JP2007263390A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所謂スプリットタイプの冷凍サイクル装置において、高段側圧縮手段に副回路からの液冷媒が吸い込まれる不都合を未然に回避し、信頼性の向上を図る。
【解決手段】低段側の圧縮機２（低段側圧縮手段）で圧縮されて吐出された冷媒を高段側の圧縮機３（高段側圧縮手段）に吸い込ませて圧縮し、高段側の圧縮機３から吐出された冷媒を放熱器４に流すと共に、放熱器４から出た冷媒を分流器５にて主回路２０と副回路１０とに分流し、副回路１０に流れる冷媒を補助膨張弁１２（副減圧装置）から内部熱交換器７に流して分流器５から主回路１０に流れる冷媒と熱交換るよう構成した、所謂スプリットタイプの冷凍サイクル装置において、副回路１０から高段側の圧縮機３に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段としての第２のアキュムレータ１５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱器から出た冷媒を分流器にて主回路と副回路とに分流し、副回路に流れる冷媒を副減圧装置から内部熱交換器に流して分流器から主回路に流れる冷媒と熱交換させた後、高段側圧縮手段に吸い込ませ、主回路に流れる冷媒を主減圧装置から蒸発器に流した後、低段側圧縮手段に吸い込ませるよう構成した冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置は、圧縮手段、放熱器、減圧装置及び蒸発器等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒が放熱器にて放熱し、減圧装置にて減圧された後、蒸発器にて冷媒を蒸発させるものであった。近年、このような冷凍サイクル装置では、地球環境破壊の問題から従来使用されてきたフロン系冷媒が使用できなくなりつつある。そこで、当該フロン系冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用する試みがなされて来ている。当該二酸化炭素冷媒は高低圧差の大きい冷媒で、臨界圧力が低く、圧縮により冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特公平７−１８６０２号公報

係る超臨界冷媒サイクルでは、放熱器側の熱源温度（例えば、放熱器と熱交換する熱媒体である外気の温度や室内の温度、或いは、給湯器の給水温度）が高い等の原因により、放熱器出口の冷媒温度が高くなる条件下においては、蒸発器入口の比エンタルピーが大きくなるため、冷凍能力が著しく低下する問題が生じていた。この場合、冷凍能力を確保するには、冷媒回路の高圧側圧力を上昇させる必要があるため、圧縮動力が増大して、成績係数も低下すると云う不都合が生じる。

このため、放熱器から出た冷媒を分流器にて２つの冷媒流に分流して、一方の冷媒流を副回路に流し、他方の冷媒流を主回路に流すと共に、副回路に流れる冷媒を副減圧装置にて減圧した後に内部熱交換器の一方の通路に流し、主回路に流れる冷媒を内部熱交換器の前記一方の通路と交熱的に設けられた他方の通路に流した後、主減圧装置から蒸発器にて蒸発させる所謂スプリットタイプ（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）の冷凍サイクル装置が提案されている。

上述のスプリットタイプの冷凍サイクル装置は、放熱器で放熱した後の冷媒を分流し、副減圧装置にて減圧膨張された副回路を流れる冷媒により、主回路を流れる冷媒を冷却できるので、蒸発器入口の比エンタルピーを小さくすることができるようになる。これにより、冷凍効果を大きくすることが可能となり、従来の装置に比べて効果的に性能を向上させることができるようになる。

また、副回路にて内部熱交換器を通過した冷媒は低段側圧縮手段の吐出側であり、高段側圧縮手段の吸込側となる中間圧領域に戻されるので、低段側圧縮手段で圧縮する冷媒の量を減少させて、低段側圧縮手段の圧縮動力を低減することができる。

ところで、上記副回路に流れる冷媒量が増加すると、内部熱交換器において副回路を流れる冷媒と主回路を流れる冷媒の温度差が小さくなるため、冷媒が完全に気体と成らず、一部液冷媒で高段側圧縮手段に吸い込まれて（液バックが生じて）、圧縮機が損傷する恐れがあった。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、所謂スプリットタイプの冷凍サイクル装置において、高段側圧縮手段に副回路からの液冷媒が吸い込まれる不都合を未然に回避し、信頼性の向上を図ることを目的とする。

即ち、本発明の冷凍サイクル装置は、低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、放熱器、分流器、副減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び蒸発器とを備え、低段側圧縮手段で圧縮されて吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸い込ませて圧縮し、この高段側圧縮手段から吐出された冷媒を放熱器に流すと共に、当該放熱器から出た冷媒を分流器にて主回路と副回路とに分流し、この副回路に流れる冷媒を副減圧装置から内部熱交換器に流して分流器から主回路に流れる冷媒と熱交換させた後、高段側圧縮手段に吸い込ませ、主回路に流れる冷媒を主減圧装置から蒸発器に流した後、低段側圧縮手段に吸い込ませるよう構成したものであって、副回路から高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明の冷凍サイクル装置は、請求項１に記載の発明において液冷媒貯留手段を、内部熱交換器より下流側の副回路中に設けたことを特徴とする。

請求項３の発明の冷凍サイクル装置は、請求項１に記載の発明において低段側圧縮手段と高段側圧縮手段は単一の密閉容器内に収納されており、低段側圧縮手段から吐出された冷媒は密閉容器内に吐出され、この密閉容器内の冷媒が高段側圧縮手段に吸い込まれると共に、副回路から出た冷媒を密閉容器内に流入させたことを特徴とする。

本発明によれば、低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、放熱器、分流器、副減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び蒸発器とを備え、低段側圧縮手段で圧縮されて吐出された冷媒を高段側圧縮手段に吸い込ませて圧縮し、この高段側圧縮手段から吐出された冷媒を放熱器に流すと共に、当該放熱器から出た冷媒を分流器にて主回路と副回路とに分流し、この副回路に流れる冷媒を副減圧装置から内部熱交換器に流して分流器から主回路に流れる冷媒と熱交換させた後、高段側圧縮手段に吸い込ませ、主回路に流れる冷媒を主減圧装置から蒸発器に流した後、低段側圧縮手段に吸い込ませるよう構成した冷凍サイクル装置において、副回路から高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段を備えたので、高段側圧縮手段への液バックを防ぐことができる。

また、副減圧装置の弁開度を制御することで、副回路を流れる液冷媒を液冷媒貯留手段に貯留し、冷媒回路内を循環する冷媒量を調整して、高圧側圧力を成績係数（ＣＯＰ）が最も良くなる値に調節することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明において、液冷媒貯留手段を、内部熱交換器より下流側の副回路中に設けたので、副回路に液冷媒貯留手段を設けるという簡単な構成で高段側圧縮手段への液バックを解消することができる。これにより既存の装置に本発明を容易に適用することが可能となる。

また、請求項１に記載の発明において、請求項３の如く低段側圧縮手段と高段側圧縮手段は単一の密閉容器内に収納されており、低段側圧縮手段から吐出された冷媒は密閉容器内に吐出され、この密閉容器内の冷媒が高段側圧縮手段に吸い込まれると共に、副回路から出た冷媒を密閉容器内に流入させることで、密閉容器を液冷媒貯留手段として利用することができる。これにより、副回路側に格別な液冷媒貯留手段を設置することなく、高段側圧縮手段への液バックを解消することができる。

本発明は、所謂スプリットタイプの冷凍サイクル装置において、副回路を流れる冷媒が高段側圧縮手段に液バックして、高段側圧縮手段が損傷する不都合を解消するために成されたものである。高段側圧縮手段への液バックを防止するという目的を副回路から高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段を備えることによって実現した。以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。この冷凍サイクル装置は、冷媒として二酸化炭素を使用し、冷媒回路の高圧側が超臨界状態となるスプリットタイプ（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）の冷凍サイクル装置である。本実施例の冷凍サイクル装置は、低段側の圧縮機（低段側圧縮手段）２、高段側の圧縮機（高段側圧縮手段）３、放熱器４、分流器５、合流器６、副減圧装置としての補助膨張弁１２、内部熱交換器７、後述する第２のアキュムレータ１５、主減圧装置としての主膨張弁２２、蒸発器２４、第１のアキュムレータ２５とから冷凍サイクルが構成されている。本実施例の冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ用途、例えば、給湯機として使用されるものである。

尚、図１において、主回路２０は、低段側の圧縮機２、合流器６、高段側の圧縮機３、放熱器４の冷媒通路４Ａ、分流器５、内部熱交換器７の第２の通路９、主膨張弁２２、蒸発器２４及び第１のアキュムレータ２５から成る環状の回路であり、副回路１０は、分流器５から補助膨張弁１２、内部熱交換器７の第１の通路８、前記第２のアキュムレータ１５を順次経て合流器６に至る回路を指す。

放熱器４は高段側の圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒と、図示しない貯湯タンクに循環する水とを熱交換させるための水−冷媒熱交換型の熱交換器である。即ち、放熱器４には、高段側の圧縮機３で圧縮された高温高圧の冷媒が流れる冷媒配管４Ａと、前記貯湯タンクからの水が流れる配管４Ｂとが熱交換可能に配置されている。当該放熱器４において、配管４Ｂを流れる水は、冷媒配管４Ａを流れる高温高圧の冷媒との熱交換により熱を受け取って加熱される。これにより、給湯に適した高温の湯が生成される。

分流器５は、放熱器４から出た冷媒を２つの流れに分流するものであり、本実施例の分流器５は、放熱器４から出た冷媒を第１の冷媒流と第２の冷媒流とに分流し、第１の冷媒流を副回路１０に流し、第２の冷媒流を主回路２０に流すよう構成されている。

前記補助膨張弁１２は、上記分流器５で分流され、副回路１０を流れる冷媒を減圧する減圧装置である。また、内部熱交換器７は、補助膨張弁１２で減圧された副回路１０の第１の冷媒流と、分流器５で分流され、主回路２０の第２の冷媒流とを熱交換させるための熱交換器である。当該内部熱交換器７には第２の冷媒流が流れる第２の通路９と、第１の冷媒流が流れる第１の通路８とが熱交換可能で、且つ、対向流となるように配設されている。

前記主膨張弁２２は、上記内部熱交換器７で熱交換して冷却された主回路２０を流れる第２の冷媒流を減圧するための主減圧装置である。そして、蒸発器２４は、該主膨張弁２２で減圧された第２の冷媒流を水、又は、空気、又は、その他の熱媒体とを直接又は間接的に熱交換させて蒸発させるものである。本実施例の蒸発器２４は、ファン２４Ｆによる通風により空気（外気）から吸熱して蒸発するものとする。また、第１のアキュムレータ２５は、低段側の圧縮機２に液冷媒が吸い込まれるのを防止する、所謂機液分離手段である。

以上詳述した構成からなる冷凍サイクル装置によれば、先ず、低段側の圧縮機２で圧縮された冷媒は（図３のＢの状態）、合流器６にて副回路１０からの中間圧冷媒と混合されて、図３のＣの状態となり、高段側の圧縮機３に吸い込まれる。高段側の圧縮機３に吸い込まれた中間圧の冷媒はそこで圧縮され、高温高圧の冷媒となる。このとき、冷媒は図３のＤに示す超臨界状態となる。そして、高段側の圧縮機３から吐出された超臨界状態の冷媒は、放熱器４の冷媒配管４Ａを通過する過程で、冷媒配管４Ａと交熱的に設けられた配管４Ｂを流れる水と熱交換して冷却される（図３のＥの状態）。一方、当該放熱器４にて配管４Ｂを流れる水は冷媒配管４Ａを流れる冷媒から熱を受け取ることにより、給水温度（０℃から６０℃程度）から出湯温度(６５℃から１００℃)まで加熱される。これにより、高温の湯が生成される。

他方、放熱器４にて冷却され、当該放熱器４から出た冷媒は、分流器５にて主回路２０に流れる第２の冷媒流と副回路１０に流れる第１の冷媒流に分流される。副回路１０に流れる第１の冷媒流は、補助膨張弁１２にて中間圧力（即ち、低段側の圧縮機２の吐出圧力であり、高段側の圧縮機３の吸込圧力と略同圧）まで減圧される（図３のＨの状態）。そして、内部熱交換器７に入り、当該内部熱交換器７の第１の通路８を通過する過程で、第２の通路９を流れる主回路２０の冷媒と熱交換して蒸発した後（図３のＩの状態）、合流器６に至り、低段側の圧縮機２から吐出された冷媒と合流して（図３のＣの状態）、高段側の圧縮機３に吸い込まれる。

一方、分流器５にて分流された他方の冷媒、即ち、主回路２０を流れる第２の冷媒流は、内部熱交換器７に入り、当該内部熱交換器７の第２の通路９を通過する過程で、第１の通路８を流れる副回路１０の冷媒と熱交換して冷却された後（図３のＦの状態）、主膨張弁２２にて蒸発圧力まで減圧される（図３のＧの状態）。そして、蒸発器２４に流入した冷媒は外気を熱源として蒸発した後、第１のアキュムレータ２５を経て、低段側の圧縮機２に吸い込まれる（図３のＡの状態）。

ここで、本実施例の冷凍サイクル装置は、冷媒として前述した二酸化炭素を使用している。当該二酸化炭素冷媒は臨界圧力が低く、冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となることが知られている。係る超臨界冷媒サイクルにおいて、従来の冷凍サイクル装置を使用すると、給湯機の温度成層を利用して貯湯タンク内に湯を貯める際に、貯湯タンク内の湯水が混合して放熱器の入口水温が上がった場合、或いは、冷凍サイクル装置を温水暖房の熱源機として使用する場合、若しくは、空気で放熱器を冷却する冷蔵・冷凍装置として使用する際に、放熱器に供給される空気温度が上昇した場合等の原因により、放熱器の出口の冷媒温度が高くなる条件下では、蒸発器入口の冷媒の比エンタルピが大きくなり、冷凍効果が著しく低下する問題が生じていた。それにより、冷凍能力が低下するため、当該冷凍能力を確保するために冷媒回路の高圧側圧力を上昇させる必要があるが、高圧側圧力を上昇させると、圧縮動力が増大して、成績係数（ＣＯＰ）も悪化する不都合が生じていた。

そこで、放熱器で冷却された後の冷媒を分流し、減圧膨張させた一方の副回路を流れる第１の冷媒流により、分流された他方の主回路を流れる第２の冷媒流を冷却する、所謂、スプリットタイプの冷凍サイクル装置を用いる試みがなされている。即ち、当該スプリットタイプの冷凍サイクル装置は、放熱器４から出た冷媒を分流器５にて主回路２０と副回路１０とに分流し、副回路１０に流れる冷媒を補助膨張弁１２から内部熱交換器７に流して、分流器５から主回路２０に流れる冷媒と熱交換させた後、高段側の圧縮機３に吸い込ませ、主回路２０に流れる冷媒を主膨張弁２２から蒸発器２４に流した後、低段側の圧縮機２に吸い込ませるよう構成されている。

このように、内部熱交換器７にて分流器５にて分流された一方の冷媒（第１の冷媒流）と、分流された主回路２０を流れる他方の冷媒（第２の冷媒流）とを熱交換させることで、主回路２０を流れる冷媒を冷却することができる。これにより、蒸発器２４の入口の比エンタルピを小さくし、冷凍効果を大きくすることが可能となった。

また、この場合、分流された副回路１０の第１の冷媒流が低段側の圧縮機２の吐出側であり、高段側の圧縮機３の吸込側である中間圧領域に戻されるので、低段側の圧縮機２で圧縮する冷媒の量を減少させることができる。その結果、低段側の圧縮機２の圧縮動力が低下し、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。また、高段側の圧縮機３から吐出される冷媒温度の低下も図れる。このように、スプリットタイプの冷凍サイクル装置を用いることで、性能改善を実現することができる。

ところで、このようなスプリットタイプの冷凍サイクル装置では、副回路１０の補助膨張弁１２の開度と、高圧と中間圧との圧力差に応じて副回路１０に流れる冷媒量が必然的に決まる。副回路１０の補助膨張弁１２の開度は、当該スプリットタイプの冷凍サイクル装置を冷凍用途として使用する場合には、高段側の圧縮機３の吸い込み冷媒が湿り蒸気とならない程度に調節される。

また、当該スプリットタイプの冷凍サイクル装置をヒートポンプ用途、即ち、本実施例のように給湯機として使用する場合には、放熱器４にて必要な熱量を確保できる程度、即ち、高段側の圧縮機３の吐出温度が下がり過ぎない程度に調節することが好ましい。そして、この副回路１０の冷媒流量の上限は、内部熱交換器７の第２の通路９を流れる主回路２０の冷媒と、第１の通路８を流れる副回路１０の冷媒の熱バランスによって制限される。この条件は、以下の式（１）のように表すことができる。
Ｇ２≦（ＰＥ−ＰＦ）×Ｇ１／（ＰＩ−ＰＨ）・・・式（１）
上記式（１）において、Ｇ２は副回路１０の冷媒流量（分流器５にて分流された第１の冷媒流の量）、ＰＥ−ＰＦは主回路２０側の比エンタルピ差、Ｇ１は主回路の冷媒流量（分流器５にて分流された第２の冷媒流の量）、ＰＩ−ＰＨは副回路１０側の比エンタルピ差である。

しかしながら、副回路１０の補助膨張弁１２の開度を適切に調節しないと、例えば、補助膨張弁１２の開度が小さすぎると、副回路１０に流れる冷媒量が減少するため、前述した成績係数の向上効果が小さくなる。また、補助膨張弁１２の開度が大きすぎると、副回路１０に流れる冷媒量が増加し、内部熱交換器７において第１の通路８を流れる副回路１０の第１の冷媒流と、第２の通路９を流れる主回路２０の第２の冷媒流の温度差が小さくなる。従って、当該内部熱交換器７において副回路の冷媒を完全に気体とすることができず、一部液冷媒となるため、高段側の圧縮機３に液バックする不都合が生じていた。これにより、高段側の圧縮機３の摺動部の耐久性を低下させたり、高段側の圧縮機３に過大な荷重がかかったりして、高段側の圧縮機３が損傷する恐れがあった。

そこで、本発明の冷凍サイクル装置は、副回路１０から高段側の圧縮機３に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段を備えるものとする。本実施例では、当該液冷媒貯留手段として前述した第２のアキュムレータ１５を内部熱交換器７と合流器６とを接続する冷媒配管上に設置するものとする。図２は第２のアキュムレータ１５の内部構成図である。第２のアキュムレータ１５は縦長円筒を呈する金属製の容器１６の底部に液冷媒及び冷媒に混入した油（圧縮機の潤滑油であり、各圧縮機２、３から冷媒回路に吐出されたもの）を貯留する貯留部が形成される。そして、容器１６の上端及び下端に当該容器１６内外を軸心方向（上下方向）に連通孔１７、１８が夫々形成されている。

そして、容器１６の上端に形成された連通孔１７には冷媒配管２７が接続され、この冷媒配管２７の一端が容器１６内の上部にて開口している。当該冷媒配管２７の他端は内部熱交換器７の第１の通路８に接続されている。従って、容器１６内の上部にて開口する冷媒配管２７の一端から内部熱交換器７の第１の通路８からの冷媒が当該第２のアキュムレータ１５内に流入することとなる。

また、容器１６の下端に形成された連通孔１８には冷媒配管２８が接続され、この冷媒配管２８の一端は容器１６の高さ寸法の中心より上方となる位置で、且つ、前記冷媒配管２７の下方となる位置に開口している。当該冷媒配管２８の他端は合流器６に接続される。このように、容器１６内の高さ寸法の中心より上方となる位置に冷媒配管２８の一端の開口を設けることで、当該冷媒配管２８の一端の開口が容器１６内に貯留された液冷媒及び油の液面より上方に位置するため、当該冷媒配管２８の一端の開口から容器１６内にて分離された蒸気冷媒のみを取り出して、合流器６に流すことができる。

そして、容器１６内の前記冷媒配管２８の一端開口より上方であり、冷媒配管２７の一端開口の直下には、容器１６内部を一部区画する区画部材１９が設けられている。るよう構成されているため、区画部材１９は、冷媒配管２７から容器１６内に流入する冷媒がこの区画部材１９に当たるように配置されているため、冷媒配管２７からの冷媒の気液分離を促進することができる。

また、容器１６内の下部に位置する冷媒配管２８には、水平方向に貫通する細孔２９が形成されている。この細孔２９は、容器１６内底部に液冷媒及び油が貯えられている場合、この液冷媒と油の混合物を容器１６から極少量づつ取り出すことができるよう小径に形成されており、冷媒配管２８の一端に設けられた前記開口より極めて小径となる。従って、容器１６内底部に液冷媒及び油が貯えられている場合、当該冷媒配管２８には上記一端の開口からの蒸気冷媒と共に、当該細孔２９から取り出された極少量の液冷媒と油の混合物が流れることとなるが、一端の開口からの蒸気冷媒の量に比べて細孔２９からの液冷媒と油の混合物は極僅かであるため、冷媒配管２８から合流器６に流れる副回路１０の冷媒流は、略飽和状態となる。

このように副回路１０に第２のアキュムレータ１５を設置することで、当該第２のアキュムレータ１５から取り出させる冷媒は、過熱蒸気か略飽和状態の蒸気となる。これにより、高段側の圧縮機３に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止することができるようになり、信頼性の向上を図ることができる。また、本実施例の如く第２のアキュムレータ１５を内部熱交換器７より下流側の副回路１０に設けることで、副回路１０に液冷媒貯留手段として第２のアキュムレータ１５を設けるという簡単な構成で高段側の圧縮機３への液バックを解消することができる。これにより既存の装置に本発明を容易に適用することが可能となる。

特に、副回路１０に第２のアキュムレータ１５を設けることで（この場合、蒸発器２４の過熱度が一定となるように主膨張弁２２を制御する）、補助膨張弁１２の開度を増加させて、内部熱交換器７出口が湿り蒸気となり、第２のアキュムレータ１５に液冷媒が貯留されると、高圧側圧力（高段側の圧縮機３の吐出側の圧力）が低下することとなる。高圧側圧力が低下すると、図４の破線で示すように、補助膨張弁１２における圧力差が減少するため、副回路１０の冷媒流量が減少し、また、放熱器４出口温度が一定であっても放熱器４の比エンタルピが増加するため副回路１０の内部熱交換器７の出入口の比エンタルピ差が減少し、副回路１０の内部熱交換器７出口の過熱度が増加する。即ち、図４に示す如き主回路２０側の比エンタルピ差（ＰＥ−ＰＦ）が、副回路１０側の比エンタルピ差（ＰＩ−ＰＨ）に対して相対的に大きくなるため、熱のバランスでは内部熱交換器７出口の比エンタルピＰＩが増加して、飽和蒸気となる。

従って、補助膨張弁１２の開度を制御することで、副回路１０を流れる液冷媒を第２のアキュムレータ１５に貯留し、冷媒回路内を循環する冷媒量を調整して、高圧側圧力を成績係数（ＣＯＰ）が最も良くなる値に調節することができる。

特に、各圧縮機２、３として可変速度の圧縮機を用いる場合には、主膨張弁２２の開度を、蒸発器２４の出口がほぼ飽和蒸気となるように（一定の目標過熱度とする等）制御するものとする。このとき、運転時の放熱器４の冷媒温度と水温度に対して、高圧側圧力の目標値、或いは、高段側の圧縮機３の吐出温度と低段側の圧縮機２の吐出温度、高段側の圧縮機３の吸込温度、副回路１０の内部熱交換器７の出口の冷媒温度の幾つかを組み合わせた演算結果の目標値を設定して、高圧圧力や演算結果が当該目標値に近づくように補助膨張弁１２を制御し、第２のアキュムレータ１５に貯留される冷媒量を調整することで、冷媒回路の高圧側の圧力（高段側の圧縮機３の吐出側の圧力）を常に成績係数が最も高くなる最適な高圧とすることができる。

上記実施例１では、内部熱交換器７より下流側の副回路１０中に液冷媒貯留手段として第２のアキュムレータ１５を設けて、高段側圧縮手段（高段側の圧縮機３）への液バックを解消するものとしたが、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段を単一の密閉容器内に収納し、低段側圧縮手段から吐出された冷媒を密閉容器内に吐出させて、この密閉容器内の冷媒を高段側圧縮手段に吸い込まれせると共に、副回路から出た冷媒を密閉容器内に流入させることで、密閉容器を液冷媒貯留手段として利用しても構わない。図５はこの実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。尚、図５において前記図１と同一の符号が付されたものは同様、或いは、類似の作用又は効果を奏するものであるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施例では、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段が単一の密閉容器内に収納される。即ち、本実施例の圧縮手段は、密閉容器４１内に低段側圧縮手段としての低段側の圧縮要素４２と高段側圧縮手段としての高段側の圧縮要素４３が収納された二段圧縮式内部中間圧型の圧縮機４０により構成されている。

この場合、副回路１０の内部熱交換器７から出た冷媒は密閉容器４１内で低段側の圧縮要素４２にて圧縮された冷媒と合流することとなる。

ここで、本実施例の圧縮機４０の構成の一例を図６の模式図を用いて説明する。圧縮機４０は、縦長円筒状を呈する密閉容器４１内の上側に当該圧縮機４０の駆動要素である電動要素４５が収納され、下側に低段側の圧縮要素４２と高段側の圧縮要素４３から成る圧縮機構部４７が収納されている。当該圧縮機構部４７において、上側に高段側の圧縮要素４３が配置され、下側に低段側の圧縮要素４２が配置されている。

図６において、５０は、高段側の圧縮要素４３に冷媒を吸い込ませるための冷媒導入管である。当該冷媒導入管５０は高段側の圧縮要素４３内に連通接続された一端から密閉容器４１の外部を上方に延在し、他端は密閉容器４１内の電動要素４５より下方で、圧縮機構部４７より上方となる位置に連通接続される。また、５２は、低段側の圧縮要素４２に冷媒を吸い込ませるための冷媒導入管である。当該冷媒導入管５２は低段側の圧縮要素４２内に一端が接続され、他端は第１のアキュムレータ２５の出口に接続される。

５３は、低段側の圧縮要素４２にて圧縮された冷媒を密閉容器４１内に吐出するための連通管であり、当該連通管５３から低段側の圧縮要素４２にて圧縮され、中間圧となった冷媒が密閉容器４１内に吐出される。また、５４は、副回路１０からの冷媒を密閉容器４１内に流入させるための冷媒配管である。更に、５６は高段側の圧縮要素４３にて圧縮された冷媒を圧縮機４０から吐出させ、放熱器４に流入させるための冷媒吐出管である。

この場合の動作を、前記実施例１と相違する点のみ説明する。主回路２０の蒸発器２４から吐出され、第１のアキュムレータ２５を通過した低温低圧の冷媒は、冷媒導入管５２から密閉容器４１内の低段側の圧縮要素４２に吸い込まれる。そして、当該低段側の圧縮要素４２で圧縮され、中間圧となった冷媒は、連通管５３から密閉容器４１内に吐出され、冷媒配管５４から密閉容器４１内に流入した副回路１０からの中間圧の冷媒と合流する。そして、合流した中間圧の冷媒は冷媒導入管５０を介して、高段側の圧縮要素４３に吸い込まれてそこで圧縮され、高温高圧の冷媒となった後、冷媒吐出管５６から圧縮機４０外部に吐出される。

一方、副回路１０の第１の通路８にて蒸発した冷媒は、冷媒配管５４から圧縮機４０の密閉容器４１内に流入し、前記低段側の圧縮要素４２から吐出された中間圧の冷媒と合流する。

ここで、低い蒸発温度（例えば、−１０℃以下）で冷凍サイクル装置を運転すると吐出温度が上昇し、圧縮機の電動要素の劣化や、圧縮機の油（潤滑油）の劣化、更には、圧縮機内のシール材の劣化などを引き起こす恐れがあるため、低段側の圧縮要素の吐出温度、又は、高段側の圧縮要素の吐出温度を上記問題の発生しない一定の範囲内に設定する必要がある。そこで、低段側の圧縮要素と高段側の圧縮要素を備え、低段側の圧縮要素の吐出を密閉容器内に行う、２段圧縮式内部中間圧型の圧縮機を使用し、副回路からの冷媒を密閉容器外で行う従来の冷凍サイクル装置を用いた場合には、密閉容器内部は低段側の圧縮要素からの吐出冷媒で満たされることとなる。この場合、副回路の補助膨張弁を閉じていれば、低段側の圧縮比は小さいため、密閉容器内が高温となることはないが、副回路の補助膨張弁を開いて圧縮機の中間圧領域に副回路の冷媒を戻すと、低段側の圧縮要素の冷媒流量と高段側の圧縮要素の冷媒流量とがバランスする中間圧力が上昇することとなる。

これにより、低段側の圧縮比が増大し、密閉容器内の温度が上昇する。例えば、低外気温度で、放熱器４に入る水の温度が比較的高い（給湯機の負荷が小さい）条件であり、蒸発温度が−２４℃、低段側の圧縮要素に吸い込まれる低圧側の圧力が１．６７ＭＰａ、中間圧力が８．２４ＭＰａである場合、低段側の圧縮要素の吐出温度は＋１１０．２℃となる。従って、低段側の圧縮要素の吐出冷媒のみで密閉容器が満たされる従来の構成では、密閉容器内の温度が高過ぎて、前述した問題（圧縮機の電動要素の劣化や、圧縮機の油（潤滑油）の劣化、更には、圧縮機内のシール材の劣化など）が発生する恐れがあった。

そこで、副回路１０からの冷媒は低温であることに鑑みて、本実施例の如く副回路１０から出た冷媒を密閉容器４１内に流入させることで、当該副回路１０からの冷媒により密閉容器４１内の温度を＋８０℃程度（上記条件では＋７７．２℃となる）まで低下させることができる。また、副回路１０からの冷媒が完全に気体でなく、一部液体が混在した湿り状態であっても、密閉容器４１内に液冷媒及び油を貯留することができる。これにより、高段側の圧縮要素４３に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止することができるようになり、信頼性の向上を図ることができる。

特に、本実施例では密閉容器４１を液冷媒貯留手段として利用することで、副回路１０に格別な液冷媒貯留手段を設置することなく、高段側の圧縮要素４３への液バックを解消することができる。これにより、本発明の冷凍サイクル装置を低コストにて製造することが可能となる。

更に、密閉容器４１内に液冷媒及び油を貯留することができるので、前記実施例と同様に冷媒回路内を流れる冷媒量を調整する効果も得られる。

尚、本実施例では、圧縮機の一例として図６の圧縮機４０を用いて説明したが、圧縮機４０の構成はこれに限定されるものでない。例えば、図７に示す圧縮機を用いても差し支えない。尚、図７において図６と同一の符号が付されたものは同様、或いは類似の作用、若しくは、効果を奏するものである。図７の圧縮機４０は、図６の圧縮機と殆ど同じ構成であるが、冷媒導入管５０が密閉容器４１に接続されていない点で相違する。即ち、低段側の圧縮要素４２で圧縮され、連通管５３から密閉容器４１内に吐出された冷媒は、冷媒配管５４から密閉容器４１内に流入した副回路１０から冷媒と合流した後、当該密閉容器４１内に設けられた吸込管５７から高段側の圧縮要素４３に吸い込まれる。このような構成とすることで密閉容器４１に接続される冷媒配管の数を削減することができる。

上記各実施例では冷凍サイクル装置をヒートポンプ用途として適用した場合について説明したが、これに限らず、本発明の冷凍サイクル装置は、冷凍用途として適用することも可能である。ここで、本実施例では、本発明の冷凍サイクル装置を冷蔵庫として使用するものとし、図８にこの場合の冷媒回路図を示す。尚、図８において、前記図１乃至図７と同一の符号が付されたものは同様、或いは、類似の作用、若しくは、効果を奏するものとして説明を省略する。

本実施例の冷媒回路には、蒸発器２４の入口側と出口側とを熱交換させるもう一つの内部熱交換器６０が設置されている。当該内部熱交換器６０により、蒸発器２４に入る冷媒を蒸発器２４から出た冷媒と熱交換させて更に冷却することができるので、蒸発器２４に入る冷媒の比エンタルピをより一層小さくすることができる。これにより、冷凍効果をより一層向上することができる。更に、蒸発器２４から出た冷媒を上記蒸発器２４に入る冷媒と熱交換させて加熱することができるので、蒸発器２４から出た冷媒に液冷媒が混在している場合であっても、加熱して、蒸気冷媒とすることができる。これにより、前記各実施例１、２のように蒸発器２４の出口に第１のアキュムレータ２５を設置することなく、低段側の圧縮要素４２への液バックを解消することができる。また、本実施例の放熱器４としては、冷媒と外気とを熱交換させるガスクーラタイプの熱交換器が使用される。

この場合、主膨張弁２２は、蒸発器２４出口がほぼ飽和蒸気となるように（例えば、一定の過熱度を目標とするなど）制御される。

本実施例の冷凍サイクル装置においても、副回路１０に第２のアキュムレータ１５を設置することで、当該第２のアキュムレータ１５から取り出させる冷媒は、過熱蒸気か略飽和状態の蒸気となる。これにより、高段側の圧縮要素４３に液冷媒が吸い込まれる液バックを確実に防止することができるようになり、信頼性の向上を図ることができる。同時に、補助膨張弁１２の開度を制御することで、副回路１０を流れる液冷媒を第２のアキュムレータ１５に貯留し、冷媒回路内を循環する冷媒量を調整して、高圧側圧力を成績係数（ＣＯＰ）が最も良くなる値に調節することができる。

特に、各圧縮機２、３として可変速度の圧縮機を用いる場合には、主膨張弁２２の開度を、蒸発器２４の出口がほぼ飽和蒸気となるように（一定の目標過熱度とする等）制御するものとする。このとき、放熱器４にて冷媒と熱交換する外気温度と冷蔵庫の庫内温度（或いは、蒸発温度）に対して、高圧側圧力の目標値、或いは、高段側の圧縮要素４３の吐出温度と低段側の圧縮要素４２の吐出温度、高段側の圧縮要素４３の吸込温度、副回路１０の内部熱交換器６０の出口の冷媒温度の幾つかを組み合わせた演算結果の目標値を設定して、高圧圧力や演算結果が当該目標値に近づくように補助膨張弁１２を制御し、第２のアキュムレータ１５に貯留される冷媒量を調整することで、冷媒回路の高圧側圧力を常に成績係数が最も高くなる最適な高圧とすることができる。

尚、本実施例においても副回路１０に第２のアキュムレータを設けず、前記実施例２の如く密閉容器４１を液冷媒貯留手段として利用しても差し支えない。更には、圧縮手段を単一の密閉容器内に収納せずに、実施例１の如く、低段側圧縮手段と高段側圧縮手段を個別に設けるものとしても構わない。

本発明の一実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 図１の冷凍サイクル装置の副回路の液冷媒貯留手段の内部構成図である。 本発明の一実施例の冷凍サイクル装置のモリエル線図である。 本発明の一実施例の冷凍サイクル装置において副回路の液冷媒貯留手段にて液冷媒を貯留した状態におけるモリエル線図である。 本発明の他の実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 図５の圧縮機の構成を示す模式図である。 図５の圧縮機の他の実施例の構成を示す模式図である。 本発明のもう一つの他の実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。

符号の説明

２ 低段側の圧縮機（低段側圧縮手段）
３ 高段側の圧縮機（高段側圧縮手段）
４ 放熱器
４Ａ 第１の通路
４Ｂ 第２の通路
５ 分流器
６ 合流器
７ 内部熱交換器
８ 第１の通路
９ 第２の通路
１０ 副回路
１２ 補助膨張弁（副減圧装置）
１５ アキュムレータ（液冷媒貯留手段）
１６ 容器
１７、１８ 連通孔
２０ 主回路
２２ 主膨張弁（主減圧装置）
２４ 蒸発器
２５ アキュムレータ
２７、２８ 冷媒配管
２９ 細孔

Claims (3)

1. 低段側圧縮手段、高段側圧縮手段、放熱器、分流器、副減圧装置、内部熱交換器、主減圧装置及び蒸発器とを備え、前記低段側圧縮手段で圧縮されて吐出された冷媒を前記高段側圧縮手段に吸い込ませて圧縮し、該高段側圧縮手段から吐出された冷媒を前記放熱器に流すと共に、当該放熱器から出た冷媒を前記分流器にて主回路と副回路とに分流し、該副回路に流れる冷媒を前記副減圧装置から前記内部熱交換器に流して前記分流器から前記主回路に流れる冷媒と熱交換させた後、前記高段側圧縮手段に吸い込ませ、前記主回路に流れる冷媒を前記主減圧装置から前記蒸発器に流した後、前記低段側圧縮手段に吸い込ませるよう構成した冷凍サイクル装置において、
   前記副回路から前記高段側圧縮手段に吸い込まれる冷媒を貯留する液冷媒貯留手段を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記液冷媒貯留手段を、前記内部熱交換器より下流側の前記副回路中に設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記低段側圧縮手段と前記高段側圧縮手段は単一の密閉容器内に収納されており、前記低段側圧縮手段から吐出された冷媒は前記密閉容器内に吐出され、該密閉容器内の冷媒が前記高段側圧縮手段に吸い込まれると共に、前記副回路から出た冷媒を前記密閉容器内に流入させたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

Images