JP2013257072A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置を性能向上させる。
【解決手段】冷凍サイクル装置１Ａは、圧縮機２、第１熱交換器４、第１膨張機構５、第２熱交換器６及びアキュムレータ７がこの順番で接続されて形成された主冷媒回路１０と、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間で主冷媒回路１０から分岐し、アキュムレータ７と圧縮機２との間で主冷媒回路１０に合流しているバイパス冷媒回路３０と、を備えている。主冷媒回路１０は、アキュムレータ７と圧縮機２との間の吸入流路１０Ａと、第２熱交換器６とアキュムレータ７との間の通常流路１０Ｅ、１０Ｆと、を含み、吸入流路１０Ａは、通常流路１０Ｅ、１０Ｆの最大流路断面積よりも小さい流路断面積を持った細径部分１２を含み、細径部分１２の一端は圧縮機２に接続され、細径部分１２の他端は、バイパス冷媒回路３０と主冷媒回路１０との合流位置３５又は合流位置３５よりもアキュムレータ７に近い位置まで延びている。
【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を図る手段として、蒸発器をバイパスする回路を設けて、一部の冷媒を蒸発器に流入させず、圧縮機の吸入側の主冷媒回路に合流させる技術が知られている。例えば、特許文献１には、図６に示した冷凍サイクル装置が開示されている。この冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１０、凝縮器１２０、熱交換器を内蔵した高圧レシーバ１３０、第１膨張弁１４０、第２膨張弁１５０、蒸発器１６０及びアキュムレータ１７０を備えている。冷凍サイクル装置１００において、バイパス流が形成されている。そのバイパス流は、凝縮器１２０の出口側において主流から分流し、第２膨張弁１５０で減圧され、凝縮器１２０の出口側の冷媒と熱交換されることによって加熱されてアキュムレータ１７０の入口側で主流と合流している。

特開平６−３３１２２３号公報

ところで、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、さらなる性能の改善の余地を残している。本発明は、かかる事情に鑑み、冷凍サイクル装置を性能向上させることを目的とする。

本開示は、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張機構、第２熱交換器及びアキュムレータを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間、又は、前記第１膨張機構と前記第２熱交換器との間で前記主冷媒回路から分岐し、前記アキュムレータと前記圧縮機との間で前記主冷媒回路に合流しているバイパス冷媒回路と、を備え、前記主冷媒回路は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の吸入流路と、前記第２熱交換器と前記アキュムレータとの間の通常流路と、を含み、前記吸入流路は、前記通常流路の最大流路断面積よりも小さい流路断面積を持った細径部分を含み、前記細径部分は、前記圧縮機に接続された一端と、前記バイパス冷媒回路と前記主冷媒回路との合流位置又は前記合流位置よりも前記アキュムレータに近い位置まで延びている他端と、を有する、冷凍サイクル装置を提供する。

上記の冷凍サイクル装置よれば、バイパス冷媒回路は、アキュムレータと圧縮機との間で主冷媒回路に合流している。そのため、アキュムレータでの圧力損失を低減することができる。また、アキュムレータと圧縮機との間の吸入流路は、通常流路の最大流路断面積よりも小さい細径部分を含む。さらに、細径部分は、圧縮機に接続された一端と、バイパス冷媒回路と主冷媒回路との合流位置又は合流位置よりもアキュムレータに近い位置まで延びている他端と、を有する。これにより、バイパス冷媒回路によりバイパスされた冷媒の圧力エネルギーが細径部分において速度エネルギーに変換される割合が増加する。そのため、細径部分を流れる冷媒の流速が増加し、圧縮機に吸入される冷媒の圧力及び密度が慣性過給効果によって高まる。これにより、圧縮機の吸入冷媒量（体積効率）が向上し、圧縮機の能力向上又は圧縮機の小型化が可能となる。その結果、冷凍サイクル装置の性能が向上する。

本開示の一実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 主冷媒回路及びバイパス冷媒回路の合流位置付近の断面図 主冷媒回路及びバイパス冷媒回路の合流位置付近の断面図 主冷媒回路及びバイパス冷媒回路の合流位置付近の断面図 主冷媒回路及びバイパス冷媒回路の合流位置付近の断面図 他の実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 さらに他の実施形態に係る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

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置１００において、凝縮器１２０の出口側から分岐されたバイパス流は、アキュムレータ１７０の入口側で主流と合流している。そのため、アキュムレータ１７０を通過する冷媒量が増加するので、冷媒の一部を蒸発器１６０をバイパスさせることによって圧力損失を低減させる効果が縮小する。

本開示の第１態様は、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張機構、第２熱交換器及びアキュムレータを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間、又は、前記第１膨張機構と前記第２熱交換器との間で前記主冷媒回路から分岐し、前記アキュムレータと前記圧縮機との間で前記主冷媒回路に合流しているバイパス冷媒回路と、を備え、前記主冷媒回路は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の吸入流路と、前記第２熱交換器と前記アキュムレータとの間の通常流路と、を含み、前記吸入流路は、前記通常流路の最大流路断面積よりも小さい流路断面積を持った細径部分を含み、前記細径部分は、前記圧縮機に接続された一端と、前記バイパス冷媒回路と前記主冷媒回路との合流位置又は前記合流位置よりも前記アキュムレータに近い位置まで延びている他端と、を有する、冷凍サイクル装置を提供する。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記主冷媒回路は、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間、かつ、前記アキュムレータと前記第２熱交換器との間に配置され、前記圧縮機から吐出された冷媒の流れの方向を、前記第１熱交換器へ向かう第１方向と前記第２熱交換器へ向かう第２方向との間で切り換える切り換え弁をさらに有してもよく、前記細径部分の流路断面積は、前記通常流路における前記切り換え弁と前記アキュムレータとの間の部分の最大流路断面積よりも小さくてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第２態様によれば、冷暖房を切り換えることができる冷凍サイクル装置において、圧縮機に吸入される冷媒の圧力及び密度が慣性過給効果によって高まる。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記吸入流路が吸入管によって形成されてもよく、前記バイパス冷媒回路は、前記合流位置で前記吸入管に接続しているバイパス管を含んでもよく、前記吸入管が、前記アキュムレータと前記合流位置との間に位置している第１部分と、前記合流位置と前記圧縮機との間に位置している第２部分を含んでもよく、前記第１部分と前記バイパス管とのなす角が鋭角であり、かつ、前記第２部分と前記バイパス管とのなす角が鈍角又は１８０°であってもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第３態様によれば、バイパス冷媒回路が主冷媒回路と合流する位置において、冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

本開示の第４態様は、第３態様に加え、前記吸入管は、前記第１部分と前記第２部分とのなす角度が１８０°となるように前記合流位置の両側でストレートに延びていてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第４態様によれば、バイパス冷媒回路が主冷媒回路と合流する位置において吸入流路の冷媒の流れ方向が変化しにくいので、冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

本開示の第５態様は、第１態様又は第２態様に加え、前記吸入流路が吸入管によって形成されてもよく、前記バイパス冷媒回路は、前記合流位置で前記吸入管に接続しているバイパス管を含んでもよく、前記バイパス管は、前記吸入管の管壁を貫通しつつ屈曲し、前記合流位置において前記吸入流路の下流に向かって開口していてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第５態様によれば、バイパス冷媒回路が主冷媒回路と合流する位置において、冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失が抑制される。

本開示の第６態様は、第１〜５態様のいずれか１つの態様に加え、前記バイパス冷媒回路は、第２膨張機構と、冷媒を蒸発させるヒータとをさらに有し、かつ、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間で前記主冷媒回路から分岐していてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第６態様によれば、ヒータにより蒸発した冷媒が、バイパス冷媒回路から主冷媒回路に流れ込む。そのため、液体の状態の冷媒が圧縮機に供給されることが防止される。

本開示の第７態様は、第６態様に加え、前記ヒータが、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間を流れる冷媒を熱源とする熱交換器であってもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第７態様によれば、第１熱交換器と第１膨張機構との間を流れる冷媒を、バイパス冷媒回路を流れる冷媒を蒸発させるための熱源として利用できる。また、第１熱交換器と第１膨張機構との間を流れる冷媒が、バイパス冷媒回路を流れる冷媒によって冷却される。そのため、第１熱交換器の出口側の冷媒の過冷却度が高まって、冷凍サイクル装置の冷却能力が高まる。

本開示の第８態様は、第６態様又は第７態様に加え、前記ヒータで加熱される前の冷媒の温度を測定する第１温度センサと、前記ヒータで加熱された冷媒の温度を測定する第２温度センサと、前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記第１膨張機構の開度又は前記第２膨張機構の開度を制御する制御器と、をさらに備えてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第８態様によれば、第１温度センサと第２温度センサとの測定結果に基づいて、バイパス冷媒回路に流す冷媒の量を調整することができる。

本開示の第９態様は、第８態様に加え、前記制御器は、前記ヒータで加熱された冷媒の過熱度が０℃以上となるように、前記第１膨張機構の開度及び前記第２膨張機構の開度を制御してもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第９態様によれば、前記ヒータで加熱された冷媒の過熱度は０℃以上となる。そのため、ほぼすべての冷媒がヒータによって蒸発するように、バイパス冷媒回路に流す冷媒の量を調整することができる。

本開示の第１０態様は、第１態様に加え、前記主冷媒回路は、前記第１膨張機構と前記第２熱交換器との間に配置され、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器をさらに有してもよく、前記バイパス冷媒回路は、第３膨張機構をさらに有してもよく、前記ガス冷媒を前記気液分離器から前記第３膨張機構を介して前記主冷媒回路の前記吸入流路に導いてもよい、冷凍サイクル装置を提供する。

第１０態様によれば、ガス冷媒のみがバイパス冷媒回路を介して吸入流路へ導かれる。そのため、液体の状態の冷媒が圧縮機に供給されることが防止される。

以下、本開示の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るものではない。

＜第１実施形態＞
図１に、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａを示す。冷凍サイクル装置１Ａは、主冷媒回路１０、バイパス冷媒回路３０及び制御器８を備えている。主冷媒回路１０は、圧縮機２、第１熱交換器４、第１膨張機構５、第２熱交換器６及びアキュムレータ７を有している。主冷媒回路１０は、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された冷媒回路である。バイパス冷媒回路３０は、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間で主冷媒回路１０から分岐し、アキュムレータ７と圧縮機２との間で主冷媒回路１０に合流している冷媒回路である。ここで、第１膨張機構５は、例えば開度を変更できる電動膨張弁である。また、第１膨張機構５は、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。冷凍サイクル装置１Ａの運転中に、冷媒が、主冷媒回路１０及びバイパス冷媒回路３０を循環する。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、又は単一冷媒を用いることができる。

主冷媒回路１０は、さらに、圧縮機２と第１熱交換器４との間、かつ、第２熱交換器６とアキュムレータ７との間に配置された切り換え弁３を有する。切り換え弁３によって圧縮機２から吐出された冷媒の流れ方向が切り替わる。詳細には、切り換え弁３は、圧縮機２から吐出された冷媒の流れ方向を、第１熱交換器４へ向かう第１方向と第２熱交換器６へ向かう第２方向との間で、切り換える。冷凍サイクル装置１Ａが暖房モードで運転される場合に、圧縮機２から吐出された冷媒は、切り換え弁３によって第１方向へ流れる。一方、冷凍サイクル装置が冷房モードで運転される場合に、圧縮機２から吐出された冷媒は、切り換え弁３によって第２方向へ流れる。すなわち、第１熱交換器４は、冷凍サイクル装置１Ａが暖房モードであるときには放熱器として機能し、冷凍サイクル装置１Ａが冷房モードであるときには蒸発器として機能する。一方、第２熱交換器６は、冷凍サイクル装置１Ａが暖房モードであるときには蒸発器として機能し、冷凍サイクル装置１Ａが冷房モードであるときには放熱器として機能する。切り換え弁３としては、例えば四方弁などが用いられる。また、切り換え弁３としては、２つの三方弁を一対の配管によってループ状に接続した構成又はブリッジ回路であってもよい。なお、切り換え弁３は、必須の構成ではなく省略してもよい。

図１Ａは暖房モードであるときの冷凍サイクル装置１Ａを示している。暖房モードで運転される場合の冷凍サイクル装置１Ａを一例として本実施形態の説明を続ける。

主冷媒回路１０は、それぞれのコンポーネントを接続している流路１０Ａ〜１０Ｇを備えている。流路１０Ａは、アキュムレータ７と圧縮機２とを接続している流路である。本実施形態において、流路１０Ａを吸入流路と呼ぶ。流路１０Ｂは、圧縮機２と切り換え弁３とを接続している流路である。流路１０Ｃは、切り換え弁３と第１熱交換器４とを接続している流路である。流路１０Ｄは、第１熱交換器４と第１膨張機構５とを接続している流路である。流路１０Ｅは、第１膨張機構と第２熱交換器６とを接続している流路である。流路１０Ｆは、第２熱交換器６と切り換え弁３とを接続している流路である。流路１０Ｇは、切り換え弁３とアキュムレータ７とを接続している流路である。本実施形態において、第２熱交換器６とアキュムレータ７との間の流路１０Ｆ及び流路１０Ｇを通常流路と呼ぶ。

主冷媒回路１０の切り換え弁３が省略される場合、主冷媒回路１０は、流路１０Ｂ及び１０Ｃに替わり、圧縮機２と第１熱交換器４とを直接接続している流路を有する。さらに、主冷媒回路１０は、流路１０Ｆ及び１０Ｇに替わり、第２熱交換器６とアキュムレータ７とを直接接続している流路を有する。この場合において、第２熱交換器６とアキュムレータ７とを直接接続している流路が本開示の通常流路である。

次に、暖房モードであるときの冷凍サイクル装置１Ａを例に、冷凍サイクル装置１Ａの主冷媒回路１０の冷媒の流れについて説明する。

圧縮機２で圧縮された過熱状態の高圧ガス冷媒は、圧縮機２から吐出され、流路１０Ｂ、切り換え弁３及び流路１０Ｃを流れて第１熱交換器４に流入する。冷媒は第１熱交換器４を流れる際に冷却される。そのため、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間の流路１０Ｄにおいて、冷媒は過冷却状態の高圧液冷媒である。冷媒は、第１膨張機構５において膨張して低圧状態となり、流路１０Ｅを介して第２熱交換器６へ流入する。冷媒は、第２熱交換器６を流れる際に蒸発して周囲を冷却する。第２熱交換器６から流出した冷媒は、流路１０Ｆ、切り換え弁３及び流路１０Ｇを介してアキュムレータ６に流入する。低圧のガス冷媒が、アキュムレータ６から吸入流路１０Ａを介して圧縮機２に供給され、圧縮機２において再び圧縮される。このようにして、冷媒が主冷媒回路１０を循環する。

冷凍サイクル装置１Ａが冷房モードであるときには、圧縮機２から吐出された冷媒は、切り換え弁３、第２熱交換器６、第１膨張機構５、第１熱交換器４、切り換え弁３及びアキュムレータ７をこの順番で流れて循環する。冷凍サイクル装置１Ａが冷房モードであるときには、第２熱交換器６を流れる際に冷媒が冷却され、第１熱交換器４を流れる際に冷媒が蒸発する。

図１に示すように、バイパス冷媒回路３０は、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間の分岐位置３１で主冷媒回路１０から分岐している。また、バイパス冷媒回路３０は、アキュムレータ７と圧縮機２との間の合流位置３５で主冷媒回路１０と合流している。

流路１０Ｄを流れる冷媒の一部がバイパス冷媒回路３０を流れて、吸入流路１０Ａを流れる冷媒と合流する。この合流した冷媒が、圧縮機２へ供給される。バイパス冷媒回路３０をアキュムレータ７と圧縮機２との間で主冷媒回路１０に接続することで、第２熱交換器６及びアキュムレータ７を流れる冷媒量が少なくなる。そのため、アキュムレータ２６での圧力損失が低減され、後述するようにアキュムレータ７の出口側の吸入流路１０Ａを流れる冷媒の圧力を高めることが容易である。

吸入流路１０Ａは、細径部分１２を含んでいる。細径部分１２は、通常流路１０Ｆ、１０Ｇの最大流路断面積よりも小さい流路断面積を有する。詳細には、細径部分１２は、通常流路１０Ｆ、１０Ｇのうち、切り換え弁３とアキュムレータ３との間の部分（流路１０Ｇ）の最大流路断面積よりも小さい流路断面積を有する。また、切り換え弁３が省略される場合において、細径部分１２は、第２熱交換器６とアキュムレータ７との間の通常流路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する。本実施形態において、吸入流路１０Ａの全部が細径部分１２として形成されている。換言すると、細径部分１２の一端は圧縮機２に接続され、細径部分１２の他端はアキュムレータ７に接続されている。ただし、細径部分１２の他端は、バイパス冷媒回路３０と主冷媒回路１０との合流位置３５又は合流位置３５よりもアキュムレータ７に近い位置まで延びていればよい。細径部分１２がこのように構成されていると、細径部分１２を流れる冷媒の流速が高まる。その結果、圧縮機２に吸入される冷媒の圧力、冷媒の密度及び冷媒の流量が慣性過給効果によって高まり、冷凍サイクル装置１Ａの性能が向上する。

低外気温環境下で暖房用途で使用される冷凍サイクル装置において、外気温度の低下に伴って圧縮機に吸入される冷媒の密度が減少すると、冷凍サイクル装置の最大暖房能力が低下する。

本実施形態によれば、圧縮機２に吸入される冷媒の密度及び冷媒の流量を高めることができる。従って、本実施形態の上記の構成は、低外気温環境下において暖房用途で冷凍サイクル装置１Ａを使用するときに、特に有利である。

慣性過給効果によって圧縮機２に吸入される冷媒の圧力、冷媒の密度及び冷媒の流量を高めるためには、細径部分１２が、圧縮機２に接続された一端から少なくとも合流位置３５まで延びている必要がある。また、細径部分１２の他端から合流位置３５までの間に助走区間を設けて、細径部分１２を合流位置３５に向かって流れる冷媒の流れを発達させることが望ましい。このため、細径部分１２の他端は合流位置３５よりもアキュムレータ７に近い位置まで延びていることが望ましい。

冷媒の密度及び冷媒の流量を慣性過給効果によって高めるためには、細径部分１２の流路断面積は小さい方が望ましい。一方、細径部分１２の流路断面積が小さすぎると、細径部分１２の圧力損失が過剰に大きくなってしまうおそれがある。この観点から、細径部分１２の流路断面積は、例えば通常流路１０Ｅ、１０Ｆのうち、切り換え弁３とアキュムレータ３との間の部分（流路１０Ｆ）の最大流路断面積の５５〜９０％であり、６０〜８５％が望ましく、６５〜８０％がより望ましい。同様に、切り換え弁３が省略される場合において、細径部分１２の流路断面積は、例えば第２熱交換器６とアキュムレータとの間の通常流路の最大流路断面積の５５〜９０％であり、６０〜８５％が望ましく、６５〜８０％がより望ましい。

次に、図２及び図３を参照して、合流位置３５付近における主冷媒回路１０を形成する配管とバイパス冷媒回路３０を形成する配管との接続について説明する。図２に示すように、吸入管１１によって吸入流路１０Ａが形成されている。また、バイパス冷媒回路３０は、バイパス管３７を含んでいる。このバイパス管３７は、合流位置３５で吸入管１１に接続されている。慣性過給効果によって圧縮機２に吸入される冷媒の圧力、冷媒の密度及び冷媒の密度を高めるためには、バイパス管３７の管径は吸入管１１の管径以下であることが望ましい。本実施形態では、バイパス管３７の径は、吸入管１１の径とほぼ等しい。吸入管１１は、アキュムレータ７と合流位置３５との間に位置している第１部分１１Ａと、圧縮機２と合流位置３５との間に位置している第２部分１１Ｂと、を含んでいる。図２の矢印は、冷媒が流れる方向をそれぞれ示している。バイパス管３７は、合流位置３５付近のバイパス管３７の冷媒の流れ方向が吸入管１１の第１部分１１Ａの冷媒の流れ方向になるべく近づくように、吸入管１１に接続されている。詳細には、バイパス管３７は、図２に示すように、バイパス管３７と吸入管１１の第１部分１１Ａとのなす角αが鋭角であり、バイパス管３７と吸入管１１の第２部分１１Ｂとのなす角βが鈍角となるように、吸入管１１に接続されている。このことにより、吸入流路１０Ａを流れている冷媒及びバイパス管３７を流れている冷媒は、それらの冷媒の流れ方向が大きく異なることなく、合流位置３５で合流する。そのため、吸入流路１０Ａの冷媒の流れとバイパス管３７の冷媒の流れとの合流によって吸入流路１０Ａの冷媒の流れは乱れにくい。その結果、吸入流路１０Ａの合流位置３５付近での冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

また、吸入管１１は、第１部分１１Ａと第２部分１１Ｂとがなす角γが１８０°となるように、合流位置３５の両側でストレートに延びている。このことにより、合流位置３５で吸入流路１０Ａを流れる冷媒の流れ方向が変化しにくい。そのため、吸入流路１０Ａの合流位置３５付近での冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

図３Ａ〜図３Ｃは、冷凍サイクル装置１Ａの合流位置３５付近の配管の別の形態を示したものである。なお、図３Ａ〜図３Ｃにおいて、図２の部分と同じ機能を有する部分には、図２の対応する部分と同じ符号が付されている。

図３Ａは、合流位置３５付近の配管として、３方向に分岐した配管を示す。また、図３Ｂは、合流位置３５付近の配管として、図３Ａの配管とは異なる形状である３方向に分岐した配管を示す。これら配管は、吸入流路１０Ａを形成する吸入管１１と、バイパス冷媒回路３０に含まれるバイパス管３７とを有している。バイパス管３７は、合流位置３５において吸入管１１に接続している。吸入管１１は、アキュムレータ７と合流位置３５との間に位置する第１部分１１Ａと、圧縮機２と合流位置３５との間に位置する第２部分１１Ｂと、を含んでいる。図３Ａにおいて、バイパス管３７と第１部分１１Ａとのなす角αは鋭角であり、バイパス管３７と第２部分１１Ｂとのなす角βは鈍角である。また、図３Ａにおいて、第１部分１１Ａと第２部分１１Ｂとのなす角γは鈍角である。図３Ｂにおいて、バイパス管３７と第１部分１１Ａとのなす角αは鋭角であり、バイパス管３７と第２部分１１Ｂとのなす角βは１８０°である。また、第１部分１１Ａと第２部分１１Ｂとのなす角γは鈍角である。吸入管１１及びバイパス管３７がこのような構成であっても、吸入流路１０Ａの冷媒の流れとバイパス管３７の冷媒の流れとの合流によって吸入流路１０Ａの冷媒の流れは乱れにくい。そのため、吸入流路１０Ａの合流位置３５付近での冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

図３Ｃにおいても、吸入流路１０Ａが吸入管１１によって形成されている。また、バイパス冷媒回路３０はバイパス管３７を含む。バイパス管３７は、合流位置３５で吸入管１１に接続されている。バイパス管３７は、吸入管１１の管壁を貫通しつつ約９０°屈曲している。さらに、バイパス管３７は、合流位置３５において吸入流路１０Ａの下流、すなわち、圧縮機２側に向かって開口している。吸入管１１の管壁とバイパス管３７との間は図示されていない封止部により封止されている。このような構成により、吸入流路１０Ａの冷媒の流れとバイパス管３７の冷媒の流れとの合流によって吸入流路１０Ａの冷媒の流れは乱れにくい。そのため、吸入流路１０Ａの合流位置３５付近での冷媒の流れの乱れに伴う圧力損失の増加が抑制される。

次に、図１に説明を戻して、バイパス冷媒回路３０について詳細に説明する。バイパス冷媒回路３０は、第２膨張機構３２及びヒータ３４Ａと、を有している。第２膨張機構３２は、例えば開度を変更できる電動膨張弁である。バイパス冷媒回路３０に流入した冷媒は、第２膨張機構３２によって膨張する。第２膨張機構によって膨張した冷媒が蒸発するように、冷媒がヒータ３４Ａによって加熱される。そして、ヒータ３４Ａの加熱によって蒸発した冷媒が、吸入流路１０Ａを流れる冷媒と合流位置３５で合流する。

バイパス冷媒回路３０には、第１温度センサ３３Ａ及び第２温度センサ３３Ｂが配置されている。第１温度センサ３３Ａは、ヒータ３４Ａに加熱される前の冷媒の温度を測定する。第２温度センサ３３Ｂは、ヒータ３４Ａで加熱された冷媒の温度を測定する。

制御器８は、第１温度センサ３３Ａ及び第２温度センサ３３Ｂの測定結果に基づいて、第１膨張機構５及び第２膨張機構３２の開度を制御する。これにより、バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量及び第２熱交換器６を流れる冷媒の量が調整される。制御器８は、典型的には、内部メモリ及びＣＰＵ等を有するマイクロコンピュータで構成されている。

制御器８による第１膨張機構５及び第２膨張機構３２の開度の制御について詳細に説明する。まず、制御器８は、第１温度センサ３３Ａで測定された温度と第２温度センサ３３Ｂで測定された温度との差をとることによって、ヒータ３４Ａで加熱された冷媒の過熱度を算出する。次に、制御器８は、この算出した冷媒の過熱度が０℃以上となるように第１膨張機構５及び第２膨張機構３２の開度を制御する。

制御器８は、例えば、予め設定された過熱度の閾値に基づいて、第１膨張機構５及び第２膨張機構３２の開度を制御する。制御器８が算出した冷媒の過熱度が、第１閾値（０℃以上）以下である場合、制御器８は、例えば第１膨張機構５の開度を大きくし、又は、第２膨張機構３２の開度を小さくする。これにより、バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量が減少し、ヒータ３４Ａで加熱された冷媒の過熱度が０℃以上に維持されうる。このような制御により、バイパス冷媒回路３０を流れるほとんどの冷媒が蒸発した状態で主冷媒回路１０へ流入する。

また、制御器８が算出した冷媒の過熱度が、第２閾値よりも大きい場合、制御器８は、例えば第１膨張機構５の開度を小さくし、又は、第２膨張機構３２の開度を大きくする。第２閾値は、第１閾値よりも大きい閾値であり、例えば１０℃である。このような制御により、バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量が増加する。

ここで、ヒータ３４Ａで加熱された冷媒の過熱度が、０℃以上であり、かつ、０℃に近い値を示すと、バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量は大きい。従って、ヒータ３４Ａで加熱された冷媒の過熱度が、０℃以上であり、かつ、０℃に近い値を示すように、第１膨張機構５及び第２膨張機構３２の開度を制御することにより、バイパス冷媒回路３０により多くの冷媒を流すことができる。

バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量は、以下のように制御してもよい。まず、上記のようにして制御器８が算出したヒータ３４Ａで加熱された冷媒の過熱度に基づいて、制御器８は第２膨張機構３２の開度を制御する。これにより、バイパス冷媒回路３０を流れる冷媒の量を制御する。次に、制御器８は、第２熱交換器６の出口側の冷媒の過熱度を算出する。これにより、第２膨張機構３２の開度の制御が第２熱交換器６の出口側の冷媒の過熱度に与える影響をみる。その後、第２熱交換器６の出口側の冷媒の過熱度が所定の範囲に収まるように、第１膨張機構５の開度を制御する。第２熱交換器６の出口側の冷媒の過熱度は、例えば、第２熱交換器６の入口側の冷媒の温度と第２熱交換器６の出口側の冷媒の温度とを測定することによって算出すればよい。

ヒータ３４Ａの熱源としては、例えば圧縮機２の排熱を蓄熱したブラインを用いてもよい。また、環境配慮の観点から、ヒータ３４Ａの熱源として太陽熱などの自然エネルギー由来の熱源を用いてもよい。

＜第２実施形態＞
図４を参照しつつ、第２実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｂについて説明する。なお、冷凍サイクル装置１Ｂは、以下で特に説明する部分を除き、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａと同様に構成されてよい。

冷凍サイクル装置１Ｂは、バイパス冷媒回路３０に配置されたヒータとして、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間の流路１０Ｄを流れる冷媒を熱源とする熱交換器３４Ｂを備えている。このことにより、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間の流路１０Ｄを流れる冷媒を熱源として有効に利用して、熱交換器３４Ｂでバイパス冷媒回路３０を流れている冷媒を蒸発させることができる。また、熱源として熱交換器３４Ｂを流れる冷媒が有する熱の一部が、熱交換器３４Ｂを流れる冷媒がバイパス冷媒回路３０を流れている冷媒を加熱することによって失われる。すなわち、第１熱交換器４と第１膨張機構５との間で熱源として熱交換器３４Ｂを流れる冷媒は、バイパス冷媒回路３０を流れている冷媒によって冷却される。第１熱交換器４と第１膨張機構５との間を流れる冷媒が冷却されると、冷媒の過冷却度が高まり、冷凍サイクル装置１Ｂの冷却能力を高めることができる。

＜第３実施形態＞
図５を参照しつつ、第３実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ｃについて説明する。なお、冷凍サイクル装置１Ｃは、以下で特に説明する部分除き、第１実施形態に係る冷凍サイクル装置１Ａと同様に構成されてよい。

冷凍サイクル装置１Ｃは、第１膨張機構５Ａと第２熱交換器６との間に冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器９を有している。バイパス制御回路３０は、第３膨張機構５Ｂを有している。冷凍サイクル装置１Ｃは、さらに、気液分離器９と第１熱交換器６との間に第４膨張機構５Ｃを有している。第１膨張機構５Ａ、第３膨張機構５Ｂ及び第４膨張機構５Ｃは、開度を変更可能な弁であり、例えば電動膨張弁である。気液分離器９は、冷凍サイクル装置１Ｃの主冷媒回路１０の一部を構成している。また、バイパス冷媒回路３０は気液分離器９から合流位置３５に向かって延びている。換言すると、バイパス冷媒回路３０は、第１膨張機構５Ａと第２熱交換器６との間で主冷媒回路１０から分岐している。

第１膨張機構５Ａで膨張した冷媒が、ガスと液が混在した気液二相流体の状態で、気液分離器９に流入する。気液分離器９は、冷媒のガス成分及び冷媒の液成分の間の密度差や表面張力差に基づいて、気液分離器９に流入した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。分離された液冷媒を取り出すための液取出管が気液分離器９内部の液冷媒が貯留された空間に開口している。液取出管を介して気液分離器９から取り出された液冷媒は、第４膨張機構５Ｃによって膨張し、流路１０Ｅを介して第２熱交換器６へ導かれる。また、分離されたガス冷媒を取り出すためのガス取出管が気液分離器９内部のガス冷媒が充填された空間に開口している。バイパス冷媒回路３０は、ガス取出管を介して気液分離器９から取り出されたガス冷媒を、第３膨張機構５Ｂを介して吸入流路１０Ａへ導く。ガス取出管を介して気液分離器９から取り出されたガス冷媒は、第３膨張機構５Ｂで膨張されて、吸入流路１０Ａへ導かれる。

このようにして、気液分離器９で分離されたガス冷媒が、バイパス冷媒回路３０を流れて、主冷媒回路１０の吸入流路１０Ａの冷媒の流れと合流する。これにより、圧縮機に吸入される冷媒の圧力及び密度が慣性過給効果によって高まり、冷凍サイクル装置の性能が向上する。

本開示に係る冷凍サイクル装置は、給湯器、温水暖房装置、冷凍機器及び空調機器、又は、その他の用途のヒートポンプ装置として利用することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 冷凍サイクル装置
２ 圧縮機
３ 切り換え弁
４ 第１熱交換器
５、５Ａ 第１膨張機構
５Ｂ 第３膨張機構
６ 第２熱交換器
７ アキュムレータ
８ 制御器
９ 気液分離器
１０ 主冷媒回路
１０Ａ 吸入流路
１０Ｆ、１０Ｇ 通常流路
１１ 吸入管
１１Ａ 第１部分
１１Ｂ 第２部分
１２ 細径部分
３０ バイパス冷媒回路
３２ 第２膨張機構
３３Ａ 第１温度センサ
３３Ｂ 第２温度センサ
３４Ａ、３４Ｂ ヒータ
３５ 合流位置
３７ バイパス管

Claims (10)

1. 圧縮機、第１熱交換器、第１膨張機構、第２熱交換器及びアキュムレータを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主冷媒回路と、
   前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間、又は、前記第１膨張機構と前記第２熱交換器との間で前記主冷媒回路から分岐し、前記アキュムレータと前記圧縮機との間で前記主冷媒回路に合流しているバイパス冷媒回路と、を備え、
   前記主冷媒回路は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の吸入流路と、前記第２熱交換器と前記アキュムレータとの間の通常流路と、を含み、
   前記吸入流路は、前記通常流路の最大流路断面積よりも小さい流路断面積を持った細径部分を含み、
   前記細径部分は、前記圧縮機に接続された一端と、前記バイパス冷媒回路と前記主冷媒回路との合流位置又は前記合流位置よりも前記アキュムレータに近い位置まで延びている他端と、を有する、冷凍サイクル装置。
2. 前記主冷媒回路は、前記圧縮機と前記第１熱交換器との間、かつ、前記アキュムレータと前記第２熱交換器との間に配置され、前記圧縮機から吐出された冷媒の流れの方向を、前記第１熱交換器へ向かう第１方向と前記第２熱交換器へ向かう第２方向との間で切り換える切り換え弁をさらに有し、
   前記細径部分の流路断面積は、前記通常流路における前記切り換え弁と前記アキュムレータとの間の部分の最大流路断面積よりも小さい、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記吸入流路が吸入管によって形成され、
   前記バイパス冷媒回路は、前記合流位置で前記吸入管に接続しているバイパス管を含み、
   前記吸入管が、前記アキュムレータと前記合流位置との間に位置している第１部分と、前記合流位置と前記圧縮機との間に位置している第２部分を含み、
   前記第１部分と前記バイパス管とのなす角が鋭角であり、かつ、前記第２部分と前記バイパス管とのなす角が鈍角又は１８０°である、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記吸入管は、前記第１部分と前記第２部分とのなす角度が１８０°となるように前記合流位置の両側でストレートに延びている、請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記吸入流路が吸入管によって形成され、
   前記バイパス冷媒回路は、前記合流位置で前記吸入管に接続しているバイパス管を含み、
   前記バイパス管は、前記吸入管の管壁を貫通しつつ屈曲し、前記合流位置において前記吸入流路の下流に向かって開口している、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記バイパス冷媒回路は、第２膨張機構と、冷媒を蒸発させるヒータとをさらに有し、かつ、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間で前記主冷媒回路から分岐している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記ヒータが、前記第１熱交換器と前記第１膨張機構との間を流れる冷媒を熱源とする熱交換器である、請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記ヒータで加熱される前の冷媒の温度を測定する第１温度センサと、
   前記ヒータで加熱された冷媒の温度を測定する第２温度センサと、
   前記第１温度センサ及び前記第２温度センサの測定結果に基づいて、前記第１膨張機構の開度又は前記第２膨張機構の開度を制御する制御器と、をさらに備えた請求項６又は７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記制御器は、前記ヒータで加熱された冷媒の過熱度が０℃以上となるように、前記第１膨張機構の開度及び前記第２膨張機構の開度を制御する、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記主冷媒回路は、前記第１膨張機構と前記第２熱交換器との間に配置され、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する気液分離器をさらに有し、
    前記バイパス冷媒回路は、第３膨張機構をさらに有し、前記ガス冷媒を前記気液分離器から前記第３膨張機構を介して前記主冷媒回路の前記吸入流路に導く、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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