JP2016090144A

JP2016090144A - 空気調和機

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Publication number: JP2016090144A
Application number: JP2014225321A
Authority: JP
Inventors: 雄人柴尾; Yuto Shibao
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: JP6177218B2; CN205066276U

Abstract

【課題】低外気温度環境下での冷房起動時における、室内機の凍結を防止し、圧縮機を保護することができる空気調和機を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の空気調和機は、容量可変の圧縮機２１、室外側熱交換器２２、膨張弁２３、及び室内側熱交換器３１を備え、冷媒を循環させる冷凍サイクル５と、冷凍サイクル５を制御する制御部４とを有している。制御部４は、冷房運転時に圧縮機２１の容量を低下させて室内側熱交換器３１の凍結を防止する凍結防止制御を行うことが可能なものであり、冷房運転を開始してから立ち上げ完了条件を満たすまでの立ち上げ期間には、凍結防止制御を無効化するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関するものである。

空気調和機における冷房運転時に、室内機の凍結を防止するための制御（以下、「凍結防止制御」と称する。）としては、圧縮機の回転数（周波数）を低下させる制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。当該制御においては、室内機の熱交換器の温度が所定の温度を下回ったことを、当該熱交換器に設置された温度センサが検知した場合に、制御手段が圧縮機の周波数を低下させた状態で、冷房運転が行われる。

通常の環境下での（例えば、外気温度が２５℃以上といった場合の）冷房運転において、室内機に低温の冷媒が流入するのは、多くの場合は冷凍能力が過剰に高いことが原因である。従って、このような場合は、制御手段が圧縮機の周波数を低下させることにより、室内機の凍結が防止できる。

特開平７−１０３５９６号公報

一方、サーバールームに用いられる空気調和機のように年間を通して冷房需要がある場合には、外気温度が氷点下となる環境（以下、「低外気温度環境」と称する。）での冷房運転が想定される。このような低外気温度環境下では、冷房運転起動前の空気調和機内の冷媒は、低温の外気に接する箇所（例えば、室外機の熱交換器等）にも滞留している。そのため、当該冷媒は外気温度と同程度の温度まで冷却されている。従って、冷房運転の起動後しばらくの期間は、冷却された冷媒が室内機に流入する。

冷却された冷媒が室内機に流入する期間中に、特許文献１に記載のような制御を行うと、圧縮機の周波数が低下するため、圧縮機で加えられるエネルギーが減少し、圧縮機から吐出される冷媒流量が低下する。更に、圧縮機からの冷媒流量の低下により、室外側熱交換器での放熱量が相対的に増加するため、室内機の配管温度の上昇が妨げられる。その結果、室内機の配管が凍結したり、圧縮機の保護に必要な一定以上の凝縮温度及び吐出温度を確保できなくなったりするおそれがある。従って、配管温度及び凝縮温度の上昇がないため、圧縮機が異常停止される可能性があるという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、室内側熱交換器の凍結を防止し、圧縮機を保護することができる空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、容量可変の圧縮機、室外側熱交換器、膨張弁、及び室内側熱交換器を備え、冷媒を循環させる冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルを制御する制御部と、を有し、少なくとも、前記室外側熱交換器が凝縮器として機能し、前記室内側熱交換器が蒸発器として機能する冷房運転が可能な空気調和機であって、前記制御部は、冷房運転時において、前記圧縮機の容量を低下させて前記室内側熱交換器の凍結を防止する凍結防止制御を行うことが可能なものであり、冷房運転を開始してから立ち上げ完了条件を満たすまでの立ち上げ期間には、前記凍結防止制御を無効化するものである。

本発明によれば、空気調和機の起動時に、低外気温度環境下で室外機側に滞留した冷却された冷媒が室内機側に流入した場合でも、制御部が凍結防止制御によって圧縮機の周波数を低下させることはない。そのため、室内熱交換器の配管温度を上昇させることができる。従って、本発明によれば、室内熱交換器の凍結を防止できる。更に、本発明によれば、冷凍サイクルにおいて一定以上の凝縮温度と吐出温度とを確保できるため、圧縮機を保護することができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和機の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態１に係る低外気温度環境下での冷房運転時の制御フロー図である。従来技術に係る空気調和機における、低外気温度環境下で冷房運転を起動した後の圧縮機周波数の経時的変化と、室内機の配管温度又は凝縮温度の経時的変化との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る空気調和機における、低外気温度環境下で冷房運転を起動した後の圧縮機周波数の経時的変化と、室内機の配管温度又は凝縮温度の経時的変化との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る低外気温度環境下での冷房運転時の制御フロー図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る空気調和機１の構成を示す概略図である。この空気調和機１は、室外機２、室内機３、及び制御部４を備える。室外機２には、容量可変の圧縮機２１、室外側熱交換器２２、及び膨張弁２３が収容されている。室内機３には、室内側熱交換器３１が収容されている。圧縮機２１、室外側熱交換器２２、膨張弁２３、及び室内側熱交換器３１は、冷媒を循環させるための冷凍サイクル５を構成する。

圧縮機２１は、吸入した低圧冷媒を圧縮し、高圧冷媒として吐出する流体機械である。本実施の形態１における圧縮機２１は、容量可変型の圧縮機である。圧縮機２１においては、許容周波数の下限値が機種ごとにあらかじめ設定される。室外側熱交換器２２は、冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時には蒸発器として機能する熱交換器である。室外側熱交換器２２では、内部を流通する冷媒と、後述する室外機用送風機２７により送風される空気（外気）との熱交換が行われる。膨張弁２３は、高圧冷媒を減圧して低圧冷媒とする装置である。膨張弁２３としては、例えば開度を調節可能な電子膨張弁等が用いられる。室内側熱交換器３１は、冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する熱交換器である。室内側熱交換器３１では、内部を流通する冷媒と、後述する室内機用送風機３３により送風される空気との熱交換が行われる。ここで、冷房運転とは、室内側熱交換器３１に低温低圧の冷媒を供給する運転のことであり、暖房運転とは、室内側熱交換器３１に高温高圧の冷媒を供給する運転のことである。

上述したとおり、室外機２は、圧縮機２１、室外側熱交換器２２、及び膨張弁２３を備えている。更に、室外機２は、外気温度を検知するための外気温度センサ２４と、室外側熱交換器２２の二相冷媒の温度を検知するための二相冷媒温度センサ２５とを備えている。本実施の形態１では、外気温度センサ２４で検知された信号、及び二相冷媒温度センサ２５で検知された信号は、圧縮機２１を制御するために制御部４に送信される。外気温度センサ２４及び二相冷媒温度センサ２５としては、半導体素子（例えば、サーミスタ）等が用いられる。

室外機２は、アキュームレータ２６と、室外機用送風機２７とを備えていてもよい。アキュームレータ２６は、空気調和機１の冷房運転時に、室内側熱交換器３１から圧縮機２１へ流入する冷媒に含まれる液相成分を除去するために用いられる。室外機用送風機２７は、室外側熱交換器２２に外気を供給するために、室外側熱交換器２２に対向して設置される。室外機用送風機２７としては例えば、プロペラファンが用いられ、プロペラファンを回転させることによって、室外側熱交換器２２を通過する空気流が生成される。

室外機２は、空気調和機１が暖房運転と冷房運転とを行うものである場合、冷凍サイクル５内の冷媒の流れの方向を切り替えるための冷媒流路切替装置２８を備える。冷媒流路切替装置２８としては、例えば四方弁が用いられる。

上述したとおり、室内機３は、室内側熱交換器３１を備えている。室内機３は、室内機３内の冷媒温度（本例では、冷房運転時において室内側熱交換器３１より上流側の冷媒温度）を検知するための室内機冷媒温度センサ３２を更に備えている。本実施の形態１では、室内機冷媒温度センサ３２で検知された信号は、圧縮機２１を制御するために制御部４に送信される。本実施の形態１においては、室内機冷媒温度センサ３２は、室内機３内の配管温度（以降、「室内配管温度」と称する。図面においても同じ。）を検知する。このことによって、本実施の形態１においては、配管内を流通する冷媒温度が間接的に検知される。室内機冷媒温度センサ３２としては、半導体素子（例えば、サーミスタ）等が用いられる。

室内機３は、室内側熱交換器３１に空気を供給する室内機用送風機３３を更に備えてもよい。室内機用送風機３３としては、遠心ファン（例えば、シロッコファン、ターボファン等）、クロスフローファン、斜流ファン、軸流ファン（例えば、プロペラファン）等のファンが用いられる。これらのファンを回転させることによって、室内側熱交換器３１を通過する空気流が生成される。

制御部４は、ＣＰＵ、メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、Ｉ／Ｏポート等を備えたマイクロコンピュータを有している。本実施の形態１における制御部４は、外気温度センサ２４で検知された信号、並びに、二相冷媒温度センサ２５及び室内機冷媒温度センサ３２のうち少なくとも一方で検知された信号を受信するように構成される。制御部４は、それらの受信信号に応じて、圧縮機２１を制御するよう構成されている。制御部４は、室外機２の筐体に設けてもよいし、室内機３の筐体に設けてもよい。また、図示しないが、制御部４は、空気調和機１に設けられた操作ユニット（例えば、操作パネル、リモコン等）と相互にデータ通信できるように構成してもよい。

冷房運転時の冷凍サイクル５においては、圧縮機２１から吐出された高温高圧の気相冷媒は、冷媒流路切替装置２８を経由して、凝縮器として機能する室外側熱交換器２２に流入する。室外側熱交換器２２では、室外側熱交換器２２の内部を流通する冷媒と、室外機用送風機２７により送風される空気（外気）との熱交換が行われ、冷媒の凝縮熱が送風された空気に放熱される。これによって、室外側熱交換器２２に流入した高温高圧の気相冷媒は、二相冷媒を経て、高圧の液相冷媒となる。高圧の液相冷媒は膨張弁２３に流入し、減圧されて低圧の二相冷媒となり、蒸発器として機能する室内側熱交換器３１に流入する。室内側熱交換器３１では、室内側熱交換器３１の内部を流通する冷媒と、室内機用送風機３３により送風される空気（室内空気）との熱交換が行われ、冷媒の蒸発熱が送風された空気から吸熱される。これによって、室内側熱交換器３１に流入した低圧の二相冷媒は、低圧の気相冷媒又は乾き度の高い低圧の二相冷媒となる。低圧の気相冷媒又は乾き度の高い低圧の二相冷媒は、アキュームレータ２６を経由して液相成分が除去された後に、圧縮機２１に吸入される。圧縮機２１に吸入された低圧の気相冷媒は、圧縮されて高温高圧の気相冷媒となる。冷凍運転時の冷凍サイクル５においては、以上のサイクルが繰り返される。

次に、本実施の形態１に係る空気調和機１の制御部４における、低外気温度環境下での冷房運転時の制御を説明する。図２は、本実施の形態１に係る低外気温度環境下での冷房運転時の制御フロー図である。図２の制御フロー図は、空気調和機１の起動から停止までの流れを示している。起動後、制御部４では、冷房運転が行われているか否かが判定される（ステップＳ１１）。冷房運転が行われている場合は、制御部４において、凍結防止制御を無効化するか否かが判定される（ステップＳ１２）。冷房運転が行われていない場合（例えば、暖房運転が行われている場合）は、凍結防止制御の無効化は必要ないため、空気調和機１は、凍結防止制御を有効としたまま稼働される（ステップＳ１７）。

次いで、制御部４では、外気温度センサ２４で検知された外気温度が、室内機側の装置（例えば、室内側熱交換器３１）が凍結しうる温度条件（以降、「凍結条件」と称する。）を満たすか否かが判定される（ステップＳ１２）。本実施の形態１における凍結条件は、外気温度が温度Ｔ１以下であるという条件である。本実施の形態１においては、外気温度が温度Ｔ１以下である場合に、制御部４は、圧縮機周波数を低下させる凍結防止制御を無効化する（ステップＳ１３）。外気温度が温度Ｔ１を超える温度である場合は、空気調和機１の冷房運転は、凍結防止制御を有効としたまま行われる（ステップＳ１７）。

ここで、温度Ｔ１は、空気調和機１の各構成要素の仕様（例えば、制御部４における凍結防止制御の仕様、各構成要素の許容限界温度等）に応じて設定される。例えば、Ｔ１は室内機３の配管が凍結しうる０℃に設定してもよい。また、空気調和機１が一時停止した直後においては、室外側熱交換器２２の温度は、外気温度と比較して非常に高くなっている。そのため、外気温度センサ２４で検知された外気温度は、室外側熱交換器２２の温度の影響を受ける場合がある。従って、凍結条件による判定を行う時期は、外気温度を正しく計測可能な時期とし、起動時のみに限定されない。

凍結防止制御が無効化された状態（ステップＳ１３）は、室外機２内に滞留していた冷却された冷媒の室内機３内への流入が完了したと、制御部４が判定するまでの期間、少なくとも継続される（ステップＳ１４）。空気調和機１の起動直後の冷媒温度は、室内温度に平衡している。そのため、室内の冷媒温度が、室外機２内に滞留した冷媒の温度に冷却されるまでに時間がかかる。従って、本実施の形態１においては、室内機３の配管凍結を防止するという目的を達成するために、凍結防止制御の無効化は、当該期間が経過するまで少なくとも継続される。

ここで、室外機２内に滞留していた冷却された冷媒の室内機３内への流入が、完了したと判定されるまでの期間の条件（以降、「滞留冷媒流入完了条件」と称する。）は、空気調和機１の各構成要素の仕様（例えば、室外機２と室内機３との間の配管の長さ、圧縮機２１の吐出圧力等）に応じて設定される。例えば、滞留冷媒流入完了条件は、空気調和機１の起動後に検知された室内配管温度が、冷却された冷媒の流入によって下限値に達するまでの期間として規定することができる。

上述の滞留冷媒流入完了条件（ステップＳ１４）を満たしている場合、制御部４では、冷凍サイクル５を循環する冷媒の温度が、冷房運転の立ち上げ完了の条件（以降、「立ち上げ完了条件」と称する）を満たしているか否かが判定される（ステップＳ１５）。制御部４が、立ち上げ完了条件を満たしていないと判定した場合は、凍結防止制御の無効化が継続される（ステップＳ１３）。制御部４が、立ち上げ完了条件を満たしていると判定した場合は、凍結防止制御の無効化が解除、すなわち、凍結防止制御が再度有効化される（ステップＳ１６）。その後は、空気調和機１において、凍結防止制御を有効とした冷房運転が行われる（ステップＳ１７）。

ここでは、任意の測定時点ｔ_１で、室内機冷媒温度センサ３２が検知した室内配管温度をＴ２（ｔ_１）とする。また、その直前の測定時点ｔ_０で、室内機冷媒温度センサ３２が検知した室内配管温度をＴ２（ｔ_０）とする。

本実施の形態１での立ち上げ完了条件は、室内配管温度Ｔ２（ｔ_１）が、室内配管温度Ｔ２（ｔ_０）以下であるという条件である。低外気温度環境下での冷房運転の場合、室内配管温度Ｔ２は、冷却された冷媒の流入によって下限値に達した後、徐々に上昇する（図４参照）。一方、通常の冷房運転においては、室内配管温度Ｔ２は時間経過ともに下降する。従って、本実施の形態１では、室内配管温度Ｔ２の上昇がないことを条件として、すなわちＴ２（ｔ_１）≦Ｔ２（ｔ_０）となることを条件として、制御部４は、冷房運転の立ち上げ完了条件が満たされたと判定する（ステップＳ１５）。例えば、測定間隔ｔ_１−ｔ_０は、６０秒としてもよい。また、室内配管温度Ｔ２のリアルタイムでのモニタリングにより、室内配管温度Ｔ２の上昇がなくなることを条件として、冷房運転の立ち上げ完了条件が満たされたと判定してもよい。

次に、本実施の形態１の効果について説明する。

図３は、従来技術に係る空気調和機における、低外気温度環境下で冷房運転を起動した後の圧縮機周波数の経時的変化と、室内機の配管温度又は凝縮温度の経時的変化との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、起動時を０分とした時間経過（分）を表している。グラフの縦軸は、圧縮機周波数（Ｈｚ）と室内配管温度及び凝縮温度（℃）とを表している。図３では、周波数及び各温度変化の特徴的な箇所を明示するために、符号Ｐ１１ないしＰ１４を付している。

従来技術に係る空気調和機においては、空気調和機の起動（Ｐ１１）の後、室外機内に滞留していた冷却された冷媒が室内機内に流入する。この流入した冷媒によって、室内配管温度が下降する（Ｐ１２）。その後、従来技術においては、圧縮機の周波数を段階的に低下させて、低下した圧縮機周波数の増加を禁止（又は制限）する凍結防止制御が開始される（Ｐ１３）。その結果、室内配管温度及び凝縮温度の上昇がないため、動作周波数が許容周波数の下限値に達していなくとも、圧縮機が異常停止される場合がある（Ｐ１４）。

これに対し、本実施の形態１では、低外気温度環境下で冷房運転が起動した後に、制御部４が凍結防止制御を無効化することで、圧縮機２１の周波数が維持される。その結果、本実施の形態１では、室内配管温度や凝縮温度が上昇し、圧縮機２１の異常停止を防ぐことができる。以下に図４を用いて説明する。

図４は、本実施の形態１に係る空気調和機１における、低外気温度環境下で冷房運転を起動した後の圧縮機周波数の経時的変化と、室内機の配管温度又は凝縮温度の経時的変化との関係を示すグラフである。横軸及び縦軸は図３と同一であるため説明を省略する。図４では、図３と同一の符号Ｐ１１ないしＰ１４を付して、同一時間での周波数及び各温度変化を対比可能にしている。

本実施の形態１に係る空気調和機１においても、従来技術に係る空気調和機と同様に、空気調和機１の起動（Ｐ１１）の後、室外機２内に滞留していた冷却された冷媒が、室内機３内に流入する。この流入した冷媒によって、室内配管温度が下降する（Ｐ１２）。しかしながら、本実施の形態１では、凍結防止制御が無効化されているため、冷房運転を開始してから立ち上げ完了条件を満たすまでの立ち上げ期間において、圧縮機２１の周波数が維持される（例えば、Ｐ１３〜Ｐ１４の期間）。そのため、室内配管温度及び室外側熱交換器２２での凝縮温度を上昇させることができる。結果、立ち上げ期間において、室内機３の配管の凍結を防止することができる。また、冷凍サイクル５において一定以上の凝縮温度と吐出温度とを確保できるため、圧縮機２１を保護できる。従って、圧縮機２１の異常停止を防止できるため、空気調和機１の耐久性が向上する。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る低外気温度環境下での冷房運転時の制御フロー図である。図５では、ステップＳ２１〜２４、２６、２７については、実施の形態１における図２のステップＳ１１〜１４、１６、１７と同一のため、説明を省略する。

本実施の形態２では、立ち上げ完了条件を満たしているか否か（ステップＳ２５）が、二相冷媒温度センサ２５で検知された室外側熱交換器２２の凝縮温度（二相冷媒の温度）に基づいて、制御部４で判定される。

本実施の形態２での立ち上げ完了条件は、室外側熱交換器２２の二相冷媒の温度が、Ｔ３以上となることである。ここで、Ｔ３は、室内配管温度を上昇させることが可能な、室外側熱交換器２２における二相冷媒の温度とする。室外側熱交換器２２で滞留していた冷却された冷媒の流入が完了すれば、室外側熱交換器２２の二相冷媒の温度が十分高くなる。従って、二相冷媒の温度がＴ３以上となることをもって、立ち上げが完了したと判定することができる。

本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、低外気温度環境下で冷房運転を起動した後に、凍結防止制御を無効化することで、圧縮機２１の周波数を維持でき、室内配管温度及び室外側熱交換器２２での凝縮温度を上昇させることができる。結果、立ち上げ期間において、室内機３の配管の凍結を防止することができる。また、冷凍サイクル５において一定以上の凝縮温度と吐出温度とを確保できるため、圧縮機２１を保護できる。従って、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、圧縮機２１の異常停止を防止できるため、空気調和機１の耐久性が向上する。

その他の実施の形態．
上述の実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態では、制御部４が、圧縮機２１の周波数を低下させる凍結防止制御を無効化しているが、これに限られない。例えば、制御部４が、気筒制御等の他の容量制御による凍結防止制御を無効化することによっても、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。更に、凍結防止制御の無効化中に、室内配管温度を上昇させるために、制御部４は圧縮機２１の周波数を増加させてもよい。

また、制御部４は、空気調和機１内の任意の位置での冷媒温度が、室内配管温度を上昇させることが可能な冷媒温度以上に達していることに基づき、冷房運転の立ち上げ完了条件を判定してもよい。例えば、制御部４は、圧縮機２１の吐出温度に基づき、冷房運転の立ち上げ完了条件を判定してもよい。

また、制御部４は、凍結条件を判定することなく、冷房運転開始後に凍結防止制御を無効化するように構成してもよい。例えば、制御部４は、凍結条件を判定することなく、冷房運転の起動直後に凍結防止制御を無効化するように構成してもよい。

また、制御部４は、凍結防止制御を無効化している期間中も室内の冷房負荷に基づき圧縮機２１の周波数を増減させる負荷制御を行ってもよい。この場合、圧縮機２１の許容周波数の下限値は、外気温度に応じて設定してもよい。例えば、低外気温度環境下においては、圧縮機２１の許容周波数の下限値を通常の環境下での下限値よりも高く設定してもよい。

また、上述の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１空気調和機、２室外機、３室内機、４制御部、５冷凍サイクル、２１圧縮機、２２室外側熱交換器、２３膨張弁、２４外気温度センサ、２５二相冷媒温度センサ、２６アキュームレータ、２７室外機用送風機、２８冷媒流路切替装置、３１室内側熱交換器、３２室内機冷媒温度センサ、３３室内機用送風機。

Claims

容量可変の圧縮機、室外側熱交換器、膨張弁、及び室内側熱交換器を備え、冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
前記冷凍サイクルを制御する制御部と、
を有し、少なくとも、前記室外側熱交換器が凝縮器として機能し、前記室内側熱交換器が蒸発器として機能する冷房運転が可能な空気調和機であって、
前記制御部は、
冷房運転時において、前記圧縮機の容量を低下させて前記室内側熱交換器の凍結を防止する凍結防止制御を行うことが可能なものであり、
冷房運転を開始してから立ち上げ完了条件を満たすまでの立ち上げ期間には、前記凍結防止制御を無効化するものであることを特徴とする空気調和機。
前記空気調和機は、少なくとも前記室内側熱交換器を収容する室内機を有し、前記制御部は、前記立ち上げ完了条件を満たすか否かを前記室内機内の冷媒の温度に基づいて判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記制御部は、前記立ち上げ完了条件を満たすか否かを前記室外側熱交換器内の二相冷媒の温度に基づいて判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。