JP2013139939A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器における気液分離性能を向上させることが可能な冷凍装置を提供する。
【解決手段】第１気液分離器６１は、膨張機５６の下流側に接続され、内部の冷媒を第１気相領域６１ａと第１液相領域６１ｂに分ける。第２気液分離器６５は、第１気液分離器６１から供給される冷媒を、第２気相領域６５ａと第２液相領域６５ｂに分ける。第１気相配管６２は、第１気相領域６１ａと第２気相領域６５ａを接続する。第１液相配管６３は、第１液相領域６１ｂと第２液相領域６５ｂを接続する。第１吸入側回路９８は、第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａの冷媒を、第１圧縮機２１の吸入側に送るための配管である。液冷媒連絡配管５は、第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂの冷媒を蒸発器として機能する利用側熱交換器７ａ、７ｂに送るための配管である。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

例えば、特許文献１（特開２００９−８３５０号公報）に記載のように、膨張機において減圧された冷媒を、膨張機の下流側に接続されており気液分離器として機能する冷媒貯留タンクによって、ガス冷媒と液冷媒に分離する冷凍装置が提案されている。

この冷凍装置では、分離された気相冷媒を減圧させ、液相冷媒と熱交換させることにより、液相冷媒の過冷却度を高めている。

ところが、上述の特許文献１（特開２００９−８３５０号公報）に記載されているような冷媒貯留タンクでは、気相冷媒と液相冷媒との分離が不十分になるおそれがある。例えば、膨張機から送られてくる冷媒流れは、液相の多い部分と気相の多い部分とが交互に送られるスラグ流となることがあり、冷媒貯留タンクへ流入する冷媒速度が一定でないことがある。特に、上記スラグ流中のうち気相冷媒の部分については流速が早くなりがちであるため、冷媒貯留タンクの液面が安定しにくい。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、気液分離器における気液分離性能を向上させることが可能な冷凍装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張機、及び、利用側熱交換器が接続されており、冷媒を循環させることで冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置であって、第１気液分離器と、第２気液分離器と、第１気相配管と、第１液相配管と、吸入配管と、接続配管と、を備えている。第１気液分離器は、膨張機の下流側に接続され、内部の冷媒を第１気相領域と第１液相領域に分ける。第２気液分離器は、第１気液分離器から供給される冷媒を、第２気相領域と第２液相領域に分ける。第１気相配管は、第１気液分離器の第１気相領域と第２気液分離器の第２気相領域を接続する。第１液相配管は、第１気液分離器の第１液相領域と第２気液分離器の第２液相領域を接続する。吸入配管は、第２気液分離器の第２気相領域の冷媒を、圧縮機の吸入側に送るための配管である。接続配管は、第２気液分離器の第２液相領域の冷媒を、熱源側熱交換器と利用側熱交換器のうち冷媒の蒸発器として機能する熱交換器に送るための配管である。

この冷凍装置では、第２気液分離器に流入する前に、より上流側に配置された第１気液分離器において気液分離が行われている。このため、第１気液分離器に流入する冷媒流れが気相冷媒と液相冷媒が混在したスラグ流になっており、第１気液分離器内において気相冷媒の存在する領域と液相冷媒の存在する領域との境界が明確になっていない状況であっても、第１気液分離器の内部において、気相冷媒の比率を高めた領域と液相冷媒の比率を高めた領域とに分けることができる。

そして、気相冷媒の比率が高められた領域の冷媒は、第１気相配管を介して第２気液分離器の第２気相領域に送られ、液相冷媒の比率が高められた領域の冷媒は、第１液相配管を介して第２気液分離器の第２液相領域に送られる。

このため、第２気液分離器内において気相冷媒の存在する領域と液相冷媒の存在する領域との境界を、第１気液分離器内における当該境界よりも、明確化させた状態で、安定的に維持することができる。これにより、第２気液分離器から吸入配管に送られる気相冷媒と、第２気液分離器から接続配管に送られる液相冷媒と、の分離性能を高めることが可能になる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置において、第１気液分離器の内容積は、第２気液分離器の内容積よりも小さい。

一般に、冷凍装置において、気液分離器が１つだけ設けられている場合には、内容積を大きくすることで気液境界を安定的に維持することができる。ところが、気液分離器が１つだけ設けられている場合には、気液境界を安定的に維持するために必要となる内容積が大きいため、大きな設置スペースが必要になってしまう。

これに対して、この冷凍装置では、気液分離器を２段階に配置した場合において上流側に配置されている第１気液分離器の内容積を第２気液分離器の内容積よりも小さくしている。これにより、第１気液分離器と第２気液分離器の合計内容積を、気液分離器が１つの場合に必要となる内容積と比較して小さくし、気液分離器が１つだけ設けられている場合の気液分離性能と同等の効果を得ることが可能になる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点または第２観点に係る冷凍装置において、第１気相配管の第２気液分離器側端部は、第１液相配管の第２気液分離器側端部よりも高い位置にある。

この冷凍装置では、第２気液分離器内の気液境界を、より明確化させた状態で安定的に維持することが可能になる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第３観点に係る冷凍装置において、第２気液分離器は、冷媒回路におけるレシーバとしての機能を有している。第１液相配管の第２気液分離器側端部は、第２気液分離器のレシーバとしての設計最高液面高さの近くに位置している。

この冷凍装置では、第１液相配管を経由して第２気液分離器に流入してくる液冷媒の流入位置を、第２気液分離器の液面高さよりも高い位置に維持することができる。これにより、第２気液分離器内の液面を明確化させた状態で安定的に維持することが可能になる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第１観点から第４観点のいずれかに係る冷凍装置において、第１気液分離器は、流入した冷媒を旋回させて気液分離を行う旋回式である。第２気液分離器は、容積式である。

この冷凍装置では、第１気液分離器については旋回流を生じさせるような接続形態であれば任意の方向から冷媒配管の接続が可能になるため、第１気液分離器の取付方向の規制を緩和させることができる。これにより、第１気液分離器の取付方向の規制を緩和させつつ、気液分離性能を高めることができる。

本発明の第１観点に係る冷凍装置では、第２気液分離器から吸入配管に送られる気相冷媒と、第２気液分離器から接続配管に送られる液相冷媒と、の分離性能を高めることが可能になる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置では、気液分離性能を保ったままで、第１気液分離器と第２気液分離器の合計内容積を小さくしすることが可能になる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置では、第２気液分離器内の気液境界を、より明確化させた状態で安定的に維持することが可能になる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置では、第２気液分離器内の液面を明確化させた状態で安定的に維持することが可能になる。

本発明の第５観点に係る冷凍装置では、第１気液分離器の取付方向の規制を緩和させつつ、気液分離性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の冷媒回路概略図である。 本発明の第１実施形態に係る冷媒回路のモリエル線図である。 本発明の第１実施形態に係る気液分離機構の概略図である。 本発明の第１実施形態に係るサイクロン式気液分離器の径方向視断面概略図である。 本発明の第１実施形態に係るサイクロン式気液分離器の軸方向視概略図である。 膨張機における減圧程度と利用側に送られる冷媒の過冷却度との関係を説明するモリエル線図である。 他の実施形態に係る気液分離機構の概略図である。

（１）第１実施形態
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態が採用された冷凍装置１を説明する。

（１−１）冷凍装置の全体構成
図１に、冷凍装置１の冷媒回路概略図を示す。図２に、当該冷媒回路のモリエル線図を示す。

冷凍装置１は、第１吸入側回路９８、第２吸入側回路９９、圧縮機構としての第１圧縮機２１および第２圧縮機２６と、第１四路切換弁２４および第２四路切換弁２９と、熱源側熱交換器３５と、インタークーラ３０と、ブリッジ回路４０と、第１冷媒配管５８と、インジェクション回路５０と、エコノマイザ熱交換器５１と、エコノマイザ膨張弁５２と、膨張機５６と、膨張機バイパス回路５５と、バイパス膨張弁５７と、気液分離機構６０としての第１気液分離器６１、第１気相配管６２、第１液相配管６３および第２気液分離器６５と、第２冷媒配管７０と、過冷却回収熱交換器７１と、回収回路８１と、回収膨張弁８２と、過冷却回路８３と、過冷却膨張弁８４と、過冷却回収回路７８と、液冷媒連絡配管５と、第１利用側膨張弁８ａと、第２利用側膨張弁８ｂと、第１利用側熱交換器７ａと、第２利用側熱交換器７ｂと、ガス冷媒連絡配管６と、各逆止弁２２、２５、２７、３１と、を備えた冷媒回路と、第１利用側ファン９ａと、第２利用側ファン９ｂと、熱源側ファン３６と、を備えている。

冷媒回路には、冷媒として、例えば、二酸化炭素冷媒が封入されている。冷媒回路内では、この冷媒を循環させることにより冷凍サイクルが行われる。

なお、図１において、第１四路切換弁２４および第２四路切換弁２９は、熱源側熱交換器３５を冷媒の放熱器として、第１利用側熱交換器７ａおよび第２利用側熱交換器７ｂを冷媒の蒸発器として機能させる運転（すなわち、冷房運転）を実行する際の接続状態の例を実線で示しており、第１利用側熱交換器７ａおよび第２利用側熱交換器７ｂを冷媒の放熱器として熱源側熱交換器３５を冷媒の蒸発器として機能させる運転（すなわち、暖房運転）を実行する際の接続状態を点線で示している。以下の冷媒回路構成の接続状態の説明は、冷房運転の接続状態について説明する。

第１吸入側回路９８は、第２四路切換弁２９のポートの１つと、第１圧縮機２１の吸入側を接続している。

第１圧縮機２１は、第１吸入側回路９８を通じてガス冷媒を吸入し、圧縮して第１四路切換弁２４側に向けて吐出する。第１圧縮機２１の吐出側と、第１四路切換弁２４との間に、当該第１四路切換弁２４側に流れる冷媒流れのみを許容する逆止弁２２が設けられている。

第２吸入側回路９９は、第１四路切換弁２４のポートの１つと、第２圧縮機２６の吸入側とを接続しており、途中にインタークーラ３０と、インタークーラ３０と第２圧縮機２６の吸入側との間において第２圧縮機２６への吸入流れのみを許容する逆止弁３１と、を有している。この冷房運転では、第１圧縮機２１から吐出されて第１四路切換弁２４を通過した冷媒は、第２吸入側回路９９内を流れて、インタークーラ３０を通過し（点Ｃ）、逆止弁３１を通過して後述するインジェクション回路５０からの冷媒と合流した後（点Ｄ）第２圧縮機２６に吸入される。

第２圧縮機２６の吐出側と、第２四路切換弁２９との間には、第２圧縮機２６の吐出側から第２四路切換弁２９側に向かう冷媒流れのみを許容する逆止弁２７が設けられている。

熱源側熱交換器３５は、第２四路切換弁２９の１つのポートと、ブリッジ回路４０とを繋ぐ配管の途中に設けられている。

熱源側ファン３６は、熱源側熱交換器３５とインタークーラ３０との両方に、冷却用の流体を送る。この熱源側ファン３６は、例えば、熱源側熱交換器３５やインタークーラ３０が屋外に設置されている場合に、屋外空気を熱源側熱交換器３５やインタークーラ３０に対して送ることになる。

ブリッジ回路４０は、第１ポートＨ１、第２ポートＨ２、第３ポートＨ３、第４ポートＨ４の４つの接続ポートを有している。第１ポートＨ１と第２ポートＨ２とは、第２ポートＨ２側に向かう冷媒流れのみを許容する逆止弁４２を介して接続されている。第３ポートＨ３と第４ポートＨ４とは、第４ポートＨ４側に向かう冷媒流れのみを許容する逆止弁４４を介して接続されている。第１ポートＨ１と第３ポートＨ３とは、ブリッジ膨張弁４１を介して接続されている。第４ポートＨ４と第２ポートＨ２とは、第２ポートＨ２側に向かう冷媒流れのみを許容する逆止弁４３を介して接続されている。第１ポートＨ１と第４ポートＨ４とは接続されていない。また、第２ポートＨ２と第３ポートＨ３も接続されていない。

第１冷媒配管５８は、ブリッジ回路４０の第２ポートＨ２から気液分離機構６０まで延びている冷媒配管であり、途中にエコノマイザ熱交換器５１と、膨張機５６、バイパス膨張弁５７を有している。

インジェクション回路５０は、第１冷媒配管５８におけるブリッジ回路４０の第２ポートＨ２とエコノマイザ熱交換器５１との間（点Ｉ）から分岐し、第２吸入側回路９９の点Ｄで合流するように延びている回路である。

エコノマイザ熱交換器５１は、このインジェクション回路５０の途中に設けられたエコノマイザ膨張弁５２で減圧された冷媒（点Ｊ）と、第１冷媒配管５８を流れる冷媒と、の間で熱交換を行わせる。

膨張機５６は、第１冷媒配管５８のうち、エコノマイザ熱交換器５１において熱交換を終えた冷媒を膨張させる装置であり、膨張によって動力回収を行う。膨張機５６は、回収する動力もしくは冷媒の減圧程度を回転数制御されている。なお、膨張機５６において回収された動力は、図示しない装置を用いて電力に変換され、冷凍装置１の各構成機器（例えば、第１圧縮機２１や第２圧縮機２６）において電力として利用される。

膨張機バイパス回路５５は、第１冷媒配管５８のうち、膨張機５６の上流側（点Ｋ）と膨張機５６の下流側（点Ｌ）とを接続しており、途中にバイパス膨張弁５７が設けられている。

気液分離機構６０は、第１冷媒配管５８に接続された第１気液分離器６１と、第２気液分離器６５と、第１気液分離器６１と第２気液分離器６５とを接続する第１気相配管６２および第１液相配管６３を有しており、冷媒回路中における余剰冷媒を蓄えるレシーバとしても機能する。図３に、気液分離機構の概略図を示す。また、図４に、サイクロン式気液分離器である第１気液分離器６１の径方向視断面概略図を示す。図５に、第１気液分離器６１の軸方向視概略図を示す。

第１気相配管６２は、図３および図４に示すように、第１気液分離器６１内のうち気相状態の冷媒の比率が高い領域である第１気相領域６１ａから、第２気液分離器６５の上方の空間まで延びる冷媒配管である。第１気相配管６２の下流側端部は、水平方向に延びるようにして第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａに接続されている。

第１液相配管６３は、図３および図４に示すように、第１気液分離器６１内のうち液相状態の冷媒の比率が高い領域である第１液相領域６１ｂから、第２気液分離器６５内の気相状態の冷媒の多い第２気相領域において、第１気相配管６２の先端位置よりも下方に先端位置が位置するように延びる冷媒配管である。また、第１液相配管６３の下流側端部は、水平方向に延びるようにして第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａに接続されている。なお、この第１液相配管６３の出口先端は、第２気液分離器６５の設計最高液面高さよりも高い位置に配置されている。この設計最高液面高さとは、第１圧縮機２１、第２圧縮機２６および膨張機５６等の運転状態および使用される環境条件に基づいて予め定められるものである。

第１気液分離器６１は、径方向視断面概略図である図４、および、軸方向視概略図である図５に示すように、サイクロン式の気液分離器である。第１気液分離器６１は、同心の配置関係となっており互いに内部空間が連通している、導入室１０と、増速室１４と、導出室１７とを有している。

導入室１０は、側壁１２と周壁１３とを有する円筒形状である。第１冷媒配管５８は、導入室１０の周壁１３の一部に対して、当該一部の周方向（接線方向）に接続されており、導入室１０内に冷媒の渦流れを形成させることを可能にしている。この導入室１０の側壁１２は、円形状であり、周面に形成された冷媒導入口１１を介して第１気相配管６２が延びだしている。第１冷媒配管５８を介して導入室１０に流入した冷媒は、周壁１３の内壁面に沿って旋回し、ガス冷媒が中心部に集まっていく。そして、中心部に集まったガス冷媒は、第１気相配管６２に抽出されていく。

増速室１４は、導入室１０から離れるにつれて半径が短くなる絞り周壁１５を有しており、部分的な円錐形状となっている。増速室１４の入口側の半径は、導入室１０の半径と同一である。増速室１４の出口側には、増速室１４のうち導入室１０側とは反対側の端部に形成され、入口側よりも半径が小さい連絡口１６が設けられている。

導出室１７は、周方向の壁面を構成する周壁１８と、導入室１０側とは反対側の側面を構成する側壁１９と、を有しており、円筒形状に形成されている。導出室１７の周壁１８の内径は、増速室１４の連絡口１６の内径よりも大きく、かつ、第１液相配管６３の内径よりも大きくなるように形成されている。導出室１７の側壁１９は、円形状であり、その円心部分からは、第１液相配管６３が延び出している。導出室１７の中心には、導入室１０に導入された冷媒と比べて液冷媒の比率が増大した冷媒が、第１液相配管６３に抽出されていく。

第２気液分離器６５は、図３に示すように、容積式の気液分離器であり、内部空間のうち上方に第２気相領域６５ａを、内部空間のうち下方に第２液相領域６５ｂを、それぞれ有している。なお、第２気液分離器６１内における内容積は、第１気液分離器６１の内容積の２倍から１０倍の範囲であり、例えば、７倍の大きさになっている。

第２冷媒配管７０は、第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂのうちの下方の領域から延び出している冷媒配管であり、ブリッジ回路４０の第３ポートＨ３と接続されている。

過冷却回収熱交換器７１は、第２冷媒配管７０の途中に設けられている。

回収回路８１は、第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａのうち、上方の壁面から延び出しており、後述する過冷却回路８３と合流する合流点（点Ｓ）まで延びている。回収膨張弁８２は、回収回路８１の途中に設けられている。

過冷却回路８３は、第２冷媒配管７０のうち、第２気液分離器６５と過冷却回収熱交換器７１との間の分岐点（点Ｎ）から分岐し、回収回路８１と合流する合流点（点Ｓ）まで延びている。過冷却膨張弁８４は、過冷却回路８３の途中に設けられている。

過冷却回収回路７８は、回収回路８１と過冷却回路８３との合流点（点Ｓ）から第１吸入側回路９８の合流点（点Ｘ）まで延びている。

過冷却回収熱交換器７１では、第２冷媒配管７０を流れる冷媒と、過冷却回収回路７８を流れる冷媒と、の間で熱交換が行われる。ここでの第２冷媒配管７０の冷媒流れと、過冷却回収回路７８の冷媒流れとは、互いに対向流の関係となっている。

液冷媒連絡配管５は、熱源側の端部が冷媒配管を介してブリッジ回路４０の第４ポートＨ４と接続されている。この液冷媒連絡配管５は、５０〜２００ｍのような非常に長い配管である。また、液冷媒連絡配管５の利用側の端部は、冷媒配管を介して、第１利用側膨張弁８ａと第２利用側膨張弁８ｂのそれぞれに向けて分岐する分岐点（点Ｕ）と接続されている。

第１利用側熱交換器７ａは、第１利用側膨張弁８ａに対して接続されている。第１利用側ファン９ａは、第１利用側熱交換器７ａに対して流体を供給する。第２利用側熱交換器７ｂは、第２利用側膨張弁８ｂに対して接続されている。第２利用側ファン９ｂは、第２利用側熱交換器７ｂに対して流体を供給する。ここで、例えば、第１利用側熱交換器７ａや第２利用側熱交換器７ｂが室内に配置されており、室内空気の温度調節のために用いられる場合には、第１利用側ファン９ａ（第２利用側ファン９ｂ）は、室内の空気を取り込んで第１利用側熱交換器７ａ（第２利用側熱交換器７ｂ）に通じて、温度調節された空気を再び室内に供給するための空気流れを形成させる。

ガス冷媒連絡配管６は、利用側の端部が、第１利用側熱交換器７ａのうち第１利用側膨張弁８ａとは反対側に向けて延びる冷媒配管と、第２利用側熱交換器７ｂのうち第２利用側膨張弁８ｂとは反対側に向けて延びる冷媒配管と、の合流点（点Ｗ）に対して、冷媒配管を介して接続されている。ガス冷媒連絡配管６は、熱源側の端部が、第２四路切換弁２９のポートの１つに対して、冷媒配管を介して接続されている。このガス冷媒連絡配管６についても、液冷媒連絡配管５と同様に、５０〜２００ｍのような非常に長い配管である。

なお、第１圧縮機２１および第２圧縮機２６の駆動状態、第１四路切換弁２４および第２四路切換弁２９の接続切換状態、ブリッジ回路４０のブリッジ膨張弁４１の弁開度、エコノマイザ膨張弁５２の弁開度、膨張機５６の動力回収程度、バイパス膨張弁５７の弁開度、回収膨張弁８２の弁開度、過冷却膨張弁８４の弁開度、第１利用側膨張弁８ａおよび第２利用側膨張弁８ｂの弁開度、第１利用側ファン９ａと第２利用側ファン９ｂと熱源側ファン３６の流体供給量（例えば、風量）は、制御部３によってコントロールされる。

（１−２）第１気液分離器における気液分離動作
上述したように構成された第１気液分離器６１は、以下に述べるようにして気液二相流状態の冷媒からガス冷媒を分離させる。まず、円筒形状の導入室１０に対し、図４に示すように、導入室１０内を旋回するのに十分な流速を持たせた気液二相流を、周壁１３の内壁面に沿って導入させる。

そうすると、気液二相冷媒のうち比重が大きな液冷媒は、遠心力によってほぼ周壁１３の内壁面に沿って集まり、比重の小さなガス冷媒は、旋回流の中央部に集まることになる。ここで、導入室１０で生成された旋回流は、導入室１０、増速室１４および導出室１７を貫通する軸心上に旋回流の中心が形成されるようになると、旋回流が安定し好ましい状態となるが、当初は、導入室１０で生成される冷媒旋回流の中心は、必ずしも軸心と一致しない。これに対して、増速室１４に流入した冷媒は、増速されることにより、周壁の内壁面部と中心部の分離がより明確にされるとともに、冷媒旋回流の中心が導出室１７の中心に近づき、液膜が安定化される。

また、増速室１４は、先細の円錐状に形成されているので、この増速室１４を通過する冷媒旋回流の旋回径が出口に向かうにつれて小さくなり、冷媒の旋回速度が高まる。また、このように冷媒の旋回径が小さくなるとともに増速されることにより増速室１４内における冷媒旋回流が安定する。特に、冷媒流れに間欠的な変化が生じているスラグ流等の気液二相流が冷媒導入口１１から導入される状態であっても、その冷媒の密度分布の不連続性が低減される。

また、出口の連絡口１６に向かうにつれ冷媒の旋回径を小さくすることにより、冷媒旋回流の中心を中心軸に近付けることができる。また、冷媒旋回流が安定すると、増速室１４内における冷媒密度が、この増速室１４と中心を同一とする円形の等高線状に分布するようになる。したがって、この増速室１４の形状によって冷媒の旋回速度の増加及び冷媒の密度分布の安定化の両方を実現することができるとともに、冷媒の旋回速度増加及び冷媒の密度分布の安定化のための特別な器具等を省略することができ、これにより第１気液分離器６１の構成を簡略化することができる。

また、導入室１０から増速室１４への冷媒は、導入室１０においてガス冷媒が分離された後の冷媒であるため、冷媒中のガス冷媒の割合が減少している。このため、液膜が均一化され易くなり、増速室１４における気液分布が安定し、導入室１０及び増速室１４における冷媒旋回流が安定する。そして、増速室１４からの冷媒は、増速室１４の先端に形成された連絡口１６から比較的小さい直径の導出室１７に導入される。

増速室１４から導出室１７への冷媒噴流は、連絡口１６の半径が、導出室１７の半径よりも小さいので、液冷媒が旋回流の遠心力で周壁１８の内壁面に吹き飛ばされ、ガス冷媒が中心部から噴出される。このため、導出室１７においては、周壁１８の内壁面に沿って液混じりの冷媒旋回流が形成される。これにより前述の導入室１０および増速室１４における旋回流を安定化させることができる。さらに、導入室１０でも、一旦ガス冷媒が第１気相配管６２に流入され始めると、吸込まれる流速が早いため密度の小さいガス冷媒はさらに中心に集まり易くなる。これによっても、冷媒旋回流が安定化されるので、導入室１０の中央部からガス冷媒を安定的に抽出することができる。一方、導出室１７の側壁１９の中心部に設けられた第１液相配管６３からは液冷媒の比率が高められた冷媒が導出される。

（１−３）冷房運転
以下、第１四路切換弁２４および第２四路切換弁２９を図１に実線で示す接続状態に切り換えて、熱源側熱交換器３５を冷媒の放熱器として機能させ、第１利用側熱交換器７ａおよび第２利用側熱交換器７ｂを冷媒の蒸発器として機能させる冷房運転を実行する際の冷媒状態の変化を説明する。

なお、図１に示す冷媒回路で冷房運転を行った場合における、冷媒回路の各ポイントの冷媒の状態は、図２のモリエル線図上に同じアルファベット記号として示されている状態に対応するものとする。

第１吸入側回路９８を介して吸入されたガス冷媒（点Ａ）は、第１圧縮機２１に吸入されて加圧される。第１圧縮機２１から吐出した冷媒（点Ｂ）は、第１四路切換弁２４を通じてインタークーラ３０まで導かれ、熱源側ファン３６から供給される流体によって冷やされる（点Ｃ）。インタークーラ３０を流出した冷媒は、後述するインジェクション回路５０の出口冷媒と合流し（点Ｄ）、上述した点Ｅ、点Ｆ１を通過して、第２圧縮機２６に吸入される。

第２圧縮機２６に吸入された冷媒は、加圧され高圧高温冷媒となって（点Ｇ）、点Ｆ２、第２四路切換弁２９を通過して、熱源側熱交換器３５まで送られる。

熱源側熱交換器３５を通過する冷媒は、熱源側ファン３６から供給される流体によって冷やされることで、冷媒が保持している熱を放熱する。熱源側熱交換器３５で放熱を終えた冷媒は、ブリッジ回路４０の第１ポートＨ１、第２ポートＨ２を通過した後（点Ｉ）、一部がインジェクション回路５０側に分岐し、一部がエコノマイザ熱交換器５１に流入する。なお、ブリッジ回路４０のブリッジ膨張弁４１は、冷房運転時は、全閉状態に制御されている。

エコノマイザ熱交換器５１を通過する冷媒は、インジェクション回路５０のエコノマイザ膨張弁５２において減圧された冷媒（点Ｊ）と熱交換し、冷却される（点Ｋ）。他方、インジェクション回路５０においてエコノマイザ熱交換器５１を通過して暖められた冷媒は、第２吸入側回路９９の合流点Ｄに送られる。

エコノマイザ熱交換器５１を流出した冷媒（点Ｋ）は、膨張機５６に流入した冷媒は、減圧されることで気液二相状態となる（点Ｌ）。この際、膨張機５６で回収された動力は、電力に変換され、冷凍装置１の各構成機器で消費される電力となる。なお、バイパス膨張弁５７の弁開度を開ける制御を行っている場合には、膨張機バイパス回路５５を流れ、バイパス膨張弁５７によって減圧されることで気液二相状態の冷媒となる。このバイパス膨張弁５７の弁開度を開ける制御は、冷媒回路を流れる冷媒の循環量が不足している状況や、膨張機５６の回転数が最低回転数まで下げられている状態であっても循環量が多すぎる場合に、制御部３によって行われている。

このように気液二相状態になった冷媒は、気液分離機構６０の第１気液分離器６１に送られる。第１気液分離器６１の第１気相領域６１ａの冷媒は、第１気相配管６２を介して、第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａの上方空間に送られる。第１気液分離器６１の第１液相領域６１ｂの冷媒は、第１液相配管６３を介して、第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａの下方空間に送られる。

第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａの飽和ガス冷媒は、回収回路８１に流入し、回収膨張弁８２において減圧される（点Ｑ）。

第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂの飽和液冷媒は、第２冷媒配管７０の途中に設けられている過冷却回収熱交換器７１を通過して、ブリッジ回路４０の第３ポートＨ３に送られる。ここで、第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂの冷媒は、過冷却回収熱交換器７１に送られる前に、分岐点Ｎにおいて分岐し、過冷却回路８３に流入し、過冷却膨張弁８４において減圧される（点Ｒ）。

回収膨張弁８２において減圧された冷媒（点Ｑ）と、過冷却膨張弁８４において元夏された冷媒（点Ｒ）と、は合流点Ｓにおいて合流し、過冷却回収回路７８に流入する。

過冷却回収回路７８を流れる冷媒は、過冷却回収熱交換器７１において、第２冷媒配管７０側を流れる冷媒との間で熱交換を行って、暖められ（点Ｔ）、第１吸入側回路９８の合流点Ｘに送られる。

第２冷媒配管７０側を流れる冷媒は、過冷却回収熱交換器７１において、過冷却回収回路７８を流れる冷媒と熱交換を行って冷却され、過冷却状態となり、ブリッジ回路４０の第３ポートＨ３、第４ポートＨ４、および、液冷媒連絡配管５を介して利用側に送られる。

液冷媒連絡配管５を通過した冷媒は、分岐点Ｕにおいて分岐され、第１利用側膨張弁８ａと第２利用側膨張弁８ｂとに分けて送られる。第１利用側膨張弁８ａにおいて減圧された冷媒（点Ｖａ）は、第１利用側熱交換器７ａにおいて、第１利用側ファン９ａから供給される流体によって蒸発する。第２利用側膨張弁８ｂにおいて減圧された冷媒（点Ｖｂ）についても同様に、第２利用側熱交換器７ｂにおいて、第２利用側ファン９ｂから供給される流体によって蒸発する。これらの蒸発した冷媒は、合流点Ｗにおいて合流した後、第２四路切換弁２９および第１吸入側回路９８、点Ｙを通過して第１圧縮機２１に吸入される。このようにして、冷房運転の冷凍サイクルが繰り返されることになる。

（１−４）暖房運転
暖房運転では、第１四路切換弁２４および第２四路切換弁２９を図１に点線で示す接続状態に切り換えて、第１利用側熱交換器７ａおよび第２利用側熱交換器７ｂを冷媒の放熱器として機能させ、熱源側熱交換器３５を冷媒の蒸発器として機能させる。

暖房運転では、第１圧縮機２１からの吐出冷媒が、インタークーラ３０に供給されないように、第１四路切換弁２４を通過した冷媒を逆止弁２５を通過させることで、第２圧縮機２６の吸入側に送る。

第１利用側熱交換器７ａにおいて放熱して第１利用側膨張弁８ａにおいて減圧された冷媒、および、第２利用側熱交換器７ｂにおいて放熱したて第２利用側膨張弁８ｂにおいて減圧された冷媒は、合流点Ｕで合流し、液冷媒連絡配管５を通過して、ブリッジ回路４０の第４ポートＨ４、第２ポートＨ２を通過し、エコノマイザ熱交換器５１に流入する。なお、暖房運転においては、インジェクション回路５０におけるエコノマイザ膨張弁５２は全閉状態に制御されている。

エコノマイザ熱交換器５１を流出した冷媒は、膨張機５６もしくはバイパス膨張弁５７を通過して、気液分離機構６０に流入する。

第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａの冷媒が回収回路８１、過冷却回路８３および過冷却回収回路７８を通過していく様子は、上記冷房運転時と同様である。

第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂは、第２冷媒配管７０に流入し、過冷却回収回路７８を通過して、ブリッジ回路４０の第３ポートＨ３に送られる。第３ポートＨ３に送られた冷媒は、ブリッジ膨張弁４１において減圧されて、第１ポートＨ１を介して熱源側熱交換器３５に流入する。

熱源側熱交換器３５を通過する冷媒は、熱源側ファン３６によって供給される流体によって蒸発し、第２四路切換弁２９および第１吸入側回路９８を介して第１圧縮機２１からの吸入側に送られる。このようにして、暖房運転の冷凍サイクルが繰り返されることになる。

（１−５）第１実施形態の特徴
（１−５−１）
上記実施形態の冷凍装置１では、膨張機５６において冷媒を減圧するとともに、動力回収を行うことで、サイクルのＣＯＰを向上させることができている。

ここで、膨張機５６における冷媒の減圧程度が大きければ大きいほど、膨張機５６として回収できる動力の量が増大することになる。

（１−５−２）
上記実施形態の冷凍装置１の膨張機５６において、冷媒を十分に減圧した場合には、モリエル線図上において膨張機５６の出口の冷媒が、飽和液線を下回った気液二相状態となることがある。このため、膨張機５６を出て第１気液分離器６１に流入する冷媒の流れが、気相冷媒と液相冷媒が混在したスラグ流になっていることがある。このスラグ流は、液相冷媒の流速よりも気相冷媒の流速の方が早い状態で流れていることがあり、下流側の気液分離器の液面を乱す要因と考えられる。

これに対して、上記実施形態の冷凍装置１の気液分離機構６０では、第２気液分離器６５に冷媒を流入させる前に、より上流側に配置された第１気液分離器６１において気液分離が行われている。

このため、膨張機５６を出て第１気液分離器６１に流入する冷媒がスラグ流になっており、第１気液分離器６１内において気相冷媒の存在する領域と液相冷媒の存在する領域との境界を不明瞭にしてしまう状況が生じても、第１気液分離器６１の内部において、気相冷媒の比率を高めた領域と液相冷媒の比率を高めた領域とに分けた上で、第２気液分離器６５においてさらに気相冷媒と液相冷媒とを分離することができる。

しかも、気相冷媒の比率が高められた領域の冷媒は、第１気相配管６２を介して第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａに送られ、液相冷媒の比率が高められた領域の冷媒は、第１液相配管６３を介して第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂに送られる。このため、第２気液分離器６５内において気相冷媒の存在する領域と液相冷媒の存在する領域との境界を、第１気液分離器６１内における当該境界よりも、明確化させた状態で、安定的に維持することができる。これにより、第２気液分離器６５から流れ出る冷媒の分離性能を高めることが可能になっている。

（１−５−３）
一般に、冷凍装置において、気液分離器が１つだけ設けられている場合には、内容積を大きくすることで気液境界を安定的に維持することができる。ところが、気液分離器が１つだけ設けられている場合には、気液境界を安定的に維持するために必要となる内容積が大きいため、大きな設置スペースが必要になってしまう。

これに対して、上記実施形態の冷凍装置１では、第１気液分離器６１と第２気液分離器６５との複数台の気液分離器を直列接続しており、第２気液分離器６５の内容積よりも内容積が小さい第１気液分離器６１を採用している。

これにより、気液分離器が１つだけ設けられている場合の気液分離性能と同等の効果を得つつ、第１気液分離器６１と第２気液分離器６５の合計内容積を、気液分離器が１つの場合に必要となる内容積と比較して小さくすることが可能になっている。

（１−５−４）
上記実施形態の冷凍装置１では、第１気相配管６２の第２気液分離器６５側の端部は、第１液相配管６３の第２気液分離器６５側の端部よりも高い位置となるように配置しており、しかも、端部は水平方向に延びている。

このため、容積式の第２気液分離器６５に対して冷媒を流入させる場合に、気液境界の乱れの発生をできるだけ少なく抑え、気液境界をより明確化させた状態で安定的に維持することが可能になっている。

（１−５−５）
上記実施形態の冷凍装置１では、第１気液分離器６１としてサイクロン式の気液分離器を採用している。

このため、導入室１０内における冷媒旋回流を重力の影響を受けにくくして安定化させることができ、第１気液分離器６１を冷凍装置内への組み込みする際の取付方向に関する制約を緩和させ、取扱いを容易することが可能になっている。

（１−５−６）
上記実施形態の冷凍装置１では、膨張機５６を通過して気液二相状態となった冷媒は、気液分離機構６０において気相冷媒と液相冷媒に分けられた後、液相冷媒については、第２冷媒配管７０を通じて利用側まで送っている。この第２冷媒配管７０を流れる冷媒は、気液分離機構６０において分離された気相冷媒であって減圧された後のガス冷媒と、過冷却回収回路７８において熱交換するため、気相冷媒のエンタルピを回収することができるとともに、利用側に送る冷媒の過冷却度を多く確保することができている。

さらに、第２冷媒配管７０を流れる冷媒は、気液分離機構６０において分離された液相冷媒の一部の分岐された冷媒であって減圧された後の液冷媒と、過冷却回収回路７８において熱交換するため、利用側に送る冷媒の過冷却度をより多く確保できる。しかも、第２冷媒配管７０において分岐した冷媒は、ガス状態ではなく、液状態であるため、過冷却回収回路７８における熱交換量が多い。このため、利用側に送る冷媒の過冷却度をより十分に確保することが可能になっている。

これにより、第２冷媒配管７０の過冷却回収回路７８で冷却された後、第１利用側膨張弁８ａおよび第２利用側膨張弁８ｂに送られるまでの間に、長配管である液冷媒連絡配管５を経由し、輸送時の圧力損失によって減圧が生じる場合であったとしても、第１利用側膨張弁８ａおよび第２利用側膨張弁８ｂに届く冷媒の状態を液状態にすること（過冷却度のある状態にさせること）が可能になる。これにより、第１利用側膨張弁８ａおよび第２利用側膨張弁８ｂを通過する冷媒の状態を、気液二相状態ではなく、液状態に維持することができるため、第１利用側膨張弁８ａおよび第２利用側膨張弁８ｂの通過冷媒量の制御等の制御性を向上させることができる。

（１−５−７）
しかも、上記実施形態の冷凍装置１では、回収回路８１を流れた冷媒と第２冷媒配管７０を流れる冷媒と間で熱交換させる熱交換器と、過冷却回路８３を流れた冷媒と第２冷媒配管７０を流れる冷媒との間で熱交換させる熱交換器と、の両方を別々に設けることなく、一体化された１つの過冷却回収熱交換器７１によってそれぞれの熱交換を行わせることができている。このため、必要な設置スペースを狭小化させることが可能になっている。

（１−５−８）
上記実施形態の冷凍装置１では、膨張機５６において冷媒が気液二相状態となるまで大幅に減圧することで、回収することができる動力をより多く確保することができている。これに対して、図６に示すように、膨張機５６における回収動力を大きくし過ぎると（冷媒の減圧幅を、ΔＰ１よりも大きいΔＰ２だけ減圧すると）、点Ｌ→点Ｌ’、点Ｎ→点Ｎ’、点Ｐ→点Ｐ’、点Ｕ→点Ｕ’、点Ｒ→点Ｒ’、点Ｑ→点Ｑ’のように冷凍サイクルの冷媒状態が変化する。すなわち、膨張機５６の出口の冷媒温度および冷媒圧力は低下し（点Ｌ→点Ｌ’）、過冷却回路８３の過冷却膨張弁８４で減圧された冷媒のエンタルピは減少し（点Ｒ→点Ｒ’）、回収回路８１の回収膨張弁８２で減圧された冷媒のエンタルピは増大する（点Ｑ→点Ｑ’）。

ここで、膨張機５６における減圧程度をΔＰ１とした場合には、過冷却回収熱交換器７１では、主として、点Ｎ→点Ｕの冷媒流れと、点Ｑ→点Ａの冷媒流れと、の間で熱交換が行われる。

これに対して、膨張機５６における減圧程度を上げて、ΔＰ２とした場合には、過冷却回収熱交換器７１では、主として、点Ｎ’→点Ｕ’の冷媒流れと、点Ｑ’→点Ａ’の冷媒流れと、の間で熱交換が行われる。

そうすると、膨張機５６における減圧程度がΔＰ１の場合と比べて、膨張機５６における減圧程度がより大きなΔＰ２の場合には、過冷却回収熱交換器７１を通過する冷媒の温度差は小さく、熱交換量が少なくなってしまう。また、膨張機５６における減圧程度がΔＰ１の場合と比べて、膨張機５６における減圧程度がより大きなΔＰ２の場合には、過冷却回収熱交換器７１のうち過冷却回収回路７８を流れる冷媒の圧力が下がっているため、冷媒密度が小さく、熱交換量が少なくなってしまう。このため、第２冷媒配管７０のうち過冷却回収熱交換器７１を通過した冷媒の過冷却度を十分に確保することが困難になることがある。

このように、膨張機５６での回収動力と、第２冷媒配管７０のうち過冷却回収熱交換器７１を通過した冷媒の過冷却度と、はトレードオフの関係にある。このため、単純に両方とも同時に増大させることはできない。これに対して、上記実施形態の冷凍装置１では、膨張機５６における減圧程度と、回収膨張弁８２における減圧程度と、過冷却膨張弁８４における減圧程度と、を制御部３が調節する。具体的には、制御部３は、液冷媒連絡配管５の長さが長ければ長いほど、回収膨張弁８２の弁開度が狭くなるように回収膨張弁８２を制御する。これにより、液冷媒連絡配管５における冷媒のフラッシュを防止するのに十分な程度の過冷却度を確保し、当該フラッシュを防止する条件の範囲内でできるだけ多くの動力を膨張機５６において回収することでサイクルのＣＯＰを上げることが可能になる。

なお、液冷媒連絡配管５の配管長や、液冷媒連絡配管５における冷媒の圧力損失は、公知の手法によって把握し、把握された配管長に応じて膨張機５６の減圧程度を制御部３が調節するようにしてもよい。

（１−５−９）
上記実施形態の冷凍装置１では、蒸発器として機能する熱交換器の冷媒通路で蒸発した冷媒は、過冷却回収回路７８を通過する冷媒と合流して圧縮機１に戻る。このため、この過冷却回収回路７８を通過する冷媒量の調整により、混合後の冷媒を適切な過熱度にすることができる。これにより、蒸発器として機能する熱交換器から流出する冷媒の過熱度を小さくすることが可能になる。したがって、蒸発器として機能する熱交換器では、熱交換効率を大きく向上させることができる。

（２）他の実施形態
上記第１実施形態においては、本発明の一実施形態を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して得られる実施形態も当然に含まれる。

（Ａ）
上記第１実施形態では、第１気液分離器６１としてサイクロン式の気液分離器６１を採用し、より下流側に配置される第２気液分離器６５として容積式の気液分離器を採用した場合を例に説明した。

しかし、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、上流側の第１気液分離器２６１と下流側の第２気液分離器６５との両方が容積式である気液分離機構２６０を採用してもよい。

ここで、例えば、第１気液分離器２６１の第１気相領域２６１ａと第２気液分離器６５の第２気相領域６５ａとを接続する第１気相配管２６２は、第１気液分離器２６１の第１気相領域２６１ａから少なくとも一度、上方に向けて延びている部分を有していることが好ましい。これにより、重力に逆らって第１気相配管２６２に液冷媒が流入することを抑制できる。なお、第１液相配管２６３が、第１気液分離器２６１の第１液相領域６１ｂと第２気液分離器６５の第２液相領域６５ｂとを接続する点は上記実施形態と同様である。

本発明の冷凍装置では、気液分離器における気液分離性能を向上させることが可能となるため、冷媒回路内において気相冷媒と液相冷媒に分離させる部分を有する冷凍装置に用いた場合に特に有用である。

１ 冷凍装置
３ 制御部
５ 液冷媒連絡配管（接続配管）
６ ガス冷媒連絡配管
７ａ 第１利用側熱交換器（利用側熱交換器）
７ｂ 第２利用側熱交換器（利用側熱交換器）
８ａ 第１利用側膨張弁（利用側膨張弁）
８ｂ 第２利用側膨張弁（利用側膨張弁）
２１ 第１圧縮機（圧縮機）
２６ 第２圧縮機（圧縮機）
３５ 熱源側熱交換器
５６ 膨張機
６０ 気液分離機構
７１ 過冷却回収熱交換器
７８ 過冷却回収回路（吸入配管）
８１ 回収回路（吸入配管）
８２ 回収膨張弁
８３ 過冷却回路
８４ 過冷却膨張弁
２６４ 回収熱交換器
２７１ 過冷却熱交換器
２８１ 回収回路（吸入配管）

特開２００９−８３５０号公報

Claims (5)

1. 圧縮機（２１、２６）、熱源側熱交換器（３５）、膨張機（５６）、及び、利用側熱交換器（７ａ、７ｂ）が接続されており、冷媒を循環させることで冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置（１、２０１）であって、
   前記膨張機の下流側に接続され、内部の冷媒を第１気相領域と第１液相領域に分ける第１気液分離器（６１）と、
   前記第１気液分離器から供給される冷媒を、第２気相領域と第２液相領域に分ける第２気液分離器（６５）と、
   前記第１気液分離器の前記第１気相領域と前記第２気液分離器の前記第２気相領域を接続する第１気相配管（６２）と、
   前記第１気液分離器の前記第１液相領域と前記第２気液分離器の前記第２液相領域を接続する第１液相配管（６３）と、
   前記第２気液分離器の前記第２気相領域の冷媒を、前記圧縮機の吸入側に送るための吸入配管（８１、７８、２８１）と、
   前記第２気液分離器の前記第２液相領域の冷媒を、前記熱源側熱交換器と前記利用側熱交換器のうち冷媒の蒸発器として機能する熱交換器に送るための接続配管（５）と、
   を備えた冷凍装置。
2. 前記第１気液分離器の内容積は、前記第２気液分離器の内容積よりも小さい、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記第１気相配管の前記第２気液分離器側端部は、前記第１液相配管の前記第２気液分離器側端部よりも高い位置にある、
   請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記第２気液分離器は、前記冷媒回路におけるレシーバとしての機能を有しており、
   前記第１液相配管の前記第２気液分離器側端部は、前記第２気液分離器のレシーバとしての設計最高液面高さの近くに位置している、
   請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記第１気液分離器は、流入した冷媒を旋回させて気液分離を行う旋回式であり、
   前記第２気液分離器は、容積式である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍装置。

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