JPWO2014083650A1 - 空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このように、熱交換器に着霜すると、熱交換器の風路が塞がれ、空気と熱交換する熱交換器の伝熱面積が小さくなるため、暖房能力不足の問題が生じる。そこで、暖房運転を停止して、冷媒流路切替弁を切り替えて、室外機の熱交換器を凝縮器とすることで、除霜運転を行う。このような除霜運転によって、暖房能力の低下を防ぐことができる。しかし、除霜運転の間は、室内の暖房運転も停止するため、室内温度が低下して室内環境の快適性が損なわれる。
熱漏洩が生じることで、凝縮器の除霜能力は、蒸発器と凝縮器との境界付近で低下し、その境界付近での除霜が不十分となる。このため、除霜に要する時間が長くなり、除霜運転の間の室内の暖房能力が低下し、室内環境の快適性が損なわれる。さらに、除霜後に発生する水滴が氷結することで根氷が発生し、熱交換器の伝熱面積が小さくなり、暖房能力が低下し、室内環境の快適性が損なわれる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、回路構成の一例示す概略回路構成図である。
図1に基づいて、空気調和装置100の詳しい構成について説明する。
図1に示すように、空気調和装置100は、室外機1及び室内機2を備え、室外機1と室内機2とが冷媒主管4で接続されている。
この空気調和装置100は、冷媒を循環させ、冷凍サイクルを利用した空気調和を行う。空気調和装置100は、運転する全ての室内機2が冷房を行う全冷房運転モード、運転する全ての室内機2が暖房を行う全暖房運転モード、又は、室内機2が暖房運転を継続しつつ室外機1内の熱交換機を除霜する除霜運転モード、を選択できるものである。
室外機1には、圧縮機10、四方弁等の冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12a、熱源側熱交換器12b、及び、アキュムレータ13、冷媒配管3、ホットガスバイパス配管5が、搭載されている。
圧縮機10、四方弁等の冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12a、熱源側熱交換器12b、アキュムレータ13は、冷媒配管3で接続されている。
熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、冷媒配管3で互いに並列に接続されている。熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bの、負荷側絞り装置22側の冷媒配管3には、第2開閉装置31a、31bが設けられている。
即ち、図1に示すように、ホットガスバイパス配管5の一端は、圧縮機10の吐出部と冷媒流路切替装置11との間の冷媒配管3に接続される。
また、ホットガスバイパス配管5の他端は、2分岐し、一方が、熱源側熱交換器12aと第2開閉装置31aとの間の冷媒配管3に接続され、他方が、熱源側熱交換器12bと第2開閉装置31bとの間の冷媒配管3に接続される。
熱源側熱交換器12aに接続されたホットガスバイパス配管5には、第1開閉装置30aが設けられている。熱源側熱交換器12bに接続されたホットガスバイパス配管5には、第1開閉装置30bが設けられている。
冷媒流路切替装置11は、全暖房運転モード時における冷媒の流れと、全冷房運転モード時における冷媒の流れとを切り替える。
図2に示すように、熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、室外機1の筐体51内に配置されている。熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、空気が通過するように間隔を空けて配置された複数のフィンと、複数のフィンに挿入され内部を冷媒が流れる複数の伝熱管と、を有している。 熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、ファン52等の送風機から供給される空気と、冷媒との間で熱交換を行う。
隣り合う複数のフィンの間には、隣り合う熱源側熱交換器12a、12bの間での熱漏洩量を低減させる熱漏洩低減機構が設けられている。詳細は後述する。
第1圧力センサ41は、圧縮機10と冷媒流路切替装置11との間の配管に設けられている。第1圧力センサ41は、圧縮機10が吐出した高温・高圧の冷媒の圧力を検出する。
第2圧力センサ42は、冷媒流路切替装置11とアキュムレータ13の間の配管に設けられている。第2圧力センサ42は、圧縮機10に吸入される低圧の冷媒の圧力を検出する。
第1温度センサ43は、圧縮機10と冷媒流路切替装置11の間の配管に設けられている。第1温度センサ43は、圧縮機10が吐出した冷媒の温度を測定する。
第2温度センサ45は、熱源側熱交換器12a又は熱源側熱交換器12bのいずれかの空気吸込み部に設けられている。第2温度センサ45は、室外機1の周囲の空気温度を測定する。
第3温度センサ48aは、熱源側熱交換器12aと冷媒流路切替装置11の間の配管に設けられている。
第3温度センサ48aは、蒸発器として動作する熱源側熱交換器12aから流出した冷媒の温度を測定する。
第3温度センサ48bは、熱源側熱交換器12bと冷媒流路切替装置11の間の配管に設けられている。第3温度センサ48bは、蒸発器として動作する熱源側熱交換器12bから流出した冷媒の温度を測定する。
室内機2には、負荷側熱交換器21と、負荷側絞り装置22とが搭載されている。
負荷側熱交換器21は、冷媒主管4を介して室外機1と接続され、冷媒が流入又は流出する。負荷側熱交換器21は、例えばファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行う。負荷側熱交換器21は、室内空間に供給するための、暖房用の空気、又は冷房用の空気を生成する。
負荷側絞り装置22は、減圧弁、膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させる。負荷側絞り装置22は、全冷房運転モード中の冷媒の流れにおいて、負荷側熱交換器21の上流側に設けられている。負荷側絞り装置22は、開度が可変に制御可能である弁で構成する。負荷側絞り装置22は、例えば電子式膨張弁等で構成する。
第4温度センサ46は、負荷側絞り装置22と負荷側熱交換器21の間の配管に設けられている。第4温度センサ46は、負荷側熱交換器21に流入する冷媒、又は、負荷側熱交換器から流出した冷媒の温度を検出する。
第5温度センサ47は、負荷側熱交換器21と室外機1の冷媒流路切替装置11との間の配管に設けられている。第5温度センサ47は、負荷側熱交換器21に流入する冷媒、又は、負荷側熱交換器21から流出した冷媒の温度を検出する。
第6温度センサ44は、負荷側熱交換器21の空気吸込み部に設けられている。第6温度センサ44は、室内の周囲空気温度を検出する。
以下に、各運転モードについて、冷媒の流れとともに説明する。
図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、全冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
この図3では、負荷側熱交換器21で冷熱負荷が発生している場合を例に、全冷房運転モードについて説明する。なお、図3では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bに流入した高温・高圧ガス冷媒は、熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bのそれぞれで、室外空気に放熱して高圧の液冷媒となる。熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bから流出した高圧の液冷媒は、それぞれ、第2開閉装置31a及び第2開閉装置31bを経て合流し、室外機1から流出する。
負荷側熱交換器21から流出したガス冷媒は、冷媒主管4を通って、再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、冷媒流路切替装置11及びアキュムレータ13を通って、圧縮機10に再度吸入される。
図4は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
この図4では、負荷側熱交換器21で温熱負荷が発生している場合を例に、全暖房運転モードについて説明する。なお、図4では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
負荷側熱交換器21から流出した液冷媒は、負荷側絞り装置22で膨張されて、低温・中圧の二相冷媒もしくは液冷媒となり、冷媒主管4を通って再び室外機1へ流入する。
図5は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、除霜運転モード時における熱源側熱交換器12bの除霜を実施している場合の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図5では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
また、除霜運転モードにおいて、熱源側熱交換器12bを除霜対象とする場合、第1開閉装置30bは、開状態に切り替えられ、冷媒を通過させる。
第2開閉装置31bは、閉状態に切り替えられ、冷媒を遮断する。
第1開閉装置30aは、閉状態に維持され、冷媒を遮断する。
第2開閉装置31aは、開状態に維持され、冷媒を通過させる。
圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の一部は、ホットガスバイパス配管5を通過し、第1開閉装置30bを経て、熱源側熱交換器12bに流入する。熱源側熱交換器12bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱源側熱交換器12bに付着した霜を融かしながら低温のガス冷媒となり、熱源側熱交換器12aから流出した冷媒と合流する。
圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の他の一部は、冷媒流路切替装置11を介して、室外機1から流出する。
負荷側熱交換器21から流出した液冷媒は、負荷側絞り装置22で膨張されて、低温・中圧の二相冷媒もしくは液冷媒となり、冷媒主管4を通って再び室外機1へ流入する。
その後、熱源側熱交換器12aの除霜を実施する。
図6は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、除霜運転モード時における熱源側熱交換器12aの除霜を実施している場合の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図6では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
また、除霜運転モードにおいて、熱源側熱交換器12aを除霜対象とする場合、第1開閉装置30aは、開状態に切り替えられ、冷媒を通過させる。
第2開閉装置31aは、閉状態に切り替えられ、冷媒を遮断する。
第1開閉装置30bは、閉状態に切り替えられ、冷媒を遮断する。
第2開閉装置31bは、開状態に切り替えられ、冷媒を通過させる。
圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の一部は、ホットガスバイパス配管5を通過し、第1開閉装置30aを経て、熱源側熱交換器12aに流入する。熱源側熱交換器12aに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱源側熱交換器12aに付着した霜を融かしながら低温のガス冷媒となり、熱源側熱交換器12bから流出した冷媒と合流する。
圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の他の一部は、冷媒流路切替装置11を介して、室外機1から流出する。
負荷側熱交換器21から流出した液冷媒は、負荷側絞り装置22で膨張されて、低温・中圧の二相冷媒もしくは液冷媒となり、冷媒主管4を通って再び室外機1へ流入する。
また、筐体51の下側に位置する熱源側熱交換器12bの除霜を実施し、その後、上側に位置する熱源側熱交換器12aの除霜を実施する。このため、熱源側熱交換器12aの除霜によって溶けた水が、まだ除霜されていない下側の熱源側熱交換器12bにて再凍結を起こすことを防止することができ、効率よく除霜を行うことができる。
(フィン構造(1))
図7は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器のフィンを共有せずに分割した場合の一例を示す概略構造図である。
図7において、61は、熱源側熱交換器12aのフィンである。64は、熱源側熱交換器12aの伝熱管である。62は、熱源側熱交換器12bのフィンである。65は、熱源側熱交換器12bの伝熱管である。
また、上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面とが、境界部63で接触して配置されている。
なお、境界部63におけるフィン61及びフィン62の端面のうち、少なくとも一方に粗面加工を施せばよい。
ここで、T1[℃]は、熱源側熱交換器12a、12bのうち、凝縮器となる熱源側熱交換器12の冷媒ガス温度である。
T2[℃]は、熱源側熱交換器12a、12bのうち、蒸発器となる熱源側熱交換器12の入口二相冷媒温度である。
λ[W/mK]は、フィンの熱伝導率である。
δ[m]は、熱源側熱交換器12aの境界部63付近の伝熱管端部と熱源側熱交換器12bの境界部63付近の伝熱管端部との距離を示すフィン間距離である。
A[m2]は、フィン幅[m]とフィン厚さ[m]とフィンの数とを乗じて算出される面積である。
例えば、除霜を行う凝縮器内に流れるガス冷媒の平均温度T1を20℃とし、暖房運転で使用される蒸発器内に流れる冷媒の温度T2を−15℃とする。また、境界部63の蒸発器の伝熱管端部と、凝縮器の伝熱管端部とのフィン間距離δを12.5mmとし、熱交が分割されていない状態でのフィン幅17mm、フィン厚さ0.1mm、フィン数3700枚とする。
この場合、式(1)より、フィンを分割せずに共有している場合の凝縮器から蒸発器への熱漏洩量Q1は、約3.60kWとなる。
例えば、上側の熱源側熱交換器12aのフィン61と下側の熱源側熱交換器12bのフィン62との接触部の伝熱面積(接触面積)と、熱通過率との積が、フィンを共有する場合の伝熱面積(接触面積)と熱通過率の積の半分であった場合を仮定する。
この場合、フィンの熱伝導による凝縮器から蒸発器への熱漏洩量Q1が、フィンの全てを共有して接続されている場合に比べ、約25%以上抑制され、熱漏洩量Q1は約2.7kWとなる。
なお、フィンの全てを共有して接続されている場合に比べ、熱漏洩量Q1が半分まで至らないのは、フィン内の温度分布の影響であると考えられる。
例えば、蒸発器に着霜した霜を融解させるのに必要な熱量Q2(霜の融解潜熱と霜の重量を乗じて算出)が約1.5MJ、フィンの熱伝導による凝縮器から蒸発器への熱漏洩量がない場合の除霜に利用する冷媒と霜との熱交換量Q3が約5.5kWとする。
除霜が完了するまでに要する時間は、霜の溶解熱量Q2を、熱交換量Q3と熱漏洩量Q1との差で除算すると求まる。
フィン61とフィン62とを一体で形成(共有)した場合、熱漏洩量Q1が約3.60kWで、熱交換量Q2、Q3が上記の条件とすると、除霜が完了するまでに要する時間は、約13分となる。
これに対し、図7のように、フィンを分割した場合、熱漏洩量Q1が約25%抑制されて約2.7kWとなり、熱交換量Q2、Q3が上記の条件とすると、除霜が完了するまでに要する時間は、約9分となる。
よって、除霜完了までに要する時間が、約4分短縮することができる。
さらに、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部63の凝縮器側のフィンにおいて、温度低下が抑制されるため、凝縮器上側の熱交換器の除霜によって発生する水滴の氷着を抑制でき、根氷の発生を抑制することができる。
次に、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図8は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器のフィンを共有せずに分割し、切り欠きを設けた場合の一例を示す概略構造図である。
図8に示すように、上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面、又は、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面の一部に、切り欠き66を形成する。この切り欠き66によって熱漏洩低減機構を構成している。
なお、図8の例においても、熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、上下方向(段方向)に、互いに隣り合って配置されている。上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面とが分割されている。
また、上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面とが、境界部63で接触して配置されている。
このため、フィンの切り欠き66の段方向の高さを約0.1mmとしても、空気の熱伝導による熱漏洩量は、フィンの材料であるアルミニウムの熱伝導による熱漏洩量の1%にも満たず、十分に熱漏洩抑制の効果が得られる。このため、フィンの切り欠き66の高さは、例えば、約0.1mm以上とすれば良い。
さらに、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図9は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器のフィンの一部を共有し、切り欠きを設けた場合の一例を示す概略構造図である。
図9に示すように、上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62とが一体化(共有)されている。つまり、フィン61とフィン62とを分割せずに共有している。
そして、上側に位置する熱源側熱交換器12aの伝熱管64の最下段と、下側に位置する熱源側熱交換器12bの伝熱管65の最上段との間のフィンの境界部63の一部に、切り欠き66を形成する。この切り欠き66によって熱漏洩低減機構を構成している。
また、フィンの一部を共有し、フィンの境界部63に切り欠き66を設けることで、熱源側熱交換器12aと、熱源側熱交換器12bとを同時に製作することが可能となる。このため、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとを別々に製作する場合と比較して、製造工程が減少し、熱源側熱交換器12の製造コストを低減することができる。
さらに、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図10は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器のフィンの一部を共有し、スリットを設けた場合の一例を示す概略構造図である。
図10に示すように、熱源側熱交換器12aのフィン61と、熱源側熱交換器12bのフィン62とを一体化(共有)し、フィンの境界部63に、切り欠きの両端部のフィンを切り離さずに残して加工(切り起こし加工)した、スリット67を設ける。このスリット67によって熱漏洩低減機構を構成している。
さらに、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図11は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器のフィンを共有せずに分割し、楕円状の切り欠きを設けた場合の一例を示す概略構造図である。
熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部のフィンの切り欠き66又はスリット67の形状は、図7、図8、図10に示す長方形の形状に限らない。熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部63のフィンの接触部に空間が存在すれば良い。
例えば図11に示すような半楕円の形状など、様々な形状としても、図7、図8に示す構成と同様の効果が得られる。
なお、図7、図8、図10の構成において、熱源側熱交換器12aに切り欠き66又はスリット67を設けた例を示したが、本発明はこれに限定されない。熱源側熱交換器12bに切り欠き66又はスリット67を設けても、図7、図8、図10に示す構成と同様の効果が得られる。
さらに、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図12は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、フィンの一部を共有し、切り欠きを2箇所設けた場合の一例を示す概略構造図である。
熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部63のフィンの切り欠き66又はスリット67の数量は、図7、図8、図10に示すような1つの切り欠き66又はスリット67に限定されない。
例えば図12に示すような2つの切り欠き66を形成しても良いし、3つ以上の切り欠き66を形成しても良い。この構成においても、図7、図8、図10に示す構成と同様の効果が得られる。つまり、切り欠き66を挟むフィン間の伝熱面積と熱通過率との積が同じであれば、図7、図8、図10に示す構成と、同一の熱漏洩量の削減効果がある。
さらに、熱漏洩低減機構の別の構成について説明する。
図13は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の、熱源側熱交換器の上下間に隙間を設けた場合の室外機設置状態の一例を示す概略構造図である。
図13に示すように、
熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bは、上下方向(段方向)に、互いに隣り合って配置されている。上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面とが分割されている。
また、上側に位置する熱源側熱交換器12aのフィン61の最下部の端面と、下側に位置する熱源側熱交換器12bのフィン62の最上部の端面との間に、隙間54が設けられている。隙間54によって熱漏洩低減機構を構成している。
例えば図13に示すように、熱源側熱交換器12aの最下部に、例えば、SUS製の板、塗装鋼板などで形成した受け板53を設けて、熱源側熱交換器12aを支える。
なお、このような配置方法では、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの間の隙間54から、風がバイパスして、熱源側熱交換器12aを通る風量が減少する場合がある。このため、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの間の隙間54の風路を、例えば、SUS製の板、塗装鋼板などによって塞ぎ、風のバイパスを抑制するようにすると良い。
熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの間に隙間54を設ける場合、隙間54を設けない場合と比較して、室外機1の筐体内に設置できる熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bの高さが短くなる。このため、伝熱管の段数が減少し、熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12b全体の伝熱面積が減少する。
熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bの伝熱面積比と、COPとの関係は、例えば図14に示すようになる。
なお、図14においては、室外機1の能力が10馬力(28kW)で、風量を一定とした場合の一例を示している。
COP(成績係数)は、暖房能力を室外機1と室内機2の入力電力の合計で除した値(効率)である。
熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bの合計の段数を60段とした場合、段数と伝熱面積比との積は約58段となる。つまり、COPの低下率を1%以内に抑えるためには、約58段以上の段数が必要となる。
隙間54の段方向の長さは、隙間54が無い場合の段数と隙間54が有る場合の段数との差に、段方向の伝熱管中心部間の距離を乗じることで求まる。例えば、段方向の伝熱管中心部間の距離を約20mmとした場合、隙間54の段方向の長さは、隙間54が無い場合の60段と、隙間54が有る場合の58段との差である2段に、約20mmに乗じて、約40mm以下とする必要がある。
また、COPの低下率を約1%以内に抑える場合、式(2)のAcに96.7%を代入し、式(3)以下となる。
図15は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置200の、回路構成の一例を示す概略回路構成図である。
図15に基づいて、実施の形態2に係る空気調和装置200の構成について、上記実施の形態1に係る空気調和装置100との相違点を中心に説明する。
熱源側熱交換器12aに接続されたホットガスバイパス配管5には、第1開閉装置30aが設けられている。熱源側熱交換器12bに接続されたホットガスバイパス配管5には、第1開閉装置30bが設けられている。
第3開閉装置32a、32bは、凝縮器となる熱源側熱交換器12内の圧力調整を行うため、開度(開口面積)が変化させられる絞り装置である。
また、空気調和装置200の全冷房運転モード及び全暖房運転モード時の冷媒の流れは、上記実施の形態1に係る空気調和装置100と同様のため、説明を省略する。
本実施の形態2に係る空気調和装置200の除霜運転モードにおいても、筐体51内の下側に位置する熱源側熱交換器12bの除霜を実施し、その後、筐体51内の上側に位置する熱源側熱交換器12aの除霜を実施する。
なお、除霜運転モードを開始する条件は、実施の形態1に係る空気調和装置100と同様である。
図15では、熱源側熱交換器12bの除霜を実施している場合の冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
除霜運転モードでは、冷媒流路切替装置11が図15の実線で示される状態に維持される。
また、除霜運転モードにおいて、熱源側熱交換器12bを除霜対象とする場合、第1開閉装置30bは、開状態に切り替えられ、冷媒を通過させる。
第2開閉装置31bは、閉状態に切り替えられ、冷媒を遮断する。
第1開閉装置30aは、閉状態に維持され、冷媒を遮断する。
第2開閉装置31aは、開状態に維持され、冷媒を通過させる。
第3開閉装置32bは全開状態に設定され、冷媒を通過させる。
第3開閉装置32aは、制御装置50によって、第6温度センサ48bの検出結果より算出される二相冷媒の飽和圧力が一定(例えばR410A冷媒で約0.8MPa程度)以上になるように、開度が制御される。
圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の一部は、ホットガスバイパス配管5と、第1開閉装置30bで飽和温度換算で0℃より大きくなる程度に減圧され、中圧・高温のガス冷媒となり、熱源側熱交換器12bに流入する。熱源側熱交換器12bに流入した中圧・高温のガス冷媒は、熱源側熱交換器12bに付着した霜を融かしながら中圧の低い乾き度の二相冷媒、もしくは中圧の冷媒となり、第3開閉装置32bを通過する。第3開閉装置32bを通過した冷媒は、室内機2より室外機1に流入した中圧・低温の低い乾き度の二相冷媒、もしくは液冷媒と、第3開閉装置32aの上流側で合流する。
その他の除霜運転モードの動作は、上記実施の形態1に係る空気調和装置100と同様である。
本実施の形態2に係る空気調和装置200において、熱漏洩低減機構の構成として、上記図7に示すように、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部63で、フィンが共有されずに分割されている場合について検討する。
例えば、除霜を行う凝縮器内に流れる二相冷媒の飽和温度T1を5℃とし、暖房運転で使用される蒸発器内に流れる冷媒の温度T2を−25℃とする。また、境界部63の蒸発器の伝熱管端部と凝縮器の伝熱管端部とのフィン間距離δが12.5mmとし、熱交が分割されていない状態でのフィン幅17mm、フィン厚さ0.1mm、フィン数3700枚とする。
この場合、上記式(1)より、フィンを分割せずに共有している場合の凝縮器から蒸発器への熱漏洩量Q1は、約3.22kWとなる。
例えば、上側の熱源側熱交換器12aのフィン61と下側の熱源側熱交換器12bのフィン62との接触部の伝熱面積(接触面積)と、熱通過率との積が、フィンを共有する場合の伝熱面積(接触面積)と熱通過率の積の半分であった場合を仮定する。
この場合、フィンの熱伝導による凝縮器から蒸発器への熱漏洩量Q1が、フィンの全てを共有して接続されている場合に比べ、約25%以上抑制され、熱漏洩量Q1は約2.42kWとなる。
例えば、蒸発器に着霜した霜を融解させるのに必要な熱量Q2(霜の融解潜熱と霜の重量を乗じて算出)が約1.5MJ、フィンの熱伝導による凝縮器から蒸発器への熱漏洩量がない場合の除霜に利用する冷媒と霜との熱交換量Q3が約5.5kWとする。
除霜が完了するまでに要する時間は、霜の溶解熱量Q2を、熱交換量Q3と熱漏洩量Q1との差で除算すると求まる。
フィン61とフィン62とを一体で形成(共有)した場合、熱漏洩量Q1が約3.22kWで、熱交換量Q2、Q3が上記の条件とすると、除霜が完了するまでに要する時間は、約11分となる。
これに対し、実施の形態2に係る空気調和装置200では、フィンを分割した場合、熱漏洩量Q1が約25%抑制されて約2.42kWとなり、熱交換量Q2、Q3が上記の条件とすると、除霜が完了するまでに要する時間は、約8分となる。
よって、除霜完了までに要する時間が、約3分短縮することができる。
さらに、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの境界部63の凝縮器側のフィンにおいて、温度低下が抑制されるため、凝縮器上側の熱交換器の除霜によって発生する水滴の氷着を抑制でき、根氷の発生を抑制することができる。
(変形例1)
例えば、図16に示すように、実施の形態2に係る空気調和装置200において、第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)の1つを、開度(開口面積)が変化させられる絞り装置に変更しても良い。この場合、除霜運転時に、変更していない第3開閉装置32a(もしくは、第3開閉装置32b)を常に開とし、開度(開口面積)が変化させられる絞り装置に変更した第3開閉装置32b(もしくは、第3開閉装置32a)を使用し、凝縮器となる熱源側熱交換器12内の圧力調整を実施する。このような構成においても、上記図15に示す空気調和装置200と同様の動作が可能であり、同様の効果が得られる。
このように構成することで、一般的に電磁弁よりも構造が複雑で高価となる、ステッピングモータ搭載の電子式膨張弁などの開度(開口面積)が変化させられる絞り装置の設置数を減らすことができ、安価に室外機1を製造できる。
また、例えば、図17に示すように、実施の形態2に係る空気調和装置200において、第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)の1つを、開度(開口面積)が変化させられる絞り装置に変更しても良い。この場合、第3開閉装置32を1つのみを設置して、除霜運転時に、凝縮器となる熱源側熱交換器12内の圧力調整を実施する。このような構成においても、上記図15に示す空気調和装置200と同様の動作が可能であり、同様の効果が得られる。さらに、図17に示す構成することで、回路構成が簡素化され、安価に室外機1を製造できる。
また、例えば、図18に示すように、実施の形態2に係る空気調和装置200において、第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)の1つを、開度(開口面積)が変化させられる絞り装置に変更し、その第3開閉装置32を1つのみを設置する。そして、新たに、熱源側熱交換器12a及び熱源側熱交換器12bのそれぞれと、第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)の間の冷媒配管3に、熱源側熱交換器12aもしくは熱源側熱交換器12bの冷媒を遮断するための、第4開閉装置33aと第4開閉装置33bとを設置する。
さらに、冷媒バイパス配管6を設置する。この冷媒バイパス配管6の一端は、熱源側熱交換器12a、12bのそれぞれと、第4開閉装置33の間の冷媒配管3に接続され、他端は、第3開閉装置32と負荷側絞り装置22との間の流路に接続される。この冷媒バイパス配管6によって、除霜運転モード時に、凝縮器となる熱源側熱交換器12内の冷媒を、冷媒配管3に流入させる。
また、冷媒バイパス配管6の冷媒流路を切り替えるための、第5開閉装置34aと第5開閉装置34bを、一端がそれぞれ対応した熱源側熱交換器12と第4開閉装置33との間に接続されている冷媒バイパス配管6に設置する。
除霜運転モードにおいて、凝縮器となる熱源側熱交換器12b内の圧力調整を第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)で実施する。また、凝縮後の一部の冷媒を、第5開閉装置34bを介して、第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)と負荷側絞り装置22との間の冷媒配管3で、負荷側絞り装置22から室外機1に流入するその他の冷媒と合流させる。また、全冷媒が第3開閉装置32b(もしくは第3開閉装置32a)、第4開閉装置33aを介し、蒸発器である熱源側熱交換器12aで空気より吸熱し、低圧の二相もしくはガス冷媒となり、その後、第2開閉装置31a、冷媒流路切替装置11、アキュムレータ13を介し、圧縮機10に吸入される。
その他の動作は図15と同様である。
即ち、第1開閉装置30a、30b、第4開閉装置33a、33b、第5開閉装置34a、34bの開閉状態が逆転し、熱源側熱交換器12aと熱源側熱交換器12bとの冷媒の流れが入れ替わる。
上記実施の形態1及び実施の形態2の熱源側冷媒としては、R410A、R407C、R22等の不燃性冷媒、HFO1234yf、HFO1234ze(E)、R32、HC、R32とHFO1234yfとを含む混合冷媒、前述冷媒が少なくとも一成分含む混合冷媒を用いた冷媒等の微燃性を示す冷媒、プロパン(R290)等の強燃性冷媒、CO2(R744)等の高圧側が超臨界で動作する冷媒を、熱源側冷媒として用いることができる。
上記実施の形態1及び実施の形態2の第1開閉装置30a、30bとしては、電磁弁を使用する例を説明したが、電磁弁の他に、電子式膨張弁のように開度を可変できる弁も開閉弁として使用してもよい。
上記実施の形態1及び実施の形態2の第2開閉装置31a、31bとしては、電磁弁を使用する例を説明したが、電磁弁の他に、電子式膨張弁のように開度を可変できる弁も開閉弁として使用してもよい。
本実施の形態2では、第3開閉装置32a、32bを、開度(開口面積)を変化させられる絞り装置としたが、流路の開口面積を変更可能な装置であればよい。
例えば、絞り装置としては、ステッピングモータで駆動させる電子式膨張弁でもよいし、小型の電磁弁を複数並列に並べてそれらを切り替えて開口面積を変えても良い。
本実施の形態2の第4開閉装置33としては、電磁弁を使用する例を説明したが、電磁弁の他に、電子式膨張弁のように開度を可変できる弁も開閉弁として使用してもよい。
本実施の形態2の第5開閉装置34としては、電磁弁を使用する例を説明したが、電磁弁の他に、電子式膨張弁のように開度を可変できる弁も開閉弁として使用してもよい。
上記実施の形態1及び実施の形態2の熱源側熱交換器12a、12bは、U字状に曲げられており、段方向(それぞれのフィンが同一方向を向くような上下方向)に2段で位置する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
熱源側熱交換器12としては、曲げがない構造、段方向(それぞれのフィンが同一方向を向くような上下方向)に3段以上など、複数台位置する構成としてもよい。
また、複数の熱源側熱交換器12の配置は、上下に限らず、左右方向、前後方向に配置しても良い。
Claims (11)
- 圧縮機、負荷側熱交換器、負荷側絞り装置、及び、互いに並列に接続された複数の熱源側熱交換器が、配管で順次接続されて冷媒が循環する主回路と、
前記圧縮機が吐出した冷媒の一部を分岐し、前記複数の熱源側熱交換器のうち除霜対象の前記熱源側熱交換器に流入させるバイパス配管と、
前記バイパス配管の流路の通過又は遮断、及び、前記複数の熱源側熱交換器に接続された前記主回路の前記配管の流路の通過又は遮断を切り替えて、除霜対象の前記熱源側熱交換器を切り替える接続切替装置と、
を備え、
前記熱源側熱交換器は、
空気が通過するように間隔を空けて配置された複数のフィンと、
前記複数のフィンに挿入され内部を前記冷媒が流れる複数の伝熱管と、を有し、
前記複数の熱源側熱交換器は、
前記複数のフィンが同一方向を向くように、互いに隣り合って配置され、
隣り合う前記複数のフィンの間に、隣り合う前記熱源側熱交換器の間での熱漏洩量を低減させる熱漏洩低減機構を備えた
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器のうち、除霜対象の前記熱源側熱交換器に前記圧縮機が吐出した前記冷媒の一部を流入させる除霜運転中に、除霜対象以外の前記熱源側熱交換器の少なくとも1つが蒸発器として機能して暖房運転を行い、
除霜対象の前記熱源側熱交換器を順次切り替える
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。 - 前記接続切替装置は、
前記バイパス配管から前記複数の熱源側熱交換器への流路の通過又は遮断を行う複数の第1開閉装置と、
前記複数の熱源側熱交換器の前記負荷側絞り装置側の前記配管の流路の通過又は遮断を行う複数の第2開閉装置と、によって構成され、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、除霜対象の前記熱源側熱交換器に対応する、前記第1開閉装置を開にし、前記第2開閉装置を閉にする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。 - 前記接続切替装置は、
前記バイパス配管から前記複数の熱源側熱交換器への流路の通過又は遮断を行う複数の第1開閉装置と、
前記複数の熱源側熱交換器の前記圧縮機の吸入側の前記配管の流路の通過又は遮断を行う複数の第2開閉装置と、
前記複数の熱源側熱交換器の前記負荷側絞り装置側の前記配管に設けられ、開度が変更できる第3開閉装置と、によって構成された
前記複数の熱源側熱交換器のうち、除霜対象の前記熱源側熱交換器に対応する、前記第1開閉装置を開にし、前記第2開閉装置を閉にし、
除霜対象の前記熱源側熱交換器を流出する前記冷媒の圧力が、飽和温度換算で0℃よりも大きくなるように、前記第3開閉装置の開度を調整する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器は、上下方向に、互いに隣り合って配置され、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面と、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面とが分割された
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の空気調和装置。 - 前記熱漏洩低減機構は、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面と、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面との隙間によって構成され、
前記隙間の距離(Ls)が、
前記複数の熱源側熱交換器が分割されない状態での前記複数の伝熱管の段数(Dd)と、前記複数の熱源側熱交換器が分割されない状態での段方向の前記複数の伝熱管の中心部間の距離(Ld)と、0.033との積で算出される値以下である
ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器は、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面と、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面とが接触して配置され、
前記熱漏洩低減機構は、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面、及び、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面の少なくとも一方に形成した粗面によって構成された
ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器は、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面と、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面とが接触して配置され、
前記熱漏洩低減機構は、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最下部の端面、及び、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンの最上部の端面の少なくとも一方の、一部に形成した切り欠きによって構成された
ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器は、上下方向に、互いに隣り合って配置され、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンと、下側に位置する前記熱源側熱交換器の前記フィンとが一体化され、
前記熱漏洩低減機構は、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器と、下側に位置する前記熱源側熱交換器との間の前記フィンに形成した切り欠きによって構成された
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の空気調和装置。 - 前記切り欠きの幅の長さが、前記フィンの幅の長さの半分以上である
ことを特徴とする請求項8又は9に記載の空気調和装置。 - 前記複数の熱源側熱交換器は、上下方向に、互いに隣り合って配置され、
前記複数の熱源側熱交換器のうち、上側に位置する前記熱源側熱交換器が蒸発器として機能して暖房運転を行いながら、下側に位置する前記熱源側熱交換器を除霜対象とした除霜運転を行った後、
下側に位置する前記熱源側熱交換器が蒸発器として機能して暖房運転を行いながら、上側に位置する前記熱源側熱交換器を除霜対象とした除霜運転を行う
ことを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の空気調和装置。
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