JP6105271B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を溜めるレシーバを利用して、冷媒回路を流れる冷媒量を調整する空気調和機に関する。

空気調和機において、圧縮機、四方弁、凝縮器、絞り装置、蒸発器が順に配管により接続され、冷媒が循環する冷凍サイクルが形成される。特許文献１に記載された空気調和機では、凝縮器と蒸発器との間に、冷媒を溜めるレシーバが設けられ、レシーバの前後に高圧側絞り装置と低圧側絞り装置とが接続される。冷媒の状態量が目標値になるように、各絞り装置の開口面積が制御され、冷凍サイクルを最適に維持する運転が行われる。

上記の空気調和機において、空調運転の起動時、圧縮機の運転が開始されると、高圧側絞り装置および低圧側絞り装置は、予め設定された初期起動開口面積になるように起動制御される。この起動制御では、各絞り装置の開口面積が大きい場合、圧縮機へ冷媒が多く流れ過ぎたり、逆に各絞り装置の開口面積が小さい場合、蒸発圧力を引き込みすぎて空調能力が低下したりするのを避けるように、初期起動開口面積が設定されている。その後、圧縮機の吐出温度が所定温度よりも高くなると、起動制御を終了し、冷媒の状態量が目標値になるように、各絞り装置の開口面積が制御される。

特開平１０−８９７８０号公報

上記の起動制御は、圧縮機の吐出温度が安定するまで、すなわち冷凍サイクルが安定するまで行われる。この間、各絞り装置の開度は変化しないため、レシーバに溜まっている冷媒量も変化しない。空調運転の起動時、レシーバに冷媒が多く溜まっている場合、冷媒サイクルを流れる冷媒量が最適冷媒量よりも少なくなり、空調能力が低下する。冷凍サイクルが安定するまでの間も空調運転が行われるが、この間の空調能力が低いため、十分な温風あるいは冷風が得られず、室温が設定された温度に達するまで時間がかかってしまう。

本発明は、上記に鑑み、空調運転の起動時の空調能力を高めて、快適な室内環境をすばやく実現できる空気調和機の提供を目的とする。

本発明は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を配管により接続して冷媒回路が形成され、冷媒回路に、冷媒を溜めるレシーバが設けられ、レシーバは、高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置を介して冷媒回路に接続され、空調運転の起動時にレシーバから冷媒を排出するように高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置を制御する制御装置を備えたものである。

空調運転の起動時、レシーバに溜まっている冷媒が排出されると、冷媒回路を循環する冷媒量が増える。冷媒量が多くなると、冷凍サイクルにおいて過冷却を多くとることができる。これにより、空調能力が高まる。特に、暖房運転時には、起動時からすぐに温風を吹き出すことができる。

高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置の制御として、制御装置は、低圧側流量調整装置を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置を通過する冷媒量よりも多くなるようにする。例えば、高圧側流量調整装置と低圧側流量調整装置とが同じタイプの場合、低圧側流量調整装置の開度が高圧側流量調整装置の開度よりも大きされる。あるいは、タイプに関係なく、低圧側流量調整装置が開かれ、高圧側流量調整装置が閉じられる。レシーバから冷媒回路に排出される冷媒量が冷媒回路からレシーバに流入する冷媒量よりも多くなるので、レシーバ内の冷媒が減っていき、レシーバには冷媒が溜まらない。

冷媒回路において、レシーバが絞り装置と並列に設けられ、制御装置は、空調運転の起動時、絞り装置を閉じる。膨張弁が閉じられると、冷媒は冷媒回路を循環しない。圧縮機は運転されているので、膨張弁の下流側の冷媒回路にある冷媒は、圧縮機に吸入されるため、レシーバに溜まっている冷媒も冷媒回路に引き込まれる。これにより、レシーバから冷媒がすばやく排出され、循環する冷媒量が急激に増え、空調能力を急速に高めることができる。

制御装置は、空調運転を起動してから所定のタイミングに達したとき、起動時の高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置に対する制御を終了する。空調運転における起動制御を続けていると、冷凍サイクルが安定する、レシーバに溜まっている冷媒がなくなるなどといったことが起こる。この起動制御を終了して、通常の運転制御が行われる。そこで、起動制御を行う必要がなくなるタイミングにおいて、起動制御が終了される。例えば、制御装置は、冷凍サイクルが安定したタイミングに応じて起動時の制御を終了する。

本発明によると、空調運転の起動時に、レシーバに冷媒を溜めないようにレシーバから冷媒を排出することにより、冷媒回路を循環する冷媒量が増え、空調能力を高めることができる。これによって、空調運転の開始からすぐに温風や冷風を吹き出すことができ、快適な室内環境をすばやく実現できる。

本発明の空気調和機の冷媒回路を示す図 冷房運転時の冷凍サイクルを示す図 暖房運転時の冷凍サイクルを示す図 空気調和機の制御ブロック図 循環する冷媒量が多いときのモリエル線図 空調運転の起動時の吐出温度の変化を示す図 冷凍サイクルの安定の判断方法を説明するための吐出温度の変化を示す図 過熱度および過冷却度を示すモリエル線図

本実施形態の空気調和機は、図１に示すように、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を配管で接続した冷媒回路を備えている。冷媒の流れ方向に沿って、上流側から順に圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４が配置される。

冷媒回路を流れる冷媒の流量を調整するために、冷媒回路に、冷媒を溜めるレシーバ５が設けられる。レシーバ５は、流量調整装置６，７を介して冷媒回路に接続される。レシーバ５は、膨張弁３とは並列に配置される。膨張弁３の上流側の配管から分岐した連結管がレシーバ５の入口に接続され、膨張弁３の下流側の配管から分岐した連結管がレシーバ５の出口に接続される。上流側の連結管は、凝縮器２と膨張弁３との間に接続され、下流側の連結管は、膨張弁３と蒸発器４との間に接続される。上流側の連結管に、高圧側流量調整装置６が介装され、下流側の連結管に、低圧側流量調整装置７が介装される。

膨張弁３は、冷媒の流量または圧力を調整する絞り装置である。絞り装置として、複数のキャピラリチューブを並べて、流路を切り替えるものであってもよい。また、流量調整装置６，７は、冷媒回路の配管とレシーバ５とを連通する、あるいは配管からレシーバ５を遮断するように、開閉することによって分岐管における冷媒の流れを制御する。すなわち、流量調整装置６，７は、レシーバ５内の冷媒の圧力を調整するものであり、膨張弁、流量調整弁、ストップ弁などを用いる。

本空気調和機は、室内機１０と室外機１１とからなるセパレートタイプである。空気調和機は、冷房運転、暖房運転などの空調運転を行う。図２，３に示すように、冷媒回路に四方弁１２が設けられる。室内機１０に、室内熱交換器１３が配され、室外機１１に、圧縮機１、四方弁１２、室外熱交換器１４、膨張弁３およびレシーバ５が配される。各熱交換器１３，１４に対して、それぞれ送風機が設けられる。なお、図中、１５は冷媒の充填時などに使用する二方弁、１６は同じく三方弁、１７はバイパス配管用の二方弁である。また、レシーバ５と室外熱交換器１４との間に、第１流量調整装置１８が介装され、レシーバ５と室内熱交換器１３との間に、第２流量調整装置１９が介装される。

圧縮機１から吐出された冷媒が、空調運転に応じて四方弁１２により流れ方向を切り替えられ、冷媒が凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を経て圧縮機１に戻る。このように冷媒が冷媒回路を循環する冷凍サイクルが形成される。図２に示すように、冷房運転あるいは除霜運転のとき、室内熱交換器１３が蒸発器となり、室外熱交換器１４が凝縮器となる。第１流量調整装置１８が高圧側流量調整装置となり、第２流量調整装置１９が低圧側流量調整装置となる。図３に示すように、暖房運転のとき、室内熱交換器１３が凝縮器となり、室外熱交換器１４が蒸発器となる。第２流量調整装置１９が高圧側流量調整装置となり、第１流量調整装置１８が低圧側流量調整装置となる。

図４に示すように、空気調和機は、冷凍サイクルを制御して、空調運転を制御する制御装置２０を備えている。空気調和機には、凝縮器２の温度を検出する凝縮器温度センサ２１、蒸発器４の温度を検出する蒸発器温度センサ２２、圧縮機１から吐出された冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ２３、室温センサ２４、外気温センサ２５が設けられる。制御装置２０は、所望の空調運転に応じて、これらの温度センサの出力に基づき、圧縮機１、送風機２６、膨張弁３、流量調整装置６，７の動作を制御して、冷凍サイクルを制御する。

なお、制御装置２０は、室内機１０に設けられた室内制御部と、室外機１１に設けられた室外制御部とから構成される。室内制御部と室外制御部とは互いに通信可能に接続され、両者が連携して室内機および室外機の動作を制御する。

空調運転が行われるとき、制御装置２０は、室温が設定温度になるように冷凍サイクルを制御する。このとき、制御装置２０は、空調運転に応じて冷媒回路を循環する冷媒量が最適になるように調整する。冷媒回路に充填された冷媒の一部は、レシーバ５に溜められ、残りの冷媒が冷媒回路を循環する。循環する冷媒量のうち、ＣＯＰが最大となるときの冷媒量が最適冷媒量される。最適冷媒量は、冷房運転あるいは暖房運転によって異なり、さらに圧縮機１の回転数、外気温によっても異なる。

空調運転が開始すると、制御装置２０は、設定温度と室温とに基づいて圧縮機１の目標回転数を設定し、目標回転数に応じて膨張弁３の開度を決める。制御装置２０は、決められた運転条件にしたがって圧縮機１、膨張弁３、送風機２６などを制御する。

制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したとき、最適冷媒量となるように冷媒量調整制御を行う。冷媒量調整制御では、空調運転の種類（冷房運転、暖房運転）、吐出温度、圧縮機の回転数、外気温などの運転状況に応じて、各流量調整装置６，７の開度が設定される。一般的に、室外熱交換器１４の容量は室内熱交換器１３の容量よりも大である。そのため、冷房運転時には、より多くの冷媒が必要となる。したがって、冷房運転時の最適冷媒量は暖房運転時の最適冷媒量よりも多くなる。

制御装置２０は、冷媒量調整制御を行うとき、現在の運転状況に基づいて高圧側および低圧側流量調整装置６，７の開度を決め、決められた開度になるように各流量調整装置６，７を制御する。なお、運転状況に応じた各流量調整装置６，７の開度は、実験等により予め決められ、メモリに記憶されている。制御装置２０は、空調運転中、現在の運転状況に応じた各流量調整装置６，７の開度をメモリから読み出し、読み出した開度に応じて各流量調整装置６，７を動作させる。なお、高圧側流量調整装置６および低圧側流量調整装置７は同じタイプの流量調整装置とされる。したがって、各流量調整装置６，７の開度の大小は流量調整装置６，７を通過する冷媒量の大小に対応する。開度が大きくなるほど、通過する冷媒量は増える。

ここで、本空気調和機では、運転起動時に空調能力を高めるための起動制御が行われる。起動制御では、冷媒回路を循環する冷媒量が通常の起動時における冷媒量よりも多くされる。すなわち、制御装置２０は、空調運転の起動時にレシーバ５から冷媒を冷媒回路に排出するために、低圧側流量調整装置７を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置６を通過する冷媒量よりも多くなるように各流量調整装置６，７を制御する。起動制御は、冷房運転、暖房運転のいずれの空調運転でも行われ、空調運転が起動してから所定のタイミングに達するまで行われる。制御装置２０は、各種センサの出力により所定のタイミングに達したかを監視し、所定のタイミングに達したことを確認すると、起動制御を終了する。これ以降、制御装置２０は、冷媒量調整制御を行う。

運転待機時、レシーバ５には冷媒が溜まっている。各流量調整装置６，７は全開されている。リモコンから運転開始の操作がされたとき、あるいはタイマ予約の設定時間になると、制御装置２０は、空調運転を開始する。制御装置２０は、空調運転の起動時、圧縮機１の運転を開始し、膨張弁３が所定の開度になるように膨張弁３を動作させる。これと同時に、各流量調整装置６，７を一旦閉じてからそれぞれの流量調整装置６，７が決められた開度になるように、各流量調整装置６，７を動作させる。

すなわち、制御装置２０は、低圧側流量調整装置７を開き、高圧側流量調整装置６を閉じる。なお、各流量調整装置６，７は同時に動作する。低圧側流量調整装置７は全開される。冷房運転の場合、第１流量調整装置１８が閉じ、第２流量調整装置１９が開く。暖房運転の場合、第１流量調整装置１８が開き、第２流量調整装置１９が閉じる。これによって、低圧側流量調整装置７を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置６を通過する冷媒量よりも多くなる。

冷媒回路を循環する冷媒は、膨張弁３によって減圧される。高圧側流量調整装置６が閉じることにより、レシーバ５には冷媒が流入しない。膨張弁３を通過した冷媒は圧力が下がり、レシーバ５内の冷媒と圧力差が生じる。レシーバ５内の圧力が高いので、レシーバ５内の冷媒は、レシーバ５から排出され、開いている低圧側流量調整装置７を通って冷媒回路に流れ込む。レシーバ５に冷媒は溜まらず、冷媒回路を循環する冷媒量が増える。

図５に示すように、空調運転の起動時に循環する冷媒量が増えると、レシーバ５から冷媒を排出しない通常の冷媒量（図中、実線で示すベース）の場合に比べ、凝縮器２の出口側の過冷却が大きく取れ、エンタルピーが増える。また、圧縮機１により断熱圧縮される冷媒が増え、冷媒の吐出温度が上昇する。このようにして、空調能力が高まる。特に、暖房運転の場合、運転開始からすぐに高温の冷媒が凝縮器２を通るので、通常の冷媒量の場合に比べて、早く室内機１０から温風を吹き出すことができる。これによって、室温を早く上げることができ、快適な室内環境をすばやく実現でき、利用者の快適性を向上できる。

起動制御が終了するタイミングは、冷凍サイクルが安定したときのタイミングとされる。制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したかを監視し、冷凍サイクルが安定したとき、起動制御を終了する。起動制御が終了すると、冷媒量調整制御が行われる。

冷凍サイクルが安定したか否かの判断は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度の変化によって行われる。制御装置２０は、吐出温度センサ２３の出力に基づいて、冷凍サイクルが安定したかを監視する。空調運転の開始後、吐出温度の変化が小さくなったとき、制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したと判断する。判断方法の１つとして、制御装置２０は、圧縮機１の運転開始からの吐出温度の平均温度と現時点の吐出温度との温度差をチェックする。両者の温度差が所定値以下になったとき、制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したと判断する。なお、起動制御時、圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度は一定とされる。

図６に示すように、吐出温度は運転開始から徐々に上昇する。平均温度は、圧縮機１の運転開始から現時点までの吐出温度を積分して算出される。また、所定値は、種々の圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度において、実験的に決められる。

現時点の吐出温度と平均温度との温度差は徐々に小さくなっていく。冷凍サイクルが安定してくると、吐出温度の変化は小さくなるが、平均温度は少しずつ高くなる。両者の温度差が徐々に小さくなり、温度差が所定値以下になると、冷凍サイクルは安定したと判断される。

他の判断方法として、所定期間における吐出温度の温度変化によって判断する。制御装置２０は、一定期間、吐出温度を監視する。この一定期間中の吐出温度の温度差が規定値以下になったとき、制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したと判断する。なお、起動制御時、圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度は一定とされる。

図７に示すように、冷凍サイクルが安定に近づいたと想定される所定温度になると、制御装置２０は、一定期間の吐出温度の監視を行う。制御装置２０は、一定期間の前後の吐出温度Ｔ１、Ｔ２の温度差を算出して、冷凍サイクルが安定したかを判断する。吐出温度が所定温度に達するまで、吐出温度の変化は大きい。しかし、冷凍サイクルが安定してくると、一定期間経過しても、吐出温度の変化は小さくなる。そのため、一定期間における吐出温度の温度差が規定値以下になると、冷凍サイクルは安定したと判断される。なお、所定温度および規定値は、種々の圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度において、実験的に決められる。

さらに他の判断方法として、図８に示す過熱度によって判断する。制御装置２０は、圧縮機１の運転開始から所定時間経過後に、過熱度が規定値になったとき、冷凍サイクルが安定したと判断する。過熱度は、蒸発器４の温度に基づいて求められる。あるいは、圧縮機１への冷媒の吸入温度と蒸発器４の入口側冷媒温度との差から求められる。なお、起動制御時、圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度は一定とされる。

圧縮機１の運転開始から所定時間経過すると、制御装置２０は、各種温度センサから過熱度を求め、規定値と比較する。過熱度が規定値に達したとき、制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したと判断する。

また、過熱度の代わりに、過冷却度によって判断してもよい。過冷却度は、凝縮器２の温度に基づいて求められる。あるいは、凝縮器２の出口側冷媒温度と圧縮機１からの吐出温度との差から求められる。圧縮機１の運転開始から所定時間経過すると、制御装置２０は、各種温度センサから過冷却度を求め、規定値と比較する。過冷却度が規定値に達したとき、制御装置２０は、冷凍サイクルが安定したと判断する。

起動制御の他の形態として、低圧側流量調整装置７の開度が高圧側流量調整装置６の開度より大きくされる。制御装置２０は、各流量調整装置６，７を同時に開く。このとき、制御装置２０は、低圧側流量調整装置７の開度が高圧側流量調整装置６の開度より大きくなるように、各流量調整装置６，７を制御する。圧縮機１の回転数および膨張弁３の開度は一定とされる。

低圧側流量調整装置７を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置６を通過する冷媒量が多くなるので、レシーバ５から排出される冷媒量がレシーバ５に流入する冷媒量よりも多くなる。したがって、レシーバ５に冷媒が溜まっている場合、溜まっている冷媒は徐々に排出され、冷媒回路を循環する冷媒量が増える。この場合、冷媒回路の冷媒は徐々に増えていく。この後、制御装置２０は、冷媒量調整制御を行う。

また、起動制御の他の形態として、高圧側流量調整装置６および膨張弁３が閉じられ、低圧側流量調整装置７が開かれる。制御装置２０は、圧縮機１の運転開始とともに膨張弁３および高圧側流量調整装置６を閉じ、低圧側流量調整装置７を開く。低圧側流量調整装置７は全開される。一定時間経過すると、制御装置２０は、膨張弁３を開く。この後、冷凍サイクルが安定するといった所定のタイミングに達すると、制御装置２０は、起動制御を終了する。この間、圧縮機１は、一定の回転数で運転される。

空調運転の起動時に膨張弁３が閉じられると、冷媒は冷媒回路を循環しない。ただし、圧縮機１は運転されているので、膨張弁３の下流側の冷媒回路にある冷媒は、圧縮機１に吸入される。そのため、レシーバ５に溜まっている冷媒も冷媒回路に引き込まれて、レシーバ５から排出される。これにより、レシーバ５から冷媒がすばやく排出され、循環する冷媒量を急激に増やすことができる。空調能力が急速に高まり、すばやく温風あるいは冷風を吹き出すことができ、設定された室温に達するまでの時間を短縮できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。起動制御の終了のタイミングとして、室温が設定温度に応じて決められた温度に達するときのタイミングとしてもよい。起動制御を行うことにより、急速暖房あるいは急速冷房が行われ、室温を設定温度に早く近づけることができる。そこで、室温が設定温度に達する手前の所定温度になったとき、起動制御が終了される。また、レシーバの冷媒量を検出する冷媒量検出器を設け、溜まっている冷媒量が所定量まで減ったときを起動制御の終了のタイミングとしてもよい。

レシーバは、出口と入口が別々に形成された構造であるが、１つの出入口を有する構造のレシーバであってもよい。この構造のレシーバでは、出入口に接続された１本の配管が分岐して、上流側の連結管および下流側の連結菅にそれぞれ接続される。

高圧側流量調整装置と低圧側流量調整装置とが異なるタイプのものを使用してもよい。この場合、各流量調整装置の開度と通過する冷媒量との関係は、使用するタイプによって異なる。各流量調整装置の開度と通過する冷媒量との関係は、実験等により予め決められ、メモリに記憶されている。制御装置は、低圧側流量調整装置を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置を通過する冷媒量より多くなるように、各流量調整装置の開度を制御する。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ レシーバ
６ 高圧側流量調整装置
７ 低圧側流量調整装置
１０ 室内機
１１ 室外機
１２ 四方弁
１３ 室内熱交換器
１４ 室外熱交換器
１８ 第１流量調整装置
１９ 第２流量調整装置
２０ 制御装置
２１ 凝縮器温度センサ
２２ 蒸発器温度センサ
２３ 吐出温度センサ
２４ 室温センサ
２５ 外気温センサ

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を配管により接続して冷媒回路が形成され、冷媒回路に、冷媒を溜めるレシーバが絞り装置と並列に設けられ、レシーバは、高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置を介して冷媒回路に接続され、空調運転の起動時にレシーバから冷媒を排出するように高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置を制御する制御装置を備え、運転待機時、各流量調整装置は全開とされ、空調運転の起動時、制御装置は、圧縮機の運転を開始し、絞り装置を動作させると同時に、各流量調整装置を一旦閉じてからそれぞれの流量調整装置を開くことを特徴とする空気調和機。
2. 制御装置は、低圧側流量調整装置を通過する冷媒量が高圧側流量調整装置を通過する冷媒量よりも多くなるように高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
3. 制御装置は、空調運転の起動時、絞り装置を閉じ、起動時の高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置に対する制御を終了する前に絞り装置を開くことを特徴とする請求項１または２記載の空気調和機。
4. 制御装置は、空調運転を起動してから冷凍サイクルが安定したタイミングに達したとき、起動時の高圧側流量調整装置および低圧側流量調整装置に対する制御を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和機。

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