JP2006071148A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 熱損失の低減を低コストで達成できるようにされた冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】 気液分離器１２内の冷媒を圧縮機１０に導く吸入流路２１と、圧縮機１０から吐出された冷媒を凝縮器１４の第１流通口１４ａに導く凝縮器側送出流路３２と、圧縮機１０から吐出された冷媒を蒸発器１６の第１流通口１６ａに導く蒸発器側送出流路３４と、凝縮器１４の第１流通口１４ａと気液分離器１２の戻し口１２ａとを接続するための凝縮器側戻し流路３６と、蒸発器１６の第１流通口１６ａと気液分離器１２の戻し口１２ａとを接続するための蒸発器側戻し流路３８と、圧縮機１０の吐出口１０ａと凝縮器側送出流路３２及び蒸発器側送出流路３４との間に配在された送出流路切換用三方弁３０と、気液分離器１２の戻し口１２ａと凝縮器側戻し流路３６及び蒸発器側戻し流路３８との間に配在された戻し流路切換用三方弁４０と、を具備してなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機、気液分離器、凝縮器（室外熱交換器）、蒸発器（室内熱交換器）、及び膨張弁等を備えた空気調和機、冷凍装置等の冷凍サイクルに係り、特に、熱損失の低減を低コストで達成できるようにされた冷凍サイクルに関する。

一般に、空気調和機、冷凍装置等の冷凍サイクルは、圧縮機、気液分離器、凝縮器（室外熱交換器）、蒸発器（室外熱交換器）、及び膨張弁等に加えて、下記特許文献１等にも見られるように、流路（流れ方向）切換手段としての四方弁を備えている。

この四方弁を備えた冷凍サイクルの一例を図３を参照しながら説明する。図示例の冷凍サイクル５は、空気調和機のもので、運転モード（冷房運転と暖房運転）の切り換えを四方弁２０で行うようになっている。すなわち、圧縮機１０、気液分離器１２、凝縮器（室外熱交換器）１４、蒸発器（室外熱交換器）１６、及び膨張弁１８を備え、前記の圧縮機１０、気液分離器１２、凝縮器１４、及び蒸発器１６の四者の間に、第１〜第４の４つのポート２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ（図４参照）を有する四方弁２０が配在されている。

前記各機器類間は導管（パイプ）等で形成される流路で接続されている。具体的には、気液分離器１２内の冷媒を圧縮機１０に導く吸入流路２１、圧縮機１０から吐出された冷媒を四方弁２０の第１ポート２０ａに導く吐出流路２２、四方弁２０の第２ポート２０ｂと凝縮器１４の第１流通口１４ａとを接続する凝縮器側送り戻し流路２３、四方弁２０の第３ポート２０ｃと蒸発器１６の第１流通口１６ａとを接続する蒸発器側送り戻し流路２４、四方弁２０の第４ポート２０ｄと気液分離器１２の戻し口１２ａとを接続する戻し流路２５、凝縮器１４の第２流通口１４ｂと膨張弁１８とを接続する流路２６と、及び、膨張弁１８と蒸発器１６の第２流通口１６ｂとを接続する流路２７が設けられている。

このような構成の冷凍サイクル５においては、冷房運転モードが選択されたときには、四方弁２０が、図４（Ａ）に示される如くに、吐出流路２２と凝縮器側送り戻し流路２３とを連通させるとともに、蒸発器側送り戻し流路２４と戻し流路２５とを連通させる状態に切り換えられる。このときには、図１において実線矢印で示される如くに、気液分離器１２内の冷媒が吸入流路２１を介して圧縮機１０に吸入されるとともに、圧縮機１０の吐出口１０ａから高温高圧の冷媒が吐出流路２２、四方弁２０、及び凝縮器側送り戻し流路２３を介して凝縮器１４に導かれ、凝縮器１４において室外空気と熱交換して凝縮し、高圧の二相冷媒となって流路２６を介して膨張弁１８に導入される。この膨張弁１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路２７を介して蒸発器１６に導入され、ここで室内空気と熱交換（冷房）して蒸発し、蒸発器１６からは低温低圧の冷媒が蒸発器側送り戻し流路２４、四方弁２０、及び戻し流路２５を介して気液分離器１２に戻される。

それに対し、暖房運転モードが選択されたときには、四方弁２０が、図４（Ｂ）に示される如くに、吐出流路２２と蒸発器側送り戻し流路２４とを連通させるとともに、凝縮器側送り戻し流路２３と戻し流路２５とを連通させる状態に切り換えられる。このときには、図１において破線矢印で示される如くに、気液分離器１２内の冷媒が吸入流路２１を介して圧縮機１０に吸入されるとともに、圧縮機１０の吐出口１０ａから高温高圧の冷媒が吐出流路２２、四方弁２０、及び蒸発器側送り戻し流路２４を介して蒸発器１６に導かれ、蒸発器１６において室内空気と熱交換（暖房）して蒸発し、高圧の二相冷媒となって流路２７を介して膨張弁１８に導入される。この膨張弁１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路２６を介して凝縮器１４に導入され、ここで室外空気と熱交換して凝縮し、凝縮器１４からは低温低圧の冷媒が凝縮器側送り戻し流路２３、四方弁２０、及び戻し流路２５を介して気液分離器１２に戻される。

特開２００３−１３９４３０号公報

前記した如くの従来の冷凍サイクルにおいては、四方弁内において高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒とが近接して流動するため、高温高圧の冷媒から低温低圧の冷媒への熱移動量が大きくなり、無視できない熱損失が発生してしまうという問題があった。

かかる問題を解消するための一つの方策として、四方弁に断熱流路等の断熱手段を組み込むことが考えられる。しかしながら、四方弁に断熱手段を組み込むと、汎用品に比してコストが極めて高くなってしまう。

本発明は、前記した如くの事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、熱損失の低減を低コストで達成できるようにされた冷凍サイクルを提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る冷凍サイクルは、基本的には、圧縮機、気液分離器、凝縮器、蒸発器、及び膨張弁を備え、前記気液分離器内の冷媒を前記圧縮機に導く吸入流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器の第１流通口に導く凝縮器側送出流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記蒸発器の第１流通口に導く蒸発器側送出流路と、前記凝縮器の第２流通口と前記膨張弁とを接続する流路と、前記膨張弁と前記蒸発器の第２流通口とを接続する流路と、前記凝縮器の第１流通口と前記気液分離器の戻し口とを接続するための凝縮器側戻し流路と、前記蒸発器の第１流通口と前記気液分離器の戻し口とを接続するための蒸発器側戻し流路と、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路及び前記蒸発器側送出流路との間に配在された送出流路切換手段と、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路及び前記蒸発器側戻し流路との間に配在された戻し流路切換手段と、を具備していることを特徴としている。

好ましい態様では、前記送出流路切換手段は、第１の運転モードが選択されたときには、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路とを連通させるとともに、前記吐出口と前記蒸発器側送出流路とを遮断し、第２の運転モードが選択されたときには、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路とを遮断するとともに、前記吐出口と前記蒸発器側送出流路とを連通させるようにされる。

前記送出流路切換手段は、好ましくは、三方弁で構成されている。

他の好ましい態様では、前記戻し流路切換手段は、第１の運転モードが選択されたときには、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路とを遮断するするとともに、前記戻し口と前記蒸発器側戻し流路とを連通させ、第２の運転モードが選択されたときには、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路とを連通させるとともに、前記戻し口と前記蒸発器側戻し流路とを遮断するようにされる。

前記戻し流路切換手段は、好ましくは、三方弁で構成されている。

前記送出流路切換手段及び前記戻し流路切換手段の少なくとも一方の内部流路あるいは前記切換手段の本体に断熱部材を配することもある。さらに、前記第１流通口及び前記第２流通口の少なくとも一方の内部流路に、断熱部材を配することで、高い断熱性を要求（必要と）される場合には対応可能である。

前記送出流路切換手段は、前記圧縮機に一体的に付設もしくは保持固定、もしくは前記切換手段の本体に配した断熱部材を介して保持固定することも可能である。また、前記戻し流路切換手段は、前記気液分離器に一体的に付設もしくは保持固定、もしくは前記切換手段の本体に配した断熱部材を介して保持固定することもある。また、断熱部材は、シート状にして前記送出流路切換手段と前記圧縮機との間に配設し保持固定をしてもよく、シート状にして前記戻し流路切換手段と前記気液分離器との間に配設し保持固定をしてもよい。

本発明に係る冷凍サイクルでは、四方弁に代えて、汎用の安価な三方弁等で構成される送出流路切換手段と戻し流路切換手段とが用いられ、いずれの運転モードが選択されたときでも、送出流路切換手段及び戻し流路切換手段内で高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒とが近接するものの、それらのうちの一方は流動しているが他方は実質的に静止せしめられているので、静止冷媒の熱伝達率は顕著に低下し、高温高圧の冷媒から低温低圧の冷媒への熱移動量が従来の通常の四方弁が用いられている場合に比して小さくなる。そのため、四方弁に断熱手段を組み込んだ場合と同等以上の熱損失の低減を、より低コストで達成できる。さらに、断熱部材を、内部流路等に配置すれば、さらなる高断熱状態の要求にも対応可能である。この場合、断熱部材を用いないものよりはコストは上がるものの、一般的三方弁の内部構造は、四方弁のそれよりも簡素であるため、比較的に低コストで極めて高い断熱効果を得ることができる。

また、送出流路切換手段及び戻し流路切換手段をそれぞれ圧縮機と気液分離器に一体的に付設もしくは保持固定することにより、筐体やブラケット類を不要にできるとともに、図３に示される従来の冷凍サイクル５における吐出流路２２や戻し流路２５も不要にでき、この点でも低コスト化及びコンパクト化が図られる。

以下、本発明の冷凍サイクルの実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１、図２は、本発明の一実施形態の冷凍サイクルの、それぞれ冷房運転状態、暖房運転状態を示している。なお、図１、図２においては、前述した図３に示される従来の冷凍サイクル５の各部に対応する部分には、同一の符号が付されている。

図示実施形態の冷凍サイクル１は、図３に示される従来例と同様に、空気調和機のもので、運転モード（冷房運転と暖房運転）の切り換えを送出流路切換手段とされる送出流路切換用三方弁３０で行うようになっている。すなわち、圧縮機１０、気液分離器１２、凝縮器（室外熱交換器）１４、蒸発器（室外熱交換器）１６、及び膨張弁１８を備え、前記の圧縮機１０、凝縮器１４、及び蒸発器１６の三者の間に前記送出流路切換用三方弁３０が配在されている。この送出流路切換用三方弁３０は、圧縮機１０に一体的に付設もしくは保持固定されている。なお、送出流路切換用三方弁３０としては、弁体位置（状態）が選択的に切り換えられるものであれば、電磁駆動タイプ、電動タイプ等のいずれでもよく、また、スライド式、ロータリ式等のいずれの形態をとるものであってもよい。

前記各機器類間は導管（パイプ）等で形成される流路で接続されている。具体的には、気液分離器１２内の冷媒を圧縮機１０に導く吸入流路２１、圧縮機１０の吐出口１０ａから吐出された冷媒を三方継手１５が付設された凝縮器１４の第１流通口１４ａに導く凝縮器側送出流路３２、圧縮機１０の吐出口１０ａから吐出された冷媒を三方継手１７が付設された蒸発器１６の第１流通口１６ａに導く蒸発器側送出流路３４、凝縮器１４の第２流通口１４ｂと膨張弁１８とを接続する流路２６、膨張弁１８と蒸発器１６の第２流通口１６ｂとを接続する流路２７、凝縮器１４の第１流通口１４ａと気液分離器１２の戻し口１２ａとを接続するための凝縮器側戻し流路３６、及び、蒸発器１６の第１流通口１６ａと気液分離器１２の戻し口１２ａとを接続するための蒸発器側戻し流路３８が設けられ、気液分離器１２の戻し口１２ａと凝縮器側戻し流路３６及び蒸発器側戻し流路３８との間に戻し流路切換手段としての戻し流路切換用三方弁４０が配在されている。この戻し流路切換用三方弁４０は、気液分離器１２に一体的に付設もしくは保持固定されている。なお、戻し流路切換用三方弁４０としては、弁体の位置（状態）が自動的に切り換えられる差圧駆動式等のものが好ましいが、それに限定されるものではない。

また、この他にも、送出流路切換用三方弁３０及び前記戻し流路切換用三方弁４０の少なくとも一方の内部流路に断熱部材が設けられていてもよく、送出流路切換用三方弁３０の本体及び前記戻し流路切換用三方弁４０の本体の少なくとも一方に断熱部材が設けられていてもよい。さらにまた、凝縮器１４の第１流通口１４ａ、第２流通口１４ｂ、蒸発器１６の第１流通口１６ａ、第２流通口１６ｂ、の少なくともいずれかの内部流路に、断熱部材を配してもよい。さらに、送出流路切換用三方弁３０及び戻し流路切換用三方弁４０の本体に断熱部材が設けられた場合には、この送出流路切換用三方弁３０は、断熱部材を介して、圧縮機１０に保持固定され、戻し流路切換用三方弁４０は、断熱部材を介して気液分離器１２に保持固定される。さらにまた、断熱部材は、シート状にして送出流路切換用三方弁３０と圧縮機１０との間に配設し保持固定をしてもよく、シート状にして戻し流路切換用三方弁４０と気液分離器１２との間に配設し保持固定されてもよい。

ここで、前記送出流路切換用三方弁３０は、冷房運転モードが選択されたときには、図１に示される如くに、圧縮機１０の吐出口１０ａと凝縮器側送出流路３２とを連通させるとともに、前記吐出口１０ａと蒸発器側送出流路３４とを遮断し、暖房運転モードが選択されたときには、図２に示される如くに、圧縮機１０の吐出口１０ａと凝縮器側送出流路３２とを遮断するとともに、前記吐出口１０ａと蒸発器側送出流路３４とを連通させるようになっている。

また、前記戻し流路切換用三方弁４０は、冷房運転モードが選択されたときには、図１に示される如くに、気液分離器１２の戻し口１２ａと凝縮器側戻し流路３６とを遮断するするとともに、前記戻し口１２ａと蒸発器側戻し流路３８とを連通させ、暖房運転モードが選択されたときには、図２に示される如くに、気液分離器１２の戻し口１２ａと凝縮器側戻し流路３６とを連通させるとともに、前記戻し口１２ａと蒸発器側戻し流路３８とを遮断するようになっている。

このような構成の冷凍サイクル１においては、冷房運転モードが選択されたときには、図１に示される如くに、気液分離器１２内の冷媒が吸入流路２１を介して圧縮機１０に吸入されるとともに、圧縮機１０の吐出口１０ａから高温高圧の冷媒が送出流路切換用三方弁３０及び凝縮器側送出流路３２を介して凝縮器１４に導かれ、凝縮器１４において室外空気と熱交換して凝縮し、高圧の二相冷媒となって流路２６を介して膨張弁１８に導入される。この膨張弁１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路２７を介して蒸発器１６に導入され、ここで室内空気と熱交換（冷房）して蒸発し、蒸発器１６からは低温低圧の冷媒が蒸発器側戻し流路３８及び戻し流路切換用三方弁４０を介して気液分離器１２に戻される。このとき、蒸発器側送出流路３４の圧縮機１０側の端部は送出流路切換用三方弁３０により閉じられているので、蒸発器側送出流路３４内の低圧の冷媒は実質的に静止せしめられており、また、凝縮器側戻し流路３６の気液分離器１２側の端部は、戻し流路切換用三方弁４０により閉じられているので、凝縮器側戻し流路３６内の高圧の冷媒は実質的に静止せしめられている。

一方、暖房運転モードが選択されたときには、図２に示される如くに、気液分離器１２内の冷媒が吸入流路２１を介して圧縮機１０に吸入されるとともに、圧縮機１０の吐出口１０ａから高温高圧の冷媒が送出流路切換用三方弁３０及び蒸発器側送出流路３４を介して蒸発器１６に導かれ、蒸発器１６において室内空気と熱交換（暖房）して蒸発し、高圧の二相冷媒となって流路２７を介して膨張弁１８に導入される。この膨張弁１８により高圧の冷媒が減圧され、減圧された低圧の冷媒は、流路２６を介して凝縮器１４に導入され、ここで室外空気と熱交換して凝縮し、凝縮器１４からは低温低圧の冷媒が凝縮器側戻し流路３６及び戻し流路切換用三方弁４０介して気液分離器１２に戻される。このとき、凝縮器側送出流路３２の圧縮機１０側の端部は送出流路切換用三方弁３０により閉じられているので、凝縮器側送出流路３２内の低圧の冷媒は実質的に静止せしめられており、また、蒸発器側戻し流路３８の気液分離器１２側の端部は、戻し流路切換用三方弁４０により閉じられているので、蒸発器側戻し流路３８内の高圧の冷媒は実質的に静止せしめられている。

このような構成とされた本実施形態の冷凍サイクル１においては、四方弁に代えて、汎用の安価な三方弁３０、４０が用いられ、冷房及び暖房のいずれの運転モードが選択されたときでも、送出流路切換用三方弁３０及び戻し流路切換用三方弁４０内で高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒とが近接するものの、それらのうちの一方は流動しているが他方は実質的に静止せしめられているので、高温高圧の冷媒から低温低圧の冷媒への熱伝導量が従来の通常の四方弁が用いられている場合に比して小さくなる。そのため、四方弁に断熱手段を組み込んだ場合と同等以上の熱損失の低減を、より低コストで達成できる。さらに、断熱部材を、三方弁３０、４０の内部流路等に配置すれば、さらなる高断熱状態の要求にも対応可能である。この場合、断熱部材を用いないものよりはコストは上がるものの、一般的三方弁の内部構造は、四方弁のそれよりも簡素であるため、比較的に低コストで極めて高い断熱効果を得ることができる。

また、送出流路切換用三方弁３０及び戻し流路切換用三方弁４０をそれぞれ圧縮機１０と気液分離器１２に一体的に付設もしくは保持固定しているので、筐体やブラケット類を不要にできるとともに、図３に示される従来の冷凍サイクル５における吐出流路２２や戻し流路２５も不要にでき、この点でも低コスト化及びコンパクト化が図られる。

本発明に係る冷凍サイクルの一実施形態の冷房運転状態を示す図。 本発明に係る冷凍サイクルの一実施形態の暖房運転状態を示す図。 従来の冷凍サイクルの一例を示す図。 図３の従来の冷凍サイクルの四方弁の作動状態を示す図で、（Ａ）は冷房運転時の作動状態図であり、（Ｂ）は暖房運転時の作動状態図。

符号の説明

１…冷凍サイクル
１０…圧縮機
１２…気液分離器
１４…凝縮器
１６…蒸発器
１８…膨張弁
３０…送出流路切換用三方弁
３２…凝縮器側送出流路
３４…蒸発器側送出流路
３６…凝縮器側戻し流路
３８…蒸発器側戻し流路
４０…戻し流路切換用三方弁

Claims (9)

1. 圧縮機、気液分離器、凝縮器、蒸発器、及び膨張弁を備えた冷凍サイクルであって、前記気液分離器内の冷媒を前記圧縮機に導く吸入流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器の第１流通口に導く凝縮器側送出流路と、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記蒸発器の第１流通口に導く蒸発器側送出流路と、前記凝縮器の第２流通口と前記膨張弁とを接続する流路と、前記膨張弁と前記蒸発器の第２流通口とを接続する流路と、前記凝縮器の第１流通口と前記気液分離器の戻し口とを接続するための凝縮器側戻し流路と、前記蒸発器の第１流通口と前記気液分離器の戻し口とを接続するための蒸発器側戻し流路と、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路及び前記蒸発器側送出流路との間に配在された送出流路切換手段と、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路及び前記蒸発器側戻し流路との間に配在された戻し流路切換手段と、を具備していることを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記送出流路切換手段は、第１の運転モードが選択されたときには、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路とを連通させるとともに、前記吐出口と前記蒸発器側送出流路とを遮断し、第２の運転モードが選択されたときには、前記圧縮機の吐出口と前記凝縮器側送出流路とを遮断するとともに、前記吐出口と前記蒸発器側送出流路とを連通させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
3. 前記送出流路切換手段は、三方弁で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル。
4. 前記戻し流路切換手段は、第１の運転モードが選択されたときには、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路とを遮断するするとともに、前記戻し口と前記蒸発器側戻し流路とを連通させ、第２の運転モードが選択されたときには、前記気液分離器の戻し口と前記凝縮器側戻し流路とを連通させるとともに、前記戻し口と前記蒸発器側戻し流路とを遮断することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷凍サイクル。
5. 前記戻し流路切換手段は、三方弁で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷凍サイクル。
6. 前記送出流路切換手段及び前記戻し流路切換手段の少なくとも一方の内部流路あるいは前記切換手段の本体に断熱部材を配したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の冷凍サイクル。
7. 前記第１流通口及び前記第２流通口の少なくとも一方の内部流路に、断熱部材を配したことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の冷凍サイクル。
8. 前記送出流路切換手段は、前記圧縮機に一体的に付設もしくは保持固定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の冷凍サイクル。
9. 前記戻し流路切換手段は、前記気液分離器に一体的に付設もしくは保持固定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の冷凍サイクル。

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