JP2012002418A - 空気調和機および気液分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房・暖房双方で切り替えて用いることができ、消費電力が低減できる空調を実現する。
【解決手段】本発明の空気調和機Ｋ１は、圧縮機１、流路切り替え手段２、室外熱交換器３、冷暖房運転用の絞り装置４および室内熱交換器５が環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、冷暖房運転用の絞り装置４と室外熱交換器３とを接続する配管の途中に、容器６ｙに少なくとも２つの流入流出配管６０、６２と１つの流出配管６３を有し、容器６ｙ内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置６を設け、流出配管６３に、気液分離装置６側から、流量調整手段７と、容器６ｙ内の流体との熱交換を行うための熱交換手段８とを順次設けるとともに、流出配管６３と圧縮機１の吸込み配管１ａとを接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷房、暖房等を行う空気調和機および空気調和機などの冷凍サイクル内に取り付けられる気液分離装置に関する。

従来、冷凍サイクルの効率向上を図る手段の１つとして、例えば特許文献１に開示されている気液分離器を用いた気液分離サイクルおよび特許文献２に開示された内部熱交換器による冷凍サイクルの効率向上が知られている。
特許文献１のサイクルは、室外熱交換器と室内熱交換器を結ぶ冷媒が通る液配管の途中に気液分離器を設けた構成となっており、例えば冷房運転時には気液分離器で分離された液冷媒を室内熱交換器で蒸発させ圧縮機の吸込み側に戻す一方、気液分離器で分離されたガス冷媒を室外熱交換器からの液配管と熱交換させ、圧縮機の吸込み側に戻して合流させる。

或いは、暖房運転時には四方弁、その他で切換流路を切り替え、気液分離器で分離された液冷媒を室外熱交換器で蒸発させ圧縮機の吸込み側に戻す一方、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機の吸込み側に戻して合流させ、室内熱交換器からの液配管と熱交換させるサイクルである。

特許文献２のサイクルは、内部熱交換器によって、凝縮器出口の冷媒と蒸発器入口の一部の冷媒を熱交換させることで、凝縮器出口の冷媒が冷却され冷凍サイクル性能を向上させるものである。流路切換え装置により内部熱交換器と室内・室外熱交換器との流路を切り換えることで冷房運転時でも暖房運転時でも効果を得られる。

特開２００８−９６０９５号公報 特開２００８−２１５７７３号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の構成では、冷房運転と暖房運転双方の運転で効果を得るため、切換流路を追加する必要があり、構成部品が増加し、構造が複雑になるという問題がある。

本発明は上記実状に鑑み、冷房・暖房双方で切り替えて用いることができ、消費電力が低減できる空気調和機および気液分離装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる空気調和機は、圧縮機、流路切り替え手段、室外熱交換器、冷暖房運転用の絞り装置および室内熱交換器が環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、前記冷暖房運転用の絞り装置と前記室外熱交換器とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の吸込み配管とを接続している。

第２の本発明に関わる空気調和機は、圧縮機、流路切り替え手段、室外熱交換器、冷暖房運転用の絞り装置および室内熱交換器が環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、前記冷暖房運転用の絞り装置と前記室内熱交換器とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の吸込み配管とを接続している。

第３の本発明に関わる空気調和機は、高圧側圧縮部、低圧側圧縮部および該両圧縮部を連通する連通配管を有する二段圧縮機と、流路切り替え手段と、室外熱交換器と、第１の絞り装置と、第２の絞り装置と、室内熱交換器とが環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、前記第１の絞り装置と第２の絞り装置とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の連通配管に接続する吸込み配管とを接続している。

第４の本発明に関わる気液分離装置は、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有する気液分離装置であって、前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設け、前記熱交換手段は、前記流量調整手段下流の流出配管が、前記容器の外壁に接しているか、または、前記容器の内部に配置されている。

本発明によれば、冷房暖房双方で切り替えて用いることができ、消費電力が低減できる空調を実現する空気調和機および気液分離装置を提供できる。

本発明に係る第１実施形態の空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 第１実施形態の空気調和装置の暖房運転における気液分離サイクルの特性を表すモリエル線図である。 第１実施形態の空気調和装置の冷房運転における過冷却サイクルの特性を表すモリエル線図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例１を示す図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例２を示す図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例３を示す図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例４を示す図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例５を示す図である。 第１実施形態の空気調和装置を構成する気液分離装置と流量調整弁および熱交換手段の具体的構成の例６を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 本発明に係る第３実施形態の空気調和装置を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。 第３実施形態の空気調和装置の暖房運転における二段圧縮二段膨張サイクルモードの冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。 第３実施形態の空気調和装置の暖房運転における二段圧縮一段膨張サイクルモードの冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
本発明に係る第１実施形態の空気調和装置Ｋ１の構成、機能および動作に関する概要について、説明する。
図１は、第１実施形態の空気調和装置Ｋ１を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。

空気調和装置(空気調和機)Ｋ１は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、冷暖房運転用の絞り装置(流量制御弁)４および室内熱交換器５を環状に接続して冷房および暖房が可能な冷凍サイクルを構成している。
冷暖房運転用の絞り装置４と室外熱交換器３を接続する配管の途中には、容器６ｙに２つの流入流出配管である出入口管６０、出入口液管６２と１つの流出配管の出口ガス管６３を有する気液混合流体の気液分離装置６を設けている。なお、気液分離装置６は、流入流出配管の出入口管６０または出入口液管６２の何れか一方から容器６ｙ内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離し、液体を出入口管６０または出入口液管６２の何れか他方から流出し、気体を流出配管の出口ガス管６３から流出する役割を担っている。

また、気液分離装置６からの流出配管の出口ガス管６３に、流量調整弁(流量調整手段)７と容器６ｙの内部の流体との熱交換手段８とを順次設け、流出配管の出口ガス管６３と圧縮機１の吸込み配管１ａを接続する構成としている。
空気調和装置Ｋ１の動作について詳細に説明する。
暖房運転時、空気調和装置Ｋ１のサイクルは図２に示す気液分離サイクルモードとなる。

図２は、第１実施形態の空気調和装置Ｋ１の暖房運転における気液分離サイクルの特性を表すモリエル線図である。
図１に示す空気調和装置Ｋ１において、暖房運転時、四方弁２を冷媒が実線方向に流れるように切換える。すると、冷媒は、図１の実線矢印方向(図１の時計廻り方向)に進み、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器５、冷暖房運転用の絞り装置４、気液分離装置６、室外熱交換器３の順に流れる。

このとき、冷暖房運転用の絞り装置４は空調負荷に応じた適度な開度に調整され、凝縮器として働く室内熱交換器５で十分に凝縮して液化した冷媒は冷暖房運転用の絞り装置４で気液二相流となって、流入流出配管の出入口管６０を通って気液分離装置６へ流入する。冷媒は、気液分離装置６で液とガスに完全分離するよう流量調整弁７の開度が調整され、液冷媒は流入流出配管の出入口液管６２を通って室外熱交換器３へ流入するとともに、ガス冷媒は、流出配管の出口ガス管６３を通って圧縮機１の吸込み配管１ａへ流入する。

液冷媒は、蒸発器として働く室外熱交換器３で十分蒸発した後、圧縮機１の吸込み配管１ａに流入し、吸込み配管１ａで気液分離装置６より流入するガス冷媒と合流して、圧縮機１へ戻る。
前記のサイクルの効果について図２に示すモリエル線図で説明する。図２において、通常(一般)の冷凍サイクルは符号Ａ１〜Ａ４を付した破線で示し、空気調和装置Ｋ１の暖房運転の気液分離サイクルは符号Ｂ１〜Ｂ４を付した実線で示している。

暖房運転の気液分離サイクル(図２の実線)では、Ｂ１からＢ２で凝縮器の室内熱交換器５でガス冷媒を液冷媒に凝縮して室内に放熱し暖房する。Ｂ２からＢ３０で絞り装置４で流量を調整して減圧し、Ｂ３０において、気液分離装置６でガス・液状の２相の冷媒を液(状)冷媒(Ｂ３１)と、ガス(状)冷媒(Ｂ３２)に分離する。気液分離装置６により分離したガス冷媒を、流出配管の出口ガス管６３を通して、圧縮機１の吸込み配管１ａへ導き、残りの液冷媒を、出入口液管６２を通して、蒸発器である室外熱交換器３へ導く(Ｂ３１)。

Ｂ３１、Ｂ３２の過程により、室外熱交換器３への冷媒流量が減少するが、図２のように蒸発器の室外熱交換器３の入口の比エンタルピがｈ１からｈ２へ減少し、室外熱交換器３の比エンタルピ差が大きく（ｈ３−ｈ２＞ｈ３−ｈ１）なるので、冷却能力が従来とほぼ同等となる。このとき、蒸発器の室外熱交換器３への冷媒流量の減少により冷媒の圧力損失が低減することで、圧縮機１の吸込圧力がｐ１からｐ２へ上昇し、圧力比が減少する。この結果、通常の冷凍サイクルと比較して、空気調和装置Ｋ１の暖房運転での圧縮機１の動力がｐ１とｐ２の差分低減でき、効率が向上することとなる。

冷房運転時、空気調和装置Ｋ１のサイクルは図３に示す過冷却サイクルモードとなる。図３は、空気調和装置Ｋ１の冷房運転における過冷却サイクルの特性を表すモリエル線図である。
図１の空気調和装置Ｋ１において、冷房運転時、四方弁２を冷媒が図１の破線矢印方向に流れるように切換える。すると、冷媒は、図１の破線矢印方向(図１の反時計廻り方向)に、圧縮機１、四方弁２、凝縮器として働く室外熱交換器３、気液分離装置６、冷暖房運転用の絞り装置４、蒸発器として働く室内熱交換器５の順に流れる。

このとき、冷暖房運転用の絞り装置４は空調負荷に応じた適度な開度に調整され、室外熱交換器３で十分に凝縮して液化した冷媒は、流入流出配管の出入口液管６２を通って気液分離装置６に流入し、気液分離装置６で、流入した液冷媒の一部が流出配管の出口ガス管６３を通って圧縮機１の吸込み配管１ａへ向かって分岐し、流量調整弁７で減圧されガス化され、熱交換手段８を通って気液分離装置６内の液冷媒と熱交換し、圧縮機１の吸込み配管１ａに流入する。

一方、気液分離装置６から、流入流出配管の出入口管６０を通って絞り装置４へ流入する冷媒は、絞り装置４で減圧膨張して蒸発器の室内熱交換器５で十分蒸発して、圧縮機１の吸込み配管１ａで、熱交換手段８より流入するガス冷媒と合流して、圧縮機１へ戻る。
この冷房運転時の空気調和装置Ｋ１のサイクルの効果について図３に示すモリエル線図で説明する。
図３では、通常(一般)の冷凍サイクルは符号Ａ１〜Ａ４を付した破線で示し、空気調和装置Ｋ１の冷房運転時の過冷却サイクルは符号Ｃ１〜Ｃ４を付した実線で示す。

冷房運転の過冷却サイクル(図３の実線)では、Ｃ１からＣ２０で凝縮器の室外熱交換器３でガス冷媒を液冷媒に凝縮する。液冷媒を凝縮器の室外熱交換器３の出口の気液分離装置６に出入口液管６２を通して送り、冷媒を分岐する。すなわち、出入口液管６２から気液分離装置６に入った冷媒を、出口ガス管６３を通して流量調整弁７ａで減圧(Ｃ２２)した冷媒を熱交換手段８により気液分離装置６の容器６ｙ内の冷媒と熱交換させ(Ｃ２０〜Ｃ２１)、熱交換した冷媒は圧縮機１の吸込み配管１ａに戻す(Ｃ４)。一方、気液分離装置６の容器６ｙの内部の液冷媒は、出入口管６０を通って絞り装置４に流入し、絞り装置４で減圧膨張して(図３のＣ２１〜Ｃ３)、蒸発器の室内熱交換器５で蒸発させて室内を冷房しガス冷媒にして、圧縮機１の吸込み配管１ａに戻す(Ｃ４)。

これにより、図３に示すように、凝縮器の室外熱交換器３の出口の比エンタルピがｈ１からｈ２へ減少し、それに伴って、蒸発器の室内熱交換器５の側の比エンタルピ差が大きく(ｈ３−ｈ２＞ｈ３−ｈ１)なって、冷却能力が増加する。
また、蒸発器の室内熱交換器５への冷媒流量が減少して、冷媒の圧力損失が低減することにより、圧縮機１の吸込み圧力がｐ１からｐ２へ上昇し、圧力比が減少する。この結果、通常の冷凍サイクルと比較して、空気調和装置Ｋ１の冷房運転時の圧縮機１の動力が低減でき、効率が向上する。

次に、空気調和装置Ｋ１における特徴である気液分離装置６、流量調整弁７、および熱交換手段８の具体的な構造の例である図４の例１〜図９の例６について説明する。
図４は、空気調和装置Ｋ１を構成する気液分離装置６ａと流量調整弁７ａおよび熱交換手段８ａの具体的構成の例１を示す図である。
図４の例１は、気液分離装置６ａ、流量調節弁７ａ、熱交換手段８ａを有し構成される。各要素は、それぞれ第１実施形態の図１のサイクル中で気液分離装置６、流量調整弁７、および熱交換手段８に対応する。

例１の気液分離装置６ａは、流入流出配管の出入口管６０および出入口液管６２、流出配管の出口ガス管６３と内部に気液分離用仕切板６１が設けられた構成となっている。
空気調和装置Ｋ１を暖房運転の気液分離サイクルモードで動作させる場合(図１の実線矢印)、気液分離装置６ａに流入する二相冷媒は、気液分離装置６ａの出入口管６０より流入し、仕切板６１で気液が分離し、分離した液冷媒は出入口液管６２へ、分離したガスは出口ガス管６３へそれぞれ流入し、分離したガスは流量調整弁７ａで減圧される(図２のＢ３２〜Ｂ４)。

出口ガス管６３に続く熱交換手段８ａは、気液分離装置６ａの容器６ｙの外壁面６ｙ１と接しており、熱交換手段８ａ内のガスと気液分離装置６ａの容器６ｙ内の二相流が熱交換し、出入口液管６２から流出する液冷媒は冷却される。そして、熱交換手段８ａを通過したガス冷媒は、出口ガス管６３を通って圧縮機１の吸込み配管１ａ(図１参照)へ流入する。

空気調和装置Ｋ１を冷房運転の過冷却サイクルモードで動作させる場合(図１の破線矢印)、気液分離装置６ａに流入する液冷媒は、気液分離装置６ａの出入口液管６２より流入し、一部の冷媒が出口ガス管６３へ、残りの冷媒は出入口管６０へ流入する。
出口ガス管６３へ流入した冷媒は流量調整弁７ａで減圧(Ｃ２２)してガス化し、熱交換手段８ａへ流入する。熱交換手段８ａ内のガス冷媒と気液分離装置６ａの容器６ｙ内の液冷媒が熱交換し(図３のＣ２３)、出入口液管６２から流入する液冷媒は冷却される。一方、熱交換手段８ａを通過したガス冷媒は、出口ガス管６３を通って圧縮機１の吸込み配管１ａ(図１参照)へ流入する。

図５は、空気調和装置Ｋ１を構成する気液分離装置６ａと流量調整弁７ａおよび熱交換手段８ｂの具体的構成の例２を示す図である。
図５の例２は、図４で示した熱交換手段８ａの別の熱交換手段８ｂの形態を示したものである。
例２における出口ガス管６３に続く熱交換手段８ｂは、気液分離装置６ａの容器６ｙの外壁面６ｙ１に螺旋状に巻かれ接している。
図４の例１の熱交換手段８ａに対して、例２の場合、熱交換手段８ｂの構造は複雑になるが、熱交換手段８ｂの容器６ｙとの伝熱面積は拡大し、熱交換を効率よく行える。

図６は、空気調和装置Ｋ１を構成する気液分離装置６ａと流量調整弁７ａおよび熱交換手段８ｃの具体的構成の例３を示す図である。
図６の例３は、図４で示した熱交換手段８ａの別の熱交換手段８ｃの形態を示したものである。
例３における出口ガス管６３に続く熱交換手段８ｃは、気液分離装置６ａの容器６ｙの内部に構成され、容器６ｙの内壁面６ｙ２と接するように螺旋状に巻かれている。

熱交換手段８ｃは、図４の例１の熱交換手段８ａに対して構造は複雑になるが、熱交換手段８ｃの伝熱面積が拡大するとともに、熱交換手段８ｃが容器６ｙの内部に構成されることから外部への放熱も減少するため、図５の例２の熱交換手段８ｂよりさらに熱交換を効率よく行えるようになる。
なお、図６の例３では、熱交換手段８ｃが螺旋状に巻かれ容器６ｙの内壁面６ｙ２と接するように構成する場合を例示したが、容器６ｙの内壁面６ｙ２に接することなく容器６ｙの内部に配置してもよい。

図７は、空気調和装置Ｋ１を構成する気液分離装置６ｄと流量調整弁７ｄおよび熱交換手段８ｄの具体的構成の例４を示す図である。
図７の例４は、図４で示した気液分離装置６ａと異なる気液分離装置６ｄの熱交換手段８ｄの形態を示したものである。
例４の気液分離装置６ｄは、出入口管６０、該出入口管６０と容器６ｙへの冷媒の流入方向が１８０度異なる出入口液管６２、出口ガス管６３を有し構成される。

図７に示す例４の気液分離装置６ｄは、図４の気液分離装置６ａに対し、出入口管６０の容器６ｙへの冷媒の流入方向と出入口液管６２の容器６ｙへの冷媒の流入方向とを１８０度異ならせたものであり、基本的な動作および効果は例１と同じである。しかし、例４の気液分離装置６ｄは、例１の気液分離装置６ａに比較し、冷媒の容器６ｙ内での滞留時間が増加するため、気液分離性能は向上する。

図８、図９は、それぞれ空気調和装置Ｋ１を構成する例５、例６の気液分離装置６ｄと流量調整弁７ｄおよび熱交換手段８ｆ、８ｇの具体的構成を示す図である。
図８の例５の気液分離装置６ｄ、図９の例６の気液分離装置６ｄについてもそれぞれ、図５の例２の気液分離装置６ａの螺旋状の熱交換手段８ｂ、図６の例３の気液分離装置６ａの容器６ｙの内部に構成された螺旋状の熱交換手段８ｃに対して、出入口管６０の容器６ｙへの冷媒の流入方向と出入口液管６２の容器６ｙへの冷媒の流入方向とを１８０度異ならせたものであり、基本的な動作および効果は例２、例３と同じである。

なお、例５、例６は、例４と同様に、例２、例３の気液分離装置６ａに比較し、冷媒の容器６ｙ内での滞留時間が増加するため、気液分離性能は向上する。
なお、図９の例６では、熱交換手段８ｇが螺旋状に巻かれ容器６ｙの内壁面６ｙ２と接するように構成する場合を例示したが、容器６ｙの内壁面６ｙ２に接することなく容器６ｙの内部に配置してもよい。
第１実施形態の空気調和装置Ｋ１によれば、従来に比べ、ＣＯＰ(Coefficient Of Performance)(冷暖房能力(kW)／冷暖房消費電力(kW))が２〜３％上がり、性能が向上する。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態の空気調和装置(空気調和機)Ｋ２について、図１０を参照しながら以下詳細に説明する。図１０は、第２実施形態の空気調和装置Ｋ２を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。
第２実施形態の空気調和装置Ｋ２は、第１実施形態と異なり、冷暖房運転用の絞り装置４と室内熱交換器５を接続する配管の途中に、気液混合流体のための気液分離装置６を設けたものである。

空気調和装置Ｋ２は、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、冷暖房運転用の絞り装置４および室内熱交換器５を環状に接続して冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを構成している。そして、前記したように、冷暖房運転用の絞り装置４と室内熱交換器５を接続する配管の途中に、容器６ｙに２つの流入流出配管６ｆ、６ｇと1つの流出配管６ｈを有する気液混合流体の気液分離装置６を設けている。
第１実施形態と同様に、気液分離装置６からの流出配管６ｈに、流量調整弁７と、容器６ｙ内の流体との熱交換手段８を順次設け、流出配管６ｈと圧縮機１の吸込み配管１ａを接続する構成としている。

なお、第２実施形態における気液分離装置６、流量調整弁７、および熱交換手段８の具体的な構造については、第１実施形態と同じであるため説明を省略する。
空気調和装置Ｋ２における動作について詳細に説明する。
冷房運転時、空気調和装置Ｋ２のサイクルは図２に示す気液分離サイクルモードとなる。
空気調和装置Ｋ２は、冷房運転時、冷媒が図１０の破線方向に流れるように四方弁２を切換える。すると、冷媒は図１０の破線方向(図１０の反時計廻り方向)に圧縮機１、四方弁２、凝縮器として働く室外熱交換器３、冷暖房運転用の絞り装置４、気液分離装置６、蒸発器として働く室内熱交換器５の順に流れる。

冷暖房運転用の絞り装置４は空調負荷に応じた適度な開度に調整され、室外熱交換器３で十分に凝縮して液化した冷媒(図２のＢ２)は冷暖房運転用の絞り装置４で減圧され気液二相流となって(図２のＢ３０)、流入流出配管６ｇを通って、気液分離装置６へ流入する。冷媒は、気液分離装置６で液とガスに完全分離するよう流量調整弁７の開度が調整され、液冷媒は、流入流出配管６ｆを通って、室内熱交換器５へ流入する(図２のＢ３１)とともに、ガス冷媒(図２のＢ３２)は、流出配管６ｈ、流量調整弁７等を通って、圧縮機１の吸込み配管１ａへ流入する(図２のＢ４)。

液冷媒は、室内熱交換器５で十分蒸発して(図２のＢ３１〜Ｂ４)、圧縮機１の吸込み配管１ａで、気液分離装置６からの流量調整弁７、熱交換手段８、流出配管６ｈ等を通って流入するガス冷媒と合流して、圧縮機１へ戻る。
前記の空気調和装置Ｋ２のサイクルの効果については、第１実施形態の空気調和装置Ｋ１の効果と同様であるため説明を省略する。

空気調和装置Ｋ２の暖房運転時、サイクルは図３に示す過冷却サイクルモードとなる。
暖房運転時、図１０に示す空気調和装置Ｋ２は、冷媒が図１０の実線方向に流れるように四方弁２を切換える。すると、冷媒は、図１０の実線方向(図１０の時計廻り方向)に、圧縮機１、四方弁２、凝縮器として働く室内熱交換器５、気液分離装置６、冷暖房運転用の絞り装置４、蒸発器として働く室外熱交換器３の順に流れる。

冷暖房運転用の絞り装置４は空調負荷に応じた適度な開度に調整され、凝縮器の室内熱交換器５で十分に凝縮して液化した冷媒(図３のＣ２０)は、気液分離装置６を通過後、一部が圧縮機１の吸込み配管１ａへ接続される流出配管６ｈへ分岐して流量調整弁７で減圧され(図３のＣ２２)ガス化されて熱交換手段８で気液分離装置６内の液冷媒と熱交換する(図３のＣ２０〜Ｃ２１、図３のＣ２３)。

一方、気液分離装置６から流入流出配管６ｇを通って、絞り装置４へ流入する冷媒は、絞り装置４で減圧膨張して(図３のＣ２１〜Ｃ３)室外熱交換器３で十分蒸発して(図３のＣ３〜Ｃ４)、圧縮機１の吸込み配管１ａで、熱交換手段８より流出配管６ｈを通って流入するガス冷媒と合流して、圧縮機１へ戻る。
このサイクルの効果については、第１実施形態の効果と同様であるため説明を省略する。

第２実施形態の空気調和装置Ｋ２によれば、第１実施形態と同様に、従来に比べ、ＣＯＰ(冷暖房能力(kW)／冷暖房消費電力(kW))が２〜３％上がり、性能が向上する。
第１実施形態に対し、本第２実施形態では、冷房運転時に図２の気液分離サイクルであるため、次のような効果が期待できる。

通常、ルームエアコン(空気調和装置)では室外熱交換器よりも室内熱交換器が小さいため、冷房運転よりも、室内熱交換器が凝縮器となる暖房運転のほうが必要な冷媒量が少ない。そこで、従来、冷凍サイクルに用いられる冷媒は、冷房運転時と暖房運転時とで、適量が異なり、両者の平均をとる等して対応している。

これに対して、本第２実施形態では、暖房運転での過冷却サイクルモード(図３参照)の際、凝縮器の室内熱交換器５に続く気液分離装置６の容器６ｙは液冷媒で満たされる一方、冷房運転での気液分離サイクルモード(図２参照)では、気液分離装置６の容器６ｙの内部は、気液の二相となるので、サイクル内の冷媒量が、暖房運転と冷房運転とで自動的に調整される。そのため、冷媒量を少なくできる。

これにより、第２実施形態の空気調和装置Ｋ２は、第１実施形態に比較し、ＣＯＰを１％程度改善できる。
さらに、気液分離装置６内で過冷却度が確保できるため凝縮器である室内熱交換器５での過冷却度を減らすことができ、伝熱管内の冷媒分布において二相域が拡大するため、空気の温度を効率よく上昇させることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態の空気調和装置(空気調和機)Ｋ３について、図１１を参照しながら以下詳細に説明する。図１１は、本発明に係る第３実施形態の空気調和装置Ｋ３を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。
第３実施形態の空気調和装置Ｋ３は、第１実施形態と異なり、冷暖房運転用の２つの第１の絞り装置４ａと第２の絞り装置４ｂとを室外熱交換器３と室内熱交換器５とを接続する配管に設け、第１の絞り装置４ａと第２の絞り装置４ｂとの間に気液分離装置６を設けたものである。

図１１に示す空気調和装置Ｋ３は、二段圧縮機１０、四方弁２、室外熱交換器３、第１の絞り装置４ａと第２の絞り装置４ｂおよび室内熱交換器５を環状に接続して冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを構成している。なお、二段圧縮機１０は、二段での圧縮を行う低圧側圧縮部１０ａおよび高圧側圧縮部１０ｂと、低圧側圧縮部１０ａと高圧側圧縮部１０ｂとを連通する配管１１を有している。
そして、第１の絞り装置４ａと第２の絞り装置４ｂとを接続する配管の途中に、容器６ｙに２つの流入流出配管６ｆ、６ｇと１つの流出配管６ｈを有する気液混合流体の気液分離装置６を設けている。

そして、流出配管６ｈに、流量調整弁７と、容器６ｙ内の流体との熱交換手段８を順次設け、流出配管６ｈと二段圧縮機１０の配管１１に接続される吸い込み配管１１ａとを接続する構成としている。
なお、第３実施形態における気液分離装置６、流量調整弁７、および熱交換手段８の具体的な構造については第１実施形態と同じであるため説明を省略する。

第３実施形態の空気調和装置Ｋ３の動作とサイクルの効果について詳細に説明する。
例えば、冷房運転時に二段圧縮二段膨張サイクルモードを選択した場合について、図１１、図１２を用いて説明する。図１２に示すモリエル線図は、横軸に比エンタルピ、縦軸に圧力を取って二段圧縮二段膨張サイクルモードの冷凍サイクルの特性を表している。
図１２において、従来の冷凍サイクルは符号Ａ１〜Ａ４を付した破線で示し、空気調和装置Ｋ３での二段圧縮二段膨張サイクルは符号Ｂ１〜Ｂ６を付した実線で示している。

従来の冷凍サイクルでは、Ａ４からＡ１まで圧縮機で冷媒が圧縮され、Ａ１からＡ２において凝縮器で冷媒が凝縮する。Ａ２からＡ３では、膨張弁によって冷媒は膨張し、Ａ３からＡ４では蒸発器において冷媒が蒸発する。

空気調和装置Ｋ３の冷房運転時での二段圧縮二段膨張サイクルモードでは、四方弁２は、冷媒が図１１の破線方向に流れるように切換える。すると、冷媒は、図１１の破線方向(図１１の反時計廻り方向)に、二段圧縮機１０、四方弁２、凝縮器として働く室外熱交換器３、第１の絞り装置４ａ、気液分離装置６、第２の絞り装置４ｂ、蒸発器として働く室内熱交換器５の順に流れる。

二段圧縮機１０の低圧側圧縮部１０ａでは、まず、図１２のＢ５からＢ６まで冷媒が圧縮され、ここで気液分離装置６において分離されたガス冷媒が、流出配管６ｈ、吸い込み配管１１ａを介して、配管１１を通って二段圧縮機１０の高圧側圧縮部１０ｂに注入されＢ３２に至り、更に高圧側圧縮部１０ｂにおいてＢ３２からＢ１まで圧縮される。
図１２のＢ１からＢ２において、冷媒は凝縮器である室外熱交換器３で凝縮され、Ｂ２からＢ３においては、第１の絞り装置４ａ(図１１参照)で冷媒は膨張し、凝縮圧力と蒸発圧力の中間圧力ｐ３のＢ３で、気液分離装置６においてガス冷媒と液冷媒に分離される。

気液分離装置６で分離し流出配管６ｈを通ったガス冷媒はＢ３２の状態で、二段圧縮機１０の低圧側圧縮部１０ａと高圧側圧縮部１０ｂを接続する配管１１に注入される。このとき、流量調整弁７は全開となっている。
一方、気液分離装置６から流入流出配管６ｆを通って流出する液冷媒は、図１２のＢ３１からＢ４まで第２の絞り装置４ｂで減圧され、Ｂ４からＢ５において、蒸発器である室内熱交換器５で蒸発する。

蒸発器である室内熱交換器５の入口の気液分離装置６においてガス冷媒と液冷媒とに分離することで、室内熱交換器５への冷媒流量が減少するが、図１２に示すように、蒸発器の室内熱交換器５の入口の比エンタルピがｈ１からｈ２へ減少し、蒸発器の室内熱交換器５の比エンタルピ差が大きく（ｈ３−ｈ２＞ｈ３−ｈ１）なるので、冷却能力が従来とほぼ同等となる。

このとき、蒸発器の室内熱交換器５への冷媒流量の減少により冷媒の圧力損失が低減することで、二段圧縮機１０の吸込圧力がｐ１からｐ２へ上昇し、圧力比が減少する。この結果、通常の一段圧縮一段膨張の冷凍サイクルと比較して圧縮機(二段圧縮機１０)の動力が低減できる。
さらに、空気調和装置Ｋ３では、図１２のＢ５からＢ６およびＢ３２からＢ１と圧縮工程を二段に分けることにより、一段当たりの圧力比を小さくすることで圧力損失が減少し、圧縮機(二段圧縮機１０)の動力が低減でき、効率が向上する。

また、例えば、空気調和装置Ｋ３の暖房運転時に二段圧縮二段膨張サイクルモードを選択した場合については、冷媒の流れは図１１の実線方向に切り替わり、蒸発器が室外熱交換器３、凝縮器が室内熱交換器５となる点以外は冷房運転時と同様の動作となるので説明は省略する。

次に、例えば、空気調和装置Ｋ３の冷房運転時に二段圧縮一段膨張サイクルモードを選択した場合について、図１１、図１３を用いて説明する。図１３は、第３実施形態の空気調和装置Ｋの暖房運転における二段圧縮一段膨張サイクルモードの冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。
冷房運転での二段圧縮一段膨張サイクルモードでは、四方弁２は、冷媒が図１１の破線方向に流れるように切換わる。すると、冷媒は、図１１の破線方向(図１１の反時計廻り方向)に、二段圧縮機１０、四方弁２、凝縮器として働く室外熱交換器３、第１の絞り装置４ａ、気液分離装置６、第２の絞り装置４ｂ、室内熱交換器５の順に流れる。

図１１に示す二段圧縮機１０の低圧側圧縮部１０ａでは、まず、図１３のＢ５からＢ６まで冷媒が圧縮され、Ｂ６で、気液分離装置６において分離されるとともに流量調整弁７によりガス化した冷媒が、流出配管６ｈから、吸い込み配管１１ａ、配管１１を介して、二段圧縮機１０の高圧側圧縮部１０ｂに注入されてＢ３２に至り、更に、二段圧縮機１０の高圧側圧縮部１０ｂにおいてＢ３２からＢ１まで圧縮される。
図１３のＢ１からＢ２において冷媒は、凝縮器である室外熱交換器３で凝縮される。このとき、第１の絞り装置４ａは全開にする。

Ｂ２において、液冷媒の一部を流出配管６ｈを通して流量調整弁７により減圧し(図１３のＢ２２)ガス化させ、熱交換手段８により減圧ガス化した冷媒と気液分離装置６内の残りの液冷媒とを熱交換させる。これにより、ガス化した冷媒は、減圧によりＢ２２の状態となり、また、液冷媒との熱交換でＢ６の状態となり、流出配管６ｈから二段圧縮機１０の低圧側圧縮部１０ａと高圧側圧縮部１０ｂを接続する配管１１に注入される。

一方、気液分離装置６内の液冷媒は熱交換により、Ｂ２からＢ２１の状態となる。その後、気液分離装置６から流出配管６ｆを通って流出した液冷媒は、図１３のＢ２１からＢ３まで第２の絞り装置４ｂ(図１１参照)で減圧され、図１３のＢ３からＢ４において蒸発器である室内熱交換器５で蒸発し、室内の冷房を行う。
凝縮器の室外熱交換器３の出口の気液分離装置６において、液冷媒の一部を流量調整弁７により減圧しガス化し、容器６ｙ内の残りの液冷媒と熱交換させることで、図１３に示すように、凝縮器の室外熱交換器３の出口の比エンタルピがｈ１からｈ２へ減少し、それに伴って、蒸発器の室内熱交換器５の側の比エンタルピ差が大きくなって（ｈ３−ｈ２＞ｈ３−ｈ１）冷却能力が増加する。

また、蒸発器の室内熱交換器５への冷媒流量が減少して、冷媒圧力損失が低減することにより、圧縮機１の吸込み圧力がｐ１からｐ２へ上昇し、圧力比が減少する。この結果、通常の一段圧縮一段膨張の冷凍サイクルと比較して圧縮機の二段圧縮機１０の動力が低減でき、効率が向上する。

さらに、図１３のＢ４からＢ５、Ｂ６からＢ１と圧縮工程を二段に分けることで一段当たりの圧力比を小さくすることで圧力損失が減少し、圧縮機(二段圧縮機１０)の動力が低減でき、効率が向上する。
また、例えば、空気調和装置Ｋ３の暖房運転時に、二段圧縮一段膨張サイクルモードを選択した場合については、冷媒の流れは図１１の実線方向に切り替わり、蒸発器が室外熱交換器３、凝縮器が室内熱交換器５となる点以外は冷房運転時と同様の動作となるので説明は省略する。

本第３実施形態の空気調和装置Ｋ３の構成では、前記のとおり、冷房運転と暖房運転のそれぞれの運転モードで、二段圧縮二段膨張サイクルと二段圧縮一段膨張サイクルのどちらも選択可能である。
例えば、一般的なルームエアコン(空気調和装置)のように、室外熱交換器よりも室内熱交換器が小さい場合、冷房運転よりも暖房運転のほうが必要な冷媒量が少ない。この場合、冷房運転で二段圧縮二段膨張サイクルモード、暖房運転で二段圧縮一段膨張サイクルモードを選択することで、気液分離装置８内の冷媒の状態が、暖房運転では、液で満たされ(液冷媒を貯留でき)、冷房運転では気液の二相となるため、サイクル内の冷媒量が自動的に調整でき、高効率である。そのため、冷媒量を少なくできる。

さらに、暖房運転時に気液分離装置８内で過冷却度が確保できるため、凝縮器の室内熱交換器５で過冷却度を減らすことができ、伝熱管内の冷媒分布において二相域が拡大するため、空気の温度を効率よく上昇させることができる。
また、一般的に、二段圧縮二段膨張サイクルの方が、図１２に示す凝縮圧力と蒸発圧力の中間圧力ｐ３で気液分離するために分離した液冷媒の比エンタルピを小さくとれることから、二段圧縮一段膨張サイクルに比べ、サイクルの効率の向上率は高い。

一方で、圧縮機へ注入するガス冷媒の圧力を主流路にある第２の絞り装置４ｂで調整する二段圧縮二段膨張サイクルに比べ、分岐流路にある流量調整弁７で調整する二段圧縮一段膨張サイクルでは、圧縮機の二段圧縮機１０へ注入する冷媒の流量の調整が容易である。

したがって、負荷が変動するような場合には、空気調和装置Ｋ３を冷媒の流量の調整が容易な二段圧縮一段膨張サイクルモードとし、負荷が安定して運転が定常になった場合には、空気調和装置Ｋ３を二段圧縮二段膨張サイクルモードで運転することで、幅広い運転状態で、効率のよい運転が可能となる。
以上、第１〜第３実施形態によれば、年間を通じて消費電力が低減できる空調を行える空気調和装置および気液分離装置を提供できる。

なお、前記実施形態において、気液分離装置における流入流出配管が２つで、流出配管が１つの場合を例示したが、流入流出配管を２つ以上とし、流出配管を１つ以上としてもよい。
また、前記実施形態においては、冷媒の流路切り替え手段として、四方弁を例示したが、前記の所定の冷媒の流路の切り替えが行えれば、四方弁以外の流路切り替え手段を適用してもよい。

１ 圧縮機
１ａ 吸込み配管
２ 四方弁(流路切り替え手段)
３ 室外熱交換器
４ 絞り装置(冷暖房運転用の絞り装置)
４ａ 第１の絞り装置
４ｂ 第２の絞り装置
５ 室内熱交換器
６、６ａ、６ｄ 気液分離装置
６ｆ、６ｇ 流入流出配管
６ｈ 流出配管
６ｙ 容器
６ｙ１ 外壁面(容器の外壁の外面)
６ｙ２ 内壁面(容器の外壁の内面)
７、７ａ、７ｄ 流量調整弁(流量調整手段)
８ 熱交換手段
８、８ａ〜８ｄ、８ｆ、８ｇ 熱交換手段
１０ 二段圧縮機
１０ａ 低圧側圧縮部
１０ｂ 高圧側圧縮部
１１ 配管(連通配管)
１１ａ 吸込み配管
６０ 出入口管(流入流出配管)
６１ 気液分離用仕切板
６２ 出入口液管(流入流出配管)
６３ 出口ガス管(流出配管)
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 空気調和装置(空気調和機)

Claims (9)

1. 圧縮機、流路切り替え手段、室外熱交換器、冷暖房運転用の絞り装置および室内熱交換器が環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、
   前記冷暖房運転用の絞り装置と前記室外熱交換器とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、
   前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の吸込み配管とを接続したことを特徴とする空気調和機。
2. 圧縮機、流路切り替え手段、室外熱交換器、冷暖房運転用の絞り装置および室内熱交換器が環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、
   前記冷暖房運転用の絞り装置と前記室内熱交換器とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、
   前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の吸込み配管とを接続したことを特徴とする空気調和機。
3. 高圧側圧縮部、低圧側圧縮部および該両圧縮部を連通する連通配管を有する二段圧縮機と、流路切り替え手段と、室外熱交換器と、第１の絞り装置と、第２の絞り装置と、室内熱交換器とが環状に接続され冷房、暖房が可能な冷凍サイクルを備え、
   前記第１の絞り装置と第２の絞り装置とを接続する配管の途中に、容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有し、前記容器内に流入する気液混合流体を気体と液体とに分離するための気液分離装置を設け、
   前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設けるとともに、前記流出配管と前記圧縮機の連通配管に接続する吸込み配管とを接続したことを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項記載の空気調和機において、
   前記気液分離装置の熱交換手段は、前記流量調整手段の下流の流出配管が、前記容器の外壁に接しているか、または、前記容器の内部に配置される
   ことを特徴とする空気調和機。
5. 請求項４記載の空気調和機において、
   前記熱交換手段は、前記流量調整手段の下流の流出配管が、前記容器の外壁の外面周囲に巻き付けられ接していることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項４記載の空気調和機において、
   前記熱交換手段は、前記流量調整手段の下流の流出配管が、前記容器の外壁の内面に沿うように巻き付けられて接していることを特徴とする空気調和機。
7. 容器に少なくとも２つの流入流出配管と１つの流出配管を有する気液分離装置であって、
   前記流出配管に、前記気液分離装置側から、流量調整手段と、前記容器内の流体との熱交換を行うための熱交換手段とを順次設け、
   前記熱交換手段は、前記流量調整手段下流の流出配管が、前記容器の外壁に接している
   か、または、前記容器の内部に配置される
   ことを特徴とする気液分離装置。
8. 請求項７記載の気液分離装置において、
   前記熱交換手段は、前記流量調整手段の下流の流出配管が、前記容器の外壁の外面周囲に巻き付けられ接していることを特徴とする気液分離装置。
9. 請求項７記載の気液分離装置において、
   前記熱交換手段は、前記流量調整手段の下流の流出配管が、前記容器の外壁の内面に沿うように巻き付けられて接していることを特徴とする気液分離装置。

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