| 【発明の名称】 |
冷凍サイクル |
| 【発明者】 |
【氏名】松村 賢治
【氏名】安田 弘
【氏名】浦田 和幹
【氏名】竹中 寛
【氏名】伊藤 将弘
【氏名】田中 慶治
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| 【要約】 |
【課題】冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合でも広い運転範囲で高圧圧力を適正な範囲に制御でき、冷凍サイクルの運転効率を向上でき、また凝縮器の過冷却度を小さくし、液配管内の冷媒を二相流状態とすることによって必要冷媒量を低減できる冷凍サイクルの提供。
【解決手段】室外機に電子膨張弁を備えた分離形冷凍サイクルにおいて、余剰冷媒を保有する受液器内の導入出管の上部に受液器上部のガス冷媒と連通する開孔部を設けるとともに、受液器の上部からガス冷媒を受液器の導入出管にバイパスする回路を設けることによって、かわき度が小さい状態で受液器内にの保有冷媒量を制御できる構成とした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】室外機内に収納された圧縮機，四方弁，熱源側熱交換器，（第１の）抵抗可変減圧機構，受液器，室内機に収納された利用側熱交換器およびこれら室外機と室内機とを接続する接続配管を順次接続してなる冷凍サイクルにおいて、受液器内に設けられている液側接続配管および利用側熱交換器に繋がる導入出管の上部に受液器内のガス冷媒と連通する開孔部を設けるとともに、液側接続配管と受液器との間のバイパス接続口へ受液器の上部取出し口から開閉弁を途中に設けたバイパス通路を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】請求項１の冷凍サイクルにおいて、前記のバイパス接続口と液側接続配管との間に第２の減圧機構を設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項３】請求項１の冷凍サイクルにおいて、第２の減圧機構を液側配管と利用側熱交換器との間に設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項４】請求項２の冷凍サイクルにおいて、第２の減圧機構を前記のバイパス接続口と受液器との間に設けたことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクルにおいて、受液器からバイパス接続口へのバイパス通路途中の開閉弁が抵抗可変弁であることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクルにおいて、冷凍サイクル内の冷媒は単一冷媒または、沸点の異なる２種類以上の冷媒であることを特徴とする冷凍サイクル。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空調用冷凍サイクルに係り、省電力化，代替冷媒化などの地球環境保護に好適な冷凍サイクル構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】空調用冷凍サイクルの施工性及び信頼性を向上させるために接続配管の最大配管長分の冷媒を予め封入した冷凍サイクルシステムが広く用いられるようになってきている。このような冷凍サイクルでは必要冷媒量の低減が課題であり、もう一つの重要課題として、最大配管長以下で使用する場合に生じる余剰冷媒の貯留がある。
【０００３】このような従来技術として特開昭62−158959号に示されているように冷房運転時は室外機内に設けられたキャピラリチューブで減圧し、暖房運転時は室内機内に設けられたキャピラリチューブで減圧し、室内外機間の液接続配管内の冷媒流動状態を気液二相流状態として、低圧容器であるアキュームレータ内の導入出管径、導入出管に設けられる油戻し穴径などのアキュームレータ諸元を余剰冷媒が貯留するように構成した冷凍サイクルが知られている。
【０００４】また、特開平6−137690 号に示されているように、室内機の運転範囲の拡大および他機種との共用化を図るために室内機に電子膨張弁を設けた冷凍サイクルがある。この冷凍サイクルでは冷房運転時は室外機のキャピラリチューブと室内機の電子膨張弁の二段で減圧し、暖房運転時は室内機の電子膨張弁で減圧し、接続配管を気液二相流状態として、余剰冷媒をアキュームレータに貯留するように構成されている。
【０００５】また特開平1−58964号に示されている非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムによれば、熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に気液分離器を設け吸入ガス管と熱交換関係に設けた冷媒タンクを第１接続管で気液分離器の上部に接続するとともに、冷媒タンクを開閉弁が途中に設けられた第２接続管で気液分離機の下部に接続して、冷房運転時に気液分離器の上部から抽出した低沸点冷媒を冷媒タンクで液冷媒として貯留することによって冷凍サイクル内を高沸点冷媒が循環するように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術では以下のような問題点があった。
【０００７】まず、アキュームレータに冷媒を貯留するように構成されている冷凍サイクルでは、運転中の圧縮機の吸入状態は常に少量の液冷媒が含まれ、吸入状態のエンタルピの上限は飽和蒸気エンタルピである。圧縮機から冷媒と共に吐出される冷凍機油の流量が多い場合には、圧縮機へ適正な返油を行うためにアキュームレータ内の油戻し穴径を大きくすることが必要となる。この場合、液冷媒も同時に圧縮機へ吸入される状態となり、吸入冷媒は液冷媒の混入量も増加するため、吸入エンタルピは飽和蒸気エンタルピよりかなり小さくなる。このため能力を確保するために蒸発器入口冷媒エンタルピを小さくして、蒸発器での冷媒エンタルピ変化量を大きくすることが必要となり、凝縮器での冷媒過冷却度を大きく設定することになる。
【０００８】一定の大きさを有する凝縮器で過冷却度を大きくすることは、凝縮器の一部に伝熱性能が良好でない液冷媒を貯留するため、冷媒が凝縮する面積が減少し、冷凍サイクルの高圧側圧力が高い運転点となり、圧縮機入力増加して冷凍サイクルの運転効率が低下するという問題点があった。
【０００９】また、「代替冷媒R407C を用いたパッケージエアコンの特性」（平成７年度日本冷凍協会学術講演会講演論文集 p.13〜p.16）に記載されているように、R22の代替冷媒としてR407C のような非共沸混合冷媒(HFC32/125/134a:23/25/53wt%)を使用する場合には、アキュームレータのようにかわき度が大きい状態で余剰冷媒を貯留する構成では封入冷媒の組成と冷凍サイクル内を循環する冷媒の差異が大きくなる問題点がある。すなわち、貯留される冷媒はHFC134a のような低圧冷媒（高沸点冷媒）の比率が大きくなり、冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成はHFC32,125の高圧冷媒（低沸点冷媒）の比率が大きくなる。この結果、R22の場合に比べて、冷凍サイクルの高圧圧力が高い運転状態となり、圧縮機入力が上昇し冷凍サイクルの運転効率が低下するという問題点があった。
【００１０】また、非共沸混合冷媒を用いた従来例では必要とする冷媒容器の数が増えることによるコストアップの問題、また冷媒は２つの容器に分散して貯留されるので冷凍サイクルの安定性に問題が有る。また冷房運転時は高沸点冷媒が主として冷凍サイクル内を循環するが、暖房運転時には冷媒タンクでガス化する低圧冷媒も循環するので運転モードによって冷媒組成が大きく変化するという問題点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために、本発明ではアキュームレータの場合に比べて冷媒かわき度が小さい受液器を余剰冷媒貯留容器となるように構成し、受液器内の利用側熱交換器に連なる導入出管の上部に受液器上部のガス冷媒と連通する開孔部を設けるとともに、受液器の上部からガス冷媒を受液器の導入出管にバイパスする回路を設けることによって、受液器出口の冷媒かわき度を制御し、簡素化された構成で広い運転範囲に対応できる冷凍サイクルを提供する。室外機に設けた抵抗可変の電子膨張弁と上記の受液器内導入出管に設けた開孔部およびバイパス管とにより運転範囲の拡大を図る構成とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図５に基づいて具体的な実施例を説明する。
【００１３】図１は第１の実施例を示す。図１において、Ａは室外機、Ｂは室内機、１は圧縮機、２は冷暖房運転に応じて冷媒の流れ方向を切り替える四方弁、３は熱源側熱交換器、４は電子膨張弁、５は受液器、５―１，５―２は受液器内の導入出管、５―３は導入出管５―２の上部に設けられた開孔部、５―４は受液器上部からのガス冷媒取出し口、６はバイパス管、７はバイパス管に設けられた開閉弁、８は受液器の導入出管に設けられたパス接続口、９は室外機Ａと室内機Ｂとを接続する液側接続管、１０は利用側熱交換器、１１は室外機Ａと室内機Ｂとを接続するガス側接続管を示す。
【００１４】冷房運転時には、実線で示すように冷媒は圧縮機１，四方弁２，熱源側熱交換器３，電子膨張弁４，受液器５，液側接続配管９，利用側熱交換器１０，ガス側接続管１１，四方弁２，圧縮機１の順に循環する。受液器に冷媒は電子膨張弁４で減圧された二相状態冷媒が導入管５―１から流入し、導出管５―２から流出する。この際、受液器に導入管５―１から流入する二相冷媒は受液器内で気液分離され、液冷媒は導出管５―２の下部から、またガス冷媒は導出管５−２の上部に設けられた開孔部５―３から受液器５を流出し、液側接続管９は二相状態となる。
【００１５】冷媒は最大配管長の場合を考慮して冷凍サイクル内にあらかじめ封入されており、最大配管長より短い場合には余剰冷媒は受液器内にかわき度が小さい配管途中の状態として貯留される。また、室外側空気温度も室内側空気温度も高い過負荷運転条件で冷房運転を行う場合に高圧圧力が過剰に上昇する場合がある。このような場合には、開閉弁７を開いて受液器の上部口５―４から受液器上部のガス冷媒をバイパス管６によって受液器５と液側接続配管９との間のバイパス接続口８に導く。
【００１６】バイパス管６によって受液器上部のガス冷媒を取り出すことによって、受液器出口の冷媒かわき度が大きく、すなわち受液器から流出するガス冷媒比率が大きくなるように設定されたことになり、受液器への液冷媒の流入流出のバランスから液冷媒が強制的に受液器に貯留され、冷凍サイクル内の有効冷媒量を減少するるので、高圧側圧力の上昇を防止できる。幅広い運転状態への対応は上記のバイパス管６による制御に加えて利用側熱交換器の冷媒過熱度または圧縮機の吐出冷媒過熱度を制御対象として電子膨張弁４の開度を制御することによって行える。
【００１７】受液器４はかわき度が小さい配管途中の余剰冷媒を保有するのでR22 の代替冷媒として知られている非共沸混合冷媒R407C を用いた場合でも循環する冷媒組成と封入された冷媒組成とはほぼ同じとなり、高圧圧力が異常に上昇することはない。また液側接続管９には二相状態の冷媒が流れるため、配管内の冷媒保有量が減少し必要冷媒量を低減できる。またアキュームレータに余剰冷媒を保有する冷凍サイクルに較べて、圧縮機の入口部（蒸発器出口部）の冷媒エンタルピを大きくできるので、熱源側熱交換器３で冷媒過冷却度を大きく取る必要がないため、高圧圧力を低くでき、圧縮機入力の低減が図れ、冷凍サイクルの成績係数（COP）が向上する。また熱源側熱交換器３出口で冷媒過冷却度が小さくて良いため、利用側熱交換器３内の冷媒保有量を低減でき、さらに必要冷媒量を低減できる効果がある。
【００１８】暖房運転時には破線で示すように冷媒は圧縮機１，四方弁２，ガス側接続管１１，利用側熱交換器１０，液側接続配管９，受液器５，電子膨張弁４，熱源側熱交換器３，四方弁２，圧縮機１の順に循環する。液側接続配管９は液冷媒で満たされる。通常、利用側熱交換器１０に較べて２倍程度の大きさの熱源側熱交換器３が凝縮器となる冷房運転時に較べて、暖房運転時では余剰となる冷媒を液側接続配管９内に保有される。このため、受液器の容積を小さくでき、受液器のコンパクト化を図れる効果がある。種々の運転状態への対応は冷房運転時と同様に電子膨張弁４の開度を制御することによって行う。
【００１９】暖房運転の場合も、冷房運転時の説明で述べたようにアキュームレータに冷媒を貯留する冷凍サイクルに比べて、圧縮機入口部（蒸発器出口）の冷媒エンタルピを大きくできるため、利用側熱交換器１０での冷媒過冷却度を小さくでき、冷凍サイクルの高圧圧力が低下し冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する効果がある。
【００２０】図２に第２の実施例を示す。１〜１１までの記号の意味は第１の実施例と同じである。図２では液側接続配管９と受液器５の導入出管に設けられたバイパス接続口８の途中に第２の減圧機構１２が設けられている点が図１の実施例と異なっている。冷房運転時の冷媒の流れを図中に実線で示す。熱源側熱交換器３を流出した冷媒は電子膨張弁４で減圧され、二相状態となって受液器５に入り、二相状態で受液器から流出し、第２の減圧機構１２で絞られ、液側接続配管９，利用側熱交換器１０をとおって圧縮機１に戻る。この絞り１２は冷房運転時には電子膨張弁の開度に影響するのみで、第１の実施例と運転点に差異はない。開閉弁７を開放場合の効果も第１の実施例と同様である。
【００２１】暖房運転時の冷媒の流れは破線で示すように、利用側熱交換１０，液側接続配管９，第２の減圧機構，受液器５，電子膨張弁４の順に流れる。この際、本実施例では利用側熱交換器１０の出口では第２の減圧機構１２の絞りの効果のために、第１の実施例に較べて冷媒過冷却度が大きくなり、暖房能力が増加する効果がある。
【００２２】図３に第３の実施例を示す。１〜１２までの記号の意味は第２の実施例と同じである。図３では第２の減圧機構１２が利用側熱交換器１０と液側接続配管９の間の室内機Ｂ内に設けられている点が図２の実施例と異なっている。本実施例では第２の実施例と同様、第１の実施例に較べて冷媒過冷却度が大きくなり、暖房能力が増加する効果がある。
【００２３】図４に第４の実施例を示す。１〜１２の記号の意味は第３の実施例と同じである。図４では第２の減圧機構１２がバイパス接続口８と受液器５の導入管５−２との間に設けられている点が第２の実施例と異なっている。本実施例では実線で冷媒の流れをしめす冷房運転時にバイパスを行った場合、バイパス接続口８が第２の減圧機構１２の後流側に取り付けられているため、バイパス前後の差圧が大きいためバイパスされるガス流量が大きくなるので、受液器５内に保有する液冷媒量が増加し、実施例１〜３に較べて過負荷条件時に高圧圧力低下にさらに効果がある。
【００２４】第５の実施例は第１〜４の実施例において開閉弁７を抵抗可変弁１３に置き換えた構成である。図５はその一例であり、図１に示す第１の実施例の開閉弁７を抵抗可変弁１３に置き換えたものである。抵抗可変弁は１３は連続的に抵抗が変化する弁でもよいし、段階的に抵抗が変化する弁でもよい。この実施例では以上に示した実施例より冷房運転時の圧力をよりきめ細かく制御でき、運転の安定化を図れる効果がある。
【００２５】以上の第１〜５の実施例では冷媒の種類については言及しなかったが、従来の技術の項で述べたように、余剰冷媒は冷媒かわき度の小さい受液器に貯留されるので非共沸混合冷媒を用いた場合でも封入組成と循環組成とがほぼ同一となり冷凍サイクルの運転安定化が図れる。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば室外機に電子膨張弁を有する冷凍サイクル構成において、冷媒かわき度が小さい状態で冷凍サイクル内の余剰冷媒を受液器に保有するように構成し、受液器に保有できる冷媒量を制御できる構成としたことによって、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合でも広い運転範囲で高圧圧力を適正な範囲に制御でき、冷凍サイクルの運転効率を向上させる効果がある。また凝縮器での過冷却度を小さくでき、冷房運転時の液側接続管内の冷媒状態を二相流とできるため、大幅に必要冷媒量を低減できる効果がある。また、暖房時の液接続管内が液冷媒で満たされるため、冷房運転時と暖房運転時の余剰冷媒差が小さくなり、受液器を小形にできる効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年５月６日（１９９９．５．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２０９１６（Ｐ２０００−３２０９１６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１２５５７７ |
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