JP2002243295A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一冷媒および非共沸冷媒を作動流体とし、
配管分の冷媒量を予め室外機に封入する空気調和機にお
いて、非定常的に変化する室内負荷や様々な設置状況に
応じた配管長に対応した冷媒量の調整を容易にし、省エ
ネルギー性と信頼性とを両立させる手段を備えた空気調
和機を提供する。 【解決手段】 単一冷媒および非共沸冷媒を作動流体と
する冷凍サイクルを有する空気調和機で、冷凍サイクル
内の余剰冷媒を保有するように熱源側熱交換器３と利用
側(室内機側)熱交換器１１の間に配置され作動流体であ
る冷媒のガス混合手段または液混合手段を備え二層流状
態で流動させる冷媒量調節器５と、室外機側膨張装置４
と並列配置され暖房運転時のみ作動流体が通過できる逆
止弁７を有するバイパス１７と、室内機側膨張装置１０
と冷媒量調節器５の間に配置され冷房運転時のみ作動流
体が通過できる逆止弁６を有するバイパス８とを備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気圧縮冷凍サイ
クルを利用する空気調和機に係り、特に、単一冷媒およ
び沸点の異なる２成分以上の物質を混合した非共沸冷媒
を作動流体とし、配管長分の冷媒を予め室外機に封入す
る空気調和機において、非定常的に変化する室内負荷や
様々な設置状況に応じた配管長に対応した冷媒量の調整
を容易にし、省エネルギー性と信頼性とを両立させる手
段に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気圧縮冷凍サイクルを利用する空気調
和機においては、作動流体である冷媒は、冷房運転時で
の適正冷媒量と暖房運転時での適正冷媒量が、大きく異
なる。

【０００３】また、非定常的に変化する室内および室外
負荷，室内空調機の設定風量の変更，室内空調機のフィ
ルタ目詰まり、空調機熱交換器フィンの表面の汚れなど
の外乱に対し、循環する冷媒状態が変化し、適正な冷媒
量は、その都度異なる。

【０００４】さらに、室外機および室内機の設置状況に
応じて、室外機と室内機とを接続する液接続配管および
ガス接続配管の配管長が異なる。

【０００５】配管長が短い場合は、適正冷媒量に対して
過剰な冷媒を保有することになり、冷凍サイクル内の圧
力が上昇するため、圧縮機は高負荷運転の傾向にあり、
信頼性と省エネルギー性の点で問題が生じる。

【０００６】そこで、配管分の冷媒量を予め室外機に封
入する空気調和機において、余剰冷媒を貯留可能な冷媒
量調節器を設けることが、例えば特開平１０―１０３７
９７号公報に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、暖房時には、余剰冷媒を貯留可能な冷媒量調節器の
冷媒量を、膨張装置の絞り量調整と逆止弁を有するバイ
パスの開閉とにより調整するのに対して、冷房時には、
膨張装置の絞り量のみで調整しており、非定常的に変化
する室内および室外負荷に対しては、最適な冷媒量の調
整しているとはいえない。

【０００８】さらに、容量制御機能を備えた圧縮機を有
する冷凍サイクルにおいては、省エネルギー性を高くす
るために、室内負荷に応じてより低い周波数で運転する
ことが望ましい。その意味では、定速圧縮機と比べてよ
り広い運転範囲に対応できる冷媒量調整機構が必要とな
る。

【０００９】本発明の目的は、単一冷媒および非共沸冷
媒を作動流体とし、配管分の冷媒量を予め室外機に封入
する空気調和機において、非定常的に変化する室内負荷
や様々な設置状況に応じた配管長に対応した冷媒量の調
整を容易にし、省エネルギー性と信頼性とを両立させる
手段を備えた空気調和機を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、圧縮機，四方弁，熱源側熱交換器，室外
機側膨張装置，冷媒量調節器，室内機側膨張装置，利用
側(室内機側)熱交換器を配管により順次接続し、単一冷
媒および沸点の異なる２成分以上の物質を混合した非共
沸冷媒を作動流体とする冷凍サイクルを有する空気調和
機において、冷凍サイクル内の余剰冷媒を保有するよう
に熱源側熱交換器と利用側熱交換器との間に配置され作
動流体である冷媒のガス混合手段または液混合手段を備
え二層流状態で流動させる冷媒量調節器と、室外機側膨
張装置と並列に配置され暖房運転時のみ作動流体が通過
できる逆止弁を有するバイパスと、室内機側膨張装置と
冷媒量調節器との間に配置され冷房運転時のみ作動流体
が通過できる逆止弁を有するバイパスとを備えた空気調
和機を提案する。

【００１１】本発明は、また、圧縮機，四方弁，熱源側
熱交換器，室外機側膨張装置，冷媒量調節器，室内機側
膨張装置，利用側(室内機側)熱交換器を配管により順次
接続し、単一冷媒および沸点の異なる２成分以上の物質
を混合した非共沸冷媒を作動流体とする冷凍サイクルを
有する空気調和機において、冷凍サイクル内の余剰冷媒
を保有するように熱源側熱交換器と利用側熱交換器との
間に配置され作動流体である冷媒のガス混合手段または
液混合手段を備え二層流状態で流動させる冷媒量調節器
と、室外機側膨張装置と並列に配置され任意の絞り量に
設定可能な可変絞り機構を有する膨張装置と、室内機側
膨張装置と冷媒量調節器との間に配置され冷房運転時の
み作動流体が通過できる逆止弁を有するバイパスとを備
えた空気調和機を提案する。

【００１２】前記室外機には、室内機を複数接続するこ
とができる。

【００１３】前記室外機には、氷蓄熱源を利用する蓄熱
槽を接続してもよい。

【００１４】本発明において、作動流体である冷媒のガ
ス混合手段または液混合手段を備え二層流状態で流動さ
せる冷媒量調節器とは、冷媒量調節器に流入し気層と液
層に分離した冷媒の液層から、液層および気層冷媒を直
接下流に導出するとともに、合流させて混合導出するこ
とを意味する。

【００１５】具体的には、冷媒量調節器に導出管を設
け、導出管の下端を液層部分に配置し、導出管の側面に
設けた小孔を導出管上方の気層部分に配置する手段によ
り達成できる。

【００１６】特に、暖房時において、室外機側膨張装置
と導出管の側面に設けた小孔の径を選定すると、冷媒量
調節器により導出される冷媒のかわき度を容易に目標値
にすることができるので、室外機と室内機とを接続する
液接続配管内の冷媒量を削減し、封入冷媒量が少なく地
球環境に配慮した空気調和機を実現できる。

【００１７】また、任意の絞り量に設定可能な可変絞り
機構を有する膨張装置を設けることで、特に、冷房時に
は、膨張装置による絞り量を任意に設定すると、冷媒量
調節器により導出される冷媒のかわき度を容易に最適値
にできるので、冷房時においても、室外機と室内機とを
接続する液接続配管内の冷媒量を削減し、封入冷媒量が
少なく地球環境に配慮した空気調和機を実現できる。

【００１８】さらに、室内および室外負荷の非定常的な
変化による冷凍サイクル内の圧力変動に対しては、冷房
時および暖房時それぞれにおいて、作動流体である冷媒
が通過できる逆止弁を有するバイパスと組み合わせたの
で、冷凍サイクル内の余剰冷媒を冷媒量調節器内に迅速
に貯留できる。

【００１９】そのため、冷凍サイクル内圧力の上昇を抑
制し、圧縮機の高負荷運転を避け、消費電力を低減し、
省エネルギー性の高い空気調和機を実現できる。

【００２０】冷凍サイクル内圧力の上昇を抑制すること
は、冷凍サイクル内の構成部品の長寿命化につながり、
信頼性の高い空気調和機を実現できる。

【００２１】任意の絞り量に設定可能とは、絞りまたは
開度を冷媒流量を調整するために設定できることを意味
する。

【００２２】具体的には、パルスモータやギヤ駆動部な
どの機構が用いられた電動膨張弁のような手段によって
達成できる。

【００２３】室外機側の固定膨張装置は、絞り量が予め
設定されている膨張装置を意味し、具体的には内径およ
び長さで絞り量が定められたキャピラリチューブまたは
オリフィスのような簡易で単純な構造のものを用いる。

【００２４】逆止弁を有するバイパスとは、作動流体で
ある冷媒が流れ方向に対して逆流することを防ぐ構造を
有し、電磁コイルなどによりバイパスを自在に開閉でき
る電動バイパス弁のような手段である。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、図１ないし図４を参照し
て、本発明による空気調和機の実施形態を詳細に説明す
る。

【００２６】

【実施形態１】図１は、本発明による空気調和機の実施
形態１における冷凍サイクルの系統構成を示すブロック
図である。

【００２７】室外機１３は、圧縮機１と、四方弁２と、
熱源側熱交換器３と、室外膨張装置４と、冷媒量調節器
５と、冷房用逆止弁６と、暖房用逆止弁７と、冷房用電
動バイパス弁８と、室外送風機１５と、暖房用電動バイ
パス弁１７とからなる。

【００２８】室内機１４は、電動膨張弁１０と、利用側
(室内機側)熱交換器１１と、室内送風機１６とからな
り、液接続配管９およびガス接続配管１２により、室外
機１３に連結されている。冷媒量調節器５の４本の冷媒
導入出管のうちで暖房液冷媒導出管には、暖房ガス戻し
孔１８が、それぞれ設けられている。

【００２９】空気調和は、圧縮機１と室外機送風機１５
と室内送風機１６との運転により、空気と熱交換してな
される。

【００３０】本実施形態１においては、電動膨張弁１０
を室内機１４に配置してあるので、圧縮機１の容量が可
変であるか固定速であるかの違いや、室内機１４が単独
か複数台かの違いにかかわらず、室内機１４の構成を変
えることなく、各々の製品群に対し共通な室内機として
使用できる。

【００３１】冷凍サイクルの作動流体としては、オゾン
層を破壊しないハイドロフルオロカーボン(ＨＦＣ)から
構成される非共沸冷媒が望ましい。例えば、ジフルオロ
メタン、ペンタフルオロエタン、１,１,１，２―テトラ
フルオロエタンの三種類で構成されるＲ４０７番台の冷
媒で、例えば、各々が２３：２５：５２重量％で構成さ
れているＲ４０７Ｃが挙げられる。

【００３２】本実施形態１の空気調和機の動作を説明す
る。冷房運転の場合、冷媒は、図１において実線で示し
た矢印の方向に流れる。圧縮機１から吐出されたガス冷
媒は、四方弁２を通過し、複数の冷媒通路で構成する熱
源側機熱交換器３で凝縮する。 その後、通路を合流し
た冷媒は、室外機側膨張装置としてのオリフィス４に入
る。オリフィス４は、過冷却された液冷媒の第一段目の
膨張装置であるので、絞られた冷媒は、気液二相状態に
なる。

【００３３】気液二相状態となった冷媒は、冷媒量調節
器５に入り、気層と液層に分離される。冷媒量調節器５
の導出管の下端では、液層から液冷媒を導出する。

【００３４】さらに、冷凍サイクル内の圧力上昇を図示
しない圧力検出手段などにより検出し、冷房用バイパス
を開閉すると、冷凍サイクル内の余剰冷媒を冷媒量調節
器５に迅速に貯留できる。

【００３５】冷媒量調節器５から導出した液冷媒は、室
外機１３と室内機１４とを接続する液接続配管９におい
て、配管長に応じた圧力損失により気液二層流となり、
電動膨張弁１０に入る。

【００３６】電動膨張弁１０は、任意の絞り量設定可能
な第二段目の膨張装置であり、冷媒量調節器５出口での
かわき度が最適となるように、任意の絞り量に設定す
る。

【００３７】電動膨張弁１０で減圧された冷媒は、蒸発
器となる利用側熱交換器１１に送られて蒸発し、室内空
気を冷却する。蒸発した冷媒は、ガス接続配管１２を通
過して、圧縮機１の吸入側に戻る。

【００３８】次に、暖房運転の場合を説明する。暖房運
転では、四方弁２の切り替えにより、冷媒は、図１にお
いて点線で示した矢印の向きに流れる。圧縮機１から吐
出された冷媒は、四方弁２，ガス接続配管１２を通過
し、利用側熱交換器１１で放熱して凝縮し、室内空気を
暖める。

【００３９】凝縮液は、電動膨張弁１０で絞られて膨張
し、液接続配管９内を気液二相で搬送され、室外機１３
に送られる。液接続配管９の圧力損失により、更に大き
なかわき度になった冷媒は、冷房時と同様の働きをする
冷媒量調節器５で気液分離され、二相状態で導出され
る。この後、オリフィス４を通り、熱源側熱交換器３に
送られる。

【００４０】冷媒量調節器５の導出管の暖房ガス戻し孔
１８の径は、冷媒量調節器５の後流側の膨張装置を不要
にできるかわき度になるようなガス戻し量となる径に設
定されている。

【００４１】このとき、冷房時と同様に、冷凍サイクル
内の圧力変動に応じて、暖房用バイパス１７を任意に開
閉すると、冷凍サイクル内の冷媒を迅速に貯留できる。

【００４２】蒸発器となる熱源側熱交換器３に入った二
相の冷媒は、蒸発してかわき度の大きな状態になり、四
方弁２を通過して圧縮機１に戻る。

【００４３】なお、冷房および暖房いずれの場合も、電
動膨張弁１０は、圧縮機１の吸入側の過熱度が少し付く
ように制御すると、湿り圧縮により圧縮機１の効率が悪
い状態で運転することがなく、空気調和機の効率がより
良い状態で運転できる。

【００４４】また、本実施形態１は、冷凍サイクルにお
いて、凝縮器から流出した液冷媒を圧縮機中間圧部に注
入し、主に暖房能力向上と運転範囲拡大とを目的に用い
られる液インジェクションサイクルにおいても有効であ
る。

【００４５】

【実施形態２】図２は、本発明による空気調和機の実施
形態２における冷凍サイクルの系統構成を示すブロック
図である。

【００４６】本実施形態２においては、実施形態１の暖
房用バイパス１７の代わりに、任意の絞り量設定可能な
電動膨張弁２０を設置した。

【００４７】この電動膨張弁２０の絞り量を調節する
と、冷媒量調節器５の出口かわき度をより細かく設定で
きるため、暖房時においても、冷房時と同様に、運転範
囲を拡大し冷凍サイクル内の圧力を適正化し、省エネル
ギー性と信頼性とを両立させることが可能である。

【００４８】

【実施形態３】図３は、本発明による空気調和機の実施
形態３における冷凍サイクルの系統構成を示すブロック
図である。

【００４９】本実施形態３においては、室外機１３に室
内機１４を複数接続してある。

【００５０】膨張装置を電動膨張弁１０として電動式の
可変絞りとしたため、接続された室内機１４の空気条件
が大きく変化した場合や、圧縮機１をインバータ制御な
どの容量制御機能を有する場合でも、室内機１４それぞ
れの電動膨張弁１０により冷媒の循環量に適応した絞り
量を設定し、最適な冷凍サイクルを形成でき、省エネル
ギー性と信頼性とを両立させることが可能である。

【００５１】このように、電動膨張弁１０を室内機に設
置したので、冷媒圧縮装置が固定速であるか容量可変機
能を有するかの違いや、室内機の接続台数にかかわら
ず、同一の構成の室内機を実現し、製品群に依存せず共
用化した室内機にできるので、製品在庫を圧縮可能であ
る。

【００５２】

【実施形態４】図４は、本発明による空気調和機の実施
形態４における冷凍サイクルの系統構成を示すブロック
図である。

【００５３】本実施形態４においては、室内機９と室外
機１３との間に蓄熱槽１９を設置してある。蓄熱槽１９
の部分は、室内機９側のユニットとしても、室外機１３
側のユニットとしても、室内外両方にも、配置できる。

【００５４】本実施形態４のように、室内機９と室外機
１３との間に蓄熱槽１９を設置すると、夜間の安価な電
力により貯えられた氷などの熱源と組み合わせ、更に省
エネルギー化するとともに、一日の電力使用量の平準化
に貢献できる。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、単一冷媒および非共沸
冷媒を作動流体とし、配管分の冷媒量を予め室外機に封
入する空気調和機において、非定常的に変化する室内負
荷や様々な設置状況に応じた配管長に対応した冷媒量の
調整を容易にし、省エネルギー性と信頼性とを両立させ
た空気調和機を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空気調和機の実施形態１における
冷凍サイクルの系統構成を示すブロック図である。

【図２】本発明による空気調和機の実施形態２における
冷凍サイクルの系統構成を示すブロック図である。

【図３】本発明による空気調和機の実施形態３における
冷凍サイクルの系統構成を示すブロック図である。

【図４】本発明による空気調和機の実施形態４における
冷凍サイクルの系統構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 四方弁 ３ 熱源側熱交換器 ４ 室外機側膨張装置 ５ 冷媒量調節器 ６ 冷房用逆止弁 ７ 暖房用逆止弁 ８ 冷房用バイパス ９ 液接続配管 １０ 電動膨張弁 １１ 利用側(室内機側)熱交換器 １２ ガス接続配管 １３ 室外機 １４ 室内機 １５ 室外送風機 １６ 室内送風機 １７ 暖房用バイパス １８ 暖房用ガス戻し孔 １９ 蓄熱槽 ２０ 電動膨張弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹中 寛 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 (72)発明者 中村 憲一 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 空調システム清水生産本部内 Ｆターム(参考） 3L092 AA13 BA05 BA21 BA27 GA03 HA07 HA10 VA04 VA08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機，四方弁，熱源側熱交換器，室外
   機側膨張装置，冷媒量調節器，室内機側膨張装置，利用
   側(室内機側)熱交換器を配管により順次接続し、単一冷
   媒および沸点の異なる２成分以上の物質を混合した非共
   沸冷媒を作動流体とする冷凍サイクルを有する空気調和
   機において、 前記冷凍サイクル内の余剰冷媒を保有するように前記熱
   源側熱交換器と前記利用側熱交換器との間に配置され前
   記作動流体である冷媒のガス混合手段または液混合手段
   を備え二層流状態で流動させる冷媒量調節器と、 前記室外機側膨張装置と並列に配置され暖房運転時のみ
   前記作動流体が通過できる逆止弁を有するバイパスと、 前記室内機側膨張装置と前記冷媒量調節器との間に配置
   され冷房運転時のみ前記作動流体が通過できる逆止弁を
   有するバイパスとを備えたことを特徴とする空気調和
   機。
2. 【請求項２】 圧縮機，四方弁，熱源側熱交換器，室外
   機側膨張装置，冷媒量調節器，室内機側膨張装置，利用
   側(室内機側)熱交換器を配管により順次接続し、単一冷
   媒および沸点の異なる２成分以上の物質を混合した非共
   沸冷媒を作動流体とする冷凍サイクルを有する空気調和
   機において、 前記冷凍サイクル内の余剰冷媒を保有するように前記熱
   源側熱交換器と前記利用側熱交換器との間に配置され前
   記作動流体である冷媒のガス混合手段または液混合手段
   を備え二層流状態で流動させる冷媒量調節器と、 前記室外機側膨張装置と並列に配置され任意の絞り量に
   設定可能な可変絞り機構を有する膨張装置と、 前記室内機側膨張装置と前記冷媒量調節器との間に配置
   され冷房運転時のみ前記作動流体が通過できる逆止弁を
   有するバイパスとを備えたことを特徴とする空気調和
   機。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載に記載の空気調和
   機において、 前記室外機に前記室内機を複数接続したことを特徴とす
   る空気調和機。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか一項に記載
   の空気調和機において、 前記室外機に氷蓄熱源を利用する蓄熱槽を接続したこと
   を特徴とする空気調和機。