JP3742852B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、この発明の空気調和機の冷媒回路図であるが、この冷媒回路図を用いて従来例の空気調和機について説明する。まずインバータによって圧縮能力可変に制御される圧縮機３の吐出側と吸入側との間に四路切換弁５の１次ポートが接続されている。そしてこの四路切換弁５の２次ポートの間に、第１ガス管６、室外熱交換器２、第１液管７、キャピラリチューブ４、第２液管８、室内熱交換器１、第２ガス管９が順次に接続され、冷媒回路が構成されている。そして上記四路切換弁５を実線方向に接続することにより、上記室外熱交換器２を凝縮器として機能させるとともに室内熱交換器１を蒸発器として機能させ、冷房運転を行うことができる。一方、上記四路切換弁５を破線方向に接続することにより、上記室外熱交換器２を蒸発器として機能させるとともに室内熱交換器１を凝縮器として機能させ、暖房運転を行うことができる。そして上記インバータの圧縮能力制御によって冷媒循環量を変化させ、外気温度等に対応した適切な空調を行う省エネルギー運転が可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記のような空気調和機に用いられる熱交換器は、その内部を往復するよう設けられた冷媒経路に冷媒を流通させるものである。この場合、冷媒経路の流通抵抗が高すぎると、圧力損失が大きくなって空気−冷媒間の温度差が減少し、熱交換能力が低下することになる。その一方、冷媒経路の流通抵抗が低すぎると、冷媒経路を流通する冷媒の流速が減少し、熱伝達率が減少してやはり熱交換能力が低下することになる。そのため上記熱交換器内に複数の冷媒経路を形成し、適度な流通抵抗を持たせて高い熱交換能力が発揮できるよう設定されている。
【０００４】
ところが同じ熱交換器でも、凝縮器として機能する場合と蒸発器として機能する場合とでは、熱交換能力がピークとなる上記冷媒経路数は一致しない。図９は、冷媒経路数（パス数）と能力率（発揮能力／最大能力）との関係を示すグラフである。このグラフでは、凝縮器として機能する場合の能力率が曲線Ｃで表され、蒸発器として機能する場合の能力率が曲線Ｅで表されている。このグラフから明らかなように、凝縮器として機能する場合は蒸発器として機能する場合よりも少ない冷媒経路数で能力率がピークとなる。そしてそのような冷媒経路数では、蒸発器として機能させた場合に圧力損失が増大し、ほとんど有効に能力を発揮できない。そこで上記空気調和機では、熱交換器の冷媒経路数を、双方の能力率がある程度のものとなる折衷的な図示のＡ点に設定している。
【０００５】
また図１０は、インバータの制御によって冷媒循環量を変化させた場合の冷媒経路数と能力率との関係を示すグラフである。曲線Ｄが冷媒量が少ない中間運転時の特性を示し、曲線Ｆが定格運転時の特性を示している。このグラフから明らかなように、Ｂ点で中間運転時の能力率がピークになるのに対し、冷媒経路を流通する冷媒の圧力が高い定格運転時には、上記Ｂ点では圧力損失の増大によって能力率が低下する結果となっている。つまり従来の空気調和機では、その最大の熱交換能力を発揮させずに運転を行わざるを得なかったのである。勿論、熱交換器自体の容積を大きくすれば、熱交換能力を高くすることは可能である。しかしながら、このような手法はシステムとしての性能向上につながるものではない。
【０００６】
この発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、熱交換器容積を増大等を伴うことなく、熱交換能力を向上させることが可能な空気調和機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１の空気調和機は、冷媒回路の蒸発器として機能する熱交換器１、２を備えた空気調和機において、上記熱交換器１、２に流入する冷媒からガス成分を分離する第 1 分流器１１と、熱交換器１、２内の冷媒経路２１、２２、２３、２４の中間部において上記第 1 分流器１１からガス成分が分離されて流入してくる冷媒からさらにガス成分を分離する第２分流器１２と、上記第１分流器１１と第２分流器１２とにおいて分離したガス成分に上記熱交換器１、２内の冷媒経路２１、２２、２３、２４をバイパスさせるガス路１６、１８と、このガス路１６、１８を流通したガス成分と上記熱交換器１、２内の冷媒経路２１、２２、２３、２４を流通した冷媒とを合流させる第２合流器１４とを備え、上記ガス路１６、１８は、上記熱交換器１、２が凝縮器として機能する際に流通する冷媒流を阻止する逆止弁２５を備え、上記逆止弁２５は、上記ガス成分の流圧が基準値以上であるときにこのガス成分を流通させる一方、ガス成分の流圧が基準値以下であるときにはその流通を阻止するものであることを特徴としている。
【０００８】
上記請求項１の空気調和機では、凝縮器としても機能する熱交換器１、２について、蒸発器として機能する際に、冷媒中のガス成分を、熱交換器１、２内の冷媒経路２１、２２、２３、２４をバイパスさせることができる。従って、蒸発器として機能する熱交換器１、２の冷媒経路２１、２２、２３、２４内において、その圧力損失を低下させることが可能となる。また、ガス成分の流圧が高いときにガス成分をバイパスさせることができる。従って冷媒流量が制御等によって変化しても、冷媒経路２１、２２、２３、２４内における圧力損失を、低い値で安定させることが可能となる。
【０００９】
請求項２の空気調和機は、上記熱交換器１、２の冷媒経路２１、２２、２３、２４数を、凝縮器として機能する場合に能力率が最も高くなるようにすることを特徴としている。
【００１０】
上記請求項２の空気調和機では、凝縮能力を最大としつつ、蒸発能力を向上させることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の空気調和機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
（参考例１）
図４は、参考例１の空気調和機の冷媒回路図である。この冷媒回路では、圧縮機３の吐出側と吸入側との間に四路切換弁５の１次ポートが接続されている。そしてこの四路切換弁５の２次ポートの間に、第１ガス管６、室外熱交換器２、第１液管７、キャピラリチューブ４、第２液管８、室内熱交換器１、第２ガス管９が順次に接続されている。そして上記四路切換弁５を実線方向に接続することにより、上記室外熱交換器２を凝縮器として機能させるとともに室内熱交換器１を蒸発器として機能させ、冷房運転を行うことができる。一方、上記四路切換弁５を破線方向に接続することにより、上記室外熱交換器２を蒸発器として機能させるとともに室内熱交換器１を凝縮器として機能させ、暖房運転を行うことができる。
【００１３】
図２は、上記室内熱交換器１の側面図である。この室内熱交換器１は、前面側熱交換器１０と背面側熱交換器２０とを逆Ｖ字状に連結して構成されている。そして上記第２液管８の端部に第１分流器１１が接続され、この第１分流器１１から液路１５とガス路１６とが分岐している。そして上記液路１５はさらに二手に分岐し、背面側熱交換器２０内で第１冷媒経路２１と第２冷媒経路２２との２つの冷媒経路を形成している。これらの冷媒経路２１、２２は、上記背面側熱交換器２０を出て、第１合流器１３で合流する。そして再び第２分流器１２で液路１７とガス路１８とに分岐している。液路１７は上記と同様さらに二手に分岐し、前面側熱交換器１０内で第３冷媒経路２３と第４冷媒経路２４との２つの冷媒経路を形成している。これらの冷媒経路２３、２４は、上記前面側熱交換器１０を出て、第２合流器１４で合流する。一方、第１分流器１１及び第２分流器１２から分岐したガス路１６、１８も、上記第２合流器１４で合流している。そしてさらに上記ガス路１６、１８には、それぞれ分流器１１、１２から第２合流器１４に向かう方向のガス流のみを流通させる逆止弁１９、１９が介設されている。つまり、この室内熱交換器１では、前面側熱交換器１０と背面側熱交換器２０とに、それぞれ２つの冷媒経路が形成されているということである。
【００１４】
図１は、上記室内熱交換器１における冷媒の流れを説明する模式図である。図２を用いて説明した部材には、同一の符号を付している。実線矢印Ｅは、この室内熱交換器１が蒸発器として機能する場合の冷媒流を示している。キャピラリチューブ４で減圧され気液混合状態となった冷媒は、まず第１分流器１１へ流入する。図３は、この第１分流器１１の構造を説明するための透過側面図である。第２液管８を流通してきた冷媒は、第１分流器１１の入口手前で流通方向を約９０°変更される。このとき遠心力が冷媒に働き、そのうちの液成分は実線矢印Ｌで示すように外側に流れ、ガス成分は破線矢印Ｇで示すように内側に流れる。したがって冷媒中の液成分とガス成分とが分離され、液成分は液路１５へ流入する一方、ガス成分はガス路１６に流入することになる。
【００１５】
ガス路１６に流入したガス成分は、逆止弁１９を通過し、第２合流器１４に至る。一方、液路１５に流入した液成分は、上記第１冷媒経路２１及び第２冷媒経路２２を流通する。そしてこの流通過程で蒸発を生じ、再び気液混合状態となる。気液混合状態となった冷媒は、第１合流器１３から第２分流器１２へ流入する。この第２分流器１２も上記第１分流器１１と同様の構成であり、冷媒のうち液成分が液路１７へ流入する一方、ガス成分がガス路１８に流入する。ガス路１８に流入したガス成分は、逆止弁１９を通過し、第２合流器１４に至る。一方、液路１７に流入した液成分は、上記第３冷媒経路２３及び第４冷媒経路２４を流通する。そしてこの流通過程で蒸発を生じ、ほとんどガス状態となった冷媒が第２ガス管９から圧縮機３へ返流される。すなわち、第１分流器１１、ガス路１６、及び第２合流器１４でガスバイパスが構成され、また第２分流器１２、ガス路１８、及び第２合流器１４でもガスバイパスが構成されているということである。
【００１６】
一方、図１における破線矢印Ｃは、室内熱交換器１が凝縮器として機能する場合の冷媒流を示している。圧縮機３から吐出された冷媒は、上記とは逆に第２合流器１４に流入する。逆止弁１９は破線矢印Ｃ方向の冷媒流を阻止するから、上記第２合流器１４から流出した冷媒がガス路１６、１８を流通することはなく、第３冷媒経路２３及び第４冷媒経路２４を流通する。そしてこの流通で凝縮された冷媒は、第２分流器１２及び第１合流器１３を介して第１冷媒経路２１及び第２冷媒経路２２を流通し、さらに凝縮される。そして第１分流器１１を流出した冷媒は、キャピラリチューブ４へ向かって流れる。
【００１７】
上記空気調和機では、室内熱交換器１の冷媒経路数を、凝縮器として機能する場合に能力率が最も高くなるようなものとしている。従って室内熱交換器１が凝縮器として機能する暖房運転時に、その熱交換効率が良好なものとなるのは勿論である。そして上記室内熱交換器１が蒸発器として機能する場合には、気液混合状態の冷媒からガス成分を分離し、冷媒経路２１、２２、２３、２４をバイパスさせている。従って冷媒経路２１、２２、２３、２４を流通する冷媒の圧力損失は低減され、図９に示す能力率曲線Ｅのピークは左側に移動する。従ってこの場合にも、その熱交換能力を向上させることができることになる。特に上記では、蒸発によって気液混合状態となった冷媒経路２１、２２、２３、２４の中間部において、ガス成分を分離しバイパスさせている。このような中間部では冷媒の乾き度が高く、そのままでは管内摩擦による圧力損失が大きくなる。従ってこのような中間部でガス成分を分離しバイパスさせると、冷媒経路２３、２４中での冷媒圧損低減効果は顕著なものとなる。そしてこれにより、蒸発器として機能する上記室内熱交換器１の熱交換能力を、その最大値の近くまで向上させることができる。
【００１８】
（実施形態）
実施形態の空気調和機が上記参考例１の空気調和機と異なる第１の点は、上記圧縮機３がインバータによって能力制御される点である。そしてこの能力制御によって、高能力の定格運転と、これよりも低能力の中間運転とを切り替えて行うことができるようになっている。定格運転時は中間運転時よりも冷媒回路を循環する冷媒量が多い。またこの空気調和機が参考例１の空気調和機と異なる第２の点は、室内熱交換器１における冷媒流通構造である。図５は、この冷媒流通構造を説明する模式図である。この空気調和機では、ガス路１６、１８に圧力対応型の逆止弁２５を設けている。この逆止弁２５は、第２液管８から第２ガス管９へ向かう冷媒流に対しても、その流圧が基準値よりも低いときには流通を阻止し、上記流圧が基準値以上であるときにのみ流通を許容するものである。第２ガス管９から第２液管８へ向かう冷媒流を阻止するのは勿論である。
【００１９】
上記空気調和機では、室内熱交換器１の冷媒経路数を、中間運転時に能力率が最も高くなるようなものとしている。従って上記中間運転時に、その熱交換効率が良好となるのは勿論である。そして冷媒循環量が多く、その流圧が基準値以上となる定格運転時には、ガス路１６、１８を通じてガス成分をバイパスさせている。従って定格運転時に冷媒経路２１、２２、２３、２４を流通する冷媒の圧力損失は低減され、これによって図１０に示す能力率曲線Ｆのピークは左側に移動する。従ってこの場合にも、その熱交換能力を向上させることができる。
【００２０】
（参考例２）
参考例２空気調和機は、図６の模式図にその冷媒流通構造を示すように、背面側熱交換器２０での冷媒経路数を１としている点で、上記参考例１の空気調和機と異なっている。このように背面側熱交換器２０で冷媒経路数を少なくするのは、室内熱交換器１が凝縮器として機能する暖房運転時に、その能力率を向上させるためである。このようにすると、上記室内熱交換器１が蒸発器として機能する場合に、その圧力損失が過大となって能力率がきわめて低くなるのが従来の問題点であった。しかしながらこの空気調和機では、ガスバイパスによって背面側熱交換器２０に流入する冷媒からガス成分を分離している。従って蒸発性能と凝縮性能との双方の向上を図ることができる。
【００２１】
（参考例３）
参考例３の空気調和機は、冷房専用機として構成されている。従って図４の冷媒回路図における四路切換弁５を備えず、室内熱交換器１は常に蒸発器として機能する一方、室外熱交換器２は常に凝縮器として機能する。また圧縮機３はインバータによって能力制御されるものであって、上記実施形態の空気調和機と同様に、高能力の定格運転と、これよりも低能力の中間運転とを切り替えて行うことができるようになっている。この場合にも勿論、定格運転時は中間運転時よりも冷媒回路を循環する冷媒量が多い。そして図７の模式図に示すように、この空気調和機の室内熱交換器１では、前面側熱交換器１０の第３冷媒経路２３及び第４冷媒経路２４にのみ、分流器１２、ガス路１８、合流器１４から成るガスバイパスを設けている。なお、この室内熱交換器１が凝縮器として機能することはないので、上記ガス路１８に参考例１の逆止弁１９のようなものは介設していない。
【００２２】
この参考例３の空気調和機においても、上記実施形態の空気調和機と同様に、室内熱交換器１の冷媒経路数を、中間運転時に能力率が最も高くなるようなものとしている。従って上記中間運転時に、その熱交換効率が良好なものとなるのは勿論である。そしてガス路１８を通じてガス成分をバイパスさせ、特に圧力損失が過大となりがちな第３冷媒経路２３及び第４冷媒経路２４を流通する冷媒からガス成分を分離するようにしている。従って定格運転時にも冷媒経路２３、２４を流通する冷媒の圧力損失は低減され、図１０に示す能力率曲線Ｆのピークは左側に移動する。従ってこの場合にも、室内熱交換器１の熱交換能力を向上させることができる。
【００２３】
（参考例４）
参考例４の空気調和機も、上記参考例３の空気調和機と同様、冷房専用機として構成されている。従ってこの場合にも図４の冷媒回路図における四路切換弁５を備えず、室内熱交換器１は常に蒸発器として機能する一方、室外熱交換器２は常に凝縮器として機能する。また圧縮機３はインバータによって能力制御されるものであって、上記実施形態４の空気調和機と同様に、高能力の定格運転と、これよりも低能力の中間運転とを切り替えて行うことができるようになっている。この場合にも勿論、定格運転時は中間運転時よりも冷媒回路を循環する冷媒量が多い。そして図８の模式図に示すように、この空気調和機の室内熱交換器１における冷媒流通構造は、第２液管８と第２ガス管９との間に第１冷媒経路２１と第２冷媒経路２２との２つの冷媒経路のみを設ける簡素なものとなっている。そして分流器１１によって第２液管８からガス路１６を分岐させ、これを合流器１４で第２ガス管９に合流させている。この室内熱交換器１も凝縮器として機能することはないので、上記ガス路１８に参考例１の逆止弁１９のようなものは介設していない。
【００２４】
この参考例４空気調和機における上記冷媒流通構造は、きわめて簡素なものである。しかしながら、ガス路１８を通じてガス成分をバイパスさせ、第１冷媒経路２１及び第２冷媒経路２２を流通する冷媒からガス成分を分離している。従って定格運転時にも冷媒経路２３、２４を流通する冷媒の圧力損失は低減され、図１０に示す能力率曲線Ｆのピークは左側に移動する。従ってこの場合にも、室内熱交換器１の冷媒経路数を中間運転時にもっとも能力率が高くなるようなものとしながら、室内熱交換器１の熱交換能力を向上させることができる。
【００２５】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。上記では室内熱交換器１にガスバイパスを設ける場合を説明したが、上記のようなガスバイパスは、蒸発器として機能する室外熱交換器２に設けてもよい。特に空気調和機を暖房専用機として構成した場合には、室外熱交換器２が蒸発器として機能するから、上記ガスバイパスは室外熱交換器２に設けることになる。一方、空気調和機を冷房専用機として構成した場合に上記ガスバイパスは室内熱交換器１に設けることになるが、冷暖両用機として空気調和機を構成する場合には、室内熱交換器１と室外熱交換器２とのうちいずれに設けてもよいし、両方に設けてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
上記請求項１の空気調和機では、凝縮器及び蒸発器として機能する熱交換器について、蒸発器として機能する熱交換器の冷媒経路内において、圧力損失が低減される。従って熱交換器容積を増大等を伴うことなく、熱交換能力を向上させることが可能となる。また、冷媒流量が制御等によって変化しても、冷媒経路内における圧力損失を、低い値で安定させることができる。従って、その熱交換能力を、常に良好なものに維持することが可能となる。
【００２７】
請求項２の空気調和機では、凝縮能力と蒸発能力との双方をきわめて良好なものとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の参考例１の空気調和機に備えられた室内熱交換器の冷媒流通経路を示す模式図である。
【図２】 上記室内熱交換器の側面図である。
【図３】 上記室内熱交換器に付設される分流器を示す透過側面図である。
【図４】 上記空気調和機の冷媒回路図である。
【図５】 この発明の実施形態の空気調和機に備えられた室内熱交換器の冷媒流通経路を示す模式図である。
【図６】 この発明の参考例２の空気調和機に備えられた室内熱交換器の冷媒流通経路を示す模式図である。
【図７】 この発明の参考例３の空気調和機に備えられた室内熱交換器の冷媒流通経路を示す模式図である。
【図８】 この発明の参考例４の空気調和機に備えられた室内熱交換器の冷媒流通経路を示す模式図である。
【図９】 熱交換器における冷媒経路数と能力率との関係を示すグラフである。
【図１０】 熱交換器における冷媒経路数と能力率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 室内熱交換器
２ 室外熱交換器
１１ 第１分流器
１２ 第２分流器
１３ 第１合流器
１４ 第２合流器
１６ ガス路
１８ ガス路
１９ 逆止弁
２１ 第１冷媒経路
２２ 第２冷媒経路
２３ 第３冷媒経路
２４ 第４冷媒経路
２５ 逆止弁

Claims (2)

1. 冷媒回路の蒸発器として機能する熱交換器（１、２）を備えた空気調和機において、上記熱交換器（１、２）に流入する冷媒からガス成分を分離する第 1 分流器（１１）と、熱交換器（１、２）内の冷媒経路（２１、２２、２３、２４）の中間部において上記第 1 分流器（１１）からガス成分が分離されて流入してくる冷媒からさらにガス成分を分離する第２分流器（１２）と、上記第１分流器（１１）と第２分流器（１２）とにおいて分離したガス成分に上記熱交換器（１、２）内の冷媒経路（２１、２２、２３、２４）をバイパスさせるガス路（１６、１８）と、このガス路（１６、１８）を流通したガス成分と上記熱交換器（１、２）内の冷媒経路（２１、２２、２３、２４）を流通した冷媒とを合流させる第２合流器（１４）とを備え、上記ガス路（１６、１８）は、上記熱交換器（１、２）が凝縮器として機能する際に流通する冷媒流を阻止する逆止弁（２５）を備え、上記逆止弁（２５）は、上記ガス成分の流圧が基準値以上であるときにこのガス成分を流通させる一方、ガス成分の流圧が基準値以下であるときにはその流通を阻止するものであることを特徴とする空気調和機。
2. 上記熱交換器（１、２）の冷媒経路（２１、２２、２３、２４）数を、凝縮器として機能する場合に能力率が最も高くなるようにすることを特徴とする請求項１の空気調和機。

Images