JP4813534B2

JP4813534B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP4813534B2
Application number: JP2008255057A
Authority: JP
Inventors: 俊吉岡; 好男織谷; 鉉永金; 一成笠井
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010085029A; WO2010038403A1

Description

本発明は、二酸化炭素が循環して超臨界冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた空気調和装置に関するものである。

従来より、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた空気調和装置が知られている。そして、この空気調和装置の高性能化を目的として、上記冷媒回路の熱源側熱交換器及び利用側熱交換器には内面溝付き管が用いられている。

特許文献１の内面溝付き管は、空気調和装置に用いられるものであり、その内周面に多数の連続的な螺旋溝が形成されている。この螺旋溝により、管内を流れる冷媒がよく攪拌され、高い伝熱性能を得ることができるとしている。
特開２００３−１６６７９４号公報

しかしながら、本願発明者らは、このような内面溝付き管を熱交換器に用いた空気調和装置において、冷媒として現行のＨＦＣ系冷媒の代わりに二酸化炭素を用いた場合、その空気調和装置の冷房能力がＨＦＣ系冷媒に比べて予想以上に大幅に低下することを性能評価試験により確認している。

このように上記空気調和装置の冷房能力が従来よりも大幅に低下する原因のひとつは、圧縮機の各摺動部を潤滑するために冷媒回路に封入される冷凍機油（例えば、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール））にあると考えている。

つまり、上記圧縮機から二酸化炭素とともに吐出された冷凍機油のうち、上記冷媒回路に設けられた油戻し回路で上記圧縮機の吐出側から吸入側へ戻せなかった冷凍機油は、二酸化炭素とともに上記熱源側熱交換器に流れる。

ここで、上記冷凍機油は、圧縮機の各摺動部に対しては良好な潤滑性を示すものの、二酸化炭素に対する相溶性が低い。このことから、上記熱源側熱交換器に流れた二酸化炭素および冷凍機油のうち、二酸化炭素に溶けきれなかった冷凍機油は、上記熱源側熱交換器における内面溝付き管の内周面を伝うように流れる。その結果、この冷凍機油が、上記内面溝付き管の内周面に形成された多数の溝に捕捉されやすくなり、上記内周面に形成される油膜は厚くなりやすい。この油膜が厚くなると、二酸化炭素と内面溝付き管の内周面との間の熱抵抗が大きくなり、二酸化炭素が放熱しにくくなる。

これにより、上記熱源側熱交換器の放熱量が減少して、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置の冷房能力が大幅に低下すると考えられる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置において、ＨＦＣ系冷媒を冷媒とする従来の空気調和装置よりも大幅に冷房能力が低下するのを抑えることにある。

第１の発明は、二酸化炭素及び冷凍機油が封入されるとともに圧縮機構（11）と熱源側熱交換器（15）と膨張機構（14）と利用側熱交換器（13）とが順に接続されて超臨界冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備え、上記冷媒回路（10）には該冷媒回路（10）を流れる二酸化炭素及び冷凍機油の循環方向を可逆にして熱源側熱交換器（15）が放熱器となり且つ利用側熱交換器（13）が蒸発器となる冷房運転と熱源側熱交換器（15）が蒸発器となり且つ利用側熱交換器（13）が放熱器となる暖房運転とを切り換える切換弁（12）が設けられている空気調和装置を前提としている。

そして、上記空気調和装置の熱源側熱交換器（15）には平滑管（1）が用いられ、上記利用側熱交換器（13）には内面溝付き管（6）が用いられていることを特徴としている。

第１の発明では、上記熱源側熱交換器（15）及び上記利用側熱交換器（13）の両方に内面溝付き管（6）を用いるのではなく、上記利用側熱交換器（13）のみに内面溝付き管（6）を用い、上記熱源側熱交換器（15）には内面溝付き管（6）の代わりに平滑管（1）を用いている。

上記熱源側熱交換器（15）に対して内周面に溝がない平滑管（1）を用いると、内面溝付き管（6）を用いた場合に比べて、上記冷凍機油が捕捉されにくくなり、該冷凍機油が滑らかに管内を流れる。冷凍機油が滑らかに平滑管（1）の管内を流れるので、上記熱源側熱交換器（15）に内面溝付き管（6）を用いた場合に比べて、管内の油膜を薄くすることができる。油膜が薄くなると、二酸化炭素と平滑管（1）の内周面との間の熱抵抗が小さくなり、二酸化炭素が放熱しやすくなる。これにより、上記熱源側熱交換器（15）の放熱量を増加させることができる。

さらに、第１の発明では、上記冷媒回路（10）に切換弁（12）を設けることで冷暖房運転が可能な空気調和装置を構成することができる。そして、このような冷暖房運転が可能な空気調和装置に関して、上記熱源側熱交換器（15）に平滑管（1）を用いても、第１の発明と同様に、該熱源側熱交換器（15）に内面溝付き管（6）を用いた場合に比べて、伝熱管内の油膜を薄くすることができ、上記熱源側熱交換器（15）の伝熱性能の低下を抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、上記平滑管（1）を流れる二酸化炭素及び冷凍機油は、その二酸化炭素及び冷凍機油の全体の質量流量に対する冷凍機油の質量流量の割合が０．３質量％以上であることを特徴としている。

第２の発明では、上記熱源側熱交換器（15）に用いられる平滑管（1）を流れる二酸化炭素及び冷凍機油において、その二酸化炭素に冷凍機油を加えた全体の質量流量に対する冷凍機油の質量流量の割合（以下、油循環量という。）を０．３質量％以上に規定している。

図３は、上記冷凍機油の油循環量が蒸発熱交換能力比に及ぼす影響を、平滑管（1）と内面溝付き管（6）とで比較したグラフである。図４は、上記冷凍機油の油循環量が放熱熱交換能力比に及ぼす影響を、平滑管（1）と内面溝付き管（6）とで比較したグラフである。

尚、図３及び図４は、共に冷凍機油の油循環量がゼロ、つまり二酸化炭素のみが流れているときの内面溝付き管（6）の熱交換能力比を１としている。図中の△印が平滑管の実測値であり、◆印が内面溝付き管の実測値を示している。

図３では、冷凍機油の油循環量によらず、常に平滑管（1）よりも内面溝付き管（6）の方が蒸発熱交換能力比が大きい。

一方、図４では、冷凍機油の油循環量がゼロ場合は、平滑管（1）よりも内面溝付き管（6）の方が放熱熱交換能力比が大きい。これは、冷凍機油の油膜がなく、螺旋溝による伝熱促進効果が十分に発揮されているからである。しかし、冷凍機油の油循環量が増加するに従って、上記内面溝付き管（6）の方の放熱熱交換能力比が小さくなる。これは、冷凍機油の油循環量が増えるにつれて油膜が次第に厚くなり、螺旋溝による伝熱促進効果が小さくなっているからである。そして、冷凍機油の油循環量が０．３質量％付近を超えると、内面溝付き管（6）の放熱熱交換能力比が平滑管（1）よりも小さくなる。

以上より、上記平滑管（1）を用いた熱源側熱交換器（15）において、冷凍機油の油循環量を０．３質量％以上に規定すると、内面溝付き管（6）を用いた熱源側熱交換器（15）に比べて、冷房運転時における熱源側熱交換器（15）の放熱熱交換能力を効果的に増加させることができる。

本発明によれば、二酸化炭素を冷媒として用いた空気調和装置において、上記熱源側熱交換器（15）に平滑管（1）を用い、上記利用側熱交換器（13）に内面溝付き管（6）を用いるようにしている。又、本発明によれば、上記冷媒回路（10）に切換弁（12）を設けることで冷暖房運転が可能な空気調和装置を構成することができる。

こうすると、この空気調和装置の冷房運転時に、上記熱源側熱交換器（15）における平滑管（1）の管内の油膜を、内周面に溝がある場合に比べて薄くすることができる。これにより、二酸化炭素が放熱しやすくなり、上記熱源側熱交換器（15）の放熱量を増加させることができる。

以上より、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置において、上記熱源側熱交換器（15）に平滑管（1）を用いることにより、ＨＦＣ系冷媒を冷媒とする従来の空気調和装置よりも大幅に冷房能力が低下するのを抑えることができる。

又、上記第２の発明によれば、上記平滑管（1）を用いた熱源側熱交換器（15）において、上記油循環量を０．３質量％以上に規定すると、内面溝付き管（6）を用いた熱源側熱交換器（15）に比べて、冷房運転時における熱源側熱交換器（15）の放熱熱交換能力を効果的に増加させることができる。これにより、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置において、ＨＦＣ系冷媒を冷媒とする空気調和装置よりも大幅に冷房能力が低下するのを効果的に抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態の空気調和装置の冷媒回路図を図１に示す。上記空気調和装置は、室内の空気調和を行うものであり、室外に配置された室外機（3）と室内に配置された上記室内機（2）とを備えている。上記室外機（3）には室外回路（8）が設けられている。上記室内機（2）には室内回路（7）が設けられている。

この空気調和装置では、上記室外回路（8）と上記室内回路（7）とが連絡配管（4,5）で接続されて冷媒回路（10）を構成する。この連絡配管（4,5）は、ガス側連絡配管（4）と液側連絡配管（5）とからなり、上記ガス側連絡配管（4）は上記両方の回路（7,8）のガス端同士を接続し、上記液側連絡配管（5）は上記両方の回路（7,8）の液端同士を接続している。

又、上記冷媒回路（10）には、二酸化炭素（以下、冷媒という。）とポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）（以下、冷凍機油という。）とが封入され、この冷媒が冷媒回路（10）内を循環することにより、超臨界冷凍サイクルを行うように構成されている。

〈室外機〉
上記室外機（3）の室外回路（8）は、圧縮機（圧縮機構）（11）と四路切換弁（切換弁）（12）と膨張弁（膨張機構）（14）と室外熱交換器（熱源側熱交換器）（15）とを有している。

上記圧縮機（11）は、例えばスクロール型の圧縮機で構成されている。この圧縮機（11）には図示しないインバータが接続されている。上記インバータは、上記圧縮機（11）に電流を供給するとともに、その電流の周波数を変化することが可能に構成されている。つまり、上記圧縮機（11）の容量は、上記インバータにより、ある範囲内で自在に変更することが可能となっている。

上記四路切換弁（12）は、第１から第４までの４つのポート（12a,12b,12c,12d）を備えている。上記第１ポート（12a）から延びる配管は、上記圧縮機（11）の吐出側に接続されている。上記第２ポート（12b）から延びる配管は、上記圧縮機（11）の吸入側に接続されている。上記第３ポート（12c）から延びる配管は、上記室外回路（8）のガス端に接続されている。上記第４ポート（12d）から延びる配管は、上記室外熱交換器（15）の一端側に接続されている。

そして、上記四路切換弁（12）は、第１ポート（12a）および第４ポート（12d）が互いに連通し且つ第２ポート（12b）および第３ポート（12c）が互いに連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１ポート（12a）および第３ポート（12c）が互いに連通し且つ第２ポート（12b）および第４ポート（12d）が互いに連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とにそれぞれ切換可能となっている。

上記膨張弁（14）は、開度が調節可能な電子膨張弁で構成されている。この膨張弁（14）の一端は上記室外回路（8）の液端に接続され、他端は上記室外熱交換器（15）の他端側に接続されている。

上記室外熱交換器（15）は、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。図２に、その室外熱交換器（15）の一部を示す。

図２に示すように、上記室外熱交換器（15）は、複数の伝熱フィン（21）からなる伝熱フィン群（22）と、複数の伝熱管（1）およびＵ字管（23）からなる伝熱管群（28）とを備えている。各伝熱フィン（21）は、長方形の平板状に形成されている。各伝熱管（1）は、各伝熱フィン（21）を貫通し、その各伝熱管（1）の端部同士がＵ字管（23）によって接続されている。これにより、入口側端部（27）から出口側端部（28）まで１つの冷媒流路が形成される。尚、上記室外熱交換器（15）は、全体として複数の冷媒流路を有する、いわゆる複数パスの熱交換器である。冷媒の入口側端部（27）および出口側端部（28）が複数設けられている。

又、この室外熱交換器（15）の近傍には室外ファン（図示なし）が設けられている。そして、上記各冷媒流路を超臨界圧の冷媒が冷凍機油とともに流れ、この冷媒の流れと直交するように各伝熱フィン（21）の間を上記室外ファンからの空気が流れることにより、冷媒と空気との熱交換が行われる。

ここで、本発明の特徴として、上記室外熱交換器（15）の伝熱管（1）には平滑管（1）が用いられている。この平滑管（1）の外径は７．０ｍｍ、肉厚は０．９ｍｍである。

〈室内機〉
上記室内機（2）の室内回路（7）は、室内熱交換器（利用側熱交換器）（13）を有している。上記室内熱交換器（13）の一端は上記室内回路（7）のガス端に接続され、他端は上記室内回路（7）の液端にそれぞれ接続されている。

上記室内熱交換器（13）は、上述した室外熱交換器（15）と同様に、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成されている。尚、この室内熱交換器（13）の伝熱管には平滑管（1）の代わりに外径７．０ｍｍ、底肉厚０．６ｍｍの内面溝付き管（6）が用いられている。これ以外の構成は、上記室外熱交換器（15）と同様のため、説明は省略する。

上記内面溝付き管（6）の内周面には、図５に示すように複数の溝（16）と、各溝（16）の間に隣接するフィン（17）とが設けられている。この溝（16）及びフィン（17）は、図６に示すように、上記溝（16）の断面が逆台形状に形成され、上記フィン（17）の断面が先細の山形に形成されている。尚、この溝（16）の数（条数）は６０である。

具体的には、上記溝（16）の底部には底部平坦部（16a）が形成され、該底部平坦部（16a）の両端には底部角部（16b）が形成されている。一方、上記フィン（17）は、先端部（17a）が円弧状に形成され、その両側には該先端部（17a）に連続する直線状の傾斜部（17b）がそれぞれ形成されている。そして、上記溝（16）と溝（16）との間にフィン（17）が隣接して配置されるように、上記底部角部（16b）と傾斜部（17b）とが連続している。尚、このフィン（17）の両側にある傾斜部（17b）と傾斜部（17b）とのなす角（フィン頂角）は６０ｄｅｇである。

また、上記溝（16）と溝（16）との間の底部幅δは、傾斜部（17b）の延長線と底部平坦部（16a）の延長線との交点を結んだ距離で示される。フィン高さｈは、底部平坦部（16a）とフィン（17）の先細との間の長さであり、この長さは０．１５ｍｍである。また、図７に示すように、これら溝（16）及びフィン（17）の延びる方向は、管軸方向に対して所定の角度を有する。この角度は１２ｄｅｇである。

−運転動作−
次に、本実施形態に係る空気調和装置の運転動作について説明する。この空気調和装置は、上述したように、上記四路切換弁（12）の切換動作で上記冷媒回路（10）を流れる冷媒の循環方向を可逆にすることにより、室内の冷暖房を行うことができる。

具体的に、上記四路切換弁（12）を第１状態に設定すると室内を冷房する冷房運転を行うことができ、上記四路切換弁（12）を第２状態にすると室内を暖房する暖房運転を行うことができる。ここでは、冷房運転のみについて説明する
上記空気調和装置の冷房運転では、上述したように上記四路切換弁（12）が第１状態に設定される。この状態で、上記圧縮機（11）で臨界圧力以上まで圧縮された冷媒が該圧縮機（11）から吐出される。なお、上記圧縮機（11）からは、該圧縮機（11）の各摺動部の潤滑に利用された冷凍機油が、この超臨界圧の冷媒とともに吐出される。そして、この吐出された冷媒及び冷凍機油は、上記四路切換弁（12）を通過した後で上記室外熱交換器（15）に流入する。

上記室外熱交換器（15）に流入した冷媒は、室外ファンからの送風空気に放熱しながら伝熱管である平滑管（1）を通過する。この通過の際に冷媒と送風空気とが平滑管（1）を介して熱交換する。

ここで、上記平滑管（1）に流入する冷媒と冷凍機油とは相溶性が低いため、該平滑管（1）に流入した冷凍機油のうち冷媒に溶けきれないものが冷媒と分離して平滑管（1）の内周面を伝うように流れる。仮に上記室外熱交換器（15）の伝熱管を内面溝付き管（6）で構成したとすると、該内面溝付き管（6）の内面に形成された螺旋溝に上記冷凍機油が捕捉されやすくなる。その結果、管内側に形成される油膜が厚くなり、上記室外熱交換器（15）の伝熱性能を低下させてしまう。

しかしながら、本実施形態では、上記室外熱交換器（15）の伝熱管に平滑管（1）を用いているので、上記内面溝付き管（6）とは違い、上記冷凍機油が捕捉されずに滑らかに流れる。この結果、内面溝付き管（6）に比べて、伝熱管内の油膜を薄くすることができ、上記室外熱交換器（15）の伝熱性能の低下を抑制することができる。尚、この冷凍機油の油循環量は０．３質量％以上に設定されている。

上記室外熱交換器（15）で室外ファンからの送風空気に放熱しながら、該室外熱交換器（15）を流出した冷媒は、上記膨張弁（14）に流入する。膨張弁（14）に流入した冷媒は、所定の圧力に減圧されて、低圧の冷媒となる。そして、低圧の冷媒は室内熱交換器（13）に流入し、室内ファン（図示無し）から送られる室内空気から吸熱して蒸発する。その結果、室内空気は冷却される。

尚、この室内熱交換器（13）には上述したように内面溝付き管（6）が用いられており、図３に示すように、該室内熱交換器（13）の熱交換量は、平滑管（1）を用いた場合に比べて大きい。

上記室内熱交換器（13）で蒸発した冷媒は、圧縮機（11）に吸入され、臨界圧力以上まで圧縮される。そして、超臨界圧の冷媒は、再び吐出される。このように冷媒が冷媒回路（10）を循環することにより、室内が冷却される。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、上記室外熱交換器（15）に平滑管（1）を用い、上記室内熱交換器（13）に内面溝付き管（6）を用いるようにしている。こうすると、この空気調和装置の冷房運転時に、上記室外熱交換器（15）における平滑管（1）の管内の油膜を、内周面に溝がある場合に比べて薄くすることができる。これにより、二酸化炭素が放熱しやすくなり、上記室外熱交換器（15）の放熱量を増加させることができる。

以上より、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置において、上記室外熱交換器（15）に平滑管（1）を用いることにより、ＨＦＣ系冷媒を冷媒とする従来の空気調和装置よりも大幅に冷房能力が低下するのを抑えることができる。

又、本実施形態によれば、上記平滑管（1）を用いた室外熱交換器（15）において、上記油循環量を０．３質量％以上に規定している。

図３は、上記冷凍機油の油循環量が蒸発熱交換能力比に及ぼす影響を、上記室外熱交換器（15）に用いている平滑管（1）と上記室内熱交換器（13）に用いている内面溝付き管（6）とで比較したグラフである。図４は、上記冷凍機油の油循環量が放熱熱交換能力比に及ぼす影響を、上記平滑管（1）と上記内面溝付き管（6）とで比較したグラフである。

図３では、冷凍機油の油循環量によらず、常に平滑管（1）よりも内面溝付き管（6）の方が蒸発熱交換能力比が大きい。一方、図４では、冷凍機油の油循環量がゼロ場合は、平滑管（1）よりも内面溝付き管（6）の方が放熱熱交換能力比が大きい。これは、冷凍機油の油膜がなく、螺旋溝による伝熱促進効果が十分に発揮されているからである。しかし、冷凍機油の油循環量が増加するに従って、上記内面溝付き管（6）の方の放熱熱交換能力比が小さくなる。これは、冷凍機油の油循環量が増えるにつれて油膜が次第に厚くなり、螺旋溝による伝熱促進効果が小さくなっているからである。そして、冷凍機油の油循環量が０．３質量％付近を超えると、内面溝付き管（6）の放熱熱交換能力比が平滑管（1）よりも小さくなる。

以上より、上記室外熱交換器（15）に平滑管（1）を用いると、室外熱交換器（15）の放熱熱交換能力を効果的に増加させることができる。これにより、二酸化炭素を冷媒とする空気調和装置において、ＨＦＣ系冷媒を冷媒とする空気調和装置よりも大幅に冷房能力が低下するのを効果的に抑えることができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、二酸化炭素が循環して超臨界冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた空気調和装置について有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施形態に係る空気調和装置の熱交換器の概略図である。油循環量が蒸発熱交換能力比に及ぼす影響を示すグラフである。油循環量が放熱熱交換能力比に及ぼす影響を示すグラフである。本発明の実施形態に係る内面溝付き管の横断面図である。図５のＡ部の拡大図である。本発明の実施形態に係る内面溝付き管の縦断面図である。

1 平滑管
6 内面溝付き管
10 冷媒回路
11 圧縮機（圧縮機構）
12 四路切換弁（切換弁）
13 室内熱交換器（利用側熱交換器）
14 膨張弁（膨張機構）
15 室外熱交換器（熱源側熱交換器）

Claims

二酸化炭素及び冷凍機油が封入されるとともに圧縮機構（11）と熱源側熱交換器（15）と膨張機構（14）と利用側熱交換器（13）とが順に接続されて超臨界冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）を備え、上記冷媒回路（10）には該冷媒回路（10）を流れる二酸化炭素及び冷凍機油の循環方向を可逆にして熱源側熱交換器（15）が放熱器となり且つ利用側熱交換器（13）が蒸発器となる冷房運転と熱源側熱交換器（15）が蒸発器となり且つ利用側熱交換器（13）が放熱器となる暖房運転とを切り換える切換弁（12）が設けられている空気調和装置であって、
上記熱源側熱交換器（15）には平滑管（1）が用いられ、上記利用側熱交換器（13）には内面溝付き管（6）が用いられていることを特徴とする空気調和装置。
請求項１において、
上記平滑管（1）を流れる二酸化炭素及び冷凍機油は、その二酸化炭素及び冷凍機油の全体の質量流量に対する冷凍機油の質量流量の割合が０．３質量％以上であることを特徴とする空気調和装置。