JP2015152293A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクションを行う冷凍サイクル装置において、膨張弁で生じる膨張損失を少なくすると共に、蒸発器へ流入する冷媒の流量を確保する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、放熱器１６０から流出する冷媒を気液分離して液冷媒を蒸発器１３０へ流出する気液分離器１４０と、気液分離器に流入する冷媒を減圧する放熱器側膨張弁１７２と、気液分離器で分離された気冷媒を圧縮機１１０にインジェクションさせるインジェクション回路２１０と、蒸発器に流入する液冷媒を減圧する蒸発器側膨張弁１７１と、気液分離器より流出する液冷媒の一部を分岐させる分岐部３１０と、分岐された冷媒を圧縮機に導くバイパス回路２２０と、分岐部で分岐された冷媒を減圧する過冷却用膨張弁１７３と、分岐部と蒸発器側膨張弁との間を流れる冷媒と、バイパス回路上で過冷却用膨張弁と圧縮機の間を流れる冷媒との熱交換を行う冷媒間熱交換器１５０とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置、特に、超臨界域で作動する冷媒を使用した多段圧縮式冷凍サイクル装置に関する。

超臨界域で作動する冷媒を使用した多段圧縮式冷凍サイクル装置において、圧縮機から吐出される冷媒の温度低下と圧縮機の動力低減によって運転効率の向上を図るために、中間圧の冷媒を圧縮機にインジェクションするものとして、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置がある。

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置では、二段圧縮機、四方弁、放熱器、第１膨張弁、蒸発器が冷媒配管で順次接続されている。放熱器と第１膨張弁の間には内部熱交換器が設けられ、内部熱交換器と放熱器の間には冷媒を分岐させる分岐部が設けられている。放熱器から流出した高圧冷媒の一部は分岐部で分岐され、第２膨張弁で減圧されて中間圧となった後、二段圧縮機の後段側の圧縮要素にインジェクションされる。内部熱交換器では、放熱器から流出した高圧冷媒とインジェクションされる中間圧の冷媒とを熱交換させている。さらに、第１膨張弁と蒸発器との間には気液分離器が設けられている。気液分離器では、第１膨張弁で減圧された低圧の冷媒が流入し、気冷媒と液冷媒に分離されている。分離された気冷媒は二段圧縮機の前段側の圧縮要素の吸入口に戻され、分離された液冷媒は蒸発器に送られる。インジェクションにより、後段側の圧縮要素の吸入側に戻される冷媒の流量を増やして、圧縮機の消費動力を減らすことで、運転効率の向上を図ることができる。

特開２００９−１８０４２６号公報

特許文献１に記載の冷凍サイクル装置では、膨張弁で冷媒を高圧から低圧にまで減圧している。冷媒は膨張弁で減圧される時、エネルギー損失が生じる。特に、減圧の幅が大きいほどエネルギー損失が大きくなる。そのため、特許文献１のように二酸化炭素などの超臨界域で作動する冷媒を使用する場合、１つの膨張弁で高圧から低圧まで減圧すると、エネルギー損失が大きくなる問題があった。

また、特許文献１では、内部熱交換器において高圧冷媒を中間圧の冷媒で冷却している。ところが、中間圧の冷媒では気化するまでのエンタルピー差が小さく、熱交換量が少なくなる。そのため、内部熱交換器で過冷却をとるには中間圧の冷媒の流量を多くする必要があるが、そうすると蒸発器へ流入する冷媒の流量が少なくなるおそれがあった。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、インジェクションを行う冷凍サイクル装置において、膨張弁で生じる膨張損失を少なくすると共に、蒸発器へ流入する冷媒の流量を確保することを目的とする。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、蒸発器とを冷媒配管によって環状に順次接続した冷凍サイクル装置であって、放熱器から流出する冷媒を気液分離して液冷媒を蒸発器へ流出する気液分離器と、気液分離器に流入する冷媒を減圧する放熱器側膨張弁と、気液分離器で分離された気冷媒を圧縮機にインジェクションさせるインジェクション回路と、蒸発器に流入する液冷媒を減圧する蒸発器側膨張弁と、気液分離器より流出する液冷媒の一部を分岐させる分岐部と、分岐部で分岐された冷媒を圧縮機に導くバイパス回路と、バイパス回路に、分岐部で分岐された冷媒を減圧する過冷却用膨張弁と、分岐部と蒸発器側膨張弁との間を流れる冷媒と、バイパス回路上で過冷却用膨張弁と圧縮機の間を流れる冷媒との熱交換を行う冷媒間熱交換器とを設ける。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、膨張弁で生じる膨張損失を少なくすると共に、蒸発器へ流入する冷媒の流量を確保することができる。

本発明に係る第１実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の冷凍サイクル装置１００を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１００では、冷房運転時に圧縮機１１０、四方弁１２０、放熱器となる室外熱交換器１３０、ブリッジ回路１８０、気液分離器１４０、冷媒間熱交換器１５０、蒸発器となる室内熱交換器１６０が冷媒配管で環状に順次接続されることで、主冷媒回路が構成される。主冷媒回路上で、室外熱交換器１３０とブリッジ回路１８０の間には第１膨張弁１７１が設けられ、室内熱交換器１６０とブリッジ回路１８０の間には第２膨張弁１７２が設けられる。また、気液分離器１４０で分離された気冷媒を圧縮機１１０にインジェクションするためのインジェクション回路２１０が設けられる。また、気液分離器１４０と冷媒間熱交換器１５０の間には冷媒を一部分岐させる分岐部３１０が設けられ、分岐された冷媒が冷媒間熱交換器１５０を経由して圧縮機１１０の吸入口側に導かれるバイパス回路２２０が設けられる。バイパス回路２２０上には過冷却用膨張弁１７３が設けられる。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置１００の各構成について説明する。
圧縮機１１０は吸入口１１０ａから吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出口１１０ｂから吐出するものである。圧縮機１１０は、冷媒の吸入側である前段圧縮部１１０ｄと冷媒の吐出側である後段圧縮部１１０ｅを有し、前段圧縮部１１０ｄと後段圧縮部１１０ｅを中間連結管１１０ｃを介して接続する二段圧縮機となっている。この中間連結管１１０ｃに冷媒をインジェクションするためのインジェクション回路２１０が接続される。

四方弁１２０は冷房運転と暖房運転で冷凍サイクル装置１００内を流れる冷媒の向きを切り替えるものである。四方弁１２０では、冷房運転時に圧縮機１１０から吐出される高温高圧の冷媒を室外熱交換器１３０へ流入させ、室内熱交換器１６０から流出した冷媒を圧縮機１１０へ流入させる。また、暖房運転時は圧縮機１１０から吐出される高温高圧の冷媒を室内熱交換器１６０へ流入させ、室外熱交換器１３０から流出した冷媒を圧縮機１１０へ流入させる。

室外熱交換器１３０は図示しない室外機に設けられるもので、室外の空気と冷媒との間で熱交換させるものであり、冷房運転時は放熱器として機能し、暖房運転時は蒸発器として機能する。

第１膨張弁１７１は冷媒を減圧させるものであり、冷房運転時は高圧の冷媒を中間圧の冷媒に減圧させる放熱器側膨張弁として機能し、暖房運転時は中間圧の冷媒を低圧の冷媒に減圧させる蒸発器側膨張弁として機能する。

ブリッジ回路１８０は冷房運転および暖房運転で、気液分離器１４０に流入する冷媒の流れを同じにするためのものであり、冷房運転時、室外熱交換器１３０から流出した冷媒はブリッジ回路１８０を介して気液分離器１４０に流入し、暖房運転時、室内熱交換器１６０から流出した冷媒はブリッジ回路１８０を介して気液分離器１４０に流入する。また、気液分離器１４０から流出した液冷媒は、冷房運転時ではブリッジ回路１８０を介して室内熱交換器１６０に流入し、暖房運転時ではブリッジ回路１８０を介して室外熱交換器１３０に流入する。

気液分離器１４０は冷房運転時に第１膨張弁１７１で減圧されブリッジ回路１８０を経由して気液分離器１４０の流入口１４３から流入した中間圧の冷媒を気冷媒と液冷媒に分離するものである。気液分離器１４０には、分離された気冷媒が流出する気体出口１４１と、分離された液冷媒が流出する液出口１４２が設けられる。気体出口１４１から流出する気冷媒は開閉弁１７４が設けられるインジェクション回路２１０を通過することで、圧縮機１１０にインジェクションされる。

冷媒間熱交換器１５０には第１通路１５０ａと第２通路１５０ｂが設けられ、第１通路１５０ａには気液分離器１４０で分離され、液出口１４２から流出した中間圧の液冷媒が流れ、第２通路１５０ｂには液出口１４２から流出し分岐部３１０で一部が分岐された中間圧の液冷媒が過冷却用膨張弁１７３で減圧され低圧冷媒となった冷媒が流れ、中間圧の液冷媒と低圧冷媒を熱交換させる。

第２膨張弁１７２は冷媒を減圧させるものであり、冷房運転時は中間圧の冷媒を低圧の冷媒に減圧させる蒸発器側膨張弁として機能し、暖房運転時は高圧の冷媒を中間圧の冷媒に減圧させる放熱器側膨張弁として機能する。

室内熱交換器１６０は図示しない室内機に設けられるもので、室内の空気と冷媒との間で熱交換させるものであり、冷房運転時は蒸発器として機能し、暖房運転時は放熱器として機能する。

次に、冷凍サイクル装置１００の冷房運転時の動作について説明する。
圧縮機１１０から高温高圧の冷媒が吐出される。吐出された高温高圧の冷媒は四方弁１２０を通過する。四方弁１２０を通過した冷媒は放熱器として機能する室外熱交換器１３０を通過して、室外の空気に放熱する。

放熱した冷媒は放熱器側膨張弁として機能する第１膨張弁１７１で減圧され中間圧の冷媒になる。中間圧の冷媒はブリッジ回路１８０を経由して気液分離器１４０に流入され、気冷媒と液冷媒に分離される。分離された気冷媒は気液分離器１４０の気体出口１４１より流出し、インジェクション回路２１０を経由して圧縮機１１０にインジェクションされる。分離された液冷媒は気液分離器１４０の液出口１４２より流出し、分岐部３１０で２つに分岐される。

分岐部３１０で分岐された一方の冷媒はバイパス回路２２０に流入し、過冷却用膨張弁１７３を通過して減圧され、低圧の冷媒となる。低圧の冷媒は冷媒間熱交換器１５０の第２通路を通過して加熱される。加熱された冷媒は圧縮機１１０の吸入口に戻される。

分岐部３１０で分岐された他方の冷媒は冷媒間熱交換器１５０の第１通路１５０ａを通過し、第２通路１５０ｂを流れる低圧の冷媒と熱交換して冷却される。冷却された冷媒はブリッジ回路１８０を経由して、蒸発器側膨張弁として機能する第２膨張弁１７２を通過して減圧され、低圧の冷媒となる。低圧の冷媒は蒸発器として機能する室内熱交換器１６０を通過して、室内の空気から吸熱する。吸熱した冷媒は四方弁１２０を経由して圧縮機１１０の吸入口に戻される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

暖房運転時では、冷媒は圧縮機１１０、四方弁１２０、放熱器となる室内熱交換器１６０、ブリッジ回路１８０、気液分離器１４０、冷媒間熱交換器１５０、蒸発器となる室外熱交換器１３０、四方弁１２０、圧縮機１１０と各構成を循環する。

なお、室外熱交換器１３０と第１膨張弁１７１の間に図示しない補助冷媒間熱交換器を設け、四方弁１２０を流出し圧縮機１１０に戻る低圧の冷媒が補助冷媒間熱交換器を経由するよう冷媒配管を配置しても良い。この配置により、冷房運転時に四方弁１２０から流出した高圧の冷媒を、圧縮機１１０に戻る低圧の冷媒で過冷却することが出来るため、運転効率の向上を図ることができる。

以上の動作により、本発明の冷凍サイクル装置１００は、中間圧の冷媒を圧縮機１１０にインジェクションできるため、圧縮機１１０から吐出される冷媒の温度低下と圧縮機１１０の動力低減によって運転効率の向上を図れる。また、二つの膨張弁（１７１、１７２）を用いることにより、冷媒を二段階に分けて減圧でき、膨張弁（１７１、１７２）での膨張損失を抑えることが出来る。さらに、冷媒間熱交換器１５０では低圧の冷媒を用いて冷却しているため、冷却に使われる冷媒が気化するまでのエンタルピー差を大きくすることができるため熱交換効率が良くなる。

１００ 冷凍サイクル装置
１１０ 圧縮機
１２０ 四方弁
１３０ 室外熱交換器
１４０ 気液分離器
１５０ 冷媒間熱交換器
１６０ 室内熱交換器
１７１ 第１膨張弁
１７２ 第２膨張弁
１７３ 過冷却用膨張弁
１８０ ブリッジ回路
２１０ インジェクション回路
２２０ バイパス回路
３１０ 分岐部

Claims (1)

1. 圧縮機と、放熱器と、蒸発器とを冷媒配管によって環状に順次接続した冷凍サイクル装置であって、
   前記放熱器から流出する冷媒を気液分離して液冷媒を蒸発器へ流出する気液分離器と、
   前記気液分離器に流入する冷媒を減圧する放熱器側膨張弁と、
   前記気液分離器で分離された気冷媒を前記圧縮機にインジェクションさせるインジェクション回路と、
   前記蒸発器に流入する液冷媒を減圧する蒸発器側膨張弁と、
   前記気液分離器より流出する液冷媒の一部を分岐させる分岐部と、
   前記分岐部で分岐された冷媒を前記圧縮機に導くバイパス回路と、
   前記バイパス回路に、前記分岐部で分岐された冷媒を減圧する過冷却用膨張弁と、
   前記分岐部と前記蒸発器側膨張弁との間を流れる冷媒と、前記バイパス回路上で前記過冷却用膨張弁と前記圧縮機の間を流れる冷媒との熱交換を行う冷媒間熱交換器とを設けることを特徴とする冷凍サイクル装置。
   

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