JP4752765B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に冷凍サイクルを利用した空気調和装置に関する。本発明は特に、１台の室外ユニットと複数台の室内ユニットを備え、複数の室全てを同時に冷房または暖房するモードと、ある室を冷房すると同時に別の室を暖房するモードとを有する多室形空気調和装置に関する。
圧縮機と室外熱交換器を有する室外ユニット、室内熱交換器をそれぞれ有する複数台の室内ユニット、および、室外ユニットと室内ユニットを接続する中継部を備え、複数の室全てを同時に冷房または暖房するモード（冷房運転モードおよび暖房運転モード）、および、ある室を冷房すると同時に別の室を暖房するモード（冷房運転容量が暖房運転容量より大きい冷房主体運転モードおよび暖房運転容量が冷房運転容量より大きい暖房主体運転モード）を有する多室形空気調和装置が、特許文献１に開示されている。
この従来式の装置は、冷房主体運転モードにおいて、室外ユニットの室外熱交換器により気液二相状態にした冷媒を冷媒蒸気と冷媒液に分離するための気液分離装置を必要とする。気液分離装置の液相側の端部に一端が接続された第１のバイパス配管は、他端側で分岐して各室内ユニットの流量制御装置に接続されている。冷房を行う室の流量制御装置は、高圧の冷媒液を減圧して低温低圧の気液二相の冷媒に変化させて室内熱交換器に供給する。また、冷媒蒸気は暖房する室の室内ユニットに供給される。
特開平９−４２８０４号公報
気液分離装置から流れ出た冷媒液は飽和液であるため、過冷却しないと、室内ユニットの流量制御装置に到るまでに僅かに減圧され気液二相の状態に変化し、該流量制御装置で音や圧力脈動が発生する。これを抑制・防止するために、すなわち飽和冷媒液を過冷却するために、上記第１のバイパス配管に接続された第２のバイパス配管を併設し、気液分離装置から出た冷媒液の一部を上記第１のバイパス配管から第２のバイパス配管に流入させ、第２のバイパス配管に介在する流量制御装置で減圧して低温低圧の気液二相の冷媒を得、第２のバイパス配管内の該冷媒により気液分離装置から出た第１のバイパス配管内の冷媒液を過冷却する。さらに、気液分離装置において、冷媒蒸気に冷媒液が混入することがないよう、気液分離装置から流れ出る冷媒液の流量を制御するために該装置に接続された上記配管に流量制御装置が設けてある。
このように、上記従来の空気調和装置では中継部の部品点数が非常に多い。また、流量制御装置が多いために、室内熱交換器における冷暖房能力の制御が困難である。さらに、上述のような空気調和装置では、冷媒として地球温暖化係数（地球温暖化への影響を測る大きさで、二酸化炭素を基準（＝１）としたときの、温室効果ガスの地球温暖化をもたらす程度を示した数値）の高いフロン系が用いられている。
そこで、本発明の１つの態様は、冷媒として二酸化炭素または二酸化炭素を主成分とする冷媒を用い、中継部の部品点数を大幅に削減するとともに、室内熱交換器における冷暖房能力の制御を容易にした多室形空気調和装置を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の１つの態様に係る空気調和装置は、室外ユニット、複数の室内ユニット、および室外ユニットと各室内ユニットを接続する中継部を備える。室外ユニットは、第１および第２の接続端部の間を流体連通するように配設された室外熱交換器、二酸化炭素または二酸化炭素を主成分とする冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、および室外熱交換器に流れる冷媒の方向を切り換える第１の切換部を有する。各室内ユニットは、第１および第２の配管接続部の間を流体連通するように配設された室内熱交換器および室内熱交換器に流れる冷媒量を制御するための第１の流量制御部を有する。中継部は、室内ユニットのそれぞれの第１の配管接続部を室外ユニットの第１および第２の接続端部のいずれか一方に選択的に接続するための複数の第２の切換部、室内ユニットのそれぞれの第２の配管接続部および室外ユニットの第２の接続端部の間を接続する第１のバイパス配管、および第１のバイパス配管に介在する第２の流量制御部を有する。
本発明によれば、冷房主体運転モードにおいて、冷媒は、圧縮機の冷媒吐出口、第１の切換部、室外熱交換器、および第２の接続端部を介して、暖房運転を行う室内ユニットに流入し、該室内ユニットの室内熱交換器で空気などを加熱する。その後、冷媒は、冷房を行う室内ユニットに流入し、該室内ユニットの第１の流量制御部を通過して減圧された後、室内熱交換器で空気などを冷却し、第１の接続端部に向かう。二酸化炭素単体または二酸化炭素を主成分とする冷媒は、圧縮機の冷媒吐出口から冷房を行う室内ユニットの第１の流量制御部に到るまで、超臨界状態が維持されるために、第１の流量制御部で生じ得る音や圧力脈動の発生を抑制・防止できる。このように、本発明によれば、冷媒の超臨界状態が維持されるため、従来の空気調和機のように、気液分離装置およびこれに付随する構成部品を設ける必要がなく、中継部の部品点数を大幅に削減できる。また、従来の構成に比べて流量制御部の数が少ないために、室内熱交換器の冷暖房能力の制御が容易になる。
本発明に係る空気調和装置の実施の形態１を示す冷媒回路図。 図１と同様の図であって、冷房運転モードにおける冷媒循環を示す。 図１と同様の図であって、暖房運転モードにおける冷媒循環を示す。 図１と同様の図であって、冷房主体運転モードにおける冷媒循環を示す。 図１と同様の図であって、暖房主体運転モードにおける冷媒循環を示す。 図２の冷媒循環の変遷を示すｐ−ｈ線図（圧力−エンタルピ線図）。 図３の冷媒循環の変遷を示すｐ−ｈ線図。 図４の冷媒循環の変遷を示すｐ−ｈ線図。 図５の冷媒循環の変遷を示すｐ−ｈ線図。 比較例として示す空気調和装置の冷媒回路図。 本発明に係る空気調和装置の実施の形態２を示す冷媒回路図。 図１１と同様の図であって、実施の形態２の変形例を示す。
符号の説明
２ 空気調和装置
４ 室外ユニット
６Ｐ〜６Ｒ 室内ユニット
８ 中継部
１０ 圧縮機
１０ａ 冷媒吐出口
１０ｂ 冷媒吸込口
１２ 熱交換器（室外熱交換器）
１６ 第１の切換部（四方切換弁）
１８ａ，１８ｂ 第１および第２の配管（ユニット間配管）
２０ａ，２０ｂ 第１および第２の接続端部
２２Ｐ〜２２Ｒ 第２の切換部
２６ａ，２６ｂ 第１および第２の配管接続部
２８ 熱交換器（室内熱交換器）
３２Ｐ〜３２Ｒ 流量制御弁（第１の流量制御部）
３４ 第１のバイパス配管
３６ 流量制御弁（第２の流量制御部）
５２ 流路切換部
６６ 第２のバイパス配管
６８ 流量制御弁（第３の流量制御部）
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る空気調和装置の実施の形態１を示す。この空気調和装置２は、冷媒として二酸化炭素を用いるもので、室外ユニット４、複数台の室内ユニット６、および室外ユニットと室内ユニットを接続する中継部８を備える。本実施形態では、室内ユニット６の台数は、３台（ユニット６Ｐ，６Ｑ，６Ｒ）であるが台数は２以上であれば本発明を限定しない。
空気調和装置２は、室内ユニット６Ｐ〜６Ｒが配置された室全てを冷房する冷房運転モード、室全てを暖房する暖房運転モード、および、ある室を冷房すると同時に別の室を暖房する２つのモード（冷房主体運転モードおよび暖房主体運転モード）を有する。
室外ユニット４は、冷媒を圧縮するための圧縮機１０、熱交換器（室外熱交換器）１２および第１の切換部（例えば、四方弁）１６を備え、これらは第１および第２の接続端部２０ａ，２０ｂの間を流体連通するように配設されている。圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａおよび冷媒吸込口１０ｂはそれぞれ、配管１４ａ，１４ｂを介して第１の切換部１６に接続されている。熱交換器１２の一端１２ａは、配管１４ｃを介して第１の切換部１６に接続されている。切換部１６にはまた、配管１４ｄが接続されている。配管１４ｄは、中継部８の配管１８ａの一端が接続される室外ユニット４の配管接続部（第１の接続端部）２０ａまで延在している。熱交換器１２の他端１２ｂは配管１４ｅに接続されている。配管１４ｅは、中継部８の間配管１８ｂの一端が接続される室外ユニット４の配管接続部２０ｂまで延在している。すなわち、配管１８ａ，１８ｂは、室外ユニット４と室内ユニット６Ｐ〜６Ｒを接続するためのユニット間配管である。
切換部１６は、運転モードに応じて、第１および第２のフロー状態の間で、熱交換器１２に流れる冷媒の方向を切り換えられるように構成されている。第１の状態では、図２に示すように、配管接続部２０ａを配管１４ｄ，１４ｂを介して圧縮機１０の冷媒吸込口１０ｂに接続し、圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管１４ａ，１４ｃを介して熱交換器１２の一端１２ａに接続し、このとき冷媒は熱交換器１２の一端１２ａから他端１２ｂへ、すなわち配管接続部２０ａから２０ｂへと流れる。一方、第２の状態では、図３に示すように、熱交換器１２の一端１２ａを配管１４ｃ，１４ｂを介して圧縮機１０の冷媒吸込口１０ｂに接続し、圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管１４ａ，１４ｄを介して配管接続部２０ａに接続し、このとき冷媒は熱交換器１２の他端１２ｂから一端１２ａへ、すなわち配管接続部２０ｂから２０ａへと流れる。
中継部８は、３つの連結口２４ａ，２４ｂ，２４ｃを有する三方切換弁２２を室内ユニット６と同数だけ（本実施形態では、２２Ｐ，２２Ｑ，２２Ｒの３つ）備える。配管１８ａは、配管接続部２０ａと接続される側と反対側が３つに分岐しており各三方切換弁２２の連結口２４ａに接続されている。同様に、配管１８ｂは、配管接続部２０ｂと接続される側と反対側が３つに分岐しており各三方切換弁２２の連結口２４ｂに接続されている。連結口２４ｃは、配管を介して対応する室内ユニット６の第１の配管接続部２６ａに接続されている。
各室内ユニット６は、熱交換器（室内熱交換器）２８と、流量制御弁（第１の流量制御部）３２（３２Ｐ，３２Ｑ，３２Ｒ）を備え、これらは第１および第２の配管接続部２６ａ，２６ｂの間を流体連通するように配設されている。とりわけ、熱交換器２８の一端２８ａは、配管を介して配管接続部２６ａに接続され、その他端２８ｂは、配管３０を介して第２の配管接続部２６ｂと接続され、第２の配管接続部２６ｂは中継部８のバイパス配管３４と接続される。各室内ユニット６Ｐ，６Ｑ，６Ｒの配管３０の途中には、配管３０を流れる冷媒の流量を制御するための第１の流量制御部３２（３２Ｐ，３２Ｑ，３２Ｒ）が設けてある。
中継部８はまた、配管１８ｂの途中に一端が接続されるとともに、他端側において分岐して各室内ユニット６の配管接続部２６ｂ（したがって流量制御装置３２）に接続されたバイパス配管３４を備える。バイパス配管３４の途中には、該配管を流れる冷媒の流量を制御するための第２の流量制御部３６が設けてある。
次に、かかる構成を備えた空気調和装置２の各運転モードの動作を、冷媒の流れ方向を示す図２〜図５およびｐ−ｈ線図（冷媒の圧力とエンタルピとの関係を示す線図）である図６〜図９を用いて説明する。図２〜図５において、太線は運転時に冷媒の移動が生じている配管を示し、括弧内の数字［ｉ］（ｉ＝１，２，．．．）は、図６〜図９の線図上のｉ点（冷媒の各状態）に対応する配管部分を示す。
冷房運転モード（図２および図６）
全ての室内ユニット６Ｐ〜６Ｒが冷房運転を行う場合、切換部１６を第１のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを熱交換器１２の一端１２ａ、冷媒吸込口１０ｂを配管接続部２０ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６の開度を全開にし、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒの開度を絞る。また、各三方切換弁２２の連結口２４ｂを閉鎖し、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０における冷媒の圧縮は、周囲との熱の出入はないものとして、図６のｐ−ｈ線図にて等エントロピ線（点［１］−点［２］）で表される。
圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６を通り、熱交換器１２で空気などを加熱しながら温度が下がる。熱交換器１２での冷媒の変化は、ほぼ圧力一定のもとで行われるが、熱交換器１２の圧力損失を考慮して、ｐ−ｈ線図にてやや傾いた水平線に近い線（点［２］−点［３］）で表される。二酸化炭素は、フロン系冷媒と異なり、高圧では超臨界状態であるため凝縮することなく、温度が下がりながら空気を加熱する。
熱交換器１２から出た高圧の冷媒は、配管接続部２０ｂ、バイパス配管３４（流量制御弁３６は全開）を通り、分岐して各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒに流入し、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相状態になる。流量制御弁３２での冷媒の変化は、エンタルピ一定のもとで行われるものであり、ｐ−ｈ線図にて垂直線（点［３］−点［４］）で表される。
気液二相状態の冷媒は、室内ユニット６の熱交換器２８で空気などを冷却しながら、低温低圧の冷媒蒸気に変化する。熱交換器２８での冷媒の変化は、ほぼ圧力一定のもとで行われるが、熱交換器２８の圧力損失を考慮して、ｐ−ｈ線図にてやや傾いた水平線に近い線（点［４］−点［１］）で表される。
各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒの熱交換器２８から出た低温低圧の冷媒蒸気は、各三方切換弁２２を通過後合流し、第１の配管接続部２０ａ、第１の切換部１６を通って圧縮機１０に戻る。
なお、熱交換器２８から出た直後の冷媒蒸気に比べて、圧縮機１０に流入する冷媒蒸気は配管を通るために若干圧力が低下するが、ｐ−ｈ線図上で同じ点［１］で表してある。同様に、熱交換器１２から出た高圧の冷媒に比べて、流量制御弁３２に流入する冷媒は配管を通るために若干圧力が低下するが、ｐ−ｈ線図上で同じ点［３］で表してある。こうした配管を通ることによる冷媒の圧力の若干の低下および上述した熱交換器１２、２８での圧力損失は、以下の暖房運転モード、冷房主体運転モード、暖房主体運転モードについても同様であり、必要な場合を除いて説明を省略する。
暖房運転モード（図３および図７）
全ての室内ユニット６Ｐ〜６Ｒが暖房運転を行う場合、切換部１６を第２のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管接続部２０ａ、冷媒吸込口１０ｂを熱交換器１２の一端１２ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６の開度を全開にし、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒの開度を絞る。また、各三方切換弁２２の連結口２４ｂを閉鎖し、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気（点［１］）が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒（点［２］）は、切換部１６、配管接続部２０ａを通った後、分岐して各三方切換弁２２を通り、各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒの熱交換器２８に流入する。冷媒は、熱交換器２８で空気などを加熱して温度が下がり（点［３］）、続いて、流量制御弁３２で減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化する（点［４］）。その後、各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒから出た冷媒は、バイパス配管３４で合流し、配管接続部２０ｂを通過し、熱交換器１２の他端１２ｂに流入する。気液二相状態の冷媒は、熱交換器１２で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する（点［１］）。その後、冷媒は、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
冷房主体運転モード（図４および図８）
室内ユニット６Ｐ，６Ｑが冷房運転、室内ユニット６Ｒが暖房運転を行う場合、切換部１６を第１の状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを熱交換器１２の一端１２ａ、冷媒吸込口１０ｂを配管接続部２０ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６を閉鎖、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑの開度を絞り、流量制御弁３２Ｒを全開にする。また、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑに関し連結口２４ｂを閉鎖、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。三方切換弁２２Ｒに関し連結口２４ａを閉鎖、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気（点［１］）が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒（点［２］）は、切換部１６を通り、熱交換器１２で空気などを加熱しながら温度が下がる（点［３］）。
熱交換器１２から出た高圧の冷媒は、配管接続部２０ｂ、三方切換弁２２Ｒを通り、室内ユニット６Ｒに流入し、熱交換器２８で空気などを加熱してさらに温度が下がる（点［４］）。冷媒は、続いて室内ユニット６Ｐ，６Ｑに流入し、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相状態になる（点［５］）。この冷媒は、さらに熱交換器２８で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する（点［１］）。
室内ユニット６Ｐ，６Ｑから出た冷媒は、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑを通過後に合流し、配管接続部２０ａ、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
冷媒である二酸化炭素は、圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａから、切換部１６、熱交換器１２、室内ユニット６Ｒ、室内ユニット６Ｐの流量制御弁３２Ｐまたは室内ユニット６Ｑの流量制御弁３２Ｑまでに到る流路において超臨界状態であるため（配管を通ることにより圧力が若干低下するものの超臨界状態が維持されるため）、室内ユニット６Ｐ，６Ｑの流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑでの音や圧力脈動の発生を抑制・防止できる。
ところで、フロン系冷媒を使用した従来の構成を備えた空気調和装置を比較例として図１０に示す。この装置２’は、中継部８’の配管１８ｂの途中に気液分離装置４０を備えており、気液分離装置の液相側にバイパス配管３４が接続されている。
従来式の空気調和機が冷房主体運転を行う場合、すなわち室内ユニット６Ｐ，６Ｑが冷房運転、室内ユニット６Ｒが暖房運転を行う場合、切換部１６を第１のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを熱交換器１２の一端１２ａ、冷媒吸込口１０ｂを配管接続部２０ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６、３２Ｐ，３２Ｑの開度を絞り、流量制御弁３２Ｒを全開にする。また、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑに関し連結口２４ｂを閉鎖、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。三方切換弁２２Ｒに関し連結口２４ａを閉鎖、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧のフロン系の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６を通り、（熱交換器に流入する冷媒は圧力が臨界点より小さいため）熱交換器１２で空気などを加熱しながら一部が凝縮して、高圧の気液二相状態に変化する。熱交換器１２から出た気液二相状態の冷媒は、気液分離装置４０に流入する。気液分離装置４０に流入した高圧の冷媒蒸気は、三方切換弁２２Ｒを通過後、室内ユニット６Ｒの熱交換器で空気などを加熱して凝縮し、高圧の冷媒液に変化する。その後、冷媒液は、全開の流量制御弁３２Ｒを通る。一方、気液分離装置４０に流入した高圧の冷媒液は、流量制御弁３６を通った後、室内ユニット６Ｒからの冷媒液と合流し、室内ユニット６Ｐ，６Ｑに流入する。冷媒液は、各ユニット６Ｐ，６Ｑにおいて、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑにて絞り膨張（減圧）されて低温低圧の気液二相状態に変化し、さらに熱交換器２８で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気となる。その後、室内ユニット６Ｐ，６Ｑから出た低温低圧の冷媒蒸気は、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑを出た後合流し、切換部１６を通って圧縮機１０に戻る。
流量制御弁３６は、気液分離装置４０から室内ユニット６Ｒに流入する冷媒蒸気に冷媒液が混入することがないよう、気液分離装置から流出する冷媒液の流量を制御するが、流量制御弁３６を通過する際に冷媒液が減圧される。また、バイパス配管３４を通る間に冷媒液が減圧される。気液分離装置４０から流出する冷媒液は飽和液であるため、減圧により気液二相の状態になると室内ユニット６Ｐ，６Ｑの流量制御弁３３Ｐ，３２Ｑに流入する際に音や圧力脈動が発生する。
そこで、空気調和装置２’では、気液分離装置４０から流出する冷媒液を過冷却する構成を設ける必要がある。具体的に、一端を流量制御弁３６の（冷房主体運転モードにおいて第１のバイパス配管３４を流れる冷媒の流れ方向に関し）下流側に、他端をユニット配管１８ａに接続した第２のバイパス移管４２を設ける。また、上記一端の近傍に流量制御弁４４を設け、これによりバイパス配管３４から一部バイパス配管４２に流れた冷媒を絞り膨張（減圧）して低温低圧の気液二相状態の冷媒を得るようにする。バイパス配管４２は、内部を流れる低温低圧の気液二相状態の冷媒により、バイパス配管３４の気液分離装置４０と流量制御弁３６の間の部分および流量制御弁３６と上記一端との間の部分を通る冷媒を過冷却する。
このように、フロン系冷媒を用いると、冷房主体運転モードを行う目的で中継部８’の構成部品が非常に多くなる。
これに対し、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いるため、気液分離装置を利用することなく、中継部８の部品点数を大幅に削減できる。また、流量制御弁の数が少ないために室内熱交換器３２Ｐ〜３２Ｒにおける冷暖房能力の制御が容易である。
なお、上記の本実施形態の冷房主体運転モードでは、流量制御弁３６を閉鎖し、すべての冷媒が暖房を行う室内ユニット６Ｒを流れる動作について説明したが、流量の増加は冷媒音の発生や配管の腐食を発生するため、流量制御弁３６を制御して、冷媒の一部が第１のバイパス配管３４を通り、室内ユニット６Ｒを迂回するように冷媒を流してもよい。
暖房主体運転モード（図５および図９）
室内ユニット６Ｐ，６Ｑが暖房運転、室内ユニット６Ｒが冷房運転を行う場合、切換部１６を第２のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管接続部２０ａ、冷媒吸込口１０ｂを熱交換器１２の一端１２ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６の開度を絞り、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑを全開にし、流量制御弁３２Ｒの開度を絞る。また、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑに関し連結口２４ｂを閉鎖、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。三方切換弁２２Ｒに関し連結口２４ａを閉鎖、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気（点［１］）が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒（点［２］）は、切換部１６、配管接続部２０ａを通った後、分岐して三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑを通り、室内ユニット６Ｐ，６Ｑの熱交換器２８に流入する。冷媒は、熱交換器２８で空気などを加熱して温度が下がる（点［３］）。室内ユニット６Ｐ，６Ｑの熱交換器２８を通過した冷媒は、全開の流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑを通った後、一部は室内ユニット６Ｒ、残りはバイパス配管３４を通る。
室内ユニット６Ｒに流入した冷媒は、流量制御弁３２Ｒで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相の状態に変化する（点［４］）。この冷媒は、続いて室内ユニット６Ｒの熱交換器２８で空気などを冷却し一部または全部が蒸発し（点［５］）、三方切換弁２２Ｒに流入する。これに限らないが、図９の例では、熱交換器２８を出た冷媒（点［５］）は、乾き度が１．０に近い気液二相の状態である。
一方、室内ユニット６Ｒに流入しなかった残りの冷媒（点［３］）は、バイパス配管３４を通り、流量制御弁３６により絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相の状態になる（点［６］）。これに限らないが、図９の例では、流量制御弁３６を出た冷媒（点［６］）は、熱交換器２８を出た冷媒（点［５］）より圧力が若干小さい。
流量制御弁３６を出た冷媒は、（バイパス配管３４の配管１８ｂとの接続端部で）三方切換弁２２Ｒを出た冷媒と合流し、気液二相の冷媒となる（点［７］）。この冷媒は、室外ユニット４の接続端部２０ｂを通り、熱交換器１２に流入する。気液二相状態の冷媒は、熱交換器１２で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する（点［１］）。その後、冷媒は、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
このように、本実施形態の空気調和機は、暖房主体運転モードにおいて、流量制御弁３６を制御することで、冷房運転を行う室内ユニット６Ｒに流入する冷媒の流量を制御でき、したがって運転効率を高めることができる。
実施の形態２．
図１１は、本発明に係る空気調和装置の実施の形態２を示す。この空気調和装置２Ａは、実施の形態１の空気調和装置２の構成に加えて、室外ユニット４Ａに流路切換部５２を備えている。流路切換部５２は、運転モードによらずに常に、冷媒である二酸化炭素が配管接続部２０ｂを介して室外ユニット４Ａから中継部８Ａに流れ、配管接続部２０ａを介して中継部から室外ユニットに流れるようにするためのものである。
具体的に、流路切換部５２は、切換部１６と配管接続部２０ａを接続する配管１４ｄの途中、および、熱交換器１２と配管接続部２０ｂを接続する配管１４ｅの途中に、それぞれ逆止弁５４、５６を備える。逆止弁５４は、配管接続部２０ａから切換部１６へのみ冷媒の流通を許容する。一方、逆止弁５６は、熱交換器１２から配管接続部２０ｂへのみ冷媒の流通を許容する。
流路切換部５２はまた、一端が切換部１６と逆止弁５４の間の配管１４ｄ部分、他端が逆止弁５６と配管接続部２０ｂの間の配管１４ｅの中間点に接続されたバイパス配管５８を備える。バイパス配管５８の途中には、切換部１６から配管接続部２０ｂへのみ冷媒の流通を許容する逆止弁６０が設けてある。流路切換部５２はさらに、一端が配管接続部２０ａと逆止弁５４の間の配管１４ｄの中間点、他端が逆止弁５６と熱交換器１２の間の配管１４ｅ部分に接続されたバイパス配管６２を備える。バイパス配管６２の途中には、配管接続部２０ａから熱交換器１２へのみ冷媒の流通を許容する逆止弁６４が設けてある。
中継機８Ａは、第１のバイパス配管３４（の流量制御弁３６と分岐部分との間）と、配管１８ａとの間を接続する第２のバイパス配管６６をさらに備える。第２のバイパス配管６６の途中には、該配管を流れる冷媒の流量を制御するための第３の流量制御部６８が設けてある。
次に、かかる構成を備えた空気調和装置２Ａの各運転モードの動作を説明する。
冷房運転モード
全ての室内ユニット６Ｐ〜６Ｒが冷房運転を行う場合、切換部１６を第１のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを熱交換器１２の一端１２ａ、冷媒吸込口１０ｂを配管接続部２０ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６の開度を全開にし、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒの開度を絞り、流量制御弁６８を閉鎖する。また、各三方切換弁２２の連結口２４ｂを閉鎖し、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６を通り、熱交換器１２で空気などを加熱しながら温度が下がる（凝縮はしない）。熱交換器１２から出た高圧の冷媒は、逆止弁５６、配管接続部２０ｂ、バイパス配管３４（流量制御弁３６は全開）を通り、分岐して各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒに流入し、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相状態になる。気液二相状態の冷媒は、室内ユニット６の熱交換器２８で空気などを冷却しながら、低温低圧の冷媒蒸気に変化する。各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒの熱交換器２８から出た低温低圧の冷媒蒸気は、各三方切換弁２２を通過後合流し、配管接続部２０ａを通る。配管接続部２０ａにある冷媒は、熱交換器１２と逆止弁６４の間にある冷媒より低圧となっているため、自動的に逆止弁５４を通過し、その後、切換部１６を通って圧縮機１０に戻る。
暖房運転モード
全ての室内ユニット６Ｐ〜６Ｒが暖房運転を行う場合、切換部１６を第２のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管接続部２０ａ、冷媒吸込口１０ｂを熱交換器１２の一端１２ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６を閉鎖し、流量制御弁３２Ｐ〜３２Ｒの開度を絞り、流量制御弁６８を全開にする。また、各三方切換弁２２の連結口２４ａを閉鎖し、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６、逆止弁６０、配管接続部２０ｂを通った後、分岐して各三方切換弁２２を通り、熱交換器２８に流入する。冷媒は、熱交換器２８で空気などを加熱して温度が下がり、続いて、流量制御弁３２で減圧され、低温低圧の気液二相状態に変化する。その後、各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒから出た冷媒は、第１のバイパス配管３４で合流し、流量制御弁６８、第２のバイパス配管６６、および配管接続部２０ａを通過する。配管接続部２０ａにある冷媒は、切換部１６と逆止弁５４の間にある冷媒より低圧となっているため、自動的に逆止弁６４を通過し、熱交換器１２に他端１２ｂから流入する。気液二相状態の冷媒は、熱交換器１２で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する。その後、冷媒は、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
冷房主体運転モード
室内ユニット６Ｐ，６Ｑが冷房運転、室内ユニット６Ｒが暖房運転を行う場合、切換部１６を第１のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを熱交換器１２の一端１２ａ、冷媒吸込口１０ｂを配管接続部２０ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６、６８を閉鎖、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑの開度を絞り、流量制御弁３２Ｒを全開にする。また、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑに関し連結口２４ｂを閉鎖、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。三方切換弁２２Ｒに関し連結口２４ａを閉鎖、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６を通り、熱交換器１２で空気などを加熱しながら温度が下がる。熱交換器１２から出た高圧の冷媒は、逆止弁５６、配管接続部２０ｂ、三方切換弁２２Ｒを通り、室内ユニット６Ｒに流入し、熱交換器２８で空気などを加熱してさらに温度が下がる。冷媒は、続いて室内ユニット６Ｐ，６Ｑに流入し、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相状態になる。この冷媒は、さらに熱交換器２８で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する。室内ユニット６Ｐ，６Ｑから出た冷媒は、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑを通過後に合流し、配管接続部２０ａを通過する。配管接続部２０ａにある冷媒は、切換部１６と逆止弁５４の間にある冷媒より低圧となっているため、自動的に逆止弁５４を通過することになり、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
なお、実施の形態２の冷房主体運転モードでは、流量制御弁３６を閉鎖し、すべての冷媒が暖房を行う室内ユニット６Ｒを流れる動作について説明したが、流量の増加は冷媒音の発生や配管の腐食を発生するため、流量制御弁３６を制御して、冷媒の一部が第１のバイパス配管３４を通り、室内ユニット６Ｒを迂回するように冷媒を流してもよい。
暖房主体運転モード
室内ユニット６Ｐ，６Ｑが暖房運転、室内ユニット６Ｒが冷房運転を行う場合、切換部１６を第２のフロー状態（圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａを配管接続部２０ａ、冷媒吸込口１０ｂを熱交換器１２の一端１２ａに接続）に切り換え、流量制御弁３６を閉鎖し、流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑを全開にし、流量制御弁３２Ｒ、６８の開度を絞る。また、三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑに関し連結口２４ａを閉鎖、連結口２４ｂ，２４ｃを開放する。三方切換弁２２Ｒに関し連結口２４ｂを閉鎖、連結口２４ａ，２４ｃを開放する。この状態で、圧縮機１０の運転を開始する。
まず、低温低圧の冷媒蒸気が圧縮機１０より圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温高圧の冷媒は、切換部１６、逆止弁６０、配管接続部２０ｂを通った後、分岐して三方切換弁２２Ｐ，２２Ｑを通り、室内ユニット６Ｐ，６Ｑの熱交換器２８に流入する。冷媒は、熱交換器２８で空気などを加熱して温度が下がる。室内ユニット６Ｐ，６Ｑの熱交換器２８を通過した冷媒は、全開の流量制御弁３２Ｐ，３２Ｑを通った後、一部は室内ユニット６Ｒ、残りはバイパス配管３４を通る。
室内ユニット６Ｒに流入した冷媒は、流量制御弁３２Ｒで絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相の状態に変化する。この冷媒は、続いて室内ユニット６Ｒの熱交換器２８で空気などを冷却し一部または全部が蒸発し、三方切換弁２２Ｒに流入する。
一方、室内ユニット６Ｒに流入しなかった残りの冷媒は、バイパス配管３４からバイパス配管６６に流入し、流量制御弁６８により絞り膨張（減圧）され、低温低圧の気液二相の状態になる。流量制御弁６８を出た冷媒は、（バイパス配管６６の配管１８ａとの接続端部で）三方切換弁２２Ｒを出た冷媒と合流し、気液二相状態の冷媒となり、室外ユニット４の接続端部２０ａを通過する。配管接続部２０ａにある冷媒は、切換部１６と逆止弁５４の間にある冷媒より低圧となっているため、自動的に逆止弁６４を通過し、熱交換器１２に他端１２ｂから流入する。気液二相状態の冷媒は、熱交換器１２で空気などを冷却して低温低圧の冷媒蒸気に変化する。その後、冷媒は、切換部１６を通り圧縮機１０に戻る。
本実施形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、室外ユニット４Ａと室内ユニット６Ｐ〜６Ｒを接続する中継部８Ａの２つのユニット間配管のうち一方の配管１８ｂに高圧の冷媒のみ、他方の配管１８ａに低圧の冷媒のみが流れるために、配管１８ａの肉厚を低減できる。
本実施の形態２では、３方切換弁を用いた形態について説明したが、図１２に示すように一対（２台）の二方切換弁２２，２３を設けてもよい。すなわち、一方の二方切換弁２２は、一端が配管１８ａおよび第２のバイパス配管６６に接続され、他端が各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒに接続されている。他方の二方切換弁２３は、一端が配管１８ｂに接続され、他端が各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒに接続されている。こうして、実施の形態２と同様、配管１８ａ，１８ｂ（および二方切換弁２２，２３）に流れる冷媒の方向を運転モードによらず常に一定方向になるようにすることができる。
以上、本発明の具体的実施の形態について説明したが、これらに限定せず、本発明の範疇および精神を逸脱することなく、さまざまに変形または変更可能である。例えば、各室内ユニット６Ｐ〜６Ｒに対応して設けられ、熱交換器２８の端部２８ａを配管１８ａまたは配管１８ｂに選択的に接続するための切換部は、三方切換弁２２Ｐ〜２２Ｒ以外で構成してもよい。
また、実施の形態２において、運転モードによらずに冷媒が配管接続部２０ｂを介して室外ユニット４Ａから中継部８Ａに流れ、配管接続部２０ａを介して中継部８Ａから室外ユニット４Ａに流れるようにするための流路切換部５２は、図の構成に限定されない。すなわち、流路切換部として、切換部１６により圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａが熱交換器１２の一端１２ａに接続し且つ冷媒吸込口１０ｂが配管接続部２０ａに接続された場合に（第１のフロー状態）、熱交換器１２の他端１２ｂから出た冷媒に関し配管接続部２０ａへの流通を禁止し且つ配管接続部２０ｂへの流通を行うとともに、配管接続部２０ａから室外ユニット４Ａに流入した冷媒に関し熱交換器１２の他端１２ｂへの流通を禁止し且つ圧縮機の冷媒吸込口への流通を行う。流路切換部はさらに、切換部１６により圧縮機１０の冷媒吐出口１０ａが配管接続部２０ａに接続し且つ冷媒吸込口１０ｂが熱交換器１２の一端１２ａに接続された場合に（第２のフロー状態）、圧縮機１０から吐出された冷媒に関し配管接続部２０ａへの流通を禁止し且つ配管接続部２０ｂへの流通を行うとともに、配管接続部２０ａから室外ユニット４Ａに流入した冷媒に関し圧縮機の冷媒吐出口への流通を禁止し且つ熱交換器１２の他端１２ｂへの流通を行う構成は本発明の範囲内に含まれる。
さらに、上記実施形態では冷媒として二酸化炭素単体を用いたが、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いてもよい。
本発明において、室内ユニットおよび室外ユニットの「ユニット」は、必ずしも全ての構成要素が同一のハウジング内またはハウジング外壁に設けられることを意味するものではない。例えば、室内ユニット４の流量制御弁３２を室内熱交換器２８が収容されたハウジングとは別の箇所に配置しても、かかる構成は本発明の範囲内に含まれる。また、室外ユニット中に室外熱交換器や圧縮機からなるセットを複数設け、各セットから流出する冷媒を合流させて一方のユニット間配管に流すとともに、他方のユニット間配管からの冷媒を分岐して各セットに流入させるようにしてもよい。

Claims (1)

  1. 空気調和装置であって、
    第１および第２の接続端部の間を流体連通するように配設された室外熱交換器、二酸化炭素または二酸化炭素を主成分とする冷媒を圧縮して吐出する圧縮機、および前記室外熱交換器に流れる冷媒の方向を切り換える第１の切換部を有する室外ユニットと、
    第１および第２の配管接続部の間を流体連通するように配設された室内熱交換器および前記室内熱交換器に流れる冷媒量を制御するための第１の流量制御部を有する複数の室内ユニットと、
    前記室内ユニットのそれぞれの第１の配管接続部を前記室外ユニットの第１および第２の接続端部のいずれか一方に選択的に接続するための複数の第２の切換部、前記室内ユニットのそれぞれの第２の配管接続部および前記室外ユニットの第２の接続端部の間を接続する第１のバイパス配管、および第１のバイパス配管に介在する第２の流量制御部を有する中継部とを備え、
    圧縮機は、冷媒吸込口および冷媒吐出口を有し、
    第１の切換部は、空気調和装置の運転モードに応じて、冷媒吐出口を室外熱交換器の一端に接続し、かつ冷媒吸込口を第１の接続端部に接続する第１の状態と、冷媒吐出口を第１の接続端部に接続し、かつ冷媒吸込口を室外熱交換器の上記一端に接続する第２の状態の間で切り換え、
    第１の切換部が第１の状態にあるとき、室外熱交換器からの冷媒を第２の接続端部へ案内し、第１の接続端部からの冷媒を圧縮機の冷媒吸込口へ案内し、第１の切換部が第２の状態にあるとき、圧縮機の冷媒吐出口からの冷媒を第２の接続端部へ案内し、第１の接続端部からの冷媒を室外熱交換器へ案内する流路切換部と、
    室外ユニットの第１の接続端部および第１のバイパス配管の間を流体連通するように配設された第２のバイパス配管と、
    第２のバイパス配管に介在する第３の流量制御部とをさらに備え、
    空気調和装置の運転モードは、前記複数の室内ユニットのうちの少なくともいずれかが暖房運転を行うと共にその他の室内ユニットのうちの少なくともいずれかが冷房運転を行う運転モードであって、冷房運転を行う室内ユニットの数が暖房運転を行う室内ユニットの数よりも多い冷房主体運転モードと、暖房運転を行う室内ユニットの数が冷房を行う室内ユニットの数よりも多い暖房主体運転モードを有し、
    冷房主体運転モードの場合には、第１の切換部を前記第１の状態とし、第２の流量制御部を全閉とし、第３の流量制御部を全閉とし、圧縮機から吐出された超臨界状態の冷媒は、
    室外熱交換器を介して暖房を行う室内ユニットに超臨界状態で供給された後、冷房を行う室内ユニットの第１の流量制御部に超臨界状態を維持して供給され、第１の流量制御部により減圧して気液二相状態で室内熱交換器に供給された後、第１の接続端部へ送られ、
    暖房主体運低モードの場合には、第１の切替部を前記第２の状態とし、第２の流量制御部を全閉とし、第３の流量制御部を開とし開度を絞った状態とし、圧縮機から吐出された超臨界状態の冷媒は、暖房を行う室内ユニットに超臨界状態で供給された後、冷房を行う室内ユニットの第１の流量制御部と第３の流量制御部に超臨界状態を維持して供給され、第１の流量制御部で減圧され室内熱交換器を通過した冷媒と、第３の流量制御部で減圧された冷媒とが合流して第１の接続端部へ送られることを特徴とする空気調和装置。
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