JP2005291558A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低外気温時の暖房運転において、冷媒の未蒸発による液バックや低圧側が低圧制限よりも低くなる低圧割れを防止することができる空気調和装置を提供すること。
【解決手段】 室外機ユニット１０と、室外機ユニット１０に接続された室内機ユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを具備してなる空気調和装置において、室外機ユニット１０に設けられた室外熱交換器１３の液(二相)冷媒入口温度を測定し、この測定値に基づいて圧縮機１１の上限回転数を制御する暖房低温保護制御モードを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調運転（冷房運転、暖房運転及び除湿運転）により空調空気を噴出する１または複数の室内機ユニットを備えている空気調和装置に関する。

室内の冷暖房や除湿（以下、総称して「空調」と呼ぶ）を行う空気調和装置は、室内機ユニットと室外機ユニットとの間を冷媒配管及び電気配線で接続した構成とされる。このような空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換器、絞り機構、室内熱交換器及び四方弁を主な構成要素として冷媒の循環回路を形成するヒートポンプを用いており、圧縮機から送出される冷媒の循環方向を四方弁の操作によって切り換えることで、所望の空調運転を行っている。
また、上述した空気調和装置には、一式の室外機ユニットに対し、室内機ユニットが一台接続された構成のシングル型と、それぞれ独自の運転制御を可能にした室内機ユニットが複数台接続された構成のマルチ型とがある。

上述した空気調和装置においては、寒冷地のように外気温度がかなり低い条件下で暖房運転を行うような場合、室外熱交換器を通過する外気が低温のため蒸発温度が低くなり、低温低圧の二相冷媒が外気から十分に吸熱して気化することができなくなるため、圧縮機への液バックが発生することがある。
また、このような運転状況下では、空調対象の室内温度も低いため空調（暖房）負荷が大きくなり、従って、冷媒循環量を増すよう圧縮機に対して高回転数の運転を要求することとなる。しかし、室外熱交換器の蒸発温度が低いにもかかわらず高回転の運転を行うと圧縮機の吸入側圧力（低圧）は低下し、場合によっては圧縮機の低圧制限を満たせないほど低くなることがある。

また、関連する従来技術として、低外気温時における暖房運転時の過熱度制御を圧縮機の吸込圧力を低下しすぎないようにして室内機ユニットの暖房能力を低下させることなく行い、かつ圧縮機の信頼性も同時に確保することのできる空気調和装置の電動膨張弁装置が提案されている。この従来技術では、外気温度センサの検出値を用い、外気温度が低い場合の暖房運転時には、吸込温度センサと飽和温度センサの温度差による過熱度制御を行わず、吐出温度センサによる吐出温度と飽和温度センサによる飽和温度を制御する制御装置を設けた構成とされる。（たとえば、特許文献１参照）
特開平６−２８８６５４号公報

上述したように、空気調和装置が低外気温時に暖房運転を行う場合、冷媒の未蒸発による圧縮機への液バックや圧縮機の吸入側圧力（低圧）が仕様等により予め定められている条件（低圧制限）を満たせないような低圧（いわゆる「低圧割れ」）になることがある。このような場合、潤滑油の油面切れによる摺動部の焼き付きなど圧縮機に悪影響を及ぼす原因となるため、圧縮機保護の観点から防止対策が望まれている。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低外気温時の暖房運転において、冷媒の未蒸発による圧縮機への液バックや低圧側が低圧制限よりも低くなる低圧割れを防止することができる空気調和装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る空気調和機は、室外機ユニットと、該室外機ユニットに接続された１または複数の室内機ユニットを具備してなる空気調和装置において、前記室外機ユニットに設けられた室外熱交換器の液(二相)冷媒入口温度を測定し、この測定値に基づいて圧縮機の上限回転数を制御する暖房低温保護制御モードを備えていることを特徴とするものである。

このような空気調和装置においては、室外機ユニットに設けられた室外熱交換器の液(二相)冷媒入口温度を測定し、この測定値に基づいて圧縮機の上限回転数を制御する暖房低温保護制御モードを備えているので、この暖房低温保護制御モードを実施することにより、液(二相)冷媒入口温度から室外熱交換器の蒸発温度を予測し圧縮機の上限回転数を制限して運転することが可能になる。従って、二相冷媒の気化が不十分であったり、蒸発温度が低いにもかかわらず圧縮機を高回転で運転することもなくなるため、圧縮機への液バックや吸入側圧力が低圧制限以下になる低圧割れを防止することができる。

上述した本発明の空気調和機は、室外熱交換器の液(二相)冷媒入口温度を測定して圧縮機の上限回転数を制御するという暖房低温保護制御モードを備えているので、室外熱交換器で蒸発可能な冷媒量に応じた上限回転数に制限して圧縮機を運転することにより、冷媒の未蒸発による液バックや圧縮機の低圧割れを防止することができる。このため、潤滑油の油面切れによる摺動部の焼き付きなど圧縮機に悪影響を及ぼす原因が抑制されるので、圧縮機を保護して耐久性や信頼性を向上させるという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るマルチ型空気調和装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、マルチ型空気調和装置の全体構成例を示す説明図である。このマルチ型空気調和装置は、室外機ユニット１０と、同室外機ユニット１０に接続された複数台の室内機ユニット２０（図示の例では、室内機ユニット２０Ａ，２０Ｂ、２０Ｃの３台）とを具備して構成される。これら室内機ユニット１０及び室外機ユニット２０は、冷媒を流す冷媒配管２１や図示しない電気配線等により接続されている。

室外機ユニット１０は、冷媒を圧縮して送出する圧縮機１１と、冷媒の循環方向を切り換える四方弁１２と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器１３と、絞り機構として機能する電子膨張弁１４とを主な構成要素とし、さらに、消音の目的で圧縮機１１の吐出側配管に配設されたマフラ１５と、冷媒の気液分離等を目的として圧縮機１１の吸入側配管に配設されたアキュムレータ１６とを具備して構成される。さらに、室外熱交換器１３の液冷媒入口側には、暖房運転時に室外熱交換器１３に導入される入口側の液冷媒温度を検出する熱交液管センサ１７が設けられ、この検出値は図示省略の室外機制御部に入力される。この他にも、この室内機ユニット１０には、たとえば図示省略の室外ファン、レシーバ、サービスバルブ及びストレーナ等の機器類や温度センサ等のセンサ類が設けられている。

室内機ユニット２０は、ケーシング内に図示しない室内熱交換器や室内ファン等の機器を収納した構成とされる。この室内機ユニット１０は、室内ファンで吸引した室内の空気を室内熱交換器に導いて通過させ、上述した室外機ユニット１０から供給される冷媒との間で熱交換した空調空気を室内に吹き出すように構成されている。
３台の室内機ユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、それぞれ室外機ユニット１０内のヘッダー２２，ディストリビュータ２３で分岐した冷媒配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに接続されている。また、室外機ユニット１０内の各冷媒配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃには、それぞれ独立して動作する電子膨張弁１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが、室外熱交換器１３と室内ユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃとの間に配設されている。
なお、上述したマルチ型空気調和装置の室内機ユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃには、各種の運転制御を行う図示省略の室内気制御部が設けられている。

以下では、上述した構成のマルチ型空気調和装置の作用について、暖房運転時及び冷房運転時のそれぞれの場合に分けて説明する。
最初に、暖房運転時の作用について、図中に破線矢印で示した冷媒の流れとともに説明する。圧縮機１１の圧縮で高温高圧の気体とされた冷媒は、マフラ１５及び四方弁１２を通りヘッダー２２に導かれる。このとき、冷媒の流れ方向（冷暖房の運転切り換え）は、四方弁１２の設定位置に応じて選択切換えされる。

このヘッダー２２では、冷媒が３つの冷媒配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに分岐され、各流路に設けられた室内機ユニット２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの室内熱交換器に送られる。なお、室内機ユニット２０が運転停止の場合、各冷媒配管２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに設けられている電子膨張弁１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが全閉または微開とされる。
運転中の室内機ユニット２０内では、室内ファンにより吸込グリルから取り込まれた室内気に対して、室内熱交換器を通過する高温高圧の気体冷媒から熱が与えられる。これにより、室内機ユニット２０の吹出口から温風が吹き出されることになる。
このような熱交換により、高温高圧の気体冷媒は、室内熱交換器において凝縮液化し、高温高圧の液冷媒となる。

高温高圧の液冷媒は、冷媒配管２１を通って室外機ユニット１０の室外熱交換器１３に送られるが、その途中で電子膨張弁１４を通過する際に絞られて減圧される。こうして低温低圧の二相冷媒が室外熱交換器１３に送られ、この二相冷媒は、室外熱交換器１３を通過する際に外気から熱を奪うことになる。低温低圧の二相冷媒は、このことにより蒸発気化して低温低圧の気体冷媒となる。この気体冷媒がアキュムレータ１６を経由して再び圧縮機１１に送出され、以下上述した過程を繰り返すことになる。

次に、冷房運転時においては、四方弁１２の設定位置を変えることにより、冷媒は上述した暖房運転時とは逆方向に冷媒回路中を流れる。すなわち、圧縮機１１で高温高圧の気体とされた冷媒が、図中に実線矢印で示すように、四方弁１２から室外熱交換器１３に送られ、室外気に熱を与えて凝縮液化し高温高圧の液冷媒となる。この高温高圧の液冷媒は、電子膨張弁１４を通過して低温低圧の二相冷媒となり、冷媒配管２１を通り室内機ユニット２０の室内熱交換器に送られる。低温低圧の二相冷媒は、ここで室内気から熱を奪って当該室内気を冷却するとともに、冷媒自身は蒸発気化して低温低圧の気体冷媒となる。

この気体冷媒は、アキュムレータ１６を経由して再び圧縮機１１に送出され、以下同様の過程を繰り返すことになる。なお、この冷房運転時においても、運転停止中の室内機ユニット２０に接続された電子膨張弁１４は全閉とされる。
このような空調運転は、室外機ユニット１０及び各室内機ユニット２０内に収められた制御部が協調することによって制御される。

以下、本発明による暖房低温保護制御モードの具体例を説明する。なお、以下の説明で使用される温度や回転数については、説明を容易にする目的で示した具体例であり、空気調和装置の諸条件に応じて適宜変更される数値であるから、これに限定されるものではない。
さて、最初に図２に基づいて２室マルチの制御例を説明する。この２室マルチは、それぞれが独自の運転制御を実施できる２台の室内機ユニット２０が、１台の室外機ユニット１０と接続された構成のものである。

この場合、圧縮機１１の使用範囲を使用制限内にする暖房低温保護制御モードの開始条件は、暖房運転で圧縮機１１が運転されているとき（すなわち、圧縮機の回転数≠０ｒｐｓ）であり、かつ、熱交液管センサ１７で検出した二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が所定時間（たとえば５分間）以上、図２に示す制御チャートのＯＮレベルを計測した場合である。
ここで、図２の制御チャートについて簡単に説明する。このチャートは、横軸を二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）とし、縦軸に暖房低温保護制御モードのＯＮ・ＯＦＦを示したものである。なお、この場合のＯＮは暖房低温保護制御モードの実行を意味し、また、図中の黒丸は横軸の二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）を含み、白丸は二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）を含まない。

図示の制御例では、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が−１０℃以下の低温を所定時間継続して計測された場合、ＯＦＦからＯＮに切り換えられて暖房低温保護制御モードを開始する。この制御モードが開始されると、第１段階として、圧縮機１１の上限回転数が引き下げられ、たとえばＲ１の上限回転数で所定時間（たとえば２分間）運転される。この間、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が制御モードの解除条件、すなわちＯＦＦ条件の温度（図２の場合は−４℃以上）となっても、そのままこの制御モードを継続する。

上述した第１段階の運転完了後、圧縮機１１の上限回転数をＲ２に引き上げて所定時間（たとえば１０分間）運転する第２段階に入る。ここで、上限回転数Ｒ１及びＲ２については、Ｒ１＜Ｒ２の関係となる。この第２段階では、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が制御モードの解除条件が満たされると、すなわち二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が−４℃以上になると、この制御モードはＯＦＦとなって終了される。
また、この第２段階の運転が終了してもＯＦＦ条件が満たされない場合は、再度第１段階の運転に戻り、以後第２段階の運転でＯＦＦ条件が満たされるまで、第１段階及び第２段階の運転制御が交互に繰り返される間欠運転となる。

このように、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が所定値以下の低温を検出した場合に上限回転数を引き下げる暖房低温保護制御モードの実施により、暖房負荷の要求が高く高回転数での運転を求められる圧縮機１１は、この制御による上限回転数の引き下げを優先することにより、室外熱交換器１３の蒸発温度が低くても液バックや低圧割れになることなく、圧縮機の使用制限以内の運転を継続することができる。
また、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）にヒステリシスを設けて第１段階及び第２段階の運転を行うようにしたのは、暖房負荷が大きく圧縮機１１をできるだけ高回転数で運転して冷媒循環量を確保したい状況との両立を図ることにより、空調フィーリングの低下を最小限に抑えたものである。従って、第１段階の運転時間と比較して、第２段階の運転時間を可能な限り長く確保することが好ましい。

次に、図３に基づいて３室マルチ及び４室マルチの場合について説明する。なお、３室マルチと４室マルチとでは、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）の設定が異なるだけであるから、ここでは３室マルチについて説明する。
この制御例において、圧縮機１１の使用範囲を使用制限内にする暖房低温保護制御モードの開始条件は、暖房運転で圧縮機１１が運転されているとき（すなわち、圧縮機の回転数≠０ｒｐｓ）であり、かつ、熱交液管センサ１７が、図３に示す制御チャートでＯＮレベルとなる二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）を計測した場合である。

熱交液管センサ１７で二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が−２０℃以下の低温を計測した場合、ＯＮ領域と判定し暖房低温保護制御モードの第１段階を開始する。この第１段階では、圧縮機１１の上限回転数を最も低速の２０ｒｐｓに制限して運転する。
この第１段階を継続することにより、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が上昇して−１６℃より高くなると、第２段階の上限制御を実施する。この第２段階では、第１段階より上限回転数が高い４０ｒｐｓに設定される。また、第２段階の継続中に二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が上昇して−１２℃より高い温度を計測すると、第３段階として上限回転数をさらに高い７０ｒｐｓに設定して運転する。
また、第３段階の運転継続中において、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）がさらに上昇して−４℃より高くなると、暖房低温保護制御モードの解除条件を満たすためＯＦＦとなる。このように暖房低温保護制御モードをＯＦＦとする解除条件は、空気調和装置の運転停止等により圧縮機１１が停止され、回転数が０ｒｐｓとなる場合も同様である。

一方、暖房低温保護制御モードがＯＦＦの状態で二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が−１２℃以下の低温を検出した場合には、上限回転数を第３段階の７０ｒｐｓに設定した暖房低温保護制御モードを実施し、さらに、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が−１６℃以下の低温を検出した場合には、上限回転数を第２段階の４０ｒｐｓまで下げて暖房低温保護制御モードを実施する。そして、さらに低い二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）である−２０℃以下の低温を検出した場合には、上限回転数を第１段階の２０ｒｐｓまで下げて暖房低温保護制御モードを実施する。

このように、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）の検出値に対応するマップ制御のフィードバック制御を実施することにより、低圧割れを防止した圧縮機保護と、暖房負荷が大きく圧縮機１１をできるだけ高回転数で運転して冷媒循環量を確保したい状況への対応との両立を図ることができる。すなわち、二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）が低く低圧割れを生じやすい場合ほど上限回転数を低く設定し、暖房負荷の大きい状況で圧縮機１１の回転数をできるだけ高く維持して良好な空調フィーリングを確保することができる。

以上説明したように、本発明の空気調和装置においては、暖房運転時に室外熱交換器１３の入口冷媒温度を計測して、この計測温度である二相冷媒温度（ＴＯＰＬ）に基づいて圧縮機１１の上限回転数を決定して制限するので、外気温度が低く室外熱交換器１３の蒸発温度低くても液バックや圧縮機の使用制限を超えた低圧割れを生じるようなことはない。従って、液バックや低圧割れを原因として圧縮機１１に悪影響が及ぶのを防止し、圧縮機１１の耐久性や信頼性を向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば上述した２室〜４室マルチ以外にも、シングル型や５室マルチ以上のマルチ型にも適用可能になるなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る空気調和装置の一実施形態を示す構成図である。 本発明の暖房低温保護制御モードを２室マルチに適用する場合の制御チャート例を示す図である。 本発明の暖房低温保護制御モードを３室・４室マルチに適用する場合のャート例を示す図である。

符号の説明

１０ 室外機ユニット
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器
１４ 電子膨張弁
１７ 熱交液管センサ
２０ 室内機ユニット
２１ 冷媒配管

Claims (1)

1. 室外機ユニットと、該室外機ユニットに接続された１または複数の室内機ユニットを具備してなる空気調和装置において、
   前記室外機ユニットに設けられた室外熱交換器の液冷媒入口温度を測定し、この測定値に基づいて圧縮機の上限回転数を制御する暖房低温保護制御モードを備えていることを特徴とする空気調和装置。

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