(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相の冷媒を圧送する圧縮機の吐出側と吸入側の間に、第１の熱交換器と第２の熱交換器とを直列に管接続し、前記第１及び第２の熱交換器のいずれか一方を蒸発器とし、いずれか他方を凝縮器としてそれぞれ機能させると共に、蒸発器と凝縮器の役割を逆転させる四方切換弁が前記圧縮機の吐出経路及び吸入経路に設けられた冷凍サイクルにおいて、
蒸発器として機能する前記熱交換器の熱交換路の途中の冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された気相の冷媒を、蒸発器として機能する前記熱交換器の出口と前記四方切換弁とを接続する管路に流入させるバイパス管と、
を備え、
前記気液分離器が設けられる前記熱交換器が蒸発器として機能するとき開放され、凝縮器として機能するとき閉成される二方弁を前記バイパス管に設け、
前記気液分離器が設けられる前記熱交換器の除霜運転時に前記二方弁を開放する、
ことを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項２】
前記バイパス管の少なくとも一部を、蒸発器として機能する前記熱交換器の鉛直方向の全長の略３／４以上の高さ位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル。
【請求項３】
蒸発器として機能する前記熱交換器の熱交換路のうち、冷媒の乾き度が０．５±０．２である位置、又は、熱交換路の全長に対して入口から５０±２０％の長さ位置に前記気液分離器を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍サイクル。
【請求項４】
前記気液分離器を境として、上流側の熱交換路の本数よりも下流側の直後の熱交換路の本数を少なくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
【請求項５】
前記バイパス管に逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸発器として機能する熱交換器の熱交換路での圧力損失の増加や熱交換性能の低下を防止する冷凍サイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来の冷凍サイクルとして、例えば、特開平９−１５２２１６号公報には、蒸発器として機能する熱交換器の熱交換路の途中の冷媒を気液分離する気閾分離器を設けたものが開示されている。以下、この公報に記載の冷凍サイクルについて、図４を参照して説明する。
【０００３】
図４は空調室内に据え付けられる室内ユニットと、屋外に設置される室外ユニットによって構成される空気調和機の冷凍サイクルである。この冷凍サイクル１０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１の吐出口１１ａ及び吸入口１１ｂに接続された四方切換弁１２と、この四方切換弁１２に接続された室内熱交換器１３及び室外熱交換器１４と、室内熱交換器１３と室外熱交換器１４との間に設けられた膨張弁１５とを備えて構成されている。
【０００４】
この構成により、暖房運転時には冷媒が、圧縮機１１の吐出口１１ａから吐出され、四方切換弁１２から室内熱交換器１３、膨張弁１５及び室外熱交換器１４へと流れ、四方切換弁１２から再び圧縮機１１の吸入口１１ｂに流れるように循環する。また、冷房運転時には四方切換弁１２が切り換えられ、冷媒は圧縮機１１の吐出口１１ａから吐出され、四方切換弁１２から逆に室外熱交換器１４、膨張弁１５及び室内熱交換器１３へと流れ、四方切換弁１２から再び圧縮機１１の吸入口１１ｂに吸入されるように循環する。
【０００５】
ここで、室内熱交換器１３は、図示を省略した多数枚の放熱フィンに複数本の熱交換パイプを貫通させて形成した２つの冷媒が並流する熱交換路１３ａ，１３ｂを備え、２つの熱交換路１３ａ，１３ｂの両端は互いに接続され、その一端側の接続部が四方切換弁１２に、他端側の接続部が膨張弁１５に接続されている。
また、室外熱交換器１４は、長方形の多数枚の放熱フィンを貫通する複数本の熱交換パイプを蛇行するように接続することによって、２つの熱交換路１４ａ，１４ｂが放熱フィンの長手方向両側に分離して形成されている。
【０００６】
また、室外熱交換器１４の熱交換路１４ａ，１４ｂを形成するそれぞれの熱交換パイプの接続端部間に、２つの入側接続口１６ａ及び出側接続口１６ｂが接続され、熱交換路１４ａ及び熱交換路１４ｂ間を液相の冷媒が流通するように気液分離器１６が直列に挿入されている。さらに、気液分離器１６の気相分排出口１６ｃには、中間部に開閉弁である電磁弁１９が設けられたバイパス管１７の一端が接続され、このバイパス管１７の他端が、四方切換弁１２と圧縮機１１の吸入口１１ｂとの間を接続する冷媒吸入流路１８に接続されている。
【０００７】
これにより、暖房運転時に、室外熱交換器１４の熱交換路１４ａで熱交換によって気液混合状態となった冷媒は、気液分離器１６で気相分が除かれて液相分が多い状態で熱交換路１４ｂでの熱交換が行われることになり、管内の冷媒の流速が高速度とならず圧力損失の増加が抑制され、また、熱交換路１４ａと熱交換路１４ｂとが冷媒の流通方向に直列に１パスとなるように接続され、冷媒を分流することによって生じる熱交換性能の低下を防止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の冷凍サイクルにおいては、バイパス管１７が四方切換弁１２と圧縮機１１の吸入口１１ｂとを接続する冷媒吸入流路１８に接続されているため、圧縮機１１の振動分を吸収する必要性から、配管構造が複雑になるという問題があった。
【０００９】
また、室内外の温度や圧縮機１１の回転数などの使用条件によっては、気液分離器１６から液相の冷媒がバイパス管１７を介して、圧縮機１１の吸入口１１ｂに導かれるいわゆる、液バックの可能性があるため、使用条件に応じて電磁弁１９を閉成する必要があり、常時気液分離の効果が得られないという問題もあった。
【００１０】
さらに、室外熱交換器１４の熱交換路に対する接続位置に応じて使用電力が変化するという問題もあった。
【００１１】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は気液分離器からのバイパス管の配管構造を簡易化することのできる冷凍サイクルを提供するにある。
【００１２】
本発明の他の目的は気液分離器からの液バックを抑制して、気液分離システムの信頼性の向上を図り得る冷凍サイクルを提供するにある。
【００１３】
本発明のもう一つの目的は消費電力を低減することのできる冷凍サイクルを提供するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、
気相の冷媒を圧送する圧縮機の吐出側と吸入側の間に、第１の熱交換器と第２の熱交換器とを直列に管接続し、前記第１及び第２の熱交換器のいずれか一方を蒸発器とし、いずれか他方を凝縮器としてそれぞれ機能させると共に、蒸発器と
凝縮器の役割を逆転させる四方切換弁が前記圧縮機の吐出経路及び吸入経路に設けられた冷凍サイクルにおいて、
蒸発器として機能する前記熱交換器の熱交換路の途中の冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された気相の冷媒を、蒸発器として機能する前記熱交換器の出口と前記四方切換弁とを接続する管路に流入させるバイパス管と、
を備え、
前記気液分離器が設けられる前記熱交換器が蒸発器として機能するとき開放され、凝縮器として機能するとき閉成される二方弁を前記バイパス管に設け、
前記気液分離器が設けられる前記熱交換器の除霜運転時に前記二方弁を開放する、
ことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の冷凍サイクルにおいて、バイパス管の少なくとも一部を、蒸発器として機能する熱交換器の鉛直方向の全長の略３／４以上の高さ位置に設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の冷凍サイクルにおいて、蒸発器として機能する熱交換器の熱交換路のうち、冷媒の乾き度が０．５±０．２である位置、又は、熱交換路の全長に対して入口から５０±２０％の長さ位置に気液分離器を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷凍サイクルにおいて、気液分離器を境として、上流側の熱交換路の本数よりも下流側の直後の熱交換路の本数を少なくしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍サイクルにおいて、バイパス管に逆止弁を設けたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る冷凍サイクルの一実施形態の構成を示す系統図であり、図中、従来装置を示した図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２０】
図１に示した冷凍サイクル２０は、本発明に直接関係する室外熱交換器２１と、これに付帯的に設けられる気液分離器１６とを中心にして記載し、室内熱交換器の系統を省略して示してある。そして、上述したと同様に、室外熱交換器が蒸発器として機能する暖房モードでの運転時を主にして説明する。
【００２１】
ここで、暖房モードでの運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器２１は、膨張弁１５を通して送り込まれる液相冷媒の入口２７と、四方切換弁１２に送り出す気相冷媒の出口２８とを備える。液相冷媒の入口２７には熱交換路２１ａ及び熱交換路２１ｂの各一端が共通に接続され、これらの熱交換路２１ａ，２１ｂの他端は相互に接続されると共に、１本の配管によって気液分離器１６の入側接続口１６ａに接続されている。気液分離器１６の出側接続口１６ｂは１本の配管によって熱交換路２１ｃの一端に接続されている。この熱交換路２１ｃの他端は、互いに分岐された熱交換路２１ｄ及び熱交換路２１ｅの一端に共通に接続され、さらに、これらの熱交換路２１ｄ，２１ｅの他端は気相冷媒の出口２８に接続されている。しかして、室外熱交換器２１の流路は２−１−２パスを形成し、気液分離器１６の上流側は２パスで、下流側は１パスとなっている。
【００２２】
また、室外熱交換器２１の気相冷媒の出口２８は、その途中に連結部２４が設けられた冷媒吸入流路２２によって四方切換弁１２に接続されている。そして、気液分離器１６の気相分排出口１６ｃがバイパス管２５によって冷媒吸入流路２２の連結部２４に接続されている。このバイパス管２５の途中には、気液分離器１６で分離された気相の冷媒を冷媒吸入流路２２に流入させ、冷房運転時に冷媒吸入流路２２から気液分離器１６に対して冷媒が戻ることを阻止する逆止弁２６が設けられている。
【００２３】
なお、液相冷媒の入口２７は室外熱交換器２１の設置状態でみて、鉛直方向下方に配置され、気相冷媒の出口２８は鉛直方向上方に配置され、連結部２４は室外熱交換器２１の鉛直方向の全長の略３／４以上の高さ位置に設けられている。
【００２４】
さらに、気液分離器１６は２−１−２パスを形成する熱交換路のうち、冷媒の乾き度が０．５±０．２である位置、又は、熱交換路の全長に対して入口から５０±２０％の長さ位置に設けられている。
【００２５】
上記のように構成された本実施形態の動作について、特に、従来装置と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。先ず、圧縮機１１から圧送された気相の冷媒は四方切換弁１２を通して図１では図示を省略した室内熱交換器に送り込まれ、ここで熱交換されて液相の冷媒となり、冷媒流量の制御を行う膨張弁１５を介して、液相冷媒の入口２７から室外熱交換器２１に流入する。室外熱交換器２１の内部においては、熱交換路２１ａ及び熱交換路２１ｂによってそれぞれ熱交換が行われ、気相分と液相分とが混合した気液２相状態の冷媒が気液分離器１６に流入する。気液分離器１６はこの冷媒を気相分と液相分とに分離し、このうち、気相分はバイパス管２５を通して冷媒吸入流路２２に送り込まれ、液相分は熱交換路２１ｃに送りこまれてここで熱交換が行われ、さらに、熱交換路２１ｄ，２１ｅに分流してそれぞれにて熱交換が行われ、略全部の冷媒が気相分として気相冷媒の出口２８から冷媒吸入流路２２に送り出される。この気相冷媒はバイパス管２５からのものと合流して、四方切換弁１２を介して、サクションカップ２３に流入し、圧縮機１１はその吸入口１１ｂから吸入して吐出口１１ａから吐出させる。
【００２６】
ここで、四方切換弁１２とサクションカップ２３との接続部分は、圧縮機１１の振動を吸収する部分であり、図４に示した従来の冷凍サイクルはこの部位にバイパス管を接続したため、その配管構造の複雑化を余儀なくされた。この実施形態においては室外熱交換器２１の気相冷媒の出口２８と四方切換弁１２とを接続する冷媒吸入流路２２の連結部２４にバイパス管２５を接続したため、圧縮機１１の振動を吸収する構造を採用する必要性がなくなることから、配管構造を簡易化することができる。
【００２７】
また、この実施形態では、室外熱交換器２１の下方に液相冷媒入口２７を、上方に気相冷媒出口２８を配置し、連結部２４を室外熱交換器２１の鉛直方向の全長の略３／４以上の高さ位置に、最適には気相冷媒出口２８と同等又はより高い位置に設けている。これによって、気液分離器１６から液相の冷媒がバイパス管２５に流出しても液相分は重力により上方に到達し難いような抵抗を受けることとなり、液バック現象を抑制することができる。これによって、気液分離システムの信頼性を向上させることができる。なお、連結部２４に限らず、バイパス管２５の一部が上記高さに位置するようにすれば同一の効果を得ることができる。
【００２８】
ところで、室外熱交換器２１の熱交換路の途中の冷媒を気液分離する気液分離器の接続位置は、熱交換路の全長のどの途中位置が適当であるかを決定するための実験結果を図２に示す。図２は電力容量が１ＨＰ（馬力）の一般家庭用の空気調和機に本実施形態に示す気液分離器１６を新たに設けるとき、蒸発器の入口からの流路長の比率と入力電力の軽減量（及び入力電力の軽減率）の関係をプロットして得られた線図である。この図から明らかなように、流路長の比率が０（％）（蒸発器の入口）であってもある程度の入力電力の軽減効果が得られ、この位置から流路長の比率が大きくなるに従って入力電力の軽減効果は次第に大きくなり、流路長の比率が５０（％）で最大となり、この位置から流路長の比率が大きくなるに従って入力電力の軽減効果は次第に小さくなり、１００（％）の位置で入力電力の軽減効果はゼロになっている。
【００２９】
しかして、実用的には熱交換路の全長に対して入口から５０±２０％の長さ位置に気液分離器を設けることが妥当と考えられ。この場合、蒸発器の入口の気相の冷媒がその出口にて全て気相の冷媒に移行する理想的な状態とすれば、上記入口からの流路長比率を冷媒の乾き度に置き換えることができるため、冷媒の乾き度が０．５±０．２である位置に気液分離器を設けるようにしても、同様な結果が得られ、これによって、消費電力を低減することができる。
【００３０】
ところで、特開平９−１５２２１６号公報に記載のものは、バイパス管１７の途中に二方弁としての電磁弁１９を設け、暖房運転時にこれに通電して開放状態とし、運転状態に応じて液バックの可能性がある場合にこれを閉成したため、暖房運転時間に応じて、例えば、５（Ｗ）程度の電力を消費し続ける構成になっていた。本実施形態では、バイパス管２５に逆止弁２６を設けているので、消費電力低減の効果が高められる。
【００３１】
なお、除霜運転時には、暖房運転モードの途中に四方切換弁１２を切り換えて室外熱交換器２１に気相の冷媒を送り込む必要性がある。この時、逆止弁２６の代わりに二方弁である電磁弁を用いることによって、暖房モードでの運転時にこの二方弁を開放し、冷房モードでの運転時にこの二方弁を閉成し、除霜運転時にこの二方弁を開放する構成とすることもできる。これによって、除霜運転時に暖かい気相冷媒をバイパス管２５，気液分離器１６を介して熱交換路２１ａ，２１ｂに直接導くことができ、霜の溶けにくい部分の除霜を効果的に行うことができる。気液分離システムを除霜運転に効果的に利用することができる。この場合、逆止弁を用いた場合の開閉音を防止するという効果も得られる。
【００３２】
また、上述した二方弁の電力消費を抑制するという観点では、一般にメカトロ弁と称されるパルスモータを利用した弁を採用することができる。図３はバイパス管２５にメカトロ弁を用いるものとして、蒸発器の入口からの流路長の比率と、使用するメカトロ弁の口径及びその絞り量の関係を示した図表で、例えば、蒸発器の入口からの流路長の比率が５０（％）の位置では弁口径が５．０（ｍｍ）のものを全開状態で使用することによって、特別な絞り機構を用いることなしに良好な気液分離機能が得られる。
【００３３】
一方、気液分離を行うに当たり、上流側の熱交換路と比較して下流の直後の熱交換路の本数が少ない状況で気相の冷媒をバイパスさせれば、下流に圧送される気相の冷媒を効果的に分離することができ、液相の冷媒を下流に圧送する抵抗を減らすことができる。本実施形態では、熱交換路２１ａ及び２１ｂの出口側を共通に接続し、１本の管路で気液分離器１６に導き、さらに、気液分離器１６の１本の管路によって熱交換路２１ｃに移送する構成になっているため、気液分離特性を向上させることができる。なお、気液分離器１６の下流側でも最終的には複数の熱交換路に分流させる必要があるが、本実施形態では熱交換路２１ｃの出口側を熱交換路２１ｄ，２１ｅに分流させる構成であるため、三方ベンドと称される分流器で済むため安価に構成できる利点も得られる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、気液分離器からのバイパス管の配管構造を簡易化することのできる冷凍サイクルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る冷凍サイクルの一実施形態の構成を示す系統図。
【図２】  図１に示した実施形態の動作を説明するために、熱交換路の途中の冷媒を気液分離する気液分離器の接続位置と入力電力の低減量との関係を示す図表。
【図３】  図１に示した実施形態のバイパス管にメカトロ弁と称されるパルスモータを利用した弁を採用した場合における蒸発器の入口からの流路長の比率と、使用するメカトロ弁の口径及びその絞り量の関係を示した図表。
【図４】  従来の冷凍サイクルの構成を示す系統図。
【符号の説明】
１１  圧縮機
１２  四方切換弁
１５  膨張弁
１６  気液分離器
２０  冷凍サイクル
２１  蒸発器として機能する室外熱交換器
２１ａ〜２１ｅ  熱交換路
２２  冷媒吸入流路
２３  サクションカップ
２４  連結部
２５  バイパス管
２６  逆止弁
【図１】
0004408591.tif 000002
【図２】
0004408591.tif 000003
【図３】
0004408591.tif 000004
【図４】
0004408591.tif 000005