JP4810988B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、気液分離器を備え、この気液分離器で分離した後のガス成分を、運転状態に応じて圧縮機にインジェクションするようにした冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置としては、圧縮機の能力と蒸発器の能力を高める等の観点から、既知の冷凍サイクルを構成する要素に冷房または暖房の両サイクルであっても冷媒が一
方向に流れるようなブリッジ回路を組み込んだ気液分離器を備え、この気液分離器内に減圧機構により等エンタルピないしは断熱膨張された冷媒を導入して液成分とガス成分とに気液分離させ、その液成分を、さらに別の減圧機構に送り出す一方、ガス成分は圧縮機にインジェクションするようになっている。

さらに、ブリッジ回路のように複雑な冷凍サイクルを構成しない方法として、気液分離器の本体に挿入された冷媒流入管と冷媒流出管とが兼用できるように、両配管を本体上端から本体内下面近くまで挿入した構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来の冷凍サイクル装置の全体構成図である。図７において、圧縮機１と、室外熱交換器２と、第１膨張弁３と、気液分離器４と、第２膨張弁５と、室内熱交換器６とが環状に接続され、圧縮機１の吐出口１ａと吸入口１ｂには、これらの接続を逆方向にして冷房と暖房とを切り替える四方弁７が配設されている。気液分離器４は上端から冷媒流入管８ａまたは冷媒流出管８ｂとなる２本の配管８が底面近くまで挿入され、さらに上端には圧縮機１にガス冷媒をインジェクションするためのインジェクション管９が接続されている。冷媒流入管８ａからは冷媒が二相状態で流入し、冷媒流出管８ｂからは気液分離器４の下部に溜まった冷媒液だけが流出するが、２本の配管８が同じように形成されていることにより、冷房と暖房で冷媒流れが逆方向になってもそれぞれ同様の機能を発揮する。
特開２００２−３１８０３９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、通常の暖房運転時や冷房運転時に気液分離器に流入する冷媒の流速が速く、気液分離器の底部に激しく衝突する。それにより冷媒衝突音が騒音として問題になる。しかも冷媒は気液二相の状態で流入するために、気液分離器内部は攪拌された状態となり、液冷媒成分とガス冷媒成分が安定して十分に分離されない。したがって、最悪の場合はインジェクション管には液成分の混ざった冷媒が圧縮機に流れ込み、圧縮機の性能を低下させ、さらには気液分離器での液冷媒が十分に確保されないために例えば暖房運転時における室外側熱交換器でのエンタルピーや冷媒循環量の減少と同時に能力も低下し、冷凍サイクル全体の性能が低下するという問題があった。

本発明の目的は、気液分離器の底部での冷媒衝突音を抑制するとともに、気液分離器での冷媒の液成分とガス成分を安定して分離させ、高性能な冷凍サイクル装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、気液分離器、蒸発器を環状に接続し、前記圧縮機と前記気液分離器とをインジェクション管を介して接続した冷凍サイクルにおいて、気液分離器は、容器となる本体と、本体の上端部に接続された冷媒ガス成分が流出するインジェクション管と、冷房運転または暖房運転によって、冷媒が流入する冷媒流入管または冷媒液成分が流出する冷媒流出管となる、前記本体の上端部から長く挿入された複数の挿入管とを備え、少なくとも前記冷媒流入管となる前記挿入管の先端開口部を斜めに形成し、前記斜めに形成された先端開口部の周囲近傍を本体内の底面に設けた円筒管で包囲することによって、先端が斜めに形成された先端開口部から噴出した冷媒は円筒管の内部で旋回するため、冷媒ガス成分が中心方向に集められ、気液分離器の底面に広がることを防止するだけでなく、上方に浮遊した際の拡散も抑制することができ、気液分離器での冷媒の液成分とガス成分の分離性能の改善を図ることで、冷凍サイクルの性能を向上させることが可能となる。

また、円筒管を冷媒流入管に設けた場合には気液二相の状態で流入してきた冷媒が周囲に拡散することを抑制し、冷媒流出管に設けた場合にはガス冷媒成分が吸い込まれることを抑制して、液冷媒成分とガス冷媒成分とが安定して十分に分離されて冷媒流出管から流出するようにすることで、冷凍サイクルの性能を向上させることが可能となる。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、気液二相の流速の速い冷媒が気液分離器内部に流入した場合でも冷媒のガス成分と液成分の攪拌を軽減して冷媒の液成分とガス成分の分離性能の改善が図ることができ、冷凍サイクルの性能を向上するとともに、気液分離器の底部での冷媒衝突音を抑制することが可能となって、高性能な冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、気液分離器、蒸発器を環状に接続し、前記圧縮機と前記気液分離器とをインジェクション管を介して接続した冷凍サイクルにおいて、気液分離器は、容器となる本体と、本体の上端部に接続された冷媒ガス成分が流出するインジェクション管と、冷房運転または暖房運転によって、冷媒が流入する冷媒流入管または冷媒液成分が流出する冷媒流出管となる、前記本体の上端部から長く挿入された複数の挿入管とを備え、冷媒流入管となる挿入管の先端開口部を斜めに形成し、前記斜めに形成された先端開口部の周囲近傍を本体内の底面に設けた円筒管で包囲するもので、冷媒流入管の先端開口部から本体内に噴流する冷媒平均流速が減少し、気液分離器底部での冷媒衝突音を抑制することが可能となるとともに、先端が斜めに形成された先端開口部から噴出した冷媒は円筒管の内部で旋回するため、冷媒ガス成分が中心方向に集められることで、冷媒ガス成分である気泡が気液分離器の底面に広がることを防止するだけでなく、上方に浮遊した際の拡散も、より抑制することができ、気液分離器での冷媒の液成分とガス成分の分離性能の改善を図ることで、冷凍サイクルの性能を向上させることが可能となる。

また、先端開口部を斜めに形成することは、先端開口部を斜めに切断するだけで、あらためて加工するものではないので形成が容易である。

第２の発明は、特に第１の発明において、円筒管の上部と下部の直径が異なるものであり、円筒部での定常波発生を防止して騒音発生を抑制することができる。

第３の発明は、特に第１と第２の発明において、冷媒流出管に設けた円筒管の下部には流通穴を設けたもので、気液分離器に溜まる冷媒が少ないときや、底面に滞留するオイルを圧縮機に戻すことが容易となり、冷媒循環量の低下による能力低下やオイル不足による圧縮機の破損を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す冷凍サイクル装置の全体構成図である。図１において、冷凍サイクル装置１１では、室内機１２と室外機１３とこれらの間を接続する第１、第２の接続用配管１４，１５とで構成されている。室内機１２は、蒸発器又は凝縮器となる室内側熱交換器１６と室内側熱交換器１６の出入り口に各々接続された内部配管１７，１８とで構成され、この内部配管１７，１８に対して上述した第１、第２の接続用配管１４，１５の一端が着脱自在に連結されている。室内送風機１９はクロスフローファンで、室内機１２の吹き出し口（図示せず）の手前に取付けられる。

室外機１３は凝縮器または蒸発器となる室外側熱交換器２０と、その出入口に各々接続
された第１、第２の内部配管２１、２２とを有し、第１の内部配管２１は、前述した第１の接続用配管１４の他端に着脱自在に連結され、第２の内部配管２２は、前述した第２接続用配管１５の他端に着脱自在に連結されている。室外送風機２３はプロペラファンで、室外側熱交換器２０に隣接して配置される。第１の内部配管２１には、第２の減圧機構としての膨張弁３０ｂと気液分離器３１とが配設され、この気液分離器３１は上下方向に延びる容器となる本体３１ａに、その上端部から底面近傍まで２本の挿入管３２ａ，ｂが挿入されている。この２本の挿入管３２ａ，ｂが、気液分離器３１に冷媒が流入する冷媒流入管または同じく流出する冷媒流出管であり、冷房運転と暖房運転の冷媒流れ方向によって入れ替わる。また、気液分離器３１と室外側熱交換器２０との間には、第２の減圧機構としての膨張弁３０ａが介そうされている。

他方、第２の内部配管２２には圧縮機３３と四方弁３４とが設けられており、冷暖房の切り替えは、この四方弁３４を切り替えることにより行われる。図中の実線で示す矢印方向は暖房運転での冷媒の流れを示し、破線で示す矢印の方向は冷房運転モードでの冷媒の流れ方向を示す。圧縮機３３は、その本来の吸入ポート３３ａまたは吐出ポート３３ｂとは別途独立したインジェクションポート３３ｃを有し、このインジェクションポート３３ｃは膨張弁３６を備えたガスインジェクション管３５を介して、気液分離器３１の本体３１ａの上端部に設けられた挿入管３２ｃに連結されている。図１に図示する四方弁３４は、その冷房運転での態様を破線で図示してあり、暖房運転での態様を実線で示してある。

冷房運転では、圧縮機３３で圧縮された冷媒は四方弁３４を通って室外熱交換器２０で凝縮され、室外側熱交換器２０を出た冷媒は、第１の膨張弁３０ａを通り気液分離器３１の本体３１ａに挿入された冷媒流入管となる挿入管３２ｂを通って気液分離器３１に流入する。気液分離器３１においては、冷媒のガス成分は挿入管３２ｃを通ってガスインジェクション管３５を経て膨張弁３６を通過し、圧縮機３３にインジェクションされ、一方、冷媒の液成分は挿入管３２ａを通って気液分離器３１から流出し、第２の膨張弁３０ｂを通過して室内機１２側に流れる。

他方、暖房運転では、圧縮機３３で圧縮された冷媒は四方弁３４を通って室内機１２側で凝縮され、室内機１２側から第１の接続用配管１４を通って室外機１３側に入った冷媒は、第２の膨張弁３０ｂを通り冷媒流入管となる挿入管３２ａを経て気液分離器３１に流入する。気液分離器３１においては、冷媒のガス成分は挿入管３２ｃを通ってガスインジェクション管３５を経て膨張弁３６を通過し、圧縮機３３にインジェクションされ、一方、冷媒の液成分は挿入管３２ｂを通り第１の膨張弁３０ａを経て室外側熱交換器２０に流れる。

図２は、図１における気液分離器３１の断面模式図である。気液分離器３１本体の上端部には、暖房運転で冷媒流入管となる挿入管３２ａと冷媒流出管となる３２ｂとが底面近傍まで長く挿入され、ガスインジェクション用の挿入管３２ｃが短く挿入されている。挿入管３２ａ，ｂの先端は斜めにカットされて、先端開口部３７ａの開口面積は挿入管３２ａ，ｂの断面積より拡大されている。なお、先端を斜めにカットする代わりに拡管しても良く、斜めカットや拡管の加工は容易である。

ここでは、暖房運転での気液分離器３１内部の様子を模式的に示しているが、室内機１２側から第１の接続用配管１４を通って室外機１３側に入った冷媒は、ガス成分と液成分の混合した高速の冷媒が破線矢印のように先端をカットした冷媒流入管となる挿入管３２ａを通って気液分離器３１の底面に向けて放出される。このとき、挿入管３２ａの先端開口部３７ａの開口面積を拡大しているため、冷媒の平均流速が減少するため、冷媒ガス成分である気泡３９が気液分離器３１の底面に衝突してはじけるとともに広がることを低減できる。そして、冷媒液成分４１が実線矢印のように挿入管３２ｂへ吸い込まれて室外側
熱交換器２０へ流れる。また、気液分離器３１内部の冷媒のガス成分のみが、短く挿入された導入管３２ｃを経てインジェクション管３５へ流出する。冷房運転においては暖房運転と逆の経路（図示しない）となる。なお、気液分離器３１内部の冷媒のガス成分のみが挿入管３２ｃを経てインジェクション管３５へ流出するのは、冷暖ともに同様で、これにより圧縮機３３はその能力が増大される。

上記構成により気液二相の流速の速い冷媒が気液分離器３１内部に流入した場合でも、気液分離器底部での冷媒衝突音を抑制することができ、また、気液分離器内での冷媒の攪拌を軽減して冷凍サイクルの性能を向上することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における気液分離器の断面模式図である。実施の形態１と同じ構成については同一番号として説明を省略する。

図３において、気液分離器３１の挿入管３２ａ，ｂは本体３１ａの内部で分岐しており、それにより先端開口部３７ｂの開口面積を挿入管３２ａ，ｂの断面積より拡大している。上記構成により、気液分離器３１内部に冷媒が噴流する冷媒平均流速と冷媒を吸引する冷媒平均流速が減少して、冷媒ガス成分である気泡３９が気液分離器３１の底面に衝突してはじけるとともに広がることを低減するとともに、気泡３９が挿入管３２ｂに吸引されることを抑制することできる。

よって、上記構成により気液二相の流速の速い冷媒が気液分離器内部に流入した場合でも、気液分離器底部での冷媒衝突音を抑制することができ、また、気液分離器内での冷媒の攪拌を軽減して冷凍サイクルの性能を向上することが可能となる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における気液分離器の断面模式図である。図４において、挿入管３２ａ，ｂの先端開口部３７ｃを取り囲むように、所定の高さの円筒管３８ａが気液分離器３１の底面に設けてある。上記構成により、挿入管３２ａから噴出した冷媒は円筒管３８ａにより横方向に拡散することがない。このとき、挿入管３２ａの先端が斜めにカットされた形状であれば、冷媒が円筒管３８ａの内部で旋回し、冷媒ガス成分が中心方向に集められることで、冷媒ガス成分である気泡３９が気液分離器３１の底面に広がることを防止するだけでなく、上方に浮遊した際の拡散も、より抑制することができる。

よって、上記構成により気液二相の流速の速い冷媒が気液分離器内部に流入した場合でも冷媒の液成分とガス成分を安定して確実に分離させ、冷凍サイクルの性能を向上することが可能となる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における気液分離器の断面模式図である。図５において、挿入管３２ａ，ｂの先端開口部３７ｃを取り囲むように設けた円筒管３８ｂは、上部の直径が下部の直径より大きいものである。この構成により、挿入管３２ａから噴出した冷媒により発生する騒音が、定常波により拡大することを抑制することができる。なお、円筒管３８ｂの直径の大小の違いは、上下のいずれでも良い。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における気液分離器の断面模式図である。図６において、円筒管３８ａの下部には、気液分離器３１の底部に溜まり込むオイル４０や冷媒液成分４１が流入出することができる連通孔４２が設けられている。上記構成により、気液分離器内部に貯留される冷媒の液成分が少量であっても連通孔４２から吸い込まれるので確実
に冷媒液成分４１のみを冷媒流出管へ送出することが可能となり、さらに冷凍サイクルの性能を向上させることが可能となる上に、気液分離器３１内部の底部にオイルが溜まり込むことが無く、圧縮機３３のオイル不足による破損を防止することができる。

なお、上記各実施の形態での円筒管３８ａ，ｂや気液分離器３１の形状および円筒管３８ａ，ｂに設けた連通孔４２の形状や大きさと個数などは特に限定するものではない。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、気液分離器内部の冷媒のガス成分と液成分を攪拌すること無く確実に分離することが可能となるので、インジェクションを用いた冷凍サイクルを利用したヒートポンプ式空気調和機やカーエアコン等のシステムにも適用できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の全体構成図 本発明の実施の形態１における気液分離器の断面模式図 本発明の実施の形態２における気液分離器の断面模式図 本発明の実施の形態３における気液分離器の断面模式図 本発明の実施の形態４における気液分離器の断面模式図 本発明の実施の形態５における気液分離器の断面模式図 従来の冷凍サイクル装置の全体構成図

１１ 冷凍サイクル装置
１２ 室内機
１３ 室外機
１６ 室内側熱交換器
２０ 室外側熱交換器
３０ａ，３０ｂ 膨張弁
３１ 気液分離器
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 挿入管
３３ 圧縮機
３５ インジェクション管
３７ 先端開口部
３８ａ，３８ｂ 円筒管
４１ 冷媒液成分
４２ 連通孔

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧装置、気液分離器、蒸発器を環状に接続し、前記圧縮機と前記気液分離器とをインジェクション管を介して接続した冷凍サイクルにおいて、前記気液分離器は、容器となる本体と、前記本体の上端部に接続された冷媒ガス成分が流出するインジェクション管と、冷房運転または暖房運転によって、冷媒が流入する冷媒流入管または冷媒液成分が流出する冷媒流出管となる、前記本体の上端部から長く挿入された複数の挿入管とを備え、少なくとも前記冷媒流入管となる前記挿入管の先端開口部を斜めに形成し、前記斜めに形成された先端開口部の周囲近傍を本体内の底面に設けた円筒管で包囲することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記円筒管の上部と下部の直径が異なることを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記円筒管の下部に流通穴を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍サイクル装置。