JP4468887B2 - 過冷却装置及び過冷却装置を備える空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温の冷媒を過冷却する過冷却装置、過冷却装置を備えた空気調和装置に関する。

圧縮機から吐出される冷媒を熱交換しつつ循環させて冷房運転させる装置には、例えば空気調和装置があげられる。従来の空気調和装置には、減圧装置としてエジェクタを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。エジェクタの駆動流には、凝縮器からの冷媒が用いられ、吸引流には蒸発器から流出する冷媒が用いられる。エジェクタから流出する冷媒は、気液分離器に導かれる。気液分離器は、エジェクタから流入した冷媒を飽和ガス冷媒と飽和液冷媒とに分離し、飽和ガス冷媒を圧縮機に供給し、飽和液冷媒を蒸発器に供給する。冷房運転時に冷媒をエジェクタで減圧膨張させ、その際の膨張エネルギを圧力エネルギに変換することで、圧縮機の吸入圧を上昇させることができる。

また、空気調和装置には、二重管構造の過冷却装置を有するものがある（例えば、特許文献２参照）。過冷却装置は、内管に冷房運転時に室外熱交換器から流出する液冷媒が通る配管が接続され、外管に圧縮機の吸入配管が接続されている。外管を通る低温低圧の冷媒と内管を通る高温高圧の液冷媒とが熱交換を行う。液冷媒を過冷却してから凝縮器に供給することが可能になる。
特開２００３−２６２４１３号公報 特開２００３−２７９１７０号公報

しかしながら、エジェクタを備える構成では、凝縮器から流出する気液の２相冷媒が駆動流として使用されることになるが、駆動流に２相冷媒を用いると単相流の場合に比べてエネルギ回収率が低下する。特に、ＣＯ_２冷媒を使用する場合には、２相冷媒であってもエネルギを回収し易いが、Ｒ４１０ＡなどのＨＦＣ冷媒を使用した場合にはエネルギの回収率が低下する。また、気液分離器の飽和液冷媒が蒸発器に流入する構成であるが、飽和液冷媒は過冷却がとれないので、２相冷媒になり易い。マルチシステムのように、蒸発器を複数並列に接続する構成では、気液分離器からの飽和液冷媒を通す配管が長くなるので、蒸発器に至るまでの間に一部の液冷媒が蒸発するなどし易かった。このため、十分な能力が得られる蒸発器と、能力が不足する蒸発器とが生じ易くなっていた。

過冷却装置を備える構成では、過冷却装置を通って圧縮機に吸入される冷媒の温度が高くなり過ぎることがあった。このように過熱状態になったガス冷媒をそのまま圧縮機に吸入させると、圧縮機の能力が低下してしまう。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、冷媒を過冷却する過冷却装置における熱交換を効率良く行えるようにすることである。

上記の課題を解決する本発明は、圧縮機で圧縮した冷媒を循環させる際に高温高圧の液冷媒を過冷却する過冷却装置において、室内機をバイパスする高圧の冷媒を駆動流とし、前記圧縮機に吸入させる冷媒を流出させるエジェクタと、前記エジェクタの吸引流を冷却熱源とし、冷房運転時に室内機に流入させる高温高圧の液冷媒を熱交換により過冷却する過冷却器と、冷却熱源として前記圧縮機に吸入させるガス冷媒よりも低温低圧の冷媒を形成する減圧装置と、を有することを特徴とする過冷却装置とした。

この過冷却装置では、エジェクタの吸引流にこの低温低圧の冷媒は、減圧装置で圧縮機の吸入圧力よりも低圧（低温）の冷媒を使用する。この低温低圧の冷媒は、過冷却器における低温熱源として用いられて、高温高圧の液冷媒を過冷却する。低温低圧の冷媒は、低温熱源として熱交換に用いられた後に、エジェクタに吸入されて加圧されてから圧縮機に吸入される。

本発明によれば、エジェクタの吸引流として使用する低温低圧の冷媒を過冷却器で熱交換する低温熱源として使用するようにしたので、過冷却器に使用する低温熱源の温度を従来よりも下げた状態で使用することが可能になる。高温熱源と低温熱源との温度差を大きくすることが可能になり、過冷却器における熱交換効率が向上し、液冷媒を確実に過冷却することができる。また、低温熱源として従来よりも低い温度の冷媒を使用するので、熱交換後の冷媒の温度が高くなり過ぎることがなくなり、圧縮機の能力低下を防止できる。

発明を実施するための一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に過冷却器を搭載した装置の一例として空気調和装置の構成を示す。空気調和装置１は、１台の室外機２に複数の室内機３が並列に接続されたマルチシステムになっている。

室外機２は、冷媒を圧縮する圧縮機１０を有し、圧縮機１０の吐出口に接続された吐出配管１１は、四方弁１２の第１のポート１２Ａに接続されている。四方弁１２は、第１のポート１２Ａと第２ポート１２Ｂが接続されたときに第３のポート１２Ｃと第４のポート１２Ｄが接続され、第１のポート１２Ａと第３のポート１２Ｃが接続されときに第２のポート１２Ｂと第４のポート１２Ｄが接続されるように構成されている。第２のポート１２Ｂは、配管１３を介して室外熱交換器１４の一方の流入出口に接続されている。室外熱交換器１４の他方の流入出口には配管１５が接続されており、配管１５はその経路中に膨張弁１６と、膨張弁１６をバイパスする逆止弁１７とが並列に設けられた後に気液分離器１８に接続されている。気液分離器１８は、飽和ガス冷媒を流出させるガス配管１９と、飽和液冷媒が流入出する液配管２０とが接続されている。これら配管１９，２０は、過冷却装置２１に接続されている。

過冷却装置２１は、飽和ガス冷媒を駆動流として取り込むエジェクタ２２と、エジェクタ２２の吸引流を供給するようにエジェクタ２２に配管接続された過冷却器２３と、過冷却器２３に供給する冷媒を減圧する減圧装置２４とを含んで構成されている。エジェクタ２２は、駆動流を絞りつつ噴き出させるノズル部２２Ａと、ノズル部２２Ａからガス冷媒を噴き出すことで過冷却器２３から冷媒を吸引して混合する混合部２２Ｂと、混合部２２Ｂから徐々に径が拡がるディフューザ部２２Ｃとを有し、混合部２２Ｂ及びディフューザ部２２Ｃで冷媒が昇圧されるように構成されている。ディフューザ部２２Ｃには、吸入配管２６が接続されており、吸入配管２６は、四方弁１２の第４のポート１２Ｄに接続された吸入配管２７が合流した後にアキュムレータ２８に接続されている。アキュムレータ２８からは飽和ガス冷媒が吸入配管２９を通って圧縮機１０に吸入されるようになっている。

ここで、四方弁１２から延びる吸入配管２７は、その途中から配管３０が分岐している。配管３０は、途中にキャピラリチューブなどの減圧装置２４が設けられた後に過冷却器２３の内管３１の第一の端部３１Ａに接続されている。過冷却器２３は、二重管構造を有し、内管３１の第二の端部３１Ｂから延びる配管３２は、エジェクタ２２の混合部２２Ｂに形成された吸引口３３に接続されている。外管３４の第二の端部３４Ｂには、気液分離器１８から延びる液配管２０が接続されている。外管３４の第一の端部３４Ａには、液配管３５が接続されている。液配管３５は、室外機２の外に延びた後に複数に分岐し、各室内機３にそれぞれに引き込まれている。

室内機３は、液配管３５が膨張弁４０を通った後に室内熱交換器４１の一方の流入出口に接続されている。室内熱交換器４１の他方の流入出口には、ガス配管４２が接続されている。ガス配管４２は、各室内機３から引き出されて合流した後に、室外機２の四方弁１２の第３のポート１２Ｃに接続されている。なお、ガス配管４２と液配管３５とは、室外機２の内部と外部とで切り離しできるように開閉弁４３，４４が管路中に設けられている。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
空気調和装置１で冷房運転するときには、四方弁１２の第１のポート１２Ａと第２のポート１２Ｂとを接続し、第３のポート１２Ｃと第４のポート１２Ｄとを接続する。圧縮機１０から吐出される高温高圧のガス冷媒は、吐出配管１１から四方弁１２を通って室外熱交換器１４に流入する。室外熱交換器１４は、凝縮器として機能し、室外熱交換器１４内を通る冷媒は外気と熱交換する。熱交換後の冷媒は、室外熱交換器１４から流出して気液分離器１８に流入する。気液分離器１８からは、飽和状態にある高温高圧のガス冷媒がガス配管１９から過冷却装置２１に供給される。さらに、飽和状態にある高温の液冷媒が液配管２０から過冷却装置２１に供給される。

気液分離器１８からガス配管１９に流出する高温高圧のガス冷媒は、エジェクタ２２のノズル部２２Ａに流入し、単相の駆動流として噴き出される。一方、気液分離器１８から液配管２０に流出する高温高圧の液冷媒は、過冷却器２３の外管３４に第二の端部３４Ｂから流入し、第一の端部３４Ａから流出する。このとき、内管３１を通る低温低圧のガス冷媒と熱交換を行って過冷却される。過冷却された液冷媒は、液配管３５を通って室内機３に導かれる。室内機３では、室内熱交換器４１が蒸発器として機能し、液冷媒が熱交換によって蒸発し、気化熱を空気から奪うことで空気を冷却する。冷却された空気によって室内が冷房される。熱交換によって形成されるガス冷媒は、ガス配管４２から室外機２に戻される。四方弁１２を通って吸入配管２７に流入し、ガス冷媒の一部がアキュムレータ２８に導かれ、残りのガス冷媒は、配管３０を通って過冷却装置２１の過冷却器２３に供給される。

配管３０を通って供給されるガス冷媒は、過冷却器２３に供給される前に減圧装置２４を通過することで、室外機２における蒸発時のガス圧や、圧縮機１０の吸入圧力よりも低圧かつ低温のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、過冷却器２３に低温熱源として内管３１の第一の端部３１Ａから流入する。過冷却器２３では、前記したように外管３４を流れる高温高圧の液冷媒と熱交換を行って加熱される。低温低圧のガス冷媒は、元々温度が低いので、熱交換後のガス冷媒の温度が高くなり過ぎることはない。そして、このガス冷媒は、過冷却器２３を第二の端部３１Ｂから流出したら、エジェクタ２２に吸引される。

エジェクタ２２内では、ガス配管１９から供給されるガス冷媒の単相からなる駆動流が形成する吸引力によって吸引される。低温低圧のガス冷媒は、駆動流と混合部２２Ｂにおいて混合され、加圧された後にアキュムレータ２８に流入する。アキュムレータ２８からは冷媒が吸入配管２９を通して圧縮機１０に吸入される。圧縮機１０に吸入されたガス冷媒は、再度圧縮されて吐出される。

この実施の形態によれば、エジェクタ２２に吸引して加圧する低温低圧冷媒が過冷却器２３の低温熱源となるように構成したので、低温熱源として従来よりも低温低圧のガス冷媒を使用することが可能になる。このため、高温高圧の液冷媒との温度差を大きくできるので、過冷却器２３における熱交換効率を向上させることが可能になる。したがって、室内機３に供給する液冷媒の過冷却度を大きくすることができ、室内機３間の能力のばらつきを防止できる。ここで、過冷却器２３で使用する低温低圧のガス冷媒は、従来よりも温度が低いので高温高圧の液冷媒と熱交換させても温度が高くなり過ぎることはない。したがって、このようなガス冷媒を圧縮機１０に吸入させても圧縮機１０の信頼性を損ねることはない。

室外熱交換器１４を通って形成される二相冷媒を気液分離器１８に導き、気液分離器１８で飽和ガス冷媒と、飽和液冷媒とに分離し、飽和ガス冷媒はエジェクタ２２の駆動流として使用しつつ室内機３をバイパスして圧縮機１０に回収するようにしたので、冷房に実質的に寄与しないガス成分が室内機３に流れなくなる。したがって、室内機３において液冷媒を効率良く蒸発させることが可能になる。空気調和装置１の冷房運転が高効率化され、これに伴って空気調和装置１の小型化が図れる。
エジェクタ２２の駆動流には、単相からなる高圧の飽和ガス冷媒を使用するので、従来のように二相冷媒を駆動流として使用する構成に比べて、エネルギ回収効率を向上できる。このため、空気調和装置１を小型化することができる。

なお、空気調和装置１は、四方弁１２を切り替えることで周知の空気調和装置と同様に暖房運転することができる。

本発明の参考例について図面を参照して詳細に説明する。なお、上記本願の一実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は、省略する。
図２に示すように、空気調和装置５１は、室外機５２の構成のみが上記本願の一実施形態と異なる。室外機５２は、圧縮機１０、四方弁１２、室外熱交換器１４が配管接続されており、室外熱交換器１４の他方の流入出口に接続される配管１５が、膨張弁１６、逆止弁１７を経た後に過冷却装置５３に接続されている。

過冷却装置５３は、エジェクタ２２と、過冷却器２３と、減圧装置２４とを含んで構成されている。エジェクタ２２のノズル部２２Ａには、室外熱交換器１４から延びる配管１５から分岐した配管６０が接続されている。なお、配管６０中に設けられている開閉弁６１は、必ずしも設ける必要はない。エジェクタ２２のディフューザ部２２Ｃから延びる吸入配管６２は、吸入配管２７と合流した後に気液分離器であるアキュムレータ２８に接続されている。アキュムレータ５４は、吸入配管２９によって飽和状態のガス成分が圧縮機１０に吸入されるようになっている。飽和液冷媒は、配管６３から流出するようになっている。配管６３は、途中にキャピラリチューブなどの減圧装置２４が設けられており、飽和液冷媒から低温低圧の二相冷媒を形成するようになっている。さらに、配管６３は、過冷却器２３の内管３１の第一の端部３１Ａに接続されている。内管３１の第二の端部３１Ｂは、配管３２によってエジェクタ２２の吸引口３３に接続されている。過冷却器２３の外管３４には、第一の端部３４Ａに液配管３５が接続されており、第二の端部３４Ｂには室外熱交換器１４から延びる配管１５から分岐した配管６４が接続されている。

この参考例の作用を説明する。
冷房運転時に圧縮機１０から吐出された高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１４で凝縮され、高温高圧の液冷媒になる。高温高圧の液冷媒は、配管６０からエジェクタ２２のノズル部２２Ａに供給されて駆動流となる。一方、過冷却器２３の外管３４に導かれた高温高圧の液冷媒は、内管３１を流れる低温低圧の二相冷媒と熱交換して過冷却され、液配管３５から各室内機３に導かれる。なお、過冷却器２３の内管３１を流れる低温低圧の二相冷媒は、アキュムレータ５４から流出する飽和液冷媒を減圧装置２４で減圧させることで得ている。二相冷媒の圧力は、室内機３で液冷媒が蒸発したときのガス圧力や、圧縮機１０の吸入圧力よりも低い。過冷却器２３の内管３１において熱交換によって形成される低温低圧の冷媒（主に飽和ガス冷媒）は、エジェクタ２２の吸引流となって、高温高圧のガス冷媒と合流して加圧された後に再びアキュムレータ５４に戻される。アキュムレータ５４からは、飽和したガス冷媒のみが圧縮機１０に吸入される。なお、外気温が低いときなど、室内機３に供給される液冷媒が充分に過冷却された状態にある場合には、開閉弁６１を閉じても良い。

この参考例によれば、エジェクタ２２の吸引する冷温低圧の冷媒を過冷却器２３の低温熱源として使用することで、室内機３において蒸発したガス冷媒の温度よりも更に低い温度の冷媒を使用することが可能になる。したがって、過冷却器２３における熱交換の効率が向上し、室内機３に供給する液冷媒を確実に過冷却することができる。特に、低温低圧の二相冷媒を利用して液冷媒を過冷却するので、二相冷媒の潜熱を利用することができ、液冷媒を確実に過冷却できるようになる。
過冷却器２３において熱交換した後の低温低圧の冷媒が、エジェクタ２２において駆動流となる液冷媒に混合されるように構成したので、アキュムレータ５４には二相冷媒が流入する。アキュムレータ５４から圧縮機１０が吸入するガス冷媒は、二相冷媒から得られる飽和ガスになる。過冷却器２３を通過した低温の冷媒を含むので、従来よりも低温の飽和ガス冷媒が圧縮機１０に吸入されるので、ガス冷媒の過熱による圧縮機１０の性能低下を防止することができる。

なお、本発明は、前記した本願一実施形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、上記参考例で、減圧装置２４を膨張弁にし、過冷却器２３の内管３１の第二の端部３１Ｂ側の温度に基づいて膨張弁の開度制御を行うように構成すると、過冷却器２３の熱交換によって内管３１に飽和ガスが確実に形成することが可能になる。
この過冷却装置２１，５３を備える装置としては、空気調和装置１，５１に限定されない。圧縮機１０で冷媒を循環させて冷却する装置であれば良く、冷凍機などでも良い。
過冷却装置２１，５３は、気液分離器１８や、アキュムレータ５４を含んだ構成であっても良い。

本発明の一実施形態に係る過冷却装置を備える空気調和装置の概略構成を示す図である。 本願発明の参考例に係る過冷却装置を備える空気調和装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１，５１ 空気調和装置
２ 室外機
３ 室内機
１０ 圧縮機
１８ 気液分離器
２１，５３ 過冷却装置
２２ エジェクタ
２３ 過冷却器
２４ 減圧装置
５４ アキュムレータ（気液分離器）
６３ 配管

Claims (2)

1. 圧縮機で圧縮した冷媒を循環させる際に高温高圧の液冷媒を過冷却する過冷却装置において、
   室内機をバイパスする高圧の冷媒を駆動流とし、前記圧縮機に吸入させる冷媒を流出させるエジェクタと、
   前記エジェクタの吸引流を低温熱源とし、冷房運転時に室内機に流入させる高温高圧の液冷媒を熱交換により過冷却する過冷却器と、
   冷却熱源として前記圧縮機に吸入させるガス冷媒よりも低温低圧の冷媒を形成する減圧装置と、を有する過冷却装置であって、
   前記エジェクタの駆動流として、気液分離器で分離した飽和ガス冷媒を用い、過冷却する液冷媒として前記気液分離器で分離した飽和液冷媒を用いるように構成したことを特徴とする過冷却装置。
2. 請求項１に記載の過冷却装置を室外機に備え、冷房運転時に過冷却した液冷媒を室内機に供給するように構成したことを特徴とする空気調和装置。

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