JP2007162988A - Vapor compression refrigerating cycle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルに関し、とくに、二酸化炭素冷媒を使用した空調装置において、冷凍能力及び成績係数を向上させることが可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルに関する。 The present invention relates to a vapor compression refrigeration cycle, and more particularly to a vapor compression refrigeration cycle capable of improving refrigeration capacity and coefficient of performance in an air conditioner using a carbon dioxide refrigerant.
温暖化防止、オゾン層保護などの地球環境問題から冷凍空調装置の冷媒として利用されているフロン系冷媒の使用が規制され始めようとしており、自然系冷媒が注目されている。特にヨーロッパでは、脱フロン化対策として二酸化炭素冷媒が提案されている。二酸化炭素冷媒は、無毒、不燃性であるが冷媒としての理論エネルギー効率が低いため、高効率化には課題が多い。効率を改善する方法の一つとして、オイルセパレータを用いて圧縮機以外へのコンポーネントへオイルを循環させない手段が提案されている(例えば、特許文献1)。
しかし、蒸気圧縮式冷凍サイクル中にオイルセパレータや気液分離器をそれぞれ個別に設けると、スペース上の問題が生じる。また、二酸化炭素冷媒は、その物理的性質から高圧側が臨界圧を越える超臨界状態となるため、その圧力に耐えうる材質、構造の検討が必要であり、おのずと機器の材料の厚みが増し、更には重量が増加する傾向にある。さらに、オイルが蒸発器へ流入すると熱伝達率が減少し熱交換効率が低下する。 However, when an oil separator and a gas-liquid separator are individually provided in the vapor compression refrigeration cycle, a space problem occurs. Carbon dioxide refrigerant is in a supercritical state where the high-pressure side exceeds the critical pressure due to its physical properties, so it is necessary to study materials and structures that can withstand the pressure, which naturally increases the thickness of equipment materials. Tends to increase in weight. Furthermore, when the oil flows into the evaporator, the heat transfer coefficient decreases and the heat exchange efficiency decreases.
そこで本発明の課題は、上記のような問題点を踏まえて、オイルセパレータと気液分離器を一体化することでスペース、重量上の問題を解決しながら、さらに冷凍能力を向上させることが可能な蒸気圧縮式冷凍サイクルを提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to integrate the oil separator and the gas-liquid separator so as to solve the space and weight problems and further improve the refrigeration capacity. And providing a simple vapor compression refrigeration cycle.
上記課題を解決するために、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって高温高圧となった冷媒を放熱させる放熱器と、放熱器によって放熱した高圧冷媒を減圧する1段目減圧機構と、1段目減圧機構により減圧した冷媒をオイル分離するオイルセパレータ及び気液分離する気液分離器と、前記気液分離器により分離された液冷媒を更に減圧する2段目減圧機構と、2段目減圧機構により低温低圧となった冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、それらを順次冷媒流路にて環状に接続した冷凍サイクルであって、前記オイルセパレータと前記気液分離器が一体化されており、該オイルセパレータ一体型気液分離器から分離した気冷媒とオイルを前記圧縮機へ流入させる流路を備えていることを特徴とするものからなる。 In order to solve the above problems, a vapor compression refrigeration cycle according to the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant, a radiator that dissipates the high-temperature and high-pressure refrigerant by the compressor, and a high-pressure that dissipates heat by the radiator. A first-stage decompression mechanism that decompresses the refrigerant, an oil separator that separates the refrigerant decompressed by the first-stage decompression mechanism, a gas-liquid separator that separates the gas and liquid, and a liquid refrigerant separated by the gas-liquid separator A refrigeration cycle having a second-stage decompression mechanism for decompressing and an evaporator for evaporating the refrigerant that has become low-temperature and low-pressure by the second-stage decompression mechanism, and sequentially connecting them in a circular manner through a refrigerant flow path, An oil separator and the gas-liquid separator are integrated, and a flow path for introducing the gas refrigerant and oil separated from the oil separator-integrated gas-liquid separator into the compressor is provided. Consisting of.
この本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、上記オイルセパレータ一体型気液分離器により分離された液冷媒と、蒸発器から流出する冷媒を熱交換する冷媒熱交換手段を有することが好ましい。 The vapor compression refrigeration cycle according to the present invention preferably includes refrigerant heat exchange means for exchanging heat between the liquid refrigerant separated by the oil separator-integrated gas-liquid separator and the refrigerant flowing out of the evaporator.
また、上記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器本体の液冷媒貯留位置に合わせて、蒸発器からの配管を密着させることで熱交換を行う構成とすることができる。 Further, the refrigerant heat exchanging means may be configured to perform heat exchange by closely fitting a pipe from the evaporator in accordance with the liquid refrigerant storage position of the oil separator integrated gas-liquid separator main body.
また、上記冷媒熱交換手段は、オイルセパレータ一体型気液分離器から流出する液冷媒と蒸発器から流出する冷媒を、それぞれ、二重管構造の配管内の内側外側の冷媒流路を対向流として通過させることにより熱交換を行う構成とすることもできる。 Further, the refrigerant heat exchanging means causes the liquid refrigerant flowing out from the oil separator-integrated gas-liquid separator and the refrigerant flowing out from the evaporator to respectively flow in the refrigerant channels on the inner and outer sides in the pipe having the double tube structure. It can also be set as the structure which heat-exchanges by making it pass as.
また、上記オイルセパレータ一体型気液分離器によるオイルセパレート手段は、遠心分離または/及び衝突分離させる構成とすることができる。 Further, the oil separator means by the oil separator integrated gas-liquid separator can be configured to perform centrifugal separation and / or collision separation.
また、上記1段目減圧機構は、該1段目減圧機構の出口側の冷媒圧力を臨界圧力以下となるように制御することが好ましい。 The first-stage decompression mechanism is preferably controlled so that the refrigerant pressure on the outlet side of the first-stage decompression mechanism is equal to or lower than the critical pressure.
また、上記1段目減圧機構または/及び2段目減圧機構は、冷媒の温度または/及び圧力の値に応じて膨張度が変化する機械式膨張弁から構成することができる。 The first-stage decompression mechanism and / or the second-stage decompression mechanism can be constituted by a mechanical expansion valve whose expansion degree changes according to the temperature or / and pressure value of the refrigerant.
また、上記1段目減圧機構または/及び2段目減圧機構は、冷媒の温度または/及び圧力の値に応じて、電気信号により弁開度が変更される電子膨張弁から構成することもできる。 Further, the first-stage decompression mechanism and / or the second-stage decompression mechanism can be configured from an electronic expansion valve whose valve opening is changed by an electrical signal in accordance with the temperature or / and pressure value of the refrigerant. .
本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、とくに、冷媒として二酸化炭素が用いられる冷凍サイクルに好適なものである。 The vapor compression refrigeration cycle according to the present invention is particularly suitable for a refrigeration cycle in which carbon dioxide is used as a refrigerant.
また、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルは、とくに、車両用空調装置の冷凍サイクルとして用いられて好適なものである。 The vapor compression refrigeration cycle according to the present invention is particularly suitable for use as a refrigeration cycle for a vehicle air conditioner.
近年、代替冷媒化と省エネルギーが冷凍空調システムの重要課題となっているが、とくに二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、サイクル内を循環する潤滑油(オイル)は熱交換器での熱伝達率低下や配管での圧力損失を増加させるので、空調装置の性能に大きく影響する。その他、吐出冷媒温度が高く、膨張機構前冷媒温度が下げにくく、蒸発器における乾き度が高くなって、熱伝達率が低くなる傾向にある。そこで本発明は、熱交換器(とくに蒸発器)へのオイル流入を低減し、かつ、熱伝達率を高くすることで冷凍能力を向上させることを目的としたものである。熱交換器へのオイル流入量の低減は、オイルセパレータを用いて冷媒とオイルを分離し、オイルを圧縮機へ戻すことで達成し、熱伝達率を高くすることは、気液分離器を用いて気液冷媒を分離し、液冷媒のみを蒸発器へ流入させることで達成する。そして、これら2つの機器を一体化することで、スペース、重量上の問題の解消もはかることができるようにしたものである。 In recent years, alternative refrigerants and energy savings have become important issues in refrigeration and air conditioning systems. Especially in the vapor compression refrigeration cycle using carbon dioxide as the refrigerant, the lubricating oil (oil) circulating in the cycle is used in the heat exchanger. Since the heat transfer rate is lowered and the pressure loss in the piping is increased, it greatly affects the performance of the air conditioner. In addition, the discharge refrigerant temperature is high, the refrigerant temperature before the expansion mechanism is hardly lowered, the dryness in the evaporator is increased, and the heat transfer rate tends to be lowered. Therefore, the present invention aims to improve the refrigerating capacity by reducing the oil inflow to the heat exchanger (especially the evaporator) and increasing the heat transfer coefficient. Reduction of oil inflow to the heat exchanger is achieved by separating the refrigerant and oil using an oil separator and returning the oil to the compressor. Increasing the heat transfer rate uses a gas-liquid separator. This is achieved by separating the gas-liquid refrigerant and allowing only the liquid refrigerant to flow into the evaporator. By integrating these two devices, the problem of space and weight can be solved.
このように、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルによれば、オイルセパレータと気液分離器が一体化されているので、それぞれを別体で接続するよりも部品点数、組付/組立工数の低減ができ、搭載性を向上させることができ、スペース、重量上の問題の解消をはかることができる。また、オイルセパレータにより分離されたオイルを圧縮機に戻して蒸発器へのオイル流入量を低減でき、蒸発器における蒸発時の熱伝達率を向上できる。更に、配管や熱交換器内での圧力損失を低減できる。 Thus, according to the vapor compression refrigeration cycle according to the present invention, since the oil separator and the gas-liquid separator are integrated, the number of parts and the number of assembling / assembling steps can be reduced compared to connecting them separately. It can be reduced, the mountability can be improved, and the problem of space and weight can be solved. In addition, the oil separated by the oil separator can be returned to the compressor, the amount of oil flowing into the evaporator can be reduced, and the heat transfer rate during evaporation in the evaporator can be improved. Furthermore, pressure loss in the piping and heat exchanger can be reduced.
また、気液分離による効果としては、気液分離により液冷媒のみを蒸発器へ流入させることで蒸発潜熱(冷凍効果またはエンタルピ差)を拡大することができ、冷凍能力の向上が期待できる。換言すれば、冷却能力の小さい蒸気冷媒が含まれる気液混合冷媒が流入する場合に比べ、蒸発器のサイズを小さくできる可能性がある。 Moreover, as an effect by gas-liquid separation, the latent heat of vaporization (refrigeration effect or enthalpy difference) can be expanded by allowing only liquid refrigerant to flow into the evaporator by gas-liquid separation, and improvement of the refrigerating capacity can be expected. In other words, there is a possibility that the size of the evaporator can be reduced as compared with the case where a gas-liquid mixed refrigerant containing a vapor refrigerant having a small cooling capacity flows.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。図1の構成において、1は圧縮機で、2は圧縮機1で圧縮された冷媒を放熱する放熱器(ガスクーラ)である。3は冷媒を膨張させる1段目減圧機構で、冷媒を減圧膨張させる。4は1段目減圧機構3で膨張した冷媒を気液に分離し、かつ冷媒と共に流通するオイルを分離するオイルセパレータ一体型気液分離器である。その名の通り、オイルセパレータと気液分離器を一体化したものである。5はオイルセパレータ一体型気液分離器4で分離され流出した液冷媒を更に膨張させる2段目減圧機構で、6は2段目減圧機構5で減圧膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器(エバポレータ)である。7はオイルセパレータ一体型気液分離器4で分離された気冷媒とオイルを圧縮機1へ流通させる圧縮機への流入配管である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a vapor compression refrigeration cycle according to a first embodiment of the present invention. In the configuration of FIG. 1, 1 is a compressor and 2 is a radiator (gas cooler) that radiates the refrigerant compressed by the
オイルセパレータ一体型気液分離器4では、1段目減圧機構3で減圧膨張した気液混合冷媒を気液分離し、かつ冷媒中のオイルを遠心分離または/及び衝突分離させる。その他、分離した気冷媒は圧縮機への流入配管7を通して圧縮機1へ戻る。また、同時にオイルも戻される。一方、液冷媒は、2段目減圧機構5へと流入する。
In the oil separator integrated gas-
本発明の特徴とするところは、性能向上のためのコンポーネントであるオイルセパレータ、気液分離器を一体化したことである。また、継手部を減らし冷媒漏洩箇所を減少させるため、オイル戻し配管と気冷媒の圧縮機への流入配管を同一にしたことにある。 The feature of the present invention is that an oil separator and a gas-liquid separator, which are components for improving performance, are integrated. Further, in order to reduce the joint portion and reduce the refrigerant leakage location, the oil return pipe and the inflow pipe of the gas refrigerant to the compressor are made the same.
図2は、図1の構成における二酸化炭素冷媒のモリエル線図上に各コンポーネントの状態点を直線で結んだものである。11は二酸化炭素冷媒の飽和液線と飽和蒸気線を示したもので、両者をまとめて飽和曲線としている。12は二酸化炭素冷媒の臨界点を通る等温度線を示している。なお、図2における数字は、図1に示した各コンポーネントを表す数字であり、コンポーネントでの動作を示している。 FIG. 2 is a diagram in which the state points of each component are connected by a straight line on the Mollier diagram of the carbon dioxide refrigerant in the configuration of FIG. 11 shows the saturated liquid line and saturated vapor line of the carbon dioxide refrigerant, which are combined into a saturation curve. 12 shows an isothermal line passing through the critical point of the carbon dioxide refrigerant. The numbers in FIG. 2 are numbers representing the components shown in FIG. 1, and indicate the operation of the components.
図3は、本発明の第2実施態様に係る蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。本実施態様は、図1の構成にオイルセパレータ一体型気液分離器4内の液冷媒、または/及びオイルセパレータ一体型気液分離器4から流出する冷媒と、蒸発器6から流出する冷媒を熱交換する冷媒熱交換手段としての熱交換配管8を設けたものである。
FIG. 3 shows a vapor compression refrigeration cycle according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the liquid refrigerant in the oil separator integrated gas-
このような構成においては、2段目減圧機構5直前の冷媒温度を下げることで過冷却が可能となる。同時に圧縮機1の液圧縮防止のために過熱度をつけることができ、更なる冷凍能力の向上とサイクル運転の信頼性が期待できる。
In such a configuration, it is possible to perform supercooling by lowering the refrigerant temperature immediately before the second stage
図4は、図3の構成における二酸化炭素冷媒のモリエル線図上に各コンポーネントの状態点を直線で結んだものである。図2と同様に11は二酸化炭素冷媒の飽和液線と飽和蒸気線を示したもので、両者をまとめて飽和曲線としている。12は二酸化炭素冷媒の臨界点を通る等温度線を示している。図2との違いは、オイルセパレータ一体型気液分離器4内または/及びオイルセパレータ一体型気液分離器4から流出する冷媒と、蒸発器6から流出する冷媒を熱交換させたことによる熱交換効果が追記されていることである。詳述すると、2段目減圧機構5直前が液冷媒のため、飽和曲線上まで移動している。なお、図4におけるΔh2は過冷却度を示しており、Δh1は過熱度を示しており、上記冷媒熱交換手段による熱交換の効果は、ほぼΔh1≒Δh2として表すことができる。
FIG. 4 is a diagram in which the state points of each component are connected by a straight line on the Mollier diagram of the carbon dioxide refrigerant in the configuration of FIG. Like FIG. 2, 11 shows the saturated liquid line and saturated vapor line of a carbon dioxide refrigerant, and they are put together into a saturation curve. 12 shows an isothermal line passing through the critical point of the carbon dioxide refrigerant. The difference from FIG. 2 is that heat generated by heat exchange between the refrigerant flowing out of the oil separator integrated gas /
図5は、本発明の特徴とするオイルセパレータ一体型気液分離器に関して、遠心分離方式の例について内部断面図を示したものである。図5で示した特徴とするところは冷媒とオイルの分離を遠心分離で行なっていることである。1段目減圧機構からの冷媒流路22から気液混合冷媒が流入し、圧縮機への気冷媒とオイル流路24を中心に円方向に回転する。その時の遠心力で冷媒とオイルが遠心分離する(遠心分離流31)。この時、冷媒圧力は臨界圧以下まで下げられているので、冷媒とオイルは相溶しない。オイル密度の方が冷媒より大きくなるので、オイルは一番下のオイル層29に溜まる。また、気液冷媒は密度の大きい液冷媒がオイル層29の上に液冷媒層28として溜まり、気冷媒はその他の空間中である気冷媒層27に少量の液冷媒と共に(気液混合状態にて)存在する。2段目減圧機構への冷媒流路23はオイル層29よりも高い位置にあり、液冷媒層28に存在する微量のオイルが液冷媒と一緒に流出しないように上部にはオイル流入防止板30を設置してある。気冷媒層27の気冷媒(気液混合冷媒)はデフューザー兼チューブサポート26を通って気冷媒中に存在する液滴を取り除く。気冷媒のみが圧縮機への気冷媒とオイル流路24に流入する。同時にオイル戻し孔25からオイルを吸って気冷媒とオイルが流出する構造となっている。以上が耐圧容器21に収められている。なお図5における矢印は冷媒の流れを示している。
FIG. 5 shows an internal cross-sectional view of an example of a centrifugal separation system for an oil separator-integrated gas-liquid separator that is a feature of the present invention. The feature shown in FIG. 5 is that the refrigerant and the oil are separated by centrifugation. The gas-liquid mixed refrigerant flows in from the
図6は、図5に比べ、衝突分離方式の内部断面図を示したものである。図中の番号は図5と同じである。図6の方式の特徴とするところは、冷媒とオイルの分離を衝突分離で行なっていることである。1段目減圧機構からの冷媒流路22から気液混合冷媒が流入し、デフューザー兼チューブサポート26に衝突させることで冷媒とオイルを分離するものである(衝突分離流32)。なお、図5に示した方式にもデフューザー兼チューブサポート26が設けられており、これと衝突させることで冷媒とオイルが分離されることから、厳密には、図5の方式は、遠心分離方式を主体とし、それに衝突分離方式も兼ね備えたものと言うことができる。
FIG. 6 shows an internal cross-sectional view of the collision separation system compared to FIG. The numbers in the figure are the same as in FIG. The feature of the system of FIG. 6 is that the refrigerant and oil are separated by collision separation. The gas-liquid mixed refrigerant flows in from the
図7は、図3に示した構成において、オイルセパレータ一体型気液分離器4内の冷媒と蒸発器6から流出する冷媒を熱交換するために、オイルセパレータ一体型気液分離器4の液冷媒貯留部に熱交換配管(扁平管)41を用いたものである。オイルセパレータ一体型気液分離器4の液冷媒層28付近に熱交換配管(扁平管)41を巻き付け熱交換させる。熱交換配管(扁平管)41の内部を並列扁平多孔管42としたことで熱交換効率の向上を図っている。このような構成を採用すれば、耐圧容器21への加工等は不要であり、比較的容易に実現可能である。
FIG. 7 shows the liquid in the oil separator integrated gas-
図8は、図3に示した構成において、オイルセパレータ一体型気液分離器4から2段目減圧機構へ流入する液冷媒と蒸発器6から流出する冷媒を熱交換するために、二重管構造の熱交換配管51を用いたものである。二重管構造の熱交換配管51では、オイルセパレータ一体型気液分離器4から2段目減圧機構へ流入する液冷媒と蒸発器6から流出する冷媒との間で効率よく熱交換させるために、両流れは対向流または並行流とされる。
FIG. 8 shows a configuration of a double pipe for exchanging heat between the liquid refrigerant flowing from the oil separator-integrated gas-
このように、本発明においては、とくにオイルセパレータ一体型気液分離器あるいは冷媒熱交換手段は各種の構成を採り得る。 Thus, in the present invention, the oil separator integrated gas-liquid separator or the refrigerant heat exchanging means can take various configurations.
1 圧縮機
2 放熱器(ガスクーラ)
3 1段目減圧機構
4 オイルセパレータ一体型気液分離器
5 2段目減圧機構
6 蒸発器
7 圧縮機への流入配管
8 熱交換配管
11 飽和曲線
12 等温度線
21 耐圧容器
22 1段目減圧機構の冷媒流路
23 2段目減圧機構への冷媒流路
24 圧縮機への気冷媒とオイルの流路
25 オイル戻し孔
26 デフューザー兼チューブサポート
27 気冷媒層
28 液冷媒層
29 オイル層
30 オイル流入防止板
31 遠心分離流
32 衝突分離流
41 熱交換配管(扁平管)
42 並列扁平多孔管
51 二重管構造の熱交換配管
1
3 First stage
11 Saturation curve
12 isotherm
21 Pressure vessel
22 Refrigerant flow path of first stage pressure reducing mechanism
23 Refrigerant flow path to the second stage pressure reduction mechanism
24 Gas refrigerant and oil flow path to compressor
25 Oil return hole
26 Diffuser and tube support
27 Gas refrigerant layer
28 Liquid refrigerant layer
29 Oil layer
30 Oil inflow prevention plate
31 Centrifugal flow
32 Impact separation flow
41 Heat exchange piping (flat tube)
42 Parallel flat porous tubes
51 Heat exchange piping with double pipe structure
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