JP5625699B2 - 冷凍回路 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍回路に関し、特に、空気調和機に用いられる冷凍回路に関する。

空気調和装置の冷凍回路において、冷房運転時の冷凍効果を高める手段として、例えば、室内熱交換器の手前に過冷却熱交換器を設ける構成が、特許文献１（特開平１０−５４６１６号公報）に開示されている。また、暖房運転時の室外熱交換器での圧力損失を抑制する手段として、例えば、室外熱交換器の手前に気液分離器を設ける構成が、特許文献２（特開平８−２１９５８７号公報）に開示されている。

しかしながら、上記の過冷却熱交換器および気液分離器それぞれにはバイパス路と流量調整機構とが必要となるので、両者を併設することはコストアップになる上に、冷凍回路が複雑になるという問題を有している。

本発明の課題は、過冷却熱交換器および気液分離器それぞれに必要なバイパス路と流量調整機構とを兼用し、簡素で低コストな冷凍回路を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍回路は、冷房運転時に圧縮機、室外熱交換器、膨張弁および室内熱交換器の順に冷媒が流れ、暖房運転時に圧縮機、室内熱交換器、膨張弁および室外熱交換器の順に冷媒が流れる冷凍回路であって、気液分離装置と、過冷却熱交換器と、バイパス路と、流量調整弁とを備えている。気液分離装置は、室外熱交換器と膨張弁との間に接続され、入った冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、下部側に液冷媒、上部側にガス冷媒を貯留する。過冷却熱交換器は、気液分離装置と膨張弁との間に接続される。バイパス路は、気液分離装置の上部から冷媒の一部を過冷却熱交換器に流した後にそれを圧縮機あるいは圧縮機の吸込側の冷媒配管へ導く。流量調整機構は、バイパス路のうちの気液分離装置から過冷却熱交換器に至る区間に配置される。また、室外熱交換器の容量は室内熱交換器の容量より小さい。気液分離装置は、冷房運転時、室外熱交換器に収容しきれない液冷媒によって液冷媒で満たされる。

この冷凍回路では、冷房運転時、気液分離装置内はほぼ液冷媒で満たされ、その一部がバイパス路に入り流量調整機構で減圧され過冷却熱交換器内で蒸発する。この際、気液分離装置から過冷却熱交換器内を通って膨張弁に向う液冷媒を冷却するので、凝縮器（室外熱交換器）で飽和液となった冷媒はここで冷却され過冷却液となる。また、流量調整機構で減圧され過冷却熱交換器内で蒸発した冷媒は、圧縮機、或いは、圧縮機の吸込側の冷媒配管に戻る。

また、暖房運転時、気液分離装置内では冷媒は液とガスとに分離され、余分なガス冷媒はバイパス路に入り流量調整機構で流量調整された後に過冷却熱交換器内を通過して圧縮機、或いは、圧縮機の吸込側の冷媒配管に戻る。その結果、蒸発に寄与しないガス冷媒が室外熱交換器に入らなくなり、その分、室外熱交換器を流れる冷媒量が減少し、室外熱交換器での冷媒の圧力損失が抑制される。

以上のように、この冷凍回路では、冷房運転時に液冷媒の一部をバイパスさせるバイパス路およびそのバイパス路の液量を調節する流量調整機構と、暖房運転時に余分なガス冷媒をバイパスさせるバイパス路およびガス抜き用としてそのバイパス路に配置される流量調整機構とが兼用されている。その結果、冷凍回路が簡素化される。

本発明の第２観点に係る冷凍回路は、第1観点に係る冷凍回路であって、気液分離装置がレシーバである。この冷凍回路では、レシーバが液冷媒を溜める機能に加えて、ガス冷媒と液冷媒とを分離する機能を担うので、レシーバと気液分離器とを併設する必要がなく冷凍回路が簡素化される。

本発明の第３観点に係る冷凍回路は、第１観点に係る冷凍回路であって、気液分離装置がサイクロン式気液分離器である。この冷凍回路では、冷媒がサイクロン式気液分離器の内周面に沿って旋回する間にその内周面に液冷媒が付着するので、気液分離が効率よく行われる。

本発明の第４観点に係る冷凍回路は、第１観点に係る冷凍回路であって、室外熱交換器が、冷媒が通過する複数の冷媒パスを有している。また、気液分離装置は、複数の冷媒パスそれぞれに冷媒を分配するための接続口と、ガス冷媒をバイパス路へ流すための接続口とを有する分流器である。

この冷凍回路では、分流器が、室外熱交換器へ冷媒を分配する機能と、バイパス路へガス冷媒を流す機能とを兼用するので、冷媒回路が簡素化される。

本発明の第１観点に係る冷凍回路では、冷房運転時に液冷媒の一部をバイパスさせるバイパス路およびそのバイパス路の液量を調節する流量調整機構と、暖房運転時に余分なガス冷媒をバイパスさせるバイパス路およびガス抜き用としてそのバイパス路に配置される流量調整機構とが兼用されている。その結果、冷凍回路が簡素化される。

本発明の第２観点に係る冷凍回路では、レシーバが液冷媒を溜める機能に加えて、ガス冷媒と液冷媒とを分離する機能を担うので、レシーバと気液分離器とを併設する必要がなく冷凍回路が簡素化される。

本発明の第３観点に係る冷凍回路では、冷媒がサイクロン式気液分離器の内周面に沿って旋回する間にその内周面に液冷媒が付着するので、気液分離が効率よく行われる。

本発明の第４観点に係る冷凍回路では、分流器が、室外熱交換器へ冷媒を分配する機能と、バイパス路へガス冷媒を流す機能とを兼用するので、冷媒回路が簡素化される。

本発明の一実施形態に係る冷凍回路を使用した空気調和装置の構成図。 過冷却熱交換器の断面図。 サイクロン式気液分離器の簡略断面図。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（１）空気調和装置
（１−１）全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍回路を使用した空気調和装置の構成図である。図１において、空気調和装置１は、冷房運転及び暖房運転が可能な空気調和装置であり、室外機３と、室内機５と、室外機３と室内機５とを接続するための液冷媒連絡配管７及びガス冷媒連絡配管９とを備えている。

（１−２）室内機
室内機５は、室内熱交換器５１と、室内ファン５３とを有している。室内熱交換器５１は、クロスフィン型熱交換器であり、室内空気との熱交換によって内部を流れる冷媒を蒸発又は凝縮させ、室内の空気を冷却又は加熱することができる。

室内ファン５３は、回転することによって室内空気を取り込んで室内熱交換器５１に送風し、室内熱交換器５１と室内空気との熱交換を促進する。

（１−３）室外機
図１において、室外機３は、主に、圧縮機２１、四路切換弁２３、室外熱交換器２５、気液分離装置２７、膨張弁２９、液側閉鎖弁３７、ガス側閉鎖弁３９、アキュームレータ３１、及びバイパス路３３を有している。さらに、室外機３は室外ファン４１も有している。

（１−３−１）圧縮機、四路切換弁およびアキュームレータ
圧縮機２１は、ガス冷媒を吸入して圧縮する。圧縮機２１の吸込口手前には、アキュームレータ３１が配置されており、圧縮機２１に液冷媒が直に吸い込まれないようになっている。

四路切換弁２３は、冷房運転と暖房運転との切換時に、冷媒の流れの方向を切り換える。冷房運転時、四路切換弁２３は、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２５のガス側とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁３９とを接続する。つまり、図１の四路切換弁２３内の実線で示された状態である。

また、暖房運転時、四路切換弁２３は、圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁３９とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と室外熱交換器２５のガス側とを接続する。つまり、図１の四路切換弁２３内の点線で示された状態である。

（１−３−２）室外熱交換器
室外熱交換器２５は、室外空気との熱交換によって内部を流れる冷媒を凝縮又は蒸発させることができる。室外熱交換器２５は、クロスフィン型および積層型のいずれでもよいが、本実施形態では積層型熱交換器であり、その容量は室内熱交換器５１の容量よりも小さい。

なお、室外ファン４１が、この室外熱交換器２５に対面するように配置されており、回転することによって室外空気を取り込んで室外熱交換器２５に送風し、室外熱交換器２５と室外空気との熱交換を促進する。

（１−３−３）気液分離装置
暖房運転時、気液分離装置２７に入る直前の冷媒には、膨張弁２９を通過するときに発生したガス成分が含まれているが、気液分離装置２７に入った後、液冷媒とガス冷媒とに分離され、下部側に液冷媒、上部側にガス冷媒が貯留される。

また、気液分離装置２７は、気液分離機能だけでなく、余剰冷媒を収容することもできる。先に述べたように、本実施形態では室外熱交換器２５の容量が室内熱交換器５１の容量よりも小さくなっている。そのため、例えば、室内熱交換器５１が凝縮器として機能する暖房運転時に室内熱交換器５１に収容することができる液冷媒量が１１００ｃｃ、室外熱交換器２５が凝縮器として機能する冷房運転時に室外熱交換器２５に収容することができる液冷媒量が８００ｃｃである場合、冷房運転時に室外熱交換器に収容しきれずに余った液冷媒３００ｃｃは、気液分離装置２７に一時的に収容される。したがって、気液分離装置２７は、レシーバであってもよい。

（１−３−４）膨張弁
膨張弁２９は、冷媒圧力や冷媒流量の調節を行うために、気液分離装置２７と液側閉鎖弁３７の間の配管に接続され、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、冷媒を膨張させる機能を有している。

（１−３−５）バイパス路と流量調整弁
気液分離装置２７で分離されたガス冷媒は、バイパス路３３を通って圧縮機２１の吸い込み側へ流れる。また、気液分離装置２７で分離された液冷媒は、室外熱交換器２５へ流れる。なお、バイパス路３３の途中には、流量調整弁３５が接続されている。本実施形態では、流量調整弁３５は電動膨張弁である。

（１−３−６）過冷却熱交換器
過冷却熱交換器３２は、気液分離装置２７と膨張弁２９との間を流れる冷媒（以後、主冷媒とよぶ）と、バイパス路３３を流れる冷媒（以後、バイパス冷媒とよぶ）との間で熱交換を行わせる。本実施形態では、過冷却熱交換器３２は、内側の流路と外側の流路とを有する２重管型熱交換器である。

図２は、過冷却熱交換器の断面図である。図２において、過冷却熱交換器３２は、内側の第１流路６１と外側の第２流路６３とを有するアルミ製の２重管型熱交換器である。第１流路６１は、内円筒部７１に囲まれた単一流路であり、第２流路６３は、内円筒部７１と外円筒部７３と梁部７５とに囲まれた多穴流路である。この過冷却熱交換器３２では、主冷媒が第１流路６１を流れ、バイパス冷媒が第２流路６３を流れるので、主冷媒とバイパス冷媒との間で熱交換が行なわれる。

（１−３−７）閉鎖弁および冷媒連絡配管
液側閉鎖弁３７及びガス側閉鎖弁３９は、それぞれ、液冷媒連絡配管７及びガス冷媒連絡配管９に接続されている。液冷媒連絡配管７は、室内機５の室内熱交換器５１の液側と室外機３の液側閉鎖弁３７との間を接続している。ガス冷媒連絡配管９は、室内機５の室内熱交換器５１のガス側と室外機３のガス側閉鎖弁３９との間を接続している。

その結果、冷房運転時に圧縮機２１、室外熱交換器２５、膨張弁２９および室内熱交換器５１の順に冷媒が流れ、暖房運転時に圧縮機２１、室内熱交換器５１、膨張弁２９および室外熱交換器２５の順に冷媒が流れる冷凍回路１１が形成される。

（２）暖房運転時の冷媒の流れ
図１において、暖房運転時、四路切換弁２３は、圧縮機２１の吐出側とガス側閉鎖弁３９とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と室外熱交換器２５のガス側とを接続する。また、膨張弁２９は開度を絞る。その結果、室外熱交換器２５が冷媒の蒸発器として機能し、かつ、室内熱交換器５１が冷媒の凝縮器として機能する。

このような状態の冷凍回路１１において、低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入され、高圧に圧縮された後に吐出される。圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、四路切換弁２３、ガス側閉鎖弁３９及びガス冷媒連絡配管９を通って、室内熱交換器５１に入る。室内熱交換器５１に入った高圧の冷媒は、そこで室内空気と熱交換を行って凝縮する。これにより、室内空気は加熱される。

なお、室内熱交換器５１の容量は室外熱交換器２５の容量より大きいので、暖房運転時ではほとんどの液冷媒が凝縮器（室内熱交換器５１）に収容される。室内熱交換器５１で凝縮した高圧の冷媒は、液冷媒連絡配管７及び液側閉鎖弁３７を通って、膨張弁２９に至る。

冷媒は、膨張弁２９によって低圧に減圧され、その後、過冷却熱交換器３２の第１流路を通って気液分離装置２７に入る。気液分離装置２７に入る直前の冷媒には、膨張弁２９を通過するときに発生したガス成分が含まれているが、気液分離装置２７に入った後、液冷媒とガス冷媒とに分離され、下部側に液冷媒、上部側にガス冷媒が貯留される。

気液分離装置２７の上部は、バイパス路３３の入口に通じており、ガス冷媒はバイパス路３３に入り、過冷却熱交換器３２の第２流路６３を通って圧縮機２１の吸い込み側へ向う。このとき、バイパス路３３途中の流量調整弁３５はほぼ全開しているので、ガス冷媒は減圧されることがなく、過冷却熱交換器３２で主冷媒とバイパス冷媒との熱交換は行われない。

他方、気液分離装置２７で分離された液冷媒は、室外熱交換器２５に送られ、そこで、室外ファン４１によって供給される室外空気と熱交換を行って蒸発する。なお、ガス冷媒が気液分離装置２７で分離された結果、蒸発に寄与しないガス冷媒が室外熱交換器２５にほとんど入ってこないので、室外熱交換器２５を流れる冷媒量が減り、その分、圧力損失が抑制される。

室外熱交換器２５で蒸発した低圧の冷媒は、四路切換弁２３を通じて、再び、圧縮機２１に吸入される。

（３）冷房運転時の冷媒の流れ
図１において、冷房運転時、四路切換弁２３が、圧縮機２１の吐出側と室外熱交換器２５のガス側とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側とガス側閉鎖弁３９とを接続する。また、膨張弁２９は開度を絞る。その結果、室外熱交換器２５が冷媒の凝縮器として機能し、且つ、室内熱交換器５１が冷媒の蒸発器として機能する。

このような状態の冷媒回路において、低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入され、高圧に圧縮され吐出される。圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、四路切換弁２３を通じて、室外熱交換器２５に送られる。

室外熱交換器２５に送られた高圧の冷媒は、そこで室外空気と熱交換を行って凝縮する。室外熱交換器２５において凝縮して飽和液となった高圧の冷媒は、気液分離装置２７に送られる。なお、室外熱交換器２５の容量は室内熱交換器５１の容量より小さいので、冷房運転時では室外熱交換器２５が全ての液冷媒を収容することができない。それゆえ、室外熱交換器２５に収容しきれない液冷媒は気液分離装置２７に溜まり、気液分離装置２７は液冷媒で満たされる。

気液分離装置２７を出た液冷媒は、過冷却熱交換器３２の第１流路６１を通って膨張弁２９に向う。他方、気液分離装置２７内の液冷媒の一部はバイパス路３３へ流れ、途中の流量調整弁３５で減圧された後、過冷却熱交換器３２の第２流路６３を通って圧縮機２１の吸い込み側に向う。このため、過冷却熱交換器３２内では、第２流路６３を通るバイパス冷媒が蒸発する際に第１流路６１を通る主冷媒の熱量の一部を奪うので、主冷媒は冷却されて過冷却液となる。

過冷却液となった冷媒は膨張弁２９に送られて低圧に減圧される。膨張弁２９で減圧された低圧の冷媒は、液側閉鎖弁３７及び液冷媒連絡配管７を通って、室内熱交換器５１に入る。

室内熱交換器５１に入った低圧の冷媒は、そこで室内空気と熱交換を行って蒸発する。これにより、室内空気は冷却される。室内熱交換器５１において蒸発した低圧の冷媒は、ガス冷媒連絡配管９、ガス側閉鎖弁３９及び四路切換弁２３を通って、再び、圧縮機２１に吸入される。

（４）特徴
（４−１）
冷凍回路１１では、気液分離装置２７が、室外熱交換器２５と膨張弁２９との間に接続されている。また、過冷却熱交換器３２が、気液分離装置２７と膨張弁２９との間に接続されている。気液分離装置２７内の冷媒の一部は、バイパス路３３を通って過冷却熱交換器３２に流れ、圧縮機２１あるいは圧縮機２１の吸込側の冷媒配管へ戻る。バイパス路３３のうちの気液分離装置２７から過冷却熱交換器３２に至る区間に流量調整弁３５が配置されている。冷房運転時、気液分離装置２７内はほぼ液冷媒で満たされ、その一部がバイパス路３３に入り、流量調整弁３５で減圧され過冷却熱交換器３２内で蒸発する。この際、気液分離装置２７から過冷却熱交換器３２内を通って膨張弁２９に向う液冷媒が冷却されるので、室外熱交換器２５で飽和液となった冷媒はここで冷却され過冷却液となる。

（４−２）
また、暖房運転時、気液分離装置２７内では冷媒は液とガスとに分離され、余分なガス冷媒はバイパス路３３に入り、流量調整弁３５で流量調整された後に過冷却熱交換器３２内を通過して圧縮機２１、或いは、圧縮機２１の吸込側の冷媒配管に戻る。その結果、蒸発に寄与しないガス冷媒が室外熱交換器２５に入らなくなり、その分、室外熱交換器２５を流れる冷媒量が減少し、室外熱交換器２５での冷媒の圧力損失が抑制される。

（４−３）
この冷凍回路１１では、冷房運転時に液冷媒の一部をバイパスさせるバイパス路３３およびそのバイパス路３３の液量を調節する流量調整弁３５と、暖房運転時に余分なガス冷媒をバイパスさせるバイパス路３３およびガス抜き用としてそのバイパス路３３に配置される流量調整弁３５とが兼用されている。その結果、冷凍回路が簡素化されている。

（４−４）
この冷凍回路１１では、気液分離装置２７がレシーバであり、レシーバが液冷媒を溜める機能に加えてガス冷媒を分離する機能を担うので、レシーバと気液分離器とを併設する必要がなく冷凍回路が簡素化されている。

（５）変形例
（５−１）第１変形例
ここでは、気液分離装置２７がサイクロン式気液分離器である第１変形例について説明する。図３は、サイクロン式気液分離器の簡略断面図である。図３において、サイクロン式気液分離器は、円筒容器２７１、第１接続管２７３、第２接続管２７５、及び第３接続管２７７を有している。

第１接続管２７３は、円筒容器２７１の円周側壁の接線方向に連結されており、円筒容器２７１の内部と過冷却熱交換器３２の第１流路６１とを連絡する。第２接続管２７５は、円筒容器２７１の底壁に連結されており、円筒容器２７１の内部と室外熱交換器２５とを連絡する。第３接続管２７７は、円筒容器２７１の天井壁に連結されており、円筒容器２７１の内部とバイパス路３３とを連絡する。

暖房運転時、膨張弁２９で減圧され気液混合状態となった冷媒は、第１接続管２７３から円筒容器２７１内に流入し、その円周側壁の内周面２７１ｂに沿って渦を巻くように流れ、そのとき、その内周面２７１ｂに液冷媒が付着し液冷媒とガス冷媒とが効率よく分離される。

液冷媒は重力によって降下し下部に溜まり、第２接続管２７５を通って室外熱交換器２５に向う。他方、ガス冷媒は旋回しながら上昇し、第３接続管２７７を通ってバイパス路３３へ流れる。

冷房運転時、室外熱交換器２５において凝縮して飽和液となった高圧の冷媒は、第２接続管２７５から円筒容器２７１内に流入し、円筒容器２７１は液冷媒で満たされる。液冷媒は、第１接続管２７３を通って過冷却熱交換器３２の第１流路６１に向う。他方、円筒容器２７１内の液冷媒の一部は第３接続管２７７を通ってバイパス路３３へ流れる。

以上のように、第１変形例に係る冷凍回路１１では、気液分離装置２７がサイクロン式気液分離器であるので、冷媒がサイクロン式気液分離器の内周面２７１ｂに沿って旋回する間にその内周面２７１ｂに液冷媒が付着し、気液分離が効率よく行われる。

（５−２）第２変形例
例えば、室外熱交換器２５が、冷媒が通過する複数の冷媒パスを有している場合、気液分離装置２７から室外熱交換器２５に向う液冷媒を各冷媒パスへ分流するために、気液分離装置２７と室外熱交換器２５との間に分流器を配置する必要がある。

そこで、第２変形例では、第１変形例のサイクロン気液分離器の第２接続管２７５を複数の管で構成することによって、サイクロン式分流器として利用している。つまり、図３の第２接続管２７５が室外熱交換器２５の複数の冷媒パスそれぞれに接続される複数の接続管で構成される。

以上のように、第２変形例に係る冷凍回路１１では、気液分離装置２７がサイクロン式分流器であり、このサイクロン式分流器が、室外熱交換器２５へ冷媒を分配する機能と、バイパス路３３へガス冷媒を流す機能とを兼用するので、冷凍回路１１が簡素化される。

以上のように、本発明によれば、簡素で高性能な冷凍回路が提供されるので、空気調和装置に限らず、ヒートポンプ式給湯機にも有用である。

１１ 冷凍回路
２１ 圧縮機
２５ 室外熱交換器
２７ 気液分離装置
２９ 膨張弁
３２ 過冷却熱交換器
３３ バイパス路
３５ 流量調整弁（流量調整機構）
５１ 室内熱交換器

特開平１０−５４６１６号公報 特開平８−２１９５８７号公報

Claims (4)

1. 冷房運転時に圧縮機（２１）、室外熱交換器（２５）、膨張弁（２９）および室内熱交換器（５１）の順に冷媒が流れ、暖房運転時に前記圧縮機（２１）、前記室内熱交換器（５１）、前記膨張弁（２９）および前記室外熱交換器（２５）の順に冷媒が流れる冷凍回路であって、
   前記室外熱交換器（２５）と前記膨張弁（２９）との間に接続され、入った冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離し、下部側に液冷媒、上部側にガス冷媒を貯留する気液分離装置（２７）と、
   前記気液分離装置（２７）と前記膨張弁（２９）との間に接続される過冷却熱交換器（３２）と、
   前記気液分離装置（２７）の上部から冷媒の一部を前記過冷却熱交換器（３２）に流した後に前記圧縮機（２１）あるいは前記圧縮機（２１）の吸込側の冷媒配管へ前記冷媒の一部を導く、バイパス路（３３）と、
   前記バイパス路（３３）のうち前記気液分離装置（２７）から前記過冷却熱交換器（３２）に至る区間に配置される流量調整機構（３５）と、
   を備え、
   前記室外熱交換器（２５）の容量は前記室内熱交換器（５１）の容量より小さく、
   前記気液分離装置（２７）は、冷房運転時、前記室外熱交換器（２５）に収容しきれない液冷媒によって液冷媒で満たされる、
   る冷凍回路（１１）。
2. 前記気液分離装置（２７）は、レシーバである、
   請求項１に記載の冷凍回路（１１）。
3. 前記気液分離装置（２７）は、サイクロン式気液分離器である、
   請求項１に記載の冷凍回路（１１）。
4. 前記室外熱交換器（２５）は、冷媒が通過する複数の冷媒パスを有し、
   前記気液分離装置（２７）は、複数の前記冷媒パスそれぞれに冷媒を分配するための接続口と、ガス冷媒を前記バイパス路（２７）へ流すための接続口とを有する分流器である、
   請求項１に記載の冷凍回路（１１）。

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