JP3218419B2

JP3218419B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP3218419B2
Application number: JP19520094A
Authority: JP
Inventors: 寛竹中; 進中山; 崇森
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH0861815A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍サイクルを有する
空気調和機に関し、特に、冷凍サイクル中の冷媒量の適
正判定を行なう検出手段を備えた空気調和機に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような空気調和機としては、特開昭
６１−９６３７６号公報記載の技術のように、弁開度演
算手段と温度差チェック手段と弁開度補正手段を周期的
に同期作動させ、電気作動冷媒制御弁の弁開度を制御す
ることにより室温等の流体温度に対する制御性の向上を
図っているものがある。

【０００３】つまり、温度差チェック手段が、冷房時に
おいて利用側コイルの出口の湿り状態、または暖房時に
おいて利用側コイルの出口のフラッシュ状態をチェック
すると、弁開度補正手段が弁開度を単位弁開度だけ絞ら
せるように指令を出す。これにより、冷媒制御弁は絞ら
れて、湿り状態あるいはフラッシュ状態を適正な過熱度
あるいは過冷却度に戻させるよう弁開度の自動調節がな
される。

【０００４】なお、フラッシュ状態とは、冷媒が完全な
液体状態となっているのではなく、液冷媒の一部が蒸発
しガス化した状態をいう。フラッシュ状態が発生すると
膨張弁の能力が著しく低下してしまう。

【０００５】一方、従来の空気調和機の他の例として
は、特開昭６１−２０２０５６号公報記載の技術のよう
に、弁開度検出手段と湿り判定手段と異常乾き判定手段
と、これら判定手段の出力を受けて異常信号を出力する
異常信号出力手段とを設けることにより、吸入ガス冷媒
の異常湿り、異常乾きを判定するものがある。

【０００６】つまり、吸入ガス冷媒が異常乾きになった
ときの弁開度と、異常湿りになったときの弁開度を予め
メモリに記憶させておき、運転中の弁開度とそのメモリ
に記憶されている弁開度との比較を行ない、冷凍サイク
ル温度が異常にならないように監視している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来の一方の空気調和機では、冷房時においては利用側コ
イル出口の冷媒が乾き域における湿り域の近い状態にな
っているか否か、又は、暖房時においては液シール域に
おけるフラッシュ域に近い状態に保持されているか否か
により弁開度を補正しているので、冷媒が冷凍サイクル
に過剰に封入されている場合は、利用側コイル出口の冷
媒の状態は冷房時においては湿り域であり、また暖房時
においては液シール域のフラッシュ域に近くない状態に
保持されたとき弁開度の補正を温度差チェック手段で行
なうことが難しくなってしまう。

【０００８】なぜならば、電気作動冷媒制御弁の開閉度
により、冷凍サイクル温度が適正か否かを判定すること
ができても、温度差チェック領域が狭いので、冷媒量の
過不足によって冷凍サイクル温度が適正か否かを判定で
きなくなってしまうためである。

【０００９】また、従来の他方の空気調和機では、冷凍
サイクルに適当な量の冷媒量が封入されている場合に
は、弁開度の開閉度をチェックすることが可能となる
が、冷媒量の過不足を判定することはできない。また冷
凍サイクル温度が異常か正常かのみ判定するだけで、冷
凍サイクル温度を適正化するということに対して考慮が
なされていなかった。

【００１０】そこで、本発明は、冷凍サイクル全体にお
ける冷媒の量が所定の値以外の状態であっても、その冷
凍サイクル温度の適正化を図ることができる空気調和機
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の空気調和機は、
圧縮機、室外熱交換器、電子膨張弁、室内熱交換器とア
キュムレータを順次連結して冷凍サイクルを構成する空
気調和機において、前記電子膨張弁の開度を所定値だけ
変化させたときの圧縮機吐出ガスの過熱度変化を検知す
る検知手段と、この検知手段が検知した前記過熱度変化
に基づいて前記冷凍サイクル中の冷媒量が適正か否かを
判断する判断手段とを有している。

【００１２】そして、本発明の空気調和機は、判断手段
が、検知手段が検知した過熱度の変化幅がある所定領域
にある場合は適正冷媒量が封入されていると判断し、前
記過熱度の変化幅が前記所定領域未満の場合は、冷凍サ
イクル中に冷媒が過剰に封入されている状態であると判
断し、前記過熱度の変化幅が前記所定領域を超える場合
は、冷凍サイクル中の冷媒が不足している状態であると
判断し、冷媒が過剰に封入されている状態であると判断
されている場合には、前記電子膨張弁の開度変化幅を大
きくし、冷媒が不足していると判断される場合には、前
記電子膨張弁の開度変化幅を小さくすることを特徴とす
る。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】また、本発明の空気調和機は、判断手段の
判断結果に応じて電子膨張弁の開度を制御するＰＩＤ制
御定数を変化させる電子膨張弁開度制御手段を有するこ
とをが好ましい。

【００１７】

【作用】本発明の空気調和機では、電子膨張弁を減圧装
置としてもち、電子膨張弁の開度変化に対する冷凍サイ
クルの応答性を検知手段で検知し、その応答性に従い冷
凍サイクル中の冷媒量が適正か否かを判断する判断手段
を備えているので、電子膨張弁の開度変化幅を判断手段
の判断結果に応じて調整することで、その冷凍サイクル
の安定化を迅速かつ正確に図ることができる。

【００１８】また、本空気調和機によれば、予め冷媒を
所定値だけ冷凍サイクルに封入しておくことで、その冷
凍サイクルにおける接続液配管の長さを変動させたこと
等により、冷凍サイクルにおける冷媒の相対的な量が変
動しても、その冷凍サイクルの応答性に応じて電子膨張
弁の開度変化幅を制御することができるので、その冷凍
サイクルを最適な状態に安定させることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２０】図１は、本発明の実施例に係る空気調和機
を示す冷凍サイクル系統図である。本空気調和機は、１
台の室内機である室内ユニット８と、１台の室外機であ
る室外ユニット１とを接続液配管６及び接続ガス配管７
で接続したペアタイプの空気調和機である。そして、室
外ユニット１は圧縮機２、四方弁３、室外熱交換器４、
アキュムレータ５を備えており、また室内ユニット８は
室内熱換器９、電子膨張弁１０を備えており、これらで
冷凍サイクルを構成している。

【００２１】さらに、本空気調和機は、冷凍サイクルを
構成する各要素機器について冷凍サイクル温度を検知す
るための温度センサが取付けてある。すなわち、室外ユ
ニット１には、圧縮器２から吐出される冷媒の温度を検
出する吐出ガス温度センサ１４と、熱交換器入口側に取
付けられていて暖房低圧側の冷媒ガス温度を検出する室
外液管温度センサ１８と、熱交換器出口側に取付けられ
ていて暖房低圧側の冷媒ガス温度を検出する室外ガス管
温度センサ１７とが設けられている。また、圧縮機２の
吐出口には、吐出ガス圧力を検出する圧力センサ１３が
取付けられている。そして、室外ユニット１に設けられ
ている上記各センサの検出信号は、室外側制御装置１１
にとりこまれる。

【００２２】さらにまた、室内ユニット８には、熱交換
器入口側に取付けられていて冷房低圧側の冷媒ガス温度
を検出する室内液管温度センサ１６と、熱交換器出口側
に取付けられていて冷房低圧側の冷媒ガス温度を検出す
る室内ガス管温度センサ１５とが設けられている。そし
て、室内ユニット８に設けられている上記各センサの検
出信号は、室内側制御装置１２にとりこまれる。

【００２３】そして、室外制御装置１１又は室内制御装
置１２のどちらかは、電子膨張弁１０の開度を制御して
その開度を変化させ、その開度変化に対する吐出ガス過
熱度の時間変化率を求める。ここで、吐出ガス過熱度の
時間変化率は、吐出ガス温度センサ１４，室内ガス管温
度センサ１５，室内液管温度センサ１６，室外ガス管温
度センサ１７又は室外液管温度センサ１８の各温度セン
サの検出値に基づいて室外制御装置１１又は室内制御装
置１２が算出する。また、室外制御装置１１又は室内制
御装置１２は、上述で算出した吐出ガス過熱度の時間変
化率によって冷凍サイクル中の冷媒量が適正か否かを判
断する。

【００２４】次に、本実施例の動作の詳細について説明
する。冷房時の冷凍サイクルにおいては、室外ユニット
１に設けられている圧縮機２によりガス冷媒は高温高圧
に圧縮される。この圧縮されたガス冷媒は、四方弁３を
経て室外熱交換器４に送られそこで凝縮され液冷媒とな
る。

【００２５】この液冷媒は、接続液配管６を経て室内ユ
ニット８に送られ、電子膨張弁１０によって断熱膨張さ
せられる。この膨張した冷媒は、室内熱交換器９におい
て蒸発する。蒸発した冷媒は、接続ガス配管７を経て室
外ユニット１に戻って、四方弁３を介してアキュムレー
タ５に送られ、そこで気液分離されて圧縮機２に吸入さ
れる。

【００２６】一方、暖房時の冷凍サイクルにおいては、
冷房時の冷媒回路とは逆方向に循環する冷媒回路が形成
される。すなわち、室外ユニット１に設けられている圧
縮機２によって高温高圧に圧縮されたガス冷媒は、室内
ユニット８に設けられている室内熱交換器９で液化し、
電子膨張弁１０によって断熱膨張し、その冷媒は室外熱
交換器４で蒸発し、室外ユニット１に戻る。

【００２７】次に、室外制御装置１１及び室内制御装置
１２の動作について説明する。図２は、本空気調和機に
おける電子膨張弁１０の開度変化に対する吐出ガス過熱
度の変化を示すグラフである。

【００２８】この図２に示すように、圧縮機２を始動さ
せた後における冷凍サイクルが安定したとき、室内制御
装置１２は電子膨張弁１０の開度を所定値ΔＰｏだけ閉
じさせる。また、室外制御装置１１又は室内制御装置１
２は、前記の電子膨張弁１０の開度を変化させたときの
前後について、冷凍サイクル温度を代表する吐出ガス過
熱度を算出する。

【００２９】そして、室外制御装置１１及び室内制御装
置１２は、上記吐出ガス過熱度の算出結果の変化状態
と、図３に示す冷凍サイクルが安定化した場合の膨張弁
開度の増減パルス数ΔＰと吐出ガス過熱度変化幅の関係
より、膨張弁開度の増減パルス数ΔＰを決定する。この
膨張弁開度の増減パルス数ΔＰに基づいて室内制御装置
１２が電子膨張弁１０の開度を制御することで、冷凍サ
イクルの安定化が図られる。

【００３０】すなわち、膨張弁開度の変化幅ΔＰｏに応
じて変化した吐出ガス過熱度のその変化幅ΔＴに対応さ
せて、電子膨張弁１０の開度を制御する増減パルス数Δ
Ｐを変化させることにより、吐出ガス過熱度を冷凍サイ
クル温度が最適となる過熱度に安定させることができ
る。

【００３１】図４は、上述の室外制御装置１１及び室内
制御装置１２による電子膨張弁１０の開度を制御する動
作の一例を示すフローチャートである。先ず、電子膨張
弁１０の初期開度及び各種の処理に用いる変数の初期設
定を行う（Ｓ１，Ｓ２）。次に、冷房運転時においては
室外液管温度センサ１８により、暖房運転時においては
室内管液温度センサ１６により凝縮温度Ｔｃを検出す
る。そして、図５に示す凝縮温度Ｔｃに対する目標吐出
ガス過熱度ＳＨｓｅｔの関係に基づいて、前述の凝縮温
度Ｔｃに対し目標とする吐出ガス過熱度ＳＨｓｅｔを室
外側制御装置１１又は室内側制御装置１２で演算し決定
する。なお、その目標とする吐出ガス過熱度ＳＨｓｅｔ
はステップ５の処理で用いられる。

【００３２】また、圧力センサ１３により圧縮機２の吐
出ガス圧力を検出し、さらに吐出ガス温度センサ１４に
より吐出ガス温度を検出して、これらの検出及び演算結
果から室外側制御装置１１は飽和温度を演算するととも
に、その飽和温度と吐出ガス温度との差から吐出ガス過
熱度ＳＨ（ｎ）を算出する。この検出された吐出ガス過
熱度ＳＨ（ｎ）はステップ５の処理で用いられる。

【００３３】そして、上記のようにして検出された吐出
ガス過熱度ＳＨ（ｎ）と目標吐出ガス過熱度ＳＨｓｅｔ
との差が、ある一定の収束判定値ΔＳＨL以下になるま
で（Ｓ５）、電子膨張弁１０の開度Ｐ（ｎ）を制御する
（Ｓ６からＳ１４）。ここで、電子膨張弁１０の制御
は、例えば図３に示す吐出ガス過熱度変化に対する膨張
弁開度増減パルス数を示すグラフに基づいて、膨張弁開
度を変化させ、吐出ガス過熱度ＳＨ（ｎ）が、目標吐出
ガス過熱度ＳＨｓｅｔに近づくよう膨張弁開度を調整す
ることになる。

【００３４】電子膨張弁１０の開度Ｐ（ｎ）の具体的制
御手順としては、先ず、検出された吐出ガス過熱度ＳＨ
（ｎ）と目標吐出ガス過熱度ＳＨｓｅｔとを比較する
（Ｓ６）。ここで、目標吐出ガス過熱度ＳＨｓｅｔより
も検出された吐出ガス過熱度ＳＨ（ｎ）の方が大きい場
合は、所定値だけ電子膨張弁１０の開度を大きくする制
御をする（Ｓ７からＳ１０）。また、このとき電子膨張
弁１０の開け過ぎを抑制するために、電子膨張弁１０の
開度を変化させる関係式をステップ９とステップ１０の
２つの処理を択一的に用いることとしている。

【００３５】一方、ステップ６において目標吐出ガス過
熱度ＳＨｓｅｔよりも検出された吐出ガス過熱度ＳＨ
（ｎ）の方が小さい場合は、所定値だけ電子膨張弁１０
の開度を小さくする制御をする（Ｓ１１からＳ１４）。
また、このときも、電子膨張弁１０の閉じ過ぎを抑制す
るために、電子膨張弁１０の開度を変化させる関係式を
ステップ１３とステップ１４の２つの処理を択一的に用
いることとしている。

【００３６】電子膨張弁１０の開度制御にＰＩ制御を用
いて、検出した吐出ガス過熱度が目標吐出ガス過熱度に
近づくようにフィードバック制御とした場合は、膨張弁
開度変化に対する冷凍サイクル温度の応答性が変わらな
い。

【００３７】これにより、冷凍サイクル中に余剰に冷媒
があるときは、膨張弁開度を変化させても冷凍サイクル
温度の変化が少なく、吐出ガス過熱度が目標吐出ガス過
熱度に近づかず、膨張弁を絞り過ぎてしまうという問題
が生じる。

【００３８】一方、冷凍サイクルにおいて冷媒が過少と
なっている状況のときは、吐出ガス過熱度の上昇に対し
て膨張弁の開度を大きくするスピードが追従できず、圧
縮機２の温度が上がり過ぎるという問題が生じる。

【００３９】また、電子膨張弁１０の開度制御にＰＩＤ
制御を用いると、下記の数式１，２に示すように複雑な
制御系を構成することとなるため、下記数式における各
係数の決定に多大な時間を要するという問題がある。

【００４０】

【数１】ＰTH（ｎ）＝ＰTH（ｎ−１）＋ΔＰTH ここで、ＰTH（ｎ）：今回の電子膨張弁開度パルス
数ＰTH（ｎ−１）：前回の電子膨張弁開度パルス数 ΔＰTH ：膨張弁開度の増減パルス数とする。

【００４１】

【数２】ΔＰTH＝ＫPTH｛ΔＴＨ(ｎ)−ΔＴＨ(ｎ−１)}
＋ＫｉTHΔＴＨ(ｎ)ΔＳここで、ΔＴＨ（ｎ）：ＴＨｓｅｔ−ＴＨ ΔＴＨ（ｎ−１）：前回のＴＨ（ｎ）ＫPTH，ＫiTH ：係数 ΔＳ：サンプリング時間間隔ＴＨｓｅｔ：制御目標吐出ガス過熱度ＴＨ：吐出ガス過熱度とする。

【００４２】これらにより、本実施例の空気調和機によ
れば、電子膨張弁１０の開度変化に対する冷凍サイクル
の応答性をとらえ、電子膨張弁１０の開度変化に対する
冷凍サイクル温度の変化が小さいときには、電子膨張弁
１０の開度の変化幅を大きくし、逆に冷凍サイクル温度
の変化が大きいときには電子膨張弁１０の開度変化幅を
小さくするので、吐出ガス過熱度を迅速に目標吐出ガス
過熱度に近付けることができ、冷凍サイクルを最適な状
態に安定させることが可能となる。

【００４３】また、本実施例の空気調和機によれば、室
外ユニット１と室内ユニット８とを接続する接続液配管
６及び接続ガス配管７の長さが本空気調和機の設置場所
の状態等によって変動する場合において、予め冷媒を所
定値だけ封入しておくことで、その後に接続液配管６及
び接続ガス配管７の長さを変化させても、その冷凍サイ
クルの応答性に応じて電子膨張弁１０の開度変化幅を制
御することができるので、その冷凍サイクルを最適な状
態に安定させることができる。

【００４４】また、本実施例の空気調和機は、複雑な制
御系を構成することなく簡便な方法で制御系を構成でき
るので、製品の開発期間を短くすることもできる。

【００４５】図６は、図１に示す空気調和機における冷
房時の冷媒の流れを示す冷凍サイクル系統図である。な
お、図中の矢印が冷房時の冷媒の流れを示している。一
方、図７は、図６に示す冷凍サイクルのモリエル線図で
ある。

【００４６】ここで、図７のモリエル線図における各ポ
イントａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、図６の冷凍サイクル
における各部位ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆそれぞれの状態
を示している。そして、図７における直線アは、冷凍サ
イクルに適正な量の冷媒が存在している場合の状態を示
している。また、直線イは、冷凍サイクルに過剰な量の
冷媒が存在している場合の状態を示している。また、直
線ウは、冷凍サイクルにおいて冷媒量が不足している場
合の状態を示している。

【００４７】図８は、本実施例の空気調和機における電
子膨張弁の開度制御状態と、従来のフィードバック制御
を用いた空気調和機における電子膨張弁の開度制御状態
を示すグラフである。このグラフでは、冷凍サイクルに
過剰な量の冷媒が存在している場合の電子膨張弁の開度
制御を示している。従来例では、膨張弁開度変化に対す
る冷凍サイクルの応答性が鈍感であるため、過剰に膨張
弁を絞り過ぎており、サイクル変化が大きくなってしま
う。

【００４８】一方、本実施例では、従来例よりも電子膨
張弁の開度変化が始まるタイミングが早く、かつ、電子
膨張弁の開度変化幅が小さく、膨張弁の絞り過ぎが抑制
されている。

【００４９】図９は、図１に示す空気調和機と従来例と
における吐出ガス過熱度の推移を示すグラフである。こ
のグラフより本実施例の空気調和機のほうが目標吐出ガ
ス過熱度に迅速に近づいていることがわかる。

【００５０】また、過渡運転時においては、従来の比例
制御では過熱度が急上昇するとき、膨張弁開度の開スピ
ードが追従しないため過熱度が上がり過ぎるという問題
があった。しかし、本実施例の空気調和機によれば、冷
凍サイクルの応答性から膨張弁開度の変化幅を決定して
その開度を変化させることができるので、過熱度の急上
昇を抑制することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子膨張弁の開度を所定値だけ変化させたときの圧縮機吐
出ガスの過熱度変化又は圧縮機吐出ガスの温度変化を検
知し、この検知手段が検知した前記過熱度変化又は圧縮
機吐出ガスの温度変化に基づいて冷凍サイクル中の冷媒
量が適正か否かを判断するので、この判断に応じて電子
膨張弁の開度を制御することで冷凍サイクル全体におけ
る冷媒の量が所定の値以外の状態であっても、その冷凍
サイクル温度の適正化を図ることができる空気調和機を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る空気調和機を示す冷凍サ
イクル系統図である。

【図２】図１に示す空気調和機における膨張弁開度変化
に対する吐出ガス過熱度の変化を示すグラフである。

【図３】図１に示す空気調和機における吐出ガス過熱度
変化に対する膨張弁開度増減パルス数を示すグラフであ
る。

【図４】図１に示す空気調和機における電子膨張弁の開
度を制御する動作の一例を示すフローチャートである。

【図５】図１に示す空気調和機における凝縮温度に対す
る目標吐出ガス過熱度の関係を示すグラフである。

【図６】図１に示す空気調和機における冷房時の冷媒の
流れを示す冷凍サイクル系統図である。

【図７】図６に示す冷凍サイクルのモリエル線図であ
る。

【図８】図１に示す空気調和機と従来例とにおける電子
膨張弁の開度制御状態を示すグラフである。

【図９】図１に示す空気調和機と従来例とにおける吐出
ガス過熱度の推移を示すグラフである。

【符号の説明】

１室外ユニット２圧縮機３四方弁４室外熱交換器５アキュムレータ６接続液配管７接続ガス配管８室内ユニット９室内熱交換器１０電子膨張弁１１室外側制御装置１２室内側制御装置１３圧力センサ１４吐出ガス温度センサ１５室内ガス管温度センサ１６室内液管温度センサ１７室外ガス管温度センサ１８室外液管温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献実開昭60−135761（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 49/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機、室外熱交換器、電子膨張弁、室
内熱交換器とアキュムレータを順次連結して冷凍サイク
ルを構成する空気調和機であって、前記電子膨張弁の開
度を所定値だけ変化させたときの圧縮機吐出ガスの過熱
度変化を検知する検知手段と、この検知手段が検知した
前記過熱度変化に基づいて前記冷凍サイクル中の冷媒量
が適正か否かを判断する判断手段とを有し、前記判断手
段は、検知手段が検知した過熱度の変化幅がある所定領
域にある場合は適正冷媒量が封入されていると判断し、
前記過熱度の変化幅が前記所定領域未満の場合は、冷凍
サイクル中に冷媒が過剰に封入されている状態であると
判断し、前記過熱度の変化幅が前記所定領域を超える場
合は、冷凍サイクル中の冷媒が不足している状態である
と判断し、冷媒が過剰に封入されている状態であると判
断されている場合には、前記電子膨張弁の開度変化幅を
大きくし、冷媒が不足していると判断される場合には、
前記電子膨張弁の開度変化幅を小さくすることを特徴と
する空気調和機。
【請求項２】請求項１記載の空気調和機において、判
断手段の判断結果に応じて電子膨張弁の開度を制御する
ＰＩＤ制御定数を変化させる電子膨張弁開度制御手段を
有することを特徴とする空気調和機。