JP5965725B2 - 空気調和機 - Google Patents
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Description
しかしながら、R32の断熱指数はR410Aより大きいため、圧縮機の吐出温度がR410Aより高くなりやすい。したがって、冷媒としてR32を用いる場合、圧縮機の吐出温度を適切に下げる必要がある。
すなわち、特許文献1には、吸入管を介して圧縮機に接続されるアキュムレータ(気液分離器)と、アキュムレータの側面から吸入管に接続されるとともに、圧縮機に液冷媒を戻す液戻し管と、を備えた空気調和機について記載されている。
<空気調和機の構成>
以下では、一例として、空気調和機S1に冷媒:R32を用いる場合について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る空気調和機の冷媒回路を示す系統図である。なお、図1では、気液分離器10と、圧縮機20と、を断面図として拡大図示している。
空気調和機S1は、熱源側で室外(非空調空間)に設置される室外ユニットUoと、利用側で室内(空調空間)に設置される室内ユニットUiと、を備えている。
また、空気調和機S1の冷媒回路は、気液分離器10(アキュムレータ)と、圧縮機20と、四方弁30と、室外熱交換器40と、膨張弁50と、室内熱交換器60と、が環状に配管aで接続されている。ちなみに、圧縮機20、四方弁30、室外熱交換器40、及び膨張弁50は室外ユニットUoに設置され、室内熱交換器60は室内ユニットUiに設置されている。
また、気液分離器10は、容器本体11と、吸入管12と、遮蔽板13と、液戻し管14と、を備えている。
また、容器本体11は、その軸線方向が略鉛直となるように設置される。これによって、安定した状態で冷媒の気液分離が行えるとともに、容器本体11内に冷媒がほとんどない場合でも、油(潤滑油)が半球状の底面に溜まるようになっている。ちなみに、当該油は、油戻し孔12kを介して圧縮機20に供給される。
また、容器本体11の上部には略同軸に流入管a1が貫通し、流入管a1の開口部p1が容器本体11の内部に臨んでいる。
また、吸入管12の他端側(開口部12qの側)は圧縮機20の外殻21(密閉容器)の上部を貫通して圧縮機構部22に接続されている。つまり、吸入管12の開口部12qは、ガス冷媒が圧縮機構部22に流出する流出口となっている。
また、吸入管12は、一端が圧縮機構部22に接続される直管部12aと、この直管部12aの他端から延びる曲管部12bと、を有している。
なお、図1に示すように吸入管12をS字状に形成することで、圧縮機20と気液分離器10とを近接させ、室外ユニットUo内での設置スペースを小さくすることができる。
ちなみに、圧縮機20のモータ部23が駆動している状態において、圧縮機20の吸入側よりも気液分離器10内のほうが高圧となっている。
ちなみに、容器本体11の容積や、液戻し管14の開口部14pの高さは、圧縮機20への液戻しが必要となる条件において容器本体11内の冷媒液面wの高さが開口部14p以上となるように適宜設定される。なお、圧縮機20への液戻しの詳細については、後記する。
また、液戻し管14の径d2(図2参照)は、吸入管12の径d1(図2参照)よりも小さく設定されている。
また、容器本体11の底面を基準として開口部14pを所定の高さに配置することで、圧縮機20内の冷媒温度が比較的低い場合には、吸入管12を介してガス冷媒のみを圧縮機20に供給するようになっている。
なお、流入管a1からの冷媒が液戻し管14に直接入らないように、開口部14pは斜め下方に向けて開口している。
ちなみに、開口部14qは、圧縮機構部22の近傍に配置され、圧縮機構部22に向けて液冷媒を噴霧流として供給するためのノズルとして機能する。
なお、圧縮機20として、例えば、ロータリ式、スクロール式、レシプロ式の圧縮機を用いることができる。
また、膨張弁50は、冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
室内熱交換器60は、室内ファン60fから送られてくる空気(室内空気)と冷媒との熱交換を行う。
なお、圧縮機20、四方弁30、室外ファン40f、室内ファン60f、及び膨張弁50の各動作は、センサ類(図示せず)やリモコン(図示せず)から入力される信号に基づいて、制御装置(図示せず)により制御される。
図2(a)は、液戻し管を有しない比較例の気液分離器を用いた場合における、吸入管内の流動様式を示し、図1の領域Aに対応する部分を示している。
なお、図2(a)では、気液分離器が液戻し管を備えないために、容器本体11内の冷媒の冷媒液面wが開口部12pよりも高くなってオーバーフローし、ガス冷媒に液冷媒が混入した場合を示している。
この場合、環状噴霧流のうち環状の液冷媒c1がかたまりとして圧縮機20に流入する。そうすると、圧縮機20での圧縮過程(容積の縮小過程)において液圧縮を起こしたり、圧縮機構部22の摺動部(図示せず)の潤滑油を洗い流したりして、圧縮機20の信頼性を低下させるという問題があった。
また、噴霧流の液冷媒が蒸発しきらず,圧縮機構部22内で圧縮される場合でも、圧縮過程での噴霧流の液状態からガス状態への変化(蒸発速度)が速いため、信頼性を損なう液圧縮を防止できる。
つまり、冷媒:R32を使用した場合であっても圧縮機20の吐出温度を抑えつつ、圧縮機20での液圧縮を防止することができる。また、液冷媒がかたまりとして圧縮機20に流入し、圧縮機構部22の摺動部(図示せず)の潤滑油を洗い流すことも防止できる。
仮に、吸入管12が、液戻し管14の開口部14qから下流側に向かって所定距離以上延びている場合、液戻し管14の開口部14qから噴霧流として流出した液冷媒は、ある位置から環状噴霧流となる。
したがって、圧縮機構部22と開口部14との距離が吸入管12の径d1の5倍以内となるように、液戻し管14を配置することが好ましい。
また、気液分離器10内の冷媒液面wが、液戻し管14の開口部12pより低い場合、液戻し管14にもガス冷媒が流れる。したがって、液戻し管14の管肉厚を薄くすることが好ましい。これによって、液戻し管14の設置(つまり、ガス冷媒の流路断面積の減少)による圧力損失を抑制することができるからである。
以下では、暖房運転時において圧縮機20の吐出温度上昇の抑制が不要である(つまり、圧縮機20への液戻しが不要である)場合と、吐出温度上昇の抑制が必要である(つまり、圧縮機20への液戻しが必要である)場合と、に分けて説明する。ちなみに、圧縮機20への液戻しが必要なのは、室外空気が低温であるために圧縮機20の圧縮比が高くなる場合である。
暖房運転を行う際に圧縮機20への液戻しが不要である場合、気液分離器10には液冷媒が無いか、又は、液冷媒が存在するが液戻し管14の開口部より冷媒液面wが低くなっている。
圧縮機20で圧縮されて高温高圧となったガス冷媒は、四方弁30を介して、凝縮器として機能する室内熱交換器60に流入する。室内熱交換器60を通流する高温高圧のガス冷媒は、室内ファン60fにより送られてくる室内空気と熱交換し、凝縮する。
室外熱交換器40から流入する低温低圧のガス冷媒は、四方弁30及び流入管a1を介して気液分離器10に流入する。気液分離器10に流入したガス冷媒は、圧縮機20の吸入側からの負圧によって開口部12pから吸入管12に流入するとともに、開口部14pから液戻し管14にも流入し、圧縮機20に還流する。
次に、暖房運転を行う際に、圧縮機20への液戻しが必要である場合について説明する。室外空気の温度が低い場合、圧縮機20の圧縮比が高くなる(つまり、圧縮機20の吐出温度が上昇する可能性がある)ため、圧縮機20への液戻しが必要となる。
また、室外空気の温度が低下するほど、室外熱交換器40(蒸発器)の入口付近における冷媒の乾き度が増加するため、室外熱交換器40全体での冷媒の平均乾き度も増加する。その結果、室外熱交換器40内の冷媒量が減少し、余剰冷媒が気液分離器10の容器本体11に貯溜される。
室内熱交換器60から流出する中温高圧の液冷媒は、膨張弁50で減圧されて低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器として機能する室外熱交換器40に流入する。室外熱交換器40を通流する気液二相冷媒は、室外ファン40fにより送られてくる室外空気と熱交換して一部が蒸発しきらないため、気液二相冷媒となる。
さらに、ガス冷媒は開口部12pから吸入管12に流入し、開口部12qから圧縮機20の吸入側に流出する。一方、液冷媒は、開口部14pから液戻し管14に流入し、開口部14qから噴霧流として流出し、さらに蒸発しつつ圧縮機20の吸入側に流入する。
次に、冷房運転時の動作を説明する。図1に示す破線矢印は、冷房運転時において冷媒が通流する向きを示している。
冷房運転時は、暖房運転時と比較して室内空気と室外空気との温度差が小さい。つまり、圧縮機20の圧縮比も小さく、圧縮機20の吐出温度が暖房運転時ほど上昇しない。したがって、冷房運転時には、吐出温度上昇を抑制する必要はなく、圧縮機20への液戻しも必要ない。ちなみに、冷房運転時、気液分離器10の容器本体11には液冷媒がほとんど貯留されない。
室外熱交換器40から流出した中温高圧の冷媒は、膨張弁50で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器として機能する室内熱交換器60に流入する。室内熱交換器60を通流する気液二相冷媒は、室内ファン60fにより送られてくる室内空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。
気液分離器10に流入したガス冷媒は、圧縮機20の吸入側からの負圧によって開口部12pから吸入管12に流入するとともに、開口部14pから液戻し管14にも流入し、圧縮機20に還流する。
本実施形態に係る空気調和機S1では、吸入管12の開口部12pより所定距離だけ下方に液戻し管14の開口部14pを配置している。また、液戻し管14の開口部14pの高さは、圧縮機20への液戻しが必要となる条件に応じて、容器本体11内の冷媒液面wが開口部14pの高さ以上となるように適宜設定される。
したがって、液戻し管14から吸入管12内に流出する液冷媒の蒸発潜熱で、圧縮機20内の冷媒温度(つまり、圧縮機20の吐出温度)を適切に下げることができる。
以上より、本実施形態によれば、簡単な構成で、環境にやさしく、かつ、信頼性の高い空気調和機S1を提供することができる。
第2実施形態は、第1実施形態と比較して、気液分離器の構成が異なる。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。図3は、本発明の第2実施形態に係る空気調和機の冷媒回路を示す系統図である。なお、図3では、気液分離器10Aと、圧縮機20と、を断面図として拡大図示している。
図3に示す気液分離器10Aは、外管15と、内管16(吸入管)と、接合部17と、液戻し管18と、を備えている。
気液分離器10Aは、四方弁30を介して外管15に流入する冷媒を、外管15の内周面と内管16の外周面との間隙に流れる冷媒(液冷媒又は気液二相冷媒)と、外管15の径方向中心を通流して内管16に流入するガス冷媒と、に分離する。
内管16(吸入管)は、外管15よりも小径であるとともに、一端側(開口部16pの側)が外管15と略同軸で重なり合って二重管構造を呈し、他端側(開口部16qの側)が圧縮機20の外殻21を貫通して圧縮機構部22に接続されている。また、内管16は、圧縮機20からガス冷媒が吸入される「吸入管」として機能する。
なお、図3では、外管15及び内管16により構成される二重管構造の軸線が略水平方向となる場合を示しているが、これに限定されない。
液戻し管18は、一端が接合部17に接続されて外管15の内部に連通し、他端が内管16(つまり、吸入管)を貫通して、この内管16の内部に臨むS字状の配管である。外管15内において気液二相冷媒が環状流として存在する場合、環状の冷媒液の径方向厚さは、重力により上側よりも下側のほうが厚くなる。したがって、図3に示すように、液戻し管18は、接合部17の下部に接続することが好ましい。
また、液戻し管18の開口部18qは、圧縮機構部22の近傍、より具体的には、圧縮機構部22と開口部18qとの距離が内管16の径の略5倍以内となるように配置されている。なお、開口部18qが圧縮機20の外殻21の内側に位置するように液戻し管18を配置することが好ましい。これによって、開口部18qから圧縮機構部22に向けて、確実に噴霧流の液冷媒を供給することができる。
次に、気液分離器10Aに気液二相冷媒が流入する場合(つまり、暖房運転時において室外空気が低温の場合)について説明する。なお、気液分離器10Aにガス冷媒のみが流入する場合については、第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
四方弁30を介して気液分離器10Aに気液二相冷媒が流入すると、当該気液二相冷媒は、気液分離器10Aにおいて気液分離され、環状二相流になる。つまり、外管15の内周面に液膜が形成され、径方向の中心付近では液滴を含むガス冷媒が通流する。
一方、液滴を含むガス冷媒は、開口部16pから内管16(吸入管)に流入する。そして、内管16内を通流するガス冷媒中に、ノズルとして機能する液戻し管18の開口部18qから液冷媒が流出する。液戻し管18の開口部18qから流出した液冷媒は、液柱形成後、分離してガス中に浮遊して噴霧流となり、蒸発しつつ圧縮機構部22に流入する。
本実施形態によれば、室外熱交換器40の出口側に気液二相冷媒として余剰冷媒の一部を保持するように、膨張弁50の開度(絞り)などを適宜調整することで、図3に示す二重管構造の気液分離器10Aを用いることができる。したがって、気液分離器10Aのコンパクト化及び低コスト化を図ることができる。
これによって、簡単な構成で、環境にやさしく、かつ、信頼性の高い空気調和機を提供することができる。
第3実施形態は、第1実施形態と比較して、吸入管12B及び液戻し管14Bの構成が異なる。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図4は、本発明の第3実施形態に係る空気調和機の冷媒回路を示す系統図である。なお、図4では、気液分離器10Bと、圧縮機20と、を断面図として拡大図示している。
また、空気調和機S3では、液戻し管14Bの開口部14qが吸入管12Bの絞り部12cに接続されることによって、液戻し管14Bと吸入管12Bとが連通している。なお、絞り部12cに接続される開口部14qの位置は、第1実施形態に説明した場合と同様に、圧縮機構部22の近傍であり、圧縮機構部22との距離が吸入管12Bの径の5倍以内であることが好ましい。これによって、開口部14qから圧縮機構部22に向けて、確実に噴霧流の液冷媒を供給することができる。
次に、気液分離器10Bに気液二相冷媒が流入する場合(つまり、暖房運転時において室外空気が低温の場合)について説明する。気液分離器10Bにガス冷媒のみが流入する場合については、第1実施形態と同様であるから、説明を省略する。
本実施形態によれば、吸入管12Bに絞り部12cを設け、この絞り部12cに液戻し管14Bの開口部14qを接続する。したがって、圧縮機20の吸入側からの吸引力に加えて、絞り部12cでも吸引力が生じるので、液戻し管14Bを介して液冷媒を確実に吸引することができる。そして、液戻し管14Bから流出する噴霧流の液冷媒をガス冷媒に同伴させて圧縮機構部22に供給し、圧縮機20の吐出温度を適切に下げることができる。
以上、本発明に係る空気調和機について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記した各実施形態は、適宜組み合わせることができる。すなわち、第2実施形態と第3実施形態とを組み合わせて、気液分離器10Aを二重管構造とし(図3参照)、液戻し管18の開口部14qを吸入管12の絞り部12cに接続することによって(図4参照)、液戻し管18と吸入管12Bとを連通させてもよい。
また、前記各実施形態では、液戻し管14(14B,18)の開口部14qが、圧縮機20の外殻21の内側に配置される場合について説明したが、これに限らない。すなわち、液戻し管14(14B,18)の開口部14qを、圧縮機20の外殻21の外側に配置してもよい。
なお、この場合においても、開口部14qと圧縮機構部22との距離が、吸入管12の径の5倍以内となるように液戻し管14(14B,18)を配置することが好ましい。これによって、開口部14qから圧縮機構部22に向けて、確実に噴霧流の液冷媒を供給することができる。
また、前記各実施形態では、冷媒としてR32を用いる場合について説明したが、これに限らない。例えば、冷媒として、HFC、R32とHFO−1234yf又はHFO−1234zeとの混合冷媒、自然冷媒(例えば、CO2冷媒)などを用いてもよい。
10 気液分離器
11 容器本体
12 吸入管
12a 直管部
12b 曲管部
12c 絞り部
12k 油戻し孔
13 遮蔽板
14,18 液戻し管
15 外管
16 内管(吸入管)
17 接合部
20 圧縮機
21 外殻
22 圧縮機構部
23 モータ部
30 四方弁
40 室外熱交換器
50 膨張弁
60 室内熱交換器
Claims (5)
- 気液分離器と、圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、が環状に順次接続されて冷媒が通流する冷媒回路を構成し、
前記気液分離器は、
外管と、
前記外管よりも小径であるとともに、一端側が前記外管と略同軸で重なり合って二重管構造を呈し、他端が前記圧縮機の外殻を貫通して圧縮機構部に接続される吸入管と、
前記二重管構造の下流側において、前記外管の端部と前記吸入管の外周面とが接合される接合部と、
一端が前記接合部に接続されて前記外管の内部に連通し、他端が前記吸入管に接続又は貫通して当該吸入管の内部に臨むとともに、前記圧縮機構部から前記吸入管の径の5倍以内の距離に前記他端が配置される液戻し管と、を備えること
を特徴とする空気調和機。 - 前記吸入管は、
一端が前記圧縮機構部に接続される直管部と、
前記直管部の他端から延びる曲管部と、を有し、
前記液戻し管の前記他端は、前記吸入管の前記曲管部を貫通し、前記直管部と略同軸に配置されること
を特徴とする請求項1に記載の空気調和機。 - 前記吸入管は、上流側及び下流側よりも径が小さい絞り部を有し、
前記液戻し管の前記他端が、前記吸入管の前記絞り部に接続されること
を特徴とする請求項1に記載の空気調和機。 - 前記液戻し管の前記他端は、前記圧縮機が有する前記外殻の内側に配置されること
を特徴とする請求項1に記載の空気調和機。 - 前記冷媒は、R32であること
を特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
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