JP2006023010A

JP2006023010A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2006023010A
Application number: JP2004201524A
Authority: JP
Inventors: Noriho Okaza; 典穂岡座; Kazuo Nakatani; 和生中谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】減圧量を調整できるボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置の構成を提供し、冷凍サイクル装置のさらなる性能向上を実現することを目的としている。
【解決手段】圧縮機１、第１放熱器２、ボルテックスチューブ３および蒸発器５を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブ３の入口部１１ａを前記第１放熱器２の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂを第２放熱器６の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器６の冷媒出口部を前記ボルテックチューブ３の低温出口部１１ｃと前記蒸発器５の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブ３での減圧量を、前記圧縮機１の吐出温度に基づき制御する構成としたもので、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に良く知られている冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、減圧器および蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成している。このような冷凍サイクル装置では、高圧（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口の圧力）、低圧（減圧器出口〜蒸発器〜圧縮機入口の圧力）は減圧器により調整され、冷凍サイクルが効率良く運転できるように制御されている。しかし、このような単純な構成の冷凍サイクル装置の性能を高効率化する場合、圧縮機、放熱器、蒸発器や送風機等の個々の構成要素の効率を向上させるしかなく、冷凍サイクル装置の高効率化には限界がある。

そこで、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置の高効率化の可能性が検討されている。例えば、放熱器出口の冷媒をボルテックスチューブの冷媒供給口へ導入して高速渦流を生成し、高温冷媒と低温冷媒にエネルギー分離して対向する２つの出口から導出し、高温冷媒を放熱器に再度供給し、低温冷媒を減圧器に供給することで、減圧過程を等エントロピー膨張に近づけることにより蒸発能力の向上を図る冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−３０３８７９号公報（第５頁、第１図）

ところが、上記特許文献に記載された従来技術の場合、減圧器が存在しないために、従来のボルテックスチューブを用いていない冷凍サイクル装置で行われていた減圧器による高圧や低圧の調整が行えない。したがって、高圧や低圧は蒸発器や放熱器の周囲温度や圧縮機の回転数に応じて決まってしまい、結果的に効率の悪い運転となる場合があるといった課題がある。

したがって本発明は、減圧量を調整できるボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置の構成を提供し、冷凍サイクル装置のさらなる性能向上を実現することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機、第１放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記第１放熱器の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を第２放熱器の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器の冷媒出口部を前記ボルテックスチューブの低温出口部と前記蒸発器の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブでの減圧量を、前記圧縮機の吐出温度に基づき制御する構成としたもので、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を圧縮機の吐出温度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

本発明によれば、減圧量を調整できるボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置の構成を実現することで、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である冷凍サイクル装置を提供できる。

第１の発明は、少なくとも、圧縮機、第１放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記第１放熱器の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を第２放熱器の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器の冷媒出口部を前記ボルテックスチューブの低温出口部と前記蒸発器の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブでの減圧量を、前記圧縮機の吐出温度に基づき制御する構成としたもので、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を圧縮機の吐出温度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

第２の発明は、少なくとも、圧縮機、第１放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記第１放熱器の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を第２放熱器の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器の冷媒出口部を前記ボルテックスチューブの低温出口部と前記蒸発器の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブでの減圧量を、前記圧縮機の吸入過熱度に基づき制御する構成としたもので、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を圧縮機の吸入過熱度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

第３の発明は、ボルテックスチューブの高温出口部に、前記高温出口部から流出する冷媒量を調整する調整手段を設けるとともに、前記調整手段の動作を、前記ボルテックスチューブの高温出口温度に基づき制御する構成としたもので、減圧量の調整を、圧縮機の吐出温度や吸入過熱度に基づき行うともに、ボルテックスチューブの高温出口部から流出する冷媒の温度も調整できるために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

第４の発明は、ボルテックスチューブでの減圧量の調整は、前記ボルテックスチューブ内に流入する冷媒を高温流体と低温流体とに分離する分離空間の、軸線方向側の長さを変更することで行うことを特徴とするもので、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を吐出温度や吸入過熱度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施の形態の冷凍サイクル装置に関しては、給湯機を例にとり説明する。即ち、本実施の形態の給湯機に本発明が限定されるものではなく、空気調和機などであってもよい。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１、第１放熱器２、ボルテックスチューブ３およびファン４により送風される外気と熱交換させる蒸発器５などからなる冷媒サイクル回路と、給水ポンプ７、第１放熱器２、第２放熱器６、および給湯タンク８などからなる給湯サイクル回路から構成されており、第１放熱器２や第２放熱器６において高温の冷媒により給水ポンプ７からの水を加熱してお湯とし、そのお湯を給湯タンク８に貯めておくようにした冷凍サイクル装置（本実施の形態の場合には、給湯機）である。ボルテック
スチューブ３の入口部１１ａは第１放熱器２の冷媒出口部に接続されており、ボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂは第２放熱器６の冷媒入口部に接続されている。

さらに、第２放熱器６の冷媒出口部は蒸発器５の冷媒入口部に接続されている。ボルテックスチューブ３の低温出口部１１ｃは蒸発器５の冷媒入口部に接続されている。また、９は圧縮機１の吐出温度を検知する吐出温度検知手段、１０は吐出温度検知手段９が検知した値に基づきボルテックスチューブ３の可動手段４０に与える電気的パルスを演算、操作する第１可動手段操作器である。

ボルテックスチューブ３は、例えば、図２に示すように、低温出口部１１ｃおよび高温出口部１１ｂの冷媒温度や、入口部１１ａでの冷媒圧力と低温出口部１１ｃおよび高温出口部１１ｂでの冷媒圧力の差である減圧量を調整できように構成されている。図２において、２０はチューブ本体、２１は円錐体、２２は可動円板、２３は可動円板２２に穿たれた穴、２４は弁組立体、２５は弁組立体２４と可動円板２２とを接続するシャフトである。

また、３１は分離空間、３２は高温出口側空間であり、可動円板２２によりチューブ本体２０内を仕切っていると共に、それらの一部は穴２３により連通している。４０は可動手段であり、これは主に、ロータ組立体４１、コイル組立体４２、ロータ組立体を被覆するキャン４３から構成される。可動円板２２はシャフト２５により弁組立体２４を通して、可動手段４０に接続されている。可動手段４０のコイル組立体４１に電気的パルスを与えることで、ロータ組立体４２が定められた回転角だけ回転し、弁組立体２４に設けられたネジ（図示せず）に伝えられ、シャフト２５および可動円板２２は図中の左右（チューブ本体２０の軸線方向）に移動させることができる。

ここで、ボルテックスチューブ３の動作について説明する。入口部１１ａからチューブ本体２０内に接線方向に流入した冷媒は、分離空間３１で高速渦流となり、減圧されつつ壁面付近を通ってを図中の左から右へと流れたのち、円錐体２３で流れ方向を反転し、分離空間３１の中心部を通って図中の左から右へと流れる。この際、分離空間３１の管内壁面を流れる高温流体と、分離空間３１の中心部を流れる低温流体とにエネルギー分離される。分離された低温流体は、低温流体出口１１ｃより流出する。

また、分離された高温流体は円錐体２３の底面に設けられた可動円板２２に穿たれた穴２３から高温出口側空間３２へと流れる。その後、高温流体は高温出口側空間３２と連通して設けられた高温流体出口１１ｂより流出する。低温出口部１１ｃおよび高温出口部１１ｂでの冷媒温度や、減圧量を調整するには、可動手段４０に電気的パルスを与えて、可動円板２２を左右に移動させることで、分離空間３１の軸線方向長さを変更すれば可能である。

次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。冷媒サイクル回路では、冷媒（例えば、二酸化炭素）を、圧縮機１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、第１放熱器２の冷媒入口部から冷媒出口部へと流れる際に、流体流路を流れる流体（例えば、水）に放熱し冷却される。その後、冷媒はボルテックスチューブ３の入口部１１ａに供給される。ボルテックスチューブ３に供給された高圧冷媒は、ボルテックスチューブ３内において減圧されつつ、エネルギー分離により高温冷媒と低温冷媒とに分離される。その高温冷媒はボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂより第２放熱器６の冷媒入口部に供給され、第２放熱器６の冷媒入口部から冷媒出口部へと流れる際に、流体流路を流れる流体（例えば、水）に放熱し冷却されたのち、蒸発器４に供給される。一方、ボルテックスチューブ３で分離された低温冷媒も、低温出口部１１ｃから蒸発器４に供給される。蒸発器４では、冷媒は空気などによ
って加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。

流体回路では、給湯タンク８の底部から給水ポンプ７により第１放熱器２の流体流路へ送り込まれた流体（例えば、水）は、圧縮機１より吐出された冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となる。その後、第２放熱器６の流体流路で、ボルテックスチューブ３を流出した高温冷媒により、さらに加熱される。その高温流体を給湯タンク８の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、給湯機として利用できる。

なお、ボルテックスチューブ３は、高温出口部１１ｂから流出する高温冷媒の温度が、圧縮機１から吐出される冷媒の温度より高くなるように、調整されている。

次に、可動手段４０の具体的な操作方法として、第１可動手段操作器１０が行う制御について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段９からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ１００）が取り込まれる。第１可動手段操作器１０により予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度（目標Ｔｄ）とステップ１００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ１１０）。

吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを長くし（ステップ１２０）、減圧量を増加させ、吐出温度を上昇させる。逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを短くし（ステップ１３０）、減圧量を低下させ、吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ１００に戻り、以後ステップ１００からステップ１３０まで繰り返す。

以上説明したように、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置では、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を圧縮機の吐出温度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

なお、本実施の形態においては、ボルテックスチューブ３の減圧量を分離空間３１の軸線方向長さを変更することで調整するとしているが、例えば、高温出口部１１ｂの設けた弁の開度を開閉するなど、これ以外の方法で調整しても良い。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の冷凍サイクル装置において、５１は蒸発器５の冷媒入口部から冷媒出口部の間の温度（蒸発温度）を検知する蒸発温度検知手段、５２は圧縮機１の吸入温度を検知する吸入温度検知手段、５３は蒸発温度検知手段５１、吸入温度検知手段５２が検知した値から過熱度（吸入温度−蒸発温度）を演算し、その値に基づきボルテックスチューブ３の可動手段４０に与える電気的パルスを演算、操作する第２可動手段操作器である。

本実施の形態の冷凍サイクル装置と第１の実施の形態の冷凍サイクル装置とは、可動手段４０の制御方法が異なるものである。第２可動手段操作器５３が行う制御について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。冷凍サイクル装置の運転時には、蒸発温度検知手段５１からの検出値（蒸発温度Ｔｅ）が取り込まれ（ステップ２００）、また、吸入温度検知手段５２からの検出値（吸入温度Ｔｓ）が取り込まれる（ステップ２１０）。

それら取り込んだ検出値から吸入温度と蒸発温度の差である過熱度を演算（ステップ２２０）し、予めＲＯＭ等に記憶されている目標過熱度（目標ＳＨ）とステップ２２０で演算した過熱度とを比較する（ステップ２３０）。過熱度が目標過熱度より低い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを長くし（ステップ２４０）、減圧量を増加させ、過熱度および吐出温度を上昇させる。逆に、過熱度が目標過熱度より高い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを短くし（ステップ２５０）、減圧量を低下させ、過熱度および吐出温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ２００に戻り、以後ステップ２００からステップ２５０まで繰り返す。

以上説明したように、第２の実施の形態の冷凍サイクル装置では、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を圧縮機の吸入過熱度に基づき行うために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置について説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図である。なお、本実施の形態の冷凍サイクル装置は、第１の実施の形態の冷凍サイクル装置とほぼ同様な構成であり、同一機能部品については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の冷凍サイクル装置において、６０はボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂから流出する冷媒量を調整する弁、６１はボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂと第２放熱器６の冷媒入口部との間の冷媒温度を検知する高温出口温度検知手段、６２は高温出口温度検知手段６１が検知した値に基づきボルテックスチューブ３の弁６０の開度を演算、操作する弁操作器である。

本実施の形態の冷凍サイクル装置と第１の実施の形態の冷凍サイクル装置とは、可動手段４０と弁６０の制御方法が異なるものである。第１可動手段操作器１０、および、弁操作器６２が行う制御について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。

冷凍サイクル装置の運転時には、吐出温度検知手段９からの検出値（吐出温度Ｔｄ）（ステップ３００）が取り込まれる。第１可動手段操作器１０により予めＲＯＭ等に記憶されている目標吐出温度（目標Ｔｄ）とステップ３００で取り込んだ吐出温度とを比較する（ステップ３１０）。

吐出温度が目標吐出温度より低い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを長くし（ステップ３２０）、減圧量を増加させ、吐出温度を上昇させる。逆に、吐出温度が目標吐出温度より高い場合には、可動手段４０によりボルテックスチューブ３の分離空間３１の軸線方向長さを短くし（ステップ３３０）、減圧量を低下させ、吐出温度を低下させる。

次に、高温出口温度検知手段６１からの検出値（高温出口温度Ｔｖ）（ステップ３４０）が取り込まれる。予めＲＯＭ等に記憶されている目標高温出口温度（目標Ｔｖ）とステップ３４０で取り込んだ高温出口温度とを比較する（ステップ３５０）。高温出口温度が目標高温出口温度より低い場合には、弁６０の開度を小さくし（ステップ３６０）、ボル
テックスチューブ３の高温出口部１１ｂから流出する冷媒の温度を上昇させる。逆に、高温出口温度が目標高温出口温度より高い場合には、弁６０の開度を大きくし（ステップ３７０）、ボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂから流出する冷媒の温度を低下させる。以上のステップの後、ステップ３００に戻り、以後ステップ３００からステップ３７０まで繰り返す。

以上説明したように、第３の実施の形態の冷凍サイクル装置では、ボルテックスチューブを用いた冷凍装置であっても、減圧量の調整を吐出温度に基づき行うともに、ボルテックスチューブ３の高温出口部１１ｂから流出する冷媒の温度も調整できるために、運転条件等が変更になった場合にも、効率のよい運転が可能である。

なお、本実施の形態においては、可動手段４０の制御方法は、吐出温度に基づいて制御する物としているが、第２の実施の形態のように、過熱度に基づいて制御するようにしてもよい。

また、目標高温出口温度（目標Ｔｖ）は、目標吐出温度（目標Ｔｄ）より高い温度に設定されていることが、効率のよい運転のためには望ましい。

なお、以上説明した実施の形態の冷媒は二酸化炭素であるとして説明したが、他の冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ等であってもよい。

本発明の冷凍サイクル装置は、、ボルテックスチューブの減圧量や高温出口温度を調整でき、効率のよい運転が可能な冷凍サイクル装置を提供することができるため、給湯装置（給湯機）、家庭用空気調和機、業務用空気調和機、車両用空気調和機（カーエアコン）等に有用である。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す概略構成図同ボルテックスチューブを示す概略断面図同冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す概略構成図同冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す概略構成図同冷凍サイクル装置の制御方法を示すフローチャート

符号の説明

１圧縮機
２第１放熱器
３ボルテックスチューブ
４ファン
５蒸発器
６第２放熱器
７給水ポンプ
８給湯タンク
９吐出温度検知手段
１０第１可動手段操作器
１１ａ入口部
１１ｂ高温出口部
１１ｃ低温出口部
３１分離空間
３２高温出口側空間
４０可動手段
５１蒸発温度検知手段
５２吸入温度検知手段
５３第２可動手段操作器
６０弁
６１高温出口温度検知手段
６２弁操作器

Claims

少なくとも、圧縮機、第１放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記第１放熱器の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を第２放熱器の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器の冷媒出口部を前記ボルテックスチューブの低温出口部と前記蒸発器の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブでの減圧量を、前記圧縮機の吐出温度に基づき制御する構成とした冷凍サイクル装置。
少なくとも、圧縮機、第１放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記第１放熱器の冷媒出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を第２放熱器の冷媒入口部に接続し、前記第２放熱器の冷媒出口部を前記ボルテックスチューブの低温出口部と前記蒸発器の冷媒入口部との間に接続するとともに、前記ボルテックスチューブでの減圧量を、前記圧縮機の吸入過熱度に基づき制御する構成とした冷凍サイクル装置。
ボルテックスチューブの高温出口部に、前記高温出口部から流出する冷媒量を調整する調整手段を設けるとともに、前記調整手段の動作を、前記ボルテックスチューブの高温出口温度に基づき制御する構成とした請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。
ボルテックスチューブでの減圧量の調整は、前記ボルテックスチューブ内に流入する冷媒を高温流体と低温流体とに分離する分離空間の、軸線方向側の長さを変更することで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。