(57)【要約】【課題】 プレート式熱交換器を用いる場合、凝縮潜熱を放熱する凝縮過程においては、良好な熱交換が行われるが、顕熱を放熱する過熱域と過冷却域では熱交換効率が低下するため凝縮器を大きくする必要があり、これにより冷凍サイクル装置自体も巨大になる問題があった。【解決手段】  冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を過熱し冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器を備える冷凍サイクル装置を提供する。凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成る第１の凝縮器と、プレート式熱交換器からなる第２の凝縮器を備えており、冷媒を第１の凝縮器から第２の凝縮器へ流動させ、被加熱流体を第２の凝縮器から第１の凝縮器へ流動させ、且つ、第１の凝縮器と第２の凝縮器において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させ熱交換させる【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を加熱するとともに冷媒を凝縮させる凝縮器と、
凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備える冷凍サイクル装置において、
前記凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り前記冷媒と前記被加熱流体が熱交換可能に構成された第１の凝縮器と、プレート式熱交換器からなる第２の凝縮器とを備えており、
冷媒の入口側、又は出口側の少なくともいずれか一方に第１の凝縮器が設けられたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
冷媒を前記第１の凝縮器から前記第２の凝縮器へ流動させるとともに、被加熱流体を前記第２の凝縮器から前記第１の凝縮器へ流動させ、且つ、前記第１の凝縮器と前記第２の凝縮器において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記第１の凝縮器が二重管熱交換器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記第１の凝縮器は、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管を接触させて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に冷凍サイクル装置は、圧縮機と凝縮器と膨張装置と蒸発器とこれらを順次接続する冷媒配管を備えている。冷凍サイクル装置内には冷媒が封入されており、圧縮機で圧縮された冷媒は凝縮器で凝縮され、その際に発生する凝縮潜熱により被加熱流体を加熱する。凝縮した冷媒は、膨張装置により減圧され、蒸発器内で蒸発し、圧縮機へ吸込まれる。
【０００３】
ここで、被加熱流体として水などの液体が用いられる場合、冷凍サイクル装置の凝縮器にはプレート式熱交換器、又は冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器が用いられる。
【０００４】
プレート式熱交換器は、冷媒の凝縮過程などで生じる潜熱を熱交換する場合において高い熱交換効率を有しているが、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程においては、熱交換効率は高くない。
【０００５】
一方、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成る熱交換器は、状態変化を伴わない顕熱による熱交換過程において高い熱交換効率を有しているが、凝縮過程などで生じる潜熱を熱交換する場合には、熱交換効率は高くない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１０６３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
凝縮器内における冷媒の凝縮過程には、圧縮機で圧縮されたばかりの高温高圧ガス状態のまま顕熱を熱交換する過熱域と、ガス状態から液体状態へ凝縮し潜熱を熱交換する凝縮過程と、液体状態のまま顕熱を熱交換する過冷却域がある。
【０００８】
ここで、プレート式熱交換器から成る凝縮器は、凝縮潜熱を熱交換する凝縮過程においては、良好な熱交換が行われるが、顕熱を熱交換する過熱域と過冷却域では熱交換効率が低下するため凝縮器を大きくする必要があり、これにより冷凍サイクル装置自体も大型化する問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と被加熱流体を熱交換させ、被加熱流体を過熱するとともに冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器を備える冷凍サイクル装置である。ここで、凝縮器は、冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り、冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成された第１の凝縮器１０と、プレート式熱交換器からなる第２の凝縮器１１を備えており、第１の凝縮器１０において冷媒の顕熱による熱交換を行い、第２の凝縮器１１において冷媒の凝縮潜熱による熱交換を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置の概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る凝縮器の概略図。
【図３】本発明の実施形態に係る冷媒の凝縮過程の概略図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る凝縮器の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面にもとづいて、本発明の実施形態について説明を行う。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の冷凍サイクル装置１００について図１を用いて説明する。
冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１、凝縮器２、膨張装置３と蒸発器４を備えており、順次冷媒配管５で接続されている。
【００１２】
冷凍サイクル装置１００内にはＲ４１０Ａなどの冷媒が封入されている。圧縮機１で圧縮された高温高圧ガス状態の冷媒は冷媒配管５を介して凝縮器２へ流動し、凝縮器２内において被加熱流体と熱交換し、凝縮過程である過熱域、凝縮域、過冷却域を経ながら凝縮する。その後、冷媒は冷媒配管５内を流動し、膨張装置３により減圧され蒸発器４内にて蒸発潜熱を吸収しながら低温低圧ガス状態となる。低温低圧状態となった冷媒は冷媒配管５を介して圧縮機１へ戻り、上述の経路を循環する。
【００１３】
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、例えばヒートポンプ給湯機に用いられる。この場合、被加熱流体として水が用いられ、凝縮器２は冷媒−水熱交換器として機能する。そして、凝縮器５には、冷媒配管５と共に流体ポンプ６が接続された水配管７が接続され、冷媒と水との間で熱交換がなされる。
【００１４】
本実施形態における凝縮器２は第１の凝縮器１０と、第２の凝縮器１１とで構成されている。
以下、本明細書において、第１の凝縮器１０は冷媒が流動する冷媒伝熱管と被加熱流体が流動する被加熱流体伝熱管から成り冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成されており、第２の凝縮器１１はプレート式熱交換器であることを意味する。
【００１５】
第１の実施形態では、第１の凝縮器１０として二重管熱交換器を用いる。
第１の凝縮器１０である二重管熱交換器２ａは凝縮器２の冷媒の入口側に設けられており、その他の部分には第２の凝縮器１１であるプレート式熱交換器２ｂが設けられている。
そして、冷媒を第１の凝縮器１０から第２の凝縮器１１へ流動させるとともに、被加熱流体を第２の凝縮器１１から第１の凝縮器１０へ流動させ、且つ第１の凝縮器１０と第２の凝縮器１１において冷媒と被加熱流体とを対向流で流動させるように構成されている。
【００１６】
具体的には、二重管熱交換器２ａは図２に示すように、被加熱流体伝熱管である水伝熱管２ａｗ内部に同芯軸上に冷媒伝熱管２ａｒが設けられており、冷媒入口２ａｒ１側に水出口２ａｗ２が設けられ、冷媒出口２ａｒ２側に水入口２ａｗ１が設けられている対向流式の熱交換器である。即ち、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管から成り、冷媒と被加熱流体が熱交換可能に構成されている。
【００１７】
プレート式熱交換器２ｂは、内部に複数枚のプレートが間隙を有して積層されており、隣設するプレート間の間隙に交互に被加熱流体である水と冷媒とを流動させ熱交換するものである。
また、プレート式熱交換器２ｂは、略直方体状をなし、長手方向の一端側に、冷媒配管５が接続され冷媒を流入するための冷媒入口２ｂｒ１と、水配管７が接続される水出口２ｂｗ２が設けられている。
プレート式熱交換器２ｂには、プレートの長辺方向の他端部に、冷媒配管５が接続され冷媒を流出するための冷媒出口２ｂｒ２、水配管７が接続される水入口２ｂｗ１が設けられている。
【００１８】
上述の構成において、第２の凝縮器１１であるプレート式熱交換器２ｂ内では、冷媒と被加熱流体である水は対向流で流動し熱交換を行う。
【００１９】
まず、被加熱流体である水の流れについて図１及び図２に基づいて説明する。
水は流体ポンプ６により、水配管７を介してプレート式熱交換器２ｂの長手方向他端側に設けられた水入口２ｂｗ１からプレート式熱交換器２ｂ内へ流入し、加熱されつつ長手方向一端側に設けられた水出口２ｂｗ２から水配管７へ流出する。そして二重管熱交換器２ａの水配管７から水入口２ａｗ１を介して二重管熱交換器２ａの水伝熱管２ａｗ内へ流入し、加熱され温湯となり、二重管熱交換器２ａの水出口２ａｗ２から水配管７へ流出し、図示しない利用側ユニットへ供給される。
【００２０】
次に冷媒が凝縮器２内を流動する過程を説明する。
圧縮機１から吐出された冷媒は、冷媒入口２ａｒ１から第１の凝縮器１０である二重管熱交換器２ａ内へ流入し、被加熱流体である水と熱交換して冷却される。ここで、二重管熱交換器２ａ内では高温高圧ガス状態の過熱域であり、冷媒から水へ顕熱が熱交換される過程となっている。
その後、ガス状態の冷媒は二重管熱交換器２ａの冷媒出口２ａｒ２、冷媒配管７から、プレート式熱交換器２ｂの冷媒入口２ｂｒ１を介してプレート式熱交換器２ｂ内へ流入する。プレート式熱交換器２ｂ内で冷媒は凝縮域と過冷却域の過程を経て水と熱交換を行う。即ち気体状態の冷媒は、凝縮域において凝縮潜熱を水へ熱交換しつつ、凝縮し液体状態となる。その後、過冷却域において顕熱が熱交換される。
【００２１】
ここで、凝縮器２内での凝縮過程における冷媒と水の温度変化の様子を模式的に図３に示す。
凝縮器２を上述のような構成とすることで、第１の凝縮器１０である二重管熱交換器２ａにおいて過熱域である顕熱の熱交換を行い、第２の凝縮器１１であるプレート式熱交換器２ｂにおいて凝縮域である凝縮潜熱の熱交換を行う。
これにより、凝縮器２を大型にすることなく、過熱域と凝縮域において効率よく冷媒と被加熱流体である水との最適な熱交換を行うことができる。
【００２２】
また、過熱域において、圧縮機から吐出された高温高圧ガス状態の冷媒から被加熱流体である水へ効率よく熱量の伝播が行われる。このため、圧縮機から吐出される冷媒の温度を余分に高くする必要が無く、凝縮器がプレート式熱交換器のみで構成される場合に比べて圧縮機の吐出温度と吐出圧力を低くすることができ、圧縮機や各配管の負荷を低減することができる。
【００２３】
次に、その他の実施形態について説明を行う。
（第２の実施形態）
本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、上述した第１の実施形態と同様に圧縮機１、凝縮器２、膨張装置３、蒸発器４を冷媒配管５で順次接続して構成されている。
第１の実施形態と異なる構成として第１の凝縮器１０がある。図４に示すように本実施形態の凝縮器２は、第１の凝縮器１０である伝熱管熱交換器２ｃと、第２の凝縮器１１であるプレート式熱交換器２ｂを有している。
【００２４】
伝熱管熱交換器２ｃは、冷媒伝熱管２ｃｒと被加熱流体伝熱管２ｃｗを管軸方向に略平行に接触され、ロウ付けなどにより溶着されている。また、冷媒入口２ｃｒ１側に水出口２ｃｗ２が設けられ、冷媒出口２ｃｒ２側に水入口２ｃｗ１が設けられている対向流式の熱交換器である。
ここで、伝熱管熱交換器２ｃは、冷媒伝熱管２ｃｒが被加熱流体伝熱管２ｃｗの周囲に接触して螺旋状に巻き付き形成されたもの、又は被加熱流体伝熱管２ｃｗが冷媒伝熱管２ｃｒの周囲に螺旋状に巻き付き接触されて形成されたもので良い。
【００２５】
プレート式熱交換器２ｂは第１の実施形態のものと同一である。
上述の伝熱管熱交換器２ｃとプレート式熱交換器２ｂ内の被加熱流体である水の流れについて説明する。
【００２６】
水は流体ポンプ６により、水配管７を介して水入口２ｂｗ１からプレート式熱交換器２ｂ内へ流入し、加熱されつつプレート式熱交換器２ｂの水出口２ｂｗ２から水配管７へ流出する。そして水配管７から水入口２ｃｗ１を介して伝熱管熱交換器２ｃの水伝熱管２ｃｗ内へ流入し、加熱され温湯となり、水出口２ｃｗ２から水配管７へ流出し図示しない利用側ユニットへ供給される。
【００２７】
次に冷媒が凝縮器２内を流動する過程を説明する。
圧縮機１から吐出された冷媒は、冷媒入口２ｂｒ１から第１の凝縮器１０である伝熱管熱交換器２ｃ内へ流入し、被加熱流体である水と熱交換して冷却される。ここで、伝熱管熱交換器２ｃ内では高温高圧ガス状態の過熱域であり、冷媒から水へ顕熱が熱交換される過程となっている。
その後、ガス状態の冷媒は伝熱管熱交換器２ｃの冷媒出口２ｃｒ２、冷媒配管５から、プレート式熱交換器２ｂの冷媒入口２ｂｒ１を介して、プレート式熱交換器２ｂ内へ流入する。プレート式熱交換器２ｂ内で冷媒は、凝縮域と過冷却域の過程を経て水と熱交換を行う。即ち気体状態の冷媒は、凝縮域において凝縮潜熱を熱交換しつつ凝縮し液体状態となり、その後、過冷却域において顕熱が熱交換される。
【００２８】
凝縮器２を上述のような構成とすることで、伝熱管熱交換器２ｃにおいて過熱域である顕熱の熱交換を行い、プレート式熱交換器２ｂにおいて凝縮域である凝縮潜熱の熱交換を行う。
これにより、凝縮器２を大型にすることなく、第１の実施形態同様に、過熱域と凝縮域において効率よく冷媒と被加熱流体である水との熱交換を行うことができる。
【００２９】
また、過熱域において、圧縮機から吐出された高温高圧ガス状態の冷媒から被加熱流体である水へ効率よく熱量の伝播が行われる。このため、圧縮機から吐出される冷媒の温度を余分に高くする必要が無く、凝縮器がプレート式熱交換器のみで構成される場合に比べて圧縮機の吐出温度と吐出圧力を低くすることができ、圧縮機や各配管の負荷を低減することができる。
【００３０】
上述した第１及び第２の実施形態では、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管により形成され、冷媒と被加熱流体とが熱交換可能である第１の凝縮器１０を、冷媒の入口側に設けたが、冷媒の出口側に設けても良い。
このような構成とすることで、冷媒と被加熱流体である水とは、第２の凝縮器１１で凝縮過程における過熱域と凝縮域での熱交換を行い、第１の凝縮器１０で過冷却域での熱交換を行う。これにより、凝縮域及び過冷却域での熱交換率が増加し、凝縮器２の小型化が可能である。
【００３１】
また、凝縮器２は、冷媒伝熱管と被加熱流体伝熱管により形成され、冷媒と被加熱流体とが熱交換可能である第１の凝縮器１０を冷媒の入口側及び出口側の双方に設けて、各第１の凝縮器１０の中間に第２の凝縮器１１を設けても良い。
このような構成とすることで、凝縮過程における過熱域と過冷却域の両方の熱交換を第１の凝縮器１０で行い、凝縮域での熱交換を第２の凝縮器１１で行うことが出来る。これにより、第１及び第２の実施形態における効果に加え、過冷却域での熱交換率が増加し、さらに凝縮器２の小型化が可能である。
【００３２】
本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧縮機、２…凝縮器、２ａ…二重管熱交換器、２ｂ…プレート式熱交換器、２ｃ…伝熱管熱交換器、３…膨張装置、４…蒸発器、５…冷媒配管、６…流体ポンプ、７…水配管、１０…第１の凝縮器、１１…第２の凝縮器、１００…冷凍サイクル装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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