JP2017146061A - 空気調和機 - Google Patents

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Abstract

【課題】低外気温時の冷房運転における圧縮機の差圧を無理なく確保できるようする。【解決手段】圧縮機２３から冷媒を吐出する吐出側配管Ｌｃと、吐出側配管Ｌｃに設けられた絞り部３０と、一端が吐出側配管Ｌｃにおける絞り部３０より上流に接続され、他端が圧縮機２３の吸入側に接続され、圧縮機２３から吐出された冷媒を圧縮機２３に戻す戻し流路２０５とを具備するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関するものである。
近年、サーバールームなどに設けられた空気調和機は、冬場などの低外気温時（例えば−２３℃）に冷房運転が行なわれることがある。
このような低外気温時の冷房運転では、室内熱交換器の熱交換能力に対して室外熱交換器の熱交換能力が上回り、凝縮圧力と蒸発圧力との差が生じずに圧縮機に不具合が生じることがあり、圧縮機の信頼性を担保することができないという問題が生じ得る。
ここで、特許文献１には、圧縮機の吐出側配管に絞り配管を設け、この絞り配管によって冷媒量を絞ることで、圧縮機の圧力を上昇させるように構成された空気調和機が記載されている。
しかしながら、このような構成において、低外気温時の冷房運転における圧縮機の差圧を確保するためには、絞り配管による絞る量をかなり大きくする必要があり、そうすると、圧縮機の運転開始時に圧力が急激に上昇して圧縮機が壊れる恐れがある。
なお、特許文献１の空気調和機は、暖房運転時の立ち上がり特性を改善することのみを目的としており、低外気温時の冷房運転における圧縮機の性能担保については、なんら考慮していない。
特開昭６２−２１７０５８号公報
そこで、本発明は、低外気温時の冷房運転における圧縮機の差圧を無理なく確保できるようすることを主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を有する冷媒回路を備えたものであって、前記圧縮機から冷媒を吐出する吐出側配管と、前記吐出側配管に設けられた絞り部と、一端が前記吐出側配管における前記絞り部より上流に接続され、他端が前記圧縮機の吸入側に接続され、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記圧縮機に戻す戻し流路とを具備することを特徴とするものである。
このような空気調和機であれば、戻し流路によって圧縮機から吐出された冷媒を圧縮機に戻すようにしているので、低外気温時の冷房運転において、例えば圧縮機の起動時など圧力が急激に上昇しやすい場合に、戻し流路を介して冷媒の一部を圧縮機に戻すことで圧力の急激な上昇を防ぐことができる。これにより、低外気温時の冷房運転における圧縮機の差圧を無理なく確保することができ、ひいては圧縮機の性能を担保することができる。
前記膨張弁及び前記室内熱交換器の間から分岐するとともに前記圧縮機の吸入側に接続され、冷媒を前記圧縮機に導くインジェクション配管と、一端が前記吐出側配管における前記絞り部より上流に接続され、他端が前記インジェクション配管に接続された連結配管とをさらに具備し、前記戻し流路が、少なくとも前記連結配管及び前記インジェクション配管から構成されていることが好ましい。
このような構成であれば、既存の配管同士を連結することにより戻し流路を構成することができ、空気調和機全体の構成を複雑にすることなく、低外気温時の冷房運転における圧縮機の差圧を確保することができる。
圧縮機の高圧側の圧力を上げる必要がない場合に、圧縮機から吐出された冷媒が絞り部に流れないようにするためには、前記吐出側配管における前記絞り部の上流から分岐するとともに、前記絞り部の下流に合流するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた開閉弁とをさらに具備することが好ましい。
圧縮機の差圧が急激に上昇することをより確実に防ぐためには、前記開閉弁が流量制御弁であることが好ましい。
前記冷媒が、Ｒ３２冷媒又はＲ３２冷媒を含む混合冷媒であることが好ましい。
これならば、Ｒ３２冷媒の吐出温度が高いことから、本願発明の効果をより顕著に発揮させることができる。
このように構成した本発明によれば、低外気温度の冷房運転における圧縮機の差圧を確保することができ、圧縮機の性能を担保することができる。
本実施形態における空気調和機の概略構成図。 同実施形態における制御部の制御を示すフローチャート。 同実施形態における制御部の制御を示すフローチャート。 同実施形態における低外気温制御の効果を示す実験データ。 その他の実施形態における空気調和機の概略構成図。 その他の実施形態における空気調和機の概略構成図。 その他の実施形態における空気調和機の概略構成図。 その他の実施形態における空気調和機の効果を示すグラフ。
以下に本発明に係る空気調和機の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る空気調和機１００は、図１に示すように、室内ユニット１０と、室外ユニット２０と、この室内ユニット１０及び室外ユニット２０に冷媒が流通できるように構成されたヒートポンプサイクル２００とを備える。
なお、前記冷媒は、Ｒ３２冷媒又はＲ３２冷媒を含む混合冷媒である。
室内ユニット１０は、互いに並列接続された減圧手段１１Ａ、１１Ｂと、この減圧手段１１Ａ、１１Ｂにそれぞれ直列に接続された室内熱交換器１２Ａ、１２Ｂとを備えている。
室外ユニット２０は、四方弁２１と、アキュムレータ２２と、圧縮機２３と、室外熱交換器２４と、分配器２５と、膨張弁２６と、補助熱交換器２７とを備えている。
ヒートポンプサイクル２００は、減圧手段１１Ａ、１１Ｂ、室内熱交換器１２Ａ、１２Ｂ、四方弁２１、室外熱交換器２４、分配器２５、膨張弁２６及び補助熱交換器２７をこの順に接続されたメイン回路２０１と、アキュムレータ２２、圧縮機２３及び四方弁２１をこの順に接続された圧縮回路２０２とを有している。
このヒートポンプサイクル２００は、減圧手段１１Ａ、１１Ｂから膨張弁２６に流れる冷媒の一部を上述したメイン回路２０１から分岐させて、室外熱交換器２４に導くことなく圧縮機２３に導くインジェクション流路２０３をさらに有している。具体的にこのインジェクション流路２０３は、一端が圧縮機２３の吸入側に接続されて他端が膨張弁２６と減圧手段１１Ａ、１１Ｂとの間に接続されるインジェクション配管Ｌａと、前記インジェクション配管Ｌａに設けられた流量制御弁たる電動弁ＥＶと、前記インジェクション配管Ｌａにおける圧縮機２３と電動弁ＥＶとの間に設けられた補助熱交換器２７とから構成されている。
なお、前記補助熱交換器２７は、メイン回路２０１とインジェクション流路２０３とに跨って設けられている。
前記圧縮回路２０２には、図１に示すように、圧縮機２３の吐出側に絞り部３０を設けてある。具体的にこの絞り部３０は、圧縮機２３の吐出側配管Ｌｃに設けられたキャピラリー管などである。
本実施形態の圧縮回路２０２は、前記吐出側配管Ｌｃにおける絞り部３０の上流から分岐するとともに、前記吐出配管Ｌｃにおける絞り部３０の下流に合流するバイパス流路２０４を有している。言い換えれば、このバイパス流路２０４は、圧縮回路２０２における絞り部３０と圧縮機２３との間から分岐するとともに、圧縮回路２０２における絞り部３０と四方弁２１との間に合流する流路であり、ここでは電磁弁などの開閉弁ＳＶ１が設けられている。
そして、本実施形態の空気調和機１００は、一端が吐出側配管Ｌｃにおける前記絞り部３０より上流に接続されるとともに、他端が圧縮機２３の吸入側に接続されて、圧縮機２３から吐出された冷媒を圧縮機２３に戻す戻し流路２０５をさらに具備している。
具体的にこの戻し流路２０５は、上述したインジェクション配管Ｌａ及び吐出側配管Ｌｃを連結する連結配管Ｌｂと、前記インジェクション配管Ｌａにおける連結配管Ｌｂとの連結箇所よりも圧縮機２３側の一部とから構成されており、ここでは前記連結配管Ｌｂに電磁弁などの開閉弁ＳＶ２が設けられている。
上述した各開閉弁ＳＶ１、ＳＶ２は、図示しない制御部によって制御されるように構成されている。ここでは、低外気温時の冷房運転において圧縮機を起動させる際、インジェクション配管Ｌａに設けられている電動弁ＥＶ及びバイパス流路２０４に設けられた開閉弁ＳＶ１は閉じられ、連結配管Ｌｂに設けられている開閉弁ＳＶ２は開かれているようにしている。
以下、前記制御部の制御動作の一例を、図２及び図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、冷媒の温度が急激に上昇することに起因した圧縮機２３などの故障を防ぐ温度保護制御について、図２を参照しながら説明する。
圧縮機２３が起動すると、圧縮機２３の吐出側に設けられた図示しない温度センサにより得られる測定温度Ｔｄと、所定の第１温度Ｔ１及び所定の第２温度Ｔ２とを比較して、ＴｄがＴ１及びＴ２よりも小さいかを判断する（Ｓ１０１）。
なお、これらの第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２は、例えば圧縮機２３等の種々の部品や、冷媒、油等を保護できる温度に設定されており、本実施形態では第１温度Ｔ１よりも第２温度Ｔ２の方が低く設定されている。
Ｓ１０１において、測定温度Ｔｄが、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２よりも小さい場合は、その後も上述の温度比較を続ける。
一方、Ｓ１０１において、測定温度Ｔｄが、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２よりも小さい状態にない場合は、次に測定温度Ｔｄが、第２温度Ｔ２以上第１温度Ｔ１未満であるかを判断する（Ｓ１０２）。
Ｓ１０２において、測定温度Ｔｄが、第２温度Ｔ２以上第１温度Ｔ１未満の場合は、開閉弁ＳＶ２を閉じて（Ｓ２００）、電動弁ＥＶを所定の開度に開き（Ｓ３００）、再びＳ１０１に戻って上述した温度比較を続ける。
一方、Ｓ１０２において、測定温度Ｔｄが、第２温度Ｔ２以上第１温度Ｔ１未満ではない場合、すなわち測定温度Ｔｄが、第１温度Ｔ１以上である場合は、開閉弁ＳＶ１を開き（Ｓ４００）、開閉弁ＳＶ２を閉じて（Ｓ５００）、電動弁ＥＶを所定開度となるように開き（Ｓ６００）、再びＳ１０１に戻って上述した温度比較を続ける。
上述した温度保護制御は、以下に述べる低外気温制御よりも前に行なうようにしても良いし、低外気温制御と並行して行なわれても良い。
この温度保護制御により、例えば圧縮機２３の起動時に冷媒の温度を上昇させた場合に、この温度を圧縮機２３等の種々の機器、冷媒、油等に不具合が生じない温度に保つことができ、空気調和機１００に係る種々のトラブル未然に防ぐこができる。
次に、低外気温時の冷房運転における制御部の低外気温制御について説明する。
低外気温制御は、外気温度が所定温度よりも低く、且つ、圧縮機２３の高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとの比又は高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとの差が所定の閾値値よりも小さい場合に行なわれるようにしている。なお、高圧側圧力ＨＰは、圧縮機２３の吐出側に設けられた高圧側圧力センサＰａによって測定され、低圧側圧力ＬＰは、圧縮機２３の吸入側に設けられた低圧側圧力センサＰｂによって測定される。
本実施形態の空気調和機は、例えば外気温度が１０度以下であり、ＨＰ／ＬＰが２．１未満の場合に、低外気温度制御が行なわれるように設定してある。
具体的な制御例について、図３を参照しながら説明する。
低外気温制御が開始されて圧縮機２３が起動すると、まず高圧側圧力ＨＰと、所定の第１圧力Ｐ１及び所定の第２圧力Ｐ２とを比較して、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２よりも小さいかを判断する（Ｓ１）。
なお、これらの第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２は、例えば圧縮機２３の設計圧力等に基づき予め定められた値であり、本実施形態では第１圧力Ｐ１よりも第２圧力Ｐ２の方が大きい値に設定してある。
Ｓ１において、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２よりも小さい場合は、開閉弁ＳＶ１を閉じた状態に維持するとともに（Ｓ２）、開閉弁ＳＶ２を開いた状態に維持する（Ｓ３）。
一方、Ｓ１において、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１及び第２圧力Ｐ２よりも小さい状態にない場合は、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１以上第２圧力Ｐ２未満であるかを判断する（Ｓ４）。
Ｓ４において、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１以上第２圧力Ｐ２未満である場合は、開閉弁ＳＶ１を開き（Ｓ５）、開閉弁ＳＶ２を開く（Ｓ６）。
一方、Ｓ４において、高圧側圧力ＨＰが、第１圧力Ｐ１以上第２圧力Ｐ２未満ではない場合、すなわち高圧側圧力ＨＰが、第２圧力以上である場合は、開閉弁ＳＶ１を開き（Ｓ７）、開閉弁ＳＶ２を閉じる（Ｓ８）。
そして、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ８のあと、低外気温制御を終了するかを判断する（Ｓ９）。
具体的には、例えば高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとの比又は高圧側圧力ＨＰと低圧側圧力ＬＰとの差が所定の閾値値よりも大きい場合に低外気温制御が終了するように設定されている。ここでは、ＨＰ／ＬＰが２．１以上であり、高圧側圧力ＨＰが１５ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇより大きい場合に低外気温制御が終了するように設定してある。
Ｓ９において、低外気温制御を終了する場合は、ＳＶ１を開く（Ｓ１０）とともに、ＳＶ２を閉じる（Ｓ１１）。
一方、Ｓ９において、低外気温制御を終了しない場合は、再びＳ１に戻り、高温側圧力ＨＰと、所定の第１圧力Ｐ１及び所定の第２圧力Ｐ２とを比較する。
以上のように構成された本実施形態に係る空気調和機１００によれば、圧縮機２３の吐出側に絞り部３０を設けているので、低外気温時の冷房運転において圧縮機２３の差圧を確保できるようにしつつ、圧縮機２３の起動時に冷媒を戻し流路を介して圧縮機２３に戻すようにしているので、圧力が急激に上昇することを防ぐことができる。
ここで、本実施形態における低外気温制御による効果を示す実験データを図４に示す。
この実験データから分かるように、従来では圧縮機の圧縮比が１．５であったのに対して、本実施形態の低外気温制御を行なうことにより、圧縮機２３の吐出側の高圧が飛躍的に上昇して、圧縮比が従来よりも向上して３．８になっていることが分かる。
このように、圧縮機２３の吐出側の高圧を上昇させることにより、圧縮機２３を構成するロータリーを押さえることができ、圧縮機２３のガタつきを低減させることができる。
また、インジェクション配管Ｌａと吐出配管Ｌｃとを連結することにより戻し流路２０５を構成しているので、空気調和機１００全体の構成を複雑にすることなく、低外気温時の冷房運転における圧縮機２３の差圧を確保することができる。
さらに、絞り部３０を迂回させるバイパス流路２０４に開閉弁ＳＶ１を設けているので、圧縮機２３の高圧側圧力を上げる必要がない場合には、圧縮機２３から吐出された冷媒が絞り部に流れないようにすることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、本発明の空気調和機を低外気温時における冷房運転に適用した態様を説明したが、本発明の空気調和機は、低外気温時以外に使用しても構わない。
また、本発明の空気調和機を暖房運転や除霜運転させた場合は、圧縮機から吐出された冷媒の一部を圧縮機に戻しながら、残りの冷媒を室内熱交換器や室外熱交換器に流すことができるので、冷媒の温度を上昇させて速暖性能を向上させることや除霜時間を短縮させることができる。
さらに、前記実施形態の室内ユニットは、並列に接続された２つの内熱交換器を備えていたが、３つ以上の室内熱交換器を備えていても良い。
加えて、前記実施形態では１つの圧縮機を有する空気調和機について説明したが、空気調和機としては複数の圧縮機を有したものであっても良い。図５及び図６には一例として、２つの圧縮機２３を有する室外ユニット２０の冷媒回路を示す。なお、各圧縮機２３は、互いに等しい容量であっても良いし、互いに異なる容量であっても良い。
ここでは低外気温時における冷房運転において、何れか一方の圧縮機２３を運転するように制御しており、低外気温時の冷房運転に用いられる圧縮機２３の吐出側配管Ｌｃに絞り部３０が設けられている。また、前記実施形態と同様に、前記絞り部３０に並列して電磁弁ＳＶ１を設けてあり、低外気温制御が行なわれる場合にこの電磁弁ＳＶ１を閉じるようにしている。
ところで、図５及び図６に示す空気調和機１００は、蒸発器を通過した冷媒が導入されるアキュムレータ２２と、アキュムレータ２２により分離されたガス冷媒を各圧縮機２３に吸入させる吸入管Ｌｄと、各圧縮機２３の吐出側それぞれに設けられた油分離器と、各油分離器２８により分離された油が導入されるとともに、この油分離器２８に対応した圧縮機２３とは別の圧縮機２３に前記油を導出するための油導出管Ｌｅとを具備している。
このような構成であれば、各油分離器２８によって分離された油を、これらの各油分離器２８に対応する圧縮機２３とは別の圧縮機２３に供給させることができるので、仮に複数の異容量の圧縮機２３を運転させる場合であっても、特定の圧縮機２３に油が偏るいわゆる偏油を防ぐことができる。
また、前記実施形態では１つの室外熱交換器を有する空気調和機について説明したが、空気調和機としては、図７に示すように、並列に設けられた複数の室外熱交換器２４を有する空気調和機１００であっても構わない。なお、ここでは、２つの室外熱交換器２４として、互いに異なる熱交換効率のものを用いている。
このような構成であれば、室外熱交換器２４の容量切り換え機能を用いて熱交換効率の小さい室外熱交換器２４（つまり、容積の小さい室外熱交換器２４）を選択することで、圧縮機２３の高圧側の圧力をさらに上昇させることができ、図８に示すように、運転範囲を拡大することができる。さらに、上述したようにこれにより、圧縮機２３の高圧側の圧力をさらに上昇させることで、例えば室外熱交換器２４と室内熱交換器１２との落差が大きい場合であっても冷房運転及び暖房運転を正常に行うことが可能となる。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・空気調和機
２００・・・冷媒回路
２３ ・・・圧縮機
Ｌａ ・・・インジェクション配管
Ｌｃ ・・・吐出側配管
２０５・・・戻し流路

Claims (5)

  1. 圧縮機、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を有する冷媒回路を備えた空気調和機であって、
    前記圧縮機から冷媒を吐出する吐出側配管と、
    前記吐出側配管に設けられた絞り部と、
    一端が前記吐出側配管における前記絞り部より上流に接続され、他端が前記圧縮機の吸入側に接続された戻し流路とを具備することを特徴とする空気調和機。
  2. 前記膨張弁及び前記室内熱交換器の間から分岐するとともに前記圧縮機の吸入側に接続され、冷媒を前記圧縮機に導くインジェクション配管と、
    一端が前記吐出側配管における前記絞り部より上流に接続され、他端が前記インジェクション配管に接続された連結配管とをさらに具備し、
    前記戻し流路が、少なくとも前記連結配管及び前記インジェクション配管から構成されていることを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
  3. 前記吐出側配管における前記絞り部の上流から分岐するとともに、前記絞り部の下流に合流するバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられた開閉弁とをさらに具備することを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和機。
  4. 前記開閉弁が流量制御弁であることを特徴とする請求項３記載の空気調和機。
  5. 前記冷媒が、Ｒ３２冷媒又はＲ３２冷媒を含む混合冷媒であることを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか一項に記載の空気調和機。

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