JP2019168130A - 空気調和機 - Google Patents

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佑 廣崎
Yu Hirosaki
佑 廣崎
慎太郎 真田
Shintaro Sanada
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Abstract

【課題】省冷媒化され、信頼性と性能の両立を図った空気調和機を提供する。【解決手段】空気調和機1は、第1膨張弁24を有する室外機2と、室内熱交換器31を有する室内機3と、室外機と室内機を並列的に分岐して接続する、第1液管4a及び第2液管4bと、第1液管4aの上流側に設けられた開閉弁81と、第2液管4bの下流側に設けられた第2膨張弁82と、空気調和機の各部を選択的に制御する制御手段200と、を備え、制御手段は、圧縮機21の回転数が所定値を上回るとき、第2膨張弁82を全開かつ開閉弁81を開として第1膨張弁24の開度を調整し、圧縮機21の回転数が所定値以下のとき、第1膨張弁24を全開かつ開閉弁81を閉として第2膨張弁82の開度を調整する。【選択図】図1

Description

本発明は、空気調和機に関するものである。
従来、空気調和機においては、省冷媒化技術として、室外機と室内機を接続する冷媒配管(特に液管)の内容積を低減する方法が有効とされている(例えば、特許文献1参照)。しかし、液管の配管径を細径化すると、圧損が大幅に増加し、膨張弁によって圧縮機の吸入冷媒の状態を最適に制御することができなくなる。つまり、膨張弁を最大開度としても絞り過ぎの状態となり、圧縮機に吸入される冷媒の過熱によって圧縮機の信頼性が低下する可能性がある。
特開2001−227822号公報
本発明は以上述べた問題点を解決するものであって、省冷媒化しつつ、信頼性の低下を抑制する空気調和機を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、以下のように把握される。
(1)本発明の第1の観点は、空気調和機であって、圧縮機と室外熱交換器と第1膨張弁を有する室外機と、凝縮器として機能する室内熱交換器を有する室内機と、前記室外機と前記室内機を接続する液管と、前記空気調和機の各部を制御する制御手段と、を備え、暖房運転時、前記圧縮機、前記室内熱交換器、前記液管、前記第1膨張弁、前記室外熱交換器の順に冷媒が循環し、前記液管は、並列に接続される第1液管、及び第2液管からなり、前記第1液管は、暖房運転時の上流側に開閉弁が設けられ、前記第2液管は、暖房運転時の下流側に第2膨張弁が設けられ、前記制御手段は、前記圧縮機の回転数が所定値を超えている場合、前記第2膨張弁を全開かつ前記開閉弁を開として前記第1膨張弁の開度を調整し、前記圧縮機の回転数が所定値以下の場合、前記第1膨張弁を全開、かつ、前記開閉弁を閉として前記第2膨張弁の開度を調整する、ことを特徴とする。
(2)上記(1)において、前記第1液管と前記第2液管が二重管である、ことを特徴とする。
本発明によれば、省冷媒化しつつ、信頼性の低下を抑制する空気調和機を提供することができる。
本実施形態の空気調和機を説明する図であって、(A)は冷媒回路図、(B)は室外機制御手段のブロック図である。 従来の空気調和機において、暖房運転時に冷媒の循環量を減少させようとする際の冷媒回路を模式的に説明する図である。 本実施形態の空気調和機において、暖房運転時に冷媒の循環量を減少させようとする際の冷媒回路を模式的に説明する図である。 同じく、省冷媒化を図る制御を説明する図である。 同じく、液管の圧損を回避して圧縮機の信頼性を維持する制御を説明する図である。 同じく、内容積大の第1液管と内容積小の第2液管との態様例を説明する図であって、(a)は二重管式、(b)は二管式を、それぞれ示す。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、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(A)に示すように、実施形態における空気調和機1は、屋外に設置される室外機2と、室内に設置され、室外機2に液管(第1液管4aと第2液管4b)及びガス管5で接続された室内機3を備えている。詳細には、室外機2の第1液側閉鎖弁25aと室内機3の第1液側接続部33aが第1液管4aで、室外機2の第2液側閉鎖弁25bと室内機3の第2液側接続部33bが第2液管4bで、それぞれが室外機2と室内機3の間に並列に接続されている。また、室外機2のガス側閉鎖弁26と室内機3のガス側接続部34がガス管5で接続されている。以上により、空気調和機1の冷媒回路10が形成される。
<室外機の構成>
まずは、室外機2について説明する。室外機2は、圧縮機21と、四方弁22と、室外熱交換器23と、第1膨張弁24(室外膨張弁)と、第1液管4aの一端が接続された第1液側閉鎖弁25aと、第2膨張弁82(液管膨張弁)と、第2液管4bの一端が接続された第2液側閉鎖弁25bと、ガス管5が接続されたガス側閉鎖弁26と、室外ファン27を備えている。そして、室外ファン27を除くこれら各装置が後述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路10の一部をなす室外機冷媒回路10aを形成している。なお、圧縮機21の冷媒吸入側には、アキュムレータ(不図示)が設けられてもよい。
圧縮機21は、図示しないインバータにより回転数が制御されることで、運転容量を変えることができる容量可変型圧縮機である。圧縮機21の冷媒吐出側は、四方弁22のポートaと吐出管61で接続されている。また、圧縮機21の冷媒吸入側は、四方弁22のポートcと吸入管66で接続されている。
四方弁22は、冷媒の流れる方向を切り替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、上述したように圧縮機21の冷媒吐出側と吐出管61で接続されている。ポートbは、室外熱交換器23の一方の冷媒出入口と冷媒配管62で接続されている。ポートcは、上述したように圧縮機21の冷媒吸入側と吸入管66で接続されている。そして、ポートdは、ガス側閉鎖弁26と室外機ガス管64で接続されている。
室外熱交換器23は、冷媒と、後述する室外ファン27の回転により室外機2の内部に取り込まれた外気を熱交換させるものである。室外熱交換器23の一方の冷媒出入口は、上述したように四方弁22のポートbと冷媒配管62で接続され、他方の冷媒出入口は、室外機液管63と第1室外機液分管63aを介して第1液側閉鎖弁25aに接続され、室外機液管63と第2室外機液分管63bを介して第2液側閉鎖弁25bに接続されている。室外熱交換器23は、四方弁22の切り替えによって、冷房運転時は凝縮器として機能し、暖房運転時は蒸発器として機能する。
第1膨張弁24(室外膨張弁)は、図示しないパルスモータにより駆動される電子膨張弁である。具体的には、パルスモータに加えられるパルス数によりその開度が調整される。第1膨張弁24の開度を調整することで、後述する室内機3の室内熱交換器31を流れる冷媒量を調整する。なお、第1膨張弁24は室外機液管63に設けられている。第2膨張弁82(液管膨張弁)も、図示しないパルスモータにより駆動される電子膨張弁であり、パルスモータに加えられるパルス数によりその開度が調整される。第2膨張弁82の開度を調整することで、後述する室内機3の室内熱交換器31を流れる冷媒量を調整する。なお、第2膨張弁82は第2室外機液分管63bに設けられている。
室外ファン27は樹脂材で形成されており、室外熱交換器23の近傍に配置されている。室外ファン27は、その中心部が図示しないファンモータの回転軸に接続されている。ファンモータが回転することで室外ファン27が回転する。室外ファン27の回転によって、室外機2の図示しない吸込口から室外機2の内部へ外気を取り込み、室外熱交換器23において冷媒と熱交換した外気を、室外機2の図示しない吹出口から室外機2外部へ放出する。
以上説明した構成の他に、室外機2には各種のセンサが設けられている。図1(A)に示すように、吐出管61には、圧縮機21から吐出される冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサ71と、圧縮機21から吐出される冷媒の温度(上述した吐出温度)を検出する吐出温度センサ73が設けられている。吸入管66には、圧縮機21に吸入される冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサ72と、圧縮機21に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度センサ74が設けられている。
室外熱交換器23の図示しない冷媒パスの略中間部には、室外熱交換器23の温度である室外熱交温度を検出する室外熱交温度センサ75が設けられている。そして、室外機2の図示しない吸込口付近には、室外機2の内部に流入する外気の温度、すなわち外気温度を検出する外気温度センサ76が備えられている。
また、室外機2には、室外機制御手段200が備えられている。室外機制御手段200は、室外機2の図示しない電装品箱に格納されている制御基板に搭載されている。図1(B)に示すように、室外機制御手段200は、CPU210と、記憶部220と、通信部230と、センサ入力部240を備えている(なお、本明細書では、室外機制御手段200を単に制御手段ということがある)。
記憶部220は、フラッシュメモリで構成されており、室外機2の制御プログラムや各種センサからの検出信号に対応した検出値、圧縮機21や室外ファン27等の制御状態等を記憶している。また、図示は省略するが、記憶部220には室内機3から受信する要求能力に応じて圧縮機21の回転数を定めた回転数テーブルが予め記憶されている。
通信部230は、室内機3との通信を行うインターフェイスである。センサ入力部240は、室外機2の各種センサでの検出結果を取り込んでCPU210に出力する。
CPU210は、前述した室外機2の各センサでの検出結果を、センサ入力部240を介して取り込む。さらには、CPU210は、室内機3から送信される制御信号を、通信部230を介して取り込む。CPU210は、取り込んだ検出結果や制御信号等に基づいて、圧縮機21や室外ファン27の駆動制御、四方弁22の切り替え制御を行う。さらには、CPU210は、取り込んだ検出結果や制御信号に基づいて、第1膨張弁24(室外膨張弁)及び第2膨張弁82(液管膨張弁)の開度調整を行う。
<室内機の構成>
次に、図1(A)を用いて、室内機3について説明する。室内機3は、室内熱交換器31と、室内ファン32と、第1液管4aの他端が接続された第1液側接続部33aと、第2液管4bの他端が接続された第2液側接続部33bと、ガス管5の他端が接続されたガス側接続部34を備えている。そして、室内ファン32を除くこれら各装置が以下で詳述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路10の一部をなす室内機冷媒回路10bを形成している。
室内熱交換器31は、冷媒と後述する室内ファン32の回転により室内機3の図示しない吸込口から室内機3の内部に取り込まれた室内空気を熱交換させるものである。室内熱交換器31の一方の冷媒出入口は、室内機液管67と第1室内機液分管67aを介して第1液側接続部33aに接続され、室内機液管67と第2室内機液分管67bを介して第2液側接続部33bに接続されている。第2室内機液分管67bには開閉弁81が設けられている。室内熱交換器31の他方の冷媒出入口は、ガス側接続部34と室内機ガス管68で接続されている。室内熱交換器31は、室内機3が冷房運転を行う場合は蒸発器として機能し、室内機3が暖房運転を行う場合は凝縮器として機能する。なお、液側接続部33やガス側接続部34では、各冷媒配管が溶接やフレアナット等により接続されている。
室内ファン32は樹脂材で形成された好ましくはクロスフローファンであり、室内熱交換器31の近傍に配置されている。室内ファン31は、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の図示しない吸込口から室内機3の内部に室内空気を取り込み、室内熱交換器31において冷媒と熱交換した室内空気を室内機3の図示しない吹出口から室内へ吹き出す。
以上説明した構成の他に、室内機3には各種のセンサが設けられている。室内機液管67には、室内熱交換器31に流入あるいは室内熱交換器31から流出する冷媒の温度を検出する液側温度センサ77が設けられている。室内機ガス管68には、室内熱交換器31から流出あるいは室内熱交換器31に流入する冷媒の温度を検出するガス側温度センサ78が設けられている。そして、室内機3の図示しない吸込口付近には、室内機3の内部に流入する室内空気の温度、すなわち室温を検出する室温センサ79が備えられている。
<冷媒回路の動作>
次に、実施形態における空気調和機1の空調運転時の冷媒回路10における冷媒の流れや各部の動作について、図1(A)を用いて説明する。以下の説明では、まず、室内機3が暖房運転を行う場合について説明し、次に、冷房運転(あるいは除霜運転。以下同様)を行う場合について説明する。なお、第1膨張弁24、第2膨張弁82、開閉弁81を用いた省冷媒化のための制御については、後述する。
<<暖房運転>>
室内機3が暖房運転を行う場合、CPU210は、図1(A)に示すように四方弁22を実線で示す状態、すなわち、四方弁22のポートaとポートdが連通するよう、また、ポートbとポートcが連通するよう、切り替える。これにより、冷媒回路10において実線矢印で示す方向に冷媒が循環し、室外熱交換器23が蒸発器として機能するとともに、室内熱交換器31が凝縮器として機能する暖房サイクルとなる。
圧縮機21から吐出された高圧の冷媒は、吐出管61から四方弁22のポートaに流入し、四方弁22のポートdから室外機ガス管64を流れて、ガス側閉鎖弁26を介してガス管5に流入する。ガス管5を流れる冷媒は、ガス側接続部34を介して室内機3に流入する。
室内機3に流入した冷媒は、室内機ガス管68を流れて室内熱交換器31に流入し、室内ファン32の回転により室内機3の内部に取り込まれた室内空気と熱交換を行って凝縮する。このように、室内熱交換器31が凝縮器として機能し、室内熱交換器31で冷媒と熱交換を行った室内空気が図示しない吹出口から室内に吹き出されることによって、室内機3が設置された室内の暖房が行われる。
室内熱交換器31から流出した冷媒は、室内機液管67を流れ、第1室内機液分管67aと第1液側接続部33aを介して第1液管4aに流入する。また、開閉弁81の開閉によって、第2室内機液分管67bと第2液側接続部33bを介して第2液管4bに流入する。詳細には、開閉弁81が開いている状態のときは、室内熱交換器31から流出した冷媒は、第1液管4aと第2液管4bのそれぞれに流入し、開閉弁81が閉じている状態のときは、室内熱交換器31から流出した冷媒は、第2液管4bにのみ流入する。第1液管4aを流れ、第1液側閉鎖弁25aを介して室外機2に流入した冷媒は、室外機液管63を流れて第1膨張弁24(室外膨張弁)を通過する際に減圧される。また、第2液管4bを流れ、第2液側閉鎖弁25bを介して室外機2に流入した冷媒は、室外機液管63を流れて第2膨張弁82(液管膨張弁)と第1膨張弁24(室外膨張弁)を通過する際に減圧される。
第1膨張弁24(室外膨張弁)又は第2膨張弁82(液管膨張弁)を通過して室外熱交換器23に流入した冷媒は、室外ファン27の回転により室外機2の内部に取り込まれた外気と熱交換を行って蒸発する。室外熱交換器23から冷媒配管62に流出した冷媒は、四方弁22のポートb及びポートc、吸入管66を流れ、圧縮機21に吸入されて再び圧縮される。
なお、室内機3が冷房運転を行う場合、CPU210は、図1(A)に示すように四方弁22を破線で示す状態、すなわち、四方弁22のポートaとポートbとが連通するよう、また、ポートcとポートdとが連通するよう、切り替える。これにより、冷媒回路10において破線矢印で示す方向に冷媒が循環し、室外熱交換器23が凝縮器として機能するとともに室内熱交換器31が蒸発器として機能する冷房サイクルとなる。
<省冷媒化、信頼性、性能の両立>
空気調和機1に充填する冷媒の量を減らす(省冷媒化)ことを目的として、室外機と室内機を接続する液管の配管径を細径化して内容積を減らすと、当該液管で冷媒の圧損が大幅に増加し、膨張弁によって圧縮機の吸入冷媒の状態を最適に制御することができなくなる。つまり、膨張弁を最大開度としても絞り過ぎの状態となり、圧縮機に吸入される冷媒の過熱によって圧縮機の信頼性が低下する可能性がある。これを抑制するため、液管を配管径の大きいと小さいものの2本を並列に接続させて、冷媒の循環量が多いとき(例えば、圧縮機が高回転数のとき)には配管径の大きい液管に冷媒を流して、冷媒の循環量が少ないとき(例えば、圧縮機の回転数が高回転数ではないとき)には配管径の小さい液管に冷媒を流す方法(以下、比較例と呼ぶ)が考えられる。この場合、二つ液管の上流側に冷媒を流す液管を切り替える三方弁を設けることが考えやすい。
まず、比較例の冷媒回路10Aと本実施形態の冷媒回路10における状態を示す。図2及び図3は、暖房運転時に冷媒の循環量が少ないときの冷媒回路を模式的に説明する図であって、図2は比較例の空気調和機の冷媒回路10Aにおける状態を、図3は本実施形態の空気調和機1の冷媒回路10における状態をそれぞれ示している。
比較例の冷媒回路10Aでは、冷媒の循環量が少ないときであるため、膨張弁24による最適な圧力制御ができなくなる程圧損が大きくならない。したがって、省冷媒化のために配管径の小さい(内容積の小さい)第1液管4aに冷媒が流れるように三方弁9を制御する。これによって、凝縮器として機能する室内熱交換器31で液相となった冷媒は第1液管4aにのみ流れて膨張弁24に流入する。したがって、液相冷媒は配管径の小さい(内容積の小さい)第1液管4aにのみ滞留するように思える。しかし、三方弁9によって分岐している配管径の大きい(内容積の大きい)第2液管4bにも、内容積の小さい第1液管4aと同様に、高密度の液相冷媒が充満することになる。これは、第2液管4bの内部の冷媒も第1液管4aの内部の冷媒と同じ圧力と温度となるためである。このため、三方弁9によって冷媒を流す液管を切り替えるようにした比較例では、結局第1液管4aと第2液管4bの両方に液相冷媒が滞留することになり、循環量が減少し、冷媒不足に陥る。これに対し、本実施形態の冷媒回路10では、図3に示すように、第1液管4aの上流側に設けた開閉弁81を閉じることにより、第1液管4aに滞留しているのは第2膨張弁82(液管膨張弁)によって減圧された低密度、低圧の気液二相冷媒となるため、循環量の低下を抑制できる。
次に、図4及び図5を用いて、第1膨張弁24、第2膨張弁82、開閉弁81の制御についてさらに詳しく説明する。
図4は、圧縮機の回転数が所定値(例えば、定格運転能力時の回転数)以下の場合、内容積が小さくなるように第2液管4bのみに冷媒が流れるようにして冷媒不足による影響を抑制することで空調能力を確保している状態を示している(「内容積小モード」ともいう)。この場合、制御手段200は、開閉弁81を閉じて第1液管4aには液相冷媒を流入させない。そうすると、液相冷媒は、第2液管4bにのみ流入し、第2液管4bの下流側に設けられている第2膨張弁82(液管膨張弁)によって減圧される。なお、このとき第1膨張弁24(室外膨張弁)は全開とする。
これにより、第1液管4aの内部は低圧回路となるため、減圧された気液二相冷媒が分布する。すなわち、第2液管4bにのみ液相冷媒が滞留するため、循環量の低下を抑制できる。当該第2液管4bを細径化することで省冷媒化を実現することができる。
一方、圧縮機の回転数が所定値(例えば、定格運転能力時の回転数)を上回る場合、細径化された第2液管4bにのみ冷媒を流すと、圧損の増大により、第2膨張弁82(液管膨張弁)による開度制御が不能となってしまい、圧縮機21への吸入冷媒の過熱により圧縮機21の信頼性が低下してしまう場合がある。
そこで、圧縮機21の信頼性の低下を防ぐために、図5に示すように、第2液管4bに加えて第1液管4aにも液相冷媒を流す状態(「内容積大モード」ともいう)への切り替えを行う。この場合、制御手段200は、開閉弁81を開いて、液管を第1液管4aと第2液管4bの多パス化する。そうすると、第1液管4aと第2液管4bの両方を冷媒が流れる。そして、第2膨張弁82(液管膨張弁)は全開にして第1膨張弁24(室外膨張弁)によって開度を調整する。これにより、液管による圧損を低減し、圧縮機21の信頼性の低下を抑制することができる。
ここで、第1液管4aと第2液管4bの態様例として、図6に示すように、2つの方式を用いることができる。1つ目は、図6(a)に示すように、第1液管4aと第2液管4bが相互に熱交換をしない二管式とするものである。これに対し、2つ目は、図6(b)に示すように、第2液管4bの周囲を第1液管4aが覆うように二重管式とするものである。二重管式の場合、内容積小モードにおいて、膨張前の高温冷媒と膨張後の低温冷媒間で熱交換が可能となるため、すなわち、第1液管4aを流れる低圧の気液二相冷媒が第2液管4bを流れる高圧の液相冷媒から吸熱するため、乾き度が上昇し、更に密度を下げることができる。これによれば、内容積小モードのときの液管内に滞留する冷媒の総量(第1液管4a内の冷媒の滞留量+第2液管4b内の冷媒の滞留量)がより少なくなる、すなわち、運転中に必要な冷媒が少なくなるため、更に省冷媒化に寄与できる。
以上説明した実施形態によれば、定格能力運転時に細径化された第2液管4bのみを使用することで省冷媒化するとともに、液管の細径化によって生じ得る圧損の大幅な増加により膨張弁(第2膨張弁82)での開度制御が不能となる前に、使用する液管の内容積を大きく切り替える(第1液管4aを併用して使用する)ことで信頼性を確保し、空気調和機1の信頼性及び性能の両立を図ることができる。
1 空気調和機
2 室外機
3 室内機
4a 第1液管
4b 第2液管
5 ガス管
10 冷媒回路
10a 室外機冷媒回路
10b 室内機冷媒回路
21 圧縮機
22 四方弁
23 室外熱交換器
24 第1膨張弁(室外膨張弁)
25a 第1液側閉鎖弁
25b 第2液側閉鎖弁
26 ガス側閉鎖弁
27 室外ファン
31 室内熱交換器
32 室内ファン
33a 第1液側接続部
33b 第2液側接続部
34 ガス側接続部
61 吐出管
62 冷媒配管
63 室外機液管
64 室外機ガス管
66 吸入管
67 室内機液管
68 室内機ガス管
71 吐出圧力センサ
72 吸入圧力センサ
73 吐出温度センサ
74 吸入温度センサ
75 室外熱交温度センサ
76 外気温度センサ
77 液側温度センサ
78 ガス側温度センサ
79 室温センサ
81 開閉弁
82 第2膨張弁(液管膨張弁)
200 室外機制御手段(制御手段)
210 CPU
220 記憶部
230 通信部
240 センサ入力部

Claims (2)

  1. 空気調和機であって、
    圧縮機と室外熱交換器と第1膨張弁を有する室外機と、
    凝縮器として機能する室内熱交換器を有する室内機と、
    前記室外機と前記室内機を接続する液管と、
    前記空気調和機の各部を選択的に制御する制御手段と、を備え、
    暖房運転時、前記圧縮機、前記室内熱交換器、前記液管、前記第1膨張弁、前記室外熱交換器の順に冷媒が循環し、
    前記液管は、並列に接続される第1液管、及び第2液管からなり、
    前記第1液管は、暖房運転時の上流側に開閉弁が設けられ、
    前記第2液管は、暖房運転時の下流側に第2膨張弁が設けられ、
    前記制御手段は、前記圧縮機の回転数が所定値を超えている場合、前記第2膨張弁を全開かつ前記開閉弁を開として前記第1膨張弁の開度を調整し、前記圧縮機の回転数が所定値以下の場合、前記第1膨張弁を全開、かつ、前記開閉弁を閉として前記第2膨張弁の開度を調整する、ことを特徴とする空気調和機。
  2. 前記第1液管と前記第2液管が二重管である、ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
JP2018054338A 2018-03-22 2018-03-22 空気調和機 Pending JP2019168130A (ja)

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CN111076350B (zh) * 2019-12-30 2021-09-21 宁波奥克斯电气股份有限公司 一种压缩机启动的控制方法、装置及空调器

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