JP4969271B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機の回転数に対して、冷房時には冷媒圧縮機の吐出管温度と室外熱交換器温度との差、暖房時には冷媒圧縮機の吐出管温度と室内熱交換器温度との差が、それぞれ目標範囲となるように膨張弁の開度を制御する空気調和機に関するものである。

冷媒圧縮機と、四方切換弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とが順次冷媒配管により接続されて冷暖房運転が可能なヒートポンプサイクルが構成されるヒートポンプ式空気調和機において、冷媒圧縮機の回転数および外気温を入力し、これによって目標とする吐出管温度を変化させ、最適過熱度を確保するようにしたものが特許文献１に示されている。
また、外気温と冷媒圧縮機の回転数（Ｈｚ）とに基づいて、適正な過熱度を与える目標吐出温度となるような膨張弁の基準開度を記憶し、運転時、吐出冷媒温度が目標吐出温度となるときの開度と基準開度との偏差を把握し、この偏差に基づいて基準開度を補正して膨張弁開度を制御するようにしたものが、特許文献２に示されている。

さらに、上記のような空気調和機において、膨張弁の開度を最適化するため、冷媒圧縮機の回転数に対して、冷房時には、冷媒圧縮機の吐出管温度Ｔｄと室外熱交換器温度ＴＯＰＬとの差（Ｔｄ−ＴＯＰＬ）、暖房時には、冷媒圧縮機の吐出管温度と室内熱交換器温度との差（Ｔｄ−ＴＩＰ）が、それぞれ目標範囲となるように膨張弁の開度をゾーン制御することが実施されている。また、このような膨張弁開度を最適化する制御において、膨張弁の開度を絞りすぎて高圧が上昇し、冷媒圧縮機の圧力使用制限を外れてしまうのを防ぐため、冷媒圧縮機の回転数に対して最低開度を設定し、冷媒圧縮機の圧力使用制限を満たすようにしたものが実施されている。

特開平５−３２２３５６号公報 特開平５−２７２８１９号公報

しかしながら、冷媒圧縮機の回転数に対して最低開度を設定するだけでは、外気温や室温が高い場合に、室内温度と設定温度との差が小さく、冷媒圧縮機がオン／オフ運転を繰り返すような過渡的運転時には、十分な保護制御ができない場合がある。つまり、図４に示されるように、冷媒圧縮機の吐出管温度が、本来は実線で示されるように、或る温度まで上昇して安定状態となるところを、冷媒圧縮機がオン／オフ運転されると、破線で示されるように、圧縮機がオンにより上昇し、圧縮機がオフにより下降する過程を繰り返す。この場合、吐出管温度は低いままで、圧縮機回転数に対する吐出過熱度ＴｄＳＨ（暖房時は、吐出管温度−室内熱交換器温度）は小さく、例えば、図３に斜線で示される目標範囲に対して、その下方エリアのＳ点のような状態となる。このため、膨張弁は吐出過熱度ＴｄＳＨを上げる方向に益々開度が絞られて閉めすぎとなり、高圧が上昇して冷媒圧縮機の圧力使用制限を逸脱し、十分な保護制御ができなくなるおそれが生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、広範囲の温度条件においても、冷媒圧縮機の圧力使用制限を満たし、安定した冷暖房運転ができる空気調和機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる空気調和機は、冷媒圧縮機と、四方切換弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とが順次冷媒配管により接続されて冷暖房運転が可能なヒートポンプサイクルが構成され、前記冷媒圧縮機の回転数に対して、冷房時には前記冷媒圧縮機の吐出管温度と前記室外熱交換器温度との差、暖房時には前記冷媒圧縮機の吐出管温度と前記室内熱交換器温度との差が、それぞれ目標範囲となるように前記膨張弁の開度を目標値に制御する制御部が備えられた空気調和機において、前記制御部には、前記目標値に関わらず外気温に対して前記膨張弁の最低開度を設定する外気温最低開度設定手段が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、冷房時には吐出管温度と室外熱交換器温度との差、暖房時には吐出管温度と室内熱交換器温度との差が、それぞれ目標範囲となるように膨張弁の開度を目標値に制御する制御部に、目標値に関わらず、外気温に対して膨張弁の最低開度を設定する外気温最低開度設定手段が設けられるため、室内温度と設定温度との差が小さく、冷媒圧縮機がオン／オフを繰り返すような過渡的運転時において、冷媒圧縮機の吐出管温度が低めに検出され、膨張弁が絞られすぎとなるのを防止することができる。従って、膨張弁開度が絞られすぎることにより高圧が上昇され、冷媒圧縮機の圧力使用制限範囲を逸脱してしまう問題を解消し、広範囲の温度条件において、冷媒圧縮機の圧力使用制限を満たし、安定的に冷暖房運転を行わせることができる。

さらに、本発明の空気調和機は、上記の空気調和機において、前記外気温最低開度設定手段は、外気温が設定温度以上の領域における前記膨張弁の最低開度が、外気温が設定温度以下の領域における前記膨張弁の最低開度よりも大きく設定されることを特徴とする。

本発明によれば、外気温が設定温度以上の領域における膨張弁の最低開度が、外気温が設定温度以下の領域における膨張弁の最低開度よりも大きく設定されるため、外気温に対して膨張弁の開度をそれぞれの温度領域に適した最低開度とすることができる。これにより、冷媒圧縮機がオン／オフを繰り返すような過渡的運転時において、膨張弁が絞られすぎ、高圧が上昇して冷媒圧縮機の圧力使用制限範囲を逸脱するのを防止し、広範囲の温度条件において、安定した冷暖房運転を行わせることができる。

さらに、本発明の空気調和機は、上述のいずれかの空気調和機において、前記外気温最低開度設定手段は、前記冷媒圧縮機の回転数が設定回転数以上の領域における前記膨張弁の最低開度が、前記冷媒圧縮機の回転数が設定回転数未満の領域における前記膨張弁の最低開度よりも大きく設定されることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒圧縮機の回転数が設定回転数以上の領域における膨張弁の最低開度が、冷媒圧縮機の回転数が設定回転数未満の領域における膨張弁の最低開度よりも大きく設定されるため、冷媒圧縮機の回転数によって吐出管温度および高圧圧力が変化されても、冷媒圧縮機の回転数に対して膨張弁の開度をそれぞれの回転数領域に適した最低開度とすることができる。これにより、冷媒圧縮機がオン／オフを繰り返すような過渡運転時において、膨張弁が絞られすぎ、高圧が上昇して冷媒圧縮機の圧力使用制限を逸脱するのを防止し、広範囲の温度条件において、安定した冷暖房運転を行わせることができる。

さらに、本発明の空気調和機は、上述のいずれかの空気調和機において、前記膨張弁の最低開度は、外気温に応じて多段階もしくは連続的にリニアに設定されることを特徴とする。

本発明によれば、膨張弁の最低開度が、外気温に応じて多段階もしくは連続的にリニアに設定されるため、膨張弁の最低開度を外気温に対応してきめ細かく調整し、冷媒圧縮機の保護制御をより緻密に実行することができる。

本発明によると、冷媒圧縮機がオン／オフを繰り返すような過渡的運転時において、冷媒圧縮機の吐出管温度が低めに検出され、膨張弁が絞られすぎとなるのを防止することができるため、膨張弁開度が絞られすぎることによって高圧が高くなり、冷媒圧縮機の圧力使用制限を逸脱してしまう問題を解消し、広範囲の温度条件において、冷媒圧縮機の圧力使用制限を満たし、安定的に冷暖房運転を行わせることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。
図１には、本発明にかかる一実施形態にかかる空気調和機の冷凍サイクルを含む概略構成図が示されている。本実施形態にかかる空気調和機１は、冷媒圧縮機２と、四方切換弁３と、室外熱交換器４と、膨張弁５と、室内熱交換器６とが順次冷媒配管７により接続されて構成される冷暖房運転が可能にヒートポンプサイクル８を有する。

冷媒圧縮機２は、ヒートポンプサイクル８の低圧側から、低圧低温の冷媒ガスを吸い込み、高温高圧に圧縮してヒートポンプサイクル８の高圧側へと吐出するものであり、インバータ９を介して回転数が連続的に可変される密閉型電動圧縮機が用いられる。四方切換弁３は、冷媒圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガスを、冷房運転時には、室外熱交換器４側に循環させ、暖房運転時には、室内熱交換器６側に循環させるように切り換えられるものである。

室外熱交換器４は、冷房運転時には、冷媒圧縮機２から供給される高温高圧の冷媒ガスと外気とを熱交換させ、冷媒を凝縮液化させる凝縮器として機能し、暖房運転時には、膨張弁５を経て供給される低温低圧の二相冷媒と外気とを熱交換させ、冷媒を蒸発ガス化させる蒸発器として機能するものであり、プレートフィンアンドチューブ型熱交換器により構成され、外気を送風する図示省略の室外ファンが付設される。

膨張弁５は、室外熱交換器４または室内熱交換器６で凝縮された高圧の液冷媒を断熱膨張させて低温低圧の気液二相冷媒とするものであり、パルスモータにより駆動される電動式の膨張弁が用いられる。室内熱交換器６は、冷房運転時には、膨張弁５を経て導入される低温低圧の気液二相冷媒と空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させることにより室内空気を冷却する蒸発器として機能し、暖房運転時には、冷媒圧縮機２から供給される高温高圧の冷媒ガスと空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を凝縮させることにより室内空気を加熱する凝縮器として機能するものであり、プレートフィンアンドチューブ型熱交換器によって構成され、室内空気を循環流通させる図示省略の室内ファンが付設される。

上記の空気調和機１において、冷房運転時は、冷媒圧縮機２により圧縮され、ヒートポンプサイクル８に吐出される高温高圧の冷媒ガスが、四方切換弁３により室外熱交換器４に導入され、外気と熱交換されて凝縮液化される。この高圧液冷媒が、膨張弁５で断熱膨張されて低温低圧の気液二相冷媒とされ、室内熱交換器６に導入される。室内熱交換器６では、低温低圧の気液二相冷媒が室内空気と熱交換され、室内空気から吸熱して蒸発されることによって低温低圧の冷媒ガスとなり、冷媒圧縮機２へと吸入される。そして、室内熱交換器６で冷媒が蒸発されることにより冷却された室内空気が、室内ファンを介して室内に吹き出されることによって、冷房運転が行われる。

一方、暖房運転時は、四方切換弁３が切り換えられ、冷媒圧縮機２により圧縮され、ヒートポンプサイクル８に吐出される高温高圧の冷媒ガスが、四方切換弁３により室内熱交換器６に導かれ、室内空気と熱交換されて凝縮液化される。この際の放熱により室内空気が加熱される。室内熱交換器６で凝縮液化された高圧液冷媒は、膨張弁５を経て断熱膨張され、低温低圧の気液二相冷媒とされて室外熱交換器４に導入される。室外熱交換器４では、低温低圧の気液二相冷媒が外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化され、低温低圧の冷媒ガスとして冷媒圧縮機２へと吸入される。そして、室内熱交換器６で冷媒からの放熱により過熱された室内空気が、室内ファンを介して室内に吹き出されることにより、暖房運転が行われる。

上記空気調和機１には、冷房運転時および暖房運転時に、膨張弁５を最適開度（運転点最適化）に制御するための制御部１０が設けられる。この制御部１０には、冷媒圧縮機２の吐出管に設けられ、吐出管温度を検出する吐出管温度センサ１１と、室外熱交換器４の熱交換チューブに設けられ、室外熱交換器４の温度を検出する室外熱交換器温度センサ１２と、室内熱交換器６の熱交換チューブに設けられ、室内熱交換器６の温度を検出する室内熱交換器温度センサ１３と、外気温を検出する外気温センサ１４の検出値が各々入力されるとともに、インバータ９より冷媒圧縮機２の回転数が入力されるようになっている。

制御部１０は、図３に示されるように、インバータ９から入力される冷媒圧縮機の回転数に対して、冷房運転時は、吐出管温度センサ１１により検出される吐出管温度Ｔｄと室外熱交換器温度センサ１２により検出される室外熱交換器４の温度ＴＯＰＬとの差（Ｔｄ−ＴＯＰＬ）である吐出過熱度ＴｄＳＨが、目標のゾーン（斜線で示す範囲）に入るように、膨張弁５の開度を制御する。同様に、暖房運転時は、吐出管温度センサ１１により検出される吐出管温度Ｔｄと室内熱交換器温度センサ１３により検出される室内熱交換器６の温度ＴＩＰとの差（Ｔｄ−ＴＩＰ）である吐出過熱度ＴｄＳＨが、目標のゾーンに入るように、膨張弁５の開度を制御するものである。

上記制御部１０には、膨張弁５の開度を制御するゾーン制御時に、外気温に対して、その最低開度を設定する外気温最低開度設定手段２０が設けられる。この最低開度設定手段２０は、冷媒圧縮機２の回転数および外気温に対して、図２（Ａ）および（Ｂ）に示されるように設定される。この設定例は暖房時の場合におけるものであり、冷媒圧縮機２の回転数がＡｒｐｓ以上とＡｒｐｓ未満の場合において、外気温ＴＯがＴ１℃以下のときをＢ領域、Ｔ２℃以上のときをＣ領域とし、それぞれ圧縮機回転数がＡｒｐｓ以上のときのＢ領域の最低開度をａパルス、Ｃ領域の最低開度をｃパルスと設定し、圧縮機回転数がＡｒｐｓ未満のときのＢ領域の最低開度をｂパルス、Ｃ領域の最低開度をｄパルスと設定している。ただし、ａ＜ｃ、ｂ＜ｄである。冷房時の場合についても、同様に設定することができる。

しかして、以上に説明の本実施形態によると、以下の作用効果を奏する。
空気調和機１は、冷房運転時および暖房運転時において、膨張弁５の開度最適化（運転点最適化）のため、制御部１０により、それぞれ吐出過熱度ＴｄＳＨ（冷房運転時は、吐出管温度Ｔｄ−室外熱交換器温度ＴＯＰＬ、暖房運転時は、吐出管温度Ｔｄ−室内熱交換器温度ＴＩＰ）が、図３に示されるように、目標ゾーン（斜線範囲）に入るよう制御される。このような膨張弁５のゾーン制御において、一般に、冷房運転時に外気温が高い場合あるいは暖房運転時に室内温度が高い場合には、高圧が高くなる傾向にあるため、膨張弁５は開き気味に制御される。

また、上記のゾーン制御では、運転状況によって、吐出過熱度ＴｄＳＨが小さく、膨張弁５が絞られすぎることがあり、この場合、高圧が上昇して冷媒圧縮機２の圧力使用制限範囲を超えてしまうことがある。そこで、従来から、冷媒圧縮機２の回転数に対して膨張弁５の最低開度を設定し、冷媒圧縮機２が圧力使用制限範囲を逸脱することがないようにしている。しかし、冷媒圧縮機２がオン／オフを繰り返すような過渡的運転時には、膨張弁５の最低開度を冷媒圧縮機２の回転数に対して設定するだけでは十分な保護制御ができないことが場合が生じる。

本実施形態では、外気温に対して膨張弁５の最低開度を設定する外気温最低開度設定手段２０を設けているため、図４に示されるように、冷媒圧縮機２がオン／オフを繰り返すような過渡的運転時において、冷媒圧縮機２のオン／オフにより吐出管温度Ｔｄが破線のように十分に上昇せず、吐出過熱度ＴｄＳＨが目標ゾーンに入らず、膨張弁５の開度が絞られすぎになるような場合でも、図２のように設定されている最低開度が維持される。これにより、過渡的運転時において、冷媒圧縮機２の吐出管温度が低めに検出され、膨張弁５が絞られすぎとなるのを防止することができる。つまり、外気温が設定温度以上のＣ領域における膨張弁５の最低開度が、外気温が設定温度以下のＢ領域における膨張弁５の最低開度よりも大きく設定されているため、外気温に対して膨張弁５の最低開度をそれぞれの温度領域Ｂ，Ｃに適した最低開度とすることができる。

従って、膨張弁５の開度が絞られすぎることによって高圧が高くなり、冷媒圧縮機２の圧力使用制限を逸脱してしまう問題を解消し、広範囲の温度条件において、冷媒圧縮機２の圧力使用制限を満たし、安定した冷暖房運転を行わせることができる。
また、冷媒圧縮機２の回転数が設定回転数Ａｒｐｓ以上の領域における膨張弁５の最低開度が、冷媒圧縮機２の回転数が設定回転数Ａｒｐｓ未満の領域における膨張弁５の最低開度よりも大きく設定されているため、冷媒圧縮機２の回転数により吐出管温度および高圧圧力が変化されても、冷媒圧縮機２の回転数に対して膨張弁５の最低開度をそれぞれの回転数領域に適した最低開度とすることができる。従って、冷媒圧縮機２がオン／オフを繰り返すような過渡運転時においても、膨張弁５が絞られすぎ、高圧が上昇して冷媒圧縮機２の圧力使用制限を逸脱しまうのを防止し、広範囲の温度条件において、安定した冷暖房運転を行わせることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、外気温最低開度設定手段２０における膨張弁５の最低開度の設定の仕方が異なる。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、外気温に対して膨張弁５の最低開度を、Ｂ領域とＣ領域の２段階ではなく、３段階以上の多段階に設定するか、もしくは連続的にリニアに変化されるように設定するものである。

膨張弁５の最低開度を、上記のように設定することにより、第１実施形態と同様、空気調和機１における冷媒圧縮機２の圧力使用制限を満たし、広範囲の温度条件において、安定した冷暖房運転を行わせることができる。また、外気温に対応して膨張弁５の最低開度をきめ細かく調整することにより、冷媒圧縮機２の保護制御をより緻密に実行することができる。

なお、本発明は、上記した各実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、空気調和機１は、一体型でも、セパレート型でも、あるいは室内熱交換器５および室内ファンを備えた室内側ユニットが複数台並列に接続されるマルチ型の空気調和機であってもよい。

本発明の第１実施形態にかかる空気調和機の冷凍サイクルを含む概略構成図である。 図１に示す空気調和機における膨張弁の外気温に対して設定される最低開度の説明図である。 図１に示す空気調和機における膨張弁のゾーン制御内容の説明図である。 図１に示す空気調和機における過渡的運転時の運転状態の説明図である。

符号の説明

１ 空気調和機
２ 冷媒圧縮機
３ 四方切換弁
４ 室外熱交換器
５ 膨張弁
６ 室内熱交換器
７ 冷媒配管
８ ヒートポンプサイクル
９ インバータ
１０ 制御部
１１ 吐出管温度センサ
１２ 室外熱交換器温度センサ
１３ 室内熱交換器温度センサ
１４ 外気温センサ
２０ 外気温最低開度設定手段

Claims (4)

1. 冷媒圧縮機と、四方切換弁と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器とが順次冷媒配管により接続されて冷暖房運転が可能なヒートポンプサイクルが構成され、
   前記冷媒圧縮機の回転数に対して、冷房時には前記冷媒圧縮機の吐出管温度と前記室外熱交換器温度との差、暖房時には前記冷媒圧縮機の吐出管温度と前記室内熱交換器温度との差が、それぞれ目標範囲となるように前記膨張弁の開度を目標値に制御する制御部が備えられた空気調和機において、
   前記制御部には、前記目標値に関わらず、外気温に対して前記膨張弁の最低開度を設定する外気温最低開度設定手段が設けられることを特徴とする空気調和機。
2. 前記外気温最低開度設定手段は、外気温が設定温度以上の領域における前記膨張弁の最低開度が、外気温が設定温度以下の領域における前記膨張弁の最低開度よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記外気温最低開度設定手段は、前記冷媒圧縮機の回転数が設定回転数以上の領域における前記膨張弁の最低開度が、前記冷媒圧縮機の回転数が設定回転数未満の領域における前記膨張弁の最低開度よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。
4. 前記膨張弁の最低開度は、外気温に応じて多段階もしくは連続的にリニアに設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の空気調和機。

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