冷凍サイクル装置
【課題】低外気温時の蒸発器の除霜と給湯能力の維持・向上を両立させる冷凍システムを提供する。
【解決手段】 圧縮機１と、第１の放熱器２と、第２の放熱器７と、蒸発器５と、エジェクタ３と、気液分離器４と、ボルテックスチューブ６とを備えるエジェクタを用いた冷凍サイクル装置であって、第１の放熱器２とエジェクタ３の入口を接続する第２の流路２０から分岐しボルテックスチューブ６の導入口に接続する第１のバイパス路Ａと、ボルテックスチューブ６の高温側出口と第２の放熱器７を通過してエジェクタ３の入口とを接続する第２のバイパス路Ｂと、第２のバイパス路Ｂから第２の放熱器７の上流側で分岐し、蒸発器５を通過してエジェクタ３の入口に接続する第３のバイパス路Ｃと、ボルテックスチューブ６の低温側出口と気液分離器４とを接続する第４のバイパス路Ｄと、を備えるエジェクタを用いた冷凍サイクル装置。
【解決手段】 圧縮機１と、第１の放熱器２と、第２の放熱器７と、蒸発器５と、エジェクタ３と、気液分離器４と、ボルテックスチューブ６とを備えるエジェクタを用いた冷凍サイクル装置であって、第１の放熱器２とエジェクタ３の入口を接続する第２の流路２０から分岐しボルテックスチューブ６の導入口に接続する第１のバイパス路Ａと、ボルテックスチューブ６の高温側出口と第２の放熱器７を通過してエジェクタ３の入口とを接続する第２のバイパス路Ｂと、第２のバイパス路Ｂから第２の放熱器７の上流側で分岐し、蒸発器５を通過してエジェクタ３の入口に接続する第３のバイパス路Ｃと、ボルテックスチューブ６の低温側出口と気液分離器４とを接続する第４のバイパス路Ｄと、を備えるエジェクタを用いた冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置、特にエジェクタを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置としては、冷媒が圧縮機→放熱器→膨張弁→蒸発器→圧縮機の順に循環するものが広く知られていた。しかし、この膨張弁を用いた冷凍サイクル装置では、膨張弁で冷媒の圧力を減少させるときに一部の運動エネルギが渦となって失われるという欠点を有していた。これに対し、膨張弁をエジェクタと呼ばれる噴射装置に置き換えることで渦の発生をおさえ、損失していた運動エネルギの一部を圧力エネルギに変換して圧縮機の仕事を助ける冷凍サイクル装置が開発された。
【０００３】
しかし、このエジェクタを用いた冷凍サイクル装置では、圧縮機→放熱器→エジェクタ→気液分離器→圧縮機の順に循環する冷媒回路と、気液分離器→蒸発器→エジェクタ→気液分離器の順に循環する冷媒回路とが存在するため、冷凍効率を高めることはできるものの、膨張弁サイクルにおいては可能であった、温度の高い冷媒を蒸発器に流入させることにより蒸発器に付いた霜を取り除く除霜運転ができないという問題を有していた。これは、エジェクタを用いた冷凍サイクル装置では、放熱器を流れる温度の高い冷媒と蒸発器を流れる冷媒とが別の流れであり、駆動するための流れを蒸発器に供給することができないことによる。
【０００４】
この対策として、例えば、特開２００３−０８３６２２号公報（特許文献１）に開示された「エジェクタサイクル（登録商標）」がある。この発明は、図６に示すように、圧縮機１００の直後にバルブ付のホットガス通路７００（バイパス路）を設け、蒸発器３００の除霜が必要な際、そのホットガス通路７００を経由して、圧縮機１００から吐出される高温高圧の冷媒を蒸発器３００に送り、蒸発器３００の除霜を行うというものである。
【０００５】
他方、膨張弁やエジェクタを用いない冷凍サイクル装置として、特開２００５−１２７６２４号公報（特許文献２）に開示された「冷凍サイクル装置」がある。この発明は、図７に示すように、通常の蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置の膨張弁部分に、ボルテックスチューブ３を用いた冷凍サイクル装置であり、ボルテックスチューブ３によって高温冷媒と低温冷媒に分離されたうちの高温冷媒を有効利用した発明である。高温冷媒は分離後に放熱器２の入口付近に戻され、給湯能力を大きくすることで、冷凍サイクル装置の効率向上と圧縮機１の動力の低減に効果的に作用するというものである。なお、従来技術の説明で利用している符号は以下に示す特許文献の符号をそのまま利用しているため、本願発明の構成要素で利用している符号とは異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０８３６２２号公報
【特許文献２】特開２００５−１２７６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係る発明では除霜時にホットガス通路７００を経由して圧縮機１００から吐出された高温高圧冷媒の一部を蒸発器３００側に送ることから、放熱器２００への冷媒量が減ってしまい、除霜時の給湯能力の維持が難しいという問題があった。また、特許文献２に係る発明では低外気温時に除霜する機能が備えられていないことから、低外気温時の冷凍サイクル装置の効率低下が懸念されるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、低外気温時の蒸発器の除霜と給湯能力の維持・向上を両立させる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係るエジェクタを用いた冷凍サイクル装置は、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、冷媒を放熱させる第１の放熱器と、冷媒を放熱させる第２の放熱器と、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を吸入する入口と、冷媒を吸引する吸入口と、冷媒を吐出する出口とを有するエジェクタと、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、冷媒を導入する導入口と、高温冷媒を吐出する高温側出口と、低温冷媒を吐出する低温側出口とを有するボルテックスチューブと、前記圧縮機と前記第１の放熱器とを接続する第１の流路と、前記第１の放熱器と前記エジェクタの入口とを接続する第２の流路と、前記エジェクタの出口と前記気液分離器とを接続する第３の流路と、前記気液分離器と前記蒸発器とを接続する第４の流路と、前記蒸発器と前記エジェクタの吸入口とを接続する第５の流路と、前記気液分離器と前記圧縮機とを接続する第６の流路と、前記第２の流路から分岐し、前記ボルテックスチューブの導入口に接続される第１のバイパス路と、前記ボルテックスチューブの高温側出口と前記第２の放熱器を通過して前記エジェクタの入口とを接続される第２のバイパス路と、前記第２のバイパス路から前記第２の放熱器の上流側で分岐し、前記蒸発器を通過して前記エジェクタの入口に接続される第３のバイパス路と、前記ボルテックスチューブの低温側出口と前記気液分離器とを接続される第４のバイパス路と、を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置を提供する。
【００１０】
（２）上記（１）に加え、前記第２の流路上であって前記第１のバイパス路の分岐点よりも前記エジェクタ側に設けられた第１の弁を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【００１１】
（３）上記（２）に加え、前記第１のバイパス路上に設けられた第２の弁と、前記第３のバイパス路上であって前記蒸発器の上流側に設けられた第３の弁と、前記第２のバイパス路上であって前記第２の放熱器の上流側にある前記第３のバイパス路との分岐点の下流側に設けられた第４の弁とを備える冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、低外気温時の蒸発器の除霜と給湯能力の維持・向上を両立させることができる。より具体的には、給湯能力を維持したまま除霜運転を行うこと、給湯能力を向上させたい時に給湯能力を向上させること、エジェクタを用いてエネルギ回収を行うこと、ボルテックスチューブを用いて給湯能力を大きくすることが、可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態に用いるエジェクタの一例を示す図である。
【図３】本発明に係る実施形態に用いるボルテックスチューブの一例を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態におけるモリエル線図である。
【図５】本発明に係る実施形態におけるボルテックスチューブ内の圧力変動を示す図である。
【図６】従来の技術の一例を示す図である。
【図７】従来の技術の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明に係る実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。図１において、各要素を接続する実線は冷媒の回路を示している。実線の太線はエジェクタサイクルの主たる冷媒回路であり、実線の細線は本発明におけるバイパス路である。また、点線は水および湯が流れる水の回路を示している。なお、実線および点線に付された矢印は冷媒が流れる方向をそれぞれ示している。同図において、本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と第１の放熱器２とを接続する第１の流路１０と、第１の放熱器２とエジェクタ３の入口３ａとを接続する第２の流路２０と、エジェクタ３の出口３ｃと気液分離器４とを接続する第３の流路３０と、気液分離器４と蒸発器５とを接続する第４の流路４０と、蒸発器５とエジェクタ３の吸入口３ｂとを接続する第５の流路５０と、気液分離器４と圧縮機１とを接続する第６の流路６０と、第２の流路２０から分岐し（分岐点Ａ１）、ボルテックスチューブ６の導入口６ａに接続する第１のバイパス路Ａと、ボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂと第２の放熱器７を通過して、第２の流路２０との合流点を経由し（合流点Ｂ１）、エジェクタ３の入口３ａとを接続する第２のバイパス路Ｂと、第２のバイパス路Ｂから第２の放熱器７の上流側で分岐し（分岐点Ｃ１）、蒸発器５を通過して、第２のバイパス路Ｂとの合流点を経由し（合流点Ｃ２）、エジェクタ３の入口３ａに接続する第３のバイパス路Ｃと、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃと気液分離器４とを接続する第４のバイパス路Ｄとから構成されている。なお、エジェクタ３及びボルテックスチューブ６の構成については、それぞれ図２及び図３に示すとおりであり、詳しくは後述する。
【００１６】
第１の流路１０、第２の流路２０、第３の流路３０及び第６の流路６０を含む主冷媒回路では、圧縮機１において冷媒を吸入して圧縮し、第１の放熱器２において給湯タンクから導かれた水と圧縮された冷媒を熱交換させて温水を生成し、エジェクタ３において冷媒を減圧膨張させるとともに蒸発器５で蒸発した気相冷媒を吸引した後、冷媒の圧力を昇圧し、エネルギの一部を回収し、気液分離器４においてエジェクタ３から導かれた冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離し、そして、気相冷媒が圧縮機１に吸入されることにより冷媒が一巡する。
【００１７】
次に、エジェクタ３及び気液分離器４について説明する。エジェクタ３は、図２に示すように、ノズル３１、ノズル３１から噴射された高速流の冷媒とそれにより蒸発器５から吸引された気相冷媒を混合する混合部３２、及びディフューザ３３から構成されている。ノズル３１の入口３ａから流入した高圧の冷媒はノズル３１によって混合部３２に噴射されるとともに減圧され、その噴射によって生じる負圧を利用して吸引口３ｂから吸引された蒸発器５で蒸発した気相冷媒と混合される。混合された冷媒は混合部３２からディフューザ３３にかけて流速が低下し圧力が上昇する。ディフューザ３３の出口３ｃは気液分離器４に接続されており、冷媒は気液分離器４において気体と液体に分離される。分離された液相冷媒は蒸発器５に導かれ、気相冷媒は圧縮機１に吸引される。
【００１８】
以上の過程にて、エジェクタ３は膨張弁とは異なり、ほぼ等エントロピー膨張させることができる。具体的には、膨張弁では渦発生により損失していたエネルギの一部を冷媒の運動エネルギとして回収するとともに、回収した運動エネルギを混合部３２及びディフューザ３３で圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧することで、圧縮機１の吸入圧力を増加させその効率を向上させる。また、蒸発器５の入口５ａにおける冷媒の状態は液体となるため、蒸発器５内の圧力損失低減及び熱伝達率増加などの効果により、その性能も向上できる。
【００１９】
第４の流路４０及び第５の流路５０を含む副冷媒回路では、気液分離器４において分離された液相冷媒を蒸発器５において大気と熱交換させて蒸発させ、エジェクタ３においてその蒸発した冷媒を吸引し、そして、吸引された冷媒が主冷媒回路の第１の放熱器２を経由してエジェクタ３のノズル３１で減圧膨張した冷媒と混合部３２で混合し、ディフューザ３３で昇圧され、気液分離器４に戻ることにより冷媒は一巡する。
【００２０】
第１のバイパス路Ａは、第１の放熱器２を通過した冷媒をエジェクタ３に流入する前に第２の流路２０から分岐（分岐点Ａ１）させ、ボルテックスチューブ６に導入する。第１のバイパス路Ａからボルテックスチューブ６に導入した冷媒を高温冷媒と低温冷媒とに分離し、そのうちの高温冷媒は高温側出口６ｂから吐出して第２のバイパス路Ｂに入る。その高温冷媒は第２の放熱器７においてタンクから導かれた水と熱交換させて温水を生成し、そして、第２の放熱器７を通過した冷媒は、第１の放熱器２から第２の流路２０を経由して直接導かれた冷媒と合流（合流点Ｂ１）してエジェクタ３に送り込まれる。
【００２１】
第３のバイパス路Ｃでは、ボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂから吐出し第２の放熱器７に流入する前に分岐（分岐点Ｃ１）させた高温冷媒を蒸発器５の空気吸込み側の前面に導き、除霜を行い、そして、蒸発器５の除霜を行った冷媒は、第１の放熱器２及び第２の放熱器７から導かれた冷媒と合流（合流点Ｃ２）してエジェクタ３に送り込まれる。
【００２２】
第４のバイパス路Ｄでは、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃから吐出した低温冷媒が気液分離器４に導かれる。本実施形態では、直接、気液分離器４に合流しているが、本発明はこれに限定したものではなく、ボルテックスチューブ６から吐出した低温冷媒が気液分離器４に流入出来れば良い。例えば、ボルテックスチューブ６から吐出した低温冷媒が、エジェクタ３のディフューザ３３の出口３ｃから噴出した冷媒と合流してから気液分離器４に流入しても良い。
【００２３】
第１のバイパス路Ａ、第２のバイパス路Ｂ及び第４のバイパス路Ｄの分岐点に位置するボルテックスチューブ６について、図３ないし５を参照して、説明する。図３に示すように、ボルテックスチューブ６は、ノズル６１、うず室６２、制御バルブ６３及びディフューザ６４から主に構成されている。ノズル６１の入口６ａからうず室６２内に接線方向に流入した冷媒は高速の渦流となり、管内壁面を旋回しつつ図中の右から左へと流れた後、制御バルブ６３によって開度が調整されている高温側出口６ｂから高温となってその一部が流出する。他方、制御バルブ６３で流れ方向を反転した残りの冷媒はうず室６２の中心部を渦流として図中の左から右へと流れた後、ディフューザ６４の低温側出口６ｃから低温となって流出する。これは、管内壁面を流れる冷媒の渦流が自由渦であるのに対し、うず室６２の中心部を流れる冷媒の渦流はその自由渦によって強制的に発生させられた強制渦であることから、運動エネルギの低下が生じ、その差分が熱として後者から前者に移転することにより、温度分離が実現されることによる。
【００２４】
図４は、本発明に係る実施形態、すなわち、エジェクタサイクルにボルテックスチューブを組み込み、第１の弁８１と第３の弁８３を閉じ、第２の弁８２と第４の弁８４を開けた時のモリエル線図である。ここで、図４は圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が主冷媒回路のうち第１の放熱器２から直接エジェクタ３に流入する第２の流路２０を経由せず、第１のバイパス路Ａから第２のバイパス路Ｂにかけてボルテックスチューブ６及び第２の放熱器７を経由してエジェクタ３に流入する場合（後述する運転のうち、給湯能力を大きくするための運転に対応）を示している。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒Ｒ１ａは第１の放熱器２により流体（例えば水）と熱交換して低温高圧の冷媒Ｒ２ａとなる。そのあと低温高圧冷媒Ｒ２ａはボルテックスチューブ６のノズル入口６ａに流入しボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂから吐出された高温高圧冷媒Ｒ１ｂは、第２の放熱器７で流体（例えば水）と熱交換することにより低温高圧の冷媒Ｒ２ｂとなる。この低温高圧の冷媒Ｒ２ｂは、エジェクタ３のノズル３１で減圧されることによって気液二相状態の冷媒Ｒ３となり、この気液二相冷媒はノズル３１の入口３ａより流入して混合部３２へ噴出し、その噴出した冷媒と、吸引口３ｂより吸引された蒸発器５で蒸発した気相冷媒Ｒ７と混合して冷媒Ｒ４となる。その冷媒Ｒ４はディフューザ３３で昇圧され、ディフューザ３３の出口３ｃより流出した冷媒は、気液分離器４、すなわち、冷媒Ｒ５が気相冷媒Ｒ８と液相冷媒Ｒ６とに分離される。また、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃから吐出された低温冷媒がディフューザ３３の出口３ｃより噴出した冷媒と合流し、図１の実施形態では気液分離器４で合流して状態Ｒ５となっている。分離された液相冷媒Ｒ６は蒸発器５に供給され、蒸発器５で例えば大気と熱交換して蒸発した気相冷媒Ｒ７は、再びエジェクタ３の吸引口３ｂに吸引されること（Ｒ４の状態）となる。また、気液分離器４で分離された気相冷媒は状態Ｒ８では再び圧縮機１に吸入される。
【００２５】
図５は、本発明に係る実施形態におけるボルテックスチューブ６内の各部分、すなわちノズル６１の部分、うず室６２の部分及びディフューザ６４の部分について、高温冷媒と低温冷媒の圧力変動を示している。ノズル６１の入口６ａから流入した高圧の冷媒は圧力を下げ、ノズル６１部分を通過した後、うず室６２の壁面に渦流として旋回する高温冷媒については、ノズル６１側に位置するうず室６２の入口から高温側出口６ｂに向かって圧力が上昇し、ノズル６１の入口６ａに流入した際のレベルにほぼ回復する。他方、その一部の冷媒がうず室６２の左端に位置する制御バルブ６３によって反転しうず室６２の中心部を逆流してなる低温冷媒については、制御バルブ６３からノズル６１側に向かって圧力が低下し、ディフューザ６４部分においてその一部が回復する。
【００２６】
上記した各バイパス路又は流路には、冷凍サイクル装置に所望の運転をさせることができるよう、冷媒の流れを制御するための幾つかの弁が設けられている。すなわち、第２の流路２０上であって第１のバイパス路Ａの分岐点Ａ１よりもエジェクタ３側に設けられた第１の弁８１と、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２と、第３のバイパス路Ｃ上であって蒸発器５の上流側に設けられた第３の弁８３と、第２のバイパス路Ｂ上であって第２の放熱器７の下流側に設けられた第４の弁８４とがある。これらの弁は、その開閉及び開度調整が可能なものであれば特に制限はないが、例えば比例電磁弁を用いると好適である。なお、本実施例では第４の弁８４は放熱器７の下流側に設けられているが、本発明はこれに限定したものでなく、放熱器７と分岐点Ｃ１の間に設けても良く、第２のバイパス路Ｂを冷媒が流れないように設けられていれば良い。
【００２７】
蒸発器５には、副冷媒回路上であって蒸発した冷媒の出口側に、圧力センサ５１及び温度センサ５２が備えられている。これは、蒸発器５の除霜運転を選択する際の判断材料となるデータを検出するためのものである。
【００２８】
図１には、以上述べた冷凍サイクル装置から熱の供給を受けて湯水を生成する給湯回路を破線で示している。すなわち、給湯タンクから流体（例えば水）が第１の放熱器２及び第２の放熱器７のうち少なくとも１つに供給され、冷媒との熱交換によって温められた流体（湯）が給湯タンクに戻る回路である。給湯タンクから導かれた流体（水）は、第５の弁８５及び第６の弁８６によって、第１の放熱器２及び／又は第２の放熱器７への流入が制御される。
【００２９】
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置は、蒸発器５に設けられた圧力センサ５１及び温度センサ５２、並びに、給湯タンクに設けられた水位別の複数の温度センサから圧力及び温度を検出し、冷媒の流れを制御する第１から第４の弁８１、８２、８３、８４、並びに、流体（例えば水）の流れを制御する第５及び第６の弁８５、８６の開閉及び開度を制御する制御手段（図示せず）を備えている。この制御手段は、圧縮機１の回転数による容量制御等を行う制御装置に組み込まれるものであり、後述するように、冷媒及び流体の流れを制御して、冷凍サイクル装置を通常運転、通常運転と除霜運転の併用運転、給湯能力を大きくするための運転、及び、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転の併用運転に分けて運転できるように設けられている。
【００３０】
次に、上記構成を備えた冷凍サイクル装置の基本動作について、図１及び表１を参照して説明する。表１は、動作（運転）ごとにおける各弁の開閉及び開度を示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
まず、通常運転を行う際の動作を説明する。表１に示すように、通常運転においては、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられている第１の弁８１のみが開放され、第１のバイパス路Ａ上に設けられている第２の弁８２、第３のバイパス路Ｃ上に設けられている第３の弁８３及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられている第４の弁８４は閉鎖されている。これにより、第１の圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量が第１の弁８１を通過してエジェクタ３に送られ、そこで減圧膨張した冷媒は気液分離器４に送られて気液分離される。その後、気相冷媒は圧縮機１の吸込み口に送られるが、液相冷媒は蒸発器５で大気と熱交換して蒸発し、次に吸引効果によってエジェクタ３に吸引されて、再び気液分離器４に送られることとなる。なお、このとき機能させる放熱器は第１の放熱器２のみであるため、水回路は弁８５を開放し、弁８６を閉鎖している。
【００３３】
次に、通常運転と除霜運転を行う際の動作を説明する。表１に示すように、通常運転と除霜運転を同時に行う場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられている第１の弁８１とともに、第１のバイパス路Ａ上に設けられている第２の弁８２及び第３のバイパス路Ｃ上に設けられている第３の弁８３を開放する。そして、第２のバイパス路Ｂ上の第４の弁８４は閉鎖する。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その一部が第２の弁８２を通過後ボルテックスチューブ６に送られ、高温冷媒と低温冷媒に分離された後、高温冷媒は第３の弁８３を通過し、蒸発器５に送られ、蒸発器５に付着した霜を除去する。その後、第１の弁８１を通過してきた残りの冷媒と合流して、エジェクタ３に送られる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。また、ボルテックスチューブ６により分離された低温冷媒は、エジェクタ３を通過することなく第３のバイパス路Ｃを経て気液分離器４に送られる。なお、第１の弁８１及び第２の弁８２の制御により主冷媒回路とバイパス路Ａの冷媒の分配比を調整する。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。ここで、除霜運転は、蒸発器５の出口側に設置された温度センサ５２と圧力センサ５１から蒸発器５の状態を把握し、除霜が必要な際に実行されることとなる。ここでも、このとき機能させる放熱器は第１の放熱器２のみであるため、水回路は弁８５を開放し、弁８６を閉鎖している。
【００３４】
次に、給湯能力を大きくさせるための動作を説明する。表１に示すように、給湯能力を大きくさせる場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられた第１の弁８１を閉鎖し、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられた第４の弁８４を開放する。そして、第３のバイパス路Ｃ上に設けられた第３の弁８３は閉鎖する。なお、ここでは第１の放熱器２及び第２の放熱器７を機能させているため、弁８５及び８６は開放している。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量が給湯能力を大きくさせるために第２の弁８２を通過してボルテックスチューブ６に送られ、高温冷媒と低温冷媒に分離された後、高温冷媒は第２の放熱器７で水と熱交換して水に熱を供給し、第４の弁８４を通過してエジェクタ３に送られる。図４示すように、ボルテックスチューブ６によって分離されて状態Ｒ１ｂとなった高温冷媒はできる限り状態Ｒ１ａに近い状態まで、ボルテックスチューブ６の制御バルブ６３を用いて、温度、圧力を調整できる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。また、ボルテックスチューブ６で分離された低温冷媒は、第４のバイパス路Ｄを経てエジェクタ３を通過することなく気液分離器４に送られることとなる。後は通常運転と同様のため、説明は省略する。なお、給湯能力を大きくするための運転は、冷凍サイクル装置外の給湯タンクに設置された各水位毎の温度センサの温度状況により、必要に応じて実行されることとなる。
【００３５】
最後に、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転を同時に行う場合の動作を説明する。表１に示すように、給湯能力を大きくするとともに除霜運転を行う場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上の第１の弁８１を閉鎖し、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２、第３のバイパス路Ｃ上に設けられた第３の弁８３及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられた第４の弁８４を開放する。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量がボルテックスチューブ６に送られて高温冷媒と低温冷媒に分離され、高温冷媒に分離された冷媒は更に、分岐点Ｃ１において給湯能力を大きくさせる為の冷媒と除霜運転を行う為の冷媒とに分離され、その後、それぞれの目的にあった運転を行うこととなる。なお、第２の放熱器７及び蒸発器５の空気吸込み側前面に送られる高温冷媒の分配制御は弁８３、弁８４によって行われる。後は、給湯能力を大きくするための運転及び除霜運転と同様のため、説明は省略する。一方、ボルテックスチューブ６で分離された低温冷媒は、エジェクタ３を通過することなく気液分離器４に送られることとなる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。なお、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転は先で示したように、必要性に応じて実行されることとなる。
【００３６】
以上、本発明に係る実施形態について詳述したが、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、圧縮機１については、ロータリ式、スクロール式またはレシプロ式など種々の圧縮機を持つヒートポンプ装置に適用可能である。また、圧縮機１は２以上の段数を持つ多段圧縮機構であってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１ 圧縮機
２ 第１の放熱器
３ エジェクタ
４ 気液分離器
５ 蒸発器
６ ボルテックスチューブ
７ 第２の放熱器
８１〜８４ 第１ないし第４の弁
８５、８６ 第５、第６の弁
１０ 第１の流路
２０ 第２の流路
３０ 第３の流路
４０ 第４の流路
５０ 第５の流路
６０ 第６の流路
Ａ 第１のバイパス路
Ｂ 第２のバイパス路
Ｃ 第３のバイパス路
Ｄ 第４のバイパス路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクル装置、特にエジェクタを用いた冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒回路を構成する冷凍サイクル装置としては、冷媒が圧縮機→放熱器→膨張弁→蒸発器→圧縮機の順に循環するものが広く知られていた。しかし、この膨張弁を用いた冷凍サイクル装置では、膨張弁で冷媒の圧力を減少させるときに一部の運動エネルギが渦となって失われるという欠点を有していた。これに対し、膨張弁をエジェクタと呼ばれる噴射装置に置き換えることで渦の発生をおさえ、損失していた運動エネルギの一部を圧力エネルギに変換して圧縮機の仕事を助ける冷凍サイクル装置が開発された。
【０００３】
しかし、このエジェクタを用いた冷凍サイクル装置では、圧縮機→放熱器→エジェクタ→気液分離器→圧縮機の順に循環する冷媒回路と、気液分離器→蒸発器→エジェクタ→気液分離器の順に循環する冷媒回路とが存在するため、冷凍効率を高めることはできるものの、膨張弁サイクルにおいては可能であった、温度の高い冷媒を蒸発器に流入させることにより蒸発器に付いた霜を取り除く除霜運転ができないという問題を有していた。これは、エジェクタを用いた冷凍サイクル装置では、放熱器を流れる温度の高い冷媒と蒸発器を流れる冷媒とが別の流れであり、駆動するための流れを蒸発器に供給することができないことによる。
【０００４】
この対策として、例えば、特開２００３−０８３６２２号公報（特許文献１）に開示された「エジェクタサイクル（登録商標）」がある。この発明は、図６に示すように、圧縮機１００の直後にバルブ付のホットガス通路７００（バイパス路）を設け、蒸発器３００の除霜が必要な際、そのホットガス通路７００を経由して、圧縮機１００から吐出される高温高圧の冷媒を蒸発器３００に送り、蒸発器３００の除霜を行うというものである。
【０００５】
他方、膨張弁やエジェクタを用いない冷凍サイクル装置として、特開２００５−１２７６２４号公報（特許文献２）に開示された「冷凍サイクル装置」がある。この発明は、図７に示すように、通常の蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置の膨張弁部分に、ボルテックスチューブ３を用いた冷凍サイクル装置であり、ボルテックスチューブ３によって高温冷媒と低温冷媒に分離されたうちの高温冷媒を有効利用した発明である。高温冷媒は分離後に放熱器２の入口付近に戻され、給湯能力を大きくすることで、冷凍サイクル装置の効率向上と圧縮機１の動力の低減に効果的に作用するというものである。なお、従来技術の説明で利用している符号は以下に示す特許文献の符号をそのまま利用しているため、本願発明の構成要素で利用している符号とは異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０８３６２２号公報
【特許文献２】特開２００５−１２７６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係る発明では除霜時にホットガス通路７００を経由して圧縮機１００から吐出された高温高圧冷媒の一部を蒸発器３００側に送ることから、放熱器２００への冷媒量が減ってしまい、除霜時の給湯能力の維持が難しいという問題があった。また、特許文献２に係る発明では低外気温時に除霜する機能が備えられていないことから、低外気温時の冷凍サイクル装置の効率低下が懸念されるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、低外気温時の蒸発器の除霜と給湯能力の維持・向上を両立させる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係るエジェクタを用いた冷凍サイクル装置は、冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、冷媒を放熱させる第１の放熱器と、冷媒を放熱させる第２の放熱器と、冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒を吸入する入口と、冷媒を吸引する吸入口と、冷媒を吐出する出口とを有するエジェクタと、冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、冷媒を導入する導入口と、高温冷媒を吐出する高温側出口と、低温冷媒を吐出する低温側出口とを有するボルテックスチューブと、前記圧縮機と前記第１の放熱器とを接続する第１の流路と、前記第１の放熱器と前記エジェクタの入口とを接続する第２の流路と、前記エジェクタの出口と前記気液分離器とを接続する第３の流路と、前記気液分離器と前記蒸発器とを接続する第４の流路と、前記蒸発器と前記エジェクタの吸入口とを接続する第５の流路と、前記気液分離器と前記圧縮機とを接続する第６の流路と、前記第２の流路から分岐し、前記ボルテックスチューブの導入口に接続される第１のバイパス路と、前記ボルテックスチューブの高温側出口と前記第２の放熱器を通過して前記エジェクタの入口とを接続される第２のバイパス路と、前記第２のバイパス路から前記第２の放熱器の上流側で分岐し、前記蒸発器を通過して前記エジェクタの入口に接続される第３のバイパス路と、前記ボルテックスチューブの低温側出口と前記気液分離器とを接続される第４のバイパス路と、を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置を提供する。
【００１０】
（２）上記（１）に加え、前記第２の流路上であって前記第１のバイパス路の分岐点よりも前記エジェクタ側に設けられた第１の弁を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【００１１】
（３）上記（２）に加え、前記第１のバイパス路上に設けられた第２の弁と、前記第３のバイパス路上であって前記蒸発器の上流側に設けられた第３の弁と、前記第２のバイパス路上であって前記第２の放熱器の上流側にある前記第３のバイパス路との分岐点の下流側に設けられた第４の弁とを備える冷凍サイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、低外気温時の蒸発器の除霜と給湯能力の維持・向上を両立させることができる。より具体的には、給湯能力を維持したまま除霜運転を行うこと、給湯能力を向上させたい時に給湯能力を向上させること、エジェクタを用いてエネルギ回収を行うこと、ボルテックスチューブを用いて給湯能力を大きくすることが、可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態に用いるエジェクタの一例を示す図である。
【図３】本発明に係る実施形態に用いるボルテックスチューブの一例を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態におけるモリエル線図である。
【図５】本発明に係る実施形態におけるボルテックスチューブ内の圧力変動を示す図である。
【図６】従来の技術の一例を示す図である。
【図７】従来の技術の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明に係る実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。図１において、各要素を接続する実線は冷媒の回路を示している。実線の太線はエジェクタサイクルの主たる冷媒回路であり、実線の細線は本発明におけるバイパス路である。また、点線は水および湯が流れる水の回路を示している。なお、実線および点線に付された矢印は冷媒が流れる方向をそれぞれ示している。同図において、本実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機１と第１の放熱器２とを接続する第１の流路１０と、第１の放熱器２とエジェクタ３の入口３ａとを接続する第２の流路２０と、エジェクタ３の出口３ｃと気液分離器４とを接続する第３の流路３０と、気液分離器４と蒸発器５とを接続する第４の流路４０と、蒸発器５とエジェクタ３の吸入口３ｂとを接続する第５の流路５０と、気液分離器４と圧縮機１とを接続する第６の流路６０と、第２の流路２０から分岐し（分岐点Ａ１）、ボルテックスチューブ６の導入口６ａに接続する第１のバイパス路Ａと、ボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂと第２の放熱器７を通過して、第２の流路２０との合流点を経由し（合流点Ｂ１）、エジェクタ３の入口３ａとを接続する第２のバイパス路Ｂと、第２のバイパス路Ｂから第２の放熱器７の上流側で分岐し（分岐点Ｃ１）、蒸発器５を通過して、第２のバイパス路Ｂとの合流点を経由し（合流点Ｃ２）、エジェクタ３の入口３ａに接続する第３のバイパス路Ｃと、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃと気液分離器４とを接続する第４のバイパス路Ｄとから構成されている。なお、エジェクタ３及びボルテックスチューブ６の構成については、それぞれ図２及び図３に示すとおりであり、詳しくは後述する。
【００１６】
第１の流路１０、第２の流路２０、第３の流路３０及び第６の流路６０を含む主冷媒回路では、圧縮機１において冷媒を吸入して圧縮し、第１の放熱器２において給湯タンクから導かれた水と圧縮された冷媒を熱交換させて温水を生成し、エジェクタ３において冷媒を減圧膨張させるとともに蒸発器５で蒸発した気相冷媒を吸引した後、冷媒の圧力を昇圧し、エネルギの一部を回収し、気液分離器４においてエジェクタ３から導かれた冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離し、そして、気相冷媒が圧縮機１に吸入されることにより冷媒が一巡する。
【００１７】
次に、エジェクタ３及び気液分離器４について説明する。エジェクタ３は、図２に示すように、ノズル３１、ノズル３１から噴射された高速流の冷媒とそれにより蒸発器５から吸引された気相冷媒を混合する混合部３２、及びディフューザ３３から構成されている。ノズル３１の入口３ａから流入した高圧の冷媒はノズル３１によって混合部３２に噴射されるとともに減圧され、その噴射によって生じる負圧を利用して吸引口３ｂから吸引された蒸発器５で蒸発した気相冷媒と混合される。混合された冷媒は混合部３２からディフューザ３３にかけて流速が低下し圧力が上昇する。ディフューザ３３の出口３ｃは気液分離器４に接続されており、冷媒は気液分離器４において気体と液体に分離される。分離された液相冷媒は蒸発器５に導かれ、気相冷媒は圧縮機１に吸引される。
【００１８】
以上の過程にて、エジェクタ３は膨張弁とは異なり、ほぼ等エントロピー膨張させることができる。具体的には、膨張弁では渦発生により損失していたエネルギの一部を冷媒の運動エネルギとして回収するとともに、回収した運動エネルギを混合部３２及びディフューザ３３で圧力エネルギに変換して冷媒の圧力を昇圧することで、圧縮機１の吸入圧力を増加させその効率を向上させる。また、蒸発器５の入口５ａにおける冷媒の状態は液体となるため、蒸発器５内の圧力損失低減及び熱伝達率増加などの効果により、その性能も向上できる。
【００１９】
第４の流路４０及び第５の流路５０を含む副冷媒回路では、気液分離器４において分離された液相冷媒を蒸発器５において大気と熱交換させて蒸発させ、エジェクタ３においてその蒸発した冷媒を吸引し、そして、吸引された冷媒が主冷媒回路の第１の放熱器２を経由してエジェクタ３のノズル３１で減圧膨張した冷媒と混合部３２で混合し、ディフューザ３３で昇圧され、気液分離器４に戻ることにより冷媒は一巡する。
【００２０】
第１のバイパス路Ａは、第１の放熱器２を通過した冷媒をエジェクタ３に流入する前に第２の流路２０から分岐（分岐点Ａ１）させ、ボルテックスチューブ６に導入する。第１のバイパス路Ａからボルテックスチューブ６に導入した冷媒を高温冷媒と低温冷媒とに分離し、そのうちの高温冷媒は高温側出口６ｂから吐出して第２のバイパス路Ｂに入る。その高温冷媒は第２の放熱器７においてタンクから導かれた水と熱交換させて温水を生成し、そして、第２の放熱器７を通過した冷媒は、第１の放熱器２から第２の流路２０を経由して直接導かれた冷媒と合流（合流点Ｂ１）してエジェクタ３に送り込まれる。
【００２１】
第３のバイパス路Ｃでは、ボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂから吐出し第２の放熱器７に流入する前に分岐（分岐点Ｃ１）させた高温冷媒を蒸発器５の空気吸込み側の前面に導き、除霜を行い、そして、蒸発器５の除霜を行った冷媒は、第１の放熱器２及び第２の放熱器７から導かれた冷媒と合流（合流点Ｃ２）してエジェクタ３に送り込まれる。
【００２２】
第４のバイパス路Ｄでは、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃから吐出した低温冷媒が気液分離器４に導かれる。本実施形態では、直接、気液分離器４に合流しているが、本発明はこれに限定したものではなく、ボルテックスチューブ６から吐出した低温冷媒が気液分離器４に流入出来れば良い。例えば、ボルテックスチューブ６から吐出した低温冷媒が、エジェクタ３のディフューザ３３の出口３ｃから噴出した冷媒と合流してから気液分離器４に流入しても良い。
【００２３】
第１のバイパス路Ａ、第２のバイパス路Ｂ及び第４のバイパス路Ｄの分岐点に位置するボルテックスチューブ６について、図３ないし５を参照して、説明する。図３に示すように、ボルテックスチューブ６は、ノズル６１、うず室６２、制御バルブ６３及びディフューザ６４から主に構成されている。ノズル６１の入口６ａからうず室６２内に接線方向に流入した冷媒は高速の渦流となり、管内壁面を旋回しつつ図中の右から左へと流れた後、制御バルブ６３によって開度が調整されている高温側出口６ｂから高温となってその一部が流出する。他方、制御バルブ６３で流れ方向を反転した残りの冷媒はうず室６２の中心部を渦流として図中の左から右へと流れた後、ディフューザ６４の低温側出口６ｃから低温となって流出する。これは、管内壁面を流れる冷媒の渦流が自由渦であるのに対し、うず室６２の中心部を流れる冷媒の渦流はその自由渦によって強制的に発生させられた強制渦であることから、運動エネルギの低下が生じ、その差分が熱として後者から前者に移転することにより、温度分離が実現されることによる。
【００２４】
図４は、本発明に係る実施形態、すなわち、エジェクタサイクルにボルテックスチューブを組み込み、第１の弁８１と第３の弁８３を閉じ、第２の弁８２と第４の弁８４を開けた時のモリエル線図である。ここで、図４は圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が主冷媒回路のうち第１の放熱器２から直接エジェクタ３に流入する第２の流路２０を経由せず、第１のバイパス路Ａから第２のバイパス路Ｂにかけてボルテックスチューブ６及び第２の放熱器７を経由してエジェクタ３に流入する場合（後述する運転のうち、給湯能力を大きくするための運転に対応）を示している。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒Ｒ１ａは第１の放熱器２により流体（例えば水）と熱交換して低温高圧の冷媒Ｒ２ａとなる。そのあと低温高圧冷媒Ｒ２ａはボルテックスチューブ６のノズル入口６ａに流入しボルテックスチューブ６の高温側出口６ｂから吐出された高温高圧冷媒Ｒ１ｂは、第２の放熱器７で流体（例えば水）と熱交換することにより低温高圧の冷媒Ｒ２ｂとなる。この低温高圧の冷媒Ｒ２ｂは、エジェクタ３のノズル３１で減圧されることによって気液二相状態の冷媒Ｒ３となり、この気液二相冷媒はノズル３１の入口３ａより流入して混合部３２へ噴出し、その噴出した冷媒と、吸引口３ｂより吸引された蒸発器５で蒸発した気相冷媒Ｒ７と混合して冷媒Ｒ４となる。その冷媒Ｒ４はディフューザ３３で昇圧され、ディフューザ３３の出口３ｃより流出した冷媒は、気液分離器４、すなわち、冷媒Ｒ５が気相冷媒Ｒ８と液相冷媒Ｒ６とに分離される。また、ボルテックスチューブ６の低温側出口６ｃから吐出された低温冷媒がディフューザ３３の出口３ｃより噴出した冷媒と合流し、図１の実施形態では気液分離器４で合流して状態Ｒ５となっている。分離された液相冷媒Ｒ６は蒸発器５に供給され、蒸発器５で例えば大気と熱交換して蒸発した気相冷媒Ｒ７は、再びエジェクタ３の吸引口３ｂに吸引されること（Ｒ４の状態）となる。また、気液分離器４で分離された気相冷媒は状態Ｒ８では再び圧縮機１に吸入される。
【００２５】
図５は、本発明に係る実施形態におけるボルテックスチューブ６内の各部分、すなわちノズル６１の部分、うず室６２の部分及びディフューザ６４の部分について、高温冷媒と低温冷媒の圧力変動を示している。ノズル６１の入口６ａから流入した高圧の冷媒は圧力を下げ、ノズル６１部分を通過した後、うず室６２の壁面に渦流として旋回する高温冷媒については、ノズル６１側に位置するうず室６２の入口から高温側出口６ｂに向かって圧力が上昇し、ノズル６１の入口６ａに流入した際のレベルにほぼ回復する。他方、その一部の冷媒がうず室６２の左端に位置する制御バルブ６３によって反転しうず室６２の中心部を逆流してなる低温冷媒については、制御バルブ６３からノズル６１側に向かって圧力が低下し、ディフューザ６４部分においてその一部が回復する。
【００２６】
上記した各バイパス路又は流路には、冷凍サイクル装置に所望の運転をさせることができるよう、冷媒の流れを制御するための幾つかの弁が設けられている。すなわち、第２の流路２０上であって第１のバイパス路Ａの分岐点Ａ１よりもエジェクタ３側に設けられた第１の弁８１と、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２と、第３のバイパス路Ｃ上であって蒸発器５の上流側に設けられた第３の弁８３と、第２のバイパス路Ｂ上であって第２の放熱器７の下流側に設けられた第４の弁８４とがある。これらの弁は、その開閉及び開度調整が可能なものであれば特に制限はないが、例えば比例電磁弁を用いると好適である。なお、本実施例では第４の弁８４は放熱器７の下流側に設けられているが、本発明はこれに限定したものでなく、放熱器７と分岐点Ｃ１の間に設けても良く、第２のバイパス路Ｂを冷媒が流れないように設けられていれば良い。
【００２７】
蒸発器５には、副冷媒回路上であって蒸発した冷媒の出口側に、圧力センサ５１及び温度センサ５２が備えられている。これは、蒸発器５の除霜運転を選択する際の判断材料となるデータを検出するためのものである。
【００２８】
図１には、以上述べた冷凍サイクル装置から熱の供給を受けて湯水を生成する給湯回路を破線で示している。すなわち、給湯タンクから流体（例えば水）が第１の放熱器２及び第２の放熱器７のうち少なくとも１つに供給され、冷媒との熱交換によって温められた流体（湯）が給湯タンクに戻る回路である。給湯タンクから導かれた流体（水）は、第５の弁８５及び第６の弁８６によって、第１の放熱器２及び／又は第２の放熱器７への流入が制御される。
【００２９】
さらに、本実施形態の冷凍サイクル装置は、蒸発器５に設けられた圧力センサ５１及び温度センサ５２、並びに、給湯タンクに設けられた水位別の複数の温度センサから圧力及び温度を検出し、冷媒の流れを制御する第１から第４の弁８１、８２、８３、８４、並びに、流体（例えば水）の流れを制御する第５及び第６の弁８５、８６の開閉及び開度を制御する制御手段（図示せず）を備えている。この制御手段は、圧縮機１の回転数による容量制御等を行う制御装置に組み込まれるものであり、後述するように、冷媒及び流体の流れを制御して、冷凍サイクル装置を通常運転、通常運転と除霜運転の併用運転、給湯能力を大きくするための運転、及び、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転の併用運転に分けて運転できるように設けられている。
【００３０】
次に、上記構成を備えた冷凍サイクル装置の基本動作について、図１及び表１を参照して説明する。表１は、動作（運転）ごとにおける各弁の開閉及び開度を示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
まず、通常運転を行う際の動作を説明する。表１に示すように、通常運転においては、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられている第１の弁８１のみが開放され、第１のバイパス路Ａ上に設けられている第２の弁８２、第３のバイパス路Ｃ上に設けられている第３の弁８３及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられている第４の弁８４は閉鎖されている。これにより、第１の圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量が第１の弁８１を通過してエジェクタ３に送られ、そこで減圧膨張した冷媒は気液分離器４に送られて気液分離される。その後、気相冷媒は圧縮機１の吸込み口に送られるが、液相冷媒は蒸発器５で大気と熱交換して蒸発し、次に吸引効果によってエジェクタ３に吸引されて、再び気液分離器４に送られることとなる。なお、このとき機能させる放熱器は第１の放熱器２のみであるため、水回路は弁８５を開放し、弁８６を閉鎖している。
【００３３】
次に、通常運転と除霜運転を行う際の動作を説明する。表１に示すように、通常運転と除霜運転を同時に行う場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられている第１の弁８１とともに、第１のバイパス路Ａ上に設けられている第２の弁８２及び第３のバイパス路Ｃ上に設けられている第３の弁８３を開放する。そして、第２のバイパス路Ｂ上の第４の弁８４は閉鎖する。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その一部が第２の弁８２を通過後ボルテックスチューブ６に送られ、高温冷媒と低温冷媒に分離された後、高温冷媒は第３の弁８３を通過し、蒸発器５に送られ、蒸発器５に付着した霜を除去する。その後、第１の弁８１を通過してきた残りの冷媒と合流して、エジェクタ３に送られる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。また、ボルテックスチューブ６により分離された低温冷媒は、エジェクタ３を通過することなく第３のバイパス路Ｃを経て気液分離器４に送られる。なお、第１の弁８１及び第２の弁８２の制御により主冷媒回路とバイパス路Ａの冷媒の分配比を調整する。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。ここで、除霜運転は、蒸発器５の出口側に設置された温度センサ５２と圧力センサ５１から蒸発器５の状態を把握し、除霜が必要な際に実行されることとなる。ここでも、このとき機能させる放熱器は第１の放熱器２のみであるため、水回路は弁８５を開放し、弁８６を閉鎖している。
【００３４】
次に、給湯能力を大きくさせるための動作を説明する。表１に示すように、給湯能力を大きくさせる場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上に設けられた第１の弁８１を閉鎖し、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられた第４の弁８４を開放する。そして、第３のバイパス路Ｃ上に設けられた第３の弁８３は閉鎖する。なお、ここでは第１の放熱器２及び第２の放熱器７を機能させているため、弁８５及び８６は開放している。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量が給湯能力を大きくさせるために第２の弁８２を通過してボルテックスチューブ６に送られ、高温冷媒と低温冷媒に分離された後、高温冷媒は第２の放熱器７で水と熱交換して水に熱を供給し、第４の弁８４を通過してエジェクタ３に送られる。図４示すように、ボルテックスチューブ６によって分離されて状態Ｒ１ｂとなった高温冷媒はできる限り状態Ｒ１ａに近い状態まで、ボルテックスチューブ６の制御バルブ６３を用いて、温度、圧力を調整できる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。また、ボルテックスチューブ６で分離された低温冷媒は、第４のバイパス路Ｄを経てエジェクタ３を通過することなく気液分離器４に送られることとなる。後は通常運転と同様のため、説明は省略する。なお、給湯能力を大きくするための運転は、冷凍サイクル装置外の給湯タンクに設置された各水位毎の温度センサの温度状況により、必要に応じて実行されることとなる。
【００３５】
最後に、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転を同時に行う場合の動作を説明する。表１に示すように、給湯能力を大きくするとともに除霜運転を行う場合には、主冷媒回路の第２の流路２０上の第１の弁８１を閉鎖し、第１のバイパス路Ａ上に設けられた第２の弁８２、第３のバイパス路Ｃ上に設けられた第３の弁８３及び第２のバイパス路Ｂ上に設けられた第４の弁８４を開放する。これにより、圧縮機１から吐出された例えば超臨界状態の二酸化炭素などの冷媒は、第１の放熱器２で水と熱交換して水に熱を供給した後、その全量がボルテックスチューブ６に送られて高温冷媒と低温冷媒に分離され、高温冷媒に分離された冷媒は更に、分岐点Ｃ１において給湯能力を大きくさせる為の冷媒と除霜運転を行う為の冷媒とに分離され、その後、それぞれの目的にあった運転を行うこととなる。なお、第２の放熱器７及び蒸発器５の空気吸込み側前面に送られる高温冷媒の分配制御は弁８３、弁８４によって行われる。後は、給湯能力を大きくするための運転及び除霜運転と同様のため、説明は省略する。一方、ボルテックスチューブ６で分離された低温冷媒は、エジェクタ３を通過することなく気液分離器４に送られることとなる。後は、通常運転と同様のため、説明は省略する。なお、給湯能力を大きくするための運転と除霜運転は先で示したように、必要性に応じて実行されることとなる。
【００３６】
以上、本発明に係る実施形態について詳述したが、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、圧縮機１については、ロータリ式、スクロール式またはレシプロ式など種々の圧縮機を持つヒートポンプ装置に適用可能である。また、圧縮機１は２以上の段数を持つ多段圧縮機構であってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１ 圧縮機
２ 第１の放熱器
３ エジェクタ
４ 気液分離器
５ 蒸発器
６ ボルテックスチューブ
７ 第２の放熱器
８１〜８４ 第１ないし第４の弁
８５、８６ 第５、第６の弁
１０ 第１の流路
２０ 第２の流路
３０ 第３の流路
４０ 第４の流路
５０ 第５の流路
６０ 第６の流路
Ａ 第１のバイパス路
Ｂ 第２のバイパス路
Ｃ 第３のバイパス路
Ｄ 第４のバイパス路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、
冷媒を放熱させる第１の放熱器と、
冷媒を放熱させる第２の放熱器と、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
冷媒を吸入する入口と、冷媒を吸引する吸入口と、冷媒を吐出する出口とを有するエジェクタと、
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
冷媒を導入する導入口と、高温冷媒を吐出する高温側出口と、低温冷媒を吐出する低温側出口とを有するボルテックスチューブと、
前記圧縮機と前記第１の放熱器とを接続する第１の流路と、
前記第１の放熱器と前記エジェクタの入口とを接続する第２の流路と、
前記エジェクタの出口と前記気液分離器とを接続する第３の流路と、
前記気液分離器と前記蒸発器とを接続する第４の流路と、
前記蒸発器と前記エジェクタの吸入口とを接続する第５の流路と、
前記気液分離器と前記圧縮機とを接続する第６の流路と、
前記第２の流路から分岐し、前記ボルテックスチューブの導入口に接続される第１のバイパス路と、
前記ボルテックスチューブの高温側出口と前記第２の放熱器を通過して前記エジェクタの入口とを接続される第２のバイパス路と、
前記第２のバイパス路から前記第２の放熱器の上流側で分岐し、前記蒸発器を通過して前記エジェクタの入口に接続される第３のバイパス路と、
前記ボルテックスチューブの低温側出口と前記気液分離器とを接続される第４のバイパス路と、
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第２の流路上であって前記第１のバイパス路の分岐点よりも前記エジェクタ側に設けられた第１の弁を備える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】
前記第１のバイパス路上に設けられた第２の弁と、前記第３のバイパス路上であって前記蒸発器の上流側に設けられた第３の弁と、前記第２のバイパス路上であって前記第２の放熱器の上流側にある前記第３のバイパス路との分岐点の下流側に設けられた第４の弁とを備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項１】
冷媒を吸入して圧縮する圧縮機と、
冷媒を放熱させる第１の放熱器と、
冷媒を放熱させる第２の放熱器と、
冷媒を蒸発させる蒸発器と、
冷媒を吸入する入口と、冷媒を吸引する吸入口と、冷媒を吐出する出口とを有するエジェクタと、
冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
冷媒を導入する導入口と、高温冷媒を吐出する高温側出口と、低温冷媒を吐出する低温側出口とを有するボルテックスチューブと、
前記圧縮機と前記第１の放熱器とを接続する第１の流路と、
前記第１の放熱器と前記エジェクタの入口とを接続する第２の流路と、
前記エジェクタの出口と前記気液分離器とを接続する第３の流路と、
前記気液分離器と前記蒸発器とを接続する第４の流路と、
前記蒸発器と前記エジェクタの吸入口とを接続する第５の流路と、
前記気液分離器と前記圧縮機とを接続する第６の流路と、
前記第２の流路から分岐し、前記ボルテックスチューブの導入口に接続される第１のバイパス路と、
前記ボルテックスチューブの高温側出口と前記第２の放熱器を通過して前記エジェクタの入口とを接続される第２のバイパス路と、
前記第２のバイパス路から前記第２の放熱器の上流側で分岐し、前記蒸発器を通過して前記エジェクタの入口に接続される第３のバイパス路と、
前記ボルテックスチューブの低温側出口と前記気液分離器とを接続される第４のバイパス路と、
を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記第２の流路上であって前記第１のバイパス路の分岐点よりも前記エジェクタ側に設けられた第１の弁を備える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】
前記第１のバイパス路上に設けられた第２の弁と、前記第３のバイパス路上であって前記蒸発器の上流側に設けられた第３の弁と、前記第２のバイパス路上であって前記第２の放熱器の上流側にある前記第３のバイパス路との分岐点の下流側に設けられた第４の弁とを備えることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３６６８４（Ｐ２０１３−３６６８４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３３０３（Ｐ２０１１−１７３３０３）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００６６１１）株式会社富士通ゼネラル (1,266)
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