JP5846759B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置に関し、特に、低負荷時の小容量運転における低圧側圧力の過度な上昇を防止する空気調和装置に関するものである。

従来より、空調負荷の変動に対応するためにインバーター等の容量可変型圧縮機を用い、空調負荷の大小に応じて圧縮機の周波数を制御する空気調和装置が提案されている。このような空気調和装置においては、圧縮機の周波数を低く設定した冷房低負荷運転時、低圧側圧力（冷凍サイクル回路の低圧側圧力であり、蒸発器を流れる冷媒や圧縮機に吸入される冷媒の圧力）が上昇する。そして、低圧側圧力が過度に上昇した場合、圧縮機の軸受け荷重が増加して圧縮機の損傷の原因となり、圧縮機の信頼性が著しく低下することがある。このため、従来より、空気調和装置には低圧側圧力の上限値が設定されている。

そこで、従来より、冷房低負荷運転時に低圧側圧力が上限値以上となること（つまり、冷房低負荷運転時における低圧側圧力の過度な上昇）の防止を図った空気調和装置が提案されている。このような低圧側圧力の過度な上昇の防止を図った従来の空気調和装置としては、例えば、「空気調和装置の室内熱交換器温度１３が低下すると、室内熱交換器温度設定記憶装置１の温度より高くするために圧縮機２の運転周波数を下げて運転するが、圧縮機２の吸入圧力検知装置１０の値が吸入圧力設定記憶装置２９の値を上回ると吸入管８に設けた電動膨張弁９の弁解度を…閉じる方向に制御する。」（特許文献１参照）というものがある。

特開２００５−５５０５３号公報（要約、図１）

ここで、大容量な空調負荷に対応するための従来の空気調和装置として、複数の熱源機を室内機に並列接続し、室内機の空調負荷に応じて駆動させる熱源機の台数を制御するものが知られている。この空気調和装置は、熱源機の一部を停止した状態においては、熱源機側熱交換器（より詳しくは、駆動している熱源機の熱源機側熱交換器）の容量に対して室内側熱交換器の容量が非常に大きくなる。このため、このような空気調和装置に特許文献１に記載の低圧上昇防止技術を採用しても、低圧側圧力を上限値以下に制御することができないという課題があった。つまり、このような空気調和装置においては、圧縮機の吸入側に設けられた膨張弁の開度を減少させるだけでは低圧側圧力を上限値以下に制御することができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大容量な空調負荷に対応する空気調和装置であって、低圧側圧力を上限値以下に制御することができる空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和装置は、容量可変型の圧縮機及び熱源機側熱交換器を少なくとも有する複数の熱源機と、室内熱交換器及び開度制御可能な膨張弁を少なくとも有し、複数の熱源機が並列接続される室内機と、膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備え、圧縮機、熱源機側熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器を配管接続して冷凍サイクル回路を構成し、室内機の冷房負荷に応じて複数の熱源機の駆動台数を制御する空気調和装置において、
室内機は、互いに並列接続された複数の室内熱交換器と、これら室内熱交換器に接続され、互いに並列接続された複数の膨張弁と、を備え、熱源機の少なくとも１台は、圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出装置を備え、熱源機の一部が停止し、圧力検出装置を備えた熱源機の少なくとも１台が駆動している状態において、圧力検出装置の検出値が第１の設定圧力を上回った場合、制御装置は、膨張弁の一部を閉止させ（以下、閉止させる膨張弁を閉止用膨張弁と称する）、閉止用膨張弁を閉止する前の状態において全ての膨張弁を流れる冷媒の総流量と、閉止用膨張弁を閉止した後に閉止用膨張弁以外の膨張弁を流れる冷媒の総流量とが同等となるように、閉止用膨張弁以外の膨張弁の開度を増加させるものであり、閉止用膨張弁以外の膨張弁の開度を増加させた後、閉止用膨張弁を閉止するものである。

本発明においては、熱源機の一部が停止し、圧力検出装置を備えた熱源機の少なくとも１台が駆動している状態において、圧力検出装置の検出値が第１の設定圧力を上回った場合、制御装置は、膨張弁の一部（閉止用膨張弁）を閉止させ、閉止用膨張弁を閉止する前の状態において全ての膨張弁を流れる冷媒の総流量と、閉止用膨張弁を閉止した後に閉止用膨張弁以外の膨張弁を流れる冷媒の総流量とが同等となるように、閉止用膨張弁以外の膨張弁の開度を増加させる。このため、大容量な空調負荷に対応する空気調和装置であっても、低圧側圧力を下げる（上限値以下に制御する）ことができる。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の低圧側圧力制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度とＣｖ値との関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置における低圧側圧力制御時の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度の時間経過を示した特性図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の低圧側圧力制御終了時の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置における低圧側圧力制御終了時の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度の時間経過を示した特性図である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の構成図である。
本実施の形態に係る空気調和装置１００は、複数の熱源機と、これら複数の熱源機が冷媒配管によって並列接続された室内機１３とを備えている。なお、図１では２台の熱源機（第１熱源機５、第２熱源機６）を示しているが、熱源機の台数は複数台であればよい。例えば３台以上の熱源機を室内機１３に並列接続しても勿論よい。

第１熱源機５及び第２熱源機６は同様の構成となっており、第１熱源機５及び第２熱源機６のそれぞれは、容量可変型の圧縮機１、熱源機側熱交換器２、及びアキュムレーター３等を備えている。詳しくは、第１熱源機５及び第２熱源機６のそれぞれにおいて、圧縮機１は、吐出側が熱源機側熱交換器２と接続されており、吸入側がアキュムレーター３と接続されている。また、第１熱源機５及び第２熱源機６のそれぞれにおいて、圧縮機１とアキュムレーター３との間には、圧縮機１が吸入する冷媒の圧力（つまり、低圧側圧力）を検出する圧力センサー４が設けられている。ここで、圧力センサー４が、本発明における圧力検出装置に相当する。

また、第１熱源機５の熱源機側熱交換器２には第１熱源機液冷媒配管７が接続されており、第２熱源機６の熱源機側熱交換器２には第２熱源機液冷媒配管８が接続されている。そして、これら第１熱源機液冷媒配管７及び第２熱源機液冷媒配管８は、室内機１３（より詳しくは、後述の第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１）に接続された液冷媒配管９に合流している。
また、第１熱源機５のアキュムレーター３には第１熱源機ガス冷媒配管１４が接続されており、第２熱源機６のアキュムレーター３には第２熱源機ガス冷媒配管１５が接続されている。そして、これら第１熱源機ガス冷媒配管１４及び第２熱源機ガス冷媒配管１５は、室内機１３（より詳しくは、後述の第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂ）に接続されたガス冷媒配管１６に合流している。
これにより、第１熱源機５及び第２熱源機６は、室内機１３と並列接続されている。

室内機１３は、２つの室内熱交換器（第１室内熱交換器１２ａ、第２室内熱交換器１２ｂ）と、開度を変更可能な例えば電子膨張弁等の２つの膨張弁（第１膨張弁１０、第２膨張弁１１）とを備えている。第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂは、互いの一方の端部がガス冷媒配管１６に並列接続されている。そして、第１室内熱交換器１２ａの他方の端部には第１膨張弁１０が接続されており、第２室内熱交換器１２ｂの他方の端部には第２膨張弁１１が接続されている。これら、第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１は、液冷媒配管９に並列接続されている。
なお、本実施の形態では、室内機１３に設けられる室内熱交換器及び膨張弁の数をそれぞれ２つとしているが、本実施の形態では室内機１３に設けられる室内熱交換器及び膨張弁の数は、複数であれば任意である。また、１つの熱交換器に複数の流入、流出口が設けられ、そのそれぞれに対して膨脹弁が設置された形態であってもよい。

また、室内機１３には、室内機１３から吹き出される空気の温度を検出する温度センサー１８も設けられている。ここで、温度センサー１８が、本発明における温度検出装置に相当する。

また、空気調和装置１００には、制御装置１７が設けられている。この制御装置１７は、第１熱源機５及び第２熱源機６の駆動及び停止、圧縮機１の周波数、第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１の弁開度等を制御するものである。この制御装置１７は、各熱源機の圧力センサー４、及び室内機１３の温度センサー１８とも電気的に接続されている。

このように構成された空気調和装置１００には、通常運転時（第１熱源機５及び第２熱源機６の双方が駆動している状態）、次のように冷媒が流れる。
第１熱源機５及び第２熱源機６それぞれに搭載された圧縮機１より吐出された高圧のガス冷媒は、熱源機側熱交換器２で冷却されて高圧の液冷媒となり、それぞれ第１熱源機液冷媒配管７及び第２熱源機液冷媒配管８より機外へと流出する。第１熱源機５及び第２熱源機６から流出した高圧の液冷媒は、液冷媒配管９で合流した後、室内機１３へと入る。

室内機１３へ入った高圧の液冷媒は並列に接続された第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１により減圧され、低圧の気液二相冷媒となって第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂへ流入する。そして、第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂへ流入した低圧の気液二相冷媒は、第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂで加熱されて低圧のガス冷媒となる。この低圧のガス冷媒は、ガス冷媒配管１６を通った後、第１熱源機ガス冷媒配管１４と第２熱源機ガス冷媒配管１５へ分配され、それぞれの熱源機へ入り、アキュムレーター３を経たのち圧縮機１へと吸入される。

次に、空気調和装置１００における、圧縮機１の容量制御及び熱源機の運転台数（駆動台数）制御について説明する。
上述のように、室内機１３には、室内機１３の吹出温度（室内機１３から吹き出される空気の温度）を検出するための温度センサー１８が設けられている。本実施の形態に係る空気調和装置１００の制御装置１７は、この温度センサー１８で検出した吹出温度と予め設定されていた吹出の設定温度との差により、空調負荷（冷房負荷）を検出している。より詳しくは、空気調和装置１００の制御装置１７は、温度センサー１８の検出温度と設定温度との差が大きければ、空調負荷（冷房負荷）が大きいと判断して、冷房能力を増大させるために圧縮機１の容量（周波数）を大きくする。また、空気調和装置１００の制御装置１７は、温度センサー１８の検出温度と設定温度との差が小さければ、空調負荷（冷房負荷）が小さいと判断して、冷房能力を減少させるために圧縮機１の容量（周波数）を小さくする。
なお、本実施の形態では、空調負荷（冷房負荷）の判定に室内機の吹出温度を用いているが、空調負荷（冷房負荷）の判定に室内機の吸込温度を用いても勿論よい。

ここで、空調負荷（冷房負荷）が小さくなっていくと、これに伴って第１熱源機５及び第２熱源機６の両方の圧縮機１の容量を小さくしていくこととなるが、両方の圧縮機１の容量を小さくしていくうちに、１台の圧縮機１で運転する状態よりも非効率な領域になってくる。このため、本実施の形態においては、第１熱源機５及び第２熱源機６の両方の圧縮機１よりもどちらか一方（例えば、第１熱源機５の圧縮機１）を運転させる方が効率的になった場合、どちらか一方（例えば、第２熱源機６の圧縮機１）を停止させるようにしている。

このように熱源機の運転台数を減少させた低容量運転においては、運転台数の減少によって熱源機側熱交換器２の容量が減少し、相対的に室内熱交換器の容量（つまり、第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂの合計容量）が大きくなる。このため、第１熱源機５及び第２熱源機６（つまり、双方の圧縮機１）を運転しているときよりも、第１室内熱交換器１２ａ及び第２室内熱交換器１２ｂにおける蒸発温度（換言すると、低圧側圧力）が上昇してしまう。そして、場合によっては、低圧側圧力が圧縮機１の信頼性を確保できる上限値付近まで上昇してしまう場合がある。

そこで、本実施の形態に係る空気調和装置１００（より詳しくは、制御装置１７）は、熱源機の運転台数を減少させた低容量運転時、低圧側圧力を低下させるため、第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１の開度を以下のような制御（以下、低圧側圧力制御ともいう）を行っている。なお、以下では、第１熱源機５を運転し、第２熱源機６を停止させる場合の低圧側圧力制御を例に説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の低圧側圧力制御を示すフローチャートである。
熱源機の運転台数を減少させた低容量運転状態になると、まず、制御装置１７は、第１熱源機５の圧力センサー４で低圧側圧力を検出する。そして、制御装置１７は、低圧側圧力が予め設定していた圧力の閾値Ａ［ＭＰａ］を上回ると、低圧側圧力制御を開始する（ステップＳ１）。なお、閾値Ａ［ＭＰａ］の値は、例えば低圧側圧力の上限値−０．１［ＭＰａ］とし、上限の低圧側圧力に対して余裕を持った設定とする。

後述のステップＳ４で説明するように、本実施の形態に係る低圧側圧力制御では、第２膨張弁１１を閉止して第２室内熱交換器１２ｂへ流入する冷媒を遮断する。このため、ステップＳ２において、制御装置１７は、第２膨張弁１１を閉止する前の状態において第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１を流れる冷媒の総流量と、第２膨張弁１１を閉止した後に第１膨張弁１０を流れる冷媒の流量とが同等となるように、第１膨張弁１０の開度を算出する。より詳しくは、制御装置１７は、次のように第１膨張弁１０の開度を算出している。

図３は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度とＣｖ値との関係を示す特性図である。
第１膨張弁及び第２膨張弁は、その開度に応じて、流体の通りやすさを示すＣｖ値が決まっている。そこで、制御装置１７は、例えば図３を数式化したものやテーブル化したものを予め記憶しておき、第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１の双方が開度ａだけ開いている状態のＣｖ値を求める。そして、制御装置１７は、第１膨張弁１０のみが開いている状態のときにこのＣｖ値となる第１膨張弁１０の開度ｂを求める。このように第１膨張弁１０の開度を算出し、後述のステップＳ３にて第１膨張弁１０の開度を当該開度に制御することにより、低圧側圧力制御の前後で膨脹弁開度変更による急激な圧力変動を防止することができる。また、開度ｂは急激な圧力変動を防止できる開度であれば、前述の開度決定手法によらず運転条件に応じてあらかじめ設定された固定値としてもよい。

ステップＳ２の後、制御装置１７は、第１膨張弁１０がステップＳ２で求めた開度ｂとなるように、第１膨張弁１０へ開度情報（制御信号）を出力する（ステップＳ３）。その後、ステップＳ４において、制御装置１７は、第２膨張弁１１が閉止するように、第２膨張弁１１へ開度情報（制御信号）を出力する。

図４は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置における低圧側圧力制御時の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度の時間経過を示した特性図である。
図４に示すように、本実施の形態における低圧側圧力制御では、先に第１膨張弁１０の開度を増加させ、次に第２膨張弁１１の開度を閉止させることで、高圧圧力（圧縮機１が吐出する圧力）が急上昇するのを防止することができる。

以上のように、本実施の形態における低圧側圧力制御を行うことにより、第２室内熱交換器１２ｂへ流入する冷媒を遮断し、それによって室内熱交換器容量を低下させることができる。このため、蒸発温度を低下させ、低圧側圧力の上昇を抑制することができる。

なお、熱源機が３台以上ある場合、少なくとも１部の熱源機が停止した状態において、本実施の形態で示した低圧側圧力制御を行えばよい。
また、室内熱交換器及び室内熱交換器に接続された膨張弁が３つ以上ある場合、少なくとも１つの膨張弁を閉止し、残りの膨張弁の開度を制御（増加）すればよい。

室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が増加してくると、これに伴って、低圧側圧力も低下してくる。このため、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加した場合、上記の低圧側圧力制御を終了する。つまり、本実施の形態に係る空気調和装置１００は、室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加した場合、以下の図５に示すフローにより、閉止していた第２膨張弁１１の開度を増加させる。

図５は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の低圧側圧力制御終了時の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、制御装置１７は、ステップＳ１１において室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加したことを検出すると、ステップＳ１２へ進む。具体的には、制御装置１７は、ステップＳ１１において、次のような場合、室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加したと判断している。つまり、制御装置１７は、第１熱源機５（運転している熱源機）の圧力センサー４で検出された低圧側圧力が予め設定された圧力の閾値Ｂ［ＭＰａ］をＣ［分］連続検知した場合、室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加したと判断している。または、制御装置１７は、温度センサー１８で検出された吹出温度−設定温度がＤ［℃］（例えば３［℃］）を超えた場合、室内機１３の空調負荷（冷房負荷）が所定量以上に増加したと判断している。

なお、圧力の閾値Ｂは［ＭＰａ］、例えば、室内熱交換器の容量を減少させる必要がないと判断できる圧力に設定する。また、Ｃ［分］連続検知としているのは本制御の開始、終了を頻繁に行うのを防止するためであり、例えば３０分に設定するとよい。

ステップＳ１２では、制御装置１７は、上記のステップＳ２と同じ要領により、第２膨張弁１１を閉止した状態において第１膨張弁１０を流れる冷媒の流量と、第２膨張弁１１を開いた後に第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１を流れる冷媒の総流量とが同等となるように、第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１の開度を算出する。つまり、制御装置１７は、第１膨張弁１０のみが開度ｂだけ開いている状態のＣｖ値を求める。そして、制御装置１７は、第２膨張弁１１を開いた後にこのＣｖ値となる第１膨張弁１０及び第２膨張弁１１の開度ａを求める。また、開度ａは急激な圧力変動を防止できる開度であれば、前述の開度決定手法によらず運転条件に応じてあらかじめ設定された固定値としてもよい。

ステップＳ１２の後、制御装置１７は、第２膨張弁１１がステップＳ１２で求めた開度ａとなるように、第２膨張弁１１へ開度情報（制御信号）を出力する（ステップＳ１３）。その後、ステップＳ１４において、制御装置１７は、第１膨張弁１０がステップＳ１２で求めた開度ａとなるように、第１膨張弁１０へ開度情報（制御信号）を出力する。

図６は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置における低圧側圧力制御終了時の第１膨張弁及び第２膨張弁の開度の時間経過を示した特性図である。
図６に示すように、先に第２膨張弁１１の開度を増加させ、次に第１膨張弁１０の開度を閉止させることで、高圧圧力（圧縮機１が吐出する圧力）が急上昇するのを防止でき、低圧側圧力についても大きな圧力変動が起こることを防止できる。

１ 圧縮機、２ 熱源機側熱交換器、３ アキュムレーター、４ 圧力センサー、５ 第１熱源機、６ 第２熱源機、７ 第１熱源機液冷媒配管、８ 第２熱源機液冷媒配管、９ 液冷媒配管、１０ 第１膨張弁、１１ 第２膨張弁、１２ａ 第１室内熱交換器、１２ｂ 第２室内熱交換器、１３ 室内機、１４ 第１熱源機ガス冷媒配管、１５ 第２熱源機ガス冷媒配管、１６ ガス冷媒配管、１７ 制御装置、１８ 温度センサー、１００ 空気調和装置。

Claims (5)

1. 容量可変型の圧縮機及び熱源機側熱交換器を少なくとも有する複数の熱源機と、
   室内熱交換器及び開度制御可能な膨張弁を少なくとも有し、複数の前記熱源機が並列接続される室内機と、
   前記膨張弁の開度を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記圧縮機、前記熱源機側熱交換器、前記膨張弁及び前記室内熱交換器を配管接続して冷凍サイクル回路を構成し、
   前記室内機の冷房負荷に応じて複数の前記熱源機の運転台数を制御する空気調和装置において、
   前記室内機は、互いに並列接続された複数の前記室内熱交換器と、これら前記室内熱交換器に接続され、互いに並列接続された複数の前記膨張弁と、を備え、
   前記熱源機の少なくとも１台は、前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出装置を備え、
   前記熱源機の一部が停止し、前記圧力検出装置を備えた前記熱源機の少なくとも１台が駆動している状態において、前記圧力検出装置の検出値が第１の設定圧力を上回った場合、
   前記制御装置は、
   前記膨張弁の一部を閉止させ（以下、閉止させる当該膨張弁を閉止用膨張弁と称する）、
   前記閉止用膨張弁を閉止する前の状態において全ての前記膨張弁を流れる冷媒の総流量と、前記閉止用膨張弁を閉止した後に当該閉止用膨張弁以外の前記膨張弁を流れる冷媒の総流量とが同等となるように、前記閉止用膨張弁以外の前記膨張弁の開度を増加させるものであり、
   前記閉止用膨張弁以外の前記膨張弁の開度を増加させた後、
   前記閉止用膨張弁を閉止することを特徴とする空気調和装置。
2. 前記閉止用膨張弁が閉止した状態において、前記室内機の冷房負荷が所定量以上に増加した際、
   前記制御装置は、
   前記閉止用膨張弁を開く前の状態において当該閉止用膨張弁以外の前記膨張弁を流れる冷媒の総流量と、前記閉止用膨張弁を開いた後において全ての前記膨張弁を流れる冷媒の総流量とが同等となるように、
   前記閉止用膨張弁を開き、前記閉止用膨張弁以外の前記膨張弁の開度を減少させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記制御装置は、
   前記圧力検出装置の検出値が第２の設定圧力を下回る時間が所定時間以上継続していた場合、前記室内機の冷房負荷が所定量以上に増加したと判断することを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
4. 前記室内機から吹き出される空気の温度を検出する温度検出装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記温度検出装置の検出値と設定温度との差が所定値よりも大きくなった場合、前記室内機の冷房負荷が所定量以上に増加したと判断することを特徴とする請求項２に記載の空気調和装置。
5. 前記制御装置は、
   前記閉止用膨張弁を開いた後、
   前記閉止用膨張弁以外の前記膨張弁の開度を減少させることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の空気調和装置。

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