JP2005214550A

JP2005214550A - 空気調和装置

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Publication number: JP2005214550A
Application number: JP2004024109A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Toshihide Koda; 利秀幸田; Masahiro Sugihara; 正浩杉原; Fumitake Unezaki; 史武畝崎; So Nomoto; 宗野本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP4442237B2

Abstract

【課題】二酸化炭素を冷媒として用いた空気調和装置の効率を向上させる。
【解決手段】圧縮機２、放熱器３、第１の流量制御手段４、および蒸発器５を冷媒配管６で順に接続し、二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置１において、一端を放熱器３と第１の流量制御手段４との間に接続し、他端を圧縮機２における冷媒の圧縮行程の途中に接続したバイパス配管１１を設け、このバイパス配管１１の途中に、冷媒を減圧する第２の流量制御手段１２、および第２の流量制御手段１１で減圧した冷媒と、放熱器３からの流出する冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１３を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和装置に関するものであり、特に二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置に関するものである。

ＨＦＣ系冷媒やＨＣ系冷媒を用いた空気調和装置に対して、地球温暖化、可燃性、毒性等の問題を考慮し、二酸化酸素を冷媒として用いる空気調和装置が提案されている。しかしながら、二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置ではフロン系冷媒と比較して性能が低い問題があった。
二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置において、冷凍サイクルの性能を向上させるものとして、圧縮機、放熱器、流量制御手段、蒸発器を冷媒配管で順に接続し、さらに内部熱交換器により放熱器出口の冷媒と蒸発器出口の冷媒とを熱交換させ、放熱器出口の冷媒を冷却して冷凍サイクルの性能を向上させるものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
また、圧縮機、凝縮器（放熱器）、第１減圧装置、気液分離器、第２減圧装置、蒸発器を冷媒配管で順に接続し、さらに一方を気液分離器に接続し、他方を圧縮機の圧縮行程の途中に接続したバイパス配管を備え、このバイパス配管に内部熱交換器を設け、内部熱交換器において、気液分離器で分離した冷媒蒸気と凝縮器（放熱器）出口の冷媒とを熱交換させ、気液分離器より圧縮機へ導くガス冷媒のガス化を促進して冷凍性能を向上させるものがあった（例えば、特許文献２参照。）。

特開平１１−３５１６８０号公報（第３−４頁、図１）特開平５−４５００７号公報（第２−３頁、図１）

従来の二酸化炭素を冷媒として用いた空気調和装置は以上のように構成されており、特許文献１に開示されたものにおいては、放熱器出口の冷媒が蒸発器出口の低温の冷媒によって冷却され、蒸発器入口のエンタルピが減少するが、内部熱交換器での冷却能力分だけ蒸発器の性能が低下するといった問題があった。さらに、蒸発器を流れる冷媒と同様の低温の冷媒で放熱器出口の冷媒を冷却するために、その冷却に供した冷媒も圧縮機で蒸発圧力から放熱器における冷媒の圧力まで昇圧する必要があり、効率が低下する問題がある。

また、特許文献２に開示されたものは、気液分離器で分離した冷媒蒸気とともにバイパス配管へ流出した冷媒液が圧縮機のインジェクションポートから圧縮機内部へ流入することを防止することはできるが、わずかな冷媒液と比熱の小さい冷媒蒸気では放熱器の出口の冷媒を冷却する能力はきわめて小さく、効率が低いという問題があった。とくに、超臨界状態で動作する二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置では、放熱器の出口の冷媒を冷却することにより大幅に効率が改善するが、この例ではその効果はほとんどないため、効率を上げ、性能を十分に向上させることができない問題がある。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、蒸発器の性能を低下させること無く、放熱器出口の冷媒を効率よく冷却できるようにしたものであり、これにより二酸化炭素を冷媒として用いた空気調和装置の効率を大幅に向上させることを目的としている。

この発明に係る空気調和装置は、圧縮機、放熱器、第１の流量制御手段、および蒸発器を冷媒配管で順に接続し、二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置において、一端を上記放熱器と上記第１の流量制御手段との間に接続し、他端を上記圧縮機における冷媒の圧縮行程の途中に接続したバイパス配管を設け、このバイパス配管の途中に、冷媒を減圧する第２の流量制御手段、および上記第２の流量制御手段で減圧した冷媒と、上記放熱器からの流出する冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたものである。

この発明の空気調和装置によれば、放熱器出口の冷媒の温度を下げることができ、さらに冷却に用いた冷媒を圧縮機の圧縮行程の途中に注入するため、圧縮機の動力を低減できる。さらに、圧縮機における圧縮行程の途中の冷媒の温度を下げることができ、その後の圧縮行程に要する圧縮機動力を低減できる。その結果、空気調和装置の効率を大幅に向上できる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による空気調和装置を図１〜３に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態１による空気調和装置を示す構成図である。図１において、圧縮機２、放熱器３、第１の流量制御弁（第１の流量制御手段）４、蒸発器５は冷媒配管６で順に接続され、二酸化炭素が循環するように構成されている。また、図１に示す空気調和装置１はバイパス配管１１を備えており、バイパス配管１１は、一端が放熱器３と第１の流量制御弁４との間に接続され、他端が圧縮機２における冷媒の圧縮行程の途中に設けたインジェクションポート１０に接続されている。さらに、バイパス配管１１には冷媒を減圧する第２の流量制御弁１２が設けられると共に、第２の流量制御弁（第２の流量制御手段）１２で減圧された後の冷媒と放熱器３の出口の冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１３を備えている。

次に冷媒の流れを図によって説明する。まず、圧縮機２の吸入側の冷媒配管内の低温低圧の冷媒蒸気は圧縮機２によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。この冷媒は放熱器３に送られ、そこで空気などと熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。この冷媒は内部熱交換器１３によって冷却されて温度が低下し、第１の流量制御弁４に流入して減圧され（例えば放熱器３の出口の圧力が１０ＭＰａのとき、５．３ＭＰａ）、低温低圧の気液二相状態に変化し、蒸発器５に送られる。蒸発器５では空気などと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒蒸気になり、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管１１に流入した放熱器３の出口の高圧の超臨界流体は、第２の流量制御弁１２により減圧されて、蒸発器５における冷媒の圧力より高く、放熱器における冷媒の圧力より低い圧力（例えば７．０ＭＰａ）になり、温度が下がる。この冷媒は内部熱交換器１３を通過する際に放熱器３の出口の冷媒を冷却し、低温低圧の冷媒蒸気になり、圧縮機２における圧縮機行程の途中にインジェクションされる。

図２は二酸化炭素の圧力−エンタルピ線図である。図中Ａ点は放熱器入口の冷媒の状態、Ｂ点は放熱器出口の冷媒の状態、Ｃ点は第１及び第２の流量制御手段入口の冷媒の状態を示す。二酸化炭素を空気調和装置の冷媒として用い、臨界点以上で放熱する場合には、臨界点近傍の比熱が極めて大きい領域（図中の太線で囲まれた領域Ｄ）で熱交換させることにより、効率を大幅に向上できる。たとえば、空気調和装置の冷房定格条件における外気の乾球温度は３５℃、湿球温度は２４℃である。したがって、放熱器の出口の冷媒の温度（図中Ｂ点）は３５℃より低くなることはない。一方、本実施の形態の空気調和装置では、放熱器出口の冷媒の一部がバイパス配管を流れ、この冷媒の一部は第２の流量制御手段によって、蒸発圧力より高く、放熱器における冷媒の圧力より低い圧力まで減圧されるため、低温の冷媒液を含んだ冷媒となる。この冷媒液を含んだ低温の冷媒が放熱器から第１の流量制御手段へと流れる冷媒を効率よく冷却するので、第１の流量制御手段に流入する冷媒の温度を、比熱が極めて大きい領域（図中の太線で囲まれた領域Ｄ）の二酸化炭素の温度より低い温度（例えば図中Ｃ点）まで下げることができる。これにより、二酸化炭素の超臨界域において比熱が極めて大きい領域を有効に利用できる。
さらに、バイパス配管を流れ、内部熱交換器で熱交換した後の冷媒は冷媒蒸気となり、圧縮機における圧縮行程の途中にインジェクションされる。これにより、放熱器出口の冷媒を冷却できると共に、さらに冷却に用いた冷媒を圧縮機の圧縮行程の途中にインジェクションするために、この冷媒を昇圧するための圧縮機の動力を低減できる。さらに、このインジェクションにより圧縮機における圧縮行程の途中の冷媒の温度を下げることができ、その後の圧縮行程に要する圧縮機動力を低減できる。その結果、空気調和装置の効率を大幅に向上できる。

図３に内部熱交換器１３として二重管式熱交換器を用い、高圧側管径φを６．３５ｍｍ、低圧側管径φを９．５２とした場合の成績係数を示す。図３においては、内部熱交換器が無い場合と、二重管式熱交換器の長さが２ｍの場合と、二重管式熱交換器の長さが４ｍの場合とのそれぞれに対する結果を示す。なお、各成績係数は、内部熱交換器がない場合を１００％としたときの値である。図３より、長さ４ｍの内部熱交換器を用いた場合、内部熱交換器が無い空気調和装置より成績係数を１１％向上できることがわかる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２による空気調和装置を示す構成図である。実施の形態２による空気調和装置は、図１の構成に加え、さらにインジェクションポート入口の冷媒の過熱度を計測する過熱度計測手段３０を備えている。過熱度計測手段３０は、たとえば圧力センサと温度センサと演算手段とで構成されており、測定された圧力における冷媒の飽和蒸気温度を求め、計測温度から上記飽和蒸気温度を引いた値を過熱度として算出する。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に冷媒の流れを図４によって説明する。圧縮機２の吸入側の冷媒配管の低温低圧の冷媒蒸気は圧縮機２によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。この冷媒は放熱器３に送られ、そこで空気などと熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。この冷媒は内部熱交換器１３によって冷却されて温度が低下し、第１の流量制御弁４に流入して冷媒の蒸発圧力より低い圧力に減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化し、蒸発器５に送られる。蒸発器５では空気などと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒蒸気になり、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管１１に流入した放熱器３の出口の高圧の超臨界流体は、第２の流量制御弁１２により減圧され、冷媒の蒸発圧力より高く、放熱器における冷媒の圧力より低い圧力になり、温度が下がる。この冷媒は内部熱交換器１３を通過する際に放熱器３の出口の冷媒を冷却し、低温低圧の冷媒蒸気になり、圧縮機２における圧縮機行程の途中にインジェクションされる。
過熱度計測手段３０では、前述のようにして過熱度を計測し、バイパス配管１１に流入する冷媒の流量を第２の流量制御弁１２によって制御することによって、インジェクションポート入口における冷媒の過熱度が０以上になるようにする。

本実施の形態２の構成によれば、実施の形態１の効果に加えて、バイパスする流量を最小限にできるとともに、圧縮機へ冷媒蒸気のみをインジェクションできる。その結果、蒸発器をバイパスする冷媒の蒸発潜熱を最大限利用できるとともに、圧縮機へ冷媒蒸気のみをインジェクションでき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、過熱度計測手段３０として、圧力センサと温度センサを用い、インジェクションポート入口における冷媒の圧力と温度を計測して過熱度を求めたが、飽和蒸気温度は気液二相状態の冷媒の温度に相当するので、バイパス配管１１を流れる冷媒の、内部熱交換器１３の出口の温度と入口の温度とを計測し、その差を求めることにより、過熱度を推定してもよい。即ち、出口温度から入口温度を引いた値が０以上となるように、バイパス配管１１に流入する冷媒の流量を第２の流量制御弁１２によって制御する。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３による空気調和装置を示す構成図である。実施の形態３による空気調和装置は、図１の構成に加え、さらにバイパス配管（第１のバイパス配管）１１のインジェクションポート１０と内部熱交換器１３との間に気液分離器４０を備えると共に、一方を気液分離器４０に接続し、他方を第１の流量制御弁４から蒸発器５に至る配管に接続した第２のバイパス配管４１と、第２のバイパス配管４２中に設置された第３の流量制御弁（第３の流量制御手段）４２とを備えている。また、放熱器３の近傍に温度センサ４３が設置され、放熱器３の出口の被加熱媒体の温度に応じて第２の流量制御弁１２を制御している。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に冷媒の流れを図５によって説明する。圧縮機２の吸入側の冷媒配管の低温低圧の冷媒蒸気は圧縮機２によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。この冷媒は放熱器３に送られ、そこで空気などと熱交換して温度が低下し、高圧の超臨界流体になる。この冷媒は内部熱交換器１３によって冷却されて温度が低下し、第１の流量制御弁４に流入して冷媒の蒸発圧力より低い圧力に減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化し、蒸発器５に送られる。蒸発器５では空気などと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒蒸気になり、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管１１に流入した放熱器３の出口の高圧の超臨界流体は、第２の流量制御弁１２で減圧され、冷媒の蒸発圧力より高く、放熱器における冷媒の圧力より低い圧力になり、温度が下がる。この冷媒は内部熱交換器１３を通過する際に放熱器３の出口の冷媒を冷却して、低温低圧の冷媒になる。この冷媒は気液分離器４０に流入し、冷媒蒸気と冷媒液に分離される。気液分離器４０で分離された冷媒蒸気はバイパス配管１１を通り、圧縮機２における圧縮機行程の途中にインジェクションされる。したがって、冷媒蒸気のみが圧縮機２に供給される。気液分離器４０で分離された冷媒液は第２のバイパス配管４１を通り、第３の流量制御弁４２でさらに減圧され、低圧低温の冷媒蒸気になる。この冷媒蒸気は第１の流量制御弁４の出口の冷媒と合流し、蒸発器５に流入する。

さらに、本実施の形態の空気調和装置は、放熱器３の近傍に設置された温度センサ４３により、放熱器３の出口の水または空気などの被加熱媒体の温度を測定し、この測定温度に応じて第２の流量制御弁１２の開度を制御する。たとえば、温度が低い場合には、バイパス配管１１に流入する冷媒流量を減らし、圧縮機２から吐出される冷媒の温度を上げ、温度が高い場合には、バイパス配管１１に流入する冷媒流量を増やし圧縮機２から吐出される冷媒の温度を下げる。このようにすることにより、放熱器出口の被加熱媒体の温度に応じて圧縮機へのインジェクション量を制御でき、効率よく所定の温度の被加熱媒体が得られる。

なお、上記実施の形態において、実施の形態２と同様、例えばインジェクションポート入口近傍に過熱度計測手段３０を設け、バイパス配管１１の他端側を流れる冷媒の過熱度を計測し、計測された過熱度が０以上になるように第３の流量制御弁４２を制御してもよい。このようにすれば、蒸発器をバイパスする冷媒の蒸発潜熱を最大限利用できるとともに、圧縮機へ冷媒蒸気のみをインジェクションでき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４による空気調和装置を示す構成図である。実施の形態４による空気調和装置は、図１の構成に対し、冷房運転と暖房運転で流路を切り替える第１の四方弁５０と、第２の４方弁５１とを備えている。また、放熱器３と蒸発器５の替りに、室外熱交換器７、及び室内熱交換器８を備えており、室外熱交換器７は、冷房時には放熱器として、暖房時には蒸発器として機能する。一方、室内熱交換器８は、冷房時には蒸発器として、暖房時には放熱器として機能する。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に冷媒の流れを図によって説明する。まず、冷房運転について説明する。圧縮機２の吸入側の冷媒配管の低温低圧の冷媒蒸気は圧縮機２によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。この冷媒は第１の四方弁５０を通り、室外熱交換器７に送られ、そこで空気などと熱交換して温度が低下する。この冷媒は第２の四方弁５１を通り、内部熱交換器１３に流入し、冷却された後、第１の流量制御弁４で減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化し、室内熱交換器８へ送られる。室内熱交換器８へ送られた冷媒は空気などと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒蒸気になり、第１の四方弁５０を通り、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管１１に流入した冷媒は第２の流量制御弁１２によって減圧され、内部熱交換器１３で室外熱交換器７の出口の冷媒を冷却して、低温低圧の冷媒蒸気に変化する。この冷媒蒸気はインジェクションポート１０から圧縮機の圧縮行程の途中に注入される。

次に暖房運転について説明する。圧縮機２の吸入側の冷媒配管の低温低圧の冷媒蒸気は圧縮機２によって圧縮され、高温高圧の超臨界流体となって吐出される。この冷媒は第１の四方弁５０を通り、室内熱交換器８に送られ、そこで空気などと熱交換して温度が低下する。この冷媒は第２の四方弁５１を通り、内部熱交換器１３に流入し、冷却された後、第１の流量制御弁４で減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化し、室外熱交換器７へ送られる。室外熱交換器７へ送られた冷媒は空気などと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒蒸気になり、第１の四方弁５１を通り、圧縮機２に戻る。一方、バイパス配管１１に流入した冷媒は、第２の流量制御弁１２によって減圧され、内部熱交換器１３で室内熱交換器７の出口の冷媒を冷却し、低温低圧の冷媒蒸気に変化し、インジェクションポート１０から圧縮機２の圧縮行程の途中に注入される。

このような構成にすることにより、冷房運転と暖房運転を行う空気調和装置において、実施の形態１と同様の効果が得られる。

なお、上記各実施の形態においては、バイパス配管１１の他端が圧縮機２における冷媒の圧縮行程の途中に設けたインジェクションポート１０に接続される構成としたが、圧縮機を２台の圧縮機で構成し、バイパス配管１１の他端を２台の圧縮機の間に接続することにより、内部熱交換器１３で熱交換した後の冷媒蒸気を圧縮機における圧縮行程の途中に注入するようにしても良い。

本発明の実施の形態１による空気調和装置を示す構成図である。二酸化炭素の圧力−エンタルピ線図である。本発明の実施の形態１に係わる内部熱交換器の有無による効果を示す図である。本発明の実施の形態２による空気調和装置を示す構成図である。本発明の実施の形態３による空気調和装置を示す構成図である。本発明の実施の形態４による空気調和装置を示す構成図である。

符号の説明

１空気調和装置、２圧縮機、３放熱器、４第１の流量制御弁、５蒸発器、６冷媒配管、１０インジェクションポート、１１バイパス配管、１２第２の流量制御弁、１３内部熱交換器、３０過熱度計測手段、４０気液分離器、４１第２のバイパス配管、４２第３の流量制御弁、４３温度センサ、５０第１の四方弁、５１第２の四方弁。

Claims

圧縮機、放熱器、第１の流量制御手段、および蒸発器を冷媒配管で順に接続し、二酸化炭素を冷媒として用いる空気調和装置において、一端を上記放熱器と上記第１の流量制御手段との間に接続し、他端を上記圧縮機における冷媒の圧縮行程の途中に接続したバイパス配管を設け、このバイパス配管の途中に、冷媒を減圧する第２の流量制御手段、および上記第２の流量制御手段で減圧した冷媒と、上記放熱器からの流出する冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする空気調和装置。
バイパス配管の他端側を流れる冷媒の過熱度が所定の値になるように第２の流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
放熱器出口における被加熱媒体の温度に応じて、第２の流量制御手段を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
バイパス配管の他端と内部熱交換器との間に気液分離器を設けると共に、一端を上記気液分離器に接続し、他端を第１の流量制御手段と蒸発器との間に接続した第２のバイパス配管を設け、この第２のバイパス配管の途中に、冷媒を減圧する第３の流量制御手段を設けたことを特徴とする請求項１または３記載の空気調和装置。