JP5197820B2

JP5197820B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP5197820B2
Application number: JP2011198729A
Authority: JP
Inventors: 多佳志岡崎; 裕一谷口; 嘉裕隅田; 明広西田; 哲也山下; 正人四十宮
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-06-16
Also published as: JP2012013412A

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、冷凍サイクル装置に関し、『熱交換効率の向上と熱交換器の小型化が図れ、非共沸混合冷媒の充填量を減少できる冷凍装置を提供する。』ことを目的とした技術として、『圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４をつなぎ、ＨＦＣ系冷媒又はその混合冷媒を循環させてなる冷凍装置であり、凝縮器２のコイルの途中に冷媒の気液を分離するために設けられ、分離された液冷媒をバイパス管３００を通じて凝縮器２のコイルの出口２ｃに戻すための気液分離器１０を備える。』というものが提案されている（特許文献１）。

上記技術によれば、例えば非共沸混合冷媒の成分中、比較的高沸点の冷媒が凝縮過程で早期に液化し、早期に液化した冷媒は気液分離器で分離される。
この分離された液冷媒は、バイパス管を通じて凝縮器の出口に戻される。
この液冷媒が凝縮器の出口に戻されると、気液分離器の二次側の熱交換率が向上するので、凝縮器の小型化が図られる。
また、気液分離器の二次側の高沸点冷媒の体積が減少するので、省冷媒化を図ることができる。

特開平８−３２７１８１号公報（要約）

上記特許文献１に記載の技術では、気液分離器１０を凝縮器２のコイルの途中に設けることにより、凝縮器２が前後２つに分割される。この分割前後に係る各凝縮器の構成を同一にした場合、気液分離器１０後の凝縮器の冷媒流速が低下し、熱交換性能が低下する。

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あり、凝縮器の途中の液冷媒を出口側へバイパスするとともに、分割された凝縮器の冷媒流速を低下させない、高効率の冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、を接続した冷媒回路を有し、前記凝縮器の冷媒経路の途中に接続され前記凝縮器を第１凝縮器と第２凝縮器に分割する第１気液分離器と、前記蒸発器の冷媒経路の入口部に接続され、液冷媒とガス冷媒を分離し、分離したガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするとともに、分離した液冷媒を前記蒸発器に供給する第２気液分離器と、前記第１気液分離器で分離された液冷媒と、前記第２気液分離器にて分離されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備え、前記第１気液分離器は、前記第１凝縮器から流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、分離した液冷媒を前記第２凝縮器の出口側にバイパスするとともに、分離したガス冷媒を前記第２凝縮器に供給し、前記第２凝縮器の冷媒分岐数は、前記第１凝縮器の冷媒分岐数より少なく構成されたものである。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、を接続した冷媒回路を有し、前記凝縮器の冷媒経路の途中に接続され前記凝縮器を第１凝縮器と第２凝縮器に分割する第１気液分離器と、前記蒸発器の冷媒経路の入口部に接続され、液冷媒とガス冷媒を分離し、分離したガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするとともに、分離した液冷媒を前記蒸発器に供給する第２気液分離器と、前記第１気液分離器で分離された液冷媒と、前記第２気液分離器にて分離されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備え、前記第１気液分離器は、前記第１凝縮器から流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、分離した液冷媒を前記第２凝縮器の出口側にバイパスするとともに、分離したガス冷媒を前記第２凝縮器に供給し、前記第２凝縮器の伝熱管の内面溝高さは、前記第１凝縮器の伝熱管の内面溝高さより高く構成されたものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、凝縮器にとって熱抵抗となる液冷媒を出口側へバイパスすることで凝縮性能を向上させるとともに、冷媒流速を低下させないように凝縮器を構成しているので、高効率の冷凍サイクルを提供することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図１の冷媒回路中に示した各箇所Ａ〜Ｌにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。第１凝縮器２ａと第２凝縮器２ｂの構成例を示す断面図である。実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図５の冷媒回路中に示した各箇所Ａ〜Ｐにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１、第１凝縮器２ａ、第２凝縮器２ｂ、電子膨張弁３、蒸発器４、第１気液分離器５ａ、第２気液分離器５ｂ、高低圧熱交換器６を備える。

第１気液分離器５ａは、第１凝縮器２ａと第２凝縮器２ｂの間に設置されている。
第２気液分離器５ｂは、電子膨張弁３の出口部に設置されている。

第１気液分離器５ａは、第１凝縮器２ａを通過した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、ガス冷媒を第２凝縮器２ｂに供給するとともに、液冷媒を第２凝縮器２ｂの出口側にバイパスする。
第２気液分離器５ｂは、電子膨張弁３を通過した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、液冷媒を蒸発器４に供給するとともに、ガス冷媒を蒸発器４の出口側にバイパスする。

電子膨張弁３は、図示しない制御手段の指示に基づき開度を変更する。
高低圧熱交換器６は、第１気液分離器５ａで分離された液冷媒と、第２気液分離器５ｂで分離されたガス冷媒との間で熱交換を行う。

第１凝縮器２ａの冷媒流量は、第２凝縮器２ｂの冷媒流量よりも多い。そのため、冷媒流速を低下させないように、第１凝縮器２ａの冷媒分岐数は、第２凝縮器２ｂの冷媒分岐数よりも多く構成されている。
すなわち、第１凝縮器２ａと第２凝縮器２ｂを形成するそれぞれの熱交換器の冷媒の流れは全ての伝熱管を直列にしたりあるいは冷媒の流れが平行に流れるように伝熱管を並列にすること等ができる。第２凝縮器２ｂの冷媒流量は、第１凝縮器２ａの冷媒流量よりも気液分離器で分離された液流量分だけ少なくなるので、冷媒流速が低下しないように第２凝縮器２ｂの冷媒分岐数を第１凝縮器２ａの冷媒分岐数よりも少なくする。

図１の冷媒回路の内部には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい冷媒、例えばＧＷＰが１０未満のＨＦＯ１２３４（ハイドロフルオロオレフィン１２３４）が封入される。
この冷媒は、液の熱伝導率が小さく、低圧でのガス密度が小さい（低圧での圧力損失が大きい）という特徴を有する。

本実施の形態１における「減圧装置」は、電子膨張弁３が相当する。その他の減圧手段を用いてもよい。

以上、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路の構成を説明した。
次に、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作を説明する。

図２は、図１の冷媒回路中に示した各箇所Ａ〜Ｌにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。以下、図２を用いて本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作を説明する。

圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、第１凝縮器２ａである程度放熱して冷却され（状態Ｂ）、第１気液分離器５ａで液冷媒（状態Ｅ）とガス冷媒（状態Ｃ）に分離される。
第２凝縮器２ｂで完全凝縮した液冷媒は、第１気液分離器５ａで分離され内部熱交換器６で冷却された液冷媒（状態Ｆ）と合流し（状態Ｄ）、電子膨張弁３に流入する。
電子膨張弁３で減圧された冷媒（状態Ｇ）は、第２気液分離器５ｂに流入し、液冷媒（状態Ｊ）とガス冷媒（状態Ｈ）に分離される。
第２気液分離器５ｂで分離された液冷媒は蒸発器４で蒸発し（状態Ｋ）、第２気液分離器５ｂで分離されたガス冷媒は内部熱交換器６で高圧液冷媒から吸熱する（状態Ｉ）。
蒸発器４で蒸発した冷媒は、内部熱交換器６の出口ガス（状態Ｉ）と合流し、圧縮機１に吸入される（状態Ｌ）。

以上、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の動作を説明した。
次に、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成に関して以下に補足する。

（冷媒流速についての補足）
本実施の形態１では、第１気液分離器５ａから分離されたガス冷媒が通る第２凝縮器２ｂの冷媒分岐数を第１凝縮器２ａの冷媒分岐数より小さくする構成を示したが、この構成に限るものではない。
例えば以下の（構成例１）〜（構成例２）のような構成を用いても、同様に第２凝縮器２ｂ内の冷媒流速を低下させない効果を発揮することができる。

（構成例１）第２凝縮器２ｂの伝熱管内径を第１凝縮器２ａの伝熱管内径より小さくして管内断面積を低下させる構成
（構成例２）第２凝縮器２ｂの伝熱管の内面溝高さを第１凝縮器２ａの伝熱管の内面溝高さより高くして管内断面積を低下させる構成
なお、内面溝の高さを高くすることにより流路抵抗は大きくなるが、冷媒は圧縮機で強制的に流しており、断面積が減少した分だけ同一流量での流速が大きくなる。また構成例１、構成例２とも第２凝縮器は凝縮器としては出口側にある。凝縮器の出口側では液リッチの状態であり圧力損失の絶対値が小さく、出口側の流動抵抗が大きくなっても凝縮器全体に及ぼす影響は小さい。

図３は、第１凝縮器２ａと第２凝縮器２ｂの構成例を示す断面図である。
図３（ａ）は上記構成例１、図３（ｂ）は構成例２の断面図を示す。

（気液分離器５ａによるバイパスについての補足）
一般に、凝縮器では、凝縮した冷媒の液膜の熱抵抗が支配的であり、特に液熱伝導率が小さい低ＧＷＰ（例えば、ＨＦＯ１２３４）冷媒の場合は大きな熱抵抗となる。
凝縮器ではガス冷媒の凝縮進行とともに液膜が形成されるが、凝縮液が出口側へバイパスされることにより、管内壁の液膜が薄くなって伝熱面が露出し、凝縮器の凝縮性能（凝縮熱伝達率）が促進される。
そこで、本実施の形態１では、気液分離器５ａにより分離された液冷媒を第２凝縮器２ｂの出口側へバイパスすることとした。

（気液分離器５ｂによるバイパスについての補足）
一般に、熱交換器を蒸発器として用いる場合、入口付近の低乾き度域では管内の液冷媒流量が多いため液膜が厚くなり、流動状態が波状流あるいはスラグ流となる。しかし、蒸発器の場合は、低乾き度でも沸騰熱伝達率が支配的となるため、大きな熱伝達率（凝縮性能）が得られる。
乾き度が大きくなり液膜が薄くなると、流動状態は環状流から環状噴霧流へと遷移し熱伝達率は大きくなるが、同時に圧力損失も大きくなる。
特に、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい冷媒（例えば、ＨＦＯ１２３４）では、低圧でのガス密度が小さく（圧力損失が大きく）、圧力損失を低減する方が結果として圧縮機１の吸入圧力を高めることができ、冷凍サイクルの性能が高くなる。
そこで、本実施の形態１では、気液分離器５ｂにより分離された（圧力損失の大きい）ガス冷媒を蒸発器４の出口側へバイパスして圧力損失を低減することとした。

以上のように、本実施の形態１によれば、第２凝縮器２ｂ内の冷媒流速が低下しないように凝縮器を構成したので、冷媒流速に起因して熱交換性能が低下することなく、高効率な冷凍サイクル装置を提供することができる。

また、本実施の形態１では、第１気液分離器５ａは熱伝導率の低い液冷媒を第２凝縮器２ｂの出口側へバイパスし、第２気液分離器５ｂは密度の小さな（圧力損失の大きな）ガス冷媒を蒸発器４の出口側へバイパスするようにしたので、熱伝達率が高く高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。
また、液の熱伝導率が小さい低圧冷媒である低ＧＷＰ冷媒（例えば、ＨＦＯ１２３４）を用いたため、他の冷媒を用いる場合に比べ、液冷媒やガス冷媒をバイパスすることによる性能向上効果が高くなる。

また、本実施の形態１では、凝縮器の液冷媒バイパスラインに内部熱交換器６を設けたので、バイパスされる液冷媒を過冷却状態とすることができる。
これにより、電子膨張弁３の入口部に過冷却度を得ることができるため、電子膨張弁３通過時の冷媒音やキャビテーションエロージョンを抑制し、信頼性が高く、騒音の少ない冷凍サイクル装置を得ることができる。

また、本実施の形態１では、蒸発器４のガス冷媒バイパスラインに内部熱交換器６を設けたので、第２気液分離器５ｂのガス冷媒出口部に液冷媒が混入した場合でも、冷媒を過熱状態にすることができる。
これにより、圧縮機１への液戻りを防止して信頼性の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。

なお、本実施の形態１では、第１気液分離器５ａで分離された液冷媒を冷却する例を示したが、第２凝縮器２ｂの出口部の液冷媒（液バイパスラインとの合流前の状態）や電子膨張弁３の入口部の液冷媒（液バイパスラインとの合流後の状態）を冷却するようにしてもよい。
また、第２気液分離器５ｂのガス側出口冷媒を冷熱源とした例を示したが、蒸発器４の出口冷媒（第２気液分離器５ｂのガス側出口との合流前）や圧縮機１の吸入冷媒（第２気液分離器５ｂのガス側出口との合流後）のいずれかを冷熱源とすることもできる。

また、ＨＦＯ１２３４を構成要素とする非共沸混合冷媒（例えば、ＧＷＰが５００未満のＨＦＯ１２３４とＨＦＣ３２の混合冷媒）を用いた場合、高沸点冷媒であるＨＦＯ１２３４が凝縮過程で最初に液化し、ＨＦＯ１２３４が多く含まれる液冷媒が第１気液分離器５ａで分離される。この分離された液冷媒は、バイパス管を通じて凝縮器の出口にバイパスされる。
この液冷媒を出口側へバイパスすることで、第１気液分離器５ａのガス出口側が低沸点成分の多いガス冷媒となり、凝縮器内の主要な熱抵抗となる液冷媒が凝縮器に流入する量を低減することができる。
これにより、凝縮熱伝達率が向上するので、特に効率の高い冷凍サイクル装置を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
本実施の形態２では、実施の形態１と異なり、電子膨張弁３の出口部に第２気液分離器５ｂを設けず、電子膨張弁３の入口部から高圧液冷媒の一部をバイパスして減圧させ、電子膨張弁３の入口部と熱交換後に圧縮機１へ戻す構成としている。
その他の構成は、実施の形態１で説明した図１と同様である。

本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機１、第１凝縮器２ａ、第２凝縮器２ｂ、電子膨張弁３、蒸発器４、第１気液分離器５ａ、高低圧熱交換器６、第２電子膨張弁７を備える。

第２電子膨張弁７は、電子膨張弁３の入口部に設置され、電子膨張弁３の入口冷媒の一部を減圧し、高低圧熱交換器６を介して圧縮機１の吸引側へバイパスする。
高低圧熱交換器６は、第１気液分離器５ａを流出した液冷媒と、第２電子膨張弁７で減圧されて低温・低圧となった二相冷媒との間で熱交換を行う。
本実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の動作は、実施の形態１とほぼ同様である。

以上のように、本実施の形態２によれば、凝縮器の液冷媒を出口側へバイパスし、また第２凝縮器２ｂの冷媒流速が低下しないように構成することにより、実施の形態１と同様の効果を発揮することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
本実施の形態３では、実施の形態１と異なり、蒸発器４の途中に第３気液分離器５ｃを設置し、蒸発器４を２分割して第１蒸発器４ａと第２蒸発器４ｂを構成した。
その他の構成は、実施の形態１で説明した図１と概ね同様であるため、以下では差異点を中心に説明する。

第２気液分離器５ｂは、電子膨張弁３を通過した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、液冷媒を第１蒸発器４ａに供給するとともに、ガス冷媒を蒸発器の出口側にバイパスする。
第３気液分離器５ｃは、第１蒸発器４ａの出口側の冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、液冷媒を第２蒸発器４ｂに供給するとともに、ガス冷媒を第２蒸発器４ｂの出口側にバイパスする。

以上、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路の構成を説明した。
次に、本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の動作を説明する。

図６は、図５の冷媒回路中に示した各箇所Ａ〜Ｐにおける冷媒状態をＰ−ｈ線図上に示したものである。以下、図６を用いて本実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の動作を説明する。

圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、第１凝縮器２ａである程度放熱して冷却され（状態Ｂ）、第１気液分離器５ａで液冷媒（状態Ｅ）とガス冷媒（状態Ｃ）に分離される。
第２凝縮器２ｂで完全凝縮した液冷媒は、第１気液分離器５ａで分離され内部熱交換器６で冷却された液冷媒（状態Ｆ）と合流し（状態Ｄ）、電子膨張弁３に流入する。
電子膨張弁３で減圧された冷媒（状態Ｇ）は、第２気液分離器５ｂに流入し液冷媒（状態Ｊ）とガス冷媒（状態Ｈ）に分離される。
第２気液分離器５ｂで分離された液冷媒は第１蒸発器４ａである程度蒸発し（状態Ｋ）、ガス冷媒は内部熱交換器６で高圧液冷媒から吸熱する（状態Ｉ）。
第１蒸発器４ａで蒸発した冷媒は、第３気液分離器５ｃに流入し、液冷媒（状態Ｍ）とガス冷媒（状態Ｌ）に分離され、ガス冷媒は内部熱交換器６の出口ガス（状態Ｉ）と合流し（状態Ｏ）、圧縮機１に吸入される（状態Ｐ）。
一方、第３気液分離器５ｃで分離された液冷媒は第２蒸発器４ｂで完全蒸発し（状態Ｎ）、バイパス冷媒と合流して（状態Ｐ）圧縮機１に吸入される。

以上のように、本実施の形態３では、蒸発器４の途中に第３気液分離器５ｃを設置して第１蒸発器４ａと第２蒸発器４ｂを構成し、２段階で低圧ガスをバイパスする構成としたので、低圧側の圧力損失を大幅に低減することができ、高効率な冷凍サイクル装置を得ることができる。

なお、本実施の形態３では、第１気液分離器５ａ、第２気液分離器５ｂ、第３気液分離器５ｃを備えている構成を説明したが、第１気液分離器５ａと第３気液分離器５ｃのみを備えている構成でも、一定の高効率化効果を発揮することができる。

１圧縮機、２ａ第１凝縮器、２ｂ第２凝縮器、３電子膨張弁、４蒸発器、４ａ第１蒸発器、４ｂ第２蒸発器、５ａ第１気液分離器、５ｂ第２気液分離器、６高低圧熱交換器、７電子膨張弁。

Claims

圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、
を接続した冷媒回路を有し、
前記凝縮器の冷媒経路の途中に接続され前記凝縮器を第１凝縮器と第２凝縮器に分割する第１気液分離器と、
前記蒸発器の冷媒経路の入口部に接続され、液冷媒とガス冷媒を分離し、分離したガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするとともに、分離した液冷媒を前記蒸発器に供給する第２気液分離器と、
前記第１気液分離器で分離された液冷媒と、前記第２気液分離器にて分離されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備え、
前記第１気液分離器は、
前記第１凝縮器から流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、分離した液冷媒を前記第２凝縮器の出口側にバイパスするとともに、分離したガス冷媒を前記第２凝縮器に供給し、
前記第２凝縮器の冷媒分岐数は、
前記第１凝縮器の冷媒分岐数より少なく構成された
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、
を接続した冷媒回路を有し、
前記凝縮器の冷媒経路の途中に接続され前記凝縮器を第１凝縮器と第２凝縮器に分割する第１気液分離器と、
前記蒸発器の冷媒経路の入口部に接続され、液冷媒とガス冷媒を分離し、分離したガス冷媒を前記蒸発器の出口側にバイパスするとともに、分離した液冷媒を前記蒸発器に供給する第２気液分離器と、
前記第１気液分離器で分離された液冷媒と、前記第２気液分離器にて分離されたガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器とを備え、
前記第１気液分離器は、
前記第１凝縮器から流出した冷媒を液冷媒とガス冷媒に分離し、分離した液冷媒を前記第２凝縮器の出口側にバイパスするとともに、分離したガス冷媒を前記第２凝縮器に供給し、
前記第２凝縮器の伝熱管の内面溝高さは、
前記第１凝縮器の伝熱管の内面溝高さより高く構成された
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記蒸発器の冷媒経路の途中に接続され前記蒸発器を第１蒸発器と第２蒸発器に分割する第３気液分離器を備え、
前記第３気液分離器は、
液冷媒とガス冷媒を分離し、分離したガス冷媒を前記第２蒸発器の出口側にバイパスするとともに、分離した液冷媒を前記第２蒸発器に供給する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍サイクル装置。
地球温暖化係数が１０未満の冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
地球温暖化係数が５００未満の非共沸混合冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。