JPH02213652A - ２段圧縮冷凍サイクルと空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空気調和機等に用いられる冷凍サイクルに関
し、特に２段圧縮冷凍サイクルの改良に関する。

従来の技術 従来、圧縮機を２台直列に接続して冷媒を２段階に圧縮
する２段圧縮冷凍サイクルは、圧縮比が高くなる運転条
件における圧縮効率の向上を目的として採用されている
。

第３図および第４図は従来の２段圧縮冷凍サイクルをそ
れぞれ示すものであり、１は低段側圧縮機、２は高段側
圧縮機、３は凝縮器、４は蒸発器、５は中間冷却器、６
は第１絞り装置、７は第“２絞り装置である。

第３図に示す第１の従来例では、低段側圧縮機１より吐
出された冷媒と、凝縮器３を経て第１絞り装置６を出た
冷媒とは中間冷却器５で直接接触による熱交換を行い、
波調は蒸発器４に導かれ、またガス側は高段側圧縮機２
の吸入側に導かれる。

また、第４図に示す第２の従来例では、低段側圧縮機ｌ
より吐出された冷媒と、凝縮器３を経て第１絞り装置６
を出た冷媒とは中間冷却器５で直接接触による熱交換を
行うとともに、凝縮器３より、中間冷却器５内を貫通し
、第２絞り装置７を介して蒸発器４に液冷媒を導く配管
と熱交換して、ガス化した冷媒は高段側圧縮機２の吸入
側に導かれる。

このように、２段圧縮冷凍サイクルを採用して中間冷却
を行うことにより、低外気温時の暖房や給湯運転時等の
圧縮比が大きくなる運転条件において、高段側圧縮機の
吐出冷媒ガス温度の異常上昇を防止するとともに、冷媒
の圧縮に要する動力を節約することができるものである
。また、このような２段圧縮冷凍サイクルの性能をさら
に向上させるため、高沸点冷媒（Ｒ−ｔ　ｉ、Ｒ−１１
４など）と低沸点冷媒（Ｒ−１２、Ｒ−２２など）を混
合した非共沸混合冷媒を用いる提案もされている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記従来例のように、単に２段圧縮冷凍サ
イクルに非共沸混合冷媒を用いただけでは、高沸点冷媒
かは高温で低沸点冷媒かは低温でもそれぞれの圧力がそ
れほど低くならないため、各冷媒の特長的な性質を活か
すことができず、性能改善の効果が小さいという問題が
あった。

課題を解決するための手段 本発明の２段圧縮冷凍サイクルは、凝縮器と中間冷却器
との間に精留分離器を設けたことを特徴とし、求た好適
には、前記低段側圧縮機の吐出配管と前記精留分離器の
底部とを熱交換可能に配置するとともに、前記精留分離
器底部と前記中間冷却器とを副絞り装置を介して接続し
たものである。

また、本発明の空気調和機は、中間冷却器と熱源側熱交
換器との間の冷媒通路または前記中間冷却器と利用側熱
交換器との間の冷媒通路に位置しその冷媒通路が四方弁
によって切り替えられる精留分離器を設け、低段側圧縮
機の吐出管と前記精留分離器器の底部とを熱源側熱交換
機交換可能に配置するとともに、前記精留分離器底部と
前記中間冷却器とを副絞り装置を介して接続したもので
ある。

作　　　用 請求項１記載の２段圧縮冷凍サイクルは、凝縮器と中間
冷却機との間に設けた精留分離器によって、封入された
非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と低沸点冷媒とに分離し、
高温となる凝縮器側には圧力を低くできる高沸点冷媒を
、低温となる蒸発器側には圧力がそれほど低（ならない
低沸点冷媒をそれぞれ多くすることができるので、２段
圧縮冷凍サイクル全体の圧縮比を小さくシ、高段側およ
び低段側圧縮機での消費動力を低減することができ、成
績係数の向上が図れる。

また、請求項２記載の２段圧縮冷凍サイクルは、上記構
成において、低段側圧縮機の吐出配管と精留分離器の底
部を熱交換可能に配置したことにより、精留分離に必要
な加熱と、低段側圧縮機の吐出冷媒ガスの冷却とを同時
に行うことができ、ざらに精留分離器底部と中間冷却器
を幅絞り装置とを介して接続したことにより、精留分離
器で分離された高沸点冷媒の蒸発潜熱によって中間冷却
を行うことができるなど、省エネルギ、低コスト化が図
れるなど実用上多大な効果を発揮するものである。

さらに、請求項３記載の空気調和機は、暖房運転時には
、凝縮機として作用する利用側熱交換器と中間冷却器と
の間の冷媒通路に位置する精留分離器の作用により、封
入された非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と底沸点冷媒とに
分離し、高温となる利用側熱交換器側には圧力を低くで
きる高沸点冷媒の濃度を高くシ、低温となる熱源側熱交
換器側には圧力°がそれほど低くならない低沸点冷媒の
濃度を高くすることができる。また、冷房運転時には、
凝縮器として作用する熱源側熱交換器と中間冷却器との
間の冷媒通路に位置する精留分離器の作用により、封入
された非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と低沸点冷媒とに分
離し、高温となる熱源側熱交換器側には圧力を低くでき
る高沸点冷媒の濃度を高＜シ、低温となる利用側熱交換
器側には圧力がそれほど低くならない低沸点冷媒の２１
度を高くすることができる。この結果、従来例に比べて
圧縮比を小さくでき、高段側および低段側圧縮機での消
費動力を低減することができ、高い成績係数が維持でき
るなど実用上多大な効果を発揮するものである。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明の一実施例における２段圧縮冷凍サイク
ルを示すものであり、８は高段側圧縮機、９は凝縮器、
１０は中間冷却器、１１は主絞り装置、１２は蒸発器、
１３は低段側圧縮機であり、これらを順次配管接続する
ことにより、２段圧縮冷凍サイクルの主回路を構成して
いる。また、凝縮器９と中間冷却器１０との間には、底
部に加熱器１４を有する精留分離器１５を設け、さらに
、低段側圧縮機１３の吐出配管は、加熱器１４および中
間冷却器１０を介して高段側圧縮機８の吸入側に接続さ
れている。また、精留分離器１４底部と中間冷却器１０
とを副絞り装置１８を介して接続し、精留分離器１５頂
部と主絞り装置１１とを接続する配管１７を中間冷却器
１０内で冷却できるよう構成されている。また、この中
間冷却器１０は高段側圧縮機８の吸入側とも接続されて
いる。

このような２段圧縮冷凍サイクルにおいて、高沸点冷媒
として例えばＲ−１１４、低沸点冷媒冷媒として例えば
Ｒ−２２を混合した非共沸混合冷媒を封入して、運転す
る場合の動作について説明する。

運転開始前は冷凍サイクル内の混合冷媒の組成は、封入
されたままの組成となっており、運転を開始することに
より、高段側圧縮機８より吐出された高温高圧の冷媒ガ
スは、凝縮器９で冷却され、凝縮液化したのち、液冷媒
として精留分離器１５の頂部に導かれる。精留分離器１
５の内部では、底部に設けられた加熱器１４を通過する
低段側圧縮機１３の吐出冷媒ガスにより加熱され、精留
分離器１５底部に存在する冷媒中主に低沸点冷媒が気化
され、精留分離器１５内部を上昇する。このとき凝縮器
９出口からは前記液冷媒が精留分離器１５頂部に適正量
供給され、精留分離器１５内部で十分な気液接触により
精留作用が起こり、上昇する気体は低沸点冷媒の濃度が
高まり、逆に下降する液体は高沸点冷媒の濃度が高まる
ことになる。

そして、上昇した低沸点冷媒に富んだ気体は、精留分離
器１５頂部で凝縮器９で液化された冷媒の一部と混合さ
れ、配管１７に導かれ、中間冷却器１０内で、精留分離
器１６底部より副絞り装置１θで中間圧力まで減圧膨張
した高沸点冷媒の濃度の高い冷媒により冷却され、再び
凝縮液化する。

また、中間冷却器１０内で、配管１７と熱交換して、蒸
発気化した高沸点冷媒の濃度の高い冷媒は、加熱器１４
を出た低段側圧縮機１３の吐出冷媒ガスと混合されて高
段側圧縮機８に吸入される。

さらに、配管１７内の凝縮液化した低沸点冷媒に富んだ
冷媒は、主絞り装置１１により、蒸発圧力まで減圧膨張
し、蒸発器１２に導かれる。ここで、外部の熱源により
蒸発気化したのち、低段側圧縮機１３に吸入され、中間
圧力まで圧縮されて、前述したように精留分離器１５の
底部に設けた加熱器１４に導かれるのである。

このように、本実施例の２段圧縮冷凍サイクルでは、中
間冷却器１０において低段側圧縮機１３の吐出冷媒ガス
の中間冷却を行うことにより、低外気温時の暖房や給湯
運転時等の圧縮比が大きくなる運転条件において、高段
側圧縮機８の吐出冷媒ガス温度の異常上昇を防止するこ
とができるとともに、凝縮器９と中間冷却器１０との間
に設けられた精留分離器１５の作用により、封入された
非共沸混合冷媒を高沸点冷媒と低沸点冷媒とに分離し、
高温となる凝縮器９側には圧力を低くできる高沸点冷媒
を、低温となる蒸発器１２側には圧力がそれほど低くな
らない低沸点冷媒を多くすることができ、そのため２段
圧縮冷凍サイクル全体の圧縮比を小さくでき、高段側お
よび低段側圧縮機８．１３での消費動力を低減すること
ができ、成績係数の向上が図れるものである。

また、　精留分離器１５底部に設けた加熱器１４により
、低段側圧縮機１３の吐出配管と精留分離器１６の底部
を熱交換可能に配置したため、精留分離に必要な加熱と
、低段側圧縮機１３の吐出冷媒ガスの冷却を同時に行な
うことができ、さらに、精留分離器１５底部と中間冷却
器１０を副絞り装置１６を介して接続したため、精留分
離器１５で分離された高沸点冷媒の蒸発潜熱により、中
間冷却を行なうことができるなど、省エネルギ、低コス
ト化が図れるものである。

第２図は、本発明の一実施例における空気調和機を示す
構成図である。

同図において、１８は高段側圧縮機、１９は四方弁、２
０は利用側熱交換器、２１は中間冷却器、２２は主絞り
装置、２３は熱源側熱交換器、２４は低段側圧縮機であ
り、これらを順次配管接続することにより主回路を構成
している。利用側熱交換器２０と中間冷却器２１との間
には、底部に加熱器２５を有する精留分離器２６を設け
、さらに、低段側圧縮機２４の吐出配管は、加熱器２６
および中間冷却器２１を介して高段側圧縮機１８の吸入
側に接続されている。また、精留分離器２６底部と中間
冷却器２１とを副絞り装置２７を介して接続し、精留分
離器２６頂部と主絞り装置２２を接続する配管２８を中
間冷却器２１内で冷却できるよう構成されている。この
中間冷却器２１は高段側圧縮機１８の吸入側とも接続さ
れている。なお、２９および３０は四方弁１９を暖房運
転側（図中の実線で示す）に切り換えた時に冷媒が流通
する逆止弁であり、３１および３２は四方弁１９を冷房
運転側（図中の破線で示す）に切り換えた時に冷媒が流
通する逆止弁である。

このような構成において、高沸点冷媒として例えばＲ−
１１４、低沸点冷媒冷媒として例えばＲ−２２を混合し
た非共沸混合冷媒を封入して、運転する場合の動作につ
いて説明する。

まず、暖房運転を行なう場合には、四方弁１９を図中実
線で示した方向に切り換えることにより、利用側熱交換
器２０が凝縮器として作用し、熱源側熱交換器２３が蒸
発器として作用することになる。従って、高段側圧縮機
１８より吐出された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁１９
を介して凝縮器として作用する利用側熱交換器２０で室
内空気と熱交換して凝縮液化することにより暖房作用を
なしたのち、液冷媒として逆止弁２９を介し精留分離器
２６の頂部に導かれる。精留分離器２６の内部では、底
部に設けられた加熱器２５を通過する低段側圧縮機２４
の吐出冷媒ガスにより加熱され、精留分離器２６底部に
存在する冷媒中主に低沸点冷媒が気化され、精留分離器
２８内部を上昇する。

このとき利用側物受換器２０出口からは前記液冷媒が精
留分離器２６頂部に適正量供給され、精留分離器２６内
部で十分な気液接触により精留作用が起こり、上昇する
気体は低沸点冷媒の濃度が高まり、逆に下降する液体は
高沸点冷媒の濃度が高まることになる。

そして、上昇した低沸点冷媒に富んだ気体は、精留分離
器２６頂部で利用側熱交換器２０で液化された冷媒の一
部と混合され、配管２８に導かれ、中間冷却器２１内で
、精留分離器２６底部より副絞り装置２７で中間圧力ま
で減圧膨張した高沸点冷媒の濃度の高い冷媒により冷却
され、・再び凝縮液化する。また、中間冷却器２１内で
、配管２８と熱交換して、蒸発気化した高沸点冷媒の濃
度の高い冷媒は、加熱器２５を出た低段側圧縮機２４の
吐出冷媒ガスと混合されて高段側圧縮機１８に吸入され
る。

さらに、凝縮液化した低沸点冷媒に富んだ冷媒は、主絞
り装置２２により、蒸発圧力まで減圧膨張したのち、逆
止弁３０を介して、蒸発器として作用する熱源側熱交換
器２３に導かれる。ここで、外気より吸熱して蒸発気化
したのち、四方弁１９を介して低段側圧縮機２４に吸入
され、中間圧力まで圧縮されて、前述したように精留分
離器２６の底部に設けた加熱器２５に導かれるのである
。

このように暖房運転時には、凝縮器として作用する利用
側熱交換器２０と中間冷却器２１との間に設けられた精
留分離器２６の作用により、封入された非共沸混合冷媒
は高沸点冷媒と低沸点冷媒に分離され、高温となる利用
側熱交換器２０側には圧力を低くできる高沸点冷媒の濃
度を高くし、低温となる熱源側熱交換器２３側には圧力
がそれほど低くならない低沸点冷媒の濃度を高くするこ
とができ、蒸発温度が非常に低くなる低外気温時の暖房
や、高温風吹き出しによる暖房時など、従来の空気調和
機では圧縮比が大きくなり成績係数が極端に低下するよ
うな条件においても、本実施例の空気調和機では圧縮比
を小さくでき、高段側および低段側圧縮機での消費動力
を低減することができ、高い成績係数が維持できるもの
である。

次に、冷房運転を行なう場合には、四方弁１９を図中破
線で示した方向に切り換えることにより、利用側熱交換
器２０が蒸発器として作用し、熱源側熱交換器２３が凝
縮器として作用することになる。従って、高段側圧縮機
１８より吐出された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁１９
を介して凝縮器として作用する熱源側熱交換器２３で外
気に放熱して凝縮液化したのち、液冷媒として逆止弁３
１を介し精留分離器２６の頂部に導かれる。精留分離器
２６の内部では、底部に設けられた加熱器２５を通過す
る低段側圧縮機２４の吐出冷媒ガスにより加熱され、精
留分離器２６底部に存在する冷媒中主に低沸点冷媒が気
化され、精留分離器２６内部を上昇する。このとき熱源
側熱交換器２３出口からは前記液冷媒が精留分離器２８
頂部に適正量供給され、精留分離器２６内部で十分な気
液接触により精留作用が起こり、上昇する気体は低沸点
冷媒の濃度が高まり、逆に下降する液体は高沸点冷媒の
濃度が高まることになる。

そして、上昇した低沸点冷媒に富んだ気体は、精留分離
器２６頂部で熱源側熱交換器２３で液化された冷媒の一
部と混合され、配管２８に導かれ、中間冷却器２１内で
、精留分離器２６底部より副絞り装置２７で中間圧力ま
で減圧膨張した高沸点冷媒の濃度の高い冷媒により冷却
され、再び凝縮液化する。また、中間冷却器２１内で、
配管２８と熱交換して、蒸発気化した高沸点冷媒の濃度
の高い冷媒は、加熱器２５を出た低段側圧縮機２４の吐
出冷媒ガスと混合されて高段側圧縮機１８に吸入される
。

さらに、配管２８内の凝縮液化した低沸点冷媒に富んだ
冷媒は、主絞り装置２２により、蒸発圧力まで減圧膨張
したのち、逆止弁３２を介して、蒸発器として作用する
利用側熱交換器２０に導かれる。ここで、室内空気と熱
交換して蒸発気化することにより冷房作用をなしたのち
、四方弁１９を介して低段側圧縮機２４に吸入され、中
間圧力まで圧縮されて、前述したように精留分離器２θ
の底部に設けた加熱器２５に導かれるのである。

このように冷房運転時には、凝縮器として作用する熱源
側熱交換器２３と中間冷却器２１との間の媒体経路内に
位置する精留分離器２６の作用により、封入された非共
沸混合冷媒は高沸点冷媒と低沸点冷媒に分離され、高温
となる熱源側熱交換器２３側には圧力を低くできる高沸
点冷媒の濃度を高＜シ、低温となる利用側熱交換器２０
側には圧力がそれほど低くならない低沸点冷媒の濃度を
高くすることができ、凝縮温度が非常に高くなる高外気
温時の冷房や、蒸発温度が非常に低くなる、低温風吹き
出しによる急速冷房時など、通常の空気調和機では圧縮
比が大きくなり、成績係数が極端に低下するような条件
においても、本実施例の空気調和機では圧縮比を小さく
でき、高段側および低段側圧縮機１８．２４での消費動
力を低減することができ、高い成績係数が維持できるも
のである。

本発明は上記実施例に示すほか、皿々の態様に構成する
ことができる。例えば上記実施例では室内空気を加熱あ
るいは冷却して冷暖房を行なう空気調和機を示したが、
本発明はこれに限らず、水を加熱あるいは冷却する冷温
水機などにも適応できることは明らかである。

発明の効果 以上の説明より明らかなように、請求項１記載の２段圧
縮冷凍サイクルは、低段側圧縮機の吐出冷媒ガスの中間
冷却を行うことができるので、低外気温時の暖房や給湯
運転時等の圧縮比が大きくなる運転条件において、高段
側圧縮機の吐出冷媒ガス温度の異常上昇を防止すること
ができるとともに、高温となる凝縮器側には圧力を低く
できる高沸点冷媒を、低温となる蒸発器側には圧力がそ
れほど低くならない低沸点冷媒をそれぞれ多くすること
ができるので、２段圧縮冷凍サイクル全体の圧縮比を小
さくシ、高段側および低段側圧縮機での消費動力を低減
することができ、成績係数の向上が図れるものである。

また、請求項２記載の２段圧縮冷凍サイクルは、精留分
離に必要な加熱と、低段側圧縮機の吐出冷媒ガスの冷却
とを同時に行なうことができ、さらに、精留分離器で分
離された高沸点冷媒の蒸発潜熱により中間冷却を行なう
ことができるなど、省エネルギ、低コスト化が図れるな
ど実用上多大な効果を発揮するものである。

さらに、請求項３記載の空気調和機は、暖房運転時には
、高温となる利用側熱交換器側には圧力を低くできる高
沸点冷媒の濃度を高くシ、低温となる熱源側熱交換器側
には圧力がそれほど低くならない低沸点冷媒の濃度を高
くすることができるので、蒸発温度が非常に低くなる低
外気温時の暖房や高温風吹き出しによる暖房時など、従
来の空気調和機では圧縮比が大きくなり成績係数が極端
に低下するような条件においても、圧縮比を小さくでき
、高段側および低段側圧縮機での消費動力を低減するこ
とができ、高い成績係数が維持できるものである。また
、冷房運転時には、高温となる熱源側熱交換器側には圧
力を低くできる高沸点冷媒の濃度を高くシ、低温となる
利用側熱交換器側には圧力がそれほど低くならない低沸
点冷媒の濃度を高くすることができるので、凝縮温度が
非常に高くなる高外気温時の冷房や蒸発温度が非常に低
くなる低温風吹き出しによる急速冷房時など、従来の空
気調和機では圧縮比が大きくなり成績係数が極端に低下
するような条件においても、圧縮比を小さくでき、高段
側および低段側圧縮機での消費動力を低減することがで
き、高い成績係数が維持できるなど実用上多大な効果を
発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の２段圧縮冷凍サイクルの構
成図、第２図は本発明の一実施例の空気調和機の構成図
、第３図および第４図は従来例の２段圧縮冷凍サイクル
の構成図である。 ８　、、、、、、高段側圧縮機、θ。３００１．凝縮器
、１０１３０１１、中間冷却器、１１．、、、、、主絞
り装置、１２１０．２０．蒸発器、１３　、、、、、、
低段側圧縮機、１４．。 １１０．加熱器、１５．、、、、、精留分離器、１６゜
００６．。 副絞り装置、１８　、、、、、、高段側圧縮機、１９．
、、。 １．四方弁、２０．、、、、、利用側熱交換器、２１．
、、。 ２．中間冷却器、２２．、、、、、主絞り装置、２３．
、、。 ９．熱源側熱交換器、２４．、、、、、低段側圧縮機、
２５　、、、、、、加熱器、２Ｂ、、、、、、精留分離
器、２７．。 １１８．副絞り装置。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第１図 ８−一一訴菜側瓦維梯 １６−−−ゴＪ＆り最Ｈ１ 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高段側圧縮機、凝縮器、中間冷却器、主絞り装置
   、蒸発器、低段側圧縮機から非共沸混合冷媒が封入され
   る主回路を構成し、前記凝縮器と中間冷却器との間に、
   精留分離器を設けたことを特徴とする２段圧縮冷凍サイ
   クル。
2. （２）低段側圧縮機の吐出配管と精留分離器の底部とを
   熱交換可能に配置するとともに、前記精留分離器底部と
   中間冷却器とを副絞り装置を介して接続したことを特徴
   とする請求項１記載の２段圧縮冷凍サイクル。
3. （３）高段側圧縮機、四方弁、利用側熱交換器、中間冷
   却器、主絞り装置、熱源側熱交換器、低段側圧縮機から
   非共沸混合冷媒が封入される主回路を構成し、前記中間
   冷却器と前記熱源側交換器との間の冷媒通路または前記
   中間冷却器と前記利用側熱交換器との間の冷媒通路に位
   置しその冷媒通路が前記四方弁によって切換えられる精
   留分離器を設け、前記低段側圧縮機の吐出配管と前記精
   留分離器の底部とを熱交換可能に配置するとともに、前
   記精留分離器底部と前記中間冷却器とを副絞り装置を介
   して接続したことを特徴とするヒートポンプ式空気調和
   機。