JP5963598B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台の室外ユニットと室内ユニットとを接続して形成される空気調和装置に関する。

従来、圧縮機の吸込側に設けたアキュムレ−タ内の冷媒配管に穴を設け、この穴を利用してアキュムレ−タタンク内の油を圧縮機へ供給する技術が知られている（例えば特許文献１）。また空気調和機の空調能力を大容量化する方法として、複数の室外機を並列に接続する手段が提案されている。室外機を並列に接続する場合には、各々の室外機における油の確保が課題となるので、このような均油という課題に対して、アキュムレ−タからの導出管の底部近傍に位置する第一返油穴と、導出管の開口端より下側で前記第一返油穴より上側、且つアキュムレ−タ内に貯留される液量の上限値に対応する高さに、第２の返油穴を備える技術が開示されている。（特許文献２）

特開平１０−２０５９３１号公報 特開２０１０−２０３７３３号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。すなわち、上記特許文献２記載の従来技術では、アキュムレ−タ内に保有する油量が上限値に達した際にアキュムレ−タから排出する構造となっているので、アキュムレ−タ内に保有される油量は、上限値付近にて連続動作し易い構造となっている。これは一方で、相対的に不足気味の室外ユニットが存在することを意味しており、圧縮機の信頼性を低下させる可能性があるという課題を有していた。

本発明の目的は、各アキュムレ−タで保有する油量の差を縮小し、均油の機能を向上させた信頼性の高い空気調和装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、室内熱交換器と、室内減圧手段とを有する少なくとも１台の室内機と、圧縮機と、該圧縮機の冷媒吸込側に設けられたアキュムレ−タと、前記圧縮機の吐出側に設けられた油分離器と、室外熱交換器と、室外減圧手段とをそれぞれ有する複数台の室外機と、を備え、前記室内機及び前記複数の室外機が冷媒配管により接続された空気調和装置であり、以下の特徴を備えたものである。

すなわち、前記アキュムレ−タは冷媒及び油を前記圧縮機の吸入側に送るための導出管を備え、該導出管は、一端が前記アキュムレ−タ内の空間に開口し、該開口した一端から前記アキュムレ−タの下部に向かってから、アキュムレ−タの下部から上部に向かうように構成され、前記導出管の最下部付近に、前記アキュムレ−タの底部に溜まった油を前記導出管に戻すための第一返油穴が形成され、前記第一返油穴より上方に、かつ、前記導出管の前記開口した一端より下方に、前記アキュムレ−タの前記第一返油穴よりも上部に溜まった油を前記導出管に戻すための第二返油穴が形成されている。

そして、全封入油量から前記圧縮機および前記油分離器の保有油量を差し引いた残りが、前記アキュムレ−タ内に存在するとした場合の前記アキュムレ−タ内の油量をMs、このときの液面高さをLs、前記アキュムレ−タ内の液面が前記第一返油穴の上端となる油量をML、液面が前記第二返油穴の上端となる油量をMh、前記複数の室外機の台数をN（ただしN＞１）、前記油量Msから（Ms−ML）／（N−１）だけ油量が増加した際の液面高さをLdとした場合に、前記導出管に、前記液面高さLsより上方かつ前記液面高さLdより下方となる範囲内に、前記第二返油穴が複数個、上下方向の異なる位置に形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、アキュムレ−タの返油穴を複数化することによって、アキュムレ−タ間の保有油量の差異を抑制した信頼性の高い空気調和装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１におけるサイクル系統図 従来のアキュムレ−タ内部構造図 実施例１におけるアキュムレ−タ内部構造図 第二返油穴の高さ範囲を示す概念図 液戻りに対する実験結果 実施例２におけるアキュムレ−タ内部構造図

本発明における実施形態に係わる空気調和装置について、図１〜図６を用いて、以下詳細に説明する。

本発明の第一の実施形態を、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、本実施形態における空気調和装置の構成を示すサイクル系統図である。
まず本実施例の構成を示す。本実施例では、２台の室外ユニット２０ａ、２０ｂと２台の室内ユニット２１ａ、２１ｂとを、液管３１とガス管３２の２本の配管で並列に接続して冷凍サイクルを構成している。各室内ユニット２１では、室内熱交換器５ａ、５ｂが液管３１と、室内減圧手段６ａ、６ｂを介して接続されており、室内熱交換器５ａの、５ｂの他端はガス管３２に接続されている。

室外ユニット２０ａ、２０ｂでは、室外熱交換器２ａ、２ｂが室外膨張弁３ａ、３ｂ（室外減圧手段）を介して液管３１と接続されており、他端は四方弁７ａ、７ｂへと接続され、四方弁７ａ、７ｂの切換により圧縮機１ａ、１ｂの吐出側もしくは吸込側へと接続が任意に切り換えられる。この際、圧縮機１ａ、１ｂの吐出側もしくは吸込側のうち、室外熱交換器２ａ、２ｂとは異なる一方がガス管３２へと連通する。また圧縮機１ａ、１ｂの吐出側には油分離器８ａ、８ｂが、吸込側にはアキュムレ−タ９ａ、９ｂが配置されており、油分離器８ａ、８ｂで分離した油はキャピラリ配管１０ａ、１０ｂを通ってアキュムレ−タ９ａ、９ｂへと流入する構成となっている。

冷房運転時には、四方弁７ａ、７ｂを図１に実線で示すように切換える。圧縮機１ａ、１ｂから吐出された冷媒およびこれに含まれる油は油分離器８ａ、８ｂでガス冷媒と油に分離される。油分離器８ａ、８ｂで分離された油はキャピラリ配管１０ａ、１０ｂを通ってアキュムレ−タ９ａ、９ｂへと流入する。一方、ガス冷媒は油分離器８ａ、８ｂで分離しきれなかった油と共に四方弁７ａ、７ｂを介して室外熱交換器２ａ、２ｂへと流入する。そして室外ファン４ａ、４ｂにより送風される室外空気へ放熱することによって、凝縮・液化し、膨張弁３ａ、３ｂを通って液管３１へと流出する。

２つの室外ユニット２０ａ、２０ｂから流出した液冷媒は液管３１で合流し、室内ユニット２１ａ、２１ｂへと流入する。室内ユニットでは膨張弁６ａ、６ｂで減圧されて低温・低圧となった状態で室内熱交換器５ａ、５ｂへと流入し、室内空気と熱交換することによって、室内空気を冷却する一方、冷媒は蒸発・ガス化する。その後、各室内ユニット２１ａ、２１ｂで蒸発したガス冷媒はガス管３２で合流し、油とともに各室外ユニット２０ａ、２０ｂへと分岐される。室外ユニット２０ａ、２０ｂでは、四方弁を通った後、キャピラリ配管１０ａ、１０ｂを通った油と合流してアキュムレ−タ９ａ、９ｂへと流入する。アキュムレ−タ９ａ、９ｂからは、流量が調整された油とともに冷媒が圧縮機１ａ、１ｂへと供給される。

暖房運転時には、四方弁７ａ、７ｂを図１に破線で示すように切換える。圧縮機１ａ、１ｂから吐出された冷媒およびこれに含まれる油は油分離器８でガス冷媒と油に分離される。油分離器８ａ、８ｂで分離された油はキャピラリ配管１０ａ、１０ｂを通ってアキュムレ−タ９ａ、９ｂへと流入する。一方、ガス冷媒は油分離器８ａ、８ｂで分離しきれなかった油と共に四方弁７を介してガス管３２へと流入する。各室外ユニットから流出したガス冷媒はガス管３２で合流した後、室内ユニット２１へと流入し、室内熱交換器５ａ、５ｂで室内空気に放熱して液化した後、膨張弁６ａ、６ｂを通って液管３１へと流出する。その後分岐して室外ユニット２０ａ、２０ｂに流入すると、膨張弁３ａ、３ｂで減圧されて低温・低圧となった状態で室外熱交換器２ａ、２ｂに流入し、室外空気と熱交換することによって蒸発・ガス化する。ガス化した冷媒は油と共に四方弁７ａ、７ｂを通ってアキュムレ−タ９ａ、９ｂを介して圧縮機１ａ、１ｂへと戻る。この際冷房時と同様にアキュムレ−タ９ａ、９ｂでは流出する油量が調整される。

図２は、従来のアキュムレ−タ９の内部構造を示す図である。図２において、冷媒および油は流入管３３からアキュムレ−タ９内部に流入し、油はアキュムレ−タ９の底部に貯留される。アキュムレ−タ９の内部空間はガス冷媒で満たされており、上方に向かって開口した導出管３４を通って圧縮機１の吸込口へと流出する。導出管３４はU字形状をしており、アキュムレ−タ９の底部に近く、最も低い位置近傍に、内部の油を導出管３４内部の冷媒へ混合させるための第一返油穴４０が設けられている。油の戻り量は第一返油穴４０から流入する流動抵抗と、導出管３４の開口端から第一返油穴４０までの流動抵抗によって定まるので、圧縮機１へ流れる冷媒流量が少ない時には油戻し量が減少し、冷媒流量が多い時には油戻し量も増大する。この第一返油穴４０の径は、圧縮機１に必要な油量割合に応じて、適宜設計されているので、第一返油穴４０が液面よりも低い位置にある限り圧縮機１へ油を供給できる。また油の保有量が増加すると第二返油穴４２から油をアキュムレ−タ９の外に流出させるので、アキュムレ−タ内に保有する冷媒量が過剰になることを防止することができる。また導出管３４の出口近傍には均圧用の穴４１が設けられている。これは空調機停止時に導出管３４と流入管３３内の圧力をバランスさせるための均圧穴である。

このアキュムレ−タでは、液面が第一返油穴４０と第二返油穴４２の間にある場合、油分離器１０からアキュムレ−タに戻す油量よりも少ない油量を第一返油穴４０から流出させ、液面が第二返油穴４２よりも高くなった場合には、油分離器１０からアキュムレ−タに戻す油量よりも多くの油量を、第一返油穴４０と第二返油穴４２を用いて流出させる構造となっている。このような構成とすることにより、液面が第二返油穴４２よりも高くなった場合にはアキュムレ−タ９からの流出量を増加させ、アキュムレ−タ９内の保有油量の増加を抑制し、サイクルへ流出させることで他のアキュムレ−タとの均油を実現している。

しかしながら、均油のための排出機能が作動するのは、第二返油穴４２の場所まで液面が上昇した場合であり、不均一になることをある程度許容した構成となっている。したがって、室外機間の分配が比較的均一な場合であっても、時間の経過とともに一部のアキュムレ−タでは上限値の第二返油穴４２まで液面が上昇した状態となり易い。したがって、空気調和装置の信頼性を高める上での課題となっていた。

図３に本発明のアキュムレ−タ９の内部構造を示す。図３は第二返油穴４２を複数個の第二返油穴４２ａ、４２ｂ、４２ｃに分割した構成となっており、各々の第二返油穴４２の径は図２に示す従来の第二返油穴４２の径よりも小さく構成されている。なお、複数の第二返油穴４２の断面積の合計は、図２に示す第二返油穴４２の断面積と等しく設定した。ここで最上段にある第二返油穴４２ｃの上端位置は、図２に示す第二返油穴４２の上端位置と同様に、アキュムレ−タ９で保有する油の上限値に対応した高さに設定されている。したがって、複数の第二返油穴４２をすべて利用することで、従来と同等の均油機能を確保することができ、アキュムレ−タ９内の保有冷媒量が、従来に対して増加することはない。

すなわち、本実施例のアキュムレ−タ９は冷媒及び油を圧縮機１の吸入側に送るための導出管３４を備え、該導出管３４は、一端がアキュムレ−タ９内の空間に開口し、該開口した一端からアキュムレ−タ９の下部に向かってから、アキュムレ−タ９の下部から上部に向かうように構成されている。そして導出管３４の最下部付近に、アキュムレ−タ９の底部に溜まった油を導出管３４に戻すための第一返油穴４０が形成され、第一返油穴４０より上方に、かつ、導出管３４の開口した一端より下方に、アキュムレ−タ９の第一返油穴４０よりも上部に溜まった油を導出管３４に戻すための第二返油穴が形成される。

また、全封入油量から前記圧縮機１および前記油分離器８の保有油量を差し引いた残りが、アキュムレ−タ９内に存在するとした場合のアキュムレ−タ９内の基準油量をMs、このときの基準液面高さをLs、アキュムレ−タ９内の液面が第一返油穴４０の上端となる最低油量をML、液面が前記第二返油穴４２の上端となる最大油量をMh、並列接続する室外ユニット２０の台数をN、基準油量から（Ms−ML）／（N−１）だけ油量が増加した際の上限液面高さをLdとした場合に、前記導出管３４に、前記基準液面高さLsより上方かつ前記上限液面高さLdより下方となる範囲内に、前記第二返油穴４２を複数個、上下方向に異なる位置に形成している。

これは油保有量が不均一になった場合に、最も油保有量が少ない室外ユニットでも給油が可能となるための条件である。この考え方の概念図を図４に示す。ここでは３台のアキュムレ−タ９ａ、９ｂ、９ｃがある場合を例に示す。アキュムレ−タ９ａの油保有量が最も減少する条件は、他のアキュムレ−タ９ｂ、９ｃの油保有量がともに上限まで増加した場合であり、この際アキュムレ−タ９ｂ、９ｃの液面はLsから最大油量Mhの場合に相当する最大液面高さLhまで上昇する。一方、アキュムレ−タ９ａでは他のアキュムレ−タ９ｂ、９ｃの油量増加分と台数を乗じた分だけ油量が減少する。すなわち２×（Mh−Ms）だけ油量が低下するので、これに対応する分だけ液面が低下する。このとき第一返油穴４０の上端が液中にあれば圧縮機への給油が可能なので、基準油量Msから最低油量MLまでの差分（Ms−ML）が、この油量低下分よりも大きくなっている必要がある。言い換えると、アキュムレ−タ９ａの油量が最低油量まで低下しないように、アキュムレ−タ９ｂ、９ｃの油量増加分を抑える必要がある。また油量増加分はアキュムレ−タ９の台数、すなわち並列接続する室外ユニット２０の台数Nによって変動するので、必要な条件は以下の通りである。
（Mh−Ms） ＜（Ms−ML）／（N−１） （N=２、３、４…）
言い換えると、最大油量Mhに相当する上限液面高さLhは上不等式が等価となる最大液面高さLdよりも低く設定することで均油の機能を確保することが可能となる。本実施例では、複数個の第二返油穴４２を全て、基準液面高さLsよりも高く、かつLdよりも低い位置に配置したので、確実に均油をおこなうことができる。なお、上記条件は空気調和装置の運転開始後、ある程度の時間が経過した後の定常運転時における条件を示すものである。この点は以下においても同様である。

さらに、従来はアキュムレ−タ９の油保有量が上限値に達した場合に油を排出する均油機能が作動する構成となっていたが、本実施例では、上限値に対応する位置に配置した第二返油穴４２ｃよりも下方に第二返油穴４２ａ、および４２ｂがあるので、液面が上限値に達する前に徐々に排出量が増加し、均油機能が早期に作動させることができる。言い換えると、上限位置に１つだけの第二返油穴を保有する場合に比べて、保有油量が相対的に不均一になる前に均油機能が働くので、不均一になりにくくなる。すなわち均油機能が改善されることになる。したがって、各アキュムレ−タの保有する冷媒量の低下幅を従来よりも低減できるので、空気調和装置としての信頼性も向上させることができる。

ところで、アキュムレ−タ９には、運転条件が変化した場合など、条件によっては液冷媒が流入する。このため条件によっては、第二返油穴４２から油だけでなく液冷媒も戻す必要がある。従来の構成では、液冷媒が第二返油穴４２から流入すると液冷媒の戻り量が急変し、吐出温度の急変を引き起こし易く、制御安定性上の課題もあった。しかし、本実施例では、複数の第二返油穴４２を複数個配置する構成としたので、アキュムレ−タ９内部の液面高さの上昇に伴う圧縮機１への液戻り量の変化が、従来に対して抑制されることになる。したがって、急激な液戻りを抑制できるので圧縮機１の信頼性を高めることができる。またこれにより圧縮機１吐出温度の急激な変化を抑制できるので、制御性も向上させることができるというメリットが得られる。

ところで、第二返油穴４２からの液戻り量は第二返油穴４２から管内に流入する際の流動抵抗と、導出管の流動抵抗によって定まるので、内径比によって液戻り量が変化することになる。図５に内径比を変えた際の液戻りに対する試験結果を示す。内径比が１６％の条件では液戻り量が過剰となり、内径比が１１%の条件では液戻り量が少なく、アキュムレ−タ９内に液冷媒が長時間貯留され、内径比としては１２〜１５％程度とすることが望ましいという知見が得られた。本実施例では、導出管３４の内径を１９MM、内径が１.４MMの第二返油穴を３個配置した。したがって、第二返油穴４２の等価直径は２.４MM、内径比は約１３％となっている。このように内径比が１２〜１５％の間にはいっているので、液戻り量を全体として適正化できると同時に、各々の径を小径化して液戻り量を抑制している。したがって、液面の上昇と共に各第二返油穴４２から順次液戻りが生じるので、急激な液戻りの発生を緩和して信頼性および制御安定性を向上できる。

なお、本実施例では第二返油穴４２を３個並べて配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第二返油穴４２の個数は任意に変更して良い。また導出管３４の同一方向に並べて配置したが、それぞれ異なる方向に向けて配置しても良い。アキュムレ−タ９内で液面が揺れるような状況が発生し得るので、このように方向を変えることで、液面の揺れに伴う液面高さの変化による液戻り量の変動を抑制する効果が得られる。この場合、圧縮機１への液戻りを抑制し、制御安定性をさらに高めることができるという効果が得られる。

本発明の第二の実施例を、図６を用いて説明する。

本実施例では、複数の第二返油穴４２の径を上下で変えている点が、図１に示した実施例とは異なる。配置高さおよび断面積は第一の実施例と同様である。図１に示す第一実施例と同じように、上限位置よりも低い位置に複数の第二返油穴４２が設けられているので、油面が上限に達しなくても均油機能を作動させることができるので、空気調和装置の信頼性を高めることができる。

また、本実施例では合計の断面積を保つと同時に、下方の第二返油穴４２ａの径を小さく設定した。したがって、第二返油穴４２ａまで油面や液冷媒の液面が上昇した場合のサイクル温度の変化を抑制することができる。したがって、さらに制御安定性を高めることができる。一方、小さな穴では必要な断面積を確保できないので、上側の第二返油穴４２ｃの穴径を大きく設定し、第二返油穴４２全体としての断面積を確保している。したがって、均油機能を確保しつつ、圧縮機１信頼性の向上および制御性の向上が可能となっている。

１ 圧縮機
２ 室外熱交換器
３ 室外膨張弁
４ 室外ファン
５ 室内熱交換器
６ 室内膨張弁
７ 四方弁
８ 油分離器
９ アキュムレ−タ
１０ キャピラリ
２０ 室外ユニット
２１ 室内ユニット
３１ 液管
３２ ガス管
３３ 流入管
３４ 導出管
４０ 第一返油穴
４１ 均圧穴
４２ 第二返油穴

Claims (3)

1. 室内熱交換器と、室内減圧手段とを有する少なくとも１台の室内機と、圧縮機と、該圧縮機の冷媒吸込側に設けられたアキュムレ−タと、前記圧縮機の吐出側に設けられた油分離器と、室外熱交換器と、室外減圧手段とをそれぞれ有する複数台の室外機と、を備え、前記室内機及び前記複数の室外機が冷媒配管により接続された空気調和装置において、
   前記アキュムレ−タは、冷媒及び油を前記圧縮機の吸入側に送るための導出管を備え、
   該導出管は、一端が前記アキュムレ−タ内の空間に開口し、該開口した一端から前記アキュムレ−タの下部に向かってから、アキュムレ−タの下部から上部に向かうように構成され、
   前記導出管の最下部付近に、前記アキュムレ−タの底部に溜まった油を前記導出管に戻すための第一返油穴が形成され、
   前記第一返油穴より上方に、かつ、前記導出管の前記開口した一端より下方に、前記アキュムレ−タの前記第一返油穴よりも上部に溜まった油を前記導出管に戻すための第二返油穴が形成され、
   全封入油量から前記圧縮機および前記油分離器の保有油量を差し引いた残りが、前記アキュムレ−タ内に存在するとした場合の前記アキュムレ−タ内の油量をMs、このときの液面高さをLs、前記アキュムレ−タ内の液面が前記第一返油穴の上端となる油量をML、前記複数の室外機の台数をN（ただしN＞１）、前記油量Msから（Ms−ML）／（N−１）だけ油量が増加した際の液面高さをLdとした場合に、
   前記導出管に、前記液面高さLsより上方かつ前記液面高さLdより下方となる範囲内に、前記第二返油穴が複数個、上下方向の異なる位置に形成されたことを特徴とする空気調和装置。
2. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記導出管の管内径をdpiとし、前記複数の第二返油穴の断面積の和と断面積が等しくなるような円の直径をdeqとした場合に、deq／dpi=０.１２〜０.１５となる関係を満たすことを特徴とする空気調和装置。
3. 請求項１又は２に記載の空気調和装置において、
   前記複数の第二返油穴のうち、最も高い位置にある穴の直径に対して最も低い位置にある穴の直径が小さくなっていることを特徴とする空気調和装置。