(57)【要約】【課題】高圧側冷媒の圧力損失低減による除霜運転時消費電力を抑制しつつ、加熱運転中の内部熱交換器の熱交換効率を向上させ、省エネルギー性の高い運転を行うことができる冷凍サイクル装置を提供すること。【解決手段】放熱器１２から減圧手段１４へと供給される高圧側冷媒と蒸発器１５にて吸熱した低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器１３を備え、高圧側冷媒が流れる高圧側配管１と低圧側冷媒が流れる低圧側配管２とが互いに密着し、高圧側配管１の曲げ半径ＲＨと低圧側配管の曲げ半径ＲＬの関係が、ＲＨ＜ＲＬとなる曲げ部を、少なくとも一か所以上有することにより、内部熱交換器１３における熱交換量を向上させて加熱運転時のエネルギー消費効率を向上させ、また、除霜運転時における圧縮機動力を抑制することができるので、冷凍サイクル装置の省エネルギー性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、
前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記蒸発器にて吸熱した低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器と、を備え
前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に冷媒を流して、前記蒸発器の霜を融かす除霜運転モードを有し、
前記内部熱交換器は、高圧側冷媒が流れる高圧側配管と低圧側冷媒が流れる低圧側配管とが互いに密着しており、
前記高圧側配管および前記低圧側配管には、少なくとも一か所以上の曲げ部が設けられており、
高圧側配管の曲げ半径をＲＨ、低圧側配管の曲げ半径をＲＬとしたとき、
ＲＨ＜ＲＬであることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記低圧側配管は少なくとも一部が略円形状に形成されており、水平方向において、前記高圧側配管は、前記低圧側配管の軸中心より内方側で、前記低圧側配管に密着していることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記高圧側配管は、鉛直方向において、前記低圧側配管の軸中心より下方側で、前記低圧側配管に密着していることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷凍サイクル装置に内部熱交換器が設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８（ａ）（ｂ）に示すように、蒸発器から流出した低圧側冷媒が流れる低圧側配管１０２と、放熱器から流出した高圧側冷媒が流れる高圧側配管１０１とを備え、前記低圧側冷媒と前記高圧側冷媒とが熱交換できるよう一体化したことを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１８１８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の内部熱交換器１００では、高圧側配管１０１の内径を低圧側配管１０２の内径よりも小さくするとともに、高圧側配管１０１を内面溝付き管とすることで、内部熱交換器１００の熱交換効率を高めているものの、前記構成のため、高圧側流路での圧力損失が大きくなりやすい。
【０００６】
特に、冷媒を圧縮機１１、放熱器１２、減圧手段１４、蒸発器１５の順で環状に流し、蒸発器１５の霜を溶かす順サイクルでの除霜運転においては、高圧側配管１０１での圧力損失が大きくなると、高圧側と低圧側との差圧が拡大し、圧縮機１１の消費電力が大きくなるうえ、蒸発圧力も低下するので、除霜運転時間の増加を招き、除霜運転時の省エネルギー性が低下するという課題を有していた。
【０００７】
また、内部熱交換器１００の低圧側配管１０２には、蒸発器１５で吸熱し、ガス化した冷媒と潤滑油が流入する。ここで、潤滑油として難溶性オイルを用いると、低圧側領域では二酸化炭素の溶解度が低下し、冷媒と潤滑油が分離する現象が生じる。
【０００８】
これにより、従来の内部熱交換器１００の構成では、低圧側配管１０１の伝熱面に潤滑油が付着してしまうので、潤滑油が熱交換を阻害し、熱交換効率が低下してしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高圧側冷媒の圧力損失低減による除霜運転時消費電力を抑制しつつ、加熱運転中の内部熱交換器の熱交換効率を向上させ、省エネルギー性の高い運転を行うことができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の冷凍サイクルは、圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記蒸発器にて吸熱した低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器と、を備え、前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に冷媒を流して、前記蒸発器の霜を融かす除霜運転モードを有し、前記内部熱交換器は、高圧側冷媒が流れる高圧側配管と低圧側冷媒が流れる低圧側配管とが互いに密着しており、前記高圧側配管および前記低圧側配管には、少なくとも一か所以上の曲げ部が設けられており、高圧側配管の曲げ半径をＲＨ、低圧側配管の曲げ半径をＲＬとしたとき、ＲＨ＜ＲＬであることを特徴とするものである。
【００１１】
これによって、高圧側冷媒の圧力損失が減少し、除霜時の高圧側と低圧側との差圧が縮小するので、圧縮機動力を低減できる。そのうえ、蒸発圧力が上昇し、除霜時間が短縮できるので、除霜運転時の機器の省エネルギー性が向上する。
【００１２】
加えて、低圧側配管の伝熱面に付着する潤滑油の量が減少するので、曲げ部での熱交換量が増加し、運転時の機器の省エネルギー性が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、の冷凍サイクル装置は、高圧側冷媒の圧力損失低減による除霜運転時消費電力を抑制しつつ、加熱運転中の内部熱交換器の熱交換効率を向上させ、省エネルギー性の高い運転を行うことができる冷凍サイクル装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における内部熱交換器の斜視図
【図２】図１に示す内部熱交換器の上面図
【図３】（ａ）図２のＡ−Ａ断面図（ｂ）図３（ａ）のＡ部拡大図
【図４】本発明の実施の形態１における他の内部熱交換器の上面図
【図５】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の回路構成図
【図６】（ａ）本発明実施の形態１における他の内部熱交換器の斜視図（ｂ）図６（ａ）に示す内部熱交換器の上面図
【図７】（ａ）図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面図（ｂ）図７（ａ）のＢ部拡大図
【図８】（ａ）従来の内部熱交換器の概要図（ｂ）図８（ａ）のＸ−Ｘ断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、圧縮機と、放熱器と、減圧手段と、蒸発器と、前記放熱器から前記減圧手段へと供給される高圧側冷媒と前記蒸発器にて吸熱した低圧側冷媒とが熱交換する内部熱交換器と、を備え、前記圧縮機、前記放熱器、前記減圧手段、前記蒸発器の順に冷媒を流して、前記蒸発器の霜を融かす除霜運転モードを有し、前記内部熱交換器は、高圧側冷媒が流れる高圧側配管と低圧側冷媒が流れる低圧側配管とが互いに密着しており、前記高圧側配管および前記低圧側配管には、少なくとも一か所以上の曲げ部が設けられており、高圧側配管の曲げ半径をＲＨ、低圧側配管の曲げ半径をＲＬとしたとき、ＲＨ＜ＲＬであることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１６】
これにより、高圧側配管と低圧側配管の曲げＲが同一している場合に比べて、高圧側配管の流路長が短くなり、高圧側冷媒の圧力損失が減少する。そのため、除霜時の高低圧差が縮小し、圧縮機動力を低減できる。そのうえ、蒸発圧力が上昇し、除霜時間が短縮されるので、機器の省エネルギー性が向上するという効果を奏する。
【００１７】
加えて、内部熱交換器の曲げ部において、低圧側配管に流入したガス冷媒と、潤滑油には遠心力が作用するが、ガス冷媒に比べて密度の大きい潤滑油にはより大きな遠心力が作用するので、伝熱を阻害する潤滑油は低圧側配管の外周側に押しやられる。これにより、低圧側の伝熱面における潤滑油の量が減少するので曲げ部での熱交換量が増加し、機器の省エネルギー性が向上することができる。
【００１８】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記低圧側配管は少なくとも一部が略円形状に形成されており、水平方向において、前記高圧側配管は、前記低圧側配管の軸中心より内方側で、前記低圧側配管に密着していることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１９】
これにより、低圧側配管内を流れる低温・低圧のガス冷媒、及び、潤滑油には遠心効果が作用し、ガス冷媒よりも密度の大きい潤滑油は管内の外周側を流れる。
【００２０】
したがって、前記低圧側配管は少なくとも一部が略円形状に形成されており、水平方向において、前記高圧側配管は、前記低圧側配管の軸中心より内方側で、前記低圧側配管に密着している構成により、低圧側の伝熱面に付着する潤滑油の量が減り、熱交換が促進されるため、内部熱交換量が増加し、機器の省エネルギー性が更に向上するという効果を奏する。
【００２１】
第３の発明は、特に第１の発明において、前記高圧側配管は、鉛直方向において、前記低圧側配管の軸中心より下方側で、前記低圧側配管に密着していることを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００２２】
これにより、低圧側配管の鉛直下方側の内面が冷媒の伝熱面となる。ここで、冷媒には重力が作用し、低圧側配管の鉛直下方側に冷媒の液成分が滞留しやすくなる。よって、冷媒の液成分がより加熱されやすくなり、内部熱交換量が増加し、機器の省エネルギー性が向上するという効果を奏する。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図５は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置１０を備えた給湯装置の回路構成を示すものである。
【００２５】
図５において、冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、減圧手段１４、蒸発器１５が順に冷媒配管で環状に接続して構成されている。内部熱交換器１３は、高圧側配管１と、低圧側配管２とから成り、高圧側配管１は放熱器１２と減圧手段１４との間に接続され、低圧側配管２は蒸発器１５と圧縮機１１との間に接続されて、冷凍サイクル装置１０の一部を成す。
【００２６】
なお、冷凍サイクル装置１０には、冷媒として二酸化炭素が、圧縮機１１の潤滑油として難溶性オイルであるポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）が封入されている。ＰＡＧ油は３１℃以下の温度範囲で、二酸化炭素と相溶しない領域をもち、特に低圧になるにつれＰＡＧ油への二酸化炭素溶解度が減少することが知られている。なお、ＰＡＧ油の粘度は４０℃において、５〜３００ｃＳＴのものが適している。
【００２７】
図１〜図３（ａ）（ｂ）に、本発明の実施の形態１における内部熱交換器１３の構成を示す。内部熱交換器１３は、高圧側配管１と低圧側配管２が管外周面で密着しており、管密着部は伝熱を促進するため、ロウ材、または、はんだにより接合（接合部３）されている。ここで、内部熱交換器１３は、高圧側配管１の曲げ半径ＲＨと低圧側配管２の曲げ半径ＲＬの関係が、ＲＨ＜ＲＬとなるように、略全域にわたって螺旋状に曲げられて形成されている。
【００２８】
また、図５において、貯湯装置２０は、冷凍サイクル装置１０によって沸き上げた湯を貯湯する貯湯タンク２１と、シャワーなどの給湯端末（図示せず）に湯を温度調節して供給する給湯混合弁２４とを備える構成となっている。
【００２９】
以上のように構成された冷凍サイクル措置を備えた給湯装置について、以下その動作、作用について説明する。
【００３０】
まず、放熱器１２において温水を加熱する加熱運転時の動作について説明する。
【００３１】
加熱運転時において、圧縮機１１より吐出された高温・高圧の冷媒は、放熱器１２において水と熱交換器して放熱する。加熱された水は、貯湯タンク２１へ供給され、シャワーなどに利用される。放熱器１２を出た高圧冷媒は、内部熱交換器１３の高圧側配管１へと流入し、低圧側配管２を流れる低圧側冷媒へと放熱する。
【００３２】
内部熱交換器１３の高圧側配管１を出た冷媒は、減圧手段１４において減圧され、低温・低圧の気液二相状態となる。低温・低圧となった冷媒は、蒸発器１５において大気より吸熱し、ガス化して低圧側配管２に流入し、内部熱交換器１３の低圧側配管２において、高圧側配管１を流れる高圧側冷媒より吸熱して過熱状態となって、圧縮機１１へと吸入される。
【００３３】
この動作を繰り返すことにより、冷凍サイクル装置１０は水の加熱運転を行う。なお、運転中は冷凍サイクル装置１０内を冷媒とともに圧縮機１１より流出した潤滑油が循環しており、低圧側配管２に流入する低圧冷媒と潤滑油は、冷媒リッチ層と油リッチ層に分離して流れている。
【００３４】
次に、上記加熱運転により蒸発器１５に霜が付着した場合に、これを融かして除去するための除霜運転の動作について説明する。
【００３５】
外気温が低い状態で加熱運転を行うと、蒸発器１５に霜が付き、蒸発器１５の吸熱能力が大幅に低下してしまう。そこで、蒸発器１５に付着した霜を融かして除去するために冷媒を循環させて、除霜運転を行う。除霜運転時における冷媒の流れる順序は、加熱運転時と同じであるので省略する。
【００３６】
除霜運転時においては、減圧手段１４における減圧量を小さくし、圧縮機１１より吐出される冷媒の圧力を抑制する。さらに、放熱器１２においては、冷媒からの放熱量を極力抑制し、減圧手段１４を経て蒸発器１５へと中温・中圧の冷媒を供給する。こうして蒸発器１５を流れる冷媒の温度を高くすることによって、蒸発器１５に付着した霜を融かす。霜を融かすために蒸発器１５において放熱した冷媒は、圧縮機１１へと吸入される。この動作を繰り返すことによって、蒸発器１５に付着した霜が融けるまで除霜運転を行う。
【００３７】
ここで、本発明の実施の形態１によれば、図２に示すように、内部熱交換器１３が、高圧側配管１の曲げ半径ＲＨと低圧側配管２の曲げ半径ＲＬの関係が、ＲＨ＜ＲＬとなるように、略全域にわたって螺旋状に曲げ加工されている。これにより、高圧側配管１と低圧側配管２の曲げＲが同期している場合に比べて、高圧側配管１の流路長が短くなり、高圧側冷媒の圧力損失が減少する。そのため、除霜時の高低圧差が縮小し、圧縮機動力を低減できるうえ、蒸発圧力が上昇し、除霜時間が短縮されるので、機器の省エネルギー性が向上するという効果を奏する。
【００３８】
加えて、内部熱交換器１３の曲げ部において、低圧側配管２に流入したガス冷媒と、潤滑油には式（１）に示す通りの遠心力が作用する。
【００３９】
2019086208.tif 000003
【００４０】
式（１）において、ｍは質量、ｖは速度、ｒは回転半径である。
【００４１】
ここで、低圧側配管２の冷媒の密度は、例えば圧力４ＭＰａの飽和ガスで流入したとすると、１１５．７ｋｇ／ｍ３である。一方、潤滑油の密度は、添加物により若干異なるが、温度２８０Ｋにおいて、１０１５ｋｇ／ｍ３である。低圧側配管において、低圧、低温の冷媒と潤滑油は冷媒リッチ層と油リッチ層に分かれて流れる。
【００４２】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、高圧側配管１は水平方向において、低圧側配管２の軸中心より内方側で、低圧側配管２に密着するように、高圧側配管１および低圧側配管２の略全域が螺旋状に曲げ加工されている。
【００４３】
曲げ加工部においては、冷媒に比べて密度の大きい潤滑油により大きな遠心効果が作用するので、伝熱を阻害する潤滑油は低圧側配管２の外周側を流れる。これにより、低圧側の伝熱面における潤滑油の付着量が減少するので曲げ部での熱交換量が増加し、機器の省エネルギー性が向上するという効果を奏する。なお、略全域でなくとも、少なくとも一部の高圧側配管１および低圧側配管２が、略円形状に形成されていれば、その部位においては、その効果を有する。
【００４４】
以上のように、本実施例における内部熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置は、加熱運転、除霜運転の双方において、冷凍サイクル装置の運転に係るエネルギー消費効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、実施の形態では略全域が螺旋状に曲げ加工された内部熱交換器を、例に挙げて説明したが、図４に示すように、少なくとも１カ所以上が曲げ加工された内部熱交換器であれば、同様の効果を得ることができる。
【００４６】
さらに、この曲げ加工を、図６（ａ）（ｂ）及び図７（ａ）（ｂ）に示すように、略全域にわたって螺旋状に曲げ加工された内部熱交換器１３の中心軸と、鉛直方向が略一致しており、高圧側配管１が低圧側配管２の中心軸よりも鉛直下方側で、低圧側配管２に密着している点である。なお、略全域でなくとも、少なくとも一部の高圧側配管１が、鉛直方向において、低圧側配管２の軸中心より下方側で、低圧側配管２に密着していれていれば、その部位においては、その効果を有する。
【００４７】
極低外気温での冷凍サイクル装置１０の加熱運転時には、蒸発器の能力不足のため、蒸発器１５で吸熱した二相冷媒が完全にガス化しきれずに、二相状態で内部熱交換器１３の低圧側配管２に流入することがある。
【００４８】
配管全域にわたって曲げ加工することによれば、図７に示すように、低圧側配管の鉛直下方側の内面が冷媒の伝熱面となる。ここで、冷媒には重力が作用するため、低圧側配管の鉛直下方側に冷媒の液成分が滞留しやすくなる。よって、冷媒の液成分がより加熱されやすくなるので、内部熱交換量が増加し、機器の省エネルギー性が向上するという効果を奏する。
【００４９】
以上のように、本実施例における内部熱交換器を搭載した冷凍サイクル装置は、加熱運転時の冷凍サイクル装置の係るエネルギー消費効率を更に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、エネルギー消費効率を向上させることができるので、空気調和装置やヒートポンプ式給湯機・暖房機などの省エネルギー性向上の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１  高圧側配管
２  低圧側配管
１０  冷凍サイクル装置
１１  圧縮機
１２  放熱器
１３  内部熱交換器
１４  減圧手段
１５  蒸発器
２０  貯湯装置
２１  貯湯タンク
２４  給湯混合弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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