JP5544311B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の室内機を備えた空気調和機に関する。

同一室外機に複数台の室内機が接続され、室内機の設置位置に高低差がある場合、低い位置に設置された室内機の暖房能力が出にくくなる。これを解決するため、例えば以下の従来技術がある。特許文献１では、室外ユニットより高い位置側に設けられた室内ユニットの受液側の配管の途中に、低い位置側に設けられた室内ユニットとの差圧分を抵抗とする制御弁を設け、暖房能力平均化をすることが開示されている。また、特許文献２では、高い位置にある室内ユニットの流量調整弁の開度が、低い位置にある室内ユニットの流量調整弁の開度より小さくなるように開度を修正することで、暖房能力をバランスさせることが開示されている。

特公昭６３−４１０４号公報 特許第２８１０７６３号公報

特許文献１では、制御弁の内部で可動弁体が摺動することで冷媒流通路の径口を変えて、ヘッド差分を調整する。また、特許文献２では、流量調整弁の開度を修正して各室内ユニット間の冷媒流量を調整する。即ち、何れの特許文献のものも可動弁で調整するため、所定開度に調整されるまでは時間がかかり、各階の室内ユニット間の暖房能力がアンバランスになる時間が長くなるため、低い階の室内ユニットの暖房運転が立ち上がりにくいという課題がある。

本発明の目的は、低い階の室内ユニットを暖房時に早く立ち上げることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と室外熱交換器を有する室外機を少なくとも１台備える室外ユニットと、室内熱交換器を有する室内機を少なくとも１台備える複数台の室内ユニットとが接続され、前記複数台の室内ユニットの各々が、複数階を有する建屋の各階に設置されると共に前記室外ユニットを備えた階以下に設置されて成る空気調和機において、前記複数階のうちの一の階に備えられ、暖房運転時に前記室内ユニットの冷媒出口側となり冷媒が液となる部分と、前記一の階よりも低い他の階から流出した冷媒に合流する部分との間に、前記他の階よりも前記一の階の方が、同じ階に設けられている室内ユニットに対する単位容量当りの流路断面積が小さい配管を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低い階の室内ユニットを暖房時に早く立ち上げることができる。

本発明の実施例１の冷凍サイクル系統図。 本発明の実施例２の冷凍サイクル系統図。 本発明の実施例３の冷凍サイクル系統図。 本発明の実施例４の冷凍サイクル系統図。 本発明のモリエル線図である。

以下、本発明の空気調和機の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は実施例１の空気調和機の冷凍サイクルの系統図である。この空気調和機は屋上に設置された１台の室外ユニット１０（室外機９）と、３階の空調に使われる室内ユニット４５ａ（室内機４０ａ，４０ｂ），２階の空調に使われる室内ユニット４５ｂ（室内機４０ｃ，４０ｄ），１階の空調に使われる室内ユニット４５ｃ（室内機４０ｅ，４０ｆ）の計３台の室内ユニット（計６台の室内機）を、冷媒のガス管３０，液主管３４，液垂直管３５ａ及び各液枝管で接続して構成される。なお、液主管３４，液垂直管３５ａ，３６ａ，液枝管３６ｂ，３７ｂは流路断面積が大きい配管を使用することを明示するため線の太さを変えて記載する。液冷媒よりもガス冷媒の方が体積が大きいため、ガス管は液管より流路断面積が大きい配管を使用しているが、ガス管は本実施例の対象外であり太線で記載しない。同様に室外ユニット内の液管は液主管３４に比べ細い線となっているが実際に流路断面積を小さくしているわけではなく、本実施例の対象外であり太線で記載しない。本実施例は暖房運転時に室内ユニット４５ａ〜４５ｃ（室内機４０ａ〜４０ｆ）の冷媒出口側となる液管を対象とする。

本実施例では、１階に対して２階がＨ２−Ｈ１だけ高さが高く、３階がＨ２だけ高い３階建の各階に、室内機を２台ずつ配置し、室外機を１台配置したもので説明する。室内機は同じ階に２台より多く配置しても１台でもよく、同じ階に配置された室内機をあわせて室内ユニットと称することにする。各階の室内ユニットと並列に接続される室外機の台数も１台より多くてもよく、室外機をあわせて室外ユニットと称することにする。また、室内ユニット間の高低差は３階分以上でもよい。要は、複数の階を有する建屋の各階に１台以上の室内機を有する室内ユニットが設置され、複数台の室内ユニットと１台以上の室外機を有する室外ユニットとが並列に接続された空気調和機であればよい。

冷媒流量は室内機容量に比例するため、室内機の容量が同じであれば室内機につながる液管の流路断面積は同じとなる。流路断面積とは、配管が例えば円筒の場合、内径を直径とする円の面積を言う。冷媒が合流して冷媒流量が多くなるほど、冷媒が流れる際の圧力損失を考慮して液管の流路断面積を大きくする必要がある。本実施例では、１階の室内機４０ｅ，４０ｆそれぞれの液枝管３７ｃ，３７ｄの径より、これらの液枝管を流れる冷媒が合流して室内機２台分の冷媒が流れる液枝管３７ｂの流路断面積を大きくする。液垂直管３６ａを流れる冷媒量は液枝管３７ｂと同じなので、液垂直管３６ａの流路断面積は液枝管３７ｂと同じでよい。

１階と２階の室内機４台分の冷媒が流れる液垂直管３５ａの流路断面積を液垂直管３６ａより大きくし、１〜３階の室内機６台分の冷媒が流れる液主管３４の流路断面積を液垂直管３５ａより大きくする。このように、１階から屋上の室外ユニット１０に至るまでの高さ方向での液管の流路断面積は、冷媒流量が多くなるほど大きくなる。流路断面積が異なる配管同士は、管継手によって接続される。

暖房運転時には、３階に比べ２階の液管の方が液ヘッドＨ１の影響を受けるため、室内ユニット４５ａ出口側の液圧よりも室内ユニット４５ｂのものの方が高くなり、室内ユニット４５ａ入口側と出口側との差圧よりも室内ユニット４５ｂ入口側と出口側との差圧の方が小さくなる。このため室内ユニット４５ｂの冷媒循環量が減少して暖房能力が出にくくなる。３階に比べ１階は液ヘッドＨ２（Ｈ２＞Ｈ１）の影響を受けて更に暖房能力が出にくくなる。なお、ヘッドとは圧力が液の高さで何メートルに相当するかに換算した値を示す。例えば、上層の階と下層の階で４０ｍの高低差（液ヘッド差）がある場合、約０．４ＭＰａに相当する圧力差が生じる。暖房運転時に各階の液ヘッド差が問題となるのは、重力に逆らって液冷媒が液管を上昇していく途中で各階の冷媒が合流し、その後に室外ユニット１０に流入する場合である。本実施例では建屋の最上階に室外ユニット１０を備え、その下の階に室内ユニット４５ａ〜４５ｃ（室内機４０ａ〜４０ｆ）を備えているが、最上階にガレージとエレベータホールを備えているように、室外ユニット１０と同じ階に室内ユニットを設けてもよい。即ち、全室内ユニットを室外ユニット１０以下の高さに配置すればよい。

暖房運転時を例に、冷媒の流れを説明する。室内機容量は６台全て同じ容量とし、室内膨張弁開度は、暖房始動時など暖房能力のバランス制御が行われていない場合を想定し、全ての室内機で同等開度とする。圧縮機１１で圧縮された高圧ガス冷媒が四方弁１３に吐出される。暖房時は四方弁が実線のように切換えられる。ガス冷媒はガス管３０を流れ、各階で分岐する。ガス管３０の径は冷房運転時の低圧ガス圧力損失を考慮して決められるため、暖房時には十分に太く圧力損失はわずかである。また、ガス冷媒の密度は液冷媒の密度よりはるかに小さいため、室内機の設置位置の高低差の影響は無視できるほど小さい。このため高圧ガス冷媒は、吐出圧力に近い圧力でそれぞれの室内機４０ａ〜４０ｆに送られる。

例えば３階に流入した冷媒は、室内ユニット４５ａ内の室内機４０ａ，４０ｂに流入する。本実施例では、室内機４０ａ〜４０ｆは室内熱交換器４１ａ〜４１ｆ，室内膨張弁４２ａ〜４２ｆを備える。室内機４０ａに流入した冷媒は室内熱交換器４１ａで室内空気と熱交換し凝縮して高圧液冷媒となり、室内膨張弁４２ａを通過する。液冷媒は、暖房時に室内膨張弁４２ａの下流側となる液枝管３５ｃを流れて室内機４０ａ外に流出する。液枝管３５ｃ，３５ｄが合流することで、液枝管３５ｄを流れて室内機４０ｂから流出する液冷媒と合流し、液枝管３５ｂを流れて室内ユニット４５ａから流出する。２階，１階についても同様に室内機を流れて液状態となった冷媒が液枝管３６ｂ，３７ｂを流れる。

液枝管３５ｂと３６ｂを液垂直管３５ａで接続し、液枝管３６ｂと３７ｂを液垂直管３６ａで接続する。液垂直管３５ａと３６ａは各階を接続するものであるが、必ずしも垂直でなくともよい。本実施例では各階をつなぐ液管を垂直として説明しているが、液ヘッドは高さが重要であるため、液管が斜めであったり、各階の間で曲がりくねったりしていてもかまわない。

液枝管３７ｂを流れた冷媒は液垂直管３６ａを流れ、液垂直管３６ａで液ヘッドＨ２−Ｈ１だけ減圧され、液枝管３６ｂを流れる冷媒と合流する。合流後の冷媒は液垂直管３５ａで液ヘッドＨ１だけ減圧され、液枝管３５ｂを流れる冷媒と更に合流する。各階の冷媒が全て合流して液主管３４を流れて室外ユニット１０（室外機９）に流入する。液冷媒は液管を上昇するほど最上階の室内ユニットとの液ヘッド差が小さくなる。本実施例では、室外機９は室外膨張弁１５と室外熱交換器１４を備える。冷媒は室外膨張弁１５を通って室外熱交換器１４で室外空気と熱交換して低圧ガス冷媒となり、四方弁１３を通って圧縮機１１に流入し循環する。

本実施例では、暖房運転時に重力に逆らって液冷媒が流れる液主管３４及び液垂直管３５ａ，３６ａに合流する液枝管３５ｂ，３６ｂ，３７ｂのうち、上階に設置され液ヘッドの影響が小さい液枝管を流路断面積の小さい配管とする。
室内ユニットに室内機が１台だけある場合は、少なくとも冷媒が液となっている液枝管の部分から流路断面積の小さい配管とすればよい。これにより、上階の室内ユニットの冷媒配管の抵抗を増加させて冷媒を流れにくくし、下階の室内ユニットに冷媒が流れ易くすることで、各階の室内ユニットの暖房能力をバランスさせることができる。室内ユニットに室内機が複数台ある場合は、その階の各室内機から流出した冷媒が合流する部分から、下階の室内ユニットから流出した冷媒と合流する部分までの液枝管を流路断面積の小さい配管とするとよい。その階の全ての室内機から流出した冷媒が流れるのがこの区間なので、暖房能力がバランスする流路断面積を精度良く求めることができる。
具体的には液枝管３７ｂに対し液枝管３６ｂの流路断面積を小さくし、液枝管３６ｂに対し液枝管３５ｂの流路断面積を小さくする。小さくする度合いは、その液枝管が設けられた階と他の階との液ヘッド差と、液枝管につながる室内ユニットの容量（室内機の合計容量）と液枝管の長さに基づいて求める。これらの設置条件によっては、ある階の流路断面積が下階と同じとなる場合もある。

液枝管３６ｂに対し液枝管３５ｂの流路断面積を小さくすることにより、１階及び２階よりも３階の室内ユニット４５ａに冷媒を流しにくくする。これにより、３階の室内ユニット４５ａに過剰に流れていた冷媒を２階や１階の室内ユニット４５ｂ，４５ｃに流れ易くして暖房能力のアンバランスを解消することができる。合わせて液枝管３７ｂに対し液枝管３６ｂの流路断面積を小さくすることにより、１階よりも２階の室内ユニット４５ｂに冷媒を流しにくくする。これにより、２階の室内ユニット４５ｂに過剰に流れていた冷媒を１階の室内ユニット４５ｃに流れ易くして暖房能力のアンバランスを解消することができる。

圧力損失Ｐは以下の式で示される。
Ｐ∝Ｌｄ^-x

ここで、Ｌは配管長、ｄは配管径、ｘは正数を示し、乱流の場合の圧力損失を示す。配管を円筒としたとき、圧力損失は配管長と配管径の積に比例するが、配管径の大きさの変化に特に敏感である。このため、他の要因によって圧力損失を調整するよりも、本実施例のように配管径、即ち流路断面積を変える方が調整しやすい。

本実施例のように室内ユニット４５ａに２台の室内機４０ａ，４０ｂを備える場合、液枝管３５ｂの部分の流路断面積を調節する。しかし、液枝管３５ｂの長さが短すぎる場合、更に液枝管３５ｃ，３５ｄの流路断面積を小さくしてもよい。同様に液枝管３６ｂの長さが短すぎる場合、液枝管３６ｃ，３６ｄの流路断面積を小さくしてもよい。即ち、室内機出口側の室内膨張弁と、各階から流れてくる冷媒と合流する液垂直管との合流部との間の液枝管の流路断面積を上階ほど小さくすればよい。なお、液枝管は流路断面積が同じであれば、形状は円筒に限られない。

図５は、高低差を設けて室内ユニットを施工した時に暖房能力がアンバランスする場合と、本実施例の液枝管を設けることによって暖房能力がバランスする場合を示すモリエル線図である。簡略化のため同容量，同等負荷の室内機を２台施工し、室内機の１号機が上、２号機が下として異なる高さに設置する例で説明する。

室内機の入口圧力は高圧ガスのため圧力損失や液ヘッドの影響を受けにくく、１号機と２号機でほぼ同等圧力となる。また室内熱交換器の圧力損失も全体の圧力損失に比べれば微小である。このため他階の室内機から流出した液冷媒と合流する部分を液合流部として（最下階の液枝管は、他階の室外機から流出した冷媒が合流しないが、１つ上の階の液枝管に接続される液垂直管の下側の他端と最下階の液枝管との接続部分を液合流部とする）、室外機から近い順に第１液合流部，第２液合流部とする。１号機をＰＬ１、２号機をＰＬ２とすると、各室内膨張弁から第１液合流部までの圧力損失は、これらはほぼ等しいと考えられる。また、１号機の室内膨張弁の圧力損失をＰｉ１，２号機の室内膨張弁の圧力損失をＰｉ２とし、下層の階に設置された２号機にかかる液ヘッドをＰＨとして、以下の式が成り立つ。
Ｐｉ１＋ＰＬ１＝Ｐｉ２＋ＰＬ２＋ＰＨ

まず、従来の液枝管の場合（図５−１）を説明する。２号機にかかる液ヘッドＰＨが大きいほど、１号機と２号機の室内機出口側の圧力差が大きくなる。室内機入口側はそれほど圧力差がないため、室内膨張弁の圧力損失自体はＰｉ１＞Ｐｉ２となる。この場合は１号機の方が冷媒が流れ易くなるため、１号機の冷媒流量が２号機に比べ多くなる。このため、１号機の暖房能力が過剰で２号機の暖房能力が不足というアンバランスが発生する。
１号機と２号機の室内容量と室内負荷は同等とすると、室内熱交換器出口の比エンタルピは１号機が大きく２号機は小さい傾向となる。このため、封入冷媒量にもよるが、図５−１のモリエル線図では２号機の熱交換器出口の過冷却度が大きくなり、熱交換器に冷媒が溜まりこむ状態にある。

次に、１号機の液枝管の流路断面積を小さくした場合（図５−２）を説明する。この場合、液ヘッドに相当する分の圧力損失だけＰＬ１を大きくすることになり、Ｐｉ１をＰｉ２とほぼ等しくすることができる。これにより各室内機はほぼ同等の冷媒循環量となり、室内熱交換器出口の比エンタルピは１号機と２号機はほぼ等しくなる。このため暖房能力もバランスできる。２号機に冷媒が溜まりこむこともない。以上が暖房能力をバランスさせるメカニズムである。

本実施例によれば、暖房運転を開始後、冷媒が液枝管３５ｂ，３６ｂ，３７ｂを通るだけで液ヘッド差に応じた抵抗が上階の液枝管にかかる。このため、従来のように配管途中の可動弁の開度を操作する必要がないので、所定開度に調整されるまでの暖房能力アンバランスがない。即ち、複数の室内ユニットの暖房能力を早くバランスさせることができ、下の階の室内ユニットを早く立ち上げることができる。また、開度調整する特殊な部材が不要なので動作不良もなく信頼性が高い。

図２は実施例２の冷凍サイクルの系統図である。室外機，室内機の施工は実施例１と同じである。違いは液枝管３７ｂに対し液枝管３６ｂの流路断面積を小さくし更に配管長を長くする。即ち、上階の液管の流路断面積を小さくするだけでなく、長さも長くする。本実施例によれば、液枝管が短く液管の流路断面積を極端に小さくしないと液ヘッド差に応じた抵抗を調整できない場合や、適用可能な配管がない場合でも液枝管長を調整することで、複数の室内ユニットの暖房能力を早く暖房能力をバランスさせることができる。

図３は実施例３の冷凍サイクルの系統図である。室外機，室内機の施工は実施例１と同じである。違いは液枝管３７ｂに対し液枝管３６ｂの流路断面積を小さくし更に配管を２本並列に設置する。適用可能な配管がない場合、流路断面積の小さい液管を複数本並列にして各階の液枝管の総流路断面積を上階ほど小さくなるように調整することでも、複数の室内ユニットの暖房能力を早くバランスさせることができる。

図４は実施例４の冷凍サイクルの系統図である。本実施例の室外機は、暖房運転する室内機と冷房運転する室内機とが混在した状態で運転できる、いわゆる冷暖同時マルチ用の室外機となり、低圧ガス管３９が新たに接続され圧縮機吸入側につながる。高低圧ガス管３０に高圧ガス冷媒が流れることにより暖房運転可能となる。室内機ガス管側に高低圧ガス管３０と低圧ガス管３９のいずれかを選択する開閉機構が設置される。室内機が暖房運転の場合は高圧側開閉機構５１ａ〜５１ｆが開、低圧側開閉機構５２ａ〜５２ｆが閉となり、本実施例で追加された低圧ガス管３９は使用されない。つまり、暖房運転時は上記実施例と本実施例とは同等の冷媒流れとなる。

ここで図１の実施例１と同様に、液枝管３６ｂに対し液枝管３５ｂの流路断面積を小さくし、液枝管３７ｂに対し液枝管３６ｂの流路断面積を小さくすることにより実施例１と同様の効果を得ることができる。また、図２の実施例２のように液枝管長を調整したり、図３の実施例３のように液枝管本数を調整しても、各実施例と同様の効果を得ることができる。

９ 室外機
１０ 室外ユニット
１１ 圧縮機
１３ 四方弁
１４ 室外熱交換器
１５ 室外膨張弁
１９ 室外ファン
３０ （高低圧）ガス管
３４ 液主管
３５ａ，３６ａ 液垂直管
３５ｂ，３６ｂ，３７ｂ 液枝管（配管）
３５ｃ〜３５ｄ，３６ｃ〜３６ｄ，３７ｃ〜３７ｄ 液枝管
３９ 低圧ガス管
４０ａ〜４０ｆ 室内機
４１ａ〜４１ｆ 室内熱交換器
４２ａ〜４２ｆ 室内膨張弁
４５ａ〜４５ｃ 室内ユニット
５１ａ〜５１ｆ 高圧側開閉機構
５２ａ〜５２ｆ 低圧側開閉機構

Claims (6)

1. 圧縮機と室外熱交換器を有する室外機を少なくとも１台備える室外ユニットと、室内熱交換器を有する室内機を少なくとも１台備える複数台の室内ユニットとが接続され、前記複数台の室内ユニットの各々が、複数階を有する建屋の各階に設置されると共に前記室外ユニットを備えた階以下に設置されて成る空気調和機において、
   前記複数階のうちの一の階に備えられ、暖房運転時に前記室内ユニットの冷媒出口側となり冷媒が液となる部分と、前記一の階よりも低い他の階から流出した冷媒に合流する部分との間に、前記他の階よりも前記一の階の方が、同じ階に設けられている室内ユニットに対する単位容量当りの流路断面積が小さい配管を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、前記複数台の室内ユニットの各々が複数台の室内機を備え、前記配管は、前記一の階の前記複数台の室内機から流出した冷媒が合流する部分と、前記一の階よりも低い他の階から流出した冷媒に合流する部分との間に備えられることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１又は２において、前記室内機は冷媒出口側に室内膨張弁を備え、前記配管は、前記室内膨張弁と、前記一の階よりも低い他の階から流出した冷媒に合流する部分との間に備えられることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記配管の同じ階に設けられている室内ユニットに対する単位容量当りの流路断面積は、前記一の階と前記他の階との液ヘッド差と、前記配管につながる前記一の階の室内ユニットの容量と、前記配管の長さに基づいて定められ、前記複数階のうち上階ほど小さくなることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記配管は、前記複数階のうち上階ほど長いことを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、前記配管を複数本並列に設置し、前記配管の同じ階に設けられている室内ユニットに対する単位容量当りの総流路断面積は、前記複数階のうち上階ほど小さくなることを特徴とする空気調和機。

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