JP4727137B2

JP4727137B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP4727137B2
Application number: JP2003283038A
Authority: JP
Inventors: 幸司滝; 修森本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005049051A

Description

この発明は、ヒートポンプ式空気調和装置に関するものであり、特に冷媒流量が大きく、また四方弁と室外熱交換器を複数備え、冷媒を流す室外熱交換器の枚数を制御することにより、容量制御を行うことを特徴とするヒートポンプ式空気調和装置に関するものである。

従来のヒートポンプ式空気調和装置においては、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、主膨張弁と、室内熱交換器とを順次連結し冷凍サイクルを構成してなる空気調和装置において、室外熱交換器を並列接続された第１室外熱交換器と第２室外熱交換器とから構成し、第１室外熱交換器と主膨張弁との間に第１開閉弁と第１補助膨張弁との並列回路を接続し、四方弁と第２室外熱交換器との間に第２開閉弁を設けると共に、第２室外熱交換器と主膨張弁との間に第３開閉弁と第２補助膨張弁との並列回路を接続したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１０６６９４号公報

従来の空気調和装置では、第１及び第２室外熱交換器の出入口にそれぞれ３個の双方向性電磁弁を接続し、その電磁弁のＯＮ／ＯＦＦにより室外熱交換器の容量制御を行うことになるが、この冷媒回路では単価の高い双方向性電磁弁を複数用いている。またこの冷媒回路の大形機種への適用を考えると、四方弁部の圧力損失を低減する為、大形の四方弁を用いる必要性が生じるが、大形の四方弁は単価が高く、さらに耐圧性が劣るという問題があった。

また、四方弁を複数用い、四方弁−室外熱交換器を並列回路とすることにより、室外熱交換器の容量制御を行うと共に、高圧側配管系にて若干の圧力損失の低減を行うことも考えられるが、低圧側配管系では一部の四方弁のみを冷媒が流れることとなり、圧力損失が大きくなる。

また、圧縮機−四方弁−室外交換器の回路と、室内熱交換器−四方弁−圧縮機の回路が共に並列となるように接続し、四方弁の圧力損失を低減することも考えられるが、この場合には、四方弁の４つの接続配管の間で差圧がとれずに、四方弁の切替わりが正確に行われず、運転モードの切替わりが正常に行われなという問題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、室外熱交換器の容量制御を行うと共に、四方弁部に生じる圧力損失の低減を行うことにより、大形のヒートポンプ式空気調和装置の性能及び効率を向上させることを目的とする。

この発明の空気調和装置は、容量制御可能な圧縮機、第１四方弁、第１室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を順次環状に接続した冷媒回路を持つヒートポンプ式空気調和装置において、冷媒回路は、圧縮機の吐出側で分岐する配管の一方に第１四方弁、第１室外熱交換器が接続され、他方に第２四方弁、第２室外熱交換器及び電磁弁が順に接続され、第１室外熱交換器と膨張弁との間で電磁弁からの配管と合流するとともに、圧縮機の吸入側で分岐する配管の一方に第１四方弁が接続され、他方に第２四方弁、第２四方弁へ向かう冷媒のみが通過するように設けられた逆止弁が順に接続され、第１四方弁と室内熱交換器との間で逆止弁への配管と合流するよう構成され、圧縮機から吐出される冷媒を第１室外熱交換器及び第２室外熱交換機に導くとともに電磁弁を開状態にする全冷房運転モード、圧縮機から吐出される冷媒を第１室外熱交換器のみに導くとともに電磁弁を閉状態にする部分冷房運転モード、圧縮機から吐出される冷媒を室内熱交換器に導くとともに電磁弁を開状態にする全暖房運転モード、圧縮機から吐出される冷媒を第１室外熱交換器のみに導くとともに電磁弁を開状態にする中間モード、の各運転モードに切替えられ、かつ、圧縮機停止時の運転モードを記憶するとともに、圧縮機を起動する際に、停止時の運転モードと起動時の運転モードとの比較を行い、停止時の運転モードが全冷房運転モードであって起動時の運転モードが全暖房運転モードである場合には、圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全暖房運転モードに切り換え、停止時の運転モードが全暖房運転モードであって起動時の運転モードが全冷房運転モードである場合には、圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全冷房運転モードに切り換え、停止時の運転モードが部分冷房運転モードであって起動時の運転モードが全暖房運転モードである場合には、圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全暖房運転モードに切り換えるようにしたものである。

この発明によれば、複数の四方弁の切替えと電磁弁の開閉を異なるタイミングで行うように制御することにより、確実に運転モードの切替えを行う、信頼性の高いヒートポンプ式空気調和装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明における実施の形態１における空気調和機の冷媒回路図、図２は四方弁と電磁弁のＯＮ／ＯＦＦの際の状態を定義するための説明図、図３はこの発明における空気調和機の各運転モードと、四方弁及び電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ状態の関係を示す説明図である。
図１において、室外ユニット１は、圧縮機３、二つの四方弁４ａ、４ｂ、二つの室外熱交換器５ａ、５ｂ、電磁弁６、逆止弁７、高圧検知手段１０、低圧検知手段１１から構成される。また、室内ユニット２は、膨張弁８、室内熱交換器９から構成される。電磁弁６は、室外熱交換器５ｂと膨張弁８の間を接続する配管に設けられている。逆止弁７は、四方弁４ａと室内熱交換器９の間を接続する配管と、四方弁４ｂとの間を接続する配管の途中に設けられている。高圧検知手段１０は、圧縮機３の高圧配管側に設けられている。低圧検知手段１１は、圧縮機３の低圧配管側に設けられている。また、圧縮機３の吐出口より繋がる配管には第１の分岐点１２、四方弁及び室外熱交換器の並列回路から膨張弁８に繋がる配管には第２の分岐点１３、室内熱交換器９から四方弁に繋がる配管には第３の分岐点１４、この分岐点１４から四方弁を経て圧縮機３の吸入口に繋がる配管には第４の分岐点１５がそれぞれ設けられている。

図１では１台の室外ユニット１対し、１台の室内ユニット２を接続したシステムを示したが、１台の室外ユニット１に対し、室内ユニット２が複数台接続されても良いし、逆に１台の室内ユニット２に対し、室外ユニット１が複数台接続されても良い。また、膨張弁８は室内ユニット２内に設けられているが、室内ユニット２外に接続させても良い。

圧縮機３は１台から複数台まで目的の容量に応じて用いることができるが、少なくとも１台は容量制御可能な圧縮機を用いる。

冷房運転時において、室外熱交換器の全体を用いた運転モード（冷房Ｆ）の冷媒の流れを図４に示す冷媒回路図により説明する。二つの四方弁４ａ、４ｂはいずれもＯＦＦ状態であり、圧縮機３から二つの室外熱交換器５ａ、５ｂへと冷媒が流れる。また電磁弁６はＯＦＦ（開弁）状態である。

圧縮機３より吐出された冷媒は、第１の分岐点より二つの四方弁４ａ、４ｂを経て二つの室外熱交換器５ａ、５ｂの全体に流れる為、室外熱交換器を最大容量で用いることができる。また二つの室外熱交換器５ａ、５ｂを経て第２の分岐点１３で合流し膨張弁８、室内熱交換器９を経て室内ユニット２より室外ユニット１に戻ったガス冷媒は、第３の分岐点１４より二つの四方弁４ａ、４ｂを経て第４の分岐点１５で合流し圧縮機３に還る為、四方弁部での圧力損失を小さく抑えることができる。

冷房運転時において、室外熱交換器を部分的に用いた運転モード（冷房Ｐ）の冷媒の流れを図５に示す冷媒回路図により説明する。四方弁４ａはＯＦＦ状態、四方弁４ｂはＯＮ状態、電磁弁６はＯＮ（閉弁）状態である。

圧縮機３より吐出された冷媒は、第１の分岐点１２より四方弁４ａを経て一方の室外熱交換器５ａのみへと流れる。四方弁４ｂへはその先の逆止弁７により流れが止められる為、冷媒は流れない。また他方の室外熱交換器５ｂの下流側配管に電磁弁６を設けているため、室外熱交換器５ｂより四方弁４ｂを経て圧縮機３へと冷媒が流れることはない。よって室外熱交換器５ａには冷媒が流れ、室外熱交換器５ｂには冷媒が流れない状態となる為、室外熱交換器５ｂの容量分出力を落とした運転を行うことができる。

暖房運転時において、室外熱交換器の全体を用いた運転モード（暖房Ｆ）の冷媒の流れを図６に示す冷媒回路図により説明する。二つの四方弁４ａ、４ｂはいずれもＯＮ状態であり、電磁弁６はＯＦＦ（開弁）状態である。

圧縮機３より吐出された冷媒は、第１の分岐点１２より四方弁４ａ、室内ユニット２を経て、第２の分岐点１３より二つの室外熱交換器５ａ、５ｂの全体に流れる為、室外熱交換器を最大容量で用いることができる。また室外熱交換器５ａ、５ｂから戻ったガス冷媒は二つの四方弁４ａ、４ｂを経て第４の分岐点１５で合流し圧縮機３に還る為、四方弁部での圧力損失を抑えることができる。

次にこの空気調和機における各運転モードの切替え制御について説明する。圧縮機３が停止した場合、停止時の運転モードを記憶しておき、起動時の運転モードと比較して、四方弁４ａ、４ｂの切替えと、電磁弁６の開閉を異なるタイミングで制御するように決定する。

下記の所定の起動パターンの場合におけるタイミング制御は、圧縮機３の起動後すぐに特定の状態Ｍの運転モードを一旦出力してから、その後各運転モードを出力することになる。なお、図３に示すように、状態Ｍとは四方弁４ａがＯＦＦ、四方弁４ｂがＯＮ、電磁弁６がＯＦＦの状態をいう。
・停止時：冷房Ｆ → 起動時：暖房Ｆ
・停止時：暖房Ｆ → 起動時：冷房Ｆ
・停止時：冷房Ｐ → 起動時：暖房Ｆ

起動後すぐの状態Ｍから各運転モードへの遷移は、高圧と低圧の差が一定以上の差圧（例えば３ｋｇ／ｃｍ^２）を一定時間（例えば１５秒間）保った場合に行う。この際の圧力値は高圧検知手段１０及び低圧検知手段１１による検知値を利用する。

下記の起動パターンの場合は、タイミング制御は行わない。すなわち、特定の状態Ｍの運転モードを経由せずに起動後各運転モードを出力することになる。
・停止時：冷房Ｆ → 起動時：冷房Ｐ
・停止時：冷房Ｐ → 起動時：冷房Ｆ
・停止時：暖房Ｆ → 起動時：冷房Ｐ

これらのユニット停止をまたぐ運転モードの切替えについては、図７にその遷移図として示している。

次に、室外熱交換器５ａ、５ｂの霜取りモードの開始・終了制御について説明する。まず霜取り開始時は、四方弁４ａをＯＦＦ状態とする。その後、高圧と低圧の差が一定以上の差圧（例えば３ｋｇ／ｃｍ^２）となった場合或いは霜取開始後一定時間（例えば３０秒間）が経過した場合に、四方弁４ｂをＯＦＦ状態とする。この際の圧力値は高圧検知手段１０および低圧検知手段１１による検知値を利用する。

霜取りモード終了時は、まず四方弁４ｂをＯＮ状態とする。その後、高圧と低圧の差が一定以上の差圧（例えば３ｋｇ／ｃｍ^２）状態を一定時間（例えば１５秒間）保った場合、或いは霜取開始後一定時間（例えば７分間）が経過した場合に、四方弁４ａをＯＮとする。この際圧力値は高圧検知手段１０および低圧検知手段１１による検知値を利用する。

次に、高圧・低圧の差が小さい場合の特別制御について以下に説明する。下記条件をすべて満たした場合は、図８に示したとおりに各アクチュエータの制御を行う。すなわち、圧縮機３の容量を３０秒ごとに１０Ｈｚずつ増加、四方弁４ａをＯＦＦ状態、四方弁４ｂをＯＮ状態、電磁弁６をＯＮ状態、膨張弁８を閉弁とする。ここで、Ｆは圧縮機運転波数［Ｈｚ］とする。また圧力値は高圧検知手段１０および低圧検知手段１１による検知値を利用する。
・低圧＞４ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ
・高圧−低圧＜（８．８８３×Ｆ＾２＋３２８．０５×Ｆ）／１０００００
・圧縮機起動後４分間以外、もしくは霜取り中以外、もしくは霜取り復帰後４分間以外

そして、下記条件のいずれかを満たした場合は、上記特別制御を終了する。
・高圧＞２０ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ
・高圧−低圧＞２ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ
・本特別制御開始後１０分以上経過
・運転モードが変化

これまでの説明においては、四方弁４ａ、４ｂ及び室外熱交換器５ａ、５ｂをそれぞれ二つ用いる冷媒回路について説明を行ったが、三つ以上用いれば、より室外熱交換器の容量を細かく制御することができ、さらに低圧側回路の圧力損失をより低減させることができる。またより耐圧性が求められる場合においても、耐圧性の高い小容量の四方弁を三つ以上用いることにより対応することができる。

大容量の四方弁ではその構造上、高圧に弱い為、使用圧力を上げるのが難しいといった問題があるが、例えばＲ４１０ＡやＲ３２、ＣＯ_２のように、従来の冷媒（Ｒ２２、Ｒ４０７Ｃ）よりも冷媒圧力が高くなり、設計圧力が３５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇを超える冷媒を用いる場合でも、この発明のように小容量の四方弁を並列に用いることにより容易に対応することができる。

この発明における実施の形態１における空気調和機の冷媒回路図である。四方弁と電磁弁のＯＮ／ＯＦＦの際の状態を定義するための説明図である。この発明における空気調和機の各運転モードと、四方弁及び電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ状態の関係を示す説明図である。冷房運転時における室外熱交換器の全体を用いた運転モード（冷房Ｆ）の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。冷房運転時における室外熱交換器を部分的に用いた運転モード（冷房Ｐ）の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。暖房運転時における室外熱交換器の全体を用いた運転モード（暖房Ｆ）の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。運転モードの切替えを示す遷移図である。高圧・低圧の差が小さい場合の特別制御を示す説明図である。

１室内ユニット、２室内ユニット、３圧縮機、４a、４b 四方弁、５a、５b 室外熱交換器、６電磁弁、７逆止弁、８膨張弁、９室内熱交換器、１０高圧検知手段、１１低圧検知手段、１２〜１５第１〜第４の分岐点

Claims

容量制御可能な圧縮機、第１四方弁、第１室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を順次環状に接続した冷媒回路を持つヒートポンプ式空気調和装置において、
前記冷媒回路は、
前記圧縮機の吐出側で分岐する配管の一方に前記第１四方弁、前記第１室外熱交換器が接続され、他方に第２四方弁、第２室外熱交換器及び電磁弁が順に接続され、前記第１室外熱交換器と前記膨張弁との間で前記電磁弁からの配管と合流するとともに、
前記圧縮機の吸入側で分岐する配管の一方に前記第１四方弁が接続され、他方に前記第２四方弁、前記第２四方弁へ向かう冷媒のみが通過するように設けられた逆止弁が順に接続され、前記第１四方弁と前記室内熱交換器との間で前記逆止弁への配管と合流するよう構成され、
前記圧縮機から吐出される冷媒を前記第１室外熱交換器及び前記第２室外熱交換機に導くとともに前記電磁弁を開状態にする全冷房運転モード、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記第１室外熱交換器のみに導くとともに前記電磁弁を閉状態にする部分冷房運転モード、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記室内熱交換器に導くとともに前記電磁弁を開状態にする全暖房運転モード、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記第１室外熱交換器のみに導くとともに前記電磁弁を開状態にする中間モード、の各運転モードに切替えられ、
かつ、
前記圧縮機停止時の運転モードを記憶するとともに、前記圧縮機を起動する際に、停止時の運転モードと起動時の運転モードとの比較を行い、
停止時の運転モードが全冷房運転モードであって起動時の運転モードが全暖房運転モードである場合には、前記圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全暖房運転モードに切り換え、停止時の運転モードが全暖房運転モードであって起動時の運転モードが全冷房運転モードである場合には、前記圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全冷房運転モードに切り換え、停止時の運転モードが部分冷房運転モードであって起動時の運転モードが全暖房運転モードである場合には、前記圧縮機の起動直後に中間モードに切り換えてから全暖房運転モードに切り換える空気調和装置。
霜取り開始時には、前記第１四方弁を切替え、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記第１室外熱交換器に導き、その後、前記第２四方弁を切替え、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記第２室外熱交換器に導き、
霜取り終了時には、前記第２四方弁を切替え、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記逆止弁に導き、その後、前記第１四方弁を切替え、前記圧縮機から吐出される冷媒を前記室内熱交換器に導く請求項１に記載の空気調和装置。
複数備えた四方弁の切替え制御と、電磁弁の開閉制御を、四方弁に流れ込む流体の高低圧差が一定以上となった時に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
設計圧力が３５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ以上である四方弁に用いたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気調和装置。
冷媒としてＲ４１０Ａや、Ｒ３２、ＣＯ_２のような高圧冷媒を用いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気調和装置。