JP2013124800A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温暖化係数の冷媒を用いた冷凍サイクル装置の圧縮機の吐出温度上昇を抑えるとともに性能の低下を防ぐ。
【解決手段】冷媒として低温暖化係数の冷媒を用いた冷凍サイクル装置のであって、そのサイクル中のアキュムレータ１１７の冷媒出口管１１８に、鉛直方向の異なる高さに複数の小穴１１９を設けた構成としてあり、液冷媒のわずかな液面上昇で液戻り量が増大し、小穴１１９の周囲をアキュムレータ絞り部１１７Ｓのように絞り、小穴１１９周囲の空間を小さくして、液冷媒が溜まったときに少量でヘッド差が出るように構成しているので、液戻り量調整のための液冷媒蓄積量も最小限に抑え、性能の低下を最小にできる。
【選択図】図１

Description

本発明はＲ３２などのように温暖化係数が低く吐出温度が上昇しやすい冷媒を用いた冷凍サイクル装置の圧縮機の過熱防止技術に関するものである。

近年は地球温暖化が大きな問題となり、温暖化係数の低い冷媒を使用しようという動きが顕著になっている。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）の代替冷媒として、自然冷媒や、炭素と炭素間に２重結合を有するハイドロフルオロオレフィンなどの冷媒が注目されている。ＨＣＦＣ−２２（Ｒ２２）については、既にオゾン層保護の観点から、オゾン層を破壊しない冷媒への転換が迫られており、日本ではエアコンなどで新しい装置への使用は終了している。

ハイドロフルオロオレフィンは、ＨＦＣ−１３４ａの代替冷媒として特に注目されており、自動車用エアコンディショナーへの実用化が推進されている。その温暖化係数（ＧＷＰ）はＨＦＯ−１２３４ｙｆの場合４と、ＨＦＣ−１３４ａの１４３０、エアコンなどで使用されているＨＦＣ−４１０Ａの２０９０に比べてきわめて小さい。この温暖化係数が小さいという特性は、炭素間に２重結合を有し分解し易いことに起因している。

また、比較的温暖化係数が低く冷媒として使用できるＨＦＣとしては、ＨＦＣ−４１０Ａの５０％を占め、微燃性を有するＨＦＣ−３２（ＧＷＰ６７５）や、弱燃性のＨＦＣ−１５２ａ（ＧＷＰ１２４）などがあり、強燃性の炭化水素も冷媒として優れた特性を有している。

しかし、ＨＦＯ−１２３４ｙｆの場合、圧力損失が大きくて室内機と室外機が離れて設置されるセパレート型のルームエアコンには不向きであること、ＨＦＣ−１５２ａや炭化水素については、可燃性への対応が性能の低下やコスト増大を招くこと、二酸化炭素については、性能の低下が大きく実用的な性能を得るのが困難なこと、などの課題があり、早期に温暖化係数の低い冷媒に転換するにはＨＦＣ−３２（Ｒ３２）が有望である。

Ｒ３２を冷媒として用いた場合、その温暖化係数は低く地球環境負荷を低減することができるが、Ｒ２２やＨＦＣ−４１０Ａ（Ｒ４１０Ａ）を用いた場合に比べ、吐出温度が上昇する特性を有するため、微燃性に対する対応とともに吐出温度の上昇に対する対応、すなわち圧縮機の過熱に対する対応が必要になってくる。

従来の空気調和機では、圧縮機の吐出温度として最適値があり、膨張弁の開度を調節することにより最適な吐出温度を実現し、圧縮機の過熱を防止している（例えば、特許文献１参照）。膨張弁の開度を開ければ、吐出温度は低下し、開度を絞れば吐出温度は上昇する。従って、吐出温度を下げたい状況の場合には、膨張弁の開度を開ければ良い。そしてこの膨張弁を開いていくと、圧縮機の吸入口において冷媒が完全に蒸発しきらない、湿り状態になり、吐出温度が低下する。

一方で、圧縮機は液冷媒を大量に吸い込むと液圧縮を起こし信頼性を確保できなくなることがあるため、従来の装置においては、通常は気液分離を行い主に気相の冷媒を吸い込むようアキュムレータを設けて、信頼性の低下を防止している。

このアキュムレータは、円筒形の胴体を持った容器に冷媒を導入し、冷媒の流速を遅くするとともに重力の効果により、液冷媒を容器の下部に溜め、気相の冷媒を選択的に吸い
込み、圧縮機などへ送る冷媒出口管が設けられている。サイクル中に吐出されて戻ってきた冷凍機油を圧縮機へ戻すため、冷媒出口管の下部には小穴が設けられており、気相の冷媒に混ぜられて圧縮機へ送られる。このとき、液冷媒が溜まっていれば液冷媒も圧縮機に戻るが、これは少量ずつに制限されることになる。すなわち、通常、この冷媒出口管下部の小穴は１つで所定の大きさのものが設けられている。

また、圧縮機の吸入冷媒を湿らすために、膨張弁の直前あるいは直後からアキュムレータへ、制御弁を備えたバイパス経路を設け、液冷媒を直接戻す方法もある。

特公平３−４０２９５号公報

上記従来の膨張弁開度の調整による吐出温度制御では、アキュムレータは基本的に液冷媒を溜める構造となっていて、液冷媒の戻り口は冷媒出口管下部の小穴１つしかないために、液冷媒の戻り量は小穴の径の大きさと液冷媒のヘッド差によって決定される。したがって、圧縮機の吐出温度を下げたい状況になったとしても圧縮機への液戻り量を多くできず、これを可能にしようとすれば、すなわち、圧縮機の吸入口において冷媒が湿り状態に入り込んだとき、液戻り量を増加させるためには、定常的にアキュムレータ内に多くの液冷媒量を蓄積し、ヘッド差を確保しておく必要がある。

しかしながら、アキュムレータ内に液冷媒を蓄積してしまうと、サイクル内の冷媒量に不足が生じ性能の低下を招くという課題がある。

ここで、冷媒の不足を見越して、あらかじめ冷媒を多めに充填すると、アキュムレータに液冷媒を溜める必要の無い状況において冷媒の過充填となり、その結果性能は低下してしまう。

また、制御弁を備えたバイパス経路を設け、液冷媒を直接戻す方法があるが、この方法では、冷媒不足の問題は同様であり、構成要素が増加し装置のコストが増大することは避けられない。

本発明はこのような従来の課題を解決したもので、吐出温度が上昇しやすい冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、コストの増大や性能の低下を招くことなく圧縮機の過熱を防ぎ、高い信頼性を有する冷凍サイクル装置を提供することを目的としたものである。

上記従来の課題を解決するために本発明は、圧縮機、凝縮機、膨張弁、蒸発器、アキュムレータを冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の冷媒吸込み口の直前に前記アキュムレータを配置し、前記アキュムレータ内に冷媒出口管を設け、この冷媒出口管はその上部に開口を持ち、鉛直方向に高さ位置の異なる複数の小穴を配し、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機へ導入する構成とするとともに、前記圧縮機の吐出冷媒温度に基づいて前記膨張弁の開度を調整する構成としてある。

これにより、前記アキュムレータ内に溜まった液冷媒の液面高さのわずかな変化に対して液戻り量が大きく変化し、前記圧縮機に吸い込まれる冷媒の湿り度を大きく変化させることができる。また、前記アキュムレータの、複数配置された前記小穴の周囲の空間を小さく絞っているので、前記液冷媒の溜り量のわずかな変化に対して前記液冷媒の液面高さ
を大きく変化させることができる。その結果、より効果的に圧縮機に吸い込まれる冷媒の湿り度を大きく変化させることができる。

本発明の空気調和機は、アキュムレータ内に少しの液冷媒を溜めるだけで圧縮機に吸い込まれる冷媒の湿り度を大きく変化させることができ、地球温暖化係数の小さな冷媒を用いても、コストの増大や性能の低下を招くことなく圧縮機の吐出温度の上昇を防ぎ、高い信頼性を有し環境負荷の小さな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における冷凍サイクル装置を適用した空気調和機の構成図

第１の発明は、圧縮機、凝縮機、膨張弁、蒸発器、アキュムレータを冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の冷媒吸込み口の直前に前記アキュムレータを配置し、前記アキュムレータ内に冷媒出口管を設け、この冷媒出口管はその上部に開口を持ち、鉛直方向に高さ位置の異なる複数の小穴を配し、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機へ導入する構成とするとともに、前記圧縮機の吐出冷媒温度に基づいて前記膨張弁の開度を調整する構成としてある。

これにより、前記アキュムレータ内に溜まった液冷媒の液面高さのわずかな変化に対して液戻り量を大きく変化させ前記圧縮機に吸い込まれる冷媒の湿り度を大きく変化させることができる。従って、地球温暖化係数の小さな冷媒を用いても、コストの増大や性能の低下を招くことなく圧縮機の吐出温度の上昇を防ぎ、高い信頼性を有する装置を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明において前記アキュムレータにおける小穴周囲の空間を小さく絞った構成としてあり、液冷媒の溜り量のわずかな変化に対して前記液冷媒の液面高さを大きく変化させることができる。従って、前記アキュムレータに溜める前記液冷媒の量を少なくすることができ、第１の発明における性能の低下をさらに少なくすることができる。

第３の発明は、第１、第２の発明において、前記圧縮機の冷媒吐出温度が、所定の上限値を超えないように膨張弁を制御する構成としてあり、前記圧縮機の温度上昇を防ぐとともに、前記吐出温度が前記上限値以下の条件化では最適な吐出温度で最適な性能で運転することができる。従って、信頼性の確保と最適性能での運転を両立することができる。

第４の発明は、第１、第２、第３の発明において、前記冷媒はその温暖化係数が少なくとも７５０以下の冷媒を使用するものであり、コストの増大や性能の低下を招くことなく、前記圧縮機の温度上昇を抑え、高い信頼性でもって使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置を適用した空気調和機の構成図を示すものである。

図１に示すように、この空気調和機は、室外機１００と室内機１０１を、接続配管つま
り液側接続配管１２６およびガス側接続配管１２７で接続して構成されており、暖・冷房運転を行う。冷媒としてはＲ２２やＲ４１０Ａに比べ温暖化係数が小さく、その温暖化係数が５以上、７５０以下、望ましくは３５０以下の低温暖化冷媒が用いてある。例えば、ＨＦＣ−３２（Ｒ３２）やＨＦＣ−１５２ａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ等の単一冷媒、またはそれらを主成分とし、それぞれ２成分混合もしくは３成分混合した混合冷媒としてあり、この実施の形態ではＲ３２を一例として使用している。

室内機１０１は、室内送風機１１６と、室内熱交換器１１５と、室内熱交換器１１５における冷媒の蒸発温度を検出する室内熱交温度センサ１２４を備えている。

室外機１００は、圧縮機１１１、凝縮器である室外熱交換器１１２、室外送風機１１３、冷媒を減圧膨張させる膨張弁１１４、アキュムレータ１１７と、圧縮機１１１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ１２２と、室外熱交換器１１２における凝縮温度を検出する凝縮温度センサである室外熱交温度センサ１２３と、室外熱交温度センサ１２３と室内熱交温度センサ１２４との出力から理想的な吐出温度を算出し吐出温度センサ１２２との差に応じて膨張弁１１４の開度を調整する制御装置１２５とを備えている。

アキュムレータ１１７には、複数の小穴１１９が鉛直方向の異なる高さに位置するよう設けられた冷媒出口管１１８が、アキュムレータ１１７上部で開口し、下部より引き出されて圧縮機１１１へと冷媒を導入する。

さらに、アキュムレータ１１７は、下部の小穴１１９周囲が、アキュムレータ絞り部１１７Ｓで示すように絞られ、小穴１１９周囲の空間を小さくして、液冷媒が溜まったときに少量でヘッド差が出るように構成されている。

圧縮機１１１は、密閉型のロータリー圧縮機で、インバータにより任意の回転数で駆動されるＤＣブラシレスモータにより回転ピストンが回転し冷媒を圧縮する。冷媒出口管１１８から圧縮機１１１に吸込まれた冷媒は圧縮機１１１で圧縮され、圧縮機１１１の密閉シェル内に送り出され、モータ部を冷却した後吐出される。

従って、圧縮機１１１の吐出温度は、冷媒の最高温度とほぼ等しく、吐出温度センサ１２２の出力をみれば、圧縮機内部の温度を推測することができる。

圧縮機１１１の内部温度が上昇すると、樹脂材料や冷凍機油の劣化やモータのロータを構成する磁性体の減磁などの問題が生じてくる。

そして、使用している材料によって吐出温度の上限が決まり、例えばモータの巻き線に使用する絶縁材料がＥ種であれば許容温度は１２０℃となり、吐出温度は１１０℃以下に抑えるのが望ましいことになる。

一方、冷媒として使用しているＲ３２の物性上、吐出温度がＲ２２やＲ４１０Ａに比べ上昇するという特性がある。

例えば、圧縮機の吸入の飽和温度が１０℃、加熱度が５Ｋの状態から理想的な断熱圧縮が行われ、飽和温度４５℃の状態まで圧縮されたとすると、吐出温度はＲ２２とＲ４１０Ａが約６５℃、Ｒ３２が約７６℃となる。

実際に、ドロップイン試験を行った結果では、同一冷房能力を得る運転において、Ｒ４１０Ａの吐出温度に対してＲ３２の吐出温度は概ね１０℃程度高くなった。

従って、Ｒ３２を使用する装置ではＲ４１０Ａを使用する装置に比べ容易に吐出温度が上昇するため、信頼性確保のため吐出温度を下げるための技術が必要である。

従来例で説明したように膨張弁１１４の開度を開けたり、圧縮機１１１の回転数を下げたりすれば吐出温度が下がることは知られている。しかしながら、圧縮機１１１の回転数を下げれば、空気調和機の能力は低下してしまう。

また、従来の膨張弁を開く方法では、アキュムレータは基本的に液冷媒を溜める構造となっていて、液冷媒の戻り口は冷媒出口管下部の小穴１つしかなく、吐出温度を下げるため冷媒を湿り状態にするには、多量の液冷媒を蓄積しヘッド差を稼がなければならないが、これではサイクル中の冷媒が不足し能力の低下が生じてしまう。

また、従来の技術では、インジェクションサイクルを構成したり、膨張弁の直前あるいは直後からアキュムレータへ調整弁を備えたバイパスを設けて液冷媒を戻したりして吐出温度を下げる技術も知られているが、装置のコストは増大する。

そこで、実施の形態１に示す空気調和機では、アキュムレータ１１７の冷媒出口管１１８に、鉛直方向の異なる高さに複数の小穴１１９を設け、アキュムレータ１１７内の液冷媒の液面が上昇してくると、液戻り量が増大していくので、液冷媒の蓄積量を減らすことができる。その結果、液冷媒を蓄積することによる性能低下を防ぐことができる。

一方、吐出温度が最適値からずれると性能は低下していく。従って、小穴の径を大きくして、液戻り量を増やすと、アキューム内に流れ込んでくる冷媒の湿り度の変動が吐出温度に影響するため、吐出温度の平均値を低めに設定する必要が生じ、性能の低下を招くので、鉛直方向の異なる高さに複数の小穴１１９を設けて液戻りを調整することはこの点で望ましい。

さらに、実施の形態１に示すアキュムレータ１１７は、下部の小穴１１９の周囲がアキュムレータ絞り部１１７Ｓで示すように絞られ、小穴１１９周囲の空間を小さくして、液冷媒が溜まったときに少量でヘッド差が出るように構成されているので、液戻り量調整のための液冷媒蓄積量を最小限に抑え、性能の低下を最小にできる。

さらに、室外熱交温度センサ１２３と室内熱交温度センサ１２４との出力から制御装置１２５が算出した最適な吐出温度が、上限温度（例えば１１０℃）以下であれば、最適吐出温度を目標値として膨張弁１１４の開度を調整し、上限温度を超えるようであれば、上限温度を目標値として膨張弁１１４の開度を調整する。これにより、信頼性を確保しつつも、最も良い性能を実現することができる。

上記のように、実施の形態１の空気調和機は、温暖化係数の小さなＲ３２を、コストの増大や性能の低下を招くことなく、圧縮機の温度上昇を抑え、高い信頼性でもって使用することができる環境負荷の小さな装置を提供することができる。

なお、実施の形態１においては、冷房を行う空気調和機を示したが、暖房あるいは冷暖房を行う装置おいても本発明は効果を奏するものである。この場合、室内熱交換器、室外熱交換器が、暖房、冷房によって、凝縮器、蒸発器と入れ換わるものである。

また、図１における冷媒出口管１１８は、基本形状が直管であるが、Ｕ字管形状であっても、鉛直方向に異なる高さで小穴を設ければ同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明は、温暖化係数の小さな冷媒を、コストの増大や性能の低下を招くことなく、圧縮機の温度上昇を抑え、高い信頼性でもって使用することができる環境負荷の小さな装置を提供することができ、空気調和機だけに止まらず、セパレート型のショーケースや、冷蔵庫などに広く適用すれば、効果をもたらすものである。

１００ 室外機
１０１ 室内機
１１１ 圧縮機
１１２ 室外熱交換器
１１３ 室外送風機
１１４ 膨張弁
１１５ 室内熱交換器
１１６ 室内送風機
１１７ アキュムレータ
１１７Ｓアキュムレータ絞り部
１１８ 冷媒出口管
１１９ 小穴
１２２ 吐出温度センサ
１２３ 室外熱交温度センサ
１２４ 室内熱交温度センサ
１２５ 制御装置
１２６ 液側接続配管
１２７ ガス側接続配管

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮機、膨張弁、蒸発器、アキュムレータを冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機の冷媒吸込み口の直前に前記アキュムレータを配置し、前記アキュムレータ内に冷媒出口管を設け、この冷媒出口管はその上部に開口を持ち、鉛直方向に高さ位置の異なる複数の小穴を配し、前記アキュムレータ内の冷媒を前記圧縮機へ導入する構成とするとともに、前記圧縮機の吐出冷媒温度に基づいて前記膨張弁の開度を調整することを特徴とした冷凍サイクル装置。
2. アキュムレータにおける小穴周囲の空間を小さく絞ったことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機の冷媒吐出温度が、所定の上限値を超えないように膨張弁を制御することを特徴とした請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 冷媒はその温暖化係数が少なくとも７５０以下の冷媒であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。