JP2014129895A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】
圧縮機に、二相状態の冷媒を吸入することで、吐出温度の上昇を抑制することができるが、液冷媒を圧縮した場合、圧縮機が劣化するおそれがある。そこで、本発明は、サクションタンク内で冷媒を蒸発させ、冷媒の潜熱で圧縮機を冷やしつつ、圧縮機の劣化を防ぐことを目的とする。
【解決手段】
本発明の空気調和機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、サクションタンクを順次配管接続した冷凍サイクルと、圧縮機及びサクションタンクに接する熱交換手段と、を備え、冷媒としてＲ３２を用い、サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０より小さい。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気調和機に関する。

近年地球温暖化の観点から地球温暖化係数の小さい冷媒が着目されており、現在主な空気調和機で用いられているＲ４１０Ａよりも地球温暖化係数の小さいＲ３２などの冷媒が検討されている。

しかし、Ｒ３２はＲ４１０Ａよりも断熱圧縮時のエンタルピ変化が大きいため、同じ能力を出そうとすると吐出温度が上昇し、圧縮機の樹脂材料や磁石の劣化が進み、長期信頼性が低下するおそれがある。

このような問題に対し、特許文献１には、圧縮機に乾き度０．６５以上かつ０．８５以下のＲ３２冷媒を吸入することが記載されている。特許文献１によれば、吐出温度の上昇を抑制することができる。

特許３９５６５８９号公報

特許文献１に記載の空気調和機は、冷媒の一部を液体の状態のまま、圧縮機に吸入している。

しかしながら、液体はそもそも圧縮することができない。そのため、特許文献１に記載の空気調和機は、圧縮機に吸入した液体状態の冷媒を圧縮前に蒸発させる必要がある。仮に、蒸発できずに液体状態の冷媒を圧縮した場合、圧縮機が劣化するおそれがある。

そこで、本発明は、冷媒の潜熱で圧縮機を冷やしつつ、圧縮機の劣化を防ぐことを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の空気調和機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、サクションタンクを順次配管接続した冷凍サイクルと、圧縮機及びサクションタンクに接する熱交換手段と、を備え、冷媒としてＲ３２を用い、サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０より小さい。

本発明によれば、サクションタンク内で冷媒が蒸発するため、冷媒の潜熱で圧縮機を冷やしつつ、圧縮機の劣化を防ぐことができる。

空気調和機の冷媒回路構成図 圧縮機とサクションタンクを上方から見た図 圧縮機とサクションタンクを横から見た図 空気調和機の運転モード選択フローチャート

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、空気調和機の冷媒回路構成図である。空気調和機１は、圧縮機２、流路切換弁（例えば四方弁）３、室外熱交換器４、膨張弁５、室内熱交換器６、サクションタンク７を環状に接続した回路で構成される。

また、空気調和機１は制御部５０及び温度検出部５１、温度検出部５２、温度検出部５３、温度検出部５４及び温度検出部５５を備え、制御部５０は温度検出部５１〜５５で検出した温度を取得し、空気調和機１を制御する。具体的には、制御部５０は、流路切替弁３の切換や膨張弁５の弁開度、圧縮機２の回転数、室外熱交換器４と室内熱交換器６の空気側の交換熱量を制御する。

圧縮機２とサクションタンク７は冷媒が通過する配管のほかに、熱交換手段８を介して熱的に接触している。

次に、空気調和機１の各機器の動作について図１を用いて説明する。空気調和機１の運転モードが「冷房」である場合、流路切替弁３を切り替えることで、冷媒は図１の実線矢印の方向へ流れる。

圧縮機２から吐出された冷媒は、流路切替弁３の実線で示した流路を介して、室外熱交換器４に供給される。そして、室外熱交換器４から排出された冷媒は、膨張弁５で減圧膨張し、室内熱交換器６に供給される。室内熱交換器６から排出された冷媒は、流路切替弁３の実線で示した流路を介して、サクションタンク７及び圧縮機２に戻る。

また、空気調和機１の運転モードが「暖房」である場合、流路切替弁３を切り替えることで、冷媒は図１の破線矢印の方向へ流れる。圧縮機２から吐出された冷媒は、流路切替弁３の破線で示した流路を介して、室内熱交換器６に供給される。そして、室内熱交換器６で凝縮した冷媒は、膨張弁５で減圧膨張し、室外熱交換器４に供給される。室外熱交換器４で蒸発した冷媒は、流路切替弁３の破線で示した流路を介して、サクションタンク７及び圧縮機２に戻る。

室外熱交換器４及び室内熱交換器６は、冷媒と空気を熱交換させる。例えば、室内熱交換器６をフィンチューブ形式で構成し、プロペラファンや貫流ファンなどで室内の空気をフィンに通流させ、フィンを貫通する管の内部に冷媒を通流させることで、冷媒と空気を熱交換させる。

サクションタンク７は、液体状態の冷媒を溜め、気体状態の冷媒を排出する。サクションタンク７を設けることで、運転開始時などで、冷媒が液のまま圧縮機２で圧縮され、信頼性が損なわれることを防ぐことができる。また、圧縮機２は容積型であり、回転数が可変である。

次に、圧縮機２、サクションタンク７及び熱交換手段８について、図２及び図３を用いて説明する。図２は圧縮機とサクションタンクを上方から見た図である。図３は圧縮機とサクションタンクを横から見た図である。

配管Ａは圧縮機２の吐出口に接続する配管、配管Ｂはサクションタンク７の入口に接続する配管、配管Ｃはサクションタンク７の出口と圧縮機２の入口を接続する配管である。

熱交換手段８は、圧縮機２及びサクションタンク７に物理的に接触しており、圧縮機２とサクションタンク７は熱交換手段８を介して熱交換する。熱交換手段８は熱伝導率が高く、かつ、圧縮機２およびサクションタンク７と低い熱抵抗で接続可能な物質であることが望ましい。例えば、鋼などの鉄や銅・アルミなど熱伝導率が比較的高く、溶接やロウ付けなどで圧縮機２およびサクションタンク７と接続することで、熱抵抗を低く抑えることができる。また、圧縮機２およびサクションタンク７との距離を短くして、熱交換手段８の厚みを薄くすることで、熱抵抗を低く抑えることができる。

熱交換手段８の熱伝導率λと厚みｔは式（１）で熱通過率Ｋｃ（＝１／熱抵抗）として表すことができる。
〔数１〕
Ｋｃ（ｋＷ／ｍ²Ｋ）＝λ（ｋＷ／ｍＫ）／ｔ（ｍ）…（１）

サクションタンク７内の冷媒の熱伝達率αは、冷媒が二相状態であれば数千〜１万（Ｗ／ｍ²Ｋ）であるが、気体の場合は数百（Ｗ／ｍ²Ｋ）である。

サクションタンク７と圧縮機２の熱通過率Ｋは接触面積を一定として圧縮機２を基準とすれば、熱通過率は式（２）で表すことができる。
〔数２〕
１／Ｋ（ｋＷ／ｍ²Ｋ）＝１／Ｋｃ＋１／α…（２）

そして、式（２）で求めた熱通過率と熱交換手段８の接触面積とから、接触部８による熱交換量を計算することができる。

ここで、Ｒ３２はＲ４１０Ａよりも断熱圧縮時のエンタルピ変化が大きいため、同じ能力を出そうとすると吐出温度が上昇し、圧縮機２の樹脂材料や磁石の劣化が進み、長期信頼性が低下するおそれがある。

このような問題に対し、圧縮機２に二相状態の冷媒を吸入することで、吐出温度の上昇を抑制することができる。しかしながら、圧縮機２が液体を含む冷媒を吸入すると、体積がほとんど変化しない液を圧縮してしまい、圧縮機２の圧縮室に大きな負荷がかかり信頼性を損ねてしまう。

そこで、本実施例の空気調和機は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、サクションタンクを順次配管接続した冷凍サイクルと、圧縮機及びサクションタンクに接する熱交換手段と、を備え、冷媒としてＲ３２を用い、サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０より小さくしている。

本実施例の空気調和機は、熱交換手段８を介して圧縮機２とサクションタンク７とを熱交換させ、サクションタンク７にある液冷媒を蒸発させ、圧縮機２に液冷媒が入るのを防いでいる。また、液冷媒の蒸発によって、熱交換手段８を介して圧縮機２の熱が奪われるので、圧縮機２を冷却することができる。本実施例によれば、圧縮機２とサクションタンク７が熱交換手段８を介して熱交換するので、冷媒の潜熱によって圧縮機２を冷却しつつ、液圧縮を防ぐことができる。

さらに、本実施例の空気調和機は、サクションタンク７の出口における冷媒の乾き度を１．０以上にしている。本実施例によれば、圧縮機２が液体を含む冷媒を吸入するのを防ぎ、圧縮機２の信頼性を保つことができる。

本実施例のサクションタンク７は油戻し穴を有している。油戻し穴は、サクションタンク７に溜まった油を圧縮機２に戻す役割を担うが、同時に液冷媒も油戻し穴を通って圧縮機２に戻るおそれがある。

そこで、本実施例の空気調和機は、熱交換手段８の少なくとも一部は、サクションタンク７の油戻し穴よりも下方に位置する。サクションタンク７の油戻し穴よりも下方に液冷媒が溜まるため、熱交換手段８がサクションタンク７のうち液冷媒が溜まっている箇所と直接熱交換することができる。従って、本実施例によれば、圧縮機２とサクションタンク７との熱交換量をさらに増加させることができる。

次に、具体的な制御方法について、図４を参照しつつ説明する。図４は空気調和機の運転モード選択フローチャートである。

まず、外気温度や圧縮機回転数、温度検出手段５１により検出される吐出温度Ｔｄ（以下「実Ｔｄ」という。）と、予め定められている信頼性確保のための第１の設定温度（以下「上限Ｔｄ」という。）の比較を行う。実Ｔｄが上限Ｔｄより大きくなると、圧縮機２を冷却するための制御に切り替わる（１０１）。本実施例では、例えば上限Ｔｄを８０℃と設定し、実Ｔｄが８０℃よりも大きい場合に圧縮機２を冷却するための制御に切り替える。

一方、実Ｔｄが上限Ｔｄより小さい場合は通常の運転を継続する（１０４）。このとき、サクションタンク７の内部における冷媒は気体であり、気相状態の熱伝達率は二相状態よりも小さい。そのため、熱交換手段８が圧縮機２及びサクションタンク７に接していたとしても、圧縮機２の吐出温度Ｔｄの低下幅は少ない。

圧縮機２を冷却するための制御に切り替わると、サクションタンク７の入口を二相状態にして、サクションタンク７の出口を気相状態にする制御を行う。

まず、サクションタンク７の入口で冷媒を二相状態にするために、蒸発温度Ｔｅとサクションタンク７入口温度Ｔｓｔｉｎの差に基いて、サクションタンク７の入口で冷媒が二相状態であるか気相状態であるかを判定する（１０２）。

サクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎが蒸発温度Ｔｅよりも大きい場合、サクションタンク入口は気相状態であると判定し、膨張弁５の開度を大きくする（１０５）。一方、サクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎが蒸発温度Ｔｅよりも小さい場合、サクションタンク７の入口は二相状態であると判定する。このように制御することで、サクションタンク７の入口を二相状態にすることができる。

次に、サクションタンク７の出口で冷媒を気相状態にするために、サクションタンク７の出口温度Ｔｓｔｏｕｔとサクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎの差に基いて、サクションタンク７の入口で冷媒が二相状態であるか気相状態であるかを判定する（１０３）。

サクションタンク７の出口温度Ｔｓｔｏｕｔがサクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎと同じ、又は、サクションタンク７の出口温度Ｔｓｔｏｕｔがサクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎより小さいときは、サクションタンク７の出口は二相状態であると判定し、膨張弁５の開度を小さくする（１０６）。一方、サクションタンク７の出口温度Ｔｓｔｏｕｔがサクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎ以上の場合は、サクションタンク７の出口は気相状態であると判定し、運転が継続される（１０４）。このように制御することにより、サクションタンク７に液冷媒が溜まり、サクションタンク７の出口から液冷媒が溢れ出すのを防ぐことができる。

以上説明した通り、本実施例によれば、サクションタンク７の入口を二相状態にし、サクションタンク７の出口を気相状態にして、冷媒の潜熱によって圧縮機２を冷却しつつ、液圧縮を防ぐことができる。また、圧縮機２の吸込側冷媒は気相状態であるため、圧縮機２へ液冷媒が入ることを防ぎ、圧縮機２の圧縮室にある冷凍機油が液冷媒で流されてしまうことを防ぐことができる。

蒸発温度Ｔｅは、冷房運転では温度検出手段５４、暖房運転では温度検出手段５５により検出された温度を、蒸発器からサクションタンク７までの配管による冷媒圧力損失分を圧縮機２の回転数に応じて補正した値である。例えば、冷房運転で室内熱交換器６の蒸発温度を温度検出手段５４が１０℃と検出すると、室内熱交換器６からサクションタンク７までの配管による冷媒圧力損失分を圧縮機２の回転数に応じて補正して、蒸発温度Ｔｅが６℃と設定される。

なお、室内熱交換器６からサクションタンク７までの配管による冷媒圧力損失分は、圧縮機２の回転数に応じて可変させずに、一律に定めた値としてもよい。

また、サクションタンク７の入口温度Ｔｓｔｉｎは温度検出手段５２より検出される値である。

本実施例では、サクションタンク７の入口を二相状態、及び、サクションタンク７の出口を気相状態にするために、膨張弁５を制御することについて説明したが、圧縮機２の回転数、室内ファンの回転数、室外ファンの回転数を制御してもよい。

１…空気調和機、２…圧縮機、３…流路切換弁、４…室外熱交換器、５…膨張弁、６…室内熱交換器、７…サクションタンク、８…熱交換手段、９…油戻し穴、５０…制御部、５１、５２、５３、５４、５５…温度検出手段

Claims (5)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、サクションタンクを順次配管接続した冷凍サイクルと、
   前記圧縮機及び前記サクションタンクに接する熱交換手段と、を備え、
   冷媒としてＲ３２を用い、
   前記サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０より小さい空気調和機。
2. 前記蒸発器における蒸発温度が前記サクションタンクの入口温度よりも小さいときは、前記サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０以上であると判定し、
   前記蒸発器における蒸発温度が前記サクションタンクの入口温度よりも大きいときは、前記サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０より小さいと判定し、
   前記サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０以上であるときに、前記膨張弁の開度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記サクションタンクの出口における冷媒の乾き度が１．０以上であ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. 前記サクションタンクの出口温度が前記サクションタンクの入口温度よりも大きいときは、前記サクションタンクの入口における冷媒の乾き度が１．０以上であると判定し、
   前記サクションタンクの出口温度が前記サクションタンクの入口温度と同じ、又は、前記サクションタンクの出口温度が前記サクションタンクの入口温度より小さいときは、前記サクションタンクの出口における冷媒の乾き度が１．０より小さいと判定し、
   前記サクションタンクの出口における冷媒の乾き度が１．０より小さいときに、前記膨張弁の開度を小さくすることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。
5. 前記サクションタンクは油戻し穴を有し、
   前記熱交換手段の少なくとも一部は前記油戻し穴より下方に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の空気調和機。