JP2024024350A - 空調機及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房運転のサーモＯＦＦ時にファンを運転せずに室内温度を検出することができる空調機を提供する。【解決手段】空調機は、ファンと、室内熱交換器と、空気を吸入する第1開口部と、空気を放出する第２開口部と、温度センサとを有する室内機と、室外機と、を有し、第1開口部は、室内熱交換器の高さ方向の中央よりも下方に設けられ、第２開口部は、室内熱交換器よりも上方に設けられ、暖房運転時の第1開口部の空気温度と、第２開口部の空気温度と、室内熱交換器の高さ方向の中央と第２開口部の高さ方向の高低差と、第２開口部の面積の各パラメータを含む条件式を満たすように、暖房運転時に室内熱交換器における熱交換が不要なサーモＯＦＦ状態となった場合にファンを停止しても、第1開口部から空気が吸入され、第２開口部から空気が放出される空気の流れが生じるように、上記パラメータが設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、空調機及び制御方法に関する。

図１に例示するように１台の室外機１０に対して複数台の室内機２０,２１,２２,２３を備えるマルチ型の空調機１００が提供されている。マルチ型の空調機１００では、室外機１０が送り出した冷媒を室内機２０～２３で共有するため、冷媒が、例えば、室内機２０の室内熱交換器に溜りすぎると、室内機２１～２３へ供給される冷媒の量が減少し、室内機２１～２３の空調能力が低下する。例えば、室内機２０の暖房運転中にサーモＯＦＦ（サーモＯＦＦとは、室内温度が設定温度に達し、室内機２０の室内熱交換器を流れる冷媒と室内空気の熱交換が不要な運転状態になることである。）となると、室内熱交換器に供給されたガス冷媒が凝縮して液化し、室内機２０の室内熱交換器に冷媒が溜る。これは、マルチ型の空調機１００では、サーモＯＦＦとなっても、冷媒が当該室内熱交換器へ供給され、ファンの運転等により、冷媒が凝縮するためである。室内熱交換器での冷媒凝縮を防ぐ対策として、膨張弁を開くことで冷媒を流し続ける方法が考えられるが、サーモＯＦＦ時でも正確な室内温度を検出するためにはファンを運転する必要があるため、サーモＯＦＦ時でも実際には暖房運転をすることになってしまう。関連する技術として、特許文献１には、サーモＯＦＦ時にファンを運転しなくても室内温度を正確に計測できるように温度センサを設置する方法が開示されている。

特開２００９－９７７４２号公報

暖房運転のサーモＯＦＦ時であっても、ファンを運転せずに室内温度を計測できるような空調機が求められている。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる空調機及び制御方法を提供することを目的としている。

本開示の一態様によれば、空調機は、ファンと、室内熱交換器と、空気を吸入する第1開口部と、空気を放出する第２開口部と、温度センサと、を有する室内機と、室外機と、を有し、前記第1開口部は、前記室内熱交換器の高さ方向の中央よりも下方に設けられ、前記第２開口部は、前記室内熱交換器よりも上方に設けられ、暖房運転時の前記第1開口部の空気温度と、前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第２開口部の面積と、を含む所定の条件式に基づいて、暖房運転時に前記室内熱交換器における熱交換が不要なサーモＯＦＦとなった場合に、前記ファンを停止しても、前記第1開口部から空気が吸入され、前記第２開口部から空気が放出される空気の流れが生じるように、前記第1開口部の空気温度と、前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第1開口部の面積と、前記第２開口部の面積とが設定されている。

本開示の一態様によれば、制御方法は、上記の空調機において、前記室内機の暖房運転が前記サーモＯＦＦとなると、前記ファンを停止する、制御方法である。

本開示の空調機及び制御方法によれば、暖房運転のサーモＯＦＦ時にファンを運転せずに室内温度を計測することができる。

実施形態に係るマルチ型の空調機の概略図である。 実施形態に係るマルチ型の空調機の冷媒回路の一例を示す概略図である。 実施形態に係る室内機の一例を示す概略図である。

＜実施形態＞
以下、本開示の一実施形態による空調機及び制御方法について図１～図３を参照して説明する。
（構成）
図１は、実施形態に係るマルチ型の空調機の一例を示す概略図である。マルチ型の空調機とは、１つの室外機に複数の室内機が接続される空調機である。図１の空調機１００は、室外機１０と、複数の室内機２０、２１、２２、２３とを備えるマルチ型の空調システムである。室外機１０と室内機２０～２３の各々は、それぞれ冷媒配管３０によって接続されている。室外機１０および室内機２０等の数は図１に示す台数に限定されない。例えば、室内機２０等は２～３台でも良いし、５台以上でもよい。また、室外機１０は２台以上であってもよい。

図２に室外機１０が１台、室内機２０等が２台（２０、２１）の場合のマルチ型の空調機１００の冷媒回路の概略を示す。図２に示すように室外機１０は、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、制御装置１４を備える。圧縮機１１の吐出側と四方弁１２は配管３４で接続され、四方弁１２と室外熱交換器１３は配管３２で接続され、四方弁１２と圧縮機１１の吸入側は配管３３で接続される。四方弁１２と継手３Ａは配管３５で接続される。室外熱交換器１３と継手３Ｂは配管３１で接続される。制御装置１４は、圧縮機１１の制御などを行う。

室内機２０は、室内熱交換器２０１、膨張弁２０２、ファン２０３、温度センサ２０４、温度センサ２０５、制御装置２０６を備える。配管３６は継手３Ａと室内熱交換器２０１を接続する。配管３７は室内熱交換器２０１と継手３Ｂを接続し、膨張弁２０２は配管３７に設けられる。ファン２０３は、室内機２０の吸込口付近に設けられ、室内の空気を吸入し、室内熱交換器２０１へ送出する。温度センサ２０４は、室内機２０の吸込口付近に設けられ、室内温度（吸い込んだ空気の温度）を計測する。温度センサ２０５は、室内熱交換器２０１の中央付近に設けられ、室内熱交換器２０１の冷媒温度を計測する。温度センサ２０５が計測する温度は、室内機２０から室内へ吹き出される空調後の空気温度と同様の温度となる。制御装置２０６は、ファン２０３などを制御する。室内機２０が暖房運転しているときにサーモＯＦＦするかサーモＯＮするかについては、室内機２０の暖房の設定温度と、温度センサ２０４が計測する温度の温度差によって判断される。例えば、制御装置２０６は、温度センサ２０４が計測した温度が設定温度より所定値以上上昇すると、暖房運転をサーモＯＦＦすると判断し、温度センサ２０４が計測した温度が暖房の設定温度より所定値以上低下すると、サーモＯＮすると判断する。

室内機２１の構成は、室内機２０と同様である。室内機２１は、室内熱交換器２１１、膨張弁２１２、ファン２１３、温度センサ２１４、温度センサ２１５、制御装置２１６を備える。配管３８は継手３Ａと室内熱交換器２１１を接続する。配管３９は室内熱交換器２１１と継手３Ｂを接続し、膨張弁２１２は配管３９に設けられる。制御装置２１６は、ファン２１３などを制御する。

マルチ型の空調機１００にて暖房運転を行う場合、四方弁１２は、暖房運転用に設定され、圧縮機１１が吐出した高温高圧のガス冷媒は、配管３４、四方弁１２、配管３５，３６を通じて室内機２０の室内熱交換器２０１へ供給され、配管３４、３５、３８を通じて室内機２１の室内熱交換器２１１へ供給される。室内熱交換器２０１へ供給された冷媒は、ファン２０３が送出する空気と熱交換して凝縮し、膨張弁２０２で減圧され、配管３７、３１を通じて室外熱交換器１３へ供給される。同様に、室内機２１では、室内熱交換器２１１へ供給された冷媒は、ファン２１３が送出する空気と熱交換して凝縮し、膨張弁２１２で減圧され、配管３９、３１を通じて室外熱交換器１３へ供給される。室外熱交換器１３に供給された冷媒は、外気との熱交換により気化し、気化した冷媒は、配管３２、四方弁１２、配管３３を通じて、圧縮機１１へ吸入される。

図２を用いて説明したように、マルチ型の空調機１００では、室外機１０から供給された冷媒を室内機２０、２１で共有する。また、マルチ型の空調機１００では、室内機２０の暖房運転がサーモＯＦＦとなっても、室内熱交換器２０１へ冷媒が供給される（膨張弁２０２の制御により供給量は少なくなる。）。そのため、室内熱交換器２０１に冷媒が溜りすぎると、室内機２１へ供給される冷媒量が減少してしまう。室内熱交換器２０１へ冷媒が溜ることを防止するために、膨張弁２０２やファン２０３の様々な制御が実施されるが、温度センサ２０４が正確な室内温度を計測できるようにサーモＯＦＦ時であってもファン２０３を運転することが多い。サーモＯＦＦ時にファン２０３を運転すると、過暖房を招き、室内熱交換器２０１での冷媒凝縮を促進してしまうことになるため、サーモＯＦＦ時にはファン２０３を停止し、且つ、室内温度を正確に計測できるようにすることが望ましい。そこで、本実施形態では、サーモＯＦＦ時であっても室内熱交換器２０１に供給される冷媒によって温められた暖気が上昇する性質を利用して、ファン２０３の運転ではなく、自然対流によって室内空気を循環させ、これにより、室内空気を撹拌し、その結果均一化された室内の空気温度を、温度センサ２０４で計測するように、室内機２０および室外機１０を構成する。

図３に、実施形態に係る室内機２０の構成を模式的に示す。室内機２０は、床置き型の室内機である。室内機２０の下部には、室内空気の吸込口２０７が設けられ、上部には、空調後の空気の吹出口２０８が設けられている。吸込口２０７の近くには、ファン２０３や温度センサ２０４が設けられる。吸込口２０７は、室内熱交換器２０１の中心より下方に設けられ、吹出口２０８は、室内熱交換器２０１より上方に設けられている。このように下方から吸込口２０７、室内熱交換器２０１、吹出口２０８の順に配置することで、室内機２０の暖房運転がサーモＯＦＦしたときに、室内機２０の内部の空気が室内熱交換器２０１により温められて上昇し、吹出口２０８から室内へ供給される。供給された空気は室内を上昇する。低圧となった室内熱交換器２０１には、吸込口２０７から室内空気が流入し、同様のプロセスを経て、室内機２０上部の吹出口２０８から室内へ供給される。

（自然対流が生じるような吸入速度を規定する場合）
このとき、自然対流が生じるためには、室内に既に存在する気流よりも強い流れが生じる必要がある。ここで、煙突効果に基づく、煙突に流入するガスの給気速度を計算する以下の計算式（１）を援用する。

Ｑは給気速度（ｍ^３／s）、Ｃは所定の流量係数（例えば、０．６５～０．７の値）、Ａは煙突の断面積（ｍ^２）、ｇは重力加速度、ｈは煙突の高さ（ｍ）、Ｔ_１は外気温度（K）、Ｔ_２は煙突内平均温度（K）である。

室内機２０の室内熱交換器２０１の高さ方向の中央Ｌから吹出口２０８までの空気の流路を煙突と見立てて、式（１）を図３の室内機２０へ適用すると、次式（２）の右辺が得られる。式（２）の右辺により、室内機２０へ吸入される室内空気の吸入速度が計算できる。

Ａｏは吹出口２０８の面積（ｍ^２）、Ａｉは吸込口２０７の面積（ｍ^２）、Ｃ２は室内熱交換器２０１による圧損係数（熱交圧損による圧損減少率のこと、例えば、０．５）、ｇは重力加速度、ｈは室内熱交換器２０１の高さ方向の中央と吹出口２０８との高低差（ｍ）（図３に示すｈ）、Ｔｏは吹出空気の温度（Ｋ）、Ｔｉは吸込空気の温度（Ｋ）である。

左辺の０．５ｍ／ｓは、建築基準法で室内の気流を０．５ｍ／ｓ以下とすることが定められていることから、室内で０．５ｍ／ｓ以上の気流を発生させれば、自然対流が発生するはずであるとの考え方に基づく。左辺の値は、室内機２０を設置する環境に応じて任意に設定することができる。Ｔｉは温度センサ２０４が計測する温度であり、Ｔｏは温度センサ２０５が計測する温度と同様の温度である。温度センサ２０５が計測する温度は、室内熱交換器２０１の凝縮温度であり、凝縮温度に基づいて圧縮機１１の吐出圧力が決まる。例えば、Ｔｉを設定温度とすると、式（２）を満たすために必要なＴｏや圧縮機１１の吐出圧力が決まる。マルチ型の空調機１００では、他の室内機２１等の設定温度も考慮して圧縮機１１の運転を決める必要があるが、それを考慮しても式（２）を満たすｈ、Ａｏ、Ａｉ、暖房時のＴｏおよび圧縮機１１の吐出圧力などを事前に設計することは可能である。室外機１０の制御装置１４は、室内熱交換器２０１の凝縮温度が式（２）を満たすＴｏとなるように圧縮機１１を運転するよう設計される。そして、室内機２０の制御装置２０６は、室内機２０が暖房中にサーモＯＦＦとなると、ファン２０３を停止する。すると、室内機２０では、式（２）の右辺で計算できる速度で、吸込口２０７から室内空気が吸入され、吹出口２０８から暖気を放出するという空気の流れが生じる。この空気の流れは、式（２）の条件を満たすから、室内の気流の影響を受けず、室内に自然対流が生じる。自然対流によって室内空気が循環すると、室内空気が混合して室内温度が均一化され、温度センサ２０４が計測する温度は、室内の正確な温度となる。これにより、ファン２０３を運転することなく、正確な室内温度を検出することができるようになる。

（自然対流による風量による暖房能力を規定する場合）
また、従来制御のように暖房運転のサーモＯＦＦ時にファン２０３を運転すると、室内機２０が空調対象とする部屋が過暖房となってしまうことに注目して、サーモＯＦＦ時の暖房能力の観点から、サーモＯＦＦ時の室内機２０の暖房能力が適切（例えば、過暖房にならない）となるための条件を設定して、Ｔｏ等を算出するようにしてもよい。具体的には、上記の式（２）を応用した次式（３）を用いることができる。

Ｃｐは空気の比熱である。Ａｏ、Ｃ２、ｇ、ｈ、Ｔｉ、Ｔｏについては式（２）と同様である。式（３）は、サーモＯＦＦ時にファン２０３を停止したときの室内機２０の暖房能力を、室内機２０の定格能力の５０％以下とすることを規定している。式（３）の左辺の値は任意に設定することができる。暖房能力は、風量に吸込口２０７と吹出口２０８の温度差を乗じることで得られるため、吸入速度を規定した式（２）の右辺から式（３）の右辺を得ることができる。式（３）を満たすようなＡｉ、Ａｏ、ｈを有し、設定温度Ｔｉ、凝縮温度Ｔｏで運転されるような室内機２０を設計する。これにより、サーモＯＦＦ時の暖房能力を定格能力の５０％以下とすることができる。また、Ｔｏは暖房運転として成立する値（例えば、４０℃以上）のため、式（３）を満たすようなＴｉ、Ｔｏを設計すれば、式（２）右辺で計算できる吸込口２０７における吸入速度は、自然対流が発生するような速度となることが分かっている。従って、（３）に基づいて設計された室内機２０について、室内熱交換器２０１の凝縮温度がＴｏとなるよう圧縮機１１を運転することで、室内機２０の暖房運転のサーモＯＦＦ時にファン２０３を停止しても、自然対流による空気の流れが生じ、温度センサ２０４によって正確な室内温度を計測することができる。また、サーモＯＦＦの暖房能力を所望の値以下に抑制することができる。

以上説明したように、Ｔｉは暖房運転時の設定温度、Ｔｏは暖房運転時の室内熱交換器の凝縮温度とみなせることから、Ｔｉ、Ｔｏの値についてはおおよその範囲が決まる。これを利用して、式（２）、式（３）を満たすようなｈ、Ａｏ、Ａｉの値を設計し、図３に例示する、吸込口２０７、室内熱交換器２０１、吹出口２０８が下方からこの順で配置される室内機２０を設計、製造する。そして、製造した室内機２０を据え付けて、暖房運転中にサーモＯＦＦとなると、ファン２０３を停止するよう制御する。すると、自然対流により、室内温度が均一化されるため、吸込口２０７付近に設けられた温度センサ２０４によって、正確な室温を計測することができるようになる。

以上、説明したように本実施形態によれば、式（２）および／又は式（３）に基づいて設計された室内機２０の暖房運転のサーモＯＦＦ時にファン２０３を停止しても、温度センサ２０４によって、正確な室内の温度を計測することができる。ファン２０３を停止することにより、サーモＯＦＦ時の過暖房を防止することができる。ファン２０３を停止することにより、室内熱交換器２０１にて凝縮する冷媒量を減少することができ、室内熱交換器２０１への冷媒の溜り込みを抑制することができる。従って、他の室内機２１等において、冷媒不足による暖房能力の低下が発生することを防ぐことができる。

なお、上記の実施形態では、サーモＯＦＦ時の自然対流に用いる室内機２０の開口部を、吸込口２０７と吹出口２０８としたが、吸込口２０７と吹出口２０８以外に開口部を設けてもよい。例えば、吸入用の開口部１、吹出用の開口部２を設け、下から順に、開口部１、室内熱交換器２０１、開口部２の順に配置してもよい。そして暖房運転のサーモＯＦＦ時には、吸込口２０７と開口部１の何れか又は両方を用いて室内空気を吸入し、吹出口２０８と開口部２の何れか又は両方を用いて暖気を放出するようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、式（２）と式（３）の両方を満たすように、Ｔｉ、Ｔｏ、ｈ、Ａｉ、Ａｏを設計してもよい。

＜付記＞
各実施形態に記載の空調機及び制御方法は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様の空調機１００は、ファンと、室内熱交換器と、空気を吸入する第1開口部と、空気を放出する第２開口部と、温度センサと、を有する室内機と、室外機と、を有し、前記第1開口部は、前記室内熱交換器の高さ方向の中央よりも下方に設けられ、前記第２開口部は、前記室内熱交換器よりも上方に設けられ、暖房運転時の前記第1開口部の空気温度および前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第２開口部の面積と、を含む所定の条件式を満たすように、暖房運転時に前記室内熱交換器における熱交換が不要なサーモＯＦＦとなった場合に前記ファンを停止しても、前記第1開口部から空気が吸入され、前記第２開口部から空気が放出される空気の流れが生じるように、前記第1開口部の空気温度と、前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第1開口部の面積と、前記第２開口部の面積とが設定されている。
空調機をこのような構成とすることにより、暖房運転のサーモＯＦＦ時にファンを停止しても、自然対流による室内温度の均一化により、正確な室内温度を計測することができる。

（２）第２の態様に空調機１００は、（１）の空調機１００であって、前記条件式は、前記第1開口部の空気温度をＴｉ、前記第２開口部の空気温度をＴｏ、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差をｈ、前記第1開口部の面積をＡｉ、前記第２開口部の面積をＡｏ、Ｃ２を前記室内熱交換器の圧損係数としたときに以下の式である。

例えば、左辺に室内に存在する気流の風速を設定することにより、既存の気流に負けない自然対流を生じさせる空調機を設計することができる。

（３）第３の態様に係る空調機１００は、（１）～（２）の空調機であって、前記条件式は、前記第1開口部の空気温度をＴｉ、前記第２開口部の空気温度をＴｏ、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差をｈ、前記第２開口部の面積をＡｏ、Ｃ２を前記室内熱交換器の圧損係数、Ｃｐを空気の比熱としたときに以下の式である。

これにより、サーモオフ時の暖房能力を抑えた空調機を設計することができる。

（４）第４の態様に係る空調機１００は、（１）～（３）の空調機であって、複数の前記室内機と前記室外機を有し、複数の前記室内機と前記室外機とが冷媒配管で接続され、前記室内熱交換器には、当該室内熱交換器を有する前記室内機の暖房運転がサーモＯＦＦのときにも冷媒が流れる。
本実施形態の条件式を満たす室内機は、マルチ型の空調機の室内機に好適である。

（５）第５の態様に係る制御方法によれば、（１）～（４）の空調機において、前記室内機の暖房運転が前記サーモＯＦＦとなると、前記ファンを停止する。
これにより、サーモＯＦＦした室内機による過暖房、当該室内機の室内熱交換器への冷媒の溜り込み、他の室内機における暖房能力不足の発生を防止することができる。

１０・・・室外機
１１・・・圧縮機
１２・・・四方弁
１３・・・室外熱交換器
１４・・・制御装置
２０・・・室内機
２０１・・・室内熱交換器
２０２・・・膨張弁
２０３・・・ファン
２０４・・・温度センサ
２０５・・・温度センサ
２０６・・・制御装置
２１・・・室内機
２１１・・・室内熱交換器
２１２・・・膨張弁
２１３・・・ファン
２１４・・・温度センサ
２１５・・・温度センサ
２１６・・・制御装置
２２・・・室内機
２３・・・室内機
３０～３９・・・配管
３Ａ、３Ｂ・・・継手

Claims (5)

1. ファンと、室内熱交換器と、空気を吸入する第1開口部と、空気を放出する第２開口部と、温度センサと、を有する室内機と、室外機と、を有し、
   前記第1開口部は、前記室内熱交換器の高さ方向の中央よりも下方に設けられ、
   前記第２開口部は、前記室内熱交換器よりも上方に設けられ、
   暖房運転時の前記第1開口部の空気温度および前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第２開口部の面積と、を含む所定の条件式を満たすように、暖房運転時に前記室内熱交換器における熱交換が不要なサーモＯＦＦとなった場合に前記ファンを停止しても、前記第1開口部から空気が吸入され、前記第２開口部から空気が放出される空気の流れが生じるように、前記第1開口部の空気温度と、前記第２開口部の空気温度と、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差と、前記第1開口部の面積と、前記第２開口部の面積とが設定された、
   空調機。
2. 前記条件式は、
   前記第1開口部の空気温度をＴｉ、前記第２開口部の空気温度をＴｏ、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差をｈ、前記第1開口部の面積をＡｉ、前記第２開口部の面積をＡｏ、ｇを重力加速度、Ｃ２を前記室内熱交換器の圧損係数としたときに以下の式である、
   

   

   請求項１に記載の空調機。
3. 前記条件式は、
   前記第1開口部の空気温度をＴｉ、前記第２開口部の空気温度をＴｏ、前記室内熱交換器の高さ方向の中央と前記第２開口部の高さ方向の高低差をｈ、前記第２開口部の面積をＡｏ、Ｃ２を前記室内熱交換器の圧損係数、ｇを重力加速度、Ｃｐを空気の比熱としたときに以下の式である、
   

   

   請求項１又は請求項２に記載の空調機。
4. 複数の前記室内機と前記室外機を有し、複数の前記室内機と前記室外機とが冷媒配管で接続され、前記室内熱交換器には、当該室内熱交換器を有する前記室内機の暖房運転が前記サーモＯＦＦのときにも冷媒が流れる、
   請求項１又は請求項２に記載の空調機。
5. 請求項１又は請求項２に記載の空調機において、前記室内機の暖房運転が前記サーモＯＦＦとなると、前記ファンを停止する、
   制御方法。

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