JP2011179689A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷凍サイクル装置に内部熱交換器とバイパス回路を搭載することによる実機のスペースの増大を抑制することにある。
【解決手段】本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、主膨張弁および蒸発器を冷媒管を介して順次連通する主回路と、バイパス冷媒用膨張弁を有し凝縮器と主膨張弁間で主回路から分岐して蒸発器と圧縮機間で主回路に合流するバイパス回路と、を備え、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管と蒸発器と圧縮機間の冷媒管とを熱交換する内部熱交換器と、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管とバイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路における冷媒管とを熱交換するバイパス熱交換器とを有する補助熱交換器を備え、内部熱交換器における凝縮器と主膨張弁との間の冷媒管とバイパス熱交換器における凝縮器と主膨張弁との間の冷媒管との少なくとも一部が重複する。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、主膨張弁および蒸発器を冷媒管を介して順次連通する主回路と、バイパス冷媒用膨張弁を有し凝縮器と主膨張弁間で主回路から分岐して蒸発器と圧縮機間で主回路に合流するバイパス回路と、を備え、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管と蒸発器と圧縮機間の冷媒管とを熱交換する内部熱交換器と、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管とバイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路における冷媒管とを熱交換するバイパス熱交換器とを有する補助熱交換器を備え、内部熱交換器における凝縮器と主膨張弁との間の冷媒管とバイパス熱交換器における凝縮器と主膨張弁との間の冷媒管との少なくとも一部が重複する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、エネルギ効率の向上を図った冷凍サイクル装置に関する。
近年、地球温暖化ガスである二酸化炭素の排出量削減がより一層求められている。空気調和機、給湯機、冷蔵庫などに応用される冷凍サイクル装置のエネルギ効率の向上により、二酸化炭素による地球温暖化への影響低減に寄与することができる。
特許文献1(図11)には、エネルギ効率の向上のために圧力損失低減を図る空気調和機の例が記載されている。圧縮機、凝縮器、第一減圧器(主膨張弁)、蒸発器を配管で接続することにより冷凍サイクル装置を構成する。凝縮器と第一減圧器(主膨張弁)との間の配管を分岐して第二減圧器(バイパス冷媒用膨張弁)を経て圧縮機の吸入部で再び蒸発器を経た冷媒と合流するバイパス回路を備える。また、凝縮器と第一減圧器(主膨張弁)との間の冷媒と第二減圧器(バイパス冷媒用膨張弁)を経た冷媒とを熱交換させる補助熱交換器(バイパス熱交換器)を備える。
凝縮器で凝縮液化した冷媒の一部は、第二減圧器(バイパス冷媒用膨張弁)で低温低圧の二相状態となる。そして、補助熱交換器(バイパス熱交換器)で第一減圧器(主膨張弁)の入口部の冷媒を過冷却することにより蒸発して、圧縮機の吸入部において蒸発器で蒸発した冷媒と合流して圧縮機に吸入される。
第一減圧器(主膨張弁)入口部の冷媒は過冷却されることにより、蒸発器に導入される冷媒は乾き度が小さい二相状態となるため、蒸発器の入口と出口とでのエンタルピ差が増大する。そのため、凝縮器を出た冷媒の一部を第二減圧器(バイパス冷媒用膨張弁)へとパイパスさせて蒸発器を流れる冷媒流量が減少しても同等の蒸発器能力を確保でき、且つ、蒸発器を流れる冷媒流量が減少することにより第一減圧器(主膨張弁)から蒸発器を通過し圧縮機に吸入するまでの圧力損失を低減できるので、エネルギ効率を向上できる。
非特許文献1(6頁)には、カーエアコンにおいて、HFO1234yfの性能改善のために、内部熱交換器を使用したシステムが記載されている。内部熱交換器は、凝縮器出口の高温側液冷媒と蒸発器出口の低温側ガス冷媒とを熱交換させて、低温側冷媒を過熱し、高温側冷媒を過冷却する。
内部熱交換器を備えることにより、圧縮機への液戻りが生じることを防止すると同時に過冷却量の増加を図ることで、蒸発器の冷媒循環量を減らし、圧力損失を低減させ、エネルギ効率を向上できる。
特許文献2(図4)には、特許文献1に記載された第二減圧器(バイパス冷媒用膨張弁)と補助熱交換器(バイパス熱交換器)を含むバイパス回路に加え、非特許文献1(6頁)に記載された内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置が記載されている。
ところで、2011年以降、EUで販売される新型車に搭載されるエアコンは、GWP値150以下の冷媒充填が義務付けられている。主たる候補冷媒としてHFO1234yfがある。
非特許文献1(21頁)には、HFO1234yfの定置式エアコンへの適用において、現行使用冷媒であるR410Aに比べHFO1234yfは著しく低密度・低圧冷媒と予想され、同一冷房/暖房能力を得るために必要な体積流量は著しい圧力損失を生じて、効率低下が無視できない。
「最近の冷媒動向と展望」(社)日本冷凍空調学会、平成21年6月5日発行、P6,21
特許文献1及び2には内部熱交換器及び、圧力損失低減のためのバイパス冷媒用膨張弁とバイパス熱交換器を有するバイパス回路を搭載した冷凍サイクル装置の例が記載されているが、バイパス熱交換器と内部熱交換器を搭載する形態について考慮されていない。
主回路における蒸発器通過後の冷媒(以下「ガス冷媒」という。)及び、バイパス回路におけるバイパス冷媒用膨張弁通過後の冷媒(以下「バイパス冷媒」という。)は両方とも主回路における凝縮器通過後の冷媒(以下「液冷媒」という。)と熱交換する。熱交換することにより液冷媒の温度は低下し、液冷媒とガス冷媒及びバイパス冷媒との温度差が徐々に狭まっていき、冷媒管の単位長さあたりの熱交換量は減少する。
熱交換することにより温度差が徐々に狭まっていくため、内部熱交換器及びバイパス熱交換器において、ガス冷媒及びバイパス冷媒と液冷媒との温度が十分近づくまで熱交換し合うことは、室外機のスペースが有限である点で難しい。
本発明の目的は、単位長さあたりの内部熱交換器とバイパス熱交換器における熱交換面積を増加させることにより、内部熱交換器とバイパス熱交換器の長さを短くし、内部熱交換器とバイパス回路を搭載した冷凍サイクル装置の実機のスペースを抑制することにある。また、実機の有限のスペースの中で、内部熱交換器及びバイパス熱交換器の熱交換面積の増大を図ることにある。
上記目的を達成する本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機,凝縮器,主膨張弁および蒸発器を冷媒管を介して順次連通する主回路と、凝縮器と主膨張弁間で主回路から分岐して、蒸発器と圧縮機間で主回路に合流するバイパス回路と、を備え、バイパス回路は、バイパス冷媒用膨張弁を有し、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管と、蒸発器と圧縮機間の冷媒管と、を互いに熱交換する内部熱交換器と、凝縮器と主膨張弁間の冷媒管と前記バイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路における冷媒管とを互いに熱交換するバイパス熱交換器と、を有する補助熱交換器を構成し、内部熱交換器における凝縮器と主膨張弁間の冷媒管と、バイパス熱交換器における凝縮器と主膨張弁間の冷媒管との少なくとも一部が重複する。
本発明によれば、単位長さあたりの内部熱交換器とバイパス熱交換器における熱交換面積を増加させ、内部熱交換器とバイパス熱交換器の長さを短くし、内部熱交換器とバイパス回路を搭載することによる室外機のスペースの増大を抑制することができる。
以下、図面を用いて本発明に係る実施例について説明する。
以下、本発明に係る冷凍サイクル装置の一実施例を、図面に基づいて説明する。図1は、冷凍サイクル装置100の系統図である。
冷凍サイクル装置100は、冷媒を圧縮して高温の冷媒とする圧縮機1と、冷媒を凝縮液化する凝縮器2と、冷媒同士の熱交換を行う補助熱交換器3の液冷媒流路3aと、冷媒を減圧し低温低圧とする主膨張弁4と、冷媒を蒸発気化する蒸発器5と、補助熱交換器3のガス冷媒流路3bとを順次配管で接続して構成される主回路200を備える。また、冷凍サイクル装置100は、凝縮器2と補助熱交換器3の液冷媒流路3aとの間の配管で分岐させ、蒸発器5と補助熱交換器3のガス冷媒流路3bとの間の配管で合流させるバイパス回路201を備える。バイパス回路201はバイパスした冷媒を減圧し低温低圧とするバイパス冷媒用膨張弁6と補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cとを有する。
本実施例における補助熱交換器3は、液冷媒流路3a,ガス冷媒流路3b,及びバイパス冷媒流路3cを有し、液冷媒流路3aとガス冷媒流路3bとが対向流で熱交換可能に構成され、且つ、液冷媒流路3aとバイパス冷媒流路3cとが対向流で熱交換可能に構成される。つまり、補助熱交換器3は、液冷媒流路3aとガス冷媒流路3bとを熱交換する内部熱交換器8としての機能と、液冷媒流路3aとバイパス冷媒流路3cとを熱交換するバイパス熱交換器7としての機能を有し、内部熱交換器8として機能する液冷媒流路3aとバイパス熱交換器7として機能する液冷媒流路3aの少なくとも一部が重複する。
液冷媒流路3aは凝縮器2と主膨張弁4間の冷媒管、ガス冷媒流路3bは蒸発器5と前記圧縮機1間の冷媒管、バイパス冷媒流路3cはバイパス冷媒用膨張弁6通過後のバイパス回路201における冷媒管である。つまり、蒸発器5と圧縮機1間の冷媒管と熱交換する凝縮器2と主膨張弁との間の冷媒管の少なくとも一部が、バイパス冷媒用膨張弁6通過後のバイパス回路201における冷媒管と熱交換する。
さらに、液冷媒流路3aとガス冷媒流路3bとが対向流で熱交換可能に構成される。対向流で構成することにより、並流や直交流に比べて補助熱交換器3における液冷媒とガス冷媒の温度差が均等になるため、補助熱交換器3の熱交換量が増大する。また、液冷媒流路3aとバイパス冷媒流路3cとも対向流で熱交換可能に構成される。
図2に補助熱交換器3の一例である三重管熱交換器の断面図、図3に補助熱交換器3の一例である三重管熱交換器の正面図を示す。図2,図3の補助熱交換器3は三重管であり、内側にガス冷媒流路3b、中間に液冷媒流路3a、外側にバイパス冷媒流路3cを備える。三重管では、同一流路断面積の場合、内側の流路ほど、流路壁面の面積が小さく、また、流体と壁面の距離が大きいため、圧力損失に影響を与える流路壁面の影響が小さくなるため、圧力損失が小さい。したがって、質量流量および体積流量が大きくなるガス冷媒流路3bを内側に設けた。なお、液冷媒流路3aと、ガス冷媒流路3bと、バイパス流路3cとの流量の関係は後述する。ここで、内側がバイパス冷媒流路3cで、外側がガス冷媒流路3bであっても、中間が液冷媒流路3aであれば、三重管熱交換器として機能させることができる。
ここで、ガス冷媒は、主回路200における蒸発器5通過後の冷媒である。バイパス冷媒は、バイパス回路201におけるバイパス冷媒用膨張弁6通過後の冷媒である。液冷媒は、主回路200における凝縮器2通過後の冷媒である。
以上の構成における動作について説明する。図1において、冷媒の流れ方向を実線矢印で示す。圧縮機1で圧縮され高温高圧となったガス冷媒は、凝縮器2において冷却され凝縮し、液化する。高圧の液冷媒は二つに分かれるが、主回路200の液冷媒は補助熱交換器3の液冷媒流路3aに流入し、後述のガス冷媒流路3bを流れる低温のガス冷媒と、後述のバイパス冷媒流路3cを流れる低温の気液二相冷媒とにより過冷却される。過冷却された液冷媒は主膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器5において加熱され蒸発し、低圧のガス冷媒となる。
一方、二つに分かれた液冷媒のうちバイパス回路201の液冷媒は、バイパス冷媒用膨張弁6で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cに流入する。バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒は、前述の液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒により加熱され蒸発し、低圧のガス冷媒となる。
バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒の潜熱は液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒に与えられ、バイパス冷媒流路3c出口の冷媒は冷凍に寄与しないガス冷媒となる。
したがって、冷凍に寄与しないガス冷媒が蒸発器5をバイパスすることにより、蒸発器5を含む低圧側流路の冷媒流量が減少し、圧力損失を低減できる。一方、バイパスした冷媒の潜熱を受け取り、過冷却された液冷媒流路3aの液冷媒は、バイパス冷媒分の冷媒流量が減少するが、過冷却された分の蒸発器5における入口と出口とのエンタルピ差が増大し、パイパス回路を設けない場合と同等の冷凍能力を得ることができる。したがって、冷凍サイクル装置100は圧力損失低減により、エネルギ効率を向上できる。
したがって、冷凍に寄与しないガス冷媒が蒸発器5をバイパスすることにより、蒸発器5を含む低圧側流路の冷媒流量が減少し、圧力損失を低減できる。一方、バイパスした冷媒の潜熱を受け取り、過冷却された液冷媒流路3aの液冷媒は、バイパス冷媒分の冷媒流量が減少するが、過冷却された分の蒸発器5における入口と出口とのエンタルピ差が増大し、パイパス回路を設けない場合と同等の冷凍能力を得ることができる。したがって、冷凍サイクル装置100は圧力損失低減により、エネルギ効率を向上できる。
次に、蒸発器5の出口において、蒸発器5でガス化した冷媒と、補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cでガス化した冷媒とが合流し、補助熱交換器3のガス冷媒流路3bに流入する。ガス冷媒流路3bの低温のガス冷媒は、前述の液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒により加熱され、過熱ガス冷媒となり、再び圧縮機1に戻る。
補助熱交換器3の液冷媒流路3aとガス冷媒流路3bは前述の内部熱交換器8と同じ構成であり、前述したように圧縮機への液戻りが生じることを防止するとともに、液冷媒の過冷却量の増加を図ることで、蒸発器5の冷媒循環量を低減し、圧力損失を低減させ、冷凍サイクル装置のエネルギ効率を向上できる。
内部熱交換器8又はバイパス熱交換器7を搭載することによる特徴を詳しく説明する。
内部熱交換器8を搭載したモリエル線図を図11に示す。サイクルABCDは内部熱交換器8なしの基準冷凍サイクルで、サイクルA′B′C′D′は内部熱交換器8ありの冷凍サイクルであり、C→C′は内部熱交換器8の高温側熱交換過程を、A→A′は内部熱交換器8の低温側熱交換過程を示す。したがって、エンタルピ差{h(C)−h(C′)}と{h(A′)−h(A)}は以下の関係が成り立つ。
内部熱交換器8を搭載したモリエル線図を図11に示す。サイクルABCDは内部熱交換器8なしの基準冷凍サイクルで、サイクルA′B′C′D′は内部熱交換器8ありの冷凍サイクルであり、C→C′は内部熱交換器8の高温側熱交換過程を、A→A′は内部熱交換器8の低温側熱交換過程を示す。したがって、エンタルピ差{h(C)−h(C′)}と{h(A′)−h(A)}は以下の関係が成り立つ。
{h(C)−h(C′)}={h(A′)−h(A)} …(1) 内部熱交換量が増加すると、冷凍効果を表す熱交換器の入口と出口とのエンタルピ差(冷房時は{h(A)−h(D′)}、暖房時は{h(B′)−h(C)})が増加するとともに、断熱圧縮動力{h(B′)−h(A′)}も増加する。理論成績係数は冷凍効果と断熱圧縮動力との比率であるから、冷媒毎の内部熱交換量の増加に依存する。冷凍効果の増加率と断熱圧縮動力の増加率との大小関係により、冷媒により理論成績係数が低下する場合もあれば、向上する場合もある。
バイパス回路201を備えた冷凍サイクル装置のモリエル線図を図12に示す。サイクルABCDは圧縮機1,凝縮器2,膨張弁,蒸発器5を順次配管で接続して構成される冷凍サイクル装置であり、サイクルA″B″C″D″、および経路CE″Aはバイパス回路201を備えた冷凍サイクル装置である。経路A″B″は圧縮機1での圧縮過程を、経路B″Cは凝縮器2での放熱,凝縮,液化過程を、経路CC″は補助熱交換器3の液冷媒流路3aでの過冷却過程を、経路C″D″は主膨張弁4での減圧過程を、経路D″Aは蒸発器5での蒸発,気化過程を、経路AA″は補助熱交換器3のガス冷媒流路3bでの過熱過程を、経路CE″はバイパス冷媒用膨張弁6での減圧過程を、経路E″Aは補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cでの蒸発,気化過程をそれぞれ表す。
また、凝縮器2の冷媒流量をG、バイパス側の冷媒流量比率をxとおくと、補助熱交換器3での熱収支の関係より、以下の関係が成り立つ。
G・(1−x)・{h(C)−h(C″)}=G・x・{h(A)−h(E″)}
+G・{h(A″)−h(A)} …(2) 上式で、Gを約すと、
(1−x)・{h(C)−h(C″)}=x・{h(A)−h(E″)}
+{h(A″)−h(A)} …(3) (2)式でx=0、言い換えると、バイパス側の冷媒流量比率をゼロとおくと、前述の式(1)と同等の式となり、内部熱交換器8のみの効果となる。バイパス側の冷媒流量比率を増加させると、内部熱交換器8による効果は減少し、バイパス熱交換器7による効果は増加する。すなわち、内部熱交換器8による効果とバイパス熱交換器7による効果はトレードオフの関係にある。
+G・{h(A″)−h(A)} …(2) 上式で、Gを約すと、
(1−x)・{h(C)−h(C″)}=x・{h(A)−h(E″)}
+{h(A″)−h(A)} …(3) (2)式でx=0、言い換えると、バイパス側の冷媒流量比率をゼロとおくと、前述の式(1)と同等の式となり、内部熱交換器8のみの効果となる。バイパス側の冷媒流量比率を増加させると、内部熱交換器8による効果は減少し、バイパス熱交換器7による効果は増加する。すなわち、内部熱交換器8による効果とバイパス熱交換器7による効果はトレードオフの関係にある。
冷凍負荷が大きい場合は、蒸発器5の圧力損失のエネルギ効率への影響が大きいので、バイパス熱交換器7による効果が大きくなる。ここでは、バイパス回路201の冷媒流量比率を増加させる運転を行う。
逆に、冷凍負荷が小さい場合は、蒸発器5の圧力損失のエネルギ効率への影響が小さいので、バイパス熱交換器7による効果が小さくなる。ここでは、バイパス回路201の冷媒流量比率を減少させる運転を行う。
すなわち、負荷条件により、バイパス回路201の冷媒流量比率を調節し、冷凍サイクル全体としてのエネルギ効率が高くなる運転を行う。なお、バイパス回路201の冷媒流量比率の調整はバイパス冷媒用膨張弁6の開閉制御で可能である。
次に、内部熱交換器8とバイパス熱交換器7を別体に設けた冷凍サイクル装置を説明する。図4は、図1の補助熱交換器3の液冷媒流路3aとガス冷媒流路3bとで熱交換器を構成し、且つ補助熱交換器3の液冷媒流路3aとバイパス冷媒流路3cとで熱交換器を構成した場合の冷凍サイクル装置101の系統図である。図1と同等部分には同一符号を付し、説明は省略する。なお、図4の主な構成は、特許文献2の図4と同じである。
バイパス熱交換器7は液冷媒流路7aとガス冷媒流路7bとを有し、液冷媒流路7aとガス冷媒流路7bとが対向流で熱交換可能に構成される。また、内部熱交換器8は液冷媒流路8aとガス冷媒流路8bとを有し、液冷媒流路8aとガス冷媒流路8bとが対向流で熱交換可能に構成される。
図5にバイパス熱交換器7及び内部熱交換器8の一例としての断面図を示す。バイパス熱交換器7は二重管であり、内側にガス冷媒流路7b、外側に液冷媒流路7aを配置する。また、内部熱交換器8も二重管であり、内側にガス冷媒流路8b、外側に液冷媒流路8aを配置する。動作については図1と同様のため、説明を省略する。
図1,図2,図3に示したバイパス熱交換器7と内部熱交換器8を一体化した補助熱交換器3と、図4,図5に示したバイパス熱交換器7と内部熱交換器8とが別体である場合と、を比較する。図2の補助熱交換器3は、図5の内部熱交換器8と同一の構成である内側にガス冷媒流路8b、外側に液冷媒流路8aを構成した二重管のさらに外側にバイパス冷媒流路を備えた三重管である。これにより、一度に、液冷媒とガス冷媒との熱交換の他に、液冷媒とバイパス冷媒との熱交換も可能となる。
図5の内部熱交換器8の二重管の外管は伝熱には寄与しないが、三重管にすることにより、二重管の外管も伝熱に寄与する構成にすることで、補助熱交換器に三重管を用いることで、液冷媒流路におけるすべての面を伝熱面として活用することができる。すなわち、液冷媒流路の伝熱面積が約2倍となり、単位長さあたりの液冷媒流路の熱交換量を増加させることができる。
結果として、内部熱交換器8とバイパス熱交換器7の長さを短くし、内部熱交換器8とバイパス回路201を搭載することによる室外機のスペースの増大を抑制することができる。
また、バイパス回路201を循環する冷媒がバイパス熱交換器7通過後に飽和蒸気になるよう調節することで、バイパス回路201を循環する冷媒の割合が定まる。バイパス熱交換器7として活用できる凝縮器2と主膨張弁4の間の冷媒管の長さには室外機の容積による制限があるため、バイパス熱交換器7の単位長さあたりの伝熱面積が増えることが、バイパス回路201を循環する冷媒の割合の増加につながり、蒸発器5における圧力損失を低減させることができる。
また、二重管2本から、三重管1本にすることができ、管を一本分節約でき、コンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
図8に冷媒管同士を接触させることにより、補助熱交換器3とした熱交換器の断面図を示す。図8の補助熱交換器3は、中心に液冷媒流路3aを備え、液冷媒流路3aの両側にガス冷媒流路3bとバイパス冷媒流路3cとを配置した熱交換器である。図8の補助熱交換器3は、冷媒管同士を溶接などにより接触させることで構成することができるため、製造コストの低減を図ることができる。
図9に冷媒管同士を接触させることにより、補助熱交換器3とした熱交換器の断面図を示す。液冷媒流路3a,ガス冷媒流路3b及びバイパス冷媒流路3cを互いに接触させ、回りを伝導体14で囲うことにより、図8の形態に比べ、単位長さあたりの冷媒管同士の熱交換面積を増大させることができる。
ところで、2011年以降、EUで販売される新型車の搭載エアコンは、GWP値150以下の冷媒充填が義務付けられている。主たる候補冷媒としてHFO1234yfがある。
推定したHFO1234yfの熱力学特性を用いて、内部熱交換器8の効果を試算した結果を示す。図13は交換熱量比率(内部熱交換/能力)と理論成績係数(能力/入力)および理論能力との関係図である。理論成績係数及び理論能力は交換熱量比率0%(内部熱交換器8なし)での値で無次元化している。比較のため、R410Aの結果も示す。
理論成績係数は、R410Aでは、交換熱量比率が増加するほど低下するが、HFO1234yfでは、交換熱量比率が増加するほど向上することがわかる。また、同一圧縮機容量での理論能力も同様の傾向を示す。以上より、HFO1234yf特有の熱力学特性から内部熱交換器8を使用することにより性能が向上する。
また、非特許文献1より、HFO1234yfを用いた定置式エアコンの性能向上のためには圧力損失の低減が重要であることがわかる。よって、HFO1234yfを用いた冷凍サイクル装置の性能向上のためには、内部熱交換器8及び圧力損失低減のためのバイパス冷媒用膨張弁6とバイパス熱交換器7を含むバイパス回路201を備えることが有効な手段である。
本実施例では、冷媒としてHFO1234yfを用いたが、他のハイドロフルオロオレフィン系冷媒でも分子構造がHFO1234yfに近いため、同様の効果を得ることができる。また、これらを含む混合冷媒でも同様の効果を得ることができる。
本発明の他の実施例を図6を参照して説明する。図1に示す冷凍サイクル装置100は凝縮器2と補助熱交換器の液冷媒流路3aとの間の冷媒管からバイパス回路201を分岐させているのに対し、図6に示す冷凍サイクル装置102は補助熱交換器の液冷媒流路3aと主膨張弁4との間の冷媒管からバイパス回路201を分岐させている点が異なる。同等部分には同一符号を付し、説明は省略する。
実施例1と同様に、実施例2も内部熱交換器8とバイパス熱交換器7の長さを短くし、内部熱交換器8とバイパス回路201を搭載することによる室外機のスペースの増大を抑制することができる。
実施例2は実施例1に対して、バイパス回路201を循環する冷媒にとってはバイパス回路201が主回路200から分岐する前に補助熱交換器の液冷媒流路3aを通過する構成が増える。そのため、実施例1は実施例2よりもバイパス回路201を循環する液冷媒が補助熱交換器の液冷媒流路3aを通過しない分、補助熱交換器の液冷媒流路3aの冷媒流量が減り、補助熱交換器の液冷媒流路3aにおける冷媒の圧力損失を減少させることができる。
本発明の他の実施例を図7を参照して説明する。図7に示す冷凍サイクル装置103は、図1に示す冷凍サイクル装置100と比較して、バイパス回路201を補助熱交換器のガス冷媒流路3bと圧縮機1との間の冷媒管へ合流させている点が異なる。同等部分には同一符号を付し、説明は省略する。
実施例3は実施例1に対して、バイパス回路201を循環する冷媒にとってはバイパス回路201が主回路200に合流した後に補助熱交換器のガス冷媒流路3bを通過する構成が減る。そのため、バイパス回路201を循環する液冷媒が通過しない分、補助熱交換器のガス冷媒流路3bの冷媒流量が減少し、補助熱交換器のガス冷媒流路3bにおける冷媒の圧力損失が減少する。よって、実施例3の冷凍サイクル装置は、実施例1や実施例2に比べ、冷媒の圧力損失が少なくエネルギ効率が高い。
本発明の他の実施例を図10を参照して説明する。図10に示す冷凍サイクル装置104は、冷房と暖房が切り替え可能であることを特徴とする。同等部分には同一符号を付し、説明は省略する。
冷凍サイクル装置104は、冷房と暖房を切り替える四方弁10、冷房時には凝縮器として作用し、暖房時には蒸発器として作用する室外熱交換器11、冷房時には蒸発器として作用し、暖房時には凝縮器として作用する室内熱交換器12、冷媒の流れ方向を規定する逆止弁13a,13b,13c,13dを備える。逆止弁13a,13b,13c,13dは、補助熱交換器3,主膨張弁4,バイパス冷媒用膨張弁6の冷媒流れ方向が冷房暖房に関わらず、常に同じ方向となるように配置される。冷房時の冷媒の流れ方向を実線矢印で、暖房時の冷媒の流れ方向を破線矢印で示す。
冷房時の動作について説明する。圧縮機1で圧縮され高温高圧となったガス冷媒は、凝縮器(室外熱交換器11)において冷却され凝縮し、液化する。高圧の液冷媒は逆止弁13aを通過した後に二つに分かれるが、主回路200の液冷媒は補助熱交換器3の液冷媒流路3aに流入し、後述のガス冷媒流路3bを流れる低温のガス冷媒と、後述のバイパス冷媒流路3cを流れる低温の気液二相冷媒とにより過冷却される。過冷却された液冷媒は主膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、逆止弁13cを通過し、蒸発器(室内熱交換器12)において加熱され蒸発して低圧のガス冷媒となる。
一方、二つに分かれた液冷媒のうちバイパス回路201の液冷媒は、バイパス冷媒用膨張弁6で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cに流入する。バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒は、前述の液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒により加熱され蒸発し、低圧のガス冷媒となる。
バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒の潜熱は液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒に与えられ、バイパス冷媒流路3c出口の冷媒は冷凍に寄与しないガス冷媒となる。
次に、暖房時の動作について説明する。圧縮機1で圧縮され高温高圧となったガス冷媒は、四方弁10を通過した後に凝縮器(室内熱交換器12)において冷却され凝縮し、液化する。高圧の液冷媒は逆止弁13bを通過した後に二つに分かれるが、主回路200の液冷媒は補助熱交換器3の液冷媒流路3aに流入し、後述のガス冷媒流路3bを流れる低温のガス冷媒と、後述のバイパス冷媒流路3cを流れる低温の気液二相冷媒とにより過冷却される。過冷却された液冷媒は主膨張弁4で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、逆止弁13dを通過し、蒸発器(室外熱交換器11)において加熱され蒸発して低圧のガス冷媒となる。
一方、二つに分かれた液冷媒のうちバイパス回路201の液冷媒は、バイパス冷媒用膨張弁6で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、補助熱交換器3のバイパス冷媒流路3cに流入する。バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒は、前述の液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒により加熱され蒸発し、低圧のガス冷媒となる。
バイパス冷媒流路3cの低温の気液二相冷媒の潜熱は液冷媒流路3aを流れる高温の液冷媒に与えられ、バイパス冷媒流路3c出口の冷媒は冷凍に寄与しないガス冷媒となる。
以上の構成により、冷房と暖房が切り替え可能な冷凍サイクル装置104においても、実施例1と同様に、エネルギ効率の向上を図ることができる。尚、上記各実施例において、負荷条件により、概略エネルギ効率が最高となるようにバイパス回路の冷媒流量を調節することができる。
1 圧縮機
2 凝縮器
3 補助熱交換器
3a,7a,8a 液冷媒流路
3b,7b,8b ガス冷媒流路
3c バイパス冷媒流路
4 主膨張弁
5 蒸発器
6 バイパス冷媒用膨張弁
7 バイパス熱交換器
8 内部熱交換器
10 四方弁
11 室外熱交換器
12 室内熱交換器
13a,13b,13c,13d 逆止弁
14 伝導体
100,101,102,103,104 冷凍サイクル装置
2 凝縮器
3 補助熱交換器
3a,7a,8a 液冷媒流路
3b,7b,8b ガス冷媒流路
3c バイパス冷媒流路
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5 蒸発器
6 バイパス冷媒用膨張弁
7 バイパス熱交換器
8 内部熱交換器
10 四方弁
11 室外熱交換器
12 室内熱交換器
13a,13b,13c,13d 逆止弁
14 伝導体
100,101,102,103,104 冷凍サイクル装置
Claims (8)
- 圧縮機、凝縮器、主膨張弁および蒸発器を冷媒管を介して順次連通する主回路と、
バイパス冷媒用膨張弁を有し、前記凝縮器と前記主膨張弁間で前記主回路から分岐して、前記蒸発器と前記圧縮機間で前記主回路に合流するバイパス回路と、を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記凝縮器と前記主膨張弁間の冷媒管と、前記蒸発器と前記圧縮機間の冷媒管と、を熱交換する内部熱交換器と、
前記凝縮器と前記主膨張弁間の冷媒管と、前記バイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路における冷媒管と、を熱交換するバイパス熱交換器と、を有する補助熱交換器を備え、
前記内部熱交換器における前記凝縮器と前記主膨張弁との間の冷媒管と、前記バイパス熱交換器における前記凝縮器と前記主膨張弁との間の冷媒管との少なくとも一部が重複する冷凍サイクル装置。 - 請求項1において、前記バイパス回路は、前記凝縮器と前記バイパス熱交換器との間で前記主回路から分岐して、
前記内部熱交換器と前記圧縮機との間で前記主回路に合流する冷凍サイクル装置。 - 請求項1又は2において、前記内部熱交換器と前記バイパス熱交換器との重複部分が三重管で構成され、前記三重管の中間の配管を前記凝縮器と前記主膨張弁間の冷媒管とする冷凍サイクル装置。
- 請求項3において、前記三重管の内側の配管を前記蒸発器と前記圧縮機間の冷媒管、前記三重管の外側の配管を前記バイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路の冷媒管とする冷凍サイクル装置。
- 請求項1乃至4の何れかにおいて、前記冷凍サイクル装置を循環する冷媒はハイドロフルオロオレフィン系の単一冷媒または混合冷媒である冷凍サイクル装置。
- 請求項5において、前記ハイドロフルオロオレフィン系冷媒はHFO1234yfである冷凍サイクル装置。
- 圧縮機、凝縮器、主膨張弁および蒸発器を冷媒管を介して順次連通する主回路と、
バイパス冷媒用膨張弁を有し、前記凝縮器と前記主膨張弁間で前記主回路から分岐して、前記蒸発器と前記圧縮機間で前記主回路に合流するバイパス回路と、を備えた冷凍サイクル装置であって、
前記蒸発器と前記圧縮機間の冷媒管と熱交換する前記凝縮器と前記主膨張弁との間の冷媒管の少なくとも一部が、前記バイパス冷媒用膨張弁通過後のバイパス回路における冷媒管と熱交換する冷凍サイクル装置。 - 請求項1乃至7の何れかにおいて、負荷条件により、概略エネルギ効率が最高となるようにバイパス回路の冷媒流量を調節することを特徴とする冷凍サイクル装置。
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