JP2021032526A

JP2021032526A - 冷凍機、空気調和機、冷凍機のリニューアル方法及び空気調和機のリニューアル方法

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Publication number: JP2021032526A
Application number: JP2019155493A
Authority: JP
Inventors: 純一廣橋; Junichi Hirohashi
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: JP7190408B2

Abstract

【課題】低圧冷媒を利用した冷凍サイクル装置において、コストを抑えつつ、圧力損失を低減することを目的とする。【解決手段】冷凍機であって、基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の冷媒を用いた冷凍サイクルの冷媒回路を有し、蒸発器及び圧縮機が室内機に設けられ、凝縮器が室外機に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機、空気調和機、冷凍機のリニューアル方法及び空気調和機のリニューアル方法に関する。

従来、空気調和機、冷凍機などの蒸気圧縮式冷凍装置の冷媒として、Ｒ−４１０ＡやＲ−４０７Ｃ、Ｒ−４０４Ａ等のいわゆるＨＦＣ系冷媒（Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎｓ）が広く利用されてきた。近年では、地球温暖化防止の観点から、ＧＷＰ（地球温暖化係数）のより低い冷媒への転換が検討され、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（２，３，３，３-Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｅｎｅ）などの低ＧＷＰ冷媒が開発されつつある。

しかしながら、ＨＦＯ−１２３４ｙｆなどの低ＧＷＰ冷媒は、Ｒ−４１０Ａなどの冷媒に比べて、同じ飽和温度でのガス冷媒の比容積が大きい。このため、従来の冷凍装置等に適用した場合には、低圧側の圧力損失が大きくなり、冷凍能力の不足や成績係数の低下の原因となることから、冷凍機等への適用が見送られてきた。

圧力損失の低下を防ぐ技術として、特許文献１には、圧縮機を室外機に設置すると共に、圧縮機を室外機に設置したことに起因した圧力損失の低下を防ぐ技術が開示されている。特許文献１の装置においては、室外機側熱交換器の出口側と圧縮機の吸入側とを絞り装置を介して接続するバイパス経路を設け、絞り装置により減圧された冷媒を室外熱交換器の出口側冷媒と熱交換する冷凍効果増大熱交換器を設けている。

特開２００２−２３５９５９号公報

圧力損失を低減させる方策としては、冷媒配管径の拡大や、蒸発器の伝熱管通路数の増加などがある。しかしながら、これらの方法では材料費や加工費及び接続配管の施工費などが増加するため、コストアップの要因となるという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、低圧冷媒を利用した冷凍サイクル装置において、コストを抑えつつ、圧力損失を低減することを目的とする。

本発明は、冷凍機であって、基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の冷媒を用いた冷凍サイクルの冷媒回路を有し、蒸発器及び圧縮機が室内機に設けられ、凝縮器が室外機に設けられる。

本発明の他の形態は、空気調和機であって、基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の冷媒を用いた冷凍サイクルの冷媒回路を有し、室内熱交換器及び室内圧縮機が室内機に設けられ、室外熱交換機及び室外圧縮機が室外機に設けられる。

本発明の他の形態は、冷凍機のリニューアル方法であって、室内機に圧縮機を設置するステップと、室外機に設けられた凝縮器と前記圧縮機の間を、既設の配管を用いて接続するステップと、前記室内機に設けられた蒸発器と前記圧縮機との間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管で接続するステップとを含む。

本発明の他の形態は、空気調和機のリニューアル方法であって、室内機に室内圧縮機を設置するステップと、室外機に設けられた室外圧縮機と前記室内圧縮機の間を、既設の冷媒配管を用いて接続するステップと、室内機に設けられた室内熱交換器と前記室内圧縮機の間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管により接続するステップと、前記室外機に設けられた室外熱交換器と前記室外圧縮機の間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管により接続するステップとを含む。

本発明によれば、低圧冷媒を利用した冷凍サイクル装置において、コストを抑えつつ、圧力損失を低減するができる。

冷凍機の概略構成図である。第１の変形例に係る冷凍機の概略構成図である。第２の変形例に係る冷凍機の概略構成図である。空気調和機の概略構成図である。変形例に係る空気調和機の概略構成図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る冷凍機１０の概略構成図である。冷凍機１０は、膨張弁１１３、蒸発器１１２、圧縮機１１１、凝縮器１２１が冷媒配管１５１、１５２、１５３、１５４を介して接続された冷凍サイクルの冷媒回路を有している。冷媒回路において、冷媒は、図１において矢印で示すように、膨張弁１１３、蒸発器１１２、圧縮機１１１及び凝縮器１２１の順に冷媒回路を循環する。

圧縮機１１１、蒸発器１１２及び膨張弁１１３は、室内機１１内に設けられている。凝縮器１２１は、室外機１２内に設けられている。なお、圧縮機１１１は、蒸発器１１２内に設けられてもよく、蒸発器１１２とは別体として設けられてもよい。

さらに、冷凍機１０において利用される冷媒は、基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の低圧冷媒とする。低圧冷媒としては、ＨＦＯ−１２３４ｙｆなどの低ＧＷＰ冷媒が挙げられる。

低圧冷媒を用いた場合には、特に低圧側の圧力損失が問題になる。そこで、圧縮機１１１への吸入配管、すなわち蒸発器１１２と圧縮機１１１を接続する配管である冷媒配管１５２を、他の冷媒配管１５１、１５３、１５４に比べて、太い、すなわち径の大きいものとする。

以上のように、本実施形態に係る冷凍機１０においては、室内機１１内において、蒸発器１１２に近い位置に圧縮機１１１を配置することにより、圧縮機１１１の吸入配管となる冷媒配管１５２を短くすることができる。さらに、冷媒配管１５２を、他の冷媒配管１５１、１５３、１５４に比べて径の大きいものとした。これにより、低圧冷媒を用いた冷凍機１０において、低圧側の圧力損失を低減することができる。これにより、従来、冷凍機の選定で必要であった、吸入による冷凍能力の配管長補正を不要とすることができる。さらに、上記構成においては、比較的径の大きい冷媒配管を用いる距離が短くなるため、コストを抑えることができる。

第１の変形例としては、冷凍機１０は、さらに過冷却回路を備えてもよい。図２は、第１の変形例に係る冷凍機１０の概略構成図である。凝縮器１２１の出口側の配管である冷媒配管１５４は、冷媒配管１６１と過冷却回路１６２に分岐している。冷媒配管１６１に送られた冷媒は、過冷却膨張弁１６３にて減圧され、バイパスされなかった残りの液冷媒と熱交換してガス化し、冷媒配管１６４を経由して、圧縮機１１１のエコノマイザポートへ送られる。一方、バイパスされなかった液冷媒は、過冷却回路１６２で冷却された後、膨張弁１１３へ送られる。このように、過冷却回路１６２を備えることにより、冷却能力を増加させ、ＣＯＰ（成績係数）の向上を図ることができる。

第２の変形例としては、冷凍機１０は、さらにエジェクタを備えてもよい。図３は、第２の変形例に係る冷凍機１０の概略構成図である。冷媒配管１５１の冷媒は、第１流入口１７１からエジェクタ１７０に送られ、エジェクタ１７０において減圧される。そして、冷媒は、気液二相流になって噴射される。その際に発生する動圧により静圧が低下して、蒸発器１１２から冷媒配管１８１を経由して低圧ガス冷媒が第２流入口１７２からエジェクタ１７０に吸引される。噴射された冷媒と吸引された冷媒は混合圧縮される。エジェクタ１７０を出た冷媒は、冷媒配管１８２を経由し、気液分離器１９０において、気体と液体に分離される。気液分離器１９０により分離された気体冷媒は、冷媒配管１８３を経由して、圧縮機１１１に吸引される。気液分離器１９０により分離された液冷媒は、蒸発器１１２に送られる。エジェクタ１７０を用いた場合には、圧縮機１１１の吸入圧力を昇圧することができるため、実施形態において説明したように吸入配管を他の配管に比べて太くしなくともよい。このように、エジェクタ１７０を備えることにより、冷却能力を増加させ、ＣＯＰの向上を図ることができる。

第３の変形例としては、圧縮機１１１は、不図示のアキュムレータと共に、四方を囲まれた箱の中に収容され、ヒーター等により温度管理されることが好ましい。圧縮機１１１が冷凍室に設けられた場合には、常時冷凍室内の温度にさらされるためである。また、不図示の受液器も上記箱内に収容されてもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る空気調和機２０の概略構成図である。空気調和機２０は、室内機２１と室外機２２とを備える。空気調和機２０は、膨張弁２１３、室内熱交換器２１２、室内圧縮機２１１、室外圧縮機２２１、室外熱交換器２２２が冷媒配管２５１、２５２、２５３、２５４を介して接続された冷媒回路を有している。膨張弁２１３、室内熱交換器２１２、室内圧縮機２１１は、室内機２１に設けられる。室外圧縮機２２１、室外熱交換器２２２は、室外機２２に設けられる。さらに、冷媒回路には、室内圧縮機２１１を介さずに、室外圧縮機２２１と室内熱交換器２１２とを接続するための冷媒配管２５６が設けられている。また、室外圧縮機２２１を介さずに、室内圧縮機２１１と室外熱交換器２２２とを接続するための冷媒配管２５７が設けられている。冷媒配管２５６には、弁２１４が設けられ、冷媒配管２５７には、弁２２４が設けられている。

制御部２６０は、空気調和機２０の全体を制御する。制御部２６０は、例えば、冷房運転時及び暖房運転時に、弁２１４、２２４の開閉と、室内圧縮機２１１及び室外圧縮機２２１の運転を制御する。

具体的には、制御部２６０は、冷房運転時には、弁２１４を閉じ、弁２２４を開く。そして、制御部２６０は、室外圧縮機２２１を停止させ、室内圧縮機２１１のみを運転させる。これにより、冷媒は、膨張弁２１３、室内熱交換器２１２、室内圧縮機２１１、室外熱交換器２２２の冷凍サイクルを循環する。なお、室外圧縮機２２１の下流には、さらに逆止弁を設けてもよい。

また、制御部２６０は、暖房運転時には、弁２１４を開き、弁２２４を閉じる。そして、制御部２６０は、室内圧縮機２１１を停止させ、室外圧縮機２２１のみを運転させる。これにより、冷媒は、膨張弁２１３、室外熱交換器２２２、室外圧縮機２２１、室内熱交換器２１２の冷凍サイクルを循環する。

本実施形態に係る空気調和機２０において利用される冷媒は、第１の実施形態に係る冷凍機１０の冷媒と同様に、基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の低圧冷媒とする。これに対し、冷房運転時に室内圧縮機２１１への吸入配管となる冷媒配管２５２と、暖房時に室外圧縮機２２１への吸入配管となる冷媒配管２５４と、を他の冷媒配管２５１、２５３、２５５に比べて径の大きいものとする。

以上のように、本実施形態に係る空気調和機２０においては、室内機２１及び室外機２２は、それぞれ圧縮機を備えている。さらに、冷房運転時及び暖房運転時において、運転する圧縮機を切り替える。これにより圧縮機と熱交換器の間を短くすることができる。さらに圧縮機と熱交換器の間の冷媒配管を、他の冷媒配管に比べて径の大きいものとした。これにより、低圧冷媒を用いた空気調和機において、低圧側の圧力損失を低減することができる。さらに、上記構成においては、比較的径の大きい冷媒配管を用いる長さが短くなるため、コストを抑えることができる。

第２の実施形態の変形例としては、空気調和機２０は、さらに過冷却回路を備えてもよい。図５は、変形例に係る空気調和機２０の概略構成図である。具体的には、空気調和機２０は、室外熱交換器２２２と室内熱交換器２１２の間に、室外熱交換器２２２側から順に、室外膨張弁２２３、室外過冷却回路３１２、室内過冷却回路３０２及び室内膨張弁２１３を備えている。室外過冷却回路３１２と室内過冷却回路３０２の間は、冷媒配管３２１で接続されている。冷媒配管３２１の室内機２１側は、冷媒配管３０１と過冷却回路３０２に分岐している。また、冷媒配管３２１の室外機２２側は、冷媒配管３１１と過冷却回路３１２に分岐している。室内過冷却回路３０２、室内過冷却膨張弁３０３及び冷媒配管３０４の構成及び室外過冷却回路３１２、室外過冷却膨張弁３１３及び冷媒配管３１４の構成は、いずれも図２を参照しつつ説明した過冷却回路１６２等と同様である。

さらに、冷房運転時には、制御部２６０は、弁２１４を閉じ、室外膨張弁２２３を全開にし、室外過冷却膨張弁３１３を閉じる。さらに、制御部２６０は、冷媒配管３０１に分岐した冷媒が減圧されるように室内過冷却膨張弁３０３を制御し、冷媒配管３２２を流れる冷媒の流量、減圧量を制御すべく室内膨張弁２１３の開度を制御する。

一方で、暖房運転時には、制御部２５０は、弁２２４を閉じ、室内膨張弁２１３を全開にし、室内過冷却膨張弁３０３を閉じる。さらに、制御部２６０は、冷媒配管３１１に分岐した冷媒が減圧されるように室外過冷却膨張弁３１３を制御し、冷媒配管３２３を流れる冷媒の流量、減圧量を制御すべく室外膨張弁２２３の開度を制御する。

同様に、空気調和機２０は、さらにエジェクタを備えてもよい。このように、過冷却回路やエジェクタを備えることにより、空調能力の増加やＣＯＰの向上を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る冷凍機について説明する。本実施形態の冷凍機は、Ｒ−２２やＲ−４１０Ａといった、低圧冷媒に比べてＧＷＰの高い、高ＧＷＰ冷媒を利用した既設の冷凍機において利用されていた既設配管を再利用することで構築される冷凍機である。リニューアルにより得られる冷凍機は、第１の実施形態において説明した冷凍機１０と同様である。このように、高ＧＷＰ冷媒を利用した冷凍機を、低圧冷媒を用いた冷凍機にリニューアルするリニューアル方法を、図１を参照しつつ説明する。なお、リニューアル前の既設の冷凍機においては、室外機が圧縮機を備えており、圧縮機と蒸発器１１２の間の冷媒配管は比較的長いものとする。

これに対し、リニューアルに際しては、既設の冷凍機の室外機に設置された圧縮機を取り除き、室内機１１に新たな圧縮機（圧縮機１１１）を設置する。さらに、圧縮機１１１と凝縮器１２１の間の冷媒配管１５３として、既設の冷媒配管を用いる。すなわち、既設の冷媒配管で、圧縮機１１１と凝縮器１２１の間を接続する。さらに、圧縮機１１１と蒸発器１１２の間は、既設の冷媒配管に比べて径の大きい冷媒配管により接続する。

このように、本実施形態に係るリニューアル方法によれば、圧縮機１１１は室内機１１に設けられるため、蒸発器１１２と圧縮機１１１の距離を短くすることができる。したがって、蒸発器１１２と圧縮機１１１の間の冷媒配管１５２を短くすることができる。さらに上述の通り、冷媒配管１５２の径を大きくする。したがって、圧縮機１１１の吸入側の圧力損失を低減することができる。さらに、リニューアルにおいて、圧力損失が比較的小さい冷媒配管１５３においては、既設配管を利用することができるため、リニューアルに係るコストを低減することができる。

従来は、老朽化した冷凍機、空気調和機を更新する際には、Ｒ−２２、Ｒ−４１０Ａなどの従来の冷媒を使用していた際に用いられた既設の冷媒接続配管を、低圧冷媒を用いた冷凍機や空気調和機に流用することができなかった。このため、資源の無駄や施工工数の増加が発生するため、実用的ではなかった。これに対し、本実施形態においては、既設の冷凍機の冷媒配管を利用して、低圧冷媒を用いた冷凍機にリニューアルすることができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る空気調和機について説明する。本実施形態の空気調和機は、第３の実施形態において説明したのと同様に、高ＧＷＰ冷媒を利用した既設の空気調和機において利用されていた既設配管を再利用することで構築される空気調和機である。リニューアルにより得られる空気調和機は、第２の実施形態において説明した空気調和機２０と同様である。

以下、図４を参照しつつリニューアル方法を説明する。なお、再利用される空気調和機においては、室外機のみが圧縮機を備えるものとする。この場合、リニューアルに際しては、室内圧縮機２１１を室内機２１に設置する。さらに、室内圧縮機２１１と室外圧縮機２２１の間の冷媒配管２５３として、既設の冷媒配管を用いる。室内圧縮機２１１と室内熱交換器２１２の間は、既設の冷媒配管に比べて径の大きい冷媒配管により接続する。同様に、室外圧縮機２２１と室外熱交換器２２２の間は、既設の冷媒配管に比べて径の大きい冷媒配管により接続する。

このように、本実施形態に係るリニューアル方法によれば、圧縮機と熱交換器の間の冷媒配管を短くすることができる。さらに、圧縮機と熱交換器の間の冷媒配管の径を大きくする。したがって、圧縮機の吸入側の圧力損失を低減することができる。さらに、既設配管を利用することにより、リニューアルに係るコストを低減することができる。

なお、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、例えばある実施形態の変形例を他の実施形態に適用するなど、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０冷凍装置
１１室内機
１２室外機
２０空気調和機
２１室内機
２２室外機
１１１，２１１、２２１圧縮機
１１２蒸発器
１２１凝縮器
２１２室内熱交換器
２２２室外熱交換器
２制御部

Claims

基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の冷媒を用いた冷凍サイクルの冷媒回路を有し、
蒸発器及び圧縮機が室内機に設けられ、
凝縮器が室外機に設けられる、冷凍機。
前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒配管の径は、前記圧縮機と前記凝縮器の間の冷媒配管の径に比べて大きい、請求項１に記載の冷凍機。
基準凝縮温度４３℃における凝縮能力が１．１ＭＰａ以下の冷媒を用いた冷凍サイクルの冷媒回路を有し、
室内熱交換器及び室内圧縮機が室内機に設けられ、
室外熱交換機及び室外圧縮機が室外機に設けられる、空気調和機。
前記室内熱交換器、前記室内圧縮機、前記室外圧縮機及び室外熱交換器の順に冷媒配管を介して接続される、請求項３に記載の空気調和機。
前記室外圧縮機を介さずに、前記室内圧縮機と前記室外熱交換器とを接続する第１の冷媒配管と、
前記室内圧縮機を介さずに、前記室外圧縮機と前記室内熱交換器とを接続する第２の冷媒配管と
をさらに有する請求項４に記載の空気調和機。
前記第１の冷媒配管に第１の弁が設けられ、
前記第２の冷媒配管に第２の弁が設けられ、
冷房運転時には、前記第１の弁を開き、前記第２の弁を閉じ、前記室内圧縮機を運転させ、かつ前記室外圧縮機を停止させるように制御し、暖房運転時には、前記第１の弁を閉じ、前記第２の弁を開き、前記室内圧縮機を停止させ、かつ前記室外圧縮機を運転させるように制御する制御部をさらに有する、請求項５に記載の空気調和機。
前記第１の冷媒配管及び前記第２の冷媒配管の径は、前記室内圧縮機と前記室外圧縮機の間の第３の冷媒配管の径に比べて大きい、請求項５又は６に記載の空気調和機。
冷凍機のリニューアル方法であって、
室内機に圧縮機を設置するステップと、
室外機に設けられた凝縮器と前記圧縮機の間を、既設の配管を用いて接続するステップと、
前記室内機に設けられた蒸発器と前記圧縮機との間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管で接続するステップと
を含む、冷凍機のリニューアル方法。
空気調和機のリニューアル方法であって、
室内機に室内圧縮機を設置するステップと、
室外機に設けられた室外圧縮機と前記室内圧縮機の間を、既設の冷媒配管を用いて接続するステップと、
室内機に設けられた室内熱交換器と前記室内圧縮機の間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管により接続するステップと、
前記室外機に設けられた室外熱交換器と前記室外圧縮機の間を、前記既設の冷媒配管に比べて径の太い冷媒配管により接続するステップと
を含む、空気調和機のリニューアル方法。