WO2017085813A1

WO2017085813A1 - 空気調和装置

Info

Publication number: WO2017085813A1
Application number: PCT/JP2015/082410
Authority: WO
Inventors: 和田　誠
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-05-26

Abstract

　アキュムレータの内部に貯溜された冷凍機油及びガス冷媒を効果的に取り出すことができる空気調和装置を提供する。圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器、及び冷媒を貯溜するアキュムレータと、を順次配管で接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。アキュムレータには、横側面部の上下方向に間隔をあけて複数配置された冷媒の吐出管と、上部に配置された冷媒の合流管と、底部に配置された冷媒の吸入管とが接続されている。各吐出管と合流管は、アキュムレータの外部で連結されて圧縮機に接続されており、各吐出管には、開閉手段が設けられている。

Description

空気調和装置

　本発明は、アキュムレータの内部に貯溜された冷凍機油及びガス冷媒を効果的に取り出すことができる空気調和装置に関するものである。

　従来の空気調和装置は、例えば下記特許文献１～３に開示されているように、アキュムレータの内部にＵ字形状の吐出管が設けられている。前記吐出管は、油戻し孔を有する折り返し部分がアキュムレータ内部の底部付近に位置し、一端はアキュムレータ内部の上部から同アキュムレータ外部へ向かって貫通し、他端（取り出しポート）はアキュムレータ内部の上部近傍に位置している。
　ここで、空気調和装置は、外気温度が低いときに暖房運転すると、アキュムレータ内の冷媒と冷凍機油とが二層分離し、底部から上部に向かって液冷媒、冷凍機油、ガス冷媒の順に分布される。そのため、従来の空気調和装置では、冷凍機油の液面が吐出管の他端（取り出しポート）よりも下方に位置する場合、冷凍機油を確実に取り出すことが困難であるため、圧縮機への返油不足の問題が生じる。また、外気がより低温状態となりアキュムレータ内の冷媒が満液時には、液バックによる圧縮機の運転不可が課題となっていた。

　上記問題を解決するため、例えば下記特許文献１に開示された冷暖房装置は、圧縮機と四方弁との間に、電磁弁および絞り装置を有する高速バイパス回路を設けた構成である。前記高速バイパス回路は、アキュムレータの底部と接続されており、貯溜室内の液冷媒と冷凍機油とが二相分離すると、圧縮機から吐出ガスが供給される。前記吐出ガスにより、液冷媒と冷凍機油との二相分離を撹拌して混合液とすることができ、この混合液の状態で油戻し穴から冷凍機油を吸い込み、圧縮機へ供給する。

　下記特許文献２に開示された空気調和装置は、圧縮機から吐出されたガス冷媒から冷凍機油を分離するオイルセパレータを備えており、該オイルセパレータで分離した冷凍機油が返油配管を通じてアキュムレータに返油され、該冷凍機油で液冷媒を撹拌して混合液とし圧縮機へ供給する構成である。

　下記特許文献３に開示されたアキュムレータは、Ｕ字状吐出管の開口側（取り出しポート）の管壁に上下方向に沿って複数の補助油戻し穴が形成されており、該補助油戻し孔から液冷媒を吸収しないように冷凍機油を吸い込み、圧縮機へ供給する構成である。

特開２０００－０１８７３９号公報特開２０１４－２２８１７７号公報特開平１０－２０５９３１号公報

　上記特許文献１は、液冷媒と冷凍機油との二相分離を圧縮機からの吐出ガスで撹拌して混合液とする構成なので、アキュムレータからガス冷媒と冷凍機油を取り出すことが可能であるが、圧縮機からアキュムレータへ冷媒を送ることになるため、その分、室内機の循環量が減少し、暖房能力が低下してしまう。
　上記特許文献２は、オイルセパレータで分離した冷凍機油で液冷媒を撹拌し混合液とする構成であるが、満液に近い状態では圧縮機に十分な冷凍機油を送ることが困難であり、より低外気条件では液冷媒を吸収する虞がある。また、上記特許文献３も、補助油戻し孔から液冷媒を吸収しないように冷凍機油を吸い込む構成ではあるが、満液に近い状態では圧縮機に十分な冷凍機油を送ることが困難であり、より低外気条件では液冷媒を吸収する虞がある。

　本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、外気低温状態の暖房運転時に、圧縮機への返油不足や液バックによる圧縮機の運転不可という問題を解消し、暖房運転の向上に大きく寄与することができる空気調和装置を提供することを目的としている。

　上記の課題を解決する手段として、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器、及び冷媒を貯溜するアキュムレータと、を順次配管で接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を備え、前記アキュムレータには、横側面部の上下方向に間隔をあけて複数配置された冷媒の吐出管と、上部に配置された冷媒の合流管と、底部に配置された冷媒の吸入管とが接続され、前記各吐出管と前記合流管は、前記アキュムレータの外部で連結されて前記圧縮機に接続されており、前記各吐出管には、開閉手段が設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る空気調和装置は、複数配置された吐出管のうち、冷凍機油が位置する高さの吐出管の開閉手段のみを開状態とすることで、アキュムレータの任意の高さからガス冷媒と冷凍機油のみを取り出して圧縮機へ送ることができるので、圧縮機への返油不足や液バックによる圧縮機の運転不可を解消でき、暖房運転の向上に大きく寄与することができる。

この発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路構成図である。（Ａ）はこの発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータを概略的に示した水平断面図であり、（Ｂ）は同アキュムレータを概略的に示した斜視図である。この発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータの内部に冷媒と冷凍機油が二層分離して貯溜した状態を示した概略図である。この発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータの内部にガス冷媒と冷凍機油との混合気が貯溜した状態を示した概略図である。

　次に、本発明に係る空気調和装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、この発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路構成図である。図２（Ａ）はこの発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータ８を概略的に示した水平断面図であり、図２（Ｂ）は同アキュムレータ８を概略的に示した斜視図である。

　本実施形態の空気調和装置は、図１に示したように、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、室内側膨張弁４、室外側膨張弁５、室外熱交換器６、及びアキュムレータ８等と、を順次配管で接続し、封入された冷媒を循環させる冷媒回路２０、及び四方弁２の接続の切り換え等を制御する制御部１９を備えている。空気調和装置は、冷媒を循環させる冷媒回路２０を利用して冷房運転又は暖房運転を実行するものである。

　圧縮機１は、冷媒回路２０を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧状態とするものである。四方弁２は、冷媒回路２０内の冷媒の流れる方向を切り換えることで、冷房と暖房のサイクルを切り換えるものである。室内熱交換器３は、冷房運転時には蒸発器、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷媒と室内送風機（図示は省略）により供給される空気との間で熱交換を行なうものである。室外熱交換器６は、冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷媒と室外送風機（図示は省略）により供給される空気との間で熱交換を行なうものである。室内側膨張弁４は開度を変化させることで、室内熱交換器３内における冷媒の圧力を調整するためのものである。室外側膨張弁５は、吸収した液冷媒を膨張させて低温低圧とし吐出するものである。四方弁２の接続の切り換えや、室内側膨張弁４及び室外側膨張弁５の動作、室内送風機及び室外送風機の動作等は、制御部１９によって制御される。

　アキュムレータ８は、冷媒を貯溜するものであり、図２（Ｂ）に示すように、円形状の底部８ａ及び上部８ｂと、横側面部８ｃによって円筒形状で構成されている。アキュムレータ８は、図２（Ａ）に示すように、横側面部８ｃの内側面が湾曲形状を成し、後述する吸入管７を通じて内部に吸入された冷媒が横側面部８ｃの内側面に沿って旋回するように流入する構成である。
　なお、アキュムレータ８の形状は、図示した形状に限定されない。例えば底部８ａ及び上部８ｂを球状などのような曲面状に形成されたものであってもよいし、一部に曲面を有する形状等であってもよく、実施状況を勘案して種々の形状で実施することができる。

　アキュムレータ８には、横側面部８ｃの上下方向に所定の間隔をあけて配置された冷媒の第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１と、上部８ｂに配置された冷媒の合流管１５と、底部８ａに配置された冷媒の吸入管７とが接続されている。第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１と、合流管１５とは、アキュムレータ８の外部で連結されて圧縮機１に接続されている。

　第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１はそれぞれ、アキュムレータ８の横側面部８ｃを貫通し、一端がアキュムレータ８の内部の横側面部８ｃに配置され、他端がアキュムレータ８の外部に設けられた補助管１５ａを介して合流管１５に連結されている。第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１は、図示例の場合、アキュムレータ８の底部８ａから中間位置より少し上方位置までの間においてほぼ等間隔で配置されている。
　なお、第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１を配置する位置及び間隔は、図示例に限定されず、適宜変更して設けるものとする。また、吐出管は、第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１の３つに限定されず、実施状況に応じて、適宜個数を変更して設けるものとする。

　第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１にはそれぞれ、アキュムレータ８に貯溜した冷媒の高さに応じて開閉を行う開閉手段として電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４が設けられている。電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４を操作することにより、適宜、第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１が開閉され、アキュムレータ８内部の冷凍液油が吐出される。なお、開閉手段は、電磁弁１２～１４に限定されず、例えば膨張弁等でも実施することができる。

　合流管１５は、満液時以外にアキュムレータ８の内部のガス冷媒を吐出させるものであり、一端がアキュムレータ８の上部８ｂを貫通して内部に配置され、他端が補助管１５ａを介して連結された第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１と共に、アキュムレータ８の外部に配置された圧縮機１に接続されている。

　吸入管７は、一端がアキュムレータ８の底部８ａを貫通して内部に配置され、他端がアキュムレータ８の外部の室外熱交換器６などに接続されている。
　吸入管７は、図２（Ａ）に示すように、アキュムレータ８の横側面部８ｃの接線上に接続されており、吸入管７を通じてアキュムレータ８内に吸入された冷媒を横側面部８ｃの内側面に沿って旋回させて流入させることができる。但し、アキュムレータ８の形状が例えば横長等の場合は、吸入管７を通じてアキュムレータ８内に吸入された冷媒が旋回流を起こすことができるように、適宜配置を変えて吸入管７を接続するものとする。

　空気調和装置は、更にアキュムレータ８と圧縮機１とを接続するバイパス回路１８を備えている。バイパス回路１８は、一端が圧縮機１に接続され、他端は吸入管７に接続されている。なお、図１に示すバイパス回路１８は、簡略化のため接続部分を一部省略して示している。
　圧縮機１から吐出されたホットガスは、バイパス回路１８を通り、吸入管７を介してアキュムレータ８の内部に取り込まれる。このとき、アキュムレータ８の横側面部８ｃの内側面が湾曲形状とされているので、ホットガスは横側面部８ｃの内周面を旋回するように流入する。
　また、バイパス回路１８には、アキュムレータ８に貯溜した冷媒の高さに応じてバイパス回路１８を開閉する開閉手段として電磁弁１７が設けられている。電磁弁１７を操作することにより、適宜、バイパス回路１８が開閉され、アキュムレータ８の内部にホットガスを流入させる。なお、開閉手段は、電磁弁１７に限定されず、例えば膨張弁等でも実施することができる。

　空気調和装置は、更にアキュムレータ８に貯溜した液冷媒の高さを検知する検知手段として温度センサー１６を備えている。温度センサー１６は、アキュムレータ８の横側面部８ｃの外側面に取り付けられており、温度センサー検知温度の関数で表された液面高さに基づき、アキュムレータ８の内部の液冷媒の高さを検知する。なお、アキュムレータ８に貯溜した液冷媒の高さを検知する検知手段は、温度センサー１６に限定されず、液冷媒の高さを検知することができる手段であれば種々の態様で実施することができる。

　制御部１９は、ＣＰＵと、各種データを記憶するＲＡＭと、電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４、電磁弁１７の開閉制御を行うためのプログラム等を記憶するＲＯＭ（何れも図示せず）とを備えており、ＲＯＭ内のプログラムに従って電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４、電磁弁１７の開閉を適宜制御する。即ち、制御部１９は、温度センサー１６が検知した情報を受信して第１吐出管９、第２吐出管１０及び第３吐出管１１にそれぞれ設けられた電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４、又はバイパス回路１８の電磁弁１７に信号を送信し、電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４、電磁弁１７の開閉を制御する。なお、制御部１９は、こられの制御だけでなく、四方弁２の接続の切り換えや、室内側膨張弁４及び室外側膨張弁５の動作、室内送風機及び室外送風機の動作等の制御も行っている。

　次に、暖房運転時における空気調和装置の動作を図１に基づいて説明する。
　空気調和装置において、暖房運転時の冷媒は、図１に示す実線の矢印のように流れる。
　具体的には、冷媒は、圧縮機１により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、四方弁２を介して室内熱交換器３へと流れ込む。そして、そのガス冷媒は、室内熱交換器３で室内送風機にて送り込まれる室内空気と熱交換（放熱）され高圧の液冷媒となる。
　その液冷媒は、室内側膨張弁４と室外側膨張弁５によって所定の圧力まで膨張されて低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器６に流入する。室外熱交換器６に流入した気液二相冷媒は室外送風機によって送り込まれる室外空気と熱交換（吸熱）され低温低圧のガス冷媒となる。
　そして、そのガス冷媒は、四方弁２及び吸入管７を介してアキュムレータ８に送り込まれ余剰冷媒は液冷媒としてアキュムレータ８に溜まり、第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１及び合流管１５から吐出され圧縮機１に戻る。

　次に、前記のように構成された空気調和装置の作用について、図３及び図４に基づいて説明する。図３は、この発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータ８の内部に冷媒と冷凍機油が二層分離して貯溜した状態を示した概略図である。図４は、この発明の実施形態に係る空気調和装置を構成するアキュムレータ８の内部にガス冷媒と冷凍機油との混合気が貯溜した状態を示した概略図である。

　空気調和装置は、外気温が低いときに暖房運転すると、図３に示すように、アキュムレータ８内に液冷媒と冷凍機油とが二層に分離して存在する。具体的には、アキュムレータ８の底部８ａから上部８ｂに向かって液冷媒、冷凍機油、ガス冷媒の順に分布する。
　図３の場合では、液冷媒の液面の高さｈ１が、第１吐出管９の高さよりも低い位置であって第２吐出管１０よりも高い位置であり、冷凍機油の液面の高さｈ２が第１吐出管９よりも高い位置にある。

　図３の場合では、温度センサー１６が、温度センサー検知温度の関数で表された液面高さに基づき、アキュムレータ８内における液冷媒の液面の高さを検知する。温度センサー１６は、液冷媒の高さが前記ｈ１と判断すると、その信号を制御部１９へ送る。信号を受信した制御部１９は、第１吐出管９の電磁弁１２を閉状態から開状態（図示例では白抜き状態）とし、第２吐出管１０の電磁弁１３と、第３吐出管１１の電磁弁１４を閉状態（図示例では黒塗り状態）にする。つまり、冷凍機油は第１吐出管９から吐出され、ガス冷媒は合流管１５から吐出される。

　また、アキュムレータ８内の冷媒が満液に近い状態では、温度センサー１６から信号を受信した制御部１９が、図４に示すように、バイパス回路１８の電磁弁１７を開状態（図示例では白抜き状態）にする。
　すると、圧縮機１から吐出されたホットガスが、バイパス回路１８を通じてアキュムレータ８の内部に取り込まれ、冷媒の温度、圧力を上げてガス冷媒と冷凍機油の二相冷媒にすることができる。ここで、バイパス回路１８に接続される吸入管７が、アキュムレータ８と横側面部８ｃの接線上に接続されているので、ホットガスがアキュムレータ８の内部に流入した際に旋回流が発生し、効果的に冷媒を撹拌でき、冷媒の蒸発を促進することができる。
　そして、図４に示すように、アキュムレータ８の内部がガス冷媒と冷凍機油の混合気となった段階で、温度センサー１６から信号を受信した制御部１９が、第１吐出管９、第２吐出管１０、及び第３吐出管１１の電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４を開状態にして、第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１及び合流管１５からガス冷媒と冷凍機油を吐出して圧縮機１へ送る。

　なお、詳細に図示することは省略したが、液冷媒の液面の高さが、第２吐出管１０の高さよりも低い位置であって第３吐出管よりも高い位置である場合にあっては、温度センサー１６により信号を受信した制御部１９は、第１吐出管９と第２吐出管１０の電磁弁１２、電磁弁１３を開状態とし、第３吐出管１１の電磁弁１４を閉状態とする。

　したがって、本発明の空気調和装置は、上記構成としたから、外気低温状態の暖房運転時にアキュムレータ８の内部に冷媒と冷凍機油が二層分離しても、アキュムレータ８に貯溜した液冷媒の液面の高さを検知し、複数配置された第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１のうち、冷凍機油が位置する高さの第１吐出管９、第２吐出管１０、第３吐出管１１の電磁弁１２、電磁弁１３、電磁弁１４のみを開状態とすることで、アキュムレータ８の任意の高さからガス冷媒と冷凍機油のみを取り出し、圧縮機１へ送ることができる。
　また、外気がより低温状態でアキュムレータ８内の冷媒が満液に近い状態であっても、バイパス回路１８を介して圧縮機１からホットガスを取り込み効果的に撹拌することで、アキュムレータ８内の冷媒を蒸発させてガス冷媒と冷凍機油の混合気とし、該ガス冷媒と冷凍機油を吐出して圧縮機１に送ることができるので、圧縮機が液冷媒を吸収する虞れがない。
　つまり、本発明の空気調和装置は、圧縮機１への返油不足や液バックによる圧縮機１の運転不可を解消でき、暖房運転の向上に大きく寄与することができる。

　以上に本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、本実施形態ではバイパス回路１８を備えた構成を示したが、バイパス回路１８を設けることなく実施することもできる。また、本実施形態では、四方弁２を設けた構成を示したが、四方弁２を設けることなく、暖房運転のみを行う構成で実施することもできる。つまり、いわゆる当業者が必要に応じてなす種々なる変更、応用、利用の範囲をも本発明の要旨（技術的範囲）に含むことを念のため申し添える。

　１　圧縮機、２　四方弁、３　室内熱交換器、４　室内側膨張弁、５　室外側膨張弁、６　室外熱交換器、７　吸入管、８　アキュムレータ、８ａ　底部、８ｂ　上部、８ｃ　横側面部、９　第１吐出管、１０　第２吐出管、１１　第３吐出管、１２　電磁弁、１３　電磁弁、１４　電磁弁、１５　合流管、１５ａ　補助管、１６　温度センサー、１７　電磁弁、１８　バイパス回路、１９　制御部、２０　冷媒回路。

Claims

　圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、室外熱交換器、及び冷媒を貯溜するアキュムレータと、を順次配管で接続し、冷媒を循環させる冷媒回路を備え、
　前記アキュムレータには、横側面部の上下方向に間隔をあけて複数配置された冷媒の吐出管と、上部に配置された冷媒の合流管と、底部に配置された冷媒の吸入管とが接続され、
　前記各吐出管と前記合流管は、前記アキュムレータの外部で連結されて前記圧縮機に接続されており、
　前記各吐出管には、開閉手段が設けられている、空気調和装置。
　前記アキュムレータと前記圧縮機とを接続するバイパス回路を備え、
　前記バイパス回路には、開閉手段が設けられており、
　前記圧縮機から吐出されたホットガスが前記バイパス回路を通じて前記アキュムレータの内部に取り込まれる、請求項１に記載の空気調和装置。
　前記アキュムレータに貯溜した冷媒の高さを検知する検知手段と、
　前記検知手段に基づき前記開閉手段の開閉制御を行う制御部と、を備えている、請求項１又は２に記載の空気調和装置。
　前記アキュムレータは、横側面部の内側面が湾曲形状を成し、
　前記アキュムレータに吸入された冷媒又はホットガスを前記横側面部の内側面に沿って旋回するように流入させる構成である、請求項１～３のいずれか一項に記載の空気調和装置。