JP2012127518A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器６と圧縮機中間吸入口１４とを接続する第３のバイパス回路１５を備えた空気調和機において、圧縮機１の起動時等に気液分離器６から第３のバイパス回路１５を介して圧縮機中間吸入口１４に液戻りが発生するという課題が生じていた。また、気液分離器６からの第３のバイパス回路１５上に電磁制御弁を配置した場合には、製造原価が増加するという課題を有していた。
【解決手段】圧縮機１の起動時等に気液分離器６前後に設けた第２のバイパス回路１７または第１のバイパス回路１６を通じて、気液分離器６に圧縮機１からの吐出ガスをバイパスさせる事で気液分離器６からバイパス回路１５を介した液戻りを回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気液分離器を有する空気調和機に関するもので、特にヒートポンプ暖房運転を継続しながら室外熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転を行うことができる空気調和機において、液冷媒が直接圧縮機に吸引されることを防止する空気調和機に関するものである。

従来、この種の気液分離器を有するヒートポンプ式の空気調和機は、一般的に圧縮機のアキュームレータの容積と充填冷媒量の調整によって気液分離器からバイパス回路を介して圧縮機へ液戻りすることを防止していた。あるいは、図４のように、気液分離器６と圧縮機中間吸入口１４をつなぐバイパス回路１５上に電磁制御弁２６、一般的には電磁二方弁又は全閉型膨張弁を配置し、起動時等、液戻りが発生するときには電磁制御弁２６を閉めることで、液戻りを回避していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−９４３６９号公報

しかしながら、上記従来の空気調和機における冷凍サイクルの方式では、次のような課題があった。

冷凍サイクルへの冷媒充填量と圧縮機のアキュームレータの容積をバランスさせ、冷房運転再起動時等の最悪条件で圧縮機吸入口への液戻りを抑制する方式が一般的だが、この方式の場合、冷媒充填量を冷凍サイクルとして性能を最高効率にすることが可能な最適な量に設定することが困難であるという課題を有していた。

あるいは、図４のように、気液分離器６からのバイパス回路１５上に電磁制御弁２６を配置した場合には、高価な電磁制御弁を使うことで製造原価が増加するという課題を有していた。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、第１の減圧器、気液分離器、第２の減圧器、室内熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、室内熱交換器と第２の減圧器の間と圧縮機の吸入管と四方弁の間とを連結する第１のバイパス回路と、気液分離器と第１の減圧器の間、または、室外熱交換器と第１の減圧器との間と圧縮機の吐出管とを連結する第２のバイパス回路と、気液分離器と圧縮機の中間吸入口とを連結する第３のバイパス回路と、第１のバイパス回路に設けられた第１の二方弁と、第２のバイパス回路に設けられた第２の二方弁とを備え、圧縮機の起動時に、第１の減圧器と第２の減圧器のうち冷媒循環方向の上流側となるいずれか一方の減圧器を全閉または微少流量が流れる開度とするとともに、第２の二方弁を開放し、気液分離器に圧縮機からの吐出ガス冷媒を流入させるものである。

これによると、起動時に吐出ガス冷媒を、気液分離器に流入させることで、室外熱交換器および気液分離器中に溜まり込んでいた液冷媒が短時間に気液分離器からバイパス回路を介して圧縮機中間吸入口へ直接戻ることを回避することができる。

本発明の空気調和機は、バイパス回路を介した液戻りを回避し、液戻りから圧縮機を保護することができるとともに、バイパス回路用のアキュームレータの小型化ないしは廃止を実現することができる。

本発明の実施の形態１における空気調和機の冷凍サイクルの構成図 本発明の実施の形態１における空気調和機の制御フローチャート 本発明の実施の形態２における空気調和機の制御フローチャート 従来の構成における空気調和機の冷凍サイクルの構成図

第１の発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、第１の減圧器、気液分離器、第２の減圧器、室内熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、室内熱交換器と第２の減圧器の間と圧縮機の吸入管と四方弁の間とを連結する第１のバイパス回路と、気液分離器と第１の減圧器の間、または、室外熱交換器と第１の減圧器との間と圧縮機の吐出管とを連結する第２のバイパス回路と、気液分離器と圧縮機の中間吸入口とを連結する第３のバイパス回路と、第１のバイパス回路に設けられた第１の二方弁と、第２のバイパス回路に設けられた第２の二方弁とを備え、圧縮機の起動時に、第１の減圧器と第２の減圧器のうち冷媒循環方向の上流側となるいずれか一方の減圧器を全閉または微少流量が流れる開度とするとともに、第２の二方弁を開放し、気液分離器に圧縮機からの吐出ガス冷媒を流入させるものである。これにより、室外熱交換器および気液分離器中に溜まり込んでいた液冷媒が短時間に気液分離器からバイパス回路を介して圧縮機中間吸入口へ直接戻ることを回避することができるために、液戻りから圧縮機を保護することができるとともに、バイパス回路用のアキュームレータの小型化ないしは廃止およびアキュームレータを収容する室外機のコンパクト化、ならびにそれに伴う運搬、設置の容易化、コストダウン等や冷凍サイクルの最適化による基本性能の向上を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第２の二方弁を開放するとともに、第１の二方弁を開放するものである。これによって、上記効果に加えて、圧縮機の吸入管への駅戻りも防止することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、第３のバイパス回路上に設けた過熱手段と、圧縮機の中間吸入口に流入する冷媒の温度を検知する温度検出手段とを備え、圧縮機の中間吸入口の温度変化から第３のバイパス回路への液戻りを検知し、第２の二方弁を開放するものである。これによって、より確実に駅戻りを回避することができる。

以下、本発明の実施の形態について、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は第１の実施の形態の空気調和機の冷凍サイクル構成図である。この空気調和機は、室外機１９と室内機１８から構成されており、室外機１９と室内機１８は接続配管で接続されている。室外機１９には、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、第１の減圧器としての第１膨張弁４、気液分離器６、第２の減圧器としての第２膨張弁７、冷媒加熱器１２、室外熱交換器３に送風する室外送風機（図示せず）などが収納されている。室内機１８には、室内熱交換器５、室内熱交換器５に送風するための室内送風機（図示せず）などが収納されている。

この空気調和機の冷凍サイクルは、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、第１膨張弁４、気液分離器６、第２膨張弁７、室内熱交換器５を配管で接続し構成されている。圧縮機１は、冷媒を吐出する吐出管、冷媒を吸入する吸入管、圧縮機構部の中間圧力部に冷媒をインジェクションする圧縮機中間吸入口１４を備えている。圧縮機１の吸入管には主アキュームレータ２４が設けられており、圧縮機中間吸入口１４にはバイパス回路用アキュームレータ２５が設けられている。

この冷凍サイクルには、室内熱交換器５と第２膨張弁７との間と、四方弁２と圧縮機１の吸入管との間を連結する第１のバイパス回路１６が設けられている。第１のバイパス回路１６は、第１の二方弁９を介して冷媒加熱器１２に連通し、主アキュームレータ２４を介して、圧縮機１の吸入管に接続されている。

さらに、この冷凍サイクルには、四方弁２と圧縮機１の吐出管との間と、第１膨張弁４と気液分離器６との間を連結する第２のバイパス回路１７が設けられている。第２のバイパス回路１７は、第２の二方弁８を備えている。さらに、この冷凍サイクルは、気液分離器６のガス出口管と圧縮機中間吸入口１４の間を連結する第３のバイパス回路１５を備えている。第３のバイパス回路１５は、冷媒加熱器１２を連通し、バイパス回路用アキュームレータ２５を介して、圧縮機中間吸入口１４に接続されている。

冷媒加熱器１２には、冷媒加熱器１２の温度を検出するための冷媒加熱器用温度センサー１３が設けられている。また、圧縮機中間吸入口１４とバイパス回路用アキュームレータ２５との間の配管、また、バイパス回路用アキュームレータ２５には、圧縮機中間吸入口１４に吸入される冷媒の温度を検出するための圧縮機中間吸入口用温度センサー１１が設けられている。

図１は冷房運転時のサイクル状態を示しているが、この空気調和機の冷凍サイクルは、暖房運転の除霜運転用に第１のバイパス回路１６と第２のバイパス回路１７を備えているため、暖房運転中に室外熱交換器３が着霜した場合には四方弁２を切り返すことなく圧縮機１吐出管から高温高圧のガス冷媒を室内熱交換器５へ送りながら同時にガス冷媒を第２のバイパス回路１７へ送り第２の二方弁８を開放することで気液分離器６と第１膨張弁４との間へ送ることができる。

室外熱交換器３の着霜を圧縮機１から送られる高温高圧のガス冷媒によって溶かしながら、室内熱交換器５にもガス冷媒が送られているため暖房運転を継続可能であり、従来のヒートポンプ機種の空気調和機において見られた除霜運転中の冷風感がなくなる構成となっている。

また、室内熱交換器５へ送られたガス冷媒は室外機１９へ戻った後、第１のバイパス回路１６を通り圧縮機１の吸入管へ戻る。このとき圧縮機１の圧縮比や吸入冷媒の過熱度が十分に確保できないという信頼性上の課題があるため、第１のバイパス回路１６上には第１の二方弁９だけでなく冷媒加熱器１２を配置し、必要な最低低圧と冷媒加熱度を確保している。本発明においては冷媒加熱器１２として水を主成分とする蓄熱剤を圧縮機１の余熱で暖めたものを用いているが、ヒーター等でも良い。

以上が暖房運転を継続しつつ除霜運転を行うための冷凍サイクルの動作であるが、本発明の実施の形態ではさらに、第１膨張弁４、第２膨張弁７の間に気液分離器６を配置し、冷暖運転時に、室内熱交換器５と室外熱交換器３のうち蒸発器として作用する熱交換器において、減圧された気液二相冷媒から不必要なガス冷媒成分のみを除去し、第３のバイパス回路１５を通じて圧縮機中間吸入口１４へ戻す。このような構成によって蒸発器での圧力損失の削減と、吸入圧力よりも高い中間吸入圧力を得られるため、圧縮機１の仕事を削
減し、消費電力を削減することのできる構成になっている。

このとき第３のバイパス回路１５上にも上記の冷媒加熱器１２の一部があり、通過するガス冷媒を一定程度加熱することで過熱度を確保できるため、第３のバイパス回路１５に少量の液冷媒が戻るようなことがあっても圧縮機１に液冷媒が直接戻り故障や性能低下の原因とはならない構成になっている。そして圧縮機中間吸入口用温度センサー１１の検知温度を時系列的に計測、比較することによって液戻りが発生しているかどうかを判別している。なお、大量に短時間に液戻りが発生した場合には冷媒加熱量が不足してしまう場合もある。

上述した構成をもつ本発明の実施の形態の冷凍サイクルの場合、冷房運転を開始した場合には通常、第１のバイパス回路１６と第２のバイパス回路１７は、それぞれ第１の二方弁９、第２の二方弁８によって閉塞されている。そのため、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は四方弁２を介して室外熱交換器３へのみ送られる。そのとき室外熱交換器３出口付近から気液分離器６に液冷媒が大量に滞留している場合には、圧縮機１起動とともに短時間に大量の液冷媒が気液分離器６から第３のバイパス回路１５を介して圧縮機中間吸入口１４に戻り、付属されたバイパス回路用アキュームレータ２５の容積を超えて液戻りが発生する場合がある。

バイパス回路用アキュームレータ２５の容積を大きくとれば問題はないが、室外機１９の収納容積の関係から十分な大きさをとることができない場合がある。しかし、本実施の形態では前述した除霜用の二つのバイパス回路、すなわち、第１のバイパス回路１６、第２のバイパス回路１７を利用することによって製造原価を増加させることなく液戻りを防ぐことを可能である。この動作について、図２の制御フローチャートを用いて、以下に説明する。

まず運転開始時には第２のバイパス回路１７を流れる冷媒流量を制御する第２の二方弁８を開放する。その状態から２つの膨張弁のうち上流側に配置されている膨張弁のみを全閉又は微少流量（例えば５０ｐｌｓ等）に固定し、他方下流側に配置された膨張弁は全開とする。具体的には、冷房運転か否かを判定し、冷房運転の場合には、上流側に配置されている第１膨張弁４のみを全閉又は微少流量（例えば５０ｐｌｓ等）に固定し、他方下流側に配置された第２膨張弁７は全開とする。一方、冷房運転以外の場合には、上流側に配置されている第２膨張弁７のみを全閉又は微少流量（例えば５０ｐｌｓ等）に固定し、他方下流側に配置された第１膨張弁４は全開とする。その後、圧縮機１を起動させ、吐出ガス冷媒を圧縮機１から吐出させる。

これにより、吐出ガス冷媒は第２のバイパス回路１７を介して気液分離器６と第１膨張弁４の間へと送ることができる。冷房運転時には、上流側の第１膨張弁４から気液分離器６へは冷媒が極微少しか流れてこない。また、冷房運転時以外の場合には、上流側の第２膨張弁７から気液分離器６へは冷媒が極微少しか流れてこない。このため、吐出ガス冷媒は気液分離器６を通り、第３のバイパス回路１５を通してガス冷媒のまま圧縮機中間吸入口１４へと戻ってくる。例えば、冷房運転停止直後は室外熱交換器３から室内熱交換器５にかけて液冷媒が大量に滞留している場合が多いが、本実施の形態の起動方式の場合、起動直後の短時間に戻ってくることがなくなるため、バイパス回路用アキュームレータ２５の容積を増加させることなく、あるいは、バイパス回路用アキュームレータ２５を廃止しても、液戻りを防止することができる。同時に除霜用に使用している第２の二方弁８を転用しているため、高価な電磁二方弁などを新規で追加する必要がなく、製造原価を増加させる必要がない。

圧縮機１は起動後一定時間、たとえば３分程度一定周波数（４０Ｈｚ程度）固定し、そ
の後規定の制御に移行するが、第２のバイパス回路１７もあらかじめ規定された時間開放した後、第２の二方弁８を閉塞してバイパス制御を終了させ規定の運転へと移行する。圧縮機中間吸入口１４のバイパス回路用アキュームレータ２５への液戻りは起動後３０秒から２分までに発生することが多いが、長い時間バイパスした場合には肝心の冷房運転の起動特性が悪化する恐れがあるため、本発明では圧縮機起動後約１分３０秒間バイパスさせることで液戻りを防止している。

さらに第２のバイパス回路１７の途中には図１に示されるように冷媒加熱器１２が配置されているため、液戻りしたとしても加熱して一定量ガス化することができる為、さらに液戻り防止効果が大きい。

さらにメイン回路の液戻りも同時に回避するためには、第１のバイパス回路１６の第１の二方弁９も同時に開放することで同様の効果を得ることができる。あるいは第１膨張弁４を全閉又は微小流量にすることで室外熱交換器３にたまった液冷媒が戻りにくくなるため、更なる効果を得ることができる。

また本発明の実施の形態では前述したように第２のバイパス回路１７を気液分離器６と第１膨張弁４の間につないでいるが、第１膨張弁４を通過するため効果が低下するものの第１膨張弁４と室外熱交換器３の間に接続しても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
上述したバイパス制御は運転開始時に限定されているが、冷房運転中に気液分離器６から液冷媒がオーバーフローして第３のバイパス回路１５を通じて圧縮機中間吸入口１４へ液戻りする場合もある。その場合、圧縮機中間吸入口用温度センサー１１の検知した温度から圧縮機中間吸入口１４での冷媒過熱度を計算し、液戻りを判定することができる。この場合一般的には気液分離器６の圧力を引き下げ、冷媒乾き度を上昇させるか、気液分離器６の上流側にある第１膨張弁４の冷媒流量を絞り、液戻りしないようにする。しかしながらこのような方法では冷凍サイクルが不安定になってしまい冷房性能が低下してしまう場合がある。そこで本実施の形態では第３のバイパス回路１５から圧縮機中間吸入口１４へと液戻りした場合に、第２のバイパス回路１７の第２の二方弁８を開放することで液冷媒の比率を減らし、圧縮機中間吸入口１４への液戻りを防止しつつ、冷凍サイクルへの悪影響を最小限にすることができる。さらにそれでも液戻りが回避しきれない場合、第１のバイパス回路１６の第１の二方弁９を開放することで、液冷媒を強制的に主アキュームレータ２４に直接戻し、圧縮機中間吸入口１４への液戻りを回避する。

この動作について、図３の制御フローチャートを用いて、以下に説明する。まず、圧縮機中間吸入口用温度センサー１１の検知した温度から圧縮機中間吸入口１４での冷媒過熱度を計算する。計算した冷媒過熱度が所定の過熱度より小さい場合には、第２のバイパス回路１７の第２の二方弁８を開放することで液冷媒の比率を減らし、圧縮機中間吸入口１４への液戻りを防止する。そこで、再度、圧縮機中間吸入口１４での冷媒過熱度を計算し、計算した冷媒過熱度が所定の過熱度より小さい場合には、第１のバイパス回路１６の第１の二方弁９を開放することで液冷媒を強制的に主アキュームレータ２４に直接戻し、圧縮機中間吸入口１４への液戻りを回避する。

以上の動作により、さらにバイパス回路を介した液戻りを回避し、液戻りから圧縮機を保護することができるとともに、バイパス回路用のアキュームレータの小型化ないしは廃止が可能となる。

本発明の空気調和機は、バイパス回路を介した液戻りを回避し、液戻りから圧縮機を保
護することができるとともに、バイパス回路用のアキュームレータの小型化ないしは廃止およびアキュームレータを収容する室外機のコンパクト化でき、家庭用、業務用の空気調和機に適用できる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 第１膨張弁
５ 室内熱交換器
６ 気液分離器
７ 第２膨張弁
８ 第２の二方弁
９ 第１の二方弁
１１ 圧縮機中間吸入口用温度センサー
１２ 冷媒加熱器
１３ 冷媒加熱器用温度センサー
１４ 圧縮機中間吸入口
１５ 第３のバイパス回路
１６ 第１のバイパス回路
１７ 第２のバイパス回路
１８ 室内機
１９ 室外機
２４ 主アキュームレータ
２５ バイパス回路用アキュームレータ
２６ 電磁制御弁

Claims (3)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、第１の減圧器、気液分離器、第２の減圧器、室内熱交換器を冷媒回路で連結したヒートポンプ式冷凍サイクルと、前記室内熱交換器と前記第２の減圧器の間と前記圧縮機の吸入管と前記四方弁の間とを連結する第１のバイパス回路と、前記気液分離器と前記第１の減圧器の間、または、前記室外熱交換器と前記第１の減圧器との間と前記圧縮機の吐出管とを連結する第２のバイパス回路と、前記気液分離器と前記圧縮機の中間吸入口とを連結する第３のバイパス回路と、前記第１のバイパス回路に設けられた第１の二方弁と、前記第２のバイパス回路に設けられた第２の二方弁とを備え、前記圧縮機の起動時に、前記第１の減圧器と前記第２の減圧器のうち冷媒循環方向の上流側となるいずれか一方の減圧器を全閉または微少流量が流れる開度とするとともに、前記第２の二方弁を開放し、前記気液分離器に前記圧縮機からの吐出ガス冷媒を流入させることを特徴とする空気調和機。
2. 前記第２二方弁を開放するとともに、前記第１の二方弁を開放することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記第３のバイパス回路上に設けた過熱手段と、前記圧縮機の中間吸入口に流入する冷媒の温度を検知する温度検出手段とを備え、前記圧縮機の中間吸入口の温度変化から前記第３のバイパス回路への液戻りを検知し、前記第２の二方弁を開放することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。