JP2019019985A - 圧縮機及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒に不均化反応が生じることを抑えることができる空気調和装置を提供する。【解決手段】空気調和装置１は、圧縮機１０と室外熱交換器２３と絞り装置２４と室内熱交換器５１とが順次接続され、特定の条件下で不均化反応を起こす性質を有する冷媒が内部で循環する冷媒回路１ａを有した空気調和装置１であって、室外熱交換器２３の管内容積は、空気調和装置１に充填される冷媒が最大量のとき、且つ、所定の温度の飽和液冷媒のときの体積以上の容積とする。これにより、ポンプダウン運転時に室外熱交換器２３内の冷媒が異常圧力とならないので、冷媒に不均化反応が発生することを抑えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機及び空気調和装置に関する。

冷媒を圧縮する圧縮機を含む空気調和装置では、冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）であるＲ４１０Ａ冷媒が広く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ：Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が大きい。そこで、ＧＷＰが比較的小さい冷媒として、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）１１２３冷媒、及びＨＦＯ１１２３冷媒を含む混合冷媒を用いる関連技術が知られている。

国際公開第２０１２／１５７７６４号

しかしながら、ＨＦＯ１１２３冷媒は、所定の条件下で次の化学反応式：
ＣＦ２＝ＣＨＦ→１／２ＣＦ４＋３／２Ｃ＋ＨＦ＋２０ｋＪ／ｍｏｌ
により表現される不均化反応を引き起こす性質を有する。不均化反応は、例えば、ＨＦＯ１１２３冷媒が高密度の状態で温度や圧力が上昇する、又はＨＦＯ１１２３冷媒に対して何らかの強いエネルギーが加わると発生する。ＨＦＯ１１２３冷媒に不均化反応が起きたときには、大きな発熱を伴うので、不均化反応が発生した場合、圧縮機を含む空気調和装置の動作信頼性を低下させたり、急激な圧力の上昇を招き空気調和装置内の配管を損傷したりするおそれがある。

空気調和装置の修理や移設時に行う冷媒回路内の冷媒を室外機内に回収する運転（ポンプダウン運転）では、室外熱交換器の管内容積が空気調和装置に充填された冷媒の体積に対して小さい場合に、室外熱交換器内に回収された冷媒の圧力が異常に高くなる場合がある。このため、ＨＦＯ１１２３冷媒を用いた空気調和装置では、異常圧力によってＨＦＯ１１２３冷媒に不均化反応が発生するおそれがある。ＨＦＯ１１２３冷媒に不均化反応が発生した場合、冷媒回路内に急激な温度の上昇及び圧力の上昇が発生し、空気調和装置１の配管が破損する等の不都合が生じるおそれがある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、冷媒に不均化反応が発生することを抑えることができる空気調和装置を提供することを目的とする。

本願の開示する空気調和装置の一態様は、圧縮機と室外熱交換器と絞り装置と室内熱交換器とが順次接続され、特定の条件下で不均化反応を起こす性質を有する冷媒が内部で循環する冷媒回路を有した空気調和装置であって、前記空気調和装置に予め充填された冷媒量と、前記空気調和装置に最大接続配管長の接続配管が接続されたときに追加で充填される冷媒量の和を最大冷媒充填量とし、前記室外熱交換器の管内容積は、前記最大冷媒充填量の冷媒が所定の温度において飽和液冷媒であるときの体積以上の容積とする。

本願の開示する空気調和装置の一態様によれば、冷媒に不均化反応が発生することを抑えることができる。

図１は、実施例１の空気調和装置を示す冷媒回路図である。 図２は、実施例１の熱交換器を示す斜視図である。 図３は、実施例１の空気調和装置の熱交換器の管内容積を決定する手順を示すフローチャートである。

以下に、本願の開示する空気調和装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例によって、本願の開示する空気調和装置が限定されるものではない。

［空気調和装置の構成］
図１は、実施例１の空気調和装置を示す冷媒回路図である。空気調和装置１は、図１に示すように、室外機２と、室内機５とを備えている。室外機２と室内機５が液管６ａ及びガス管６ｂにより接続されて内部に冷媒が循環する冷媒回路１ａを形成している。室外機２は、圧縮機１０、四方弁２２、室外熱交換器２３、絞り装置２４、液側閉鎖弁６１、ガス側閉鎖弁６２及び室外機制御部２００を備えている。

圧縮機１０は、室外機制御部２００によって制御されることで、吸入管４２及び四方弁２２を介して供給される冷媒を圧縮し、その圧縮された冷媒を吐出管４１を介して四方弁２２へ供給する。冷媒としては、ＨＦＯ１１２３冷媒またはＨＦＯ１１２３冷媒を含む混合冷媒が用いられている。

四方弁２２は、吐出管４１及び吸入管４２と接続されると共に、冷媒配管４３を介して室外熱交換器２３に、冷媒配管４４、ガス側閉鎖弁６ｂを介して室内機５にそれぞれ接続されている。室内機５と室外熱交換器２３は、液側閉鎖弁６ａ、冷媒配管４５を介して接続されている。四方弁２２は室外機制御部２００に制御されることにより、空気調和装置１を暖房モードまたは冷房モードのどちらかに切り替える。冷房モードに切り替えられたとき四方弁２２は、吐出管４１を介して圧縮機１０から吐出された冷媒を室外熱交換器２３に供給し、室内機５から流出した冷媒を圧縮機１０に吸入管４２を介して供給する。暖房モードに切り替えられたとき四方弁２２は、吐出管４１を介して圧縮機１０から吐出された冷媒を室内機５に供給し、室外熱交換器２３から流出した冷媒を圧縮機１０に吸入管４２を介して供給する。なお、空気調和装置１の修理や移設時に行う冷媒回路内の冷媒を室外機内に回収するポンプダウン運転時の四方弁２２は、冷房モードに切り替えられたときと同様に、吐出管４１を介して圧縮機１０から吐出された冷媒を室外熱交換器２３に供給し、室内機５から流出した冷媒を圧縮機１０に吸入管４２を介して供給する。ポンプダウン運転時は液側閉鎖弁６１が閉鎖されるので、液管６ａ、室内熱交換器５１、ガス管６２、冷媒配管４４及び吸入管４２の内部の冷媒が圧縮機１０より下流側に回収される。

室外熱交換器２３は、冷媒配管４５を介して絞り装置２４に接続されている。室外熱交換器２３の近傍には、室外ファン２７が配置されている。室外ファン２７は、ファンモータ（図示せず）によって回転されることで、室外機２の内部へ外気を取り込み、室外熱交換器２３によって冷媒と熱交換した外気を室外機２の外部へ放出する。室外熱交換器２３は、冷房モードの場合、四方弁２２から供給された冷媒と、室外機２の内部に取り込まれた外気とを熱交換させ、その熱交換された冷媒を絞り装置２４に供給する。室外熱交換器２３は、暖房モードの場合、絞り装置２４から供給された冷媒と、室外機２の内部に取り込まれた外気とを熱交換させ、その熱交換された冷媒を四方弁２２に供給する。ポンプダウン運転時、室外熱交換器２３は空気調和装置１に充填された冷媒の全てが回収される。

絞り装置２４は、冷媒配管４５、液側閉鎖弁６ａを介して室内機５に接続されている。絞り装置２４は、冷房モードの場合に、室外熱交換器２３から供給された冷媒を断熱膨張させることにより減圧し、低温低圧となった二相冷媒を室内機５に供給する。絞り装置２４は、暖房モードの場合に、室内機５から供給された冷媒を断熱膨張させることにより減圧し、低温低圧となった二相冷媒を室外熱交換器２３に供給する。さらに、絞り装置２４は、室外機制御部２００に制御されることにより、開度が調節され、暖房モードの場合、室内機５から室外熱交換器２３に供給される冷媒の流量を調節する。冷房モードの場合、室外熱交換器２３から室内機５に供給される冷媒の流量を調節する。

室内機５は、室内熱交換器５１、室内ファン５５及び室内機制御部５００を有する。室内ファン５５は、室内熱交換器５１の近傍に配置されており、ファンモータ（図示せず）によって回転されることで、室内機５の内部へ室内空気を取り込み、室内熱交換器５１によって冷媒と熱交換した室内空気を室内へ放出する。室内熱交換器５１は、ガス側閉鎖弁６ｂ、冷媒配管４４を介して四方弁２２に、冷媒配管４５を介して室外機２の絞り装置２４にそれぞれ接続されている。室内熱交換器５１は、空気調和装置１が冷房モードに切り替えられたときに蒸発器として機能し、空気調和装置１が暖房モードに切り替えられたときに凝縮器として機能する。すなわち、室内熱交換器５１は、冷房モードの場合に、絞り装置２４から供給された低温低圧となった二相冷媒と、室内機５の内部に取り込まれた室内空気とを熱交換させ、その熱交換された室内空気を室内へ放出し、その熱交換された冷媒を四方弁２２に供給する。室内熱交換器５１は、暖房モードの場合に、四方弁２２から供給された冷媒と、室内機５の内部に取り込まれた室内空気とを熱交換させ、その熱交換された室内空気を室内へ放出し、その熱交換された冷媒を絞り装置２４に供給する。

［熱交換器の構成］
図２は、実施例の室外熱交換器２３を示す斜視図である。実施例の熱交換器は、室外熱交換器２３及び室内熱交換器５１として空気調和装置１に設けられている。室外熱交換器２３は、図２に示すように、一対の側板２３１−１、２３１−２と、伝熱管２３２と、複数のフィン２３３と、を有する。一対の側板２３１−１、２３１−２は、それぞれ、板状に形成されている。一対の側板２３１−１、２３１−２は、複数のフィン２３３の積層方向の両端にそれぞれ沿うように配置され、室外機２に支持されている。側板２３１−１、２３１−２には、複数の貫通孔が形成されている。

なお、図２には、室外熱交換器２３として適用した場合の熱交換器の形状の一例を示しており、この形状に限定されるものではない。例えば、室内熱交換器５１に適用する場合には、室内機５の形態に合わせた熱交換器の形状に形成される。

伝熱管２３２は、１本の円管となるように形成されている。伝熱管２３２は、一対の側板２３１−１、２３１−２の間を蛇行しており、複数の直線部と複数の屈曲部とを含んでいる。複数の屈曲部の各々には、複数の直線部のうちの２つの直線部が接続されている。伝熱管２３２は、一対の側板２３１−１、２３１−２に形成されている複数の貫通孔に沿って複数の直線部がそれぞれ挿入されることにより、各側板２３１−１、２３１−２に支持されている。伝熱管２３２は、一端が冷媒配管４３を介して四方弁２２に接続されており、他端が冷媒配管４５を介して絞り装置２４に接続されている。

[熱交換器の特徴的な構成]
ところで、空気調和装置１は、空気調和装置の修理や移設時に行う冷媒回路内の冷媒を室外機内に回収する運転（ポンプダウン運転）では、室外熱交換器の管内容積が空気調和装置に充填された冷媒の体積に対して小さい場合に、室外熱交換器内に回収された冷媒の圧力が異常に高くなる場合がある。このため、ＨＦＯ１１２３冷媒を用いた空気調和装置では、異常圧力によってＨＦＯ１１２３冷媒に不均化反応が発生するおそれがある。ＨＦＯ１１２３冷媒に不均化反応が発生した場合、冷媒回路内に急激な温度の上昇及び圧力の上昇が発生し、空気調和装置１の配管が破損する等の不都合が生じるおそれがある。なお、従来のＲ３２冷媒を用いた空気調和装置では、冷媒の充填量に基づいて室外熱交換器２３の管内容積を定めていなかった。これは、Ｒ３２冷媒が不均化反応を起こす性質を有しておらず、従来の空気調和装置はポンプダウン運転時には圧縮機１０の動作上限となる圧力（例えば１５Ｍｐａ）を超えないようにしていれば良かったためである。

そこで、本実施例は、室外熱交換器２３の管内容積をポンプダウン運転時に異常圧力とならないような管内容積とする。

室外熱交換器２３の管内容積は、空気調和装置１に充填される最大冷媒充填量により規定される管内容積以上に設定される。最大冷媒充填量とは、空気調和装置１に予め充填された冷媒量と、室外機２と室外機５を接続する液管６ａ及びガス管６ｂが最大接続配管長となった場合に追加充填される冷媒量の和である。また、管内容積は所定の温度（例えば５０℃）の最大冷媒充填量（ｋｇ）を飽和液冷媒の比体積（ｍ^３／ｋｇ）で乗じて算出した冷媒体積（ｍ^３）以上とする。なお、最大接続配管長とは、空気調和装置１の機種毎に仕様として設定された許容される最大の配管長を指す。最大接続配管長を超える長さの液管６ａ及びガス管６ｂを接続した場合、液管６ａ及びガス管６ｂにおける熱損失と圧力損失の増加により空気調和装置１の性能低下が大きくなってしまう。

ポンプダウン運転時、圧縮機１０から高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器２３に回収される。室外熱交換器２３に回収された高温高圧のガス冷媒は、室外ファン２７によって取り込まれた外気と熱交換し凝縮して液冷媒となる。ポンプダウン運転時、液側閉鎖弁６１が閉鎖されているので、液管６ａ、室内熱交換器５１、ガス管６２、冷媒配管４４及び吸入管４２の内部の冷媒が圧縮機１０より下流側に回収される。室外熱交換器２３への冷媒の回収が進むと、圧縮機１０の吐出側の冷媒圧力（凝縮圧力）が上昇していく。凝縮圧力が上昇すると凝縮温度も高くなるので、凝縮温度と外気温度との温度差が大きくなり、室外熱交換器２３に回収されたガス冷媒の凝縮が更に進む。ポンプダウン運転終了時、冷媒回路１ａ内の全ての冷媒が圧縮機１０より下流側、主に室外熱交換器２３の内部に液相状態で回収される。そのため、室外熱交換器２３の管内容積は、液相状態の冷媒の体積以上であることが必要となる。

なお、液冷媒の比体積は、飽和温度が高いほど大きくなる。したがって、室外熱交換器２３の管内容積は、最も厳しい条件の液冷媒の体積以上となるように設定する。すなわち、冷房運転時の運転を維持できる最大の外気温度（例えば４６℃）の条件でポンプダウン運転を行っても全ての冷媒を室外熱交換器２３内に回収できるように、最大外気温度より高い所定の温度（例えば５０℃）の飽和液で冷媒体積を算出する。飽和温度を最大外気温度より高い所定の温度（５０℃）にしているのは、外気温度が冷房運転時の最大外気温度である４６℃であってもガス冷媒が凝縮できるように、所定の温度差（例えば４℃）を取っているためである。

（室外熱交換器２３の管内容積設定の手順）
次に、実施例の空気調和装置１における室外熱交換器２３の管内容積設定の手順について説明する。図２は、室外熱交換器２３の管内容積設定の手順フローチャートである。尚、図３に示すフローチャートでは、ＳＴは工程のステップを表し、これに続く数字はステップ番号を表している。

まず、設計者は、試験により機種毎に設定された目標となる性能を確保できる室外熱交換器２３の必要最低限の管内容積である理想管内容積と標準設置（追加充填の必要ない配管長での据付）における性能と冷媒量の関係を求める（ＳＴ１０）。当該試験では、シミュレーション等で予測した管内容積で、目標性能が確保できるかの確認とその際の最適冷媒量（冷媒量-性能曲線の極大値となる冷媒量）を求める。その後、許容できる液管６ａ及びガス管６ｂの最大の長さを示す最大接続配管長を決定する（ＳＴ１１）。最大接続配管長は、市場の要求により決定された、空気調和装置１の機種毎に仕様として設定された許容される最大の配管長を指す。

次に、最大接続配管長の液管６ａ及びガス管６ｂが接続されたことにより追加充填される冷媒量を含んだ冷媒充填量である最大冷媒充填量を算出する（ＳＴ１２）。
次に、最大冷媒充填量の飽和温度５０℃の液冷媒が充填された時の冷媒体積を算出する（ＳＴ１３）。

その後、ステップＳＴ１３で算出した冷媒体積がステップＳＴ１０で求めた理想管内容積以上か否かを判定する（ＳＴ１４）。ポンプダウン運転時に異常圧力となるのを防ぐには室外熱交換器２３の管内容積が少なくともステップＳＴ１３で算出した冷媒体積以上である必要がある。したがって、冷媒体積が理想管内容積以上である場合（ＳＴ１４−ＹＥＳ）、室外熱交換器２３の管内容積をステップＳＴ１３で算出した冷媒体積以上の管内容積に設定する（ＳＴ１５）。冷媒体積が理想管内容積未満である場合（ＳＴ１４−ＮＯ）、室外熱交換器２３の管内容積を理想管内容積以上の管内容積に設定する（ＳＴ１６）。

このように実施例における空気調和装置１は、圧縮機１０と室外熱交換器２３と絞り装置２４と室内熱交換器５１とが順次接続され、特定の条件下で不均化反応を起こす性質を有する冷媒が内部で循環する冷媒回路１ａを有した空気調和装置１であって、空気調和装置１に予め充填された冷媒量と、空気調和装置１に最大接続配管長の接続配管（液管６ａ及びガス管６ｂ）が接続されたときに追加で充填される冷媒量の和を最大冷媒充填量とし、室外熱交換器２３の管内容積は、最大冷媒充填量の冷媒が所定の温度において飽和液冷媒であるときの体積以上の容積とする。これにより、ポンプダウン運転時に室外熱交換器２３内の冷媒が異常圧力とならないので、冷媒に不均化反応が発生することを抑えることができる。

１ 空気調和装置
１ａ 冷媒回路
２ 室外機
５ 室内機
１０ 圧縮機
２２ 四方弁
２３ 室外熱交換器
２３１−１ 側板
２３１−２ 側板
２３２ 伝熱管
２３３ フィン
２４ 絞り装置
２７ 室外ファン
４１ 吐出管
４２ 吸入管
４３ 冷媒配管
４４ 冷媒配管
４５ 冷媒配管
５１ 室内熱交換器
５５ 室内ファン
６ａ 液管
６ｂ ガス管
６１ 液側閉鎖弁
６２ ガス側閉鎖弁
２００ 室外機制御部
５００ 室内機制御部

Claims (3)

1. 圧縮機と室外熱交換器と絞り装置と室内熱交換器とが順次接続され、特定の条件下で不均化反応を起こす性質を有する冷媒が内部で循環する冷媒回路を有した空気調和装置であって、
   前記空気調和装置に予め充填された冷媒量と、前記空気調和装置に最大接続配管長の接続配管が接続されたときに追加で充填される冷媒量の和を最大冷媒充填量とし、
   前記室外熱交換器の管内容積は、
   前記最大冷媒充填量の冷媒が所定の温度において飽和液冷媒であるときの体積以上の容積とする
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記所定の温度は、冷房運転時の最大外気温度よりも高い温度である
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記冷媒は、ＨＦＯ１１２３冷媒、又はＨＦＯ１１２３冷媒を含む混合冷媒であることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。

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