超臨界冷凍裝置的制作方法

專利名稱：超臨界冷凍裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超臨界冷凍裝置，特別是涉及一種將外界氣體作為蒸發器的熱源流體、采用兩級壓縮機作為壓縮機的超臨界冷凍裝置。
背景技術：
對于將外界氣體作為蒸發器的熱源流體、采用兩級壓縮機作為壓縮機的超臨界冷凍裝置，通常，在外界氣體溫度降低的情況下，蒸發壓力、即低壓側壓力降低。并且，伴隨該低壓側壓力的降低，低級側壓縮機的排出側壓力、即中間壓力也降低。與此相對，高級側壓縮機的排出壓力、即高壓側壓力，由于高級側壓縮機的排出側氣體作為加熱水和空氣等的利用側熱交換媒體的熱源使用，所以存在在必須使高級側壓縮機的排出側氣體溫度保持高溫的情況，即，必須保持高壓側壓力為很高壓力的情況(例如，高壓壓力不下降的情況)。這種情況下，在采用前述兩級壓縮機的冷凍裝置中，高壓側壓力和中間壓力的壓力差隨外界氣體溫度的下降而同時變大。
但是，當高壓側壓力和中間壓力的壓力差隨外界氣體溫度的下降而同時變大時，由于高級側壓縮機的高低壓力差變大，所以壓縮效率變差，同時，作用在各個部件上的力變大，存在耐用性下降的問題。例如，當高低壓力差變大時，存在高級側壓縮機中的葉片閥或排出閥破損等可能。
本發明是鑒于現有技術中存在的問題而提出的。其目的為，提供一種配有防止高級側壓縮機的高低壓力差增大的旁通回路的超臨界冷凍裝置。并且，提供一種采用這種超臨界冷凍裝置的熱泵式熱水供應裝置。

發明內容
為了實現上述目的，根據本發明的超臨界冷凍裝置，具有將作為結構要件配有低級側壓縮機和高級側壓縮機的兩級壓縮機、冷卻從該兩級壓縮機的高級側壓縮機排出的氣體的高壓側熱交換器、膨脹裝置、與外界氣體進行熱交換的蒸發器順次連接起來的冷媒回路，該冷媒回路以高壓側壓力為超臨界狀態的方式形成，該冷媒回路進一步具有旁通回路，該旁通回路在外界氣體降低時，使被高壓側熱交換器冷卻后的高壓氣體冷媒分流到前述低級側壓縮機的排出側。
采用這種結構，由于外界氣體溫度下降，高級側壓縮機的高壓側的氣體冷媒通過分流到中間壓力部分中，使中間壓力上升，高級側壓縮機中的壓縮比減小。并且，由于分流的冷媒氣體是被高壓側熱交換器冷卻之后的冷媒氣體，所以吸入高級側壓縮機的冷媒氣體的過熱度小。因而，由于減小了高級側壓縮機的高低壓力差，所以不必擔心排出閥或葉片閥的破損，可以提高壓縮機的耐用性。并且，隨著高級側壓縮機的壓縮比減小，吸入氣體的過熱度減小，從而提高了其運轉效率。
并且，前述兩級壓縮機，當外界氣體溫度下降時，以抑制壓縮機能力下降的方式進行容量控制，前述膨脹閥裝置，在外界氣體溫度下降時，可以以抑制高級側壓縮機的排出壓力下降的方式進行開度控制。
采用這種結構，在外界氣體溫度下降時，保持較高的高壓側壓力，可以保持較高的高級側壓縮機的排出氣體溫度。
并且，前述冷媒回路可以填充二氧化碳作為冷媒。
采用這種結構，既使用不具有可燃性、毒性的冷媒，又可以用于高級側壓縮機的排出側氣體溫度較高的超臨界冷媒循環。并且，借助前述旁通回路的作用，在防止高壓側壓力下降的同時，可以保持較高的高級側壓縮機的排出側氣體溫度。
并且，前述兩級壓縮機，在導入前述低級側壓縮機的排出氣體的密閉殼體內，可以內置前述低級側壓縮機、高級側壓縮機和驅動用電動機。
采用這種結構，中間壓力作用在壓縮機殼體內，使兩級壓縮機缸體內外以及壓縮機殼體內外的壓力差減半，使作用在各部位上的力減小。結果，與由前述旁通回路來防止高低壓力差增大的效果相結合，進一步提高了兩級壓縮機的耐用性。
并且，根據本發明的熱泵式熱水供應裝置，由于采用了上述的超臨界冷凍裝置，所以在外界氣體溫度下降的情況下，可以防止高級側壓縮機的高低壓力差增大，可以不使裝置的耐用性惡化地獲得高溫熱水。


圖1是根據本發明實施形式的熱水供應裝置的回路圖。
圖2是根據本發明實施形式的壓力控制說明圖。
具體實施形式下面，參照附圖詳細說明將本發明具體化為熱泵式熱水供應裝置的實施形式。圖1是根據本發明實施形式的熱水供應裝置的回路圖，圖2是根據本發明實施形式的壓力控制說明圖。
如圖1所示，根據實施形式1的熱水供應裝置，配有超臨界冷凍循環裝置1、熱水供應單元2和控制裝置3。另外，在該實施形式中，控制裝置3設置在超臨界冷凍循環裝置1內。并且，超臨界冷凍循環裝置1和熱水供應單元2由水用連接配管5、6連接起來。
超臨界冷凍循環裝置1配有順次連接反向驅動式兩級壓縮機11、高壓側熱交換器12、電動膨脹閥13、蒸發器14、蓄熱器15的冷媒回路。并且，該冷媒回路中的冷媒流向，在恒定運轉時如圖1中的實線箭頭所示。
反向驅動式兩級壓縮機11是將低級側壓縮機11a、高級側壓縮機11b、驅動這些壓縮機11a和11b的公用電動機11c內置于密閉殼體內的壓縮機，低級側壓縮機11a的排出側和高級側壓縮機11b的吸入側由連接配管11d連接起來。并且，密閉殼體內的空間被中間壓力氣體、即低級側壓縮機11a的排出氣體充滿。
并且，反向驅動式兩級壓縮機11，在超臨界冷卻循環運轉中利用后面所述的控制裝置3控制運轉頻率、控制轉速。另外，在高級側壓縮機11b的排出配管中，設有用于檢測從高級側壓縮機11b排出的排出氣體溫度的排出氣體溫度檢測器31。
高壓側熱交換器12由導入從高級側壓縮機11b排出的高壓冷媒的冷媒用熱交換管12a、和導入從配置在熱水供應單元2內的蓄水箱21送出的熱水供應水的水用熱交換管12b構成，兩者形成熱交換關系。因此，從高級側壓縮機11b排出的高溫高壓冷媒氣體被從蓄水箱21送出的熱水供應水冷卻，該熱水供應水被從高級側壓縮機11b排出的氣體所含的熱加熱。
電動膨脹閥13對被高壓側熱交換器12冷卻的高壓氣體冷媒減壓，其利用脈沖馬達進行驅動。并且，在超臨界冷卻循環運轉中，利用后面所述的控制裝置3對其進行開度控制。
蒸發器14使被電動膨脹閥13減壓的低壓氣液混合冷媒與作為熱源媒體的外界氣體進行熱交換，使該冷媒氣化。另外，在該蒸發器14中，附加設置有用于檢測外界氣體溫度的外界氣體溫度檢測器32。
而且，按照上述結構，在配有上述結構設備的冷媒回路中，從高壓側熱交換器12的出口側配管至連接低級側壓縮機11a和高級側壓縮機11b的連接配管11d設置有旁通回路16，在該旁通回路16中，設置有電磁開關閥17和毛細管18。
并且，在上述冷媒回路的內部填充有作為替代冷媒的二氧化碳(CO2)。作為冷卻、空調用的代表性的天然冷媒，可以舉出碳氫化合物(HC丙烷或異丁烷等)、氨、空氣和CO2等。但是，作為冷媒的特性，碳氫化合物和氨能量效率良好但存在具有可燃性和毒性等負面問題，空氣存在在超低溫區域以外能量效率變差等問題。相對而言，二氧化碳不具有可燃性和毒性，是安全的。
熱水供應單元2配有蓄水箱21、熱水循環泵22、熱水供應配管23、給水配管24。而且，蓄水箱21的上部和下部，相對于前述水用熱交換管12b，利用包含連接水用配管5、6的熱水循環回路P連接起來。
熱水循環回路P是以向水用熱交換管12b送入蓄水箱21下部的溫度較低的水、將被水用熱交換管12b加熱的溫度較高的水導入蓄水箱21的上部的方式構成的。并且，在熱水循環回路P中安裝有熱水循環泵22。另外，在蓄水箱21內，利用比重差，在上部蓄存溫度較高的熱水，在下部蓄存溫度較低的水。并且，利用設置在蓄水箱21上部的加熱溫度檢測器33測定蓄水箱21內的上部熱水溫度、即加熱溫度。
熱水供應配管23用于向熱水龍頭、浴缸等中供應熱水，其被連接到蓄水箱21的上部，可以供應蓄水箱21中的溫度較高的熱水。另外，在該熱水供應回路中安裝有開關閥25。
熱水供應配管24可以向蓄水箱21內供應普通的自來水，通過止回閥26、減壓閥27連接到蓄水箱21的底部。
控制裝置3，在恒定運轉中，依照規定的順序控制反向驅動式兩級壓縮機的運轉頻率和電動膨脹閥13的開度，但是在外界氣體溫度下降時按照下述方式控制。即，外界氣體溫度檢測器32檢測出的外界氣體溫度在規定溫度、例如0℃以下，相對與外界氣體溫度的下降、以抑制高壓側壓力下降的方式控制縮小電動膨脹閥13的開度，同時，以保持壓縮機能力大體恒定的方式控制反向驅動式兩級壓縮機11的轉速(運轉頻率)增大。并且，控制裝置3，在上述外界氣體溫度下降至上述規定溫度(0℃)時，打開電磁開關閥17。通過打開電磁開關閥17，以圖1中虛線箭頭所示的方式將高壓氣體冷媒分流到中間壓力的連接配管11d上。
通過按照上述方式進行控制，如圖2所示，以保持相對于外界氣體溫度下降保持壓力大致恒定的方式控制高壓側壓力。并且，中間壓力，當象現有技術那樣沒有旁通回路16時，如圖2中虛線所示下降，與此相對，在本實施形式的情況下，如同一圖中的實線所示那樣，該壓力下降受到抑制。因此，使高級側壓縮機11b的高低壓力差的增大受到抑制。并且這時，由于分流的高壓側冷媒氣體被高壓側熱交換器12冷卻，所以吸入高壓側壓縮機11b的冷媒氣體的過熱度減小。
另外，對于中間壓力，在本發明和現有技術中，相對于外界氣體溫度的降低，現有技術的中間壓力的壓力差擴大，而本發明則利用了毛細管18的作用。并且，在圖2中，壓力曲線僅表示到外界氣體溫度到-10℃為止，但是，這只是湊巧該熱水供應裝置的運轉允許范圍被定為-10℃而已。
采用上述結構的實施形式，當外界氣體溫度下降時，在高壓側壓縮機11b中，由于高低壓力差減小，所以不必擔心排出閥或葉片閥破損，可以提高壓縮機的耐用性。并且，高級側壓縮機的壓縮比減小時，吸入氣體的過熱度減小，從而，提高了運轉效率。
并且，當外界氣體溫度下降時，由于高壓側壓力保持較高，所以高級側壓縮機的排出側氣體溫度保持較高。特別如圖2所示，在高壓側壓力保持一定的情況下，熱水供應用熱水在該情況下可以保持大體一定的規定值。并且，在該實施形式中，由于采用二氧化碳作為冷媒，所以冷媒氣體不存在可燃性和毒性等問題，易于處理。
并且，反向驅動式兩級壓縮機11，在導入低級側壓縮機11a的排出氣體的密閉殼體內，內置有低級側壓縮機11a、高級側壓縮機11b和驅動用電動機11c，因而，壓縮機殼體內為中間壓力。因此，缸體內外和壓縮機殼體內外的壓力差減半，作用在各個部位上的力很小。結果，與旁通回路16的防止高低壓力差增大的效果相結合，可以進一步提高反向驅動式兩級壓縮機11的耐用性。
另外，本發明可以進行下述變型以便具體實施。
(1)在上述實施形式中，旁通回路16是在0℃時開放的，但是該溫度可以通過冷凍裝置的設計進行適當的變化。
(2)并且，在旁通回路16中，設有電磁開關閥17和毛細管18，但是，代替這些，也可以采用電動閥，根據外界氣體溫度的下降逐漸使其開度增大。采用這種方式，在旁通回路開放時，不會使壓力急劇變化，可以平穩地進行控制。
(3)并且，旁通回路16中的電磁開關閥17和毛細管18的連接順序也可以被反過來。即，被分流的冷媒氣體可以在通過毛細管18之后再通過電磁開關閥17。但是，在這種情況下，由于電磁開關閥17是在開關減壓之后的冷媒氣體的流通，所以存在處理氣體的比容大、需要口徑大的電磁開關閥的缺點。
(4)在上述實施形式中，作為壓縮機采用反向驅動式兩級壓縮機11，但是也可以采用其它形式的容量可變的兩級壓縮機。
(5)并且，上述實施形式中，根據本發明的超臨界冷凍裝置被具體用于熱泵式熱水供應裝置，但是，該超臨界冷凍循環裝置也可以被具體用于其它加熱裝置，例如加熱室內空氣的采暖機。
由于本發明按上述方式構成，所以具有以下效果。
采用根據本發明的第一方面所述發明的超臨界冷凍循環裝置，具有將作為結構要件配有低級側壓縮機和高級側壓縮機的兩級壓縮機、冷卻從該兩級壓縮機的高級側壓縮機排出的氣體的高壓側熱交換器、膨脹裝置、與外界氣體進行熱交換的蒸發器順次連接起來的冷媒回路，該冷媒回路以高壓側壓力為超臨界狀態的方式形成，該冷媒回路進一步具有旁通回路，該旁通回路在外界氣體降低時，使被高壓側熱交換器冷卻后的高壓氣體冷媒分流到前述低級側壓縮機的排出側，因而，在高級側壓縮機中，高低壓力差變小，不必擔心排出閥和葉片閥破損，提高了耐用性。并且，在高級側壓縮機中，由于吸入的氣體過熱度小，所以提高了其運轉效率。
并且，采用本發明的第二方面所述的發明，在本發明的第一方面所述的發明中，前述兩級壓縮機，當外界氣體溫度下降時，以抑制壓縮機能力下降的方式對容量進行控制，前述膨脹閥裝置，在外界氣體溫度下降時，以抑制高級側壓縮機的排出壓力下降的方式對開度進行控制，從而，在外界氣體溫度下降時，可以保持較高的高壓側壓力，可以保持較高的高級側壓縮機排出側氣體溫度。
并且，采用本發明的第三方面所述的發明，在本發明的第一、二方面所述的發明中，冷媒回路中填充有二氧化碳作為冷媒，因而，既可以使用不具有可燃性、毒性的冷媒，又可以用于高級側壓縮機的排出側氣體溫度較高的超臨界冷凍循環。并且，通過前述旁通回路的作用，可以防止高壓側壓力的下降，同時，可以保持較高的高級側壓縮機排出側氣體溫度。
并且，采用本發明的第四方面所述的發明，前述兩級壓縮機，是將前述低級側壓縮機、高級側壓縮機和驅動用電動機內置于導入前述低級側壓縮機排出氣體的密閉殼體內的壓縮機，因而，兩級壓縮機的缸體內外和壓縮機殼體內外的壓力差減半，作用在各個部位上的力很小。結果，與前述旁通回路防止高低壓力差增大的效果相結合，進一步提高了兩級壓縮機的耐用性。
并且，采用根據本發明的第五方面所述發明的熱泵式熱水供應裝置，由于應用了本發明的第一至四方面中任何一項所述的超臨界冷凍裝置，所以在外界氣體溫度下降的情況下，可以防止高級側壓縮機的高低壓力差增大，可以裝置耐用性不會惡化地獲得高溫熱水。
權利要求
1.一種超臨界冷凍裝置，具有將作為結構要件配有低級側壓縮機和高級側壓縮機的兩級壓縮機、冷卻從該兩級壓縮機的高級側壓縮機排出的氣體的高壓側熱交換器、膨脹裝置、與外界氣體進行熱交換的蒸發器順次連接起來的冷媒回路，該冷媒回路以高壓側壓力為超臨界狀態的方式形成，該冷媒回路進一步具有旁通回路，該旁通回路在外界氣體降低時，使被高壓側熱交換器冷卻后的高壓氣體冷媒分流到前述低級側壓縮機的排出側。
2.如權利要求1所述的超臨界冷凍裝置，其特征在于前述兩級壓縮機，當外界氣體溫度下降時，以抑制壓縮機能力下降的方式進行容量控制，前述膨脹閥裝置，在外界氣體溫度下降時，以抑制高級側壓縮機的排出壓力下降的方式進行開度控制。
3.如權利要求1或2所述的超臨界冷凍裝置，其特征在于前述冷媒回路填充二氧化碳作為冷媒。
4.如權利要求1～3中任何一項所述的超臨界冷凍裝置，其特征在于前述兩級壓縮機，在導入前述低級側壓縮機的排出氣體的密閉殼體內，內置前述低級側壓縮機、高級側壓縮機和驅動用電動機。
5.一種熱泵式熱水供應裝置，采用如權利要求1～4中任何一項所述的超臨界冷凍裝置。
全文摘要
一種熱泵式熱水供應裝置，該裝置采用配有防止高級側壓縮機的高低壓力差增大的旁通裝置的超臨界冷凍裝置。具有將作為結構要件配有低級側壓縮機和高級側壓縮機的兩級壓縮機、冷卻從該兩級壓縮機的高級側壓縮機排出的氣體的高壓側熱交換器、膨脹裝置、與外界氣體進行熱交換的蒸發器順次連接起來的冷媒回路，該冷媒回路以高壓側壓力為超臨界狀態的方式形成。進而，在該冷媒回路中設有旁通回路，該旁通回路在外界氣體降低時，使被高壓側熱交換器冷卻后的高壓氣體冷媒分流到前述低級側壓縮機的排出側。
文檔編號F25B1/00GK1403769SQ0214159
公開日2003年3月19日 申請日期2002年9月3日 優先權日2001年9月4日
發明者瀧澤禎大, 小山清, 機重男, 星野聰, 式地千明, 石垣茂彌 申請人:三洋電機株式會社, 三洋電機空調株式會社