JP2615496B2

JP2615496B2 - ２段圧縮冷凍サイクル

Info

Publication number: JP2615496B2
Application number: JP21634589A
Authority: JP
Inventors: 和生中谷; 光博生駒; 實田頭; 雄二吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-08-23
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH0379969A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、空気調和機等に用いられる冷凍サイクルに
関し、特に２段圧縮冷凍サイクルに関する。

従来の技術従来、低温冷凍装置や高温ヒートポンプのように冷凍
サイクルの蒸発圧力と凝縮圧力との比（圧縮比）が大き
い場合には、吐出温度上昇の防止、および圧縮機効率を
向上させるために圧縮機を２台直列に接続して冷媒を２
段階に圧縮する２段圧縮冷凍サイクル装置が広く使われ
ている。

また、最近は冷暖房と給湯を同時に運転できる多機能
なヒートポンプが市場のニーズとして高まってきてお
り、たとえば第３図に示すような従来例（特公昭58−48
824）がある。第３図は暖房と給湯を同時運転する場合
の従来の冷凍サイクルの構成図であり、１は低段側圧縮
機、２は高段側圧縮機、３は給湯用熱交換器、４、５は
それぞれ第１、第２絞り装置、６は室外側熱交換器で、
それぞれ順に環状に接続されて給湯用回路を構成してい
る。また、７は第３絞り装置であり、給湯用熱交換器３
の出口と高段側圧縮機２の吸入配管とを接続する配管上
に設けている。また、８は室内側熱交換器で、その入口
を低段側圧縮機１の吐出配管と、また、その出口を第１
絞り装置４と第２絞り装置５の間の配管に接続されてお
り、低段側圧縮機１、室内側熱交換器８、第２絞り装置
５、室外側熱交換器６によって暖房用回路を構成してい
る。

ここにおいて、低段側圧縮機１より吐出された中間圧
の冷媒ガスの一部は分岐されて室内側熱交換器８に流入
し、そこで暖房に寄与して自らは凝縮液化する。また、
低段側圧縮機１より吐出された残りの冷媒ガスは高段側
圧縮機２に吸引されそこで高圧まで圧縮されて給湯用熱
交換器３に流入し、給湯に寄与して自らは液化し、第１
絞り装置４で絞られた後、室内側熱交換器８より出た液
冷媒と合流して第２絞り装置５に流入する。そこで低圧
まで絞られて室外側熱交換器６で外気より吸熱して自ら
はガス化し、再び低段側圧縮機１に吸入される。ここに
おいて、給湯用熱交換器３より出た冷媒液の一部が第３
絞り装置７で中間圧まで絞られて低段側圧縮機１の吐出
ガスと合流する構成になっているので、高段側圧縮機２
の吸入ガス温度を低下させることができ、圧縮比の大き
い給湯運転の場合にも高段側圧縮機２の吐出ガス温度が
異常に高くなることなく、暖房運転と同時に高温の給湯
も得ることができるものである。

発明が解決しようとする課題しかしながら上記のような従来例においては、暖房と
給湯の同時運転時に、効率の高い運転をしようとする
と、暖房の吹出し温度が低くなったり、あるいは吹出し
温度を高めようとする高段側の圧縮比が低段側に比較し
非常に小さくなり、圧縮比のバランスが悪くなって、シ
ステムとしての効率が悪くなっていた。

すなわち、２段圧縮冷凍サイクルの運転においては、
低段側と高段側でそれぞれの圧縮比がほぼ同じになる中
間圧で運転するのがサイクルとして望ましく、装置の成
績係数も高くなることはよく知られている。しかしなが
ら、低段側で暖房、高段側で給湯を得ようとする場合に
同一圧縮比にしようとすると、中間圧力における凝縮温
度が低くなって、暖房の吹出し温度が低くなり実用上使
用できなかった。

また、この問題点を解決するために、中間圧を上げて
凝縮温度を高めようとすると高段側の圧縮比が低段側に
比べて非常に小さくなり、システムの効率が悪くなって
いた。たとえば、よく用いられている冷媒のフロンR22
の場合で一般的な暖房運転時である室外側熱交換器の蒸
発温度が０℃、室内側熱交換器の凝縮温度が50℃、給湯
用熱交換器の凝縮温度が70℃の場合、低段側の圧縮比が
約3.9、高段側の圧縮比が約1.5となり、低段と高段の圧
縮比のバランスが悪くなりシステム全体の成績係数が非
常に悪くなっていた。また、高段側の吸入比容積も非常
に小さくなるため、低段側に比較し高段側圧縮機のシリ
ンダ容積をかなり小さくしなければならず、設計上も困
難な点が多かった。

また、従来は高圧の液冷媒を中間圧まで絞って高段側
圧縮機の吸入側に直接流入させていたため、液流量の制
御が困難であったり、液圧縮の心配もあった。また、そ
れを構成するための絞り装置や配管などが必要で装置が
非常に複雑になっていた。

本発明は、このような従来技術の課題を解決すること
を目的とする。

課題を解決するための手段本発明の２段圧縮冷凍サイクルは、少なくとも低段側
圧縮機、高段側圧縮機、第１凝縮器、第２凝縮器、第１
絞り装置、第２絞り装置、蒸発器から主回路を構成し、
前記低段側圧縮機出口と前記高段側圧縮機入口との間に
ボルテックスチューブを設け、前記低段側圧縮機出口と
ボルテックスチューブ入口とを接続し、前記ボルテック
スチューブの低温側出口を高段側圧縮機入口に接続した
後、前記第１凝縮器、前記第１絞り装置、前記第２絞り
装置、前記蒸発器、前記低段側圧縮機の吸入側の順に接
続し、また、前記ボルテックスチューブの高温側出口を
第２凝縮器に接続した後、前記第１絞り装置と前記第２
絞り装置の間の配管に接続したことを特徴とするもので
あり、望ましくは、前記第１絞り装置と第２絞り装置の
間に中間熱交換器を設け、前記ボルテックスチューブの
低温側出口と高段側圧縮機入口との間の冷媒を前記中間
熱交換器内部の冷媒と直接、あるいは間接的に熱交換さ
せたことを特徴とする。

作用上記構成により、低段側圧縮機より吐出された中間圧
の冷媒ガスはボルテックスチューブ入口に流入し、その
内部で旋回流が発生して高温ガスと低温ガスに分岐さ
れ、その内の高温ガスは、高温側出口より出て第２凝縮
器である室内側熱交換器に流入してそこで暖房に寄与
し、自らは凝縮液化する。また、低温ガスは低温側出口
より出て、高段側圧縮機に吸引され、中間圧から高圧ま
で圧縮されて第１凝縮器である給湯用熱交換器に流入
し、給湯に寄与して自らは凝縮液化する。ここにおい
て、低段側と高段側でそれぞれの圧縮比がほぼ同じにな
る望ましい中間圧で運転した場合でも、室内側熱交換器
に流入する過熱度の大きいガスによって暖房の吹出し温
度を高めることができる。また、高段側圧縮機の吸入ガ
ス温度はボルテックスチューブの低温側出口ガスのため
低温となり、高段側圧縮機で高圧まで圧縮するにもかか
わらず、高段側圧縮機の吐出ガス温度を低くおさえるこ
とができるので、過昇温による圧縮機の信頼性をそこな
うことなく、高い凝縮温度を得ることができるので、冷
媒の持つ高温の潜熱を利用した高温給湯が可能となり、
圧縮機の安全性と成績係数を高く維持した暖房給湯の同
時運転ができる。

実施例以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第１図は本発明の一実施例における２段圧縮冷凍サイ
クルを示すものであり、９は低段側圧縮機、10は高段側
圧縮機、11はボルテックスチューブ、12は給湯用熱交換
器、13は第１絞り装置、14は第２絞り装置、15は室外側
熱交換器でそれぞれ順に環状に接続され、給湯用回路を
構成している。

また、16は室内側熱交換器で、その入口をボルテック
スチューブ11の高温側出口と、また、その出口を第１絞
り装置13と第２絞り装置14の間の配管に接続されてお
り、低段側圧縮機９、ボルテックスチューブ11、室内側
熱交換器16、第２絞り装置14、室外側熱交換器15によっ
て暖房用回路を構成しており、室内側熱交換器16を中間
圧、給湯用熱交換器12を高圧として２段圧縮冷凍サイク
ルを構成している。

このように構成された２段圧縮冷凍サイクルの運転方
法について説明する。

低段側圧縮機９より吐出された中間圧の冷媒ガスはボ
ルテックスチューブ11の入口に流入し、その内部で旋回
流が発生して高温ガスと低温ガスに分岐され、その内の
高温ガスはボルテックスチューブ11に流入した中間圧の
冷媒ガス温度よりかなり高温となり、高温側出口より出
て室内側熱交換器16に流入してそこで暖房に寄与し、自
らは凝縮液化する。また、低温ガスはボルテックスチュ
ーブ11に流入した中間圧の冷媒ガス温度よりかなり低温
となって低温側出口より出て、高段側圧縮機10に吸引さ
れ、中間圧から高圧まで圧縮されて給湯用熱交換器12に
流入し給湯に寄与して自らは凝縮液化する。ここにおい
て、成績係数の高い、低段側と高段側の圧縮比がほぼ同
じになる中間圧で運転した場合でも、凝縮温度としては
低いものの、ボルテックスチューブ11で温度を高くされ
た過熱度の大きいガスによって室内側熱交換器16での暖
房の吹出し温度を高くすることができる。また、高段側
圧縮機10の吸入ガスは低段側圧縮機９の吐出ガスより温
度を下げることができ、高段側圧縮機10の吐出ガス温度
を低くおさえて高温の給湯が可能となる。このようにボ
ルテックスチューブを１つ設けることにより、簡単な構
成で暖房の高温化と高温給湯が達成でき、特に安全面で
問題な高段側圧縮機の吐出ガス温度が異常に高くなるよ
うなことなく、圧縮機の安全性と成績係数を高く維持し
た暖房給湯の同時運転が実現できる。

また、本発明の別の実施例を第２図を用いて説明す
る。第２図において第１図と同一番号で示した部品は同
様の機能をもつものであり、説明は省略する。ここにお
いては、第１絞り装置13と第２絞り装置14の間に中間熱
交換器17を配置しており、内部は第１絞り装置を出た二
相の冷媒が流れている。また、ボルテックスチューブ11
の低温側出口と高段側圧縮機10の吸入側との間の配管を
中間圧熱交換器17内部の二相冷媒と熱交換できるように
しており、こうすることによってボルテックスチューブ
11での冷却のみならず中間熱交換器17での熱交換によっ
て高段側圧縮機10の吸入ガスを確実に冷却することがで
きる。

本発明は上記実施例に示すほか、種々の態様に構成す
ることができる。例えば上記実施例では中間熱交換器17
で間接的に熱交換することによって高段側圧縮機10の吸
入ガスを冷却したが、ボルテックスチューブ11の低温側
出口ガスを中間熱交換器17内に流入させ、中間熱交換器
17内の二相冷媒と直接、熱交換した後に高段側圧縮機10
の吸入側へ流入させる構成も考えられ、これらは本発明
に含まれるものである。

また、上記実施例では低段側圧縮機と高段側圧縮機を
別置きにしたが、一体の（同一シェルの）二段圧縮機な
どでも行えることは明白であり、これらもまた本発明に
含まれるものである。

発明の効果以上のように、本発明の２段圧縮冷凍サイクルは、低
段側圧縮機と高段側圧縮機の間にボルテックスチューブ
を設けて二段圧縮冷凍サイクルを構成したので、二段圧
縮冷凍サイクルで望ましい低段、高段の圧縮比が同程度
の運転を実現しながら、中間圧の比較的低い運転状態で
も、ボルテックスチューブによって室内側熱交換器の冷
媒ガス温度を高め、その吹出し温度を高めることができ
る。また、高段側圧縮機の吸入ガスは同じくボルテック
スチューブによって冷却されるので高温の給湯を得たい
時にも高段側圧縮器の吐出温度が上昇するようなことは
なく、安全で成績係数の高い運転ができる効果がある。

また、第１絞り装置と第２絞り装置の間に中間熱交換
器を配置することによって、ボルテックスチューブの冷
却効果とあいまって、高段側圧縮機の吸入ガスを確実に
冷却することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の２段圧縮冷凍サイクルの構
成図、第２図は本発明の別の実施例の２段圧縮冷凍サイ
クル構成図、第３図は従来例の２段圧縮冷凍サイクルの
構成図である。９……低段側圧縮機、10……高段側圧縮機、11……給湯
用熱交換器、12……第１絞り装置、13……第２絞り装
置、14……室外側熱交換器、15……第３絞り装置、16…
…室内側熱交換器、17……中間熱交換器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも低段側圧縮機、高段側圧縮機、
第１凝縮器、第２凝縮器、第１絞り装置、第２絞り装
置、蒸発器から主回路を構成し、前記低段側圧縮機出口
と前記高段側圧縮機入口との間にボルテックスチューブ
を設け、前記低段側圧縮機出口とボルテックスチューブ
入口とを接続し、前記ボルテックスチューブの低温側出
口を高段側圧縮機入口に接続した後、前記第１凝縮器、
前記第１絞り装置、前記第２絞り装置、前記蒸発器、前
記低段側圧縮機の吸入側の順に接続し、また、前記ボル
テックスチューブの高温側出口を第２凝縮機に接続した
後、前記第１絞り装置と前記第２絞り装置の間の配管に
接続したことを特徴とする２段圧縮冷凍サイクル。
【請求項２】第１絞り装置と第２絞り装置の間に中間熱
交換器を設け、前記ボルテックスチューブの低温側出口
と高段側圧縮機入口との間の冷媒を前記中間熱交換器内
部の冷媒と直接、あるいは間接的に熱交換させたことを
特徴とする請求項１記載の２段圧縮冷凍サイクル。