JP2009024939A - 冷媒タンクおよびヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構造により小型化が可能な冷凍サイクルを実現することが可能な冷媒タンクおよびこれを用いた冷凍サイクルを得ること。
【解決手段】インジェクション方式の冷凍サイクルを利用したヒートポンプシステムに使用され、前記冷凍サイクルの基本サイクルを流れる放熱器下流の高圧冷媒または前記高圧冷媒を二相状態になるまで減圧した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、前記冷凍サイクルのインジェクションサイクルを流れるインジェクション冷媒と前記液冷媒とを熱交換させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒タンクおよびヒートポンプシステムに関するものである。

冷凍サイクルにおけるインジェクションサイクルの主な目的は、圧縮過程の途中からも冷媒を吸入することによって、放熱器を流れる冷媒循環量をアップし、放熱能力（暖房能力，給湯能力）をアップすることである。特に寒冷地では、圧縮機の基本吸入ガスが希薄となり循環量が低減するため、インジェクションによる循環量アップは有効となる。また蒸発器を流れる冷媒循環量は圧縮途中へのインジェクションの有無にかかわらず、圧縮機の基本排除容積と回転数で決まるため同じとなるが、蒸発器入口の冷媒が気液分離器による液化または内部熱交換による追加過冷却により蒸発能力（冷房能力）も大きくなる。

このようなインジェクションサイクルにおいて、例えば図６に示すように、インジェクション対応２段圧縮ロータリ圧縮機（以下、圧縮機と呼ぶ）１１１と、四方弁１１３と、凝縮器（放熱器）１１５と、第一膨張機構部１２０Ｂと、気液分離器１１７と、第二膨張機構部１２０Ａと、蒸発器（吸熱器）１１９と、第三膨張機構部１２０Ｃと、を有する空気調和機がある（たとえば、特許文献１参照）。

このような空気調和機においては、凝縮器（放熱器）１１５、第一膨張機構部１２０Ｂを通過して気液分離器１１７に導入された冷媒のうち、液冷媒が第二膨張機構部１２０Ａおよび蒸発器（吸熱器）１１９を介して圧縮機１１１に吸入される。また、凝縮器（放熱器）１１５、第一膨張機構部１２０Ｂを通過して気液分離器１１７に導入された冷媒のうち、ガス冷媒が第三膨張機構部１２０Ｃを介して圧縮機１１１にインジェクションされる。

特開２００４−８５０１９号公報

しかしながら、上記従来の技術の気液分離器を用いた方式では、過渡期、温度変化時、設置条件により確実にガス領域を確保することが制御上で困難であり、気液分離器が液冷媒でオーバーフローした場合には圧縮機の信頼性が損なわれる、という問題がある。

そこで、近年は、図７に示すように気液分離器１１７の代わりにレシーバタンク１２１を備え、第三膨張機構部１２０Ｃと圧縮機１１１との間に内部熱交換器１２３を備えた空気調和機が提案されている。このような空気調和機においては、凝縮器（放熱器）１１５および第一膨張機構部１２０Ｂを通過した冷媒の一部は、第三膨張機構部１２０Ｃを通過し、内部熱交換器１２３でエンタルピを増大させた後に圧縮機１１１にインジェクションされる。

また、凝縮器（放熱器）１１５および第一膨張機構部１２０Ｂを通過した冷媒の一部は、レシーバタンク１２１において貯留された後、液冷媒のみが第二膨張機構部１２０Ａおよび蒸発器（吸熱器）１１９を介して内部熱交換器１２３でエンタルピを減少させた後に圧縮機１１１に吸入される。

このような図７に示す冷凍サイクルの場合には、内部熱交換器１２３を使用することによりインジェクション冷媒のエンタルピ増加が期待され、またインジェクション効果により吐出ガス温度を抑制することが可能となることから、暖房能力（性能）面でも効果が大きくなる。以上のことから、図７の冷凍サイクルが現在の技術として確立されてきている。

しかしながら、このような利点を有する図７の冷凍サイクルは、部品点数の増加と製品の大型化につながっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡略な構造により小型化が可能な冷凍サイクルを実現することが可能な冷媒タンクおよびこれを用いたヒートポンプシステムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる冷媒タンクは、インジェクション方式の冷凍サイクルを利用したヒートポンプシステムに使用され、前記冷凍サイクルの基本サイクルを流れる放熱器下流の高圧冷媒または前記高圧冷媒を二相状態になるまで減圧した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、前記冷凍サイクルのインジェクションサイクルを流れるインジェクション冷媒と前記液冷媒とを熱交換させること、を特徴とする。

この発明によれば、基本サイクル冷媒を気液分離して貯留される液冷媒と、冷凍サイクルのインジェクションサイクルを流れるインジェクション冷媒と、を熱交換させることで、冷媒タンク内に溜められる液冷媒量を増加させ、また、スーパーヒート量を稼ぐことが可能となるので、簡略な構造により冷媒タンクの容量およびヒートポンプシステム全体を効果的に小型化するとともに、暖房能力（効率）の向上を図ることができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる冷媒タンクおよびヒートポンプシステムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、下記の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例にかかる空調機の基本となる構成およびその冷凍サイクルを説明するための図である。図１に示す実施例にかかる空調機は、インジェクション冷媒のエンタルピ増加手段として本発明にかかる冷媒タンクを用いたインジェクションサイクルを採用して構成したヒートポンプシステムである。

図１に示すように、実施例にかかる空調機は、インジェクション対応２段圧縮ロータリ圧縮機（以下、圧縮機と呼ぶ）１１と、凝縮器（放熱器）１３と、第一膨張機構部１５と、第二膨張機構部１７と、蒸発器（吸熱器）１９と、基本サイクル配管２１と、を備える。

圧縮機１１は、低段側圧縮機構部１１Ｌと高段側圧縮機構部１１Ｈとを備えたインジェクション対応２段圧縮ロータリ圧縮機であり、凝縮器圧力と蒸発器圧力との中間の圧力となるインジェクション冷媒を吸入するインジェクション吸入管２３を、低段側圧縮機構部１１Ｌと高段側圧縮機構部１１Ｈとを連絡する中間連絡通路に接続している。また、圧縮機１１は、例えば供給電源周波数により回転数を可変できるいわゆるインバータ圧縮機である。

第一膨張機構部１５は、外気温度および室内設定温度によって凝縮器（放熱器）１３の圧力と蒸発器（吸熱器）１９の圧力とを最適に制御する可変絞り機構である。また、第二膨張機構部１７は、インジェクション冷媒量を最適に制御するための可変絞り機構である。基本サイクル配管２１は、上記の構成部を順に接続して冷媒を循環させるための配管である。

また、この空調機は、分岐管２５と、インジェクション配管２７と、冷媒タンク２９と、を備えている。分岐管２５は、基本サイクル配管２１の凝縮器（放熱器）１３と第一膨張機構部１５（冷媒タンク２９）との間に配置されて冷媒を基本サイクルとインジェクションサイクルとに分岐させる。インジェクション配管２７は、第二膨張機構部１７および冷媒タンク２９を介して分岐管２５とインジェクション吸入管２３とを接続する。

インジェクション配管２７に流れたインジェクション冷媒は、第二膨張機構部１７で中間圧力まで減圧されて中間温度の二相状態となり、冷媒タンク２９内のインジェクション配管２７ａを流れる際に、冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒と熱交換することで吸熱して乾き度を大きくする。その後、インジェクション冷媒は、インジェクション吸入管２３を介して低段側圧縮機構部１１Ｌからの吐出ガスと合流して、全体としてガス化した状態で高段側圧縮機構部１１Ｈに吸入される。

また、この空調機においては、冷房と暖房とに対応するために基本サイクルの冷媒の流れの方向を反転するための四方弁３３が圧縮機１１に接続されている。四方弁３３を反転すると、凝縮器と蒸発器との機能が逆となる。すなわち凝縮器１９、蒸発器１３となる。図１において前記四方弁３３の状態は、四方弁３３と分岐管２５の間に接続される熱交換器を凝縮器としているため、これを室内機に配置すれば暖房運転となる。

なお、本実施例は四方弁３３と分岐管２５の間に接続される熱交換器を室内機に配置するものとして暖房運転時のみインジェクション可能な例であるが、本構成に基本サイクル上の第一膨張機構部１５と内部熱交換器および分岐管２５に対して、凝縮器１３と蒸発器１９とを逆に接続する切り替え配管を追加すれば、冷房時にもインジェクション可能となる。また本実施例では、内部熱交換器における基本サイクル冷媒とインジェクション冷媒の流れを並行流としているが対向流としても良い。

ここで、本実施例に掛かる冷媒タンク２９について説明する。冷媒タンク２９は、分岐管２５から基本サイクル配管２１を流れてくる基本サイクル冷媒Ａをガス冷媒と液冷媒とに分離して冷媒を溜めるレシーバタンクとしての機能と、該冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒と第二膨張機構部１７から流れてくるインジェクション冷媒Ｂとの間で熱交換を行う熱交換器としての機能と、を兼ね備える。

上記の冷媒タンク２９内における熱交換は、図２に示すように冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌと、第二膨張機構部１７とインジェクション吸入管２３との間において冷媒タンク２９内に配されたインジェクション配管２７ａを流れるインジェクション冷媒Ｂと、の間で熱交換を行う。インジェクション冷媒Ｂの熱交換は、気体よりも密度の高い媒体（液冷媒Ｌ）と熱交換をさせた方が熱交換の効率が高くなる。このため、この冷媒タンク２９においてインジェクション配管２７ａを流れるインジェクション冷媒Ｂが冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌと熱交換を行うことにより、熱交換の効率を大幅に向上させることができる。

また、このような冷媒タンク２９を用いることにより、従来のように内部熱交換器とレシーバタンクとを別個に設置する場合と比べて、設置スペースを大幅に小さくし、冷凍サイクルの小型化を図ることができる。また、従来のように、内部熱交換器とレシーバタンクとを別個に設置する場合と比べて、必要な部品点数を大幅に削減することができ、製造工程及び製造コストを大幅に削減することができる。

冷媒タンク２９においては、様々な条件でも液冷媒Ｌが密閉容器からなる冷媒タンク２９内において滞在し易い冷媒タンク２９の下部からインジェクション冷媒Ｂが流入するように、図２に示すようにインジェクション配管２７は該冷媒タンク２９の下部においてインジェクション配管２７ａに接続されている。そして、インジェクション配管２７ａは、冷媒タンク２９内に少なくともその一部が液冷媒Ｌに浸漬するように配置されている。これにより、冷媒タンク２９内において液冷媒Ｌの液面の高さ位置が上下に変動した場合においても、冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌとインジェクション冷媒Ｂとの間の熱交換を確実に行うことができる。

また、冷媒タンク２９においては、様々な条件でも液冷媒Ｌが該冷媒タンク２９内において滞在し易い冷媒タンク２９の下部にインジェクション冷媒Ｂが位置するように、図２に示すようにインジェクション配管２７ａは該冷媒タンク２９の下部において配置されている。これにより、冷媒タンク２９内において液冷媒Ｌの液面の高さ位置が上下に変動した場合においても、冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌとインジェクション冷媒Ｂとの間の熱交換を確実に行うことができる。

また、冷媒タンク２９においては、図３に示すようにインジェクション配管２７ａは冷媒タンク２９の内側壁に沿って配置しても良い。冷媒タンク２９内においてインジェクション配管２７ａをこのように配置することで、熱交換できる表面積を増加させ、熱交換効率を向上させることができる。図３は、インジェクション配管２７ａの配置方法を模式的に説明するための図である。

また、冷媒タンク２９においては、基本サイクル冷媒Ａを冷媒タンク２９に導入する基本サイクル配管２１を冷媒タンク２９内に延長した導入配管２１ａを備え、この導入配管２１ａを、図４−１および図４−２に示すように冷媒タンク２９の内側壁に向けて所定の角度を有するように斜めに曲げて配置しても良い。これにより、冷媒タンク２９内の液冷媒Ｌが図４−１および図４−２にの矢印Ｆで示すような渦流を形成することができ、液冷媒Ｌとインジェクション配管２７ａ（インジェクション冷媒Ｂ）との熱交換の効率をさらに向上させることができる。

なお、図４−１および図４−２は、基本サイクル冷媒Ａを冷媒タンク２９に導入する基本サイクル配管２１の形状および液冷媒Ｌの流れを模式的に説明するための図であり、図４−１は冷媒タンク２９を中央で縦に切り取って見た場合の縦断面図、図４−２は冷媒タンク２９の上部を切り取って見た場合の上面図である。

次に、図１を参照して、本実施例にかかる空調機における暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器（放熱器）１３で空気と熱交換して放熱し、液化する。ここで、液化した冷媒のうち一部の冷媒は分岐管２５において分岐してインジェクション配管２７を流れるインジェクション冷媒Ｂとなり、その他の冷媒は基本サイクル配管２１を流れる基本サイクル冷媒Ａとなる。

インジェクション配管２７に流れたインジェクション冷媒Ｂは、第二膨張機構部１７で中間圧力まで減圧されて中間温度の二相状態となり、冷媒タンク２９内のインジェクション配管２７ａを流れる際に、冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌと熱交換することで吸熱して乾き度を大きくする。その後、インジェクション冷媒Ｂは、インジェクション吸入管２３を介して低段側圧縮機構部１１Ｌからの吐出ガスと合流して、全体としてガス化した状態で高段側圧縮機構部１１Ｈに吸入される。

一方、基本サイクル配管２１を流れる冷媒は、冷媒タンク２９内に導入され、気液分離されて貯留される。そして、液化して貯留された液冷媒Ｌ（基本サイクル冷媒Ａ）は冷媒タンク２９内においてインジェクション配管２７ａを流れる中間温度のインジェクション冷媒Ｂと熱交換することで放熱し、過冷却度を大きくする。また、冷媒タンク２９内に貯留された液冷媒Ｌ（基本サイクル冷媒Ａ）は、必要量だけが冷媒タンク２９から第一膨張機構部１５に送られる。そして、液冷媒Ｌ（基本サイクル冷媒Ａ）は、第一膨張機構部１５において減圧されて低温低圧二相状態となり、蒸発器（吸熱器）１９で空気と熱交換することで吸熱し、過熱状態となる。

そして、過熱状態となった冷媒は、四方弁３３および圧縮機１１の本体の側面に設けられたアキュムレータ３５を介して低段側圧縮機構部１１Ｌに吸入される。低段側圧縮機構部１１Ｌに吸入された冷媒は、該低段側圧縮機構部１１Ｌで圧縮され、該低段側圧縮機構部１１Ｌから吐出された状態でインジェクション冷媒と合流して高段側圧縮機構部１１Ｈに吸入される。

高段側圧縮機構部１１Ｈに吸入された冷媒は、該高段側圧縮機構部１１Ｈで最終吐出圧の高圧まで圧縮されて圧縮機１１の密閉容器内に吐出される。圧縮機１１の密閉容器内に吐出された冷媒は、圧縮機１１から上部に設けられた吐出管を通って密閉容器外に吐出される。

以上の実施例の作用を、圧力−エンタルピ線図を用いて説明する。図５は本実施例にかかるインジェクションサイクルを表した圧力−エンタルピ線図である。なお、図５は、冷媒としてＲ４１０Ａを用いた場合の冷凍サイクルについて示している。

ここで図５において、各記号は下記の条件における冷媒の状態を示す。
Ｓ１：圧縮機の低段側圧縮機構部の吸入、
Ｄ：圧縮機の密閉容器からの吐出（＝凝縮器入口）、
Ｃ１：凝縮器出口、
Ｅ：第一膨張機構出口（＝蒸発器入口）、
Ｆ：蒸発器出口、
Ｃ２：インジェクションサイクルにおける基本サイクル冷媒の冷媒タンク出口、
Ｍ：インジェクションサイクルにおけるインジェクション冷媒の第二膨張機構（インジェクション用膨張弁）出口、
Ｇ：インジェクションサイクルにおけるインジェクション冷媒の冷媒タンク出口、
Ｊ：インジェクションサイクルにおけるインジェクション冷媒が低段側圧縮機構部の吐出ガスと合流する直前、
Ｂ：インジェクションサイクルにおける低段側圧縮機構部の吐出、
Ｋ：インジェクションサイクルにおける低段側圧縮機構部の吐出ガスがインジェクション冷媒と合流する直前、
Ｌ：インジェクションサイクルにおける低段側圧縮機構部の吐出ガスとインジェクションガスとが合流した状態、
Ｓ２：インジェクションサイクルにおける高段側圧縮機構部の吸入。

本実施例に対応した図５では、インジェクションサイクルにおいて、インジェクションサイクルにおけるインジェクション冷媒の第二膨張機構（インジェクション用膨張弁）出口（Ｍ）−インジェクションサイクルにおけるインジェクション冷媒の冷媒タンク出口（Ｇ）間と、インジェクションサイクルにおける基本サイクル冷媒の冷媒タンク出口（Ｃ１）−インジェクションサイクルにおける基本サイクル冷媒の冷媒タンク出口（Ｃ２）間、とで熱交換する。この熱交換の結果、それぞれ（Ｍ）から（Ｇ）に、（Ｃ１）から（Ｃ２）に状態が変化する。これによって、基本サイクル冷媒の冷媒タンク２９内に溜められる液冷媒量を増加させ過冷却度を大きくするとともに、インジェクション冷媒の乾き度をインジェクションに最適な状態にすることができる。

上述したような、本実施例にかかるヒートポンプシステムにおいては、基本サイクル冷媒Ａを気液分離して貯留される液冷媒Ｌと、冷凍サイクルのインジェクションサイクルを流れるインジェクション冷媒Ｂと、を熱交換させることで、基本サイクル冷媒の冷媒タンク２９内に溜められる液冷媒量を増加させ過冷却度を大きくするとともに、インジェクション冷媒の乾き度をインジェクションに最適な状態にすることが可能である。これにより、冷媒タンクと内部熱交換器とを別々に設ける必要なく、さらに冷媒タンクの容量を小さくできる、すなわちヒートポンプシステムを効果的に小型化するとともに、インジェクションの効果である暖房能力（効率）の向上を実現できる。

以上のように、本発明にかかる冷媒タンクは、小型化や低コストが要求される冷凍サイクルの実現に有用である。

本発明の実施例にかかる空調機の基本となる構成およびその冷凍サイクルを説明するための図である。 本発明の実施例にかかる空調機の冷媒タンクを説明するための拡大図である。 本発明の実施例にかかるインジェクション配管の配置方法を模式的に説明するための図である。 基本サイクル冷媒を冷媒タンクに導入する基本サイクル配管の形状および液冷媒の流れを模式的に説明するための図であり、冷媒タンクを中央で縦に切り取って見た場合の縦断面図である。 基本サイクル冷媒を冷媒タンクに導入する基本サイクル配管の形状および液冷媒の流れを模式的に説明するための図であり、冷媒タンクの上部を切り取って見た場合の上面図である。 本発明の実施例にかかるインジェクションサイクルを表した圧力−エンタルピ線図である。 従来の冷凍サイクルを説明するための図である。 従来の冷凍サイクルを説明するための図である。

符号の説明

１１ 圧縮機
１１Ｈ 高段側圧縮機構部
１１Ｌ 低段側圧縮機構部
１３ 凝縮器（放熱器）
１５ 第一膨張機構部
１７ 第二膨張機構部
１９ 蒸発器（吸熱器）
２１ 基本サイクル配管
２１ａ 導入配管
２３ インジェクション吸入管
２５ 分岐管
２７ インジェクション配管
２７ａ インジェクション配管
２９ 冷媒タンク
３３ 四方弁
３５ アキュムレータ
１１１ 圧縮機
１１３ 四方弁
１１５ 凝縮器（放熱器）
１１７ 気液分離器
１１９ 蒸発器（吸熱器）
１２１ レシーバタンク
１２３ 内部熱交換器
Ａ 基本サイクル冷媒
Ｂ インジェクション冷媒
Ｌ 冷媒タンク内に貯留された液冷媒

Claims (7)

1. インジェクション方式の冷凍サイクルを利用したヒートポンプシステムに使用され、
   前記冷凍サイクルの基本サイクルを流れる放熱器下流の高圧冷媒または前記高圧冷媒を二相状態になるまで減圧した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、前記冷凍サイクルのインジェクションサイクルを流れるインジェクション冷媒と前記液冷媒とを熱交換させること、
   を特徴とする冷媒タンク。
2. 前記基本サイクル冷媒が導入され前記液冷媒を貯留する密閉容器と、
   前記密閉容器内において少なくともその一部が前記液冷媒に浸漬するように配置され、前記インジェクション冷媒が流れる密閉容器内インジェクション配管と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒タンク。
3. 前記密閉容器内インジェクション配管が、少なくとも前記密閉容器の内底部近傍に配置されていること、
   を特徴とする請求項２に記載の冷媒タンク。
4. 前記密閉容器内インジェクション配管が、前記密閉容器の内側壁に沿って配置されていること、
   を特徴とする請求項２に記載の冷媒タンク。
5. 前記密閉容器の内側壁に向けて所定の角度を有するように斜めに配置され、前記基本サイクル冷媒を前記密閉容器内に導入する導入配管を備えること、
   を特徴とする請求項２に記載の冷媒タンク。
6. 圧縮機と、放熱器と、第一膨張機構と、吸熱器と、前記圧縮機と放熱器と第一膨張機構と吸熱器と順に接続して冷媒を循環させる基本サイクル配管と、前記基本サイクル配管における前記放熱器と前記第一膨張機構との間に配置される分岐管と、第二膨張機構と、前記第二膨張機構を介して前記分岐管と前記圧縮機とを接続してインジェクション冷媒を循環させるインジェクション配管と、前記基本サイクル配管における前記分岐管と前記第一膨張機構との間の少なくとも一部と、前記インジェクション配管における前記第二膨張機構と前記圧縮機との間の少なくとも一部とにおいて熱交換を行う熱交換手段と、
   を備えたヒートポンプシステムであって、
   前記熱交換手段として請求項１〜５のいずれか１つに記載の冷媒タンクを備えること、
   を特徴とするヒートポンプシステム。
7. 前記基本サイクル配管における前記分岐管と前記冷媒タンクとの間に減圧機構を備えたことを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプシステム。

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