(57)【要約】【課題】ヒートポンプサイクルの効率を向上させることが可能な直接接触熱交換器、および直接接触熱交換器を備えた冷媒システムを提供すること。【解決手段】熱源サイクル１０（ヒートポンプサイクル）を循環するＨＳＣ冷媒と、熱利用に供される水冷媒とを直接接触させる直接接触熱交換器３０は、ＨＳＣ冷媒および水冷媒が混合される混合室３５と、ＨＳＣ冷媒および水冷媒が分離される分離室３６と、を備える。混合室３５では、貯留される液の液位よりも下方に位置するＨＳＣ流入口３５１を介してＨＳＣ冷媒が液中に流入する。混合室３５と分離室３６とは、ＨＳＣ流入口３５１よりも上方で連通する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプサイクルを循環する第１冷媒と、熱利用に供される第２冷媒とを直接接触させる直接接触熱交換器であって、
前記第１冷媒および前記第２冷媒が混合される混合室と、
前記第１冷媒および前記第２冷媒が分離される分離室と、を備え、
前記混合室では、貯留される液の液位よりも下方に位置する第１冷媒流入口を介して前記第１冷媒が液中に流入し、
前記混合室と前記分離室とは、前記第１冷媒流入口よりも上方で連通する、
ことを特徴とする直接接触熱交換器。
【請求項２】
前記第２冷媒は、水である、
請求項１に記載の直接接触熱交換器。
【請求項３】
第１冷媒を圧縮する圧縮機、前記第１冷媒と熱源との間の熱交換を行う第１熱交換器、および前記第１冷媒の圧力を減圧させる減圧部を含んで構成されるヒートポンプサイクルと、
第２冷媒と熱負荷との間の熱交換を行う第２熱交換器、および前記第２冷媒を圧送するポンプを含んで構成される熱搬送サイクルと、
前記ヒートポンプサイクルを流れる前記第１冷媒、および前記熱搬送サイクルを流れる前記第２冷媒を直接接触させる請求項１または２に記載の直接接触熱交換器と、を備え、
前記第１熱交換器は、凝縮器として機能し、
前記第２熱交換器は、蒸発器として機能する、
ことを特徴とする冷媒システム。
【請求項４】
空気調和機として構成され、
前記第２熱交換器は、室内に設置され、
前記直接接触熱交換器から前記第２熱交換器へと前記第２冷媒が流れる経路、および前記第２熱交換器から前記直接接触熱交換器へと前記第２冷媒が流れる経路が室内を通り、
前記第２冷媒は、水である、
請求項３に記載の冷媒システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの冷媒を直接接触させる直接接触熱交換器、および直接接触熱交換器を備えた冷媒システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機や冷凍機などのヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）を利用する機器には、現状、Ｒ４１０Ａに代表されるＨＦＣ（hydrofluorocarbon））冷媒が使用されているが、地球温暖化を防止するための規制強化を背景に、ＧＷＰ（Global-warming potential）が低い冷媒の開発が進められている。
また、地球温暖化だけでなく、サイクル効率（性能）や、不燃性などの安全性も考慮して各種の冷媒の開発が進められている。
【０００３】
一方、冷媒が適用される一般的な空気調和機などの冷媒システムは、従来の構成の延長上で開発されている。
つまり、ＨＦＣ冷媒を使用し、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、および室内熱交換器などを含んで構成される。
【０００４】
ところで、ＧＷＰが低いことで言えば、自然界にそのまま存在する二酸化炭素やプロパン、水といった自然冷媒を用いるのが好ましい。
特許文献１では、自然冷媒である二酸化炭素と水を用いており、二酸化炭素によりヒートポンプサイクルを構成するとともに、二酸化炭素の冷熱を水に伝えて搬送する。二酸化炭素と水は、熱交換槽内で混合される。それによって水と二酸化炭素は直接接触し、二酸化炭素の冷熱が水に伝達される。そして、二酸化炭素は分離器に移送されて水と分離された後、ヒートポンプサイクルへと戻される。
【０００５】
特許文献１では、熱交換槽の上部から二酸化炭素および水がそれぞれ導入される。水は、熱交換槽の上部に設けられたスプリンクラー状の噴霧口から槽内に拡散される。
熱交換槽内に導入された二酸化炭素は、槽内に設けられた撹拌用の板により水と一緒に撹拌されながら、槽内の下部で水と混合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３５１６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように２つの冷媒を直接接触させると、フィンアンドチューブタイプ等の一般的な間接熱交換器を用いる場合のように両者に温度差を持たせなくても熱交換が可能である。そうすると、熱交換を行わせるために余分に低い温度にまで冷媒温度を下げる必要がない。その分、圧縮機への入力を減らすことができるので、ヒートポンプサイクルの効率（性能）が高い。
しかしながら、特許文献１のように二酸化炭素が熱交換槽の上部から導入されると、気液二相の二酸化炭素の液は槽内の水と混合されても、二酸化炭素のガスは、水中をすぐに浮上して槽内の上部に滞留してしまい、水と十分に混合されない。
そのため、直接接触によって得られる高いサイクル効率が減殺されてしまう。
【０００８】
本発明は、上述の課題に基づいてなされたもので、ヒートポンプサイクルの効率を向上させることが可能な直接接触熱交換器、および直接接触熱交換器を備えた冷媒システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の本発明は、ヒートポンプサイクルを循環する第１冷媒と、熱利用に供される第２冷媒とを直接接触させる直接接触熱交換器であって、第１冷媒および第２冷媒が混合される混合室と、第１冷媒および第２冷媒が分離される分離室と、を備え、混合室では、貯留される液の液位よりも下方に位置する第１冷媒流入口を介して第１冷媒が液中に流入し、混合室と分離室とは、第１冷媒流入口よりも上方で連通することを特徴とする。
【００１０】
第１冷媒流入口から気液二相の第１冷媒が混合室内に流入すると、第１冷媒のガスは、貯留された第２冷媒の液中を浮上しつつ拡散される。その過程で、第１冷媒のガスと第２冷媒とが混合し、十分に直接接触する。ここで、直接接触熱交換器の内部に貯留される液の液位よりも下方に第１冷媒流入口が位置するため、第１冷媒のガスが上方へと浮上、拡散し、第２冷媒と接触する領域を、液位または液位よりも上方に第１冷媒流入口が位置する場合と比べて広くとれる。そのため、第１冷媒と第２冷媒とをより十分に接触させることができる。
一方、第１冷媒の液も、直接接触熱交換器内の第２冷媒の液と混合されることで、第２冷媒と十分に直接接触する。そのときの熱の授受によってガス化した第１冷媒も、上記同様、第２冷媒中を拡散され、第２冷媒と十分に直接接触する。
以上により、第１冷媒と第２冷媒とを直接接触させることによる高い熱交換効率を十分に得ることができるので、ヒートポンプサイクルの効率を向上させることができる。
【００１１】
第１冷媒との直接接触により第１冷媒の熱が移行された第２冷媒は、直接接触熱交換器から取り出されて熱負荷まで搬送されるなどして熱利用に供される。熱負荷まで搬送された第２冷媒は、直接接触熱交換器の内部に戻すことができる。
【００１２】
ところで、ヒートポンプサイクルを循環する第１冷媒に第２冷媒が混入されていると、サイクル効率が低下したり不具合の原因となるので、熱交換のために混合した後は、第１冷媒から第２冷媒を分離したい。
本発明における混合室では、第１冷媒流入口から流入した第１冷媒と、第２冷媒とが十分に接触することで熱の授受が行われる。その後、混合室内の第１冷媒および第２冷媒は分離室へと流入して分離される。
ここで、第１冷媒流入口よりも上方で混合室と分離室とが連通するので、混合室内で第１冷媒流入口から浮上、拡散されることで、第１冷媒流入口の周辺の流れよりも緩慢となった液が、分離室へと注がれる。このため、混合室内の流動が、分離室における第１冷媒および第２冷媒の分離に影響することを極力抑え、密度差に基づいて第１冷媒および第２冷媒を十分に分離させることができる。
【００１３】
本発明の直接接触熱交換器では、第２冷媒が水であることが好ましい。
ＧＷＰが顕著に低い（０である）水を第２冷媒に用いることにより、第１冷媒と第２冷媒との封入量の比率に応じて定まる冷媒システムのＧＷＰを低くすることができる。
【００１４】
本発明の冷媒システムは、第１冷媒を圧縮する圧縮機、第１冷媒と熱源との間の熱交換を行う第１熱交換器、および第１冷媒の圧力を減圧させる減圧部を含んで構成されるヒートポンプサイクルと、第２冷媒と熱負荷との間の熱交換を行う第２熱交換器、および第２冷媒を圧送するポンプを含んで構成される熱搬送サイクルと、ヒートポンプサイクルを流れる第１冷媒、および熱搬送サイクルを流れる第２冷媒を直接接触させる第１の発明の直接接触熱交換器と、を備え、第１熱交換器は、凝縮器として機能し、第２熱交換器は、蒸発器として機能することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、第１の発明の直接接触熱交換器を備えることにより、ヒートポンプサイクルのサイクル効率を向上させることができる。
また、本発明の冷媒システムでは、第１熱交換器が凝縮器として機能し、第２熱交換器が蒸発器として機能することにより、第１冷媒から移行した第２冷媒の冷熱が利用に供される。このような冷却利用時における直接接触熱交換器内部の圧力条件下では、第１冷媒の液と第２冷媒の液との液密度の差を十分に確保できる。
したがって、直接接触熱交換器において混合された第１冷媒および第２冷媒を、第１冷媒の液と、第２冷媒の液と、そして第１冷媒のガスとに密度差に基づいて十分に分離させることができる。
そして、第１冷媒のガスを取り出してヒートポンプサイクルに流すとともに、第２冷媒の液を取り出して熱搬送サイクルに流すことができる。
【００１６】
本発明の冷媒システムは、空気調和機として構成され、第２熱交換器は、室内に設置され、直接接触熱交換器から第２熱交換器へと第２冷媒が流れる経路、および第２熱交換器から直接接触熱交換器へと第２冷媒が流れる経路が室内を通り、第２冷媒は、水であることが好ましい。
上記構成によれば、熱搬送サイクルの室内に設けられる配管内、および第２熱交換器内には水が流れる。
そうすると、直接接触熱交換器内の第１冷媒が熱搬送サイクルに流れ込んだとしても、室内において第１冷媒の燃焼が発生するのを水により阻止することができる。
したがって、第１冷媒の燃焼性を問わず、室内における燃焼のリスクを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ヒートポンプサイクルの効率を向上させることが可能な直接接触熱交換器、および直接接触熱交換器を備えた冷媒システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る冷媒システムの構成を示す図である。
【図２】直接接触熱交換器の内部構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１に示す冷媒システム１は、第１冷媒が循環する熱源サイクル１０（ヒートポンプサイクル）と、第２冷媒が循環する熱搬送サイクル２０と、第１冷媒および第２冷媒を直接接触させる直接接触熱交換器３０とを備える。
冷媒サイクル１の全体が、大気に対して密閉されたクローズドサイクルとされる。
第１冷媒および第２冷媒には、沸点が極端に相違するものを用いる。第１冷媒の沸点よりも第２冷媒の沸点は高い。
本実施形態では、第１冷媒にはＨＦＯ（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｏｌｅｆｉｎ）冷媒の一種であるＲ１２３４ｚｅを使用し、第１冷媒のことを熱源サイクル側冷媒（以下、Ｈｅａｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｙｃｌｅ、ＨＳＣ冷媒）と称する。ここで、Ｒ１２３４ｚｅの他に、ＨＦＯ冷媒Ｒ１２３４ｙｆ、ＨＦＣ冷媒Ｒ３２などのＨＳＣ冷媒も、第１冷媒に好適に用いることができる。
一方、第２冷媒には水を使用し、第２冷媒のことを水冷媒と称する。
大気圧下では、Ｒ１２３４ｚｅの沸点は約−１９℃であり、水の沸点は１００℃である。
【００２０】
冷媒システム１は、外気を熱源とし、室内空気を熱負荷とする空気調和機として構成されており、室外機１Ａおよび室内機１Ｂを備える。
室外機１Ａは、以下で説明する圧縮機１１、第１熱交換器１２、第１送風機１３、減圧部１４、および直接接触熱交換器３０を備える。
室内機１Ｂは、以下で説明する第２熱交換器２１を備える。
本実施形態の冷媒システム１は、室内空気を冷却するものとする。
【００２１】
冷媒システム１の機器構成は、本実施形態に限られず、機器の設置スペース等に応じて任意に構成することができる。
冷媒システム１が備える室外機１Ａおよび室内機１Ｂには、許容される機器筐体サイズ等を考慮して、熱源サイクル１０の構成要素、熱搬送サイクル２０の構成要素、および直接接触熱交換器３０が適宜に配置される。
各サイクル１０，２０の構成要素および直接接触熱交換器３０は、室外機１Ａや室内機１Ｂの筐体に必ずしも収められている必要はない。
例えば、ポンプ２３は、室外機１Ａに配置された直接接触熱交換器３０と、室内機１Ｂの第２熱交換器２１との間で、熱搬送サイクル２０の回路を構成する配管に対して取り付けている。ポンプ２３は、室外機１Ａに配置されていてもよい。また、ポンプ２３が室内機１Ｂに配置されることも本発明は許容する。
【００２２】
以下、熱源サイクル１０、熱搬送サイクル２０、および直接接触熱交換器３０の各々の構成を順に説明する。
［熱源サイクル］
熱源サイクル１０は、ＨＳＣ冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮されたＨＳＣ冷媒と外気との間の熱交換を行う第１熱交換器１２、第１熱交換器１２に向けて送風する第１送風機１３、およびＨＳＣ冷媒の圧力を減圧させる減圧部１４を備える。
ＨＳＣ冷媒は、ＨＳＣ冷媒の圧力・温度の状態変化に伴うヒートポンプ作用により、直接接触熱交換器３０を介して熱源サイクル１０を循環する。
【００２３】
圧縮機１１は、ハウジング内に吸入されるＨＳＣ冷媒をスクロール圧縮機構やロータリー圧縮機構などにより圧縮して吐出する。
使用されるＨＳＣ冷媒の体積能力に応じて、圧縮機１１の押しのけ量を定めることが好ましい。
【００２４】
第１熱交換器１２は、内部をＨＳＣ冷媒が流れるチューブと、チューブに設けられるフィンとを有する。第１熱交換器１２は、チューブおよびフィンを介してＨＳＣ冷媒と外気との間で間接的に熱交換を行う。第１熱交換器１２は、本実施形態では凝縮器として機能する。
第１熱交換器１２は、使用されるＨＳＣ冷媒の体積能力に応じて、圧力損失を考慮したサイズに設定されることが好ましい。
第１送風機１３は、プロペラファン等であり、第１熱交換器１２による熱交換を促進させる。
【００２５】
減圧部１４は、ＨＳＣ冷媒を減圧させて蒸発しやすい状態とする。
減圧部１４としては、冷媒を霧状に噴射して膨張させるとともに、冷媒がより十分に蒸発するように流量を制御する膨張弁を好適に用いることができる。また、減圧部１４として、絞り作用により冷媒を減圧させるキャピラリーチューブを用いることもできる。
【００２６】
［熱搬送サイクル］
次に、熱搬送サイクル２０は、水冷媒と室内空気との間の熱交換を行う第２熱交換器２１と、第２熱交換器２１に向けて送風する第２送風機２２と、水冷媒を循環させるポンプ２３とを備える。
水冷媒は、ポンプ２３により圧送されることで、直接接触熱交換器３０を介して熱搬送サイクル２０を循環する。
【００２７】
第２熱交換器２１は、内部を水冷媒が流れるチューブと、チューブに設けられるフィンとを有する。第２熱交換器２１は、チューブおよびフィンを介して水冷媒と室内空気との間で間接的に熱交換を行う。第２熱交換器２１は、水冷媒の蒸発器として機能する。
第２送風機２２は、プロペラファン等であり、第２熱交換器２１による熱交換を促進させる。
【００２８】
ポンプ２３は、熱負荷に対応する水冷媒の流量に応じて必要な能力を有する。
ポンプ２３としては、容積型、非容積型など、任意の種類のポンプを用いることができる。
本実施形態のポンプ２３は、低消費電力で駆動する直流（ＤＣ）モータを備え、回転数が制御可能なＤＣポンプとされる。このようなＤＣポンプを採用することで、冷媒システム１の作動に必要な動力入力を抑えられるので、冷媒システム１の効率向上に寄与できる。
【００２９】
［直接接触熱交換器］
次に、直接接触熱交換器３０は、ＨＳＣ冷媒および水冷媒を混合して直接的に熱交換させる。
また、直接接触熱交換器３０は、混合したＨＳＣ冷媒および水冷媒を互いに分離させる。このため、直接接触熱交換器３０から熱源サイクル１０へと戻されるＨＳＣ冷媒から、水冷媒を分離するための分離器を必要としない。
【００３０】
図２に示すように、直接接触熱交換器３０は、タンク３１と、タンク３１の内部を区分する区分壁３２と、タンク３１内の下部に設置される抵抗板３３とを備える。
タンク３１は、円筒状に形成されており、底３１１と、底３１１の周縁から立ち上がる周壁３１２と、周壁３１２の開口を塞ぐ蓋３１３とを有する。
タンク３１の容量は、タンク３１内に貯留する水冷媒に持たせたい熱容量を考慮して定められる。タンク３１の内部の高さは、貯留する水冷媒の液とＨＳＣ冷媒とを十分に混合させることができる液位と、混合したＨＳＣ冷媒および水冷媒を十分に分離させることを考慮して定められる。
タンク３１内には気液二相のＨＴＣ冷媒が流入するため、タンク３１の内部には、水冷媒（液）に加え、ＨＳＣ冷媒の液も貯留される。したがって、「液位」は、水冷媒およびＨＳＣ冷媒の液を合わせた液位を意味する。
【００３１】
区分壁３２は、底３１１に立設される。タンク３１の内部は、区分壁３２の一面側に位置する混合室３５と、区分壁３２の他面側に位置する分離室３６とに区分される。
区分壁３２は、タンク３１の内径に対応する幅で、予め定められたタンク３１内の基準液位Ｌよりも高く、かつタンク３１内部の高さよりも低い高さに形成される。
区分壁３２において上端３２Ａ側の所定領域には、厚み方向に貫通した複数の連通孔３２０が形成される。これらの連通孔３２０により、混合室３５と分離室３６とが連通する。これらのうち１以上の連通孔３２０は、後述するＨＳＣ流入口３５１よりも上方に位置する。
複数の連通孔３２０のうち１以上の連通孔３２０は、基準液位Ｌよりも下方に位置する。このため、連通孔３２０を介して、混合室３５および分離室３６の間の液の往来が許容される。
混合室３５および分離室３６に貯留された液の液面と蓋３１３との間は、ＨＳＣ冷媒のガスが溜まるガス溜空間３７とされる。
【００３２】
混合室３５内に設けられる抵抗板３３は、混合室３５内に流入するＨＳＣ冷媒の流れに対する抵抗として働く。抵抗板３３は、区分壁３２から水平に突出する。抵抗板３３の先端と周壁３１２との間には、ＨＳＣ冷媒の流路が確保される。
【００３３】
以下、混合室３５、分離室３６、およびガス溜空間３７について説明する。
［混合室］
混合室３５は、熱源サイクル１０の減圧部１４を経て流入したＨＳＣ冷媒と、熱搬送サイクル２０から流入した水冷媒とを混合することで熱交換させる。熱交換によりＨＳＣ冷媒の冷熱が水冷媒に移行すると、ＨＳＣ冷媒は蒸発（ガス化）する。
混合室３５には、ＨＳＣ冷媒を流入させる配管ＨＩＮの開口であるＨＳＣ流入口３５１と、水冷媒を流入させる配管ＷＩＮの開口である水流入口３５２とが配置される。
【００３４】
ＨＳＣ流入口３５１は、タンク３１内の下部に位置する。具体的に、ＨＳＣ流入口３５１は、タンク３１の下方から混合室３５内に引き込まれる配管ＨＩＮの上端に位置し、タンク３１の底３１１で上方に向けて開口する。ＨＳＣ流入口３５１の位置は、底３１１よりも上方であってもよいが、タンク３１内に貯留される液の液位よりも下方に定められる。
ＨＳＣ流入口３５１は、上述の抵抗板３３の下面に対向する。
【００３５】
水流入口３５２は、タンク３１の上方から混合室３５内に引き込まれて下方へと延出する配管ＷＩＮの下端に位置する。
水流入口３５２は、抵抗板３３と周壁３１２との間の付近で、下方に向けて開口する。
【００３６】
配管ＨＩＮおよび配管ＷＩＮの取り回しは任意である。
例えば、配管ＨＩＮをタンク３１の側方あるいは上方から混合室３５内に引き込むこともできる。但し、ＨＳＣ冷媒と水冷媒とが十分に混合されるように、貯留される液の液位よりもＨＳＣ流入口３５１が下方に位置するように配管ＨＩＮを設けることとする。
また、配管ＷＩＮをタンク３１の側方あるいは下方から混合室３５内に引き込むこともできる。
配管ＨＩＮおよび配管ＷＩＮは、ＨＳＣ流入口３５１および水流入口３５２の各々からの流れが異なる向きから合流するように設けられることが好ましい。
【００３７】
［分離室］
次に、分離室３６は、互いに混合されることで熱交換が行われたＨＳＣ冷媒と水冷媒とを分離させる。水冷媒と分離されたＨＳＣ冷媒のガスを熱源サイクル１０に戻すことにより、熱源サイクル１０に水冷媒が混入することによるサイクル効率の低下、破損および錆の発生などを未然に防止する。
混合室３５から分離室３６へと流入した液は、分離室３６内で密度差に基づいて、ＨＳＣ冷媒ガス、水冷媒（液）、およびＨＳＣ冷媒の液に分離される。
【００３８】
分離室３６には、水冷媒を流出させる配管ＷＯＵＴの開口である水流出口３６２が配置される。
水流出口３６２は、分離室３６内の下部に配置することが好ましい。本実施形態の水流出口３６２は、タンク３１の側方から分離室３６内に引き込まれて下方へと向けて屈曲した配管ＷＯＵＴの下端に位置し、底３１１に向けて開口する。
配管ＷＯＵＴの取り回しは任意である。例えば、配管ＷＯＵＴをタンク３１の下方から分離室３６内に引き込むこともできる。
【００３９】
分離室３６は、区分壁３２により、混合室３５内におけるＨＳＣ冷媒の浮上、拡散、および蒸発に伴う流動に対して隔てられる。そのため、混合室３５から分離室３６へと流入した液を静置状態として、密度差に基づいて容易に分離させることができる。
一方、区分壁３２により混合室３５が分離室３６に対して隔てられているので、ＨＳＣ流入口３５１から混合室３５内に流入したＨＳＣ冷媒が、ＨＳＣ流入口３５１と同じくタンク３１内の下部に位置する水流出口３６２からすぐには出て行かず、混合室３５において水冷媒と十分に混合される。
【００４０】
［ガス溜空間］
ガス溜空間３７には、ＨＳＣ冷媒のガスを熱源サイクル１０へと流出させる配管ＨＯＵＴの開口であるＨＳＣ流出口３７１が配置される。
ＨＳＣ流出口３７１は、ガス溜空間３７内の上部に配置されることが好ましい。
ＨＳＣ流出口３７１は、タンク３１の上方からガス溜空間３７へと引き込まれる配管ＨＯＵＴの下端に位置し、下方に向けて開口する。
ＨＳＣ流出口３７１は、タンク３１内の基準液位Ｌに対して十分に離間している。
配管ＨＯＵＴの取り回しは任意である。例えば、配管ＨＯＵＴをタンク３１の側方からガス溜空間３７に引き込むこともできる。
【００４１】
［冷媒システムの作用］
本実施形態の冷媒システム１による冷却作用について説明する。
まず、熱源サイクル１０の作用について説明する。
熱源サイクル１０の圧縮機１１によりＨＳＣ冷媒が圧縮されると、ＨＳＣ冷媒は高温・高圧に状態変化する。そして、第１熱交換器１２によりＨＳＣ冷媒は外気へと放熱され、圧力を維持したまま凝縮する。その後、ＨＳＣ冷媒は、減圧部１４により減圧されることで低温・低圧の気液二相の状態となって直接接触熱交換器３０へと流入する。
直接接触熱交換器３０において、ＨＳＣ冷媒はタンク３１内の水冷媒と直接接触し、水冷媒に冷熱を伝える。これによってＨＳＣ冷媒が蒸発する。
蒸発したＨＳＣ冷媒ガスはタンク３１内のガス溜空間３７に溜まる。そこから配管ＨＯＵＴを通じて取り出されたＨＳＣ冷媒が、熱源サイクル１０の圧縮機１１へと導入される。
以上の一連のプロセスが繰り返される。
【００４２】
次に、熱搬送サイクル２０の作用について説明する。
ポンプ２３により熱搬送サイクル２０を循環される水冷媒は、直接接触熱交換器３０においてＨＳＣ冷媒と直接接触する。それによって温度が低下した水冷媒は、第２熱交換器２１まで搬送される。そして、第２熱交換器２１において水冷媒が室内空気から吸熱することで、室内空気が冷却される。その後、水冷媒は直接接触熱交換器３０へと流入する。
以上の一連のプロセスが繰り返される。
【００４３】
直接接触熱交換器３０による作用について説明する。
混合室３５内の下部に位置するＨＳＣ流入口３５１から、気液二相のＨＳＣ冷媒が混合室３５内に上方に向けて流入する。そして、ＨＳＣ冷媒のガスは、混合室３５内に貯留された液中を浮上しつつ拡散される。その過程で、ＨＳＣ冷媒のガスと水冷媒とが混合し、十分に直接接触する。ＨＳＣ冷媒の一部のガスは、液面を脱してガス溜空間３７に溜まる。
一方、ＨＳＣ冷媒の液も、混合室３５内の水冷媒と混合されることで、水冷媒と十分に直接接触する。それによってガス化したＨＳＣ冷媒も、上記同様、液中で拡散されながら、水冷媒と十分に直接接触する。
【００４４】
ここで、タンク３１内の下部にＨＳＣ流入口３５１が位置するため、ＨＳＣ冷媒のガスが上方へと浮上、拡散し、水冷媒と接触する領域を、タンク３１内の上部にＨＳＣ流入口３５１が位置する場合と比べて広くとれる。そのため、水冷媒とＨＳＣ冷媒とを十分に接触させ、ＨＳＣ冷媒の冷熱を水冷媒に十分に移行させることができる。
また、ＨＳＣ流入口３５１から流入したＨＳＣ冷媒の流れが、ＨＳＣ流入口３５１に面して設けられた抵抗板３３により圧力損失を生じる。このため、ＨＳＣ冷媒を上方へとゆっくりと流動させながら水冷媒とより十分に接触させることができる。
【００４５】
さらに、水流入口３５２から流入した水冷媒を、抵抗板３３と周壁３１２との間を通過するＨＳＣ冷媒の流れに対して、上方から合流させている。これによって得られる撹拌作用により、水冷媒とＨＳＣ冷媒とをより十分に接触させることができる。
【００４６】
上述したように、混合室３５においてＨＳＣ冷媒と水冷媒とが混合されて十分に接触することによって熱交換が行われる。混合室３５内には、水冷媒およびＨＳＣ冷媒が混合した液が貯留されており、その混合液にはＨＳＣ冷媒のガスが溶融されている。
その混合室３５内の液を分離室３６へと移動させ、分離室３６において、ＨＳＣ冷媒のガスと、水冷媒と、ＨＳＣ冷媒の液とに、相互の密度差によって分離させる。
【００４７】
ここで、混合室３５と分離室３６とが、区分壁３２に形成された連通孔３２０を介して、あるいは液位によっては区分壁３２の上端３２Ａを介して、混合室３５および分離室３６の上部で連通するので、混合室３５内でＨＳＣ流入口３５１から浮上、拡散されることで、ＨＳＣ流入口３５１の周辺の流れよりも緩慢となった液が、分離室３６へと注がれる。このため、混合室３５内の流動が、分離室３６におけるＨＳＣ冷媒および水冷媒の分離に影響することを極力抑え、密度差に基づいてＨＳＣ冷媒の液、水冷媒、およびＨＳＣ冷媒のガスを相互に十分に分離させることができる。
【００４８】
水冷媒と分離されたＨＳＣ冷媒のガスはガス溜空間３７に溜まる。そして、ガス溜空間３７内のＨＳＣ冷媒ガスは、ＨＳＣ流出口３７１から熱源サイクル１０へと戻される。
本実施形態のＨＳＣ流出口３７１はガス溜空間３７内の最も上部に位置するので、ＨＳＣ流出口３７１から流出するＨＳＣ冷媒のガスは、飽和水蒸気圧レベルまでしか水冷媒を含有しない。
【００４９】
一方、ＨＳＣ冷媒のガスと分離された分離室３６内の水冷媒は、水流出口３６２から流出し、熱搬送サイクル２０により搬送される。このとき、水冷媒と共に、ＨＳＣ冷媒の液が水流出口３６２から熱搬送サイクル２０に流出してもよい。ＨＳＣ冷媒が熱搬送サイクル２０を流れても、共に流れる水により、ＨＳＣ冷媒の燃焼が阻止される。
【００５０】
以上で説明した本実施形態の冷媒システム１によれば、上述したように、直接接触熱交換器３０の混合室３５内の下部へと、ＨＳＣ流入口３５１を介してＨＳＣ冷媒を流入させることにより、混合室３５内の下部から上部までの広い領域に亘り、水冷媒とＨＳＣ冷媒とを十分に接触させることができる。このため、直接接触による熱交換作用が存分に発揮されるので、冷媒システム１全体として高い効率を実現することができる。
【００５１】
また、直接接触熱交換器３０のタンク３１の内部を区分壁３２により混合室３５および分離室３６に区分した上で、区分壁３２の連通孔３２０または区分壁３２の上端３２Ａを介して混合室３５および分離室３６を上部で連通させているので、分離室３６内の液を極力静置状態に保つことができる。それにより、密度差に基づいてＨＳＣ冷媒および水冷媒を十分に分離させることができる。
【００５２】
さらに、ＨＳＣ冷媒および水冷媒の双方を用いる冷媒システム１では、冷媒システム１への両者の封入量の比に応じてＧＷＰが定まる。
ＨＳＣ冷媒のＧＷＰは４〜２３００である。一方、水冷媒のＧＷＰは０である。ＧＷＰが顕著に低い水冷媒と、ＨＳＣ冷媒とを併用することにより、「５」程度の非常に低いＧＷＰを実現することができる。
【００５３】
そして、熱搬送サイクル２０の室内に設けられる配管内、および第２熱交換器２１内には水冷媒が流れることにより、熱搬送サイクル２０にＨＳＣ冷媒が流れたとしても、室内においてＨＳＣ冷媒の燃焼が発生するのを水により阻止することができる。
したがって、ＨＳＣ冷媒の燃焼性を問わず、室内における燃焼のリスクを抑えることができる。
【００５４】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明の冷媒システムの機器構成は任意であり、例えば、直接接触熱交換器３０において熱交換により冷却された水冷媒が分配される複数の室内機１Ｂを備えるものとしてもよい。その場合、各室内機１Ｂに分配可能な能力の１台のポンプ２３を室内機１Ｂの外に配置することが経済上好ましい。
本発明における第１冷媒および第２冷媒には、極端に沸点が相違する任意の冷媒、すなわち非共沸の冷媒を用いることができる。例えば、第１冷媒がプロパンで第２冷媒が水冷媒、第１冷媒が二酸化炭素で第２冷媒が水冷媒、第１冷媒がアンモニアで第２冷媒が水冷媒、など種々の冷媒の組み合わせを採用できる。
また、第２冷媒としては、水冷媒に限らず、例えばブラインを用いることも許容される。ブラインとして、エチレングリコール、あるいはプロプレングリコールを主成分とするものを例示できる。
そして、本発明の直接接触熱交換器および冷媒システムは、空気調和機に限らず、冷凍庫、給湯機、チラーなどに適用することもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１      冷媒システム
１Ａ    室外機
１Ｂ    室内機
２      冷媒システム
３      冷媒システム
１０    熱源サイクル（ヒートポンプサイクル）
１１    圧縮機
１２    第１熱交換器
１３    第１送風機
１４    減圧部
２０    熱搬送サイクル
２１    第２熱交換器
２２    第２送風機
２３    ポンプ
３０    直接接触熱交換器
３１    タンク
３２    区分壁
３２Ａ  上端
３３    抵抗板
３５    混合室
３６    分離室
３７    ガス溜空間
３１１  底
３１２  周壁
３１３  蓋
３２０  連通孔
３５１  ＨＳＣ流入口（第１冷媒流入口）
３５２  水流入口
３６２  水流出口
３７１  ＨＳＣ流出口
ＨＩＮ    配管
ＨＯＵＴ  配管
Ｌ      基準液位
ＷＩＮ  配管
ＷＯＵＴ  配管
【図１】
2015068541.tif 000003
【図２】
2015068541.tif 000004