JP2014077560A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房運転している室内機の室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制しつつ、安定した冷房運転を行う空気調和器を提供する。
【解決手段】室内熱交入口温度センサ１２で検知した室内熱交換器１０の温度に応じて、室内膨張弁９の開度制御を段階的に変更し、室内熱交換器１０の温度が低下するほど、室内熱交換器１０に流れる冷媒を制限することで、室内熱交換器１０での凝縮水の氷結を抑制しつつ、冷房能力の低下を最小限に抑えることができる。また、室内熱交換器の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が温度閾を高く設定することで、室内膨張弁９の制御が安定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、室外機と室内機とが複数の冷媒配管で接続された空気調和装置に係わり、より詳細には、室内熱交換器で発生した凝縮水の氷結を防ぎつつ安定して冷房運転が行える空気調和機に関するものである。

従来、ヒートポンプを利用した空気調和装置が開発されている。このような空気調和装置は、圧縮機と室外熱交換器と室外膨張弁とを備えた室外機と、室内熱交換器と室内膨張弁とを備えた室内機とが冷媒配管で接続され、室内熱交換器で冷媒と室内の空気とを熱交換することで、室内の温度を使用者が設定した温度にコントロールしている。

上記のような空気調和装置は、周囲の環境や設置状態により空調運転に影響が及ばないように様々な工夫がなされている。例えば、特許文献１に示すものは、室内熱交換器と室内膨張弁を有する複数台の室内機と、圧縮機と室外熱交換器と室外膨張弁とを有する室外機と、室内機ガス配管を高圧ガス配管あるいは低圧ガス配管のいすれかに切換える冷暖切換ユニットとを備えたマルチ型空気調和装置において、室内機の室内膨張弁を制御することで当該室内機で必要な冷媒流量を確保し、他の室内機の運転状態に影響されず安定して冷房運転を行うことを可能としている。

特開２００５−３００００６号公報

特許文献１に記載しているような空気調和装置では、居住区の空調に加えて、サーバールーム等、発熱量が多い機器が設置されている空間を通年において冷房を行う場合がある。このような場合は、機器の保全のために当該機器が設置されている空間を安定して冷房する必要がある。

一方、冷房運転している室内機の室内熱交換器に温度の低い冷媒が多量に流れ、室内熱交換器で生成された凝縮水がフィンの隙間に付着し、この凝縮水が冷却されて、フィンの隙間で氷結する虞がある。フィンの隙間が氷で塞がれるとこれが通風抵抗となり、室内熱交換器で熱交換が十分に行えないという問題がある。

さらに、室内熱交換器全体で凝縮水の氷結が進むと、室内熱交換器で風量が大きく減少して蒸発圧力が大きく低下し、これにより蒸発できなかった冷媒が圧縮機に吸入されるいわゆる液戻りが発生する虞がある。

通常、室内熱交換器で凝縮水の氷結が発生した場合、空気調和装置は融解制御を行って室内熱交換器に付着した氷を溶かすことで、室内熱交換器における風量低下を防いでいる。具体的には、空気調和装置は室内熱交換器に流れる冷媒の温度が０℃以下である状態が所定時間継続すれば凝縮水が氷結したと判断し、室内熱交換器に対応する室内膨張弁を閉じることで室内熱交換器に流れる冷媒を遮断すると共に、室内ファンを継続して運転することで室内熱交換器に付着した氷を溶かす。

しかしながら、寒冷地や冬季の朝晩等、外気温度が非常に低い場合には、冷房運転している室内機の室内熱交換器を流れる冷媒の温度も低くなるため、融解制御を実行してもすぐに当該室内機で凝縮水が氷結する虞がある。従って前述したような通年にわたって冷房運転を行う室内機では、冬季に融解制御が断続的に行われる虞があり、安定して冷房運転が行えないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決し、冷房運転している室内機の室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制しつつ、安定した冷房運転を行う空気調和機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の空気調和装置は、室外機と、室内熱交換器と室内膨張弁と室内熱交換器温度検出手段を備えた室内機と、室内熱交換器温度検出手段から室内熱交換器の温度を取り込むとともに、室内膨張弁の開度制御を行う制御手段を備えた室内機において、制御手段は、冷房運転しているとき、取り込んだ室内熱交換器の温度が予め定められた第１閾温度より高い場合は、室内熱交換器における冷媒過熱度に応じて室内膨張弁の開度制御を行い、室内熱交換器の温度が第１閾温度以下の場合は、室内熱交換器の温度に応じて室内膨張弁の開度制御を行う。

上記のように構成した本発明の空気調和装置によれば、室内機が冷房運転しているときに、室内熱交換器の温度が第１閾値以下であれば、室内膨張弁を室内熱交温度に応じて開度制御することで、室内熱交換器への冷媒流量を制御する。これにより、当該室内熱交換器への冷媒流量を減少させ、その温度が下がることを防ぎ、室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制する。その結果融解制御を実施する頻度が少なくなるので、安定して冷房運転を行うことができる。

本発明の実施例である空気調和装置の冷媒回路図であり、冷房運転を行う場合の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施例における、室内膨張弁制御を定めた氷結セーブ制御テーブルである。 本発明の実施例における、室内膨張弁の制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、１台の室外機と１台の室内機が冷媒配管で接続された空気調和装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１に示すのは、本実施例における空気調和装置１である。空気調和装置１は、圧縮機４、流路切換手段である四方弁５、室外熱交換器６、室外膨張弁７、室外ファン８を有する室外機２と、室内膨張弁９、室内熱交換器１０、室内ファン１１を有する室内機３と、室外機２と室内機３を繋ぐ液接続配管１４とガス接続配管１５とを備え、室外ファン８と室内ファン１１を除く各構成が順次冷媒配管で接続されて冷媒回路が形成されている。

まずは、室外機２の各構成を説明する。圧縮機４は、インバータにより回転数が制御される図示しないモータによって駆動されることで運転容量を可変できる容量可変型圧縮機である。圧縮機４の吐出側、吸入側は、四方弁５に冷媒配管で接続されている。

四方弁５は、冷媒の流れる方向を切換えるための弁であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートを備えている。ポートａは圧縮機４の吐出側と、ポートｂは室外熱交換器６と、ポートｃは圧縮機４の吸入側と、ポートｄはガス接続配管１５の一端と、それぞれ冷媒配管で接続されている。

室外熱交換器６は、冷媒と室外空気との熱交換を行うものであり、一方の冷媒出入り口が四方弁５のポートｂと、他方の冷媒出入り口が室外膨張弁７とそれぞれ冷媒配管で接続される。また、室外膨張弁７は、室外熱交換器６への冷媒流量を調整するものであり、図示しないパルスモータにより駆動され、パルスモータに与えるパルス数によって弁の開度が調整される。室外膨張弁７は、一方のポートが室外熱交換器６に他方のポートは液冷媒配管１４と接続される。

室外ファン８は、室外熱交換器６近傍に配置され、図示しないファンモータによって回転することで、室外機２内に外気を取り込み、室外熱交換器６で冷媒と熱交換させた室外空気を室外機２外に放出する。

また、室外機２には、図示しない通信部や制御部が搭載された室外制御装置２０が備わっており、室内機３と随時運転情報のやり取りを行っている。

上記構成の他に、室外機２には、図示しないが、冷媒の状態や各構成の温度、外気温度を検出するための温度センサや圧力センサ等の各種センサがそれぞれ設けられており、室外制御装置２０は、各センサで検知した結果や室内機３から送られてくる要求能力等の運転情報に応じて、圧縮機４の駆動制御や四方弁５の切換制御、室外膨張弁７の開度制御、室外ファン８の駆動制御等を行う。

次に、室内機３の各構成について説明する。室内熱交換器１０は、冷媒と室内空気との熱交換を行うものであり、一方の冷媒出入り口が室外機２と接続されるガス冷媒配管１５と、他方の冷媒出入り口が室内膨張弁９にそれぞれ冷媒配管で接続される。また、室内膨張弁９は、室内熱交換器１０への冷媒流量を調整するものであり、図示しないパルスモータにより駆動され、パルスモータに与えるパルス数によって弁の開度が調整される。室内膨張弁９は、一方のポートが室内熱交換器１０に他方のポートは液冷媒配管１４と接続される。

室内ファン１１は、室内熱交換器１０の近傍に配置され、図示しないファンモータによって回転することで、室内機３内に室内空気を取り込み、室内熱交換器１０で冷媒と熱交換させた室内空気を室内機３外に放出する。

また、室内機３には、図示しない通信部や制御部が搭載された室内制御装置３０が備わっており、室外機２と随時運転情報のやり取りを行っている。

上記構成の他に、室内機３には、室内熱交換器１０が蒸発器として機能しているときに、冷媒の蒸発温度を検知する室内熱交入口温度センサ１２と、蒸発後のガス冷媒温度を検知する室内熱交出口温度センサ１３を備えている。室内熱交入口温度センサ１２は、室内膨張弁９と室内熱交換器１０との間の冷媒配管に設けられ、室内熱交出口温度センサ１３は、ガス冷媒配管１５と室内熱交換器１０の間に設けられる。室内制御装置３０は、室内熱交入口温度センサ１２や室内熱交出口温度センサ１３が取り込んだ冷媒温度や室外機３から送られてくる高圧飽和温度に基づき、室内膨張弁９の開度制御や室内ファン１１の駆動制御を行う。

図１は、空気調和装置１が冷房運転しているときの冷媒の循環方向を矢印で示している。冷房運転時は室外熱交換器６は凝縮器として機能し、室内熱交換器１０は蒸発器として機能するので、四方弁５はポートａとポートｂが、ポートｃとポートｄがそれぞれ連通するよう切換えられ、圧縮機４から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁５を通過し、室外熱交換器６で室外空気との熱交換により凝縮し液冷媒となる。この液冷媒は全開となっている室外膨張弁７を通過し、室外機２から流出する。

室外機２から流出した液冷媒は、室内機３に流入し所定の弁開度とされた室内膨張弁８で減圧され、室内熱交換器１０で室内空気との熱交換により蒸発してガス冷媒となる。室内膨張弁８の弁開度は、室内熱交入口温度センサ１２と室内熱交出口温度センサ１３で検知した温度の差温、つまり室内熱交換器１０における冷媒過熱度に応じて制御される。室内熱交換器１０から流出したガス冷媒はガス冷媒配管１５を流れて室外機２に戻り、四方弁５を介して圧縮機４に吸入され、再び圧縮される。

次に、図１及び図２を用いて本発明に関わる室内膨張弁９の制御について説明する。

図２は、室内熱交換器１０の温度（以下、室内熱交温度Ｔと記載する）に応じて複数の異なる室内膨張弁９の開度制御を定めた氷結セーブ制御テーブル１００である。この氷結セーブ制御テーブル１００は、予め試験等により求められて室内制御装置３０に記憶されているものであり、室内熱交温度Ｔの低下による、凝縮水の氷結を抑制するための室内膨張弁９の開度制御が定められたものである。なお、氷結セーブ制御テーブル１００は、室外制御装置２０に記憶されてもよい。

具体的には、上記複数の異なる室内膨張弁９の開度制御とは、第１開度制御と、第２開度制御と、第３開度制御とであり、これらが本実施例の氷結セーブ制御である。氷結セーブ制御テーブル１００には、第１閾値、第２閾値、第３閾値と複数の温度閾値が設けられており、室内制御装置３０は、氷結セーブ制御テーブル１００を参照し、取り込んだ室内熱交温度Ｔに対応した各開度制御を実行する。各温度閾値の大小関係は、第１閾値＞第２閾値＞第３閾値としている。また、氷結セーブ制御テーブル１００は、室内熱交換器１０の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が第１閾値、第２閾値、第３閾値を高く設定する。これは、各開度制御の頻繁な切り換わりを防止するために、各開度制御の開始温度と終了温度を異ならせている。

以下に、各制御内容について詳細に説明する。

第１開度制御は、室内熱交温度Ｔが下降しているとき（以下、「下降時」と記載）は室内熱交温度Ｔが５℃超／１０℃以下である場合、および、室内熱交温度Ｔが上昇しているとき（以下、「上昇時」と記載）は室内熱交温度Ｔが７℃以上／１２℃未満である場合に実行される制御であり、室内膨張弁９の開度を、室内膨張弁の開度を室内熱交換器１０が蒸発器として機能する最低限の冷媒流量とする微小開度とするものである。尚、上記「下降時」の１０℃および「上昇時」の１２℃が、本実施例における第１閾値であり、上記「下降時」の５℃および「上昇時」の７℃が、本実施例における第２閾値である。第２閾値は各々第１閾値より低い温度とされている。

通常、室内膨張弁９は、冷媒過熱度が一定（例えば、２ｄｅｇ）になるように制御される。室内熱交温度Ｔが第１閾値以下となって第１開度制御が実行される時に、室内膨張弁９の開度が上記最小開度以上の場合、室内膨張弁９の開度を最小開度まで徐々に絞っていくことで、冷媒流量が徐々に減少する。これにより、室内熱交温度Ｔの低下が緩やかになり、凝縮水が氷結する温度となり難くなるので、氷結を抑制しつつ冷房運転を継続できる。

第２開度制御は、室内熱交温度Ｔの「下降時」は室内熱交温度Ｔが１℃超／５℃以下である場合、および、室内熱交温度Ｔの「上昇時」は室内熱交温度Ｔが５℃以上／７℃未満である場合に、実行される制御であり、室内膨張弁９の開度を、第１開度制御における最小開度とする状態と全閉とする状態（後述する第３開度制御）とを所定の間隔で切換える制御である。尚、上記「下降時」の１℃および「上昇時」の５℃が、本実施例における第３閾値であり、各々第２閾値より低い温度とされている。

第２開度制御を実行することで、第１開度制御実行時と比べて室内熱交換器１０への冷媒流量が更に減少する。これにより、第１開度制御実行時と比べて冷房能力は低下するものの冷房運転を継続させることができ、かつ、室内熱交温度Ｔの低下を更に緩やかにして後述する第３開度制御に移行しないようにすることができる。尚、第２開度制御において、最小開度とする状態と全閉とする状態とを切り換える間隔は、室内熱交温度Ｔの変化を検出できる間隔（例えば、３０秒間）とされる。

第３開度制御は、室内熱交温度Ｔの「下降時」は室内熱交温度Ｔが１℃以下となった場合、および、室内熱交温度Ｔの「上昇時」は室内熱交温度Ｔが５℃未満である場合に、実行される制御であり、室内膨張弁９の開度を、全閉とする制御である。

以上説明したように、室内熱交温度Ｔに応じて第１開度制御、第２開度制御、第３開度制御を実行し、室内膨張弁９の開度を段階的に変化させることによって、室内熱交換器１０に流れる冷媒流量を徐々に減少あるいは増加させることができ、室内熱交換器１０での凝縮水の氷結を防止しつつ、冷房運転を継続することができる。

また、前述したように、室内熱交温度Ｔの「下降時」の各閾値より「上昇時」の各閾値を高く設定している。これにより、第１開度制御、第２開度制御、第３開度制御の各制御が頻繁に切換わることを防止できるので、室内熱交換器１０での凝縮水の氷結を適切に防ぎつつ安定した冷房運転を実現できる。

次に、室内制御装置３０が室内膨張弁９の開度制御を行う場合の具体的な動作について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。

図３に示すフローチャートは、室内機３の室内制御装置３０が氷結セーブ制御テーブル１００を参照して実行する室内膨張弁９の開度制御に関する処理の流れを示すものであり、ＳＴはステップを表しこれに続く数字はステップ番号を表している。尚、図３に示すフローチャートでは、室内熱交温度Ｔが低下して第１閾値（１０℃）以下となる場合、つまり、「下降時」から処理が開始されることとなっている。これは、本発明の解決する課題が、例えばサーバールームのように、通年において冷房を行う必要がある部屋に室内機が設置されている場合に発生する課題であり、このような部屋では、室内熱交換器に冷媒が流れて室内熱交温度Ｔが、第１閾値より高い温度から第１閾値以下の温度に低下すると考えられるためである。また、図３では本発明に関わる処理を中心に説明しており、例えば、使用者の指示した設定温度や風量等の空調運転に関わる一般的な処理の流れや、運転条件に対応した冷媒回路の制御や室外機２の制御については説明を省略する。

室内機３が冷房運転を行っているとき、室内制御装置３０は、室内熱交入口温度センサ１２が検知した室内熱交温度Ｔを取り込む（ＳＴ１）。なお、室内制御装置３０は、室内熱交温度Ｔを定期的（例えば３０秒毎）に取り込んで記憶している。

次に、室内制御装置３０は、取り込んだ現在の室内熱交温度Ｔが１０℃以下であるか否かを判断する（ＳＴ２）。室内熱交温度Ｔが１０℃以下であれば（ＳＴ２−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第１開度制御を実行する（ＳＴ３）。室内熱交温度Ｔが１０℃を超えていれば（ＳＴ２−Ｎｏ）、室内制御装置３０は、通常制御（ＳＴ１４）を行って、ＳＴ１に処理を戻す。

次に室内制御装置３０は、第１開度制御を実行している時に、室内熱交温度Ｔが１２℃以上になったか否かを判断する（ＳＴ４）。室内熱交温度Ｔが１２℃以上であれば（ＳＴ４−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第１開度制御を終了し（ＳＴ１１）、ＳＴ１に処理を戻す。室内熱交温度Ｔが１２℃未満であれば（ＳＴ４−Ｎｏ）、室内制御装置３０は室内熱交温度Ｔが５℃以下であるか否かを判断する（ＳＴ５）。室内熱交温度Ｔが５℃を超えていれば（ＳＴ５−Ｎｏ）、室内制御装置３０は、ＳＴ３に処理を戻す。室内熱交温度Ｔが５℃以下であれば（ＳＴ５−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第２開度制御を実行する（ＳＴ６）。

次に室内制御装置３０は、第２開度制御を実行している時に、室内熱交温度Ｔが７℃以上であるか否かを判断する（ＳＴ７）。室内熱交温度Ｔが７℃以上であれば（ＳＴ７−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第２開度制御を終了し（ＳＴ１２）、ＳＴ３に処理を戻す。室内熱交温度Ｔが７℃未満であれば（ＳＴ７−Ｎｏ）、室内制御装置３０は、室内熱交温度Ｔが１℃以下であるか否かを判断する（ＳＴ８）。室内熱交温度Ｔが１℃を超えている場合は（ＳＴ８−Ｎｏ）、ＳＴ６に処理を戻す。室内熱交温度Ｔが１℃以下である場合は（ＳＴ８−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第３開度制御を実行する（ＳＴ９）。

次に室内制御装置３０は、室内熱交温度Ｔが５℃以上であるか否かを判断する（ＳＴ１０）。室内熱交温度Ｔが５℃以上であれば（ＳＴ１０−Ｙｅｓ）、室内制御装置３０は第３開度制御を終了し（ＳＴ１３）、ＳＴ６に処理を戻す。室内熱交温度Ｔが５℃未満であれば（ＳＴ１０−Ｎｏ）、室内制御装置３０はＳＴ９に処理を戻す。

以上説明した通り、本発明の空気調和機は、室内機が冷房運転しているときに、室内熱交換器の温度が第１閾値以下であれば、室内膨張弁を室内熱交温度に応じて開度制御することで、室内熱交換器への冷媒流量を制御する。これにより、当該室内熱交換器への冷媒流量を減少させ、その温度が下がることを防ぎ、室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制する。その結果融解制御を実施する頻度が少なくなるので、安定して冷房運転を行うことができる。

なお、上述した実施例では、第１開度制御、第２開度制御、第３開度制御を用いたが、これらの制御を全て用いた実施形態でなくても良く、例えば、第１開度制御と第３開度制御、第２開度制御と第３開度制御といった組合せで実施しても良い。また、室内熱交換器の温度上昇時と下降時で制御を異ならせてもよい。例えば、温度下降時は、第１開度制御、第２開度制御、第３開度制御を全て用いるが、温度上昇時は、第１開度制御と第３開度制御だけといった組合せで実施しても良い。

１ 空気調和機
２ 室外機
３ 室内機
４ 圧縮機
５ 四方弁
６ 室外熱交換器
７ 室外膨張弁
８ 室外ファン
９ 室内膨張弁
１０ 室内熱交換器
１１ 室内ファン
１２ 室内熱交入口温度センサ
１３ 室内熱交出口温度センサ
１４ 液冷媒配管
１５ ガス冷媒配管
２０ 室外制御装置
３０ 室内制御装置
１００ 氷結セーブ制御テーブル

Claims (3)

1. 室外機と、
   同室外機に冷媒配管で接続され、室内熱交換器と、室内膨張弁と、前記室内熱交換器の温度を検出する熱交温度検出手段とを有する室内機と、
   前記熱交温度検出手段から前記室内熱交換器の温度を取り込むとともに、前記室内膨張弁の開度制御を行う制御手段と、を備えた空気調和機であって、
   前記室内熱交換器が蒸発器として機能しているとき、前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度が予め定められた第１閾温度より高い場合は、前記室内熱交換器における冷媒過熱度に応じて前記室内膨張弁の開度制御を行い、前記室内熱交換器の温度が前記第１閾温度以下の場合は、前記室内熱交換器の温度に応じて前記室内膨張弁の開度制御を行う
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度に応じて複数の前記室内膨張弁の制御態様を定めた氷結セーブ制御テーブルを有し、
   前記氷結セーブ制御テーブルには、
   前記室内熱交換器の温度が前記第１閾温度以下である場合に実行する第１開度制御と、前記室内熱交換器の温度が前記第１閾温度よりも低い第２閾温度以下である場合に実行する第２開度制御と、前記室内熱交換器の温度が第２閾温度よりも低い第３閾温度以下である場合に実行する第３開度制御とが定められ、
   前記第１開度制御は、前記室内膨張弁の開度を前記室内熱交換器が蒸発器として機能する最低限の冷媒流量とする微小開度とするものであり、
   前記第２開度制御は、前記室内膨張弁の開度を前記微小開度と前記室内熱交換器に冷媒が流れないようにする全閉とを所定の間隔で切換えるものであり、
   前記第３開度制御は、前記室内膨張弁の開度を前記全閉とするものであり、
   前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度が前記第１閾値以下の時は、前記氷結セーブ制御テーブルを用いて前記室内膨張弁の開度制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記第１閾温度と前記第２閾温度と前記第３閾温度とは、前記室内熱交換器の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が高く設定されていることを特徴とする請求項２に記載の空気調和機。

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