JP4179595B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮機式のヒートポンプサイクルを有する空気調和機に関し、特に運転効率を向上し、省エネルギ化を図るものに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空気調和機において、広い能力範囲で成績係数の高い運転を実現するため、インジェクション回路を設け、インジェクション運転または非インジェクション運転のうち成績係数の高い方の運転を選択することが知られ、例えば特開平１０−１７６８６６号公報に記載されている。
また、ガスインジェクションをする際に、少量の液冷媒を混入させると圧縮機の冷却効果により、圧縮機の効率が向上し省エネ性が向上するので、ガスインジェクションサイクルにおいて、２つの膨張弁の開度を変えて、気液分離器内のインジェクション圧力を上昇させ、インジェクションガス冷媒に液冷媒を混入させることが知られ、例えば、特開２００１−１１６３７３号公報に記載されている。
【特許文献１】
特開２００１−１１６３７３号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、膨張弁制御によりガスインジェクション時に液冷媒を混入するものは、１台の室外機に複数台の室内機が接続されているマルチ式の場合や、室外機と室内機の接続配管長が長い場合には、配管内の圧力損失の影響が大きくなり、膨張弁の減圧調整代の裕度が小さくなり、必ずしも適正な液冷媒混入状態を作り出すことが難しい。
【０００４】
本発明の目的は、サイクルの運転状態、サイクル構成に係わらず、省エネ性が高くサイクル効率（成績係数：ＣＯＰ）の良い運転が可能な空気調和機を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、使用環境の実情に合わせて効率を向上し、年間を通じて高い成績係数（省エネ性の高い）の運転が可能な空気調和機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、第一減圧装置、レシーバ、第二減圧装置、利用側熱交換器を順次配管で接続した冷凍サイクルを有する空気調和機において、前記レシーバ内のガス冷媒を取り出すように該レシーバの上部に接続されると共に前記圧縮機へ接続するインジェクション回路と、前記レシーバ内の液冷媒を取り出すように設けられ且つ前記インジェクション回路に接続される液冷媒抽出管と、この液冷媒抽出管に設けられた流量調整弁とを備え、
この流量調整弁を調整することで前記インジェクション回路のガス冷媒に前記レシーバ内の液冷媒を任意の量混入させて前記圧縮機へインジェクション可能に構成したことを特徴とするものである。
本発明の他の特徴は、圧縮機、熱源側熱交換器、第一減圧装置、レシーバ、第二減圧装置、利用側熱交換器を順次配管で接続した冷凍サイクルを有する空気調和機において、前記レシーバ内のガス冷媒を取り出すように該レシーバの上部に接続されると共に前記圧縮機の圧縮室へ接続するインジェクション回路と、前記レシーバと前記第二減圧装置とを接続する前記配管の途中に設けられ開度調整可能な膨張弁で構成された第三減圧装置と、前記レシーバから流出し前記第三減圧装置で減圧されて温度の低下した冷媒と前記インジェクション回路に導かれたガス冷媒とを熱交換させるためのガス液熱交換器とを備えていることにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例の空気調和機のヒートポンプサイクルのシステム構成を示し、圧縮機１、四方弁２、熱源側熱交換器（室外熱交換器）３、第一膨張弁４、レシーバ５、阻止弁６、第二膨張弁７ａ、７ｂ、利用側熱交換器（室内熱交換器）８ａ、８ｂ、阻止弁９、そして圧縮機１を順に配管で接続している。また、レシーバ５と圧縮機１の圧縮過程の圧縮室とを結ぶインジェクション回路１０７を有し、インジェクション回路１０７には開閉弁（電磁弁１１）を設ける。さらに、インジェクション回路１０７には、レシーバからの液冷媒抽出管１０８が接続しており、液冷媒抽出管１０８には流量調整弁１０を設けている。流量調整弁１０は閉め切りができる弁のものが望ましい。レシーバ５は余剰冷媒を溜めるための機能とガス冷媒と液冷媒とを分離する気液分離機能を有し、レシーバ機能と気液分離機能はレシーバと気液分離器を各々設けることで良いが、設置スペースを最小とすること及びコストの面からレシーバに両方の機能を持たせる事が良い。
【０００９】
図1は冷房運転時の冷媒の流れを示し、圧縮機１で高温高圧のガスとなった冷媒は、四方弁２により熱源側熱交換器（室外熱交換器）３に向かう。熱源側熱交換器３では、送風される空気に放熱し（送風系は図示省略）、冷媒は凝縮し、気液二相、飽和液もしくは過冷却液冷媒のいずれかの状態となる。状態の決定は、第一膨張弁４の絞り量により制御される。第一膨張弁４を通過した冷媒は、減圧され気液二相の状態となりレシーバ５に流入する。レシーバ５からは飽和液冷媒または気液二相冷媒が取り出され、その後、阻止弁６を通過し第二膨張弁７ａ、７ｂに至る。冷媒は第二膨張弁７ａ、７ｂで室内空気よりも低い温度の気液二相冷媒となり、利用側熱交換器（室内熱交換器）８ａ、８ｂに流入する。利用側熱交換器８ａ、８ｂにおいて、送風される室内空気から吸熱し（送風系は図示省略）、ガス冷媒となり圧縮機１に戻る。
【００１０】
暖房運転時の冷媒の流れは、四方弁２を切り替えることで冷媒を逆に流して行われる。上記説明は、室外機２１に対して２台の室内機が接続されているマルチ機の場合で行ったが、室外機２１に対し、室内機２２ａもしくは室内機２２ｂの何れか１台が接続しているシングル機の場合も同様である。
【００１１】
インジェクション回路１０７はレシーバ５の上部に接続され、レシーバ内のガス冷媒を取り出す。インジェクションの方法には、レシーバ５から取り出す冷媒の状態により２種類あり、液または気液二相の冷媒を取り出し圧縮機１にインジェクションをした場合にはリキッドインジェクションとなり、飽和ガス冷媒を取り出し圧縮機１にインジェクションした場合はガスインジェクションとなる。
【００１２】
以下、ガスインジェクションをするものとして説明する。ガスインジェクションの駆動力は、圧縮機１のインジェクションされる圧縮室の圧力とレシーバ５の圧力との圧力差である。従って、レシーバ５の圧力が圧縮機１の圧縮室内圧力よりも高い場合にガスインジェクションされる。抽出管１０８はレシーバ５の下部に接続され、レシーバ内の液冷媒を取り出すことができる。インジェクション回路１０７を流れるガス冷媒と抽出管を流れる液冷媒は合流点１０９で混合され、気液二相の状態で圧縮機１の圧縮過程にインジェクションされる。
【００１３】
液冷媒の混入量は、流量調整弁１０にて調整し、混入量ゼロから任意の液冷媒量まで可変として調整する。但し、液冷媒の混入量は少量であり、例えば乾き度（＝ガス冷媒質量流量／（ガス冷媒質量流量＋液冷媒質量流量））で０．９５以上とする。流量調整弁１０による液冷媒量の制御は、例えば第一膨張弁や第二膨張弁の制御に使用されているように、開度設定のテーブルを用意してプログラミングし、制御プログラムとすれば良い。開度設定に使用するサイクル状態等のパラメータとしては、例えば外気温度、圧縮機温度（圧縮機吐出温度に対応）、第一膨張弁、第二膨張弁の弁開度のいずれかを２つ以上用いる。また、インジェクション回路１０７の開閉弁１１は、電磁弁の代わりに膨張弁とすればより木目細かい制御が可能となる。
【００１４】
以上の空気調和機は、冷房運転、暖房運転時の各々について、また室外機２１と室内機２２ａ、２２ｂとの間の接続配管１０４、１０５の長さが長く、圧力損失が大きい場合でも、第一膨張弁４、第二膨張弁７ａ、７ｂの開度に関係なく、レシーバ５から任意の量の液冷媒を取り出し、インジェクションガス冷媒に混入させることが可能である。そのためサイクルの運転状態に応じ、１００％ガス冷媒のガスインジェクションから少量の液冷媒を含んだガスインジェクションまでの状態を作り出すことができる。さらに、液冷媒量を多くすれば実質的にリキッドインジェクションとすることも可能となる。つまり、サイクルの運転状態に応じ、圧縮機へインジェクションする冷媒をガス冷媒から液冷媒まで可変とすることが良い。
【００１５】
図２は本発明に対する参考例としての空気調和機のヒートポンプサイクルのシステム構成を示している。インジェクション回路１０７と液冷媒抽出管１０８との合流部にエゼクタ１２を設け、インジェクションガス冷媒がエゼクタの縮流部を通過する時の圧力とレシーバ５内の圧力差でレシーバ５内の液冷媒を抽出するものである。この場合、エゼクタ部の圧力は、インジェクションガス冷媒の流量の２乗に反比例するので、自動的にインジェクションガス冷媒の流量に応じた液冷媒量を抽出することが可能である。抽出する液冷媒量を調整するには、液冷媒抽出管１０８の途中に流量調整弁を設けたり、キャピラリ−チューブを設けたりすれば良く、より厳密に液冷媒の流量を制御できる。
【００１６】
図３は本発明の他の実施形態による空気調和機のヒートポンプサイクルのシステム構成を示している。本例では、レシーバ５内から液冷媒を抽出し、インジェクションガス冷媒に混入するのではなく、インジェクションガス冷媒そのものを冷却し、その一部を液化している。図３では、冷房運転時のガスインジェクションにおいて、液冷媒混入ができるようにした構成を示している。レシーバ５と阻止弁６の間にレシーバ側から第三膨張弁１３、ガス液熱交換器１４を配置し、レシーバ５を流出した冷媒は第三膨張弁１３で減圧され冷媒温度がレシーバ内の冷媒温度よりも低くなる。この冷媒と、インジェクション回路１０７を流れるインジェクションガス冷媒とをガス液熱交換器１４で熱交換し、インジェクションガス冷媒の一部を液化する。液化する冷媒量は、第三膨張弁の弁開度による減圧量に応じ変化する冷媒温度で制御する事ができる。第三膨張弁での減圧が無ければ、インジェクションガス冷媒とレシーバ後の冷媒との冷媒温度差が無いので熱交換はされず液化は生じない。この時、１００％ガス冷媒のガスインジェクションとなる。図示はしていないが、暖房運転時にも使用するには、図３に示す冷媒流れ方向でレシーバ５の上流側に同様のものを設ければよい。またはレシーバ５をブリッジ回路内に設け、レシーバ５に流入する方向と流出する流れ方向を一方向に規定し、レシーバ下流側に同様な構成（第三膨張弁１３、ガス液熱交換器１４）を設ける。ブリッジ回路は、例えば４つの逆止弁を組み合わせる事で、レシーバ５に流れる冷媒方向を一方向に決めることができる。
【００１７】
図４、図５は本発明に対する他の参考例としての空気調和機のヒートポンプサイクルのシステム構成を示している。本例では、インジェクション回路１０７にレシーバ５内のガス冷媒の取り出し口と液冷媒抽出口を独立して設けている。図５はレシーバ５内のインジェクション回路１０７の詳細を示し、インジェクション回路１０７には、その端部１９がレシーバ５の下部まで達し、液冷媒３０中にある。またインジェクション回路１０７のレシーバ上端３２付近には、ガス冷媒取り出し口１６を設けている。これによって、インジェクション回路１０７でガス冷媒３１と液冷媒３０の同時取り出しが可能になる。液冷媒３０の抽出量は、インジェクション回路１０７の端部配管１５の内径によって設定する。基本的に端部配管１５の内径はインジェクション回路１０７の配管内径よりも小さいことが望ましい。液冷媒３０の抽出量は最もガスインジェクションの効果を大きくしたい運転条件に合わせ、端部配管１５の内径を決定する。
【００１８】
図１〜図５に示したレシーバ内の液冷媒を抽出する管の口は、冷媒管口１８ａ、１８ｂとレシーバ底面３３との間に位置する事が望ましく、少なくともレシーバから冷媒が流出する冷媒管口（冷媒流れ方向により１８ａまたは１８ｂ）とレシーバ底面３３との間に位置していることが液冷媒３０を安定して取り出すために必要である。一方、インジェクションガス冷媒３２の取出しは、液冷媒が混入しないようにするために、レシーバの上端面３２もしくは近傍に設ける。
【００１９】
以上のように、インジェクション回路にレシーバ内の液冷媒を抽出する抽出管を合流、またはインジェクション回路内の冷媒を一部冷却し液化、あるいはインジェクション回路上に独立したガス冷媒取り出し口と液冷媒抽出口を設け、インジェクション回路でガス冷媒と液冷媒の同時抽出をさせている。これらにより、圧縮機の圧縮過程にインジェクションする冷媒状態を１００％ガス冷媒の状態ではなく、少量の液冷媒を混入させる事で（例えば乾き度０．９５以上）、液冷媒による圧縮機の冷却効果を得て、ガスインジェクション時の成績係数（サイクル効率）向上できる。また、冷房運転、暖房運転時の各々について、また室外機と室内機との間の接続配管の長さが長く圧力損失が大きい場合でも、さらに１台の室外機に複数台の室内機が接続するマルチ式の空気調和機においても、第一膨張弁、第二膨張弁の開度に関係なく、レシーバから任意の量の液冷媒を取り出し、インジェクションガス冷媒に混入させることが可能である。そのためサイクルの運転状態に応じ、１００％ガス冷媒のガスインジェクションから少量の液冷媒を含んだガスインジェクションまでの状態を作り出すことができる。また液冷媒量を多くすればリキッドインジェクションも可能となる。さらに、以上のシステム構成は、圧縮機の種類にはこだわらず、例えばスクロール式、ロータリー式にも適用可能であり、インバータ制御の有無に係わらず適用可能である。
【００２０】
さらに、インジェクション回路を搭載している場合、ガスインジェクションを行えば、インバータ駆動の圧縮機の場合、同一能力ならば、ガスインジェクションをしない場合に比べ、圧縮機の運転周波数を低減できるため、圧縮機の消費電力が低減され、省エネ運転（成績係数が高い）となる。一定速圧縮機では、同一行程容積とすると、能力アップができ、同一能力ならば行程容積を小さくできるので圧縮機運転の省エネ化、また小型化が可能となる。
【００２１】
圧縮機にインジェクションする冷媒状態を、ガス冷媒から少量の液冷媒を含んだ気液二相状態（例えば、乾き度０．９５以上）のガスインジェクション、また多量の液冷媒を含んだリキッドインジェクション（例えば、乾き度０．８０〜０．９５程度）の運転をすることができるので、条件に応じてインジェクションする冷媒状態を選択することで、広い運転範囲において成績係数の高い運転が可能となり、空気調和機の運転効率を向上させ、省エネルギとすることができる。
【００２２】
また一定速で運転される圧縮機では、ガスインジェクションにより圧縮機の行程容積（理論吐出容積）を小さくすることができ、それに応じ圧縮機の負荷が小さくなるので電気入力が小さくなり、また必要トルクが小さくなるのでモータ容量を下げることができ、圧縮機のケーシング等が小さくできる。
さらに、冷媒はＲ２２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ４０７Ｃ、炭酸ガスやＨＣ冷媒などの自然系冷媒等でも同様な効果が得られる。
【００２３】
さらに、冷房運転、暖房運転時の各々について、また室外機と室内機との間の接続配管の長さが長く圧力損失が大きい場合でも、また１台の室外機に複数台の室内機が接続するマルチ式の空気調和機においても、第一膨張弁、第二膨張弁の開度に関係なく、レシーバから任意の量の液冷媒を取り出し、インジェクションガス冷媒に混入させることが可能である。よって、液冷媒による圧縮機の冷却効果を得て、ガスインジェクション後の圧縮開始の冷媒温度、圧縮機の吐出温度の低減により圧縮機の効率向上が図れ、また圧縮機の吐出温度が下がる事で、圧縮機のモータ冷却効果も大きくなりモータ効率も上がるため、圧縮機の入力が低減できる。また圧縮機と周囲空気の温度差も若干であるが小さくなり、圧縮機からの放熱量も低減される。また負荷に適応した最適な運転状態を作ることができ、広い運転範囲において成績係数の高い運転が可能となり、空気調和機の運転効率を向上させ、省エネルギ化を図ることができる。そして、同じ冷暖房能力を得るのに必要な消費電力量を低減でき、その分の電力製造に伴って発生する炭酸ガスの排出量を低減する事ができ、地球環境にやさしい空気調和機とすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の本発明によれば、レシーバから任意の量の液冷媒を取り出し、インジェクションガス冷媒に混入させることが可能である。そのためサイクルの運転状態に応じ、１００％ガス冷媒のガスインジェクションから少量の液冷媒を含んだガスインジェクションまでの状態を作り出すことができる。さらに、液冷媒量を多くすれば実質的にリキッドインジェクションとすることも可能となる。
また、圧縮機の圧縮過程にインジェクションする冷媒状態を１００％ガス冷媒の状態ではなく、少量の液冷媒を混入させることが容易となるので、液冷媒による圧縮機の冷却効果を得て、ガスインジェクション時の成績係数（サイクル効率）向上を図ることができ、省エネ性の高い空気調和機を得ることができる。
請求項２記載の本発明によっても請求項１記載の発明とほぼ同様の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態による空気調和機のシステム構成図。
【図２】 他の実施の形態による空気調和機のシステム構成図。
【図３】 さらに、他の実施の形態による空気調和機のシステム構成図。
【図４】 さらに、他の実施の形態による空気調和機のシステム構成図。
【図５】 図４におけるレシーバ内の詳細を示す断面図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…四方弁、３…熱源側熱交換器（室外熱交換器）、４…第一膨張弁、５…レシーバ、６…阻止弁、７ａ、７ｂ…第二膨張弁、８ａ、８ｂ…利用側熱交換器（室内熱交換器）、９…阻止弁、１０…流量調整弁、１１…電磁弁（開閉弁）、１２…エゼクタ、１３…第三膨張弁、１４…ガス液熱交換器、１５…液冷媒抽出管、１６…ガス冷媒取り出し口、１７…レシーバ部、１８ａ、１８ｂ…冷媒管口、１９…インジェクション回路端口、２１…室外機、２２ａ、２２ｂ…室内機、３０…液冷媒、３１…ガス冷媒、３２…レシーバ上端面、３３…レシーバ底面、１０１〜１０６…配管、１０７…インジェクション回路、１０８…液冷媒抽出管、１０９…合流部。

Claims (2)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、第一減圧装置、レシーバ、第二減圧装置、利用側熱交換器を順次配管で接続した冷凍サイクルを有する空気調和機において、
   前記レシーバ内のガス冷媒を取り出すように該レシーバの上部に接続されると共に前記圧縮機へ接続するインジェクション回路と、
   前記レシーバ内の液冷媒を取り出すように設けられ且つ前記インジェクション回路に接続される液冷媒抽出管と、
   この液冷媒抽出管に設けられた流量調整弁とを備え、
   この流量調整弁を調整することで前記インジェクション回路のガス冷媒に前記レシーバ内の液冷媒を任意の量混入させて前記圧縮機へインジェクション可能に構成した
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 圧縮機、熱源側熱交換器、第一減圧装置、レシーバ、第二減圧装置、利用側熱交換器を順次配管で接続した冷凍サイクルを有する空気調和機において、
   前記レシーバ内のガス冷媒を取り出すように該レシーバの上部に接続されると共に前記圧縮機の圧縮室へ接続するインジェクション回路と、
   前記レシーバと前記第二減圧装置とを接続する前記配管の途中に設けられ開度調整可能な膨張弁で構成された第三減圧装置と、
   前記レシーバから流出し前記第三減圧装置で減圧されて温度の低下した冷媒と前記インジェクション回路に導かれたガス冷媒とを熱交換させるためのガス液熱交換器と
   を備えていることを特徴とする空気調和機。

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