JP6131741B2 - 冷媒回路装置 - Google Patents

Description

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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