CN110411052B

CN110411052B - 空调装置

Info

Publication number: CN110411052B
Application number: CN201810528759.5A
Authority: CN
Inventors: 渡部道治; 丰田浩之; 台坂恒
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2038-05-28
Also published as: CN110411052A; JP7065681B2; TW201945671A; TWI724302B; JP2019190760A

Abstract

本发明提供能够通过将从蒸发器流出的气液二相的制冷剂在到达四通阀前加热成气相单相而将降低四通阀的热损失，提高COP的空调装置。该空调装置将压缩机(101)、室内热交换器(111)、主膨胀阀(104)、室外热交换器(103)以及四通阀(102)通过用于供制冷剂流动的配管连接而构成冷冻循环，且具有在室内热交换器(111)的出口与室外热交换器(103)的入口之间的第一流路(A)和在室外热交换器(103)的出口与四通阀(102)的入口之间的第二流路(B)，主膨胀阀(104)配置于第一流路(A)，空调装置具备加热部(40)，该加热部通过第一流路(A)中在室内热交换器(111)的出口与主膨胀阀(104)的入口之间流动的制冷剂加热在第二流路(B)流动的制冷剂。

Description

空调装置

技术领域

本发明涉及空调装置。

背景技术

空调装置是在对建筑内进行加热的制热运转时从建筑外吸热，在对建筑内进行冷却的制冷运转时向建筑外散热的装置。因此，空调装置具备使空气和制冷剂进行热交换的热交换器、产生空气流的送风装置、将制冷剂压缩成高温高压的压缩装置、以及将制冷剂减压的膨胀装置。

作为提高空调装置的动作稳定性的方法，具有使蒸发器的出口的制冷剂气化而流入压缩机的方法。但是，该情况下，在蒸发器的出口附近，传热面成为气相域，因此存在冷却能力降低的课题。

对于上述的课题，在专利文献1中，通过用冷凝器出口的制冷剂加热蒸发器出口的制冷剂，从而将流入压缩机的制冷剂气化，并且降低蒸发器出口的制冷剂干燥度，提高冷却能力。另外，在专利文献2中，使在冷凝器流出的制冷剂分支为两个路径A和B，在路径A减压后，与路径B进行热交换，从而蒸发，且与从蒸发器以气液二相状态流出的路径B的制冷剂合流，从而提高蒸发器的冷却能力，并且将压缩机的吸入制冷剂气化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9－60989号公报

专利文献2：日本特开2002－156161号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，空调装置以制冷和制热这两个模式运转。因此，具备用于将冷冻循环的两个热交换器的作用的一方转换成冷凝器，另一方转换成蒸发器的四通阀。在四通阀中，从压缩机流入的高温高压的制冷剂和从蒸发器流入的低温低压的制冷剂相邻地流通，因此产生热交换。由此，高温的制冷剂被低温的制冷剂冷却，从而循环性能产生损失。

对于具有四通阀的冷冻循环，当考虑应用现有技术时，为了在制冷和制热这两方容易地得到效果，在从四通阀出口到压缩机吸入口之间设置加热制冷剂的区域。但是，该情况下，在四通阀流通的低温制冷剂成为气液二相流，成为伴随蒸发的热传递，热传递效率变高。即，通过在四通阀流通气液二相流，从而热损失变大。因此，为了提高冷冻循环的COP，需要使蒸发器的出口为气液二相，而且使流入四通阀的低压制冷剂为气相单相状态。

因此，本发明的目的在于提供一种空调装置，能够通过将从蒸发器流出的气液二相的制冷剂在到达四通阀前加热至气相单相，从而降低四通阀的热损失，提高COP。

用于解决课题的方案

为了实现上述课题，本发明的一方案的空调装置将压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及四通阀通过用于供制冷剂流动的配管连接而构成冷冻循环，上述空调装置具有在上述冷凝器的出口与上述蒸发器的入口之间的第一流路和在上述蒸发器的出口与上述四通阀的入口之间的第二流路，上述膨胀阀配置于上述第一流路，上述空调装置具备加热部，该加热部通过上述第一流路中在上述冷凝器的出口与上述膨胀阀的入口之间流动的制冷剂加热在上述第二流路流动的制冷剂。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种空调装置，其能够通过将从蒸发器流出的气液二相的制冷剂在到达四通阀前加热至气相单相，从而降低四通阀的热损失，提高COP。

附图说明

图1是第一实施方式的空调装置的冷冻循环的结构图。

图2是现有技术的空调装置的冷冻循环的结构图。

图3是蒸发器内部的制冷剂干燥度与热传递率的关系的示意图。

图4是现有技术的冷冻循环中的四通阀内部的流动的示意图。

图5是第二实施方式的空调装置的冷冻循环的结构图。

图6是第二实施方式的室外机的截面的示意图。

图7是第三实施方式的空调装置的冷冻循环的结构图。

图中：1—主流路，2—副流路，4—第一热交换部，6—第二热交换部，10—第三热交换器，13—分流流路，16—第四热交换部，30—液相侧分配器，31—气相侧分配器，33—扁平型传热管，40、41—加热部，100—室外机，101—压缩机，102—四通阀，103—室外热交换器，104—主膨胀阀，110—室内机，111—室内热交换器，200，220、230—空调装置，A—第一流路，B—第二流路，C—第三流路。

具体实施方式

以下，根据附图，对本发明的实施方式进行说明。

＜第一实施方式＞

使用图1至图4，对本发明的第一实施方式的空调装置200进行说明。

图1表示第一实施方式的空调装置200的冷冻循环的结构图。

图1所示的空调装置200是家庭用室内空调。空调装置200具备：用于对建筑内进行温度调节的室内机110；与建筑外的空气进行受热/散热的室外机100；以及连接室内机110和室外机100的液相侧连接配管113及气相侧连接配管114。在室内机110的内部设有室内热交换器111和贯流风扇112。在室外机100的内部设有压缩机101、四通阀102、室外热交换器103、螺桨风扇105、主膨胀阀104、副膨胀阀3以及第一热交换部4。

本系统由主流路1和副流路2构成，主流路1是经过压缩机101、四通阀102、气相侧连接配管114、室内热交换器111、液相侧连接配管113、第一热交换部4、主膨胀阀104后，经由室外热交换器103的流路，副流路2是从主膨胀阀104与室外热交换器103之间分支，经由副膨胀阀3、第一热交换部4，然后在四通阀102与室外热交换器103之间合流的流路。流路整体成为无开放部的闭回路，在流路的内部封入有R32制冷剂。此外，制冷剂也可以是R410a等其它物质。

四通阀102的阀芯26可根据运转设定而在图1的左右方向上移动。具体而言，图1是吐出配管20和室内机侧配管22连通，吸入配管21和室外机侧配管23连通的状态，但是通过切换阀芯26的位置，能够切换成吐出配管20和室外机侧配管23连通而吸入配管21和室内机侧配管22连通的状态。

主膨胀阀104和副膨胀阀3分别是电磁膨胀阀，通过图示外的控制装置能够对流路的开度在全开到全闭进行调整。此外，副膨胀阀3的最低限度的功能只要是能够开闭流路即可，因此可用电磁式的阀等替代。

室内热交换器111和室外热交换器103是供空气和制冷剂进行热交换的形式的构件。具体而言，为翅片管型热交换器，构成为供制冷剂流通的传热管贯通作为空气传热面的翅片。

第一热交换部4是使室内热交换器111与主膨胀阀104之间的流路和从副膨胀阀3到流路合流点5之间的流路局部接触的构造。因此，第一热交换部4作为过冷却热交换器发挥功能。

室内热交换器111的出口与室外热交换器103的入口之间的流路是第一流路A。主流路1构成第一流路A的一部分。室外热交换器103的出口与四通阀102的入口之间的流路是第二流路B。从第一流路A中的主膨胀阀104与室外热交换器103的入口之间的流路分支，与第二流路B连接的流路是第三流路C，副流路2相当于第三流路C。

对于第一实施方式的空调装置200，说明冷冻循环的动作。

在图1所示的空调装置200中示出了制热运转时的连接关系。由压缩机101压缩成高温高压的气相状态的制冷剂在经由四通阀102后流入室内热交换器111。在室内热交换器111，制冷剂向通过贯流风扇112产生的空气流散热，对建筑内的空气进行加温。此时，制冷剂被冷却，从而经过气液二相状态变化成液单相状态。在室内热交换器111散热结束的制冷剂返回室外机100，在第一热交换部4被冷却，然后通过主膨胀阀104，从而减压成外界气体温度以下的气液二相状态。

减压后的制冷剂分支到主流路1和副流路2。主流路1的制冷剂流入室外热交换器103，从通过螺桨风扇105产生的空气流吸热而蒸发。副流路2的制冷剂在第一热交换部4被加热后，在流路合流点5与主流路1的制冷剂合流。此外，主流路1和副流路2的制冷剂流量比根据副膨胀阀3的开度进行调整。主流路1和副流路2的制冷剂流量比例如为主流路为1：95％、副流路为2：5％。合流后的制冷剂经由四通阀102后，返回压缩机101的吸入侧。利用该闭合回路，持续进行建筑内空气的加温。

在制冷运转的情况下，在图1中，将阀芯26向右侧移动，将副膨胀阀3设置为全闭。由此，制冷剂与制热运转颠倒地流动，在室外热交换器103散热，在室内热交换器111吸热，因此建筑内的空气被冷却。此外，在制冷运转的情况下，将副膨胀阀3设置为全闭，因此副流路2的制冷剂不流动。

为了说明第一实施方式的空调装置200的效果，对与现有技术的不同点进行说明。

图2表示现有技术的空调装置210的冷冻循环的结构图。现有的冷冻循环相对于图1的空调装置200，不具有第一热交换部4、副膨胀阀3、副流路2。另外，因为没有副流路2，所以也不存在流路合流点5。因而，在制热运转的情况下，从主膨胀阀104流出的制冷剂在室外热交换器103从外界空气得到热量后，以四通阀102、压缩机101的顺序流动。

图3是将室外热交换器103用作蒸发器时的制冷剂的干燥度与热传递率的关系的示意图。

在蒸发过程中，气液二相的制冷剂从入口到出口，干燥度增加，越向下游行进，气相域占的比例越增加。此时，制冷剂的热传递率在干燥度的阈值x以上急剧降低。这是因为，以阈值x为边界，制冷剂的流动方式从成为在传热管壁面为液相、在传热管中心为气相的分布的环状流变化成在气相的流中分布液相的流，难以引起制冷剂在传热管壁面的蒸发。此外，阈值x依赖于传热管内表面的槽形状等，因此没有固定的值，一般干燥度为0.9～1.0。

当制冷剂的热传递率降低时，为了得到固定的交换热量，所需的空气与制冷剂的温度差扩大，但是流入空气温度固定，因此蒸发温度降低，即蒸发压力降低。因此，室外热交换器103的出口的干燥度越增加，热传递率较低的传热面占的比例越增加，从而蒸发压力降低。当蒸发压力降低时，与吐出压力的压力差增大，从而理论压缩动力增加，由于压缩机输入电力的增加，因此COP降低。

根据上述的理由，在现有技术中，为了使COP最大化，将室外热交换器103的出口干燥度设为低于1而使用，但是，该情况下，四通阀102的热损失产生课题。

图4是示意性表示现有技术下的四通阀102的内部的流动状态的图。

图4中示出了如下状态：从压缩机101吐出的高温的制冷剂从吐出配管20向室内机侧配管22流通，在室外热交换器103流通的气液二相的制冷剂从室外机侧配管23向吸入配管21流通。

从室外热交换器103流出的制冷剂是气液二相，因此成为在气相制冷剂25的内部分布有液相制冷剂24的状态。在此，在四通阀102的内部，低温制冷剂在阀芯26内的流转弯180度，但是密度较大的液相制冷剂24因惯性力大，所以附着于阀芯26的壁面形成液膜。在阀芯26的壁面形成有液膜的情况下，在经由阀芯26与高温的制冷剂进行热交换时，因为液膜蒸发，所以热传递率变高。由此，低温侧的制冷剂为气液二相的情况与为气相单相的情况相比，热交换量变多。

在四通阀102，在高温制冷剂与低温制冷剂的热交换量增加的情况下，制热运转时，室内热交换器111的入口的制冷剂温度降低。由此，室内热交换器111的入口的制冷剂的比焓降低，因此室内热交换器111的出入口的比焓差减小，由于制热能力的降低，因此COP降低。

根据以上的理由，现有技术中，使室外热交换器103的出口为气液二相状态，维持蒸发压力，另一方面，四通阀102的热交换量较高，因此制热能力产生损失，从而COP降低。

与之相对，在第一实施方式的空调装置200中，使分支到副流路2的制冷剂在通过第一热交换部4加热至气相域后，与从室外热交换器103流出的主流路1的制冷剂合流。由此，通过使用副膨胀阀3调整副流路2的流量，能够将从第一热交换部4流出的副流路2的制冷剂的干燥度设为1以上，能够利用该干燥度为1以上的制冷剂加热从室外热交换器103流出的气液二相的制冷剂。这样，在本实施方式中，第一热交换部4及副流路2(第三流路C)作为加热在第二流路B流动的制冷剂的加热部40返回功能。

因此，通过将第一热交换部4的副流路2侧的出口的制冷剂干燥度设为1以上，能够将室外热交换器103的出口的制冷剂干燥度设为低于1，并且使流入四通阀102的制冷剂为气相单相。因而，能够降低在四通阀102的低温制冷剂的热传递率而抑制热损失，提高COP。

根据以上的结构，第一实施方式的空调装置200相比现有的空调装置，能够提高COP。此外，在本实施方式中成为以在制热运转的情况下有效为目的的结构，但是也可以做成以在制冷运转下有效为目的的结构。

＜第二实施方式＞

使用图5、图6，对本发明的第二实施方式的空调装置220进行说明。

图5表示第二实施方式的空调装置220的冷冻循环的结构图。

第二实施方式的空调装置220相对于第一实施方式的空调装置200，不同点在于：第一热交换部4与流路合流点5之间的副流路2(第二流路B)经由与压缩机101相接的第二热交换部6；以及在室外热交换器103的前后设置液相侧分配器30和气相侧分配器31。

第二热交换部6是使副流路2与压缩机101的表面相接的形状，通过温度较高的压缩机101的表面加热副流路2的制冷剂。但是，若得到目的的作用，可具有在压缩机101的周围配置热交换器等各种的结构。本实施方式中，第一热交换部4、副流路2(第三流路C)、以及第二热交换部6作为对在第二流路B流动的制冷剂进行加热的加热部41发挥功能。

在制热运转的情况下，主流路1的制冷剂在液相侧分配器30向多个流路分支，且在室外热交换器103蒸发，然后在气相侧分配器31合流。另一方面，在制冷运转的情况下，从四通阀102流出的制冷剂在气相侧分配器31向多个流路分支，在室外热交换器103凝结，然后在液相侧分配器30合流。

图6表示室外机100的截面的示意图。

室外热交换器103具备成为空气侧的传热面的翅片32和在扁平形状的截面具备多个孔的扁平型传热管33。室外热交换器103的上下被室外机100的箱体壁面34堵塞，通过驱动设于室外机100的内部的风扇马达35使螺桨风扇105旋转，从而产生从图面的右向左的气流。制冷剂在扁平型传热管33的内部向图面的跟前和进深方向流动。由此，空气和制冷剂进行热交换。此外，各扁平型传热管33与图5所示的液相侧分配器30和气相侧分配器31连接，但对于详细的路径，省略说明。

使用了图6所示的扁平型传热管33的热交换器因为流路的截面积较小，因此在使用时，需要使制冷剂流路分支，在多个制冷剂路径进行热交换。在此，在使制冷剂流路分支成多个制冷剂路径的情况下，根据各流路的压力损失的不同、流路出入口的水头差、流入风速的分布等，存在在每个制冷剂路径制冷剂的流量、交换热量产生差异的情况。由于该原因，在将制冷剂流路多制冷剂路径化的蒸发器中，根据条件，在流路出口侧产生制冷剂的干燥度低于1的制冷剂路径和1以上的制冷剂路径。干燥度为1以上的制冷剂路径中，制冷剂的热传递率降低，但是在合流后，成为综合了所有制冷剂路径的干燥度。因此，合流后的蒸发器出口成为气液二相状态，但是会引起在局部产生干燥面，热传递率降低。即，在蒸发器出口的干燥度分布不均匀的情况下，存在即使相同的出口干燥度，蒸发压力也降低的情况。

接下来，相对于第一实施方式的空调装置200，考虑应用第二实施方式的室外热交换器103的情况。在第一实施方式中，室外热交换器103的出口侧与四通阀102之间被副流路2的制冷剂加热，因此能够使四通阀102的入口为气相单相，并且降低室外热交换器103的出口的干燥度。因此，在室外热交换器103的出口，即使在各制冷剂路径的干燥度产生些许差异的情况下，通过将副流路2的加热量提高至最大限限度，从而也能够抑制蒸发压力的降低。

但是，在制冷剂分配的不均匀度较高的情况下，在第一实施方式的副流路2的结构下，加热量变得不足，会存在在室外热交换器103的出口产生制冷剂的热传递率降低的制冷剂路径的情况。

与之相对，在第二实施方式的空调装置220中，在第一热交换部4被加热的副流路2的制冷剂经由第二热交换部6，从而从压缩机101吸热而被加热至更高的温度。因此，能够提高流路合流点5的对第二流路B的制冷剂的加热量，结果，能够提高室外热交换器103的出口处的对各制冷剂路径的干燥度的偏差的允许度。

根据以上的结构，第二实施方式的空调装置220能够提供即使在制冷剂分配不均匀的情况下，也能够提高COP的系统。

＜第三实施方式＞

使用图7，对本发明的第三实施方式的空调装置230进行说明。

图7表示第三实施方式的空调装置230的冷冻循环的结构图。

第三实施方式的空调装置230是从第二实施方式的空调装置220去除副膨胀阀3和副流路2，且替换第一热交换部4而设置了第三热交换部10的冷冻循环。气相侧分配器31的出口在经由第一单向阀11、第三热交换部10、第四热交换部16后，连接于四通阀102。从该气相侧分配器31的出口经由第一单向阀11、第三热交换部10、第四热交换部16而到达四通阀102的入口的流路相当于第二流路B。另外，室外热交换器103与第一单向阀11之间和第四热交换部16与四通阀102之间通过第二单向阀12由分流流路13连接。第三热交换部10是内部热交换器，发挥加热部的功能。另外，第四热交换部16的结构及功能与第二热交换部6相同，发挥加热部的功能。

在制热运转的情况下，在制冷剂流出气相侧分配器31后，经由第一单向阀11流入第三热交换部10，且被室内热交换器111与主膨胀阀104之间的制冷剂加热。而且，流出第三热交换部10的制冷剂在第四热交换部16从压缩机101得到热量而被加热。由此，与第二实施方式同样地，即使在室外热交换器103的出口侧的各制冷剂路径的干燥度的偏差较大的情况下，也能够使室外热交换器103的出口侧的各制冷剂路径的制冷剂为气液二相状态，并且使流入四通阀102的制冷剂为气相单相。此外，在制热运转的情况下，通过第二单向阀12的作用，分流流路13的制冷剂不流动。

在制冷运转的情况下，制冷剂在流出四通阀102后，经由分流流路13流入气相侧分配器31。此时，朝向第四热交换部16及第三热交换部10的流因第一单向阀11的作用而被遮断。由此，能够防止因从压缩机101吐出的高温的制冷剂引起的压缩机101自身的加热、因在第三热交换部10对流入室内机110的制冷剂进行加热而引起的冷却能力的降低。

根据上述的结构，在制热运转下能够使室外热交换器103的出口为气液二相流，并且降低四通阀102的热损失，在制冷运转下能够抑制损失的增加。此外，上述结构是一例，即使在没有第四热交换部16的情况下也有效。另外，在本实施方式中，作为切换制热运转时和制冷运转时的制冷剂路径的方法，使用了两个单向阀，但是即使是在分流流路13的出入口设置三通阀等直接切换流路的构件，也能够得到相同的效果。

此外，本实施方式不限定于上述的实施例。本领域技术人员能够在本实施方式的范围内进行各种追加、变更等。

Claims

1.一种空调装置，

将压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及四通阀通过用于供制冷剂流动的配管连接而构成冷冻循环，

上述空调装置具有在上述冷凝器的出口与上述蒸发器的入口之间的第一流路和在上述蒸发器的出口与上述四通阀的入口之间的第二流路，

上述膨胀阀配置于上述第一流路，

上述空调装置具备加热部，该加热部通过上述第一流路中在上述冷凝器的出口与上述膨胀阀的入口之间流动的制冷剂加热在上述第二流路流动的制冷剂，其特征在于，

具有第三流路，该第三流路从上述第一流路的上述膨胀阀与上述蒸发器的入口之间的流路分支，且连接于上述第二流路，

具备第一热交换部，该第一热交换部在流动于上述第一流路中上述冷凝器的出口与上述膨胀阀的入口之间的制冷剂与流动于上述第三流路的制冷剂之间进行热交换，

上述第一热交换部及上述第三流路作为对流动于上述第二流路的制冷剂进行加热的上述加热部而发挥功能。

2.根据权利要求1所述的空调装置，其特征在于，

在上述第三流路的比上述第一热交换部靠上述第二流路侧，具备在流动于上述第三流路的制冷剂与上述压缩机之间进行热交换的第二热交换部，

上述第二热交换部作为对流动于上述第二流路的制冷剂进行加热的上述加热部而发挥功能。

3.根据权利要求1或2所述的空调装置，其特征在于，

使上述蒸发器的出口的制冷剂为气液二相状态，通过上述加热部使上述四通阀的入口为气相状态，从而形成冷冻循环。

4.根据权利要求1或2所述的空调装置，其特征在于，

上述蒸发器的制冷剂流路的分支数为多个。

5.根据权利要求4所述的空调装置，其特征在于，

上述蒸发器的制冷剂流路是在大致扁平型的截面具备多个孔的形状。

6.根据权利要求1或2所述的空调装置，其特征在于，

上述冷凝器是设于室内机的室内热交换器，

上述蒸发器是设于室外机的室外热交换器。

7.一种空调装置，将压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及四通阀通过用于供制冷剂流动的配管连接而构成冷冻循环，

上述膨胀阀配置于上述第一流路，

上述空调装置具备加热部，该加热部通过上述第一流路中在上述冷凝器的出口与上述膨胀阀的入口之间流动的制冷剂加热在上述第二流路流动的制冷剂，

其特征在于，

具备第三热交换部，该第三热交换部在流动于上述第二流路的制冷剂与流动于上述第一流路中上述冷凝器的出口与上述膨胀阀的入口之间的制冷剂之间进行热交换，

上述第三热交换部作为对流动于上述第二流路的制冷剂进行加热的上述加热部而发挥功能。

8.根据权利要求7所述的空调装置，其特征在于，

在上述第二流路的比上述第三热交换部靠上述四通阀侧具备在流动于上述第二流路的制冷剂与上述压缩机之间进行热交换的第四热交换部，

上述第四热交换部作为对流动于上述第二流路的制冷剂进行加热的上述加热部而发挥功能。

9.根据权利要求7所述的空调装置，其特征在于，

具备分流流路，该分流流路从上述第二流路的上述蒸发器的出口与上述第三热交换部的入口之间的流路分支，且在上述第二流路的上述第三热交换部的出口与上述四通阀的入口之间的流路合流。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的空调装置，其特征在于，

11.根据权利要求7-9中任一项所述的空调装置，其特征在于，

上述蒸发器的制冷剂流路的分支数为多个。

12.根据权利要求11所述的空调装置，其特征在于，

13.根据权利要求7-9中任一项所述的空调装置，其特征在于，

上述冷凝器是设于室内机的室内热交换器，

上述蒸发器是设于室外机的室外热交换器。