JP2014085080A

JP2014085080A - 空気調和機

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Publication number: JP2014085080A
Application number: JP2012236218A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ota; 幸夫太田; Misao Fujitsuka; 操藤塚; Masahiko Watanabe; 正彦渡辺
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-05-12

Abstract

【課題】本発明は、部屋の負荷に対して１００％の能力を必要としない場合や部屋の負荷が想定より小さい場合でも効率良く圧縮機の吐出温度を設定温度まで上げることによって能力の立ち上がりを向上することができる空気調和機を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の空気調和機は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、電動膨張弁と、室内熱交換器とが順に冷媒配管によって接続される冷凍サイクル装置を備え、圧縮機の始動時は、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させ、その後、圧縮機の吐出温度に基づいて、電動膨張弁の開度を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は空気調和機に関する。

従来、圧縮機モータを可変速制御可能とし凝縮後の減圧を膨張弁にて制御する空気調和機においては、圧縮機の吐出温度を検知し、目標の吐出温度との差に基づいて膨張弁の絞り量を決定し、目標温度になるように制御する。また、室内の温度を検知し、目標の室内温度との差に基づいて圧縮機の回転数を決定し、温度差が大きければ最大回転数とし、温度差が小さくなれば最小回転数になるように制御する。

室外が低温時に暖房運転をおこなうヒートポンプサイクルを用いる空気調和機においては、室外熱交換器に霜が付着すると、室外熱交換器の通風路をふさぎ、通風状態を悪化させるとともに、室外熱交換器の熱交換効率も大幅に低下するため、暖房性能が大幅に低下する。このような事態を防止するために、現在の空気調和機は、冷媒の流れを逆転させ、高温高圧の冷媒を室外熱交換器に流入させて、付着した霜を除去する機能（除霜運転）を備える。

特許文献１は、「圧縮機の始動時における」「ブラシレスＤＣモータの強制転流駆動時に膨張弁の開度を全開にして冷媒流量を最大にし、モータにかかる負荷を最小限に抑えて、モータを安定して駆動することで、モータの強制転流駆動からセンサレス駆動へのスムーズな移行、すなわち圧縮機の始動から通常運転へのスムーズな移行が可能となる」空気調和機を開示する（特許文献１参照）。

特開平９−７９６７０号公報

しかしながら、運転開始時の膨張弁開度については、固定値であるために最適な値にする必要がある。部屋の負荷に対応して圧縮機の回転数が決定されるので、負荷に対して１００％の能力が出るときの回転数に合わして膨張弁始動開度を決定する。

しかしながら、例えば室内温度が設定温度に近くなっている場合や他の暖房器具と併用して使用している場合には部屋の負荷に対して１００％の能力を必要としない場合がある。また、据え付けられた部屋が想定より小さい時など本来必要な負荷よりも実際の負荷が小さい場合がある。そのような場合には圧縮機回転数は低く制御されるので、通常の始動開度からの絞り制御では最小開度が低いため絞りすぎてしまう。従って、冷媒が適切に循環しないために圧縮機の吐出温度が上がらず、結果的には能力の立ち上がりが悪くなってしまう。

また、特許文献１では運転開始時の膨張弁開度を最大としてしまうため、通常の絞り制御になったときに目標の圧縮機の吐出温度になるまでの時間がかかり、能力の立ち上がりが悪くなってしまう。

本発明は、部屋の負荷に対して１００％の能力を必要としない場合や部屋の負荷が想定より小さい場合でも効率良く圧縮機の吐出温度を設定温度まで上げることによって能力の立ち上がりを向上することができる空気調和機を提供することを課題とする。

本発明の空気調和機は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、電動膨張弁と、室内熱交換器とが順に冷媒配管によって接続される冷凍サイクル装置を備え、圧縮機の始動時は、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させ、その後、圧縮機の吐出温度に基づいて、電動膨張弁の開度を制御する。

本発明によれば、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させることにより絞り過ぎを防止するので、部屋の負荷に対して１００％の能力を必要としない場合や部屋の負荷が想定より小さい場合でも、効率良く圧縮機の吐出温度を設定温度まで上げることによって能力の立ち上がりを向上することができ、安定した空気調和機を提供することができる。

従来の膨張弁制御を表す動作図。本実施例の膨張弁制御を表す動作図。従来の制御における圧縮機吐出温度と能力の変化図。本実施例の制御における圧縮機吐出温度と能力の変化図。空気調和機の構成概略図。空気調和機の負荷線図。運転開始制御のフローチャート。通常膨張弁制御のフローチャート。段階膨張弁制御のフローチャート。

本実施例の空気調和機は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、電動膨張弁と、室内熱交換器とが順に冷媒配管によって接続される冷凍サイクル装置を備え、圧縮機の始動時は、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させ、その後、圧縮機の吐出温度に基づいて、電動膨張弁の開度を制御する。本実施例によれば、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させることにより絞り過ぎを防止するので、部屋の負荷に対して１００％の能力を必要としない場合や部屋の負荷が想定より小さい場合でも、効率良く圧縮機の吐出温度を設定温度まで上げることによって能力の立ち上がりを向上することができ、安定した空気調和機を提供することができる。

以下、本実施例の空気調和機について、図面を用いて説明する。図５は、本実施例の空気調和機の構成概略図を示す。まず、冷凍サイクルの構成について説明する。圧縮機１は四方弁２と冷媒配管によって接続され、四方弁２の一方は、室外熱交換器８と冷媒配管によって接続される。また、四方弁２の他方は室内熱交換器３と冷媒配管によって接続される。そして、室外熱交換器８と室内熱交換器３は電動膨張弁６を介して冷媒配管によって接続される。

暖房運転時、圧縮機１より吐出された高温高圧の冷媒は、接続配管を経由して、四方弁２、室内熱交換器３、電動膨張弁６、室外熱交換器８、四方弁２の順に流れ、低温低圧の冷媒となって、圧縮機に吸入される。この間、室内熱交換器３では、室内送風機４の作用により、冷媒は室内空気と熱交換し放熱することで室内の空気を暖める（室内を暖房する）。室外熱交換器８では、室外送風機９の作用により、冷媒は室外空気と熱交換し吸熱して、室内側暖房のための熱エネルギーを吸収する。なお、冷房運転時は暖房運転と逆の経路となる。

除霜運転時は、四方弁２を切り換え、圧縮機の吐出する高温冷媒を四方弁２、室外熱交換器７、電動膨張弁６、室内熱交換器３、四方弁２の順に循環させ、圧縮機１に吸入させる。これにより、高温高圧の冷媒が室外熱交換器８に流入するので、室外熱交換器８に付着した霜を融解して除去することが可能となる。除霜運転後は圧縮機１を停止し、四方弁２を切り換えて再度圧縮機１起動させ暖房運転を行う。

次に制御の構成について説明する。制御装置１１は運転中に室内空気温度センサ５、室外空気温度センサ１０などの情報を取り込み、最適な条件となるように、室内送風機４、室外送風機９、圧縮機１などの運転停止、速度制御を行う。また、圧縮機吐出温度センサ７からの情報により電動膨張弁６の開度を制御し圧縮機１の吐出温度が最適な温度になるように制御する。

図６は空気調和機の暖房時の負荷線図である。ヒートポンプサイクルを用いた空気調和機の特徴は外気温度が低くなればなるほど能力が低下し、逆に外気温度が高くなればなるほど能力は高くなる。一方部屋の必要な負荷は外気温度が低くなればなるほど高くなり、逆に外気温度が高くなればなるほど低くなる。

部屋の必要負荷線と空気調和機の能力負荷線との交点は、いわゆる製品仕様の能力であり設計点となる。設計点より高い外気温度の時は１００％の能力を必要としない領域を持つ。また、設計点より低い外気温度の時は、１００％の能力を出しても部屋の必要負荷にならないので他の暖房機器を併用することになる。なお、部屋の必要負荷に対して実際に据え付けられた部屋の負荷が小さい場合は更に１００％の能力を必要としない領域が増える。１００％の能力を必要としない領域では、圧縮機の回転数を低下させ能力を部屋の必要負荷に近づけるようにし、場合によっては運転を停止させる。

図１は従来の膨張弁制御を表す動作図である。運転開始時（圧縮機始動時）、膨張弁は始動開度で所定時間固定され、その後通常動作となる。通常動作では、圧縮機の吐出温度を検知し目標の吐出温度との差によって絞り量を決定し、最終的に目標温度になるように制御される。なお、通常動作時は絞り過ぎを防止するために最低開度が設定される。始動開度については、図６で説明した設計点で圧縮機の吐出温度の立ち上がりが早く、性能の安定性を考慮した絞り量に固定される。

図３は従来の膨張弁制御において１００％の能力を必要としない領域での圧縮機吐出温度と能力の変化図である。１００％の能力を必要としないので圧縮機回転数は設計点の回転数より低い。膨張弁の始動が絞り過ぎているために冷媒が適切に循環しないため圧縮機の吐出温度が上がらず、結果的には、図３に示す例では、運転開始から１５分後に能力が徐々に立ち上がる。これでは、能力の立ち上がりが悪く効率も悪く、安定した空調を提供することができない。

そのためにこの課題を解決するために本実施例の空気調和機は、図２に示すように制御される。図２において、始動開度は従来と同じ所定時間固定されるが、始動開度の後に絞り過ぎを防止するために、予め決められた所定開度（固定開度）及び所定時間で固定して段階的に電動膨張弁の開度を減少させる。固定開度はこれ以上絞ってはいけないという絞り量であり、本実施例においては、固定開度１、固定開度２、固定開度３に分けられている。

上述のように、圧縮機の始動時は、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に電動膨張弁の開度を減少させ、その後、圧縮機の吐出温度に基づいて、電動膨張弁の開度を制御する（通常動作へ移行する）。本実施例では最小開度を３段階に設定したが２段階でも良いし、複数段階でも良い。特に室外温度が低くなるにつれ段階が少なくするようにした方が良い。また、外気温度が低くなるにつれて固定開度の所定時間が短くてすむ傾向がある。以上により、始動開度後に本来であれば開度が絞る方向に来たときにこの固定開度に固定されるので冷媒を適切に循環させることができる。

本発明の制御についてフローチャートを用いて説明する。図７は運転開始制御のフローチャートである。運転開始時はステップ１の入力処理を行い、室内温度と設定温温度を入力する。ステップ２では入力された室内温度と設定温度を用いて圧縮機回転数指令値の演算を行いＮ１の結果を得る。ステップ３は圧縮機回転数指令値Ｎ１が予め設定されている圧縮機回転数Ｎより大きい場合にはステップ４に移行し通常膨張弁制御を行い、小さい場合にはステップ５に移行し段階膨張弁制御を行う。

図８はステップ４の通常膨張弁制御についてのフローチャートである。通常膨張弁制御は１００％の能力を必要とする場合の制御である。まずステップ６の始動開度をＰ０に設定する。ステップ７では、所定時間経過するまで始動開度Ｐ０とする。次に、ステップ８では、圧縮機吐出温度と設定吐出温度を入力する。ステップ９では、入力された圧縮機吐出温度と設定吐出温度を用いて膨張弁開度の演算を行いＰｍの結果を得る。ステップ１０では、膨張弁開度Ｐｍが予め設定されている最小開度Ｐ１より大きい場合は、ステップ１２に移行し、膨張弁開度をＰｍに設定する。膨張弁開度Ｐｍが予め設定されている最小開度Ｐ１より小さい場合は、ステップ１１に移行し、膨張弁開度を最小開度Ｐ１に設定する。次に、ステップ１３では、圧縮機が継続していなければ膨張弁制御は終了となる。圧縮機が継続運転していれば、次のステップ１４に移行する。インターバルタイマ（例えば２０秒）が経過したら、再度ステップ８に移行し、繰り返し膨張弁開度を変更しながら圧縮機の吐出温度が目標の温度となるように制御する。

図９はステップ５の段階膨張弁制御についてのフローチャートである。基本的な流れは図８の通常膨張弁制御と同じであるため異なる部分について説明する。ステップ７の後、ステップ１５ではカウント用の数字Ｎ＝３とする。ステップ８、ステップ９の後、ステップ１６ではカウント用の数字Ｎを膨張弁固定開度Ｐｎ、タイマ時間Ｔｎに設定する。Ｎ＝３の時はＰｎ＝Ｐ４、Ｔｎ＝Ｔ３に設定する。Ｎ＝２の時はＰｎ＝Ｐ３、Ｔｎ＝Ｔ２に設定する。Ｎ＝１の時はＰｎ＝Ｐ２、Ｔｎ＝Ｔ１に設定する。固定開度Ｐ４〜Ｐ１、タイマ時間Ｔ３〜Ｔ１は予め設定される値である。

まず段階膨張弁制御開始時はＮ＝３であるためＰｎ＝Ｐ４、Ｔｎ＝Ｔ３に設定しステップ１７に移行する。ステップ１７ではＮ＝０かの判定を行い、この場合はステップ１３に移行する。ステップ１３で圧縮機が継続していればステップ１７でカウント数字のチェックを行いＮ＝０でないのでステップ１８のＴｎ時間経過、すなわちＴ３時間経過するまで同じ制御を繰り返す。Ｔ３時間が経過したらステップ１９でカウント用の数字Ｎ−１とする。すなわちＮ＝２となりステップ１４、ステップ８、ステップ９へと移行しステップ１６ではＮ＝２であるため固定開度Ｐｎ＝Ｐ３、タイマ時間Ｔｎ＝Ｔ２に設定し繰り返し同じステップを行う。これにより段階膨張弁制御開始時から３段階の固定開度で所定時間行うことになる。ステップ１７でＮ＝０となった場合は通常の膨張弁制御と同じ制御となる。

膨張弁開度は０から４８０パルスの間で制御し、０パルスが最小開度（最小流量）で４８０パルスが最大開度（最大流量）となる。本実施例においては、段階制御の数値として始動開度Ｐ０＝２５０パルスを６０秒、その後段階になるように最小開度と時間を以下の数値とし、Ｐ４＝２３０パルスをＴ３＝３０秒、Ｐ３＝２００パルスをＴ２＝５０秒、Ｐ２＝１５０をＴ１＝７０秒とする。以上のように設定すると段階の部分では本来であれば絞りたい方向であるが所定開度で固定され絞り過ぎの防止となる。その後通常動作となり、通常動作中の最小開度Ｐ１＝５０パルスとするが通常では５０パルスまで絞らずに目標の温度となる。以上設定した数値は能力クラスや熱交換器の内容積により変わるので予め検討し決定するものである。検討方法は圧縮機の吐出温度の立ち上り時間を見て適正開度を求める。すなわち圧縮機の吐出温度の立ち上りが早いということは能力の立ち上りも早いということである。能力クラスが大きくなるに連れて開度も大きくした方が良くなる傾向があり、熱交換器の内容積が大きくなるに連れて開度も大きくした方が良くなる傾向があるので、室外熱交換器又は室内熱交換器の内容積に基づいて、予め定められた所定開度及び所定時間を選択する。また、外気温度によっても適正開度及びその開度に保持する時間は変化するので、外気温度に基づいて、予め定められた所定開度及び所定時間を選択する。

図４は本発明の膨張弁制御において１００％の能力を必要としない領域での圧縮機吐出温度と能力の変化図である。従来では１５分後に能力が立ち上がったのに対して、本実施例においては５分後に能力が立ち上がる。これは膨張弁の絞り過ぎが改善され冷媒が適切に循環し圧縮機の吐出温度が早く上がるためである。

なお、運転開始時、つまり圧縮機が始動する場合としては、使用者が最初に運転開始する場合、除霜運転後に圧縮機が始動する場合、設定室内温度に達成して圧縮機が停止し再度圧縮機が始動する場合等があり、これらの場合に１００％の能力を必要としない領域において本実施例の空気調和機の制御が適用される。更に本実施例では暖房運転を中心に説明したが、冷房運転についても同様の効果がある。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室内熱交換器、４…室内送風機、５…室内空気温度センサ、６…電動膨張弁、７…圧縮機吐出温度センサ、８…室外熱交換器、９…室外送風機、１０…室外空気温度センサ、１１…制御装置

Claims

圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、電動膨張弁と、室内熱交換器とが順に冷媒配管によって接続される冷凍サイクル装置を備え、
前記圧縮機の始動時は、予め決められた所定開度及び所定時間で段階的に前記電動膨張弁の開度を減少させ、
その後、前記圧縮機の吐出温度に基づいて、前記電動膨張弁の開度を制御する空気調和機。
請求項１において、外気温度に基づいて、予め定められた前記所定開度及び前記所定時間を選択する空気調和機。
請求項１又は２において、前記室外熱交換器又は前記室内熱交換器の内容積に基づいて、予め定められた前記所定開度及び前記所定時間を選択する空気調和機。