JP2012167912A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒を用いたヒートポンプ式空気調和機において、冷房運転時の性能を向上させるとともに、冷凍機油の回収率を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明の空気調和機は、圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、作動流体はＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、冷凍機油はＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、室外機における冷媒配管内面の管壁高さを室内機における冷媒配管内面の管壁高さよりも低くする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒を用いたヒートポンプ式空気調和機に関する。

近年、地球環境保護の一環として、空気調和機において、現在使用されているＲ−４１０Ａ等の冷媒に比べて地球温暖化係数（以下「ＧＷＰ」という。）が低い冷媒への切り替えが検討されている。このような冷媒の候補の一つとしてＨＦＯ−１２３４系冷媒がある。しかしながら、ＨＦＯ−１２３４系冷媒はＲ−４１０Ａ等の冷媒に比べ低圧冷媒であるため、冷媒の圧力損失が性能に与える影響が大きい。

従って、ＨＦＯ−１２３４系冷媒を作動流体として使用する場合は、圧力損失による性能低下が大きいため、他の高圧冷媒と混合させて圧力損失による性能低下を抑制したり、冷房運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器内の圧力損失を低減する必要がある。

しかしながら、作動流体として非共沸混合冷媒を用いると、混合した各冷媒の冷凍機油との相溶性が異なる場合がある。この場合、蒸発器内において蒸発圧力が低い冷媒が先に蒸発し、その冷媒に含まれていた冷凍機油が熱交換器管内の内壁に付着したり、熱交換器管内の内面溝を埋めるようにして、冷凍機油が熱交換器管内に滞留してしまう可能性がある。

特許文献１では、非共沸混合冷媒を用いた空気調和機において、熱交換器配管内の溝形状を工夫し、伝熱性能を向上させている。具体的には、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルの熱交換器に使用される伝熱管において、内面に非二等辺三角形突起、または二円弧型突起、または切り起こしフィン、又は縦渦発生フィンを設ける、又はＵ字型ベント部に攪拌手段を備えた攪拌棒を固定し直管部まで挿入する、ことによって、液膜の攪拌作用を促進するとともに、気液界面近傍に形成される濃度境界層を分断或いは攪乱して非共沸冷媒の伝熱抵抗を低減している。

また、特許文献２では、熱交換器の伝熱管内面の溝高さを工夫して性能を向上させている。具体的には、内側熱交換器の伝熱管の内面に備えた溝のピッチを室外側熱交換器の伝熱管の内面に備えた溝のピッチよりも小さくした室内側熱交換器と室外側熱交換器とから構成し、室内側熱交換器の伝熱管の熱伝達率の向上を図り、室外機側熱交換器の圧力損失の低減を図ることができるとしている。

しかしながら、特許文献１のように、管内壁に複雑な突起を設けると、冷媒を撹拌して伝熱性能を向上させることはできるが、それと同時に冷媒が流れたときの圧力損失が大きくなり、熱交換器を蒸発器として作用させた場合にその圧力損失により性能が低下する可能性がある。

また、作動流体としてＨＦＯ−１２３４系冷媒を使用する場合は、圧力損失による性能低下が大きいため、特に冷房運転時は接続配管等の圧力損失の影響が大きいので、暖房運転時よりも蒸発器側の圧力損失を低減する必要がある。特許文献２では、暖房性能を重視した構成となっており、低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を使用した場合、冷房性能が低下してしまう可能性がある。

作動流体として低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を使用する場合には、前述したように、圧力損失による性能低下が大きいため、ＨＦＣ−３２等の高圧冷媒と混合させて圧力損失による性能低下を抑制させる必要がある。また、冷凍機油の問題も含め、冷房運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器内の全体的な圧力損失の低減や熱伝達率低下の抑制を図る必要がある。

室内熱交換器の圧力損失を低減させるため、室内熱交換器の冷媒配管を多パス化（複数パスに分岐）させることができるが、冷媒配管を多パス化するには室内熱交換器の冷媒配管サイクル部に大きなスペースが必要となる。一方、室内機内のサイクルパイプにおいては性能向上を図るため熱交換器の伝熱面積をできるだけ大きくするようにしているため、サイクルパイプの引き回しスペースが制約される。従って、室内熱交換器を多パス化するためには、室内機の幅を長くする必要がある。しかしながら、近年の家庭用空気調和機の室内機はコンパクト化が進められており、サイクルスペースを大きくした場合、熱交換器の幅方向（長手方向）を短くする必要がある。その場合、熱交換器の伝熱面積が少なくなるため性能低下が避けられない。そのため、限られたスペースで可能な限り熱交換器サイクルパイプを多パス化するとともに、管内の冷媒圧力損失を低減する必要がある。

特開平１０−１０３８８６号公報 特開平６−１４７５３２号公報

本発明は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒を用いたヒートポンプ式空気調和機において、冷房運転時の性能を向上させるとともに、冷凍機油の回収率を向上させることを課題とする。

本発明の空気調和機は、圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、冷房運転では、圧縮機，四方弁，室外熱交換器，膨張弁，室内熱交換器の順に接続するとともに、室内熱交換器を蒸発器として機能させ、暖房運転では、圧縮機，四方弁，室内熱交換器，膨張弁，室外熱交換器の順に接続するとともに、室内熱交換器を凝縮器として機能させる空気調和機であって、作動流体はＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、冷凍機油はＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、室外機における冷媒配管内面の管壁高さは室内機における冷媒配管内面の管壁高さよりも低い。

本発明によれば、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒を用いたヒートポンプ式空気調和機において、冷房運転時の性能を向上させるとともに、冷凍機油の回収率を向上させることができる。

空気調和機の冷凍サイクル構成図。 室内機の断面図。 冷媒配管内面の管壁高さを示す図。 冷媒配管内面のらせん溝リード角を示す図。 冷媒配管内面のらせん溝ピッチを示す図。

以下、本発明の空気調和機の実施例について図面を用いて説明する。まず、空気調和機の全体構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は空気調和機のサイクル構成図、図２は室内機の断面図である。

空気調和機は、室内機及び室外機を備え、接続配管によりこの室内機及び室外機が接続される。図１において、本実施例の空気調和機の冷凍サイクル装置は、圧縮機１，四方弁２，室外熱交換器３，室外ファン４，膨張弁５，室内熱交換器７，室内ファン８を備え、これらを冷媒配管等で接続して冷媒回路を形成する。

ここで、冷媒配管内を流れる作動流体としてＨＦＣ−３２とＨＦＯ−１２３４系冷媒とを混合した混合冷媒を用いる。ＨＦＣ−３２の冷媒及びＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒は、ＧＷＰが概ね１００〜６００の範囲になるように混合比を調節する。

また、冷凍機油（冷凍空調用圧縮機の潤滑油）は、ＨＦＣ−３２とＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒に対して相溶性を有する冷凍機油を使用する。また、ＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油を用いる。

このような空気調和機において、四方弁２により冷媒の流れを変えることにより、冷房運転，暖房運転、及び、除湿運転を行う。例えば、冷房運転では、圧縮機１，四方弁２，室外熱交換器３，膨張弁５，室内熱交換器７の順に接続し、膨張弁５を制御して、室内熱交換器を蒸発器（冷却器）として機能させて室内を冷房する。暖房運転では、圧縮機１，四方弁２，室内熱交換器７，膨張弁５，室外熱交換器３の順に接続し、膨張弁５を制御して、室内熱交換器７を凝縮器（加熱器）として機能させて室内を暖房する。除湿運転では、圧縮機１，室外熱交換器３，膨張弁５，室内熱交換器７の一部、図示しない除湿絞り装置，室内熱交換器７の他の一部の順に接続し、膨張弁５及び除湿絞り装置を制御して、室内熱交換器７の一部を凝縮器（加熱器）として機能させ室内熱交換器７の他の一部を蒸発器（冷却器）として機能させて室内を除湿する。

図２において、室内機は、室内空気を吸い込む空気吸込口を室内機上部に備える。空気吸込口の下流側には、室内空気中の塵埃を除去するフィルターが空気吸込口を覆うように配置される。フィルターの下流であって、室内機筐体の中央部には、略逆Ｖ字状に形成され室内熱交換器７が配置される。室内熱交換器７の下流には、室内熱交換器７の幅と略等しい長さの貫流ファン方式の室内ファン８が配置される。室内熱交換器７の下端部には露受皿が配置される。露受皿は、冷房運転時や除湿運転時に室内熱交換器７に発生する凝縮水を受ける。露受皿に集められた凝縮水はドレン配管を通して室外に排出される。室内熱交換器７の下流であって、室内機の下部には、室内熱交換器７で加熱，冷却，除湿等された室内空気を室内に吹き出す空気吹出口を備える。空気吹出口には、吹き出される空気を左右方向に偏向する左右風向板、及び、上下方向に偏向する上下風向板を備える。

空気調和機は、室内空気を空気吸込口から吸い込み、室内熱交換器７で加熱，冷却，除湿等された室内空気を、空気吹出口から室内に吹き出すことにより、室内を空気調和する。まず、室内ファン８を運転して、室内空気を空気吸込口から室内機内に吸い込む。その後、室内機内に吸い込まれた室内空気は、室内熱交換器７で加熱，冷却，除湿等されて、室内ファン８を介して、空気吹出口から室内に吹き出される。空気吹出口から室内に吹き出される調和された空気は、左右風向板及び上下風向板により、左右方向及び上下方向が偏向される。このようにして、室内空気を空気吸込口から吸い込み、室内熱交換器７で加熱，冷却，除湿等された室内空気を空気吹出口から室内に吹き出すことにより、室内を空気調和する。

冷房運転時の冷媒の流れを詳細に説明する。圧縮機１にて高温・高圧ガスにされた冷媒は、四方弁２を介して室外熱交換器３に流入する。室外熱交換器３に流入した冷媒は、室外ファン４により空気と熱交換して液冷媒に凝縮され、膨張弁５により低温・低圧二相流冷媒となる。低温・低圧となった二相流冷媒は、細径接続配管６を介して室内熱交換器７に流入する。室内熱交換器７に流入した冷媒は、室内送風ファン８により空気と熱交換した後、太径接続配管９及び四方弁２を介して再び圧縮機１に戻る。

このようなサイクル構成において冷房運転を行うと、室内熱交換器７内，室内熱交換器７冷媒出口配管から太径接続配管９までの接続管１０、及び太径接続配管９を通過する際に、圧力損失が生じる。ＨＦＣ−３２とＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒を作動流体とした場合、圧力損失による性能低下が従来のＲ４１０Ａ等の高圧冷媒に比べ大きい。

図３は室外熱交換器３及び室内熱交換器７における冷媒配管内面の管壁高さを示す図である。本実施例においては、図３に示すように、室外熱交換器３の冷媒配管内面の管壁高さｈ２を、室内熱交換器７の冷媒配管内面の管壁高さｈ１よりも低くする。また、拡管後の冷媒配管外径と底肉厚を同等程度とする。室外熱交換器３の冷媒配管内面の管壁高さｈ２を、室内熱交換器７の冷媒配管内面の管壁高さｈ１よりも低くするので、ＨＦＣ−３２と低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒を作動流体とした場合であっても、蒸発器として作用する室内熱交換器７内での冷媒の圧力損失を低減できるので冷房運転時の性能を向上させることができる。

一方、圧力損失を低減するため、熱交換器の冷媒流路を分岐させて複数流路にする（多パス化させる）。室外熱交換器３はスペースに余裕度があるが、室内機内においてはコンパクト化や省エネ（室内熱交換器７の大型化）のため、配管引き回しスペースをできるだけコンパクトにおさめる必要があり、多パス化が難しい。

一方、ＧＷＰを低くするためには、ＨＦＣ−３２よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒の比率を高くする必要がある。ＨＦＯ−１２３４系冷媒の方がＨＦＣ−３２に比較して冷凍機油との相溶性が高い場合、室内熱交換器７が蒸発器となる冷房運転の方が室外熱交換器３が蒸発器となる暖房運転よりも圧縮機１の温度が高いため、冷房運転の方が冷凍機油の冷媒への溶け込み量が多くなり、冷凍機油の持ち出し量が多くなる。冷房運転時の室内熱交換器７に冷凍機油を含んだ冷媒が流れ込むと、冷媒の蒸発過程で、蒸発圧力の低いＨＦＯ−１２３４系冷媒の方が早くガス化するため、熱交換器内壁に設けられた内面溝内に付着・滞留する。そのときＨＦＣ−３２はまだ液割合が多い状態であるが、内面溝内に冷凍機油が付着すると熱通過率の低下、及び圧力損失の更なる増加につながる。

室内熱交換器７の伝熱管１２の内面溝高さを室外熱交換器３の伝熱管１１の内面溝高さｈ１よりも低くするとともに、冷凍機油はＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油を用いる。蒸発器として作用する室内熱交換器７内での冷媒の圧力損失を低減できるので冷房運転時の性能を向上させることができる。また、先に蒸発圧力の低いＨＦＯ−１２３４系冷媒が蒸発してＨＦＯ−１２３４系冷媒に含まれていた冷凍機油が溝内部に付着しても、相溶性の低いＨＦＣ−３２が溝内壁に液膜となって付着・滞留している冷凍機油を持ち出しやすくする。従って、熱伝達率の向上及び蒸発器として作用している室内熱交換器内から圧縮機への冷凍機油の回収率を向上させることができる。

図４は室外熱交換器３及び室内熱交換器７における冷媒配管内面のらせん溝リード角を示す図である。図３に示す冷媒配管内面の管壁高さの関係に代えて、図４に示すように、室外熱交換器３の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ｂを、室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ａよりも緩やかにする（大きくする）ようにしてもよい。

室外熱交換器３の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ｂを、室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ａよりも大きくするとともに、冷凍機油はＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油を用いる。上記実施例と同様に、ＨＦＣ−３２と低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒を作動流体とした場合であっても、蒸発器として作用する室内熱交換器７内での冷媒の圧力損失を低減できるので冷房運転時の性能を向上させることができる。また、熱伝達率の向上及び蒸発器として作用している室内熱交換器内から圧縮機への冷凍機油の回収率を向上させることができる。

図５は室外熱交換器３及び室内熱交換器７における冷媒配管内面のらせん溝ピッチを示す図である。図３に示す冷媒配管内面の管壁高さの関係に代えて、図５に示すように、室外熱交換器３の媒配管内面のらせん溝ピッチ１４を、室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝ピッチ１３よりも大きくするようにしてもよい。

室外熱交換器３の冷媒配管内面のらせん溝ピッチ１４を、室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝ピッチ１３よりも大きくするとともに、冷凍機油はＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油を用いる。上記実施例と同様に、ＨＦＣ−３２と低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒を作動流体とした場合であっても、蒸発器として作用する室内熱交換器７内での冷媒の圧力損失を低減できるので冷房運転時の性能を向上させることができる。また、熱伝達率の向上及び蒸発器として作用している室内熱交換器内から圧縮機への冷凍機油の回収率を向上させることができる。

さらに、上述したような（１）室外熱交換器３の冷媒配管内面の管壁高さｈ２を室内熱交換器７の冷媒配管内面の管壁高さｈ１よりも低くすること、（２）室外熱交換器３の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ｂを室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝リード角Ａよりも大きくすること、（３）室外熱交換器３の冷媒配管内面のらせん溝ピッチ１４を室内熱交換器７の冷媒配管内面のらせん溝ピッチ１３よりも大きくすることを、必要に応じて組み合わせた構成とすることもできる。このように構成しても上述したように、ＨＦＣ−３２と低圧冷媒であるＨＦＯ−１２３４系冷媒を混合した混合冷媒を作動流体とした場合であっても、蒸発器として作用する室内熱交換器７内での冷媒の圧力損失を低減できるので冷房運転時の性能を向上させることができる。また、熱伝達率の向上及び蒸発器として作用している室内熱交換器内から圧縮機への冷凍機油の回収率を向上させることができる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 室外ファン
５ 膨張弁
６ 細径接続配管
７ 室内熱交換器
８ 室内ファン
９ 太径接続配管
１０ 接続管

Claims (4)

1. 圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、
   冷房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室外熱交換器，前記膨張弁，前記室内熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を蒸発器として機能させ、
   暖房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室内熱交換器，前記膨張弁，前記室外熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を凝縮器として機能させる空気調和機であって、
   作動流体は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、
   冷凍機油は、ＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、
   前記室外機における冷媒配管内面の管壁高さは前記室内機における冷媒配管内面の管壁高さよりも低い空気調和機。
2. 圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、
   冷房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室外熱交換器，前記膨張弁，前記室内熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を蒸発器として機能させ、
   暖房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室内熱交換器，前記膨張弁，前記室外熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を凝縮器として機能させる空気調和機であって、
   作動流体は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、
   冷凍機油は、ＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、
   前記室外機における冷媒配管内面のらせん溝リード角は前記室内機における冷媒配管内面のらせん溝リード角よりも大きい空気調和機。
3. 圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、
   冷房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室外熱交換器，前記膨張弁，前記室内熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を蒸発器として機能させ、
   暖房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室内熱交換器，前記膨張弁，前記室外熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を凝縮器として機能させる空気調和機であって、
   作動流体は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、
   冷凍機油は、ＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、
   前記室外機における冷媒配管内面のらせん溝ピッチは前記室内機における冷媒配管内面のらせん溝ピッチよりも大きい空気調和機。
4. 圧縮機と、四方弁，室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を備え、
   冷房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室外熱交換器，前記膨張弁，前記室内熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を蒸発器として機能させ、
   暖房運転では、前記圧縮機，前記四方弁，前記室内熱交換器，前記膨張弁，前記室外熱交換器の順に接続するとともに、前記室内熱交換器を凝縮器として機能させる空気調和機であって、
   作動流体は、ＨＦＣ−３２及びＨＦＯ−１２３４系冷媒の混合冷媒であり、
   冷凍機油は、ＨＦＣ−３２に対する相溶性よりもＨＦＯ−１２３４系冷媒に対する相溶性の方が高い冷凍機油であり、
   （１）前記室外機における冷媒配管内面の管壁高さは前記室内機における冷媒配管内面の管壁高さよりも低い、（２）前記室外機における冷媒配管内面のらせん溝リード角は前記室内機における冷媒配管内面のらせん溝リード角よりも大きい、（３）前記室外機における冷媒配管内面のらせん溝ピッチは前記室内機における冷媒配管内面のらせん溝ピッチよりも大きい、の何れか２以上を組み合わせた空気調和機。

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