JP2008292073A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】並列接続された複数の流路で形成される熱交換器の熱交換効率を向上させた空気調和機を実現する。
【解決手段】圧縮機と、四方弁と、冷房時に凝縮器となる室外熱交換器と、室内膨張弁６と、冷房時に蒸発器となる室内熱交換器４,５とを冷媒を循環する配管で連結して空気調和機を構成する。そして、室内熱交換器４,５を、並列接続された複数の分配流路を有して形成するとともに、この複数の分配流路の配置位置の近接する流路を１ブロック単位として、複数にブロック分けされたそれぞれのブロックごとに室内膨張弁６を設ける。さらに、制御手段１９は、各室内膨張弁６で減圧された冷媒温度が均一になるように各室内膨張弁の弁開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを形成してなる空気調和機に関する。

空気調和機は、圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧する膨張弁と、減圧された冷媒を蒸発する蒸発器などを、冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成している。

このような空気調和機において、蒸発器を並列接続された複数の分配流路で形成して、各分配流路を通流する冷媒と空気などを熱交換させることが知られている。

例えば、特許文献１には、室内機の内部に、複数の冷凍サイクル系統の室内熱交換器（蒸発器）を上下方向に積み重ねて配置し、各室内熱交換器の流路を、分流器を用いて並列の複数流路に分配することが記載されている。また、このような構成において冷凍サイクル系統ごとに容量制御を行うことによって、全体としての運転効率を高め、また、暖気と冷気が混ざることに起因する水飛びを抑制することができるとされている。

特開平１０−１３２３９９号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術は、複数冷凍サイクルの全体の運転効率を高めることには配慮されているが、各冷凍サイクル系統の室内熱交換器単体の熱交換効率を向上させることについて配慮されているとはいえない。

すなわち、特許文献１の技術では、室内熱交換器を並列接続の分配流路で形成しているため、各分配流路の配置位置の相違などに起因して熱交換条件が異なるにも関わらず、分配流路ごとの適切な冷媒流量の制御がなされず、全体として熱交換効率が抑制されるおそれがある。

特に、特許文献１のように、複数の分配流路を室内機の内部側面に上下方向の位置を異ならせて配置して、かつ送風ファンが室内機の側面から吸い込んだ空気を上方から吹き出す構成の場合、各分配流路と送風ファンとの距離はそれぞれ異なり、各分配流路を通過する単位時間あたりの送風量が異なる。その結果、分配流路ごとに熱交換時の冷媒温度分布のバラツキが顕著に発生し、全体の熱交換効率が抑制されるおそれがある。

そこで、本発明は、並列接続された複数の流路を有して形成される熱交換器の熱交換効率を向上させた空気調和機を実現することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の空気調和機は、圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成している。そして、蒸発器は、並列接続された複数の分配流路を有して形成されており、この複数の分配流路のそれぞれに膨張弁が設けられる。さらに、この各膨張弁で減圧された冷媒温度が均一になるように各膨張弁の弁開度を制御する制御手段が備えられてなることを特徴とする。

すなわち、分配流路ごとに膨張弁を設けて、各膨張弁の開度を制御して冷媒通流量を調整することにより、流路ごとの熱交換条件が異なっていても、各膨張弁で減圧された冷媒温度、つまり各分配流路の冷媒蒸発温度を所望の値に均一に調整することが可能となる。これにより、全ての分配流路において適切な熱交換を図ることができ、熱交換器全体の熱交換効率を向上させることができる。

また、このような構成によれば、例えば、一部の分配流路では送風量が多くて冷媒圧力、温度が高くなるにも関わらず、別の一部の分配流路では送風量が少なく冷媒圧力及び温度が低下して、結露による熱交換器への露付・水飛びが発生するなどの弊害を抑制することができる。

また、上述のように、並列接続された複数の分配流路のそれぞれに膨張弁を設ける構成に代えて、複数の分配流路の配置位置の近接する流路を１ブロック単位として、複数にブロック分けされたそれぞれのブロックごとに膨張弁を設けてもよい。この場合も同様に、各膨張弁で減圧された冷媒温度が均一になるように各膨張弁の弁開度を制御すればよい。

この構成は、ほぼ同じような送風条件であるとみなせる配置位置の近接した分配流路を１ブロックとして全体を複数のブロックに分割し、ブロックごとに膨張弁を設けるものである。これによれば、各分配流路の冷媒温度分布のバラツキを抑制して熱交換器全体の熱交換効率を向上させ、かつ膨張弁の部品点数を抑制することができる。

また、各膨張弁で減圧された冷媒の温度をそれぞれ検出する温度センサを設けて、制御手段を、制御周期ごとに各温度センサの検出温度と設定された基準温度とを比較し、基準温度より高い温度が検出された温度センサに対応する膨張弁の弁開度を増加させるとともに、基準温度より低い温度が検出された温度センサに対応する膨張弁の弁開度を低減させるように構成することができる。

また、蒸発器の複数の分配流路を、空気調和機の室外機及び室内機の少なくともいずれか一方の筐体内部の側面に上下方向の位置を異ならせて配置するとともに、蒸発器との熱交換空気を送風する送風ファンを筐体の上部に設け、筐体の側面から吸い込んだ空気を上方に送風するよう構成することができる。

このような蒸発器及び送風ファンの配置構成により、蒸発器全体に対して熱交換空気を通流させて熱交換量を確保しつつ、さらに、上述の分配流路ごとの冷媒通流量制御により冷媒温度分布のバラツキを抑制して熱交換効率を高めることができる。

本発明によれば、並列接続された複数の流路を有して形成される熱交換器の熱交換効率を向上させた空気調和機を実現することができる。

以下、本発明を適用してなる空気調和機の実施形態を図１〜４を用いて説明する。なお、以下は、１台の室内機に２つの冷凍サイクル系統の熱交換器が備えられる場合を例に説明するが、これに限らず、本発明は、単一の冷凍サイクル系統の場合も適用可能である。

図１は、本実施形態の空気調和機の室内機の冷凍サイクル構成を示す図であり、図２は、本実施形態の空気調和機の室外機の冷凍サイクル構成を示す図である。本実施形態の空気調和機は、図２に示す室外機２０が、図１に示す室内機１の２つの冷媒サイクル系統にそれぞれ接続されて構成される。

図１，２に示すように、室外機２０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、冷媒の流路を冷房及び暖房で切り替える四方弁１２と、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器１３と、冷媒の減圧を行う室外膨張弁１４と、冷凍サイクルで不要となった液冷媒を貯留する受液器１５などが、ガス冷媒配管１６及び液冷媒配管１７を介して連結されて構成されている。

また、室内機１には、冷媒の減圧を行う室内膨張弁６と、冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器４，５などが設けられており、これらはガス冷媒配管１６及び液冷媒配管１７を介して連結されている。そして、室外機２０と室内機１とが、ガス冷媒配管１６及び液冷媒配管１７で連結されて２系統の冷凍サイクルが形成されている。

ここで、本実施形態の室内機は、図１に示すように、各液冷媒配管１７が並列する３本のブロック流路１８に分岐しており、さらにこれらのブロック流路１８がそれぞれディストリビュータ３を介して３本に分岐している。そして、並列接続された９本の分配流路を有して室内熱交換器４，５が形成され、これらの分配流路のガス冷媒配管１６側は、９本の流路が１つに集合してガス冷媒配管１６に接続されている。

言い換えると、室内熱交換器４，５は、それぞれ並列接続の９本の分配流路を有して形成されており、分配流路の液冷媒配管１７側は、配置位置の隣接する３本の分配流路ごとにブロック分け（Ａブロック〜Ｆブロック）されている。そして、各ブロックを構成する３流路がディストリビュータ３によって集合してブロック流路１８をなし、さらに、３つのブロック流路１８が１つにまとまって液冷媒配管１７に接続されている。

そして、本実施形態では、ブロック流路１８ごとに室内膨張弁６が設けられており、各室内膨張弁６とディストリビュータ３との間には、温度センサ２が設けられている。また、室内熱交換器４，５のガス冷媒配管１６側の、９本の分配流路の集合部には、温度センサ７が設けられている。さらに、各温度センサ２及び各温度センサ７からの信号を入力として、各室内膨張弁６の弁開度の制御信号を出力する制御手段１９が設けられている。

このような空気調和機の基本的な動作を説明する。冷房運転の場合、図１，２の実線矢印で示すように、圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は圧縮機１１から吐出され、ガス冷媒が四方弁１２を経て、室外熱交換器１３へと流入し、ここで熱交換器して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は室外膨張弁１４を通り、余剰冷媒は受液器１５に貯留され、残りが液冷媒配管１７を解して室内機１へ送られる。

送られた液冷媒は、各ブロック流路１８に分岐した後それぞれ室内膨張弁６へ流入し、ここで低圧まで減圧されて低圧二相状態となり、室内熱交換器４，５で室内空気と熱交換して蒸発・ガス化する。その後、ガス冷媒は、ガス冷媒配管１６を介して室外機２０に流入して四方弁１２を経て圧縮機１１へ戻る。

暖房運転の場合、図１，２の破線矢印で示すように、圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、圧縮機１１から吐出され、四方弁１２，ガス冷媒配管１６を経て室内熱交換器４、５へ流入し、各分配流路で室内空気と熱交換して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、各室内膨張弁６を介して室外機２０へ流入し、受液器１５で余剰冷媒を回収された後、室外膨張弁１４で減圧され室外熱交換器１３で室外空気と熱交換して蒸発し、ガス化する。ガス化した冷媒は四方弁１２を経て圧縮機１１へ戻る。

ところで、本実施形態の空気調和機の室内機は、図３（ａ），（ｂ）に示すような構造を有している。図３（ａ）は、室内機の正面構造図であり、図３（ｂ）は室内機１の側面構造図である。図に示すように、室内機１の筐体内の側面に沿って、室内熱交換器４，５が上下に積み重ねられて配置されており、室内熱交換器ごとのブロックＡ〜Ｆも上下方向の位置を異ならせて配置されている。また、筐体内の上部に送風ファン８が設けられており、送風ファン８は、モータ９によってベルト１０を介して駆動される。これにより、筐体の側面から吸い込まれ室内熱交換器４，５を通過して熱交換された室内空気は、筐体上方から吹きだされる。

このような構造をもつ室内機での室内空気の流れについて、図４を用いて説明する。図４に示すように、室内熱交換器４，５の各ブロックＡ〜Ｆは、送風ファン８との位置関係に起因して、Ａから順にＦへ行くに従い熱交換器を通過する風速が早くなる。このため、単位時間あたりの送風量がブロックごとに異なり、熱交換条件にバラツキが生じる。仮に、各ブロックＡ〜Ｆにおいて同等の冷媒流量が通流している場合は、ブロックごとに冷媒温度分布にバラツキが生じ、これにより熱交換器全体の熱交換効率が抑制されることとなる。

そこで、本実施形態の特徴部である制御手段１９は、例えば冷房運転時に以下のような制御を行っている。まず、基本的な制御として、各温度センサ２，７の検出温度を入力として、温度センサ２と７との差温に基づいて、圧縮機１１の吸入側の過熱度などが適切な範囲内になるように室内膨張弁６の弁開度を調整している。

これに加えて、本実施形態では、制御手段１９は、制御周期ごとに、各温度センサ２で検出された室内膨張弁６で減圧された冷媒温度（ｔ）と、予め設定された基準温度（ｔ´）とをそれぞれ比較する。そして、基準温度より冷媒温度が高いとき（ｔ＞ｔ´のとき）は、その冷媒温度が検出された温度センサ２に対応する室内膨張弁６の弁開度を増加させる信号を出力する。また、基準温度より冷媒温度が低いとき（ｔ＜ｔ´）は、その冷媒温度が検出された温度センサ２に対応する室内膨張弁６の弁開度を低減させる信号を出力する。

このように、制御手段１９は、各室内膨張弁６で減圧された冷媒温度が均一になるように各室内膨張弁６の弁開度を制御して冷媒流量調整を行っている。これによれば、１台の室内機内に配置される熱交換器の分配流路ごと、あるいはブロックごとの熱交換条件が異なっていても、各室内膨張弁で減圧された冷媒温度、つまり各分配流路の冷媒蒸発温度を所望の値に均一に調整することが可能となる。これにより、全ての分配流路において熱交換の最適化を図ることができ、熱交換器全体の熱交換効率を向上させることができる。

また、これにより、熱交換器内の温度分布のバラツキに起因して発生する露付・水飛びを、冷媒配管の長さ、配管径などの調整によらず抑制することができる。特に、出力馬力の大きい空気調和機の室内熱交換器は大型であり、室内機内での配置条件や送風ファンとの位置関係などに起因する熱交換条件のバラツキが顕著となるが、本実施形態の制御を適用することで、分配流路ごとの熱交換を最適化し、熱交換効率を向上させることができる。

なお、本実施形態では、複数の分配流路を、Ａ〜Ｆのブロックに分けて、各ブロックの冷媒温度を均一にする場合を説明したが、これは、厳密には異なるものの、配置位置の近接する分配流路では、ほぼ同様の熱交換条件であるとみなしているためである。したがって、分配流路の配置条件などに考慮して、１ブロックの流路本数を適宜変更してもよい。また、例えばブロック分けをせずに、分配流路ごとに室内膨張弁を設けて、上述と同様の制御を行うことも可能である。また、温度センサ２により検出された温度に基づいて弁開度の制御を行っているが、これに代えて、例えば冷媒圧力などを適用してもよい。

また、本実施形態では、冷房運転時に蒸発器として作用する室内熱交換器に対して、各室内膨張弁による冷媒流量制御を行う場合を説明したが、暖房運転時に蒸発器として作用する室外熱交換器に同様の構成及び制御を適用することも可能である。

本実施形態の空気調和機の室内機の冷凍サイクル構成を示す図である。 本実施形態の空気調和機の室外機の冷凍サイクル構成を示す図である。 本実施形態の空気調和機の室内機の正面及び側面構造図である。 室内熱交換器の分配流路ごとの風速分布を説明する図である。

符号の説明

１ 室内機
２，７ 温度センサ
３ ディストリビュータ
４，５ 室内熱交換器
６ 室内膨張弁
８ 送風ファン
９ モータ
１０ ベルト
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器
１４ 室外膨張弁
１５ 受液器
１６ ガス冷媒配管
１７ 液冷媒配管
１８ ブロック流路
１９ 制御手段
２０ 室外機

Claims (4)

1. 圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成してなる空気調和機であって、
   前記蒸発器は、並列接続された複数の分配流路を有し、該複数の分配流路のそれぞれに前記膨張弁が設けられるとともに、該各膨張弁で減圧された冷媒温度が均一になるように前記各膨張弁の弁開度を制御する制御手段が備えられてなることを特徴とする空気調和機。
2. 圧縮機と、四方弁と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成してなる空気調和機であって、
   前記蒸発器は、並列接続された複数の分配流路を有し、該複数の分配流路の配置位置の近接する流路を１ブロック単位として、複数にブロック分けされたそれぞれのブロックごとに前記膨張弁が設けられるとともに、該各膨張弁で減圧された冷媒温度が均一になるように前記各膨張弁の弁開度を制御する制御手段が備えられてなることを特徴とする空気調和機。
3. 前記各膨張弁で減圧された冷媒の温度をそれぞれ検出する温度センサが設けられ、前記制御手段は、制御周期ごとに各温度センサの検出温度と設定された基準温度とを比較し、基準温度より高い温度が検出された温度センサに対応する膨張弁の弁開度を増加させるとともに、基準温度より低い温度が検出された温度センサに対応する膨張弁の弁開度を低減させることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機。
4. 前記蒸発器の複数の分配流路は、空気調和機の室外機及び室内機の少なくともいずれか一方の筐体内部の側面に上下方向の位置を異ならせて配置され、前記蒸発器との熱交換空気を送風する送風ファンは、前記筐体の上部に設けられ、筐体の側面から吸い込んだ空気を上方に送風するよう構成されてなることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。

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