CN1168943C - 超临界冷冻装置 - Google Patents

Abstract

一种热泵式热水供应装置，该装置采用配有防止高级侧压缩机的高低压力差增大的旁通装置的超临界冷冻装置。具有将作为结构要件配有低级侧压缩机和高级侧压缩机的两级压缩机、冷却从该两级压缩机的高级侧压缩机排出的气体的高压侧热交换器、膨胀装置、与外界气体进行热交换的蒸发器顺次连接起来的冷媒回路，该冷媒回路以高压侧压力为超临界状态的方式形成。进而，在该冷媒回路中设有旁通回路，该旁通回路在外界气体降低时，使被高压侧热交换器冷却后的高压气体冷媒分流到前述低级侧压缩机的排出侧。

Description

超临界冷冻装置

技术领域

本发明涉及一种超临界冷冻装置，特别是涉及一种将外界气体作为蒸发器的热源流体、采用两级压缩机作为压缩机的超临界冷冻装置。

背景技术

对于将外界气体作为蒸发器的热源流体、采用两级压缩机作为压缩机的超临界冷冻装置，通常，在外界气体温度降低的情况下，蒸发压力、即低压侧压力降低。并且，伴随该低压侧压力的降低，低级侧压缩机的排出侧压力、即中间压力也降低。与此相对，高级侧压缩机的排出压力、即高压侧压力，由于高级侧压缩机的排出侧气体作为加热水和空气等的利用侧热交换媒体的热源使用，所以存在在必须使高级侧压缩机的排出侧气体温度保持高温的情况，即，必须保持高压侧压力为很高压力的情况(例如，高压压力不下降的情况)。这种情况下，在采用前述两级压缩机的冷冻装置中，高压侧压力和中间压力的压力差随外界气体温度的下降而同时变大。

但是，当高压侧压力和中间压力的压力差随外界气体温度的下降而同时变大时，由于高级侧压缩机的高低压力差变大，所以压缩效率变差，同时，作用在各个部件上的力变大，存在耐用性下降的问题。例如，当高低压力差变大时，存在高级侧压缩机中的叶片阀或排出阀破损等可能。

本发明是鉴于现有技术中存在的问题而提出的。其目的为，提供一种配有防止高级侧压缩机的高低压力差增大的旁通回路的超临界冷冻装置。并且，提供一种采用这种超临界冷冻装置的热泵式热水供应装置。

发明内容

本发明的一种超临界冷冻装置，具有将作为结构要件配有低级侧压缩机和高级侧压缩机的两级压缩机、冷却从该两级压缩机的高级侧压缩机排出的气体的高压侧热交换器、膨胀装置、与外界气体进行热交换的蒸发器顺次连接起来的冷媒回路，该冷媒回路以高压侧压力为超临界状态的方式形成，该冷媒回路进一步具有旁通回路，该旁通回路在外界气体降低时，使被高压侧热交换器冷却后的高压气体冷媒分流到前述低级侧压缩机的排出侧，其特征在于：前述两级压缩机，当外界气体温度下降时，以抑制压缩机能力下降的方式进行容量控制，前述膨胀装置，在外界气体温度下降时，以抑制高级侧压缩机的排出压力下降的方式进行开度控制。

为了实现上述目的，根据本发明的超临界冷冻装置，具有将作为结构要件配有低级侧压缩机和高级侧压缩机的两级压缩机、冷却从该两级压缩机的高级侧压缩机排出的气体的高压侧热交换器、膨胀装置、与外界气体进行热交换的蒸发器顺次连接起来的冷媒回路，该冷媒回路以高压侧压力为超临界状态的方式形成，该冷媒回路进一步具有旁通回路，该旁通回路在外界气体降低时，使被高压侧热交换器冷却后的高压气体冷媒分流到前述低级侧压缩机的排出侧。

采用这种结构，由于外界气体温度下降，高级侧压缩机的高压侧的气体冷媒通过分流到中间压力部分中，使中间压力上升，高级侧压缩机中的压缩比减小。并且，由于分流的冷媒气体是被高压侧热交换器冷却之后的冷媒气体，所以吸入高级侧压缩机的冷媒气体的过热度小。因而，由于减小了高级侧压缩机的高低压力差，所以不必担心排出阀或叶片阀的破损，可以提高压缩机的耐用性。并且，随着高级侧压缩机的压缩比减小，吸入气体的过热度减小，从而提高了其运转效率。

并且，前述两级压缩机，当外界气体温度下降时，以抑制压缩机能力下降的方式进行容量控制，前述膨胀阀装置，在外界气体温度下降时，可以以抑制高级侧压缩机的排出压力下降的方式进行开度控制。

采用这种结构，在外界气体温度下降时，保持较高的高压侧压力，可以保持较高的高级侧压缩机的排出气体温度。

并且，前述冷媒回路可以填充二氧化碳作为冷媒。

采用这种结构，既使用不具有可燃性、毒性的冷媒，又可以用于高级侧压缩机的排出侧气体温度较高的超临界冷媒循环。并且，借助前述旁通回路的作用，在防止高压侧压力下降的同时，可以保持较高的高级侧压缩机的排出侧气体温度。

并且，前述两级压缩机，在导入前述低级侧压缩机的排出气体的密闭壳体内，可以内置前述低级侧压缩机、高级侧压缩机和驱动用电动机。

采用这种结构，中间压力作用在压缩机壳体内，使两级压缩机缸体内外以及压缩机壳体内外的压力差减半，使作用在各部位上的力减小。结果，与由前述旁通回路来防止高低压力差增大的效果相结合，进一步提高了两级压缩机的耐用性。

并且，根据本发明的热泵式热水供应装置，由于采用了上述的超临界冷冻装置，所以在外界气体温度下降的情况下，可以防止高级侧压缩机的高低压力差增大，可以不使装置的耐用性恶化地获得高温热水。

附图说明

图1是根据本发明实施形式的热水供应装置的回路图。

图2是根据本发明实施形式的压力控制说明图。

具体实施形式

下面，参照附图详细说明将本发明具体化为热泵式热水供应装置的实施形式。图1是根据本发明实施形式的热水供应装置的回路图，图2是根据本发明实施形式的压力控制说明图。

如图1所示，根据实施形式1的热水供应装置，配有：超临界冷冻循环装置1、热水供应单元2和控制装置3。另外，在该实施形式中，控制装置3设置在超临界冷冻循环装置1内。并且，超临界冷冻循环装置1和热水供应单元2由水用连接配管5、6连接起来。

超临界冷冻循环装置1配有顺次连接反向驱动式两级压缩机11、高压侧热交换器12、电动膨胀阀13、蒸发器14、蓄热器15的冷媒回路。并且，该冷媒回路中的冷媒流向，在恒定运转时如图1中的实线箭头所示。

反向驱动式两级压缩机11是将低级侧压缩机11a、高级侧压缩机11b、驱动这些压缩机11a和11b的公用电动机11c内置于密闭壳体内的压缩机，低级侧压缩机11a的排出侧和高级侧压缩机11b的吸入侧由连接配管11d连接起来。并且，密闭壳体内的空间被中间压力气体、即低级侧压缩机11a的排出气体充满。

并且，反向驱动式两级压缩机11，在超临界冷却循环运转中利用后面所述的控制装置3控制运转频率、控制转速。另外，在高级侧压缩机11b的排出配管中，设有用于检测从高级侧压缩机11b排出的排出气体温度的排出气体温度检测器31。

高压侧热交换器12由导入从高级侧压缩机11b排出的高压冷媒的冷媒用热交换管12a、和导入从配置在热水供应单元2内的蓄水箱21送出的热水供应水的水用热交换管12b构成，两者形成热交换关系。因此，从高级侧压缩机11b排出的高温高压冷媒气体被从蓄水箱21送出的热水供应水冷却，该热水供应水被从高级侧压缩机11b排出的气体所含的热加热。

电动膨胀阀13对被高压侧热交换器12冷却的高压气体冷媒减压，其利用脉冲马达进行驱动。并且，在超临界冷却循环运转中，利用后面所述的控制装置3对其进行开度控制。

蒸发器14使被电动膨胀阀13减压的低压气液混合冷媒与作为热源媒体的外界气体进行热交换，使该冷媒气化。另外，在该蒸发器14中，附加设置有用于检测外界气体温度的外界气体温度检测器32。

而且，按照上述结构，在配有上述结构设备的冷媒回路中，从高压侧热交换器12的出口侧配管至连接低级侧压缩机11a和高级侧压缩机11b的连接配管11d设置有旁通回路16，在该旁通回路16中，设置有电磁开关阀17和毛细管18。

并且，在上述冷媒回路的内部填充有作为替代冷媒的二氧化碳(CO₂)。作为冷却、空调用的代表性的天然冷媒，可以举出碳氢化合物(HC：丙烷或异丁烷等)、氨、空气和CO₂等。但是，作为冷媒的特性，碳氢化合物和氨能量效率良好但存在具有可燃性和毒性等负面问题，空气存在在超低温区域以外能量效率变差等问题。相对而言，二氧化碳不具有可燃性和毒性，是安全的。

热水供应单元2配有：蓄水箱21、热水循环泵22、热水供应配管23、给水配管24。而且，蓄水箱21的上部和下部，相对于前述水用热交换管12b，利用包含连接水用配管5、6的热水循环回路P连接起来。

热水循环回路P是以向水用热交换管12b送入蓄水箱21下部的温度较低的水、将被水用热交换管12b加热的温度较高的水导入蓄水箱21的上部的方式构成的。并且，在热水循环回路P中安装有热水循环泵22。另外，在蓄水箱21内，利用比重差，在上部蓄存温度较高的热水，在下部蓄存温度较低的水。并且，利用设置在蓄水箱21上部的加热温度检测器33测定蓄水箱21内的上部热水温度、即加热温度。

热水供应配管23用于向热水龙头、浴缸等中供应热水，其被连接到蓄水箱21的上部，可以供应蓄水箱21中的温度较高的热水。另外，在该热水供应回路中安装有开关阀25。

热水供应配管24可以向蓄水箱21内供应普通的自来水，通过止回阀26、减压阀27连接到蓄水箱21的底部。

控制装置3，在恒定运转中，依照规定的顺序控制反向驱动式两级压缩机的运转频率和电动膨胀阀13的开度，但是在外界气体温度下降时按照下述方式控制。即，外界气体温度检测器32检测出的外界气体温度在规定温度、例如0℃以下，相对与外界气体温度的下降、以抑制高压侧压力下降的方式控制缩小电动膨胀阀13的开度，同时，以保持压缩机能力大体恒定的方式控制反向驱动式两级压缩机11的转速(运转频率)增大。并且，控制装置3，在上述外界气体温度下降至上述规定温度(0℃)时，打开电磁开关阀17。通过打开电磁开关阀17，以图1中虚线箭头所示的方式将高压气体冷媒分流到中间压力的连接配管11d上。

通过按照上述方式进行控制，如图2所示，以保持相对于外界气体温度下降保持压力大致恒定的方式控制高压侧压力。并且，中间压力，当象现有技术那样没有旁通回路16时，如图2中虚线所示下降，与此相对，在本实施形式的情况下，如同一图中的实线所示那样，该压力下降受到抑制。因此，使高级侧压缩机11b的高低压力差的增大受到抑制。并且这时，由于分流的高压侧冷媒气体被高压侧热交换器12冷却，所以吸入高压侧压缩机11b的冷媒气体的过热度减小。

另外，对于中间压力，在本发明和现有技术中，相对于外界气体温度的降低，现有技术的中间压力的压力差扩大，而本发明则利用了毛细管18的作用。并且，在图2中，压力曲线仅表示到外界气体温度到-10℃为止，但是，这只是凑巧该热水供应装置的运转允许范围被定为-10℃而已。

采用上述结构的实施形式，当外界气体温度下降时，在高压侧压缩机11b中，由于高低压力差减小，所以不必担心排出阀或叶片阀破损，可以提高压缩机的耐用性。并且，高级侧压缩机的压缩比减小时，吸入气体的过热度减小，从而，提高了运转效率。

并且，当外界气体温度下降时，由于高压侧压力保持较高，所以高级侧压缩机的排出侧气体温度保持较高。特别如图2所示，在高压侧压力保持一定的情况下，热水供应用热水在该情况下可以保持大体一定的规定值。并且，在该实施形式中，由于采用二氧化碳作为冷媒，所以冷媒气体不存在可燃性和毒性等问题，易于处理。

并且，反向驱动式两级压缩机11，在导入低级侧压缩机11a的排出气体的密闭壳体内，内置有低级侧压缩机11a、高级侧压缩机11b和驱动用电动机11c，因而，压缩机壳体内为中间压力。因此，缸体内外和压缩机壳体内外的压力差减半，作用在各个部位上的力很小。结果，与旁通回路16的防止高低压力差增大的效果相结合，可以进一步提高反向驱动式两级压缩机11的耐用性。

另外，本发明可以进行下述变型以便具体实施。

(1)在上述实施形式中，旁通回路16是在0℃时开放的，但是该温度可以通过冷冻装置的设计进行适当的变化。

(2)并且，在旁通回路16中，设有电磁开关阀17和毛细管18，但是，代替这些，也可以采用电动阀，根据外界气体温度的下降逐渐使其开度增大。采用这种方式，在旁通回路开放时，不会使压力急剧变化，可以平稳地进行控制。

(3)并且，旁通回路16中的电磁开关阀17和毛细管18的连接顺序也可以被反过来。即，被分流的冷媒气体可以在通过毛细管18之后再通过电磁开关阀17。但是，在这种情况下，由于电磁开关阀17是在开关减压之后的冷媒气体的流通，所以存在处理气体的比容大、需要口径大的电磁开关阀的缺点。

(4)在上述实施形式中，作为压缩机采用反向驱动式两级压缩机11，但是也可以采用其它形式的容量可变的两级压缩机。

(5)并且，上述实施形式中，根据本发明的超临界冷冻装置被具体用于热泵式热水供应装置，但是，该超临界冷冻循环装置也可以被具体用于其它加热装置，例如加热室内空气的采暖机。

由于本发明按上述方式构成，所以具有以下效果。

采用根据本发明的第一方面所述发明的超临界冷冻循环装置，具有将作为结构要件配有低级侧压缩机和高级侧压缩机的两级压缩机、冷却从该两级压缩机的高级侧压缩机排出的气体的高压侧热交换器、膨胀装置、与外界气体进行热交换的蒸发器顺次连接起来的冷媒回路，该冷媒回路以高压侧压力为超临界状态的方式形成，该冷媒回路进一步具有旁通回路，该旁通回路在外界气体降低时，使被高压侧热交换器冷却后的高压气体冷媒分流到前述低级侧压缩机的排出侧，因而，在高级侧压缩机中，高低压力差变小，不必担心排出阀和叶片阀破损，提高了耐用性。并且，在高级侧压缩机中，由于吸入的气体过热度小，所以提高了其运转效率。

并且，采用本发明的第二方面所述的发明，在本发明的第一方面所述的发明中，前述两级压缩机，当外界气体温度下降时，以抑制压缩机能力下降的方式对容量进行控制，前述膨胀阀装置，在外界气体温度下降时，以抑制高级侧压缩机的排出压力下降的方式对开度进行控制，从而，在外界气体温度下降时，可以保持较高的高压侧压力，可以保持较高的高级侧压缩机排出侧气体温度。

并且，采用本发明的第三方面所述的发明，在本发明的第一、二方面所述的发明中，冷媒回路中填充有二氧化碳作为冷媒，因而，既可以使用不具有可燃性、毒性的冷媒，又可以用于高级侧压缩机的排出侧气体温度较高的超临界冷冻循环。并且，通过前述旁通回路的作用，可以防止高压侧压力的下降，同时，可以保持较高的高级侧压缩机排出侧气体温度。

并且，采用本发明的第四方面所述的发明，前述两级压缩机，是将前述低级侧压缩机、高级侧压缩机和驱动用电动机内置于导入前述低级侧压缩机排出气体的密闭壳体内的压缩机，因而，两级压缩机的缸体内外和压缩机壳体内外的压力差减半，作用在各个部位上的力很小。结果，与前述旁通回路防止高低压力差增大的效果相结合，进一步提高了两级压缩机的耐用性。

并且，采用根据本发明的第五方面所述发明的热泵式热水供应装置，由于应用了本发明的第一至四方面中任何一项所述的超临界冷冻装置，所以在外界气体温度下降的情况下，可以防止高级侧压缩机的高低压力差增大，可以装置耐用性不会恶化地获得高温热水。

Claims (4)

1.一种超临界冷冻装置，具有将作为结构要件配有低级侧压缩机和高级侧压缩机的两级压缩机、冷却从该两级压缩机的高级侧压缩机排出的气体的高压侧热交换器、膨胀装置、与外界气体进行热交换的蒸发器顺次连接起来的冷媒回路，该冷媒回路以高压侧压力为超临界状态的方式形成，该冷媒回路进一步具有旁通回路，该旁通回路在外界气体降低时，使被高压侧热交换器冷却后的高压气体冷媒分流到前述低级侧压缩机的排出侧，

其特征在于：前述两级压缩机，当外界气体温度下降时，以抑制压缩机能力下降的方式进行容量控制，前述膨胀装置，在外界气体温度下降时，以抑制高级侧压缩机的排出压力下降的方式进行开度控制。

2.如权利要求1所述的超临界冷冻装置，其特征在于：前述冷媒回路填充二氧化碳作为冷媒。

3.如权利要求1或2所述的超临界冷冻装置，其特征在于：前述两级压缩机，在导入前述低级侧压缩机的排出气体的密闭壳体内，内置前述低级侧压缩机、高级侧压缩机和驱动用电动机。

4.一种热泵式热水供应装置，采用如权利要求1～3中任何一项所述的超临界冷冻装置。