JP2013015258A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アキュムレータによる圧力損失を低減する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２１、放熱器２２、膨張機構２３、蒸発器２４、アキュムレータ２６及び配管分岐部３０を備えている。配管分岐部３０は、蒸発器２４から流出した冷媒を受け入れる入口管３２と、入口管３２に流入した冷媒をアキュムレータ２６に導く第１分岐出口管３３と、入口管３２に流入した冷媒を圧縮機２１に導く第２分岐出口管３４とを含む。入口管３２と第１分岐出口管３３とのなす角度が鈍角又は１８０°であり、入口管３２と第２分岐出口管３４とのなす角度が鋭角である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

冷凍サイクル装置の高効率化手段として、アキュムレータをバイパスする配管を設けて冷媒の一部をアキュムレータに流入させず、圧縮機に直接吸入させる技術が知られている。図７に示すように、特許文献１に記載されたヒートポンプは、エンジン１、圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、レシーバ５、室内熱交換器７、アキュムレータ９、冷媒戻りライン１４、冷媒吸入ライン１５、バイパスライン１６及び開閉弁１６ａを備えている。

バイパスライン１６は、冷媒戻りライン１４と冷媒吸入ライン１５とを接続するように設けられている。冷媒戻りライン１４の冷媒が液冷媒を含まない場合、開閉弁１６ａを開く。すると、冷媒がアキュムレータ９をバイパスして圧縮機２に吸入される。その結果、アキュムレータ９による圧力損失が低減され、圧縮機２の負荷を軽減することができる。

特開２０００-３０４３７３号公報

特許文献１のヒートポンプにおいては、圧縮機２が液冷媒を吸入することを防止するために、圧縮機２の吸入冷媒の過熱度を確保できない場合にはバイパスを行わない。つまり、圧縮機２が液冷媒を吸入する可能性のある条件では、アキュムレータ９をバイパスすることによる圧力損失の低減効果が得られない。また、バイパスライン１６に開閉弁１６ａを設ける必要があり、コストが増加するなどの問題がある。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、アキュムレータによる圧力損失を低減しうる技術を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した冷媒を受け入れるアキュムレータと、
前記蒸発器から流出した冷媒を受け入れる入口管と、前記入口管に流入した冷媒を前記アキュムレータに導く第１分岐出口管と、前記入口管に流入した冷媒を前記圧縮機に導く第２分岐出口管とを含み、前記入口管と前記第１分岐出口管とのなす角度が鈍角又は１８０°であり、前記入口管と前記第２分岐出口管とのなす角度が鋭角である、配管分岐部と、
を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本発明によれば、入口管と第１分岐出口管とのなす角度が鈍角又は１８０°であり、入口管と第２分岐出口管とのなす角度が鋭角である。このような構成によると、第１分岐出口管へ液冷媒が流れやすく、第２分岐出口管へガス冷媒が流れやすい。すなわち、配管分岐部は気液分離機能を発揮する。蒸発器の出口において冷媒に液冷媒が含まれている場合にも、配管分岐部の気液分離機能によって液冷媒がアキュムレータに導かれ、ガス冷媒が圧縮機に導かれる。すなわち、蒸発器から入口管に流入した冷媒の一部は、アキュムレータを通らず、第２分岐出口管を通って圧縮機に吸入される。その結果、アキュムレータによる圧力損失が低減し、圧縮機の吸入圧力を上げることができるので、冷凍サイクル装置の性能が向上する。

本発明の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 圧縮機、アキュムレータ及び配管分岐部の位置関係を示す部分構成図 配管分岐部の拡大断面図 変形例に係る配管分岐部の拡大断面図 第２分岐出口管の冷媒を圧縮機に導く方法を示す構成図 第２分岐出口管の冷媒を圧縮機に導く他の方法を示す構成図 圧縮機、アキュムレータ及び配管分岐部の他の位置関係を示す部分構成図 従来のヒートポンプの構成図

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００は、圧縮機２１、室内熱交換器２２、膨張機構２３、室外熱交換器２４、四方弁２５及びアキュムレータ２６を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路２０を形成するように、冷媒管によって互いに接続されている。冷媒回路２０は、アキュムレータ２６の上流で冷媒の流れを二方向に分ける配管分岐部３０を有している。冷媒回路２０には、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素などの冷媒が充填されている。

圧縮機２１は、例えば、スクロール圧縮機、ロータリ圧縮機、レシプロ圧縮機などの容積型圧縮機で構成されている。室内熱交換器２２及び室外熱交換器２４は、例えば、フィンチューブ熱交換器で構成されている。膨張機構２３は、典型的には電動膨張弁で構成されており、冷媒から動力を回収できる容積型膨張機で構成されていてもよい。アキュムレータ２６は、圧縮機２１に吸入されるべき冷媒を一時的に保持しうる容器で構成されており、圧縮機２１に液冷媒が吸入されることを防ぐ。

冷凍サイクル装置１００が空気調和装置に使用されているとき、四方弁２５は、冷房と暖房とを切り替える手段でありうる。四方弁２５が図１に示す状態にあるとき、暖房機能が発揮されるように、圧縮機２１から吐出された冷媒は、室内熱交換器２２、膨張機構２３、室外熱交換器２４及びアキュムレータ２６の順に冷媒回路２０を循環する。四方弁２５が破線で示す状態にあるとき、冷房機能が発揮されるように、圧縮機２１から吐出された冷媒は、室外熱交換器２４、膨張機構２３、室内熱交換器２２及びアキュムレータ２６の順に冷媒回路２０を循環する。このように、室内熱交換器２２が放熱器として機能するとき、室外熱交換器２４が蒸発器として機能する。室内熱交換器２２が放熱器として機能するとき、室外熱交換器２４が蒸発器として機能する。

以下、室内熱交換器２２を放熱器２２、室外熱交換器２４を蒸発器２４として取り扱う。

冷媒は、圧縮機２１で圧縮される。圧縮冷媒は、放熱器２２に導かれ、冷却される。放熱器２２で冷却された冷媒は、膨張機構２３で膨張する。その後、冷媒は蒸発器２４に流入し、加熱される。冷媒は、蒸発器２４で蒸発した後、配管分岐部３０を経由してアキュムレータ２６に導かれる、又はアキュムレータ２６を通らず圧縮機２１に直接吸入される。配管分岐部３０において、冷媒は、気相又は気液二相の状態にある。

図１及び図２に示すように、配管分岐部３０は、蒸発器２４からアキュムレータ２６への経路上に位置しており、入口管３２、第１分岐出口管３３及び第２分岐出口管３４を含む。入口管３２は、蒸発器２４からの冷媒を受け入れる流路を形成しており、四方弁２５を介して、蒸発器２４に接続されている。第１分岐出口管３３は、入口管３２に流入した冷媒をアキュムレータ２６に導く流路を形成している。第１分岐出口管３３の下流端は、アキュムレータ２６に接続されている。第２分岐出口管３４は、アキュムレータ２６をバイパスする流路であって、入口管３２に流入した冷媒を圧縮機２１に直接導く流路を形成している。第２分岐出口管３４の下流端は、アキュムレータ２６から圧縮機２１に冷媒を導く流路、すなわち、圧縮機２１の吸入管２０ａに接続されている。配管分岐部３０は、１つの入口及び２つの出口を有する、いわゆるＹ字管と呼ばれる配管で構成されている。本実施形態では、左右非対称な形を有するＹ字管が配管分岐部３０として使用されている。

図３に示すように、本実施形態において、入口管３２と第１分岐出口管３３とのなす角度α（第１分岐角度）は鈍角である。入口管３２と第２分岐出口管３４とのなす角度β（第２分岐角度）は鋭角である。

入口管３２で冷媒が気相状態にあるとき、冷媒の一部は、第１分岐出口管３３を通ってアキュムレータ２６に導かれる。冷媒の残部は、アキュムレータ２６を通らず、第２分岐出口管３４を通って圧縮機２１に導かれる。アキュムレータ２６による圧力損失及び圧縮機２１の吸入負荷を低減することができるので、冷凍サイクル装置１００の性能が向上する。

次に、入口管３２で冷媒に液冷媒が含まれている場合を考える。配管分岐部３０においては角度αが角度βよりも大きいので、気液ニ相冷媒が入口管３２から第２分岐出口管３４へと流入したときの圧力損失勾配は、気液ニ相冷媒が入口管３２から第１分岐出口管３３へと流入したときの圧力損失勾配よりも大きい。ここで、「圧力損失勾配」とは、圧力損失に基づく圧力勾配を意味する。

一般に、気相の流体と液相の流体とを含む気液二相流が、互いに異なる大きさの圧力損失勾配を有する二つの方向に分岐する場合、圧力損失勾配の大きい側へと気相の流体が流入しやすい。同一の流路及び同一の流量を前提とすると、気相の流体の圧力損失は、液相の流体の圧力損失よりも大きい。そのため、二方向への分岐において圧力損失勾配が異なる場合、各方向の圧力損失バランスを保つために、圧力損失勾配が大きい側に気相の流体が多く流れ、圧力損失勾配が小さい側に液相の流体が多く流入する。

例えば、浅野らは、互いに異なる分岐角度を有する複数のＹ字分岐管を用いて空気−水気液二相流の分流実験を行い、その結果を報告している（Ｙ字分岐管による気液二相流の相分離特性に関する研究（第１報）、日本機械学会論文集（Ｂ編）、６７巻、６５４号、３５０−３５５頁）。この分流実験で彼らは、分岐角θ（本実施形態の第２分岐角度βに相当）＝３０°〜９０°の範囲内で、θを小さくすればするほど相分離性能が向上することを確認している。この結果は、Ｙ字分岐管の分岐角θが小さければ小さいほど、慣性力の大きい液相は直進しやすいことと整合している。また、圧力損失勾配が大きい側に気相の流体が多く流れ、圧力損失勾配が小さい側に液相の流体が多く流入する傾向を示している。

本実施形態では、配管分岐部３０の下流にアキュムレータ２６及び圧縮機２１が存在しており、第１分岐出口管３３における冷媒の流量及び第２分岐出口管３４における冷媒の流量は、圧縮機２１の回転数及び容積にも依存する。そのため、配管分岐部３０での現象を上記一般論で直ちに説明できるとは限らないものの、圧力損失勾配の相違が配管分岐部３０における気液二相冷媒の分配に影響を与えているという知見には、一定の妥当性がある。

また、液冷媒には、ガス冷媒に作用する慣性力よりも大きい慣性力が作用する。本実施形態では、入口管３２と第１分岐出口管３３とのなす角度αが、入口管３２と第２分岐出口管３４とのなす角度βよりも大きいので、液冷媒は、第１分岐出口管３３に流入しやすい。すなわち、本実施形態によれば、圧力損失及び慣性力の影響により、第２分岐出口管３４にガス冷媒を選択的に導く、好ましくはガス冷媒のみを導くことができる。従って、入口管３２において冷媒が気液二相の状態にあったとしても、圧力損失の低減効果を得ることができる。また、開閉弁などの機器を使用することなく、配管の構造のみで気液分離の効果を得ることができるため、コストの増加を最小限に抑えることができる。

次に、配管分岐部３０の構造をさらに詳細に説明する。

図１〜３に示すように、本実施形態では、角度αが鈍角に設定されている。角度αが鈍角のとき、角度αの範囲は、例えば１００°〜１７０°であり、好ましくは１２０°〜１６０°である。角度βの範囲は、例えば１０°〜６０°であり、好ましくは２０°〜４０°である。このような範囲内に角度α及びβを設定すれば、第２分岐出口管３４に流入する液冷媒の量を確実に減らすことができる。図１〜３において、角度αは１４０°であり、角度βは４０°である。

本実施形態では、第１分岐出口管３３と第２分岐出口管３４とが同一直線上に位置している。この場合、第１分岐出口管３３と第２分岐出口管３４とを１本の配管で構成できる。配管分岐部３０の構造が単純化するので、量産時の品質誤差も小さくなり、所望の効果が安定して得られる。

図３に示すように、角度αは、入口管３２の中心線Ｌ₁と第１分岐出口管３３の中心線Ｌ₂とのなす角度として定義されうる。同様に、角度βは、入口管３２の中心線Ｌ₁と第２分岐出口管３４の中心線Ｌ₃とのなす角度として定義されうる。正確には、中心線Ｌ₁及び中心線Ｌ₂を含む平面上において、中心線Ｌ₁と中心線Ｌ₂とのなす角度を角度αとして取り扱う。同様に、中心線Ｌ₁及び中心線Ｌ₃を含む平面上において、中心線Ｌ₁と中心線Ｌ₃とのなす角度を角度βとして取り扱う。

本実施形態では、第１分岐出口管３３と第２分岐出口管３４とが同一直線上に位置しているので、中心線Ｌ₂が中心線Ｌ₃に一致している。つまり、入口管３２の中心線Ｌ₁と第１分岐出口管３３の中心線Ｌ₂とが同一平面上に存在し、入口管３２の中心線Ｌ₁と第２分岐出口管３４の中心線Ｌ₃も同一平面上に存在している。したがって、中心線Ｌ₁、中心線Ｌ₂及び中心線Ｌ₃が同一平面上に存在している。ただし、入口管３２、第１分岐出口管３３及び第２分岐出口管３４が必ずしも直管で構成されている必要はなく、これらが曲げ管で構成されていてもよい。

本実施形態では、鉛直方向に関して、第１分岐出口管３３が下に向かって延び、第２分岐出口管３４が上に向かって延びている。配管分岐部３０がこのような姿勢で設置されていると、重力の影響により、液冷媒が第１分岐出口管３３にいっそう流入しやすくなる。もちろん、配管分岐部３０がどのような姿勢で配置されていたとしても、配管分岐部３０の気液分離機能は発揮される。

図１〜３では、分岐出口管３３及び３４の中心線Ｌ₂及びＬ₃が鉛直方向に平行で、入口管３２の中心線Ｌ₁が水平方向に対して５０°傾いている。鉛直方向に関して、アキュムレータ２６の入口は、配管分岐部３０よりも低い位置にある。詳細には、アキュムレータ２６の入口は、配管分岐部３０における分岐点ＣＰよりも下に位置する。この構成によると、ヘッド差の関係により、第２分岐出口管３４に液冷媒が流入しにくい。

配管分岐部３０を構成している各管の断面形状及び寸法は特に限定されない。本実施形態において、入口管３２、第１分岐出口管３３及び第２分岐出口管３４は、それぞれ、円形の断面を有している。また、第１分岐出口管３３が、第２分岐出口管３４の流路面積（断面積）よりも大きい流路面積（断面積）を有している。具体的には、図３に示すように、第１分岐出口管３３の内径Ｄ₂が、第２分岐出口管３４の内径Ｄ₃よりも大きい。この構成によると、液冷媒が第２分岐出口管３４に流入する際の圧力損失勾配がいっそう大きくなる。そのため、内径Ｄ₂が内径Ｄ₃に等しい場合に比べて、液冷媒が第１分岐出口管３３に流入する傾向が強くなる。

内径Ｄ₂と内径Ｄ₃との寸法比は特に限定されず、例えばＤ₂：Ｄ₃＝１．２：１〜２．４：１の範囲内で設定しうる。なお、本実施形態では、入口管３２の内径Ｄ₁は、第１分岐出口管３３の内径Ｄ₂に等しい。

（変形例１）
図４に示すように、第２分岐出口管３４の内径Ｄ₃は、第１分岐出口管３３の内径Ｄ₂よりも大きく設定されていてもよい。この構成によれば、第２分岐出口管３４における冷媒の流速は、第１分岐出口管３３における冷媒の流速を下回る。そのため、冷凍サイクル装置１００の運転条件、冷媒の種類などによっては、Ｄ₂＜Ｄ₃の条件を満たすことにより、気液分離の効果をより十分に得ることができる可能性がある。内径Ｄ₂と内径Ｄ₃との寸法比は特に限定されず、例えばＤ₂：Ｄ₃＝１：１．２〜１：２．４の範囲内で設定しうる。さらに、内径Ｄ₁、内径Ｄ₂及び内径Ｄ₃は等しくてもよい。

（変形例２）
図５Ａに示すように、アキュムレータ２６から圧縮機２１への流路が２つ設けられていることがある。すなわち、圧縮機２１が２つの吸入管２０ａ及び２０ｂを有していることがある。例えば、圧縮機２１が２気筒ロータリ圧縮機のとき、圧縮機２１は、第１圧縮機構２１ａ及び第２圧縮機構２１ｂを有する。第１圧縮機構２１ａと第２圧縮機構２１ｂとは互いに独立しており、冷媒は、第１圧縮機構２１ａ又は第２圧縮機構２１ｂで圧縮される。第１吸入管２０ａ及び第２吸入管２０ｂは、それぞれ、第１圧縮機構２１ａ及び第２圧縮機構２１ｂに接続されている。吸入管２０ａ及び２０ｂを通じて、第１圧縮機構２１ａ及び第２圧縮機構２１ｂのそれぞれにアキュムレータ２６から冷媒が供給されうる。この場合、第２分岐出口管３４を通じて吸入管２０ａ及び２０ｂのそれぞれに冷媒を導くことができるように、第２分岐出口管３４の下流端が２つに分岐して吸入管２０ａ及び２０ｂのそれぞれに接続されていてもよい。このような構成によれば、第１圧縮機構２１ａ及び第２圧縮機構２１ｂのそれぞれに冷媒を均等に供給できる。

また、図５Ｂに示すように、第１圧縮機構２１ａに吸入管２０ａが接続され、第２圧縮機構２１ｂに第２分岐出口管３４が直接接続されていてもよい。すなわち、第１圧縮機構２１ａは、アキュムレータ２６のみから冷媒を吸入する。第２圧縮機構２１ｂは、第２分岐出口管３４のみから冷媒を吸入する。このような構成によれば、配管の接続部を減らすことができる。

（変形例３）
図６に示すように、入口管３２と第１分岐出口管３３とのなす角度αは１８０°であってもよい。図６に示す配管分岐部３０によると、入口管３２と第１分岐出口管３３とが同一直線上に位置している。入口管３２と第２分岐出口管３４とのなす角度βは鋭角である。このような配管分岐部３０によっても、気液分離機能が発揮される。

本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房装置、空気調和装置などに好適に利用できる。

２０ 主冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 室内熱交換器（放熱器）
２３ 膨張機構
２４ 室外熱交換器（蒸発器）
２５ 四方弁
２６ アキュムレータ
３０ 配管分岐部
３２ 入口管
３３ 第１分岐出口管
３４ 第２分岐出口管
１００ 冷凍サイクル装置

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
   前記放熱器で冷却された冷媒を膨張させる膨張機構と、
   前記膨張機構で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した冷媒を受け入れるアキュムレータと、
   前記蒸発器から流出した冷媒を受け入れる入口管と、前記入口管に流入した冷媒を前記アキュムレータに導く第１分岐出口管と、前記入口管に流入した冷媒を前記圧縮機に導く第２分岐出口管とを含み、前記入口管と前記第１分岐出口管とのなす角度が鈍角又は１８０°であり、前記入口管と前記第２分岐出口管とのなす角度が鋭角である、配管分岐部と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。
2. 前記入口管と前記第１分岐出口管とのなす角度が鈍角である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１分岐出口管と前記第２分岐出口管とが同一直線上に位置している、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 鉛直方向に関して、前記第１分岐出口管が下に向かって延び、前記第２分岐出口管が上に向かって延びている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 鉛直方向に関して、前記アキュムレータの入口が、前記配管分岐部における分岐点よりも下に位置している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第１分岐出口管が、前記第２分岐出口管の流路面積よりも大きい流路面積を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   
   
   
   

Images