(57)【要約】【課題】圧縮機の吸入温度の上昇による吐出温度の異常上昇を防止することで、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲を広げる。【解決手段】圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを環状に連接した冷媒循環回路と、前記放熱器と前記減圧手段の間の冷媒と前記減圧手段と前記吸熱器の間の冷媒とで互いに熱交換を行うサイクル熱交換器を備え、前記サイクル熱交換器の熱交換量を調節する熱交換量調節手段を備えた。【選択図】図１
2006300343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを有する冷媒循環回路を有し、前記放熱器と前記減圧手段の間の高圧冷媒と、前記減圧手段と前記吸熱器の間の低圧冷媒とで、互いに熱交換を行うサイクル熱交換器を備えた冷凍サイクル。
【請求項２】
サイクル熱交換器の熱交換量を調節する熱交換量調節手段を備えた請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
熱交換量調節手段を用いて熱交換量を調節することにより高圧圧力を調整し所定のサイクル効率をもたらす請求項２記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
熱交換量調節手段を高圧圧力側の冷媒回路に備えた請求項２または３に記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
熱交換量調節手段を低圧圧力側の冷媒回路に備えた請求項２〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
【請求項６】
臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体を冷媒とする冷凍サイクル、特に、放熱器と減圧手段の間の高圧冷媒と減圧手段と吸熱器の間の低圧冷媒とで互いに熱交換を行うサイクル熱交換器を備えた冷凍サイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、この発明の背景技術を特許文献１に示されている図面に基づいて説明する。図５において、冷媒回路５は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒を冷却する放熱器２、高圧側ラインと低圧側ラインとの冷媒を熱交換する内部熱交換器６、冷媒を減圧する減圧手段３、冷媒を蒸発気化する吸熱器４で構成されている。
【０００３】
この冷媒回路５は、圧縮機１の吐出側より放熱器２を介して内部熱交換器６の高圧側通路１７ａに接続し、この高圧側通路１７ａの流出側を減圧手段３に接続し、圧縮機１から減圧手段３の流入側に至る。また、減圧手段３の流出側は、吸熱器４に接続され、この吸熱器４の流出側は内部熱交換器６の低圧通路１７ｂに接続されている。そして、低圧通路１７ｂの流出側を圧縮機１の吸入側に接続している。
【０００４】
即ち、内部熱交換器６は放熱器２の流出側から減圧手段３に至る高圧ラインと、吸熱器４の流出側から圧縮機１に至る低圧側ラインとで熱交換を行う。
【０００５】
この冷媒回路５においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機１によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器２に入り、ここで放熱して冷却する。その後、内部熱交換器６において低圧側ラインの低温冷媒と熱交換して更に冷やされ、液化されることなく減圧手段３へ送られる。そして、この減圧手段３において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、吸熱器４において空気と熱交換して蒸発気化し、内部熱交換器６へ流入し、この内部熱交換器６において高圧側ラインの高温冷媒と熱交換した後に圧縮機１へ戻される。
【０００６】
また、冷媒回路１の低圧側ライン上には、内部熱交換器６をバイパスし、内部熱交換器６の熱交換量を調節する熱交換量調節手段７ｂが設けられている。即ち、この熱交換量調節手段７ｂは、減圧手段３と内部熱交換器６との間に一端を接続し、他端を内部熱交換器６と圧縮機１との間に接続されている。
【０００７】
制御装置１６は、圧縮機１の吐出圧力を検出する吐出圧力センサー１８からの圧力信号、圧縮機１の吐出温度を検出する吐出温度センサー１９からの信号を入力し、これら信号に基づいてＣＯＰを最大とする最適圧力を演算し、また、高圧圧力が危険領域まで上昇したか否か、吐出温度が危険温度まで上昇したか否か等を判定し、それに基づいて熱交換量調節手段７ｂの開度を駆動制御するようになっている。
【特許文献１】特開平１１−１９３９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の構成では、内部熱交換器６による熱交換を行うことにより、圧縮機１の吸入温度が上昇するため、吐出温度も上昇する。ＣＯＰの向上を狙いに熱交換量を増加すると吸入温度がさらに上昇し吐出温度も上昇することになる。
【０００９】
そして、吐出温度の異常上昇を回避するために熱交換量調節手段７ｂにより熱交換量を減少させると吐出温度の異常上昇は回避できるが、ＣＯＰは最適値とはならず低下することになる。
【００１０】
放熱器２あるいは吸熱器４の被熱交換流体の温度によってはＣＯＰを最大としながら、異常吐出温度を回避できる熱交換量を設定できない。対応可能な放熱器２及び吸熱器４の被熱交換流体の温度範囲が狭い。
【００１１】
本発明の目的は、圧縮機１の吸入温度の上昇による吐出温度の異常上昇を防止することで、ＣＯＰを最大とできる放熱器２及び吸熱器４の被熱交換流体の温度範囲を広げることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するために本発明の冷凍サイクルは、放熱器と減圧手段の間の冷媒と減圧手段と吸熱器の間の冷媒とで互いに熱交換を行うサイクル熱交換器を備えた。
【００１３】
これによって、圧縮機の吸入冷媒を加熱し吸入温度を上昇させることによる吐出温度の上昇を防止できると共にＣＯＰを最適に調整できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の冷凍サイクルは、圧縮機の吸入温度の上昇による吐出温度の異常上昇を防止することで、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がより広い冷凍サイクルを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１の発明は、放熱器と減圧手段の間の冷媒と、減圧手段と吸熱器の間の冷媒とで、互いに熱交換を行うサイクル熱交換器を備えた。
【００１６】
これによって、圧縮機の吸入冷媒を加熱し吸入温度を上昇させることによる吐出温度の上昇を防止できると共に、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がより広い冷凍サイクルを提供できる。
【００１７】
第２の発明は、特に第１の発明で、サイクル熱交換器の熱交換量を調節する熱交換量調節手段を備えた。
【００１８】
これによって、ＣＯＰが最適となる熱交換量の調整範囲をより広くできるので、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がさらに広い冷凍サイクルを提供できる。
【００１９】
第３の発明は、特に第１、２の発明で、熱交換量調節手段を用いて熱交換量を調節することにより高圧圧力を調整し所定のサイクル効率をもたらすようにした。
【００２０】
これによって、ＣＯＰが最適となる熱交換量を調節する事によって高圧圧力の調整範囲をより広くできるので、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がさらに広い冷凍サイクルを提供できる。
【００２１】
第４の発明は、特に第１〜３の発明で、熱交換量調節手段を高圧圧力側の冷媒回路に備えた。
【００２２】
これにより高圧側冷媒のサイクル熱交換器への流通量を調節できるので、ＣＯＰが最適となる熱交換量を調節する事によって高圧圧力の調整範囲をより広くできるので、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がさらに広い冷凍サイクルを提供できる。
【００２３】
第５の発明は、特に第１〜４の発明で、熱交換量調節手段を低圧圧力側の冷媒回路に備えた。
【００２４】
これにより低圧側冷媒のサイクル熱交換器への流通量を調節できるので、ＣＯＰが最適となる熱交換量を調節する事によって高圧圧力の調整範囲をより広くできるので、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がさらに広い冷凍サイクルを提供できる。
【００２５】
第６の発明は、特に第１〜５の発明において、ヒートポンプに臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いた。
【００２６】
これにより、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱することにより、冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水を加熱することによって熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって、水を冷媒で加熱する熱交換器全域で冷媒側の流路と水側の流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００２７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態による冷凍サイクルについて図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態における冷凍サイクルの回路図である。
【００２８】
図１において、冷媒回路５は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒を冷却する放熱器２、高圧側ラインと低圧側ラインの冷媒を熱交換するサイクル熱交換器２０、冷媒を減圧する減圧手段３、冷媒を蒸発気化する吸熱器４で構成されている。
【００２９】
この冷媒回路５は、圧縮機１の吐出側の放熱器３よりサイクル熱交換器２０の高圧側通路１７ａに接続し、この高圧側通路１７ａの流出側を減圧手段３に接続し、圧縮機１から減圧手段３の流入側に至る。また、減圧手段３の流出側は、サイクル熱交換器２０の低圧側通路１７ｂに接続され、低圧側通路１７ｂの流出側を、吸熱器４を介して圧縮機１の吸入側に接続している。
【００３０】
即ち、サイクル熱交換器２０は放熱器２の流出側から減圧手段３に至る高圧ラインと、減圧手段３の流出側から吸熱器４に至る低圧側ラインとで熱交換を行う。
【００３１】
この冷媒回路５においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機１によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器２に入り、ここで放熱して冷却する。
【００３２】
その後、サイクル熱交換器２０において低圧側ラインの低温冷媒と熱交換して更に冷やされ、液化されることなく減圧手段３へ送られる。そして、この減圧手段３において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、サイクル熱交換器２０へ流入し、このサイクル熱交換器２０において高圧側ラインの高温冷媒と熱交換した後に吸熱器４において流体と熱交換して蒸発気化し、圧縮機１へ戻される。
【００３３】
また、冷媒回路１の高圧側ライン上及び低圧側ライン上に、サイクル熱交換器２０をバイパスし、サイクル熱交換器２０の熱交換量を調節する熱交換量調節手段７ａ、７ｂがそれぞれ設けられている。即ち、熱交換量調節手段７ａは減圧手段３とサイクル熱交換器６との間に一端を接続し、他端をサイクル熱交換器６と放熱器２との間に接続されている。また、熱交換量調節手段７ｂは、減圧手段３とサイクル熱交換器６との間に一端を接続し、他端をサイクル熱交換器６と吸熱器４との間に接続されている。
【００３４】
制御装置１６は、放熱器２内を流れる冷媒との被熱交換流体の温度を検知する放熱器流体温度センサー８、吸熱器４内を流れる冷媒との被熱交換流体の温度を検知する吸熱器流体温度センサー９、の信号に基づいてＣＯＰを最大とする熱交換調整手段７ａ、７ｂの最適熱交換量となる開度を演算し駆動制御するようになっている。なお、ここでの被熱交換流体は液体でも気体でも構わない。
【００３５】
図２は本発明のサイクル図であり、横軸には比エンタルピーを縦軸には圧力を取っている。図中の曲線は、炭酸ガスの飽和曲線を示している。
【００３６】
Ａ及びＡ’は圧縮機１の吐出点、Ｂ及びＥは放熱器２の出口、Ｃは吸熱器４の入口、Ｄは圧縮機１吸入点をそれぞれ表す。また、Ｂ’点は高圧側のサイクル熱交換器２０の出口をＣ１点は低圧側のサイクル熱交換器２０の入口を表す。
【００３７】
さらに、サイクル熱交換器２０の熱交換量がゼロの場合、サイクル状態はＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄで表すことができる。
【００３８】
ここで、サイクル熱交換器２０の熱交換量を増加していくと、Ｂ点の冷媒は熱交換されることによりＢ’点となって、減圧手段３に流入してＣ’点まで減圧される。Ｃ’点の冷媒はサイクル熱交換器２０で高圧冷媒より吸熱してＣ点となって吸熱器４に送られる。
【００３９】
この時、図では、例えばＢ’点で８００ｋｇ／ｍ３、Ｂ点では５００ｋｇ／ｍ３とＢ’点とＢ点では冷媒密度が異なりＢ’での冷媒密度は大きくなる。
【００４０】
従って、Ｂ’点の冷媒密度は、Ｂ点の冷媒密度より大きくなるため、高圧側の冷媒ホールド量が増加し高圧圧力は低下して、圧縮機１の吐出冷媒の状態はＡ’点となる。
【００４１】
またこの時、サイクル熱交換器２０はＥ−Ｂ’とＣ−Ｃ’の間で熱交換しその熱交換量は等しくなるが、圧縮機１の吸入冷媒の状態は大きく変化しない。
【００４２】
そして効率ＣＯＰは放熱器のエネルギーを基準とした時、熱交換量がゼロの場合はＣＯＰ０＝Δｈｇ÷Δｈｃで、熱交換した場合にはＣＯＰ１＝Δｈｇ÷Δｈｃ’となり図から明らかなようにΔｈｃ＞Δｈｃ’となるのでＣＯＰ０＜ＣＯＰ１となる。
【００４３】
図３は高圧圧力とサイクル熱交換器２０の熱交換量の関係を示した図である。
【００４４】
サイクル熱交換器２０の熱交換量を増加させると、減圧手段３に流入する冷媒密度を大きくすることができるので、高圧圧力を減少させる事ができる。
【００４５】
図４は高圧圧力とＣＯＰの関係を示した図で、放熱器出口の冷媒温度が一定の図である。
【００４６】
サイクル熱交換器２０の熱交換量を増加し高圧圧力の低下させていくとＣＯＰは向上する。しかし、ある高圧圧力より低下すると減圧手段に流入する冷媒密度が過度に大きくなるため、冷媒回路５の冷媒ガス量不足を巻き起しＣＯＰも低下することになる。
【００４７】
この様に、サイクル熱交換器２０の熱交換量を調節することで、高圧圧力を調整することによりＣＯＰを最適に調整する事ができる。
【００４８】
また、圧縮機１の吸入冷媒との熱交換はなく、吸入冷媒は加熱されることがないため、圧縮機１の吸入温度はサイクル熱交換器２０の熱交換量に依らないので、圧縮機の吸入冷媒を加熱し吸入温度を上昇させることによる吐出温度の上昇を防止できると共にＣＯＰを最適に調整し、放熱器２及び吸熱器４の被熱交換流体の温度範囲を広げることがきる。
【００４９】
尚、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒とする高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となるものであったが、これら実施形態はこれに限定されるものではなく、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力未満となるものにも適用することができる。また、上述の実施形態では、暖専用の空調装置であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷暖房切替可能な空調装置やヒートポンプ運転により給湯水等の加熱する給湯機等、特に床暖房やバス乾燥装置などの多機能化された給湯機にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクルは、圧縮機の吸入温度の上昇による吐出温度の異常上昇を防止することで、ＣＯＰを最大とできる放熱器及び吸熱器の被熱交換流体の温度範囲がより広い冷凍サイクルとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における冷凍サイクルの回路図
【図２】本発明の実施形態における冷凍サイクルのサイクル図
【図３】本発明の実施形態における高圧圧力とサイクル熱交換器２０の熱交換量の関係図
【図４】本発明の実施形態における高圧圧力とＣＯＰの関係図
【図５】従来の冷凍サイクルの回路図
【符号の説明】
【００５２】
１  圧縮機
２  放熱器
３  減圧手段
４  吸熱器
５  冷媒回路
７ａ、７ｂ  熱交換量調節手段
２０  サイクル熱交換器
【図１】
2006300343.tif 000003
【図２】
2006300343.tif 000004
【図３】
2006300343.tif 000005
【図４】
2006300343.tif 000006
【図５】
2006300343.tif 000007