JP2015141006A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房時の性能低下を抑制した空気調和装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１１、室外熱交換器１３、減圧装置１７、並びに室内熱交換器１９を備えた冷暖房切換え型の空気調和装置１において、冷暖房切換え時に、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるように、冷媒流路を切換える流路切換え手段３０を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷暖房切換え型の空気調和装置に関する。

一般に、空気調和装置に用いられる熱交換器は、冷媒の流れと熱交換器の送風機による空気の流れを対向流にすることで、熱交換効率を向上させることができる。しかしながら、冷暖房切換え型の空気調和装置では、冷房時に冷媒の流れと空気の流れを対向流としても、暖房時には冷媒が熱交換器を逆方向に流れるため、暖房時に冷媒の流れと空気の流れを対向流にできない。
そこで、室外熱交換器及び室内熱交換器にそれぞれ冷媒整流回路を設け、冷媒整流回路によって冷暖房時に冷媒が室外熱交換器及び室内熱交換器を同一方向に流れるようにした空気調和装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−２２９５０６号公報

しかしながら、上記従来の構成では、冷暖房時に冷媒が室外熱交換器を同一方向に流れるため、一端から他端にかけて流路面積が小さくなる冷媒管を有する室外熱交換器を用いた場合には、暖房時に、冷媒の相変化と冷媒管の流路面積との関係が逆転する。すなわち、室外熱交換器の一端側では、二相（液リッチ）となった冷媒が比較的流路面積の大きい冷媒管を流れるため、冷媒の流速が低下して熱交換効率が低くなる。また、室外熱交換器の他端側では、気相となった冷媒が比較的流路面積の小さい冷媒管を流れるため、冷媒の流速が過大となって圧力損失が大きくなってしまう。その結果、暖房時の性能が著しく低下するおそれがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、暖房時の性能低下を抑制した空気調和装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、室外熱交換器、減圧装置、並びに室内熱交換器を備えた冷暖房切換え型の空気調和装置において、前記室外熱交換器は、一端から他端にかけて流路面積が小さくなる冷媒管を有し、冷暖房切換え時に、冷媒が前記室内熱交換器を同一の方向に流れるように、冷媒流路を切換える流路切換え手段を備えたことを特徴とする。

上記構成において、前記冷媒が、温度グライドが大きい混合冷媒であってもよい。

上記構成において、前記流路切換え手段が、四方弁で構成されていてもよい。

上記構成において、前記流路切換え手段が、ブリッジ回路で構成されていてもよい。

上記構成において、前記室外熱交換器の送風機が、冷暖房切換え時に逆回転されてもよい。

上記構成において、前記室外熱交換器の両側に送風機を配置し、これら送風機が冷暖房切換え時に交換運転されてもよい。

上記構成において、前記室外熱交換器の両側に送風機を配置し、これら送風機が夫々逆方向に同時運転されてもよい。

本発明によれば、室内熱交換器については、冷媒が室内熱交換器を同一の方向に流れるため、冷暖房時の両方で冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができ、室内熱交換器の熱交換効率を向上できる。室外熱交換器については、冷暖房切換え時に、冷媒が室外熱交換器を逆の方向に流れるため、冷媒の相変化と冷媒管の流路面積との関係が逆転せず、暖房時の性能低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路におけるＴ−Ｈ線図である。 本発明の第２実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 本発明の変形例に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。 本発明の他の変形例に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路を示す図である。
空気調和装置１は、圧縮機１１、室外熱交換器１３、内部熱交換器１５、膨張弁（減圧装置）１７、室内熱交換器１９、アキュムレータ２１、四方弁２３、及び四路弁２５を配管接続した冷媒回路１０を備えている。この冷媒回路１０内には、非共沸混合冷媒を封入されている。

室外熱交換器１３は、図示は省略するが、一端から他端にかけて流路面積が小さくなる冷媒管を有している。流路面積を小さくする構成は、特に限定されないが、複数本の冷媒管（多パス）から一本の冷媒管（一パス）に合流する構成や、一本の冷媒管の径を小さくする構成が挙げられる。
室外熱交換器１３及び室内熱交換器１９には、それぞれ室外熱交換器１３及び室内熱交換器１９に送風する送風機２７，２９が設けられている。

四方弁２３は、圧縮機１１の吸込側及び吐出側を室外熱交換器１３又は室内熱交換器１９にそれぞれ連通するように切り替えられ、これにより、冷房運転と暖房運転とが切り替えられる。より詳細には、冷房運転時には、四方弁２３を実線で示す切替え位置に切替えることで、圧縮機１１の吐出側から室外熱交換器１３に、また、室内熱交換器１９から圧縮機１１の吸込側に冷媒が流れる。暖房運転時には、四方弁２３を点線で示す切替え位置に切替えることで、圧縮機１１の吐出側から室内熱交換器１９に、室外熱交換器１３から圧縮機１１の吸込側に冷媒が流れる。

内部熱交換器１５は、比較的高温の冷媒と比較的低温の冷媒との間で熱交換させる熱交換器である。内部熱交換器１５では、冷房運転時には、室外熱交換器１３から膨張弁１７に供給される冷媒が冷却されるとともに、室内熱交換器１９から圧縮機１１に供給される冷媒が加熱される。一方、暖房運転時には、室内熱交換器１９から膨張弁１７に供給される冷媒が冷却されるとともに、室外熱交換器１３から圧縮機１１に供給される冷媒が加熱される。この内部熱交換器１５により、空気調和装置１のＣＯＰ（成績係数）の向上を図るようにしている。
四路弁２５は、内部熱交換器１５を凝縮器の下流に配置させるための切替え弁である。より詳細には、冷房運転時には、四路弁２５を実線で示す切替え位置に切替えることで、凝縮器となる室外熱交換器１３から内部熱交換器１５に、また、膨張弁１７から蒸発器となる室内熱交換器１９に冷媒が流れる。暖房運転時には、四路弁２５を点線で示す切替え位置に切替えることで、凝縮器となる室内熱交換器１９から内部熱交換器１５に、また、膨張弁１７から蒸発器となる室外熱交換器１３に冷媒が流れる。この四路弁２５は、図１に示すように、四方弁で構成してもよいし、ブリッジ回路で構成してもよい。

次に、非共沸混合冷媒について説明する。
非共沸混合冷媒は、沸点の異なる２種類以上の冷媒を混合した冷媒であり、沸点の高い冷媒が沸点の低い冷媒よりも先に凝縮する。このため、Ｐ−Ｈ線図において非共沸混合冷媒の等温線は、飽和液線から飽和蒸気線に向かって右下がりであり、同一圧力条件における飽和液線と飽和蒸気線には、所定の温度グライドが生じる。
一方で、近年、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和装置や冷凍装置で使用される冷媒に対しても、ＣＯＰが高く環境負荷がより小さいものが望まれている。特に、地球温暖化問題に対する注目度は高く、温度グライドが大きく（例えば１０℃〜４０℃）なったとしても、地球温暖化係数（Global Warming Potential）ＧＷＰのより小さい冷媒が求められている。

本実施形態では、非共沸混合冷媒として、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＨＦＣ３２（Ｒ３２）及びＨＦＯ１２３４ＺＥ（Ｒ１２３４ＺＥ）を所定比率で混合したものが冷媒回路１０に封入されている。この非共沸混合冷媒は、同一圧力条件における飽和液線４１と飽和蒸気線４３との間に１０℃以上の大きな温度グライドが生じる冷媒である。
ここで、ＣＯ₂とＨＦＯ１２３４ＺＥは、地球温暖化係数ＧＷＰがそれぞれ１と６であり、地球温暖化係数ＧＷＰが１０未満の非常に小さな冷媒である。このため、これらを混合することにより、地球温暖化係数ＧＷＰの小さな非共沸混合冷媒とすることが可能となる。

ところで、一般に、熱交換器は、冷媒の流れと送風機による空気の流れを対向流にすることで、熱交換効率を向上させることができる。
しかしながら、単に四方弁２３の切替えによって冷暖房を切り替える場合には、冷房時に冷媒の流れと空気の流れを対向流としても、暖房時には冷媒が熱交換器を逆方向に流れるため、暖房時に冷媒の流れと空気の流れを対向流にできない。

そこで、本実施形態では、冷暖房切換え時に、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるように、冷媒流路を切換える四方弁（流路切換え手段）３０を備えている。室内熱交換器１９は、四方弁３０を介して膨張弁１７に接続されるとともに、四方弁３０を介して四方弁２３に接続されている。冷房運転時には、四方弁３０を実線で示す切替え位置に切替えることで、膨張弁１７から室内熱交換器１９の入口に、また、室内熱交換器１９の出口から四方弁２３に冷媒が流れる。暖房運転時には、四方弁３０を点線で示す切替え位置に切替えることで、四方弁２３から室内熱交換器１９の入口に、また、室外熱交換器１３の出口から圧縮機１１の吸込側に冷媒が流れる。
また、室内熱交換器１９の送風機２９は、室内熱交換器１９の冷媒の流れ方向ＲＣ，ＲＨに対向する空気の流れ方向ＡＣ，ＡＨに送風するように構成されている。これにより、冷房運転と暖房運転とを切替えても、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるので、冷媒の流れと空気の流れを常に対向流とすることができ、室内熱交換器１９の熱交換効率を向上できる。

ここで、一端から他端にかけて流路面積が小さくなる冷媒管を有する室外熱交換器においても、冷暖房切換え時に、冷媒が同一の方向に流れるようにしてしまうと、暖房時に、室外熱交換器の一端側では、二相（液リッチ）となった冷媒が比較的流路面積の大きい冷媒管を流れるため、冷媒の流速が低下して熱交換効率が低くなる。また、室外熱交換器の他端側では、気相となった冷媒が比較的流路面積の小さい冷媒管を流れるため、冷媒の流速が過大となって圧力損失が大きくなってしまう。その結果、暖房時の性能が著しく低下するおそれがある。特に、冷媒に非共沸混合冷媒を用いた場合は、その性能低下が顕著となる。

そこで、本実施形態では、室外熱交換器１３において、冷房運転時と暖房運転時とで、冷媒の流れ方向が逆方向になるようにし、冷暖房時に送風機２７の回転方向を逆にしている。具体的には、送風機２７は、空気調和装置１を制御する制御装置４０の制御の下、回転方向を変更可能に構成されている。したがって、冷房時には、送風機２７は、制御装置４０の制御の下、冷媒の流れ方向ＲＣに対し、空気の流れ方向ＡＣに送風する。一方、暖房時には、送風機２７は、制御装置４０の制御の下、冷媒の流れ方向ＲＨに対し、空気の流れ方向ＡＨに送風する。これにより、冷房運転及び暖房運転時の両方に、冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができるので、室外熱交換器１３の熱交換効率を向上できる。また、冷暖房切換え時に、冷媒が室外熱交換器１３を逆方向に流れるようにしているため、暖房時に二相（液リッチ）となった冷媒が比較的流路面積の大きい冷媒管から流入することを防止できるので、その結果、暖房時の性能が低下することを防止できる。

図２は、非共沸混合冷媒が封入された冷媒回路１０におけるＴ−Ｈ線図である。この図２に示す点Ａ〜Ｆは、図１の冷媒回路１０における点Ａ〜Ｆの状態を示したものである。線Ｌ１は室外熱交換器１３での冷媒と空気の流れが並行流のときのグラフ、線Ｌ２は室外熱交換器１３での冷媒と空気が対向流のときのグラフを示す。
図２に示すように、室外熱交換器１３において、冷媒と空気が対向流の場合には、冷媒と空気が並行流の場合に比べ、蒸発温度が温度差ΔＴだけ高くなり、圧力差ΔＰ分だけ圧縮機１１の仕事量を小さくでき、その結果、ＣＯＰを向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷暖房切換え時に、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるように、冷媒流路を切換える流路切換え手段を備え、流路切換え手段が四方弁３０で構成されている。この構成により、室内熱交換器１９については、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるため、冷暖房時の両方で冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができ、室内熱交換器１９の熱交換効率を向上できる。室外熱交換器１３については、冷暖房切換え時に、冷媒が室外熱交換器１３を逆の方向に流れるため、冷媒の相変化と冷媒管の流路面積との関係が逆転せず、暖房時の性能低下を抑制できる。

また、本実施形態によれば、流路切換え手段が四方弁３０で構成されているため、四方弁３０を介して室内熱交換器１９を設けるだけでよいので、構成の複雑化を抑制できる。

また、本実施形態によれば、室外熱交換器１３の送風機２７が、冷暖房切換え時に逆回転されるため、室外熱交換器１３において、冷暖房時の両方で冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができ、室外熱交換器１３の熱交換効率を向上できる。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態の空気調和装置１では、流路切換え手段が四方弁で構成されていたが、第２実施形態の空気調和装置１００では、流路切換え手段がブリッジ回路で構成されている。
図３は、第２実施形態に係る空気調和装置１００の冷媒回路１０を示す図である。なお、図３では、図１に示す空気調和装置１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
空気調和装置１００は、冷暖房切換え時に、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるように、膨張弁１７と四方弁２３とが冷媒流路を切換えるブリッジ回路（流路切換え手段）１３０を介して接続されている。具体的には、膨張弁１７はブリッジ回路１３０が有する逆止弁１３１，１３４の接続点に接続され、四方弁２３はブリッジ回路１３０が有する逆止弁１３２,１３３の接続点に接続されている。そして、逆止弁１３１，１３３の接続点と、逆止弁１３２，１３４の接続点との間に室内熱交換器１９が設けられている。

したがって、冷房運転時には、膨張弁１７からの冷媒がブリッジ回路１３０の逆止弁１３１、室内熱交換器１９、ブリッジ回路１３０の逆止弁１３２と流れて、四方弁２３に供給される。暖房運転時には、四方弁２３からの冷媒がブリッジ回路１３０の逆止弁１３３、室内熱交換器１９、ブリッジ回路１３０の逆止弁１３４と流れて、膨張弁１７に供給される。これにより、冷房運転と暖房運転とを切替えても、冷媒が室内熱交換器１９を同一の方向に流れるので、冷媒の流れと空気の流れを常に対向流とすることができ、室内熱交換器１９の熱交換効率を向上できる。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態によれば、流路切換え手段がブリッジ回路１３０で構成されているため、冷媒回路１０にブリッジ回路１３０を配置し、ブリッジ回路１３０に室内熱交換器１９を設けるだけでよいので、構成の複雑化を抑制できる。

但し、上記実施形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施形態では、室外熱交換器１３の送風機２７を１つ設け、送風機２７を冷暖房切換え時に逆回転することで、室外熱交換器１３の冷媒と空気の流れを対向流としていたが、送風方向を逆転する構成はこれに限定されるものではない。例えば、図４に示す空気調和装置２００のように、室外熱交換器１３の両側に送風機２２７Ａ，２２７Ｂを配置し、これら送風機２２７Ａ，２２７Ｂを制御装置４０によって冷暖房切換え時に交換運転してもよい。例えば、冷房時に下流側となる送風機２２７Ａを運転し、暖房時に下流側となる送風機２２７Ｂを運転することで、室外熱交換器１３において、冷暖房時の両方で冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができ、室外熱交換器１３の熱交換効率を向上できる。

また、図５に示す空気調和装置３００のように、室外熱交換器１３の両側にＡ，３２７Ｂを配置し、これら送風機３２７Ａ，３２７Ｂを制御装置４０によって夫々逆方向に同時運転してもよい。送風機３２７Ａ，３２７Ｂは、空気調和装置１を制御する制御装置４０の制御の下、回転方向を変更可能に構成されている。したがって、冷房時には、送風機３２７Ａ，３２７Ｂは、制御装置４０の制御の下、冷媒の流れ方向ＲＣに対し、空気の流れ方向ＡＣに送風する。一方、暖房時には、送風機３２７Ａ，３２７Ｂは、制御装置４０の制御の下、冷媒の流れ方向ＲＨに対し、空気の流れ方向ＡＨに送風する。これにより、室外熱交換器１３において、冷暖房時の両方で冷媒の流れと空気の流れを対向流にすることができ、室外熱交換器１３の熱交換効率を向上できる。

また、上記実施形態では、流路切換え手段を四方弁３０又はブリッジ回路１３０として説明したが、流路切替え手段はこれらに限定されるものではない。

１，１００，２００，３００ 空気調和装置
１１ 圧縮機
１３ 室外熱交換器
１７ 膨張弁（減圧装置）
１９ 室内熱交換器
２７，２２７Ａ，２２７Ｂ，３２７Ａ，３２７Ｂ 送風機
３０ 四方弁（流路切換え手段）
１３０ ブリッジ回路（流路切換え手段）

Claims (7)

1. 圧縮機、室外熱交換器、減圧装置、並びに室内熱交換器を備えた冷暖房切換え型の空気調和装置において、
   前記室外熱交換器は、一端から他端にかけて流路面積が小さくなる冷媒管を有し、
   冷暖房切換え時に、冷媒が前記室内熱交換器を同一の方向に流れるように、冷媒流路を切換える流路切換え手段を備えたことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記冷媒が、温度グライドが大きい混合冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記流路切換え手段が、四方弁で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記流路切換え手段が、ブリッジ回路で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
5. 前記室外熱交換器の送風機が、冷暖房切換え時に逆回転されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の空気調和装置。
6. 前記室外熱交換器の両側に送風機を配置し、これら送風機が冷暖房切換え時に交換運転されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の空気調和装置。
7. 前記室外熱交換器の両側に送風機を配置し、これら送風機が夫々逆方向に同時運転されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の空気調和装置。

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