JP2007212071A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の装置では、圧縮過程中あるいは２段圧縮の２段目で中間圧の冷媒をインジェクションするため、圧縮機の構成が複雑になるという課題があった。
【解決手段】本発明は、圧縮機１０１、放熱手段である放熱器１０２と放熱用送風機１２８、気液冷媒生成手段を構成する高圧側の膨張弁１４１と気液分離器１４２、減圧手段である低圧側の膨張弁１０６、吸熱手段である吸熱器１０７と吸熱用送風機１２９、アキュムレータ１０８、１０９などの要素で構成されている。そして、気液分離器１４２から、ガス状態の冷媒は中間圧吸入口１４４へ、液状態の冷媒は吸熱器１０７で蒸発して低圧吸入口１４３へと送られる。単純な構造の２ピストンのロータリー圧縮機を用いて装置を構成するので、製造が容易で価格も安価な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の圧縮室、および吸入口を持つ圧縮機を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。なかでも、放熱器における冷媒圧力と蒸発器における冷媒圧力の中間の圧力の冷媒を一部の圧縮室に導入して性能を向上させる技術に関するものである。

従来、中間圧力の冷媒を圧縮室に導入して性能向上させる蒸気圧縮式冷凍サイクルの技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この技術は、図３に示すように、圧縮装置３０１、放熱器３０２、分岐部３０３、第１減圧装置３０４、冷却器３０５、第２減圧装置３０６、蒸発器３０７などで構成されている。さらに、アキュムレータ３０８、制御装置３１０、冷却された吹出し空気の温度を検出する温度センサー３１１、インジェクションする冷媒の温度を検出する温度センサー３１２、インジェクションする冷媒の圧力を検出する圧力センサー３１３、室内温度センサー３１４、室外温度センサー３１５、温度設定手段３１６、放熱器３０２の出口冷媒温度を検出する温度センサー３１７、同じく出口冷媒圧力を検出する圧力センサー３１８、送風機３２８、３２９などが設けられ、装置全体を構成している。またここで、矢印３３０、３３１は吹出し空気を示している。

図３において、放熱器３０２を通過した二酸化炭素冷媒を分岐部３０３で分岐させ、一方をインジェクション冷媒として第１減圧装置３０４にて減圧するとともに、減圧された冷媒と他方側の冷媒とを冷却器３０５にて熱交換して他方側の冷媒を冷却する。これにより、第２減圧装置３０６の入口側における他方側の冷媒の比エンタルピーを小さくすることができるので、蒸発器３０７の入口と出口との比エンタルピー差を大きくすることができる。従って、冷凍能力を損なうことなく、圧縮装置３０１などの各機器の大型化を防止することができるとしている。

また、この技術は超臨界サイクルでなくとも装置の性能向上に同様の効果があり、従来この発明で用いられる圧縮機は１つの圧縮室で圧縮過程の途中から、中間圧力の冷媒を圧縮室へ導入するよう構成されている。

また、２つの圧縮室を持ち２段圧縮を行うサイクルにおいて高圧側の圧縮室の吸入口に中間圧力の冷媒を導入する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２に示されている空調用のサイクルの構成を図４に示す。圧縮機４０１は、２つの圧縮室４４５、４４６を持っており、冷房運転の場合であれば放熱器４０２へ高温の高圧の冷媒を吐出する。高温高圧の冷媒は放熱器４０２で凝縮し、高圧側の膨張弁４４１で中間圧に減圧膨張され、気液分離器４４２で液冷媒と、ガス冷媒とに分離され、液冷媒は膨張弁４０６でさらに減圧膨張され蒸発器４０７で蒸発し、アキュムレータ４０８を通って低圧吸入口４４３へ戻る。低圧吸入口４４３へ戻った冷媒は、１段目の圧縮室４４５で圧縮され、気液分離器４４２のガス冷媒と中間圧吸入口４４４で混合され、２段目の圧縮室４４６で高温高圧に圧縮される。ちなみに放熱器４０２には送風機４２８、蒸発器４０７には送風機４２９が設けられており、空気と熱交換を行うことで冷房運転を行う。
特開平１０−２８８４１１号公報 特開２００４−１００６０８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の従来の装置においては、圧縮機の圧縮過程中に圧縮室に冷媒をインジェクションしたり、２段圧縮する構成とし２段目に中間圧の冷媒をインジェクションしたりするため、圧縮機の構成が複雑になるという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、インジェクションサイクルと類似のサイクルを、従来のマルチシリンダ圧縮機の技術を用いて構成し運転効率の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも２つの吸入口とそれに対応する冷媒圧縮部を備えた圧縮機と、放熱手段と、放熱手段を出た高圧の冷媒を中間圧に減圧して液冷媒とガス冷媒とを生成する気液冷媒生成手段と、気液冷媒生成手段を出た液冷媒を低圧に減圧手段と、吸熱手段とを備え、少なくとも１つの吸入口に気液冷媒生成手段から中間圧のガス冷媒を導入し、他の吸入口に吸熱手段から低圧の冷媒を導入するものである。

これにより、低圧の冷媒を圧縮して高圧の冷媒を作り出すサイクルと、中間圧の冷媒を圧縮して高圧の冷媒を作り出すサイクルで構成することができ、従来のシンプルなマルチシリンダ圧縮機を用いることができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも２つの吸入口と冷媒圧縮部を持つ圧縮機の少なくとも１つの吸入口に気液冷媒生成手段から中間圧のガス冷媒を導入し、他の吸入口に吸熱手段から低圧の冷媒を導入することで、インジェクションサイクルと同様に、低圧で圧縮機に吸入されていた冷媒の一部を中間圧で吸入させるもので、従来のシンプルなマルチシリンダ圧縮機を用いて運転効率の高い冷凍サイクル装置を安価で提供することができる。

第１の発明は、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも２つの吸入口と前記吸入口に対応する冷媒圧縮部を備え、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒を送り出す圧縮機と、前記高温高圧の冷媒の熱を放出する放熱手段と、前記放熱手段を出た高圧の冷媒を中間圧に減圧して液冷媒とガス冷媒とを生成する気液冷媒生成手段と、前記気液冷媒生成手段を出た前記液冷媒を低圧に減圧する減圧手段と、前記減圧手段を出た低圧の冷媒を蒸発させる吸熱手段とを備え、前記圧縮機の少なくとも１つの前記吸入口に前記気液冷媒生成手段からの前記ガス冷媒を導入し、他の前記吸入口に前記吸熱手段からの冷媒を導入するもので、従来のシンプルなマルチシリンダ圧縮機を用いて運転効率の高い冷凍サイクル装置を安価で提供することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、気液冷媒生成手段から直接導入する冷媒を圧縮する圧縮部の総容積が、吸熱手段を通して導入する冷媒を圧縮する圧縮部の総容積の１０％〜３０％とするもので、吸入口における密度の差や、気液分離器１４２内における気液の質量比から最も効率よく運転することができる。

第３の発明は、特に第１又は２の発明において、気液冷媒生成手段を、高圧側に設けられた膨張弁と気液分離器で構成するもので、気液冷媒生成手段を安価に構成することができる。

第４の発明は、特に第１の発明において、気液冷媒生成手段に膨張弁と冷媒熱交換器を備え、放熱手段を出た高圧の冷媒を２つに分岐し、一方を膨張弁にて減圧膨張させ、冷媒熱交換器において蒸発させてもう一方の冷媒を冷却するよう構成するもので、膨張弁の操作により中間圧冷媒の吸入状態を制御しやすく、安定した運転が可能である。

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、この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、本発明における第１の実施の形態である冷凍サイクル装置の構成図である。本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機１０１、放熱手段である放熱器１０２と放熱用送風機１２８、気液冷媒生成手段１０３を構成する高圧側の膨張弁１４１と気液分離器１４２、減圧手段である低圧側の膨張弁１０６、吸熱手段である吸熱器１０７と吸熱用送風機１２９、アキュムレータ１０８、１０９などの要素で構成されている。

圧縮機１０１は、２ピストンのロータリー圧縮機で、低圧吸入口１４３とこれに通じる冷媒圧縮部である圧縮室１４５、中間圧吸入口１４４とこれに通じる冷媒圧縮部である圧縮室１４６が配備されている。通常の冷凍サイクルにおいて２ピストンのロータリー圧縮機が使用される場合、同一のアキュムレータ内に吸入口が接続されるが、本発明では独立に取り出し、別々のアキュムレータに接続される。

また、圧縮室１４５、圧縮室１４６の容積は動作点によっても最適容積比が異なるが、吸入口における密度の差や、気液分離器１４２内における気液の質量比から概ね１０％〜３０％が望ましい。実施の形態１では、圧縮室が２つであるが、３つの圧縮室を設け、２つを低圧、１つの圧縮室を中間圧に割り当てると圧縮室の容積のバランスは取りやすくなる。

圧縮機１０１の吐出口から送り出された高温高圧の冷媒は、放熱器１０２で冷却された後、高圧側の膨張弁１４１で中間圧に減圧され膨張してガスと液の２相状態となる。そして、気液分離器１４２においてガスと液に分離され、ガス状態の冷媒はアキュムレータ１０９を経て中間圧吸入口１４４へ、液状態の冷媒は低圧側の膨張弁１０６でさらに減圧され吸熱器１０７で蒸発してガス状態となりアキュムレータ１０８を経て低圧吸入口１４３へと送られる。このとき、高圧側の膨張弁１４１と低圧側の膨張弁１０６は、中間圧吸入口１４４および低圧吸入口１４３における冷媒の状態が適切になるように調整される。低圧吸入口１４３から吸込まれた冷媒は圧縮室１４５で、中間圧吸入口１４４から吸込まれた冷媒は圧縮室１４６でそれぞれ別々に圧縮され、同じ高圧の冷媒となる。

中間圧での吸入を行わない通常のサイクルの場合、冷媒は全て吸熱器を出た後、低圧で吸入され高圧まで圧縮されるのに対し、本発明では、気液分離器１４２で分離され中間圧で吸入されて高圧まで圧縮される冷媒と低圧で吸入され高圧まで圧縮される冷媒とに分けられる。従って、中間圧で吸入される冷媒について、低圧から中間圧までの圧縮仕事を省くことができるので、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

効率の向上の原理については、インジェクションサイクルと同様であるが、本発明において使用している圧縮機は、通常の冷凍サイクルにおいて２ピストンのロータリー圧縮機と同様の非常に単純な構造で、製造が容易で価格も安価に供給することができる。また、気液冷媒生成手段についても従来機器の組み合わせで新たな材料投入の必要が少なく、安価に構成することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明における第２の実施の形態である冷凍サイクル装置の構成図を示すものである。第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、気液冷媒生成手段１０３が膨張弁２０４と冷媒熱交換器２２６などの要素で構成され、放熱器１０２を出た冷媒が２つに分岐され、一方が膨張弁２０４で流量と減圧膨張を制御されながらもう一方を冷却することである。

冷媒熱交換器２２６において、放熱器１０２より直接流入する冷媒と、膨張弁２０４を経由して流入する冷媒は流れが対向するよう構成され、中間圧力ができるだけ高くできるように設計されている。膨張弁２０４は、膨張弁２０４を経由する冷媒が冷媒熱交換器２２６出口において完全にガスとなるように開度を調整する。

実施の形態２では、冷媒熱交換器２２６を用いて熱交換しているため、実施の形態１に比べ中間圧吸入口１４４における冷媒の状態を制御することが容易であり、装置運転における安定性が優れている。

本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも２つの吸入口と冷媒圧縮部を持つ圧縮機と、放熱手段と、液冷媒とガス冷媒を生成する気液冷媒生成手段と、減圧手段と、吸熱手段とを備え、少なくとも１つの吸入口に気液冷媒生成手段から中間圧のガス冷媒を導入し、他の吸入口に前記吸熱手段から低圧の冷媒を導入するもので従来のシンプルなマルチシリンダ圧縮機を用いて運転効率の高い冷凍サイクル装置を提供するものであって、空気調和機や、冷蔵庫などの冷凍装置に対して特に有効なものであるが、ヒートポンプ給湯装置などにも適用できる。また、冷媒の種類を問わず効果を有するものである。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成図 特許文献１に記載の従来の技術を用いた冷凍サイクル装置の構成図 特許文献２に記載の従来の技術を用いた冷凍サイクル装置の構成図

符号の説明

１０１ 圧縮機
１０２ 放熱器
１０３ 気液冷媒生成手段
１０６ 低圧側の膨張弁
１０７ 吸熱器
１２８ 放熱用送風機
１２９ 吸熱用送風機
１４１ 高圧側の膨張弁
１４２ 気液分離器
１４３ 低圧吸入口
１４４ 中間圧吸入口

Claims (5)

1. 少なくとも２つの吸入口と前記吸入口に対応する冷媒圧縮部を備え、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒を送り出す圧縮機と、前記高温高圧の冷媒の熱を放出する放熱手段と、前記放熱手段を出た高圧の冷媒を中間圧に減圧して液冷媒とガス冷媒とを生成する気液冷媒生成手段と、前記気液冷媒生成手段を出た前記液冷媒を低圧に減圧する減圧手段と、前記減圧手段を出た低圧の冷媒を蒸発させる吸熱手段とを備え、前記圧縮機の少なくとも１つの前記吸入口に前記気液冷媒生成手段からの前記ガス冷媒を導入し、他の前記吸入口に前記吸熱手段からの冷媒を導入することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 気液冷媒生成手段から直接導入する冷媒を圧縮する圧縮部の総容積が、吸熱手段を通して導入する冷媒を圧縮する圧縮部の総容積の１０％〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 気液冷媒生成手段が、高圧側に設けられた膨張弁と気液分離器で構成された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装置。
4. 気液冷媒生成手段が、膨張弁と冷媒熱交換器とを備え、放熱手段を出た高圧の冷媒を２つに分岐し、一方を前記膨張弁にて減圧膨張させ、前記冷媒熱交換器において蒸発させてもう一方の冷媒を冷却するよう構成された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装置。
5. 冷媒熱交換器において、蒸発側の冷媒と過冷却側の冷媒の流れが相対的に対向するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。