JP2007078348A

JP2007078348A - 空気調和機

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Publication number: JP2007078348A
Application number: JP2006342422A
Authority: JP
Inventors: Sunao Saito; 直斉藤; Yoshihiro Tanabe; 義浩田辺; Yasuo Imashiro; 康雄今城; Isao Funayama; 功舟山; Katsuyuki Aoki; 克之青木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JP4017014B2

Abstract

【課題】空気調和機では、もし減圧装置が故障した場合、故障した時点での減圧弁の位置によっては、圧縮機が液冷媒を吸入する液バックという現象を起こし、圧縮機の信頼性という面で問題があった。また、サービス時に運転状況のみでは、電子制御式膨張弁の故障は把握しきれないという問題点があった。
【解決手段】この発明の空気調和機は、圧縮機、室内側熱交換器、電子制御式膨張弁、室外側熱交換器で冷凍サイクルを構成し、圧縮機がインバータ駆動する空気調和機において、サービス時の電子制御式膨張弁の故障診断モードとして、電子制御式膨張弁の開方向通電を行う構成とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータ駆動する圧縮機を備えた空気調和機に係り、冷媒量を電子制御式膨張弁により制御するようにした空気調和機に関する。

室内側熱交換器の入口出口温度差の時間的変化のうち傾きの反転を検出することにより、減圧弁４を制御する技術が開示されている。（例えば特許文献１参照）

また、運転周波数に応じた膨張弁４開度を設定し、室内側熱交換器５中間と出口温度検知センサーで検知された温度差に応じた弁開度指令信号を出力し、膨張弁の弁開度を調整する技術が開示されている。（例えば特許文献２参照）
特開昭６０−１１０７５号公特開昭５８−２０５０５７号公報

従来の冷媒流量制御を減圧装置で行っている空気調和機では、サービス時に運転状況のみでは、電子制御式膨張弁の故障は把握しきれないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、サービス時の電子制御式膨張弁の正確な故障診断を目的としている。

この発明の空気調和機は、圧縮機、室内側熱交換器、電子制御式膨張弁、室外側熱交換器で冷凍サイクルを構成し、圧縮機がインバータ駆動する空気調和機において、サービス時の電子制御式膨張弁の故障診断モードとして、電子制御式膨張弁の開方向通電を行うものである。

この発明の空気調和機は、圧縮機、室内側熱交換器、電子制御式膨張弁、室外側熱交換器で冷凍サイクルを構成し、圧縮機がインバータ駆動する空気調和機において、サービス時の電子制御式膨張弁の故障診断モードとして、電子制御式膨張弁の開方向通電を行うので、確実な故障診断ができる効果を有する。

実施の形態１．
以下、図１はこの発明の実施の形態１の冷凍サイクルの構成図を示すものである。１は圧縮機、２は電動機、３は室外側熱交換器、４は電子制御式膨張弁、５は室内側熱交換器である。６は周波数可変装置、７は制御装置、８は圧縮機１の吐出温度を検知するサーミスタ、９は室内側熱交換器５の入口温度を検知するサーミスタ、１０は室内側熱交換器５の中間温度を検知するサーミスタである。また、制御装置７は上記吐出温度検知サーミスタ８、入口温度検知サーミスタ９及び中間温度検知サーミスタ１０からの入力信号により記憶機能、演算機能およびこれらの機能を制御する制御部７１と、この制御部７１の出力信号（弁開度指令信号）に基づき電子制御式膨張弁４を作動させる弁駆動部７２とから構成される。

次に、この発明の実施の形態１の空気調和機の動作について詳細に説明する。周波数可変装置により圧縮機１の回転数を周波数制御して変化させれば、図２に示すように空気調和機の冷暖房能力を略比例的に変えることができる。そこで、図３、図４に示すように周波数可変装置６の出力周波数を例えば１００段階に変化させる場合、この１００段階のうち例えば１０段階ごとに区切り１０の周波数帯を設けた場合、その周波数帯で圧縮機１を回転させてそのときの最適膨張弁開度（ＰＵＬｎ）、最適吐出温度（ＴＤｎ）を実験等で求めておき、この各周波数帯に対する最適膨張弁開度（ＰＵＬｎ）、最適吐出温度（ＴＤｎ）を制御部７１に予め記憶させておく。周波数可変装置６の出力周波数が変化すれば、この変化後の周波数に対応した前記最適弁開度（ＰＵＬｎ）を前記制御部７１で選択し、この選択値に応じた弁開度指令信号を制御部７１から出力して弁駆動部７２を介して電子制御式膨張弁４の開度を目標値と一致するように制御する。次いで、所定時間（例えば、数分間）経過してサイクルが安定した後、制御部７１ではサーミスタ８からの検出信号に基づき吐出温度と現周波数帯での設定吐出温度（ＴＤｎ）との偏差量を算出してその偏差量に応じた弁開度指令信号を出力する。この出力信号に基づき電子制御式膨張弁が調整され、負荷変動に応じた冷媒流量に制御される。以上のようにして冷媒流量が制御される。

上記のような冷媒流量の制御のみでは（上記従来技術も同様）、大きな負荷変動時もしくは冷媒不足時等では最適な吐出温度（上記従来技術ではスーパーヒート量）が変化し、冷房運転時の室内側熱交換器において過熱蒸気領域が冷媒の流れる方向に対して出口から入口方向に向けて進行するか、もしくは略中間位置に部分的に現れる。そのため、その過熱蒸気領域の室内側熱交換器の部分を湿った空気が入り込み吹き出し口からの露垂れや、露飛びという現象を引き起こす。

そこで、この発明の実施の形態１では上記の冷媒流量制御に加えて、その現象を検知するために冷房運転時の室内側熱交換器の入口にサーミスタ９、略中間にサーミスタ１０を設置し（例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すような２列の熱交換器の場合は過熱蒸気領域が基本的には出口方向から入口方向へと進み２列目から１列目へと回り込んでいく訳であるがその過熱蒸気領域を２列目までで進行を止め１列目まで進行させなければ１列目で湿った空気は除湿されエアコン内部に湿った空気が入り込むことはなくなり露飛び・露垂れが起こり得ない。センサーの位置として出口でなく略中間位置であるのは、１列目と２列目の熱交換や風速分布のアンバランス等によって過熱度が最も大きいポイントが出口とは限らないためであり、過熱度が最も大きくしかも最低限１列目に過熱蒸気領域を回り込ませない位置である必要があるので例えば図５（ａ）（ｂ）に示すような位置である。図５に示すパスパターン以外の場合も同様の考えである。）、上記のような現象が起こりやすい条件にて実験等を行いサーミスタ９とサーミスタ１０の温度差（ＴＨ１０-ＴＨ９＝ΔＴＨ１０−９）が何度以上で（ΔＴＨｋ１０−９）、また何分続いた場合（Ｔｋ）に上記現象が起こるのかを求め、また目標吐出温度を何度まで下げれば（つまり膨張弁は開方向で流量を増やす方向であり過熱領域が減少する方向である）上記現象が解消されるかを図４に示すように上記周波数帯（ＴＤｋ）ごとに求め、それぞれの値を制御部７１に記憶させておく。そして上記の冷媒流量制御時に常時その温度差ΔＴＨ１０−９を検知し、その値が制御部７１に記憶させた値（ΔＴＨｋ１０−９）以上で、上記制御部に記憶させた時間（Ｔｋ）続いたならば、目標吐出温度をＴＤｎからＴＤｋへ変更し、制御部７１では現温度差（ΔＴＨ１０−９）と設定温度差（ΔＴＨｋ１０−９）との偏差量(ΔＴＨ１０−９ーΔＴＨｋ１０−９）とサーミスタ８から検出した現吐出温度（ＴＤ）と変更後の設定吐出温度（ＴＤｋ）との偏差量（ＴＤ−ＴＤｋ）をそれぞれ算出してそれに応じた弁開度信号を出力し、この信号に基づき電子制御式膨張弁４が開方向へと調整され、上記現象が起こるのを回避する。

図６は前記制御部７１のプログラムを示すフローチャートである。即ち、周波数可変装置６の出力周波数信号が制御部７１のブロック７１１に入力され、ブロック７１２に進む。ブロック７１２では吐出温度検知サーミスタ８、入口温度検知サーミスタ９、中間温度検知サーミスタ１０の温度検出信号が入力され、ブロック７１３に進む。ブロック７１３では前記周波数に対応する最適弁解度値（ＰＵＬｎ）を選択し、ブロック７１４へ進む。ブロック７１４では前記周波数に対応する設定吐出温度がＴＤｎかＴＤｋどちらかを選択し、ブロック７１５へむ。ブロック７１５では膨張弁４の制御開度を設定し（上記最適弁開度（ＰＵＬｎ）＋下記補正弁解度（ΔＰＵＬ))それに応じた弁開度指令信号を出力する。その出力信号に基づき電子制御式膨張弁４の弁開度が調整される。ブロック７１６ではサイクル安定化時間（Ｔｂ）のカウントを行い前記時間Ｔｂ経過前と判断すればブロック７１１に戻り、前記時間Ｔｂが経過したと判断すればブロック７１７に進む。ブロック７１７ではサーミスタ８から検出した現吐出温度（ＴＤ）と設定吐出温度（ＴＤｎもしくはＴＤｋ）との偏差量（ＴＤ−ＴＤｎもしくはＴＤ−ＴＤｋ）、サーミスタ９、１０から検出した上記現温度差（ΔＴＨ１０−９）と上記設定温度差（ΔＴＨｋ１０−９）との偏差量(ΔＴＨ１０−９−ΔＴＨｋ１０−９）を算出し、設定吐出温度がＴＤｎのときは偏差量（ＴＤ−ＴＤｎ）より、設定吐出温度がＴＤｋのときは偏差量（ＴＤ−ＴＤｋ）と偏差量(ΔＴＨ１０−９−ΔＴＨｋ１０−９）よりそれに応じた補正弁開度（ΔＰＵＬ）を求め、ブロック７１１へ戻る。

図７は前記ブロック７１４の詳細である。上記現温度差（ΔＴＨ１０−９）が上記設定温度差（ΔＴＨｋ１０−９）以上でかつ上記時間（Ｔｋ）続いたなら、設定吐出温度はＴＤｋを選択し、それ以外の場合はＴＤｎを選択する。

上記この発明の実施の形態１では、通常時の冷媒流量制御を吐出温度で行っている場合において説明したが、従来同様に室内側熱交換器の入口と出口又は略中間と出口との温度差でスーパーヒート量を検知することにより通常時の冷媒流量制御を行う場合においても、さらにもう一つセンサーを追加し（入口と出口にセンサーを設けている場合略は中間に、略中間と出口にセンサーを設けている場合は入口に）上記実施例同様に入口と略中間のセンサーの温度差から露飛び・露垂れの危険性を察知し、危険性があると判断した場合に電子制御式膨張弁の開度を開き冷媒流量を増やし過熱蒸気領域を減らすことにより、露飛び・露垂れを防ぐという方法でもかまわない。

上記のようにして、この発明では、室内側熱交換器の入口と略中間に温度感知センサーを取り付けその温度差を検知することにより、湿った空気が室内機ケーシング内に吸入され風路壁、送風機、及び風向偏向板等に着露が起こりうる蒸発器の過熱蒸気領域を直接検知することができるので、露飛び・露垂れを確実に防ぐことができる。

次に、この発明の他の実施の形態による空気調和機の構成図を図８に示す。１は圧縮機、２は電動機、３は室外側熱交換器、４は電子制御式膨張弁、５は室内側熱交換器である。６は周波数可変装置、７は制御装置、８はサーミスタである。また、制御装置は、記憶機能、演算機能およびこれらの機能を制御する制御部７１と制御部７１の出力信号（弁開度指令信号）に基づき電子制御式膨張弁４を作動する弁駆動部７２とから構成される。

次に、この発明の他の実施の形態における空気調和機の動作について詳細に説明する。図２に示すように、周波数可変装置により圧縮機１の回転数を周波数制御して変化させれば、空気調和機の冷暖房能力を略比例的に変えることができる。そこで、図３、図４に示すように周波数可変装置６の出力周波数を例えば１００段階に変化させる場合、この１００段階のうち例えば１０段階ごとに区切り１０の周波数帯を設けた場合、その周波数帯で圧縮機１を回転させてそのときの最適膨張弁開度（ＰＵＬｎ）、最適吐出温度（ＴＤｎ）を実験等で求めておき）、この各周波数帯に対する最適膨張弁開度（ＰＵＬｎ）、最適吐出温度（ＴＤｎ）を制御部７１に予め記憶させておく。周波数可変装置６の出力周波数が変化すれば、この変化後の周波数に対応した前記最適弁開度（ＰＵＬｎ）を前記制御部７１で選択し、この選択値に応じた弁開度指令信号を制御部７１から出力して弁駆動部７２を介して電子制御式膨張弁４の開度を目標値と一致するように制御する。次いで、所定時間（例えば、数分間）経過してサイクルが安定した後、制御部７１では温度検出器８からの検出信号に基づき吐出温度と現周波数帯での設定吐出温度（ＴＤｎ）との偏差量を算出してその偏差量に応じた弁開度指令信号を出力する。この出力信号に基づき電子制御式膨張弁が調整され、負荷変動に応じた冷媒流量に制御される。以上のようにして冷媒流量が制御される。

以上の冷媒量制御に加えて、この発明の実施の形態２では、電子制御式膨張弁の故障が起きた場合（例えば、メカ部故障、駆動部故障、配線不良等）、弁の止まった位置によっては、圧縮機液バック運転によって圧縮機が故障する恐れがあるため、それを防ぐためにその危険性があると判断した場合圧縮機の最大周波数を変更するという制御が加えられている。

以下、図に基づき詳細に述べる。膨張弁４が故障した場合、上記の冷媒流量制御において、制御部７１から駆動部７２へ膨張弁を閉方向の信号が出力されても吐出温度（ＴＨ８）は上昇してこない。そのため、故障したときの膨張弁の弁の位置によっては目標吐出温度まで上がらずに制御部７１は閉方向への信号を出力し続けることになる。
そこで、圧縮機が液バック運転を何Ｈｚ以上（ＨＺ１）で何分間（Ｔ１）運転した場合圧縮機の故障の危険性が生じるか、何Ｈｚ以下（ＨＺｇ）で運転すれば確実にその危険性が無くなるかを信頼性の実験等で求め、予め制御部７１に記憶させておく。また、液バック運転であると判断する吐出温度（ＴＤｌ）、何パルス以下で故障であると判断するかその開度（ＰＵＬ１）も予め制御部７１に記憶させておく。つまり、冷暖房運転中にＴＨ８がＴｌ以下で、かつ制御部７１の開度指令信号がＰＵＬ１以下で、かつ運転周波数がＨＺ１以上である状態がＴ１分以上続いた場合に、制御部７１で運転周波数の最大をＨＺｇに変更し、圧縮機が故障するという危険性を回避する。

図９は前記制御部７１のプログラムを示すフローチャートである。即ち、制御部７１のブロック７１０では上記最大周波数の規制をするか否かを判断する。規制を行うと判断した場合は、その最大周波数規制信号を周波数可変装置６に出力しその結果圧縮機１の回転数が制御される。ブロック７１１では、周波数可変装置６の出力周波数信号が入力され、ブロック７１２に進む。ブロック７１２ではサーミスタ８の温度検出信号が入力され、ブロック７１３に進む。ブロック７１３では前記周波数に対応する最適弁解度値（ＰＵＬｎ）を選択し、ブロック７１４へ進む。ブロック７１４では前記周波数に対応する設定吐出温度（ＴＤｎ）を選択し、ブロック７１５へ進む。ブロック７１５では膨張弁４の制御開度を設定し（上記最適弁開度（ＰＵＬｎ)＋下記補正弁解度（ΔＰＵＬ))それに応じた弁開度指令信号を出力する。その出力信号に基づき電子制御式膨張弁４の弁開度が調整される。ブロック７１６ではサイクル安定化時間（Ｔｂ）のカウントを行い前記時間Ｔｂ経過前と判断すればブロック７１０に戻り、前記時間Ｔｂが経過したと判断すればブロック７１７に進む。ブロック７１７ではサーミスタ８から検出した現吐出温度（ＴＤ）と設定吐出温度（ＴＤｎ）との偏差量（ＴＤ−ＴＤｎ）を算出し、それに応じた補正弁開度（ΔＰＵＬ）を求め、ブロック７１０へ戻る。

図１０はブロック７１０の詳細図である。即ち、サーミスタ８の温度（ＴＨ８）が上記ＴＤ１以下かつ弁開度指令信号が上記ＰＵＬ１以下かつ運転周波数がＨＺ１以上である状態がＴ１以上続いた場合最大周波数をＨＺｇに規制する。それ以外の場合は規制は行わない。

上記のようにして、この発明の他の実施の形態では、電子制御式膨張弁の故障が起きた場合、弁の止まった位置によっては、圧縮機液バック運転によって圧縮機が故障する恐れがあるため、圧縮機の周波数及び弁の開度及び圧縮機の吐出温度から圧縮機の運転状態を推定し、圧縮機の最大周波数を規制することにより、圧縮機の信頼性を高めることの成功している。

なお、この様な状態は必ずしも膨張弁の故障とは限らず、例えば、外気温が非常に低い場合も起こり得る。そのために、圧縮機の停止はせずに、圧縮機のベーン飛び、圧縮機からの油の持ち出し量、圧縮機の軸負荷等が圧縮機にとって有利な低速回転で運転することにより対処している。

また、この発明の他の実施の形態による空気調和機の構成図を図１１に示す。１は圧縮機、２は電動機、３は室外側熱交換器、４は電子制御式膨張弁、５は室内側熱交換器である。６は周波数可変装置、７は制御装置である。また、制御装置７は、記憶機能、演算機能およびこれらの機能を制御する制御部７１と制御部７１の出力信号（弁開度指令信号）に基づき電子制御式膨張弁４を作動する弁駆動部７２とから構成される。

上記のようなこの発明の他の実施の形態の冷媒回路構成を用いた空気調和機では、冷媒流量制御を上記圧縮機２と上記電子制御式膨張弁４で行っているため、電子制御式膨張弁が故障した場合には冷媒流量の制御が不可能になる。しかし、サービス時にその電子制御式膨張弁の故障は運転状況のみでは正確な故障診断ができないため、実際に膨張弁が駆動していることを確認する必要がある。そこで、電子制御式膨張弁が、開方向に通電され駆動した場合全開時に、カチッ、カチッと音がすることを利用して、サービス時の故障診断モードとして開方向通電を行い、音によって故障の判定を行う。音がした場合は、電子制御式膨張は、駆動しているので正常であり、音がしない場合は、故障である。

次に、電子制御式膨張弁が全開時に音がする仕組みの例を図１２を基に説明する。図１２は電子制御式膨張弁の一例の断面図である。駆動原理を簡単に説明すると、図に示した部分はステッピングモータになっておりローター１１が回転し、その回転動作は、ねじにより上下運動に変換され、弁１２に開閉運動を与える仕組みになっている。そして、弁が開方向へ進んでいくとローターについている突起部Ａ１３は、突起部Ｂ１４に接触し音が発する様になっている。

上記のようにして、この発明の他の実施の形態では、サービス時に開方向通電を行い、電子制御式膨張弁の全開時に発生する音を確認することにより、確実な故障診断ができるようになる。

この発明の実施の形態１による空気調和機を示す構成図である。この発明の実施の形態１による空気調和機の周波数と能力の関係を示す説明図である。この発明の実施の形態１による空気調和機の周波数と設定最適弁開度値の関係を示す説明図である。この発明の実施の形態１による空気調和機の周波数と設定吐出温度の関係を示す説明図である。この発明の実施の形態１による空気調和機の熱交換器の入口サーミスタ及び中間サーミスタの位置関係を示す詳細図である。この発明の実施の形態１による空気調和機を示す制御フローチャートである。この発明の実施の形態１による空気調和機の図６のブロック７１４の詳細を示すフローチャートある。この発明の他の実施の形態による空気調和機を示す構成図である。この発明の他の実施の形態による空気調和機を示す制御フローチャートである。この発明の他の実施の形態による空気調和機を示す制御ブロックの詳細を示すフローチャートである。この発明の他の実施の形態による空気調和機を示す構成図である。この発明の他の実施の形態による空気調和機を示す電子制御式膨張弁の断面図である。

符号の説明

１圧縮機、２電動機、３室外側熱交換器、４電子制御式膨張弁、５室内側熱交換器、６周波数可変装置、７制御装置、８吐出温度検出サーミスタ、９入口温度検出サーミスタ、１０中間温度検出サーミスタ、

Claims

圧縮機、室内側熱交換器、電子制御式膨張弁、室外側熱交換器で冷凍サイクルを構成し、圧縮機がインバータ駆動する空気調和機において、サービス時の前記電子制御式膨張弁の故障診断モードとして、前記電子制御式膨張弁の開方向通電を行うことを特徴とする空気調和機。
前記電子制御式膨張弁が全開時に開方向通電により音を発生することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
前記電子制御式膨張弁はステッピングモータにより回転するローターを有し、前記ローターの回転動作で上下運動を行う弁が開方向へ進むと、前記ローターに設けた突起部Ａが膨張弁本体の突起部Ｂに接触して音を発生することを特徴とする請求項２記載の空気調和機。