| 【発明の名称】 |
冷凍サイクル回路 |
| 【発明者】 |
【氏名】安田 弘
【氏名】浦田 和幹
【氏名】松村 賢治
【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】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範囲に制御でき、運転効率を向上できる冷凍サイクル回路を提供する。
【解決手段】室外機Ａ内の圧縮機１、熱源側熱交換器３、受液器４と、室内機Ｂ内の電子膨張弁９、利用側熱交換器１０とを接続した冷凍サイクル回路において、受液器４は内部に下端が開口する２本の導入出管を有し、一方の導入出管４−１は上部に孔４−３を有し上端が熱源側熱交換器３側につながり、他方の導入出管４−２の上端が電子膨張弁９側につながり、かつ受液器上部４−４から、熱源側熱交換器３と受液器４間の配管途中に設けた接続口７に至るバイパス５を設け、バイパス５に開閉弁６を設けたもので、電子膨張弁５で、またバイパス５を通じての冷媒ガスの流出で受液器内の冷媒量を制御し、高圧圧力を低下させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 室外機内に設置された圧縮機、熱源側熱交換器及び受液器と、室内機内に設置された抵抗可変減圧機構及び利用側熱交換器とを順に配管で接続した冷凍サイクル回路において、前記受液器は内部に上部から内底近傍まで垂下し下端が開口する２本の導入出管を有し、２本のうち一方の導入出管の上端が前記熱源側熱交換器側につながり、他方の導入出管の上端が前記抵抗可変減圧機構側につながり、前記受液器内で一方の導入出管上部に孔を設け、かつ前記受液器上部から、前記熱源側熱交換器と前記受液器とを接続する配管途中に形成した接続口に至るバイパスを設け、さらに該バイパスに開閉弁を設けたことを特徴とする冷凍サイクル回路。
【請求項２】 請求項１記載の冷凍サイクル回路において、前記バイパスの接続口と前記熱源側熱交換器との間に第２の減圧機構を設けたことを特徴とする冷凍サイクル回路。
【請求項３】 請求項１記載の冷凍サイクル回路において、前記受液器の一方の導入出管と前記パイパスの接続口の間に第２の減圧機構を設けたことを特徴とする冷凍サイクル回路。
【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の冷凍サイクル回路において、前記バイパスに設けた前記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回路。
【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の冷凍サイクル回路において、前記受液器内で前記他方の導入出管の上部に孔を設けたことを特徴とする冷凍サイクル回路。
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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回路に係り、特に省電力化、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回路の施工性及び信頼性を向上させるために、装置仕様上で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回路では必要冷媒量の低減が一つの課題であり、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号公報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、室内外機間の液側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回路が知られている。
【０００４】また、特開平6-137690号公報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回路がある。この冷凍サイクル回路では、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号公報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は、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、そして利用側熱交換器と圧縮機との間にあって利用側熱交換器で蒸発し低温となつて圧縮機に戻る循環冷媒と熱交換可能に設けられた冷媒タンクを、第１接続管によって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を介して第２接続管によって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のガス冷媒を第１接続管を通して冷媒タンクに導入し凝縮させて液冷媒として冷媒タンクに貯留することにより、冷凍サイクル回路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。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回路では、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、圧縮機の信頼性確保のために、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。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し、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、圧縮機入力が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。
【０００７】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回路内を循環する冷媒の組成と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、冷凍サイクル回路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があった。
【０００８】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回路内を循環するが、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。
【０００９】本発明の目的は、上記の問題点を解決して、冷媒として従来から用いてきた単一冷媒の代替冷媒である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ことができる冷凍サイクル回路を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の冷凍サイクル回路は、室外機内に設置された圧縮機、熱源側熱交換器及び受液器と、室内機内に設置された抵抗可変減圧機構及び利用側熱交換器とを順に配管で接続した冷凍サイクル回路において、受液器は内部に上部から内底近傍まで垂下し下端が開口する２本の導入出管を有し、２本のうち一方の導入出管の上端が熱源側熱交換器側につながり、他方の導入出管の上端が抵抗可変減圧機構側につながり、受液器内で一方の導入出管上部に孔を設け、かつ受液器上部から、熱源側熱交換器と受液器とを接続する配管途中に形成した接続口に至るバイパスを設け、さらに該バイパスに開閉弁を設けたことを特徴とする。
【００１１】そして、本発明の冷凍サイクル回路において、バイパスの接続口と熱源側熱交換器との間に第２の減圧機構を設けることが好ましい。あるいは、第２の減圧機構を受液器の一方の導入出管とパイパスの接続口の間に設けるとよい。バイパスに設けた開閉弁は抵抗可変弁であることが好ましい。また、受液器内で他方の導入出管の上部に孔を設けてもよい。
【００１２】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を貯留する容器となるように構成し、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孔を設けるとともに、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（暖房運転時）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回路としている。また、本発明は、他機種との室内機との共用化を図るために室内機に設けた電子膨張弁と上記の受液器内導入出管に設けた孔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。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図１〜５に基づいて本発明の実施の形態となる冷凍サイクル回路について説明する。
【００１４】＜実施の形態１＞図１は実施の形態1の冷凍サイクル回路を示す。この冷凍サイクル回路は、概して、室外機Ａ内で順に配管接続された圧縮機1、四方弁２、熱源側熱交換器３及び受液器４と、室内機Ｂ内で順に配管接続された電子膨張弁９（可変抵抗減圧機構）及び利用側熱交換器１０とから構成され、そして、受液器４の容器上部に形成した口と、この受液器４と熱源側熱交換器３を接続する配管途中に形成した接続口７との間を渡してバイパス５が設けられている。受液器４と電子膨張弁９は液側接続配管８により接続され、利用側熱交換器１０と四方弁２はガス側接続配管１１により接続されている。四方弁２は冷暖房運転に応じて圧縮機から出た冷媒の流れ方向を切り替える。室外機Ａは液側接続配管８の接続口８―１とガス側接続配管１１の接続口１１―１を有し、室内機Ｂは液側接続配管８の接続口８―２とガス側接続配管１１の接続口１１―２を有している。
【００１５】受液器４は、その容器内に上部から内底近傍まで垂下し下端が開口する２本の導入出管４―１、４―２が設けられ、一方の導入出管４―１はその上部管壁に容器内に開口する孔４―３を有し、そして管上端が熱源側熱交換器３につながり、他方の導入出管４―２はその上端が電子膨張弁９につながっている。そして前述のバイパス５が、受液器４の頂部に形成された上部口４―４と、受液器４から熱源側熱交換器３までの配管途中のバイパス接続口７との間を開閉弁６を介して結合している。
【００１６】冷房運転時には、実線で示すように、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２を経て、熱源側熱交換器３で凝縮され、受液器４及び液側接続配管８を経て、電子膨張弁９で膨張し、利用側熱交換器１０で蒸発し、ガス側接続配管１１及び四方弁２を経て、圧縮機１に戻るように循環する。受液器４には、熱源側熱交換器３で凝縮された液冷媒が導入出管４―１から流入し、導入出管４―２から流出する。接続配管が最大長の場合に必要な冷媒量が予め工場出荷時に封入されており、配管がこれより短い場合には、余剰冷媒は受液器４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。幅広い運転状態への対応は利用側熱交換器１０の冷媒過熱度または圧縮機１の吐出冷媒過熱度を制御対象として電子膨張弁９の開度を制御することによって行える。冷房運転では熱源側熱交換器３の下流に受液器４が配置されているので、熱源側熱交換器３の一部を液冷媒が占有することはなく、熱源側熱交換器３の面積を有効に利用できるため、アキュームレータに冷媒を貯留する場合に比べて冷凍サイクルの高圧圧力を低くできる。また圧縮機１の入口部の冷媒エンタルピを大きくできるので、冷房能力を確保しながら、高圧圧力を低くでき、圧縮機入力の低減が図れるため、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の一部に液冷媒を溜めないため、この分の冷媒量を低減できる。
【００１７】暖房運転時には破線で示すように、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２及びガス側接続配管１１を経て、利用側熱交換器１０で凝縮し、電子膨張弁９で膨張し、液側接続配管８及び受液器４を経て、熱源側熱交換器３で蒸発し、四方弁２を経て、圧縮機１に戻るように循環する。電子膨張弁９で減圧されて二相状態になった冷媒は受液器４に導入出管４―２から流入し、そして受液器４内で気液分離された液冷媒は導入出管４―１の下端口から、またガス冷媒は導入出管４―１の上部に設けられた孔４―３から導入出管４―１内に吸入され、流入時と同様の二相状態となって受液器４から流出する。配管が最大配管長より短い場合には、冷房運転の場合と同様に余剰冷媒は受液器４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。標準的な運転状態で受液器４に流入して流出する冷媒二相流のかわき度は例えば０.１前後であり、これは導入出管４―１の径と孔４―３の寸法の選択で設定できる。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９の開度を制御することによって行う。すなわち、安定した運転状態から、何らかの外乱のために圧縮機１の吐出ガス温度を低くすることが必要になった場合には、電子膨張弁９の開度を大きくすると、導入出管４―２から流入する冷媒かわき度は導入出管４―１から流出するかわき度より大きくなるため受液器内に貯留されていた液冷媒が流出して圧縮機１の吐出ガス温度が低下する。吐出ガス温度を高くする場合には上記の逆動作、すなわち電子膨張弁９を絞ることによって運転点を変更することができる。このような制御は導入出管４―１の設定した構成によるため、調整可能な運転範囲に限界がある。
【００１８】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暖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６を開いて受液器４の上部口４―４から受液器４上部のガス冷媒をバイパス管５によって受液器４と熱源側熱交換器３の間のバイパス接続口７に導く。すなわち、このバイパス管５に受液器４上部のガス冷媒を流すことによって、受液器４出口の冷媒かわき度が大きくなるように、すなわち受液器４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、冷媒を強制的に受液器４に貯留して冷凍サイクル回路内の有効冷媒量を減少できるので、高圧側圧力の上昇を防止できる。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場合に比べて冷凍サイクルの高圧圧力を低くでき、圧縮機の入口部の冷媒エンタルピを大きくできるため、冷房能力が同等で高圧圧力を低くでき、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する効果がある。
【００１９】＜実施の形態２＞図２に実施の形態２の冷凍サイクル回路を示す。１〜１１までの記号の意味は第１の実施の形態と同じである。実施の形態２の冷凍サイクル回路は、実施の形態１の冷凍サイクル回路に加えて、第２の減圧機構１２を設けたものである。すなわち、図２に示すように、熱源側熱交換器３と受液器４の導入出管４―１とを接続する配管途中で、熱源側熱交換器３とバイパス接続口７との間に第２の減圧機構１２が設けられている。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を流出した冷媒は第２の減圧機構１２で絞られて受液器４に流入する。この絞り１２は熱源側熱交換器３での冷媒過冷却度を大きくする効果が有り、高圧圧力を若干高めるが、蒸発器（ここでは利用側熱交換器１０）へ流入する冷媒エンタルピを小さくできるため冷房能力が向上する効果がある。暖房運転時の冷媒の流れは破線で示すように、電子膨張弁９、導入出管４―２、導入出管４―１の上部に設けられた孔４―３および第２の減圧機構１２の順に流れて減圧される。電子膨張弁９の開度がやや大きくなる以外は、この場合は実施の形態１と効果に差異はない。
【００２０】＜実施の形態３＞図３に実施の形態３の冷凍サイクル回路を示す。１〜１２までの記号の意味は実施の形態２と同じである。実施の形態３の冷凍サイクル回路は、実施の形態２の冷凍サイクル回路とは第２の減圧機構１２の位置が異なっている。すなわち、実施の形態３の冷凍サイクル回路では、図３に示すように、第２の減圧機構１２は、熱源側熱交換器３と受液器４の導入出管４―１とを接続する配管途中でバイパス接続口７と受液器４間に、設けられている。このような構成の冷凍サイクル回路において、冷房運転時には実施の形態２と同様に、熱源側熱交換器３を流出する冷媒は第２の減圧機構１２で絞られ、利用側熱交換器１０での冷媒過冷却度を大きくする効果が有るため冷房能力が向上する。通常の暖房運転時については実施の形態２と全く同様に電子膨張弁９、導入出管４―１、導入出管４―１の上部に設けられた孔４―３および第２の減圧機構１２の順に流れて減圧される。実施の形態１の説明で述べたように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暖房運転を行う場合に高圧圧力上昇を防止するために、開閉弁６を開いて受液器の上部口４―４から受液器上部のガス冷媒をバイパス管５によって受液器４と熱源側熱交換器３の間のバイパス接続口７に導く。この際、本実施の形態３ではバイパス接続口７が第２の減圧機構１２の後流側（暖房運転）に設けられて開閉弁６前後の差圧が大きい状態に構成されているため、開閉弁６を開いた場合にバイパスされるガス冷媒流量が実施の形態１、２の場合より増加する。より多量の冷媒を受液器内に貯留できるので実施の形態１、２の場合より暖房運転時の高圧上昇を防止する効果が大きい。
【００２１】＜実施の形態４＞実施の形態４の冷凍サイクル回路は、実施の形態１〜３において開閉弁６を抵抗可変弁１３に置き換えた構成である。図４はその一例であり、図１に示す実施の形態1の開閉弁６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。この実施の形態では以上の実施の形態で説明したように暖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る効果がある。
【００２２】＜実施の形態５＞実施の形態５の冷凍サイクル回路は、実施の形態１〜４において、液側接続配管８、利用側熱交換器１０につらなる受液器４内の導入出管４―２の上部に受液器４内のガス冷媒と連通する孔４―５を設けた構成である。図５はその一例であり、図１の実施の形態に開口部４―５を設けた構成である。このような構成とすることで冷房運転時の必要冷媒量をさらに低減する効果がある。すなわち冷房運転時には、実線で示すように、圧縮機１から出た冷媒は、四方弁２を経て、熱源側熱交換器３で凝縮し、受液器４から液側接続配管８を経て、電子膨張弁９で膨張し、利用側熱交換器１０で蒸発し、ガス側接続配管１１から四方弁２を経て、圧縮機１に戻るように循環し、この際、受液器４の出口は開口部４―５からガス冷媒が液側接続配管８に混入するため液側接続配管８には二相流冷媒が流れる。このため液側接続配管８内の冷媒保有量を大幅に低減できる効果がある。
【００２３】以上の実施の形態１〜５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。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、室内機に抵抗可変減圧機構を有する冷凍サイクル回路において、冷媒かわき度が小さい状態で冷凍サイクル回路内の余剰冷媒を受液器に保有するように構成し、抵抗可変減圧機構により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、冷媒として現状冷媒の代替冷媒である非共沸混合冷媒を用いた場合でも冷暖房運転時に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るため必要冷媒量を低減できる効果がある。また受液器から熱源側熱交換器側にバイパスを通じて受液器上部のガス冷媒を流すように冷凍サイクル回路を構成したので、暖房運転時に受液器上部のガス冷媒を流すことによって、冷媒を強制的に受液器に貯留して冷凍サイクル回路内の有効冷媒量を減少させ、高圧側圧力の上昇を防止できる。
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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１４日（１９９９．５．１４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９８０１７
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２０９３４（Ｐ２０００−３２０９３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１３３４２２ |
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