JP6013108B2

JP6013108B2 - 輻射式空気調和機

Info

Publication number: JP6013108B2
Application number: JP2012208031A
Authority: JP
Inventors: 達永田; 大西　竜太; 竜太大西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2014062680A

Description

本発明は、冷媒管に設けた放熱部の熱輻射により少なくとも冷房を行う輻射式空気調和機に関する。

従来の輻射式空気調和機は特許文献１に開示されている。この輻射式空気調和機は冷媒管により圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、輻射パネルを順に接続して圧縮機に戻る冷凍サイクルを備えている。圧縮機の駆動によって冷媒管内を冷媒が流通して冷凍サイクルが運転され、四方弁の切り替えによって暖房運転及び冷房運転が行われる。また、輻射式空気調和機は室内熱交換器に送風するファンを備えた送風型空気調和機（例えば、セパレート型空気調和機でクロスフローファンを備えた室内機）とは異なり、輻射パネルに送風するファンを有しない。

暖房運転時には室外熱交換器が冷凍サイクルの低温部を構成し、輻射パネルが冷凍サイクルの高温部を構成する。冷房運転時には輻射パネルが冷凍サイクルの低温部を構成し、室外熱交換器が冷凍サイクルの高温部を構成する。

輻射パネルは冷媒管に金属製のフィンから成る放熱部を取り付けて形成される。放熱部は室内に露出し、放熱部の熱輻射によって室内の冷房または暖房が行われる。これにより、ファンによって室内の空気を攪拌しないため、使用者に快適な冷暖房を行うことができる。

特開平１０−２０５８０２号公報（第２頁−第３頁、第１図）

しかしながら、上記従来の輻射式空気調和機によると、冷房運転時の輻射パネルは低温（例えば、−２０℃）に降温される。この時、送風型空気調和機とは異なり、室内の空気が強制的に攪拌されないため輻射パネルと室内の空気との熱交換が迅速に行われず、冷媒が蒸発しにくくなる。このため、輻射パネルで未蒸発の液冷媒が圧縮機に戻る液バックが発生し、圧縮機の信頼性が低下する問題があった。

送風型空気調和機ではファンにより強制対流を起こして熱交換器と接触する空気の量を増やすことで、空気と冷媒との間で熱交換が迅速に行われる。このため、冷媒の状態変化が促されて十分な過熱度を確保することができるので、液バックは発生しにくい。しかし、輻射式空気調和機では自然対流のみのため輻射パネルと触れる空気の量はあまり多くない。このため、空気と冷媒との間で熱交換しにくく、過熱度がほとんど確保できない構造であるため、膨張弁等の制御により冷媒流量を調整すること自体が困難である。

本発明は、液バックを低減できる輻射式空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、冷媒が流通する冷媒管により接続される冷凍サイクルを運転する圧縮機と、室内に臨む放熱部を前記冷媒管に取り付けた輻射パネルと、計時を行う計時部とを備え、前記放熱部の輻射熱によって室内を冷房する輻射式空気調和機において、前記圧縮機を所定の回転数で駆動した後、前記計時部の計時によって所定時間が経過した際に回転数を低下させる減速運転を行うことを特徴としている。

この構成によると、圧縮機の駆動によって冷凍サイクルが運転され、冷媒管を冷媒が流通して冷房運転が行われる。冷凍サイクルの低温部を構成する輻射パネルの放熱部から放出される冷熱によって室内が冷却される。圧縮機が所定の回転数で駆動して輻射パネルが降温され、計時部による計時時間が所定時間を経過すると圧縮機の回転数を低下して減速運転が行われる。これにより、輻射パネルの降温の速度が遅延され、輻射パネルの冷媒管を流通する冷媒が室内の空気との熱交換によって十分蒸発して圧縮機に送られる。

また本発明は、上記構成の輻射式空気調和機において、前記冷凍サイクルに設けられる膨張弁の開度を前記減速運転時に前記圧縮機の回転数に応じて低下させるようにしてもよい。この構成によると、膨張弁で膨張した冷媒が輻射パネルに送られて蒸発し、輻射パネルが降温される。減速運転が行われると膨張弁の開度が低下し、輻射パネルに送られる冷媒量が減少する。これにより、輻射パネルの冷媒管を流通する冷媒が室内の空気との熱交換によってより確実に蒸発する。

また本発明は、上記構成の輻射式空気調和機において、冷房運転の開始時に前記圧縮機を第１の回転数で駆動した後に前記減速運転を行うようにしてもよい。この構成によると、冷房運転が開始されると輻射パネルを急速に冷却するため圧縮機が例えば、最大回転数で駆動される。所定時間が経過すると、圧縮機の回転数を低下して減速運転が行われる。

また本発明は、上記構成の輻射式空気調和機において、冷房運転の開始時の前記放熱部が所定温度よりも低い場合に第１の回転数よりも低い第２の回転数で前記圧縮機を駆動開始するようにしてもよい。

この構成によると、例えば、停電後の電源復帰により冷房運転の開始時に放熱部が所定温度よりも低い場合は圧縮機が第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動開始される。また、サーモＯＮ／ＯＦＦ制御（輻射パネルの表面温度が目標温度になった際に圧縮機を停止し、目標温度から離れたら圧縮機を再起動させる制御）において、圧縮機を再起動する際に放熱部が所定温度よりも低い場合は圧縮機が第１の回転数よりも低い第２の回転数で駆動開始される。このようにすることで、輻射パネルが降温された状態で圧縮機を大きい回転数で駆動することによる圧縮機への液冷媒の流入を防止することができる。

本発明によると、圧縮機への液冷媒の流入を低減し、輻射式空気調和機の信頼性を向上することができる。

本発明の実施形態の輻射式空気調和機を示す外観図本発明の実施形態の輻射式空気調和機の輻射パネルの冷媒管を示す上面断面図本発明の実施形態の輻射式空気調和機の冷凍サイクルを示す回路図本発明の実施形態の輻射式空気調和機の冷房運転時の動作を示すフローチャート本発明の実施形態の輻射式空気調和機の冷房運転時の圧縮機及び膨張弁の動作の一例を示すタイムチャート

以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は一実施形態の輻射式空気調和機を示す外観図である。輻射式空気調和機１は室内に設置される室内機を構成する輻射パネル１０と、屋外に設置される室外機２０とを備えている。また、輻射式空気調和機１は各部を制御するマイクロコンピュータ（不図示）を有し、マイクロコンピュータには計時を行う計時部（不図示）が設けられる。

輻射パネル１０と室外機２０との間は細管３ａ及び太管３ｂにより接続される。細管３ａ及び太管３ｂは冷媒が流通する冷媒管３（図２参照）を構成し、冷房運転時に細管３ａを液冷媒が流通して太管３ｂをガス冷媒が流通する。

輻射パネル１０は室内の壁面に沿って立設され、上下に延びて左右に並設される複数の放熱部１１が室内に臨んで配される。また、放熱部１１の温度を検知する温度センサ（不図示）が設けられる。

図２は輻射パネル１０の一部を示す上面断面図である。輻射パネル１０は上下端で屈曲して蛇行する冷媒管３の周囲に放熱部１１が取り付けられる。放熱部１１はアルミニウムの押し出し成形により形成され、多数のフィン１１ａを有している。輻射パネル１０の冷媒管３を冷媒が流通し、放熱部１１の熱輻射によって室内の冷房または暖房が行われる。放熱部１１を設けた冷媒管３を細管３ａと太管３ｂとの間で複数に分岐して並列に配してもよい。

図３は輻射式空気調和機１の冷凍サイクル５を示す回路図である。輻射式空気調和機１の冷凍サイクル５は冷媒管３を介して圧縮機２１、四方弁２２、室外熱交換器２３、膨張弁２４、輻射パネル１０、圧縮機２１が順に接続される。圧縮機２１、四方弁２２、室外熱交換器２３及び膨張弁２４は室外機２０内に設置され、室外機２０の一側面には細管３ａ及び太管３ｂがそれぞれ接続される二方弁２５及び三方弁２６が設けられる。また、室外機２内には室外熱交換器２３に対向する送風ファン２８が設けられる。

暖房運転時時には四方弁２２が図中、破線で示すように切り替えられる。圧縮機２１の駆動によって冷媒が矢印Ｓ１に示すように圧縮機２１、輻射パネル１０、膨張弁２４、室外熱交換器２３の順に流通して圧縮機２１に戻る。冷媒には例えばＨＦＣ系のＲ４１０ａやＲ３２等が用いられる。

圧縮機２１で圧縮された高温高圧の冷媒は輻射パネル１０で室内の空気との熱交換によって熱を奪われて凝縮する。輻射パネル１０で凝縮した高温の冷媒は膨張弁２４で減圧、膨張して低温低圧となり、室外熱交換器２３に送られる。室外熱交換器２３に流入する冷媒は送風ファン２８の駆動により周囲から吸熱しながら蒸発して低温のガス冷媒となり、圧縮機２１に戻る。これにより、冷媒が循環して冷凍サイクル５が運転され、放熱部１１の熱輻射によって室内の暖房が行われる。また、暖房運転による室外熱交換器２３の着霜は除霜運転によって除霜される。

冷房運転時や除霜運転時には四方弁２２が図中、実線で示すように切り替えられる。圧縮機２１の駆動によって冷媒が矢印Ｓ２に示すように圧縮機２１、室外熱交換器２３、膨張弁２４、輻射パネル１０の順に流通して圧縮機２１に戻る。圧縮機２１で圧縮された高温高圧の冷媒は室外熱交換器２３で送風ファン２８の駆動により周囲空気に熱を奪われて凝縮する。

室外熱交換器２３で凝縮した高温の冷媒は膨張弁２４で減圧、膨張して低温低圧となり、輻射パネル１０に送られる。輻射パネル１０に流入する冷媒は放熱部１１と室内の空気との熱交換により吸熱しながら蒸発して低温のガス冷媒となり、圧縮機２１に戻る。これにより、冷媒が循環して冷凍サイクル５が運転され、放熱部１１の熱輻射によって室内の冷却が行われる。

冷房運転時の輻射パネル１０は低温（例えば、−２０℃）に降温される。輻射式空気調和機１は室内熱交換器に送風するファンを備えた送風型の空気調和機（例えば、セパレート型空気調和機でクロスフローファンを備えた室内機）とは異なり、室内の空気が強制的に攪拌されない。

このため、輻射パネル１０と室内の空気との熱交換が迅速に行われず、冷媒が蒸発しにくくなる。これにより、輻射パネル１０で未蒸発の液冷媒が圧縮機２１に戻る液バックが発生し、圧縮機２１の信頼性が低下する。特に、冷房運転の開始時には圧縮機２１の回転数を大きくして輻射パネル１０を急速に冷却するため、液バックが発生し易くなっている。以下に上記の現象を低減できる制御について説明する。

図４は冷房運転時の詳細な動作を示すフローチャートである。また、図５は冷房運転時の圧縮機２１及び膨張弁２４の動作の一例を示すタイムチャートである。図５（ａ）の縦軸は圧縮機２１の回転数であり、横軸は時間である。図５（ｂ）の縦軸は膨張弁２４の開度であり、横軸は時間である。

冷房運転が開始されると、ステップ＃１１でフラグＦが初期化（Ｆ＝０）される。フラグＦは圧縮機２１の起動時に初期化され、起動シーケンスが終了すると１が代入される。起動シーケンスとは後述するステップ＃１５〜＃１９によって圧縮機２１を起動してから所定時間毎に圧縮機２１の回転数を下げる制御を液バックが起こりにくい回転数（Ｎ３）まで行うシーケンスのことである。尚、該所定時間は圧縮機２１を同じ回転数で運転を続けた場合に液バックが起こる時間よりも短いことは言うまでもない。

ステップ＃１２では膨張弁２４が使用範囲の最大の開度Ｐ０に設定される。ステップ＃１３では圧縮機２１が使用範囲の最大の回転数Ｎ０で駆動される。この時、膨張弁２４を開いた後、所定の遅延時間ΔＴ０だけ遅延して圧縮機２１が駆動される。圧縮機２１の駆動によって冷媒が循環して輻射パネル１０が急速に冷却される。

ステップ＃１４ではフラグＦが１か否かが判断される。フラグＦが１の場合は起動シーケンスが終了しているためステップ＃２０に移行する。フラグＦが０の場合は起動シーケンスが終了していないためステップ＃１５に移行する。ステップ＃１５では圧縮機２１が一定の回転数で駆動してから計時部の計時により所定時間が経過したか否かが判断される。所定時間が経過していない場合はステップ＃２０に移行する。

圧縮機２１を一定の回転数で駆動して所定時間が経過するとステップ＃１６で膨張弁２４の開度を所定量だけ低下させる。ステップ＃１７では圧縮機２１の回転数を所定量だけ低下させる。後述するようにステップ＃１４〜＃２８は繰り返し行われるため、時間の経過に伴って階段状に膨張弁２４の開度及び圧縮機２１の回転数が低下する。

即ち、区間Ｔ０では圧縮機２１が最大の回転数Ｎ０で駆動が開始され、計時部の計時時間が所定時間を経過すると区間Ｔ１に移行して圧縮機２１が回転数Ｎ０よりも低い回転数Ｎ１で駆動される。区間Ｔ１で計時部の計時時間が所定時間を経過すると区間Ｔ２に移行して圧縮機２１が回転数Ｎ１よりも低い回転数Ｎ２で駆動される。区間Ｔ２で計時部の計時時間が所定時間を経過すると区間Ｔ３に移行して圧縮機２１が回転数Ｎ２よりも低い最小の回転数Ｎ３で駆動される。従って、区間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は圧縮機２１の停止前に区間Ｔ０に対して圧縮機２１を減速した減速運転が行われる。尚、上記各所定時間は適切な時間が予め実験的に導出され、各区間Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で同じであってもよく異なっていてもよい。

区間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３では圧縮機２１の回転数の低下に伴って膨張弁２４が開度Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順に低下する。この時、膨張弁２４の開度を低下した後、所定の遅延時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３（ΔＴ２、ΔＴ３は不図示）だけ遅延して圧縮機２１が駆動される。

減速運転により輻射パネル１０の冷却の進行に伴って輻射パネル１０に送られる冷媒量が減少する。このため、輻射パネル１０の降温を遅延して輻射パネル１０を流通する冷媒を十分蒸発させることができ、圧縮機２１への液冷媒の流入を防止することができる。また、圧縮機２１の減速に伴って膨張弁２４の開度を低下させるため、輻射パネル１０に送られる冷媒量が確実に減少して圧縮機２１への液冷媒の流入を防止することができる。この時、圧縮機２１の回転数低下に対して膨張弁２４の開度低下を早期に行うため、圧縮機２１の減速の応答が遅れても冷媒量を減少させることができる。

ステップ＃１８では圧縮機２１の回転数が液バックの起こりにくい所定の回転数Ｎ３になったか否かが判断される。圧縮機２１が回転数Ｎ３でない場合はステップ＃２０に移行する。圧縮機２１が回転数Ｎ３になった場合は起動シーケンスが終了し、ステップ＃１９でフラグＦに１が代入される。

ステップ＃２０では輻射パネル１０の放熱部１１が設定制御温度から決定される所定の下限温度に到達したか否かが判断される。放熱部１１が下限温度に到達していない場合はステップ＃２４に移行する。放熱部１１が下限温度に到達した場合は輻射パネル１０を昇温させる通常の昇温制御が実施される。

即ち、ステップ＃２１で圧縮機２１が使用範囲の最小の回転数Ｎｍｉｎか否かが判断される。圧縮機２１が最小の回転数Ｎｍｉｎでない場合はステップ＃２２で圧縮機２１の回転数を低下させる。これにより、冷媒循環量が減少し、輻射パネル１０が昇温する。この時、膨張弁２４の開度は適切な冷媒循環量となるように自動的に調整される。また、圧縮機２１が最小の回転数Ｎｍｉｎの場合はステップ＃２３で圧縮機２１が停止される。

ステップ＃２４では輻射パネル１０の放熱部１１が設定制御温度から決定される所定の上限温度に到達したか否かが判断される。放熱部１１が上限温度に到達していない場合はステップ＃２８に移行する。放熱部１１が上限温度に到達した場合は輻射パネル１０を降温させる通常の降温制御が行われる。

即ち、ステップ＃２５では圧縮機２１が停止状態か否かが判断される。圧縮機２１が停止状態の場合はステップ＃２６でフラグＦが初期化される。圧縮機２１が停止状態でない場合はステップ＃２７に移行し、圧縮機２１の回転数を増加させる。これにより、冷媒循環量が増加し、輻射パネル１０が降温する。この時、膨張弁２４の開度は適切な冷媒循環量となるように自動的に調整される。

また、圧縮機２１が停止している場合にはステップ＃２７で圧縮機２１が所定の回転数Ｎ４で再度運転を開始される。この時、膨張弁２４が圧縮機２１の回転数に応じた開度Ｐ４に設定される。圧縮機２１は膨張弁２４を開いた後、所定の遅延時間ΔＴ４を遅延して駆動される。輻射パネル１０は低温状態で推移するため圧縮機２１が低い回転数でも下限温度まで迅速に低下する。このため、開度Ｐ４及び回転数Ｎ４は駆動開始時の開度Ｐ０及び回転数Ｎ０よりも低く設定され、省電力化が図られる。

これにより、ステップ＃２０〜＃２７で輻射パネル１０の温度に応じて圧縮機２１の回転数が適切に制御される。その結果、輻射パネル１０が設定制御温度から決定される下限温度と上限温度との間の温度、つまり設定制御温度付近の温度に維持される。

ステップ＃２８では輻射式空気調和機１の停止が指示されたか否かが判断される。輻射式空気調和機１の停止が指示された場合は運転を終了する。輻射式空気調和機１の停止が指示されていない場合はステップ＃１４〜＃２８が繰り返し行われる。

また、ステップ＃２３で圧縮機２１が停止した場合にはステップ＃２６でフラグＦが初期化されるため、ステップ＃１４の判断によって起動シーケンスに移行する。即ち、圧縮機２１が標準の回転数Ｎ４で駆動される区間Ｔ４で所定時間が経過すると区間Ｔ５に移行し、圧縮機２１を回転数Ｎ４よりも低い回転数で駆動して減速運転が行われる。これにより、輻射パネル１０の温度低下に伴って液冷媒が圧縮機２１に流入することを防止する。

本実施形態によると、圧縮機２１を所定の回転数で駆動して所定時間が経過した際に回転数を低下させる減速運転を行うので、輻射パネル１０の降温を遅延して輻射パネル１０を流通する冷媒を十分蒸発させることができる。これにより、圧縮機２１への液冷媒の流入を防止し、輻射式空気調和機１の信頼性を向上することができる。

また、膨張弁２４の開度を減速運転時に圧縮機２１の回転数に応じて低下させるので、圧縮機２１への液冷媒の流入をより確実に防止することができる。

また、冷房運転の開始時に圧縮機２１を最大の回転数Ｎ０で駆動し、その後減速運転を行う。これにより、冷房運転の開始時に圧縮機２１による冷却能力を高くして輻射パネル１０を迅速に降温するとともに、輻射パネル１０の蒸発能力が降温により低下すると減速運転によって圧縮機２１への液冷媒の流入を防止することができる。尚、冷房運転の開始時に圧縮機２１が最大の回転数Ｎ０でなくてもよく、輻射パネル１０を迅速に降温できる大きな回転数（第１の回転数）であればよい。

本実施形態において、冷房運転の開始時に放熱部１１を温度センサにより温度検知し、所定温度よりも低い場合に最大の回転数Ｎ０（第１の回転数）よりも低い回転数Ｎ４（第２の回転数）で圧縮機２１を駆動開始してもよい。これにより、一時停電の発生による電源復帰時に圧縮機２１が小さい回転数で駆動される。従って、輻射パネル１０が降温された状態で圧縮機２１を大きい回転数で駆動することによる圧縮機２１への液冷媒の流入を防止することができる。

また、例えば、輻射パネル１０の表面温度が目標温度になった際に圧縮機２１を停止し、輻射パネル１０の表面温度が目標温度から離れたら圧縮機２１を再起動させるサーモＯＮ／ＯＦＦ制御を行う際に、圧縮機２１を回転数Ｎ４（第２の回転数）で再起動させてもよい。

また、図５において、圧縮機２１が冷房運転の開始時に３回減速され、輻射パネル１０の温度に基づくサーモＯＮ／ＯＦＦ制御中に１回減速されるが、他の回数でもよい。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。例えば、圧縮機２１の回転数を下げてから膨張弁２４の開度制御を行うようにしてもよいし、圧縮機２１の回転数と膨張弁２４の開度制御を同時に行うようにしてもよい。また、本実施形態の輻射式空気調和機１は冷暖房を行えるものであるが、冷房専用の輻射式空気調和機であってもよい。

本発明によると、冷媒管に設けた放熱部の熱輻射により冷房を行う輻射式空気調和機に利用することができる。

１輻射式空気調和機
３冷媒管
３ａ細管
３ｂ太管
５冷凍サイクル
１０輻射パネル
１１放熱部
２０室外機
２１圧縮機
２２四方弁
２３室外熱交換器
２４膨張弁
２５二方弁
２６三方弁
２８送風ファン

Claims

冷媒が流通する冷媒管により接続される冷凍サイクルを運転する圧縮機と、室内に臨む放熱部を前記冷媒管に取り付けた輻射パネルと、計時を行う計時部とを備え、前記放熱部の輻射熱によって室内を冷房する輻射式空気調和機において、前記圧縮機を所定の回転数で駆動を開始した後、前記計時部の計時によって所定時間が経過した際に回転数を液バックの起こりにくい所定の回転数まで低下させる減速運転を行い、前記減速運転後に前記放熱部が所定の上限温度になると前記圧縮機の回転数を増加させるとともに前記放熱部が所定の下限温度になると前記圧縮機の回転数を減少させることを特徴とする輻射式空気調和機。
前記冷凍サイクルに設けられる膨張弁の開度を前記減速運転時に前記圧縮機の回転数に応じて低下させることを特徴とする請求項１に記載の輻射式空気調和機。
冷房運転の開始時に前記圧縮機を第１の回転数で駆動した後に前記減速運転を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の輻射式空気調和機。
冷房運転の開始時の前記放熱部が所定温度よりも低い場合に第１の回転数よりも低い第２の回転数で前記圧縮機を駆動開始することを特徴とする請求項３に記載の輻射式空気調和機。