JP2009085568A

JP2009085568A - 冷凍回路

Info

Publication number: JP2009085568A
Application number: JP2007259638A
Authority: JP
Inventors: Shunji Komatsu; 俊二小松
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009044771A1

Abstract

【課題】内部熱交換器を備えかつ非共沸冷媒を用いた冷凍回路において、とくに内部熱交換器で緩やかな熱交換が行われる際の、共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換の発生を抑制または防止し、内部熱交換器が所望の冷凍サイクル性能向上機能を発揮できるようにする。
【解決手段】互いに沸点の異なる冷媒が混合された非共沸冷媒が循環され、回路内の高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍回路において、内部熱交換器に、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換を抑制または防止する冷媒同士熱交換抑制・防止手段を設けたことを特徴とする冷凍回路。
【選択図】図３

Description

本発明は、回路内で高圧側冷媒と低圧側冷媒との熱交換を行う内部熱交換器を備えた冷凍回路に関し、とくに、地球温暖化対策のために使用が検討されている新しい非共沸冷媒を使用する場合の問題の解消をはかった冷凍回路に関する。

冷凍サイクルの性能向上のために（例えば、冷凍成績係数ＣＯＰの改善のために）、回路内で高圧側冷媒（高圧配管部）と低圧側冷媒（低圧配管部）との間で熱交換を行う内部熱交換器を備えた冷凍回路が知られている（例えば、特許文献１）。最近、とくに欧州においては、ＧＷＰ（地球温暖化係数）１５０以下の新しい冷媒である非共沸冷媒（異なる沸点の冷媒が混合されたもの）が検討されており、このような非共沸冷媒を使用する場合にも、内部熱交換器を設けることによる冷凍サイクルの性能向上が期待される。

しかしながら、従来一般の構造の内部熱交換器を設けただけの冷凍回路に上記のような非共沸冷媒を用いると、以下のような問題が生じるおそれがある。
すなわち、互いに沸点の異なる冷媒が混合された非共沸冷媒が、内部熱交換器にて、とくに緩やかな熱交換に供される際、混合冷媒のうちの一方の冷媒の凝縮熱（または蒸発熱）がもう一方の冷媒に熱を与え、そのもう一方の冷媒が蒸発（または凝縮）する可能性がある。つまり、熱移動＞物質移動の条件では非共沸冷媒内部自体で熱の出入りがあり、その結果、内部熱交換器の性能低下を招くことがある。内部熱交換器で目標とする熱交換性能が得られないと、内部熱交換器を設けたことによる所望の冷凍サイクルの性能向上が達成されない。
特公平７−１８６０２号公報

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、内部熱交換器を備え、かつ、非共沸冷媒を用いた冷凍回路において、とくに内部熱交換器で緩やかな熱交換が行われる際の、共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換の発生を抑制または防止し、内部熱交換器が所望の冷凍サイクル性能向上機能を発揮できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷凍回路は、互いに沸点の異なる冷媒が混合された非共沸冷媒が循環され、回路内の高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍回路において、前記内部熱交換器に、前記非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換を抑制または防止する冷媒同士熱交換抑制・防止手段を設けたことを特徴とするものからなる。

このような冷凍回路においては、内部熱交換器における高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換の際に、冷媒同士熱交換抑制・防止手段により、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換が抑制または防止されるので、前述したような、非共沸冷媒中の一方の冷媒の凝縮熱（または蒸発熱）がもう一方の冷媒に熱を与え、そのもう一方の冷媒が蒸発（または凝縮）するような状態が回避され、目標とする内部熱交換器本来の機能、つまり、高圧側冷媒と低圧側冷媒との間の熱交換を行う機能が確実に発揮されることになる。この内部熱交換器本来の機能の発揮により、所望の冷凍サイクルの性能向上が達成される。

この本発明に係る冷凍回路においては、上記冷媒同士熱交換抑制・防止手段を、例えば、内部熱交換器内の高圧側冷媒通路内または低圧側冷媒通路内、またはその両方に設けられ、冷媒の流通を許容しつつ冷媒の流れを部分的に阻害する部分仕切板から構成することができる。部分仕切板は、通路内に冷媒の流れ方向に複数配置されていることが好ましい。このような部分仕切板を設けることにより、内部熱交換器内の高圧側冷媒通路内または低圧側冷媒通路内において、非共沸冷媒の流れ領域が部分仕切板によって細かく区切られるので、非共沸冷媒が比較的広い領域内にて内部伝熱あるいは熱対流する状態の発生が回避され、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換が抑制または防止される。

あるいは、上記冷媒同士熱交換抑制・防止手段を、例えば、内部熱交換器内の高圧側冷媒通路または／および低圧側冷媒通路を水平方向に対し傾斜させることにより構成することも可能である。この構成は、例えば、単に内部熱交換器を傾斜させて据え付けるだけで達成することもできる。このような構成においては、傾斜された高圧側冷媒通路または低圧側冷媒通路内で、とくに低流量時には、冷媒にその自重により下方への一方向の力が作用するので、冷媒の流れに対流が発生しにくくなり、非共沸冷媒中の冷媒同士間での熱交換が抑制または防止される。

このような本発明に係る冷凍回路全体の構成としては、例えば、冷凍回路が、非共沸冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮器からの冷媒を減圧、膨張させる膨張機構、膨張機構からの冷媒を蒸発させ、蒸発させた冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器を有し、内部熱交換器が凝縮器と膨張機構との間の高圧側冷媒と蒸発器と圧縮機との間の低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器からなる構成を例示できる。

本発明に係る冷凍回路によれば、内部熱交換器において、冷媒同士熱交換抑制・防止手段により、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換を抑制または防止できるので、非共沸冷媒を使用する場合にあっても、内部熱交換器により冷凍回路の高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で十分な熱交換を行うことができ、所望の冷凍サイクルの性能向上、例えば冷媒循環量の増大や、冷凍成績係数ＣＯＰの改善を期待できるようになる。

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、本発明が適用可能な、内部熱交換器を備え非共沸冷媒が循環される冷凍回路の一例を示している。図１に示す冷凍回路１０においては、１１は非共沸冷媒を圧縮する圧縮機、１２は、圧縮機１１からの冷媒を凝縮させる凝縮器、１３は、凝縮器１２からの冷媒を減圧、膨張させる膨張機構（例えば、膨張弁）、１４は、膨張機構１３からの冷媒を蒸発させ、蒸発させた冷媒を上記圧縮機１１に送る（吸入させる）蒸発器を示しており、凝縮器１２と膨張機構１３との間の高圧側冷媒配管１５と蒸発器１４と圧縮機１１との間の低圧側冷媒配管１６との間で熱交換を行う熱交換器として内部熱交換器１７が設けられている。なお、図１における符号１〜６は、冷凍回路１０中の各位置を示している。

図２は、冷凍回路１０のモリエル線図を示しており、モリエル線図中の各位置の符号１〜６は、図１において符号１〜６で示した位置に対応している。実戦が本発明で対象とする内部熱交換器を備えた冷凍回路（内部熱交サイクル）のモリエル線図を示しており、一点鎖線が内部熱交換器を設けない通常のサイクルのモリエル線図を比較のために示している。また、Ｔ＝一定の破線は、位置５における等温線を示している。

非共沸冷媒のモリエル線図における等温線は、図２に示したように水平ではなく右肩下がりになるため、内部熱交換器を用いた場合には、低圧側圧力（５、６の位置での圧力）が上昇し、そのため圧縮機の消費動力の低減が可能になる。また、圧縮機の吸入ガスの密度が大きくなるため、圧縮機の大型化を回避できるなどの利点もある。しかし、単に従来構造の内部熱交換器を用いるだけでは、使用冷媒が非共沸冷媒である場合、前述したように、緩やかな熱交換の際、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換発生の可能性がある。

そこで、本発明では、内部熱交換器１７に、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換を抑制または防止する冷媒同士熱交換抑制・防止手段が設けられる。この冷媒同士熱交換抑制・防止手段は、例えば、図３〜図５に示すように構成できる。

図３に示す内部熱交換器２１においては、内部熱交換器２１内の高圧側冷媒通路２２および低圧側冷媒通路２３のうち高圧側冷媒通路２２内に、冷媒の流通を許容しつつ冷媒の流れを部分的に阻害する部分仕切板２４が設けられており、部分仕切板２４は冷媒の流れ方向に沿って複数配置されている。

また、図４に示す内部熱交換器３１においては、内部熱交換器３１内の高圧側冷媒通路３２および低圧側冷媒通路３３のうち高圧側冷媒通路３２内に、冷媒の流通を許容しつつ冷媒の流れを部分的に阻害する部分仕切板３４が設けられており、部分仕切板３４は冷媒の流れ方向に沿って複数配置されている。

このような部分仕切板２４、３４を設けることで、内部熱交換器２１、３１内の高圧側冷媒通路２２、３２内の非共沸冷媒の流れ領域が部分仕切板２４、３４によって細かく区切られるので（小領域に区切られるので）、比較的広い領域内での非共沸冷媒自体の内部伝熱や熱対流の発生が回避され、非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換が抑制または防止される。その結果、非共沸冷媒であっても内部熱交換器２１、３１が所望の熱交換性能を発揮でき、冷媒循環量の増大や、冷凍成績係数ＣＯＰの改善等の冷凍サイクルの性能向上を達成できる。

なお、図３、図４に示した例では、部分仕切板２４、３４を高圧側冷媒通路２２、３２内のみに配置してあるが、低圧側冷媒通路２３、３３に設けてもよく、両通路内に設けてもよい。

図５に示す内部熱交換器４１においては、内部熱交換器４１内の高圧側冷媒通路４２および低圧側冷媒通路４３が水平方向に対し傾斜させることにより、上記冷媒同士熱交換抑制・防止手段が構成されている。いずれか一方の通路４２または４３のみを傾斜させる構造も可能である。このような通路傾斜構成においては、とくに図示例の構成においては、傾斜された高圧側冷媒通路４２内で、とくに低流量時において、非共沸冷媒が下方に重力落下するようになり、冷媒の流れに対流（熱対流）が発生しにくくなり、非共沸冷媒中の冷媒同士間での熱交換が抑制または防止される。その結果、非共沸冷媒であっても内部熱交換器４１が所望の熱交換性能を発揮でき、冷媒循環量の増大や、冷凍成績係数ＣＯＰの改善等の冷凍サイクルの性能向上を達成できる。

本発明に係る冷凍回路は、非共沸冷媒を使用し内部熱交換器を備えたあらゆる冷凍回路に適用でき、とくに大量生産され、非共沸冷媒使用による温暖化防止が望まれる車両用の冷凍回路に好適なものである。

本発明が適用可能な内部熱交換器を備えた冷凍回路の一例を示す概略機器系統図である。図１の冷凍回路における内部熱交換器を設けた場合と設けない場合を比較したモリエル線図である。本発明に係る冷凍回路における内部熱交換器の構成の一例を示す概略構成図である。本発明に係る冷凍回路における内部熱交換器の構成の別の例を示す概略構成図である。本発明に係る冷凍回路における内部熱交換器の構成のさらに別の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０冷凍回路
１１圧縮機
１２凝縮器
１３膨張機構
１４蒸発器
１５高圧側冷媒配管
１６低圧側冷媒配管
１７、２１、３１、４１内部熱交換器
２２、３２、４２高圧側冷媒通路
２３、３３、４３低圧側冷媒通路
２４、３４部分仕切板

Claims

互いに沸点の異なる冷媒が混合された非共沸冷媒が循環され、回路内の高圧側冷媒と低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を有する冷凍回路において、前記内部熱交換器に、前記非共沸冷媒中の冷媒同士の熱交換を抑制または防止する冷媒同士熱交換抑制・防止手段を設けたことを特徴とする冷凍回路。
前記冷媒同士熱交換抑制・防止手段が、内部熱交換器内の高圧側冷媒通路内または／および低圧側冷媒通路内に設けられ、冷媒の流通を許容しつつ冷媒の流れを部分的に阻害する部分仕切板からなる、請求項１に記載の冷凍回路。
前記部分仕切板が通路内に冷媒の流れ方向に複数配置されている、請求項２に記載の冷凍回路。
前記冷媒同士熱交換抑制・防止手段が、内部熱交換器内の高圧側冷媒通路または／および低圧側冷媒通路を水平方向に対し傾斜させることにより構成されている、請求項１に記載の冷凍回路。
前記冷凍回路が、非共沸冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮器からの冷媒を減圧、膨張させる膨張機構、膨張機構からの冷媒を蒸発させ、蒸発させた冷媒を前記圧縮機に送る蒸発器を有し、前記内部熱交換器が凝縮器と膨張機構との間の高圧側冷媒と前記蒸発器と圧縮機との間の低圧側冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍回路。