(57)【要約】【課題】分配特性を向上させて圧力損失を低減させ、コストの増大を抑えた冷媒回路および空気調和装置を提供すること。【解決手段】冷媒液５３または気液二相冷媒５１が流入する蒸発熱交換器３と、蒸発熱交換器３の入口側に、蒸発熱交換器３に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダー２と、ヘッダー２の上流側に設けられ、ヘッダー２に流入する冷媒液５３または気液二相冷媒５１の乾き度またはボイド率を調整する乾き度調整手段と、冷媒蒸気５２を乾き度調整手段から蒸発熱交換器３の下流側へバイパスするバイパス経路６と、冷媒蒸気５２の流量を調整する流量調整弁５と、蒸発熱交換器３の下流側に設けられた圧縮機７と、を備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液または気液二相冷媒が流入する蒸発熱交換器と、
前記蒸発熱交換器の入口側に、前記蒸発熱交換器に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダーと、
前記ヘッダーの上流側に設けられ、前記ヘッダーに流入する前記冷媒液または前記気液二相冷媒の乾き度またはボイド率を調整する乾き度調整手段と、
冷媒蒸気を前記乾き度調整手段から前記蒸発熱交換器の下流側へバイパスするバイパス経路と、
前記冷媒蒸気の流量を調整する流量調整弁と、
前記蒸発熱交換器の下流側に設けられた圧縮機と、
を備えた
ことを特徴とする冷媒回路。
【請求項２】
前記乾き度調整手段は、前記気液二相冷媒を前記冷媒液と前記冷媒蒸気とに分離する気液分離装置を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
【請求項３】
前記乾き度調整手段は、
内部熱交換器と、
前記内部熱交換器を流出した前記冷媒の一部を分岐点で分岐させて前記内部熱交換器に流入させる分岐路と、
前記分岐路に設けられた膨張弁と、を備え、
前記内部熱交換器から流出した前記冷媒液の一部が前記分岐点で前記分岐路側に分岐し、前記分岐路上に設けられた前記流量調整弁にて減圧後、前記内部熱交換器に流入し、前記冷媒液との間で熱交換を行い冷媒蒸気となった後で前記バイパス経路を流れ、
前記内部熱交換器から流出した前記冷媒液の一部が前記分岐点で前記ヘッダー側に分岐し、前記膨張弁で膨張した後に前記ヘッダーに流入する
ことを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
【請求項４】
余剰冷媒を貯留するアキュムレータを備え、
前記アキュムレータは、
前記バイパス経路を通過後の前記冷媒蒸気と前記蒸発熱交換器を通過後の冷媒蒸気とが合流する合流点と前記圧縮機との間、または前記合流点と同じ位置になるように設置される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項５】
前記乾き度調整手段は、
高流量条件では前記乾き度または前記ボイド率が小さくなるように調整し、
低流量条件では調整を行わない
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷媒回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷媒回路を搭載した
ことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置を搭載した冷媒回路および空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置の冷凍サイクルにおいて、凝縮器で凝縮された冷媒液は、膨張弁によって減圧され、冷媒蒸気と冷媒液が混在する気液二相状態となって蒸発器に流入する。冷媒が気液二相状態で蒸発器に流入すると、垂直または傾斜ヘッダーの場合は熱交換器への分配特性が悪化することなどに起因して、空気調和装置のエネルギー効率が低下する。また、高流量条件や低流量条件など流量条件の変化によって安定した分配特性を維持することができなかった。
【０００３】
そこで、従来の熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーでは、ヘッダー内部に仕切りを設けたり、リボン状の乱流促進体や小孔を設けたりして分配特性の改善を狙ったものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２０３２８６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、特許文献１に記載の熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーでは、あまり分配特性の向上が見られず、熱交換器入口で圧力損失が生じてしまっていた。また、ヘッダー内部の構造が複雑になるため、製造がより困難となりコストが増大するなどの課題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、分配特性を向上させて圧力損失を低減させ、コストの増大を抑えた冷媒回路および空気調和装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る冷媒回路は、冷媒液または気液二相冷媒が流入する蒸発熱交換器と、前記蒸発熱交換器の入口側に、前記蒸発熱交換器に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダーと、前記ヘッダーの上流側に設けられ、前記ヘッダーに流入する前記冷媒液または前記気液二相冷媒の乾き度またはボイド率を調整する乾き度調整手段と、冷媒蒸気を前記乾き度調整手段から前記蒸発熱交換器の下流側へバイパスするバイパス経路と、前記冷媒蒸気の流量を調整する流量調整弁と、前記蒸発熱交換器の下流側に設けられた圧縮機と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る冷媒回路によれば、熱交換器の垂直または傾斜ヘッダーに流入する気液二相冷媒の乾き度（またはボイド率）を調整することにより分配特性を向上させて圧力損失を低減させることができ、また、垂直または傾斜ヘッダーの構造は変更しないためコストの増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態１に係る分配システムの冷媒回路図である。
【図２】本実施の形態１に係る分配システムのモリエル線図である。
【図３】本実施の形態２に係る分配システムの冷媒回路図である。
【図４】本実施の形態２に係る分配システムのモリエル線図である。
【図５】本実施の形態３に係る分配システムの冷媒回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る分配システム１００の冷媒回路図、図２は、本実施の形態１に係る分配システム１００のモリエル線図である。
なお、本実施の形態１において、特許請求の範囲に記載の乾き度調整手段は、気液分離装置１である。
本実施の形態１に係る分配システム１００は、気液分離装置１で気液二相冷媒５１を冷媒蒸気５２と冷媒液５３とに分離し、蒸発熱交換器３に冷媒液５３（または気液二相冷媒５１）を流入させた後、蒸発熱交換器３の下流側で冷媒蒸気５２と蒸発熱交換器３で気相状態となった冷媒とを合流させるシステムである。
【００１２】
空気調和装置は圧縮機７、蒸発熱交換器３、図示省略の凝縮熱交換器および膨張弁が配管接続され、冷媒を循環させる冷媒回路を有する。
分配システム１００は、空気調和装置の冷媒回路の一部を構成し、流入した気液二相冷媒５１を冷媒蒸気５２と冷媒液５３とに分離する気液分離装置１と、冷媒液５３（または気液二相冷媒５１）が流入する蒸発熱交換器３と、蒸発熱交換器３の流入側（上流側）に蒸発熱交換器３に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダー２と、蒸発熱交換器３の流出側の合流器４と、冷媒蒸気５２が気液分離装置１から蒸発熱交換器３の下流へバイパスするバイパス経路６と、そのバイパス経路６上に設けられ、開閉により冷媒蒸気５２の流量を調整する流量調整弁５とを備えている。
【００１３】
気液分離装置１は、気液二相冷媒５１を冷媒蒸気５２と冷媒液５３とに分離するものであり、一端が外部回路（図示省略の膨張弁）に接続され、気液二相冷媒５１が流入してくる流入配管１ａ、一端がバイパス経路６に接続され、冷媒蒸気５２が流れるガス側流出配管１ｂ、および一端が蒸発熱交換器３の流入側（上流側）のヘッダー２に接続され、冷媒液５３（または気液二相冷媒５１）が流れる液側流出配管１ｃ、の他端に接続されている。なお、気液分離装置１の形状や大きさなどは問わないものとする。
【００１４】
蒸発熱交換器３は、冷媒と空気との間で熱交換を行う空気熱交換器であり、低圧の冷媒液５３（または気液二相冷媒５１）が流入し、空気と熱交換して冷媒を蒸発させていく。蒸発熱交換器３の流入側の枝状の伝熱管は分流器であるヘッダー２の一端に接続され、流出側は合流器４の一端に接続される。
ここで、蒸発熱交換器３の伝熱管の性能を向上させようとすると、内部溝付管や扁平管、細管などの伝熱管を用いることになるが、同時に圧力損失が増大してしまうため、多分岐（枝状）の構成を取ることになる。そのため、本実施の形態１のようにヘッダー２などの比較的簡易な構造でなければ蒸発熱交換器３の枝状の伝熱管との接続が困難となる。
【００１５】
気液分離された冷媒蒸気５２が通過するバイパス経路６は、バイパス経路６上の冷媒の流量を調整する流量調整弁５および配管で構成され、一端はガス側流出配管１ｂに接続され、他端は蒸発熱交換器３とその下流側に設けられた圧縮機７との間の合流点αに接続される。そして、蒸発熱交換器３を通過した冷媒は蒸発し、気相状態となって合流点αで冷媒蒸気５２と合流する。
なお、流量調整弁５には電子膨張弁や電磁弁などを用いる。また、流量調整弁５に電磁弁を用いる場合は、バイパス経路６上に流動抵抗となるキャピラリチューブなどを設けて、冷媒蒸気５２の流量を調整しておく必要がある。
【００１６】
次に、分配システム１００の動作について図１および図２を用いて説明するが、蒸発熱交換器３を室外機内の熱交換器とした場合、空気調和装置は暖房運転となるため、暖房運転時の分配システム１００の動作を例に挙げて説明する。
気液分離装置１が機能しない（気液分離しない）場合は、バイパス経路６上の流量調整弁５が全閉となり、バイパス経路６に冷媒蒸気５２が流れなくなる。従って、冷媒は冷媒蒸気５２と冷媒液５３の気液二相の状態（図２のＥ’点）で流入配管１ａを通り、全ての冷媒が液側流出配管１ｃを通って、蒸発熱交換器３へ流入する。そして、蒸発熱交換器３を通過した冷媒は蒸発し、気相状態となって圧縮機７の吸入側へ流入する（図２のＡ’点）。その後、圧縮機７で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく（図２のＢ点）。
【００１７】
一方、気液分離装置１が機能する（気液分離する）場合は、バイパス経路６上の流量調整弁５が（全）開となる。そのため、冷媒は冷媒蒸気５２と冷媒液５３の気液二相の状態（図２のＤ点）で流入配管１ａに流入し、気液分離装置１内に入って気液分離される。気液分離された冷媒蒸気５２はガス側流出配管１ｂを通り、バイパス経路６へ流入し、流量調整弁５を通過後、蒸発熱交換器３の下流側の合流点αにバイパスされる（図２のＦ点）。
【００１８】
一方、気液分離された冷媒液５３（または気液二相冷媒５１）は、一部の冷媒蒸気５２がバイパスされたため、乾き度（またはボイド率）が低下する（図２のＥ点）。乾き度（またはボイド率）が低下した状態でヘッダー２へ流入し、蒸発熱交換器３へ流入する。そして、蒸発熱交換器３で蒸発して気相状態となった冷媒は、バイパスされていた冷媒蒸気５２と合流点αで合流後、圧縮機７の吸入側へ流入する（図２のＡ点）。その後、圧縮機７で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく（図２のＢ点）。
【００１９】
このとき、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低くすることで、蒸発熱交換器３へ流入するガス流量を低減することによる蒸発熱交換器３の低圧損効果が得られるため、ヘッダー２における冷媒の分配特性が向上し、蒸発熱交換器３でバランスよく熱交換が行われる。
【００２０】
このように、気液分離装置１を通過する冷媒において、定格条件（高流量条件）の場合、流量調整弁５を全開とし、気液分離装置１で多くの冷媒蒸気５２を気液分離してバイパス経路６へ流出することが可能となり、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低く調整することができるため、ヘッダー２の分配特性が向上する。それは、定格条件（高流量条件）の場合、冷媒流量がそもそも多いため、冷媒液５３のみでもヘッダー２内の流動様式も均質流となり、ヘッダー２の上部空間まで冷媒液５３が流れ込むことができるためである。そのため、熱交換に不要な冷媒蒸気５２は少なくする方がよい。
【００２１】
一方、中間条件（低流量条件）などの場合、定格条件に比べて流量が少なくなるため、ヘッダー２内の流動様式が分離流になるなど、冷媒液５３のみではヘッダー２の上部空間まで冷媒液５３が到達せず、ヘッダー２内のヘッド差の影響を大きく受ける。そこで、冷媒蒸気５２によるせん断力を用いて、冷媒液５３をヘッダー２の上部空間まで到達させることで、分配特性の向上ができる。そのため、中間条件などの低流量条件では気液分離装置１を使用しないように、バイパス経路６上の流量調整弁５を全閉とする。
【００２２】
以上のように、空気調和装置の冷媒回路を流れる（分配システム１００に流入してくる）冷媒の流量に応じて流量調整弁５を開閉してバイパス経路６に流れる冷媒蒸気５２の量を調整する。そうすることで、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低く調整することができる。その結果、ヘッダー２において冷媒の幅広い流量範囲で安定した分配特性を得ることができるため、蒸発熱交換器３入口での圧力損失を低減させることができる。また、ヘッダー２の構造は変更しないため、コストの増大を抑えることができる。
【００２３】
なお、本実施の形態１では、蒸発熱交換器３を暖房運転時の室外熱交換器としたが、冷房運転時の室外熱交換器にも適用できる。また、室外機が１台に対して室内機も１台となるようなシステム以外に、室外機が１台に対して室内機が複数台となるようなシステムにも同様に適用でき、室外機が複数台となる場合においても適用できる。そして、それらのことは以下に説明する実施の形態２〜３においても同様である。
また、本実施の形態１では、図示省略の膨張弁後の低圧側において、気液分離装置１を用いる構成をとったが、乾き度調整装置として、冷凍機や化学変化による冷却現象を利用した装置などのように、外部から冷却する装置を用いても構わない。
【００２４】
実施の形態２．
図３は、本実施の形態２に係る分配システム２００の冷媒回路図、図４は、本実施の形態２に係る分配システム２００のモリエル線図である。
以下、本実施の形態２について説明するが、本実施の形態１と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態２において、特許請求の範囲に記載の乾き度調整手段は、内部熱交換器９と、分岐路１１と、膨張弁８と、を備えたものである。
本実施の形態２に係る分配システム２００は、気液分離装置１に代わり、図示省略の凝縮熱交換器（室内機）により過冷却された冷媒液５４をさらに過冷却する内部熱交換器９が設けられている。また、冷媒蒸気５２が内部熱交換器９から蒸発熱交換器３の下流へバイパスするバイパス経路６と、内部熱交換器９から流出した冷媒液５４の一部を分岐点βでバイパス経路６側に分岐させる分岐路１１と、分岐路１１上に設けられ、開閉により冷媒蒸気５２の流量を調整する流量調整弁５と、内部熱交換器９から流出した冷媒液５４を膨張させる膨張弁８と、膨張して低温低圧となった冷媒液５３（または気液二相冷媒）が流入する蒸発熱交換器３と、蒸発熱交換器３の流入側に蒸発熱交換器３に対して垂直または傾斜して設けられたヘッダー２と、蒸発熱交換器３の流出側の合流器４と、を備えている。
【００２５】
内部熱交換器９は、２系統の流路から構成されており、高圧冷媒と低圧冷媒とを互いの流路に流すことで熱交換を行っている。高圧冷媒（冷媒液５４）の流入口９１は、図示省略の凝縮熱交換器の出口と接続されており、高圧冷媒（冷媒液５４）の流出口９２は、膨張弁８と接続されている。また、低圧冷媒（冷媒液５４の一部）の流入口９３は、膨張弁８の手前の分岐点βから分岐してきた分岐路１１上の流量調整弁５と接続されており、低圧冷媒（冷媒蒸気５２）の流出口９４は、バイパス経路６を通って蒸発熱交換器３の下流側の合流点αに接続されている。このような構成により、図示省略の凝縮熱交換器により過冷却された高圧の冷媒液５４と、その高圧の冷媒液５４の一部が分岐路１１を通り、流量調整弁５により膨張して低圧となった低圧の冷媒液５４とが熱交換し、高圧の冷媒液５４はさらに過冷却され、低圧の冷媒液５４は蒸発し、冷媒蒸気５２となる。
【００２６】
なお、流量調整弁５には電子膨張弁や電磁弁などを用い、内部熱交換器９の低圧冷媒の流出口９４での過熱度を確認し、所定の過熱度となるように制御することで流量を調整する。
また、図３では例として内部熱交換器９内の互いの冷媒が対向流となるように示したが、並行流となるように構成しても構わない。
【００２７】
次に、分配システム２００の動作について図３および図４を用いて説明するが、蒸発熱交換器３を室外機内の熱交換器とした場合、空気調和装置は暖房運転となるため、暖房運転時の分配システム２００の動作を例に挙げて説明する。
内部熱交換器９が機能しない（熱交換しない）場合は、分岐路１１上の流量調整弁５が全閉となり、分岐点βから分岐路１１側に冷媒液５４が流れなくなり、内部熱交換器９内での熱交換が行われない。従って、冷媒は過冷却された高圧冷媒（冷媒液５４）のまま（図４のＣ点）膨張弁８へ流入し、そこで膨張され、冷媒蒸気５２と冷媒液５３との気液二相状態の気液二相の状態（図４のＥ’点）で蒸発熱交換器３へ流入する。そして、蒸発熱交換器３を通過した冷媒は蒸発し、気相状態となって圧縮機７の吸入側へ流入する（図４のＡ’点）。その後、圧縮機７で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく（図４のＢ点）。
【００２８】
一方、内部熱交換器９が機能する（熱交換する）場合は、分岐路１１上の流量調整弁５が（全）開となる。そのため、冷媒は過冷却された高圧冷媒（冷媒液５４）（図４のＤ点）から、一部が分岐路１１へ流入し、流量調整弁５により低圧冷媒（冷媒液５４）（図４のＦ点）となり、内部熱交換器９内へ流入し、高圧冷媒（冷媒液５４）と熱交換する。熱交換した高圧冷媒（冷媒液５４）はさらに過冷却され（図４のＤ点）、低圧冷媒（冷媒液５４）は蒸発し（図４のＧ点）、冷媒蒸気５２となる。内部熱交換器９によりさらに過冷却された高圧冷媒（冷媒液５４）は膨張弁８で膨張され、乾き度（またはボイド率）が低い低圧の冷媒液５３となり（図４のＥ点）、そこからヘッダー２へ流入し、蒸発熱交換器３へと流入する。その後、蒸発熱交換器３で蒸発された冷媒は、バイパスされていた冷媒蒸気５２と合流点αで合流し、圧縮機７の吸入側へ流れる（図４のＡ点）。その後、圧縮機７で圧縮され、高温高圧の吐出冷媒として室内機側へ流出していく（図４のＢ点）。このとき、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低くすることで、二相冷媒の分配特性が向上し、蒸発熱交換器３ではバランスよく熱交換が行われる。
【００２９】
このように、内部熱交換器９を通過する冷媒において、定格条件（高流量条件）の場合、流量調整弁５を全開とし、内部熱交換器９で熱交換することで多くの冷媒蒸気５２をバイパス経路６へ流出することが可能となる。そのため、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低く調整することができ、ヘッダー２の分配特性が向上する。それは、定格条件（高流量条件）の場合、冷媒流量がそもそも多いため、冷媒液５３のみでもヘッダー２内の流動様式も均質流となり、ヘッダー２の上部空間まで冷媒液５３が流れ込むことができるためである。そのため、熱交換に不要な冷媒蒸気５２は少なくする方がよい。
【００３０】
一方、中間条件（低流量条件）などの場合、定格条件に比べて流量が少なくなるため、ヘッダー２内の流動様式が分離流になるなど、冷媒液５３のみではヘッダー２の上部空間まで冷媒液５３が到達せず、ヘッダー２内のヘッド差の影響を大きく受ける。そこで、冷媒蒸気５２によるせん断力を用いて、冷媒液５３をヘッダー２の上部空間まで到達させることで、分配特性の向上ができる。そのため、中間条件などの低流量条件では、分岐点βから分岐路１１側に冷媒液５４の一部が流れて内部熱交換器９で熱交換が行われないように、分岐路１１上の流量調整弁５を全閉とする。
【００３１】
以上のように、空気調和装置の冷媒回路を流れる（分配システム２００に流入してくる）冷媒の流量に応じて流量調整弁５を開閉してバイパス経路６に流れる冷媒蒸気５２の量を調整する。そうすることで、ヘッダー２の入口での乾き度（またはボイド率）を低く調整することができるため、ヘッダー２において、冷媒の幅広い流量範囲で安定した分配特性を得ることができるため、蒸発熱交換器３入口での圧力損失を低減させることができる。また、ヘッダー２の構造は変更しないため、コストの増大を抑えることができる。
【００３２】
また、本実施の形態２では、図示省略の膨張弁後の低圧側において、内部熱交換器９を用いる構成をとったが、乾き度調整装置として、冷凍機や化学変化による冷却現象を利用した装置などのように、外部から冷却する装置を用いても構わない。
【００３３】
実施の形態３．
図５は、本実施の形態３に係る分配システム３００の冷媒回路図である。
以下、本実施の形態３について説明するが、本実施の形態１および２と重複するものについては省略する。なお、本実施の形態３において、特許請求の範囲に記載の乾き度調整手段は気液分離装置１である。
本実施の形態３に係る分配システム３００は、余剰冷媒を貯留するアキュムレータ１０が設けられ、アキュムレータ１０は、合流点αと圧縮機７との間、または合流点αと同じ位置になるように設置されることを特徴とする。なお、その他については分配システム１００と同じ回路構成である。
【００３４】
上記のような構成とすることで、万が一、流量調整弁５の制御不良などでバイパス経路６中に冷媒液５３が流出しても、アキュムレータ１０に冷媒液５３を溜めることができるため、圧縮機７へ冷媒液５３を戻すことがなくなり、圧縮機７の故障を防ぐことができる。また、気液分離装置１からアキュムレータ１０までの経路中に設けられる蒸発熱交換器３、その他図示省略の四方弁、バルブなどの抵抗が、冷媒蒸気５２をバイパスする対象の経路となるため、冷凍サイクル全体の圧力損失を低減することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  気液分離装置、１ａ  流入配管、１ｂ  ガス側流出配管、１ｃ  液側流出配管、２  ヘッダー、３  蒸発熱交換器、４  合流器、５  流量調整弁、６  バイパス経路、７  圧縮機、８  膨張弁、９  内部熱交換器、１０  アキュムレータ、１１  分岐路、５１  気液二相冷媒、５２  冷媒蒸気、５３  冷媒液、５４  （過冷却された）冷媒液、１００  （複数台の気液分離装置を用いた）分配システム、２００  （内部熱交換器を用いた）分配システム、３００  （アキュムレータを搭載した）分配システム、α  合流点、β  分岐点。
【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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