(57)【要約】【課題】  暖房効率を向上させるとともに、成績効率（ＣＯＰ）を併せて向上させた冷媒回路を提供することを目的とする。【解決手段】  圧縮機２と、主放熱器３と、副圧縮機４と、副放熱器５と、膨張手段６と、吸熱器７とを順次接続して冷媒回路１を構成するとともに、副圧縮機４の圧縮能力を主圧縮機２に比較し２０〜４０％とし、圧縮機２で圧縮した冷媒を主放熱器３で放熱させた後、副圧縮機４で若干昇圧させ副放熱器５で放熱させることにより、成績係数ＣＯＰを向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、主放熱器と、昇圧手段と、副放熱器と、膨張手段と、吸熱器とを順次接続し、前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記主放熱器で放熱させた後、前記昇圧手段で昇圧させた冷媒を前記副放熱器で放熱させ、前記膨張手段と、前記吸熱器とを経て前記圧縮機に還流させてなり、前記昇圧手段の昇圧圧力を前記圧縮機よりも小としたことを特徴とする冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルに関わり、より詳細には、暖房運転の能力を向上させる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷媒サイクルとして、例えば図７（Ａ）に示すようなヒートポンプ給湯器回路３０があり、同ヒートポンプ給湯器回路３０は、二酸化炭素冷媒が循環する冷媒回路３１と、水が供給され加熱されて温水となり流出する給湯回路３２とからなっている。冷媒回路３１は、前段圧縮要素３３と第一放熱器３４と後段圧縮要素３５と第二放熱器３６と第三放熱器３７とを配管４６により順次接続するとともに、内部熱交換器４１と膨張弁３８と蒸発器３９とアキュームレータ４０と内部熱交換器４１とを接続する配管４７及び配管４８とからなっている。
【０００３】
給湯回路３２は、水を供給する配管４３を接続した第三放熱器３７と、これに接続される第二放熱器３６と、同第二放熱器３６に接続される、温水を流出させる配管４４とからなるとともに、前記第三放熱器３７から分流量制御弁４２を介して第一放熱器３４に接続され、同第一放熱器３４から配管４４に合流する配管４５とからなっている。
【０００４】
冷媒回路３１において、前段圧縮要素３３にて圧縮された二酸化炭素冷媒は高温高圧となって第一放熱器３４に流入し、同第一放熱器３４を通過する給湯回路３２の水と熱交換して、これを加熱する。放熱して低温となった冷媒は後段圧縮要素３５により再度昇圧されて高温となり第二放熱器３６と第三放熱器３７とで、これを通過する水と熱交換して加熱するようになっている。続いて内部熱交換器４１を介して膨張弁３８に流入し、膨張して低温低圧となる。低温低圧となった冷媒は、蒸発器３９で蒸発し、アキュームレータ４０と内部熱交換器４１とを介して前段圧縮要素３３に還流するようになっている。
【０００５】
配管４３から供給された給湯回路３２の水は、まず第三放熱器３７で加熱された後、配管４４と配管４５とに分流し、配管４４に分岐した流れは第二放熱器３６により再度加熱されて温水となり流出し、配管４５に分岐した流れは第一放熱器３４で再度加熱された後、配管４４に合流し流出していくようになっている。この際、分流量制御弁４２により配管４５に流入する水量を調節することにより、第二放熱器３６と第一放熱器３４での加熱効率を向上させるようになっている。
【０００６】
また、冷媒回路３１に循環する二酸化炭素冷媒は動作圧力及び温度が高く、圧縮機に高耐圧性が求められるが、前段圧縮要素３３と後段圧縮要素３５とにより、冷媒を二段で圧縮することにより、これらの問題を緩和するとともに、圧縮効率を向上させるようになっている。同冷媒回路３１は、図７（Ｂ）のモリエル線図において、点線で示すようなサイクルを行うようになっており、モリエル線図の臨界点から右側に位置する乾き飽和蒸気線外の高エンタルピーの範囲で、後段圧縮要素３５により冷媒の再圧縮を行うようになっている。しかしながら、高エンタルピー領域で再圧縮を行うことから高い圧縮動力を要し、後段圧縮要素３５の圧縮能力は前段圧縮要素３３と同程度の圧縮能力が求められ、これによりＣＯＰが低下するという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−１０６９８８号（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、暖房効率を向上させるとともに、成績効率（ＣＯＰ）を併せて向上させた冷媒サイクル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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、主放熱器と、昇圧手段と、副放熱器と、膨張手段と、吸熱器とを順次接続し、前記圧縮機で圧縮された冷媒を前記主放熱器で放熱させた後、前記昇圧手段で昇圧させた冷媒を前記副放熱器で放熱させ、前記膨張手段と、前記吸熱器とを経て前記圧縮機に還流させてなり、前記昇圧手段の昇圧圧力を前記圧縮機よりも小とした構成となっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、圧縮機と、同圧縮機に比較し圧縮能力が低い、昇圧手段としての副圧縮機とを設け、圧縮機で圧縮した冷媒を主放熱器で放熱させた後、副圧縮機で若干昇圧させ副放熱器で放熱させることにより、成績係数ＣＯＰを向上させた冷媒回路とすることができ、暖房効率をより高めることができるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明による超臨界冷凍サイクルの第一実施例を示す冷媒回路図であり、図２は、本発明の効果を説明するモリエル線図である。図３は一段圧縮サイクルと二段圧縮サイクルの冷媒回路図であり、図４は暖房能力とＣＯＰの比較表である。また、図５及び図６は夫々第二実施例及び第三実施例を示す冷媒回路図である。  
【００１２】
本発明による超臨界冷凍サイクルの第一実施例は、図１で示す冷媒回路１のように、圧縮機２と、主放熱器３と、昇圧手段としての副圧縮機４と、副放熱器５と、膨張手段６と、吸熱器７とを順次接続して構成されており、同冷媒回路１には、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。圧縮機２と副圧縮機４とは、スクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、主放熱器３と副放熱器５と吸熱器７とは、例えば、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状の伝熱管とからなるクロスフィン型の熱交換器で構成されている。また、膨張手段６は、膨張弁あるいは、二酸化炭素冷媒の膨張エネルギを回収可能な膨張機で構成されている。また、副圧縮機４は圧縮機２に比較し、圧縮能力が例えば２０〜４０％低い、小型の圧縮機が用いられている。
【００１３】
圧縮機２で圧縮され、超臨界状態となった二酸化炭素冷媒は、主放熱器３に流入して熱を放出する。熱を放出して低温となった超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、副圧縮機４に流入し、更に圧縮されるようになっている。昇圧された二酸化炭素冷媒は，副放熱器５で再度熱を放出した後、膨張手段６で膨張して、超臨界以下の気相と液相とに分離した二相状態となり、この二相状態の二酸化炭素冷媒は、前記吸熱器７で熱を吸収して気相状態となり前記圧縮機２に還流するようになっている。
【００１４】
冷媒回路１は、図２のモリエル線図で示すようなサイクルとなっている。同モリエル線図の横軸はエンタルピーであり、縦軸は圧力である。Ａ→Ｂ間は、圧縮機２での圧縮工程であり、Ｂ→Ｃ間は主放熱器３での放熱工程である。Ｃ→Ｄ間は、副圧縮機４での圧縮工程であり、圧力がΔＰだけ上昇するようになっており、圧力がΔＰだけ上昇した冷媒は、Ｄ→Ｅ間で副放熱器５により再度放熱するようになっている。再度放熱した冷媒は、Ｅ→Ｆ間で膨張して圧力が低下するとともに、気相冷媒と液相冷媒とからなる二相冷媒となり、Ｆ→Ａ間で、吸熱器により周囲の熱を吸収し、Ａ点に復帰するようになっている。
【００１５】
次に、従来の一段圧縮と、本発明による二段圧縮での、暖房能力と成績係数（ＣＯＰ）との差異について説明する。説明の中で、Ｐ１は圧縮機の流入側冷媒圧力であり、Ｐ２は圧縮機の流出側冷媒圧力である。Ｐ３は放熱器の流出側冷媒圧力であり、Ｐ４は副圧縮機の流出側冷媒圧力である。また、Ｐ５は副放熱器の流出側冷媒圧力である。Ｔ１は圧縮機の流入側冷媒温度であり、Ｔ２は圧縮機の流出側冷媒温度である。Ｔ３は放熱器の流出側冷媒温度であり、Ｔ４は副圧縮機の流出側冷媒温度である。また、Ｔ５は副放熱器の流出側冷媒温度である。Ｅ１は圧縮機の流入側冷媒エンタルピーであり、Ｅ２は圧縮機の流出側冷媒エンタルピーである。Ｅ３は放熱器の流出側冷媒エンタルピーであり、Ｅ４は副圧縮機の流出側冷媒エンタルピーである。また、Ｅ５は副放熱器の流出側冷媒エンタルピーである。
【００１６】
図３で示す冷媒回路８は、圧縮機９と放熱器１０と膨張手段１１と吸熱器１２とを順次接続し、前記圧縮機９で一段圧縮を行う従来の冷媒回路となっている。まず、圧縮機９で冷媒圧力を５ＭＰａ上昇させる場合について説明する。圧縮機９流入側の冷媒状態は、圧力Ｐ１＝３Ｍｐａ、温度Ｔ１＝０°Ｃであり、この状態でのエンタルピーＥ１＝４３１．１ＫＪ／Ｋｇである。圧縮機９で圧縮された冷媒は、圧力が５ＭＰａ上昇してＰ２＝８ＭＰａ、温度Ｔ２＝６１．８°Ｃまで上昇し、エンタルピーＥ２＝４６３．２ＫＪ／Ｋｇとなる。続いて、放熱器１０で放熱し、圧力Ｐ３＝８ＭＰａ、温度Ｔ３＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ３＝２８４．３ＫＪ／Ｋｇまで低下する。この際の放熱器１０での暖房能力は、Ｅ２−Ｅ３＝１７８．９ＫＪ／Ｋｇであり、ＣＯＰ＝（Ｅ２−Ｅ３）／（Ｅ２−Ｅ１）＝５．５７となる。
【００１７】
次に、上記冷媒回路８において、圧縮機９で冷媒圧力を６ＭＰａ上昇させる場合について説明する。圧縮機９流入側の冷媒状態は、圧力Ｐ１＝３Ｍｐａ、温度Ｔ１＝０°Ｃであり、この状態でのエンタルピーＥ１＝４３１．１ＫＪ／Ｋｇである。圧縮機９で圧縮された冷媒は、圧力が６ＭＰａ上昇してＰ２＝９ＭＰａ、温度Ｔ２＝７１．４°Ｃまで上昇し、エンタルピーＥ２＝４６８．３ＫＪ／Ｋｇとなる。続いて、放熱器１０で放熱し、圧力Ｐ３＝９ＭＰａ、温度Ｔ３＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ３＝２７６．６ＫＪ／Ｋｇまで低下する。この際の放熱器１０での暖房能力は、Ｅ２−Ｅ３＝１９１．７ＫＪ／Ｋｇであり、ＣＯＰ＝（Ｅ２−Ｅ３）／（Ｅ２−Ｅ１）＝５．１５となる。
【００１８】
次に、上記冷媒回路８において、圧縮機９で冷媒圧力を７ＭＰａ上昇させる場合について説明する。圧縮機９流入側の冷媒状態は、圧力Ｐ１＝３Ｍｐａ、温度Ｔ１＝０°Ｃであり、この状態でのエンタルピーＥ１＝４３１．１ＫＪ／Ｋｇである。圧縮機９で圧縮された冷媒は、圧力が７ＭＰａ上昇してＰ２＝１０ＭＰａ、温度Ｔ２＝８０．１°Ｃまで上昇し、エンタルピーＥ２＝４７３．０ＫＪ／Ｋｇとなる。続いて、放熱器１０で放熱し、圧力Ｐ３＝１０ＭＰａ、温度Ｔ３＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ３＝２７１．９ＫＪ／Ｋｇまで低下する。この際の放熱器１０での暖房能力は、Ｅ２−Ｅ３＝２０１．１ＫＪ／Ｋｇであり、ＣＯＰ＝（Ｅ２−Ｅ３）／（Ｅ２−Ｅ１）＝４．８０となる。
【００１９】
次に、本発明による二段圧縮を行う冷媒回路について説明する。本願による図１での冷媒回路１は、上記したように、圧縮機２と、主放熱器３と、昇圧手段としての副圧縮機４と、副放熱器５と、膨張手段６と、吸熱器７とを順次接続して構成されている。まず、圧縮機２で冷媒圧力を５ＭＰａ上昇させ、副圧縮機４で１ＭＰａ上昇させる場合について説明する。圧縮機２流入側の冷媒状態は、圧力Ｐ１＝３Ｍｐａ、温度Ｔ１＝０°Ｃであり、この状態でのエンタルピーＥ１＝４３１．１ＫＪ／Ｋｇである。圧縮機２で圧縮された冷媒は、圧力が５ＭＰａ上昇してＰ２＝８ＭＰａ、温度Ｔ２＝６１．８°Ｃまで上昇し、エンタルピーＥ２＝４６３．２ＫＪ／Ｋｇとなる。続いて、主放熱器３で放熱し、圧力Ｐ３＝８Ｍｐａ、温度Ｔ３＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ３＝２８４．３ＫＪ／Ｋｇまで低下する。主放熱器３で放熱した冷媒は、副圧縮機４で再度圧縮され、圧力が１ＭＰａ上昇するようになっている。副圧縮機４を通過した冷媒は、圧力Ｐ４＝９Ｍｐａ、温度Ｔ４＝３２．２°Ｃ、エンタルピーＥ４＝２８５．７ＫＪ／Ｋｇとなり、副放熱器５に流入して再度放熱するようになっている。副放熱器５で放熱した冷媒は、圧力Ｐ５＝９Ｍｐａ、温度Ｔ５＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ５＝２７６．６ＫＪ／Ｋｇとなり、続いて、膨張手段６で膨張し、吸熱器７で吸熱した後、圧縮機２に還流するようになっている。主放熱器２及び副放熱器５における暖房能力は、（Ｅ２−Ｅ３）＋（Ｅ４−Ｅ５）＝１８８．０ＫＪ／Ｋｇであり、ＣＯＰ＝（（Ｅ２−Ｅ３）＋（Ｅ４−Ｅ５））／（（Ｅ２−Ｅ１）＋（Ｅ４−Ｅ３））＝５．６１となる。
【００２０】
次に、上記冷媒回路１において、圧縮機２で冷媒圧力を５ＭＰａ上昇させ、副圧縮機４で２ＭＰａ上昇させる場合について説明する。圧縮機２流入側の冷媒状態は、圧力Ｐ１＝３Ｍｐａ、温度Ｔ１＝０°Ｃであり、この状態でのエンタルピーＥ１＝４３１．１ＫＪ／Ｋｇである。圧縮機２で圧縮された冷媒は、圧力が５ＭＰａ上昇してＰ２＝８ＭＰａ、温度Ｔ２＝６１．８°Ｃまで上昇し、エンタルピーＥ２＝４６３．２ＫＪ／Ｋｇとなる。続いて、主放熱器３で放熱し、圧力Ｐ３＝８ＭＰａ、温度Ｔ３＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ３＝２８４．３ＫＪ／Ｋｇまで低下する。主放熱器３で放熱した冷媒は、副圧縮機４で再度圧縮され、圧力が２ＭＰａ上昇するようになっている。副圧縮機４を通過した冷媒は、圧力Ｐ４＝１０Ｍｐａ、温度Ｔ４＝３４．３°Ｃ、エンタルピーＥ４＝２８６．９ＫＪ／Ｋｇとなり、副放熱器５に流入して再度放熱するようになっている。副放熱器５で放熱した冷媒は、圧力Ｐ５＝１０Ｍｐａ、温度Ｔ５＝３０°ＣとなりエンタルピーＥ５＝２７１．９ＫＪ／Ｋｇとなる。主放熱器３及び副放熱器５における暖房能力は、（Ｅ２−Ｅ３）＋（Ｅ４−Ｅ５）＝１９３．９ＫＪ／Ｋｇであり、ＣＯＰ＝（（Ｅ２−Ｅ３）＋（Ｅ４−Ｅ５））／（（Ｅ２−Ｅ１）＋（Ｅ４−Ｅ３））＝５．５９となる。
【００２１】
図４で示す表は、従来の一段圧縮と、本発明による二段圧縮において、夫々、冷媒圧力を６ＭＰａ及び７ＭＰａ上昇させた場合の比較表である。一段圧縮において、圧縮差圧を６ＭＰａから７ＭＰａに増加させると、暖房能力は、１９１．７ＫＪ／Ｋｇから２０１．１ＫＪ／Ｋｇへと圧縮差圧に比例して増加するが、ＣＯＰは、圧縮エネルギ増加による影響を受けて５．１５から４．８０に低下してしまう。二段圧縮においては、一段目で５ＭＰａ上昇させた後、二段目で１ＭＰａ上昇させた場合、暖房能力は１８８．０ＫＪ／Ｋｇとなり、一段圧縮において圧縮差圧を６ＭＰａさせた暖房能力１９１．７ＫＪ／Ｋｇと、ほぼ同等であるがＣＯＰは５．１５から５．６１に改善されるようになっている。また、二段圧縮においては、一段目で５ＭＰａ上昇させた後、二段目で２ＭＰａ上昇させた場合、暖房能力は１９３．９ＫＪ／Ｋｇとなり、一段圧縮において圧縮差圧を７ＭＰａさせた暖房能力２０１．１ＫＪ／Ｋｇに比較し、若干低下するが、ＣＯＰは４．８０から５．５９に改善されるようになっている。
【００２２】
上記したように、一段圧縮で所定圧力まで一度に上昇させるよりも、二段圧縮において、一段目で６０〜８０％上昇させ、主放熱器で放熱させた後、二段目で残りの２０〜４０％上昇させるほうが、暖房能力が同等であるにもかかわらず、ＣＯＰを改善させるできることがわかる。また、図２のモリエル線図で示すように、Ｂ→Ｃ間の主放熱器３での放熱工程の後、臨界点より左方の飽和液線側に位置する低エンタルピー状態であり、且つ等エントロピー線の傾きが垂直に近い領域で副圧縮機４により圧縮を行うことにより、比較的少ない圧縮エネルギでこれを行うことができ、ＣＯＰの改善に繋げることができるようになっている。
【実施例２】
【００２３】
次に、第二実施例について説明する。第二実施例は図５（Ａ）で示すように、冷媒回路１３を、圧縮機２と、主放熱器３と、昇圧手段としてのディフューザ１４と、副放熱器５と、膨張手段６と、吸熱器７とを順次接続して構成している。ディフューザ１４は、図５（Ｂ）で示すように、流出側１４ｂの流路断面積が、流入側１４ａの流路断面積より大きくなっており、流路断面積が大きくなることにより、冷媒流速は流入側１４ａよりも流出側１４ｂが遅くなるが、冷媒圧力は流入側１４ａよりも流出側１４ｂが上昇するようになっている。これにより、圧縮機等の複雑な機構を用いなくとも、主放熱器３から流出した冷媒の圧力を再度上昇させることができるようになっており、コスト低減を図ることができるようになっている。
【実施例３】
【００２４】
次に、第三実施例について説明する。第三実施例は図６で示すように、冷媒回路１５を、圧縮機２と、主放熱器３と、昇圧手段としての副圧縮機１６ａと、副放熱器５と、膨張機１６ｂと、吸熱器７とを順次接続して構成している。副圧縮機１６ａと膨張機１６ｂとは、膨張機一体型圧縮機１６として構成され、図示しないシャフトにより連結されるようになっている。膨張機１６ｂに流入した高圧の冷媒が膨張してシャフトを回動させると、その駆動力は副圧縮機１６ａの補助駆動力となり、これによりエネルギ効率を向上させることができるようになっている。尚、膨張機１６ｂを圧縮機２とではなく副圧縮機１６ａと一体化する理由は、副圧縮機１６ａは負荷が圧縮機２に比較し低く、入出力の差圧が小さいので、運転が不安定になる虞が低く、また、両者の温度差が小さいので温度差による熱損失を低く抑えることができることによる。
【００２５】
以上、説明したように、冷媒回路１において、圧縮機２と、同圧縮機２に比較し圧縮能力が２０〜４０％の、昇圧手段としての副圧縮機４とを設け、圧縮機２で圧縮した冷媒を主放熱器３で放熱させた後、副圧縮機４で再度昇圧させ副放熱器５で放熱させることにより、暖房能力は同等であるにもかかわらず、成績係数ＣＯＰを向上させエネルギ効率を高めることができるようになっている。また、副圧縮機４による冷媒の圧縮をモリエル線図の、臨界点よりも左方の飽和液線側に位置する低エンタルピー状態で、言い換えれば等エントロピー線の傾きが垂直に近い領域で行うことにより、比較的少ない圧縮エネルギで冷媒の圧縮を行うことができ、圧縮効率をより向上させ、成績係数ＣＯＰを向上させた冷凍サイクルとすることができるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による超臨界冷凍サイクルの第一実施例を示す冷媒回路図である。
【図２】第一実施例での効果を説明するモリエル線図である
【図３】一段圧縮を行う冷媒回路である。
【図４】従来の一段圧縮と、本発明による二段圧縮とにおける暖房能力とＣＯＰの比較表である。
【図５】第二実施例を示す冷媒回路図である
【図６】第三実施例を示す冷媒回路図である
【図７】従来例における冷媒回路図とモリエル線図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  冷媒回路
２  圧縮機
３  主放熱器
４  副圧縮機
５  副放熱器
６  膨張手段
７  吸熱器
８  冷媒回路
９  圧縮機
１０  放熱器
１１  膨張手段
１２  吸熱器
１３  冷媒回路
１４  ディフューザ
１４ａ  流入側
１４ｂ  流出側
１５  冷媒回路
１６  膨張機一体型圧縮機
１６ａ  副圧縮機
１６ｂ  膨張機
【図１】
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【図２】
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【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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