JP2000320934A - 冷凍サイクル回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非共沸混合冷媒を用いた場合でも、広い運転
範囲で高圧圧力を適正範囲に制御でき、運転効率を向上
できる冷凍サイクル回路を提供する。 【解決手段】 室外機Ａ内の圧縮機１、熱源側熱交換器
３、受液器４と、室内機Ｂ内の電子膨張弁９、利用側熱
交換器１０とを接続した冷凍サイクル回路において、受
液器４は内部に下端が開口する２本の導入出管を有し、
一方の導入出管４−１は上部に孔４−３を有し上端が熱
源側熱交換器３側につながり、他方の導入出管４−２の
上端が電子膨張弁９側につながり、かつ受液器上部４−
４から、熱源側熱交換器３と受液器４間の配管途中に設
けた接続口７に至るバイパス５を設け、バイパス５に開
閉弁６を設けたもので、電子膨張弁５で、またバイパス
５を通じての冷媒ガスの流出で受液器内の冷媒量を制御
し、高圧圧力を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調用冷凍サイク
ル回路に係り、特に省電力化、代替冷媒化などの地球環
境保護に好適な冷凍サイクル構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】空調用冷凍サイクル回路の施工性及び信
頼性を向上させるために、装置仕様上で接続配管の最大
配管長分の冷媒を予め封入した冷凍サイクルシステムが
広く用いられるようになってきている。このような冷凍
サイクル回路では必要冷媒量の低減が一つの課題であ
り、もう一つの重要課題として、最大配管長以下で使用
する場合に生じる余剰冷媒の貯留がある。

【０００３】このような従来技術として特開昭62-15895
9号公報に示されているように、冷房運転時は室外機内
に設けられたキャピラリチューブで減圧し、暖房運転時
は室内機内に設けられたキャピラリチューブで減圧し、
室内外機間の液側接続配管内の冷媒流動状態を気液二相
流状態として、低圧容器であるアキュームレータ内の導
入出管径、導入出管に設けられる油戻し穴径などのアキ
ュームレータ諸元を余剰冷媒が貯留するように構成した
冷凍サイクル回路が知られている。

【０００４】また、特開平6-137690号公報に示されてい
るように、室内機の運転範囲の拡大および他機種との共
用化を図るために室内機に電子膨張弁を設けた冷凍サイ
クル回路がある。この冷凍サイクル回路では、冷房運転
時は室外機のキャピラリチューブと室内機の電子膨張弁
の二段で減圧し、暖房運転時は室内機の電子膨張弁で減
圧し、接続配管を気液二相流状態として、余剰冷媒をア
キュームレータに貯留するように構成されている。

【０００５】また特開平1-58964号公報に示されている
非共沸混合冷媒を用いたヒートポンプシステムは、熱源
側熱交換器と利用側熱交換器との間に気液分離器を設
け、そして利用側熱交換器と圧縮機との間にあって利用
側熱交換器で蒸発し低温となつて圧縮機に戻る循環冷媒
と熱交換可能に設けられた冷媒タンクを、第１接続管に
よって気液分離器の上部に接続するとともに、冷媒タン
クを開閉弁を介して第２接続管によって気液分離機の下
部に接続して、冷房運転時に気液分離器の上部から抽出
した低沸点のガス冷媒を第１接続管を通して冷媒タンク
に導入し凝縮させて液冷媒として冷媒タンクに貯留する
ことにより、冷凍サイクル回路内を高沸点冷媒が循環す
るように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来技術で
は以下のような問題点があった。まず、アキュームレー
タに冷媒を貯留するように構成されている冷凍サイクル
回路では、運転中の圧縮機の吸入状態は常に少量の液冷
媒が含まれ、吸入状態のエンタルピの上限は飽和蒸気エ
ンタルピである。圧縮機から冷媒と共に吐出される冷凍
機油の流量が多い場合に、圧縮機の信頼性確保のため
に、圧縮機へ適正な返油を行うためにアキュームレータ
内の油戻し穴径を大きくすることが必要となる。この場
合、液冷媒も同時に圧縮機へ吸入される状態となり、吸
入冷媒は液冷媒の混入量も増加するため、吸入エンタル
ピは飽和蒸気エンタルピよりかなり小さくなる。このた
め能力を確保するために蒸発器入口冷媒エンタルピを小
さくして、蒸発器での冷媒エンタルピ変化量を大きくす
ることが必要となり、凝縮器での冷媒過冷却度を大きく
設定することになる。一定の大きさを有する凝縮器で過
冷却度を大きくすることは、凝縮器の一部に伝熱性能が
良好でない液冷媒を貯留し、冷媒が凝縮する面積が減少
し、冷凍サイクルの高圧側圧力が高い運転点となり、圧
縮機入力が増加して冷凍サイクルの運転効率が低下する
という問題点があった。

【０００７】また、「代替冷媒R407Cを用いたパッケー
ジエアコンの特性」（平成７年度日本冷凍協会学術講演
会講演論文集p.13〜p.16）に記載されているように、R2
2の代替冷媒としてR407Cのような非共沸混合冷媒(HFC32
/125/134a:23/25/53wt%)を使用する場合には、アキュー
ムレータのようにかわき度が大きい状態で余剰冷媒を貯
留する構成では、封入冷媒の組成と冷凍サイクル回路内
を循環する冷媒の組成との差異が大きくなる問題点があ
る。すなわち、貯留される冷媒はHFC134aのような低圧
冷媒（高沸点冷媒）の比率が大きくなり、冷凍サイクル
回路内を循環する冷媒の組成はHFC32,125の高圧冷媒
（低沸点冷媒）の比率が大きくなる。この結果、R22の
場合に比べて、冷凍サイクルの高圧圧力が高い運転状態
となり、圧縮機入力が上昇し冷凍サイクルの運転効率が
低下するという問題があった。

【０００８】また、非共沸混合冷媒を用いた従来例では
必要とする冷媒容器の数が増えることによるコストアッ
プの問題、また冷媒は２つの容器に分散して貯留される
ので冷凍サイクルの安定性に問題が有る。また冷房運転
時は高沸点冷媒が主として冷凍サイクル回路内を循環す
るが、暖房運転時には冷媒タンクでガス化する低圧冷媒
も循環するので、運転モードによって冷媒組成が大きく
変化するという問題点があった。

【０００９】本発明の目的は、上記の問題点を解決し
て、冷媒として従来から用いてきた単一冷媒の代替冷媒
である非共沸混合冷媒を用いた場合でも、広い運転範囲
で高圧圧力を適正な範囲に制御でき、冷凍サイクルの運
転効率を向上させることができる冷凍サイクル回路を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の冷凍サイクル回路は、室外機内に設置され
た圧縮機、熱源側熱交換器及び受液器と、室内機内に設
置された抵抗可変減圧機構及び利用側熱交換器とを順に
配管で接続した冷凍サイクル回路において、受液器は内
部に上部から内底近傍まで垂下し下端が開口する２本の
導入出管を有し、２本のうち一方の導入出管の上端が熱
源側熱交換器側につながり、他方の導入出管の上端が抵
抗可変減圧機構側につながり、受液器内で一方の導入出
管上部に孔を設け、かつ受液器上部から、熱源側熱交換
器と受液器とを接続する配管途中に形成した接続口に至
るバイパスを設け、さらに該バイパスに開閉弁を設けた
ことを特徴とする。

【００１１】そして、本発明の冷凍サイクル回路におい
て、バイパスの接続口と熱源側熱交換器との間に第２の
減圧機構を設けることが好ましい。あるいは、第２の減
圧機構を受液器の一方の導入出管とパイパスの接続口の
間に設けるとよい。バイパスに設けた開閉弁は抵抗可変
弁であることが好ましい。また、受液器内で他方の導入
出管の上部に孔を設けてもよい。

【００１２】本発明では、アキュームレータの場合に比
べて冷媒かわき度が小さい受液器を余剰冷媒を貯留する
容器となるように構成し、受液器内の導入出管の上部に
受液器上部のガス冷媒と連通する孔を設けるとともに、
受液器の上部からガス冷媒を受液器の導入出管にバイパ
スする回路を設けることによって、受液器出口（暖房運
転時）の冷媒かわき度を制御し、簡素化された構成で広
い運転範囲に対応できる冷凍サイクル回路としている。
また、本発明は、他機種との室内機との共用化を図るた
めに室内機に設けた電子膨張弁と上記の受液器内導入出
管に設けた孔およびバイパス管とにより運転範囲の拡大
を図る構成とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図１〜５に基づいて本発明
の実施の形態となる冷凍サイクル回路について説明す
る。

【００１４】＜実施の形態１＞図１は実施の形態1の冷
凍サイクル回路を示す。この冷凍サイクル回路は、概し
て、室外機Ａ内で順に配管接続された圧縮機1、四方弁
２、熱源側熱交換器３及び受液器４と、室内機Ｂ内で順
に配管接続された電子膨張弁９（可変抵抗減圧機構）及
び利用側熱交換器１０とから構成され、そして、受液器
４の容器上部に形成した口と、この受液器４と熱源側熱
交換器３を接続する配管途中に形成した接続口７との間
を渡してバイパス５が設けられている。受液器４と電子
膨張弁９は液側接続配管８により接続され、利用側熱交
換器１０と四方弁２はガス側接続配管１１により接続さ
れている。四方弁２は冷暖房運転に応じて圧縮機から出
た冷媒の流れ方向を切り替える。室外機Ａは液側接続配
管８の接続口８―１とガス側接続配管１１の接続口１１
―１を有し、室内機Ｂは液側接続配管８の接続口８―２
とガス側接続配管１１の接続口１１―２を有している。

【００１５】受液器４は、その容器内に上部から内底近
傍まで垂下し下端が開口する２本の導入出管４―１、４
―２が設けられ、一方の導入出管４―１はその上部管壁
に容器内に開口する孔４―３を有し、そして管上端が熱
源側熱交換器３につながり、他方の導入出管４―２はそ
の上端が電子膨張弁９につながっている。そして前述の
バイパス５が、受液器４の頂部に形成された上部口４―
４と、受液器４から熱源側熱交換器３までの配管途中の
バイパス接続口７との間を開閉弁６を介して結合してい
る。

【００１６】冷房運転時には、実線で示すように、圧縮
機１から吐出された冷媒は、四方弁２を経て、熱源側熱
交換器３で凝縮され、受液器４及び液側接続配管８を経
て、電子膨張弁９で膨張し、利用側熱交換器１０で蒸発
し、ガス側接続配管１１及び四方弁２を経て、圧縮機１
に戻るように循環する。受液器４には、熱源側熱交換器
３で凝縮された液冷媒が導入出管４―１から流入し、導
入出管４―２から流出する。接続配管が最大長の場合に
必要な冷媒量が予め工場出荷時に封入されており、配管
がこれより短い場合には、余剰冷媒は受液器４内にかわ
き度が小さい配管途中の状態として貯留される。幅広い
運転状態への対応は利用側熱交換器１０の冷媒過熱度ま
たは圧縮機１の吐出冷媒過熱度を制御対象として電子膨
張弁９の開度を制御することによって行える。冷房運転
では熱源側熱交換器３の下流に受液器４が配置されてい
るので、熱源側熱交換器３の一部を液冷媒が占有するこ
とはなく、熱源側熱交換器３の面積を有効に利用できる
ため、アキュームレータに冷媒を貯留する場合に比べて
冷凍サイクルの高圧圧力を低くできる。また圧縮機１の
入口部の冷媒エンタルピを大きくできるので、冷房能力
を確保しながら、高圧圧力を低くでき、圧縮機入力の低
減が図れるため、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が
向上する。また、熱源側熱交換器３の一部に液冷媒を溜
めないため、この分の冷媒量を低減できる。

【００１７】暖房運転時には破線で示すように、圧縮機
１から吐出された冷媒は、四方弁２及びガス側接続配管
１１を経て、利用側熱交換器１０で凝縮し、電子膨張弁
９で膨張し、液側接続配管８及び受液器４を経て、熱源
側熱交換器３で蒸発し、四方弁２を経て、圧縮機１に戻
るように循環する。電子膨張弁９で減圧されて二相状態
になった冷媒は受液器４に導入出管４―２から流入し、
そして受液器４内で気液分離された液冷媒は導入出管４
―１の下端口から、またガス冷媒は導入出管４―１の上
部に設けられた孔４―３から導入出管４―１内に吸入さ
れ、流入時と同様の二相状態となって受液器４から流出
する。配管が最大配管長より短い場合には、冷房運転の
場合と同様に余剰冷媒は受液器４内にかわき度が小さい
配管途中の状態として貯留される。標準的な運転状態で
受液器４に流入して流出する冷媒二相流のかわき度は例
えば０.１前後であり、これは導入出管４―１の径と孔
４―３の寸法の選択で設定できる。種々の運転状態への
対応は冷房運転時と同様に電子膨張弁９の開度を制御す
ることによって行う。すなわち、安定した運転状態か
ら、何らかの外乱のために圧縮機１の吐出ガス温度を低
くすることが必要になった場合には、電子膨張弁９の開
度を大きくすると、導入出管４―２から流入する冷媒か
わき度は導入出管４―１から流出するかわき度より大き
くなるため受液器内に貯留されていた液冷媒が流出して
圧縮機１の吐出ガス温度が低下する。吐出ガス温度を高
くする場合には上記の逆動作、すなわち電子膨張弁９を
絞ることによって運転点を変更することができる。この
ような制御は導入出管４―１の設定した構成によるた
め、調整可能な運転範囲に限界がある。

【００１８】室外側空気温度も室内側空気温度も高い過
負荷運転条件で暖房運転を行う場合に高圧圧力が過剰に
上昇する場合がある。このような場合には、開閉弁６を
開いて受液器４の上部口４―４から受液器４上部のガス
冷媒をバイパス管５によって受液器４と熱源側熱交換器
３の間のバイパス接続口７に導く。すなわち、このバイ
パス管５に受液器４上部のガス冷媒を流すことによっ
て、受液器４出口の冷媒かわき度が大きくなるように、
すなわち受液器４から流出するガス冷媒比率が大きくな
るように設定されたことになり、冷媒を強制的に受液器
４に貯留して冷凍サイクル回路内の有効冷媒量を減少で
きるので、高圧側圧力の上昇を防止できる。暖房運転の
場合も、冷房運転時の説明で述べたようにアキュームレ
ータに冷媒を貯留する場合に比べて冷凍サイクルの高圧
圧力を低くでき、圧縮機の入口部の冷媒エンタルピを大
きくできるため、冷房能力が同等で高圧圧力を低くで
き、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が向上する効果
がある。

【００１９】＜実施の形態２＞図２に実施の形態２の冷
凍サイクル回路を示す。１〜１１までの記号の意味は第
１の実施の形態と同じである。実施の形態２の冷凍サイ
クル回路は、実施の形態１の冷凍サイクル回路に加え
て、第２の減圧機構１２を設けたものである。すなわ
ち、図２に示すように、熱源側熱交換器３と受液器４の
導入出管４―１とを接続する配管途中で、熱源側熱交換
器３とバイパス接続口７との間に第２の減圧機構１２が
設けられている。冷房運転時の冷媒の流れを図中に実線
で示す。熱源側熱交換器３を流出した冷媒は第２の減圧
機構１２で絞られて受液器４に流入する。この絞り１２
は熱源側熱交換器３での冷媒過冷却度を大きくする効果
が有り、高圧圧力を若干高めるが、蒸発器（ここでは利
用側熱交換器１０）へ流入する冷媒エンタルピを小さく
できるため冷房能力が向上する効果がある。暖房運転時
の冷媒の流れは破線で示すように、電子膨張弁９、導入
出管４―２、導入出管４―１の上部に設けられた孔４―
３および第２の減圧機構１２の順に流れて減圧される。
電子膨張弁９の開度がやや大きくなる以外は、この場合
は実施の形態１と効果に差異はない。

【００２０】＜実施の形態３＞図３に実施の形態３の冷
凍サイクル回路を示す。１〜１２までの記号の意味は実
施の形態２と同じである。実施の形態３の冷凍サイクル
回路は、実施の形態２の冷凍サイクル回路とは第２の減
圧機構１２の位置が異なっている。すなわち、実施の形
態３の冷凍サイクル回路では、図３に示すように、第２
の減圧機構１２は、熱源側熱交換器３と受液器４の導入
出管４―１とを接続する配管途中でバイパス接続口７と
受液器４間に、設けられている。このような構成の冷凍
サイクル回路において、冷房運転時には実施の形態２と
同様に、熱源側熱交換器３を流出する冷媒は第２の減圧
機構１２で絞られ、利用側熱交換器１０での冷媒過冷却
度を大きくする効果が有るため冷房能力が向上する。通
常の暖房運転時については実施の形態２と全く同様に電
子膨張弁９、導入出管４―１、導入出管４―１の上部に
設けられた孔４―３および第２の減圧機構１２の順に流
れて減圧される。実施の形態１の説明で述べたように室
外側空気温度も室内側空気温度も高い過負荷運転条件で
暖房運転を行う場合に高圧圧力上昇を防止するために、
開閉弁６を開いて受液器の上部口４―４から受液器上部
のガス冷媒をバイパス管５によって受液器４と熱源側熱
交換器３の間のバイパス接続口７に導く。この際、本実
施の形態３ではバイパス接続口７が第２の減圧機構１２
の後流側（暖房運転）に設けられて開閉弁６前後の差圧
が大きい状態に構成されているため、開閉弁６を開いた
場合にバイパスされるガス冷媒流量が実施の形態１、２
の場合より増加する。より多量の冷媒を受液器内に貯留
できるので実施の形態１、２の場合より暖房運転時の高
圧上昇を防止する効果が大きい。

【００２１】＜実施の形態４＞実施の形態４の冷凍サイ
クル回路は、実施の形態１〜３において開閉弁６を抵抗
可変弁１３に置き換えた構成である。図４はその一例で
あり、図１に示す実施の形態1の開閉弁６を抵抗可変弁
１３に置き換えたものである。抵抗可変弁は１３は連続
的に抵抗が変化する弁でもよいし、段階的に抵抗が変化
する弁でもよい。この実施の形態では以上の実施の形態
で説明したように暖房運転時の圧力をよりきめ細かく制
御でき運転の安定化を図る効果がある。

【００２２】＜実施の形態５＞実施の形態５の冷凍サイ
クル回路は、実施の形態１〜４において、液側接続配管
８、利用側熱交換器１０につらなる受液器４内の導入出
管４―２の上部に受液器４内のガス冷媒と連通する孔４
―５を設けた構成である。図５はその一例であり、図１
の実施の形態に開口部４―５を設けた構成である。この
ような構成とすることで冷房運転時の必要冷媒量をさら
に低減する効果がある。すなわち冷房運転時には、実線
で示すように、圧縮機１から出た冷媒は、四方弁２を経
て、熱源側熱交換器３で凝縮し、受液器４から液側接続
配管８を経て、電子膨張弁９で膨張し、利用側熱交換器
１０で蒸発し、ガス側接続配管１１から四方弁２を経
て、圧縮機１に戻るように循環し、この際、受液器４の
出口は開口部４―５からガス冷媒が液側接続配管８に混
入するため液側接続配管８には二相流冷媒が流れる。こ
のため液側接続配管８内の冷媒保有量を大幅に低減でき
る効果がある。

【００２３】以上の実施の形態１〜５では冷媒の種類に
ついては言及しなかったが、従来の技術の項で述べたよ
うに、余剰冷媒は冷媒かわき度の小さい受液器に貯留さ
れるので非共沸混合冷媒を用いた場合でも、封入組成と
循環組成とがほぼ同一となり冷凍サイクルの運転安定化
が図れる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、室内機に抵抗可変減圧
機構を有する冷凍サイクル回路において、冷媒かわき度
が小さい状態で冷凍サイクル回路内の余剰冷媒を受液器
に保有するように構成し、抵抗可変減圧機構により受液
器に保有できる冷媒量を制御できる構成としたことによ
って、冷媒として現状冷媒の代替冷媒である非共沸混合
冷媒を用いた場合でも冷暖房運転時に広い運転範囲で高
圧圧力を適正な範囲に制御でき、冷凍サイクルの運転効
率を向上させる効果がある。また凝縮器での過冷却度を
小さくできるため必要冷媒量を低減できる効果がある。
また受液器から熱源側熱交換器側にバイパスを通じて受
液器上部のガス冷媒を流すように冷凍サイクル回路を構
成したので、暖房運転時に受液器上部のガス冷媒を流す
ことによって、冷媒を強制的に受液器に貯留して冷凍サ
イクル回路内の有効冷媒量を減少させ、高圧側圧力の上
昇を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態1の冷凍サイクル回路を示
す構成図である。

【図２】本発明の実施の形態２の冷凍サイクル回路を示
す構成図である。

【図３】本発明の実施の形態３の冷凍サイクル回路を示
す構成図である。

【図４】本発明の実施の形態４の冷凍サイクル回路を示
す構成図である。

【図５】本発明の実施の形態５の冷凍サイクル回路を示
す構成図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 四方弁 ３ 熱源側熱交換器 ４ 受液器 ４―１ 受液器内の導入出管 ４―２ 受液器内の導入出管 ４―３ 導入出管４―１上部の孔 ４―４ 受液器の上部口 ４―５ 導入出管４―２上部の孔 ５ バイパス管 ６ 開閉弁 ７ バイパス接続口 ８ 液側接続配管 ８―１ 室外機側の配管接続口 ８―２ 室内機側の配管接続口 ９ 電子膨張弁（可変抵抗減圧機構） １０ 利用側熱交換器 １１ ガス側接続配管 １１―１ 室外機側の配管接続口 １１―２ 室内機側の配管接続口 １２ 第２の減圧機構 １３ 抵抗可変弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 賢治 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立空調システム内 (72)発明者 竹中 寛 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立空調システム内 (72)発明者 伊藤 将弘 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立空調システム内 (72)発明者 田中 慶治 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立空調システム内 Ｆターム(参考） 3L092 AA02 BA05 BA21 BA23 BA27

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 室外機内に設置された圧縮機、熱源側熱
   交換器及び受液器と、室内機内に設置された抵抗可変減
   圧機構及び利用側熱交換器とを順に配管で接続した冷凍
   サイクル回路において、前記受液器は内部に上部から内
   底近傍まで垂下し下端が開口する２本の導入出管を有
   し、２本のうち一方の導入出管の上端が前記熱源側熱交
   換器側につながり、他方の導入出管の上端が前記抵抗可
   変減圧機構側につながり、前記受液器内で一方の導入出
   管上部に孔を設け、かつ前記受液器上部から、前記熱源
   側熱交換器と前記受液器とを接続する配管途中に形成し
   た接続口に至るバイパスを設け、さらに該バイパスに開
   閉弁を設けたことを特徴とする冷凍サイクル回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍サイクル回路におい
   て、前記バイパスの接続口と前記熱源側熱交換器との間
   に第２の減圧機構を設けたことを特徴とする冷凍サイク
   ル回路。
3. 【請求項３】 請求項１記載の冷凍サイクル回路におい
   て、前記受液器の一方の導入出管と前記パイパスの接続
   口の間に第２の減圧機構を設けたことを特徴とする冷凍
   サイクル回路。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の冷
   凍サイクル回路において、前記バイパスに設けた前記開
   閉弁が抵抗可変弁であることを特徴とする冷凍サイクル
   回路。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の冷
   凍サイクル回路において、前記受液器内で前記他方の導
   入出管の上部に孔を設けたことを特徴とする冷凍サイク
   ル回路。