JP2013245922A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転に至るまでの時間を短縮させるようにする空気調和装置を得る。
【解決手段】室外機１００と室内機２００とを配管接続して冷媒回路を構成する空気調和装置であって、室外機１００は、周波数可変に駆動し、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２と、冷媒の流路切替を行うための切替装置６と、屋外の空気と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器１と、回転数可変に駆動し、室外熱交換器１に屋外の空気を通過させる室外ファン４と、室外ファン４の回転数を検知する回転数検知手段１２０と、運転を開始するときの回転数が所定回転数以上であると判断すると、室外ファン４の回転方向及び運転モードに基づき、室外ファン４が起動可能な回転数となって室外ファン４を起動させて通常運転の動作を開始するまで、予備動作を行うように制御する室外制御装置１１０とを備えるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷媒と空気との熱交換を行う空冷式熱交換器を有する空気調和装置に関するものである。特に起動時に屋外の風（外風）の影響を受けている場合の動作に関するものである。

例えば、従来の空冷式熱交換器を用いたヒートポンプ式空気調和装置は、冷媒を圧縮もしくは膨張により高温もしくは低温にし、その冷媒と熱交換器における空気との温度差により熱交換を行い、ヒートポンプを形成するものである。そのため、熱交換器における熱交換量は空気温度と冷媒温度との温度差や風量に依存する。そのため、室外機では冷媒回路内の温度や圧力をセンサーなどで検知しながらファン回転数や圧縮機周波数を制御している。また起動時には、外気温度や室内機の運転容量からあらかじめ決めておいた最適となるファン回転数や圧縮機周波数で起動し、冷凍サイクルの安定ポイントに向けて最短となるよう制御を行う（例えば特許文献１、２参照）。

特開２００１−２６８９７２号公報（第１図） 特開２００１−２９２５８９号公報（第１図）

ここで、室外に設置する空冷式室外機のファンにおいては、例えば屋外の風（外風）の影響を受ける場合があり、理想的な状態とならない場合がある。例えば、外風の影響でファンモータに回生電力が発生し、コンデンサの過電圧等により異常停止する場合がある。また、室外ファンが起動できる回転数を超えて逆回転している場合は、室外ファンが起動できない場合がある。そのような場合は、圧縮機やファンを含め、室外機は起動をやめ、ファン回転数が低下するまで待機する場合が一般的である。しかしながら、待機するだけでは通常運転の状態に至るまでに時間がかかってしまう。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、通常運転に至るまでの時間を短縮させるようにする空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和装置は、室外機と室内機とを配管接続して冷媒回路を構成する空気調和装置であって、室外機は、周波数可変に駆動し、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、冷媒の流路切替を行うための切替装置と、屋外の空気と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器と、回転数可変に駆動し、室外熱交換器に屋外の空気を通過させる室外ファンと、室外ファンの回転数を検知する回転数検知手段と、運転を開始するときの回転数検知手段の検知に係る回転数が所定回転数以上であると判断すると、室外ファンの回転方向及び運転モードに基づき、室外ファンが起動可能な回転数となって室外ファンを起動させて通常運転の動作を開始するまで、予備動作を行うように制御する制御装置とを備えるものである。

本発明によれば、運転を行う際、制御装置は、例えば外風の影響を受けて、室外ファンが所定回転数以上で回転しているものと判断すると、室外ファンを起動させずに予備動作を行うようにしたので、例えば外風が収まって室外ファンを起動してから通常運転に至るまでの時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態に１に係る空気調和装置の構成を示す図である。 能力、室外ファンの回転数、外気温度及び室内温度の関係を説明する図である。 実施の形態１に係る外風の影響を受けているときに冷房運転を行う際の動作を説明するための図である。 実施の形態２に係る外風の影響を受けているときに暖房運転を行う際の動作を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態に１に係る空気調和装置の構成を示す図である。本実施の形態の空気調和装置は、室外機１００と複数の室内機２００とを備え、これらが冷媒配管で連結され、主となる冷媒回路（主冷媒回路という）を構成して冷媒を循環させている。ここで、本実施の形態の空気調和装置は３台の室内機２００を備えているが、設置台数を３台に限定するものではない。また、添字で区別等している複数の同種の機器等について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合もある。そして、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。

図１において、室外機１００は、本実施の形態においては、圧縮機２、切替装置６、室外熱交換器１、室外ファン４、アキュームレータ３、室外膨張弁９、二重管７及びバイパス膨張弁８の各装置（手段）を有している。

圧縮機２は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。ここで、圧縮機２は、インバータ装置等を備え、駆動周波数を任意に変化させることにより、圧縮機２の容量（単位時間あたりの冷媒を送り出す量）を細かく変化させることができるものとする。

四方弁等の切替装置６は、室外制御装置１１０からの指示に基づいて、例えば冷房運転時と暖房運転時とによって冷媒の流れを切り換える。また、室外熱交換器１は、冷媒と空気（室外の空気）との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、室外膨張弁（絞り装置）９を介して流入した低圧の冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては凝縮器として機能し、切替装置６側から流入した圧縮機２において圧縮された冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化させる。室外熱交換器１には、冷媒と空気との熱交換を効率よく行うため、送風機となる室外ファン４が設けられている。ファンモータ５は、室外ファン４を駆動させるためのモータである。室外ファン４についても、インバータ装置によりファンモータ５の駆動周波数を任意に変化させてファンの回転速度を細かく変化させることができる。ここで、ファンモータ５による室外ファン４の回転方向を正回転とする。

冷媒間熱交換器となる二重管７は、冷媒回路の主となる流路を流れる冷媒と、その流路から分岐してバイパス膨張弁８により流量調整された冷媒との間で熱交換を行う。特に冷房運転時において冷媒を過冷却する必要がある場合に、冷媒を過冷却して室内機２００に供給するものである。バイパス膨張弁８を介して流れる液体は、バイパス配管を介してアキュームレータ３に戻される。アキュームレータ３は、圧縮機２の吸込み側（低圧側）において、例えば液体の余剰冷媒を溜めておく手段である。

また、本実施の形態の室外機１００は、外気温度センサ１０、高圧用圧力センサ１１及び低圧用圧力センサ１２を有している。外気温度センサ１０は、室外熱交換器１の付近に設けられ、外気温度（屋外の気温）を検出する。また、高圧用圧力センサ１１は、圧縮機２の吐出側（出口側）配管における圧力（ヒートポンプ回路の高圧側の圧力）を検出する。低圧用圧力センサ１２は、アキュームレータ３の入口側配管における圧力（ヒートポンプ回路の低圧側の圧力）を検出する。

室外制御装置１１０は、例えばマイクロコンピュータ等からなる。例えば、冷凍空気調和装置内の各種検出手段（センサ）の検出に係るデータに基づいて、インバータ回路制御による圧縮機２の駆動周波数制御等、各手段を制御して空気調和装置全体の動作制御を行う。また、回転数検知手段１２０は、室外ファン４の回転数を検知する。

一方、室内機２００は、室内熱交換器１３、室内膨張弁２１及び室内ファン１７を有している。室内熱交換器１３は冷媒と空調対象空間の空気との熱交換を行う。例えば、暖房運転時においては凝縮器として機能し、気体の冷媒が流れる配管から流入した冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液化（又は気液二相化）させて流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、室内膨張弁２１により低圧状態にされた冷媒と空気との熱交換を行い、冷媒に空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させて流出させる。また、室内機２００には、熱交換を行う空気の流れを調整するための室内ファン１７が設けられている。特に限定するものではないが、この室内ファン１７の駆動速度（風量）は、例えば利用者の設定により決定される。室内膨張弁２１は、開度を変化させることで、室内熱交換器１３内における冷媒の圧力を調整するために設ける。

次に冷房運転時における空気調和装置の動作について説明する。まず、冷房運転時の主となる回路における基本的な冷媒循環について説明する。ここで、冷房運転時には、室外流量制御装置となる室外膨張弁９は全開にしておくものとする。圧縮機２により加圧されて吐出した高温、高圧ガス（気体）の冷媒は、切替装置６から室外熱交換器１内を通過することで凝縮し、液冷媒となって室外機１００を流出する。このとき、二重管７を通過する冷媒は、バイパス膨張弁８を通過した冷媒との間で熱交換することで過冷却される。冷媒を過冷却して負荷側ユニット２００に供給するものである。バイパス膨張弁８、二重管７を通過した冷媒はアキュームレータ３に流れる。

配管を通って室内機２００に流入した冷媒は、各室内機２００においては、室内膨張弁２１の開度調整により圧力調整された低温低圧の気液二相冷媒が室内熱交換器１３内を通過して蒸発して流出する。そして、配管を通って室外機１００に流入し、切替装置６、アキュームレータ３を介して圧縮機２に吸入され、再度、圧縮機２において加圧され吐出することで循環する。

本発明の室外機１００において、室外熱交換器１の熱交換容量は風量（＝室外ファン４の回転数）により決まってくる。そして、風量は、正回転と、正回転とは逆の回転（逆回転）とで回転数に対して異なる特性を有している。そこで、運転を行う際、例えば外風等により室外ファン４が正回転している場合と逆回転している場合とにおける室外制御装置１１０による制御等の処理について説明する。

本実施の形態においては冷房運転を行う際の動作について説明する。室外制御装置１１０は、ファンモータ５を電力駆動させていないのに、例えば外風により、室外ファン４が所定回転数以上で正回転又は逆回転しているかどうかを判断する。従来は通常動作が可能となるまで待機していたが、本実施の形態では、所定回転数以上で回転しているものと判断すると、通常動作に移行する前の予備動作を行う。

図２は能力、室外ファンの回転数、外気温度及び室内温度の関係を説明する図である。所定回転数以上で正回転していると判断すると、室外制御装置１１０は、例えば回転数検知手段１２０の検知に係る回転数、外気温度、室外機性能の特性等に基づいて室外熱交換器１の凝縮器能力（凝縮器として機能する場合の能力）を計算する（図２（ａ））。次に運転要求のある室内機２００の室内温度、設定風量等に基づいて、発揮させることができる蒸発能力を計算する（図２（ｂ））。さらに、凝縮器能力に対応する蒸発器能力となるように蒸発器能力に制限を掛ける（図２（ｃ））。この制限は、室内機２００の馬力設定（熱交換容量）などの定格能力に係る情報（データ）、室内機２００の運転要求の有無等に基づいて、発揮させることができる蒸発能力以下となるように、運転を行う室内機２００を選択し、運転可否の指令を送る。ここで、室内機２００を選択する判断基準として、例えば、吸い込み温度と設定温度との温度差が大きい室内機２００の優先順位を高くするようにする。さらに、圧縮機２が凝縮器能力に対応した最大周波数制限値（図２（ｄ））を超えないように制御しつつ、選択した室内機２００により冷房運転を行うようにする。

外風等による室外ファン４の回転数が低下し、外風の影響が小さくなり、室外ファン４を電力で駆動できる状態となったものと判断すると、ファンモータ５を電力により駆動させて室外ファン４を回転させ、圧縮機の最大周波数制限や室内機の運転容量制限を解除させ、通常運転に戻すようにする。

図３は実施の形態１に係る外風の影響を受けているときに冷房運転起動を行う際の動作を説明するための図である。一方、室外制御装置１１０は、室外ファン４が所定回転数以上で逆回転していると判断すると、室外膨張弁９を閉止させる。また、バイパス膨張弁８を開にさせる。その後、通常時の駆動周波数よりも低い駆動周波数で圧縮機２の駆動を開始する。この場合、基本的には蒸発器として機能する熱交換器がないために低圧側の圧力が低下する。そして、室外熱交換器と二重管７との間の配管にある冷媒は二重管７、バイパス膨張弁８を通過して、圧縮機２の吸入側配管からアキュームレータ３に流入する。

一方、室内機２００側では、室内ファン１７を少ない回転数で駆動させる。このとき、室内熱交換器１３では、室内ファン１７の駆動によって発生する微風により、空気と室内熱交換器１３内に溜まっている冷媒とが熱交換することで、擬似的に蒸発器として機能する。このため、室内熱交換器１３内に溜まっている冷媒は蒸発し、切替装置６、アキュームレータ３を通って圧縮機２へ吸入される。そして、室外熱交換器１へ送られたガス状の冷媒は外風で回っている室外ファン４によって凝縮され、室外熱交換器１に溜まる。以上の動作を、室外ファン４が外風により所定回転数以上で逆回転している間行う。

そして、室外ファン４の回転数が所定回転数より少なくなったものと判断すると、ファンモータ５の駆動により、室外ファン４を駆動させるようにする。また、圧縮機２を通常の駆動周波数で駆動させる。

以上のように、実施の形態１の空気調和装置においては、冷房運転を行う際、室外制御装置１１０は、例えば外風の影響を受けて、室外ファン４が所定回転数以上で正回転又は逆回転しているかどうかを判断し、所定回転数以上で正回転しているものと判断すると、室外機１００における凝縮器能力等に基づいて、最大周波数制限値を設定し、選択した室内機２００を運転制御する予備動作を行うようにする。また、所定回転数以上で逆回転しているものと判断すると、室外ファン４を起動させずに圧縮機２だけを起動させてアキュームレータ３、室内機熱交換器１３にある冷媒を室外熱交換器１へ移動させる予備動作を行うようにする。このため、起動後の高圧の上昇を早めることができ、例えば外風が収まって室外ファン４を起動してから通常運転に至るまでの時間を短縮することができる。

実施の形態２．
上述の実施の形態においては、冷房運転を行う際、外風の影響により室外ファン４が所定回転数以上で正回転又は逆回転している場合の予備動作について説明した。本実施の形態においては暖房運転での起動を行う際の動作について説明する。

ここで、暖房運転時における空気調和装置の動作について説明する。まず、暖房運転時の主となる冷媒回路における基本的な冷媒循環について説明する。圧縮機２により加圧されて吐出した高温、高圧ガス（気体）の冷媒は、切替装置６を通過して室外機１００から流出する。そして、配管を通って、各室内機２００に流入する。各室内機２００においては、室内膨張弁２１の開度調整により圧力調整され、室内熱交換器１３内を通過することにより凝縮し、中間圧力の液体または気液二相状態の冷媒となって室内機２００を流出する。配管を通って室外機１００に流入した冷媒は、室外膨張弁９の開度調整により圧力調整され、室外熱交換器１内を通過することで蒸発し、ガスの冷媒となって切替装置６、アキュームレータ３を介して圧縮機２に吸入され、前述したように再度加圧され吐出することで循環する。

室外制御装置１１０は、例えば外風により、ファンモータ５を電力で駆動させることなく、室外ファン４が所定回転数以上で正回転又は逆回転しているかどうかを判断する。所定回転数以上で回転しているものと判断すると、通常動作に移行する前の予備動作を行う。

まず、所定回転数以上で正回転していると判断すると、室外制御装置１１０は、例えば回転数検知手段１２０の検知に係る回転数、外気温度、室外機性能の特性等に基づいて室外熱交換器１の蒸発器能力（蒸発器として機能する場合の能力）を計算する。次に運転要求のある室内機２００の室内温度、設定風量等に基づいて、発揮させることができる凝縮能力を計算する。さらに、蒸発器能力に対応する凝縮器能力となるように凝縮器能力に制限を掛ける。この制限は、室内機２００の馬力設定などの定格能力に係る情報（データ）、室内機２００の運転要求の有無等とに基づいて、発揮させることができる凝縮能力以下となるように、運転を行う室内機２００を選択し、運転可否の指令を送る。ここで、室内機２００を選択する判断基準として、例えば、吸い込み温度と設定温度との温度差が大きい室内機２００の優先順位を高くするようにする。さらに、圧縮機２が蒸発器能力に対応した最大周波数制限値を超えないように制御しつつ、選択した室内機２００により暖房運転を行うようにする。

図４は実施の形態２に係る外風の影響を受けているときに暖房運転を行う際の動作を説明するための図である。一方、例えば運転を停止した状態から暖房運転を行う際、室外制御装置１１０は、室外ファン４が所定回転数以上で逆回転していると判断すると、圧縮機２を通常時より低い駆動周波数で起動させる。

また、室内機２００側では、室内膨張弁２１を通常の初期開度より小さく設定し、冷媒の流れを制限すると共に室内ファン１７を少ない回転数で駆動させる。このとき、室内熱交換器１３では、室内ファン１７の駆動によって発生する微風により、空気と冷媒とが熱交換することで凝縮器として機能する。このため、アキュームレータ３に溜まっている液冷媒を室内熱交換器１３へ移動させ、室内熱交換器１３に液状の冷媒をためることができる。これにより、その後、通常動作に移行したときに凝縮器である室内熱交換器１３の性能を制限し、高圧が上昇しやすくなると共にアキュームレータ３に溜まっている液冷媒を回路内に移動することでヒートポンプ回路を循環する冷媒量を確保することができる。このため、例えば、冷媒寝込み等による冷媒不足を解消して起動遅延を防止することができる。

以上のように、実施の形態２の空気調和装置においては、暖房運転を行う際、室外制御装置１１０は、例えば外風の影響を受けて、室外ファン４が所定回転数以上で正回転又は逆回転しているかどうかを判断し、所定回転数以上で正回転しているものと判断すると、室外機１００における蒸発器能力等に基づいて、最大周波数制限値を設定し、選択した室内機２００を運転制御する予備動作を行うようにする。また、室外ファン４が所定回転数以上で逆回転している場合に、圧縮機２のみを起動させて、アキュームレータ３から室内熱交換器１３へ冷媒を移動しておくようにする。このため、通常運転になったときに、アキュームレータ３への冷媒寝込みによる冷媒回路内の冷媒不足を解消することができ、暖房運転時の低圧側の圧力低下を防止することができる。以上のことから、空気調和装置において、冷凍サイクルが安定するまでの時間を短縮することが可能である。

１ 室外熱交換器、２ 圧縮機、３ アキュームレータ、４ 室外ファン、５ ファンモータ、６ 切替装置、７ 二重管、８ バイパス膨張弁、９ 室外膨張弁、１０ 外気温度センサ、１１ 高圧用圧力センサ、１２ 低圧用圧力センサ、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 室内熱交換器、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 室内ファン、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 室内膨張弁、１００ 室外機、１１０ 室外制御装置、１２０ 回転数検知手段、２００ 室内機。

Claims (7)

1. 室外機と室内機とを配管接続して冷媒回路を構成する空気調和装置であって、
   前記室外機は、
   周波数可変に駆動し、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   冷媒の流路切替を行うための切替装置と、
   屋外の空気と冷媒との熱交換を行う室外熱交換器と、
   回転数可変に駆動し、前記室外熱交換器に前記屋外の空気を通過させる室外ファンと、
   該室外ファンの回転数を検知する回転数検知手段と、
   運転を開始するときの前記回転数検知手段の検知に係る回転数が所定回転数以上であると判断すると、前記室外ファンの回転方向及び運転モードに基づき、前記室外ファンが起動可能な回転数となって前記室外ファンを起動させて通常運転の動作を開始するまで、予備動作を行うように制御する制御装置と
   を備えることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記室外機は、
   液状の冷媒の流入出を制御する室外流量制御装置と、
   前記圧縮機の吐出側配管と吸入側配管とを接続するバイパス配管と、
   該バイパス配管の冷媒通過を制御するバイパス流量制御装置と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記運転モードが冷房運転であり、前記室外ファンの回転方向が前記室外ファンの通常回転方向と逆方向である逆回転であると判断すると、前記室外流量制御装置に冷媒を流出させないようにし、前記バイパス流量制御装置に冷媒を前記バイパス配管に通過させるようにして、前記圧縮機を通常運転よりも低い周波数で起動させ、前記室外ファンが起動可能な回転数であると判断すると、前記室外流量制御装置に冷媒を流出させるようにし、前記バイパス流量制御装置に冷媒を通過させないようにして、前記圧縮機を通常運転の周波数で駆動させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記室内機は、
   空調対象空間の空気と冷媒との熱交換を行う室内熱交換器と、
   回転数可変に駆動し、前記室内熱交換器に前記空調対象空間の空気を通過させる室内ファンと、
   前記室内熱交換器を通過する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記室内ファンを通常よりも低い回転数で駆動させて前記室内熱交換器の冷媒を蒸発させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
4. 前記制御装置は、
   前記運転モードが冷房運転であり、前記室外ファンの回転方向が前記室外ファンの通常回転方向である正回転であると判断すると、前記室外熱交換器の凝縮器としての能力に基づいて、前記圧縮機の最大周波数制限値及び運転させる室内機を決定す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. 前記室外機は、
   前記圧縮機の吸入側において液状の冷媒を貯留するアキュームレータをさらに備え、
   前記室内機は、
   空調対象空間の空気と冷媒との熱交換を行う室内熱交換器、回転数可変に駆動し、前記室内熱交換器に前記空調対象空間の空気を通過させる室内ファン及び前記室内熱交換器を通過する冷媒の流量を調整する冷媒流量調整装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記室外ファンの回転方向が前記室外ファンの通常回転方向と逆方向である逆回転であり、前記運転モードが暖房運転であると判断すると、
   前記室内ファンを通常よりも低い回転数で駆動させて前記室内熱交換器の冷媒を凝縮させるように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気調和装置。
6. 前記制御装置は、
   前記運転モードが暖房運転であり、前記室外ファンの回転方向が前記室外ファンの通常回転方向である正回転であると判断すると、前記室外熱交換器の蒸発器としての能力に基づいて、前記圧縮機の最大周波数制限値及び運転させる室内機を決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気調和装置。
7. 前記室内機は、
   前記室内熱交換器に流入する空気の温度を検知する温度検知手段と、
   空調対象空間の温度を設定する温度設定手段と
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記温度検知手段の検知に係る温度と前記温度設定手段の設定に係る温度との差が大きい室内機を優先して動作させることを特徴とする請求項４又は６に記載の空気調和装置。

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