JP2008051425A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房時に運転条件に応じて適切な冷媒量で高効率な運転ができるようにする。
【解決手段】空気調和装置１は、暖房運転時に室外機３に流入する液冷媒を受け入れる気液分離器１８を有する。気液分離器１８で分離されたガス冷媒は、室外熱交換器２４をバイパスして圧縮機１１に吸入される。気液分離器１８で分離された液冷媒は、レシーバタンク２２に流入した後に室外熱交換器２４に流入する。暖房運転時にバイパス回路２０を開くと、室外熱交換器２０に流入する冷媒の乾き度が小さくなると共に冷媒の循環量が減る。暖房運転時にバイパス回路２０を閉じると、室外熱交換器２４に流入する冷媒の乾き度が大きくなると共に冷媒の循環量が増える。
【選択図】図１

Description

本発明は、暖房運転時に冷媒の循環量を調整可能な空気調和装置に関する。

空気調和装置は、圧縮機から吐出させた冷媒を室外機熱交換器と、室内熱交換器との間で循環させて冷房運転や暖房運転を行うように構成されている。ここで、従来の空気調和装置には、暖房運転時に室内熱交換器から室外熱交換に冷媒が流れる経路中に、気液分離器を設け、気液分離器で分離したガス冷媒をバイパスして圧縮機に吸入させるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。バイパス回路には、流量調整弁と二方弁が設けられており、暖房運転時には、これら弁は開放される。気液分離器で分離されたガス冷媒がバイパス回路を通して圧縮機に直接戻るので、蒸発器となる室外熱交換器の性能低下が防止される。また、圧縮機と熱交換器との間に設けられている四方弁における圧力損失の影響が低減される。
特開２０００−５５４８２号公報

しかしながら、従来の空気調和装置では、低外気温下で暖房運転をすると、気液分離器に液冷媒が溜まってしまい、冷媒量が不足して暖房能力が低下することがあった。さらに、従来の空気調和装置では、暖房運転時にはバイパス回路による圧力損失によって蒸発器の能力は向上するが、前記したように冷媒量が不足した状態では凝縮圧力を上昇させることはできない。このため、室内機における吹き出し温度が低くなってしまい、快適性が低下することがあった。なお、このような場合に、インバータ等を使って能力アップを図っても、インバータの回転数が上がると共に、吸入圧力が低下するので暖房能力はあまり向上しない。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、暖房時に運転条件に応じて適切な冷媒量で高効率な運転ができるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明は、暖房運転時に膨張弁から室外の熱交換器に冷媒が流入するまでの経路中に、冷媒を気液分離すると共に、液冷媒を貯溜可能な冷媒量調整器と、前記冷媒量調整器で分離されたガス冷媒を、前記熱交換器をバイパスして流すことができるバイパス回路と、前記冷媒量調整器に滞溜する冷媒量を運転条件に応じて調整する調整装置を有することを特徴とする空気調和装置とした。
この空気調和装置では、暖房運転時に調整装置で冷媒量調整器に滞溜する冷媒量を調整することで、冷媒の循環量が調整される。また、調整装置で冷媒量調整器に滞溜する冷媒量を調整することで、室外の熱交換器に供給される冷媒の乾き度を調整できる。

本発明によれば、暖房運転時に調整装置で冷媒量調整器に滞溜する冷媒量を調整することで冷媒の循環量を調整したり、室外の熱交換器に供給される冷媒の乾き度を調整したりできるので、高効率な運転が可能になる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態において同じ構成要素には、同一の符号を付してある。また、各実施の形態において、重複する説明は省略する。

（第一の実施の形態）
図１に概略構成を示すように、空気調和装置１は、室内機２と室外機３とを有する。
室外機３は、冷媒を加圧する圧縮機１１を有し、圧縮機１１の吐出口は吐出配管１２を介して四方弁１３の第一のポート１３Ａに接続されている。四方弁１３は、４つのポートを有しており、第一のポート１３Ａと第二のポート１３Ｂを接続したときに第三のポート１３Ｃと第四のポート１３Ｄが接続され、第一のポート１３Ａと第三のポート１３Ｃを接続したときに第二のポート１３Ｂと第四のポート１３Ｄが接続されるように構成されている。四方弁１３の第二のポート１３Ｂには、ガス配管１４を介して室内機２の室内熱交換器１５の一方の流入出口１５Ａに接続されている。

室内熱交換器１５の他方の流入出口１５Ｂには、液配管１６が接続されており、この液配管１６は室内機２から室外機３まで引き回されている。液配管１６は、室外機３内で調整装置である膨張弁１７が設けられた後に、冷媒量調整器である気液分離器１８の第一の流入出口１８Ａに接続されている。

気液分離器１８は、主にガス冷媒が流出する第二の流入出口１８Ｂと、液冷媒が流入出する第三の流入出口１８Ｃを有する。第二の流入出口１８Ｂには、バイパス回路２０が接続されている。バイパス回路２０は、配管３１を有し、配管３１の経路中に調整装置である開閉弁３２が設けられている。
また、気液分離器１８の第三の流入出口１８Ｃには、配管２１が接続されている。この配管２１は、冷媒量調整器であるレシーバタンク２２に挿入されている。レシーバタンク２２には、配管２３も挿入されている。これら配管２１，２３は、主に液冷媒を流入出させることができる位置に開口がくる位置（図１において液面下）に挿入されている。配管２３は、室外熱交換器２４の一方の流入出口２４Ａに接続されている。室外熱交換器２４の他方の流入出口２４Ｂには、配管２５が接続されている。配管２５は、バイパス回路２０の配管３１と合流した後に、四方弁１３の第三のポート１３Ｃに接続されている。四方弁１３の第四のポート１３Ｄは、吸入配管２６を介して圧縮機１１の吸入口に接続されている。

この空気調和装置１は、制御装置３３によって運転制御される。制御装置３３は、負荷に応じて圧縮機１１の運転制御をしたり、四方弁１３の切り替えや、膨張弁１７の開度制御を行う。さらに、この実施の形態では、暖房運転時に圧縮機１１の吐出圧力に応じて調整装置の制御、すなわち膨張弁１７の開度制御と開閉弁３２の開度制御を行う。このため、室外機３には吐出圧力を測定するためのセンサ（不図示）が設けられている。なお、調整装置の制御は、圧縮機１１の吐出温度など、圧縮機１１の負荷に応じで変化するパラメータに基づいて行っても良い。

次に、この空気調和装置１の動作について説明する。
暖房運転するときは、四方弁１３の第一のポート１３Ａと第二のポート１３Ｂを接続させ、第三のポート１３Ｃと第四のポート１３Ｄを接続する。また、初期状態として、バイパス回路２０の開閉弁３２は開放されているものとする。
圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、吐出配管１２及び四方弁１３を通って室内機２の室内熱交換器１５に流入する。ガス冷媒は、室内熱交換器１５における熱交換で液化し、このときに放出する熱で室内が暖房される。室内熱交換器１５から流出する液冷媒は、液配管１６を通って室外機３に導かれる。

図２に示すように、室外機３内では、液冷媒が膨張弁１７で減圧されて低圧の気液二相の冷媒となって気液分離器１８に流入する。気液分離器１８では、ガス冷媒と液冷媒に分離される。ガス冷媒は、開放されているバイパス回路２０を通って室外熱交換器２４を通らずに配管２５から四方弁１３を通って圧縮機１１に吸入される。また、気液分離器１８内の液冷媒は、レシーバタンク２２に流入する。レシーバタンク２２内には、液冷媒の閉める割合が大きくなるので、ガス冷媒が少なくて液冷媒がリッチな乾き度が小さい冷媒が室外熱交換器２４の流入出口２４Ａに流入する。この結果、この空気調和装置１は、図３に示すモリエル線図に重ねて示す第一のサイクルＡのようなサイクルになる。乾き度の小さい冷媒は、エンタルピーが小さいので、室外熱交換器２４（この場合には蒸発器）でエンタルピーの差を大きく取ることができる。このため、冷媒の循環量が少ない場合でも必要な能力を確保できる。また、圧力損失も小さいので高効率な運転ができる。なお、このような運転条件では、室外熱交換器２４の流入出口２４Ａでの乾き度が小さいことから、レシーバタンク２２には余剰な冷媒が液冷媒として貯溜される。

一方、図４に示すように、暖房運転中に開閉弁３２を閉じると、気液分離器１８からバイパスされていたガス冷媒もレシーバタンク２２に流入する。その結果、液冷媒の割合が相対的に下がり、室外熱交換器２４の流入出口２４Ａ（入口）における冷媒の乾き度が大きくなる。ここで、室外熱交換器２４に流入する冷媒量が増加するにつれて、冷媒の乾き度が大きくなるので、室外熱交換器２４における圧力損失が増加する。また、室外熱交換器２４においてガス冷媒が伝熱面積に占める割合が増加するので、液冷媒が蒸発しきれなくなる。この結果、室外熱交換器２４からは、気液の二相冷媒が流出するようになる。

このため、室外熱交換器２４の流入出口２４Ｂ（出口）における乾き度が、その運転条件に適した乾き度になるように膨張弁１７を制御する。このとき、図３の第二のサイクルＢに示すように、膨張弁１７の開度は、開閉弁３２を開放しているときの第一のサイクルＡに比べて小さくなる。
また、レシーバタンク２２内の液冷媒の量が減少して室外熱交換器２４の流入出口２４Ａの乾き度が変化すると、バイパス回路２０を使用した第一のサイクルＡにおける室外熱交換器２４の流入出口２４Ａの乾き度との差分（密度の差分）に相当する液冷媒が、高圧部分（液配管１６で膨張弁１７よりも室内機２側の部分）に溜まり始める。このため、室外熱交換器２４の流入出口２４Ｂにおける過冷却が取れはじめて、高圧に上昇して凝縮温度を上昇させることができる。

この実施の形態によれば、バイパス回路２０を開いたときには、ガス冷媒が室外熱交換器２４をバイパスすることで室外熱交換器２４に流入する冷媒の乾き度を小さくでき、高効率な運転が行えるようになる。この場合には、レシーバタンク２２に液冷媒が貯溜され、冷媒の循環量の調整も行える。これに対して、バイパス回路２０を閉じると、レシーバタンク２２内に貯溜されていた液冷媒が循環し始めて高圧で凝縮温度が高いサイクルを実現することができる。したがって、運転条件に合わせてバイパス回路２０を開閉し、かつバイパス回路２０を閉じたときには運転状態に応じて膨張弁１７の開度制御を行えば、運転条件に応じて適切な冷媒の循環量及び乾き度を実現することができる。

なお、レシーバタンク２２の容量及びシステム全体に対する冷媒の封入量として、例えば、標準条件で運転するときにはレシーバタンク２２内が余剰冷媒で満たされるようにすることがあげられる。このようにすると、低外気温度条件（例えば、−１０℃）でバイパス回路２０を閉じた状態でレシーバタンク２２に余剰冷媒が殆ど溜まらないように調整装置を制御すると、広い温度範囲で好適な暖房能力を発揮することができる。しかしながら、レシーバタンク２２の容量及び冷媒の封入量は、必ずしも標準条件を基準にしなくても良い。

（第二の実施の形態）
図５に示すように、この空気調和装置１は、暖房運転時に室外機３内で膨張弁１７で減圧した後に冷媒が流れる配管４１がレシーバタンク２２に直接挿入されている。レシーバタンク２２には、この他に室外熱交換器２４に接続される配管２３と、バイパス回路４２を構成する配管４３とが接続されている。配管４１及び配管２３は、主に液冷媒が流入出する位置（図５において液面下）まで挿入されている。配管４３は、レシーバタンク２２の上部でガス冷媒を流入できる位置に配置されている。
バイパス回路４２は、レシーバタンク２２と配管２５とを接続し、その経路中に調整装置である流量調整弁４４が設けられている。
制御装置３３は、図１と同様の圧縮機１１、四方弁１３、膨張弁１７の制御に加えて、暖房運転時には吐出圧力に応じて調整装置（膨張弁１７及び流量調整弁４４）の開度制御を行う。

次に、この空気調和装置１の動作を説明する。
バイパス回路４２を開いた状態で暖房運転をすると、レシーバタンク２２内のガス冷媒がバイパス回路４２を通って配管２５に送られるので、ガス冷媒は、室外熱交換器２４を通らずに圧縮機１１に吸入される。一方、レシーバタンク２２内の液冷媒は、室外熱交換器２４に流入して熱交換によって気化されてから圧縮機１１に吸入される。この場合には、レシーバタンク２２は、第一の実施の形態における気液分離器１８及びレシーバタンク２２を一体化したものと同等で、かつ同様の機能を発揮する。したがって、室外熱交換器２４に流入される冷媒の乾き度を小さくでき、高効率な運転になる。

さらに、流量調整弁４４の開度を変化させることで、レシーバタンク２２から室外熱交換器２４に流入する冷媒に含まれるガス冷媒の割合を調整することができる。流量調整弁４４の開度が大きいと、ガス冷媒のバイパス量が増えて、室外熱交換器２４の入口における冷媒の乾き度が小さくなる。レシーバタンク２２に貯溜される液冷媒が増え（冷媒の循環量が減って）、前記した第一のサイクルＡ（図３参照）に近い状態になる。流量調整弁４４の開度を減少させると、ガス冷媒のバイパス量が減って、室外熱交換器２４の入口における冷媒の乾き度が大きくなる。レシーバタンク２２に貯溜される液冷媒が減り（冷媒の循環量が増えて）、第二のサイクルＢに近い状態になる。なお、バイパス回路４２を完全に閉じると、第二のサイクルＢと同じになる。

このように、この実施の形態によれば、流量調整弁４４を完全に開いた状態と完全に閉じた状態で第一の実施の形態と同様の効果が得られる。流量調整弁４４の開度を制御することで、暖房運転時の冷媒の循環量と室外熱交換器２４に流入する冷媒の乾き度を制御することが可能になって、さらに安定した運転、高効率な運転が可能になる。また、第１の実施の形態のような気液分離器を設ける必要がないので、装置を小型化することができる。

〈第３の実施の形態〉
図６及び図７に示すように、この空気調和装置１は、室外機３の配管４１がレシーバタンク５０に直接挿入されており、レシーバタンク５０からバイパス回路５１の配管４９と、室外熱交換器２４に向かう配管２３が延びている。配管４１は、レシーバタンク５０の天井部付近に開口している。配管２３は、レシーバタンク５０の底部又は底部付近に開口している。バイパス回路５１の配管４９は、レシーバタンク５０の天井部から底部付近（レシーバタンク５０の貯溜されている液冷媒の液面下）まで挿入され、配管２５に合流している。配管４９でレシーバタンク５０内に挿入されている部分４９Ａには、調整装置５２が形成されている。なお、レシーバタンク５０は、第一の実施の形態のレシーバタンク２２と形状が異なるのみで、略同様の容量を有する。

調整装置５２は、配管４９の部分４９Ａの側部に高さ方向に沿って複数穿設された通気孔５３（開口部）を有する。さらに、配管４９中には、フロート５４が摺動可能に挿入されている。フロート５４は、液冷媒よりも比重が軽い素材を用い、かつ冷媒を流さないように製造されている。配管４９の下端は、フロート５４の脱落を防止するための返し５５が形成されているが、開口部５６によって液冷媒が配管４９内に流入するのに十分な流路面積が確保されている。なお、配管４９の部分４９Ａに穿設された通気孔５３は、通常運転時は全ての通気孔５３が開放されるが、低外気温度条件（例えば、−１０℃）では全ての通気孔５３がフロート５４で閉塞される位置に形成されている。さらに、部分４９Ａの内部には、フロート５４の上限位置を規制する突起５７が設けられている。なお、通気孔５３は、これ以外の配置でも良い。また、通気孔５３は、長さ方向に等間隔に穿設しても良いし、通気孔５３の配置間隔に粗密を設けても良い。

バイパス回路５１は、レシーバタンク５０と配管２５とを接続し、その経路中に開閉弁３２が設けられている。
制御装置３３は、図１と同様な圧縮機１１、四方弁１３、膨張弁１７の制御に加えて、暖房運転時にバイパス回路５１の開閉弁３２の制御を行う。

次に、この空気調和装置１の動作について説明する。
開閉弁３２を開いた状態で暖房運転すると、図８に示すように、レシーバタンク５０内の液冷媒の量が少ないときは、フロート５４が低い位置にあるので、多数の通気孔５３が開放される。レシーバタンク５０内のガス冷媒が通気孔５３を通って配管４９に流れ、バイパス回路５１でバイパスされて室外熱交換器２４を通らずに圧縮機１１に吸入される。
外気温が変化するなどして負荷が変動し、図７に示すようにレシーバタンク５０の液面が上がると、これに伴ってフロート５４も上昇する。フロート５４が通気孔５３を塞ぐと、その分だけバイパス回路５１に流れるガス冷媒の量が減る。フロート５４が全ての通気孔５３を塞ぐと、バイパス回路５１にガス冷媒が流れなくなる。なお、開閉弁３２を閉じた場合もバイパス回路５１にガス冷媒は流れなくなる。

レシーバタンク５０の液面が下降すると、開状態の通気孔５３が増えて、ガス冷媒のバイパス量が増える。室外熱交換器２４の入口における冷媒の乾き度が小さくなり、レシーバタンク５０に貯溜される液冷媒が増え（冷媒の循環量が減って）、第一のサイクルＡ（図３参照）に近い状態になる。レシーバタンク５０の液面が上昇すると、開状態の通気孔５３が減って、ガス冷媒のバイパス量が減る。室外熱交換器２４の入口における冷媒の乾き度が大きくなり、レシーバタンク５０に貯溜される液冷媒が減って（冷媒の循環量が増えて）、第二のサイクルＢに近い状態になる。

この実施の形態によれば、レシーバタンク５０の液面の変化に応じてフロート５４で通気孔５３の数（流路面積）を自動的に制御するようにしたので、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。この実施の形態では、調整装置の制御として開閉弁３２の開閉のみを行えば良いので、簡単な制御でレシーバタンク５０に貯溜される液冷媒を適切に調整することができ、安定した運転が可能になる。特に、負荷変動が急激な場合であっても、フロート５４の動作で流量制御ができるので、応答性が良好である。ここで、開閉弁３２を開いたときに急激な圧力差が発生すると、レシーバタンク５０からバイパス回路５１に液冷媒が吸入されるような、いわゆる液バックを生じることがあるが、この実施の形態では、フロート５４が流入量を速やかに調整するので、そのような液バックが生じることはない。

〈第４の実施の形態〉
図９に示すように、この空気調和装置は、レシーバタンク５０の内部にバイパス回路４２の配管４９が挿入されている。レシーバタンク５０に挿入された部分４９Ａを用いて調整装置５２が形成されている。調整装置５２の構成の詳細は、前記第３の実施の形態と同様である。

この実施の形態では、第２の実施の形態のように流量調整弁４４の開度に応じたリニアな冷媒量の制御と、第３の実施の形態のようなフロート５４による液面に応じた自動的な流量制御とが組み合わされる。このため、急激な負荷変動に対してもより確実に応答することができ、圧力変動のバイパス回路４２に液冷媒が吸入される液バックも確実に防止できる。冷媒量の制御をより細かく行うことができるので、信頼性をさらに高めることができる。

なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く応用することができる。
制御装置３３は、吐出圧力や吐出温度に応じて膨張弁１７や開閉弁３２、流量調整弁４４の制御を行う代わりに、又はこれに加えて、外気温などその他の条件に応じて制御を行っても良い。
第３、第４の実施の形態において、開口部として通気孔５３を用いる代わりに、配管４９の長さ方向に沿ったスリットを１本又は２本以上形成しても良い。スリットの少なくとも一部がフロート５４で閉塞されることでガス冷媒の通気量（バイパス量）を制御することが可能になる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の概略構成を示す図である。 暖房運転時に、バイパス回路の開閉弁を開いた状態で室外熱交換器に流入する冷媒を模式的に説明する図である。 暖房運転時に、バイパス回路の開閉弁を閉じた状態で室外熱交換器に流入する冷媒を模式的に説明する図である。 図２及び図３の場合におけるサイクルを例示する図である。 バイパス回路の流量調整弁を用いた場合に室外熱交換器に流入する冷媒を模式的に説明する図である。 バイパス回路の開閉弁を用い、レシーバタンク内に調整装置を設けた場合に室外熱交換器に流入する冷媒を模式的に説明する図である。 レシーバタンク内の調整装置の構成を示す図であって、冷媒の液面が高い場合を示す図である。 冷媒の液面が低い場合のフロートの位置を示す図である。 バイパス回路の流量調整弁を用い、レシーバタンク内に調整装置を設けた場合に室外熱交換器に流入する冷媒を模式的に説明する図である。

符号の説明

１ 空気調和装置
１７ 膨張弁（調整装置）
１８ 気液分離器（冷媒量調整器）
２０，４２，５１ バイパス回路
２２ レシーバタンク（冷媒量調整器）
２４ 室外熱交換器
３２ 開閉弁（調整装置）
３３ 制御装置
４４ 流量調整弁（調整装置）
４９ 配管
４９Ａ 部分
５２ 調整装置
５３ 通気孔（開口部、調整装置）
５４ フロート

Claims (6)

1. 暖房運転時に膨張弁から室外の熱交換器に冷媒が流入するまでの経路中に、冷媒を気液分離すると共に、液冷媒を貯溜可能な冷媒量調整器と、前記冷媒量調整器で分離されたガス冷媒を、前記熱交換器をバイパスして流すことができるバイパス回路と、前記冷媒量調整器に滞溜する冷媒量を運転条件に応じて調整する調整装置を有することを特徴とする空気調和装置。
2. 前記冷媒量調整器は、気液分離器と、前記気液分離器で分離した液冷媒が流入するレシーバタンクとを有し、前記バイパス回路は、前記気液分離器で分離されたガス冷媒が流入可能でその経路中に開閉弁が設けられており、前記調整装置は、前記開閉弁と、暖房運転時における前記気液分離器の上流側に設けられた前記膨張弁であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記冷媒量調整器は、暖房運転時に前記膨張弁を通った冷媒が流入するレシーバタンクからなり、前記バイパス回路は、前記レシーバタンク内のガス冷媒を流入可能で、前記調整装置としての流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
4. 前記調整装置は、圧縮機の負荷に応じてガス冷媒の量を調整することを特徴とする請求項１から請求項３にいずれか一項に記載の空気調和装置。
5. 前記調整装置は、前記レシーバタンクの上面から前記レシーバタンク内で液冷媒の液面下まで挿入された配管に高さ方向に沿って形成された開口部と、前記配管内に液冷媒の液面に連動して移動可能に挿入され、前記開口部の少なくとも一部を閉塞可能なフロートとをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の空気調和装置。
6. 前記冷媒量調整器は、暖房運転時に前記膨張弁を通った冷媒が流入するレシーバタンクからなり、前記バイパス回路は、前記レシーバタンク内のガス冷媒を流入可能で、前記調整装置として開閉弁と、前記レシーバタンクの上面から前記レシーバタンク内で液冷媒の液面下まで挿入された配管に高さ方向に沿って形成された開口部と、前記配管内に液冷媒の液面に連動して移動可能に挿入され、前記開口部の少なくとも一部を閉塞可能なフロートとを有することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

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