JP5385800B2 - 気液分離型冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサで凝縮した液冷媒を気液熱交換器において過冷却して冷凍能力を高めるようにした気液分離型冷凍装置に関するものである。

一般に冷凍装置は、コンプレッサ、コンデンサ、減圧器及びエバポレータを冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成するものであって、コンプレッサによって圧縮された高圧のガス冷媒をコンデンサでの放熱によって液化させて液冷媒とし、この高圧の液冷媒を膨張弁等の減圧器によって膨張させて減圧した後、沸点が下がった低圧の液冷媒をエバポレータにおいて蒸発させ、このときの蒸発潜熱を庫内等から奪うことによって庫内等を冷却するものである。

斯かる冷凍装置の冷凍能力或いは成績係数（ＣＯＰ）を向上させる方法として、例えば特許文献１には、気液熱交換器を設け、コンデンサで液化した高圧液冷媒とその一部を抽出して減圧させた低圧のガス冷媒とを熱交換させて高圧液冷媒を過冷却する方法が提案されている。

又、特許文献２には、気液熱交換器（補助熱交換器）と気液分離器を設け、コンデンサで液化した高圧液冷媒と気液分離器において分離された低圧ガス冷媒とを気液熱交換器において熱交換させて高圧液冷媒を過冷却する方法が提案されている。

実開平１−１６９７７２号公報 特開平１１−０１４１６７号公報

しかしながら、特許文献１，２において提案された方法では、コンプレッサに吸入されるガス冷媒が過熱されるため、コンプレッサの吐出温度が過度に上昇し、コンプレッサ内を潤滑するオイル（冷凍機油）を劣化させるという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、高圧液冷媒の過冷却とコンプレッサへの吸入ガス冷媒の過熱の抑制によって冷凍能力の向上とオイルの劣化防止を図ることができる気液分離型冷凍装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、少なくともコンプレッサ、コンデンサ、減圧器、気液分離器及びエバポレータを冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成して成る気液分離型冷凍装置において、前記コンデンサから前記減圧器に向かう液冷媒を、該液冷媒のインジェクションと前記気液分離器によって分離されたガス冷媒及び前記エバポレータからのガス冷媒との熱交換によって過冷却する気液熱交換器を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記気液熱交換器に、前記コンデンサから前記減圧器に向かう液冷媒を流す液側通路と、インジェクションされる液冷媒と前記気液分離器によって分離されたガス冷媒及び前記エバポレータからのガス冷媒を混合して流すガス側通路を設け、該ガス側通路を前記コンプレッサの吸入側に接続したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷媒配管の前記コンプレッサを挟んでこれの上流側と下流側にアキュームレータとオイルセパレータをそれぞれ設け、前記オイルセパレータから延びるオイル戻し管を冷媒配管の前記アキュームレータの上流側に接続したことを特徴とする。

本発明によれば、コンデンサから減圧器へと向かう高圧液冷媒は、気液熱交換器においてインジェクションされる液冷媒と気液分離器によって分離された低圧ガス冷媒及びエバポレータで蒸発した低圧ガス冷媒との熱交換によって過冷却されるため、その過冷却分の熱量だけエバポレータでの蒸発潜熱が大きくなって冷凍能力が高められる。

又、気液熱交換器において高圧液冷媒の過冷却に供された低圧ガス冷媒は、高圧液冷媒との熱交換によって温度が高くなるため、コンプレッサの負荷変動によっても凝縮することがなく、コンプレッサに液冷媒が吸入されて該コンプレッサの負荷が増大する等の問題が発生しない。但し、気液熱交換器での高圧液冷媒の過冷却に供されて温度の高くなったガス冷媒は、気液熱交換器にインジェクションされる液冷媒の蒸発によって冷却されるため、コンプレッサに吸入されるガス冷媒の過熱が抑えられる。このため、コンプレッサの吐出温度の上昇が抑えられてコンプレッサ内のオイルの劣化が防がれる。

本発明に係る気液分離型冷凍装置の冷媒回路図である。 本発明に係る気液分離型冷凍装置の気液熱交換器の断面図である。 冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る気液分離型冷凍装置の冷媒回路図、図２は同気液分離型冷凍装置の気液熱交換器の断面図である。

本発明に係る気液分離型冷凍装置は、図１に示すように、基本的にコンプレッサ１、コンデンサ２、気液熱交換器３、減圧器としての膨張弁４、気液分離器５、エバポレータ６等の主要機器を冷媒配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５によって接続して構成されている。

そして、上記冷媒配管Ｌ１にはオイルセパレータ７と電磁開閉弁Ｖ１が接続され、冷媒配管Ｌ２には電磁開閉弁Ｖ２、レシーバタンク８、ドライヤ（Ｄ）９、サイトグラス（Ｓ．Ｇ）１０及び電磁開閉弁Ｖ３が接続されている。又、冷媒配管Ｌ５には吸入圧調整弁（ＺＳＰ弁）Ｖ４とアキュームレータ１１が接続されており、前記オイルセパレータ７から延びるオイル戻し管Ｌ６は、冷媒配管Ｌ５の前記吸入圧調整弁Ｖ４とアキュームレータ１１との間に接続され、その途中には流量制御用のキャピラリチューブ１２が設けられている。

又、前記冷媒配管Ｌ２のサイトグラス１０と電磁開閉弁Ｖ３との間からはインジェクション配管Ｌ７が分岐しており、このインジェクション配管Ｌ７は前記気液熱交換器３に接続され、その途中には電磁開閉弁Ｖ５と流量調整用のキャピラリチューブ１３が設けられている。

更に、前記気液分離器５の上部から延びる冷媒配管Ｌ８と前記エバポレータ６から延びる前記冷媒配管Ｌ５は、前記気液熱交換器３に接続されており、冷媒配管Ｌ５は気液熱交換器３から導出して前記コンプレッサ１の吸入側に接続されている。

ここで、気液熱交換器３の内部構造を図２に基づいて説明する。

気液熱交換器３の軸中心部にはガス側通路を構成する太い円管状の前記冷媒配管Ｌ５が貫通しており、気液熱交換器３内の冷媒配管Ｌ５の周囲には円筒状の空間Ｓが形成されている。そして、冷媒配管Ｌ５の外周には、液側通路を構成する前記冷媒配管Ｌ２が螺旋状に巻回されている。又、気液熱交換器３内に形成された前記空間Ｓには前記インジェクション配管Ｌ７と気液分離器５から延びる前記冷媒配管Ｌ８がそれぞれ開口している。

又、ガス側通路を構成する冷媒配管Ｌ５の一部には合流用オリフィス１４が取り付けられており、冷媒配管Ｌ５内部のガス通路と空間Ｓとは合流用オリフィス１４を介して互いに連通している。

次に、以上のように構成された気液分離型冷凍装置の作用を図３に示すモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）を用いて以下に説明する。

コンプレッサ１が駆動源である不図示の電動モータによって駆動されると、図３のａにて示す状態（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１）にあるガス冷媒がコンプレッサ１によって圧縮されて図３にｂにて示す状態（圧力Ｐ_２、エンタルピｉ_２）の高温高圧のガス冷媒となり（圧縮工程）、このガス冷媒は冷媒配管Ｌ１を通ってコンデンサ２へと導入される。尚、このときのコンプレッサ１の圧縮動力Ｗ（熱量換算）は（ｉ_２−ｉ_１）で表わされる。

コンデンサ２では、高温高圧のガス冷媒が外気に凝縮熱Ｑ_２を放出して図３のｂ→ｃへと状態変化（相変化）して液化し（凝縮工程）、図３にｃにて示す状態（圧力Ｐ_２、エンタルピｉ_３）の高圧液冷媒となる。尚、このときの放熱量（凝縮熱）Ｑ_２は（ｉ_２−ｉ_３）で表わされる。

そして、上述のようにコンデンサ２において液化した高圧液冷媒は、その一部がインジェクション配管Ｌ７を通って気液熱交換器３の空間Ｓにインジェクションされるが、この液冷媒は減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し、図３にｄにて示す状態（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_３）となって、その一部がガス化する。

他の大部分の高圧液冷媒は、冷媒配管Ｌ２を膨張弁４に向けて流れる過程で気液熱交換器３を通過するが、後述のように気液分離器５において分離された状態ｄ’（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_３’）の低圧ガス冷媒が冷媒配管Ｌ８から気液熱交換器３内の空間Ｓ（図２参照）に導入されるとともに、エバポレータ６にて蒸発して気化した状態ａ’（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１’）の低圧ガス冷媒が気液熱交換器３内の冷媒配管Ｌ５を流れる。このとき、気液熱交換器３の空間Ｓにインジェクションされてガス化したガス冷媒と気液分離器５において分離されて空間Ｓに導入されたガス冷媒が合流用オリフィス１４を通って冷媒配管Ｌ５内のガス側通路に流入して合流し、３つのガス冷媒が混合された状態で冷媒配管Ｌ５を流れ、その過程で螺旋状の冷媒配管Ｌ２を流れる高圧液冷媒との間で熱交換を行って該高圧液冷媒を過冷却する。即ち、コンデンサ２から膨張弁４に向かう高圧液冷媒は、気液熱交換器３を通過することによって過冷却されて図３のｃ→ｃ’の状態（圧力Ｐ_２、エンタルピｉ_３’）へと状態変化し、図示のΔＱ_２（＝ｉ_３−ｉ_３’）分だけ過冷却される。

而して、気液熱交換器３において過冷却された高圧液冷媒は、膨張弁４を通過することによって減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し（膨張行程）、図３のｃ’→ｄ’の状態（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_３’）へと状態変化し、その一部がガス化する。そして、一部がガス化した冷媒は、冷媒配管Ｌ３を通って気液分離器５へと導入されて気液が分離され、低圧ガス冷媒は前述のように冷媒配管Ｌ８から気液熱交換器３へと導入されてそこを流れる高圧液冷媒の過冷却に供される。

又、状態ｄ’（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_３’）の低圧液冷媒は、冷媒配管Ｌ４を通ってエバポレータ６に導入され、該エバポレータ６を通過する過程で周囲から蒸発熱Ｑ_１を奪ってｄ’→ａ’（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１’）へと状態変化して蒸発し（蒸発工程）、状態ａ’のガス冷媒となる。このときの蒸発熱量（蒸発潜熱）Ｑ_１は（ｉ_１’−ｉ_３’）で表わされるが、前述のように高圧液冷媒を気液熱交換器３においてΔＱ_２（＝ｉ_３−ｉ_３’）だけ過冷却したため、この過冷却分の熱量ΔＱ_２だけ蒸発熱量Ｑ_１が増大し、その分だけ冷凍能力が高められる。

その後、エバポレータ６にて蒸発した低圧ガス冷媒は、前述のように気液熱交換器３を流れる過程で冷媒配管Ｌ２を流れる高圧液冷媒の過冷却に供されるために温度が上昇し、コンプレッサ１に吸入される段階では状態は図３に示すａ’→ａ（圧力Ｐ_１、エンタルピｉ_１）へと変化して図示の熱量ΔＱ_１（＝ｉ_１−ｉ_１’）だけ過熱される。そして、このガス冷媒は、コンプレッサ１によって再度圧縮され、以後は同様の状態変化（冷凍サイクル）が繰り返されるが、コンプレッサ１から吐出される高圧ガス冷媒に含まれるオイルは、オイルセパレータ７によって冷媒と分離され、分離されたオイルは、オイル戻り配管Ｌ６から冷媒配管Ｌ５へと戻され、アキュームレータ１１においてガス冷媒と混合されてコンプレッサ１に吸引され、コンプレッサ１内の各部の潤滑に供される。

而して、本発明に係る気液分離型冷凍装置においては以上説明した冷凍サイクルが繰り返され、エバポレータ６での低圧液冷媒の蒸発に伴う吸熱によって所要の冷凍が行われるが、本発明に係る気液分離型冷凍装置によれば以下のような効果が得られる。

即ち、コンデンサ２から膨張弁４へと向かう高圧液冷媒は、気液熱交換器３においてインジェクションされる高圧液冷媒と気液分離器５によって分離された低圧ガス冷媒及びエバポレータ６で蒸発した低圧ガス冷媒との熱交換によって過冷却されるため、その過冷却分の熱量だけエバポレータ６での蒸発潜熱が大きくなって冷凍能力が高められる。

又、気液熱交換器３において高圧液冷媒の過冷却に供された低圧ガス冷媒は、高圧液冷媒との熱交換によって温度が高くなるために過熱状態となり、コンプレッサ１の負荷変動によっても凝縮することがなく、コンプレッサ１に液冷媒が吸入されて該コンプレッサ１の負荷が増大する等の問題が発生しない。但し、気液熱交換器で３の高圧液冷媒の過冷却に供されて温度の高くなったガス冷媒は、気液熱交換器３にインジェクションされる液冷媒の蒸発によって冷却されるため、コンプレッサ１に吸入されるガス冷媒の過熱が抑えられる。このため、コンプレッサ１の吐出温度の上昇が抑えられてコンプレッサ１内のオイルの劣化が防がれる。

尚、本実施の形態では、減圧器として膨張弁を用いたが、減圧器としてはキャピラリチューブやボルテックスチューブ等の他の任意のものを使用することができる。

１ コンプレッサ
２ コンデンサ
３ 気液熱交換器
４ 膨張弁（減圧器）
５ 気液分離器
６ エバポレータ
７ オイルセパレータ
８ レシーバタンク
９ ドライヤ
１０ サイトグラス
１１ アキュームレータ
１２，１３ キャピラリチューブ
１４ 合流用オリフィス
Ｌ１〜Ｌ５ 冷媒配管
Ｌ６ オイル戻し管
Ｌ７ インジェクション配管
Ｌ８ 冷媒配管
Ｓ 気液熱交換器内の空間
Ｖ１〜Ｖ３ 電磁開閉弁
Ｖ４ 吸入圧調整弁
Ｖ５ 電磁開閉弁

Claims (3)

1. 少なくともコンプレッサ、コンデンサ、減圧器、気液分離器及びエバポレータを冷媒配管によって直列に接続して閉ループの冷媒循環回路を構成して成る気液分離型冷凍装置において、
   前記コンデンサから前記減圧器に向かう液冷媒を、該液冷媒のインジェクションと前記気液分離器によって分離されたガス冷媒及び前記エバポレータからのガス冷媒との熱交換によって過冷却する気液熱交換器を設けたことを特徴とする気液分離型冷凍装置。
2. 前記気液熱交換器に、前記コンデンサから前記減圧器に向かう液冷媒を流す液側通路と、インジェクションされる液冷媒と前記気液分離器によって分離されたガス冷媒及び前記エバポレータからのガス冷媒を混合して流すガス側通路を設け、該ガス側通路を前記コンプレッサの吸入側に接続したことを特徴とする請求項１記載の気液分離型冷凍装置。
3. 前記冷媒配管の前記コンプレッサを挟んでこれの上流側と下流側にアキュームレータとオイルセパレータをそれぞれ設け、前記オイルセパレータから延びるオイル戻し管を冷媒配管の前記アキュームレータの上流側に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の気液分離型冷凍装置。
   

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