JP2008116124A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】
エジェクタによる動力回収運転を行うようにした空気調和機において、エジェクタでの吸入ガスの駆動動力不足により、室内機発生能力の極端な不足が生じたり、ＣＯＰが極端に低下したりする問題があった。
【解決手段】
運転状態に応じてエジェクタによる動力回収運転と、エジェクタを用いない通常の膨張弁による減圧運転とを切替えることができる冷凍サイクルとし、高圧側圧力が低下してエジェクタの動力が不足する場合にはエジェクタを使わない通常の冷凍サイクルに切替える。これにより効率の低下、能力不足、信頼性低下を防止して幅広い運転条件において安定した運転を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は減圧過程における膨張動力をエジェクタにより回収することにより高効率化を図るようにした冷凍サイクルを有する空気調和機に関する。

エジェクタを用いた冷凍サイクルとしては特許文献１にあるように、加熱側と冷却側を切替える際の冷媒流路の切替えを容易にするために、エジェクタの高圧側流入部と低圧流入部とのそれぞれ上流部に、冷媒の圧力差を利用してエジェクタに流入する冷媒流路を切替える２つのの高圧流入切替え弁と、１つの低圧流入切替え弁を設け、四方弁を切替えても高圧側冷媒が常に高圧流入部に流入し、低圧側冷媒が常に低圧流入部に流入させるように構成させた従来技術がある。この冷凍サイクル装置では、冷却運転と加熱運転のどちらにおいてもエジェクタにより膨張動力回収を行うことができる。

また、特許文献２にあるように、エジェクタを備えた冷凍サイクルにおいて、除霜運転時にガスクーラを通過した減圧前の高温冷媒を蒸発器に導入することにより除霜運転を行うものが知られている。

特開２００５−３７１１４ 特開２００３−９７８６８

特許文献１に記載の冷却と加熱を切替えられるエジェクタを備えた冷凍サイクルでは、高圧側圧力が低い時や低圧側の圧力損失が大きい際などにおいて、エジェクタでの低圧ガスの駆動動力が不足した場合における対応方法が考慮されていない。このため、減圧時の動力回収によりＣＯＰを向上させるエジェクタ本来の目的に反して、エジェクタでの動力不足による蒸発器への冷媒循環量不足が発生して、効率低下を招く場合がある。

また、特許文献２に記載の除霜方法では、圧縮機の入力分による発熱で除霜を行うため、加熱運転時に高温となる熱交換器および接続配管の熱容量を十分に利用することができず、除霜運転時間の短縮が困難であった。

本発明の目的は、広い運転条件や施工条件でも高いＣＯＰを得ることができ、しかも高い信頼性で安定した運転を可能にすることである。また、除霜運転時間の短縮とともに暖房運転の停止時間を短縮し、快適性の低下を抑えることである。

上記従来技術の課題を解決する手段として本発明の空気調和機は、エジェクタの高圧側入口と低圧側入口、混合流出口を冷房と暖房の両方の運転時に同一にすることのできる逆止弁ブリッジ回路を備えるとともに、逆止弁ブリッジ回路の高圧側入口と低圧側出口をバイパスするバイパス回路に設けられたバイパス弁を備えて、通常はエジェクタを用いた膨張動力回収による高効率運転を行う。エジェクタでの吸引ガスの駆動動力が不足した場合には前記バイパス弁を開放すると共に、エジェクタ内のノズルの弁開度を全閉にして、エジェクタを用いない通常の膨張弁で減圧させる冷凍サイクルを構成させる。

また、除霜運転時においても前記バイパス弁の開放とエジェクタ内のノズルの全閉により、暖房運転時に高温になっている室内熱交換器や接続配管の熱容量を利用して、スピーディーな除霜運転を行う。

広い運転条件や施工条件でＣＯＰの高く、信頼性の高い、安定した運転を可能にすることができる。また、除霜運転時間の短縮を図ることができるため、暖房運転の停止時間が短縮され、快適性の低下を抑えることが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施例を図１〜図１１により説明する。

本発明による空気調和機の実施例１を図１の冷凍サイクル構成図に基づいて説明をする。
冷房運転時には圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０３、室外減圧装置１０５、逆止弁ブリッジ１０６、内部熱交換器１０７、エジェクタ１０８、気液分離器１０９、内部熱交換器１０７、圧縮機１０１の順に循環する主循環ループ（図２中の実線で示す。冷媒循環量はＧｒｍ〈ｋｇ/ｈ〉）と、気液分離器１０９で分離された液冷媒を逆止弁ブリッジ１０６、液接続配管３００を通して室内機２００へと送り室内減圧装置２０１、室内熱交換器２０２を通過し、ガス接続配管４００を通して室外機へと戻り、四方弁１０２を再び通って、エジェクタ１０８の吸入口から吸入され、気液分離器１０９へ戻る副循環ループ（図２中の鎖線で示す。冷媒循環量はＧre〈ｋｇ／ｈ〉）からなる冷凍サイクルを構成している。冷房運転時には、室外熱交換器は放熱器として、また室内熱交換器は蒸発器として作用する。

ここで、逆止弁ブリッジ１０６とは図１に示すように逆止弁を４つ環状に繋いだブリッジ回路であり、冷房運転と暖房運転で冷媒流通方向が逆転してもエジェクタ１０８の入口と出口を不変にできる。本発明の空気調和機では、この回路を組み込むことにより、内部熱交換器１０７、エジェクタ１０８、気液分離器１０９のそれぞれの入口と出口を不変にすることで、冷房運転および暖房運転の両方の運転モードにおいても、内部熱交換器とエジェクタによる冷凍サイクルの高効率化を発揮させることが可能となる。また、エジェクタは図３に示すように、蒸発器からの低圧側の冷媒が流入する第一の入口である低圧流入口と、内部熱交換器からの高圧側の冷媒が流入する第二の入口である高圧流入口とを備える構成になっている。

前記冷凍サイクル内にはＲ４１０ＡやＲ１３４ａ等のフロン系冷媒や二酸化炭素（ＣＯ２）、アンモニア、ＨＣ系冷媒などの自然冷媒が必要量封入されている。
近年環境問題への関心の高まりの中で、地球温暖化係数が低く、安全性確保が比較的容易なＣＯ２冷媒が特に注目を浴びている。ＣＯ２冷媒が空気調和機に使用されるときには、冷房運転時には外気がＣＯ２冷媒の臨界点温度３１℃よりも高くなる場合が多く、通常は室外熱交換器では臨界圧力７．４ＭＰａを超えて超臨界圧力となる。冷凍サイクルの高圧側の圧力が非常に高くなるため、圧縮動力が大きくなるとともに減圧過程で膨張弁やキャピラリなどの減圧装置を用いた場合には不可逆損失が大きくなり、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）がフロン系冷媒を使用した場合に比べて低くなる。このため、本発明によるエジェクタを備えた冷凍サイクルを用いることで、減圧過程の不可逆損失を低減出来て大幅にＣＯＰを向上することが可能である。

また、Ｒ４１０ＡやＲ１３４ａ等のフロン系冷媒またはＨＣ系のプロパン、イソブタンやアンモニア等の自然冷媒を用いた場合には、減圧過程での不可逆損失は小さいため、エジェクタによるＣＯＰの向上効果は小さくなる。そして、以下に説明をするようにエジェクタでの動力が不足してエジェクタを使用しない通常サイクルでの運転が必要となる条件が多くなることから、本発明のバイパス弁による回路切替えの必要性が高くなる。

例として二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒として用いたときの運転状態を図２のモリエル線図上に示す。ここで、１〜１０で示した点は図１上に示した部位における冷媒状態である。気液分離器１０９から出た飽和ガス状態に近い状態１の冷媒は内部熱交換器１０７で加熱されて、１’の過熱ガスとなり圧縮機１０１に吸入される。ここで圧縮され、状態２の高温高圧ガスとなり四方弁１０２を通過して室外熱交換器１０３を通過する。ここで、室外送風機１０４により送られる室外空気により冷却される。

冷房運転時の外気温度が例えば３５℃の場合、高圧側はＣＯ２冷媒の臨界圧力を超えるため、室外熱交換器１０３では、室外送風機１０４により送風された室外空気により冷却されても、凝縮が生じない所謂ガスクーラとして作用する。その後、全開状態の室外減圧装置１０５を通過し、逆止弁ブリッジ１０６を経て状態３となる。ここで、内部熱交換器１０７を通過する際に、前記気液分離器１０９からの低温ガス冷媒１との熱交換により冷却され状態３’となる。これにより、ガスクーラから出た高圧冷媒は冷却され、比エンタルピが低下するため、蒸発器での能力増加に寄与する。

また前記内部熱交換器１０７は例えば二重管熱交換器や、高圧側と低圧側の２本の配管を接触させて両者をロウ付けした構成が用いられる。また冷媒流れは、高圧側冷媒の流れ３→３’と低圧側冷媒の流れ１→１’は対向流の配置になるように構成されている。これにより、内部熱交換器１０７での熱交換量を大きくすることが可能となる。

その後、状態３’の冷媒は図３に示されているように、第二の入口である高圧流入口１０８ｇから流入され、エジェクタ１０８内部のノズル１０８ａにより断熱膨張され、圧力低下と共に比エンタルピの減少が生じて状態４となる。ノズルでの減圧量は、コイル１０８ｅへのパルス通電制御により調整されるニードル１０８ｆの突き出し量で制御される。このとき、ニードル先端とノズルとの隙間により減圧量は調整され、高圧側圧力または吐出温度が適正値になるように制御される。

一方、エジェクタの吸入部１０８ｂにおいて、室内熱交換器２０２から出たエジェクタの第一の入口である低圧流入口１０８ｈから状態１０の冷媒が吸入され、エジェクタ内の混合部１０８ｃにて混合されて状態５となる。その後エジェクタ内のディフューザ部１０８ｄで減速による昇圧作用が生じて、エジェクタから出た気液二相状態６の冷媒は気液分離器１０９において、ガス冷媒１と液冷媒７に分離される。気液分離器のガス側出口配管は、Ｕ字形状に内部で曲げられたものが用いられ、気液分離器の上部空間からガス冷媒を吸い込む。また、Ｕ字管下部には油戻し用の穴が設けられ、気液分離器１０９下部に溜まった油および少量の液冷媒が混入される。これにより、気液分離器１０９内への冷凍機油の滞留防止がなされるとともに、気液分離器内の冷媒量調整がなされる。

ここで、ほぼ飽和ガス状態である冷媒１は内部熱交換器１０７を通過して、前記ガスクーラから出た高圧冷媒３と熱交換して加熱され、１’となって圧縮機１０１へと戻る主循環ループを構成する。

一方、気液分離器１０９の下部の液面下より流出される液冷媒７は逆止弁ブリッジ１０６を通過し、液接続配管３００を通した後、室内減圧装置２０１で減圧量が調整されて状態８となり、その後室内熱交換器２０２にて蒸発される。室内減圧装置２０１の減圧量は室内熱交換器２０２の出口状態９がほぼ飽和ガス状態となるように調整される。その後、ほぼ飽和ガス状態となった冷媒はガス接続配管４００を通して室外機へと戻される。

室外機１００では四方弁１０２を通過してエジェクタ１０８の低圧流入口１０８ｈから吸い込まれて状態５になる。その後、混合部１０８ｃ、ディフューザ１０８ｄでノズル１０８ａから高速で噴出される主循環ループの冷媒により圧縮されて、圧力が高くなって状態６となって気液分離器１０９に入り、副循環ループをなす。室内減圧装置２０１の減圧量は室内熱交換器２０２の出口状態が飽和ガス状態になるように制御される。

以上説明を行ったのは冷房運転時の動作であるが、暖房運転時には四方弁１０２を切替えることにより冷媒流路が入れ替わって、室内熱交換器２０２がガスクーラとして作用し、室外熱交換器１０３で蒸発器として作用するが、逆止弁ブリッジ１０６の整流作用により、内部熱交換器１０７の冷凍サイクルにおける高圧側の入口３、出口３’および、低圧側の入口１、出口１’が冷房時と同様になる。これにより、暖房運転時においても内部熱交換器を最大限効率的に使用することができる。また、エジェクタ１０８の冷凍サイクルにおける高圧側の入口３’、低圧側の入口１０および、混合冷媒の出口６も冷房時と同様の流路方向にすることができ、四方弁１０２での流路の切替えのみでエジェクタによる膨張動力回収を行う高効率な冷凍サイクルを構成することが可能となる。
暖房時の運転動作については、室外熱交換器１０３と室内熱交換器２０２の作用が入れ替わるのみであり、他の動作は冷房運転時と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

エジェクタを用いた冷凍サイクルは、膨張減圧時に発生する動力をノズル１０８ａにより運動エネルギーに変換し、高速二相流になって混合部１０８ｃに向かって噴出される。ここで、吸入部１０８ｂから吸い込まれる蒸発器からの低圧ガス冷媒１０と混合され、混合部１０８ｃおよびディフューザ１０８ｄで圧縮・減速による昇圧作用により、エジェクタ出口冷媒６は１０の吸入ガス冷媒の圧力に比べて圧力が上昇しているため、通常の膨張弁を用いた冷凍サイクルに比べて圧縮機１０１の吸入ガス状態１’の圧力を上昇させることができる。これにより、図４に示されるようにエジェクタを使用した冷凍サイクルでは、エジェクタを使用しない通常の膨張弁サイクルに比べて圧縮機の動力を減少させることができる。また、エジェクタでの動力回収時には、ノズル１０８ａにおける冷媒３'の減圧膨張時のエネルギ−がエジェクタ吸入ガス１０の圧縮動力として利用されるため、ノズル１０８ａ出口における比エンタルピが減少して、蒸発器での比エンタルピ差が拡大するために冷房能力が増加する。これらの効果により、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

図４には空気調和機の運転状態が変化した場合の一例として、図２における冷凍サイクルの高圧側圧力ｐｋの変化による成績係数（ＣＯＰ）の変化を示した。図中の実線で示されているのはエジェクタによる動力回収を行った場合のＣＯＰで、破線で示されているのはエジェクタによる動力回収を行わない場合のＣＯＰである。高圧側圧力ｐｋが高い条件において、エジェクタによる動力回収を行ったサイクルではこれを行わない場合に比べてＣＯＰが高くなっている。一方、高圧側圧力ｐｋが低い条件においてはエジェクタによる動力回収を行っている場合のＣＯＰが極端に低下していく。高圧側圧力ｐｋがｐｋ２より低い条件では、エジェクタによる動力回収を行わない運転でのＣＯＰの方が高くなってくる。

エジェクタによる動力回収運転を行った場合に、冷凍サイクルの高圧側圧力が低くなるに従いＣＯＰが大幅に低下する理由は、エジェクタでの動力が減少して、蒸発器への冷媒循環量が減少し、能力不足となるためである。さらに、エジェクタでの動力不足が極端に生じると冷凍サイクルの流量バランスが崩れて、気液分離器内の液冷媒量が増加してくる。このため、圧縮機に液冷媒が多く吸入され、圧縮機構部の潤滑不良や液圧縮が発生して信頼性が損なわれる場合がある。

そこで、本発明の空気調和機においては、運転中に圧力センサ等により検出されている高圧側圧力ｐｋがｐｋ２よりも若干低い値に設定されたｐｋ１以下となると、エジェクタでの動力不足が生じると判断して、バイパス弁１１０を開放させると共に、エジェクタ１０８内のノズル１０８ａ開度を全閉にすることにより、エジェクタでの動力回収を行わない運転に切替わる。エジェクタのノイズ開度を全閉にすることにより、エジェクタの第二の入口である高圧流入口に冷媒が流入しないようにするのであるが、高圧流入口の流路を閉じることができるのであれば、例えば高圧流入口の流路に弁を設け、切替える場合にはこの弁を閉じるというような構成にしてもよい。このときの冷媒回路を図５に、運転状態を図６に示すと、室外減圧装置１０５を通過した高圧冷媒は、液接続配管３００を通して、室内機２００へと送られ、室内減圧装置２０１で減圧されて、室内熱交換器２０２で蒸発する。その後、ガス接続配管４００を通して室外機１００へと再び戻されて、四方弁１０２、エジェクタ１０８、気液分離器１０９を通過して、圧縮機１０１へと戻る通常の冷凍サイクルを構成する。この時、室内減圧装置２０１の減圧量の調整は、圧縮機の高圧側圧力または吐出温度が適正値になるように制御される。

一方、エジェクタを使用しない運転状態の時に高圧側圧力ｐｋがｐｋ２よりも高くなると、エジェクタを使用した運転の方がＣＯＰを高くすることができる。そのため、高圧圧力がｐｋ２よりも若干高い圧力として設定された圧力ｐｋ３以上になると、バイパス弁１１０を閉止し、エジェクタ１０８のノズル１０８ａを開放して、エジェクタでの減圧による動力回収運転に戻される。

ここで、エジェクタ使用時と不使用時のＣＯＰが逆転する高圧側圧力ｐｋ２ではなく、それより若干低いｐｋ１と若干高いｐｋ３を制御での判定値としている理由は、冷媒回路の切替えが頻繁に生じることにより運転状態が不安定になることを防止するためである。

上述したように、エジェクタを使用しない方がＣＯＰの高くなる運転状態になることがあるが、その理由および、エジェクタによる動力回収を行う冷凍サイクルからエジェクタを使用しない冷凍サイクルへ切替える際の高圧側圧力ｐｋの求め方を以下に説明する。

図２のエジェクタサイクルのモリエル線図で、エジェクタのノズルで発生される膨張動力は比エンタルピ差△ｈnで表示される。また、エジェクタで回収されたエネルギーのエンタルピ差は△ｈejeで表示される。いずれも損失のない理想的状態を仮定すると△ｈnは断熱膨張時のエンタルピ差、△ｈejeは断熱圧縮時のエンタルピ差となる。

ここで、エジェクタノズルでの発生エネルギーとエジェクタでの回収エネルギーのバランスは以下の式で表される。
（Ｇrm＋Ｇre）・△ｈeje＝ηeje・Ｇrm・△ｈn
Ｇrm ： エジェクタノズルおよび圧縮機での冷媒循環量（ｋｇ／ｓ）
Ｇre ： エジェクタ吸引流および蒸発器での冷媒循環量（ｋｇ／ｓ）
ηeje： エジェクタのエネルギー効率
この式はノズルでの膨張時（ｐｋ→ｐｅ）に発生するエネルギー（Ｇrm・△ｈn）がエジェクタでの圧縮（ｐｅ→ｐｏ）エネルギー（（Ｇrm＋Ｇre）・△ｈeje）に変換される際の効率がηejeであることを表している。

つまり、高圧圧力が低下した場合にはノズルでの比エンタルピ差△ｈnが減少していき、エジェクタでの圧縮仕事が低下し、圧力差（ｐｅ→ｐｏ）が低下していく。圧力差の低下は蒸発器入口に設置された室内減圧装置２０１の開度を大きくすることにより、ある程度は調整することが可能であるが、全開状態まで開放しても調整ができない状態となると、蒸発器出口が過熱ガス状態となり、冷媒循環量（Ｇre）が減少していく。その結果として、ＣＯＰが極端に低下していく。

この状態を実験により確認を行ったものを、図７に示している。高圧側圧力が高い場合はエジェクタを使用した方においてＣＯＰが高いが、１０ＭＰａ以下となるとエジェクタを使用しない方においてＣＯＰが高くなっている。上記の実験結果より、ＣＯＰが逆転する冷凍サイクルの高圧側圧力ｐｋ２を求めることができる。ＣＯＰが逆転する高圧側圧力ｐｋ２は熱交換器の性能等によって若干変化する。しかし、ＣＯ２冷媒の場合は図２に示されるように、ガスクーラ出口冷媒状態３の温度により、高圧圧力が決められるため、ガスクーラの比エンタルピ差（２→３）と圧縮機圧力差（１→２）から決められる圧縮機動力からおのずとＣＯＰが最高となる高圧圧力が決まる。このため、サイクル性能が異なる場合においても、エジェクタを使用しない方がＣＯＰの高くなる条件は、エジェクタを使用した際に最高のＣＯＰとなる高圧圧力を参考に決めることができる。

また、上記の制御は図８（Ａ）のブロック図のように行われる。図示はしていないが、圧縮機の吐出部には、つまり図１における２のあたりには、冷凍サイクルの高圧側圧力を測定する圧力センサ５００ａが備えられている。そして、空気調和機は上述した制御を行う図示していない制御回路１０００を有し、圧力センサにより測定された高圧側圧力が制御回路のメモリ６００に入力される。上記のバイパス弁の開度の制御やエジェクタのノズルの制御は、この制御回路によりメモリへ入力された測定値に基づいて行われる。

高圧側圧力を検知する圧力センサを有していない場合には、高圧側として作用する熱交換器（冷房運転時には室外熱交換器１０３）の吸込空気温度を検知して、この温度が一定値よりも低い場合、エジェクタでの動力不足を予測して、エジェクタを使用しない通常サイクルに切替える方法もある。この場合は、図８（Ｂ）に示すように、室外機は外気温度を測定する外気温度センサ５００ｂを備え、測定された外気温度は制御回路１０００のメモリ６００に入力される。そして、制御回路は入力値に基づいて上記のバイパス弁の開度の制御やエジェクタのノズルの制御を行う。上記考えのもと、外気温度によるＣＯＰの変化を実験によって確かめた結果を図９に示す。外気温度変化に対する運転状態を実験確認したものでも、外気温度が低下していくに従い、エジェクタを使用しない方においてＣＯＰが高くなっていくことがわかる。この実験結果から、どの外気温度になった場合に、エジェクタを使用したサイクルから使用しないサイクルに切替えればよいかがわかる。この場合には高価な圧力センサを必要としないため低コスト化が可能となる。

また、冷房運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器２０２や液接続配管３００、ガス接続配管４００を流れる冷媒の圧力損失が大きい場合、例えば低圧側の圧力が低い場合や液接続配管３００やガス接続配管４００が長い場合、または室内機２００が室外機１００よりも上部に設置されていて、液管に高低差分の液ヘッド圧力が作用する場合には、エジェクタでの冷媒循環動力が不足する場合がある。これにより高圧圧力が低い場合と同様に、冷房能力が不足してＣＯＰが低下する。

このようなときには、蒸発器として作用する室内熱交換器２０２の冷媒過熱度を検出して、過大な冷媒過熱度となった時にはバイパス弁１１０を開放させると共に、エジェクタ１０８のノズル１０８ａの開度を全閉にすることにより、室内減圧装置２０１による減圧を行い、エジェクタを使用しない冷凍サイクルの運転を行う。冷媒過熱度検知方法の具体例としては、室内熱交換器の入口冷媒温度ＴＬと出口冷媒温度ＴＧを検知させ、両者の温度差ＳＨ＝ＴＧ−ＴＬを室内熱交換器の冷媒過熱度とする方法がある。

この場合は、図示はしていないが、蒸発器の入口側と出口側のそれぞれの冷媒温度を測定する冷媒温度センサ５００ｃを備えている。そして、図８（Ｃ）に示すように、これらの測定値が制御回路１０００のメモリ６００に入力され、制御回路は入力値に基づいて上記のバイパス弁の開度の制御やエジェクタのノズルの制御を行う。

例えば、図１０に冷房定格運転時の蒸発器出口冷媒過熱度のＣＯＰに与える影響を調べた実験結果を示す。ここで、横軸は冷媒過熱度ＳＨ（＝ＴＧ−ＴＬ）で縦軸はＣＯＰを示している。ここで、ＳＨが零以下は過熱度として表すことができないため、冷媒かわき度を表示している。

グラフによると、冷媒過熱度ＳＨが２〜３Ｋ程度においてＣＯＰが最大値を示していることが分かる。したがって、蒸発器入口に配置されている室内減圧装置２０１の開度を制御して、ＳＨが２〜３Ｋになるように調整することが望ましい。しかし、仮に室内減圧装置２０１を全開状態に制御しても、過熱度が過大となる場合もあり、この場合にはグラフで示されたようにＣＯＰが低下していき、ＳＨが１０Ｋ以上では大幅にＣＯＰの低下が生じ、エジェクタを使用しない場合よりもＣＯＰが低下していることが分かる。

このように蒸発器入口の減圧装置で調整ができないほど、エジェクタで発生されるの冷媒循環動力が不足した場合には、蒸発器出口過熱度が過大となり、蒸発器性能が極端に低下するため、ＣＯＰが低くなる。
このような状態を検知すると、エジェクタを使用しない運転状態に切替えることによりＣＯＰのより高い運転状態に切替えることが可能となる。

また、冷媒過熱度の代りに室内機２００の空気温度差検出によっても能力不足を検知することが可能である。例えば、室内機２００の吸込空気温度Ｔａｉと吹出空気温度Ｔａｏの空気温度差ΔＴａ＝Ｔａｉ−Ｔａｏが一定値を下回ると能力不足と判定することが可能である。この場合も、図示はしていないが室内機は吸込空気温度センサと吸出空気温度センサを備える。そして、図８（Ｄ）に示すように、それぞれの空気温度センサ５００ｄの測定値は制御回路１０００のメモリ６００に入力され、制御回路は入力値に基づいて上記のバイパス弁の開度の制御やエジェクタのノズルの制御を行う。

暖房運転時においても同様に、エジェクタでの動力が不足する場合にはバイパス弁１１０を開放すると共に、エジェクタ１０８のノズル１０８ａ開度を全閉にすることにより、エジェクタを使用しない通常サイクルでの運転を行うことが可能である。暖房時には高圧圧力検知と室内温度検知による方法の他に、蒸発器として作用する室外熱交換器１０３の出口冷媒過熱度の検知、または室内熱交換器２０２の入口と出口の空気温度差の検知により、エジェクタでの動力不足を検知することが可能であるが、室外熱交換器と室内熱交換器の役割が入れ替わるのみで、手順等は同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。。

以上により、冷房、暖房の各運転状態や室内機と室外機の高低差、冷媒接続配管の長さ等によりエジェクタで必要な動力が変化するため、条件によってはエジェクタでの吸入ガスの駆動動力不足により、室内機発生能力の極端な不足が生じたり、ＣＯＰが極端に低下したりする問題があったが、運転状態に応じてエジェクタによる動力回収運転と、エジェクタを用いない通常の膨張弁による減圧運転とを切替えることのできる冷凍サイクルを提供し、エジェクタの動力が不足する場合にエジェクタを使わない通常の冷凍サイクルに切替えて、効率の低下や能力不足、信頼性悪化を防止して幅広い運転条件において安定運転を実現することが可能となる。また、配管長や高低差、運転圧力等の条件変化に対しても効率の高い運転が可能なサイクル構成を提供する。

次に、本発明の実施例２について図５により説明する。
暖房運転時に室外熱交換器１０３に霜が付着して能力低下が生じた場合には、四方弁１０２を冷房サイクル側に切替えて霜を溶かす除霜運転を行う。除霜時には、圧縮機を吐出した高温ガスが室外熱交換器１０３に導かれ、ここでガスクーラまたは凝縮器として作用する。これにより室外熱交換器１０３を高温にして、付着した霜を溶かすことができる。しかしこの場合、暖房運転時に比べて周囲温度や霜の温度が低いことから室外熱交換器１０３の冷媒圧力は低くなる。そのため、エジェクタ内ノズルでの減圧量の減少からエジェクタでの発生動力が不足して室内熱交換器２０２の冷媒循環量が不足する。このため、暖房運転時に高温となっていた室内熱交換器２０２や液接続配管３００、ガス接続配管４００が有する熱を汲み上げることができなくなり、除霜に利用することができなくなる。そのため、除霜運転時間が長くなり、暖房運転への復帰が遅くなることから、暖房運転停止に伴った室温低下が発生して快適性の悪化が生じる。

このような際に、本発明の空気調和機においては、バイパス弁１１０を開放させると共に、エジェクタ１０８のノズル１０８ａ開度を全閉にする。エジェクタ１０８のノズル１０８ａ開度を全閉にすることにより、エジェクタの第二の入口である高圧流入口に冷媒が流入しないようにするのであるが、高圧流入口の流路を閉じることができるのであれば、例えば高圧流入口の流路に弁を設け、切替える場合にはこの弁を閉じるというような構成にしてもよい。これにより、圧縮機１０１から吐出された高温高圧冷媒は、四方弁１０２を通過し、室外熱交換器１０３で霜を溶かす熱源として使用される。ここで放熱されて冷却された比エンタルピの低下した高圧冷媒は室外膨張弁１０５、バイパス弁１１０を通過し、液接続配管３００を通して室内膨張弁２０１に導かれ、ここで減圧されて室内熱交換器２０２に入る。室内熱交換器は暖房運転時に高温であったため、この熱量により冷媒は蒸発される。その後、ガス接続配管４００を通して室外機１００の四方弁１０２、エジェクタ１０８、気液分離器１０９、内部熱交換器１０７を通過して圧縮機１０１へと戻される。

このようにエジェクタでの動力回収を行わない冷媒回路へ切替えることにより、除霜運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器２０２への冷媒循環量が確保される。これにより室内側サイクルが有する熱容量を利用できるため、除霜時間の短縮を図ることができる。これにより、除霜運転に伴う室内温度低下を最小限に抑えて、快適性を向上することが可能となる。

図１１は除霜運転時の制御フローチャートを示している。制御動作開始により、暖房運転時に蒸発器として作用する室外熱交換器１０３の液側冷媒温度Ｔｅが除霜開始温度ＴｅＳ以下にならないかを監視する。例えば外気温度２℃の条件では、除霜開始温度ＴｅＳを着霜が進行する冷媒温度条件である−２℃程度に設定される。外気温度により着霜が開始する室外熱交換器液側温度は異なるため、これらの条件を加味した下式のように除霜開始温度ＴｅＳが設定される。
ＴｅＳ＝ａ・Ｔｏ＋ｂ（Ｔｏ：外気温度（℃）、ａ、ｂ：係数）
除霜開始温度以下になった場合には、四方弁１０２を冷房方向に切替え、バイパス弁１１０を開放し、エジェクタ１０８のノズル１０８ａを全閉として、逆サイクル除霜を開始する。フローチャートには示していないが、室外送風機１０４および室内送風機２０３を停止して、外気への無駄な放熱の防止と室内への冷風吹出防止を図る。回路の切替えにより、エジェクタを使用しないで室内減圧装置２０１で減圧を行う冷凍サイクルとなり、室内熱交換器２０２やガス接続配管４００の熱容量を利用して除霜を行うことができ、除霜能力を大きくすることができる。
この状態で、室外熱交換器液側温度Ｔｅが除霜終了温度ＴｅＥ以上に上昇するとバイパス弁を閉止し、エジェクタのノズルを開放し、四方弁を暖房方向へ切替えて、除霜運転を終了する。

また、室外熱交換器１０３の液側温度Ｔｅが除霜終了条件温度ＴｅＥ未満であれば、除霜運転は継続される。ただし、除霜運転時には室内送風機２０２は停止されているため、室内熱交換器２０２の温度が次第に低下して、蒸発能力が低下していく。ここで、圧縮機への液戻りを防止するため、室内減圧装置２０１は圧縮機１０１の吐出温度が一定値になるように制御される。

次に室内熱交換器２０２の液側温度ＴＬを検知し、室内側の汲み上げ熱量が低下していないかをＴＬｏを判定値として監視する。ＴＬｏは汲み上げ熱量低下判定温度であり、例えば蒸発温度であるＴＬが−１０℃を下回った場合を室内側熱容量不足と判定するように設定される。

ＴＬがＴＬｏ以下となった場合には、バイパス弁を閉止し、エジェクタのノズルを開放して室内機への冷媒回路をバイパスして、圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０３、室外減圧装置１０５、逆止弁ブリッジ１０６、内部熱交換器１０７、エジェクタ１０８、気液分離器１０９、内部熱交換器１０７、圧縮機１０１の順に冷媒が流れる。この冷媒回路に切替えることにより、圧縮機１０１の吸入圧力が上昇して圧縮機駆動動力が増加するため、除霜に用いられる熱量が増加する。
その後、再び室外熱交換器液温度Ｔｅが除霜終了条件温度ＴｅＥ以上であるかを監視して、この条件が満たされた時点で四方弁を暖房運転時の方向に戻し、除霜制御を終了する。

以上説明した通り、除霜運転時にエジェクタを用いない通常サイクルに切替えることにより、室内機側の熱容量を利用した除霜運転が可能となり、除霜運転時間の短縮が可能となる。また、室内機側の熱容量を使い切った際にはエジェクタ内のノズル１０８ａを開放すると共に、バイパス弁１１０を閉止して、室内側への冷媒流通を行わないサイクルに切替える。これにより圧縮機動力分の比エンタルピ差による熱量で除霜運転が可能となり、着霜量の多い場合において、室内側の熱容量を使い切った場合でも完全に除霜を行うことが可能となり、除霜不良に伴う残氷の発達を防止できる。このため、暖房能力を最大限発揮させることが可能となり、効率の高いヒートポンプ暖房運転を実現できる。

本発明の空気調和機の実施例１を説明する冷凍サイクル構成図。 図１の空気調和機における冷房運転状態を説明するモリエル線図。 図１に示すエジェクタの概略的な内部構造を説明する縦断面図。 エジェクタ使用時とエジェクタを使用しない時の高圧側圧力に対するＣＯＰを説明する図。 エジェクタを使用しない場合の冷媒流路を説明する冷凍サイクル構成図。 図５における運転状態を説明するモリエル線図。 実施例１における高圧側圧力が変化した場合のエジェクタ使用時と不使用時のＣＯＰを説明する図。 実施例１における制御構成を示す図。 実施例１における外気温度が変化した場合のエジェクタ使用時と不使用時のＣＯＰを説明する図。 実施例１における蒸発器出口冷媒過熱度が変化した場合のＣＯＰを説明する図。 本発明の実施例２における除霜運転時の制御フローを説明するフローチャート。

符号の説明

１００…室外機、１０１…圧縮機、１０２…四方弁、１０３…室外熱交換器、１０４…室外送風機、１０５…室外減圧装置、１０６…逆止弁ブリッジ、１０７…内部熱交換器、１０８…エジェクタ、１０９…気液分離器、１１０…バイパス弁、２００…室内機、２０１…室内減圧装置、２０２…室内熱交換器、２０３…室内送風機、３００…液接続配管、４００…ガス接続配管、１０８ａ…ノズル、１０８ｂ…吸入部、１０８ｃ…混合部、１０８ｄ…ディフューザ、１０８ｅ…コイル、１０８ｆ…ニードル、１０８ｇ…高圧流入口、１０８ｈ…低圧流入口。

Claims (13)

1. 圧縮機、放熱器、逆止弁で構成されたブリッジ回路、エジェクタ、気液分離器および蒸発器が冷媒配管で接続され、前記気液分離器からの液冷媒が前記ブリッジ回路を経て前記蒸発器に流入され、前記エジェクタは前記蒸発器からの冷媒が吸引される第一の入口と前記ブリッジ回路からの冷媒が流入する第二の入口とを備え、前記気液分離器からのガス冷媒は前記圧縮機に流入するようにして冷凍サイクルを構成し、
   さらに前記ブリッジ回路をバイパスするように前記放熱器の出口側と前記蒸発器の入口側とを接続するバイパス回路と、このバイパス回路に設けられたバイパス弁とを備え、
   前記冷凍サイクルの高圧側圧力が予め設定された設定値以下になった場合に前記バイパス弁を開放すると共に前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
2. 圧縮機、放熱器、逆止弁で構成されたブリッジ回路、エジェクタ、気液分離器および蒸発器が冷媒配管で接続され、前記気液分離器からの液冷媒が前記ブリッジ回路を経て前記蒸発器に流入され、前記エジェクタは前記蒸発器からの冷媒が吸引される第一の入口と前記ブリッジ回路からの冷媒が流入する第二の入口とを備え、前記気液分離器からのガス冷媒は前記圧縮機に流入するようにして冷凍サイクルを構成し、
   さらに前記ブリッジ回路をバイパスするように前記放熱器の出口側と前記蒸発器の入口側とを接続するバイパス回路と、このバイパス回路に設けられたバイパス弁とを備え、
   前記冷凍サイクルの高圧側圧力が低くなった場合に、前記バイパス弁を開放すると共に前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１において、前記エジェクタは前記第一の入口に設けられたノズルを備え、前記ノズルの入口を閉じることにより、前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１において、前記冷凍サイクルの高圧側圧力が、前記設定値より大きく設定された第二の設定値以上になった場合に、前記バイパス弁を閉じる共に前記エジェクタの第一の入口の流路を開くことを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１において、冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１において、冷媒としてＲ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ＡまたはＲ４０７Ｃのフロン系冷媒を用いることを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１において、冷媒としてプロパンまたはイソブタンのＨＣ系冷媒、またはアンモニア冷媒を用いることを特徴とする空気調和機。
8. 請求項１において、放熱器の吸込空気温度が予め設定された値以下になった場合に前記バイパス弁を開放すると共に、前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
9. 請求項１において、前記蒸発器の出口側の冷媒の過熱度が予め設定された値以上になった場合に前記バイパス弁を開放すると共に、前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
10. 請求項１において、前記空気調和機は四方弁を備え、前記室内機の吸込空気と吹出空気の温度差が予め設定された値以下になった場合に、前記バイパス弁を開放すると共に、前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
11. 請求項１において、前記空気調和機は制御回路を備え、前記バイパス弁を開放すると共に前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることは前記制御回路により行われることを特徴とする空気調和機。
12. 圧縮機、放熱器、逆止弁で構成されたブリッジ回路、エジェクタ、気液分離器および蒸発器が冷媒配管で接続され、前記気液分離器からの液冷媒が前記ブリッジ回路を経て前記蒸発器に流入され、前記エジェクタは前記蒸発器からの冷媒が吸引される第一の入口と前記ブリッジ回路からの冷媒が流入する第二の入口とを備え、前記気液分離器からのガス冷媒は前記圧縮機に流入するようにして冷凍サイクルを構成し、
    さらに前記ブリッジ回路をバイパスするように前記放熱器の出口側と前記蒸発器の入口側とを接続するバイパス回路と、このバイパス回路に設けられたバイパス弁とを備え、
    除霜運転する場合に、前記バイパス弁を開放すると共に前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。
13. 請求項１２において、前記エジェクタは前記第一の入口に設けられたノズルを備え、前記ノズルの入口を閉じることにより、前記エジェクタの第一の入口の流路を閉じることを特徴とする空気調和機。

Images