JP2009198087A - 空気調和装置 - Google Patents

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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B2313/023Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for using multiple indoor units
    • F25B2313/0231Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for using multiple indoor units with simultaneous cooling and heating

Abstract

【課題】冷房負荷と暖房負荷とを同時に処理でき、かつ、冷房の最大負荷の方が暖房の最大負荷よりも大きいような建屋においても安価な空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置は、室内熱交換器22及び室内絞り装置23が搭載された少なくとも1台以上の室内ユニット53と、室内ユニット53に接続され、第1圧縮機1、四方弁3及び第1室外熱交換器2が搭載された第1室外ユニット51と、室内ユニット53と第1室外ユニット51との間に接続され、室内ユニット53の運転状況に応じて冷媒の流れを制御する分流コントローラ52と、第1室外ユニット51に並列となるように第1室外ユニット51と分流コントローラ52との間に接続され、第2圧縮機31、第2室外熱交換器32及び開閉装置35が搭載された冷房運転用の第2室外ユニット54と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷暖房負荷を同時に処理できる空気調和装置に関し、特に冷房負荷を効率的に処理できる空気調和装置に関するものである。
従来から、冷房負荷及び暖房負荷を同時に処理することができるマルチエアコン等の空気調和装置が存在する。このような空気調和装置は、一般的に室外ユニットに冷媒の流れを切り換えるための四方弁を備え、この四方弁を備えた室外ユニットを複数搭載し、それぞれの室外ユニットを組み合わせたものとなっている。そして、このような空気調和装置では、搭載されている室外ユニットのそれぞれで冷房負荷あるいは暖房負荷を実行するようになっていた。
そのようなものとして、「複数台の室内機と、複数台の室外機と、前記各室内機及び前記各室外機に設けられた液管及びガス管と、前記各室内機に設けられた室内膨張弁とを有するマルチエアコンにおいて、複数の前記各室外機の前記ガス管を集約してその一端側へ接続され、その他端側は各室内機側へ接続された1本の共通ガス管と、複数の前記各室外機の前記液管を集約してその一端側へ接続され、その他端側は各室内機側へ接続された1本の共通液管とを備え、前記1本の共通ガス管及び1本の共通液管を運転時における前記各室外機と前記各室内機間の冷媒輸送用の配管として共有し、運転を停止する室内機の前記室内膨張弁は閉として前記1本の共通液管から前記運転を停止する室内機への冷媒の流通を阻止し、他の室内機の前記室内膨張弁は各室内負荷に応じて制御する」ものが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特許第3005485号公報(第4−5頁、第10図)
上記のような空気調和装置は、たとえばOA機等の冷却のため通年で冷房負荷が要求されるビル等の建屋に設置され、冬場でも冷房負荷がある一方、夏場の冷房負荷の方が冬場の暖房負荷よりも高くなることが多い。このような空気調和装置においては、負荷の大きい冷房に応じてほぼ同じ構成を持った室外ユニットを複数台接続し、容量選定を行ない、冷房負荷を処理する必要があった。この場合、全室外ユニットで暖房運転を行なうような負荷が発生しないにもかかわらず、全室外機ユニットに四方弁等により流れを切り替える等の暖房運転可能な機能を備えることになり、システム全体として高価になってしまうという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷房負荷と暖房負荷とを同時に処理でき、かつ、冷房の最大負荷の方が暖房の最大負荷よりも大きいような建屋においても安価な空気調和装置を提供することを第1の目的とするものである。また、第1の目的に加え、冷房負荷に応じて、簡易に容量選定できる空気調和装置を提供することを第2の目的とするものである。
本発明に係る空気調和装置は、室内熱交換器及び室内絞り装置が搭載された少なくとも1台以上の室内ユニットと、前記室内ユニットに接続され、第1圧縮機、流路切替手段及び第1室外熱交換器が搭載された第1室外ユニットと、前記室内ユニットと前記第1室外ユニットとの間に接続され、前記室内ユニットの運転状況に応じて前記室内ユニットに冷媒を導通させるコントローラと、前記第1室外ユニットに並列となるように前記第1室外ユニットと前記コントローラとの間に接続され、第2圧縮機、第2室外熱交換器及び絞り装置が搭載された冷房運転用の第2室外ユニットと、を備えたことを特徴とする。
本発明に係る空気調和装置によれば、OA機器類等からの発熱による通年の冷房負荷に対して、夏場や冷房負荷が大きくなる場合でも、安価なシステム、つまり第2室外ユニットの追加により冷房能力を増加し、冷房負荷を処理できるようになる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置100の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図1に基づいて、空気調和装置100の冷媒回路構成について説明する。この空気調和装置100は、ビルやマンション等の建屋に設置され、冷媒を循環させる冷凍サイクル(ヒートポンプサイクル)を利用することで冷房負荷及び暖房負荷を同時に処理できるものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
空気調和装置100は、第1室外ユニット51と、第2室外ユニット54と、分流コントローラ52と、2台の室内ユニット53(室内ユニット53a及び室内ユニット53b)と、で構成されている。第1室外ユニット51と分流コントローラ52とは、冷媒配管である第1低圧管101及び冷媒配管である第1高圧管102で接続されている。つまり、逆止弁5bの出口と第1気液分離器11とが第1高圧管102を介して接続されるとともに、逆止弁5aの入口と第2開閉弁13(第2開閉弁13a及び第2開閉弁13b)とが第1低圧管101及びバイパス管110を介して接続されている。
また、第2室外ユニット54は、第2室外熱交換器32の出口が冷媒配管である第2高圧管106を介して第1高圧管102と接続されるとともに、第2アキュムレータ34の入口が冷媒配管である第2低圧管105及び第2気液分離器36を介して第1低圧管101と接続されている。つまり、第2室外ユニット54は、分流コントローラ52に対して第1室外ユニット51と並列となるように接続され、搭載されているのである。なお、第2気液分離器36の構成及び動作の詳細については、図4で説明するものとする。
さらに、分流コントローラ52と室内ユニット53とは、冷媒配管である液配管103(液配管103a及び液配管103b)及び冷媒配管であるガス配管104(ガス配管104a及びガス配管104b)で接続されている。つまり、第2冷媒熱交換器17の出口と室内絞り装置23(室内絞り装置23a及び室内絞り装置23b)とが液配管103を介して接続されるとともに、第1開閉弁12(第1開閉弁12a及び第1開閉弁12b)及び第2開閉弁13と室内熱交換器22(室内熱交換器22a及び室内熱交換器22b)とがガス配管104を介して接続されている。
[第1室外ユニット51]
第1室外ユニット51は、室内ユニット53に冷房運転又は暖房運転させるための冷媒を供給する機能を有しており、第1圧縮機1と、流路切替手段である四方弁3と、第1室外熱交換器2と、第1アキュムレータ4と、が直列に接続されて構成されている。また、第1室外ユニット51では、第1高圧管102及び第1低圧管101が第1接続配管130及び第2接続配管131で接続されている。さらに、第1室外ユニット51には、冷媒の流通を一方にのみ許容することで冷媒の流れを制御する4つの逆止弁(逆止弁5a、逆止弁5b、逆止弁5c及び逆止弁5d)が設けられている。
逆止弁5aは、第1低圧管101と第1接続配管130との接続部分cと、第1低圧管101と第2接続配管131との接続部分d(接続部分cよりも下流側)と、の間に設けられており、分流コントローラ52から第1室外ユニット51への方向のみに冷媒の流通を許容するようになっている。逆止弁5bは、第1高圧管102と第1接続配管130との接続部分aと、第1高圧管102と第2接続配管131との接続部分b(接続部分aよりも下流側)と、の間に設けられており、第1室外ユニット51から分流コントローラ52への方向のみに冷媒の流通を許容するようになっている。また、逆止弁5c及び逆止弁5dは、第1接続配管130及び第2接続配管131に設けられており、第1低圧管101から第1高圧管102の方向のみに冷媒の流通を許容するようになっている。
第1圧縮機1は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえばインバータにより回転数が制御されるタイプのもので構成するとよい。四方弁3は、冷媒の流れを切り替えるものである。第1室外熱交換器2は、蒸発器や放熱器(凝縮器)として機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。第1アキュムレータ4は、四方弁3と第1圧縮機1との間に配置され、過剰な冷媒を貯留するものである。なお、第1アキュムレータ4は、過剰な冷媒を貯留できる容器であればよい。
[第2室外ユニット54]
第2室外ユニット54は、室内ユニット53に冷房運転のみをさせるための冷媒を供給する機能を有しており、第2圧縮機31と、第2室外熱交換器32と、第2アキュムレータ34と、絞り装置等の開閉装置35と、が直列に接続されて構成されている。つまり、第1室外ユニット51とは異なり、流路切替手段としての四方弁を設けていないのである。したがって、第2室外ユニット54は、冷房運転のみを行なうように冷媒が一方向のみに流通し、第1室外ユニット51での冷房負荷を補填する機能を有している。
第2圧縮機31は、第1圧縮機1と同様に冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものである。第2室外熱交換器32は、第1室外熱交換器2とは異なり、放熱器(凝縮器)としてのみ機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮液化するものである。第2アキュムレータ34は、第2圧縮機31の上流側に配置され、過剰な冷媒を貯留するものである。開閉装置35は、減圧弁や膨張弁として機能し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この開閉装置35は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。なお、第2アキュムレータ34は、過剰な冷媒を貯留できる容器であればよい。
[分流コントローラ52]
分流コントローラ52は、室内ユニット53a及び室内ユニット53bと、第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54と、を接続し、室内ユニット53a及び室内ユニット53bのそれぞれを冷房機とするか暖房機とするかを冷媒の流れを制御して決定する機能を有している。つまり、分流コントローラ52は、室内ユニット53の運転状況に応じて室内ユニット53に冷媒を導通させるコントローラとして機能する。この分流コントローラ52は、第1気液分離器11と、第1開閉弁12と、第2開閉弁13と、第1絞り装置14と、第2絞り装置15と、第1冷媒熱交換器16と、第2冷媒熱交換器17と、で構成されている。
第1気液分離器11は、第1高圧管102を介して第1室外ユニット51と、第1高圧管102及び第2高圧管106を介して第2室外ユニット54と、冷媒配管(以下、接続配管111と称する)を介して第1冷媒熱交換器16と、冷媒配管(以下、接続配管112と称する)を介して第1開閉弁12と、それぞれ接続している。つまり、接続配管112が2つに分岐され、第1気液分離器11と第1開閉弁12a及び第1開閉弁12bとを接続するようになっている。つまり、第1開閉弁12は、分岐された接続配管112のそれぞれに設けられるようになっているのである。
第2開閉弁13は、第1低圧管101と接続し、第1冷媒熱交換器16と第2冷媒熱交換器17とを接続しているバイパス管110に設けられている。つまり、バイパス管110が2つに分岐され、そのそれぞれに第2開閉弁13が設けられている。第1絞り装置14は、第1冷媒熱交換器16と第2冷媒熱交換器17との間における接続配管111に設けられている。第2絞り装置15は、第2冷媒熱交換器17の上流側におけるバイパス管110に設けられている。第1冷媒熱交換器16は、第1気液分離器11と第1絞り装置14との間における接続配管111に設けられている。第2冷媒熱交換器17は、第1絞り装置14と第2絞り装置15との間における接続配管111に設けられている。
第1気液分離器11は、流入した冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する機能を有している。第1開閉弁12及び第2開閉弁13は、どちらか一方が択一的に開閉制御されることにより、接続される室内ユニット53を冷房機とするか暖房機とするかを決定する機能を有している。第1絞り装置14及び第2絞り装置15は、冷媒を減圧して膨張させる機能を有しており、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。
第1冷媒熱交換器16は、第1気液分離器11と第1絞り装置14との間における接続配管111を導通している冷媒と、第2冷媒熱交換器16と第2開閉弁13との間におけるバイパス管110を導通している冷媒と、の間で熱交換を行なうものである。第2冷媒熱交換器17は、第2絞り装置15と室内ユニット53との間における接続配管111を導通している冷媒と、第2絞り装置15と第1冷媒熱交換器16との間におけるバイパス管110を導通している冷媒と、の間で熱交換を行なうものである。
[室内ユニット53]
室内ユニット53は、冷房機又は暖房機としての機能を有しており、室内絞り装置23と、室内熱交換器22と、が直列に接続されて搭載されている。つまり、室内ユニット53aでは室内絞り装置23aと室内熱交換器22aとが、室内ユニット53bでは室内絞り装置23bと室内熱交換器22bとが、直列に接続されている。また、室内ユニット53a及び室内ユニット53bは、ガス配管104及び液配管103を介して分流コントローラ52に並列に接続されている。
室内絞り装置23は、減圧弁や膨張弁として機能し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この室内絞り装置23は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。室内熱交換器22は、放熱器(凝縮器)や蒸発器として機能し、図示省略の送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を凝縮液化又は蒸発ガス化するものである。
また、空気調和装置100には各種検知手段が設置されている。第1室外ユニット51では、第1圧縮機1の吐出側配管に第1圧縮機1から吐出された冷媒の圧力(高圧)を検知するための第1高圧検知センサ201が、第1圧縮機1の吸入側配管に第1圧縮機1に吸入される冷媒の圧力(低圧)を検知するための第1低圧検知センサ202が、それぞれ設置されている。第2室外ユニット54では、第2圧縮機31の吐出側配管に第2圧縮機31から吐出された冷媒の圧力(高圧)を検知するための第2高圧検知センサ206が、第2圧縮機31の吸入側配管に第2圧縮機31に吸入される冷媒の圧力(低圧)を検知するための第2低圧検知センサ207が、それぞれ設置されている。
分流コントローラ52では、第1低圧管101に第1低圧管101の内部を導通している冷媒の圧力(低圧)を検知するための第3低圧検知センサ203が、第1高圧管102に第1高圧管102内を導通している冷媒の圧力(高圧)を検知するための第3高圧検知センサ204が、第1絞り装置14と第2絞り装置15との間にこれらの間における冷媒配管内を導通している冷媒の中間圧を検知する中間圧力検知センサ205が、それぞれ設置されている。また、分流コントローラ52では、第1冷媒熱交換器16の下流側におけるバイパス管110にバイパス管110を導通している冷媒の温度を検知する温度センサ210が設置されている。
室内ユニット53では、室内熱交換器22と第1開閉弁12との間におけるガス配管104にガス配管104を導通している冷媒の温度を検知するための第1室内機温度センサ208(第1室内機温度センサ208a及び第1室内機温度センサ208b)が、室内絞り装置23と室内熱交換器22との間における冷媒配管にこの冷媒配管を導通している冷媒の温度を検知する第2室内機温度センサ209(第2室内機温度センサ209a及び第2室内機温度センサ209b)が、それぞれ設置されている。そして、これらの検知手段で検知された情報は、図2に示す各制御装置に送られるようになっている。
図2は、各検知手段からの情報に基づいてアクチュエータを動作させる仕組みを説明するための説明図である。図3は、制御装置間で送受信される通信の流れを説明するためのタイミングチャートである。図2及び図3に基づいて、各検知手段からの情報で各制御装置(制御装置51A、制御装置54A、制御装置52A及び制御装置53A)がアクチュエータ(第1圧縮機1、第2圧縮機31、開閉装置35、第1絞り装置14、第2絞り装置15、第1開閉弁12、第2開閉弁13及び室内絞り装置23)を動作させる仕組みを、制御装置間での通信に基づいて詳細に説明する。
図2において、制御装置51Aが第1室外ユニット51の制御装置を、制御装置52Aが分流コントローラ52の制御装置を、制御装置53Aが室内ユニット53ごとの制御装置を、制御装置54Aが第2室外ユニット51の制御装置を、それぞれ示している。これらの制御装置は、制御信号線もしくは無線電波等により互いに信号を通信できるようになっている。また、室内ユニット53の制御装置53Aは、リモコン55との間で無線電波等により互いに信号を通信でき、リモコン55を介して各室内ユニット53の発停や温度設定、風量・風向の設定に関してユーザからの情報が伝えられるようになっている。
ユーザからの運転の指示がリモコン55を介して室内ユニット53の制御装置53Aに伝えられると、制御装置53Aは、室内ユニット53のファン(図示省略)の回転数や室内絞り装置23の開度を初期設定するとともに、その情報を制御装置51A及び制御装置52Aに伝える。その後は、第1室内機温度センサ208からの温度情報(TG)及び第2室内機温度センサ209からの温度情報(TL)でサーモ判定を行ない、その判定結果に応じて室内絞り装置23の開度を調整する。
制御装置53Aからの運転指令情報を受信した制御装置51Aは、室外ファン(図示省略)の回転数(AK1)や第1圧縮機1の運転周波数(F1)を初期設定し、その後は第1高圧検知センサ201からの圧力情報(PD1)及び第1低圧検知センサ202からの圧力情報(PS1)や、制御装置52Aから伝達される温度センサ210からの温度情報(TB)、制御装置53Aから伝達される第1室内機温度センサ208からの温度情報(TG)、制御装置53Aから伝達される第2室内機温度センサ209からの温度情報(TL)に応じて室外ファンや第1圧縮機1の駆動を調整する。
また、制御装置51Aは、室内ユニット53の負荷状況に応じて第2室外ユニット54の制御装置54Aに指令(室外ファン(図示省略)の回転数(AK2)や第2圧縮機31の運転周波数(F2)の初期設定)を送信する。制御装置51Aからの指令を受けた制御装置54Aは、開閉装置35を開放するとともに、室外ファン及び第2圧縮機31を駆動させ、その後は第2高圧検知センサ206からの圧力情報(PD2)及び第2低圧検知センサ207からの圧力情報(PS2)に応じて室外ファンや第2圧縮機31の駆動を調整する。なお、図2に示すように、制御装置51Aが室外ファンや第2圧縮機31の駆動を調整してもよい。
また、制御装置53Aからの運転指令情報を受信した制御装置52Aは、リモコン55が操作された室内ユニット53に対応する開閉弁(第1開閉弁12又は第2開閉弁13のいずれか)を開放するとともに、第1絞り装置14(LEV1)及び第2絞り装置15(LEV2)の開度を設定し、その後は第3低圧検知センサ203からの圧力情報(PL)、第3高圧検知センサ204からの圧力情報(PH)及び中間圧力検知センサ205からの圧力情報(PM)や、温度センサ210からの温度情報(TB)に応じて開閉弁、第1絞り装置14及び第2絞り装置15の開度を補正する。なお、室外ファンの回転数であるAK1及びAK2で第1室外熱交換器2及び第2室外熱交換器32の運転容量を表すことができる。
ここで、空気調和装置100の動作について説明する。まず、全室内ユニット53が冷房運転となる場合(以下、全冷房運転と称する)の動作を冷媒の流れに対応させて説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3を経由し、第1室外熱交換器2に流入する。この第1室外熱交換器2では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。第1室外熱交換器2から流出した冷媒は、逆止弁5bを通過し、第1高圧管102に導かれる。第1高圧管102を導通する高圧の液冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11を介して第1冷媒熱交換器16で冷却されて過冷却度を増加し、第1絞り装置14で中間圧の液冷媒となるまで絞られた後、一部が液配管103へ、残りが第2絞り装置15へ分配される。
液配管103を導通する液冷媒は、室内絞り装置23で低圧まで絞られ、室内熱交換器22に流入する。この室内熱交換器22では、流入した液冷媒が周囲の室外空気から熱を奪って蒸発・ガス化する。このとき、室内ユニット53の設置されている場所の冷房対象域の冷房を行なうようになっている。そして、室内熱交換器22から流出した冷媒は、ガス配管104を導通し、第2開閉弁13及びバイパス管110を介して第1低圧管101へ導かれる。
一方、第2絞り装置15に流入した液冷媒は、この第2絞り装置15で低圧まで絞られ、第2冷媒熱交換器17及び第1冷媒熱交換器16で第1気液分離器11から流れてくる液冷媒と熱交換して蒸発・ガス化する。このとき、第1気液分離器11から流れてくる液冷媒に過冷却をつけるようになっている。第1冷媒熱交換器16から流出した冷媒は、室内ユニット53から流出したガス冷媒と合流して第1低圧管101を導通する。そして、第1低圧管101を導通するガス冷媒は、第2気液分離器36、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。
次に、空気調和装置100に要求される冷房負荷が大きい場合の運転について説明する。冷房負荷が大きい場合の動作では、第1圧縮機1から吐出される冷媒の流れについては上述した通りであるので、第2圧縮機31から吐出される冷媒の流れに対応させて説明する。空気調和装置100に要求される冷房負荷が大きい場合には、第1室外ユニット51の第1圧縮機1を駆動するだけでなく、第2室外ユニット54の第2圧縮機31を駆動させて対応するようになっている。
第2圧縮機31が駆動され、高温・高圧にされたガス冷媒は、第2圧縮機31から吐出して、第2室外熱交換器32に流入する。この第2室外熱交換器32では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。また、開閉装置35を開放することで、第2室外熱交換器32から流出した冷媒は、第2高圧管106を介して第1高圧管102に導かれ、第1室外熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒と合流し、分流コントローラ52に流入する。分流コントローラ52に流入した液冷媒は、上述したように室内ユニット53の設置されている場所の冷房対象域の冷房を行なうとともに、室内熱交換器22で蒸発・ガス化してからガス配管104を導通し、第2気液分離器36へ流入する。
第2気液分離器36では、ガス冷媒とガス冷媒中もしくは内壁面を伝って流れる冷凍機油とが分離されるようになっている。そして、ガス冷媒及び冷凍機油が第2気液分離器36から流出し、第1室外ユニット51側と第2室外ユニット54側(第2低圧管105側)とに導かれる。第1室外ユニット51側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1に戻る。一方、第2室外ユニット54側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、第2アキュムレータ34を介して第2圧縮機31へ戻る。
図4は、第2気液分離器36の構造の一例を示す概略構造図である。図4に基づいて、第2気液分離器36の構造例について説明する。図1に示すように、第2気液分離器36は、第1室外ユニット51と分流コントローラ52との間における第1低圧管101に設けられており、第2アキュムレータ34の入口と第2低圧管105を介して接続されている。この第2気液分離器36は、流入した冷媒をガス冷媒とガス冷媒中もしくは内壁面を伝って流れる冷凍機油とに分離する機能を有している。
図4に示すように、第2気液分離器36は、胴体41に、流入管42、流出管43a及び流出管43bが接続されて構成されている。流入管42は、第1低圧管101と接続し、この第1低圧管101から冷媒が流入するようになっている。流出管43aは、第1低圧管101と接続し、第1室外ユニット51に向けて冷媒が流出するようになっている。流出管43bは、第2低圧管105と接続し、第2室外ユニット54に向けて冷媒が流出するようになっている。
流出管43a及び流出管43bは、図4に示すようなU字形状の配管を用いて構成されており、U字形状の頂点となる部分が最下部に、先端部が胴体41内部の上方(胴体41の水平方向の中心線よりも上方であればよい)に位置している。そして、流出管43a及び流出管43bのU字形状の頂点となる部分には、胴体41の下部に溜まった冷凍機油(図示省略)を吸引するための返油孔44a及び返油孔44bが開口形成されている。つまり、第2気液分離器36に流入したガス冷媒中もしくは胴体41の内壁面を伝って下方に流れる冷凍機油を返油孔44a及び返油孔44bを介して第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54に戻すようになっている。
ここで、第2気液分離器36での動作について詳細に説明する。第2気液分離器36に流入し溜まる冷凍機油は、第1圧縮機1及び第2圧縮機31が駆動された際に吐出された冷媒とともに持ち出されたものであり、第1圧縮機1及び第2圧縮機31に戻す必要がある。そこで、第2気液分離器36では、流入管42から胴体41へ流入した冷凍機油を含んだガス冷媒を胴体41内部で一旦分離し、上部にガス冷媒、下部に冷凍機油が溜まるようになっている。
ここで、胴体41内部における流出管43a及び流出管43bの先端部から、胴体41内部に溜まったガス冷媒が流入すると、U字形状の流出管43a及び流出管43b内部での圧力損失により、胴体41内部と流出管43a及び流出管43b内部との間に静圧差が発生することになる。この静圧差の発生を利用することにより、返油孔44a及び返油孔44bから冷凍機油が流出管43a及び流出管43b内部に流入し、ガス冷媒とともに第2気液分離器36から流出する。
また、胴体41内部と流出管43a及び流出管43b内部との間の静圧差は、流出管43a及び流出管43bに流入するガス冷媒の量が多くなるほど大きくなる傾向があるため、ガス冷媒の流量に応じた冷凍機油の量を流出管43a及び流出管43b内部に流入させることができる。なお、第2気液分離器36を図4に示した構造に限定するものではない。たとえば、気液の分配が予め試験等により制御可能な形状であって、かつ、冷媒の流出部を水平にする等の設置方法とするような場合には、図5に示すような2口分配器構造で第2気液分離器36を構成してもよい。
図5は、第2気液分離器36の構造の別の一例を示す概略構造図である。図5に基づいて、第2気液分離器36の別の構造例について説明する。図4では、U字形状の流出管43a及び流出管43bを設けた場合を例に説明したが、図5では、第2気液分離器36を2口分配器とした場合を例に説明する。図5に示すように、第2気液分離器36は、胴体47が2口分配器となっている。つまり、胴体47は、1つの冷媒流入口(以下、流入部45と称する)と、2つの冷媒流出口(以下、流出部46a及び流出部46bと称する)と、が形成された二股構造をしているのである。このような構造とするには、気液の分配が予め試験等により制御可能であって、かつ、冷媒の流出部(流出部46a及び流出部46b)を水平に設置することが要求される。
このような第2気液分離器36での動作について説明する。第2気液分離器36では、流入部45から胴体47に流入した冷凍機油を含んだガス冷媒が胴体41から流出する際に流出部46aと流出部46bとに分配されるようになっており、流出部46aと流出部46bは略平行に設置されている。したがって、冷凍機油は、ガス冷媒とともに2分配されて第2気液分離器36から第1室外ユニット51と第2室外ユニット54とに向けて流出する。なお、ここでは、第2気液分離器36が2口分配器となっている場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、室外ユニットの接続台数に応じて分配数を決定すればよい。
図6は、第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御の流れを示すフローチャートである。図6に基づいて、第1圧縮機1の運転周波数及び第1室外ユニット51の室外ファン(図示省略)の回転数の制御の流れについて説明する。まず、制御装置51Aは、高圧PD(第1高圧検知センサ201からの圧力情報(PD1))及び低圧PS(第1低圧検知センサ202からの圧力情報(PS1))を取得する(ステップS101)。制御装置51Aは、取得した高圧PD及び低圧PSに対して、各々の目標値PDm及びPSmと検知値の残差を演算する(ステップS102)。
制御装置51Aは、その残差に応じて、第1圧縮機1の運転周波数の補正値ΔF、及び、室外ファンの回転数の補正値ΔAKを演算する(ステップS103)。ここで、数値a、b、c及びdは、予め試験で求められた定数であるものとする。次に、制御装置51Aは、その補正値ΔF及びΔAKを現在の制御値F*及びAK*に加え、新しい制御値F及びAKを演算する(ステップS104)。その後、制御装置51Aは、所定の時間が経過したかどうかを判断する(ステップS105)。そして、制御装置51Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS105;YES)、ステップS101に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、第1室外ユニット51の第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数と、第2室外ユニット54の第2圧縮機31の運転周波数及び室外ファンの回転数と、の制御方法について説明する。リモコン55からの運転指令を制御装置53Aを介して受けた制御装置51Aは、まず、外気温度や室温、運転容量に応じて、自身の第1圧縮機1の運転周波数(F1)の初期値と室外ファンの回転数(AK1)の初期値を設定する。その後、制御装置51Aは、図6のフローチャートに従って第1圧縮機1の運転周波数を補正し、補正結果が所定の運転周波数以上になった時点で、第2圧縮機31を運転するように制御装置54Aに指令を出す。
指令を受けた制御装置54Aは、第2圧縮機31の運転指令とともに伝達される運転周波数(F2)及び室外ファンの回転数(AK2)に設定し、第2圧縮機31及び室外ファンを起動する。そして、第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54がともに運転している状態において、図6のフローチャートに従って第1圧縮機1の運転周波数を補正し、補正結果が所定の運転周波数以下になった時点で、第2圧縮機31の運転を停止するように制御装置51Aから制御装置54Aに指令を出す。指令を受けた制御装置54Aは、第2圧縮機31及び室外ファンの運転を停止する。
図7は、圧縮機(第1圧縮機1及び第2圧縮機31の双方)の運転周波数を説明するためのグラフである。図7に基づいて、冷房負荷に応じた圧縮機の運転周波数について詳細に説明する。図7において、横軸が圧縮機の運転周波数の総和を、縦軸が第1圧縮機1と第2圧縮機31とに分けた運転周波数をそれぞれ示している。空気調和装置100は、冷房負荷が小さいと第1室外ユニット51の第1圧縮機1のみを駆動させ、冷房負荷が大きくなってくると、その冷房負荷の大きさに応じて第2室外ユニット54の第2圧縮機31を第1圧縮機1とともに駆動させて対応することができるものである。
図7に示すように、第1圧縮機1の起動時、第1圧縮機1の運転周波数は、ポイントAで周波数F1が設定され、その後、運転周波数がポイントBまで増速すると、第2圧縮機31が起動され、第1圧縮機1が1台で運転していたときの容量と第1圧縮機1及び第2圧縮機31の2台が運転した場合の容量とがほぼ等しくなる周波数設定、つまり周波数B1に設定される。このとき、第2圧縮機31の運転周波数は、周波数B2に設定される。その後、第1圧縮機1の運転周波数が増速する場合には、ポイントD(最大運転周波数)まで増速される。
一方、第1圧縮機1と第2圧縮機31とがともに運転している場合において、運転周波数を下げる場合には、運転周波数がポイントCになるまでは2台で起動し、運転周波数がポイントCになると第1圧縮機1及び第2圧縮機31の2台で運転していたときの容量と第1圧縮機1が1台で運転したときの容量とがほぼ等しくなる周波数設定、つまり第1圧縮機1の運転機周波数がC1に設定されるとともに、第2圧縮機31を停止する。なお、圧縮機の台数が多くなる場合には、第1圧縮機1の運転周波数を減速した後もしくは減速中に、第2圧縮機31を起動し、圧縮機の台数が少なくなる場合には、第2圧縮機31を停止した後もしくは停止動作中に、第1圧縮機1を増速することで、切替中に圧縮機の容量が過多になることを防止できる。
図8は、分流コントローラ52内の各アクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。図8に基づいて、分流コントローラ52の制御装置52Aが行なう分流コントローラ52内の各アクチュエータの制御の流れについて説明する。まず、制御装置52Aは、第1冷媒熱交換器16から流出した冷媒温度Thb(温度センサ210からの温度情報(TB)及び低圧PL(第3低圧検知センサ203からの圧力情報)を取得する(ステップS201)。制御装置52Aは、取得した温度Thbと飽和温度Tsat(PL)との差を求めSHbとする(ステップS202)。
制御装置52Aは、SHbとSHbの目標値SHbmとの残差に応じて、第2絞り装置15の開度LEV15を演算する(ステップS203)。次に、制御装置52Aは、その残差を現在の制御値LEV*に加え、新しい制御値LEV15を演算する(ステップS204)。その後、制御装置52Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS205)。そして、制御装置52Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS205;YES)、ステップS201に戻り、同様の補正演算を実施する。また、運転中、第1絞り装置14については全開としておくものとする。
図9は、室内ユニット53内のアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。図9に基づいて、室内ユニット53の制御装置53Aが行なう室内ユニット53内のアクチュエータ(室内絞り装置23)の制御の流れについて説明する。まず、制御装置53Aは、室内熱交換器22の入口温度TH3(第2室内機温度センサ209からの温度情報(TL))及び室内熱交換器22の出口温度TH2(第1室内機温度センサ208からの温度情報(TG))を取得する(ステップS301)。制御装置53Aは、取得した温度TH2と温度TH3との差を求めSHiとする(ステップS302)。
次に、制御装置53Aは、SHiとSHiの目標値SHimとの残差に応じて、室内絞り装置23の開度LEV23を演算する(ステップS303)。制御装置53Aは、その残差を現在の制御値LEV23*に加え、新しい制御値LEV23を演算する(ステップS304)。その後、制御装置53Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS305)。そして、制御装置53Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS305;YES)、ステップS301に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、冷房運転を行なう室内ユニット53と暖房運転を行なう室内ユニット53とが混在し、かつ、冷房負荷が暖房負荷よりも高い場合(以下、冷房主体運転と称する)の動作について説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3を経由し、第1室外熱交換器2に流入する。この第1室外熱交換器2では、冷房と暖房の負荷に応じて流入したガス冷媒の一部が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。第1室外熱交換器2から流出した気液二相状態の高圧冷媒は、逆止弁5bを通過し、第1高圧管102に導かれる。
第1高圧管102を導通する気液二相状態の高圧冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11に流入し、ガス冷媒と液冷房とに分離される。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。第1気液分離器11で分離されたガス冷媒は、開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内ユニット53aの室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れて分流コントローラ52に戻る。
分流コントローラ52に戻った液冷媒は、第1気液分離器11で分離され、第1冷媒熱交換器16で過冷却が増大され、第1絞り装置14で中間圧まで減圧された液冷媒と合流し、液配管103bを流れ、室内ユニット53bに流入する。室内ユニット53bに流入した液冷媒は、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び開閉弁13bを経由して第1低圧管101に導かれる。
また、第2絞り装置15に流入した液冷媒は、この第2絞り装置15で低圧まで絞られ、第2冷媒熱交換器17及び第1冷媒熱交換器16で第1気液分離器11から流出してくる液冷媒と熱交換してその液冷媒に過冷却をつけるとともに、自身は蒸発・ガス化し、室内ユニット53bから流出したガス冷媒と合流して第1低圧管101へ流れる。第1低圧管101を導通するガス冷媒は、第2気液分離器36、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。
ここで、空気調和装置100に要求される冷房負荷が大きい場合の運転について説明する。冷房負荷が大きい場合の動作では、第1圧縮機1から吐出される冷媒の流れについては上述した通りであるので、第2圧縮機31から吐出される冷媒の流れに対応させて説明する。空気調和装置100に要求される冷房負荷が大きい場合には、第1室外ユニット51の第1圧縮機1を駆動するだけでなく、第2室外ユニット54の第2圧縮機31を駆動させて対応するようになっている。
第2圧縮機31が駆動され、高温・高圧にされたガス冷媒は、第2圧縮機31から吐出して、第2室外熱交換器32に流入する。この第2室外熱交換器32では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。また、開閉装置35を開放することで、第2室外熱交換器32から流出した冷媒は、第2高圧管106を介して第1高圧管102に導かれ、第1室外熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒と合流し、分流コントローラ52に流入する。分流コントローラ52に流入した液冷媒は、上述したように室内ユニット53bの設置されている場所の冷房対象域の冷房を行なうとともに、室内熱交換器22bで蒸発・ガス化してからガス配管104bを導通し、第2気液分離器36へ流入する。
第2気液分離器36では、ガス冷媒とガス冷媒中もしくは内壁面を伝って流れる冷凍機油とが分離されるようになっている。そして、ガス冷媒と冷凍機油とが第2気液分離器36から流出し、第1室外ユニット51側と第2室外ユニット54側(第2低圧管105側)とに導かれる。第1室外ユニット51側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1に戻る。一方、第2室外ユニット54側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、第2アキュムレータ34を介して第2圧縮機31へ戻る。
冷房主体運転時における各アクチュエータの制御について、全冷房運転の場合と相違する点を中心に説明する。相違する点としては、分流コントローラ52の第1絞り装置14及び室内ユニット53aの室内絞り装置23aなので、この2点について図10及び図11を参照しながら説明する。図10は、分流コントローラ52内の第1絞り装置14の制御の流れを示すフローチャートである。図10に基づいて、分流コントローラ52の制御装置52Aが行なう分流コントローラ52内の第1絞り装置14の制御の流れについて説明する。まず、制御装置52Aは、高圧PH(第3高圧検知センサ204からの圧力情報)及び中間圧PM(中間圧力検知センサ205からの圧力情報)を取得する(ステップS401)。
制御装置52Aは、取得した高圧PHと中間圧PMとの残差ΔPHMを演算する(ステップS402)。制御装置52Aは、この残差ΔPHMとその目標値ΔPHMとの差に応じて、第1絞り装置14の開度の補正値ΔLEV14を求める(ステップS403)。次に、制御装置52Aは、現在の第1絞り装置14の値LEV14*にΔLEV14を加え、新しい第1絞り装置14の開度LEV14を設定する(ステップS404)。その後、制御装置52Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS405)。そして、制御装置52Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS405;YES)、ステップS401に戻り、同様の補正演算を実施する。
図11は、暖房運転を行なっている室内ユニット53aのアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。図11に基づいて、室内ユニット53aの制御装置53Aが行なう室内ユニット53a内のアクチュエータ(室内絞り装置23a)の制御の流れについて説明する。まず、制御装置53Aは、室内熱交換器22aの出口温度TH2を取得するとともに、分流コントローラ52の高圧PHの情報を通信により得る(ステップS501)。制御装置53Aは、取得した温度TH2及び通信で得た高圧PHの飽和温度Tsat(PH)との差を求めSCiとする(ステップS502)。
次に、制御装置53Aは、SCiとSCiの目標値SCimとの残差に応じて、室内絞り装置23aの開度LEViを演算する(ステップS503)。制御装置53Aは、その残差を現在の制御値LEVi*に加え、新しい制御値LEViを演算する(ステップS504)。その後、制御装置53Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS505)。そして、制御装置53Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS505;YES)、ステップS501に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、冷房運転を行なう室内ユニット53と暖房運転を行なう室内ユニット53とが混在し、かつ、暖房負荷が冷房負荷よりも高い場合(以下、暖房主体運転と称する)の動作について説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3及び逆止弁5cを経由し、第1高圧管102に導かれる。第1高圧管102を導通する高圧のガス冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11に流入する。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。
第1気液分離器11に流入したガス冷媒は、第1開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れて分流コントローラ52に戻る。分流コントローラ52に戻った液冷媒の一部は、液配管103bを流れ、室内ユニット53bに流入し、残りは第2絞り装置15を介して第1低圧管101へ導かれる。
室内ユニット53bに流入した液冷媒は、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び第2開閉弁13bを経由し、第2絞り装置15で低圧まで絞られた気液二相冷媒と合流して第1低圧管101へ導かれる。第1低圧管101を導通する気液二相冷媒は、第2気液分離器36及び逆止弁5dを介して第1室外熱交換器2へ流入する。第1室外熱交換器2へ流入した気液二相冷媒は、外気から熱を奪って蒸発・ガス化し、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。
暖房主体運転時における各アクチュエータの制御について、全冷房運転の場合あるいは冷房主体運転の場合と相違する点を中心に説明する。相違する点としては、第1室外ユニット51の第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御と、分流コントローラ52の第1絞り装置14及び第2絞り装置15の開度の制御なので、この2点について説明する分流コントローラ52の第1絞り装置14及び室内ユニット53aの室内絞り装置23aなので、この2点について図5及び図12を参照しながら説明する。
まず、第1室外ユニット51の第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御について説明する。第1室外ユニット51の第1圧縮機1の運転周波数と室外ファンの回転数の制御は、上述した図5のフローチャートに従って演算を実施するが、ここでは、所定の周波数に達しても、第2室外ユニット51に対しては運転指令を出さずに、第1室外ユニット51のみで運転を実施し、第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数が最大になった時には、各々の補正値がそれ以上の値となっても、無効とし、第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数が最大の運転を継続するように制御する。
図12は、分流コントローラ52内の第2絞り装置15の制御の流れを示すフローチャートである。図12に基づいて、分流コントローラ52の制御装置52Aが行なう分流コントローラ52内の第2絞り装置15の制御の流れについて説明する。まず、制御装置52Aは、高圧PH及び中間圧PMを取得する(ステップS601)。制御装置52Aは、取得した高圧PHと中間圧PMとの残差ΔPHMを演算する(ステップS602)。制御装置52Aは、この残差ΔPHMとその目標値ΔPHMとの差に応じて、第2絞り装置15の開度の補正値ΔLEV15を求める(ステップS603)。
次に、制御装置52Aは、現在の第2絞り装置15の値LEV15*にΔLEV15を加え、新しい第2絞り装置15の開度LEV15を設定する(ステップS604)。その後、制御装置52Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS605)。そして、制御装置52Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS605;YES)、ステップS601に戻り、同様の補正演算を実施する。また、運転中、第1絞り装置14については全開としておくものとする。
次に、全室内ユニット53が暖房運転となる場合(以下、全暖房運転と称する)の動作を冷媒の流れに対応させて説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3及び逆止弁5cを経由し、第1高圧管102に導かれる。第1高圧管102を導通する高圧のガス冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11に流入する。第1気液分離器11に流入したガス冷媒は、第1開閉弁12(第1開閉弁12a及び第1開閉弁12bの双方)及びガス配管104(ガス配管104a及びガス配管104bの双方)を介して室内熱交換器22に至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23で中間圧の液冷媒となり、液配管103を流れて分流コントローラ52に戻る。
分流コントローラ52に戻った液冷媒は、第2絞り装置15を介して第1低圧管101へ導かれる。第1低圧管101を導通する液冷媒は、第2気液分離器36及び逆止弁5dを介して第1室外熱交換器2へ流入する。第1室外熱交換器2へ流入した液冷媒は、外気から熱を奪って蒸発・ガス化し、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。なお、アクチュエータの制御については、暖房主体運転と同様の制御を行なうようにするとよい。
図13は、第1圧縮機1の運転周波数を説明するためのグラフである。図13に基づいて、冷房負荷に応じた圧縮機の運転周波数について詳細に説明する。図13において、横軸が圧縮機の運転周波数の総和を、縦軸が第1圧縮機1と第2圧縮機31とに分けた運転周波数をそれぞれ示している。図13に示すように、第1圧縮機1の起動時、第1圧縮機1の運転周波数F1が設定され、その後、必要に応じて最大周波数F4まで増速する。すなわち、空気調和装置100は、冷房負荷が小さいとき(暖房主体運転時あるいは全暖房運転時)には第1室外ユニット51の第1圧縮機1のみを駆動させ、第2圧縮機31を駆動させないようにしているのである。
最後に、空気調和装置100の応急運転について説明する。サーバ等のOA機器類の冷却のため通年で冷房負荷が要求されるような場所では、冷房機器が運転不能となった場合には、OA機器類の発熱により、OA機器類が壊れないように冷房運転を継続する手段が必要となる。そこで、空気調和装置100は、第1室外ユニット51又は第2室外ユニット54のうち、第1室外ユニット51が壊れた場合には、第2室外ユニット54が第1室外ユニット51で行なっていた冷房運転を担い、第2室外ユニット54のみで冷房運転を実施し、第2室外ユニット54が壊れた場合には、第1室外ユニット51で冷暖房運転を実施することが可能になっている。
そして、第1室外ユニット51又は第2室外ユニット54のうちいずれかが壊れた場合には、ユーザに異常を知らせるためにリモコン55等に異常を知らせる信号(画像や音声等の異常報知)を出すようするとよい。また、冷房負荷が高い場合には、予め室内ユニット53に優先順位をつけておき、優先順位が高いものから運転可能な容量に合わせて運転するようにする。こうすることにより、OA機器類の発熱を最低限防止することができることになる。以上のような空気調和装置100の構成及び動作により、OA機器類等からの発熱による通年の冷房負荷に対して、夏場や冷房負荷が大きくなる場合でも、安価なシステム、つまり第2室外ユニット54の追加により冷房能力を増加し、冷房負荷を処理できるようになる。
なお、この実施の形態1では、空気調和装置100に2台の室外ユニット(第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54)が搭載されている場合を例に示したが、冷房負荷に応じて第2室外ユニット54の台数や容量を変更してもよい。また、2台の室内ユニット53が並列に接続されている状態を例に示しているが、3台以上の室内ユニット53を並列に接続してもよい。さらに、各制御装置がそれに対応するアクチュエータの制御を行なう場合を例に説明したが、いずれかの制御装置が代表で各アクチュエータの制御を行なうようにしてもよい。
実施の形態2.
図14は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置200の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図14に基づいて、空気調和装置200の冷媒回路構成について説明する。この空気調和装置200は、ビルやマンション等の建屋に設置され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用することで冷房負荷及び暖房負荷を同時に処理できるものである。なお、この実施の形態2では上述した実施の形態1との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態1と同一作用である部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
空気調和装置200は、第1室外ユニット51と、第2室外ユニット54と、2台の切替ユニット56(切替ユニット56a及び切替ユニット56b)と、2台の室内ユニット53(室内ユニット53a及び室内ユニット53b)と、で構成されている。第1室外ユニット51と切替ユニット56(切替ユニット56a及び切替ユニット56b)とは、冷媒配管である高圧ガス配管107、冷媒配管である低圧ガス配管108及び冷媒配管である液管109で接続されている。
つまり、逆止弁5bの出口と第1開閉弁12(第1開閉弁12a及び第1開閉弁12b)とが高圧ガス配管107を介して接続され、逆止弁5aの入口と第2開閉弁13(第2開閉弁13a及び第2開閉弁13b)とが低圧ガス配管108を介して接続され、第1室外熱交換器2と第1冷媒熱交換器16(第1冷媒熱交換器16a及び第1冷媒熱交換器16b)とが液管109を介して接続されている。また、第2室外ユニット54は、第2室外熱交換器32の出口が第2高圧管106を介して液管109と接続されるとともに、第2アキュムレータ34の入口が第2低圧管105及び第2気液分離器36を介して低圧ガス配管108と接続されている。つまり、第2室外ユニット54は、第1室外ユニット51と並列となるように接続され、搭載されているのである。
さらに、切替ユニット56と室内ユニット53とは、液配管103(液配管103a及び液配管103b)及びガス配管104(ガス配管104a及びガス配管104b)で接続されている。つまり、第1冷媒熱交換器16の出口と室内絞り装置23(室内絞り装置23a及び室内絞り装置23b)とが液配管103を介して接続されるとともに、第1開閉弁12及び第2開閉弁13と室内熱交換器22(室内熱交換器22a及び室内熱交換器22b)とがガス配管104を介して接続されている。
[第1室外ユニット51]
第1室外ユニット51は、第1圧縮機1と、四方弁3と、第1室外熱交換器2と、第1アキュムレータ4と、が直列に接続され、流路切替手段である三方弁6が四方弁3と並列となるように接続されて構成されている。また、第1室外ユニット51では、高圧ガス配管107と低圧ガス配管108とが合流して四方弁3及び三方弁6に接続されている。さらに、第1室外ユニット51には、冷媒の流通を一方にのみ許容することで冷媒の流れを制御する逆止弁5aが四方弁3に接続する低圧ガス配管108に、逆止弁5bが四方弁3に接続する高圧ガス配管107に、逆止弁5cが三方弁に接続する低圧ガス配管108に、逆止弁5dが三方弁6に接続する高圧ガス配管107に設けられている。
[切替ユニット56]
切替ユニット56は、室内ユニット53a及び室内ユニット53bと、第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54と、を接続し、室内ユニット53a及び室内ユニット53bのそれぞれを冷房機とするか暖房機とするかを決定する機能を有している。つまり、切替ユニット56は、室内ユニット53の運転状況に応じて室内ユニット53に冷媒を導通させるコントローラとして機能する。この切替ユニット56は、第1冷媒熱交換器16と、第1開閉弁12と、第2開閉弁13と、で構成されている。
第1冷媒熱交換器16は、第2気液分離器36と第1開閉弁12との間を導通する冷媒と、室内絞り装置23と液管109との間を導通する冷媒と、の間で熱交換を行なうようになっている。つまり、第1冷媒熱交換器16は、第2気液分離器36と第1開閉弁12との間における冷媒配管と、室内絞り装置23と液管109との間における液配管103とに設けられているのである。また、第1開閉弁12は、低圧ガス配管108と接続し、第1冷媒熱交換器16と室内熱交換器22との間における冷媒配管に設けられている。さらに、第2開閉弁13は、高圧ガス配管107と接続し、逆止弁5bの出口と室内熱交換器22とを接続している冷媒配管に設けられている。
図15は、各検知手段からの情報に基づいてアクチュエータを動作させる仕組みを説明するための説明図である。図15に基づいて、各検知手段からの情報で各制御装置(制御装置51A、制御装置54A、制御装置53A及び制御装置56A)がアクチュエータ(第1圧縮機1、第2圧縮機31、開閉装置35、第1開閉弁12、第2開閉弁13及び室内絞り装置23)を動作させる仕組みを、制御装置間での通信に基づいて簡単に説明する。制御装置56Aは、切替ユニット56ごとの制御装置を示しており、第1開閉弁12及び第2開閉弁13の開度を制御する機能を有している。
図15に示すように、各制御装置は、制御信号線もしくは無線電波等により互いに信号を通信できるようになっている。以下、実施の形態1との相違点を中心に各制御間での通信について説明する。制御装置53Aからの運転指令情報を受信した制御装置56Aは、リモコン55が操作された室内ユニット53に対応する開閉弁(第1開閉弁12又は第2開閉弁13のいずれか)を開放し、その後は制御装置51Aからの指示に応じて開閉弁の開度を調整する。
ここで、空気調和装置200の動作について説明する。まず、全冷房運転の動作を冷媒の流れに対応させて説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3を経由し、第1室外熱交換器2に流入する。この第1室外熱交換器2では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。第1室外熱交換器2から流出した冷媒は、液管109を導通する。液管109を導通する高圧の液冷媒は、切替ユニット56内の第1冷媒熱交換器16で冷却されて過冷却度を増加し、液配管103へ流れる。
液配管103を導通する液冷媒は、室内絞り装置23で低圧まで絞られ、室内熱交換器22に流入する。この室内熱交換器22では、流入した液冷媒が周囲の室外空気から熱を奪って蒸発・ガス化する。このとき、室内ユニット53の設置されている場所の冷房対象域の冷房を行なうようになっている。そして、室内熱交換器22から流出した冷媒は、ガス配管104を導通し、第2開閉弁13を介して第1冷媒熱交換器16に流入し、高圧の液冷媒と熱交換し、過熱度を大きく取った上で、低圧ガス配管108へ導かれる。低圧ガス配管108を導通するガス冷媒は、第2気液分離器36、逆止弁5a、四方弁3、三方弁6及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。
次に、空気調和装置200に要求される冷房負荷が大きい場合の運転について説明する。冷房負荷が大きい場合の動作では、第1圧縮機1から吐出される冷媒の流れについては上述した通りであるので、第2圧縮機31から吐出される冷媒の流れに対応させて説明する。空気調和装置100に要求される冷房負荷が大きい場合には、第1室外ユニット51の第1圧縮機1を駆動するだけでなく、第2室外ユニット54の第2圧縮機31を駆動させて対応するようになっている。
第2圧縮機31が駆動され、高温・高圧にされたガス冷媒は、第2圧縮機31から吐出して、第2室外熱交換器32に流入する。この第2室外熱交換器32では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。また、開閉装置35を開放することで、第2室外熱交換器32から流出した冷媒は、第2高圧管106を介して液管109に導かれ、第1室外熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒と合流し、切替ユニット56に流入する。切替ユニット56に流入した高圧の液冷媒は、切替ユニット56内の第1冷媒熱交換器16で冷却されて過冷却度を増加し、液配管103へ流れる。
液配管103を導通する液冷媒は、室内絞り装置23で低圧まで絞られ、室内熱交換器22に流入する。この室内熱交換器22では、流入した液冷媒が周囲の室外空気から熱を奪って蒸発・ガス化する。このとき、室内ユニット53の設置されている場所の冷房対象域の冷房を行なうようになっている。そして、室内熱交換器22から流出した冷媒は、ガス配管104を導通し、第2開閉弁13を介して第1冷媒熱交換器16に流入し、高圧の液冷媒と熱交換し、過熱度を大きく取った上で、低圧ガス配管108へ導かれ、第2気液分離器36に流入する。
第2気液分離器36では、ガス冷媒とガス冷媒中もしくは内壁面を伝って流れる冷凍機油とが分離されるようになっている。そして、ガス冷媒及び冷凍機油が第2気液分離器36から流出し、第1室外ユニット51側と第2室外ユニット54側(第2低圧管105側)とに導かれる。第1室外ユニット51側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、逆止弁5a、四方弁3、三方弁6及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1に戻る。一方、第2室外ユニット54側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、第2アキュムレータ34を介して第2圧縮機31へ戻る。
図16は、第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御の流れを示すフローチャートである。図16に基づいて、第1圧縮機1の運転周波数及び第1室外ユニット51の室外ファン(図示省略)の回転数の制御の流れについて説明する。まず、制御装置51Aは、高圧PD及び低圧PSを取得する(ステップS701)。制御装置51Aは、取得した高圧PD及び低圧PSに対して、各々の目標値PDm及びPSmと検知値の残差を演算する(ステップS702)。
制御装置51Aは、その残差に応じて、第1圧縮機1の運転周波数の補正値ΔF、及び、室外ファンの回転数の補正値ΔAKを演算する(ステップS703)。ここで、数値a、b、c及びdは、予め試験で求められた定数であるものとする。次に、制御装置51Aは、その補正値ΔF及びΔAKを現在の制御値F*及びAK*に加え、新しい制御値F及びAKを演算する(ステップS704)。その後、制御装置51Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS705)。そして、制御装置51Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS705;YES)、ステップS701に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、第1室外ユニット51の第1圧縮機1の運転周波数及び室外ファンの回転数と、第2室外ユニット54の第2圧縮機31の運転周波数及び室外ファンの回転数と、の制御方法について説明する。リモコン55からの運転指令を制御装置53Aを介して受けた制御装置51Aは、まず、外気温度や室温、運転容量に応じて、自身の第1圧縮機1の運転周波数(F1)の初期値と室外ファンの回転数(AK1)の初期値を設定する。その後、制御装置51Aは、図16のフローチャートに従って第1圧縮機1の運転周波数を補正し、補正結果が所定の運転周波数以上になった時点で、第2圧縮機31を運転するように制御装置54Aに指令を出す。
指令を受けた制御装置54Aは、第2圧縮機31の運転指令とともに伝達される運転周波数(F2)及び室外ファンの回転数(AK2)に設定し、第2圧縮機31及び室外ファンを起動する。そして、第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54がともに運転している状態において、実施の形態1で説明した図5のフローチャートに従って第1圧縮機1の運転周波数を補正し、補正結果が所定の運転周波数以下になった時点で、第2圧縮機31の運転を停止するように制御装置51Aから制御装置54Aに指令を出す。指令を受けた制御装置54Aは、第2圧縮機31及び室外ファンの運転を停止する。
図17は、圧縮機(第1圧縮機1及び第2圧縮機31の双方)の運転周波数を説明するためのグラフである。図17に基づいて、冷房負荷に応じた圧縮機の運転周波数について詳細に説明する。図17において、横軸が圧縮機の運転周波数の総和を、縦軸が第1圧縮機1と第2圧縮機31とに分けた運転周波数をそれぞれ示している。空気調和装置200は、冷房負荷が小さいと第1室外ユニット51の第1圧縮機1のみを駆動させ、冷房負荷が大きくなってくると、その冷房負荷の大きさに応じて第2室外ユニット54の第2圧縮機31を第1圧縮機1とともに駆動させて対応することができるものである。なお、第2圧縮機31は、所定の電源周波数で駆動する一定速圧縮機であるものとする。
図17に示すように、第1圧縮機1の起動時、第1圧縮機1の運転周波数は、ポイントAで周波数F1が設定され、その後、運転周波数がポイントBまで増速すると、第2圧縮機31が起動され、第1圧縮機1が1台で運転していたときの容量と第1圧縮機1及び第2圧縮機31の2台が運転した場合の容量とがほぼ等しくなる周波数設定、つまり周波数B1に設定される。その後、第1圧縮機1の運転周波数が増速する場合には、ポイントD(最大運転周波数)まで増速される。
一方、第1圧縮機1と第2圧縮機31とがともに運転している場合において、運転周波数を下げる場合には、第1圧縮機1の運転周波数がポイントCになるまでは2台で起動し、運転周波数がポイントCになると第1圧縮機1及び第2圧縮機31の2台で運転していたときの容量と第1圧縮機1が1台で運転したときの容量とがほぼ等しくなる周波数設定、つまり第1圧縮機1の運転機周波数がC1に設定されるとともに、第2圧縮機31を停止する。なお、圧縮機の台数が多くなる場合には、第1圧縮機1の運転周波数を減速した後もしくは減速中に、第2圧縮機31を起動し、圧縮機の台数が少なくなる場合には、第2圧縮機31を停止した後に、第1圧縮機1を増速することで、切替中に圧縮機の容量が過多になることを防止できる。
図18は、室内ユニット53内のアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。図18に基づいて、室内ユニット53の制御装置53Aが行なう室内ユニット53内のアクチュエータ(室内絞り装置23)の制御の流れについて説明する。まず、制御装置53Aは、室内熱交換器22の入口温度TH3及び出口温度TH2を取得する(ステップS801)。制御装置53Aは、取得した温度TH2と温度TH3との差を求めSHiとする(ステップS802)。
次に、制御装置53Aは、SHiとSHiの目標値SHimとの残差に応じて、室内絞り装置23の開度LEV23を演算する(ステップS803)。制御装置53Aは、その残差を現在の制御値LEV23*に加え、新しい制御値LEV23を演算する(ステップS804)。その後、制御装置53Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS805)。そして、制御装置53Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS805;YES)、ステップS801に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、冷房主体運転の動作について説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、一部が三方弁6及び逆止弁5dを経由して高圧ガス配管107に導かれ、残りが四方弁3を経由し、第1室外熱交換器2に流入する。この第1室外熱交換器2では、冷房と暖房の負荷に応じて流入したガス冷媒の一部が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。第1室外熱交換器2から流出した高圧の液冷媒は、液管109に流れる。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。
高圧ガス配管107を導通する高温・高圧のガス冷媒は、第1開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内ユニット53aの室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れて液管109に戻る。液管109に戻った液冷媒は、第1室外ユニット51から流出した液冷媒と合流し、切替ユニット56b内の第1冷媒熱交換器16で冷却されて過冷却度を増加し、液配管103bを流れる。
液配管103bを導通する液冷媒は、室内ユニット53bに流入し、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び第2開閉弁13bを経由して第1冷媒熱交換器16に流入し、高圧の液冷媒と熱交換し、過熱度を大きく取った上で、低圧ガス配管108へ流れる。低圧ガス配管108を導通するガス冷媒は、第2気液分離器36、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。
ここで、空気調和装置200に要求される冷房負荷が大きい場合の運転について説明する。冷房負荷が大きい場合の動作では、第1圧縮機1から吐出される冷媒の流れについては上述した通りであるので、第2圧縮機31から吐出される冷媒の流れに対応させて説明する。空気調和装置200に要求される冷房負荷が大きい場合には、第1室外ユニット51の第1圧縮機1を駆動するだけでなく、第2室外ユニット54の第2圧縮機31を駆動させて対応するようになっている。
第2圧縮機31が駆動され、高温・高圧にされたガス冷媒は、第2圧縮機31から吐出して、第2室外熱交換器32に流入する。この第2室外熱交換器32では、流入したガス冷媒が室外空気と熱交換して凝縮・液化する。また、開閉装置35を開放することで、第2室外熱交換器32から流出した冷媒は、第2高圧管106を介して液管109に導かれ、第1室外熱交換器2で凝縮・液化した液冷媒と合流する。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。
高圧ガス配管107を導通する高温・高圧のガス冷媒は、第1開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内ユニット53aの室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れて液管109に戻る。液管109に戻った液冷媒は、第1室外ユニット51から流出した液冷媒と合流し、切替ユニット56b内の第1冷媒熱交換器16で冷却されて過冷却度を増加し、液配管103bを流れる。
液配管103bを導通する液冷媒は、室内ユニット53bに流入し、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び第2開閉弁13bを経由して第1冷媒熱交換器16に流入し、高圧の液冷媒と熱交換し、過熱度を大きく取った上で、低圧ガス配管108へ流れる。それから、低圧ガス配管108を導通するガス冷媒は、第2気液分離器36へ流入する。
第2気液分離器36では、ガス冷媒とガス冷媒中もしくは壁面を伝って流れる冷凍機油とが分離されるようになっている。そして、ガス冷媒と冷凍機油とが第2気液分離器36から流出し、第1室外ユニット51側と第2室外ユニット54側(第2低圧管105側)とに導かれる。第1室外ユニット51側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、逆止弁5a、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1に戻る。一方、第2室外ユニット54側へ流れた冷凍機油を含むガス冷媒は、第2アキュムレータ34を介して第2圧縮機31へ戻る。
冷房主体運転時における各アクチュエータの制御について、全冷房運転の場合と相違する点、つまり暖房運転を行なう室内ユニット53a内のアクチュエータの制御を中心に説明する。図19は、暖房運転を行なっている室内ユニット53aのアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。図19に基づいて、室内ユニット53aの制御装置53Aが行なう室内ユニット53a内のアクチュエータ(室内絞り装置23a)の制御の流れについて説明する。まず、制御装置53Aは、室内熱交換器22aの出口温度TH2を取得するとともに、切替ユニット56aの高圧PHの情報を通信により得る(ステップS901)。
制御装置53Aは、取得した温度TH2及び通信で得た高圧PHの飽和温度Tsat(PH)との差を求めSCiとする(ステップS902)。次に、制御装置53Aは、SCiとSCiの目標値SCimとの残差に応じて、室内絞り装置23aの開度LEViを演算する(ステップS903)。制御装置53Aは、その残差を現在の制御値LEVi*に加え、新しい制御値LEViを演算する(ステップS904)。その後、制御装置53Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS905)。そして、制御装置53Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS905;YES)、ステップS901に戻り、同様の補正演算を実施する。
次に、暖房主体運転の動作について説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、四方弁3及び逆止弁5bを経由し、高圧ガス配管107に導かれる。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。高圧ガス配管107を導通する高圧のガス冷媒は、第1開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れ、その一部が液管109を介して液配管103bを導通し、室内ユニット53bに流入し、残りが液管109を介して第1室外ユニット51へ流入する。
室内ユニット53b側に流れた液冷媒は、まず、切替ユニット56内の第1冷媒熱交換器16bで冷却されて過冷却度を増加し、液配管103bを導通する。液配管103bを導通する液冷媒は、室内ユニット53bに流入し、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び第2開閉弁13bを経由し、第1冷媒熱交換器16bに流入し、高圧の液冷媒と熱交換し、過熱度を大きく取った上で、低圧ガス配管108へ導かれる。
液管109を導通する液冷媒は、第1室外ユニット51の第1室外熱交換器2へ流入し、外気から熱を奪って蒸発・ガス化してガス冷媒となり、四方弁3及び第1アキュムレータ4を経由して第1圧縮機1へ戻る。一方、低圧ガス配管108を導通するガス冷媒は、第1室外ユニット51に流入し、第1室外ユニット51内の三方弁6を経由してから四方弁3を経由し、そこから流出してくるガス冷媒と合流し、第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1に戻る。
次に、全暖房運転の動作を冷媒の流れに対応させて説明する。第1圧縮機1で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機1から吐出して、一部が四方弁3及び逆止弁5bを経由し、残りが三方弁6及び逆止弁5dを経由し、高圧ガス配管107に導かれ合流する。高圧ガス配管107を導通する高圧のガス冷媒は、切替ユニット56(切替ユニット56a及び切替ユニット56bの双方)に流入する。切替ユニット56に流入したガス冷媒は、第1開閉弁12(第1開閉弁12a及び第1開閉弁12bの双方)及びガス配管104(ガス配管104a及びガス配管104bの双方)を介して室内ユニット53に流入する。
室内ユニット53に流入したガス冷媒は、室内熱交換器22に至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23で中間圧の液冷媒となり、液配管103を流れて液管109に流入する。液管109を導通する液冷媒は、第1室外ユニット51の第1室外熱交換器2に流入する。第1室外熱交換器2へ流入した液冷媒は、外気から熱を奪って蒸発・ガス化し、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機1へ戻る。なお、アクチュエータの制御については、暖房主体運転と同様の制御を行なうようにするとよい。
図20は、第1圧縮機1の運転周波数を説明するためのグラフである。図20に基づいて、冷房負荷に応じた圧縮機の運転周波数について詳細に説明する。図20において、横軸が圧縮機の運転周波数の総和を、縦軸が第1圧縮機1と第2圧縮機31とに分けた運転周波数をそれぞれ示している。図20に示すように、第1圧縮機1の起動時、第1圧縮機1の運転周波数F1が設定され、その後、必要に応じて最大周波数F4まで増速する。すなわち、空気調和装置200は、冷房負荷が小さいとき(暖房主体運転時あるいは全暖房運転時)には第1室外ユニット51の第1圧縮機1のみを駆動させ、第2圧縮機31を駆動させないようにしているのである。
以上のような空気調和装置200の構成及び動作により、主となる高圧ガス配管107、低圧ガス配管108及び液管109から、室内ユニット53の設置位置に合わせて各室内ユニット53への分岐が可能となる。つまり、空気調和装置200は、室内ユニット53の設置スペースの限られる天井裏等のようなスペースでも、2つの開閉弁(第1開閉弁12及び第2開閉弁13)及び第1冷媒熱交換器16のみが設けられている切替ユニット56を搭載することによって、狭いスペースにも設置でき、施工も容易となる。また、OA機器類等からの発熱による通年の冷房負荷に対して、夏場や冷房負荷が大きくなる場合でも、安価なシステム、つまり第2室外ユニット54の追加により冷房能力を増加し、冷房負荷を処理できるようになる。
さらに、第2室外ユニット54に搭載する第2圧縮機31を電源周波数で運転する一定速圧縮機とすることで、インバータ等の高価な部品を必要としないため、より安価なシステムとすることができる。なお、この実施の形態2では、空気調和装置200に2台の室外ユニット(第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54)が搭載されている場合を例に示したが、冷房負荷に応じて第2室外ユニット54の台数や容量を変更してもよい。また、2台の室内ユニット53が並列に接続されている状態を例に示しているが、3台以上の室内ユニット53を並列に接続してもよい。
実施の形態3.
図21は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置300の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。図21に基づいて、空気調和装置300の冷媒回路構成について説明する。この空気調和装置300は、ビルやマンション等の建屋に設置され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用することで冷房負荷及び暖房負荷を同時に処理できるものである。なお、この実施の形態3では上述した実施の形態1及び実施の形態2との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態1及び実施の形態2と同一作用である部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
空気調和装置300は、第1室外ユニット51内において、室外絞り装置10を設けた点、第1圧縮機21がインジェクションポートを備えたものである点及びインジェクション回路9を設けた点で実施の形態1に係る空気調和装置100と相違するものの、それ以外の構成について基本的に同様である。第1圧縮機21は、その内部で圧縮途中の冷媒に外部(インジェクション回路9)から供給される冷媒をインジェクション(注入)することができる構造となっている。
インジェクション回路9は、第1室外熱交換器2と逆止弁5bとの間における第1高圧管102を分岐し、第1圧縮機21のインジェクションポートに接続することで構成されている。このインジェクション回路9には、上流側からインジェクション絞り装置7と冷媒熱交換器8とが設けられている。室外絞り装置10は、第1室外熱交換器2と冷媒熱交換器8との間に設置され、低圧ガス配管(暖房運転時における第1高圧管102)を導通する冷媒の圧力を制御するものである。
インジェクション絞り装置7は、減圧弁や膨張弁として機能し、冷媒を減圧して膨張させるものである。このインジェクション絞り装置7は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。冷媒熱交換器8は、第1高圧管102を流れる冷媒と、インジェクション回路9を流れる冷媒との間で熱交換を行なうものである。つまり、第1高圧管102を流れる冷媒の一部をインジェクション回路9に流入させることによって、冷媒熱交換器8において、第1高圧管102を流れる冷媒と、インジェクション回路9を流れインジェクション絞り装置7で減圧され低温となった冷媒とで熱交換した上で第1圧縮機21にインジェクションするようになっているのである。
ここで、空気調和装置300の動作について説明する。なお、動作については、実施の形態3に係る空気調和装置300に特徴的な暖房主体運転及び全暖房運転について説明するものとする。まず、暖房主体運転の動作について説明する。この暖房主体運転では、実施の形態1と同様に、以下の運転を実施する。つまり、第1圧縮機21で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機21から吐出して、四方弁3及び逆止弁5cを経由し、第1高圧管102に導かれる。第1高圧管102を導通する高圧のガス冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11に流入する。ここでは、室内ユニット53aが暖房運転を、室内ユニット53bが冷房運転を行なっているものとする。
第1気液分離器11に流入したガス冷媒は、第1開閉弁12a及びガス配管104aを介して室内熱交換器22aに至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23aで中間圧の液冷媒となり、液配管103aを流れて分流コントローラ52に戻る。分流コントローラ52に戻った液冷媒の一部は、液配管103bを流れ、室内ユニット53bに流入し、残りは第2絞り装置15を介して第1低圧管101へ導かれる。
室内ユニット53bに流入した液冷媒は、室内絞り装置23bで低圧まで絞られ、室内熱交換器22bで周囲から熱を奪って冷房するとともに、自身は蒸発・ガス化してガス配管104b及び第2開閉弁13bを経由し、第2絞り装置15で低圧まで絞られた気液二相冷媒と合流して第1低圧管101へ導かれる。第1低圧管101を導通する気液二相冷媒は、第2気液分離器36及び逆止弁5dを介して第1室外熱交換器2へ流入する。第1室外熱交換器2へ流入した気液二相冷媒は、外気から熱を奪って蒸発・ガス化し、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機21へ戻る。
次に、全暖房運転の動作を冷媒の流れに対応させて説明する。第1圧縮機21で高温・高圧にされたガス冷媒は、第1圧縮機21から吐出して、四方弁3及び逆止弁5cを経由し、第1高圧管102に導かれる。第1高圧管102を導通する高圧のガス冷媒は、分流コントローラ52の第1気液分離器11に流入する。第1気液分離器11に流入したガス冷媒は、第1開閉弁12(第1開閉弁12a及び第1開閉弁12bの双方)及びガス配管104(ガス配管104a及びガス配管104bの双方)を介して室内熱交換器22に至り、そこで周囲に熱を放出して暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内絞り装置23で中間圧の液冷媒となり、液配管103を流れて分流コントローラ52に戻る。
分流コントローラ52に戻った液冷媒は、第2絞り装置15を介して第1低圧管101へ導かれる。第1低圧管101を導通する液冷媒は、第2気液分離器36及び逆止弁5dを介して第1室外熱交換器2へ流入する。第1室外熱交換器2へ流入した液冷媒は、外気から熱を奪って蒸発・ガス化し、四方弁3及び第1アキュムレータ4を介して第1圧縮機21へ戻る。なお、アクチュエータの制御については、暖房主体運転と同様の制御を行なうようにするとよい。
図22は、室外絞り装置10の制御の流れを示すフローチャートである。図22に基づいて、外気が特に低い場合における室外絞り装置10の制御の流れについて説明する。外気が特に低い場合には、インジェクション絞り装置7を開放するとともに、室外絞り装置10を絞るように制御する。つまり、空気調和装置300は、外気が特に低い場合には、インジェクション回路9に冷媒を導通させ、第1圧縮機21の圧縮過程に冷媒をインジェクションするようになっているのである。なお、制御装置51Aが室外絞り装置10の制御を行なう場合を例に説明する。
まず、制御装置51Aは、低圧PLを取得する(ステップS1001)。制御装置51Aは、PLとPLの目標値PLmとの残差ΔPLmを演算する(ステップS1002)。次に、制御装置51Aは、残差ΔPLmに応じて室外絞り装置10の開度の補正値ΔLEV10を求める(ステップS1003)。制御装置51Aは、現在の室外絞り装置10の開度の値LEV10*にΔLEV10を加え、室外絞り装置10の新しい開度LEV10を設定する(ステップS1004)。その後、制御装置51Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS1005)。そして、制御装置51Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS1005;YES)、ステップS1001に戻り、同様の補正演算を実施する。
図23は、インジェクション絞り装置7の制御の流れを示すフローチャートである。図23に基づいて、外気が特に低い場合におけるインジェクション絞り装置7の制御の流れについて説明する。なお、制御装置51Aがインジェクション絞り装置10の制御を行なう場合を例に説明する。まず、制御装置51Aは、第1圧縮機21から吐出される冷媒の吐出温度THdを取得するとともに、高圧PDを得る(ステップS1101)。制御装置51Aは、THdとPDの飽和温度Tsat(PD)の差を求めSHdとする(ステップS1102)。
制御装置51Aは、SHdとSHdの目標値SHdmとの残差に応じて、インジェクション絞り装置7の開度LEV7を演算する(ステップS1103)。次に、制御装置51Aは、その残差を現在の制御値LEV7*に加え、新しい制御値LEV7を演算する(ステップS1104)。その後、制御装置51Aは、所定の時間が経過したかを判断する(ステップS1105)。そして、制御装置51Aが所定の時間が経過したと判断すると(ステップS1105;YES)、ステップS1101に戻り、同様の補正演算を実施する。
一般のヒートポンプ暖房では、低外気時において、外気温度の低下とともに、蒸発温度が低下し、圧縮機に吸入される冷媒の密度が低下することで、圧縮機から吐出される冷媒の流量が減少し、暖房能力が低下する。しかしながら、実施の形態3に係る空気調和装置300では、以上の制御により、冷房運転を行なう室内ユニット53bで蒸発する冷媒の温度を適正とする一方で、インジェクションポートから冷媒が流入できるような圧力に低圧ガス管(暖房運転時における第1高圧管102)の冷媒圧力を制御することで、低外気時において、第1圧縮機21に吸入される冷媒の密度の減少をインジェクション冷媒により補い、冷媒の循環量が低外気でも減少しないようにすることができる。このため、低外気時でも暖房能力が低下しないシステムとすることができる。
なお、図24に示すように、第1室外ユニット51に搭載の第1圧縮機1を高段側圧縮機1bと低段側圧縮機1aとに分割し、低段側圧縮機1aの吐出側と高段側圧縮機1bの吸入側との間にインジェクション回路9を接続し、低外気時での全暖房運転及び暖房主体運転を実施しても空気調和装置300と同様の効果がある。また、高段側圧縮機1b及び低段側圧縮機1aは、インジェクションポート等特異な機能がないため、標準の圧縮機と同一にすることで、部品を標準化でき、コストを抑えることができる。
以上のような空気調和装置300の構成及び動作により、OA機器類等からの発熱による通年の冷房負荷に対して、夏場や冷房負荷が大きくなる場合でも、安価なシステム、つまり第2室外ユニット54の追加により冷房能力を増加し、冷房負荷を処理できるようになる。また、インジェクション回路9を設けることによって、低外気時においても、冷媒の循環量が低外気でも減少しないようにすることができるため、暖房能力を低下させないことが可能になっている。
なお、この実施の形態3では、空気調和装置300に2台の室外ユニット(第1室外ユニット51及び第2室外ユニット54)が搭載されている場合を例に示したが、冷房負荷に応じて第2室外ユニット54の台数や容量を変更してもよい。また、2台の室内ユニット53が並列に接続されている状態を例に示しているが、3台以上の室内ユニット53を並列に接続してもよい。さらに、各制御装置がそれに対応するアクチュエータの制御を行なう場合を例に説明したが、いずれかの制御装置が代表で各アクチュエータの制御を行なうようにしてもよい。
実施の形態1に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 各検知手段からの情報に基づいてアクチュエータを動作させる仕組みを説明するための説明図である。 制御装置間で送受信される通信の流れを説明するためのタイミングチャートである。 第2気液分離器の構造の一例を示す概略構造図である。 第2気液分離器の構造の別の一例を示す概略構造図である。 第1圧縮機の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御の流れを示すフローチャートである。 圧縮機の運転周波数を説明するためのグラフである。 分流コントローラ内の各アクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。 室内ユニット内のアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。 分流コントローラ内の第1絞り装置の制御の流れを示すフローチャートである。 暖房運転を行なっている室内ユニットのアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。 分流コントローラ内の第2絞り装置の制御の流れを示すフローチャートである。 第1圧縮機の運転周波数を説明するためのグラフである。 実施の形態2に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 各検知手段からの情報に基づいてアクチュエータを動作させる仕組みを説明するための説明図である。 第1圧縮機の運転周波数及び室外ファンの回転数の制御の流れを示すフローチャートである。 圧縮機の運転周波数を説明するためのグラフである。 室内ユニット内のアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。 暖房運転を行なっている室内ユニットのアクチュエータの制御の流れを示すフローチャートである。 第1圧縮機の運転周波数を説明するためのグラフである。 実施の形態3に係る空気調和装置の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。 室外絞り装置の制御の流れを示すフローチャートである。 インジェクション絞り装置の制御の流れを示すフローチャートである。 実施の形態3に係る空気調和装置の別の冷媒回路構成を示す冷媒回路図である。
符号の説明
1 圧縮機、1a 低段側圧縮機、1b 高段側圧縮機、2 第1室外熱交換器、3 四方弁、4 第1アキュムレータ、5a 逆止弁、5b 逆止弁、5c 逆止弁、5d 逆止弁、6 三方弁、7 インジェクション絞り装置、8 冷媒熱交換器、9 インジェクション回路、10 室外絞り装置、11 第1気液分離器、12 第1開閉弁、12a 第1開閉弁、12b 第1開閉弁、13 第2開閉弁、13a 第2開閉弁、13b 第2開閉弁、14 第1絞り装置、15 第2絞り装置、16 第1冷媒熱交換器、16a 第1冷媒熱交換器、16b 第1冷媒熱交換器、17 第2冷媒熱交換器、21 第1圧縮機、22 室内熱交換器、22a 室内熱交換器、22b 室内熱交換器、23 室内絞り装置、23a 室内絞り装置、23b 室内絞り装置、31 第2圧縮機、32 第2室外熱交換器、34 第2アキュムレータ、35 開閉装置、36 第2気液分離器、41 胴体、42 流入管、43a 流出管、43b 流出管、44a 返油孔、44b 返油孔、45 流入部、46a 流出部、46b 流出部、47 胴体、51 室外ユニット、51A 制御装置、52 分流コントローラ、52A 制御装置、53 室内ユニット、53A 制御装置、53a 室内ユニット、53b 室内ユニット、54 室外ユニット、54A 制御装置、55 リモコン、56 切替ユニット、56A 制御装置、56a 切替ユニット、56b 切替ユニット、100 空気調和装置、101 第1低圧管、102 第1高圧管、103 液配管、103a 液配管、103b 液配管、104 ガス配管、104a ガス配管、104b ガス配管、105 第2低圧管、106 第2高圧管、107 高圧ガス配管、108 低圧ガス配管、109 液管、110 バイパス管、111 接続配管、112 接続配管、130 第1接続配管、131 第2接続配管、200 空気調和装置、201 高圧検知センサ、202 低圧検知センサ、203 低圧検知センサ、204 高圧検知センサ、205 中間圧力検知センサ、206 高圧検知センサ、207 低圧検知センサ、208 室内機温度センサ、208a 室内機温度センサ、208b 室内機温度センサ、209 室内機温度センサ、209a 室内機温度センサ、209b 室内機温度センサ、210 温度センサ、300 空気調和装置。

Claims (7)

  1. 室内熱交換器及び室内絞り装置が搭載された少なくとも1台以上の室内ユニットと、
    前記室内ユニットに接続され、第1圧縮機、流路切替手段及び第1室外熱交換器が搭載された第1室外ユニットと、
    前記室内ユニットと前記第1室外ユニットとの間に接続され、前記室内ユニットの運転状況に応じて前記室内ユニットに冷媒を導通させるコントローラと、
    前記第1室外ユニットに並列となるように前記第1室外ユニットと前記コントローラとの間に接続され、第2圧縮機、第2室外熱交換器及び絞り装置が搭載された冷房運転用の第2室外ユニットと、を備えた
    ことを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記コントローラは、
    前記室内ユニットの運転状況に応じて冷媒の流れを制御する分流コントローラ、あるいは前記室内ユニットの運転状況に応じて冷媒の流れを切り替える切替ユニットで構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記第2室外ユニットは、
    前記室内ユニットでの冷房負荷に応じて駆動が制御され、前記第1室外ユニットでの冷房運転を補填する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。
  4. 前記第2圧縮機は、
    所定の電源周波数で一定速運転を行なうものである
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の空気調和装置。
  5. 前記第1圧縮機をインジェクションポートを有するものとし、
    前記コントローラと暖房運転時における前記第1室外熱交換器の上流側との間で冷媒配管を分岐させ、前記第1圧縮機のインジェクションポートに接続させるインジェクション回路にインジェクション絞り装置及び冷媒熱交換器を設けるとともに、暖房運転時における前記第1室外熱交換器の上流側と前記冷媒熱交換器との間に室外絞り装置を設けた
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の空気調和装置。
  6. 前記第1圧縮機を高段側圧縮機と低段側圧縮機とで構成し、
    前記高段側圧縮機の吸入側と前記低段側圧縮機の吐出側との間に、前記コントローラと暖房運転時における前記第1室外熱交換器の上流側との間で分岐させた冷媒配管を接続する
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の空気調和装置。
  7. 前記第1室外ユニットの故障時において、
    前記第2室外ユニットは、
    前記第1室外ユニットで行っていた冷房運転を担う
    ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の空気調和装置。
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