JP4488712B2

JP4488712B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP4488712B2
Application number: JP2003349616A
Authority: JP
Inventors: 航祐田中; 智彦河西; 等飯嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: JP2005114253A

Description

本発明は、冷房や暖房を行う空気調和装置に係り、冷媒圧力が高くても既存の敷設配管がそのまま流用できる冷媒回路装置の構成及び運転制御に関するものである。

従来の空気調和装置は、一般に熱源機としての室外機、利用側機器としての室内機、及びこれらを接続する冷媒配管から成る。室外機は圧縮機や熱源側熱交換器、室内機は利用側熱交換器や絞り装置を有し、上記の圧縮機、熱源側熱交換器、絞り装置、利用側熱交換器等が配管接続されて冷凍サイクルが構成される。（例えば特許文献１参照）。

冷凍サイクルに充填される冷媒としてＲ２２等のＨＣＦＣ系冷媒（塩素及び水素を含むフルオロカーボン）があるが、近年、環境保護の観点から、オゾン破壊係数が零のＨＦＣ系冷媒（塩素を含まないフルオロカーボン）、例えばＲ４０７Ｃ冷媒（Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａの混合冷媒）やＲ４１０Ａ冷媒（Ｒ３２が５０ｗｔ％、Ｒ１２５が５０ｗｔ％の混合冷媒）を使用した空気調和装置が登場してきている。
ユーザがＨＣＦＣ系冷媒を使用した空気調和装置からＨＦＣ系冷媒を使用した空気調和装置に買い替える場合、工事簡便性、部品コスト低減の観点から、それまで使用していた空気調和装置の接続配管を、新しい空気調和装置の渡り配管としてそのまま再利用することが考えられる。

特開２００１−０９１０２３号公報（第２−４頁、第１図）

従来の空気調和装置では、ＨＦＣ系冷媒のうちＲ４１０Ａ冷媒の動作圧力がＲ２２冷媒、Ｒ４０７Ｃ冷媒に比べて約１．５倍高いという特徴があるため、新しい空気調和装置にＲ４１０Ａ冷媒が使用されている機器に置き換えた場合に、特に配管径が比較的大きい機種では、設計圧力が再利用される接続配管の耐圧基準値を超えてしまうため、接続配管の肉厚の大きいものに変更を余儀なくされ、工事コストや配管コストが多大になるという問題点があった。

本発明は上述の課題を解決するために為されたものであり、使用する冷媒の圧力が高くても耐圧面の問題を生じることがなく、元の空気調和装置の既設配管を再利用することができる空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明に係る空気調和装置においては、第一の圧縮機と、第一の熱交換器を有する室外機と、第一の絞り装置と、第二の熱交換器を有する少なくとも１台の室内機と、上記室内機と上記室外機とを接続する第一の接続配管及び第二の接続配管と、を有する第一の冷凍サイクルと、第二の圧縮機と、第三の熱交換器と、第二の絞り装置と、第四の熱交換器と、第六の熱交換器とが冷媒配管で接続されている第二の冷凍サイクルと、を有し、上記第一の冷凍サイクルにおける上記第一の接続配管と、上記第二の冷凍サイクルにおける上記第二の絞り装置と上記第六の熱交換器の間の上記冷媒配管とが、上記第四の熱交換器で相互に熱交換可能なように、上記第一の冷凍サイクルにおける上記第二の接続配管と、上記第二の冷凍サイクルにおける上記第二の圧縮機と上記第四の熱交換器の間の上記冷媒配管とが、上記第六の熱交換器で相互に熱交換可能なように、それぞれ構成されており、上記第一の冷凍サイクルの除霜運転中に、上記第六の熱交換器では、上記第一の冷凍サイクルの低温二相冷媒を上記第二の冷凍サイクルの高温吐出冷媒で加熱するものである。

本発明では、既設の冷媒配管に第二の冷凍サイクルを付加接続することによって、空気調和装置の効率が向上し、かつ冷媒の動作圧力を低減することができるため、使用する冷媒の圧力が高くても、冷媒配管耐圧の問題を生じることが無く、元の空気調和装置の既設配管を再利用が可能な空気調和装置を得ることができる。
従って、空気調和装置の入れ替えに際して、工事コストが低く、買い替え費用トータルが安価な空気調和装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、圧縮機１と、四方切換弁２と、第一の熱交換器３と、第一のボールバルブ４ａと、第二のボールバルブ４ｂと、第一の絞り装置５と、第二の熱交換器６と、第三のボールバルブ４ｃと、第四のボールバルブ４ｄとが、冷媒配管で接続されており、室外機Ａ及び室内機Ｂはそれぞれ図中の破線で囲む上記の冷媒回路部品及び配管から構成される。
特に、第一のボールバルブ４ａと第二のボールバルブ４ｂとの間の第一の接続配管７、及び第三のボールバルブ４ｃと第四のボールバルブ４ｄとの間の第二の接続配管８は、室外機Ａと室内機Ｂが設置される以前に設置された、古い空気調和機装置の既設配管がそのまま使用される場合、或いは室外機Ａと室内機Ｂの設置時に新しい配管が代替使用される場合もある。
また、室内機Ｂでは第一の絞り装置５と第二の熱交換機６が複数台並列に設置される場合もある。

第一の送風機９は第一の熱交換器３に空気を送り込み、第二の送風機１０は第二の熱交換器６に空気を送り込む。

これら室外機Ａ、室内機Ｂにおける配管接続により、第一のヒートポンプ式冷凍サイクル１１が構成されている。
上記のヒートポンプ式冷凍サイクル１１には、二酸化炭素等の自然冷媒、或いは上述のＨＦＣ系の高圧冷媒、例えばＲ４１０Ａ冷媒が充填されている。

次に、圧縮機２１と、四方切替弁２２と、第三の熱交換器２３と、第二の絞り装置２４と、第四の熱交換器２５とが、冷媒配管で接続され、第二のヒートポンプ式冷凍サイクル２６を構成している。第二の絞り装置２４は、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段、或いは電子膨張弁による緻密な流量制御手段の使用も可能である。
第四の熱交換器２５では、第一の冷凍サイクル１１の第一の接続配管７と冷媒同士の熱交換を行う。
また、第三の送風機２７は第三の熱交換器２３に空気を送り込む。

第一の制御装置２８ａは第一の冷凍サイクル１１の、第一の圧縮機１の運転動作、第一の四方切換弁２の切換、第一の送風機９の運転動作、等を制御し、第二の制御装置２８ｂは第二の冷凍サイクル２６の、第二の圧縮機２１の運転動作、第二の四方切換弁２２の切換、第二の送風機２７の運転動作、等を制御し、第一の制御装置２８ａと第二の制御装置２８ｂとは、通信線２９を介して接続されている。

上記のヒートポンプ式冷凍サイクル２６には、二酸化炭素等の自然冷媒、或いは上述のＨＦＣ系の高圧冷媒、例えばＲ４１０Ａ冷媒が充填されている。

次に、この空気調和装置の冷凍サイクルの動作について説明する。
第一の冷凍サイクル１１では、冷房運転時及び除湿運転時には、図中の実線方向に冷媒が流れ、第一の熱交換器３が凝縮器、第二の熱交換器６が蒸発器として機能し、また、暖房運転時は、四方切換弁２が切り換わることにより図中の破線矢印の方向に冷媒が流れ、第二の熱交換器６が凝縮器、第一の熱交換器３が蒸発器として機能する。

第二の冷凍サイクル２６では、冷房運転時および除湿運転時には、図中の実線矢印の方向に冷媒が流れ、第三の熱交換器２３が凝縮器、第四の熱交換器２５が蒸発器として機能し、また、暖房運転時は、四方切換弁２２が切り換わることにより図中の破線矢印の方向に冷媒が流れ、第四の熱交換器２５が凝縮器、第三の熱交換器２３が蒸発器として機能する。

第一の四方切換弁２の切換制御と、第二の四方切換弁２２の切換制御は、互いに連動するようになっており、第一の冷凍サイクル１１が冷房運転の時は、第二の冷凍サイクル２６も冷房運転となるように制御される。除湿運転や暖房運転も同様に同じ運転モードとなるよう連動制御されるが、除霜運転は各々の冷凍サイクルで蒸発器側の着霜量が異なるため、互いに独立して運転するように又は相互に同時に除霜運転に入らないように運転切換し、除霜が終了すれば通常の暖房運転に戻る。
また、第一の冷凍サイクル１１の第一の送風機３と第二の冷凍サイクル２６第二の送風機２７は、冷房運転時及び暖房運転時ともに同様の運転制御が為される。

ここで、冷房運転時及び除湿運転時は、第一の冷凍サイクル１１における第一の熱交換器３において凝縮熱を奪われた出口側冷媒が、第二の冷凍サイクル２６において蒸発器として作用している第四の熱交換器２５で熱交換することによって更に冷却されて冷媒の過冷却度が増し、第一の冷凍サイクル１１の凝縮温度及び圧力が下がって低圧縮比運転となる。また、第二の熱交換器６の入口乾き度が小さくなることにより蒸発器の熱交換量が増大する。その結果、冷房能力が大きく、かつ圧縮機入力の低い高効率な運転が可能となる。

上述の凝縮圧力の低い高効率な運転を実現する為には、第二の冷凍サイクル２６の第四の熱交換器２５における蒸発温度が、第一の冷凍サイクル１１の凝縮温度以下であれば良く、第二の冷凍サイクル２６の第二の圧縮機２１の容量は、第一の冷凍サイクル１１で使用する圧縮機１よりも小さいもので十分である。
即ち、第二の冷凍サイクル２６の第三の熱交換器２７及び第四の熱交換器２５の熱交換能力は、第一の冷凍サイクル１１の運転時における配管内圧力が変更前のものと同程度又は最大運転圧力が配管の許容圧力を超えないように設計し、第二の冷凍サイクル２６の圧縮機容量は、上記の熱交換能力を得ることが出来る容量であれば良く、第一の圧縮機１の容量に対して、例えば２０〜３０％程度又はそれ以下の容量で実現できる。

次に、暖房運転時は、第一の冷凍サイクル１１において、第二の熱交換器６で凝縮した冷媒が第一の絞り装置５で減圧後、第二の冷凍サイクル２６において凝縮器となっている第四の熱交換器２５で熱交換し、昇温される。このため、第一の冷凍サイクル１１の蒸発温度及び圧力が上昇するため、第一の冷凍サイクル１１の第一の圧縮機１は低圧縮比運転となって、結果として高効率な運転が可能となる。

上述の蒸発圧力の高い高効率な運転を実現する為には、第二の冷凍サイクル２６の第四の熱交換器２５における凝縮温度が、第一の冷凍サイクル１１の蒸発温度以上であれば良く、第二の冷凍サイクル２６の第二の圧縮機２１の容量は、第一の冷凍サイクル１１で使用する圧縮機１よりも小さいもので十分である。

第二の冷凍サイクル２６を構成する機器を、第一の冷凍サイクル１１を構成する空気調和装置に付加するように設置し、第一の冷凍サイクル１１及び第二の冷凍サイクル２６を連動させるような運転制御を実施することによって、第一の冷凍サイクル１１をＲ４１０Ａ等の高圧冷媒の機器に置き換えた場合でも、既設の冷媒配管７、８は凝縮圧力が置き換え前の空気調和装置に較べて上昇しないために、冷媒配管耐圧の問題を生じることが無く、元の空気調和装置の既設配管を再利用が可能な空気調和装置を得ることができる。

また、同時に冷房運転や暖房運転において、高効率な運転が実現できるため、省エネ性の高い機器として供給することが可能である。

また、第二の冷凍サイクル２６を構成する機器を、既設配管を高耐圧配管に置き換える工事の費用や、高効率化によるエネルギ消費量の低減に伴うランニングコスト費用よりも安価に供給できれば、買い替え費用トータルが安価な空気調和装置を得ることができる。

また、第一の冷凍サイクル１１を構成する空気調和装置を高圧冷媒機器に置き換えないような場合でも、第二の冷凍サイクル２６を構成する機器を、付加するように設置することで、既設の空気調和装置の効率向上、即ち省エネを実現することが可能である。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第四の熱交換器２５は室外機Ａの冷媒回路内の第一の熱交換器３と第一のボールバルブ４ａとの間の配管に設けられ、第四の熱交換器２５では、第１の冷凍サイクル１１の第一の接続配管７と冷媒同士の熱交換を行う。
即ち、第二の冷凍サイクル２６を構成する機器が、実施の形態１では室外機Ａと室内機Ｂとの間の冷媒配管上に付加されるのに対し、本形態では室外機Ａに内蔵した構成を取る。
または、第二の冷凍サイクル２６を構成する機器は、第四の熱交換器２５と一部の冷媒回路を共有していれば、室外機Ａを構成する構造体の外側、或いは機器同士が当接設置されても良い。

空気調和装置の買い替え等で、ＨＣＦＣ系冷媒を使用した空気調和装置から、前者の冷媒よりも動作圧力の高い、例えばＨＦＣ系のＲ４１０Ａや、二酸化炭素冷媒が封入された空気調和装置に買い替える場合、図中の室外機Ａを、上記の第二の冷凍サイクル２６を構成する機器を内蔵したものに置き換えることにより、元の空気調和装置の既設配管、即ち室外機Ａと室内機Ｂとの間の冷媒配管である第一の接続配管８や第二の接続配管７を再利用することが可能である。
また、室内機Ｂを交換しなくても同様の効果が得られる。
従って、実施の形態１で述べた効果に加えて、更に設置工事の簡便化が図られる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態２を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第五の熱交換器２３ａは第一の熱交換器３と近接して設置され、第一の送風機９は第一の熱交換器３と第五の熱交換器２３ａに同時に空気を送り込む。
第一の熱交換器３と第五の熱交換器２３ａは、互いに伝熱管は共有しないが、熱交換器の形態がプレートフィンチューブの場合は、フィンが互いに共有されていても良く、これにより近接設置に比べて更に冷媒配管同士の熱交換性能が向上する。

上記のような構成とすることで、第一の熱交換器３と第五の熱交換器２３ａの送風動力が第一の送風機９の１台で済むため、動力回収を図ることができ、システムの効率向上、即ち省エネが実現できる。

実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第二の冷凍サイクル２６の第二の四方切換弁２２と第四の熱交換器２５の間に第六の熱交換器３０が接続され、第六の熱交換器３０では、第一の冷凍サイクル１１の第二の接続配管８と冷媒同士の熱交換を行う。

暖房運転時には、第六の熱交換器３０においては、第一の冷凍サイクル１１における第一の圧縮機１からの高温吐出冷媒と第二の冷凍サイクル２６における第二の圧縮機２１からの高温吐出冷媒同士の熱交換が為されるが、運転にはあまり影響しない。
一方、暖房運転時に第一の熱交換器３に生じた着霜を取り除く為の除霜運転時には、第一の冷凍サイクル１１は冷房運転と同じ冷媒循環経路を取り、第二の接続配管８及び第六の熱交換器３０には低温の気液二相冷媒が流れる。第二の冷凍サイクル２６の第二の圧縮機２２からの高温吐出冷媒は、第一の冷凍サイクル１１の第六の熱交換器３０を流れる低温二相冷媒と熱交換し、上記低温二相冷媒を加熱して蒸発させる。

これにより、第一の冷凍サイクル１１の凝縮圧力（高圧）と蒸発圧力（低圧）間の圧力差が小さくなってサイクル内の冷媒流量が増加し、着霜している第三の熱交換器３での熱交換量が増大することによって除霜能力が向上し、同回路の除霜運転時間を短縮させることから、除霜運転時における室内機Ｂ側の室温低下を小さくすることができて、快適性が増す。
なお、第一の冷凍サイクル１１が除霜運転を行い、冷媒の流れが切り換っても、第二の冷媒サイクル２６では冷媒の流れは切り換らず、暖房運転モードのままで運転を続行するため、上記のように第一の冷凍サイクル１１の第六の熱交換器３０を流れる低温二相冷媒との熱交換が可能であり、第一の冷凍サイクル１１の除霜運転が終了すれば、第一の冷凍サイクル１１は暖房運転に戻る。

次に、図５は本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第二の冷凍サイクル２６の第二の四方切換弁２２と第六の熱交換器３０との間からバイパス管３１が分岐して第一の逆止弁３２を介して第四の熱交換器で出口配管に接続されている。また、上記出口配管との接続部分と第六の熱交換器３０との間の配管には第二の逆止弁３３が接続されている。
第二の冷凍サイクル２６の暖房運転時には、冷媒は第六の熱交換器３０内を流れ、冷房運転時には流れない。

ここで、第一の冷凍サイクル１１が除霜運転時には、上述のように、第二の冷凍サイクル２６の高温冷媒が第六の熱交換器を流れるため、第一の冷凍サイクル１１の冷媒循環量は増加し、同回路の除霜運転時間を短縮させることから、除霜運転時における室内機Ｂ側の室温低下を小さくすることができて、快適性が増す。
これに対し、第一の冷凍サイクル１１が冷房運転時には、第二の冷凍サイクル２６の第四の熱交換器２５で蒸発した冷媒は、第六の熱交換器３０を経ずに第二の圧縮機２１に戻るため、第六の熱交換器３０を通過時の冷媒圧力損失は軽減される。
その結果、除霜運転時における室内機Ｂ側の室温低下を小さくすることができて、快適性が増し、冷房運転時には第二の冷凍サイクル２６の効率が向上し、延いてはシステム全体の運転効率が向上する。

実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第二の冷凍サイクル２６の第二の四方切換弁２２と第四の熱交換器２５の間に第七の熱交換器４０が接続され、第七の熱交換器４０では、第一の冷凍サイクル１１のアキュムレータ４１の出口側配管と冷媒同士の熱交換を行う。
また、第二の冷凍サイクル２６の第二の四方切換弁２２と第七の熱交換器４０との間からバイパス管３１が分岐して第一の逆止弁３２を介して第四の熱交換器で出口配管に接続されている。上記出口配管との接続部分と第七の熱交換器４０との間の配管には第二の逆止弁３３が接続されている。
第二の冷凍サイクル２６の暖房運転時には、冷媒は第七の熱交換器４０内を流れ、冷房運転時には流れない。

次に、冷凍サイクルの動作について説明する。
暖房運転時には、第二の冷凍サイクル２６の高温吐出冷媒は、第一の冷凍サイクル１１のアキュムレータ４１の出口側配管内の吸入冷媒を、第七の熱交換器４０を介して加熱する。特に暖房立ち上がり時には、第一の冷凍サイクルの吸入冷媒は液状態で圧縮機に吸入されることが多く、冷媒循環量も小さいため、暖房能力が低下して温まりにくい。
暖房立ち上がり時に、第二の冷凍サイクル２６は、第一の冷凍サイクル１１と同時に起動、又は所定時間早めに起動するようにして、第二の冷凍サイクル２６が立ち上がった時点で第一の冷凍サイクル１１を起動させても良い。
このように、吸入冷媒を加熱することにより、第一の冷凍サイクル１１の冷媒循環量は増大して、暖房立ち上がり時の能力不足を補うことができる。
また、液戻り気味の冷媒を蒸発させることで、液冷媒による圧縮機の損傷も防止することができて、装置の信頼性が向上する。

また、除霜運転時には、実施の形態４と同様、第一の冷凍サイクル１１の冷媒循環量は増加し、同回路の除霜運転時間を短縮させることから、除霜運転時における室内機Ｂ側の室温低下を小さくすることができて、快適性が増す。

本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態２を示す空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態３を示す空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態５を示す空気調和装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１第一の圧縮機、２第一の四方切換弁、３第一の熱交換器、４ａ第一のボールバルブ、４ｂ第二のボールバルブ、４ｃ第三のボールバルブ、４ｄ第四のボールバルブ、５第一の絞り装置、６第二の熱交換器、７第一の接続配管、８第二の接続配管、９第一の送風機、１０第二の送風機、１１第一の冷凍サイクル、２１第二の圧縮機、２２第二の四方切換弁、２３第三の熱交換器、２３ａ第五の熱交換器、２４第二の絞り装置、２５第四の熱交換器、２６第二の冷凍サイクル、２７第三の送風機、２８ａ第一の制御装置、２８ｂ第二の制御装置、２９通信線、３０第六の熱交換器、３１バイパス管、３２第一の逆止弁、３３第二の逆止弁、４０第七の熱交換器、４１アキュムレータ。

Claims

第一の圧縮機と、第一の熱交換器を有する室外機と、第一の絞り装置と、第二の熱交換器を有する少なくとも１台の室内機と、上記室内機と上記室外機とを接続する第一の接続配管及び第二の接続配管と、を有する第一の冷凍サイクルと、
第二の圧縮機と、第三の熱交換器と、第二の絞り装置と、第四の熱交換器と、第六の熱交換器とが冷媒配管で接続されている第二の冷凍サイクルと、を有し、
上記第一の冷凍サイクルにおける上記第一の接続配管と、上記第二の冷凍サイクルにおける上記第二の絞り装置と上記第六の熱交換器の間の上記冷媒配管とが、上記第四の熱交換器で相互に熱交換可能なように、上記第一の冷凍サイクルにおける上記第二の接続配管と、上記第二の冷凍サイクルにおける上記第二の圧縮機と上記第四の熱交換器の間の上記冷媒配管とが、上記第六の熱交換器で相互に熱交換可能なように、それぞれ構成されており、
上記第一の冷凍サイクルの除霜運転中に、上記第六の熱交換器では、上記第一の冷凍サイクルの低温二相冷媒を上記第二の冷凍サイクルの高温吐出冷媒で加熱することを特徴とする空気調和装置。
上記第二の冷凍サイクルにおける第四の熱交換器を、上記室外機の内部又は外部に備えていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
上記第一の冷凍サイクルにおける上記第一の熱交換器と、上記第二の冷凍サイクルにおける上記第三の熱交換器とが相互に熱交換可能なように近接して設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
上記第一の冷凍サイクルを構成している既設の上記第一の接続配管及び上記第二の接続配管を再利用可能にしていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空気調和装置。