JP5968540B2 - 冷媒回路および空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気液分離装置を搭載した冷媒回路および空気調和装置に関するものである。
空気調和装置の冷凍サイクルにおいて、凝縮器で凝縮された冷媒液は、膨張弁によって減圧され、冷媒蒸気と冷媒液が混在する気液二相状態となって蒸発器に流入する。冷媒が気液二相状態で蒸発器に流入すると、垂直または傾斜ヘッダーの場合は熱交換器への分配特性が悪化することなどに起因して、空気調和装置のエネルギー効率が低下する。また、高流量条件や低流量条件など流量条件の変化によって安定した分配特性を維持することができなかった。
そこで、従来の熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーでは、ヘッダー内部に仕切りを設けたり、リボン状の乱流促進体や小孔を設けたりして分配特性の改善を狙ったものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−203286号公報
しかし、特許文献1に記載の熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーでは、あまり分配特性の向上が見られず、熱交換器入口で圧力損失が生じてしまっていた。また、ヘッダー内部の構造が複雑になるため、製造がより困難となりコストが増大するなどの課題があった。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、分配特性を向上させて圧力損失を低減させ、コストの増大を抑えた冷媒回路および空気調和装置を提供することを目的としている。
本発明に係る冷媒回路は、気液二相冷媒を冷媒蒸気と冷媒液とに分離する複数の気液分離装置と、前記気液分離装置の上流側に接続され、開閉により前記気液二相冷媒の流路を切り替える流路切替弁と、前記気液分離装置で分離された前記冷媒液または前記気液二相冷媒が流入する蒸発熱交換器と、前記蒸発熱交換器の上流側に、前記蒸発熱交換器に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダーと、前記蒸発熱交換器の下流側に設けられた圧縮機と、前記気液分離装置のそれぞれに接続され、前記冷媒蒸気が通過する複数のバイパス経路と、を備え、複数の前記バイパス経路を通過後の前記冷媒蒸気と前記蒸発熱交換器を通過後の冷媒蒸気とは、前記蒸発熱交換器と前記圧縮機との間の第一合流点で合流するものである。
本発明に係る冷媒回路によれば、熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーに流入する気液二相冷媒の乾き度(またはボイド率)を調整することにより分配特性を向上させて圧力損失を低減させることができ、また、垂直または傾斜ヘッダーの構造は変更しないためコストの増大を抑えることができる。さらに、微燃性冷媒(例えばR32、HFO冷媒およびそれらを用いた混合物など)または可燃性冷媒(プロパン、イソブタン、ジメチルエーテルおよびそれらを用いた混合物など)を冷媒として使用する場合においては、気液分離装置1台あたりの容積を減らすことができる。
本実施の形態1に係る分配システムの冷媒回路図である。 本実施の形態1に係る分配システムのモリエル線図である。 本実施の形態1に係る分配システムの低流量条件の回路図である。 本実施の形態2に係る分配システムの冷媒回路図である。 本実施の形態2に係る分配システムの低流量条件の回路図である。 本実施の形態3に係る分配システムの低流量条件の回路図である。 本実施の形態4に係る分配システムの低流量条件の回路図である。 本実施の形態5に係る分配システムの低流量条件の回路図である。
以下、本実施の形態を、気液分離装置を2台搭載した分配システムを例に図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
実施の形態1.
図1は、本実施の形態1に係る分配システム100の冷媒回路図、図2は、本実施の形態1に係る分配システム100のモリエル線図である。なお、図1に用いられる符号の添え字a、bは、気液分離装置1aと気液分離装置1bを通った経路での各要素の名称とし、後述する図3〜図7についても同様である。
本実施の形態1に係る分配システム100は、気液分離装置1(1a、1b)で気液二相冷媒51を冷媒蒸気52と冷媒液53とに分離し、蒸発熱交換器3に冷媒液53(または気液二相冷媒51)を流入させた後、蒸発熱交換器3の下流側で冷媒蒸気52と蒸発熱交換器3で気相状態となった冷媒とを合流させるシステムである。
空気調和装置は圧縮機7、蒸発熱交換器3、図示省略の凝縮熱交換器および膨張弁が配管接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を有する。
分配システム100は、空気調和装置の冷媒回路の一部を構成し、流入した気液二相冷媒51を冷媒蒸気52と冷媒液53とに分離する気液分離装置1(1a、1b)と、開閉により気液分離装置1(1a、1b)への流路を切り替える流路切替弁11(11a、11b)と、冷媒液53(または気液二相冷媒51)が流入する蒸発熱交換器3と、蒸発熱交換器3の流入側に蒸発熱交換器3に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダー2と、蒸発熱交換器3の流出側の合流器4と、冷媒蒸気52が気液分離装置1から蒸発熱交換器3の下流へバイパスするバイパス経路6(6a、6b)と、そのバイパス経路6上に設けられ、開閉により冷媒蒸気52の流量を調整する流量調整弁5(5a、5b)とを備えている。
気液分離装置1(1a、1b)は、気液二相冷媒51を冷媒蒸気52と冷媒液53とに分離するものであり、一端が外部回路に接続され、気液二相冷媒51が流入してくる流入配管1c、一端がバイパス経路6に接続され、冷媒蒸気52が流れるガス側流出配管1d、および一端が蒸発熱交換器3の流入側(上流側)のヘッダー2に接続され、冷媒液53(または気液二相冷媒51)が流れる液側流出配管1e、の他端に接続されている。なお、気液分離装置1は、流入する冷媒の流量に応じて気液分離効率が変化する。また、気液分離装置1の形状や大きさなどは問わないものとし、流路切替弁11は電気信号により開閉の切替が可能な電磁弁とする。
蒸発熱交換器3は、冷媒と空気との間で熱交換を行う空気熱交換器であり、低圧の冷媒液53(または気液二相冷媒51)が流入し、空気と熱交換して冷媒を蒸発させていく。蒸発熱交換器3の流入側の枝状の伝熱管は分流器であるヘッダー2の一端に接続され、流出側は合流器4の一端に接続される。
ここで、蒸発熱交換器3の伝熱管の性能を向上させようとすると、内部溝付管や扁平管、細管などの伝熱管を用いることになるが、同時に圧力損失が増大してしまうため、多分岐(枝状)の構成を取ることになる。そのため、本実施の形態1のようにヘッダー2などの比較的簡易な構造でなければ蒸発熱交換器3の枝状の伝熱管との接続が困難となる。
気液分離された冷媒蒸気52が通過するバイパス経路6は、バイパス経路6上の冷媒の流量を調整する流量調整弁5および配管で構成され、一端はガス側流出配管1dに接続され、他端は第二合流点βで蒸発熱交換器下流側配管1fに接続される。そして、各バイパス経路6を通過した冷媒蒸気52は第二合流点βで合流する。また、蒸発熱交換器3を通過した冷媒は蒸発し、気相状態となって蒸発熱交換器3と圧縮機7との間の第一合流点αで、第二合流点βで合流した冷媒蒸気52と合流する。
なお、流量調整弁5には電子膨張弁や電磁弁などを用いる。また、流量調整弁5に電磁弁を用いる場合は、バイパス経路6上に流動抵抗となるキャピラリチューブなどを設けて、冷媒蒸気52の流量を調整しておく必要がある。
次に、分配システム100の動作について図1および図2を用いて説明するが、蒸発熱交換器3を室外機内の熱交換器とした場合、空気調和装置は暖房運転となるため、暖房運転時の分配システム100の動作を例に挙げて説明する。
気液分離装置1が機能しない(気液分離しない)場合は、気液分離装置1の上流側に設けられた流路切替弁11が全開となり、バイパス経路6上の流量調整弁5が全閉となり、バイパス経路6に冷媒蒸気52が流れなくなる。従って、冷媒は冷媒蒸気52と冷媒液53の気液二相の状態(図2のE’点)で流入配管1cを通り、全ての冷媒が液側流出配管1eを通って、蒸発熱交換器3へ流入する。そして、蒸発熱交換器3を通過した冷媒は蒸発し、気相状態となって圧縮機7の吸入側へ流入する(図2のA’点)。その後、圧縮機7で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく(図2のB点)。
一方、気液分離装置1が機能する(気液分離する)場合は、気液分離装置1の上流側に設けられた流路切替弁11が全開となり、バイパス経路6上の流量調整弁5が(全)開となる。そのため、冷媒は冷媒蒸気52と冷媒液53の気液二相の状態(図2のD点)で流入配管1cに流入し、気液分離装置1内に入って気液分離される。気液分離された冷媒蒸気52はガス側流出配管1dを通り、バイパス経路6へ流入し、流量調整弁5を通過後、第二合流点βで合流する(図2のF点)。
一方、気液分離された冷媒液53(または気液二相冷媒51)は、一部の冷媒蒸気52がバイパスされたため、乾き度(またはボイド率)が低下する(図2のE点)。乾き度(またはボイド率)が低下した状態でヘッダー2へ流入し、蒸発熱交換器3へ流入する。そして、蒸発熱交換器3で蒸発して気相状態となった冷媒は、バイパスされていた冷媒蒸気52と第一合流点αで合流後、圧縮機7の吸入側へ流入する(図2のA点)。その後、圧縮機7で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく(図2のB点)。
このとき、ヘッダー2の入口での乾き度(またはボイド率)を低くすることで、蒸発熱交換器3へ流入するガス流量を低減することによる蒸発熱交換器3の低圧損効果が得られるため、ヘッダー2における冷媒の分配特性が向上し、蒸発熱交換器3でバランスよく熱交換が行われる。
このように、気液分離装置1を通過する冷媒において、定格条件(高流量条件)の場合、流路切替弁11a、11bをともに全開とし、気液分離装置1a、1bをともに使用することで、多くの冷媒蒸気52を気液分離してバイパス経路6へ流出することが可能となり、ヘッダー2の入口での乾き度(またはボイド率)を低く調整することができるため、ヘッダー2の分配特性が向上する。それは、定格条件(高流量条件)の場合、冷媒流量がそもそも多いため、冷媒液53のみでもヘッダー2内の流動様式も均質流となり、ヘッダー2の上部空間まで冷媒液53が流れ込むことができるためである。そのため、熱交換に不要な冷媒蒸気52は少なくする方がよい。
図3は、本実施の形態1に係る分配システム100の低流量条件の回路図である。
なお、図3中の黒塗りは全閉状態を表し、流路切替弁11bと流量調整弁5bが全閉状態となっている。
一方、中間条件(低流量条件)などの場合、定格条件に比べて流量が少なくなるため、最適な気液分離を行うために(気液分離効率がよくなるように)図3に示すように流路切替弁11bを全閉状態とする。そして、気液分離装置1bに冷媒が流入しないようにし、気液分離装置1aに流入する冷媒量を調整し(多くし)、バイパスさせる冷媒蒸気52を調整することが必要となる。そうすることで、より多くの冷媒蒸気52を気液分離してバイパス経路6へ流出することが可能となるため、ヘッダー2の入口での乾き度(またはボイド率)を低くすることができる。そのため、冷媒液53をヘッダー2の上部空間まで到達させることができ、分配特性の向上ができる。
つまり、気液分離装置1a、1bの冷媒流量が適正範囲を超えると、気液分離効率が低下してしまう。そのため、定格条件(高流量条件)において冷媒流量の適正範囲(の上限)を超えてしまいそうな場合は気液分離装置1a、1bを共に使用して気液分離装置1a、1bの冷媒流量をそれぞれ減らして適正範囲内にし、中間条件(低流量条件)において、冷媒流量の適正範囲(の下限)を超えてしまいそうな場合は気液分離装置1aのみを使用し、気液分離装置1aの冷媒流量を増やして適正範囲内にすることで、ヘッダー2に入口での乾き度(またはボイド率)を調整し、分配特性を向上させる。
以上のように、空気調和装置の冷媒回路を流れる(分配システム100に流入してくる)冷媒の流量に応じて流路切替弁11を開閉して冷媒が流入する気液分離装置1の数を変更し、気液分離装置1に流入する冷媒の流量を調整し、最適な気液分離が行えるようにする。そうすることで、ヘッダー2の入口での乾き度(またはボイド率)を低く調整することができるため、ヘッダー2において、冷媒の幅広い流量範囲で安定した分配特性を得ることができるため、蒸発熱交換器3入口での圧力損失を低減させることができる。また、ヘッダー2の構造は変更しないため、コストの増大を抑えることができる。
なお、本実施の形態1では、蒸発熱交換器3を暖房運転時の室外熱交換器としたが、冷房運転時の室外熱交換器にも適用できる。また、室外機が1台に対して室内機も1台となるようなシステム以外に、室外機が1台に対して室内機が複数台となるようなシステムにも同様に適用でき、室外機が複数台となる場合においても適用できる。そして、それらのことは以下に説明する実施の形態2〜4においても同様である。また、本分配システムにおいて、使用される冷媒は特にその種類を限定するものではないが、例えば微燃性冷媒(R32、HFO冷媒およびそれらを用いた混合物など)や可燃性冷媒(プロパン、イソブタン、ジメチルエーテル、アンモニアおよびそれらを用いた混合物など)を用いる場合には、複数の気液分離装置を使用することで、気液分離装置1台あたりの容積を減らすことができ、可燃性のリスクを分散させることができる。
実施の形態2.
図4は、本実施の形態2に係る分配システム200の冷媒回路図、図5は、本実施の形態2に係る分配システム200の低流量条件の回路図である。
以下、本実施の形態2について説明するが、本実施の形態1と重複するものについては省略する。
本実施の形態2に係る分配システム200は、分配システム100に対して蒸発熱交換器3が気液分離装置1の台数と同じ数である2つに分割されていることを特徴とする。そして、蒸発熱交換器3aの一端は、気液分離装置1aに接続されたヘッダー2aに、蒸発熱交換器3bの一端は、気液分離装置1bに接続されたヘッダー2bに接続されている。
また、蒸発熱交換器3aの他端は合流器4aの一端に、蒸発熱交換器3bの他端は合流器4bの一端に接続され、合流器4aと合流器4bの他端は蒸発熱交換器下流側配管1fの一端に接続される。そして、蒸発熱交換器下流側配管1fの他端はガス側流出配管1dに接続されるため、冷媒は合流器4aまたは合流器4bを通過後に合流し、バイパス経路6とも合流する。
上記のような構成とすることで、中間条件などのように低流量条件となるときに、図5に示すように流路切替弁11bを全閉とすることで、気液分離装置1bに冷媒を流入させないようにすると、ヘッダー2bおよび蒸発熱交換器3bにも冷媒が流れなくなる。そのため、全冷媒が気液分離装置1aを通り、気液分離された冷媒蒸気52aはバイパス経路6aを通り、気液分離された冷媒液53aはヘッダー2aおよび蒸発熱交換器3aを通って蒸発され、バイパスされた冷媒蒸気52aと合流し、圧縮機7へ流出していく。
ここで、蒸発熱交換器3の伝熱性能は、蒸発熱交換器3を流れる冷媒流速に比例し、冷媒流速が遅い方が伝熱性能は低くなる。また、単位体積当たりの蒸発熱交換器3を流れる冷媒の流量が少なくなると、流速は遅くなる。
そこで、本実施の形態2のような構成とすることで、低流量条件での全冷媒が気液分離された後、分割された蒸発熱交換器3aへ流入するため、本実施の形態1のように分割されていない蒸発熱交換器3の場合に比べ、単位体積当たりの蒸発熱交換器3aを流れる冷媒の冷媒流速を高めに維持できる。その結果、伝熱性能を下げることなく分配性能を向上させられるため、より効率よく熱交換することができる。また、2つのファンから構成される室外機などでは、分割された蒸発熱交換器3a、3bのうち、冷媒が流れている方のみファンを回すなどして、よりエネルギー効率の高い冷凍サイクルを実現できる。
実施の形態3.
図6は、本実施の形態3に係る分配システム300の低流量条件の回路図である。
以下、本実施の形態3について説明するが、本実施の形態1および2と重複するものについては省略する。
本実施の形態2と同様に、蒸発熱交換器3を分割したシステムを用いた回路を例に挙げて説明する。
分配システム300は、流量調整弁5がバイパス経路6a、6b上ではなく、バイパス経路6が合流した後の蒸発熱交換器下流側配管1fに設けられていることを特徴とする。なお、その他については分配システム200と同じ回路構成である。
上記のような構成とすることで、気液分離装置1と同等数(本実施の形態1および2では2つ)あった流量調整弁5の数を1つに減らすことができ、製造およびコストの面において有効である。
実施の形態4.
図7は、本実施の形態4に係る分配システム400の低流量条件の回路図である。
以下、本実施の形態4について説明するが、本実施の形態1〜3と重複するものについては省略する。
分配システム400は、余剰冷媒を貯留するアキュムレータ10が設けられ、アキュムレータ10は、第一合流点αと圧縮機7との間、または第一合流点αと同じ位置になるように設置されることを特徴とする。なお、その他については分配システム200と同じ回路構成である。
上記のような構成とすることで、万が一、流量調整弁5の制御不良などでバイパス経路6中に冷媒液53が流出しても、アキュムレータ10に冷媒液53を溜めることができるため、圧縮機7へ冷媒液53を戻すことがなくなり、圧縮機7の故障を防ぐことができる。また、気液分離装置(乾き度調整装置)1からアキュムレータ10までの経路中に設けられる蒸発熱交換器3、その他図示省略の四方弁、バルブなどの抵抗が、冷媒蒸気52をバイパスする対象の経路となるため、冷凍サイクル全体の圧力損失を低減することができる。さらに例えばR32冷媒のように圧縮機7の吐出温度が高くなる様な場合には、複数の気液分離器回路の一部を液インジェクション用に代用することができ、冷媒液53をアキュムレータ10に戻すことで、圧縮機7の吐出温度の上昇を抑制することができる。液インジェクションを行う場合は、例えば冷媒蒸気52aを液インジェクションとして用いる場合、流量調整弁5aの開度を増やすことで(冷媒蒸気52aを液インジェクションとして用いることが)可能となる。
実施の形態5.
図8は、実施の形態5に係る分配システム500の回路図である。
以下、本実施の形態5について説明するが、本実施の形態1〜4と重複するものについては省略する。
分配システム500は、室外機出口配管57を流れる冷媒と室内機出口配管56を流れる冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器55が設けられていることを特徴とする。
室内機(凝縮熱交換器)58は圧縮機7の下流側に設けられ、圧縮機7に接続されている圧縮機吐出配管59、および内部熱交換器55に接続されている室内機出口配管56に接続されている。また、内部熱交換器55は流路切替弁11の上流側と内部熱交換器出口配管60で接続されている。なお、その他については分配システム200と同じ回路構成である。
そして、内部熱交換器55において、第一合流点αで合流後の冷媒蒸気と室内機58から流出した冷媒液との間で熱交換が行われるようになっており、冷媒蒸気は吸熱し、冷媒液は放熱する。熱交換後、冷媒蒸気は圧縮機7の吸入側へ流入し、冷媒液は流路切替弁11の上流側で気液二相冷媒51と合流する。
上記のような構成とすることで、万が一、流量調整弁5の制御不良などでバイパス経路6中に冷媒液53が流出しても、その冷媒液53を内部熱交換器55によってガス化することができる。そのため、圧縮機7へ冷媒液53を戻すことがなくなり、圧縮機7の故障を防ぐことができる。
また、気液分離装置(乾き度調整装置)1から内部熱交換器55までの経路中に設けられる蒸発熱交換器3、その他図示省略の四方弁、バルブなどの抵抗が、冷媒蒸気52をバイパスする対象の経路となるため、冷凍サイクル全体の圧力損失を低減することができる。また、内部熱交換器55を使用することで、気液分離装置(乾き度調整装置)1に流入する冷媒ガス量が少なくなるため、気液分離装置1をその分小型にすることができる。また、室外機出口配管57を流れる冷媒液53は内部熱交換器55によってガス化するため、圧縮機7に必要な入力仕事を減らすことができ、システム性能の向上ができる。
1 気液分離装置、1c 流入配管、1d ガス側流出配管、1e 液側流出配管、1f 蒸発熱交換器下流側配管、2 ヘッダー、3 蒸発熱交換器、4 合流器、5 流量調整弁、6 バイパス経路、7 圧縮機、10 アキュムレータ、11 流路切替弁、51 気液二相冷媒、52 冷媒蒸気、53 冷媒液、55 内部熱交換器、56 室内機出口配管、57 室外機出口配管、58 室内機、59 圧縮機吐出配管、60 内部熱交換器出口配管、100 (複数台の気液分離装置を用いた)分配システム、200 (蒸発熱交換器を分割した)分配システム、300 (流量調整弁を1つにした)分配システム、400 (アキュムレータを搭載した)分配システム、500(内部熱交換器を搭載した)分配システム、α 第一合流点、β 第二合流点。

Claims (9)

  1. 気液二相冷媒を冷媒蒸気と冷媒液とに分離する複数の気液分離装置と、
    前記気液分離装置の上流側に接続され、開閉により前記気液二相冷媒の流路を切り替える流路切替弁と、
    前記気液分離装置で分離された前記冷媒液または前記気液二相冷媒が流入する蒸発熱交換器と、
    前記蒸発熱交換器の上流側に、前記蒸発熱交換器に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダーと、
    前記蒸発熱交換器の下流側に設けられた圧縮機と、
    前記気液分離装置のそれぞれに接続され、前記冷媒蒸気が通過する複数のバイパス経路と、を備え、
    複数の前記バイパス経路を通過後の前記冷媒蒸気と前記蒸発熱交換器を通過後の冷媒蒸気とは、前記蒸発熱交換器と前記圧縮機との間の第一合流点で合流する
    冷媒回路。
  2. 回路内を循環する冷媒として、微燃性冷媒または可燃性冷媒を用いた
    請求項1に記載の冷媒回路。
  3. 前記バイパス経路上に、前記冷媒蒸気の流量を調整する流量調整弁がそれぞれ設けられた
    請求項1または2に記載の冷媒回路。
  4. 前記蒸発熱交換器は、前記気液分離装置の数と同じ数に分割され、
    分割された蒸発熱交換器ごとに異なる前記ヘッダーが設けられ、
    前記気液分離装置ごとに異なる前記ヘッダーが接続されている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の冷媒回路。
  5. 複数の前記バイパス経路は第二合流点で合流し、
    前記流量調整弁は、前記第二合流点の下流側に設けられた
    請求項3または4に記載の冷媒回路。
  6. 余剰冷媒を貯留するアキュムレータを備え、
    前記アキュムレータは、
    前記第一合流点と前記圧縮機との間、または前記第一合流点と同じ位置になるように設置される
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の冷媒回路。
  7. 内部熱交換器と凝縮熱交換器とを備え、
    前記内部熱交換器は、前記第一合流点と前記圧縮機との間、または前記第一合流点と同じ位置に設けられ、
    前記凝縮熱交換器は、前記圧縮機の下流側に設けられ、
    前記内部熱交換器は、
    前記第一合流点で合流後の冷媒蒸気と前記凝縮熱交換器から流出した冷媒液との間で熱交換を行う
    請求項1〜6のいずれか一項に記載の冷媒回路。
  8. 冷媒流量に応じて前記流路切替弁を開閉し、前記気液二相冷媒が流入する前記気液分離装置の数を変更し、
    高流量条件では、低流量条件に比べて前記気液二相冷媒が流入する前記気液分離装置の数を多くした
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の冷媒回路。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の冷媒回路を搭載した
    空気調和装置。
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