JP4049769B2

JP4049769B2 - 冷媒サイクル装置

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Publication number: JP4049769B2
Application number: JP2004235405A
Authority: JP
Inventors: 一朗上村; 洋向山; 悟今井; 博之齋; 雅久大竹
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: EP1628088A2; JP2006052898A; EP1628088A3; CN1734209A

Description

本発明は、圧縮機、放熱器、第１の減圧装置、中間圧力レシーバ、第２の減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力にて運転される冷媒サイクル装置に関するものである。

従来のこの種冷媒サイクル装置、例えば、室内を冷房する空気調和機では、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器等を環状に配管接続して冷媒サイクルが構成されている。そして、圧縮機の圧縮要素に冷媒ガスが吸入され、圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、吐出されて放熱器に流入し、そこで冷媒が放熱する。放熱器を出た冷媒はその後、減圧装置にて絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、その時に周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して室内を冷却するものであった。

ここで、近年では地球環境問題に対処するためこの種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する装置が開発されて来ている（特許文献１参照）。
特許第２８０４５２７号公報

この種の冷媒サイクル装置では、放熱器において冷媒と熱交換する熱源の温度が上昇した場合、冷凍効果が著しく減少するため、それを補うために高圧側圧力を上げる必要があり、その結果、圧縮動力が増加し、性能が低下するという問題が生じていた。

また、二酸化炭素冷媒は他の冷媒と比較して圧力損失が小さいため、減圧装置における減圧度を大きくしなければならないが、係る減圧装置として通常の電子式膨張弁を使用した場合、所望の絞り効果を得ることが困難で、適切な制御を行うことができなかった。

一方、減圧装置としてキャピラリチューブを使用した場合、所望の減圧効果を得るためにはキャピラリチューブの長さを長くしたり、内径を縮小しなければならないが、内径を小さくし過ぎると、キャピラリチューブ内にスラッジや水分やオイルが詰まり、冷媒流通に支障を来す恐れがあった。しかし、通常の内径０．６ｍｍのキャピラリチューブで所望の減圧効果を得るためには２０ｍ以上もの長さになっていた。

本発明は係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、性能の維持・向上と詰まりの発生やキャピラリチューブの寸法縮小を図る。

本発明の冷媒サイクル装置は、圧縮機、第１のキャピラリチューブ、第２のキャピラリチューブ、中間圧力レシーバ、膨張弁及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素を冷媒として該冷媒回路の高圧側が超臨界圧力にて運転されるものであって、圧縮機は、第１の圧縮要素と、該第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第２の圧縮要素とを有し、中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して圧縮機の第２の圧縮要素に吸い込ませ、中間圧力レシーバ内の液相冷媒を膨張弁にて減圧した後、蒸発器に導入すると共に、第１のキャピラリチューブの内径を第２のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下で構成することを特徴とする。

本発明では、圧縮機、第１のキャピラリチューブ、第２のキャピラリチューブ、中間圧力レシーバ、膨張弁及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素を冷媒として該冷媒回路の高圧側が超臨界圧力にて運転されるものであって、圧縮機は、第１の圧縮要素と、該第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第２の圧縮要素とを有し、中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して圧縮機の第２の圧縮要素に吸い込ませ、中間圧力レシーバ内の液相冷媒を膨張弁にて減圧した後、蒸発器に導入するので、第１の圧縮要素の冷媒流量を減少させて圧縮動力を低減し、成績係数を向上させることができるようになる。また、蒸発器での冷媒流量が低下するので、蒸発器での圧力損失も低減され、性能の向上が図れる。更に、蒸発器での液相冷媒の量が増加するので、伝熱性能が向上し、総じて性能の向上を図ることができるようになる。

更に、第１のキャピラリチューブの内径を第２のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下で構成したので、超臨界状態の冷媒をキャピラリチューブにて減圧することになる。この超臨界状態の冷媒は優れた溶解特性を有するため、キャピラリチューブの内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下と云うように小さくしても、スラッジや水分、オイルによる詰まりが生じ難くなる。従って、二酸化炭素を冷媒として用い、減圧度を大きくとらなければならない場合にも、キャピラリチューブの長さを短くしてスペース効率を改善することができるようになる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は本発明の一実施例の冷媒サイクル装置２１０の冷媒回路図である。本実施例の冷媒サイクル装置２１０は、圧縮機１０、放熱器１２、第１の減圧装置１３、中間圧力レシーバ１６、第２の減圧装置１７及び蒸発器２０を順次環状に接続して冷媒回路が構成されている。即ち、圧縮機１０の冷媒吐出管１０Ａは放熱器１２の入口に接続されている。

ここで、実施例の圧縮機１０は第１の圧縮要素３０と、この第１の圧縮要素３０で圧縮された冷媒を圧縮する第２の圧縮要素３２を有する２段圧縮式の圧縮機であり、図示しない密閉容器内に駆動要素とこの駆動要素により駆動される上記第１の圧縮要素３０及び第２の圧縮要素３２にて構成されている。

図中１１は、圧縮機１０の第１の圧縮要素３０（１段目）で圧縮された冷媒を密閉容器外部に吐出させて、第２の圧縮要素３２（２段目）に導入するための冷媒導入管である。この冷媒導入管１１の途中部には後述する連通管４０が接続されている。

また、放熱器１２を出た冷媒配管１２Ａは、第１の減圧装置１３の入口に接続されている。ここで、第１の減圧装置１３は、第１のキャピラリチューブ１４と第２のキャピラリチューブ２５とから成り、第１のキャピラリチューブ１４が冷媒上流側、第２のキャピラリチューブ２５が第１のキャピラリチューブ１４の下流側となるように配設されている。即ち、放熱器１２にて放熱した冷媒は第１の減圧装置１３にて上流側に設けられた第１のキャピラリチューブ１４により減圧された後、その下流側に設けられた第２のキャピラリチューブ２５にて減圧されることとなる。また、第１のキャピラリチューブ１４は内径が０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下、寸法が０．５ｍ以上５ｍ以下とされている。

一方、第１の減圧装置１３の出口側に接続された冷媒配管１５Ａは中間圧力レシーバ１６の入口に至る。この中間圧力レシーバ１６は冷媒の気液を分離するためのものであり、前記第１の減圧装置１３にて減圧されて気体／液体の二相混合体となった冷媒は、中間圧力レシーバ１６にて液相冷媒が当該中間圧レシーバ１６内に一旦貯溜される。この中間圧力レシーバ１６の上方には、前述した連通管４０が接続されている。この連通管４０は、中間圧レシーバ１６にて液相と分離された気相冷媒を圧縮機１２に戻すためのものであり、連通管４０の途中部には冷媒導入管１１方向を順方向とする逆止弁４２が設けられている。これにより、中間圧力レシーバ１６にて液相冷媒と分離された気相冷媒は当該連通管４０を通って、圧縮機１２の冷媒導入管１１に至り、第１の圧縮要素３０にて圧縮された中間圧力の冷媒ガスと合流して、第２の圧縮要素３２に吸入される。

他方、中間圧力レシーバ１６の底面には、第２の減圧装置としての電子式膨張弁１７の入口に至る冷媒配管１６Ａが接続されており、当該中間圧力レシーバ１６にて気相冷媒と分離され一旦貯溜された液相冷媒がこの冷媒配管１６Ａから膨張弁１７に流れる。また、膨張弁１７を出た配管１７Ａは蒸発器２０の入口に接続されている。

そして、蒸発器２０の出口側には前記圧縮機１０の冷媒導入管２０Ａが接続されて圧縮機１０に戻る環状のサイクルを構成している。

係る冷媒サイクル装置２１０の冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）が使用され、潤滑油としてのオイルはＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）、ＰＯＥ（ポリオールエステル）等が使用される。

以上の構成で次に図２のｐ−ｈ線図（モリエル線図）を参照しながら冷媒サイクル装置２１０の動作を説明する。図示しない制御装置により圧縮機１０の図示しない駆動要素が駆動されると、圧縮機１０の第１の圧縮要素３０に低圧の冷媒ガスが吸い込まれ（図２のＡの状態）、圧縮されて中間圧の冷媒ガスとなる（図２のＢの状態）。そして、中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管１１を経由して第２の圧縮要素３２に吸入される。このとき、中間圧の冷媒ガスは後述する中間圧力レシーバ１６からの気相冷媒の合流により温度低下して図２のＣの状態となる。そして、第２の圧縮要素３２に吸い込まれた冷媒は２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管１０Ａより外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力（定格時７ＭＰａ程度。但し、環境条件により５ＭＰａ〜１１ＭＰａと変動する）まで圧縮されている（図２のＤの状態）。

冷媒吐出管１０Ａから吐出された冷媒ガスは放熱器１２に流入し、そこで空冷方式若しくは水冷方式により放熱する。当該放熱器１２において二酸化炭素冷媒は凝縮して、液化することなく超臨界の状態のまま、温度低下して図２のＥの状態となる。

放熱器１２にて放熱した冷媒は、冷媒配管１２Ａを経て第１の減圧装置１３に至る。この第１の減圧装置１３にて冷媒は先ず、上流側に設けられた第１のキャピラリチューブ１４に流入し、当該キャピラリチューブ１４を通過する過程で圧力が低下する（図２のＦの状態）。

ここで、放熱器１２を出た冷媒は上述の如く超臨界状態であるため、当該キャピラリチューブ１４において冷媒は超臨界状態を維持したまま、若しくは、当該キャピラリチューブ１４の出口付近で気相／液相の二相混合体となるだけで、第１のキャピラリチューブ１４を通過する殆どの行程で超臨界状態のまま減圧される。

係る超臨界状態の冷媒は優れた溶解特性を有する。このため、第１のキャピラリチューブ１４の内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下と小さくしてもスラッジや水分、オイルによる目詰まりが生じ難くなる。

従来のフロン系冷媒を用いた場合、キャピラリチューブは通常０．６ｍｍ程度の内径のものを使用しており、それ以上内径を縮小するとスラッジや水分、オイル等が詰まって、冷媒流通に支障を来す恐れがあった。

しかしながら、冷媒として二酸化炭素を使用し、第１のキャピラリチューブ１４に入る冷媒圧力が超臨界状態となるようにすることで、第１のキャピラリチューブ１４にて超臨界状態の冷媒を減圧することとなり、係る超臨界状態特有の優れた溶解特性により第１のキャピラリチューブ１４の内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下と小さくすることができるようになる。これにより、圧力損失の少ない二酸化炭素冷媒を用いても、係る冷媒流通に支障が生じる不都合を回避し、第１のキャピラリチューブ１４の寸法を縮小して、第１のキャピラリチューブ１４における絞り効果を充分得ることができるようになる。

これにより、二酸化炭素を冷媒として用い、減圧度を大きくとらなければならない場合にも、第１のキャピラリチューブ１４の長さを短くしてスペース効率を改善することができるようになる。

尚、第１のキャピラリチューブ１４にて減圧された冷媒は、その後第１のキャピラリチューブ１４の下流側に設けられた第２のキャピラリチューブ２５（内径が０．５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下、寸法が０．５ｍ以上２ｍ以下の従来より用いられているものである。）に流入し、当該第２のキャピラリチューブ２５における圧力低下により気体／液体の二相混合体とされ（図２のＧの状態）、中間圧力レシーバ１６に至る。また、中間圧力レシーバ１６において冷媒は前記第１の減圧装置１３における減圧効果で圧力が３ＭＰａ〜４ＭＰａ程度にまで低下している。そして、中間圧力レシーバ１６において、冷媒は気相冷媒（飽和蒸気）と液相冷媒（飽和液）に分離され、気相冷媒は中間圧力レシーバ１６内で図２の状態Ｈとなり、連通管４０介して圧縮機１０の冷媒導入管１１に戻され、第１の圧縮要素３０で圧縮された中間圧の冷媒と合流する。このとき、冷媒は図２のＣの状態となる。

このように、中間圧力レシーバ１６にて冷媒の気液を分離して、気体成分を連通管４０から圧縮機１２の冷媒導入管１１に戻すことで、冷却に寄与しない気体成分を中間圧力レシーバ１６以降の低圧側の冷媒回路に循環させず、この分だけ冷媒サイクルの効率を向上させることができる。特に、本発明の如く二酸化炭素冷媒を用いることで、中間圧力レシーバ１６で分離される気相冷媒が従来のフロン系冷媒に比べて多くなり、係る気相冷媒を圧縮機１０の冷媒導入管１１から第２の圧縮要素３２に導入することで、より効率の向上を図ることができる。

一方、液相冷媒は中間圧力レシーバ１６内で一旦貯留されて、図２のＩの状態となり、底部に設けられた冷媒配管１６Ａから当該中間圧力レシーバ１６を出て膨張弁１７にて更に絞られて、図２のＪの状態となる。

膨張弁１７にて圧力低下した冷媒は配管１７Ａを介して蒸発器２０内に流入する。そこで、冷媒は蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。

その後、蒸発器２０を出た冷媒は圧縮機１０の冷媒導入管２０Ａから第１の圧縮要素３０に吸い込まれるサイクルを繰り返す（図２のＡの状態）。

このように、中間圧力レシーバ１６にて気相冷媒を圧縮機１０の第２の圧縮要素３２に吸い込ませ、中間圧力レシーバ１６内の液相冷媒を第２の減圧装置としての膨張弁１７にて減圧した後、蒸発器２０に導入するので、第１の圧縮要素３０の冷媒流量を減少させることができるようになる。これにより、第１の圧縮要素３０における圧縮動力を低減し、成績係数を向上させることができるようになる。

また、蒸発器２０での冷媒流量が低下するので、蒸発器２０での圧力損失も低減され、性能の向上が図れるようになる。

更に、蒸発器２０での液相冷媒の量が増加するので、伝熱性能が向上し、総じて性能の向上を図ることができるようになる。

上記実施例のように第２の減圧装置を電子式膨張弁にて構成する場合に限らず、例えば、図３に示す如く第２の減圧装置を従来のキャピラリチューブにて構成しても構わない。

図３はこの場合の冷媒サイクル装置４１０の冷媒回路図であり、２７は第２の減圧装置としてのキャピラリチューブである。図３において図１と同一の符号が付されているものは同様、若しくは、類似の効果を奏するものとする。

この場合にも超臨界状態の冷媒を先ず、内径の小さい第１のキャピラリチューブ１４にて減圧することで、冷媒を充分に減圧することができるので、その下流側の第２のキャピラリチューブ２５は内径を縮小したり、寸法を拡大すること無く、従来のキャピラリチューブを用いることができる。

尚、上記各実施例では一つの蒸発器２０にて冷媒を蒸発させるものとしたが、複数台の蒸発器を並設して、各蒸発器にそれぞれ冷媒を流し、蒸発させるものとしても良い。この場合、例えば、図４のように配管１６Ａの途中部に分岐配管１６Ｂを接続し、当該分岐配管１６Ｂにキャピラリチューブ２８と、蒸発器２１を設ける。また、蒸発器２１から出た分岐配管２１Ａは蒸発器２０の出口側に接続された冷媒導入管２０Ａの途中部に接続するものとする。更に、蒸発器２１の出口側の分岐配管２１Ａには、冷媒導入管２０Ａ側を順方向とする逆止弁２４を設け、同様に冷媒導入管２０Ａには圧縮機１０側を順方向とする逆止弁２２を設置する。そして、分岐配管１６Ｂの接続位置に三方弁１９を設けて、当該三方弁１９により、中間圧力レシーバ１６にて気相冷媒と分離された液相冷媒をキャピラリチューブ２７に流すか、キャピラリチューブ２８に流すか、若しくは、両方に流すかを適宜制御することで、各蒸発器２０、２１にて選択的に冷媒を蒸発することができるようになる。

これにより、冷媒サイクル装置５１０を室内を空調する空気調和機として使用する場合には、各蒸発器２０、２１により、２室を選択的に冷却することができるようになる。また、冷媒サイクル装置５１０を冷蔵庫などに適用すれば、異なる２つの被冷却空間を同時、若しくは、選択的に冷却することができるようになる。これらにより、当該冷媒サイクル装置の汎用性の向上を図ることができる。

本発明の一実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。図１の冷媒サイクル装置のｐ−ｈ線図である。本発明の第２実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。本発明の第３実施例の冷媒サイクル装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１０圧縮機
１１、２０Ａ冷媒導入管
１２放熱器
１２Ａ、１５Ａ、１６Ａ、１７Ａ冷媒配管
１３第１の減圧装置
１４、２５、２７、２８キャピラリチューブ
１５、１７電子式膨張弁
１６中間圧力レシーバ
１９三方弁
２０、２１蒸発器
２２、２４、４２逆止弁
３０第１の圧縮要素
３２第２の圧縮要素
４０連通管
２１０、４１０、５１０冷媒サイクル装置

Claims

圧縮機、第１のキャピラリチューブ、第２のキャピラリチューブ、中間圧力レシーバ、膨張弁及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素を冷媒として該冷媒回路の高圧側が超臨界圧力にて運転され、
前記圧縮機は、第１の圧縮要素と、該第１の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第２の圧縮要素とを有し、前記中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して前記圧縮機の第２の圧縮要素に吸い込ませ、前記中間圧力レシーバ内の液相冷媒を前記膨張弁にて減圧した後、前記蒸発器に導入すると共に、
前記第１のキャピラリチューブの内径を前記第２のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下で構成することを特徴とする冷媒サイクル装置。