超臨界循環以及利用了該超臨界循環的熱泵供給熱水機的制作方法

本申請是申請號為201280011674.0、申請日為2012年08月22日、名稱為“超臨界循環以及利用了該超臨界循環的熱泵供給熱水機”的專利申請的分案申請。

本發明涉及使高壓側(壓縮機噴出側)的壓力成為冷媒的臨界壓力以上的超臨界蒸汽壓縮式制冷循環(以下在本發明中稱作“超臨界循環”。)以及利用了該循環的熱泵供給熱水機。

背景技術：

在利用了co2冷媒等的超臨界循環中，通常使構成冷媒回路的設備類的設計壓力與該系統中的最大壓力對應起來進行設計，但是卻需要提高設備類的耐壓性能。因此，制造成本變高且壁厚變厚，由此有時傳熱時的損耗會增大而導致性能下降。尤其是，在具有冷媒僅在單一方向上循環的制冷循環的系統中，高壓側膨脹閥以后的冷媒回路的壓力在通常運轉時低于高壓側的壓力，但在過渡性運轉時壓力有時會有所上升。因此，以該系統的最大壓力進行設計為實情。

此外，由專利文獻1已經提出了如下構成，即：在超臨界循環的冷媒回路中，在散熱器與蒸發器之間設置第1膨脹閥、中間壓力容器(氣液分離器)以及第2膨脹閥，利用第1膨脹閥來對從散熱器流出的冷媒進行減壓，并且對散熱器出口的冷媒壓力進行控制，由此將循環的效率維持在最適值。進而，由專利文獻2已經提出了如下構成，即：在同樣的超臨界循環中，在散熱器與蒸發器之間設置電磁閥、第1減壓裝置、中間壓力容器以及第2減壓裝置，由壓力傳感器對中間壓力容器內的壓力進行檢測并開閉電磁閥，由此將中間壓力容器內的壓力確保在規定壓力，以防止送往蒸發器的冷媒量的下降、即制冷循環的能力的下降。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開平10-115470號公報

專利文獻2：日本發明專利第3326835號公報

技術實現要素：

發明概要

發明要解決的課題

然而，上述專利文獻1、2所記載的內容是通過第1膨脹閥或第1減壓裝置將冷媒壓力從高壓減壓成中間壓力，并非是將第1膨脹閥或第1減壓裝置以后的冷媒回路的壓力控制為規定的中間壓力條件以下的壓力，以將中間壓力的壓力上升抑制在一定值以下的壓力。因此，即便在過渡性運轉條件下有時第1膨脹閥或第1減壓裝置以后的壓力會超過超臨界壓力而使得冷媒僅在一個方向上循環的系統中，也需要以系統的最大壓力來設計第1膨脹閥或第1減壓裝置以后的設備類，沒有避開由此引起的成本上升、性能下降。

此外，在具備將由中間壓力容器(氣液分離器)分離出的中間壓力的冷媒氣體向壓縮機進行噴射的回路的超臨界循環中，上述情況下的、超過了超臨界壓力的較高壓力的臨界狀態的冷媒(接近于液冷媒的狀態的冷媒)有可能經由氣體噴射回路而向壓縮機進行噴射，這曾成為壓縮機的故障、損傷等的要因。

本發明正是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些以降低制造成本，并且能夠使各設備的壁厚變薄以謀求與之相應的性能提高的超臨界循環以及利用了該超臨界循環的熱泵供給熱水機。

用于解決課題的技術方案

為了解決上述的課題，本發明的超臨界循環以及利用了該超臨界循環的熱泵供給熱水機采用以下技術方案。

即、本發明的第1方式涉及的超臨界循環是將壓縮機、散熱器、第1電子膨脹閥、中間壓力容器、第2電子膨脹閥、以及蒸發器按照該順序進行配管連接由此構成冷媒回路的超臨界循環，在所述第1電子膨脹閥的下游側設置對中間壓力進行檢測的壓力傳感器，并設有當該壓力傳感器的檢測值滿足了規定的中間壓力條件時禁止所述第1電子膨脹閥向開放方向的控制的控制部件。

根據本發明的第1方式，在第1電子膨脹閥的下游側設置對中間壓力進行檢測的壓力傳感器，并設有當該壓力傳感器的檢測值滿足了規定的中間壓力條件時禁止第1電子膨脹閥向開放方向的控制的控制部件。因此，即便在將第1電子膨脹閥以后的壓力始終控制在規定的中間壓力條件以下的壓力、過渡時壓力有所上升的情形下，也能將壓力的上升抑制在一定值以下的值。因此，能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些以降低各自的制造成本，并且通過使各設備的壁厚變薄，從而能夠減小傳熱時的損耗等，以謀求與之相應的性能提高。其中，在利用了co2冷媒的情況下，由于其臨界壓力為約7.2mpa，因此針對散熱器等的設計壓力例如為14mpa的情況，即便將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力設定得稍高于臨界壓力，也能成為耐得住其大約一半的壓力的設計，通過簡單計算也能夠推定出可使壁厚變為大致一半。

進而，在上述的超臨界循環中，所述中間壓力容器被作為帶有氣液分離功能的容器，并設有將由該中間壓力容器分離出的中間壓力冷媒氣體向所述壓縮機進行噴射的氣體噴射回路。

根據本發明的第1方式，中間壓力容器被作為帶有氣液分離功能的容器，并設有將由該中間壓力容器分離出的中間壓力冷媒氣體向壓縮機進行噴射的氣體噴射回路。因此，經由氣體噴射回路而將由中間壓力容器分離出的中間壓力冷媒氣體向壓縮機進行噴射，從而利用其節約效果能夠提高能力以及制冷系數(cop)。此時，通過第1電子膨脹閥能夠始終將向壓縮機噴射的中間壓力冷媒的壓力控制在規定的中間壓力條件以下的壓力。由此，不用將較高壓力的冷媒、例如臨界狀態的冷媒向壓縮機噴射，便能夠防止噴射相應冷媒所引起的壓縮機的故障、損傷等。

進而，在上述的任一個超臨界循環中，所述中間壓力條件被設定為與所述第1電子膨脹閥相比被設在下游側的設備類的設計壓力以下。

根據本發明的第1方式，中間壓力條件被設定為與第1電子膨脹閥相比被設在下游側的設備類的設計壓力以下。因此，通過將該設定壓力作為閾值來禁止第1電子膨脹閥向開放方向的控制，從而超臨界循環中的中間壓力以及低壓不會超過與第1電子膨脹閥相比被設在下游側的中間壓力容器等的中間壓力設備類、或者蒸發器等的低壓設備類的設計壓力。因此，能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力設定得低些以降低它們的制造成本，并且通過使各設備類的壁厚變薄，從而能夠減小傳熱時的損耗等，以謀求傳熱性能的提高。

進而，本發明的第2方式涉及的熱泵供給熱水機具備上述任一個超臨界循環，所述散熱器被作為使冷媒和水進行熱交換來加熱水的冷媒/水熱交換器，通過該冷媒/水熱交換器能制造溫水。

根據本發明的第2方式，具備上述任一個超臨界循環，該散熱器被作為使冷媒和水進行熱交換來加熱水的冷媒/水熱交換器，經由該冷媒/水熱交換器可以制造溫水。因此，在通過熱泵循環使超臨界循環運轉來制造溫水時，即便在如高外部氣溫時、高溫入水時等那樣高壓、中間壓力易于變高的運轉條件下，也能夠始終將第1電子膨脹閥以后的壓力控制在規定的中間壓力條件以下的壓力，將壓力的上升抑制在一定值以下的值，以穩定地運轉。因此，能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些，以低成本制造熱泵供給熱水機，且通過使各設備類的壁厚變薄，也能減小傳熱時的損耗等，利用由此帶來的性能提高，能夠謀求熱泵供給熱水機的能力增強以及高性能化。

發明效果

根據本發明的第1方式涉及的超臨界循環，即便在將第1電子膨脹閥以后的壓力始終控制在規定的中間壓力條件以下的壓力、過渡時壓力有所上升的情形下，也能將壓力的上升抑制在一定值以下的值，因此能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些以降低各自的制造成本，并且通過使各設備的壁厚變薄，從而能夠減小傳熱時的損耗等，以謀求與之相應的性能提高。

根據本發明的第2方式涉及的熱泵供給熱水機，在通過熱泵循環使超臨界循環運轉來制造溫水時，即便在如高外部氣溫時、高溫入水時等那樣高壓、中間壓力易于變高的運轉條件下，也能夠始終將第1電子膨脹閥以后的壓力控制在規定的中間壓力條件以下的壓力，將壓力的上升抑制在一定值以下的值，以穩定地運轉，因此能夠將中間壓力容器以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些，以低成本制造熱泵供給熱水機，且通過使各設備類的壁厚變薄，也能減小傳熱時的損耗等，利用由此帶來的性能提高，能夠謀求熱泵供給熱水機的能力增強以及高性能化。

附圖說明

圖1是適用了本發明的一實施方式涉及的超臨界循環的熱泵供給熱水機的冷媒回路圖。

圖2是適用了圖1所示的超臨界循環的熱泵供給熱水機的冷媒回路的莫里爾線圖。

圖3是用于將適用了圖1所示的超臨界循環的熱泵供給熱水機的中間壓力控制在規定的中間壓力條件以下的壓力的控制狀態圖。

符號說明

1熱泵供給熱水機

2超臨界循環熱泵

92級壓縮機(壓縮機)

11散熱器(冷媒/水熱交換器)

12第1電子膨脹閥

13中間壓力容器

16a、16b第2電子膨脹閥

17a、17b蒸發器

20冷媒配管

21冷媒回路

31氣體噴射回路

34壓力傳感器

35控制部件

具體實施方式

以下，參照圖1至圖3，對本發明的一實施方式進行說明。

在圖1中示出適用了本發明的一實施方式涉及的超臨界循環的熱泵供給熱水機的冷媒回路圖，在圖2中示出其莫里爾線圖。

適用了本實施方式的超臨界循環的熱泵供給熱水機1具備：利用了co2冷媒的超臨界循環熱泵2、和與省略圖示的存貯熱水罐單元相連接的水循環系統路線3。

存貯熱水罐單元側的水循環系統路線3與省略圖示的存貯熱水罐以及供水系統相連接，并具備與超臨界循環熱泵2中的散熱器(冷媒/水熱交換器)11的水側流路相連接的供水側系統路線3a、和取出由該冷媒/水熱交換器11制造出的溫水的溫水取出側系統路線3b，在供水側系統路線3a設有水泵4以及流量控制閥5。

超臨界循環熱泵2由按如下方式形成的閉合循環的冷媒回路21構成，即：于密封腔6內內置有低級側壓縮機7以及高級側壓縮機8的2級壓縮機(壓縮機)9、對冷媒氣體中的油進行分離的油分離器10、對冷媒氣體進行散熱的散熱器(冷媒/水熱交換器)11、將冷媒減壓成中間壓力的第1電子膨脹閥12、帶有氣液分離功能的中間壓力容器13、對中間壓力冷媒和向2級壓縮機9吸入的低壓冷媒進行熱交換的內部熱交換器14、過冷卻線圈15a、15b、將中間壓力冷媒減壓成低溫低壓的氣液二相冷媒的第2電子膨脹閥16a、16b、使從省略了圖示的送風機送風的外部氣體和冷媒進行熱交換的多臺蒸發器(空氣熱交換器)17a、17b、以及被串聯連接的第1儲蓄器18以及第2儲蓄器19，依次經由冷媒配管20相連接。

冷媒回路21中的設于下游側的第2儲蓄器19與上游側的第1儲蓄器18相比也可容積小，能夠構成為相對于2級壓縮機9的密封腔6外周而經由托架等一體式設置。

此外，超臨界循環熱泵2的散熱器11，在一方的冷媒側流路上使從2級壓縮機9噴出的高溫高壓的冷媒氣體循環，在另一方的水側流路上經由水循環系統路線3使水循環，由此能夠被作為對水和冷媒氣體進行熱交換的冷媒/水熱交換器。而且，在該冷媒/水熱交換器11中被構成為利用高溫高壓的冷媒氣體來加熱水由此制造溫水。

在上述超臨界循環熱泵2的冷媒回路21中連接有回油回路22，該回油回路22將來自2級壓縮機9的由被設于冷媒噴出配管20a的油分離器10分離出的油返回到2級壓縮機9的冷媒吸入配管20b側。在該回油回路22中，設有對流經后述的氣體噴射回路31的冷媒和油進行熱交換的二重管式熱交換器23、和由電磁閥24以及兩根毛細管25a、25b的并聯回路構成的回油量調整機構26。回油回路22被連接在第1儲蓄器18與第2儲蓄器19之間的冷媒吸入配管20b。

在上述冷媒回路21中，熱氣體旁路回路27被連接在冷媒噴出配管20a與蒸發器17a、17b的冷媒入口側之間，該熱氣體旁路回路27在低外部氣溫下的運轉時等在蒸發器17a、17b的表面生成了霜的情況下，用于將從2級壓縮機9噴出的高溫高壓的熱氣體冷媒導入到蒸發器17a、17b來對該霜進行除霜。在該熱氣體旁路回路27中，設有在探測到生成霜時被開閉的電磁閥28、冷媒流量調整用的毛細管29以及止回閥30a、30b等。

此外，在冷媒回路21中設有氣體噴射回路31，該氣體噴射回路31將由帶有氣液分離功能的中間壓力容器13分離出的中間壓力冷媒氣體經由設于回油回路22的二重管式熱交換器23而向被作為2級壓縮機9的中間壓力氣體氣氛的密封腔6內進行噴射。為了防止臨界狀態的冷媒向2級壓縮機9噴射，在該氣體噴射回路31中設有在co2冷媒的臨界壓力下開閉氣體噴射回路31的電磁閥32以及止回閥33。

進而，在本實施方式中構成為，在將冷媒減壓成中間壓力的第1電子膨脹閥12的下游側的冷媒回路21中設置對中間壓力進行檢測的壓力傳感器34，并且設有當該壓力傳感器34的檢測值滿足了規定的中間壓力條件時禁止第1電子膨脹閥12向開放方向的控制的控制部件35。也就是說，控制部件35如圖3所示那樣進行動作，即：如果壓力傳感器34的檢測值超過被設定為比co2冷媒的臨界壓力(約7.2mpa)稍高的值的設定壓力a，則判定為滿足規定的中間壓力條件，禁止第1電子膨脹閥12向開放方向的控制(禁止向開放方向的運算)，如果壓力傳感器34的檢測值相對于設定壓力a而變為具有一定滯后現象的設定壓力b以下，則中止該控制的禁止。此外，在本例中，也可如果超過設定壓力a，則禁止第1電子膨脹閥12向開放方向的控制，但是也可以在禁止向開放方向的控制的基礎上，暫時關閉第1電子膨脹閥12。

第1電子膨脹閥12通常對高壓的冷媒進行減壓，并且基于散熱器11出口的冷媒溫度來控制散熱器11出口的冷媒壓力，為了將循環的效率維持在最適值而被控制，但是也可構成為具備讓該通常控制優先地如上所述那樣控制中間壓力以滿足規定的中間壓力條件的控制系統。此外，在本實施方式中，也可將設定壓力a設定為稍高于co2冷媒的臨界壓力(約7.2mpa)的值，以控制電磁閥32的頻繁的on/off動作，但是也可設定為臨界壓力。

根據以上說明的構成，通過本實施方式起到以下的作用效果。

在熱泵供給熱水機1中，如果利用了co2冷媒的超臨界循環熱泵2運轉，則被2級壓縮機9進行過2級壓縮的高溫高壓的冷媒氣體，在由油分離器10分離出冷媒中的油之后，被導入到散熱器(冷媒/水熱交換器)11中，在此與從水循環系統路線3的供水側系統路線3a向水側流路流通的水進行熱交換。該水被來自高溫高壓冷媒氣體的散熱進行加熱，被升溫之后，經由溫水取出側系統路線3b而返回到存貯熱水罐(省略圖示)，直到存貯熱水罐內的存貯熱水量達到規定量為止，由散熱器(冷媒/水熱交換器)11連續地持續進行冷媒與水的熱交換，如果存貯熱水量達到規定量，則存貯熱水運轉結束。

由散熱器11與水進行熱交換而被冷卻后的冷媒，通過為了將循環的效率維持在最適值而被控制的第1電子膨脹閥12進行減壓而至中間壓力容器13，在此進行氣液分離。由中間壓力容器13分離出的中間壓力的氣體冷媒經由電磁閥32、止回閥33以及二重管式熱交換器23而通過氣體噴射回路31噴射到2級壓縮機9的密封腔6內的中間壓力冷媒氣體中，被吸入到高級側壓縮機8進行再次壓縮。根據該氣體噴射帶來的節約效果，能夠使超臨界循環熱泵2的加熱能力以及制冷系數(cop)提高，能夠增大供給熱水能力。

另一方面，由中間壓力容器13分離出的液冷媒，在內部熱交換器(中間冷卻器)14中與由蒸發器17a、17b蒸發后的低壓的冷媒氣體進行熱交換而被過冷卻之后，經由過冷卻線圈15a、15b而通過第2電子膨脹閥16a、16b進行減壓，成為低溫低壓的氣液二相冷媒而流入到蒸發器(空氣熱交換器)17a、17b中。流入至蒸發器(空氣熱交換器)17a、17b的冷媒與由送風機送風的外部氣體進行熱交換，從外部氣體吸熱來進行蒸發氣化。

由蒸發器17a、17b氣化后的冷媒，在內部熱交換器14中與中間壓力液冷媒進行熱交換，供于中間壓力液冷媒的過冷卻之后，在通過第1儲蓄器18以及第2儲蓄器19的過程中分離出液體部分(液冷媒、油)，僅氣體冷媒被吸入到2級壓縮機9中，被再次壓縮。以下，通過反復執行同樣動作，供于制造溫水。在圖2中示出該2級壓縮、2級膨脹氣體噴射循環的超臨界循環的莫里爾線圖。由于該循環本身為公知的，所以省略詳細說明。

在存貯熱水運轉時于蒸發器17a、17b堆積了霜的情況下，探測該情況，將電磁閥28設為開放，將從2級壓縮機9噴出的熱氣體冷媒從油分離器10的下游側起經由熱氣體旁路回路27而導入到蒸發器17a、17b，由此能夠進行除霜運轉。此外，由油分離器10從冷媒中分離出的油，經由回油回路22而在二重管式熱交換器23中與中間壓力冷媒氣體進行熱交換來加熱該冷媒氣體之后，經由回油量調整機構26而在第1儲蓄器18與第2儲蓄器19之間返回到冷媒吸入配管20b。該油一旦被第2儲蓄器19分離之后，經由在第2儲蓄器19的冷媒出口管所設的回油孔而各拾取少量，返回到2級壓縮機9。

在此，在如高外部氣溫時、高溫入水時等那樣高壓、中間壓力易于變高的運轉條件下，過渡時高壓有時會變高。此時，第1電子膨脹閥12通過通常控制而在開放方向上動作(通常控制的運算被設為開放方向)，但是在本實施方式中，設于第1電子膨脹閥12下游的壓力傳感器34的檢測值如圖3所示那樣進行作用，即：如果超過滿足基于中間壓力容器13以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)而被預先設定的中間壓力條件的設定壓力a，則控制部件35禁止第1電子膨脹閥12向開放方向的控制，將壓力的上升抑制在一定值以下的值。

因而，根據本實施方式，能夠將中間壓力容器13以后的設備類的設計壓力(耐壓壓力)設定得低些以降低各自的制造成本，并且通過使各設備的壁厚變薄，從而能夠減小傳熱時的損耗等，以謀求與之相應的性能提高。這樣，能夠謀求熱泵供給熱水機1的低成本化、以及能力增強帶來的高性能化。

其中，在利用了co2冷媒的情況下，由于臨界壓力約7.2mpa，因此針對散熱器11等設計壓力例如為14mpa的情況，即便將中間壓力容器13以后的設備類的設計壓力設定得稍高于臨界壓力，也成為耐得住其大約一半的壓力的設計，通過簡單計算也能夠推定出可使壁厚變為大致一半。

此外，根據本實施方式構成為，中間壓力容器13被作為帶有氣液分離功能的容器，并設有將由該中間壓力容器13分離出的中間壓力的冷媒氣體向2級壓縮機9進行噴射的氣體噴射回路31，因此經由氣體噴射回路31而將由中間壓力容器13分離出的中間壓力的冷媒氣體向2級壓縮機9進行噴射，從而利用其節約效果能夠提高超臨界循環熱泵2的能力以及制冷系數(cop)。

同時，在氣體噴射時，通過第1電子膨脹閥12能夠始終將向2級壓縮機9噴射的中間壓力的冷媒氣體的壓力控制在規定的中間壓力條件以下的壓力，因此不用將臨界壓力以上的較高壓力的冷媒、例如臨界狀態的冷媒向2級壓縮機9噴射，便能防止噴射相應冷媒所引起的2級壓縮機9的故障、損傷等。

進而，由于上述的中間壓力條件被設定為與第1電子膨脹閥12相比被設在下游側的設備類的設計壓力以下，因此通過將該設定壓力作為閾值來禁止第1電子膨脹閥12向開放方向的控制，從而超臨界循環中的中間壓力以及低壓不會超過與第1電子膨脹閥12相比被設在下游側的中間壓力容器13等的中間壓力設備類、或者蒸發器17a、17b等的低壓設備類的設計壓力。因此，能夠將中間壓力容器13以后的設備類的設計壓力設定得低些以降低它們的制造成本，并且通過使各設備類的壁厚變薄，從而能夠減小傳熱時的損耗等，以謀求性能的提高。

本發明并不限定于上述實施方式涉及的發明，在不脫離其宗旨的范圍內可以適當地變形。例如，在上述的實施方式中，對將超臨界循環適用為熱泵供給熱水機1的例子進行了說明，但是本發明的超臨界循環并不限于熱泵供給熱水機，當然也能廣泛適用于各種制冷機、空調機、熱泵等。此外，關于使用冷媒，并不限于co2冷媒，也可利用其他的超臨界壓力冷媒。

進而，在上述的實施方式中，對利用了2級壓縮機9的例子進行了說明，但是并不限于此，當然也可構成為利用單級的壓縮機。此外，對將過冷卻線圈15a、15b、第2電子膨脹閥16a、16b以及蒸發器17a、17b設為多個系統的例子進行了說明，但是這些部件也可以為單一系統。進而，對將多個第1儲蓄器18以及第2儲蓄器19串聯連接的例子進行了說明，但是儲蓄器也可以為1個。此外，壓力傳感器34被設置在第1電子膨脹閥12下游側的冷媒配管中，但是也可以設置在中間壓力容器13中。