JP2018063056A

JP2018063056A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2018063056A
Application number: JP2015038470A
Authority: JP
Inventors: 健太朗松原; Kentaro Matsubara
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2018-04-19
Also published as: AU2016224364B2; WO2016136979A1; AU2016224364A1

Abstract

【課題】圧縮機を再起動した後の高圧側圧力の上昇を抑えることができ、これにより圧縮機の停止と再起動の頻繁な繰り返しを回避できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】高圧スイッチの作動に応じて圧縮機を停止し、その後、高圧スイッチの復帰に応じて圧縮機を再起動するするとともに、この再起動に際し膨張弁に対する開度制御の下限値を増大側にシフトする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高圧側圧力の上昇に対処した冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機等に搭載される冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルの高圧側圧力に応動する高圧スイッチを備え、高圧側圧力が上昇して高圧スイッチが作動した場合に圧縮機を停止し、その後、高圧側圧力が低下して高圧スイッチが復帰した場合に圧縮機を再起動する。高圧スイッチが作動した場合に圧縮機を停止することで、高圧側圧力の異常上昇を防ぎ、圧縮機を始めとする冷凍サイクル機器の安全を確保するようにしている。

特開平４−２５１１５８号公報特開２００８−２２４１５６号公報

高圧スイッチの復帰に応じて圧縮機を再起動しても、すぐにまた高圧側圧力が上昇して高圧スイッチが作動することがある。この場合、圧縮機が停止と再起動を頻繁に繰り返し、室内温度の変動を招いて空調の快適性が損なわれてしまう。

また、冷凍サイクル用の冷媒として、R410A冷媒に代えて、能力とエネルギー効率に優れたR32冷媒への移行が進んでいる。ただし、R32冷媒は、圧縮機から吐出されるときの圧力がR410A冷媒の場合より高くなるため、高圧スイッチが作動し易い状況となる。

本発明の実施形態の目的は、圧縮機が再起動した後の高圧側圧力の上昇を抑えることができ、これにより圧縮機の停止と再起動の頻繁な繰り返しを回避できる冷凍サイクル装置を提供することである。

請求項１の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を含む冷凍サイクルと、この冷凍サイクルの高圧側圧力に応動する高圧スイッチと、制御手段とを備える。制御手段は、前記高圧スイッチの作動に応じて前記圧縮機を停止し、その後、前記高圧スイッチの復帰に応じて前記圧縮機を再起動するとともに、この再起動に際し前記膨張弁に対する開度制御の下限値を増大側にシフトする。

一実施形態の構成を示すブロック図。一実施形態の制御を示すフローチャート。一実施形態における冷房時の冷凍サイクルの容積と高圧側圧力との関係を示す図。一実施形態における暖房時の冷凍サイクルの容積と高圧側圧力との関係を示す図。一実施形態における高圧側圧力、膨張弁開度、吐出冷媒温度、圧縮機回転数の変化の一例を示す図。

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、圧縮機１の吐出口に四方弁２を介して室外熱交換器３の一端が配管接続され、その室外熱交換器３の他端に複数の膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎを介して複数の室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎの一端が配管接続され、その室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎの他端が四方弁２を介して圧縮機１の吸込口に配管接続される。これら配管接続によりヒートポンプ式冷凍サイクルが構成される。このヒートポンプ式冷凍サイクルには、R32冷媒を例えば50％以上含む冷媒が充填される。

冷房時は、実線矢印で示すように、圧縮機１から吐出される冷媒が四方弁２、室外熱交換器（凝縮器）３、膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎを通って室内熱交換器（蒸発器）５ａ，５ｂ，…５ｎに流れ、その室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎから流出する冷媒が四方弁２を通って圧縮機１に吸込まれる。暖房時は、破線矢印で示すように、四方弁２の流路が切換わることにより、圧縮機１から吐出される冷媒が室内熱交換器（凝縮器）５ａ，５ｂ，…５ｎに流れ、その室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎから流出する冷媒が膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎ、室外熱交換器（蒸発器）３、四方弁２を通って圧縮機１に吸込まれる。

室外熱交換器３の近傍に室外ファン６が配置され、室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎの近傍に室内ファン７ａ，７ｂ，…７ｎが配置される。圧縮機１のモータにインバータ８が接続される。インバータ８は、交流電源９の電圧を直流変換し、その直流電圧を所定周波数Ｆの交流電圧に変換して出力する。この出力周波数Ｆに応じた回転数で圧縮機１のモータが動作する。

圧縮機１の吐出口と四方弁２との間の高圧側配管に、高圧スイッチ１１および冷媒温度センサ１２が取付けられる。高圧スイッチ１１は、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力（高圧側圧力という）Ｐｄが設定値Ｐｄ２以上に上昇した場合に作動し、高圧側圧力Ｐｄが設定値Ｐｄ１（＜Ｐｄ２）未満に低下した場合に復帰する。冷媒温度センサ１２は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度Ｔｄを検知する。

膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎは、入力される駆動パルス信号のパルス数に応じて開度が連続的に変化するいわゆるパルスモータバルブである。

圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎ、室外ファン６、およびインバータ８が室外ユニットＡに搭載され、室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎおよび室内ファン７ａ，７ｂ，…７ｎがそれぞれ室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎに搭載される。これら室外ユニットＡおよび室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎに、制御部２０が接続される。

制御部２０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路からなり、主要な機能として次の（１）〜（３）の制御手段を含む。
（１）高圧スイッチ１１の作動に応じて圧縮機１を停止し、その後、高圧スイッチ１１の復帰に応じて圧縮機１を再起動する第１制御手段。

（２）ヒートポンプ式冷凍サイクルの運転時、室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎの過熱度（冷房時）および過冷却度（暖房時）が一定値となるよう、膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎの開度Ｑを予め定めた上限値Ｑmaxと予め定めた下限値Ｑminの範囲で制御する第２制御手段。

（３）高圧スイッチ１１の復帰による圧縮機１の再起動に際し、膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎに対する開度制御の下限値Ｑminを所定値ΔＱだけ増加側にシフト（開度絞り制限）する第３制御手段。

なお、（２）の第２制御手段は、シフト量である所定値ΔＱをヒートポンプ式冷凍サイクルの容積（室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転台数）に応じて異なる値（ΔＱ１，ΔＱ２，…ΔＱｎ）に設定する。具体的には、所定値ΔＱを、冷房時はヒートポンプ式冷凍サイクルの容積に比例する値に設定し、暖房時はヒートポンプ式冷凍サイクルの容積に反比例する値に設定する。また、第２制御手段は、下限値Ｑminをシフトする開度絞り制限を冷媒温度センサ１２により検知される吐出冷媒温度Ｔｄと設定値Ｔｄｓとの比較により選択的に実行する。さらに、第２制御手段は、この開度絞り制限の選択的な実行をヒートポンプ式冷凍サイクルの運転停止に伴い解除する。

つぎに、制御部２０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。
室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの少なくとも１つの運転開始に際し（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を起動する（ステップＳ２）。この起動に伴い、制御部２０は、開度制限フラグｆが“０”であるか否かを確認する（ステップＳ３）。

開度制限フラグｆが“０”の場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、制御部２０は、室内熱交換器５ａ，５ｂ，…５ｎの過熱度（冷房時）および過冷却度（暖房時）が一定値となるよう、膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎの開度Ｑを予め定めた上限値Ｑmaxと予め定めた下限値Ｑminの範囲で制御する（ステップＳ４）。

制御部２０は、この開度制御に伴い、高圧スイッチ１１の作動を監視する（ステップＳ７）。高圧スイッチ１１が作動しない場合（ステップＳ７のＮＯ）、制御部２０は、室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止を監視する（ステップＳ１４）。

室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止が不要な場合（ステップＳ１４のＮＯ）、制御部２０は、ステップＳ３のフラグ判定に戻る。室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止が必要な場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を停止する（ステップＳ１５）。そして、制御部２０は、開度制限フラグｆを“０”にリセットし（ステップＳ１６）、最初のステップＳ１の運転開始判定に戻る。

一方、高圧スイッチ１１が作動した場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を停止する（ステップＳ８）。この停止により、高圧側圧力の異常上昇が防止される。そして、制御部２０は、タイムカウントｔを開始し（ステップＳ９）、かつ高圧スイッチ１１の復帰を監視する（ステップＳ１０）。高圧スイッチ１１の復帰がない場合（ステップＳ１０のＮＯ）、タイムカウントｔを継続する（ステップＳ９）。
高圧側圧力が低下して高圧スイッチ１１が復帰したとき（ステップＳ１０のＹＥＳ）、制御部２０は、タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達しているかを判定する（ステップＳ１１）。一定時間ｔｓは、圧縮機１の損傷等を防止するための再起動制限時間である。

タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達していなければ（ステップＳ１１のＮＯ）、制御部２０は、タイムカウントｔを継続する（ステップＳ９）。タイムカウントｔが一定時間ｔｓに達していれば（ステップＳ１１のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を再起動し（ステップＳ１２）、かつ開度制限フラグｆを“１”にセットする（ステップＳ１３）。そして、制御部２０は、室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止を監視する（ステップＳ１４）。

室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止が不要な場合（ステップＳ１４のＮＯ）、制御部２０は、ステップＳ３のフラグ判定に戻る。このとき、開度制御フラグｆは“１”なので（ステップＳ３のＮＯ）、制御部２０は、冷媒温度センサ１２により検知される吐出冷媒温度（検知温度）Ｔｄと設定値Ｔｄｓとを比較する（ステップＳ５）。

吐出冷媒温度Ｔｄが設定値Ｔｄｓ未満の場合（ステップＳ５のＮＯ）、制御部２０は、上限値Ｑmaxと通常の下限値Ｑminの範囲で膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎの開度Ｑを制御する（ステップＳ４）
吐出冷媒温度Ｔｄが設定値Ｔｄｓ以上の場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、制御部２０は、開度制御の下限値Ｑminを所定値ΔＱだけ増加側にシフトし、その上限値Ｑmaxと下限値“Ｑmin＋ΔＱ”の範囲で膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎの開度Ｑを制御する（ステップＳ６）。

外気温度と高圧側圧力Ｐｄとの関係、および外気温度と吐出冷媒温度Ｔｄとの関係は、それぞれ比例の関係にある。外気温度が上昇すると、高圧側圧力Ｐｄおよび吐出冷媒温度Ｔｄも上昇する。この状況で膨張弁４ａ，４ｂ，…４ｎの開度Ｑが下限値Ｑminまで絞られると、圧縮機１が再起動してからあまり時間が経たないうちに高圧スイッチ１１が作動し、圧縮機１が停止に至る可能性がある。

そこで、上記のように、吐出冷媒温度Ｔｄが設定値Ｔｄｓ以上の場合は開度制御の下限値Ｑminを増加側にシフトする開度絞り制限を実行することで、圧縮機１の再起動後における高圧側圧力Ｐｄの上昇を抑えることができる。とくに、ヒートポンプ式冷凍サイクルに充填されている冷媒が、R32冷媒の場合でも、R410A冷媒の場合と同様に開度絞り制限を行うことで、圧縮機１の再起動後における高圧側圧力Ｐｄの上昇を抑えることができる。

したがって、圧縮機１の再起動時における高圧スイッチ１１の作動を防ぐことができ、ひいては圧縮機１の頻繁な停止と再起動の繰り返しを防ぐことができる。これにより、負荷である室内温度を安定化させることができ、空調の快適性が向上する。

なお、外気温度が低下した場合には、高圧側圧力Ｐｄおよび吐出冷媒温度Ｔｄも低下するため、開度絞り制限が不要になる可能性があり、しかもそのような状況下で開度絞り制限を行うと、ヒートポンプ式冷凍サイクルの運転状態を適正に保てなくなって空調能力が不足する可能性がある。この点を考慮し、制御部２０は、吐出冷媒温度Ｔｄが設定値Ｔｄｓより低い場合（ステップＳ５のＮＯ）、開度絞り制限を実行することなく、上限値Ｑmaxと通常の下限値Ｑminの範囲で開度Ｑを制御する（ステップＳ４）。

その後、室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転停止が必要な状況になると（ステップＳ１４のＹＥＳ）、制御部２０は、圧縮機１を停止する（ステップＳ１５）。そして、制御部２０は、開度制限フラグｆ（＝１）を“０”にリセットし（ステップＳ１６）、最初のステップＳ１の運転開始判定に戻る。開度制限フラグｆを“０”にリセットすることで、吐出冷媒温度Ｔｄに応じた開度絞り制限の選択的な実行が解除となる。

ところで、高圧側圧力Ｐｄは、ヒートポンプ式冷凍サイクルの容積（室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転台数）に応じて変化する。すなわち、冷房時は、図３に示すように、容積が大きいほど、高圧側圧力Ｐｄが上昇する。逆に、暖房時は、図４に示すように、容積が小さいほど、高圧側圧力Ｐｄが上昇する。

この点を考慮し、制御部２０は、開度絞り制限のシフト量である所定値ΔＱを室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転台数に応じて異なる値（ΔＱ１，ΔＱ２，…ΔＱｎ）に設定する。すなわち、冷房時は、運転台数が多いほど高圧側圧力Ｐｄの上昇する点を考慮し、運転台数が１台の場合は所定値ΔＱ１を設定し、運転台数が２台の場合は所定値ΔＱ２（＞Ｑ１）を設定し、運転台数が３台の場合は所定値ΔＱ３（＞Ｑ２）を設定し、運転台数が最も多いｎ台の場合は所定値ΔＱｎ（…＞Ｑ３）を設定する。暖房時は、運転台数が少ないほど高圧側圧力Ｐｄの上昇する点を考慮し、運転台数が１台の場合は所定値ΔＱｎを設定し、運転台数が増えるに従い所定値ΔＱ３，ΔＱ２，ΔＱ１を順次設定する。要するに、高圧側圧力Ｐｄの上昇が著しい側で所定値ΔＱを大きくする。

また、制御部２０は、所定値ΔＱ１，ΔＱ２，…ΔＱｎの切換えに伴い、開度絞り制限の選択的な実行の基準となる設定値Ｔｄｓを切換える。すなわち、所定値ΔＱ１の設定時は設定値Ｔｄｓ１を選定し、所定値ΔＱ２の設定時は設定値Ｔｄｓ２（＞Ｔｄｓ１）を選定し、所定値ΔＱ３の設定時は設定値Ｔｄｓ３（＞Ｔｄｓ２）を選定し、所定値ΔＱｎの設定時は設定値Ｔｄｓｎ（…＞Ｔｄｓ３）を選定する。

このように、開度絞り制限のシフト量である所定値ΔＱを室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転台数に応じて異なる値に設定し、かつ開度絞り制限の選択的な実行の基準となる設定値Ｔｄｓを所定値ΔＱに応じて切換えることにより、室内ユニットＢａ，Ｂｂ，…Ｂｎの運転台数の変化にかかわらず、つまりヒートポンプ式冷凍サイクルの容積の変化にかかわらず、圧縮機１の頻繁な停止と再起動の繰り返しを防ぐことができる。

高圧側圧力Ｐｄ、膨張弁開度Ｑ、吐出冷媒温度Ｔｄ、圧縮機回転数の変化の一例を図５に示す。開度Ｑが絞られていくに従い高圧側圧力Ｐｄが上昇し、その高圧側圧力Ｐｄが設定値Ｐｄ２≒4.1MPaに上昇したところで高圧スイッチ１１が作動して圧縮機１が停止している。その後、高圧側圧力Ｐｄが設定値Ｐｄ１≒3.2MPaに低下したところで高圧スイッチ１１が復帰して圧縮機１が再起動するが、吐出冷媒温度Ｔｄが設定値Ｔｄｓ≒65℃を超えたことにより、開度Ｑの絞りはシフト後の値である最小値Ｑmin≒200plsに制限され、これに伴い、高圧側圧力Ｐｄの上昇が約3.7MPa程度に抑えられている。

なお、実施形態では、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明したが、他の機器に搭載される冷凍サイクル装置についても同様に実施できる。

その他、上記実施形態および変形は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４ａ，４ｂ，…４ｎ……膨張弁、５ａ，５ｂ，…５ｎ……室内熱交換器、８…インバータ、９…交流電源、２０…制御部

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を含む冷凍サイクルと、
前記冷凍サイクルの高圧側圧力に応動する高圧スイッチと、
前記高圧スイッチの作動に応じて前記圧縮機を停止し、その後、前記高圧スイッチの復帰に応じて前記圧縮機を再起動するとともに、この再起動に際し前記膨張弁に対する開度制御の下限値を増大側にシフトする制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記制御手段は、前記下限値のシフト量を前記冷凍サイクルの容積に応じて異なる値に設定する、
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクルは、冷房および暖房が可能なヒートポンプ式冷凍サイクルであり、
前記制御手段は、前記下限値のシフト量を冷房時は前記冷凍サイクルの容積に比例する値に設定し暖房時は前記冷凍サイクルの容積に反比例する値に設定する、
ことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検知する温度検知手段、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記下限値のシフトを前記温度検知手段の検知温度が設定値以上であるか否かに応じて選択的に実行する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の冷凍サイクル装置。
前記制御手段は、前記下限値のシフトの選択的な実行を前記冷凍サイクルの運転停止に伴い解除することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクルの冷媒は、R32冷媒を50％以上含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載の冷凍サイクル装置。