(57)【要約】【課題】  冷媒回路の運転に影響を与えることなく、膨張機に流入する冷媒密度、及び流入量を制御することが可能な、冷媒回路を提供することをを目的とする。【解決手段】  前記冷媒間熱交換器８に配管２１及び配管２２を通過させるとともに、前記配管２１を流入側被覆管２３で、配管２２を流出側被覆管２４により覆い、流入側被覆管２３と流出側被覆管２４とを、ポンプ２７を備えた第一接続管２５と、第二接続管２６により接続し、これらに二次冷媒を循環させる。また、第一温度センサ３０と第二温度センサ３１との検出値により、前記ポンプ２７の送出量を調整して二次冷媒の循環量を変える。【選択図】図３
2008180447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、放熱器と、冷媒間熱交換手段と、膨張機と、吸熱器とを備え、前記冷媒間熱交換手段で、前記膨張機の上流側の冷媒と、下流側の冷媒とを熱交換させる冷媒回路において、
前記冷媒回路の循環量によらず、前記膨張機の上流側と下流側との熱交換量を変えられる冷媒間熱交換手段を有することを特徴とする冷媒回路。
【請求項２】
前記冷媒間熱交換手段内に二次冷媒を循環させ、同二次冷媒により、前記膨張機の上流側の冷媒と下流側の冷媒とを熱交換させ、且つ、前記二次冷媒の循環量を調整できることを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
【請求項３】
前記冷媒間熱交換手段として、下流側の冷媒が流れる配管にバイパス路を形成し、同バイパス路を流れる冷媒と、上流側の冷媒とを熱交換させ、且つ、前記バイパス路の流量を調整できることを特徴とする請求項１に記載の冷媒回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機を備えた冷媒回路に係わり、より詳細には、膨張機に流入する冷媒量と圧縮機に流入する冷媒量をバランスさせる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷媒回路５０は、例えば図６で示すように、膨張機一体型圧縮機５１に含まれる圧縮機５１ａと、第一四方弁５２と、室外熱交換器５３と、内部熱交換器５６と、第二四方弁５４と、前記膨張機一体型圧縮機５１に含まれる膨張機５１ｂと室内熱交換器５５とを接続して構成されている。前記膨張機一体型圧縮機５１内は、前記圧縮機５１ａと前記膨張機５１ｂとが駆動軸で機械的に連結されており、同圧縮機５１ａは、前記膨張機５１ｂでの冷媒の膨張により得られた動力と、モータ動力とによって回転駆動されるようになっている。前記内部熱交換器５６は、二重管熱交換器により構成されており、冷房運転時、前記室外熱交換器５３を通過した冷媒が、前記室内熱交換器５５を通過した冷媒と熱交換して冷却されるように構成されている。
【０００３】
前記冷媒回路５０には、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっており、前記圧縮機５１ａからは、超臨界状態の高圧の冷媒が吐出されるようになっている。吐出された高圧の冷媒は、前記第一四方弁５２を経て前記室外熱交換器５３に流入し、放熱して温度が低下し、更に前記内部熱交換器５６に流入して、前記室内熱交換器５５を通過後の冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。冷却された冷媒は、前記第二四方弁５４を通り、前記膨張機５１ｂに流入する。同膨張機５１ｂに流入した高圧の冷媒は膨張して、そのエネルギが前記圧縮機５１ａの回転動力に変換されるようになっており、膨張した冷媒は、圧力が低下し、超臨界状態から気液二層状態に変化するようになっている。
【０００４】
前記膨張機５１ｂから流出した低圧の冷媒は、前記第一四方弁５２を介して前記室内熱交換器５５に流入し、同室内熱交換器５５で吸熱して蒸発する。蒸発した冷媒は、前記内部熱交換器５６を通過し、前記室外熱交換器５３を通過後の冷媒と熱交換して加熱され、前記第二四方弁５４を介して圧縮機５１ａに還流するようになっている。
【０００５】
前記内部熱交換器５６において、冷房運転時には、放熱器となる室外熱交換器５３を通過後の冷媒が、蒸発器となる室内熱交換器５５を通過後の冷媒と熱交換して冷却されることにより、比容積が小さくなり前記膨張機５１ｂへの流入量を増加させることができるようになっている。前記膨張機５１ｂへ流入する冷媒の密度を変化させ質量流量を調整することにより、前記圧縮機５１ａを通る冷媒流量と、前記膨張機５１ｂを通る冷媒流量をバランスさせることが可能となっている。
【０００６】
しかしながら、室外熱交換器５３を通過後の冷媒と室内熱交換器５５を通過後の冷媒とを直接、前記内部熱交換器５６により熱交換すると、同内部熱交換器５６での熱交換量は、室外熱交換器５３を通過後の冷媒流速及び冷媒流量と、室内熱交換器５５を通過後の冷媒流速及び冷媒流量とで定められてしまい、熱交換量を変化させようとすると、これらを変動させる必要があった。このため、前記膨張機５１ｂへ流入する冷媒を冷却して密度を変化させ冷媒流量を調整するには、冷媒回路５０を循環する冷媒の循環量、及び冷媒温度を制御して冷媒回路全体の運転条件を変えなければならず、その構造及び制御が複雑化するというような問題があった。
【特許文献１】特開２００６−７１１７４号（７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、冷媒回路全体を循環する冷媒の循環量、及び冷媒温度を変えることなく、冷媒間での熱交換量を任意に調整できる熱交換手段を備え、同熱交換手段により膨張機に流入する冷媒流量を容易に制御することが可能な冷媒回路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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機と、放熱器と、冷媒間熱交換手段と、膨張機と、吸熱器とを備え、前記冷媒間熱交換手段で、前記膨張機の上流側の冷媒と、下流側の冷媒とを熱交換させる冷媒回路において、前記冷媒回路の循環量によらず、前記膨張機の上流側と下流側との熱交換量を変えられる構成となっている。
【０００９】
前記冷媒間熱交換手段内に二次冷媒を循環させ、同二次冷媒により、前記膨張機の上流側の冷媒と下流側の冷媒とを熱交換させる構成となっている。
【００１０】
前記冷媒間熱交換手段として、下流側の冷媒が流れる配管にバイパス路を形成し、同バイパス路を流れる冷媒と、上流側の冷媒とを熱交換させ、且つ、前記バイパス路の流量を調整できる構成となっている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、膨張機に流入する冷媒と、流出する冷媒との熱交換量が、冷媒間熱交換手段により調整可能であるため、冷媒回路全体を循環する冷媒の循環量、及び冷媒温度を変えることなく、膨張機に流入する冷媒流量を的確に制御することができ、ＣＯＰの向上にも寄与できるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明による冷媒回路を示す説明図であり、図２は同冷媒回路に備えられた膨張機一体型圧縮機を示す断面図である。図３は同冷媒回路に設けられた冷媒間熱交換器の第一実施例を示す概略図であり、図４は冷媒間熱交換器の効果を示すモリエル線図である。また、図５は冷媒間熱交換器の第二実施例を示す概略図である。
【００１４】
本発明による冷媒間熱交換器８を備えた冷媒回路１は、図１で示すように、圧縮機３と、第一四方弁５と、送風ファン６ａを備えた第一熱交換器６と、第二四方弁７と、冷媒間熱交換器８と、膨張機４と、送風ファン９ａを備えた第二熱交換器９とを接続して構成されている。説明の都合上、前記圧縮機３と前記膨張機４とは分離して図示されているが、後述する図２で示すように、膨張機一体型圧縮機２として一体に構成されている。また、同冷媒回路１には、自然冷媒としての二酸化炭素冷媒が循環するようになっている。尚、冷房運転時、前記第一熱交換器６は放熱器として、前記第二熱交換器９は吸熱器として作用し、暖房運転時は、前記第一熱交換器６は吸熱器として、前記第二熱交換器９は放熱器として作用するようになっている。
【００１５】
冷房運転時、前記圧縮機３で超臨界状態に圧縮された二酸化炭素冷媒は、実線の矢印で示すように、前記第一四方弁５を介して前記第一熱交換器６に流入し、同第一熱交換器６で放熱して温度が低下するようになっている。温度が低下した冷媒は、配管２１を介して前記冷媒間熱交換器８を通過し、同冷媒間熱交換器８で、配管２２を流れる冷媒と熱交換して冷却され、密度が増加することにより質量流量も増加させて前記膨張機４に流入するようになっている。同膨張機４に流入した高圧の冷媒は膨張して、膨張するエネルギにより後述する主軸１２の回動を付勢し、これにより冷媒は圧力が低下するとともに、温度が低下した低温低圧冷媒となって、超臨界状態から気液二層状態に変化するようになっている。
【００１６】
低温低圧となった気液二層状態の冷媒は、前記膨張機４から流出し、配管２２により前記冷媒間熱交換器８を通過して、前記配管２１を通る冷媒と熱交換するようになっている。熱交換して加熱された冷媒は密度が低下した後、前記第二四方弁７を介して前記第二熱交換器９に流入するようになっている。同第二熱交換器９に流入した冷媒は熱を吸収して蒸発し、前記第一四方弁５を介して前記圧縮機３に還流するようになっている。
【００１７】
次に、暖房運転について説明する。暖房運転時、前記圧縮機３で超臨界状態に圧縮された二酸化炭素冷媒は、破線の矢印で示すように、前記第一四方弁５を介して前記第二熱交換器９に流入し、同第二熱交換器９で放熱して温度が低下するようになっている。温度が低下した冷媒は、前記第二四方弁７から配管２１を介して前記冷媒間熱交換器８を通過し、同冷媒間熱交換器８で冷却されて前記膨張機４に流入するようになっている。同膨張機４に流入した高圧の冷媒は膨張して、膨張するエネルギにより後述する主軸１２の回動を付勢し、これにより冷媒は圧力が低下するとともに、温度が低下した低温低圧冷媒となって、超臨界状態から気液二層状態に変化するようになっている。
【００１８】
低温低圧となった気液二層状態の冷媒は、前記膨張機４から流出し、配管２２により前記冷媒間熱交換器８を通過して、前記配管２１を通る冷媒と熱交換した後、前記第二四方弁７を介して前記第一熱交換器６に流入するようになっている。同第一熱交換器６に流入した冷媒は熱を吸収して蒸発し、前記第一四方弁５を介して前記圧縮機３に還流するようになっている。
【００１９】
前記圧縮機３と前記膨張機４とが一体となった膨張機一体型圧縮機２は、図２で示すように、密閉容器１１の上部に膨張機４を、中央部に電動機部１０を、下部に圧縮機３を収納している。前記電動機部１０は、ステータと、ロータと、主軸１２よりなり、同主軸１２は前記圧縮機３と前記膨張機４とに連結されている。前記圧縮機３は、例えば、渦巻状のラップを備えた固定スクロール１７と、前記ラップに噛合するラップを備えた旋回スクロール１８とからなり、同旋回スクロール１８はクランク軸を介して前記主軸１２に連結されるようになっている。また、前記密閉容器１１の下部には、前記圧縮機３に冷媒を導入する吸入ポート１９と、冷媒を吐出する吐出ポート２０とが接続されている。前記吸入ポート１９から導入された低圧の冷媒は、前記電動機部１０の主軸１２により前記旋回スクロール１８が公転運動するのに伴い圧縮され、圧縮されて高圧となった冷媒は前記吐出ポート２０から導出されるようになっている。
【００２０】
前記膨張機４は、例えば、膨張室を内部に形成したシリンダ１３と、前記膨張室内で公転運動する偏心ロータ１４とからなり、前記密閉容器の上部には、前記膨張室に冷媒を導入する流入ポート１５と、冷媒を導出する流出ポート１６とが接続されている。流入ポート１５により導入された高圧の冷媒は、膨張するエネルギにより前記偏心ロータ１４を公転運動させ、これに連結された前記主軸１２の回転力を付勢するようになっている。また、膨張し低圧となった冷媒は前記流出ポート１６から流出されるようになっている。
【００２１】
上記したように、膨張機一体型圧縮機２は、前記膨張機４の回転駆動力が、前記電動機部１０に備えられた主軸１２の回転力を付勢するようになっており、前記圧縮機３を駆動する前記電動機部１０の駆動エネルギーを低減することができ、これによりＣＯＰの向上が図れるようになっている。
【００２２】
前記冷媒間熱交換器８は、図３の概略図で示すように、前記第二四方弁７と前記膨張機４とを接続する配管２１及び配管２２を有し、前記配管２１は、円筒形状の流入側被覆管２３により覆われ、前記配管２２も同様に、円筒形状の流出側被覆管２４により覆われるようになっている。これら流入側被覆管２３と流出側被覆管２４とは、ポンプ２７を備えた第一接続管２５と、第二接続管２６により前後を接続され、内部には、前記流入側被覆管２３と流出側被覆管２４との間で熱が移動するような二次冷媒が充填されている。
【００２３】
前記冷媒間熱交換器８の流入側被覆管２３及び流出側被覆管２４に充填された熱伝導率の高い二次冷媒は、前記ポンプ２７が始動すると、矢印で示す方向に循環するようになっている。二次冷媒は、流出側被覆管２４内で、前記膨張機４から流出し前記第二四方弁７に向かう前記配管２２内を流れる低温の冷媒と対向流となりながら熱交換を行なうことにより熱を放出して低温となり、続いて、前記第一接続管２５を通り前記流入側被覆管２３に流入することにより前記膨張機４に向かう高温の冷媒と熱交換を行って、これを冷却するようになっている。前記膨張機４に向かう冷媒は冷却されることにより、冷媒密度が高くなり、これに伴って流量が増加するようになっている。
【００２４】
前記配管２１には、前記冷媒間熱交換器８から流出し、前記膨張機４に向かう冷媒の温度を検出する第一温度センサ３０が設けられ、前記配管２２には、前記膨張機４から流出し、前記冷媒間熱交換器８に流入する冷媒の温度を検出する第二温度センサ３１が設けられており、前記第一温度センサ３０は信号線３０ａにより、前記第二センサ３１は信号線３１ａにより夫々制御部２８に接続されている。また、前記ポンプ２７は信号線２７ａにより、前記制御部２８に接続されており、前記信号線２７ａを介して前記制御部２８から送出された制御信号により運転速度を制御されるようになっている。
【００２５】
前記制御部２８は、前記第一温度センサ３０及び前記第二温度センサ３１から前記信号線３０ａ及び前記信号線３１ａを介して送出されてきた冷媒の温度検出値を基にして前記第一接続管２５に備えられたポンプ２７の二次冷媒送出量を調節するようになっており、これにより、二次冷媒の循環量が変動すると、前記冷媒間熱交換器８内での熱交換量がこれに伴って変動し、前記配管２１と前記配管２２を流れる冷媒の熱交換量が調整されるようになっている。
【００２６】
膨張機４に流入する冷媒が、前記冷媒間熱交換器８において二次冷媒により冷却されることにより、上記したように冷媒は密度が高くなり、これにより流量が増加するようになっている。よって、冷媒回路１全体の冷媒流量を調節することなく、前記冷媒間熱交換器８内に充填された二次冷媒の循環量を制御することにより、前記膨張機４に流入する冷媒流量を容易にコントロールすることができるようになっている。図４は、前記膨張機４に流入する冷媒量を増加させた際の効果を示すサイクル線図である。点線で示す部分が冷媒密度増加によるエンタルピ増加量であり、これにより前記膨張機４でのエネルギ回収量が増加し、ＣＯＰの向上にも寄与するようになっている。
【実施例２】
【００２７】
次に、第二実施例について説明する。第二実施例は図５で示すように、冷媒間熱交換器８は、前記配管２１を覆う流量側被覆管２９により構成されている。同流量側被覆管２９は前記配管２２から分岐した第一接続管３２及び第二接続管３３により前記配管２２に接続されており、所謂バイパス路を形成している。また、前記配管２２の第一接続管３２及び第二接続管３３の間には流量調節弁３４が設けられている。
【００２８】
前記配管２１には、前記膨張機４に向かう冷媒の温度を検出する第一温度センサ３０が設けられ、前記配管２２には、前記膨張機４から流出した冷媒の温度を検出する第二温度センサ３１が設けられており、前記第一温度センサ３０は信号線３０ａにより、前記第二センサ３１は信号線３１ａにより夫々制御部２８に接続されている。また、前記流量調整弁３４は信号線３４ａにより前記制御部２８に制御されるようになっている。
【００２９】
前記膨張機４から流出し、前記配管２２を流れる低温の冷媒は、前記第一接続管３２を介して前記流量側被覆管２９に流入し、前記配管２１を流れる冷媒と熱交換して、これを冷却した後、前記第二接続管３３を介して前記配管２２に還流するようになっている。これにより、膨張機４に向かう冷媒を冷却して、冷媒密度を高くし、その流量を増加させることができるようになっている。
【００３０】
また、前記制御部２８は、前記第一温度センサ３０及び前記第二温度センサ３１から送出されてきた冷媒の温度検出値を基にして前記流量調整弁３４の弁開度を調節し、前記流量側被覆管２９流れる流量を調整することにより、冷媒間の熱交換量をコントロールするようになっている。第一実施例でも説明したように、膨張機４に流入する冷媒が、前記冷媒間熱交換器３２において冷却され流量がコントロールされることにより、前記膨張機４のエネルギ回収効率を低下させることなく、冷媒回路１のＣＯＰを高めることができるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】冷媒回路を示す説明図である。
【図２】同冷媒回路に備えられた膨張機一体型圧縮機を示す概略図である。
【図３】同冷媒回路に設けられた冷媒間熱交換器の第一実施例を示す概略図である。
【図４】冷媒間熱交換器の効果を説明するモリエル線図である。
【図５】第二実施例を示す概略図である。
【図６】従来の冷媒回路を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  冷媒回路
２  膨張機一体型圧縮機
３  圧縮機
４  膨張機
５  第一四方弁
６  第一熱交換器
６ａ  送風ファン
７  第二四方弁
８  冷媒間熱交換器
９  第二熱交換器
９ａ  送風ファン
１０  電動機部
１１  密閉容器
１２  主軸
１３  シリンダ
１４  偏心ロータ
１５  流入ポート
１６  流出ポート
１７  固定スクロール
１８  旋回スクロール
１９  吸入ポート
２０  吐出ポート
２１  配管
２２  配管
２３  流入側被覆管
２４  流出側被覆管
２５  第一接続管
２６  第二接続管
２７  ポンプ
２７ａ  信号線
２８  制御部
２９  流入側被覆管
３０  第一温度センサ
３０ａ  信号線
３１  第二温度センサ
３１ａ  信号線
３２  第一接続管
３３  第二接続管
３４  流量調整弁
３４ａ  信号線
【図１】
2008180447.tif 000003
【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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