JPH07332814A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステ
ムの冷凍サイクルにおいて、副膨張弁、気液分離器及び
主膨張弁を設け、冬期の低温室外気時に着霜が生じたよ
うな場合にも、運転モードを変更することなくデフロス
ト運転を行なうことができるようにし、かつデフロスト
時間を短縮するとともに暖房運転再起動初期時の高能力
化を可能にする。 【構成】 非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプ式の冷
凍回路において、凝縮器２と蒸発器６との間に副膨張弁
３、気液分離器４、主膨張弁５を直列に配設するととも
に気液分離器４の気相部４aと蒸発器６とをデフロスト
用バイパス冷媒配管８で接続することにより、分離され
た気相成分を室外蒸発器の除霜に用いられるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、非共沸混合冷媒を用
いたヒートポンプシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、高沸点冷媒と低沸点冷媒の相
互に沸点の異なる２種の混合冷媒、すなわち非共沸混合
冷媒を用いたヒートポンプシステムが種々検討されてい
る。

【０００３】ところで、このような沸点の異なる２種の
混合冷媒を用いた場合、冷媒の非等温性によって例えば
フロン系の冷媒Ｒ２２のような単一冷媒を用いた場合よ
りも着霜が生じやすくなる問題がある。すなわち、例え
ば図４に示すように蒸発器出口では着霜限界温度Ｔoよ
りも高い温度Ｔ₁となるように圧力調整された冷凍サイ
クルにおいても、冷媒に非等温性があると、蒸発器入口
における温度はＴ₂となって着霜限界温度Ｔoを下回る場
合があり、特に蒸発器入口における着霜が顕著となる。

【０００４】そこで、従来、このような蒸発器入口部で
の着霜を防止することを目的として、例えば実公平３−
３８５９２号公報では、蒸発器を複数に分割し、その間
に複数の減圧機構を設ける装置が提案されている。

【０００５】また、他方特公平２−１２３４４号公報で
は、凝縮器の後流部に気液分離器を設け、その気相成分
を副凝縮器にて液下させることによって冷媒の温度を上
昇させてデフロストに用いる装置が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記実
公平３−３８５９２号公報の発明のように蒸発器を複数
に分割した場合には、入口部に近い蒸発器の蒸発温度が
必然的に高くなることによる能力の低下及び実際の使用
にあたっての蒸発器の複数分割が困難であることなどの
問題が懸念され、また特公平２−１２３４４号公報の発
明では副凝縮器が必要であることやサイクル内の圧力バ
ランスによって副凝縮器からの液冷媒が膨張弁に流れな
い場合も考えられるなどの未だ改善すべき問題がある。

【０００７】本願発明は、上述のような非共沸混合冷媒
を用いたヒートポンプシステムの冷凍サイクルにおいて
凝縮器下流側に副膨張弁、気液分離器及び主膨張弁を設
け、冬期の低温室外気時などにおいて室外蒸発器に着霜
が生じたような場合、上記気液分離器で分離された気相
成分を当該室外蒸発器の除霜に用いることによって、運
転モードを変更することなくデフロスト運転を行ない、
かつ可及的にデフロスト時間を短縮するとともに暖房運
転の再起動初期時の高能力化を可能にすることを目的と
している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明は、該目的を達
成するために、次のような課題解決手段を備えて構成さ
れている。

【０００９】すなわち、本願発明のヒートポンプシステ
ムは、例えば図１に示すように、非共沸混合冷媒を用い
たヒートポンプ式冷凍回路において、凝縮器２と蒸発器
６との間に副膨張弁３、気液分離器４、主膨張弁５が直
列に配設されているとともに上記気液分離器４の気相部
４aと上記蒸発器６入口部とがバイパス冷媒配管８を介
して接続されて構成されている。

【００１０】また、本願発明のヒートポンプシステム
は、上記構成における蒸発器６と圧縮機１間に液留め部
７を有し、該液留め部７と上記気液分離器４の気相部４
aとがバイパス冷媒配管９を介して接続されて構成され
ている。

【００１１】さらに、本願発明のヒートポンプシステム
は、上記各構成におけるバイパス冷媒配管８,９の途中
に各々開閉弁１２,１３が設けられている。

【００１２】

【作用】本願発明は、上記構成に対応して次のような作
用を奏する。

【００１３】すなわち、本願発明のヒートポンプシステ
ムの構成では、上述のように、相互に沸点が異なる非共
沸混合冷媒を用いたヒートポンプ式冷凍回路において、
先ず当該冷凍回路の凝縮器２と蒸発器６との間に副膨張
弁３、気液分離器４、主膨張弁５が直列に配設されてい
て、例えばデフロストを行なわない定常運転時には上記
副膨張弁３によって減圧された凝縮器２からの冷媒は、
気液分離器４において気相と液相に分離される。

【００１４】そして、液相の冷媒のみが蒸発器６側に流
され、気相冷媒は気相部４aに留められる。

【００１５】一方、低温室外気時などの着霜の進行によ
って蒸発器６のデフロストが必要となった時は、上記の
ように気液分離器４の気相部４aと上記蒸発器６入口部
とがデフロスト用のバイパス冷媒配管８で接続されてい
るので、該バイパス冷媒配管８を介して高温の気相冷媒
が蒸発器６に流されて短時間で効率的なデフロストが行
われる。

【００１６】そして、該場合において、さらに上記蒸発
器６と圧縮機１間に液留め部７を有し、該液留め部７が
上記気液分離器４の気相部４aにバイパス冷媒配管９を
介して接続されているので、上記デフロスト用のバイパ
ス冷媒配管８を使用しない定常運転時には、上記気液分
離器４の気相部４aの気相冷媒は当該液留め部７に流入
し、蒸発器６からのガス冷媒と混合されて圧縮機１に吸
入される。

【００１７】また、それらの各場合において、上記バイ
パス冷媒配管８,９の途中に各々開閉弁１２,１３が設け
られていると、該開閉弁１２,１３の開弁制御により、
上記定常運転時とデフロスト運転時の適切な気相冷媒の
切換え制御が行われる。

【００１８】今、例えば、図１を参照し、図２に示され
た圧力−組成線図によって上記定常運転時からデフロス
ト運転時までの動作を説明すると次のようになる。

【００１９】すなわち、凝縮器２を圧力Ｐcで流出した
液冷媒は副膨張弁３によって圧力Ｐdまで減圧されて気
液二相状態となって気液分離器４に流入する。この時気
液分離器４内の液相の組成Ｃ₁は気相に比べて高沸点冷
媒の方がリッチであり、着霜が生じないような低負荷条
件の運転に適した組成の冷媒であるため、この液冷媒の
みを主膨張弁５によって圧力Ｐeまで減圧して蒸発器６
に流入させるようにすれば、冷凍サイクルの効率を向上
することができる。

【００２０】他方外気温度が低下し、室外熱交換器に着
霜が生じたような場合にはデフロスト運転を行う。この
場合には気液分離器４の気相部４aと液留め部７を接続
しているバイパス冷媒配管９及び気液分離器４から主膨
張弁５への配管は閉じられ、気液分離器４の気相部４a
側に接続された蒸発器６入口部のバイパス冷媒配管８の
みが開かれる。従って、蒸発器６には気液分離器４内の
比較的高温の冷媒が流れ、デフロスト運転を非常に短時
間で終了させることができる。

【００２１】このデフロスト運転時の動作を図３の圧力
−組成線図を用いて説明すると、上記気液分離器４内の
気相成分Ｃ₂は比較的低沸点成分が多く含まれているた
め、上記液留め部７内の冷媒の組成は通常運転時Ｃoよ
りも低沸点成分がリッチであるＣ₃になる。

【００２２】したがって、デフロスト運転を終了し、通
常の暖房運転モードに回復した初期時に凝縮器２に流入
する冷媒の暖房能力は通常よりも大きくなり、暖房運転
の効率を向上させることができると共にデフロスト時の
能力低下によるドラフト感を低減することも可能とな
る。

【００２３】また、通常のデフロスト運転では四方弁の
切り換えによって運転モードを逆転させることが必要で
あるが、本願発明の場合にはその必要がなくなる。

【００２４】

【発明の効果】以上の結果、本願発明のヒートポンプシ
ステムによると、次のような効果を得ることができる。

【００２５】 低負荷運転時の冷凍サイクル効率の向
上を図ることができる。

【００２６】 デフロスト運転時間の短縮によるドラ
フト感の低下及び暖房運転効率の向上が実現される。

【００２７】 暖房運転再起動初期時の暖房能力の増
大を図ることができる。

【００２８】

【実施例】図１〜図３は、本願発明の実施例に係る非共
沸混合冷媒を用いた圧縮式ヒートポンプシステムの冷凍
回路の構成および作用を示している。

【００２９】先ず図１は、上記冷凍回路の構成を示して
いる。該冷凍回路は、圧縮機１、凝縮器２、副膨張弁
３、気液分離器４、主膨張弁５、蒸発器６、液留め部７
を当該順序で圧縮機１の冷媒吐出口側から冷媒吸入口側
に順次直列に主冷媒配管を介して接続して構成されてお
り、該回路中に相互に沸点を異にする２種の冷媒を混合
して形成した非共沸混合冷媒(以下、単に冷媒という)を
一定量封入し、該冷媒を液体から気体へ、また気体から
液体へと繰り返し相変化させながら循環させることによ
ってヒートポンプ機能を実現するようになっている。

【００３０】一方、該構成において、上記気液分離器４
の気相部４aは、第１の開閉弁１２を介設した第１のバ
イパス冷媒配管８を介して蒸発器６の入口部に接続され
ているとともに第２の開閉弁１３を介設した第２のバイ
パス冷媒配管９を介して上記液留め部７に接続されてい
る。

【００３１】次に該冷凍回路の定常運転時およびデフロ
スト運転時の各作用について、図２、図３の各圧力−組
成線図を参照して説明する。

【００３２】(１) 定常運転時の冷凍サイクルの動作 デフロスト運転を行わない定常運転の場合の冷凍サイク
ルでは、上記蒸発器６のバイパス通路となる気液分離器
４気相部４aからの第１のバイパス冷媒配管(図１の破
線)８は第１の開閉弁１２によって閉じられている。従
って、副膨張弁３によって減圧された冷媒は気液分離器
４において気相と液相に分離され、さらに主膨張弁５を
介して液相の冷媒のみが蒸発器６側に流れ、一方気相冷
媒は第２のバイパス冷媒配管９を介して液留め部７に流
入する。

【００３３】すなわち、今上記図１の凝縮器２を流出す
る液冷媒Ａの圧力をＰc、組成比(循環組成比)をＣoとす
ると、該圧力Ｐc、組成比Ｃoの液冷媒Ａは、先ず上記副
膨張弁３の所で第一次的に圧力Ｐdまで減圧されて気液
２相状態(気相側組成比Ｃ₂、液相側組成比Ｃ₁)の冷媒Ｂ
となって、気液分離器４に流入し、当該組成比Ｃ₂,Ｃ₁
の気相冷媒Ｄと、液冷媒Ｃとに分離される。

【００３４】そして、気相部４aの気相冷媒Ｄ(組成比Ｃ
₂)は第２の開閉弁１３の開放により第２のバイパス冷媒
配管９を介して圧縮機１側液留め部７に直接戻される。
該液留め部７に戻された気相冷媒Ｄは、当該液留め部７
内において蒸発器６からのガス冷媒Ｇと混合されて圧力
Ｐg、組成比Ｃoの冷媒Ｆとなり、圧縮機１に吸入され
る。

【００３５】そして、圧縮機１で圧縮され、液化された
上記組成比Ｃoの冷媒Ｈが再び上記凝縮器２に供給され
る。

【００３６】他方、上記気液分離器４で気相冷媒Ｄと分
離され、その液相部４bに留まる液冷媒Ｃは、さらに主
膨張弁５によって第２次的に減圧されて、圧力Ｐc、組
成比Ｃ₁の気液２相冷媒Ｅとなる。そして、該気液２相
冷媒Ｅは、流量調整弁１１を介して蒸発器６に供給され
て蒸発し、ガス冷媒Ｇとなって液留め部７に供給され、
上記のように気液分離器４の気相部４aからの気相冷媒
Ｄと混合された後に圧縮機１に吸入される。

【００３７】上記のように、凝縮器２を圧力Ｐcで流出
した液冷媒Ａは副膨張弁３によって圧力Ｐdまで減圧さ
れて気液二相状態となり、気液分離器４に流入する。こ
の時、気液分離器４内の液相の組成は気相に比べて高沸
点冷媒がリッチであり、着霜が生じないような低負荷条
件の運転に適した組成の冷媒となっているため、この液
冷媒のみを主膨張弁５によって圧力Ｐeまで減圧して蒸
発器６に流入させるようにすることで冷凍サイクルの効
率を向上させることができる(図２参照)。

【００３８】(２) デフロスト運転の場合の冷凍サイク
ル 一方、外気温度が低下し、室外熱交換器に着霜が生じた
場合にはデフロスト運転を行う。この場合には気液分離
器４と液留め部７を接続している第２のバイパス冷媒配
管９及び気液分離器４から主膨張弁５への配管は閉じら
れ、気液分離器４の気相部４a側に接続された蒸発器６
入口部側の第１のバイパス冷媒配管８のみが開かれる。

【００３９】その結果、上記蒸発器６には、気液分離器
４の気相部４aから高温の気相冷媒(圧力Ｐd、組成比
Ｃ₂)Ｄが流され、極めて短時間の内にデフロストが行わ
れる。

【００４０】その後、該デフロスト完了後の気相冷媒
(組成比Ｃ₂)Ｇは液留め部７に供給される。この時、液
留め部７では、圧力Ｐg、組成比Ｃ₃の低沸点成分の冷媒
が貯留される。

【００４１】そして、続く再起動時初期には、上記貯留
された低沸点成分の冷媒(組成比Ｃ₃)が圧縮機１に吸入
されて凝縮器２に供給されるようになるために、凝縮器
２の凝縮能力が増大することになる。

【００４２】そして、所定の運転時間が経過すると、該
凝縮器２への冷媒の組成は一定(Ｃo)のものとなって定
常運転が行われる。

【００４３】今、以上のデフロスト運転時の動作を図３
の圧力−組成線図を用いて説明すると、上記のように気
液分離器４内の気相成分Ｃ₂は比較的低沸点成分が多く
含まれているため、液留め部７内の冷媒の組成は定常運
転時(組成比Ｃo)よりも低沸点成分がリッチであるＣ₃に
なる。したがって、暖房運転再起動初期時に凝縮器２に
流入する冷媒の暖房能力は通常よりも大きくなり、暖房
運転の効率を向上させることができると共にデフロスト
時の能力低下によるドラフト感をも低減することが可能
となる。また、通常のデフロスト運転では一般に四方弁
の切り換えによって運転モードを逆転させる必要がある
が、本願発明の場合にはその必要がなくなる。

【００４４】なお、上記気相部４aから蒸発器６へのデ
フロスト用バイパス冷媒配管８は、例えば蒸発器６の各
パス毎に分割して設けても良いことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本願発明の実施例に係るヒートポンプ
システムの冷凍回路の構成を示す回路図である。

【図２】図２は、同ヒートポンプシステムの定常運転時
の冷媒圧力−組成線図である。

【図３】図３は、同ヒートポンプシステムのデフロスト
運転時の冷媒圧力−組成線図である。

【図４】図４は、従来のヒートポンプシステムにおける
非共沸混合冷媒の温度変化による着霜現象を説明する冷
媒線図である。

【符号の説明】

１は圧縮機、２は凝縮器、３は副膨張弁、４は気液分離
器、４aは気相部、５は主膨張弁、６は蒸発器、７は液
留め部、８は第１のバイパス冷媒配管、９は第２のバイ
パス冷媒配管、１２は第１の開閉弁、１３は第２の開閉
弁である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプ式
   冷凍回路において、凝縮器(２)と蒸発器(６)との間に副
   膨張弁(３)、気液分離器(４)、主膨張弁(５)が直列に配
   設されているとともに上記気液分離器(４)の気相部(４
   a)と上記蒸発器(６)入口部とがバイパス冷媒配管(８)を
   介して接続されていることを特徴とするヒートポンプシ
   ステム。
2. 【請求項２】 蒸発器(６)と圧縮機(１)間に液留め部
   (７)を有し、該液留め部(７)と上記気液分離器(４)の気
   相部(４a)とがバイパス冷媒配管(９)を介して接続され
   ていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシ
   ステム。
3. 【請求項３】 バイパス冷媒配管(８),(９)の途中に各
   々開閉弁(１２),(１３)が設けられていることを特徴と
   する請求項１又は２記載のヒートポンプシステム。