JP6021401B2 - 空気調和機およびその制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機およびその制御装置に関するものである。

従来、圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁等の要素を備えた冷媒回路を用い、都市ガス等を燃料として駆動するガスエンジンにより圧縮機を駆動して室内の冷房及び暖房などの空調運転を行うガスヒートポンプ式空気調和機が知られている。
一般的に、冷媒回路に設けられる膨張弁は、ステッピングモータなどにより駆動される電子膨張弁が用いられ、ステッピングモータに与えるパルス数を増減させることによって弁開度が制御され、冷媒回路を流れる冷媒流量が調整される。

膨張弁の弁開度は、ステッピングモータに与えた累計パルス数に基づいて判断される。しかし、一定時間以上運転を継続していると、機械的な振動、流路内のゴミ等による引っかかりの原因により、累積パルス数と実際の弁開度とに次第にずれが生じ、弁開度制御の精度が低下する。
従来、このような膨張弁の制御誤差を解消するために、例えば、電源投入後所定時間経過毎の最初の運転停止時に、膨張弁を一旦全開状態とした後、全開状態に相当するパルス数に所定の加算数を追加したパルス数を閉方向に出力することにより、膨張弁を確実に全閉状態とし、この状態を基準位置として設定する電子膨張弁の制御方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平９−２８０６９６号公報 特開平９−８９３８７号公報

ところで、連続運転が必要とされる空気調和機に対して特許文献１に記載の電子膨張弁の制御方法を適用した場合、電源投入から所定時間経過しても運転が停止されないため、膨張弁の制御誤差を解消することができない。このため、膨張弁の制御精度が次第に低下し、制御上では膨張弁を全閉にしたつもりが、実際には全閉状態とされておらず、これに起因して、液冷媒が圧縮機へ戻る液バックが繰り返し発生し、圧縮機を損傷させてしまう可能性があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、膨張弁の制御誤差に起因する液バックの繰り返し発生を防止し、圧縮機の損傷を未然に防ぐことのできる空気調和機およびその制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、冷媒回路と、前記冷媒回路に設けられた圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒に含まれる潤滑油を分離するオイルセパレータと、前記オイルセパレータにより分離された潤滑油を貯えるオイルタンクと、前記冷媒回路に設けられた電子膨張弁とを備える空気調和機の制御装置であって、液バックを検知するための所定の液バック判定条件を満たした場合に、前記圧縮機を停止させる液バック保護制御手段と、前記液バック保護制御手段によって前記圧縮機が停止された場合に、前記電子膨張弁に対してリセットパルス数を閉める方向に与えて前記電子膨張弁を全閉状態とし、この状態の位置を全閉基準位置として設定する基準位置校正制御を行う膨張弁制御手段とを備え、前記リセットパルス数は、前記電子膨張弁を全閉状態から全開状態へするためのパルス数よりも大きなパルス数に設定され、前記液バック保護制御手段は、前記圧縮機の吐出過熱度が所定の第１規定過熱度未満となった状態が所定の第１期間経過した場合に、液バック判定フラグをオンとし、前記液バック判定フラグがオンの状態において、前記圧縮機の吐出過熱度が前記第１規定過熱度未満となった状態が前記第１期間よりも長く設定されている第２期間継続した場合、または、前記圧縮機の高圧側圧力が所定の第１規定圧力未満の場合において前記オイルタンクの温度が第１規定温度未満であり、前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力以上の場合において前記オイルタンクの温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度未満であり、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が所定の第１規定レート以下で、かつ、オイルタンク下の過熱度が所定の第２規定過熱度未満である場合、または、前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力未満の場合において前記オイルタンクの温度が前記第１規定温度未満であり、前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力以上の場合において前記オイルタンクの温度が前記第２規定温度未満であり、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が前記第１規定レートよりも大きく、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が前記第１規定レートよりも小さく設定されている第２規定レート以下の状態が所定の第３期間継続し、かつ、オイルタンク下の過熱度が前記第２規定過熱度未満である場合に、前記圧縮機を停止させる制御装置を提供する。

本発明によれば、液バック保護制御手段により圧縮機が停止された場合に、電子膨張弁に対してリセットパルス数を閉める方向に与える。リセットパルス数は、電子膨張弁を全閉状態から全開状態へするためのパルス数よりも大きなパルス数に設定されているので、電子膨張弁を確実に全閉状態とすることができる。そして、確実に全閉状態とされたときの位置を基準位置として新たに設定するので、長時間連続運転などに起因する位置制御誤差を解消することができ、膨張弁の制御精度を回復させることができる。
これにより、電子膨張弁の制御誤差に起因して、換言すると、電子膨張弁が確実に全閉状態とされていないことに起因して液バックが検知された場合には、液バックを防止することが可能となる。この結果、液バック保護制御手段による液バックの繰り返し検知を回避することができ、圧縮機の損傷を抑制することができる。
更に、前記液バック判定条件は、前記圧縮機の吐出側過熱度、前記オイルタンクの温度、および前記オイルタンクの温度低下の割合が判定要素として設定されている。したがって、オイルタンク温度の低下により、液バックの有無を判断でき、また、その低下割合によって液バック度合いを判断することができる。また、吐出側過熱度により、液バックによる吸入ガス飽和温度の低下を判断することができる。

上記制御装置において、前記膨張弁制御手段によって前記基準位置校正制御が実施されている期間は、前記圧縮機の運転を停止させることとしてもよい。

これにより、電子膨張弁の基準位置校正制御を正常に終了でき、電子膨張弁の制御誤差を確実に解消することができる。

上記制御装置において、前記電子膨張弁が複数設けられている場合に、前記膨張弁制御手段は、各前記電子膨張弁の基準位置校正制御を同時に行うこととしてもよい。

複数の電子膨張弁の基準位置校正制御を同時に行うので、基準位置校正制御を効率的に実行できる。

本発明は、上記いずれかの制御装置を備える空気調和機を提供する。

本発明によれば、膨張弁の制御誤差に起因する液バックの繰り返し発生を防止でき、圧縮機の損傷を未然に防ぐことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る空気調和機の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係る空気調和機の制御装置の機能ブロック図を示した図である。

以下、本発明の一実施形態に係る空気調和機について、図を参照して説明する。本実施形態に係る空気調和機１は、ガスエンジンにより圧縮機を駆動して室内の冷房及び暖房などの空調運転を行うガスヒートポンプ式空気調和機である。なお、本発明の空気調和機はガスヒートポンプ式空気調和機に限らず、例えば、電動駆動される圧縮機を備える空気調和機であってもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和機の概略構成を示した図である。図１に示すように、空気調和機１は、冷媒回路２を備えている。冷媒回路２には、圧縮機３、オイルセパレータ４、四方弁５、室外熱交換器６、暖房用膨張弁７、室内熱交換器８、及び冷房用膨張弁９、レシーバ１６が設けられている。このうち、圧縮機３、オイルセパレータ４、四方弁５、室外熱交換器６、レシーバ１６および暖房用膨張弁７は室外機１０内に、室内熱交換器８及び冷房用膨張弁９は、室内機１５内に設けられている。

圧縮機３は、ガスエンジン１１により駆動される。具体的には、ガスエンジン１１は、圧縮機３とシャフトにより直結されており、ガスエンジン１１から圧縮機３に動力が伝達されるようになっている。圧縮機３は、冷媒回路２の低圧側から低圧低温の冷媒を吸い込み、高温高圧に圧縮して高圧側へと吐出する。オイルセパレータ４は、圧縮機３から吐出された高温高圧の冷媒中に含まれている潤滑油を分離する。オイルセパレータ４により分離された潤滑油は、オイルタンク１２に蓄えられ、圧縮機３へと戻される。オイルタンク１２から圧縮機３へ戻される潤滑油の流量は、オイル配管Ｌに設けられた流量調節弁（図示略）の弁制御により調整される。
四方弁５は、例えば、パイロット圧によって駆動し、圧縮機３から吐出される高温高圧の冷媒を、冷房運転時には、室外熱交換器６側に送出し、暖房運転時には、室内熱交換器８側に送出する。

室外熱交換器６は、外気を送風する室外ファン１３が付設され、冷房運転時には、圧縮機３から供給される高温高圧の冷媒と外気とを熱交換させ、冷媒を凝縮液化させる凝縮器として機能する。一方、暖房運転時には、室外熱交換器６は、暖房用膨張弁７を経ることによって断熱膨張した低温低圧の二相冷媒と外気とを熱交換させ、冷媒を蒸発ガス化させる蒸発器として機能する。

室内熱交換器８は、室内空気を送風する室内ファン１４が付設され、冷房運転時には、冷房用膨張弁９を経ることによって断熱膨張した低温低圧の気液二相冷媒と空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を蒸発させることにより室内空気を冷却する蒸発器として機能する。一方、暖房運転時には、室外熱交換器８は、圧縮機３から供給される高温高圧の冷媒と空調する室内の空気とを熱交換させ、冷媒を凝縮させることにより室内空気を加熱する凝縮器として機能する。

暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９は、例えば、図示しないステッピングモータからのパルス電流によって弁開度が制御される電子膨張弁である。より具体的には、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９は、全閉状態が基準位置（０パルス）として設定され、ステッピングモータへの累計パルス数によって弁開度が制御される。例えば、開く方向へ制御される場合には正のパルスが与えられ、閉じる方向へ制御される場合には負のパルスが与えられる。

このような空気調和装置１では、冷房運転時においては、実線矢印で示すように、室外機１０に設けられた圧縮機３から吐出された高温・高圧の冷媒が、オイルセパレータ４、四方弁５を経て室外熱交換器６に送られ、ここで外気と熱交換することによって凝縮液化して液冷媒となり、室内機１５内に流入する。そして、液冷媒は、冷房用膨張弁９を通過する過程で、断熱膨張した後、室内熱交換器８へ送られ、ここで室内空気を冷却することによって蒸発気化する。室内熱交換器８において吸熱してガスになった冷媒は、室外機１０内に戻され、四方弁５、レシーバ１６を経て、圧縮機３に送られる。

一方、暖房運転時においては、点線矢印で示すように、室外機１０に設けられた圧縮機３から吐出された高温・高圧の冷媒が、オイルセパレータ４、四方弁５を経て室内機１５内に設けられた室内熱交換器８に送られる。室内熱交換器８において外気と熱交換することによって凝縮液化された液冷媒は、室外機１０に戻される。室外機１０において、液冷媒は、暖房用膨張弁７を通過する過程で、断熱膨張した後に、室外熱交換器６へ送られ、ここで大気と熱交換することで採熱し、蒸発気化する。室外熱交換器６において吸熱してガスになった冷媒は、四方弁５、レシーバ１６を経て、圧縮機３に送られる。

空気調和装置１には、オイルタンク１２内の圧力を計測する圧力センサ２１、オイルタンク内の温度を計測する温度センサ２２、圧縮機３から吐出される高圧側の冷媒圧力を計測する圧力センサ２３、圧縮機３の吐出側の冷媒温度を計測する温度センサ２４が設けられている。これらセンサによる計測値は、空気調和機の制御装置３０に出力される。

制御装置３０は、四方弁５の切り替え、圧縮機３の回転数、室内ファン１４の回転数、室外ファン１３の回転数、冷房用膨張弁９の開度、暖房用膨張弁７の開度等を制御する。
制御装置３０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、補助記憶装置、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置などを備えている。
補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラムが格納されており、ＣＰＵが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

図２は、制御装置３０が備える機能の一部を示した機能ブロック図である。図２に示されるように、制御装置３０は、液バック保護制御部３１と、膨張弁制御部３２とを備えている。ここで、図２に示した各部により実現される後述の各種処理は、ＣＰＵが補助記憶装置に記憶されている各種プログラムを主記憶装置に読み出して実行することにより実現されるものである。

液バック保護制御部３１は、液バックを判定するための液バック判定条件を予め保有しており、この液バック判定条件を満たした場合に、圧縮機３を停止させる。
液バック判定条件には、圧縮機３の吐出側過熱度、オイルタンク１２の温度、およびオイルタンク１２の温度低下の割合が判定要素として設定される。
例えば、液バック保護制御部３１は、圧力センサ２４および温度センサ２４からの計測値を用いて圧縮機３の吐出側過熱度を得、この吐出側過熱度が予め設定されている第１規定過熱度未満である状態が所定の第１期間維持されているか否かを判定する。ここで、第１規定過熱度、第１期間は、運用に応じて任意に決定される値であり、例えば、第１規定過熱度は２℃以上１２℃以下の範囲で設定され、第１期間は２０秒以上４０秒以下の範囲で設定される。
上記条件を満たした場合には、液バック判定フラグをオンとし、この状態において、更に、以下の条件１から条件３のいずれかの条件を満たすか否かを判定し、いずれかの条件を満たした場合に圧縮機を停止させる。

条件１：圧縮機吐出過熱度＜第１規定過熱度の状態が第２期間継続。
条件２：圧縮機吐出側圧力＜第１規定圧力の場合にオイルタンク温度＜第１規定温度、かつ、圧縮機吐出側圧力≧第１規定圧力の場合にオイルタンク温度＜第２規定温度、かつ、オイルタンク温度の低下割合≦第１規定レート、かつ、オイルタンク下の過熱度＜第２規定過熱度。
条件３：圧縮機吐出側圧力＜第１規定圧力の場合にオイルタンク温度＜第１規定温度、かつ、圧縮機吐出側圧力≧第１規定圧力の場合にオイルタンク温度＜第２規定温度、かつ、オイルタンク温度の低下割合＞第１規定レート、かつ、オイルタンク温度の低下割合≦第２規定レートの状態が第３期間継続し、かつ、オイルタンク下の過熱度＜第２規定過熱度。

上記条件１から条件３において、第１規定圧力、第１規定温度、第２規定温度（第１規定温度＜第２規定温度）、第１規定レート、第２規定レート（第１規定レート＞第２規定レート）、第２規定過熱度、および第３期間は、運用に応じて任意に決定される値である。
例えば、第１規定圧力は２．０ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の範囲で設定され、第１規定温度は４５℃以上５０℃以下の範囲で設定され、第２規定温度は５５℃以上６５℃以下の範囲で設定され、第１規定レートは−１℃／１０秒以下に設定され、第２規定レートは−０．５℃／１０秒に設定され、第２規定過熱度は１５ｄｅｇ以上２５ｄｅｇ以下の範囲で設定され、第３期間は６０秒に設定される。

また、条件２におけるオイルタンク下の過熱度は、圧力センサ２１および温度センサ２２の計測値から算出される。具体的には、圧力センサ２１の計測値から圧力温度表を用いて飽和温度を得、飽和温度と温度センサ２２の計測値との差分を算出することで過熱度を得る。

ここで、液バック保護制御部３１は、上記条件１から条件３のいずれかの条件が満たされた場合であっても、（ａ）起動時における圧縮機の回転数上昇制御中、（ｂ）起動時における圧縮機の回転数上昇制御終了から５分間、（ｃ）冷房油戻し制御終了から５分間、（ｄ）暖房油戻し制御終了から５分間、（ｅ）デフロスト制御終了から５分間のいずれかの場合に該当する場合には、液バック保護制御を行わない。すなわち、上記（ａ）から（ｅ）のいずれかに該当する場合には、圧縮機３を停止させず、運転状態を維持する。

液バック保護制御部３１は、液バック保護により圧縮機３を停止させた場合、所定期間（例えば、３分）経過すると、スタータによる液追い出し運転を実施し、その後、圧縮機３を再起動させる。そして、再起動の後も上述した液バック判定条件を満たすか否かを繰り返し判定し、条件を満たした場合には圧縮機３を停止させる。この場合において、液バック保護制御部３１は、連続して液バック判定が検知され、所定期間内に圧縮機３を４回停止した場合には、エラー通知を行うと共に空気調和機の運転を停止する。

膨張弁制御部３２は、液バック保護制御部３１によって液バック判定条件を満たすと判定され、圧縮機３が停止された場合に、基準位置校正制御を行う。
基準位置校正制御では、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９に対して、リセットパルス数を閉める方向に与え、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９を全閉状態とする。そして、この全閉状態での位置を全閉基準位置として設定する。
ここで、リセットパルス数は、通常運転時において、その電子膨張弁を全閉状態から全開状態へするためのパルス数よりも大きなパルス数に設定されている。例えば、電子膨張弁が４８０パルスで全閉状態から全開状態とされる場合、リセットパルス数は少なくとも４８０パルスよりも大きな値に設定される。リセットパルス数は、例えば、全閉状態から全開状態とするパルス数の１．５倍程度に設定されており、一例として、７０４パルスが挙げられる。

このような空気調和機１によれば、空気調和機の運転中において、液バック保護制御部３１により液バックが発生しているか否かが判定され、上述した液バック判定条件を満たした場合、すなわち、液バックフラグがオンの状態において、上記条件１から条件３のいずれかの条件を満たした場合に、圧縮機３が停止される。
液バック保護制御により圧縮機３が停止された場合には、膨張弁制御部３２により基準位置校正制御が開始され、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９に対して閉める方向にリセットパルス数が与えられる。これにより、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９は確実に全閉状態とされ、全閉状態の位置が基準全閉位置として設定される。

基準位置校正制御が終了すると、膨張弁制御部３２は、液バック保護制御部３１に対して基準位置校正制御が終了した旨を通知する。液バック保護制御部３１は、液バック保護制御による圧縮機３の停止が４回未満であり、かつ、圧縮機３の停止から３分経過後であり、かつ、膨張弁制御部３２から基準位置校正制御の終了通知を受信した場合に、液バックフラグをオフにして、圧縮機３を再起動させる。これにより、少なくとも基準位置校正制御が終了するまでは、圧縮機３は再起動されないこととなる。

そして、圧縮機３の運転中において液バック保護制御部３１では上述した液バックの判定処理が繰り返し行われ、この判定結果に応じて圧縮機の運転停止が行われることとなり、液バック保護制御による圧縮機停止が行われる度に、膨張弁制御部３２による基準位置校正制御が実行されることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る空気調和機１によれば、液バック保護制御により圧縮機３が停止された場合に、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９に対してリセットパルス数を弁が閉じる方向に与えるので、これら電子膨張弁を確実に全閉状態とすることができる。そして、確実に全閉状態とされたときの位置を基準位置として新たに設定するので、位置制御誤差を解消することができ、膨張弁の制御精度を回復させることができる。
これにより、暖房用膨張弁７および冷房用膨張弁９を弁開度指令に基づいて一定の精度をもって制御することができ、全閉指令の場合には確実に全閉状態とすることが可能となる。この結果、これらの電子膨張弁が制御誤差により全閉状態とされていないことに起因する液バックを防止することが可能となる。
この結果、液バック保護制御部３１により連続して液バックが判定されることを防止することができ、液バックに起因する、及び、液バック保護制御が繰り返し実施されることによる圧縮機の損傷を回避することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜必要に応じて変形実施、変更実施、および組み合わせて実施することができる。

１ 空気調和機
２ 冷媒回路
３ 圧縮機
４ オイルセパレータ
５ 四方弁
６ 室外熱交換器
７ 暖房用膨張弁
８ 室内熱交換器
９ 冷房用膨張弁
１１ ガスエンジン
１２ オイルタンク
１６ レシーバ
２１、２３ 圧力センサ
２２、２４ 温度センサ
３０ 制御装置
３１ 液バック保護制御部
３２ 膨張弁制御部

Claims (4)

1. 冷媒回路と、前記冷媒回路に設けられた圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒に含まれる潤滑油を分離するオイルセパレータと、前記オイルセパレータにより分離された潤滑油を貯えるオイルタンクと、前記冷媒回路に設けられた電子膨張弁とを備える空気調和機の制御装置であって、
   液バックを検知するための所定の液バック判定条件を満たした場合に、前記圧縮機を停止させる液バック保護制御手段と、
   前記液バック保護制御手段によって前記圧縮機が停止された場合に、前記電子膨張弁に対してリセットパルス数を閉める方向に与えて前記電子膨張弁を全閉状態とし、この状態の位置を全閉基準位置として設定する基準位置校正制御を行う膨張弁制御手段と
   を備え、
   前記リセットパルス数は、前記電子膨張弁を全閉状態から全開状態へするためのパルス数よりも大きなパルス数に設定され、
   前記液バック保護制御手段は、前記圧縮機の吐出過熱度が所定の第１規定過熱度未満となった状態が所定の第１期間経過した場合に、液バック判定フラグをオンとし、
   前記液バック判定フラグがオンの状態において、
   前記圧縮機の吐出過熱度が前記第１規定過熱度未満となった状態が前記第１期間よりも長く設定されている第２期間継続した場合、または、
   前記圧縮機の高圧側圧力が所定の第１規定圧力未満の場合において前記オイルタンクの温度が第１規定温度未満であり、前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力以上の場合において前記オイルタンクの温度が前記第１規定温度よりも高い第２規定温度未満であり、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が所定の第１規定レート以下で、かつ、オイルタンク下の過熱度が所定の第２規定過熱度未満である場合、または、
   前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力未満の場合において前記オイルタンクの温度が前記第１規定温度未満であり、前記圧縮機の高圧側圧力が前記第１規定圧力以上の場合において前記オイルタンクの温度が前記第２規定温度未満であり、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が前記第１規定レートよりも大きく、かつ、前記オイルタンクの温度の低下割合が前記第１規定レートよりも小さく設定されている第２規定レート以下の状態が所定の第３期間継続し、かつ、オイルタンク下の過熱度が前記第２規定過熱度未満である場合に、前記圧縮機を停止させる制御装置。
2. 前記膨張弁制御手段によって前記基準位置校正制御が実施されている期間は、前記圧縮機の運転を停止させる請求項１に記載の制御装置。
3. 前記冷媒回路に複数の前記電子膨張弁が設けられている場合において、前記膨張弁制御手段は、各前記電子膨張弁の基準位置校正制御を同時に行う請求項１または請求項２に記載の制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の制御装置を備える空気調和機。

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