JP5377528B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
(冷凍サイクル装置50aの構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置50aの構成図であり、図2は、同冷凍サイクル装置50aにおけるエジェクター7の構成図である。
図1で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50aは、圧縮機1、放熱器2、第1膨張弁3a、第2膨張弁3b、蒸発器4、第1内部熱交換器5、第2内部熱交換器6、エジェクター7、及び、制御装置31を備えている。圧縮機1、放熱器2、第1内部熱交換器5、第2内部熱交換器6、第1膨張弁3a、蒸発器4、そして、再び圧縮機1の順に冷媒配管によって環状に接続された主冷媒回路21が構成されている。また、放熱器2と第1内部熱交換器5とを接続する冷媒配管上の第1分岐点35から、第2膨張弁3bへ流れる冷媒配管とエジェクター7へ流れる冷媒配管との分岐点である第2分岐点36を経由して、エジェクター7の液冷媒流入部7d(図2において後述)へ接続され、このエジェクター7から、さらに、第1内部熱交換器5を経由して、圧縮機1のインジェクションポート13へ接続されてインジェクション回路22が構成されている。さらに、第2分岐点36から、第2膨張弁3b及び第2内部熱交換器6を経由して、エジェクター7のガス冷媒吸引部7e(図2において後述)へ接続されて吸引回路23が構成されている。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50aの冷凍サイクルは、上記の主冷媒回路21、インジェクション回路22及び吸引回路23によって構成されている。
図3は、図1における冷凍サイクル装置50aから第2内部熱交換器6及び吸引回路23を除き、エジェクター7の代わりに第2膨張弁3bを配置した冷凍サイクル装置50の構成図であり、図4は、同冷凍サイクル装置50の冷凍サイクルのモリエル線図である。図3における点P1〜点P10は、図4における点P1〜点P10に対応する。
図3で示されるように、主冷媒回路21は、圧縮機1、放熱器2、第1内部熱交換器5、第1膨張弁3a、蒸発器4、そして再び圧縮機1の順に冷媒配管によって環状に接続されて構成されている。インジェクション回路22は、放熱器2と第1内部熱交換器5とを接続する冷媒配管上の第1分岐点35から、第2膨張弁3b及び第1内部熱交換器5を経由して、圧縮機1のインジェクションポート13へ接続されて構成されている。
圧縮機1に流入した冷媒(P1)は、前段圧縮部11によって圧縮されて(P2)、後段圧縮部12に送られる。後段圧縮部12に送られた冷媒は、インジェクション回路22からインジェクションポート13を介して流入してくる中圧冷媒と合流し(P13)、その後、後段圧縮部12によって圧縮され、圧縮機1より吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒(P3)は、放熱器2に流入する。この放熱器2に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて放熱し、放熱器2から流出する。放熱器2から流出した冷媒(P4)は、第1内部熱交換器5へ向かう冷媒、及び、第1分岐点35からインジェクション回路22に流入して第2膨張弁3bへ向かう冷媒に分岐する。第1内部熱交換器5に流入した冷媒は、インジェクション回路22を流れる中圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、第1内部熱交換器5から流出する。第1内部熱交換器5から流出した冷媒(P5)は、第1膨張弁3aによって膨張及び減圧され(P7)、蒸発器4に流入する。蒸発器4に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器4から流出する。蒸発器4から流出した冷媒(P1)は、再び、圧縮機1に流入して圧縮される。
主冷媒回路21において放熱器2から流出した冷媒(P4)の一部は、第1分岐点35から分岐してインジェクション回路22に流入し、第2膨張弁3bに流入する。第2膨張弁3bに流入した冷媒は、膨張及び減圧され(P9)、中圧冷媒となって第1内部熱交換器5に流入する。第1内部熱交換器5に流入した中圧冷媒は、主冷媒回路21における放熱器2から流出した高圧冷媒から吸熱することによって、加熱され、第1内部熱交換器5から流出する。第1内部熱交換器5から流出した冷媒(P10)は、圧縮機1のインジェクションポート13を介して、圧縮機1の後段圧縮部12へ流入(インジェクション)する。
図5で示されるように、第1内部熱交換器5における熱交換量は、図3及び図4における点P4と点P9との温度差ΔThicに比例するため、この温度差ΔThicが小さいほど、第1内部熱交換器5から流出した点P10の冷媒の乾き度が低くなる。このとき、同じインジェクション流量Ginjでも、点P10における冷媒の乾き度が低いと、圧縮機1における吐出温度が低下し、圧縮機1において規定されていると吐出温度の下限値未満となって、所定流量を圧縮機1へインジェクションできなくなり、蒸発器4における所定の冷凍能力が得られなくなる。
図7は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置50aの冷凍サイクルのモリエル線図である。以下、図1及び図7を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50aの冷凍サイクルの動作について説明する。図1における点P1〜点P14は、図7における点P1〜点P14に対応する。
圧縮機1に流入した冷媒(P1)は、前段圧縮部11によって圧縮されて(P2)、後段圧縮部12に送られる。後段圧縮部12に送られた冷媒は、インジェクション回路22からインジェクションポート13を介して流入してくる第1中圧冷媒と合流し(P13)、その後、後段圧縮部12によって圧縮され、圧縮機1より吐出される。圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒(P3)は、放熱器2に流入する。この放熱器2に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて放熱し、放熱器2から流出する。放熱器2から流出した冷媒(P4)は、第1内部熱交換器5へ向かう冷媒、及び、第1分岐点35からインジェクション回路22に流入する冷媒に分岐する。第1内部熱交換器5に流入した冷媒は、インジェクション回路22を流れる第1中圧冷媒に対して放熱することによって冷却され、第1内部熱交換器5から流出する。第1内部熱交換器5から流出した冷媒(P5)は、第2内部熱交換器6に流入する。第2内部熱交換器6に流入した冷媒は、吸引回路23を流れる第2中圧冷媒に対して放熱することによって、さらに冷却され、第2内部熱交換器6から流出する。第2内部熱交換器6から流出した冷媒(P6)は、第1膨張弁3aによって膨張及び減圧され(P7)、蒸発器4に流入する。蒸発器4に流入した冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器4から流出する。蒸発器4から流出した冷媒(P1)は、再び、圧縮機1に流入して圧縮される。
主冷媒回路21において放熱器2から流出した冷媒(P4)の一部は、第1分岐点35から分岐してインジェクション回路22に流入する。インジェクション回路22に流入した冷媒は、さらに、第2分岐点36から、エジェクター7へ向かう冷媒、及び、吸引回路23に流入して第2膨張弁3bへ向かう冷媒に分岐する。エジェクター7に駆動流として流入した高圧冷媒は、ノズル部7aにおいて、膨張及び減圧されて、気液二相冷媒(P8)となる。この気液二相冷媒は、混合部7bにおいて、エジェクター7のガス冷媒吸引部7eから吸引された吸引流である第2中圧冷媒(P12)と混合される。この混合冷媒(P14)は、ディフューザー部7cにおいて、流通速度が減速させられることによって、圧力回復して膨張動力を回収し(P9)、エジェクター7から第1中圧冷媒として流出する。エジェクター7から流出した第1中圧冷媒は、第1内部熱交換器5に流入する。第1内部熱交換器5に流入した第1中圧冷媒は、主冷媒回路21における放熱器2から流出した高圧冷媒から吸熱することによって、加熱され、乾き度の高い冷媒となって、第1内部熱交換器5から流出する。第1内部熱交換器5から流出した第1中圧冷媒(P10)は、圧縮機1のインジェクションポート13を介して、圧縮機1の後段圧縮部12へインジェクションされる。
第2分岐点36から分岐して吸引回路23に流入した冷媒は、第2膨張弁3bによって膨張及び減圧され(P11)、第2中圧冷媒として第2内部熱交換器6に流入する。第2内部熱交換器6に流入した第2中圧冷媒は、主冷媒回路21における第1内部熱交換器5から流出した高圧冷媒からから吸熱することによって、加熱され、第2内部熱交換器6から流出する。第2内部熱交換器6から流出した第2中圧冷媒(P12)は、エジェクター7のガス冷媒吸引部7eから吸引流として、エジェクター7に吸引される。
さらに、高圧から中間圧力へ減圧する際に発生する摩擦損失である膨張動力をエジェクター7によって回収されることによって、冷凍サイクル装置50aの運転効率を向上させることができる。
図8は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置50aにおける吐出温度の制御動作を示すフローチャートである。以下、図8を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50aにおける吐出温度の制御動作について説明する。
制御装置31は、エジェクター7のノズル部7a、及び、第2膨張弁3bの開度を閉状態とし、圧縮機1に対するインジェクションを実施しない冷凍サイクル運転(以下、通常運転という)を実施しているものとする。
制御装置31は、吐出温度検出手段41によって検出された吐出温度Tdが、所定温度Td1よりも大きいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Tdが所定温度Td1よりも大きい場合、ステップS3へ進む。一方、吐出温度Tdが所定温度Td1以下である場合、ステップS1へ戻り、制御装置31は、通常運転を継続し、引き続き、吐出温度検出手段41によって検出された吐出温度Tdについて上記判定を実施する。
制御装置31は、第2膨張弁3bの開度を開状態とし、エジェクター7のノズル部7aの開度を所定量増加させる。
制御装置31は、吐出温度検出手段41によって検出された吐出温度Tdが、所定温度Td2(>Td1)よりも小さいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Tdが所定温度Td2よりも小さい場合、制御装置31は、この吐出温度Tdが冷凍サイクル装置50aの運転上安全な温度であると判断し、ステップS5へ進む。一方、吐出温度Tdが所定温度Td2以上である場合、ステップS3へ戻る。
制御装置31は、現状の吐出温度Tdが冷凍サイクル装置50aの運転上安全な温度であると判断して、エジェクター7のノズル部7aの開度を固定してインジェクションによる運転を継続する。
制御装置31は、インジェクションによる運転動作中に、吐出温度検出手段41によって検出された吐出温度Tdが、所定温度Td3よりも小さいか否かを判定する。その判定の結果、吐出温度Tdが所定温度Td3よりも小さい場合、制御装置31は、この吐出温度Tdが冷凍サイクル装置50aの運転上危険な温度であると判断し、ステップS1へ戻る。一方、吐出温度Tdが所定温度Td3(≦Td1)以上である場合、制御装置31は、この吐出温度Tdが冷凍サイクル装置50aの運転上安全な温度であると判断して、ステップS5へ戻る。
以上の構成及び動作によって、インジェクション回路22における第1内部熱交換器5の熱交換量に加え、吸引回路23における第2内部熱交換器6の熱交換量が付加されるので内部熱交換器全体の熱交換量が増加するので、蒸発器4における冷凍能力が向上する。また、これによって、インジェクション回路22を流通し、インジェクションポート13を介して圧縮機1へインジェクションされる冷媒の乾き度が高くなり、インジェクション流量Ginjを増加させても、圧縮機1の吐出温度が下がりにくくなるので、冷凍サイクル装置50aの能力を向上させることができる。
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50bについて、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置50aの構成及び動作と相違する点を中心に説明する。
(冷凍サイクル装置50bの構成)
図9は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置50bの構成図である。
図9で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50bは、圧縮機1、放熱器2、第1膨張弁3a、第2膨張弁3b、蒸発器4、第1内部熱交換器5、第2内部熱交換器6、エジェクター7、吸入加熱熱交換器8、及び、制御装置31を備えている。圧縮機1、放熱器2、第1内部熱交換器5、第2内部熱交換器6、吸入加熱熱交換器8、第1膨張弁3a、蒸発器4、吸入加熱熱交換器8、そして、再び圧縮機1の順に冷媒配管によって環状に接続された主冷媒回路21が構成されている。また、インジェクション回路22及び吸引回路23の構成は、図1で示される実施の形態1に係る冷凍サイクル装置50aと同様である。本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50bの冷凍サイクルは、上記の主冷媒回路21、インジェクション回路22及び吸引回路23によって構成されている。
図10は、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50bの冷凍サイクルのモリエル線図である。以下、図9及び図10を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置50bの冷凍サイクルの動作について説明する。図9における点P1〜点P14、点P6a及び点P7aに対応する。
圧縮機1から吐出した冷媒が、第2内部熱交換器6から流出するまでの動作は、図7で示される実施の形態1における冷凍サイクルの動作と同様である。第2内部熱交換器6から流出した冷媒(P6)は、吸入加熱熱交換器8に流入する。吸入加熱熱交換器8に流入した冷媒は、蒸発器4と圧縮機1との間を流れる低圧冷媒に対して放熱することによって、さらに冷却され、吸入加熱熱交換器8から流出する。吸入加熱熱交換器8から流出した冷媒(P6a)は、第1膨張弁3aによって膨張及び減圧され(P7)、蒸発器4に流入する。蒸発器4に流入した低圧冷媒は、空気又は水等と熱交換が実施されて、吸熱して蒸発し、蒸発器4から流出する。蒸発器4から流出した低圧冷媒(P7a)は、吸入加熱熱交換器8に流入する。吸入加熱熱交換器8に流入した低圧冷媒は、第2内部熱交換器6と第1膨張弁3aとの間を流れる高圧冷媒から吸熱することによって、加熱されて、吸入加熱熱交換器8から流出する。吸入加熱熱交換器8から流出した冷媒(P1)は、再び、圧縮機1に流入して圧縮される。
以上の構成及び動作のように、吸入加熱熱交換器8において、蒸発器4から流出した低圧冷媒が、第2内部熱交換器6から流出した高圧冷媒によって加熱されることによって、圧縮機1へ流入する冷媒をガス化又は乾き度を高くすることができるため、圧縮機1への液バックを抑制し、冷凍サイクル装置50bの信頼性を向上させることができる。
Claims (9)
- 複数の圧縮機構を備え、前段の圧縮機構から流出した冷媒を後段の圧縮機構で圧縮し、冷媒の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションする機構を有する圧縮機、該圧縮機からの吐出冷媒を放熱させて熱交換を実施する放熱器、該放熱器から流出した高圧冷媒を冷却する第1内部熱交換器、該第1内部熱交換器から流出した高圧冷媒を冷却する第2内部熱交換器、該第2内部熱交換器から流出した冷媒を膨張させて低圧冷媒とする第1膨張装置、及び、該低圧冷媒に吸熱させて熱交換を実施する蒸発器を順に冷媒配管によって接続して構成された主冷媒回路と、
前記放熱器と前記第1膨張装置との間の冷媒配管から分岐し、エジェクター及び前記第1内部熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮過程に中圧冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、
前記エジェクターの流入部側の冷媒配管から分岐し、冷媒を膨張させる第2膨張装置と、前記第2膨張装置に接続される前記第2内部熱交換器とを介して、前記エジェクターの吸引部に冷媒を吸引させる吸引回路と、
を備え、
前記第1内部熱交換器は、
前記放熱器から前記第1膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記エジェクターから流出する中圧冷媒との熱交換を実施し、
前記第2内部熱交換器は、
前記放熱器から前記第1膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記吸引回路の前記第2膨張装置から前記エジェクターの前記吸引部へ向かって流れる冷媒との熱交換を実施する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記インジェクション回路は、前記放熱器と前記第1内部熱交換器との間から分岐して設けられた
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2内部熱交換器から前記第1膨張装置へ向かって流れる高圧冷媒と、前記蒸発器から前記圧縮機へ向かって流れる低圧冷媒との間で熱交換を実施する吸入加熱熱交換器を備えた
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機から吐出された冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記エジェクター及び前記第2膨張装置の開度を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記吐出温度検出手段によって検出された吐出温度である検出吐出温度が、第1所定温度より大きい場合、前記エジェクター及び前記第2膨張装置を開状態として、前記インジェクション回路を介して前記圧縮機に対するインジェクション動作を実施し、
前記検出吐出温度が、前記第1所定温度と第2所定温度との間になるように、前記エジェクターの開度を制御する
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記検出吐出温度が前記第2所定温度よりも高い場合、前記エジェクターの開度を増加させる
ことを特徴とする請求項4記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記インジェクション動作を実施している場合、前記検出吐出温度が前記第1所定温度以下である第3所定温度よりも小さくなった場合、前記エジェクター及び前記第2膨張装置を閉状態にして、前記インジェクション動作を停止する
ことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記第2内部熱交換器から流出する冷媒の過熱度が一定となるように、前記第2膨張装置の開度を制御する
ことを特徴とする請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 冷媒は、前記圧縮機から吐出されたとき超臨界域で作動するものである
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 冷媒は、二酸化炭素である
ことを特徴とする請求項8記載の冷凍サイクル装置。
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