JP4982713B2 - 冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置 - Google Patents

Description

本発明は蒸気圧縮式冷凍サイクルに係り、詳しくは、通常の冷房機、ヒートポンプ、あるいは、冷凍機などに取り付けられてその冷房性能または暖房性能を高めると共に消費電力は削減させ、特に、必要に応じて、冷房機をヒートポンプのように冷暖房兼用で運転できると共に、優れた冷暖房性能が発揮できる冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置に関する。

周知の如く、冷凍サイクルは、系内の温度と圧力の変化から冷媒物質の相変化を誘導し、この冷媒の相変化による蒸発潜熱または凝縮潜熱により室内の温度を適切に保持したり、製氷などの冷凍機能を行ったりするものであり、用途に応じて、冷房機やヒートポンプなどの空気調和機と冷凍機及び製氷などに使い分けられる。

蒸気圧縮冷凍サイクル（以下、“冷凍サイクル”と称する。）は、コンプレッサ、コンデンサ、膨張弁及び蒸発器などが管路により順次に接続されて閉回路を構成する仕組みである。

低温低圧の飽和蒸気の状態にある冷媒は、コンプレッサにおいて行われる等エントロピ過程により凝縮に必要な高温高圧の過熱蒸気の状態に圧縮され、コンデンサに入って一定の圧力下で周辺空気との熱交換が行われて放熱されることにより、高圧の飽和液に凝縮される。凝縮された冷媒は膨張弁を通りつつ絞られて低温低圧の湿蒸気状態に変わり、蒸発器を通りつつ周りの空気から蒸発潜熱を吸収して蒸発させることにより飽和状態になった後、さらにコンプレッサに入り込んで上述した如きサイクルを繰り返し行う。

例えば、空気調和装置内の冷房機は、単に冷凍サイクルの蒸発器を屋内に、そしてコンデンサは屋外に配置し、冷媒が蒸発しながら室内空気から吸収する蒸発潜熱のみを用いて冷房だけを行う装置である。

これに対し、ヒートポンプは、冷凍サイクルの蒸発器を屋内に、コンデンサは屋外に配置した後、４方弁を用いて冷媒の流れを必要に応じて切り換えてコンデンサと蒸発器の役割を互いに変えることにより、冷媒が蒸発しながら吸収する蒸発潜熱と液化されながら放出する凝縮潜熱を用いて室内を冷房または暖房する仕組みの装置である。

一方、冷凍サイクルの性能は、コンプレッサが低温低圧の冷媒を高温高圧のものに圧縮するときに要される仕事に対する蒸発器における吸収熱量またはコンデンサにおける放出熱量の比である性能係数（ＣＯＰ）で表される。

このため、冷房機やヒートポンプなどに優れた性能を発揮させるためには、１ｋｇの冷媒蒸発時における吸収熱量を表わす冷凍効果または放出熱量を増やすか、あるいは、コンプレッサの所要仕事量を減らすなどして性能係数を高める必要がある。

しかしながら、冷凍効果が上がるにつれて、その増加分以上に圧縮仕事量も増える場合、むしろ性能係数の悪化、または、消費電力の増大などを引き起こす恐れがあるため、性能係数は、冷媒の物性などの諸特性を考慮した上で、適切な改善が行われる必要がある。

特に、ヒートポンプの暖房運転の場合、冬季の低い外気温度により冷媒が蒸発潜熱を十分に吸収できず、蒸発不良が招かれることにより、低圧冷媒の乾飽和度が下がり、その結果、湿圧縮による圧縮不良が引き起こされるだけではなく、吸込み冷媒の比体積が増えて凝縮熱量が減る結果、十分な暖房性能を期待することが困難であった。これらに加えて、コンプレッサに過負荷がかかって焼損の恐れがあり、その仕事量が増えて電力消耗も増える結果となる。

このようなエアコンの性能を改善するために、従来より、例えば、大韓民国特許公開第２００２−００７０９４４号公報及び第２００２−００４２７７５号公報に記載の技術が提案されている。

特許公開第２００２−００７０９４４号公報には、ヒートポンプシステムの４方弁と室外熱交換器との間に断熱処理の施された第１及び第２の熱量回収装置を設けると共に、４方弁とコンプレッサとの間に第３の熱量回収装置を設けて、高圧冷媒と低圧冷媒を第１ないし第３の熱量回収装置の経由中に互いに熱交換させることにより、高圧の冷媒液を過冷させると共に、低圧冷媒に熱量を補償する仕組みが開示されている。

しかしながら、この種のヒートポンプシステムは、第３の熱量回収装置がコンプレッサと４方弁との間に位置するため、冷房時には低圧の冷媒が過熱状態でコンプレッサに入るため、コンプレッサが過熱により損傷を負う可能性が極めて高く、暖房時にはコンプレッサから吐き出された高圧の冷媒が第３の熱量回収装置において低圧冷媒に相当量の熱を奪われてから室内熱交換器に入るため、十分な暖房効果を期待することができない。

さらに、別体の過冷却器を通じて高圧の冷媒液を過冷させることにより、冷凍効果の増大を図ろうとする試みもあるが、この場合、高圧の冷媒液が一定の圧力を保った状態での単なる熱伝導に依存するために過冷度が低く、膨張された冷媒のフラッシュガス量の低減があまり見られない。

特許公開第２００２−００４２７７５号公報によれば、ヒートポンプの室外器と室内器との間に別途の熱交換器を設け、２つの４方弁を用いて冷房及び暖房時に高圧の冷媒液と低圧の冷媒ガスを熱交換器の経由時に互いに熱交換させることにより高圧の冷媒液を過冷させると共に、低圧の冷媒ガスを過熱させて、性能係数の向上及び圧縮仕事の低減を図っている。

ところが、この技術も、高圧の冷媒液が凝縮圧を保っている中温状態で低圧冷媒への熱伝導がなされるために過冷度が低く、これにより、蒸発圧との差分が依然として大きなために膨張された冷媒のフラッシュガス量が大であり、蒸発潜熱の吸収量が小さい。このため、冬季の暖房運転時の蒸発不良も依然として存在している。

さらに、冷媒液の場合、単なる熱伝達にのみ依存するために伝達熱量が蒸気に比べて極めて小さいが、熱交換器が未断熱状態であるため、冷媒液の熱のうち相当量が熱交換中に大気に放出されてしまい、低圧冷媒ガスの過熱度が極めて低い。このため、圧縮負荷の低減が期待し難くて消費電力の削減を図るのに難点があり、特に、暖房時には、熱量の不足により十分な暖房効果を期待することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷房機とヒートポンプなどの空気調和装置や冷凍機などの性能係数を高めると共に、消費電力は削減できる、冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置を提供するところにある。

本発明の他の目的は、通常の冷房機やヒートポンプなどに取り付けて使用することができ、特に、通常の冷房機をヒートポンプのように冷暖房兼用で運転できると共に、その性能係数は高めて消費電力は削減できる、冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置を提供するところにある。

これらの目的を達成するために、本発明に係る冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置は、低温低圧の冷媒蒸気を高温高圧に圧縮して周辺との熱交換により凝縮させた後、凝縮された冷媒液を膨張させて周辺との熱交換により蒸発させることにより冷房や暖房などを行う冷凍サイクルの性能を改善するための装置であって、所定の長さ及び形状を有し、一端が室外熱交換器の出口側に接続され、他端が膨張弁の入口側に接続される内部管、この内部管を同心状に収めると共に、一端が室内熱交換器の出口側に接続され、他端がコンプレッサの入口側に接続される外部管及びこの外部管を取り囲む断熱カバーを備え、高圧の液体冷媒と低圧の蒸気冷媒を熱交換させる補助熱交換器ユニットと、この補助熱交換器ユニットの内部管の入口側に設けられ、室外熱交換器において凝縮された高圧の液体冷媒の圧力を適切に下げると共に、室外熱交換器の凝縮圧を保持する第１の保圧弁と、前記補助熱交換器ユニットの内部管の一端に設けられ、前記室内熱交換器において凝縮された冷媒液を膨張する第２の膨張弁と、前記補助熱交換器ユニットの内部管の他端に設けられ、前記室内熱交換器において凝縮された高圧の冷媒液の圧力を適切に下げると共に、室内熱交換器の凝縮圧を保持する第２の保圧弁と、前記補助熱交換器ユニットと弁を内部に収めるキャビネットと、を備えることを特徴とする。

本発明の好ましい一特徴によれば、コンプレッサの出口と前記補助熱交換器ユニットの入口及び室内熱交換器の一端を接続し、運転モードに応じて冷媒の進行方向を切り換えるための４方弁と、前記補助熱交換器ユニットの内部管の一端と接続され、室内熱交換器において凝縮された冷媒を膨張させるための第２の膨張弁、前記室外熱交換器において凝縮された高圧の冷却液の圧力を下げると共に、前記室外熱交換器の凝縮圧を保持し、補助熱交換器ユニットの内部管の他端と接続される第２の保圧弁、前記補助熱交換器ユニットと前記保圧弁を収めるキャビネットをさらに備える。

本発明の他の好ましい特徴によれば、補助熱交換器ユニットに、所定の温度以下でのみ選択的に動作して低温低圧の冷媒蒸気を加熱するヒータがさらに設けられることにより、外気の温度が下がり過ぎた冬季の酷寒時にコンプレッサに入る低温低圧の冷媒蒸気の熱量を補給することができる。

このような本発明は、保圧弁がコンプレッサにおいて高温高圧に圧縮された冷媒ガスの凝縮圧を保持すると共に、凝縮された高圧中温の冷媒液の圧力を適切に下げ、このように中温中圧の冷媒液と蒸発された低温低圧の冷媒蒸気を断熱２重管の熱交換器ユニットにより互いに熱交換させることにより、冷媒液の温度を大幅に下げると共に、低圧の冷媒蒸気を過熱させる。

これにより、冷媒液の膨張後にフラッシュガスの量が大幅に減って蒸発潜熱の吸収量が増えることはもとより、熱交換器ユニットにより凝縮圧が僅かに下がってコンプレッサの吐出圧が下がることにより、圧縮仕事も減る。

このため、本発明は、冷凍サイクルの冷凍効果と性能係数の同時向上及び消費電力の削減、ヒートポンプの冷暖房性能の向上などに目を見張るほどの効果を発揮する。

以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施の形態を詳述する。

図１ないし図３において、本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置１は、基本的に、冷凍サイクルの室外熱交換器（コンデンサ）と室内熱交換器（蒸発器）との間に設けられて凝縮された中温の液体冷媒と蒸発された低温の蒸気冷媒を互いに熱交換させる補助熱交換器ユニット１０と、室外熱交換器と補助熱交換器ユニット１０との間に設けられて室外熱交換器の凝縮圧を保持すると共に、凝縮された高温高圧の液体冷媒を中温中圧に適切に下げる保圧弁２０及び補助熱交換器ユニット１０と保圧弁２０を内蔵するキャビネット３０を備える。

補助熱交換器ユニット１０は、所定の熱交換長さを有するべくジグザグ状に連続的に折り曲げられてなる内部管１１と、この内部管１１を同心状に収める外部管１２及びこれらの熱損失を防ぐ断熱カバー１３を備える。

内部管１１は、例えば、一端が室外熱交換器の出口側に接続され、他端は膨張弁の入口側に接続される。

外部管１２は、一端が室内熱交換器の出口側に接続され、他端はコンプレッサＣの入口側に接続される。このような外部管１２は、内部に内部管１１を同心状に収めるが、その流路の断面積と内部管１１の厚さを含む総断面積を除く残りの面積と同じくなるように構成される。

断熱カバー１３は、単に２重管の熱交換器の全体を取り囲むように箱状に形成されても良いが、好ましくは、図示の如く、管状の断熱材で構成されて外部管１２自体を取り囲む。

保圧弁２０は、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の入口側に設けられ、室外熱交換器において凝縮された高圧中温の冷媒液が霧化しないほどに流路の断面積を狭めることにより、その前後の冷媒液の圧力を相異なるように保持する。

好ましくは、本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置１は、図４に示すように、負荷変動などに影響されないように、冷媒液の圧力と蒸発圧を一定に保持するための圧力補償器４０をさらに備えても良い。

圧力補償器４０は、系内の過剰の冷媒を貯える圧力補償タンク４１と、冷媒液の圧力が所定の圧力値よりも高い場合、過剰の冷媒液を圧力補償タンク４１に導く第１の圧力調節用チェック弁４２及び蒸発圧が所定の圧力値よりも低い場合、圧力補償タンク４１内の冷媒を流出させる第２の圧力調節用チェック弁４３を備える。

圧力補償タンク４１は、入口が膨張弁の直前と管路４４により接続され、出口は膨張弁の直後と管路４５により接続される。

第１の圧力調節用チェック弁４２は、圧力補償タンク４１の入口側の管路４４に設けられ、冷媒液の圧力が所定の圧力値以上である場合にのみ開かれる。また、第２の圧力調節用チェック弁４３は、圧力補償タンク４１の出口側の管路４５に設けられ、膨張された冷媒の圧力が所定の圧力値以下である場合にのみ開かれる。

一方、本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置１は、通常の冷凍サイクルにおいてその構成要素を接続する管路Ｐを切り取った後、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１と外部管１２の両端をそれぞれの接続対象に対して溶接により取り付けても良く、あるいは、図示の如く、それぞれの両端に別体のジョイント５０を備えて取り付けても良い。

次いで、このように構成された本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置の作用を図５及び図６を参照して説明する。

コンプレッサＣにおいて凝縮に必要な高温高圧に圧縮された冷媒ガスは、室外熱交換器ＨＥ_１を通りながら、ファンＦ_１による気流と熱交換して潜熱を放出することにより、高圧中温の湿蒸気状態に凝縮される。

凝縮された高圧中温の冷媒液は、流路が狭くなった保圧弁２０を通りながら圧力（Ｐｃ→Ｐｃ″）と温度が適切に下がり、中温中圧の状態に変わる。このように中温中圧となった冷媒液は、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１を通りながら、それを取り囲んでいる外部管１２の内部を通る低温低圧の蒸気冷媒と互いに熱交換を行うことにより、図６に示すように、温度がｃ′からｃへと（ｃ′→ｃ）△tscだけ大幅に下がり、エンタルピーが減る。

すなわち、高圧中温の冷媒液が保圧弁２０を通りながら１次に圧力と温度がある程度下がった状態で低温低圧の蒸気冷媒と熱交換を行うだけではなく、補助熱交換器ユニット１０の熱交換器が２重管状に構成されて両者間の熱交換が内部管１１の周りの全体で行われ、特に、外部管１２が断熱カバー１３により取り囲まれてしっかりと断熱された状態であるため、外部への熱損失が最小限に抑えられながら、冷媒液と蒸気冷媒との間に熱交換が確実に行われ、冷媒液の温度が大幅に下がる。

このとき、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の圧力が下がるに伴い、室外熱交換器ＨＥ_１内の圧力が補助熱交換器ユニット１０の内部管１１に抜け出るが、図６に示すように、保圧弁２０により室外熱交換器ＨＥ_１の凝縮圧は Ｐｃ′からＰｃへと（Ｐｃ′→Ｐｃ）僅かに下がった状態に保持される。

これにより、コンプレッサＣからの冷媒の吐出圧がその分下がり、圧縮仕事量は減るが、冷媒ガスの凝縮にはあまり影響しない。これは、図６のｐ−ｈ線図からも明らかなように、冷凍サイクルの特性上、同じ蒸発圧Ｐｅの場合、凝縮圧Ｐｃが下がるに伴い、冷凍効果はアップすると共に、圧縮仕事量は減るためである。

補助熱交換器ユニット１０を通りながら圧力と温度が下がった冷媒液は、膨張弁ＥＶを通りながら収縮されて低温低圧となるが、このとき、膨張弁ＥＶの前後の圧力差及び温度差が既存よりも大幅に狭まるため、膨張された冷媒中に存在する熱の吸収に寄与できないフラッシュガスの量が大幅に減る。

このため、膨張された冷媒のほとんどが室内熱交換器ＨＥ_２を通りながら、ファンＦ_２による気流から蒸発潜熱を吸収し、その結果、冷凍効果がｑ′からｑへと（ｑ′→ｑ）と△ｑだけ大幅にアップする。

次いで、蒸発された低温低圧の蒸気冷媒は、補助熱交換器ユニット１０の外部管１２を通りながら中温中圧の冷媒液と断熱状態で熱交換を行い、それから熱を吸収することにより過熱蒸気となった後、さらにコンプレッサＣに入る。

コンプレッサＣに入った過熱状態の蒸気冷媒は再び圧縮されて室外熱交換器ＨＥ_１に吐き出されるが、このとき、冷媒ガスは過熱状態で吸い込まれて圧縮されたため、温度は以前よりａ′からａへと（ａ′→ａ）△tshだけ上がるが、保圧弁２０と補助熱交換器ユニット１０により凝縮圧Ｐｃが以前よりも低いため、吐出圧は下がる。これにより、コンプレッサＣの仕事量はｑｗ′からｑｗへと（ｑｗ′→ｑｗ）△ｑｗだけ減り、その結果、消費電力が削減される。

結局、本発明は、従来より冷凍サイクルの冷凍効果はアップさせながらも、圧縮仕事量は減らすことで、その性能係数を大幅に高める。

さらに、気象など周辺状況によって冷媒液と蒸気冷媒の圧力が変わっても、圧力補償器４０により補助熱交換器ユニット１０内の冷媒液の圧力と室内熱交換器ＨＥ_２内の蒸発圧Ｐｅが常に一定になるため、冷凍サイクルを安定的に運転することができる。

すなわち、外部的な要因により系内に圧力変動が起こって凝縮された冷媒液の圧力が設定圧力値よりも高くなる場合、圧力補償器４０の第１の圧力調節用チェック弁４２が開かれて過剰の冷媒が圧力補償タンク４１に入ることにより、冷媒液の圧力が一定に保たれる。逆に、蒸発圧が設定圧力値よりも下がる場合には、第２の圧力調節用チェック弁４３が開かれて圧力補償タンク４１内に貯えられていた冷媒が系に供給されることにより、蒸発圧が一定に保たれる。

一方、図７には、本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置１の他の実施の形態が示してある。

この実施の形態は、上述した如き構成の実施の形態において、冷媒の進行方向を室外または室内熱交換器（ＨＥ_１またはＨＥ_２）に切り換える４方弁６０と、室内熱交換器ＨＥ_２において凝縮された高圧中温の冷媒液の圧力を適切に下げると共に、凝縮圧を保持する第２の保圧弁７０及び補助熱交換器ユニット１０を通って室外熱交換器ＨＥ_１に入る中温中圧の冷媒液を所定の蒸発圧に膨張させる第２の膨張弁８０をさらに備えて、冷房機をヒートポンプのように冷暖房兼用で運転できる仕組みである。

４方弁６０は、コンプレッサＣと補助熱交換器ユニット１０の外部管１２の入口及び室外熱交換器ＨＥ_１と室内熱交換器ＨＥ_２の出口とそれぞれ接続され、運転モードに応じて、コンプレッサＣから吐き出された冷媒の進行方向を室外熱交換器ＨＥ_１または室内熱交換器ＨＥ_２に導く。

保圧弁２０と第２の膨張弁８０及び膨張弁ＥＶと第２の保圧弁７０は並列配置され、それぞれ冷媒をどちらか一方にのみ流れるべく誘導するチェック弁よりなる。

一方、この実施の形態の場合、冷媒の流れが運転モードに応じて切り換えられて冷房または暖房を行うが、圧力補償器４０，９０もまた補助熱交換器ユニット１０の前後にそれぞれ設けられ、冷房時と暖房時に応じて選択的に動作する。

このとき、暖房モード時に動作する圧力補償器９０の場合には、好ましくは、冷媒管路が圧力補償タンク９１の内部を貫通するように構成される。これは、膨張された低温低圧の冷媒をして圧力補償タンク９１内にある液体冷媒から熱を吸収せしめることにより、冬季の不足熱量を補給するためである。

そして、補助熱交換器ユニット１０には、好ましくは、室外の気温が蒸発温度以下に下がり過ぎた酷寒期に選択的に動作して、低温低圧の冷媒蒸気の不足熱量を補償するためのヒータ１４がさらに設けられる。このヒータ１４は、補助熱交換器ユニット１０の外部管１２の出口側に設けられ、蒸発温度センサー（図示せず）により動作する。

さらに、外気の温度が低過ぎる場合、冷媒の蒸発が不完全に行われるため、ともすれば湿圧縮が起こりがちである。このため、補助熱交換器ユニット１０の外部管１２の出口側には湿冷媒をろ過するためのアキュミュレータ１５をさらに設けても良い。このアキュミュレータ１５は、弁１５ａをさらに備えることで、暖房モード時にのみ冷媒をアキュミュレータ１５を通させる仕組みである。

図８は、この実施の形態による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置が通常の冷房機に取り付けられた状態を概略的に示しているが、この場合、ヒートポンプのように冷房モードと暖房モードに運転することが可能である。

冷房モードの場合には上述した如き実施の形態と同様に動作するため、重複する説明は省く。

暖房モードの場合には、コンプレッサＣから吐き出された高温高圧の冷媒ガスが４方弁６０により室内熱交換器ＨＥ_２に入り、これを通りながら内気と熱交換して潜熱を放出することにより凝縮され、このときの凝縮熱により暖房が行われる。室内熱交換器ＨＥ_２において凝縮された高圧中温の冷媒液は、第２の保圧弁７０を通りながら圧力と温度が適切に下がる。

次いで、中温中圧の冷媒液は補助熱交換器ユニット１０の内部管１１を通りながら、その外部管１２を通る低温低圧の冷媒蒸気と断熱状態で互いに熱交換を行うことにより、温度が大幅に下がって過冷状態となる。

このときにも、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の圧力が下がるに伴い、室外熱交換器ＨＥ_１内の圧力が補助熱交換器ユニット１０の内部管１１に抜け出るが、図６に示すように、保圧弁２０により室外熱交換器ＨＥ_１の凝縮圧はＰｃ′からＰｃへと（Ｐｃ′→Ｐｃ）僅かに下がった状態に保たれる。

次いで、補助熱交換器ユニット１０において過冷された冷媒液は、第２の膨張弁８０を通りながら収縮されて低温低圧となるが、このときにも、第２の膨張弁８０の前後の冷媒圧力差と温度差が小さなため、膨張された冷媒中におけるフラッシュガス量が相当減る。

このため、室外熱交換器ＨＥ_１を通る間に外気から蒸発潜熱を容易に吸収することになる。

蒸発された低温低圧の冷媒蒸気は、補助熱交換器ユニット１０の外部管１２を通りながら内部管１１を流れる中温中圧の冷媒液と熱交換を行い、そこから熱を吸収することにより過熱状態となる。

これにより、外気の温度が低くて室外熱交換器ＨＥ_１の一部において蒸発不良が起こっても、冷媒液から伝わる熱により確実に蒸発するだけではなく、アキュミュレータ１５を経由するため、コンプレッサＣには常時過熱された乾飽和状態の低圧冷媒蒸気が入ることになる。

コンプレッサＣに入った過熱状態の蒸気冷媒は、再び圧縮されて室内熱交換器ＨＥ_２に吐き出されるが、このとき、冷媒ガスは過熱状態で吸入されて圧縮されたため、温度がａ′からａへと（ａ′→ａ）△tshだけ上がり、第２の保圧弁７０と補助熱交換器ユニット１０により凝縮圧Ｐｃが以前よりも低いため、吐出圧は下がる。

このため、コンプレッサＣの仕事量がｑｗ′からｑｗへと（ｑｗ′→ｑｗ）△qwだけ減るに伴い、消費電力が削減されると共に、室内熱交換器ＨＥ_２の放出熱量がｑｃ′からｑｃへと（ｑｃ′→ｑｃ）増えて室内の暖房も高性能にて十分に行われる。

また、外気の温度が蒸発温度に比べて下がり過ぎた場合には、補助熱交換器ユニット１０に設けられたヒータ１４が動作して低圧の冷媒蒸気に熱量を補給するため、外気の温度に影響されることなく、暖房を行うことができる。

そして、第２の圧力補償器９０により暖房時にも冷媒液の圧力と蒸発圧を常に一定に保持することができるので、安定的な運転が保証でき、冷媒管路が圧力補償タンク９１の内部を通ることから、冬季における外気の不足熱量も補給することができる。

一方、図９及び図１０には、上述した如き第２の実施の形態において、膨張弁ＥＶと第２の保圧弁７０及び第２の膨張弁８０と保圧弁２０の他の実施の形態が示してある。

これを参照すれば、それぞれの弁が単一のハウジング内に一列に配置されて冷媒の両方向の流れを許容しながら、進行方向に応じて流量を別々に制御する２元的な流量制御弁１００よりなる仕組みである。

すなわち、スリーブ状のハウジング１１０の内部の一方には保圧弁１２０が気密状態に組み立てられ、ハウジング１１０の内部の他方には膨張弁１３０が気密状態に組み立てられる。これらの保圧弁１２０と膨張弁１３０は、オリフィス１２４，１３４の直径が異なる点以外は同じ構成を有するため、説明の便宜上、対応個所に同じ部材番号を付し、膨張弁１３０を例にとって説明を進める。

膨張弁１３０は、相異なる直径が同心上に段差状に形成された流路孔１３２を中央に有し、ハウジング１１０の内部に取り付けられるシリンダ１３１と、中央にオリフィス１３４を有し、シリンダ１３１の流路孔１３２の大径部１３２ａに結合されて軸方向に摺動する弁体１３３及びシリンダ１３１の一端に設けられて弁体１３３の離脱を防ぐリング状のストッパ１３６を備える。

弁体１３３は、シリンダ１３１の流路孔１３２に対応して外周が相異なる直径を有するように段差状に形成され、その大径部１３３ａの外周には複数の流路溝１３５が一定の角度をおいて形成される。このとき、オリフィス１３４の断面積と各流路溝１３５の断面積の合計は、冷媒流路の断面積と同じくなる。未説明符号１３７は、スクリーンである。

これにより、冷房の場合には、保圧弁１２０の弁体１２３がストッパ１２６側に移動してその大径部１２３ａの外周の流路溝１２５が開かれることにより、冷媒が弁体１２３のオリフィス１２４と流路溝１２５を介して正常的に流動するのに対し、膨張弁１３０の弁体１３３はストッパ１３６から遠ざかってその小径部１３３ｂがシリンダ１３１の小径部１３２ｂに嵌め込まれる。

すると、膨張弁１３０の弁体１３３の大径部１３３ａに形成された流路溝１３５がシリンダ１３１の流路孔１３２の段差１３２ｃに密着して閉塞され、これにより、冷媒が膨張弁１３０の弁体１３３のオリフィス１３４だけに通ることにより収縮される。

一方、暖房の場合には、冷房時とは逆に動作することにより、冷媒液の圧力と温度を適切に下げる。

図１１は、本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置のさらに他の実施の形態を概略的に示している。

図１１を参照すれば、この技術は、ヒートポンプに取り付けるための仕組みであり、中温中圧の液体冷媒と低圧の蒸気冷媒を熱交換する補助熱交換器ユニット１０と、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の入口側に設けられ、室外熱交換器ＨＥ_１において凝縮された高圧の液体冷媒の圧力を適切に下げると共に、室外熱交換器ＨＥ_１の凝縮圧を保持する第１の保圧弁２０と、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の一端に設けられ、室内熱交換器ＨＥ_２において凝縮された冷媒液を膨張させる第２の膨張弁８０と、補助熱交換器ユニット１０の内部管１１の他端に設けられ、室内熱交換器ＨＥ_２において凝縮された高圧の冷媒液の圧力を適切に下げると共に、室内熱交換器ＨＥ_２の凝縮圧を保持する第２の保圧弁７０及び補助熱交換器ユニット１０と弁２０，７０，８０を内部に収めるキャビネット３０を備える。

このような実施の形態の各構成要素も、上述した如き第２の実施の形態と同じ構成及び作用効果を有するため、重複する説明は省く。また、この場合にも、当然のことながら、圧力補償器４０，９０とヒータ１４及びアキュミュレータ１５を備えても良い。

また、図示は省略したが、膨張弁ＥＶと第２の保圧弁７０及び第２の膨張弁８０と保圧弁２０が、図９に示すように、２元的な流量制御弁１００よりなって管路上に一列に配置されても良い。

以上述べたように、本発明に係る冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置によれば、冷房機や冷凍機の冷凍効果のアップ及び性能係数の向上を図ることができ、しかも圧縮仕事量を減らして消費電力を削減することができる。

また、ヒートポンプの冷暖房性能を同時に高めることができ、特に、通常の冷房機をヒートポンプのように冷暖房兼用で運転できながらも、その冷暖房性能を大幅に高められて消費電力も節減できる。

そこで、本発明は、冷凍サイクルの冷凍効果と性能係数の同時向上及び消費電力の節減、ヒートポンプの冷暖房性能の向上に大きく寄与できる極めて優れた効果を有する。

本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置を概略的に示す回路図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー改善装置の補助熱交換器ユニットを示す抜すい断面図。 図２のIII−III線に沿って切り取られた抜すい拡大断面図。 図１の基本構成に圧力補償器がさらに設けられた状態を概略的に示す回路図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置が冷房機に取り付けられた状態を概略的に示す回路図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置が取り付けられた冷凍サイクルの効果を説明するためのｐ−ｈ線図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置の他の実施の形態を概略的に示す回路図。 図７の実施の形態による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置が冷房機に取り付けられた状態を概略的に示す回路図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置の膨張弁と保圧弁の他の実施の形態を示す断面図。 図９のＸ−Ｘ線断面図。 本発明による冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置のさらに他の実施の形態を概略的に示す回路図。

Claims (6)

1. 一端が室外熱交換器の出口側に接続され、他端が膨張弁の入口側に接続され
   る内部管と、
   この内部管を同心状に収めると共に、一端が室内熱交換器の出口側に接続され、他端がコンプレッサの入口側に接続される外部管と、
   該外部管を取り囲む断熱カバーを備え、高圧の液体冷媒と低圧の蒸気冷媒を熱交換させる補助熱交換器ユニットと、
   前記補助熱交換器ユニットの内部管の入口側に設けられ、室外熱交換器において凝縮された高圧の液体冷媒の圧力を適切に下げると共に、室外熱交換器の凝縮圧を保持する保圧弁と、
   前記補助熱交換器ユニットと保圧弁を内部に収めるキャビネットと、
   前記コンプレッサの吐出口、補助熱交換器ユニットの入口、室外及び室内熱股間器の一端にそれぞれ接続されて、運転モードに応じて冷媒の流れ方向を切り換えるための４方弁と、
   前記補助熱交換器ユニットの内部管の一端に接続され、前記室内熱交換器において凝縮された冷媒液を膨張させる第２の膨張弁と、
   前記補助熱交換器の内部間の他端に設けられ、前記室内熱交換器において凝縮された高圧の冷媒液の圧力を適切に下げると共に、室内熱交換器の凝縮圧を保持する第２の保圧弁と、で構成されて、
   低温低圧の冷媒蒸気を高温高圧に圧縮して周辺との熱交換により凝縮した後、凝縮された冷媒液を膨張させて周辺との熱交換により蒸発することにより冷房や暖房などを行う冷凍サイクルの性能を改善するための装置であって、
   前記膨張弁と前記第２の保圧弁及び前記第２の膨張弁と前記保圧弁が間隔をおいて直列に配置される単一体よりなり、それぞれ両方向への流れを許容するが、どちらか一方の流れに対してのみ流量を減らす２元的な流量制御弁を備え、
   前記２元的な流量制御弁は、両端が冷媒管路にそれぞれ接続されるスリーブ状のハウジングと、
   前記ハウジングの内部の一方に気密状態に組み立てられる前記保圧弁又は前記第２の保圧弁、他方に気密状態に組み立てられる前記第２の膨張弁又は前記膨張弁とを備え、
   前記膨張弁と前記第２の保圧弁及び前記第２の膨張弁と前記保圧弁はそれぞれ、相異なる直径が同心上において段差状に形成された流路孔を有するシリンダと、
   中央にオリフィスと、
   前記シリンダの流路孔に対応するように外周が相異なる直径を有するように形成され、その大径部の外周に複数の流路溝を軸方向に有し、前記各シリンダの流路孔の大径部に結合され、軸方向に沿って適切なストロークで摺動する弁体と、を備え、
   前記保圧弁及び前記第２の保圧弁のオリフィスの直径を前記第２の膨張弁及び前記膨張弁のオリフィスの直径よりも小さくし、
   冷媒の流れ方向に応じて前記各弁体がどちらか一方に同時に移動することにより、ある弁体の流路溝がシリンダの流路孔の段差に密着されて選択的に閉塞されるように構成されることを特徴とする冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。
2. 前記補助熱交換器ユニットに、所定の温度以下でのみ選択的に動作して低温低圧の冷媒蒸気を加熱するヒータがさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。
3. 入口は前記膨張弁の直前と管路により接続され、出口は膨張弁の直後と管路により接続されて過剰の冷媒を貯える圧力補償タンクと、
   この圧力補償タンクの流入管路に設けられ、冷媒液の圧力が所定の圧力値以上となる場合にのみ開かれる第１の圧力調節用チェック弁及びこの圧力補償タンクの流出管路に設けられ、蒸発圧が所定の圧力値以下となる場合にのみ開かれる第２の圧力調節用チェック弁よりなる圧力補償器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。
4. 暖房モード時に動作する圧力補償器の圧力補償タンクは、冷媒管路がその内部を貫通するように設けられたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。
5. 前記補助熱交換器ユニットの外部管の出口側に湿冷媒をろ過するアキュミュレータがさらに設けられることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。
6. 前記補助熱交換器ユニットの内部管の両端と外部管の両端にそれぞれジョイントが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル用エネルギー効率改善装置。

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