JP2011153736A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】液相冷媒の圧縮機への戻りを極力低減することにより圧縮機の信頼性を向上す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６と室内熱交換器１６と膨張弁１２と室外熱交換器１４が互いに冷媒配管で接続された冷凍サイクル装置に、圧縮機６を囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄積する蓄熱材３６と、蓄熱材３６に蓄積された熱と冷媒とで熱交換を行う蓄熱熱交換器３４とを有する蓄熱装置を設けた。また、除霜運転時、圧縮機６から吐出された冷媒の一部を室外熱交換器１４に導く配管２８と、室内熱交換器１６を出た冷媒を蓄熱熱交換器３４に導く配管３８を設けるとともに、蓄熱熱交換器３４を出た冷媒を、室外熱交換器１４を出た冷媒に合流させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機と室内熱交換器と膨張弁と室外熱交換器が互いに冷媒配管で接続された冷凍サイクル装置に関し、特に除霜運転時の圧縮機の信頼性を向上させることができる冷凍サイクル装置に関する。
従来、ヒートポンプ式空気調和機による暖房運転時、室外熱交換器に着霜した場合には、暖房サイクルから冷房サイクルに四方弁を切り替えて除霜を行っている。この除霜方式では、室内ファンは停止するものの、室内機から冷気が徐々に放出されることから暖房感が失われるという欠点がある。
そこで、室外機に設けられた圧縮機に蓄熱槽を設け、暖房運転中に蓄熱槽に蓄えられた圧縮機の廃熱を利用して除霜するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図８は、このような除霜方式を採用した冷凍サイクル装置の一例を示しており、室外機に設けられた圧縮機１００と四方弁１０２と室外熱交換器１０４とキャピラリチューブ１０６と、室内機に設けられた室内熱交換器１０８とを冷媒配管で接続するとともに、キャピラリチューブ１０６をバイパスする第１バイパス回路１１０と、圧縮機１００の吐出側から四方弁１０２を介して室内熱交換器１０８へ至る配管に一端を接続し他端をキャピラリチューブ１０６から室外熱交換器１０４へ至る配管に接続した第２バイパス回路１１２が設けられている。また、第１バイパス回路１１０には、二方弁１１４と逆止弁１１６と蓄熱熱交換器１１８が設けられ、第２バイパス回路１１２には、二方弁１２０と逆止弁１２２が設けられている。
さらに、圧縮機１００の周囲には蓄熱槽１２４が設けられており、蓄熱槽１２４の内部には、蓄熱熱交換器１１８と熱交換するための潜熱蓄熱材１２６が充填されている。
この冷凍サイクルにおいて、除霜運転時には、二つの二方弁１１４，１２０が開制御され、圧縮機１００から吐出された冷媒の一部は第２バイパス回路１１２へと流れ、残りの冷媒は四方弁１０２と室内熱交換器１０８へと流れる。また、室内熱交換器１０８を流れた冷媒は暖房に利用された後、わずかの冷媒がキャピラリチューブ１０６を通って室外熱交換器１０４へと流れる一方、残りの大部分の冷媒は第１バイパス回路１１０へ流入し、二方弁１１４を通って蓄熱熱交換器１１８へと流れて蓄熱材１２６より熱を奪い、逆止弁１１６を通った後、キャピラリチューブ１０６を通過した冷媒と合流して室外熱交換器１０４へと流れる。その後、室外熱交換器１０４の入口で第２バイパス回路１１２を流れてきた冷媒と合流し、冷媒が持つ熱を利用して除霜を行い、さらに四方弁１０２を通過した後、圧縮機１００に吸入される。
この冷凍サイクル装置においては、第２バイパス回路１１２を設けることで、除霜時に圧縮機１００から吐出されたホットガスを室外熱交換器１０４に導くとともに、室外熱交換器１０４に流入する冷媒の圧力を高く保つことができるので、除霜能力を高めることができ、極めて短時間に除霜を完了することができる。
特開平３−３１６６６号公報
従来の冷凍サイクルには、圧縮機１００の冷媒吸入側に、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ１２８が通常設けられており、室外熱交換器１０４からの液相冷媒はアキュームレータ１２８に導入され、アキュームレータ１２８で分離された気相冷媒が圧縮機１００に供給される。しかしながら、室外熱交換器１０４からの冷媒をそのままアキュームレータ１２８に導入すると、アキュームレータ１２８から圧縮機１００へと液相冷媒が一部戻ってしまう可能性があり、圧縮機の信頼性が低下するという問題がある。
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、液相冷媒の圧縮機への戻りを極力低減することにより圧縮機の信頼性を向上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している。
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機の吐出口から、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器を介して前記圧縮機の吸入口へと冷媒を流す暖房サイクルを有し、
前記圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材に蓄熱された熱とで熱交換を行う蓄熱熱交換器とを有する蓄熱装置を備え、
前記室外熱交換器の除霜に際して、前記圧縮機の吐出口からの冷媒を前記室外熱交換器に流して除霜を行うとともに、前記蓄熱熱交換器を介して前記圧縮機の吸入口側に流して液相冷媒の戻りを低減するとしたものである。
本発明によれば、除霜の際に、蓄熱熱交換器から戻ってくる高温の気相冷媒を利用することで、液相冷媒の蒸発が促されて、液相冷媒が圧縮機に戻ることがなくなり、圧縮機の信頼性を向上することができる。
本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成を示す図 図１の空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図 図１の空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式図 図１の空気調和機の冷媒配管における液相冷媒と気相冷媒の合流部分の形状を示す図 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の冷媒配管における液相冷媒と気相冷媒の合流部分の形状を示す図 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成を示す図 図６の空気調和機の冷媒配管における液相冷媒と気相冷媒の合流部分の形状を示す図 従来の冷凍サイクル装置の構成を示す模式図
第１の発明は、圧縮機の吐出口から、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器を介して前記圧縮機の吸入口へと冷媒を流す暖房サイクルを有し、
前記圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材に蓄熱された熱とで熱交換を行う蓄熱熱交換器とを有する蓄熱装置を備え、
前記室外熱交換器の除霜に際して、前記圧縮機の吐出口からの冷媒を前記室外熱交換器に流して除霜を行うとともに、前記蓄熱熱交換器を介して前記圧縮機の吸入口側に流して液相冷媒の戻りを低減するものである。この構成により、液相冷媒の蒸発が促され、液相冷媒が圧縮機に戻ることがないので、圧縮機の信頼性が向上する。
また本発明は他の例として、圧縮機と、圧縮機と第１配管を介して接続された室内熱交換器と、室内熱交換器と第２配管を介して接続された膨張弁と、膨張弁と第３配管を介して接続された室外熱交換器とを備え、室外熱交換器は圧縮機に第４配管を介して接続された冷凍サイクル装置であって、圧縮機を囲むように配置され、圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、蓄熱材に蓄積された熱と冷媒とで熱交換を行う蓄熱熱交換器とを有する蓄熱装置と、圧縮機と第３配管とを接続する第５配管と、第２配管と蓄熱熱交換器とを接続する第６配管と、蓄熱熱交換器と第４配管とを接続し、蓄熱熱交換器からの冷媒を第４配管に導く第７配管とをさらに備えている。
また、第７配管が第４配管に対しその上流側から９０度未満の角度で接続されるようにしたので、第７配管から第４配管への流入部の抵抗が小さくなり、第６配管から蓄熱熱交換器を通って第７配管に至るバイパス配管系の循環量が増加し、蓄熱熱交換器の熱交換量が十分発揮されて、除霜能力も十分に発揮することができる。
また、第７配管が、第４配管との合流部分の上流側で第４配管と略平行となるように第４配管に接続されるようにしたので、第２の発明と同様の効果を奏する。
また、第４配管上に液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータを設け、第７配管がアキュームレータと圧縮機の間に接続されるようにしたので、高温の気相冷媒の熱が、アキュームレータに奪われずに除霜に無駄なく使用され、除霜時間を短縮することができる。
また、第２配管と第６配管との接続点と膨張弁との間にストレーナを設けたことで、膨張弁への異物侵入を防止することができる。また、圧力損失となるストレーナを第２配管と第６配管との接続点と膨張弁との間に配置することで、冷媒が第６配管側に流れやすくなり、第６配管から蓄熱熱交換器を通って第７配管に至るバイパス配管系の循環量が増加し、蓄熱熱交換器の熱交換量が十分発揮されて、除霜能力も十分に発揮することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を備えた空気調和機の構成を示しており、空気調和機は、冷媒配管で互いに接続された室外機２と室内機４とで構成されている。
図１に示されるように、室外機２の内部には、圧縮機６と四方弁８とストレーナ１０と膨張弁１２と室外熱交換器１４とが設けられ、室内機４の内部には、室内熱交換器１６が設けられ、これらは冷媒配管を介して互いに接続されることで冷凍サイクルを構成している。
さらに詳述すると、圧縮機６と室内熱交換器１６は、四方弁８が設けられた第１配管１８を介して接続され、室内熱交換器１６と膨張弁１２は、ストレーナ１０が設けられた第２配管２０を介して接続されている。また、膨張弁１２と室外熱交換器１４は第３配管２２を介して接続され、室外熱交換器１４と圧縮機６は第４配管２４を介して接続されている。
第４配管２４の中間部には四方弁８が配置されており、圧縮機６の冷媒吸入側における第４配管２４には、液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータ２６が設けられている。また、圧縮機６と第３配管２２は、第５配管２８を介して接続されており、第
５配管２８には第１電磁弁３０が設けられている。
さらに、圧縮機６の周囲には蓄熱槽３２が設けられ、蓄熱槽３２の内部には、蓄熱熱交換器３４が設けられるとともに、蓄熱熱交換器３４と熱交換するための蓄熱材（例えば、エチレングリコール水溶液）３６が充填されており、蓄熱槽３２と蓄熱熱交換器３４と蓄熱材３６とで蓄熱装置を構成している。
また、第２配管２０と蓄熱熱交換器３４は第６配管３８を介して接続され、蓄熱熱交換器３４と第４配管２４は第７配管４０を介して接続されており、第６配管３８には第２電磁弁４２が設けられている。
室内機４の内部には、室内熱交換器１６に加えて、送風ファン（図示せず）と上下羽根（図示せず）と左右羽根（図示せず）とが設けられており、室内熱交換器１６は、送風ファンにより室内機４の内部に吸込まれた室内空気と、室内熱交換器１６の内部を流れる冷媒との熱交換を行い、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に吹き出す一方、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に吹き出す。上下羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて上下に変更し、左右羽根は、室内機４から吹き出される空気の方向を必要に応じて左右に変更する。
なお、圧縮機６、送風ファン、上下羽根、左右羽根、四方弁８、膨張弁１２、電磁弁３０，４２等は制御装置（図示せず、例えばマイコン）に電気的に接続され、制御装置により制御される。
上記構成の本発明に係る冷凍サイクル装置において、各部品の相互の接続関係と機能を暖房運転時を例にとり冷媒の流れとともに説明する。
圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６へと至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て第２配管２０を通り、膨張弁１２への異物侵入を防止するストレーナ１０を通って、膨張弁１２に至る。膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至り、室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４と四方弁８とアキュームレータ２６を通って圧縮機６の吸入口へと戻る。
また、第１配管１８の圧縮機６吐出口と四方弁８の間から分岐した第５配管２８は、第１電磁弁３０を介して第３配管２２の膨張弁１２と室外熱交換器１４の間に合流している。
さらに、内部に蓄熱材３６と蓄熱熱交換器３４を収納した蓄熱槽３２は、圧縮機６に接して取り囲むように配置され、圧縮機６で発生した熱を蓄熱材３６に蓄積し、第２配管２０から室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分岐した第６配管３８は、第２電磁弁４２を経て蓄熱熱交換器３４の入口へと至り、蓄熱熱交換器３４の出口から出た第７配管４０は、第４配管２４における四方弁８とアキュームレータ２６の間に合流する。
なお、図１では、ストレーナ１０を、第２配管２０における第６配管３８との分流部分と膨張弁１２の間に配置したが、第２配管２０における室内熱交換器１６と第６配管３８との分流部分の間に配置しても、膨張弁１２への異物侵入を防止するという機能は保持することができる。
ただし、ストレーナ１０には圧力損失があり、前者の配置にした方が、第２配管２０における第６配管３８との分流部分において、冷媒が第６配管３８側に流れやすくなり、第
６配管３８から蓄熱熱交換器３４を通って第７配管４０に至るバイパス配管系の循環量が増加する。その結果、蓄熱材３６の温度が高く蓄熱熱交換器３４の熱交換能力が非常に大きい場合においても、蓄熱熱交換器３４の循環量が多いため、蓄熱熱交換器３４の後半部で過熱度が高くなって熱交換できなくなる現象が起こりにくくなり、蓄熱熱交換器３４の熱交換量が十分発揮されて、除霜能力も十分に発揮されるという利点がある。
次に、図１に示される空気調和機の通常暖房時の動作及び冷媒の流れを模式的に示す図２を参照しながら通常暖房時の動作を説明する。
通常暖房運転時、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は閉制御されており、上述したように圧縮機６の吐出口から吐出された冷媒は、第１配管１８を通って四方弁８から室内熱交換器１６に至る。室内熱交換器１６で室内空気と熱交換して凝縮した冷媒は、室内熱交換器１６を出て、第２配管２０を通り膨張弁１２に至り、膨張弁１２で減圧した冷媒は、第３配管２２を通って室外熱交換器１４に至る。室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して蒸発した冷媒は、第４配管２４を通って四方弁８から圧縮機６の吸入口へと戻る。
また、圧縮機６で発生した熱は、圧縮機６の外壁から蓄熱槽３２の外壁を介して蓄熱槽３２の内部に収容された蓄熱材３６に蓄積される。
次に、図１に示される空気調和機の除霜・暖房時の動作及び冷媒の流れを示す模式的に示す図３を参照しながら除霜・暖房時の動作を説明する。図中、実線矢印は暖房に供する冷媒の流れを示しており、破線矢印は除霜に供する冷媒の流れを示している。
上述した通常暖房運転中に室外熱交換器１４に着霜し、着霜した霜が成長すると、室外熱交換器１４の通風抵抗が増加して風量が減少し、室外熱交換器１４内の蒸発温度が低下する。本発明に係る空気調和機には、図３に示されるように、室外熱交換器１４の配管温度を検出する温度センサ４４が設けられており、非着霜時に比べて、蒸発温度が低下したことを温度センサ４４で検出すると、制御装置から通常暖房運転から除霜・暖房運転への指示が出力される。
通常暖房運転から除霜・暖房運転に移行すると、第１電磁弁３０と第２電磁弁４２は開制御され、上述した通常暖房運転時の冷媒の流れに加え、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒の一部は第５配管２８と第１電磁弁３０を通り、第３配管２２を通る冷媒に合流して、室外熱交換器１４を加熱し、凝縮して液相化した後、第４配管２４を通って四方弁８とアキュームレータ２６を介して圧縮機６の吸入口へと戻る。
また、第２配管２０における室内熱交換器１６とストレーナ１０の間で分流した液相冷媒の一部は、第６配管３８と第２電磁弁４２を経て、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６から吸熱し蒸発、気相化して、第７配管４０を通って第４配管２４を通る冷媒に合流し、アキュームレータ２６から圧縮機６の吸入口へと戻る。
アキュームレータ２６に戻る冷媒には、室外熱交換器１４から戻ってくる液相冷媒が含まれているが、これに蓄熱熱交換器３４から戻ってくる高温の気相冷媒を混合することで、液相冷媒の蒸発が促され、アキュームレータ２６を通過して液相冷媒が圧縮機６に戻ることがなくなり、圧縮機６の信頼性の向上を図ることができる。
除霜・暖房開始時に霜の付着により氷点下となった室外熱交換器１４の温度は、圧縮機６の吐出口から出た気相冷媒によって加熱されて、零度付近で霜が融解し、霜の融解が終わると、室外熱交換器１４の温度は再び上昇し始める。この室外熱交換器１４の温度上昇を温度センサ４４で検出すると、除霜が完了したと判断し、制御装置から除霜・暖房運転
から通常暖房運転への指示が出力される。
次に、図４を参照しながら、第７配管４０と第４配管２４の合流部分（図３のＡ部）の形状について詳述する。
図４に示される形状の場合、第４配管２４の側方に約９０度の角度で第７配管４０が合流している。この形状は、第４配管２４内の冷媒に第７配管４０を流れる冷媒が衝突することから、第７配管４０から第４配管２４への流入部の抵抗が大きくなり、第６配管３８から蓄熱熱交換器３４を通って第７配管４０に至るバイパス配管系全体の圧力損失が増加し、このバイパス配管系の循環量が少なくなることがある。
蓄熱材３６の温度が高い場合、蓄熱熱交換器３４の熱交換能力は非常に大きく、蓄熱熱交換器３４の循環量が少ないと、蓄熱熱交換器３４の後半部で過熱度が高くなって熱交換できなくなるため、蓄熱熱交換器３４の熱交換量が頭打ちになって、除霜能力が十分に発揮できないことがある。
（実施の形態２）
図５は、この点を改善するための第７配管４０と第４配管２４の合流部分（図３のＡ部）の別の形状を示している。
図５に示される形状では、第４配管２４の側方に第４配管２４の上流側から９０度未満の角度で第７配管４０が合流している。この形状は、図４に示される形状と比較して、第４配管２４内の冷媒に第７配管４０を流れる冷媒が衝突する際の衝突損失が小さく、第７配管４０から第４配管２４への流入部の抵抗が小さくなることから、第６配管３８から蓄熱熱交換器３４を通って第７配管４０に至るバイパス配管系全体の圧力損失が減少し、バイパス配管系の循環量が増加する。
その結果、蓄熱材３６の温度が高く蓄熱熱交換器３４の熱交換能力が非常に大きい場合においても、蓄熱熱交換器３４の循環量が多いため、蓄熱熱交換器３４の後半部で過熱度が高くなって熱交換できなくなる現象が起こりにくくなり、蓄熱熱交換器３４の熱交換量が十分発揮されて、除霜能力も十分に発揮される。
（実施の形態３）
図６は、第７配管４０と第４配管２４の合流部分のさらに別の形状を持つ冷凍サイクルを示しており、図７は第７配管４０と第４配管２４の合流部分（図６のＢ部）を示している。
図３に示される第７配管４０と第４配管２４の合流部分は、四方弁８とアキュームレータ２６の間であったのに対し、本実施の形態では、図６に示されるように、第７配管４０と第４配管２４の合流部分はアキュームレータ２６と圧縮機６の間に位置している。
図３の構成では、蓄熱熱交換器３４で蓄熱材３６から吸熱して蒸発、気相化した冷媒は、第７配管４０を通って四方弁８とアキュームレータ２６の間で第４配管２４を通る冷媒に合流して、アキュームレータ２６から圧縮機６の吸入口へと戻っている。
しかしながら、除霜前に温度が低下したアキュームレータ２６は大きい熱容量を持っており、除霜時に蓄熱熱交換器３４から戻ってくる高温の気相冷媒が、アキュームレータ２６で冷却されてしまい、除霜に熱を十分使用することができず、除霜時間が延びてしまうことがある。
これに対し、本実施の形態では、室外熱交換器１４からの冷媒をアキュームレータ２６を介することなく圧縮機６に戻すことで、高温の気相冷媒の熱を除霜に無駄なく使用することができ、除霜時間の短縮を図ることができる。
なお、この構成は、本実施の形態に限られるものではなく、上述した実施の形態１あるいは２にも適用できるものである。
また、図６及び図７に示されるように、第４配管２４と第７配管４０の合流部分は略Ｕ字状に形成されており、第７配管４０が第４配管２４との合流部分の上流側で第４配管２４と略平行となるように第４配管２４に接続されている。すなわち、第４配管２４を通る冷媒と第７配管４０を通る冷媒を略平行流として合流させることで、両者の衝突損失を極力低減している。
本発明に係る冷凍サイクル装置は、液相冷媒の圧縮機への戻りを極力低減することにより圧縮機の信頼性を向上することができるので、空気調和機、冷蔵庫、給湯器、ヒートポンプ式洗濯機等に有用である。
２ 室外機、 ４ 室内機、 ６ 圧縮機、 ８ 四方弁、 １０ ストレーナ、
１２ 膨張弁、 １４ 室外熱交換器、 １６ 室内熱交換器、 １８ 第１配管、
２０ 第２配管、 ２２ 第３配管、 ２４ 第４配管、 ２６ アキュームレータ、
２８ 第５配管、 ３０ 第１電磁弁、 ３２ 蓄熱槽、 ３４ 蓄熱熱交換器、
３６ 蓄熱材、 ３８ 第６配管、 ４０ 第７配管、 ４２ 第２電磁弁、
４４ 温度センサ。

Claims (5)

  1. 圧縮機と、該圧縮機と第１配管を介して接続された室内熱交換器と、前記室内熱交換器と第２配管を介して接続された膨張弁と、該膨張弁と第３配管を介して接続された室外熱交換器とを備え、該室外熱交換器は前記圧縮機に第４配管を介して接続された冷凍サイクル装置であって、
    前記圧縮機を囲むように配置され、前記圧縮機で発生した熱を蓄積する蓄熱材と、該蓄熱材に蓄積された熱と冷媒とで熱交換を行う蓄熱熱交換器とを有する蓄熱装置と、
    前記圧縮機と前記第３配管とを接続する第５配管と、
    前記第２配管と前記蓄熱熱交換器とを接続する第６配管と、
    前記蓄熱熱交換器と第４配管とを接続し、前記蓄熱熱交換器からの冷媒を前記第４配管に導く第７配管とをさらに備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記第７配管は、前記第４配管に対しその上流側から９０度未満の角度で接続される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. 前記第７配管は、前記第４配管との合流部分の上流側で前記第４配管と略平行となるように前記第４配管に接続されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記第４配管上に液相冷媒と気相冷媒を分離するためのアキュームレータを設け、前記第７配管は、前記アキュームレータと前記圧縮機の間に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記第２配管と前記第６配管との接続点と前記膨張弁との間にストレーナを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
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