JP5996119B2 - 空調システム及びコントローラ - Google Patents

Description

技術分野は、一般的には空調システムに関し、より具体的には、通常システム動作中にコンプレッサに入る冷媒の温度を下げ、除霜システム動作中に冷媒を急速に循環させるのを助ける可変バイパス弁を備えた空調システム及びコントローラに関する。

従来の空調システムは、屋内利用側熱交換器を介して建物の内部および他の囲まれたスペースに暖房および冷房を提供する。通常のシステム動作中、冷媒は屋外熱源側熱交換器を通って流れる前に１つ以上の利用側熱交換器を通って流れる。熱源側交換器を出た後、冷媒はコンプレッサに入り、ここでその圧力および温度が急速に高められる。その後、冷媒は、該技術分野で知られているように、気相でコンプレッサから出る。

しかし、コンプレッサから吐出されるときの冷媒の温度は、コンプレッサと関連付けられている所定の最高許容温度より低くなければならない。特に、コンプレッサを出る冷媒の温度が該所定最高許容温度を超えていれば、コンプレッサはおそらく故障するであろう。従来、冷媒がコンプレッサに入る前に熱源側熱交換器に入る冷媒の温度を下方に調整することは困難である。従って、コンプレッサに入る冷媒は、該最高許容温度より高いコンプレッサの吐出温度をもたらすかもしれない。

特開２００９−２２２３５７号（特許文献１）は、コンプレッサ、コンデンサ、膨張機構、ならびに第１および第２それぞれの蒸発装置を含む冷媒回路を備えた空調システムを記述している。非共沸混合冷媒が該冷媒回路を通って循環する。

特開２００９−２２２３５７号公報

該冷媒回路は、冷媒が該第１および第２の蒸発装置の間を流れるとき蒸発プロセス中に冷媒の圧力を１回以上下げるために該第１および第２の蒸発装置の間に置かれた圧力制御デバイスをも含む。その圧力低下は、結局、コンプレッサに入る冷媒の吸込圧力を下げるのに役立つ。

しかし、該冷媒回路は、冷媒が第２蒸発装置からコンプレッサへ流れるとき冷媒の吸込温度を下げない。従って、第２蒸発装置からコンプレッサに流入する冷媒の吸込温度は、冷媒がコンプレッサから流れるときのコンプレッサの許容範囲、換言すれば所定最高許容温度、より高くなることがある。

さらに、上記のシステムではシステム動作中に熱源側熱交換器上に霜が生じる。システムが除霜モードで運転されるとき、圧力制御デバイスの最大開度は小さい。結果として、非常にわずかな冷媒が該圧力制御デバイスを通過して該冷媒回路を循環し、結果としてシステム除霜能力の不足をもたらす。除霜モード中に冷媒が強制的に該圧力制御弁を通過させられれば、該圧力制御弁へのダメージが生じ得る。

従って、熱交換器からコンプレッサに流入する冷媒の温度を、コンプレッサから流れる冷媒の温度がコンプレッサに故障が起こらないレベルまで下げることのできる冷媒回路に対する需要がある。該回路内に圧力制御デバイスが存在していても十分なコンデンサ除霜能力を提供できる冷媒回路に対する需要もある。

従って、本願明細書に記載される１つの実施態様は、第１および第２利用側熱交換器、熱源側熱交換器、コンプレッサ、膨張弁、圧力制御デバイス、ならびにバイパス弁を含む空調システムを提供する。該第１および第２利用側熱交換器ならびに該熱源側熱交換器はそれぞれ直列に接続される。該コンプレッサは、該第１利用側熱交換器と該熱源側熱交換器との間に接続される。

該膨張弁は、該第１利用側熱交換器と該第２利用側熱交換器との間に接続される。該圧力制御デバイスは、該第２利用側熱交換器と該熱源側熱交換器との間に接続される。該バイパス弁は、該膨張弁と該熱源側熱交換器との間に接続される。

該圧力制御デバイスは、該第２利用側熱交換器から該熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持するように構成される。該バイパス弁は、該膨張弁からの冷媒に該第２利用側熱交換器および該圧力制御デバイスをバイパスさせるように構成される。最後に、該圧力制御デバイスおよび該バイパス弁は、互いに協働して該コンプレッサの温度を該コンプレッサのために予め定められている最高許容温度より低く保つように構成される。

本願明細書に記載される第２実施態様は、第１および第２利用側熱交換器、熱源側熱交換器、コンプレッサ、膨張弁、圧力制御デバイス、ならびにバイパス弁を含む空調システムをさらに提供する。該第２実施態様では、上記のコンポーネントは第１実施態様の場合と同じく配置される。しかし、第２実施態様では、除霜システム動作中、該バイパス弁は該熱源側熱交換器からの冷媒に該圧力制御デバイスをパイパスさせるために開かれるように構成される。

本願明細書に記載される第３実施態様は、第１および第２利用側熱交換器、熱源側熱交換器、コンプレッサ、膨張弁、圧力制御デバイス、ならびにバイパス弁を含む空調システムをさらに提供する。該第３実施態様では、上記のコンプレッサは第１実施態様の場合と同じく配置される。該圧力制御デバイスは、該第２利用側熱交換器から該熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持するように構成される。該バイパス弁は、該膨張弁から該熱源側熱交換器へ流れる可変量の液状冷媒を提供するように構成される。

本願明細書に記載される他の１つの実施態様は、空調システムと通信する中央処理装置（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）を含むコントローラを提供する。該空調システムは、第１実施態様の上記のものと同様の第１および第２利用側熱交換器、熱源側熱交換器、コンプレッサ、膨張弁、圧力制御デバイス、ならびにバイパス弁を含む。

該ＣＰＵは、該圧力制御デバイスが、通常システム動作中、該第２利用側熱交換器から該熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持することを生じさせる命令を実行するように構成される。該ＣＰＵは、さらに、該バイパス弁が、該膨張弁からの冷媒に該第２利用側熱交換器および該圧力制御デバイスをバイパスさせることを生じさせる命令を実行するように構成される。該ＣＰＵは、該圧力制御デバイスおよび該バイパス弁が該コンプレッサの温度を該コンプレッサのために予め定められている最高許容温度より低く保つように互いに協働することを生じさせる命令を実行するようにさらに構成される。

前記の要約の目的は、米国特許商標庁および一般大衆、ならびに特に特許もしくは法律用語または言葉遣いに精通していない当該技術分野の科学者、エンジニアおよび実務家が閲覧することによって本出願の技術開示の特質および本質をすぐに判断できるようにすることであることに留意するべきである。該要約は、請求項により判断される本出願の発明を定義するべく意図されてはいないし、本発明の範囲をいかようにも限定するべく意図されてもいない。

添付図面では同じ参照数字は同一のまたは機能的に類似するエレメントを指し、添付図面は以下の詳細な説明と共に明細書に組み込まれて明細書の一部を成し、添付図面は種々の例示的な実施態様をさらに図示して該実施態様に従って種々の原理および利点を説明するのに役立つ。

通常システム動作中の、第１実施態様に従う圧力制御デバイスおよびバイパス弁を有する空調システムを示す線図である。 図１の空調システムにおける冷媒の圧力／エンタルピー線図である。 除霜システム動作中の図１の空調システムを示す線図である。 図３の空調システムにおける冷媒の圧力／エンタルピー線図である。 除霜システム動作中の、第２実施態様に従う圧力制御デバイスおよびバイパス弁を有する空調システムを示す線図である。 通常システム動作中の、第３実施態様に従う複数の圧力制御デバイスおよびバイパス弁を有する空調システムを示す線図である。

本開示は、１つ以上の実施態様を実行する最良の形態を実施可能な形でさらに説明するために提供される。該開示は、本発明を何らかの仕方で限定するのではなくて、本発明の原理およびその利点の理解および評価を向上させるためにさらに提供される。本発明は、本出願の係属中になされた補正を含む添付されている請求項および特許付与された当該請求項の全ての等価物のみによって定義される。

第１および第２などの相関的用語の使用は、個別の要素もしくは動作の間の現実のそのような関係もしくは順序を必ずしも必要としたり示唆したりすることなく単にそのような個別の要素もしくは動作を他の個別の要素もしくは動作から区別するために使用されていることがさらに理解される。一部の実施態様は、明示的にかつ必然的に特定の順序に限定されなければ、いかなる順序でも実行されることのできる複数のプロセスもしくはステップを含むことがあり、すなわち、そのように限定されないプロセスもしくはステップは任意の順序で実行され得るということが特に言及される。

ここで種々の実施態様に従った例示的空調システムが記載される。ここで図１を参照して、第１実施態様に従う圧力制御デバイスおよびバイパス弁を有する空調システム１００を示す線図が論じられて記述される。特に、空調システム１００は、全体として冷媒配管１１９により直列に接続されている、ロータリー式、レシプロ式、あるいはスクロール式コンプレッサなどのコンプレッサ１０１、四方弁１０３、第１利用側熱交換器（ファン付き）１０５、第１膨張弁１０７、第２膨張弁１１１、第２利用側熱交換器（ファン付き）１１３、および熱源側熱交換器１１７（ファン付き）を含む。

図１から一般的に分かるように、コンプレッサ１０１は、第１利用側熱交換器１０５と熱源側熱交換器１１７との間に接続されている。第１および第２膨張弁１０７、１１１は、第１利用側熱交換器１０５と第２利用側熱交換器１１３との間に接続されている。圧力制御デバイス１１５は、第２利用側熱交換器１１３と熱源側熱交換器１１７との間に配置されている。バイパス弁１０９は、熱源側熱交換器１１７の入口の配管を、第１膨張弁１０７と第２膨張弁１１１との間の配管に接続する。空調システム１００は、センサ１２０、１２１、１２３、および空調システム１００のコンポーネントと通信するＣＰＵを有するコントローラ１２５をも含む。残りの議論は、センサ１２０、１２１、１２３を“温度センサ”と称する。しかし、各センサ１２０、１２１、１２３は代わりに圧力センサとして構成されてもよい。

該システムコンポーネントは冷媒の流れに関して最も明瞭に理解されるので、ここで図２の圧力／エンタルピー線図も参照して空調システム１００の動作を示す。そこで、図１および図２の両方を参照すると、通常システム動作中、概して方向指示矢１２７により特定される、空調システム１００を通って流れる冷媒は、該冷媒がコンプレッサ１０１によって圧縮された後に高圧高温状態Ａを獲得する。状態Ａの冷媒は、四方弁１０３を通過して第１利用側熱交換器１０５に流入する。第１利用側熱交換器１０５は、本実施態様では暖房ユニットとして動作するように設計される。従って冷媒が第１利用側熱交換器１０５を通過するとき、冷媒は該第１利用側熱交換器１０５の周囲の大気との熱交換によって冷却されるので凝縮して液相となる。通常システム動作中、第１利用側熱交換器１０５のファンが動作して第１利用側熱交換器１０５からの暖かい空気を大気中へ推進し得るということに留意するべきである。

冷媒が第１利用側熱交換器１０５を通って流れて熱を第１利用側熱交換器１０５の周囲の大気と交換しているとき、冷媒の温度は下げられ、冷媒の圧力は図２で状態Ｂにより表されているように下げられるかあるいは変化しない。次に状態Ｂの冷媒は第１膨張弁１０７を通って流れる。第１膨張弁１０７は冷媒の圧力および温度を低下させる。すなわち、状態Ｃにおいて冷媒の圧力および温度は状態Ｂと比べて下げられている。

次に第２膨張弁１１１はさらに冷媒の圧力を状態Ｄへ低下させる。状態Ｄにおいては、状態Ｃと比べて冷媒の圧力および温度は下げられている。状態Ｃの冷媒は次に第２利用側熱交換器１１３に流入する。

第２利用側熱交換器１１３は、本実施態様では冷房ユニットとして動作するように設計される。従って、冷媒が第２利用側熱交換器１１３を通って流れているとき、冷媒は第２利用側熱交換器１１３の周囲の大気との熱交換によって加熱されるので冷媒は蒸発する。通常システム動作中、第２利用側熱交換器１１３のファンが動作して第２利用側熱交換器からの冷たい空気を第２利用側熱交換器１１３の周囲の大気中へ推進するということに留意するべきである。

第２利用側熱交換器１１３を通って流れた後、状態Ｅで冷媒は状態Ｄと同じ圧力に維持されるけれども温度は著しく上昇する。例えば、冷媒がＲ４１ＯＡであれば、該冷媒の圧力は所定量、例えば０．９８５ＭＰａ、に維持される。冷媒が圧力制御デバイス１１５を通って流れているとき、冷媒の圧力は圧力制御デバイス１１５により下げられて高温低圧状態Ｆを獲得する。

圧力制御デバイス１１５によって引き起こされる冷媒の状態Ｆへの圧力低下は、コンプレッサ１０１を出るときの冷媒の温度がコンプレッサ１０１の吐出温度許容範囲内の温度となるように、（熱源側熱交換器１１７を出た後）コンプレッサ１０１に入る冷媒の温度を低下させるのに十分なほど著しくはないかもしれない。例えば、このような空調システムのスクロール式コンプレッサは摂氏約１２０度の最大吐出温度許容範囲を有し得る。従って、熱源側熱交換器１１７に入る冷媒の温度をさらに下げることによって、後にコンプレッサ１０１から流出する圧縮された冷媒の温度を下げるためにバイパス弁１０９が設けられる。

図２に見られるように、バイパス弁１０９は該バイパス弁を通って流れる液状冷媒の圧力を下げるように制御されるので、冷媒の温度は低いままである。すなわち、バイパス弁１０９を通って流れた後、冷媒は相対的に高圧低温の状態Ｃから低圧低温の状態Ｇへ遷移する。図２に表示されているように、圧力制御デバイス１１５を通って流れた後の状態Ｆの冷媒の圧力は、バイパス弁１０９を通って流れた後の状態Ｇの冷媒の圧力に等しい。

状態ＦおよびＧの冷媒の圧力は実質的に等しいけれども、状態Ｆの冷媒は相および温度の両方において状態Ｇの冷媒と異なる。具体的には、状態Ｆでは冷媒は高温ガス状態であるのに対して、状態Ｇでは冷媒は低温液体状態である。従って、冷媒が状態Ｈ（低圧で、より低い温度の状態）で混ざるとき、冷媒はガス状態Ｆでの温度より低い温度の２相ガス／液体混合物である。

冷媒が２相状態Ｈになると、冷媒は熱源側熱交換器１１７に流入する。冷媒は、この実施態様では冷房ユニットとして動作するように構成されている熱源側熱交換器１１７の周囲の外部大気との熱交換によって加熱されるので蒸発する。図２に表示されているように、熱源側熱交換器１１７を通って流れる冷媒は低圧の、相対的に高い温度の状態Ｉに達する。

熱源側熱交換器１１７に流入する冷媒の温度を下げることにより、状態Ｉの冷媒の温度が十分に低く、冷媒が相対的に高温で低吸込圧力の状態Ｉからコンプレッサ１０１による圧縮後に非常に高温で非常に高圧の状態Ａへ遷移するときコンプレッサ１０１の温度許容範囲内の温度である（すなわち、所定最高許容温度より低い）ということに留意するべきである。従って、仮に圧力制御デバイス１１５およびバイパス弁１０９の両方が空調システム１００に存在しないとすれば、冷媒は状態Ｅで熱源側熱交換器１１７に入ることになり、これは状態Ｉおよび状態Ａの間の線をもっと右（および上）へ移動させて、コンプレッサ１０１から流れる時点でもっと大幅に高い温度エンドポイントをもたらすであろうということは明らかであるはずである。

さらに、仮にバイパス弁１０９だけが空調システム１００から除去される（圧力制御デバイス１１５は残る）ならば、冷媒は状態Ｆで熱源側熱交換器１１７に入ることになる。冷媒がコンプレッサ１０１から流れた後の圧力に関して第１のシナリオよりは良いけれども、状態Ｉおよび状態Ａの間の線は依然としてもっと右へ移動させられ、コンプレッサ１０１から流れた後もっと大幅に高い温度エンドポイントをもたらすであろう。いずれのシナリオの下でも、もたらされるコンプレッサ１０１からの吐出温度は、コンプレッサ１０１が故障無しに動作するには実際上高すぎるであろう。

簡潔に述べると、図１の空調システムにおいて、バイパス弁１０９は、第１膨張弁１０７から熱源側熱交換器１１７へ流れる可変量の液状冷媒を提供するように構成される。従って圧力制御デバイス１１５およびバイパス弁１０９は、互いに協働してコンプレッサ１０１の温度をコンプレッサ１０１のために予め定められている最高許容温度より低く保つ。上で論じられたように、これは有利である。

ここでコントローラ１２５について手短に説明される。コントローラ１２５は高度集積回路であるマイクロコントローラであり得て、プロセッサコア（すなわち、ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、および少量のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）を含む。該ＲＯＭは、当該技術分野で知られているようにＮＯＲもしくはＮＡＮＤ不揮発性フラッシュメモリ、非フラッシュＥＥＰＲＯＭメモリ、または任意のタイプのプログラマブル読み出し専用メモリを含む幾つかの形をとることができる。

コントローラ１２５は入力／出力（Ｉ／Ｏ：ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）ポート、およびタイマも含むであろう。コントローラ１２５のためのプログラムは該ＲＯＭに書き込まれることができ、空調システム１００と通信する該ＣＰＵは該Ｉ／Ｏポートを通して空調システム１００の動作を制御するために該プログラムを実行する。従ってコントローラ１２５は、該空調システムのコンポーネントと通信することができて、可変セッティングまたはオン／オフ・セッティングでどのコンポーネントも制御するように構成される。例えば、コントローラ１２５は、バイパス弁１０９の開度（単に該バイパス弁のオン−オフ状態ではなくて）を制御し、従ってバイパス弁１０９を通って第２利用側熱交換器１１３をバイパスする可変量の液状冷媒を熱源側熱交換器１１７に提供する。コントローラ１２５はさらに圧力制御デバイス１１５を制御する。

コントローラ１２５と空調システム１００との間の図１の線の特定の配置は恣意的であって、コントローラ１２５が一般的に空調システム１００と通信することを単に示すことだけを意図している。この線は単にコントローラ１２５からバイパス弁１０９へ延びるものとして示されているが、これは図示の便宜の問題である。コントローラ１２５は、具体的なシステム構成に依存して空調システム１００の全てのコンポーネントと通信することができる。コントローラ１２５は、もっと具体的には該ＣＰＵは、空調システム１００（および、この開示で提示されるさらなる実施態様の空調システム）のコンポーネントを本願明細書に記載されているように動作させるプログラム命令を実行するように構成されるということが理解されるべきである。このことは、通常システム動作中および除霜システム動作中の各空調システムのコンポーネントの動作に当てはまる。

温度センサ１２０は、第２利用側熱交換器１１３から流れる冷媒の温度を測定もしくは検出するために使用される。温度センサ１２０によって取られた温度測定値は、圧力制御デバイス１１５を調整して、このコンポーネントを通る冷媒の流れを適宜調整するためにコントローラ１２５により使用される。具体的には、圧力制御デバイス１１５の開度が、温度センサ１２０により検出された冷媒温度に基づいて該デバイスを通って流れる可変量の冷媒を提供するために調整される。

温度センサ１２１は、冷媒が熱源側熱交換器１１７を通って流れる間に外気温を測定もしくは検出するために使用される。温度センサ１２１によって取られた温度測定値は、バイパス弁１０９を通る冷媒の流れを適宜調整するべくバイパス弁１０９を調整するためにコントローラ１２５によって使用される。具体的には、バイパス弁１０９を通って流れる可変量の冷媒を提供するために、温度センサ１２１によって検出された気温に基づいてバイパス弁１０９の開度が調整される。例えば、温度センサ１２１によって検出された気温が所定値より低いときにはバイパス弁１０９は開かれる。

温度センサ１２３は、コンプレッサ１０１の温度と相関するコンプレッサ１０１を通して吐出された冷媒の温度を測定する。温度センサ１２３により取られた温度測定値は、バイパス弁１０９を通る冷媒の流れを適宜調整するべくバイパス弁１０９を調整するためにコントローラ１２５により使用される。

上で言及されたように、温度センサ１２０、１２１、１２３は、上で論じられたように圧力制御デバイス１１５、熱源側熱交換器１１７またはコンプレッサ１０１から吐出された冷媒の圧力を検出する圧力センサに取って代わられてもよいし該圧力センサで補われてもよい。そのような圧力センサの測定値は、上で論じられたのと同様の仕方でバイパス弁１０９、圧力制御デバイス１１５および／またはコンプレッサ１０１に対する調整を決定する際にコントローラ１２５により使用される。

上記のように、空調システム１００が通常システム動作を一定時間行った後、冷媒が大気から熱を吸収するので冷媒の冷却に起因して熱源側熱交換器上に霜が生じがちである。従って、図３に示されているように、空調システム１００はシステム除霜動作を実行するようにも構成される。具体的には、コントローラは、図１に示されているように通常システム動作中に冷媒が流れる方向とは反対の方向に冷媒が流れるように、四方弁１０３を切り替えるように動作する。

第１利用側熱交換器１０５と熱源側熱交換器１１７との間に配置されている四方弁１０３が、通常システム動作とシステム除霜動作との間で選択的に切り替えられ得ることは明らかなはずである。より具体的には、通常システム動作中、四方弁１０３はコンプレッサ１０１の出口と第１利用側熱交換器１０５とを接続し、かつコンプレッサ１０１の入口と熱源側熱交換器１１７とを接続する。除霜システム動作中、四方弁１０３はコンプレッサ１０１の出口と熱源側熱交換器１１７とを接続し、かつコンプレッサ１０１の入口と第１利用側熱交換器１０５とを接続する。

上で指摘されたように、コントローラ１２５は、除霜システム動作の始動中に圧力制御デバイス１１５の開度が非常に小さいときバイパス弁１０９を開くように動作する。システム除霜動作の始動時、圧力制御デバイス１１５における圧力は非常に低い。ここで、除霜システム動作中の空調システム１００における冷媒の流れの概観を提示するために、圧力／エンタルピー線図である図４が論じられる。

冷媒は、コンプレッサ１０１によって圧縮された後、高温高圧状態３Ａに入る。図３において、四方弁１０３は、コンプレッサ１０１の出口が熱源側熱交換器１１７の入口に接続されるように調整される。従って、高温高圧状態３Ａの冷媒は四方弁１０３を通って熱源側熱交換器１１７に流入する。

冷媒が熱源側熱交換器１１７を通って流れているとき、冷媒は熱源側熱交換器１１７の周囲の大気との熱交換により冷却されて熱源側熱交換器１１７上の霜を融かす。従って、冷媒は低温でわずかにより低い圧力の状態３Ｂに入る。

上で言及されたように、除霜システム動作中、第２利用側熱交換器１１３の出口における圧力が非常に低いのでバイパス弁１０９が開かれる。コントローラ１２５は、状態３Ｂの冷媒がバイパス弁１０９を通って流れて状態３Ｃに入るときに冷媒の圧力が低下すると同時にその温度および相を低下させるようにバイパス弁１０９を制御する。この時点では、圧力制御デバイス１１５および第２利用側熱交換器１１３を通過する冷媒はほとんどあるいは全く無い。簡潔に述べると、除霜システム動作中、状態３Ｂで熱源側熱交換器１１７を出た冷媒は、バイパス弁１０９を通って流れて状態３Ｃを獲得して第１膨張弁１０７に入り、従って第２利用側熱交換器１１３を完全にバイパスする。

冷媒の圧力は、冷媒が第１膨張弁１０７に流入するとさらに下げられて、非常に低圧の状態３Ｄを達成する。実際、圧力および温度は、冷媒が３Ｄで再び２相状態となるような圧力および温度である。該２相冷媒が第１利用側熱交換器１０５に入ると、冷媒の温度が状態３Ｅへ高められるので液状の冷媒は蒸発する。３Ｅで低圧状態が維持される。最後に、ガス状態の冷媒はコンプレッサ１０１に入り、ここで再び圧力および温度は高温高圧状態３Ａへ高められて冷媒はガス相に戻る。

上で言及されたように、コントローラ１２５は、空調システム１００のコンポーネントと通信してどのコンポーネントも可変セッティングで制御することができる。例えば、コントローラ１２５（特にＣＰＵ）は、冷媒が熱源側熱交換器１１７から第１膨張弁１０７へ流れるようにバイパス弁１０９を通って第２利用側熱交換器１１３をバイパスする変化する量の液状冷媒を制御する。コントローラ１２５と空調システム１００との間の図３の線の特定の配置は恣意的であって、コントローラ１２５が一般的に空調システム１００と通信することを単に示すことだけを意図している。この線はコントローラ１２５から第１および第２膨張弁１０７、１１１の間の配管へ延びているけれども、これは図示の便宜の問題である。コントローラ１２５は実際には空調システム１００の全てのコンポーネントと通信することができる。

上で論じられたように、温度センサ１２０は、第２利用側熱交換器１１３から流れる冷媒の温度を測定もしくは検出するために使用される。温度センサ１２１は、冷媒が熱源側熱交換器１１７を通って流れる間に外気温を測定もしくは検出するために使用される。温度センサ１２３は、コンプレッサ１０１を通って吐出された冷媒の温度を測定する。コントローラ１２５がバイパス弁１０９および圧力制御デバイス１１５を適切に調整できるように（図示されてはいないけれども）他の場所にも温度センサが追加的に配置されてもよい。例えば、除霜システム動作では、第１利用側熱交換器１０５において温度センサは適切であろう。

図５は除霜システム動作中の、第２実施態様に従う圧力制御デバイス５１５およびバイパス弁５０９を有する空調システム５００を示す線図である。図５のコンポーネントの多くは図１および図３の同様のコンポーネントに対応し、同じ参照番号により特定されているので、これらのコンポーネントの動作についてのさらなる議論は省略される。

空調システム５００では、バイパス弁は、全体として１１９で特定されている配管によって、圧力制御デバイス５１５の入口側および出口側の両方に接続される。冷媒は、コンプレッサ１０１によって圧縮された後に高温高圧状態に入る。四方弁１０３は、コンプレッサ１０１の出口が熱源側熱交換器１１７の入口と接続されるように調整されている。従って冷媒は四方弁１０３を通り熱源側熱交換器１１７を通って流れる。その結果、冷媒は大気との熱交換によって冷やされ、熱源側熱交換器１１７上の霜を融かす。従って、冷媒は、熱源側熱交換器１１７を出るときに低温で、わずかにより低い圧力の状態に入る。

上で言及されたように、除霜システム動作中、圧力制御デバイス５１５における圧力が非常に低いのでバイパス弁５０９が開かれる。コントローラ１２５は、冷媒が熱源側熱交換器１１７からバイパス弁５０９を通って第２利用側熱交換器１１３に流れ込むようにバイパス弁５０９を制御する。この時点では、圧力制御デバイス５１５を通過する冷媒はほとんどあるいは全く無い。

しかし、図３に示されている空調システム１００とは違って、より低い圧力の冷媒はまさに第２利用側熱交換器１１３を通って流れる。結果として、図３のシステム除霜動作中に第２利用側熱交換器１１３および第２膨張弁１１１を完全にバイパスする冷媒と比べて、冷媒の温度はさらに高められる。第２実施態様に従う空調システム５００のバイパス弁５０９は、熱源側熱交換器１１７が除霜システム動作中により急速にかつ効率よく除霜されることを可能にする。

図６は、通常システム動作中の第３実施態様に従う空調システム６００を示す線図である。空調システム６００は、第２利用側熱交換器１１３の他に第３利用側熱交換器６２５、圧力制御デバイス１１５の他に第２圧力制御デバイス６２７、およびバイパス弁６０９を含む。図６のコンポーネントの多くは図１、図３および図５の同様のコンポーネントに対応して同じ参照番号により特定されているので、これらのコンポーネントの動作についてのさらなる議論は省略される。さらに、図６の空調システム６００は並列の２つの利用側熱交換器を含むけれども、該システムは代わりに３つあるいはそれ以上の利用側熱交換器を対応する圧力制御デバイスと共に含むこともできる。

第３実施態様では、第３利用側熱交換器６２５は第２利用側熱交換器１１３と並列に接続されている。該第２の、あるいは追加の、第２圧力制御デバイス６２７は第３利用側熱交換器６２５と熱源側熱交換器１１７との間に接続されている。圧力制御デバイス１１５と同じく、第２圧力制御デバイス６２７は、第３利用側熱交換器６２５から熱源側熱交換器１１７へ流れる追加のガス状冷媒をさらなる所定圧力に維持するように構成される。第１膨張弁１０７からバイパス弁６０９を通って熱源側熱交換器１１７へ流れる可変量の液状冷媒は、第３利用側熱交換器６２５および第２圧力制御デバイス６２７をバイパスして、第２圧力制御デバイス６２７によって該さらなる所定圧力に維持されている該追加のガス状冷媒と混じり合って、空調システム１００と同様の仕方で２相冷媒を形成する追加の液状冷媒を含む。

結果として、空調システム１００の場合と同じく、バイパス弁１０９は、該弁を通って流れる液状冷媒の圧力を低下させるように制御され、該冷媒の温度は低いままである。すなわち、バイパス弁１０９を通って流れた後、冷媒は、相対的に高圧で低温の状態から低圧、低温の状態に遷移して、熱源側熱交換器１１７に流入する前に２相冷媒を形成し、これにより冷媒をコンプレッサ１０１のフォールトトレランスより低い温度に維持する。簡潔に述べると、第２圧力制御デバイス６２７は、圧力制御デバイス１１５およびバイパス弁１０９と協働してコンプレッサ１０１の温度を該コンプレッサのために予め定められている最高許容温度より低く保つようにさらに構成される。

上記を考慮して、当業者は、本願明細書に記載された実施態様が冷却回路において圧力制御デバイスと結合するバイパス弁を含むことを認識するであろう。該圧力制御デバイスは、利用側熱交換器から流れるガス状冷媒の圧力を制御する。該バイパス弁は、液状冷媒が該利用側熱交換器をバイパスするように、開かれる。このようにして、該バイパス弁は、該熱源側熱交換器から流れる冷媒の状態を制御し、従ってコンプレッサに流入する冷媒の温度を制御する。

より具体的には、液状冷媒は利用側熱交換器をバイパスして、利用側熱交換器から流れるガス状冷媒と混じり合う。熱源側熱交換器に流入するガス状冷媒より温度が低い２相冷媒が形成される。該２相冷媒は、さもなければ単に熱源側熱交換器に流入するであろうガス状冷媒より低い温度で熱源側熱交換器に流入する。このような次第で、コンプレッサを出る冷媒の吐出温度はコンプレッサの所定最高許容温度を超えないであろう。

本願明細書で開示されたバイパス弁は、空調システムの除霜システム動作にも役立つ。より具体的には、除霜動作が最初に始まるとき、圧力制御弁の入口における圧力は、コンプレッサの入口での冷媒の低められた圧力の故に所定レベルより低く、該弁は実質的に閉じられている。結果として、冷媒は熱源側熱交換器を通って流れることができない。上記の実施態様では、除霜システム動作時に冷媒はバイパス弁を通って圧力制御弁をバイパスすることができ、次に冷却回路全体を効率的に流れることができる。結果として、該空調システムは除霜システム動作を効率よく終えることができ、同時に、仮に冷媒が該デバイスを強制的に通過させられたならば生じるかもしれないダメージから圧力制御弁を保護することができる。

この開示は、本発明の真の意図された正当な範囲および趣旨を限定するのではなくて本発明に従う種々の実施態様をいかに作り上げて使用するかを説明するように意図されている。本発明は、この特許出願の係属中に補正されるかもしれない添付されている請求項およびその全ての等価物によってのみ定義される。以上の記述は、網羅的であるように、あるいは本発明を開示された正確な形に限定するようには、意図されていない。以上の教示を考慮すれば改変および変化形が可能である。該１つまたは複数の実施態様は、本発明の原理およびその実際的応用の最良の実例を提供し、当業者が本発明を、種々の実施態様で、かつ意図されている特定の用途に適する種々の改変を伴って、利用することを可能にするように選択され記述された。そのような改変および変化形の全ては、この特許出願の係属中に補正されるかもしれない添付されている請求項およびその全ての等価物により、それらが公正、適法、かつ公平に権利を与えられる広さに応じて解釈されたとき決定される発明の範囲内にある。

１００ 空調システム、１０１ コンプレッサ、１０３ 四方弁、１０５ 第１利用側熱交換器、１０７ 第１膨張弁、１０９ バイパス弁、１１１ 第２膨張弁、１１３ 第２利用側熱交換器、１１５ 圧力制御デバイス、１１７ 熱源側熱交換器、１１９ 冷媒配管、１２０，１２１，１２３ 温度センサ、１２５ コントローラ、１２７ 方向指示矢、５００ 空調システム、５０９ バイパス弁、５１５ 圧力制御デバイス、６００ 空調システム、６０９ バイパス弁、６２５ 第３利用側熱交換器、６２７ 第２圧力制御デバイス。

Claims (21)

1. それぞれ直列に接続されている第１利用側熱交換器、第２利用側熱交換器ならびに熱源側熱交換器；
   前記第１利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されているコンプレッサ；
   前記第１利用側熱交換器と前記第２利用側熱交換器との間に接続されている膨張弁；
   前記第２利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されている圧力制御デバイス；ならびに
   前記膨張弁と前記熱源側熱交換器との間に接続されているバイパス弁、を含む空調システムであって、
   前記圧力制御デバイスは、前記第２利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持するように構成され、
   前記バイパス弁は、前記膨張弁からの冷媒を、前記第２利用側熱交換器および前記圧力制御デバイスをバイパスさせるように構成され、
   前記圧力制御デバイスおよび前記バイパス弁は、互いに協働して前記コンプレッサの温度を前記コンプレッサのために予め定められている最高許容温度より低く保つように構成されている、
   空調システム。
2. 外気温を検出するように構成された温度感知デバイスをさらに含み、
   前記バイパス弁は、前記温度感知デバイスにより検出された前記外気温が所定値より低ければ開かれるようにさらに構成されている、
   請求項１に記載の空調システム。
3. 外気温を検出するように構成された温度感知デバイスをさらに含み、
   前記バイパス弁は、前記バイパス弁を通って流れる可変量の冷媒を提供し、前記温度感知デバイスにより検出された前記外気温に基づいて開度が制御されるようにさらに構成されている、
   請求項１に記載の空調システム。
4. 前記コンプレッサの前記温度と相関する、前記コンプレッサから吐出された前記冷媒の温度を検出するように構成された温度感知デバイスをさらに含み、前記バイパス弁は前記温度感知デバイスにより検出された前記冷媒の前記温度に基づいて制御されるようにさらに構成されている、
   請求項１に記載の空調システム。
5. 前記コンプレッサの前記温度と相関する、前記コンプレッサから吐出された前記冷媒の圧力を検出するように構成された圧力感知デバイスをさらに含み、
   前記バイパス弁は、前記バイパス弁を通って流れる可変量の冷媒を提供し、前記圧力感知デバイスにより検出された前記冷媒の前記圧力に基づいて開度を制御されるようにさらに構成されている、
   請求項１に記載の空調システム。
6. 前記冷媒が前記熱源側熱交換器から前記コンプレッサを通って前記第１利用側熱交換器に流れる通常システム動作の下で空調システムを制御するとともに、前記冷媒が逆に流れる除霜システム動作の下で空調システムを制御するように構成された中央処理装置（ＣＰＵ）を含むコントローラをさらに含む、
   請求項１に記載の空調システム。
7. 前記通常システム動作と前記除霜システム動作との間で選択的に切り替えられる四方弁をさらに含み、
   前記通常システム動作中には、前記四方弁は前記コンプレッサの出口と前記第１利用側熱交換器とを接続し、かつ前記コンプレッサの入口と前記熱源側熱交換器とを接続するように構成され、前記除霜システム動作中には、前記四方弁は前記コンプレッサの前記出口と前記熱源側熱交換器とを接続し、かつ前記コンプレッサの前記入口と前記第１利用側熱交換器とを接続するように構成される、
   請求項６に記載の空調システム。
8. 通常システム動作中、
   前記第１利用側熱交換器は暖房ユニットとして動作するように構成され、
   前記第２利用側熱交換器は冷房ユニットとして動作するように構成され、
   前記熱源側熱交換器は冷房ユニットとして動作するように構成される、
   請求項１に記載の空調システム。
9. 前記膨張弁は、直列に接続された第１膨張弁および第２膨張弁を含み、
   前記除霜システム動作中、前記バイパス弁は、前記熱源側熱交換器の出口の配管を前記第１膨張弁と前記第２膨張弁との間の配管に接続する、
   請求項６に記載の空調システム。
10. 前記第２利用側熱交換器と並列に接続された第３利用側熱交換器；および
    前記第３利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続された追加の圧力制御デバイス、をさらに含み、
    前記追加の圧力制御デバイスは、前記第３利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる追加の冷媒をさらなる所定圧力に維持するように構成され、
    前記バイパス弁は、前記膨張弁からの追加の冷媒に前記第３利用側熱交換器および前記追加の圧力制御デバイスをバイパスさせるようにさらに構成され、
    前記追加の圧力制御デバイスは、前記圧力制御デバイスおよび前記バイパス弁と協働して前記コンプレッサの前記温度を前記コンプレッサのために予め定められている前記最高許容温度より低く保つようにさらに構成されている、
    請求項１に記載の空調システム。
11. それぞれ直列に接続されている第１利用側熱交換器、第２利用側熱交換器ならびに熱源側熱交換器；
    前記第１利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されているコンプレッサ；
    前記第１利用側熱交換器と前記第２利用側熱交換器との間に接続されている膨張弁；
    前記第２利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されている圧力制御デバイス；ならびに
    前記膨張弁と前記熱源側熱交換器との間に接続されているバイパス弁、を含む空調システムであって、
    除霜システム動作中に前記バイパス弁は前記熱源側熱交換器からの冷媒に前記圧力制御デバイスをバイパスさせるように開かれるように構成されている、空調システム。
12. それぞれ直列に接続されている第１利用側熱交換器、第２利用側熱交換器ならびに熱源側熱交換器；
    前記第１利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されているコンプレッサ；
    前記第１利用側熱交換器と前記第２利用側熱交換器との間に接続されている膨張弁；
    前記第２利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されている圧力制御デバイス；ならびに
    前記膨張弁と前記熱源側熱交換器との間に接続されているバイパス弁、を含む空調システムであって、
    前記圧力制御デバイスは、前記第２利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持するように構成され、
    前記バイパス弁は、前記膨張弁から前記熱源側熱交換器へ流れる可変量の液状冷媒を提供するように構成されている、
    空調システム。
13. 除霜システム動作中、前記バイパス弁は前記熱源側熱交換器から前記膨張弁へ流れる冷媒を提供するように構成される、
    請求項１２に記載の空調システム。
14. 前記空調システムと通信する中央処理装置（ＣＰＵ）を含むコントローラをさらに含み、
    前記コントローラは、前記可変量の冷媒を前記熱源側熱交換器に提供するように前記バイパス弁を制御するように構成されている、
    請求項１２に記載の空調システム。
15. 前記空調システムと通信する中央処理装置（ＣＰＵ）を含むコントローラをさらに含み、
    前記コントローラは、前記熱源側熱交換器から前記膨張弁へ流れる前記冷媒を提供するために前記バイパス弁を制御するように構成される、
    請求項１３に記載の空調システム。
16. 空調システムと通信する中央処理装置（ＣＰＵ）を含むコントローラであって、前記空調システムは：
    それぞれ直列に接続されている第１利用側熱交換器、第２利用側熱交換器ならびに熱源側熱交換器；
    前記第１利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されているコンプレッサ；
    前記第１利用側熱交換器と前記第２利用側熱交換器との間に接続されている膨張弁；
    前記第２利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されている圧力制御デバイス；ならびに
    前記膨張弁と前記熱源側熱交換器との間に接続されているバイパス弁、を含み、
    前記中央処理装置は、通常システム動作中、：
    前記圧力制御デバイスが、前記第２利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる冷媒を所定圧力に維持すること；
    前記バイパス弁が、前記膨張弁からの冷媒に前記第２利用側熱交換器および前記圧力制御デバイスをバイパスさせること、ならびに
    前記圧力制御デバイスおよび前記バイパス弁が、前記コンプレッサの温度を前記コンプレッサのために予め定められている最高許容温度より低く保つように、互いに協働すること
    を生じさせる命令を実行するように構成されている、
    コントローラ。
17. 前記中央処理装置は、除霜システム動作中、前記バイパス弁に、前記熱源側熱交換器から前記膨張弁へ流れ、従って前記第２利用側熱交換器をバイパスする、冷媒を提供させる命令を実行するようにさらに構成される、
    請求項１６に記載のコントローラ。
18. 通常システム動作中、前記第１利用側熱交換器は暖房ユニットとして動作するように構成され、
    前記第２利用側熱交換器は冷房ユニットとして動作するように構成され、
    前記熱源側熱交換器は冷房ユニットとして動作するように構成される、
    請求項１６に記載のコントローラ。
19. 前記膨張弁は、直列に接続されている第１膨張弁および第２膨張弁を含み、
    前記バイパス弁は、前記熱源側交換器の出口の配管を前記第１膨張弁と前記第２膨張弁との間の配管に接続する、
    請求項１７に記載のコントローラ。
20. 前記通常システム動作および前記除霜システム動作の間で選択的に切り替えられ得る四方弁をさらに含み、
    前記通常システム動作中には、前記四方弁は前記コンプレッサの出口と前記第１利用側熱交換器とを接続し、かつ前記コンプレッサの入口と前記熱源側熱交換器とを接続するように構成され、
    前記除霜システム動作中には、前記四方弁は前記コンプレッサの前記出口と前記熱源側熱交換器とを接続し、かつ前記コンプレッサの前記入口と前記第１利用側熱交換器とを接続するように構成される、
    請求項１７に記載のコントローラ。
21. 前記第２利用側熱交換器と並列に接続されている第３利用側熱交換器、および前記第３利用側熱交換器と前記熱源側熱交換器との間に接続されている追加の圧力制御デバイスをさらに含み、
    前記中央処理装置は、前記追加の圧力制御デバイスが、前記第３利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる追加の冷媒をさらなる所定圧力に維持することを生じさせる命令を実行するようにさらに構成され、
    前記中央処理装置は、前記バイパス弁が、前記膨張弁からの追加の冷媒に前記第３利用側熱交換器および前記追加の圧力制御デバイスをバイパスさせることを生じさせる命令を実行するようにさらに構成され、
    前記中央処理装置は、前記追加の圧力制御デバイスが、前記コンプレッサの前記温度を前記コンプレッサのために予め定められている前記最高許容温度より低く保つように、前記圧力制御デバイスおよび前記バイパス弁と協働することを生じさせる命令を実行するようにさらに構成されている、
    請求項１６に記載のコントローラ。

Images