された第一熱交換器と、
前記蒸発器の一部を構成し、冷媒流の下流側に配設された第二熱交換器と、
前記第一熱交換器の冷媒流上流側の冷媒と前記第一熱交換器の冷媒流下流側の冷媒とを熱交換する冷媒−冷媒熱交換器とを備えた冷凍サイクル装置
によって達成される。
【００２１】
また、本発明の目的は、
圧縮機，熱源側熱交換器，減圧装置及び利用側熱交換器を配管で順次接続し、非共沸混合冷媒を循環させてなる冷凍サイクルにおいて、
前記蒸発器となる熱交換器を直列に分割し、分割した蒸発器は冷媒の流れる方向に対して、流入側と流出側に分かれ、その冷媒流入側となる蒸発器の入口と出口の冷媒を熱交換する冷媒−冷媒熱交換器を付加することを特徴とする冷凍サイクル装置
によって達成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、暖房システムにおける除霜運転を極力少なくすることができる。また、別の発明によれば、水を冷却するシステムにおける水の凍結を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す空気調和機の冷凍サイクル。
【図２】本発明の実施形態を示すｐ−ｈ線図。
【図３】本発明の実施形態を示す空気調和室内機。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す空気調和機の冷凍サイクル。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す空気調和機の冷凍サイクル。
【図６】本発明の第４の実施形態を示す空気調和機の冷凍サイクル。
【図７】本発明の第４の実施形態を示す水冷却加熱システム。
【図８】一般的な空気調和機を示す冷凍サイクル。
【図９】一般的な空気調和機のｐ−ｈ線図。
【図１０】従来技術の空気調和機のｐ−ｈ線図。
【図１１】従来技術の空気調和機の冷凍サイクル。
【図１２】従来技術の空気調和機のｐ−ｈ線図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の第１の実施例の冷凍サイクルである。図では具体的に空気調和機としている。冷媒にはプロパンとＣＯ2の混合冷媒を用いている。図中記号は前述の図８と同じである。
【００２６】
大まかに言うと、冷凍サイクル装置としては、暖房時の冷媒の流れは圧縮機１００→利用側熱交換器２１０（暖房時は凝縮器）→減圧装置（膨張弁１４０）→熱源側熱交換器１３０ａ，１３０ｂ（暖房時は蒸発器）→圧縮機１００となり、これらを配管で順次接続したものである。冷房時の冷媒の流れは逆向きになる。このサイクル内に非共沸混合冷媒を循環させる。
【００２７】
ここでは、室外熱交換器を分割し、１３０ａ（第一熱交換器）と１３０ｂ（第二熱交換器）とに分けている。つまり、第一熱交換器，第二熱交換器とも、室外機内の熱源側熱交換器（暖房時は蒸発器）の一部を構成していることになる。暖房時に冷媒流入側となる室外熱交換器１３０ａは入口（暖房時の冷媒流上流側）と出口（暖房時の冷媒流下流側）の冷媒を熱交換する冷媒−冷媒熱交換器４００を追加している。
【００２８】
図２はこの空気調和機を暖房として用いる場合のｐ−ｈ線図である。熱源空気温度は１５℃程度を想定し、蒸発器の出口温度は１０℃となっている。図中Ａ〜Ｄ，ａ〜ｃは図１の各位置での状態を表している。膨張弁１４０で減圧されたＤ点となる−１０℃程度の冷媒は冷媒−冷媒熱交換器４００で０℃程度のａの状態に加熱される。そして冷媒は室外熱交換器１３０ａで空気から熱をもらって加熱され、ｂ点に移行する。
【００２９】
ここでｂ点の冷媒は元のＤ−ａの冷媒で冷却され０℃付近のｃ点なる。ここでさらに室外熱交換器１３０ｂでＡ点まで加熱される。冷媒−冷媒熱交換器はＤ−ａの冷媒とｂ−ｃの冷媒とを熱交換することとなるが、両者は最大２０Ｋの温度差があるので十分熱交換可能である。そして問題となる空気と熱交換する冷媒の温度は最低でも０℃を確保しており、着霜は起こらない。
【００３０】
図３は室外熱交換器の分割方法の一例である。空気と冷媒の熱交換器は冷媒が流れる伝熱管に垂直の拡大フィンを設け、これと空気を熱交換させるフィンチューブ熱交換器を用いられることが多い。通常、空気流れ方向に数列の伝熱管を配置することが多い。室外熱交換器の分割方法としては図３の通り列方向に行う場合である。このように構成することで冷房時は空気との熱交換の形態が擬似的な向流型となり性能が向上する。
【実施例２】
【００３１】
図４は本発明の第２の実施例の冷凍サイクルである。図中記号は図１と同じであり、冷媒の流れは基本的に暖房時のもので説明する。
【００３２】
暖房時には冷媒−冷媒熱交換器を通し、冷房時には冷媒−冷媒熱交換器を通さない構成を備えた点について説明する。
【００３３】
第一逆支弁である逆支弁４１０ａは、冷媒−冷媒熱交換器と第二熱交換器との間に配設され、冷媒−冷媒熱交換器から第二熱交換器の順方向へ冷媒を流す（逆方向へは流さない）。また、第一逆支弁の冷媒流下流側と第一熱交換器との間を、冷媒が流れることができるように配設したバイパス流路が設けられており、このバイパス流路上に、第二逆止弁である逆止弁４１０ｂが設けられている。逆止弁４１０ｂは逆止弁４１０ａの冷媒流下流側から第一熱交換器の順方向へ冷媒を流す（逆方向へは流さない）。
【００３４】
この実施例では、暖房時は逆支弁４１０ｂは流れず、逆支弁４１０ａを流れるため実施例１と変わらない。実線の冷房時は逆支弁４１０ｂに流れ逆支弁４１０ａは閉止するため冷媒−冷媒熱交換器４００は熱交換しない。こうすることで冷房時凝縮器となる室外熱交換器で不必要な冷媒同士の熱交換を無くし、性能低下を起こさない。
【００３５】
切り替え弁により冷媒の流れを変え冷房と暖房とを切り替えるヒートポンプの場合は、前記分割した熱交換器は凝縮器としても使うため、その場合無駄な冷媒同士の熱交換を防ぐため、凝縮器時には前記冷媒−冷媒熱交換器に冷媒が流れないように構成する。
【００３６】
熱源温度が高い場合には、前記冷媒−冷媒熱交換器を用いなくても冷媒温度が０℃以上確保できるため、その場合には前記冷媒−冷媒熱交換器に冷媒が流れないように切り替えられる構成を追加する。
【００３７】
なお、図示はしていないが、図３の構成に図４の逆止弁の構成を組み合わせても良い。
【実施例３】
【００３８】
図５は本発明の第３の実施例の冷凍サイクルである。図中記号は図８と同じである。逆支弁の代わりに開閉弁４２０ａと４２０ｂに変更してある。暖房時の熱源空気温度がかなり高い場合はＤ点の温度が０℃以上となる。この場合冷媒同士の熱交換は不必要となるため、開閉弁により冷媒−冷媒熱交換器に流す場合と流さない場合が選択できる。
【００３９】
なお、図示はしていないが、２つの開閉弁４２０ａと４２０ｂとを一つの三方弁としても構わないし、図３の構成に図５の開閉弁や三方弁の構成を組み合わせても良い。
【実施例４】
【００４０】
図６は本発明の第４の実施例の冷凍サイクルの室内側である。室内機に本発明を適用する場合である。実施例１〜３の構成を室内機に適用している。室外機が実施例１〜３であっても構わない。冷房運転時も状況によっては暖房と同じように蒸発器すなわち室内熱交換器２１０の冷媒温度が低くなり過ぎ、空気中の水分が凍る可能性がある。この実施例では冷媒の温度を上げることが可能である。
【実施例５】
【００４１】
図７は本発明の第５の実施例の冷凍サイクルであり、システムとして冷却水を作る冷凍サイクルである。実線は水を冷却する場合、破線は水を加熱する場合である。冷却時のｐ−ｈ線図は図２と同じである。水と熱交換する冷媒の温度はａ−ｂとｃ−Ａであり０℃以上を確保するため、水の凍結は起きない。このような構成を用いない場合は−１０℃となるＤ点の冷媒と水が熱交換することになり凍結してしまう。
【００４２】
以上の実施例では冷媒をプロパンとＣＯ2の混合冷媒としていたが、他の組み合わせの非共沸混合冷媒、例えば他のＨＣ冷媒とＣＯ2の混合冷媒，Ｒ４０７Ｃ，ＣＯ2とＨＦＯ１２３４ｙｆの混合冷媒等を用いた場合にも適用可能であり、効果がある。
【００４３】
上記のような非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルで、蒸発器となる熱交換器を直列に分割し、分割した蒸発器は冷媒の流れる方向に対して、流入側と流出側に分かれるが、その冷媒流入側となる蒸発器の入口と出口の冷媒を熱交換する冷媒−冷媒熱交換器付加することで、低温部分の冷媒をより高い温度の冷媒で昇温させる。そのため空気あるいは水と熱交換する冷媒の温度を上昇させることが可能となる。
【００４４】
つまり、従来、飽和域の温度勾配により生じていた蒸発器の低い冷媒入口温度を上げることができる。そのため空気を熱源とするヒートポンプ暖房機においては着霜しにくくなり、除霜運転による無駄なエネルギー消費をなくすことで省エネルギーが実現でき、また快適性を向上できる。
【００４５】
また、水を冷却するシステムにおいては水の凍結を防止することで、膨張する氷での水−冷媒熱交換器の破壊を防止でき、水が流れないことで生じる快適性の低下を防止できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００  圧縮機
１２０  四方弁
１３０  室外熱交換器
１３０ａ，１３０ｂ  分割室外熱交換器
１４０  室外膨張弁
１４５  分割熱交換器用膨張弁
１５０  室外ファン
２１０  室内熱交換器
２１０ａ，２１０ｂ  分割室内熱交換器
２２０  室内ファン
３１０  液接続配管
３２０  ガス接続配管
４００  冷媒−冷媒熱交換器（熱源側）
４１０ａ，４１０ｂ，５１０ａ，５１０ｂ  逆支弁
４２０ａ，４２０ｂ  開閉弁
５００  冷媒−冷媒熱交換器（利用側）
６００ａ，６００ｂ  水−冷媒熱交換器
【図１】
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【図２】
2010216778.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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