JP3336874B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は特に作動流体に非
共沸冷媒を用い、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用する空気
調和機に関し、配管長分の冷媒を予め室外機に封入する
空気調和機に好適である。

【０００２】

【従来の技術】 作動流体に非共沸冷媒を用い、配管長
分の冷媒を予め室外機に封入する空気調和機において、
封入した冷媒量に相当する配管長より短い配管長で使用
した時、余剰冷媒がアキュムレータに貯留されて起きる
循環組成の変動を回避した上、液接続配管中の冷媒を二
相状態にして冷凍サイクルの冷媒使用量を低減する方法
が、例えば特開平７−３２４８３３に開示されている。

【０００３】本例では、室内機および室外機の双方に膨
脹装置を配設することで、冷房運転あるいは暖房運転の
何れの場合であっても、液接続配管内の冷媒状態を気液
二相流としている。そして両膨脹装置の間に配設され、
余剰冷媒を貯留するレシーバに気液混合手段を設けるこ
とで、二相流となる管路中であっても余剰冷媒を貯留可
能としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】 一般に膨脹装置の流
量特性は、冷房あるいは暖房能力や運転効率などの性能
を高くし、空気調和機の運転される全ての条件におい
て、潤滑油粘度、電動機コイル温度、軸受け荷重などを
異常にしたり、冷凍サイクルに使用される部品を壊した
りしないように決定する必要がある。

【０００５】したがって、膨脹装置の使用箇所が多いほ
ど設計上のパラメータが増える上、部品も増加するた
め、開発期間の増大やコスト上昇の原因となる。◆ま
た、最近の空気調和機は、インバータや極数変換による
電動機回転数可変冷媒圧縮機や、バイパス回路を利用す
るなどして、冷媒循環量が変化するものが多く、この変
化に対応するために電動膨脹弁のような弁開度を可変で
きる構造の膨脹装置が適用されている。

【０００６】さらに、多室空気調和機では膨脹装置は、
室内機間の冷媒流量バランスを調節するために電動膨脹
弁の使用が必須とされている。◆上記従来の技術では、
膨脹装置の使用箇所が多く、冷房および暖房の両方で少
なくとも２つづつ、計４つの膨脹装置の流量特性の仕様
を決める必要があり、構造を複雑にせざるを得ない問題
がある。

【０００７】また、電動膨脹弁はパルスモータやギヤ駆
動部など機構が複雑であるために、コストが高い上に故
障の要因ともなり、水分や熱や振動などを嫌うため取り
扱いが難しく、冷凍サイクルへの使用個数は極力少なく
することが望ましい。

【０００８】本発明の目的は、非共沸冷媒を作動流体に
使用し、配管分の冷媒量を予め室外機に封入する空気調
和機において、循環組成の変動を抑制し、液接続配管中
の冷媒を二相状態にして冷凍サイクルの冷媒使用量の低
減を実現した上に、電動膨脹弁の使用個数を最少とし、
かつ圧縮機の容量可変や室内機の接続台数の違いに関わ
らず同一構成の室内機を使えるようにして簡易な構造の
空気調和機を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷媒圧縮機、
四方弁、室外熱交換器、室外膨脹装置、を備えた室外機
と、室内熱交換器を備えた室内機と、を液接続配管及び
ガス接続配管で接続し、沸点の異なる２成分以上の物質
を混合してなる非共沸冷媒を冷媒とする冷凍サイクルを
有する空気調和機において、絞り量が設定可能な電動膨
脹弁とされ前記室内機に設けられた前記室内膨脹装置
と、前記室内膨脹装置と前記室外膨脹装置の間で前記冷
凍サイクル内の余剰冷媒を保有するように前記室外機に
設けられ、前記冷媒の混合手段として冷房ガス戻し穴の
設けられた導出管と暖房ガス戻し穴の設けられた導出管
をそれぞれ備え、余剰冷媒を前記レシーバの入口のかわ
き度により貯留するレシーバと、暖房運転時に前記室内
膨脹装置から前記室外熱交換器へ冷媒を流し、冷房運転
時に冷媒の通過を阻止する逆止弁と、前記室外熱交換器
の最下段に一体にされ前記室外熱交換器と前記室外膨脹
装置との間となるように配置された冷房過冷却器と、を
備え、冷房運転の場合、前記室外熱交換器で凝縮した冷
媒は前記室外膨脹装置で気液二相状態となるように絞ら
れ、前記レシーバに入り気層と液層に分離され、前記室
内機に搬送されて前記圧縮機吸入側の加熱度が付くよう
に制御された前記室内膨脹装置で減圧されて蒸発し、暖
房運転の場合、前記室内熱交換器で凝縮した冷媒は前記
圧縮機吸入側の加熱度が付くように制御された前記室内
膨脹装置で絞られ、前記室外機に搬送されて前記前記レ
シーバへ入り気液二相状態で導出されて逆止弁を通過
し、前記室外熱交換器へ入り蒸発するものである。

【００１０】また、上記のものにおいて、室外熱交換器
の最下段に一体にされ室外熱交換器と室外膨脹装置との
間となるように配置された冷房過冷却器を備えたことが
望ましい。

【００１１】また、上記のものにおいて、冷房過冷却器
と前記室外膨脹装置との間にドライヤを設け、暖房運転
の場合、前記室外膨脹装置、前記ドライヤ、前記冷房過
冷却器に一部の冷媒を流すことが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して実施の形態
を説明する。図１は、第１の実施の形態を示す冷凍サイ
クルの構成図である。１は圧縮機、２は四方弁、３は室
外熱交換器、４は冷房過冷却器、５は逆止弁、６はドラ
イヤ、７はキャピラリチューブ、８はレシーバ、１３は
アキュムレータ、１５は室外送風機であり、室外機２０
を構成する。また、１０は電動膨脹弁、１１は室内熱交
換器、１６は室内送風機であり、室内機２１を構成す
る。

【００１３】さらに、室内機２１は、９液接続配管、１
２ガス接続配管で室外機２０に連結され、空気調和は、
圧縮機１、室外送風機１５、室内送風機１６の運転によ
り、空気と熱交換して行なわれる。◆また、レシーバ８
の２本の冷媒導入出管には、１７冷房ガス戻し穴、１８
暖房ガス戻し穴がそれぞれ設けられている。

【００１４】ここで、電動膨脹弁１０を室内機２１に配
置しているので、圧縮機１の容量が可変あるいは固定速
である違いや、室内機２１が単独か複数台かの違いに関
わらず、室内機２１の構成を変えることなく、各々の製
品群に対し共通のものとして使用できる。

【００１５】冷凍サイクルの作動流体としてはオゾン層
を破壊しないハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）から
構成される非共沸冷媒を使用するもので、例えばジフル
オロメタン、ペンタフルオロエタン、１，１，１，２−
テトラフルオロエタンの三種類で構成されるＲ４０７番
台の冷媒で、例えば各々が２３：２５：５２重量％で構
成されているＲ４０７Ｃが挙げられる。

【００１６】非共沸冷媒の特徴として飽和域の温度勾配
が挙げられ、単一組成の冷媒の場合、飽和域で一定圧力
下の場合冷媒の温度は一定であるが、非共沸冷媒は温度
勾配によりかわき度に従い飽和温度が変化する。このた
め、例えばＲ４０７Ｃではかわき度が小さくなるほど飽
和温度が低下するので、凝縮器出口では過冷却液冷媒の
温度が低下してしまい満足な過冷却度を得られない場合
がある。また、蒸発器では平均飽和温度に大きな差が無
くても最低温度はより低い温度となるので、着霜し易く
なる問題がある。

【００１７】本発明では、室外機２０について、非共沸
冷媒であっても冷房運転時の過冷却度を付け易くすると
ともに、暖房運転時に着霜量が増えて除霜時間が増加し
ないよう、暖房運転時はバイパスされる冷房過冷却器４
を設けて性能を向上している。冷房過冷却器４は冷媒通
路数を室外熱交換器３より少くされていて、室外熱交換
器３の最下段に一体に構成している。

【００１８】また、冷媒と組み合わせる冷凍機油とし
て、冷凍サイクル内の油戻り性の観点から相溶性のある
エステル系、エーテル系、またはカーボネート系冷凍機
油を使用する。これらの冷凍機油はＨＦＣ冷媒と溶解性
を持たせるために、カルボニル基やエーテル結合など酸
素原子導入による極性分子を基材に使用しているので親
水性も高く、飽和水分量が常温で１０００ｐｐｍを越え
るような高吸湿性となり、現場作業や管理状態によって
冷凍機油より水分が冷凍サイクル中に侵入する恐れがあ
る。水分が侵入すると冷凍機油の分解や腐食を促進する
ので、信頼性が低下する問題があり、水分を除去するド
ライヤを設置する必要がある。従来、乾燥剤の磨耗防止
の観点から乾燥剤の動きを抑制し易くするために、一般
的には流れ方向が一方向でしか使用出来ないものが多
く、流れ方向が正逆に切り変わるヒートポンプ形空調機
では整流のための回路など複雑な構造が必要となる。本
実施例では、合成ゼオライトにより構成されるドライヤ
６を冷房過冷却器４出口側に設置することで、一方向タ
イプのものを使用可能としている。◆なお、冷媒の封入
量は、予め決められた長配管分の冷媒が封入されてお
り、それより短い接続配管長で使用する場合は余剰冷媒
が発生する。

【００１９】冷凍機油はＨＦＣと溶解性のあるエステル
系、エーテル系、またはカーボネート系冷凍機油を使用
するもので、高吸湿性である上、水分が存在すると加水
分解や酸化劣化が促進され、信頼性低下の原因となるも
のである。そこで、冷凍サイクル中の水分を吸着する例
えば合成ゼオライトにより構成されるドライヤ６を設置
している。◆さらに、冷房過冷却器４は室外熱交換器３
の最下段に一体に構成し、除霜時間の短縮を図ってい
る。

【００２０】次に本発明の動作を説明する。冷房運転の
場合、冷媒は図で実線矢印の方向に流れ、圧縮機１から
吐出されたガス冷媒は四方弁２を通過し複数の冷媒通路
で構成する室外熱交換器３で凝縮する。

【００２１】その後通路を合流した冷媒は閉じている方
向の逆止弁５を流れず、冷房過冷却器４に流れて過冷却
する。冷房過冷却器４の冷媒通路数は室外熱交換器３よ
りも少ないので、流速が増加して冷媒側の熱伝達率を上
昇させることができる。

【００２２】その後、液冷媒はドライヤ６を通過し、液
冷媒中の水分が吸着される。次にキャピラリチューブ７
は過冷却された液冷媒の第一段目の膨張装置であるの
で、絞られた冷媒は気液二相状態になる。気液二相状態
の冷媒はレシーバ８に入り、気層と液層に分離する。レ
シーバ８の導出管は下方の管端より液層から液冷媒を導
出し、導出管上部よりガス冷媒を導出する１７冷房ガス
戻し穴により、混合され気液二相流を作り出すことがで
きる。以上の結果、液接続管９内の冷媒はガス、液混在
状態になるので、液単相で流れる場合より冷媒存在量を
低減した状態で、室内機２１に冷媒を搬送できる。

【００２３】次に電動膨張弁１０は第二段目の膨張装置
であるので、ここで主に減圧されて蒸発器となる室内熱
交換器１１に送られた冷媒が蒸発し、室内空気は冷却さ
れる。蒸発した冷媒はガス接続配管１２を通過し、室外
機２０に冷媒が戻される。そして四方弁２、アキュムレ
ータ１３を通過して、圧縮機１吸入側に戻る。

【００２４】ここで、レシーバ８の導出管の冷房ガス戻
し穴１７の径は、冷媒封入量が最大となる接続配管長が
最大のときに、液接続配管９内の冷媒存在量が所望の量
となるようなかわき度にするよう、ガス戻し量を設定す
ることができる。なお、接続配管長が最大よりも短い場
合など、冷凍サイクルに余剰な冷媒が存在する場合は、
８レシーバ入口のかわき度と１７冷房ガス戻し穴径で設
定したかわき度がバランスするように、８レシーバ内に
冷媒が貯留される。

【００２５】また、キャピラリチューブ７の内径及び長
さできまる絞り量は、過冷却度を適切にして、成績係数
が最大になるように決定することができる。◆なお、ド
ライヤは室外膨脹装置の冷媒側入口直前で冷凍サイクル
内の水分を吸着し、複雑な整流回路を持つことなく、一
方向流れ用のドライヤを用いることができる。

【００２６】次に暖房運転の場合を説明する。暖房運転
では、四方弁２の切り替えにより、点線矢印の向きに冷
媒が流れる。圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁
２、ガス接続配管１２を通過し、室内熱交換器１１で放
熱して凝縮し、暖房を行う。

【００２７】凝縮液は電動弁１０で絞られ膨張し、液接
続配管９内を気液二相流で搬送され室外機２０へ送られ
る。そして、液接続配管９の圧力損失によりさらに大き
なかわき度になった冷媒は、冷房同様の働きをするレシ
ーバ８で気液分離し二相状態で導出される。この後、冷
媒の殆どは逆止弁５を通過して室外熱交換器３に送られ
るが、キャピラリチューブ７、ドライヤ６、冷房過冷却
器４にもごく一部の冷媒が逆止弁５との圧力損失の比率
で若干流れる。したがってドライヤ６では冷媒中の水分
が吸着されとともに、４冷房過冷却器は蒸発器として殆
ど機能しないので、氷結の成長がない。

【００２８】蒸発器となる室外熱交換器３に入った二相
の冷媒は、蒸発してかわき度の大きな状態になり、四方
弁２、アキュムレータ１３を通過して圧縮機１に戻る。

【００２９】レシーバ８の導出管の暖房ガス戻し穴１８
の径は、８レシーバ後流側の膨脹装置を不要とできるか
わき度、すなわち８レシーバ出口の冷媒状態が、ほぼ蒸
発器入口のかわき度になるようなガス戻し量となる径に
設定されている。また冷房同様、８レシーバ入口のかわ
き度により８レシーバ容器内に余剰冷媒が貯留される。
このようなかわき度設定により、冷房のような第二段目
の膨張装置を設置する必要が無く、仕様決定など設計上
パラメータを減少することができる。

【００３０】なお、冷房および暖房いずれの場合におい
ても、１０電動膨張弁は１圧縮機吸入側の加熱度が少し
付くように制御することで、１３アキュムレータに余剰
液冷媒が溜まることを防止でき、循環組成が大きく変動
してしまうことが無いうえ、湿り圧縮により１圧縮機の
効率が悪い状態で運転されることが無く、空気調和機の
効率がより良い状態で運転することができる。

【００３１】次に、本発明の第２の実施の形態を示す。
図２は第２の実施の形態の冷凍サイクル構成図を示して
おり、レシーバ８をアキュムレータ１３と一体に形成し
ている以外は構成、動作とも第１の実施の形態と同様で
ある。

【００３２】レシーバ８とアキュムレータ１３を一体に
形成したことで、隔壁１４が伝熱面として作用し、温度
の高いレシーバ８側から温度の低いアキュムレータ１３
へ熱移動する。これにより、蒸発器入り口の冷媒はエン
タルピが減少し、圧力損失の小さい状態で蒸発器を冷媒
が通過するとともに、圧縮器吸入側の冷媒は過熱され、
圧縮器の性能が良好なところで運転できるため、その相
乗で冷凍サイクルの効率が改善され、ＣＯＰを向上させ
ることができる。つまり、冷媒圧縮装置の吸入側直前に
あって、四方弁との間になる位置にアキュムレータを設
置し、アキュムレータとレシーバとを伝熱面として作用
する隔壁を介し一体容器に構成することは、性能の向上
を図るうえで好適である。

【００３３】以上、いずれの実施の形態においても、室
内機膨脹装置を１０電動膨張弁として電動式の可変絞り
としたため、空気条件が大きく変化した場合や、圧縮機
１をインバータなどによる回転数制御やバイパスによる
容量可変とした場合でも、電動膨張弁１０により冷媒の
循環量に適応した絞り量を設定することで、最適な冷凍
サイクルを形成できる。◆また、図３に示すような、２
１室内機が複数台数接続される場合においても、電動膨
張弁１０による開度バランス制御により適正な冷凍サイ
クルを形成できる。 このように、電動膨脹弁を室内機
に設置したので、冷媒圧縮装置が固定速であるか容量可
変タイプであるかの違いや、室内機の接続台数の如何に
関わらず、同一の構成の室内機とすることができ、製品
群に依存せず共用化した室内機にできるので、製品在庫
を減らすことができる。

【００３４】図４は第３の実施の形態を示し、電動膨張
弁３０を室外機側に設置し、室内側に冷房運転時は逆止
弁３５によりバイパスされるキャピラリチュ−ブによる
暖房膨張装置を有している。本例は室内機を小型化でき
る。

【００３５】また、本発明によれば、室外膨脹装置を冷
房運転時のみ使用する上、キャピラリチューブあるいは
オリフィスのような簡易な構造の固定抵抗で構成したの
で、絞り内径や長さなどの仕様の決定を冷房運転だけを
考慮して決めればよい。よって、設計、開発工数を削減
することが出来、非共沸冷媒を用いても組成変動なく冷
媒使用量を低減した空気調和機を安価に、かつ早く得る
ことが出来る。

【００３６】さらに、本発明によれば、暖房運転時に低
温となる室外機熱交換器において、除霜運転時に融解し
た水分が室外機熱交換器下方にたまり氷塊を成長させる
ことが無いので、除霜時間を短縮することができ、空気
調和機の性能を向上することができる。

【００３７】さらに、ドライヤ６は、冷房時は全冷媒循
環量の過冷却液冷媒が通過し、暖房時は冷媒循環量のご
く一部が通過するので、流通量が多く乾燥剤の磨耗が少
ない点で有利な一方向流れ用のドライヤを冷房運転時の
流れ方向に用いることができる。したがって、複雑な整
流回路を持つことなく、ドライヤを冷凍サイクルへ設置
して冷凍機油の劣化の原因となる水分を除去できるの
で、安価に信頼性を向上できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、非共沸冷媒を作動流体
に使用し、配管分の冷媒量を予め室外機に封入する空気
調和機において、循環組成の変動を抑制し、液接続配管
中の冷媒を二相状態にして冷凍サイクルの冷媒使用量の
低減を実現し、電動膨脹弁の使用個数を最少とし、かつ
圧縮機の容量可変や室内機の接続台数の違いに関わらず
同一構成の室内機を使える空気調和機を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における冷凍サイク
ル構成を示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施の形態における冷凍サイク
ル構成を示すブロック図。

【図３】室内機が複数台設置された場合の冷凍サイクル
構成を示すブロック図。

【図４】本発明の第３の実施の形態における冷凍サイク
ル構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…冷房
過冷却器、５…逆止弁、６…ドライヤ、７…キャピラリ
チューブ、８…レシーバ、９…液接続配管、１０…電動
膨脹弁、１１…室内熱交換器、１２…ガス接続配管、１
３…アキュムレータ、１４…隔壁、１５…室外送風機、
１６…室内送風機、１７…冷房ガス戻し穴、１８…暖房
ガス戻し穴、２０…室外機、２１…室内機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浦田 和幹 静岡県清水市村松390番地 株式会社 日立製作所 空調システム事業部内 (72)発明者 坪江 宏明 静岡県清水市村松390番地 株式会社 日立製作所 空調システム事業部内 (72)発明者 出石 峰敏 静岡県清水市村松390番地 株式会社 日立製作所 空調システム事業部内 (56)参考文献 特開 平７−324833（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−294044（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−178451（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−213518（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−97654（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−145489（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−233386（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−178764（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 F25B 13/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外
   膨脹装置、を備えた室外機と、室内熱交換器を備えた室
   内機と、を液接続配管及びガス接続配管で接続し、沸点
   の異なる２成分以上の物質を混合してなる非共沸冷媒を
   冷媒とする冷凍サイクルを有する空気調和機において、 絞り量が設定可能な電動膨脹弁とされ前記室内機に設け
   られた前記室内膨脹装置と、 前記室内膨脹装置と前記室外膨脹装置の間で前記冷凍サ
   イクル内の余剰冷媒を保有するように前記室外機に設け
   られ、前記冷媒の混合手段として冷房ガス戻し穴の設け
   られた導出管と暖房ガス戻し穴の設けられた導出管をそ
   れぞれ備え、余剰冷媒を前記レシーバの入口のかわき度
   により貯留するレシーバと、 暖房運転時に前記室内膨脹装置から前記室外熱交換器へ
   冷媒を流し、冷房運転時に冷媒の通過を阻止する逆止弁
   と、を備え、冷房運転の場合、前記室外熱交換器で凝縮した冷媒は前
   記室外膨脹装置で気液二相状態となるように絞られ、前
   記レシーバに入り気層と液層に分離され、前記室内機に
   搬送されて前記圧縮機吸入側の加熱度が付くように制御
   された前記室内膨脹装置で減圧されて蒸発し、 暖房運転の場合、前記室内熱交換器で凝縮した冷媒は前
   記圧縮機吸入側の加熱度が付くように制御された前記室
   内膨脹装置で絞られ、前記室外機に搬送されて前記前記
   レシーバへ入り気液二相状態で導出されて逆止弁を通過
   し、前記室外熱交換器へ入り蒸発する ことを特徴とする
   空気調和機。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記室外
   熱交換器の最下段に一体にされ前記室外熱交換器と前記
   室外膨脹装置との間となるように配置された冷房過冷却
   器を備えたことを特徴とする空気調和機。
3. 【請求項３】請求項２に記載のものにおいて、前記冷房
   過冷却器と前記室外膨脹装置との間にドライヤを設け、
   暖房運転の場合、前記室外膨脹装置、前記ドライヤ、前
   記冷 房過冷却器に一部の冷媒を流すことを特徴とする空
   気調和機。