JP2008039234A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界の冷媒を利用して必要な暖房能力を常に引き出すことができる空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置１では、暖房運転時、室内熱交換器１６が、超臨界の冷媒から空気に対して放熱を行わせる。制御装置４は、室内熱交換器１６を含む冷凍サイクルの高圧側圧力を一定に維持する。また、制御装置４は、出口温度センサ４１によって室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃを検知し、室温センサ４２によって室温Ｔａを検知する。さらに、制御装置４は、暖房時、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃが目標値Ｔｇｃｓに達していても、暖房されるべき室内の室温Ｔａからみて能力過不足と判断した場合には、高圧側圧力の目標値を増減させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒を用いた空気調和装置に関する。

地球環境保護や効率向上の観点から、空気調和装置の冷媒として高圧側が超臨界圧力で運転される超臨界冷媒の適用検討が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のものは、ＣＯ２冷媒を使用し、放熱器の冷媒出口温度の値に応じて高圧圧力を成績係数ＣＯＰが最大付近となる範囲に制御し、成績係数ＣＯＰの高い運転を行うようにしている。
特開２００２−１３０７７０号公報

しかしながら、超臨界の冷媒を利用した空気調和装置においては、暖房時に放熱器の冷媒出口温度が目標値に達しているにもかかわらず、室温が設定温度に達しないことがあり、特許文献１には、その問題に対する解決方法が開示されていない。

本発明の課題は、超臨界の冷媒を利用して必要な暖房能力を常に引き出すことができる空気調和装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和装置は、放熱器と制御装置とを備えている。放熱器は、暖房運転時に超臨界の冷媒から空気に対して放熱を行わせる。制御装置は、放熱器を含む冷凍サイクルの高圧側圧力と、放熱器の冷媒出口温度とを、予め設定されたそれぞれの目標値へ到達させることによって、空調対象である室内の室温を制御する。そして、制御装置は、高圧側圧力および冷媒出口温度が目標値に達しているにもかかわらず、室温から暖房運転能力の過不足を認知した場合には、高圧側圧力の目標値を増減させる。

この空気調和装置では、高圧側圧力が臨界圧力以上であり、高圧側圧力の増減に対して放熱器の冷媒出口温度は等温線上を移動し一定である。それゆえ、高圧側圧力が高い場合は能力過剰であり、高圧側圧力が低い場合は能力不足となる。そこで制御装置は、冷媒出口温度と室温とを監視しながら高圧側圧力を増減して暖房能力を調整する。このため、能力不足が解消され快適性が向上する。さらに、過剰能力も解消されるので省エネとなる。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、室温が設定温度に到達せずに所定時間が経過したとき、制御装置が高圧側圧力の目標値を増加させる。

この空気調和装置では、暖房時、能力不足のまま長期間継続されることが回避される。このため、暖房の快適性が向上する。

第３発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、室温の時間微分から算出した設定温度への推定到達時間が所定の閾値を超過したとき、制御装置が高圧側圧力の目標値を増加させる。

この空気調和装置では、制御装置が、室温の推移を予測して能力を調整する。このため、能力不足が未然に回避され、暖房の快適性が向上する。

第４発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、冷媒出口温度と室温との差が、予め設定されている規定値より小さくなったとき、制御装置が高圧側圧力の目標値を低下させる。

この空気調和装置では、過剰能力が解消され、省エネとなる。

第５発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、出口温度検知器と室温検知器とをさらに備えている。出口温度検知器は放熱器の冷媒出口温度を検知し、室温検知器は室温を検知する。そして、制御装置は、出口温度検知器の出力値と、室温検知器の出力値との差から、高圧側圧力の目標値の増減幅を決定する。

この空気調和装置では、制御装置が、冷媒出口温度と室温とを監視しながら高圧側圧力を増減して暖房能力を調整する。このため、能力不足が解消され快適性が向上する。さらに、過剰能力も解消されるので省エネとなる。

第６発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、放熱器を搭載した複数の室内機を備えている。そして制御装置は、室内機ごとに、放熱器の冷媒出口温度と室温との差を監視し、高圧側圧力の目標値を増減させる。

この空気調和装置では、制御装置が、各室内機の必要能力に応じて高圧側圧力を増減する。このため、室内機全てにおいて必要な能力が引き出され、暖房の快適性が向上する。

第７発明に係る空気調和装置は、第６発明に係る空気調和装置であって、放熱器の冷媒出口温度と室温との差に対する規定値が設定され、制御装置は、その差が規定値より小さくなったとき高圧側圧力の目標値を低下させる。

この空気調和装置では、室内機の過剰能力が解消されるので省エネとなる。

第８発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、冷凍サイクルが、圧縮機、放熱器、膨張機構、および蒸発器が順次接続されて成る冷媒回路を有する。

高圧側圧力は、冷媒回路内に存在する冷媒が、圧縮機の冷媒吐出口から放熱器を経て膨張機構の冷媒入口に至るまでの区間で受ける圧力である。

この空気調和装置では、制御装置が、圧縮機の冷媒吐出口から膨張機構の冷媒入口までの区間にある冷媒の圧力を増減することによって、能力の過不足を解消することができる。

第１発明に係る空気調和装置では、暖房時、制御装置が、冷媒出口温度と室温とを監視しながら高圧側圧力を増減して暖房能力を調整する。このため、能力不足が解消され快適性が向上する。さらに、過剰能力も解消されるので省エネとなる。

第２発明に係る空気調和装置では、暖房時、能力不足のまま長期間継続されることが回避される。このため、暖房の快適性が向上する。

第３発明に係る空気調和装置では、暖房時、制御装置が、室温の推移を予測して能力を調整する。このため、能力不足が未然に回避され、暖房の快適性が向上する。

第４発明に係る空気調和装置では、暖房時、過剰能力が解消され、省エネとなる。

第５発明に係る空気調和装置では、暖房時、制御装置が、冷媒出口温度と室温とを監視しながら高圧側圧力を増減して暖房能力を調整する。このため、能力不足が解消され快適性が向上する。さらに、過剰能力も解消されるので省エネとなる。

第６発明に係る空気調和装置では、暖房時、制御装置が、各室内機の必要能力に応じて高圧側圧力を増減する。このため、室内機全てにおいて必要な能力が引き出され、暖房の快適性が向上する。

第７発明に係る空気調和装置では、暖房時、室内機の過剰能力が解消されるので省エネとなる。

第８発明に係る空気調和装置では、制御装置が、圧縮機の冷媒吐出口から膨張機構の冷媒入口までの区間にある冷媒の圧力を増減することによって、能力の過不足を解消することができる。

＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る空気調和装置の構成図である。空気調和装置１は、冷媒として、高圧側が臨界圧力以上となるＣＯ２を用いている。

空気調和装置１は、ビル用のマルチタイプの空気調和装置であって、１つ又は複数の室外機２に対して複数の室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、膨張機構である室外膨張弁１４および室内膨張弁１５、さらに室内熱交換器１６などの機器が接続されて冷媒回路１０が形成されている。室内ファン２２は、室内の空気を室内熱交換器１６に導入させる。

また、室内熱交換器１６の冷媒出口側（暖房時）の配管上には出口温度センサ４１が設けられ、室内熱交換器１６の空気吸込側には室温センサ４２が設けられている。

＜空気調和装置の動作＞
（冷房運転）
冷房運転時において、四路切換弁１２は、図１の点線で示すように接続され、圧縮機１１と室外熱交換器１３とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３は、それぞれ蒸発器および放熱器として機能する。すなわち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の冷媒ガスが室外熱交換器１３に導入される。ここで、冷媒ガスと室外空気との熱交換が行われた後、中温・高圧ガスは室内膨張弁１５で減圧され、低温・低圧の二相冷媒となり室内熱交換器１６に導入される。ここで室内空気と熱交換が行われた後、再び圧縮機１１に吸入される。

（暖房運転）
一方、暖房運転時において、四路切換弁１２は、図１の実線で示すように接続され、圧縮機１１と室内熱交換器１６とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３はそれぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１より吐出された高温・高圧の冷媒ガスが室内熱交換器１６に導入される。ここで、冷媒ガスと室内空気との熱交換が行われた後、中温・高圧ガスは配管を通過し、室外膨張弁１４で減圧されて室外熱交換器１３に導入される。ここで室外空気と熱交換が行われ、再び圧縮機１１に吸入される。

＜制御装置＞
制御装置４は、室内熱交換器１６の冷媒出口に設けられた出口温度センサ４１、および室内熱交換器１６の空気吸入側に設けられた室温センサ４２で検知される値を監視し、室外膨張弁１４、および室内膨張弁１５の開度や、圧縮機１１の運転周波数を制御する。

制御装置４には、マイコン５、メモリ（図示せず）が搭載されており、マイコン５が、出口温度センサ４１、室温センサ４２で検知された値に基づいて高圧側圧力の目標値を算出する。なお、高圧側圧力とは、例えば暖房時の場合、冷媒回路１０内に存在する冷媒が、圧縮機１１の冷媒吐出口から室内熱交換器１６を経て室外膨張弁１４の冷媒入口に至るまでの区間で受ける圧力である。

＜超臨界冷凍サイクルの能力制御＞
ここで、従来の冷凍サイクルと超臨界冷凍サイクルの違いについて説明する。図２（ａ）は、Ｒ４１０Ａを使用した冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図であり、図２（ｂ）は、ＣＯ２を使用した超臨界冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図である。

図２（ａ）において、従来の冷凍サイクルでは、全室内機で過冷却度Ｓｃがつき過ぎている場合は能力過剰であり、全室内機のうち１つでも過冷却度Ｓｃが全くついていない場合は能力不足であると判断し、高圧側圧力を増減することで能力調整を行う。

しかし、超臨界冷凍サイクルでは、図２（ｂ）に示すように、過冷却という概念はなく、室内熱交換器の冷媒出口温度が目標値に達しているにもかかわらず、室温が設定温度に達していないとき、高圧側圧力が高い場合は能力過剰であり、高圧側圧力が低い場合は能力不足であると判断し、高圧側圧力を増減することで能力調整を行う。

（暖房能力制御）
次に、制御装置４のマイコン５による暖房能力制御について説明する。図３は暖房能力制御の制御ブロック図であり、図４は暖房能力制御のフローチャートである。空気調和装置１における暖房運転の制御は、暖房能力の確保に必要な高圧側圧力を圧縮機１１の運転周波数によって制御し、室内熱交換器１６の冷媒出口状態を室外膨張弁１４の開度によって制御する。

図３において、マイコン５は、出口温度目標値演算部５１において、設定温度Ｔｓと室温Ｔａとの温度差ｅ１に基づいて、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃの目標値Ｔｇｃｓを算出する。次に膨張弁制御部５２において、目標値Ｔｇｃｓと冷媒出口温度Ｔｇｃとの温度差ｅ２に基づいて膨張弁の開度変更値ｄＥＶを算出し、室外膨張弁１４の弁開度を制御する。

また、同時に能力判定部５３において、温度差ｅ１、温度差ｅ２、および冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとの温度差ｅ３に基づいて暖房能力の過不足を判定し、高圧側圧力変更値ｄＰｈを算出後、主に室外機２の圧縮機１１の運転周波数を制御する。

なお、能力過不足判定時に、微分器５４で温度差ｅ１の微分値ｄｅ１／ｄｔを算出し、変数として加えてもよい。

本実施形態では、各室内機３において室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃが目標値Ｔｇｃｓに達しているにもかかわらず、室温Ｔａが設定温度Ｔｓに達していない状態が所定時間続いた場合に、高圧側圧力の目標値を増加させる。そして、各室内機３において室温Ｔａが設定温度Ｔｓに達した後は、冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとの差が、室内機３毎に設定された規定値ｅｓより小さくなった場合に、その室内機３に対して高圧側圧力の目標値を下げる。

以下、図４を用いて暖房能力制御のフローを説明する。ステップＳ１では、マイコン５が、室内機３毎に室温センサ４２から室温Ｔａｎを取得する。なお、変数末尾のアルファベットは、室内機３の数を示しており、例えば第ｍ番目、第ｎ番目の室内機３の設定温度Ｔｓに対しては、Ｔｓｍ、Ｔｓｎと表記している。

ステップＳ２では、室内機３毎に室温Ｔａｎが設定温度Ｔｓｎに達しているか否かを判定する。ステップＳ２で仮に第ｍ番目の室内機３でＮｏと判定した場合は、ステップＳ３へ進み、第ｍ番目の室内機３に対して、室内熱交換器１６の冷媒出口温度の目標値Ｔｇｃｓｍを算出する。ステップＳ４では、第ｍ番目の室内機３に対して、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃｍを取得する。ステップＳ５では、第ｍ番目の室内機３に対して、冷媒出口温度Ｔｇｃｍが目標値Ｔｇｃｓｍに達しているか否かを判定する。ステップＳ５でＮｏと判定した場合は、ステップＳ６へ進み、冷媒出口温度Ｔｇｃｍが目標値Ｔｇｃｓｍに到達するように圧縮機１１、室外膨張弁１４を制御し、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ５でＹｅｓと判定した場合は、制御Ａへ移り、ステップＳ７で、第ｍ番目の室内機３側の室温Ｔａｍが、第ｍ番目の室内機３の設定温度Ｔｓｍ未満であるか否かを判定する。ステップＳ７でＹｅｓと判定した場合は、ステップＳ８へ進みタイマを始動し所定時間を計時する。なお、ステップＳ７でＮｏと判定した場合はＳ１へ戻る。

ステップＳ９では、まだ室温Ｔａｍが設定温度Ｔｓｍ未満であるか否かを判定する。ステップＳ９でＹｅｓと判定した場合は、ステップＳ１０へ進みタイマが終了したか否かを判定する。ステップＳ７からステップＳ１０までは、室温Ｔａｍが設定温度Ｔｓｍ未満である状態が所定時間継続されたか否かを判定する制御であるので、ステップＳ９で仮にＮｏと判定した場合はステップＳ１へ戻る。

ステップＳ１０でタイマが終了したと判定した場合は、能力不足であると判断しステップＳ１１へ進み、高圧側圧力の目標値を増加する。ステップＳ１２では、ステップＳ１１で設定した高圧側圧力の目標値を達成するために、圧縮機１１、室外膨張弁１４を制御しステップＳ１へ戻る。

また、ステップＳ２でＹｅｓと判定した場合は、制御Ｂへ移り、ステップＳ１３で、マイコン５が、室内機３毎に冷媒出口温度Ｔｇｃｎと室温Ｔａｎとの差が、予め設定されている規定値ｅｓｎより小さいか否かを判定する。ステップＳ１３で一台でもＹｅｓと判定した場合は、そのＹｅｓ判定された室内機３が能力過剰であると判断し、ステップＳ１４へ進み、ステップＳ１３でＹｅｓ判定された室内機３に対して高圧側圧力の目標値を低減する。なお、ステップＳ１３でＮｏと判定した場合はＳ１へ戻る。ステップＳ１５では、ステップＳ１４で設定した高圧側圧力の目標値を達成するために、圧縮機１１、室外膨張弁１４を制御しステップＳ１へ戻る。

＜特徴＞
（１）
空気調和装置１では、暖房運転時、室内熱交換器１６が、超臨界の冷媒から空気に対して放熱を行わせる。制御装置４は、室内熱交換器１６を含む冷凍サイクルの高圧側圧力を一定に維持する。また、制御装置４は、出口温度センサ４１によって室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃを検知し、室温センサ４２によって室温Ｔａを検知する。

超臨界冷凍サイクルでは、高圧側圧力の増減に対して、放熱器（例えば、暖房時の室内熱交換器１６）の冷媒出口温度Ｔｇｃは等温線上を移動し一定である。それゆえ、高圧側圧力が高い場合は能力過剰であり、高圧側圧力が低い場合は能力不足である。

そこで、制御装置４は、暖房時、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃが目標値Ｔｇｃｓに達していても、暖房されるべき室内の室温Ｔａからみて能力過不足と判断した場合には、高圧側圧力の目標値を増減させる。

このように空気調和装置１は、暖房時、冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとを監視しながら高圧側圧力を増減して暖房能力を調整することができるので、能力不足が解消され快適性が向上する。さらに、過剰能力も解消されるので省エネとなる。

また、空気調和装置１は、室温Ｔａが設定温度Ｔｓに到達せずに所定時間が経過したとき、或は室温Ｔａの時間微分から算出した設定温度Ｔｓへの推定到達時間が所定の閾値を超過したとき、高圧側圧力の目標値を増加させている。このため、暖房時、能力不足が長期間継続されることがなく、暖房の快適性が向上する。

また、空気調和装置１は、冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとの差が、予め設定されている規定値ｅｓより小さくなったとき、高圧側圧力の目標値を低下させるので、暖房時、過剰能力が解消され、省エネとなる。

（２）
空気調和装置１は、複数の室内機３を備えている。そして制御装置４は、室内機３ごとに、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとの差を監視し、高圧側圧力の目標値を増減させている。このため、暖房時、各室内機３の必要能力に応じて高圧側圧力を増減することができ、室内機全てにおいて必要な能力が引き出され、暖房の快適性が向上する。

また、空気調和装置１は、室内熱交換器１６の冷媒出口温度Ｔｇｃと室温Ｔａとの差に対する規定値ｅｓを設定し、その差ｅが規定値より小さくなったとき高圧側圧力の目標値を低下させる。このため、暖房時、室内機の過剰能力が解消されるので省エネとなる。

以上のように、本発明は、必要に応じた暖房能力を実現できるので、空気調和装置に有用である。

本発明の実施形態に係る空気調和装置の構成図。 （ａ）Ｒ４１０Ａを使用した冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図。（ｂ）ＣＯ２を使用した超臨界冷凍サイクルの圧力−エンタルピー線図。 暖房能力制御の制御ブロック図。 暖房能力制御のフローチャート。 暖房能力制御のフローチャート。 暖房能力制御のフローチャート。

符号の説明

１ 空気調和装置
３ 室内機
４ 制御装置
１１ 圧縮機
１３ 室外熱交換器（蒸発器）
１４ 室外膨張弁（膨張機構）
１６ 室内熱交換器（放熱器）
４１ 出口温度センサ
４２ 室温センサ

Claims (8)

1. 暖房運転時に超臨界の冷媒から空気に対して放熱を行わせる放熱器（１６）と、
   前記放熱器（１６）を含む冷凍サイクルの高圧側圧力と、前記放熱器（１６）の冷媒出口温度とを、予め設定されたそれぞれの目標値へ到達させることによって、空調対象である室内の室温を制御する制御装置（４）と、
   を備え、
   前記制御装置（４）は、前記高圧側圧力および前記冷媒出口温度が前記目標値に達しているにもかかわらず、前記室温から暖房運転能力の過不足を認知した場合には、前記高圧側圧力の目標値を増減させる、
   空気調和装置（１）。
2. 前記制御装置（４）は、前記室温が設定温度に到達せずに所定時間が経過したとき、前記高圧側圧力の目標値を増加させる、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
3. 前記制御装置（４）は、前記室温の時間微分から算出した設定温度への推定到達時間が所定の閾値を超過したとき、前記高圧側圧力の目標値を増加させる、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
4. 前記制御装置（４）は、前記冷媒出口温度と前記室温との差が、予め設定されている規定値より小さくなったとき、前記高圧側圧力の目標値を低下させる、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
5. 前記放熱器（１６）の冷媒出口温度を検知する出口温度検知器（４１）と、
   前記室温を検知する室温検知器（４２）と、
   をさらに備え、
   前記制御装置（４）は、前記出口温度検知器（４１）の出力値と、前記室温検知器（４２）の出力値との差から、前記高圧側圧力の目標値の増減幅を決定する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
6. 前記放熱器（１６）を搭載した複数の室内機（３）をさらに備え、
   前記制御装置（４）は、前記室内機（３）ごとに、前記放熱器（１６）の冷媒出口温度と前記室温との差を監視し、前記高圧側圧力の目標値を増減させる、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
7. 前記複数の室内機（３）ごとに、前記放熱器（１６）の冷媒出口温度と前記室温との差に対する規定値が設定され、
   前記制御装置（４）は、前記差が前記規定値より小さくなったとき、前記高圧側圧力の目標値を低下させる、
   請求項６に記載の空気調和装置（１）。
8. 前記冷凍サイクルは、圧縮機（１１）、前記放熱器（１６）、膨張機構（１４）、および蒸発器（１３）が順次接続されて成る冷媒回路（１０）を有し、
   前記高圧側圧力は、前記冷媒回路（１０）内に存在する冷媒が、前記圧縮機（１１）の冷媒吐出口から前記放熱器（１６）を経て前記膨張機構（１４）の冷媒入口に至るまでの区間で受ける圧力である、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。

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