JP2013204922A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒としてＲ３２を使用しており冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置において、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下の場合に、冷却運転時に生じる余剰冷媒を収容できるようにするとともに、圧縮機に冷凍機油を戻すことができるようにする。
【解決手段】空気調和装置（１）は、冷房運転時に圧縮機（２１）、室外熱交換器（２３）、膨張機構（２４）及び室内熱交換器（４１）の順に冷媒が流れ、暖房運転時に圧縮機（２１）、室内熱交換器（４１）、膨張機構（２４）及び室外熱交換器（２３）の順に冷媒が流れる。そして、空気調和装置（１）では、冷媒としてＲ３２を使用しており、室外熱交換器（２３）の容積が室内熱交換器（４１）の容積以下であり、室外熱交換器（２３）と膨張機構（２４）との間には、冷媒を貯留する冷媒貯留タンク（２５）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置、特に、冷媒としてＲ３２を使用しており冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置に関する。

従来の冷暖房運転可能な空気調和装置等の冷凍装置として、特許文献１（特開２００１−１９４０１５号公報）に記載されているように、冷媒としてＲ３２を使用したものがある。この冷凍装置では、冷房運転（冷却運転）時には、気液分離器（冷媒貯留タンク）、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁（膨張機構）、室内熱交換器の順に冷媒が流れるようになっている。また、暖房運転（加熱運転）時には、冷媒貯留タンク、圧縮機、室内熱交換器、膨張機構、室外熱交換器の順に冷媒が流れるようになっている。そして、この冷凍装置では、冷却運転時に最適な冷媒量と、加熱運転時に最適な冷媒量とが異なる。このため、冷却運転時に放熱器として機能する室外熱交換器の容積と、加熱運転時に放熱器として機能する室内熱交換器の容積とが異なる。通常は、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積よりも大きいため、加熱運転時に室内熱交換器で収容しきれない冷媒は、圧縮機の吸入側に接続された冷媒貯留タンクなどにより一時的に貯留される。

しかし、上記の冷凍装置では、冷媒としてＲ３２を使用しているため、低温条件においては、圧縮機の潤滑のために冷媒とともに封入されている冷凍機油の溶解度が非常に小さくなる傾向がある。このため、冷凍サイクルにおける低圧になると、冷媒温度の低下によって、冷凍機油の溶解度が大きく低下することになり、冷凍サイクルにおける低圧になる冷媒貯留タンク内で冷媒であるＲ３２と冷凍機油が二層分離し、圧縮機に冷凍機油が戻りにくくなっている。

また、上記の冷凍装置において、特許文献２（特開平６−１４３９９１号公報）に記載されているような高性能な放熱器が室外熱交換器として使用されるようになると、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下になる。このため、この場合には、冷房運転時に室外熱交換器で収容しきれない冷媒（余剰冷媒）が発生し、その量は、冷媒貯留タンクなどに貯留可能な量を超えてしまうことになる。

このように、冷媒としてＲ３２を使用しており冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置においては、圧縮機の吸入側に冷媒貯留タンクが接続されていることに起因して、圧縮機への油戻しの問題が生じ、また、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下にする場合には、余剰冷媒の問題も生じる。

本発明の課題は、冷媒としてＲ３２を使用しており冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置において、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下の場合に、冷却運転時に生じる余剰冷媒を収容できるようにするとともに、圧縮機に冷凍機油を戻すことができるようにすることにある。

第１の観点にかかる冷凍装置は、冷却運転時に圧縮機、室外熱交換器、膨張機構及び室内熱交換器の順に冷媒が流れ、加熱運転時に圧縮機、室内熱交換器、膨張機構及び室外熱交換器の順に冷媒が流れる冷凍装置である。そして、この冷凍装置では、冷媒としてＲ３２を使用しており、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下であり、室外熱交換器と膨張機構との間には、冷媒を貯留する冷媒貯留タンクが設けられている。また、第２の観点にかかる冷凍装置は、第１の観点にかかる冷凍装置において、冷媒貯留タンクが、冷却運転時に冷凍サイクルにおける高圧になり、加熱運転時に冷凍サイクルにおける低圧になるように設けられている。

この冷凍装置では、冷媒としてＲ３２を使用しているため、圧縮機への油戻しの問題が懸念されるところ、室外熱交換器と膨張機構との間に冷媒貯留タンクを設けているため、圧縮機の吸入側に冷媒貯留タンクを設ける場合に比べて、圧縮機に冷凍機油が戻りやすくなる。しかも、この冷凍装置では、室外熱交換器の容量が室内熱交換器の容量以下となることによって冷却運転時に余剰冷媒が発生するところ、この余剰冷媒が冷媒貯留タンクに収容されるため、冷媒制御に支障をきたすことを防止することができる。

これにより、この冷凍装置では、冷媒としてＲ３２を使用しており、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下であるにもかかわらず、冷却運転時に生じる余剰冷媒を収容することができるとともに、圧縮機に冷凍機油を戻すことができる。

第３の観点にかかる冷凍装置は、第１又は第２の観点にかかる冷凍装置において、室外熱交換器が、伝熱管として扁平管を使用した熱交換器である。また、第４の観点にかかる冷凍装置は、第３の観点にかかる冷凍装置において、室外熱交換器が、間隔を空けて積み重なるように複数配列された複数の扁平管と、隣接する扁平管に挟まれたフィンと、を有する熱交換器である。また、第５の観点にかかる冷凍装置は、第３の観点にかかる冷凍装置において、室外熱交換器が、間隔を空けて積み重なるように配列された複数の扁平管と、扁平管が差し込まれる切り欠きが形成されたフィンと、を有する熱交換器である。

この冷凍装置では、伝熱管として扁平管を使用することによって、室外熱交換器の容量が室内熱交換器の容量以下になるため、冷凍装置内の冷媒量が低減される。尚、この冷凍装置では、冷却運転時に余剰冷媒が発生するが、この余剰冷媒を冷媒貯留タンクに収容することができるため、冷媒制御に支障をきたすことを防止することができる。

第６の観点にかかる冷凍装置は、第１又は第２の観点にかかる冷凍装置において、室外熱交換器及び室内熱交換器が、クロスフィン型熱交換器であり、室外熱交換器の伝熱管径が、室内熱交換器の伝熱管径よりも細く設定されている。

この冷凍装置では、上記の第１又は第２の観点にかかる冷凍装置と同様に、室外熱交換器の容量が室内熱交換器の容量以下になるため、冷凍装置内の冷媒量が低減される。尚、この冷凍装置では、冷却運転時に余剰冷媒が発生するが、この余剰冷媒を冷媒貯留タンクに収容することができるため、冷媒制御に支障をきたすことを防止することができる。

第７の観点にかかる冷凍装置は、第１〜第６の観点のいずれかにかかる冷凍装置において、冷媒貯留タンク内に溜まる冷媒のガス成分を圧縮機又は圧縮機の吸入管に導くバイパス管がさらに設けられている。

この冷凍装置では、加熱運転時、すなわち、室外熱交換器が蒸発器として機能するとき、冷媒が室外熱交換器の入口手前の冷媒貯留タンクで液とガスとに分離され、ガス成分はバイパス管に向かうことになる。その結果、蒸発に寄与しないガス成分が室外熱交換器に流入しなくなるため、その分、室外熱交換器を流れる冷媒の流量が減少し、室外熱交換器での冷媒の圧力損失（すなわち、減圧ロス）が抑制される。

第８の観点にかかる冷凍装置は、第７の観点にかかる冷凍装置において、バイパス管が、流量調整機構を有する。

圧縮機の運転周波数が高い場合には、冷媒貯留タンクから気液二相状態の冷媒がバイパス管を通じて圧縮機または圧縮機の吸入管に戻り、圧縮機に吸入されるおそれがある。

しかし、この冷凍装置では、バイパス管に流量調整機構が設けられているため、気液二相状態の冷媒の液成分が減圧されて蒸発することになる。

これにより、この冷凍装置では、圧縮機又は圧縮機の吸入管に液成分が戻ることを防止することができる。

また、この冷凍装置では、加熱運転時に、流量調整機構を通過した冷媒が、室外熱交換器において蒸発した後に、圧縮機又は圧縮機の吸入管に向う冷媒に合流することになる。このとき、流量調整機構が電動膨張弁である場合には、弁開度を制御することによって、圧縮機に吸入される直前の冷媒状態を、より最適に調整することができる。しかも、流量調整機構の弁開度を制御することによって、圧縮機に戻る冷媒の流量を増減させることができるため、室内熱交換器側の冷凍負荷に応じて冷媒の循環流量、すなわち、室内熱交換器を流れる冷媒の流量を制御することができる。

第９の観点にかかる冷凍装置は、第１〜第８の観点のいずれかにかかる冷凍装置において、冷媒貯留タンクが、気液分離器である。

この冷凍装置では、気液分離器からなる冷媒貯留タンクが、液成分を溜める機能、及び、液成分とガス成分とを分離する機能の両方を担うことになる。

これにより、この冷凍装置では、冷媒貯留機能を有する機器と気液分離機能を有する機器とを併設する必要がなくなるため、装置構成の簡素化に寄与する。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１〜第６の観点にかかる冷凍装置では、冷媒としてＲ３２を使用しており、室外熱交換器の容積が室内熱交換器の容積以下であるにもかかわらず、冷却運転時に生じる余剰冷媒を収容することができるとともに、圧縮機に冷凍機油を戻すことができる。

第７の観点にかかる冷凍装置では、加熱運転時に、蒸発に寄与しないガス成分が冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器に流入しなくなるため、その分だけ、冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器を流れる冷媒の流量を減少させることができ、冷凍サイクルにおける減圧ロスを低減することができる。

第８の観点にかかる冷凍装置では、圧縮機又は圧縮機の吸入管に液成分が戻ることを防止することができる。また、圧縮機に吸入される直前の冷媒状態を、より最適に調整することができる。しかも、室内熱交換器側の冷凍負荷に応じて冷媒の循環流量、すなわち、室内熱交換器を流れる冷媒の流量を制御することができる。

第９の観点にかかる冷凍装置では、冷媒貯留機能を有する機器と気液分離機能を有する機器とを併設する必要がなくなるため、装置構成の簡素化に寄与する。

本発明の一実施形態にかかる冷凍装置としての空気調和装置の概略構成図である。 室内熱交換器の概略正面図である。 室外熱交換器の外観斜視図である。 室外熱交換器容積／室内熱交換器容積比を能力別に表したグラフである。 変形例１にかかる冷凍装置としての空気調和装置の概略構成図である。 変形例２における冷媒貯留タンクの概略断面図である。 変形例３における室外熱交換器の外観斜視図である。 変形例３における室外熱交換器の縦断面図である。

以下、本発明にかかる冷凍装置の実施形態及びその変形例について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる冷凍装置の具体的な構成は、下記の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる冷凍装置としての空気調和装置１の概略構成図である。

空気調和装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことによって、冷却運転としての冷房運転及び加熱運転としての暖房運転を行うことが可能な冷凍装置である。空気調和装置１は、主として、室外ユニット２と、室内ユニット４とが接続されることによって構成されている。ここで、室外ユニット２と室内ユニット４とは、液冷媒連絡管５及びガス冷媒連絡管６を介して接続されている。すなわち、空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット４とが冷媒連絡管５、６を介して接続されることによって構成されている。この冷媒回路１０には、ＨＦＣ系冷媒の一種であるＲ３２が封入されている。また、冷媒回路１０には、冷媒とともに、圧縮機２１（後述）の潤滑のための冷凍機油が封入されている。ここでは、冷凍機油として、Ｒ３２に対していくらか相溶性を有するエーテル系合成油や、Ｒ３２に対して非相溶性を有する鉱油、アルキルベンゼン系合成油等が使用される。

＜室内ユニット＞
室内ユニット４は、室内に設置されており、冷媒回路１０の一部を構成している。室内ユニット４は、主として、室内熱交換器４１を有している。

室内熱交換器４１は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の放熱器として機能して室内空気を加熱する熱交換器である。室内熱交換器４１の液側は液冷媒連絡管５に接続されており、室内熱交換器４１のガス側はガス冷媒連絡管６に接続されている。

室内熱交換器４１は、図２に示すように、クロスフィン型熱交換器であり、主として、伝熱フィン４１１と、伝熱管４１２とを有している。ここで、図２は、室内熱交換器４１の正面図である。伝熱フィン４１１は、薄いアルミニウム製の平板であり、伝熱フィン４１１には、複数の貫通孔が形成されている。伝熱管４１２は、伝熱フィン４１１の貫通孔に挿入される直管４１２ａと、隣り合う直管４１２ａの端部同士を連結するＵ字管４１２ｂ、４１２ｃとを有している。直管４１２ａは、伝熱フィン４１１の貫通孔に挿入された後に拡管加工されることによって、伝熱フィン４１１と密着させられている。直管４１２ａと第１Ｕ字管４１２ｂとは一体に形成されており、第２Ｕ字管４１２ｃは、直管４１２ａが伝熱フィン４１１の貫通孔に挿入され拡管加工された後に、溶接やろう付け等によって直管４１１ａの端部に連結されている。

また、室内ユニット４は、室内ユニット４内に室内空気を吸入して、室内熱交換器４１において冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給するための室内ファン４２を有している。ここでは、室内ファン４２として、室内ファンモータ４３によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等が使用されている。

また、室内ユニット４は、室内ユニット４を構成する各部の動作を制御する室内側制御部４４を有している。そして、室内側制御部４４は、室内ユニット４の制御を行うためのマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、リモートコントローラ（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行ったり、室外ユニット２との間で伝送線８ａを介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

＜室外ユニット＞
室外ユニット２は、室外に設置されており、冷媒回路１０の一部を構成している。室外ユニット２は、主として、圧縮機２１と、切換機構２２と、室外熱交換器２３と、膨張機構２４と、冷媒貯留タンク２５と、液側閉鎖弁２７と、ガス側閉鎖弁２８とを有している。

圧縮機２１は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を高圧になるまで圧縮する機器である。圧縮機２１は、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素（図示せず）をインバータにより制御される圧縮機モータ２１ａによって回転駆動する密閉式構造となっている。圧縮機２１は、吸入側に吸入管３１が接続されており、吐出側に吐出管３２が接続されている。吸入管３１は、圧縮機２１の吸入側と切換機構２２の第１ポート２２ａとを接続する冷媒管である。吸入管３１には、アキュムレータ２９が設けられている。吐出管３２は、圧縮機２１の吐出側と切換機構２２の第２ポート２２ｂとを接続する冷媒管である。

切換機構２２は、冷媒回路１０における冷媒の流れの方向を切り換えるための機構である。切換機構２２は、冷房運転時には、室外熱交換器２３を圧縮機２１において圧縮された冷媒の放熱器として機能させ、かつ、室内熱交換器４１を室外熱交換器２３において放熱した冷媒の蒸発器として機能させる切り換えを行う。すなわち、切換機構２２は、冷房運転時には、第２ポート２２ｂと第３ポート２２ｃとを連通させ、かつ、第１ポート２２ａと第４ポート２２ｄとを連通させる切り換えを行う。これにより、圧縮機２１の吐出側（ここでは、吐出管３２）と室外熱交換器２３のガス側（ここでは、第１ガス冷媒管３３）とが接続される（図１の切換機構２２の実線を参照）。しかも、圧縮機２１の吸入側（ここでは、吸入管３１）とガス冷媒連絡管６側（ここでは、第２ガス冷媒管３４）とが接続される（図１の切換機構２２の実線を参照）。また、切換機構２２は、暖房運転時には、室外熱交換器２３を室内熱交換器４１において放熱した冷媒の蒸発器として機能させ、かつ、室内熱交換器４１を圧縮機２１において圧縮された冷媒の放熱器として機能させる切り換えを行う。すなわち、切換機構２２は、暖房運転時には、第２ポート２２ｂと第４ポート２２ｄとを連通させ、かつ、第１ポート２２ａと第３ポート２２ｃとを連通させる切り換えを行う。これにより、圧縮機２１の吐出側（ここでは、吐出管３２）とガス冷媒連絡管６側（ここでは、第２ガス冷媒管３４）とが接続される（図１の切換機構２２の破線を参照）。しかも、圧縮機２１の吸入側（ここでは、吸入管３１）と室外熱交換器２３のガス側（ここでは、第１ガス冷媒管３３）とが接続される（図１の切換機構２２の破線を参照）。第１ガス冷媒管３３は、切換機構２２の第３ポート２２ｃと室外熱交換器２３のガス側とを接続する冷媒管である。第２ガス冷媒管３３は、切換機構２２の第４ポート２２ｄとガス冷媒連絡管６側とを接続する冷媒管である。切換機構２２は、ここでは、四路切換弁である。

室外熱交換器２３は、冷房運転時には室外空気を冷却源とする冷媒の放熱器として機能し、暖房運転時には室外空気を加熱源とする冷媒の蒸発器として機能する熱交換器である。室外熱交換器２３は、液側が液冷媒管３５に接続されており、ガス側が第１ガス冷媒管３３に接続されている。液冷媒管３５は、室外熱交換器２３の液側と液冷媒連絡管７側とを接続する冷媒管である。

室外熱交換器２３は、図３に示すように、伝熱管として扁平管を使用した熱交換器である。より具体的には、室外熱交換器２３は、積層型熱交換器であり、主として、扁平管２３１と、波形フィン２３２と、ヘッダ２３３ａ、２３３ｂとを有している。ここで、図３は、室外熱交換器２３の外観斜視図である。扁平管２３１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で成形されており、伝熱面となる平面部２３１ａと、冷媒が流れる複数の内部流路（図示せず）を有している。扁平管２３１は、平面部２３１ａを上下に向けた状態で間隔（通風空間）を空けて積み重なるように複数段配列されている。波形フィン２３２は、波形に折り曲げられたアルミニウム製またはアルミニウム合金製のフィンである。波形フィン２３２は、上下に隣接する扁平管２３１に挟まれた通風空間に配置され、谷部および山部が扁平管２３１の平面部２３１ａと接触している。なお、谷部と山部と平面部２３１ａとはロウ付け等によって接合されている。ヘッダ２３３ａ、２３３ｂは、上下方向に複数段配列された扁平管２３１の両端に連結されている。ヘッダ２３３ａ、２３３ｂは、扁平管２３１を支持する機能と、冷媒を扁平管２３１の内部流路に導く機能と、内部流路から出てきた冷媒を集合させる機能とを有している。室外熱交換器２３が冷媒の放熱器として機能する場合には、第１ヘッダ２３３ａの第１出入口２３４から流入した冷媒は、最上段の扁平管２３１の各内部流路へほぼ均等に分配され、第２ヘッダ２３３ｂに向って流れる。第２ヘッダ２３３ｂに達した冷媒は、２段目の扁平管２３１の各内部流路へ均等に分配され第１ヘッダ２３３ａへ向って流れる。以降、奇数段目の扁平管２３１内の冷媒は、第２ヘッダ２３３ｂへ向って流れ、偶数段目の扁平管２３１内の冷媒は、第１ヘッダ２３３ａに向って流れる。そして、最下段で且つ偶数段目の扁平管２３１内の冷媒は、第１ヘッダ２３３ａに向って流れ、第１ヘッダ２３３ａで集合して、第１ヘッダ２３３ａの第２出入口２３５から流出する。室外熱交換器２３が冷媒の蒸発器として機能する場合には、第１ヘッダ２３３ａの第２出入口２３５から冷媒が流入して、冷媒の放熱器として機能する場合とは逆方向に扁平管２３１及びヘッダ２３３ａ、２３３ｂを流れた後に、第１ヘッダ２３３ａの第１出入口２３４から流出する。そして、室外熱交換器２３が冷媒の放熱器として機能する場合には、扁平管２３１内を流れる冷媒は、波形フィン２３２を介して通風空間を流れる空気流に放熱する。また、室外熱交換器２３が冷媒の蒸発器として機能する場合には、扁平管２３１内を流れる冷媒は、波形フィン２３２を介して通風空間を流れる空気流から吸熱する。ここでは、室外熱交換器２３として、上記のような積層型熱交換器を使用することによって、室外熱交換器２３の容量が、室内熱交換器４１の容量よりも小さくなっている。この点に関して、パッケージエアコンを例に挙げて、図４を用いて説明する。ここで、図４は、室外熱交換器容積／室内熱交換器容積比を能力別に表したグラフである。図４において、◇はパッケージエアコンの通常タイプ（クロスフィン型室外熱交換器）、◆はパッケージエアコンの室外熱交換器細径タイプ（積層型室外熱交換器）、△はルームエアコンの通常タイプ（クロスフィン型室外熱交換器）、▲はルームエアコンの室外熱交換器細径タイプ（積層型室外熱交換器）を示している。図４によれば、室外熱交換器と室内熱交換器とがともにクロスフィン型熱交換器である場合に対して、室外熱交換器だけを同等の熱交換性能を有する積層型熱交換器に変更した場合には、室外熱交換器容量／室内熱交換器容積比が１．０を下回っている。これは、積層型熱交換器の容積がクロスフィン型の室外熱交換器の容積に比べて小さくなるだけでなく、これに接続されているクロスフィン型の室内熱交換器４１の容積よりも小さくなることを意味している。このため、空気調和装置１では、冷房運転時に余剰冷媒が発生することになる。そこで、空気調和装置１では、その余剰冷媒を冷媒貯留タンク２５に収容するようにしている。尚、図４によれば、室外熱交換器容量／室内熱交換器容積比が０．３〜０．９のときに、余剰冷媒を収容する冷媒貯留タンク２５を用いることが好ましいが、室外熱交換器容量／室内熱交換器容積比が１．０の場合でも冷媒貯留タンク２５を用いることによって、安定した冷媒制御が可能になる。

膨張機構２４は、冷房運転時には、冷媒貯留タンク２５に一時的に貯留された冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を冷凍サイクルにおける低圧まで減圧する機器である。また、膨張機構２４は、暖房運転時には、室内熱交換器４１において放熱した冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を冷凍サイクルにおける低圧まで減圧する機器である。膨張機構２４は、液冷媒管３５の液側閉鎖弁２７寄りの部分に設けられている。ここでは、膨張機構２４として、電動膨張弁が使用されている。

冷媒貯留タンク２５は、室外熱交換器２３と膨張機構２４との間に設けられている。冷媒貯留タンク２５は、冷房運転時に冷凍サイクルにおける高圧になり、室外熱交換器２３において放熱した後の冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を溜めることが可能な容器である。また、冷媒貯留タンク２５は、暖房運転時に冷凍サイクルにおける低圧になり、膨張機構２４において減圧された後の冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を溜めることが可能な容器である。例えば、室内熱交換器４１が冷媒の放熱器として機能する暖房運転時に室内熱交換器４１に収容することができる液冷媒量が１１００ｃｃであり、室外熱交換器２３が冷媒の放熱器として機能する冷房運転時に室外熱交換器２３に収容することができる液冷媒量が８００ｃｃである場合には、冷房運転時に室外熱交換器２３に収容しきれずに余った液冷媒３００ｃｃは、冷媒貯留タンク２５に一時的に収容される。

液側閉鎖弁２７及びガス側閉鎖弁２８は、外部の機器・配管（具体的には、液冷媒連絡管５及びガス冷媒連絡管６）との接続口に設けられた弁である。液側閉鎖弁２６は、液冷媒管３５の端部に設けられている。ガス側閉鎖弁２７は、第２ガス冷媒管３４の端部に設けられている。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２内に室外空気を吸入して、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、外部に排出するための室外ファン３６を有している。ここでは、室外ファン３６として、室外ファンモータ３７によって駆動されるプロペラファン等が使用されている。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２を構成する各部の動作を制御する室外側制御部３８を有している。そして、室外側制御部３８は、室外ユニット２の制御を行うためのマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室内ユニット４の室内側制御部４３との間で伝送線８ａを介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。すなわち、室内側制御部４４と室外側制御部３８と制御部３８、４４間を接続する伝送線８ａとによって、空気調和装置１全体の運転制御を行う制御部８が構成されている。

制御部８は、各種運転設定や各種センサの検出値等に基づいて、各種機器及び弁２１ａ、２２、２４、２６、３７、４３等の動作を制御することができるようになっている。

＜冷媒連絡管＞
冷媒連絡配管５、６は、空気調和装置１を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管であり、設置場所や室外ユニットと室内ユニットとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

以上のように、室外ユニット２と、室内ユニット４と、冷媒連絡管５、６とが接続されることによって、空気調和装置１の冷媒回路１０が構成されている。冷媒回路１０は、冷却運転としての冷房運転時に、圧縮機２１、室外熱交換器２３、冷媒貯留タンク２５、膨張機構２４、及び、室内熱交換器４１の順に冷媒が流れる冷凍サイクルを行うようになっている。また、冷媒回路１０は、加熱運転としての暖房運転時に、圧縮機２１、室内熱交換器４１、膨張機構２４、冷媒貯留タンク２５、及び、室外熱交換器２３の順に冷媒が流れる冷凍サイクルを行うようになっている。そして、空気調和装置１は、室内側制御部４４と室外側制御部３８とから構成される制御部８によって、冷房運転及び暖房運転等の各種運転を行うことができるようになっている。

（２）空気調和装置の動作
空気調和装置１は、上記のように、冷房運転、及び、暖房運転を行うことができる。以下、空気調和装置１の冷房運転時及び暖房運転時の動作について説明する。

＜暖房運転＞
暖房運転時には、切換機構２２が図１の破線で示される状態、すなわち、第２ポート２２ｂと第４ポート２２ｄとを連通させ、かつ、第１ポート２２ａと第３ポート２２ｃとを連通させる切り換えを行う。

この冷媒回路１０において、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧になるまで圧縮された後に吐出される。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、切換機構２２、ガス側閉鎖弁２８及びガス冷媒連絡管６を通じて、室内熱交換器４１に送られる。

室内熱交換器４１に送られた高圧の冷媒は、室内熱交換器４１において、室内空気と熱交換を行って放熱する。これにより、室内空気は加熱される。ここで、室内熱交換器４１の容量は、室外熱交換器２３の容量よりも大きいため、暖房運転時においては、ほとんどの液冷媒が室内熱交換器４１に収容されることになる。

室内熱交換器４１で放熱した高圧の冷媒は、液冷媒連絡管５及び液側閉鎖弁２７を通じて、膨張機構２４に送られる。

膨張機構２４に送られた冷媒は、膨張機構２４によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧され、その後、冷媒貯留タンク２５に送られて、冷媒貯留タンク２５内に溜まる。そして、冷媒貯留タンク２５の冷媒は、室外熱交換器２３に送られる。

室外熱交換器２３に送られた低圧の冷媒は、室外熱交換器２３において、室外ファン３６によって供給される室外空気と熱交換を行って蒸発する。

室外熱交換器２３で蒸発した低圧の冷媒は、切換機構２２を通じて、再び、圧縮機２１に吸入される。

＜冷房運転＞
冷房運転時には、切換機構２２が図１の実線で示される状態、すなわち、第２ポート２２ｂと第３ポート２２ｃとを連通させ、かつ、第１ポート２２ａと第４ポート２２ｄとを連通させる切り換えを行う。

この冷媒回路１０において、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、圧縮機２１に吸入され、冷凍サイクルにおける高圧になるまで圧縮された後に吐出される。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、切換機構２２を通じて、室外熱交換器２３に送られる。

室外熱交換器２３に送られた高圧の冷媒は、室外熱交換器２３において、室外空気と熱交換を行って放熱する。

室外熱交換器２３において放熱した高圧の冷媒は、冷媒貯留タンク２５に送られる。ここで、室外熱交換器２３の容量は、室内熱交換器４１の容量以下であるため、冷房運転時においては、室外熱交換器２３が全ての液冷媒を収容することができない。このため、室外熱交換器２３に収容しきれない液冷媒は冷媒貯留タンク２５に溜まり、冷媒貯留タンク２５は、冷凍サイクルにおける高圧の液冷媒で満たされる。冷媒貯留タンク２５の液冷媒は、膨張機構２４によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された後に、液側閉鎖弁２７及び液冷媒連絡管５を通じて、室内熱交換器４１に送られる。

室内熱交換器４１に送られた低圧の冷媒は、室内熱交換器４１において、室内空気と熱交換を行って蒸発する。これにより、室内空気は冷却される。

室内熱交換器５１において蒸発した低圧の冷媒は、ガス冷媒連絡管６、ガス側閉鎖弁２８及び切換機構２２を通じて、再び、圧縮機２１に吸入される。

（３）空気調和装置の特徴
本実施形態の空気調和装置１には、以下のような特徴がある。

空気調和装置１では、上記のように、冷媒としてＲ３２を使用している。このため、圧縮機２１への油戻しの問題が懸念される。また、空気調和装置１では、上記のように、室内熱交換器４１がクロスフィン型熱交換器、室外熱交換器２３が伝熱管として扁平管２３１を使用した積層型熱交換器であり、室外熱交換器２３の容積が、室内熱交換器４１の容積の１００％以下である。このため、冷却運転時に余剰冷媒が発生し、冷媒制御に支障をきたすおそれがある。

これに対して、空気調和装置１では、上記のように、室外熱交換器２３と膨張機構２４との間に冷媒貯留タンク２５を設けるようにし、冷媒貯留タンク２５が、冷房運転時に冷凍サイクルにおける高圧になり、暖房運転時に冷凍サイクルにおける低圧になるようにしている。

このため、空気調和装置１では、圧縮機２１の吸入側に冷媒貯留タンクを設ける場合に比べて、圧縮機２１に冷凍機油が戻りやすくなり、圧縮機２１への油戻しの問題が解消される。しかも、空気調和装置１では、室外熱交換器２３の容量が室内熱交換器４１の容量以下となることによって冷房運転時に発生した余剰冷媒が冷媒貯留タンク２５に収容されるため、冷媒制御に支障をきたすことを防止することができる。

これにより、空気調和装置１では、冷媒としてＲ３２を使用しており、室外熱交換器２３の容積が室内熱交換器４１の容積以下であるにもかかわらず、冷房運転時に生じる余剰冷媒を収容することができるとともに、圧縮機２１に冷凍機油を戻すことができる。

（４）変形例１
上記実施形態（図１参照）において、図５に示すように、冷媒貯留タンク２５内に溜まる冷媒のガス成分を圧縮機２１又は圧縮機２１の吸入管３１に導くバイパス管３０をさらに設けるようにしてもよい。

具体的には、例えば、暖房運転時に冷媒貯留タンク２５に入る直前の冷媒には、膨張機構２４を通過するときに発生したガス成分が含まれている。このため、この冷媒は、冷媒貯留タンク２５に入った後、液成分とガス成分とに分離され、下部側に液冷媒が貯留され、上部側にガス冷媒が貯留されることになる。そして、冷媒貯留タンク２５で分離されたガス冷媒は、バイパス管３０を通じて、圧縮機２１の吸入管３１へ流れる。また、冷媒貯留タンク２５で分離された液冷媒は、膨張機構２４において減圧された後に、室外熱交換器２３へ流れる。ここで、バイパス管３０は、冷媒貯留タンク２５の上部と吸入管３１の途中部分との間を接続するように設けられている。バイパス管３０の途中には、流量調整機構３０ａが設けられている。ここでは、流量調整機構３０ａとして、電動膨張弁が使用されている。尚、バイパス管３０の出口は、吸入管３１の途中部分に接続するのではなく、圧縮機２１に直接接続するようにしてもよい。尚、流量調整機構３０ａは、他の機器及び弁２１ａ、２２、２４、２６、３７、４３等と同様に、制御部８によって制御される。具体的には、暖房運転時には、流量調整機構３０ａが開状態に制御され、冷房運転時には、流量調整機構３０ａが閉状態に制御される。

これにより、暖房運転時には、室内熱交換器４１において放熱した後に膨張機構２４に送られた高圧の冷媒は、膨張機構２４によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧され、その後、冷媒貯留タンク２５に送られる。冷媒貯留タンク２５に入る直前の冷媒には、膨張機構２４において減圧される際に発生したガス成分が含まれているが、冷媒貯留タンク２５に入った後、液成分とガス成分とに分離され、下部側に冷凍サイクルにおける液冷媒が貯留され、上部側に冷凍サイクルにおける低圧のガス冷媒が貯留される。そして、このとき、上記のように、バイパス管３０の流量調整機構３０ａが開状態に制御されるため、冷媒貯留タンク２５のガス冷媒は、バイパス管３０を通じて圧縮機２１の吸入管３１へ向う。冷媒貯留タンク２５の液冷媒は、室外熱交換器２３に送られる。そして、室外熱交換器２３に送られた低圧の冷媒は、室外熱交換器２３において、室外ファン３６によって供給される室外空気と熱交換を行って蒸発する。このとき、冷媒貯留タンク２５における気液分離操作、及び、気液分離されたガス冷媒をパイパス管３０を通じて圧縮機２１に吸入させる操作によって、室外熱交換器２３に流入する冷媒が減少している。このため、室外熱交換器２３を流れる冷媒の流量が減少し、その分だけ圧力損失を小さくすることができるため、冷凍サイクルにおける減圧ロスを低減させることができる。

一方、冷房運転時には、上記のように、バイパス管３０の流量調整機構３０ａが閉状態に制御されるため、冷媒貯留タンク２５に溜まった液冷媒は、バイパス管３０に流れることはない。冷媒貯留タンク２５の液冷媒は、膨張機構２４によって冷凍サイクルにおける低圧まで減圧された後に、液側閉鎖弁２７及び液冷媒連絡管５を通じて、室内熱交換器４１に送られる。

そして、本変形例の空気調和装置１では、上記のように、冷媒貯留タンク２５内に溜まる冷媒のガス成分を圧縮機２１又は圧縮機２１の吸入管３１に導くバイパス管３０が設けられているため、上記実施形態の作用効果に加えて、以下のような作用効果を得ることができる。

＜Ａ＞
空気調和装置１では、暖房運転時に膨張機構２４において減圧された冷媒が、冷媒貯留タンク２５において液成分とガス成分とに分離され、ガス成分はバイパス管３０へ向うことになる。

これにより、空気調和装置１では、暖房運転時に、蒸発に寄与しないガス成分が冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器２３に流入しなくなるため、その分だけ、冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器２３を流れる冷媒の流量を減少させることができ、冷凍サイクルにおける減圧ロスを低減することができる。

＜Ｂ＞
圧縮機２１の運転周波数が高い場合には、冷媒貯留タンク２５から気液二相状態の冷媒がバイパス管３０を通じて圧縮機２１または圧縮機２１の吸入管３１に戻り、圧縮機２１に吸入されるおそれがある。

しかし、空気調和装置１では、バイパス管３０に流量調整機構３０ａが設けられているため、気液二相状態の冷媒の液成分が減圧されて蒸発することになる。

これにより、空気調和装置１では、圧縮機２１又は圧縮機２１の吸入管３１に液成分が戻ることを防止することができる。

＜Ｃ＞
また、空気調和装置１では、暖房運転時に、流量調整機構３０ａを通過した冷媒が、室内熱交換器４１や室外熱交換器２３において蒸発した後に、圧縮機２１又は圧縮機２１の吸入管３１に向う冷媒に合流することになる。このとき、流量調整機構３０ａが電動膨張弁である場合には、弁開度を制御することによって、圧縮機２１に吸入される直前の冷媒状態を、より最適に調整することができる。しかも、流量調整機構３０ａの弁開度を制御することによって、圧縮機２１に戻る冷媒の流量を増減させることができるため、室内熱交換器４１側の冷凍負荷に応じて冷媒の循環流量、すなわち、室内熱交換器４１を流れる冷媒の流量を制御することができる。

（５）変形例２
上記変形例１では、冷媒貯留タンク２５として冷媒を貯留する容器を採用しているが、これに限定されず、例えば、図６に示すようなサイクロン方式の気液分離器を採用してもよい。

本変形例の冷媒貯留タンク２５は、主として、円筒容器２５１、第１接続管２５２、第２接続管２５３、及び、第３接続管２５４を有している。

第１接続管２５２は、円筒容器２５１の円周側壁の接線方向に連結されており、円筒容器２５１の内部と膨張機構２４とを連絡している。第２接続管２５３は、円筒容器２５１の底壁に連結されており、円筒容器２５１の内部と室外熱交換器２３とを連絡している。第３接続管２５４は、円筒容器２５１の上壁に連結されており、円筒容器２５１の内部とバイパス管３０とを連絡している。

このような構成により、暖房運転時において、第１接続管２５２を通じて円筒容器２５１に流入する冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、円筒容器２５１の円周側壁の内周面２５１ａに沿って渦を巻くように流れ、そのとき、その内周面２５１ａに液冷媒が付着し液冷媒とガス冷媒とが効率よく分離される。

液冷媒は重力によって降下して、下部側に溜まり、第２接続管２５３を通じて円筒容器２５１から流出する。他方、ガス冷媒は旋回しながら上昇して、上部側に溜まり、第３接続管２５４を通じて円筒容器２５１から流出する。

以上のように、本変形例では、冷媒貯留タンク２５として、サイクロン方式の気液分離器を採用しているため、気液分離を効率よく行うことができる。また、気液分離器からなる冷媒貯留タンク２５が液冷媒を溜める冷媒貯留機能、及び、液成分とガス成分とを分離する機能の両方を担っており、これにより、冷媒貯留容器と気液分離器とを併設する必要がなくなるため、装置構成の簡略化に寄与する。

（６）変形例３
上記実施形態及び変形例１、２では、伝熱管として扁平管２３１を使用した室外熱交換器２３の一例として、複数の扁平管２３１と波形フィン２３２とを有する積層型熱交換器が例示されている。この室外熱交換器２３は、複数の扁平管２３１が間隔をあけて積み重なるように配列され、波形フィン２３２が隣接する扁平管２３１に挟まれている。

しかし、室外熱交換器２３は、上記実施形態及び変形例１、２における構成に限定されることはなく、例えば、図７及び図８に示すように、間隔を空けて積み重なるように配列された複数の扁平管２３１と、扁平管２３１が差し込まれる切り欠き２３６ａが形成されたフィン２３６と、を有する積層型熱交換器であってもよい。

この場合においても、上記実施形態及び変形例１、２と同様の作用効果を得ることができる。

（７）変形例４
上記実施形態及び変形例１、２では、伝熱管として扁平管２３１を使用した室外熱交換器２３の一例として、複数の扁平管２３１と波形フィン２３２とを有する積層型熱交換器が例示されている。この室外熱交換器２３は、複数の扁平管２３１が間隔をあけて積み重なるように配列され、波形フィン２３２が隣接する扁平管２３１に挟まれている。

しかし、室外熱交換器２３は、上記実施形態及び変形例１、２における構成に限定されることはなく、例えば、扁平管が蛇行形状に成形され、フィンが扁平管の互いに隣接する面の間に挟まれている構成であってもよい。

この場合においても、上記実施形態及び変形例１、２と同様の作用効果を得ることができる。

（８）変形例５
上記実施形態及び変形例１〜４では、室外熱交換器２３が複数の扁平管２３１と、波形フィン２３２や切り欠き２３６ａが形成されたフィン２３６と、を有する積層型熱交換器であるが、これに限定されるものではない。例えば、冷房運転時に室外熱交換器２３を水で冷却するような冷凍装置の場合、室外熱交換器２３および室内熱交換器４１がともにクロスフィン型熱交換器であって、室外熱交換器２３の伝熱管径が室内熱交換器４１の伝熱管径よりも細い構成であってもよい。

この場合においても、上記実施形態及び変形例１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

本発明は、冷媒としてＲ３２を使用しており冷却運転及び加熱運転を行うことが可能な冷凍装置に対して、広く適用可能である。

１ 空気調和装置（冷凍装置）
２１ 圧縮機
２３ 室外熱交換器
２４ 膨張機構
２５ 冷媒貯留タンク
３０ バイパス管
３０ａ 流量調整機構
４１ 室内熱交換器

特開２００１−１９４０１５号公報 特開平６−１４３９９１号公報

Claims (9)

1. 冷却運転時に圧縮機（２１）、室外熱交換器（２３）、膨張機構（２４）及び室内熱交換器（４１）の順に冷媒が流れ、加熱運転時に前記圧縮機、前記室内熱交換器、前記膨張機構及び前記室外熱交換器の順に冷媒が流れる冷凍装置において、
   冷媒としてＲ３２を使用しており、
   前記室外熱交換器の容積が前記室内熱交換器の容積以下であり、
   前記室外熱交換器と前記膨張機構との間には、冷媒を貯留する冷媒貯留タンク（２５）が設けられている、
   冷凍装置（１）。
2. 前記冷媒貯留タンク（２５）は、前記冷却運転時に冷凍サイクルにおける高圧になり、前記加熱運転時に冷凍サイクルにおける低圧になるように設けられている、
   請求項１に記載の冷凍装置（１）。
3. 前記室外熱交換器（２３）は、伝熱管として扁平管を使用した熱交換器である、
   請求項１又は２に記載の冷凍装置（１）。
4. 前記室外熱交換器（２３）は、間隔を空けて積み重なるように複数配列された複数の前記扁平管と、隣接する前記扁平管に挟まれたフィンと、を有する熱交換器である、
   請求項３に記載の冷凍装置（１）。
5. 前記室外熱交換器（２３）は、間隔を空けて積み重なるように配列された複数の前記扁平管と、前記扁平管が差し込まれる切り欠きが形成されたフィンと、を有する熱交換器である、
   請求項３に記載の冷凍装置（１）。
6. 前記室外熱交換器（２３）及び前記室内熱交換器（４１）は、クロスフィン型熱交換器であり、
   前記室外熱交換器の伝熱管径は、前記室内熱交換器の伝熱管径よりも細く設定されている、
   請求項１又は２に記載の冷凍装置（１）。
7. 前記冷媒貯留タンク（２５）内に溜まる冷媒のガス成分を前記圧縮機（２１）又は前記圧縮機の吸入側の冷媒管に導くバイパス管（３０）がさらに設けられている、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。
8. 前記バイパス管（３０）は、流量調整機構（３０ａ）を有する、
   請求項７に記載の冷凍装置（１）。
9. 前記冷媒貯留タンク（２５）は、気液分離器である、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍装置（１）。

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