JP2008267676A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機から吐出した冷媒の主流が凝縮器に流れる方向で分岐管が設けてあるため、電磁弁などの冷媒制御装置の流路抵抗が小さいものしか選択できないことや、除霜時間が多くかかるという課題を有していた。
【解決手段】縮機１と四方弁１１間の配管には圧縮機１の吐出ガス冷媒がバイパス管方向を主流とするような分岐管５１を備えたことで、吐出ガス冷媒の動圧成分が第１吐出ガスバイパス３１側にかかるため、分岐管５１部での分留比率が大幅に吐出ガスバイパス３１側に多くなり、吐出ガスバイパス３１に設置された冷媒制御装置４０の流路抵抗の影響度が小さくなるだけでなく、除霜時間の短縮が可能となるとともに、空気調和機としては暖房運転時の快適性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機の吐出ガス冷媒を用いて蒸発器に付着した霜を溶解するためのバイパス回路を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置は運転状態によって、蒸発器に霜が付着し、能力低下を来す。すなわち、圧縮機で圧縮された高温高圧の吐出ガス冷媒は、四方弁を介して凝縮器に流入し、熱交換を行うことで冷媒は凝縮される。凝縮された冷媒は絞り装置で減圧されて気液２相状態となって蒸発器に流入し、熱交換を行うことで蒸発し、再度四方弁を介して圧縮機に吸い込まれる。ここで、蒸発器の周囲温度が低い場合においては、蒸発器に霜が徐々に付着し、霜の付着量が増えるに従って能力が低下する。

そして、必要に応じて蒸発器に付着した霜を溶かす運転を行うが、この霜を溶かす方法としては、四方弁を切り替えて逆サイクル運転とすることで、それぞれの熱交換器の働きを逆にして霜を溶かす方法がある。しかしながら、この方法では本来凝縮器側の温度が低下してしまう。

そこで、逆サイクル運転としない方法として、圧縮機から吐出した冷媒が流れる吐出管に分岐管を設けることで、冷媒の一方は凝縮器に流れ、もう一方は電磁弁などの冷媒制御装置を介して蒸発器に流入させ、蒸発器に付着した霜を溶解させる除霜方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図２は、特許文献１に記載された従来の空気調和装置の冷凍サイクル装置を示すものである。図２において、室外機Ｂに、圧縮機１と四方弁１１と絞り装置３と蒸発器４とを備え、室内機Ａに凝縮器２を備えて暖房運転時の冷凍サイクルを構成している。そして、吐出管１ａから絞り装置３と蒸発器４との間の管路までの吐出ガスバイパス３０を、分岐管５と電磁弁６とを介して構成している。この構成において、暖房運転を続けていると蒸発器４に霜が付着してくる。そこで除霜運転として、凝縮器２や蒸発器４のそれぞれの熱交換器の働きは暖房運転の状態のままで、吐出ガスバイパス３０の電磁弁６を開くと、吐出ガス冷媒が蒸発器４に直接流れ込んで除霜を行うもので、暖房運転を継続しながら蒸発器４の除霜を行うことができるものである。
実開昭６０−１０１７８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、圧縮機から吐出した冷媒の主流が凝縮器に流れる方向で分岐管が設けてあるのが一般的であり、基本的には吐出ガスバイパスより凝縮器に多くの冷媒が流れるようになっている上、吐出圧力が低い場合には、蒸発器に流入させる吐出ガス冷媒の冷媒量がさらに少なくなるため、吐出ガスバイパスの効果が小さくなって除霜時間が長くかかるという課題や、少しでも多くの吐出ガス冷媒を流そうとすれば、電磁弁などの冷媒制御装置は流路抵抗が極めて小さいものを選択しなければならず、そのためのコストが大きくなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、除霜時間の短縮を可能とし、また、電磁弁などの冷媒制御装置の選択範囲を広げて設計自由度を向上するとともにコストダウンが可能な冷凍サイクル装置を提供し、さらに、その冷凍サイクル装置を備えて暖房運転時の快適性を向上する空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、除霜時には圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスを流れる流量が、四方弁へ流れる流量より多くなる様に構成したものである。これによって、バイパス側に多く吐出冷媒が流れるために、蒸発器の温度上昇と、圧縮機の過熱度および吐出冷媒の温度上昇を図ることができ、凝縮器における能力の低下を抑制しながら、蒸発器の除霜時間の短縮が可能となる。

本発明の冷凍サイクル装置は、吐出ガスバイパス側に多く吐出冷媒が流れるために蒸発器の温度上昇を大きくして除霜時間の短縮ができ、また、吐出ガスバイパスに設置された冷媒制御装置の流路抵抗の影響度が小さくなるため、設計自由度が向上するとともに、それによるコストダウンが可能となる。また、その冷凍サイクル装置を備えた空気調和機においては、暖房運転における除霜時の室温低下を抑制して快適性を向上することができる。

第１の発明は、圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、絞り装置と、蒸発器とを配管で接続して冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機の吸入管と、前記絞り装置と蒸発器とを接続する蒸発器配管とのうちどちらか一方又はその双方へ、前記圧縮機と前記四方弁とを接続する吐出管から吐出冷媒をバイパスする吐出ガスバイパスと、前記吐出ガスバイパスに吐出冷媒を任意に流すことができる冷媒制御装置とを設けて蒸発器に付着した霜を溶解して除霜する構成を備え、除霜時には前記圧縮機の吐出冷媒がバイパスして流れる流量が、前記四方弁へ流れる流量より多くなる様に構成した冷凍サイクル装置である。

これによって、吐出ガスバイパス側に多く吐出冷媒が流れるために、蒸発器の温度上昇と、または圧縮機の過熱度および吐出冷媒の温度上昇とそれに伴うさらなる蒸発器の温度上昇を図ることができ、凝縮器における能力の低下を抑制しながら、蒸発器の除霜時間の短縮が可能となる。また、吐出ガスバイパスに設置された冷媒制御装置の流路抵抗の影響度が小さくなるため、設計自由度が向上するとともに、それによるコストダウンが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスの流路抵抗を凝縮器側の流路抵抗より小さくしたもので、吐出ガスバイパスを流れる冷媒の流量を、凝縮器側の四方弁へ流れる流量より多くすることが可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスを、吐出管に分岐管を設け、圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスの方向には四方弁の方向より動圧成分が大きく作用するように接続したもので、吐出冷媒の動圧成分がバイパス側に大きくかかるため、分岐管での冷媒分流比率が四方弁側より吐出ガスバイパス側に大きくなり、吐出ガスバイパス側の冷媒の流量を多くすることができる。また、吐出ガスバイパスに設置された冷媒制御装置があっても循環量を維持することができ、すなわち冷媒制御装置の流路抵抗の影響度を小さくすることが可能となる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスを、吐出管にＴ字形の分岐管を設け、圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスの方向には直線的に流れ、四方弁の方向には折れ曲がって流れるように構成したもので、吐出ガスバイパスの流路抵抗を凝縮器側の流路抵抗より小さくできるとともに、圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスの方向に対して、四方弁の方向より動圧成分を大きく作用させることが可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜４の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスの出口が冷凍サイクルの配管に合流する箇所に、Ｔ字管によりバイパスからの流れが直線的になるように接続したもので、吐出ガスバイパスの流路抵抗を凝縮器側の流路抵抗より小さくできて、バイパス側の冷媒の流量を多くすることが可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜５の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスの配管長を凝縮器側の配管長より短くしたもので、吐出ガスバイパスの流路抵抗を凝縮器側の流路抵抗より小さくできて、バイパス側の冷媒の流量を多くすることが可能となる。

第７の発明は、特に、第１〜６の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスの配管径を、凝縮器側の配管径と同等以上に大きくしたもので、吐出ガスバイパスの流路抵抗を凝縮器側の流路抵抗より小さくできて、バイパス側の冷媒の流量を多くすることが可能となる。

第８の発明は、特に、第１〜７の冷凍サイクル装置の吐出ガスバイパスに、吐出冷媒のうち５０％〜９０％が流れるように構成したもので、これによりバイパス側に多く吐出冷媒が流れるために、蒸発器の温度上昇と、または圧縮機の過熱度および吐出冷媒の温度上昇とそれに伴うさらなる蒸発器の温度上昇を図ることができ、凝縮器における能力の低下を抑制しながら、蒸発器の除霜時間の短縮が可能となる。

第９の発明は、それぞれに送風機を備えた室内機と室外機とを有し、請求項１〜８のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置を備えた空気調和機であり、除霜時間を短縮できる冷凍サイクル装置により、暖房運転における除霜時の室温低下を抑制することができて、快適性を向上することができる。

第１０の発明は、特に、第９の発明の空気調和機の室内機に補助加熱装置を備えたもので、暖房運転における除霜時の暖房能力の低下を補うことにより、室温低下をより抑制して快適性をより向上することができる。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の実施の形態について、空気調和機に搭載した例として図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒系統図で、空気調和機としての冷媒の流れ（暖房運転時は実線矢印方向）を示すものである。図１において、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒の流れを変える四方弁１１、高圧高温冷媒が凝縮される凝縮器２、凝縮された冷媒を減圧する絞り装置３、減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器４が順番に配管で接続されて通常の冷凍サイクルを構成している。ここで、凝縮器２は室内機Ａに設けられ、その他は室外機Ｂに設けられており、さらに室内機Ａには室内送風機７と電気ヒータ９を備え、室外機Ｂには室外送風機８を備えている。

本実施の形態１においては、圧縮機１からの吐出ガス冷媒を、四方弁１１の手前の吐出管１ａで分岐させる第１吐出ガスバイパス３１を設け、そこから更に分岐して、絞り装置３と蒸発器４との間の蒸発器配管４ａにバイパスする第２吐出ガスバイパス３２と、圧縮機１の吸入管１ｂにバイパスする第３吐出ガスバイパス３３とを設けている。すなわち、ここでは吐出ガスバイパスは、第１吐出ガスバイパス３１と第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３とから構成している。

第１吐出ガスバイパス３１の途中には吐出ガス冷媒を任意に流すことを可能とする冷媒
制御装置４０を備え、必要に応じて冷媒の流れを制御する。また、第２吐出ガスバイパス３２の途中には蒸発器バイパス流量調整管３２ａと逆止弁３２ｂとを備える。さらに、第３吐出ガスバイパス３３の途中には吸入バイパス流量調整管３３ａを備えて、第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３との流量バランスを調整している。

また、吐出管１ａにおける第１吐出ガスバイパス３１の分岐は、略Ｔ字形の分岐管５１を備えて行う。この分岐管５１は、圧縮機１の吐出冷媒が第１吐出ガスバイパス３１の方向には直線的に流れ（矢印Ｄ１）、四方弁１１の方向にはほぼ直角に折れ曲がって流れる（矢印Ｄ２）ように構成している。

さらに、第２吐出ガスバイパス３２の出口における蒸発器配管４ａへの合流と、第３吐出ガスバイパス３３の出口における吸入管１ｂへの合流においてもそれぞれ分岐管５１と同様のＴ字管５２，５３を備えている。すなわち、熱交換器配管４ａ側のＴ字管５２の合流においては、絞り装置３からの蒸発器配管４ａとしての流れをほぼ直角に折り曲げる（矢印Ｄ３）ように構成し、第２吐出ガスバイパス３２からの流れを蒸発器配管４ａへ直線的に流れる（矢印Ｄ４）ように接続している。また、吸入管１ｂ側のＴ字管５３の合流においては、四方弁１１からの吸入管１ｂとしての本来の流れをほぼ直角に折り曲げる（矢印Ｄ５）ように構成し、第３吐出ガスバイパス３３からの流れを吸入管１ｂへ直線的に流れる（矢印Ｄ６）ように接続している。

以上のように構成された冷凍サイクル装置を備えた空気調和機について、以下その動作、作用を説明する。まず、暖房運転時は実線矢印のごとく、圧縮機１で圧縮された高温高圧の吐出ガス冷媒は、四方弁１１を介して室内機Ａの凝縮器２に流入し、熱交換を行うことで冷媒は凝縮され、室内は暖房される。凝縮された冷媒は室外機Ｂに入り、絞り装置３で減圧されて気液２相状態となって蒸発器４に流入し、熱交換を行うことで蒸発して室外の熱を吸熱する。そして、再度四方弁１１を介して圧縮機１に吸入される。この通常の暖房運転時においては、冷媒制御装置４０は閉じている。ここで、蒸発器４の周囲温度が低い場合においては、蒸発器４に霜が徐々に付着し、霜の付着量が増えるに従って暖房能力が低下する。

そこで、着霜量が所定量まで増えた段階で、第１吐出ガスバイパス３１に設けた冷媒制御装置４０を開いて第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３に吐出ガス冷媒を流すことにより、蒸発器４の除霜を行う。これは、第２吐出ガスバイパス３２においては、蒸発器４の温度を上昇させることで霜の溶解を促進するものである。また、第３吐出ガスバイパス３３においては、圧縮機１の乾き度を上昇して圧縮機１および吐出ガス冷媒の温度を上昇させるもので、これにより蒸発器４の温度がより上昇するものである。このように構成した場合、四方弁１１は切り替えずに暖房運転状態のままで除霜することになり、暖房能力は低下するものの、逆サイクルで除霜するシステムと比較して暖房している室内の温度変化を小さくすることができ、快適性の低下を抑制することができる。

なお、第１吐出ガスバイパス３１は、必ずしも第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３との両方に分流して吐出ガス冷媒を流さなければならないものではなく、いずれか一方に流すだけでも暖房運転状態のままで除霜することが可能である。すなわち、上記構成の冷媒制御装置４０の代わりに、第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３とのそれぞれに冷媒制御装置を配設して、運転状況等に応じて制御しても良い。さらに、吐出ガスバイパスとして、第１吐出ガスバイパス３１と第２吐出ガスバイパス３２とを組み合わせるだけの構成や、第１吐出ガスバイパス３１と第３吐出ガスバイパス３３とを組み合わせるだけの構成でも良い。

次に、本実施の形態１では、圧縮機１からの吐出ガス冷媒を、第１吐出ガスバイパス３
１から第２吐出ガスバイパス３２と第３吐出ガスバイパス３３とに流して循環させるにあたって、さらに圧縮機１の吐出管１ａにおける第１吐出ガスバイパス３１の分岐にＴ字形の分岐管５１を備えている。特に、この分岐管５１は、圧縮機１の吐出冷媒が第１吐出ガスバイパス３１の方向には直線的に流れ、四方弁１１の方向には直角に折れ曲がって流れるように構成している。この構成により、吐出ガス冷媒が第１吐出ガスバイパス３１の方向には四方弁１１の方向より動圧成分が大きく作用することになる。そして、この動圧の作用により分岐管５１での冷媒分流比率が第１吐出ガスバイパス３１側に大きくなり、第１吐出ガスバイパス３１側の吐出ガス冷媒の流量を多くすることができる。

これにより、蒸発器４に付着した霜をより短時間で溶解して室内の温度変化をより少なくすることができ、快適性の低下をより抑制することができる。特に、吐出ガス冷媒が第１吐出ガスバイパス３１に流れる流量が、四方弁１１へ流れる流量より多くなるようにすることにより、暖房能力の低下により室温が一時的に低下するとしても、さらに短時間で除霜を完了してしまうことで快適性の低下を抑制する大きな効果が得られるものである。

さらに、吸入管１ｂと蒸発器配管４ａの合流側でもＴ字管５２，５３を用い、第２吐出ガスバイパス３２の出口、及び第３吐出ガスバイパス３３の出口が冷凍サイクルの配管に合流する箇所での流れが直線的になるように接続して、流れをできるだけ妨げないように流路抵抗を小さく構成することで、吐出管１ａから第１吐出ガスバイパス３１への流量をより多く設定することが可能になる。なお、Ｔ字形の分岐管５１やＴ字管５２，５３は必ずしも完全なＴ字形である必要はなく、これらの吐出ガスバイパス側をより流路抵抗が少なく構成できるものであれば良い。

以上のように、吐出ガス冷媒の動圧成分が第１吐出ガスバイパス３１側に作用するように構成したり、合流においても流路抵抗を小さくしてスムーズに流れるように構成したりすることにより、分岐管５１での分流比率が第１吐出ガスバイパス３１側に多くなり、第１吐出ガスバイパス３１に設置された冷媒制御装置４０の流路抵抗の影響度が小さくなるなど、冷媒制御装置４０の設計の余裕度を大きくすることができ、それによるコストダウンが可能となる。

また、第１吐出ガスバイパス３１側の冷媒配管の配管長を、凝縮器２側の配管長より短くしたり、同じく配管径を同等以上に大きくしたりして、吐出ガスバイパス側の流路抵抗を凝縮器２側の流路抵抗より小さくすることによっても吐出管１ａから第１吐出ガスバイパス３１への流量をより多く設定することが可能になる。

以上、いくつかの実施例を示したように、吐出ガスバイパス側の流路抵抗を、凝縮器２側の流路抵抗より小さくすることによって、吐出管１ａから第１吐出ガスバイパス３１への流量を、凝縮器側の四方弁へ流れる流量より多く設定することが可能になる。そして、除霜時に圧縮機１の吐出ガス冷媒が第１吐出ガスバイパス３１に流れる流量が、四方弁１１へ流れる流量より多くなる様に構成することにより、蒸発器４の温度上昇を図るとともに、圧縮機１の過熱度および吐出ガス冷媒の温度上昇によってもより大きな蒸発器４の温度上昇を図ることができ、凝縮器２における能力の低下を抑制しながら、蒸発器４の除霜時間をより短縮することが可能となる。また、第１吐出ガスバイパス３１に設置された冷媒制御装置４０の流路抵抗の影響度が小さくなるため、設計自由度が向上するとともに、それによるコストダウンが可能となる。さらに、以上のような構成の冷凍サイクル装置を備えることにより、快適性を向上した空気調和機を提供することが可能となる。

なお、第１吐出ガスバイパス３１への分流比率としては、通常は５０％未満であり、霜を溶かす除霜時間も比較的時間をかけて行うが、本実施の形態１では第１吐出ガスバイパス３１に、吐出冷媒のうち５０％〜９０％が流れるように構成したことにより、周囲温度
条件にもよるが、およそ５分〜７分で除霜を完了する。これにより、室内機Ａの凝縮器２への冷媒の循環量は低下するが、圧縮機１の乾き度を大きくして吐出ガス冷媒の温度を上昇することなどにより、暖房能力の低下を抑制することもできる。さらに、室内機Ａに補助加熱装置として例えば電気ヒータ９を備えれば、冷凍サイクルにおける暖房能力の低下を補うことができ、室温低下をより抑制して快適性をより向上することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、吐出冷媒の動圧成分がバイパス管側にかかるため、分岐管部での分流比率が大幅にバイパス管側に多くなり、バイパス管に設置された冷媒制御装置の流路抵抗の影響度が小さくなることでの設計自由度の向上によるコストダウンだけでなく、バイパス管側に多く吐出冷媒が流れるために、除霜時間の短縮が可能となるので、空気調和機はもちろんのこと、冷蔵庫、自動販売機及びヒートポンプ給湯器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の冷媒系統図 従来の空気調和装置の冷媒系統図

符号の説明

１ 圧縮機
１ａ 吐出管
１ｂ 吸入管
２ 凝縮器
３ 絞り装置
４ 蒸発器
４ａ 蒸発器配管
７ 室内送風機
８ 室外送風機
９ 電気ヒータ
１１ 四方弁
３１ 第１吐出ガスバイパス
３２ 第２吐出ガスバイパス
３２ａ 流量調整管
３２ｂ 逆止弁
３３ 第３吐出ガスバイパス
３３ａ 流量調整管
４０ 冷媒制御装置
５１ 分岐管
５２，５３ Ｔ字管
Ａ 室内機
Ｂ 室外機

Claims (10)

1. 圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、絞り装置と、蒸発器とを配管で接続して冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機の吸入管と、前記絞り装置と蒸発器とを接続する蒸発器配管とのうちどちらか一方又はその双方へ、前記圧縮機と前記四方弁とを接続する吐出管から吐出冷媒をバイパスする吐出ガスバイパスと、前記吐出ガスバイパスに吐出冷媒を任意に流すことができる冷媒制御装置とを設けて蒸発器に付着した霜を溶解して除霜する構成を備え、除霜時には前記圧縮機の吐出冷媒が前記吐出ガスバイパスを流れる流量が、前記四方弁へ流れる流量より多くなる様に構成したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 吐出ガスバイパスの流路抵抗を、凝縮器側の流路抵抗より小さくしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 吐出管に分岐管を設け、圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスの方向には四方弁の方向より動圧成分が大きく作用するように接続したことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
4. 吐出管にＴ字形の分岐管を設け、圧縮機の吐出冷媒が吐出ガスバイパスの方向には直線的に流れ、四方弁の方向には折れ曲がって流れるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。
5. 吐出ガスバイパスの出口が冷凍サイクルの配管に合流する箇所に、Ｔ字管によりバイパスからの流れが直線的になるように接続したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。
6. 吐出ガスバイパスの配管長を、凝縮器側の配管長より短くしたことを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。
7. 吐出ガスバイパスの配管径を、凝縮器側の配管径と同等以上に大きくしたことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。
8. 吐出ガスバイパスに、吐出冷媒のうち５０％〜９０％が流れるように構成したことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置。
9. それぞれに送風機を備えた室内機と室外機とを有し、請求項１〜８のうちいずれか一項記載の冷凍サイクル装置を備えたことを特徴とする空気調和機。
10. 室内機に補助加熱装置を備えたことを特徴とする請求項９記載の空気調和機。