JP4889714B2 - 冷凍サイクル装置及びこれを搭載した空気調和機 - Google Patents
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Description
(冷凍装置の全体構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の全体構成図である。
圧縮機2、四方弁7、第1の熱交換器3(暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する)、第1の逆止弁8a、第2の逆止弁8b、第3の逆止弁8c及び第4の逆止弁8dから構成されるブリッジ回路8における第2の逆止弁8b、電子膨張弁である第2の減圧装置10b、エジェクタ4並びに気液分離器5が冷媒配管によって直列に接続されている。その気液分離器5の液出口とエジェクタ4のガス冷媒吸引口41aとが、電子膨張弁である第3の減圧装置10c及びブリッジ回路8における第3の逆止弁8c、第2の熱交換器6(暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する)及び四方弁7を介して冷媒配管で接続されている。また、気液分離器5のガス側出口と圧縮機2の入口側とが冷媒配管によって接続されている。第1の熱交換器3及び第2の逆止弁8bを接続する冷媒配管と、第3の減圧装置10c及び第3の逆止弁8cを接続する冷媒配管とが、第1の逆止弁8aを介して接続されている(分岐点A及びC)。また、第3の逆止弁8c及び第2の熱交換器6を接続する冷媒配管と、第2の逆止弁8b及び第2の減圧装置10bを接続する冷媒配管とが、第4の逆止弁8dを介して接続されている(分岐点B及びD)。以上の構成によって、冷凍サイクル回路が構成される。この冷凍サイクル回路を流通する冷媒として、例えば、二酸化炭素冷媒が封入されている。
次に、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の暖房運転の動作について説明する。
四方弁7の切替えによって暖房運転が実施される場合においては、第1の熱交換器3が凝縮器として、そして、第2の熱交換器6が蒸発器として機能する。圧縮機2は、流入したガス冷媒を圧縮し、高温高圧なったガス冷媒を吐出する。吐出されたガス冷媒は、四方弁7を通過して、第1の熱交換器3に送られる。第1の熱交換器3に流入したガス冷媒は、熱交換が実施され凝縮して液化し、液冷媒となって流出する。この流出した液冷媒は、第2の逆止弁8b及び第2の減圧装置10bを経由してエジェクタ4に流入する。流入した液冷媒は、エジェクタ4内部で、ガス冷媒吸引口41aから吸引されたガス冷媒と混合して気液二相冷媒となって流出し、気液分離器5に流入する。気液分離器5に流入した気液二相冷媒は、ガス冷媒と液冷媒に分離され、このうちガス冷媒は、気液分離器5のガス側出口から流出し圧縮機2へ送られる。一方、分離された液冷媒は、気液分離器5の液側出口から流出し、第3の減圧装置10c及び第3の逆止弁8cを経由して第2の熱交換器6に送られる。第2の熱交換器6に流入した液冷媒は、熱交換が実施され蒸発して気化し、ガス冷媒となって流出する。この流出したガス冷媒は、四方弁7を経由して、エジェクタ4のガス冷媒吸引口41aから吸引される。この吸引されたガス冷媒は、前述のように、エジェクタ4に流入した液冷媒と混合され気液二相冷媒となって、エジェクタ4から流出する。以後、上記の動作が繰り返される。
図2は、同冷凍サイクル装置で利用されるエジェクタの断面概念図である。図2を参照しながら、エジェクタ4における冷媒の圧力回復動作について説明する。
エジェクタ4は、内部に可変絞り機構を備えず固定絞り機構を備えるノズル部40、そのノズル部40を環状に覆う吸引部41、ノズル部40から流出する気液二相冷媒と、吸引部41を流通するガス冷媒とを混合する混合部42及びその混合された冷媒の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換して昇圧する末広形状のディフューザ部43から構成される。ノズル部40は、さらに、冷媒流入口40a、減圧部40b、喉部40c及び末広部40dから構成されている。また、吸引部41は、ガス冷媒を吸引流として吸引するガス冷媒吸引口41aを有する。
次に、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の冷房運転の動作について説明する。
四方弁7の切替えによって冷房運転が実施される場合においては、第1の熱交換器3が蒸発器として、そして、第2の熱交換器6が凝縮器として機能するが、基本的な動作は暖房運転と同様である。圧縮機2は、流入したガス冷媒を圧縮し、高温高圧となったガス冷媒を吐出する。吐出されたガス冷媒は、四方弁7を通過して、第2の熱交換器6に送られて熱交換が実施され凝縮して液化し、液冷媒となって第2の熱交換器6から流出する。この流出した液冷媒は、第4の逆止弁8d及び第2の減圧装置10bを経由してエジェクタ4に流入する。流入した液冷媒は、エジェクタ4内部で、ガス冷媒吸引口41aから吸引されたガス冷媒と混合して気液二相冷媒となって流出し、気液分離器5に流入する。気液分離器5に流入した気液二相冷媒は、ガス冷媒と液冷媒に分離され、このうちガス冷媒は、気液分離器5のガス側出口から流出し圧縮機2へ送られる。一方、分離された液冷媒は、気液分離器5の液側出口から流出し、第3の減圧装置10c及び第1の逆止弁8aを経由して第1の熱交換器3に送られて熱交換が実施され蒸発して気化し、ガス冷媒となって第1の熱交換器3から流出する。この流出したガス冷媒は、四方弁7を経由して、エジェクタ4のガス冷媒吸引口41aから吸引される。この吸引されたガス冷媒は、前述のように、エジェクタ4に流入した液冷媒と混合され気液二相冷媒となって、エジェクタ4から流出する。以後、上記の動作が繰り返される。
外気温度、室内温度又は空調負荷等の環境条件の変化により、エジェクタ4の駆動力である断熱熱落差が低下した場合、以下で説明するエジェクタ4を利用しない通常の冷凍サイクルで運転が行われる。
この場合、第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10cは閉止されるとともに、第1の減圧装置10aは開放され、冷媒はバイパス回路を流通する。暖房運転の場合、圧縮機2から吐出されたガス冷媒は、凝縮器として機能する第1の熱交換器3で凝縮して液冷媒となり、バイパス回路によってブリッジ回路8をバイパスして第1の減圧装置10aで減圧される。その減圧された液冷媒は、蒸発器として機能する第2の熱交換器6で蒸発してガス冷媒となる。そのガス冷媒は、四方弁7を経由して、ガス冷媒吸引口41aからエジェクタ4に流入してそのままディフューザ部43から流出する。そして、エジェクタ4から流出したガス冷媒は、気液分離器5を経由して圧縮機2へ戻ることで冷凍サイクルが成立する。このとき、第1の減圧装置10aは、第2の熱交換器6の出口側における過熱度又は第1の熱交換器3の出口側における過冷却度が、環境条件に応じた目標値となるように制御される。冷房運転時の場合においても、同様の動作及び制御方法となる。
さらに、第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10cの制御方法について説明する。
第2の減圧装置10bは、エジェクタ4の入口側部分の状態を制御するものであり、エジェクタ4における入口側温度及び入口側圧力のうち少なくともどちらか一方を検出し、その値が外気温度、室内温度、空調負荷又は圧縮機2周波数等の環境条件に応じた目標値となるように制御する。なお、エジェクタ4における入口側温度及び入口側圧力の代わりに、第1の熱交換器3における出口側温度及び出口側圧力のうち少なくとも一方を検出することで第1の熱交換器3の出口側における過冷却度を演算し、その値が目標値となるように制御しても良い。
また、第3の減圧装置10cは、第2の熱交換器6の出口側部分の状態が環境条件に適した目標値となるように制御する。第2の熱交換器6の出口側における過熱度は、第2の熱交換器6における入口側温度、出口側温度、入口側圧力及び出口側圧力のうち少なくとも1つ以上が検出され演算されるようにすれば良い。
前述した暖房運転が、低外気温度時に実施される場合、蒸発器として機能する第2の熱交換器6において着霜が生じることがある。この場合、以下で説明する除霜運転が実施される。
除霜運転時においては、まず、第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10cが閉止されると共に、デフロスト配管12上に設置された電磁弁9が開放される。これによって、圧縮機2において圧縮された高温のガス冷媒が、分岐点Eを経由し、デフロスト回路を流通して直接、第2の熱交換器6に送られるので、その高温のガス冷媒が第2の熱交換器6に生じた霜を融解させる。
以上の構成及び動作のように、冷凍サイクル回路中に四方弁7及び第1の逆止弁8a〜第4の逆止弁8dから構成されるブリッジ回路8を備える冷凍サイクル装置において、第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10cをそれぞれエジェクタ4の直前及び気液分離器5の液側出口の直後に設置したので、暖房運転時及び冷房運転時ともに第2の減圧装置10b、第3の減圧装置10c及びエジェクタ4を通過する冷媒の流れを同一方向にすることができる。従って、従来例である特許文献2のように、室内減圧装置、室外減圧装置及びエジェクタ内部の絞り量を調節する可動ノズルの3つの減圧装置に加え、さらにバイパス弁を備える冷凍サイクル回路の構成に比べ、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒制御が簡素化されるとともに、運転状態に応じて第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10cに要求される減圧量の変化を小さく抑制することができ、低コストで安定した運転特性を実現することができる。
また、冷媒として二酸化炭素冷媒が冷凍サイクル回路に封入されているので、エジェクタ4の駆動力となる断熱熱落差が大きく、エジェクタ4による性能向上効果が大きくなる。
さらに、GWP(地球温暖化係数)が10以下の低GWP冷媒(例えば、HFO1234yf)、又は、GWPが100以下の低GWP冷媒を含む混合冷媒を使用してもよく、この場合も同様の効果を発揮する。
(冷凍装置の構成)
図3は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の全体構成図である。以下、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置において、前述の実施の形態1のものと相違する構成及び動作を中心に説明する。
実施の形態2に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置におけるエジェクタ4に代えて、冷房運転用のエジェクタ4a及び暖房運転用のエジェクタ4bが設置されている。図3で示されるように、その冷房運転用のエジェクタ4a及び暖房運転用のエジェクタ4bは、吸引口からガス冷媒が吸引される流路、液冷媒が流入する流路、及び気液二相冷媒が流出する流路はそれぞれ並列になるように接続されている。その他の構成については、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置と同様である。
以上のような構成によって、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置が有する効果を有するほか、内面形状の異なる冷房運転用のエジェクタ4a及び暖房運転用のエジェクタ4bを備えることによって、各運転状態において動力を効率よく回収することができる。
(空気調和機の全体構成)
図4は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の全体構成図である。図4で示されるように、実施の形態3に係る空気調和機は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を搭載しており、以下、実施の形態1のものとは相違する構成及び動作を中心に説明する。
実施の形態3に係る空気調和機は、室内機100、室外機101及びそれらを接続する冷媒配管によって構成されている。室内機100は、第1の熱交換器3、その第1の熱交換器3に取り付けられた室内機用ファン50及びその室内機用ファン50を回転駆動させる室内機用ファンモータ51から構成されている。また、室外機101においては、圧縮機2、第2の熱交換器6、エジェクタ4、気液分離器5、四方弁7、ブリッジ回路8、電磁弁9、第1の減圧装置10a、第2の減圧装置10b及び第3の減圧装置10c、暖房運転時における第1の熱交換器3の出口側と第2の熱交換器6の入口側とを第1の減圧装置10aを介して接続するバイパス配管11及び圧縮機2の出口部と第2の熱交換器6の入口部とを電磁弁9を介して接続するデフロスト配管12が、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置と同様の構成で接続され、さらに、第2の熱交換器6に取り付けられた室外機用ファン55及びその室外機用ファン55を回転駆動させる室外機用ファンモータ56が備えられている。
ユーザーが室内機100に備えられる操作パネル(図示せず)又はリモコンを操作することによって圧縮機2が駆動を開始し、空気調和機内部を冷媒が流通する。暖房運転時においては、室外機101における圧縮機2によって圧縮され高温高圧のガス冷媒が、室内機100における凝縮器として機能する第1の熱交換器3に流入する。この第1の熱交換器3に流入したガス冷媒は、室内機用ファンモータ51の駆動に伴う室内機用ファン50の回転によって室内機100内部に送り込まれる空気と熱交換が実施され、凝縮して液化し、液冷媒となって第1の熱交換器3から流出する。また、気液分離器5から流出した液冷媒は、第3の減圧装置10c及び第3の逆止弁8cを経由して蒸発器として機能する第2の熱交換器6に流入する。この第2の熱交換器6に流入した液冷媒は、室外機用ファンモータ56の駆動に伴う室外機用ファン55の回転によって室外機101内部に送り込まれる空気と熱交換が実施され、蒸発して気化し、ガス冷媒となって第2の熱交換器6から流出する。一方、冷房運転時においては、第2の熱交換器6が凝縮器として、そして、第1の熱交換器3が蒸発器として機能し、基本的な動作は暖房運転と同様である。
以上の構成及び動作によって、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置と同様の効果を有する空気調和機を得ることができる。
Claims (8)
- 圧縮機、四方弁、第1の熱交換器、4つの逆止弁からなるブリッジ回路、エジェクタ及び気液分離器を直列に冷媒配管で接続し、前記気液分離器の液側出口と前記エジェクタのガス冷媒吸引口とを前記ブリッジ回路、第2の熱交換器及び前記四方弁を介して冷媒配管で接続し、そして、前記気液分離器のガス側出口と前記圧縮機の入口側を冷媒配管で接続して構成された冷凍サイクル回路と、
前記ブリッジ回路をバイパスするように、暖房運転時における前記第1の熱交換器の出口側と前記第2の熱交換器の入口側とを接続するバイパス回路と、
該バイパス回路に設けられた第1の減圧装置と、
前記ブリッジ回路と前記エジェクタの冷媒流入口との間に設けられた第2の減圧装置と、
前記気液分離器の液側出口と前記ブリッジ回路との間に設けられた第3の減圧装置と、
を備え、
冷房運転及び暖房運転双方において前記エジェクタを利用し、
前記エジェクタは複数であり、そのうち、少なくとも、冷房運転時に前記暖房運転時よりも圧力回収能力が大きいものと、該暖房運転時に該冷房運転時よりも圧力回収能力が大きいものとを有し、
複数の前記エジェクタは、前記ガス冷媒吸引口、前記冷媒流入口、及び、冷媒流出口において、並列に接続されて構成され、
前記冷房運転及び前記暖房運転双方において、複数の前記エジェクタに冷媒が流入され、圧力回復動作が実施される
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記ブリッジ回路は、第1〜第4の逆止弁から構成され、
前記第1の逆止弁は、前記第1の熱交換器と前記第3の減圧装置との間に設けられ、冷媒が前記第1の熱交換器から前記第3の減圧装置への方向には流れないようにする逆止弁であり、
前記第2の逆止弁は、前記第1の熱交換器と前記第2の減圧装置との間に設けられ、冷媒が前記第2の減圧装置から前記第1の熱交換器への方向には流れないようにする逆止弁であり、
前記第3の逆止弁は、前記第2の熱交換器と前記第3の減圧装置との間に設けられ、冷媒が前記第2の熱交換器から前記第3の減圧装置への方向には流れないようにする逆止弁であり、
前記第4の逆止弁は、前記第2の熱交換器と前記第2の減圧装置との間に設けられ、冷媒が前記第2の減圧装置から前記第2の熱交換器への方向には流れないようにする逆止弁である
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1の減圧装置、前記第2の減圧装置及び前記第3の減圧装置は、開度調整が可能な電子膨張弁である
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の出口側と暖房運転時における前記第2の熱交換器の入口側を接続するデフロスト回路を備えた
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記デフロスト回路に開閉弁を備えた
ことを特徴とする請求項4記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷凍サイクル回路を流通する冷媒として、二酸化炭素冷媒、炭化水素系冷媒又は少なくともどちらかを含む混合冷媒を用いた
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷凍サイクル回路を流通する冷媒として、GWP(地球温暖化係数)が10以下の低GWP冷媒、又は、GWPが100以下の低GWP冷媒を含む混合冷媒を用いた
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。 - 請求項1〜請求項7のいずれかに記載の冷凍サイクル装置を搭載した
ことを特徴とする空気調和機。
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