(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-07
(45)【発行日】2024-11-15
(54)【発明の名称】空気調和機および空気調和機の制御方法
(51)【国際特許分類】
F25B 1/00 20060101AFI20241108BHJP
F25B 41/26 20210101ALI20241108BHJP
F25B 41/38 20210101ALI20241108BHJP
B61D 27/00 20060101ALN20241108BHJP
【ＦＩ】
F25B1/00 331Z
F25B1/00 385A
F25B41/26 Z
F25B41/38
B61D27/00 F
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023576302
(86)(22)【出願日】2022-01-26
(86)【国際出願番号】 JP2022002772
(87)【国際公開番号】W WO2023144902
(87)【国際公開日】2023-08-03
【審査請求日】2024-01-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100131152
【弁理士】
【氏名又は名称】八島 耕司
(74)【代理人】
【識別番号】100147924
【弁理士】
【氏名又は名称】美恵 英樹
(74)【代理人】
【識別番号】100148149
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 幸男
(74)【代理人】
【識別番号】100181618
【弁理士】
【氏名又は名称】宮脇 良平
(74)【代理人】
【識別番号】100174388
【弁理士】
【氏名又は名称】龍竹 史朗
(72)【発明者】
【氏名】井上 武志
【審査官】西山 真二
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／０４７５０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平１０－２３８８９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１２３６８９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開昭５９－１２２７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平４－２５７６６１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ １／００
Ｆ２５Ｂ ４１／２６
Ｆ２５Ｂ ４１／３０ － ４１／３８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を室外の空気と熱交換させる室外熱交換器、前記冷媒を膨張させる第一膨張弁、前記冷媒を室内の空気と熱交換させる室内熱交換器、前記冷媒を圧縮する圧縮機および、前記冷媒が流れる向きを切り替える第一切り替え装置を有し、前記室外熱交換器、前記第一膨張弁、前記室内熱交換器および前記第一切り替え装置が順次接続されると共に、前記圧縮機が前記第一切り替え装置に接続された冷媒回路と、前記第一切り替え装置と前記圧縮機とにつなげられた第一流路および、前記室外熱交換器を前記第一膨張弁に接続する冷媒管が有する分岐部と前記冷媒管の前記分岐部よりも前記第一膨張弁側にある部分に設けられて前記冷媒の流れを切り替える第二切り替え装置とにつなげられた第二流路を有し、前記第一流路を流れる前記冷媒と前記第二流路を流れる前記冷媒を熱交換させる内部熱交換器と、
前記第一膨張弁と並列に接続され、前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へ向かう方向へ前記冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に前記冷媒が流れることが不能な第一逆止弁と、
前記冷媒管の前記第二切り替え装置がある部分よりも前記室外熱交換器の側に設けられ、前記冷媒を膨張させる第二膨張弁と、
前記冷媒管の前記第二切り替え装置がある部分と前記第二膨張弁が設けられた部分との間から分岐し、前記第二流路につながる分岐管と、
前記分岐管に設けられ、前記第二流路の側へ前記冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に前記冷媒が流れることが不能な第二逆止弁と、
前記室内熱交換器に室内の空気を冷房させるときに、前記第二流路と前記第一膨張弁とが連通する状態に前記第二切り替え装置を切り替えて、前記内部熱交換器によって熱交換された前記冷媒を前記第一膨張弁へ流し、かつ前記第二膨張弁を閉じると共に、前記第一膨張弁を開けて、前記第一膨張弁を通過する冷媒を膨張させ、
前記室内熱交換器に室内の空気を暖房させるときに、前記第二流路と前記第一膨張弁との連通を解除する状態に前記第二切り替え装置を切り替えて、前記第二流路から前記第一膨張弁への前記冷媒の流れを止め、かつ前記第一膨張弁を閉じると共に、前記第二膨張弁を開けて、前記第二膨張弁を通過する冷媒を膨張させる制御装置と、
を備える空気調和機。
【請求項2】
前記室外熱交換器が前記冷媒を収容する部分の容積は、前記室内熱交換器が前記冷媒を収容する部分の容積よりも大きい、請求項１に記載の空気調和機。
【請求項3】
前記第二流路は、前記分岐部の側に、前記分岐部から前記第二切り替え装置へ向かう方向へ前記冷媒を流すことが可能である第三逆止弁を備える、請求項１または２に記載の空気調和機。
【請求項4】
前記第一切り替え装置は、並列に接続された２つの三方弁である、請求項１から３のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項5】
前記第一切り替え装置は、四方弁である、請求項１から３のいずれか１項に記載の空気調和機。
【請求項6】
前記制御装置は、前記圧縮機が圧縮した前記冷媒を前記室外熱交換器へ流すと共に、前記室内熱交換器から排出される前記冷媒を前記第一流路へ流す状態に前記第一切り替え装置を切り替えることにより、前記室内熱交換器に室内の空気を冷房させ、かつ前記圧縮機が圧縮した前記冷媒を前記室内熱交換器へ流すと共に、前記室外熱交換器から排出される前記冷媒を前記第一流路へ流す状態に前記第一切り替え装置を切り替えることにより、前記室内熱交換器に室内の空気を暖房させる、
請求項１から５のいずれか１項に空気調和機。
【請求項7】
冷媒を室外の空気と熱交換させる室外熱交換器、前記冷媒を膨張させる第一膨張弁、前記冷媒を室内の空気と熱交換させる室内熱交換器および、圧縮機によって圧縮された前記冷媒が流れる向きを切り替える第一切り替え装置を有し、前記室外熱交換器、前記第一膨張弁、前記室内熱交換器および前記第一切り替え装置が順次接続された冷媒回路と、前記第一切り替え装置と前記圧縮機とにつなげられた第一流路および、前記室外熱交換器を前記第一膨張弁に接続する冷媒管が有する分岐部と前記冷媒管の、前記分岐部よりも前記第一膨張弁側にある部分に設けられて前記冷媒の流れを切り替える第二切り替え装置とにつなげられた第二流路を有し、前記第一流路を流れる前記冷媒と前記第二流路を流れる前記冷媒を熱交換させる内部熱交換器と、
前記第一膨張弁と並列に接続され、前記室内熱交換器から前記室外熱交換器へ向かう方向へ前記冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に前記冷媒が流れることが不能な第一逆止弁と、
前記冷媒管の前記第二切り替え装置がある部分よりも前記室外熱交換器の側に設けられ、前記冷媒を膨張させる第二膨張弁と、
前記冷媒管の前記第二切り替え装置がある部分と前記第二膨張弁が設けられた部分との間から分岐し、前記第二流路につながる分岐管と、
前記分岐管に設けられ、前記第二流路の側へ前記冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に前記冷媒が流れることが不能な第二逆止弁と、
を備える空気調和機の制御方法であって、
前記圧縮機が圧縮した前記冷媒を前記室外熱交換器へ流すと共に、前記室内熱交換器から排出される前記冷媒を前記第一流路へ流す状態に前記第一切り替え装置を切り替えることにより、前記室内熱交換器に室内の空気を冷房させるステップと、
前記圧縮機が圧縮した前記冷媒を前記室内熱交換器へ流すと共に、前記室外熱交換器から排出される前記冷媒を前記第一流路へ流す状態に前記第一切り替え装置を切り替えることにより、前記室内熱交換器に室内の空気を暖房させるステップと、
を備え、
前記室内熱交換器に室内の空気を冷房させるステップでは、前記第二流路と前記第一膨張弁とが連通する状態に前記第二切り替え装置を切り替えて、前記内部熱交換器によって熱交換された前記冷媒を前記第一膨張弁へ流し、かつ前記第二膨張弁を閉じると共に、前記第一膨張弁を開けて、前記第一膨張弁を通過する冷媒を膨張させ、
前記室内熱交換器に室内の空気を暖房させるステップでは、前記第二流路と前記第一膨張弁との連通を解除する状態に前記第二切り替え装置を切り替えて、前記第二流路から前記第一膨張弁への前記冷媒の流れを止め、かつ前記第一膨張弁を閉じると共に、前記第二膨張弁を開けて、前記第二膨張弁を通過する冷媒を膨張させる、
空気調和機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は空気調和機および空気調和機の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
空気調和機には、冷房運転時に、室外熱交換器から排出される冷媒を冷却する内部熱交換器を備えるものがある。
【0003】
例えば、特許文献１には、冷媒を圧縮する圧縮機と、室外熱交換器から排出される冷媒が流れる高圧液管に設けられた分岐部と、圧縮機と分岐部の間に設けられ、冷房運転時に、分岐部で分岐され、かつ絞り装置によって減圧されることにより、冷却された冷媒と分岐部で分岐されたままの冷媒とを熱交換させ、分岐部で分岐されたままの冷媒を冷却して高圧液管に戻す内部熱交換器と、を備える空気調和機が開示されている。
【0004】
特許文献１に記載の空気調和機では、冷房運転時に、室外熱交換器から排出される冷媒を内部熱交換器が冷却する。このため、空気調和機の冷房性能が高められている。また、この空気調和機は、２つの室内熱交換器を備えるところ、一方を蒸発器、他方を凝縮器として使用して、他方の室内熱交換器がある室内を暖房する場合に、圧縮機と分岐部の間に設けられた切り替え弁を閉じることにより、内部熱交換器を余剰冷媒の貯留器として使用することができる。その結果、空気調和機の暖房性能が高められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平４－２５７６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載の空気調和機は、内部熱交換器が、冷媒を減圧するための絞り装置を備える。このため、構造が複雑である。
【0007】
本開示は上記の課題を解決するためになされたもので、簡易な構造により、冷房性能と暖房性能が高められた空気調和機および空気調和機の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の目的を達成するため、本開示に係る空気調和機は、冷媒回路と、内部熱交換器と、第一逆止弁と、第二膨張弁と、分岐管と、第二逆止弁と、制御装置と、を備える。冷媒回路は、冷媒を室外の空気と熱交換させる室外熱交換器、冷媒を膨張させる第一膨張弁、冷媒を室内の空気と熱交換させる室内熱交換器、冷媒を圧縮する圧縮機および、冷媒が流れる向きを切り替える第一切り替え装置を有し、室外熱交換器、第一膨張弁、室内熱交換器および第一切り替え装置が順次接続されると共に、圧縮機が第一切り替え装置に接続されている。また、内部熱交換器は、第一切り替え装置と圧縮機とにつなげられた第一流路および、室外熱交換器を第一膨張弁に接続する冷媒管が有する分岐部と冷媒管の分岐部よりも第一膨張弁側にある部分に設けられて冷媒の流れを切り替える第二切り替え装置とにつなげられた第二流路を有し、第一流路を流れる冷媒と第二流路を流れる冷媒を熱交換させる。第一逆止弁は、第一膨張弁と並列に接続され、室内熱交換器から室外熱交換器へ向かう方向へ冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に冷媒が流れることが不能である。第二膨張弁は、冷媒管の第二切り替え装置がある部分よりも室外熱交換器の側に設けられ、冷媒を膨張させる。分岐管は、冷媒管の第二切り替え装置がある部分と第二膨張弁が設けられた部分との間から分岐し、第二流路につながる。第二逆止弁は、分岐管に設けられ、第二流路の側へ冷媒が流れることが可能であり、その逆方向に冷媒が流れることが不能である。制御装置は、室内熱交換器に室内の空気を冷房させるときに、第二流路と第一膨張弁とが連通する状態に第二切り替え装置を切り替えて、内部熱交換器によって熱交換された冷媒を第一膨張弁へ流し、かつ第二膨張弁を閉じると共に、第一膨張弁を開けて、第一膨張弁を通過する冷媒を膨張させる。また、制御装置は、室内熱交換器に室内の空気を暖房させるときに、第二流路と第一膨張弁との連通を解除する状態に第二切り替え装置を切り替えて、第二流路から第一膨張弁への冷媒の流れを止め、かつ第一膨張弁を閉じると共に、前記第二膨張弁を開けて、前記第二膨張弁を通過する冷媒を膨張させる。
【発明の効果】
【0009】
本開示の構成によれば、制御装置は、室内熱交換器に室内の空気を冷房させるときに、第二流路と第一膨張弁とが連通する状態に第二切り替え装置を切り替えて、内部熱交換器によって熱交換された冷媒を第一膨張弁へ流す。このため、第一膨張弁を経由して室内熱交換器へ流れる冷媒の温度が低くなる。その結果、空気調和機の冷房性能が高められる。
【0010】
また、制御装置は、室内熱交換器に室内の空気を暖房させるときに、第二流路と第一膨張弁との連通を解除する状態に第二切り替え装置を切り替えて、第二流路から第一膨張弁への冷媒の流れを止める。このため、室内熱交換器に室内の空気を暖房させるときに第二流路に入った冷媒が第二流路にとどまる。その結果、暖房時に冷媒回路内で冷媒が余剰となることが抑制される。これにより、空気調和機の暖房性能が高められる。
【0011】
さらに、内部熱交換器が、室外熱交換器を第一膨張弁に接続する冷媒管が有する分岐部と冷媒管の分岐部よりも第一膨張弁側にある部分に設けられて冷媒の流れを切り替える第二切り替え装置とにつなげられた第二流路を備え、制御装置が、第二切り替え装置を切り替えるだけで、第二流路と冷媒管が連通したり、その連通が解除されたりする。その結果、空気調和機の冷房性能と暖房性能が高まる。空気調和機は、簡易な構造により、冷房性能と暖房性能が高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本開示の実施の形態に係る空気調和機の冷媒回路図
【図2】実施の形態に係る空気調和機が備える制御装置のハードウエア構成図
【図3】実施の形態に係る空気調和機の冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図
【図4】実施の形態に係る空気調和機の暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本開示の実施の形態に係る空気調和機および、空気調和機の制御方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中、同一又は同等の部分には同一の符号を付す。
【0014】
実施の形態に係る空気調和機は、鉄道車両の室内空気を調和する空気調和機である。この空気調和機は、室内熱交換器と室外熱交換器のほかに、冷房性能を高めるために使用する内部熱交換器を備える。そして、この空気調和機は、冷房運転時に、三方弁を切り替えて内部熱交換器に冷媒を流す制御を行う制御装置を備える。まず、図１を参照して、制御装置の制御対象である空気調和機の構成について説明する。
【0015】
【0016】
図１に示すように、空気調和機１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、冷媒の流れる向きを切り替える三方弁２１、２２と、冷媒を室外空気と熱交換させる室外熱交換器３０と、冷媒を膨張させる膨張弁４１、４２と、冷媒と室内空気を熱交換させる室内熱交換器５０とを備える。圧縮機１０、三方弁２１、２２、室外熱交換器３０、膨張弁４１、４２および室内熱交換器５０は、この順序で接続されて冷媒回路２を形成している。
【0017】
圧縮機１０は、低圧の冷媒を圧縮することにより、高圧の冷媒に変換する装置である。圧縮機１０は、図示しない吸入口と吐出口を有し、その吸入口から低圧の冷媒を吸入し、また、吐出口から高圧の冷媒を吐出する。吸入口は、後述する内部熱交換器６０に接続されている。これに対して、吐出口は、圧縮機１０から三方弁２１へ向かう方向に冷媒を流すことが可能であり、かつ、その逆方向には冷媒を流すことが不能な逆止弁１１を介して、三方弁２１に接続されている。
【0018】
三方弁２１と２２は、並列に接続されている。詳細には、三方弁２１は３つの接続口を有する。それらの３つの接続口のうち、第一接続口には、室外熱交換器３０につながる冷媒管３１から分岐する管が接続されている。また、第二接続口には、圧縮機１０から延びる冷媒管１２が接続されている。さらに、第三接続口には、室内熱交換器５０につながる冷媒管５１から分岐する管が接続されている。
【0019】
一方、三方弁２２も、第一接続口、第二接続口、第三接続口を有する。そして、第一接続口には、冷媒管３１から分岐する管が接続されている。また、第二接続口には、内部熱交換器６０から延びる冷媒管６３が接続されている。さらに、第三接続口には、冷媒管５１から分岐する管が接続されている。
【0020】
三方弁２１、２２は、例えば、電磁弁または、電動弁である。そして、三方弁２１、２２には、後述する制御装置８０が電気的に接続されている。三方弁２１、２２は、制御装置８０によって切り替えられることにより、圧縮機１０から冷媒管１２を通って流れ込む冷媒を、室外熱交換器３０につながる冷媒管３１へ流す。さらに、三方弁２１、２２は、室内熱交換器５０から冷媒管５１を通って排出される冷媒を、内部熱交換器６０につながる冷媒管６３へ流す。その結果、三方弁２１、２２は、空気調和機１の運転状態を冷房運転状態にする。
【0021】
或いは、三方弁２１、２２は、制御装置８０によって切り替えられることにより、圧縮機１０から流れ込む冷媒を、室内熱交換器５０につながる冷媒管５１へ流す。さらに、室外熱交換器３０から冷媒管３１を通って排出される冷媒を、内部熱交換器６０につながる冷媒管６３へ流す。その結果、三方弁２１、２２は、空気調和機１の運転状態を暖房運転状態にする。
【0022】
このように、三方弁２１、２２は、冷媒回路２の冷媒が流れる方向を切り替えて、空気調和機１を冷房運転または暖房運転の状態にする。その結果、三方弁２１、２２は、圧縮機１０によって圧縮された冷媒を、室外熱交換器３０または室内熱交換器５０へ流す。
【0023】
室外熱交換器３０は、フィン・アンド・チューブ型の構造を有する。詳細には、室外熱交換器３０は、図示しない複数のフィンと複数のチューブを有し、それらフィンには、図示しないファンにより室外空気が送風される。また、それらチューブには、冷房運転時に圧縮機１０から流れる冷媒が流れる。または、暖房運転時に膨張弁４１から流れる冷媒が流れる。これにより、室外熱交換器３０は、フィンに送風される室外空気とチューブ内を流れる冷媒を熱交換させて、冷房運転時には冷媒を凝縮させ、または、暖房運転時には冷媒を蒸発させる。その結果、室外熱交換器３０は、冷房運転時に凝縮器として機能し、または暖房運転時に蒸発器として機能する。室外熱交換器３０は、冷房運転時には、図１に示す膨張弁４２へ冷媒を流し、暖房運転時には三方弁２１、２２へ冷媒を流す。
【0024】
膨張弁４１、４２は、冷媒の流路の開度を調整する、図示しない弁体を備える。そして、膨張弁４１、４２は、例えば、電磁弁または、電動弁である。膨張弁４１、４２には、図１に示す制御装置８０が電気的に接続され、その制御装置８０の出力によって、弁体による流路の開度が調整される。これにより、膨張弁４１、４２は、弁体の開度によって冷媒を減圧する。その結果、膨張弁４１、４２は、冷媒を、制御装置８０の出力に応じた圧力に冷媒を減圧して膨張させる。
【0025】
また、膨張弁４１と４２は、暖房運転と冷房運転それぞれで冷媒を膨張させるために設けられている。膨張弁４１は、暖房運転時にだけ使用され、冷房運転時に使用されない状態とするため、逆止弁６８と並列に接続されている。ここで、逆止弁６８は、膨張弁４１と室外熱交換器３０との間から分岐する冷媒管３２から内部熱交換器６０へ向かう方向に、または室内熱交換器５０へ向かう方向に冷媒を流すことが可能であり、その逆方向へ冷媒を流すことが不能である。一方、膨張弁４２は、冷房運転時にだけ使用され、暖房運転時に使用されない状態とするため、逆止弁４６と並列に接続されている。ここで、逆止弁４６は、室内熱交換器５０側から室外熱交換器３０側へ向かう方向へ冷媒を流すことが可能であるが、その逆方向には冷媒を流すことが不能である。
【0026】
また、膨張弁４１、４２は、制御装置８０に制御されることにより、冷房運転または暖房運転のいずれであるかに応じて、それぞれの弁体の開度が調整される。その結果、冷房運転である場合には、膨張弁４２が冷媒を膨張させ、膨張した冷媒は、室内熱交換器５０へ排出される。また、暖房運転である場合には、膨張弁４１が冷媒を膨張させ、膨張した冷媒は、室外熱交換器３０へ排出される。
【0027】
室内熱交換器５０は、室外熱交換器３０と同様に、フィン・アンド・チューブ型の構造を有する。詳細には、室内熱交換器５０は、室外熱交換器３０と同様に、図示しないフィンを有し、そのフィンには、図示しないファンから室内空気が送風される。また、室内熱交換器５０は、図示しないチューブを有し、そのチューブには、冷房運転の場合、膨張弁４２によって膨張された冷媒が流れる。または、暖房運転の場合、圧縮機１０によって圧縮された冷媒が流れる。その結果、室内熱交換器５０は、送風される室内空気とチューブ内を流れる冷媒とを熱交換させる。これにより、室内熱交換器５０は、冷房運転時には、室内空気の熱を吸収して、冷媒を蒸発させる蒸発器として機能し、または、暖房運転時には、室内空気へ熱を放って、冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。その結果、室内熱交換器５０は、冷房運転時に室内空気を冷やし、暖房運転時に室内空気を温める。室内熱交換器５０は、冷房運転時には冷媒を三方弁２１、２２へ戻し、暖房運転時には冷媒を膨張弁４１へ流す。
【0028】
このような部品で形成された冷媒回路２によって、空気調和機１は、冷房運転または暖房運転を行う。基本的に、それら運転では、凝縮器は蒸発器における空気からの吸熱と圧縮仕事による入熱を空気へ放熱する必要がある。このため、凝縮器には蒸発器よりも大きな熱交換性能が要求される。そして、環境保護のため、冷媒には、自然界に存在する物質により構成された冷媒が使用されている。詳細には、冷媒には、二酸化炭素、すなわちＣＯ2が用いられている。
【0029】
そのＣＯ2は、圧力が超臨界点を超えて、超臨界状態となった場合に液化することがない。このため、冷房運転時に凝縮器として機能する室外熱交換器３０には、ガスクーラーと呼ばれることがある大型の容積を有する熱交換器が用いられることが望ましい。このような背景から、室外熱交換器３０の冷媒を収容する部分の容積は、冷媒の凝縮変化を伴う空気調和機と比較する場合、室内熱交換器５０の冷媒を収容する部分の容積よりも更に大きい。
【0030】
この場合、冷房運転時に凝縮器として機能する室外熱交換器３０の容積にあわせて、冷媒回路２で使用される冷媒の量が決められてしまうと、暖房運転時に、室外熱交換器３０よりも小さい容積の室内熱交換器５０が凝縮器として機能することになるため、余剰な冷媒が発生してしまう。その結果、室内熱交換器３０を流れる冷媒の温度と圧力が暖房運転時に上昇してしまい、空気調和機１の暖房性能が低下してしまう。一方、空気調和機１の暖房性能の低下を防ぐため、室内熱交換器５０の容積を室外熱交換器３０よりも大きくすると、必要となる冷媒量が増加し且つ空気調和機１が大型化するという問題が生じてしまう。
【0031】
そこで、空気調和機１は、冷房性能を高めるための内部熱交換器６０と、暖房運転時に内部熱交換器６０へ余剰冷媒を溜めるために、内部熱交換器６０への冷媒の流れを切り替える三方弁７０とをさらに備える。
【0032】
内部熱交換器６０は、状態の異なる２種類の冷媒を互いに熱交換させるため、多管円筒式の構造を有する。詳細には、内部熱交換器６０は、互いに連通した複数のチューブ６１と、それらチューブ６１を内部に収容し、チューブ６１の延在方向に円筒軸を向けた円筒の形状のシェル６２とを有する。
【0033】
複数のチューブ６１には、熱交換対象となる冷媒を流し込むため、詳細には、冷房運転時に室内熱交換器５０から流れる低温の冷媒を流し込むため、または、暖房運転時に室外熱交換器３０から流れる低温の冷媒を流し込むため、上述した三方弁２２の第二接続口につながる冷媒管６３が接続されている。また、複数のチューブ６１には、その流し込まれた冷媒を排出するため、圧縮機１０につながる冷媒管６４が接続されている。
【0034】
これに対して、シェル６２には、熱交換対象となる、冷房運転時に室外熱交換器３０によって凝縮された高温の冷媒を流し込むため、冷媒管６５が接続されている。その冷媒管６５は、室外熱交換器３０と膨張弁４１をつなぐ冷媒管３２にある分岐部３３に接続されている。また、冷媒管６５には、冷媒の水分と異物を除去するためのフィルタ６７が設けられている。さらに、シェル６２には、流し込まれた冷媒を排出するため、冷媒管６６が接続されている。その冷媒管６６は、膨張弁４１から延びる冷媒管４３と膨張弁４２から延びる冷媒管４４との接続部分に接続されている。
【0035】
なお、冷媒管６５には、上述した、冷媒の流れる方向を規定するため、冷媒管３２からシェル６２へ向かう方向に冷媒を流すことが可能であり、その逆方向へ冷媒を流すことが不能な逆止弁６８が設けられている。また、冷媒管６５の延在方向にある中間部分６５１には、膨張弁４１側にある冷媒を取り込むため、膨張弁４１につながる冷媒管４３から分岐する冷媒管４５が接続されている。そして、その冷媒管４５には、冷媒管６５から膨張弁４１へ冷媒が逆流することを防ぐため、冷媒管４３からシェル６２へ向かう方向に冷媒を流すことが可能であり、その逆方向へ冷媒を流すことが不能な逆止弁６９を有する冷媒管４５が設けられている。
【0036】
内部熱交換器６０では、シェル６２の内部空間に、複数のチューブ６１が互いの間に隙間を有すると共に、シェル６２の内壁との間に隙間を有する状態で配置されている。そして、チューブ６１は、熱伝導性の高い金属、例えば、アルミニウムで形成されている。その結果、上述した接続関係により、冷房運転時に、室内熱交換器５０からチューブ６１に低温の冷媒が流れ込み、かつ室外熱交換器３０からシェル６２に高温の冷媒が流れ込むと、それら冷媒同士が互いに熱交換をする。これにより、室外熱交換器３０からシェル６２に流れ込んだ冷媒が冷却される。シェル６２には、冷媒管６６が接続されているため、冷却された冷媒は、その冷媒管６６へ排出される。その冷媒管６６には、排出された冷媒を室内熱交換器５０へ流すか否かを制御するため、三方弁７０が設けられている。
【0037】
三方弁７０には、内部熱交換器６０が備えるシェル６２に接続された冷媒管６６と、膨張弁４１に接続された冷媒管４３と、膨張弁４２に接続された冷媒管４４とが接続されている。そして、三方弁７０は、三方弁２１、２２と同様に、例えば、電磁弁または、電動弁である。また、三方弁７０は、制御装置８０と電気的に接続されている。三方弁７０は、その制御装置８０によって切り替えられることにより、冷房運転時にシェル６２から冷媒管６６へ排出される冷却された冷媒を、冷媒管４４へ流して膨張弁４２に供給する。これにより、膨張弁４２によって膨張される冷媒がより低温となる。その結果、室内熱交換器５０で室内空気がより高い効率で冷却される。
【0038】
このような三方弁７０の切り替えを冷房運転、暖房運転の状態に応じて行うため、空気調和機１は、制御装置８０を備える。次に、図２－図４を参照して、制御装置８０の構成と、制御装置８０による空気調和機１の制御方法について説明する。
【0039】
図２は、空気調和機１が備える制御装置８０のハードウエア構成図である。図３は、空気調和機１の冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図４は、空気調和機１の暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図２では、理解を容易にするため、制御装置８０の接続先も示している。また、図３および図４では、冷媒の流れる方向を示すため、冷媒回路２の各部分に矢印を記載している。さらに、制御装置８０および、制御装置８０と各部品の電気的接続を省略している。
【0040】
図２に示すように、制御装置８０は、Ｉ／Ｏポート（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｒｔ）８１を備え、そのＩ／Ｏポート８１には、上述した冷媒の流れを実現するため、制御装置８０の制御対象となる圧縮機１０、三方弁２１、２２、７０および膨張弁４１、４２が電気的に接続されている。
【0041】
【0042】
ここで、圧力センサ９１は、空気調和機１が動作しているときと空気調和機１が停止しているときに冷媒の圧力が低圧になっていないかを確認して冷媒の漏れを検出するため、冷媒の圧力を検出するセンサである。圧力センサ９２は、冷媒の圧力が許容値を超えた高圧になっていないかどうかを確認するため、空気調和機１の動作中に冷媒の圧力を検出するセンサである。スイッチ９３は、冷媒の圧力が許容値を超えた高圧になっている場合に、空気調和機１の動作を停止させるためのスイッチである。
【0043】
また、制御装置８０は、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）８２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８３およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８４を含むコンピュータを備える。そして、ＣＰＵ８２、ＲＯＭ８３および、ＲＡＭ８４は、Ｉ／Ｏポート８１に電気的に接続されている。制御装置８０は、ＣＰＵ８２がＲＯＭ８３に記憶された各種プログラムをＲＡＭ８４に読み出して実行することにより、空気調和機１の各部品を制御する各種処理を行う。例えば、制御装置８０は、ＣＰＵ８２がＲＯＭ８３に記憶された制御プログラムを実行することにより、上述したＩ／Ｏポート８１に電気的に接続された圧縮機１０を動作させると共に、三方弁２１、２２、７０と膨張弁４１、４２の開閉および開度を制御する処理を行う。
【0044】
その処理をより詳細に説明すると、制御装置８０は、図示しない起動ボタンが押され、その後、図示しないモード選択ボタンが押されることにより、冷房運転が選択されると、圧縮機１０を動作させる。さらに、制御装置８０は、三方弁２１、２２それぞれが有する接続口同士の接続関係を切り替えることにより、図３に示す圧縮機１０につながる冷媒管１２と室外熱交換器３０につながる冷媒管３１を連通させる。また、室内熱交換器５０につながる冷媒管５１と内部熱交換器６０が有するチューブ６１につながる冷媒管６３を連通させる。
【0045】
また、制御装置８０は、三方弁７０が有する接続口同士の接続関係を切り替えることにより、内部熱交換器６０が有するシェル６２につながる冷媒管６６と膨張弁４２につながる冷媒管４４を連通させる。そして、その状態で、制御装置８０は、膨張弁４１を閉じると共に、膨張弁４２を開ける。
【0046】
制御装置８０は、これら三方弁２１、２２、７０および膨張弁４１、４２の制御により、図３の矢印が示すように、圧縮機１０、三方弁２１、室外熱交換器３０、逆止弁６８、フィルタ６７、内部熱交換器６０が有するシェル６２、三方弁７０、膨張弁４２、室内熱交換器５０、三方弁２２、内部熱交換器６０が有するチューブ６１、圧縮機１０の順序で、これら部品に冷媒を循環させる。これにより、制御装置８０は、室外熱交換器３０を凝縮器として機能させ、かつ室内熱交換器５０を蒸発器として機能させる。その結果、室内空気が冷却される冷房運転が行われる。
【0047】
この冷房運転では、室外熱交換器３０によって凝縮された高温の冷媒が、冷媒管６５を通って内部熱交換器６０が有するシェル６２に流れ込む。一方、室内熱交換器５０によって蒸発された低温の冷媒が、冷媒管６３を通って内部熱交換器６０が有するチューブ６１に流れ込む。その結果、内部熱交換器６０では、シェル６２を流れる高温の冷媒とチューブ６１を流れる低温の冷媒が熱交換する。これにより、シェル６２を流れる高温の冷媒が冷却される。その結果、シェル６２から冷媒管６６へ排出されて膨張弁４２に供給される冷媒がより低温となる。また、膨張弁４２で膨張されて室内熱交換器５０に供給される冷媒もより低温となる。これにより、室内熱交換器５０で室内空気がより高い効率で冷却される。その結果、空気調和機１の冷房効率が高まる。
【0048】
一方、制御装置８０は、図示しないモード選択ボタンが押されることにより、暖房運転が選択されると、三方弁２１、２２それぞれが有する接続口同士の接続関係を切り替えることにより、図４に示す圧縮機１０につながる冷媒管１２と室内熱交換器５０につながる冷媒管５１を連通させる。また、室外熱交換器３０につながる冷媒管３１と内部熱交換器６０が有するチューブ６１につながる冷媒管６３を連通させる。
【0049】
また、制御装置８０は、三方弁７０が有する接続口同士の接続関係を切り替えることにより、内部熱交換器６０が有するシェル６２につながる冷媒管６６と膨張弁４２につながる冷媒管４４の連通を解除して、冷媒管４４を膨張弁４１につながる冷媒管４３に連通させる。そして、その状態で、制御装置８０は、膨張弁４１を開けると共に、膨張弁４２を閉じる。
【0050】
制御装置８０は、これら三方弁２１、２２、７０および膨張弁４１、４２の制御により、図４の矢印が示すように、圧縮機１０、三方弁２１、室内熱交換器５０、逆止弁４６、三方弁７０、膨張弁４１、室外熱交換器３０、三方弁２２、内部熱交換器６０が有するチューブ６１、圧縮機１０の順序で、これら部品に冷媒を循環させる。これにより、制御装置８０は、室外熱交換器３０を蒸発器として機能させ、かつ室内熱交換器５０を凝縮器として機能させる。その結果、室内空気が加熱される暖房運転が行われる。
【0051】
この暖房運転では、三方弁７０によって、内部熱交換器６０のシェル６２につながる冷媒管６６の冷媒管４３、４４側の端部が閉鎖される。これにより、冷媒管６６が冷媒管４３、４４から分離される。その結果、図４に示す領域Ａ１内の、冷媒管６６にある冷媒が冷媒管４３、４４へ流れ出すことが防がれる。また、シェル６２内の冷媒が冷媒管６６を介して冷媒管４３、４４へ流れ出すことが防がれる。
【0052】
また、シェル６２につながる冷媒管６５には、シェル６２から室外熱交換器３０につながる冷媒管３２へ冷媒を流すことが不能な逆止弁６８が設けられている。また、冷媒管６５の中間部分６５１に接続された冷媒管４５には、冷媒管６５から冷媒管４５がつながる膨張弁４１の冷媒管４３へ冷媒を流すことが不能な逆止弁６９が設けられている。その結果、図４に示す領域Ａ２内の、冷媒管６５と冷媒管４５の一部にある冷媒が冷媒管３２、４３へ流れ出すことが防がれる。また、シェル６２内の冷媒が冷媒管６５を介して冷媒管３２、４３へ流れ出すことが防がれる。
【0053】
このように、暖房運転では、内部熱交換器６０のシェル６２が冷媒管３２、４３、４４から分離されている。そして、冷媒がシェル６２から冷媒管３２、４３、４４に流れ出すことが防がれている。その結果、冷房運転のときに、シェル６２に流れ込んだ冷媒がシェル６２に閉じ込められる。これにより、暖房運転の状態と比較して冷房運転の状態よりも余剰とされる冷媒が、シェル６２内に溜め込まれる。換言すると、余剰な冷媒が内部熱交換器６０に溜め込まれる。その結果、暖房運転時に室外熱交換器３０での余剰な冷媒による冷媒の温度上昇と圧力上昇を抑制することができる。これにより、空気調和機１の暖房性能の低下が抑制される。
【0054】
また、暖房運転では、内部熱交換器６０が有するチューブ６１に、室外熱交換器３０により蒸発された低温の冷媒が流れ込む。その結果、シェル６２内の冷媒が冷却される。これにより、シェル６２内の冷媒が減圧される。一方、シェル６２内の冷媒よりも冷媒管３２、４３を流れる冷媒が高圧である場合、その冷媒は、逆止弁６８、６９を介して、冷媒管６５と、その冷媒管６５につながるシェル６２とへ流れ込む。その結果、より多くの冷媒がシェル６２に溜め込まれる。暖房運転のときに余剰となる冷媒がより多くシェル６２に溜め込まれるため、空気調和機１の暖房性能の低下がより抑制される。
【0055】
冷房運転または暖房運転を終了させる場合、空気調和機１のユーザーは、図示しない起動ボタンを再度押す。これにより、制御装置８０は、上記の処理を強制的に終了させる。その結果、空気調和機１の動作が停止する。
【0056】
なお、上記の実施の形態で説明した膨張弁４２は、本開示でいうところの第一膨張弁の一例である。膨張弁４１は、本開示でいうところの第二膨張弁の一例である。また、三方弁２１、２２、７０は、冷媒の流れを切り替えることから、切り替え装置ともいう。そして、三方弁２１、２２は、本開示でいうところの第一切り替え装置の一例である。さらに、三方弁７０は、本開示でいうところの第二切り替え装置の一例である。
【0057】
また、冷媒管６３、チューブ６１および冷媒管６４は、本開示でいうところの内部熱交換器６０が有する第一流路の一例である。冷媒管６５、シェル６２および冷媒管６６は、本開示でいうところの内部熱交換器６０が有する第二流路の一例である。冷媒管４５は、本開示でいうところの分岐管一例である。さらに、逆止弁４６は、本開示でいうところの第一逆止弁の一例である。逆止弁６９は、本開示でいうところの第二逆止弁の一例である。逆止弁６８は、本開示でいうところの第三逆止弁の一例である。
【0058】
以上のように、実施の形態に係る空気調和機１では、制御装置８０が、冷房運転のときに、三方弁７０を切り替えることにより、内部熱交換器６０が有するシェル６２につながる冷媒管６６と膨張弁４２につながる冷媒管４４とを連通させる。これにより、シェル６２で熱交換されて冷却された冷媒を膨張弁４２へ流す。このため、膨張弁４２を経由して室内熱交換器５０へ流れる冷媒の温度が低くなる。これにより、室内熱交換器５０が室内空気を冷却する冷却効率が高まる。その結果、空気調和機１では、冷房性能が高い。
【0059】
また、制御装置８０は、暖房運転のときに、三方弁７０を切り替えることにより、冷媒管６６と冷媒管４４との連通を解除して、シェル６２から膨張弁４２への冷媒の流れを止める。このため、冷房運転時にシェル６２に入った冷媒が、暖房運転のときに、シェル６２にとどまる。その結果、暖房運転時に冷媒回路２内で冷媒が余剰となることが抑制される。換言すると、冷房運転時にガス状態または超臨界状態にある冷媒が、暖房運転時に液状態に状態変化をするところ、その密度差分の冷媒をシェル６２に貯えることができる。これにより、室内熱交換器５０で余剰な冷媒による圧力上昇と温度上昇を抑制することができる。その結果、空気調和機１では、暖房性能が高い。
【0060】
また、暖房運転時に、余剰な冷媒による圧力上昇が抑制されるので、圧縮機１０が冷媒を吐出するときの温度が低下する。その結果、圧縮機１０の圧縮効率が高まる。
【0061】
さらに、制御装置８０が三方弁７０を切り替えるだけで、冷房運転時に空気調和機１の冷房性能が高まり、暖房運転時に空気調和機１の暖房性能が高まる。このように、空気調和機１は、冷房性能と暖房性能を高める構造が簡易である。その結果、製造が容易である。
【0062】
なお、空気調和機１は、冷房運転時を終了させた後に、短時間でよいので、暖房運転をするとよい。これにより、より多くの冷媒を内部熱交換器６０に貯えることができる。その結果、空気調和機１が停止中に冷媒が液化して圧縮機１０にとどまる現象を抑制することができる。
【0063】
以上、本開示の実施の形態に係る空気調和機１および、空気調和機１の制御方法について説明したが、空気調和機１および、空気調和機１の制御方法は、これに限定されない。
【0064】
実施の形態では、冷媒がＣＯ2であるが、冷媒はこれに限定されない。冷媒は空気調和機で一般に使用されるものであるとよい。この場合、空気調和機１では、暖房運転時に余剰冷媒を内部熱交換器６０が溜め込むため、冷房運転と暖房運転での体積の差により余剰冷媒が発生してしまう冷媒であればよい。例えば、冷媒は、高温と低温で体積が変化する物質であればよい。
【0065】
実施の形態では、三方弁２１、２２が、冷媒回路２の冷媒が流れる向きを切り替えているが、空気調和機１は、これに限定されない。空気調和機１では、三方弁２１、２２は、圧縮機１０によって圧縮された冷媒が流れる向きを切り替える切り替え装置であればよい。例えば、三方弁２１、２２は、四方弁であってもよい。
【0066】
実施の形態では、内部熱交換器６０が多管円筒式の構造を有する。しかし、内部熱交換器６０はこれに限定されない。内部熱交換器６０は、第一流路を流れる冷媒と第二流路を流れる冷媒を熱交換させる構造を有する熱交換器であればよい。例えば、内部熱交換器６０は、管の内部に、別の管が入れられた二重管式の構造を有する熱交換器であってもよい。また、内部熱交換器６０は、渦巻き状に屈曲する板により形成されたスパイラル式の構造を有するものであってもよい。さらに、内部熱交換器６０は、板が積層されることにより形成されたプレート式の構造を有する熱交換器であってもよい。
【0067】
また、実施の形態では、空気調和機１は鉄道車両の室内空気を調和する空気調和機であるが、空気調和機１はこれに限定されない。本開示は、空気調和機全般に適用可能である。空気調和機１は、例えば、建築物の室内を調和する空気調和機に適用可能である。
【0068】
なお、上記実施形態では、制御プログラムがＲＯＭ８３に格納されているが、制御プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｃ）等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納されて配布されてもよい。この場合、その記録媒体に格納された制御プログラムがコンピュータにインストールされることにより、制御処理を実行する制御装置８０が構成されてもよい。
【0069】
また、制御プログラムは、インターネットの通信ネットワーク上のサーバー装置が有するディスク装置に格納され、その制御プログラムが、例えば、搬送波に重畳されて、ダウンロードされてもよい。
【0070】
本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。つまり、本開示の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内およびそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、本開示の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【0071】
１ 空気調和機、２ 冷媒回路、１０ 圧縮機、１１ 逆止弁、１２ 冷媒管、２１，２２ 三方弁、３０ 室外熱交換器、３１，３２ 冷媒管、３３ 分岐部、４１，４２ 膨張弁、４３，４４，４５ 冷媒管、４６ 逆止弁、５０ 室内熱交換器、５１ 冷媒管、６０ 内部熱交換器、６１ チューブ、６２ シェル、６３－６６ 冷媒管、６７ フィルタ、６８，６９ 逆止弁、７０ 三方弁、８０ 制御装置、８１ Ｉ／Ｏポート、８２ ＣＰＵ、８３ ＲＯＭ、８４ ＲＡＭ、９１，９２ 圧力センサ、９３ スイッチ、６５１ 中間部分、Ａ１，Ａ２領域。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】