JP6266089B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、及び利用側熱交換器が配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えた空気調和装置に関する。

特許文献１には、１，１，２−トリフルオロエチレン（ＨＦＯ１１２３）を含む熱サイクル用作動媒体を用いた熱サイクルシステムが記載されている。

国際公開第２０１２／１５７７６４号

特許文献１に記載の技術のように、冷媒回路へ充填する冷媒として、ＨＦＯ１１２３冷媒又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を適用する場合、ＨＦＯ１１２３は、高圧高温条件では不均化反応（自己分解反応）が発生し、連鎖反応により、急激な圧力上昇等が発生する。このため、不均化反応が発生しないように、適正な圧力及び温度の範囲で運転を行うことが望まれている。

本発明は、上記のような課題を背景になされたもので、ＨＦＯ１１２３冷媒又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を適用する場合において、不均化反応（自己分解反応）の発生を抑制することができる空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、及び利用側熱交換器が順に接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えた空気調和装置であって、前記冷媒は、ＨＦＯ１１２３冷媒、又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒であり、前記膨張弁と前記利用側熱交換器との間から分岐し、前記圧縮機の吸入側に接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられた容器と、前記圧縮機から吐出された前記冷媒の温度及び圧力が、それぞれの閾値を超えないように、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を前記バイパス回路を介して前記容器に貯留するポンプダウン運転時に、前記圧縮機の運転周波数、前記膨張弁の開度、及び前記熱源側熱交換器に送風する送風機の風量の少なくとも１つを制御する制御装置と、を備えたものである。

本発明は、ＨＦＯ１１２３冷媒又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を適用する場合において、不均化反応（自己分解反応）の発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路図である。 ＨＦＯ１１２３冷媒の不均化反応と圧力と温度との関係を示す図である。 実施の形態１に係る空気調和装置１００の制御装置４０の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る空気調和装置１００の制御装置４０の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の冷媒回路図である。
図１に示すように、空気調和装置１００は、室外機１と室内機２とを備え、室外機１と室内機２とが液配管８及びガス配管５で接続されている。

室外機１は、圧縮機３、四方弁４、熱源側熱交換器９、膨張弁７、熱源側熱交換器９に空気を送風する熱源側送風機９１、空気調和装置１００を構成する各部の動作を制御する制御装置４０を備えている。
室内機２は、利用側熱交換器６、及び利用側熱交換器６に空気を送風する利用側送風機６１を備えている。
空気調和装置１００は、圧縮機３、四方弁４、熱源側熱交換器９、膨張弁７、利用側熱交換器６が、順次配管で接続されて冷媒が循環する冷媒回路を形成する。

室外機１は更に、膨張弁７と第１開閉弁１１との間の配管を分岐し、圧縮機３の吸入側の配管に接続するバイパス回路２０を備えている。バイパス回路２０には、第１バイパス開閉弁２１、第２バイパス開閉弁２２、冷媒を貯留する容器３０が設けられている。

圧縮機３は、例えばインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。
膨張弁７は、例えば開度が可変に制御される電子膨張弁である。
熱源側熱交換器９は、熱源側送風機９１によって送風される外気と熱交換する。
利用側熱交換器６は、利用側送風機６１によって送風される室内空気と熱交換する。

第１バイパス開閉弁２１は、バイパス回路２０の冷媒の流入側（膨張弁７と第１開閉弁１１との間の配管側）に設けられている。
第２バイパス開閉弁２２は、バイパス回路２０の冷媒の流出側（圧縮機３の吸入側の配管側）に設けられている。
第１バイパス開閉弁２１及び第２バイパス開閉弁２２は、バイパス回路２０の冷媒の流路を開閉する開閉弁である。
容器３０は、冷媒を貯留する容器である。

ガス配管５及び液配管８は、室外機１と室内機２とを接続する接続配管である。第１開閉弁１１及び第２開閉弁１２は、それぞれ、液配管８及びガス配管５に接続されている。液配管８は、室内機２の利用側熱交換器６と室外機１の第１開閉弁１１との間を接続している。ガス配管５は、室内機２の利用側熱交換器６と室外機１の第２開閉弁１２との間を接続している。

なお、第１開閉弁１１、第２開閉弁１２、第１バイパス開閉弁２１、及び第２バイパス開閉弁２２は、手動で開け閉めする手動弁でも良いし、制御装置４０によって開閉の状態が制御される電磁弁でも良い。

室外機１は更に、吐出温度センサー４１と、吐出圧力センサー５１と、吸入圧力センサー５２とを備えている。
吐出温度センサー４１は、圧縮機３から吐出された冷媒の温度を検出する。
吐出圧力センサー５１は、圧縮機３から吐出された冷媒の圧力を検出する。
吸入圧力センサー５２は、圧縮機３へ吸入される冷媒の圧力を検出する。
なお、冷媒回路を循環する冷媒の圧力は、圧縮機３の吸入側が最も低く、圧縮機３の吐出側が最も高い。よって、以下の説明では、圧縮機３の吸入側の圧力を低圧、圧縮機３の吐出側の圧力を高圧と言う。

空気調和装置１００の冷凍サイクル（冷媒回路）に使用する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレン（ＨＦＯ１１２３）等の不均化反応を起こす性質の物質、又は、不均化反応を起こす性質の物質に別の物質を混合させた混合冷媒を用いるものとする。
混合冷媒を生成させるために、不均化反応を起こす性質の物質に混合させる物質としては、例えば、テトラフルオロプロペン（２，３，３，３−テトラフルオロプロペンであるＨＦＯ１２３４ｙｆ、１，３，３，３−テトラフルオロ−１−プロペンであるＨＦＯ１２３４ｚｅ等）、ジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）等が用いられるが、これらに限るものではなく、ＨＣ２９０（プロパン）等を混合させてもよく、冷凍サイクル（冷媒回路）の冷媒として使用できる熱性能を有する物質であれば、どのようなものを用いてもよく、どのような混合比としてもよい。

このように構成された空気調和装置１００は、四方弁４の切り換えにより冷房運転又は暖房運転が可能となっている。また、空気調和装置１００は、室内機２内の冷媒を室外機１に回収するポンプダウン運転を行うことが可能である。

次に、空気調和装置１００の冷凍サイクルの運転動作について図１を参照して説明する。図１において、実線が冷房時の流れを示し、点線が暖房時の流れを示している。

（冷房運転）
まず、通常運転における冷房運転について説明する。
冷房運転時において、四方弁４は冷房側（実線で示す状態）に切り換えられる。また、第１開閉弁１１、第２開閉弁１２、第２バイパス開閉弁２２は、開状態である。第１バイパス開閉弁２１は閉状態である。
この状態で圧縮機３から高圧高温のガス冷媒が吐出されると、その高圧高温のガス冷媒は、四方弁４を介して熱源側熱交換器９に流入し、室外空気との熱交換により放熱することで高圧液冷媒となり流出する。熱源側熱交換器９から流出した高圧液冷媒は、膨張弁７に流入し、低圧の二相冷媒となる。

膨張弁７を流出した低圧二相冷媒は、液配管８を通過して室内機２へ流入し、利用側熱交換器６で室内空気と熱交換して蒸発し、低圧ガス冷媒となって流出する。利用側熱交換器６を流出した低圧ガス冷媒は、ガス配管５を通過して室外機１へ流入し、四方弁４を介して、圧縮機３へ戻る。
なお、冷房運転時、第１バイパス開閉弁２１は閉状態のため、バイパス回路２０に冷媒が流入することはない。また、第２バイパス開閉弁２２を開状態にすることで、容器３０の液封を防止できる。

（暖房運転）
次に、通常運転における暖房運転について説明する。
暖房運転時において、四方弁４は暖房側（点線で示す状態）に切り換えられる。また、第１開閉弁１１、第２開閉弁１２、第２バイパス開閉弁２２は、開状態である。第１バイパス開閉弁２１は閉状態である。
この状態で圧縮機３から高圧高温のガス冷媒が吐出されると、その高圧高温のガス冷媒は、四方弁４及びガス配管５を介して室内機２の利用側熱交換器６に流入し、室内空気との熱交換により放熱することで高圧液冷媒となり流出する。利用側熱交換器６から流出した高圧液冷媒は、液配管８を通過して膨張弁７に流入し、低圧の二相冷媒となる。

膨張弁７を流出した低圧二相冷媒は、熱源側熱交換器９に流入し、室外空気との熱交換により蒸発することで低圧ガス冷媒となって流出する。熱源側熱交換器９を流出した低圧ガス冷媒は、四方弁４を介して、圧縮機３へ戻る。
なお、暖房運転時、第１バイパス開閉弁２１は閉状態のため、バイパス回路２０に冷媒が流入することはない。また、第２バイパス開閉弁２２を開状態にすることで、容器３０の液封を防止できる。

（ポンプダウン運転）
次に、ポンプダウン運転について説明する。
ポンプダウン運転時において、四方弁４は冷房側（実線で示す状態）に切り換えられる。また、第２開閉弁１２、第１バイパス開閉弁２１は開状態である。第１開閉弁１１、第２バイパス開閉弁２２は、閉状態である。更に、制御装置４０は、膨張弁７の開度を全開にする。また、制御装置４０は、熱源側送風機９１及び利用側送風機６１を運転させる。

この状態で圧縮機３が起動されると、低圧のガス冷媒が圧縮機３で圧縮され高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機３から吐出された高圧高温のガス冷媒は、四方弁４を介して熱源側熱交換器９に流入し、室外空気との熱交換により放熱することで高圧液冷媒となり流出する。熱源側熱交換器９から流出した高圧液冷媒は、膨張弁７を通過して、バイパス回路２０へ流入する。
バイパス回路２０へ流入した高圧液冷媒は、第１バイパス開閉弁２１を通過して、容器３０へ流入する。第２バイパス開閉弁２２は閉状態であるので、バイパス回路２０に流入した高圧液冷媒は、容器３０内に貯留される。
利用側熱交換器６、液配管８、及びガス配管５内の冷媒は、圧縮機３の運転によって吸引され、圧縮機３から吐出されたあと、上記動作によって、容器３０内に貯留される。

このようなポンプダウン運転により、室内機２内の冷媒が室外機１側に回収される。ポンプダウン運転のあと、第２開閉弁１２が閉じられ、例えば室内機２の取り外しなどが行われる。

次に、不均化反応の発生を防止する制御動作について説明する。

本実施の形態１における空気調和装置１００は、冷凍サイクル（冷媒回路）に使用する冷媒として、ＨＦＯ１１２３冷媒単体、又はＨＦＯ１１２３と他の冷媒（例えば、Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ等）とを混合した混合冷媒を用いる。
ＨＦＯ１１２３冷媒は、高圧高温条件では不均化反応（自己分解反応）が発生し、連鎖反応により、急激な圧力上昇等が発生する。
即ち、不均化反応の発生を防止するには、冷媒の温度が適正な圧力及び温度の範囲となるように運転する必要がある。
なお、不均化反応の化学式は、以下の通りである。
ＣＦ２＝ＣＨＦ（ｇａｓ）→１／２ＣＦ４（ｇａｓ）＋３／２Ｃ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）＋ＨＦ＋４４．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ

図２は、ＨＦＯ１１２３冷媒の不均化反応と圧力と温度との関係を示す図である。
空気調和装置１００の冷媒回路において、冷媒の温度及び圧力が最も高くなるのは、圧縮機３から吐出された冷媒である。特に、ポンプダウン運転を行う場合には、冷媒回路を循環する冷媒量が減少するため、圧縮機３から吐出される冷媒の温度及び圧力が上昇しやすい事情がある。
このため、図２に示すように、圧縮機３から吐出された冷媒の温度が温度閾値Ｔｄｍａｘを超えないようにし、且つ、圧縮機３から吐出された冷媒の圧力が圧力閾値Ｐｄｍａｘ超えないように制御することで、冷媒の温度及び圧力が不均化反応領域とならず、不均化反応の発生を防止できる。

図３は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の制御装置４０の動作を示すフローチャートである。
以下、図３の各ステップに基づき、不均化反応の発生を防止する制御動作を説明する。

（Ｓ１０）
制御装置４０には、予め、不均化反応領域の温度及び圧力よりも低い、温度閾値Ｔｄｍａｘ及び圧力閾値Ｐｄｍａｘの情報が記憶されている。
制御装置４０は、吐出温度センサー４１及び吐出圧力センサー５１の検出結果を取得し、圧縮機３から吐出された冷媒の温度（以下、吐出温度Ｔｄ）が温度閾値Ｔｄｍａｘを超えているか否か、及び、圧縮機３から吐出された冷媒の圧力（以下、吐出圧力Ｐｄ）が圧力閾値Ｐｄｍａｘを超えているか否かを判断する。
吐出温度Ｔｄが温度閾値Ｔｄｍａｘを超え、且つ、吐出圧力Ｐｄが圧力閾値Ｐｄｍａｘを超えている場合、ステップＳ１１へ進む。
一方、吐出温度Ｔｄが温度閾値Ｔｄｍａｘを超えていない、又は、吐出圧力Ｐｄが圧力閾値Ｐｄｍａｘを超えていない場合には、ステップＳ１１の動作を行わず、現在の制御状態を維持してステップＳ１０に戻る。

（Ｓ１１）
制御装置４０は、圧縮機３の運転周波数を減速（低下）させる。この減速量は、吐出温度Ｔｄと吐出圧力Ｐｄとに応じて設定しても良いし、予め設定した値でも良い。
制御装置４０は、ステップＳ１１のあと、ステップＳ１０へ戻り、上記の動作を繰り返す。つまり、吐出温度Ｔｄ及び吐出圧力Ｐｄが、温度閾値Ｔｄｍａｘ及び圧力閾値Ｐｄｍａｘを下回るまで上記の動作が繰り返される。

なお、ステップＳ１１における制御は、圧縮機３の運転周波数の減速に限らず、膨張弁７の開度を大きくしても良い。また、熱源側熱交換器９に送風する送風機の風量を増加させても良い。即ち、制御装置４０は、吐出温度Ｔｄ及び吐出圧力Ｐｄが、温度閾値Ｔｄｍａｘ及び圧力閾値Ｐｄｍａｘを超えないように、圧縮機３の運転周波数、膨張弁７の開度、及び熱源側熱交換器９に送風する送風機の風量の少なくとも１つを制御すればよい。

なお、上述した不均化反応の発生を防止する制御動作は、冷房運転時、暖房運転時、ポンプダウン運転時の何れの場合においても行うようにしても良い。

以上のように本実施の形態１においては、制御装置４０は、吐出温度Ｔｄ及び吐出圧力Ｐｄが、温度閾値Ｔｄｍａｘ及び圧力閾値Ｐｄｍａｘを超えないように制御を行う。
このため、ＨＦＯ１１２３冷媒又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒を適用する場合において、不均化反応（自己分解反応）の発生を抑制することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

上記実施の形態１では、吐出温度センサー４１を用いて、圧縮機３から吐出された吐出温度Ｔｄを検出した。しかし、吐出温度センサー４１による温度検出には応答遅れがあるため、実際の温度と、検出された温度とに差が生じる場合がある。
本実施の形態２においては、吐出温度Ｔｄを、吐出圧力センサー５１及び吸入圧力センサー５２の検出値から算出して求める。

図４は、実施の形態２に係る空気調和装置１００の制御装置４０の動作を示すフローチャートである。
以下、図１１の各ステップに基づき、上記実施の形態１との相違点について説明する。なお、上記実施の形態１と同じ動作には同じステップ番号を付し、説明は省略する。

（Ｓ２０）
制御装置４０は、吐出温度Ｔｄを、吐出圧力センサー５１及び吸入圧力センサー５２の検出値から算出する。
圧縮機３の圧縮過程がポリトロープ変化と考えると、吐出温度Ｔｄ［Ｋ］は、圧縮機３への吸入される冷媒の温度（以下、吸入温度Ｔｓ）［Ｋ］、吐出圧力Ｐｄ［ＭＰａ］、圧縮機３への吸入される冷媒の圧力（以下、吸入圧力Ｐｓ）［ＭＰａ］、ポリトロープ指数ｋ［−］を用いて、式（１）の関係となる。

吐出圧力Ｐｄは、吐出圧力センサー５１の検出値を用いる。
吸入圧力Ｐｓは、吸入圧力センサー５２の検出値を用いる。
吸入温度Ｔｓは、吸入圧力Ｐｓの飽和ガス温度として算出して求める。
ポリトロープ指数ｋは、圧縮機３の特性から定まる固定値を用いる。

以降の動作は、上記実施の形態１と同様である。

以上のように本実施の形態２においては、制御装置４０は、吐出温度Ｔｄを、吐出圧力センサー５１及び吸入圧力センサー５２の検出値から算出する。
このため、上記実施の形態１の効果に加えて以下の効果がある。即ち、温度センサーのような熱容量による応答遅れが発生しない、吐出圧力センサー５１及び吸入圧力センサー５２の検出値を用いて、吐出温度Ｔｄを算出するので、実際の吐出温度Ｔｄと検出値との誤差を少なくすることができる。よって、より速く吐出温度Ｔｄの温度上昇を検知できる。したがって、より精度良く、不均化反応（自己分解反応）の発生を抑制することができる。

１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ ガス配管、６ 利用側熱交換器、７ 膨張弁、８ 液配管、９ 熱源側熱交換器、１１ 第１開閉弁、１２ 第２開閉弁、２０ バイパス回路、２１ 第１バイパス開閉弁、２２ 第２バイパス開閉弁、３０ 容器、４０ 制御装置、４１ 吐出温度センサー、５１ 吐出圧力センサー、５２ 吸入圧力センサー、６１ 利用側送風機、９１ 熱源側送風機、１００ 空気調和装置。

Claims (2)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、及び利用側熱交換器が順に接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えた空気調和装置であって、
   前記冷媒は、ＨＦＯ１１２３冷媒、又はＨＦＯ１１２３を含む混合冷媒であり、
   前記膨張弁と前記利用側熱交換器との間から分岐し、前記圧縮機の吸入側に接続するバイパス回路と、
   前記バイパス回路に設けられた容器と、
   前記圧縮機から吐出された前記冷媒の温度及び圧力が、それぞれの閾値を超えないように、前記圧縮機から吐出された前記冷媒を前記バイパス回路を介して前記容器に貯留するポンプダウン運転時に、前記圧縮機の運転周波数、前記膨張弁の開度、及び前記熱源側熱交換器に送風する送風機の風量の少なくとも１つを制御する制御装置と、を備えた
   空気調和装置。
2. 前記圧縮機から吐出された前記冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサーと、
   前記圧縮機へ吸入される前記冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサーと、
   を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機から吐出された前記冷媒の温度を、前記吐出圧力センサー及び前記吸入圧力センサーの検出値から算出する
   請求項１に記載の空気調和装置。

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