(57)【要約】【課題】ボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置において、放熱器入口部分での冷媒温度が低下するのを防止し、冷凍サイクル装置の効率の向上や機器の小型化を達成することを目的とする。【解決手段】少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、ボルテックスチューブの入口部を放熱器の第一冷媒流路の出口部に接続し、ボルテックスチューブの高温出口部を放熱器の第一冷媒流路において入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において前記放熱器の入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記ボルテックスチューブをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に減圧器を備え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。
【請求項３】
前記ボルテックスチューブの低温出口部を減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続し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。
【請求項４】
少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、気液分離器、減圧器および蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記気液分離器の入口部に接続し、前記気液分離器のガス出口部を前記圧縮機の吸入部あるいは中間圧力部に接続し、前記気液分離器の液出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記ボルテックスチューブと前記気液分離器は一体構造となっていることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記冷媒流路の冷媒と前記放熱器において冷媒を冷却する流体との温度差が最も小さくなる箇所の近傍に前記第二入口部が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項７】
少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、減圧器および蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の第一冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の第二冷媒流路の入口部に接続し、前記第二冷媒流路の出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記第一冷媒流路の冷媒と前記放熱器において前記冷媒を冷却する流体との温度差が最も小さくなる箇所の近傍に前記第二流体流路の入口部が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項９】
前記冷媒回路の高圧側の圧力は冷媒の臨界圧力以上で運転されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１０】
前記冷媒回路に封入される冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１１】
前記放熱器で流体を約６０℃以上の高温に加熱することを特徴とする請求項１から１０のいずれか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、ボルテックスチューブを用いた冷凍サイクル装置、特に給湯器として用いられる冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に良く知られている冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、減圧器および蒸発器を順次接続して冷媒回路を構成している。この場合、放熱器において放熱される熱量は、蒸発器において吸熱された熱量と圧縮機の入力量によって定まる。したがって、このような冷凍サイクル装置を高効率化する場合、圧縮機、放熱器、蒸発器や送風機等の個々の機器の性能を向上させるしかなく、性能向上に限界があった。
【０００３】
そこで、ボルテックスチューブを用いて冷凍装置における性能向上の可能性が検討されている。例えば、放熱器出口の冷媒をボルテックスチューブの冷媒供給口へ導入して高速渦流を生成し、高温冷媒と低温冷媒にエネルギー分離して対向する２つの出口から導出し、高温冷媒を放熱器に再度供給し、低温冷媒を減圧器に供給することで、減圧過程を等エントロピー膨張に近づけることにより蒸発能力の向上を図る冷凍サイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、冷凍サイクル装置内に封入される冷媒としては、フッ素原子を含有する炭化水素類（フロン類）が用いられてきた。しかし、フロン類は、オゾン層を破壊する性質を有していたり、大気中での寿命が長いために温室効果が大きいので地球温暖化に影響を与えたりと、必ずしも満足な冷媒とはいえない。そこでフロン類の代わりに、オゾン破壊係数がゼロでありかつ地球温暖化係数もフロン類に比べれば格段に小さい、二酸化炭素やエタンなどを冷媒として用いる冷凍サイクル装置の可能性が検討され、二酸化炭素を冷媒として使用した冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、二酸化炭素は、臨界温度が３１.０６℃と低く、通常の冷凍サイクル装置の高圧側（圧縮機出口〜放熱器〜減圧器入口）では凝縮が生じず、臨界圧力以上で運転される超臨界サイクルとなるため、この特性を利用し、放熱器で流体（例えば、水）を約６０℃以上の高温に加熱する冷凍サイクル装置（例えば、給湯装置）も提案されている。
【特許文献１】特開平８−３０３８７９号公報（第５頁、第１図）
【特許文献２】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記特許文献１に示された従来技術の場合、ボルテックスチューブで分離した高温冷媒を放熱器に再度供給するようにしている。このため、この高温冷媒の温度が圧縮機から吐出される冷媒の温度より低い場合には、放熱器入口部での冷媒の温度が低下し、その結果、放熱器において、熱交換する流体と冷媒との温度差が縮小し、逆に放熱量が減少し、冷凍サイクル装置の効率が低下したり、機器が大型化するといった課題が生じていた。
【０００７】
特に、放熱器で流体（例えば、水）を約６０℃以上の高温に加熱する、二酸化炭素を冷媒として使用した冷凍サイクル装置（例えば、給湯装置）においては、圧縮機の吐出温度が高くなる可能性が高くなるために、放熱器へ供給される冷媒の温度低下による放熱量の減少は、利用する流体（例えば、水）の温度低下につながり、冷凍サイクル装置の効率が低下したり、機器が大型化するといった課題が生じていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決した冷凍サイクル装置を構成し、冷凍サイクル装置の効率の向上や機器の小型化を達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において前記放熱器の入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１０】
請求項２記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記ボルテックスチューブをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に減圧器を備えたことを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１１】
請求項３記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記ボルテックスチューブの低温出口部を減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続したことを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１２】
請求項４記載の本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、気液分離器、減圧器および蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記気液分離器の入口部に接続し、前記気液分離器のガス出口部を前記圧縮機の吸入部あるいは中間圧力部に接続し、前記気液分離器の液出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１３】
請求項５記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記ボルテックスチューブと前記気液分離器は一体構造となっていることを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１４】
請求項６記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記冷媒流路の冷媒と前記放熱器において冷媒を冷却する流体との温度差が最も小さくなる箇所の近傍に前記第二入口部が設けられていることを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１５】
請求項７記載の本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、減圧器および蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の第一冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の第二冷媒流路の入口部に接続し、前記第二冷媒流路の出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置である。
【００１６】
請求項８記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記第一冷媒流路の冷媒と前記放熱器において前記冷媒を冷却する流体との温度差が最も小さくなる箇所の近傍に前記第二流体流路の入口部が設けられていることを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１７】
請求項９記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記冷媒回路の高圧側の圧力は冷媒の臨界圧力以上で運転されることを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１８】
請求項１０記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記冷媒回路に封入される冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【００１９】
請求項１１記載の本発明の冷凍サイクル装置は、前記放熱器で流体を約６０℃以上の高温に加熱することを特徴とする前記本発明の冷凍サイクル装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において前記放熱器の入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続することにより、圧縮機へ吸入される冷媒量は凝縮器へ再供給された分だけ減少することとなり、圧縮機の入力量が低減される。さらに、ボルテックスチューブでの等エントロピ膨張に近い膨張により、蒸発能力が増大することとなり、蒸発圧力（すなわち、圧縮機の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機の入力量が低減される。さらに、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒が、放熱器の中間部に再供給されるため、冷媒と流体の温度差が小さい区間の冷媒温度を上昇させることができる。したがって、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、前記ボルテックスチューブをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に減圧器を備え、減圧器の開度調整を行うことにより、ボルテックスチューブへ供給される冷媒流量（あるいは、圧縮機に吸入されるの冷媒量）を調整できることとなり、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００２２】
さらに、本発明によれば、前記ボルテックスチューブの低温出口部を減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことにより、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の冷媒温度を上昇させることができ、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【００２３】
さらに、本発明によれば、前記ボルテックスチューブの低温出口部を減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことにより、蒸発能力の増大量は小さくなるものの、減圧器の開度調整を行うことにより、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００２４】
さらに、本発明によれば、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、気液分離器、減圧器および蒸発器を接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記気液分離器の入口部に接続し、前記気液分離器のガス出口部を前記圧縮機の吸入部あるいは中間圧力部に接続し、前記気液分離器の液出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことにより、気液分離器で分離されたガス冷媒は蒸発器をバイパスして圧縮機に供給されるために、蒸発器を流れる冷媒量が減少し、蒸発器での圧力損失を低減でき、蒸発圧力（すなわち、圧縮機の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機の入力量が低減される。さらに、減圧器の開度調整を行うことにより冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００２５】
さらに、本発明によれば、前記ボルテックスチューブと前記気液分離器は一体構造となっていることにより、機器の小型化が可能となる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、減圧器および蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の第一冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の第二冷媒流路の入口部に接続し、前記第二冷媒流路の出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したことにより、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒が、放熱器の中間部に再供給されるため、冷媒と流体の温度差が小さい区間の冷媒温度を上昇させることができる。さらに、減圧器の開度調整を行うことにより、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００２７】
さらに、本発明によれば、前記第一冷媒流路の冷媒と前記放熱器において前記冷媒を冷却する流体との温度差が最も小さくなる箇所の近傍に前記第二入口部が設けられていることにより、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の流体温度を上昇させることができ、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【００２８】
さらに、本発明によれば、前記冷媒回路の高圧側の圧力は冷媒の臨界圧力以上で運転することにより、超臨界以下の圧力で運転される場合に比較して、放熱器において潜熱変化を行わないため、放熱器における冷媒の温度変化が緩やかになるので、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給するのが、放熱器を効率よく利用する上で望ましく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００２９】
さらに、本発明によれば、前記冷媒回路に封入される冷媒は二酸化炭素であるために、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒より吐出温度が高くなる可能性が高いために、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給することによる効果が大きく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、前記放熱器で流体を約６０℃以上の高温に加熱することにより、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒より吐出温度が高くなる可能性が高いために、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給するのが望ましく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明による第１の実施の形態は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブおよび蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において前記放熱器の入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したものである。本実施の形態によれば、圧縮機へ吸入される冷媒量は凝縮器へ再供給された分だけ減少することとなり、圧縮機の入力量が低減される。さらに、ボルテックスチューブでの等エントロピ膨張に近い膨張により、蒸発能力が増大することとなり、蒸発圧力（すなわち、圧縮機の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機の入力量が低減される。さらに、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒が、放熱器の中間部に再供給されるため、冷媒と流体の温度差が小さい区間の冷媒温度を上昇させることができる。したがって、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【００３２】
本発明による第２の実施の形態は、さらに前記ボルテックスチューブをバイパスするバ
イパス流路と、前記バイパス流路に減圧器を備えたものである。本実施の形態によれば、さらに、減圧器の開度調整を行うことにより、ボルテックスチューブへ供給される冷媒流量（あるいは、圧縮機に吸入されるの冷媒量）を調整できることとなり、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００３３】
本発明による第３の実施の形態は、さらに前記ボルテックスチューブの低温出口部を減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続したものである。本実施の形態によれば、さらに、蒸発能力の増大量は小さくなるものの、減圧器の開度調整を行うことにより、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００３４】
本発明による第４の実施の形態は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、気液分離器、減圧器および蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の冷媒流路において入口部より下流側に位置する第二入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記気液分離器の入口部に接続し、前記気液分離器のガス出口部を前記圧縮機の吸入部あるいは中間圧力部に接続し、前記気液分離器の液出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したものである。本実施の形態によれば、さらに、気液分離器で分離されたガス冷媒は蒸発器をバイパスして圧縮機に供給されるために、蒸発器を流れる冷媒量が減少し、蒸発器での圧力損失を低減でき、蒸発圧力（すなわち、圧縮機の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機の入力量が低減される。さらに、減圧器の開度調整を行うことにより冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００３５】
本発明による第５の実施の形態は、前記ボルテックスチューブと前記気液分離器は一体構造となっているものである。本実施の形態によれば、さらに、機器の小型化が可能となる。
【００３６】
本発明による第６の実施の形態は、少なくとも、圧縮機、放熱器、ボルテックスチューブ、減圧器および蒸発器を環状に接続して冷媒回路を構成するとともに、前記ボルテックスチューブの入口部を前記放熱器の第一冷媒流路の出口部に接続し、前記ボルテックスチューブの高温出口部を前記放熱器の第二冷媒流路の入口部に接続し、前記第二冷媒流路の出口部を前記減圧器を介して前記蒸発器の冷媒入口部に接続し、前記ボルテックスチューブの低温出口部を前記蒸発器の冷媒入口部にそれぞれ接続したものである。本実施の形態によれば、ボルテックスチューブから導出される高温冷媒が、放熱器の中間部に再供給されるため、冷媒と流体の温度差が小さい区間の流体温度を上昇させることができる。さらに、減圧器の開度調整を行うことにより、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。したがって、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【実施例】
【００３７】
まず、本発明の冷凍サイクル装置について説明する。
【００３８】
図１は、本発明の冷凍サイクル装置の一実施例である給湯装置を示す概略構成図である。
【００３９】
図１に示すように、本実施例による冷凍サイクル装置は、圧縮機１、給湯用熱交換器としての放熱器２の第一冷媒流路２Ａ、ボルテックスチューブ３、および外気を熱源とする蒸発器４などからなる冷媒回路Ａと、給水ポンプ６、放熱器２の流体流路２Ｂ、および給湯タンク７などからなる流体回路Ｂとから構成されている。第一冷媒流路２Ａにおいて、ボルテックスチューブ３の入口部３ａは放熱器２の第一冷媒流路２Ａの出口部２ｂに接続
されており、ボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂは放熱器２の第一冷媒流路２Ａの入口部２ａより下流側に位置する第二入口部２ｃに接続されており、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃは蒸発器４の冷媒入口部にそれぞれ接続されている。また、ボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂと第一冷媒流路２Ａの第二入口部２ｃとを接続する配管には逆止弁５が設けられている。
【００４０】
なお、ボルテックスチューブ３は、低温出口部３ｃから導出される低温冷媒量が高温出口部３ｂから導出される高温冷媒より相当多くなるように設計されている。
【００４１】
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。冷媒回路Ａでは、冷媒である二酸化炭素を、圧縮機１で臨界圧力を越える圧力まで圧縮する。その圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器２の第一冷媒流路２Ａの入口部２ａから出口部２ｂへと流れる際に、流体流路２Ｂを流れる流体（例えば、水）に放熱し冷却される。その後、冷媒はボルテックスチューブ３の入口部３ａに供給される。ボルテックスチューブ３に供給された高圧冷媒は、ボルテックスチューブ３内においてエネルギー分離により高温冷媒と低温冷媒とに分離される。その高温冷媒はボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂより放熱器２の第一冷媒流路２Ａの第二入口部２ｃに再供給される。一方、低温低圧の気液二相状態の低温冷媒は低温出口部３ｃから蒸発器４に供給される。つまり、ボルテックスチューブ３が減圧器としての作用も行う。蒸発器４では、冷媒は空気などによって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。
【００４２】
流体回路Ｂでは、給湯タンク７の底部から給水ポンプ６により放熱器２の流体流路２Ｂへ送り込まれた流体（例えば、水）は、第一冷媒流路２Ａを流れる冷媒により加熱され、高温の流体（例えば、お湯）となり、その高温流体を給湯タンク３６の頂部から貯める。このようなサイクルを繰り返すことにより、本実施例の冷凍サイクル装置は、給湯器として利用できる。
【００４３】
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。まず、圧縮機１へ吸入される冷媒量は凝縮器２へ再供給された分だけ減少することとなり、圧縮機１の入力量が低減される。次に、ボルテックスチューブ３においては等エントロピ膨張に近い膨張が得られる。すなわち、図２に示すように、従来の減圧器を用いた冷凍サイクル装置においては、破線で示されるａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａで示すサイクルとなり、ｃ→ｄにおいては等エンタルピ膨張となるのに対し、ボルテックスチューブ３を用いた本実施例においては、実線で示されるａ→ｂ→ｃ→ｅ→ａで示すサイクルとなり、ｃ→ｅにおいては略等エントロピ膨張が得られる。従って、蒸発器４において、ｅ−ｄ間の分のエンタルピが増加するため、蒸発能力が増大することとなり、蒸発圧力（すなわち、圧縮機１の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機１の入力量が低減される。さらに、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒は放熱器２の冷媒流路２Ａの中間部である第二入口部２ｃに再供給されるため、放熱器２における放熱量が増大できる。すなわち、図３に示すように、放熱器２における冷媒と流体の温度変化は、従来の冷凍サイクル装置においては、破線で示されるような温度変化となるのに対し、冷媒流路２Ａの中間部に高温冷媒が再供給される本実施例においては、実線で示されるような温度変化となる。つまり、従来、冷媒と流体の温度差が最も小さい図３中の区間Ｘ近傍に、高温冷媒を再供給するため、この区間での冷媒温度を上昇させることができる。したがって、従来と同じ冷媒と流体の温度差であっても、より高い温度の流体を取り出すことが可能となる。これらの効果により、本実施例においては冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となり、さらには、機器の小型化も可能となる。
【００４４】
次に、別の実施例による冷凍サイクル装置について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す概略構成図である。図４において、図１と同
様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。
【００４５】
図４の冷凍サイクル装置では、放熱器２の出口部２ｂとボルテックスチューブ３の入口部３ａとの間と、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃと蒸発器４の冷媒入口部との間を配管１１で接続（すなわち、ボルテックスチューブ３をバイパスする流路を形成）し、減圧器１２が設けられている。
【００４６】
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、先の実施例の効果に加えて、次のような効果が得られる。減圧器１２の開度調整を行うことにより、ボルテックスチューブ３へ供給される冷媒流量（あるいは、圧縮機１に吸入されるの冷媒量）を調整できることとなり、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００４７】
したがって、本実施例においては冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００４８】
さらに、別の実施例による冷凍サイクル装置について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す概略構成図である。図５において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。
【００４９】
図５の冷凍サイクル装置では、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃと蒸発器４の冷媒入口部との間に、減圧器２１が設置されている。
【００５０】
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、先の実施例の効果に加えて、次のような効果が得られる。図６に示すように、ボルテックスチューブ３での等エントロピ膨張に近い膨張は、ｃ→ｆ間のみとなり、ｆ→ｇ間は減圧器２１での等エンタルピ膨張となるため、蒸発器４においては、ｇ−ｄ間の分のエンタルピしか増加せず、蒸発能力の増大量は小さくなるものの、減圧器２１の開度調整を行うことにより、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００５１】
したがって、本実施例においては冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００５２】
さらに、別の実施例による冷凍サイクル装置について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す概略構成図である。図７において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。
【００５３】
図７の冷凍サイクル装置では、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃは気液分離器３１の入口部３１ａに接続されており、気液分離器３１のガス出口部３１ｂは配管３２によって圧縮機１の吸入部に接続されており、気液分離器３１の液出口部３１ｃは減圧器３３を介して蒸発器４の冷媒入口部にそれぞれ接続されている。
【００５４】
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。ボルテックスチューブ３により分離された高温冷媒は、ボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂより放熱器２の第一冷媒流路２Ａの第二入口部２ｃに再供給される。一方、ボルテックスチューブ３により分離された気液二相状態の低温冷媒は、中間圧力まで減圧され、低温出口部３ｃから気液分離器３１の入口部３１ａに供給される。気液分離器３１では、冷媒の液とガスの密度差を利用して、液冷媒とガス冷媒に分離される。ガス冷媒はガス出口部３１ｂより配管３２を通じて蒸発器４をバイパスし、圧縮機１の吸入部に供給される。一方、液冷媒は液出口３１ｃから減圧器３３に供給され、減圧器３３でさらに減圧されたのち、蒸発器４に供給される。蒸発器４では、冷媒は空気などによって加熱され、気液二相また
はガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。
【００５５】
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、先の実施例の効果に加えて、次のような効果が得られる。まず、図８に示すように、ボルテックスチューブ３での等エントロピ膨張に近い膨張は、ｃ→ｆ間のみとなる。しかし、気液分離器３１で分離した液冷媒を減圧器３３に供給するために、減圧器３３に供給される冷媒はｈ点の状態となり、減圧器３３ではｈ→ｉ間で示される等エンタルピ膨張となるため、蒸発器４においては、従来の減圧器を用いた冷凍サイクル装置に対してｉ→ｄ間のエンタルピが増加するため、蒸発能力が増大することとなり、蒸発圧力（すなわち、圧縮機１の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機１の入力量が低減される。つぎに、気液分離器３１で分離されたガス冷媒は蒸発器４をバイパスして圧縮機１に供給されるために、蒸発器４を流れる冷媒量が減少し、蒸発器４での圧力損失を低減でき、蒸発圧力（すなわち、圧縮機１の吸入圧力）が上昇するため、圧縮機１の入力量が低減される。さらに、減圧器３３の開度調整を行うことにより冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００５６】
したがって、本実施例においては冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００５７】
なお、本実施例においては、気液分離器３１のガス側出口３１ｂを圧縮機１の吸入側に接続するものとして説明したが、圧縮機１の中間圧力部に接続してもよく、この場合にはさらに圧縮機１での入力量を低減でき、冷凍サイクル装置の効率の良い運転が可能となる。
【００５８】
さらに、別の実施例による冷凍サイクル装置について説明する。本実施例は図７の実施例においてボルテックスチューブ３と気液分離器３１を一体に構成したものである。図９は、ボルテックスチューブと気液分離器とを一体構成した断面構成図である。図９において、４１は銅、アルミ、真鍮などで形成された円筒状の外殻であり、外殻４１内部には、しきり板４１ａ、バルブ４１ｂが備えられている。ここで、しきり板４１ａより上部がボルテックスチューブとして作用する。しきり板４１ａより若干、上方の部分に設けられた入口部３ａから高圧の冷媒を外殻４１の円筒状の接線方向に供給すると、冷媒は渦流をなして外殻４１内部の周壁を旋回しつつ、バルブ４１ｂへと向かう流れを形成し、高温冷媒と低温冷媒の分離が行われる。すなわち、高温冷媒はバルブ背後に設けられた高温出口部３ｂから排出され、低温冷媒は外殻４１内部の周壁を旋回する流れの中央部分を逆方向に流れ、しきり板４１ａの方向に戻ってくる。
【００５９】
しきり板４１ａにはボルテックスチューブの低温出口部３ｃであり、かつ、気液分離器の入口部３１ａでもある冷媒通路が設けられており、しきり板４１ａより下部が気液分離器として作用する。すなわち、ボルテックスチューブで分離された低温冷媒は、入口部３１ａ（かつ、低温出口部３ｃ）から供給され、冷媒の液とガスの密度差の違いから、液冷媒は外殻４１の底部に溜まるので、外殻４１の底部に設けられた液出口部３１ｃからは液冷媒を排出させ、しきり板４１ａより若干、下方の部分に設けられたガス出口部３ｂからガス冷媒を排出することにより、液冷媒とガス冷媒に分離できる。
【００６０】
冷凍サイクルの動作としては先の実施例と同様であるので説明を省略するが、  上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、先の実施例の効果に加えて、ボルテックスチューブと気液分離器を一体構成したため、さらに機器の小型化が可能となる。
【００６１】
さらに、別の実施例による冷凍サイクル装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す概略構成図である。図１０において、図１と同様の構成要素は図１と同じ番号を与え、説明を省略する。
【００６２】
図１０の冷凍サイクル装置では、放熱器２において、流体（例えば、水）が流れる流体流路２Ｂと熱交換する第一冷媒流路２Ａとは別に、流体流路２Ｂと熱交換する第二冷媒流路２Ｃを備えている。ボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂは第二冷媒流路２Ｃの入口部２ｄに接続されており、第二冷媒流路２Ｃの出口部２ｅは減圧器３３を介して蒸発器４の冷媒入口部にそれぞれ接続されている。
【００６３】
なお、第二冷媒流路２Ｃの入口部２ｄから出口部２ｅは、第一冷媒流路２Ａの冷媒と流体流路２Ｂを流れる流体との温度差が最も小さくなる区間の流体流路２Ｂと熱交換するように設けられている。
【００６４】
次に、上述のように構成された冷凍サイクル装置の動作について説明する。ボルテックスチューブ３により分離された高温冷媒は、ボルテックスチューブ３の高温出口部３ｂより放熱器２の第二冷媒流路２Ｃの入口部２ｄに供給され、放熱器２の第一冷媒流路２Ａの冷媒と流体流路２Ｂを流れる流体との温度差が最も小さい区間で、流体流路２Ｂを流れる流体と熱交換した後、第二冷媒流路２Ｃの出口部２ｅから流出した後、減圧器５１で減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒となり、蒸発器４に供給される。一方、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃから流出した低温低圧の気液二相状態の低温冷媒も、蒸発器４に供給される。蒸発器４では、冷媒は空気などによって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再び圧縮機１に吸入される。
【００６５】
上記のように構成された冷凍サイクル装置においては、次のような効果が得られる。ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒は放熱器２の第一冷媒流路２Ａの冷媒と流体との温度差が最も小さい区間の近傍に設けられた第二冷媒流路２Ｃに供給し、この区間の流体に第二冷媒流路２Ｃから放熱することにより、放熱量を増加させることができる。したがって、従来と同じ冷媒と流体の温度差であっても、より高い温度の流体を取り出すことが可能とる。さらに、減圧器５１の開度調整を行うことにより、ボルテックスチューブ３へ供給される冷媒流量を調整できることとなり、冷媒の圧力調整や能力調整が容易に行える。
【００６６】
したがって、本実施例においては冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【００６７】
なお、本実施例において、先の実施例のように、ボルテックスチューブ３の低温出口部３ｃの下流側に別の減圧器を設けたり、ボルテックスチューブ３をバイパスする流路を設け、そのバイパス流路にさらに別の減圧器を設けたりして、減圧器の開度調整を行うことにより、ボルテックスチューブ３へ供給される冷媒流量を調整したりしてもよい。
【００６８】
以上の実施例において、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒は放熱器２の第一冷媒流路２Ａにおいて、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給するのが、放熱器２を効率よく利用する上で、最も望ましく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。さらに、冷凍回路の高圧側の圧力は超臨界以上の圧力で運転される場合には、超臨界以下の圧力で運転される場合に比較して、放熱器２において潜熱変化を行わないため、放熱器２における冷媒の温度変化が緩やかになるので、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給することによる効果が大きく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。さらに、冷媒は二酸化炭素である場合には、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒より吐出温度が高くなる可能性が高いために、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給するのが
望ましく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。さらに、放熱器２で流体を約６０℃以上の高温に加熱する場合には、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒より吐出温度が高くなる可能性が高いために、ボルテックスチューブ３から導出される高温冷媒を、冷媒と流体の温度差が最も小さい区間の近傍の冷媒と熱交換するように供給するのが望ましく、冷凍サイクル装置のさらに効率の良い運転や機器の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施例による冷凍サイクル装置を示す構成図
【図２】同実施例による冷凍サイクル装置の動作点を示す圧力・エンタルピ線図
【図３】同実施例による放熱器での冷媒・水の温度変化図
【図４】他の実施例による冷凍サイクル装置を示す構成図
【図５】他の実施例による冷凍サイクル装置を示す構成図
【図６】同実施例による冷凍サイクル装置の動作点を示す圧力・エンタルピ線図
【図７】他の実施例による冷凍サイクル装置を示す構成図
【図８】同実施例による冷凍サイクル装置の動作点を示す圧力・エンタルピ線図
【図９】他の実施例によるボルテックスチューブ・気液分離器の断面図
【図１０】他の実施例による冷凍サイクル装置を示す構成図
【符号の説明】
【００７０】
１  圧縮機
２  放熱器
３  ボルテックスチューブ
４  蒸発器
５  逆止弁
６  給水ポンプ
７  給湯タンク
１１、３２  バイパス流路
１２、２１、３３、５１  減圧器
３１  気液分離器
４１  外殻
【図１】
2005127624.tif 000003
【図２】
2005127624.tif 000004
【図３】
2005127624.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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