JP2013257087A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への移行を確実に行う。
【解決手段】空気調和機は、圧縮機１、室外側熱交換器２、減圧装置３及び室内側熱交換器４を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された室外側熱交換器とを、接続液配管及び接続ガス配管で接続し、重力を利用して冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な構成としている。また、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、前記接続液配管の温度が前記接続ガス配管の温度よりも低くなるように、前記室外側熱交換器と熱交換を行なう空気の量を増加させて前記接続液配管の温度を低下させると共に、前記減圧装置の減圧量を増加させて、前記接続ガス配管の温度を上昇させるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、強制循環式冷房運転と自然循環式冷房運転を切り換えて運転が可能な空気調和機に関する。

近年のエネルギー枯渇問題、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和機の省エネ性が一層重要視されている。一方、ビルや事務所等においてＯＡ機器などによる負荷は増加の一方であり、外気温度の低い春や秋でも冷房が必要とされるケースが増加している。

このような状況において、空気調和機の省エネ性を向上させるために、特許第４１６７１９６号公報（特許文献１）のものでは、自然循環冷房運転と強制循環冷房運転を組み合わせた空気調和機が提案されている。即ち、この特許文献１には、外気温度が低い場合には、圧縮機を停止させて、重力による冷媒の循環を利用した動力の少ない自然循環冷房運転を行い、外気温度が高く高負荷の場合には、圧縮機を運転する強制循環冷房運転を行う自然循環併用式の空気調和機が記載されている。

特許第４１６７１９６号公報

室外側熱交換器を有する室外機と室内側熱交換器を有する室内機を冷媒配管で接続し、前記室外機と室内機間に冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成するようにした空気調和機において、前記室外側熱交換器が前記室内側熱交換器よりも上部に設置された構成としているものでは、外気温度が室内温度より低い場合に、自然循環方式で冷房（自然循環冷房運転）をすることが可能である。

即ち、前記室外側熱交換器において、外気により凝縮液化させた冷媒を、重力を利用し、冷媒配管（接続液配管）を介して前記室内側熱交換器に導入し、ここで蒸発気化させた気体冷媒（ガス冷媒）を、冷媒配管（接続ガス配管）を介して上昇させて、上部に設置されている前記室外側熱交換器へ再び導入するという自然循環冷房運転を行うことができる。

この自然循環冷房運転においては、圧縮機を停止させるので、圧縮機を駆動するための動力を必要としない。従って、エネルギー消費の少ない冷房運転を行うことができる。しかし、この自然循環冷房運転では、外気温度が室内温度に比べある程度低くないと冷媒の循環量が少なくなり、必要な冷房能力を出せない。

上記特許文献１に記載の空気調和機では、前述したように、外気温度が高い場合には圧縮機駆動による強制循環冷房運転を行い、外気温度が低い場合には自然循環冷房運転を行うように構成されている。そして、この特許文献１のものには、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への切り替えの際に、前記接続液配管内の冷媒が常に過冷却状態となるような切り替え操作を行うことで、切り替え後の自然循環冷房運転が安定的に行なえるようにしている。

上記のような、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への切り替えを行う空気調和機においては、確実に自然循環冷房運転に切り替われるように、強制循環冷房運転中に自然循環冷房運転への移行制御を行う必要がある。即ち、自然循環冷房運転への移行の際には、室外機と室内機を接続する前記接続液配管には確実に液冷媒が流れ、前記接続ガス配管には確実に気体冷媒が流れるように、前記接続液配管及び前記接続ガス配管に流れる冷媒の温度を制御する必要がある。

しかし、上記特許文献１のものには、前記移行の際に、前記接続液配管内の冷媒が過冷却状態にすることの記載はあるものの、前記接続ガス配管についての配慮は為されていない。このため、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への移行を確実に行なえるものとはなっていないという課題がある。

本発明の目的は、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への移行を確実に行なえる空気調和機を得ることにある。

上記目的を達成するため本発明は、圧縮機、室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、減圧装置及び室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された室外側熱交換器とを、接続液配管及び接続ガス配管で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機において、前記強制循環冷房運転から前記自然循環冷房運転へ移行する際に、前記接続液配管の温度が前記接続ガス配管の温度よりも低くなるように、前記室外側熱交換器と熱交換を行なう空気の量を増加させて前記接続液配管の温度を低下させると共に、前記減圧装置の減圧量を増加させて、前記接続ガス配管の温度を上昇させるように制御することを特徴とする。

本発明の他の特徴は、圧縮機、室外側熱交換器、減圧装置及び室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された室外側熱交換器とを、接続液配管及び接続ガス配管で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機において、前記強制循環冷房運転から前記自然循環冷房運転へ移行する際に、前記接続液配管の温度が前記接続ガス配管の温度よりも低くなるように、前記圧縮機の回転数を低下させて前記接続液配管の温度を低下させると共に、前記減圧装置の減圧量を増加させて、前記接続ガス配管の温度を上昇させるように制御することにある。

本発明によれば、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転への移行を確実に行なえる空気調和機を得ることができる効果が得られる。

本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図。 本発明の空気調和機の実施例２を示す冷凍サイクル構成図。

以下、本発明の空気調和機の具体的実施例を図面に基づき説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

図１は本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。この図１において、１はスクロール圧縮機などで構成された圧縮機、２は室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、３は電子膨張弁などで構成された室内膨張弁（減圧装置）、４は室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器で、これらの機器は順次冷媒配管（接続液配管５や接続ガス配管６など）で接続されている。また、前記圧縮機１の吸込側の冷媒配管と吐出側の冷媒配管とは、前記圧縮機１をバイパスするようにバイパス配管７で接続されており、このバイパス配管７には前記室外側熱交換器２側へのみ冷媒流通を可能にする逆止弁８が設けられている。

９は前記室外側熱交換器２へ室外空気を送風する室外ファン、１０は前記室内側熱交換器４へ室内空気を送風する室内ファン、１１は前記室外側熱交換器２の出口側の冷媒配管の温度を検出するための温度センサ（温度検知手段）、１２は前記室内側熱交換器２の出口側の冷媒配管の温度を検出するための温度センサ（温度検知手段）である。

前述した圧縮機１、室外側熱交換器２、バイパス配管７、逆止弁８、室外ファン９及び温度センサ１１などは室外に設置される室外機１００内に設けられており、前述した室内膨張弁３、室内側熱交換器４、室内ファン１０及び温度センサ１２などは室内に設置される室内機２００内に設けられている。前記室外機１００と前記室内機２００とは前記接続液配管５及び前記接続ガス配管６で接続され、また前記室外機１００は前記室内機２００よりも高い位置、例えばビルの屋上などに設置されている。

即ち、本実施例の空気調和機は、前記圧縮機１を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転だけでなく、前記室内側熱交換器４と、これよりも高い位置に設置された前記室外側熱交換器２とを、前記接続液配管５及び前記接続ガス配管６で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転も可能な構成になっており、前記強制循環冷房運転と前記自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機となっている。

前記強制循環冷房運転時には、図１の実線黒塗り矢印のように冷媒は流れる。即ち、圧縮機１から出た冷媒は、上方に設置された室外側熱交換器２に流入し、ここで室外ファン９により送風される空気と熱交換して液化する。その後、この液化した液冷媒は、接続液配管５を流れて室内膨張弁３で減圧され、室内側熱交換器４に入る。ここで、冷媒は、室内ファン１０で送られる空気と熱交換して該空気を冷却すると共に、自らは蒸気を増やし（気化し）、接続ガス配管６を流れて前記圧縮機１に再び吸入されるという冷凍サイクルを繰り返す。

自然循環冷房運転時には、図の実線白抜き矢印のように冷媒が流れる。自然循環冷房運転においては、前記圧縮機１を停止する。このため、前記圧縮機１には冷媒が流れず、前記室内側熱交換器４からのガス冷媒（気体冷媒）は、バイパス配管７及び逆止弁８を通過して前記室外側熱交換器２に流れる。また、前記室内膨張弁３を全開にし、冷媒が流れる流動抵抗を極力少なくする。

この自然循環冷房運転は、室外空気の温度が低く、室内空気の温度が高い場合に、効率の良い運転が可能になる。この自然循環冷房運転を確実に行なうためには、前記接続液配管５に液冷媒が確実に流れ、前記接続ガス配管６にはガス冷媒（気体冷媒）が確実に流れるようにする必要がある。しかし、強制循環冷房運転中は、圧縮機が運転されているため、室外側熱交換器２における凝縮温度が、室内側熱交換器４における蒸発温度より、通常高くなっている。このため、前記接続液配管５の温度が前記接続ガス配管６の温度よりも高くなっている場合がほとんどであり、自然循環冷房運転に移行直後は、前記接続液配管５内で、液冷媒の一部が蒸気化したり、前記接続ガス配管６内ではガス冷媒の一部が液化して、冷媒の自然循環が妨げられ、自然循環冷房運転に移行できない場合がある。

ここで、自然循環冷房運転に移行する前に、前記接続液配管５の温度が前記接続ガス配管６の温度よりも低くなるような温度条件にできれば、前記接続液配管５内で液冷媒の一部が蒸気化したり、前記接続ガス配管６内でガス冷媒の一部が液化するのを防止できるから、自然循環冷房運転にスムーズに移行することが可能になる。

そこで、本実施例では、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、前記温度条件を満たすようにするため、前記室外ファン９の回転数を増加させ、前記室外側熱交換器２での熱交換量を増加させるように制御する。このようにすれば、前記接続液配管５の温度を室外温度近くまで冷却することが可能となる。
また、前記室内膨張弁３の減圧量を増やすことにより、前記室内側熱交換器４から流出するガス冷媒の過熱度を増加させるように制御する。これにより、前記接続ガス配管６の温度を室内温度近くまで加熱することが可能となる。

このようにすることにより、前記接続液配管５の温度を前記接続ガス配管６の温度よりも低くすることが可能となる。図１の空気調和機には、図示していないが、制御装置が備えられており、この制御装置は、前記温度センサ１１，１２で検出された温度信号を取り込んで、前記接続液配管５の温度が前記接続ガス配管６の温度よりも低くなっていることを確認し、その後、前記圧縮機１を停止させて、自然循環冷房運転に移行させる。

このように、前記制御装置により、前記室外ファン９や室内膨張弁３を上述したように制御し、前記接続液配管５の温度が前記接続ガス配管６の温度よりも低くなっていることを確認した後、前記圧縮機１を停止させて、自然循環冷房運転に移行させるように制御することにより、前記接続液配管５内で液冷媒の一部が蒸気化したり、前記接続ガス配管６内でガス冷媒の一部が液化するのを防止することができ、自然循環冷房運転への移行をスムーズ且つ確実に行なうことが可能になる。

なお、上述した例では、室外ファン９の回転数を増加させることで前記接続液配管５の温度を低下させるようにしているが、前記室外ファン９の回転数を増加させる代わりに、前記圧縮機１の回転数を減少させるように制御しても、前記接続液配管５の温度を低下させることは可能である。従って、前記室外ファン９の回転数を増加させることと、前記圧縮機１の回転数を減少させることの少なくとも何れかの制御を行なうことにより、前記接続液配管５の温度を低下させることができる。好ましくは、前記室外ファン９の回転数を増加させることと、前記圧縮機１の回転数を減少させることの両方の制御を行なうようにすれば、前記接続液配管５の温度を低下させる効果をより大きくすることができる。

また、上述した例では、前記接続ガス配管６の温度を上昇させるために、前記室内膨張弁３の減圧量を増加させるようにしているが、前記室内ファン１０の回転数を増加させることも効果がある。従って、好ましくは、前記室内膨張弁３の減圧量を増加させると共に、前記室内ファン１０の回転数も増加させるように制御すると、前記接続ガス配管６の温度を上昇させる効果をより大きくすることができる。
前記圧縮機１の回転数を減少させる制御や前記室内ファン１０の回転数を増加させる制御も前記制御装置により行われる。

以上述べたように、本実施例では、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、室外機１００と室内機２００を接続する接続液配管５の温度が、接続ガス配管６の温度よりも低くなるように制御し、その後前記自然循環冷房運転に移行するように制御する構成としているので、強制循環冷房運転から、効率の高い自然循環冷房運転への移行を確実に行なえる空気調和機を実現することができる。

なお、上記実施例において、前記減圧装置は、前記室内機２００に設けられた室内膨張弁３である場合について説明したが、前記減圧装置は前記室内膨張弁３に限られるものではなく、前記室外側熱交換器２の出口側と前記室内熱交換器４の入口側を接続している冷媒配管に設けられた減圧装置であれば良い。

また、上述した例では、前記室外ファン９の回転数を増加させる、或いは前記圧縮機１の回転数を減少させることで前記接続液配管５の温度を低下させ、また、室内膨張弁３の減圧量を増加させることにより前記接続ガス配管６の温度を上昇させるようにしている。しかし、少なくとも前記室外ファン９の回転数を増加或いは前記圧縮機１の回転数を減少させれば、前記接続液配管５の温度を低下させることができるから、前記接続液配管５の温度が前記接続ガス配管６の温度よりも低くなるような温度条件にすることができれば、自然循環冷房運転への移行は可能である。従って、室内膨張弁３の減圧量を増加させる制御は併せて行うことが好ましいが、この制御を行わなくても、接続液配管５の温度を接続ガス配管６の温度よりも低くできる場合には、自然循環冷房運転への移行が可能な場合もある。

図２は本発明の空気調和機の実施例２を示す冷凍サイクル構成図である。図２において、図１と同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示しており、同一部分についてはその説明を省略する。以下、本実施例２が上記実施例１と異なる点を主に説明する。

上記実施例１のものにおいては、減圧装置が、室内機２００に備えられた室内膨張弁３である場合を例にとり説明したが、本実施例は、室内機２００に備えられた室内膨張弁３の他に、室外機１００にも減圧装置としての室外膨張弁１３を設けるようにしたものである。即ち、本実施例においては、室外機１００内の室外側熱交換器２の出口側の冷媒配管にも室外膨張弁１３を設けるようにしたものである。また、この実施例では、前記室外側熱交換器２の出口側の冷媒配管の温度を検出するための温度センサ１１は、室外機１００内の前記室外膨張弁１３の出口側に設けられている。他の構成は図１に示したものと同様である、
本実施例の空気調和機において、通常の強制循環冷房運転時には、前記室外膨張弁１３は全開状態にされており、その減圧レベルを最小の状態にしておく。この強制循環冷房運転時においては、前記室外膨張弁１３以外の動作については、上記図１で説明したものと同様である。

次に、前記強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際の動作について説明する。この移行の際には、まず圧縮機１の運転は継続したまま、前記室外膨張弁１３の開度を絞って減圧する。これにより、接続液配管５内の冷媒は低圧の二相流となり、その温度を大きく低下させることができるから、前記接続液配管５の温度を十分に低下させることができる。なお、この移行する際の運転においては、前記接続液配管５の圧力を下げて温度を低下させる必要があるので、室内機２００に設けられている前記室内膨張弁３の減圧量は小さくするか、全開にする。前記室外膨張弁１３（及び前記室内膨張弁３）により減圧された冷媒は、室内側熱交換器４で室内空気と熱交換して蒸発するが、前記室外膨張弁１３（及び前記室内膨張弁３）の減圧量を大きくすることで、前記室内側熱交換器４での冷媒の過熱度を大きくすることができるから、前記接続ガス配管６の温度を上昇させることができる。

このように動作させることで、前記室外機１００と前記室内機２００を接続する前記接続液配管５の温度が、前記接続ガス配管６の温度よりも低くなるように制御することができる。従って、その後の自然循環冷房運転への移行を確実に行うことができる。
なお、前記強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際には、上記実施例１と同様に、前記圧縮機１の回転数を低下させたり、前記室外ファン９の回転数を増加させて、前記室外側熱交換器から出る冷媒の過冷却度を大きくし、また前記室外膨張弁１３（及び前記室内膨張弁３）の減圧量を大きくすると共に室外ファン１０の回転数を増加させて、前記室内側熱交換器４から出る冷媒の過熱度を大きくするようにすることが好ましい。

本実施例によれば、室外機１００に設けた室外膨張弁１３により、減圧した二相流の冷媒を前記接続液配管５に流すことができるので、前記接続液配管５の温度を容易に大きく低下させることができ、強制循環冷房運転から、効率の高い自然循環冷房運転への移行を更に確実に行なえる空気調和機を実現することができる。

１：圧縮機、
２：室外側熱交換器、
３，１３：減圧装置（３：室内膨張弁、１３：室外膨張弁）、
４：室内側熱交換器、
５，６：冷媒配管（５：接続液配管、６：接続ガス配管）、
７：バイパス配管、８：逆止弁、
９：室外ファン、１０：室内ファン、
１１，１２：温度センサ（温度検知手段）。

Claims (12)

1. 圧縮機、室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、減圧装置及び室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、
   前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された室外側熱交換器とを、接続液配管及び接続ガス配管で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機において、
   前記強制循環冷房運転から前記自然循環冷房運転へ移行する際に、前記接続液配管の温度が前記接続ガス配管の温度よりも低くなるように、
   前記室外側熱交換器と熱交換を行なう空気の量を増加させて前記接続液配管の温度を低下させると共に、
   前記減圧装置の減圧量を増加させて、前記接続ガス配管の温度を上昇させるように制御する
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機において、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、前記圧縮機の回転数も低下させることを特徴とする空気調和機。
3. 圧縮機、室外側熱交換器、減圧装置及び室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、
   前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された室外側熱交換器とを、接続液配管及び接続ガス配管で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機において、
   前記強制循環冷房運転から前記自然循環冷房運転へ移行する際に、前記接続液配管の温度が前記接続ガス配管の温度よりも低くなるように、
   前記圧縮機の回転数を低下させて前記接続液配管の温度を低下させると共に、
   前記減圧装置の減圧量を増加させて、前記接続ガス配管の温度を上昇させるように制御する
   ことを特徴とする空気調和機。
4. 請求項３に記載の空気調和機において、前記室外側熱交換器に室外空気を送風する室外ファンを備え、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、前記室外ファンを増速させて室外側熱交換器と熱交換を行なう空気の量を増加させることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の空気調和機において、前記室外側熱交換器と前記室内側熱交換器を接続している前記接続液配管の温度と前記接続ガス配管の温度をそれぞれ検知するための温度検知手段を備えていることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項５に記載の空気調和機において、前記室内側熱交換器に室内空気を送風する室内ファンを備え、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際に、前記室内ファンを増速させて室内側熱交換器と熱交換を行なう空気の量を増加させることを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１〜４の何れかに記載の空気調和機において、前記室内側熱交換器は室内機に設けられ、この室内機内の前記室内側熱交換器入口側には減圧装置が設けられていることを特徴とする空気調和機。
8. 請求項７に記載の空気調和機において、前記室外側熱交換器は室外機に設けられ、この室外機内の前記室外側熱交換器出口側にも減圧装置が設けられていることを特徴とする空気調和機。
9. 請求項８に記載の空気調和機において、
   強制循環冷房運転時には、前記室外機内に設けられた前記減圧装置の開度は、全開或いは予め定めた所定開度とし、前記室内機内に設けられた前記減圧装置の開度を制御して減圧することで、冷房運転を実施し、
   強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際には、前記室外機内の前記減圧装置の減圧量を増加させて前記接続液配管内を流れる冷媒を気液二相流として、前記接続液配管の温度を低下させ、その後自然循環冷房運転に移行するようにしたことを特徴とする空気調和機。
10. 請求項９に記載の空気調和機において、強制循環冷房運転から自然循環冷房運転へ移行する際には、前記室内機内の前記減圧装置の減圧量を低下させること特長とする空気調和機。
11. 請求項９に記載の空気調和機において、自然循環冷房運転に移行後は、前記室外機内の前記減圧装置と前記室内機内の前記減圧装置の双方を全開或いは予め定めた所定開度とすることを特徴とする空気調和機。
12. 請求項１〜４の何れかに記載の空気調和機において、前記室外側熱交換器は室外機に設けられ、この室外機内の前記室外側熱交換器出口側には減圧装置が設けられていることを特徴とする空気調和機。

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