JP6131741B2 - 冷媒回路装置 - Google Patents

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本発明は、冷媒回路装置に関し、より詳細には、2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷媒回路装置に関するものである。
従来、2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷媒回路装置として、第1圧縮機、中間熱交換器、第2圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器及び内部熱交換器を冷媒管路にて順次接続して構成され、内部に二酸化炭素等の冷媒が封入された冷媒回路を備えたものが知られている。
第1圧縮機は、蒸発器で蒸発した低圧冷媒を吸引して圧縮し、中間圧冷媒として吐出するものである。中間熱交換器は、第1圧縮機から吐出された中間圧冷媒を周囲空気と熱交換させて放熱させるものである。第2圧縮機は、中間熱交換器で放熱した中間圧冷媒を吸引して圧縮し、高圧冷媒として吐出するものである。
放熱器は、第2圧縮機から吐出された高圧冷媒を周囲空気と熱交換させて放熱させるものである。膨張弁は、放熱器で放熱した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧して断熱膨張させるものである。蒸発器は、膨張弁で断熱膨張された低圧冷媒を導入して周囲空気と熱交換させて蒸発させるものである。内部熱交換器は、放熱器で放熱した高圧冷媒と、蒸発器で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させるものである。
このような冷媒回路において、第1圧縮機で圧縮されて吐出された中間圧冷媒が中間熱交換器で放熱して第2圧縮機に吸引され、この第2圧縮機で圧縮された高圧冷媒として吐出される。吐出された高圧冷媒は、放熱器に至り、この放熱器の流路を通過中に周囲空気と熱交換して放熱する。放熱器で放熱した冷媒は、内部熱交換器で蒸発器を通過した低圧冷媒と熱交換して冷却され、膨張弁で減圧されることで断熱膨張して低圧冷媒として蒸発器に至る。この蒸発器に至った低圧冷媒は、蒸発器の流路を通過中に周囲空気と熱交換して蒸発し、その後に上記内部熱交換器を経由して第1圧縮機に吸引されることで、上述したように循環を繰り返すことになる。
かかる冷媒回路装置においては、内部熱交換器により膨張前の高圧冷媒を低圧冷媒と熱交換させることにより過冷却度を拡大して冷凍効果の向上を図るようにしているが、その反面、過冷却度の拡大に伴い第1圧縮機が吸い込む低圧冷媒の温度が上昇し、第1圧縮機の負荷が増大して運転効率が低下し、結果的に冷凍効率の低下を招来する問題があった。
そこで、内部熱交換器の低圧冷媒が通過する部分の容積(以下、低圧部容積ともいう)を冷媒回路における低圧部全体の容積に対し所定の割合に規定した冷媒回路装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−226927号公報
ところで、冷媒回路装置における冷凍サイクル全体で考えた場合、冷凍能力は放熱能力により制約されるものであり、内部熱交換器は放熱器に対して適正な割合の能力を有し、かつ冷凍効率を最大にする設計を行うことが求められている。
しかしながら、上述したような特許文献1に提案された冷媒回路装置では、内部熱交換器の低圧部容積を冷媒回路における低圧部全体の容積に対して所定の割合に規定していただけなので、放熱器の放熱量が考慮されておらず、結果的に十分なものとはいえない虞れがある。
本発明は、上記実情に鑑みて、2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路において、冷凍効率の向上を図ることができる冷媒回路装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る冷媒回路装置は、蒸発器で蒸発した低圧冷媒を吸引して圧縮し、中間圧冷媒として吐出する第1圧縮機と、前記第1圧縮機から吐出され、かつ中間熱交換器で放熱した中間圧冷媒を吸引して圧縮し、高圧冷媒として吐出する第2圧縮機と、前記第2圧縮機から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱させた高圧冷媒を低圧冷媒に減圧することで断熱膨張させ、かつ前記蒸発器に送出する膨張機構とを冷媒管路で接続することで2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷媒回路装置において、前記放熱器から前記膨張機構に至る冷媒管路の途中から分岐し、前記中間熱交換器から前記第2圧縮機に至る冷媒管路に合流する態様で設けられたバイパス管路と、前記バイパス管路を通過する高圧冷媒を中間圧冷媒に減圧して断熱膨張させるバイパス膨張機構と、前記放熱器で放熱させた高圧冷媒と、前記バイパス膨張機構で断熱膨張させた中間圧冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、前記中間冷却器で熱交換した冷媒と、前記蒸発器で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器とを備え、前記放熱器の放熱能力に対する前記中間冷却器及び前記内部熱交換器の熱交換能力の比を0.15〜0.35としたことを特徴とする。
また本発明は、上記冷媒回路装置において、前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする。
本発明によれば、放熱器の放熱能力に対する中間冷却器及び内部熱交換器の熱交換能力の比を0.15〜0.35としたので、所定の高圧範囲で最大COPを得ることができ、これにより冷凍効率の向上を図ることができるという効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態である冷媒回路装置を構成する冷媒回路の概略図である。 図2は、図1に示す冷媒回路での冷凍サイクルを示すP−h線図である。 図3は、図1に示す冷媒回路を備えた冷媒回路装置における、高圧に対する最大COPと能力比との実験結果を示す図表である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る冷媒回路装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態である冷媒回路装置を構成する冷媒回路の概略図である。ここで例示する冷媒回路20は、例えば二酸化炭素を冷媒として封入したもので、第1圧縮機21、第2圧縮機22、放熱器23、膨張弁24及び蒸発器25を冷媒管路26にて順次接続して構成したものである。
第1圧縮機21は、蒸発器25で蒸発した低圧冷媒を吸引して圧縮し、中間圧冷媒として吐出するものである。第2圧縮機22は、第1圧縮機21で圧縮され、かつ中間熱交換器27で放熱した中間圧冷媒を吸引して圧縮し、高圧冷媒として吐出するものである。中間熱交換器27は、第1圧縮機21と第2圧縮機22との間であって放熱器23に隣接する態様で設けてあり、自身の流路を通過する冷媒(中間圧冷媒)と周囲空気とを熱交換させて中間圧冷媒を放熱させるものである。
本実施の形態である冷媒回路装置の冷媒回路20においては、第1圧縮機21と中間熱交換器27との間の冷媒管路26には第1オイルセパレータ28が設けてある。第1オイルセパレータ28は、第1圧縮機21で圧縮されて吐出された中間圧冷媒と、この中間圧冷媒とともに吐出されるオイルとの混合物である油混合冷媒を冷媒(中間圧冷媒)とオイルとに遠心分離させるものである。そして、遠心分離された冷媒は、中間熱交換器27に送出される一方、遠心分離されたオイルは、オイル戻り管路29を通じて第1圧縮機21に送出される。ここでオイル戻り管路29の途中にはオイルを減圧させるためのキャピラリーチューブ30が設けてある。
放熱器23は、第2圧縮機22から吐出されて自身の流路を通過する高圧冷媒と周囲空気とを熱交換させて高圧冷媒を放熱させるものである。本実施の形態である冷媒回路装置の冷媒回路20においては、第2圧縮機22と放熱器23との間の冷媒管路26には第2オイルセパレータ31が設けてある。第2オイルセパレータ31は、第2圧縮機22で圧縮されて吐出された高圧冷媒と、この高圧冷媒とともに吐出されるオイルとの混合物である油混合冷媒を冷媒(高圧冷媒)とオイルとに遠心分離させるものである。そして、遠心分離された冷媒は、放熱器23に送出される一方、遠心分離されたオイルは、オイル戻り管路32を通じて第2圧縮機22に送出される。ここでオイル戻り管路32の途中にはオイルを減圧させるためのキャピラリーチューブ33が設けてある。
膨張弁24は、例えば電子膨張弁等により構成されるもので、図示せぬ制御手段により開度が調整されるものである。この膨張弁24は、放熱器23で放熱した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧して断熱膨張させる膨張機構である。
蒸発器25は、膨張弁24で断熱膨張されて自身の流路を通過する低圧冷媒と周囲空気とを熱交換させて低圧冷媒を蒸発させるものである。
このような冷媒回路20には、上記構成の他、バイパス管路34、バイパス膨張弁35、中間冷却器36及び内部熱交換器37が設けてある。
バイパス管路34は、放熱器23から膨張弁24に至る冷媒管路26の途中から分岐し、中間熱交換器27から第2圧縮機22に至る冷媒管路26に合流する態様で設けてある。
バイパス膨張弁35は、例えば電子膨張弁等により構成されるもので、制御手段により開度が調整されるものである。このバイパス膨張弁35は、バイパス管路34の途中に設けてあり、このバイパス管路34を通過する冷媒(高圧冷媒)を中間圧冷媒に減圧して断熱膨張させるものである。
中間冷却器36は、第1高圧流路361と中間圧流路362とが互いに熱交換可能に設けられた熱交換器である。第1高圧流路361は、放熱器23から膨張弁24に至る冷媒管路26を構成するものであり、中間圧流路362は、バイパス膨張弁35より下流側のバイパス管路34を構成するものである。つまり、中間冷却器36は、放熱器23で放熱した高圧冷媒と、バイパス膨張弁35で断熱膨張させた中間圧冷媒とを熱交換させるものである。
内部熱交換器37は、第2高圧流路371と低圧流路372とが互いに熱交換可能に設けられた熱交換器である。第2高圧流路371は、中間冷却器36から膨張弁24に至る冷媒管路26を構成するものであり、低圧流路372は、蒸発器25より第1圧縮機21に至る冷媒管路26を構成するものである。つまり、内部熱交換器37は、中間冷却器36で熱交換した高圧冷媒と、蒸発器25で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させるものである。
このような構成を有する冷媒回路装置においては、冷媒が次のように循環する。尚、膨張弁24やバイパス膨張弁35の開度は、制御手段によりそれぞれが所望の開度に調整されているものとする。
第1圧縮機21の駆動により、蒸発器25で蒸発した低圧冷媒は、内部熱交換器37の低圧流路372を通過した後に第1圧縮機21に吸引されて圧縮される。この第1圧縮機21で圧縮されて吐出された中間圧冷媒が第1オイルセパレータ28でオイルが分離された後、中間熱交換器27で放熱して第2圧縮機22に吸引される。この第2圧縮機22に吸引された中間圧冷媒は、圧縮されて高圧冷媒として吐出される。吐出された高圧冷媒は、第2オイルセパレータ31でオイルが分離された後、放熱器23に至り、この放熱器23の流路を通過中に周囲空気と熱交換して放熱する。
放熱器23で放熱した高圧冷媒は途中で2つに分岐して、一方の高圧冷媒は、バイパス管路34を通過してバイパス膨張弁35で減圧されることで断熱膨張して中間圧冷媒として中間冷却器36の中間圧流路362を通過する。この中間圧流路362を通過した中間圧冷媒は、その後に中間熱交換器27を通過した中間圧冷媒と合流して第2圧縮機22に吸引される。
ところで、上記放熱器23で放熱して2つに分岐した他方の高圧冷媒は、中間冷却器36の第1高圧流路361を通過する際に、中間圧流路362を通過する中間圧冷媒と熱交換を行って冷却される。この第1高圧流路361を通過した高圧冷媒は、内部熱交換器37に至り、該内部熱交換器37の第2高圧流路371を通過する際に、低圧流路372を通過する低圧冷媒、すなわち蒸発器25で蒸発した低圧冷媒と熱交換を行って冷却され、その後に膨張弁24で減圧されることで断熱膨張して低圧冷媒として蒸発器25に至る。この蒸発器25に至った低圧冷媒は、蒸発器25の流路を通過中に周囲空気と熱交換して蒸発し、その後に内部熱交換器37の低圧流路372を通過して第1圧縮機21に吸引されることで、冷媒は冷媒回路20を循環する。
図2は、図1に示す冷媒回路20での冷凍サイクルを示すP−h線図である。図2中の数字は、冷媒回路20における各機器の出入口を示しており、1→2は第1圧縮機21の圧縮行程、2→3は中間熱交換器27での冷媒冷却行程、3→4は第2圧縮機22の圧縮行程を示している。4→5は放熱器23での高圧冷媒の放熱行程、5→6は中間冷却器36における高圧冷媒の冷却行程、6→7は内部熱交換器37における高圧冷媒の冷却行程、7→8は膨張弁24による断熱膨張行程、8→9は蒸発器25における吸熱行程、9→10(1)は、内部熱交換器37における低圧冷媒の加熱行程を示している。更に、5→11はバイパス膨張弁35による断熱膨張行程、11→3は中間冷却器36における中間圧冷媒の過熱行程を示している。
本実施の形態である冷媒回路装置の冷媒回路20では、中間冷却器36及び内部熱交換器37での冷却行程により吸熱行程のエンタルピ差(以下、冷凍効果ともいう)がh9−h8となり、2段階圧縮単独での吸熱行程のエンタルピ差h9ーh5よりも大きくなる。冷凍能力は、冷凍効果に低圧冷媒の流量を積算したものであるため、低圧冷媒の流量が同じであれば、冷凍効果の増大により冷凍能力が向上することとなる。
従って、上記冷媒回路装置によれば、中間冷却器36において第1高圧流路361を通過する冷媒(高圧冷媒)と、中間圧流路362を通過する冷媒(中間圧冷媒)とを熱交換させ、更にこの中間冷却器36を通過した高圧冷媒を内部熱交換器37において低圧流路372を通過する冷媒(低圧冷媒)と熱交換させるので、高周温時においても膨張弁24で減圧される前の高圧冷媒の温度を十分に低下させることができ、これにより冷凍効果を増大させることができ、この結果、冷凍能力を向上させることができる。
そして、本実施の形態の冷媒回路装置においては、放熱器23の放熱能力に対する中間冷却器36及び内部熱交換器37の熱交換能力の比(以下、能力比ともいう)を0.15〜0.35としている。
圧縮行程を等エントロピ圧縮、膨張行程を断熱膨張と仮定した理想サイクル計算により、負荷が最大となる夏季における周囲温度条件(例えば32℃)を想定した場合における、第1圧縮機21と第2圧縮機22との排除容積比を0.60、0.75、0.90としたときのそれぞれでの能力比を変化させて成績係数COPを求めた。各排除容積比における高圧に対するCOPと、能力比との関係を図3に示す。
この図3より、最大COPが得られる高圧範囲(8.5MPa〜9.5MPa)での能力比は、0.15〜0.35の範囲に含まれることが明らかである。
以上説明したように、本実施の形態である冷媒回路装置によれば、能力比が0.15〜0.35としているので、図3に示す実験例からも明らかなように所定の高圧範囲で最大COPを得ることができ、これにより、冷凍効率の向上を図ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
上述した実施の形態では、内部熱交換器は、中間冷却器で熱交換した高圧冷媒と、蒸発器で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させるものであったが、本発明においては、内部熱交換器と中間冷却器との間の冷媒管路に冷媒を減圧させる膨張機構を設置することで、内部熱交換器は、中間冷却器を通過し、かつ該膨張機構で断熱膨張された中間圧冷媒と、蒸発器で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させるものであってもよい。
上述した実施の形態では、冷媒回路に気液分離器を設けることについては特に言及していないが、本発明においては、必要に応じて気液分離器を設けるようにしてもよい。
20 冷媒回路
21 第1圧縮機
22 第2圧縮機
23 放熱器
24 膨張弁
25 蒸発器
26 冷媒管路
27 中間熱交換器
28 第1オイルセパレータ
29 オイル戻り管路
30 キャピラリーチューブ
31 第2オイルセパレータ
32 オイル戻り管路
33 キャピラリーチューブ
34 バイパス管路
35 バイパス膨張弁
36 中間冷却器
361 第1高圧流路
362 中間圧流路
37 内部熱交換器
371 第2高圧流路
372 低圧流路

Claims (2)

  1. 蒸発器で蒸発した低圧冷媒を吸引して圧縮し、中間圧冷媒として吐出する第1圧縮機と、
    前記第1圧縮機から吐出され、かつ中間熱交換器で放熱した中間圧冷媒を吸引して圧縮し、高圧冷媒として吐出する第2圧縮機と、
    前記第2圧縮機から吐出された高圧冷媒を放熱させる放熱器と、
    前記放熱器で放熱させた高圧冷媒を低圧冷媒に減圧することで断熱膨張させ、かつ前記蒸発器に送出する膨張機構と
    を冷媒管路で接続することで2段圧縮冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷媒回路装置において、
    前記放熱器から前記膨張機構に至る冷媒管路の途中から分岐し、前記中間熱交換器から前記第2圧縮機に至る冷媒管路に合流する態様で設けられたバイパス管路と、
    前記バイパス管路を通過する高圧冷媒を中間圧冷媒に減圧して断熱膨張させるバイパス膨張機構と、
    前記放熱器で放熱させた高圧冷媒と、前記バイパス膨張機構で断熱膨張させた中間圧冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、
    前記中間冷却器で熱交換した冷媒と、前記蒸発器で蒸発した低圧冷媒とを熱交換させる内部熱交換器と
    を備え、
    前記放熱器の放熱能力に対する前記中間冷却器及び前記内部熱交換器の熱交換能力の比を0.15〜0.35としたことを特徴とする冷媒回路装置。
  2. 前記冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項1に記載の冷媒回路装置。
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