JP4102799B2 - Air conditioner - Google Patents
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Description
本発明は、冷凍サイクルを備えた空気調和機に関する。 The present invention relates to an air conditioner equipped with a refrigeration cycle.
冷凍サイクルの効率向上を図る手段の1つとして、インジェクションサイクルが知られている。特許文献1には、低段(低圧側)圧縮要素の吐出側と高段(高圧側)圧縮要素の吸入側とを連通路(中間通路)を介して直列接続した2段圧縮機構を用いたロータリ式2段圧縮機を用いたインジェクションサイクルが開示されている。すなわち、2段冷媒圧縮機、凝縮器、第1膨張装置、気液分離器、第2膨張装置、蒸発器とを順次配管接続し、気液分離器と2段圧縮機の連通路(中間通路)の途中とをインジェクション通路で接続したインジェクションサイクルが記載されている。
An injection cycle is known as one of means for improving the efficiency of the refrigeration cycle.
そして、低圧圧縮要素機構から排出される冷媒ガス体積と高圧圧縮要素機構の吸入シリンダ容積との間で生じる過不足によって、両圧縮要素の間を連通する中間通路には圧力脈動が発生し、中間通路の冷媒ガスが気液分離器に逆流して正常な冷凍サイクル運転ができなくなるという問題に対して、インジェクション通路の途中に気液分離器から連通路へのみの流体流入を許容する逆止弁装置を配置する技術が開示されている。 Then, due to excess and deficiency generated between the refrigerant gas volume discharged from the low pressure compression element mechanism and the suction cylinder volume of the high pressure compression element mechanism, pressure pulsation is generated in the intermediate passage communicating between the two compression elements. A check valve that allows fluid to flow only from the gas-liquid separator to the communication passage in the middle of the injection passage, against the problem that refrigerant gas in the passage flows back to the gas-liquid separator and normal refrigeration cycle operation cannot be performed. Techniques for arranging the devices are disclosed.
インジェクションサイクルの効率を向上させるためには、圧縮機へのインジェクション圧力を適正に保つことが重要である。ロータリ式2段圧縮機を用いてインジェクションを行う場合、低圧側圧縮要素と高圧側圧縮要素の連通路にインジェクションを行う。しかし、特許文献1に記載されたロータリ式2段圧縮機を用いた場合にインジェクションによるサイクル効率向上の効果が十分に得られる場合と、得られない場合があるということが判明した。
In order to improve the efficiency of the injection cycle, it is important to maintain an appropriate injection pressure to the compressor. When injection is performed using a rotary two-stage compressor, the injection is performed in the communication path between the low pressure side compression element and the high pressure side compression element. However, it has been found that when the rotary type two-stage compressor described in
本発明の目的は、上述の問題点に鑑みて、インジェクションサイクルの効率向上を図ることにある。 An object of the present invention is to improve the efficiency of an injection cycle in view of the above-described problems.
本発明の目的を達成するために、低圧用圧縮要素から吐出された冷媒が中間空間を介して高圧用圧縮要素に吸入され外部に吐出する2段圧縮機と、この2段圧縮機に接続された凝縮器と、この凝縮器からの冷媒を減圧する第1の減圧機構と、この第1の減圧機構に接続された気液分離器と、この気液分離器に接続された第2の減圧機構と、一方がこの第2の減圧機構に接続され他方が前記2段圧縮機に接続された蒸発器と、前記気液分離器と前記中間空間とを接続するインジェクション配管とを備えた空気調和機において、前記インジェクション配管内に前記中間空間で生じた圧力脈動の共振現象を生じさせる固定端として、前記インジェクション配管内に前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有する流路断面積縮小部を備えた空気調和機とした。In order to achieve the object of the present invention, a refrigerant discharged from a low-pressure compression element is sucked into a high-pressure compression element through an intermediate space and discharged to the outside, and connected to the two-stage compressor. A condenser, a first decompression mechanism for decompressing the refrigerant from the condenser, a gas-liquid separator connected to the first decompression mechanism, and a second decompression connected to the gas-liquid separator An air conditioner comprising: a mechanism; an evaporator, one connected to the second decompression mechanism and the other connected to the two-stage compressor; and an injection pipe connecting the gas-liquid separator and the intermediate space In the machine, the flow path cross-sectional area reducing portion having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the injection pipe in the injection pipe as a fixed end that causes a resonance phenomenon of pressure pulsation generated in the intermediate space in the injection pipe The And the example was the air conditioner.
また、前記中間空間から前記インジェクション配管上の下式で表される距離Lの位置に、前記中間空間からのこの距離Lの位置に至る前記インジェクション配管の断面積よりも小さな断面積を有する流路断面積縮小部を備えた構成としてもよい。A flow path having a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the injection pipe reaching the position of the distance L from the intermediate space at the position of the distance L represented by the following expression on the injection pipe from the intermediate space. It is good also as a structure provided with the cross-sectional area reduction part.
L={(2n−1)/4±1/8}λL = {(2n−1) / 4 ± 1/8} λ
(n=1,2,3…)(N = 1, 2, 3 ...)
本発明によれば、インジェクションサイクルの効率向上を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the efficiency of the injection cycle.
本発明の実施例を図を用いて説明する。まず図1を用いて本実施例に係るロータリ式2段圧縮機について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a rotary two-stage compressor according to this embodiment will be described with reference to FIG.
圧縮機1は、底部21と蓋部12と胴部22からなる密閉容器13を備える。密閉容器13内部の上方には、ステータ7とロータ8を有する電動機14が設けられている。電動機14に連結された回転軸2は、2つの偏心部5を備えて、主軸受9と副軸受19に軸支されている。その回転軸2に対して電動機14側から順に、端板部9aを備えた主軸受9、高圧用圧縮要素20b、中間仕切板15、低圧用圧縮要素20a及び端板部19aを備えた副軸受19が積層され、ボルト等の締結要素(図示せず)で一体化されている。
The
端板部9aは、胴部22の内壁に溶接によって固定されて、主軸受9を支持している。端板部19aは、副軸受19に支持されている。なお、本実施例は端板部19aをボルト等で固定されているが、胴部22に溶接で固定されても構わない。
The
各圧縮要素20aと20bは、次のように構成されている。低圧圧縮要素20aは、副軸受19と、円筒状のシリンダ10aと、偏心部5aの外周に嵌め合わされた円筒状のローラ11と、中間仕切板15とで圧縮室23aは構成される。また、高圧圧縮要素20bは、主軸受9と、円筒状のシリンダ10bと、偏心部5bの外周に嵌め合わされた円筒状のローラ11と、中間仕切板15とで圧縮室23bは構成される。それらの圧縮室23a、23bは、コイルバネのような付勢力付与手段に連結された平板状のベーン18が、偏心部5a、5bの偏心運動に合わせて回転するローラ11a、11bの外周上を接触しながら進退運動することにより、圧縮室23a、23bを圧縮空間と吸込み空間に分割する。
Each
圧縮要素20は、偏心部5が偏心回転することでローラ11を駆動する。図1に示すように偏心部5aと偏心部5bは位相が180°異なり、圧縮要素20a、20bの圧縮工程の位相差は180°である。すなわち2つの圧縮要素の圧縮工程は逆位相となっている。
The compression element 20 drives the roller 11 when the
作動流体であるガス冷媒の流れを、図1の矢印で表す。配管31を通って供給される低圧Psのガス冷媒は、配管31と接続する吸入口25aより低圧用圧縮要素20a内に吸入され、ローラ11aが偏心回転することにより中間圧Pmまで圧縮される。圧縮室23a内の圧力が予め設定された圧力になると開口する吐出弁28aが中間圧Pmで開口すると、中間圧Pmとなったガス冷媒が、吐出口26aと連通する吐出空間33に吐出される。この吐出空間33は、副軸受19とカバー35とにより密閉容器13内の密閉空間29と隔離された空間であり、その内部圧力は基本的には中間圧Pmとなる。中間流路30は吐出空間33と吸入口25bを連通する流路である。吐出空間33と中間流路30、及び吸入口25bからなる一つの連通した空間は、密閉容器13と隔てられ内部圧力が中間圧Pmの中間空間32(図1中、点線で囲われている部分)である。したがって、吐出弁28aが開口した吐出口26aから吐出された圧力Pmのガス冷媒は、吐出空間33に吐出された後、中間流路30を通って、高圧圧力要素20bの圧力室23bと連通する吸入口25bに至る。
The flow of the gas refrigerant which is a working fluid is represented by an arrow in FIG. The low-pressure Ps gas refrigerant supplied through the
次に、中間流路30を通過して吸入口25bより高圧用圧縮要素20b内に吸入された中間圧Pmのガス冷媒は、ローラ11bが公転することにより高圧Pdまで圧縮される。圧縮室23b内の圧力が予め設定された圧力になると開口する吐出弁28bが高圧Pdで開口すると、ガス冷媒は吐出口26bから密閉容器13の内部空間である密閉空間29に吐出される。この密閉空間29に吐出されたガス冷媒は、電動機14の隙間を通過して吐出管27より吐出される。また、図示しない気液分離器によって分離された気体冷媒はインジェクション配管17を介して中間空間32に注入される。
Next, the gas refrigerant having the intermediate pressure Pm passing through the
次にインジェクションサイクルを有する冷凍サイクルの構成を図2に示す。尚、図1と同一符号は同一構成を示す。尚、冷房運転と暖房運転を切替える4方弁は図示していない。従って、凝縮器3は、冷房運転時は室外熱交換器であり、暖房運転時は室内熱交換器となる。また、蒸発器16は、冷房運転時は室内機であり、暖房運転時は室外熱交換器となる。 Next, FIG. 2 shows a configuration of a refrigeration cycle having an injection cycle. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. A four-way valve that switches between cooling operation and heating operation is not shown. Therefore, the condenser 3 is an outdoor heat exchanger during the cooling operation and an indoor heat exchanger during the heating operation. Further, the evaporator 16 is an indoor unit during the cooling operation and an outdoor heat exchanger during the heating operation.
ロータリ式2段圧縮機1から吐出された高圧Pdの冷媒ガスは、凝縮器3で凝縮した後、第一の膨張機構4aで膨張し、中間圧Pmまで圧力が減圧される。この減圧された冷媒ガスは、気液分離器6で気体と液体に分離される。分離された液冷媒は、気液分離器6の下流にある第2の膨張機構4bでさらに低圧Psまで減圧された後、蒸発器16で蒸発してガス冷媒となる。低圧Psのガス冷媒は吸入口25aより低圧用圧縮要素20a内に吸入され、偏心部5aに嵌め合わされたローラ11aが公転することにより中間圧Pmまで圧縮され、中間空間32へ吐出される。
The high-pressure Pd refrigerant gas discharged from the rotary two-
中間空間32のガス冷媒は、気液分離器6と中間流路30とが連通したインジェクション配管17から導かれる中間圧Pmのガス冷媒と混合する。その後吸入口25bより高圧用圧縮要素20b内に吸入された中間圧Pmのガス冷媒は、偏心部5bに嵌め合わされたローラ11bが公転することにより高圧力Pdまで圧縮されて、吐出管27より吐出される。
The gas refrigerant in the
このようなインジェクションサイクルは、蒸発器16において伝熱性能の低いガス冷媒をバイパスするため、低圧側圧縮要素20aへの余分な循環流量を減少して圧縮仕事を低減し、空気調和機の成績係数COPを向上する。
Since such an injection cycle bypasses the gas refrigerant having low heat transfer performance in the evaporator 16, the extra circulation flow to the low pressure
さて、このようにロータリ式2段圧縮機を用いたガスインジェクションサイクルでは、COPが向上したり低下したりする現象を生ずることが判明した。 Now, it has been found that in the gas injection cycle using the rotary type two-stage compressor as described above, a phenomenon occurs in which COP is improved or decreased.
図3に中間空間32とインジェクション配管17の接合部から電動弁34までの距離LとサイクルのCOPとの関係を表した実験結果を示す。図3に示されているように、サイクルCOPは、配管距離Lに応じて周期的にピークを持っており、このピークは圧力脈動が共振をおこす配管長にほぼ等しくなっている。
FIG. 3 shows experimental results showing the relationship between the distance L from the junction between the
この結果から、中間空間32とインジェクション配管17の接合部から電動弁34までの距離LをCOPが向上する距離とすることにより、COPの向上を図ることができることを意味する。
From this result, it is meant that the COP can be improved by setting the distance L from the junction between the
本実施例では、圧力波(圧力脈動)の波長をλとした場合に、距離Lが{(2n−1)/4±1/8}λ (n=1,2,3…)となる位置に電動弁34を設置することで、圧力脈動による共振現象を利用して、サイクルCOPを平均以上に高めることができる。
In the present embodiment, when the wavelength of the pressure wave (pressure pulsation) is λ, the position where the distance L is {(2n−1) / 4 ± 1/8} λ (n = 1, 2, 3...) By installing the motor operated
また、配管距離Lが長くなると、配管の圧力損失によりインジェクション流量が減少することとなり、サイクルCOPは低下する。したがってn=1の場合が最も望ましいといえる。さらに、距離Lを{(2n−1)/4±1/16}λ (n=1,2,3…)とすることで、COPの高い領域を狙うことができる。特に、1/4λに対して、±1/16λの範囲内とすることで、特に高い効果を得ることができる。 Further, when the piping distance L is increased, the injection flow rate is reduced due to the pressure loss of the piping, and the cycle COP is reduced. Therefore, it can be said that the case of n = 1 is most desirable. Furthermore, by setting the distance L to {(2n−1) / 4 ± 1/16} λ (n = 1, 2, 3...), It is possible to aim at a region with a high COP. In particular, a particularly high effect can be obtained by setting within a range of ± 1 / 16λ with respect to 1 / 4λ.
上記のような効果を奏する理由について考察する。まず原因についてであるが、中間空間32における圧力脈動が影響しているであろうと推察される。すなわち、ロータリ式2段圧縮機1の中間空間32では、低圧側圧縮要素20aからの吐出冷媒により高圧となった後、高圧側圧縮要素20bにより吸入されるため、徐々に圧力が低下し、圧縮機の回転数に応じた周期で圧力脈動が生じる。低圧側圧縮要素20aの吐出工程が終了した段階で、低圧側圧縮要素20aと中間空間32は遮断され、高圧側圧縮要素20bは位相が180度ずれているため、この段階では吸込過程にある。この段階における中間空間32に高圧側圧縮要素20bの体積を加えた体積は最小であるので、この段階の中間空間32の圧力は最も高くなる。さらに位相が進むと、高圧側圧縮要素20bの吸入工程が進み体積が増すため、中間空間32の圧力はローラ11bが公転するにつれて低下する。この圧力脈動がインジェクション配管内にも伝播し、インジェクション効果に影響を与えていると考えている。
The reason for the above effects will be considered. First, regarding the cause, it is presumed that the pressure pulsation in the
次に、電動弁34の設置位置を適正にするとCOPが向上する理由を考察する。インジェクション配管17の途中に設けられた電動弁34は、中間空間32側のインジェクション配管17よりも断面積の小さいものとなっている。中間空間32における圧力脈動の圧力波は、インジェクション配管17よりも断面積が小さい電動弁34にて反射され、中間空間32との間の配管内に定常波が生成される。このため、圧力脈動によるインジェクション冷媒の過給効果が現れるのではないかと考えている。
Next, the reason why COP is improved when the installation position of the motor-operated
ところで、このような圧力脈動は、中間空間32の容積を増大させることである程度抑制することができるが、十分に平滑化する場合には機器が大型になってしまう。また、中間空間32からインジェクション配管17への冷媒の逆流を防止するために逆止弁をインジェクション回路に設けても圧力脈動を抑制する効果をえることができなかった。
By the way, such pressure pulsation can be suppressed to some extent by increasing the volume of the
本実施例においては、インジェクション配管17内に伝播した圧力波がインジェクション配管17内に固定端を有する定常波となる反射波生じさせる流路断面積縮小部、本実施例では電動弁34、を設けたので、インジェクション流体の慣性効果を利用して安定した性能を確保することが可能となる。
In this embodiment, there is provided a flow path cross-sectional area reduction section for generating a reflected wave that becomes a stationary wave having a fixed end in the
流路断面積縮小部を設ける位置としては、前述のように、インジェクションされる流体の音速を圧縮機の回転数で除した値をλとした場合に、ロータリ式2段圧縮機1の中間空間32とインジェクション配管17の接合部からの配管距離Lを、L={(2n−1)/4±1/8}λ(n=1,2,3…)となる位置にインジェクション配管の流路断面積縮小部を設ける。これにより共振現象を利用して配管内圧力脈動によるインジェクション流体の慣性過給効果を大きくすることができる。したがって、インジェクションされる流体の流量を増加せしめ、インジェクションによる効果を高めることができるので、インジェクションサイクルのCOPを向上させることができる。
As described above, when the value obtained by dividing the sound speed of the fluid to be injected by the rotational speed of the compressor is λ, the position where the flow path cross-sectional area reducing portion is provided is the intermediate space of the rotary two-
ところで、インジェクション配管17における圧力損失が大きい場合には、気液分離器6の圧力が高くなり、気液分離器6における乾き度が低下し、冷媒ガスの割合が減少するので、インジェクション流量が低下する。このため、サイクルとしての効率が低下する。そこで、配管距離Lを上記条件においてn=1となる{1/4±1/8}λとする。これにより前述の如く、インジェクション配管を長くすることによる圧力損失の増加を低減でき、効率の低下を抑制することができる。なお、前述の如く、配管距離Lを{1/4±1/16}λとすることで、効率向上効果の最も高い領域で使用することができる。
By the way, when the pressure loss in the
また流路断面積縮小部を、インジェクション回路の開閉が可能であり、かつ開の状態における流路断面積がインジェクション配管の断面積よりも小さい電動弁34とした。この場合、インジェクション回路の開閉を行う電動弁と断面積変更手段を同一の部品で兼ねることができるので、部品点数を削減することが可能となり、また設計の自由度を拡大させることができる。この距離L部分に設けた流路断面積縮小部を、距離Lまでの配管径より距離Lから気液分離器6までの配管径を小さくしても良い。さらに、距離L部の配管を潰しても良いし、別ピースの断面積の小さい配管を接続しても良い。さらに、電動弁でなくても断面積が小さくなるのであればいかなる弁であっても良い。また、電動弁34を開閉弁である2方弁としても、膨張弁としても良い。
In addition, the flow passage cross-sectional area reduction portion is an
また、本実施例では、インジェクション配管17を2つの並列な経路17aおよび17bから構成しており、各経路に配置された電動弁34aおよび34bの一方のみを開とすることで、これらの経路を切り替えることが可能な構成となっている。さらに、各電動弁34aと34bは中間空間32とインジェクション配管17の接合部からの距離が異なる位置に配置されている。圧縮機の回転数によって最適なインジェクション配管長は変わるが、本実施例ではインジェクション配管の2つの経路17a、17bを電動弁34aと34bを用いて切り替えることによって、高いインジェクション効果が得られる。例えば、通常暖房運転は冷房運転よりも能力が必要とされる分、圧縮機の回転数が高くなる。従って、冷房運転時は電動弁34aを、暖房運転時は電動弁34bを用いることでより効果を高めることができる。また、本実施例と同様に、インジェクション配管17を2つの経路で構成し、各々の配管径を変えることで同様の効果を得るとしても良い。
In this embodiment, the
またインジェクション配管17は、内径2.0mmから7.0mmの範囲であることが望ましい。すなわち、配管径が細すぎる場合にはインジェクション流体の圧力損失が大きくなり、前述のようにサイクルとしての効率は低下することになる。一方、配管径が太すぎる場合には脈動の振幅が小さくなり、脈動による過給効果が小さくなってしまうため、適切な配管径とすることが望ましい。本実施例では、インジェクション配管17の内径を概ね5.0mmとしているため、インジェクションによる効果を利用して性能を向上させることができる。
In addition, the
図4に室外ユニット内への配管設置方法を示す。また図5は図4を上から見た場合の圧縮機カバーとの関係を示す。図4に示すように、インジェクション配管17の直管部が鉛直方向となるように蛇行させ、図5に示すように圧縮機の周囲に巻いてあるカバーとカバーの間に配管をはさみこむことで、新たな固定具等を用いることなく、配管を容易に固定しつつ、振動等による配管の破損を防止することができる。また、インジェクション配管はカバーおよび周囲の空気と熱交換することになるが、カバーの内側は通常、インジェクションされる冷媒よりも高温となっているので、負荷変動等により過渡的に液冷媒がインジェクション配管へ流入した場合であっても、カバー内で圧縮機からの入熱により液冷媒を蒸発させることができる。このため、常にインジェクション冷媒をガス化しておくことが可能となるので、液冷媒がインジェクションされることによる液圧縮など圧縮機の信頼性を低下させ得る問題を回避できることとなり、信頼性も向上できる。
FIG. 4 shows a method for installing a pipe in the outdoor unit. FIG. 5 shows the relationship with the compressor cover when FIG. 4 is viewed from above. As shown in FIG. 4, the straight pipe portion of the
1…圧縮機、3…凝縮機、4…膨張器、6…気液分離器、17…インジェクション配管、34…電動弁、32…中間空間、40…圧縮機カバー。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
L={(2n−1)/4±1/8}λL = {(2n−1) / 4 ± 1/8} λ (n=1,2,3…)(N = 1, 2, 3 ...)
L={(2n−1)/4±1/16}λL = {(2n−1) / 4 ± 1/16} λ (n=1,2,3…)(N = 1, 2, 3 ...)
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