JP2012017951A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】暖房能力の向上を維持しつつこれまで以上に冷房性能を高めることができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】多段圧縮機12、室外熱交換器22、減圧器23、気液分離器24および室内熱交換器25を配管で順番に接続する冷凍サイクル装置であって、冷房時には、前記気液分離器24で分離され気体口24cから流出する気冷媒を前記多段圧縮機12の吸入側に導入し、暖房時には、前記気液分離器24で液体口24bから流入する冷媒を前記多段圧縮機12の低段圧縮機13および高段圧縮機14の間にインジェクションする。
【選択図】図1
【解決手段】多段圧縮機12、室外熱交換器22、減圧器23、気液分離器24および室内熱交換器25を配管で順番に接続する冷凍サイクル装置であって、冷房時には、前記気液分離器24で分離され気体口24cから流出する気冷媒を前記多段圧縮機12の吸入側に導入し、暖房時には、前記気液分離器24で液体口24bから流入する冷媒を前記多段圧縮機12の低段圧縮機13および高段圧縮機14の間にインジェクションする。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば空気調和機といった冷凍サイクル装置に関する。また、本発明は、冷房時に、気液分離器で分離され気体口から流出する気冷媒を圧縮機に導入する冷凍サイクル装置に関する。
例えば特許文献1に記載されるように、圧縮機に中間圧の気冷媒を導入する空気調和機は広く知られる。この空気調和機では室外熱交換器および室内熱交換器の間に1対の膨張弁が挿入される。膨張弁同士の間には気液分離器が挿入される。気液分離器で二相冷媒は気冷媒と液冷媒とに分離され、中間圧の気冷媒が圧縮機にインジェクションされる。こうして冷房時でも暖房時でも中間圧の気冷媒が圧縮機にインジェクションされる。
久保田 淳ほか,「2段圧縮ガスインジェクションサイクルを用いた高効率ルームエアコンの開発」,日本機械学会誌,2006年5月,Vol 109,No.1050,p.357
前述の空気調和機では冷房用と暖房用とで膨張弁が一対必要なことから、部品点数が多く、弁の制御も複雑になり、コストが増大してしまう。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、簡単な構成で暖房能力の向上を維持しつつ冷房性能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。
上記目的を達成するために、本発明の一形態は、多段に接続される複数の圧縮ユニットと、初段の前記圧縮ユニットの吸込口および最終段の前記圧縮ユニットの吐出口のうちいずれかに切り替え可能に接続される第1口、および、第2口を有する第1熱交換器と、前記第1熱交換器の第2口に接続される減圧器と、前記減圧器に接続される二相冷媒口、気液分離後の気体を吐き出す気体口、および、気液分離後の液体を吐き出す液体口を有する気液分離器と、前記気液分離器の前記液体口に接続される第1口、および、前記初段の前記圧縮ユニットの吸込口および前記最終段の前記圧縮ユニットの吐出口のうちいずれかに切り替え可能に接続される第2口を有する第2熱交換器と、前記気液分離器の前記気体口から前記圧縮ユニット同士の間に接続される第1冷媒経路と、前記第1冷媒経路から分岐して前記第2熱交換器の第2口および前記圧縮ユニットの間に接続される第2冷媒経路と、前記第1冷媒経路および前記第2冷媒経路の分岐点から前記第1冷媒経路および前記第2冷媒経路のいずれかを選択的に開通する切り替え機構とを備える。
本発明の他の形態は、多段圧縮機、室外熱交換器、減圧器、気液分離器および室内熱交換器を配管で順番に接続する冷凍サイクル装置であって、冷房時には、前記気液分離器で分離され気体口から流出する気冷媒を前記多段圧縮機の吸入側に導入し、暖房時には、前記気液分離器で液体口から流入する冷媒を前記多段圧縮機の低段圧縮機および高段圧縮機の間にインジェクションする。
以上のように本発明によれば、暖房能力の向上を維持しつつこれまで以上に冷房性能を高めることができる冷凍サイクル装置が提供される。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
図1は冷凍サイクル装置の一具体例すなわち空気調和機の構成を概略的に示す。空気調和機11は多段圧縮機12を備える。多段圧縮機12では複数の圧縮ユニットが直列に多段に接続される。ここでは、多段圧縮機12には2段圧縮機が用いられる。2段圧縮機では低段圧縮機13および高段圧縮機14が直列に接続される。低段圧縮機13および高段圧縮機14は1つの圧縮機内で個々の圧縮室ごとに構成されてもよく個別の圧縮機として構成されてもよい。多段圧縮機12は第1循環経路15に組み込まれる。第1循環経路15は四方弁16の第1口16aおよび第2口16bの間の経路である。初段の圧縮ユニットすなわち低段圧縮機13の吸込口13aは四方弁16の第1口16aに接続される。第1口16aから気冷媒は低段圧縮機13の吸込口13aに供給される。低段圧縮機13は低圧の気冷媒を規定の中間圧まで圧縮する。低段圧縮機13の吐出口13bは高段圧縮機14の吸込口14aに接続される。低段圧縮機13は高段圧縮機14に中間圧の気冷媒を供給する。高段圧縮機14は中間圧の気冷媒を高圧まで圧縮する。最終段の圧縮ユニットすなわち高段圧縮機14の吐出口14bは四方弁16の第2口16bに接続される。高段圧縮機14の吐出口14bから気冷媒は四方弁16の第2口16bに供給される。第1循環経路15は例えば銅管などの冷媒配管で形成される。低段圧縮機13の吐出口13bと高段圧縮機14の吸込口14aとは例えば銅管といった接続管17で相互に接続される。
四方弁16の第3口16cおよび第4口16dには第2循環経路21が接続される。第2循環経路21は四方弁16の第3口16cおよび第4口16dの間の経路である。第2循環経路21には、第1熱交換器すなわち室外熱交換器22、減圧器23、気液分離器24および第2熱交換器25が順番に組み込まれる。室外熱交換器22は第1口22aおよび第2口22bを有する。第1口22aおよび第2口22bの間で冷媒は室外熱交換器22を通過する。室外熱交換器22は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換を実現する。室外熱交換器22の第1口22aは四方弁16の第3口16cに接続される。四方弁16の働きで、室外熱交換器22の第1口22aは、低段圧縮機13の吸込口13aおよび高段圧縮機14の吐出口14bのうちいずれかに切り替え可能に接続される。室外熱交換器22の第2口22bには減圧器23が接続される。減圧器23には例えば双方向性のキャピラリが用いられればよい。第2循環経路21は例えば銅管などの冷媒配管で形成されればよい。
気液分離器24内には底面26aおよび天井面26bの間で所定の空間26が区画される。空間26の底面26aは重力方向に沿って最下位置に配置される。天井面26bは底面に向き合う。したがって、天井面26bは重力方向に沿って最上位置に配置される。空間26の天井面26bには気液口24aが開口する。この気液口24aは減圧器23に接続される。空間26の底面26aには液体口24bが開口する。空間26内で重力方向に沿ってできる限り底面26aから上方に離れた位置に気体口24cは開口する。気液口24aから二相冷媒は気液分離器24の空間26内に導入される。二相冷媒は気液口24aから空間26の底面26aに向かって落下する。重力の働きで空間26の底面26aから液冷媒は溜まる。気冷媒は液冷媒上に溜まる。こうして液体すなわち液冷媒は液体口24bから吐き出される。気体すなわち気冷媒は気体口24cから吐き出される。この気液分離器24は不可逆的に構成される。すなわち、例えば液体口24bから空間26内に液または二相冷媒が導入されると、液または二相冷媒はそのまま気体口24cおよび気液口24aから吐き出される。この気液分離器24は、順方向の流れに対して気液分離を実現するものの、逆方向の流れに対して単純に分岐管として機能する。なお、気液分離器24には、前述のもののほか、遠心式やポーラス式のものが用いられてもよい。
室内熱交換器25は第1口25aおよび第2口25bを有する。第1口25aおよび第2口25bの間で冷媒は室内熱交換器25を通過する。室内熱交換器25は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換を実現する。室内熱交換器25の第1口25aは気液分離器24の液体口24bに接続される。室内熱交換器25の第2口25bは四方弁16の第4口16dに接続される。四方弁16の働きで、室内熱交換器25の第2口25bは、低段圧縮機13の吸込口13aおよび高段圧縮機14の吐出口14bのうちいずれかに切り替え可能に接続される。
気液分離器24の気体口24cおよび接続管17の間には第1冷媒経路28が形成される。第1冷媒経路28は例えば銅管などの冷媒配管で形成される。第1冷媒経路28から第2冷媒経路29は分岐する。第2冷媒経路29は室内熱交換器25の第2口25bおよび四方弁16の第4口16dの間で第2循環経路21に接続される。第1冷媒経路28および第2冷媒経路29には切り替え機構31が接続される。この切り替え機構31は、第1冷媒経路28および第2冷媒経路29の分岐点32から第1冷媒経路28および第2冷媒経路29のいずれかを選択的に開通する。
切り替え機構31は第1逆止弁33および第2逆止弁34を備える。第1逆止弁33は分岐点32および接続管17の間で第1冷媒経路28に挿入される。第1逆止弁33は気液分離器24から接続管17すなわち多段圧縮機12に向かって一方向に冷媒の流れを規制する。すなわち、接続管17から気液分離器24に向かって冷媒の流れは阻止される。第2逆止弁34は分岐点32および第2循環経路21の間で第2冷媒経路29に挿入される。第2逆止弁34は気液分離器24から室内熱交換器25の第2口25bおよび四方弁16の第4口16dの間の第2循環経路21に向かって一方向に冷媒の流れを規制する。すなわち、室内熱交換器25の第2口25bや四方弁16の第4口16dから気液分離器24に向かって冷媒の流れは阻止される。
気液分離器24および分岐点32の間で第1冷媒経路28には内部熱交換器35が挿入される。内部熱交換器35は例えば熱伝達部材36を備える。熱伝達部材36には例えば第1冷媒経路28の配管37が連結される。こうして熱伝達部材36および配管37の間で熱エネルギーが交換される。同様に、例えば気液分離器24と室内熱交換器25との間で第2循環経路21の配管38が熱伝達部材36に連結される。こうして熱伝達部材36および配管38の間で熱エネルギーが交換される。熱伝達部材36は第1冷媒経路28の冷媒と第2循環経路21の冷媒との間で熱エネルギーの交換を実現する。こういった内部熱交換器35の実現にあたって例えば第1冷媒経路28の冷媒中に第2循環経路21の配管38が配置されてもよい。すなわち、いわゆる二重管熱交換器が用いられてもよい。
気液分離器24および分岐点32の間で第1冷媒経路28には調節弁41が挿入される。調節弁41は第1冷媒経路28に流れる冷媒の流量を調節する。調節弁41が完全に閉じられると、第1冷媒経路28および第2冷媒経路29で冷媒の流通は停止する。以上の空気調和機11では室内熱交換器25はいわゆる室内機に組み込まれればよい。同様に、多段圧縮機12、四方弁16、室外熱交換器22、減圧器23、気液分離器24、第1逆止弁33、第2逆止弁34、内部熱交換器35および調節弁41はいわゆる室外機に組み込まれればよい。
まず、空気調和機11で暖房運転が行なわれる場合を説明する。四方弁16は第2口16bと第4口16dとを相互に接続し第1口16aと第3口16cとを相互に接続する。したがって、室外熱交換器22の第1口22aは低段圧縮機13の吸込口13aに接続される。室内熱交換器25の第2口25bは高段圧縮機14の吐出口14bに接続される。このとき、室内熱交換器25は凝縮器として機能する。室外熱交換器22は蒸発器として機能する。
図2に示されるように、多段圧縮機12が作動すると、高段圧縮機14の吐出口14bから気冷媒が吐き出される。気冷媒は室内熱交換機25を通過することで空気に熱エネルギーを放出し凝縮する。空気は熱エネルギーを吸収し暖められる。暖気が形成される。暖気は例えば室内を暖める。室内熱交換器25の第1口25aから液冷媒は流出する。液冷媒は気液分離器24に液体口24bから導入される。気液分離器24は単純に分岐管として機能することから、気体口24cおよび気液口24aから液冷媒は吐き出される。液冷媒は減圧器23で膨張し室外熱交換器22に導入される。液冷媒は室外熱交換器22を通過することで室外の空気から熱エネルギーを吸収して蒸発する。空気は熱エネルギーを奪われ冷却される。室外熱交換器22の第1口22aから気冷媒は流出する。気冷媒は多段圧縮機12に導入される。
気液分離器24の気体口24cから第1冷媒経路28に液冷媒は導入される。調節弁41の働きで液冷媒は所定の中間圧まで減圧される。減圧された冷媒は内部熱交換器35で一部が蒸発する。熱エネルギーは配管38内の冷媒から配管37内の冷媒に伝達される。蒸発後の冷媒は接続管17に導入される。中間圧の冷媒が多段圧縮機12の高段圧縮機14にインジェクションされる。その結果、図3に示されるように、多段圧縮機12から吐出される冷媒の比エンタルピーは低下する。冷媒の吐出温度は低下する。多段圧縮機12の動作周波数は高く維持されることができる。低外気温で多段圧縮機12への吸入密度が小さくても十分な流量は確保されることができる。効率的な暖房運転は実現される。
前述の暖房運転時には、気液分離器24は高段圧縮機14と減圧器23との間に配置されることから、気液分離器24は高圧に維持される。その一方で、第1冷媒経路28では調節弁41の働きで中間圧が確立される。この中間圧は低段圧縮機13および高段圧縮機14の間の中間圧と同等に設定されることから、第1逆止弁33は気液分離器24から多段圧縮機12に向かう冷媒の流れを許容する。その結果、気液分離器24から多段圧縮機12に向かって二相冷媒は流通する。同時に、第2逆止弁34は高段圧縮機14の吐出口14bから気液分離器24に向かう冷媒の流れを阻止する。こうして、気液分離器24で液体口24bから流入する液冷媒は圧力差に応じて多段圧縮機12の低段圧縮機13および高段圧縮機14の間にインジェクションされる。
次に、空気調和機11で冷房運転が行なわれる場合を説明する。四方弁16は第2口16bと第3口16cとを相互に接続し第1口16aと第4口16dとを相互に接続する。したがって、室外熱交換器22の第1口22aは高段圧縮機14の吐出口14bに接続される。室内熱交換器25の第2口25bは低段圧縮機13の吸込口13aに接続される。このとき、室外熱交換器22は凝縮器として機能する。室内熱交換器25は蒸発器として機能する。
図4に示されるように、多段圧縮機12が作動すると、高段圧縮機14の吐出口14bから気冷媒が吐き出される。気冷媒は室外熱交換機22を通過することで空気に熱エネルギーを放出し凝縮する。空気は熱エネルギーを吸収し暖められる。室外熱交換器22の第2口22bから液冷媒は流出する。液冷媒は減圧器23で膨張し、二相冷媒となり、気液分離器24の気液口24aに供給される。気液分離器24は二相冷媒から液冷媒と気冷媒とを分離する。その結果、液体口24bから液冷媒は流出する。気体口24cから気冷媒は流出する。液冷媒は室内熱交換器25を通過することで空気から熱エネルギーを吸収して蒸発する。空気は熱エネルギーを奪われ冷却される。冷気が形成される。冷気は室内を冷却する。室内熱交換器25の第2口25bから気冷媒は流出する。気冷媒は多段圧縮機12に導入される。なお、液体口24bから流出した液冷媒と、気体口24cから流出した気冷媒とでは温度差がないことから、内部熱交換器35で熱交換する際にエネルギーロスがほとんど生じない。
気液分離器24の気体口24cから第1冷媒経路28に気冷媒は導入される。気冷媒は分岐点32から第2冷媒経路29に流通する。気冷媒は室内熱交換器25の第2口25bから流出する気冷媒に合流する。こうして気冷媒は室内熱交換器25をバイパスする。気冷媒は室内熱交換器25で熱交換に寄与しないことから、図5に示されるように、気液分離に応じて、室内熱交換器25を通過する冷媒の比エンタルピーは低下する。室内熱交換器25の冷却効率は高められる。効率的な冷房運転が実現される。このとき、調節弁41はそのままの圧力で冷媒を通過させればよい。
前述の冷房運転時には、例えば図5に示されるように、冷媒が室内熱交換器25を通過する際に圧力損失が発生する。したがって、第1冷媒経路28中の圧力は室内熱交換器25の第1口25aの圧力に等しいと同時に、室内熱交換器25の第2口25bの圧力は圧力損失の影響で室内熱交換器25の第1口25aの圧力よりも低下する。その結果、第2逆止弁34の上流および下流では圧力差が発生する。こうして気液分離器24から多段圧縮機12に向かって冷媒の流通は許容される。その一方で、第1冷媒経路28中の圧力は接続管17内の中間圧力よりも低い。第1逆止弁33は低段圧縮機13の吐出口13bから気液分離器24に向かう冷媒の流れを阻止する。こうして、気液分離器24で分離され気体口24cから流出する気冷媒は多段圧縮機12の吸入側に導入される。
以上のように、空気調和機11では暖房運転時には室内熱交換器25および減圧器23の間から分岐する中間圧の二相冷媒が低段圧縮機13および高段圧縮機14の間にインジェクションされることから、低外気温であっても効率的な暖房運転は実現される。暖房能力は大きく高められる。しかも、冷房運転時には気液分離後に液冷媒が室内熱交換器25に供給される。気冷媒の分離に応じて室内熱交換器25で圧損は低減される。したがって、これまで以上に冷房性能は高められる。さらにまた、気液分離器24は不可逆的な構造に構築されればよく、気液分離器24の構造は簡素化され気液分離器24の小型化が実現されることができる。
空気調和機11では暖房運転時および冷房運転時で分岐点32から第1冷媒経路28および第2冷媒経路29が切り替えられる。切り替えにあたって第1逆止弁33および第2逆止弁34が利用される。第1逆止弁33および第2逆止弁34は第1循環経路15や第2循環経路21で確立される圧力差に応じて自発的に開閉する。特別な制御機器は要求されない。安価で簡単に切り替え機構31は構築されることができる。高い信頼性は確保される。
空気調和機11では第1冷媒経路28に調節弁41が挿入される。調節弁41は完全に閉じられることができる。すなわち、第1冷媒経路28および第2冷媒経路29で冷媒の流通は阻止されることができる。調節弁41が完全に閉じられると、通常の冷凍サイクルの運転は実現されることができる。その他、起動時などに第1冷媒経路28の途中に溜まったオイルや液冷媒が直接に多段圧縮機12に流入することは阻止される。多段圧縮機12の信頼性は高められる。
図6は変形例に係る空気調和機11aの構成を概略的に示す。この空気調和機11aでは内部熱交換器35の熱伝達部材36は減圧器23と気液分離器24との間で第2循環経路21の配管38に連結される。熱伝達部材36および配管38の間で熱エネルギーが交換される。熱伝達部材36は第1冷媒経路28の冷媒と第2循環経路21の冷媒との間で熱エネルギーの交換を実現する。その結果、図7に示されるように、暖房運転時には気液分離器24の気液口24aから流出する液冷媒はさらに過冷却される。その結果、十分な暖房能力は確保される。効率的な暖房運転は実現される。冷房運転時には、前述の空気調和機11と同様に、室内熱交換器25の冷却効率は高められる。効率的な冷房運転が実現される。
なお、前述の空気調和機11、11aでは多段圧縮機12や気液分離器24、減圧器23、内部熱交換器35その他の構成要素は前述の構造のものに限定されるものではない。均等な機能が実現される限り、個々の構成要素は他の構造のものと置き換えられてもよい。その他、本発明に係る冷凍サイクル装置は前述の空気調和機以外に冷凍装置その他の均等物に適用されてもよい。
11 冷凍サイクル装置(空気調和機)、13 1圧縮ユニットとしての低段圧縮機(初段の圧縮ユニット)、13a 吸込口、14 1圧縮ユニットとしての高段圧縮機(最終段の圧縮ユニット)、14b 吐出口、22 第1熱交換器としての室外熱交換器、22a 第1口、22b 第2口、23 減圧器、24 気液分離器、24a 気液口、24b 液体口、24c 気体口、25 第2熱交換器としての室内熱交換器、25a 第1口、25b 第2口、28 第1冷媒経路、29 第2冷媒経路、31 切り替え機構、32 分岐点、33 第1逆止弁、34 第2逆止弁、35 内部熱交換器、41 調節弁。
Claims (5)
- 多段に接続される複数の圧縮ユニットと、
初段の前記圧縮ユニットの吸込口および最終段の前記圧縮ユニットの吐出口のうちいずれかに切り替え可能に接続される第1口、および、第2口を有する第1熱交換器と、
前記第1熱交換器の第2口に接続される減圧器と、
前記減圧器に接続される気液口、気液分離後の気体を吐き出す気体口、および、気液分離後の液体を吐き出す液体口を有する気液分離器と、
前記気液分離器の前記液体口に接続される第1口、および、前記初段の前記圧縮ユニットの吸込口および前記最終段の前記圧縮ユニットの吐出口のうちいずれかに切り替え可能に接続される第2口を有する第2熱交換器と、
前記気液分離器の前記気体口から前記圧縮ユニット同士の間に接続される第1冷媒経路と、
前記第1冷媒経路から分岐して前記第2熱交換器の第2口および前記圧縮ユニットの間に接続される第2冷媒経路と、
前記第1冷媒経路および前記第2冷媒経路の分岐点から前記第1冷媒経路および前記第2冷媒経路のいずれかを選択的に開通する切り替え機構と
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 請求項1に記載の冷凍サイクル装置において、前記切り替え機構は、
前記第1冷媒経路に挿入されて前記気液分離器から前記圧縮ユニットに向かって一方向に流れを規制する第1逆止弁と、
前記第2冷媒経路に挿入されて前記気液分離器から前記圧縮ユニットに向かって一方向に流れを規制する第2逆止弁と
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 請求項2に記載の冷凍サイクル装置において、前記分岐点および前記気液分離器の間で前記第1冷媒経路には、前記減圧器および前記第2熱交換器の間の冷媒経路と熱エネルギーを交換する内部熱交換器が挿入されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 請求項3に記載の冷凍サイクル装置において、前記分岐点および前記気液分離器の間で前記第1冷媒経路には流量を調節する調節弁が挿入されることを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 多段圧縮機、室外熱交換器、減圧器、気液分離器および室内熱交換器を配管で順番に接続する冷凍サイクル装置であって、
冷房時には、前記気液分離器で分離され気体口から流出する気冷媒を前記多段圧縮機の吸入側に導入し、
暖房時には、前記気液分離器で液体口から流入する冷媒を前記多段圧縮機の低段圧縮機および高段圧縮機の間にインジェクションすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
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