JP4826808B2 - 冷媒回路 - Google Patents

Description

本発明は、膨張機を備えた冷媒回路に係わり、より詳細には、多方弁により冷媒回路の配管系と制御系とを簡素化した構成に関する。

膨張機を備え、冷暖房運転が可能な従来の冷媒回路５０は、例えば図７（Ａ）で示すように、圧縮機５１と第一四方弁５２と室外熱交換器５３と第二四方弁５５と膨張機５６と室内熱交換器５４とを接続して構成されており、同冷媒回路５０には、例えば臨界圧以上に圧縮される二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。冷房運転時、前記圧縮機５１から吐出された高温高圧の二酸化炭素冷媒は、実線矢印で示すように、前記第一四方弁５２を介して前記室外熱交換器５３に流入し放熱する。放熱した冷媒は、前記第二四方弁５５を介して前記膨張機５６に流入し、膨張して低温低圧となり、再度、前記第二四方弁５５を介して前記室内熱交換器５４に流入する。同室内熱交換器５４に流入した冷媒は吸熱して、前記第一四方弁５２を介して前記圧縮機５１に還流するようになっている。

暖房運転時、前記第一四方弁５２と前記第二四方弁５５とは点線で示す流路になるよう切り換えられようになっている。前記圧縮機５１から吐出された高温高圧の二酸化炭素冷媒は、点線矢印で示すように、前記第一四方弁５２を介して前記室内熱交換器５４に流入し放熱する。放熱した冷媒は、前記第二四方弁５５を介して前記膨張機５６に流入し、膨張して低温低圧となり、再度、前記第二四方弁５５を介して前記室外熱交換器５３に流入する。同室外熱交換器５３に流入した冷媒は吸熱して、前記第一四方弁５２を介して前記圧縮機５１に還流するようになっている。

前記膨張機５６を接続した冷媒回路５０では、同膨張機５６の流路が一定方向に限定され流路方向が不可逆性である為、冷暖房運転を行うには四方弁として前記第一四方弁５２と前記第二四方弁５５とが必要とされ、また、これらを接続する配管系統が複雑になるという問題があった。更に、二個の四方弁を制御するため、制御系統も複雑となりコスト上昇の要因となっていた。

上記したような問題点に鑑み、例えば図７（Ｂ）で示すような多方弁６０の技術が提示されている（特許文献１参照）。同多方弁６０は、円筒状に形成され第一ポート６４から第六ポート６９迄の複数のポートを接続したハウジング６１と、同ハウジング６１内にスライド可能に設けられた弁体６２とからなり、前記ハウジング６１の両端部には、前記弁体６２を作動させる作動流体を導入する導入ポート６３ａ及び６３ｂが接続されている。前記弁体６２の両側には直線状流路６２ｂが左右一対となって設けられ、中央部には、凹状に形成された流路変更部６２ａが上下一対となって設けられている。同弁体６２はスライドすることにより、前記第一ポート６４から第六ポート６９迄の複数のポートの接続が択一的に切換えられ、流路変更が行われるようになっている。

しかしながら、膨張機を備えた冷媒回路では、同膨張機内で冷媒の過膨張あるいは膨張不足が発生し、これにより冷媒回路の成績係数（ＣＯＰ）が低下する現象が発生する。これらの現象を防止しながら、冷媒回路及び制御系統の簡素化を図れる多方弁と、同多方弁を備えた冷媒回路が求められていた。
特開平７−３２４８４４号（３頁、図７）

本発明は、上記問題点に鑑み、膨張機を備えた冷媒回路において、配管系統と制御系統とを簡素化できるとともに、前記膨張機で膨張不足現象が発生した際は、絞り機能により対応し、また、バイパス機能を用いることにより膨張機への冷媒流入量の調整が可能な多方弁を備えた冷媒回路を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、複数のポートを有する多方弁と、室外熱交換器と、流入口と流出口とを備え流れ方向が不可逆な膨張手段と、室内熱交換器とを接続した冷媒回路であって、
前記多方弁内部に、少なくとも絞り機能またはバイパス機能のいずれか一方の機能を有する機能的流路を設け、
冷房運転時に、前記圧縮機から吐出された冷媒は、前記多方弁を介して前記室外熱交換器に流入して放熱した後、前記多方弁を介して前記膨張手段に流入して膨張し、膨張した冷媒は、前記多方弁を介して室内熱交換器に流入して吸熱した後、前記多方弁を介して前記圧縮機に還流し、
暖房運転時に、前記圧縮機から吐出された冷媒は、前記多方弁を介して前記室内熱交換器に流入して放熱した後、前記多方弁を介して前記膨張手段に流入して膨張し、膨張した冷媒は前記多方弁を介して前記室外熱交換器に流入して吸熱した後、前記多方弁を介して前記圧縮機に還流し、
前記冷房運転時に、前記膨張手段で膨張不足現象が発生した際には、前記膨張手段により減圧された冷媒を再度減圧する前記絞り機能を有する機能的流路を用い、または、前記膨張機に流入する冷媒量を調整する際には、前記室外熱交換器から流出した冷媒の一部を前記膨張手段を介さず前記室内熱交換器に流入させる前記バイパス機能を有する機能的流路を用いる構成となっている。

本発明によると、圧縮機と室外熱交換器と膨張機と室内熱交換器とかなる冷媒回路に、絞り機能またはバイパス機能を備えた多方弁を接続することにより、冷暖房運転を行う冷媒回路の配管系統及び制御系統を簡素化でき、更に、前記膨張機で膨張不足現象が発生した際は、絞り機能によりこれらに対応し、また、バイパス機能を用いることにより膨張機への冷媒流入量の調整が可能な冷媒回路とすることができるようになっている。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明による冷媒回路の説明図であり、図２（Ａ）は同冷媒回路に備えられた多方弁の断面図であり、図２（Ｂ）は要部断面図である。図３（Ａ）は冷房運転時の冷媒の流れを示す説明図であり、図３（Ｂ）は本発明による多方弁内での冷媒の流れを示す説明図である。また、図４（Ａ）は暖房運転時の冷媒の流れを示す説明図であり、図４（Ｂ）は本発明による多方弁内での冷媒の流れを示す説明図である。図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は本発明による多方弁の絞り運転時の状態を示す説明図である。また、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は本発明による多方弁のバイパス運転時の状態を示す説明図である。

本発明による冷媒回路は、図１で示すように、圧縮機１の吐出側を配管１ａで、吸入側を配管１ｂで多方弁５に夫々接続し、室外熱交換器２の一側を配管２ａで、他側を配管２ｂで夫々多方弁５に接続している。また、膨張機３の流出側を配管３ａで、流入側を配管３ｂで夫々多方弁５に接続し、室内熱交換器４の一側を配管４ａで、他側を配管４ｂで夫々多方弁５に接続している。

前記圧縮機１はスクロール圧縮機、あるいはロータリー圧縮機で構成され、前記室外熱交換器２と、前記室内熱交換器４とは、平行して並べられた多数のフィンと、同フィンに直交するように配設された蛇行状のチューブとからなる、所謂クロスフィン型のフィンアンドチューブ熱交換器で構成されており、同冷媒回路には、例えば、自然冷媒として臨界圧以上に圧縮される二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。

前記膨張機３は、図示はしていないが、シリンダと、同シリンダ内で公転運動する、動力回収シャフトに連結された偏心ロータとからなり、前記配管３ｂからシリンダに流入した高圧の二酸化炭素冷媒が膨張して前記偏心ロータを回転駆動させることにより冷媒の膨張エネルギを回収するようになっている。同膨張機３の動力回収シャフトには、発電機３ｃが接続されており、回収された冷媒エネルギは，回転動力として同発電機３ｃに供給され発電が行われるようになっている。発電された電力は、何らかの機器の動力として利用され、これにより冷媒の膨張エネルギの回収が行われるようになっている。

前記多方弁５は、図２（Ａ）で示すように、本体部６と駆動部７とからなっている。本体部６は、第一ポート６ａ、第二ポート６ｂ、第三ポート６ｃ、第四ポート６ｄ、第五ポート６ｅ、第六ポート６ｆ、第七ポート６ｇ及び第八ポート６ｈ迄の八個の流入、流出ポートを備え、円筒状に形成されたケーシング８と、同ケーシング８内に長手方向にスライド自在に配設された弁体９とからなり、同弁体９は、前記駆動部７と駆動軸７ａにより連結されている。前記駆動部７には、図示はしていないが、例えばモータとギヤユニットが内蔵されており、前記駆動軸７ａを前後進させることにより、これに連結された前記弁体９を任意の位置にスライドさせるようになっている。

また、前記第一ポート６ａには前記膨張機３に接続された前記配管３ｂが、前記第二ポート６ｂには前記配管３ａが夫々接続され、前記第三ポート６ｃには前記室外熱交換器２に接続された前記配管２ｂが、前記第四ポート６ｄには前記配管２ａが夫々接続されている。また、前記第五ポート６ｅには前記室内熱交換器４に接続された前記配管４ｂが、前記第六ポート６ｆには前記配管４ａが夫々接続され、前記第七ポート６ｇには前記圧縮機１に接続された配管１ｂが、前記第八ポート６ｈには前記配管１ａが夫々接続されている。

前記弁体９は円柱状に形成され、第一連通路１０、第二連通路１１及び第三連通路１２からなる複数の連通路を設けている。図２（Ａ）で示すように、前記弁体９が前記駆動部７の反対側に移動した状態では、第一連通路１０は、接続部１０ｂの一端が前記第一ポート６ａに連通し、接続部１０ｃの一端が前記第三ポート６ｃに連通しており、これら接続部１０ｂと接続部１０ｃの他端とは直線状通路１０ａにより接続されている。第二連通路１１は、接続部１１ｂの一端が前記第五ポート６ｅに連通し、接続部１１ｃの一端が前記第七ポート６ｇに連通しており、これら、接続部１１ｂと接続部１１ｃの他端とは直線状通路１１ａにより接続されている。また、前記接続部１０ｂ、接続部１０ｃ、接続部１１ｂ及び接続部１１ｃの開口部面積は、前記第一ポート６ｃ〜第八ポート６ｇの開口部面積より大きくなるよう長孔形状に形成されている。

第三連通路１２は、図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面図で示すように、前記第一連通路１０の直線状通路１０ａと、前記第二連通路１１の直線状通路１１ａとを回避するように円弧状の通路を形成しており、図２（Ａ）の状態では、一端が前記第二ポート６ｂに連通し、他端が前記第六ポート６ｆに連通するようになっている。

次に、冷房運転時の冷媒の流れについて説明する。前記多方弁５の弁体９は図２（Ａ）の状態に設定されるようになっている。前記圧縮機１で臨界圧力以上に圧縮された高温高圧の二酸化炭素冷媒は、図３（Ａ）で示すように、前記配管１ａを介して前記多方弁５の第八ポート６ｈに流入する。同第八ポート６ｈに流入した冷媒は、図３（Ｂ）で示すように、前記ケーシング８内を通り前記第四ポート６ｄから配管２ａに流出していく。配管２ａを流れる冷媒は、前記室外熱交換器２に流入し、同室外熱交換器２で放熱し低温高圧の状態となる。

低温高圧となった冷媒は、配管２ｂを介して図３（Ｂ）で示すように、前記多方弁５の第三ポート６ｃに流入し、前記第一連通路１０を通り前記第一ポート６ａから前記配管３ｂに流出する。同配管３ｂを流れる冷媒は、続いて前記膨張機３に流入し、同膨張機３のシリンダ内で偏心ロータを回転駆動しながら膨張し低温低圧の冷媒となる。低温低圧となった冷媒は前記膨張機３から前記配管３ａに流出し、同配管３ａを介して前記多方弁５の第二ポート６ｂに流入する。

前記第二ポート６ｂに流入した冷媒は、円弧状に形成された前記第三連通路１２を通り、前記第六ポート６ｆから前記配管４ａに流出していく。同配管４ａを流れる低温低圧の冷媒は前記室内熱交換器４に流入し、同室内熱交換器４で吸熱し高温低圧の冷媒となり前記配管４ｂに流出する。同配管４ｂに流出した冷媒は前記第五ポート６ｅから多方弁５に流入し、前記第二連通路１１を通り前記第七ポート６ｇから前記配管１ｂに流出し、同配管１ｂを介して前記圧縮機１に還流するようになっている。

次に、暖房運転時の冷媒の流れについて説明する。暖房運転時、前記弁体９は、図４（Ｂ）で示すように、前記駆動部７により同駆動部７側に移動するようになっている。これにより、前記第二ポート６ｂと前記第四ポート６ｄとが前記第一連通路１０により連通し、前記第六ポート６ｆと前記第八ポート６ｈが前記第二連通路１１により連通するようになっている。また、前記第三ポート６ｃと前記第七ポート６ｇとが前記第三連通路１２により連通するようになっている。

前記圧縮機１で臨界圧力以上に圧縮された高温高圧の二酸化炭素冷媒は、図４（Ａ）で示すように、前記配管１ａを介して前記多方弁５の第八ポート６ｈに流入する。同第八ポート６ｈに流入した冷媒は、図４（Ｂ）で示すように、前記第二連通路１１を通り前記第六ポート６ｆから前記配管４ａに流出する。同配管４ａを流れる冷媒は、前記室内熱交換器４に流入し、同室内熱交換器４で放熱し低温高圧の状態となる。

低温高圧となった冷媒は、配管４ｂを介して図４（Ｂ）で示すように、前記多方弁５の第五ポート６ｅに流入し、前記ケーシング８内を通過して前記第一ポート６ａから前記配管３ｂに流出する。同配管３ｂを流れる冷媒は、続いて前記膨張機３に流入し、同膨張機３のシリンダ内で偏心ロータを回転駆動しながら膨張し低温低圧の冷媒となる。低温低圧となった冷媒は前記膨張機３から前記配管３ａに流出し、同配管３ａを介して前記多方弁５の第二ポート６ｂに流入する。

前記第二ポート６ｂに流入した冷媒は、前記第一連通路１０を通り、前記第四ポート６ｄから前記配管２ａに流出する。同配管２ａを流れる低温低圧の冷媒は前記室外熱交換器２に流入し、同室外熱交換器２で吸熱し高温低圧の冷媒となり前記配管２ｂに流出する。同配管２ｂに流出した冷媒は前記第三ポート６ｃから多方弁５に流入し、前記第三連通路１２を通り前記第七ポート６ｇから前記配管１ｂに流出し、同配管１ｂを介して前記圧縮機１に還流するようになっている。

次に、前記多方弁５で絞り運転を行う場合について説明する。前記駆動部７は、図５（Ａ）で示すように、同駆動部７側に前記弁体９を若干移動させるようになっている。これにより前記第二ポート６ｂ及び第六ポート６ｆと前記第三連通路１２とは、図５（Ｂ）で示すように流路がズレ、絞り部が形成されるようになっている。この際、前記第一連通路１０及び第二連通路１１の接続部１０ｂ〜接続１１ｃは、上記したように、前記弁体９の軸方向に沿って幅広に形成されていることにより、前記弁体９が若干移動しても、充分な流路を確保することができるようになっている。尚、絞り運転は、前記第二ポート６ｂ及び前記第六ポート６ｆで行ってもよいし、前記第六ポート６ｆに対応する前記第三連通路１２の流路を幅広に形成することにより前記第二ポート６ｂのみで行ってもよい。

前記膨張機３から流出した冷媒は前記配管３ａから前記多方弁５の第二ポート６ａを経て、前記第三連通路１２に流入する際、図３（Ｃ）で示すように、流路が絞られていることにより断熱膨張を行い、圧力が低下するようになっている。これにより前記膨張機３での膨張不足を補い、成績係数（ＣＯＰ）を低下させないようになっている。

次に、第二実施例について説明する。第二実施例では前記弁体９に、図６（Ａ）の状態から図６（Ｂ）の状態に移行時に、前記第三ポート６ｃと前記第三連通路１２に連通する細径のバイパス路１３を設けている。前記膨張機３に流入する冷媒流量を調整したい際は、図６（Ｂ）で示すように、駆動部７は、同駆動部７の反対側に前記弁体９を若干移動させ、前記バイパス路１３の一端を第三ポート６ｃに開口させるようになっている。これにより、前記第三ポート６ｃに流入する冷媒の一部は前記バイパス路１３を通り前記第三連通路１２に流出するようになっている。

冷媒の一部が前記第三連通路１２に流出することにより、前記膨張機３に流入する冷媒量を的確に調整するようになっている。

以上、説明したように、前記膨張機３を備えた冷媒回路に、八個のポートを備えた前記多方弁５を接続することにより、配管系統をより簡素化できるようになっている。また、制御系統も前記弁体９を駆動する駆動系統で済み、より簡素化できるようになっている。また、前記膨張機３で膨張不足現象が発生した際あるいは膨張機３に流入する冷媒量を調整したい際は、前記多方弁５の絞り機能あるいはバイパス機能とからなる機能的流路を用いることにより、これらに的確に対応することができるようになっている。

本発明による冷媒回路の説明図である。 （Ａ）は同冷媒回路に設けられた多方弁の断面図である。

（Ｂ）はその要部断面図である。
（Ａ）は冷房運転時の冷媒の流れを示す説明図である。

（Ｂ）は冷房運転時の多方弁内での冷媒の流れを示す説明図である。
（Ａ）は暖房運転時の冷媒の流れを示す説明図である。

（Ｂ）は暖房運転時の多方弁内での冷媒の流れを示す説明図である。
（Ａ）及び（Ｂ）は，絞り運転時の状態を示す説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はバイパス運転時の状態を示す説明図である。 （Ａ）は従来の冷媒回路を示す説明図である。

（Ｂ）は従来の多方弁の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧縮機
１ａ、１ｂ 配管
２ 室外熱交換器
２ａ、２ｂ 配管
３ 膨張機
３ａ、３ｂ 配管
３ｃ 発電機
４ 室内熱交換器
４ａ、４ｂ 配管
５ 多方弁
６ 本体部
６ａ 第一ポート
６ｂ 第二ポート
６ｃ 第三ポート
６ｄ 第四ポート
６ｅ 第五ポート
６ｆ 第六ポート
６ｇ 第七ポート
６ｈ 第八ポート
７ 駆動部
７ａ 駆動軸
８ ケーシング
９ 弁体
１０ 第一連通路
１０ａ 直線状通路
１０ｂ 接続部
１０ｃ 接続部
１１ 第二連通路
１１ａ 直線状通路
１１ｂ 接続部
１１ｃ 接続部
１２ 第三連通路
１３ バイパス路

Claims (1)

1. 圧縮機と、複数のポートを有する多方弁と、室外熱交換器と、流入口と流出口とを備え流れ方向が不可逆な膨張手段と、室内熱交換器とを接続した冷媒回路であって、
   前記多方弁内部に、少なくとも絞り機能またはバイパス機能のいずれか一方の機能を有する機能的流路を設け、
   冷房運転時に、前記圧縮機から吐出された冷媒は、前記多方弁を介して前記室外熱交換器に流入して放熱した後、前記多方弁を介して前記膨張手段に流入して膨張し、膨張した冷媒は、前記多方弁を介して室内熱交換器に流入して吸熱した後、前記多方弁を介して前記圧縮機に還流し、
   暖房運転時に、前記圧縮機から吐出された冷媒は、前記多方弁を介して前記室内熱交換器に流入して放熱した後、前記多方弁を介して前記膨張手段に流入して膨張し、膨張した冷媒は前記多方弁を介して前記室外熱交換器に流入して吸熱した後、前記多方弁を介して前記圧縮機に還流し、
   前記冷房運転時に、前記膨張手段で膨張不足現象が発生した際には、前記膨張手段により減圧された冷媒を再度減圧する前記絞り機能を有する機能的流路を用い、または、前記膨張機に流入する冷媒量を調整する際には、前記室外熱交換器から流出した冷媒の一部を前記膨張手段を介さず前記室内熱交換器に流入させる前記バイパス機能を有する機能的流路を用いるようにしてなることを特徴とする冷媒回路。

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