JP2012127520A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の気液分離によって消費電力削減可能とする冷凍サイクルを、低コストで製造可能となるシステムを提供する。
【解決手段】圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、第１のキャピラリーチューブ８、気液分離器５、第２のキャピラリーチューブ９、室内熱交換器１２を環状に接続し、気液分離器５と圧縮機１のインジェクション吸入口２１とを接続した冷凍サイクルにおいて、室外熱交換器３と第１のキャピラリーチューブ８との間と、室内熱交換器１２と第２のキャピラリーチューブ９との間とを、膨張弁７を介して接続することで、電磁膨張弁の数を削減し、低コストで気液分離可能な冷凍サイクルを供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスインジェクション回路を備えた冷凍サイクル装置に関し、特に、気液分離装置に係るものである。

従来のこの種の冷凍サイクル装置としては、圧縮機の能力と蒸発器の能力を高める等の観点から、既知の冷凍サイクルを構成する要素に、冷房または暖房の両サイクルであっても冷媒が一方向に流れるようなブリッジ回路を組み込んだ気液分離器を備え、この気液分離器内に減圧機構により等エンタルピーないしは断熱膨張された冷媒を導入して、液成分とガス成分とに気液分離させ、その液成分を、さらに別の減圧機構に送り出す一方、ガス成分を、圧縮機にインジェクションするようになっている。

あるいはブリッジ回路ではなく、気液分離器の上下流側双方に電磁膨張弁を配置した構成となっている（例えば、特許文献１参照）。図４は特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。図４に示されるように室内熱交換器と室外熱交換器の中間に気液分離器をはさむ形で電磁膨張弁が２つ配置されている。このような構成とすることにより冷房、暖房ともに最適な気液分離を行うことができる。

特開平１０−１８５３４３号公報

しかしながら前記従来の冷凍サイクル装置の構成では以下のような課題があった。

一般的な壁掛け型空気調和機では四方弁切換による逆サイクル運転が現在では普通であるため、気液分離器によって冷媒のガス成分を分離し、圧縮機にインジェクションを行おうとする場合、逆止弁を４つ組み合わせた逆止弁ブリッジを用いるか、気液分離器の上下流双方に膨張弁を配置する必要があった。そのため低コストで気液分離を行うことができないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決し、膨張弁や逆止弁ブリッジを用いない安価な構成で気液分離を行うことのできる冷凍サイクル装置を目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、インジェクション吸入口を有する圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、第１のキャピラリーチューブ、気液分離器、第２のキャピラリーチューブ、利用側熱交換器を冷媒回路で連結した冷凍サイクルと、第１のキャピラリーチューブと並列に接続された第３のキャピラリーチューブと、第３のキャピラリーチューブに直列に接続され熱源側熱交換器から気液分離器への冷媒の流入を防止する第１の逆止弁と、第２のキャピラリーチューブと並列に接続された第４のキャピラリーチューブと、第４のキャピラリーチューブに直列に接続され利用側熱交換器から気液分離器への冷媒の流入を防止する第２の逆止弁と、気液分離器とインジェクション吸入口とを接続するバイパス回路とを備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器と第１のキャピラリーチューブとの間と、利用側熱交換器と第２のキャピラリーチューブとの間とを、膨張弁を介して接続する副冷媒回路を備えたものである。これにより、冷媒循
環量に応じて膨張弁開度を適切にコントロールし、安価な構成でありながら、最適な気液分離を可能とする。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、製造原価低減のため、膨張弁が一つでありながら低循環量の場合であっても高循環量の場合であっても、確実に気液二相の冷媒を液成分とガス成分に分離することが可能となる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるキャピラリーチューブの流量特性の説明図 本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷房高循環量運転時のモリエル線図 膨張弁を２つ使用した従来の冷凍サイクル装置の構成図

第１の発明は、インジェクション吸入口を有する圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、第１のキャピラリーチューブ、気液分離器、第２のキャピラリーチューブ、利用側熱交換器を冷媒回路で連結した冷凍サイクルと、第１のキャピラリーチューブと並列に接続された第３のキャピラリーチューブと、第３のキャピラリーチューブに直列に接続され熱源側熱交換器から気液分離器への冷媒の流入を防止する第１の逆止弁と、第２のキャピラリーチューブと並列に接続された第４のキャピラリーチューブと、第４のキャピラリーチューブに直列に接続され利用側熱交換器から気液分離器への冷媒の流入を防止する第２の逆止弁と、気液分離器とインジェクション吸入口とを接続するバイパス回路とを備えた冷凍サイクル装置において、熱源側熱交換器と第１のキャピラリーチューブとの間と、利用側熱交換器と第２のキャピラリーチューブとの間とを、膨張弁を介して接続する副冷媒回路を備えたものである。これによれば、循環量に応じて最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、圧縮機が吐出する冷媒循環量が多くなるにつれて、膨張弁の開度を大きくすることで副冷媒回路を流れる流量を増加させるものである。これによれば、低循環量のときは適切に設定されたキャピラリーチューブ流量によって最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができ、高循環量のときは膨張弁流量を増加させて冷凍サイクル全体の最適化を図ることができ、最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、第１のキャピラリーチューブと気液分離器との間の冷媒と熱源側熱交換器と膨張弁との間の冷媒とを熱交換させる第１の内部熱交換器と、第２のキャピラリーチューブと気液分離器との間の冷媒と利用側熱交換器と膨張弁との間の冷媒とを熱交換させる第２の内部熱交換器との少なくともいずれ一方を備えものである。これによれば、低循環量のときは適切に設定されたキャピラリーチューブ流量によって最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができ、高循環量のときは膨張弁流量を増加させて冷凍サイクル全体の最適化を図りつつ、膨張弁前に配置された内部熱交換器によってキャピラリーチューブ出口での冷媒乾き度を増加させ、気液分離器でのガス冷媒インジェクション量を増加させることができ、最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明において、利用側熱交換器を蒸発器として作用させる場合と、四方弁を切り換えて利用側熱交換器を凝縮器として作用させる場合のいずれの場合にも、気液分離器の上流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量を
、気液分離器の下流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量と比較して、同等以下とするように、キャピラリーチューブを組み合わせて設定したことにより、どのような運転状態でも、最適なインジェクション圧力と気液分離特性を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図を示すものである。

この冷凍サイクル装置を構成する冷凍サイクルの冷媒回路は、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器としての室外熱交換器３、第１の冷媒流路３１、利用側熱交換器としての室内熱交換器１２を配管で接続し構成されている。圧縮機１は、冷媒を吐出する吐出管、冷媒を吸入する吸入管、圧縮機構部の中間圧力部に冷媒をインジェクションするインジェクション吸入口２１を備えている。圧縮機１の吸入管にはアキュームレータが設けられている。

第２の冷媒流路３２（本発明における副冷媒回路）は、第１の冷媒流路３１と並列に冷凍サイクルに接続されている。第１の冷媒流路３１は、気液二相冷媒を液成分とガス成分とに気液分離させる気液分離器５と、室外熱交換器３から気液分離器５への冷媒の流入を防止する一方、気液分離器５から室外熱交換器３へ冷媒を流入させる第１の逆止弁１４と、第１の逆止弁１４と直列に接続された第３のキャピラリーチューブ４とを備えている。また、室外熱交換器３と第１の逆止弁１４の間と、第３のキャピラリーチューブ４と気液分離器５の間とは、第１のキャピラリーチューブ８と第１の内部熱交換器１０を介して配管で接続されている。

さらに、第１の冷媒流路３１は、室内熱交換器１２から気液分離器５への冷媒の流入を防止する一方、気液分離器５から室内熱交換器１２へ冷媒を流入させる第２の逆止弁１３と、第２の逆止弁１３と直列に接続された第４のキャピラリーチューブ６とを備えている。また、室内熱交換器１２と第２の逆止弁１３の間と、第４のキャピラリーチューブ６と気液分離器５の間とは、第２のキャピラリーチューブ９と第２の内部熱交換器１１を介して配管で接続されている。

第２の冷媒流路３２は、室外熱交換器３と第１の逆止弁１４の間と、室内熱交換器１２と第２の逆止弁１３の間とを、第１の内部熱交換器１０、膨張弁７、第２の内部熱交換器を介して配管で接続して構成されている。

気液分離器５のガス出口管とインジェクション吸入口２１とはガスインジェクション回路としてのバイパス回路２０で接続されている。第１の内部熱交換器１０は、第１のキャピラリーチューブ８と気液分離器５の間を流れる冷媒と、室外熱交換器３と膨張弁７の間の冷媒とが熱交換するように構成されている。第２の内部熱交換器１１は、第２のキャピラリーチューブ９と気液分離器５の間を流れる冷媒と、室内熱交換器１２と膨張弁７の間の冷媒とが熱交換するように構成されている。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下その動作、作用を説明する。

室内熱交換器１２を蒸発器として作用させる冷房運転を例にとり説明する。圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２によって室外熱交換器３へ流れ、凝縮し高温高圧の液冷媒となって第１の冷媒流路３１へと入る。第１の冷媒流路３１に流入した冷媒は、第１の逆
止弁１４は通過できないため第１のキャピラリーチューブ８を通過し気液分離器５に流入する。気液分離器５によって分離された液冷媒は第４のキャピラリーチューブ６、第２のキャピラリーチューブ９へと流れる。気液分離器５によって分離されたガス冷媒はバイパス回路２０を介してインジェクション吸入口２１へと戻る。

また冷媒循環量が多い場合には気液分離器５と平行して配置された第２の冷媒流路３２にも流れる。このとき第１の内部熱交換器１０によって冷媒同士で熱交換が行われ気液分離器５での冷媒乾き度が増加する。

第１の冷媒流路３１、第２の冷媒流路３２を通過した冷媒は合流後、室内熱交換器１２で吸熱しガス冷媒となって圧縮機１へともどる。

以上の説明は冷房運転についてであるが、四方弁２を切り換えて、室内熱交換器１２を凝縮器として作用させる暖房運転でも同様である。

以下、動作、作用をさらに詳しく説明する。

まず、低循環量の場合について説明する。

低循環量すなわち圧縮機１の運転周波数が低い場合、例えば定格能力の半分程度（約２ｋＷ程度）の場合は、膨張弁７を全閉又は極微少流量が流れる開度とすることで第２の冷媒流路３２を閉塞する。この場合冷媒は気液分離器５へのみ流れる。この冷媒は上流側の２つの平行に配置された第３のキャピラリーチューブ４と第１のキャピラリーチューブ８のうち、第１の逆止弁１４があるため第３のキャピラリーチューブ４へは流れず、第１のキャピラリーチューブ８のみによって減圧される。この第１のキャピラリーチューブ８は流量特性を低循環量時にあわせた流量として設定する。本実施の形態では第１のキャピラリーチューブ８の流量を膨張弁７の開度に換算して１２０ｐｌｓ相当に設定している。このように設定することで冷凍サイクル全体の最適化が可能となり、特に圧縮機１の吸入口でのスーパーヒート（以下ＳＨと略）を最適な値（約２〜４Ｋ）にすることができる。

次に気液分離器５後流の第４のキャピラリーチューブ６、第２のキャピラリーチューブ９は双方を冷媒が通過する。このとき２つのキャピラリーチューブの流量特性を調整することによって、気液分離器５のインジェクション圧力と冷媒乾き度（本発明では約０．１）を調整する。流量を少なくすればインジェクション圧力が上昇し、低消費電力するが、冷凍サイクル全体の最適化が難しくかつバイパス回路２０への冷媒液戻りの可能性が増える。流量を増加させれば逆に冷凍サイクル全体の最適化が容易になり、かつバイパス回路２０への冷媒液戻りの可能性が減るが、低消費電力化が困難となる。

そのため本実施の形態では図２に示されるようにキャピラリーチューブの最適化を行っている。なお、図２に示した値は、最大開度を４８０ｐｌｓである膨張弁７の開度に換算した値である。すなわち、気液分離器５の上流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量を、気液分離器５の下流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量と比較して、同等以下とするように、キャピラリーチューブを組み合わせて設定する。

この最適化によって冷房運転、暖房運転ともに、低循環量運転時は冷凍サイクル全体の最適化と低消費電力化が可能となっている。仮に冷凍サイクルが変更された場合には、４つのキャピラリーチューブの構成を変更すれば対応することができる。例えば冷房運転時のインジェクション圧力を上昇させたい場合は第３のキャピラリーチューブ４の流量を増加させ、第４のキャピラリーチューブ６の流量を低減させればよい。逆に暖房運転時のインジェクション圧力を低下させたい場合は第２のキャピラリーチューブ９の流量を低減し
、第１のキャピラリーチューブ８の流量を増加させればよい。

次に高循環量時について説明する。本実施の形態では定格能力運転時（約４．０ｋＷ）を想定している。この場合、前述したキャピラリーチューブだけに冷媒を通過させれば流量が不足し、ＳＨ過大で性能が十分に得られない。そこで、気液分離器５と平行して膨張弁７と前後に第１の内部熱交換器１０及び第２の内部熱交換器１１とを配置する。

低循環量時は閉じていた膨張弁７を流量増加に伴って開放していく。冷房定格運転時には約１３０ｐｌｓ程度の開度にすることで最適な運転とできる。この場合についてさらに説明すると、室外熱交換器３で凝縮された冷媒は第１のキャピラリーチューブ８への流れと第１の内部熱交換器１０へ流れる冷媒とに分岐する。このときの流量比はほぼ１：１である。

第１のキャピラリーチューブ８によって断熱膨張された冷媒は気液二相の低圧冷媒となる。また並行して流れる高温高圧の液冷媒はそのまま第１の内部熱交換器１０に入る。第１の内部熱交換器１０において冷媒同士で熱交換され、高温高圧の液冷媒は中温高圧液冷媒として膨張弁７へ入り、気液二相の低圧冷媒はガス分の増加した乾き度の高い冷媒として気液分離器５へ入る。

前述した低循環量時に冷媒乾き度を約０．１に設定した場合には約０．２となるように第１の内部熱交換器１０の熱交換特性を設定することができる。こうすることによってバイパス回路２０を介してインジェクションするガス冷媒の量は、低循環量時の場合の約２倍とすることができる。よって全体の循環量が２倍となっているのでインジェクションされ、圧縮機１の消費電力を削減することのできる比率は低循環量時とほぼ同じにすることができる。またこのとき必要とされる熱量は内部の冷媒から得るためロスはない。また放熱した高温高圧の液冷媒は温度を低下しながら膨張弁７へ入るだけのため問題はない。

気液分離器５を通過した液冷媒を主とする冷媒は低循環量時と同様に下流側の第４のキャピラリーチューブ６と第２のキャピラリーチューブ９で減圧され、膨張弁７によって減圧され低圧の気液二相冷媒となった冷媒と合流し、室内熱交換器１２において吸熱され圧縮機１へもどる。このとき第２の内部熱交換器１１を冷媒が通過するが、第２の内部熱交換器１１を流れるどちらの冷媒もほぼ同じ低圧冷媒温度であるため熱交換量は無視できるレベルにある。

このときの冷凍サイクルの状態をモリエル線図上で表したものが図３である。図３において凝縮器として作用する室外熱交換器３にて凝縮された液冷媒は点Ａ又はＡ´より減圧される。すでに説明したように気液分離器５を含む第１の冷媒流路３１を流れる冷媒と膨張弁７を含む第２の冷媒流路３２を通過する冷媒とに分かれるが、図３では気液分離器５を通過する場合は点Ａより減圧され点Ｂに至る。点Ｂは第１の内部熱交換器１０の入口の状態を表しているが、この点において内部熱交換された冷媒は同圧力のままエンタルピーが増加し点Ｄに至る。

気液分離器５へ流入した冷媒はガス成分のみ分離され、下流側の２つのキャピラリーチューブである第４のキャピラリーチューブ６と第２のキャピラリーチューブ９でさらに減圧され蒸発器として作用する室内熱交換器１２に流れ込む。このときのエンタルピー増加分を増加分ΔＨ１、循環量をＧｒ１とする。

次に膨張弁７を通過する冷媒は点Ａ´から減圧され、循環量はＧｒ２であるが、第１の内部熱交換器１０によってエンタルピーが減少している。その減少分ΔＨ２は前述したエンタルピー増加量とバランスしており、増加分ΔＨ１×Ｇｒ１＝減少分ΔＨ２×Ｇｒ２の
関係が成り立っている。膨張弁７で減圧された冷媒は点Ｃ´に至り点Ｃで合流する。第１の内部熱交換器１０によって蒸発能力が減少した分は基点Ｏと点Ｃの差であらわすことができるが、増加分は基点Ｏと点Ｃ´の差であらわすことができる。図３に示されるとおりその差は打ち消しあう関係にある。

このような構成とすることにより、従来の構成と比較して高価な膨張弁を１つ減らすことができる。なお、逆止弁やキャピラリーチューブが追加になってはいるが、これらの価格は、膨張弁と比較して半額以下である。このため製造原価を低減することができる。また気液分離器５は常に中間能力運転時程度の冷媒循環量しかないため従来と比較して小型化することもできるという効果を有する。

すでに述べたように気液分離器５の前後に２つずつのキャピラリーチューブと逆止弁が組み合わせ、キャピラリーチューブは常に上流側が下流側よりも流量が少なくなるようにすることで、膨張弁が一つでありながら低循環量の場合であっても高循環量の場合であっても、確実に気液二相の冷媒を液成分とガス成分に分離することが可能となる。

本発明の空気調和機は、膨張弁や逆止弁ブリッジを用いない安価な構成で気液分離を行うことのできるため、家庭用、業務用の空気調和機に適用できる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 第３のキャピラリーチューブ
５ 気液分離器
６ 第４のキャピラリーチューブ
７ 膨張弁
８ 第１のキャピラリーチューブ
９ 第２のキャピラリーチューブ
１０ 第１の内部熱交換器
１１ 第２の内部熱交換器
１２ 室内熱交換器
１３ 第２の逆止弁
１４ 第１の逆止弁
２０ バイパス回路
２１ インジェクション吸入口
３１ 第１の冷媒流路
３２ 第２の冷媒流路

Claims (4)

1. インジェクション吸入口を有する圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、第１のキャピラリーチューブ、気液分離器、第２のキャピラリーチューブ、利用側熱交換器を冷媒回路で連結した冷凍サイクルと、前記第１のキャピラリーチューブと並列に接続された第３のキャピラリーチューブと、前記第３のキャピラリーチューブに直列に接続され前記熱源側熱交換器から前記気液分離器への冷媒の流入を防止する第１の逆止弁と、前記第２のキャピラリーチューブと並列に接続された第４のキャピラリーチューブと、前記第４のキャピラリーチューブに直列に接続され前記利用側熱交換器から前記気液分離器への冷媒の流入を防止する第２の逆止弁と、前記気液分離器と前記インジェクション吸入口とを接続するバイパス回路とを備えた冷凍サイクル装置において、前記熱源側熱交換器と前記第１のキャピラリーチューブとの間と、前記利用側熱交換器と前記第２のキャピラリーチューブとの間とを、膨張弁を介して接続する副冷媒回路を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機が吐出する冷媒循環量が多くなるにつれて、前記膨張弁の開度を大きくすることで前記副冷媒回路を流れる流量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１のキャピラリーチューブと前記気液分離器との間の冷媒と前記熱源側熱交換器と前記膨張弁との間の冷媒とを熱交換させる第１の内部熱交換器と、前記第２のキャピラリーチューブと前記気液分離器との間の冷媒と前記利用側熱交換器と前記膨張弁との間の冷媒とを熱交換させる第２の内部熱交換器との少なくともいずれ一方を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記利用側熱交換器を蒸発器として作用させる場合と、前記四方弁を切り換えて前記利用側熱交換器を凝縮器として作用させる場合のいずれの場合にも、前記気液分離器の上流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量を、前記気液分離器の下流側となる２つのキャピラリーチューブを流れる流量と比較して、同等以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。

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