JPS62233645A - 冷凍サイクル - Google Patents

冷凍サイクル

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JPS62233645A
JPS62233645A JP61076146A JP7614686A JPS62233645A JP S62233645 A JPS62233645 A JP S62233645A JP 61076146 A JP61076146 A JP 61076146A JP 7614686 A JP7614686 A JP 7614686A JP S62233645 A JPS62233645 A JP S62233645A
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economizer
compressor
refrigerant
length
refrigeration cycle
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JP61076146A
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悦生 森下
境野 恵樹
角田 晶之
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、エコノマイザ付冷凍サイクル、特に冷暖房
能力及び成積係数の増大に関するものである。
〔従来の技術〕 第7図は、冷凍サイクルを示すモリエル線図であり、横
軸はエンタルピh(kal/kg)、縦軸は圧力P (
MPa)を表わしている。図において、Pcは冷凍サイ
クルにおける凝縮圧力CMPa〕、Peは冷凍サイクル
における蒸発圧力(MPa)を表わしている。
また、曲線で区切られた領域について、左側は冷媒の液
相部、中央は二相部、右側は気相部を表わしている。
図中、番号51〜54に対応する冷媒のエンタルピをh
lll ” hst4で表わす。エンタルピhatの冷
媒は圧縮機で圧縮されてエンタルピがh52の状態にな
る。
この冷媒は、冷凍サイクル中の凝縮器でほぼ等圧下で冷
却されて液化し、エンタルピh63の液冷媒になる。冷
凍サイクルに設けられた絞りによってエンタルピhas
の液冷媒は等エンタルピ膨張を行ない圧力が蒸発圧力P
eまで低下して2相の状態になる。この時のエンタルピ
hI+4はhlllと同一の値である。冷凍サイクル中
に設けられた蒸発器によって2相の冷媒は加熱されて蒸
発を行なう。加熱されると再びエンタルピhlllの蒸
気となって圧縮機で圧縮される。以上が通常用いられる
冷凍サイクルの基本である。なお、ここで冷凍サイクル
は、冷媒サイクル、ヒートポンプ装首、及び蒸気圧縮式
冷凍サイクルなどの総称として用いられている。
さて、高圧縮比の用途で用いられる冷凍機においては、
2段以上となり、各段ごとに冷媒を気相液相に分離する
エコノマイザを取付けて成積係数を向上させている。第
8図はエコノマイザ付の2段圧縮冷凍サイクルの概念図
である。図において・(5)は蒸発器、(1)は低段側
圧縮機、(2)は高段側圧縮機、(3)は凝縮器、(6
)は第1絞り、(4)はエコノマイザ、(7)は第2絞
りで、この順序に接続されている。
また第1絞り(6)、第2絞り(7)は例えば膨張弁や
キャピラリ等である。(8)はエコノマイザ(4)の気
相部と高段側圧縮機の吸入側、即ち両圧縮機(1)、 
(21の中間圧領域を接続したエコノマイザ配管である
図中数字の51〜59はその位置における冷媒の状態を
表わす。矢印は冷媒の流れ方向を示す。
第9図に、第8図の冷凍サイクルをモリエル線図上に表
わしたものを示す。第9図のサイクルを例えば冷房に用
いる場合、エコノマイザ(4)内で圧力Pmの状態でエ
ンタルピh5aの液、即ち液相冷媒(飽和状態)とhs
tのガス、即ち気相冷媒(飽和状態)に分離され、冷凍
効果は(hslhB)になる。ここでエコノマイザを用
いない場合、冷凍効果は(hsl’  hss)に相当
するものになり、第8図より明らかに。
(hsx  hse ) > (hst−hsg )で
あるので、エコノマイザを用いたことにより冷房能力は
増加する。また圧縮機の入力はそれ程増加しないので、
冷凍サイクルの成積係数も増加することは良く知られて
いる。
次に第9図のサイクルを暖房に用いる場合、エコノマイ
ザを用いない場合に圧縮機がサイクルに循環せしめ得る
冷媒流量G (kg/h ”Itに加えて中間圧力Pm
で分離されたガス流量g(kg/h)も凝縮器を通過す
るので暖房能力はgの分だけ増加することになる。この
場合も圧縮機の入力はそれ程増加しないので、サイクル
の成積係数は増加することが知られている・ 以上述べたようにエコノマイザを用いることにより冷房
・暖房能力共に増加する。
さて、第9図のモリエル線図について、エコノマイザ(
4)の部分のエネルギ関係からGhsg +g hay
 = (G+g ) hssとなることが示され、これ
より b5a   hag g=五正正1酊°G         (il)あるい
は hsy  hss            (i2)G
=h5g  hallog の関係式が導かれる。(il)及び(12)式よりGと
gは独立ではあり得す、各々が関連して変化することが
分かる。
通常エコノマイザ(4)から流出するガス量g(kg/
h)は、エコノマイザ配管の径などによって決まってく
る。またエコノマイザ圧力Pmの値が低い方が、第9図
における冷凍効果の増加量hsa  hss (=hl
16  hl >は大きくなることがモリエル線図より
説明できる。第10図にエコノマイザ圧力Pmと冷凍効
果の増加量の関係を示す。この図から明らかなように任
意のエコノマイザ圧力Pmに対して、冷凍効果の増加f
l hsa −hsaは一意に決まることになる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来のエコノマイザ付冷凍サイクルは以上のように構成
されていたが、運転条件を決めた場合、モリエル線図上
での効率、即ち冷房または暖房の能力増加、及び成積係
数増加はほぼ決まり、さらにサイクルの効率向上を実現
するのは困碓であるという問題点があった。
また、さらに例えばロータリー圧縮機等のように吸入マ
フラから吸入管を経て圧縮機に冷媒が供給されるものに
おいても同様の問題点があった。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、エコノマイザ付冷凍すイクlしの一層の効率向
上を目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
コノ発明に係るエコノマイザ付冷凍すイクlレバ、蒸発
器、圧縮機、凝縮器、第1絞り、媒体を気相液相に分離
するエコノマイザ、及び第2絞りをこの順序に接続して
構成する冷媒回路、上記エコノマイザの気相部と上記圧
縮機の中間圧領域を接続するエコノマイザ配管を備え、
エコノマイザ配管の長さは、エコノマイザによる冷房又
は暖房の能力増加、成積係数増加が、運転条件に基づき
モリエル線図で決まる値よりも大きくなるような値に設
定するようにしたものである。
また、この発明の別の発明に係る冷凍サイクルは、蒸発
器、吸入マフラから吸入管を経て冷媒が供給される圧縮
機、凝縮器、第1絞り、媒体を気相液相に分離するエコ
ノマイザ、及び第2絞りをこの順序に接続して構成する
冷媒回路、上記エコノマイザの気相部と上記圧縮機の中
間圧領域を接続し、長さを過給現象を生ずる長さにした
エコノマイザ配管を備えると共に、上記吸入管の長さを
過給現象を生ずる長さにしたものである。
〔作用〕
この発明におけるエコノマイザ配管の長さは、エコノマ
イザによる冷房又は暖房の能力増加、成積係数増加が、
運転条件に基づきモリエル線図で決まる値よりも大きく
なるような値に設定されているので一層の効率向上を実
現できる。
また、この発明の別の発明においては、エコノマイザ配
管の長さを冷媒ガスの過給現象を生ずる長さにすると共
に、吸入管の長さも過給現象を生ずる長さにしたので、
より一層の効率の向上を実現できる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図において、数字51〜59は各位置における冷媒の状
態を示し、第9図のモリエル線図上の数字に対応してい
る。
ここで圧縮#! (1)は第8図のように複数段の圧槍
機の場合とは異なって単段で図示されているが、エコノ
マイザ(4)の気相部からの気相冷媒、即ち冷媒ガスの
吸入が可能な構造のものである。このような圧縮機とし
ては、ロータリー圧縮機(ローリング・ピストン形)や
スクロール圧縮機が知られている。
第1図のようなエコノマイザ付の冷凍サイクルにおいて
、蒸発器(5)、圧縮機(1)、ここではスクロール圧
縮機、凝縮器(3)、第1絞り(6)、エコノマイザ(
4)、及び第2絞り(7)がこの順序に接続されて構成
されている。またエコノマイザ配! (8)はエコノマ
イザ(4)の気相部と圧縮機の中間圧領域を接続してい
る。ここで中間圧領域とは圧縮機(1)の吸入側圧と吐
出側圧の間の値の領域のことである。
動作について説明すると、圧縮機(1)が電動機や原動
機などによって駆動されると、冷媒ガスは圧縮され、凝
縮器(3)で液化する。液化した冷媒は、g51絞り(
6)を経てエコノマイザ(4)に膨張して、そこで気液
分離される。冷媒ガスはエコノマイザ配管(8)を経て
圧縮機(1)に吸入される。液冷媒はさらに第2絞り(
7)で膨張して蒸発器(5)で気化して再び圧縮機(1
)に吸入される。
さて、筆者らはエコノマイザ配管について種々検討し、
その長さを調整してみると、本来運転条件に基づいてモ
リエル線図で決まる冷房又は暖房の能力及び成積係数の
増加値(一般的に知られている)より異常に大きい増加
値を得られることを見い出した。
これは、例えば第3図に見られるような過給現象に基づ
いていると考えられる。この過給現象は。
以下の数式により解析することができる。
上記一実施例においてエコノマイザ配管(8)の長さL
は音響共振長さ及びその近傍の長さに選定されている。
圧縮機(1)の一回転あたりの時間をτ1(See)エ
コノマイザ配管(8)内の冷媒ガスの音速をal Cr
rv’−〕とすればエコノマイザ配管(8)の長さLは
、Lニーa1rI X (2N  1 )±0.2  
  (m)ただしN=1.2.3、…   (i3)の
あたりの長さに選ばれている。空気力学あるいは音響学
の分野では良(知られているように%(13)式で表わ
される管は一端開口(他端閉じ)の場合、第2図のよう
な圧力定在波(定常波)が生じて共鳴(共振)する。図
において、(9)は圧縮機側、αOは玉コノマイザ側で
エコノマイザ配管(8)内に示されている点線は、圧力
の定在波を示す。エコノマイザ配管(8)の圧縮機側(
9)は、実際には圧縮機(1)の圧縮室等に開口してい
るが、物理的には圧縮機側(9)で周期τ1〔x〕 の
圧力脈動が加えられる境界と考えてよい。あるいは圧縮
機側(9)の壁は、圧縮機(1)のエコノマイザ配管(
8)が開口している圧縮部の容積変化と同じ変化を与え
るピストンであると考えてもよい。このように考えると
、音響学的にはエコノマイザ配管(8)は、第2図のよ
うなモデルで表わされる。
さて、実施例のエコノマイザ配管(8)は圧縮機(1)
ノ運転中は共鳴を生じているので、エコノマイザ配管(
8)を通過して圧縮n(1)に流入する冷媒ガスの流f
ag(kg/h)は、非共鳴の長さの場合より10%程
度のオーダーで増加することが実験的に判明し、また空
気力学の知識を用いてこれを数値解析的に立証すること
もできる。即ちこれは、共鳴時に生じているエコノマイ
ザ配管(8)内での圧力脈動が圧@機(1)に冷媒ガス
を過給するようなタイミングで生じているためであるこ
とが空気力学的な知見に基づいて説明することができる
。この様子を第3図に示す。第3図においては、横軸は
a・τで無次元化されたエコノマイザ配管(8)の長さ
しであり、縦軸は圧縮機(1)にエコノマイザ(4)か
ら供給される冷媒ガス流量gである。この図から明らか
なようにL”  al’rl s 4 alfl s 
4 alfl ”’のような音響共振長さ及びその近傍
ではgは非共振時に対して10%程度のオーダーで急増
する。ここで第9図のモリエル線図から明らかなように
、gは凝縮器(3)を通過するので、Lが共振長さの場
合には暖房能力をg(kg/h)の増加分だけ増加させ
ることができる。またgの増加の割には圧縮機(1)の
入力の増加は小さく、従って成積係数は向上することが
実験的に判明した。
次に、式(12)により G= hM7  hlll+ hss  hss              (i・
ゝであったが、冷凍サイクルの運転条件が一定の場合に
は G閃g             (i4 )となり、
エコノマイザ配管(8)の長さLが共鳴長さの時には第
3図に示したようにgが急増し、式(i4)よりGも急
増することが理解される。従って冷房能力も急増する。
実験的な確認によれば冷房能力が急増する割には圧縮機
(1)の入力の増加は小さいので、成積係数は冷房の場
合にも向上する。
なお、実験では音響共振長さの±25CI!1の範囲で
第3図に示したような過給現象が認められた。実用的に
は±20の範囲で使用すれば顕著な効果が認められるた
め、エコノマイザ配管の長さしとして前述のように L二、i al τI X (2N  1 )±0.2
  (m)   (is )ただしN=1.2.3、… とした。
さて、上記実施例の説明においては、この発明の原理的
な面について説明を行なったが、これをさらに円4図、
第5図を用いて詳細に説明する。
第4図は、一実施例で用いたスクロール圧縮機(1)の
作動原理図であり、図においてαDは固定スクロール、
■は揺動スクロール、(至)は圧縮室、α4は吐出口で
ある。固定スクロール0及び揺動スクロール@は同一形
状の渦巻で形成されており、その形体は、従来から知ら
れているように、インボリュートあるいは円弧等を組み
合わせたものである。
01は固定スクロール上の定点、02は揺動スクロール
上の定点である。
次に動作について説明する。第4図において、固定スク
ロールα旧虚空間に静止しており、揺動スクロール(イ
)は固定スクロールα】)と同図の如く組み合わされて
、その姿勢を空間に対して変化させないで、回転運動、
即ち揺動運動を行ない、第4図のO0→90’→180
°→270’  のように運動する。揺動スクロール(
2)の揺動に伴なって、固定スクロールI及び揺動スク
ロール(2)の間に形成される三日月状の圧縮室α4は
順次その容鞘を減じて、圧縮室α4に取り込まれた気体
は圧縮されて、吐出口0から吐出される。
この間、第4図の01〜02の距離は一定に保持されて
おり、渦巻のピッチをP、厚みをtで表わせば(h(h
=7  tとなっている。スクロール圧縮機は以上のよ
うに作動する。なお詳細は特開昭55−046081 
 号公報に示す。
fJ45図は、第4図に示したスクロール圧縮機(1)
にエコノマイザ(4)を取り付けたもので、第1図に示
したこの発明の一実施例を示しており(至)は吸入口で
ある。第4図から理解されるように、スクロール圧縮機
においては相似の圧縮室(至)が対に形成されるので、
吸入口(至)は対になって設けられている。また、それ
ぞれの吸入口(至)に至るエコノマイザ配管(8)も対
に設けられており、その配管長は式(is)で定まるよ
うな音響共振長さないしその近傍の長さである。ここで
エコノマイザ(4)で気液分離された冷媒ガスは対のエ
コノマイザ配管(8)から対の吸入口(イ)を介して圧
縮機(1)の圧縮室に供給されるが、この時過給現象が
生じて冷媒ガスf1gOcg/h)は急増して前述のよ
うに冷房または暖房の能力増加、成積係数の増加が増大
する。実験によれば、冷媒としてR−22を用いた場合
、60庵で冷房能力及び成積係数の増加は以下の表1に
示した通りである。
表1:音響共振長さ付近の長さのエコノマイザ配管付エ
コノマイザ有の場合とエコノマイザ蕪の場合の冷房能力
と散積係数の比較 表1から゛明らかなように、エコノマイザ無に比べ冷房
能力は36%、成積係数は29%も増加している。
これは通常のエコノマイザ有、エコノマイザ配管有によ
る冷房能力、成積係数の理論的及び実験的な増加分より
、かなり大きなものとなり、表1では、冷房能力は24
%、成積係数は17%も増加している。
さて、この発明の他の実施例を第6図に示す。
図において、(至)はロータリー圧縮機、αηは吸入マ
フラ、(至)は吸入管、α呻は吐出管、翰は圧縮部であ
る。
ここで、この冷凍サイクルにおいては蒸発器(5)、吸
入マフラα力から吸入管(至)を経て冷媒が供給される
ロータリー圧縮機αGの圧縮部ω、凝縮器(3)、第1
絞り(6)、エコノマイザ(4)、第2絞り(7)をこ
の順序に接続して構成されており、エコノマイザ(4)
の気相部と圧縮機αGの中間圧領域を接続し、長さを過
給現象を生ずる長さにしたエコノマイザ配管(8)を備
えている。例えば圧縮様の1回転の周期をτ1〔式〕、
エコノマイザ配管内あるいはその近傍(/”1 [相冷
媒の音速をax (m/s :]とした場合に、エコノ
マイザ配管の長さしは、 L =a a、B ×(2N  1 )±0.2   
(m)ただしN=1.2.3… である。
冷凍サイクルの運転条件が定まっている場合、式(i4
)より gooG   (Gαg)      (L)である。
さて第6図に示したものにおいて、ロータリー圧縮機α
Gの吸入管長lが圧縮機の1回転の周期をτ2 (SE
C) 、吸入管(至)内の冷媒の音速a2(rrV′s
:]で定まる音響共振長さ、即ち 1 =4 a2 r2 ×(2N  1 )±0.2 
 (m)  (is)ただしN=1.2.3、… とすると、ロータリー圧縮機αθに吸入される冷媒ガス
量G(kg/h)は過給現象によって急増することが実
験的にも解析的にも判った。この様子は第3図の場合と
同様である。従って4を音響共振長にセットすればGの
増大によって冷房能力は増大する。さらに式(i4)の
関係よりエコノマイザ配管(8)を通過する冷媒ガスN
 g (′qv′h)も増加するので、暖房能力も増加
する。
この実施例においては、エコノマイザ配管(8)の長さ
しとロータリー圧縮機の吸入管(至)の長さeを同時に
音響共振長さにしたのでgとGは増加しあって、冷房ま
たは暖房の能力がさらに急増する。
なお、lは過給現象を生ずる長さであればよく。
音響共振長さに限定するものではない。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば蒸発器、圧縮機、凝縮
器、第1絞り、媒体を気相液相に分離するエコノマイザ
、及び第2絞りをこの順序に接続して構成する冷媒回路
、上記エコノマイザの気相部と上記圧縮機の中間圧領域
を接続するエコノマイザ配管を備え、エコノマイザ配管
の長さは、エコノマイザによる冷房又は暖房の能力増加
、成債係数増加が、運転条件に基づきモリニル押固で決
まる値よりも大きくなるような値に設定するようにした
ので、冷房又は暖房の能力増加、底積係数増加が向上し
、効率の得い冷凍サイクルが得られる効果がある。
また、この発明の別の発明においては、蒸発器、吸入マ
フラから吸入管を経て冷媒が供給される圧縮機、凝縮器
、第1絞り、媒体を気相液相に分離するエコノマイザ、
及び第2絞りをこの順序に接続して構成する冷媒回路、
上記エコノマイザの気相部と上記圧縮機の中間圧領域を
接続し、長さを過給現象を生ずる長さにしたエコノマイ
ザ配管を備えると共に、上記吸入管の長ζを過給現象を
生ずる長さにしたので、吸入管内を流れる吸入ガス量の
みでなくエコノマイザ配管を流れる冷媒ガス流も増加し
て、−Hの冷房又は暖房の能力増加及び底積係数増加を
実現できる冷凍サイクルを得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
@1図はこの発明の一実施例に係るエコノマイザ付冷凍
サイクルの構成図、第2図はこの発明の一実施例に係り
、音響共振長さしのエコノマイザ配管を示す説明図、第
3図はエコノマイザ配管の長さと気相冷媒ff1gの関
係を示す特性図、第4図はスクロール圧縮機の作動原理
を示す説明図、第5図はこの発明の一実施例の冷凍サイ
クルを示す構成図、第6図はこの発明の他の実施例を示
す構成図、第7図は、エコノマイザ無の一般的な冷凍サ
イクルにおけるモリエル線図、第8図は、従来用いられ
ている一般的なエコノマイザ付2段圧縮冷凍サイクルを
示す構成図、第9図は第8図に示したエコノマイザ付冷
凍サイクルにおけるモリエル線図、第10図は冷凍効果
の増加量とエコノマイザ圧力の関係を示す特性図である
。 (1):圧縮機、(3]:凝縮器、(4):エコノマイ
ザ、(&):蒸発器、(6):第1絞り、(7)…第2
絞り、(8)…エコノマイザ配管、αト・・ロータリー
圧縮機、αη…吸入マフラ、(至)…吸入管、翰…圧縮
部なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)蒸発器、圧縮機、凝縮器、第1絞り、冷媒を気相
    液相に分離するエコノマイザ、及び第2絞りをこの順序
    に接続して構成する冷媒回路、上記エコノマイザの気相
    部と上記圧縮機の中間圧領域を接続するエコノマイザ配
    管を備え、エコノマイザ配管の長さは、エコノマイザに
    よる冷房又は暖房の能力増加、成積係数増加が、運転条
    件に基づきモリエル線図で決まる値よりも大きくなるよ
    うな値に設定するようにした冷凍サイクル。
  2. (2)蒸発器、圧縮機、凝縮器、第1絞り、冷媒を気相
    液相に分離するエコノマイザ、及び第2絞りをこの順序
    に接続して構成する冷媒回路、上記エコノマイザの気相
    部と上記圧縮機の中間圧領域を接続し、長さを過給現象
    を生ずる長さにしたエコノマイザ配管を備えた特許請求
    の範囲第1項記載の冷凍サイクル。
  3. (3)エコノマイザ配管の長さLが、圧縮機の1回転の
    周期をτ_1〔sec〕、エコノマイザ配管内あるいは
    その近傍の気相冷媒の音速をa_1〔m/s〕とした場
    合に、 L=1/4a_1τ_1×(2N−1)±0.2〔m〕
    ただしN=1、2、3、… であることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第
    2項記載の冷凍サイクル。
  4. (4)蒸発器、吸入マフラから吸入管を経て冷媒が供給
    される圧縮機、凝縮器、第1絞り、冷媒を気相液相に分
    離するエコノマイザ、及び第2絞りをこの順序に接続し
    て構成する冷媒回路、上記エコノマイザの気相部と上記
    圧縮機の中間圧領域を接続し、長さを過給現象を生ずる
    長さにしたエコノマイザ配管を備えると共に、上記吸入
    管の長さを過給現象を生ずる長さにした冷凍サイクル。
  5. (5)吸入管長lが、圧縮機の1回転の周期をτ_2〔
    sec〕、圧縮機の吸入管内あるいはその近傍の気相冷
    媒の音速をa_2〔cm/s〕とした場合に、 l=1/4a_2τ_2×(2N−1)±0.2〔m〕
    ただしN=1、2、3、… であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の冷
    凍サイクル。
  6. (6)エコノマイザ配管の長さLが、圧縮機の1回転の
    周期をτ_1〔sec〕、エコノマイザ配管内あるいは
    その近傍の気相冷媒の音速をa_1〔m/s〕とした場
    合に、 L=1/4a_1τ_1×(2N−1)±0.2〔m〕
    ただしN=1、2、3、… であることを特徴とする特許請求の範囲第4項または第
    5項記載の冷凍サイクル。
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