JP2023028240A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】温暖化係数の小さいことで注目されているＲ１２３４ｙｆでは、従来の絞り制御では最適な運転を行えないという課題がある。
【解決手段】空気調和機１００は、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用し、圧縮機１と、凝縮器２と、絞り手段３と、蒸発器４と、空気温度検知手段５と、冷媒温度検知手段６と、制御手段７と、第一の送風手段８と、第二の送風手段９と、を備える。空気温度検知手段５は蒸発器４に送られる空気の温度を検知し、冷媒温度検知手段６は蒸発器４の出口における冷媒の温度を検知し、それぞれ制御手段７へ温度情報を伝える。制御手段７は、空気温度検知手段５の検知した空気温度と冷媒温度検知手段６が検知した冷媒温度に基づいて絞り手段３の開度を調整する。
【選択図】図１

Description

本開示は、空気調和機に関する。

特許文献１は、電動膨張弁を有する空気調和機や冷凍機などの冷凍サイクルを制御する冷凍サイクル制御装置を開示する。この冷凍サイクル制御装置は、電動膨張弁と、電動膨張弁の開度制御手段と、コンプレッサ制御手段と、冷媒回路の異常検出手段とを備える。そして、実施例において、開度制御手段は蒸発器である室内熱交換器の入口の冷媒温度と圧縮機吸入口の冷媒温度の偏差に応じて電子膨張弁の開度を制御するとしている。

特許文献２は圧縮機と、圧縮機の冷媒吐出温度を検出する吐出温度センサと、凝縮器と、凝縮温度を検出する凝縮温度センサと、電動膨張弁と、蒸発器と、蒸発温度センサと、凝縮温度と蒸発温度から目標吐出温度を設定する目標吐出温度設定手段と、吐出温度を目標吐出温度に近づけるべく電動膨張弁の開度を制御する開度制御手段を備える。

特許第３３５６３０３号公報 特許第２９２１２５４号公報

従来のＲ２２やＲ３２を冷媒に用いる空気調和機においては、蒸発器出口において乾き度１．０で過熱度は小さくすると効率の良い運転を行うことができた。従って、凝縮温度と蒸発温度を検出し、圧縮機の吐出温度あるいは吸入温度が適切な温度となるよう絞りを制御していた。

しかしながら、温暖化係数の小さいことで注目されているＲ１２３４ｙｆでは、従来の絞り制御では最適な運転を行えないという課題がある。

本開示は、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用する装置において、電動膨張弁の開度を適切に制御し、運転効率に優れた空気調和機を提供する。

本開示における空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、第一の送風手段により送られた空気と熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を減圧膨張させる絞り手段と、第二の送風手段により送られた空気と熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器とを接続して冷凍サイクルを構成し、冷媒はＲ１２３４ｙｆを含み、蒸発器に送られる空気の温度を検知する空気温度検知手段と、蒸発器の出口における冷媒の温度を検知する冷媒温度検知手段と、絞り手段を調整する制御手段と、を備え、制御手段は、空気温度検知手段の検知した空気温度と冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度に基づいて絞り手段を調整する。

本開示における空気調和機は、蒸発器に送られる空気の空気温度と、蒸発器出口の冷媒温度に基づいて絞り手段を調整することにより、Ｒ１２３４ｙｆの特性に応じた絞り手段の開度を設定することができる。そのため、空気調和機の運転状況に適した絞り開度を実現し、効率に優れた運転を行うことができる。

本開示の実施の形態１の空調調和機の構成図 各冷媒における吸入ＳＨ違いによる理論ＣＯＰ比のグラフ

（本開示の基礎となった知見等）
近年、地球温暖化が重要な問題となり、空気調和機などで使用する冷媒も温暖化係数の小さなものが選ばれるようになってきた。その代表的な冷媒の一つにＲ１２３４ｙｆがあり、単一成分冷媒として、あるいは混合冷媒として使用されるようになってきた。

Ｒ１２３４ｙｆは、分子量が１１４．０、沸点はー２９．５℃、温暖化係数（１００年評価）４と小さく、従来使用されてきたＲ２２、Ｒ３２、Ｒ４１０Ａなどの冷媒に比べると動作圧力範囲は低く、圧力損失が大きいという特徴を持っている。

そして、圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成した場合、様々な条件によって理論サイクルの効率がどのような特性を示すか、冷媒の熱物性を用いて検討を行った。その結果、図２に示すように、圧縮機吸入口の過熱度が大きいほうが高い効率を示すという点において、Ｒ１２３４ｙｆは極めて特異な特性を示すことが分かった。さらに、Ｒ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒においても、Ｒ１２３４ｙｆの重量比が７０パーセントを超えると吸入口の過熱度が大きいほうが高い効率を示すことも分かった。

図２は、凝縮温度（液側）３８℃、凝縮出口３６℃、蒸発温度（ガス側）１９℃とし、吸入温度２６℃（ＳＨ７Ｋ）の時の理論ＣＯＰを、吸入温度２０℃（ＳＨ１Ｋ）の時の理論ＣＯＰで除した値を理論ＣＯＰ比とし、ＲＥＦＰＲＯＰ－Ｖ９．１を用いて各冷媒について計算した結果を示している。

これは、従来の冷媒においては、蒸発温度を基準として、蒸発器で冷媒の乾き度１．０になるまであるいは若干の過熱度が得られるよう膨張弁の開度を調整するのが望ましい。

一方、Ｒ１２３４ｙｆでは、吸込み空気の温度を基準として、蒸発器において蒸発器出口の冷媒温度を、理論的限界である吸込み空気温度にできるだけ近づけるよう膨張弁の開度を調整するのが望ましい。

従って、膨張弁開度の調整においてＲ１２３４ｙｆなどに対しては、吸込み空気温度が重要なパラメータと考え、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用する装置において、蒸発器に送られる空気の空気温度と、蒸発器出口の冷媒温度に基づいて絞り手段を調整することにより電動膨張弁の開度を適切に制御し、運転効率に優れた空気調和機を提供する。

以下図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定する意図はない。

（実施の形態１）
以下、図１を用いて実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１において、実施の形態1の空気調和機１００は、圧縮機１と、凝縮器２と、第一の送風手段８である凝縮送風機と、絞り手段３である電動膨張弁と、蒸発器４と、第二の送風手段９である蒸発送風機と、空気温度検知手段５と、冷媒温度検知手段６と、制御手段７を備える。そして、使用する冷媒は、温暖化係数の小さなＲ１２３４ｙｆである。

実施の形態１の空気調和機１００は冷房専用機となっており、凝縮器２は室外に、蒸発器４は室内に設置される。凝縮器２には、第一の送風手段８によって凝縮側空気１０が送られ、蒸発器４には、第二の送風手段９によって蒸発側空気１１が送られる。そして、蒸発器４は放熱フィン、伝熱管を有する２列のフィンチューブ式熱交換器で構成されており、温度効率を高めるため冷媒は風下列から風上列へ流れるよう構成されている。空気温度検知手段５は、蒸発器４の風上側に取り付けられており、蒸発側空気１１の温度を検知する。冷媒温度検知手段６は蒸発器４の出口配管に配置され蒸発器４を出た後の冷媒の温度を検知する。制御手段７は、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度をもとに絞り手段３の開度を設定する。

［１－２．動作］
以上のように構成された実施の形態１の空気調和機１００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、圧縮機１において冷媒Ｒ１２３４ｙｆが圧縮され、高温高圧の過熱ガス冷媒となって吐出される。そして、過熱ガス冷媒は凝縮器２において、第一の送風手段８によって供給された凝縮側空気１０によって冷却されて凝縮し、液冷媒となって絞り手段３において減圧膨張される。そして、蒸発器４で蒸発側空気１１から熱を奪い蒸発して圧縮機１の冷媒吸入口へ戻る。

この時、制御手段７は、空気温度検知手段５、冷媒温度検知手段６の検知した温度情報を利用して、空気調和機１００の運転効率が良好な状態となるよう絞り手段３の開度を調整する。

蒸発器において所定の冷却能力を発揮するためには、蒸発側空気の空気温度と冷媒の飽和温度の温度差が、冷却能力に応じた値になる必要がある。

そして、本開示の基礎となった知見等で述べたように、Ｒ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２などの従来の冷媒であれば、蒸発器において蒸発しきるぐらいの状態が望ましく、その時の圧縮機が吸入する冷媒の過熱度は自動的に決まってくる。そのため、電動膨張弁の開度制御において重要な温度情報は、蒸発器における冷媒の飽和温度と、圧縮機吸入口における冷媒温度となる。圧縮機吸入口における冷媒温度の代わりに、凝縮器における冷媒の飽和温度と圧縮機吐出口における冷媒温度を用いれば、吸入冷媒のわずかな温度変化が吐出冷媒の大きな温度変化になって検出でき、さらに精度の高い制御を行うことができる。

しかし、実施の形態１の空気調和機１００のように、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを用いた場合、蒸発器において蒸発しきるぐらいの状態が良好ではなく、蒸発器４の出口の冷媒温度が、できるだけ蒸発側空気１１の空気温度に近いほうが良好な運転効率を得ることができる。

つまり、空気調和機１００においては、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度が、重要な温度情報である。そして、この温度情報に基づいて制御手段７が絞り手段３の開度制御を行うことで、Ｒ１２３４ｙｆを冷媒として使用する空気調和機１００は、運転状況に適した絞り手段３の開度を調整し、運転効率に優れた装置を提供することができる。

さらに、蒸発器４の出口冷媒温度は、空気温度検知手段５の検知した空気温度が上限であり、実際の装置においては様々な条件に応じて空気温度よりも低めの温度が適した温度となる。従って、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度の温度差が所定の値となるよう制御を行うと、１つ変数が減じ、容易に絞り手段３の開度を調整することができる。

そして、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度の温度差の所定の値は、蒸発器４の性能や、冷却能力の指標となる圧縮機１の回転数や、第二の送風手段９の出力（回転数）に基づいて決定すると、空気調和機１００の運転状況に適した目標設定ができる。従って、空気調和機１００の運転状況に適した絞り手段３の開度調整ができる。

空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度の温度差の所定の値は、たとえば、冷媒としてＲ４５４Ｃを使用し、凝縮器側空気の乾球温度３５℃、湿球温度２４℃、蒸発器側空気の乾球温度２７℃、湿球温度１９℃の条件において、高い性能の熱交換器を使用したＣＯＰの高い装置であれば能力に応じて１℃～１０℃空気温度検知手段５の検知した空気温度が高く、それほどＣＯＰの高くない装置であれば、８℃～１８℃空気温度検知手段５の検知した空気温度が高くなり、従来の構成のままで絞り手段を調整した場合に比べ同等条件にて最大５℃程度小さくなっている。

また、蒸発器４は２列のフィンチューブ式熱交換器で構成されており、冷媒は風下列から風上列へ流れるよう構成されている。実施の形態１ではＲ１２３４ｙｆを冷媒として使用しており、過熱度が取れるほど性能が良くなる特性に適合し、蒸発器４の出口冷媒温度を空気温度に近づけることができる。従って、熱交換効率に優れた蒸発器４が得られる。

さらに、実施の形態１ではＲ１２３４ｙｆを冷媒として使用しているが、Ｒ１２３４ｙｆを含む混合冷媒であってもよい。混合する冷媒は、温暖化係数が６７５（１００年影響）と小さく、冷凍サイクルの性能に優れるＲ３２がよい。そして、図２に示したように、Ｒ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒においてＲ１２３４ｙｆの重量比が７０％を超えると、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。従って、環境影響が小さく、運転効率に優れる空気調和機が提供できる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、空気調和機１００は、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用し、圧縮機１と、凝縮器２と、絞り手段３と、蒸発器４と、空気温度検知手段５と、冷媒温度検知手段６と、制御手段７と、第一の送風手段８と、第二の送風手段９と、を備える。空気温度検知手段５は蒸発器４に送られる空気の温度を検知し、冷媒温度検知手段６は蒸発器４の出口における冷媒の温度を検知し、それぞれ制御手段７へ温度情報を伝える。制御手段７は、空気温度検知手段５の検知した空気温度と冷媒温度検知手段６が検知した冷媒温度に基づいて絞り手段３の開度を調整する。

これにより、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒の特性に適した絞り手段３の開度調整を容易に行うことができる。そのため、運転効率に優れた空気調和機を提供することができる。

本実施の形態のように、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度に基づいて絞り手段３の開度調整を行う際、空気温度と蒸発出口冷媒温度が所定の温度差となるよう制御を行ってもよい。

これにより、制御の際に扱う変数が１つ減じ、容易に絞り手段３の開度を調整することができる。そのため、制御性に優れた空気調和機１００を提供することができる。

また本実施の形態のように、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度の温度差の所定の値は、蒸発器４の性能や、冷却能力の指標となる圧縮機１の回転数や、第二の送風手段９の出力（回転数）に基づいて決定するとよい。

これにより、空気調和機１００の運転状況に応じ、空気温度検知手段５の検知した空気温度と、冷媒温度検知手段６の検知した蒸発出口冷媒温度の温度差の所定の値を設定することができ、運転条件が変化しても運転効率に優れた空気調和機１００を提供することができる。

また、蒸発器４は放熱フィンを有する複数の伝熱管で構成し、冷媒が蒸発器４の最も風上側の伝熱管から流れ出るよう伝熱管の経路を構成すると良い。

これにより、蒸発器４を出る冷媒の温度が、蒸発側空気１１の温度に最も近くなり、膨張弁制御の結果をより正しく検出することが可能となり、運転効率に優れた空気調和機１００を提供することができる。

また、冷媒が温暖化係数の小さなＲ１２３４ｙｆと、温暖化係数が比較的小さいうえに冷媒性能に優れたＲ３２の混合冷媒とし、Ｒ１２３４ｙｆも重量比を７０％以上とすると良い。

これにより、蒸発器４出口の冷媒温度を最も蒸発側空気温度に近づけることで優れた運転効率の良いができ、温暖化係数が小さく優れた性能を示す空気調和機１００を提供することができる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するための物であるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用する空気調和機に適用可能である。具体的には、ルームエアコンや、自動販売機やショーケースなどにも広く適用可能である。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 絞り手段
４ 蒸発器
５ 空気温度検知手段
６ 冷媒温度検知手段
７ 制御手段
８ 第一の送風手段
９ 第二の送風手段
１０ 凝縮側空気
１１ 蒸発側空気

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、第一の送風手段により送られた空気と熱交換して前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記冷媒を減圧膨張させる絞り手段と、第二の送風手段により送られた空気と熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを接続して冷凍サイクルを構成し、前記冷媒はＲ１２３４ｙｆを含み、前記蒸発器に送られる空気の温度を検知する空気温度検知手段と、前記蒸発器の出口における前記冷媒の温度を検知する冷媒温度検知手段と、前記絞り手段を調整する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記空気温度検知手段の検知した空気温度と前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度に基づいて前記絞り手段を調整することを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御手段が、前記空気温度検知手段の検知した空気温度と前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒温度の温度差が所定の値となるよう前記絞り手段を調整することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記所定の値が、前記蒸発器の性能や、前記圧縮機の回転数や、前記第二の送風手段の出力に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記蒸発器は放熱フィンを有する複数の伝熱管からなり、前記冷媒が前記蒸発器の最も風上側の前記伝熱管から流れ出るよう前記伝熱管の経路が構成されたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和機。
5. 前記冷媒がＲ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒であって、Ｒ１２３４ｙｆが重量比で７０％以上であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和機。

Images