JP2007155230A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機において、サイクル効率の向上、２段圧縮機の信頼性の向上、及び空気調和機の運転範囲の拡大を図ること。
【解決手段】空気調和機は、第１の圧縮手段１ａで圧縮した冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮手段１ｂを備えた容量可変な２段圧縮機１と、冷媒の凝縮用熱交換器２と、開度が可変な第１の減圧手段３と、内部に流入する気液２相の冷媒をガス冷媒と液冷媒に分けて流出させる機能を有する気液分離器４と、開度が可変な第２の減圧手段５と、冷媒の蒸発用熱交換器６と、を順次配管で接続した冷凍サイクルを備える。気液分離器４と２段圧縮機１中間圧力室１０とを接続するインジェクション回路８が備えられている。気液分離器４と蒸発用熱交換器６とを結ぶ配管経路１５に、第２の減圧手段５を有する主回路１０と第３の減圧手段１３を有するバイパス回路１１とが並列に接続して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを備えた空気調和機に関する。

冷凍サイクルの効率向上を図る手段の１つとして、例えば特開平１１−１４２００１号公報（特許文献１）に開示された従来技術１のように、気液分離器を用いたインジェクションサイクルが知られている。このサイクルは、室外熱交換器と室内熱交換器を結ぶ液配管の途中に気液分離器を介装した構成となっており、例えば冷房運転時には気液分離器で分離された液冷媒を減圧して室内熱交換器で蒸発させてから圧縮機吸入口へ戻す一方、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機のインジェクションポートへ戻して圧縮過程にある冷媒ガスと合流させるサイクルである。

この従来技術１では、気液分離器内における液冷媒の液面高さを検出する手段を設け、液面高さが基準高さを超えたときに閉弁方向に作動する制御手段をインジェクション配管途中に設けることにより、液インジェクションを防止するようにしている。

これに対して、例えば特開２００５−１２７１６７号公報（特許文献２）に示されたような２段圧縮機を用いた場合には、インジェクションポートが、低段側圧縮要素の吐出口と高段側圧縮要素の吸入口を結ぶ中間圧力室へ常に開口されている状態となるので、単段圧縮機を用いる場合に対して、気液分離器からインジェクションされる冷媒流量（以下、インジェクション量という）を増大させることができるという利点がある。

特開平１１−１４２００１号公報 特開２００５−１２７１６７号公報

従来技術１の単段圧縮機を用いたインジェクションサイクルでは、インジェクションポートが圧縮室内へ開口される状態と閉口される状態が繰り返され、インジェクションされる冷媒の流れが周期的に阻害されるので、気液分離器の圧力変化に対してインジェクション量があまり変化せず、結果として図２に示すようにサイクル効率が低くなると共にその変化も小さいという特性を有していた。

また、従来技術１では、気液分離器内の液面高さが高くなると、インジェクション配管の圧力損失を増大させ、液インジェクションを防止できるとしている。しかし、この場合には気液分離器の圧力が高くなるので、気液分離器内の乾き度が減少し、インジェクションされるガス冷媒量を減少させることになるので、サイクル効率が低下する。

一方、従来技術２の２段圧縮機を用いたインジェクションサイクルでは、気液分離器からインジェクションポートへ冷媒が比較的流れやすいため、気液分離器の圧力変化に対してインジェクション量が多くなると共に大きく変動し、図２に示すようにサイクル効率が高くなると共に大きく変化する特性となる。同様の理由により、２段圧縮機を用いた場合には、気液分離器の圧力が少し高くなるだけで多量の液冷媒がインジェクションされ易くなり、圧縮機の信頼性が低下しやすいという課題があった。したがって、２段圧縮機を用いたインジェクションサイクルにおいて、サイクル効率を向上させ、かつ圧縮機の信頼性を確保するためには、気液分離器の圧力を精度良く制御し、インジェクション量を適切に制御することが重要となる。

しかしながら、従来技術２では、運転範囲を広げようとすると、インジェクション量が制御できなくなる場合があることについて考慮されていなかった。

気液分離器を用いたインジェクションサイクルでは、気液分離器の上流側と下流側の両方に備えた膨張弁で２回に分けて減圧させる必要があるため、１つの膨張弁における減圧幅を小さくする必要がある。容量が可変な圧縮機を用いた場合には、冷媒流量が大きく変動するので、大流量時に合わせて流量係数の大きな膨張弁を用いると、特に小流量時には開度変化に対するインジェクション量の変化が大きくなるので、膨張弁の制御性が低下し、効率の良い運転ができなくなるだけでなく、液インジェクションを招いて圧縮機の信頼性を損なう可能性もある。逆に、小流量時に合わせて流量係数の小さな膨張弁を用いると、大流量時には減圧幅が過剰となり、運転範囲を制限する必要が生じるという問題がある。

ところで、インジェクションポートの圧力は低段側圧縮要素と高段側圧縮要素と、インジェクション量のバランスで定まり、図３に示すように高段側圧縮要素の吐出圧力Ｐｄを一定とした条件で、低段側圧縮要素の吸入圧力Ｐｓが低下するとインジェクションポートの圧力Ｐｍも低下し、ＰｍとＰｓの差圧は次第に小さくなる特性を有している。したがって、前述のように減圧幅が過剰となるという問題は、蒸発圧力が低下する場合、すなわち蒸発用熱交換器で熱交換する空気の温度が低い場合に、気液分離器の下流側膨張弁で発生しやすいことになる。また、ＰｄとＰｓの差圧が小さくなる場合であっても、ＰｍとＰｓの差圧が小さくなることになるので、同様の問題が生じる可能性がある。このような場合には、蒸発圧力が低下するので冷暖房能力が低下するだけでなく、気液分離器の圧力が高まり圧縮機への液戻りが増大することによって、圧縮機信頼性を損なう可能性が生じる。

本発明の目的は、サイクル効率の向上、２段圧縮機の信頼性の向上、及び空気調和機の運転範囲の拡大を図ることが可能な空気調和機を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、第１の圧縮手段で圧縮した冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮手段を備えた容量可変な２段圧縮機と、冷媒の凝縮用熱交換器と、開度が可変な第１の減圧手段と、内部に流入する気液２相の冷媒をガス冷媒と液冷媒に分けて流出させる機能を有する気液分離器と、開度が可変な第２の減圧手段と、冷媒の蒸発用熱交換器と、を順次配管で接続した冷凍サイクルと、前記気液分離器と、２段圧縮機の第１の圧縮手段と第２の圧縮手段とをつなぐ中間圧力室と、を接続するインジェクション回路と、を備えた空気調和機において、前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路に、前記第２の減圧手段を有する主回路と第３の減圧手段を有するバイパス回路とを並列に接続して設けたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記第３の減圧手段は前記第２の減圧手段で最大開度とした時の流量係数よりも小さい流量係数を有するものであること。
（２）前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路の冷媒流量が増大した場合に前記主回路及び前記バイパス回路に並列に冷媒を流すように制御する制御装置を備えたこと。
（３）前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路の冷媒流量が増大した場合を、前記第２の減圧手段の開度、外気温度及び圧縮機容量のうちの少なくとも１つを用いて検出すること。
（４）前記第２の減圧手段はオリフィス部の流路断面積を変化させるニードル弁を備えたニードル式膨張弁で構成され、前記第３の減圧手段は流量係数が前記第２の減圧手段で最大開度とした時の流量係数よりも小さいキャピラリチューブで構成されていること。
（５）前記冷凍サイクルにおける冷媒の流れを切り替えて冷房運転と暖房運転とを可能とする四方弁を備え、前記バイパス回路における前記気液分離器から前記蒸発用熱交換器への流れのみを可能とする逆止弁を備えていること。
（６）前記バイパス回路に前記制御装置からの電気信号によって開閉動作が可能なバイパス弁を備えていること。
（７）前記第３の減圧手段は開度が可変な膨張弁で構成されていること、を特徴とする空気調和機。
（８）前記制御装置は、前記バイパス回路に冷媒を流すように切り替えた際に、前記バイパス回路に冷媒を流す前の前記第２の減圧手段の圧力損失と前記バイパス回路に冷媒を流した後の前記第２の減圧手段及び前記第３の減圧手段の合計の圧力損失とが同等となるように前記第２の減圧手段の開度を制御すること。

本発明によれば、容量可変な２段圧縮機にインジェクションサイクルを用いてサイクル効率を向上しつつ、第２の減圧手段を有する主回路に第３減圧手段を有するバイパス回路を並列に接続することにより、第２の減圧手段の制御精度を低下させることなくサイクル効率のよい運転を可能とすると共に、２段圧縮機の信頼性の向上及び空気調和機の運転範囲の拡大を図ることが可能な空気調和機を実現できる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の空気調和機を図１から図５を用いて説明する。

まず、本実施形態の空気調和機の全体に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る空気調和機の構成図である。

容量が可変な２段圧縮機１は、吸入された冷媒を圧縮する第１の圧縮手段１ａと、第１の圧縮手段１ａで圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮手段１ｂと、これらの圧縮手段を接続する中間圧力室１ｃとを備えている。この２段圧縮機１を備えた冷凍サイクルには、冷媒と室外空気との熱交換を行う室外熱交換器６と、開度が可変なニードル式膨張弁５と、内部に流入する気液２相の冷媒をガス冷媒と液冷媒に分けて流出させる機能を有する気液分離器４と、開度が可変なニードル式膨張弁３と、冷媒と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器２とが順次冷媒配管で環状に接続されており、四方弁７により冷媒の流れを切り替えて、冷房運転と暖房運転ともに運転可能な構成となっている。

制御装置３０は、膨張弁３の開度、室内温度、外気温度、及び圧縮機容量などの検出結果に基づいて、２段圧縮機１の容量、四方弁７の切り替え、ニードル式膨張弁５の開度、バイパス弁１２の開閉、ニードル式膨張弁３の開度などを制御するものである。バイパス弁１２は電磁開閉弁で構成されている。

また、気液分離器４には、分離したガス冷媒を２段圧縮機１の中間圧力室１ｃに設けられたインジェクションポート９に導くためのインジェクション配管８が接続され、インジェクション回路が構成されている。そして、気液分離器４と室外熱交換器６とを接続する配管１５の途中に、膨張弁５を通る主配管１０に対して並列なバイパス回路１１を設け、バイパス回路１１にはバイパス弁１２、逆止弁１４、そして適切な絞り量となるキャピラリチューブ１３を備えている。

次に、本実施形態における動作を、冷房運転、暖房運転に対して順に説明する。

まず、冷房運転時には、四方弁７を実線で示す配管経路へ切り替えることにより、２段圧縮機１において、第１の圧縮手段１ａと第２の圧縮手段１ｂとで順次圧縮された冷媒は、四方弁７を実線で示したように通り、凝縮器となる室外熱交換器６へ流入する。ここで、冷媒は室外空気へ放熱することによって凝縮・液化することになる。その後は主管１０の途中に配された減圧手段として作用する膨張弁５において、所定の圧力まで減圧され、気液２相の状態で気液分離器４へ流入する。このとき、逆止弁１４の作用により、バイパス回路１１へ冷媒が流れることはない。気液分離器４の中では、ガス冷媒と液冷媒が上下に分離され、液冷媒は減圧手段として作用する膨張弁３でさらに減圧された後、蒸発器となる室内熱交換器２へ流れる。ここで、冷媒は室内空気との熱交換により蒸発し、ガス冷媒となって四方弁７から圧縮機１へ戻る。一方、気液分離器４で分離されたガス冷媒は、インジェクション配管８を通ってインジェクションポート９から中間圧力室１ｃへ流入する。このように、インジェクションされた冷媒は第１の圧縮手段１ａは通らずに第２の圧縮手段１ｂでのみ圧縮されることになる。したがって、第１の圧縮手段１ａにおける圧縮動力を低減することができ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

暖房運転時は、四方弁７を破線で示す配管経路へ切り替える。この場合、２段圧縮機１で冷房時と同様に圧縮された冷媒は、四方弁７を破線のように通って、凝縮器となる室内熱交換器２へと流入する。そこで室内空気へ放熱して、凝縮・液化し、その後、第１の減圧手段として作用する膨張弁３で減圧される。減圧されて気液２相となった冷媒は、気液分離器４へ流入し、分離されたガス冷媒は２段圧縮機のインジェクションポート９へインジェクションされる。このように、インジェクションされた冷媒は第１の圧縮手段１ａは通らずに第２の圧縮手段１ｂでのみ圧縮されることになる。したがって、第１の圧縮手段１ａにおける圧縮動力を低減することができ、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。一方、気液分離器４で分離された液冷媒は、配管１５へ流出し、第２の減圧手段としての膨張弁５でさらに減圧された後、蒸発器となる室外熱交換器６で蒸発し、四方弁７を介して圧縮機１へ戻る。

ここで、外気温度が低下し蒸発圧力が低下すると、図３に示した如くＰｍとＰｓの差は小さくなり、第２の減圧手段５における減圧幅を小さくする必要が生じるので、２段圧縮機１の容量を増加させて高暖房力を得ようとすると、減圧幅が過剰となる可能性がある。しかし、本実施形態では、バイパス回路１１に設けたバイパス弁１２を開くことによって、主回路５とバイパス回路１１の両方へ冷媒を流すことができるので、減圧幅を抑制することができ、空気調和機の運転範囲を拡大させることができる。この場合には、バイパス回路１１を通る冷媒は第３の減圧手段であるキャピラリチューブ１３で減圧された後、主回路１０を流れた冷媒と合流して室外熱交換器６へと流入することになる。

図４にニードル式膨張弁５の構成概略図を示す。ニードル式膨張弁３はこの図４に示すニードル式膨張弁５の構成と基本的に同じであるので、重複する説明を省略する。

膨張弁５では、冷媒が配管２３から配管２４の方向へ流れる場合、冷媒は膨張弁本体２５内部へ流入し、その後、流路断面積が配管２３部の断面積よりも小さいオリフィス部２２を通ることで減圧され、配管２４へと流出する。このとき、ニードル弁２１を上下方向に動作させることによって、オリフィス２２部の流路断面積を変化させ、減圧幅を可変とすることができる。このときの、ニードル弁２１の高さ、すなわち膨張弁５の開度に対して所定の冷媒流量を流した場合の減圧幅は図５に実線で示す傾向となる。このように最大開度とした場合、すなわちニードル弁２１とオリフィス部２２との距離を最も離した場合であっても、オリフィス部２２の径は配管２３及び配管２４の径より小さく一定であるため、圧力損失を所定の値より小さくすることはできない。そこで、本実施形態では膨張弁５を含む主回路１０に対して並列なバイパス回路１１を設けた。このため、大流量時にはバイパス回路１１へ冷媒を流し、膨張弁５を流れる流量を減少させて、圧力損失の低減を図ることができる。

さらに本実施形態では、バイパス回路１１に設けたキャピラリチューブ１３の流量係数を、膨張弁５が最大開度の状態における流量係数よりも小さく設定した。この場合の主回路１０の減圧幅は図５に破線で示したような特性になり、バイパス回路１１が閉の場合の主回路１０の減圧幅とバイパス回路１１が開の場合の主回路１０及びバイパス回路１１の合計の減圧幅とが等しくなる条件が存在するようになるので、バイパス回路１１を閉から開に切り替えても減圧幅を連続的に制御することが可能となり、インジェクション量を広い範囲にわたって精度良く制御することが可能となる。

具体的には、例えばバイパス弁１２を閉じた状態での運転中に、膨張弁５の開度が９０％以上の状態となった場合に、これを検出してバイパス弁１２を開とすると同時に、膨張弁５の開度を下げて、バイパス弁１２を閉じた状態の圧力損失と開いた状態の圧力損失とを同等となるように制御する。したがって、さらに減圧幅を低減したい場合には膨張弁５の開度をさらに開くことが可能となるので、空気調和機の運転範囲を拡大することができる。

なお、本実施形態では暖房運転時に蒸発器となる室外熱交換器６と気液分離器４の間にバイパス回路１１を設ける構成としたが、冷房運転時に蒸発器となる室内熱交換器２と気液分離器４の間にバイパス回路を設けても良い。

また、例えば膨張弁内部にメインとサブの回路を持たせ、条件に応じてサブの回路を利用することによって、本実施形態におけるバイパス回路１１の機能と等価の機能を膨張弁５内部に持たせても良い。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６及び図７を用いて説明する。図６は本発明の第２実施形態の空気調和機のサイクル構成図、図７は図６の空気調和機における膨張弁５、２０の開度と圧力損失の関係を示す図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態は、バイパス回路１１に開度が可変な膨張弁２０を設けた点が第１実施形態とは異なっており、冷房時には膨張弁２０を常に閉としておき、暖房運転時に膨張弁５の開度が所定の値を超えた場合に、膨張弁２０が開となるように制御する。膨張弁２０は開度が可変となっているので、バイパス回路１１の流量係数を段階的に変化させることができるという特徴がある。したがって、例えばバイパス回路１１を開く際に、膨張弁２０の開度を小さく設定しておくことで、主回路１０における流量の急激な変化を抑制することが可能となる。これはバイパス回路１１を閉じる場合も同様であり、サイクルが不安定になることを防止するうえで有用である。一方で、バイパス回路１１の開度が不十分であると判断された場合には、さらに開度をあげればよく、インジェクションサイクルの運転範囲を拡大することが可能となる。

なお、膨張弁２０の開度を増した場合には、その流量係数が、膨張弁５で最大開度とした場合の流量係数対して大きくなるとしてもよく、この場合には、運転範囲をより広範囲に拡大することが可能となる。

また、図７に示すように、最大開度における流量係数が小さく、小流量域で制御性の良い特性を持つ主回路１０の膨張弁５と、最大開度における流量係数が大きく、大流量域で制御性が良好な特性を持つバイパス回路用膨張弁２０を組み合わせてもよい。この場合、主回路１０の膨張弁５の開度が所定の範囲外となった場合に、膨張弁５を閉として膨張弁２０を利用すればよく、主回路１０とバイパス回路１１の膨張弁を条件に応じて切り替えることによって、運転範囲を拡大することができる。

本発明の第１実施形態に係る空気調和機の構成図である。 単段圧縮機及び２段圧縮機における気液分離器圧力に対するサイクル効率の変化特性を示す図である。 圧縮機の吸入圧力と吐出圧力、インジェクション圧力の関係を示す図である ニードル式膨張弁の構造の概要を示す図である。 図１に用いられる膨張弁の開度と圧力損失との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態における空気調和機の構成図である。 図６に用いられる膨張弁の開度と圧力損失との関係を示す図である

符号の説明

１…２段圧縮機、１ａ…第１の圧縮手段、１ｂ…第２の圧縮手段、１ｃ…中間圧力室、２…室内熱交換器（暖房運転時の凝縮用熱交換器）、３…膨張弁（第１の減圧手段）、４…気液分離器、５…膨張弁（第２の減圧手段）、６…室外熱交換器（暖房運転時の蒸発用熱交換器）、８…インジェクション配管、９…インジェクションポート、１０…主配管、１１…バイパス回路、１２…バイパス弁、１３…キャピラリチューブ（第３の減圧手段）、１４…逆止弁、２０…膨張弁（第３の減圧手段）、３０…制御装置。

Claims (9)

1. 第１の圧縮手段で圧縮した冷媒をさらに圧縮する第２の圧縮手段を備えた容量可変な２段圧縮機と、冷媒の凝縮用熱交換器と、開度が可変な第１の減圧手段と、内部に流入する気液２相の冷媒をガス冷媒と液冷媒に分けて流出させる機能を有する気液分離器と、開度が可変な第２の減圧手段と、冷媒の蒸発用熱交換器と、を順次配管で接続した冷凍サイクルと、
   前記気液分離器と、２段圧縮機の第１の圧縮手段と第２の圧縮手段とをつなぐ中間圧力室と、を接続するインジェクション回路と、を備えた空気調和機において、
   前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路に、前記第２の減圧手段を有する主回路と第３の減圧手段を有するバイパス回路とを並列に接続して設けたこと、
   を特徴とする空気調和機。
2. 請求項１記載の空気調和機において、前記第３の減圧手段は前記第２の減圧手段で最大開度とした時の流量係数よりも小さい流量係数を有するものであること、を特徴とする空気調和機。
3. 請求項１または２記載の空気調和機において、前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路の冷媒流量が増大した場合に前記主回路及び前記バイパス回路に並列に冷媒を流すように制御する制御装置を備えたこと、を特徴とする空気調和機。
4. 請求項３記載の空気調和機において、前記気液分離器と前記蒸発用熱交換器とを結ぶ配管経路の冷媒流量が増大した場合を、前記第２の減圧手段の開度、外気温度及び圧縮機容量のうちの少なくとも１つを用いて検出すること、を特徴とする空気調和機。
5. 請求項１から３の何れかに記載の空気調和機において、前記第２の減圧手段はオリフィス部の流路断面積を変化させるニードル弁を備えたニードル式膨張弁で構成され、前記第３の減圧手段は流量係数が前記第２の減圧手段で最大開度とした時の流量係数よりも小さいキャピラリチューブで構成されていること、を特徴とする空気調和機。
6. 請求項５記載の空気調和機において、前記冷凍サイクルにおける冷媒の流れを切り替えて冷房運転と暖房運転とを可能とする四方弁を備え、前記バイパス回路における前記気液分離器から前記蒸発用熱交換器への流れのみを可能とする逆止弁を備えていること、を特徴とする空気調和機。
7. 請求項５記載の空気調和機において、前記バイパス回路に前記制御装置からの電気信号によって開閉動作が可能なバイパス弁を備えていること、を特徴とする空気調和機。
8. 請求項１から３の何れかに記載の空気調和機において、前記第３の減圧手段は開度が可変な膨張弁で構成されていること、を特徴とする空気調和機。
9. 請求項３記載の空気調和機において、前記制御装置は、前記バイパス回路に冷媒を流すように切り替えた際に、前記バイパス回路に冷媒を流す前の前記第２の減圧手段の圧力損失と前記バイパス回路に冷媒を流した後の前記第２の減圧手段及び前記第３の減圧手段の合計の圧力損失とが同等となるように前記第２の減圧手段の開度を制御すること、を特徴とする空気調和機。

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