JPH08233378A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合にも
簡単な構成で冷媒制御ができる空気調和機を提供する。 【解決手段】 高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共
沸混合冷媒を用いる空気調和機において、熱交換器４、
７が凝縮器として作用するときに膨張弁５、８の弁開度
を制御するために、圧縮機１から吐き出された冷媒の一
部を圧縮機１の吸込側に戻すバイパス回路２５を備え、
温度センサが補助熱交換器１０及び減圧素子２０を通過
後の冷媒温度を検出し、この検出温度に基づいて膨張弁
５、８の開度を制御する。このように圧縮機の吐出側に
疑似的に室内熱交換器の低圧飽和温度生成回路を形成し
ているので、簡単な構成で冷媒制御ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒として、高沸
点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を用いた
空気調和機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ヒートポンプ式空気調和機の冷
媒回路は、圧縮機、室内熱交換器、膨脹弁（減圧装
置）、室外熱交換器、四方弁から構成されていて、暖房
時にはこの順序で冷媒が循環され、冷房時には暖房時と
は逆方向に冷媒が循環される。ヒートポンプ式空気調和
機において、冷媒として単一冷媒（例えばＲ−２２）が
使用されている場合には、この単一冷媒の圧力が一定で
且つ気液混合時には冷媒の温度は一定となる。図６は、
Ｒ−２２のモリエル線図を示していて、このモリエル線
図では等温線が飽和液線から飽和蒸発線に向かって温度
が一定で温度グライドがない。

【０００３】ところで、特公平４−２７４６５号公報に
開示されているように、圧縮機の運転中には常時圧縮機
から吐き出された高温高圧の冷媒の一部をバイパス管に
導き、この導いた冷媒を補助熱交換器によって、圧縮機
に吸い込まれる多量の低温冷媒で冷却して高圧液冷媒と
し、その後この高圧液冷媒をキャピラリチューブのよう
な減圧素子で減圧して低圧液冷媒とする、いわゆる低圧
飽和温度生成回路とよばれる回路を構成する技術が公知
である。かかる空気調和機では、圧縮機の運転中は、こ
の圧縮機に吸い込まれる多量の低温冷媒とバイパス管内
の高温高圧の冷媒とが、補助熱交換器で熱交換されるよ
うになっている。この低圧飽和温度生成回路において、
図６に、キャピラリチューブの出口と補助熱交換器の出
口の温度を示しているが、従来の単一冷媒を用いた空気
調和機では、単一冷媒には温度グライドがないので、こ
の低圧飽和温度生成回路で求めた凝縮温度と圧縮機の吸
込温度を用いて、圧縮機の過熱度に基づいて、単に凝縮
器の膨張弁の開度を制御するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年、オゾ
ン破壊を防止する目的等から、空気調和機の冷媒とし
て、高沸点冷媒と低沸点冷媒からなる非共沸混合冷媒を
用いるものがある。このように、冷媒としてこの高沸点
冷媒と低沸点冷媒からなる非共沸混合冷媒を用いた冷媒
回路においても、室内熱交換器における凝縮温度を疑似
的に構成して、冷媒の制御をおこなうことによって、そ
の制御回路を簡易にするとともに、空気調和機の構成の
みならず設置作業の配線を簡易にすることが望ましい。

【０００５】そこで、本発明は上記課題を解消するため
に、冷媒として非共沸混合冷媒を用いた場合にも簡単な
構成で冷媒制御ができる空気調和機を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒
を、圧縮機、室内熱交換器、膨脹弁、室外熱交換器を環
状に接続した冷媒回路に循環させてなる空気調和機にお
いて、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を迂回させ
て再び圧縮機の吸込側に戻すバイパス回路と、このバイ
パス回路に設けられ、圧縮機の吸込側冷媒と熱交換する
補助熱交換器と、この補助熱交換器を通過後の冷媒を減
圧する減圧素子と、この減圧素子通過後の冷媒の温度を
検出する温度センサと、この温度センサで検出した温度
に基づいて前記膨脹弁の開度を制御する制御部とを備え
ることを特徴とする。この発明によれば、圧縮機から吐
出された混合冷媒の一部はバイパス回路に流れ、補助熱
交換器により圧縮機の吸入側冷媒と熱交換された後、減
圧素子通過後の冷媒温度（低圧飽和温度）を温度センサ
が検知して、その検知温度にも基づいて制御部が室内熱
交換器に流れる冷媒量を調節する制御弁の開度を制御
し、圧縮機の液冷媒が戻らないようにする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、高沸点冷媒と低
沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を、圧縮機、室内熱
交換器、膨脹弁、室外熱交換器を環状に接続した冷媒回
路に循環させてなる空気調和機において、前記圧縮機か
ら吐出された冷媒の一部を迂回させて再び圧縮機の吸込
側に戻すバイパス回路と、このバイパス回路に設けら
れ、圧縮機の吸込側冷媒と熱交換する補助熱交換器と、
この補助熱交換器を通過後の冷媒を減圧する減圧素子
と、この減圧素子通過後の冷媒温度を検出する温度セン
サと、この温度センサで検出した温度に基づいて前記膨
脹弁の開度を制御する制御部とを備え、この制御部は前
記温度センサーが検出した温度に圧縮機の吸入側におけ
る過熱度を補正値として演算することを特徴とする。こ
の発明によれば、請求項１に記載の発明において、制御
部は冷媒の過熱度に基づいて、低圧飽和温度を補正して
制御弁の弁開度を制御する。これにより、温度グライド
を有する混合冷媒においても、確実な制御を図ることが
できる。

【０００８】請求項３に記載の発明では、 高沸点冷媒
と低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を、圧縮機、凝
縮器、減圧装置、蒸発器を環状に接続した冷媒回路に循
環させてなる空気調和機において、減圧装置は、凝縮器
寄りに位置した第一減圧器と、蒸発器寄りに位置した第
二減圧器とを直列につないで構成し、且つこれら二つの
減圧器の間には非共沸混合冷媒を液状態で溜めるための
レシーバタンクを設けたことを特徴とする。この発明に
よれば、レシーバタンクに非共沸混合冷媒が液状態で溜
めるためられるので、冷媒回路中における非共沸混合冷
媒の組成変化を生じにくくする。

【０００９】請求項４に記載の発明では、圧縮機、冷房
時と暖房時とで冷媒の流れを変える四方弁、暖房時に凝
縮器として作用し冷房時に蒸発器として作用する室内熱
交換器、減圧装置、冷房時に凝縮器として作用し暖房時
に蒸発器として作用する室外熱交換器を環状に接続した
冷媒回路に、高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共沸
混合冷媒を循環させてなる暖房並びに冷房運転が可能な
ヒートポンプ式の空気調和機において、減圧装置は、室
内熱交換器寄りに位置した第一減圧器と、室外熱交換器
寄りに位置し暖房時にその開度が調整される第二減圧器
とから構成し、且つこれら二つの減圧器の間には暖房時
に非共沸混合冷媒を液状態で溜めるためのレシーバタン
クを設けたことを特徴とする。この発明によれば、特に
冷房時と比較して冷媒が余り気味となる暖房時に、レシ
ーバタンクに非共沸混合冷媒が液状態で溜めるためられ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１は、本発明の冷凍装置の一例とし
て、冷房と暖房を行うヒートポンプ式空気調和機を示し
ている。空気調和機の冷媒回路は、室外熱交換器４、圧
縮機１、四方弁３、室内熱交換器７、電動膨張弁（膨脹
弁）５，８、アキュムレータ１９、レシーバ１８等を冷
媒管により接続している。圧縮機１は四方弁３を介して
室外熱交換器４を接続するとともに、四方弁３により室
内熱交換器７を接続している。室内熱交換器７とレシー
バ１８の間に電動膨張弁５を設け、室外熱交換器４とレ
シーバ１８の間に電動膨張弁８を設けている。

【００１１】室外熱交換器４はファンを備え、室内熱交
換器７はファンを備えている。そして、圧縮機１の吐出
管１１より吸込管９に至るバイパス管ＯＰ１を備え、こ
のバイパス管ＯＰ１を含む回路が低圧飽和温度生成回路
２５と呼ばれていて、このバイパス管ＯＰ１には補助熱
交換器１０が設けられている。この補助熱交換器１０と
その周辺部を図２に拡大して示している。

【００１２】図２のバイパス管ＯＰ１、部分冷媒流路Ｏ
Ｐ２ないしＯＰ５は、図１のバイパス管ＯＰ１、部分冷
媒流路ＯＰ２ないしＯＰ５に相当している。バイパス管
ＯＰ１は、圧縮器１の吐出管１１に接続されていて、バ
イパス管ＯＰ１は部分冷媒流路ＯＰ２を介して部分冷媒
流路ＯＰ３に接続されている。部分冷媒流路ＯＰ２は、
上述した補助熱交換器１０の外管であり、補助熱交換器
１０の内管ＯＰ６には低圧で低温の吸い込み冷媒が流
れ、これに対して補助熱交換器１０の外管ＯＰ１には圧
縮機１から吐き出された高温の冷媒の一部が流れる。こ
れにより、外管ＯＰ１を流れる高温の冷媒が、配管であ
る部分冷媒流路ＯＰ６を流れる低温の吸込冷媒で冷やさ
れて高圧液冷媒になる。

【００１３】部分冷媒流路ＯＰ３は、減圧素子であるキ
ャピラリチューブ２０と部分冷媒流路ＯＰ４を介して、
部分冷媒流路ＯＰ５に接続されている。次に、図１の制
御部１００は、温度センサＳ１と温度センサＳ２、圧力
センサＰＳ、そして電動膨張弁５，８に接続されてい
る。温度センサＳ１は、圧縮機１からの冷媒の温度を測
定し、温度センサＳ２は、キャピラリチューブ２０を通
って減圧された冷媒の温度を測定する。圧力センサＰＳ
は、圧縮機１の吸込側の冷媒の圧力を検出する。

【００１４】制御部１００は、非共沸混合冷媒の性質に
合わせて低圧飽和温度生成回路２５で求めた低圧飽和温
度ｂに補正をして、その補正を加えた温度と圧縮機の吸
込温度ａの差により圧縮機１の吸込過熱度ΔＥを求め
て、冷房時に蒸発器として作用する室内熱交換器７の電
動膨張弁８または暖房時に蒸発器として作用する室外熱
交換器４の電動膨張弁５の弁開度を制御するようになっ
ている。

【００１５】空気調和機の冷媒回路を循環する冷媒とし
ては、高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷
媒が用いられる。非共沸混合冷媒としては、たとえばＲ
１３４ａを５２Ｗｔ％、Ｒ１２５を２５Ｗｔ％、Ｒ３２
を２３Ｗｔ％で混合した３種混合冷媒が用いられる。一
般に、Ｒ１３４ａの沸点は−２６°Ｃ、Ｒ１２５の沸点
は−４８°Ｃ、Ｒ３２の沸点は−５２°Ｃである。この
ような組成比の３種混合冷媒では、一般的に、蒸発時に
は沸点の低いＲ３２やＲ１２５から先に蒸発しやすく、
凝縮時には沸点の高いＲ１３４ａから凝縮しやすいため
に、熱交換器内で組成比が変化して、図５に示すよう
に、温度グライドが生じる。すなわち、冷媒温度は、図
４に示すようにキャピラリチューブ２０の出口において
場所により異なる。

【００１６】従って、混合冷媒の冷媒制御では温度グラ
ンドに応じた冷媒制御が必要となる。次に、本実施例の
作用を説明する。 （冷房運転時）図１に示す空気調和機の冷媒回路におい
ては、冷房サイクルでは、室外熱交換器４が凝縮器とし
て作用し、図１の四方弁３が実線で示すように位置し、
冷媒が圧縮機１から吐き出され、四方弁３、室外熱交換
器４、電動膨張弁８、レシーバ１８、電動膨張弁５、室
内熱交換器７、四方弁３、低圧飽和温度生成回路２５の
補助熱交換器１０の内管ＯＰ６、吸込管９、アキュムレ
ータ１９、圧縮機１の順で循環される。 （暖房運転時）一方、暖房サイクルでは、室内熱交換器
７が凝縮器として作用し、図１の四方弁５が破線で示す
ように位置し、冷媒が圧縮機１、室内熱交換器７、電動
膨張弁５、レシーバ１８、電動膨張弁８、室外熱交換器
４、四方弁３、低圧飽和温度生成回路２５の補助熱交換
器１０の内管ＯＰ６、吸込管９、アキュムレータ１９、
圧縮機１の順で循環される。

【００１７】冷房サイクルと暖房サイクルの場合に、圧
縮機１の運転時に、常時この圧縮機１から吐き出された
冷媒の一部がこの圧縮機１の吸い込み管９へ戻すバイパ
ス管ＯＰ２に流れ、補助熱交換器１０の内管ＯＰ６を流
れる際に内管ＯＰ６を流れる低温の吸い込み冷媒で冷や
されて高圧液冷媒になった後、減圧素子であるキャピラ
リチューブ２０により減圧されて減圧液冷媒温度（飽和
温度）になる。

【００１８】冷媒として非共沸混合冷媒を用いるので、
上述した従来例のように単一冷媒（例えばＲ−２２）と
同様に低圧飽和温度生成回路２５により求めた吸込温度
ａを検知して利用するには、非共沸混合冷媒の特性であ
る図４と図５に示す特徴である温度グライドを考慮する
必要がある。そのためには、低圧飽和温度生成回路２５
により求めた吸込温度ａをそのまま実際の凝縮温度ｂと
して用いるのではなく、吸込温度ａの値を何らかの方法
で補正する必要がある。

【００１９】そこで、その吸込温度ａの値の補正方法と
して、図３に示すように、圧縮機１の吸込温度ａから低
圧飽和温度生成回路２５で求めた低圧飽和温度ｂを引い
て、補正値ΔＥを求める。 補正値ΔＥ＝ａ−ｂ （１） なお、従来の空気調和機では、単一冷媒を用いているの
で、単に圧縮機１の吸込温度ａから低圧飽和温度生成回
路２５で求めた低圧飽和温度ｂを引いたものが圧縮機１
の吸込側の過熱度ＳＨであった。

【００２０】次に、予め実験により求めた（１）式のΔ
Ｅと圧縮機１の吸込側の過熱度ＳＨの関係式から、ΔＥ
に対する圧縮機１の吸込側の過熱度ＳＨを求める。この
過熱度ＳＨは、圧縮機１の吸込温度ａから圧力に対する
デユーポイント８（Ｄ．Ｐ）を引いた値である。そこ
で、制御部１００は、この得られた実際の圧縮機１の吸
込側の過熱度ＳＨの大きさが基準の値より大きいと、熱
交換器が十分有効に使用されていないと判断して、冷房
時には室内熱交換器７の電動膨張弁８を開け、暖房時に
は室外熱交換器４の電動膨張弁５を開ける。

【００２１】これに対して、制御部１００は、この得ら
れた実際の圧縮機１の吸込側の過熱度ＳＨの大きさが基
準の値より小さいと、液バック（圧縮機１に液冷媒がも
どること）と判断して、冷房時には室内熱交換器７の電
動膨張弁８を閉め、暖房時には室外熱交換器４の電動膨
張弁５を閉める。これらの制御の状態をまとめて示せば
図７のようになる。

【００２２】このように、得られた圧縮機１の吸込側の
過熱度ＳＨにより、非共沸混合冷媒を用いた場合であっ
ても、圧縮機の吐出冷媒の温度上昇や、冷凍機油冷媒の
劣化を抑えて冷媒制御をスムーズに行える。更に、請求
項３〜４の発明に基づいて発明の実施の形態を説明し直
すと次の通りである。減圧装置は電動膨張弁８（第一減
圧器）と電動膨張弁５（第二減圧器）とから構成され、
レシーバ１８はこれら二つの減圧器の間に設けられてい
ることとなる。そして、暖房時には、図７で示すよう
に、過熱度ＳＨが大きいと電動膨張弁５を開け、小さい
と電動膨張弁５を閉めるようにしている。

【００２３】すなわち、過熱度ＳＨが大きいと電動膨張
弁５を開けてレシーバ１８に非共沸混合冷媒を溜めない
ようにする。一方、過熱度ＳＨが小さいと電動膨張弁５
を閉めてレシーバ１８に非共沸混合冷媒を液状態で溜め
るようにしている。これによって、冷媒回路における非
共沸混合冷媒の組成変化が生じにくくなる。一例とし
て、本発明のようにレシーバに非共沸混合冷媒を液状態
で溜めた場合は、このレシーバが位置する部分は冷媒回
路中の高圧側となり且つ図８のイで示するように液状態
での組成変形は少ない。しかし、冷媒回路中の低圧側と
なるアキュムレータに非共沸混合冷媒を液状態で溜めた
場合は、図８のロで示ように組成変形は大きいことが言
われている。従って、レシーバに非共沸混合冷媒を液状
態で溜めるようにして、冷媒回路中の非共沸混合冷媒が
組成変形を起こしにくくして、設計通りの能力を発揮す
るようにしている。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明では、圧縮機から吐出された混合冷媒の一部はバイ
パス回路に流れ、補助熱交換器により圧縮機の吸入側冷
媒と熱交換後、温度センサが減圧素子を通過後の冷媒温
度（低圧飽和温度）を検知してその検知温度に基づいて
制御部が膨脹弁の開度を制御する。このように、室内熱
交換器の凝縮温度を疑似的に圧縮機側で構成しているの
で、簡易な構成で室内熱交換器の弁開度を制御できる。

【００２５】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、制御部は冷媒の過熱度に基づいて、
低圧飽和温度を補正して膨脹弁の弁開度を制御している
ので、温度グライドを有する混合冷媒においても、圧縮
機の吐出冷媒の温度上昇や、冷凍機油冷媒の劣化を抑え
て確実な制御を図ることができる。請求項３に記載の発
明では、 非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路中の減圧装
置は、凝縮器寄りに位置した第一減圧器と、蒸発器寄り
に位置した第二減圧器とを直列につないで構成し、且つ
これら二つの減圧器の間には非共沸混合冷媒を液状態で
溜めるためのレシーバタンクを設けたので、冷媒回路中
における非共沸混合冷媒の組成変化を生じにくくして、
設計通りの能力を保つことができる。

【００２６】請求項４に記載の発明では、高沸点冷媒と
低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を循環させるヒー
トポンプ式の空気調和機において、減圧装置は、室内熱
交換器寄りに位置した第一減圧器と、室外熱交換器寄り
に位置し暖房時にその開度が調整される第二減圧器とか
ら構成し、且つこれら二つの減圧器の間には暖房時に非
共沸混合冷媒を液状態で溜めるためのレシーバタンクを
設けたので、冷房時と比較して冷媒が余り気味となる暖
房時に、レシーバタンクに非共沸混合冷媒を液状態で溜
めて、非共沸混合冷媒の組成変化を生じにくくして、設
計通りの冷暖房能力を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気調和機の冷媒回路を示す図であ
る。

【図２】図１の冷媒回路の低圧飽和温度生成回路の一部
を示す図である。

【図３】低圧飽和温度生成回路を用いた時のΔＥと圧縮
機の吸込側過熱度ＳＨの関係を示す図である。

【図４】非共沸混合冷媒のモリエル線図である。

【図５】図４のモリエル線図を概略的に示す図である。

【図６】従来の単一冷媒（Ｒ−２２）のモリエル線図を
概略的に示す図である。

【図７】本発明の空気調和機における電動膨張弁の弁開
度を示す説明図である。

【図８】冷媒の組成変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 室外熱交換器（冷房時凝縮器） ２ 室内熱交換器（暖房時凝縮器） ６ 圧縮機 ５ 膨張弁（第二減圧器） ８ 膨張弁（第一減圧器） １０ 補助熱交換器 ２５ 低圧飽和温度生成回路（バイパス回路） Ｓ１ 温度センサ ａ 圧縮機の吸込側温度 ｂ 低圧飽和温度生成回路で求める凝縮温度 ２０ キャピラリチューブ（減圧素子） １００ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志村 一廣 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共
   沸混合冷媒を、圧縮機、室内熱交換器、膨脹弁、室外熱
   交換器を環状に接続した冷媒回路に循環させてなる空気
   調和機において、 前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を迂回させて再び
   圧縮機の吸込側に戻すバイパス回路と、このバイパス回
   路に設けられ、圧縮機の吸込側冷媒と熱交換する補助熱
   交換器と、この補助熱交換器を通過後の冷媒を減圧する
   減圧素子と、この減圧素子通過後の冷媒の温度を検出す
   る温度センサと、この温度センサで検出した温度に基づ
   いて前記膨脹弁の開度を制御する制御部とを備えること
   を特徴とする空気調和機。
2. 【請求項２】 高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共
   沸混合冷媒を、圧縮機、室内熱交換器、膨脹弁、室外熱
   交換器を環状に接続した冷媒回路に循環させてなる空気
   調和機において、 前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を迂回させて再び
   圧縮機の吸込側に戻すバイパス回路と、このバイパス回
   路に設けられ、圧縮機の吸込側冷媒と熱交換する補助熱
   交換器と、この補助熱交換器を通過後の冷媒を減圧する
   減圧素子と、この減圧素子通過後の冷媒温度を検出する
   温度センサと、この温度センサで検出した温度に基づい
   て前記膨脹弁の開度を制御する制御部とを備え、この制
   御部は前記温度センサーが検出した温度に圧縮機の吸入
   側における過熱度を補正値として演算することを特徴と
   する空気調和機。
3. 【請求項３】 高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共
   沸混合冷媒を、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を環
   状に接続した冷媒回路に循環させてなる空気調和機にお
   いて、 前記減圧装置は、前記凝縮器寄りに位置した第一減圧器
   と、前記蒸発器寄りに位置した第二減圧器とを直列につ
   ないで構成し、且つこれら二つの減圧器の間には前記非
   共沸混合冷媒を液状態で溜めるためのレシーバタンクを
   設けたことを特徴とする空気調和機。
4. 【請求項４】 圧縮機、冷房時と暖房時とで冷媒の流れ
   を変える四方弁、暖房時に凝縮器として作用し冷房時に
   蒸発器として作用する室内熱交換器、減圧装置、冷房時
   に凝縮器として作用し暖房時に蒸発器として作用する室
   外熱交換器を環状に接続した冷媒回路に、高沸点冷媒と
   低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を循環させてなる
   暖房並びに冷房運転が可能なヒートポンプ式の空気調和
   機において、 前記減圧装置は、前記室内熱交換器寄りに位置した第一
   減圧器と、前記室外熱交換器寄りに位置し暖房時にその
   開度が調整される第二減圧器とから構成し、且つこれら
   二つの減圧器の間には暖房時に前記非共沸混合冷媒を液
   状態で溜めるためのレシーバタンクを設けたことを特徴
   とする空気調和機。