JP2009139037A

JP2009139037A - 冷媒回路

Info

Publication number: JP2009139037A
Application number: JP2007317563A
Authority: JP
Inventors: Masashi Maeno; 政司前野; Mitsuru Nakamura; 満中村; Atsushi Okada; 敦岡田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-25
Also published as: EP2233860A4; WO2009072379A1; EP2233860A1

Abstract

【課題】二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界サイクルの冷媒回路において、余剰冷媒量の保持が可能になる冷媒回路を提供すること。
【解決手段】二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルの冷媒回路１０が、凝縮器３の後流側に設けた中間冷却器７と、中間冷却器７の後流に絞り機構５Ａを介して設けた中間圧レシーバ４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒とする冷凍サイクルを用いた空気調和装置、冷凍機及び給湯器等に適用される冷媒回路に関する。

従来、ＨＦＣ冷媒を用いた冷媒回路（図９参照）では、コンデンサ出口部にレシーバを設けることにより、余剰冷媒を飽和液冷媒として保持することが可能である。なお、図９（ａ）に示す冷媒回路において、図中の符号１は圧縮機、２はアキュムレータ、３は凝縮器、４はレシーバ、５は絞り機構、６は蒸発器であり、図中にａ〜ｄで示す位置の状態が図９（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

しかし、冷媒として二酸化炭素を用いた超臨界冷凍サイクルでは、従来の凝縮器部分が超臨界で液冷媒がなく、余剰冷媒を保持することは不可能である。また、二酸化炭素冷媒の場合、蒸発器出口温度が高いと理論成績係数（ＣＯＰ）が大幅に低下する。
これを改善するため、二酸化炭素を冷媒とする超臨界冷凍サイクルでは、１）二段圧縮二段膨張サイクル（気液分離方式）、２）二段圧縮一段膨張サイクル、（中間冷却方式）等が採用されている。

図１０（ａ）は、二段圧縮二段膨張サイクル（気液分離方式）の冷媒回路であり、凝縮器３とレシーバ４との間に絞り機構５Ａを追加して設けるとともに、レシーバ４と圧縮機１との間が冷媒配管により接続されている。なお、図中にａ〜ｆで示す位置の状態は、図１０（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

図１１（ａ）は、二段圧縮一段膨張サイクル（中間冷却方式）の冷媒回路であり、凝縮器３と絞り機構５との間に中間冷却器７が設置されている。この中間冷却器７は、冷媒配管により圧縮機１と接続され、さらに、中間冷却器７の上流から分岐して絞り機構５Ｂを備えている冷媒配管が接続されている。なお、図中にａ〜ｇで示す位置の状態は、図１１（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

また、冷媒として二酸化炭素を用いた二段圧縮一段膨張サイクル（中間冷却方式）を用いる冷凍装置に関する先願として、冷凍装置の蒸発器における冷凍能力を改善して性能の向上を図るものがある。（たとえば、特許文献１参照）
また、超臨界状態における熱力学的特徴を利用して装置の冷凍及び加熱能力を制御することにより、超臨界条件において通常的に運転可能とする超臨界蒸気圧縮サイクルの運転方法およびその装置に関する先願もある。（たとえば、特許文献２参照）
特開２００６−２４２５５７号公報特公平７−１８６０２号公報

しかしながら、上述した従来の冷凍サイクルでは、膨張後の冷媒が気液二相流となる。このため、液冷媒が必要となる場合、空気調和装置においては次のような不具合や問題点が生じてくる。
１）冷媒温度（圧力）、冷房運転及び暖房運転等の運転状態に応じて必要な冷媒量差による余剰冷媒の処理
２）複数の室内ユニットに対する冷媒分配
３）冷暖混在運転を行う室内ユニットの高圧液管の確保
４）再熱除湿を実施する場合の過冷却コンデンサの確保
５）冷媒配管が長配管となる場合、配管圧力損失増大による液管径の拡大

このように、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界の冷凍サイクルでは、膨張後の冷媒が気液二相流となるため、液冷媒が必要となる場合に生じる余剰冷媒保持等の問題解決が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界サイクルの冷媒回路において、余剰冷媒量の保持が可能になる冷媒回路を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の冷媒回路は、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルの冷媒回路において、凝縮器の後流側に設けた中間冷却器と、前記中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備えていることを特徴とするものである。

このような冷媒回路によれば、凝縮器の後流側に設けた中間冷却器と、前記中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備えているので、中間冷却器で冷却された冷媒を絞り機構により減圧して液化し、液相の冷媒としてレシーバに保持することができる。

上記の冷媒回路において、前記中間冷却器及び前記中間圧レシーバは、四方弁に切り替えられる冷媒循環方向に応じて所定の冷媒順路を形成するためのブリッジ回路を備えていることが好ましく、これにより、冷房運転及び暖房運転のいずれの場合も液相の冷媒をレシーバに保持することができる。

上記の冷媒回路において、前記中間圧レシーバの後流に再熱コンデンサを設けることが好ましく、これにより、再熱コンデンサを過冷却コンデンサとして利用することで、再熱除湿が可能となる。

上記の冷媒回路において、蒸発器を並列に配列して複数設けることが好ましく、これにより、複数の蒸発器に液相冷媒を適切に分配することができる。

上記の冷媒回路において、前記中間圧レシーバの後流に過冷却熱交換器を設けることが好ましく、これにより、冷媒配管が長く液相冷媒配管の圧力損失が増大する場合においても、管径を大きくすることなく適正な液冷媒の分配が可能となる。

本発明の冷媒回路は、二酸化炭素を冷媒として用いる冷暖混在運転可能な冷凍サイクルの冷媒回路において、室外熱交換器の後流側に設けた中間冷却器と、前記中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備え、前記中間圧レシーバの後流に、並列に配列された複数の室内熱交換器毎に過冷却熱交換器を設けたことを特徴とするものである。

このような冷媒回路によれば、室外熱交換器の後流側に設けた中間冷却器と、中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備え、かつ、中間圧レシーバの後流に、並列に配列された複数の室内熱交換器毎に過冷却熱交換器を設けたので、蒸発器または凝縮器として使用される複数の室内熱交換器から出てきた冷媒は、余剰冷媒を飽和液としてレシーバに保持することができる。

上述した本発明によれば、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界サイクルの冷媒回路において、余剰冷媒量を液単相としてレシーバ内に保持することが可能になる。

以下、本発明に係る冷媒回路の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する各実施形態の冷媒回路は、いずれも二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルを形成するものである。
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）に示す冷凍サイクルの冷媒回路１０において、図中の符号１は圧縮機、２はアキュムレータ、３は凝縮器、４はレシーバ、５，５Ａ，５Ｂは絞り機構、６は蒸発器、７は中間冷却器である。なお、図１（ａ）にａ〜ｈで示す位置の状態は、図１（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

図示の冷媒回路１０において、圧縮機１で超臨界の状態ａまで圧縮した気相の冷媒は、凝縮器３による熱交換を行うことで、状態ａから等圧でエンタルピが減少して状態ｂまで変化する。
状態ｂの冷媒は、直接中間冷却器７へ導かれて絞り機構５Ａへ向かう冷媒主流と、絞り機構５Ｂを通過して中間冷却器７へ導かれる減圧冷媒流れとに分流される。

中間冷却器７では、冷媒主流と減圧冷媒流れとが熱交換する。この熱交換において、冷媒主流は、絞り機構５Ｂで状態ｃまで減圧されて気液二相の状態になった減圧冷媒流れにより、状態ｅまで冷却されてエンタルピが減少する。
冷媒主流を冷却した気液二相の減圧冷媒流れは、吸熱により温度上昇するので、気相の状態ｄとなって圧縮機１に吸入される。

中間冷却器７で冷却された状態ｅの冷媒主流は、絞り機構５Ａによる最初の減圧を受けて膨張することにより、液相の状態ｆに変化する。冷媒主流が状態ｆとなる絞り機構５Ａの後流には中間圧レシーバ４を設けてあるので、液相の冷媒主流に余剰の冷媒があると、余剰冷媒として中間圧レシーバ４内に保持される。
また、余剰冷媒として中間圧レシーバ４内に保持された冷媒を除く冷媒主流は、中間圧レシーバ４を通過した後、絞り機構５により再度の減圧を受けて状態ｇまで膨張する。この状態ｇの冷媒主流は、蒸発器６を通過する過程の熱交換により吸熱して温度上昇し、気相の状態ｈとなって圧縮機１に吸入される。

こうして圧縮機１に吸入された気相の冷媒（状態ｄ及び状態ｈ）は、圧縮機１に加圧されて超臨界の状態ａまで圧縮される。
従って、状態ａの冷媒は、以後同様の過程を経て冷媒回路１０を循環することになるので、状態変化を繰り返して循環する冷媒を用いて蒸発器６による冷却を行う冷凍サイクルが構成される。そして、このように構成された冷媒回路１０は、中間冷却器７により冷却された冷媒を絞り機構５Ａにより中間圧まで膨張させた後流側に中間圧レシーバ４を設置しているので、液相の余剰冷媒を中間圧レシーバ４に保持することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明に係る冷媒回路の第２の実施形態を図２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２（ａ）に示す冷凍サイクルの冷媒回路１０Ａは、たとえば空気調和装置の冷房運転及び暖房運転の選択切替を可能とするため、上述した冷媒回路１０に四方弁８及びブリッジ回路９を追設したものである。この冷媒回路１０Ａにおいても、図２（ａ）にａ〜ｈで示す冷房運転時の冷媒状態は、図２（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

この冷媒回路１０Ａは、冷媒の循環方向を逆転させて凝縮器３及び蒸発器６の機能を反対にすることで、冷房運転及び暖房運転の切替を可能にしている。すなわち、圧縮機１から超臨界の状態ａにして送出された気相の冷媒は、四方弁８の操作により循環方向が切り替えられる。冷房運転時には、図中に矢印で示すように、四方弁８から凝縮器３へ向けて流れ、凝縮器３を通過した後には、逆止弁を組み合わせたブリッジ回路９を通って中間冷却器７及び絞り機構５Ｂへ分岐して流れる。

一方、暖房運転時には四方弁８が操作され、圧縮機１で圧縮された状態ａの冷媒が蒸発器６側へ向かって流れるので、この場合の蒸発器６は凝縮器として機能する熱交換器となる。従って、凝縮器として機能する熱交換器（図中の蒸発器６）を通過する際に冷媒が放熱し、状態ｂまで温度低下した後にブリッジ回路９を通って中間冷却器７及び絞り機構５Ｂへ分岐して流れる。なお、暖房運転時には、図中の凝縮器３が蒸発器として吸熱する熱交換器となる。

中間冷却器７及び絞り機構５Ｂに分配された冷媒は、上述した第１の実施形態と同様の過程を経て液相の余剰冷媒がレシーバ４に保持される。すなわち、冷房運転時及び暖房運転時のいずれの運転状態においても、液相の余剰冷媒を中間圧レシーバ４に保持することが可能になる。
なお、冷媒回路１０Ａにおいて暖房運転時の冷媒状態が冷房運転時と異なる場合、モリエル線図に対応する冷媒状態の位置ａ〜ｈは、図２（ａ）の（）内に示されている。

＜第３の実施形態＞
続いて、本発明に係る冷媒回路の第３の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図３（ａ）に示す冷凍サイクルの冷媒回路１０Ｂは、上述した第１の実施形態に再熱コンデンサ２０を追設したものである。この再熱コンデンサ２０は、レシーバ４と絞り機構５との間に設置されている。この冷媒回路１０Ｂにおいても、図３（ａ）にａ〜ｉで示す冷房運転時の冷媒状態は、図３（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。

この実施形態で追設した再熱コンデンサ２０は、液相状態にある状態ｆの冷媒から吸熱して状態ｇまで温度低下させる凝縮器の機能を有する熱交換器である。この結果、再熱除湿をする空気調和装置の場合、再熱コンデンサ２０を過冷却コンデンサとして利用することができる。すなわち、二酸化炭素冷媒を用いた空気調和装置において、再熱コンデンサ２０を追設することで、余剰冷媒の保持に加えて再熱除湿が可能となる。

＜第４の実施形態＞
続いて、本発明に係る冷媒回路の第４の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態に示す冷媒回路１０Ｃでは、レシーバ４の後流に、複数組の絞り機構５及び蒸発器６が並列に配置されている。具体的には、図１の冷媒回路１０に対し、絞り機構５及び蒸発器６と並列に絞り機構５′及び蒸発器６′を配置した構成とされ、複数の室内ユニットを並列に設置したものとなる。

このように、中間圧レシーバ４の後流に２組またはそれ以上の絞り機構５及び蒸発器６を配置した冷媒回路１０Ｃは、中間圧レシーバ４から液単相の冷媒を供給できるため、適切な冷媒分配が可能となる。従って、室内ユニットが並列に複数設けられている空気調和装置に適用することで、適切な冷媒分配を行う運転が可能となる。
また、この実施形態においては、並列に配置した絞り機構５，５′と中間圧レシーバ４との間に、上述した第３の実施形態で説明した再熱コンデンサ２０を各々追設した構成としてもよい。

＜第５の実施形態＞
続いて、本発明に係る冷媒回路の第５の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態に示す冷媒回路１０Ｃでは、中間圧レシーバ４の下流に過冷却熱交換器３０を絞り機構５Ｃとともに追設している。この過冷却熱交換器３０は、中間圧レシーバ４の下流で液相の冷媒を冷却して過冷却をつける熱交換器である。

このような構成の冷媒回路１０Ｄは、中間圧レシーバ４の下流に過冷却熱交換器３０を設けたことにより、液冷媒を流す冷媒配管が長くなって圧力損失を増すような配置の空気調和装置においても、液冷媒の配管径を大きくすることなく適正に液冷媒を分配する運転が可能となる。

＜第６の実施形態＞
続いて、本発明に係る冷媒回路の第６の実施形態を図６から図８に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態は、複数設置されている室内ユニットにおいて、冷房運転及び暖房運転からユニット毎に異なる運転を選択して同時運転する冷暖混在運転が可能な冷媒回路１０Ｅに適用したものである。なお、この実施形態では、凝縮器３を室内熱交換器と呼び、蒸発器６，６′を室外熱交換器と呼ぶことにする。

図示の冷媒回路１０Ｅは、冷暖混在運転可能とするため、室外熱交換器３の一方に流路切換弁４１，４２を備えた２本の冷媒流路を接続するとともに、並列に配列した２台の室内熱交換器６，６′の一方にも流路切換弁４３，４４，４５，４６を備えた２本の冷媒流路が接続されている。そして、冷媒回路１０Ｅは、室外熱交換器３の後流側に設けた中間冷却器７と、中間冷却器７の後流に絞り機構５Ａを介して設けた中間圧レシーバ４とを備え、さらに、中間圧レシーバ４の後流に、並列に配列された室内熱交換器６，６′毎に設けた過冷却熱交換器３０，３０′を備えている。

このように構成された冷媒回路１０Ｅは、２台の室内熱交換器６，６′がともに冷房運転を行う（図６参照）場合、冷媒は図中に矢印で示すように流れる。このとき、各流路切換弁の開閉状態については、閉状態の弁は黒塗りで示されている流路切換弁４１，４４，４６である。この冷媒回路１０Ｅにおいても、図６（ａ）にａ〜ｉで示す冷房運転時の冷媒状態は、図６（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。
このような複数同時冷房運転時には、実質的に上述した第５の実施形態と同様に冷媒が流れるので、冷媒状態を示すモリエル線図についても同様となる。従って、中間圧レシーバ４には、液相の余剰冷媒を保持することができる。

図７に示す冷媒回路１０Ｅは、２台の室内熱交換器６，６′がともに暖房運転を行う場合を示しており、冷媒は図中に矢印で示すように流れる。このとき、各流路切換弁の開閉状態については、閉状態の弁が黒塗りで示されている流路切換弁４２，４３，４５である。この冷媒回路１０Ｅにおいても、図７（ａ）にａ〜ｆで示す暖房運転時の冷媒状態は、図７（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。
このような複数同時暖房運転時には、凝縮器として機能する室内熱交換器６，６′を通過した冷媒が過冷却器３０，３０′により冷却され、過冷却のついた液相となる。従って、この冷媒に余剰があれば、過冷却熱交換器３０，３０′の後流にある中間圧レシーバ４内に保持される

図８に示す冷媒回路１０Ｅは、２台の室内熱交換器６，６′が各々冷房運転または暖房運転を行う冷暖ほぼ同等負荷での冷暖混在運転の場合を示しており、冷媒は図中に矢印で示すように流れる。図示の例では、室内熱交換器６が冷房運転とされ、室内熱交換器６′が暖房運転とされる。このとき、各流路切換弁の開閉状態については、閉状態の弁が黒塗りで示されている流路切換弁４１，４２，４４，４５，５Ａである。この冷媒回路１０Ｅにおいても、図８（ａ）にａ〜ｆで示す冷暖混在運転時の冷媒状態は、図８（ｂ）に示すモリエル線図と対応している。
このような冷暖混在運転時において、冷暖房の負荷がバランスしている場合は、室内熱交換器６′が凝縮器として放熱し、室内熱交換器６が蒸発器として吸熱する。そして、凝縮器として機能する室内熱交換器６′を通過した冷媒は、過冷却器３０′により冷却されるため、過冷却器３０′の出口は交換熱量によっては二相から過冷却のついた液相となるので、この冷媒に余剰があれば、過冷却器３０′の後流にある中間圧レシーバ４内に保持される。

このように、上述した本発明によれば、二酸化炭素を冷媒として用いる超臨界サイクルの冷媒回路においては、凝縮器の後流側に中間冷却器を設けて冷却した冷媒が、追設した絞り機構により減圧されて飽和液の領域（液相）を形成するので、絞り機構の後流に位置する中間圧レシーバ内に余剰冷媒量を液単相として保持することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態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内において適宜変更することができる。

本発明に係る冷媒回路の第１の実施形態を示す図で、（ａ）は冷媒回路図、（ｂ）はモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第２の実施形態を示す図で、（ａ）は冷媒回路図、（ｂ）はモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第３の実施形態を示す図で、（ａ）は冷媒回路図、（ｂ）はモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第４の実施形態を示す冷媒回路図である。本発明に係る冷媒回路の第５の実施形態を示す図で、（ａ）は冷媒回路図、（ｂ）はモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第６の実施形態を示す図で、（ａ）は冷房同時運転状態を示す冷媒回路図、（ｂ）は（ａ）のモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第６の実施形態を示す図で、（ａ）は暖房同時運転状態を示す冷媒回路図、（ｂ）は（ａ）のモリエル線図である。本発明に係る冷媒回路の第６の実施形態を示す図で、（ａ）は冷暖混在運転状態を示す冷媒回路図、（ｂ）は（ａ）のモリエル線図である。従来のＨＦＣ冷媒を用いた冷媒回路図である。二段圧縮二段膨張サイクル（気液分離方式）の冷媒回路図である。二段圧縮一段膨張サイクル（中間冷却方式）の冷媒回路図である。

符号の説明

１圧縮機
２アキュムレータ
３凝縮器
４中間圧レシーバ
５，５Ａ，５Ｂ絞り機構
６蒸発器
７中間冷却器
８四方弁
９ブリッジ回路
１０，１０Ａ〜Ｅ冷媒回路
２０再熱コンデンサ
３０過冷却熱交換器

Claims

二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクルの冷媒回路において、
凝縮器の後流側に設けた中間冷却器と、前記中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備えていることを特徴とする冷媒回路。
前記中間冷却器及び前記中間圧レシーバが、四方弁に切り替えられる冷媒循環方向に応じて所定の冷媒順路を形成するためのブリッジ回路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
前記中間圧レシーバの後流に再熱コンデンサを設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
蒸発器を並列に配列して複数設けたことを特徴とする請求項１または３に記載の冷媒回路。
前記中間圧レシーバの後流に過冷却熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷媒回路。
二酸化炭素を冷媒として用いる冷暖混在運転可能な冷凍サイクルの冷媒回路において、
室外熱交換器の後流側に設けた中間冷却器と、前記中間冷却器の後流に絞り機構を介して設けた中間圧レシーバとを備え、
前記中間圧レシーバの後流に、並列に配列された複数の室内熱交換器毎に過冷却熱交換器を設けたことを特徴とする冷媒回路。