JP2008057807A - 冷凍サイクル及びそれを用いた空気調和機、冷蔵庫 - Google Patents

冷凍サイクル及びそれを用いた空気調和機、冷蔵庫 Download PDF

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俊二 森脇
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Abstract

【課題】圧縮機の破損を防止し、冷凍能力を向上できる冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機2と、圧縮機2で圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器3と、凝縮器3で凝縮した冷媒を膨張する膨張器4と、膨張器4を通過した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒Gが流出するガス流出口10cと液冷媒Fが流出する液流出口10bとを有する気液分離器10と、液流出口10bから流出する冷媒を蒸発する蒸発器5と、蒸発器5と圧縮機2との間に配されるとともに蒸発器5を流通した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒Gを圧縮機2に流出させて液冷媒Fを貯溜するアキュムレータ6と、ガス流出口10cから延びて圧縮機2とアキュムレータ6との間に接続されるガスバイパス経路11とを備えた冷凍サイクル1において、気液分離器10から導出して蒸発器5とアキュムレータ6との間に接続される液面制御配管12を設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷媒が流通して放熱及び吸熱を行う冷凍サイクル及びそれを用いた空気調和機、冷蔵庫に関する。
冷蔵庫や空気調和機に用いられる従来の冷凍サイクルは特許文献1に開示されている。この冷凍サイクルは冷媒が圧縮機、凝縮器、膨張器、蒸発器の順に流通し、凝縮器で放熱して蒸発器で吸熱する。これにより、空気調和機による冷暖房や、冷蔵庫(冷凍庫を含む)による冷却保存を行うことができる。
膨張器と蒸発器との間には気液分離器が配される。図4は気液分離器を示す縦断面図である。気液分離器10は密閉された有底筒状の容器から成り、膨張器で膨張した気液混合冷媒が流入する流入口10aが周面に開口する。矢印Aに示すように気液分離器10に流入した冷媒は比重によって気液分離される。気液分離器10の下端には液冷媒Fが流出する液流出口10bが設けられ、上端にはガス冷媒Gが流出するガス流出口10cが設けられる。ガス流出口10cには圧縮機の上流側に接続されるガスバイパス経路11が導出される。
気液分離器10で分離された液冷媒Fは矢印Bに示すように液流出口10bを介して蒸発器に送られる。ガス冷媒Gは矢印Cに示すようにガスバイパス経路11を介して圧縮機の上流側に導かれる。これにより、蒸発器にガス冷媒Gを流入させず、蒸発器及び蒸発器よりも下流側の配管経路の圧力損失が低減される。従って、冷凍サイクルの冷凍能力を向上することができる。
特開平9−310925号公報(第2頁−第3頁、第1図)
しかしながら、上記従来の冷凍サイクルによると、始動時や外気温によって冷凍サイクルの負荷が変動すると気液分離器に流入する冷媒の乾き度が変動する。ここで、乾き度は全冷媒(液冷媒F及びガス冷媒G)に対するガス冷媒Gの重量比を示している。この時、乾き度が増加すると気液分離器10内に液冷媒Fが溜まらず、液流出口10bを介して蒸発器に液冷媒Fとともにガス冷媒Gが流入する。これにより、冷凍サイクルの冷凍能力の向上効果を充分得られない問題があった。
また、乾き度が減少すると図5に示すように気液分離器10内が液冷媒Fで満たされ、ガスバイパス経路11から液冷媒Fが流出する。従って、圧縮機を破損する危険がある問題もあった。また、気液分離器10内の空間が狭くなるため気液分離性能が低下して液流出口10bからガス冷媒Gが流出する問題もあった。
本発明は、圧縮機の破損を防止するとともに冷凍能力を更に向上できる冷凍サイクル及びそれを用いた空気調和機、冷蔵庫を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した冷媒を膨張する膨張器と、前記膨張器を通過した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒が流出するガス流出口と液冷媒が流出する
液流出口とを有する気液分離器と、前記液流出口から流出する冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に配されるとともに前記蒸発器を流通した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒を流出させて液冷媒を貯溜するアキュムレータと、前記ガス流出口から延びて前記圧縮機と前記アキュムレータとの間に接続されるガスバイパス経路とを備えた冷凍サイクルにおいて、前記気液分離器から導出して前記蒸発器と前記アキュムレータとの間に接続される液面制御配管を設けたことを特徴としている。
この構成によると、圧縮機により圧縮された高温高圧のガス冷媒は凝縮器で放熱しながら凝縮し、高温の液冷媒になる。高温の液冷媒は膨張器で膨張して低温低圧の気液混合冷媒となる。気液混合冷媒は気液分離器で分離され、ガス冷媒がガスバイパス経路を介して圧縮機に戻されるとともに液冷媒が蒸発器に送られる。蒸発器に流入する液冷媒は吸熱しながら蒸発して低温のガス冷媒となり、蒸発器で蒸発できなかった液冷媒とともにアキュムレータに送られる。アキュムレータでは気液混合冷媒を気液分離して液冷媒を貯溜するとともにガス冷媒が圧縮機に送られる。これにより、冷媒が循環して冷凍サイクルが運転される。冷凍サイクルの負荷変動によって気液分離器に流入する冷媒の乾き度が小さくなると液冷媒が気液分離器内に溜まり、液面制御配管を介してアキュムレータに導かれる。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記気液分離器は上部に前記ガス流出口を開口するとともに下部に前記液流出口を開口し、前記液面制御配管の開口を前記ガス流出口と前記液流出口との間に配置したことを特徴としている。この構成によると、気液分離器に流入する気液混合冷媒は比重差により上下に分離し、上部からガス冷媒が流出して下部から液冷媒が流出する。気液分離器内に溜まる液冷媒はガス流出口と液流出口との間の所定の液位になると液面制御配管の開口を介してアキュムレータに導かれる。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記液面制御配管の開口を前記液流出口の近傍に設けたことを特徴としている。この構成によると、気液分離器内に広い空間が常に確保される。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記液面制御配管を前記アキュムレータの入口近傍に接続したことを特徴としている。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記ガスバイパス経路は、前記気液分離器に流入する冷媒の乾き度が負荷変動により最大となる時に前記液流出口からガス冷媒を流出させないような流量を有することを特徴としている。この構成によると、気液分離器に流入する冷媒は全冷媒に対するガス冷媒の重量比から成る乾き度が負荷変動により変動する。冷媒の乾き度が最大になっても、気液分離したガス冷媒は全てガスバイパス経路を介して圧縮機に導かれる。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記ガスバイパス経路よりも前記液面制御配管の流量を少なくしたことを特徴としている。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記液面制御配管の流量を可変する流量可変部を設けたことを特徴としている。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記液面制御配管は前記液面制御配管を流通する冷媒に熱を与える熱交換部を有することを特徴としている。この構成によると、液面制御配管を流通するガス冷媒は熱交換部で熱交換して吸熱した後にアキュムレータを介して圧縮機に流入する。
また本発明は、上記構成の冷凍サイクルにおいて、前記熱交換部は前記凝縮器から流出
した後の冷媒の熱を受けとることを特徴としている。
また本発明の空気調和機は、上記各構成の冷凍サイクルを備えたことを特徴としている。この構成によると、冷凍サイクルの運転によって室内の冷房または暖房が行われる。
また本発明の冷蔵庫は、上記各構成の冷凍サイクルを備えたことを特徴としている。この構成によると、冷凍サイクルの運転によって貯蔵物の冷凍保存を含む冷却保存が行われる。
本発明によると、気液分離器から導出して蒸発器とアキュムレータとの間に接続される液面制御配管を設けたので、負荷変動によって冷媒の乾き度が減少しても液冷媒が液面制御配管を介して流出してアキュムレータに溜められる。従って、ガスバイパス経路を介した圧縮機への液冷媒の流入が防止され、圧縮機の破損を防止することができる。加えて、気液分離器内に広い空間が確保されるため気液分離性能の低下を防止することができる。また、負荷変動によって冷媒の乾き度が増加しても、ガスバイパス経路の流量を大きく確保しておくことによって蒸発器へのガス冷媒の流入が抑制される。従って、冷凍サイクルの冷凍能力をより向上することができる。
また本発明によると、液面制御配管の開口をガス流出口と液流出口との間に配置したので、ガス流出口からの液冷媒の流出を確実に防止することができる。
また本発明によると、液面制御配管の開口を前記液流出口の近傍に設けたので、ガス流出口からの液冷媒の流出をより確実に防止するとともに、気液分離器内により広い空間を確保して気液分離性能をより向上することができる。
また本発明によると、液面制御配管をアキュムレータの入口近傍に接続したので、蒸発器とアキュムレータとの間の配管による圧力損失を回避することができる。従って、冷凍サイクルの冷凍能力をより向上することができる。
また本発明によると、冷媒の乾き度が負荷変動により最大となる時に液流出口からガス冷媒を流出させないような流量をガスバイパス経路が有するので、液流出口からのガス冷媒の流出を確実に防止し、冷凍能力をより確実に向上することができる。
また本発明によると、ガスバイパス経路よりも液面制御配管の流量を少なくしたので、液面制御配管から流出するガス冷媒の量がガスバイパス経路よりも少なくなる。従って、アキュームレータの上流側に導かれるガス冷媒が減少し、圧力損失を低減することができる。
また本発明によると、液面制御配管の流量を可変する流量可変部を設けたので、冷媒の乾き度に応じて液面制御配管の流量を可変することができる。従って、ガス流出口からの液冷媒の流出と液流出口からのガス冷媒の流出をより確実に防止することができる。
また本発明によると、液面制御配管は熱交換により液面制御配管を流通する冷媒に熱を与える熱交換部を有するので、液冷媒の潜熱を利用して冷凍サイクルの冷凍能力をより向上することができる。
また本発明によると、熱交換部は凝縮器から流出した後の冷媒の熱を受けとるので、凝縮器の出口冷媒のエンタルピを低下させることができる。従って、冷凍効果が増加して冷凍サイクル効率を上げることができる。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。説明の便宜上、前述の図4、図5に示す従来例と同一の部分には同一の符号を付している。図1は第1実施形態の冷凍サイクルを示す回路図である。冷凍サイクル1は冷凍庫を含む冷蔵庫や空気調和機等に用いられる。
冷凍サイクル1は冷媒が順に流通する圧縮機2、凝縮器3、膨張器4、蒸発器5を備えている。圧縮機2は冷媒を圧縮する。凝縮器3は圧縮機2で圧縮した冷媒を凝縮する。膨張器4は凝縮器3で凝縮した冷媒を膨張する。蒸発器5は膨張器4で膨張した冷媒を蒸発する。
蒸発器5と圧縮機2との間にはアキュムレータ6が配される。アキュムレータ6は蒸発器5を流通した冷媒を気液分離し、分離したガス冷媒を圧縮機2に流出させて液冷媒を貯溜する。
膨張器4と蒸発器5との間には気液分離器10が配される。図2は気液分離器10を示す縦断面図である。気液分離器10は密閉された有底筒状の容器から成り、膨張器4で膨張した気液混合冷媒が流入する流入口10aが周面に開口する。矢印Aに示すように気液分離器10に流入した冷媒は比重によって気液分離される。
気液分離器10の下端には液冷媒Fが流出する液流出口10bが設けられ、上端にはガス冷媒Gが流出するガス流出口10cが設けられる。ガス流出口10cにはガスバイパス経路11が導出される。また、気液分離器10は容器内に挿通された液面制御配管12が導出される。液面制御配管12の開放端の開口12aは液流出口10bとガス流出口10cとの間の液流出口10bの近傍に配される。
図1において、ガスバイパス経路11は経路中に絞り8を備え、圧縮機2の上流側に接続される。気液分離器10から導出される液面制御配管12は経路中に絞り9を備え、蒸発器2とアキュムレータ6との間に接続される。絞り8、9によりガスバイパス経路11及び液面制御配管12は所定流量の冷媒が流通するようになっている。
上記構成の冷凍サイクル1において、圧縮機2により圧縮された高温高圧のガス冷媒Gは凝縮器3で放熱しながら凝縮し、高温の液冷媒Fになる。高温の液冷媒Fは膨張器4で膨張して低温低圧の気液混合冷媒となる。気液混合冷媒は矢印A(図2参照)に示すように流入口10aを介して気液分離器10に流入し、気液分離器10で分離される。気液分離器10で分離されたガス冷媒Gは矢印C(図2参照)に示すようにガスバイパス経路11を介して圧縮機2に戻される。気液分離器10で分離された液冷媒Fは液流出口10bを介して矢印B(図2参照)に示すように蒸発器5に送られる。
蒸発器5に流入する液冷媒Fは吸熱しながら蒸発して低温のガス冷媒Gとなり、蒸発器5で蒸発できなかった液冷媒Fとともにアキュムレータ6に送られる。アキュムレータ6では気液混合冷媒を気液分離して液冷媒Fを貯溜するとともにガス冷媒Gが圧縮機2に送られる。
これにより、冷媒が循環して冷凍サイクル1が運転され、凝縮器3で放熱して蒸発器5で吸熱する。従って、空気調和機による冷暖房や、冷凍庫を含む冷蔵庫による冷却保存を行うことができる。
冷凍サイクル1の負荷は運転開始時と運転安定時との違いや外気温等によって変動する
。これにより、気液分離器10に流入する冷媒は、全冷媒(液冷媒F及びガス冷媒G)に対するガス冷媒Gの重量比から成る乾き度が変動する。気液分離器10に流入する冷媒の乾き度が小さい場合は気液分離器10内に液冷媒Fが徐々に増加する。そして、液冷媒Fの液位が液面制御配管12の開口12aに到達すると、液冷媒Fが液面制御配管12を介してアキュムレータ6に導かれる。
また、絞り8で絞られるガスバイパス経路11は、冷凍サイクル1の負荷変動によって気液分離器10に流入する冷媒の乾き度が最大となる時に液流出口10bからガス冷媒Gが流出しない流量を有している。このため、気液分離器10に流入する冷媒の乾き度が大きくなっても気液分離したガス冷媒Gは全てガスバイパス経路11を介して圧縮機2に導かれる。
本実施形態によると、気液分離器10から導出して蒸発器5とアキュムレータ6との間に接続される液面制御配管12を設けたので、負荷変動によって冷媒の乾き度が減少しても液冷媒Fが液面制御配管12を介して流出してアキュムレータ6に溜められる。従って、ガスバイパス経路11を介した圧縮機2への液冷媒Fの流入が防止され、圧縮機2の破損を防止することができる。
加えて、乾き度が減少しても気液分離器10内に広い空間が確保されるため、気液分離性能の低下を防止することができる。特に、液面制御配管12の開口12aを液流出口の近傍に設けているので、高い気液分離性能を確保することができる。
尚、液面制御配管12はアキュムレータ6の入口近傍に接続するとより望ましい。これにより、蒸発器5とアキュムレータ6との間の配管による圧力損失を回避することができる。従って、冷凍サイクルの冷凍能力をより向上することができる。
また、ガスバイパス経路11によって気液分離器10で分離されたガス冷媒Gを圧縮機2に導くため、蒸発器5へのガス冷媒Gの流入が抑制される。これにより、蒸発器及び蒸発器よりも下流側の配管経路の圧力損失が低減され、冷凍サイクルの冷凍能力をより向上することができる。
この時、負荷変動によって冷媒の乾き度が増加しても、ガスバイパス経路11の流量を大きく確保しておくことによって蒸発器5へのガス冷媒Gの流入を確実に抑制できる。本実施形態では、冷媒の乾き度が負荷変動により最大となる時に液流出口10bからガス冷媒Gを流出させないような流量をガスバイパス経路11が有している。従って、液流出口10bからのガス冷媒Gの流出を確実に防止し、冷凍能力を確実に向上することができる。
また、絞り9によって液面制御配管12を流通できるガス冷媒Gの流量はガスバイパス経路11を流通できるガス冷媒Gの流量よりも少なくなっている。これにより、アキュームレータ6の上流側に導かれるガス冷媒Gが少なく、圧縮機2の上流側に導かれるガス冷媒Gが多くなる。従って、圧縮機2に戻るガス冷媒Gの流通長さを短縮し、圧力損失を低減することができる。
液面制御配管12の内径をガスバイパス経路11の内径よりも細くして、液面制御配管12の流量をガスバイパス経路11よりも少なくしてもよい。また、絞り9に替えて流量を可変できる流量可変部を設けると、冷媒の乾き度に応じて液面制御配管12の流量を可変することができる。従って、ガス流出口10cからの液冷媒Fの流出と液流出口10bからのガス冷媒Gの流出をより確実に防止することができる。
次に、図3は第2実施形態の冷凍サイクルを示す側面断面図である。説明の便宜上、前述の図1、図2に示す第1実施形態と同一の部分は同一の符号を付している。本実施形態は液面制御配管12の経路途中に熱交換部13を設けている。その他の部分は第1実施形態と同一である。
熱交換部13は熱交換によって凝縮器3を流出した冷媒から液面制御配管12を流通する冷媒に熱を与える。熱交換部13で熱を受けとった冷媒は液面制御配管12を流通して圧縮機2に導かれる。
本実施形態によると、第1実施形態と同一の効果を得ることができる。更に、熱交換部13によって液面制御配管12を流通した液冷媒の潜熱を利用することができる。また、熱交換部13による熱交換によって凝縮器3の出口冷媒のエンタルピを低下させることができる。従って、冷凍効果が増加して冷凍サイクル効率を上げることができる。
本発明によると、冷媒が流通して放熱及び吸熱を行う冷凍サイクルを用いた空気調和機、冷蔵庫(冷凍庫を含む)等に利用することができる。
本発明の第1実施形態の冷凍サイクルを示す回路図 本発明の第1実施形態の冷凍サイクルの気液分離器を示す縦断面図 本発明の第2実施形態の冷凍サイクルを示す回路図 従来の冷凍サイクルの気液分離器を示す縦断面図 従来の冷凍サイクルの気液分離器の冷媒の乾き度が小さい状態を示す縦断面図
符号の説明
1 冷凍サイクル
2 圧縮機
3 凝縮器
4 膨張器
5 蒸発器
6 アキュムレータ
8、9 絞り
10 気液分離器
10a 流入口
10b 液流出口
10c ガス流出口
11 ガスバイパス経路
12 液面制御配管
13 熱交換部
F 液冷媒
G ガス冷媒

Claims (11)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した冷媒を膨張する膨張器と、前記膨張器を通過した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒が流出するガス流出口と液冷媒が流出する液流出口とを有する気液分離器と、前記液流出口から流出する冷媒を蒸発する蒸発器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に配されるとともに前記蒸発器を流通した冷媒を気液分離して分離したガス冷媒を流出させて液冷媒を貯溜するアキュムレータと、前記ガス流出口から延びて前記圧縮機と前記アキュムレータとの間に接続されるガスバイパス経路とを備えた冷凍サイクルにおいて、前記気液分離器から導出して前記蒸発器と前記アキュムレータとの間に接続される液面制御配管を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
  2. 前記気液分離器は上部に前記ガス流出口を開口するとともに下部に前記液流出口を開口し、前記液面制御配管の開口を前記ガス流出口と前記液流出口との間に配置したことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル。
  3. 前記液面制御配管の開口を前記液流出口の近傍に設けたことを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル。
  4. 前記液面制御配管を前記アキュムレータの入口近傍に接続したことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の冷凍サイクル。
  5. 前記ガスバイパス経路は、前記気液分離器に流入する冷媒の乾き度が負荷変動により最大となる時に前記液流出口からガス冷媒を流出させないような流量を有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の冷凍サイクル。
  6. 前記ガスバイパス経路よりも前記液面制御配管の流量を少なくしたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル。
  7. 前記液面制御配管の流量を可変する流量可変部を設けたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載の冷凍サイクル。
  8. 前記液面制御配管は熱交換により前記液面制御配管を流通する冷媒に熱を与える熱交換部を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の冷凍サイクル。
  9. 前記熱交換部は前記凝縮器から流出した後の冷媒の熱を受けとることを特徴とする請求項8に記載の冷凍サイクル。
  10. 請求項1〜請求項9のいずれかに記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とする空気調和機。
  11. 請求項1〜請求項9のいずれかに記載の冷凍サイクルを備えたことを特徴とする冷蔵庫。
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