JP2010014351A - 冷凍空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 冷媒間で熱交換を行う冷媒間熱交換器を大型化することなく、効率的な熱交換を行えるとともに、インジェクション能力を充分に維持して、寒冷地等の暖房運転能力を向上させた冷凍空調装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 圧縮機1と四方弁2と室内熱交換器3と第一膨張弁4と冷媒間熱交換器19と第二膨張弁5と室外熱交換器6とを順次接続するとともに、第一膨張弁4に平行に第一電磁開閉弁13を備えた第一バイパス管12を設け、第二膨張弁5に平行に第二電磁開閉弁14を備えた第二バイパス管17を設け、更に、配管7から暖房時用インジェクション管8と冷房時用インジェクション管9を分岐させ、これらを合流させて冷媒間熱交換器19を通過するインジェクション配管10に接続する。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガスインジェクション回路を備えた冷凍空調装置に関わり、寒冷時での暖房能力を向上させる一方、冷媒回路に備えられた冷媒間熱交換器を小型化させた構成に関する。
ガスインジェクション回路を備えた従来の冷凍空調装置は、例えば図6(A)で示す冷媒回路50のように構成されている。冷媒回路50は、圧縮機51の吐出側を四方弁52の第一ポート52aに接続し、同四方弁52の第二ポート52bは室内熱交換器53に接続され、第三ポート52cは室外熱交換器60に接続されている。室内熱交換器53は、第一膨張弁54を介して、冷媒間熱交換器としての第一内部熱交換器55と第二内部熱交換器56とを経由し、第二膨張弁59を介して室外熱交換器60に接続されている。
四方弁50の第四ポート52dは、圧縮機51の吸込側に第一内部熱交換器55を介して接続されている。また、第一内部熱交換器55と第二内部熱交換器56とを結ぶ配管からは、ガスインジェクション回路57が分岐し、同ガスインジェクション回路57は第三膨張弁58と第二内部熱交換器56とを介して圧縮機51の圧縮室に接続されている。
暖房運転時、四方弁52は第一ポート52aと第二ポート52bとが接続され、また、第三ポート52cと第四ポート52dが接続されるようになっている。圧縮機51から吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁52を介して室内熱交換器53に流入し、図6(B)で示すように、熱を放出して凝縮する(PH線図 1→2区間)。凝縮した冷媒は第一膨張弁54で若干膨張して減圧され(PH線図 2→3区間)、次に、第一内部熱交換器55で熱交換し冷却されるようになっている(PH線図 3→4区間)。更に、第二内部熱交換器56で冷却され(PH線図 4→5区間)、第二膨張弁59で膨張して減圧された後(PH線図 5→6区間)、室外熱交換器60に流入して蒸発し(PH線図 6→7区間)、四方弁52を経て、第一内部熱交換器55で加熱された後(PH線図 7→8区間)、圧縮機51に還流するようになっている。
また、ガスインジェクション回路57に分岐した冷媒は、第三膨張弁58で中間圧まで減圧され(PH線図 4→9区間)、第二内部熱交換器56で加熱された後(PH線図 9→10区間)、圧縮機51の圧縮室にインジェクションされるようになっている。圧縮機51の吸込側に流入した冷媒は、圧縮され(PH線図 8→11区間)、インジェクションされた冷媒と混合して温度が低下した後(PH線図 11→12区間)、再び圧縮されて高温高圧となるようになっている(PH線図 12→1区間)。
インジェクション回路57から圧縮機51に、中間圧の冷媒をインジェクションする効果について以下に述べる。まず、圧縮機51の吐出流量が増加する。これにより、四方弁52を介して室内熱交換器53に流入する高温高圧の冷媒流量が増加するとともに、同室内熱交換器53での凝縮量が増加して暖房能力を向上させ、寒冷地等においても支障を生じることなく暖房運転を行えるようになっている。また、インジェクション回路57に流れる冷媒により室外熱交換器60での冷媒循環量が減少するが、同室外熱交換器60での単位流量当たりの蒸発エンタルピーが増加するため、冷媒回路全体の冷凍能力は低下せず、高効率運転が行えるようになっている。尚、冷房運転においても、PH線図は暖房運転と同様となり、ガスインジェクション回路57により冷房能力が向上するようになっている。
しかしながら、室内熱交換器53から流出した冷媒が、圧縮機51の吸込側に戻る冷媒と第一内部熱交換器55で熱交換し低温となった後、第二内部熱交換器56でガスインジェクション回路57を流れる冷媒と熱交換すると、ガスインジェクション回路57を流れる冷媒を充分に加熱することができず、インジェクションによる効果が低下して暖房運転に支障を生じる虞があった。また、熱交換量を補おうとすると、第二内部熱交換器56の管路長を長くする必要があり、第二内部熱交換器56が大型化してしまうというような不具合があった。
特開2006−112708号(7頁、図1)
本発明は、上記問題点に鑑み、冷媒間で熱交換を行う冷媒間熱交換器を大型化することなく、効率的な熱交換を行えるとともに、インジェクション効果を充分に維持して、寒冷地等での暖房運転能力を向上させた冷凍空調装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、暖房運転と冷房運転の切換を行う四方弁と、利用側熱交換器と、第一減圧手段と、第二減圧手段と、熱源側熱交換器とを順次接続し、暖房運転時、前記圧縮機からの冷媒が、前記四方弁と、前記利用側熱交換器と、前記第二減圧手段と、前記熱源側熱交換器とを循環し前記四方弁を介して前記圧縮機に還流することにより、前記利用側熱交換器から温熱を供給し、冷房運転時、前記圧縮機からの冷媒が、前記四方弁と、前記熱源側熱交換器と、前記第一減圧手段と、前記利用側熱交換器とを循環し前記四方弁を介して前記圧縮機に還流することにより、前記利用側熱交換器から冷熱を供給してなる冷凍空調装置において、暖房運転時に、前記利用側熱交換器と前記第一減圧手段との間から前記圧縮機の圧縮室に接続される一方、冷房運転時に、前記熱源側熱交換器と第二減圧手段との間から前記圧縮機の圧縮室に接続されるように切換えられるインジェクション配管を設けるとともに、同インジェクション配管に第三減圧手段を設け、前記第一減圧手段と前記第二減圧手段とを結ぶ配管の一部を第一伝熱部とし、前記インジェクション配管の一部を第二伝熱部とし、前記四方弁から前記圧縮機に還流する配管の一部を第三伝熱部とし、これら伝熱部の熱交換を行う冷媒間熱交換器を設けた構成となっている。
また、前記冷媒間熱交換器が、断面円環状の三重管として形成され、前記第一伝熱部は前記第二伝熱部と前記第三伝熱部との間に配置されてなる構成となっている。
請求項1記載の発明によれば、冷暖房運転に応じて、圧縮機に接続されるインジェクション配管の流路を切換えながら、冷媒間熱交換器において第一伝熱部から第二伝熱部及び第三伝熱部に設定した熱量の移動を適切に行うことができ、冷房運転あるいは暖房運転であっても安定したインジェクション効果を維持して暖房能力及び冷房能力を向上させることができるようになっている。
また、請求項2記載の発明によれば、断面円環状の三重管構造により伝熱面積を最大にすることができ、また、第一伝熱部から第二伝熱部及び第三伝熱部に同時に熱移動を行うことにより伝熱効率を向上させることができるようになっている。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
図1は本発明による冷凍空調装置の冷媒回路図であり、図2は暖房運転時の冷媒の流れを説明する説明図であり、図3は冷房運転時の冷媒の流れを説明する説明図である。また、図4は多重管熱交換器の夫々の構成を示す断面図であり、図5は潤滑油回収の構成を示す説明図である。
本発明による冷凍空調装置は、図1で示す冷媒回路のように、圧縮機1と、冷房運転及び暖房運転の切換を行う四方弁2と、利用側熱交換器として室内熱交換器3と、冷房運転時に絞り動作を行う第一減圧手段としての第一膨張弁4と、暖房運転時に絞り動作を行う第二減圧手段としての第二膨張弁5と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器6とを順次接続するとともに、第一膨張弁4と第二膨張弁5との間に冷媒間の熱交換を行う、後述する冷媒間熱交換器19を設けている。また、室内熱交換器3と室外熱交換器6とを結ぶ配管7には、後述する暖房時用インジェクション配管管8と冷房時用インジェクション配管9を介して冷媒間熱交換器19を経由し、圧縮機1の圧縮室に接続される、後述するインジェクション配管10が接続されるようになっている。
次に、回路構成について詳細に説明する。圧縮機1の吐出側は四方弁2を介して室内熱交換器3に接続されており、同室内熱交換器3と室外熱交換器6とは、上述した第一膨張弁4と第二膨張弁5とを備えた配管7により接続されている。また、室外熱交換器6は四方弁2を介して戻り配管11により圧縮機1の吸込側に接続されており、第一膨張弁4には、これと平行して第一電磁開閉弁13を備えた第一バイパス路12が設けられ、第二膨張弁5には、これと平行して第二電磁開閉弁14を備えた第二バイパス路17が設けられている。尚、第一膨張弁4と第二膨張弁5とが、これらの流路を開放した際、充分に流路抵抗を小さくすることができる電子膨張弁であれば、第一バイパス路12と、第二バイパス路17とは不要とすることができる。
配管7の室内熱交換器3と第一膨張弁4との間からは、第三電磁開閉弁15を備えた暖房時用インジェクション配管8が分岐され、配管7の室外熱交換器6と第二膨張弁5との間からは、第四電磁開閉弁16を備えた冷房時用インジェクション配管9が分岐されており、これら暖房時用インジェクション配管8と冷房時用インジェクション配管9とは合流して、第三膨張弁18を備えたインジェクション配管10に接続されている。
第一膨張弁4と第二膨張弁5との間に配置された冷媒間熱交換器19は、図1の点線で示す、配管7の一部と、インジェクション配管10の一部と、戻り配管11の一部とからなり、配管7の一部は第一伝熱部7aとして、インジェクション配管10の一部は第二伝熱部10aとして、戻り配管11の一部は第三伝熱部11aとして冷媒間熱交換器19を構成するようになっており、これら、第一伝熱部7aと、第二伝熱部10aと、第三伝熱部11a内を流れる温度の異なる冷媒間で熱交換が行われるようになっている。配管7には比較的高温の冷媒が流れ、戻り配管11とインジェクション配管10には低温の冷媒が流れることにより、第一伝熱部7a内を流れる高温の冷媒から、第二伝熱部10aと第三伝熱部11a内を流れる低温の冷媒とに熱が移動し、配管7を流れる冷媒は冷却される一方、インジェクション配管10と、戻り配管11を流れる冷媒は加熱されるようになっている。
上述した冷媒間熱交換器19は、図4(A)に示すように、円筒形状の三重管構造となっており、外周側に、インジェクション配管10の第二伝熱部10aが配置され、中心部に,戻り配管11の第三伝熱部11aが配置され、第二伝熱部10aと第三伝熱部11aとの間に円環状の第一伝熱部7aが配置されている。これにより、第一伝熱部7aと第二伝熱部10a及び第三伝熱部11aとの間で同時に熱交換が行われ、熱交換効率が向上するようになっている。
次に、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。図2(A)で示すように、四方弁2は実線で示す側に切換えられ、また、図2(B)で示すように、第一電磁開閉弁13及び第三電磁開閉弁15は開放状態となる一方、第二電磁開閉弁14及び第四電磁開閉弁16は閉鎖状態とされるようになっている。
圧縮機1で圧縮され高温高圧となった冷媒は、四方弁2を介して室内熱交換器3に流入し、同室内熱交換器3で熱を放出して凝縮し、高温高圧の液相状態の冷媒となった後、配管7に流入するようになっている。また、室内熱交換器3から流出した冷媒の一部は、暖房時用インジェクション配管8に分岐するようになっている。室内熱交換器3から放出された熱は、周囲を流れる空気を加熱し、加熱された空気が図示しない送風ファンにより室内に送出されることにより暖房運転が行われるようになっている。
配管7に流入した高温高圧の液相状態の冷媒は、第一電磁開閉弁13が開放状態であることにより、矢印で示すように、流路抵抗の少ない第一バイパス路12に流入し、同第一バイパス路12を通過して冷媒間熱交換器19の第一伝熱部7aに流入するようになっている。第一伝熱部7aを通過する冷媒は、第二伝熱部10aと第三伝熱部11aを流れる冷媒と熱交換して冷却された状態となって冷媒間熱交換器19から流出するようになっている。
冷媒間熱交換器19から流出した冷媒は、第二バイパス路17に備えられた第二電磁開閉弁14が閉鎖状態であることにより、第二膨張弁5を通過するようになっている。第二膨張弁5を通過して膨張することにより減圧された冷媒は、低温低圧の二相状態の冷媒となる。低温低圧の二相状態の冷媒は室外熱交換器6に流入し、同室外熱交換器6の周囲を流れる空気から吸熱して蒸発し低温低圧のガス冷媒となる。次に、低温低圧のガス冷媒は四方弁2を経由して戻り配管11に流入し、冷媒間熱交換器19の第三伝熱部11aを通過することにより、上記したように第一伝熱部7aを流れる冷媒により加熱された状態となって、圧縮機1に還流するようになっている。
室内熱交換器3から流出し、暖房時用インジェクション配管8に分岐した、高温高圧の二相状態の冷媒は、第三電磁開閉弁15が開放される一方、第四電磁開閉弁16が閉鎖状態であることにより、インジェクション配管10に流入し、同インジェクション配管10に備えられた第三膨張弁18を通過することにより膨張して減圧され、低圧の冷媒となる。低圧となった冷媒は、冷媒間熱交換器19の第二伝熱部10aを通過することにより、第一伝熱部7aを流れる冷媒により加熱されて中間圧の冷媒となり、インジェクション配管10から圧縮機1の圧縮室にインジェクションされるようになっている。
圧縮機1の圧縮室に、中間圧で低温の冷媒がインジェクションされることにより、吸込側からの冷媒とインジェクション配管10からの冷媒が合流して、圧縮機1からの高温高圧の冷媒吐出量が増加することにより、室内熱交換器3での熱交換量も増加し、より周囲を流れる空気を充分に加熱することができるようになっている。これにより、例えば、−10°C以下の寒冷地等においても、暖房運転を円滑に行うことができるようになっている。
次に、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。四方弁2は図3(A)で示す実線側に切換えられるようになっている。また、図3(B)で示すように、第一電磁開閉弁13及び第三電磁開閉弁15は閉鎖状態となる一方、第二電磁開閉弁14及び第四電磁開閉弁16は開放状態とされるようになっている。
圧縮機1で圧縮され高温高圧となった冷媒は、四方弁2を介して室外熱交換器6に流入し、同室外熱交換器6で熱を放出して凝縮し、高温高圧で液相状態の冷媒となり、配管7に流入するようになっている。
配管7に流入した高温高圧の液相状態の冷媒は、第二電磁開閉弁14が開放状態であることにより、矢印で示すように、流路抵抗の少ない第二バイパス路17に流入し、同第二バイパス路17を通過して冷媒間熱交換器19の第一伝熱部7aに流入するようになっている。高温高圧の冷媒は第一伝熱部7aを通過することにより、第二伝熱部10aと第三伝熱部11aを流れる、低温低圧の冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。
冷媒間熱交換器19から流出した冷媒は、第一バイパス管12に備えられた第一電磁開閉弁13が閉鎖状態であることにより、第一膨張弁4を通過するようになっている。第一膨張弁4を通過して膨張することにより減圧された冷媒は、低温低圧の二相状態の冷媒となり、室内熱交換器3に流入し、同室内熱交換器3の周囲を流れる空気から吸熱して蒸発し低温低圧のガス冷媒となる。次に、低温低圧のガス冷媒は四方弁2を経由して戻り配管11に流入し、冷媒間熱交換器19の第三伝熱部11aを通過することにより、第一伝熱部7aを流れる冷媒により加熱された状態となって圧縮機1に還流するようになっている。
室外熱交換器6から流出し、冷房時用インジェクション配管9に分岐した凝縮後の高温高圧の冷媒は、第三電磁開閉弁15が閉鎖される一方、第四電磁開閉弁16が開放状態であることにより、インジェクション配管10に流入し、同インジェクション配管10に備えられた第三膨張弁18を通過することにより膨張して減圧され、低圧の冷媒となる。低圧となった冷媒は、冷媒間熱交換器19の第二伝熱部10aを通過することにより、第一伝熱部7aを流れる冷媒により加熱されて中間圧の冷媒となり、インジェクション配管10から圧縮機1の圧縮室にインジェクションされるようになっている。
冷房運転においても、中間圧で低温の冷媒が圧縮機1にインジェクションされることにより、室外熱交換器6に供給される冷媒量が増加して、室外熱交換器6での熱交換量も増加し、冷房能力も向上させることができるようになっている。
冷媒間熱交換器19は、上述したように、第一伝熱部7aと第二伝熱部10aと第三伝熱部11aとからなる三重管構造に形成され、第一伝熱部7aを第二伝熱部10aと第三伝熱部11aとの間に配置するようにしている。第一伝熱部7aには、暖房運転及び冷房運転においても比較的高温の冷媒が流れる一方、第二伝熱部10aと第三伝熱部11aには低温の冷媒が流れるようになっており冷媒間の熱交換が行われるようになっている。
更に、冷媒間熱交換器19は円管による三重管構造により伝熱面積を大きくでき熱交換効率が向上するとともに、第一伝熱部7aと、これを囲む第二伝熱部10aと第三伝熱部11aとで冷媒の熱交換を同時に行うことにより、熱の移動を円滑に行うことができ、また、周囲への熱の漏洩量を最小にすることにより効率的な熱交換が行え、インジェクション効果を極力向上させることができるようになっている。また、冷媒間熱交換器を複数使用した場合に比較し、三重管構造では第一伝熱部7aから第二伝熱部10a及び第三伝熱部11aへの熱の移動量が、暖房運転と冷房運転とでほぼ等しくできることにより、安定したインジェクション効果を維持することができるようになっている。また、従来に比較して、複数必要とされた冷媒間の熱交換を行う内部熱交換器を、単独の冷媒間熱交換器19で補うことができ、冷媒回路の簡素化及び冷媒間熱交換器19の熱交換部を大型化することなく効率的に熱交換を行うことができるようになっている。
次に、冷媒間熱交換器の他の実施例について説明する。図4(B)で示す冷媒間熱交換器としての多重管熱交換器20は、断面矩形状の中間伝熱部20aの上下に、上部伝熱部20b及び下部伝熱部20cを配置しており、中間伝熱部20aに配管7の高温の冷媒が流れ、上部伝熱部20bにインジェクション配管10の低温の冷媒が流れ、下部伝熱部20cに戻り配管11の低温の冷媒が流れるようにして、中間伝熱部20aから上部伝熱部20bと下部伝熱部20cに熱移動を行うようになっている。配管の曲加工を行う際は、中間伝熱部20a、上部伝熱部20b、下部伝熱部20cの夫々を別工程で曲加工を行った後、重ね合わせて一体にすることが可能であり、配管の加工性を向上させることができるようになっている。
図4(C)で示す冷媒間熱交換器としての多重管熱交換器21は、伝熱部21a、21b、21cを、互いの伝熱部が夫々熱交換できるように隣り合わせて配設し、例えば、伝熱部21aに配管7の高温の冷媒が流れ、伝熱部21bにインジェクション配管10の低温の冷媒が流れ、伝熱部21cに戻り配管11の低温の冷媒が流れるようにして、伝熱部21aから伝熱部21bと伝熱部21cに熱移動を行うようになっている。また、これら伝熱部を熱伝達率の高い熱伝導部材21dで覆うようにして、高温の冷媒から低温の冷媒に熱移動が円滑が行われるようにして冷媒間での熱交換効率を向上させるとともに、配管の曲げ加工を容易にして加工性も向上させることができるようになっている。
次に、冷媒に含有される潤滑油の回収について説明する。尚、上述した冷媒間熱交換器としての多重管熱交換器20を例にして説明する。図5で示すように、断面矩形状に形成された中間伝熱部20a、上部伝熱部20b及び下部伝熱部20cからなる冷媒間熱交換器20をU字状に折曲し、上述したように、中間伝熱部20aに配管7の高温の冷媒が流れ、上部伝熱部20bにインジェクション配管10の低温の冷媒が流れ、下部伝熱部20cに戻り配管11の低温の冷媒が流れるようにしている。また、折曲された最下端に、戻り配管11に連なる下部伝熱部20cを位置させるようになっている。圧縮機1から吐出された冷媒には、圧縮機1の内部機構を潤滑するための潤滑油が含まれてしまうが、冷媒間熱交換器20をU字状に折曲することにより、最下端部に位置する下部伝熱部20cには、冷媒回路を循環する冷媒に含有される潤滑油が効率的に貯留されるようになっており、これを配管路20dを介して圧縮機1に回収することにより、圧縮機1での焼付発生等を未然に防止することが効率的にできるようになっている。
本発明による冷凍空調装置の冷媒回路図である。 暖房運転時の冷媒の流れを説明する説明図である。 冷房運転時の冷媒の流れを説明する説明図である。 多重管熱交換器の夫々の構成を示す断面図である。 潤滑油回収の構成を示す説明図である。 従来の冷媒回路図とPH線図である。
符号の説明
1 圧縮機
2 四方弁
3 室内熱交換器
4 第一膨張弁
5 第二膨張弁
6 室外熱交換器
7 配管
7a 第一伝熱部
8 暖房時用インジェクション配管
9 冷房時用インジェクション配管
10 インジェクション配管
10a 第二伝熱部
11 戻り配管
11a 第三伝熱部
12 第一バイパス路
13 第一電磁開閉弁
14 第二電磁開閉弁
15 第三電磁開閉弁
16 第四電磁開閉弁
17 第二バイパス路
18 第三膨張弁
19 冷媒間熱交換器
20 多重管熱交換器
20a 中間伝熱部
20b 上部伝熱部
20c 下部伝熱部
21 多重管熱交換器
21a,21b,21c 伝熱部
21d 熱伝導部材

Claims (2)

  1. 圧縮機と、暖房運転と冷房運転の切換を行う四方弁と、利用側熱交換器と、第一減圧手段と、第二減圧手段と、熱源側熱交換器とを順次接続し、暖房運転時、前記圧縮機からの冷媒が、前記四方弁と、前記利用側熱交換器と、前記第二減圧手段と、前記熱源側熱交換器とを循環し前記四方弁を介して前記圧縮機に還流することにより、前記利用側熱交換器から温熱を供給し、冷房運転時、前記圧縮機からの冷媒が、前記四方弁と、前記熱源側熱交換器と、前記第一減圧手段と、前記利用側熱交換器とを循環し前記四方弁を介して前記圧縮機に還流することにより、前記利用側熱交換器から冷熱を供給してなる冷凍空調装置において、
    暖房運転時に、前記利用側熱交換器と前記第一減圧手段との間から前記圧縮機の圧縮室に接続される一方、冷房運転時に、前記熱源側熱交換器と第二減圧手段との間から前記圧縮機の圧縮室に接続されるように切換えられるインジェクション配管を設けるとともに、同インジェクション配管に第三減圧手段を設け、前記第一減圧手段と前記第二減圧手段とを結ぶ配管の一部を第一伝熱部とし、前記インジェクション配管の一部を第二伝熱部とし、前記四方弁から前記圧縮機に還流する配管の一部を第三伝熱部とし、これら伝熱部の熱交換を行う冷媒間熱交換器を設けたことを特徴としてなる冷凍空調装置。
  2. 前記冷媒間熱交換器が、断面円環状の三重管として形成され、前記第一伝熱部は前記第二伝熱部と前記第三伝熱部との間に配置されてなることを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調装置。
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