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

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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