JP5990973B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に関するものである。

従来、最高外気温度５２℃程度の高外気温環境に対応した熱帯地域向けの空気調和機においては、作動冷媒としてＲ２２が使用されている。図１の物性一覧に示すように、このＲ２２は、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ）がゼロではないことから、先進国では２０２０年に全廃予定である。このため、ＯＤＰがゼロである代替冷媒への移行が急がれている。ＯＤＰがゼロである代替冷媒としては、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃなどの混合冷媒やＲ３２などの単一冷媒が一般に知られている。

Ｒ４１０Ａは、外気温度が高くない温帯地域で一般に使用されている。図１に示すように、このＲ４１０Ａは、臨界温度が７１．４℃と比較的低いことから、高外気温（高凝縮温度）での冷房能力や成績係数が極端に低下し、熱帯地域向けの空気調和機で使用する場合には効率が著しく悪化するという問題がある。また近年、地球環境への配慮から、温室効果ガスによる温暖化の影響の程度を比較するための指標である温暖化係数（ＧＷＰ）が小さな冷媒が望まれているが、Ｒ４１０ＡのＧＷＰは２０９０であり、Ｒ２２のＧＷＰ（＝１８１０）よりも大きいという短所がある。

Ｒ４０７Ｃは、図１に示すように、臨界温度が８６．０℃と高く、Ｒ４１０Ａよりも高外気温環境での使用に適するが、約６ｄｅｇという比較的大きい温度勾配を持つ非共沸混合冷媒であることから扱いにくく、ＧＷＰも比較的高いという短所がある。

Ｒ３２は、図１に示すように、Ｒ４１０Ａにも含まれている単一冷媒であり、概ねＲ２２以上の性能を有している。しかし、凝縮圧力および吐出温度が比較的高いことから、Ｒ４１０Ａ、Ｒ２２などの冷媒を用いる従来型の空気調和機に使用することは難しい。

このため、ＯＤＰがゼロで、かつ、ＧＷＰが従来のＲ２２よりも小さい冷媒の開発が望まれていた。このような冷媒として、比較的冷凍能力が高いＲ３２を主成分とする混合冷媒を考えた場合には、Ｒ３２の短所である凝縮圧力および吐出温度を低減するとともに、温度勾配を少なくとも２．５ｄｅｇ程度以下に抑える必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＯＤＰがゼロで、かつ、ＧＷＰが小さい混合冷媒を用いた空気調和機において、吐出温度を抑制し、蒸発器側の温度勾配を小さくすることができる空気調和機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続して形成した冷媒回路に、第一の冷媒であるＲ３２を第二の冷媒であるＲ１３４ａまたはＲ１２３４ｙｆより大きい混合比で混合した２種混合冷媒を流通させる空気調和機であって、前記冷媒回路は、前記凝縮器の前記第二の冷媒が液リッチである位置から分岐した前記２種混合冷媒から分離した液冷媒を、前記圧縮機の中間圧にインジェクションすることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る空気調和機は、上述した請求項１において、前記第一の冷媒の混合比は８０〜９０ｗｔ％であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る空気調和機は、上述した請求項１または２において、前記凝縮器内の冷媒が気液二相状態となる位置から前記液冷媒を分離することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る空気調和機は、上述した請求項３において、前記凝縮器内の冷媒が気液二相状態となる位置から前記液冷媒を分離する気液分離器と、この気液分離器の使用／不使用を切り換える切換え弁とを有することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続して形成した冷媒回路に、第一の冷媒であるＲ３２を第二の冷媒であるＲ１３４ａまたはＲ１２３４ｙｆより大きい混合比で混合した２種混合冷媒を流通させる空気調和機であって、前記冷媒回路は、前記凝縮器の前記第二の冷媒が液リッチである位置から分岐した前記２種混合冷媒から分離した液冷媒を、前記圧縮機の中間圧にインジェクションするので、二相域から先に液化しやすいＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）リッチの液冷媒を予め分離することで、蒸発器に回る冷媒のうちＲ３２の割合が大きくなり、蒸発器での温度勾配を小さくすることができるという効果を奏する。また、圧縮機にインジェクションされた冷媒は液状態のため、それが気化する熱により最終的に吐出される冷媒の温度を抑制することができる。さらにこの液冷媒はＲ３２に比べて吐出温度が低い物性を持つＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を多く含むので、封入時の組成割合の液冷媒をインジェクションするよりも大きな吐出温度抑制効果を持つ。このため、非共沸混合冷媒の持つ短所の影響を小さくすることができると同時に、その主成分であるＲ３２に起因する短所の影響も小さくすることができるという効果を奏する。

図１は、本発明に用いる混合冷媒および従来の冷媒の物性を例示する一覧図である。 図２は、飽和蒸気圧力と凝縮温度の関係の一例を示す図である。 図３は、凝縮温度６８℃を想定した場合の吐出温度の比較図である。 図４は、凝縮温度６８℃を想定した場合の冷凍能力の比較図である。 図５は、凝縮温度６８℃を想定した場合の成績係数の比較図である。 図６は、本発明に係る空気調和機の実施例を示す冷媒回路図である。 図７は、図６の回路に関するｐ−ｈ線図である。 図８は、凝縮温度６８℃を想定した場合の、凝縮器内の二相域における液冷媒の組成を示す図である。 図９は、本発明に係る空気調和機の他の実施例を示す冷媒回路図である。

以下に、本発明に係る空気調和機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

［混合冷媒］
まず、本発明の空気調和機に用いる混合冷媒について説明する。
本発明の空気調和機に用いる混合冷媒は、第一の冷媒であるＲ３２と第二の冷媒であるＲ１３４ａまたはＲ１２３４ｙｆとの２種の冷媒からなる混合冷媒であって、前記第一の冷媒の混合比を前記第二の冷媒の混合比より大きくしたものである。以下では、Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる混合冷媒の場合を例にとり説明する。

図１の「Ｒ３２＋Ｒ１３４ａ」の欄には、Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる混合冷媒の物性値をＲ３２の含有比率毎に示してある。Ｒ３２の含有比率は９０、８０、７０ｗｔ％の３種である。図１に示すように、これら３種の混合冷媒のＯＤＰはゼロである。また、ＧＷＰは７５１〜９０２で、Ｒ２２のＧＷＰ（＝１８１０）よりも小さくなることが判る。ここで、図１中のＳＬは標準条件を示し、凝縮温度４８℃を想定したものである。ＯＬは熱帯地域向けを想定した条件を示し、凝縮温度６８℃を想定したものである。

図２は、各冷媒の飽和蒸気圧力と凝縮温度の関係の一例を示す図である。
上記の混合冷媒を熱帯地域向けのＲ４１０Ａ用の既存の空気調和機で用いることを考えた場合、図２に示すように、凝縮温度６５℃以上の時の圧力を、空気調和機の一般的な設計圧力（４．１５ＭＰａ）以下に抑えるためには、Ｒ３２にＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を１０ｗｔ％以上混ぜる必要があることが判る。

この場合、例えば、Ｒ３２が８０〜９０ｗｔ％含まれる混合冷媒を用い、凝縮温度６５〜６８℃程度で空気調和機を運転すれば、Ｒ３２を単独で用いる場合に比べて圧力をＲ４１０Ａの設計圧力程度まで下げることが可能である。しかも、図１に示すように、Ｒ３２の弱点である高い凝縮圧力および吐出温度を低減するとともに、蒸発器での温度勾配を少なくとも２．５ｄｅｇ程度以下に抑えることができる。つまり、使用可能な凝縮温度の上限が６８℃程度までであれば、Ｒ３２が８０〜９０ｗｔ％含まれる上記の混合冷媒を熱帯地域向けの既存の製品に利用することができる。

図３は、高凝縮温度時の吐出温度を比較した図である。図中、Ｒ３２＋Ｒ１３４ａ（９０／１０）等の表記は、Ｒ３２が９０ｗｔ％、Ｒ１３４ａが１０ｗｔ％の混合冷媒であること等を示している。この図３に示すように、Ｒ３２にＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を混ぜると吐出温度が抑制されることが判る。なお、この図３は、後述の液インジェクション方式を使用しない方式を想定して得たものである。

図４は、高凝縮温度時の冷凍能力（理論値：圧縮機排除容積／回転数を同じとした場合）を比較した図であり、Ｒ２２を１００％としたときの能力で表している。この図４及び図１に示すように、Ｒ２２より冷凍能力の高い冷媒（Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２およびＲ３２＋Ｒ１３４ａが２０ｗｔ％以下の冷媒）は、Ｒ２２より圧力が高いことが判る。また、Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる本発明の混合冷媒において、Ｒ４１０Ａと同等以上の冷凍能力を得るためには、Ｒ３２の含有比率は少なくとも８０ｗｔ％が必要であることが判る。

図５は、高凝縮温度時の成績係数（理論値）を比較した図である。この図５に示すように、Ｒ２２より冷凍能力が高い冷媒のうち、Ｒ４１０Ａの成績係数が特に低く、運転効率が悪いことが判る。Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる本発明の混合冷媒の成績係数は、Ｒ３２の成績係数とほぼ同じである。

［空気調和機］
次に、本発明に係る空気調和機について、冷房運転時を例にとり図６〜図８を参照しながら説明する。

図６は冷房運転時の冷媒回路図である。図６に示すように、本発明に係る空気調和機１０の冷凍サイクル回路は、圧縮機１２と、凝縮器（室外機）１４と、減圧手段１６と、蒸発器（室内機）１８と、四方弁２０とからなる。作動冷媒としては、Ｒ３２とＲ１３４ａのみ、または、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆのみからなる上記の混合冷媒を用いる。

この冷凍サイクル回路は、凝縮器１４の所定位置からＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）リッチな液冷媒を分離して、分離した液冷媒を圧縮機１２の中間圧にインジェクションするようになっている。

具体的には、気液分離器２２が凝縮器１４の容積比Ａ％：（１００−Ａ）％となる位置に取り付けてあり、これにより凝縮器１４は凝縮器全体に対する容積割合がＡ％の第一凝縮器１４ａと（１００−Ａ）％の第二凝縮器１４ｂとで構成されることになる。気液分離器２２の取り付け位置としては、想定される運転条件下で冷媒が二相域にある位置を選定する必要がある。Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる混合冷媒でＲ３２の混合割合が８０ｗｔ％の場合を例とする。凝縮温度６８℃で運転するときに吐出温度が従来冷媒のＲ４１０Ａを使った機器と同じ９０℃になるように液インジェクションを制御し、また凝縮器出口での過冷却度が一般的な冷凍サイクルと同じ５ｄｅｇになるように冷凍サイクル全体を制御すると、図７に示すように、凝縮器で冷媒が放出するエネルギーの割合はガス域：２４％、二相域：６９％、過冷却域：７％となる。凝縮器の単位容積あたりの熱交換量は概ね一様とみなせるので、上述した熱交換器の容積割合よりＡを決めるとＡの値は２４〜９３％の範囲になる。なお混合比によって冷媒の物性（上記放熱量の割合）が変わるため混合比に応じた位置を選定することが望ましい。

なお凝縮器を通過する混合冷媒は、沸点の高い冷媒の方が先に液化する。ここで図８は、図７における二相域の冷媒内の液相冷媒の組成を示すものであり、二相域のうち凝縮器の入口側に近い方が、高沸点冷媒の割合が多くなることを示している。よって、二相域にあるＢ区間（図７参照）の液を取り出す際には、上記Aを凝縮器の入口側に配置することが望ましい。

上記構成の動作を説明する。
圧縮機１２からの混合冷媒は、配管２６を通って第一凝縮器１４ａに入り、気液分離器２２で気液に分離される。気液分離器２２に溜まったＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）リッチな液冷媒は、流量調整弁２４を通って配管３２で圧縮機１２にインジェクションされる。一方、気液分離器２２で分離された飽和蒸気冷媒は第二凝縮器１４ｂから配管２８および減圧手段１６を通って蒸発器１８に入る。この蒸発器１８に入る冷媒としてはＲ３２の割合が多くなる。蒸発器１８からの冷媒は配管３０を通じて圧縮機１２に送られる。

このように、二相域から先に液化しやすいＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）の液冷媒を予め分離することで、蒸発器１８に回る冷媒のうちＲ３２の割合がより大きくなり、蒸発器１８での温度勾配を小さくすることができる。

一方、圧縮機１２にインジェクションされた冷媒は液状態のため、それが気化する熱により最終的に吐出される冷媒の温度を抑制することができる。さらにこの液冷媒はＲ３２に比べて吐出温度が低いＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を多く含むので、Ｒ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を多く含まない液冷媒をインジェクションするよりも大きな吐出温度抑制効果を持つ。このため、本発明の空気調和機１０によれば、非共沸混合冷媒の持つ短所の影響を小さくすると同時に、その主成分であるＲ３２に起因する短所の影響も小さくすることができる。

ところで、気液分離器２２に流入する冷媒（二相）のうち、飽和蒸気冷媒は気液分離器から流出していくが、飽和液冷媒は外気温度が冷媒温度より低いためにガス化しない。したがって冷媒循環量が一定の状態では時間とともに気液分離器２２内に飽和液冷媒が蓄積されていくことになる。この場合、気液分離器２２の容器２２ａ内の液面の高さが増し、飽和蒸気状態の冷媒が取り出せなくなると第二凝縮器１４ｂに液冷媒のみ流通することになり、凝縮器１４全体として凝縮性能が低下してしまうため、この液面高さは容器２２ａ内に挿入された出口管の下端部より低い位置を保つように制御する必要がある。

そこで、図９に示すように、凝縮器１４と気液分離器２２を接続する冷媒回路上にバイパス３４と切換え弁３６、３８を設けるとともに、容器２２ａ内に長さの異なる配管４０、４２を挿入し、空気調和機の運転中に必要に応じて気液分離器２２の使用／不使用を切換えられるようにしておく。この切換えの条件としては、例えば短い配管４２の下端の連通口４２ａより低い位置に図示しない液面検知センサを設け、このセンサで検知される容器２２ａ内の液面が所定の高さを上回るか否かによって定めてもよい。

この場合、検知液面が所定の高さを下回る通常時においては、液冷媒の貯留量は許容範囲内であるので、切換え弁３６、３８の状態を、第一凝縮器１４ａと配管４０、第二凝縮器１４ｂと配管４２をそれぞれ連通し、バイパス３４を遮断するようにしておく。これにより、気液分離器２２は使用状態となり、第一凝縮器１４ａからの二相冷媒は配管４０を介して気液分離器２２に流入し、容器２２ａに溜まった冷媒は配管３２を通じて液インジェクションに使われる。

一方、検知液面が所定の高さを上回った時には、液冷媒の貯留量は過剰であることから、第一凝縮器１４ａとバイパス３４と第二凝縮器１４ｂとを連通し、第一凝縮器１４ａと配管４０、第二凝縮器１４ｂと配管４２の連通をそれぞれ遮断するように切換え弁３６、３８を切り換える。これにより、気液分離器２２は不使用状態とされ、第一凝縮器１４ａからの二相冷媒は直接第二凝縮器１４ｂに流れて気液分離器２２に流入しない。これにより、第二凝縮器１４ｂに液冷媒のみが流通することがなくなるので、この場合に比べ凝縮器１４全体としての凝縮能力の低下を避けることができる。なお、上記の液面検知センサの検知に基づく切換え弁３６、３８の切り換え制御は、図示しない制御手段により行うことができる。

なお、上記の実施の形態においては、主にＲ３２とＲ１３４ａのみからなる混合冷媒の場合について説明したが、図１及び図２に示すようなＲ１３４ａに物性が類似しているＲ１２３４ｙｆを用いて、Ｒ３２とＲ１２３４ｙｆのみからなる混合冷媒とした場合であっても、ＯＤＰがゼロで、かつ、ＧＷＰがＲ２２よりも小さくなるなど、Ｒ３２とＲ１３４ａのみからなる混合冷媒の場合と同様の効果を奏することを本発明者らは確認していることを付言しておく。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続して形成した冷媒回路に、第一の冷媒であるＲ３２を第二の冷媒であるＲ１３４ａまたはＲ１２３４ｙｆより大きい混合比で混合した２種混合冷媒を流通させる空気調和機であって、前記冷媒回路は、前記凝縮器の前記第二の冷媒が液リッチである位置から分岐した前記２種混合冷媒から分離した液冷媒を、前記圧縮機の中間圧にインジェクションするので、二相域から先に液化しやすいＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）リッチの液冷媒を予め分離することで、蒸発器に回る冷媒のうちＲ３２の割合が大きくなり、蒸発器での温度勾配を小さくすることができるという効果を奏する。また、圧縮機にインジェクションされた冷媒は液状態のため、それが気化する熱により最終的に吐出される冷媒の温度を抑制することができる。さらにこの液冷媒はＲ３２に比べて吐出温度が低いＲ１３４ａ（またはＲ１２３４ｙｆ）を多く含むので、封入時の組成割合の液冷媒をインジェクションするよりも大きな吐出温度抑制効果を持つ。このため、非共沸混合冷媒の持つ短所の影響を小さくすると同時に、その主成分であるＲ３２に起因する短所の影響も小さくすることができる。

また、凝縮圧力及び吐出温度を低減することができるため、外気温が５２℃以上となるような高外気温時であっても、従来使用していた冷媒（Ｒ４１０Ａ）と同等以下の圧力で運転できるため、膨張弁や配管等の設計圧力を変えずにすみ、部品を共用しコストを低減できる。

以上のように、本発明に係る空気調和機は、熱帯地域向けの空気調和機に有用であり、特に、吐出温度を抑制し、蒸発器側の温度勾配を小さくするのに適している。

１０ 空気調和機
１２ 圧縮機
１４ 凝縮器（室外機）
１６ 減圧手段
１８ 蒸発器（室内機）
２０ 四方弁
２２ 気液分離器
２４ 流量調整弁
２６，２８，３０，３２，４０，４２ 配管
３４ バイパス
３６，３８ 切換え弁

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続して形成した冷媒回路に、第一の冷媒であるＲ３２を第二の冷媒であるＲ１３４ａまたはＲ１２３４ｙｆより大きい混合比で混合した２種混合冷媒を流通させる空気調和機であって、
   前記冷媒回路は、前記凝縮器の前記第二の冷媒が液リッチである位置から分岐した前記２種混合冷媒から分離した液冷媒を、前記圧縮機の中間圧にインジェクションすることを特徴とする空気調和機。
2. 前記第一の冷媒の混合比は８０〜９０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記凝縮器内の冷媒が気液二相状態となる位置から前記液冷媒を分離することを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。
4. 前記凝縮器内の冷媒が気液二相状態となる位置から前記液冷媒を分離する気液分離器と、この気液分離器の使用／不使用を切り換える切換え弁とを有す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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