JP4812805B2

JP4812805B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP4812805B2
Application number: JP2008133170A
Authority: JP
Inventors: 允煥李
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: JP2009281638A

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。

従来の冷凍サイクル装置においては、「冷媒回路の減圧装置と蒸発器との間に設けられ、入口より順に冷媒の流れの方向に冷媒配管と、冷媒配管内に収容されて冷媒の流れを増速するオリフィスを有するオリフィス形成体と、オリフィスにて増速された液滴を細粒化させる細粒化手段と、細粒化手段により細粒化された冷媒を分配する分配穴を有し冷媒配管に外嵌する分配穴形成体とを備えた冷媒分配器において、オリフィス形成体と細粒化手段とを一体化し、さらにこの細粒化手段と一体化したオリフィス形成体と冷媒配管とを一体化した」ものが提案されている。

特開２００３−２８７３２０号公報（第３頁）

従来の冷凍サイクル装置においては、膨張弁から流出する冷媒は非均質な二相流となり、分配管により流出管に分配される前に冷媒が気相と液相とに分離することが多い。このため、冷媒が不均一に分配管に分流するので、分配管ごとの能力の差が生じ、冷凍サイクルの性能が劣化するおそれがあるという課題があった。

本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、膨張弁から流出する冷媒を均質に分配することのできる冷凍サイクル装置を提供するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮して高圧冷媒にする圧縮機と、高圧冷媒を液冷媒にする凝縮器と、液冷媒を減圧する膨張部及び減圧後の冷媒を複数の流路に分配する分配部からなる膨張・分配器と、前記膨張・分配器により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを有し、これらが環状に接続された冷凍サイクル装置であって、前記膨張・分配器の膨張部は、高圧冷媒を導入する液冷媒導入部と、冷媒流量を調節するニードルと、前記ニードルと対になる弁室と、前記弁室を通過した液冷媒を通過させる冷媒流路とを有し、前記冷媒流路は、入口側が先細部となり出口側が末広部となるように形成されており、前記膨張部の前記冷媒流路内において過膨張により衝撃波が発生し、前記衝撃波発生位置よりも下流における冷媒の圧力は、前記衝撃波が発生する位置での静圧と同等もしくは圧力上昇する分布を示すことを特徴とするものである。

本発明は、液冷媒を減圧する膨張部と減圧後の冷媒を複数の流路に分配する分配部とからなる膨張・分配器を設けたことにより、均質な冷媒を蒸発器に供給することができる。このため、冷凍サイクル装置の性能を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の構成を示す概略構成図、図２（ａ）は膨張・分配器１３及びこの近傍部品の断面模式図である。
図１において、冷凍サイクル装置１は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から送り出された高圧冷媒ガスを凝縮させて液化する凝縮器１２と、凝縮器１２で液化された冷媒を膨張させ、かつ、膨張させた冷媒を分配する膨張・分配器１３と、膨張・分配器１３を通過した冷媒を蒸発させる蒸発器１４とを順次冷媒配管によって接続して構成されている。冷媒配管としては、凝縮器１２と膨張・分配器１３とを接続する液延長配管１５と、蒸発器１４と圧縮機１１とを接続するガス延長配管１６とが設けられている。また、膨張・分配器１３と蒸発器１４は複数の冷媒分配管１９によって接続されており、膨張・分配器１３により分配された冷媒は、冷媒分配管１９を経由して蒸発器１４に導入される。凝縮器１２には凝縮器冷却ファン１２ａが設けられ、蒸発器１４には蒸発器ファン１４ａが設けられている。また、蒸発器１４の出口側配管の近傍には温度検出手段１７、同入口側配管の近傍には温度検出手段１８が設けられている。

また、冷凍サイクル装置１には制御部２０が設けられ、制御部２０は、温度検出手段１７及び温度検出手段１８からの信号を受信し、圧縮機１１の回転数制御、膨張・分配器１３の膨張弁の開度制御を行う。

また、図１及び図２（ａ）に示すように、蒸発器１４の出口側と膨張・分配器１３は、再循環用冷媒配管２４で接続されており、蒸発器１４を通過した冷媒の一部が膨張・分配器１３へ再循環する構成となっている。再循環用冷媒配管２４には、冷媒流量の調整弁として電子弁２５が設けられている。

図２（ａ）を参照して膨張・分配器１３について詳細に説明する。膨張・分配器１３は、膨張部３１と分配部２６とを主たる構成要素としている。
膨張部３１には、凝縮器１２を通過した冷媒を膨張・分配器１３に導入する液冷媒流入管２１が設けられている。膨張・分配器１３の弁室２９には、ニードル貫通穴２２ａが形成され、ニードル貫通穴２２ａにはニードル２２が液密的に摺動自在に挿入されている。また、弁室２９に連結して冷媒流路２３が形成されており、冷媒流路２３は、入口側から出口側に向かって徐々に経大となる先細−末広形状を形成している。冷媒流路２３において、入口側の先細部と出口側の末広部とは徐々に経大となるように連なっており、途中に直径が一定となるような直管部は設けられていない。

冷媒流路２３において、のど部３０の近傍には細孔２４ａが形成され、再循環用冷媒配管２４が接続されている。再循環用冷媒配管２４には電子弁２５が設けられ、膨張・分配器１３のＸ４の位置には第一温度検出手段３２が、Ｘ５の位置には第二温度検出手段３３がそれぞれ設けられている。第一温度検出手段３２及び第二温度検出手段３３は図１で示した制御部２０に接続されており、制御部２０は、第一温度検出手段３２及び第二温度検出手段３３の検出結果に基づいて電子弁２５の開度を制御する。電子弁２５の開度が制御されることにより、蒸発器１４から膨張・分配器１３へ流れ込む冷媒の流量が調節される。

また、冷媒流路２３の出口側である末広部には、分配部２６が接続されている。膨張部３１と分配部２６とは、ストッパ２７によって位置決めし、ロウ付けされている。冷媒流路２３の末広部と分配部２６の入口との間にはほとんど距離が設けられておらず、両者は可能な限り近接して接続されている。

ここで、分配部２６の構成を図３により詳細に説明する。図３（ａ）は分配部２６の横断面模式図、図３（ｂ）は分配部２６の縦断面模式図である。
分配部２６には、分配路３４ａ〜３４ｅが設けられており、分配路３４ａ〜３４ｅを通って、蒸発器１４に冷媒が流れ込む構成となっている。なお、本実施の形態１では分配路を５本設ける場合の例について説明するが、分配路の数はこれに限られるものではない。

また、図２（ａ）で示す膨張・分配器１３は、冷媒の流れが下方から上方へ上昇するように設置される。すなわち、弁室２９が冷媒流路２３よりも下に位置するように設置される。具体的には、例えば、図２（ａ）において、膨張・分配器１３を左回りに略９０度回転させた位置関係となるよう設置することができる。

以上のようにして構成された冷凍サイクル装置１の冷媒の流れについて説明する。
圧縮機１１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、主に放熱側熱交換器である凝縮器１２で空気に放熱して凝縮・液化し、液冷媒となる。凝縮器１２で放熱した液冷媒は膨張・分配器１３に流入する。膨張・分配器１３を通過した冷媒は、冷媒分配管１９を経由して冷媒は蒸発器１４に入り、蒸発・過熱されて圧縮機１１に吸入される。

膨張・分配器１３での動作詳細について、図２を参照しながら説明する。
凝縮器１２により凝縮・液化された液冷媒は、液冷媒流入管２１により弁室２９に導入される。冷媒は、弁室２９のＸ１の位置では低速であるが、ニードル２２と弁室２９とで構成されるのど部３０の隙間（Ｘ２）に流入し、減圧しながら冷媒流路２３のＸ３位置の近傍で超音速に加速し、フラッシングして気液二相流となる。そして、過膨張に伴い、冷媒の流れの持つ運動エネルギーがＸ４下流の圧力である背圧のエネルギーを越えない点で衝撃波２８が発生する。衝撃波２８の発生により、冷媒内の気泡（ガス）は急激に収縮、崩壊し、微少気泡を発生する。このように冷媒ガスが微少気泡化することで、非均質であった気液二相流は、均質な気液二相流となる。前述の通り、冷媒流路２３の末広部と分配部２６の入口とはごく近接して配置されているので、気液二相流は均質さを保ったまま、分配部２６の分配路３４へと流入することができる。

また、再循環用冷媒配管２４からは、蒸発器１４を通過したガス冷媒が冷媒流路２３へと導入され、ガス冷媒の流量は制御部２０が電子弁２５の開度を制御することにより調節される。制御部２０は、第一温度検出手段３２及び第二温度検出手段３３の検出温度に基づき、ΔＴ＝｛Ｔ（Ｘ５）―Ｔ（Ｘ４）｝＞０となるように、電子弁２５の開度を比例制御する。これにより蒸発器１４からのガス冷媒の再循環量が制御される。たとえば、ガス冷媒の再循環量が多くなるほど、流れの圧縮性が増大し、衝撃波２８の発生位置は冷媒流路２３の上流側に移動してのど部３０に近づく。
このようにして電子弁２５を制御することで、確実に冷媒流路２３内で衝撃波２８を発生させることができる。このため、均質な気液二相流を作ることができる。

図２（ｂ）に、膨張・分配器１３内での冷媒の圧力分布を示す。図２（ｂ）において、縦軸は冷媒の圧力を、横軸は図２（ａ）で示した膨張・分配器１３のＸ１〜Ｘ５の位置を示す。
図２（ｂ）において、蒸発器から導入された冷媒の圧力は、のど部３０付近であるＸ２の位置で急激に減少する。そして、衝撃波２８が発生するＸ３の位置で冷媒の圧力は最も小さくなる。その後、Ａに示すようにＸ４の位置に向かって圧力が上昇するか、Ｂに示すようにＸ３の位置と同等の圧力を維持するか、いずれかの状態となる。Ａのように圧力が上昇するかＢのように同じ圧力を維持するかは、冷媒の流動の物性、流動パターン、乾き度、ボイド率などにより異なるが、ＡまたはＢいずれかに近似した圧力分布となる。

図４に、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１における冷媒の状態をＰ−ｈ線図を用いて示す。図４において、破線が従来のサイクルでの等エンタルピー膨張過程（Ｒ２−Ｒ３）を、二点鎖線が理想的な等エントロピー膨張過程（Ｒ２−Ｒ３”）を、実線が本発明による膨張過程（Ｒ２−Ｒ３’）を示す。本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒を減圧・膨張させる冷媒流路２３では、冷媒が等エントロピー的に膨張するため、従来の膨張弁及び分配器を用いる場合よりも蒸発器１４に流入する冷媒の乾き度を減少させることができる。したがって、冷媒の蒸発能力を増大させることができる。

以上のように本実施の形態１の冷凍サイクル装置１においては、冷媒を膨張させる膨張部と冷媒を複数の分配管に分配する分配部とを備えた膨張・分配器１３を備えたので、膨張させた冷媒を効率よく蒸発器１４へ導くことができる。したがって、冷媒封入量を削減することができる。

また、電子弁２５を制御して蒸発器１４を通過した冷媒を膨張・分配器１３に再循環させるようにしたので、冷媒流路２３内で確実に衝撃波２８を発生させることができる。したがって、衝撃波２８により均質な気液二相流を生成することができる。また、冷媒流路２３と分配部２６とをごく近接させて設けたので、生成した気液二相流は均質な状態を保ったまま分配路３４に導入される。このため、均質な冷媒が蒸発器１４に導かれ、熱交換効率を向上させることができる。さらには、膨張・分配器１３を用いて減圧・膨張させた冷媒の乾き度は従来の膨張弁及び分配器を用いた場合よりも乾き度を減少させることができるので、蒸発器１４における蒸発能力を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１で述べた構成は、ＣＯ２やＲ４０４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、プロパンなどを冷媒とし、膨張弁を用いるすべての冷凍サイクル装置に適用することができる。また、膨張弁及び分配器の大きさとは関係なく適用が可能である。

また、熱交換器は、上記で述べたような気液熱交換器に限るものではなく、二重管やプレート熱交換器など、水やブラインを加熱源あるいは冷却源とする液−液熱交換器に適用することもでき、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の構成図である。本発明の実施の形態１に係る膨張・分配器１３の構成を示す断面模式図である。本発明の実施の形態１に係る分配部２６の断面模式図である。本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１の冷媒の状態を示すＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１冷凍サイクル装置、１１圧縮機、１２凝縮器、１２a 凝縮器冷却ファン、１３膨張・分配器、１４蒸発器、１４a 蒸発器ファン、１５液延長配管、１６ガス延長配管、１７温度検出手段、１８温度検出手段、１９冷媒分配管、２０制御部、２１液冷媒流入管、２２ニードル、２２ａニードル貫通穴、２３冷媒流路、２４再循環用冷媒配管、２５電子弁、２６分配部、２７ストッパ、２８衝撃波、２９弁室、３０のど部、３１膨張部、３２第一温度検出手段、３３第二温度検出手段、３４分配路。

Claims

冷媒を圧縮して高圧冷媒にする圧縮機と、
高圧冷媒を液冷媒にする凝縮器と、
液冷媒を減圧する膨張部及び減圧後の冷媒を複数の流路に分配する分配部からなり、前記膨張部と分配部とが一体化された膨張・分配器と、
前記膨張・分配器により減圧された冷媒を蒸発させて前記圧縮機へ供給する蒸発器とを有し、
これらが環状に接続された冷凍サイクル装置であって、
前記膨張・分配器の膨張部は、
高圧冷媒を導入する液冷媒導入部と、
冷媒流量を調節するニードルと、
前記ニードルと対になる弁室と、
前記弁室を通過した液冷媒を通過させる冷媒流路とを有し、
前記冷媒流路は、入口側が先細部となり出口側が末広部となるように形成されており、
前記膨張部の前記冷媒流路内において過膨張により衝撃波が発生し、
前記衝撃波発生位置よりも下流における冷媒の圧力は、前記衝撃波が発生する位置での静圧と同等もしくは圧力上昇する分布を示す
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷媒を圧縮して高圧冷媒にする圧縮機と、
高圧冷媒を液冷媒にする凝縮器と、
液冷媒を減圧する膨張部及び減圧後の冷媒を複数の流路に分配する分配部からなり、前記膨張部と分配部とが一体化された膨張・分配器と、
前記膨張・分配器により減圧された冷媒を蒸発させて前記圧縮機へ供給する蒸発器とを有し、
これらが環状に接続された冷凍サイクル装置であって、
前記膨張・分配器の膨張部は、
高圧冷媒を導入する液冷媒導入部と、
冷媒流量を調節するニードルと、
前記ニードルと対になる弁室と、
前記弁室を通過した液冷媒を通過させる冷媒流路とを有し、
前記冷媒流路は、入口側が先細部となり出口側が末広部となるように形成されており、
前記蒸発器出口の冷媒を前記膨張・分配器に再循環させる再循環用冷媒配管と、
再循環させる冷媒の流量を調節する調整弁と、
前記調整弁の開度を制御する制御手段とを有する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記制御手段は、
前記冷媒流路の末広部で冷媒に衝撃波を発生させるよう前記調整弁を制御する
ことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
前記制御手段は、前記冷媒流路の末広部における冷媒の温度に基づいて前記調整弁の開度を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル装置。
前記冷媒流路の前記先細部の近傍に細孔を形成して前記再循環用冷媒配管を接続し、
前記細孔から冷媒を吸入する
ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張部の前記冷媒流路は、
入口側から出口側に向かって徐々に径大となるよう前記先細部と前記末広部とが形成されており、
前記先細部と前記末広部との間には直管部を有しない
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張・分配器は、
前記冷媒流路において冷媒が下方から上方へ上昇するように流れるよう配置される
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記冷媒は、ＣＯ２、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、イソブタン、またはプロパンのいずれか１つである
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。