(57)【要約】【課題】超臨界冷凍サイクルとして運転される空気調和装置であってもシステム全体の効率を向上し、消費電力を少なくする。【解決手段】圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、減圧装置１５、水−冷媒熱交換器１７を接続し冷凍サイクルと、水−冷媒熱交換器１７とポンプ２１と室内熱交換器２２を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置２０からなる空気調和装置において、冷凍サイクルは高圧側冷媒が超臨界状態になるように運転され、水−冷媒熱交換器１７内の冷媒と２次冷媒とは暖房時に対向に流れ、２次冷媒の流量は冷房時と暖房時とで異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置、水−冷媒熱交換器を接続し冷凍サイクルと、前記水−冷媒熱交換器とポンプと室内熱交換器を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置からなる空気調和装置において、
前記冷凍サイクルは高圧側冷媒が超臨界状態になるように運転され、前記水−冷媒熱交換器内の冷媒と前記２次冷媒とは暖房時に対向に流れ、前記２次冷媒の流量は冷房時と暖房時とで異なることを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
請求項１記載のものにおいて、前記水−冷媒熱交換器と前記室内熱交換器との長さに関連して水循環量を変更可能としたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項３】
圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置、水−冷媒熱交換器を接続し高圧側冷媒が超臨界状態になる冷媒を封入した冷凍サイクルと、前記水−冷媒熱交換器とポンプと室内熱交換器を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置からなる空気調和装置において、
前記室内熱交換器の２次冷媒入口を風下、出口を風上、前記室外熱交換器の冷媒入口を冷房時に風下、出口を風上に設置されたことを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地球環境負荷の少ない冷媒が使用される冷凍サイクルを用いた空気調和装置に関し、特に、高圧側で臨界圧力にまで圧縮された冷媒で運転されるものに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空気調和装置等の冷凍サイクルには不燃、無毒のフロン冷媒が使用されている。しかし、フロン冷媒は地球温暖化係数が大きく、より環境負荷の少ない冷媒が要望されている。そして、地球環境負荷の少ない冷媒として炭酸ガスが知られているが、炭酸ガスを空気調和装置の冷媒として使用した場合、高圧側が超臨界となり、システム効率が低下する。そのため、炭酸ガスを使用した冷凍サイクルの効率向上策として高圧側の圧力を制御する方法が知られ、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９３１６６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術では、高圧側の圧力を制御することにより冷凍サイクルの効率は高くなるが、炭酸ガスはフロン冷媒より高圧であり、空気調和の必要な空間まで高圧配管を引く場合、配管を溶接する等の高圧に対する安全性を確保する必要があり、設置時の作業性を考慮すると水等の２次冷媒を使用する必要がある。この場合、システムの高効率化を図るためには、単に冷凍サイクルの効率だけでなく２次冷媒の搬送動力を低減する必要がある。そして、炭酸ガスは放熱器を冷却する空気の温度が高温になると効率が著しく低下する。
【０００５】
本発明の目的は、超臨界冷凍サイクルとして運転される空気調和装置であってもシステム全体の効率を向上し、消費電力を少なくすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置、水−冷媒熱交換器を接続し冷凍サイクルと、前記水−冷媒熱交換器とポンプと室内熱交換器を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置からなる空気調和装置において、冷凍サイクルは高圧側冷媒が超臨界状態になるように運転され、水−冷媒熱交換器内の冷媒と２次冷媒とは暖房時に対向に流れ、２次冷媒の流量は冷房時と暖房時とで異なるものである。
【０００７】
また、上記のものにおいて、水−冷媒熱交換器と前記室内熱交換器との長さに関連して水循環量を変更可能としたことが望ましい。
さらに、本発明は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧装置、水−冷媒熱交換器を接続し高圧側冷媒が超臨界状態になる冷媒を封入した冷凍サイクルと、前記水−冷媒熱交換器とポンプと室内熱交換器を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置からなる空気調和装置において、室内熱交換器の２次冷媒入口を風下、出口を風上、室外熱交換器の冷媒入口を冷房時に風下、出口を風上に設置されたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
図１は空気調和装置の構成図、図２は減圧装置の詳細図、図３は冷房時の温度−エンタルピ線図、図４は暖房時の温度−エンタルピ線図、図５は水温度差と消費電力の関係図である。図１、２において、１は空気調和装置で室外ユニット２と室内ユニット３から構成されている。室外ユニット２内に設けられた冷凍サイクル１０は圧縮機１１、冷房暖房で冷媒の流れを切り替える四方弁１２、室外熱交換器１３、室外熱交換器１３に送風する室外ファン１４、減圧装置としての膨張弁１５及び膨張機１６、冷媒−水熱交換器１７、膨張機１６と回転軸が一体になった副圧縮機１８、アキュームレータ１９から構成され、内部に冷媒として炭酸ガスが封入されている。
熱搬送装置２０は冷媒と熱交換する水−冷媒熱交換器１７、ポンプ２１、室内熱交換器２２、室内熱交換器２２に送風する室内ファン２３から構成され内部に水等の２次冷媒として水が封入されている。空気調和装置１を制御するために室外制御器３０、吐出温度検出器３１、室外空気温度検出器３２、水戻り温度検出器３３、水供給温度検出器３４、室内温度検出器３５、室内制御器３６、操作器３７、配管設定器３８が設けられている。減圧装置を構成する膨張弁１５と膨張機１６の配置を図２に示す。４個の逆止弁４０により冷房、暖房運転のどちらでも冷媒は膨張弁１５を流れたのち膨張機１６を流れる構成になっている。
【０００９】
以上のように構成された空気調和装置１の動作を説明する。
操作器３７で冷房、暖房の選択と室内の温度設定が設定されると室内制御器３６から設定条件と室内温度検出器３５で検出された温度が室外制御器３０に送られるとともに室内ファンが駆動される。室外制御器３０により冷房、暖房により四方弁１２が切り替えられ、圧縮機１１、室外ファン１４、ポンプ２０が駆動される。ここで、圧縮機１１は室内温度設定値と室内温度の差から算出される能力になるように回転数が制御される。また、ポンプ２０は水戻り温度検出器３３と水供給温度検出器３４で検出された温度差が能力により算出された温度差になるように制御される。膨張弁１５は圧縮機吐出温度検出器３１で検出される温度が能力と外気温度検出器３２で検出される温度から算出される設定値になるように制御される。
【００１０】
冷房時の動作を図３にて説明する。
四方弁１２が冷房側に切り替えられ圧縮機１１が駆動すると圧縮機１１で高圧高温（図３ａ点）になった冷媒は四方弁１２を通り室外熱交換器１３に送られる。室外熱交換器１３で室外ファン１４より送風された空気に放熱し、高圧低温のガス冷媒（図３ｂ点）となり膨張弁１５で減圧された後（図３ｃ点）、膨張機１６で膨張しさらに減圧される（図３ｄ点）。このとき、膨張過程で得られた動力（ｃ点とｄ点のエンタルピ差）は副圧縮機１８の駆動に使用される。膨張機１６で膨張し低圧、低温の２相になった冷媒は水−冷媒熱交換器１７で水を冷却し、ガス冷媒（図３ｅ点）となって四方弁１２を通り副圧縮機１８で圧縮された後（図３ｆ点）、アキュームレータ１９より圧縮機１１に戻る。水−冷媒熱交換器１７で冷却された水はポンプ２１により室内ユニット３内の室内熱交換器２２で室内ファン２３により送風される室内空気を冷却し、再び水−冷媒熱交換器１７に戻る。
【００１１】
ここで、室外熱交換器１３の冷媒の入口は風下、出口が風上になっているために、室外熱交換器１３内での冷媒温度が低下（図３のａ点とｂ点の温度差）と空気が加熱されることによる温度差が相殺され、空気と冷媒の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。また、水−冷媒熱交換器１７内では冷媒と水が平行に流れることにより、つまり冷媒が熱交換器内を流れる間に生じる圧力損失による温度低下と冷却されることにより水の温度低下により、水と冷媒の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。同様に、室内熱交換器２１の水の入口は風下、出口が風上になっているために空気と水の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。
【００１２】
次に暖房時の動作を図４を用いて説明する。
四方弁１２が暖房側に切り替えられ圧縮機１１が駆動すると圧縮機１１で高圧高温になった冷媒（図４ａ点）は四方弁１２を通り水−冷媒熱交換器１７に送られ水に放熱し、高圧、低温になった冷媒（図４ｂ点）は膨張弁１５で減圧された後（図４ｃ点）、膨張機１６で膨張減圧し動力回収した後（図４ｄ点）、低圧、低温の２相の冷媒となり室外熱交換器１３に送られる。室外熱交換器１３で室外ファン１４より送風された空気から吸熱することにより蒸発し、ガス冷媒となって（図４ｅ点）四方弁１２を通り副圧縮機１８で圧縮された後（図４ｆ点）、アキュームレータ１９より圧縮機１１に戻る。水−冷媒熱交換器１７で加熱された水はポンプ２１により室内ユニット３内の室内熱交換器２２で室内ファン２３により送風される室内空気を加熱し、再び水−冷媒熱交換器１７に戻る。
【００１３】
暖房時は室外熱交換器１３の冷媒の入口は風上、出口が風下になっているために、つまり圧力損失により温度が低下した冷媒が室外熱交換器１３の後列になるために空気と冷媒の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。また、水−冷媒熱交換器１７内では冷媒と水が対抗に流れることにより、冷媒が熱交換器内を流れる間に生じる圧力損失による温度低下と冷却され、水の温度低下により、水と冷媒の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。同様に、室内熱交換器２１の水の入口は風下、出口が風上になっているために空気と水の温度差が平均化され熱交換性能が向上する。
【００１４】
冷房時と暖房時の水戻り温度検出器３３と水供給温度検出器３４で検出された温度差は、暖房時が大きくなるように設定されている。冷凍サイクルの特性からポンプ２１の回転数を大きくし熱搬送装置２０内の水の流量を多くすることにより同一能力での冷凍サイクルの消費電力は低下する。しかし、２次冷媒の流量を増加させると流量増と熱搬送装置２０内の圧力損失のためにポンプ２１の消費電力が増加する。
【００１５】
冷房時、水−冷媒熱交換器１７の冷媒温度は圧力損失による温度低下はあるものの変化は少なく、水の温度差を大きくするため蒸発温度を低下させ、図５に示すように空気調和装置１全体の消費電力を最少にするためには水流量を多くし、水温度差を小さくする。
暖房時は水−冷媒熱交換器１７内の冷媒の温度が図４のａ点とｂ点の差に見られるように大きくなり、水と冷媒を対向に流すことにより水流量を少なくし、水温度差を大きくしても圧縮機吐出冷媒温度が適正になるように膨張弁１５で制御し、高圧側の圧力上昇を少なく、消費電力を少なくするために水温度差を小さくする。
【００１６】
さらに、ポンプ２０の消費電力は同一水循環量でも室外ユニット２と室内ユニット３の設置場所により配管長さが異なり消費電力が変化する。このために、配管設定器３８により配管長さを設定することにより、常に消費電力が少ない水温度差で運転が可能となる。すなわち、室外ユニット２と室内ユニット３の設置場所が離れ、水配管の長さが長くなると圧力損失によるポンプ２１の消費電力が増加する。このために、配管長さの増加に応じて水温度を大きめに設定することで冷凍サイクル２の消費電力は増加するが、それ以上にポンプ２１の消費電力が低減でき全体として消費電力の増加を抑制できる。
【００１７】
以上のように、水循環量を冷房と暖房で変えることにより空気調和装置の消費電力を低減できる。また、減圧装置として膨張弁と膨張機を設け、圧縮機吐出温度より膨張弁を制御することにより冷房時のような放熱終了後の冷媒温度が高い場合にも膨張機により冷媒の膨張動力が回収できると共に、蒸発開始時のエンタルピを小さくでき、圧縮機動力の低減と能力向上を図れる。そして、圧縮機吐出温度を最適に設定することにより水−冷媒熱交換器の入口冷媒温度を最適にでき熱交換性能を確保できる。
【００１８】
水−冷媒熱交換器とポンプと室内熱交換器を接続し２次冷媒を封入した熱搬送装置からなる空気調和装置において、水−冷媒熱交換器内の冷媒と２冷媒を暖房時に対向に流れるように設置するとともに、冷房時と暖房時の２次冷媒の流量を異なるように設定したので、高圧側冷媒が超臨界状態になる冷媒を封入した冷凍サイクルを利用する空気調和装置の消費電力を少なくできる。また、室内熱交換器の２次冷媒入口を風下、出口を風上、室外熱交換器の冷媒入口を冷房時に風下、出口を風上にすることにより室内熱交換器及び室外熱交換器の伝熱性能が向上し空気調和装置の消費電力を低減できる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば超臨界冷凍サイクルとして運転される空気調和装置であってもシステム全体の効率を向上し、消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気調和装置の構成をブロック図。
【図２】減圧装置の詳細を示す模式図。
【図３】冷房時の温度−エンタルピ線図。
【図４】暖房時の温度−エンタルピ線図。
【図５】水温度差と消費電力の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…空気調和装置、２…で室外ユニット、３…室内ユニット、１０…冷凍サイクル、１１…圧縮機、１２…四方弁、１３…室外熱交換器、１４…室外ファン、１５…膨張弁、１６…膨張機、１７…冷媒−水熱交換器、１８…副圧縮機、２０…熱搬送装置、２１…ポンプ、２２…室内熱交換器、２３…室内ファン、３０…室外制御器、３１…吐出温度検出器、３２…室外空気温度検出器、３３…水戻り温度検出器、３４…水供給温度検出器、３５…室内温度検出器、３６…室内制御器、３７…操作器、３８…配管設定器、４０…逆止弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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