JP2000146258A - 空気調和機およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異なる種類の冷媒を使用した場合、冷媒の種
類によっては空気調和機の能力を十分に引き出すことが
困難であった。 【解決手段】 冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の
室外熱交換器１３と複数の室内熱交換器１４とを備える
空気調和機であって、冷房運転時に室外熱交換器１３が
直列に接続されるように各室外熱交換器１３への冷媒の
並列方向への流入を阻止し暖房運転時には室外熱交換器
１３が並列に接続されるように冷媒の流入を許容する室
外側逆止弁１６と、冷房運転時に室内熱交換器１４が直
列に接続されるように各室内熱交換器１４への冷媒の並
列方向への流入を阻止し暖房運転時には室内熱交換器１
４が並列に接続されるように冷媒の流入を許容する室内
側逆止弁１７とを備える空気調和機を採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷房なたは暖房に
より快適な室内環境を提供する空気調和機およびその制
御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の空気調和機の一例を図６に示す。
図において、符号１は圧縮機、２は四方弁、３は室外熱
交換器、４は室内熱交換器、５は絞り（膨張弁）であ
る。一般的に、各室外熱交換器３、ならびに各室内熱交
換４は冷媒配管により並列に接続されており、室内側、
室外側ともに同数のサーキット（図２の場合は２サーキ
ット）が構成されている。

【０００３】上記のように構成された空調装置では、冷
房運転時において、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガ
ス冷媒は、冷媒配管を通じて各室外熱交換器３に送ら
れ、屋外の空気に熱を奪われて凝縮液化し高温高圧の液
冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、絞り５を通過す
る間に減圧されて低温低圧の液冷媒となる。この低温低
圧の液冷媒は、冷媒配管を通じて各室内熱交換器４に送
られ、室内の空気から熱を奪って当該空気を冷却し、冷
媒自体は蒸発気化して低温低圧のガス冷媒となる。この
低温低圧のガス冷媒は圧縮機１に送られ、圧縮されて高
温高圧のガス冷媒となり、上記の冷凍サイクルが繰り返
される。

【０００４】また、暖房運転時においては、圧縮機１で
圧縮された高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて各
室内熱交換器４に送られ、室内の空気に熱を奪われて当
該空気を加熱し、冷媒自体は凝縮液化して高温高圧の液
冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、絞り５を通過す
る間に減圧されて低温低圧の液冷媒となる。この低温低
圧の液冷媒は、冷媒配管を通じて各室外熱交換器３に送
られ、屋外の空気から熱を奪って蒸発気化し低温低圧の
ガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は圧縮機１に
送られ、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、上記の
冷凍サイクルが繰り返される。

【０００５】上記のようなヒートポンプ式の空気調和機
には、冷媒としてＨＣＦＣ２２（＝Ｒ２２、沸点−４
０．８℃）が使用されるのが一般的であるが、この代替
冷媒として、例えばＨＦＣ３２（沸点−５１．７℃）５
０％、ＨＦＣ１２５（沸点−４８．１℃）５０％からな
る非共沸混合冷媒Ｒ４１０Ａを使用した場合、冷媒の理
論物性上からは理論ＣＯＰ（成績係数）はＨＣＦＣ２２
と比べて低下（約９３％）するが、冷媒の圧力損失を比
較すると、例えばルームエアコンの冷房運転時の定格点
では飽和温度４４℃で飽和圧力はＲ４１０／ＨＣＦＣ２
２＝２．６２／１．６０（ＭＰａ）＝１．６倍と高圧に
なるため、圧力損失は１／１．６程度に下がり、ＨＣＦ
Ｃ２２と同等以上のＣＯＰを得るには冷凍サイクル上で
の圧力損失を小さくすることが有効であることがわか
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記に示したＨＣＦＣ
２２冷媒を用いた空調装置の使用のままでＲ４１０Ａ冷
媒に入れ替えた場合、冷媒の特性がそのまま出て、能力
はやや低く、ＣＯＰが低下する問題があった。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、異なる種類の冷媒を使用する場合でも、使用さ
れる冷媒の特性に十分に見合った能力、成績計数を得る
ことができる空気調和装置およびその制御方法を提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、次のような構成を有する空気調和機と
その制御方法を採用する。請求項１記載の空気調和機
は、冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の室内熱交換
器と複数の室外熱交換器とを備える空気調和機であっ
て、前記室外熱交換器が前記冷媒回路内において並列ま
たは直列に接続されるように冷媒の流路を変更する室外
側流路変更手段と、前記室内熱交換器が前記冷媒回路内
において並列または直列に接続されるように冷媒の流路
を変更する室内側流路変更手段とを備えることを特徴と
する。

【０００９】請求項１記載の空気調和機では、冷房運転
時において、各室外熱交換器を直列に接続すると、流路
の断面積が小さくなるためにガス冷媒の流速が速まる。
このため、ガス冷媒の熱伝達率が向上して冷房能力の向
上が図られる。また、各室内熱交換器を並列に接続する
と、流路の断面積が大きくなるために液冷媒の流速が遅
くなる。このため、冷媒の圧力損失が少なくなって冷房
能力の向上が図られる。暖房運転時においては、冷房運
転時とは逆に室外熱交換器を並列に接続し、各室内熱交
換器を直列にすると、上記と同じ理由で暖房能力の向上
が図られる。

【００１０】請求項２記載の空気調和機は、前記室外側
流路変更手段として、冷房運転時の冷媒の流れに対して
は前記室外熱交換器への並列方向への流入を阻止して直
列方向への流入を行わせ、暖房運転時の冷媒の流れに対
しては室外熱交換器への並列方向への流入を行わせる室
外側逆止弁を備え、前記室内側切替手段として、冷房運
転時の冷媒の流れに対しては前記室内熱交換器への並列
方向への流入を行わせ、暖房運転時の冷媒の流れに対し
ては室内熱交換器への並列方向への流入を阻止して直列
方向への流入を行わせる室内側逆止弁を備えることを特
徴とする。

【００１１】請求項２記載の空気調和機では、室外側逆
止弁ならびに室内側逆止弁を用いることで、切替操作や
制御機構等を設けずとも、冷房または暖房運転時の冷媒
の流れに対応して冷媒の流路が変更される。

【００１２】請求項３記載の空気調和機の制御方法は、
冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の室内熱交換器と
複数の室外熱交換器とを備える空気調和機の制御方法で
あって、暖房運転時には、前記室外熱交換器に対して冷
媒を並列方向に流入させるとともに前記室内熱交換器に
対して冷媒を直列方向に流入させて冷媒を循環させ、冷
房運転時には、前記室外熱交換器に対して冷媒を直列方
向に流入させるとともに前記室内熱交換器に対して冷媒
を並列方向に流入させて冷媒を循環させることを特徴と
する。

【００１３】請求項４記載の空気調和機は、冷媒を循環
させる冷媒回路内に、複数の室内熱交換器と複数の室外
熱交換器とを備える空気調和機であって、前記冷媒回路
に冷媒を循環させかつ冷媒の流速を変化させることがで
きる圧縮機と、前記室外熱交換器が前記冷媒回路内にお
いて並列または直列接続となるように冷媒の流路を切り
替える室外側流路切替弁と、前記室内熱交換器が前記冷
媒回路内において並列または直列接続となるように冷媒
の流路を切り替える室内側流路切替弁と、冷媒の流速に
応じて前記室外側流路切替弁ならびに室内側流路切替弁
の作動を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

【００１４】請求項４記載の空気調和機では、冷房運転
時において、室外側流路切替弁を閉として室外熱交換器
を直列に接続し、室内側流路切替弁を開として室内熱交
換器を並列に接続すると、室外熱交換器において流路の
断面積が小さくなるためにガス冷媒の流速が速まる。こ
のため、ガス冷媒の熱伝達率が向上して冷房能力の向上
が図られる。さらに、各室内熱交換器において流路の断
面積が大きくなるために液冷媒の流速が遅くなる。この
ため、冷媒の圧力損失が少なくなって冷房能力の向上が
図られる。ここで、冷媒の流速を低下させた場合、室内
側流路切替弁を閉として室内熱交換器を直列に接続する
と、流路の断面積が拡大するので液冷媒の流速が速ま
る。このため、液冷媒の熱伝達率が向上して蒸発能力が
向上する。

【００１５】暖房運転においては、室外側流路切替弁を
開として室外熱交換器を並列に接続し、室内側流路切替
弁を閉として室内熱交換器を直列に接続すると、室外熱
交換器において流路の断面積が大きくなるために液冷媒
の流速が遅くなる。このため、冷媒の圧力損失が少なく
なって暖房能力の向上が図られる。さらに、室内熱交換
器において流路の断面積が小さくなるためにガス冷媒の
流速が速まる。このため、ガス冷媒の熱伝達率が向上し
て暖房能力の向上が図られる。ここで、冷媒の流速を低
下させた場合、室外側流路切替弁を閉として室外熱交換
器を直列に接続すると、流路の断面積が拡大するので液
冷媒の流速が速まる。このため、液冷媒の熱伝達率が向
上して蒸発能力が向上する。

【００１６】請求項５記載の空気調和機の制御方法は、
冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の室内熱交換器
と、複数の室外熱交換器とを備える空気調和機の制御方
法であって、冷房運転時には、前記冷媒を前記室内熱交
換器に対して直列または並列方向に選択的に流入させる
とともに前記室外熱交換器に対して直列方向に流入さ
せ、暖房運転時には、前記冷媒を前記室内熱交換器に対
して直列方向に流入させるとともに前記室外熱交換器に
対して直列または並列方向に選択的に流入させることを
特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明に係る空気調和機の第１の
実施形態を図１に示して説明する。図１において符号１
１は圧縮機、１２は四方弁、１３は室外熱交換器、１４
は室内熱交換器、１５は絞り（膨張弁）、１６は室外側
逆止弁（室外側流路切替手段）、１７は室内側逆止弁
（室内側流路切替手段）である。

【００１８】圧縮機１１は、低温低圧のガス冷媒を圧縮
し高温高圧のガス冷媒に変換して吐出するものであり、
冷媒回路を構成する部品の中で中心的な働きを担うもの
である。四方弁は、圧縮機１１において圧縮された高温
高圧のガス冷媒を室外熱交換器１３または室内熱交換器
１４のいずれかに選択的に送出するものである。

【００１９】室外熱交換器１３、室内熱交換器１４はい
ずれも複数（各３基）設けられている。各室外熱交換器
１３は、冷房運転時には冷媒の並列方向への流入が阻止
されて直列（１サーキット）に接続された状態となり、
暖房運転時には冷媒の並列方向への流入が許容されて並
列（３サーキット）に接続された状態となるように、室
外側逆止弁１６を途中に配置した冷媒配管で接続されて
いる。

【００２０】また、各室内熱交換器１４は、冷房運転時
には冷媒の並列方向への流入が許容されて並列（３サー
キット）に接続された状態となり、暖房運転時には冷媒
の並列方向への流入が阻止されて直列（１サーキット）
に接続された状態となるように、室内側逆止弁１７を途
中に配置した冷媒配管で接続されている。

【００２１】上記のように構成された空気調和機の冷凍
サイクルについて説明する。冷房運転時において、圧縮
機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室外側逆止
弁１６に流路を制限されることで１サーキットに構成さ
れた各室外熱交換器１３に送られ、屋外の空気に熱を奪
われて凝縮液化し高温高圧の液冷媒となる。この高温高
圧の液冷媒は、絞り１５を通過する間に減圧されて低温
低圧の液冷媒となる。この低温低圧の液冷媒は、室内側
逆止弁１７を介在させることで３サーキットに構成され
た各室内熱交換器１４に送られ、室内の空気から熱を奪
って当該空気を冷却し、冷媒自体は蒸発気化して低温低
圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は圧縮機
１１に送られ、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、
上記の冷凍サイクルが繰り返される。

【００２２】また、暖房運転時においては、圧縮機１１
で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室内側逆止弁１７
に流路を制限されることで１サーキットに構成された各
室内熱交換器１４に送られ、室内の空気に熱を奪われて
当該空気を加熱し、冷媒自体は凝縮液化して高温高圧の
液冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、絞り１５を通
過する間に減圧されて低温低圧の液冷媒となる。この低
温低圧の液冷媒は、室外側逆止弁１６を介在させること
で３サーキットに構成された各室外熱交換器１３に送ら
れ、屋外の空気から熱を奪って蒸発気化し低温低圧のガ
ス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は圧縮機１１に
送られ、圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、上記の
冷凍サイクルが繰り返される。

【００２３】上記のように構成された空気調和機では、
冷房運転時においては各室外側熱交換器１３が１サーキ
ットと小サーキット化され、流路の断面積が小さくなる
ためにガス冷媒の流速が速まる。このため、ガス冷媒の
熱伝達率が向上して冷房能力の向上が図られる。また、
流速が速められた高温高圧の液冷媒は絞り１５で減圧さ
れて室内熱交換器１４に入るが、各室内熱交換器１４は
３サーキットと多サーキット化され、流路の断面積が大
きくなるために液冷媒の流速が遅くなる。このため、冷
媒の圧力損失が少なくなって冷房能力の向上が図られ
る。

【００２４】暖房運転時においては冷房運転時とは逆に
室外熱交換器６が３サーキットと多サーキット化され、
室内熱交換器１４が１サーキットと小サーキット化され
るため、上記と同じ理由で暖房能力の向上が図られる。

【００２５】また、室外側逆止弁１６ならびに室内側逆
止弁１７を用いることで、冷房または暖房運転時の冷媒
の流れに対応して冷媒の流路が変更されるので、切替操
作や制御機構等を設ける必要がなく、コスト削減を図る
ことができる。

【００２６】本発明に係る空気調和機の第２の実施形態
を図２に示して説明する。ただし、第１の実施形態にお
いて既に説明した構成要素には同一の符号を付して説明
を省略する。図２において符号１１'は圧縮機、２１は
室外側切替弁（室外側流路切替手段）、２２は室内側切
替弁（室内側流路切替手段）である。圧縮機１１'には
周波数可変方式が採用されており、低Ｈｚから高Ｈｚま
での範囲で回転数を変化させることが可能である。ま
た、各切替弁は、図示しない制御部によって開閉が制御
されるようになっている。

【００２７】上記のように構成された空気調和機の冷凍
サイクルについて説明する。冷房運転時において圧縮機
１１'の回転数を上げて高Ｈｚ運転を行うときは、室外
側切替弁２１を閉とし、室内側切替弁２２を開とする
と、第１の実施形態に示した空気調和機と同様の冷凍サ
イクルが実現される。

【００２８】冷房運転時において圧縮機１１'の回転数
を下げて低Ｈｚ運転を行うときは、すべての切替弁を閉
とする。圧縮機１１'を低Ｈｚ運転させた場合、各室内
熱交換器１４が多サーキット化されていると、圧力損失
が少なくなりすぎて液冷媒の流速が低下し、熱伝達率が
低下してしまう。そこで、室内側切替弁２２を閉として
各室内熱交換器１４が小サーキット化されると、液冷媒
の流速が上昇し、熱伝達率が向上して蒸発能力が向上す
る。これにより、冷房能力の低下を抑制することができ
る。

【００２９】暖房運転において圧縮機１１'の回転数を
上げて高Ｈｚ運転を行うときは、室外側切替弁２１を開
とし、室内側切替弁２２を閉とすると、第１の実施形態
に示した空気調和機と同様の冷凍サイクルが実現され
る。

【００３０】暖房運転時において圧縮機１１' の回転数
を下げて低Ｈｚ運転を行うときは、すべての切替弁を閉
とする。圧縮機１１'を低Ｈｚ運転させた場合、各室外
熱交換器１３が多サーキット化されていると、圧力損失
が少なくなりすぎて冷媒の流速が低下し、熱伝達率が低
下してしまう。そこで、室外側切替弁２１を閉として各
室外熱交換器１３が小サーキット化されると、冷媒の流
速が上昇し、熱伝達率が向上して蒸発能力が向上する。
これにより、暖房能力の低下を抑制することができる。

【００３１】上記のように構成された空気調和機では、
圧縮機１１'の回転数に応じて各切替弁の開閉を制御
し、冷媒の流速を適度に調整することで冷房／暖房能力
の向上が図られる。

【００３２】

【実施例】図３は、冷媒にＨＣＦＣ２２を用いた場合と
Ｒ４１０Ａを用いた場合において室内熱交換器のサーキ
ット数に対する冷房および暖房能力への影響を実測した
例、図４は、冷媒にＨＣＦＣ２２を用いた場合とＲ４１
０Ａを用いた場合において室外熱交換器のサーキット数
に対する冷房および暖房能力への影響を実測した例であ
り、第１、第２の実施形態における効果を良く表してい
る。

【００３３】冷房運転時においては、室内熱交換器は多
サーキット化するほど冷房能力が向上し、室外熱交換器
は小サーキット化するほど冷房能力が向上することがわ
かる。一方、暖房運転時においては、冷房運転時と全く
逆になり、室内熱交換器は小サーキット化するほど冷房
能力が向上し、室外熱交換器は多サーキット化するほど
冷房能力が向上する各々に暖房能力が向上する。さら
に、図３、図４から、上記の傾向はＨＣＦＣ２２よりも
圧力損失の小さいＲ４１０Ａの方に顕著に現れている。
このことから、Ｒ４１０Ａのような圧力損失の少ない高
圧冷媒を使用する場合には、空気調和機の能力に応じて
冷房／暖房運転時の最適なサーキットの組み合わせを構
成することが有効であることがわかる。

【００３４】図５は冷媒にＲ４１０Ａを用いたヒートポ
ンプ式空凍サイクルを備える空気調和機について、最適
なサーキット数を組み合わせた実例であり、冷房／暖房
運転時ともにＨＣＦＣ２２に優るとも劣らない能力が得
られ、ＣＯＰの向上が図られる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における空
気調和機およびその制御方法によれば、冷房運転時にお
いて各室外熱交換器を直列に接続することで、ガス冷媒
の流速が速まってガス冷媒の熱伝達率が向上するので、
室外機側での冷房能力を向上させることができる。ま
た、各室内熱交換器を並列に接続することで、液冷媒の
流速が遅くなって圧力損失が少なくなるので、室内機側
での冷房能力を向上させることができる。暖房運転時に
おいては、冷房運転時とは逆に室外熱交換器を並列に接
続することで、ガス冷媒の流速が遅くなって圧力損失が
少なくなるので、室内機側での暖房能力を向上させるこ
とができる。また、各室内熱交換器を直列に接続するこ
とで、ガス冷媒の流速が速まってガス冷媒の熱伝達率が
向上するので、室外機側での暖房能力を向上させること
ができる。

【００３６】また、本発明における空気調和機およびそ
の制御方法によれば、冷房運転時に冷媒の流速を低下さ
せた場合、室内熱交換器を直列に接続することで、液冷
媒の流速が速まって液冷媒の熱伝達率が向上するので、
室内機側での蒸発能力が向上する。これにより、冷房能
力の低下を抑制することができる。暖房運転に冷媒の流
速を低下させた場合には、室外熱交換器を直列に接続す
ることで、液冷媒の流速が速まって熱伝達率が向上する
ので、室外機側での蒸発能力が向上する。これにより、
暖房能力の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る空気調和機の第１の実施形態を
示す概略構成図である。

【図２】 本発明に係る空気調和機の第２の実施形態を
示す概略構成図である。

【図３】 本発明に係る空気調和機およびその制御方法
の実施例を示す図表であって、冷媒にＨＣＦＣ２２を用
いた場合とＲ４１０Ａを用いた場合において室内熱交換
器のサーキット数に対する冷房および暖房能力への影響
を示すグラフである。

【図４】 同じく、冷媒にＨＣＦＣ２２を用いた場合と
Ｒ４１０Ａを用いた場合において室外熱交換器のサーキ
ット数に対する冷房および暖房能力への影響を示すグラ
フである。

【図５】 同じく、冷媒にＲ４１０Ａを用いたヒートポ
ンプ式空凍サイクルを備える空気調和機について、サー
キット数を組み合わせた場合の空気調和機の能力への影
響を示す図表である。

【図６】 従来の空気調和機の一例を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１１ 圧縮機 １２ 四方弁 １３ 室外熱交換器 １４ 室内熱交換器 １５ 絞り １６ 室外側逆止弁 １７ 室内側逆止弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の
   室内熱交換器と複数の室外熱交換器とを備える空気調和
   機であって、 前記室外熱交換器が前記冷媒回路内において並列または
   直列に接続されるように冷媒の流路を変更する室外側流
   路変更手段と、 前記室内熱交換器が前記冷媒回路内において並列または
   直列に接続されるように冷媒の流路を変更する室内側流
   路変更手段とを備えることを特徴とする空気調和機。
2. 【請求項２】 前記室外側流路変更手段として、冷房運
   転時の冷媒の流れに対しては前記室外熱交換器への並列
   方向への流入を阻止して直列方向への流入を行わせ、暖
   房運転時の冷媒の流れに対しては室外熱交換器への並列
   方向への流入を行わせる室外側逆止弁を備え、 前記室内側切替手段として、冷房運転時の冷媒の流れに
   対しては前記室内熱交換器への並列方向への流入を行わ
   せ、暖房運転時の冷媒の流れに対しては室内熱交換器へ
   の並列方向への流入を阻止して直列方向への流入を行わ
   せる室内側逆止弁を備えることを特徴とする請求項１記
   載の空気調和機。
3. 【請求項３】 冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の
   室内熱交換器と複数の室外熱交換器とを備える空気調和
   機の制御方法であって、 暖房運転時には、前記室外熱交換器に対して冷媒を並列
   方向に流入させるとともに前記室内熱交換器に対して冷
   媒を直列方向に流入させて冷媒を循環させ、 冷房運転時には、前記室外熱交換器に対して冷媒を直列
   方向に流入させるとともに前記室内熱交換器に対して冷
   媒を並列方向に流入させて冷媒を循環させることを特徴
   とする空気調和機の制御方法。
4. 【請求項４】 冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の
   室内熱交換器と複数の室外熱交換器とを備える空気調和
   機であって、 前記冷媒回路に冷媒を循環させかつ冷媒の流速を変化さ
   せることができる圧縮機と、 前記室外熱交換器が前記冷媒回路内において並列または
   直列接続となるように冷媒の流路を切り替える室外側流
   路切替弁と、 前記室内熱交換器が前記冷媒回路内において並列または
   直列接続となるように冷媒の流路を切り替える室内側流
   路切替弁と、 冷媒の流速に応じて前記室外側流路切替弁ならびに室内
   側流路切替弁の作動を制御する制御部とを備えることを
   特徴とする空気調和機。
5. 【請求項５】 冷媒を循環させる冷媒回路内に、複数の
   室内熱交換器と、複数の室外熱交換器とを備える空気調
   和機の制御方法であって、 冷房運転時には、前記冷媒を前記室内熱交換器に対して
   直列または並列方向に選択的に流入させるとともに前記
   室外熱交換器に対して直列方向に流入させ、 暖房運転時には、前記冷媒を前記室内熱交換器に対して
   直列方向に流入させるとともに前記室外熱交換器に対し
   て直列または並列方向に選択的に流入させることを特徴
   とする空気調和機の制御方法。