JP4468888B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、過冷却器を備えた空気調和装置に関する。

空気調和装置は、圧縮機から吐出させた冷媒を室外機熱交換器と、室内熱交換器との間で循環させて冷房運転や暖房運転を行うように構成されている。ここで、空気調和装置には、冷房時に室外熱交器で凝縮させた高温の冷媒と、圧縮機に吸引される低温低圧の冷媒とを熱交換させ、高温高圧の冷媒を過冷却する過冷却器（冷媒熱交換器）を備えるものがある。過冷却器は、低温低圧の冷媒が通る内管の外側に高温高圧の冷媒が相反する方向に流れる外管が設けられた二重管構造を有している。従来の空気調和装置では、過冷却器の外管に接続される冷媒配管と、内管に接続される冷媒配管とを絞り付きバイパス回路でバイパスさせ、高圧側から低圧側に飽和ガスを戻すように構成し、低温低圧のガス冷媒の過熱度が大きくなり過ぎることを防止している（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１７８４５０号公報

この種の空気調和装置では、絞り付きバイパス回路は絞りによって減圧する構成になっているが、バイパス回路を流れる冷媒の流量の調整ができないため、空調負荷が大きくなった場合には、圧縮機に吸引される冷媒の過熱度を減少させることができず、圧縮機入力が増加してしまうので好ましくない。また、空調負荷が小さくなった場合には、液冷媒が圧縮機に吸引され、圧縮機の信頼性が低下する原因となる。これを解決する手段としては、絞り付きバイパス回路に、流量調整可能な電子膨張弁等を設け、圧縮機に吸引される冷媒の過熱度を制御することが考えられる。

しかしながら、絞り付きバイパス回路を通る冷媒の流量を制御しても、高温高圧の液冷媒の一部が絞り付きバイパス回路を通って圧縮機に吸引されることになるので、室内機を循環する冷媒の量が減少してしまい、冷房能力を低下させていた。また、暖房運転時には、絞り付きバイパス回路を通る冷媒の量をゼロに設定しても、外気の温度が低いときには室外熱交換器で蒸発しきれなかった液冷媒がアキュムレータのオイル戻し孔を通って過冷却器に流入する。このため、過冷却器の能力が向上し、その分だけ外管を流れる冷媒から熱を奪ってしまって暖房能力を低下させていた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷房能力や暖房能力を低下させることなく、圧縮機に吸引される冷媒の過熱度を小さく保つことを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明は、圧縮機で圧縮した冷媒を室外機と室内機とに循環させ、冷媒の循環経路中に形成した過冷却器で低温の冷媒と高温の冷媒とを熱交換させる空気調和装置において、前記室外機の熱交換器は、第１熱交換器と第２熱交換器とを気液分離器を介して接続した構成を有し、前記気液分離器で分離された飽和液冷媒を前記過冷却器の手前で低温の冷媒に合流するようにバイパス配管で接続し、前記バイパス配管には冷媒の通流を制御可能な流量弁を設けたことを特徴とする空気調和装置とした。

この空気調和装置では、冷房運転時に第１熱交換器で気液の二相冷媒が形成され、この二相冷媒が気液分離器に流入する。二相冷媒のうちで飽和ガス冷媒のみが第２熱交換器に流入し、第２熱交換器での凝縮に寄与しない液冷媒は第２熱交換器に流入しない。気液分離器に滞溜する飽和液冷媒は、過冷却器の低温側の冷媒と合流すべく流入する。過冷却器では、高温の冷媒から伝達される熱が気液分離器から流入する液冷媒の蒸発に利用されるので、過冷却器から流出する低温側の冷媒の温度上昇を抑える。また、暖房運転時には、気液分離器から飽和液冷媒が第１熱交換器に流入し、蒸発に寄与しないガス冷媒は第１熱交換器に流入しない。

本発明によれば、第１熱交換器と第２熱交換器の間に気液分離器を設けることで、冷房運転時に第２熱交換器での凝縮に寄与しない液冷媒が第２熱交換器に流入しないようにしたので、第２熱交換器における熱交換の効率が向上する。したがって、冷房能力の低下が防止される。また、暖房運転時には、蒸発に寄与しないガス冷媒が第１熱交換器に流入しないようにしたので、暖房能力の低下が防止される。さらに、冷房運転時に気液分離器の飽和液冷媒を過冷却器の低温側の冷媒として流入させるので、低温側の冷媒の過熱を防止でき、圧縮機の入力負荷を低減できる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に本発明の実施の形態に係る空気調和装置の構成を示す。空気調和装置１は、室外機２と、複数の室内機３とを配管接続した構成を有し、制御装置４によって運転制御される。
室外機２は、圧縮機１０を有し、圧縮機１０の吐出口に接続された吐出配管１１は、四方弁１２の第１のポート１２Ａに接続されている。四方弁１２は、４つのポートを有し、第１のポート１２Ａと第２のポート１２Ｂが接続されたときには、第３のポート１２Ｃと第４のポート１２Ｄとが接続される。また、第１のポート１２Ａと第３のポート１２Ｃが接続されたときには、第２のポート１２Ｂと第４のポート１２Ｄが接続される。第２のポート１２Ｂに接続された配管１３は、室外熱交換器を構成する第１熱交換器１４の一方の流入出口に接続されている。第１熱交換器１４の他方の流入出口には、配管１５が接続されており、配管１５は気液分離器１６に引き込まれ、気液分離器１６の液冷媒部分に浸漬されている。

気液分離器１６は、液冷媒が貯溜される液冷媒部分と、ガス冷媒が滞溜するガス冷媒部分とを有し、ガス冷媒部分は、配管１７によって室外熱交換器を構成する第２熱交換器１８の一方の流入出口に接続されている。第２熱交換器１８と第１熱交換器１４とには、室外ファン１９によって外気が送気されるように構成されている。また、第２熱交換器１８の他方の流入出口には、配管２０が接続されており、この配管２０は途中に暖房用膨張弁２１が設けられた後に、過冷却器２２に接続されている。なお、暖房用膨張弁２１の手前には、気液分離器１６の液冷媒部（底部）に接続された配管２７が接続されている。配管２７には、逆止弁２８が設けられている。逆止弁２８は、気液分離器１６から配管２０に向けて液冷媒を流すが、反対方向には冷媒を流さないように設定されている。

過冷却器２２は、内管２３の外周に外管２４が設けられた二重管構造を有する。外管２４の一端部２４Ａに前記した配管２０が接続され、外管２４の他端部２４Ｂには液管２５が接続されている。液管２５は、開閉弁２６から先が室外機２の外に延び、各室内機３に分岐して引き込まれている。
室内機３では、膨張弁３０が設けられた後に室内熱交換器３１の一方の流入出口に接続されている。室内熱交換器３１には、室内ファン３２によって空気が送気されるように構成されている。室内熱交換器３１の他方の流入出口には、ガス管３３が接続されている。ガス管３３は、各室内機３から引き出されて合流し、開閉弁３４から先が室外機２に引き込まれて、四方弁１２の第３のポート１２Ｃに接続されている。

四方弁１２の第４のポート１２Ｄは、配管４０を介してアキュムレータ４１に接続されている。アキュムレータ４１の出口には、配管４２が接続されており、配管４２は、過冷却器２２の内管２３の一方の端部２３Ａに接続されている。さらに、配管４２には、気液分離器１６の液冷媒部分（底部）から延びるバイパス配管４５が合流している。バイパス配管４５は、途中に電子制御可能な流量弁４６が設けられている。過冷却器２２の内管２３の他方の端部２３Ｂには、吸引管４７が接続されており、吸引管４７は圧縮機１０の吸引口に接続されている。

ここで、過冷却器２２の内管２３の入口側、つまり配管４２においてバイパス配管４５が合流した後に、冷媒の温度（過冷却器入口温度）を検出可能な温度センサ５０が設けられている。さらに、吸引管４７にも冷媒の温度（過冷却器出口温度）を検出可能な温度センサ５１が設けられている。これら温度センサ５０，５１の出力は、制御装置４に含まれる冷房用制御装置５２に接続されている。冷房用制御装置５２は、過冷却器入口温度と過冷却器出口温度の差（過熱度）が所定の値、例えば、２Ｋになるように流量弁４６の開度を調整するように構成されており、温度検知手段５３と、過熱度演算手段５４と、過熱度判定手段５５と、流量弁駆動手段５６とに機能分割される。各手段５３〜５６の処理の詳細は、後に説明する。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
空気調和装置１を冷房運転するときには、四方弁１２を第１のポート１２Ａと第２のポート１２Ｂを接続し、第３のポート１２Ｃと第４のポート１２Ｄを接続する。
圧縮機１０から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２から第１熱交換器１４に流入する。第１熱交換器１４では、一部のガス冷媒が熱交換によって液冷媒になる。第１熱交換器１４で形成された気液の二相冷媒は、気液分離器１６に流入して、飽和状態のガス冷媒と飽和状態の液冷媒とに分離される。飽和ガス冷媒は、第２熱交換器１８に導かれて熱交換によって高温高圧の液冷媒になる。また、気液分離器１６中の飽和液冷媒は、配管２７を通って配管２０と合流する。これにより、第２熱交換器１８には、飽和ガス冷媒のみを流すことができる。液冷媒は、開放された暖房用膨張弁２１を通って過冷却器２２の外管２４に流入する。なお、逆止弁２８が機能するので、液冷媒が気液分離器１６に逆流することはない。

過冷却器２２では、内管２３を流れる低温低圧のガス冷媒と熱交換して過冷却され、外管２４から液管２５に流出して各室内機３に導かれる。各室内機３では、膨張弁３０で減圧された後に室内熱交換器３１で熱交換して気化し、このときの吸収する気化熱で室内熱交換器３１の周囲の空気を冷却する。冷却された空気は、室内ファン３２によって室内に送気され、室内を冷房する。

室内熱交換器３１で形成された低圧のガス冷媒は、ガス管３３から室外機２に戻り、四方弁１２からアキュムレータ４１を通り過冷却器２２の内管２３に流入する。ガス冷媒は、過冷却器２２の手前で気液分離器１６から供給される飽和液冷媒が混合されて二相冷媒となる。二相冷媒は、過冷却器２２で、外管２４を流れる高温高圧の液冷媒と熱交換する。高温高圧の液冷媒から受け取る熱量は、主に液冷媒の蒸発に用いられる。その結果、過冷却器２２の内管２３からは、比較的に温度の低い低圧のガス冷媒が流出する。このガス冷媒は、圧縮機１０に吸引され、再び圧縮された後に吐出される。

ここで、過冷却器２２の内管２３の入り口側に設けられた温度（過冷却器入口温度）と、内管２３の出口側に設けられた温度（過冷却器出口温度）とは、冷房用制御装置５２の温度検知手段５３に入力される。温度検知手段５３は、各温度センサ５０，５１の検出結果を過熱度演算手段５４に出力する。過熱度演算手段５４は、過冷却器出口温度と過冷却器入口温度の差から過熱度を演算する。過熱度判定手段５５は、過熱度のデータを受け取って、予め設定されている過熱度の閾値（例えば２Ｋ）との大小を比較する。

実際の過熱度が閾値を超えている場合には、流量弁駆動手段５６が流量弁４６の開度を増やして液冷媒の流量を増やす。二相冷媒中の液冷媒が増えることで、液冷媒の蒸発に消費される熱量が増加して過冷却器出口温度が下がる。一方、実際の過熱度が閾値よりも低い場合には、流量弁駆動手段５６が流量弁４６の開度を減らして液冷媒の流量を減少させる。二相冷媒中の液冷媒が減ることで、液冷媒を蒸発してなお余る熱がガス冷媒を加熱するので過冷却器出口温度が上がる。このようにして、冷房用制御装置５２が流量弁４６の開度を調整することによって、過熱度が小さいガス冷媒が圧縮機１０に吸引されるようになる。

なお、過熱度の閾値は、２Ｋとしたが、システム構成が異なる場合、冷媒の循環量が異なる場合には、異なる値にすることができる。過熱度は、０Ｋであることが好ましいが、実際に０Ｋを保持するには複雑な制御が必要になるので、過熱度の閾値は０Ｋに近い値でなるべく小さい値（例えば、１Ｋ〜５Ｋ程度）であることが好ましい。

暖房運転時には、四方弁１２を切り変えて、第１のポート１２Ａと第３のポート１２Ｃを接続し、第２のポート１２Ｂと第４のポート１２Ｄとを接続する。圧縮機１０から吐出される高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２からガス管３３を通って各室内機３に導かれ、室内熱交換器３１で熱交換して液冷媒になる。このときに放熱する熱で室内熱交換器３１の周囲の空気が暖められるので、この空気を室内ファン３２で室内に送風すると室内が暖房される。室内機３から流出する液冷媒は、液管２５から過冷却器２２を通り、暖房用膨張弁２１で減圧された後に第２熱交換器１８、第１熱交換器１４で熱交換して低圧のガス冷媒になる。なお、流量弁４６を閉じられており、気液分離器１６からバイパス配管４５に飽和液冷媒は流出しない。第１熱交換器１４から流出するガス冷媒は、四方弁１２からアキュムレータ４１を経て過冷却器２２を通り、圧縮機１０に吸引される。

この実施の形態によれば、冷房運転時に以下のような効果が得られる。
過冷却器２２をアキュムレータ４１と圧縮機１０の吸引口との間に配置し、気液分離器１６から供給される液冷媒を室内機３をバイパスして合流させるように構成したので、アキュムレータ４１から流出するガス冷媒が過熱されていた場合でも過冷却器２２の入口で過熱を解消させることができる。このため、圧縮機１０に吸引するガス冷媒の過熱を小さく抑えることが可能になり、圧縮機１０の入力を低減できる。特に、マルチエアコンのように、多数の室内機３を有し、冷房運転時に室内機３の出口側で過熱度を制御する構成において大きな効果が得られる。

また、気液分離器１６からバイパスさせた液冷媒を過冷却器２２の内管２３に流すことで、過冷却器２２を流れる低温側の冷媒の熱伝達率を向上させたので、外管２４を流れる高温高圧の液冷媒の過冷却度を大きくすることができる。
過冷却器２２の前後に温度センサ５０，５１を設け、冷房用制御装置５２で過冷却器２２の前後の過熱度が所定値になるように流量弁４６の開度を制御するようにしたので、空調負荷が変動しても圧縮機１０の入力を低く保てる。さらに、液冷媒が流入することが防止されるので、圧縮機１０の信頼性を向上できる。

また、第１熱交換器１４と第２熱交換器１８との間に気液分離器１６を設け、配管２７で飽和液冷媒が第２熱交換器１８をバイパスするようにしたので、冷房運転時に第２熱交換器１８に流入する冷媒は飽和ガス冷媒のみになる。第２熱交換器１８での凝縮に寄与しない液冷媒を取り除くことができるので、第２熱交換器１８における凝縮能力を向上させることができる。この空気調和装置１では、気液分離器１６から飽和液冷媒の一部をバイパス配管４５に流すことによって冷媒の循環量が低下するが、第２熱交換器１８のおける凝縮能力を向上させることで冷房能力の低下を防止している。
なお、気液分離器１６を設けることによるその他効果としては、暖房運転時に第１熱交換器１４における蒸発作用に不要なガス冷媒が取り除かれることによって蒸発器としての能力が向上することがあげられる。

本発明の第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成要素には、同一の符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
図２に示すように、空気調和装置６１は、室外機６２と、複数の室内機３とが配管接続されており、制御装置４によって運転制御される。室外機６２は、気液分離器１６の底部から過冷却器２２の内管２３に向かうバイパス配管４５が設けられている。バイパス配管４５は、第１開閉弁６５と、流量弁４６とが順番に設けられた後に、配管４２に合流している。さらに、第１開閉弁６５と流量弁４６との間からは、ガス配管６６が分岐しており、このガス配管６６は第２開閉弁６７が設けられた後に気液分離器１６のガス冷媒部分に接続されている。

２つの開閉弁６５，６７と、流量弁４６とは、制御装置４に含まれる暖房用制御装置７０で開閉制御が行われる。暖房用制御装置７０は、気液分離器１６の飽和ガス冷媒を過冷却器２２の内管２３に流入させるように制御するもので、流量弁微開手段７１と、開閉弁駆動手段７２とに機能分割できる。各手段７１，７２の詳細は、後に説明する。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
冷房運転時には、第２開閉弁６７を閉じて第１開閉弁６５を開く。第１の実施の形態と同様にして冷媒が第１、第２熱交換器１４，１８、室内熱交換器３１を循環して室内が冷房され、一部の冷媒が室内機３をバイパスして圧縮機１０に吸引される。

暖房運転時には、暖房用制御装置７０の開閉弁駆動手段７２が第２開閉弁６７を開き、第１開閉弁６５を閉じる。さらに、流量弁微開手段７１が流量弁４６を微開にする。圧縮機１０から吐出される高温高圧のガス冷媒は、四方弁１２から室内機３に流入して室内熱交換器３１で熱交換して液冷媒になる。液冷媒は、過冷却器２２の外管２４を通って第２熱交換器１８に流入し、一部の液冷媒が熱交換してガス冷媒となり、二相冷媒として気液分離器１６に流入する。気液分離器１６からは、飽和した液冷媒が第１熱交換器１４に流入して熱交換によってガス冷媒が形成される。ガス冷媒は、四方弁１２からアキュムレータ４１、過冷却器２２を通って圧縮機１０に吸引される。

ここで、気液分離器１６内の飽和ガス冷媒は、第２開閉弁６７が開いているので第１熱交換器１４をバイパスしてアキュムレータ４１から流出するガス冷媒に合流し、過冷却器２２の内管２３に通って圧縮機１０に吸引される。外気温が低いときには、第１熱交換器１４で蒸発しきれなかった液冷媒が過冷却器２２に流入することがあるが、気液分離器１６からの飽和ガス冷媒を混合させることで冷媒の乾き度が大きくなる。また、冷媒の乾き度が大きくなることにより、過冷却器２２の内管２３を通る冷媒の熱伝達率が低下する。その結果、過冷却器２２の能力が低下し、過冷却器２２における熱交換が抑制される。

この実施の形態によれば、暖房運転時に以下のような効果が得られる。
気液分離器１６からガス配管６６を通って流出する飽和ガス冷媒をアキュムレータ４１から圧縮機１０に向かうガス冷媒に混合させ、過冷却器２２の能力を低下させるようにしたので、過冷却器２２において外管２４から内管２３に移動する熱量を低減させることができる。したがって、暖房能力の低下が防止される。
飽和ガス冷媒をバイパスすることによって、圧縮機１０に吸引される冷媒の乾き度を大きくしたので、圧縮機１０に液冷媒が吸引されることが防止され、圧縮機１０の信頼性を確保することができる。

室外機６２の第２熱交換器１８と第１熱交換器１４との間に気液分離器１６を設け、気液分離器１６から飽和ガス冷媒をバイパスするようにしたので、第１熱交換器１４に流入する冷媒を飽和液冷媒にすることが可能になる。第１熱交換器１４における蒸発に不要なガス冷媒が取り除かれるので、蒸発器としての能力を向上させることができる。これによって、暖房能力が向上する。
なお、気液分離器１６を設けることによる他の効果として、冷房運転時に凝縮に寄与しない液冷媒を取り除き、第２熱交換器１８における凝縮能力を向上できることがあげられる。

本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、第１の実施の形態の温度センサ５０，５１及び冷房用制御装置５２と、第２の実施の形態の構成とを備える空気調和装置にすると、第１、第２の各実施の形態の効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の概略構成を示す図である。 他の形態に係る空気調和装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 空気調和装置
２ 室外機
３ 室内機
１４ 第１熱交換器
１６ 気液分離器
１８ 第２熱交換器
２２ 過冷却器
４５ バイパス配管
４６ 流量弁
５２ 冷房用制御装置
６５ 第１開閉弁
６６ ガス配管
６７ 第２開閉弁

Claims (2)

1. 圧縮機で圧縮した冷媒を室外機と室内機とに循環させ、冷媒の循環経路中に形成した過冷却器で低温の冷媒と高温の冷媒とを熱交換させる空気調和装置において、前記室外機の熱交換器は、第１熱交換器と第２熱交換器とを気液分離器を介して接続した構成を有し、前記気液分離器で分離された飽和液冷媒を前記過冷却器の手前で低温の冷媒に合流するようにバイパス配管で接続し、前記バイパス配管には冷媒の通流を制御可能な流量弁を設け、且つ、冷房運転時に、前記過冷却器を流れる低温の冷媒の流入側の冷媒温度と、流出側の冷媒温度の差に基づいて前記流量弁の制御をする冷房用制御装置を設けたことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記バイパス配管に前記気液分離器から前記流量弁に至るまでの間に第１開閉弁を設け、前記気液分離器から飽和ガス冷媒を流出させるガス配管を前記バイパス配管の前記流量弁と前記第１開閉弁との間に接続し、前記ガス配管中に第２開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

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