JP6102811B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸入口より吸入した冷媒を減圧する冷媒減圧手段の役割と吸引口より吸引した冷媒を昇圧して冷媒循環手段の役割を果たすエジェクタと、エジェクタの吸引口とディフューザに接続される複数の熱交換部を備える熱交換器とを有する冷凍サイクル装置に関するものである。

吸入口より吸入した冷媒を減圧する冷媒減圧手段の役割と吸引口より吸引した冷媒を昇圧して冷媒循環手段の役割を果たすエジェクタと、エジェクタの吸引口とディフューザに接続される複数の熱交換部を備える熱交換器とを有する冷凍サイクル装置は、特許文献１などで知られている。特許文献１の冷凍サイクル装置は、冷房運転時および暖房運転時にすべての熱交換器を有効に活用することを目的に、室内熱交換器が二つの熱交換部（第１熱交換部、第２熱交換部）を備え、第１熱交換部はエジェクタの吸引口に接続され、第２熱交換器はエジェクタのディフューザに接続されている。

特許文献１の冷凍サイクル装置において、冷房運転時ではエジェクタは吸入口と吸引口の両方より冷媒が流入し、ディフューザより冷媒が噴出されることで動作している。しかし、暖房運転時ではエジェクタの吸入口は閉じられ、エジェクタのディフューザより冷媒が流入し、吸引口より冷媒が流出するようになっているため、エジェクタとしては機能していない。また、除霜運転時ではエジェクタの吸入口は閉じられ、冷媒がエジェクタの吸引口より流入し、ディフューザより流出するようになっているため、エジェクタとしては機能していない。

特開２００７−１９８６７５号公報

特許文献１に係る冷凍サイクル装置では、除霜運転時は冷房運転時の冷凍サイクルと同じサイクルに切替わるため暖房運転が止まる問題があった。この問題を解決するため、特許文献１の冷凍サイクル装置とは、室外熱交換器と室内熱交換器の使い方を変えて、室外熱交換器が二つの熱交換部（第１熱交換部、第２熱交換部）を備えることで、例えば、室外熱交換器を着霜しにくくすることで、除霜運転に切替わりにくくするために、室外熱交換器の第１熱交換部を放熱器として機能させ、第２熱交換部を蒸発器として機能させることが考えられる。

しかし、この方法では、エジェクタの吸引口に吸引される冷媒が、蒸発器として機能する第２熱交換部で放熱し冷却され、二相状態になる可能性がある。そのため、エジェクタを正常に動作させることができず、暖房運転時の効率を向上させることができないおそれがあった。

そこで、本発明は、暖房運転時に除霜運転に切替わりにくくすると共に、エジェクタを動作させて暖房運転の効率を向上させることを目的とする。

そこで、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、室内熱交換器と、ノズル部と吸引部とディフューザ部を備えるエジェクタと、第１室外熱交換部と第２室外熱交換部と第３室外熱交換部を有する室外熱交換器とを冷媒配管によって環状に順次接続した冷凍サイクル装置であって、暖房運転時に、エジェクタのディフューザ部より流出した冷媒を吸熱させて、圧縮機に流入させる室外熱交換器の第２室外熱交換部と、室内熱交換器より流出し、エジェクタのノズル部に流入する冷媒の一部を分岐させる分岐部と、分岐部で分岐された冷媒を減圧させる第１膨張弁と、第１膨張弁で減圧された冷媒を放熱させる室外熱交換器の第１室外熱交換部と、第１室外熱交換部で放熱された冷媒を減圧させる第２膨張弁と、第２膨張弁で減圧された冷媒を吸熱させて、エジェクタの吸引口に導く室外熱交換器の第３室外熱交換部を備えた。

また、第１膨張弁は、流入した冷媒を高圧から中間圧にまで減圧し、第２膨張弁は、流入した冷媒を中間圧から低圧にまで減圧した。

また、第１室外熱交換部と第２室外熱交換部と第３室外熱交換部に空気を送る送風ファンが設けられ、第１室外熱交換部が、送風ファンに対向し、第２室外熱交換部と第３室外熱交換部よりも風上側に配置される。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、暖房運転時に除霜運転に入りにくくすると共に、エジェクタを動作させて暖房運転の効率を向上させることが出来る。

本発明に係る暖房運転時の冷凍サイクル装置を示す図である。 本発明に係る冷房運転時の冷凍サイクル装置を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１と図２は、本発明に係る本実施形態の冷凍サイクル装置１００を示す図である。なお、本実施形態は、本発明におけるエジェクタ１４０を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクル装置を、二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒とする空気調和装置に適用したものとして説明する。

冷凍サイクル装置１００は、図１に示すように、吐出口１１０ａと吸入口１１０ｂを備えた圧縮機１１０と、四方弁１２０と、室内熱交換器１３０と、ノズル部１４１と吸引部１４２と混合部１４３とディフューザ部１４４を備えるエジェクタ１４０と、第１室外熱交換部１５１と第２室外熱交換部１５２と第３室外熱交換部１５３を備えた室外熱交換器１５０と、第１膨張弁１６１と、第２膨張弁１６２とを有する。

以上の各構成は、以下に記載する冷媒流路によって接続される。
圧縮機１１０の吐出口１１０ａと四方弁１２０は第１冷媒流路２０１で接続される。四方弁１２０と室内熱交換器１３０は第２冷媒流路２０２で接続される。室内熱交換器１３０とエジェクタ１４０のノズル部１４１は第３冷媒流路２０３で接続される。エジェクタ１４０のディフューザ部１４４と室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２は第４冷媒流路２０４で接続される。室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２と四方弁１２０は第５冷媒流路２０５で接続される。四方弁１２０と圧縮機１１０の吸入口１１０ｂは第６冷媒流路２０６で接続される。

第３冷媒流路２０３上に分岐部１７０が設けられ、この分岐部１７０によって室内熱交換器１３０とエジェクタ１４０のノズル部１４１との間に流れる冷媒の一部を分岐させる。
分岐部１７０と第１膨張弁１６１は第７冷媒流路２０７で接続される。第１膨張弁１６１と室外熱交換器１５０の第１室外熱交換部１５１は第８冷媒流路２０８で接続される。室外熱交換器１５０の第１室外熱交換部１５１と第２膨張弁１６２は第９冷媒流路２０９で接続される。第２膨張弁１６２と室外熱交換器１５０の第３室外熱交換部１５３は第１０冷媒流路２１０で接続される。室外熱交換器１５０の第３室外熱交換部１５３とエジェクタ１４０の吸引部１４２は第１１冷媒流路２１１で接続される。第１冷媒流路から第１１冷媒流路までの各々の冷媒流路は冷媒配管が用いられる。

次に、本実施形態の冷凍サイクル装置１００の各構成について説明する。
圧縮機１１０は吸入口１１０ｂから吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の冷媒として吐出口１１０ａから吐出するものである。

四方弁１２０は冷房運転と暖房運転で冷凍サイクル装置１００内を流れる冷媒の向きを切り替えるものである。四方弁１２０は、冷房運転時は図２に示すように圧縮機１１０から吐出される高温高圧の冷媒を室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２へ流入させ、室内熱交換器１３０から流出した冷媒を圧縮機１１０へ流入させる。また、暖房運転時は図１示すように圧縮機１１０から吐出される高温高圧の冷媒を室内熱交換器１３０へ流入させ、室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２から流出した冷媒を圧縮機１１０へ流入させる。

室内熱交換器１３０は図示しない室内機に設けられるもので、室内の空気と冷媒との間で熱交換させるものであり、冷房運転時は蒸発器として機能し、暖房運転時は放熱器として機能する。

室外熱交換器１５０は図示しない室外機に設けられるもので、室外の空気と冷媒との間で熱交換させるものである。この室外熱交換器１５０は第１室外熱交換部１５１と第２室外熱交換部１５２と第３室外熱交換部１５３を備えている。また、室外熱交換器１５０には、室外熱交換器１５０に空気を吹き付ける送風ファン１８０が設けられている。第１室外熱交換部１５１、第２室外熱交換部１５２、第３室外熱交換部１５３は送風ファン１８０に対して対向し、第１室外熱交換部１５１は、第２室外熱交換部１５２と第３室外熱交換部１５３より風上側に配置される。低外気温時の暖房運転では、第２室外熱交換部１５２は第３室外熱交換部１５３よりも高温になるため、第２室外熱交換部１５２は第３室外熱交換部１５３よりも風上側に配置される。なお、本発明はこれに限定したものでなく、第２室外熱交換部１５２は第３室外熱交換部１５３の下方に配置されても良い。

エジェクタ１４０は、ノズル部１４１と、ノズル部１４１の入口１４１ａと、ノズル部１４１の出口部１４１ｂと、吸引部１４２と、混合部１４３と、ディフューザ部１４４と、ディフューザ部１４４の出口１４４ａとから構成される。なお、ノズル部１４１の出口部１４１ｂは開度を調整できる構造となっており、この出口部１４１ｂの開度をゼロにすることでノズル部１４１を全閉状態にできる。

暖房運転時ではエジェクタ１４０はエジェクタとして機能しており、室内熱交換器１３０より流出した気冷媒は第３冷媒流路２０３を経由してノズル部１４１の入口１４１ａから吸入される。また、室外熱交換器１５０の第３室外熱交換部１５３より流出した冷媒は第１１冷媒流路２１１を経由して吸引部１４２から吸引される。ノズル部１４１から吸入された冷媒と吸引部１４２から吸引された冷媒とが混合部１４３で混合される。混合された冷媒はディフューザ部１４４で冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力が昇圧される。

冷房運転時ではエジェクタのノズル部１４１の出口１４１ｂが閉じられるため、エジェクタ１４０は冷媒配管として機能する。室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２より流出した気冷媒は第４冷媒流路２０４を経由してディフューザ部１４４の出口１４４ａから吸入される。ノズル部１４１に吸入された冷媒は混合部１４３を経由して吸引部１４２より流出する。

次に、上記構成のエジェクタ１４０を用いた冷凍サイクル装置１００の動作について説明する。
（暖房運転）
まず初めに、冷凍サイクル装置１００が通常の暖房運転をしている場合について図１を基に説明する。この場合、第１膨張弁１６１では冷媒が高圧から低圧に減圧するよう所定の開度に絞られ、第２膨張弁１６２は全開になっている。なお、点線の矢印は冷媒の流れを示している。

圧縮機１１０が起動すると、圧縮機１１０は吸入口１１０ｂから気相冷媒を吸入し、圧縮した後に吐出口１１０ａより吐出する。圧縮機１１０から吐出された冷媒は第１冷媒流路２０１、四方弁１２０、第２冷媒流路２０２を経由して放熱器として機能する室内熱交換器１３０に流入する。室内熱交換器１３０に流入した冷媒は室内空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第３冷媒流路２０３を経由して分岐部１７０で、エジェクタ１４０のノズル部１４１の入口１４１ａに流入される流入冷媒と、室外熱交換器１５０の第１室外熱交換部１５１と第３室外熱交換部１５３を経由して吸引部１４２より吸引される吸引冷媒とに分岐される。

吸引冷媒は、分岐部１７０で分岐された後、第７冷媒流路２０７を経由して所定の開度に調整された第１膨張弁１６１で高圧から低圧にまで減圧される。減圧された冷媒は第８冷媒流路２０８を経由して室外熱交換器１５０の蒸発器として機能する第１室外熱交換部１５１に流入し、室外空気と熱交換して吸熱する。吸熱した冷媒は第９冷媒流路２０９を経由して第２膨張弁１６２を通過した後、第１０冷媒流路２１０を経由して室外熱交換器１５０の蒸発器として機能する第３室外熱交換部１５３に流入し、再度室外空気と熱交換して吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は第１１冷媒流路２１１を経由してエジェクタ１４０の吸引部１４２から吸引される。

一方、ノズル部１４１の入口１４１ａに流入する流入冷媒は、ノズル部１４１により減圧膨張して吸引部１４２から室外熱交換器１５０の第３室外熱交換部１５３で蒸発した冷媒を吸引する。

そして、吸引部１４２から吸引された吸引冷媒と、ノズル部１４１の出口１４１ｂから吹き出される流入冷媒とを混合部１４３で混合しながらディフューザ部１４４でその動圧が静圧に変換されて室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２に吐出される。このとき、混合部１４３においては、流入冷媒の運動量と吸引冷媒の運動量との和が保存されるように流入冷媒と吸引冷媒とが混合されるので、混合部１４３においても冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部１４４で、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するので、冷媒の圧力はさらに昇圧される。

室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２に流入した冷媒は室外空気と熱交換して吸熱する。吸熱した冷媒は第５冷媒流路２０５、四方弁１２０、第６冷媒流路２０６を経由して圧縮機１１０の吸入口１１０ｂより吸入される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

（低外気温時の暖房運転）
次に、室外熱交換器１５０に霜が付きやすい条件、例えば、図示しない外気温センサにより検出される外気温度が所定の温度以下になった時に冷凍サイクル装置１００が暖房運転をしている場合について図１を基に説明する。この場合、第１膨張弁１６１では冷媒が高圧から中間圧に減圧するよう所定の開度に絞られ、第２膨張弁１６２では中間圧から低圧に減圧するよう所定の開度に絞られている。なお、点線の矢印は冷媒の流れを示している。

圧縮機１１０が起動すると、圧縮機１１０は吸入口１１０ｂから気相冷媒を吸入し、圧縮した後に吐出口１１０ａより吐出する。圧縮機１１０から吐出された冷媒は第１冷媒流路２０１、四方弁１２０、第２冷媒流路２０２を経由して放熱器として機能する室内熱交換器１３０に流入する。室内熱交換器１３０に流入した冷媒は室内空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第３冷媒流路２０３を経由して分岐部１７０で、エジェクタ１４０のノズル部１４１の入口１４１ａに流入される流入冷媒と、室外熱交換器１５０の第１室外熱交換部１５１と第３室外熱交換部１５３を経由して吸引部１４２より吸引される吸引冷媒とに分岐される。

吸引冷媒は、分岐部１７０で分岐された後、第７冷媒流路２０７を経由して所定の開度に調整された第１膨張弁１６１で高圧から中間圧にまで減圧される。減圧された冷媒は第８冷媒流路２０８を経由して放熱器として機能する室外熱交換器１５０の第１室外熱交換部１５１に流入し、室外空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第９冷媒流路２０９を経由して所定の開度に調整された第２膨張弁１６２で中間圧から低圧にまで減圧される。減圧された冷媒は第１０冷媒流路２１０を経由して室外熱交換器１５０の蒸発器として機能する第３室外熱交換部１５３に流入し、室外空気と熱交換して吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は第１１冷媒流路２１１を経由してエジェクタ１４０の吸引部１４２から吸引される。この第１室外熱交換部１５１で放熱された熱によって、第２室外熱交換部１５２と第３室外熱交換部１５３が加熱され、霜が付きにくくなる。

一方、ノズル部１４１の入口１４１ａに流入する流入冷媒は、ノズル部１４１により減圧膨張して吸引部１４２から室外熱交換器１５０の第３室外熱交換部１５３で蒸発した冷媒を吸引する。

そして、吸引部１４２から吸引された吸引冷媒と、ノズル部１４１の出口１４１ｂから吹き出される流入冷媒とを混合部１４３で混合しながらディフューザ部１４４でその動圧が静圧に変換されて室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２に吐出される。このとき、混合部１４３においては、流入冷媒の運動量と吸引冷媒の運動量との和が保存されるように流入冷媒と吸引冷媒とが混合されるので、混合部１４３においても冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部１４４で、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するので、冷媒の圧力はさらに昇圧される。

室外熱交換器１５０の第２室外熱交換部１５２に流入した冷媒は室外空気と熱交換して吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は第５冷媒流路２０５、四方弁１２０、第６冷媒流路２０６を経由して圧縮機１１０の吸入口１１０ｂより吸引される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

（冷房運転）
次に、冷凍サイクル装置１００が冷房運転をしている場合について図２を基に説明する。この場合、エジェクタ１４０のノズル部１４１の出口１４１ｂが閉じられ、第１膨張弁１６１では冷媒が高圧から低圧に減圧するよう所定の開度に絞られ、第２膨張弁１６２は全開になっている。なお、点線の矢印は冷媒の流れを示している。

圧縮機１１０が起動すると、圧縮機１１０は吸入口１１０ｂから気相冷媒を吸入し、圧縮した後に吐出口１１０ａより吐出する。圧縮機１１０から吐出された冷媒は第１冷媒流路２０１、四方弁１２０、第５冷媒流路２０５を経由して室外熱交換器１５０の放熱器として機能する第２室外熱交換部１５２に流入する。第２室外熱交換部１５２に流入した冷媒は室外空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第４冷媒流路２０４を経由して冷媒配管として機能するエジェクタ１４０のディフューザ部１４４の出口１４４ａより流入され、ディフューザ部１４４と混合部１４３を経由して、吸引部１４２より流出する。

吸引部１４２より流出した冷媒は第１１冷媒流路２１１を経由して室外熱交換器１５０の放熱器として機能する第３室外熱交換部１５３に流入する。第３室外熱交換部１５３に流入した冷媒は室外空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第１０冷媒流路２１０を経由して第２膨張弁１６２を通過した後、第９冷媒流路２０９を経由して放熱器として機能する第１室外熱交換部１５１に流入する。第１室外熱交換部１５１に流入した冷媒は室外空気と熱交換して放熱する。放熱した冷媒は第８冷媒流路２０８を経由して所定の開度に調整された第１膨張弁１６１で高圧から低圧にまで減圧される。減圧された冷媒は第７冷媒流路２０７を経由して、分岐部１７０で第３冷媒流路２０３に流入し、蒸発器として機能する室内熱交換器１３０に流入する。

室内熱交換器１３０に流入した冷媒は室内空気と熱交換して吸熱し蒸発する。蒸発した冷媒は第２冷媒流路２０２、四方弁１２０、第６冷媒流路２０６を経由して圧縮機１１０の吸入口１１０ｂより吸引される。冷媒は以上のように説明した各構成を循環する。

以上より、本発明の冷凍サイクル装置１００は、室外熱交換器１５０が着霜し易い低外気温時に、室外熱交換器１５０の一部である第１室外熱交換部１５１を放熱器として機能させて、蒸発器として機能する他の熱交換部（第２室外熱交換部１５２と第３室外熱交換部１５３）の着霜を抑えることが出来る。これにより、除霜運転に切替わりにくくなる。

１００ 冷凍サイクル装置
１１０ 圧縮機
１２０ 四方弁
１３０ 室内熱交換器
１４０ エジェクタ
１５０ 室外熱交換器
１６１ 第１膨張弁
１６２ 第２膨張弁
１７０ 分岐部
１８０ 送風ファン

Claims (3)

1. 圧縮機と、室内熱交換器と、ノズル部と吸引部とディフューザ部を備えるエジェクタと、第１室外熱交換部と第２室外熱交換部と第３室外熱交換部を有する室外熱交換器とを冷媒配管によって環状に接続した冷凍サイクル装置であって、
   暖房運転時に、
   前記エジェクタの前記ディフューザ部より流出した冷媒を吸熱させて、前記圧縮機に流入させる前記室外熱交換器の前記第２室外熱交換部と、
   前記室内熱交換器より流出し、前記エジェクタの前記ノズル部に流入する冷媒の一部を分岐させる分岐部と、
   前記分岐部で分岐された冷媒を減圧させる第１膨張弁と、
   前記第１膨張弁で減圧された冷媒を放熱させる前記室外熱交換器の前記第１室外熱交換部と、
   前記第１室外熱交換部で放熱された冷媒を減圧させる第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁で減圧された冷媒を吸熱させて、前記エジェクタの前記吸引口に導く前記室外熱交換器の前記第３室外熱交換部を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置であって、
   前記第１膨張弁は、流入した冷媒を高圧から中間圧にまで減圧し、
   前記第２膨張弁は、流入した冷媒を中間圧から低圧にまで減圧したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置であって、
   第１室外熱交換部と前記第２室外熱交換部と前記第３室外熱交換部に空気を送る送風ファンが設けられ、
   前記第１室外熱交換部が、前記送風ファンに対向し、前記第２室外熱交換部と前記第３室外熱交換部よりも風上側に配置されることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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