JP5936785B1 - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

冷房運転及び暖房運転の双方が可能で、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させることができる空気調和装置において、従来よりも低コスト化及び省スペース化を図ることができる空気調和装置を得る。空気調和装置１００は、冷房運転及び暖房運転が可能な冷凍サイクル回路１と、蒸発器と圧縮機２との間の冷媒が流れる第１流路２１、室外熱交換器４と膨張装置５との間の冷媒が流れる第２流路２２、及び、膨張装置５と室内熱交換器６との間の冷媒が流れる第３流路２３を有し、冷房運転時に第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒とを熱交換させ、暖房運転時に第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒とを熱交換させる構成の内部熱交換器２０と、を備えたものである。

Description

本発明は、空気調和装置に関し、特に、冷房運転及び暖房運転の双方が可能な空気調和装置に関するものである。

従来、凝縮器から流出して膨張装置へ至る冷媒と蒸発器から流出した冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させて、冷凍サイクル回路の性能の向上を図った空気調和装置が提案されている。また、冷房運転及び暖房運転の双方が可能な従来の空気調和装置においても、上述の内部熱交換器を備え、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させて、冷房運転及び暖房運転の双方において冷凍サイクル回路の性能の向上を図ったものが提案されている（特許文献１，２参照）。

詳しくは、特許文献１に記載の空気調和装置は、冷房運転及び暖房運転の双方において凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させるため、膨張装置の両側に２つの内部熱交換器を備えている。つまり、特許文献１に記載の空気調和装置は、冷房運転時に凝縮器となる室外熱交換器と膨張装置との間、及び、暖房運転時に凝縮器となる室内熱交換器と膨張装置との間のそれぞれに、内部熱交換器を備えている。

特許文献２に記載の空気調和装置は、冷房運転及び暖房運転の双方において凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させるため、内部熱交換器の両側に２つの膨張装置を備えている。つまり、特許文献２に記載の空気調和装置は、冷房運転時に内部熱交換器で冷却された冷媒を膨張させる膨張装置と、暖房運転時に内部熱交換器で冷却された冷媒を膨張させる膨張装置とを備えている。また、特許文献２には、１つの内部熱交換器及び１つの膨張装置を用いて、冷房運転及び暖房運転の双方において凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させるため、冷凍サイクル回路内に、４つの逆止弁で構成されたブリッジ回路を設けた空気調和装置も開示されている。

特開平２−７５８６３号公報（第１図） 特開２００７−９３１６７号公報（図２，４）

上述のように、冷房運転及び暖房運転の双方が可能な従来の空気調和装置においては、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させるためには、内部熱交換器又は膨張装置を２つ備える必要があった。このため、冷房運転及び暖房運転の双方が可能な従来の空気調和装置においては、空気調和装置のコストが増大してしまうという課題、及び、空気調和装置が大型化してしまうという課題があった。

ここで、特許文献２には、冷房運転及び暖房運転の双方が可能な従来の空気調和装置において、１つの内部熱交換器及び１つの膨張装置を用いて凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させるものも開示されている。しかしながら、この従来の空気調和装置は、冷凍サイクル回路内に、４つの逆止弁で構成されたブリッジ回路を設ける必要がある。このため、この従来の空気調和装置においても、内部熱交換器又は膨張装置を２つ備えた従来の空気調和装置と同様に、空気調和装置のコストが増大してしまうという課題、及び、空気調和装置が大型化してしまうという課題があった。また、冷凍サイクル回路内に４つの逆止弁で構成されたブリッジ回路を設けた従来の空気調和装置においては、逆止弁に気液二相状態の冷媒が流入した場合、弁が往復運動することによる騒音が発生してしまうという課題もあった。

本発明は、上述のような課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、冷房運転及び暖房運転の双方が可能で、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させることができる空気調和装置において、従来よりも低コスト化及び省スペース化を図ることができる空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷房運転時と暖房運転時とで前記圧縮機から吐出される冷媒の流路を切り替える流路切替装置と、冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時には蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、冷媒を膨張させて減圧させる膨張装置と、冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する利用側熱交換器と、複数の伝熱管を流れる冷媒間の熱交換を行う内部熱交換器と、を備え、前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記膨張装置、及び前記利用側熱交換器は、順次冷媒配管で接続され、冷凍サイクル回路を構成し、前記流路切替装置は、前記圧縮機の吐出口、前記圧縮機の吸入口、前記熱源側熱交換器、及び、前記利用側熱交換器と接続され、冷房運転時には、前記吐出口を前記熱源側熱交換器に接続させ、前記吸入口を前記利用側熱交換器に接続させ、暖房運転時には、前記吐出口を前記利用側熱交換器に接続させ、前記吸入口を前記熱源側熱交換器に接続させ、前記冷凍サイクル回路は、前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒が流れる第１流路、前記熱源側熱交換器と前記膨張装置との間の冷媒が流れる第２流路、及び、前記膨張装置と前記利用側熱交換器との間の冷媒が流れる第３流路を有し、内部熱交換器は、前記第１流路が形成された第１伝熱管と、前記第２流路が形成された第２伝熱管と、前記第３流路が形成された第３伝熱管と、を備えたものである。

本発明に係る空気調和装置は、蒸発器と圧縮機との間の冷媒が流れる第１流路、熱源側熱交換器と膨張装置との間の冷媒が流れる第２流路、及び、膨張装置と利用側熱交換器との間の冷媒が流れる第３流路を有し、冷房運転時に第１流路を流れる冷媒と第２流路を流れる冷媒とを熱交換させ、暖房運転時に第１流路を流れる冷媒と第３流路を流れる冷媒とを熱交換させる構成の内部熱交換器を備えている。このため、本発明に係る空気調和装置は、１つの内部熱交換器及び１つの膨張装置を用いるだけで、冷房運転時及び暖房運転時の双方において、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させて、冷凍サイクル回路の性能の向上を図ることができる。したがって、本発明に係る空気調和装置は、従来よりも低コスト化及び省スペース化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の内部熱交換器を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の動作状態を説明するためのｐ−ｈ線図（冷媒圧力ｐと比エンタルピｈとの関係図）である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の内部熱交換器の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の内部熱交換器の別の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の内部熱交換器の別の一例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置を示す構成図である。なお、図１に示す引出線以外の矢印は、冷媒の流れ方向を示している。
本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、圧縮機２、流路切替装置３、室外熱交換器４、膨張装置５、及び、室内熱交換器６が順次冷媒配管で接続される冷凍サイクル回路１を備えている。
ここで、室外熱交換器４が、本発明の熱源側熱交換器に相当する。また、室内熱交換器６が、本発明の利用側熱交換器に相当する。

圧縮機２は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にするものである。圧縮機２の種類は特に限定されるものではなく、例えば、レシプロ、ロータリー、スクロール又はスクリュー等の各種タイプの圧縮機構を用いて圧縮機２を構成することができる。圧縮機２は、インバーターにより回転数が可変に制御可能なタイプのもので構成するとよい。この圧縮機２の吐出口には、流路切替装置３が接続されている。

流路切替装置３は、例えば四方弁であり、冷房運転時と暖房運転時とで圧縮機２から吐出される冷媒の流路を切り替えるものである。詳しくは、流路切替装置３は、圧縮機２の吐出口の接続先を室外熱交換器４又は室内熱交換器６の一方に切り替え、圧縮機２の吸入口の接続先を室外熱交換器４又は室内熱交換器６の他方に切り替えるものである。圧縮機２の吐出口を室外熱交換器４と接続させ、圧縮機２の吸入口を室内熱交換器６と接続させることにより、冷凍サイクル回路１は、圧縮機２、室外熱交換器４、膨張装置５及び室内熱交換器６が順次冷媒配管で接続される構成となる。つまり、空気調和装置１００の冷凍サイクル回路１は、室外熱交換器４が凝縮器として機能し、室内熱交換器６が蒸発器として機能し、冷房運転を行う回路構成となる。また、圧縮機２の吐出口を室内熱交換器６と接続させ、圧縮機２の吸入口を室外熱交換器４と接続させることにより、冷凍サイクル回路１は、圧縮機２、室内熱交換器６、膨張装置５及び室外熱交換器４が順次冷媒配管で接続される構成となる。つまり、空気調和装置１００の冷凍サイクル回路１は、室内熱交換器６が凝縮器として機能し、室外熱交換器４が蒸発器として機能し、暖房運転を行う回路構成となる。なお、上述のように、圧縮機２の吸入口は、室外熱交換器４及び室内熱交換器６のうち、蒸発器として機能する熱交換器と接続されることとなる。この際、圧縮機２の吸入口は、蒸発器と流路切替装置３とを接続する冷媒配管１１と、流路切替装置３とを介して、蒸発器と接続される構成となっている。

室外熱交換器４は、内部を流れる冷媒と室外空気とを熱交換させる空気式熱交換器である。熱源側熱交換器として空気式熱交換器の室外熱交換器４を用いる場合、室外熱交換器４の周辺に、熱交換対象である室外空気を室外熱交換器４に供給する室外送風機４ａを設けるとよい。この室外熱交換器４は、膨張装置５を介して、室内熱交換器６と接続されている。なお、熱源側熱交換器は、空気式熱交換器の室外熱交換器４に限定されるものではない。熱源側熱交換器の種類は冷媒の熱交換対象に応じて適宜選択すればよく、水又はブラインが熱交換対象の場合であれば、水熱交換器で熱源側冷媒を構成してもよい。

膨張装置５は、例えば膨張弁であり、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張装置５は、室外熱交換器４と室内熱交換器６との間に設けられている。詳しくは、室外熱交換器４と膨張装置５とは、冷媒配管１２で接続されている。また、膨張装置５と室内熱交換器６とは、冷媒配管１３で接続されている。

室内熱交換器６は、内部を流れる冷媒と室内空気とを熱交換させる空気式熱交換器である。利用側熱交換器として空気式熱交換器の室内熱交換器６を用いる場合、室内熱交換器６の周辺に、熱交換対象である室内空気を室内熱交換器６に供給する室内送風機６ａを設けるとよい。なお、利用側熱交換器は、空気式熱交換器の室内熱交換器６に限定されるものではない。利用側熱交換器の種類は冷媒の熱交換対象に応じて適宜選択すればよく、水又はブラインが熱交換対象の場合であれば、水熱交換器で利用側冷媒を構成してもよい。つまり、利用側熱交換器で冷媒と熱交換した水又はブラインを室内に供給し、室内に供給した水又はブラインで冷房及び暖房を行ってもよい。

さらに、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、内部熱交換器２０を備えている。この内部熱交換器２０は、蒸発器（冷房運転時においては室内熱交換器６、暖房運転時においては室外熱交換器４）と圧縮機２との間の冷媒が流れる第１流路２１、室外熱交換器４と膨張装置５との間の冷媒が流れる第２流路２２、及び、膨張装置５と室内熱交換器６との間の冷媒が流れる第３流路２３を有している。つまり、内部熱交換器２０は、第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒及び第３流路２３を流れる冷媒とを熱交換させる構成となっている。
なお、内部熱交換器２０の詳細構成については後述する。

上述のように構成された空気調和装置１００には、膨張装置５の開度を制御する制御装置３０が設けられている。膨張装置５の開度を制御する方法は、室内熱交換器６に流れる冷媒の量を空調負荷（冷房負荷、暖房負荷）に見合った量に制御することができれば、公知の種々の方法を採用できる。例えば、制御装置３０は、圧縮機２から吐出された冷媒の温度と凝縮器を流れる冷媒の凝縮温度との差が規定の温度範囲となるように、膨張装置５の開度を制御してもよい。また例えば、制御装置３０は、内部熱交換器２０の第１流路２１から流出して圧縮機２に吸入される冷媒の温度と蒸発器を流れる冷媒の蒸発温度との差が規定の温度範囲となるように、膨張装置５の開度を制御してもよい。また例えば、制御装置３０は、内部熱交換器２０から流出して膨張装置５に流入する冷媒の温度と凝縮器を流れる冷媒の凝縮温度との差が規定の温度範囲となるように、膨張装置５の開度を制御してもよい。なお、本実施の形態１においては、制御装置３０は、圧縮機２、室外送風機４ａ及び室内送風機６ａの回転数も制御する構成となっている。

このように構成された空気調和装置１００においては、冷凍サイクル回路１を循環する冷媒として、例えば、Ｒ３２（ジフルオロメタン）、ＨＦＯ１２３４ｙｆ（２，３，３，３−テトラフルオロプロペン）、ＨＦＯ１２３４ｚｅ（１，３，３，３−テトラフルオロプロペン）、ＨＦＯ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）及び炭化水素のうちの少なくとも１つを含む冷媒が用いられる。

続いて、本実施の形態１に係る内部熱交換器２０の詳細構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の内部熱交換器を示す正面図である。なお、図２では、冷媒配管１２と冷媒配管１３との識別を容易とするため、冷媒配管１２は網掛けを施して示している。また、図２に示す引出線以外の矢印は、冷媒の流れ方向を示している。冷媒のこの流れ方向は、あくまでも一例であり、矢印とは逆方向に冷媒が流れてもよい。

図２に示すように、内部熱交換器２０は、蒸発器と圧縮機２との間の冷媒配管１１の外周部に、室外熱交換器４と膨張装置５との間の冷媒配管１２及び膨張装置５と室内熱交換器６との間の冷媒配管１２が巻き付けられた構成となっている。つまり、本実施の形態１に係る内部熱交換器２０においては、第１流路２１が形成された第１伝熱管を冷媒配管１１で構成し、第２流路２２が形成された第２伝熱管を冷媒配管１２で構成し、第３流路２３が形成された第３伝熱管を冷媒配管１３で構成している。

このように構成された内部熱交換器２０においては、冷媒配管１１の同一範囲（冷媒配管１２，１３が巻き付けられている範囲）を流れる冷媒と、冷媒配管１２，１３を流れる冷媒とが熱交換する構成となる。すなわち、本実施の形態１に係る内部熱交換器２０は、あたかも、特許文献１に記載の２つの内部熱交換器を一体化し、蒸発器から流出した冷媒が流れる流路を共通化したような構成となる。このため、本実施の形態１に係る内部熱交換器２０は、特許文献１に記載の２つの内部熱交換器と比べ、低コスト化及び省スペース化を図ることができる。

続いて、本実施の形態１に係る空気調和装置１００の動作について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の動作状態を説明するためのｐ−ｈ線図（冷媒圧力ｐと比エンタルピｈとの関係図）である。この図３に示すＡ点〜Ｆ点は、図１に示すＡ点〜Ｆ点における冷媒の状態を示している。以下、図１及び図３を用いて、本実施の形態１に係る空気調和装置１００の動作を説明する。

［冷房運転］
冷房運転では、流路切替装置３内の流路は、図１に実線で示す流路となる。このため、圧縮機２が起動すると、冷凍サイクル回路１内の冷媒は、図１に実線矢印で示す方向に流れることとなる。詳しくは、圧縮機２が起動すると、圧縮機２の吸入口から冷媒が吸入される。そして、この冷媒は、高温高圧のガス状冷媒となって、圧縮機２の吐出口から吐出される（図３のＡ点）。圧縮機２から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、室外熱交換器４に流入して室外空気に放熱し、室外熱交換器４から流出する。

室外熱交換器４から流出した冷媒は、冷媒配管１２を通って、内部熱交換器２０の第２流路２２に流入する。この冷媒は、内部熱交換器２０内において、室内熱交換器６から流出して内部熱交換器２０の第１流路２１流入した低温の冷媒に冷却される。このため、室外熱交換器４から内部熱交換器２０の第２流路２２に流入した冷媒は、液状冷媒となって内部熱交換器２０から流出し（図３のＣ点）、膨張装置５へ流入する。なお、図１では、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒とが並向流となっている。しかしながら、この冷媒流れは一例であり、第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒とを対向流にしてもよい。

膨張装置５へ流入した液状冷媒は、膨張装置５で減圧されて低温の気液二相状態となり（図３のＤ点）、膨張装置５から流出する。そして、膨張装置５から流出した低温で気液二相状態の冷媒は、冷媒配管１３及び内部熱交換器２０の第３流路２３を通って、室内熱交換器６へ流入する。内部熱交換器２０の第３流路２３を通る冷媒は低温であるため、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒とはほとんど熱交換することなく、第３流路２３を通過する。なお、図１では、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒とが対向流となっている。しかしながら、この冷媒流れは一例であり、第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒とを並向流にしてもよい。

室内熱交換器６に流入した冷媒は、室内空気を冷却した後、室内熱交換器６から流出する（図３のＥ点）。ここで、本実施の形態１では、上述のように、室外熱交換器４から流出した冷媒は、内部熱交換器２０の第２流路２２で冷却されるため、過冷却度が増加する。このため、膨張装置５で減圧されて室内熱交換器６に流入した冷媒は、比エンタルピｈが小さい状態となる。換言すると、図３におけるＤ点が飽和液線側（左側）に近づいた状態となる。このため、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室内熱交換器６での熱交換量を増加させることができる。つまり、冷凍サイクル回路１の性能の向上を図ることができる。

室内熱交換器６から流出した冷媒は、冷媒配管１１を通って、内部熱交換器２０の第１流路２１に流入する。この冷媒は、内部熱交換器２０内において、室外熱交換器４から流出して内部熱交換器２０の第２流路２２に流入した低温の冷媒に加熱される。このため、内部熱交換器２０の第１流路２１に流入した冷媒は、ガス状冷媒となって内部熱交換器２０から流出する（図３のＦ点）。したがって、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室内熱交換器６から気液二相状態の冷媒を流出させることができる（図３のＥ点）。内部熱交換器２０を備えていない場合、圧縮機２において液バックが発生することを防止するため、室内熱交換器６からガス状の冷媒を流出させる必要がある。つまり、室内熱交換器６内においては、出口付近でガス状の冷媒が流れることとなる。しかしながら、ガス状の冷媒は、気液二相状態の冷媒と比べ、熱伝達率が悪い。本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、内部熱交換器２０を備えたことにより、室内熱交換器６から気液二相状態の冷媒を流出させることができるので、室内熱交換器６の伝熱性能を向上させることができる。したがって、冷凍サイクル回路１の性能をさらに向上させることができる。

内部熱交換器２０の第１流路２１から流出したガス状の冷媒は、圧縮機２の吸入口から吸入され、再び圧縮機２で高温高圧のガス状冷媒に圧縮される。

ここで、空気調和装置１００の起動時、冷媒が室外熱交換器４等に寝込んでいるため（液状冷媒となって溜まっているため）、冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ない状態となっている。また、冷凍サイクル回路１から冷媒が漏洩している場合にも、冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ない状態となる。冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ないこのような状態においては、室外熱交換器４から流出する冷媒は、気液二相状態になりやすい（図３のＢ点）。このため、内部熱交換器２０を備えていない場合、気液二相状態の冷媒が膨張装置５に流入することとなる。このように気液二相状態の冷媒が膨張装置５に流入すると、膨張装置５を流れる冷媒の量が不安定となり、冷凍サイクルの高圧及び低圧が不安定になってしまう。また、膨張装置５を流れる冷媒の量が不安定になると、膨張装置５から騒音が発生してしまう。

しかしながら、内部熱交換器２０を備えている本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室外熱交換器４から気液二相状態の冷媒が流出した場合であっても、この冷媒は内部熱交換器２０で冷却されて、液状冷媒となって膨張装置５へ流入する。このため、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、起動時、冷凍サイクルの高圧及び低圧が不安定になってしまうことを防止でき、膨張装置５から騒音が発生してしまうことを防止できる。

なお、起動直後の過渡期が経過し、室外熱交換器４等に寝込んでいた冷媒も循環する安定状態となった後においては、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に、液状冷媒を流してもよいし、気液二相状態の冷媒を流してもよい。

室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流した状態とは、図３におけるＢ点が飽和液線よりも左側（過冷却液側）にずれた状態である。つまり、膨張装置５で減圧されて室内熱交換器６に流入した冷媒は、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒が流れる場合と比較して、比エンタルピｈが小さい状態となる。換言すると、図３におけるＤ点が飽和液線側（左側）に近づいた状態となる。このため、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流すことにより、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒が流れる場合と比較して、室内熱交換器６での熱交換量をさらに増加させることができ、冷凍サイクル回路１の性能をさらに向上させることができる。

一方、空気調和装置１００において、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒を流した場合、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流した場合と比較して、冷凍サイクル回路１に充填する冷媒の量を削減することができる。Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１１２３及び炭化水素は、可燃性の冷媒である。このため、これらの冷媒を用いる場合には、室内に漏洩して滞留し、室内における冷媒の体積濃度が可燃濃度域に達することを防止したい。本実施の形態１に係る空気調和装置１００においては、室外熱交換器４の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒を流す構成とすることにより、冷凍サイクル回路１内の冷媒の量を削減することができるため、室内における冷媒の体積濃度が可燃濃度域に達することを防止できる。

［暖房運転］
暖房運転では、流路切替装置３内の流路は、図１に破線で示す流路となる。このため、圧縮機２が起動すると、冷凍サイクル回路１内の冷媒は、図１に破線矢印で示す方向に流れることとなる。詳しくは、圧縮機２が起動すると、圧縮機２の吸入口から冷媒が吸入される。そして、この冷媒は、高温高圧のガス状冷媒となって、圧縮機２の吐出口から吐出される。圧縮機２から吐出された高温高圧のガス状冷媒は、室内熱交換器６に流入して室内空気を加熱し、室内熱交換器６から流出する。

室内熱交換器６から流出した冷媒は、冷媒配管１３を通って、内部熱交換器２０の第３流路２３に流入する。この冷媒は、内部熱交換器２０内において、室外熱交換器４から流出して内部熱交換器２０の第１流路２１流入した低温の冷媒に冷却される。このため、室内熱交換器６から内部熱交換器２０の第３流路２３に流入した冷媒は、液状冷媒となって内部熱交換器２０から流出し、膨張装置５へ流入する。なお、図１では、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒とが並向流となっている。しかしながら、この冷媒流れは一例であり、第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒とを対向流にしてもよい。

膨張装置５へ流入した液状冷媒は、膨張装置５で減圧されて低温の気液二相状態となり、膨張装置５から流出する。そして、膨張装置５から流出した低温で気液二相状態の冷媒は、冷媒配管１２及び内部熱交換器２０の第２流路２２を通って、室外熱交換器４へ流入する。内部熱交換器２０の第２流路２２を通る冷媒は低温であるため、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒とはほとんど熱交換することなく、第２流路２２を通過する。なお、図１では、内部熱交換器２０の第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒とが対向流となっている。しかしながら、この冷媒流れは一例であり、第１流路２１を流れる冷媒と第２流路２２を流れる冷媒とを並向流にしてもよい。

室外熱交換器４に流入した冷媒は、室外空気から吸熱した後、室外熱交換器４から流出する。ここで、本実施の形態１では、上述のように、室内熱交換器６から流出した冷媒は、内部熱交換器２０の第３流路２３で冷却されるため、過冷却度が増加する。このため、膨張装置５で減圧されて室外熱交換器４に流入した冷媒は、比エンタルピｈが小さい状態となる。このため、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室外熱交換器４での熱交換量を増加させることができる。つまり、冷凍サイクル回路１の性能の向上を図ることができる。

室外熱交換器４から流出した冷媒は、冷媒配管１１を通って、内部熱交換器２０の第１流路２１に流入する。この冷媒は、内部熱交換器２０内において、室内熱交換器６から流出して内部熱交換器２０の第３流路２３に流入した低温の冷媒に加熱される。このため、内部熱交換器２０の第１流路２１に流入した冷媒は、ガス状冷媒となって内部熱交換器２０から流出する。したがって、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室外熱交換器４から気液二相状態の冷媒を流出させることができる。内部熱交換器２０を備えていない場合、圧縮機２において液バックが発生することを防止するため、室外熱交換器４からガス状の冷媒を流出させる必要がある。つまり、室外熱交換器４内においては、出口付近でガス状の冷媒が流れることとなる。しかしながら、ガス状の冷媒は、気液二相状態の冷媒と比べ、熱伝達率が悪い。本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、内部熱交換器２０を備えたことにより、室外熱交換器４から気液二相状態の冷媒を流出させることができるので、室外熱交換器４の伝熱性能を向上させることができる。したがって、冷凍サイクル回路１の性能をさらに向上させることができる。

内部熱交換器２０の第１流路２１から流出したガス状の冷媒は、圧縮機２の吸入口から吸入され、再び圧縮機２で高温高圧のガス状冷媒に圧縮される。

ここで、空気調和装置１００の起動時、冷媒が室外熱交換器４等に寝込んでいるため（液状冷媒となって溜まっているため）、冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ない状態となっている。また、冷凍サイクル回路１から冷媒が漏洩している場合にも、冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ない状態となる。冷凍サイクル回路１内を循環する冷媒量が少ないこのような状態においては、室内熱交換器６から流出する冷媒は、気液二相状態になりやすい。このため、内部熱交換器２０を備えていない場合、気液二相状態の冷媒が膨張装置５に流入することとなる。このように気液二相状態の冷媒が膨張装置５に流入すると、膨張装置５を流れる冷媒の量が不安定となり、冷凍サイクルの高圧及び低圧が不安定になってしまう。また、膨張装置５を流れる冷媒の量が不安定になると、膨張装置５から騒音が発生してしまう。

しかしながら、内部熱交換器２０を備えている本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室内熱交換器６から気液二相状態の冷媒が流出した場合であっても、この冷媒は内部熱交換器２０で冷却されて、液状冷媒となって膨張装置５へ流入する。このため、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、起動時、冷凍サイクルの高圧及び低圧が不安定になってしまうことを防止でき、膨張装置５から騒音が発生してしまうことを防止できる。

なお、起動直後の過渡期が経過し、室外熱交換器４等に寝込んでいた冷媒も循環する安定状態となった後においては、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に、液状冷媒を流してもよいし、気液二相状態の冷媒を流してもよい。

室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流すことにより、膨張装置５で減圧されて室外熱交換器４に流入した冷媒は、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒が流れる場合と比較して、比エンタルピｈが小さい状態となる。このため、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流すことにより、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒が流れる場合と比較して、室外熱交換器４での熱交換量をさらに増加させることができ、冷凍サイクル回路１の性能をさらに向上させることができる。

一方、空気調和装置１００において、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒を流した場合、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に液状冷媒を流した場合と比較して、冷凍サイクル回路１に充填する冷媒の量を削減することができる。Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１１２３及び炭化水素は、可燃性の冷媒である。このため、これらの冷媒を用いる場合には、室内に漏洩して滞留し、室内における冷媒の体積濃度が可燃濃度域に達することを防止したい。本実施の形態１に係る空気調和装置１００においては、室内熱交換器６の出口から内部熱交換器２０までの冷媒配管に気液二相状態の冷媒を流す構成とすることにより、冷凍サイクル回路１内の冷媒の量を削減することができるため、室内における冷媒の体積濃度が可燃濃度域に達することを防止できる。

以上、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、１つの内部熱交換器２０及び１つの膨張装置５を用いるだけで、冷房運転時及び暖房運転時の双方において、凝縮器から流出した冷媒の過冷却度を増大させて、冷凍サイクル回路１の性能の向上を図ることができる。また、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、冷凍サイクル回路１内に、４つの逆止弁で構成されたブリッジ回路を設ける必要もない。したがって、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、従来よりも低コスト化及び省スペース化を図ることができる。

実施の形態２．
空気調和装置１００に使用できる内部熱交換器２０は、図２に示した内部熱交換器２０に限定されるものではない。例えば、図２で示した内部熱交換器２０の場合、冷媒配管１２及び冷媒配管１３の当該内部熱交換器２０を構成する部分（冷媒配管１１に巻き付けられた部分）が、近接して設けられる。つまり、図２で示した内部熱交換器２０は、室外熱交換器４と膨張装置５との間の冷媒が流れる第２流路２２と、膨張装置５と室内熱交換器６との間の冷媒が流れる第３流路２３とが、近接して設けられている。このように内部熱交換器２０を構成した場合、凝縮器から内部熱交換器２０へ流入した冷媒が内部熱交換器２０を通って蒸発器へ流入する冷媒を加熱することにより、蒸発器の熱交換量が若干小さくなってしまう場合がある。このような若干の懸念事項をも解消しようとする場合、本実施の形態２のように内部熱交換器２０を構成してもよい。なお、本実施の形態２で記載されていない構成は実施の形態１と同様とし、実施の形態１と同様の構成には実施の形態１と同じ符号を付すこととする。

本実施の形態２に係る内部熱交換器２０は、室外熱交換器４と膨張装置５との間の冷媒が流れる第２流路２２と、膨張装置５と室内熱交換器６との間の冷媒が流れる第３流路２３との間に、蒸発器と圧縮機２との間の冷媒が流れる第１流路２１が形成された構成となっている。このように内部熱交換器２０を構成することにより、凝縮器から内部熱交換器２０へ流入した冷媒が内部熱交換器２０を通って蒸発器へ流入する冷媒を加熱することを抑制でき、上記の若干の懸念事項をも解消することができる。

具体的には、本実施の形態２に係る内部熱交換器２０は、例えば以下のように構成することができる。

図４は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の内部熱交換器の一例を示す断面図である。この図４は、第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３を流れる冷媒の流れ方向に沿って、内部熱交換器２０を切断したものである。なお、図４に示す引出線以外の矢印は、冷媒の流れ方向を示している。冷媒のこの流れ方向は、あくまでも一例であり、矢印とは逆方向に冷媒が流れてもよい。

図４に示す内部熱交換器２０は、例えば金属製である伝熱部材２４に、第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３が並設された構成となっている。また、第１流路２１は、第２流路２２と第３流路２３との間に配置されている。この内部熱交換器２０は、第１流路２１が冷媒配管１１に接続され、第２流路２２が冷媒配管１２に接続され、第３流路２３が冷媒配管１３に接続される。換言すると、この内部熱交換器２０は、第１流路２１が冷媒配管１１の途中部に設けられ、第２流路２２が冷媒配管１２の途中部に設けられ、第３流路２３が冷媒配管１３の途中部に設けられる。

図４のように内部熱交換器２０を構成することにより、凝縮器から内部熱交換器２０へ流入した冷媒（第２流路２２又は第３流路２３の一方を流れる冷媒）が内部熱交換器２０を通って蒸発器へ流入する冷媒（第２流路２２又は第３流路２３の他方を流れる冷媒）を加熱することを抑制できる。

なお、本実施の形態２に係る内部熱交換器２０は、図４で示した内部熱交換器２０に限定されるものではない。

図５及び図６は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の内部熱交換器の別の一例を示す断面図である。これら図５及び図６は、第１流路２１、第２流路２２及び第３流路２３を流れる冷媒の流れ方向と垂直な断面で、内部熱交換器２０を切断したものである。

図５及び図６に示す内部熱交換器２０は、第１流路２１が形成された第１伝熱管２５、第２流路２２が形成された第２伝熱管２６、及び、第３流路２３が形成された第３伝熱管２７を有している。また、図５及び図６に示す内部熱交換器２０は、第３伝熱管２７の内部に第１伝熱管２５が配置され、第１伝熱管２５の内部に第２伝熱管２６が配置されている。このように内部熱交換器２０を構成することにより、第２流路２２と第３流路２３とが第１流路２１で隔てられることになる。このため、図５及び図６に示す内部熱交換器２０は、図４で示した内部熱交換器２０と比べ、凝縮器から内部熱交換器２０へ流入した冷媒（第２流路２２又は第３流路２３の一方を流れる冷媒）が内部熱交換器２０を通って蒸発器へ流入する冷媒（第２流路２２又は第３流路２３の他方を流れる冷媒）を加熱することをさらに抑制できる。

ここで、図５に示す内部熱交換器２０は、第１伝熱管２５、第２伝熱管２６及び第３伝熱管２７が円管で形成されている。一方、図６に示す内部熱交換器２０は、第２伝熱管２６及び第３伝熱管２７が円管で形成されているものの、第１伝熱管２５が多葉状伝熱管となっている。多葉状伝熱管とは、伝熱管の外周部に複数の突条（突出した道筋）が形成された伝熱管である。つまり、多葉状伝熱管とは、該伝熱管を冷媒の流れ方向と垂直な断面で切断した際、外周側に突出した複数の流路が形成されている伝熱管である。図５に示す内部熱交換器２０は、簡易な形状の伝熱管のみで構成することができる。このため、図５に示す内部熱交換器２０は、図６に示す内部熱交換器と比べて、容易に製造できるという効果が得られる。また、図６に示す内部熱交換器２０は、図５に示す内部熱交換器２０と比べ、第１流路２１を流れる冷媒と第３流路２３を流れる冷媒との伝熱面積を増加させることができるという効果が得られる。

なお、図５及び図６に示す内部熱交換器２０は、第２伝熱管２６の内部に第１伝熱管２５を配置し、第１伝熱管２５の内部に第３伝熱管２７を配置しても勿論よい。

１ 冷凍サイクル回路、２ 圧縮機、３ 流路切替装置、４ 室外熱交換器（熱源側熱交換器）、４ａ 室外送風機、５ 膨張装置、６ 室内熱交換器（利用側熱交換器）、６ａ 室内送風機、１１ 冷媒配管、１２ 冷媒配管、１３ 冷媒配管、２０ 内部熱交換器、２１ 第１流路、２２ 第２流路、２３ 第３流路、２４ 伝熱部材、２５ 第１伝熱管、２６ 第２伝熱管、２７ 第３伝熱管、３０ 制御装置、１００ 空気調和装置。

Claims (10)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   冷房運転時と暖房運転時とで前記圧縮機から吐出される冷媒の流路を切り替える流路切替装置と、
   冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時には蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、
   冷媒を膨張させて減圧させる膨張装置と、
   冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する利用側熱交換器と、
   複数の伝熱管を流れる冷媒間の熱交換を行う内部熱交換器と、を備え、
   前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記膨張装置、及び前記利用側熱交換器は、
   順次冷媒配管で接続され、冷凍サイクル回路を構成し、
   前記流路切替装置は、
   前記圧縮機の吐出口、前記圧縮機の吸入口、前記熱源側熱交換器、及び、前記利用側熱交換器と接続され、
   冷房運転時には、前記吐出口を前記熱源側熱交換器に接続させ、前記吸入口を前記利用側熱交換器に接続させ、
   暖房運転時には、前記吐出口を前記利用側熱交換器に接続させ、前記吸入口を前記熱源側熱交換器に接続させ、
   前記冷凍サイクル回路は、
   前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒が流れる第１流路、前記熱源側熱交換器と前記膨張装置との間の冷媒が流れる第２流路、及び、前記膨張装置と前記利用側熱交換器との間の冷媒が流れる第３流路を有し、
   内部熱交換器は、
   前記第１流路が形成された第１伝熱管と、前記第２流路が形成された第２伝熱管と、前記第３流路が形成された第３伝熱管と、を備える空気調和装置。
2. 前記内部熱交換器は、
   冷房運転時に前記第１流路を流れる冷媒と前記第２流路を流れる冷媒とを熱交換させ、暖房運転時に前記第１流路を流れる冷媒と前記第３流路を流れる冷媒とを熱交換させる構成である請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記内部熱交換器は、
   前記第２流路を流れる冷媒及び前記第３流路を流れる冷媒が前記第１流路の同一範囲を流れる冷媒と熱交換する構成である請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記内部熱交換器は、
   第１伝熱管の外周部に、第２伝熱管及び第３伝熱管が巻き付けられた構成である請求項３に記載の空気調和装置。
5. 前記内部熱交換器は、
   前記第２伝熱管と前記第３伝熱管との間に、前記第１伝熱管が形成された構成である請求項３に記載の空気調和装置。
6. 前記内部熱交換器は、
   伝熱部材に前記第１伝熱管、前記第２伝熱管及び前記第３伝熱管が並設され、
   前記第２伝熱管と前記第３伝熱管との間に前記第１伝熱管が配置された構成である請求項５に記載の空気調和装置。
7. 前記内部熱交換器は、
   前記第２伝熱管又は前記第３伝熱管の一方の内部に前記第１伝熱管が配置され、
   前記第１伝熱管の内部に、前記第２伝熱管又は前記第３伝熱管の他方が配置された構成である請求項５に記載の空気調和装置。
8. 前記第１伝熱管、前記第２伝熱管及び前記第３伝熱管が円管で形成されている請求項７に記載の空気調和装置。
9. 前記第１伝熱管は、多葉状伝熱管である請求項７に記載の空気調和装置。
10. Ｒ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１１２３及び炭化水素のうちの少なくとも１つを含む冷媒が用いられる請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の空気調和装置。

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