JP2006283998A - 冷凍サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の非共沸混合冷媒使用の冷凍サイクルは、蒸発器と圧縮機の間に独立した冷媒熱交換器を設けて高圧冷媒と低圧冷媒との熱交換を行っていた。独立設置の冷媒熱交換器では、圧縮機吸込圧力が、低圧冷媒が冷媒熱交換器を通過する際発生する圧力損失分だけ低下するので、冷凍サイクルの成績係数が冷媒熱交換器内の圧力損失の分だけ低下するという問題があった。
【解決手段】 本発明の非共沸混合冷媒使用の冷凍サイクルにおいては、凝縮器２を出た高圧冷媒と蒸発器４を出た低圧冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器１ｃを、圧縮機１の容器の吸込部を流れる低圧冷媒と高圧冷媒とが隔壁を介して熱交換するように形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに関するものである。

非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクルにおいて、凝縮器から出た高圧液冷媒と蒸発器から出た低圧冷媒を熱交換させると、蒸発器における小温度差熱交換が可能となり、冷凍サイクルの成績係数が向上することが知られている。
この効果を得るために、蒸発器と圧縮機の間に冷媒熱交換器を設けて、高圧液冷媒と蒸発器から出た低圧冷媒を熱交換させる方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６２−１９６５０号公報（第２頁、第１図）

従来は、蒸発器と圧縮機の間に独立した冷媒熱交換器を設けていた（以下、独立設置方式と称す。）。独立設置方式では、圧縮機吸込圧力が、低圧冷媒が冷媒熱交換器を通過する際発生する圧力損失分だけ低下する。このため、冷凍サイクルの成績係数が冷媒熱交換器内の圧力損失の分だけ低下するという問題があった。図１０に吸込側の圧力損失が成績係数に与える影響を示す。図１０によると圧縮機吸入圧力がわずか０．０２ＭＰａ低下しただけで、成績係数は約５％低下する。このようにわずかな圧力損失であっても成績係数に与える影響は非常に大きい。
また、独立設置方式の場合、冷媒熱交換器本体及び関連配管のためのスペースが必要となり、装置全体の設置スペースが増大するという問題も生じる。

本発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、非共沸混合冷媒を使用し、冷媒熱交換器で凝縮器から出た高圧液冷媒と蒸発器から出た低圧冷媒とを熱交換させる冷凍サイクルにおいて、蒸発器出口に形成した冷媒熱交換器による圧力損失を削減し、冷凍サイクルの成績係数を向上し、かつ、冷媒熱交換器の設置スペースを削減することができる冷凍サイクルを得るものである。

本発明に係る冷凍サイクルは、圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器に非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクルにおいて、凝縮器を出た高圧冷媒と蒸発器を出た低圧冷媒とが熱交換する冷媒熱交換器を設け、この冷媒熱交換器は、高圧冷媒が圧縮機の容器の吸込部を流れる低圧冷媒と隔壁を介して熱交換することにより形成されるものである。

本発明に係る冷凍サイクルにおいては、冷媒熱交換器は、高圧冷媒が圧縮機の容器の吸込部を流れる低圧冷媒と隔壁を介して熱交換することにより形成され、冷媒熱交換器内での低圧冷媒の圧力損失が小さいので、圧力損失による成績係数低下を防止するという効果を奏する。また、独立した冷媒熱交換器を設けていないので冷凍サイクルの設置スペースの縮減及び軽量化という効果を奏する。

実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態に係る冷凍サイクルを示す構成図を示す。以下、図１を参照しながら本実施の形態の冷凍サイクルを説明する。
図１に示すように、本実施の形態の冷凍サイクルは、非共沸混合冷媒が、圧縮機１の容器内の圧縮機構部１ａ、凝縮器２を経由し、圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃを構成する高圧液冷媒用流路に高圧液入口１ｆから入り高圧液出口１ｇから出て、膨張手段３、蒸発器４を経由し、再度圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃを構成する圧縮機容器内の圧縮機吸込口１ｅ側を経て圧縮機容器内の電動機部１ｂを経由して、圧縮機構部１ａに戻る循環回路を形成する。
ここで、圧縮機構部１ａ、電動機部１ｂ及び冷媒熱交換器部１ｃは、圧縮機１を構成し、圧縮機構部１ａ及び電動機部１ｂは、圧縮機１の容器内に収容され、また、冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃは、圧縮機１の容器内の圧縮機吸込口１ｅ側、即ち、容器の吸込部と、この容器の吸込部の容器外周面に接するように配置した高圧液冷媒用流路（高圧液冷媒の配管）とから形成され、高圧液冷媒用流路内の冷媒と容器内の圧縮機吸込口１ｅから電動機部１ｂに流れる冷媒とが隔壁である高圧液冷媒の配管及び圧縮機１の容器を介して熱交換する。
冷媒熱交換器部１ｃの具体例は、圧縮機１の圧縮機吸込口１ｅ側の容器外周面に高圧液冷媒の配管を巻きつけ形成したり、圧縮機１の圧縮機吸込口１ｅ側の容器外周面に溝を形成し、高圧液冷媒の配管をこの溝内に嵌入するなどしたものである。

本冷凍サイクルにおいて、冷媒は以下のように流れる。
圧縮機１の圧縮機構部１ａより吐出した冷媒は、凝縮器２で凝縮液化し高温の高圧液冷媒となり、この高圧液冷媒は、圧縮機１の圧縮機吸込口１ｅ側の容器外周面に接する高圧液冷媒の配管に高圧液入口１ｆから流入し、高圧液出口１ｇから出る。この際、圧縮機１の圧縮機吸込部１ｅから容器に流入した低温の低圧冷媒と熱交換する。このように、冷媒熱交換器部１ｃで熱交換した後、高圧液冷媒の配管の高圧液出口１ｇより流出した高圧液冷媒は、膨張手段３で減圧されて低圧冷媒になり、蒸発器４で熱源より加熱される。蒸発機４より流出した低圧冷媒は、圧縮機吸込口１ｅより圧縮機１の容器に流入する。そしてこの低温の低圧冷媒は、冷媒熱交換器部１ｃで高温の高圧液冷媒と熱交換後、電動機部１ｂに導かれ、さらに圧縮機構部１ａに吸入される。

圧縮機吸込口１ｅから圧縮機１の容器内に流入した低圧冷媒が通過する圧縮機１の容器内の構造は、冷媒熱交換器部１ｃのない通常のものと大きく変わるところがないので、本発明の実施の形態の冷凍サイクルにおいては、冷媒熱交換器部１ｃにおける冷媒熱交換に際して低圧冷媒の圧力損失は小さい。この結果、冷媒熱交換の際に圧力損失が生じる冷媒熱交換器を独立して設ける従来方式と比較して、本実施の形態の冷凍サイクルは成績係数が向上するという効果を奏する。
また、高圧液冷媒用流路の寸法は、冷媒熱交換器を独立して設ける従来方式と比較して、圧縮機１の直径を十分小さくすることが可能であるため、本実施の形態における圧縮機１の全体寸法及び重量は冷媒熱交換器部１ｃを有しない圧縮機の全体寸法及び重量と殆ど変わらなくすることは可能である。即ち、独立設置方式の場合に比べて、冷凍サイクルの設置スペースの縮減、軽量化を実現することができる。
また、圧縮機１の吸込部の内側及び高圧冷媒流路の内側の片方又は両方に溝加工等の各種加工またはフィン等の伝熱面積拡大手段を施すことにより、高圧液冷媒と低圧冷媒の熱交換の促進をさせ、さらなる成績係数の向上を図ることは可能である。

本冷凍サイクルにおいては、凝縮器２を出た高圧冷媒と蒸発器４を出た低圧冷媒とが熱交換する冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃを設け、この冷媒熱交換器部１ｃは、圧縮機１の容器の吸込部の容器外周面に高圧冷媒の配管を接触させ、高圧冷媒が圧縮機１の容器の吸込部を流れる低圧冷媒と隔壁を介して熱交換することにより形成されるので、低圧冷媒の圧力損失が小さく、圧力損失による成績係数低下の防止が可能という効果を奏する。また、独立した冷媒熱交換器が不要になるので冷凍サイクルの設置スペースの縮減及び軽量化という効果を奏する。

実施の形態２．
図２に実施の形態２に係る冷凍サイクルを示す構成図を示す。以下、図２を参照して本冷凍サイクルを説明する。
図２が示すように、本実施の形態の冷凍サイクルは、非共沸混合冷媒を圧縮機１の容器内の圧縮機構部１ａ、凝縮器２、中間冷却器８、圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃ、膨張手段３、蒸発器４を経由し、再度圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃを経て圧縮機１の電動機部１ｂを経由して、圧縮機１の圧縮機構部１ａに戻る主循環回路を形成する。
また、中間冷却器８の高圧側出口８ｂで主循環回路から分岐し、中間冷却器用膨張手段９を経て、中間冷却器８の低圧側入口８ｃに接続され、中間冷却器８に入り、低圧側出口８ｄから出て、圧縮機構１ａの中間冷却器冷媒注入口１ｈに接続され、中間冷却器回路を形成する。即ち、本冷凍サイクルは、主循環回路と中間冷却器回路とで構成する。
圧縮機１が圧縮機構部１ａ、電動機部１ｂ、冷媒熱交換器部１ｃで構成されるのは実施の形態１と同様である。また、冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃの構造も実施の形態１と同様である。

本冷凍サイクルにおいて冷媒は以下のように流れる。
圧縮機構部１ａより吐出された冷媒は凝縮器２で凝縮液化し高圧液冷媒となる。この高圧液冷媒は、中間冷却器８の高圧側入口８ａより中間冷却器８に流入し、中間冷却器８内で、後述の中間冷却器用膨張手段９で膨張後の冷媒と熱交換した後、高圧側出口８ｂから中間冷却器８を出て後、冷媒熱交換器部１ｃ側と中間冷却器用膨張手段９側とに分流する。
冷媒熱交換器部１ｃ側の高圧冷媒は、圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃに流入する。冷媒熱交換器部１ｃにて、低温の低圧冷媒と熱交換した後、膨張手段３で減圧されて低圧冷媒になり、蒸発器４で加熱される。蒸発器４より流出した低圧冷媒は、圧縮機１の冷媒熱交換器部１ｃに流入する。そして、冷媒熱交換器部１ｃで高圧液冷媒により加熱された後、電動機部１ｂに導かれ、その後、圧縮機構部１ａに吸入される。このように主循環回路を冷媒が流れる。
また、中間冷却器８の高圧側出口８ｂで分流された中間冷却器用冷媒は、中間冷却器用膨張手段９で減圧され、中間冷却器８の低圧側入口８ｃより、中間冷却器８に流入し、中間冷却器８内で高圧液冷媒と熱交換する。熱交換後の中間冷却器用冷媒は、中間冷却器８の低圧側出口８ｄより流出し、圧縮機1の中間冷却器用冷媒注入口１ｈから圧縮機構部１ａに注入する。このように中間冷却器用冷媒は、中間冷却器回路を流れる。

本実施の形態の冷凍サイクルは、エコノマイザー回路が追加されたことにより、冷却能力の向上及び成績係数の向上という効果を奏する。

図２の冷凍サイクルでは、凝縮器２から中間冷却器８に入り、中間冷却器８を出てから主循環回路と中間冷却回路に分かれたが、図３に示すように、凝縮器２を出て中間冷却器８に入る前に、分流してもよく、同様の効果が得られる。

本冷凍サイクルにおいては、高圧冷媒は、冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃで熱交換前に中間冷却器８で冷却されるので、冷媒熱交換器部１ｃでの圧力損失の減少による成績係数の向上及び設置スペースの減少に加えて、更に成績係数の向上という効果を奏する。

実施の形態３．
本実施の形態は、実施の形態1または実施の形態２の冷凍サイクルにおいて、圧縮機１の容器の冷媒吸込部を二重壁構造とし、この二重壁構造部分を冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃとして機能させたものである。
図４に実施の形態３の冷凍サイクルに使用する圧縮機１の断面図及び図５に圧縮機１の容器の吸込部の断面図を示す。以下、本実施の形態の冷凍サイクルの圧縮機１を、図４及び図５により説明する。
圧縮機１の容器の吸込部は、容器の圧縮機吸込口１ｅから電動機部１ｂにわたって容器の外側より順に外殻ケーシング１１、高圧液冷媒用流路１３、内殻ケーシング１２、低圧冷媒流路２０から構成されている。また、高圧液入口１ｆ、高圧液出口１ｇが外殻ケーシング外表面１４に設置されている。

そこで、冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃは、このような圧縮機１の容器の吸込部で形成され、この冷媒熱交換器部１ｃにおいては、圧縮機１の容器内に圧縮機吸込口１ｅから入り、容器内を電動機部１ｂに流れる低温の低圧冷媒と、高圧液入口１ｆから流入し、外側ケーシング１１と内側ケーシング１２とで形成される高圧液冷媒用流路１３を流れ高圧液出口１ｇから流出する高温の高圧液冷媒冷媒とが隔壁である内殻ケーシング１２を介して熱交換する。
熱交換をした高圧液冷媒は、膨張手段３に流れ、以下実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

本実施の形態の冷凍サイクルの冷媒熱交換部１ｃでは、実施の形態１、２の冷媒熱交換器部１ｃと同様の効果に加えて、圧縮機１の内殻ケーシング１２の外側に高圧液冷媒があり、内殻ケーシング１２の内側に低圧冷媒があるので、熱抵抗が小さく、熱交換効率を向上させることができる。
また、圧縮器１の容器の低圧冷媒流路２０は、製作上の都合により直角に曲がっていることが多い。このため、低圧冷媒が気液二相で流入した場合、ガス冷媒と比べて密度が大きい液冷媒は、この曲がりを曲がりきれず、内殻ケーシング１２の内側に付着することとなる。そして、高圧液冷媒により外側から加熱された内殻ケーシング１２は、この付着した液冷媒を優先的に加熱することになるので、本実施の形態の冷凍サイクルは液バックによる圧縮機損傷を防止するという効果も奏する。

図６及び図７に、比較のため二重壁構造でない圧縮機断面図及び圧縮機の吸込部の断面図を示す。図６、７に示すように、二重壁構造でない圧縮機では、ケーシング２１の内側に低温の低圧冷媒が流れ、ケーシング２１の外側は外気に接している。このため低温の低圧冷媒によりケーシング２１が冷やされると、ケーシング外表面２２に結露又は霜付が生じることがある。この結露等の対策として、ケーシング外表面２２に断熱材を貼り付けることもある。
本実施の形態においては、外気と接する外殻ケーシング１１の内側に流れるのは高温の高圧液冷媒のため、外殻ケーシング外表面１４の温度は外気以下には低下せず、外殻ケーシング外表面１４に結露等は発生しない。この結果、本実施の形態においては外殻ケーシング外表面１４への断熱材貼付けが不要となる。
本実施の形態の冷凍サイクルに実施の形態２の中間冷却器回路を追加した冷凍サイクルにおいても、本実施の形態と同様の効果を得られる。

本冷媒熱交換器部１ｃは、電動機部１ｂまで二重壁構造となっているが、電動機部１ｂは必ずしも、二重壁構造でなくてもよい。
また、本発明の実施にあたり、本冷媒熱交換器部１ｃは、内殻ケーシング１２の内面又は外面もしくは両面に溝加工等の各種加工またはフィン等の伝熱面積拡大手段を施して、高圧液冷媒と低圧冷媒の熱交換の促進をさせ、さらなる成績係数の向上を図ることは可能である。

本冷凍サイクルにおいては、圧縮機１の容器の吸込部の容器を二重壁構造とし、冷媒熱交換器１ｃは、二重壁の内壁内である容器内を流れる低圧冷媒と二重壁１１、１２間を流れる高圧冷媒とが熱交換することにより形成されるので、低圧冷媒の圧損が減少され、成績係数の向上効果及び独立の冷媒熱交換器を設置しないことにより設置スペースの低減効果が得られ、また、熱交換率が高く、更に、圧縮機１の容器の外表面に結露又は霜付が生じるのを防止できる。

実施の形態４．
本実施の形態の冷凍サイクルの圧縮機１は、実施の形態１または実施の形態２において圧縮機１の容器の冷媒吸込部の低圧冷媒流路２０（実施の形態３の低圧冷媒流路２０と同じ）内に、高圧冷媒流路１５を設け、この低圧冷媒流路２０と貫通配管である高圧冷媒流路１５とを冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃとして機能させたものである。
図８は、実施の形態４の冷凍サイクルの圧縮機の断面図であり、図９は、同じく圧縮機の容器の吸込部の断面図である。本実施の形態の冷凍サイクルにおいては、低圧冷媒流路２０の中央に高圧冷媒流路３０を貫通させ、高圧冷媒流路３０内の高圧液冷媒と圧縮機１の容器内の低圧冷媒流路２０内の低圧冷媒とを隔壁である低圧冷媒流路２０を形成する高圧冷媒の配管の管壁を介して熱交換させる。

低圧冷媒の流速が速い低圧冷媒流路２０の中央に高圧冷媒流路３０を設けるので、実施の形態１、２の冷媒熱交換器部１ｃの効果に加えて、熱交換効率が向上する。

高圧冷媒流路の外部断面形状は、矩形に限らず、翼型、円など、流体抵抗の少ない形状が望ましい。
また、低圧冷媒流路２０中に設置する高圧冷媒流路は、二流路以上設けてもよい。
さらに、実施の形態３の圧縮機１の低圧冷媒流路内に、高圧冷媒流路３０を設けると、一層熱交換効率が向上する。
また、本発明の実施にあたり、高圧冷媒流路３０の内面、外面もしくは両面に溝加工等の各種加工またはフィン等の伝熱面積拡大手段を施して、高圧液冷媒と低圧冷媒の熱交換の促進をさせ、さらなる成績係数の向上を図ることは可能である。

本冷凍サイクルにおいては、高圧冷媒が流れる配管が圧縮機１の容器の吸込部を貫通し、冷媒熱交換器１ｃは、容器の吸込部を流れる低圧冷媒と貫通配管である高圧冷媒流路１５を流れる高圧冷媒とが熱交換することにより形成されるので、低圧冷媒の圧損が減少でき、また、独立の冷媒熱交換器を設けないので、成績係数の向上及び冷凍サイクルの設置スペースの低減が可能である。

上記の実施の形態１、２、３、４の冷凍サイクルにおいて、圧縮機１を駆動する電動機は、上記の圧縮機１の内部に電動機部１ｂを取付ける半密閉形及び密閉形の例の他に、圧縮機１の外部に電動機を取付ける開放形のものでもよく、いずれの方式でも本冷媒熱交換器である冷媒熱交換器部１ｃは適用可能である。
また、本圧縮機１は、単段圧縮の場合を示すが、二段圧縮及び三段圧縮以上のいずれでも適用できる。また圧縮機構部１ａの形式としては、例えば、スクリュー式、レシプロ式、ターボ式、スクロール式のものが含まれる。

本発明の実施の形態１の冷凍サイクルを示す図である。 本発明の実施の形態２の冷凍サイクルを示す図である。 本発明の実施の形態２の別の冷凍サイクルを示す図である。 本発明の実施の形態３の冷凍サイクルの圧縮機を示す断面図である。 図４の圧縮機の容器の吸込部を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の冷凍サイクルの圧縮機の比較例の圧縮機を示す断面図である。 図６の圧縮機の容器の吸込部を示す断面図である。 本発明の実施の形態４の冷凍サイクルの圧縮機を示す断面図である。 図８の圧縮機の容器の吸込部を示す断面図である。 圧縮機の吸込側の圧力損失が成績係数に与える影響を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機、１ｃ 冷媒熱交換器、２ 凝縮器、３ 膨張手段、４ 蒸発器、８ 中間冷却器、１１、１２ 二重壁、１５ 貫通配管。

Claims (5)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張手段、蒸発器に非共沸混合冷媒を循環させる冷凍サイクルにおいて、
   前記凝縮器を出た高圧冷媒と前記蒸発器を出た低圧冷媒とが熱交換する冷媒熱交換器を設け、
   前記冷媒熱交換器は、前記高圧冷媒が前記圧縮機の容器の吸込部を流れる前記低圧冷媒と隔壁を介して熱交換することにより形成されることを特徴とする冷凍サイクル。
2. 前記冷媒熱交換器は、前記圧縮機の容器の吸込部の容器外周面に前記高圧冷媒の配管を接触させることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
3. 前記圧縮機の容器の吸込部の容器を二重壁構造とし、前記冷媒熱交換器は、前記二重壁の内壁内である前記容器内を流れる前記低圧冷媒と前記二重壁間を流れる前記高圧冷媒とが熱交換することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
4. 前記高圧冷媒が流れる配管が前記圧縮機の容器の吸込部を貫通し、前記冷媒熱交換器は、前記容器の吸込部を流れる前記低圧冷媒と前記貫通配管を流れる前記高圧冷媒とが熱交換することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
5. 前記高圧冷媒は、前記冷媒熱交換器で熱交換前に中間冷却器で冷却されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの請求項に記載の冷凍サイクル。
   

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