JP2600713B2 - 空気調和機の膨張弁制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、空気調和機の冷媒回路を構成する膨張弁
の制御装置に係り、特に冷媒条件に応じて最適な絞り量
設定を可能にする膨張弁制御装置に関する。

〔従来の技術〕

第８図は、一般に知られているヒートポンプ式空気調
和機の冷媒回路図である。この第８図において、１は圧
縮機、２は四方弁、３は室内熱交換器、４は膨張弁、５
は室外熱交換器である。

これらの圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、膨張
弁４、室外熱交換器５は冷媒配管６により、グローズド
ロープに連結され、冷媒回路７を構成している。

前記膨張弁４は例えば、外部均圧管を有する温度式膨
張弁で、その構造は文献，密閉形冷凍機（日本冷凍協会
出版）のページ229に記載されているもので、第９図に
示すように、室内熱交換器３と室外熱交換器５間を結ぶ
冷媒通路に流れる冷媒量を調節する弁体4aと、この弁体
4aを通路閉方向に付勢するスプリング4bと、弁体4aを操
作するダイヤフラム4cとからなり、ダイヤフラム4cによ
り区画された下室には外部均圧管10を介して蒸発器（第
８図では熱交換器５に相当）の出口圧力が導入され更に
上室には、蒸発器の出口温度を検出して冷媒量を制御す
るための感温筒11が接続されており、この均圧管10と感
温筒11によって膨張弁４の弁開度を調節し、圧縮機１に
入る冷媒状態を一定に制御する。

また、室内熱交換器３に対向して、室内ファン８が配
設されており、室外熱交換器５にも室外ファン９が配設
されている。

次に、動作について説明する。暖房時には圧縮機１か
ら吐出された高温高圧ガスは実線の矢印のように四方弁
２を通り、室内熱交換器３で室内ファン８の強制通風に
よって冷却され、凝縮液となって膨張弁４で圧縮機１に
入る冷媒状態が一定になるように均圧管10,感温筒11の
検出値に応じて断熱膨張し、低圧冷媒となる。

その後、室外熱交換器５で室外ファン９の強制通風に
より加熱されて蒸発し、低圧ガスとなって四方弁２を通
り、圧縮機１に吸入される。

冷房時は、四方弁２が切り換わり、圧縮機１から吐出
された高温高圧ガスは点線の矢印のように、四方弁２を
通り、室外熱交換器５に行く。

その後は、暖房時とは逆の流れとなって、圧縮機１に
吸入される。

以上のように、四方弁２の切り換わりによって、一つ
の冷媒回路７によって冷房，暖房兼用運転を可能にして
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のような従来の空気調和機における膨張弁制御装
置では、均圧管10を通してダイヤフラム4c部に作用する
蒸発器（暖房時の熱交換器５に相当）の出口圧力と、感
温筒11内に封入された冷媒が蒸発器の出口温度によって
圧力変化させる時の感温筒圧力，およびスプリング4bの
ばね圧とがバランスするように弁体4aを作動させて膨張
弁４の絞り量を調整することでスーパヒート（過熱度）
を制御するものであるため、蒸発器の温度が第10図のa,
b,cに示すように変化すると、スーパヒートも，，
のように変化し、蒸発器温度a,cの領域では、最適ス
ーパヒートレベルから外れてしまい、膨張弁４による最
適な冷媒制御が不能となる。

また上述のような膨張弁が暖房低温時に使用される場
合、スーパヒートが一定になるように膨張弁が動作する
と、蒸発器の出口圧力と入口圧力に差が生じると共に出
口温度上昇が激しくなり、これが圧縮機の電動機巻線を
過熱状態にして、絶縁不良に至らしめるおそれがあり、
これを防ぐために圧縮機の運転周波数を低下させたり、
停止させたりすると、空気調和機の暖房能力が低下して
しまい、更に圧縮機の運転周波数を変化させることは、
スーパヒートが変化し、最適な冷媒制御ができなくなる
問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためにな
されたもので、蒸発器温度が変化しても最適スーパヒー
トの冷媒制御を可能にした空気調和器の膨張弁制御装置
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は、この発明の膨張弁制御装置の原理図を示
す。

図において、蒸発器への冷媒量を制御する膨張弁20の
絞り量操作部20aには、蒸発器の出口圧力を供給する外
部均圧管10,蒸発器の出口温度により変化する封入冷媒
圧力を供給する主感温筒21,およびヒータ加熱により変
化する封入冷媒圧力を供給する補助感温筒22が接続され
ている。

冷媒状態検出手段23は、蒸発器の冷媒状態即ち蒸発器
温度、蒸発器の出口温度あるいはスーパヒート（過熱
度）などの蒸発器の冷媒状態を表す情報を検出する。

制御手段24は、前記冷媒状態検出手段23から出力され
る検出情報に基づいて前記補助感温筒22の温度目標値を
算出すると共に、この目標値に従って補助感温筒22のヒ
ータ加熱度を制御するものである。

前記補助感温筒22は、その封入の冷媒を加熱すること
で、圧力変化を生じさせるヒータ22aを備えている。

ヒータ22aには制御手段24からの制御信号が出力さ
れ、温度検出器22bの検知信号は制御手段24にフィード
バックされ、補助感温筒22の加熱度を目標値に制御でき
るようになっている。

〔作用〕

冷媒状態検出手段23で検出された冷媒状態情報が制御
手段24に入力されると、制御手段24は冷媒状態に応じて
補助感温筒に対する加熱温度目標値を算出し、この目標
値に従って補助感温筒22のヒータ22aの加熱量を制御
し、その封入冷媒の圧力変化による感温筒圧力を膨張弁
20の操作部20aに作用させることによって、膨張弁20の
絞り量を補正し、蒸発器への冷媒供給量を最適に制御す
ることになる。

したがって、この発明にあっては、空気調和機の各運
転条件に適合した最適なスーパヒートの冷媒制御が可能
になる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面について説明する。

第２図乃至第５図は、この発明の第１の実施例を示す
もので、第２図はこの発明の膨張弁制御方式を適用した
空気調和機の全体構成図、第３図はその制御部の詳細を
示すブロック図、第４図は膨張弁の断面図である。

第２図においてヒートポンプ式空気調和機の冷媒回路
７は、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、膨張弁20
および室外熱交換器５を配管６によりグローズドロープ
に連結することにより構成されている。

前記膨張弁20は、第４図に示すように室内熱交換器３
と室外熱交換器５間を結ぶ冷媒通路に流れる冷媒量を調
節する弁体20bと、この弁体20bを通路閉方向に付勢する
スプリング20cと、弁体20bを操作するダイヤフラム20d
を備えた弁操作部20aとからなり、ダイヤフラム20dによ
り区画された弁操作部20aの下室には外部均圧管10を通
して蒸発器（第２図では暖房時の熱交換器５に相当）の
出口圧力が導入され、また上室には蒸発器の出口温度に
より変化する封入冷媒の圧力が供給される主感温筒21,
および補助感温筒22が導管25を介して連結されており、
これにより膨張弁20の開度を調節し蒸発器側へ流れる冷
媒を制御するようになっている。

また、前記補助感温筒22は、その封入冷媒を加熱する
ことで圧力変化を生じさせるヒータ22aおよび補助感温
筒22の加熱温度を検出する温度検出器22bを備えてい
る。

第２図において、符号24は前記補助感温筒22のヒータ
22aを制御する制御手段で、この制御手段24には熱交換
器3,5（いずれも蒸発器として作用する時）の温度を検
出する温度検出器26a,26bからの温度情報および補助感
温筒22の温度検出器22bからの温度情報が入力されるよ
うになっている。

なお、前記温度検出器26a,26bは、第１図の冷媒状態
検出手段23に相当する。

第３図は、前記制御手段24の詳細を示すもので、温度
検出器26a（又は26b）からの蒸発器温度情報に基づいて
補助感温筒22の加熱温度目標値を算出する演算回路24a
と、この演算回路24aからの目標値および温度検出器22b
からの温度情報に基づいてヒータ22aの加熱量を目標値
に制御する温度制御回路24bとから構成され、温度制御
回路24bの制御信号は、ヒータ22aの電源回路に直列に接
続した制御素子27に出力されるようになっている。

次に、上述のように構成された本実施例の動作につい
て説明する。

第２図の冷媒回路７において、暖房サイクル時は、圧
縮機１から吐出された高温高圧のガスは、実線矢印のよ
うに四方弁２を通り、室内熱交換器３で冷却され、凝縮
液となって膨張弁20へと流動する。膨張弁20ではその弁
操作部20a内に均圧管10を通して導入される室外熱交換
器５（これは暖房時蒸発器として作用する）の出口圧
力，熱交換器５の出口温度に応じて発生する主感温筒21
の冷媒圧力，ヒータ22aの加熱温度に応じて発生する補
助感温筒22の冷媒圧力，および弁体20bを閉方向に付勢
するスプリング20cのばね圧により絞り量が調節され、
この絞り部を凝縮された冷媒が通過することにより、断
熱膨張され、低圧冷媒となる。その後、熱交換器５を通
過する間に蒸発し、低圧ガスとなって四方弁２を通り、
圧縮機１に吸入される。

また、冷房時は、四方弁２が切り替わり、圧縮機１か
ら吐出された高温高圧の冷媒ガスは点線矢印のように流
れ、更に室外熱交換器5,膨張弁20,室内熱交換器３を通
るサイクルとなる。

次に、膨張弁20の動作について述べる。

暖房時において、蒸発器（熱交換器５）が第５図に示
すスーパヒート特性Ｂで冷凍作用をしている時、蒸発器
温度が第５図のａのように変化したとすると、従来の方
式ではスーパヒートはのように最適スーパヒートレベ
ルからずれてしまうが、この発明の実施例にあっては、
蒸発器の温度ａが温度検出器26aにより検出され、この
温度情報は制御手段24の演算回路24aに取り込まれ、こ
れに伴い演算回路24aでは、最適スーパヒートとなる補
助感温筒22の加熱温度目標値を演算し、その目標値を制
御指令として温度制御回路24bに出力する。温度制御回
路24bでは、目標値に従い制御素子27をオン制御してヒ
ータ22aへの給電量を制御し、補助感温筒22を加熱す
る。この時、ヒータ22aによる補助感温筒22の加熱温度
は、温度検出器22bにより検出されて温度制御回路24bに
フィードバックされ補助感温筒22の加熱温度を目標値に
制御する。

補助感温筒22が蒸発器温度に応じて加熱されると、す
なわち蒸発器温度ｂより高い温度ａになると、ヒータ22
aの加熱量が上がり、これにより補助感温筒22内の封入
冷媒圧力を上昇させて膨張弁20の弁開度を大きくする。
このためスーパヒート特性はＤに設定され、蒸発器温度
ａにおけるスーパヒートは最適スーパヒート′にする
ことができる。また、蒸発器温度がｂより低い温度ｃに
下がった場合は、上記と逆に補助感温筒22が温度制御さ
れる結果、蒸発器温度ｃにおけるスーパヒートも最適ス
ーパヒート′にすることができる。

なお、第５図に示すスーパヒート特性Ａ〜Ｄは、Ａ＜
Ｂ＜Ｃ＜Ｄの関係になっている。

従って、上述のような本実施例にあっては、補助感温
筒22の加熱温度を制御することにより、スーパヒートを
任意に設定することができると共に、補助感温筒22の加
熱温度を蒸発器温度に応じて制御することにより、最適
スーパヒートの冷媒制御が可能となり、高効率で省エネ
ルギの空気調和機を提供できる。また、蒸発器温度が上
昇した場合、補助感温筒22の加熱温度を上げて膨張弁20
の弁開度を広げるから、蒸発器の出口温度即ち圧縮機１
の冷媒吸入温度が低下し、吸入温度の過昇が抑制され、
圧縮機モータの巻線が絶縁不良を起こしたり、あるいは
巻線保護のために圧縮機の運転周波数を低下させたり、
圧縮機を停止させたりする必要がなくなり、能力低下の
ない空気調和機を実現できる。

なお、上記実施例では、冷媒の状態を蒸発器として作
用する熱交換器５または熱交換器３の温度から求める場
合について述べたが、外気温と圧縮機の運転周波数から
算出するようにしても良く、また直接スーパヒートから
求めるようにしても良い。

第６図および第７図は、この発明の第２の実施例を示
す。

第６図において、第２図と同一符号は同一部分を表し
ており、第２図と異なる点は、蒸発器，すなわち暖房サ
イクルにおける室外熱交換器５の冷媒出口温度（圧縮機
の吸入温度）を検出する温度検出器28を設け、この温度
検出器28で検出された温度情報を補助感温筒22の加熱温
度制御手段24Aに取り込み、これにより、特に膨張弁20
の開度を圧縮機吸入温度に応じて制御することによって
蒸発器の冷媒温度の過昇を抑制するようにしたものであ
る。

第７図は、前記制御手段24Aの詳細を示すもので、温
度検出器28からの吸入温度情報に基づいて補助感温筒22
の加熱温度目標値を算出する演算回路24Aaと、この演算
回路24Aaからの目標値および温度検出器28からの温度情
報に基づいてヒータ22aの加熱量を目標値に制御する温
度制御回路24Abとから構成され、温度制御回路24Abの制
御信号は、ヒータ22aの電源回路に直列に接続した制御
素子27に出力されるようになっている。

上記のように本実施例にあっては、温度検出器28で検
出された吸入温度情報が演算回路24Aaに取り込まれる
と、その吸入温度に応じて補助感温筒22に対する加熱温
度の目標値を算出し、この目標値は制御指令として温度
制御回路24Abに出力される。温度制御回路24Abでは、目
標値に従い制御素子27をオン制御してヒータ22aへの給
電量を制御し、補助感温筒22を加熱することにより、膨
張弁20の開度を吸入温度に応じて制御する。

したがって、吸入温度が高くなれば、補助感温筒22に
対するヒータ22aの加熱量が上がり、弁開度を広げるこ
とにより、膨張弁20を通過する冷媒量を多くして蒸発器
の出口温度，即ち圧縮機１への吸入温度を低下させる。
これにより出口温度の過昇を抑えて、圧縮機モータの巻
線が絶縁不良になったり、あるいは巻線保護のために圧
縮機の運転周波数を低下させたり、圧縮機を停止させた
りする必要がなくなり、能力低下のない空気調和機を実
現できる。

〔発明の効果〕

上述のように、この発明によれば、冷媒回路の膨張弁
に、蒸発器出口温度により変化する封入冷媒圧力を供給
する主感温筒に加えて、ヒータ加熱により変化する封入
冷媒圧力を供給する補助感温筒を接続し、この補助感温
筒のヒータによる加熱度を冷媒状態に応じ制御して、膨
張弁の絞り量を補正すると共に、補助感温筒の周面にヒ
ータを一体に設けると共にこのヒータから周方向に間隔
を置いて周面に温度検出部を一体に設け、この温度検出
部からの情報を制御手段に送るようにしたので、最適ス
ーパヒートの冷媒制御が可能になりかつ高効率で省エネ
ルギの空気調和機を提供できるばかりでなく、補助感温
筒におけるヒータ加熱およびその温度検出を簡潔な構成
で的確に行うことができ、正確な制御を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の膨張弁制御装置の原理図、第２図は
この発明の膨張弁制御方式を適用した空気調和機冷媒回
路の一例を示す全体構成図、第３図はその制御部の詳細
を示すブロック図、第４図は本実施例における二感温筒
式膨張弁の構成図、第５図は本実施例における蒸発器温
度とスーパヒートとの関係を示す特性図、第６図はこの
発明の他の実施例を示す冷媒回路全体構成図、第７図は
その制御部の詳細を示すブロック図、第８図は従来の冷
媒回路を示す全体構成図、第９図は従来の感温筒式膨張
弁の構成図、第10図は従来における蒸発器温度とスーパ
ヒートとの関係を示す特性図である。 １……圧縮機、２……四方弁、３……室内熱交換器、５
……室外熱交換器、７……冷媒回路、10……均圧管、20
……膨張弁、21……主感温筒、22……補助感温筒、22a
……ヒータ、23……検出手段、24……制御手段、26a,26
b,28……温度検出器。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 哲治 静岡県静岡市小鹿３丁目18番１号 三菱 電機株式会社静岡製作所内 (72)発明者 松田 謙治 静岡県静岡市小鹿３丁目18番１号 三菱 電機株式会社静岡製作所内 (72)発明者 青木 克之 静岡県静岡市小鹿３丁目18番１号 三菱 電機株式会社静岡製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−122875（ＪＰ，Ａ) 特表 昭58−500771（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、四方弁、室内熱交換器、膨張弁お
   よび室外熱交換器を閉ループに接続してなる冷媒回路を
   備えた空気調和機において、前記膨張弁に蒸発器として
   作用する前記熱交換器の出口圧力を供給する外部均圧管
   と、前記熱交換器の出口温度により変化する封入冷媒圧
   力を前記膨張弁に供給する主感温筒と、周面にヒータを
   一体に設けると共にこのヒータから周方向に間隔を置い
   て周面に温度検出部を一体に設け、ヒータ加熱により変
   化する封入冷媒圧力を前記膨張弁に供給する補助感温筒
   と、前記熱交換器の冷媒状態を表す情報を検出する検出
   手段と、この検出手段からの検出情報に基づいて前記補
   助感温筒の温度目標値を算出すると共に、前記温度検出
   部からの情報を受け前記目標値に応じて前記補助感温筒
   のヒータ加熱度を制御する制御手段を備えてなる空気調
   和機の膨張弁制御装置。
2. 【請求項２】検出手段が、蒸発器として作用する熱交換
   器の温度を検出する温度検出器から構成されている特許
   請求の範囲第１項記載の空気調和機の膨張弁制御装置。
3. 【請求項３】検出手段が、蒸発器として作用する熱交換
   器の出口温度を検出する温度検出器から構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の空気調和
   機の膨張弁制御装置。
4. 【請求項４】検出手段の検出情報が、スーパヒートであ
   る特許請求の範囲第１項記載の空気調和機の膨張弁制御
   装置。
5. 【請求項５】検出手段の検出情報が、外気温と圧縮機運
   転周波数である特許請求の範囲第１項記載の空気調和機
   の膨張弁制御装置。