JP2008051464A

JP2008051464A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2008051464A
Application number: JP2006230722A
Authority: JP
Inventors: Shin Sekiya; 慎関屋; Shinichi Wakamoto; 慎一若本; Hiroaki Nakamune; 浩昭中宗
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】第１の冷媒回路と第２の冷媒回路の２つの冷媒回路から成り、熱搬送手段としてガスポンプを用いた空気調和装置において、冷房運転時および暖房運転時共に効率の良い適切な運転が可能となる空気調和装置を提供する。
【解決手段】冷媒回路が、第１の冷媒回路１と第２の冷媒回路２との２つの冷媒回路から成り、冷房運転と暖房運転との切り換えが可能な空気調和装置であって、第１の冷媒回路１は、圧縮機３、室外熱交換器４、膨張弁５、四方弁６、および中間熱交換器７で構成され、第２の冷媒回路２は、室内熱交換器８、ガスポンプ９、ガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量が冷房運転時と暖房運転時とで異なるように制御する流量制御機構１００、四方弁１０、および中間熱交換器７で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷房運転と暖房運転の切り換えが可能な空気調和装置に関するものである。

従来、第１の冷媒回路と第２の冷媒回路との２つの冷媒回路から成る空気調和装置において、第１の冷媒回路は、圧縮機、熱交換器、膨張機構、および第２の冷媒回路と熱交換するための中間熱交換器を備え、第２の冷媒回路は、熱交換器、冷媒を搬送するためのポンプ、および第１の冷媒回路と熱交換するための中間熱交換器を備えている。上記第２の冷媒回路においては、冷媒をガスポンプで搬送（例えば、特許文献１参照。）、または液ポンプで搬送（例えば、特許文献１〜３参照。）するのが一般的である。

特開平７−２６９９６４号公報（第５頁〜第６頁、図２、図３）特開平５−１２６４２５号公報（第２頁〜第３頁、図１）特開２００３−６５６１８号公報（第２頁〜第３頁、図１）

このような従来の空気調和装置において、冷房運転と暖房運転の切り換えを行うと、第２の冷媒回路においては、冷房運転時と暖房運転時における動作圧力が大きく異なり、ポンプが液ポンプの場合は問題ないが（冷房運転時と暖房運転時とで動作圧力が大きく異なっても、冷房運転時と暖房運転時とで液ポンプに吸入される液冷媒の密度変化は小さい。）、ポンプがガスポンプの場合は、ガスポンプに流入する冷媒がガスのため、ガスポンプに流入する冷媒密度は、冷房運転時と暖房運転時で大きく異なり、冷房運転時は低く、暖房運転時は高くなる。このため、冷房運転時と暖房運転時とで同じガスポンプを使用する場合には、冷房運転時と暖房運転時とで循環する冷媒の質量流量（以下、冷媒の循環量と記す。）は大きく異なることになり、冷暖房共に効率のよい適切な運転を行なうことが出来なかった。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、冷房運転時と暖房運転時とで共に適切な運転が可能となる空気調和装置を提供することを目的としている。

この発明の空気調和装置は、冷媒回路が、第１の冷媒回路と第２の冷媒回路との２つの冷媒回路から成り、冷房運転と暖房運転との切り換えが可能な空気調和装置であって、上記第１の冷媒回路は、圧縮機構、室外熱交換器、膨張機構、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための弁、および第２の冷媒回路と熱交換する中間熱交換器で構成され、第２の冷媒回路は、室内熱交換器、第２の冷媒回路内の冷媒を循環させるガスポンプ、上記ガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量が冷房運転時と暖房運転時とで異なるように制御する流量制御機構、および第１の冷媒回路と熱交換するための中間熱交換器で構成されるものである。

この発明によれば、冷房運転時と暖房運転時とで、ガスポンプによって搬送する冷媒の流量を調整できるので、冷房運転時と暖房運転時とも適正な運転が可能な空気調和装置が提供できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。図１において、冷媒回路は、第１の冷媒回路１と第２の冷媒回路２との２つの冷媒回路から成り、第１の冷媒回路１は、圧縮機（圧縮機構）３、室外熱交換器４、膨張弁（膨張機構）５、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための四方弁６、および第２の冷媒回路２と熱交換するための中間熱交換器７で構成されている。第２の冷媒回路２は、室内熱交換器８、第２の冷媒回路２内の冷媒を循環させ、熱を搬送するための可変速形ガスポンプ９、冷房運転時の可変速形ガスポンプ９の回転数が、暖房運転時の回転数より大きくなるように制御する流量制御機構１００、冷房運転と暖房運転とを切り換え、常に可変速形ガスポンプ９に同じ方向の流れを与えるための四方弁１０、および第１の冷媒回路１と熱交換するための中間熱交換器７で構成されている。また、第１の冷媒回路１内には第１の冷媒２０、第２の冷媒回路２には第２の冷媒２１が封入されている。

以下に、この発明の実施の形態１に示す冷凍空調装置の動作について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、冷房運転時、図２（ｂ）は暖房運転時を示しており、図中の矢印は冷媒の流れ方向を示す。
まず冷房運転時の動作を図２（ａ）において説明する。第１の冷媒回路１では、圧縮機３が駆動されると、低温、低圧ガスの第１の冷媒２０は高温・高圧のガスとなり、四方弁６を通って室外熱交換器４に流入する。室外熱交換器４に流入した第１の冷媒２０は、室外空気と熱交換され、冷却されて一部あるいは全部が凝縮する。液あるいは気液二相状態となった第１の冷媒２０は、膨張弁５を通って膨張し、低温・低圧の気液二相状態になって中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７に流入した第１の冷媒２０は、第２の冷媒２１を冷却し、ガス状態となって、四方弁６を通って再び圧縮機３に流入する。
一方、第２の冷媒回路２では、可変速形ガスポンプ９が駆動されると、低圧ガスの第２の冷媒２１は四方弁１０を通って中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７に流入した第２の冷媒２１は、低温状態にある第１の冷媒２０によって冷却され、液あるいは気液二相状態となって室内熱交換器８に流入する。室内熱交換器８に流入した第２の冷媒２１は、室内空気を冷却することにより蒸発する。蒸発し低圧ガスとなった第２の冷媒２１は、四方弁１０を通って再び可変速形ガスポンプ９に流入する。

次に、暖房運転時の動作を図２（ｂ）において説明する。第１の冷媒回路１では、圧縮機３が駆動されると、低温、低圧ガスの第１の冷媒２０は高温・高圧のガスとなり、四方弁６を通って中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７に流入した第１の冷媒２０は、第１の冷媒２０を加熱し、一部あるいは全部が凝縮する。液あるいは気液二相状態となった第１の冷媒２０は、膨張弁５を通って膨張し、低温・低圧の気液二相状態になって室外熱交換器４に流入する。室外熱交換器４に流入した第１の冷媒２０は、室外空気により加熱されガス状態となり、四方弁６を通って再び圧縮機３に流入する。
一方、第２の冷媒回路２では、可変速形ガスポンプ９が駆動されると、高圧ガスの第２の冷媒２１は四方弁１０を通って室内熱交換器８に流入する。室内熱交換器８に流入した第２の冷媒２１は、室内空気を加熱することにより、一部あるいは全部が凝縮する。液あるいは気液二相状態となった第２の冷媒２１は、中間熱交換器７に流入し、高温状態にある第１の冷媒２０によって加熱され蒸発する。高圧のガスとなった第２の冷媒２１は、四方弁１０を通って再び可変速形ガスポンプ９に流入する。

以上の動作において、第２の冷媒回路２内は冷房運転時には低圧、暖房運転時には高圧となる。したがって、可変速形ガスポンプ９に吸入される第２の冷媒２１の密度は冷房運転時には低く、暖房運転時には高くなるので、可変速形ガスポンプ９の回転数が一定の場合は、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の循環量が大きく異なり、冷房運転時、暖房運転時のどちらも高い効率で運転することは困難である。そこで、流量制御機構１００により、可変速形ガスポンプの回転数を制御する。すなわち、冷房運転時には可変速形ガスポンプ９の回転数を高くして体積流量を増加させ、暖房運転時には可変速形ガスポンプ９の回転数を低くして体積流量を減少させ、冷房運転時にガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量が、暖房運転時にガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量より多くなるように制御する。
その結果、冷暖房共に効率のよい、適切な運転が可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。図３において、第１の冷媒回路１の構成は、図１に示す実施の形態１と同じである。
第２の冷媒回路２は、室内熱交換器８、第２の冷媒回路２内の冷媒を循環させ、熱を搬送するための一定速形ガスポンプ９１、一定速形ガスポンプ９１の内部に取り込んだ冷媒の一部を、一定速形ガスポンプ９１の吸入側にバイパスさせるバイパス管９２、バイパス管９２を開閉するバイパス弁９３、冷房運転時および暖房運転時に、バイパス弁９３を開閉制御する流量制御機構１００、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための四方弁１０、および第１の冷媒回路１と熱交換するための中間熱交換器７で構成されている。
本実施の形態において、流量制御機構１００は、冷房運転時に、バイパス弁９３を閉じ、暖房運転時にはバイパス弁９３を開けて、一定速形ガスポンプ９１の内部に取り込んだ冷媒の一部を、該ガスポンプ９１の吸入側にバイパスさせている。

なお、本実施の形態の第２の冷媒回路２に用いる一定速形ガスポンプ９１は、ガスポンプ自体にバイパス管９２とバイパス弁９３とが設けられ、ガスポンプ内部に取り込んだ冷媒の一部をバイパス管９２を介してガスポンプの吸入側にバイパスさせる構成であるが、このような構成としては、例えば特開２０００−１６１２６３号公報に記載されるものがある。このような容量制御の行えるガスポンプを用い、流量制御機構１００により、暖房運転時にガスポンプの容量制御をおこなえば、本実施の形態の空気調和装置を実現することができる。

以下に、この発明の実施の形態２に示す冷凍空調装置の動作について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、冷房運転時、図４（ｂ）は暖房運転時を示しており、図中の矢印は冷媒の流れ方向を示す。ここで、第１の冷媒回路１の動作は図２と同じであるので、第２の冷媒回路２のみ説明する。
冷房運転時においては、一定速形ガスポンプ９１が駆動されると、低圧ガスの第２の冷媒２１は四方弁１０を通って中間熱交換器７に流入する。中間熱交換器７に流入した第２の冷媒２１は、低温状態にある第１の冷媒２０によって冷却され、液あるいは気液二相状態となって室内熱交換器８に流入する。室内熱交換器８に流入した第２の冷媒２１は、室内空気を冷却することにより蒸発する。蒸発し低圧ガスとなった第２の冷媒２１は、四方弁１０を通って再び一定速形ガスポンプ９１に流入する。この過程において、バイパス弁９３は閉じており、バイパス管９２には冷媒は流れない。

次に、暖房運転時においては、一定速形ガスポンプ９１が駆動されると、高圧ガスの第２の冷媒２１は四方弁１０を通って室内熱交換器８に流入する。室内熱交換器８に流入した第２の冷媒２１は、室内空気を加熱することにより、一部あるいは全部が凝縮する。液あるいは気液二相状態となった第２の冷媒２１は、中間熱交換器７に流入し、高温状態にある第１の冷媒２０によって加熱され蒸発する。高圧のガスとなった第２の冷媒２１は、四方弁１０を通って再び一定速形ガスポンプ９１に流入する。この過程において、バイパス弁９３は開けており、一定速形ガスポンプ９１内に取り込んだ冷媒の一部はバイパス管９２を通して、一定速形ガスポンプ９１の吸入側にバイパスされる。このため、暖房運転時には一定速形ガスポンプ９１から吐出される冷媒の体積流量を少なく調整できるので、実施の形態１と同様、常に適切な運転が可能となる。

なお、本実施の形態２において、一定速形ガスポンプ９１のかわりに可変速形ガスポンプを用い、該可変速形ガスポンプは、内部に取り込んだ冷媒の一部を、該ガスポンプの吸入側にバイパスさせるバイパス管と、該バイパス管を開閉するバイパス弁とを備えた構成としてもよい。この場合には、流量制御機構１００は、本実施の形態２で示した上記制御に加え、さらに可変速形ガスポンプの回転数を、冷房運転時と暖房運転時とでそれぞれ制御し、可変速形ガスポンプを移動する冷媒の体積流量を更に調整する。
このようにすれば、冷媒の循環量の調整幅がより広がるので、冷房運転時と暖房運転時における第２の冷媒回路２内の圧力差が大きい場合にも、暖房運転時の冷媒循環量をさらに調整できるようになり、より適切な運転が可能となる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。
実施の形態２においては、一定速形ガスポンプ９１は、ガスポンプ自体にバイパス管９２とバイパス弁９３とが設けられ、ガスポンプ内部に取り込んだ冷媒の一部をバイパス管９２を介してガスポンプの吸入側にバイパスさせる構成としたのに対して、本実施の形態３では、一定速形ガスポンプ９４を設けるが、この一定速形ガスポンプ９４自体にはバイパス管９２とバイパス弁９３とを設けず、第２の冷媒回路２の、一定速形ガスポンプ９４の吐出側と吸入側とをバイパス管１１で接続すると共に、該バイパス管１１を開閉するバイパス弁１２を設け、流量制御機構１００は、冷房運転時および暖房運転時に、上記バイパス弁１２を開閉制御するようにしている。すなわち、暖房運転時に、バイパス弁１２を開けて、一定速形ガスポンプ９４から吐出された冷媒の一部をガスポンプの吸入側にバイパスさせるようにしている。
このような構成としても、実施の形態２と同様、冷房運転時、暖房運転時とも常に適切な運転が可能となる。

なお、図５では、ガスポンプは一定速形ガスポンプ９４の場合を例示しているが、一定速形ガスポンプ９４のかわりに可変速形ガスポンプ９を用い、流量制御機構１００は、本実施の形態３で示した上記制御に加え、さらに可変速形ガスポンプ９の回転数を、冷房運転時と暖房運転時とでそれぞれ制御し、可変速形ガスポンプ９を移動する冷媒の体積流量を更に調整する。
このようにすれば、冷媒の循環量の調整幅がより広がるので、冷房運転時と暖房運転時における第２の冷媒回路２内の圧力差が大きい場合にも、冷房運転時および暖房運転時の両方に対し、より適切な運転が可能となる。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。図６において、第１の冷媒回路１の構成は、図１、図３、図５に示す実施の形態１〜３と同じである。
第２の冷媒回路２は、室内熱交換器８、冷房運転と暖房運転を切り換えるための四方弁１０、第１の冷媒回路と熱交換するための中間熱交換器７、並列に設けられた２台の一定速形ガスポンプ９４、２台のガスポンプ９４のうちの１方のガスポンプ９４の吸入側に設けられた開閉弁９５、および冷房運転時および暖房運転時に、開閉弁９５を開閉制御する流量制御機構１００で構成されている。
本実施の形態において、流量制御機構１００は、冷房運転時に、開閉弁９５を開け、一定速形ガスポンプ９４を２台とも駆動する。一方、暖房運転時においては、開閉弁９５を閉じ、開閉弁９５が設けられていない側の一定速形ガスポンプ９４のみを駆動する。この結果、暖房運転時には一定速形ガスポンプ９４から吐出される冷媒の体積流量が少なくなるように調整できるので、冷房運転時、暖房運転時共に、常に適切な運転が可能となる。

なお、図６では、ガスポンプは一定速形ガスポンプ９４の場合を例示しているが、一定速形ガスポンプ９４のかわりに可変速形ガスポンプ９を用いてもよい。この場合には、冷媒循流量の調整幅がより広がるので、冷房運転時と暖房運転時における第２の冷媒回路２内の圧力差が大きい場合にも対応することが可能である点は、実施の形態１〜３と同様である。
また、当然ながら一定速形ガスポンプ９４は３台以上並列に設けても良く、複数台のガスポンプのうちの一部のガスポンプの吸入側に開閉弁９５を設けた構成とし、流量制御機構１００により、冷房運転時と暖房運転時に、上記開閉弁９５を開閉制御すれば、さらに冷媒循環量の調整幅を広げることが可能となる。
なお、開閉弁９５は、一定速形ガスポンプ９４の吐出側に設けてもよい。

実施の形態５．
上記各実施の形態１〜４においては、第１の冷媒２０および第２の冷媒２１の種類は特定していないが、本実施の形態５においては、実施の形態１〜４の構成における第２の冷媒２１としてＣＯ₂を用いる。
図７は、空気調和装置用の冷媒として一般に用いられているＲ４１０Ａの飽和状態でのガス密度（破線）とＣＯ₂の飽和状態でのガス密度（実線）とを比較して示す図である。
図７において、縦軸は、温度５℃における各冷媒の飽和ガス密度を１としたときの飽和ガス密度、横軸は、温度を示している。横軸温度が高い方が暖房運転時、低い方が冷房運転時である。

図７から、同じ温度条件で比較すると、明らかにＣＯ₂冷媒の方が、暖房運転時と冷房運転時とでガス密度が大きく異なる。
したがって、第２の冷媒２１としてＣＯ₂を用いる場合には、流量制御機構１００が無いと、冷房運転時と暖房運転時との冷媒循環量の差がＲ４１０Ａ冷媒よりも、大きくなる。冷房運転時と暖房運転時とで体積流量差が拡大する。このため、第２の冷媒２１としてＣＯ₂を用いた場合には冷房運転時と暖房運転時とで必要となる容量制御幅が広がるため、本発明の構成を適用する効果がより顕著となる。

この発明の実施の形態１による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。この発明の実施の形態１による空気調和装置の動作を説明する冷媒回路図である。この発明の実施の形態２による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。この発明の実施の形態２による空気調和装置の動作を説明する冷媒回路図である。この発明の実施の形態３による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。この発明の実施の形態４による空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。この発明の実施の形態５による空気調和装置において、第２の冷媒をＣＯ₂冷媒またはＲ４１０Ａ冷媒としたときの飽和ガス密度を比較した図である。

符号の説明

１第１の冷媒回路、２第２の冷媒回路、３圧縮機、４室外熱交換器、５膨張弁、６，１０四方弁、７中間熱交換器、８室内熱交換器、９可変速形ガスポンプ、９１、９４一定速形ガスポンプ、１１，９２バイパス管、１２，９３バイパス弁、９５開閉弁、２０第１の冷媒、２１第２の冷媒、１００流量制御機構。

Claims

冷媒回路が、第１の冷媒回路と第２の冷媒回路との２つの冷媒回路から成り、冷房運転と暖房運転との切り換えが可能な空気調和装置であって、上記第１の冷媒回路は、圧縮機構、室外熱交換器、膨張機構、冷房運転と暖房運転とを切り換えるための弁、および第２の冷媒回路と熱交換する中間熱交換器で構成され、第２の冷媒回路は、室内熱交換器、第２の冷媒回路内の冷媒を循環させるガスポンプ、上記ガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量が冷房運転時と暖房運転時とで異なるように制御する流量制御機構、および第１の冷媒回路と熱交換するための中間熱交換器で構成されていることを特徴とする空気調和装置。
流量制御機構は、冷房転時にガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量が、暖房運転時にガスポンプ内を流れる冷媒の体積流量より多くなるように制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
ガスポンプを可変速形ガスポンプで構成し、流量制御機構は、上記可変速形ガスポンプの回転数を、冷房運転時と暖房運転時とで異なるように制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
流量制御機構は、可変速形ガスポンプの回転数を、冷房運転時の回転数が、暖房運転時の回転数より大きくなるように制御することを特徴とする請求項３記載の空気調和装置。
ガスポンプは、内部に取り込んだ冷媒の一部を、該ガスポンプの吸入側にバイパスさせるバイパス管と、該バイパス管を開閉するバイパス弁とを備えた構成とし、流量制御機構は、冷房運転時および暖房運転時に、上記バイパス弁を開閉制御することを特徴とする請求項１または３記載の空気調和装置。
流量制御機構は、冷房運転時にはバイパス弁を閉じ、暖房運転時にはバイパス弁を開けてガスポンプ内部に取り込んだ冷媒の一部を、該ガスポンプの吸入側にバイパスさせることを特徴とする請求項５記載の空気調和装置。
第２の冷媒回路は、ガスポンプの吐出側と該ガスポンプの吸入側とを接続するバイパス管と、該バイパス管を開閉するバイパス弁とを備えた構成とし、流量制御機構は、冷房運転時と暖房運転時に、上記バイパス弁を開閉制御することを特徴とする請求項１または３記載の空気調和装置。
流量制御機構は、冷房運転時にはバイパス弁を閉じ、暖房運転時にはバイパス弁を開けてガスポンプから吐出された冷媒の一部を該ガスポンプの吸入側にバイパスさせることを特徴とする請求項７記載の空気調和装置。
ガスポンプは、並列に配置した複数台のガスポンプから成り、上記複数台のガスポンプのうち一部のガスポンプの吸入側または吐出側に開閉弁を設けた構成とし、流量制御機構は、冷房運転時と暖房運転時に、上記開閉弁を開閉制御することを特徴とする請求項１または３記載の空気調和装置。
流量制御機構は、冷房運転時には開閉弁を全て開けて全てのガスポンプを駆動し、暖房運転時には上記開閉弁の全てまたは一部を閉じて上記開閉弁が閉じられたガスポンプ以外のガスポンプのみを駆動したことを特徴とする請求項９記載の空気調和装置。
第２の冷媒回路において使用される冷媒はＣＯ₂であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の空気調和装置。