(57)【要約】  本発明は、液側接続配管の冷媒の保有量を低下させ、可燃性冷媒などの適用時の省冷媒化に貢献することができる空気調和機を提供することを目的とする。  空気調和機は、圧縮機（１）、室外熱交換器（３）、膨張弁（５）、及び室内熱交換器（１１）が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路と、室外熱交換器（３）と膨張弁（５）との間に、前記冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、冷媒回路の液側接続配管（１０２）は、４．７５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路と、  前記室外熱交換器と前記第１の膨張弁との間に、前記冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、  前記冷媒回路の液側配管は、４．７５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
請求項１において、  前記過冷却手段は、前記室外熱交換器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器であり、第１流路と第２流路とで形成されており、  前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記第１の膨張弁に接続されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
請求項１において、  第２サイクルの圧縮機、第２サイクルの凝縮器、第２サイクルの膨張弁、第２サイクルの蒸発器を順に介して、第２の冷凍サイクルを有しており、  前記室外熱交換器と、前記膨張弁との間に、前記第２サイクルの蒸発器を配設し、前記室外熱交換器と前記膨張弁の間を流れる冷媒を、前記第２の冷凍サイクルを流れる冷媒で冷却することを特徴とする空気調和機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項において、  前記第１の冷凍サイクルの冷媒に、プロピレンまたはプロパンを用いることを特徴とする空気調和機。
【請求項５】
請求項３において、  前記第２の冷凍サイクルの冷媒に、Ｒ４５５Ａ、プロパン、Ｒ４５４Ｃを用いることを特徴とする空気調和機。
【請求項６】
請求項２において、  前記圧縮機の吐出近傍温度、前記室内熱交換器の配管温度、前記過冷却熱交換器の第２流路の温度を検出するセンサを有することを特徴とする空気調和機。
【請求項７】
圧縮機、室外熱交換器、及び室内熱交換器が配管によって接続され、冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路と、  前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間に、前記冷媒を過冷却にする過冷却熱交換器とを有し、  前記過冷却熱交換器は、第１流路と第２流路とで形成されており、  前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記室内熱交換器に接続されており、  前記冷媒回路の液側配管の内径ｄ（ｍｍ）は、暖房能力Ｑ（ｋＷ）として、      ｄ＜−０．０１１８Ｑ２＋０．３８８Ｑ＋０．８００９４  を満たすことを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は可燃性冷媒を用いた空気調和機の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】  空気調和機においては、環境への影響を低減するために、より温暖化係数の低い冷媒への転換が求められている。プロパン（Ｒ２９０）などの炭化水素系冷媒は、もともと自然界にある物質であり、特に温暖化係数は、現在使われているジフルオロメタン（Ｒ３２）などに比べて低い。しかし炭化水素系冷媒は、総じて可燃性が高い。したがって炭化水素系冷媒を空気調和機に使用するためには、使用する冷媒量を最小化することが望ましい。【０００３】  また、一方で、資源の有効利用のために、接続配管の直径は極力小さいことが望ましい。直径の小さいコンパクトな接続配管は、家庭用の空気調和機においては、家屋の内部及び外部の壁を伝う配管のデザイン性を向上する。【０００４】  特許文献１には、低圧での冷媒密度が小さい冷媒を用いた空気調和機において、過冷却手段を設けることで高圧液冷媒の液温を５℃以下とし、低圧側配管を細くする技術が記載されている。【０００５】  また、特許文献２には、冷媒にＲ２２を用いた空気調和機の液側配管よりも、冷媒にＲ３２を用いた方が配管の内径を細くできることが示されている。【０００６】  また、特許文献３は、可燃性冷媒使用時に室内機と接続配管の間に流体抵抗構造を設けることで省冷媒化が実現できる旨が記されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１０１６７２号
【特許文献２】特許第４８１５６５６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４８７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  可燃性冷媒を製品に適用するには、冷媒漏洩時のリスクを最小限とするため、封入する冷媒量を可能な限り少量とすることが求められている。空気調和機の内部において冷媒が多く存在するのは、凝縮側の熱交換機内部、及び液側配管である。したがってこれらの配管を極力細くすることで冷媒の封入量を削減することが可能である。【０００９】  特許文献１には、過冷却手段を用いることで、蒸発器及び延長配管の圧力損失を低減し、特にガス密度が低い冷媒を使用した際に、ガス側の配管を小径化する方法が記載されている。しかし炭化水素冷媒の液の密度は、現在使われているＲ３２や、特許文献１にも記載されているＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１２３４ｙｆと比べて小さい。このため過冷却によって冷媒循環量を減らしたとしても、液冷媒の流速は少なくともＲ３２より低下しないため、圧力損失を低減することはできない。【００１０】  特許文献２には、冷媒をＲ２２からＲ３２に切り替えることで、液側配管を細くできることが記されている。これは、潜熱がＲ２２に対してＲ３２のほうが大きいため、同じ暖房・冷房能力を発揮するために必要な冷媒循環量をＲ３２のほうが少なくできるためである。潜熱はＲ３２よりも、プロパンの方が大きい。しかしながらプロパンの液密度やガス密度は、Ｒ３２の半分程度である。このため冷媒にプロパンを用いた場合、Ｒ３２に対して冷媒循環量は多少低下するものの、配管内を流れる冷媒の速度はプロパンの方が速くなり、圧力損失も大きくなる。したがって圧力損失の観点からは、やはり配管径を小さくすることはできない。【００１１】  また、特許文献３は、可燃性冷媒使用時に室内機と接続配管の間に流体抵抗構造を設けることで省冷媒化を実現しているが、接続配管の直径を小さくすることは考えられていない。接続配管のコンパクト化に関しても検討はされていない。【００１２】  本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、液側接続配管の冷媒の保有量を低下させ、可燃性冷媒などの適用時の省冷媒化に貢献することができる空気調和機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】
【００１３】  前記目的を達成するため、本発明の空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁（例えば、膨張弁５）、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路と、室外熱交換器と第１の膨張弁との間に、冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、冷媒回路の液側配管（例えば、液側接続配管１０２）は、４．７５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、液側接続配管の冷媒の保有量を低下させ、可燃性冷媒などの適用時の省冷媒化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。
【図２】第１実施形態に係る空気調和機の冷房時のモリエル線図である。
【図３】第１実施形態に係る空気調和機の暖房時のサイクル構成図である。
【図４】第１実施形態に係る空気調和機の暖房時のモリエル線図である。
【図５】第１実施形態に係る配管最少直径の計算例である。
【図６】第１実施形態に係る配管断熱の構造図である。
【図７】第１実施形態に係る説明に使用する配管の断面構造である。
【図８】第２実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。
【図９】第２実施形態に係る空気調和機の暖房時のサイクル構成図である。
【図１０】第３実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
【００１７】<<第１実施形態>>  図１は、第１実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。本実施形態は、家庭用空気調和機として市販されており、一般にルームエアコンと呼ばれる空気調和機を対象としている。その特徴としては、室内機と室外機が１対１で接続されており、その冷房能力が９．０ｋＷ以下であることである。
【００１８】  室内機１０１は屋内に設置され、室外機１００は屋外に設置され、この室内機１０１と室外機１００は冷媒接続配管である液側接続配管１０２とガス側接続配管１０３によって接続されている。空気調和機は、圧縮機１、室外熱交換器３、膨張弁５（第１の膨張弁）、及び室内熱交換器１１が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで冷媒が循環する冷媒回路を有する。
【００１９】  冷媒には、可燃性冷媒としてプロパンまたはプロピレンを用いる。表１に０℃における飽和状態の物性値を従来の冷媒と比較した表を示す。冷媒密度は大きい方が、配管内部の冷媒流速を抑えられ圧力損失が小さくなりやすい、また潜熱も大きい方が冷媒循環量を少なくできるため配管圧損は小さくなりやすい。表１に示す炭化水素系冷媒は、プロピレン、プロパン、ブタン、イソブタンである。２０１９年現在、新たに発売されているルームエアコンの多くで使用されている冷媒はＲ３２である。Ｒ３２に対して、表１記載の炭化水素系冷媒は、いずれも潜熱が大きい。このため冷媒循環量はＲ３２に対して少なくすることが可能であると考えられる。しかしながら液密度やガス密度はＲ３２に対して半分以下であり、潜熱による循環量低下以上に配管の圧力損失が大きくなることが考えられる。したがって特にガス密度の低いブタン及びイソブタンを排除し、本実施形態ではプロピレンまたはプロパンを使用することを想定する。
【００２０】
【表１】
2020188756.tif 000003
【００２１】  液側配管を細くするには、内部の冷媒の流動損失が大きくならないように、その流れる冷媒の循環流量を低下させ、かつ可能な限り冷媒の乾き度が低い状態、つまり気相の量が少ない状態で流すことが考えられる。しかしながら、ルームエアコンのような家庭向け空気調和機においては、膨張弁５が室外機１００側にしかなく、冷房時には膨張弁５を通過し減圧膨張した冷媒を液側配管に流す必要があった。膨張弁５で減圧することで、十分な過冷却度が得られていない冷媒は、一部がガス化し、冷媒側接続配管は常に気液２相流が流れることとなる。この状態で液側接続配管１０２を、現状よりも細くすると圧力損失が大きくなり過ぎ、蒸発圧力の低下を招くことが考えられる。
【００２２】  室外機１００内部の圧縮機１は、低圧、低温状態の冷媒を圧縮し、高温、高圧状態のガス冷媒を吐出する。圧縮機１から吐出された高温、高圧のガス冷媒は、四方弁２に至る。四方弁２では、圧縮機１から流れてきたガスが室外熱交換器３側へ流れるように弁が切りかえられている。室外熱交換器３は、冷媒が流れる配管とその表面に接合されたフィンから成る。この室外熱交換器３に、室外ファン４によって風を流すことで、室外の空気と熱交換を行う。冷房運転の場合、室外熱交換器３には、高温高圧のガス冷媒が流れ込む、このガス冷媒よりも温度の低い室外空気を室外熱交換器３に流すことで、ガス冷媒を冷却し凝縮させ、液冷媒に相変化させる。
【００２３】  室外熱交換器３における一部または全部のガス冷媒が液化した冷媒は、第２の膨張弁２１を通過し、過冷却熱交換器２２の第１の流路２２１へ流れるものと、過冷却熱交換器２２の第２の流路２２２へ流れるものに分かれる。過冷却熱交換器２２は、内部の第１の流路２２１を流れる冷媒と第２の流路２２２を流れる冷媒が混合することなく熱交換できる構造となっている。第２の膨張弁２１によって過冷却熱交換器２２の第１の流路２２１へ流れる冷媒は減圧され、液冷媒の一部がガス化することで温度が低下する。そして過冷却熱交換器２２の第２の流路２２２を流れる冷媒を冷却しながらガス化が進み、アキュムレータ６へ流れる。
【００２４】  また、過冷却熱交換器２２によって、室外熱交換器３の出口温度よりさらに温度低下した液冷媒は、膨張弁５（第１の膨張弁）を通過し、液側接続配管１０２を通過して室内熱交換器１１へ流入する。この膨張弁５及び液側接続配管によって減圧され、低温となった冷媒が、室内熱交換器１１内を流れ、そこへ室内ファン１２によって空気が流されることによって、室内の空気を冷却している。室内熱交換器１１内で、空気を冷却することで加熱された冷媒はガス化し、ガス側接続配管を通過して室外機１００に至る。室外機１００へ戻ってきたガス冷媒は、四方弁２を経てアキュムレータ６側へ流される。アキュムレータ６は、圧縮機１へ液冷媒が過剰に戻らないようにするための、一時的な液溜めを目的としたものである。このアキュムレータ６を通過した低温、低圧のガス冷媒が圧縮機１に吸い込まれ、圧縮されてまた高温、高圧のガス冷媒として吐出される。
【００２５】  表２には、現在ルームエアコンで使用されている接続配管の外径寸法を示す。いずれも銅管であり、その肉厚は０．８ｍｍとなっている。通常、液側接続配管１０２は、外径６．３５ｍｍの配管が使用されており、その肉厚は０．８ｍｍとなっている。よって、配管の内径は、４．７５ｍｍである。この直径は、膨張弁５によって減圧され一部がガス化された冷媒が通過することを想定したサイズとなっている。
【００２６】
【表２】
2020188756.tif 000004
【００２７】  本実施形態では、液側接続配管１０２に外径６．３５ｍｍの配管よりも細い、例えば外径４ｍｍ以下の配管を使用する。このように細い配管を使用すると、通常では液側接続配管１０２内の冷媒の圧力低下が大きくなり過ぎ、室内熱交換器１１での蒸発圧力が低下しすぎてしまう。これは圧縮機１の入力増加につながるため省エネ性を損なうこととなる。
【００２８】  しかし、本実施形態では、もし所定の蒸発圧力よりも圧力が低下する場合には、まずは膨張弁５を全開にするとともに、それでも蒸発圧力が所定よりも低い場合には、通常は全閉により使用しない第２の膨張弁２１を適切に開き、過冷却熱交換器２２にて、液側接続配管１０２へ流れる液冷媒を通常の過冷却度よりも過冷却する。通常よりも過冷却された液冷媒は、液側接続配管１０２内での冷媒流動に伴う圧力損失によって圧力が低下した際のガス化が、通常の場合よりも遅くなり、これによって液側接続配管１０２内の冷媒の圧力損失を小さく制御することができる。通常、室外熱交換器３のみで得られる過冷却度は５Ｋ程度までであるが、本実施形態の構成を用いれば、１０Ｋ（ケルビン）以上の過冷却が得られる。
【００２９】  図２は、第１実施形態に係る空気調和機の冷房時のモリエル線図である。図２を用いて本実施形態の冷房時における冷凍サイクルの圧力とエンタルピーの状態を説明する。図２は横軸に冷媒の比エンタルピー、縦軸に冷媒の圧力を取ったモリエル線図である。圧縮機出口として記した点から冷媒は、室外熱交換器３で放熱するため、エンタルピーを低下させながら、室外熱交器出口へ至る。
【００３０】  ここで、室外熱交換器出口の点は、飽和液線よりも右にある。これは、室外熱交換器３の出口の時点で、冷媒を完全に液単相にしないことを意味している。従来のルームエアコンでは、室外熱交換器３内部で冷媒を液化させてきた。これは、過冷却手段を有しない空気調和機において、冷房の能力を向上するために必要であった。しかし、同時に、熱交換器内部で冷媒を完全に液化し、さらに過冷却を得るには、室外熱交器内部の冷媒配管の一部を液冷媒で満たす必要があった。しかし、冷媒量の削減には、この熱交換器内部の液単相の領域があることが望ましくない。したがって本実施形態では、室外熱交換器３では、あえて過冷却を取らず、室外熱交器内部の全領域でガスまたは気液二相の状態になるようにした。これによって冷媒量の削減ができるだけでなく、熱交換器内部の管内伝熱面を全て凝縮面として利用できるため、熱交換性能は向上し凝縮圧力の低下とそれに伴う圧縮機動力の低下が得られ、使用電力の削減につながる。
【００３１】  一概には当てはまらないが、従来の冷凍サイクルにおいて、冷媒量が適正量よりも少ないと冷房または暖房の能力が低下しやすい。これは、凝縮器として使用する熱交換器の液単相の領域が減り過冷却が取り難くなるためである。そして、冷媒量が適正量よりも多すぎると、凝縮器の液単相域が増え過ぎ、２相の領域が減るため凝縮圧力が上昇し、圧縮機の入力増加につながる。
【００３２】  また、多くのルームエアコンにおいて室外熱交換器３の管内体積は、室内機１０１の室内熱交換器１１の管内体積に比べて大きい。これは室外機１００にほうが一般に設置スペースに余裕があるためである。したがって特に室外熱交換器３へ冷媒が溜まる、冷房条件で、室外熱交換器３内部の使用冷媒量を減らすことは、ルームエアコンの冷媒封入量低減に特に有効である。
【００３３】  図２において室外熱交換器３を出た冷媒は、過冷却手段によってさらに冷却され膨張弁入口に至る。ルームエアコンの多くにおいて、膨張弁５は室外機１００側に配置されており、この膨張弁５によって蒸発圧力をコントロールしている。コントロールの目標値は、圧縮機入口での冷媒の過熱度であったり、圧縮機出口の温度であったりする。
【００３４】  膨張弁５によって一定の減圧をされた冷媒は、膨張弁５を出て液側接続配管１０２に流れ、この配管内部の流体損失によって減圧し、室内熱交換器１１へ流れる。膨張弁５を流れる冷媒が液単相である場合、圧力損失を大きくつけることができないため、蒸発圧力の制御性は低下する。したがって本実施形態では、過冷却手段を制御する第２の膨張弁２１を用いて過冷却度を適切にとり、液側接続配管１０２の圧力損失によって蒸発圧力まで減圧する必要がある。したがって液側接続配管１０２の内径は、細すぎては蒸発圧力を過剰に低下させてしまうが、太くては冷媒削減効果が得られない。
【００３５】  図３は、第１実施形態に係る空気調和機の暖房時のサイクル構成図である。図３を用いて、第１実施形態に係る暖房サイクル構成について説明する。室外機１００内部の圧縮機１は、低圧、低温状態の冷媒を圧縮し、高温、高圧状態のガス冷媒を吐出する。圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は、四方弁２に至る。四方弁２では、圧縮機１より流れてきたガスがガス側接続配管１０３を経て室内機１０１側へ流れるように弁が切りかえられている。室内機１０１に至ったガス冷媒は、冷媒が流れる配管とその表面に接合されたフィンから成る室内熱交換器１１へ流入する。この圧縮機１から吐出された高温、高圧となった冷媒が、室内熱交換器１１内を流れ、そこへ室内ファン１２によって空気が流されることによって、室内の空気を暖房している。また、このガス冷媒よりも温度の低い室内の空気を室内熱交換器１１に流すことで、ガス冷媒を冷却し凝縮させ、液冷媒に相変化させる。室内熱交換器１１において、一部または全部のガス冷媒が液化した冷媒は、液側接続配管１０２を経て室外機１００へ流れる。室外機１００に戻ってきた冷媒は、膨張弁５及び過冷却熱交換器２２を経て室外熱交換器３に至る。
【００３６】  本実施形態では、細径化した液側接続配管１０２を用いることで、室内熱交換器１１にて液化した冷媒が減圧され温度が低下する、さらに必要であれば膨張弁５を絞ることでさらなる減圧を行う。そして減圧によって低圧低温となった冷媒が室外熱交換器３へ流れる。このとき、冷媒は室外熱交換器３に室外ファン４によって流される室外空気温度よりも低くなっており、室外熱交換器３を流れる空気によって、冷媒は加熱されガス化する。ガス化した冷媒は、四方弁２を経てアキュムレータ６側へ流され、最終的に圧縮機１に吸い込まれる。
【００３７】  従来の液側接続配管１０２と膨張弁５の組み合わせでは、暖房時には液側接続配管１０２の内部は液冷媒でほぼ満たされる状態となる。これは使用する冷媒量が増えてしまうことにつながった。しかし、本実施形態では、４ｍｍ以下の細径管を用いることで、そもそもの内部体積が小さいうえに、液側接続配管１０２の途中で減圧され、一部の冷媒がガス化するので、保持される冷媒量を少なくすることができる。
【００３８】  図４は、第１実施形態に係る空気調和機の暖房時のモリエル線図である。図４を用いて、本実施形態の暖房時における冷凍サイクルの圧力とエンタルピーの状態を説明する。図４は横軸に冷媒の比エンタルピー、縦軸に冷媒の圧力を取ったモリエル線図である。暖房条件では、室内熱交換器１１で凝縮した冷媒が、過冷却度１０Ｋ程度で放出される。このように暖房条件では、室内熱交換器１１によって過冷却度が取りやすい。これは、室内熱交換器１１が比較的小さく、かつ室内への吹き出し空気温度を上げるためにも凝縮圧力を高く（たとえば凝縮温度を３０℃以上）に設定する必要があり、これに対して室内の空気温度が２０℃程度と温度差がつき易いためである。
【００３９】  ここで、飽和温度３０℃、過冷却度１０Ｋのプロパン及びプロピレンを減圧した場合に液相を維持するのは、減圧量がプロパンが２４３ｋＰａ以下、プロピレンが２８８ｋＰａ以下の場合である。細径の液接続管で、冷媒がガス化した場合、管内の圧力損失が急激に大きくなることが考えられる。特に、この圧力損失の急激な変化によって蒸発圧力も不安定となり、さらには冷凍サイクル全体の不安定につながる可能性がある。したがって、極力、液側接続配管１０２内は液相を保つほうが、冷凍サイクルの制御性が高いと考える。
【００４０】  ここで、飽和温度３０℃におけるプロパンの物性を用いて、暖房能力Ｑ（ｋＷ）に対して、配管圧力損失が２５０ｋＰａとなる配管径を計算した。室内熱交入口のエンタルピは２７８．８ｋＪ／ｋｇとし、室内熱交出口は過冷却度１０Ｋを想定して２５１．７ｋＪ／ｋｇとし、エンタルピー差ｄｈを３５３．９ｋＪ／ｋｇとして、冷媒循環量Ｇｒ（ｋｇ／ｓ）を数１で求めた。
【００４１】
【数１】
2020188756.tif 000005
【００４２】  管内直径をｄ（ｍ）、液冷媒密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、液の粘性係数μ（Ｐａ・ｓ）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）、接続配管長さＬ（ｍ）として管内の冷媒の流れのレイノルズ数Ｒｅは、数２で示される。【数２】
2020188756.tif 000006
【００４３】ブラジウスの式より抵抗係数ｆは、数３で示される。【数３】
2020188756.tif 000007
【００４４】したがって、配管の圧力損失ｄＰ（Ｐａ）は、【数４】
2020188756.tif 000008
となる。
【００４５】  図５は、第１実施形態に係る配管最少直径の計算例である。図５は、接続配管長さＬ＝５ｍとして、配管圧損ｄＰが２４３Ｐａとなる、管内径ｄを求めた結果である。このように能力によって異なるが１．５ｍｍから３．５ｍｍといった従来の外径６．３５（肉厚０．８ｍｍとして内径４．７５ｍｍ）に比べて小さい内径とできる（内径４．７５ｍｍ未満の内径とできる）。図５の実線を近似した式が下記の、数５である。
【００４６】
【数５】
2020188756.tif 000009
【００４７】  図６は、第１実施形態に係る配管断熱の構造図である。液側接続配管１０２及びガス側接続配管１０３の表面は、断熱材によって覆われており、この断面構造を図６に示す。図６に示すように、配管断熱材５１の内部に配管５２が収められる構造となっている。この断熱は、冷媒が配管周囲空気によって加熱または冷却されることで、省エネ性を落とさないためでもあり、特に冷房時に配管表面で結露が発生して、屋内に結露水が垂れることなどがないようにするためにでもある。この断熱材厚さ５３は、一定の熱抵抗があるように設計されるが、同じ熱抵抗を得るのであれば、配管５２の直径が小さいほど、断熱材厚さ５３も小さくできる。したがって配管断熱材５１の外径は、内部の配管５２の直径を小さくすることで、非常にコンパクトにできる。
【００４８】  また、図６に示すように接続配管は、図７のような内面溝つき管でない平滑な内面構造である。溝付き管は、冷媒の流動時の圧力損失を大きくするだけでなく、内面の冷媒の熱伝達率を向上する効果があるため、液側接続配管１０２への外部の熱侵入を促進してしまう。
【００４９】  さらに、冷房時には、第２の膨張弁２１を開き、過冷却熱交換器２２によって液側接続配管１０２を通過する液冷媒を過冷却するので、同じ冷房能力を得るために必要な冷媒の循環量を、過冷却しない場合に比べて少なくすることができる。これによって、ガス側接続配管１０３を流れる冷媒の流速も落とせるので、ガス側接続配管１０３の直径も小さくすることができる。暖房時には、ガス側接続配管１０３には、高圧の冷媒が通過するため、もともと流速が遅く配管径を小さくしても影響は小さかった。これによってガス側接続配管１０３の断熱材も小さくすることができるので、接続配管全体をコンパクトにすることができる。
【００５０】  ルームエアコンなどの家庭用空気調和機では、特に屋内で接続配管を壁にはわせる必要がある場合に、見た目を気にされる場合があった。本実施形態のように、接続配管がコンパクトにできれば、従来に比べて接続配管が目立たなくなるため、見た目が改善されると考えられる。
【００５１】  また、本実施形態では、冷房時及び暖房時に、細径化した液側接続配管１０２を減圧器として使用するので、特に冷房時には、第２の膨張弁２１と膨張弁５の制御を適切に行う必要がある。これを行うために、圧縮機１の吐出温度をみる圧縮機吐出温度センサ９２、室内機１０１の熱交換器の蒸発圧力を確認する室内熱交換器温度センサ９１、過冷却熱交換器２２の第１の流路２２１の過熱度を確認するために過冷却熱交換器温度センサ９３（図１参照）を設け制御を行う。
【００５２】<<第２実施形態>>  図８は、第２実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。図８を用いて、第２実施形態の冷房サイクル構成について説明する。室内機１０１は屋内に設置され、室外機１００は屋外に設置され、この室内機１０１と室外機１００は冷媒接続配管である液側接続配管１０２とガス側接続配管１０３によって接続されている。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、第２の冷凍サイクル１１０を有する。
【００５３】  室外機１００内部の圧縮機１は、低圧、低温状態の冷媒を圧縮し、高温、高圧状態のガス冷媒を吐出する。圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は、四方弁２に至る。四方弁２では、圧縮機１より流れてきたガスが室外熱交換器３側へ流れるように弁が切りかえられている。室外熱交換器３は、冷媒が流れる配管とその表面に接合されたフィンから成る。この室外熱交換器３に、室外ファン４によって風を流すことで、室外の空気と熱交換を行う。冷房運転の場合、室外熱交換器３には、高温高圧のガス冷媒が流れ込む、このガス冷媒よりも温度の低い室外空気を室外熱交換器３に流すことで、ガス冷媒を冷却し凝縮させ、液冷媒に相変化させる。
【００５４】  室外熱交換器３における一部または全部のガス冷媒が液化した冷媒は、第２の冷凍サイクル１１０の第２サイクルの蒸発器２３の第１の流路２３１を通過し、膨張弁５を経て、液側接続配管１０２を通過して室内熱交換器１１へ流入する。この膨張弁５及び液側接続配管によって減圧され、低温となった冷媒が、室内熱交換器１１内を流れ、そこへ室内ファン１２によって空気が流されることによって、室内の空気を冷却している。
【００５５】  室内熱交換器１１内で、空気を冷却することで加熱された冷媒はガス化し、ガス側接続配管１０３を通過して室外機１００に至る。室外機１００へ戻ってきたガス冷媒は、四方弁２を経てアキュムレータ６側へ流される。アキュムレータ６は、圧縮機１へ液冷媒が過剰に戻らないようにするための、一時的な液溜めを目的としたものである。このアキュムレータ６を通過した低温、低圧のガス冷媒が圧縮機１に吸い込まれ、圧縮されてまた高温、高圧のガス冷媒として吐出される。
【００５６】  第２実施形態では、液側接続配管１０２に流れる冷媒の過冷却を得るために、第２の冷凍サイクル１１０を用いる。第２の冷凍サイクル１１０内では、第２サイクルの圧縮機２７から吐出された高温高圧の冷媒が、第２サイクルの凝縮器２５に至る。第２サイクルの凝縮器２５にて、第２サイクルのファン２６によって流される空気を用いて冷却された冷媒は液化され、第２サイクルの膨張弁２４で減圧され、低温低圧となり第２サイクルの蒸発器２３の第２の流路２３２を流れる。この際に第２サイクルの蒸発器２３の第２の流路２３２を流れる冷媒は、第２サイクルの蒸発器２３の第１の流路２３１を流れる液側接続配管１０２へ流れる冷媒から熱を奪い、ガス化する。ガス化した冷媒は第２サイクルのアキュムレータ２８を経て、第２サイクルの圧縮機２７に吸い込まれる。このような第２の冷凍サイクル１１０を用いることで、例えば液側接続配管１０２へ流れる冷媒の温度を、室内熱交換器１１での蒸発圧力に相当する飽和温度以下にするような、大きな過冷却度が得やすい。
【００５７】  また、第２の冷凍サイクル１１０は、室外機１００に近接して、もしくは内蔵するように設置するため室外に置かれる。したがって、冷媒に可燃性冷媒等を用いても、冷媒漏洩した際に大気中に拡散しやすく危険性が低くなる。したがって、第２の冷凍サイクル１１０には、冷媒として、Ｒ４５５Ａ、プロパン、Ｒ４５４Ｃを用いる。
【００５８】  図９は、第２実施形態に係る空気調和機の暖房時のサイクル構成図である。図９を用いて、第２実施形態の暖房サイクル構成について説明する。冷媒の流れは、ほぼ第１実施形態と同じである。室外機１００内部の圧縮機１は、低圧、低温状態の冷媒を圧縮し、高温、高圧状態のガス冷媒を吐出する。圧縮機１より吐出された高温、高圧のガス冷媒は、四方弁２に至る。四方弁２では、圧縮機１より流れてきたガスがガス側接続配管１０３を経て室内機１０１側へ流れるように弁が切りかえられている。室内機１０１に至ったガス冷媒は、冷媒が流れる配管とその表面に接合されたフィンから成る室内熱交換器１１へ流入する。この圧縮機１から吐出された高温、高圧となった冷媒が、室内熱交換器１１内を流れ、そこへ室内ファン１２によって空気が流されることによって、室内の空気を暖房している。また、このガス冷媒よりも温度の低い室内の空気を室内熱交換器１１に流すことで、ガス冷媒を冷却し凝縮させ、液冷媒に相変化させる。室内熱交換器１１における一部または全部のガス冷媒が液化した冷媒は、液側接続配管１０２を経て室外機１００へ流れる。室外機１００に戻ってきた冷媒は、膨張弁５及び第２サイクルの蒸発器２３を経て室外熱交換器３に至る。この際には、第２の冷凍サイクル１１０は停止している。
【００５９】  また、第１実施形態と同様に、圧縮機１の吐出温度をみる圧縮機吐出温度センサ９２、室内熱交換器１１の蒸発圧力を確認する室内熱交換器温度センサ９１、及び第２サイクルの蒸発器２３の第２の流路の過熱度を確認するために第２サイクルの蒸発器２３の出口温度センサ９４または第２サイクルの圧縮機２７の吐出温度をみる第２サイクル圧縮機吐出温度センサ９５を設け、第２サイクルの膨張弁２４の制御を行う。
【００６０】<<第３実施形態>>  図１０は、第３実施形態に係る空気調和機の冷房時のサイクル構成図である。図１０を用いて、第３実施形態の冷房サイクル構成について説明する。構成は実施例１とほぼ同じであるが、接続配管手前に配置した膨張弁５を排除した。これによって冷房時は、第２の膨張弁２１によって過冷却度のみをコントロールし、蒸発圧力を調整する。また暖房時には、過冷却熱交換器の圧力損失によって蒸発圧力を調整する。つまり、液側接続配管１０２と過冷却熱交換器２２の圧力損失のみで蒸発圧力が決定されてしまうこととなる。しかしながら、ここにおいても第２の膨張弁２１を調整し、過冷却熱交換器２２内部で気化した冷媒をさらに冷却し液化させることができるので、ある程度であるが過冷却熱交換器２２内部の冷媒の圧力損失をコントロールすることができる。
【００６１】  第３実施形態においては、減圧性能が不足しないように、例えば図５で示した配管径よりも、さらに細い配管径が望ましい。つまり液側配管の内径ｄ（ｍｍ）は、暖房能力Ｑ（ｋＷ）として、【数６】
2020188756.tif 000010
であることが望ましい。
【００６２】  また、第１実施形態から第３実施形態に共通するが、冷房時に大きな過冷却を用いることで、室内機へ流れる冷媒循環量を低減することができる。このためガス側の配管についても、現状のＲ３２で使用しているものよりも細いものが使用できる可能性がある。
【００６３】  以上をまとめると、本実施形態の空気調和機を用いることにより、従来、冷房運転時に室外機１００で凝縮し液化した冷媒が、膨張弁５によって減圧されてきたが、液側接続配管１０２によって減圧される。このとき必要な冷房能力が大きいと、冷媒循環量が大きくなり過ぎ、室内機１０１内の室内熱交換器１１での冷媒の蒸発圧力を不必要に低下させ省エネ性を損なうことが考えられる。そこで過冷却熱交換器２２により、室外機１００の室外熱交換器３で凝縮した液冷媒をさらに冷却することで、同じ冷却能力を得るにも冷媒の循環量を減らし、細径化した液側接続配管１０２でも適切に減圧できるようにした。
【００６４】  同時に、従来の冷房運転では室外機１００の室外熱交換器３で冷媒の過冷却度を得ていたが、過冷却熱交換器２２で過冷却を得られるためその必要がなくなる。室外熱交換器３で過冷却を得るためには、配管内に液相域を大きくとる必要があり、冷媒保有量の増加につながる。つまり、過冷却を取る必要がなくなることで冷房時に室外機１００の室外熱交換器３内部全域は、気液二相状態で良いこととなり、冷媒封入量を削減できる。
【００６５】  また、液側接続配管１０２の外径を細径化することで接続配管表面からの熱侵入を小さくし、接続配管内での冷媒のガス化を極力抑えた。これによって、接続配管内部の圧力損失が急激な気泡発生によって変化することを防ぎ、制御安定性を保つことができる。また接続配管をコンパクト化することができる。
【００６６】  これらに効果によって、液側接続配管１０２の冷媒の保有量を低下させ、可燃性冷媒などの適用時の省冷媒化に貢献することができる。
【符号の説明】
【００６７】  １    圧縮機  ２    四方弁  ３    室外熱交換器  ４    室外ファン  ５    膨張弁（第１の膨張弁）  ６    アキュムレータ  １１    室内熱交換器  １２    室内ファン  ２１    第２の膨張弁  ２２    過冷却熱交換器（過冷却手段）  ２３    第２サイクルの蒸発器（過冷却手段）  ２４    第２サイクルの膨張弁  ２５    第２サイクルの凝縮器  ２６    第２サイクルのファン  ２７    第２サイクルの圧縮機  ２８    第２サイクルのアキュムレータ  ５１    配管断熱材  ５２    配管  ５３    断熱材厚さ  ５４    管外径  ５５    管内径  ５６    管肉厚  ９１    室内熱交換器温度センサ  ９２    圧縮機吐出温度センサ  ９３    過冷却熱交換器温度センサ  ９４    出口温度センサ  ９５    第２サイクル圧縮機吐出温度センサ  １００    室外機  １０１    室内機  １０２    液側接続配管（液側配管）  １０３    ガス側接続配管（ガス側配管）  １１０    第２の冷凍サイクル  ２２１    第１の流路  ２２２    第２の流路  ２３１    第２サイクルの蒸発器の第１の流路  ２３２    第２サイクルの蒸発器の第２の流路
【図１】
2020188756.tif 000011
【図２】
2020188756.tif 000012
【図３】
2020188756.tif 000013
【図４】
2020188756.tif 000014
【図５】
2020188756.tif 000015
【図６】
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【図７】
2020188756.tif 000017
【図８】
2020188756.tif 000018
【図９】
2020188756.tif 000019
【図１０】
2020188756.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月24日(2019.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、
前記室外熱交換器と前記第１の膨張弁との間に、前記冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、
前記冷媒回路の液側配管は、４．７５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
請求項１において、
前記過冷却手段は、前記室外熱交換器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器であり、第１流路と第２流路とで形成されており、
前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記第１の膨張弁に接続されていることを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
請求項１において、
第２サイクルの圧縮機、第２サイクルの凝縮器、第２サイクルの膨張弁、第２サイクルの蒸発器を順に介して、第２の冷凍サイクルを有しており、
前記室外熱交換器と、前記膨張弁との間に、前記第２サイクルの蒸発器を配設し、前記室外熱交換器と前記膨張弁の間を流れる冷媒を、前記第２の冷凍サイクルを流れる冷媒で冷却することを特徴とする空気調和機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項において、
前記第１の冷凍サイクルの冷媒に、プロピレンまたはプロパンを用いることを特徴とする空気調和機。
【請求項５】
請求項３において、
前記第２の冷凍サイクルの冷媒に、Ｒ４５５Ａ、プロパン、Ｒ４５４Ｃを用いることを特徴とする空気調和機。
【請求項６】
請求項２において、
前記圧縮機の吐出近傍温度、前記室内熱交換器の配管温度、前記過冷却熱交換器の第２流路の温度を検出するセンサを有することを特徴とする空気調和機。
【請求項７】
圧縮機、室外熱交換器、及び室内熱交換器が配管によって接続され、冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、
前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間に、前記冷媒を過冷却にする過冷却熱交換器とを有し、
前記過冷却熱交換器は、第１流路と第２流路とで形成されており、
前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記室内熱交換器に接続されており、
前記冷媒回路の液側配管の内径ｄ（ｍｍ）は、暖房能力Ｑ（ｋＷ）として、
ｄ＜−０．０１１８Ｑ２＋０．３８８Ｑ＋０．８００９４
を満たすことを特徴とする空気調和機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記目的を達成するため、本発明の空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁（例えば、膨張弁５）、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、室外熱交換器と第１の膨張弁との間に、冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、冷媒回路の液側配管（例えば、液側接続配管１０２）は、４．７５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月12日(2021.1.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、
前記室外熱交換器と前記第１の膨張弁との間に、前記冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、
前記冷媒回路の液側配管は、３．５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とするルームエアコン。
【請求項２】
請求項１において、
前記過冷却手段は、前記室外熱交換器から流出した冷媒を過冷却する過冷却熱交換器であり、第１流路と第２流路とで形成されており、
前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記第１の膨張弁に接続されていることを特徴とするルームエアコン。
【請求項３】
請求項１において、
第２サイクルの圧縮機、第２サイクルの凝縮器、第２サイクルの膨張弁、第２サイクルの蒸発器を順に介して、第２の冷凍サイクルを有しており、
前記室外熱交換器と、前記膨張弁との間に、前記第２サイクルの蒸発器を配設し、前記室外熱交換器と前記膨張弁の間を流れる冷媒を、前記第２の冷凍サイクルを流れる冷媒で冷却することを特徴とするルームエアコン。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項において、
前記第１の冷凍サイクルの冷媒に、プロピレンまたはプロパンを用いることを特徴とするルームエアコン。
【請求項５】
請求項３において、
前記第２の冷凍サイクルの冷媒に、Ｒ４５５Ａ、プロパン、Ｒ４５４Ｃを用いることを特徴とするルームエアコン。
【請求項６】
請求項２において、
前記圧縮機の吐出近傍温度、前記室内熱交換器の配管温度、前記過冷却熱交換器の第２流路の温度を検出するセンサを有することを特徴とするルームエアコン。
【請求項７】
圧縮機、室外熱交換器、及び室内熱交換器が配管によって接続され、冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、
前記室外熱交換器と前記室内熱交換器との間に、前記冷媒を過冷却にする過冷却熱交換器とを有し、
前記過冷却熱交換器は、第１流路と第２流路とで形成されており、
前記室外熱交換器と前記過冷却熱交換器との間から分岐し、第２の膨張弁を介して前記第１流路の一端に接続し、前記第１の流路の他端は前記圧縮機の吸込側に接続されており、前記第２流路の一端は前記室外熱交換器に接続され、前記第２流路の他端は前記室内熱交換器に接続されており、
前記冷媒回路の液側配管の内径ｄ（ｍｍ）は、暖房能力Ｑ（ｋＷ）(Ｑ＜１０)として、
ｄ＜−０．０１１８Ｑ２＋０．３８８Ｑ＋０．８００９４
を満たすことを特徴とするルームエアコン。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は可燃性冷媒を用いた家庭用空気調和機（ルームエアコン）の構造に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、液側接続配管の冷媒の保有量を低下させ、可燃性冷媒などの適用時の省冷媒化に貢献することができる家庭用空気調和機（ルームエアコン）を提供することを目的とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記目的を達成するため、本発明のルームエアコンは、圧縮機、室外熱交換器、第１の膨張弁（例えば、膨張弁５）、及び室内熱交換器が配管によって接続され、第１の冷凍サイクルで炭化水素系の冷媒が循環する冷媒回路と、室外熱交換器と第１の膨張弁との間に、冷媒を１０Ｋ以上の過冷却にする過冷却手段とを有し、冷媒回路の液側配管（例えば、液側接続配管１０２）は、３．５ｍｍ未満で、かつ、１．５ｍｍ以上の内径の配管によって形成されていることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【国際調査報告】
2020188756.tif 000021
2020188756.tif 000022
2020188756.tif 000023
2020188756.tif 000024