JP2007032857A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器を用いて、ガス冷媒を圧縮機に戻すことによる蒸発器側での圧力損失を少なくし、冷媒循環量を増加させる従来の技術に加えて、この圧縮機に戻すガス冷媒を有効に利用して、冷凍サイクルの効率を向上させること。
【解決手段】圧縮機１０、凝縮器３０、冷房用絞り装置４０、及び蒸発器５０を配管で環状に接続し、冷房用絞り装置４０の下流側に気液分離器７０を設けた冷凍装置であって、気液分離器７０で分離した液冷媒を蒸発器５０に導く液配管７１と、気液分離器７０で分離したガス冷媒を圧縮機１０の吸入管６１に導くガス配管７２とを備え、液配管７１を吸入管６１と熱交換させる内部熱交換器７４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液分離器を備えた空気調和装置等の冷凍装置に関する。

従来、圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を配管で環状に接続し、絞り装置の下流側に気液分離器を設け、この気液分離器で分離したガス冷媒を圧縮機の吸入側に導く冷凍装置が知られている。上記のような冷凍装置では、ガス冷媒を蒸発器に流さず、バイパスさせて圧縮機に戻すことによって、蒸発器側での圧力損失を少なくすることができる。従って、冷凍サイクル中を循環する冷媒量を増加させることができ、冷凍能力を高めることができる。

また、気液分離器で分離したガス冷媒を、圧縮機に戻す前に、膨張弁の上流側で凝縮器の下流側に設けた熱交換器で熱交換させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、膨張弁に入る冷媒のエンタルピを小さくすることで、冷凍能力を向上させることを目的とするものである。
特開平９−３１０９２５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、気液分離器で分離した液冷媒は飽和液線までしか到達せず、エンタルピの増加には限界があった。また、冷媒の流れ方が反転する冷房運転と暖房運転の両条件で効果を出す為に膨張弁および気液分離器に一方向の冷媒が流れるように、逆止弁ブリッジ回路が必要であり、冷凍サイクルが複雑になり、コストが高くなるおそれがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸発器入り口のエンタルピを増加させ、更に、低コストで冷房と暖房の両運転で効率向上を図る冷凍機の提供を目的とする。

本発明は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記絞り装置の下流側に気液分離器を設けた冷凍装置であって、前記気液分離器で分離した液冷媒を前記蒸発器に導く液配管と、前記気液分離器で分離したガス冷媒を前記圧縮機の吸入側に導くガス配管とを備え、前記液配管を前記圧縮機の吸入管と熱交換させることにより、気液分離器を用いて、ガス冷媒を圧縮機に戻すことによる蒸発器側での圧力損失を少なくし、冷媒循環量を増加させる従来の技術に加えて、この圧縮機に戻すガス冷媒を有効に利用して、冷凍サイクルの効率を向上させることを目的とする。

本発明は、気液分離器を用いて、ガス冷媒を圧縮機に戻すことによる蒸発器側での圧力損失を少なくし、冷媒循環量を増加させる従来の技術に加えて、前記液配管を前記圧縮機の吸入管と熱交換させることにより、蒸発器のエンタルピを増加させ、冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記絞り装置の下流側に気液分離器を設けた冷凍装置であって、前記気液分離器で分離した液冷媒を前記蒸発器に導く液配管と、前記気液分離器で分離したガス冷媒を前記圧縮機の吸入
側に導くガス配管とを備え、前記液配管を前記圧縮機の吸入管と熱交換させるもので、気液分離器で分離した液冷媒を前記蒸発器に導く液配管と圧縮機の吸入管と熱交換させることにより、蒸発器のエンタルピを増加させ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、冷媒の流れ方向を四方弁で逆転させた運転条件で、気液分離器の上流側の配管と前記圧縮機の吸入管と熱交換させることより、凝縮器と蒸発器のエンタルピを増加させることができる。

第３の発明は、第１から第２の発明において、使用する冷媒を二酸化炭素にすることにより、蒸発器側のエンタルピの効果を向上することができる。

第４の発明は、第１から第２の発明において、ガス配管に開閉弁を設けたもので、この開閉弁の開閉によってガス冷媒の圧縮機への戻し動作を必要に応じて行うことができる。

第５の発明は、第４の発明において、開閉弁を空調負荷に応じて制御するもので、空調負荷に応じて蒸発器を流れる冷媒量を調整することができる。

第６の発明は、第５の発明において、開閉弁を空調負荷が所定値より小さいときには閉塞するもので、蒸発器側での圧力損失が小さいときには、無駄にガス冷媒を圧縮機の吸入側に戻すことをなくし、性能を向上することができる
第７の発明は、第４の発明において、開閉弁を冷媒循環量に応じて制御するもので、冷媒循環量に応じて蒸発器を流れる冷媒量を調整することができる。

第８の発明は、第７の発明において、開閉弁を冷媒循環量が所定値より小さいときには閉塞するもので、冷媒循環量が少ないときには蒸発器側での圧力損失も小さいため、無駄にガス冷媒を圧縮機の吸入側に戻すことをなくし、性能を向上することができる。

第９の発明は、第７又は第８の発明において、冷媒循環量を圧縮機の運転周波数によって判断するもので、冷媒循環量をより簡便に判断できる。

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、本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）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍装置の冷凍サイクル図で、空気調和装置への適用例を示している。図１に示すように、空気調和装置は室外機１と室内機２とを備え、圧縮機１０、四方弁２０、室外熱交換器３０、冷房用絞り装置４０、気液分離器７０、暖房用絞り装置４１、室内熱交換器５０をそれぞれ順番に配管を介して環状に接続している。そして気液分離器７０と室内熱交換器５０とをつなぐ配管で液冷媒を導出する配管（以降、液配管７１と称する）には、圧縮機１０の吸入管６１との間で熱交換する内部熱交換器７４が設けられている。気液分離器７０には、液冷媒を導出する液配管７１のほかにガス冷媒を導出するガス配管７２を設け、ガス冷媒の流量を制御する開閉弁７３を備えて吸入管６１に接続している。

ここで、圧縮機１０、四方弁２０、室外熱交換器３０、冷房用絞り装置４０、気液分離器７０、内部熱交換器７４は室外機１に設けられ、室内熱交換器５０は室内機２に設けられている。室外機１と室内機２とは、液側接続配管６２とガス側接続配管６３とで接続されている。液側接続配管６２は、液側室外バルブ８１と液側室内バルブ８２によって接続され、ガス側接続配管６３は、ガス側室外バルブ８３とガス側室内バルブ８４によって接
続されている。なお、冷房運転時には暖房用絞り装置４１は開放状態となり、暖房運転時には冷房用絞り装置４０は開放状態となって、それぞれ開放時には圧力損失は発生しない。

冷房運転と暖房運転との切り替えは、四方弁２０を切り替えて冷媒の流れを変化させることにより行われる。図中、実線で示す矢印は冷房運転時の冷媒の流れ方向を示し、破線で示す矢印は暖房運転時の冷媒の流れ方向を示す。冷房運転時には、室外熱交換器３０は凝縮器として、室内熱交換器５０は蒸発器として機能する。また、暖房運転時には、室内熱交換器５０は凝縮器として、室外熱交換器３０は蒸発器として機能する。

以下に冷媒の流れについて説明する。まず冷房運転における冷媒流れについて説明する。圧縮機１０で圧縮された冷媒は、四方弁２０を通って室外熱交換器３０に導かれる。この室外熱交換器３０で凝縮した冷媒は冷房用絞り装置４０で減圧され、気液分離器７０に導かれる。気液分離器７０に導かれた冷媒は、ガス冷媒と液冷媒に分離される。ここで分離された液冷媒は、液配管７１、内部熱交換器７４、液側接続配管６２を通って、室内熱交換器５０に導かれる。この室内熱交換器５０で蒸発した冷媒は、ガス側接続配管６３、四方弁２０、内部熱交換器７４、吸入管６１を通って圧縮機１０に戻る。

一方、気液分離器７０で分離されたガス冷媒は、ガス配管７２によって吸入管６１に導かれる。また、気液分離器７０で分離された液冷媒は液管７１を通って内部熱交換器７４へ導かれるが、このとき内部熱交換器７４において吸入管６１の冷媒と熱交換が行われる。

図２は、本発明の第１の実施の形態における冷凍装置の冷房運転時のモリエル線図である。図２における符号は、図１の気液分離器７０と内部熱交換器７４における配管出入口を示し、気液分離器７０の入口をＡ、内部熱交換器７４の液配管７１入口となる気液分離器７０側をＢ、出口となる室内機２側をＣ、吸入管６１入口となる四方弁２０側をＤ、出口となる圧縮機１０側をＥとしている。なお、配管による圧力及び温度の損失は考えないこととする。

図２において、冷房用絞り装置４０で減圧されてＡとなり、気液分離器７０で分離された液冷媒は飽和液線までエンタルピが増加してＢに至り、内部熱交換器７４での吸入管６１との内部熱交換により、ＢからＣへ温度を下げるとともに、その分だけ吸入管６１においてはＤからＥへ温度を上げることとなる。従って、室内熱交換器５０の冷房用蒸発器としてのエンタルピを、通常の幅ＡＤから幅ＣＤに増加することができる。

なお、開閉弁７３を閉塞しているときには、ガス配管７２には冷媒は流れない。従って、気液分離器７０から導出される冷媒は、全て室内熱交換器５０に導かれることになるが、この開閉弁７３の制御を空調負荷や運転状態による冷媒循環量によって行うことにより、冷凍サイクルの効率をより向上することができる。

（実施の形態２）
第２の実施の形態として、暖房運転における冷媒流れについて図１を用いて説明する。圧縮機１０で圧縮された冷媒は、四方弁２０を通って室内熱交換器５０に導かれる。この室内熱交換器５０で凝縮した冷媒は、暖房用絞り装置４１で減圧され、気液分離器７０に導かれる。気液分離器７０に導かれた冷媒は、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。ここで分離された液冷媒は、暖房液配管７５および分流用配管７６を通って、室外熱交換器３０に導かれる。この室外熱交換器３０で蒸発した冷媒は、四方弁２０から内部熱交換器７４および吸入管６１を通って圧縮機１０に戻る。このとき、内部熱交換器７４において、室内熱交換器５０から出た冷媒は室外熱交換器３０を出た吸入管６１の冷媒と熱交換される
。一方、気液分離器７０で分離されたガス冷媒は、ガス配管７２によって吸入管６１へ注入される。

図３は、本発明の第２の実施の形態における暖房運転時のモリエル線図である。内部熱交換器７４の出入口であるＢとＣにおける入口、出口の関係は、暖房運転時時には冷房運転時とは逆転する。また、吸入管６１側のＤはいずれの運転時でも入口であり、Ｅは同じく出口である。凝縮器である室内熱交換器５０の出口温度に相当するＣで吸入管６１の冷媒との熱交換により、冷媒温度はＣからＢへ下がり、気液分離器７０によって、飽和液線まで移動し、ＢからＡへ温度は下がる。一方、吸入温度はＤからＥへ上がるので、凝縮器、蒸発器ともにエンタルピは増加する。従って、室外熱交換器３０の暖房用蒸発器としてのエンタルピを、通常の幅ＣＤから幅ＡＤに増加することができる。

なお、開閉弁７３を閉塞しているときには、ガス配管７２には冷媒は流れない。従って、気液分離器７０から導出される冷媒は、全て室内熱交換器５０に導かれることになるが、この開閉弁７３の制御を空調負荷や運転状態による冷媒循環量によって行うことにより、冷凍サイクルの効率をより向上することができる。

（実施の形態３）
ここで、開閉弁７３の開閉制御方法について説明する。第１の方法としては、空気調和装置の負荷状態を検出し、空調負荷の大きな時には開閉弁７３を開放し、空調負荷が小さいときには開閉弁７３を閉塞する。この場合の空調負荷は、例えば設定温度と室内温度との差によって決定する。設定温度と室内温度との温度差が大きな時には空調負荷は大きく、設定温度と室内温度との温度差が小さいときには空調負荷は小さい。また、自動運転の場合には、室内熱交換器５０の配管温度と、吸い込み温度等の室内温度との温度差に応じて、定格条件である「標準温度」、標準温度の半分の「中間能力」、空調負荷の小さい「低能力」、標準よりも空調負荷の大きな「高能力」等があらかじめ設定されている。従って、これらの何れに属しているかを判定して、例えば「低能力」に属している場合には、開閉弁７３を閉塞する。

このように空調負荷が大きいときに開閉弁７３を開放することで循環量を増加させ、また空調負荷が小さい圧力損失の少ない時には無駄にガス冷媒を圧縮機１０に戻さないように制御することで、性能の向上を図ることができる。

第２の方法は、冷媒循環量を検出し、冷媒循環量が多い時には開閉弁７３を開放し、冷媒循環量が少ないときには開閉弁７３を閉塞する。このときの冷媒循環量は、圧縮機１０の運転周波数によって検出する方法の他、絞り装置の絞り度によっても検出することができる。このように冷媒循環量が少なく圧力損失の少ない時には無駄にガス冷媒を圧縮機１０に戻さないように制御することで、性能の向上を図ることができる。

以上のように本実施例によれば、室内熱交換器５０で冷却に寄与しないガス冷媒を、室内熱交換器５０に流すことなく、圧縮機１０に戻すように構成しているので、圧力損失を小さくして冷媒循環量を増加させることができる。

なお、冷媒として二酸化炭素を用いる場合は、冷媒の物性としてＨＦＣ冷媒に比べて、２相領域でのエンタルピが広い為に、特に蒸発器での本発明における効果は大きいものである。

本発明の冷凍装置は気液分離器と、液配管と圧縮機の吸入管との間で熱交換する内部熱交換器とを用いることにより、より熱交換器のエンタルピを増加させ、冷凍サイクルの効
率を向上させるもので冷凍、空調関連機器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における空気調和装置の冷凍サイクル図 本発明の実施の形態１における冷房運転時のモリエル線図 本発明の実施の形態２における暖房運転時のモリエル線図

符号の説明

１０ 圧縮機
２０ 四方弁
３０ 室外熱交換器
４０ 冷房用絞り装置
４１ 暖房用絞り装置
５０ 室内熱交換器
６１ 吸入管
７０ 気液分離器
７１ 液配管
７２ ガス配管
７３ 開閉弁
７４ 内部熱交換器

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記絞り装置の下流側に気液分離器を設けた冷凍装置であって、前記気液分離器で分離した液冷媒を前記蒸発器に導く液配管と、前記気液分離器で分離したガス冷媒を前記圧縮機の吸入側に導くガス配管とを備え、前記液配管を前記圧縮機の吸入管と熱交換させることを特徴とする冷凍装置。
2. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記絞り装置の上流側に気液分離器を設けた冷凍装置であって、前記気液分離器の上流側の配管と前記圧縮機の吸入管と熱交換させることを特徴とする冷凍装置。
3. 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記ガス配管に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記開閉弁を空調負荷に応じて制御することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
6. 前記開閉弁を空調負荷が所定値より小さいときには閉塞することを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
7. 前記開閉弁を冷媒循環量に応じて制御することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
8. 前記開閉弁を冷媒循環量が所定値より小さいときには閉塞することを特徴とする請求項７に記載の冷凍装置。
9. 前記冷媒循環量を前記圧縮機の運転周波数によって判断することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の冷凍装置。