JP4151625B2

JP4151625B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP4151625B2
Application number: JP2004212727A
Authority: JP
Inventors: 裕幸武内
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: CN1724952A; CN100373104C; JP2006029734A

Description

本発明は、膨張弁制御によって最適な冷凍サイクル状態を維持できる空気調和機に関するものである。

従来この種の空気調和機は、図１３の制御フローチャート及び図１４の制御タイムチャート並びに図１５のブロック図に示すように、初期室内温度と目標室内温度の差から圧縮機運転周波数及び目標圧縮機吐出温度の初期値を設定し、膨張弁の開度を調節することにより最適な冷凍サイクル状態を維持し、再度、目標圧縮機吐出温度とのずれが生じた場合、目標値に収束するように膨張弁の開度を補正する制御が為されていた。（例えば、特許文献１参照）
特開２００１−１２８０８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、室外側熱交換器を通過する風の風速分布が不均一であったり、冷媒流路の高さヘッドの影響により、前記冷媒流路における冷媒流量のバランスが不均一となるなど、熱交換能力が十分に発揮できないという課題を有していた。

例えば、図１に示すように、ビルマルチエアコンでは、ファン４が室外機筐体上部に上向きに設置され、室外熱交換器が前記ファンの風上側に略円筒状に配置されたものが一般的に採用されている。

これは、前方にファンが２個縦に配設された送風回路を有するような室外機と比較すると、上方に風が吹出し、しかもファンは１個であることから風速分布が不均一で、熱交換器上のファンに近い箇所は風速が速く、ファンより遠い箇所では風速が遅くなるので、ファンより遠い距離にある下側の熱交換器の能力が不足する。このため、前方吹出しの室外機と同等の熱交換能力を有するためには、熱交換器のサイズを大きくするか、ファンの回転数を上げる必要があり、ユニットサイズや騒音値が増大するという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、熱交換器の風速分布が悪くても、熱交換器のサイズ増やファンの騒音を上げることなく、膨張弁の制御によって、最適な冷凍サイクル状態を維持し、熱交換能力を最大限に引き出すことを可能にした空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は図２の冷凍サイクル図に示すように、熱交換器を２分割し、それぞれに接続された冷媒配管に電動膨張弁を設け、暖房運転時において、圧縮機吐出温度と周波数から得られた膨張弁の目標開度に対し、２分割された各熱交換器の出口温度を比較して温度差が所定値を超えたら、温度が高い熱交換器側の膨張弁を所定開度開くと共に温度が低い熱交換器側の膨張弁を所定開度閉じ、かつこれら膨張弁の合計開度を不変とし、さらに圧縮機運転周波数が所定の値に達するまでは前記膨張弁のうち、下側の前記膨張弁は完全に閉じて冷媒が流れないようにし、上側の前記膨張弁のみを開弁または閉弁することにより、上側の前記熱交換器のみに冷媒を流すようにしたものである。

これによって、熱交換器全体の冷媒流量は一定でありながら、分割された熱交換器それぞれの冷媒流量を熱交換器温度に応じて調節できるので、熱交換能力を最大限に引き出すことが可能となる。

また本発明の空気調和機は、暖房運転において、圧縮機運転周波数が所定の値に達するまでは上下２個の膨張弁のうち、下側の膨張弁は完全に閉じて冷媒が流れないようにし、上側の膨張弁のみを開度制御するものである。

これによって、上側の熱交換器のみに冷媒を流すことで流速を上げ、低周波数運転時における室外熱交換器に液冷媒が溜まりこむことを防ぐことにより冷媒流量調節が可能となり、安定に至る時間の短縮ができるものである。

本発明の空気調和機は複数の冷媒流路からなる室外側熱交換器の最適な冷凍サイクル状態を維持し、ユニットのサイズや送風音を増大させることなく、熱交換器の性能を最大限に引き出すことができる。

第１の発明は、空気調和機の室外熱交換器を２分割し、それぞれに接続された冷媒配管に各１つの電動膨張弁を設けたものである。

暖房運転時に、圧縮機吐出温度及び周波数から得られた２つの膨張弁の合計目標開度に対し、２分割された熱交換器の出口温度を比較して温度差が所定値を超えたら、温度が高い熱交換器側の膨張弁を所定開度開くと共に、温度が低い熱交換器側の膨張弁を所定開度閉じ、かつこれら膨張弁の合計開度は変えないことにより、最適な冷凍サイクル状態を維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

第２の発明は、特に第１の発明の膨張弁制御を、膨張弁の一方の開度が上限値或いは下限値に到達したら、その限界値で固定する条件を追加して、実施することにより最適な冷凍サイクル状態を維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明の膨張弁制御を、室外ファン回転数が所定の値に達したら、実施することにより、最適な冷凍サイクル状態を維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

第４の発明は、特に第１の発明または第２の発明の膨張弁制御を、圧縮機周波数が所定の値に達したら実施することにより最適な冷凍サイクル状態を維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

第５の発明は、室外熱交換器を上下方向に２分割し、それぞれに接続された冷媒配管に各１つの電動膨張弁を有し、暖房運転時に、圧縮機運転周波数が所定の値に達するまでは、上下２個の膨張弁のうち、下側の膨張弁は完全に閉じて冷媒が流れないようにし、上側の膨張弁のみを開弁または閉弁することにより、上側の熱交換器のみに冷媒を流すことで流速を上げ、低周波数運転時における室外熱交換器に液冷媒が溜まりこむことを防ぎ、早く冷凍サイクルの安定を可能にすることができる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における室外機の概略構成図で、ビルマルチエアコンのものを例にとって説明する。また図２は、本発明の冷凍サイクル図である。

図２において、冷凍サイクルは能力可変型圧縮機１、暖房運転と除霜運転を切換える４方弁２、室外熱交換器３、室外ファン４とで構成されている。更に、室外熱交換器３は上下で２分割されて、上部３ａと下部３ｂに分かれており、それぞれに備えられた室外上部膨張弁５、室外下部膨張弁６、室外熱交換器上部出口温度センサー７、室外熱交換器下部出口温度センサー８とで構成されている。

膨張弁５、６はパルス信号によって制御されるステッピングモータで駆動され、その操作量即ち、開度が変更される。従って、以降膨張弁の開度を「パルス」を単位として表すこととする。

暖房運転時には４方弁２が切り変わることにより、矢印の方向に冷媒が流れ、冷凍サイクルを形成している。

次に図３の空気調和機のフローチャート及び図４のタイムチャートにより、膨張弁制御の動作を説明する。

まず、電源投入後、ステップＳ００１で上下各膨張弁はイニシャライズを実施し、全開状態となる。続いてステップＳ００２の暖房運転に移行するとステップＳ００３の初期室内温度と目標室内温度との差からステップＳ００４で圧縮機周波数及び目標吐出温度を決定し、ステップＳ００５で上下各膨張弁は同一開度開くかあるいは閉じ、目標吐出温度制御に移行する。

すなわちステップＳ００６で目標吐出温度と現在の吐出温度との差ΔＴｄを検知し、ステップＳ００７で現在の吐出温度が目標に対して所定値ΔＴ１より低い場合はステップＳ００８に進んで所定値ΔＰ１パルス閉じ、ステップＳ００９でΔＴ１より高い場合はステップＳ０１０に進んでΔＰ１パルス開くことによって、吐出温度を一定にさせる。

更に吐出温度が目標温度に到達後、ステップＳ１０２で熱交換器上部出口温度及び熱交換器下部出口温度を検出し、その温度差ΔＴｃが所定値ΔＴ２以上のとき、ステップＳ１０３若しくはステップＳ１０６からそれぞれの次のステップへ進み、温度の高い方の膨張弁開度を所定値ΔＰ２パルス開き、温度の低い方の膨張弁開度をΔＰ２パルス閉じる。このとき上下各膨張弁の合計開度は変更しないことから、冷凍サイクル全体の絞り量は変化せず、吐出温度は一定でしかも熱交換器上部出口温度及び下部出口温度は接近していることから、出口における冷媒過熱度は一定となり、一方で熱交換器の各々のパスの出口温度を同程度に制御できるので、最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

（実施の形態２）
図５及び図６は本発明の第２の実施の形態の空気調和機の制御フローチャート及び同制御のタイムチャートである。

電源投入後、ステップＳ００１で上下各膨張弁はイニシャライズを実施し、全開状態となる。続いてステップＳ００２の暖房運転に移行するとステップＳ００３の初期室内温度と目標室内温度との差からステップＳ００４で圧縮機周波数及び目標吐出温度を決定し、ステップＳ００５で上下各膨張弁は同一パルス開くかあるいは閉じ、目標吐出温度制御に移行する。すなわちステップＳ００６で目標吐出温度と現在の吐出温度との差ΔＴｄを検
知し、ステップＳ００７で現在の吐出温度が目標に対して所定値ΔＴ１より低い場合はステップＳ００８に進んで所定値ΔＰ１パルス閉じ、ステップＳ００９でΔＴ１より高い場合はステップＳ０１０に進んでΔＰ１パルス開くことによって、吐出温度を一定にさせる。

更に吐出温度が目標温度に到達後、ステップＳ２０２で熱交換器上部出口温度及び熱交換器下部出口温度を検出し、その温度差ΔＴｃが所定値ΔＴ２以上のとき、ステップＳ２０３若しくはステップＳ２０９からそれぞれの次のステップへ進み、温度の高い方の膨張弁開度を所定値ΔＰ２パルス開き、温度の低い方の膨張弁開度をΔＰ２パルス閉じる。このとき上下各膨張弁の補正パルスに上下限値ｍａｘΔＰ２、ｍｉｎΔＰ２を設け、各補正パルスが上限値ｍａｘΔＰ２あるいは下限値ｍｉｎΔＰ２を超えないようにし、しかも上下各膨張弁の合計開度は変更しないことから、吐出温度は一定でしかも熱交換器上部出口温度及び下部出口温度は接近していることから、出口における冷媒過熱度は一定となり、最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

（実施の形態３）
図７及び図８は本発明の第３の実施の形態の空気調和機の制御フローチャート及び同制御のタイムチャートである。

電源投入後、ステップＳ００１で上下各膨張弁はイニシャライズを実施し、全開状態となる。続いてステップＳ００２の暖房運転に移行するとステップＳ００３の初期室内温度と目標室内温度との差からステップＳ００４で圧縮機周波数及び目標吐出温度を決定し、ステップＳ００５で上下各膨張弁は同一パルス開くかあるいは閉じ、目標吐出温度制御に移行する。すなわちステップＳ００６で目標吐出温度と現在の吐出温度との差ΔＴｄを検知し、ステップＳ００７で現在の吐出温度が目標に対して所定値ΔＴ１より低い場合はステップＳ００８に進んで所定値ΔＰ１パルス閉じ、ステップＳ００９でΔＴ１より高い場合はステップＳ０１０に進んでΔＰ１パルス開くことによって、吐出温度を一定にさせる。

更に吐出温度が目標温度に到達後、ステップＳ３０２で室外ファン速を検出し室外ファン速が設定速度以上になったとき、ステップＳ３０４で熱交換器上部出口温度及び熱交換器下部出口温度を検出し、その温度差ΔＴｃが所定値ΔＴ２以上のとき、ステップＳ３０５若しくはステップＳ３０８からそれぞれの次のステップへ進み、温度の高い方の膨張弁開度を所定値ΔＰ２パルス開き、温度の低い方の膨張弁開度をΔＰ２パルス閉じる。このとき上下各膨張弁の合計開度は変更しないことから、吐出温度は一定でしかも熱交換器上部出口温度及び下部出口温度は接近していることから、出口における冷媒過熱度は一定となり、最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

（実施の形態４）
図９及び図１０は本発明の第４の実施の形態の空気調和機の制御フローチャート及び同制御のタイムチャートである。

電源投入後、ステップＳ００１で上下各膨張弁はイニシャライズを実施し、全開状態となる。続いてステップＳ００２の暖房運転に移行するとステップＳ００３の初期室内温度と目標室内温度との差からステップＳ００４で圧縮機周波数及び目標吐出温度を決定し、ステップＳ００５で上下各膨張弁は同一パルス開くかあるいは閉じ、目標吐出温度制御に移行する。すなわちステップＳ００６で目標吐出温度と現在の吐出温度との差ΔＴｄを検知し、ステップＳ００７で現在の吐出温度が目標に対して所定値ΔＴ１より低い場合はステップＳ００８に進んで所定値ΔＰ１パルス閉じ、ステップＳ００９でΔＴ１より高い場合はステップＳ０１０に進んでΔＰ１パルス開くことによって、吐出温度を一定にさせる
。

更に吐出温度が目標温度に到達後、ステップＳ４０２で圧縮機周波数を検出しステップＳ４０３で圧縮機周波数が所定値以上になったとき、ステップＳ４０４で熱交換器上部出口温度及び熱交換器下部出口温度を検出し、その温度差ΔＴｃが所定値ΔＴ２以上のとき、ステップＳ４０５若しくはステップＳ４０８からそれぞれの次のステップへ進み、温度の高い方の膨張弁開度を所定値ΔＰ２パルス開き、温度の低い方の膨張弁開度をΔＰ２パルス閉じる。このとき上下各膨張弁の合計開度は変更しないことから、吐出温度は一定でしかも熱交換器上部出口温度及び下部出口温度は接近していることから、出口における冷媒過熱度は一定となり、最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

（実施の形態５）
図１１及び図１２は本発明の第５の実施の形態の空気調和機の制御フローチャート及び同制御のタイムチャートである。

電源投入後、ステップＳ００１で上下各膨張弁はイニシャライズを実施し、全開状態となる。続いてステップＳ００２の暖房運転に移行するとステップＳ００３の初期室内温度と目標室内温度との差からステップＳ００４で圧縮機周波数及び目標吐出温度を決定するが、このときステップＳ５０２で圧縮機周波数が所定値Ｈｚ１よりも低い場合はステップＳ５０４で下部膨張弁は全閉とし、ステップＳ５０３で上部膨張弁のみ開いて目標吐出温度制御に移行する。圧縮機周波数が所定値Ｈｚ１よりも低い場合は、冷媒循環量も少ないため熱交換器全域を使用する必要はなく、風速が速い上部熱交換器のみ冷媒を循環することにより最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引出すことができる。

また圧縮機周波数が所定値Ｈｚ１よりも高い場合はステップＳ５０５に進んで上下各膨張弁とも同一パルス開くかあるいは閉じ、目標吐出温度制御に移行する。
目標吐出温度制御とは、すなわちステップＳ００６で目標吐出温度と現在の吐出温度との差ΔＴｄを検知し、ステップＳ００７で現在の吐出温度が目標に対して所定値ΔＴ１より低い場合はステップＳ００８に進んで所定値ΔＰ１パルス閉じ、ステップＳ００９でΔＴ１より高い場合はステップＳ０１０に進んでΔＰ１パルス開くことによって、吐出温度を一定にさせる制御である。

更に吐出温度が目標温度に到達後、ステップＳ５１２で圧縮機周波数を検出しステップＳ５１３で圧縮機周波数が所定値Ｈｚ２以上になったとき、ステップＳ５１４に進んで熱交換器上部出口温度及び熱交換器下部出口温度を検出し、その温度差ΔＴｃが所定値ΔＴ２以上のとき、ステップＳ５１５若しくはステップＳ５１８からそれぞれの次のステップへ進み、温度の高い方の膨張弁開度を所定値ΔＰ２パルス開き、温度の低い方の膨張弁開度をΔＰ２パルス閉じる。このとき上下各膨張弁の合計開度は変更しないことから、吐出温度は一定でしかも熱交換器上部出口温度及び下部出口温度は接近していることから、出口における冷媒過熱度は一定となり、最適な冷凍サイクルを維持し、性能を最大限に引き出すことができる。

本実施の形態では、吐出温度が目標温度に到達後の膨張弁制御は実施の形態４で示した制御と同様であるが、他の実施の形態や、それ以外の制御であっても構わない。

以上のように、本発明にかかる空気調和機は、その膨張弁を制御することによって最適な冷凍サイクル状態を維持し、性能を最大限に引き出すことができるので、業務用、店舗用空気調和機の冷媒流量制御等の用途にも適用できる。

ビル用マルチエアコン室外機の概略構成図本発明の実施形態を示す空気調和機の冷凍サイクル図本発明の第１の実施形態を示す空気調和機の制御フローチャート本発明の第１の実施形態を示す空気調和機の制御タイムチャート本発明の第２の実施形態を示す空気調和機の制御フローチャート本発明の第２の実施形態を示す空気調和機の制御タイムチャート本発明の第３の実施形態を示す空気調和機の制御フローチャート本発明の第３の実施形態を示す空気調和機の制御タイムチャート本発明の第４の実施形態を示す空気調和機の制御フローチャート本発明の第４の実施形態を示す空気調和機の制御タイムチャート本発明の第５の実施形態を示す空気調和機の制御フローチャート本発明の第５の実施形態を示す空気調和機の制御タイムチャート従来の空気調和機の制御フローチャート従来の空気調和機の制御タイムチャート従来の空気調和機のブロック図

符号の説明

１圧縮機
２４方弁
３室外熱交換器
４室外送風機
５室外上部膨張弁
６室外下部膨張弁
７室外熱交換器上部出口温度センサー
８室外熱交換器下部出口温度センサー

Claims

筐体内部に配設された室外熱交換器を２分割し、それぞれに接続された冷媒配管に各１つの電動膨張弁を有する空気調和機の室外機であって、２分割された前記熱交換器の各出口温度を検出する出口温度検出手段、圧縮機吐出温度を検出する吐出温度検出手段、圧縮機運転周波数を検知する周波数検知手段及び膨張弁開度設定値記憶手段より構成され、暖房運転時に、圧縮機吐出温度及び周波数から前記膨張弁の合計目標開度を設定し、２分割された前記熱交換器それぞれの出口温度を比較し、該温度差が所定値を超えたら、出口温度が高い熱交換器側の膨張弁を所定開度開き、出口温度が低い熱交換器側の膨張弁を所定開度閉じ、かつそれぞれの前記膨張弁の合計開度を不変とし、さらに圧縮機運転周波数が所定の値に達するまでは前記膨張弁のうち、下側の前記膨張弁は完全に閉じて冷媒が流れないようにし、上側の前記膨張弁のみを開弁または閉弁することにより、上側の前記熱交換器のみに冷媒を流すことを特徴とした空気調和機。
暖房運転時に、２分割された熱交換器のそれぞれの出口温度を比較し、該温度差が所定値を超え、かつ膨張弁の一方の開度が上限値に到達したら上限開度で固定され、該温度差が所定値を超え、かつ前記膨張弁の一方の開度が下限値に到達したら下限開度で固定され、２つの前記膨張弁の合計開度は変えないことを特徴とした請求項１に記載の空気調和機。
暖房運転時、室外ファン回転数が所定の値に到達し、更に熱交換器のそれぞれの出口温度差が所定値を超えたら、温度が高い熱交換器側の膨張弁を所定開度開き、温度が低い熱交換器側の膨張弁を所定開度閉じ、かつそれぞれの前記膨張弁の合計開度は変えないことを特徴とした請求項１または２のいずれかに記載の空気調和機。
暖房運転時、圧縮機周波数が所定の値に到達し、更に熱交換器のそれぞれの出口温度差が所定値を超えたら、温度が高い熱交換器側の膨張弁を所定開度開き、温度が低い熱交換器側の膨張弁を所定開度閉じ、かつそれぞれの前記膨張弁の合計開度は変えないことを特徴とした請求項１または２のいずれかに記載の空気調和機。