JP2013228176A

JP2013228176A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2013228176A
Application number: JP2012102108A
Authority: JP
Inventors: Tomoichiro Tamura; 朋一郎田村; Fuminori Kono; 文紀河野; Akira Komori; 晃小森
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-07

Abstract

【課題】本発明は、圧縮機での圧縮比を低減することを目的とする。
【解決手段】冷凍サイクル装置１Ａは、主蒸発器２１から凝縮器２３に冷媒蒸気を導く、圧縮機２２が設けられた蒸気経路２を備える。主蒸発器２１に貯留された冷媒液は、第１循環路３により、減圧器３１、副蒸発器３２および吸熱用熱交換器３５を経由して循環させられる。凝縮器２３に貯留された冷媒液または凝縮器２３内で加熱された熱媒体は、第２循環路４により、放熱用熱交換器４５を経由して循環させられる。冷凍サイクル装置１Ａは、蒸気経路２における圧縮機２２よりも下流側部分または凝縮器２３から冷媒蒸気が駆動流として供給され、副蒸発器３２から冷媒蒸気を吸引し、それらの混合気を主蒸発器２１へ吐出するエジェクタ５をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷凍サイクル装置としては、フロン冷媒や代替フロン冷媒を用いた装置が広く利用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層破壊や地球温暖化等の問題を有している。そこで、特許文献１には、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた図５に示すような冷凍サイクル装置１００が提案されている。

この冷凍サイクル装置１００は、水を貯留する蒸発器１１０および凝縮器１２０を有しているとともに、蒸発器１１０内の水を吸熱器を経由して循環させる第１循環路１５０と、凝縮器１２０内の水を放熱器を経由して循環させる第２循環路１６０を有している。蒸発器１１０および凝縮器１２０の上部同士は第１連通路１３０により接続されており、この第１連通路１３０に２台の圧縮機１３１，１３２が設けられている。蒸発器１１０および凝縮器１２０の下部同士は第２連通路１４０により接続されている。

特開２００８−１２２０１２号公報

ところで、水などの常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いた場合には、多量の冷媒蒸気を大きな圧縮比で圧縮する必要がある。そこで、特許文献１に開示された冷凍サイクル装置１００では、遠心型圧縮機１３１と容積型圧縮機１３２の２台の圧縮機を用い、これらを直列に配置して遠心型圧縮機１３１で圧縮した冷媒蒸気を容積型圧縮機１３２でさらに圧縮するようにしている。しかし、根本的な問題は、圧縮機での圧縮比が大きいことである。

上記事情に鑑み、本発明は、圧縮機での圧縮比を低減することを目的とする。

本発明は、一つの側面から、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる主蒸発器と、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、前記主蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、前記主蒸発器に貯留された冷媒液を減圧器、副蒸発器および吸熱用熱交換器を経由して循環させる第１循環路と、前記凝縮器に貯留された冷媒液または前記凝縮器内で加熱された熱媒体を放熱用熱交換器を経由して循環させる第２循環路と、前記蒸気経路における前記圧縮機よりも下流側部分または前記凝縮器から冷媒蒸気が駆動流として供給され、前記副蒸発器から冷媒蒸気を吸引し、それらの混合気を前記主蒸発器へ吐出するエジェクタと、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。

本発明によれば、従来の冷凍サイクル装置に比べ、圧縮機での圧縮比を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図第１実施形態の変形例の冷凍サイクル装置の構成図本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図第２実施形態の変形例の冷凍サイクル装置の構成図従来の冷凍サイクル装置の構成図

本発明は、一つの側面から、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる主蒸発器と、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、前記主蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、前記主蒸発器に貯留された冷媒液を減圧器、副蒸発器および吸熱用熱交換器を経由して循環させる第１循環路と、前記凝縮器に貯留された冷媒液または前記凝縮器内で加熱された熱媒体を放熱用熱交換器を経由して循環させる第２循環路と、前記蒸気経路における前記圧縮機よりも下流側部分または前記凝縮器から冷媒蒸気が駆動流として供給され、前記副蒸発器から冷媒蒸気を吸引し、それらの混合気を前記主蒸発器へ吐出するエジェクタと、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。この構成によれば、従来の冷凍サイクル装置に比べ、圧縮比での圧縮比を低減することができる。

前記蒸気経路には、前記圧縮機で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２の圧縮機が設けられていてもよい。この構成によれば、放熱用熱交換器にさらに高温の冷媒液を導くことができる。

前記蒸気経路には、前記圧縮機から吐出された冷媒蒸気を前記第２の圧縮機に吸入される前に冷却する中間冷却器が設けられていてもよい。この構成によれば、第２の圧縮機の信頼性を向上させることができる。

前記エジェクタは、前記圧縮機と前記第２の圧縮機の間で前記蒸気経路に接続されていてもよい。この構成によれば、上流側の圧縮機のみで駆動流の流量を制御することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の実施形態によって限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａを示す。この冷凍サイクル装置１Ａは、主蒸発器２１および副蒸発器３２の２つの蒸発器と、凝縮器２３を備える。主蒸発器２１から凝縮器２３へは蒸気経路２が延びており、主蒸発器２１には副蒸発器３２を含む第１循環路３の両端が接続され、凝縮器２３には第２循環路４の両端が接続されている。これらの要素で構成されるヒートポンプ回路内には、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒（例えば、水、アルコールまたはエーテルを主成分とする冷媒）が充填されており、ヒートポンプ回路内は大気圧よりも低い負圧状態になっている。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

主蒸発器２１および副蒸発器３２は、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させ、凝縮器２３は、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する。蒸気経路２は主蒸発器２１から凝縮器２３に冷媒蒸気を導くものであり、蒸気経路２には冷媒蒸気を圧縮する圧縮機２２が設けられている。圧縮機２２は、容積型圧縮機であってもよいし遠心型圧縮機であってもよい。なお、凝縮器２３から主蒸発器２１または副蒸発器３２に冷媒液を戻すために、例えば、凝縮器２３が副蒸発器３２と連通路を介して接続されていてもよいし、第１循環路３の後述する戻し路と第２循環路４の後述する戻し路が連通路を介して接続されていてもよい。

第１循環路３は、主蒸発器２１に貯留された冷媒液を減圧器３１、副蒸発器３２および吸熱用熱交換器３５を経由して循環させる。例えば、冷凍サイクル装置１Ａが室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱用熱交換器３５は室内に設置され、送風機により供給される室内の空気を冷媒液との熱交換により冷却する。

より詳しくは、第１循環路３は、主蒸発器２１から副蒸発器３２に冷媒液を供給する供給路と、副蒸発器３２から吸熱用熱交換器３５に冷媒液を送る送り路と、吸熱用熱交換器３５から主蒸発器２１に冷媒液を戻す戻し路とを含む。供給路には、冷媒液の流量を規制することによって冷媒液を減圧する減圧器３１が設けられており、送り路には、冷媒液を圧送する送水機３３が設けられている。なお、送水機３３は、当該送水機３３の吸入口から副蒸発器３２内の冷媒液の液面までの高さが必要有効吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置される。

主蒸発器２１内には、吸熱用熱交換器３５で加熱された一部冷媒蒸気を含む冷媒液、および後述するエジェクタ５から吐出された冷媒蒸気が導入される。主蒸発器２１内では、導入された冷媒液の一部が圧縮機２２の吸引により気化し、残りが底部に貯留される。主蒸発器２１に貯留された冷媒液は、減圧器３１を介して副蒸発器３２へ供給される。

減圧器３１は、例えば電磁膨張弁である。ただし、減圧器３１としては、固定絞りやキャピラリーチューブなどを用いることもできる。

副蒸発器３２内では、主蒸発器２１から供給された冷媒液の一部がエジェクタ５の吸引により気化し、残りの低温の冷媒液が底部に貯留される。

エジェクタ５は、ノズル５１、吸引部５２およびデフューザ５３を含む。ノズル５１は、駆動路６を介して蒸気経路２における圧縮機２２よりも下流側部分と接続されている。吸引部５２は、吸入路７を介して副蒸発器３２に接続され、デフューザ５３は、吐出路８を介して主蒸発器２１に接続されている。すなわち、エジェクタ５には、蒸気経路２における圧縮機２２よりも下流側部分から冷媒蒸気が駆動流として供給され、エジェクタ５は、副蒸発器３２から冷媒蒸気を吸引し、駆動流として供給された冷媒蒸気と吸引した冷媒蒸気の混合気を主蒸発器２１へ吐出する。これにより、副蒸発器３２から主蒸発器２１へ冷媒蒸気を昇圧して供給することができる。なお、駆動路６に膨張弁等を設けて駆動流の流量を制御することで、エジェクタ５における昇圧幅を調整することも可能である。

第２循環路４は、凝縮器２３に貯留された冷媒液を放熱用熱交換器４５を経由して循環させる。例えば、冷凍サイクル装置１Ａが室内の冷房を行う空気調和装置である場合、放熱用熱交換器４５は室外に設置され、送風機により供給される室外の空気を冷媒液との熱交換により加熱する。

ただし、冷凍サイクル装置１Ａは、必ずしも冷房専用の空気調和装置である必要はない。例えば、室内に設置された第１熱交換器および室外に設置された第２熱交換器のそれぞれを第１四方弁を介して送水機３３，４１に接続するとともに第２四方弁を介して主蒸発器２１および凝縮器２３に接続すれば、冷房運転と暖房運転とを切り替え可能な空気調和装置を得ることができる。この場合、第１熱交換器および第２熱交換器の双方が吸熱用熱交換器３５および放熱用熱交換器４５として機能する。また、冷凍サイクル装置１Ａは、必ずしも空気調和装置である必要はなく、例えばチラーまたは蓄熱装置であってもよい。さらに、吸熱用熱交換器３５の冷却対象および放熱用熱交換器４５の加熱対象は、空気以外の気体または液体であってもよい。

より詳しくは、第２循環路４は、凝縮器２３から放熱用熱交換器４５に冷媒液を送る送り路と、放熱用熱交換器４５から凝縮器２３に冷媒液を戻す戻し路とを含む。送り路には、冷媒液を圧送する送水機４１が設けられている。戻し路の下流端には、例えば、噴霧ノズルなどの冷媒液を分散する機構が設けられる。なお、送水機４１は、当該送水機４１の吸入口から凝縮器２３内の冷媒液の液面までの高さが必要有効吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置される。

凝縮器２３内では、圧縮機２２から吐出された冷媒蒸気が、放熱用熱交換器４５で冷却された冷媒液によって冷却されて凝縮し、凝縮した冷媒液が底部に貯留される。換言すれば、凝縮した冷媒液の一部が放熱用熱交換器４５で過冷却されて、過熱状態の冷媒蒸気を冷却する熱源として使用される。

以上説明した本実施形態の冷凍サイクル装置１Ａでは、エジェクタ５により冷媒蒸気が昇圧されるため、圧縮機２２と直結された主蒸発器２１内の冷媒蒸気の圧力が副蒸発器３２内の冷媒蒸気の圧力よりも約２０％程度高くなる。従って、図５に示すような従来の冷凍サイクル装置１００に比べ、圧縮機での圧力比を低減することができる。例えば、冷凍サイクル装置１Ａが暖房運転を実行可能な空気調和装置である場合には、圧縮機での圧力比の低減により暖房能力を向上させることができる。これは、特に低外気温時の暖房能力向上に有効である。

＜変形例＞
前記実施形態の冷凍サイクル装置１Ａは、種々の変形が可能である。例えば、図２に示すように、エジェクタ５には、駆動流として、凝縮器２３から冷媒蒸気が供給されてもよい。この場合でも、副蒸発器３２から冷媒蒸気を吸引して昇圧することが可能である。また、凝縮器２３内に冷媒蒸気の対流が生じるため、凝縮器２３の性能が向上する。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。

本実施形態では、蒸気経路２に、圧縮機２２で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２の圧縮機２４が設けられている。すなわち、蒸気経路２には、圧縮機が二段直接に配置されている。このような構成であれば、放熱用熱交換器４５にさらに高温の冷媒液を導くことができ、例えば暖房能力をさらに高めることができる。

本構成においては、エジェクタ５の駆動流として、圧縮機２２から吐出される冷媒蒸気の一部、第２の圧縮機２４から吐出される冷媒蒸気の一部、または凝縮器２３における冷媒蒸気を用いてもよい。いずれにおいても、副蒸発器３２から冷媒蒸気を吸引して昇圧することが可能である。ただし、エジェクタ５が駆動路６を介して圧縮機２２と第２の圧縮機２４の間で蒸気経路２に接続されていれば、上流側の圧縮機のみで駆動流の流量を制御することができる。

＜変形例＞
前記実施形態の冷凍サイクル装置１Ｂは、種々の変形が可能である。例えば、図４に示すように、蒸気経路２には、圧縮機２２と第２の圧縮機２４の間に、冷媒蒸気を冷却する中間冷却器２５が設けられていてもよい。第２の圧縮機２４に吸入される冷媒蒸気を中間冷却器２５で冷却することにより、第２の圧縮機２４の圧縮仕事を低減することができる。これにより、第２の圧縮機２４から吐出される冷媒蒸気の温度が低下するため、第２の圧縮機２４の信頼性が向上する。

本構成においては、エジェクタ５の駆動流として、圧縮機２２と中間冷却器間２５の間の冷媒蒸気の一部、中間冷却器２５と第２の圧縮機２４の間の冷媒蒸気の一部、第２の圧縮機２４と凝縮器２３の間の冷媒蒸気の一部、または凝縮器２３における冷媒蒸気を用いてもよい。いずれにおいても、副蒸発器３２から冷媒蒸気を吸引して昇圧することが可能である。

（その他の実施形態）
凝縮器２３は、必ずしも直接接触式の熱交換器である必要はなく、間接式の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器２３内で冷却された熱媒体が第２循環路４を循環する。熱媒体としては、水や、エチレングリコール等の不凍液を用いることができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、家庭用エアコンや業務用エアコン等の空気調和装置に特に有用である。

１Ａ，１Ｂ冷凍サイクル装置
２蒸気経路
２１主蒸発器
２２圧縮機
２３凝縮器
２４第２の圧縮機
２５中間冷却器
３第１循環路
３１減圧器
３２副蒸発器
３５吸熱用熱交換器
４第２循環路
４５放熱用熱交換器

Claims

冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる主蒸発器と、
内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器と、
前記主蒸発器から前記凝縮器に冷媒蒸気を導く、圧縮機が設けられた蒸気経路と、
前記主蒸発器に貯留された冷媒液を減圧器、副蒸発器および吸熱用熱交換器を経由して循環させる第１循環路と、
前記凝縮器に貯留された冷媒液または前記凝縮器内で加熱された熱媒体を放熱用熱交換器を経由して循環させる第２循環路と、
前記蒸気経路における前記圧縮機よりも下流側部分または前記凝縮器から冷媒蒸気が駆動流として供給され、前記副蒸発器から冷媒蒸気を吸引し、それらの混合気を前記主蒸発器へ吐出するエジェクタと、
を備えた、冷凍サイクル装置。
前記蒸気経路には、前記圧縮機で圧縮された冷媒蒸気をさらに圧縮する第２の圧縮機が設けられている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
前記蒸気経路には、前記圧縮機と前記第２の圧縮機の間に冷媒蒸気を冷却する中間冷却器が設けられている、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
前記エジェクタは、前記圧縮機と前記第２の圧縮機の間で前記蒸気経路に接続されている、請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。