JP7450772B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は冷凍サイクル装置に関するものである。

冷凍サイクル装置では、運転状態および外気温度等によって余剰冷媒が生じる。例えば、国際公開第２０２０／２０８７５２号公報（特許文献１）には、気液二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、余剰冷媒を液冷媒としてレシーバに貯留する冷凍サイクル装置が記載されている。レシーバの上端に冷媒入口およびガス排出口が設けられている。レシーバの下端に冷媒出口が設けられている。

国際公開第２０２０／２０８７５２号公報

上記の冷凍サイクル装置では、レシーバに貯留された液冷媒が増加すると、液冷媒の液面が上昇してレシーバの上端に設けられたガス排出口から液冷媒が流出する。このため、気液分離効率が低下する。気液分離効率の低下を避けるためには、レシーバに貯留された液冷媒が増加してもガス排出口から液冷媒が流出しないようにレシーバを大型化しなければならない。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒の気液分離を確実に行いつつレシーバを小型化することができる冷凍サイクル装置を提供することである。

本開示の冷凍サイクル装置は、冷媒回路と、気液分離回路とを備えている。冷媒回路は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出した冷媒を減圧する減圧装置と、減圧装置から流出した冷媒を蒸発させる蒸発器とを含んでいる。気液分離回路は、凝縮器と減圧装置との間の冷媒回路と、圧縮機または圧縮機と蒸発器との間の冷媒回路とに接続されている。気液分離回路は、内部熱交換器と、内部熱交換器から流出した冷媒を貯留可能に構成されたレシーバと、レシーバから流出した冷媒の流量を調整可能に構成された第１弁と、内部熱交換器およびレシーバに接続された第２弁とを含んでいる。内部熱交換器は、凝縮器から流出した冷媒が流れる第１通路と、第１通路から流出した冷媒が流れる第２通路とを有し、かつ第１通路を流れる冷媒と第２通路を流れる冷媒とを熱交換させるように構成されている。気液分離回路は、内部熱交換器の第１通路と、レシーバと、第１弁とを有する第１流路と、内部熱交換器の第２通路と、第２弁とを有する第２流路とを含んでいる。第２流路は、内部熱交換器とレシーバとの間の第１流路から分岐し第１弁と冷媒回路との間の第１流路に合流するように構成されている。

本開示の冷凍サイクル装置によれば、気液分離回路によって、冷媒の気液分離を確実に行いつつレシーバを小型化することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 実施の形態に係る冷凍サイクル装置の動作を示す冷媒回路図である。 実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例１の冷媒回路図である。 実施の形態に係る冷凍サイクル装置の変形例２の冷媒回路図である。 比較例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

図１を参照して、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置１００の構成について説明する。図１は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、例えば、冷凍機である。

図１に示されるように、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、冷媒回路１０１と、気液分離回路１０２と、制御装置１０３とを備えている。冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）である。

冷媒回路１０１は、圧縮機１と、凝縮器２と、減圧装置３と、蒸発器４とを含んでいる。圧縮機１と、凝縮器２と、減圧装置３と、蒸発器４とが配管で接続されることにより冷媒回路１０１が構成されている。冷媒回路１０１は、圧縮機１、凝縮器２、減圧装置３、蒸発器４の順に冷媒が流れるように構成されている。

圧縮機１は、冷媒を圧縮するように構成されている。圧縮機１は、冷媒を吸入し圧縮して吐出するように構成されている。圧縮機１は、冷媒を圧縮して高温かつ高圧の状態にするように構成されている。本実施の形態では、圧縮機１は、中間圧部に設けられたインジェクションポートを含んでいる。

圧縮機１は、容量可変に構成されていてもよい。圧縮機１は、制御装置１０３からの指示に基づいて周波数が変更されることで回転数が調整されることにより容量が変化するように構成されていてもよい。

凝縮器２は、圧縮機１から吐出された冷媒を凝縮させるように構成されている。凝縮器２は、圧縮機１から吐出された冷媒を冷却して凝縮させるように構成されている。凝縮器２は、例えば、複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とを有するフィンアンドチューブ型熱交換器である。

減圧装置３は、凝縮器２から流出した冷媒を減圧するように構成されている。減圧装置３は、膨張弁である。減圧装置３は、例えば、電磁弁である。減圧装置３は、制御装置１０３からの指示に基づいて冷媒の流量を調整可能に構成されている。

蒸発器４は、減圧装置３から流出した冷媒を蒸発させるように構成されている。蒸発器４は、減圧装置３から流出した冷媒を加熱して蒸発させるように構成されている。蒸発器４は、例えば、複数のフィンと、複数のフィンを貫通する伝熱管とを有するフィンアンドチューブ型熱交換器である。

気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１または圧縮機１と蒸発器４との間の冷媒回路１０１とに接続されている。本実施の形態では、気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１とに接続されている。具体的には、気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１の配管と、圧縮機１の中間圧側とに接続されている。

気液分離回路１０２は、内部熱交換器５と、レシーバ６と、第１弁７と、第２弁８とを含んでいる。内部熱交換器５、レシーバ６、第１弁７、第２弁８および配管は、気液分離機構１０を構成している。気液分離機構１０の入口１１は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１に接続されている。気液分離機構１０の分岐部１２は、内部熱交換器５と、レシーバ６と、第２弁８との間に配置されている。気液分離機構１０の合流部１３は、内部熱交換器５と、第１弁７と、気液分離機構１０の出口１４との間に配置されている。気液分離機構１０の出口１４は、圧縮機１または圧縮機１と蒸発器４との間の冷媒回路１０１に接続されている。

内部熱交換器５は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１に配管により接続されている。内部熱交換器５は、第１通路５１と、第２通路５２とを含んでいる。第１通路５１は、凝縮器２から流出した冷媒が流れるように構成されている。第２通路５２は、第１通路５１から流出した冷媒が流れるように構成されている。内部熱交換器５は、第１通路５１を流れる冷媒と第２通路５２を流れる冷媒とを熱交換させるように構成されている。本実施の形態では、内部熱交換器５は、第１通路５１を流れる冷媒の流れと第２通路５２を流れる冷媒の流れとが対向するように構成されている。つまり、内部熱交換器５は、第１通路５１および第２通路５２を流れる冷媒の流れが対向流となるように構成されている。内部熱交換器５は、冷媒流れにおいてレシーバ６の上流側に配置されている。

レシーバ６は、内部熱交換器５、第１弁７および第２弁８に配管により接続されている。レシーバ６の上端に冷媒入口６ａが設けられている。レシーバ６の下端に冷媒出口６ｂが設けられている。レシーバ６は、内部熱交換器５から流出した冷媒を貯留可能に構成されている。レシーバ６は、液化した液冷媒を貯留可能に構成されている。レシーバ６は、余剰冷媒を貯留可能に構成されている。

第１弁７は、レシーバ６の冷媒出口６ｂに配管により接続されている。第１弁７は、レシーバ６から流出した冷媒の流量を調整可能に構成されている。第１弁７は、例えば、流量調整弁である。第１弁７は、例えば、電磁弁である。

第２弁８は、内部熱交換器５およびレシーバ６に接続されている。第２弁８は、内部熱交換器５の第１通路５１およびレシーバ６の冷媒入口６ａならびに内部熱交換器５の第２通路５２に配管により接続されている。第２弁８は、例えば、開閉弁である。第２弁８は、例えば、流量調整弁であってもよい。第２弁８は、例えば、電磁弁である。

気液分離回路１０２は、第１流路Ｐ１と、第２流路Ｐ２とを含んでいる。第１流路Ｐ１は、内部熱交換器５の第１通路５１と、レシーバ６と、第１弁７とを有する。第１流路Ｐ１は、内部熱交換器５の第１通路５１、レシーバ６、第１弁７の順に冷媒が流れるように構成されている。第２流路Ｐ２は、内部熱交換器５の第２通路５２と、第２弁８とを有する。第２流路Ｐ２は、第２弁８、内部熱交換器５の第２通路５２の順に冷媒が流れるように構成されている。

第１流路Ｐ１は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１または圧縮機１と蒸発器４との間の冷媒回路１０１とに接続されている。第２流路Ｐ２は、内部熱交換器５とレシーバ６との間の第１流路Ｐ１から分岐し第１弁７と冷媒回路１０１との間の第１流路Ｐ１に合流するように構成されている。第２流路Ｐ２は、分岐部１２において第１流路Ｐ１から分岐し、合流部１３において第１流路Ｐ１に合流するように構成されている。

制御装置１０３は、冷凍サイクル装置１００の全体を制御するように構成されている。制御装置１０３は、冷媒回路１０１および気液分離回路１０２を制御するように構成されている。制御装置１０３は、冷媒回路１０１において圧縮機１および減圧装置３を制御するように構成されている。制御装置１０３は、気液分離回路１０２において第１弁７および第２弁８の開度を制御するように構成されている。制御装置１０３は、例えば、マイクロコンピュータで構成されている。制御装置１０３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んでいる。ＲＯＭには制御プログラムが記憶されている。

次に、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。
図２を参照して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の運転時の動作について説明する。図２は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の運転時の動作を示す冷媒回路図である。図２中において冷媒回路１０１および気液分離回路１０２に付された矢印は冷媒の流れを示している。

まず冷媒回路１０１を流れる冷媒の流れについて説明する。圧縮機１に流入した冷媒は、圧縮機１により圧縮されて高温および高圧のガス冷媒となり、圧縮機１から吐出される。この高温および高圧のガス冷媒は、凝縮器２に流入し、凝縮器２により凝縮されて液冷媒となり、凝縮器２から流出する。この液冷媒の一部は、減圧装置３に流入し、減圧装置３により減圧されて低圧の気液二相冷媒となり、減圧装置３から流出する。この低圧の気液二相冷媒は、蒸発器４に流入し、蒸発器４により蒸発されてガス冷媒となる。このガス冷媒は圧縮機１に流入する。このようにして、冷媒は、冷媒回路１０１を循環する。

続いて、気液分離回路１０２を流れる冷媒の流れについて説明する。凝縮器２から流出した冷媒の一部は、冷媒回路１０１から気液分離回路１０２に流入する。気液分離回路１０２に流入した冷媒は、内部熱交換器５の第１通路５１に流入し、第２通路５２を流れる冷媒と熱交換されて内部熱交換器５から流出する。内部熱交換器５の第１通路５１から流出した冷媒の一部は、第１流路Ｐ１を通ってレシーバ６に流入する。冷媒回路１０１では、冷凍サイクル装置１００の運転状態および外気温度等によって余剰冷媒が生じる。レシーバ６には、この余剰冷媒である液冷媒が貯留される。冷凍サイクル装置１００の運転状態および外気温度等によってレシーバ６に貯留された液冷媒が必要になれば、この液冷媒は、レシーバ６から流出し、第１弁７を通って、圧縮機１の中間圧側に流入する。

内部熱交換器５の第１通路５１から流出した冷媒の一部は、気液分離機構１０の分岐部１２から第２弁８を通って内部熱交換器５の第２通路５２に流入し、第１通路５１を流れる冷媒と熱交換されて内部熱交換器５から流出する。内部熱交換器５の第２通路５２を流れた冷媒は減圧されて過熱ガス冷媒となる。内部熱交換器５の第２通路５２から流出した過熱ガス冷媒は、気液分離機構１０の合流部１３においてレシーバ６から流出した液冷媒と合流してから圧縮機１の中間圧側に流入する。このようにして、冷媒は、気液分離回路１０２を流れる。

第１弁７の開度が増加すると、レシーバ６から液冷媒が流出することによりレシーバ６に貯留される液冷媒の量が減少する。第２弁８の開度が増加すると、レシーバ６からガス冷媒が抜けるため、レシーバ６に貯留される液冷媒の量が増加する。このようにして、第１弁７および第２弁８の開度が制御されることによりレシーバ６の液冷媒の貯留量が制御される。

次に、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例について説明する。なお、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例は、特に説明しない限り実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００と同一の構成および動作を備えている。

図３を参照して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例１について説明する。図３は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例１の冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例１では、気液分離回路１０２は、第３弁９をさらに含んでいる。第３弁９は、例えば、流量調整弁である。第３弁９は、例えば、電磁弁である。第３弁９は、冷媒回路１０１と内部熱交換器５との間に配置されている。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例１では、凝縮器２から流出した冷媒の一部は、第３弁９を通って内部熱交換器５の第１通路５１に流入する。

図４を参照して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２について説明する。図４は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２の冷媒回路図である。実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２では、気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１と蒸発器４との間の冷媒回路１０１とに接続されている。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２では、冷媒回路１０１は、アキュムレータ２０をさらに含んでいる。

アキュムレータ２０は、冷媒回路１０１において圧縮機１と蒸発器４との間に配置されている。気液分離回路１０２は、蒸発器４とアキュムレータ２０との間の冷媒回路１０１に接続されている。

アキュムレータ２０は、蒸発器４および気液分離回路１０２から流出した冷媒が流入するように構成されている。アキュムレータ２０は、蒸発器４および気液分離回路１０２から流出した冷媒を貯留可能に構成されている。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２では、蒸発器４および気液分離回路１０２から流出した冷媒がアキュムレータ２０を通って圧縮機１に流入する。

次に、実施の形態の作用効果について比較例と対比して説明する。
図５を参照して、比較例の冷凍サイクル装置１００について説明する。図５は、比較例の冷凍サイクル装置１００の冷媒回路図である。比較例の冷凍サイクル装置１００では、気液分離回路１０２は、内部熱交換器５を備えていない。レシーバ６の上端に冷媒入口６ａおよびガス排出口６ｃが設けられている。レシーバ６の下端に冷媒出口６ｂが設けられている。比較例の冷凍サイクル装置１００では、レシーバ６に貯留された液冷媒が増加すると、液冷媒の液面が上昇してレシーバ６の上端に設けられたガス排出口６ｃから液冷媒が流出する。このため、気液分離効率が低下する。気液分離効率の低下を避けるためには、レシーバ６に貯留された液冷媒が増加してもガス排出口から液冷媒が流出しないようにレシーバ６を大型化しなければならない。

これに対して、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、レシーバ６のガス排出口６ｃを無くすことによって、レシーバ６に貯留された液冷媒が増加して液冷媒の液面が上昇してもレシーバ６のガス排出口６ｃから液冷媒が流出することを防止することができる。また、内部熱交換器５によって冷媒を減圧することでガス冷媒を分離することができる。したがって、冷媒の気液分離を確実に行うことができる。さらに、レシーバ６に貯留された液冷媒が増加して液冷媒の液面が上昇してもレシーバ６のガス排出口６ｃから液冷媒が流出することを防止することができるため、レシーバ６の上端まで液冷媒を貯留することができる。このため、同じ液冷媒の量を貯留可能なレシーバ６のサイズを小さくすることができる。したがって、レシーバ６を小型化することができる。よって、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、気液分離回路１０２によって、冷媒の気液分離を確実に行いつつレシーバ６を小型化することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００では、レシーバ６の冷媒量の制御が可能となるため、性能を向上することができる。また、レシーバ６の冷媒量の制御が可能となるため、冷凍サイクル装置１００の運転範囲を拡大することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、第２弁８は、流量調整弁である。このため、流量調整弁の開度を制御することによって内部熱交換器５での冷媒の確実なガス化を実現すること可能となる。また、流量調整弁の開度を制御することによってレシーバ６に貯留される液冷媒量の制御の精度を向上させることができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、内部熱交換器５は、第１通路５１を流れる冷媒の流れと第２通路５２を流れる冷媒の流れとが対向するように構成されている。このため、内部熱交換器５での冷媒の過熱ガス化を促進することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、冷媒は、二酸化炭素である。二酸化炭素は超臨界圧力状態で用いられる高圧冷媒であるため、例えばＲ３２等の高圧冷媒以外の冷媒に比べて圧力が高くなる。実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００では、レシーバ６を小型化することができるため、相対的に容器の肉厚を増加することができる。これにより、レシーバ６の耐圧を向上させることが可能となるため、冷媒として二酸化炭素を好適に用いることができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１とに接続されている。このため、冷媒回路１０１において圧縮機１に液冷媒が流入することを抑制するためのアキュムレータ２０を設置しなくてもよい。したがって、冷凍サイクル装置１００の構造を簡易化することができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例１によれば、第１弁７の開度および第３弁９の開度を調整することによって内部熱交換器５およびレシーバ６を流れる冷媒の流量比を調整することが可能となる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２によれば、気液分離回路１０２は、凝縮器２と減圧装置３との間の冷媒回路１０１と、圧縮機１と蒸発器４との間の冷媒回路１０１とに接続されている。このため、気液分離回路１０２が圧縮機１の中間圧側に接続されないため、圧縮機１の設計自由度を向上させることができる。したがって、冷凍サイクル装置１００の設計自由度を向上させることができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の変形例２によれば、気液分離回路１０２から流出した冷媒がアキュムレータ２０を通って圧縮機１に流入するため、気液分離回路１０２から流出した液冷媒が圧縮機１の流入口に流入することを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 減圧装置、４ 蒸発器、５ 内部熱交換器、６ レシーバ、７ 第１弁、８ 第２弁、９ 第３弁、１０ 気液分離機構、１１ 入口、１２ 分岐部、１３ 合流部、１４ 出口、２０ アキュムレータ、５１ 第１通路、５２ 第２通路、１００ 冷凍サイクル装置、１０１ 冷媒回路、１０２ 気液分離回路、１０３ 制御装置。

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した前記冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置から流出した前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを含む冷媒回路と、
   前記凝縮器と前記減圧装置との間の前記冷媒回路と、前記圧縮機または前記圧縮機と前記蒸発器との間の前記冷媒回路とに接続された気液分離回路とを備え、
   前記気液分離回路は、内部熱交換器と、前記内部熱交換器から流出した前記冷媒を貯留可能に構成されたレシーバと、前記レシーバから流出した前記冷媒の流量を調整可能に構成された第１弁と、前記内部熱交換器および前記レシーバに接続された第２弁とを含み、
   前記内部熱交換器は、前記凝縮器から流出した前記冷媒が流れる第１通路と、前記第１通路から流出した前記冷媒が流れる第２通路とを有し、かつ前記第１通路を流れる前記冷媒と前記第２通路を流れる前記冷媒とを熱交換させるように構成されており、
   前記気液分離回路は、前記内部熱交換器の前記第１通路と、前記レシーバと、前記第１弁とを有する第１流路と、前記内部熱交換器の前記第２通路と、前記第２弁とを有する第２流路とを含み、
   前記第２流路は、前記内部熱交換器と前記レシーバとの間の前記第１流路から分岐し前記第１弁と前記冷媒回路との間の前記第１流路に合流するように構成されている、冷凍サイクル装置。
2. 前記第２弁は、流量調整弁である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記内部熱交換器は、前記第１通路を流れる前記冷媒の流れと前記第２通路を流れる前記冷媒の流れとが対向するように構成されている、請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒は、二酸化炭素である、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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