JP2016125767A

JP2016125767A - アキュームレータ及び空気調和装置

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Publication number: JP2016125767A
Application number: JP2015000207A
Authority: JP
Inventors: 裕輔島津; Hirosuke Shimazu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】本発明は、容量の大きい空気調和装置に用いる場合にも、圧力損失を小さくし、気液分離性能及び液冷媒貯留機能の低下を抑制し、圧縮機の信頼性を確保することを目的とするものである。【解決手段】シェル１２の直径に対するシェル１２の高さ寸法の比は、４．４以上である。油管１５は、シェル１２内の油を流出管１４へ導出する。また、油管１５は、シェル１２の外部に配置されている。さらに、油管１５は、長さ方向の第１の端部１５ａと第２の端部１５ｂとを有している。第１の端部１５ａは、シェル１２の下部側面に接続されており、シェル１２の内部と繋がっている。第２の端部１５ｂは、シェル１２の外部で流出管１４に接続されており、流出管１４内に繋がっている。【選択図】図３

Description

この発明は、シェル内の油を流出管へ導出することが可能なアキュームレータ、及びそれを用いた空気調和装置に関するものである。

従来の店舗用空気調和装置の室外機では、筐体の前面に空気吹出口が設けられている。また、空気吹出口の後方には、熱交換室が形成されている。熱交換室には、送風機及び熱交換器が設けられて風路が形成されている。また、筐体内の熱交換室の側方には、機械室が形成されている。機械室には、圧縮機、電気部品、及び冷媒回路部品（アキュームレータ）が収納されている（例えば、特許文献１参照）。

このような従来の室外機を大容量化するには、筐体を大きくする必要があるが、スペースの制約により、奥行き及び横に寸法を増加させる程度は小さく、結果的に高さ方向を増加させることになる。このため、アキュームレータについても、シェル径を増加させる割合よりも、シェル高さを増加させる割合が大きくなる。

また、アキュームレータは、液冷媒を内部に貯留して、ガス冷媒を排出する機能を有しているが、冷凍機油も内部に貯留し易いので、冷凍機油を意図的に排出させる必要がある。

これに対して、従来のアキュームレータでは、流出管としてＵ字管が用いられている。そして、Ｕ字管の下端部には、油を排出するための孔が設けられている。アキュームレータのシェル内に気液二相冷媒が流入すると、シェル側面に沿って旋回流が生じ、液滴が遠心分離効果により壁面に付着する。また、冷媒流量が小さい場合は、液冷媒は重力により下方に分離される。どちらにせよ、液冷媒は、シェルの下部に滞留され、ガス冷媒はシェル内の上部から排出されて圧縮機に至る（例えば、特許文献２参照）。

実開昭６４−２２９２９号公報特開平７−１２４３１号公報

上記のように構成された従来のアキュームレータでは、大容量化の際に、Ｕ字管の径を拡大させる比率よりも、Ｕ字管の長さを増大させる傾向にある。このため、圧力損失が増大し、圧縮機の吸入圧力が低下するため、空気調和装置の能力低下及び性能低下が生じる。

また、敢えてＵ字管の径を拡大させると、シェル径がそれほど拡大できないので、Ｕ字管の曲げ加工が困難となり、加工性が低下する。さらに、シェルの内部でＵ字管が占める割合が増加し、容量が増加すると冷媒流量が増加することもあり、シェルの内部での冷媒流速が増加する。

このような状況で、気液二相流がシェル内に流入すると、シェル側面に沿って旋回流が生じるよりも先にガス流が壁面に衝突し、液冷媒が飛散する。また、冷媒流速が速いため、飛散した液滴がそのまま流出管を通してシェル外へ流出し易い。さらに、一旦壁面に付着した液滴が、高速のガス流速により壁面から飛散し、シェル外へ流出する可能性がある。さらにまた、Ｕ字管によりガス流れが乱され、液冷媒がシェル外へ移動し易い。よって、アキュームレータの気液分離性能及び液冷媒貯留機能が低下する。また、気液分離性能が悪化することにより、圧縮機の信頼性を損なう可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、容量の大きい空気調和装置に用いる場合にも、圧力損失が小さく、気液分離性能及び液冷媒貯留機能の低下を抑制することができ、圧縮機の信頼性を確保することができるアキュームレータ、及びそれを用いた空気調和装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアキュームレータは、円筒状の容器であるシェル、シェルの上部に接続されており、シェル内に冷媒を流入させる流入管、シェルの上部に接続されており、シェル内から冷媒を流出させる流出管、及びシェルの下部に接続されている第１の端部と、流出管に接続されている第２の端部とを有しており、かつシェルの外部に配置されており、シェル内の油を流出管に導出する油管を備えている。

この発明のアキュームレータは、シェル内の油を流出管に導出する油管が、シェルの外部に配置されており、シェルの下部と流出管とに接続されているので、容量の大きい空気調和装置に用いる場合にも、圧力損失が小さく、気液分離性能及び液冷媒貯留機能の低下を抑制することができ、圧縮機の信頼性を確保することができる。

この発明の実施の形態１による空気調和装置を示す構成図である。図１の室外機の内部構造を示す斜視図である。図１のアキュームレータを示す概略の構成図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図３の流出管及び油管の代わりにＵ字形の流出管を用いたアキュームレータを示す構成図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。実施の形態１のアキュームレータにおける空気調和装置の容量比と流出管圧力損失の相対比との関係を図６の構成と比較して示すグラフである。実施の形態１のアキュームレータにおける空気調和装置の容量比とアキュームレータ９内の平均流速比との関係を図６の構成と比較して示すグラフである。アキュームレータにおける空気調和装置の容量比と、シェル径に対するシェル高さの比との関係の一例を示すグラフである。この発明の実施の形態２による空気調和装置のアキュームレータを示す概略の構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による空気調和装置を示す構成図である。図において、室外機１は、ガス側配管２及び液側配管３を介して、室内機に設けられた室内熱交換器４に接続されている。

室内機は、例えば、空調対象空間である室内等に設置される。また、室内機は、室外機１と連係動作することで、室内空気との熱交換を行う。室外機１は、例えば、屋外等に設置される。また、室外機１は、室内機と連係動作することで、室外空気との熱交換を行う。

室外機１は、圧縮機５、四方弁６、膨張装置としての膨張弁７、室外熱交換器８、及びアキュームレータ９を有している。圧縮機５、四方弁６、室内熱交換器４、膨張弁７、室外熱交換器８、及びアキュームレータ９が冷媒配管で順次接続されることにより、冷媒回路が形成されている。なお、ガス側配管２及び液側配管３は、冷媒配管の一部を構成している。

圧縮機５は、冷媒を圧縮して吐出する。また、圧縮機５は、運転容量を可変にする構成により、冷媒の吐出量を変動させ、冷媒回路を流通する冷媒循環量を変動させる。

四方弁６は、４つのポートを有しており、冷媒の流路を切り替える。四方弁６のポートは、圧縮機５の吐出側、室外熱交換器８、アキュームレータ９、及び室内熱交換器４にそれぞれ接続されている。四方弁６で冷媒の流路を切り替えることにより、空気調和装置の運転状態を冷房運転と暖房運転との間で切り替える。

室内熱交換器４としては、例えば、空冷式熱交換器が用いられる。室内熱交換器４は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷媒運転時には蒸発器として機能する。

膨張弁７は、室内熱交換器４と室外熱交換器８との間に設けられている。膨張弁７は、室内熱交換器４と室外熱交換器８との間を接続する液側配管３を流通する冷媒の流量を調整する。また、膨張弁７は、冷媒の流量を調整することで、高圧の冷媒液を低圧に絞り膨張させる。膨張弁７としては、開度が可変な構成を有する流量調整弁（電子弁）が用いられている。

なお、冷媒回路の一部を構成する膨張装置は、上記の膨張弁７に限定されるものではなく、例えば、冷媒の流量調整量が固定されているキャピラリチューブであってもよい。

室外熱交換器８としては、例えば、空冷式熱交換器が用いられる。室外熱交換器８は、冷媒と周囲の熱媒体との間で熱交換を行う。また、室外熱交換器８は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷媒運転時には凝縮器として機能する。

アキュームレータ９は、圧縮機５の吸入側に設けられている。アキュームレータ９で液冷媒を貯留することにより、圧縮機５にはガス冷媒が供給される。

室外熱交換器８の容積と室内熱交換器４の容積とには差がある。また、室外機１と室内熱交換器４とを結ぶ延長配管内には、液冷媒又は二相冷媒が流れる。このため、冷房運転か暖房運転かによっても、外気及び室内の温度条件によっても、延長配管の長さによっても、冷凍サイクルに必要な冷媒量が異なる。

しかし、空気調和装置に封入されている冷媒量は一定であるので、必要冷媒量の変動量を吸収するためにアキュームレータ９が用いられている。また、アキュームレータ９は、起動時及び負荷変動発生時など、過渡的な変化に空気調和装置の制御が適切に行われない場合の圧縮機５への液バックに対するバッファとしての機能も有している。

図２は図１の室外機１の内部構造を示す斜視図である。室外機１の筐体１０の前面には、空気吹出口（図示せず）が設けられている。空気吹出口の後方には、熱交換室１０ａが設けられている。熱交換室１０ａには、室外熱交換器８及び複数の送風機１１が設けられている。また、熱交換室１０ａ内には、風路が形成されている。

筐体１０内の熱交換室１０ａの側方には、機械室１０ｂが設けられている。機械室１０ｂには、圧縮機５、冷媒回路部品であるアキュームレータ９、及び電機部品が収納されている。

図３は図１のアキュームレータ９を示す概略の構成図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。アキュームレータ９は、円筒状の密閉容器であるシェル１２、流入管１３、流出管１４、及び油管１５を有している。シェル１２の高さ寸法は、シェル１２の内径よりも大きい。この例では、シェル１２の直径に対するシェル１２の高さ寸法の比は、４．４以上である。

流入管１３及び流出管１４のシェル１２側の端部は、シェル１２の上端部に接続されており、シェル１２の上端部からシェル１２内に挿入されている。流入管１３は、シェル１２内に冷媒を流入させる。流出管１４は、シェル１２内から冷媒を流出させる。

シェル１２内で、流入管１３の端部は、屈曲しており、流出管１４の端部よりも下方に位置している。流入管１３は、四方弁６に接続されている。流出管１４は、圧縮機５に接続されている。

油管１５は、シェル１２内の油を流出管１４へ導出する。また、油管１５は、シェル１２の外部に配置されている。さらに、油管１５は、長さ方向の第１の端部（下端部）１５ａと第２の端部（上端部）１５ｂとを有している。

第１の端部１５ａは、シェル１２の下部側面に接続されており、シェル１２の内部と繋がっている。第２の端部１５ｂは、シェル１２の外部で流出管１４に接続されており、流出管１４内に繋がっている。

油管１５と流出管１４との合流部１４ａは、シェル１２の上端部よりも高い位置にある。これにより、圧縮機５の停止時にアキュームレータ９内に液冷媒が多く存在しても、油管１５を通って圧縮機５へ液冷媒が移動することがない。

ここで、アキュームレータ９に気液二相冷媒が流入する場合について説明する。流入管１３からシェル１２内に流入した気液二相冷媒は、シェル１２の壁面に衝突する。シェル１２の壁面に衝突した気液二相冷媒は、シェル１２内の旋回流による遠心分離効果で気液分離され、高密度の液冷媒が壁面に付着し、重力によりシェル１２の底部へ移動する。また、冷媒流量が少ない場合は、重力により液滴が落下する。いずれにしても、液冷媒がシェル１２内に留まり、ガス冷媒が流出管１４から導出され易い。

次に、圧縮機５で用いられている冷凍機油について説明する。冷凍機油は、圧縮機５の性能及び信頼性上、重要なものである。この冷凍機油の一部は、冷媒とともにサイクル内を循環する。アキュームレータ９に流入した冷凍機油は、液冷媒と類似の挙動をしてシェル１２内に留まろうとする。この状態が続けば圧縮機５内の冷凍機油は減少し、圧縮機５の性能及び信頼性を大きく損なう。

これに対して、図３の構成では、シェル１２の下部と流出管１４との間に油管１５が接続されているため、シェル１２内の冷凍機油は油管１５内を上昇し、流出管１４内に入り、圧縮機５に至る。冷凍機油が油管１５内を上昇する駆動源は、アキュームレータ９内の流出管１４の入口から、流出管１４と油管１５との合流部１４ａまでの冷媒の圧力損失である。

次に、特定の容量の空気調和装置ではなく、製品群として、容量に幅のある空気調和装置の構成について説明する。

空気調和装置は、最大容量を基準として設計されていれば問題はないが、一般的には平均的な容量帯を基準として設計される。このため、室外機１の設置面積は、容量が大きくなっても、それほど大きな設置面積を許容されず、高さ方向を拡大させるのが通例となっている。

図６は図３の流出管１４及び油管１５の代わりにＵ字形の流出管（Ｕ字管）１６を用いたアキュームレータ（比較例）を示す構成図、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図、図８は図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。流出管１６の端部は、シェル１２内の上部に配置されており、流出管１６の端部よりも上方に位置している。流出管１６は、シェル１２内の下部でＵ字形に折り返されている。シェル１２内の流出管１６の下端部には、油孔１６ａが設けられている。

図６の構成では、シェル１２内に滞留した冷凍機油は、油孔１６ａから流出管１６に入り、アキュームレータ外へ排出される。Ｕ字形の流出管１６は管長が大きいので、圧力損失が大きい。また、シェル１２内で流出管１６の占める割合が大きいため、内部流れの速度が大きく、またＵ字形の流出管１６の存在により流れに乱れが生じる。

圧力損失を低下させるには、シェル１２の径を拡大する方法があるが、室外機サイズが大型化するため好ましくない。また、流出管径を大きくする方法では、気液分離性能が低下する。

これに対して、実施の形態１（図３）の構成では、流出管１４にＵ字形の折り返し部分が無いため、管長が小さく、圧力損失が小さい。また、Ｕ字形の流出管１６をシェル１２内に収容する場合に比べて、シェル１２内の有効な容積が大きいため、内部流れの速度が小さい。さらに、シェル１２内にＵ字管のような流れを乱す物がないため、流れに乱れが生じにくい。

図９は実施の形態１（図３）のアキュームレータ９における空気調和装置の容量比と流出管圧力損失の相対比との関係を図６（Ｕ字管ありの場合）の構成と比較して示すグラフである。また、図１０は実施の形態１のアキュームレータ９における空気調和装置の容量比とアキュームレータ９内の平均流速比との関係を図６（Ｕ字管ありの場合）の構成と比較して示すグラフである。

これらの差異（流入管長さ及びアキュームレータ９内の冷媒流速）は、図１１に示すように、アキュームレータ９の形状、即ちシェル１２の径に対する高さ寸法の比に大きく依存している。シェル１２の直径に対するシェル１２の高さ寸法の比が４．４を超えると、返油機能をＵ字管方式（図６）から油管方式（図３）へ変更することによる効果が大きい。逆に４．４よりも低いと、有意差がない。

従って、実施の形態１のアキュームレータ９は、容量の大きい空気調和装置に用いる場合にも、Ｕ字管方式に比べて、圧力損失が小さく、気液分離性能及び液冷媒貯留機能の低下を抑制することができ、性能改善効果が得られる。また、気液二相流が流れる場合の液貯留量が大きく、圧縮機５の信頼性を確保できる。さらに、アキュームレータ９の内部構造が簡略化され、Ｕ字管形状による配管振動課題に対処する必要がないので、材料コスト及び製造コストが低減される。

ここで、図９〜１１における容量比は、空気調和装置の平均的な容量を基準（＝１）としたときの基準に対する容量の比である。例えば、５ＨＰを基準とすれば、１０ＨＰの容量比は２となる。基準となる容量は、５ＨＰに限定されるものではなく、例えば４ＨＰであってもよい。また、比較する容量は、空気調和装置の能力（容量）を表す指標であればＨＰでなくてもよく、例えば冷房定格能力又は暖房定格能力などであってもよい。

また、図９の流出管圧力損失の相対比、及び図１０のアキュームレータ内平均流速比についても、空気調和装置の容量比と同様に決める。但し、同じ空気調和装置であっても、条件によって圧損及び流速が異なるので、同一運転条件下での値の比をとる。

なお、流出管１４の圧損（シェル１２内の開口部から油管１５との合流部１４ａまでの圧損）が小さい場合は、流出管１４に絞りを設ければよい（但し、この場合の圧損も、Ｕ字管方式における流出管１６の圧損（油孔１６ａから流出管１６の上部までの圧損）よりは小さい）。

実施の形態２．
次に、図１２はこの発明の実施の形態２による空気調和装置のアキュームレータを示す概略の構成図である。実施の形態２では、油管１５と流出管１４との合流部１４ａの高さ方向の位置が、流出管１４の最上部と圧縮機５の吸入部（吸入管）との中間に位置している。即ち、流出管１４は、圧縮機５の吸入部に接続されており、油管１５の流出管１４との接続部が、シェル１２の上端部よりも低く、圧縮機５の吸入部よりも高くなっている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１において、流出管１４の入口から合流部１４ａまでの圧力損失が、油管１５の液ヘッドよりも小さい場合、流出管１４に絞りを設ける必要がある。これに対して、実施の形態２の構成では、液ヘッドを小さくするために、流出管１４に絞りを設ける必要がない。

このように、流出管１４に絞りを設けないので、アキュームレータの圧力損失を低減でき、性能が改善する。

なお、圧縮機５の停止時に、シェル１２内の液冷媒が油管１５を通して圧縮機５に至る恐れがある。しかし、シェル１２内に大量の液冷媒が存在すると、シェル１２内のガス空間が小さく、また、容量が大きくてもシェル径が小さいため、気液分離効率が大きく低下する。その状態で圧縮機を起動させても、多くの液冷媒が圧縮機５に至る。

つまり、起動前に圧縮機５の内部に液冷媒が存在するか、起動直後に液冷媒が圧縮機５に流入するかの違いであるが、インバータ駆動する圧縮機５では、起動時の負荷が小さく、信頼性上の有意差はない。

また、油管１５がシェル１２の外部に存在するので、電磁弁又は複数の油管を設けることで、シェル１２内の液冷媒の量（液面高さ）に応じて、適切な冷媒制御を実施することができる。

なお、空気調和装置の冷媒回路は、図１の例に限定されるものではない。例えば、２台以上の圧縮機５が用いられていてもよい。また、例えば、２台以上の室内熱交換器４が用いられていてもよい。さらに、例えば、２台以上の室外熱交換器８が用いられていてもよい。さらにまた、例えば、四方弁６が用いられていなくてもよい。

また、冷媒回路を流通する冷媒については特に限定しない。例えば、二酸化炭素、炭化水素、又はヘリウム等の自然冷媒、若しくはＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、又はＲ４０４等の代替冷媒などであってもよく、塩素を含まない冷媒が好適である。
さらに、冷媒との熱交換対象となる媒体は、空気に限定されるものではない。例えば、水、冷媒、又はブライン等であってもよい。

４室内熱交換器、５圧縮機、７膨張弁（膨張装置）、８室外熱交換器、９アキュームレータ、１２シェル、１３流入管、１４流出管、１５油管、１５ａ第１の端部、１５ｂ第２の端部。

Claims

円筒状の容器であるシェル、
前記シェルの上部に接続されており、前記シェル内に冷媒を流入させる流入管、
前記シェルの上部に接続されており、前記シェル内から冷媒を流出させる流出管、及び
前記シェルの下部に接続されている第１の端部と、前記流出管に接続されている第２の端部とを有しており、かつ前記シェルの外部に配置されており、前記シェル内の油を前記流出管に導出する油管
を備えているアキュームレータ。
前記シェルの直径に対する高さ寸法の比が４．４以上である請求項１記載のアキュームレータ。
前記油管の前記流出管との接続部は、前記シェルの上端部よりも低く、前記流出管が接続される圧縮機の吸入部よりも高くなっている請求項１又は請求項２に記載のアキュームレータ。
冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
冷媒と周囲の熱媒体との間で熱交換を行う室内熱交換器及び室外熱交換器と、
前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間を流通する冷媒の流量を調整する膨張装置と、
前記圧縮機の吸入側に設けられており、液冷媒を貯留することにより前記圧縮機にガス冷媒を供給するアキュームレータと
を備え、
前記アキュームレータは、
円筒状の容器であるシェル、
前記シェルの上部に接続されており、前記シェル内に冷媒を流入させる流入管、
前記シェルの上部に接続されており、前記シェル内から冷媒を流出させる流出管、及び
前記シェルの下部に接続されている第１の端部と、前記流出管に接続されている第２の端部とを有しており、かつ前記シェルの外部に配置されており、前記シェル内の油を前記流出管に導出する油管
を有している空気調和装置。