JP2007093054A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮機の吐出側の冷媒配管の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制するのにより好適な冷凍装置を実現する。
【解決手段】 冷凍装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１０と、圧縮機１０から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器１２と、凝縮器１２から流出される冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁１４と、膨張弁１４で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器１６を備え、圧縮機１０の吐出側のガス側冷媒配管１８に、通流冷媒を冷却する冷媒密度調整器２０が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内空気を冷暖する空気調和機などに適用される冷凍装置に関する。

空気調和機などに適用される冷凍装置として、冷媒の気化と液化の状態変化を繰り返す冷凍サイクルを利用して空気や水などを冷暖するものが知られている。例えば、冷凍装置は、冷媒を圧縮機により圧縮し、圧縮機から吐出される冷媒を凝縮器により凝縮し、凝縮された冷媒を減圧手段により減圧し、減圧された冷媒を蒸発器で蒸発させることにより、空気や水などを冷暖する。

このような冷凍装置においては、圧縮機から吐出されるガス冷媒は高圧のものになるため、その高圧のガス冷媒が冷媒配管を通流すると、通流冷媒の圧力が冷媒配管の許容圧力を超えるおそれがある。そこで、例えば、圧縮機の運転回転数を低減して通流冷媒の圧力を冷媒配管の許容圧力以下に抑えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４９０５７号公報

しかし、特許文献１のような従前の方式では、圧縮機から吐出された冷媒の圧力を低下させるに際し、圧縮機の運転回転数を低下させるため、冷凍サイクルの冷媒の単位時間あたりの循環量が減少することになる。その結果、冷媒循環量の減少に起因して冷凍サイクルの性能が低下する場合がある。

本発明の課題は、圧縮機の吐出側の冷媒配管の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制するのにより好適な冷凍装置を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から流出される冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器を備え、前記圧縮機の吐出側の冷媒配管に、通流冷媒を冷却する冷媒密度調整手段を設けてなることを特徴とする。

これによれば、圧縮機から吐出された高圧のガス冷媒を冷却すると、冷却された冷媒は、ガス冷媒と液冷媒が混在した気液二相状態のものになる。ここで、液状の冷媒は、ガス冷媒よりも単位体積あたりの圧力が小さい反面、単位体積あたりの冷媒量つまり冷媒密度が大きい。したがって、圧縮機から吐出されたガス冷媒を気液二相冷媒にすることにより、冷媒配管内の冷媒圧力を低下させながら、冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できる。その結果、圧縮機の吐出側の冷媒配管の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

ここでの冷媒密度調整手段は、圧縮機から吐出された冷媒を冷却するに際し、冷却後の冷媒温度を少なくとも外気よりも高い温度にする。これにより、圧縮機から吐出された冷媒を冷却しつつ、冷媒の過剰冷却を防止できるから、冷却後の冷媒が外気から吸熱することを回避でき、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

また、上記の冷凍装置は、前記圧縮機と前記蒸発器とを室内機に設け、前記凝縮器を室外機に設けてなり、前記冷媒配管は、前記室内機と前記室外機を接続する渡り配管として配設できる。すなわち、冷凍装置は、圧縮機を室内機側に配設するいわゆるリモートコンデンサ式に構成できる。これにより、圧縮機から吐出された冷媒が渡り配管に通流する際、冷媒が冷却されることから、冷媒圧力を渡り配管の許容圧力以下に低下させながら、冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できる。

また、冷凍装置がリモートコンデンサ式に構成される場合、冷媒密度調整手段は、前記蒸発器の表面に発生した水で前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却できる。これにより、圧縮機の吐出側の冷媒配管内の冷媒を冷却するための水を簡単に確保できるし、また冷却水用の新たな水源を準備するよりも装置構成を簡素にできる。

また、冷媒密度調整手段は、内部に冷却用熱交換器を備え、前記蒸発器で蒸発した冷媒を前記冷却用熱交換器に導き、該冷却用熱交換器から排出した冷媒を前記圧縮機に渡すものとし、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記冷却用熱交換器の冷媒で冷却できる。すなわち、圧縮機の吐出側の冷媒配管内の冷媒を冷却するための流体として、蒸発器から蒸発した冷媒を利用する。これにより、冷媒配管内の冷媒を簡単に冷却できるし、冷却用流体のための新たな配管などを設けずに済むため、装置構成を簡素にできる。

また、本発明の冷凍装置は、上記の冷媒密度調整手段に代えて、圧縮機の吐出側の冷媒配管が並列に複数設けることができる。これによれば、圧縮機から吐出されたガス冷媒の通流路の容積が冷媒配管の数に応じて増大する。したがって、その冷媒配管の数を必要に応じて増やすことにより、各冷媒配管内の冷媒圧力を低下させながら、全体の冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できる。その結果、圧縮機の吐出側の冷媒配管の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

また、上記の冷媒密度調整手段を設けるとともに、圧縮機の吐出側の冷媒配管が並列に複数設けることができる。これによれば、各冷媒配管内の冷媒圧力を低下させることができるから、冷媒の乾き度が高まるため、冷媒密度調整器による冷媒の冷却効率が高まる。

本発明によれば、圧縮機の吐出側の冷媒配管の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制するのにより好適な冷凍装置を実現できる。

（第一の実施形態）
本発明を適用した冷凍装置の第一の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の冷凍装置は、いわゆるリモートコンデンサ式の空気調和機に適用した例である。図１は、本実施形態の空気調和機の構成を示す図である。

図１に示すように、オフィスや工場などの室内空気を冷暖する空気調和機は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機１０と、圧縮機１０から吐出される冷媒を凝縮する熱源側熱交換器としての凝縮器１２と、凝縮器１２から流出される冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁１４と、膨張弁１４により減圧された冷媒を蒸発させる利用側熱交換器としての蒸発器１６などを備えて冷凍サイクルを形成している。

そして、本実施形態の空気調和機は、圧縮機１０の吐出側のガス側冷媒配管１８に、通流冷媒を冷却する冷媒密度調整器２０が設けられている。これにより、圧縮機１０の吐出側のガス側冷媒配管１８の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

より詳細に本実施形態の空気調和機について説明する。図１に示すように、空気調和機は、オフィスや工場などの室内に配設される室内機Ａと、屋外に配設される室外機Ｂとを備えている。室内機Ａと室外機Ｂは、ガス側渡り配管としてのガス側冷媒配管１８及び液側渡り配管としての液側冷媒配管２２を介して相互に接続されている。

室内機Ａは、室外機Ｂから液側冷媒配管２２を介して流入した冷媒を減圧する膨張弁１４と、膨張弁１４により膨張された液冷媒を蒸発させることで室内空気を冷やす蒸発器１６と、蒸発器１６で蒸発したガス冷媒を吸引して圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を冷却した後にガス側冷媒配管１８を介して室外機Ｂに渡す冷媒密度調整器２０などを備えている。室外機Ｂは、室内機Ａからガス側冷媒配管１８を介して流入するガス冷媒を外気で冷やすことで液化させる凝縮器１２などを備えている。すなわち、本実施形態の空気調和機は、圧縮機１０が室内機Ａ内に設けられたいわゆるリモートコンデンサ式の空気調和機である。

本実施形態の冷媒密度調整器２０は、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を冷却する冷却用熱交換器を備えている。その冷却用熱交換器は、蒸発器１６の熱交換表面で生じた凝縮水（以下、ドレン水という）が通流する冷却用配管２４が接続されている。冷却用配管２４は、蒸発器１６の例えば下縁部に配設されたドレンパンに上流側が接続し、下流側が冷媒密度調整器２０の冷却用熱交換器の流路に連通している。なお、冷媒密度調整器２０の位置については、室内機Ａの内部でもよいし、ガス側冷媒配管１８の室内機Ａと室外機Ｂの間の管路部でもよい。要は、耐圧を考慮すべきガス側冷媒配管１８の前段階に冷媒密度調整器２０を配置すればよい。

図２は、冷媒密度調整器２０の構成例を示す図である。まず、図２Ａに示すように、冷媒密度調整器２０は、冷媒が通過する容器２５と、容器２５内に熱交換管が配列された冷却用熱交換器２６などから構成される。容器２５は、圧縮機１０の吐出側に連通する冷媒入口２８と、ガス側冷媒配管１８に連通する冷媒出口３０を有する。冷媒出口３０は、冷媒入口２８が設けられた側壁に対向する側壁に形成されている。冷却用熱交換器２６は、冷却用配管２４に連通した冷却水入口３２と、冷却水出口３５が両端部に有する。冷却水入口３２と冷却水出口３５を連結する基部管は、容器２５内に向けて立設した複数の熱交換管３４ａ〜３４ｄが形成されている。なお、ここでの冷却水として、蒸発器１６の熱交換表面に付着して滴下したドレン水を用いているが、別に準備した水源から供給される水を用いてもよい。また、冷媒とドレン水との熱交換効率を高めるために、冷媒の通流方向とドレン水の通流方向を逆向きにしているが、同じ向きでもよい。

また、図２Ａの形態に代えて、冷媒密度調整器２０は、図２Ｂに示す形態でもよい。図２Ｂに示すように、冷媒密度調整器２０は、冷媒が通過する円筒状の容器３６と、容器３６内に蛇腹状に配設された冷却用熱交換器３８などから構成される。冷却用熱交換器３８は、容器３６の外表面を貫通する冷却水入口４０及び冷却水出口４２を備えている。

また、図２Ａ又は図２Ｂの形態に代えて、冷媒密度調整器２０は、図２Ｃに示す形態でもよい。図２Ｃに示すように、冷媒密度調整器２０は、ガス側冷媒配管１８の外表面を包囲する円筒状の容器４４などから構成される。容器４４は、ガス側冷媒配管１８と同軸に配設されている。容器４４の内表面とガス側冷媒配管１８の外表面との間の隙間は、冷却水が軸方向に通流する冷却用熱交換流路である。なお、冷媒密度調整器２０は、図２Ａないし図２Ｃに示した形態に限られず、要は、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を冷却可能な形態であればよい。

このように構成される空気調和機の冷房運転の動作について説明する。室内機Ａと室内機Ｂとの間で循環する冷媒は、気化と液化の状態変化を繰り返すことによって二次冷媒（例えば、室内空気）を冷やす。より具体的には、圧縮機１０に吸引されたガス冷媒は、圧縮機１０により圧縮される。圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷媒密度調整器２０を通過した後、凝縮器１２により外気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は、膨張弁１４により減圧される。減圧された冷媒は、蒸発器１６で室内空気の熱により蒸発する。この蒸発過程で、蒸発器１６の熱交換表面を通気する室内空気が冷やされる。

ここで、本実施形態では、圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷媒密度調整器２０により冷却される。より具体的には、圧縮機１０から吐出されたガス冷媒は、冷媒密度調整器２０の冷却用熱交換器で冷却用配管２４内の比較的低温のドレン水と熱交換することによって冷却される。冷却された冷媒は、ガス冷媒と液冷媒が混在した気液二相状態のものになる。液状の冷媒は、ガス冷媒よりも単位体積あたりの圧力が小さい反面、単位体積あたりの冷媒量つまり冷媒密度が大きい。したがって、圧縮機１０から吐出されたガス冷媒を冷媒密度調整器２０により気液二相冷媒にすることにより、ガス側冷媒配管１８内の冷媒圧力を低下させながら、冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できる。その結果、圧縮機１０の吐出側のガス側冷媒配管１８の耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制できるので、空気調和機の運転を安定に維持できる。

また、冷媒密度調整器２０は、圧縮機１０から吐出された冷媒を冷却するに際し、冷却後の冷媒温度を外気よりも高い温度にする。これにより、圧縮機１０から吐出された冷媒を冷却しつつ、冷媒の過剰冷却が防止されるから、冷却後の冷媒が外気から吸熱することを回避でき、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

また、本実施形態の冷媒は、オゾン層の保護などの観点から、例えば４１０Ａに代表されるＨＦＣ冷媒が適用される。ＨＦＣ冷媒は、Ｒ２２に代表されるＨＣＦＣ冷媒よりも冷媒圧力が比較的高いものになる。この点、本実施形態によれば、ガス側冷媒配管１８内の冷媒圧力を低下させることができる。したがって、冷媒としてＨＦＣ冷媒を使用する際、ガス側冷媒配管１８がＨＣＦＣ冷媒用のものであっても、そのガス側冷媒配管１８を利用できる。例えば、ＨＣＦＣ冷媒対応の空気調和機からＨＦＣ冷媒対応のものにリプレースする場合、ガス側冷媒配管１８や液側冷媒配管２２については、既設のものをそのまま継続して利用できるため、リプレースの据付作業が簡単になる。しかも、本実施形態によれば、ガス側冷媒配管１８内の冷媒圧力を低下させながら、冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できるため、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。

（第二の実施形態）
本発明を適用した冷凍装置の第二の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、ガス側冷媒配管１８内の冷媒を冷却する流体として蒸発器１６で蒸発した冷媒を利用する点で、蒸発器１６の表面に生じたドレン水を利用する第一の実施形態と異なる。したがって、第一の実施形態と相互に対応する箇所に同一符号を付し、相違点を中心に説明する。

図３は、本実施形態の空気調和機の構成を示す図である。図３に示すように、蒸発器１６は、冷媒密度調整器２０を介して圧縮機１０に接続されている。また圧縮機１０は、冷媒密度調整器２０を介してガス側冷媒配管１８に連通している。より具体的には、蒸発器１６は、冷媒排出側の配管５０が冷媒密度調整器２０の冷却用熱交換の入側に連通している。冷媒密度調整器２０は、冷却用熱交換の出側の配管５２は、圧縮機１０の吸引側に連通している。圧縮機１０の吐出側の配管５４は、冷媒密度調整器２０を介してガス側冷媒配管１８に連通している。要するに、本実施形態の冷媒密度調整器２０は、蒸発器１６で蒸発した冷媒を内部の冷却用熱交換器に導き、冷却用熱交換器から排出した冷媒を圧縮機１０に渡すものとし、圧縮機１０から吐出される冷媒を冷却用熱交換器内の冷媒で冷却するものである。

本実施形態によれば、第一の実施形態の効果に加えて、冷却用配管２４を省略できるため、室内機Ａの装置構成を簡素にできる。また、室内の湿度に起因して蒸発器１６の表面にドレン水がほとんど生じない場合でも、圧縮機１０から吐出されるガス冷媒を確実に冷却できる。なお、本実施形態と第一の実施形態を組み合わせると、より一層の効果を発揮できる。

（第三の実施形態）
本発明を適用した冷凍装置の第三の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、圧縮機１０の吐出側のガス側冷媒配管１８が並列に複数設けられた点で、第一の実施形態と異なる。したがって、第一の実施形態と相互に対応する箇所に同一符号を付し、相違点を中心に説明する。

図４は、本実施形態の空気調和機の構成を示す図である。図４に示すように、圧縮機１０は、吐出側に冷媒密度調整器２０が配設されている。冷媒密度調整器２０は、第一の実施形態と同じものである。この冷媒密度調整器２０は、複数のガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍを介して凝縮器１２に接続している。ここでのガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍは、室内機Ａと室外機Ｂを接続するガス側渡り配管であり、並列に配設されている。また、凝縮器１２は、複数の液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍを介して膨張弁１４に接続している。ここでの液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍも、室内機Ａと室外機Ｂを接続する液側渡り配管である。

このような空気調和機では、圧縮機１０から吐出されたガス冷媒は、冷媒密度調整器２０により冷却された後、各ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍに分岐して通流する。各ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍを通流した冷媒は、合流して凝縮器１２に流入する。また、凝縮器１２から流出された冷媒は、各液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍに分岐して通流する。各液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍを通流した冷媒は、合流して膨張弁１４に流入する。

本実施形態によれば、圧縮機１０から吐出されたガス冷媒の通流路の容積がガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍの数に比例して増大する。したがって、ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍの数を必要に応じて増やすことにより、各ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍ内の冷媒圧力を低下させながら、全体の冷媒の単位時間あたりの循環量を確保できる。その結果、ガス側渡り配管であるガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍの耐圧を確保しつつ、冷凍サイクル性能の低下を抑制できる。液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍについても同様である。

また、各ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍ内の冷媒圧力を低下させることにより、冷媒の乾き度が高まるため、冷媒密度調整器２０による冷媒の冷却効率を高めることができる。その結果、各ガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍ内の冷媒密度をより一層増大できる。

また、建物内に既設の空気調和機を新たな空気調和機にリプレースする際、建物内にガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍや液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍが既に配設されている場合がある。その場合、本実施形態によれば、既設のガス側冷媒配管１８ａ〜１８ｍや液側冷媒配管２２ａ〜２２ｍを交換せずに、そのまま継続して利用することができるため、リプレースの据付作業が簡単になる。

以上、第一及び第二の実施形態によれば、冷媒を圧縮する圧縮機１０を室内機Ａ側に有するリモートコンデンサ式空気調和機においては、室内機Ａと室外機Ｂを接続するガス側冷媒配管１８は、圧力仕様の低いものでも使用可能になる。液側冷媒配管２２についても同様である。そして、そのようなガス側冷媒配管１８及び液側冷媒配管２２を使用して冷媒循環経路を形成する場合でも、冷凍サイクルの性能低下を回避できる。

なお、第一及び第二の実施形態で本発明を適用した空気調和機を説明したが、これに限られるものではない。例えば、第一及び第二の実施形態の空気調和機は、圧縮機１０が室内機Ａに内蔵されたリモートコンデンサ式のものである。リモートコンデンサ式の空気調和機は、圧縮機１０等の電力を確保するのが容易になるし、圧縮機１０等のメンテナンスが容易になる。したがって、リモートコンデンサ式の空気調和機は、例えば高い信頼性が求められる場合に適している。このようなリモートコンデンサ式の空気調和機の冷房運転時に本発明を適用した例を説明したが、セパレート式の空気調和機の暖房運転時の場合も、本発明を適用できる。

セパレート式の空気調和機の暖房運転時に本発明を適用する点について説明を加える。セパレート式の空気調和機は、圧縮機１０が室外機Ｂに内蔵されたものであり、例えば室内機Ａの騒音や振動の低減が求められる場合に適している。このようなセパレート式の空気調和機の暖房運転の場合も、渡り配管としてのガス側冷媒配管１８に高圧ガス冷媒が通気する。したがって、セパレート式の場合も、ガス側冷媒配管１８の耐圧を確保するために、室外機Ｂ内つまり圧縮機１０の吐出側に冷媒密度調整器２０を設けるのが望ましい。ただし、セパレート式の場合、冷媒を冷却する水に関しては、別に準備した水源から供給される水を用いればよい。また、冷媒密度調整器２０を設けることに代えて又はそれとともに、ガス側冷媒配管１８を並列に複数配設してもよい。

要するに、圧縮機１０の吐出側の冷媒配管の耐圧が問題になる場合に、その冷媒配管を通流する冷媒を冷却する冷媒密度調整器２０を設ければよいし、それに代えて又はそれとともに、ガス側冷媒配管１８を並列に複数配設すればよい。なお、空気調和機を例に説明したが、冷蔵庫や冷凍庫に適用した場合も本発明を適用できる。

本発明を適用した空気調和機の第一の実施形態の構成を示す系統図である。 図１の冷媒密度調整器の構成例を示す図である。 本発明を適用した空気調和機の第二の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明を適用した空気調和機の第三の実施形態の構成を示す系統図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ 凝縮器
１４ 膨張弁
１６ 蒸発器
１８ ガス側冷媒配管
２０ 冷媒密度調整器

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から流出される冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えた冷凍装置において、
   前記圧縮機の吐出側の冷媒配管に、通流冷媒を冷却する冷媒密度調整手段を設けてなることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記圧縮機と前記蒸発器とを室内機に設け、前記凝縮器を室外機に設けてなり、前記冷媒配管は、前記室内機と前記室外機を接続する渡り配管として配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記冷媒密度調整手段は、前記蒸発器の表面に発生した水で前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却することを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒密度調整手段は、内部に冷却用熱交換器を備え、前記蒸発器で蒸発した冷媒を前記冷却用熱交換器に導き、該冷却用熱交換器から排出した冷媒を前記圧縮機に渡すものとし、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記冷却用熱交換器の冷媒で冷却することを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍装置。
5. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器から流出される冷媒を減圧する減圧手段と、該減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えた冷凍装置において、前記圧縮機の吐出側の冷媒配管が並列に複数設けられてなることを特徴とする冷凍装置。
   

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