JP2015200431A

JP2015200431A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2015200431A
Application number: JP2014077950A
Authority: JP
Inventors: 和英山本; Kazuhide Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: US9933193B2; CN106164608A; WO2015152369A1; EP3128264A4; JP6120797B2; RU2016143191A3; RU2016143191A; CN106164608B; US20160363357A1; RU2666824C2; EP3128264B1; ES2690125T3; EP3128264A1

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を使用する空気調和機であって、アキュムレータ内に液冷媒を貯留しても高性能化を図ることができる空気調和機を得る。
【解決手段】空気調和機１００は、冷凍サイクル回路に非共沸混合冷媒及び冷凍機油が封入されるものである。そして、圧縮機１の吸入口とアキュムレータ２とを接続する冷媒配管である吸入配管２１は、アキュムレータ２と接続される側の端部が該アキュムレータ２の内部に突出している。さらに、空気調和機１００の吸入配管２１には、アキュムレータ２の内部に配置された範囲であってアキュムレータの中央部よりも高い位置に、油戻し孔１９が形成されている。空気調和機１００の制御装置１６は、アキュムレータ２に流入する冷媒の乾き度が１未満となるように減圧装置４の開度を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた空気調和機に関するものである。

従来より、空気調和機等の冷凍サイクル回路に用いられる冷媒としては、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の高いＨＦＣ冷媒が知られており、疑似共沸冷媒であるＨＦＣ−Ｒ４１０Ａ及び単一冷媒であるＨＦＣ−Ｒ３２等が主に使用されている。また、近年では、ＧＷＰの低いＨＦＯ冷媒、例えばＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２冷媒を混合した非共沸混合冷媒を使用する冷凍サイクル装置も提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２５７７４０号公報

ＨＦＣ−Ｒ３２は、冷媒が冷凍サイクル回路内の冷媒配管を通過する際の圧力損失が小さい特性を持つ為蒸発能力を出しやすいという特徴を有しているが、ＧＷＰが高いという課題がある。一方、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ及びＨＦＯ−１２３４ｚｅは、ＧＷＰが低い反面、冷媒が冷凍サイクル回路内の冷媒配管を通過する際の圧力損失が大きく蒸発能力の低下が大きいという課題がある。このため、ＨＦＣ−Ｒ３２とＨＦＯ−１２３４ｙｆ、又はＨＦＣ−Ｒ３２とＨＦＯ−１２３４ｚｅを混合した非共沸混合冷媒を使用する場合でも、ＨＦＯ冷媒の特性により、空気調和機の性能悪化に繋がってしまうという課題があった。

また、ＨＦＣ−Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸冷媒又はＨＦＣ−Ｒ３２等の単一冷媒を使用する従来の空気調和機においては、通常運転時、圧縮機の吸入側に接続されたアキュムレータ入り口の冷媒乾き度が１以上となるように減圧装置を制御することにより、アキュムレータ内に液冷媒を貯留しないようにしている。このため、ＨＦＣ−Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸冷媒又はＨＦＣ−Ｒ３２等の単一冷媒を使用する従来の空気調和機は、アキュムレータと圧縮機の吸入口とを接続する冷媒配管のアキュムレータ側端部をアキュムレータ内に突出させ、該冷媒配管のアキュムレータ内に配置されている範囲におけるアキュムレータの下部に位置する箇所に、アキュムレータ内に冷凍機油が溜まり込むことを防止する油戻し孔（小孔）が形成されている。ここで、このような従来の空気調和機は、過渡的に冷媒乾き度を１以上に確保できない時に、液冷媒をアキュムレータ内に貯留するという制御を行っている。このため、冷媒乾き度が１未満になったときに冷凍機油とともに液冷媒を油戻し孔から圧縮機に吸い込むこととなるため、圧縮機の吸入圧損が大となり、空気調和機の性能悪化してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、非共沸混合冷媒を使用する空気調和機であって、アキュムレータ内に液冷媒を貯留しても高性能化を図ることができる空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器及びアキュムレータが冷媒配管で接続された冷凍サイクル回路と、前記減圧装置の開度を制御する制御装置とを備え、前記圧縮機の吸入口と前記アキュムレータとを接続する冷媒配管である吸入配管は、前記アキュムレータと接続される側の端部が該アキュムレータの内部に突出し、前記冷凍サイクル回路に非共沸混合冷媒及び冷凍機油が封入される空気調和機において、前記吸入配管における前記アキュムレータの内部に配置された範囲には、前記アキュムレータの中央部よりも高い位置に油戻し孔が形成されており、前記制御装置は、前記アキュムレータに流入する冷媒の乾き度が１未満となるように前記減圧装置の開度を制御するものである。

本発明に係る空気調和機は、冷凍サイクル回路に非共沸混合冷媒を封入し、アキュムレータに流入する冷媒の乾き度が１未満としている。このため、非共沸混合冷媒を構成する冷媒のうちの沸点の高い冷媒を優先的にアキュムレータ内に貯留できる。例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２冷媒を混合した非共沸混合冷媒を使用する場合、沸点の高いＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅをアキュムレータ内に貯留できる。つまり、本発明に係る空気調和機は、封入冷媒組成に対して、循環冷媒組成をＨＦＣ−Ｒ３２の多いものにすることができる。このため、冷凍サイクル回路の効率が向上し、非共沸混合冷媒を使用した際の空気調和機の性能悪化を防止できる。
また、本発明に係る空気調和機は、吸入配管におけるアキュムレータの内部に配置された範囲には、アキュムレータの中央部よりも高い位置に油戻し孔が形成されている。このため、アキュムレータ内に冷媒を貯留しても、圧縮機が液冷媒を吸入することを防止でき、圧縮機の吸入圧損による空気調和機の性能悪化も防止できる。
したがって、本発明は、非共沸混合冷媒を使用する高性能な空気調和機を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和機を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態に係る空気調和機の圧縮機及びアキュムレータを示す縦断面図である。本発明の実施の形態に係る空気調和機のアキュムレータ近傍を示す要部拡大図（縦断面図）である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機を示す冷媒回路図である。図２は、この空気調和機の圧縮機及びアキュムレータを示す縦断面図である。また、図３は、この空気調和機のアキュムレータ近傍を示す要部拡大図（縦断面図）である。なお、図１において、実線矢印は暖房運転時における冷媒の流れ方向を示し、破線矢印は冷房運転時における冷媒の流れ方向を示している。

図１に示すように、本実施の形態に係る空気調和機１００は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の循環方向を切り替える四方弁６、冷房運転時は凝縮器、暖房運転時は蒸発器として動作する室外側熱交換器３、高圧の液冷媒を減圧して低圧の気液二相冷媒にする減圧装置４（例えば電子制御式膨張弁）、冷房運転時は蒸発器、暖房運転時は凝縮器として動作する室内側熱交換器５、及び、液冷媒とガス冷媒とを分離して圧縮機１へガス冷媒を供給するアキュムレータ２が冷媒配管で接続された冷凍サイクル回路を備えている。つまり、冷房運転時における空気調和機１００の冷凍サイクル回路は、圧縮機１、凝縮器として動作する室外側熱交換器３、減圧装置４、蒸発器として動作する室内側熱交換器５、及び、アキュムレータ２が冷媒配管で環状に接続されて構成される。また、暖房運転時における空気調和機１００の冷凍サイクル回路は、圧縮機１、凝縮器として動作する室内側熱交換器５、減圧装置４、蒸発器として動作する室外側熱交換器３、及び、アキュムレータ２が冷媒配管で環状に接続されて構成される。

上記のように構成された冷凍サイクル回路には、低沸点冷媒と高沸点冷媒とが混合された非共沸混合冷媒が封入されている。本実施の形態では、低沸点冷媒としてＨＦＣ−Ｒ３２を用い、高沸点冷媒としてＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅを用いている。

また、空気調和機１００には、室外側熱交換器３には室外側送風機９が設けられ、そして室内側熱交換器５には室内側送風機８（例えば横流ファン）が設けられている。なお、本実施の形態に係る空気調和機１００においては、除湿運転時に、室内側熱交換器５の一部を蒸発器として動作させて室内空気を除湿し、室内側熱交換器５の他の一部を凝縮器として動作させて除湿後の室内空気を加熱して室内へ戻すため、再熱除湿用電磁弁７も備えている。

さらに、本実施の形態に係る空気調和機１００には、アキュムレータ２の冷媒流入側の冷媒配管に設けられ、当該箇所を流れる冷媒の温度を検出する圧縮機吸入冷媒温度センサー１０、圧縮機１の吐出側の配管に設けられ、当該箇所を流れる冷媒の温度を検出する圧縮機吐出冷媒温度センサー１１、室外側熱交換器３の例えば中間部に設けられ、室外側熱交換器３を流れる冷媒の温度を検出する室外側熱交換器冷媒温度センサー１２、及び、室内側熱交換器５の例えば中間部に設けられ、室内側熱交換器５を流れる冷媒の温度を検出する室内側熱交換器冷媒温度センサー１３が設けられている。そして、これらの各センサー、四方弁６、減圧装置４、再熱除湿用電磁弁７、室内側送風機８及び室外側送風機９は、制御装置１６に電気的に接続されている。つまり、制御装置１６は、上記のセンサーの検出値を受信でき、四方弁６、減圧装置４、再熱除湿用電磁弁７、室内側送風機８及び室外側送風機９を独立して制御できる構成となっている。

なお、本実施の形態では、圧縮機吸入冷媒温度センサー１０、圧縮機吐出冷媒温度センサー１１、室外側熱交換器冷媒温度センサー１２及び室内側熱交換器冷媒温度センサー１３は、冷媒配管の温度を検出することにより、間接的に冷媒の温度を検出する構成となっている。
ここで、冷房運転時における室内側熱交換器冷媒温度センサー１３（蒸発器を流れる冷媒の温度を検出するセンサー）及び、暖房運転時における室外側熱交換器冷媒温度センサー１２（蒸発器を流れる冷媒の温度を検出するセンサー）が、本発明における第１冷媒温度センサーに相当する。また、圧縮機吸入冷媒温度センサー１０が、本発明における第２冷媒温度センサーに相当する。

上記のように構成された空気調和機１００の各構成要素のうち、圧縮機１、アキュムレータ２、室外側熱交換器３、減圧装置４、四方弁６、室外側送風機９、圧縮機吸入冷媒温度センサー１０、圧縮機吐出冷媒温度センサー１１及び室外側熱交換器冷媒温度センサー１２が室外側ユニット１５に収納されている。また、室内側熱交換器５、再熱除湿用電磁弁７、室内側送風機８及び室内側熱交換器冷媒温度センサー１３が、室内側ユニット１４に収納されている。なお、制御装置１６は、室外側ユニット１５に収納されてもよいし、室内側ユニット１４に収納されてもよいし、室外側ユニット１５と室内側ユニット１４とに分けて収納してもよい。

ここで、本実施の形態に係る空気調和機１００における圧縮機１とアキュムレータ２との接続構成の詳細について説明する。
図２及び図３に示すように、圧縮機１の吸入口１ａとアキュムレータ２とは、吸入配管２１で接続されている。なお、本実施の形態に係る圧縮機１は、圧縮機構部１ｂで圧縮された冷媒を密閉容器１ｃ内に吐出する高圧型の圧縮機となっている。また、圧縮機１は、ロータリー式の圧縮機構部１ｂを２つ備えている。このため、本実施の形態では、各圧縮機構部１ｂの吸入口とアキュムレータ２とが、２本の吸入配管２１で接続されている。
なお、圧縮機１の圧縮機構部１ｂの構成はロータリー式に限定されるものではなく、また、圧縮機構部１ｂの数も２つに限定されるものではない。

上記の吸入配管２１は、アキュムレータ２と接続される側の端部が該アキュムレータ２の内部に突出している。より詳しくは、本実施の形態では吸入配管２１としてＬ字状配管を用いており、吸入配管２１は、アキュムレータ２の下部から、アキュムレータ２側の端部がアキュムレータ２内に上方へ向かって突出している。そして、図３に示すように、吸入配管２１におけるアキュムレータ２の内部に配置された範囲には、アキュムレータ２の中央部よりも高い位置に例えば小孔である油戻し孔１９が形成されている。後述するように、本実施の形態に係る空気調和機１００は、乾き度１未満の冷媒をアキュムレータ吸入管１８からアキュムレータ２内に流入させ、液冷媒をアキュムレータ２内に貯留するように運転する。このため、アキュムレータ２の中央部よりも高い位置に、油戻し孔１９を形成するのが好ましい。

このように構成された空気調和機１００は、次のように動作する。

冷房運転時、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が吐出し、四方弁６を介して室外側熱交換器３に流入する。この室外側熱交換器３では、その風路に設けられた室外側送風機９により室外の空気が室外側熱交換器３のフィンとチューブ（伝熱管）の間を通過しながら冷媒と熱交換し、室外側空気に凝縮潜熱を放出することで冷媒は冷却されて高圧の液状態になり、室外側熱交換器３は凝縮器として作用する。室外側熱交換器３を出た液冷媒は、減圧装置４を通過して減圧され低圧の気液二相冷媒となり、室内側熱交換器５に流入する。室内側熱交換器５では、その風路に取り付けられた室内側送風機８の駆動により室内空気が室内側熱交換器５のフィンとチューブ（伝熱管）の間を通過しながら冷媒と熱交換することにより、室内空気に吹き出される空気は冷やされる。一方、気液二相冷媒は、蒸発潜熱の形で室内空気から吸熱することで蒸発していく。

ここで、制御装置１６は、アキュムレータ２に流入する冷媒の乾き度が１未満となるように、つまり、気液二相冷媒がアキュムレータ２に流入するように減圧装置４の開度を制御する。具体的には、本実施の形態においては、制御装置１６は、アキュムレータ２の吸入側に設けられた圧縮機吸入冷媒温度センサー１０の検出値（Ａ℃）から蒸発器として動作する室内側熱交換器５に取り付けられた室内側熱交換器冷媒温度センサー１３の検出値（Ｂ℃）を減算し、過熱度（Ａ−Ｂ）を算出する。そして、制御装置１６は、この過熱度（Ａ−Ｂ）が０℃未満となるように、減圧装置４の開度を制御する。湿り状態（気液二相状態）の非共沸混合冷媒は、蒸発過程において徐々に冷媒温度が低下していく。このため、過熱度（Ａ−Ｂ）を０℃未満とすることで、アキュムレータ２に流入する冷媒の乾き度を１未満とすることができる。

乾き度が１未満の冷媒、つまり気液二相冷媒は、アキュムレータ２内で液冷媒とガス冷媒とに分離される。非共沸混合冷媒を使用した場合、例えばＨＦＣ−Ｒ３２（沸点：−５８．３℃）とＨＦＯ−１２３４ｙｆ（沸点：−２９℃）の混合冷媒、又は、ＨＦＣ−Ｒ３２とＨＦＯ−１２３４ｚｅ（沸点：−１９℃）の混合冷媒の場合、冷媒物性により前記アキュムレータ２には高沸点の冷媒を液冷媒２０として貯留することが可能になり、封入冷媒組成に対して、循環冷媒組成をＨＦＣ−Ｒ３２の多いものにすることができる。

このとき、過剰に液冷媒２０を流入させてしまうと沸点の差に関わらず液冷媒２０が貯留してしまう為、好ましくは過熱度（Ａ−Ｂ）を０℃に近しい０℃未満に制御するよう減圧装置４の開度を調整することで、最も循環冷媒組成をＨＦＣ−Ｒ３２の多いものにすることができる。

ここで、従来は、アキュムレータの下部に位置する箇所に油戻し孔が形成されていた。このため、本実施の形態に係る空気調和機１００のようにアキュムレータ内に液冷媒を貯留するように運転する場合、冷凍機油とともに液冷媒を油戻し孔から圧縮機に吸い込むこととなるため、圧縮機の吸入圧損が大となり、空気調和機の性能が悪化してしまう。しかしながら、本実施の形態に係る空気調和機１００は、上述のように、アキュムレータ２の中央部よりも高い位置に油戻し孔１９が形成されている。このため、アキュムレータ２内に液冷媒を貯留しても、図３に示すように、液冷媒の上方に油戻し孔１９を配置することができる。したがって、本実施の形態に係る空気調和機１００においては、油戻し孔１９から吸い込むのは液冷媒の上方に溜まった冷凍機油のみであり、油戻し孔１９から液冷媒を吸い込むことを防止できるので、空気調和機１００の性能悪化を防止できる。

アキュムレータ２内で気液二相冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離された後、ガス冷媒（詳しくは、ＨＦＣ−Ｒ３２の比率が多くなったガス冷媒）は、吸入配管２１のアキュムレータ２側の端部から圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。以下、同様の工程を繰り返すことで冷媒の状態変化を繰り返しながら、室内側熱交換器５で冷却された空気により室内空間を空調（冷房）する。

また、暖房運転時は四方弁６が反転することにより、冷凍サイクル回路において上記冷房運転時の冷媒の流れと逆向きに冷媒が流れ、室内側熱交換器５が凝縮器として、室外側熱交換器３が蒸発器として作用し、室内側熱交換器５で暖められた空気により室内空間を空調（暖房）する。

このとき、制御装置１６は、アキュムレータ２に流入する冷媒の乾き度が１未満となるように、つまり、気液二相冷媒がアキュムレータ２に流入するように減圧装置４の開度を制御する。具体的には、制御装置１６は、アキュムレータ２の吸入側に設けられた圧縮機吸入冷媒温度センサー１０の検出値（Ａ℃）から蒸発器として動作する室外側熱交換器３に取り付けられた室外側熱交換器冷媒温度センサー１２の検出値（Ｂ℃）を減算し、過熱度（Ａ−Ｂ）を算出する。そして、制御装置１６は、この過熱度（Ａ−Ｂ）が０℃未満となるように、減圧装置４の開度を制御する。これにより、アキュムレータ２に流入する冷媒の乾き度を１未満とすることができる。

以上、本実施の形態のように空気調和機１００を構成することにより、非共沸混合冷媒を構成する冷媒のうちの沸点の高い冷媒を優先的にアキュムレータ内に貯留できる。例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅとＲ３２冷媒を混合した非共沸混合冷媒を使用する場合、沸点の高いＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅをアキュムレータ内に貯留できる。つまり、本実施の形態に係る空気調和機１００は、封入冷媒組成に対して、循環冷媒組成をＨＦＣ−Ｒ３２の多いものにすることができる。このため、本実施の形態に係る空気調和機１００は、冷凍サイクル回路の効率が向上し、非共沸混合冷媒を使用した際の空気調和機１００の性能悪化を防止できる。また、本実施の形態に係る空気調和機１００は、アキュムレータ２の中央部よりも高い位置に油戻し孔１９が形成されている。このため、本実施の形態に係る空気調和機１００は、アキュムレータ２内に冷媒を貯留しても、圧縮機１が液冷媒を吸入することを防止でき、圧縮機１の吸入圧損による空気調和機１００の性能悪化も防止できる。
したがって、本実施の形態のように空気調和機１００を構成することにより、非共沸混合冷媒を使用する高性能な空気調和機１００を得ることができる。

１圧縮機、１ａ吸入口、１ｂ圧縮機構部、１ｃ密閉容器、２アキュムレータ、３室外側熱交換器、４減圧装置、５室内側熱交換器、６四方弁、７再熱除湿用電磁弁、８室内側送風機、９室外側送風機、１０圧縮機吸入冷媒温度センサー、１１圧縮機吐出冷媒温度センサー、１２室外側熱交換器冷媒温度センサー、１３室内側熱交換器冷媒温度センサー、１４室内側ユニット、１５室外側ユニット、１６制御装置、１８アキュムレータ吸入管、１９油戻し孔、２０液冷媒、２１吸入配管、１００空気調和機。

Claims

圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器及びアキュムレータが冷媒配管で接続された冷凍サイクル回路と、
前記減圧装置の開度を制御する制御装置とを備え、
前記圧縮機の吸入口と前記アキュムレータとを接続する冷媒配管である吸入配管は、前記アキュムレータと接続される側の端部が該アキュムレータの内部に突出し、
前記冷凍サイクル回路に非共沸混合冷媒及び冷凍機油が封入される空気調和機において、
前記吸入配管における前記アキュムレータの内部に配置された範囲には、前記アキュムレータの中央部よりも高い位置に油戻し孔が形成されており、
前記制御装置は、前記アキュムレータに流入する冷媒の乾き度が１未満となるように前記減圧装置の開度を制御することを特徴とする空気調和機。
前記蒸発器を流れる冷媒の温度を検出する第１冷媒温度センサーと、
前記アキュムレータに流入する冷媒の温度を検出する第２冷媒温度センサーと、
を備え、
前記制御装置は、前記第２冷媒温度センサーの検出値から前記第１冷媒温度センサーの検出値を減算した値が０℃未満となるように、前記減圧装置の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記非共沸混合冷媒は、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ又はＨＦＯ−１２３４ｚｅと、ＨＦＣ−Ｒ３２とを混合した冷媒であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空気調和機。