JP2022162266A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な運転範囲で低能力運転を行うことができる空気調和装置を提供することを目的とする。【解決手段】空気調和装置において、空調対象空間の状況に応じて運転周波数が調節される圧縮機と、開度を調節可能な膨張弁と、圧縮機と膨張弁とを制御し、低能力運転を実行する制御装置と、を備え、制御装置は、低能力運転の前に、膨張弁の開度を小さくする移行運転を実行する構成とした。【選択図】図８

Description

本開示は、運転周波数が調節される圧縮機を備える空気調和装置に関するものである。

近年、住宅の高気密及び高断熱化が進んでいる。これにより、室内で発生する人体発熱及び機器発熱などの内部発熱によって、空気調和装置の負荷が低下する頻度が増えている。具体的には、空気調和装置の負荷が、定格能力に対し半分以下となる低負荷の発生頻度が増えている。空気調和装置の圧縮機の運転周波数には下限がある。そのため、圧縮機が下限周波数で運転することになる低負荷の場合には、圧縮機の運転と停止を繰り返す発停運転が発生する。圧縮機が発停運転すると、室内温度の変動による快適性の悪化、又は圧縮機の起動時に冷媒状態が安定しないことで発生するロスに起因する省エネ性の悪化が生じる。これらの課題を解決するため、特許文献１では、圧縮機を停止させるサーモオフ状態へ移行する前に、圧縮機を最低周波数で運転させて発停運転を回避、又は発停運転による影響を軽減する空気調和装置が提案されている。

特開２０１５－０２１６５６号公報

特許文献１のように、空気調和装置が圧縮機の周波数を下限値付近まで急激に低下させている。この場合、冷凍サイクルの応答時間に応じた膨張弁開度が調整されない。よって、冷媒回路において目的の過熱度が確保できず、正常な運転範囲から外れてしまうことがある。

本開示は、上記のような課題を解決するものであり、冷媒回路において目的の過熱度を確保し、適切な運転範囲で低能力運転を行うことができる空気調和装置を提供することを目的とする。

本開示に係る空気調和装置において、空調対象空間の状況に応じて運転周波数が調節される圧縮機と、開度を調節可能な膨張弁と、圧縮機と膨張弁とを制御し、低能力運転を実行する制御装置と、を備え、制御装置は、圧縮機の運転周波数が閾値よりも低下した場合に、膨張弁の開度を低下させる移行運転を実行した後、圧縮機の運転周波数を移行運転時の運転周波数よりも低下させる低能力運転を実行する構成とした。

本開示の空気調和装置では、低能力運転を実施する前に、膨張弁の開度を小さくする移行運転を実施している。これにより、本開示の空気調和装置は、冷凍サイクルにおける目的の過熱度を確保し、適切な運転範囲で低能力運転を行うことができる。

実施の形態１に係る空気調和装置１００の概略構成図である。 実施の形態１に係る空気調和装置１００の制御ブロック図である。 実施の形態１に係る室内機２の冷房運転時の動作を示す図である。 実施の形態１に係る室内機２の冷房運転時の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。 実施の形態１に係る室内機２の暖房運転時の動作を示す図である。 実施の形態１に係る室内機２の暖房運転時の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。 実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の運転周波数の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における膨張弁１４の開度の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における過熱度を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における蒸発温度を説明するための図である。 圧縮機の運転周波数と蒸発温度と顕熱能力及び潜熱能力との関係を示す図である。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の運転周波数の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における膨張弁１４の開度の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転における風向の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る暖房時の低能力運転における風向の制御を説明するための図である。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における過熱度を説明するための図である。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における凝縮温度を説明するための図である。 実施の形態１に係る冷房時の空気調和装置１００の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る暖房時の空気調和装置１００の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の周波数と室温との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ及び配置等は、本開示の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
（空気調和装置１００の構成）
図１は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の概略構成図である。図１に示すように、実施の形態１の空気調和装置１００は、空調対象空間の外に配置される室外機１と、空調対象空間内に配置される室内機２とからなる。室外機１と室内機２とは、配管、及び電源線又は信号線等の配線によって接続されている。室外機１は、圧縮機１１と、流路切替弁１２と、室外熱交換器１３と、膨張弁１４と、室外ファン１５と、第４温度センサ３４と、第５温度センサ３５と、を備えている。室内機２は、室内熱交換器２１と、室内ファン２２と、風向板２３と、第１温度センサ３１と、第２温度センサ３２と、第３温度センサ３３と、吸込み温度センサ３６と、吹出し温度センサ３７と、制御装置５と、を備えている。

圧縮機１１、流路切替弁１２、室外熱交換器１３、膨張弁１４、及び室内熱交換器２１は、配管により接続され、冷媒回路を構成する。空気調和装置１００の冷媒回路に循環する冷媒は、例えば二酸化炭素、炭化水素若しくはヘリウム等の自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ若しくはＨＦＣ４０７Ｃ等の塩素を含まない冷媒、又はＲ２２若しくはＲ１３４ａ等のフロン系冷媒である。

圧縮機１１は、低圧のガス冷媒を吸入して圧縮し、高圧のガス冷媒として吐出する流体機械である。圧縮機１１としては、例えばレシプロ、ロータリー、スクロール又はスクリューなどの各種タイプの圧縮機１１が用いられる。圧縮機１１の運転周波数は、制御装置５によって制御される。

流路切替弁１２は、室外熱交換器１３が凝縮器として機能する冷房運転と、室外熱交換器１３が蒸発器として機能する暖房運転とを切替える四方弁である。流路切替弁１２は、冷房運転時は図１に実線で示されるように、圧縮機１１から吐出される冷媒が室外熱交換器１３に流入するよう切替えられる。流路切替弁１２は、暖房運転時は図１に破線で示されるように、圧縮機１１から吐出される冷媒が室内熱交換器２１に流入するよう切替えられる。

室外熱交換器１３は、例えばプレートフィンチューブ式の熱交換器であり、円管又は扁平管の内部を流通する冷媒と、室外ファン１５により供給される空気との熱交換を行う。室外熱交換器１３は、流路切替弁１２と、膨張弁１４との間に配置される。室外熱交換器１３は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。

膨張弁１４は、冷媒を減圧させる弁である。膨張弁１４は、制御装置５によって開度を調整可能な電子膨張弁である。膨張弁１４は、室外熱交換器１３と、室内熱交換器２１との間に配置される。なお、図１において、膨張弁１４は室外機１に配置されているが、室内機２に配置されてもよい。

室外ファン１５は、空調対象空間外の空気を吸込み、室外熱交換器１３を通過させて空調対象空間外に吹出す。室外ファン１５は、例えばモータによって駆動されるプロペラファン、シロッコファン又はクロスフローファンである。室外ファン１５の風量は、制御装置５によって室外ファン１５の回転数が制御されることにより可変制御される。室外ファン１５のモータがＤＣモータの場合、制御装置５は、電流値を変化させて回転数を制御することで、室外ファン１５の風量を制御する。また、室外ファン１５のモータがＡＣモータの場合、制御装置５は、インバータ制御により電源周波数を変化させて回転数を制御することで、室外ファン１５の風量を制御する。

室内熱交換器２１は、例えばプレートフィンチューブ式の熱交換器であり、円管又は扁平管の内部を流通する冷媒と、室内ファン２２により送風される空気との熱交換を行う。室内熱交換器２１は、膨張弁１４と、流路切替弁１２との間に配置される。室内熱交換器２１は、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。

室内ファン２２は、空調対象空間内の空気を吸込み、室内熱交換器２１を通過させて空調対象空間内に吹出す。室内ファン２２は、例えばモータによって駆動されるプロペラファン、シロッコファン又はクロスフローファンである。室内ファン２２の風量は、制御装置５によって室内ファン２２の回転数が制御されることにより制御される。室内ファン２２のモータがＤＣモータの場合、制御装置５は、電流値を変化させて回転数を制御することで、室内ファン２２の風量を制御する。また、室内ファン２２のモータがＡＣモータの場合、制御装置５は、インバータ制御により電源周波数を変化させて回転数を制御することで、室内ファン２２の風量を制御する。

なお、図１では、１つの室内ファン２２が、空気の流れにおいて室内熱交換器２１の上流に配置されているが、目標の風量が得られるのであれば、室内ファン２２の配置及び数は図１の例に限定されない。例えば、室内ファン２２は、室内熱交換器２１の下流に配置されてもよいし、複数の室内ファン２２が室内熱交換器２１の上流と下流とにそれぞれ配置されてもよい。

室内機２は、空調対象空間の壁に取り付けられる壁掛け式の室内機２である。室内機２の筐体には、吸込口２０ａと吹出口２０ｂとが設けられ、吸込口２０ａと吹出口２０ｂとを繋ぐ風路に室内ファン２２と室内熱交換器２１とが配置されている。室内ファン２２により、空調対象空間の空気が吸込口２０ａから吸込まれ、室内熱交換器２１によって冷却又は加熱されて、吹出口２０ｂから空調対象空間に吹出される。

風向板２３は、吹出口２０ｂにおいて、水平方向と平行な回転軸に回動可能に設けられ、室内熱交換器２１によって冷却又は加熱された空調空気の吹出し方向を上下方向に調節する。風向板２３の角度は、回転軸に取り付けられた図示しないステッピングモータなどにより調節される。なお、風向板２３の角度は、室内機２が空調対象空間の壁に設置された状態において、鉛直方向を０度とした場合の角度である。

第１温度センサ３１は、室内熱交換器２１と膨張弁１４とを接続する配管に設けられ、冷房運転時において、室内熱交換器２１の入口側の冷媒の温度を検出する。第２温度センサ３２は、室内熱交換器２１と流路切替弁１２とを接続する配管に設けられ、冷房運転時において、室内熱交換器２１の出口側の冷媒の温度を検出する。第３温度センサ３３は、室内熱交換器２１に設けられ、室内熱交換器２１を流れる冷媒の温度を検出する。第４温度センサ３４は、室外熱交換器１３と膨張弁１４とを接続する配管に設けられ、暖房運転時において、室外熱交換器１３の入口側の冷媒の温度を検出する。第５温度センサ３５は、室外熱交換器１３と流路切替弁１２とを接続する配管に設けられ、暖房運転時において、室外熱交換器１３の出口側の冷媒の温度を検出する。第１温度センサ３１、第２温度センサ３２、第３温度センサ３３、第４温度センサ３４、及び第５温度センサ３５により検出された冷媒温度は、制御装置５に送信される。

吸込み温度センサ３６は、吸込口２０ａの周囲に配置され、空調対象空間から室内機２に吸込まれる空気の温度を検出する。吸込み温度センサ３６により検出された吸込み空気温度は、制御装置５に送信される。なお、吸込み空気温度は、空調対象空間の温度、すなわち室内温度である。吹出し温度センサ３７は、吹出口２０ｂの周囲に設けられ、室内機２から空調対象空間に吹き出される空気の温度を検出する。吹出し温度センサ３７により検出された吹出し空気温度は、制御装置５へ送信される。

制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＩ／Ｏポート等を備えたマイクロコンピュータである。制御装置５は、リモコン等を介して入力される使用者からの指示と、第１温度センサ３１、第２温度センサ３２、第３温度センサ３３、第４温度センサ３４、第５温度センサ３５、吸込み温度センサ３６、及び吹出し温度センサ３７の検出結果とに基づいて空気調和装置１００全体の動作を制御する。なお、図１では、制御装置５が室内機２に設けられているが、室外機１に設けられてもよいし、室外機１及び室内機２にそれぞれ個別の制御装置５を設け、互いに通信する構成としてもよい。

（空気調和装置１００の動作）
図２は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の制御ブロック図である。図２に示すように、空気調和装置１００の制御装置５は、機能部として、運転制御部５１と、風量制御部５２と、風向制御部５３とを有する。各機能部は、制御装置５がプログラムを実行することにより実現されるか、又は専用の処理回路により実現される。

運転制御部５１は、リモコン等を介して入力される設定情報と、第１温度センサ３１、第２温度センサ３２、第３温度センサ３３、第４温度センサ３４、第５温度センサ３５、吸込み温度センサ３６、及び吹出し温度センサ３７の検出結果とに基づき、冷房運転及び暖房運転を実行する。入力される設定情報は、例えば冷房運転、暖房運転の設定、及び設定温度などである。運転制御部５１は、設定情報と各温度センサの検出結果とに基づき、圧縮機１１の運転周波数、流路切替弁１２の切替え、膨張弁１４の開度、及び室外ファン１５の回転数を制御する。

風量制御部５２は、リモコン等を介して入力される設定情報と、吸込み温度センサ３６及び吹出し温度センサ３７により検出された温度と、に基づき、室内ファン２２の風量を制御する。風向制御部５３は、リモコン等を介して入力される設定情報に基づき風向板２３の角度を制御する。

（冷房運転）
空気調和装置１００の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時においては、まず、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒が凝縮器として機能する室外熱交換器１３に流入する。冷媒は、室外熱交換器１３にて高温高圧の気体から液体に相変化し、室外熱交換器１３を通過する空気を加熱する。その後、冷媒は開度が小さく設定された膨張弁１４にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、蒸発器として機能する室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１において、冷媒は、液体から気体に相変化し、室内熱交換器２１を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は圧縮機１１に流入し、再度、高温高圧の気体となる。

図３は、実施の形態１に係る室内機２の冷房運転時の動作を示す図である。図３における矢印は冷媒の流れる向きを示す。冷房運転時には、制御装置５は、膨張弁１４の開度を小さく設定する。これにより、室内熱交換器２１に流入する冷媒の圧力は低下する。また、制御装置５は、第３温度センサ３３によって検出される冷媒の蒸発温度と、第２温度センサ３２によって検出される冷媒の出口温度との差から演算される過熱度が所定の値となるように、膨張弁１４の開度を制御する。図３に示されるように、空調対象空間内の空気（Ａ１）は、室内ファン２２により、蒸発器として機能する室内熱交換器２１へ供給される。室内熱交換器２１は通過する空気を冷却する。その後、冷却された空調空気（Ｂ１）が、空調対象空間内に供給される。

図４は、実施の形態１に係る室内機２の冷房運転時の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。図４の横軸は温度（℃）を表し、縦軸は絶対湿度（ｋｇ／ｋｇ´）を表している。図４中の点Ａ１及び点Ｂ１は、図３中の（Ａ１）及び（Ｂ１）の位置にそれぞれ対応している。図４に示すように、室内熱交換器２１を通過した空気（Ａ１）は、冷媒との熱交換により冷却除湿され、低温かつ相対湿度の高い状態となった後、絶対湿度が低下した状態（Ｂ１）となって、空調対象空間に給気として供給される。

（暖房運転）
空気調和装置１００の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時においては、圧縮機１１で圧縮され、高温高圧の気体となった冷媒が凝縮器として機能する室内熱交換器２１に流入する。冷媒は、室内熱交換器２１にて高温高圧の気体から液体に相変化し、室内熱交換器２１を通過する空気を加熱する。その後、冷媒は開度を小さく設定された膨張弁１４にて減圧され、低温低圧の液体と気体が混在した二相状態になり、蒸発器として機能する室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３において、冷媒は、液体から気体に相変化し、室外熱交換器１３を通過する空気を冷却する。その後、冷媒は圧縮機１１に流入し、再度、高温高圧の気体となる。

図５は、実施の形態１に係る室内機２の暖房運転時の動作を示す図である。暖房運転時には、制御装置５は、膨張弁１４の開度を小さく設定する。これにより、室外熱交換器１３に流入する冷媒の圧力は低下する。また、制御装置５は、第１温度センサ３１によって検出される冷媒の出口温度と、第３温度センサ３３によって検出される冷媒の凝縮温度との差から演算される過冷却度が所定の値となるように、膨張弁１４の開度を制御する。図５に示されるように、空調対象空間内の空気（Ａ２）は、室内ファン２２により、凝縮器として機能する室内熱交換器２１へ供給される。室内熱交換器２１は通過する空気を加熱する。その後、加熱された空調空気（Ｂ２）が、空調対象空間に供給される。

図６は、実施の形態１に係る室内機２の暖房運転時の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。図６の横軸は温度（℃）を表し、縦軸は絶対湿度（ｋｇ／ｋｇ´）を表している。図６中の点Ａ２及び点Ｂ２は、図５中の（Ａ２）及び（Ｂ２）の位置にそれぞれ対応している。図６に示すように、室内熱交換器２１を通過した空気（Ａ２）は、冷媒との熱交換により加熱され高温の状態（Ｂ２）となって、空調対象空間に給気として供給される。

図２を用いて説明したように、運転制御部５１は、設定情報と各温度センサの検出結果とに基づき、圧縮機１１の運転周波数を制御する。つまり、運転制御部５１は、設定情報と空調対象空間の状況とに応じて、圧縮機１１の運転周波数を調節する。具体的には、運転制御部５１は、設定温度と、空調対象空間の温度、即ち吸込み温度センサ３６が検出した室内温度とが近くなるにつれ、空調負荷が低くなったと判断して、圧縮機１１の運転周波数を低下させる。制御装置５は、圧縮機１１の運転周波数が低下すると、冷房運転及び暖房運転のそれぞれにおいて、低能力運転、移行運転、及びサーモオフ運転を実行する。なお、以下において詳細な説明は省略するが、低能力運転、移行運転、及びサーモオフ運転以外の運転を通常運転と呼称する。上述した各機能部の動作は、通常運転、低能力運転、移行運転、及びサーモオフ運転に共通するものである。次に、低能力運転、移行運転、及びサーモオフ運転の概要、並びに低能力運転、移行運転、及びサーモオフ運転に特有の各機能部の動作について説明する。

（移行運転、低能力運転、及びサーモオフ運転）
先ずは、冷房時の移行運転、低能力運転、及びサーモオフ運転について説明する。冷房時の低能力運転は、圧縮機１１が下限値付近の運転周波数で動作している状態を指す。圧縮機は、下限値以下での運転を行った場合、潤滑油不足に陥り、軸焼き付けなどの故障を起こすことがある。圧縮機が下限値付近の運転周波数で動作している際に、空気調和装置１００の空調能力は、最低空調能力である６００Ｗ以下となる。一般的な空気調和装置の定格冷房能力は最低でも２．２ｋＷであることから、６００Ｗ以下の空調能力は、定格能力の２７％程度に相当する。つまり、制御装置５は、冷房時の低能力運転において、空気調和装置１００の空調能力を６００Ｗ以下、又は定格能力に対して３０％以下に制御する。

冷房時の移行運転は、通常運転から低能力運転への移行前に行われる運転である。具体的に、移行運転は、圧縮機１１の運転周波数が閾値α以下になった場合に行われる。閾値αは、圧縮機１１の運転周波数の下限値よりも大きい値である。つまり、制御装置５は、冷房の通常運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値α以下に低下した場合、移行運転及び低能力運転を連続して実行する。

冷房時のサーモオフ運転は、低能力運転中に、室内温度が冷房停止温度以下となった場合に行われる運転である。サーモオフ運転では、圧縮機１１の運転が停止する。サーモオフ運転は、室内温度が冷房開始温度以上となった場合に解除される。サーモオフ運転が解除されると、圧縮機１１が起動する。冷房停止温度及び冷房開始温度は、冷房の設定温度に基づいて算出される。

次に、暖房時の移行運転、低能力運転、及びサーモオフ運転について説明する。暖房時の低能力運転も、冷房時の低能力運転と同様に、圧縮機１１の運転周波数が下限値付近で動作し、空気調和装置１００の空調能力が６００Ｗ以下、又は空調の定格能力に対して３０％以下に制御された状態での運転を指す。

暖房時の移行運転も、冷房時の移行運転と同様に、暖房時の通常運転から低能力運転への移行前に行われる運転である。具体的に、移行運転は、圧縮機１１の運転周波数が閾値β以下になった場合に行われる。閾値βは、圧縮機１１の下限値の運転周波数よりも大きい値である。つまり、制御装置５は、暖房の通常運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値β以下に低下した場合、移行運転及び低能力運転を連続して実行する。

暖房時のサーモオフ運転も、冷房時のサーモオフ運転と同様に、低能力運転中に、室内温度が暖房停止温度以上となった場合に行われる運転である。サーモオフ運転では、圧縮機１１の運転が停止する。サーモオフ運転は、室内温度が暖房開始温度以下となった場合に解除される。サーモオフ運転が解除されると、圧縮機１１が起動する。暖房停止温度及び暖房開始温度は、暖房の設定温度に基づいて算出される。

実施の形態１における冷房時の移行運転及び低能力運転における制御について詳しく説明する。図７は、実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の運転周波数の制御を説明するための図である。図８は、実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における膨張弁１４の開度の制御を説明するための図である。図７及び図８では、低能力運転への移行前に、移行運転を行う場合を実線で示し、移行運転を行わない場合を比較例として破線で示している。また、図７及び図８の横軸にとられた時間は、同一の尺度で表されており、それぞれ対応しているものとする。制御装置５は、冷房時の通常運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値α以下に低下した場合に、冷房時の移行運転を第１の時間ｔ１継続して実行する。更に、第１の時間ｔ１経過後に、冷房時の低能力運転を少なくとも第２の時間ｔ２は継続して実行する。

図７で示すように、運転制御部５１は、移行運転において、所定の運転周波数に固定して圧縮機１１を運転する。そして、運転制御部５１は、低能力運転において、圧縮機１１の運転周波数を低下させた後、低下後の運転周波数を維持して圧縮機１１の運転を継続させる。この際、圧縮機１１の運転周波数は、第３温度センサ３３によって検出される蒸発温度と、第２温度センサ３２によって検出される冷媒の出口温度との差から演算される過熱度が少なくとも移行運転の際よりも低くなるように設定される。また、図８で示すように、運転制御部５１は、移行運転において、膨張弁１４の開度を最小開度に絞る。そして、運転制御部５１は、低能力運転において、膨張弁１４の開度を移行運転で絞った最小開度に維持する。

更に、運転制御部５１は、冷房時の低能力運転に移行後の第２の時間ｔ２中は、低能力運転を継続する。換言すると、能力運転に移行後に第２の時間ｔ２が経過するまでは室内温度が停止温度以下となっても冷房時のサーモオフ運転は行なわれない。低能力運転中の第２の時間ｔ２経過後、室内温度が停止温度以下となった場合は、サーモオフ運転に移行する。また、低能力運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値αより大きくなった場合は、通常運転に移行する。比較例では、実施の形態１が移行運転を行っている第１の時間ｔ１に相当する時間は、通常運転を行っている。

図９は、実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における過熱度を説明するための図である。図１０は、実施の形態１に係る冷房時の移行運転及び低能力運転における蒸発温度を説明するための図である。図９及び図１０でも、図７及び図８と同様に、低能力運転への移行前に、移行運転を行う場合を実線で示し、移行運転を行わない場合を比較例として破線で示している。また、図９及び図１０の横軸にとられた時間は、図７及び図８と同一の尺度で表されており、図７～図１０はそれぞれ対応しているものとする。移行運転において、膨張弁１４の開度を小さく絞ることによって、図９で示すように、移行運転及び低能力運転で過熱度が大きい運転状態が一定時間確保される。上述した移行運転が継続される第１の時間ｔ１は、一定の過熱度が十分な時間確保できるまでの時間である。過熱度が確保されることで、図１０で示すように、蒸発温度が一時的に低下する。

ところで、図７及び図８で示した比較例のように移行運転を行わない場合、即ち通常運転から低能力時運転への移行時に圧縮機１１の運転周波数を低下させる制御のみを行う場合、図９で示すように、過熱度が低能力運転に移行直後に急低下することがある。この際に、液冷媒が圧縮機１１に流入するため、圧縮機１１破損のリスクが発生する。

これに対して、実施の形態１１では、移行運転時に膨張弁１４の開度を小さく絞ることで、過熱度を確保している。これにより、実施の形態１１の空気調和装置１００は、液冷媒の圧縮機１１への流入を抑制している。

図１１は、圧縮機の運転周波数と蒸発温度と顕熱能力及び潜熱能力との関係を示す図である。一般的に、低能力運転では、圧縮機の運転周波数が低いため、通常運転時と比較して冷媒流量が少なくなる。一方で、熱交換面積は同じであるため、風量及び過熱度を固定して考えた場合に、圧縮機の運転周波数が低くなるにつれ、図１１に示すように蒸発温度が上がる。このため、蒸発温度が空調空気の露点温度よりも高くなり、潜熱処理量が少なくなることがあった。結果として、低能力運転時には室内の湿度が高くなってしまう傾向がある。

また、低能力運転時に除湿量を確保する方法として、室内機の風量を低下させ、膨張弁の開度を小さくすることが考え得る。これにより、過熱度が大きく確保され、冷媒の蒸発温度を低下させ、熱交換器の一部で冷却除湿を行うことが可能になる。しかしながら、熱交換器の一部で冷却除湿を発生させたとしても、結露発生量が少ないと熱交換器表面で水分が滞留する可能性もあり、実際の室内湿度が低下するのには時間がかかってしまう。加えて、蒸発温度が下がることによって、低能力運転時の効率が低下する課題が発生する。

これに対して、実施の形態１１では、移行運転で膨張弁１４の開度を小さく絞ることで、蒸発温度を低下させている。これにより、除湿量が確保され、除湿を促進することができる。したがって、空気調和装置１００の快適性を維持することができる。

続いて、実施の形態１における暖房時の移行運転及び低能力運転における制御について詳しく説明する。図１２は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の運転周波数の制御を説明するための図である。図１３は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における膨張弁１４の開度の制御を説明するための図である。図１２及び図１３では、低能力運転への移行前に、移行運転を行う場合を実線で示し、移行運転を行わない場合を比較例として破線で示している。また、図１２及び図１３の横軸にとられた時間は、同一の尺度で表されており、それぞれ対応しているものとする。制御装置５は、暖房時の通常運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値β以下に低下した場合に、暖房時の移行運転を第３の時間ｔ３継続して実行する。更に、第３の時間ｔ３経過後に、暖房時の低能力運転を少なくとも第４の時間ｔ４は継続して実行する。

図１２で示すように、運転制御部５１は、移行運転において、移行運転の開始から第５の時間ｔ５経過後、圧縮機１１の運転周波数を増加させる。このように、移行運転中に、圧縮機１１の運転周波数を増加させる運転状態を事前運転と呼称する。事前運転は、第６の時間ｔ６継続される。第６の時間ｔ６経過後、運転制御部５１は、事前運転を解除し、圧縮機１１の運転周波数を事前運転の開始前のレベルに戻す。そして、運転制御部５１は、低能力運転において、圧縮機１１の運転周波数を低下させた後、低下後の運転周波数を維持して圧縮機１１の運転を継続させる。この際、圧縮機１１の運転周波数は、第２温度センサ３２によって検出される冷媒の出口温度と、第３温度センサ３３によって検出される冷媒の凝縮温度との差から演算される過冷却度が少なくとも移行運転の際よりも低くなるように設定される。または、圧縮機１１の運転周波数は、第４温度センサ３４によって検出される冷媒の入口温度と、第５温度センサ３５によって検出される冷媒の出口温度との差から演算される過熱度が少なくとも移行運転の際よりも低くなるように設定される。

また、図１３で示すように、運転制御部５１は、事前運転時に膨張弁１４の開度を大きくする。運転制御部５１は、事前運転が解除されると、冷房時と同様に膨張弁１４の開度を最小開度に絞る。そして、運転制御部５１は、低能力運転において、膨張弁１４の開度を移行運転で絞った最小開度に維持する。比較例では、移行運転を行っている第３の時間ｔ３に相当する時間は、通常運転を行っている。

また、図１４は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転における風向の制御を説明するための図である。図１４に示すように、風向制御部５３は、事前運転時に、風向が通常運転時よりも下向き、又は少なくとも９０°未満になるように風向板２３の角度を調整する。更に、この際に、風量制御部５２は、室内ファン２２の風量を増加させる。

図１５は、実施の形態１に係る暖房時の低能力運転における風向の制御を説明するための図である。風向制御部５３は、事前運転が解除されると、図１５に示すように、風向が移行運転時よりも水平寄り、又は少なくとも９０°以上になるように、風向板２３の角度を調整する。更に、この際に、風量制御部５２は、室内ファン２２の風量を事前運転の開始前のレベルに戻す。そして、低能力運転において、風向制御部５３は風向板２３の角度を水平寄りで維持させ、風量制御部５２は室内ファン２２の風量を低下させた状態で維持させる。

更に、運転制御部５１は、暖房時の低能力運転に移行後の第４の時間ｔ４中は、低能力運転を継続する。換言すると、低能力運転に移行後の第４の時間ｔ４が経過するまでは室内温度が停止温度以上となっても暖房時のサーモオフ運転は行なわれない。低能力運転中の第４の時間ｔ４経過後、室内温度が停止温度以下となった場合は、サーモオフ運転に移行する。また、低能力運転中に、圧縮機１１の運転周波数が閾値βより大きくなった場合は、通常運転に移行する。

図１６は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における過熱度を説明するための図である。図１７は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における凝縮温度を説明するための図である。図１６及び図１７でも、図１２及び図１３と同様に、低能力運転への移行前に、移行運転を行う場合を実線で示し、移行運転を行わない場合を比較例として破線で示している。また、図１６及び図１７の横軸にとられた時間は、図１２及び図１３と同一の尺度で表されており、図１２、図１３、図１６及び図１７はそれぞれ対応しているものとする。移行運転において、膨張弁１４の開度を小さく絞ることによって、図１６で示すように、過熱度が大きい運転状態が一定時間確保される。移行運転が継続される第３の時間ｔ３は、一定の過熱度が十分な時間確保できるまでの時間である。また、図１７で示すように、事前運転において、圧縮機１１の運転周波数及び風量を増加させることによって、凝縮温度が一時的に上昇する。その後、圧縮機１１の運転周波数及び室内ファン２２の風量を事前運転の開始前のレベルに戻し、膨張弁１４の開度を最小開度に絞ったことによって、凝縮温度が低下する。

ところで、図１２及び図１３で示した比較例のように移行運転を行わない場合、即ち通常運転から低能力時運転への移行時に圧縮機１１の運転周波数を低下させる制御のみを行う場合、図１６で示すように、過熱度が低能力運転に移行直後に急低下することがある。この際に、液冷媒が圧縮機１１に流入するため、圧縮機１１破損のリスクが発生する。

これに対して、実施の形態１１では、移行運転時に膨張弁１４開度を小さく絞ることで、過熱度を確保している。これにより、実施の形態１１の空気調和装置１００は、液冷媒の圧縮機１１への流入を抑制している。

また、暖房時の事前運転では、圧縮機１１の運転周波数及び室内ファン２２の風量を増加させることで凝縮温度を一時的に上昇させた際に、風向を下向きに制御している。これにより、図１４で示すように、利用者Ｐの足元へ温風を供給し、空気調和装置１００の快適性を向上させることができる。

更に、暖房時の事前運転の解除後において、風向を移行運転よりも水平に近い角度にしている。また、低能力運転において、室内ファン２２の風量及び膨張弁１４の開度を維持している。これにより、図１５で示すように、移行運転時及び低能力運転時において、利用者Ｐに体温よりも温度が低い空気を供給することを抑制している。このように、空気調和装置１００は、移行運転時及び低能力運転時における快適性を維持することができる。

図１８は、実施の形態１に係る冷房時の空気調和装置１００の動作を示すフローチャートである。図１８を用いて、冷房時における空気調和装置１００の動作について説明する。先ず、通常運転中に、所定の周期で、圧縮機１１の運転周波数が閾値α以下になったか否かが判定される（Ｓ１）。圧縮機１１の運転周波数が閾値αよりも大きい場合（Ｓ１：ＮＯ）、空気調和装置１００は、通常運転を続行する。圧縮機１１の運転周波数が閾値α以下の場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御装置５は、移行運転を実行する。移行運転では、運転制御部５１は、膨張弁１４の開度を最小開度に制御する（Ｓ２）。

移行運転が第１の時間ｔ１行われた後、制御装置５は、低能力運転を実行する。この際に、運転制御部５１は、圧縮機１１の運転周波数を低下させ、膨張弁１４の開度を最小開度で維持する（Ｓ３）。

図１９は、実施の形態１に係る暖房時の空気調和装置１００の動作を示すフローチャートである。図１９を用いて、暖房時における空気調和装置１００の動作について説明する。先ず、通常運転中において、所定の周期で、圧縮機１１の運転周波数が閾値β以下になったか否かが判定される（Ｓ１１）。圧縮機１１の運転周波数が閾値βよりも大きい場合（Ｓ１１：ＮＯ）、空気調和装置１００は、通常運転を続行する。圧縮機１１の運転周波数が閾値β以下の場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、制御装置５は、移行運転を実行する。移行運転では、制御装置５は、第５の時間ｔ５の経過後に事前運転を実行する。事前運転では、運転制御部５１は、一時的に圧縮機１１の運転周波数を増加させ、膨張弁１４の開度を大きくする。同時に、風量制御部５２は、風量を増加させるように室内ファン２２を制御し、風向制御部５３は、風向が下向きになるように風向板２３を制御する（Ｓ１２）。その後、事前運転が解除されると、運転制御部５１は、圧縮機１１の運転周波数を事前運転の開始前のレベルに戻し、膨張弁１４の開度を最小開度に絞る。同時に、風量制御部５２は、室内ファン２２の風量を事前運転の開始前のレベルに戻し、風向制御部５３は、風向板２３の向きを水平寄りに調整する（Ｓ１３）。

移行運転が第３の時間ｔ３行われた後、制御装置５は、低能力運転を実行する。この際に、運転制御部５１は、圧縮機１１の運転周波数を低下させると共に、膨張弁１４の開度を最小開度で維持する（Ｓ１４）。

実施の形態１の空気調和装置１００では、低能力運転を実施する前に、膨張弁１４の開度を小さくする移行運転を実施している。これにより、本開示の空気調和装置１００は、冷凍サイクルにおける過熱度を確保し、適切な運転範囲で低能力運転を行うことができる。よって、実施の形態１の空気調和装置１００では、例えば、冷房及び暖房運転の低能力運転において過熱度が低下することで、液冷媒が圧縮機１１に流入するようなリスクが低減されている。したがって、空気調和装置１００の信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態１では、低能力運転に移行後、所定の第２の時間及び第４の時間が経過するまでは、サーモオフ運転が行われない。図２０は、実施の形態１に係る暖房時の移行運転及び低能力運転における圧縮機１１の周波数と室温との関係を示す図である。図２０では、低能力運転への移行前に、移行運転を行う場合を実線で示し、移行運転を行わない場合を比較例として破線で示している。概して、空調対象空間が高気密に保たれた室内である場合、圧縮機の運転周波数を制御した後に、急激な温度の変化が現れることがある。この場合、比較例では、圧縮機の暖房停止温度と、暖房開始温度とを交互に満たすことになり、発停運転が発生することがある。これに対して、実施の形態１では、低能力運転中の第４の時間ｔ４は、サーモオフ運転が行われないため、このような室内の急激な温度変化に伴う、圧縮機１１の発停運転が発生することを抑制することができる。なお、冷房時についての説明は省略するが、冷房時でも同様に、圧縮機１１の発停運転が発生することを抑制することができる。

また、実施の形態１では、移行運転において、膨張弁１４の開度は、最小開度に絞られている。これにより、低能力運転において過熱度を最大限確保することができる。

以上が本開示の実施の形態の説明であるが、上記の実施の形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形又は組み合わせが可能である。例えば、移行運転においては、膨張弁１４の開度は、最小開度に絞られるものとして説明したが、膨張弁１４の開度を移行運転開始前の開度よりも減少させればよく、最小開度以外に制御してもよい。

また、運転制御部５１は、低能力運転において移行運転よりも室外ファン１５の風量を低下させるようにしてもよい。更に、風量制御部５２は、移行運転において膨張弁１４の開度が最小開度に制御される際に、室内ファン２２の風量を移行運転開始前のレベルよりも低下させてもよい。加えて、低能力運転において室内ファン２２の風量を更に低下させるようにしてもよい。

一般的に、空調能力が小さい低能力運転においては、冷凍サイクル全体の効率を高めるよりも、風量を小さくすることで運転効率が上昇することが知られている。低能力運転において移行運転よりも室内ファン２２及び室外ファン１５の風量を低下させた場合、低能力運転時における省エネルギー化を実現させることができる。

また、冷房時の移行運転では、室内ファン２２の風量を下げることで、除湿量を更に多くすることができる。また、暖房時の移行運転及び低能力運転では、室内ファン２２の風量を下げることで、吹出し温度を維持することができ、利用者にとっての冷風感が緩和される。よって、空気調和装置１００の快適性と省エネルギー化とを両立させることができる。

なお、移行運転において膨張弁１４の開度を調節する際に、既に膨張弁１４が最小開度となっていた場合に限定して、室内ファン２２及び室外ファン１５の風量を低減させるようにしてもよい。

また、実施の形態１においては、低能力運転では、膨張弁１４の開度を固定することとしたが、膨張弁１４の開度を調整することとしてもよい。

また、暖房時の事前運転の一部又は全部の制御を省略してもよい。

また、実施の形態１においては、低能力運転を圧縮機１１の運転周波数が下限値付近で動作し、空気調和装置１００の空調能力が６００Ｗ以下、又は空調の定格能力に対して３０％以下に制御された状態での運転として説明した。また、移行運転への移行を判定するために、低能力運転を行っている際に示される、圧縮機１１の下限値付近の運転周波数よりも大きい値の運転周波数を閾値として用いるものとして説明した。しかしながら、これらの運転状態の指標、及び閾値は一例であり、適宜、変更又は調整を行うようにしてもよい。例えば、移行運転への移行を、吸込み温度センサ３６が検出した室内温度と、吹出し温度センサ３７が検出した吹出温度との差が所定の温度以下であることを条件に判定するようにしてもよい。

１ 室外機、２ 室内機、５ 制御装置、１１ 圧縮機、１２ 流路切替弁、１３ 室外熱交換器、１４ 膨張弁、１５ 室外ファン、２０ａ 吸込口、２０ｂ 吹出口、２１ 室内熱交換器、２２ 室内ファン、２３ 風向板、３１ 第１温度センサ、３２ 第２温度センサ、３３ 第３温度センサ、３４ 第４温度センサ、３５ 第５温度センサ、３６ 吸込み温度センサ、３７ 吹出し温度センサ、５１ 運転制御部、５２ 風量制御部、５３ 風向制御部、１００ 空気調和装置。

Claims (9)

1. 空調対象空間の状況に応じて運転周波数が調節される圧縮機と、
   開度を調節可能な膨張弁と、
   前記圧縮機と前記膨張弁とを制御し、低能力運転を実行する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の運転周波数が閾値よりも低下した場合に、前記膨張弁の開度を低下させる移行運転を実行した後、前記圧縮機の運転周波数を前記移行運転時の運転周波数よりも低下させる前記低能力運転を実行する
   空気調和装置。
2. 前記制御装置は、
   前記低能力運転において、前記圧縮機の運転を継続し、
   前記空調対象空間の温度に関わらず、前記低能力運転を続行させる
   請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記制御装置は、
   前記低能力運転において、前記膨張弁の開度を固定する
   請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記空調対象空間に空気を送る室内ファンを更に備え、
   前記制御装置は、
   冷房時の前記移行運転において、前記室内ファンの風量を低下させる
   請求項１～３の何れか１項に記載の空気調和装置。
5. 前記空調対象空間に空気を送る室内ファンと、
   前記室内ファンから前記空調対象空間へ吹出される空気の向きを変える風向板と、を更に備え、
   前記制御装置は、
   暖房時の前記移行運転において、前記膨張弁の開度を小さくする前に、前記圧縮機の運転周波数を上昇させると共に、前記風向板を下向きに設定する
   請求項１～３の何れか１項に記載の空気調和装置。
6. 前記制御装置は、
   暖房時の前記移行運転において、前記圧縮機の運転周波数を上昇させている間は、前記室内ファンの風量を増加させる
   請求項５に記載の空気調和装置。
7. 前記制御装置は、
   前記移行運転において、
   前記圧縮機の運転周波数を上昇させた後、前記圧縮機の運転周波数を低下させると共に、前記風向板を水平に設定する
   請求項５又は６に記載の空気調和装置。
8. 前記空調対象空間に空気を送る室内ファンと、
   前記空調対象空間に設けられた室外ファンと、を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記低能力運転において、前記室内ファンと前記室外ファンとの風量を前記移行運転よりも低下させる
   請求項１～３の何れか１項に記載の空気調和装置。
9. 前記制御装置は、
   前記移行運転において、前記膨張弁の開度を最小開度に設定する
   請求項１～８の何れか１項に記載の空気調和装置。

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