JP7458771B2 - 室外機及びこれを備えた空気調和装置 - Google Patents

Description

本開示は、室外機及びこれを備えた空気調和装置に関するものである。

冷凍機に用いられる混合冷媒の中でも、沸点が異なる冷媒が混合された非共沸混合冷媒がある。非共沸混合冷媒は、図１１に示すように、温度すべりが生じる。つまり、混合した各冷媒の沸点や凝縮点が異なるため、湿り蒸気中（飽和液線と飽和蒸気線との間）の等温線が単一冷媒のように圧力（ｐ）一定にならず、ｐ－ｈ線図上では右下がりの等温線となる。すなわち、非共沸混合冷媒には温度すべりが生じる（特許文献１）。

特開２０１８－１４１５７４号公報

温度すべりによって、凝縮器出口の冷媒温度と空気温度との差が小さくなるため、過冷却を確保し難い状態となる。
過冷却を促進するためには、冷媒量の追加が必要となる。しかし、過剰な冷媒量増加は、性能（ＣＯＰ）の悪化や、液バックによる圧縮機故障のおそれを生じさせる。
過冷却が不足すると、電子膨張弁（ＥＥＶ）の動作が不能気味となることで、蒸発器への確実な液冷媒冷却が困難となるだけでなく、冷媒流動音増大のおそれもある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、膨張弁の上流側で確実に過冷却を付けることができる室外機及びこれを備えた空気調和装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る室外機は、冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁の冷媒流れにおける上流側と下流側とを熱的に接続する伝熱部と、前記膨張弁の冷媒流れにおける上流側でかつ凝縮器の下流側に設けられた気液分離器と、前記気液分離器の液相側と前記膨張弁との間に設けられた第１上流側配管と、前記気液分離器の気相側と前記第１上流側配管の途中位置との間に設けられた第２上流側配管と、を備え、前記伝熱部は、前記膨張弁に接続された下流側配管と前記第２上流側配管とを熱的に接続するとともに、前記第２上流側配管及び前記下流側配管に対して固定された熱伝導部材、又は、前記第２上流側配管と前記下流側配管とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部を備えている。

膨張弁の上流側で確実に過冷却を付けることができる。

本開示の第１参考実施形態に係る冷媒回路を示した概略構成図である。 室外機の内部構造を示した側面図である。 熱伝導部材の設置状態を示した正面図である。 熱伝導部材に形成された溝を示した正面図である。 第１参考実施形態のｐ－ｈ線図である。 本開示の第２参考実施形態に係る冷媒回路を示した概略構成図である。 配管固定部を示した正面図である。 本開示の第３参考実施形態に係る冷媒回路を示した概略構成図である。 第３参考実施形態のｐ－ｈ線図である。 本開示の第１実施形態を示した概略構成図である。 非共沸混合冷媒のｐ－ｈ線図である。

以下に、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１参考実施形態］
以下、本発明の第１参考実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本参考実施形態の空気調和装置１の冷媒回路構成が示されている。空気調和装置１は、圧縮機３の吐出側に設けた四方弁４を切り替えることによって、暖房運転と冷房運転を行うことができる。図１において、実線の矢印Ａ１で示した方向が暖房運転時の冷媒流れ方向を示し、破線の矢印Ａ２で示した方向が冷房運転時やデフロスト運転時の冷媒流れ方向を示している。

空気調和装置１は、冷媒として、例えば、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆとが混合された非共沸混合冷媒であるＲ４５４Ｃを用いている。Ｒ３２は、Ｒ１２３ｙｆに対して低い沸点を有した低沸点冷媒とされている。Ｒ１２３４ｙｆは、Ｒ３２に対して高い沸点を有した高沸点冷媒とされている。なお、Ｒ４５４Ｃに変えて、Ｒ４５４Ｂや他のＲ４００番台の非共沸混合冷媒を用いても良い。

空気調和装置１は、非共沸混合冷媒（以下、単に「冷媒」という場合もある。）を圧縮する圧縮機３と、四方弁４と、室外熱交換器５と、膨張弁７と、室内熱交換器９とを備えている。これら圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、膨張弁７及び室内熱交換器９を冷媒配管によって接続することで冷凍サイクルを行う冷媒回路が構成される。

圧縮機３と、四方弁４と、室外熱交換器５と、膨張弁７とは、室外機２内に設置されている。室内熱交換器９は、室内機１０内に設置されている。

圧縮機３は、例えばスクロール圧縮機やロータリー圧縮機とされており、図示しない電動モータによって駆動される。電動モータは、インバータ装置を備えており、図示しない制御部からの指令によって回転数が任意に変更されるようになっている。

四方弁４は、暖房運転時には圧縮機３から吐出された冷媒が室内熱交換器９へ導かれるように切り換えられ、冷房運転時やデフロスト運転時には圧縮機３から吐出された冷媒が室外熱交換器５へ導かれるように切り換えられる。四方弁４の制御は、図示しない制御部によって行われる。

室外熱交換器５は、暖房運転時には蒸発器として動作し、冷房運転時やデフロスト運転時には凝縮器として動作する。室外熱交換器５に対して、室外ファン６から空気（外気）が送られるようになっている。

室内熱交換器９は、暖房運転時には凝縮器として動作し、冷房運転時やデフロスト運転時には蒸発器として動作する。室内熱交換器９に対して、室内ファン１１から空気が室内に向けて送られるようになっている。

膨張弁７は、凝縮器として動作する熱交換器５，９にて凝縮液化された冷媒を膨張させる。膨張弁７の開度は、制御部によって制御される。

膨張弁７の両側には、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とが接続されている。第１冷媒配管１３は、冷房運転時には冷媒流れにおいて上流側配管となり、暖房運転時には冷媒流れにおいて下流側配管となる。第２冷媒配管１４は、冷房運転時には冷媒流れにおいて下流側配管となり、暖房運転時には冷媒流れにおいて上流側配管となる。

第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４との間には、これら配管１３，１４同士を熱的に接続する伝熱部として、熱伝導部材１５が設けられている。熱伝導部材１５としては、ステンレス鋼等の金属と同等またはそれ以上の熱伝導率を有する高熱伝導率を有する素材が用いられ、例えば銅やグラフェン（graphene）等を用いることができる。

図２には、室外機２の内部構造が示されている。同図に示すように、圧縮機３の側方に膨張弁７が設けられている。膨張弁７の下方には、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とが互いに平行な状態で下方へと延在するように配置されている。

図３に示すように、膨張弁７の直下には、互いに離間した第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを挟み込んで覆うように熱伝導部材１５が固定されている。熱伝導部材１５には、図４に示すように、第１冷媒配管１３及び第２冷媒配管１４の形状に対応した溝１５ａ，１５ｂが形成されている。各溝１５ａ，１５ｂに対して第１冷媒配管１３及び第２冷媒配管１４が嵌め合わされた状態で収納されるようになっている。

本参考実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
膨張弁７の冷媒流れにおける上流側と下流側に設けられた第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを熱的に接続する熱伝導部材１５を設けることとした、これにより、膨張弁７によって絞られて冷却された下流側の冷媒で、膨張弁７の上流側の冷媒を冷却することができる。これにより、図５に示すように、膨張弁７に導かれる上流側の冷媒に対して過冷却Ｂ１を付けることができる。

熱伝導部材１５を用いて膨張弁７に接続された第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを固定することとしたので、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４との熱伝導を向上させることができる。
熱伝導部材１５を介して第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを固定することとしたので、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４の形状に依存せずに比較的自由に設計することができる。特に、熱伝導部材１５に配管形状に応じた溝１５ａ，１５ｂを形成することとしたので、容易に設計することができる。

［第２参考実施形態］
次に、本開示の第２参考実施形態について説明する。本参考実施形態は、第１参考実施形態に対して、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを熱的に接続する伝熱部の構成が異なる。したがって、以下の説明では、第１参考実施形態に対する相違点について説明し、同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図６に示されているように、本参考実施形態の伝熱部は、符号Ｃで示した膨張弁７の直近の位置において、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部１７を備えている。

配管固定部１７は、より具体的には、図７に示すように、クリップ１８を用いて第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを互いに接触させて固定する。クリップ１８は、同図に示したように２個でも良いし、１個あるいは３個以上であっても良い。また、クリップ１８に代えて、ろう付けによって配管１３，１４同士を固定しても良い。

本参考実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
膨張弁７に接続された第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部１７を設けることとしたので、第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４との熱伝導を向上させることができる。
第１冷媒配管１３と第２冷媒配管１４とを互いに物理的に接触させて固定するだけで済むので、軽量かつ省スペースで構成することができる。

［第３参考実施形態］
次に、本開示の第３参考実施形態について説明する。本参考実施形態は、第１参考実施形態に対して、膨張弁７の上流側配管と下流側配管とを熱的に接続する伝熱部の構成が異なる。したがって、以下の説明では、第１参考実施形態に対する相違点について説明し、同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図８に示されているように、冷房用膨張弁７ａと暖房用膨張弁７ｂとが設けられている。なお、図８には、冷房時の冷媒流れの方向が白抜き矢印で示されている。
冷房用膨張弁７ａと暖房用膨張弁７ｂとの間には、第３冷媒配管２０が設けられている。冷房用膨張弁７ａには、第３冷媒配管２０と第２冷媒配管１４とが接続されており、暖房用膨張弁７ｂには、第３冷媒配管２０と第１冷媒配管１３とが接続されている。

冷房時には、冷房用膨張弁７ａに対して開度制御が行われ、暖房用膨張弁７ｂは開とされたまま開度制御は行われない。したがって、冷房時には、第３冷媒配管２０が冷媒流れにおける上流側配管となり、第２冷媒配管１４が冷媒流れにおける下流側配管となる。
暖房時には、暖房用膨張弁７ｂに対して開度制御が行われ、冷房用膨張弁７ａは開とされたまま開度制御は行われない。したがって、暖房時には、第３冷媒配管２０が冷媒流れにおける上流側配管となり、第１冷媒配管１３が冷媒流れにおける下流側配管となる。
このように、冷房用膨張弁７ａと暖房用膨張弁７ｂとの間に設けられた第３冷媒配管２０が常に冷媒流れにおける上流側配管となる。

第３冷媒配管２０と圧縮機３の吸入側に接続された吸入配管２２との間には、過冷却熱交換器（伝熱部）２５が設けられている。過冷却熱交換器２５としては、液ガス熱交換器とされ、例えば二重管熱交換器を用いることができる。

本参考実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
膨張弁７ａ，７ｂに接続された上流側配管である第３冷媒配管２０と、圧縮機３に接続された吸入配管２２とを熱交換させる過冷却熱交換器２５を設けることとしたので、蒸発器を出た後の吸入冷媒を用いて膨張弁７ａ，７ｂの上流側の液冷媒を冷却することができる。膨張弁７ａ，７ｂの下流側でかつ蒸発器の上流側の冷媒よりも低い温度の吸入冷媒を用いるので、より効果的に冷却を行うことができる。これにより、図９に示したように、過冷却Ｂ２を付けることができる。また、蒸発後の冷媒が膨張弁７ａ、７ｂの冷媒によって加熱されるので、図９に示すように過熱度Ｂ３を付けることができる。

［第１実施形態］
次に、本開示の第１実施形態について説明する。本実施形態は、第１参考実施形態に対して、膨張弁７の上流側配管と下流側配管とを熱的に接続する伝熱部の構成が異なる。したがって、以下の説明では、第１参考実施形態に対する相違点について説明し、同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図１０に示されているように、膨張弁７の冷媒流れの上流側でかつ凝縮器の下流側には、気液分離器３０が設けられている。気液分離器３０は、所定の容積を内部に要する容器とされている。

気液分離器３０の下方には、第１上流側配管３２の上流端が接続されている。第１上流側配管３２の下流側は、膨張弁７に接続されている。第１上流側配管３２には、気液分離器３０にて分離された液冷媒が流れるようになっている。

気液分離器３０の上方には、第２上流側配管３３の上流端が接続されている。第２上流側配管３３の下流側は、第１上流側配管３２の途中位置に接続されている。第２上流側配管３３には、気液分離器３０にて分離されたガス冷媒が導かれるようになっている。

第２上流側配管３３の途中位置には、伝熱部３５が設けられている。伝熱部３５は、第２上流側配管３３と、膨張弁７の冷媒流れ下流側に接続された下流側配管３７とを接続する。伝熱部３５としては、第１参考実施形態で示した熱伝導部材１５や第２参考実施形態で示した配管固定部１７などを用いることができる。

第２上流側配管３３は、伝熱部３５において、下流側配管３７を流れる冷媒に対して第２上流側配管３３を流れる冷媒流れが対向流（カウンターフロー）となるように設けられている。具体的には、図１０に示すように、第２上流側配管３３を下方に延在させた後に反転させて上方に向けた上で伝熱部３５に接続されるようになっている。これにより、伝熱部３５における伝熱性能を向上させることができるようになっている。

本実施形態の作用効果は以下の通りである。
気液分離器３０にて分離されたガス冷媒は、第２上流側配管３３を流れ、伝熱部３５を介して、膨張弁７で絞られた後に下流側配管３７を流れる冷媒によって冷却される。これにより、第２上流側配管３３を流れる冷媒は凝縮され、第１上流側配管３２に合流する。第１上流側配管３２を流れる液冷媒は、第２上流側配管３３を流れる冷媒と合流することによって冷却され、過冷却が付けられることになる。

なお、本実施形態では、第２上流側配管３３を流れるガス冷媒を、下流側配管３７を流れる冷媒によって冷却することとしたが、第３参考実施形態のように吸入配管２２を流れるガス冷媒によって第２上流側配管３３を流れるガス冷媒を冷却するようにしても良い。
また、本実施形態では、冷媒として非共沸混合冷媒を用いることとしたが、非共沸混合冷媒に代えて、単一冷媒や非共沸ではない混合冷媒を用いることとしても良い。

以上説明した各参考実施形態及び第１実施形態に記載の室外機及びこれを備えた空気調和装置は、例えば以下のように把握される。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、沸点が異なる低沸点冷媒と高沸点冷媒とが混合された非共沸混合冷媒を膨張させる膨張弁（７，７ａ，７ｂ）と、前記膨張弁（７，７ａ，７ｂ）の冷媒流れにおける上流側と下流側とを熱的に接続する伝熱部（１５，１７，２５，３５）と、を備えている。

膨張弁の冷媒流れにおける上流側と下流側とを熱的に接続する伝熱部を設けることによって、膨張弁によって絞られて冷却された下流側の冷媒で、膨張弁の上流側の冷媒を冷却することができる。これにより、膨張弁に導かれる上流側の冷媒に対して過冷却を付けることができる。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、前記伝熱部（１５）は、前記膨張弁（７）に接続された上流側配管（１３，１４）及び下流側配管（１４，１３）に対して固定された熱伝導部材（１５）を備えている。

熱伝導部材を用いて膨張弁に接続された上流側配管と下流側配管とを固定することとしたので、上流側配管と下流側配管との熱伝導を向上させることができる。
熱伝導部材を介して上流側配管と下流側配管とを固定することとしたので、上流側配管と下流側配管の形状に依存せずに比較的自由に設計することができる。
熱伝導部材としては、ステンレス鋼等の金属と同等またはそれ以上の熱伝導率を有する高熱伝導率を有する素材が用いられ、例えば銅やグラフェン（graphene）等を用いることができる。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、前記伝熱部（１７）は、前記膨張弁（７）に接続された上流側配管（１３，１４）と下流側配管（１４，１３）とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部（１７）を備えている。

膨張弁に接続された上流側配管と下流側配管とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部を設けることとしたので、上流側配管と下流側配管との熱伝導を向上させることができる。
上流側配管と下流側配管とを互いに物理的に接触させて固定するだけで済むので、軽量かつ省スペースで構成することができる。
配管固定部としては、例えば、上流側配管と下流側配管とをろう付けする構成や、上流側配管と下流側配管とを互いにクリップで固定する構成などが挙げられる。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、前記伝熱部（２５）は、前記膨張弁（７ａ，７ｂ）に接続された上流側配管（２０）と圧縮機（３）に接続された吸入配管（２２）とを熱交換させる過冷却熱交換器（２５）を備えている。

膨張弁に接続された上流側配管と圧縮機に接続された吸入配管とを熱交換させる過冷却熱交換器を設けることとしたので、蒸発器を出た後の吸入冷媒を用いて膨張弁の上流側の液冷媒を冷却することができる。膨張弁の下流側でかつ蒸発器の上流側の冷媒よりも低い温度の吸入冷媒を用いるので、より効果的に冷却を行うことができる。
過冷却熱交換器としては、液ガス熱交換器とされ、例えば二重管熱交換器を用いることができる。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、前記膨張弁（７）の冷媒流れにおける上流側でかつ凝縮器の下流側に設けられた気液分離器（３０）と、前記気液分離器（３０）の液相側と前記膨張弁（７）との間に設けられた第１上流側配管（３２）と、前記気液分離器（３０）の気相側と前記第１上流側配管（３２）の途中位置との間に設けられた第２上流側配管（３３）と、を備え、前記伝熱部（３５）は、前記膨張弁（７）に接続された下流側配管（３７）と前記第２上流側配管（３３）とを熱的に接続する。

気液分離器にて分離されたガス冷媒は、第２上流側配管を流れ、伝熱部を介して、膨張弁で絞られた後に下流側配管を流れる冷媒によって冷却される。これにより、第２上流側配管を流れる冷媒は凝縮され、第１上流側配管に合流する。第１上流側配管を流れる液冷媒は、第２上流側配管を流れる冷媒と合流することによって冷却され、過冷却が付けられることになる。
なお、冷媒としては、非共沸混合冷媒に代えて、単一冷媒や非共沸ではない混合冷媒としても良い。

本開示の一態様に係る室外機（２）は、前記第２上流側配管（３３）と前記下流側配管（３７）は、前記伝熱部（３５）において、前記第２上流側配管（３３）を流れる冷媒と、前記下流側配管（３７）を流れる冷媒とが対向流となるように設けられている。

第２上流側配管を流れる冷媒と下流側配管を流れる冷媒とを対向流とさせるようにしたので、伝熱性能をより向上させることができる。

空気調和装置（１）は、上記のいずれかに記載の室外機（２）と、前記室外機に接続された室内機（１０）と、を備えている。

１ 空気調和装置
２ 室外機
３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ 室外ファン
７ 膨張弁
７ａ 冷房用膨張弁
７ｂ 暖房用膨張弁
９ 室内熱交換器
１０ 室内機
１１ 室内ファン
１３ 第１配管
１４ 第２配管
１５ 熱伝導部材（伝熱部）
１７ 配管固定部（伝熱部）
１８ クリップ
２０ 第３冷媒配管
２２ 吸入配管
２５ 過冷却熱交換器（伝熱部）
３０ 気液分離器
３２ 第１上流側配管
３３ 第２上流側配管
３５ 伝熱部
３７ 下流側配管

Claims (3)

1. 冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁の冷媒流れにおける上流側と下流側とを熱的に接続する伝熱部と、
   前記膨張弁の冷媒流れにおける上流側でかつ凝縮器の下流側に設けられた気液分離器と、
   前記気液分離器の液相側と前記膨張弁との間に設けられた第１上流側配管と、
   前記気液分離器の気相側と前記第１上流側配管の途中位置との間に設けられた第２上流側配管と、
   を備え、
   前記伝熱部は、前記膨張弁に接続された下流側配管と前記第２上流側配管とを熱的に接続するとともに、前記第２上流側配管及び前記下流側配管に対して固定された熱伝導部材、又は、前記第２上流側配管と前記下流側配管とを互いに物理的に接触させて固定する配管固定部を備えている室外機。
2. 前記第２上流側配管と前記下流側配管は、前記伝熱部において、前記第２上流側配管を流れる冷媒と、前記下流側配管を流れる冷媒とが対向流となるように設けられている請求項１に記載の室外機。
3. 請求項１又は２に記載の室外機と、
   前記室外機に接続された室内機と、
   を備えている空気調和装置。

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