JP6413692B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１台の室外機に複数台の室内機が冷媒配管で接続された空気調和装置に係わり、より詳細には、冷媒回路への冷媒充填量を低減できる空気調和装置に関する。

圧縮機と四方弁と室外熱交換器と膨張弁とを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機とを液管とガス管とで接続してなる冷媒回路を有する空気調和装置では、圧縮機から吐出されて凝縮器として機能している熱交換器に流入して凝縮した冷媒は、膨張弁を介して蒸発器として機能している熱交換器に流入して蒸発し、再び圧縮機に吸入されることで冷凍サイクルを形成している。この冷凍サイクルにおいて、膨張弁を通過する際の冷媒の状態としては液相状態であることが好ましい。気液二相状態の冷媒が膨張弁を通過すると、冷媒の流動音が発生して使用者に不快感を与える恐れがあるためであり、また、液相と気相との割合が不均一な状態の冷媒が膨張弁を通過すれば、膨張弁の冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となって、冷凍サイクルが安定しない恐れがあるためである。

冷媒を液相状態にして膨張弁を通過させるためには、膨張弁の上流側に配置される凝縮器として機能している熱交換器の冷媒出口における過冷却度を十分に大きくする必要がある。しかし、空気調和装置が暖房運転を行うとき、すなわち、四方弁を切り替えて室内熱交換器を凝縮器として機能させる場合に、室内熱交換器の冷媒出口における過冷却度を大きくし冷媒を液相状態として室内機から流出させると、液管における液冷媒量が多くなり、液管の長さ（配管長）が長くなる程液管における液冷媒量が多くなる。

通常、空気調和装置では、必要とされる空調能力を発揮するために必要な冷媒量に、上述した液管における液冷媒量を加味して冷媒回路に充填する冷媒量を決定する。このため、液管での液冷媒量が多くなる程冷媒充填量も多くなってコストアップとなる問題がある。特に、充填する冷媒が可燃性冷媒（例えば、Ｒ３２）である場合は、冷媒充填量が多くなるとコストアップという問題に加えて、万が一室内機が設置された空間に冷媒が漏洩した場合に、その漏洩量が多くなる。そのため、室内機が設置された空間における冷媒濃度が、冷媒が発火する恐れがある濃度に達する可能性が高くなる。

上述した問題を解決する方法として、例えば特許文献１に記載のような冷凍サイクル装置が提案されている。この冷凍サイクル装置は、圧縮機と、圧縮機において圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器から流出した冷媒を過冷却する熱交換器（以降、過冷却熱交換器と記載）と、過冷却熱交換器により過冷却された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁において膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えている。そして、冷凍サイクル装置は、上記各構成を冷媒配管で接続してなる主回路と、膨張弁および蒸発器をバイパスしバイパス膨張弁を備えたバイパス管とを有し、過冷却熱交換器は、凝縮器から流出して主回路を流れる冷媒とバイパス回路を流れる冷媒とを熱交換させて、凝縮器から流出した冷媒を過冷却するものである。

以上説明したような冷凍サイクル装置であれば、仮に凝縮器と膨張弁とを接続する冷媒配管（液管）が長くても、過冷却熱交換器を膨張弁の近傍に配置すれば、凝縮器から流出する冷媒は気液二相状態とし、過冷却熱交換器で過冷却することで冷媒を液相状態として膨張弁を通過させることができる。このため、液管での液冷媒量を減少させることができて冷凍サイクル装置への冷媒充填量を削減できるとともに、冷媒が気液二相状態で膨張弁を通過することによる冷媒の流動音の発生や、液相と気相との割合が不均一な状態の冷媒が膨張弁を通過して膨張弁の冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となることを防止できる。

上述した、過冷却熱交換器を利用して冷媒充填量を削減する方法は、１台の室外機に複数台の室内機が接続される、所謂マルチ型空気調和装置において特に有効である。マルチ型空気調和装置の場合、各室内機と室外機とを接続する液管が室内機の台数分存在し、各室内機に対応する膨張弁が室外機に配置される。暖房運転時に各膨張弁を通過させる冷媒を液相状態とするために、各室内機の室内熱交換器で冷媒を液相状態として冷媒を液管に流した場合、各液管での液冷媒量が多大な量となる。従って、室外機に各室内機に対応する過冷却熱交換器を設け、これらを各膨張弁の上流側に配置すれば、各室内機から流出させる冷媒を気液二相状態とし、室外機に流入してから各過冷却熱交換器で冷媒を液相状態とすればよく、各液管での液冷媒量を減少できるので、マルチ型空気調和装置への冷媒充填量を大きく削減できる。

しかし、前述したように、過冷却熱交換器には、膨張弁と室外熱交換器（暖房運転時に蒸発器として機能している）とをバイパスするバイパス管とこのバイパス管に備えられるバイパス膨張弁とが必要となる。従って、マルチ型空気調和装置に室内機の台数分過冷却熱交換器を設ける場合は、室内機の台数分のバイパス膨張弁を室外機に設ける必要があるため、室外機が大型化するという問題があった。

そこで本出願人は、各室内機に対応する過冷却熱交換器と、各過冷却熱交換器ユニットの室外膨張弁と過冷却熱交換器との間から分岐して単一の過冷却膨張弁と複数の過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路と、冷媒回路が暖房サイクルとされているときに複数の過冷却熱交換器の冷媒出口側における冷媒の過冷却度を検出する過冷却度検出手段を室外機に有する空気調和装置について、先に提案している（特願２０１４−１４３９３３）。

上述した空気調和装置では、冷媒回路が暖房サイクルであるとき、複数の室外膨張弁の開度を調節することで、各室内機の室内熱交換器から流出する冷媒を気液二相状態とし、かつ、各室内熱交換器から流出する冷媒の過冷却度を検出し、検出した過冷却度のうち少なくとも１つが予め定められた目標過冷却度未満であれば、過冷却膨張弁の開度を大きくする。これにより、各室外膨張弁を通過する冷媒を液相状態とすることができ、室外機を大型化させることなく空気調和装置への冷媒充填量を削減できる。

国際公開２００９／１５０７６１号公報

前述したように、本出願人が先に提案している空気調和装置に設けられているバイパス回路は、各過冷却熱交換器ユニットの室外膨張弁と過冷却熱交換器との間から分岐し、単一の過冷却膨張弁と複数の過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続されている。このとき、各過冷却熱交換器が直列に接続されてバイパス回路に配置されていれば、バイパス回路を流れ過冷却膨張弁を介して複数の過冷却熱交換器に流入した冷媒は、各過冷却熱交換器を順に流れて各過冷却熱交換器において室内機から流入する冷媒と熱交換を行う。従って、バイパス回路を流れる冷媒は、真っ先に流入する過冷却熱交換器で加熱され、次に流入する過冷却熱交換器で更に加熱される、というように、順に過冷却熱交換器に流入するに従って加熱されていく。

このため、バイパス回路を流れる冷媒の温度は、冷媒が真っ先に流入する過冷却熱交換器から最後に冷媒が流入する過冷却熱交換器に向かうにつれて高くなるので、冷媒が真っ先に流入する過冷却熱交換器から最後に冷媒が流入する過冷却熱交換器に向かうにつれて過冷却熱交換器での熱交換量が小さくなる。熱交換量が小さい過冷却熱交換器では、当該過冷却熱交換器の冷媒出口側における冷媒の過冷却度が取れず気液二相状態の冷媒が当該過冷却熱交換器の膨張弁を通過する恐れがあり、冷媒の流動音が発生する恐れや、膨張弁の冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となって冷凍サイクルが安定しない恐れがあった。

本発明は以上述べた問題点を解決するものであって、各過冷却熱交換機における熱交換量の不均衡が改善できる空気調和装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の空気調和装置は、圧縮機と、室外熱交換器と、室外膨張弁と過冷却熱交換器とが冷媒配管で接続されてなる複数の過冷却熱交換器ユニットと、複数の過冷却熱交換器ユニットと同数の室内熱交換器とを連結して形成した主冷媒回路と、各過冷却熱交換器ユニットの室外膨張弁と過冷却熱交換器との間から分岐して、単一の過冷却膨張弁と複数の過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路とを有するものである。そして、複数の過冷却熱交換器が直列に接続されてバイパス回路における過冷却膨張弁と圧縮機の吸入側の間に組み込まれ、複数の過冷却熱交換器は各々の熱交換能力が異なり、バイパス回路を流れる冷媒が最初に流入する過冷却熱交換器の熱交換能力が最も小さくされ、また、バイパス回路を流れる冷媒が最後に流入する過冷却熱交換器の熱交換能力が最も大きくされている。

上記のように構成した本発明の空気調和装置によれば、各過冷却熱交換器における熱交換量の不均衡を改善できるので、気液二相様態の冷媒が室外膨張弁に流れることがなく、冷媒流動音の発生や膨張弁の冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となることを防ぐことができる。

本発明の実施形態であ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おける、過冷却熱交換器の構造説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、１台の室外機に３台の室内機が並列に接続され、全ての室内機で同時に冷房運転あるいは暖房運転が行えるマルチ型の空気調和装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１に示すように、本実施形態における空気調和装置１は、１台の室外機２と、室外機２に第１液管８ａ、第２液管８ｂ、第３液管８ｃ、および、ガス管９で並列に接続された３台の室内機５ａ〜５ｃとを備えている。

上記各構成要素は次のように接続されている。第１液管８ａの一端が室外機２の第１液側閉鎖弁２８ａに、他端が室内機５ａの閉鎖弁５３ａにそれぞれ接続され、第２液管８ｂの一端が室外機２の第２液側閉鎖弁２８ｂに、他端が室内機５ｂの閉鎖弁５３ｂにそれぞれ接続され、第３液管８ｃの一端が室外機２の第３液側閉鎖弁２８ｃに、他端が室内機５ｃの閉鎖弁５３ｃにそれぞれ接続されている。また、ガス管９は一端が室外機２のガス側閉鎖弁２９に、他端が分岐して室内機５ａ〜５ｃの各閉鎖弁５４ａ〜５４ｃにそれぞれ接続されている。このように、室外機２と室内機５ａ〜５ｃとが第１液管８ａ、第２液管８ｂ、第３液管８ｃ、および、ガス管９で接続されて、空気調和装置１の冷媒回路１０が構成されている。尚、冷媒回路１０のうち、後述するバイパス回路を除いた部分が、本発明における主冷媒回路である。

まず、図１を用いて、室外機２について説明する。室外機２は、圧縮機２１と、四方弁２２と、室外熱交換器２３と、第１過冷却熱交換器ユニット３０ａと、第２過冷却熱交換器ユニット３０ｂと、第３過冷却熱交換器ユニット３０ｃと、過冷却膨張弁２６と、室外ファン２７と、一端に第１液管８ａが接続された第１閉鎖弁２８ａと、一端に第２液管８ｂが接続された第２閉鎖弁２８ｂと、一端に第３液管８ｃが接続された第３閉鎖弁２８ｃと、一端にガス管９が接続されたガス側閉鎖弁２９を備えている。そして、室外ファン２７を除くこれら各装置が以下で詳述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路１０の一部をなす室外機冷媒回路２０を構成している。

圧縮機２１は、インバータにより回転数が制御される図示しないモータによって駆動されることで運転容量を可変できる能力可変型圧縮機である。圧縮機２１の冷媒吐出側は、後述する四方弁２２のポートａと吐出管４１で接続されている。また、圧縮機２１の冷媒吸入側は、後述する四方弁２２のポートｃと吸入管４２で接続されている。

四方弁２２は、冷媒の流れる方向を切り換えるための弁であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートを備えている。ポートａは、圧縮機２１の冷媒吐出側と吐出管４１で接続されている。ポートｂは、室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口と冷媒配管４３で接続されている。ポートｃは、圧縮機２１の冷媒吸入側と吸入管４２で接続されている。そして、ポートｄは、ガス側閉鎖弁２９と室外機ガス管４４で接続されている。

室外熱交換器２３は、後述する室外ファン２７の回転により室外機２に設けられている図示しない吸込口から室外機２内部に取り込まれた外気と冷媒とを熱交換させるものである。室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口は上述したように冷媒配管４３で四方弁２２のポートｂに接続され、他方の冷媒出入口には室外機液管４５の一端が接続されている。室外熱交換器２３は、冷媒回路１０が冷房サイクルとなる場合は凝縮器として機能し、冷媒回路１０が暖房サイクルとなる場合は蒸発器として機能する。

室外機液管４５の他端には、第１液分管４６ａの一端と第２液分管４６ｂの一端と第３液分管４６ｃの一端とが各々接続されている。また、第１液分管４６ａの他端は第１液側閉鎖弁２８ａと接続され、第２液分管４６ｂの他端は第２液側閉鎖弁２８ｂと接続され、第３液分管４６ｃの他端は第３液側閉鎖弁２８ｃと接続されている。

第１液分管４６ａには、室外熱交換器２３から第１液側閉鎖弁２８ａに向かって、第１室外膨張弁２４ａと第１過冷却熱交換器２５ａが順に設けられている。これら第１液分管４６ａと第１室外膨張弁２４ａと第１過冷却熱交換器２５ａとで、第１過冷却熱交換器ユニット３０ａが構成される。また、第２液分管４６ｂには、室外熱交換器２３から第２液側閉鎖弁２８ｂに向かって、第２室外膨張弁２４ｂと第２過冷却熱交換器２５ｂが順に設けられている。これら第２液分管４６ｂと第２室外膨張弁２４ｂと第２過冷却熱交換器２５ｂとで、第２過冷却熱交換器ユニット３０ｂが構成される。さらには、第３液分管４６ｃには、室外熱交換器２３から第３液側閉鎖弁２８ｃに向かって、第３室外膨張弁２４ｃと第３過冷却熱交換器２５ｃが順に設けられている。これら第３液分管４６ｃと第３室外膨張弁２４ｃと第３過冷却熱交換器２５ｃとで、第３過冷却熱交換器ユニット３０ｃが構成される。

第１液分管４６ａにおける第１室外膨張弁２４ａと第１過冷却熱交換器２５ａとの間には、第１バイパス管４７ａの一端が接続されている。第２液分管４６ｂにおける第２室外膨張弁２４ｂと第２過冷却熱交換器２５ｂとの間には、第２バイパス管４７ｂの一端が接続されている。第３液分管４６ｃにおける第３室外膨張弁２４ｃと第３過冷却熱交換器２５ｃとの間には、第３バイパス管４７ｃの一端が接続されている。そして、第１バイパス管４７ａの他端と、第２バイパス管４７ｂの他端と、第３バイパス管４７ｃの他端とは、過冷却膨張弁２６を備えた流入管４８に接続されている。

第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃの各々は、エッチング加工で形成した流路を有する金属箔を積層して形成されるマイクロ流路熱交換器である。一般的に、マイクロ流路熱交換器は、プレート型熱交換器や二重管熱交換器と比べて伝熱性能が高いため小型化が可能であり、本実施形態のように複数の過冷却熱交換器を設ける必要がある室外機２に採用すれば、室外機２の大型化を防ぐことができる。
尚、本実施形態では、第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃが別体とされているとして以下に説明するが、第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃが一体に形成されていてもよい。

第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃの各々には２つの冷媒流路が直交するように設けられており、これら２つの冷媒流路を流れる冷媒同士が熱交換を行う。図２に示すように、第１過冷却熱交換器２５ａは、５本の第１分流路２５ａ１と、第１分流路２５ａ１に直交する１３本の第２分流路２５ａ２を有している。第２過冷却熱交換器２５ｂは、７本の第１分流路２５ｂ１と、第１分流路２５ｂ１に直交する１３本の第２分流路２５ｂ２を有している。第３過冷却熱交換器２５ｃは、１１本の第１分流路２５ｃ１と、第１分流路２５ｃ１に直交する１３本の第２分流路２５ｃ２を有している。

第１過冷却熱交換器２５ａの５本の第１分流路２５ａ１は、各々の両端が結合されて第１液分管４６ａに組み込まれることで、第１液分管４６ａの一部を構成している。第２過冷却熱交換器２５ｂの７本の第１分流路２５ｂ１は、各々の両端が結合されて第２液分管４６ｂに組み込まれることで、第２液分管４６ｂの一部を構成している。第３過冷却熱交換器２５ｃの１１本の第１分流路２５ｃ１は、各々の両端が結合されて第３液分管４６ｃに組み込まれることで、第３液分管４６ｃの一部を構成している。

第１過冷却熱交換器２５ａの１３本の第２分流路２５ａ２は、一端が結合されて流入管４８の一端に接続されている。第３過冷却熱交換器２５ｃの１３本の第２分流路２５ｃ２は、一端が結合されて流出管４９の一端に接続されている。そして、第２過冷却熱交換器２５ｂの１３本の第２分流路２５ｂ２は、各々の一端が第１過冷却熱交換器２５ａの各第２分流路２５ａ２の他端と接続され、各々の他端が第３過冷却熱交換器２５ｃの各第２分流路２５ｃ２の他端と接続されている。尚、流出管４９の他端は、吸入管４２における四方弁２２のポートｃと圧縮機２１の冷媒吸入側との間に接続されている。

第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、第３室外膨張弁２４ｃ、および過冷却膨張弁２６は、各々電子膨張弁である。第１室外膨張弁２４ａの開度を調節することで、後述する室内機５ａの室内熱交換器５１ａを流れる冷媒量および第１過冷却熱交換器２５ａを流れる冷媒量を調節する。第２室外膨張弁２４ｂの開度を調節することで、後述する室内機５ｂの室内熱交換器５１ｂを流れる冷媒量および第２過冷却熱交換器２５ｂを流れる冷媒量を調節する。第３室外膨張弁２４ｃの開度を調節することで、後述する室内機５ｃの室内熱交換器５１ｃを流れる冷媒量および第３過冷却熱交換器２５ｃを流れる冷媒量を調節する。

過冷却膨張弁２６の開度を調節することで、第１液分管４６ａ、第２液分管４６ｂおよび第３液分管４６ｃのそれぞれから分流し、第１バイパス管４７ａ、第２バイパス管４７ｂ、第３バイパス管４７ｃおよび流入管４８を介して第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、第３過冷却熱交換器２５ｃの順に流れ、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃで各液分管４６ａ〜４６ｃを流れる冷媒と熱交換を行った後、流出管４９へ流出する冷媒量を調節する。尚、上述した第１バイパス管４７ａと、第２バイパス管４７ｂと、第３バイパス管４７ｃと、流入管４８と、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの第２分流路２５ａ２〜２５ｃ２と、流出管４９と、過冷却膨張弁２６とで、本発明のバイパス回路が構成される。

室外ファン２７は樹脂材で形成されており、室外熱交換器２３の近傍に配置されている。室外ファン２７は、図示しないファンモータによって回転することで、室外機２に設けられている図示しない吸込口から室外機２の内部へ外気を取り込み、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換した外気を室外機２に設けられている図示しない吹出口から室外機２の外部へ放出する。

以上説明した構成の他に、室外機２には各種のセンサが設けられている。図１に示すように、吐出管４１には、圧縮機２１から吐出される冷媒の圧力である吐出圧力を検出する高圧センサ３１と、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度センサ３３が設けられている。吸入管４２には、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力である吸入圧力を検出する低圧センサ３２と、圧縮機２１に吸入される冷媒の温度である吸入温度を検出する吸入温度センサ３４とが設けられている。

室外熱交換器２３には、室外熱交換器２３の温度を検出する室外熱交温度センサ３５が設けられている。室外機液管４５には、室外熱交換器２３に流入あるいは室外熱交換器２３から流出する冷媒の温度を検出する熱交液側センサ３６が設けられている。

第１液分管４６ａにおける、第１過冷却熱交換器２５ａと第１液側閉鎖弁２８ａとの間には、この間の第１液分管４６ａを流れる冷媒の温度を検出する第１冷媒温度センサ３７ａが設けられている。第２液分管４６ｂにおける、第２過冷却熱交換器２５ｂと第２液側閉鎖弁２８ｂとの間には、この間の第２液分管４６ｂを流れる冷媒の温度を検出する第２冷媒温度センサ３７ｂが設けられている。第３液分管４６ｃにおける、第３過冷却熱交換器２５ｃと第３液側閉鎖弁２８ｃとの間には、この間の第３液分管４６ｃを流れる冷媒の温度を検出する第３冷媒温度センサ３７ｃが設けられている。

第１液分管４６ａにおける、第１室外膨張弁２４ａと第１過冷却熱交換器２５ａとの間には、この間の第１液分管４６ａを流れる冷媒の温度を検出する第１液温度センサ３８ａが設けられている。第２液分管４６ｂにおける、第２室外膨張弁２４ｂと第２過冷却熱交換器２５ｂとの間には、この間の第２液分管４６ｂを流れる冷媒の温度を検出する第２液温度センサ３８ｂが設けられている。第３室外膨張弁２４ｃと第３過冷却熱交換器２５ｃとの間には、この間の第３液分管４６ｃを流れる冷媒の温度を検出する第３液温度センサ３８ｃが設けられている。

流入管４８には、第１過冷却熱交換器２５ａに流入する冷媒の温度を検出する流入温度センサ３９が設けられている。また、流出管４９には、第３過冷却熱交換器２５ｃから流出する冷媒の温度を検出する流出温度センサ４０が設けられている。そして、室外機２の図示しない吸込口付近には、室外機２内に流入する外気の温度、すなわち外気温度を検出する外気温度センサ１００が備えられている。

次に、３台の室内機５ａ〜５ｃについて説明する。３台の室内機５ａ〜５ｃは、室内熱交換器５１ａ〜５１ｃと、第１液管８ａ、第２液管８ｂ、第３液管８ｃがそれぞれ接続された液側閉鎖弁５３ａ〜５３ｃおよび分岐したガス管９の他端がそれぞれ接続されたガス側閉鎖弁５４ａ〜５４ｃと、室内ファン５５ａ〜５５ｃとを備えている。そして、室内ファン５５ａ〜５５ｃを除くこれら各装置が以下で詳述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路１０の一部をなす室内機冷媒回路５０ａ〜５０ｃを構成している。

尚、本実施形態における空気調和装置１では、室内機５ａ〜５ｃの構成および能力は全て同じであるため、以下の説明では、室内機５ａの構成についてのみ説明を行い、その他の室内機５ｂ、５ｃについては説明を省略する。また、図１では、室内機５ａの構成装置に付与した番号の末尾をａからｂおよびｃにそれぞれ変更したものが、室外機５ａの構成装置と対応する室内機５ｂ、５ｃの構成装置となる。

室内熱交換器５１ａは、冷媒と後述する室内ファン５５ａの回転により室内機５ａに設けられた図示しない吸込口から室内機５ａ内部に取り込まれた室内空気とを熱交換させるものであり、一方の冷媒出入口が液側閉鎖弁５３ａに室内機液管７１ａで接続され、他方の冷媒出入口がガス側閉鎖弁５４ａに室内機ガス管７２ａで接続されている。室内熱交換器５１ａは、冷媒回路１０が冷房サイクルとなる場合は蒸発器として機能し、冷媒回路１０が暖房サイクルとなる場合は凝縮器として機能する。

室内ファン５５ａは、室内熱交換器５１ａの近傍に配置される樹脂材で形成されたクロスフローファンであり、図示しないファンモータによって回転することで、室内機５ａに設けられた図示しない吸込口から室内機５ａ内に室内空気を取り込み、室内熱交換器５１ａにおいて冷媒と熱交換した室内空気を室内機５ａに備えられた図示しない吹出口から室内へ供給する。

以上説明した構成の他に、室内機５ａには各種のセンサが設けられている。室内熱交換器５１ａには、室内熱交換器５１ａの温度を検出する室内熱交温度センサ６１ａが設けられている。また、室内機５ａの図示しない吸込口付近には、室内機５ａ内に流入する室内空気の温度、すなわち室内温度を検出する室内温度センサ６２ａが備えられている。

次に、本実施形態における空気調和装置１の空調運転時の冷媒回路１０における冷媒の流れや各部の動作について、図１および図２を用いて説明する。尚、以下の説明では、室内機５ａ〜５ｃが暖房運転を行う場合について説明し、冷房運転／除霜運転を行う場合については詳細な説明を省略する。また、図１における矢印は、暖房運転時の冷媒の流れを示している。

図１に示すように、室内機５ａ〜５ｃが暖房運転を行う場合、つまり、冷媒回路１０が暖房サイクルとなる場合は、室外機２では四方弁２２が実線で示す状態、すなわち、四方弁２２のポートａとポートｄとが連通するよう、また、ポートｂとポートｃとが連通するよう、切り換えられる。これにより、室外熱交換器２３が蒸発器として機能するとともに、室内熱交換器５１ａ〜５１ｃが凝縮器として機能する。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、吐出管４１から四方弁２２を介して室外機ガス管４４に流入し、室外機ガス管４４からガス側閉鎖弁２９を介してガス管９に流入する。ガス管９に流入した冷媒は分岐して、ガス側閉鎖弁５４ａ〜５４ｃを介して室内機５ａ〜５ｃに流入する。

室内機５ａ〜５ｃに流入した冷媒は、室内機ガス管７２ａ〜７２ｃを流れて室内熱交換器５１ａ〜５１ｃに流入する。室内熱交換器５１ａ〜５１ｃに流入した冷媒は、室内ファン５５ａ〜５５ｃの回転により図示しない吸込口から室内機５ａ〜５ｃ内部に取り込まれた室内空気と熱交換を行って凝縮する。このように、室内熱交換器５１ａ〜５１ｃが凝縮器として機能し、室内熱交換器５１ａ〜５１ｃで冷媒と熱交換を行った室内空気が図示しない吹出口から室内機５ａ〜５ｃが設置されている部屋に吹き出されることによって、室内機５ａ〜５ｃが設置された部屋の暖房が行われる。

室内熱交換器５１ａ〜５１ｃから流出した冷媒は室内機液管７１ａ〜７１ｃを流れ、液側閉鎖弁５３ａ〜５３ｃを介して第１液管８ａ、第２液管８ｂ、および第３液管８ｃに流入する。第１液管８ａ、第２液管８ｂ、および第３液管８ｃから第１液側閉鎖弁２８ａ、第２液側閉鎖弁２８ｂ、および第３液側閉鎖弁２８ｃを介して室外機２に流入した冷媒は、第１液分管４６ａ、第２液分管４６ｂ、および第３液分管４６ｃを流れて第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃに流入する。各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃに流入した冷媒は、過冷却膨張弁２６を介して流入管４８から流入する冷媒と熱交換を行って冷却される。尚、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃで熱交換を行って流出管４９に流出した冷媒は、流出管４９を流れて吸入管４２に流入する。

第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃで冷却された冷媒は、一部が第１バイパス管４７ａ、第２バイパス管４７ｂ、および第３バイパス管４７ｃに分流し、残りが第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、および第３室外膨張弁２４ｃを通過して減圧された後、室外機液管４５に流入する。尚、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、第３室外膨張弁２４ｃ、および過冷却膨張弁２６の開度制御については後述する。

室外機液管４５から室外熱交換器２３に流入した冷媒は、室外ファン２７の回転により室外機２の内部に取り込まれた外気と熱交換を行って蒸発する。室外熱交換器２３から流出した冷媒は、冷媒配管４３を流れて四方弁２２に流入し四方弁２２から吸入管４２へと流れ、圧縮機２１に吸入されて再び圧縮される。

尚、室内機５ａ〜５ｃが冷房運転あるいは除霜運転を行う場合、つまり、冷媒回路１０が冷房サイクルとなる場合は、室外機２では、四方弁２２が破線で示す状態、すなわち、四方弁２２のポートａとポートｂとが連通するよう、また、ポートｃとポートｄとが連通するよう、切り換えられる。これにより、冷媒回路１０が冷房サイクルとなる場合は、室外熱交換器２３が凝縮器として機能するとともに、室内熱交換器５１ａ〜５１ｃが蒸発器として機能する。

ここで、図１を用いて、本実施形態の空気調和装置１が暖房運転を行っているときの、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、第３室外膨張弁２４ｃ、および過冷却度膨張弁２６の開度調整について詳細に説明する。

空気調和装置１が暖房運転を行っているとき、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、および第３室外膨張弁２４ｃを通過する冷媒の状態が気液二相状態であれば、これら各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃを冷媒が通過する際に冷媒の流動音が発生する恐れがあり、また、液相と気相との割合が不均一な状態の冷媒が各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃを通過すれば、各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃの冷媒流入側（各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃ側）における冷媒圧力と冷媒流出側（室外熱交換器２３側）における冷媒圧力との圧力差が不安定となって暖房サイクルが安定しない恐れがある。

従って、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、および第３室外膨張弁２４ｃを通過する冷媒の状態は、上述した冷媒の流動音が発生しない、また、各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃの冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定とならない液相状態とすることが好ましい。しかし、各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃを通過する冷媒を液相状態とするために、各室内熱交換器５１ａ〜５１ｃの冷媒出口側で過冷却度が大きくなるように各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃの開度を調整した場合、冷媒回路１０における各室内熱交換器５１ａ〜５１ｃの冷媒出口側から第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、および第３室外膨張弁２４ｃまでの間、つまり、各室内機液管７１ａ〜７１ｃと、第１液管８ａおよび第２液管８ｂおよび第３液管８ｃと、第１液分管４６ａにおける第１閉鎖弁２８ａから第１室外膨張弁２４ａの間と、第２液分管４６ｂにおける第２閉鎖弁２８ｂから第２室外膨張弁２４ｂの間と、第３液分管４６ｃにおける第３閉鎖弁２８ｃから第３室外膨張弁２４ｃの間での液冷媒量が多くなる恐れがある。

そして、空気調和装置１で必要とされる空調能力（冷房能力や暖房能力）を発揮するために必要な冷媒量に、上述した暖房運転時の各室内熱交換器５１ａ〜５１ｃの冷媒出口側から各室外膨張弁２４ａ〜２４ｃまでの間の液冷媒量を加味して冷媒回路１０に冷媒を充填すれば、充填する冷媒量が多くなってコストアップとなるとともに、充填する冷媒が可燃性冷媒であった場合に万が一各室内機５ａ〜５ｃが設置された空間に冷媒漏れが発生すれば、その漏洩量が冷媒が発火する恐れがある濃度に到達する可能性が高まる。

そこで、空気調和装置１が暖房運転を行っているとき、各室内熱交換器５１ａ〜５１ｃの冷媒出口側から第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃまでの間における冷媒の状態を気液二相状態とするために、各室内熱交換器５１ａ〜５１ｃの冷媒出口側での過冷却度が所定値（例えば、０℃）となるように、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、および第３室外膨張弁２４ｃの開度を調節する。また、第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃに流入した気液二相状態の冷媒を冷却して液相状態とするために、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの冷媒出口側での過冷却度が所定の目標過冷却度（例えば、２℃）以上となるように、過冷却膨張弁２６の開度を調節する。

次に、図１および図２を用いて、空気調和装置１の暖房運転中に、第１室外膨張弁２４ａ、第２室外膨張弁２４ｂ、第３室外膨張弁２４ｃ、および過冷却膨張弁２６の開度調整をそれぞれ上述したように行っているときの、第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、および第３過冷却熱交換器２５ｃでの熱交換について説明する。

暖房運転時、第１過冷却熱交換器２５ａには、室内熱交換器５１ａで気液二相状態となって室内機５ａから流出した冷媒が、第１液管８ａ、第１液側閉鎖弁２８ａ、第１液分管４６ａを介して第１過冷却熱交換器２５ａにおける暖房運転時の冷媒入口ａから流入する。第１過冷却熱交換器２５ａに流入した気液二相状態の冷媒は、各第１分流路２５ａ１に分流し各第２分流路２５ａ２を流れる冷媒と熱交換を行って凝縮して液冷媒となり、合流して第１過冷却熱交換器２５ａにおける暖房運転時の冷媒出口ａ’から第１液分管４６ａに流出する。

同様に、室内機５ｂから流出した気液二相状態の冷媒は、第２液分管４６ｂを介して第２過冷却熱交換器２５ｂに冷媒入口ｂから流入し、各第１分流路２５ｂ１に分流し各第２分流路２５ｂ２を流れる冷媒と熱交換を行って凝縮して液冷媒となり、合流して冷媒出口ｂ’から第２液分管４６ｂに流出する。また、室内機５ｃから流出した気液二相状態の冷媒は、第３液分管４６ｃを介して第３過冷却熱交換器２５ｃに冷媒入口ｃから流入し、各第１分流路２５ｃ１に分流し各第２分流路２５ｃ２を流れる冷媒と熱交換を行って凝縮して液冷媒となり、合流して冷媒出口ｃ’から第３液分管４６ｃに流出する。

一方、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃから各液分管４６ａ〜４６ｃに流入した液冷媒の一部（過冷却膨張弁２６の開度に応じた冷媒量となる）は、前述したように各バイパス管４７ａ〜４７ｃを流れて流入管４８に流入し、過冷却膨張弁２６で減圧されて冷媒入口Ａから第１過冷却熱交換器２５ａに流入する。

冷媒入口Ａから第１過冷却熱交換器２５ａに流入した低圧の冷媒は各第２分流路２５ａ２に分流し、各第２分流路２５ａ２から第２過冷却熱交換器２５ｂの各第２分流路２５ｂ２、第３過冷却熱交換器２５ｃの各第２分流路２５ｃ２の順に流れて合流し、第３過冷却熱交換器２５ｃの冷媒出口Ｂから流出管４９へと流出する。このとき、冷媒入口Ａから流入した冷媒は、第１過冷却熱交換器２５ａで第１分流路２５ａ１を流れる気液二相状態の冷媒と熱交換を行って加熱されて第２過冷却熱交換器２５ｂに流入し、第２過冷却熱交換器２５ｂで第１分流路２５ｂ１を流れる気液二相状態の冷媒と熱交換を行って更に加熱されて第３過冷却熱交換器２５ｃに流入し、第３過冷却熱交換器２５ｃで第１分流路２５ｃ１を流れる気液二相状態の冷媒と熱交換を行って更に加熱されて冷媒出口Ｂから流出管４９へと流出する。

つまり、冷媒入口Ａから冷媒出口Ｂへと冷媒が流れる間に、第１過冷却熱交換器２５ａ、第２過冷却熱交換器２５ｂ、第３過冷却熱交換器２５ｃの各々で冷媒が加熱されるので、冷媒入口Ａから冷媒出口Ｂへと冷媒が流れるにつれて冷媒の温度が高くなる。この状態で、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの熱交換能力が同じであれば、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの第２分流路２５ａ２〜２５ｃ２を流れる冷媒の温度が第１過冷却熱交換器２５ａから第３過冷却熱交換器２５ｃに向かうにつれて高くなることから、第１過冷却熱交換器２５ａから第３過冷却熱交換器２５ｃに向かうにつれて、各第１分流路を流れる気液二相状態の冷媒と各第２分流路を流れる冷媒との熱交換量が減少する。

各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃでの熱交換量に上述したような違いがある場合、第１過冷却熱交換器２５ａより高い温度の冷媒が流入する第２過冷却熱交換器２５ｂや第３過冷却熱交換器２５ｃにおいて、第１分流路２５ｂ１、２５ｃ１を流れる気液二相状態の冷媒が凝縮し切らず気液二相状態のまま第２過冷却熱交換器２５ｂや第３過冷却熱交換器２５ｃから流出する恐れがある。そして、気液二相状態のまま第２過冷却熱交換器２５ｂや第３過冷却熱交換器２５ｃから流出した冷媒が、第２液分管４６ｂや第３液分管４６ｃを流れて第２室外膨張弁２４ｂや第３室外膨張弁２４ｃを通過する際に冷媒の流動音が発生する恐れがある。また、液相と気相との割合が不均一な状態の冷媒が第２室外膨張弁２４ｂや第３室外膨張弁２４ｃを通過すれば、第２室外膨張弁２４ｂや第３室外膨張弁２４ｃの冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となって暖房サイクルが安定しない恐れがある。

そこで、本発明の空気調和装置１では、冷媒入口Ａに近く低圧の冷媒が第２分流路２５ａ２に流入する第１過冷却熱交換器２５ａの熱交換能力を一番小さくし、第２過冷却熱交換器２５ｂから第３過冷却熱交換器２５ｃへと向かうにつれて熱交換能力が大きくなるようにしている。具体的には、図２に示すように、第１過冷却熱交換器２５ａでは第１分流路２５ａ１を５本設け、第２過冷却熱交換器２５ｂでは第１分流路２５ｂ１を７本設け、第３過冷却熱交換器２５ｃでは第１分流路２５ｃ１を１１本設ける。

第１過冷却熱交換器２５ａの第１分流路２５ａ１の本数を一番少なくする、つまり、冷却したい気液二相状態の冷媒が流れる第１分流路２５ａ１の伝熱面積を最小とすることで、第１過冷却熱交換器２５ａの熱交換能力を最小としている。そして、第２過冷却熱交換器２５ｂから第３過冷却熱交換器２５ｃへと向かうにつれて第１分流路の本数を増やす、つまり、第１分流路２５ｂ１を７本、第１分流路２５ｃ１を１１本とすることで伝熱面積を順次増加させることで熱交換能力を順次大きくしている。

以上説明したように、冷媒入口Ａに近く低圧の冷媒が流入する第１過冷却熱交換器２５ａの第１分流路２５ａ１の伝熱面積を最小とし、第２過冷却熱交換器２５ｂから第３過冷却熱交換器２５ｃ向かうにつれて各第１分流路２５ｂ１、２５ｃ１の伝熱面積を順次大きくすることで、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの第２分流路２５ａ２〜２５ｃ２に流入する冷媒の温度が順次高くなっても各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃでの熱交換量の違いを最小限とできる。

従って、第１過冷却熱交換器２５ａより高い温度の冷媒が流入する第２過冷却熱交換器２５ｂや第３過冷却熱交換器２５ｃから気液二相状態の冷媒が流出することを防止できる。これにより、冷媒回路１０における冷媒充填量を減らしつつ、第２室外膨張弁２４ｂや第３室外膨張弁２４ｃで冷媒の流動音が発生することや、第２室外膨張弁２４ｂや第３室外膨張弁２４ｃの冷媒流入側における冷媒圧力と冷媒流出側における冷媒圧力との圧力差が不安定となって暖房サイクルが安定しなくなるといったことが抑制できる。

尚、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃにおける第１分流路２５ａ１〜２５ｃ１の本数は、事前に試験等を行って、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃでの熱交換量の違いが最小限となる本数に定めればよい。また、本実施形態では、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの２つの冷媒流路（第１分流路２５ａ１〜２５ｃ１と第２分流路２５ａ２〜２５ｃ２）が直交する場合を例に挙げて説明したが、２つの冷媒流路が平行に配置されて各々の冷媒流路を冷媒が同じ方向にあるいは逆方向に流れる過冷却熱交換器であってもよい。

また、本実施形態では、第１分流路２５ａ１〜２５ｃ１の本数を異ならせることで伝熱面積を変えて各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの熱交換能力を異ならせる場合を例に挙げて説明したが、第１分流路２５ａ１〜２５ｃ１の本数は同じとし各々の長さを異ならせることで伝熱面積を異ならせる、あるいは、各々の単位長さ当たりの伝熱面積を異ならせることで、各過冷却熱交換器２５ａ〜２５ｃの熱交換能力を異ならせてもよい。

また、以上説明した実施形態では、過冷却熱交換器としてマイクロ流路熱交換器を用いた場合について説明したが、過冷却熱交換器としてプレート型熱交換器や二重管熱交換器を用いてもよい。そして、これらマイクロ流路熱交換器以外の熱交換器を用いる場合は、例えば、各プレート型熱交換器でフィンの表面積を変えて熱交換能力を異ならせる、というように、冷媒流路の表面積を変える以外の方法で熱交換能力を異ならせてもよい。

１ 空気調和装置
２ 室外機
５ａ〜５ｃ 室内機
８ａ〜８ｃ第１〜第３液管
２３ 室外熱交換器
２４ａ 第１室外膨張弁
２４ｂ 第２室外膨張弁
２４ｃ 第３室外膨張弁
２５ａ 第１過冷却熱交換器
２５ａ１ 第１分流路
２５ａ２ 第２分流路
２５ｂ 第２過冷却熱交換器
２５ｂ１ 第１分流路
２５ｂ２ 第２分流路
２５ｃ 第３過冷却熱交換器
２５ｃ１ 第１分流路
２５ｃ２ 第２分流路
２６ 過冷却膨張弁
４５ 室外機液管
４６ａ 第１液分管
４６ｂ 第２液分管
４６ｃ 第３液分管
４７ａ 第１バイパス管
４７ｂ 第２バイパス管
４７ｃ 第３バイパス管
４８ 流入管
４９ 流出管
５１ａ〜５１ｃ 室内熱交換器
７１ａ〜７１ｃ 室内機液管
Ａ、ａ、ｂ、ｃ 冷媒入口
Ｂ、ａ’、ｂ’、ｃ’ 冷媒出口

Claims (4)

1. 圧縮機と、室外熱交換器と、室外膨張弁と過冷却熱交換器とが冷媒配管で接続されてなる複数の過冷却熱交換器ユニットと、同複数の過冷却熱交換器ユニットと同数の室内熱交換器とを連結して形成した主冷媒回路と、
   前記各過冷却熱交換器ユニットの前記室外膨張弁と前記過冷却熱交換器との間から分岐して、単一の過冷却膨張弁と前記複数の過冷却熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に接続したバイパス回路と、
   を有する空気調和装置であって、
   前記複数の過冷却熱交換器が直列に接続されて前記バイパス回路における前記過冷却膨張弁と前記圧縮機の吸入側の間に組み込まれ、
   前記複数の過冷却熱交換器は、各々の熱交換能力が異なり、
   前記バイパス回路を流れる冷媒が最初に流入する過冷却熱交換器の熱交換能力が最も小さく、
   前記バイパス回路を流れる冷媒が最後に流入する過冷却熱交換器の熱交換能力が最も大きい、
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記複数の過冷却熱交換器の熱交換能力は、前記熱交換能力が最も小さい過冷却熱交換器から前記熱交換能力が最も大きい過冷却熱交換器に向かうに従って大きくなっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記複数の過冷却熱交換器は、マイクロ流路熱交換器で構成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和装置。
4. 前記主冷媒回路や前記バイパス回路を流れる冷媒としてＲ３２を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の空気調和装置。

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