JP6012756B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の技術は、圧縮機の吐出冷媒温度を検出し、その検出温度に応じて流量調整弁の開度を変化させ、インジェクション流量を制御する。
特許文献2に記載の技術は、圧縮機と、室内熱交換器と室外熱交換器とを接続する配管との間に、インジェクション配管が接続されており、当該配管を流れる液冷媒を圧縮機に供給することができるようになっている。
特許文献3に記載の技術は、暖房時におけるインジェクションでは、中間圧力の冷媒(以下、中圧冷媒との称する)を圧縮機にインジェクションするために、インジェクション回路に絞り装置が設けられている。
すなわち、特許文献1、2に記載の技術は、インジェクションを行う際の運転モードが限定されており、その分、利便性が損なわれてしまう可能性があるという課題があった。
すなわち、特許文献3に記載の技術は、中圧冷媒の圧力を運転モードに応じて制御するものではない分、圧縮機の損傷が生じやすく、空気調和装置の動作の安定性、信頼性が低減してしまうという課題があった。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図1は、本実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。図1に基づいて、空気調和装置の設置例について説明する。本空気調和装置は、冷媒及び熱媒体を循環させる冷凍サイクル(冷媒循環回路A、熱媒体循環回路B)を利用することで各室内機が運転モードとして冷房モード或いは暖房モードを自由に選択できるものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
図2に示すように、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に備えられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して冷媒配管4で接続されている。また、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して配管5で接続されている。なお、冷媒配管4については後段で詳述する。
室外機1には、圧縮機10、四方弁などの第1冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12と、アキュムレータ19とが冷媒配管4で直列に接続されて搭載されている。
また、室外機1には、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dが設けられている。
さらに、室外機1には、分岐部27a、分岐部27b、開閉装置24、逆流防止装置20、絞り装置14a、絞り装置14b、中圧検出装置32、吐出冷媒温度検出装置37、吸入冷媒温度検出装置38、分岐冷媒温度検出装置33、高圧検出装置39、吸入圧力検出装置60、圧縮機シェル温度検出装置61、吸入インジェクション配管4c、分岐配管4d、制御装置50が備えられている。
熱源側熱交換器12は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器(又は放熱器)として機能し、図示省略のファンなどの送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、その冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。熱源側熱交換器12は、一方が第1冷媒流路切替装置11に接続され、他方が逆止弁13aが設けられる冷媒配管4に接続されている。
アキュムレータ19は、圧縮機10の吸入側に設けられており、過剰な冷媒を貯留するものである。アキュムレータ19は、一方が第1冷媒流路切替装置11に接続され、他方が圧縮機10の吸入側に接続される。
第2接続配管4bは、室外機1内において、逆止弁13dと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、熱源側熱交換器12と逆止弁13aとの間における冷媒配管4と、を接続するものである。第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a〜13dを設けることで、室内機2の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機3に流入させる冷媒の流れを一定方向にすることができる。
高圧検出装置39は、圧縮機10で圧縮され、高圧となった冷媒の圧力を検出するものである。高圧検出装置39は、圧縮機10の吐出側に接続される冷媒配管4に設けられている。
中圧検出装置32及び高圧検出装置39は、圧力センサでもよいが、温度センサで構成してもよい。すなわち、検出した温度に基づいて、制御装置50が演算により中圧を演算することができるようにしてもよい。
吸入冷媒温度検出装置38は、圧縮機10に流入する冷媒の温度を検出するもので、アキュムレータ19の下流側の冷媒配管4に設けられている。
分岐冷媒温度検出装置33は、分岐部27aへ流入する冷媒温度を検出するものであり、分岐部27aの流入側の流路に設けられている。
吸入圧力検出装置60は、圧縮機10に吸入される冷媒の圧力を検出するもので、アキュムレータ19の上流側の冷媒配管4に設けられている。
圧縮機シェル温度検出装置61は、圧縮機10のシェルの温度を検出するものであり、圧縮機10のシェルの下部に設けられている。なお、圧縮機シェル温度検出装置61を設ける圧縮機10は、密閉容器(=シェル)内に圧縮室を有し、密閉容器内が低圧の冷媒圧雰囲気となり、圧縮室に密閉容器内の低圧冷媒を吸入して圧縮する低圧シェル構造の圧縮機であることが一般的であり、実施の形態1ではこのような圧縮機であることに限定されない。
また、絞り装置14bについても、開口面積を変化させることが可能である電子式膨張弁で構成するとよい。この絞り装置14bは、インジェクションする場合において、吐出冷媒温度検出装置37が検出する圧縮機10の吐出冷媒温度が高くなり過ぎないように、絞り装置14bの開口面積を制御する。
吸入インジェクション配管4cは、一方が分岐配管4dに接続され、他方がアキュムレータ19と圧縮機10とを接続する冷媒配管4に接続されている。吸入インジェクション配管4cには、絞り装置14bが設けられている。
分岐配管4dは、圧縮機10にインジェクションする場合に、冷媒を吸入インジェクション配管4cに導くための配管である。分岐配管4dは、分岐部27a、分岐部27b、及び吸入インジェクション配管4cに接続されている。分岐配管4dには、逆流防止装置20及び開閉装置24が設けられている。
この制御装置50は、全冷房運転モード及び冷房主体運転モード時には、開閉装置24を開き、絞り装置14bの開度を調整することで、インジェクションする冷媒の流量を制御可能となっている。また、制御装置50は、全暖房運転モード及び暖房主体運転モード時には、開閉装置24を閉じ、絞り装置14a及び絞り装置14bの開度を調整することで、インジェクションする冷媒の流量を制御可能となっている。そして、圧縮機10にインジェクションを行うことで、圧縮機10から吐出される冷媒の温度を低減することができる。なお、具体的な制御動作については、後述の各運転モードの動作説明において説明を行う。
より詳細には、制御装置50は、中圧検出装置32の検出圧力、或いは中圧検出装置32の検出温度の飽和圧力、又は中圧検出装置32の検出温度、或いは中圧検出装置32の検出圧力の飽和温度が、一定値(目標値)になるように、又は目標範囲に収まるように絞り装置14aの開度を制御すれば、絞り装置14bによる吐出冷媒温度の制御が安定するということである。
より詳細には、吐出冷媒温度が一定値(例えば110℃など)を超えたと判断したときに、一定の開度分、たとえば10パルスずつ、絞り装置14bが開くように制御してもよいし、吐出冷媒温度が目標値(例えば100℃)になるように、絞り装置14bの開度を制御するようにしてもよいし、吐出冷媒温度が目標値(例えば100℃)以下になるように制御してもよいし、吐出冷媒温度が目標の範囲内(例えば90℃から100℃の間)に入るように制御してもよい。
さらに、制御装置50は、吐出冷媒温度検出装置37の検出温度と高圧検出装置39の検出圧力から、圧縮機10の吐出過熱度を求め、吐出過熱度が目標値(例えば40℃)になるように、絞り装置14bの開度を制御するようにしてもよいし、吐出過熱度が目標値(例えば40℃)以下になるように制御してもよいし、吐出過熱度が目標の範囲内(例えば20℃から40℃の間)に入るように制御してもよい。
室内機2には、それぞれ利用側熱交換器26が搭載されている。この利用側熱交換器26は、配管5によって熱媒体変換機3の熱媒体流量調整装置25と第2熱媒体流路切替装置23に接続するようになっている。この利用側熱交換器26は、図示省略のファンなどの送風機から供給される空気と熱媒体との間で熱交換を行ない、室内空間7に供給するための暖房用空気或いは冷房用空気を生成するものである。
熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15と、2つの絞り装置16と、2つの開閉装置17と、2つの第2冷媒流路切替装置18と、2つのポンプ21と、4つの第1熱媒体流路切替装置22と、4つの第2熱媒体流路切替装置23と、4つの熱媒体流量調整装置25と、が搭載されている。
室外機1と熱媒体変換機3とは冷媒配管4で接続され、冷媒配管4には冷媒が流れている。
熱媒体変換機3と室内機2は(熱媒体)配管5で接続され、配管5には水や不凍液などの熱媒体が流れている。
図3は、図2に示す空気調和装置100の全冷房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図3では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生している場合を例に全冷房運転モードについて説明する。なお、図3では、太線で表された配管が冷媒(冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図3では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧の液冷媒は、逆止弁13aを通って、分岐部27aを介して、室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高圧の気液二相冷媒は、開閉装置17aを経由した後に分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温低圧の二相冷媒となる。
図4は、図3に示す全冷房運転時におけるp−h線図(圧力−エンタルピ線図)である。このモードでのインジェクションの動作を図3及び図4のp−h線図により説明する。
圧縮機10に吸入され、圧縮機10で圧縮された冷媒は、熱源側熱交換器12にて凝縮されて高圧の液冷媒となる(図4の点J)。この高圧の液冷媒は、逆止弁13aを介して、分岐部27aに至る。
また、分岐部27aで分岐した高圧の液冷媒の残りは、熱媒体変換機3に流入し、絞り装置16で減圧させられて低圧の気液二相冷媒となり、さらに、蒸発器として機能する熱媒体間熱交換器15に流入して低温低圧のガス冷媒となる。その後、この低温低圧のガス冷媒は、室外機1に流入して、アキュムレータ19に流入する。
全冷房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。
図5は、図2に示す空気調和装置100の全暖房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図5では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に全暖房運転モードについて説明する。なお、図5では、太線で表された配管が冷媒(冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図5では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13b、分岐部27aを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温高圧のガス冷媒は、分岐されて第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。
図6は、図5に示す全暖房運転時におけるp−h線図である。このモードでのインジェクションの動作を図5及び図6のp−h線図により説明する。
圧縮機10に吸入され、圧縮機10で圧縮された冷媒は、室外機1から流出して熱媒体変換機3の熱媒体間熱交換器15で凝縮されて中温となり、絞り装置16で減圧されて中圧となり(図6の点J)、熱媒体変換機3から冷媒配管4を経由して室外機1に流入する。室外機1に流入した中温中圧の二相冷媒は、分岐部27bに至る。
また、分岐部27bで分岐した中温中圧の冷媒の残りは、絞り装置14aで減圧させられて低圧の気液二相冷媒となり、さらに、蒸発器として機能する熱源側熱交換器12に流入して低温低圧のガス冷媒となる。その後、この低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ19に流入する。
全暖房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。
図7は、図2に示す空気調和装置100の冷房主体運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図7では、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図7では、太線で表された配管が冷媒(冷媒及び熱媒体)の循環する配管を示している。また、図7では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した二相冷媒は、逆止弁13aを通って、分岐部27aを介して、室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した二相冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
図8は、図7に示す冷房主体運転時におけるp−h線図である。このモードでのインジェクションの動作を図7及び図8のp−h線図により説明する。
圧縮機10に吸入され、圧縮機10で圧縮された冷媒は、熱源側熱交換器12にて凝縮されて高圧の気液二相冷媒となる(図8の点J)。この高圧の気液二相冷媒は、逆止弁13aを介して、分岐部27aに至る。
また、分岐部27aで分岐した高圧の気液二相冷媒の残りは、熱媒体変換機3に流入して絞り装置16で減圧させられて低圧の気液二相冷媒となり、さらに、蒸発器として機能する熱媒体間熱交換器15に流入して低温低圧のガス冷媒となる。その後、この低温低圧のガス冷媒は、室外機1に戻りアキュムレータ19に流入する。
冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
図9は、図2に示す空気調和装置100の全暖房運転時の冷媒及び熱媒体の流れを説明する図である。この図9では、利用側熱交換器26aで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで冷熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、図9では、太線で表された配管が冷媒(冷媒及び熱媒体)の循環する配管を示している。また、図9では、冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、分岐部27aを介して、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温高圧のガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
図10は、図9に示す暖房主体運転時におけるp−h線図である。このモードでのインジェクションの動作を図9及び図10のp−h線図により説明する。
圧縮機10に吸入され、圧縮機10で圧縮された冷媒は、室外機1から流出して熱媒体変換機3の熱媒体間熱交換器15aで凝縮され、絞り装置16a及び絞り装置16bで減圧されて中圧となり、熱媒体間熱交換器15bで蒸発して中温となり(図10の点J)、熱媒体変換機3から冷媒配管4を経由して室外機1に流入する。室外機1に流入した中温中圧の冷媒は、分岐部27bに至る。
また、分岐部27bで分岐した中温中圧の気液二相冷媒の残りは、絞り装置14aで減圧させられて低圧の気液二相冷媒となり、さらに、蒸発器として機能する熱源側熱交換器12に流入して低温低圧のガス冷媒となる。その後、この低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ19に流入する。
暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
すなわち、熱媒体流量調整装置25は、利用側熱交換器26で発生する熱負荷に応じて全開にするか、或いは全閉にするかの制御がなされる。
図11は、実施の形態1に係る空気調和装置100の中圧制御と起動制御及び定常制御の動作を表すフローチャートである。なお、以下の説明においては、絞り装置14a及び絞り装置14bは、開度を連続的に変化させられるもの、たとえばステッピングモータ駆動の電子式膨張弁であるものとして説明する。
この圧縮機保護制御は、絞り装置14aによる中圧制御と、過渡的に圧縮機10の吐出冷媒温度が変化しない場合における絞り装置14bの定常制御と、過渡的に圧縮機10の吐出冷媒温度が上昇する場合における絞り装置14bの起動制御とに大別される。
なお、過渡的とは、圧縮機10の起動後或いは霜取り運転からの復帰後などのように圧縮機10の吐出冷媒温度が大きく上昇することを指している。
中圧制御を実施する目的としては、たとえば次のようなものがある。低外気温度である場合には、蒸発器として機能する熱源側熱交換器12の蒸発圧力が低下し、圧縮機10の吐出冷媒温度が非常に高温となる場合や圧縮機10に吸入される冷媒密度が低下することで、全暖房運転モード及び暖房主体運転モードの能力が低減する場合がある。
そこで、絞り装置14aの開度を調整する中圧制御を実施することで、絞り装置14aより上流側の冷媒を、ガス冷媒などよりも冷媒圧力が高く密度の大きい中圧冷媒としている。そして、この中圧冷媒を、吸入インジェクション配管4cに供給することで、低外気温時における圧縮機10の吐出冷媒温度の低減及び全暖房運転モード及び暖房主体運転モードの能力が低減を抑制している。
全暖房運転モード時においては、熱源側熱交換器12から流出する冷媒を低圧冷媒と定義し、熱媒体間熱交換器15a、15bに供給する冷媒を高圧冷媒と定義する。このとき、中圧は、ここで述べた高圧よりも小さく、低圧よりも大きい圧力を指す。
暖房主体運転モード時においては、熱源側熱交換器12から流出する冷媒を低圧冷媒とし、熱媒体間熱交換器15bに供給される冷媒を高圧冷媒と定義する。中圧は、ここで述べた高圧よりも小さく、低圧よりも大きい圧力を指す。
中圧制御は、全暖房運転モード時において、絞り装置14aの開度を予め設定された目標値となるように開度を調整し、絞り装置14aよりも上流側であって絞り装置16a及び絞り装置16bの下流側の冷媒圧力を中圧とする制御である(図5参照)。
また、中圧制御は、暖房主体運転モード時において、絞り装置14aの開度を予め設定された目標値となるように開度を調整し、絞り装置14aよりも上流側であって絞り装置16bの下流側の冷媒圧力を中圧とする制御である(図9参照)。なお、絞り装置14aは、中圧検出装置32で検出される中圧が目標値となるように開度の制御がなされる。
さらに、中圧制御は、全冷房運転モード及び冷房主体運転モード時においては、熱源側熱交換器12から流出した高圧の気液二相冷媒が、分岐装置27a及び開閉装置24を介して吸入インジェクション配管4cに供給される。この吸入インジェクション配管4cに供給された冷媒は、絞り装置14bにより減圧される。そして、圧縮機10の吸入側に液冷媒が供給される。
なお、全冷房運転モード及び冷房主体運転モード時においては、熱源側熱交換器12から流出する冷媒が、絞り装置16を通過していないため、高圧となっている。このため、全冷房運転モード及び冷房主体運転モード時においては、絞り装置14aの開度に関して特に制御を行わず、固定開度(たとえば、全開開度)とし、絞り装置14bによって圧縮機10の吸入側に供給する冷媒を低圧としている。
定常制御は、絞り装置14bの開度を制御して、圧縮機10の吐出部の冷媒が高温になることによる冷凍機の劣化や圧縮機10の破損するリスクを抑制する制御である。この定常制御は、圧縮機10の吐出冷媒温度が過渡的に上昇することがない場合に実施される。
なお、定常制御は、全冷房運転モード、全暖房運転モード、冷房主体運転モード、及び暖房主体運転モードで実施することができ、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値(以下、吐出冷媒温度の目標値Tdmとも称する)に基づいて絞り装置14bの開度制御を行う。定常制御は、図11のステップA5に対応し、より詳しくは、後述の図13の制御方法で表される。
起動制御は、絞り装置14bの開度を制御して、圧縮機10の吐出部の冷媒が高温になることによる冷凍機の劣化や圧縮機10の破損するリスクを抑制する制御である点で定常制御と同様である。しかし、この起動制御は、吐出冷媒温度が過渡的に上昇する場合に、定常制御の代わりに実施される。
圧縮機10の起動直後、或いは霜取運転からの復帰直後などの場合には、圧縮機10の吐出冷媒温度が低い値から高い値へ過渡的に変化するが、この場合における絞り装置14bの開度は、起動前の状態、或いは霜取運転時の状態の閉となっている。
そこで、この起動制御では、圧縮機10の起動直後、或いは霜取運転からの復帰直後などのときに、絞り装置14bの開度を大きくする。
制御装置50は、圧縮機10の起動により圧縮機起動制御を開始する。
制御装置50は、絞り装置14aの開度を中圧を生成しない開度(たとえば、全開)とし、絞り装置14bの開度を吸入インジェクションを実施しない開度(たとえば、全閉)とする。
制御装置50は、絞り装置14aによる中圧制御のフローに移行する。ステップA1における制御は、図12で詳しく説明する。
制御装置50は、起動制御の開始条件の判定をする。
起動制御の開始条件を満たした場合はステップA3へ進む。
起動制御の開始条件を満たさない場合はステップA5へ進む。
なお、起動制御の開始条件は、圧縮機10の起動後或いは霜取り運転からの復帰後などのように圧縮機10の吐出冷媒温度が大きく増加することに基づいて決定される。そこで、開始条件としては、たとえば、(1)圧縮機10の起動後から予め設定される時間が経過したとき、或いは、(2)霜取り運転から復帰してから予め設定されている時間が経過したときなどとするとよい。
ステップA3において、絞り装置14bの起動制御を実施する。ステップA3における制御は、図15で詳しく説明する。
制御装置50は、起動制御の終了条件の判定をする。
起動制御の終了条件を満たした場合はステップA5へ進む。
起動制御の終了条件を満たさない場合はステップA3に戻る。
制御装置50は、定常制御を実施する。
制御装置50は、圧縮機起動制御を終了する。
図12は、空気調和装置100の中圧制御の動作を表すフローチャートである。図12を参照して、絞り装置14aの中圧制御について詳しく説明する。
制御装置50は、絞り装置14aの中圧制御を開始する。
制御装置50は、絞り装置14aの開度を中圧を生成しない開度(たとえば、全開)とし、絞り装置14bの開度を吸入インジェクションを実施しない開度(たとえば、全閉)とする。
制御装置50は、全暖房運転モードであるか、又は暖房主体運転モードであるか否かを判定する。
これらの運転モードである場合には、ステップB2に進む。
これらの運転モードでない場合には、ステップB6に進む。
制御装置50は、中圧目標値PMmの設定を行う。
全暖房運転モード時においては、暖房主体運転よりも外気温度が低い運転条件で運転する分、吐出冷媒温度が上昇しやすいため、圧縮機10の吸入側へインジェクションする冷媒流量を多くする。そこで、全暖房運転モード時には、暖房主体運転モードと比較すると中圧目標値PMmを高めに設定して冷媒流量を大きくするとよく、たとえば20℃の飽和圧力などに設定するとよい。
一方、暖房主体運転モード時においては、室内機2a〜2dのいずれかが冷房運転を実施しており、熱媒体間熱交換器15aを蒸発器として機能させる分、中圧をあまり高い値にはできない。このため、暖房主体運転モードでは、全暖房運転モードと比較すると、中圧目標値PMmを低めに設定し、たとえば、0〜10℃の飽和圧力などに設定するとよい。
なお、全暖房運転モードと暖房主体運転モードとの間のモード変化をスムーズにするために、全暖房運転モードにおける中圧目標値PMmを、暖房主体運転モード時の中圧目標値PMmと同程度の値に設定しても良い。
制御装置50は、中圧検出装置32の検出結果(以下では、中圧検出値PMとも称する)と、ステップB2の中圧目標値PMmとに基づいて、絞り装置14aの開度変更量ΔLEVaを算出する。
なお、絞り装置14aの開度変更量ΔLEVaは、下記の式(1)に示す計算式で計算する。また、式(1)は、絞り装置14aの開度変更量ΔLEVaを、中圧目標値PMmから中圧検出装置32による中圧検出値PMを差し引いた値に、制御ゲインGaを乗じた形で表している。ここで、制御ゲインGaは、絞り装置14aの仕様によって決まる値である。
制御装置50は、下記の式(2)にあるように、ステップB3で算出した開度変更量ΔLEVaと、前回出力した絞り装置14aの開度LEVa*との和を算出する。当該和の値が、絞り装置14aの開度LEVaに対応する。
なお、前回出力した絞り装置14aの開度LEVa*とは、ステップA0から始まり、ステップA6で終わる圧縮機保護制御(図11参照)を1つのサイクルとしたとき、現在実施しているサイクルの1つ前に実施したサイクルにおけるステップB4で算出した開度LEVaの値をいう。
制御装置50は、絞り装置14aの開度を、ステップB4で算出した絞り装置14aの開度LEVaとなるように調整する。
制御装置50は、絞り装置14aの開度を、固定開度(たとえば、全開)とする。
制御装置50は、絞り装置14aの中圧制御を終了する。
ΔLEVa=Ga×(PMm−PM)…(1)
LEVa=LEVa*+ΔLEVa…(2)
図13は、空気調和装置100の定常制御の動作を表すフローチャートである。図13を参照して、圧縮機10の吐出冷媒温度が過渡的に上昇しない場合に実施される絞り装置14bの定常制御について詳しく説明する。
制御装置50は、絞り装置14aの定常制御を開始する。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmの設定を行う。
この図13での説明においては、吐出冷媒温度の目標値Tdmが、たとえば105℃に設定されている場合を例に説明する。
制御装置50は、予め設定されているステップC1の吐出冷媒温度の目標値Tdmと、吐出冷媒温度検出装置37の検出結果、すなわち圧縮機10の吐出冷媒温度の現在値Td0とに基づいて、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出する。
なお、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbは、下記の式(3)に示す計算式で計算する。また、式(3)は、吐出冷媒温度の目標値Tdmから圧縮機10の吐出冷媒温度の現在値Td0を差し引いた値に、制御ゲインGbを乗じた形で表している。ここで、制御ゲインGbは、絞り装置14bの仕様によって決まる値である。
なお、本ステップC2においては、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmを採用するものとして説明するがそれに限定されるものではない。たとえば、吐出冷媒温度の目標値Tdmの代わりに、吐出冷媒温度検出装置37の検出温度と高圧検出装置39の検出圧力とに基づいて得られる圧縮機10の吐出過熱度を用いてもよい。このように、吐出冷媒温度だけでなく、過熱度といったような、吐出冷媒温度に係るものを用いてもよい。
すなわち、本ステップC2では、吐出冷媒温度の目標値Tdmの代わりに、吐出冷媒温度に係る目標値である吐出過熱度の目標値(Tdmに対応)と、吐出冷媒温度検出装置37の検出温度及び高圧検出装置39の検出圧力から得られ、吐出冷媒温度に係る吐出過熱度の値(Td0に対応)とに基づいて、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出してもよいということである。
制御装置50は、下記の式(4)にあるように、式(3)で算出した絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbと、前回出力した絞り装置14bの開度LEVb*との和を算出する。当該和の値が、絞り装置14bの開度LEVbに対応する。
制御装置50は、絞り装置14bの開度を、ステップC3で算出した絞り装置14bの開度LEVbとなるように調整する。
制御装置50は、絞り装置14aの定常制御を終了する。
ΔLEVb=Gb×(Tdm−Td0)…(3)
LEVb=LEVb*+ΔLEVb …(4)
すなわち、式(3)のように圧縮機10の吐出冷媒温度の現在値Td0を用いるのではなく、次の制御のタイミングにおける吐出冷媒温度予測値Tdnを算出する三点予測を利用して絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出してもよい。
圧縮機10の吐出冷媒温度を例に図14を用いて説明すると、絞り装置14bの開度変化による圧縮機10の吐出冷媒温度の応答が一次遅れ(図14の曲線)で表される場合、異なる三つの時刻における吐出冷媒温度Td0、Td1、Td2を用いると、次の時刻における吐出冷媒温度の予測値Tdnは、以下に示す式(5)に示す形で計算することができる。
Td0>Td1、且つ、Td1>Td2、且つ、Td0−Td1<Td1−Td2…(6)
Tdn=Td0+(Td0−Td1)…(7)
そこで、吐出冷媒温度の目標値Tdmは、なるべく高い値に設定するのが望ましい。たとえば、圧縮機10の吐出冷媒温度の上限値が120℃である場合を仮定すると、それよりも15℃低い値である105℃に設定するとよい。本実施の形態1では、105℃を制御目標値とすることを例に説明しているが、それに限定されるものではなく、たとえば100℃程度の値としても大きな問題は起きない。110℃で圧縮機10を停止または減速させるため、吐出冷媒温度の目標値を100〜110℃の間の値に設定するとよい。
また、図14の説明では、図13の制御における圧縮機10の吐出冷媒温度の予測方法について説明したが、この予測方法を、図12の制御における中圧に対して適用してもよい。すなわち、三点予測により中圧検出装置32の検出結果を予測し、図12のステップB2において、中圧検出装置32の予測値と、ステップB2の中圧目標値PMmとに基づいて、絞り装置14aの開度変更量ΔLEVaを算出してもよいということである。
図15は、実施の形態1に係る空気調和装置100の起動制御の動作を表すフローチャートである。図15を参照して、圧縮機10の吐出冷媒温度が過渡的に上昇する場合に実施される絞り装置14bの起動制御について詳しく説明する。
制御装置50は、絞り装置14aの起動制御に移行する。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmの設定を行う。
起動制御における吐出冷媒温度の目標値Tdmは、定常制御の吐出冷媒温度の目標値Tdmよりも低い値に設定され、たとえば90℃などに設定される。なお、定常時の吐出冷媒温度の目標値を100〜110℃の間の値に設定するものとすると、起動制御における吐出冷媒温度の目標値は、これよりも低い値である、80℃〜100℃の間の値に設定するとよい。
制御装置50は、予め設定されているステップD1の吐出冷媒温度の目標値Tdmと、圧縮機10の吐出冷媒温度の現在値Td0とに基づいて、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出する。
なお、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbは、上述したステップC2と同様に、式(3)を利用する。
また、本ステップD2においても、ステップC2で述べたように、吐出冷媒温度に係る目標過熱度と、吐出冷媒温度に係る吐出過熱度の現在値とに基づいて開度変更量ΔLEVbを算出してもよい。
制御装置50は、上述の式(4)にあるように、算出した絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbと、前回出力した絞り装置14bの開度LEVb*との和を算出する。当該和の値が、絞り装置14bの開度LEVbに対応する。
制御装置50は、絞り装置14bの開度を、ステップD3で算出した絞り装置14bの開度LEVbとなるように調整する。
確かに圧縮機10を起動した直後のような場合には、吐出冷媒温度Tdmが安定しておらず、吐出冷媒温度検出装置37の検出結果(ステップD1の現在値Td0)が低めの値となる。しかし、ステップD1では、吐出冷媒温度の目標値Tdmが、定常制御の吐出冷媒温度の目標値Tdmよりも低い値に設定されている。すなわち、現在値Td0が、吐出冷媒温度の目標値Tdmを容易に上回りやすくなっている。
このため、圧縮機10を起動した直後であり、ステップD3の開度LEVb*の値が全閉に対応する第1の値であっても、ステップD2の開度変更量ΔLEVbの値が開度を大きくする第2の値となる。つまり、ステップD3で第1の値と第2の値の和をとると開度を大きくする値がステップD4に出力されることとなる。
このように、起動制御では、吐出冷媒温度Tdmの設定値を、定常制御よりも低くすることで、絞り装置14bの開度を定常制御よりも大きくなりやすくする。
制御装置50は、後述する図16の終了条件を満たしているかの判定を行う。
終了条件を満たしている場合には、ステップD6に進む。
終了条件を満たしていない場合には、ステップD2に戻り、絞り装置14bの開度制御を継続する。
制御装置50は、絞り装置14aの定常制御を終了する。
まず、起動時や霜取終了時等に終了判定フラグflagA=0とする。
また、終了判定フラグflagA=0の時に圧縮機10の吐出冷媒温度Tdが吐出冷媒温度の目標値Tdm以上となった場合は終了判定フラグflagA=1とする(図16の点A)。
さらに、終了判定フラグflagA=1の時に圧縮機10の吐出冷媒温度Tdが吐出冷媒温度の目標値Tdm+α以上となった場合は、終了判定フラグflagA=2とする(図16の点B)。
ここで、αは吐出冷媒温度がオーバーシュートしたかどうかを判定する閾値であり、たとえば5℃と設定するとよい。
(1)一つ目の条件は、終了判定フラグflagA=2かつTd<Tdm+βとなった場合(図16のパターン1)である。
(2)二つ目の条件は、終了判定フラグflagA=1かつflagA=1となってから予め設定される時間Tを経過した場合(図16のパターン2)である。
ここで、βは、一旦吐出冷媒温度の目標値+αをオーバーシュートした吐出冷媒温度が下がったかどうかを判定する閾値である。このβは、前述の閾値αよりも小さい値として設定する必要があり、たとえば3℃と設定するとよい。
圧縮機10の吐出冷媒温度の上限が120℃程度であると仮定したとき、制御装置50は、吐出冷媒温度が、たとえば110℃になると圧縮機10を停止または減速させるように設定される。すなわち、冷媒温度が120℃程度に至ると圧縮機10の損傷等の可能性が高くなることから、圧縮機10の保護のため、その手前の110℃で圧縮機10を停止または減速させるということである。
ここで、吐出冷媒温度の目標値Tdmを吐出冷媒温度の目標値を105℃と設定していると、5℃以上吐出冷媒温度Tdmがオーバーシュートすると圧縮機10の保護に入り、圧縮機10が停止または減速してしまう。このため、吐出冷媒温度の目標値Tdmは、105℃よりも低い温度に設定するとよい。このように、圧縮機10の保護のために停止または減速させる温度(110℃)と、吐出冷媒温度の目標値Tdm(105℃)との間に、5℃より大きい間隔を持たせることで、空気調和装置100は、圧縮機保護制御をより有効的に利用することができるようになる。
しかし、吐出冷媒温度の目標値をTdmを80℃よりも低い温度にすることは、吐出冷媒温度を低くする分、多くの液又は二相冷媒を圧縮機10にインジェクションする必要があることを意味している。すなわち、絞り装置14bが開き過ぎて、圧縮機10へ過大な液又は二相冷媒の流入が発生するという問題が生じることになる。
そこで、吐出冷媒温度の目標値Tdmは、起動制御時に生じる圧縮機10の吐出冷媒温度のオーバーシュートによって圧縮機10が吐出冷媒温度の保護動作に入らず、かつ、絞り装置14bが開いてインジェクションされる温度(たとえば、90℃や95℃程度)に設定するとよい。
実施の形態1に係る空気調和装置100は、定常制御及び起動制御を実施して絞り装置14bの開度を調整することで、絞り装置14aの中圧制御で生成された中圧冷媒を、適宜、吸入インジェクション配管4cに供給することができる。このため、運転モードによらないで、圧縮機10の吐出冷媒温度Tdmを低下させて動作の安定性を向上させ、信頼性の高い空気調和装置100を得ることができる。
図18は、実施の形態2に係る空気調和装置の起動制御の動作を表すフローチャートである。なお、本実施の形態2については、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態2の冷凍サイクルの構成及び各運転モードにおける冷媒と熱媒体の流れは実施の形態1と同じであるため説明を省略する。
実施の形態1と異なるのは、起動制御における絞り装置14bの制御方法である。すなわち、制御装置50は、実施の形態1の図11のステップA3に対応する図15の制御の代わりに、図18に示す制御を実施する。なお、中圧制御及び定常制御については、実施の形態1と同様である。
図18を参照して、圧縮機10の吐出冷媒温度が過渡的に上昇する場合に実施される絞り装置14bの起動制御の方法2について詳しく説明する。
制御装置50は、絞り装置14bの起動制御に移行する。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度が予め設定された温度T2(たとえば、80℃)以上であるか否かを判定する。
温度T2以上であると判定した場合には、ステップE2に進む。
温度T2以上でないと判定した場合には、ステップE12に進む。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmの設定を行う。
起動制御における吐出冷媒温度の目標値Tdmは、たとえば90℃などに設定される。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度に関して三点予測が可能であるかどうかを式(6)より判定する。
式(6)の条件を満たし、三点予測が可能であると判定した場合には、ステップE5に進む。
式(6)の条件を満たさず、三点予測をできないと判定した場合には、ステップE4に進む。
制御装置50は、ステップE3の次の制御タイミングである本ステップE4において、再度、圧縮機10の吐出冷媒温度に関して三点予測が可能であるかどうかの判定を行う。
三点予測が可能であると判定した場合には、ステップE5に進む。
三点予測をできないと判定した場合には、ステップE13に進む。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度が到達すると考えられる予測値を、三点予測及び式(8)を利用して算出する。なお、ここでいう予測値とは、吐出冷媒温度が一次遅れ特性で変化している時、そのままの状態で到達する終点値Tde(図14参照)のことである。
制御装置50は、予め設定されているステップE2の吐出冷媒温度の目標値Tdmと、ステップE5の予測値Tdeとに基づいて、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出する。
なお、本ステップE6の絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbの算出には、式(9)を利用する。なお、制御ゲインGbは、絞り装置14bの仕様によって決まる値である。
ΔLEVb=Gb×(Tdm−Tde)…(9)
制御装置50は、上述の式(4)にあるように、算出した絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbと、前回出力した絞り装置14bの開度LEVb*との和を算出する。当該和の値が、絞り装置14bの開度LEVbに対応する。
制御装置50は、絞り装置14bの開度を出力した制御回数が、予め設定される回数N(たとえば、N=3)未満かどうか判定する。
N未満である場合には、ステップE6に戻る。
N未満でない、すなわちN以上である場合には、ステップE9に進む。
制御装置50は、ステップE7の絞り装置14bの開度出力がN回目である場合に、タイマーをスタートさせる。
なお、本ステップE9において、開度出力がN+1回目以上である場合には、タイマーが既にスタートしているため、特に、制御を実施せず、ステップE10に進む。
制御装置50は、タイマーが予め設定される時間Te(たとえば、15分)経過するまで絞り装置14bの開度を固定する。
制御装置50は、タイマーが時間Teを経過したとき、図17の起動制御を終了して、定常制御に移行する。
また、制御装置50は、タイマーが所定時間Te時間経過する前に、圧縮機10の吐出冷媒温度Td0が吐出冷媒温度の目標値Tdmを超えてしまった場合は、即時に、起動制御を終了し定時制御に移行する。
制御装置50は、起動制御開始後、予め設定される時間Toが経過するまで絞り装置14bの開度を全閉状態で固定し、時間Toが経過後にステップE13に進む。
制御装置50は、絞り装置14bの起動制御を終了する。
実施の形態2に係る空気調和装置は、上述のような起動制御を実施し、実施の形態1に係る空気調和装置100と同様の効果を奏する。
図19は、実施の形態3に係る空気調和装置100の起動制御の動作を表すフローチャートである。なお、本実施の形態3については、実施の形態1、2と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態3の冷凍サイクルの構成及び各運転モードにおける冷媒と熱媒体の流れは実施の形態1と同じであるため説明を省略する。実施の形態1と異なるのは、起動制御における絞り装置14bの制御方法である。すなわち、制御装置50は、実施の形態1の図11のステップA3に対応する図15の制御の代わりに、図19に示す制御を実施する。なお、中圧制御及び定常制御については、実施の形態1と同様である。
図19を参照して、圧縮機10の吐出冷媒温度が過渡的に上昇する場合に実施される絞り装置14bの起動制御の方法3について詳しく説明する。
制御装置50は、絞り装置14bの起動制御に移行する。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度が予め設定された温度T2(たとえば、80℃)以上であるか否かを判定する。
温度T2以上であると判定した場合には、ステップF2に進む。
温度T2以上でないと判定した場合には、ステップF7に進む。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmの設定を行う。
起動制御における吐出冷媒温度の目標値Tdmは、たとえば90℃などに設定される。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度が到達すると考えられる予測値を、三点予測及び式(8)を利用して算出する。なお、ここでいう予測値とは、吐出冷媒温度が一次遅れ特性で変化している時、そのままの状態で到達する終点値Tde(図14参照)のことである。
もし、式(8)より三点予測ができない場合には、式(8)による圧縮機10の吐出冷媒温度の終点値Tdeの代わりに、式(10)によって計算される値を圧縮機10の吐出冷媒温度の終点値Tdeとして用いる。
Tde=Td0+(Td0−Td1)…(10)
制御装置50は、予め設定されているステップF2の吐出冷媒温度の目標値Tdmと、ステップF3の予測値Tdeとに基づいて、絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbを算出する。
なお、本ステップF4の絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbの算出には、式(9)を利用する。
制御装置50は、上述の式(4)にあるように、算出した絞り装置14bの開度変更量ΔLEVbと、前回出力した絞り装置14bの開度LEVb*との和を算出する。当該和の値が、絞り装置14bの開度LEVbに対応する。
制御装置50は、圧縮機10の吐出冷媒温度の目標値Tdmと、圧縮機10の吐出冷媒温度の現在値Td0との差の絶対値が、予め設定される温度差ΔT(たとえば、3℃)以上であるか否かを判定する。
温度差ΔT以上である場合には、ステップF3に戻り、起動制御を継続させる。
温度差ΔT以上でない、すなわち、温度差ΔT未満である場合には、ステップF8に進む。
制御装置50は、起動制御開始後、予め設定される時間Toが経過するまで絞り装置14bの開度を全閉状態で固定し、時間Toが経過後にステップE813に進む。
制御装置50は、絞り装置14bの起動制御を終了する。
実施の形態3に係る空気調和装置100は、上述のような起動制御を実施し、実施の形態1、2に係る空気調和装置100と同様の効果を奏する。
図20は、実施の形態4に係る空気調和装置100の圧縮機10に吸入される冷媒の乾き度を求める演算フローチャートである。なお、本実施の形態4については、実施の形態1〜3と異なる部分を中心に説明する。
圧縮機10として、密閉容器内に圧縮室を有し、密閉容器内が低圧の冷媒圧雰囲気となり、圧縮室に密閉容器内の低圧冷媒を吸入して圧縮する低圧シェル構造の圧縮機を使用することを考える。
なお、本実施の形態4では、圧縮機10について低圧シェル構造のスクロール型の圧縮機を例に説明する。吸入インジェクションによって圧縮機10の吸入側に液又は二相冷媒をバイパスさせると、低圧シェル型圧縮機では圧縮機10に吸入された冷媒は密閉容器(=シェル)によって加熱された後、圧縮室に吸い込まれる。したがって、多少の圧縮機10への液冷媒の流入が起きてもシェルで加熱されてガス化するため、圧縮室に液冷媒が吸い込まれることはない。
圧縮室に吸入される冷媒に液冷媒が混じると次のような不具合がある。
(1)圧縮機10のシェルによる加熱ではガス化できないほどの過度な液冷媒が吸入されると、圧縮室内で非圧縮性の液冷媒を圧縮する液圧縮が起こり、圧縮室を構成するスクロール部分が破損する可能性がある。
(2)シェル下部に過度の液冷媒が溜まるとシェル下部に貯留されている冷凍機油の濃度が下がり、圧縮機10の摺動部位への潤滑が十分にできなくなり、圧縮機10の摺動部位の磨耗や破損に至る可能性がある。
そこで、圧縮機10へ過度の液冷媒の流入が生じた場合に絞り装置14bの開度を小さくすることで液冷媒のインジェクション流量を減らし、圧縮機10を保護する必要がある。
なお、(−)は、単位がなく、無次元であることを示している。
制御装置50は、乾き度Xsの算出制御に移行する。
制御装置50は、中圧検出装置32によって中圧PM(MPa)を検出し、吸入圧力検出装置60によって圧縮機10に吸入される冷媒の圧力Ps(MPa)を検出する。
制御装置50は、絞り装置14a及び絞り装置14bの現在の開度LEVa及びLEVbを読み込む。なお、絞り装置14bの開度制御については、実施の形態1〜3と同様である。
制御装置50は、吸入される冷媒の圧力Ps(MPa)に基づいてアキュムレータ19から流出する冷媒のエンタルピH1(kJ/kg)を計算し、中圧PM(MPa)に基づいて絞り装置14bを通過する冷媒のエンタルピH2(kJ/kg)を計算する。
なお、このエンタルピH1及びエンタルピH2(kJ/kg)の詳細な算出方法については、後述する。
<ステップG4>
制御装置50は、ステップG3で読み込んだ絞り装置14a及び絞り装置14bの開度を利用して、圧縮機10に吸入される冷媒のエンタルピH3(kJ/kg)を算出する。
なお、このエンタルピH3の詳細な算出方法については、後述する。
制御装置50は、ステップG4で算出したエンタルピH1(kJ/kg)、H2(kJ/kg)及びH3(kJ/kg)と、後述の式(19)に基づいて圧縮機10に吸入される冷媒の乾き度Xs(−)を算出する。
制御装置50は、乾き度Xsの算出制御を終了する。
アキュムレータ19から流出する冷媒流量G1(kg/h)及び絞り装置14bを通過する冷媒流量G2(kg/h)は、絞り装置14aのCv値と絞り装置14bのCv値によって決定される。ここで用いるCv値とは、絞り装置の容量を表すものとして一般的に用いられているものである。
ここで、CvaとCvbは、それぞれ絞り装置14a及び絞り装置14bのCv値であり、Ps(MPa)は圧縮機10の吸入圧力(吸入圧力検出装置60による検出値)である。
G1×H1+G2×H2=(G1+G2)×H3…(15)
すると、吸入圧力検出装置60による検出値Ps(MPa)によって、アキュムレータから流出する冷媒のエンタルピH1(kJ/kg)と、絞り装置14bを通過する冷媒のエンタルピH2(kJ/kg)を以下に示す式(17)と式(18)より計算することができる。具体的な方法として、あらかじめ計算しておいた圧力とエンタルピの関係を表すテーブルを制御装置50に記憶しておき、テーブルを参照するような方法などがある。
H1=HG(Ps)…(17)
H2=HL(Ps)…(18)
Xs=(H3−H2)/(H1−H2)…(19)
制御装置50は、圧縮機10に吸入される冷媒の乾き度Xsを算出し、圧縮機10に吸入される冷媒の乾き度Xsが予め設定される値よりも小さくなった場合には、圧縮機10に流入する液冷媒の量が過度であると判定する。
すなわち、式(19)によって計算された圧縮機10の吸入される冷媒の乾き度Xsが、圧縮機10の保護のために予め設定される値よりも小さくなった場合には、圧縮機10へ流入する液冷媒の量が過大であると判定し、絞り装置14bの開度を小さくするような(たとえば、開度を全閉とする)保護制御を行うということである。
圧縮機10に過度の液又は二相冷媒の流入が発生する場合、前述の圧縮機10に吸入される冷媒の乾き度Xsによる保護だけではなく、圧縮機10のシェル下部に設けた圧縮機シェル温度検出装置61の検出値Tcompを用いた保護をバックアップ動作として導入すると、より確実に圧縮機10の破損を防ぐことができる。
SHcomp=Tcomp−Tsat…(20)
冷凍機油の粘度が粘度限界よりも小さくなると、摺動部位での油膜厚さが薄くなり摺動部位が磨耗したり、焼付けを生じたり圧縮機の損傷を招く。
図21にR410A冷媒とエステル系粘度グレード30の冷凍機油の混合粘度の挙動を示す。図21の横軸が冷媒と冷凍機油の混合物の温度、縦軸が液冷媒と冷凍機油の混合物の粘度であり、潤滑不足が生じるときの粘度が図21に示す粘度限界に相当している。
したがって、この場合は、圧縮機10のシェル下スーパーヒートが10℃よりも小さくなった場合に保護動作を開始するようにするとよい。しかし、冷凍機油の種類や粘度グレードによって、冷媒との混合割合や混合後の粘度が異なるため、圧縮機10のシェル下スーパーヒートによる保護動作を開始する値は、10℃に限定するものではなく、それらの組み合わせにより適切な値を使用する。
実施の形態4に係る空気調和装置は、過度の液冷媒が圧縮機10に供給されることを抑制し、圧縮室を構成するスクロール部分が破損してしまうことを防止することができる。
また、本実施の形態1〜4に係る空気調和装置は、全暖房運転モード、全冷房運転モード、暖房主体運転モード、及び冷房主体運転モードにおいて、インジェクションすることができる。すなわち、本実施の形態1〜4に係る空気調和装置は、たとえば冷房運転から暖房運転や冷暖房混在運転などに切り替えるなどをして、冷媒の流れを変更しても、インジェクションすることができるものである。
さらに、本実施の形態1〜4に係る空気調和装置は、室外機1及び熱媒体変換機3における冷媒回路における改良が加えられることでインジェクションを可能としたものである。すなわち、本実施の形態1〜4に係る空気調和装置は、室内機2に逆止弁などを設けるなどといった構成でなくとも、インジェクションすることが可能となっており、その分汎用性を向上させたものとなっている。
冷媒としてR32を使用した場合は、R410Aを使用した場合に対して、同一運転状態において、吐出冷媒温度が約20℃上昇するため、吐出冷媒温度を低下させて使用する必要があり、吸入インジェクションの効果が大きい。R410Aに対して、吐出冷媒温度が少しでも高くなる冷媒を使用する場合には、吸入インジェクションにより吐出温度を低下させる必要があり、R32とHFO1234yfとの混合冷媒においては、R32の質量比率が62%(62質量%)以上である場合に、R410A冷媒を使用した場合よりも吐出冷媒温度が3℃以上高くなり、吸入インジェクションにより、吐出冷媒温度を低下させるようにすると、効果が大きい。
また、R32とHFO1234zeとの混合冷媒においては、R32の質量比率が43%(43質量%)以上である場合に、R410A冷媒を使用した場合よりも吐出冷媒温度が3℃以上高くなり、吸入インジェクションにより、吐出冷媒温度を低下させるようにすると、効果が大きい。
また、混合冷媒における冷媒種はこれに限るものではなく、その他の冷媒成分を少量含んだ混合冷媒であっても、吐出冷媒温度には大きな影響がなく、同様の効果を奏する。例えば、R32とHFO1234yfとその他の冷媒を少量含んだ混合冷媒などにおいても使用できる。
Claims (15)
- 圧縮機、冷媒流路切替装置、熱源側熱交換器、第1の絞り装置及び熱媒体間熱交換器を有し、これらが冷媒配管を介して接続され、冷媒循環回路を構成し、
ポンプ、前記熱媒体間熱交換器、及び利用側熱交換器を有し、これらが配管を介して接続され、熱媒体循環回路を構成した空気調和装置において、
暖房運転時における前記第1絞り装置の下流側であって前記熱源側熱交換器の上流側に設けられた第2の絞り装置と、
前記圧縮機の上流側に設けられた余剰冷媒を貯留するためのアキュムレータと、
一方が暖房運転時における前記第2の絞り装置の上流側に接続され、他方が前記圧縮機の吸入側と前記アキュムレータとの間の流路に接続された吸入インジェクション配管と、
前記吸入インジェクション配管に設けられた第3の絞り装置と、
暖房運転時における前記第2の絞り装置の上流側の冷媒圧力又は冷媒飽和温度を検出する中圧検出装置と、
前記圧縮機の吐出冷媒温度を検出する吐出冷媒温度検出装置と、
前記中圧検出装置及び前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果に基づいて、前記第2の絞り装置及び前記第3の絞り装置の開度を制御する制御装置と、
を有し、
前記冷媒配管の内部には、
冷媒として、R410Aよりも前記吐出冷媒温度が高温になる冷媒を循環させ、
前記制御装置は、
中圧の目標値と、前記中圧検出装置の検出結果又は予測値との偏差に基づいて前記第2の絞り装置の開度を制御する中圧制御を実施し、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が過渡的に上昇するときに起動制御を実施し、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が定常的であるときに定常制御を実施するものであり、
前記中圧制御を開始してから、前記起動制御及び前記定常制御の両方、又は、前記定常制御を開始して、前記吸入インジェクション配管を介して前記圧縮機の吸入側に供給する冷媒の流量を調整し、
前記中圧制御を開始してからは前記起動制御又は前記定常制御を開始するまで前記第3の絞り装置を閉とし、
前記起動制御では、
前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果と、第1の吐出冷媒温度の目標値とに基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御し、
前記定常制御では、
前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果と、前記第1の吐出冷媒温度の目標値とは異なる第2の吐出冷媒温度の目標値とに基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記起動制御における前記第3の絞り装置の開度を、前記定常運転における前記第3の絞り装置の開度よりも小さく設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記起動制御における前記第2の絞り装置の開度を、前記定常運転における前記第2の絞り装置の開度よりも大きく設定する
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。 - 前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する高圧検出装置を有し、
前記制御装置は、
前記吐出冷媒温度検出装置及び前記高圧検出装置の検出結果に基づいて前記圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を算出し、この過熱度を前記吐出冷媒温度に係る目標値として設定する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記起動制御は、
前記第1の吐出冷媒温度の目標値よりも前記第2の吐出冷媒温度の目標値を高い値に設定し、
前記起動制御において、前記第1の吐出冷媒温度の目標値と、前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果との偏差に基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御し、
前記定常制御において、前記第2の吐出冷媒温度の目標値と、前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果との偏差に基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の空気調和装置。 - 圧縮機、冷媒流路切替装置、熱源側熱交換器、第1の絞り装置及び熱媒体間熱交換器を有し、これらが冷媒配管を介して接続され、冷媒循環回路を構成し、
ポンプ、前記熱媒体間熱交換器、及び利用側熱交換器を有し、これらが配管を介して接続され、熱媒体循環回路を構成した空気調和装置において、
暖房運転時における熱源側熱交換器の上流側に設けられた第2の絞り装置と、
前記圧縮機の上流側に設けられた余剰冷媒を貯留するためのアキュムレータと、
一方が暖房運転時における前記第2の絞り装置の上流側に接続され、他方が前記圧縮機の吸入側と前記アキュムレータとの間の流路に接続された吸入インジェクション配管と、
前記吸入インジェクション配管に設けられた第3の絞り装置と、
暖房運転時における前記第2の絞り装置の上流側の冷媒圧力又は冷媒飽和温度を検出する中圧検出装置と、
前記圧縮機の吐出冷媒温度を検出する吐出冷媒温度検出装置と、
前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力を検出する高圧検出装置と、
前記中圧検出装置、前記吐出冷媒温度検出装置及び前記高圧検出装置の検出結果に基づいて、前記第2の絞り装置及び前記第3の絞り装置の開度を制御する制御装置と、
を有し、
前記冷媒配管の内部には、
冷媒として、R410Aよりも前記吐出冷媒温度が高温になる冷媒を循環させ、
前記制御装置は、
中圧の目標値と、前記中圧検出装置の検出結果又は予測値との偏差に基づいて前記第2の絞り装置の開度を制御する中圧制御を実施し、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が過渡的に上昇するときに実施する起動制御、及び前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が定常的であるときに実施する定常制御を実施し、前記吸入インジェクション配管を介して前記圧縮機の吸入側に供給する冷媒の流量を調整し、
前記起動制御では、
前記吐出冷媒温度検出装置及び前記高圧検出装置の検出結果に基づいて前記圧縮機から吐出される冷媒の過熱度を算出し、前記過熱度を前記第1の吐出冷媒温度の目標値として設定し、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が、予め設定される起動制御開始温度を超えると前記起動制御を開始し、
前記起動制御開始温度を超える以前の前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果に基づいて、前記起動制御開始温度を超えた後における前記吐出冷媒温度が到達する吐出温度終点予測値を算出し、
前記吐出温度終点予測値と前記第1の吐出冷媒温度の目標値との偏差に基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御し、
前記定常制御では、
前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果と、前記第1の吐出冷媒温度の目標値とは異なる第2の吐出冷媒温度の目標値とに基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が、予め設定される起動制御開始温度を超えると前記起動制御を開始し、
前記起動制御開始温度を超える以前の前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果に基づいて、前記起動制御開始温度を超えた後における前記吐出冷媒温度が到達する吐出温度終点予測値を算出し、
前記吐出温度終点予測値と前記第1の吐出冷媒温度の目標値との偏差に基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第3の絞り装置の開度を複数回に分けて制御して、
前記吐出温度終点予測値と前記第1の吐出冷媒温度の目標値との偏差に基づいて算出される前記第3の絞り装置の開度とする
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果が、前記起動制御開始温度を超えた後の制御のタイミングに、毎回前記吐出温度終点予測値を算出し、
当該算出結果に基づいて前記第3の絞り装置の開度を制御する
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記圧縮機の前記吐出冷媒温度が一次遅れ特性に基づいて変化すると仮定し、3つの異なる時刻の前記吐出冷媒温度検出装置の検出結果に基づいて前記吐出温度終点予測値を算出する
ことを特徴とする請求項6〜9のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 冷房運転時において前記熱源側熱交換器から前記第1の絞り装置へ冷媒が流れる場合の冷媒流路から冷媒を分流させる第1の冷媒分岐部と、
暖房運転時において前記第1の絞り装置から前記熱源側熱交換器へ冷媒が流れる場合の冷媒流路から冷媒を分流させる第2の冷媒分岐部と、
前記第1の冷媒分岐部と前記第2の冷媒分岐部とを接続し、その配管上に前記吸入インジェクション配管が接続された分岐配管と、
前記第1の冷媒分岐部と、前記分岐配管と前記吸入インジェクション配管との接続部との間に設置された第1の導通装置と、
前記第2の冷媒分岐部と、前記接続部との間に設置された第2の導通装置とを備えた
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷媒流路切替装置の作用により、前記熱源側熱交換器に高圧の冷媒を流して凝縮器として動作させ、かつ、前記熱媒体間熱交換器の一部又は全てに低圧の冷媒を流して蒸発器として動作させる冷房運転が可能であり、
前記冷房運転時、前記冷媒は前記第2の絞り装置を通らずに、前記冷媒循環回路を循環し、前記高圧の冷媒を前記第1の導通装置及び前記第3の絞り装置及び前記吸入インジェクション配管を介して前記圧縮機の吸入側に導入することが可能である
ことを特徴とする請求項11に記載の空気調和装置。 - 前記第1の冷媒分岐部は、
前記冷房運転と前記暖房運転の場合に、それぞれ異なる方向から冷媒が流入する位置に配置され、
前記第2の冷媒分岐部は、
前記冷房運転と前記暖房運転の場合に、同一の方向から冷媒が流入する位置に配置され、
前記第1の導通装置は、
前記第1の冷媒分岐部から前記吸入インジェクション配管へ流れる方向にのみ冷媒を導通させる逆流防止装置であり、
前記第2の導通装置は、
前記第2の冷媒分岐部から前記吸入インジェクション配管へ流れる方向にのみ冷媒を導通させる逆流防止装置である
ことを特徴とする請求項11又は12に記載の空気調和装置。 - 冷媒として、R32またはR32を62質量%以上含む混合冷媒を循環させる
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
冷房運転時において前記第2の絞り装置の開度を固定開度とする
ことを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の空気調和装置。
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