JP2004308969A - 冷媒サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサからガスクーラ至る冷媒配管の断熱コストの削減を図ることができる冷媒サイクル装置を提供をする。
【解決手段】ロータリコンプレッサ２、ガスクーラ１０、膨張弁４、蒸発器５などから冷媒サイクル装置１の冷媒サイクルを構成する。ロータリコンプレッサ２から吐出されてガスクーラ１０に流入する冷媒を、当該ガスクーラ１０を経た冷媒の少なくとも一部と熱交換させる。ロータリコンプレッサ２からガスクーラ１０に至る冷媒配管２Ａを二重管構造とする。ロータリコンプレッサ２からガスクーラ１０に向かう冷媒を二重管の内側通路３０Ａに流し、ガスクーラ１０を経た冷媒の少なくとも一部を二重管の外側通路３１Ａに流す。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年地球環境問題に対応するためにヒートポンプなどに冷媒回路の冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が用いられてきている（特許文献１参照）。係るヒートポンプのコンプレッサ、例えば内部中間圧型多段（二段）圧縮式のロータリコンプレッサは、回転圧縮機構部を構成する第１の回転圧縮要素の冷媒吸入管から吸い込んだ冷媒ガスを第１の回転圧縮要素で圧縮し、この圧縮した冷媒を一旦密閉容器内に吐出する。そして、この密閉容器内の中間圧の冷媒ガスを第２の回転圧縮要素に吸い込んで圧縮して高温高圧の冷媒ガスとなりロータリコンプレッサの冷媒吐出管より外部に吐出される。
【０００３】
冷媒吐出管より外部に吐出された高温高圧の冷媒ガスは、冷媒回路のガスクーラに流入し、そこで放熱して加熱作用を発揮した後、膨張弁で減圧されて蒸発器に流入する。蒸発器に流入した冷媒はそこで蒸発した後、ロータリコンプレッサの第１の回転圧縮要素に吸入される冷媒サイクルを繰り返す。
【０００４】
一方、冷媒回路の冷媒にＣＯ_２を使用すると、ＣＯ_２冷媒は超臨界で作動するため、ロータリコンプレッサの吐出ガスは約＋１３０℃を越える高温になる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６３８６１号公報（第２頁、第４頁参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようにロータリコンプレッサの吐出ガスが高温になると、冷媒吐出管が高温となるため、冷媒吐出管及びガスクーラに至る冷媒配管近傍に樹脂材料などを使用すると熱で変形してしまう問題が生じる。そこで、ロータリコンプレッサからガスクーラに至る配管を断熱しなければならず、コストの高騰を引き起こしていた。
【０００７】
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、コンプレッサからガスクーラ至る冷媒配管の断熱コストの削減を図ることができる冷媒サイクル装置を提供をすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、コンプレッサから吐出されてガスクーラに流入する冷媒を、当該ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部と熱交換させるようにしたので、請求項４の如く吐出冷媒温度が高温となるＣＯ_２を冷媒として使用する場合にも、コンプレッサからガスクーラに至る冷媒配管の温度を下げることができるようになり、断熱措置を簡素化してコストの削減を図り、材料の自由度も向上する。
【０００９】
請求項２の発明では上記において、コンプレッサからガスクーラに至る冷媒配管を二重管構造とし、コンプレッサからガスクーラに向かう冷媒を二重管の内側通路に流し、ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部を二重管の外側通路に流すようにしているので、二重管表面の温度を効果的に低下させることができるようになる。また、配管の簡素化により設置スペースの削減も図ることができる。
【００１０】
請求項３の発明では上記において、ガスクーラを複数のマイクロチューブと流入側及び流出側のヘッダーにて構成すると共に、流入側のヘッダーをマイクロチューブと連通する内側領域と流出側のヘッダーと連通する外側領域とから成る二重構造とし、内側領域を二重管の内側通路に連通させ、外側領域を二重管の外側通路に連通させたので、ガスクーラ内に当該ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部を二重管の外側通路に流す経路を構成できる。また、流入側のヘッダーにおいても内外領域を通過する冷媒の熱交換を行わせることができるので、更なる小型化に加えてガスクーラ自体の熱交換性能の改善も図ることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の冷媒サイクル装置１の実施例としての冷媒回路図である。この図において、１はヒートポンプに使用される冷媒サイクル装置、２は冷媒サイクル装置１を構成する２段圧縮式のロータリコンプレッサである。この冷媒回路には冷媒としてＣＯ_２（二酸化炭素）が用いられ、高圧側は超臨界圧力で作動する。
【００１２】
ロータリコンプレッサ２は、密閉容器５１内に図示しない電動要素と、この電動要素にて駆動される第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３を備えて構成されている。そして、冷媒吸入管２Ｂから吸い込んだ冷媒ガス（ＣＯ_２）を第１の回転圧縮要素５２で圧縮し、この圧縮した冷媒を一旦密閉容器５１内に吐出する。そして、この密閉容器５１内の中間圧の冷媒ガスを第２の回転圧縮要素５３に吸い込んで圧縮し、後述する冷媒吐出管２Ａに吐出するものである。
【００１３】
この冷媒吐出管２Ａは二重管構造とされており、その一端がロータリコンプレッサ２の吐出口に接続され、冷媒吐出管２Ａの他端は熱交換器としてのガスクーラ１０に接続される。このガスクーラ１０の出口側に設けられた配管４Ａには膨張弁（減圧装置）４を介して蒸発器５が接続される。この蒸発器５の出口側は、アキュムレータ６を介してロータリコンプレッサ２の冷媒吸入管２Ｂに接続され、これにより、環状の冷媒回路が構成されている。尚、５４はガスクーラ１０を出た冷媒と蒸発器５を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器である。
【００１４】
そして、ロータリコンプレッサ２の第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３で前述の如く二段圧縮された高温高圧のガス冷媒（ＣＯ_２）は、ガスクーラ１０において図示しない送風機にて通風される空気と熱交換し、放熱する。この状態では冷媒は依然凝縮せず、中間熱交換器５４で更に冷却され、膨張弁４に流入して絞られる過程で液化していく。そして、蒸発器５に流入し、そこで蒸発して外気から吸熱する。
【００１５】
蒸発器５を出た冷媒は内部熱交換器５４でガスクーラ１０からの冷媒から熱を奪い、次にアキュムレータ６に流入し、そこで気液分離されてガス冷媒のみが冷媒吸入管２Ｂからロータリコンプレッサ２に吸い込まれる遷臨界冷媒サイクルを繰り返す。
【００１６】
前記ガスクーラ１０は、相対向（上下或いは左右一対）して配置された冷媒流入側及び流出側のヘッダー１１、１２と、両ヘッダー１１、１２間に渡って複数取り付けられたマイクロチューブ２０・・・とから構成されている。この場合、各マイクロチューブ２０・・の両端に両ヘッダー１１、１２を覆い被せてそれぞれ接続する。
【００１７】
上記マイクロチューブ２０は、例えば、アルミニウムなどの金属にて構成され、断面略楕円形（若しくは長円形。この場合、断面長手方向の寸法約１５ｍｍ、断面幅寸法約２ｍｍ）の扁平チューブである。このマイクロチューブ２０の内部には、一端から他端まで延在し、内部を冷媒が流れる微小径の孔（この場合、断面寸法約１．２ｍｍ）から成る冷媒通路２１が複数形成されている。
【００１８】
複数の冷媒通路２１・・は、マイクロチューブ２０の長手方向に延在して形成されると共に、これらの冷媒通路２１・・は互いに平行に設けられている。
【００１９】
前記流入側のヘッダー１１は、内側領域１１Ａと、この内側領域１１Ａの周囲に所定の間隔を存して形成された外側領域１１Ｂとからなる二重構造を呈しており、内側領域１１Ａと、外側領域１１Ｂとは交熱的に設けられている（図２）。そして、内側領域１１Ａの一側は前記各マイクロチューブ２０の冷媒通路２１の冷媒入口に連通すると共に、内側領域１１Ａの他側は後述する冷媒吐出管２Ａの内側通路３０Ａに連通する。
【００２０】
また、ガスクーラ１０の下部には連通管１８が設けられている。そして、ヘッダー１１に形成された外側領域１１Ｂの上下方向の略中央部は後述する冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａに連通すると共に、外側領域１１Ｂの下端は連通管１８を介してヘッダー１２に連通する。
【００２１】
一方、冷媒吐出管２Ａは、内管３０と、この内管３０と所定の間隔を存して外側を覆う外管３１とからなる二重管にて構成されている。この内管３０内を内側通路３０Ａとし、内管３０と外管３１との間を外側通路３１Ａとしている。該冷媒吐出管２Ａの内側通路３０Ａの一端は、ロータリコンプレッサ２の第２の回転圧縮要素５３の吐出側に連通すると共に、内側通路３０Ａの他端は前記ヘッダー１１の内側領域１１Ａに連通する。また、冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａの一端は、ロータリコンプレッサ２の密閉容器５１内に連通すると共に、外側通路３１Ａの他端は、ヘッダー１１の外側領域１１Ｂに連通する。
【００２２】
そして、ロータリコンプレッサ２から吐出された高温のガス冷媒は、冷媒吐出管２Ａの内側通路３０Ａ内を経て流入側のヘッダー１１の内側領域１１Ａに流入する。内側領域１１Ａに流入したガス冷媒はそこで分流し、各マイクロチューブ２０・・の冷媒通路２１・・・内にそれぞれ流入し、そこを通過して流出側のヘッダー１２内に至る。ヘッダー１２に流入した冷媒はそこで合流し、殆どは配管４Ａに流出する。
【００２３】
そして、ガスクーラ１０は図示しない送風機にて送風されており、ロータリコンプレッサ２から吐出された高温のガス冷媒は、マイクロチューブ２０内を通過する過程で放熱し、温度が低下して殆どはヘッダー１２から配管４Ａに流出する。マイクロチューブ２０内で放熱し、ヘッダー１２に流入して合流した冷媒の一部は下端の連通管１８に入り、ガスクーラ１０内を経て流入側のヘッダー１１の外側領域１１Ｂに戻る。そして、外側領域１１Ｂから冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａ内を通り、密閉容器５１内に流入する（図２点線矢印）。
【００２４】
このようにガスクーラ１０で放熱し、冷却された冷媒をガスクーラ１０の流出側のヘッダー１２から連通管１８、外側領域１１Ｂを経て、冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａから密閉容器５１内に戻すものであるが、その際には所定の絞り手段を介して密閉容器５１内の中間圧に調整する。
【００２５】
以上の構成で、次に冷媒サイクル装置１の動作を説明する。ロータリコンプレッサ２の図示しない電動要素に通電され、それによって第１及び第２の回転圧縮要素５２、５３が駆動されると、ロータリコンプレッサ２からは二段圧縮された高温高圧のガス冷媒（ＣＯ_２）が冷媒吐出管２Ａの内管３０に吐出される。内管３０に吐出された高温のガス冷媒は、ガスクーラ１０のヘッダー１１に設けられた内側領域１１Ａに流入した後分流し、前述の如く各マイクロチューブ２０の冷媒通路２１内を経てヘッダー１２に至る。
【００２６】
このマイクロチューブ２０を通過することで冷媒ガスは放熱して温度低下した後、配管４Ａに流出する。ここで、ロータリコンプレッサ２の第２の回転圧縮要素５３の吐出側から吐出されたガス冷媒の温度は約＋１１０℃乃至＋１６０℃あり、このガス冷媒がガスクーラ１０で放熱した場合、約＋５０℃以下となる。
【００２７】
ヘッダー１２に至ったガス冷媒の殆どはその後、前述の如く内部熱交換器５４、膨張弁４、蒸発器５、内部熱交換器５４、アキュムレータ６を経てロータリコンプレッサ１０に帰還するが、ヘッダー１２に流入したガス冷媒の一部は、ヘッダー１２の下端に接続された連通管１８を経て更に放熱した後、ヘッダー１１の外側領域１１Ｂを経て冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａから密閉容器５１内に流入する。
【００２８】
このように、ガスクーラ１０内で冷却されたガス冷媒を冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａに通過させているので、冷媒吐出管２Ａの外管３１は、冷却された冷媒温度と略同じ温度の略＋６０℃以下となる。このとき、外側通路３１Ａ内を流通する冷媒と内側通路３０Ａを流通する冷媒も熱交換するので、何れにしてもロータリコンプレッサ１０から冷媒吐出管２Ａに流入したガス冷媒の温度は低下することになる。
【００２９】
このように、冷媒サイクル装置１はロータリコンプレッサ２から吐出された高温のガス冷媒を冷媒吐出管２Ａの内側通路３０Ａを介してガスクーラ１０に流入させ、ガスクーラ１０内で放熱されたガス冷媒の一部を冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａに流して密閉容器５１内に戻すことにより、ロータリコンプレッサ２からガスクーラ１０に至るまでの冷媒吐出管２Ａの温度を下げることができ、冷媒吐出管２Ａ周辺の断熱構造の簡素化を行うことが可能となる。これにより、高温で変形し易い樹脂部品や樹脂配管も使用することができるようになり、コストの削減が図れるようになる。
【００３０】
また、ロータリコンプレッサ２からガスクーラ１０に至る冷媒配管２Ａを内管３０と、この内管３０と所定の間隔を存して外側に設けた外管３１との二重管構造として、内管３０内を内側通路３０Ａ、内管３０と外管３１との間を外側通路３１Ａとしている。
【００３１】
そして、ロータリコンプレッサ２から吐出されてガスクーラ１０に向かう高温高圧のガス冷媒を内側通路３０Ａに流入させ、ガスクーラ１０で放熱して出たガス冷媒の少なくとも一部を冷媒配管２Ａの外側通路３１Ａに流入させているので、冷媒吐出管２Ａの表面温度を効果的に下げられる。
【００３２】
特に、実施例の如く冷媒にＣＯ_２を使用する場合に外管３１の温度上昇を効果的に防げる。また、配管数も増加させずに済むので、配管構成の簡素化を実現することが可能となり、冷媒サイクル装置１のコンパクト設計を行うことができるようになる。
【００３３】
また、複数のマイクロチューブ２０と流入側及び流出側のヘッダー１１、１２からガスクーラ１０を構成し、流入側のヘッダー１１を内側領域１１Ａと外側領域１１Ｂとから成る二重構造として、内側領域１１Ａをマイクロチューブ２０に、外側領域１１Ｂを流出側のヘッダー１２に連通させると共に、内側領域１１Ａを冷媒配管２Ａの内側通路３０Ａに、外側領域１１Ｂを冷媒配管２Ａの外側通路３１Ａに連通させている。
【００３４】
従って、ガスクーラ１０内に当該ガスクーラ１０を経た冷媒の少なくとも一部を冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａに流す経路を構成できる。また、流入側のヘッダー１１においても内外領域１１Ａ、１１Ｂを通過する冷媒の熱交換を行わせることができるので、更なる小型化を図ることが可能となる。
【００３５】
尚、ガスクーラ１０のヘッダー１２に流出した全ての冷媒を冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａに戻すようにしても差し支えない。この場合は、冷媒を冷媒吐出管２Ａの外側通路３１Ａ内を通過させた後、密閉容器５１内に戻すこと無く、膨張弁４、蒸発器５へと流入することになる。
【００３６】
また、冷媒サイクル装置１の実施例として二段圧縮式のロータリコンプレッサで説明したが、冷媒サイクル装置１は単段のロータリコンプレッサに適用しても差し支えない。この場合は、ガスクーラ１０に流入させた冷媒の一部を外側通路３１Ａからコンプレッサの吸込側（図１では冷媒吸入管２Ｂに相当）に戻すことになる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、コンプレッサから吐出されてガスクーラに流入する冷媒を、当該ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部と熱交換させるようにしたので、請求項４の如く吐出冷媒温度が高温となるＣＯ_２を冷媒として使用する場合にも、コンプレッサからガスクーラに至る冷媒配管の温度を下げることができるようになり、断熱措置を簡素化してコストの削減を図り、材料の自由度も向上する。
【００３８】
請求項２の発明によれば上記に加えて、コンプレッサからガスクーラに至る冷媒配管を二重管構造とし、コンプレッサからガスクーラに向かう冷媒を二重管の内側通路に流し、ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部を二重管の外側通路に流すようにしているので、二重管表面の温度を効果的に低下させることができるようになる。また、配管の簡素化により設置スペースの削減も図ることができる。
【００３９】
請求項３の発明によれば上記各発明に加えて、ガスクーラを複数のマイクロチューブと流入側及び流出側のヘッダーにて構成すると共に、流入側のヘッダーをマイクロチューブと連通する内側領域と流出側のヘッダーと連通する外側領域とから成る二重構造とし、内側領域を二重管の内側通路に連通させ、外側領域を二重管の外側通路に連通させたので、ガスクーラ内に当該ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部を二重管の外側通路に流す経路を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒サイクル装置の実施例の冷媒回路図である。
【図２】図１の冷媒サイクル装置のガスクーラの内部構成図である。
【符号の説明】
１ 冷媒サイクル装置
２ ロータリコンプレッサ
２Ａ 冷媒吐出管
２Ｂ 冷媒吸入管
４ 膨張弁
４Ａ 配管
５ 蒸発器
６ アキュムレータ
１０ ガスクーラ（熱交換器）
１１ ヘッダー
１１Ａ 内側領域
１１Ｂ 外側領域
１２ ヘッダー
１８ 連通管
２０ マイクロチューブ
２１ 冷媒通路
３０ 内管
３０Ａ 内側通路
３１ 外管
３１Ａ 外側通路
５１ 密閉容器
５２ 第１の回転圧縮要素
５３ 第２の回転圧縮要素

Claims (4)

1. コンプレッサ、ガスクーラ、減圧装置、蒸発器などから冷媒サイクルが構成された冷媒サイクル装置において、
   前記コンプレッサから吐出されて前記ガスクーラに流入する冷媒を、当該ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部と熱交換させることを特徴とする冷媒サイクル装置。
2. 前記コンプレッサからガスクーラに至る冷媒配管を二重管構造とし、前記コンプレッサから前記ガスクーラに向かう冷媒を前記二重管の内側通路に流し、前記ガスクーラを経た冷媒の少なくとも一部を前記二重管の外側通路に流すことを特徴とする請求項１の冷媒サイクル装置。
3. 前記ガスクーラを複数のマイクロチューブと流入側及び流出側のヘッダーにて構成すると共に、
   前記流入側のヘッダーを前記マイクロチューブと連通する内側領域と前記流出側のヘッダーと連通する外側領域とから成る二重構造とし、
   前記内側領域を前記二重管の内側通路に連通させ、前記外側領域を前記二重管の外側通路に連通させたことを特徴とする請求項２の冷媒サイクル装置。
4. ＣＯ_２を冷媒として使用することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の冷媒サイクル装置。

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