JP6120808B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸発器への着霜を抑制する空気調和機に関する。
従来の圧縮機、凝縮器、電動膨張弁、蒸発器、四方弁を備えた空気調和機において、暖房運転の際、蒸発器内の冷媒の圧力飽和温度が、外気の露点温度以下であり、かつ、水の凝固点温度以下であった場合、外気中の水分が蒸発器により冷却されることで、蒸発器の放熱フィンに霜が生じていた。この着霜現象により、蒸発器を通過する風量が低下することで、蒸発器の熱交換性能が低下してしまうため、暖房運転を一時的に停止し、除霜運転により霜を融解する必要があった。
ここで、除霜運転開始前の吐出ガス温度の変化状態の履歴に基づいて、吐出ガス温度の履歴が高いほど、除霜運転後の暖房運転起動時において、電動膨張弁の初期開度を大きく設定する空気調和機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、除霜運転後の運転再開時に、膨張弁の開度を液バックの回避が可能な、例えば75%に固定すると共に、固定する時間を外気温度と庫内設定温度との差又は比が大きいほど長くする空気調和機が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、除霜運転後の暖房運転起動時において、電動膨張弁の初期開度を運転状態により変化させ、所定時間維持させることで圧縮機への液バックを防ぎ、安定動作へ収束させる空気調和機が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開平7−19674号公報(第2頁、第3頁) 特公平7−6716号公報(第3頁) 特開2000−111213号公報(第6頁、第7頁)
しかし、上記の特許文献1〜特許文献3に記載されている空気調和機では、除霜運転後の暖房運転において、圧縮機からの吐出ガス温度を基準として電動膨張弁の制御を行った場合、圧縮機の起動から電動膨張弁の開度が安定するまでの間に、吐出ガス温度が電動膨張弁の開度安定時の目標値をオーバーシュートする場合がある。
吐出ガス温度がオーバーシュートしている場合、電動膨張弁の開度は、吐出ガスの温度を下げるために、電動膨張弁の開度安定時の状態に比べると絞り込んだ状態に制御される。電動膨張弁が絞り込んだ状態であると、蒸発器内の冷媒の圧力が低下し、冷媒の飽和温度も低下する。
この時、蒸発器内の冷媒の蒸発温度が水の凝固点の温度以下である場合、外気中の水分が蒸発器により冷却され、蒸発器に霜が生じる。蒸発器に霜が生じると、次回の除霜運転が行われるまでの間は霜を蒸発器から取り除けないため、霜が肥大化し、蒸発器を通過する風量の低下を招いてしまう。これにより、蒸発器の熱交換性能が低下し、冷凍サイクルの成績係数が低下するという問題点があった。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、第一の目的は、除霜運転後の暖房起動時に、電動膨張弁が絞られることで生じる蒸発器への着霜を抑制させ、次回の除霜運転までの暖房運転時間を延長することで、冷凍サイクルの暖房運転から除霜運転を含めた積算時の成績係数が向上する空気調和機を得ることにある。
第二の目的は、圧縮機への液バックを防ぎつつ、圧縮機の吐出ガス温度のオーバーシュートを抑制しながら、安定運転までの移行時間を短縮させ、使用者の快適性を損なわせない空気調和機を得ることにある。
本発明に係る空気調和機は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、暖房運転及び除霜運転を切り換え可能とする切換弁と、を備える冷媒回路と、圧縮機から吐出される冷媒の温度データを検出する温度検出手段と、圧縮機から吐出される冷媒の温度の目標値に基づいて、膨張弁を制御する制御装置と、冷媒の温度データを記憶する記憶装置と、を備え、制御装置は、温度検出手段により検出した現在の冷媒の温度データと、記憶装置に記憶されている過去の冷媒の温度データを用いて、基準時間経過後の吐出冷媒温度の第一の予測値、及び基準時間より後の吐出冷媒温度の第二の予測値を算出し、目標値と第一の予測値の差分に応じて、膨張弁の開度変化量を算出し、目標値が第二の予測値を下回った場合には、膨張弁の開度変化量の絶対値が小さくなるように補正し、目標値が第二の予測値を下回らなかった場合には、膨張弁の開度変化量を補正せず、膨張弁の開度を制御するものである。
本発明によれば、空気調和機の除霜運転後における暖房運転の起動時において、蒸発器への着霜を抑制することで、暖房の運転時間を延長させ、暖房運転から除霜運転までを積算した時の成績係数を向上させ、空気調和機の消費電力を低下させる効果を得ることができる。
本発明の実施の形態1における空気調和機の構成図である。 本発明の実施の形態1における制御装置の制御動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1における制御と従来技術による制御との、温度の比較を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態1における制御と従来技術による制御との、電動膨張弁の開度の比較を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態1における制御と従来技術による制御との、冷媒の吸引圧力の比較を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態1における制御と従来技術による制御との、消費電力の比較を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態2における制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
実施の形態1.
図1及び図2は、本発明の実施の形態1を示す図である。
図1は、本発明の実施の形態1における空気調和機の構成図である。図1に示されるように、空気調和機100は、圧縮機1、冷媒配管2、四方弁3、凝縮器4、電動膨張弁A5、レシーバ6、電動膨張弁B7、蒸発器8、吸入温度検出手段10、吸入圧力検出手段11、吐出温度検出手段12、吐出圧力検出手段13、記憶装置14、制御装置15及び蒸発温度センサ16により構成されている。
空気調和機100を構成する、圧縮機1、四方弁3、凝縮器4、電動膨張弁A5、レシーバ6、電動膨張弁B7及び蒸発器8は、それぞれ冷媒配管2を介して接続されている。圧縮機1は、冷媒を吸引し、冷媒を圧縮して四方弁3に吐出する。
吸入温度検出手段10及び吸入圧力検出手段11は、圧縮機1の吸入側の冷媒配管2に設けられている。吸入温度検出手段10は、圧縮機1に吸入される冷媒の温度を検出する。また、吸入圧力検出手段11は、圧縮機1に吸入される冷媒の圧力を検出する。
一方、吐出温度検出手段12及び吐出圧力検出手段13は、圧縮機1と四方弁3との間の冷媒配管2に設けられている。吐出温度検出手段12は、圧縮機1から吐出される冷媒の温度を検出する。また、吐出圧力検出手段13は、圧縮機1から吐出される冷媒の圧力を検出する。
制御装置15は、例えばマイコンで構成され、吸入温度検出手段10、吸入圧力検出手段11、吐出温度検出手段12、吐出圧力検出手段13及び蒸発温度センサ16から冷媒の温度及び圧力のデータを取り込んで、記憶装置14に記憶する。また、制御装置15は、記憶装置14から上記のデータを読み出し、後述する方法により四方弁3、電動膨張弁A5及び電動膨張弁B7などを制御する。
記憶装置14は、上記のデータに加え、後述する圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と基準時間経過後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値の差分に応じた電動膨張弁B7の開度変化量が記憶されている。なお、本実施の形態1における基準時間としては、例えば1分を設定する。
次に、空気調和機100の運転動作について、図1を参照しつつ説明する。
暖房運転の際は、圧縮機1から吐出された冷媒が、四方弁3を経由し、凝縮器4で凝縮され、電動膨張弁A5及びレシーバ6を通過し、電動膨張弁B7で減圧され蒸発器8で蒸発して空気を冷却する。その後、冷媒は、レシーバ6内の冷媒と熱交換をして圧縮機1に吸入される。
除霜運転の際は、圧縮機1から吐出された高温高圧の冷媒が、四方弁3を経由し、蒸発器8に送られる。高温高圧の冷媒は蒸発器8で熱交換され、蒸発器8に生じた霜を融解する。その後、冷媒は、電動膨張弁B7及びレシーバ6を通過し、電動膨張弁A5で減圧され凝縮器4で熱交換して空気を冷却し、レシーバ6内の冷媒と熱交換して圧縮機1に吸入される。
図2は、本発明の実施の形態1における制御装置15の制御動作を示すフローチャートである。以下、図2の各ステップに基づき図1を参照しつつ説明する。
(S100)
圧縮機1の起動後、5分が経過する。
(S101)
制御装置15は、吸入圧力検出手段11により検出された冷媒の吸入圧力及び吐出圧力検出手段13により検出された吐出圧力を用いて、圧縮機1の吐出ガス温度の目標値を算出する。
以下、冷媒の圧力と過熱度により、圧縮機1の吐出ガス温度の目標値を算出する考えの一例を示す。まず、p−h線図(図示せず)において、冷媒の吸入圧力が示す等圧線を求め、等圧線が示す飽和温度を求める。次に、その飽和温度に予め設定されている過熱度を加えた温度を求め、その温度を示す等温線と上記等圧線との交点を求める。そして、その交点から等エントロピー線に沿って、冷媒の吐出圧力が示す等圧線との交点を求める。最後に、その交点を通る等温線の温度を圧縮機1の吐出ガス温度の目標値として算出する。
このようなことから、例えば、冷媒の過熱度が予め設定された値である場合における、吸入圧力、吐出圧力、及び吐出ガス温度の特性の理論値又は実験データ等を、予め記憶装置14にテーブルとして記憶しておく。そして、このテーブルを参照して、吸入圧力検出手段11により検出された吸入圧力、及び吐出圧力検出手段13により検出された吐出圧力に対応する吐出温度を、吐出温度の目標値とする。
(S102)
制御装置15は、吐出温度検出手段12により検出した現在の吐出ガス温度と、記憶装置14に記憶されている過去5分間の吐出ガス温度を用いて、1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を算出する。算出には、例えば回帰分析を用いる。
(S103)
制御装置15は、記憶装置14から圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値の差分に応じた電動膨張弁B7の開度変化量を参照する。次に、圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値の差分に応じて、電動膨張弁B7の開度変化量を算出する。
(S104)
今回の圧縮機1の起動が除霜運転後であったかを判定する。除霜運転後であった場合は、ステップS105に移行し、除霜運転後でなかった場合は、ステップS109へ移行する。
(S105)
上述した電動膨張弁B7の開度変化量が閉める方向である場合には、ステップS106へ移行し、それ以外の場合はステップS109へ移行する。なお、電動膨張弁B7の開度変化量の閉める方向を負の値で表し、開く方向を正の値で表す。
(S106)
吐出温度検出手段12により検出された現在の吐出ガス温度と、記憶装置14に記憶されている過去5分間の吐出ガス温度を用いて、5分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を算出する。算出には、例えば回帰分析を用いる。
なお、ここでは5分後の吐出ガス温度の予測値を算出しているが、5分後とは例えであり、ステップS102で算出した吐出ガス温度の予測値を求めた時間より後であれば良く、空気調和機100の運転条件に応じて変化させて良い。
(S107)
ステップS101で算出した圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と、ステップS106で算出した5分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を比較する。予測値が目標値を超える場合は、オーバーシュートするのでステップS108へ移行し、それ以外の場合は、ステップS109へ移行する。
(S108)
電動膨張弁B7の開度変化量の絶対値が小さくなるように補正する。なお、本実施の形態1における絶対値としては、例えば0を設定する。
(S109)
ステップS103又はステップS108で算出された開度変化量に基づいて電動膨張弁B7を制御する。
図3(a)〜図3(d)は、本発明の実施の形態1における制御と従来技術による制御との比較を示すタイムチャートである。図3(a)〜図3(d)の実線のグラフは、本実施の形態1における制御を行った場合のタイムチャートを表し、破線のグラフは、従来技術による制御を行った場合のタイムチャートを表す。
図3(a)の横軸は圧縮機1の起動時間を示し、縦軸は圧縮機1から吐出されるガスの温度を示す。図3(a)に示されるように、圧縮機1の起動後、約5分を経過した後でも、本実施の形態1における制御を行うことで、圧縮機1から吐出されるガスの温度はオーバーシュートをすることなく、安定運転までの移行時間を短縮することが可能となる。
同様に、図3(b)の縦軸は、電動膨張弁B7の開度を示し、図3(c)の縦軸は、冷媒の吸入圧力を示し、図3(d)の縦軸は、圧縮機1の消費電力を示している。図3(b)〜図3(d)に示されるように、圧縮機1の起動後、約5分を経過した後でも、圧縮機1から吐出されるガスの温度はオーバーシュートすることがないため、電動膨張弁B7の絞り込み及び吸入圧力の低下等が発生することなく、空気調和機100の安定した運転を早期に行うことが可能となる。
以上のように、除霜運転後の暖房起動時に、圧縮機1から吐出されるガスの温度がオーバーシュートする場合に、電動膨張弁B7が絞られることにより生じる蒸発器8への着霜を抑制することができる。そして、次回の除霜運転までの暖房運転時間を延長することで、冷凍サイクルの暖房運転から除霜運転を含めた積算時の成績係数が向上する空気調和機100を得ることが可能となる。
なお、本実施の形態1において、電動膨張弁B7の開度変化量を0に補正しているが、本発明はこれに限定されず、0以外の値に補正しても良い。
また、ステップS100において、圧縮機1の起動後、5分経過した後から電動膨張弁B7の制御を開始しているが、本発明はこれに限定されず、5分以外の時間を経過した後から制御を開始しても良い。
さらに、ステップS102において、1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を算出しているが、本発明はこれに限定されず、1分後以外の例えば30秒後又は2分後などの予測値を算出しても良い。
同様に、ステップS102及びステップS106において、過去5分間の吐出ガス温度を用いているが、本発明はこれに限定されず、過去5分間以外の例えば過去3分間の吐出ガス温度を用いても良い。これらのことは、後述する実施の形態2でも同様である。
なお、電動膨張弁B7は、本発明における「膨張弁」に相当する。
また、四方弁3は、本発明における「切換弁」に相当する。
また、吐出温度検出手段12及び吸入温度検出手段10は、本発明における「温度検出手段」に相当する。
また、吸入圧力検出手段11及び吐出圧力検出手段13は、本発明における「圧力検出手段」に相当する。
また、基準時間経過後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値は、本発明における「第一の予測値」に相当する。
また、5分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値は、本発明における「第二の予測値」に相当する。
実施の形態2.
本実施の形態2における空気調和機100の構成は実施の形態1と同様であるため、以下、実施の形態1との相違点を中心に本実施の形態2を説明する。実施の形態1は、開度変化量を0に補正する形態であったが、本実施の形態2は、開度変化量に補正係数を乗算して補正する点で相違する。
図4は、本発明の実施の形態2における制御装置15の制御動作を示すフローチャートである。以下、図4の各ステップに基づき図1を参照しつつ説明する。
(S200)
圧縮機1の起動後、5分が経過する。
(S201)
制御装置15は、吸入圧力検出手段11により検出された冷媒の吸入圧力及び吐出圧力検出手段13により検出された吐出圧力を用いて、圧縮機1の吐出ガス温度の目標値を算出する。目標値の算出方法は、上記ステップS101で述べた方法と同様である。
(S202)
制御装置15は、吐出温度検出手段12により検出した現在の吐出ガス温度と、記憶装置14に記憶されている過去5分間の吐出ガス温度を用いて、基準時間経過後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を算出する。算出には、例えば回帰分析を用いる。なお、本実施の形態2における基準時間としては、例えば1分を設定する。
(S203)
制御装置15は、記憶装置14から圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値の差分に応じた電動膨張弁B7の開度変化量を参照する。次に、圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と1分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値の差分に応じて、電動膨張弁B7の開度変化量を算出する。
(S204)
今回の圧縮機1の起動が除霜運転後であったかを判定する。除霜運転後であった場合は、ステップS205に移行し、除霜運転後でなかった場合は、ステップS211へ移行する。
(S205)
上述した電動膨張弁B7の開度変化量が閉める方向(負の値)である場合には、ステップS206へ移行し、それ以外の場合はステップS211へ移行する。
(S206)
吐出温度検出手段12により検出された現在の吐出ガス温度と、記憶装置14に記憶されている過去5分間の吐出ガス温度を用いて、5分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を算出する。算出には、例えば回帰分析を用いる。
なお、ここでは5分後の吐出ガス温度の予測値を算出しているが、5分後とは例えであり、ステップS202で算出した吐出ガス温度の予測値を求めた時間より後であれば良く、空気調和機100の運転条件に応じて変化させて良い。
(S207)
ステップS201で算出した圧縮機1の吐出ガス温度の目標値と、ステップS206で算出した5分後の圧縮機1の吐出ガス温度の予測値を比較する。予測値が目標値を超える場合は、オーバーシュートするのでステップS209へ移行し、それ以外の場合は、ステップS208へ移行する。
(S208)
吸入温度検出手段10で検出された吸入ガス温度と、冷媒ガスの低圧飽和温度を比較する。吸入ガス温度から低圧飽和温度を減算した値(以下、過熱度という。)が基準値以上の場合は、冷媒相状態が過熱蒸気であるため、ステップS209へ移行する。過熱度が基準値未満の場合は、ステップS211へ移行する。なお、本実施の形態2における基準値としては、例えば5Kを設定する。
(S209)
電動膨張弁B7の開度変化量の補正係数を変更する。補正係数は運転条件により、−1〜1の範囲で設定される。例えば、電動膨張弁B7の開度変化量を維持する場合は、補正係数を1として設定する。また、上述の実施の形態1のように電動膨張弁B7の開度変化量を0としたい場合は、補正係数を0として設定する。さらに、電動膨張弁B7の絞り込みを防ぐ制御を行う際は、補正係数を「1.0≧補正係数≧−1.0」の範囲で適宜変更する。
(S210)
電動膨張弁B7の開度変化量に補正係数を乗算し、新たな電動膨張弁B7の開度変化量を算出する。
(S211)
ステップS203又はステップS210で算出された開度変化量に基づいて電動膨張弁B7を制御する。
(S212)
電動膨張弁B7の補正係数を初期値へ変更する。
以上のように、除霜運転後の暖房起動時に、圧縮機1から吐出されるガスの温度がオーバーシュートする場合に、電動膨張弁B7が絞られることにより生じる蒸発器8への着霜を抑制することができる。そして、次回の除霜運転までの暖房運転時間を延長することで、冷凍サイクルの暖房運転から除霜運転を含めた積算時の成績係数が向上する空気調和機100を得ることが可能となる。
また、電動膨張弁B7の開度変化量に補正係数を乗じて補正をすることで、圧縮機1への液バックを防ぎつつ、安定運転までの移行時間を短縮させ、使用者の快適性を損なわせない空気調和機100を得ることが可能となる。
なお、本実施の形態2において、電動膨張弁B7の開度変化量が閉める方向(負の値)の場合に、補正係数を乗じて補正を行ったが、本発明はこれに限定されず、電動膨張弁B7の開度変化量が開く(正の値)の場合にも同様に、補正係数を乗じて補正を行うことができる。
また、ステップS208において、基準値として過熱度が5K以上であるか否かで各ステップへの移行を判断しているが、本発明はこれに限定されず、5K以外の値を基準値としても良い。
1 圧縮機、2 冷媒配管、3 四方弁、4 凝縮器、5 電動膨張弁A、6 レシーバ、7 電動膨張弁B、8 蒸発器、10 吸入温度検出手段、11 吸入圧力検出手段、12 吐出温度検出手段、13 吐出圧力検出手段、14 記憶装置、15 制御装置、16 蒸発温度センサ、100 空気調和機。

Claims (5)

  1. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、暖房運転及び除霜運転を切り換え可能とする切換弁と、を備える冷媒回路と、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の温度データを検出する温度検出手段と、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の温度の目標値に基づいて、前記膨張弁を制御する制御装置と、
    前記冷媒の温度データを記憶する記憶装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記温度検出手段により検出した現在の冷媒の温度データと、前記記憶装置に記憶されている過去の冷媒の温度データを用いて、基準時間経過後の吐出冷媒温度の第一の予測値、及び前記基準時間より後の吐出冷媒温度の第二の予測値を算出し、
    前記目標値と前記第一の予測値の差分に応じて、前記膨張弁の開度変化量を算出し、
    前記目標値が前記第二の予測値を下回った場合には、前記膨張弁の開度変化量の絶対値が小さくなるように補正し、
    前記目標値が前記第二の予測値を下回らなかった場合には、前記膨張弁の開度変化量を補正せず、
    前記膨張弁の開度を制御する、
    ことを特徴とする空気調和機。
  2. 前記制御装置は、
    前記目標値が前記第二の予測値を下回った場合には、前記膨張弁の開度変化量を0に補正する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
  3. 圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、暖房運転及び除霜運転を切り換え可能とする切換弁と、を備える冷媒回路と、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の温度データ及び前記圧縮機から吐出される冷媒の温度データを検出する温度検出手段と、
    前記圧縮機から吐出される冷媒の温度の目標値に基づいて、前記膨張弁を制御する制御装置と、
    前記冷媒の温度データを記憶する記憶装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記温度検出手段により検出した現在の冷媒の温度データと、前記記憶装置に記憶されている過去の冷媒の温度データを用いて、基準時間経過後の吐出冷媒温度の第一の予測値、及び前記基準時間より後の吐出冷媒温度の第二の予測値を算出し、
    前記目標値と前記第一の予測値の差分に応じて、前記膨張弁の開度変化量を算出し、
    前記目標値が前記第二の予測値を下回った場合、又は、前記目標値が前記第二の予測値を下回らなかった場合で、過熱度が基準値以上の場合は、前記膨張弁の開度変化量に補正係数を乗算し、
    前記目標値が前記第二の予測値を下回らなかった場合、かつ、過熱度が前記基準値未満の場合は、前記膨張弁の開度変化量を補正せず、
    前記膨張弁の開度を制御する、
    ことを特徴とする空気調和機。
  4. 前記補正係数は、−1〜1の範囲の値である、
    ことを特徴とする請求項3に記載の空気調和機。
  5. 前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力データ及び前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力データを検出する圧力検出手段を更に備え、
    前記制御装置は、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の圧力データ及び前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力データに基づいて前記目標値を算出する、
    ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の空気調和機。
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