JP5414598B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、室内外に凝縮器を直列に接続した除湿用の空気調和機において、室内凝縮器で再蒸発することを防止し、それに伴う能力不足や低圧低下の不具合も防止するようにした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としては、圧縮機、室外凝縮器、絞り装置、および冷却器を順次環状に接続して成る冷媒回路と、この冷媒回路の圧縮機吐出側から絞り装置入側につながる並列回路と、この並列回路に配備された室内凝縮器とを備えた、例えば浴室除湿用の空気調和機が知られている（例えば特許文献１参照）。前記の冷却器は、室内凝縮器が配備された室内吹出し風路内の冷却器の通風方向上流側に配置されている。

特開２００７-７８２４２号公報

ところで、上記した従来の空気調和機において、室外温度が低く、室内温度が高いという状況のとき、すなわち室外機での冷媒圧力と室内機での冷媒圧力との圧力差が小さくなる状況（以下、このような状況を「低圧力差条件」と称する）のとき、室内機入口の冷媒温度は室外機からの冷媒温度が低い為に、冷媒は室内凝縮器で凝縮されずに再蒸発してしまい、空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下を招いてしまうという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒の低圧力差条件時に、室内凝縮器での冷媒の再蒸発防止、およびそれに伴う能力不足や低圧低下の発生を防止することのできる空気調和機の提供を目的とする。

この発明に係る空気調和機は、圧縮機、室外凝縮器、室内凝縮器、絞り装置、および冷却器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、室内凝縮器が配備された室内吹出し風路内の室内凝縮器の通風方向上流側に、冷却器が配置されている空気調和機において、室外凝縮器を迂回して冷媒回路に並列接続されたバイパス回路と、バイパス回路を開閉する開閉弁と、室外空気温度を検出する室外空気温度検出手段と、室内空気温度を検出する室内空気温度検出手段と、室外空気温度検出手段により検出された室外空気温度が使用下限温度近傍所定値以下で、且つ、室内空気温度検出手段により検出された室内空気温度が使用上限温度近傍所定値以上のときに、バイパス回路の開閉弁を開く第１制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。

この発明の空気調和機は、室外凝縮器と室内凝縮器を直列に接続し、冷媒回路の室外凝縮器を迂回するバイパス回路と、そのバイパス回路を開閉する開閉弁を備える構成にしたので、冷媒の低圧力差条件時にバイパス回路を開けて冷媒を室外凝縮器から迂回させるから、冷媒回路の高圧圧力を上昇させることができる。これにより、室内凝縮器での冷媒の再蒸発防止と、冷媒再蒸発に伴う空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下という不具合を防止できる効果を有する。

この発明の実施の形態１における冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態２における冷媒回路構成図である。 この発明の実施の形態２における制御処理を示すフローチャートの図である。 この発明の実施の形態２における室外温度と室内温度に係る使用運転範囲を示すグラフの図である。 この発明の実施の形態３における制御処理を示すフローチャートの図である。 この発明の実施の形態３における室外温度と室内温度に係る使用運転範囲を示すグラフの図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷媒回路構成を示すものである。
図において、この実施形態１に係る空気調和機は、圧縮機１、室外凝縮器３、室内凝縮器５、絞り装置７、および冷却器８が冷媒配管を介して順次環状に接続された冷媒回路を備えている。尚、図中の符号で、２は圧縮機１と室外凝縮器３を接続する吐出配管、４は室外凝縮器３と室内凝縮器５を接続する第一の液配管、６は室内凝縮器５と冷却器８を接続し途中に絞り装置７を有する第二の液配管、９は冷却器８と圧縮機１を接続する吸入配管を示している。そして、室内空気を導入して空調後に室内に吹き出すための室内吹出し風路１２には、冷却器８と室内凝縮器５と室内送風手段１１とが配備されている。室内凝縮器５は室内吹出し風路１２内で冷却器８の通風方向下流側に配置されている。そして、吐出配管２と第一の液配管４との間には、室外凝縮器３を迂回するバイパス回路２０が冷媒回路と並列に接続されている。バイパス回路２０には、その流路を開閉する開閉弁２１が配備されている。更に、室外凝縮器３に室外空気を送風して冷媒の凝縮を促す室外送風手段１０を備えている。前記した圧縮機１、室外凝縮器３、バイパス回路２０、開閉弁２１、および室外送風手段１０は室外機に配備されており、室内凝縮器５、絞り装置７、冷却器８、室内吹出し風路１２、および室内送風手段１１は室内機に配備されている。

次に動作について説明する。
圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は吐出配管２を通り室外凝縮器３に入る。室外凝縮器３に流入したガス冷媒は、室外送風手段１０により供給された室外空気と熱交換されて一部液化する。この室外凝縮器３は、伝熱面積を増大させるためにアルミニウム製などのフィンを銅管などの伝熱管に密着固定させた構造となっている。室外凝縮器３で一部が液化した二相冷媒は第一の液配管４を通って室内凝縮器５に入り、室内送風手段１１により導かれて冷却器８により冷却された空気に放熱して液化・凝縮する。液化・凝縮した液冷媒は第二の液配管６を通って絞り装置７で減圧されたのち、冷却器８に入り室内空気と熱交換して蒸発する。その後、吸入配管９から圧縮機１に戻るという、冷凍サイクル動作が繰り返される。一方、室内空気は冷却器８で冷却されて露点以下になることにより、含んでいた水分の一部が冷却器８の表面で結露して冷却・減湿されたのち、室内凝縮器５では加温され相対湿度の低い空気として室内に吹き出される。

この空気調和機では、室内温度を調節する目的で、凝縮器として室外凝縮器３と室内凝縮器５の双方を用いている。つまり、これら室外凝縮器３および室内凝縮器５において冷却能力と圧縮機１入力分の熱量が放出され、冷却器８では冷却能力分が吸熱されるとともに水分凝縮潜熱分が放熱される。すなわち、室外凝縮器３および室内凝縮器５と冷却器８のトータルでは圧縮機１入力分と水分凝縮潜熱分が放出される。従って、室内凝縮器５のみで熱交換した場合には室内温度はその分だけ上昇し続けることになる。一方で、室外凝縮器３のみで熱交換器した場合はクーラーのように逆に室内温度が低下し続ける。
しかしながら、室外と室内に凝縮器３，５を設けていることで、室内での放熱量を制御して室内温度を調節するようになっている。また、室外凝縮器３と室内凝縮器５を直列に接続することで冷媒分岐を減少させて、冷媒回路内の冷媒が余剰冷媒となることを抑制している。一方で、回路構成を単純化してコストダウンを図るために、室内凝縮器５と絞り装置７を冷媒配管で直に接続しており、これらの間に冷媒バッファ（液だめ器）を設けていない。そのため、冷媒回路全体としては、運転状態の変化などにより冷媒不足や冷媒過多が発生した場合、それらの影響が冷凍サイクル運転に現れやすくなる。

例えば、冬季など外気温度が低いときに室内にて高温で木材などを乾燥するような場合がある。室外温度としては例えば−５℃であり、室内温度としては、例えば３５℃を設定室内温度とする場合を想定する。このような場合、室外凝縮器３で凝縮した冷媒が室内凝縮器５で再蒸発する可能性がある。冷媒が再蒸発すると、絞り装置７で冷媒が二相となるため、冷媒回路内での十分な冷媒流量の確保ができず、空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下につながる。
更に、冷媒再蒸発の原理について説明する。低圧力差条件時は、室外凝縮器３での凝縮能力が大きくなるため、場合によっては室外凝縮器３のみで冷媒の凝縮が完了することがある。凝縮器の凝縮能力は、熱交換される空気の空気温度Ｔａと冷媒の凝縮温度Ｔｃとの差（Ｔｃ−Ｔａ）、伝熱面積、および熱通過率に比例して多くなり、伝熱面積と熱通過率が一定の場合は、熱交換される空気の温度が下がると凝縮能力が増大することになる。ここで、凝縮温度とは、或る圧力において気体を凝縮させることのできる温度のことである。
その結果、交換される室外空気の温度が低い場合は、室外凝縮器３のみで冷媒の凝縮が完了する。そのときの凝縮温度としては例えば２０℃である。また、室内温度は高温であるため、室内凝縮器５に供給される空気の温度は、室内空気温度の３５℃から冷却器８で冷却された分だけ低く、例えば３０℃となる。従って、室内凝縮器５では凝縮温度２０℃の液冷媒と３０℃の空気が熱交換することとなり、室内凝縮器５で液冷媒の一部が再蒸発するおそれがある。

以上のように、この実施形態１は、室外凝縮器３を迂回するバイパス回路２０と、このバイパス回路２０を開閉する開閉弁２１とを備えているから、上記のような低圧力差条件時において室内凝縮器５での冷媒の再蒸発の可能性があるときに、バイパス回路２０の開閉弁２１を開く制御を行なう。その結果、室外凝縮器３で冷媒の凝縮が完了することなく、室内凝縮器５での冷媒の再蒸発防止、およびそれに伴う空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下のない信頼性の高い高性能の空気調和機を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１は室外凝縮器３を迂回するバイパス回路２０と開閉弁２１とを備えた構成を示したが、その構成を用いた制御方法の詳細を実施の形態２で説明する。
図２はこの発明の実施の形態２における冷媒回路構成図である。図２において、符号の１〜１２、２０、２１は図１と同じ構成であるため説明は省略する。更に、符号の、３１は室外空気温度を検出する室外空気温度検出手段、３２は室内空気温度を検出する室内空気温度検出手段、３３は室内凝縮器５入側の冷媒温度を検出する室内凝縮器入側冷媒温度検出手段、３４は室内吹出し風路１２内における冷却器８と室内凝縮器５との間の空気温度を検出する室内凝縮器入側空気温度検出手段、４０は例えばＣＰＵを中心として構成されタイマ４１やメモリなどを有する制御装置である。

次に、実施形態２の動作について説明する。図３はバイパス回路２０の開閉弁２１の動作フローを示すフローチャートである。また、図４はバイパス回路２０の開閉弁２１を開く使用運転範囲を示す図である。横軸に室内温度、縦軸に室外温度を示す。通常の使用運転範囲は室内空気温度＝１０〜４０℃、室外空気温度＝−５〜４３℃である。すなわち、この実施形態において、室内温度の使用上限温度は例えば４０℃とし、室外温度の使用下限温度は例えば−５℃とした。
そこで、図３のフローチャートに示すように、制御装置４０のＣＰＵ（第１制御手段の機能）は、ステップＳ１において、室外空気温度検出手段３１により検出された室外空気温度が、予め設定されている０℃（使用下限温度近傍所定値の例）以下で、且つ、室内空気温度検出手段３２により検出された室内空気温度が、予め設定されている３５℃（使用上限温度近傍所定値の例）以上で生じる低圧力差条件下にあるか否かと、これら二つの条件を満たしながらタイマ４１により計時された計時時間が連続して３分間経過したか否かを判断する。これら三つの条件が満たされたとき（ステップＳ１のＹＥＳ）、制御装置４０はバイパス回路２０の開閉弁２１を開く（ステップＳ２）。

すなわち、上記のような低圧力差条件時において室内凝縮器５での冷媒の再蒸発の可能性があるときに開閉弁２１を開くことにより、室外凝縮器３では伝熱面積が不足するから、冷媒が凝縮完了することはなくなる。これにより、室内凝縮器５での冷媒の再蒸発を防止することができる。その結果、それに伴う空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下のない信頼性の高い高性能の空気調和機を得ることができる。

そして、前記のようにバイパス回路２０の開閉弁２１を開く制御を行なった後に、制御装置４０のＣＰＵ（第２制御手段の機能）は、ステップＳ３において、室内凝縮器入側冷媒温度検出手段３３により検出された室内凝縮器５入側の冷媒温度が、室内凝縮器入側空気温度検出手段３４により検出された室内吹出し風路１２内での室内凝縮器５入側の空気温度よりも高くなる条件を満たしているか否かと、この条件を満たしながらタイマ４１により計時された計時時間が連続して１分間経過したか否かを判断する。これら二つの条件が満たされたとき（ステップＳ３のＹＥＳ）、制御装置４０はバイパス回路２０の開閉弁２１を閉止する（ステップＳ４）。
このように、室内凝縮器５入側の冷媒温度が室内吹出し風路１２内での室内凝縮器５入側の空気温度よりも高くなってしばらく経過するということは、室内凝縮器５で冷媒の再蒸発が起こらないから、開閉弁２１を閉止することにより、冷媒回路の通常運転に支障なく戻すことができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、室外空気温度が使用下限温度近傍所定値以下となった場合の制御態様を説明したが、室外空気温度が所定の使用下限温度以下となった場合の制御態様を実施の形態３で説明する。実施の形態３の構成は図２に示したものと同様であるから説明は省略する。
図５はこの発明の実施の形態３における制御処理を示すフローチャートの図である。また、図６はこの発明の実施の形態３における室外温度と室内温度に係る使用運転範囲を示すグラフの図である。横軸に室内温度、縦軸に室外温度を示す。通常の使用運転範囲は室内温度＝１０〜４０℃、室外温度＝−５〜４３℃である。すなわち、この実施形態で、室内温度の使用上限温度は例えば４０℃とし、室外温度の使用下限温度は例えば−５℃としている。
室内環境は空調設備等にてコントロールは可能であるが、室外温度は天候等の変化により運転範囲外の温度帯になることがある。また、寒冷地では室外温度が使用運転範囲の下限値である−５℃よりも低くなることがある。そして、室外温度がその使用運転範囲下限値（−５℃）よりも低くなる場合は、室外凝縮器３での凝縮能力がいっそう大きくなるため、室外凝縮器３のみで冷媒の凝縮が完了しやすくなる。凝縮器における凝縮能力は、先にも述べたが、熱交換される空気の空気温度Ｔａと冷媒の凝縮温度Ｔｃとの差（Ｔｃ−Ｔａ）、伝熱面積、および熱通過率に比例して多くなり、伝熱面積と熱通過率が同一の場合は、熱交換される空気の温度の低下により凝縮能力が増大することになる。よって、室外温度が使用運転範囲下限値よりも低くなる場合は、室内凝縮器５で再蒸発する可能性が高くなるから、寒冷地対応としてバイパス回路２０の開閉弁２１を開くと同時に室外送風手段１０を停止させるようにする。それにより、室内凝縮器５での再蒸発防止と、それに伴う空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下の不具合を防止できるという効果が得られる。

そこで、図５のフローチャートに示すように、制御装置４０のＣＰＵ（第３制御手段の機能）は、ステップＳ１１において、室外空気温度検出手段３１により検出された室外空気温度が、予め設定されている−５℃（所定の使用下限温度の例）以下となり、且つ、室内空気温度検出手段３２により検出された室内空気温度が、予め設定されている３５℃（使用上限温度近傍所定値の例）以上となったときに生じる、より厳しい低圧力差条件下にあるか否かと、これら二つの条件を満たしながらタイマ４１により計時された計時時間が連続して３分間経過したか否かを判断する。これら三つの条件が満たされたとき（ステップＳ１１のＹＥＳ）、バイパス回路２０の開閉弁２１を開くとともに、室外送風手段１０の運転を停止させる（ステップＳ１２）。
すなわち、上記のような、より厳しい低圧力差条件時において室内凝縮器５での冷媒の再蒸発の可能性があるときに開閉弁２１を開き室外送風手段１０を止めることにより、室外凝縮器３では伝熱面積が一段と不足することになるから、冷媒が凝縮完了することはなくなる。これにより、より厳しい低圧力差条件下であっても室内凝縮器５での冷媒の再蒸発を防止することができる。その結果、それに伴う空調能力不足や低圧側冷媒圧力低下のない信頼性の高い高性能の空気調和機を得ることができる。

そして、前記のようにバイパス回路２０の開閉弁２１を開くとともに室外送風手段１０を運転停止させる制御を行なった後に、制御装置４０のＣＰＵ（第４制御手段の機能）は、ステップＳ１３において、室内凝縮器入側冷媒温度検出手段３３により検出された室内凝縮器５入側の冷媒温度が、室内凝縮器入側空気温度検出手段３４により検出された室内吹出し風路１２内での室内凝縮器５入側の空気温度よりも高くなる条件を満たしているか否かと、この条件を満たしながらタイマ４１により計時された計時時間が連続して１分間経過したか否かを判断する。これら二つの条件が満たされたとき（ステップＳ１３のＹＥＳ）、制御装置４０はバイパス回路２０の開閉弁２１を閉止するとともに、室外送風手段１０の運転を再開する（ステップＳ１４）。
このように、室内凝縮器５入側の冷媒温度が室内吹出し風路１２内での室内凝縮器５入側の空気温度よりも高くなってしばらく経過するということは、室内凝縮器５で冷媒の再蒸発が起こらないから、開閉弁２１を閉止し室外送風手段１０を運転再開することにより、冷媒回路の通常運転に支障なく戻すことができる。

尚、上記した実施の形態１〜３はそれぞれ本発明を具体化した例に過ぎず、本発明の技術的範囲はこれらの内容に限定されるものでない。例えば、室内空気温度の使用上限温度を４０℃とし、その近傍所定値を３５℃から４０℃未満の値として用い、室外空気温度の使用下限温度を−５℃とし、その近傍所定値を−５℃を超え０℃までの値として用いたが、本発明にいう、室内空気温度の使用上限温度、その近傍所定値、室外空気温度の使用下限温度、あるいはその近傍所定値は、上記実施形態２，３で例示した値に限定されない。

１ 圧縮機
２ 吐出配管
３ 室外凝縮器
４ 第一の液配管
５ 室内凝縮器
６ 第二の液配管
７ 絞り装置
８ 冷却器
９ 吸入配管
１０ 室外送風手段
１１ 室内送風手段
１２ 室内吹出し風路
２０ バイパス回路
２１ 開閉弁
３１ 室外空気温度検出手段
３２ 室内空気温度検出手段
３３ 室内凝縮器入側冷媒温度検出手段
３４ 室内凝縮器入側空気温度検出手段
４０ 制御装置（制御手段）
４１ タイマ

Claims (4)

1. 圧縮機、室外凝縮器、室内凝縮器、絞り装置、および冷却器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、前記室内凝縮器が配備された室内吹出し風路内の前記室内凝縮器の通風方向上流側に、前記冷却器が配置されている空気調和機において、
   前記室外凝縮器を迂回して前記冷媒回路に並列接続されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路を開閉する開閉弁と、
   室外空気温度を検出する室外空気温度検出手段と、
   室内空気温度を検出する室内空気温度検出手段と、
   前記室外空気温度検出手段により検出された室外空気温度が使用下限温度近傍所定値以下で、且つ、前記室内空気温度検出手段により検出された室内空気温度が使用上限温度近傍所定値以上のときに、バイパス回路の開閉弁を開く第１制御手段と、
   を備えていることを特徴とする空気調和機。
2. 室内凝縮器入側の冷媒温度を検出する室内凝縮器入側冷媒温度検出手段と、
   室内吹出し風路内における冷却器と室内凝縮器との間の空気温度を検出する室内凝縮器入側空気温度検出手段と、
   バイパス回路の開閉弁を開く制御後に、前記室内凝縮器入側冷媒温度検出手段により検出された室内凝縮器入側の冷媒温度が、前記室内凝縮器入側空気温度検出手段により検出された室内凝縮器入側の空気温度よりも高くなったときに、前記開閉弁を閉止する第２制御手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 圧縮機、室外凝縮器、室内凝縮器、絞り装置、および冷却器を順次環状に接続して成る冷媒回路を備え、前記室内凝縮器が配備された室内吹出し風路内の前記室内凝縮器の通風方向上流側に、前記冷却器が配置されている空気調和機において、
   前記室外凝縮器を迂回して前記冷媒回路に並列接続されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路を開閉する開閉弁と、
   室外凝縮器に室外空気を送風する室外送風手段と、
   室外空気温度を検出する室外空気温度検出手段と、
   室内空気温度を検出する室内空気温度検出手段と、
   前記室外空気温度検出手段により検出された室外空気温度が所定の使用下限温度以下となり、且つ、前記室内空気温度検出手段により検出された室内空気温度が使用上限温度近傍所定値以上のときに、バイパス回路の開閉弁を開くとともに前記室外送風手段を運転停止する第３制御手段と、
   を備えていることを特徴とする空気調和機。
4. 室内凝縮器入側の冷媒温度を検出する室内凝縮器入側冷媒温度検出手段と、
   室内吹出し風路内における冷却器と室内凝縮器との間の空気温度を検出する室内凝縮器入側空気温度検出手段と、
   バイパス回路の開閉弁を開くとともに室外送風手段を運転停止する制御後に、前記室内凝縮器入側冷媒温度検出手段により検出された室内凝縮器入側の冷媒温度が、前記室内凝縮器入側空気温度検出手段により検出された室内凝縮器入側の空気温度よりも高くなったときに、前記開閉弁を閉止するとともに前記室外送風手段を運転する第４制御手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機。

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