JP2008151386A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力の高い冷媒を使用しながら、しかも既設配管を再利用しながら、圧縮機能力の上昇範囲をできるだけ拡げて運転効率の向上が図れる空気調和機を提供する。
【解決手段】圧縮機１から吐出される冷媒の圧力が液側渡り配管１１およびガス側渡り配管１６の設計圧力に対応する設定値を超過しないよう、圧縮機１の運転を制御する。そして、圧縮機１の吐出側から室外ユニットＡの冷媒出口までの冷媒の圧力損失を推定し、その推定した圧力損失の推定値を基に上記設定値を上方に移行する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、圧縮機から吐出される冷媒をガス側渡り配管および液側渡り配管を通して室外ユニットおよび室内ユニットの相互間で循環させる空気調和機に関する。

従来のＲ２２冷媒に代えて、ＨＦＣ冷媒たとえばＲ４０７Ｃ冷媒やＲ４１０Ａ冷媒を使用する空気調和機がある（例えば特許文献１）。このようなＨＦＣ冷媒を使用する新しい空気調和機に替える場合、部品の再利用や工事費削減の観点から、それまで使用していた空気調和機の既設配管たとえば室外ユニットと室内ユニットとの間のガス側渡り配管および液側渡り配管を、そのまま再利用することが考えられる。
特開２００２―１６２１２６号公報

しかしながら、Ｒ２２冷媒の代替冷媒であるＨＦＣ冷媒たとえばＲ４１０Ａ冷媒は、同一温度での飽和圧力がＲ２２冷媒やＲ４０７Ｃ冷媒に比べて約１．５倍と高く、再利用される既設配管の設計圧力（耐圧）以上に圧力が上昇してしまう可能性がある。

この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的は、圧力の高い冷媒を使用しながら、しかも既設配管を再利用しながら、圧縮機能力の上昇範囲をできるだけ拡げて運転効率の向上が図れる空気調和機を提供することである。

請求項１に係る発明の空気調和機は、圧縮機および室外熱交換器を有する室外ユニット、室内熱交換器を有する室内ユニット、これら室外ユニットと室内ユニットとの間に接続されたガス側渡り配管および液側渡り配管を備え、上記圧縮機から吐出される冷媒を上記ガス側渡り配管および上記液側渡り配管を通して上記各ユニット間で循環させるものであって、上記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知する圧力センサと、この圧力センサの検知圧力が上記各渡り配管の設計圧力に対応する設定値を超過しないよう、上記圧縮機の運転を制御する制御手段と、上記圧縮機の吐出側から上記室外ユニットの冷媒出口までの冷媒の圧力損失を推定する推定手段と、この推定手段で推定される圧力損失の推定値を基に上記設定値を上方に移行する設定値変更手段と、を備えている。

この発明の空気調和機によれば、圧力の高い冷媒を使用しながら、しかも既設配管を再利用しながら、圧縮機能力の上昇範囲をできるだけ拡げることができる。これにより、運転効率の向上が図れる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１に冷凍サイクルを示している。
圧縮機１から高圧側配管２にガス冷媒が吐出される。高圧側配管２には、冷媒の逆戻りを防ぐための逆止弁３が設けられている。高圧側配管２に吐出されたガス冷媒は四方弁４およびガス側配管５を通って室外熱交換器６に流れる。室外熱交換器６に流れたガス冷媒は、室外ファン２１から供給される室外空気との熱交換により、凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、液側配管７、室外膨張弁８、リキッドタンク９、および配管接続用の液側パックドバルブ１０を通り、その液側パックドバルブ１０に一端が接続されている液側渡り配管１１に流れる。

液側渡り配管１１に流れた液冷媒は、その液側渡り配管１１の他端が接続されている液側パックドバルブ１２および室内膨張弁１３を通り、室内熱交換器１４に流れる。室内熱交換器１４に流れた液冷媒は、室内ファン２２から供給される室内空気との熱交換により、蒸発してガス冷媒となる。このガス冷媒は、ガス側パックドバルブ１５を通り、そのガス側パックドバルブ１５に一端が接続されているガス側渡り配管１６に流れる。ガス側渡り配管１６に流れたガス冷媒は、そのガス側渡り配管１６の他端が接続されているガス側パックドバルブ１７、ガス側配管１８、上記四方弁４、低圧側配管１９、およびアキュームレータ２０を通り、圧縮機１に吸込まれる。

この冷媒の流れは冷房時のもので、暖房時は四方弁４が切換わることにより、冷媒の流れが反対となって、室内熱交換器１４が凝縮器、室外熱交換器６が蒸発器として機能する。なお、この冷凍サイクルに封入される冷媒として、従来のＲ２２冷媒に代わり、同一温度での飽和圧力が高いＨＦＣ冷媒たとえばＲ４１０Ａ冷媒が使用されている。液側渡り配管１１およびガス側渡り配管１６は、従来のＲ２２冷媒が使用されているときの既設配管であり、再利用されている。

上記圧縮機１の吐出側から室外熱交換器６を含む液側パックドバルブ１０までの配管構成、ガス側パックドバルブ１７から圧縮機１の吸込み側までの配管構成、および室外ファン２１などにより、室外ユニットＡが構成されている。また、上記液側パックドバルブ１２から室内熱交換器１４を含むガス側パックドバルブ１５までの配管構成、および室内ファン２２などにより、室内ユニットＢが構成されている。

室外ユニットＡにおいて、高圧側配管２に、高圧スイッチＳＷ１、温度センサＴＤ、および圧力センサＰＤが設けられている。高圧スイッチＳＷ１は、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力がＲ４１０冷媒に対応した室外ユニットＡの設計圧力よりも上昇した場合に圧縮機１の運転を停止させるためのもので、そのガス冷媒の圧力が上昇して所定値３．７３Ｍｐａ以上になると作動する。温度センサＴＤは、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の温度を検知する。圧力センサＰＤは、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力を検知する。低圧側配管１９には、温度センサＴＳおよび圧力センサＰＳが設けられている。温度センサＴＳは、圧縮機１に吸込まれるガス冷媒の温度を検知する。圧力センサＰＳは、圧縮機１に吸込まれるガス冷媒の圧力を検知する。

また、室外ユニットＡの液側管７において、室外膨張弁８とリキッドタンク９との間に温度センサＴＬが設けられ、液側パックドバルブ１０の近傍（液側渡り配管１１の接続部手前）に高圧スイッチＳＷ２が設けられている。温度センサＴＬは、液冷媒の温度を検知する。高圧スイッチＳＷ２は、室外ユニットＡから液側渡り配管１１に流出する液冷媒の圧力が液側渡り配管１１の設計圧力よりも上昇した場合に圧縮機１の運転を停止させるためのもので、その液冷媒の圧力が上昇して所定値３．３Ｍｐａ以上になると作動する。ガス側管１８には、ガス側パックドバルブ１７の近傍（ガス側渡り配管１６の接続部手前）に高圧スイッチＳＷ３が設けられている。高圧スイッチＳＷ３は、室外ユニットＡからガス側渡り配管１６に流出するガス冷媒（暖房時）の圧力がガス側渡り配管１６の設計圧力よりも上昇した場合に圧縮機１の運転を停止させるためのもので、そのガス冷媒の圧力が上昇して所定値３．３Ｍｐａ以上になると作動する。さらに、室外熱交換器６に熱交換器温度センサＴＥが設けられているとともに、室外ファン２１の吸込み風路に室外温度検知用の室外温度センサＴＯが設けられている。

室内ユニットＢでは、室内熱交換器１４に熱交換器温度センサＴＣが設けられ、室内ファン２２の吸込み風路に室内温度検知用の室外温度センサＴＩが設けられている。

そして、これら室外ユニットＡおよび室内ユニットＢを制御するための制御部３０が設けられている。制御部３０は、主要な機能として次の（１）〜（４）を有している。
（１）圧縮機１の回転数Ｎ（rps）（＝運転周波数；圧縮機駆動用インバータの出力周波数）を空調負荷に応じて増減する制御手段。
（２）圧力センサＰＤの検知圧力が各渡り配管１１，１６の設計圧力（耐圧）に対応する設定値Ｐｄｓを超過しないよう、圧縮機１の回転数Ｎを制御する制御手段。

（３）圧縮機１の吐出側から室外ユニットＡの冷媒出口までの冷媒の圧力損失ΔＰ０を推定する推定手段。具体的には、圧縮機１の吐出側の冷媒温度Ｔｄ（温度センサＴＤの検知温度）、圧縮機１の吸込側の冷媒温度（飽和蒸発温度；圧力センサＰＳの検知圧力に対応する温度）Ｔｕ、液側渡り配管１１における冷媒温度（温度センサＴＬの検知温度）Ｔｌ、圧縮機１の回転数Ｎなどから、圧力損失の推定値ΔＰ０（kgf/cm²）を算出する。

（４）上記推定手段で推定される圧力損失ΔＰ０を基に、上記設定値Ｐｄｓを上方に移行（シフトアップ）する設定値変更手段。なお、設定値変更の仕方として、空調負荷に基づく圧縮機１の単位時間当たりの回転数変化ΔＮ（＝Ｎ_１−Ｎ_０）が所定値ΔＮｘ未満の場合に実行する第１モードと、単位時間当たりの回転数変化ΔＮが所定値ΔＮｘ以上と大きい場合に実行する第２モードとがある。第１モードでは、圧力損失ΔＰ０に制限値ΔＰ１を設け、その制限値ΔＰ１として、ΔＰ０が４．５（kgf/cm²）以上の場合にΔＰ１＝４．５（kgf/cm²）を選定し、ΔＰ０が０．０（kgf/cm²）以下の場合にΔＰ１＝０．０（kgf/cm²）を選定し、ΔＰ０が０．０（kgf/cm²）超かつ４．５（kgf/cm²）未満の場合にΔＰ１＝ΔＰ０を選定する。第２モードでは、圧力損失ΔＰ０に制限値ΔＰ１を設け、その制限値ΔＰ１を圧力損失ΔＰ０へと所定量たとえば毎秒０．０３（kgf/cm²）ずつ段階的に近づける。

つぎに、作用を説明する。
まず、圧力損失の推定とそれに関わる制御について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
冷房時（ステップＳ１のＹＥＳ）、圧縮機１の吐出側から室外ユニットＡの冷媒出口（液側パックドバルブ１０）までの冷媒の圧力損失の推定値ΔＰ０が、圧縮機１の吐出側の冷媒温度Ｔｄ（温度センサＴＤの検知温度）、圧縮機１の吸込側の冷媒温度（飽和蒸発温度；圧力センサＰＳの検知圧力に対応する温度）Ｔｕ、液側渡り配管１１における冷媒温度（温度センサＴＬの検知温度）Ｔｌ、圧縮機１の回転数Ｎなどを用いて、下式により算出される（ステップＳ２）。Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４，Ｋ_５は、それぞれ定数である。
ΔＰ０＝−Ｋ_１−Ｋ_２×Ｔｄ＋Ｋ_３×Ｔｕ＋Ｋ_４×Ｔｌ＋Ｋ_５×Ｎ
続いて、空調負荷に基づく圧縮機１の単位時間当たりの回転数変化ΔＮ（＝Ｎ_１−Ｎ_０）が所定値ΔＮｘ未満であるか否かが判定される（ステップＳ３）。
回転数変化ΔＮが所定値ΔＮｘ未満であれば（ステップＳ３のＹＥＳ）、圧力損失ΔＰ０の制限値ΔＰ１が用意され、その制限値ΔＰ１として、ΔＰ０が４．５（kgf/cm²）以上の場合にΔＰ１＝４．５（kgf/cm²）が選定され、ΔＰ０が０．０（kgf/cm²）以下の場合にΔＰ１＝０．０（kgf/cm²）が選定され、ΔＰ０が０．０（kgf/cm²）超かつ４．５（kgf/cm²）未満の場合にΔＰ１＝ΔＰ０が選定される（ステップＳ４）。

制限値ΔＰ１が選定されると、その制限値ΔＰ１が圧力スイッチＳＷ２のこれまでの作動回数ｎＡに基づく下式により補正されて、新たな制限値ΔＰ２が求められる（ステップＳ５）。なお、作動回数ｎＡは、４回未満ではｎ回、４回以上で４回が選定され、空気調和機の停止もしくは冷房運転・暖房運転の切換えによりリセットされる。
ΔＰ２＝ΔＰ１−０．５×ｎＡ
そして、新たな制限値ΔＰ２だけ、圧力センサＰＤの検知圧力Ｐｄに対する設定値Ｐｄｓがシフトアップされる（ステップＳ６）。
Ｐｄｓ＝Ｐｄｓ＋ΔＰ２
このシフトアップにより、液冷媒の圧力が液側渡り配管１１の耐圧より十分に低い状態のまま圧縮機１の回転数Ｎが不要に低減されるといった不具合がなくなって、圧縮機能力の上昇範囲が拡がり、運転効率の向上が図れる。すなわち、圧力の高いＲ４１０Ａ冷媒を使用しながら、しかも従来のＲ２２冷媒が使用されているときの既設配管（液側渡り配管１１およびガス側渡り配管１６）を再利用しながら、圧縮機能力の上昇範囲をできるだけ拡げて運転効率の向上が図れる。

ステップＳ３の判定において、空調負荷の急激な変動が生じて、圧縮機１の回転数変化が所定値ΔＮｘ以上と大きい場合には（ステップＳ３のＮＯ）、圧力損失ΔＰ０に制限値ΔＰ１が設けられ、その制限値ΔＰ１が圧力損失ΔＰ０へと毎秒０．０３（kgf/cm²）ずつ段階的に近づけられる（ステップＳ７）。

この段階的に増加する制限値ΔＰ１が補正されて新たな制限値ΔＰ２が逐次に求められ（ステップＳ５）、その新たな制限値ΔＰ２だけ、圧力センサＰＤの検知圧力Ｐｄに対する設定値Ｐｄｓが逐次にシフトアップされる（ステップＳ６）。
Ｐｄｓ＝Ｐｄｓ＋ΔＰ２
空調負荷の急激な変動によって圧縮機１に大きな回転数変化が生じた場合には、実際の圧力損失と推定圧力損失ΔＰ０とに偏差が生じるため、その推定圧力損失ΔＰ０に対応する分だけ設定値Ｐｄｓが一度にシフトアップされると、その設定値Ｐｄｓに基づく圧縮機１の回転数制御が機能しないまま、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力が異常上昇して高圧スイッチＳＷ１が作動してしまう。高圧スイッチＳＷ１が作動すると、圧縮機１が停止してしまう。

しかしながら、上記のように、設定値Ｐｄｓは、逐次に、段階的に、シフトアップされる。この段階的なシフトアップにより、設定値Ｐｄｓに基づく圧縮機１の回転数制御が逐次に繰り返されるようになり、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力の不要な異常上昇が防止されて、高圧スイッチＳＷ１の作動が回避される。したがって、圧縮機１の不要な停止を防ぎながら、液冷媒の圧力が液側渡り配管１１の耐圧より十分に低い状態のまま圧縮機１の回転数Ｎが不要に低減されるといった不具合を解消できて、運転効率の向上が図れる。さらに、高圧スイッチＳＷ２を設けたことにより液側渡り配管１１の設計圧力を超えると圧縮機１が停止されるので、安全に設定値Ｐｓｄをシフトアップすることができる。

一方、暖房時（除霜運転や冷媒回収運転を含む）は（ステップＳ１のＮＯ）、圧力損失ΔＰ０の制限値ΔＰ１として“１．０”が選定され（ステップＳ８）、その制限値ΔＰ１が室外ユニットＡの冷媒出口側に位置する圧力スイッチＳＷ３のこれまでの作動回数ｎＢに基づく下式により補正されて、新たな制限値ΔＰ２が求められる（ステップＳ９）。なお、作動回数ｎＢは、６回未満ではｎ回、６回以上で６回が選定され、空気調和機の停止もしくは冷房運転・暖房運転の切換えによりリセットされる。
ΔＰ２＝ΔＰ１−０．５×ｎＢ
そして、新たな制限値ΔＰ２だけ、圧力センサＰＤの検知圧力Ｐｄに対する設定値Ｐｄｓがシフトアップされる（ステップＳ６）。
Ｐｄｓ＝Ｐｄｓ＋ΔＰ２
このシフトアップにより、液冷媒の圧力が液側渡り配管１１の耐圧より十分に低い状態のまま圧縮機１の回転数Ｎが不要に低減されるといった不具合がなくなって、圧縮機能力の上昇範囲が拡がり、運転効率の向上が図れる。さらに、高圧スイッチＳＷ３を設けたことによりガス側渡り配管１６の設計圧力を超えると圧縮機１が停止されるので、安全に設定値Ｐｓｄをシフトアップすることができる。

なお、圧力損失推定式の定数Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３，Ｋ_４，Ｋ_５として“０．４”“０．０３５”“０．１”“０．０１”“０．０３５”が選定された場合の推定値ΔＰ０と、実際に測定される圧力損失との関係を図３に示している。一点鎖線は推定値である。

なお、上記実施形態では、１台の圧縮機１を有する冷凍サイクルを例に説明したが、図４に示すように、２台の圧縮機１ａ，１ｂを有する冷凍サイクルの場合にも、同様に実施可能である。２台の圧縮機１ａ，１ｂの採用に伴い、高圧側配管２ａ，２ｂ、逆止弁３ａ，３ｂ、高圧スイッチＳＷ１ａ，ＳＷ１ｂ、温度センサＴＤａ，ＴＤｂが設けられている。この場合、圧力損失推定式の検知温度Ｔｄとして、圧縮機１ａまたは圧縮機１ｂのどちらか１台が運転している場合は、運転中の圧縮機の温度センサＴＤの検知温度Ｔｄを使用し、圧縮機１ａ，１ｂの両方が運転している場合は、温度センサＴＤａ，ＴＤｂの検知温度Ｔｄａ，Ｔｄｂのどちらか高い方の値が使用される。

圧力損失推定式の圧縮機回転数Ｎとして、圧縮機１ａまたは圧縮機１ｂのどちらか１台が運転している場合は、運転中の圧縮機の回転数を使用し、圧縮機１ａ，１ｂの両方が運転している場合は、各圧縮機の回転数を合計した値が使用される。

高圧スイッチＳＷ１ａが作動した場合は圧縮機１ａが停止し、高圧スイッチＳＷ１ｂが作動した場合は圧縮機１ｂが停止し、高圧スイッチＳＷ２，ＳＷ３のどちらか一方が作動すると圧縮機１ａ，１ｂの両方が停止するようになっている。

これにより、２台の圧縮機１ａ，１ｂを有する冷凍サイクルの場合にも、渡り配管１１，１６の設計圧力より十分に低い状態のまま圧縮機１ａ，１ｂの回転数Ｎが不要に低減されるといった不具合がなくなって、圧縮機能力の上昇範囲が拡がり、運転効率の向上が図れる。さらに、高圧スイッチＳＷ２，ＳＷ３を設けたことにより渡り配管１１，１６の設計圧力を超えると圧縮機１ａ，１ｂの両方が停止されるので、安全に設定値Ｐｓｄをシフトアップすることができる。

その他、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の冷凍サイクルの構成を示す図。 一実施形態の圧力損失の推定とそれに関わる制御を説明するためのフローチャート。 一実施形態の推定値と実際値との関係を示す図。 一実施形態の冷凍サイクルの変形例の構成を示す図。

符号の説明

Ａ…室外ユニット、Ｂ…室内ユニット、１…圧縮機、２…高圧側配管、４…四方弁、６…室外熱交換器、７…液側配管、８…室外膨張弁、９…リキッドタンク、１０…液側パックドバルブ、１１…液側渡り配管、１２…液側パックドバルブ、１３…室内膨張弁、１４…室内熱交換器、１５…ガス側パックドバルブ、１６…ガス側渡り配管、１７…ガス側パックドバルブ、１８…ガス側配管、１９…低圧側配管、２０…アキュームレータ、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…高圧スイッチ、ＴＤ，ＴＬ，ＴＳ…温度センサ、ＰＤ，ＰＳ…圧力センサ、ＴＥ，ＴＣ…熱交換器温度センサ、ＴＯ…室外温度センサ、ＴＩ…室内温度センサ、３０…制御部

Claims (4)

1. 圧縮機および室外熱交換器を有する室外ユニット、室内熱交換器を有する室内ユニット、これら室外ユニットと室内ユニットとの間に接続されたガス側渡り配管および液側渡り配管を備え、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記ガス側渡り配管および前記液側渡り配管を通して前記各ユニット間で循環させる空気調和機において、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検知する圧力センサと、
   前記圧力センサの検知圧力が前記各渡り配管の設計圧力に対応する設定値を超過しないよう、前記圧縮機の運転を制御する制御手段と、
   前記圧縮機の吐出側から前記室外ユニットの冷媒出口までの冷媒の圧力損失を推定する推定手段と、
   前記推定手段で推定される圧力損失の推定値を基に前記設定値を上方に移行する設定値変更手段と、
   を備えていることを特徴とする空気調和機。
2. 前記圧縮機は、空調負荷に応じて回転数が増減され、
   前記推定手段は、前記圧縮機の吐出側の冷媒温度、前記圧縮機の吸込側の冷媒温度、前記液側渡り配管における冷媒温度、前記圧縮機の回転数から、前記圧力損失の推定値を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記圧縮機は、空調負荷に応じて回転数が増減され、
   前記設定値変更手段は、空調負荷に基づく前記圧縮機の回転数変化が大きいとき、前記設定値の上方への移行を段階的に行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記室外ユニットは、所定値以上の圧力を検知すると前記圧縮機の運転を停止させるための複数の高圧スイッチを有し、これら高圧スイッチは前記圧縮機の冷媒吐出側および前記各渡り配管の接続部手前にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の空気調和機。

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