JP4069656B2

JP4069656B2 - 蒸気圧縮式冷凍機

Info

Publication number: JP4069656B2
Application number: JP2002094819A
Authority: JP
Inventors: 和久牧田; 裕嗣武内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003294328A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
エジェクタを利用した蒸気圧縮式冷凍機として、出願人は、既に特願２００１−２０８０１１号を出願しているが、この出願では、室内と室外とを仕切る壁を貫通する冷媒配管が４本以上と多いため、冷凍機を設置する際に壁に開ける貫通穴が大きくなり、設置工数が増大するという問題を有している。
【０００３】
本発明は、上記点に鑑み、従来の異なる新規な構造にて設置工数の低減を図ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（２）と、冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器（３）と、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（４）と、高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（５ａ）、及びノズル（５ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引し、その吸引した冷媒とノズル（５ａ）から噴射する冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（５ｂ、５ｃ）を有するエジェクタ（５）と、室外熱交換器（２）、室内熱交換器（３）、エジェクタ（５）及び気液分離器（４）を繋ぐ冷媒配管（９）と、室外の熱を室内に移動させる際に、室外熱交換器（２）に流入する冷媒を減圧する減圧手段（１１）とを備え、室内の熱を室外に移動させる際には、少なくとも圧縮機（１）→室外熱交換器（２）→エジェクタ（５）→気液分離器（４）→圧縮機（１）の順に冷媒を循環させる駆動流と、少なくともエジェクタ（５）→気液分離器（４）→室内熱交換器（３）→エジェクタ（５）の順に冷媒を循環させる吸引流とが発生するように冷媒を流し、室外の熱を室内に移動させる際には、少なくとも圧縮機（１）→室内熱交換器（３）→減圧手段（１１）→室外熱交換器（２）→圧縮機（１）の順に冷媒を循環させ、さらに、室内と室外とを仕切る壁（１０）には、２本の冷媒配管（９）が貫通していることを特徴とする。
【０００７】
これにより、新規な構成により室内と室外とを仕切る壁を貫通する冷媒配管（９）を２本とすることができるので、上記した発明に比べて設置工数の低減を図ることができる。
【０００８】
ところで、エジェクタ（５）にて冷媒を減圧しつつ、圧縮機（１）の吸入圧を上昇させる冷凍機、つまりエジェクタサイクルでは、駆動流及び吸引流からなる２つの流れが存在するのに対して、膨脹弁サイクルでは、圧縮機→高圧側熱交換器→減圧器→低圧側熱交換器→圧縮機の順の流れのみである。
【０００９】
つまり、エジェクタサイクルの構成機器であるエジェクタ（５）及び気液分離器（４）は冷媒が流出入する３つのポートを有しているのに対して、膨脹弁サイクルでは、圧縮機、高圧側熱交換器、減圧器及び低圧側熱交換器のいずれも２のポートしかない。
【００１０】
したがって、原理的に、膨脹弁サイクルは容易に室内と室外とを仕切る壁を貫通する冷媒配管（９）を２本とすることができる。
【００１１】
また、室外の熱を室内に移動させるときには、室外熱交換器（２）にて室外空気から吸熱した熱量と圧縮機（１）での断熱圧縮仕事量に相当する熱量が室内熱交換器（３）にて室内に供給される。そのため、エジェクタサイクルでは、圧縮機（１）での断熱圧縮仕事量が小さくなるので、エジェクタサイクルと膨脹弁サイクルとを切り換えて運転する場合には、暖房運転時には膨脹弁サイクルとし、冷房運転時にはエジェクタサイクルとすることが望ましい。
【００１２】
したがって、本発明によれば、効率よく蒸気圧縮式冷凍機を運転させることができ、かつ、室内と室外とを仕切る壁を貫通する冷媒配管（９）を２本とすることができるので、上記した発明に比べて設置工数の低減を図ることができる。
【００１３】
なお、請求項２に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、冷媒としてフロンを用いたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、冷媒として炭化水素を用いたことを特徴とするものである。
【００１６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（参考例）
本参考例は、蒸気圧縮式冷凍機を空調装置に適用したものであって、図１は本参考例に係る空調装置の模式図である。
【００１８】
図１中、圧縮機１は冷媒を吸入圧縮する電動式のコンプレッサであり、室外熱交換器２は後述する冷房運転時に圧縮機１から吐出した冷媒と室外空気とを熱交換する熱交換器であり、室内熱交換器３は室内に吹き出す空気と冷媒とを熱交換する熱交換器である。
【００１９】
気液分離器４は、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１の吸入側に供給し、液相冷媒を低圧側に供給する気液分離手段であり、エジェクタ５は冷媒を減圧膨張させて低圧側の熱交換器にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１の吸入圧を上昇させるものである。
【００２０】
なお、エジェクタ５は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル５ａ、ノズル５ａから噴射する高い速度の冷媒流により低圧側の熱交換器にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル５ａから噴射する冷媒流とを混合する混合部５ｂ、及びノズル５ａから噴射する冷媒と室内熱交換器３から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ５ｃ等からなるものである。
【００２１】
因みに、参考例では、ノズル５ａから噴出する冷媒の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラバールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用している。
【００２２】
なお、混合部５ｂにおいては、ノズル５ａから噴射する冷媒流の運動量と、室内熱交換器３からエジェクタ５に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部５ｂにおいても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ５ｃにおいては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ５においては、混合部５ｂ及びディフューザ５ｃの両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部５ｂとディフューザ５ｃとを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００２３】
また、流量調整弁６は、低圧側の熱交換器から流出する冷媒の過熱度が所定値となるように低圧側の熱交換器に流れる液相冷媒量を調節するとともに、低圧側の熱交換器に流れ込む液相冷媒を減圧するものであり、第１、２四方弁７、８は冷媒流れを切り換えるバルブであり、第１四方弁７は圧縮機１の吐出側に配置されて冷媒流れを切り換え、第２四方弁８はエジェクタ５の冷媒流入側に配置されて冷媒流れを切り換える。
【００２４】
そして、本参考例では、圧縮機１、室外熱交換器２、室内熱交換器３、気液分離器４及びエジェクタ５のうち室内熱交換器３のみを室内に設置して室内ユニットＵｉを構成し、圧縮機１、室外熱交換器２、室内熱交換器３、気液分離器４及びエジェクタ５のうち室内熱交換器３を除いた機器を室外に設置して室外ユニットＵｏを構成しているとともに、両ユニットＵｉ、Ｕｏとを繋ぐ冷媒配管９を２本としている。このため、本参考例では、室内と室外とを仕切る壁１０には、２本の冷媒配管９が貫通することとなる。
【００２５】
次に、本参考例に係る空調装置の作動を述べる。
【００２６】
１．冷房運転
室内の熱を室外に移動させて室内を冷房する冷房運転時には、第１四方弁７及び第２四方弁８を図１（ａ）に示すように作動させるとともに圧縮機１を稼動させて、圧縮機１→第１四方弁７→室外熱交換器２→第２四方弁８→エジェクタ５→気液分離器４→圧縮機１の順に冷媒を循環させる駆動流を発生させる。
【００２７】
これにより、ノズル５ａから噴出する高速の冷媒の巻き込み作用によってエジェクタ５が室内熱交換器３から冷媒を吸引して気液分離器４に吐出する運動量輸送式ポンプ（ＪＩＳＺ８１２６番号２．１．２．３等参照）として機能するので、エジェクタ５→気液分離器４→流量調整弁６→第１四方弁７→室内熱交換器３→第２四方弁８→エジェクタ５の順に冷媒を循環させる吸引流が発生する。
【００２８】
このとき、室外熱交換器２は圧縮機１から吐出した高温・高圧の冷媒が流入するので、室外熱交換器２は高圧側熱交換器となって冷媒の熱を室外空気中に放出して冷媒のエンタルピーを低下させる。
【００２９】
一方、室内熱交換器３内の冷媒がエジェクタ５により吸引されるため、室内熱交換器３内の圧力が低下し、内部の冷媒が室内に吹き出す空気から熱を奪って蒸発してそのエンタルピーを上昇させるとともに、室内熱交換器３が低圧側熱交換器として機能する。
【００３０】
なお、エジェクタ５にて圧縮機１の吸入圧が昇圧されるため、圧縮機１の消費動力（圧縮仕事）は、圧縮機→高圧側熱交換器→減圧器→低圧側熱交換器→圧縮機の順に流れる蒸気圧縮式冷凍機、いわゆる膨脹弁サイクルに比べて小さくなり、冷凍機の成績係数が膨脹弁サイクルより高くなる。
【００３１】
因みに、参考例では、冷媒として二酸化炭素を用いており、高圧側熱交換器に流入する冷媒の圧力、つまり圧縮機１の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上としているので、高圧側熱交換器、つまり室外熱交換器２内では、冷媒は凝縮することなく、温度を低下させてエンタルピーが低下していく。
【００３２】
２．暖房運転
室外の熱を室内に移動させて室内を暖房する暖房運転時には、第１四方弁７及び第２四方弁８を図１（ｂ）に示すように作動させて、圧縮機１→第１四方弁７→室内熱交換器３→第２四方弁８→エジェクタ５→気液分離器４→圧縮機１の順に冷媒を循環させる駆動流を発生させるとともに、エジェクタ５のポンプ作用により、エジェクタ５→気液分離器４→流量調整弁６→第１四方弁７→室外熱交換器２→第２四方弁８→エジェクタ５の順に冷媒を循環させる吸引流が発生する。
【００３３】
つまり、冷房運転時には駆動流が室外熱交換器２を流れていたのに対して、暖房運転時には駆動流れが室内熱交換器３を流れ、さらに、冷房運転時には吸引流が室内熱交換器３を流れていたのに対して、暖房運転時には吸引流れが室外熱交換器２を流れる点が相違するのみで、冷凍機としての基本的作動は同じである。
【００３４】
なお、暖房運転時には、室外熱交換器２にて室外空気から吸熱した熱量と圧縮機１での断熱圧縮仕事量に相当する熱量が室内熱交換器３にて室内に供給される。
【００３５】
次に、本参考例の特徴を述べる。
【００３６】
本実参考例によれば、室内と室外とを仕切る壁１０に２本の冷媒配管９が貫通することとなるので、上記した従来の技術に比べて設置工数の低減を図ることができる。
【００３７】
また、冷房運転時及び暖房運転時の両場合において、エジェクタ５にて圧縮機１の吸入圧を昇圧して圧縮機１の圧縮仕事量を減少させているので、冷房運転時及び暖房運転時いずれの場合においても、成績係数を高く維持しながら冷凍機を稼動させることができる。
【００３８】
また、圧縮機１、室外熱交換器２、室内熱交換器３、気液分離器４及びエジェクタ５のうち室内熱交換器３のみにて室内ユニットＵｉが構成されているので、室内ユニットＵｉをを小さくすることができるとともに、騒音の原因となる減圧手段つまりエジェクタ５、及び圧縮機１が室外に設置されるので、空調装置の室内騒音の小さくすることができる。
【００３９】
また、本参考例は、後述する実施形態では必要とする流量制御弁１１等を必要としないので、空調装置の製造原価を低減することができる。
【００４０】
（第１実施形態）
上述の参考例では、冷房運転時及び暖房運転時いずれの場合においても、エジェクタ５（ノズル５ａ）にて冷媒を減圧しつつ、圧縮機１の吸入圧を上昇させるとともに、エジェクタ５のポンプ作用にて低圧側熱交換器に冷媒を循環させたが、本実施形態は、図２に示すように、冷房運転時には参考例と同様に、エジェクタ５（ノズル５ａ）にて冷媒を減圧しつつ、圧縮機１の吸入圧を上昇させるとともに、エジェクタ５のポンプ作用にて低圧側熱交換器に冷媒を循環させ、暖房運転時には、前記した膨脹弁サイクルとして作動させるものである。
【００４１】
そこで、本実施形態では、暖房運転時には、開度を縮小して室外熱交換器２に流入する冷媒を減圧膨脹する減圧手段として機能し、冷房運転時には、開度を全開として単なる冷媒通路として機能する電気式の流量制御弁１１、気液分離器４の液相冷媒流出口側の冷媒通路を開閉する電磁弁１２、気液分離器４の液相冷媒流出口側とノズル５ａの冷媒入口側とを繋ぐ冷媒回路１３、及びこの冷媒回路１３に気液分離器４の液相冷媒流出口側からノズル５ａの冷媒入口側に向かって流れるときのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁１４を新たに設けている。
【００４２】
なお、本実施形態も参考例と同様に、圧縮機１、室外熱交換器２、室内熱交換器３、気液分離器４及びエジェクタ５のうち室内熱交換器３のみを室内に設置して室内ユニットＵｉを構成し、圧縮機１、室外熱交換器２、室内熱交換器３、気液分離器４及びエジェクタ５のうち室内熱交換器３を除いた機器を室外に設置して室外ユニットＵｏを構成しているとともに、両ユニットＵｉ、Ｕｏとを繋ぐ冷媒配管９を２本としている。
【００４３】
因みに、流量制御弁１１、電磁弁１２、冷媒回路１３及び逆止弁１４は、室外ユニットＵｏに組み込まれている。
【００４４】
次に、本実施形態に係る空調装置の作動を述べる。
【００４５】
１．冷房運転
冷房運転時には、第１四方弁７を図２（ａ）に示すように作動させ、かつ、電磁弁１２を開いた状態で圧縮機１を稼動させて、圧縮機１→第１四方弁７→室外熱交換器２→流量制御弁１１→エジェクタ５→気液分離器４→第１四方弁７→圧縮機１の順に冷媒を循環させる駆動流を発生させるとともに、エジェクタ５のポンプ作用により、エジェクタ５→気液分離器４→電磁弁１２→室内熱交換器３→エジェクタ５の順に冷媒を循環させる吸引流を発生させる。
【００４６】
２．暖房運転
暖房運転時には、第１四方弁７を図２（ｂ）に示すように作動させ、かつ、電磁弁１２を閉じた状態で圧縮機１を稼動させて、圧縮機１→第１四方弁７→気液分離器４→エジェクタ５→室内熱交換器３→冷媒回路１３→逆止弁１４→流量制御弁１１→室外熱交換器２→第１四方弁７→圧縮機１の順に冷媒を流す。
【００４７】
なお、この場合、エジェクタ５は単なる冷媒通路として機能し、エジェクタ５内において、冷媒は冷房運転時における吸引流れとは逆にディフューザ５ｃ→混合部５ｂの順に流れて室内熱交換器３に流れ込む。
【００４８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４９】
本実施形態によれば、室内と室外とを仕切る壁１０に２本の冷媒配管９が貫通することとなるので、上記した発明に比べて設置工数の低減を図ることができる。
【００５０】
また、参考例と同様に、室内ユニットＵｉを小さくすることができるとともに、空調装置の室内騒音の小さくすることができる。
【００５１】
ところで、エジェクタ５（ノズル５ａ）にて冷媒を減圧しつつ、圧縮機１の吸入圧を上昇させる冷凍機、つまりエジェクタサイクルでは、前述のごとく駆動流及び吸引流からなる２つの流れが存在するのに対して、膨脹弁サイクルでは、圧縮機→高圧側熱交換器→減圧器→低圧側熱交換器→圧縮機の順の流れのみである。
【００５２】
つまり、エジェクタサイクルの構成機器であるエジェクタ５及び気液分離器４は冷媒が流出入する３つのポートを有しているのに対して、膨脹弁サイクルでは、圧縮機、高圧側熱交換器、減圧器及び低圧側熱交換器のいずれも２のポートしかない。
【００５３】
したがって、原理的に、膨脹弁サイクルは容易に室内ユニットと室外ユニットとを繋ぐ冷媒配管を２本とすることができる。
【００５４】
また、暖房運転時には、室外熱交換器２にて室外空気から吸熱した熱量と圧縮機１での断熱圧縮仕事量に相当する熱量が室内熱交換器３にて室内に供給される。エジェクタサイクルでは、圧縮機１での断熱圧縮仕事量が小さくなるので、エジェクタサイクルと膨脹弁サイクルとを切り換えて運転する場合には、暖房運転時には膨脹弁サイクルとし、冷房運転にエジェクタサイクルとすることが望ましい。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば、効率よく蒸気圧縮式冷凍機を運転させることができ、かつ、室内と室外とを仕切る壁を貫通する冷媒配管９を２本とすることができるので、上記した従来の技術に比べて設置工数の低減を図ることができる。
【００５６】
（第２実施形態）
本実施形態は第１実施形態の変形例であり、具体的には、図３に示すように、室内ユニットＵｉにエジェクタ５及び気液分離器４等を収納したものである。なお、作動は第１実施形態と同じであるので、作動説明は省略する。
【００５７】
これにより、室内熱交換器３とエジェクタ５とを結ぶ冷媒通路圧力損失、及び室内熱交換器３と気液分離器４とを結ぶ冷媒通路圧力損失を低減することができるので、特に、冷房運転時の能力を向上させることができる。
【００５８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を採用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍機に適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば冷媒としてフロン又は炭化水素等を採用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力未満となる蒸気圧縮式冷凍機にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例に係る空調装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空調装置の模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る空調装置の模式図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…室外熱交換器、３…室内熱交換器、４…気液分離器、
５…エジェクタ、７…第１四方弁、９…冷媒配管、１０…壁、
１１…流量調整弁、１２…電磁弁、１４…逆止弁。

Claims

低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であって、
冷媒を吸入圧縮する圧縮機（１）と、
冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（２）と、
冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器（３）と、
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄える気液分離器（４）と、
高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（５ａ）、及び前記ノズル（５ａ）から噴射する高い速度の冷媒流により低圧側で蒸発した気相冷媒を吸引し、その吸引した冷媒と前記ノズル（５ａ）から噴射する冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（５ｂ、５ｃ）を有するエジェクタ（５）と、
前記室外熱交換器（２）、前記室内熱交換器（３）、前記エジェクタ（５）及び前記気液分離器（４）を繋ぐ冷媒配管（９）と、
室外の熱を室内に移動させる際に、前記室外熱交換器（２）に流入する冷媒を減圧する減圧手段（１１）とを備え、
室内の熱を室外に移動させる際には、少なくとも前記圧縮機（１）→前記室外熱交換器（２）→前記エジェクタ（５）→前記気液分離器（４）→前記圧縮機（１）の順に冷媒を循環させる駆動流と、少なくとも前記エジェクタ（５）→前記気液分離器（４）→前記室内熱交換器（３）→前記エジェクタ（５）の順に冷媒を循環させる吸引流とが発生するように冷媒を流し、
室外の熱を室内に移動させる際には、少なくとも前記圧縮機（１）→前記室内熱交換器（３）→前記減圧手段（１１）→前記室外熱交換器（２）→前記圧縮機（１）の順に冷媒を循環させ、
さらに、室内と室外とを仕切る壁（１０）には、２本の冷媒配管（９）が貫通していることを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒としてフロンを用いたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
冷媒として炭化水素を用いたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。