(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
冷暖フリー型空気調和装置は、暖房主体運転時、及び、冷房主体運転時に、冷房室内機の能力が低下してしまうという問題がある。ここで、暖房主体運転とは、複数ある室内機の大部分が暖房運転(以下、暖房室内機)している中で、冷房運転をしている室内機(以下、冷房室内機)が例えば1台だけ稼働することをいい、冷房主体運転はこの逆をいう。冷房主体運転時に、冷房室内機の能力が低下する原因は以下の通りである。
冷房主体運転時には、暖房室内機と室外熱交換器が凝縮器として作用するため、凝縮能力が大きすぎて高圧が上がらず、低圧も低い状態でバランスされる。
通常、室内熱交換器は凍結しないことを前提に設計しているため、冷媒の温度が凍結危険域の0℃近傍に下がると、室内熱交換器が凍結するのを避けるために、冷房運転を停止する必要がある。その結果として、冷房主体運転時における冷房運転は断続的なものになり、冷房能力の低下を来たすことがある。オフィスをはじめとして顕熱機器が増加するのに伴い、年間を通じた冷房コストを下げたいという要望が強くなっている中で、冷房運転が断続的に行なわれることは避けたい。
そこで本発明は、冷房主体運転時において、継続的な冷房運転を確保できる冷暖フリー型の空気調和装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
かかる目的のもとになされた本発明にかかる冷暖フリー型の空気調和装置は、室外機ユニットと複数の室内機ユニットを備える。
室外機ユニットは、圧縮機と、外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器とを備える。また、室内機ユニットは、室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器を備え、室外機ユニットに対して
それぞれが直列に接続される。
また、本発明の空気調和装置は、高圧ガス管と、低圧ガス管と、室内切替機構と、液管と、室外切換機構と、を備える。高圧ガス管は一端側が圧縮機の吐出側に接続され、低圧ガス管は一端側が圧縮機の吸入側に接続され、各々の他端側が室内切替機構に並列に接続される。この室内切替機構は、高圧ガス管と低圧ガス管の室内熱交換器への冷媒流路を切り替える。液管は室外熱交換器と複数の室内熱交換器とを接続する。室外切換機構は、室外熱交換器を、圧縮機から吐出された冷媒の凝縮器として機能させるか、膨張弁等で断熱膨張された冷媒の蒸発器として機能させるかを切り換える。
本発明は、以上の空気調和装置の基本的な構成に加えて、圧縮機と室外熱交換器を接続するガスディスチャージ機構を備える。
このガスディスチャージ機構は、空気調和装置が
冷房主体運転を行っているときに、圧縮機が圧縮過程の途中の冷媒の一部を室外熱交換器に向けて吐出させる。圧縮機は、圧縮過程の途中まで圧縮機で吸入した全冷媒を圧縮する一方、圧縮過程の途中からはガスディスチャージ機構により吐出されていない残りの冷媒を圧縮して、吐出側から高圧ガス管に向けて吐出する。
【0007】
以上の本発明によれば、室外熱交換器が圧縮過程の途中から吐出した中温の冷媒と熱交換するため、熱交換器としての凝縮能力が低下し、高圧が高めに保たれ低圧の過度の低下が避けられる。これにより、冷房運転している室内機ユニットを連続的に運転できる。
【0008】
本発明の空気調和装置において、圧縮機が低段側圧縮機構と高段側圧縮機構を備える場合、ガスディスチャージ機構は、低段側圧縮機構と高段側圧縮機構の中間から冷媒の一部を室外熱交換器に向けて吐出させることになる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、室外熱交換器が圧縮過程の途中から吐出した中温の冷媒と熱交換するため、熱交換器としての凝縮能力が低下し、高圧が高めに保たれ低圧の過度の低下が避けられる。これにより、冷房運転している室内機ユニットを連続的に運転できる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1に示すように、冷暖フリー型空気調和装置200(以下、単に空調装置200と称する)は、一台の室外機ユニット1と、各々が並列な複数の室内機ユニット3a〜3gと、これらを接続する高圧ガス管5、低圧ガス管7、および液管9を備えている。更に、互いに直列に接続される室外機ユニット1と複数の室内機ユニット3との間には、高圧ガス管5および低圧ガス管7の切り換えを行う分流コントローラ(接続切替機構)46a、46e、46f、46gが設けられている。
図1において、符号100a、100e、100f、100gは、室内機ユニット3a,3e、3f、3gの運転を制御するリモートコントローラである。なお、複数の室内機ユニット3a〜3gを総称するときは、単に室内機ユニット3という。他の構成要素、例えば分流コントローラ46a〜46gについても同様である。
本実施形態にかかる空調装置200に用いられる冷媒としては、例えばR410Aが用いられる。このR410Aは、従来の冷媒であるR22、R407Cに比べて1.4倍(5℃)の密度を有し、1.6倍(5℃)の高圧が可能な高密度高圧冷媒とされており、高い冷凍能力を発揮し、圧力損失も少ないという利点を有する。
【0012】
複数の室内機ユニット3が各分流コントローラ46に接続可能であり、
図1の例では、分流コントローラ46aに4台の室内機ユニット3a〜3dが接続されているのを示している。また、分流コントローラ46e〜46gには、室内機ユニット3e〜3gがそれぞれ1台ずつ接続されている。
【0013】
空調装置200において、異なる分流コントローラ46a〜46d、46e、46f、46gに接続される各室内機ユニット3a〜3d、3e、3f、3gは、それぞれ異なる運転モードでの運転が可能である。一方、同じ分流コントローラ46に接続される室内機ユニット、例えば、
図1において、分流コントローラ46aに接続される室内機ユニット3a〜3dは、同一の運転モードで運転することが要求される。例えば、室内機ユニット3aが暖房モードであった場合には、その他の室内機ユニット3b〜3dについても、暖房モードでの運転が要求される。
【0014】
次に、空調装置200の室外機ユニット1及び室内機ユニット3の具体的な構成を、
図2を参照しながら説明する。なお、室内機ユニットは、2台のみ(3a,3e)を示している。なお、以下に示す室外機ユニット1、室内機ユニット3の構成は、基本的な構成を例示するに過ぎず、その他の要素を含むユニットを排除するものではない。
【0015】
室外機ユニット1は、圧縮機10、室外膨張弁11a,11b、室外熱交換器12a,12b、室外四方弁14a,14b、レシーバ16を主たる構成要素として備えている。
圧縮機10は、低圧の状態で導入された冷媒を圧縮して高圧ガス冷媒とし、吐出管17を介して高圧ガス管5へと吐出する。低圧の冷媒は吸入管18を介して低圧ガス管7から供給される。
圧縮機10は、圧縮機構と、圧縮機構を駆動するモータと、モータが発する駆動力を圧縮機構に伝達する駆動軸とがハウジング内に収容された密閉式構造となっている。本実施形態において圧縮機構は任意であるが、例えばロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮機構を用いることができる。なお、圧縮機10は、圧縮機構が一つの単段型圧縮機に限らず、単一のハウジング内に複数、例えば2つの圧縮機構を備える多段型圧縮機を採用することもできる。その例は後述する。
【0016】
室外熱交換器12(12a,12b)は、室外空気と冷媒とを熱交換するものであり、通過する冷媒の状態に応じて、凝縮器(放熱器)または蒸発器として動作する。本実施形態において、熱源側として機能する室外熱交換器12は、2つの室外熱交換器12a,12bに分割されている。
室外熱交換器12aの液側と室外熱交換器12bの液側とは、室外熱交換器12と室内熱交換器40a,40eとを接続する液管9の一部を構成する液冷媒分岐管9a、9bを通じて接続されている。液冷媒分岐管9aには室外熱交換器12aとレシーバ16の間に室外膨張弁11aが設けられ、また、液冷媒分岐管9aには室外熱交換器12bとレシーバ16の間に室外膨張弁11bが設けられている。室外膨張弁11a、11bは、暖房運転時に機能するものであり、例えば、電子膨張弁によって構成される。
【0017】
室外機ユニット1内に位置する高圧ガス管5は、分岐点5aにおいて分岐し、それぞれの分岐管6a,6bが室外四方弁14a,14bのポートP1に接続されている。室外四方弁14a,14bは、それぞれ、ポートP1〜ポートP4を備える。
図2では、各々のポートP2は、室外熱交換器12a,12bに接続される室外側接続管15a,15bに接続され、ポートP3は、低圧ガス管7の分岐点7d,7eにおいて分岐する低圧ガス分岐管7a,7bに接続される。ポートP4は、
図2では封止されている。
図2のように接続されている室外四方弁14a,14bは、室外熱交換器12a,12bを、液管9を流れる冷媒の蒸発器として機能させる室外切換機構を構成する。室外四方弁14a,14bは、第2実施形態(
図2)で示す接続関係に切り換えられると、室外熱交換器12a,12bを、圧縮機10から吐出された冷媒の凝縮器として機能させる室外切換機構を構成する。
室外機ユニット1内に位置する低圧ガス管7は、吸入管18を介して圧縮機10に接続されており、低圧ガス管7を通ってきた低温低圧の冷媒を圧縮機10に供給する。
室外熱交換器12a,12bは、室外四方弁14a,14bに接続される側の反対側に、液冷媒分岐管9a、9bを介して、液管9が接続されている。この室外機ユニット1内の液管9には、液冷媒を貯留するレシーバ16が設けられている。
【0018】
室外機ユニット1は、圧縮機10の圧縮過程における中間圧の冷媒の一部を圧縮機10から室外熱交換器12bに向けて吐出するガスディスチャージ機構120を備えている。
ガスディスチャージ機構120は、一端が圧縮機10に接続され、他端が室外熱交換器12bと室外四方弁14bとの間を繋ぐ接続管15bに接続されるディスチャージ配管121と、ディスチャージ配管121上に設けられる開閉弁25と、接続管15b上に設けられる開閉弁26と、から構成される。
開閉弁25と開閉弁26は、圧縮過程のガス冷媒の一部を圧縮機10から室外熱交換器12bに向けて吐出するか否かを選択的に切り替える役割を果たす。暖房主体運転以外の運転時は、開閉弁25をOFF、開閉弁26をONにすることで、圧縮機10は吸入管18から吸入した低圧のガス冷媒を圧縮して吐出管17に向けて吐出する。ところが、冷房同時運転、かつ、冷房主体運転の場合には、開閉弁25をON、開閉弁26をOFFにすることで、圧縮過程の冷媒の一部をディスチャージ配管121に吐出して、室外熱交換器12bら供給する。ディスチャージ配管121に吐出された以外の残りの冷媒は、圧縮機10でさらに圧縮された後に、吐出管17に向けて吐出される。このように、圧縮機10は、圧縮過程の途中までは吸入した全冷媒を圧縮する一方、圧縮過程の途中からはガスディスチャージ機構120により吐出されていない残りの冷媒を圧縮して、吐出管17から高圧ガス管5に向けて吐出する。
【0019】
次に、室内機ユニット3について説明する。
各室内機ユニット3a,3eは、室内空気と熱交換を行う室内熱交換器40a、40eを備えている。室内熱交換器40a,40eは、室内空気と冷媒とを熱交換するものであり、通過する冷媒の状態に応じて、凝縮器または蒸発器として動作する。各室内熱交換器40a、40eにおいて、液管9側には、室内膨張弁42a、42eが設けられている。室内膨張弁42a、42eは、室内機ユニット3a,3eの冷房運転時に膨張弁として機能する。
室内機ユニット3a,3eには、室外機ユニット1との間に、高圧ガス管5および低圧ガス管7の切り換えを行う分流コントローラ46a,46eが設けられている。
【0020】
分流コントローラ46aは、高圧ガス管5と低圧ガス管7とを繋ぐバイパス管48aを備えている。そして、分流コントローラ46aは、バイパス管48a上であって、室内熱交換器40aと高圧ガス管5との間に開閉弁47Aを、また、室内熱交換器40aと低圧ガス管7との間に開閉弁47aを備えている。同様に、分流コントローラ46eは、高圧ガス管5と低圧ガス管7とを繋ぐバイパス管48eを備えている。そして、分流コントローラ46eは、バイパス管48e上であって、室内熱交換器40eと高圧ガス管5との間に開閉弁47E、また、室内熱交換器40eと低圧ガス管7との間に開閉弁47eを備えている。
【0021】
分流コントローラ46aは、冷房運転時には、開閉弁47Aを開く(ON)一方、開閉弁47aを閉じる(OFF)ことで、液管9と低圧ガス管7が連通する。液管9を流れてきた液冷媒は、室内膨張弁42a、室内熱交換器40a及び開閉弁47Aを順に通って、低圧のガス冷媒となって低圧ガス管7に流入する。この過程で、室内膨張弁42aにおいて液冷媒は絞られて断熱膨張する。その後、液冷媒は室内熱交換器40aで蒸発して、室内空気から熱を奪い室内を冷房する。蒸発気化した低圧ガス冷媒は、開閉弁47Aを介して低圧ガス管7に流入する。分流コントローラ46eにおいても、冷房運転時には同様である。
【0022】
分流コントローラ46aは、暖房運転時には、開閉弁47Aを閉じる(OFF)一方、開閉弁47aを開く(ON)ことで、高圧ガス管5と液管9が連通する。高圧ガス管5を流れてきた高圧のガス冷媒は、開閉弁47a、室内熱交換器40a及び室内膨張弁42aを順に通って、液冷媒となって液管9に流入する。この過程で、高圧ガス管5から供給される高圧のガス冷媒は、室内熱交換器40aへと導かれ、この室内熱交換器40aで凝縮・液化することによって室内空気に熱を与えて暖房を行う。室内熱交換器40aで液化した高圧液冷媒は、室内膨張弁42aを通過して、液管9へ流入する。
【0023】
空調装置200は、以下に例示される種々の運転パターンで運転される。
全冷房全台運転:全ての室内機ユニット3において冷房運転モードが選択されるパターン
冷房主体運転:春季や秋季のような中間期であって、冷房運転を行う室内機ユニット3の台数が暖房運転を行う室内機ユニット3の台数よりも多いパターン。室外機ユニット1は冷房運転の状態をなし、室外熱交換器12は凝縮器として作用する。
全暖房全台運転:全ての室内機ユニット3において暖房運転が選択されているパターン。
暖房主体運転:暖房運転を行なう室内機ユニット3の台数が、冷房運転を行なう室内機ユニット3の台数よりも多い暖房主体のパターン。室外機ユニット1は暖房運転の状態をなし、室外熱交換器12は蒸発器として作用する。
冷暖バランス:室内機ユニット3の冷房運転をしている台数と暖房運転をしている台数が等しい冷暖バランス時に行われるパターン
【0024】
以下、
図3を参照して、冷房主体運転時の空調装置200の動作を説明する。なお、
図3は、室内機ユニット3aが冷房運転を行い、室内機ユニット3eが暖房運転されている例を示しているが、他の冷房運転される室内機ユニット3の記載を省略している。
冷房主体運転時における、空調装置200が備える各種弁の設定を以下に示しておく。なお、閉じられている(OFF)弁類は、図中、黒く塗りつぶされている。ただし、冷房主体運転の全期間に亘り下記のようにすることを必須とするものではなく、後述する判定基準に基づいて各種弁の動作を制御できることはいうまでもない。
室外機ユニット1
室外四方弁14a : 高圧ガス管5と室外熱交換器12aとを連通
室外四方弁14b : 吐出管17と室外熱交換器12bとを連通
開閉弁25 : ON
開閉弁26 : OFF
室内機ユニット3
室内機ユニット3a : 開閉弁47A;ON 開閉弁47a;OFF
室内機ユニット3e : 開閉弁47E;OFF 開閉弁47e;ON
【0025】
以上のように設定された空調装置200において、吸入管18から低圧の冷媒を吸い込んだ圧縮機10は、これを圧縮して高温高圧の冷媒として吐出管17に向けて吐出する。この高圧冷媒は、吐出管17から高圧ガス管5に向けて流れる途中の分岐点5aにおいて、一部が高圧ガス管5に流れ(第一の流路)、他の一部は分岐管6a,6bに向けて流れる(第二の流路)。
【0026】
第一の流路において高圧ガス管5に流入した冷媒は、室内機ユニット3eの分流コントローラ46eに向けて流れる。分流コントローラ46eは、開閉弁47EがOFF、開閉弁47eがONとされているので、高圧冷媒は開閉弁47eを通って室外熱交換器40eに流入、通過する過程で、室内機ユニット3eが設置されている空間の空気と熱交換することで当該空間を暖房する。室外熱交換器40eを通過する過程で凝縮、液化された低温の冷媒は、その一部が液管9を通って室内機ユニット3aに向けて流れる。
【0027】
液管9を通って室内機ユニット3aに向けて流れる高圧の液冷媒は、室内膨張弁42aを通過する過程で絞られて膨張した後に、室内熱交換器40aに流入し蒸発して、室内機ユニット3aが設けられる空間の空気から熱を奪うことで当該空間を冷房する。蒸発気化した低圧ガス冷媒は、室内熱交換器40aから排出され分流コントローラ46a内のバイパス管48aを流れる。分流コントローラ46aは、開閉弁47AがON、開閉弁47aがOFFとされているので、低圧冷媒は低圧ガス管7に流入する。低圧ガス管7に流入した低圧冷媒は、圧縮機10の吸入管18に向けて流れる。吸入管18から吸入された低圧のガス冷媒は圧縮機10で圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、吐出管17から高圧ガス管5に向けて流れ、上述したサイクルが繰り返される。
【0028】
第二の流路において、分岐管6aに流入した高圧の冷媒は、室外四方弁14aを通過した後、接続管15aを通って室外熱交換器12aに流入し、ここを通過する過程で外気と熱交換することで、凝縮、液化され、液冷媒分岐管9aを通って液管9に流入する。分岐管6bに流入した高圧の冷媒は、開閉弁26がOFFとされているので、室外熱交換器12bには流入しない。その代わりに、開閉弁25がONとされているので、ガスディスチャージ機構120(ディスチャージ配管121)及び接続管15bを通って冷媒が室外熱交換器12bに流入し、ここを通過する過程で外気と熱交換することで、凝縮、液化され、液冷媒分岐管9bを通って液管9に流入する。ただし、室外熱交換器12bに流入するのは、圧縮過程の途中の中温の冷媒である。液管9に流入した冷媒は、レシーバ16を通過し、さらに室内機ユニット3aに向けて流れる。室内機ユニット3aに達した冷媒は、室内熱交換器40aに流入し蒸発して、室内機ユニット3aが設けられる空間の空気から熱を奪うことで当該空間を冷房する。蒸発気化した低圧ガス冷媒は、室内熱交換器40aから排出され分流コントローラ46a内のバイパス管48aを流れる。分流コントローラ46aは、開閉弁47AがON、開閉弁47aがOFFとされているので、低圧冷媒は低圧ガス管7に流入する。低圧ガス管7に流入した低圧冷媒は、吸入管18を介して圧縮機10に吸入される。吸入された低圧の冷媒は、圧縮機10で圧縮されて高温高圧のガス冷媒となって、吐出管17から高圧ガス管5に向けて流れ、上述したサイクルが繰り返される。
【0029】
以上のようにして、冷房主体運転が行われるが、空調装置200は、室外熱交換器12bが圧縮過程の途中から吐出した中温の冷媒と熱交換するため、熱交換器としての凝縮能力が低下し、高圧が高めに保たれ低圧の過度の低下が避けられる。これにより、冷房運転している室内機ユニット3aは継続して連続運転できるようになる。一方で、暖房運転をしている室内機ユニット3bは、圧縮機10から吐出された冷媒と室内の空気が熱交換できるため、十分な暖房能力を確保できる。これにより、冷房運転している室内機ユニット3aは連続運転できるようになる。
【0030】
空調装置200において、
図4に示すように、圧縮機構が二段の圧縮機110を用いることができる。二段の圧縮機110を用いる場合、一段目圧縮機構111と二段目圧縮機構112の中間から冷媒が吐出されるようにディスチャージ配管121を圧縮機110に接続する。
この空調装置201によれば、冷房主体運転以外のモードで運転しているときには、圧縮機110は吸入管8から吸入した低圧冷媒を一段目圧縮機構111で圧縮し、二段目圧縮機構112に移行する吐出冷媒(中間圧冷媒)の一部がディスチャージ配管121を介して室外熱交換器12bに向けて流れる。二段目圧縮機構112では、残余の冷媒を圧縮して吐出管17から吐出する。こうして、空調装置201も空調装置200と同様の効果を奏することができる。
【0031】
以上、空調装置200,201について説明したが、以下の判定基準に基づいて動作を制御することができる。ただし、下記する温度、圧力類はあくまで一例であり、下記以外の温度、圧力類を本発明が採用できることは言うまでもない。
(1)空調装置200,201が、外気温度を検知する温度検知手段を備えるとともに、外気温度が5℃を下回るときに、冷房室内機(室内機ユニット3a)の凍結防止のための回路を使用する。ここでいう凍結防止のための回路とは、ガスディスチャージ機構120が該当する。以下も同様である。
(2)空調装置200,201が、冷房室内機(室内機ユニット3a)の蒸発温度を検知する手段を備えるとともに、蒸発温度が2℃を下回ったときに冷房室内機の凍結防止のための回路を使用する。
【0032】
(3)空調装置200,201が室外熱交換器12の凝縮圧力飽和温度を検知する温度検知手段を備えるとともに、凝縮圧力飽和温度から演算により求められる凝縮圧力が2MPaを下回るときに冷房室内機の凍結防止のための回路を使用する。
(4)空調装置200,201が、圧縮機10の吐出圧力(2段圧縮機110の場合は二段目圧縮機構112の吐出圧力)を検知する圧力検知手段を備えるとともに、吐出圧力が2MPaを下回るときに冷房室内機の凍結防止のための回路を使用する。
【0033】
以下は上記した判定基準(1)〜(4)を、以下のように組み合わせることもできる。
(a)空調装置200,201について、基準(1)かつ基準(2)を満足するときに、冷房室内機の凍結防止のための回路を使用する。
(b)空調装置200,201(第2実施形態)について、
基準(1)かつ基準(3)、または、基準(1)かつ基準(4)、または、
基準(2)かつ基準(3)、または、基準(2)かつ基準(4)を満足するときに、冷房室内機の凍結防止のための回路を使用する。
【0034】
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。