JP2012220166A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも室内熱交換器の冷媒の分配性能を上げると共に、圧縮機による低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、エジェクタ８、室内熱交換器４が順次に環状に接続された冷媒回路を有する冷凍サイクル装置において、エジェクタ８からの冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒を圧縮機１の中間圧部にバイパスさせると共に、液冷媒を室内熱交換器４に送る気液分離器５と、エジェクタ８により吸引された気液分離器５からの一部の液冷媒で室内熱交換器４に流れる液冷媒を冷却する内部熱交換器９とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば空気調和機等に適用される冷凍サイクル装置、特に気液分離器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置、室内熱交換器等が順次に環状に接続された冷媒回路を有し、その減圧装置と室内熱交換器の間に気液分離器を備えている。気液分離器の下部が室内熱交換器に接続されると共に、その上部が開閉弁およびキャビラリーチューブを介して圧縮機の吸入側に接続されている。室内熱交換器および延長配管を流れる冷媒の流速を抑えることにより管内圧損の増大を防ぎ、冷凍効果を確保することにより冷房能力の低下を防止している（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１２００７６号公報（要約書、図１）

前述した従来の空気調和機では、圧縮機の吸入側に直接ガス冷媒を戻す構成であるため、圧縮機への液戻り防止の観点から気液分離器のガス側出口を完全ガス化する必要があるが、液側出口にガスが混入することがある。その場合には、冷房運転時に室内熱交換器の冷媒分配性能が低下し、冷凍サイクル装置の性能（以下、ＣＯＰ）が低下するという課題があった。特に、熱交換器として、圧力損失が大きく冷媒分岐数が多くなる直径５ｍｍ以下の細管や扁平管を用いる場合、ガスのみが流れる伝熱管が発生し、分配性能の低下が顕著に現れるという課題があった。
また、気液分離器で分離された冷媒が低圧である圧縮機の吸入部へバイパスされるため、圧縮過程の中間圧力部へバイパスする場合に比べ、冷凍サイクルの効率が低下するという課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、少なくとも室内熱交換器の冷媒の分配性能を上げると共に、圧縮機による低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、エジェクタ、室内熱交換器が順次に環状に接続された冷媒回路を有する冷凍サイクル装置において、エジェクタからの冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、ガス冷媒を圧縮機の中間圧部にバイパスさせると共に、液冷媒を室内熱交換器に送る気液分離器と、エジェクタにより吸引された気液分離器からの一部の液冷媒で室内熱交換器に流れる残り液冷媒を冷却する内部熱交換器とを備えたものである。

本発明によれば、例えば冷房運転時に、エジェクタにより吸引された気液分離器からの一部の液冷媒で室内熱交換器に流れる残り液冷媒を冷却する内部熱交換器を設けているので、内部熱交換器により冷却された液冷媒を室内熱交換器に送ることが可能になり、そのため、室内熱交換器の冷媒分配性能が向上し、高効率の冷凍サイクル装置を提供できる。
また、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機の中間圧部にバイパスしているので、低圧から中間圧力までの圧縮動力が削減でき、高効率の冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のエジェクタの構成図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す冷媒回路図である。

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の構成を示す冷媒回路図、図２は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置のエジェクタの構成図である。
実施の形態１の冷凍サイクル装置は、図１に示すように、２段圧縮機１、冷房と暖房の運転切換を行うための四方弁２、室外熱交換器３、エジェクタ８、気液分離器５、室内熱交換器４が冷媒管（液管１０、ガス管１１）により順次に環状に接続されて構成されている。室内熱交換器４には、後述するが、気液分離器５からの液冷媒を均等分配するための分配器４１が設けられている。

２段圧縮機１は、同一シェル内に第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂが内蔵された１シェル型の圧縮機である。第１圧縮機１ａの吸入部、第２圧縮機１ｂの吐出部がシェル内に開放され、シェル内は中間圧の状態に維持されている。本実施の形態では、このような１シェル型の２段圧縮機の例を示したが、これに限るものではなく、第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂが配管を介して直列接続される２シェル型の２段圧縮機でも良い。

エジェクタ８は、後述するが可変絞り構造となっており、下流側に気液分離器５が設けられている。気液分離器５の下部に設けられた液側出口は、室内熱交換器４からの液管１０と第３減圧装置１５を介して接続されていると共に、液側出口から分岐する第１バイパス管５１を介してエジェクタ８の吸引部８１と接続されている。気液分離器５の上部に設けられたガス側出口は、第２バイパス管５２を介して２段圧縮機１の第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部と接続されている。第１バイパス管５１に第２減圧装置１４が、第２バイパス管５２に第１減圧装置１２が、液管１０の入口部に第３減圧装置１５がそれぞれ設けられている。

また、気液分離器５の液側出口から液管１０内に流入する液冷媒を第１バイパス管５１に流れる液冷媒により熱交換（冷却）する内部熱交換器９が設けられている。その内部熱交換器９は、液冷媒同士を熱交換するものであるため、例えばプレート式や二重管式の熱交換器が用いられている。

第２減圧装置１４の出口には第１温度センサー２２が設けられ、内部熱交換器９の低圧側出口とエジェクタ８の吸引部８１との間には第２温度センサー２３が設けられている。エジェクタ８の内部絞りは、一般的な電子膨張弁と同様に、例えば室内熱交換器４（蒸発器）の出口の過熱度を制御するようにすれば良い。

前述のエジェクタ８は、図２に示すように、高圧の液冷媒Ｅ１が流入し、内部にニードル８２が挿入されたノズル部８３と、吸引部８１を有し、吸引部８１から流入するガス冷媒Ｅ２とノズル部８３からの液冷媒Ｅ１を混合する混合部８４と、ディフューザ部８５と、電磁コイル８６と、ニードル８２をノズル喉部８３ｃへ抜き差し可能な可変絞り機構とを備えている。ノズル部８３は、ノズル減圧部８３ａとノズル喉部８３ｃとノズル末広部８３ｂから構成されている。

エジェクタ８は、駆動流である高圧の液冷媒Ｅ１をノズル減圧部８３ａで減圧膨張させてノズル喉部８３ｃで音速とし、さらにノズル末広部８３ｂにより超音速として減圧・加速させる。このとき、第１バイパス管５１内を流れるガス冷媒Ｅ２を吸引部８１から吸引して混合する。混合された気液二相冷媒は、混合部８４によりある程度の圧力に回復し、さらにディフューザ部８５によって出口圧力まで圧力上昇し、エジェクタ８から流出する。

次に、実施の形態１の冷凍サイクル装置の動作について説明する。
冷房運転時は、四方弁２が実線のように接続されると共に、第１減圧装置１２が開放され、気液分離器５により分離されたガス冷媒が第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部にバイパスされる。第１圧縮機１ａにより高温・高圧となった冷媒は、四方弁２を通って室外熱交換器３により凝縮され、エジェクタ８により膨張されて低温・低圧の二相冷媒となり、気液分離器５により飽和液冷媒（実際には、ガス冷媒が少量混入した乾き度の低い二相状態）と飽和ガス冷媒に分離される。

分離された飽和液冷媒は、内部熱交換器９で過冷却された後、その一部の液冷媒が第３減圧装置１５、液管１０を介して分配器４１で均等分配されて室内熱交換器４に導かれ、そこで蒸発してガス管１１、四方弁２を介して低圧側に配置された第２圧縮機１ｂへ戻る。過冷却された液冷媒の他の一部は、第２減圧装置１４で減圧された後、内部熱交換器９を介してエジェクタ８の吸引部８１へ吸引される。一方、気液分離器５のガス側出口から流出した飽和ガス冷媒は、第１減圧装置１２を介して第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部へバイパスされる。このとき、ガス冷媒が圧縮途中の中間圧力にバイパスされるため、従来例に比べ低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減でき、高効率の冷凍サイクル装置を提供できる。

ここで、気液分離器５の効率低下や環境条件の変化により、気液分離器５の液側出口にガス冷媒が少量混入した場合、気液分離器５内の液面は、下部に設けられた液側出口の管接続位置に近い低位置にあり、気液分離器５を流出する液冷媒は実質的に二相状態となる。従って、室内熱交換器４の入口の分配器４１で液単相流の均質な冷媒分配を得るためには、気液分離器５を流出する液冷媒を低温の冷媒で冷却し、過冷却させて確実に液状態となるようにする必要がある。本実施の形態では、エジェクタ８により低温の二相冷媒を生成し、その冷媒と熱交換する内部熱交換器９を気液分離器５の液側出口に設けたため、分配器４１での液単相流の均質分配が可能となり、気液二相流で生じる不均一分配に伴う性能低下を防止できる。

ところで、エジェクタ８の吸引部８１の過熱度制御は次のようになる。すなわち、第１温度センサー２２の検知温度をＴ１、第２温度センサー２３の検知温度をＴ２とした場合、過熱度ＳＨ＝Ｔ２―Ｔ１と表される。この値が環境条件や運転条件に応じた所定値（例えば、５〜１０℃）となるように第２減圧装置１４の開度が制御される。第２減圧装置１４の開度にて過熱度を制御する例は一例にすぎず、開閉弁と毛細管の組み合わせにより１つの環境条件や運転条件でのみ所定の過熱度を確保する構成としても良い。なお、第１減圧装置１２の開度は、例えば第１圧縮機１ａの吐出温度や吐出過熱度を検知し、その吐出温度や吐出過熱度が所定値となるように制御すれば良い。

次に、暖房運転時は、四方弁２が点線のように接続されると共に、第２減圧装置１４と第１減圧装置１２が全閉され、気液分離器５が液溜め容器として利用される。第１圧縮機１ａにより高温・高圧となった冷媒は、四方弁２を通り、室内熱交換器４により凝縮液化される。さらに過冷却された液冷媒は、分配器４１と液管１０を介して気液分離器５に流入する。気液分離器５は、過冷却液で満たされて満液となる。気液分離器５を通過した冷媒は、エジェクタ８を逆流して膨張後、低温・低圧の二相冷媒となり、室外熱交換器３に流入し、そこで蒸発して四方弁２を介して第２圧縮機１ｂへ戻る。

実施の形態１においては、冷房運転時に、エジェクタ８からの冷媒（二相冷媒）を気液分離器５により分離し、液冷媒をエジェクタ８の吸引冷媒により過冷却して室内熱交換器４（蒸発器）に送るようにしているため、室内熱交換器４の冷媒の分配性能が向上し、高効率の冷凍サイクル装置を提供することができる。
また、熱交換器として冷媒分岐数が多くなる直径５ｍｍ以下の細管や扁平管を用いる場合、各分岐管の断面積が小さいため、気液分離器５で分離された液冷媒中に少量のガスが発生した場合でも、一部の分岐管はガスで満たされる状態となり易く、特に本実施の形態の効果が大きくなる。
さらに、気液分離器５で分離されたガス冷媒を圧縮機１の第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部にバイパスさせるため、低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減でき、高効率で、省エネの冷凍サイクル装置を提供することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図３を用いて説明する。
図３は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成を示す冷媒回路図である。
本実施の形態の冷凍サイクル装置には、室外熱交換器３に分配器３１が設けられており、また、冷房運転時に、前記室外熱交換器からの冷媒を前記エジェクタに誘導すると共に、前記気液分離器からの液冷媒を前記内部熱交換器を介して前記室内熱交換器に導き、暖房運転時には、前記室内熱交換器からの冷媒を前記エジェクタに誘導すると共に、前記気液分離器から液冷媒を前記内部熱交換器を介して前記室外熱交換器に導く冷媒流路整流手段である逆止弁ブリッジ回路７０が設けられている。

例えば、逆止弁ブリッジ回路７０は、室外熱交換器３と室内熱交換器４の各分配器３１、４１を接続する液管１０に挿入され、互いに流出側が向き合う逆止弁７１、７３と、逆止弁７１、７３に並列に接続され、互いに流入側が向き合う逆止弁７２、７４とを備えている。逆止弁７１、７３の間には、エジェクタ８から配管された液管１０が接続され、逆止弁７２、７４の間には、気液分離器５の液側出口から内部熱交換器９を介して配管された液管１０が接続されている。逆止弁ブリッジ回路７０と室内熱交換器４の間の液管１０には、第３減圧装置１５が設けられ、逆止弁ブリッジ回路７０と室外熱交換器３の間の液管１０には、第４減圧装置１６が設けられている。

次に、実施の形態２の冷凍サイクル装置の動作について説明する。
冷房運転時は、四方弁２が実線のように接続されると共に、第１減圧装置１２、第４減圧装置１６が開放され、気液分離器５により分離されたガス冷媒が第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部にバイパスされる。第１圧縮機１ａにより高温・高圧となった冷媒は、四方弁２を通り、室外熱交換器３により凝縮されて分配器３１から流出し、第４減圧装置１６を通過して逆止弁７１によりエジェクタ８に誘導される。その液冷媒は、エジェクタ８により膨張されて低温・低圧の二相冷媒となり、気液分離器５により飽和液冷媒（実際には、ガス冷媒が少量混入した乾き度の低い二相状態）と飽和ガス冷媒に分離される。

分離された飽和液冷媒は、内部熱交換器９を通過後に分岐する。そのとき、内部熱交換器９により過冷却された液冷媒の一部は、逆止弁７４により第３減圧装置１５、液管１０を介して分配器４１に流入する。分配器４１に流入した液冷媒は、液分配されて室内熱交換器４に流入し、そこで蒸発してガス管１１、四方弁２を介して第２圧縮機１ｂへ戻る。また、内部熱交換器９により過冷却された液冷媒の他の一部は、第２減圧装置１４により減圧され、内部熱交換器９を介してエジェクタ８の吸引部８１へ吸引される。一方、気液分離器５のガス側出口のガス冷媒は、第１減圧装置１２を介して第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部へバイパスされる。このとき、ガス冷媒が圧縮途中の中間圧力にバイパスされるため、低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減でき、高効率の冷凍サイクル装置を提供することができる。

気液分離器５内の液面やエジェクタ８の吸引部８１の過熱度制御は実施の形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

暖房運転時も冷房運転時と同様に、四方弁２が点線のように接続されると共に、第１減圧装置１２、第３減圧装置１５が開放され、気液分離器５により分離されたガス冷媒が第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部にバイパスされる。第１圧縮機１ａにより高温・高圧となった冷媒は、四方弁２を通り、室内熱交換器４により凝縮液化される。さらに過冷却された液冷媒は、分配器４１、液管１０、第３減圧装置１５を通り、逆止弁７３によりエジェクタ８に誘導される。誘導された液冷媒は、エジェクタ８により膨張されて低温・低圧の二相冷媒となり、気液分離器５により飽和液冷媒（実際には、ガス冷媒が少量混入した乾き度の低い二相状態）と飽和ガス冷媒に分離される。

分離された飽和液冷媒は、内部熱交換器９を通過後に分岐する。そのとき、内部熱交換器９により過冷却された液冷媒の一部は、逆止弁７２により第４減圧装置１６を通過後、分配器３１に導かれて液分配され、室外熱交換器３に流入し、そこで蒸発して四方弁２を介して第２圧縮機１ｂへ戻る。また、内部熱交換器９により過冷却された液冷媒の他の一部は、第２減圧装置１４で減圧され、内部熱交換器９を介してエジェクタ８の吸引部８１へ吸引される。一方、気液分離器５のガス側出口のガス冷媒は、第１減圧装置１２を介して第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部へバイパスされる。

実施の形態２においては、冷房および暖房運転時に液冷媒が逆止弁ブリッジ回路７０により、エジェクタ８に導かれて気液分離器５により分離され、エジェクタ８の吸引冷媒で過冷却された液冷媒を室内熱交換器４または室外熱交換器３（蒸発器）に送ることができるため、室内又は室外熱交換器３、４の入口部での冷媒の分配性能が向上し、高効率の冷凍サイクル装置を提供することができる。
また、気液分離器５により分離されたガス冷媒を圧縮機１の第１圧縮機１ａと第２圧縮機１ｂの間の中間圧部にバイパスするため、低圧から中間圧力までの圧縮動力を削減でき、高効率で、省エネの冷凍サイクル装置を提供することができる。

１ ２段圧縮機、１ａ 第１圧縮機、１ｂ 第２圧縮機、２ 四方弁、３ 室外熱交換器、４ 室内熱交換器、５ 気液分離器、８ エジェクタ、９ 内部熱交換器、１０ 液管、１１ ガス管、１２ 第１減圧装置、１４ 第２減圧装置、１５ 第３減圧装置、１６ 第４減圧装置、２２ 第１温度センサー、２３ 第２温度センサー、３１、４１ 分配器、５１、５２ バイパス管、７０ 逆止弁ブリッジ回路、７１、７２、７３、７４ 逆止弁、８１ 吸引部、８２ ニードル、８３ ノズル部、８３ａ ノズル減圧部、８３ｂ ノズル末広部、８３ｃ ノズル喉部、８４ 混合部、８５ ディフューザ部、８６ 電磁コイル。

Claims (5)

1. 少なくとも、圧縮機、室外熱交換器、エジェクタ、室内熱交換器が順次に環状に接続された冷媒回路を有する冷凍サイクル装置において、
   前記エジェクタからの冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、前記ガス冷媒を前記圧縮機の中間圧部にバイパスさせると共に、前記液冷媒を前記室内熱交換器に送る気液分離器と、
   前記エジェクタにより吸引された前記気液分離器からの一部の液冷媒で前記室内熱交換器に流れる液冷媒を冷却する内部熱交換器と
   を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 冷房と暖房の運転切換を行う四方弁と、
   冷房運転時に、前記室外熱交換器からの冷媒を前記エジェクタに誘導すると共に、前記気液分離器からの液冷媒を前記内部熱交換器を介して前記室内熱交換器に導き、暖房運転時には、前記室内熱交換器からの冷媒を前記エジェクタに誘導すると共に、前記気液分離器から液冷媒を前記内部熱交換器を介して前記室外熱交換器に導く冷媒流路整流手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷媒流路整流手段として、４つの逆止弁がブリッジ状に接続されて構成され逆止弁ブリッジ回路が用いられていることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記圧縮機は、同一シェル内に第１および第２圧縮機が内蔵された１シェル型、あるいは第１および第２圧縮機が配管により直列接続された２シェル型であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記エジェクタは、内部に可変絞り機構が設けられたものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍サイクル装置。

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