(57)【要約】【課題】インジェクションサイクル方式の冷凍装置において、圧縮機の吐出温度の低減効果を高めて、特に低外気温度時における高圧縮比運転を可能にするとともに、多段圧縮機における低段側圧縮部の吸入過熱度を確保する。【解決手段】低段側圧縮部１２の冷媒吐出口と高段側圧縮部１３の冷媒吸入口とが中間圧配管４１を介して接続されている圧縮機１０と、圧縮機１０からの冷媒を凝縮する凝縮器２２と、凝縮器２２から膨張弁３１を介して供給される冷媒を蒸発させてガス側配管２５を介して低段側圧縮部１２の冷媒吸入口に戻す蒸発器２４と、膨張弁３１を介して供給される冷媒の一部分を中間圧配管４１に供給するインジェクション配管３４とを有する冷凍装置において、中間圧配管４１内を流れる吐出側冷媒と、ガス側配管２５内を流れる吸入側冷媒との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低段側圧縮部と高段側圧縮部とを含み、上記低段側圧縮部の冷媒吐出口と上記高段側圧縮部の冷媒吸入口とが中間圧配管を介して接続されている多段圧縮機と、上記多段圧縮機から吐出される冷媒を凝縮させる第１熱交換器と、上記第１熱交換器から膨張弁を介して供給される冷媒を蒸発させてガス側配管を介して上記低段側圧縮部の冷媒吸入口に戻す第２熱交換器と、上記膨張弁を介して供給される冷媒の一部分を上記中間圧配管に供給するインジェクション配管とを有する冷凍装置において、
上記中間圧配管と上記ガス側配管との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器を備えていることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
上記冷媒間熱交換器は、上記中間圧配管のうちの上記インジェクション配管が接続される接続箇所よりも上流側の第１配管部分と上記ガス側配管との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
上記冷媒間熱交換器は、上記中間圧配管のうちの上記インジェクション配管が接続される接続箇所よりも下流側の第２配管部分と上記ガス側配管との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項４】
上記中間圧配管には、上記冷媒間熱交換器を迂回する開閉弁を含むバイパス配管が接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機，凝縮器，膨張機構および蒸発器を含む冷媒循環系を有する冷凍装置に関し、さらに詳しく言えば、圧縮機が多段圧縮機で、冷媒循環系内に設けられている気液分離器よりガス冷媒が多段圧縮機の中間圧ポートに供給されるガスインジェクションサイクル方式の冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載された冷凍サイクル装置では、圧縮機に低段側圧縮部と高段側圧縮部とを含む２段圧縮機を用い、また、凝縮器と蒸発器との間に第１および第２膨張弁を接続するとともに、これら膨張弁の間に気液分離器を設け、気液分離されたガス冷媒をインジェクション配管を介して２段圧縮機の中間圧ポートに供給することで、吐出圧力が高圧であっても吐出温度を低く抑制するようにしている。
【０００３】
すなわち、この気液分離器を用いたガスインジェクションサイクルにおいては、凝縮器にて凝縮された冷媒を第１膨張弁により中間圧にまで膨張させ、気液分離器によりガス冷媒と液冷媒とに分離し、分離した中間圧のガス冷媒を２段圧縮機の中間圧ポートに戻すとともに、エンタルピーが低下した中間圧の液冷媒を第２膨張弁で蒸発圧にまでさらに膨張させた後、蒸発器に送り蒸発させる。
【０００４】
しかしながら、２段圧縮機の中間圧ポートにインジェクションされるガス冷媒は飽和ガスで、液冷媒に比べて比エンタルピーが高いため、圧縮機吐出温度の低減効果が小さく、吐出温度が過大となるため、特に低外気温時に高圧縮比運転ができない、という問題がある。
【０００５】
これに対して、冷媒間熱交換器を用いた気液二相インジェクションサイクルでは、凝縮器にて凝縮された冷媒の一部を主流から分岐し、その分岐流を分岐路内の膨張弁にて中間圧にまで膨張（温度低下）させた後、冷媒間熱交換器にて主流と熱交換させ、乾き度が高められた分岐流を２段圧縮機の中間圧ポートに戻す一方で、凝縮圧のままエンタルピーが低下した主流を蒸発圧にまで膨張させて、蒸発器に送り蒸発させる。
【０００６】
これによれば、上記ガスインジェクションサイクルに比べて、高い吐出温度低減効果が得られるが、空調能力を大きく向上させるためには、比較的大きな冷媒間熱交換器が必要とされることから、コスト的にも、また、スペース的にも好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−９６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、気液分離器を有するガスインジェクションサイクル方式の冷凍装置において、圧縮機の吐出温度の低減効果を高めて、特に低外気温度時における高圧縮比運転を可能にするとともに、多段圧縮機における低段側圧縮部の吸入過熱度を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、低段側圧縮部と高段側圧縮部とを含み、上記低段側圧縮部の冷媒吐出口と上記高段側圧縮部の冷媒吸入口とが中間圧配管を介して接続されている多段圧縮機と、上記多段圧縮機から吐出される冷媒を凝縮させる第１熱交換器と、上記第１熱交換器から膨張弁を介して供給される冷媒を蒸発させてガス側配管を介して上記低段側圧縮部の冷媒吸入口に戻す第２熱交換器と、上記膨張弁を介して供給される冷媒の一部分を上記中間圧配管に供給するインジェクション配管とを有する冷凍装置において、上記中間圧配管と上記ガス側配管との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器を備えていることを特徴としている。
【００１０】
本発明には、上記冷媒間熱交換器は、上記中間圧配管のうちの上記インジェクション配管が接続される接続箇所よりも上流側の第１配管部分と上記ガス側配管との間に設けられる態様が含まれる。
【００１１】
また、本発明には、上記冷媒間熱交換器は、上記中間圧配管のうちの上記インジェクション配管が接続される接続箇所よりも下流側の第２配管部分と上記ガス側配管との間に設けられる態様も含まれる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、上記中間圧配管には、上記冷媒間熱交換器を迂回する開閉弁を含むバイパス配管が接続される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インジェクションサイクルと、低段側圧縮部における中間圧配管（低段側圧縮部の吐出側冷媒）−ガス側配管（低段側圧縮部の吸入側冷媒）間の内部熱交換を併用したことにより、高段側圧縮部の吐出温度を上昇させることなく、低段側圧縮部の過熱度を確保して液バックを防止することができる。また、これによって、圧縮機の信頼性を保持しながら、インジェクションサイクルの能力向上効果を生かすことができる。
【００１４】
また、冷媒間熱交換器を用いるにしても、吸入側冷媒の過熱度確保に必要な熱交換量で十分であり、しかも中間圧配管（吐出側冷媒）−ガス側配管（吸入側冷媒）間の温度差が大きいため、冷媒間熱交換器の体積が小さくてよい、という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置を示す冷凍サイクル図。
【図２】上記冷凍装置のモリエル線図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る冷凍装置を示す冷凍サイクル図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る冷凍装置を示す冷凍サイクル図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、図１ないし図４により、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
図１を参照して、この第１実施形態に係る冷凍装置には、基本的な構成として、圧縮機１０，四方弁２１，室内熱交換器２２，液側配管２３，室外熱交換器２４，ガス側配管２５，第１および第２膨張弁３１，３２および気液分離器３３が含まれる。
【００１８】
圧縮機１０は、密閉容器１１内に電動機１４によって駆動される低段側圧縮部１２と高段側圧縮部１３の２つの圧縮部を有する２段圧縮機である。低段側圧縮部１２の冷媒吐出口と高段側圧縮部１３の冷媒吸入口は、中間圧配管４１にて接続されている。なお、低段側圧縮部１２と高段側圧縮部１３は、それぞれ独立した圧縮機が直列に接続されたものでもよい。
【００１９】
暖房運転時には、図１に示すように、室内熱交換器２２は、四方弁２１を介して圧縮機１０の冷媒吐出側に接続され凝縮器として作用する。これに対して、室外熱交換器２４は蒸発器として作用し、蒸発後の低圧ガス冷媒をガス側配管２５を介して低段側圧縮部１２の冷媒吸入口に供給する。
【００２０】
第１および第２膨張弁３１，３２は、室内熱交換器２２と室外熱交換器２４との間の液側配管２３内に直列に接続されている。気液分離器３３は、第１膨張弁３１と第２膨張弁３２との間に配置される。
【００２１】
気液分離器３３内の液冷媒は、第２膨張弁３２を介して室外熱交換器２４に送られ、ガス冷媒は、インジェクション配管３４を介して中間圧配管４１に供給される。インジェクション配管３４には、ガス冷媒流量を調整する流量調整弁３５が設けられている。
【００２２】
中間圧配管４１内には、低段側圧縮部１２から高段側圧縮部１３に向けて冷媒が流されるため、中間圧配管４１のうちのインジェクション配管３４が接続される接続箇所３４ａの上流側（低段側圧縮部１２側）を第１配管部分４１ａとし、下流側（高段側圧縮部１３側）を第２配管部分４１ｂとして、この第１実施形態では、第１配管部分４１ａ（低段側圧縮部１２の吐出側冷媒）とガス側配管２５（低段側圧縮部１２の吸入側冷媒）との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器５０を備える。
【００２３】
特に、低外気温時において、気液分離器３３から圧縮機１０の中間圧段にガスインジェクションを行う場合、室外熱交換器（蒸発器）２４での熱交換が十分でなくなり、液バックする可能性があり、また、インジェクションの吐出温度低減効果だけでは、圧縮機１０の吐出温度の過度の上昇を防ぎきれない場合がある。
【００２４】
そこで、この第１実施形態では、冷媒間熱交換器５０により、第１配管部分４１ａ内を流れる低段側圧縮部１２の吐出側冷媒と、ガス側配管２５内を流れる低段側圧縮部１２の吸入側冷媒とを熱交換し、吸入側冷媒が二相状態から気相に状態変化する際の吸熱を利用して、過熱度を確保して液バックを防止するとともに、圧縮機１０の吐出温度の過度の上昇を防ぐようにしている。
【００２５】
次に、図２のモリエル線図を併せて参照して、第１実施形態に係る冷凍装置の動作について説明する。まず、低段側圧縮部１２でＡ点からＢ点まで冷媒が圧縮され、冷媒間熱交換器５０によりＢ’点にまで下がる。ここで気液分離器３３から供給されるガス冷媒の注入により温度が下げられてＣ点に至り、さらに高段側圧縮部１３においてＣ点からＤ点にまで圧縮される。
【００２６】
次に、圧縮機１０から吐出された冷媒は、室内熱交換器（凝縮器）２２でＤ点からＥ点にまで凝縮された後、第１膨張弁３１でＥ点からＦ点にまで膨張し、蒸発圧力と凝縮圧力の中間圧力のＦ点で気液分離器３３内でガス冷媒と液冷媒とに分離される。
【００２７】
気液分離器３３を出た冷媒のうち、ガス冷媒は気相線との交点であるＩ点、液冷媒は液相線との交点であるＧ点の状態にあり、全体としては、これらが混合されたＦ点の状態にある。
【００２８】
気液分離器３３内のガス冷媒は、インジェクション配管３４を介して中間圧配管（圧縮機１０の中間圧段）４１に供給される。その一方で、液冷媒は第２膨張弁３２によりＧ点からＨ点にまで膨張した後、Ｈ点からＡ’点において室外熱交換器（蒸発器）２４で蒸発する。その後、冷媒は、冷媒間熱交換器５０での吸熱によりＡ’点からＡ点に至り、低段側圧縮部１２の吸入側冷媒の過熱度が確保される。
【００２９】
次に、図３の第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、冷媒間熱交換器５０が中間圧配管４１のうちの第２配管部分４１ｂとガス側配管２５との間に設けられ、このほかの構成は、上記第１実施形態と同じであってよい。
【００３０】
すなわち、第２実施形態では、低段側圧縮部１２の吐出側冷媒に気液分離器３３からのガス冷媒が注入された冷媒と、低段側圧縮部１２の吸入側冷媒との間で熱交換が行われるようになっており、これによれば、流量調整弁３５でガス冷媒の注入量を調整することにより、過剰な過熱度による吸入量の低下を回避することができる。
【００３１】
次に、図４の第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、低段側圧縮部１２から高段側圧縮部１３に向けて冷媒が流される中間圧配管４１に、冷媒間熱交換器５０を迂回する開閉弁５１ａを含むバイパス配管５１が接続される。このほかの構成は、上記第１実施形態と同じであってよい。
【００３２】
室外熱交換器（蒸発器）２４で十分に熱交換が行われ、吸入側冷媒の過熱度が得られていれば、冷媒間熱交換器５０での熱交換は不要である。ちなみに、このような状態のとき、冷媒間熱交換器５０においては、ガス同士で熱交換することになり、単に熱が授受されるだけ（吸入側で得た熱量＝吐出側で減る熱量）であり、状態変化により得られる熱量が生じないため、サイクル的にはメリットもデメリットもない。
【００３３】
したがって、室外熱交換器（蒸発器）２４で十分に熱交換が行われ、吸入側冷媒の過熱度が得られているときには、開閉弁５１ａを「開」として、低段側圧縮部１２からの吐出側冷媒を冷媒間熱交換器５０を通さずに、バイパス配管５１を介して高段側圧縮部１３の冷媒吸入口に導くことが好ましい。なお、この場合においても、気液分離器３３からのガス冷媒のインジェクションは行われる。
【００３４】
図４に示すように、第３実施形態では、図１の第１実施形態における中間圧配管４１にバイパス配管５１を設けるようにしているが、図３の第２実施形態における中間圧配管４１にバイパス配管５１を設けてもよい。
【００３５】
なお、室外熱交換器（蒸発器）２４において、吸入側冷媒の過熱度が大きくなり過ぎた場合には、室外送風ファンの回転数を遅くし通風量を低下させて蒸発性能を落としてサイクル効率低下を回避すればよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０  圧縮機
１２  低段側圧縮部
１３  高段側圧縮部
２１  四方弁
２２  室内熱交換器（凝縮器）
２３  液側配管
２４  室外熱交換器（蒸発器）
２５  ガス側配管
３１  第１膨張弁
３２  第２膨張弁
３３  気液分離器
３４  インジェクション配管
３５  流量調整弁
４１  中間圧配管
４１ａ  上流側の第１配管部分
４１ｂ  下流側の第２配管部分
５１  バイパス配管
５１ａ  開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011214753.tif 000006