WO2014203353A1 - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

　構成を複雑化せずに、動作圧力を向上させ、且つ安全性が高い空気調和機を提供する。空気調和機１は、圧縮機３、第１の熱交換器６、膨張手段７及び第２の熱交換器９が、配管接続され、冷媒が循環する冷媒回路１ａを有し、冷媒は、エチレン系フッ化炭化水素に、難燃性冷媒を混合したものである。

Description

空気調和機

　本発明は、冷媒回路を備える空気調和機に関する。

　冷凍空調用途の冷媒として、現在、主にＲ３２冷媒とＲ１２５冷媒との混合冷媒であるＲ４１０Ａ、及びＲ１３４ａ等のＨＦＣ冷媒が使用されている。これらのＨＦＣ冷媒は、地球温暖化係数ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｗａｒｍｉｎｇ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が比較的高い。このため、地球温暖化を防止する一環として、冷凍冷蔵機器、空気調和機器又は給湯用機器といった冷凍サイクルを構成する装置に使用される冷媒（作動流体）を、上記のようなＨＦＣ冷媒よりもＧＷＰが著しく低い冷媒に置き換える取り組みが進められている。

　この代替冷媒の一つとして、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素が提案されている。このハロゲン化炭化水素としては、例えば、分子中に炭素の二重結合を一つ有する炭化水素であるプロピレン系フッ化炭化水素：ＨＦＯ－１２３４ｙｆ（ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２）がある。このＨＦＯ－１２３４ｙｆ冷媒は、ＧＷＰが４である。これは、Ｒ４１０ＡのＧＷＰ：２０８８及びＲ１３４ａのＧＷＰ：１４３０よりも、極めて低い。このため、ＨＦＯ－１２３４ｙｆは、地球温暖化防止への貢献が期待されており、このＨＦＯ－１２３４ｙｆを空気調和機に適用する技術研究が行われている。

　しかし、ＨＦＯ－１２３４ｙｆは、Ｒ４１０Ａに比べて標準沸点が高く、動作圧力が低い。このため、家庭用又は業務用の空調機器の冷媒において、従来から主に用いられているＲ４１０Ａから、ＨＦＯ－１２３４ｙｆに置き換える場合、Ｒ４１０Ａと同等の能力を維持するためには、圧縮機の周波数を増加させるか、又は冷媒の充填量を増やして体積流量（冷媒循環量）を増加させる必要がある。このように、冷媒の体積流量を増加させた冷凍サイクルの回路は、同一の回路で冷媒の体積流量を増加させていない場合よりも、回路を流れる冷媒の流速が高い。このため、冷凍サイクルにおける冷媒の圧力損失が大きくなる。また、冷媒の体積流量が増加すると、圧縮機への冷媒の吸入量が多くなるため、冷凍サイクルの運転効率が低下してしまう。そこで、この圧力損失を低減する技術として、特許文献１が開示されている。

　特許文献１には、ＨＦＯ－１２３４ｙｆ等のハイドロフルオロオレフィンを冷媒として使用している冷凍サイクル装置が開示されている。この特許文献１は、凝縮器の温度と、内部熱交換器の低圧側の温度と、圧縮機の吐出側の温度とに基づいて、膨張弁の開度を調節している。これにより、この従来技術は、圧力損失が高いＨＦＯ－１２３４ｙｆ等の冷媒を使用した場合でも、その圧力損失を低減して運転効率を向上させようとするものである。

　また、特許文献２には、テトラフルオロエチレン（Ｃ_２Ｆ_４）に重合禁止剤が添加された技術が開示されている。テトラフルオロエチレンは、エチレン系フッ化炭化水素に類似した分子構造をもつエチレンの誘導体である。そして、このテトラフルオロエチレンは、耐熱性及び耐薬品性等を有するフッ素樹脂、含フッ素エラストマー製造用のモノマーとして有用であるが、一方で、極めて重合し易い物質であるという短所も有する。この特許文献２は、テトラフルオロエチレンに重合禁止剤を添加することにより、テトラフルオロエチレンの重合を抑制しようとするものである。

特開２０１２－１３２５７８号公報（請求項１、第５頁～第９頁） 特開平１１－２４６４４７号公報（請求項１、第２頁）

　しかしながら、特許文献１では、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを冷媒として使用する際の圧力損失を解消するために、温度センサ等を設けており、機器の構成が複雑である。また、ＨＦＯ－１２３４ｙｆは、可燃性の冷媒であるため、運転時の安全性に問題がある。

　これに対し、特許文献２に開示されたテトラフルオロエチレンに類似する分子構造を有するエチレン系フッ化炭化水素は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆよりも圧力損失は少ない。しかし、このエチレン系フッ化炭化水素も、テトラフルオロエチレンと同様に、重合し易い。このため、このエチレン系フッ化炭化水素を冷媒として使用する場合、特許文献２に開示された従来技術のように、重合禁止剤を添加して、エチレン系フッ化炭化水素の重合を抑制する必要がある。

　しかしながら、冷媒は、液体又は気体等に相変化しながら冷凍サイクル内を循環し、圧縮機の摺動部及びモータの巻線部等といった高温となって重合が発生し易い部分では、冷媒は重合禁止剤と共に気化する。このように、重合禁止剤が、冷媒と共に、圧縮機の摺動部及びモータの巻線部等から気化すると、冷凍サイクル内における高温部位に、重合禁止剤が充分に行き渡らない。これにより、冷媒の重合を抑制する効果が薄れる。特に、圧縮機の摺動部における対向する面同士が、金属であるとき、摺動動作により、摺動面が高温となって金属が活性化する。エチレン系フッ化炭化水素は、活性化した金属が反応触媒として作用し、その分解が促進されるため、重合禁止剤の十分に行き届いていないと、その分解したものの重合も促進されてしまう。

　このように、エチレン系フッ化炭化水素を冷媒として用いようとしても、このエチレン系フッ化炭化水素は、高温時における冷媒の物性が不安定であるため、これを冷凍サイクルに適用することは困難である。

　本発明は、上記のような課題を背景としてなされたもので、構成を複雑化せずに、動作圧力を向上させ、且つ安全性が高い空気調和機を提供するものである。

　本発明に係る空気調和機は、圧縮機、第１の熱交換器、膨張手段及び第２の熱交換器が、配管接続され、冷媒が循環する冷媒回路を有し、冷媒は、エチレン系フッ化炭化水素に、難燃性冷媒を混合したものであることを特徴とする。

　本発明によれば、標準沸点が高いエチレン系フッ化炭化水素を冷媒としているため、空気調和機の冷暖房能力を高めることができる。また、冷媒は、エチレン系フッ化炭化水素に難燃性冷媒を混合させたものであるため、安全性が高い。

実施の形態１に係る空気調和機１を示す回路図である。 実施の形態１における冷媒の化学式を示す図である。 実施の形態１におけるＧＷＰと燃焼濃度との関係を示すグラフ図である。 実施の形態３に係る空気調和機１を示す回路図である。 非共沸混合冷媒の特性を示す気液平衡線図である。 実施の形態３における循環組成と温度との関係を示す気液平衡線図である。 乾き度に基づいた循環組成の算出に用いられるグラフ図である。 実施の形態４における第１の熱交換器６を示す正面図である。 実施の形態５における第１の熱交換器６を示す正面図である。 実施の形態６における第１の熱交換器６を示す正面図である。

　以下、本発明に係る空気調和機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る空気調和機１を示す回路図である。この図１に基づいて、空気調和機１について説明する。図１に示すように、空気調和機１は、室外機２と室内機３とを備えている。室外機２には、圧縮機４、四方弁５、第１の熱交換器６及び膨張手段である電子膨張弁７が設けられている。圧縮機４は、吸入された冷媒を圧縮するものであるが、本実施の形態１では、容積式圧縮機が用いられている。容積式圧縮機としては、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機又は往復圧縮機等がある。また、本実施の形態１における圧縮機４は、インバータ回路（図示せず）によって圧縮機４の回転数が制御される容量制御タイプである。そして、四方弁５は、冷媒の流路を切り換えるものである。また、第１の熱交換器６は、室外送風機６ａを備えており、冷媒は、第１の熱交換器６で、この室外送風機６ａによって搬送される室外機２の周囲の空気と熱交換を行う。電子膨張弁７は、絞り開度を調節して、冷媒の流量を制御するものであり、これは、減圧機構の一例である。

　室内機３には、第２の熱交換器９が設けられており、この第２の熱交換器９は、室内送風機９ａを備えている。冷媒は、第２の熱交換器９で、室内送風機９ａによって搬送される室内機３の周囲の空気と熱交換を行う。この室内機３と室外機２とは、冷媒流路となる液管８及びガス管１０によって接続されており、これにより冷媒回路１ａからなる冷凍サイクルが構成されている。なお、本実施の形態１では、必要であれば、上記のような基本的な冷媒回路１ａに、他の構成要素として、再熱弁、アキュムレータ又は気液分離器等を付加してもよい。また、１台の室外機２に、複数台の室内機３を接続することも可能である。

　この冷媒回路１ａは、四方弁５によって、第２の熱交換器９から室内に冷熱を供給する冷熱供給モード（冷房運転）と、第２の熱交換器９から室内に温熱を供給する温熱供給モード（暖房運転）とに切り換えられる。このうち、冷熱供給モードでは、圧縮機４から吐出された冷媒は、図１の四方弁５における実線の流路を通って、冷媒回路１ａを循環する。即ち、冷媒は、圧縮機４、四方弁５、第１の熱交換器６、電子膨張弁７、液管８、第２の熱交換器９、ガス管１０の順に環状に流通し、四方弁５を通って圧縮機４に戻る。この場合、第１の熱交換器６は凝縮器として作用し、また、第２の熱交換器９は蒸発器として作用する。そして、第２の熱交換器９に流通する低温の冷媒は、第２の熱交換器９によって、室内機３周囲の空気と熱交換され、これにより、室内空間の冷却を行う冷房運転が行われる。

　一方、温熱供給モードでは、圧縮機４から吐出された冷媒は、図１の四方弁５における点線の流路を通って、冷媒回路１ａを循環する。即ち、冷媒は、圧縮機４、四方弁５、ガス管１０、第２の熱交換器９、液管８、電子膨張弁７、第１の熱交換器６の順に環状に流通し、四方弁５を通って圧縮機４に戻る。この場合、第２の熱交換器９は凝縮器として作用し、また、第１の熱交換器６は蒸発器として作用する。第２の熱交換器９に流通する高温の冷媒は、第２の熱交換器９によって、室内機３周囲の空気と熱交換され、これにより、室内空間の加熱を行う暖房運転が行われる。

　次に、冷媒回路１ａを循環する冷媒について説明する。本実施の形態１では、冷媒として、エチレン系フッ化炭化水素に、難燃性冷媒を混合したものが使用されている。先ず、エチレン系フッ化炭化水素冷媒について説明する。空気調和機１の冷媒としては、低ＧＷＰ冷媒であるプロピレン系フッ化炭化水素、例えばＨＦＯ－１２３４ｙｆ（ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２）が、カーエアコンの分野で注目されている。しかし、このＨＦＯ－１２３４ｙｆは、家庭用又は業務用の定置式の空気調和機において主に用いられるＲ４１０Ａに比べて、標準沸点が高く、動作圧力が低い。このため、冷媒配管における圧損が大きくなり、冷凍サイクルの性能、特に蒸発器の性能が低下し易い。従って、空気調和機に低ＧＷＰ冷媒を適用するためには、低い標準沸点の低ＧＷＰ冷媒とすることが適切である。ここで、冷媒の組成においては、一般的に、炭素数が少ないほど標準沸点が低い冷媒となる傾向にある。そこで、炭素数３のプロピレン系フッ化炭化水素よりも、炭素数２のエチレン系フッ化炭化水素、例えばＲ１１３２（Ｅ）の方が、標準沸点が高いと考えられ、従って、このＲ１１３２（Ｅ）を冷媒として使用することにより、低ＧＷＰ且つＲ４１０Ａと同等の動作圧力での運転を可能とする。

　図２は、実施の形態１における冷媒の化学式を示す図である。実施の形態１に用いられる冷媒は、図２に示すように、上記のＲ１１３２（Ｅ）：トランス－１，２－ジフルオロエチレンのほかに、Ｒ１１３２（Ｚ）：シス－１，２－ジフルオロエチレン又はＲ１１３２ａ：１，１－ジフルオロエチレン等を含むものとしてもよい。また、そのほかに、Ｒ１１４１：フルオロエチレン又はＲ１１２３：１，１，２－トリフルオロエチレン等を含むものを用いても、Ｒ１１３２（Ｅ）と同様に、低ＧＷＰ且つＲ４１０Ａと同等の動作圧力での運転を可能とする。なお、これらの冷媒のうち、Ｒ１１４１を除く冷媒は、ハロゲン系の元素であるフッ素を複数有しているものであるが、この複数のフッ素のうちの一つを、フッ素以外のハロゲン系の元素、例えば、塩素、臭素又はヨウ素等に置換してもよい。これにより、化合物の安定性が向上するという効果を奏する。

　次に、エチレン系フッ化炭化水素に添加する難燃性冷媒について説明する。図３は、実施の形態１におけるＧＷＰと燃焼濃度との関係を示すグラフ図である。エチレン系フッ化炭化水素であるＲ１１３２（Ｅ）冷媒は、可燃性冷媒である。難燃性冷媒を混合する前のＲ１１３２（Ｅ）冷媒の燃焼濃度を、図３の○を結ぶ実線で示す。図３において、横軸はＧＷＰを示し、縦軸は燃焼濃度を示す。Ｒ１１３２（Ｅ）の燃焼濃度の比較対象として、Ｒ３２の燃焼濃度を示す（図３の▲を結ぶ実線）。図３に示すように、Ｒ１１３２（Ｅ）は、Ｒ３２よりもＧＷＰが極めて低く、燃焼濃度の上限と下限との幅も、若干小さい。そして、このＲ１１３２（Ｅ）に難燃性冷媒を混合した冷媒の燃焼濃度は、図３の■を結ぶ実線となる。

　このように、Ｒ１１３２（Ｅ）に、難燃性冷媒が混合されると、燃焼上限濃度があまり変化しないまま、燃焼下限濃度が高くなる。即ち、Ｒ１１３２（Ｅ）と難燃性冷媒とを混合した冷媒は、Ｒ１１３２（Ｅ）単体よりも、燃焼濃度の上限と下限との幅が狭くなっている（図３の点線）。従って、この混合冷媒は、燃焼し難い。なお、エチレン系フッ化炭化水素に対する難燃性冷媒の混合割合は、５０％以下とすることが好ましい。これにより、ＧＷＰの上昇を抑えつつ、燃焼し難い冷媒とすることができる。

　次に、本実施の形態１に係る空気調和機１の作用について説明する。前述の如く、空気調和機１の冷媒は、エチレン系フッ化炭化水素に、難燃性冷媒を混合したものである。そして、エチレン系フッ化炭化水素は、Ｒ４１０Ａと同等の標準沸点を有すると考えられるため、Ｒ４１０Ａと同等の動作圧力で、冷暖房運転を行うことができる。また、エチレン系フッ化炭化水素は、Ｒ４１０Ａよりも低ＧＷＰであるため、地球温暖化の抑制に寄与する。このように、空気調和機１は、Ｒ４１Ａと同等の冷凍サイクルの性能を発揮しつつ、低ＧＷＰを達成することができる。また、エチレン系フッ化炭化水素は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆと同様に、比較的燃焼し易いが、本実施の形態１は、これに難燃性冷媒を混合しているため、燃え難い。従って、空気調和機１は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを使用した空気調和機よりも、安全性を高めることができる。

　また、本実施の形態１における冷凍サイクルに、冷凍機油を充填している場合、この冷凍機油を円滑に流通させる必要がある。冷凍機油を冷凍サイクル内で円滑に流通させるため、冷凍能力が１馬力以下である場合、圧縮機４の吐出側における配管の管径を、９．５２ｍｍ以下に設計する。これにより、冷媒の流速において、ゼロペネトレーション速度以上を確保することができ、従って、冷媒の量を削減しつつ、冷凍機油の圧縮機４への逆流を抑制することができる。

実施の形態２．
　次に、実施の形態２に係る空気調和機１について説明する。本実施の形態２は、難燃性冷媒として、Ｒ１３４ａ又はＲ１２５を使用している。本実施の形態２は、Ｒ１３４ａ又はＲ１２５といった特に燃え難い冷媒を、エチレン系フッ化炭化水素に添加することによって、低ＧＷＰを達成しつつ、高性能且つより安全性の高い空気調和機１を得ることができる。

実施の形態３．
　次に、実施の形態３に係る空気調和機１について説明する。図４は、実施の形態３に係る空気調和機１を示す回路図である。本実施の形態３は、難燃性冷媒としてＲ１３４ａを使用しており、また、冷媒回路１ａを循環する冷媒の循環組成を検出する構成を付加している点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、この実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　図４に示すように、空気調和機１は、室外機２と室内機３とを備えている。室外機２には、圧縮機４、四方弁５、第１の熱交換器６及び膨張手段である電子膨張弁７が設けられており、これらは、実施の形態１と同様である。本実施の形態３では、圧縮機４の吸入側にアキュムレータ１３が設けられ、更に、圧縮機４の吐出側と四方弁５とを接続する吐出配管の途中の分岐点１７から、圧縮機４の吸入側とアキュムレータ１３とを接続する吸入配管の途中の合流点１８までをバイパスするバイパス回路１ｂが設けられている。そして、このバイパス回路１ｂには、中間熱交換器１１と、減圧器である毛細管１２とが設けられている。更にまた、室外機２には、電子膨張弁７の開度を調節する制御部１９が、設けられている。

　中間熱交換器１１は、圧縮機４から吐出された冷媒を凝縮し、また、毛細管１２から流通する冷媒を蒸発するものである。また、毛細管１２は、中間熱交換器１１から流通する冷媒を減圧するものである。更に、毛細管１２の入口側及び出口側には、温度検出手段であるサーミスタ１４が設置されており、このサーミスタ１４は、バイパス回路１ｂ内の温度を検出するものである。そして、毛細管１２の出口側には、圧力検出手段である圧力センサ１５が設置されており、この圧力センサ１５は、バイパス回路１ｂ内の圧力を検出するものである。更に、バイパス回路１ｂには、組成演算手段である組成演算器１６が設けられており、この組成演算器１６は、サーミスタ１４及び圧力センサ１５に接続されている。この組成演算器１６は、サーミスタ１４によって検出された温度と、圧力センサ１５によって検出された圧力とに基づいて、冷媒の組成比を演算する。

　なお、圧縮機４は、吸入された冷媒を圧縮するものであるが、本実施の形態３では、容積式圧縮機が用いられている。容積式圧縮機としては、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機又は往復圧縮機等がある。また、本実施の形態１における圧縮機４は、インバータ回路（図示せず）によって圧縮機４の回転数が制御される容量制御タイプである。そして、四方弁５は、冷媒の流路を切り換えるものである。また、第１の熱交換器６は、室外送風機６ａを備えており、冷媒は、第１の熱交換器６で、この室外送風機６ａによって搬送される室外機２の周囲の空気と熱交換を行う。電子膨張弁７は、絞り開度を調節して、冷媒の流量を制御するものであり、これは、減圧機構の一例である。

　室内機３には、第２の熱交換器９が設けられており、この第２の熱交換器９は、室内送風機９ａを備えている。冷媒は、第２の熱交換器９で、室内送風機９ａによって搬送される室内機３の周囲の空気と熱交換を行う。この室内機３と室外機２とは、冷媒流路となる液管８及びガス管１０によって接続されており、これにより冷媒回路１ａからなる冷凍サイクルが構成されている。

　この冷媒回路１ａは、四方弁５によって、第２の熱交換器９から室内に冷熱を供給する冷熱供給モード（冷房運転）と、第２の熱交換器９から室内に温熱を供給する温熱供給モード（暖房運転）とに切り換えられる。このうち、冷熱供給モードでは、圧縮機４から吐出された冷媒は、図１の四方弁５における実線の流路を通って、冷媒回路１ａを循環する。即ち、冷媒は、圧縮機４、四方弁５、第１の熱交換器６、電子膨張弁７、液管８、第２の熱交換器９、ガス管１０の順に環状に流通し、四方弁５を通って圧縮機４に戻る。この場合、第１の熱交換器６は凝縮器として作用し、また、第２の熱交換器９は蒸発器として作用する。そして、第２の熱交換器９に流通する低温の冷媒は、第２の熱交換器９によって、室内機３周囲の空気と熱交換され、これにより、室内空間の冷却を行う冷房運転が行われる。

　一方、温熱供給モードでは、圧縮機４から吐出された冷媒は、図１の四方弁５における点線の流路を通って、冷媒回路１ａを循環する。即ち、冷媒は、圧縮機４、四方弁５、ガス管１０、第２の熱交換器９、液管８、電子膨張弁７、第１の熱交換器６の順に環状に流通し、四方弁５を通って圧縮機４に戻る。この場合、第２の熱交換器９は凝縮器として作用し、また、第１の熱交換器６は蒸発器として作用する。第２の熱交換器９に流通する高温の冷媒は、第２の熱交換器９によって、室内機３周囲の空気と熱交換され、これにより、室内空間の加熱を行う暖房運転が行われる。

　次に、標準沸点が異なる冷媒同士を混合した非共沸混合冷媒の冷媒組成について説明する。図５は、非共沸混合冷媒の特性を示す気液平衡線図である。図５において、横軸は循環組成、縦軸は温度を示す。循環組成とは、冷媒回路１ａを循環する混合冷媒における低沸点成分の組成比（割合）のことであり、この循環組成が小さければ、低沸点成分が少なく、循環組成が大きければ、低沸点成分が多い。なお、冷凍サイクル内に充填された直後の冷媒の冷媒組成を、充填組成と呼称する。図５に示すように、循環組成と温度との関係は、圧力が、例えばＰＬからＰＨに変わることによって、変化する。また、冷媒の状態において、気液２相状態と過熱蒸気状態との境界は、飽和蒸気線であり、この飽和蒸気線よりも高温側は、過熱蒸気状態である。また、冷媒の状態において、気液２相状態と過冷却状態との境界は、飽和液線であり、この飽和液線よりも低温側は、過冷却状態である。なお、飽和蒸気線と飽和液線とに囲まれた領域は、気液２相状態である。

　図５における一点鎖線（循環組成Ｚ）は、混合冷媒が冷凍サイクルに充填された直後における循環組成を示す。そして、一点鎖線上のア（高温高圧状態）は、中間熱交換器１１の入口側における冷媒の状態を示すものであり、一点鎖線上のイ（低温高圧状態）は、中間熱交換器１１の出口側、即ち、毛細管１２の入口側における冷媒の状態を示すものである。また、一点鎖線上のウ（低温低圧状態）は、毛細管１２の出口側における冷媒の状態を示すものであり、一点鎖線上のエ（高温低圧状態）は、圧縮機４の吸入側における冷媒の状態を示すものである。

　一般的に、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクル内に充填された直後の冷媒の充填組成と、冷凍サイクル内を循環している冷媒の循環組成とが一致するとは限らない。図５の点Ａ（冷凍サイクルの気液２相状態の部分）では、液冷媒の循環組成は、充填組成Ｚよりも小さいＸであり、蒸気冷媒の循環組成は、充填組成Ｚよりも大きいＹとなる。本実施の形態３のように、圧縮機４の吸入側の配管にアキュムレータ１３が設けられている冷凍サイクルでは、このアキュムレータ１３に、液冷媒が溜まる。この液冷媒の循環組成は、上記のとおり、充填組成よりも小さく、即ち、低沸点成分が少ない（高沸点成分が多い）。このため、アキュムレータ１３に液冷媒が溜まると、冷凍サイクル内を循環する冷媒の循環組成は、充填組成よりも低沸点成分が増加する傾向にある。

　また、これに限らず、冷凍サイクル内の冷媒が、冷媒回路１ａの外部に漏れた場合においても、冷凍サイクル内の冷媒の循環組成は変動する。例えば、図５の点Ａ（冷凍サイクルの気液２相状態の部分）において、液冷媒の漏れが発生すると、この液冷媒の循環組成は、充填組成Ｚよりも小さいＸであるため、冷凍サイクル内を循環する冷媒の循環組成は、充填組成よりも低沸点成分が多くなる傾向にある。一方、図５の点Ａ（冷凍サイクルの気液２相状態の部分）において、蒸気冷媒の漏れが生じると、この蒸気冷媒の循環組成は、充填組成Ｚよりも大きいＹであるため、冷凍サイクル内を循環する冷媒の循環組成は、充填組成よりも低沸点成分が少なくなる傾向にある。このように、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいては、冷凍サイクルの運転状態又は冷媒の漏れ等によって、冷凍サイクル内を循環する冷媒の組成は大きく変動する。

　次に、本実施の形態３に係る空気調和機１の作用について説明する。図６は、実施の形態３における循環組成と温度との関係を示す気液平衡線図である。圧縮機４で圧縮された高温高圧のガス状態の冷媒は、分岐点１７で、通常の冷媒回路１ａを通って四方弁５に流通するものと、バイパス回路１ｂを通って中間熱交換器１１に流通するものに分岐する。このうち、バイパス回路１ｂを通る冷媒は、中間熱交換器１１の入口から、中間熱交換器１１に入り、凝縮液化して、中間熱交換器１１の出口から排出される。そして、中間熱交換器１１から排出された冷媒は、毛細管１２を通過すると、気液２相状態の冷媒となる。その後、この冷媒は、再び中間熱交換器１１に流通して蒸発し、合流点１８に到達した後、再び圧縮機４に戻る。

　そして、冷媒が通常の冷媒回路１ａ及びバイパス回路１ｂを流通しているとき、バイパス回路１ｂに設置された圧力センサ１５によって、バイパス回路１ｂ内の圧力が検出されている。この冷凍サイクルを流通する冷媒は、エチレン系フッ化炭化水素に難燃性冷媒を添加したものであるが、これが、例えば、２種の非共沸混合冷媒である場合、組成演算器１６は、圧力センサ１５で検出された圧力ＰＨと、冷凍サイクルに充填された混合冷媒の種類とに基づいて、気液平衡線図を求める（図６）。また、バイパス回路１ｂにおいては、圧力だけでなく、バイパス回路１ｂに設置されたサーミスタ１４によって、バイパス回路１ｂ内の温度も検出されている。そして、毛細管１２を通過した後の冷媒の状態が飽和液であると仮定すると、組成演算器１６は、図６における飽和液線と、サーミスタ１４によって検出された温度ＴＨとから、冷凍サイクル内の循環組成Ｚを求める。そして、組成演算器１６によって演算された冷媒の循環組成Ｚに基づいて、制御部１９によって、電子膨張弁７の開度が調節される。

　前述の如く、冷凍サイクル内の循環組成が変動すると、冷媒の圧力と飽和温度との関係が変化すると共に、冷却能力も著しく変化する。本実施の形態３では、バイパス回路１ｂを設けることによって、このバイパス回路１ｂ内の温度及び圧力から、組成演算器１６が、冷凍サイクル内の循環組成を求めている。そして、この循環組成に基づいて、電子膨張弁７の開度が調節される。これにより、冷凍サイクルにおいて、所望の過冷却度又は過熱度に調整することができ、従って、冷凍サイクルを安定的に動作させると共に所望の能力を発揮させる高性能の空気調和機１を得ることができる。なお、冷凍サイクルにおいて、最適な動作を行うためには、電子膨張弁７の開度だけではなく、循環組成に基づいて、圧縮機４の回転数を制御するように構成してもよい。

　上記のような循環組成の検知手段を、更に発展させることで、冷媒の乾き度に基づいて、２種の非共沸混合冷媒の循環組成を求めることもできる。図７は、乾き度に基づいた循環組成の算出に用いられるグラフ図である。冷媒の乾き度Ｘは、全冷媒質量流量を冷媒蒸気質量流量で除算した値（Ｘ＝冷媒蒸気質量流量／全冷媒質量流量）である。そして、サーミスタ１４及び圧力センサ１５によって、乾き度Ｘの冷媒の温度及び圧力を検出する。検出された圧力が一定値Ｐである場合、気液平衡線図は、図７のようになる。図７に示すように、飽和蒸気線は、全冷媒がガスであるため、乾き度Ｘ＝１であり、飽和液線は、全冷媒が液であるため、乾き度Ｘ＝０である。更に、乾き度Ｘが所定の値である場合における冷媒の温度と冷媒の循環組成との関係を、図７の一点鎖線で示す。これにより、圧力Ｐにおける乾き度Ｘの冷媒の温度が分かれば、その冷媒の循環組成を求めることができる。このように、気液２相状態の冷媒の圧力、温度及び乾き度を求めることによって、冷凍サイクル内の冷媒の循環組成を、冷媒が飽和蒸気であるか又は飽和液であるかを含めて、求めることができる。

　更に、本実施の形態３では、電子膨張弁７の開度を検出する開度検出手段と、第１の熱交換器６及び第２の熱交換器９のうち、蒸発器として作用する方の出口側に、過冷却度検出手段とを設けることもできる。エチレン系フッ化炭化水素は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆといったプロピレン系フッ化炭化水素に比べて反応性が高く、熱的、科学的に不安定で重合又は分解等が発生し易い。エチレン系フッ化炭化水素が重合反応を起こすと、スラッジが発生すると共に、冷媒の量が減少する。そして、重合によって発生したスラッジは、電子膨張弁７に付着して、電子膨張弁７の詰まりの原因となる。本実施の形態３は、開度検出手段を設けることによって、電子膨張弁７の詰まり具合を検知する。しかし、電子膨張弁７が詰まっているか否かを検知しただけでは、これが、冷媒の重合で発生したスラッジに依るものであるか、又は冷媒の重合以外で発生したスラッジに依るものであるかを判別することができない。

　ここで、このスラッジが冷媒の重合に起因するものである場合、上記のとおり、冷媒の量が減少する。そこで、本実施の形態３は、過冷却度検出手段を設けて、冷媒の量を検知することによって、電子膨張弁７の詰まりが、冷媒の重合で発生したスラッジに依るものであるか、又は冷媒の重合以外で発生したスラッジに依るものであるかを判別する。冷媒の量が減ることにより、凝縮器で過冷却される冷媒が減って、凝縮器の出口側における過冷却度が低下する。従って、過冷却度検出手段によって、凝縮器の出口側における過冷却度を検出することによって、冷媒の量が減少したか否かを検知することができる。以上のように、開度検出手段によって電子膨張弁７の詰まりが検知され、過冷却度検出手段によって冷媒の量が検知されることにより、冷媒が重合したか否かを判定することができる。そして、本実施の形態３では、冷媒の循環組成を検出する構成を有しているため、冷媒が重合して、循環組成が変動しても、この循環組成を検出することができる。

　なお、上記の過冷却度検出手段の代わりに、蒸発器の出口側に過熱度検出手段を設けてもよい。前述の如く、冷媒の量が減ると、凝縮器で過冷却される冷媒が減って、凝縮器の出口側における過冷却度が低下する。蒸発器に流通する冷媒の過冷却度が一定になるように、電子膨張弁７が制御されている場合、電子膨張弁７の開度が小さくなるように制御され、蒸発器に流通する冷媒が減少する。このように、蒸発器に流通する冷媒の量が減少すると、その分、蒸発器の出口側における過熱度が上昇する。従って、過熱度検出手段によって、蒸発器の出口側における過熱度を検出することによって、冷媒の量が減少したか否かを検知することができる。更に、圧縮機４の吐出側の温度を検出する吐出温度検出手段を設けてもよい。蒸発器の出口側における過熱度が上昇すると、冷暖房能力を維持するため、圧縮機４は、その周波数を増加させるように制御される。これにより、冷凍サイクル内の圧力損失が増加し、圧縮機４への吸入圧力が下がり易くなる。その結果、圧縮機４から吐出される冷媒の温度が上昇する。従って、吐出温度検出手段によって、圧縮機４の吐出側の温度を検出することによって、冷媒の量が減少したか否かを検知することができる。

実施の形態４．
　次に、実施の形態４に係る空気調和機１について説明する。図８は、実施の形態４における第１の熱交換器６を示す正面図である。実施の形態４は、第１の熱交換器６の配管径を特定した点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態４では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、この実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　本実施の形態４では、図８に示すように、第１の熱交換器６は、円形状の伝熱管であり、その配管径ｒ１は７．０ｍｍ以下として設計されている。Ｒ４１０Ａを冷媒とする家庭用の空気調和機に用いられる熱交換器の配管径は、例えば７．０ｍｍが用いられている。この空気調和機において、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを冷媒として使用する場合、このＨＦＯ－１２３４ｙｆは、標準沸点が高く、動作圧力が低いため、冷媒配管の圧損が大きくなる。このため、Ｒ４１０Ａと同等の性能を維持するためには、冷媒回路１ａの配管径又は熱交換器の配管径を広げて、冷媒配管の圧損を低減する必要がある。

　これに対し、本実施の形態４では、冷媒として、エチレン系フッ化炭化水素であるＲ１１３２（Ｅ）を用いており、このＲ１１３２（Ｅ）は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆよりも標準沸点が低く、動作圧力が高い。このため、本実施の形態４は、ＨＦＯ－１２３４ｙｆを使用した場合に比べて、冷媒配管の圧損を低減することができる。従って、第１の熱交換器６の配管径ｒ１が７．０ｍｍ以下であっても、冷媒配管の圧損の影響を受け難く、更に、冷媒の量を削減し、高性能な空気調和機１を得ることができるという効果を奏する。なお、第１の熱交換器６に限らず、第２の熱交換器９の配管径を７．０ｍｍ以下としてもよく、両方の配管径を７．０ｍｍ以上としてもよい。

　なお、本実施の形態４では、熱交換器の配管径を特定しているが、第１の熱交換器６の配管径と第２の熱交換器９の配管径との関係を特定してもよい。例えば、第１の熱交換器６を凝縮器として作用させ、第２の熱交換器９を蒸発器として作用させる場合、即ち、冷熱供給モード（冷房運転）の場合、第２の熱交換器９の配管径を、第１の熱交換器６の配管径よりも小さくする。蒸発器として作用する第２の熱交換器９には、主に液状態の冷媒が流通し、凝縮器として作用する第１の熱交換器６には、主にガス状態の冷媒が流通する。また、液状態の冷媒の方が、ガス状態の冷媒よりも、冷媒の密度が濃い。このため、液状態の冷媒が主に流通する第２の熱交換器９（蒸発器）の配管径を、ガス状態の冷媒が主に流通する第１の熱交換器６（凝縮器）の配管径よりも小さくすることによって、液状態の冷媒の量と、ガス状態の冷媒の量との均衡を保つことができる。

　また、本実施の形態４において、第１の熱交換器６を蒸発器として作用させ、第２の熱交換器９を凝縮器として作用させる場合、即ち、温熱供給モード（暖房運転）の場合、第１の熱交換器６の内部を、入口側から出口側にかけて、冷媒の流通経路が１個から２個に分岐するように構成してもよい。蒸発器として作用する第１の熱交換器６には、主に液状態の冷媒が流通し、この液状態の冷媒は、第１の熱交換器６を通って、ガス状態の冷媒に変化する。そして、液状態の冷媒の方が、ガス状態の冷媒よりも、冷媒の密度が濃い。このとき、第１の熱交換器６の内部が、１個から２個に分岐する１－２パス構造であれば、冷媒が、第１の熱交換器６を通過中に、液からガスに変化し、密度が薄くなって膨張しても、その分、流路が拡大する。従って、冷媒における第１の熱交換器６内の圧損を低減することができる。なお、第２の熱交換器９を蒸発器として作用させる場合は、この第２の熱交換器９の内部を、入口側から出口側にかけて、冷媒の流通経路が１個から２個に分岐するように構成することもできる。

　更に、第１の熱交換器６及び第２の熱交換器９のうち、少なくとも一つの伝熱管の内側に、溝を形成して、内面溝付き伝熱管とすることも可能である。この場合、伝熱管の内部の表面積が増加すると共に、冷媒の流れを乱流にする効果を促進するため、伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。

実施の形態５．
　次に、実施の形態５に係る空気調和機１について説明する。図９は、実施の形態５における第１の熱交換器６を示す正面図である。実施の形態５は、第１の熱交換器６の構造を特定した点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態５では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、この実施の形態１との相違点を中心に説明する。

　本実施の形態５では、図９に示すように、伝熱管である第１の熱交換器６は、円形状ではなく、円形状の配管よりも容積が小さい扁平形状の配管である。このように、第１の熱交換器６を扁平形状にして、配管容積を減らすことによって、冷媒の量を削減し、従って、高性能な空気調和機１を得ることができる。なお、第１の熱交換器６に限らず、第２の熱交換器９の形状を扁平形状としてもよく、両方を扁平形状としてもよい。

実施の形態６．
　次に、実施の形態６に係る空気調和機１について説明する。図１０は、実施の形態６における第１の熱交換器６を示す正面図である。実施の形態６は、第１の熱交換器６の短軸側の径（短軸径）を特定した点で、実施の形態５と相違する。本実施の形態６では、実施の形態５と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、この実施の形態５との相違点を中心に説明する。

　本実施の形態６では、図１０に示すように、扁平形状の第１の熱交換器６における短軸径ｒ２は、２．０ｍｍ以下として設計されている。これは、例えば、実施の形態４で説明した伝熱管の１－２パス構造及び冷媒配管の圧損等の観点から、適宜決定されるものである。これにより、本実施の形態６は、冷媒の量を削減し、その結果、空気調和機１の性能を向上させることができる。なお、第１の熱交換器６に限らず、第２の熱交換器９の形状を扁平形状として、その短軸径ｒ２を２．０ｍｍ以下としてもよく、両方を扁平形状として、その短軸径ｒ２をいずれも２．０ｍｍ以下としてもよい。

　１　空気調和機、１ａ　冷媒回路、１ｂ　バイパス回路、２　室外機、３　室内機、４　圧縮機、５　四方弁、６　第１の熱交換器、６ａ　室外送風機、７　電子膨張弁（膨張手段）、８　液管、９　第２の熱交換器、９ａ　室内送風機、１０　ガス管、１１　中間熱交換器、１２　毛細管、１３　アキュムレータ、１４　サーミスタ、１５　圧力センサ、１６　組成演算器、１７　分岐点、１８　合流点、１９　制御部。

Claims (14)

1. 　圧縮機、第１の熱交換器、膨張手段及び第２の熱交換器が、配管接続され、冷媒が循環する冷媒回路を有し、
   　前記冷媒は、
   　エチレン系フッ化炭化水素に、難燃性冷媒を混合したものである
   　ことを特徴とする空気調和機。
2. 　前記難燃性冷媒は、Ｒ１３４ａである
   　ことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
3. 　前記難燃性冷媒は、Ｒ１２５である
   　ことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
4. 　前記エチレン系フッ化炭化水素に対する前記難燃性冷媒の混合割合は、５０％以下である
   　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の空気調和機。
5. 　前記圧縮機の吐出側と前記圧縮機の吸入側とをバイパスするバイパス回路と、
   　前記バイパス回路に設けられ、前記冷媒を凝縮又は蒸発させる中間熱交換器と、
   　前記中間熱交換器から流通する前記冷媒の圧力を下げて、前記冷媒を前記中間熱交換器に流通する減圧器と、
   　前記バイパス回路内の温度を検出する温度検出手段と、
   　前記バイパス回路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   　前記温度検出手段で検出した温度と、前記圧力検出手段で検出した圧力とに基づいて、前記冷媒の組成比を演算する組成演算手段と、を更に有する
   　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の空気調和機。
6. 　前記組成演算手段で演算した前記冷媒の組成比に基づいて、前記膨張手段の開度を調節する制御部を更に有する
   　ことを特徴とする請求項５記載の空気調和機。
7. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器は、伝熱管を有している
   　ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の空気調和機。
8. 　前記第１の熱交換器又は前記第２の熱交換器の管径は、７．０ｍｍより小さい
   　ことを特徴とする請求項７記載の空気調和機。
9. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のうち、一方の管径は、他方の管径よりも小さい
   　ことを特徴とする請求項７又は請求項８記載の空気調和機。
10. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のうち、少なくとも一つの内部は、入口側から出口側にかけて、前記冷媒の流通経路が１個から２個に分岐している
    　ことを特徴とする請求項７～９のいずれか一項に記載の空気調和機。
11. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のうち、少なくとも一つは、管の内側に溝が設けられている
    　ことを特徴とする請求項７～１０のいずれか一項に記載の空気調和機。
12. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のうち、少なくとも一つは、扁平している
    　ことを特徴とする請求項７～１１のいずれか一項に記載の空気調和機。
13. 　前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のうち、扁平している伝熱管は、その短軸径が２．０ｍｍ以下である
    　ことを特徴とする請求項１２記載の空気調和機。
14. 　冷凍能力が１馬力以下である場合、前記圧縮機の吐出側における配管の管径は、９．５２ｍｍ以下である
    　ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載の空気調和機。

Images