JP6991866B2 - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

Description

本願は、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機に関する。

特許文献１には、ガスインジェクションサイクル方式の蒸気圧縮式冷凍機が記載されている。当該蒸気圧縮式冷凍機は、圧縮機、凝縮器、第１膨張弁、気液分離器、過冷却器、第２膨張弁及び蒸発器等を有して構成されている。

気液分離器は、第１膨張弁にて減圧されて気液二相状態となった冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器内の圧力は、凝縮圧力（圧縮機の吐出圧）と蒸発圧力（圧縮機の吸入圧）との中間圧である。気液分離器にて分離抽出された中間圧の気相冷媒は、圧縮途中の圧縮機に注入（インジェクション）される。これにより、圧縮機の消費動力が低減される。

気液分離器にて分離抽出された中間圧の液相冷媒は、過冷却器により冷却されて過冷却度（サブクール）が増大された後、第２膨張弁にて蒸発圧力まで減圧される。これにより、蒸発器に流入する冷媒の乾き度が小さくなるので、蒸発器の入口と出口との比エンタルピ差を大きくでき、大きな冷凍能力を得ることが可能となる。

特開２００１－４１６０１号公報

ガスインジェクションサイクル方式の蒸気圧縮式冷凍機においては、第２膨張弁に流入する冷媒は、飽和液冷媒、つまり乾き度０の冷媒であることが望ましい。つまり、第２膨張弁に流入する冷媒が気液二相状態となり、当該冷媒に気相冷媒（フラッシュガス）が存在していると、第２膨張弁にて冷媒を十分に減圧することができなくなるとともに、蒸発器で発生する冷凍能力（吸熱能力）が低下してしまう。

本願は、上記点に鑑み、蒸発器で発生する冷凍能力（吸熱能力）が低下することを抑制可能なガスインジェクションサイクル方式の蒸気圧縮式冷凍機の一例を開示する。

蒸気圧縮式冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮装置（１０）と、圧縮装置（１０）から吐出された冷媒を冷却し、当該冷媒から吸熱した熱を高温側に放出する放熱器（２０）と、放熱器（２０）から流出した冷媒を減圧膨張させる第１膨張弁（３０）と、第１膨張弁（３０）にて減圧された冷媒のうち気相冷媒を圧縮装置（１０）の圧縮途中に注入するインジェクション部（４１）と、第１膨張弁（３０）にて減圧された冷媒のうち液相冷媒を冷却する過冷却器（５０）と、過冷却器（５０）から流出した冷媒を減圧膨張させる第２膨張弁（６０）と、第２膨張弁（６０）から流出した液相冷媒を蒸発させることにより、低温側から吸熱する蒸発器（７０）であって、蒸発した気相冷媒を圧縮装置（１０）の吸入側に供給する蒸発器（７０）と、第２膨張弁（６０）に流入する冷媒の過冷却度が０℃以上の液相冷媒となるように、第１膨張弁（３０）の絞り開度を制御する制御部（８０）とを備えることが望ましい。

これにより、第２膨張弁（６０）に気液二相状態の冷媒が流入することを抑止でき得るので、第２膨張弁（６０）にて冷媒を十分に減圧することができ、蒸発器（７０）で十分な冷凍能力（吸熱能力）を発生させることが可能となり得る。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。 本発明の第３実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。 本発明の第４実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。 本発明の第５実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。 本発明の第６実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の説明図である。

以下に説明する「発明の実施形態」は、本願発明の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されるものではない。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「１つの」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。

（第１実施形態）
１．蒸気圧縮式冷凍機の概要
本実施形態は、空冷パッケージ式空調装置用の蒸気圧縮式冷凍機に本発明を適用したものである。蒸気圧縮式冷凍機１とは、冷媒蒸発時の吸熱作用を利用して低温側の熱を高温側に移動させる冷凍機である。

したがって、室内空気から吸熱する場合には蒸気圧縮式冷凍機１にて冷房運転が可能である。室外空気から吸熱する場合には蒸気圧縮式冷凍機１にて暖房運転が可能である。図１に示す蒸気圧縮式冷凍機１は、冷房運転の可能な蒸気圧縮式冷凍機１の基本構成を示す。

２．蒸気圧縮式冷凍機の構成
蒸気圧縮式冷凍機１は、圧縮装置１０、放熱器２０、第１膨張弁３０、気液分離器４０、過冷却器５０、第２膨張弁６０及び蒸発器７０等を少なくとも備える。

圧縮装置１０は、蒸発器７０から流出した冷媒を吸入して圧縮する。本実施形態に係る圧縮装置１０は、中間圧の冷媒を圧縮行程中の圧縮室に注入噴射可能な１台の電動圧縮機にて構成されている。

放熱器２０は、圧縮装置１０から吐出された冷媒を冷却し、蒸発器７０にて吸熱した熱を高温側（本実施形態では、室外空気）に放出させる。なお、本実施形態では、圧縮装置１０の吐出圧、つまり放熱器２０内の冷媒圧力は、冷媒の臨界圧力未満である。

このため、放熱器２０にて冷却された気相冷媒の少なくとも一部は凝縮して液化する。したがって、本実施形態に係る放熱器２０は凝縮器として機能する。なお、放熱器２０内の冷媒圧力が臨界圧力を越えている場合には、放熱器２０内で冷媒は凝縮しない。

第１膨張弁３０は、放熱器２０から流出した冷媒を減圧膨張させる。第１膨張弁３０にて減圧された冷媒は、気液二相状態の冷媒となる。気液分離器４０は、第１膨張弁３０から流出した気液二相状態の冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。

気液分離器４０にて分離抽出された中間圧の気相冷媒は、インジェクション部４１を経由して圧縮行程中の圧縮室に注入噴射される。中間圧とは、圧縮装置１０の吐出圧より低く、かつ、圧縮装置１０の吸入圧より高い圧力をいう。

過冷却器５０は、気液分離器４０にて分離抽出された中間圧の液相冷媒を冷却する。これにより、当該液相冷媒の過冷却度が大きくなる。本実施形態に係る過冷却器５０は、室外に配設されて室外空気にて当該液相冷媒を冷却する。つまり、過冷却器５０は、放熱器２０が設置された雰囲気（室外空気）と冷媒とを熱交換して液相冷媒を冷却する。

第２膨張弁６０は、過冷却器５０から流出した冷媒を減圧膨張させる。蒸発器７０は、第２膨張弁６０から流出した液相冷媒を蒸発させることにより、低温側（本実施形態では、室内空気）から吸熱する。蒸発器７０から流出した気相冷媒は、圧縮装置１０の吸入側に供給される。圧縮装置１０は、当該気相冷媒を吸入圧縮して放熱器２０側に吐出する。

なお、第２膨張弁６０は、室内又は過冷却器５０から第２膨張弁６０まで配管長が十分に長くなる位置に配設されている。つまり、第２膨張弁６０は、当該第２膨張弁６０に流入する冷媒にフラッシュガスが発生する可能性がある位置に配設されている。なお、配管長が十分に長いとは、例えば７．５ｍ以上の配管長をいう。

３．第１膨張弁及び第２膨張弁の制御
第１膨張弁３０及び第２膨張弁６０は、絞り開度（減圧度）を連続的に変更制御可能な電気式の膨張弁である。第１膨張弁３０の絞り開度及び第２膨張弁６０の絞り開度は、制御部８０により制御される。

制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータにて構成されている。当該制御部８０は、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラムに従って第１膨張弁３０及び第２膨張弁６０を制御する。

なお、制御部８０には、第１圧力センサＳ１、第２圧力センサＳ２、第１温度センサＳ３、第２温度センサＳ４、外気温度センサ（図示せず。）及び室内温度センサ（図示せず。）等の検出信号が入力されている。

第１圧力センサＳ１は第２膨張弁６０の冷媒入口での冷媒圧力を検出する。第１温度センサＳ３は、第２膨張弁６０の冷媒入口での冷媒温度を検出する。第２圧力センサＳ２は、蒸発器７０の冷媒出口での冷媒圧力を検出する。

第２温度センサＳ４は、蒸発器７０の冷媒出口での冷媒温度を検出する。外気温度センサは、放熱器２０の雰囲気温度、つまり室外空気の温度を検出する。室内温度センサは、蒸発器７０にて冷却される前の室内空気の温度を検出する。

＜第１膨張弁の制御＞
制御部８０は、第２膨張弁６０に流入する冷媒の過冷却度が０℃以上の液相冷媒となるように第１膨張弁３０の絞り開度を制御する。

このとき、制御部８０は、第２膨張弁６０の冷媒入口での冷媒圧力（第１圧力センサＳ１の検出値）、及び第２膨張弁６０の冷媒入口での冷媒温度（第１温度センサＳ３の検出値）を利用して第２膨張弁６０の冷媒入口での冷媒の状態を判断する。

制御部８０は、過冷却器５０に流入する冷媒の温度を雰囲気温度（室外空気温度）より高い温度になるように第１膨張弁３０の絞り開度を制御することで、過冷却器５０の冷媒出口における冷媒の過冷却度が、０℃より大きい所定の値となるように、第１膨張弁３０の絞り開度を制御する。

なお、「０℃より大きい所定の値」とは、過冷却器５０の冷媒出口から第２膨張弁６０の冷媒入口に至る冷媒経路における過冷却度の低下度ΔＳＣが加味された値より大きい値である。

つまり、制御部８０は、「過冷却器５０の冷媒出口での過冷却度が、第２膨張弁６０の冷媒入口での過冷却度に低下度ΔＳＣを加算した値以上となるように、第１膨張弁３０の絞り開度を制御する」ことになる。

＜第２膨張弁の制御＞
制御部８０は、蒸発器７０の冷媒出口における過熱度が０℃以上となるように、第２膨張弁６０の絞り開度を制御する。

このとき、制御部８０は、蒸発器７０の冷媒出口における冷媒圧力（第２圧力センサＳ２の検出値）、及び蒸発器７０の冷媒出口における冷媒温度（第２温度センサＳ４の検出値）を利用して蒸発器７０の冷媒出口における冷媒の状態を判断する。

４．本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機の特徴
本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１では、第２膨張弁６０に流入する冷媒の過冷却度が０℃以上の液相冷媒となるように第１膨張弁３０の絞り開度が制御される。

これにより、第２膨張弁６０に気液二相状態の冷媒が流入することを抑止でき得るので、第２膨張弁６０にて冷媒を十分に減圧することができ、蒸発器７０で十分な冷凍能力（吸熱能力）を発生させることが可能となり得る。

制御部８０は、過冷却器５０に流入する冷媒の温度を雰囲気温度（室外空気温度）より高い温度に維持するように第１膨張弁３０の絞り開度を制御する。これにより、過冷却器５０に流入する冷媒が雰囲気から吸熱してしまうことを抑制できる。

つまり仮に、過冷却器５０に流入する冷媒の温度が雰囲気温度（室外空気温度）より低い温度であると、当該冷媒が雰囲気から吸熱し、フラッシュガスが発生する可能性が高くなる。

しかし、本実施形態では、過冷却器５０に流入する冷媒の温度が、雰囲気温度（室外空気温度）より高い温度に維持されるので、当該冷媒が雰囲気から吸熱することはなく、フラッシュガスの発生を抑制でき得る。

（第２実施形態）
本実施形態は、図２に示すように、過冷却器５０に水等の液体を散水する散水器５１を設けたものである。なお、散水器５１は、雰囲気温度（室外空気温度）が予め決められた所定温度以上となったとき、又は蒸発器７０で必要とされる冷凍能力が予め決められた能力以上となったとき等に散水を実行する。

なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。
（第３実施形態）
本実施形態に係る過冷却器５０は、蒸発器７０から流出した冷媒の一部又は全てと気液分離器４０にて分離抽出された冷媒とを熱交換することにより、第２膨張弁６０に供給する冷媒を冷却する。

本実施形態では、蒸発器７０から流出した冷媒は、過冷却器５０にて加熱されるので、蒸発器７０の冷媒出口における過熱度が０℃未満であってもよい。なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。

（第４実施形態）
本実施形態に係る過冷却器５０は、図４に示すように、熱電効果を利用して第２膨張弁６０に供給する冷媒を冷却する。具体的には、過冷却器５０は、ペルチェ効果を利用したペルチェ素子にて構成さている。

なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。
（第５実施形態）
本実施形態に係る過冷却器５０は、図５に示すように、第３膨張弁３１にて減圧膨張した冷媒を利用して第２膨張弁６０に供給する冷媒を冷却する。第３膨張弁３１は、第１膨張弁３０及び気液分離器４０に対して並列に設けられているとともに、放熱器２０から流出した冷媒の一部を中間圧（気液分離器４０内の圧力）より低い圧力まで減圧膨張させる。

第３膨張弁３１にて気液二相となった冷媒は、気液分離器４０から流出する液相冷媒より温度が低下しているため、当該気液二相冷媒中の液相冷媒が気液分離器４０から流出する液相冷媒から吸熱して蒸発する。第３膨張弁３１から供給された冷媒（以下、冷却用冷媒という。）は、圧縮装置１０に吸引されて圧縮された後、放熱器２０に供給される。

このとき、冷却用冷媒の圧力が蒸発器７０内の圧力と等しい場合には、当該冷却用冷媒は、蒸発器７０から流出する冷媒と共に圧縮装置１０に吸引される。冷却用冷媒の圧力が蒸発器７０内の圧力より高い場合には、当該冷却用冷媒は、圧縮行程中の圧縮室に供給される。

なお、圧縮装置１０に吸引される冷却用冷媒は、気液二相状態及び飽和気相冷媒（過熱度０℃以上）のいずれであってよい。仮に、気液二相状態の冷媒が圧縮装置１０に吸引された場合には、リキッド（液）インジェクションサイクルと同様に、圧縮装置１０を冷却でき得る。

因みに、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。
（第６実施形態）
上述の実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１は冷房運転専用であった。本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機１は、図６に示すように、冷房運転と暖房運転とを切り替えることが可能な蒸気圧縮式冷凍機である。

切替弁９１、９２は、冷媒の流入経路を切り替えるための弁である。そして、冷房運転時には、室内に設置された熱交換器が蒸発器として機能し、室外に設置された熱交換器が放熱器（凝縮器）として機能する。

暖房運転時には、室外に設置された熱交換器が蒸発器として機能し、室内に設置された熱交換器が放熱器（凝縮器）として機能する。第４膨張弁６１は、暖房運転時に第２膨張弁６０として機能する膨張弁である。なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。

（その他の実施形態）
上述の実施形態に係る圧縮装置１０は、１台の圧縮機により構成されていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、複数台の圧縮機により圧縮装置１０が構成され、当該圧縮装置１０の圧縮途中に中間圧の冷媒、つまり気液分離器４０から供給された冷媒を注入してもよい。

上述の実施形態では、空冷パッケージ式空調装置に蒸気圧縮式冷凍機を適用した。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、室外機の台数より室内機の台数が多いマルチ式空調装置にも適用可能である。

なお、蒸発器７０が複数設けられているマルチ式空調装置では、第２膨張弁６０も複数となる。したがって、各第２膨張弁６０に流入する冷媒それぞれの過冷却度が０℃以上の液相冷媒となるように、第１膨張弁３０の絞り開度が制御される。

本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態を組み合わせてもよい。

１… 蒸気圧縮式冷凍機
１０… 圧縮装置
２０… 放熱器
３０… 第１膨張弁
３１… 第３膨張弁
４０… 気液分離器
５０… 過冷却器
６０… 第２膨張弁
７０… 蒸発器
８０… 制御部

Claims (6)

1. 低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機において、
   冷媒を圧縮する圧縮装置と、
   前記圧縮装置から吐出された冷媒を冷却し、当該冷媒から吸熱した熱を高温側に放出する放熱器と、
   前記放熱器から流出した冷媒を減圧膨張させる第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁にて減圧された冷媒のうち気相冷媒を前記圧縮装置の圧縮途中に注入するインジェクション部と、
   前記第１膨張弁にて減圧された冷媒のうち液相冷媒を冷却する過冷却器と、
   前記過冷却器から流出した冷媒を減圧膨張させる第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁から流出した液相冷媒を蒸発させることにより、低温側から吸熱する蒸発器であって、蒸発した気相冷媒を前記圧縮装置の吸入側に供給する蒸発器と、
   前記第２膨張弁に流入する冷媒の過冷却度が０℃以上の液相冷媒となるように、前記第１膨張弁の絞り開度を制御する制御部と
   を備える蒸気圧縮式冷凍機。
2. 前記過冷却器は、前記放熱器が設置された雰囲気と冷媒とを熱交換することにより、前記第２膨張弁に供給する冷媒を冷却する請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
3. 前記過冷却器に水を散水する散水器を備える請求項１又は２に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
4. 前記過冷却器は、前記蒸発器から流出した冷媒の一部又は全てと熱交換することにより、前記第２膨張弁に供給する冷媒を冷却する請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
5. 前記過冷却器は、熱電効果を利用して前記第２膨張弁に供給する冷媒を冷却する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
6. 前記第１膨張弁に対して並列に設けられているとともに、前記放熱器から流出した冷媒の一部を前記第２膨張弁の冷媒入口圧力より低い圧力まで減圧膨張させる第３膨張弁を備え、
   前記過冷却器は、前記第３膨張弁にて減圧膨張した冷媒を利用して前記第２膨張弁に供給する冷媒を冷却する請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍機。

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