JP2011033289A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単位体積当たりの冷凍能力が小さな冷媒を用いた場合にも冷凍能力を高めることができる冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機１、凝縮器３、６、絞り装置４、気液分離器５、蒸発器６、３を順次接続して環状の冷媒回路を構成した冷凍サイクル装置であって、蒸発器６、３を、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成し、気液分離器５の液側配管を液冷媒用配管に接続し、気液分離器５のガス側配管を、冷媒流量調整弁７を介してガス冷媒用配管に接続したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関する。

フロンの使用によるオゾン層破壊が問題化した後は、代替冷媒としてＨＣＦＣが用いられ、現在ではＨＦＣ（Ｒ４１０Ａ）が多く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は１７３０と大きく、地球温暖化防止の観点から問題がある。
そこで、地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰの小さな冷媒として、例えばＧＷＰ４のＨＦＯ１２３４ｙｆが提案されているが、本冷媒はＲ４１０Ａ冷媒に比べて単位体積当たりの冷凍能力が小さな冷媒である。
ところで、従来の冷凍サイクル装置において、蒸発器の流入側に気液分離器を設け、気液分離器で分離した液冷媒は蒸発器に流し、気液分離器で分離したガス冷媒は蒸発器をバイパスさせて圧縮機に吸入されるものが提案されている（例えば特許文献１）。

特開平９−３１０９２５号公報

地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰ４の小さな冷媒としてＨＦＯ１２３４ｙｆを用いることが望まれるが、冷凍能力を高める必要がある。
一方、特許文献１で提案されている冷凍サイクルでは、蒸発器での圧力損失を低減するとともに、気液分離器で分離したガス冷媒を凝縮器出口の冷媒の冷却に用いることで冷凍能力の向上を図っている。

本発明は、単位体積当たりの冷凍能力が小さな冷媒を用いた場合にも冷凍能力を高めることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
特に、本発明は、気液分離器で分離したガス冷媒が室内空気よりも低いことに着目し、蒸発器にガス冷媒を利用することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、気液分離器、蒸発器を順次接続して環状の冷媒回路を構成した冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器を、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成し、前記気液分離器の前記液側配管を液冷媒用配管に接続し、前記気液分離器の前記ガス側配管を、冷媒流量調整弁を介してガス冷媒用配管に接続したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の冷凍サイクル装置において、前記冷媒回路に、前記冷媒の流通方向を変更する四方弁と、冷房運転時には前記凝縮器、暖房運転時には前記蒸発器として機能する室外熱交換器と、冷房運転時には前記蒸発器、暖房運転時には前記凝縮器として機能する室内熱交換器とを有し、前記室外熱交換器及び前記室内熱交換器を、それぞれ前記ガス冷媒用配管と前記液冷媒用配管によって構成し、前記気液分離器として、前記絞り装置と前記室内熱交換器との間に接続した第１の気液分離器と、前記絞り装置と前記室外熱交換器との間に接続した第２の気液分離器を設けたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置において、前記気液分離器を、前記蒸発器よりも高い位置に配置したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の冷凍サイクル装置において、前記液側配管を接続する前記液冷媒用配管を、前記気液分離器の液面よりも低い位置に配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記ガス冷媒用配管を前記蒸発器の上部に配置したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記ガス冷媒用配管を、前記蒸発器を構成するフィンの外に配置したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類及びポリカーボネート類の含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いることを特徴とする。

本発明によれば、気液分離器内で分離されたガス冷媒は、通常室内空気に対して温度が低いので、ガス冷媒の蒸発器での熱交換によって能力を向上できる。

本発明の一実施例による冷凍サイクル装置の構成図 本発明の他の実施例による冷凍サイクル装置の構成図 同実施例におけるモリエル線図 図１及び図２に示す実施例の冷凍サイクル装置の気液分離器と蒸発器との配置説明図 図１及び図２に示す実施例の冷凍サイクル装置の気液分離器と蒸発器との他の配置説明図 図１及び図２に示す実施例の冷凍サイクル装置の気液分離器と蒸発器との更に他の配置説明図

本発明の第１の実施の形態による冷凍サイクル装置は、蒸発器を、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成し、気液分離器の液側配管を液冷媒用配管に接続し、気液分離器のガス側配管を、冷媒流量調整弁を介してガス冷媒用配管に接続したものである。本実施の形態によれば、気液分離器内で分離されたガス冷媒は、通常室内空気に対して温度が低いので、ガス冷媒の蒸発器での熱交換によって能力を向上できる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷媒回路に、冷媒の流通方向を変更する四方弁と、冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換器と、冷房運転時には蒸発器、暖房運転時には凝縮器として機能する室内熱交換器とを有し、室外熱交換器及び室内熱交換器を、それぞれガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成し、気液分離器として、絞り装置と室内熱交換器との間に接続した第１の気液分離器と、絞り装置と室外熱交換器との間に接続した第２の気液分離器を設けたものである。本実施の形態によれば、冷房運転に加えて暖房運転でも蒸発器である室外熱交換器の圧力損失を低減して冷凍能力の向上を図れる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による冷凍サイクル装置において、気液分離器を、蒸発器よりも高い位置に配置したものである。本実施の形態によれば、液冷媒が蒸発器に送られる前にヘッド差などの圧力損失でフラッシュするのを抑制できる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態による冷凍サイクル装置において、液側配管を接続する液冷媒用配管を、気液分離器の液面よりも低い位置に配置したものである。本実施の形態によれば、フラッシュを確実に抑制できる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による冷凍サイクル装置において、ガス冷媒用配管を蒸発器の上部に配置したものである。本実施の形態によれば、ガス冷媒用配管を上部に配置することで、液冷媒用配管を低い位置に配置でき、ヘッド差などの圧力損失でフラッシュするのを抑制できる。
本発明の第６の実施の形態は、第１から第５の実施の形態による冷凍サイクル装置において、ガス冷媒用配管を、蒸発器を構成するフィンの外に配置したものである。本実施の形態によれば、ガス冷媒用配管を追加することで既存の蒸発器を利用することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたものである。本実施の形態によれば、地球温暖化係数の小さな冷媒を用いることで、回収されない冷媒が大気に放出されても、地球温暖化に対しその影響を極少に保つことができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１から第７の実施の形態による冷凍サイクル装置において、圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いるものである。本実施の形態によれば、Ｒ４１０Ａと同等の能力を得ようとしたとき圧縮機の回転数を抑制できるので、摺動損失を低減でき、圧縮機の効率低下を防ぐことができるので、ガス状態の冷媒が通過する部位の圧力損失を低減できる。

以下に、本発明の冷凍サイクル装置の一実施例について説明する。図１は本実施例による冷凍サイクル装置の構成図である。
本実施例による冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷房暖房運転時の冷媒回路を切り替える四方弁２、冷媒と外気の熱を交換する室外熱交換器３、冷媒を減圧する絞り装置４、絞り装置４で減圧された冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する気液分離器５、冷媒と室内空気の熱を交換する室内熱交換器６で構成される。圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、絞り装置４、気液分離器５、及び室内熱交換器６は接続管で環状に接続されている。
なお、室内熱交換器６は、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成されており、気液分離器５の液側配管は液冷媒用配管に接続している。気液分離器５のガス側配管は、冷媒流量調整弁７を介してガス冷媒用配管に接続されている。
室外ユニット１０には、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、絞り装置４を有し、室内ユニット１１には気液分離器５、室内熱交換器６、冷媒流量調整弁７を有している。そして室外ユニット１０と室内ユニット１１とは、液接続管２１とガス接続管２２とで接続されている。

冷房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通って室外熱交換器３に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり絞り装置４に送られる。絞り装置４では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、液接続管２１を通って、気液分離器５内にてガス冷媒と液冷媒に分離される。液冷媒は、気液分離器５の液側配管から室内熱交換器６の液冷媒用配管に入り、室内空気と熱交換して吸熱して蒸発気化して低温のガス冷媒となる。また、ガス冷媒は、気液分離器５のガス側配管から冷媒流量調整弁７を通って、室内熱交換器６のガス冷媒用配管に入り、室内空気と熱交換して吸熱して低温のガス冷媒となる。このように室内熱交換器６で室内空気は冷却されて室内を冷房する。室内熱交換器６のガス冷媒用配管からのガス冷媒と液冷媒用配管からのガス冷媒とは合流し、ガス接続管２２を通って、四方弁２を経由して圧縮機１に戻される。

暖房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通ってガス接続管２２に送られる。そして、室内熱交換器６に入り室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。このとき室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は液接続管２１を通って絞り装置４に送られ、絞り装置４において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器３に送られて外気と熱交換して蒸発気化し、四方弁２を経由して圧縮機１へ戻される。なお、暖房運転時には気液分離器５は機能しない。図示はしないが、気液分離器５をバイパスする回路を設けて、暖房運転時には気液分離器５に冷媒を流さないように構成してもよい。
このようにして冷暖房運転がなされる。

次に、本発明の冷凍サイクル装置の他の実施例について説明する。図２は本実施例による冷凍サイクル装置の構成図である。なお、上記実施例と同一機能部材には同一符号を付して一部説明を省略する。ただし、説明の都合上、気液分離器５を第１の気液分離器とし、気液分離器８を第２の気液分離器として以下に説明する。

本実施例による冷凍サイクル装置では、絞り装置４と室内熱交換器６との間に第２の気液分離器８を備えている。また、室外熱交換器３は、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成されており、第２の気液分離器８の液側配管は液冷媒用配管に接続している。第２の気液分離器８のガス側配管は、第２の冷媒流量調整弁９を介してガス冷媒用配管に接続されている。
従って、室外ユニット１０には、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、絞り装置４、第２の気液分離器８、第２の冷媒流量調整弁９を有し、室内ユニット１１には第１の気液分離器５、室内熱交換器６、第１の冷媒流量調整弁７を有している。

冷房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通って室外熱交換器３に送られる。そして、外気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒となり絞り装置４に送られる。このとき、冷房運転時には第２の気液分離器８は機能しない。図示はしないが、第２の気液分離器８をバイパスする回路を設けて、冷房運転時には第２の気液分離器８に冷媒を流さないように構成してもよい。絞り装置４では減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、液接続管２１を通って、第１の気液分離器５内にてガス冷媒と液冷媒に分離される。液冷媒は、第１の気液分離器５の液側配管から室内熱交換器６の液冷媒用配管に入り室内空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。また、ガス冷媒は、第１の気液分離器５のガス側配管から第１の冷媒流量調整弁７を通って、室内熱交換器６のガス冷媒用配管に入り、室内空気と熱交換して吸熱して低温のガス冷媒となる。このように室内熱交換器６で室内空気は冷却されて室内を冷房する。室内熱交換器６のガス冷媒用配管からのガス冷媒と液冷媒用配管からのガス冷媒とは合流し、ガス接続管２２を通って、四方弁２を経由して圧縮機１に戻される。

暖房運転時には、圧縮機１によって圧縮された冷媒は高温高圧の冷媒となって四方弁２を通ってガス接続管２２に送られる。そして、室内熱交換器６に入り室内空気と熱交換して放熱し、冷却され高圧の液冷媒となる。このとき室内空気は加熱されて室内を暖房する。その後、冷媒は液接続管２１を通って絞り装置４に送られ、絞り装置４において減圧されて低温低圧の二相冷媒となり、第２の気液分離器８内にてガス冷媒と液冷媒に分離される。液冷媒は、第２の気液分離器８の液側配管から室外熱交換器３の液冷媒用配管に入り室外空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒となる。また、ガス冷媒は、第２の気液分離器８のガス側配管から第２の冷媒流量調整弁９を通って、室外熱交換器３のガス冷媒用配管に入り、室外空気と熱交換して蒸発気化し、四方弁２を経由して圧縮機１へ戻される。なお、暖房運転時には第１の気液分離器５は機能しない。図示はしないが、第１の気液分離器５をバイパスする回路を設けて、暖房運転時には第１の気液分離器５に冷媒を流さないように構成してもよい。
このようにして冷暖房運転がなされる。

図３は、上記実施例におけるモリエル線図である。
圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒（図中Ａ）は、凝縮器（冷房運転時の室外熱交換器３、暖房運転時の室内熱交換器６）で凝縮してＢ点となり、絞り装置４で絞られることでＣ点となる。Ｃ点の冷媒は、気液分離器５、８にて液冷媒とガス冷媒に分離され、液冷媒は、Ｄ点から蒸発器（冷房運転時の室内熱交換器６、暖房運転時の室外熱交換器３）の液冷媒用配管で加熱され蒸発してＧ点の状態となる。
一方、気液分離器５、８にて分離されたガス冷媒はＥ点となり、冷媒流量調整弁7で流量調整され減圧されてＦ点となり、蒸発器（冷房運転時の室内熱交換器６、暖房運転時の室外熱交換器３）のガス冷媒用配管で加熱され、Ｇ点の状態となる。
Ｇ点で、それぞれの冷媒が合流してＨ点となり圧縮機１に吸入される。

次に、図１及び図２に示す実施例の冷凍サイクル装置における気液分離器と蒸発器との配置について説明する。図４から図６はそれぞれ異なる実施例を示している。なお、以下の説明においては、蒸発器として室内熱交換器６について説明するが、図２に示す実施例における室外熱交換器３についても同様である。
図示のように、気液分離器５は、室内熱交換器６よりも高い位置に配置している。特に気液分離器5の液側配管を接続する液冷媒用配管６ａは、気液分離器5の液面よりも低い位置に配置していることが好ましい。図４では、液側配管を接続する液冷媒用配管６ａは、液冷媒用配管の中で最上段に位置する配管を示しており、図５及び図６では、液側配管を接続する液冷媒用配管６ａは、液冷媒用配管の中で最下段に位置する配管を示している。このように、気液分離器5を、室内熱交換器６よりも高い位置に配置することで、液冷媒が室内熱交換器６に送られる前にヘッド差などの圧力損失でフラッシュするのを抑制することができる。
また、ガス冷媒用配管６ ｂは、気液分離器5の上部に配置することが好ましい。図４及び図５では、ガス側配管を接続するガス冷媒配管６ｂは、液冷媒用配管よりも高い位置であり、最上段に位置している。このように、ガス冷媒用配管６ｂは、気液分離器８の上部に配置することで、液冷媒用配管を低い位置に配置でき、ヘッド差などの圧力損失でフラッシュするのを抑制できる。
図６は、ガス冷媒用配管６ｂを、室内熱交換器６を構成するフィン６ｃの外に配置している。このように、ガス冷媒用配管６ｂを、室内熱交換器６を構成するフィン６ｃの外に配置することで、すなわち、ガス冷媒用配管６ｂを追加することで、既存の蒸発器を利用することができる。

本実施例による冷凍サイクル装置を構成する冷媒回路には、Ｒ４１０Ａ冷媒に比べて単位体積当たりの冷凍能力が小さな冷媒を封入している。この冷媒は、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合したものである。
なお、Ｒ４１０Ａ冷媒に比べて単位体積当たりの冷凍能力が小さく、冷媒地球温暖化係数が５以上で７５０以下となる冷媒としては、例えば、Ｒ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆとを混合することで得ることができる。なお、Ｒ３２のＧＷＰは６５０でありＨＦＯ１２３４ｙｆのＧＷＰは４であるので、混合割合に関わらずその混合物のＧＷＰは６５０以下となる。Ｒ３２とＨＦＯ１２３４ｙｆを混合した場合の混合割合の範囲は、ＨＦＯ１２３４ｙｆが７ｗｔ％以下（Ｒ３２が９３ｗｔ％以上）が好ましい。また、冷媒地球温暖化係数が５以上で７５０以下となるＨＦＯ１２３４ｙｆ単一冷媒を用いてもよい。
また、圧縮機１に用いる冷凍機油は、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油である。

本発明によれば、例えばＧＷＰ４のＨＦＯ１２３４ｙｆをはじめとする、ＧＷＰの小さな冷媒を利用することができる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 絞り装置
５ 気液分離器（第１の気液分離器）
６ 室内熱交換器
７ 冷媒流量調整弁（第１の冷媒流量調整弁）
８ 気液分離器（第２の気液分離器）
９ 冷媒流量調整弁（第２の冷媒流量調整弁）

Claims (8)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、気液分離器、蒸発器を順次接続して環状の冷媒回路を構成した冷凍サイクル装置であって、
   前記蒸発器を、ガス冷媒用配管と液冷媒用配管によって構成し、
   前記気液分離器の液側配管を前記液冷媒用配管に接続し、
   前記気液分離器のガス側配管を、冷媒流量調整弁を介して前記ガス冷媒用配管に接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒回路に、前記冷媒の流通方向を変更する四方弁と、冷房運転時には前記凝縮器、暖房運転時には前記蒸発器として機能する室外熱交換器と、冷房運転時には前記蒸発器、暖房運転時には前記凝縮器として機能する室内熱交換器とを有し、
   前記室外熱交換器及び前記室内熱交換器を、それぞれ前記ガス冷媒用配管と前記液冷媒用配管によって構成し、
   前記気液分離器として、前記絞り装置と前記室内熱交換器との間に接続した第１の気液分離器と、前記絞り装置と前記室外熱交換器との間に接続した第２の気液分離器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記気液分離器を、前記蒸発器よりも高い位置に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記液側配管を接続する前記液冷媒用配管を、前記気液分離器の液面よりも低い位置に配置したことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記ガス冷媒用配管を前記蒸発器の上部に配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記ガス冷媒用配管を、前記蒸発器を構成するフィンの外に配置したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 冷媒として、ハイドロフルオロオレフィンはテトラフルオロプロペンをベース成分とし、ジフルオロメタンとペンタフルオロエタンを、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは３００以下となるようにそれぞれ２成分混合もしくは３成分混合した冷媒を用いたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記圧縮機に用いる冷凍機油として、ポリオキシアルキレングリコール類、ポリビニルエーテル類、ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、ポリオールエステル類、及びポリカーボネート類のいずれかの含酸素化合物を主成分とする合成油か、アルキルベンゼン類やαオレフィン類を主成分とする合成油を用いることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。