(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えて、非共沸混合冷媒を封入したヒートポンプ装置であって、
前記蒸発器に関して、プレート式熱交換器を縦形にして使用するとともに、前記非共沸混合冷媒を上向きに、熱交換する流体を下向きに流すように使用し、
前記膨張弁入口の液冷媒と前記蒸発器出口の液ガス二相冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器を設け、
前記蒸発器出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とし、前記圧縮機入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上として運転するヒートポンプ装置において、
前記蒸発器の入口と出口及び前記圧縮機の入口に、それぞれの前記非共沸混合冷媒の温度を測定する温度検出器を配置して、前記蒸発器の入口と出口との温度差が第１の設定値以上の場合には、前記膨張弁を開くとともに、前記蒸発器の入口若しくは出口と前記圧縮機の入口との温度差が第２の設定値以下の場合には、前記膨張弁を絞るように、制御して、前記冷媒乾き度を維持するように運転するに際して、
前記蒸発器の入口若しくは出口と前記圧縮機の入口との温度差による前記膨張弁制御を、前記蒸発器の入口と出口との温度差による前記膨張弁制御より、優先させるように行なうことを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプ装置（冷凍装置を含む）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
凝縮、蒸発時に温度変化する非共沸混合冷媒（以下、単に混合冷媒という）を用い、凝縮器と蒸発器との間に対向流熱交換器を配置させてローレンツサイクルを構成すれば、一般に広く使われているフロン２２やフロン１３４ａに代表される単一冷媒を用いた逆カルノーサイクルのヒートポンプ装置に比べて、同一冷却若しくは加熱能力に対して圧縮機動力を大幅に削減でき、成績係数（＝熱出力／投入動力、以下、ＣＯＰという）が向上することが指摘されている。
【０００３】
ただし、ローレンツサイクルでヒートポンプ装置の高性能化を達成するためには、高性能な対向流熱交換器を使用する必要がある。
【０００４】
また、冷媒熱交換器を有し、混合冷媒を用いたヒートポンプ装置としては、図１に示すものが公知である（特開昭６２−１９６５０号公報参照）。
【０００５】
このヒートポンプ装置Ｐ０では、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４、及び、凝縮器２を出て膨張弁３の手前の冷媒と蒸発器４を出て圧縮機１の手前の冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器５、を含むクローズドループで構成されている。そして、このヒートポンプ装置Ｐ０では、冷媒熱交換器５により、蒸発器４の出口における冷媒を適度な湿りガス状態にして、冷媒の蒸発により、凝縮器２の出口の高温液冷媒を過冷却するようにしてあり、蒸発器４での冷媒の過熱から生じる熱交換ロスによるＣＯＰの低下を防止するとともに、圧縮機１に適当な過熱ガス状態の冷媒を供給して、圧縮機１での液圧縮による圧縮機１の破損を防止するようにしている。
【０００６】
さらに、ヒートポンプ装置で多用されている多管式熱交換器を蒸発器として用いる場合には、滞留した高沸点成分を封入組成より多く含んだ伝熱性能低下の原因となる冷媒液を、所定のポンプを利用して、圧縮機における電動機ケーシング内部、オイルクーラー、あるいは、ガス冷却用の冷媒液噴霧機構のいずれかに導くヒートポンプ装置も公知である（特開昭６３−８７５５７号公報参照）。
【０００７】
このヒートポンプ装置では、蒸発器に滞留する高沸点成分を多く含む冷媒液をヒートポンプ内の高温部分に供給するようにして、蒸発器の伝熱性能を改善するようにしている。なぜなら、混合冷媒を使用した蒸発器においては、高沸点成分が蒸発器内に多く滞留すると、その高沸点成分が伝熱阻害となり大幅な伝熱性能の低下を招くからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示すヒートポンプ装置Ｐ０で高性能化を達成しようとしても、蒸発器の伝熱性能が著しく低ければ、被冷却流体と混合冷媒とに大きな温度差が必要となり、蒸発圧力の低下を招いて、ＣＯＰの低下を生じさせてしまう。
【０００９】
さらに、多管式熱交換器を蒸発器として用いる場合には、滞留した高沸点成分の冷媒液を積極的に排除する動力が必要となり、消費電力の増加や動力部の追加によるメンテナンスの煩雑化を招いて、ランニングコストやメンテナンスコストも増加させることとなっていた。
【００１０】
本発明は、上述の課題を解決するものであり、動力部の追加を行なうことなく、蒸発器の伝熱性能を良好に維持できるとともに、信頼性を損なうことなく、ＣＯＰを改善することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備えて、混合冷媒を封入したヒートポンプ装置であって、
前記蒸発器に関して、プレート式熱交換器を縦形にして使用するとともに、前記混合冷媒を上向きに、熱交換する流体を下向きに流すように使用し、
前記膨張弁入口の液冷媒と前記蒸発器出口の液ガス二相冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器を設け、
前記蒸発器出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とし、前記圧縮機入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上として運転することを特徴とする。
【００１２】
そして、前記蒸発器の入口と出口及び前記圧縮機の入口に、それぞれの前記非共沸混合冷媒の温度を測定する温度検出器を配置して、前記蒸発器の入口と出口との温度差が第１の設定値以上の場合には、前記膨張弁を開き、前記蒸発器の入口若しくは出口と前記圧縮機の入口との温度差が第２の設定値以下の場合には、前記膨張弁を絞るように、制御して、前記冷媒乾き度を維持するように運転することが望ましい。
【００１３】
この場合、前記蒸発器の入口若しくは出口と前記圧縮機の入口との温度差による前記膨張弁制御は、前記蒸発器の入口と出口との温度差による前記膨張弁制御より、優先させるように行なうことが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
実施形態で使用するヒートポンプ装置Ｐ１は、図２に示すように、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４、及び、凝縮器２を出て膨張弁３の手前の混合冷媒と蒸発器４を出て圧縮機１の手前の混合冷媒とを熱交換させる冷媒熱交換器５を、混合冷媒を封入した管路６で接続させたクローズドループで構成されている。
【００１６】
蒸発器４は、プレート式熱交換器を縦形にして使用するとともに、混合冷媒を上向きに、熱交換する流体、すなわち、被冷却流体を下向きに流すように使用している。
【００１７】
また、ヒートポンプ装置Ｐ１は、蒸発器４の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とし、圧縮機１の入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上として、運転するように構成されている。
【００１８】
蒸発器４の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とすれば、実施形態のように、蒸発器４としてのプレート式熱交換器を縦形に配置し、混合冷媒を上向きに、被冷却流体を下向きに流して使用した場合、伝熱性能を向上させることができるからである。
【００１９】
また、圧縮機１の入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上とすれば、圧縮機１に過剰な液分が吸引されず、圧縮機の破損を防止することができて、ヒートポンプ装置Ｐ１の信頼性を損なうことがない。
【００２０】
図３に、実施形態の蒸発器４の出口の冷媒乾き度を変化させた場合の伝熱性能を表わしたグラフ図を示す。なお、このグラフ図における縦軸の伝熱性能の数値は、蒸発器４の出口での冷媒乾き度を１．０とした時の伝熱性能を１．０とした場合の比例値である。
【００２１】
このグラフ図から解るように、蒸発器４の出口の冷媒乾き度を、０．９５を超えるようにすると、伝熱性能が向上しないのに対し、０．９５以下とすれば、乾き度が小さくなる程、伝熱性能が向上することが解る。
【００２２】
そして、実施形態のヒートポンプ装置Ｐ１での動作状態をＴ−Ｓ線図で示せば、図４に表わす状態となる。図４の符号ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇのポイントは、図２の符号ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇの部位に相当する。さらに、図４のＩの線図が蒸発器４の伝熱性能の良好な場合であり、図４のIIの線図（ｅ´〜ｇ´）が蒸発器４の伝熱性能が劣る場合である。
【００２３】
すなわち、蒸発器４として、プレート式熱交換器を縦形に配置し、混合冷媒を上向きに、被冷却流体を下向きに流して使用した場合、伝熱性能が劣れば、被冷却流体と大きな温度差が必要となって、図４のIIの線図となり、蒸発圧力が低下して、圧縮仕事を増加させる必要が生じて、ヒートポンプ装置のＣＯＰを低下させてしまう。
【００２４】
そのため、蒸発器４の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とすれば、実施形態のように、蒸発器４としてのプレート式熱交換器を縦形に配置し、混合冷媒を上向きに、被冷却流体を下向きに流して使用した場合、伝熱性能を向上させることができて、ヒートポンプ装置Ｐ１のＣＯＰを向上させることができる。
【００２５】
ちなみに、この場合の混合冷媒の状態は、図２・４を参照すると、圧縮機１を出たポイントａでは、高圧のガス冷媒となっており、そのガス冷媒が凝縮器２で冷却水に冷却され、凝縮開始点ｂを経て、ポイントｃで完全に液冷媒となって凝縮器２から排出され、冷媒熱交換器５において、蒸発器４からの液ガス二相冷媒に熱を奪われて温度降下し、過冷却液冷媒となって、ポイントｄに至る。ついで、膨張弁３を出たポイントｅで、低圧の液ガス二相冷媒となり、蒸発器４に送られる。蒸発器４では、被冷却流体から熱を奪って温度を上昇させ、完全に蒸発しない状態の乾き度を０．９５以下とする液ガス二相冷媒となったポイントｆを経て、冷媒熱交換器５に送られる。そして、冷媒熱交換器５において、露点ｇを経て、熱力学的に完全に蒸発し、乾き度を過熱領域を含めた１．０以上としたガス冷媒となって、圧縮機１に吸引されることとなる。
【００２６】
そして、実施形態の場合、これらの冷媒乾き度を調整するために、蒸発器４の入口（ポイントｅ）と出口（ポイントｆ）及び圧縮機１の入口（ポイントｈ）に、それぞれの混合冷媒の温度を測定する温度検出器７・８・９を配置して、蒸発器４の入口と出口との温度差が所定の設定値以上の場合には、膨張弁３を開き、蒸発器４の入口若しくは出口と圧縮機１の入口との温度差が所定の設定値以下の場合には、膨張弁３を絞るように、制御装置１０が制御するように構成されている。
【００２７】
この場合の制御の温度設定について述べると、混合冷媒は、その成分と構成比が決まれば、露点（図４のｇ）と沸点（図４のｅ0 ）との温度差（ｇ−ｅ0 ）が一義的に求められる（これをア式とする）。また、冷媒熱交換器５を出た液冷媒の温度、すなわち、膨張弁３の入口のポイントｄでの温度も、冷媒熱交換器５の能力と混合冷媒の凝縮温度・蒸発温度により事前に求められて、そのため、露点ｇと膨張弁３の出口、すなわち、蒸発器４の入口のポイントｅとの温度差（ｇ−ｅ）も求めることができる（これをイ式とする）。さらに、特定の冷媒乾き度とした場合の温度、すなわち、ポイントｆでの温度と露点ｇとの温度差（ｇ−ｆ）も一義的に求めることができる（これをウ式とする）。
【００２８】
そして、イ・ウ式から、特定の冷媒乾き度とした場合のポイントｆの温度と、膨張弁３の出口、すなわち、蒸発器４の入口のポイントｅとの温度差（ｆ−ｅ）と、ポイントｆでの特定の冷媒乾き度と、の関係が解る。
【００２９】
そのため、温度検出器７・８からの温度信号を入力した制御装置１０は、温度差の大小に応じて、膨張弁３を制御すれば、ポイントｆでの冷媒乾き度を０．９５以下に制御することができる。すなわち、蒸発器４の出口の冷媒乾き度を０．９５以下の目標値とする場合、その目標冷媒乾き度に対応する温度差（後述する目標設定値Ｙ）より、温度信号による温度差が大きければ、計測した冷媒乾き度が目標冷媒乾き度より大きいことを意味することから、膨張弁３を開いて、蒸発器４へ流入する液ガス二相冷媒の圧力を上げ、冷媒乾き度を下げるように制御すれば、ポイントｆでの０．９５以下の所定の目標冷媒乾き度を得ることができる。
【００３０】
また、イ式から、特定の冷媒乾き度とした場合のポイントｅの温度と露点ｇを超えたポイントｈとの温度差（ｈ−ｅ（＞ｇ−ｅ））と、ポイントｈでの特定の冷媒乾き度との関係が解る。
【００３１】
そのため、温度検出器７・９からの温度信号を入力した制御装置１０は、温度差の大小に応じて、膨張弁３を制御すれば、ポイントｈでの冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上に制御することができる。すなわち、圧縮機１の入口の冷媒乾き度を過熱領域を含めた１．０以上の目標値とする場合、その目標冷媒乾き度に対応する温度差（後述する目標設定値Ｘ）より、温度信号による温度差が小さければ、計測した冷媒乾き度が目標冷媒乾き度より小さいことを意味することから、膨張弁３を絞り、蒸発器４へ流入する液ガス二相冷媒の圧力を下げ、冷媒乾き度を上げるように制御すれば、ポイントｈでの１．０以上の所定の目標冷媒乾き度を得ることができる。
【００３２】
なお、イ式とウ式とから、特定の冷媒乾き度とした場合のポイントｆの温度と露点ｇを超えたポイントｈとの温度差（ｈ−ｆ（＞ｇ−ｆ））と、ポイントｈでの特定の冷媒乾き度との関係も解る。そのため、制御装置１０は、温度検出器８・９からの温度信号を入力して、ポイントｆとポイントｈとの温度差の大小に応じて、膨張弁３を制御するようにして、ポイントｈでの冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上に制御することができる。すなわち、冷媒乾き度が過熱領域を含めた１．０以上の目標値とする場合、その目標冷媒乾き度に対応する温度差（後述する目標設定値Ｘ´）より、温度信号による温度差が小さければ、計測した冷媒乾き度が目標冷媒乾き度より小さいことを意味することから、膨張弁３を絞り、蒸発器４へ流入する液ガス二相冷媒の圧力を下げ、冷媒乾き度を上げるように制御すれば良い。
【００３３】
そしてさらに、実施形態の場合には、制御装置１０は、蒸発器４の入口若しくは出口と圧縮機１の入口との温度差による膨張弁３の制御を、蒸発器４の入口と出口との温度差による膨張弁３の制御より優先するように設定されている。
【００３４】
すなわち、実施形態のヒートポンプ装置Ｐ１では、制御装置１０が、図５のブロック線図に示すように制御する。なお、Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９は、それぞれ、温度検出器７・８・９からの温度信号に基づくポイントｅ・ｆ・ｈの混合冷媒の温度である。また、目標設定値Ｘは、ポイントｈでの冷媒乾き度を過熱領域を含めた１．０以上の目標値とする場合の、その目標冷媒乾き度に対応する（Ｔ９−Ｔ７）の温度差である。さらにまた、目標設定値Ｙは、ポイントｆでの冷媒乾き度を０．９５以下の目標値とする場合の、その目標冷媒乾き度に対応する（Ｔ８−Ｔ７）の温度差である。
【００３５】
そして、実施形態のヒートポンプ装置Ｐ１では、図５のブロック線図に示すように、ポイントｈでの温度Ｔ９とポイントｅでの温度Ｔ７との差が、目標設定値Ｘより小さければ、膨張弁３を絞って、ポイントｈでの冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上に制御することができ、ポイントｈでの温度Ｔ８とポイントｅでの温度Ｔ６との差が、目標設定値Ｘより大きければ、ポイントｈでの冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上とした状態としていることが確認され、ついで、ポイントｆでの温度Ｔ８とポイントｅでの温度Ｔ７との差が、目標設定値Ｙより大きければ、膨張弁３を開いて、ポイントｆでの冷媒乾き度を、０．９５以下の所定の目標冷媒乾き度に調整することができる。また、ポイントｆでの温度Ｔ８とポイントｅでの温度Ｔ７との差が、目標設定値Ｙより小さければ、ポイントｆでの冷媒乾き度を０．９５以下とした状態としていることが確認され、制御装置１０は、再度、各温度検出器７・８・９からの温度信号を入力して、既述の制御を行なうこととなる。
【００３６】
したがって、実施形態のヒートポンプ装置Ｐ１では、蒸発器４の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とし、圧縮機１の入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上として、運転できるように構成されており、動力部の追加を行なうことなく、蒸発器の伝熱性能を良好に維持できるとともに、信頼性を損なうことなく、ＣＯＰを改善することができる。
【００３７】
さらに、実施形態のヒートポンプ装置Ｐ１では、圧縮機１の入口での冷媒乾き度が１．０以上となるように、優先して、制御弁３を制御することから、例えば、連続運転中に、被冷却流体の流量が急減したような場合でも、圧縮機１には、過剰な液分が吸引されず、圧縮機の破損を防止することができて、運転を続行することができる。
【００３８】
なお、膨張弁３を絞る制御に関し、ポイントｈでの温度Ｔ９とポイントｅでの温度Ｔ７との差と目標設定値Ｘとの比較の代わりに、ポイントｈでの温度Ｔ９とポイントｆでの温度Ｔ８との差と、目標設定値Ｘ´（ポイントｈでの冷媒乾き度を過熱領域を含めた１．０以上の目標値とする場合の、その目標冷媒乾き度に対応する（Ｔ９−Ｔ８）の温度差）とを比較し、Ｔ９−Ｔ８の差が、目標設定値Ｘ´より小さければ、膨張弁３を絞るように制御しても良い。
【００３９】
また、冷媒熱交換器５の容量が著しく大きな場合には、膨張弁３を開いても、ポイントｆでの冷媒乾き度を０．９５以下を確保して、ポイントｈでの冷媒乾き度を、過熱領域を含めて、１．０以上に確保できることから、実施形態のように、圧縮機１の入口での冷媒乾き度が１．０以上となるように、優先して、制御弁３を制御しなくとも良い。
【００４０】
すなわち、蒸発器４の入口と出口との温度差が目標設定値Ｙ以上の場合には、膨張弁３を開き、そして、蒸発器４の入口若しくは出口と圧縮機１の入口との温度差が目標設定値Ｘ以下若しくは目標設定値Ｘ´以下の場合に、膨張弁３を絞るように、制御して、所定の冷媒乾き度を維持するように運転すれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係るヒートポンプ装置では、蒸発器としてのプレート式熱交換器を縦形に配置し、混合冷媒を上向きに、被冷却流体を下向きに流して使用しており、その蒸発器の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下とし、圧縮機の入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上として運転している。
【００４２】
すなわち、蒸発器の出口の冷媒乾き度を、０．９５以下としているため、ポンプ等の動力部を用いることなく、伝熱性能を向上させることができて、被冷却流体と混合冷媒の温度差を小さくでき、蒸発圧力の上昇・圧縮仕事の減少を図れて、ヒートポンプ装置のＣＯＰを向上させることができる。
【００４３】
また、圧縮機の入口の冷媒乾き度を、過熱領域を含めた１．０以上としているため、圧縮機に過剰な液分が吸引されず、圧縮機の破損を防止することができて、ヒートポンプ装置の信頼性を損なうことがない。
【００４４】
また、蒸発器の入口と出口との混合冷媒の温度差を比較的大きく取る設計条件とすれば、蒸発器の小型化が可能となる。
【００４５】
そして、請求項２に記載した構成とすれば、所定の部位の冷媒乾き度を、混合冷媒の所定部位の温度差に基づく膨張弁の絞りと開きとの制御で得られるようにすれば、簡便に、ヒートポンプ装置を運転することができる。
【００４６】
さらに、請求項３に記載した構成とすれば、圧縮機の入口での冷媒乾き度が１．０以上となるように、優先して、制御弁を制御することから、例えば、連続運転中に、被冷却流体の流量が急減したような場合でも、圧縮機には、過剰な液分が吸引されず、圧縮機の破損を防止することができて、連続運転を続行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図２】本発明の一実施形態のヒートポンプ装置の冷媒回路図である。
【図３】プレート式熱交換器を混合冷媒の蒸発器として使用した際の伝熱特性図である。
【図４】実施形態の冷媒サイクルを示したＴ−Ｓ線図である。
【図５】同実施形態の制御装置の制御を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、
２…凝縮器、
３…膨張弁、
４…蒸発器、
５…冷媒熱交換器、
７・８・９…温度検出器、
１０…制御装置、
Ｐ０・Ｐ１…ヒートポンプ装置。
【図１】
0004112090.tif 000002
【図２】
0004112090.tif 000003
【図３】
0004112090.tif 000004
【図４】
0004112090.tif 000005
【図５】
0004112090.tif 000006