【手続補正書】
【提出日】平成16年3月25日(2004.3.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】冷凍サイクル装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】運転周波数が可変である圧縮機と、凝縮器もしくは蒸発器となる熱交換器と、減圧部とを有して構成される冷凍サイクルに装置であって、前記熱交換器は、少なくとも２以上のパスを有し、更に前記パスを流れる冷媒流量を実質的に検知する検知手段を有し、前記検知手段で検知された冷媒流量が一定値より少ないとき、パス数を少なくするようにパスを切り替えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】前記検知手段は、圧縮機の運転周波数を検知して冷媒流量を予測することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】前記熱交換器の運転モードを検知する運転モード判定手段を具備し、前記運転モード判定手段により検知された運転モードにより前記熱交換器でのパス数を変更するパス数修正手段とを有する、請求項１、２のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）あるいはハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分として用いた請求項１〜３いずれか記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル装置において、冷媒と空気の流体間で熱の授受を行う熱交換器の熱交換器効率の向上を図るため、熱交換器のパス数を切り替える冷凍サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は冷媒の流れ方向を逆転させる場合等のように、複数の管路の連通関係を切り替えるため、パイロット駆動の四方弁を用いているものがある。
【０００３】
従来例として、特開平８−１４５４９０号公報および実開平７−３２４６０号公報記載のものについて図１７を用いて説明する。
【０００４】
複数の冷媒管８４が内部を貫通する熱交換器８１と、分岐管８２ａ、８２ｂおよび冷媒切り替え手段としての四方弁８３からなる。
【０００５】
特開平８−１４５４９０号公報に記載のものは、温度勾配を有する非共沸混合冷媒に対応するよう、冷媒と気流との温度差の低下を常に防ぎ、単一冷媒と同等の熱交換量を得るため、暖房運転あるいは冷房運転等のように運転モードによって四方弁８３を切り替え、熱交換器８１内のパス数を少なく切り替えたものである。
【０００６】
また、実開平７−３２４６０号公報に記載のものは、特に暖房運転時、室外熱交換器内パスのパスバランスが悪いため、暖房能力が低下することを解決するよう、２パスから１パスに切り替えたものである。
【０００７】
つまり従来は、同じ熱交換器において、蒸発過程か、あるいは凝縮過程かでパス数の切り替えを行っていたが、本発明が意図しているように冷媒流量が少ないとき、パス数を少なくすることにより、冷媒の熱伝達率を上げ、熱交換器効率の向上を図るという技術思想は何等開示されていない。
【０００８】
また、従来は、オゾン層破壊など環境問題としての社会的背景により、代替冷媒候補に関して、非共沸混合冷媒に対応したヒートポンプエアコン用熱交換器の性能の向上を図る制御装置は記載されているが、単一冷媒および共沸混合冷媒に関するものはない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成では、熱交換において同数の別パスであるパスへの切り替えを行うことは可能であったが、冷媒流量が少ないときパス数を減少することは行っていなかった。そのため、冷媒流量が少ないとき、パス数を減少することはできなかった。
【００１０】
また、運転モードに応じて１パスあるいは２パスに切り替えているため、２パスで冷媒流量の少ない時に熱伝達率が小さくなり、熱交換器効率が低下し、また１パスで冷媒流量の多い時に圧力損失が大きくなり熱交換器効率が低下するという課題を有している。
【００１１】
そこで、本発明は、低冷媒流量時にパス数を少なくすることにより、冷媒の熱伝達率を上げ、熱交換器効率の向上を図ることを目的とする。
【００１２】
また、特に、単一冷媒および共沸または共弗様混合冷媒を用いた時に、熱交換器効率の向上を図ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、冷媒流量を実質的に検知する検知手段からの出力値に基づいてパス数を決定するパス数決定手段と、決定したパス数に切り替えるパス切替手段とを備えるものである。
【００１４】
これにより、冷媒流量が少ない時、パス数を少なくすることにより、各パスの管内での流速増大により、熱伝達率向上を図り、これをもって熱交換器効率の向上が図れる。
【００１５】
また、オゾン層破壊などの環境問題の社会的背景により、従来単一冷媒（Ｒ２２）を用いていたが、代替冷媒候補として、例えば、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）の中のＲ３２／Ｒ１２５（５０／５０ｗｔ％）（以下、Ｒ４１０Ａと言う）や、ハイドロカーボン（ＨＣ）の中のプロパン（Ｒ２９０）を用いることにより、これらサイクルでは従来のＲ２２に比べて同一サイクルポイントでの冷媒密度が大きく、従って、流速が小さくなるという特長を有している。よって、パス数を少なくすることにより、熱伝達率が向上し、熱交換器効率の向上が図れ、特にＲ４１０Ａやプロパン（Ｒ２９０）等に有効である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本願発明の冷凍サイクル装置は、図１に示すように容量可変な圧縮機２と、熱交換器４、６と、前記熱交換器４、６の内少なくとも１つに２以上のパス（図２参照）を有し、かつ減圧部５とを順次配管接続した冷凍サイクルシステムと、図３に示すように前記パスを流れる冷媒流量を実質的に検知する検知手段３１と、前記検知手段３１で検知された冷媒流量が一定値より少ないとき、前記熱交換器４でのパス数を少なく決定するパス数決定手段３２と、前記パス数決定手段３２からの信号に基づいてパス数を切り替えるパス切替手段３３とを有することにより熱交換器４内の熱伝達率が上がり、熱交換器効率が向上する。
【００１７】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、検知手段３１を、図４に示すようにパスを流れる冷媒流量を検知する冷媒流量検知手段４１とすることにより熱交換器４内の熱伝達率が上がり、熱交換器効率が向上する。
【００１８】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、検知手段３１を、図５に示すように圧縮機の運転周波数を検知する運転周波数検知手段５１とすることにより熱交換器４内の熱伝達率が上がり、熱交換器効率が向上する。
【００１９】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、検知手段３１を、図６に示すように熱交換器４における負荷を検知する負荷検知手段６１とすることにより熱交換器４内の熱伝達率が上がり、熱交換器効率が向上する。
【００２０】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、図７に示すように熱交換器４の運転モードを検知する運転モード判定手段７１を具備し、前記運転モード判定手段７１により検知された運転モードにより前記パス数を適正な値に修正するパス数修正手段７２とを有することにより熱交換器４内の熱伝達率が上がり、熱交換器効率が向上する。
【００２１】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）あるいはハイドロカーバン（ＨＣ）を主成分として用いることにより従来エアコンに代表される冷凍サイクル装置に用いられてきたＲ２２のシステムに比べて、熱交換器４内の熱伝達率が上がり、より熱交換器効率が向上する。
【００２２】
また、本願発明の冷凍サイクル装置は、パス切替手段３３，４３，５３，６３として可動式弁を用いることにより、パス数を少なくすることを可能とする。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例について、図を用いて説明する。
【００２４】
図１において、１は冷凍サイクルシステム、２は圧縮機、３は四方弁、４は室外熱交換器、５は減圧部、６は室内熱交換器、７はアキュムレータを示す。
【００２５】
冷凍サイクルシステム１の冷房運転時には、実線矢印で示すように、圧縮機２から吐出する高温・高圧の冷媒ガスが四方弁３を経て凝縮器（放熱器）をなす室外熱交換器４に流入し、凝縮（放熱）により液相となる。この液相となった冷媒は、減圧部５を通って蒸発器（吸熱器）をなす室内熱交換器６に流入し、蒸発（吸熱）により気相となる。この気相となった冷媒ガスは、四方弁３およびアキュムレータ７を経て再び圧縮機２へ流入する。室外熱交換器４内のパス数は、パスを流れる冷媒流量を実質的に検知する検知手段３１からの出力値である冷媒流量に基づいて制御する。また、暖房運転時は、点線矢印で示すように、四方弁３が切り換わり、室内熱交換器６が凝縮器（放熱器）となり、室外熱交換器４が蒸発器（吸熱器）となる。
【００２６】
また、室内熱交換器６においても、検知手段３１に基づいて熱交換器内のパス数を制御することが可能である。
【００２７】
次に、図１における室外熱交換器４入口Ｘから室外熱交換器４内部、室外熱交換器４出口Ｙまでについて図２を用いて説明する。ここでは、一例として２パスを用いた。
【００２８】
冷房通常運転時には、実線で示すように、熱交換器の入口分岐点２１において２パスに分岐する。一方は熱交換器内を通った後、弁接続部ａから弁２２を通過しｂへ、もう一方は直接に弁接続部ｄから弁を通過しｃへ、そして熱交換器内を通った後、出口合流点２３で合流する。
【００２９】
熱交換器内のパス数を少なくする運転時には、弁２２の点線で示すように、弁接続部ｄには流入せず、弁接続部ａからｃに通る。
【００３０】
次に、図３を用いて弁の一実施例を説明する。
３１は検知手段、３２はパス数決定手段、３３はパス切替手段を示す。
【００３１】
検知手段３１において、パスを流れる冷媒流量を実質的に検知する。
なお、この検知手段３１に関して、冷媒流量が実質的に検知できれば、その手段は問わない。
【００３２】
ここでパス数の決定について説明する。
冷媒流量が少ないとき、熱交換器内の冷媒流速が小さく、熱伝達率が低くなる。そこで、この時パス数を少なくすると、管内の流速が上がり熱伝達率が上がる。このことにより熱交換量が上がり、能力の向上が望める。
【００３３】
以上の理由から、パス数決定手段３２においては、検知手段３１からの出力値である冷媒流量が一定値α以上のときは、パス数を通常通りに、例えば２パスに決定する。冷媒流量検知手段３１からの出力値である冷媒流量が一定値αよりも小さいときは、パス数を少なく、例えば１パスに決定する。
【００３４】
パス切替手段３３においては、パス数決定手段３２からの出力値を基に、パスの切り替えを行う。
【００３５】
なお、パス切替手段３３に関しては、手動のボールバルブ、電磁弁などその手段は問わない。
【００３６】
次に、図４を用いて弁の他の実施例を説明する。
４１は冷媒流量検知手段、４２はパス数決定手段、４３はパス切替手段を示す。
【００３７】
冷媒流量検知手段４１において、パスを流れる冷媒流量を検知する。
パス数決定手段４２においては、冷媒流量検知手段４１からの出力値である冷媒流量が一定値β以上のときは、パス数を通常通りに、例えば２パスに決定する。冷媒流量検知手段４１からの出力値である冷媒流量が一定値βよりも小さいときは、パス数を少なく、例えば１パスに決定する。
【００３８】
パス切替手段４３においては、パス数決定手段４２からの出力値を基に、パスの切り替えを行う。
【００３９】
なお、パス切替手段４３に関しては、手動のボールバルブ、電磁弁などその手段は問わない。
【００４０】
この実施例は、直接的に冷媒流量を検知するため、極めて精度高く制御できる。
【００４１】
次に、図５を用いてさらに弁の他の実施例を説明する。
５１は運転周波数検知手段、５２はパス数決定手段、５３はパス切替手段を示す。
【００４２】
運転周波数検知手段５１においては、圧縮機２の運転周波数を検知する。
パス数決定手段５２においては、運転周波数検知手段５１からの出力値である運転周波数に基づいて、パス数を決定する。
【００４３】
運転周波数が低いときは、冷媒流量が少ないことが予想される。そこで、運転周波数が一定値γ以上のときは、パス数を通常通りに、例えば２パスに決定する。運転周波数が一定値γよりも小さいときは、パス数を少なく、例えば１パスに決定する。なお、一定値γは予め実験等により最適となるように求めておく。
【００４４】
パス切替手段５３においては、パス数決定手段５２からの出力値を基に、パスの切り替えを行う。
【００４５】
なお、パス切替手段５３に関しては、手動のボールバルブ、電磁弁などその手段は問わない。
【００４６】
この実施例は、周波数を検知することにより冷媒流量を予測するため、制御の精度は一対一には対応しないが、コストの削減が期待できる。
【００４７】
次に、図６を用いてさらに弁の他の実施例を説明する。
６１は負荷検知手段、６２はパス数決定手段、６３はパス切替手段を示す。
【００４８】
負荷検知手段６１においては、負荷を検知する。この負荷検知の手段は問わないが、ここに２例示す。
【００４９】
第１例として、空気調和機において、使用者がリモコン等を用いて設定する温度を検知する、あるいは、自動運転時は空気調和機が制御する温度を検知する等により空気調和機が制御の目標としている温度を検知する。
【００５０】
室内に設置されたサーミスタ、あるいは吸い込み温度等により室内温度を検知する。
【００５１】
そして、室内目標温度と室内温度の温度差を算出し、この温度差が大きいときは負荷が大きいものとし、温度差が小さいときは負荷が小さいものと予測する。
【００５２】
第２例として、空気調和機において、外気温を検知し、暖房時外気温が高い時、あるいは冷房時外気温が低い時は負荷が小さいものとし、暖房時外気温が低い時、あるいは冷房時外気温が高い時は負荷が大きいものと予測する。
【００５３】
第３例として、第１例と第２例の組み合わせを組み合わせたものがある。すなわち、暖房時外気温が低く、室内目標温度と室内温度の差が大きい時は、負荷が大きいものとし、暖房時外気温が高く、室内目標温度と室内温度の差が小さい時は、負荷が小さいものとする。
【００５４】
パス数決定手段６２においては、負荷検知手段６１からの出力値である負荷に基づいて、パス数を決定する。
【００５５】
負荷が小さいときは、冷媒流量が少ないことが予想できる。そこで、負荷が大きいときは、パス数を通常通りに、例えば２パスに決定する。負荷が小さいときは、パス数を少なく、例えば１パスに決定する。
【００５６】
パス切替手段６３においては、パス数決定手段６２からの出力値を基に、パスの切り替えを行う。
【００５７】
なお、パス切替手段６３に関しては、手動のボールバルブ、電磁弁などその手段は問わない。
【００５８】
次に、図７を用いてさらに弁の他の実施例を説明する。
７１は運転モード判定手段、７２はパス数修正手段を示す。
【００５９】
熱交換器において、蒸発過程と凝縮過程では同冷媒流量に対して圧力損失が異なるため、空調機の効率も異なる。そのため、蒸発過程か凝縮過程かの、熱交換器の運転モードに応じて、パス数を切り替える冷媒流量のしきい値を変えた方が良い。
【００６０】
そこで、運転モード判定手段７１においては、熱交換器の運転モードを凝縮過程あるいは蒸発過程かを判定する。
【００６１】
パス数修正手段７２においては、パス数決定手段３２からの出力値であるパス数、および運転モード判定手段７１からの出力値である運転モードからパス数を修正する。
【００６２】
ここで、パス数修正手段７２について詳しく説明する。
図８に熱交換器管内の冷媒流量と熱伝達率の関係を示す。
【００６３】
パス数を小さくすると、管内の冷媒流量が増加するため、単位面積当たりの流速が大きくなり熱伝達率は上がる。
【００６４】
図９に熱交換器管内の冷媒流量と圧力損失の関係を蒸発過程におけるものを実線で、凝縮過程におけるものを点線で示す。
【００６５】
凝縮過程においては、冷媒流量の増大による、圧力損失の増加量は小さい。これに対し、蒸発過程においては、冷媒流量が増加すると、特に熱交換器出口側パスでの冷媒の膨張のために圧力損失が顕著に増加する。
【００６６】
図１０に熱交換器管内の冷媒流量と冷凍サイクルの成績係数（以下ＣＯＰと言う）の関係を蒸発過程におけるものを実線で、凝縮過程におけるものを点線で示す。
【００６７】
図８および図９からＣＯＰは図１０に示すように、凝縮過程では冷媒流量が増加するとＣＯＰも上がる。蒸発過程においては、一定値を境にＣＯＰは圧力損失の増加に伴い下がる。
【００６８】
このことから、蒸発過程において、冷媒流量が一定値以上になった場合は、パス数を増やし、冷媒流量を減少させた方がＣＯＰが良くなる。
【００６９】
そこで、本実施例においては、運転モード判定手段７１からの出力値が蒸発過程の時は、パスを切り替えるしきい値を下げる方がよい。
【００７０】
次に、さらに他の実施例を説明する。
従来単一冷媒（Ｒ２２）を用いていたが、代替冷媒候補として、冷凍サイクル内における空気温度の温度勾配が小さい単一冷媒、または共沸冷媒など、例えば、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）の中のＲ３２／Ｒ１２５（５０／５０ｗｔ％）（以下、Ｒ４１０Ａと言う）、あるいはハイドロカーボン（ＨＣ）の中のプロパン（Ｒ２９０）を用いる。これらサイクルでは従来のＲ２２に比べて同一サイクルポイントでの冷媒密度が大きく、従って、流速が小さくなるという特徴を有している。
【００７１】
すなわち、同一能力を要求するときに、Ｒ４１０ＡはＲ２２に比べて熱交換器や配管での圧力損失がＲ２２の約７０％と小さくなる。
【００７２】
このことから、特にＲ４１０Ａ、プロパン（Ｒ２９０）等を冷媒として用いることにより、熱伝達率が向上し、熱交換器効率の向上が図れる。
【００７３】
次に、図１１から１６を用いてパス切替手段の実施例を説明する。
パス切替手段として可動式の弁を３例あげる。
【００７４】
第１の例としてロータリ式のものを挙げる。図１１に示すように、パスａ、ｂ、ｃ、ｄは弁の周囲９０度おきに設け、弁の内部パスは、中心を通るパスと、それを中心に対称な２パスはａとｂ、ｃとｄを連結するようにする。１パスにする時は、図１２のように切り替え、弁接続部ａとｃを連結する。弁接続部ｂとｄは閉状態となる。
【００７５】
第２の例として示すものもロータリ式のものである。図１３のように弁接続部ｂ、ｃは弁接続部ａおよび弁の中心とを結んだ線を対称に設ける。弁接続部ｄは弁接続部ａとｃの間の任意の位置に設ける。通常運転時は、弁接続部ａとｂを、ｃとｄを連結する。１パスにする時は、図１４に示すように弁接続部ａとｃを連結し、弁接続部ｂとｄは閉状態とする。これは第１の例に比較し、弁内のパス数を減らすことが可能となり、加工が容易になるという利点がある。
【００７６】
第３の例として直動式のものを挙げる。図１５に示すように弁接続部ａとｂ、ｃとｄが連結している。１パスにする時は、図１６に示すように弁体を横にずらし、弁接続部ａとｃを連結し、弁接続部ｂとｄを閉状態とする。
【００７７】
以上より、例えば、空気調和機の暖房運転下、立ち上げから室内の温度が安定する時、暖房負荷が小さくなり圧縮機の運転周波数が小さくなる。年間総運転時間に占めるこの環境になる比率がとても大きい。そのため、年間電気代を考えた場合に、低周波数運転時の占める割合も大きい。そこで、この制御を用いることにより、年間電気代約５％省くことができる。
【００７８】
また、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）およびハイドロカーボン（ＨＣ）の冷媒を用いることにより、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）の値が０で、また地球温暖化係数（ＧＷＰ）の値は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）は大きいが、ハイドロカーボン（ＨＣ）は極めて０に近い。そのため、環境問題は克服することができる。
【００７９】
また、上記制御装置において冷媒をハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）およびハイドロカーボン（ＨＣ）の中でも特に、単一あるいは共沸もしくは共弗様混合冷媒を用いることにより、熱交換器効率がより向上するため、冷凍サイクル効率も向上させることが可能となり、結果として消費電力量を省くことができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱交換器のパス数を切り替えることにより、冷媒流量の少ないとき、熱交換器効率の向上を図ることができる。これにより、暖房低負荷時の消費電力を低減することによって、空気調和機の年間電気代を低減することが可能となる。
【００８１】
また、Ｒ２２の代替冷媒候補である、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）あるいはハイドロカーボン（ＨＣ）を主成分とした冷媒においても、熱伝達率が向上し、熱交換器効率の向上が可能となる。
【００８２】
また、可動式弁を用いることにより、容易に弁のパス数を切り換えることが可能となり、部品点数および工数の削減などが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す図
【図２】同実施の形態における熱交換器のパス図
【図３】本発明の同実施の形態における熱交換器の弁の実施形態１の制御ブロック図
【図４】本発明の同実施の形態における熱交換器の弁の実施形態２の制御ブロック図
【図５】本発明の同実施の形態における熱交換器の弁の実施形態３の制御ブロック図
【図６】本発明の同実施の形態における熱交換器の弁の実施形態４の制御ブロック図
【図７】本発明の同実施の形態における熱交換器の弁の実施形態５の制御ブロック図
【図８】熱交換器管内の冷媒流量と熱伝達率の関係を示す図
【図９】熱交換器管内の冷媒流量と圧力損失の関係を示す図
【図１０】熱交換器管内の冷媒流量と冷凍サイクルの成績係数ＣＯＰの関係を示す図
【図１１】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第１例の弁の２パスを示す図
【図１２】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第１例の弁の１パスを示す図
【図１３】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第２例の弁の２パスを示す図
【図１４】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第２例の弁の１パスを示す図
【図１５】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第３例の弁の２パスを示す図
【図１６】同実施の形態において熱交換器のパスを制御する第３例の弁の１パスを示す図
【図１７】従来の熱交換器のパス図
【符号の説明】
１  冷凍サイクル装置
２  圧縮機
３，８３  四方弁
４  室外熱交換器
５  減圧部
６  室内熱交換器
７  アキュムレータ
２１  熱交換器入口分岐点
２２  弁
２３  熱交換器出口合流点
３１  検知手段
３２，４２，５２，６２  パス数決定手段
３３，４３，５３，６３，７３  パス切替手段
４１  冷媒流量検知手段
５１  運転周波数検知手段
６１  負荷検知手段
７１  運転モード判定手段
７２  パス数修正手段
８１  熱交換器
８２  分岐管
８４  冷媒管