JP6828176B2 - マルチタイプ空調システムおよび室内ユニット - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、マルチタイプ空調システムおよび室内ユニットに関する。
例えば一つの室外ユニットに複数の室内ユニットが接続されたマルチタイプ空調システムでは、各室内ユニットに供給される冷媒の量が室温あるいは室内ユニットの使用状況等により刻々と変化する。このため、複数の室内ユニットに対する冷媒の流れ具合によっては、室外ユニットから室内ユニットに供給される冷媒が液相流から気液二相流の状態に変化することがあり得る。
気液二相流の冷媒が室内ユニットの膨張弁に流入すると、耳障りな冷媒流動音が発生することが知られている。すなわち、冷媒流動音は、気液二相流の流動様式に依存しており、冷媒の流れの中に不均一の気泡が断続的に存在するスラグ流あるいはフロス流が圧力脈動を伴いながら膨張弁に流入した時に、当該膨張弁から間欠的に大きな異音が発生する。
膨張弁が発する冷媒流動音を低減させるため、従来の室内ユニットでは、膨張弁の口径を冷媒配管の内径よりも小さくしたり、あるいは冷媒配管のうち膨張弁よりも上流側に位置する箇所に、冷媒の流れを一旦複数に分岐した後、再度合流させる分岐合流部を設けることが試されている。
この構成によれば、膨張弁に導かれる冷媒の流れがスラグ流あるいはフログ流からより安定した連続的な流れに移行し、気液二相流に起因する冷媒流動音を低減することができる。
特開平9−292166号公報 特開平9−318198号公報
しかしながら、例えば冷媒を室内ユニットに送り出す圧縮機の回転数が低下したり、暖房運転中に除霜運転に移行した時のように、冷媒配管内の急激な圧力変化により冷媒の気液二相化が生じた場合に、単に膨張弁の口径を小径化するだけの対応では、冷媒流動音を抑制することが困難となるのを否めない。
さらに、例えばマルチタイプ空調システムの起動時あるいは暖房運転中に除霜運転に移行した時のように、冷媒配管を流れる冷媒の流速が十分でない場合は、膨張弁の上流側に位置する分岐合流部において気液を十分に混合させることが困難となることが予測される。
本発明の目的は、冷媒が気液二相流の状態で膨張弁に流入した時に生じる冷媒流動音を低減させることができ、静粛な運転が可能な室内ユニットを有するマルチタイプ空調システムを得ることにある。
実施形態によれば、マルチタイプ空調システムは、圧縮機で圧縮された冷媒と空気との間で熱交換を行なう室外熱交換器を有する室外ユニットと、前記室外熱交換器を通過した冷媒が流入する膨張弁および当該膨張弁で減圧された冷媒と空気との間で熱交換を行なう室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと、前記室外ユニットに対し複数の前記室内ユニットを並列に接続するとともに、前記室外ユニットと前記室内ユニットとの間で循環する冷媒が流れる冷媒配管と、を備えている。
前記室内ユニット内に位置する前記冷媒配管は、前記膨張弁よりも冷媒の流れ方向に沿う上流側の箇所に複数本のキャピラリを有し、当該キャピラリが前記冷媒配管に対し並列に接続されている。複数本の前記キャピラリの上流端と前記冷媒配管との間を接続する分岐管部と、複数本の前記キャピラリの下流端と前記冷媒配管との間を接続する合流管部と、をさらに備えている。前記分岐管部と前記合流管部とは、互いに平行かつ対向した位置関係を有し、複数本の前記キャピラリは、前記分岐管部と前記合流管部との間に架け渡されている。
図1は、実施形態に係るマルチタイプ空調システムの冷凍サイクルを示す回路図である。 図2は、マルチタイプ空調システムに用いる壁掛け形の室内ユニットの斜視図である。 図3は、壁掛け形の室内ユニットの断面図である。 図4は、室内熱交換器、膨張弁およびキャピラリ部の位置関係を示す室内ユニットの平面図である。 図5は、マルチタイプ空調システムに用いる膨張弁の断面図である。 図6は、図4のキャピラリ部を拡大して示す平面図である。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、例えば中低層ビルあるいは店舗用建物に用いられるマルチタイプ空調システム1の冷凍サイクルを示す回路図である。本実施形態に係るマルチタイプ空調システム1は、一台の室外ユニット2、三台の室内ユニット3および室外ユニット2と室内ユニット3との間を循環する冷媒が流れる冷媒配管4を備えている。
具体的に述べると、室外ユニット2は、密閉形圧縮機5、四方弁6、室外熱交換器7、第1の膨張弁8およびアキュームレータ9を含んでいる。図1に示すように、密閉形圧縮機5の吐出口は、四方弁6の第1ポート6aに接続されている。四方弁6の第2ポート6bは、室外熱交換器7に接続されている。室外熱交換器7は、第1の膨張弁8に接続されている。さらに、四方弁6の第3ポート6cは、アキュームレータ9に接続されている。アキュームレータ9は、サクションカップ10を介して密閉形圧縮機5の吸入口に接続されている。
三台の室内ユニット3は、四方弁6の第4ポート6dと第1の膨張弁8との間に並列に接続されている。各室内ユニット3は、第2の膨張弁12および室内熱交換器13を有している。第2の膨張弁12は、第1の膨張弁8と室内熱交換器13との間に介在されているとともに、第1の膨張弁8および室内熱交換器13に接続されている。室内熱交換器13は、四方弁6の第4ポート6dに接続されている。
マルチタイプ空調システム1が冷房運転を行う場合、四方弁6は、第1ポート6aが第2ポート6bに連通し、第3ポート6cが第4ポート6dに連通するように切り替わる。冷房運転が開始されると、密閉形圧縮機5で圧縮された高温・高圧の気相冷媒が冷媒配管4に吐出される。高温・高圧の気相冷媒は、四方弁6を経由して凝縮器として機能する室外熱交換器7に導かれる。
室外熱交換器7に導かれた気相冷媒は、送風ファン11から送られる室外の空気との熱交換により凝縮し、高圧の液相冷媒に変化する。高圧の液相冷媒は、第1の膨張弁8を通過する過程で減圧された後に、三台の室内ユニット3に分配される。
すなわち、第1の膨張弁8を通過した冷媒は、各室内ユニット3の第2の膨張弁12を通過する過程で再び減圧されて低圧の気液二相流に変化する。気液二相冷媒は、蒸発器として機能する室内熱交換器13に導かれる。室内熱交換器13に導かれた気液二相冷媒は、室内熱交換器13を通過する過程で送風ファン14から送られる室内の空気と熱交換する。
この結果、気液二相冷媒は、室内の空気から熱を奪って蒸発し、低温・低圧の気相冷媒に変化する。室内熱交換器13を通過する空気は、液相冷媒の蒸発潜熱により冷やされ、冷風となって冷房すべき室内に送風される。
室内熱交換器13を通過した低温・低圧の気相冷媒は、四方弁6からアキュームレータ9およびサクションカップ10を経由して密閉形圧縮機5に吸い込まれる。密閉形圧縮機5に吸い込まれた気相冷媒は、再び高温・高圧の気相冷媒に圧縮されて冷媒配管4に吐出される。
一方、マルチタイプ空調システム1が暖房運転を行う場合、四方弁6は、第1ポート6aが第4ポート6dに連通し、第2ポート6bが第3ポート6cに連通するように切り替わる。暖房運転が開始されると、密閉形圧縮機5で圧縮された高温・高圧の気相冷媒は、四方弁6を経由して三台の室内ユニット3の室内熱交換器13に分配され、凝縮器として機能する室内熱交換器13を通過する過程で送風ファン14から送られる室内の空気と熱交換する。
この結果、室内熱交換器13を通過する気相冷媒は、室内の空気と熱交換することにより凝縮し、高圧の液相冷媒に変化する。室内熱交換器13を通過する空気は、気相冷媒との熱交換により加熱され、温風となって暖房すべき室内に送風される。
室内熱交換器13を通過した高圧の液相冷媒は、第2の膨張弁12および第1の膨張弁8を通過する過程で減圧されて、低圧の気液二相流に変化する。気液二相冷媒は、蒸発器として機能する室外熱交換器7に導かれるとともに、ここで送風機11から送られる室外の空気との熱交換により蒸発し、低温・低圧の気相冷媒に変化する。室外熱交換器7を通過した低温・低圧の気相冷媒は、冷房運転の時と同様に、四方弁6からアキュームレータ9およびサクションカップ10を経由して密閉形圧縮機5に吸い込まれる。
暖房運転中に室外熱交換器7に霜が付着した場合、霜を取り除く除霜運転に移行する。除霜運転では、四方弁6が暖房運転から冷房運転の状態に切り替わるとともに、送風ファン11が停止する。これにより、密閉形圧縮機5で圧縮された高温の気相冷媒が室外熱交換器7に導かれ、室外熱交換器7に付着した霜を溶かす。
図2および図3に示すように、本実施形態の室内ユニット3は、空調すべき室Rの壁面Wの上部に据え付けられた壁掛け形であり、壁面Wに固定された筐体20を有している。筐体20は、前面パネル21、背面パネル22および左右の側面パネル23を有する箱形の要素である。筐体20は、壁面Wから空調すべき室R内に突出されているとともに、壁面Wに沿って横方向に延びている。
さらに、筐体20は、吸込口24および吹出口25を有している。吸込口24は、筐体20の上面に開口されている。吹出口25は、筐体20の下面に開口されている。吹出口25には、空調された空気の吹き出し方向を筐体20の上下方向に変化させる水平ルーバ26と、空調された空気の吹き出し方向を筐体20の左右方向に変化させる複数の縦ルーバ27(一つのみを図示)が配置されている。
図3に示すように、筐体20の内部は、熱交換室28と配管収容室29とに区分けされている。熱交換室28は、筐体20の内部の多くの領域を占有するとともに、当該熱交換室28に吸込口24および吹出口25が連通されている。配管収容室29は、カバー30で囲うことにより、熱交換室28から隔てられている。配管収容室29は、熱交換室28に対し筐体20の幅方向に沿う一方側にずれているとともに、熱交換室28の上部の背後に位置されている。
前記室内熱交換器13、前記送風ファン14およびフィルタ33が熱交換室28に収容されている。室内熱交換器13は、前面パネル21の背後で起立された板状の要素であって、複数の冷却フィン34および冷媒が流れる複数の伝熱管35を備えている。
冷却フィン34は、筐体20の高さ方向に延びるとともに、筐体20の幅方向に間隔を存して一列に並んでいる。伝熱管35は、筐体20の高さ方向および奥行方向に間隔を存して並んでいるとともに、互いに独立した複数の冷媒流路(パス)を規定している。さらに、伝熱管35は、冷却フィン34に熱的に接続されている。
送風ファン14は、室内熱交換器13の背後で筐体20の幅方向に水平に配置されている。そのため、本実施形態では、送風ファン14と筐体20の吸込口24との間に室内熱交換器13が介在され、送風ファン14の真下に水平ルーバ26および縦ルーバ27を有する吹出口25が位置されている。
フィルタ33は、筐体20の前面パネル21および吸込口24と向かい合うように熱交換室28に取り外し可能に支持されている。送風ファン14が運転を開始すると、空調すべき室R内の空気が吸込口24から熱交換室28に吸い込まれる。熱交換室28に吸い込まれた空気は、フィルタ33で濾過された後、室内熱交換器13に導かれる。室内熱交換器13を通過した空気は、縦ルーバ27および水平ルーバ26で吹き出し方向が変更された後、吹出口25から空調すべき室R内に吐き出される。
図3および図4に示すように、前記第2の膨張弁12および液側配管37が筐体20の配管収容室29に収容されている。液側配管37は、冷媒配管4のうち第1の膨張弁8と室内ユニット3の室内熱交換器13との間を結ぶ部分を構成している。
図4および図5に示すように、第2の膨張弁12は、液側配管37の中間部に接続されている。第2の膨張弁12は、液側配管37を入口管部37aと出口管部37bとに区分けしている。入口管部37aおよび出口管部37bは、配管収容室29内で筐体20の幅方向に水平に延びているとともに、筐体20の高さ方向に互いに間隔を平行に配置されている。入口管部37aの下流端部は、上向きに直角に折り曲げられている。
第2の膨張弁12は、弁本体40および駆動部41を備えている。弁本体40の内部に冷媒通路42が形成されている。冷媒通路42は、冷媒導入部42aおよび冷媒導出部42bを有している。冷媒導入部42aに液側配管37の入口管部37aの下流端が接続されている。冷媒導出部42bに液側配管37の出口管部37bの上流端が接続されている。
さらに、冷媒導入部42aおよび冷媒導出部42bは、弁本体40の内部で互いに交差されている。冷媒導入部42aおよび冷媒導出部42bが交差する箇所には、弁座43が形成されている。
本実施形態の弁本体40は、冷媒導出部42bとは反対側に向けて突出されたニードル支持部44を有している。ニードル挿通孔45がニードル支持部44の内部に形成されている。ニードル挿通孔45は、冷媒導出部42bと同軸状に位置されている。
弁体としてのニードル47がニードル挿通孔45に軸方向に摺動可能に挿入されている。ニードル47は、全閉位置と開放位置との間で移動可能にニードル支持部44に支持されている。
全閉位置では、ニードル47の軸方向に沿う一端に位置する先細り状の頭部47aが弁座43に着座し、冷媒導入部42aと冷媒導出部42bとの間の連通を遮断する。開放位置では、ニードル47の頭部47aが弁座43から離脱するとともに、頭部47aと弁座43との間の通路面積が増減される。これにより、冷媒導入部42aから冷媒導出部42bに向けて流れる冷媒の流量が制御される。
第2の膨張弁12の駆動部41は、ニードル47を軸方向に移動させる要素であって、モータ48および電磁石49を主要な要素として備えている。モータ48は、ニードル支持部44の外周面にねじ込まれた筒状のロータ部51と、ロータ部51の外周面に嵌合された筒状のスペーサ52と、スペーサ52の外周面に固定された電磁石53と、を有している。ロータ部51の先端は、ニードル47の頭部47aとは反対側の端部47bに係合子54を介して連結されている。
さらに、モータ48は、ニードル支持部44と共にケース55で覆われている。電磁石49は、ケース55の外側から電磁石53を取り囲んでいる。
モータ48のロータ部51は、電磁石49への通電量に応じて回転する。ロータ部51は、ニードル支持部44にねじ込まれているので、回転することでニードル支持部44の軸方向に移動する。当該ロータ部51の動きがニードル47に伝わることで、ニードル47が全閉位置と開放位置との間で直線的に移動する。これにより、冷媒導入部42aから冷媒導出部42bに向けて流れる冷媒の流量制御が行なわれる。
図4および図6に示すように、液側配管37の入口管部37aの途中にキャピラリ部60が設けられている。キャピラリ部60は、第2の膨張弁12に対し、冷房運転時の冷媒の流れ方向に沿う上流側に位置されている。
キャピラリ部60は、二本のキャピラリ61a,61b、分岐管部62および合流管部63を備えている。キャピラリ61a,61bは、夫々予め決められた長さLおよび内径d2を有する直管で構成されている。本実施形態では、キャピラリ61a,61bの長さLが80mm、キャピラリ61a,61bの内径d2が2mmに設定されている。
分岐管部62は、液側配管37が接続された一つの第1の接続口64と、第1の接続口64から二つに分岐された一対の第2の接続口65a,65bと、を有している。合流管部63は、入口管部37aが接続された一つの第3の接続口66と、第3の接続口66から二つに分岐された一対の第4の接続口67a,67bと、を有している。
一方のキャピラリ61aは、分岐管部62の第2の接続口65aと合流管部63の第4の接続口67aとの間に架け渡されている。他方のキャピラリ61bは、分岐管部62の第2の接続口65bと合流管部63の第4の接続口67bとの間に架け渡されている。そのため、キャピラリ61a,61bは、例えば筐体20の高さ方向に互いに間隔を存して平行となるように、液側配管37の入口管部37aに対し並列に配置されている。
本実施形態では、各キャピラリ61a,61bの内径d2は、第2の膨張弁12の冷媒導入部42aの口径d1と同等か、それよりも大きく設定されているとともに、液側配管37の入口管部37aの内径d3よりも小さく設定されている。さらに、d1、d2およびd3は、キャピラリ61a,61bの本数をnとした時、
d1<d2×n<d3
の関係を満たすことが望ましい。
図4に示すように、液側配管37の出口管部37bは、分配器70を介して複数の枝管71に接続されている。枝管71は、室内熱交換器13が有する複数の冷媒流路(パス)の数に対応しており、当該枝管71が冷媒流路の入口に接続されている。
さらに、室内熱交換器13の複数の冷媒流路(パス)の出口は、ヘッダ72で一つに合流された後、当該ヘッダ72を介してガス側配管73に接続されている。ガス側配管73は、前記冷媒配管4のうち室内ユニット3の室内熱交換器13と四方弁6の第4ポート6dとの間を結ぶ部分を構成している。
マルチタイプ空調システム1を冷房運転している状態において、第1の膨張弁8を通過した冷媒が、例えばスラグ流のように流れの中に不均一な気泡が断続的に含まれた流動様式であるとすると、当該冷媒が第2の膨張弁12のニードル47の頭部47aと弁座43との間の隙間を通過する際に不快な冷媒流動音が発生する。
本実施形態の室内ユニット3では、第2の膨張弁12よりも冷媒の流れ方向に沿う上流に二本のキャピラリ61a,61bを有するキャピラリ部60が設けられている。このため、不均一な気泡を含む気液二相流の冷媒がキャピラリ部60に到達すると、冷媒は、分岐管部62で二つの流れに分岐された後、キャピラリ61a,61bに流入する。
キャピラリ61a,61bの内径d2は、液側配管37の入口管部37aの内径d3よりも小さいので、キャピラリ61a,61bによる絞り効果で二つの流れに分岐された冷媒の流速が増大する。
これにより、キャピラリ61a,61bを通過する冷媒の流れがスラグ流から安定的な噴霧流の流動様式に変更される。すなわち、流速の増大に伴い、冷媒の流れが連続的となり、冷媒流動音の発生要因となる冷媒の間欠的な流れが解消される。
さらに、キャピラリ61a,61bを通過する過程で連続的な噴霧流に移行した冷媒は、合流管部63で互いに合流する。これにより、冷媒中に含まれる気液の混合が促進され、合流管部63から第2の膨張弁12に向かう冷媒中に含まれる気泡が細分化された均一な冷媒の流れを形成することができる。
この結果、冷媒が第2の膨張弁12のニードル47の頭部47aと弁座43との間の隙間の付近に到達した時点では、冷媒は、細かな気泡が液中に万遍なく連続的に混在するような流動様式に移行し、冷媒が前記隙間を通過する際の圧力変化を小さく抑えることができる。
したがって、例えばマルチタイプ空調システム1の起動時、暖房運転から除霜運転に移行した時のように、液側配管37を流れる気液二相流の冷媒の流速が十分でない場合でも、室内ユニット3の第2の膨張弁12が発する冷媒流動音を効率よく低減させることができ、静粛な運転が可能となる。
しかも、本実施形態では、第2の膨張弁12の口径をd1、キャピラリ61a,61bの内径をd2、液側配管37の入口管部37aの内径をd3、キャピラリ61a,61bの本数をnとした時、
d1<d2×n<d3
の関係を満たしている。
これにより、第2の膨張弁12の口径d1に対しキャピラリ61a,61bの通路断面積の総和を十分に確保することができ、冷媒がキャピラリ61a,61bを通過する際の不必要な圧力損失を防ぐことができる。
加えて、個々のキャピラリ61a,61bの内径d2が液側配管37の入口管部37aの内径d3よりも小さいので、キャピラリ61a,61bによる冷媒の絞り効果を十分に発揮させることができる。したがって、キャピラリ61a,61bを通過する冷媒の流速が高まり、第2の膨張弁12に導かれる冷媒を流れをより均一化する上で好都合となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えばマルチタイプ空調システムの室外ユニットは、一台に限らず二台あるいは三台であってもよく、室外ユニットおよび室内ユニットの数に特に制約はない。
さらに、前記実施形態では、キャピラリの本数を二本としたが、キャピラリの本数に関しても制約はない。それとともに、キャピラリの内径は互いに同一である必要はなく、液側配管の入口管部よりも小径であれば、複数のキャピラリの内径を互いに異ならせてもよい。
加えて、キャピラリは水平に配置することに限らず、筐体内に十分なスペースを確保できるのであれば、例えばキャピラリを筐体内で起立させるようにしてもよい。
1…マルチタイプ空調システム、2…室外ユニット、3…室内ユニット、4…冷媒配管、5…圧縮機(密閉形圧縮機)、7…室外熱交換器、12…膨張弁(第2の膨張弁)、13…室内熱交換器、61a,61b…キャピラリ。

Claims (8)

  1. 圧縮機で圧縮された冷媒と空気との間で熱交換を行なう室外熱交換器を有する室外ユニットと、
    前記室外熱交換器を通過した冷媒が流入する膨張弁と、当該膨張弁で減圧された冷媒と空気との間で熱交換を行なう室内熱交換器と、を有し、空調すべき室内に露出される複数の室内ユニットと、
    前記室外ユニットに対し複数の前記室内ユニットを並列に接続するとともに、前記室外ユニットと前記室内ユニットとの間で循環する冷媒が流れる冷媒配管と、を備えたマルチタイプ空調システムにおいて、
    前記室内ユニット内に位置する前記冷媒配管は、前記膨張弁よりも冷媒の流れ方向に沿う上流側の箇所に複数本のキャピラリを有し、当該キャピラリが前記冷媒配管に対し並列に接続され
    複数本の前記キャピラリの上流端と前記冷媒配管との間を接続する分岐管部と、複数本の前記キャピラリの下流端と前記冷媒配管との間を接続する合流管部と、をさらに備え、
    前記分岐管部と前記合流管部とは、互いに平行かつ対向した位置関係を有し、
    複数本の前記キャピラリは、前記分岐管部と前記合流管部との間に架け渡されているマルチタイプ空調システム。
  2. 前記キャピラリは、予め決められた全長を有する直管であって、前記膨張弁に向けて流れる冷媒の流速を増加させる請求項1に記載のマルチタイプ空調システム。
  3. 前記室内ユニットは、空調すべき室内に露出された壁掛け形であり、複数の前記キャピラリが互いに間隔を存して水平に配置された請求項2に記載のマルチタイプ空調システム。
  4. 前記膨張弁の口径をd1、前記キャピラリの内径をd2、前記分岐管部に接続された前記冷媒配管の内径をd3および前記キャピラリの本数をnとした時、
    d1<d2×n<d3
    の関係を満たす請求項に記載のマルチタイプ空調システム。
  5. 冷房運転時および除霜運転時においては、前記室外熱交換器を通過した冷媒の流れが複数の前記キャピラリに分岐されるとともに、複数の前記キャピラリを通過した冷媒が互いに合流した状態で前記膨張弁に導かれる請求項1に記載のマルチタイプ空調システム。
  6. 膨張弁と、
    当該膨張弁に室外ユニットで熱交換された冷媒を導く冷媒配管と、
    前記膨張弁で減圧された冷媒との間で熱交換を行なう室内熱交換器と、を有し、
    前記冷媒配管のうち前記膨張弁よりも冷媒の流れ方向に沿う上流側の箇所に、前記冷媒配管に対し並列に接続された複数本のキャピラリが設けられ
    複数本の前記キャピラリの上流端と前記冷媒配管との間を接続する分岐管部と、複数本の前記キャピラリの下流端と前記冷媒配管との間を接続する合流管部と、をさらに備え、
    前記分岐管部と前記合流管部とは、互いに平行かつ対向した位置関係を有し、
    複数本の前記キャピラリは、前記分岐管部と前記合流管部との間に架け渡されている室内ユニット。
  7. 前記キャピラリは、予め決められた全長を有する直管であって、前記膨張弁に向けて流れる冷媒の流速を増加させる請求項に記載の室内ユニット。
  8. 前記膨張弁の口径をd1、前記キャピラリの内径をd2、前記分岐管部に接続された前記冷媒配管の内径をd3および前記キャピラリの本数をnとした時、
    d1<d2×n<d3
    の関係を満たす請求項に記載の室内ユニット。
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