JP5537979B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒の適正量流通を図ることのできる空気調和機に関する。

空気調和機において、例えば、複数の室内機からの運転要求に適切に対処するべく複数台並列に室外機が連結されて運転される場合がある。この場合、室内機の要求に基づいて適宜その要求に適切に応えることのできる台数の室外機が運転される。

空気調和機が暖房運転が行われる場合、除霜運転等によってアキュムレータに冷媒が滞留することがある。この滞留した冷媒は、暖房運転中であれば徐々に他の室外機等冷凍サイクル内を循環することになるため、アキュムレータ内への冷媒の滞留は問題になることは少ない。

但し、アキュムレータ内に冷媒が滞留した状態で室内機の要求に基づいて暖房運転中だった室外機が停止すると、この停止した室外機のアキュムレータ内に冷媒が滞留したままとなってしまう。このような状態は冷凍サイクル内を循環する冷媒の総量が減少した状態と同様の状態である。従って、冷媒不足による暖房性能の低下や冷凍サイクルの加熱といった弊害が生じうる。

また、アキュムレータ内に冷媒が滞留したまま停止していた室外機が再度運転を開始する際にさらに除霜運転が行われると、滞留している冷媒に加えて冷媒がアキュムレータ内に流入することになってしまう。このような状態では、アキュムレータ内の冷媒がオーバーフローして、圧縮機にダメージを与える可能性がある。

上述した弊害を解消するために、以下に示す特許文献１に開示された発明では、停止状態で冷媒が滞留した室外機を運転させる際に、冷媒が不足した室外機を停止させることで、空気調和装置全体における室外機の能力を冷媒が滞留した室外機の運転前の能力とほぼ等しくすることができる。また、室外機全体としての過剰能力運転を防止することができる。

特開２０００−２２０８９４号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている発明では、室内機の運転台数や運転の容量が小さい場合は、やはり過剰な冷媒を循環させることになる。従って、暖房能力も過剰となり、空気調和機のユーザの快適性を損なうことになる。

また、冷媒が滞留した室外機のみを運転させると、滞留した冷媒を排出するための運転によってその圧縮機の圧力が上昇する。すると滞留していた冷媒の全てを排出する前にシステムが停止し、十分な冷媒排出運転が行えない場合も出てくる。

なお当然のことながら、停止していた室外機の四方弁を反転して冷房サイクル運転することで冷媒の排出を行うことはできなくはないが、並列に連結されている他の室外機は暖房運転を行っており、停止していた室外機に高圧の冷媒が逆流することになるためそのような制御を行うことはできない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、停止予定の室外機に滞留している冷媒を効率よく連結されている他の室外機へと送ることで、冷媒不足を解消するとともに、循環させる冷媒量を抑制することのできる空気調和機を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、空気調和機において、室内熱交換器、室内ファンを備える室内機と、室内機と複数台並列に接続され、リキッドタンク、膨張弁、第１の室外熱交換器、四方弁、アキュムレータ、容量制御可能な圧縮機、を順次接続してなる室外機と、室内機、室外機の運転制御を行う制御部と、を備え、室外機は、リキッドタンクと圧縮機との間に接続され、第１の室外熱交換器に並列に接続される第２の室外熱交換器と、第２の室外熱交換器の２次側とリキッドタンクとの間をつなぎ、その途中に第１の二方弁を備える冷媒戻し管と、圧縮機の吐出側とアキュムレータとをつなぎ、その途中に第２の二方弁を備える吐出バイパス管とを備える。

本発明によれば、停止予定の室外機に滞留している冷媒を効率よく連結されている他の室外機へと送ることで、冷媒不足を解消するとともに、循環させる冷媒量を抑制することのできる空気調和機を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和機の全体の回路構成を示す全体図である。 本発明の実施の形態に係る制御部の内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和機の運転の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和機１の全体の回路構成を示す全体図である。空気調和機１は、室内機２及び室外機３とから構成される。本発明の実施の形態においては、図１に示すように、室内機２は４台（室内機２Ａないし２Ｄ）、室外機３は２台（第１の室外機３Ａ及び第２の室外機３Ｂ）接続されている。以下においては、適宜個々の室内機、室外機をまとめて、室内機２、或いは、室外機３を表わす。

なお、本発明の実施の形態においては、室内機２の台数は単数、複数を問わないが、室外機３は複数台接続されているものとし、複数台であればその接続台数は問わない。また、室外機３は複数台並列に接続されている。

室内機２は屋内に設置され、冷媒が流通する配管Ｐ（液側配管Ｐ１及びガス側配管Ｐ２）を介して複数の室外機３と接続される。図１に示される室内機２は、いずれも同じ構成である。従って、室内機２Ａないし２Ｄの構成についてはまとめて説明する。

室内機２は、室内熱交換器２ａと、流量調整弁２ｂと、室内ファン２ｃとから構成される。暖房運転の場合、冷媒は配管Ｐ内を図１に示す矢印の方向に流れる。室内熱交換器２ａの２次側、すなわち冷媒が室内熱交換器２ａから出た直後に流量調整弁２ｂが設けられている。流量調整弁２ｂは、室外機３からの冷媒の流通の可否を司り、流量調整弁２ｂが開状態にある場合に室内機２に冷媒が供給される。室内熱交換器２ａは、冷媒と室内の空気との間で熱交換を行い、冷媒によって暖められた空気は、室内ファン２ｃによって室内へ供給される。

室外機３は屋外に設置され、冷媒が流通する配管Ｐを介して室内機２と接続される。図１に示される通り、本発明の実施の形態における空気調和機１は、第１の室外機３Ａおよび第２の室外機３Ｂと２台の室外機が並列に接続されているが、その内部に設けられる機器はいずれも同じである。

室外機３は、膨張弁３ａと、第１の室外熱交換器３ｂと、四方弁３ｃと、圧縮機３ｄとを順次接続して備えている。この膨張弁３ａは、後述する制御部４によってその開閉状態が制御される電子膨張弁である。また、圧縮機３ｄは、容量可変型の圧縮機である。第１の室外熱交換器３ｂでの熱交換を促進するための室外ファン３ｅが設けられ、四方弁３ｃと圧縮機３ｄとの間にはアキュムレータ３ｆが設けられている。

圧縮機３ｄの吐出側と四方弁３ｃの１次側との間にはオイルセパレータ３ｇの他、逆止弁３ｈが設けられている。逆止弁３ｈは冷媒が四方弁３ｃから圧縮機３ｄへと逆流することを防止するために設けられている、
膨張弁３ａの１次側には、リキッドタンク３ｉが設けられている。このリキッドタンク３ｉは、室内機２から液側配管Ｐ１を通って室外機３へと戻ってきた冷媒を貯留し冷凍サイクル内を循環する冷媒量を調整するために使用される。

リキッドタンク３ｉと圧縮機３ｄとの間には、第１の室外熱交換器３ｂと並列となるように第２の室外熱交換器３ｊが接続されている。この第２の室外熱交換器３ｊは、第１の室外熱交換器３ｂが主たる室外熱交換器であるとすると、いわゆる、補助熱交換器に該当する。後述する室外機３の冷媒排出運転がなされる場合に使用される。

第２の室外熱交換器３ｊの２次側は、リキッドタンク３ｉに接続されており、両者をつなぐ配管は冷媒排出運転が行われる際にアキュムレータ３ｆに滞留した冷媒が第２の室外熱交換器３ｊを介して通る冷媒戻し管３ｋである。冷媒戻し管３ｋの途中には、第１の二方弁３ｌが設けられており、制御部４からの指令によりその開閉が制御される。

また、圧縮機３ｄの吐出側とアキュムレータ３ｆとの間には、両者をつなぐ吐出バイパス管３ｍが設けられている。この吐出バイパス管３ｍは、冷媒排出運転が行われる際に、圧縮機３ｄから吐出される高温の冷媒をアキュムレータ３ｆに送る役割を果たす。吐出バイパス管３ｍの途中には、第２の二方弁３ｎが設けられており、制御部４からの指令によりその開閉が制御される。

なお制御部４からの指令によりその開閉が制御されるのは、上述した第１の二方弁３ｌ、第２の二方弁３ｎの他、膨張弁３ａ、逆止弁３ｈもその開閉を制御される。

アキュムレータ３ｆの１次側には、第１の室外熱交換器３ｂから送られた冷媒の蒸発温度を検出する蒸発温度検出部３ｏが設けられている。また、第１の室外熱交換器３ｂとアキュムレータ３ｆとをつなぐ配管の温度を検出する配管温度検出部３ｐも設けられている。

一方、圧縮機３ｄの吐出側には、冷媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出部３ｑと吐出された冷媒の温度を検出する吐出温度検出部３ｒとが設けられている。なお、蒸発温度検出部３ｏや吐出温度検出部３ｒについては、例えば、圧力センサが用いられ、配管内を流通する冷媒の圧力を計測して各温度を算出する。この算出については、制御部４の判断部４２で行っても、或いは蒸発温度検出部３ｏや吐出温度検出部３ｒといった各部において行っても良い。

室外機３については、主となる室外機が１機予め定められており、その他の室外機は、主となる室外機からの指示に基づいて運転される、いわば従となる室外機とされる。この主従については、複数台の室外機３の間でどのように担っても良い。

制御部４は、室外機３のそれぞれに設けられている。室外機３については、上述したように各室外機３間で主従の性格付けがなされているが、各室外機３に搭載される制御部４についてはいずれの室外機３においても同一の構成としても、室外機３の性格付けに合わせて主従で異なる構成としても良い。ここでの制御部４は、いずれの室外機３においても構成は同一であるものの、第１の室外機３Ａを主とし、第２の室外機３Ｂを従として設定されている。

なお、図１に示す室外機３における制御部４は、室外機３を構成する各機器との接続を便宜上省略しているが、当然のことながら、室外機３の各構成機器、或いは、室内機２とも接続されている。

図２は、制御部４の内部構成を示すブロック図である。制御部４は、受信部４１と判断部４２と、記憶部４３と、送信部４４とから構成される。なお、図２に示す制御部４の内部構成は、本発明の実施の形態を説明する上で必要と思われる構成のみを示している。

受信部４１は、例えば、室内機２からの制御信号や、冷媒温度に関する情報等を受信する。判断部４２は、受信部が受信した各種情報に基づいて、室外機３内の各機器の運転を制御する信号を生成し、送信部４４を介して各機器へ送る。記憶部４３には、制御部４が室外機３の各機器を運転制御するに際して必要な情報が予め記憶されている。

ここで、例えば暖房を行う際の冷凍サイクルについて第１の室外機３Ａを例に挙げて簡単に説明する。この場合第１の二方弁３Ａｌ及び第２の二方弁３Ａｎは閉止されている。図１の実線の矢印に示されているように、まず、気体である冷媒は圧縮機３Ａｄにおいて圧力がかけられて高温高圧にされ、四方弁３Ａｃ、ガス側配管Ｐ２を介して室内機２へと供給される。室内機２においては、流量調整弁２ｂが開状態とされていることから、室内熱交換器２ａを冷媒が流通する。室内熱交換器２ａに供給された媒体は室内空気と熱交換して凝縮され、室内の空気を加熱する。この加熱された空気は室内ファン２ｃを介して室内に送る。

室内熱交換器２ａにて凝縮された冷媒は、液状の冷媒となり、図１の破線の矢印に示されているように、液側配管Ｐ１内を通って第１の室外機３Ａ内の膨張弁３Ａａを介して室外熱交換器３Ａｂに流される。室外熱交換器３Ａｂでは、室外の空気と熱交換されることによって冷媒が蒸発する。蒸発した冷媒は、室外熱交換器３Ａｂから流出され、四方弁３Ａｃおよびアキュムレータ３Ａｆを介して再び圧縮機３Ａｄへと供給される。以後、上述のサイクルが繰り返される。

図３は、本発明の実施の形態に係る空気調和機の運転の流れを示すフローチャートである。以下、このフローチャートに従って、適宜上述した制御部４の各構成の働きも併せて空気調和機１の運転の流れを説明する。

なお、本発明の実施の形態についての説明では、空気調和機１が暖房運転中であることを前提とする。また、以下の制御部４での判断は、室外機３を代表して主となる室外機である第１の室外機３Ａの制御部４Ａが基本的に行う。

制御部４Ａの判断部４２ａは、空気調和機１が暖房運転中、いずれかの室内機２から暖房能力を減らす旨の指令があるか否かについて随時判断を行っている（ＳＴ１）。空気調和機１のユーザが現在の暖房運転の能力に特に異存がない場合には、暖房能力を減らす旨の指令が出されることはないので（ＳＴ１のＮＯ）、その暖房運転の能力のまま空気調和機１の運転制御が継続される（ＳＴ２）。

一方、例えば、部屋が暑くなる等、ユーザが空気調和機１の暖房能力を減らしたいと思った場合には、図示しないコントローラから暖房能力を減らす旨の指令が出される（ＳＴ１のＹＥＳ）。この「暖房能力を減らす旨の指令」とは、例えば、リモコンの暖房設定温度を下げる旨の指令である。

このような指令を受信部４１ａを介して受信した判断部４２ａは、指令に基づいて暖房運転の能力を落とした場合に、冷凍サイクル内を循環する冷媒が適切な量であるか否かを判断する（ＳＴ３）。この判断基準については、ここでは特に詳細には述べないが、例えば、暖房運転中の室内機２の台数や設定温度等を条件に判断される。この判断基準については、予め記憶部４３ａ内に記憶されており、判断部４２ａは記憶部４３ａ内に記憶されている判断基準を基に判断する。

この判断の結果、暖房能力を落として暖房運転を継続しても特に冷凍サイクル内を循環する冷媒の量が過剰ではない、すなわち、複数台接続されている室外機３のいずれも運転を停止する必要はない、と判断した場合には（ＳＴ３のＮＯ）、暖房能力を落として暖房運転を継続する（ＳＴ４）。上述したように、本発明の実施の形態における圧縮機３Ａｄは容量可変型の圧縮機３ｄであることから、落とされた暖房能力に合わせてそれぞれの室外機３内の圧縮機３ｄの回転数を制御する。この暖房運転を継続するに当たっては、判断部４２ａが接続されているそれぞれの室外機３の運転能力を最適に制御する。

判断部４２ａが、暖房能力を落とす旨の指令によって暖房能力を落とした場合に必要とされる冷媒量が、現在冷凍サイクル内を循環している冷媒量と比較して多いと判断した場合には、適正な暖房能力の確保のために複数台接続されている室外機３のいずれかの運転を停止する旨の判断が行われる（ＳＴ５）。これは、必要とされる暖房能力を超える冷媒を室内機２に供給することは、ユーザの設定にそぐわないばかりか、省エネルギーの観点からも好ましくないからである。

判断部４２ａは、室外機３のいずれかを停止させる判断をするとともに、いずれの室外機３を停止させるかについても決定する。以下の説明においては、図１に示す従となる第２の室外機３Ｂを停止させる場合を例に挙げて説明する。

判断部４２ａは、さらに停止の対象となる室外機３（ここでは第２の室外機３Ｂ）に冷媒が滞留しているか否か判断する（ＳＴ６）。冷媒は、アキュムレータ３Ｂｆに溜まるので、判断部４２ａはこのアキュムレータ３Ｂｆの冷媒の滞留状態を判断する。

具体的には、アキュムレータ３Ｂｆの１次側に設けられている蒸発温度検出部３Ｂｏが計測した冷媒蒸発温度Ｔｊと配管温度検出部３Ｂｐによって計測された配管温度Ｔｓが以下に示す（１）式の関係にあるか否かが判断される。

（Ｔｓ−Ｔｊ）≦Ｔｂ ・・・（１）

ここで、「Ｔｂ」は、予め設定されている温度（閾値）であり、この温度を基準にアキュムレータ３Ｂｆに冷媒が滞留しているか否かを判断する。なお、このＴｂの値については、予め記憶部４３ａ内に記憶されている。

判断部４２ａがアキュムレータ３Ｂｆ内に冷媒が滞留していると判断した場合（ＳＴ６のＹＥＳ）、第２の室外機３Ｂを停止させる前に冷媒排出運転へと移行させる（ＳＴ７）。詳細には、以下の通り第２の室外機３Ｂを運転制御する。

制御部４Ｂは、図１に示す膨張弁３Ｂａを閉止するとともに、第１の二方弁３Ｂｌ及び第２の二方弁３Ｂｎを開放する。そして圧縮機３Ｂｄの回転数を室外機３Ａの圧縮機３Ａｄよりも低くする。第２の二方弁３Ｂｎが開放されることによって、圧縮機３Ｂｄから吐出された高温高圧のガスが吐出バイパス管３Ｂｍを通ってアキュムレータ３Ｂｆへと送られる。アキュムレータ３Ｂｆ内に滞留している冷媒は、圧縮機３Ｂｄから高温高圧のガスが送り込まれることによって、加熱されてその蒸発が促進される。

ここで、圧縮機３Ｂｄから吐出された高温高圧のガスが吐出バイパス管３Ｂｍを通ってアキュムレータ３Ｂｆへと送るのは、アキュムレータ３Ｂｆ内に滞留した冷媒を速やかに蒸発させてなるべく冷媒排出運転を短時間で終了させるためである。すなわち、アキュムレータ３Ｂｆ内の液状の冷媒を速やかに蒸発させるためには熱源が必要となる。但し、アキュムレータ３ｂｆの外郭から得られる熱量は非常に小さいため、この熱源として圧縮機３Ｂｄから吐出バイパス管３Ｂｍを介して高温の冷媒をアキュムレータ３Ｂｆ内に導入している。

蒸発が促進されたアキュムレータ３Ｂｆ内の冷媒は、気液二相の状態にあるが、圧縮機３Ｂｄにおいて高温高圧のガスとされ、第２の室外熱交換器３Ｂｊへと送られて凝縮される。ここで、室外機３Ａの圧縮機３Ａｄの圧力の方が高いため、圧縮機３Ｂｄから吐出した冷媒は、逆止弁３Ｂｈを越えてガス側配管Ｐ２へは流れずに第２の室外熱交換器３Ｂｊへと流れる。第２の室外熱交換器３Ｂｊで凝縮された冷媒は、冷媒戻し管３Ｂｋを通り、第１の二方弁３Ｂｌは開放されているため、リキッドタンク３Ｂｉへと送られる。

このように運転制御されることによって、アキュムレータ３Ｂｆ内に滞留していた冷媒は、運転停止予定の第２の室外機３Ｂの外に排出されて、現在暖房運転中の第１の室外機３Ａへと送られる。

図１においては、アキュムレータ３Ｂｆ内に液体の冷媒が多く滞留している。これは、暖房運転中の第１の室外機３Ａのアキュムレータ３Ａｆと比較しても明らかである。また、気体状の冷媒は実線で示す矢印でその移動経路が示され、液状の冷媒は破線で示す矢印でその移動経路が示されている。液状とされてリキッドタンク３Ｂｉ（第２の室外機３Ｂ）から排出された冷媒は、破線の矢印に示すように第１の室外機３Ａのリキッドタンク３Ａｉへと送られる。

判断部４２は適宜アュムレータ３Ｂｆ内に滞留する冷媒がなくなったか否かを判断し（ＳＴ８）、滞留する冷媒がなくなったと判断した場合には（ＳＴ８のＹＥＳ）、冷媒排出運転を終了する（ＳＴ９）。なお、対流する冷媒の有無を判断する条件は、以下の（２）式に示す条件がｔ分以上継続したことである。

ＴＤ≧ＴＧ＋α ・・・（２）

ここで、「ＴＤ」は圧縮機３Ｂｄから吐出される冷媒の温度であり、吐出温度検出部３Ｂｒにおいて検出する。また、「ＴＧ」は、圧縮機３Ｂｄから吐出された冷媒の凝縮温度であり、凝縮温度検出部３Ｂｑにおいて検出する。冷媒の吐出温度ＴＤが凝縮温度ＴＧ＋α以上（この「α」は任意に設定することのできる温度幅である）であり、しかもｔ分以上継続すれば、アキュムレータ３Ｂｆ内には液状の冷媒は滞留していない、と判断することができる。

なお、この温度幅「α」及び継続時間である「ｔ」については、任意に設定することができ、予め記憶部４３ｂ内に記憶されている。また、凝縮温度検出部３Ｂｑは圧縮機３Ｂｄの吐出側に設けられているが、第２の室外熱交換器３Ｂｊの中間に設置されていても良い。

停止予定の第２の室外機３Ｂ内に滞留する冷媒がなくなったと判断され、冷媒排出運転が終了した場合には（ＳＴ８、ＳＴ９）、該当する室外機（第２の室外機３Ｂ）を停止する（ＳＴ１０）。第２の室外機３Ｂ内には冷媒が滞留していないので、この室外機を停止しても冷凍サイクル内の冷媒量が減少するという事態は避けることができる。一方、第１の室外機３Ａについては、このまま暖房運転が継続される（ＳＴ１１）。

以上説明したように、停止予定の室外機に滞留している冷媒を効率よく連結されている他の室外機へと送ることで、冷媒不足を解消するとともに、循環させる冷媒量を抑制することのできる空気調和機を提供することができる。

すなわち、停止予定の室外機内に滞留している冷媒をこの室外機から排出する運転を行って停止予定の室外機内のアキュムレータ内の冷媒を減らし、他の室外機に送ることで、冷凍サイクル内の冷媒量の減少を防止するとともに、必要以上の冷媒を封入することを避けることができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…空気調和機、２…室内機、３…室外機、３ａ…膨張弁、３ｂ…第１の室外熱交換器、３ｃ…四方弁、３ｄ…圧縮機、３ｆ…アキュムレータ、３ｉ…リキッドタンク、３ｊ…第２の室外熱交換器、３ｋ…冷媒戻し管、３ｌ…第１の二方弁、３ｍ…吐出バイパス管、３ｎ…第２の二方弁、３ｏ…蒸発温度検出装置、３ｐ…配管温度検出装置、３ｑ…凝縮温度検出装置、３ｒ…冷媒吐出温度検出装置、４…制御部、Ｐ…配管

Claims (3)

1. 室内熱交換器、室内ファンを備える室内機と、
   前記室内機と複数台並列に接続され、リキッドタンク、膨張弁、第１の室外熱交換器、四方弁、アキュムレータ、容量制御可能な圧縮機、を順次接続してなる室外機と、
   前記室内機、前記室外機の運転制御を行う制御部と、を備え、
   前記室外機は、
   前記リキッドタンクと前記圧縮機との間に接続され、前記第１の室外熱交換器に並列に接続される第２の室外熱交換器と、
   前記第２の室外熱交換器の２次側と前記リキッドタンクとの間をつなぎ、その途中に第１の二方弁を備える冷媒戻し管と、
   前記圧縮機の吐出側と前記アキュムレータとをつなぎ、その途中に第２の二方弁を備える吐出バイパス管と、
   を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 前記第１の室外熱交換器と前記アキュムレータとの間をつなぐ配管に設置される前記配管の温度を計測する配管温度検出装置と、
   前記第１の室外熱交換器から前記アキュムレータへと流通する前記第１の室外熱交換器によって蒸発した前記冷媒の温度を計測する蒸発温度検出装置と、
   前記圧縮機の吐出側に設けられる前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度を計測する冷媒吐出温度検出装置と、
   前記圧縮機の吐出側に設けられる前記圧縮機から吐出される前記冷媒の凝縮温度を計測する凝縮温度検出装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記制御部は、前記室外機の運転を停止する際、前記運転停止予定の室外機の前記アキュムレータ内に前記冷媒が溜まっている場合には、前記運転停止予定の室外機の外に前記アキュムレータ内の前記冷媒を排出する運転を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和機。

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