WO2016071999A1

WO2016071999A1 - 空気調和装置

Info

Publication number: WO2016071999A1
Application number: PCT/JP2014/079500
Authority: WO
Inventors: 佐々木　重幸; 禎夫関谷; 小谷　正直; 久保田　淳
Original assignee: 日立アプライアンス株式会社
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12

Abstract

　本発明の空気調和装置は、圧縮機と、四方弁と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、これらを接続する配管と、を備え、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方は、複数の冷媒経路領域に分割され、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方の複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、他の冷媒経路領域に直列又は並列に接続するように切り替え可能とし、それぞれの冷媒経路領域の冷媒の出口には、温度検出器が付設され、温度検出器により得られた温度のデータに基いて、冷媒制御弁を操作する制御を行う。また、本発明においては、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方の複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、冷媒の流動を遮断可能としてもよい。上記構成により、実際の運転状況に合わせて適正な冷媒流量を維持し、連続的に成績係数（ＣＯＰ）が高くなるように空気調和装置の運転をすることができる。また、熱交換器を分割しているため、冗長性があり、信頼性が高い空気調和装置を提供することができる。

Description

空気調和装置

　本発明は、空気調和装置の冷凍サイクルの熱交換器の冷媒経路、及び同一の筐体内で分割した熱交換器の冷媒の流動制御に関する。

　冷房及び暖房を行う空気調和機は、伝熱管の中で冷媒が蒸発及び凝縮という相変化をする伝熱現象を利用し、室内と室外との間で温度の低い所から温度の高い所に熱を移動する。夏季と冬季とで室内外の温度勾配が逆転するため、冷房及び暖房の両方で空気調和機の運転をする場合は、冷房及び暖房の動作に合わせて冷媒の流れ方向を逆向きにすることにより、室内熱交換器と室外熱交換器とを流れる冷媒の蒸発と凝縮とを切り替える構成としている。

　空気調和装置用として主流のフィンチューブ型熱交換器は、所定の間隙で平行に並べた短冊状のアルミフィンに設けた穴部に銅製の伝熱管を差込んだ後、伝熱管を拡管し、アルミフィンと接合することにより、作製している。性能面から見た場合、冷媒側の伝熱管内と相変化を伴う冷媒との間の熱伝達率は高いが、伝熱管外の空気とアルミフィンとの間の熱伝達率は物性値上低い。そのため、伝熱管の内表面積よりもアルミフィンの表面積を大きく設定（拡大伝熱面）することにより、熱抵抗の大小を軽減している。

　ところで、冷媒の比容積の特性上、圧力損失は凝縮器側よりも蒸発器側が大きくなることや、蒸発器側の圧力損失の増大は、省エネルギーに直結する圧縮機への仕事量の増加に結びつき易い。そのため、蒸発器として用いる場合と、凝縮器として用いる場合とで、各熱交換器内の伝熱管で構成される冷媒流路の適正な流路本数は異なる。

　特許文献１には、冷房運転時及び除湿運転時と、暖房運転時との室内熱交換器の最適なパス数が異なるという課題に着目して、室内熱交換器の冷媒流路を２つに分割し、２つの室内熱交換器の間の冷媒流路上に２つめの四方弁と開閉弁とを設置した構成を有し、２つの室内熱交換器の接続状態を直列又は並列に切り替え可能とした空気調和機が記載されている。

特許第３８８４５９１号公報

　特許文献１に記載されている課題及び解決策以外にも、現在の一般的な空気調和装置には、実運転動作時における快適性を加味した省エネルギー性能の向上に関する課題がある。

　一例として、室内設定温度と外気温度との差が小さく、空調機の必要な能力が小さくてよい場合、室外機の能力を下げるため、ファン（送風機）回転数を小さく設定することが行われる。しかし、省電力化の目的のため、現在主流のインバータ制御方式のファンモータの場合には、最小の制御動作可能な回転数に制限がある場合がある。必要な能力に対してなおファンの設定最小の回転数が大きい場合、空調機は圧縮機の運転と停止を繰り返すことで、時間平均的に小さな能力とするための制御を行う。この動作は、結果として、室内温度の変動を生じるため、快適な空調制御とならない場合があった。

　また、ファンモータの最小回転数以下にファン風量を下げることは、圧縮機回転数を下げて冷媒の循環量を下げることも行う必要がある。この場合、冷媒循環量を下げることで伝熱管内の冷媒流速が下がり、冷媒と伝熱管内面間の熱伝達率も小さくなるため、非効率的な性能制限方法となっていた。

　上記のとおり、特許文献１に記載されている技術は、冷房や暖房に運転状況に応じて適正な冷媒流路を切り替える点においては、性能向上の観点から望ましい。しかしながら、省電力化を目指し、最大から最小までの広い能力運転範囲で必要な熱交換能力に応じた熱交換器の適正化には課題があった。

　本発明の目的は、実際の運転状況、具体的には、室内と外気との温度差が小さく交換熱量が少ない場合から当該温度差が大きく交換熱量が多い場合まで連続的に成績係数（ＣＯＰ）が高くなるように空気調和装置の運転を制御することにある。

　本発明の空気調和装置は、圧縮機と、四方弁と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、これらを接続する配管と、を備え、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方は、複数の冷媒経路領域に分割され、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方の複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、他の冷媒経路領域に直列又は並列に接続するように切り替え可能とし、それぞれの冷媒経路領域の冷媒の出口には、温度検出器が付設され、温度検出器により得られた温度のデータに基いて、冷媒制御弁を操作する制御を行うことを特徴とする。

　また、本発明においては、室内熱交換器及び室外熱交換器のうち少なくとも一方の複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、冷媒の流動を遮断可能としてもよい。

　本発明によれば、実際の運転状況に合わせて適正な冷媒流量を維持し、連続的に成績係数（ＣＯＰ）が高くなるように空気調和装置の運転をすることができる。

　また、本発明によれば、熱交換器を分割しているため、冗長性があり、信頼性が高い空気調和装置を提供することができる。

本発明の空気調和装置の暖房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の暖房運転時における冷媒の流れを示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の暖房運転時における蒸発器側の冷媒制御を示すフロー図である。本発明の空気調和装置の冷房運転時における凝縮器側の冷媒制御を示すフロー図である。従来の空気調和装置を示す概略構成図である。本発明の空気調和装置の室外熱交換器ユニットの外観を示す概略側面図である。図１３のＡ－Ａ断面図である。

　本発明に係る空気調和装置は、熱交換器を分割し、複数の冷媒経路が形成され、運転状況に応じて複数の冷媒経路のうち一つを選択するように切り替え手段を設け、熱交換器出口における冷媒温度を検出し、分割した熱交換器への冷媒の流動を制御し、分割した熱交換器の群において、独立に直列接続、並列接続を切り替える制御を行うものである。

　以下では、まず、従来の空気調和機の一般的な構成について説明し、その後、本発明の一実施形態に係る空気調和機の構成について説明する。

　図１２は、従来の空気調和機の一般的な構成を示したものである。

　本図において、空気調和装置１は、圧縮機２、第１の熱交換器３、第２の熱交換器４、冷媒流量制御機構５、及び、四方弁６を含む構成である。

　第１の熱交換器３は、フィンチューブ型熱交換器であり、複数本の伝熱管の端部を１本の冷媒配管にまとめる冷媒分岐／合流部３０１、３０２に接合してある。第２の熱交換器４も同様の構成を有し、冷媒分岐／合流部４０１、４０２に接合してある。これらの冷媒配管の接続により、空気調和装置１の冷媒循環路が構成されている。言い換えると、空気調和装置１は、圧縮機２、第１の熱交換器３、冷媒流量制御機構５、第２の熱交換器４、圧縮機２の順に冷媒配管により接続され、冷媒が循環するように構成されている。

　まず、本図において第２の熱交換器４を室内熱交換器（以下、「室内機」ともいう。）として冷房運転した場合の動作を説明する。この場合は、第１の熱交換器３は凝縮器として作用し、第２の熱交換器４は蒸発器として作用する。

　圧縮機２の動作で高温高圧となった冷媒（気体）は、四方弁６により第１の熱交換器３の伝熱管内を流動するように案内される。本図においては、矢印７と８により、冷媒の通流方向が示されている。第１の熱交換器３の周囲は、冷媒温度よりも低い温度の空気があり、図示しないファン（送風機）が作動し、隣り合うアルミニウム製のフィン（以下、「アルミフィン」という。）の間に空気を流動させる。これにより、冷媒の凝縮熱は周囲空気に放熱され、冷媒は液化される。その後、電子式膨張弁等の冷媒流量制御機構５の絞り通過による等エンタルピ変化により低温低圧の冷媒（気液二相流）に変化する。そして、冷媒（気液二相流）は、室内熱交換器となる第２の熱交換器４内を流動する。第２の熱交換器４内の冷媒と周囲の空気をファンの動作により熱交換させることで、液体の冷媒は周囲の空気から蒸発熱を吸熱して気化する。これにより、アルミフィン間を流動する空気の温度を下げることができる。低温低圧の冷媒（気体）は、四方弁６から再び圧縮機２に戻る。この一連のサイクルを繰り返すことで冷房運転が可能となる。

　次に、第２の熱交換器４を室内熱交換器とした場合の暖房運転を説明する。

　圧縮機２で高温高圧となった冷媒（気体）は、四方弁６により第２の熱交換器４内に流動するように案内される。本図においては、破線で外形線が記述された矢印で冷媒の通流方向が示されている。

　第２の熱交換器４では、周囲の空気を送風することで、高温高圧の（気体）冷媒から熱伝達されて吸熱した空気が排出され、暖房（放熱）運転となる。このとき、冷媒は凝縮熱を放熱して液化して高圧の冷媒（液体）となる。その後、冷媒流量制御機構５を通過することで低温低圧となった冷媒（気液二相流）は、第１の熱交換器３内を流動し、周囲の空気との間で熱交換して吸熱する。これが冷媒の蒸発熱となり、低温低圧の冷媒（気体）となる。その後、冷媒は、四方弁６を介して再び圧縮機２に戻る。この運転を連続して行うことで、暖房運転が可能となる。

　以上のとおり、従来の一般的な空気調和機の第１の熱交換器３と第２の熱交換器４は、冷房と暖房とで異なる方向に冷媒が通流し、第１の熱交換器３と第２の熱交換器４では、それぞれで、冷媒の蒸発作用と凝縮作用がおこなわれている。

　以下、図面を参照して実施例に係る空気調和機の冷媒の流れを説明する。

　図１及び図２は、本発明の第一の実施例に係る空気調和装置（以下、「空調機」ともいう。）の構成を示す図である。

　空気調和装置１は、圧縮機２と、第１の熱交換器３と、第２の熱交換器４と、冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’と、四方弁６と、を含む構成である。

　先に示した図１２の空気調和装置（従来例）と異なる点は、第２の熱交換器４の内部において、上部熱交換器４１、下部熱交換器４２及び冷媒流量制御弁５ａ、５ｂからなる群と、上部熱交換器４１’、下部熱交換器４２’及び冷媒流量制御弁５ａ’、５ｂ’からなる群とが冷媒サイクルの中で並列に接続されている点である。すなわち、第２の熱交換器４が４つに分割され、それぞれの熱交換器（４１、４２、４１’、４２’）の上流側及び下流側に冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’が接続されている点である。図１において、左側の上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、さらに右側の上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’に分割構成されている。ここで、分割された熱交換器は、それぞれが冷媒経路領域を形成しており、それぞれが分割された冷媒経路を有する。

　詳細は後述するが、図１と図２との違いは、四方弁６の状態である。図１の場合、第１の熱交換器３は凝縮器として作用し、第２の熱交換器４は蒸発器として作用する。一方、図２の場合、第１の熱交換器３は蒸発器として作用し、第２の熱交換器４は凝縮器として作用する。

　図１３は、空調機の上吹き型の室外熱交換器（以下、「室外機」ともいう。）への実装状態の外観を示したものである。また、図１４は、図１３のＡ－Ａ断面図である。なお、図１及び図２に示す空調機は、第１の熱交換器３及び第２の熱交換器４が室内機か室外機かについては限定していない。いずれの場合においても、本発明は適用可能である。図１３及び図１４は、第１の熱交換器３を室内機とし、第２の熱交換器４を室外機とした場合について説明する。

　図１３においては、第２の熱交換器４は、室外機に収納された熱交換器であり、冷房運転時には、凝縮器として機能するものである。第２の熱交換器４は、４つに分割され、それぞれの熱交換器（４１、４２、４１’、４２’）に分割されている。そして、熱交換器４１、４１’が室外機の上部に設置され、熱交換器４２、４２’が室外機の下部に設置されている。

　室外機の上面部には、ファン９８０（送風機）が設置され、室外機の内部の空気を室外機の上方に送ることができるようになっている。ファン９８０の運転に伴い、室外機の外部の空気が室外機の側面部から空気側のアルミフィンの間を通って流れ込むようになっている。この際、ファン９８０に近い熱交換器４１、４１’のアルミフィンの間を通過する気流９１０の方が、ファン９８０から離れた熱交換器４２、４２’のアルミフィンの間を通過する気流９２０よりも速くなる。

　図１４に示すように、熱交換器４１、４１’の横断面形状はそれぞれ、Ｌ字形である。気流９１０は、室外機の４つの側面部のうち、３つの側面部から室外機に流入するようになっている。

　以下、空気調和装置１の構成及び動作について更に詳細に説明する。

　図１及び図２に示すように、空気調和装置１は、気体冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機２と、四方弁６が設けられている。四方弁６により圧縮機２で圧縮された冷媒の通流経路が切り替えられて、第１の熱交換器３を冷媒の凝縮器とするか蒸発器とするかが選択される。

　上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２の組み合わせ並びに上部熱交換器４１’及び下部熱交換器４２’の組み合わせは、第１の熱交換器３が凝縮器のときに蒸発器として機能し、第１の熱交換器３が蒸発器のときに凝縮器として機能する。

　第１の熱交換器３は、フィンチューブ型熱交換器であり、複数の伝熱管の両端部には、冷媒分岐／合流部３０１、３０２が付設され、空気調和装置１の冷媒循環路に接続されている。上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’も同様に、冷媒分岐／合流部４０１ａ、４０２ａ、４０１ａ’、４０２ａ’と冷媒分岐／合流部４０１ｂ、４０２ｂ、４０１ｂ’、４０２ｂ’により空気調和装置１の冷媒循環路に接続されている。

　ここで、冷媒分岐／合流部３０１、４０２ａ、４０２ｂ、４０２ａ’、４０２ｂ’は、ヘッダ型の冷媒分配構造を有し、冷媒分岐／合流部３０２、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ａ’、４０１ｂ’は、オリフィス分岐型の冷媒分配構造を有する。

　ヘッダ型は、上下方向の太めのパイプ状のヘッダ側面に小径の枝管を設けるものである。一般に、ヘッダ型冷媒分配器は、オリフィス分岐型よりも絞り構造を伴わないため、冷媒流動時の圧力損失が小さい。本実施例は、図１等に示すオリフィス分岐型とヘッダ型の組み合わせに限定されるものではない。

　つぎに、冷媒制御弁について説明する。

　図１の左側に示す上部熱交換器４１と下部熱交換器４２には、冷媒制御弁４０３、４０４、４０５が接続されている。さらに、上部熱交換器４１と下部熱交換器４２とを直列接続する接続管４０６（冷媒配管）及び冷媒制御弁４０７が設けられている。

　図１の右側に示す上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’にも同様に、冷媒制御弁４０３’、４０４’、４０５’が接続されている。さらに、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’とを直列接続する接続管４０６’（冷媒配管）及び冷媒制御弁４０７’が設けられている。

　詳細は後述するが、冷媒制御弁４０３、４０４、４０５、４０７及び冷媒制御弁４０３’、４０４’、４０５’、４０７’の開閉により、上部熱交換器４１と下部熱交換器４２との組み合わせを並列接続するか、または、直列接続とするか、及び、独立して上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’の組み合わせを並列接続するか、または、直列接続するかを選択可能としている。

　そして、第１の熱交換器３から上部熱交換器４１、４１’への冷媒流路の途中には冷媒流量制御弁５ａ、５ａ’が設けられ、第１の熱交換器３から下部熱交換器４２、４２’への冷媒流路の途中には冷媒流量制御弁５ｂ、５ｂ’が設けられている。冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’は、膨張弁とも言われ、冷媒の減圧及び流量制御をおこなうものである。後述するが、冷房・暖房の動作条件により流量制御をおこなうため、電子式膨張弁が適している。

　なお、図１及び図２では、第２の熱交換器４を上部熱交換器４１、４１’と下部熱交換器４２、４２’とに完全に分割されているように図示しているが、冷媒の流路が分割されていれば良い。図示していないアルミフィンは、上部熱交換器４１、４１’と下部熱交換器４２、４２’で重力方向に連通するようにする。これにより、フィン表面で結露した凝縮水を速やかに下方に導くことができるため、ドレン水の処理が容易になる。

　次に、図１及び２に示す実施例の空気調和装置の動作を説明する。図１は、第２の熱交換器４（上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’）を蒸発器とした場合である。図２は、第２の熱交換器４（上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’）を凝縮器とした場合である。第２の熱交換器４を空気調和機の室内熱交換器とすれば、図１が冷房動作時であり、図２が暖房動作時となる。

　まず、図１の冷房動作時について説明する。

　この場合、各冷媒制御弁の設定は、冷媒制御弁４０７、４０７’を「閉」とし、冷媒制御弁４０３、４０４、４０５、４０３’、４０４’、４０５’を「開」とする。なお、理解しやすいように、冷媒制御弁を白抜きとした場合は「開」、黒く塗りつぶした場合を「閉」として記す。後述の膨張弁についても同様である。この設定により、上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２、並びに、上部熱交換器４１’及び下部熱交換器４２’がそれぞれ並列接続される関係となる。

　以下、冷媒の循環状態を説明する。

　圧縮機２で高温高圧になった気体冷媒は、四方弁６の設定に従って、第１の熱交換器３に流入する。第１の熱交換器３は、凝縮器として作用し、冷媒の凝縮熱が第１の熱交換器３を通風するファンによる空気に熱伝達されて、冷媒は液体になる。第１の熱交換器３の出口では、冷媒は中温高圧の液冷媒となる。

　第１の熱交換器３の出口の中温高圧の冷媒は、上部熱交換器４１、４１’と下部熱交換器４２、４２’の流入側に設けられた冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’を介して、上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’にそれぞれ流入する。中温高圧の冷媒が冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’を通流すると、減圧されて低温低圧の気液二相流の冷媒となる。

　上部熱交換器４１、４１’と下部熱交換器４２、４２’は、蒸発器として作用し、通風するファンによる空気から伝熱管内を流動する冷媒に気化熱が熱伝達され、冷媒が気化して、低温低圧の気体冷媒となる。この気化熱の熱伝達により空気温度が下がり、冷房がおこなわれる。

　上部熱交換器４１、４１’及び下部熱交換器４２、４２’から流出した低温低圧の気体冷媒は合流し、四方弁６を通過し、圧縮機２に戻る。

　上記のように、冷媒を高温高圧の気体冷媒する圧縮機２と、凝縮器として作用し低温高圧の液冷媒にする第１の熱交換器３と、冷媒を減圧する冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’と、蒸発器として作用し媒体を低温低圧の気体媒体にする上部熱交換器４１、４１’及び下部熱交換器４２、４２’とを、冷媒が循環し、空気調和装置として機能する。

　ここで、冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’では、それぞれの弁の開度に応じて、減圧の度合い及び流量が制御される。弁の開度は、上部熱交換器４１、４１’及び下部熱交換器４２、４２’の出口で、冷媒が完全に蒸発するように設定される。例えば、上部熱交換器４１、４１’及び下部熱交換器４２、４２’のそれぞれに通風するファン空気の流速が異なり、それぞれにおける冷媒への熱伝達量が異なる場合には、冷媒の気化量が異なってしまう。これを調整するために、弁の開度を変えるようにする。詳細は後述する。

　一方、図２の暖房動作時には、図１の状態から四方弁６を切り替えることにより冷媒循環の方向を逆転する。これにより、第１の熱交換器３は蒸発器となり、第２の熱交換器４（上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’）は凝縮器となる。

　つぎに、図３の構成における冷媒の循環状態を説明する。

　図３は、第２の熱交換器４を、図中左側の上部熱交換器４１と下部熱交換器４２、図中右側の上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’の両方共、それぞれ冷媒の流れ方向に直列接続するものである。

　図３においては、第２の熱交換器４（上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２、並びに上部熱交換器４１’及び下部熱交換器４２’）を凝縮器としている。圧縮機２で高温高圧になった気体冷媒は、四方弁６の設定に従って、第２の熱交換器４側に流入する。

　そして、冷媒制御弁４０４、４０７、４０４’、４０７’を「開」とし、冷媒制御弁４０３、４０５、４０３’、４０５’を「閉」にする。これにより、上部熱交換器４１及び下部熱交換器４２、並びに、上部熱交換器４１’及び下部熱交換器４２’が直列に接続され、高温高圧の気体冷媒がそれぞれ、上部熱交換器４１から下部熱交換器４２の順に、上部熱交換器４１’から下部熱交換器４２’の順に通流するようになる。

　一般に、管路長を長くすると、圧損の増加により冷媒流量の低下が生じ、熱伝達量が低下してしまう。しかし、気液二相流の媒体で凝縮が生じている場合には、冷媒の圧損の影響が小さいため、流速低下が少ない。このため、冷媒と伝熱管内面との間の管内熱伝達率が向上し、熱伝達量の増加が期待できる。

　本図においては、第２の熱交換器４を凝縮器として作用させるときに、上記のように、冷媒をそれぞれ、上部熱交換器４１から下部熱交換器４２の順に、上部熱交換器４１’から下部熱交換器４２’の順に直列に通流するようにすることで、冷媒流速を増して第２の熱交換器４の熱伝達量を増加させる。

　第２の熱交換器４から流出した冷媒は、冷媒流量制御弁５ｂ、５ｂ’それぞれにより減圧処理されて、低温低圧の気液二相流の冷媒になり、第１の熱交換器３に流入する。

　第１の熱交換器３では、伝熱管を流動する低温低圧の液体あるいは気液二相の冷媒に、第１の熱交換器３を通風するファン空気から気化熱が熱伝達される。この気化熱により冷媒が気化され、第１の熱交換器３の出口では、冷媒は低温低圧の気体となる。第１の熱交換器３の出口の冷媒は、四方弁６に戻り、圧縮機２に通流する。

　本図に示す冷媒循環によれば、定格（能力仕様の表示値）の中間程度の場合に、凝縮時の冷媒流速を速める効果により性能を高めることができる。

　図４は、第一の実施例における第２の熱交換器４を左側の熱交換器を直列接続に、右側の熱交換器を並列で冷媒を流動させるものである。更に具体的には、上部熱交換器４１と下部熱交換器４２とが直列に接続され、上部熱交換器４１’と下部熱交換器４２’とは並列に接続されている。

　本図に示す冷媒循環によれば、直列接続と並列接続との組み合わせにより図３よりも冷媒流量が多くなるため、図３よりも高い空調能力の条件における省エネルギー性能を高めることができる。

　以上述べたように、本実施例の空気調和装置では、図１及び図２に示す四方弁６の切り替えにより、蒸発器と凝縮器とを切り替える。また、図３及び図４に示すように、冷媒制御弁４０３、４０４、４０５、４０７、４０３’、４０４’、４０５’、４０７’の開閉の設定により、冷媒の循環方向を変えて、第１の熱交換器３と第２の熱交換器４の凝縮器の能力を変更することができる。そして、第２の熱交換器４を凝縮器として作用させるときには、複数の熱交換器に分割した第２の熱交換器４の接続構成を並列接続から直列接続とする。これにより、第２の熱交換器４を並列構成の凝縮器とした場合に比べ、第２の熱交換器４を直列構成の凝縮器としたときには、エネルギー効率の高い空気調和装置を提供することができる。

　次に、冷媒の蒸発時における冷媒の状態と制御の関係を詳しく説明する。

　熱交換器の下流に位置する圧縮機へ気液二相流の冷媒が流入すると、圧縮機は、液圧縮して負荷が過大となって損傷することや、信頼性が低下することがある。これを防止するため、一般的には、熱交換器出口で冷媒を、液が完全に蒸発した過熱状態（蒸気）である数℃の過熱状態（蒸気）となるように設定する。

　冷媒流量制御弁の開度を小さく設定することで蒸発圧力を下げ、冷媒を過熱状態にすることができる。しかし、所定圧力に圧縮するために、圧縮機に入力する電力が増大することになり、空気調和機の省エネルギー性が低下する。

　一方、熱交換器を通風する空気に風速分布があった場合には、個々の伝熱管での熱伝達量が変わる。このため、風速の低い伝熱管出口では、冷媒が完全に蒸発し切れずに一部液体が残る。一方、風速の高い伝熱管出口では、冷媒は蒸発し過熱状態（蒸気）となる。したがって、熱交換器の出口では、液が完全に蒸発していない液冷媒となる。

　上記と同様に、冷媒流量制御弁の開度を小さく設定することで蒸発圧力を下げ、すべての伝熱管で液を完全に蒸発させることができるが、上述と同様に、冷媒を所定圧力に圧縮するために、圧縮機に入力する電力が増大することになり、空気調和機の省エネルギー性が低下する。

　そこで、熱交換器を通風する空気に風速分布に対応して分割した熱交換器のそれぞれに冷媒流量制御弁を設けることで、分割した熱交換器出口において冷媒の過熱状態を一定に制御することが可能となる。そのため、冷媒の蒸発圧力を高めに設定でき圧縮機入力を抑えられ省エネルギー性を向上できる。

　熱交換器自体の熱特性に分布がある場合、例えば、伝熱管のピッチが異なる場合でも、上述と同様に、冷媒流量制御弁により熱交換器出口における冷媒の過熱状態を一定に制御することが可能である。

　また、空調機の表示能力の定格条件、能力が約半分の中間条件等、冷媒流量が異なった運転の場合においても、分割した熱交換器のそれぞれに適正な冷媒流量を供給できる。

　一方、分岐上流に１個の冷媒流量制御手段を設け、分岐後の下流に細管等の固定の圧力損失体を設けることにより、冷媒分岐を行い、冷媒分配量の調整を行うことも考えられる。

　本発明においては、分岐後の冷媒流量制御弁では、個々分割した熱交換器の冷媒流量を変更できるため、広範囲の冷媒流量範囲に対応し、容易に流量制御できる利点がある。

　以下、図１を用いて、分割した熱交換器の出口部に設けた温度検出手段について説明する。本図においては、第２の熱交換器４は蒸発器として作用する。

　分割した熱交換器の出口部における冷媒温度は、温度検出手段４５０、４５１、４５０’、４５１’（温度検出器）で測定する。温度検出手段は、サーミスタや熱電対であり、冷媒配管の表面に直接付設することで熱抵抗を小さく構成する。これにより、冷媒温度の検出を正確に行うことができる。また、これを低コストで行うことができる。

　温度検出手段により得られた温度のデータの信号は、制御部（図示せず）に送られるようになっている。制御部は、受信した信号に基いて冷媒制御弁を操作する制御を行う。

　この４箇所の冷媒温度のうちの任意の２箇所の冷媒温度の差が所定の目標値以下であれば制御は行わないが、当該差のいずれかが目標値以上であった場合には、蒸発器として作用している第２の熱交換器４を構成する熱交換器（４１、４２、４１’、４２’）のうち出口温度の低い熱交換器の上流の冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’のいずれかの絞り開度を小さくして（冷媒流路を絞って）、分割した熱交換器出口における冷媒の過熱度（冷媒温度－冷媒飽和温度）を大きくする。この制御を、熱交換器出口の冷媒温度の差が目標値以下になるまで繰り返し行う。冷媒温度の差の目標値は、３℃であることが望ましく、２℃であることが更に望ましい。

　また、冷媒温度のばらつきを統計的に計算し、複数の冷媒温度の平均値とその複数の冷媒温度のいずれかとの差がすべて目標値以下となるまで制御を繰り返し行うようにしてもよい。この場合、目標値は、１．５℃であることが望ましく、１．０℃であることが更に望ましい。さらに、複数の冷媒温度の標準偏差が目標値以下となるまで制御を繰り返し行うようにしてもよい。この場合も、目標値は、１．５℃であることが望ましく、１．０℃であることが更に望ましい。

　図１０は、図１の第２の熱交換器４が蒸発器として作用する場合の冷媒制御のフローを示したものである。

　図１０においては、図１の状態で空気調和装置の運転を開始し（Ｓ１０）、圧縮機の作用により冷媒循環が始まると、図１の温度検出手段４５０、４５１、４５０’、４５１’により、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度を測定する（Ｓ１１）。そして、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度の差を算出し、この差が目標値以下かどうかを判定する（Ｓ１２）。

　冷媒出口温度の差が目標値以下となっていない場合は、冷媒出口温度が低い熱交換器の膨張弁の開度を小さくし（Ｓ１３）、再度、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度を測定する（Ｓ１１）。

　一方、冷媒出口温度の差が目標値以下となっている場合は、膨張弁の開度を維持し、運転を継続する（Ｓ１４）。

　以下、図２を用いて、分割した熱交換器の出口部に設けた温度検出手段について説明する。本図においては、第２の熱交換器４は凝縮器として作用する。

　分割した熱交換器の出口部における冷媒温度は、温度検出手段４５２、４５３、４５２’、４５３’（温度検出器）で測定する。この４箇所の冷媒温度のうちの任意の２箇所の冷媒温度の差が目標値以下であれば制御を行わないが、当該差のいずれかが目標値以上の温度差であった場合には、凝縮器として作用している第２の熱交換器４を構成する熱交換器（４１、４２、４１’、４２’）のうち出口温度の高い熱交換器の下流の冷媒流量制御弁５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’のいずれかの絞り開度を小さくして（冷媒流路を絞って）、過冷却度（冷媒飽和温度－冷媒温度）を大きくする。この制御は、冷媒の出口温度差が目標値以下になるまで繰り返し行う。

　図１１は、図２の第２の熱交換器４が凝縮器として作用する場合の冷媒制御のフローを示したものである。

　図１１においては、図２の状態で空気調和装置の運転を開始し（Ｓ２０）、圧縮機の作用により冷媒循環が始まると、図２の温度検出手段４５２、４５３、４５２’、４５３’により、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度を測定する（Ｓ２１）。そして、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度の差を算出し、この差が目標値以下かどうかを判定する（Ｓ２２）。

　冷媒出口温度の差が目標値以下となっていない場合は、冷媒出口温度が高い熱交換器の膨張弁の開度を小さくし（Ｓ２３）、再度、それぞれの熱交換器の冷媒出口温度を測定する（Ｓ２１）。

　一方、冷媒出口温度の差が目標値以下となっている場合は、膨張弁の開度を維持し、運転を継続する（Ｓ２４）。

　次に、図５～図８を用いて、本発明の第二の実施例を説明する。

　図５においては、冷媒制御弁４０３、４０４を閉じ、図中左側の熱交換器のうち熱交換器４１は使用せず（冷媒の流動を遮断し）、下段熱交換器４２のみに冷媒を流す。一方、図中右側の熱交換器は並列に接続している。この場合、定格の中間よりも大きい能力条件で性能を高めることができる。

　図６においては、冷媒制御弁４０３、４０４、４０３’、４０４’を閉じて冷媒の流動を遮断し、冷媒制御弁４０５、４０５’を開けることで、左右熱交換器の両側共に下段熱交換器４２、４２’に冷媒を流す。この場合、見かけの熱交換器を小さく構成できる。外気温度に対して室内設定温度が近く（室内設定温度と室外気温との差の絶対値が所定値以下の場合）、必要な熱交換器能力が小さくてよい場合には、冷媒流速を維持し、熱伝達率を確保しながら性能の抑制が図れるため、効率的な性能の制限ができる。また、必要な熱交換器能力が小さい場合にも、適正な熱交換器を構成でき、省エネルギー化を図ることができる。

　図７においては、冷媒制御弁４０３、４０４、４０３’、４０４’、４０５’、膨張弁５ｂ’を閉じることで、上部熱交換器４１、４１’、下部熱交換器４２’には冷媒を流さないように設定している。このような制御により、下部熱交換器４２のみを凝縮器として作用させることができ、室内と外気との温度差の絶対値が更に小さい最小能力の時など熱交換器を最小に構成できるため、有効な能力制限ができる。

　図８は、上部熱交換器４１のみ冷媒を流す場合である。図１３に示すように熱交換器の上部と下部とで風速分布が生じる構造の場合にも、比較的風速が大きい上部の熱交換器を使用し、効率的に凝縮器の放熱を行うことができる。これにより、必要な能力に合わせて熱交換器を使用するように制御することができる。

　図５～図８においては、冷媒制御弁の開閉により、作用する熱交換器を制御しているが、熱交換器が外的な衝突や腐食等で部分的に破損したような場合においても、部分的に冷媒流動しない制御を行うことで冗長性が保たれる。その結果、空気調和装置全体の信頼性が向上する効果も奏する。

　図９は、本発明の第三の実施例を示したものである。図１～図８においては、第１の熱交換器３を設けた室内機を１台とした構成であったが、複数台の室内機を接続しても本発明の効果は達成される。例えば、ビル用マルチエアコン等がこれに該当するが、日射を強く受ける窓側に近い室内機は、日射量に合わせて冷房能力を可変することが望ましく、室内機を複数台としたことに対応して、冷媒を流す熱交換器を適切に切替えることにより、室外機の能力をきめ細かく制御でき、省エネルギー性能が向上する。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明で分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

　１：空気調和装置、２：圧縮機、３：第１の熱交換器、４：第２の熱交換器、５：冷媒流量制御機構、５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’：冷媒流量制御弁、６：四方弁、７、８：冷媒の通流方向、４１、４１’：上部熱交換器、４２、４２’：下部熱交換器、３０１、３０１’、３０２、３０２’、４０１、４０１ａ、４０１ｂ、４０１’、４０１ａ’、４０１ｂ’、４０２、４０２ａ、４０２ｂ、４０２’、４０２ａ’、４０２ｂ’：冷媒分岐／合流部、４０３、４０４、４０５、４０７、４０３’、４０４’、４０５’、４０７’：冷媒制御弁、４０６、４０６’：接続管、４５０、４５１、４５０’、４５１’、４５２、４５３、４５２’、４５３’：温度検出手段、９１０、９２０：気流、９８０：ファン。

Claims

　圧縮機と、四方弁と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、これらを接続する配管と、を備え、
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうち少なくとも一方は、複数の冷媒経路領域に分割され、
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうち少なくとも一方の前記複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、他の前記冷媒経路領域に直列又は並列に接続するように切り替え可能とし、
　それぞれの前記冷媒経路領域の前記冷媒の出口には、温度検出器が付設され、
　前記温度検出器により得られた温度のデータに基いて、前記冷媒制御弁を操作する制御を行うことを特徴とする空気調和装置。
　圧縮機と、四方弁と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、これらを接続する配管と、を備え、
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうち少なくとも一方は、複数の冷媒経路領域に分割され、
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうち少なくとも一方の前記複数の冷媒経路領域のそれぞれは、冷媒の流路の開閉を行う冷媒制御弁を操作することにより、前記冷媒の流動を遮断可能とし、
　それぞれの前記冷媒経路領域の前記冷媒の出口には、温度検出器が付設され、
　前記温度検出器により得られた温度のデータに基いて、前記冷媒制御弁を操作する制御を行うことを特徴とする空気調和装置。
　前記温度検出器は、サーミスタ又は熱電対である、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　室内設定温度と室外気温との差の絶対値が所定値以下の場合には、前記複数の冷媒経路領域のいずれかにおける前記冷媒の流動を遮断する制御が可能である、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうちの一方に属する前記複数の冷媒経路領域のすべては、蒸発器及び凝縮器のうちのいずれか一方である、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記室内熱交換器及び前記室外熱交換器のうちの一方に属する前記複数の冷媒経路領域の前記温度検出器により得られた温度が所定の範囲になるように制御を行う、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記室外熱交換器は、複数の冷媒経路領域に分割されている、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記室外熱交換器は、４つの冷媒経路領域に分割されている、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記室内熱交換器は、２つの冷媒経路領域に分割されている、請求項８記載の空気調和装置。
　前記冷媒経路領域のそれぞれの前記冷媒の流量は、それぞれの前記冷媒経路領域の前記冷媒の入口又は出口に設けた冷媒流量制御弁の開度を変更することにより制御する、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　それぞれの前記冷媒経路領域の前記冷媒の出口における前記冷媒の過熱度が所定の範囲内に収束するように制御する、請求項１０記載の空気調和装置。