JP2023028241A - 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、従来の制御では、最も効率の良いところで運転でき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、内部熱交換器５と、凝縮器側入口温度検知手段６と、蒸発器側出口温度検知手段７と、制御手段８と、第一の送風手段９と、第二の送風手段１０と、を備える。 凝縮器側入口温度検知手段６は、内部熱交換器５の凝縮器側入口の冷媒温度を検知し、蒸発器側出口温度検知手段７は、内部熱交換器５の蒸発器側出口の冷媒温度を検知し、それぞれ制御手段８へ温度情報を伝える。制御手段８は、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７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、過熱度制御の制御性を向上させ、運転状態の安定化を図るようにした冷凍サイクル装置を開示する。この冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒の熱を放熱させる凝縮器と、凝縮器から流出された冷媒の流量を調整する第１減圧装置と、第1減圧装置から流出された冷媒を気液分離する気液分離器と気液分離器で分離された液冷媒と圧縮機の吸入側の冷媒とで熱交換する内部熱交換器と、内部熱交換器で圧縮機の吸入側の冷媒と熱交換した冷媒の流量を調整する第２減圧装置と、第２減圧装置から流出された冷媒に熱を吸熱させる蒸発器と、気液分離器で分離されたガス冷媒を内部熱交換器における低圧側の入口側にバイパスするバイパス配管と、バイパス配管に設置され、バイパス配管を流れるガス冷媒の流量を調整する第３の減圧装置とを備えたことを特徴とする。

そして、第２減圧手段が、圧縮機吸入の冷媒過熱度を予め設定した目標値となるよう開度調整する冷凍サイクル装置が記載されている。

さらに、圧縮機吸入の冷媒過熱度、圧縮機吐出の冷媒温度度、圧縮機吐出の冷媒過熱度を予め設定した調整する冷凍サイクル装置において、各々の目標値は蒸発器出口の冷媒乾き度が１となるよう設定された冷凍サイクル装置が記載されている。

また、第２減圧手段が、凝縮器出口の冷媒過冷却度を予め設定してある目標値となるよう開度調整する冷凍サイクル装置が記載されている。

特許第５２４１８７２号公報

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、従来の制御では、最も効率の良いところで運転でき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、Ｒ１２３４ｙｆを含んだ冷媒を使用し、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、凝縮器と絞り手段の間の冷媒と蒸発器と圧縮機の吸入との間の冷媒の間で熱交換を行う内部熱交換器とを接続して冷凍サイクルを構成し、内部熱交換器の凝縮器側入り口の冷媒温度を検知する凝縮器側入口冷媒温度検知手段と、内部熱交換器の蒸発器側出口における冷媒の温度を検知する蒸発器側出口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、凝縮器側入口冷媒温度検知手段の検知した冷媒温度と蒸発器側出口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、内部熱交換器を用いて冷凍サイクルを構成し、内部熱交換器の凝縮器側入り口の冷媒温度を検知する凝縮器側入口冷媒温度検知手段と、内部熱交換器の蒸発器側出口における冷媒の温度を検知する蒸発器側出口冷媒温度検知手段と、凝縮器側入口冷媒温度検知手段の検知した冷媒温度と蒸発器側出口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過熱度（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（ＳＨ）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。

内部熱交換器を使用する場合においては、内部熱交換器の蒸発器側出口における冷媒乾き度が１．０、若干の過熱度が得られるようにするのが良い。

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。

そして、内部熱交換器を使用する場合には、内部熱交換器の蒸発器側冷媒は凝縮器側冷媒の入口温度を加熱限界として、内部熱交換器の性能の上限まで蒸発器側冷媒を加熱することが望ましい。

従って、内部熱交換器を使用する空気調和機などにおいて膨張弁開度の調整を行う場合、Ｒ１２３４ｙｆなどに対しては、内部熱交換器の凝縮器側冷媒の入口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、本開示では、内部熱交換器を構成要素として備え、Ｒ１２３４ｙｆを含む冷媒を使用する装置において、内部熱交の凝縮器側入り口の冷媒温度を検知する凝縮器側入口冷媒温度検知手段と、内部熱交換器の蒸発器側出口における冷媒の温度を検知する蒸発器側出口冷媒温度検知手段と、凝縮器側入口冷媒温度検知手段の検知した冷媒温度と蒸発器側出口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ことにより、絞り手段を適切制御し、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、温暖化係数の小さなＲ１２３４ｙｆを冷媒として使用し、圧縮機１と、凝縮器２と、第一の送風手段９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１０である蒸発送風機と、内部熱交換器５と、凝縮器側入口温度検知手段６と、蒸発器側出口温度検知手段７と制御手段８を備える。

実施の形態１の空気調和機１００は冷房専用機で、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９によって凝縮側空気が送られ、蒸発器４には、第二の送風手段１０によって蒸発側空気が送られる。そして、蒸発器４はフィンチューブ式熱交換器で構成されている。

内部熱交換器５は、凝縮器２から絞り手段３へ流れる凝縮器側冷媒と、蒸発器４から圧縮機１の吸入口へ流れる蒸発器側冷媒との間で熱交換を行い、圧縮機１が吸い込む冷媒を適度に過熱し、凝縮器２を出た冷媒の過冷却度を大きくして性能の向上や安定を図るものである。熱交換器の形態としては多管式熱交換器やプレート式熱交換器などがよく使用される。この時、凝縮器側冷媒の流れと蒸発器側冷媒の流れが対向するよう構成すると温度効率が向上し、効率の良い装置を実現することができる。

凝縮器側入口温度検知手段６は、内部熱交換器に流入する凝縮器側冷媒の温度を検出するため配置される。蒸発器側出口温度検知手段７は、内部熱交換器から流出する蒸発器側冷媒の温度を検出するため配置される。

そして、制御手段８は、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７冷媒温度に基づいて絞り手段３の開度を設定する。

実施の形態１の空気調和機１００は冷房専用機であるが、ヒートポンプ式の暖房機や冷暖兼用機においても同様の効果が得られることに変わりはない。

［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において冷却されて凝縮し、液冷媒あるいは大半が液の気液二相状態となって内部熱交換器５の凝縮器側冷媒入口に送られ、圧縮機１の吸入口へ戻る冷媒により冷却される。

内部熱交換器５で冷却された高圧冷媒は、絞り手段３へと流れ、そこで減圧膨張される。そして、蒸発器４で蒸発側空気から熱を奪い蒸発したのち、内部熱交換器５の蒸発器側冷媒入口へ流入し、内部熱交換器５内の凝縮器側冷媒を冷却し、自身は加熱されて圧縮機１の冷媒吸入口へ戻る。

この時、制御手段８は、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７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、蒸発器において冷媒がちょうど蒸発しきる状態が望ましい。内部熱交換器を使用する場合であれば、内部熱交換器の低圧側冷媒出口において冷媒がちょうど蒸発しきる状態が望ましい。

そして、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、内部熱交換器を使用する場合に、電動膨張弁の開度制御にとって重要な温度情報は、内部熱交換器の蒸発器側冷媒出口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、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、内部熱交換器５の蒸発器側冷媒出口においてちょうど蒸発しきる状態が良好ではなく、内部熱交換器５の蒸発器側冷媒出口の冷媒温度が、最後の熱源となる内部熱交換器５の凝縮器側冷媒入口の冷媒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、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７の検知した冷媒温度が、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８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、内部熱交換器５は、凝縮器側冷媒の流れと蒸発器側冷媒の流れが対向するよう構成されている。従って、高い温度効率を得ることができる。

さらに、内部熱交換器５の低圧側冷媒出口の冷媒温度は、凝縮器側入口温度検知手段６の検知した冷媒温度が上限であり、実際の装置においては様々な条件に応じてその冷媒温度よりも低めの温度が適した温度となる。従って、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７した冷媒温度の温度差が所定の値となるよう制御を行うと、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。

そして、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７した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１０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。

凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７した冷媒温度の温度差の所定の値は、たとえば、Ｒ４５４Ｃを冷媒として使用し、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、十分大きな能力の内部熱交換器を使用した場合、能力などに応じて３℃～６℃凝縮器側入口温度検知手段６の温度が高くなり、能力が小さめの内部熱交換器を使用した場合６℃～１５℃凝縮器側入口温度検知手段６の温度が高くなる。

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、内部熱交換器５と、凝縮器側入口温度検知手段６と、蒸発器側出口温度検知手段７と、制御手段８と、第一の送風手段９と、第二の送風手段１０と、を備える。 凝縮器側入口温度検知手段６は、内部熱交換器５の凝縮器側入口の冷媒温度を検知し、蒸発器側出口温度検知手段７は、内部熱交換器５の蒸発器側出口の冷媒温度を検知し、それぞれ制御手段８へ温度情報を伝える。制御手段８は、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７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。

また、本実施の形態のように、内部熱交換器５は、凝縮器側冷媒の流れと蒸発器側冷媒の流れが対向するよう構成されている。

これにより、高い温度効率が得られ、効率の良い装置を実現することができる。

また、本実施の形態のように、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７の検知した冷媒温度に基づいて絞り手段３の開度調整を行う際、凝縮器側入口冷媒温度と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、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７の検知した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１０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、凝縮器側入口温度検知手段６と蒸発器側出口温度検知手段７の検知した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、冷媒がＲ１２３４ｙｆと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、温暖化影響が小さいうえに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 内部熱交換器
６ 凝縮器側入口温度検知手段
７ 蒸発器側出口温度検知手段
８ 制御手段
９ 第一の送風手段
１０ 第二の送風手段

Claims (5)

1. Ｒ１２３４ｙｆを含んだ冷媒を使用し、前記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、前記凝縮器と前記絞り手段の間の前記冷媒と前記蒸発器と前記圧縮機の吸入との間の前記冷媒の間で熱交換を行う内部熱交換器とを接続して冷凍サイクルを構成し、前記内部熱交換器の前記凝縮器側入口の前記冷媒の温度を検知する凝縮器側入口冷媒温度検知手段と、前記内部熱交換器の前記蒸発器側出口の前記冷媒の温度を検知する蒸発器側出口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、前記凝縮器側入口冷媒温度検知手段の検知した冷媒温度と前記蒸発器側出口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. 前記内部熱交換器は、前記凝縮器側の冷媒の流れ方向と前記蒸発器側の冷媒の流れ方向が対向するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記制御手段が、前記凝縮器側入口の冷媒温度と前記蒸発器側出口の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又は２に記載の空気調和機。
4. 前記所定の値が、前記圧縮機の回転数や、前記第二の送風手段の回転数に基づいて決定されることを特徴とする請求項３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。

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