JP6151079B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、空気調和機に関する。

従来、ＨＦＣ混合冷媒を用いて冷凍サイクルを構成した空気調和機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２２０８８１号公報

しかしながら、冷媒を冷凍サイクルに封入する封入量は使用する冷媒によって異なっており、適切な冷媒を選択すれば封入量を削減することができる一方、封入量を削減した場合には、適切な制御を行わなければ結露の発生や空気調和機の過熱等の障害を引き起こすおそれがある。
本実施形態は、冷媒の封入量を削減することができるとともに、障害を引き起こすおそれを抑制できる空気調和機を提供する。

実施形態の空気調和機は、インバータ制御により回転数が可変の圧縮機、室外熱交換器および電子膨張弁を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機と、室内機および室外機との間を接続する冷媒配管と、圧縮機の運転周波数および電子膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備えた空気調和装置において、冷媒としてＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）単一冷媒を使用し、冷房運転時における室内熱交換器の冷媒配管路の中間位置に主管サーミスタを設けるとともに、当該冷媒配管部材の入口側配管位置に補助サーミスタを設けてそれぞれの部位の温度を測定し、制御装置は、冷房運転時における主管サーミスタに対する補助サーミスタの温度差が予め定められている基準値以上になると、電子膨張弁の開度をＨＦＣ単一冷媒の特性に合わせて開側に制御する。

一実施形態における空気調和機の構成を模式的に示す図 室内熱交換器を示す図で、（Ａ）は外観を模式的に示す図、（Ｂ）は冷媒の流れを模式的に示す図 ＪＩＳで定められている冷房標準使用条件と、冷房運転可能な室内、室外の温度範囲の限界条件における正常な冷房運転時の主管サーミスタの温度と補助サーミスタの温度との関係を示す図 冷房能力毎の温度差と圧縮機の運転周波数との関係を示す図 設定可能領域を冷房能力と運転周波数とにより示す図 制御装置による弁制御処理の流れを示す図

以下、複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図６を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の空気調和機１０は、室外機１１、室内機１２、および室外機１１と室内機１２とを接続してその内部を冷媒が流れる冷媒配管１３等により構成される周知の冷凍サイクルを備えている。これら室外機１１および室内機１２は図示しない電気配線により接続されており、空気調和機１０は、室内機１２に対して例えばリモコン等により運転状態や空温等の設定がユーザにより行われると、その設定に従って冷房運転、暖房運転あるいは除湿運転等の空調を行う。

本実施形態では、冷媒として、ＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）単一冷媒（Ｒ３２）を採用している。このＨＦＣ単一冷媒は、従来採用されていた混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）に対して潜熱が大きくなっており、従来の混合冷媒使用時と同等の空調能力を得るための冷媒の封入量を減少させることができる。例えば、本実施形態では、混合冷媒に比べて１０％程度減少させることができている。

空気調和機１０の室外機１１は、圧縮機１４、室外熱交換器１５、電子膨張弁１６、キャピラリーチューブ１７、四方弁１８、およびそれらを制御するための制御装置１９等を備えている。室外機１１は、詳細な説明は省略するが、周知のように、四方弁１８を制御して冷媒の流れを冷房運転時（図１に矢印Ａにて示す向き）と暖房運転時（図１に矢印Ｂにて示す向き）とに切り替えるとともに、圧縮機１４や電子膨張弁１６等を制御することで空調を行っている。これらの制御は、主として制御装置１９により行われている。また、制御装置１９は、本実施形態に関連して、後述する弁制御処理（図６参照）を実行している。なお、冷媒配管１３には冷媒中の固形物を除去するためのストレイナー２０が設けられており、室外熱交換器１５には冷却用の室外送風機２１が設けられている。

室内機１２は、室内熱交換器２２、除湿用二方弁（以下、単に除湿弁２３と称する）、主管サーミスタ２４、補助サーミスタ２５、および横流ファン２６等を備えている。なお、図１では室内熱交換器２２の中間位置を示すため模式的に室内熱交換器２２を２分割した状態で示しているが、室内熱交換器２２は、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように配管部材により一体に形成されている。この室内熱交換器２２には、冷媒の流れにおいて中間となる中間位置に除湿弁２３が設けられている。この中間位置には、冷房運転時において除湿弁２３の下流側となる位置に、主管サーミスタ２４が設けられている。また、冷房運転時において室外熱交換器１５に冷媒が流入する入口側（入口側配管位置に相当する）には、補助サーミスタ２５が設けられている。これら主管サーミスタ２４および補助サーミスタ２５は、それぞれの部位の温度を測定する。軸流ファンは、室内の空気の流れを形成するための室内用送風機として機能する。なお、室内用送風機としては、軸流ファンに限らず他の構成であってもよい。
また、室内機１２には、図示は省略するが、室内機１２が設置されている室内の温度を検知する室内温度センサやリモコンからの信号を受信する受信部等も設けられている。

次に、上記構成の空気調和機１０の作用について説明する。
圧縮機１４の運転周波数は、室内温度と設定温度の差に基づく室内の空調負荷状態で制御されることが行われている。この場合、空気調和機１０が例えばＪＩＳ（Ｃ９９２１−３など）で定められている冷房標準使用条件（室外温度が３５℃／室内温度が２７℃の状態）で運転していると想定すると、同じ冷房標準使用条件であっても（つまり、室外温度と室内温度とに変化がない状態であっても）、冷房運転を行っている最中に、主管サーミスタ２４により測定した温度（以下、Ｔｃと称する）と、補助サーミスタ２５により測定した温度（以下、Ｔｊと称する）とが変化する場合がある。

具体的には、ＴｃとＴｊは、図３に示すように、冷房標準使用条件においてＴｃが２４．０℃、Ｔｊが２４．０℃のように温度差が無い状態、Ｔｃが１０．０℃、Ｔｊが１１．０℃のように温度差が−１．０℃となる状態、あるいはＴｃが１３．０℃、Ｔｊが１５．０℃のように温度差が−２．０℃となる状態のように変化する。これは、冷房標準使用条件のような通常の温度条件では、電子膨張弁１６の開度（図３ではＰＭＶ（ｐｌｓ）で示す）が大きくなるにつれて冷媒循環量が多くなるが、冷媒循環量が多くなれば冷房能力が向上することから、室内熱交換器２２の温度が低下するためである。

さて、電子膨張弁１６の開度を開側に制御する場合、冷媒循環量が多くなるにつれて配管内での抵抗が大きくなることによりＴｃとＴｊとの温度差も大きくなるが、一般に、空気調和機１０は、電子膨張弁１６の開度が主に絞り気味領域の範囲（後述するように、全開に対して３／５未満の状態）で制御している。その場合、絞り気味領域で制御することで冷媒循環量を低下させることは可能となるものの、電子膨張弁１６を絞り過ぎると、室内熱交換器２２での冷媒循環量が十分取れずに過熱気味となり、冷房能力が十分得らないおそれがある。また、冷凍サイクルの温度上昇を招くことから、圧縮機１４の破損や耐久性に支障をきたすおそれがある。

より具体的に言えば、圧縮機１４の運転周波数が比較的大きい領域（通常運転領域）では圧縮機１４の吐出圧力および吐出冷媒量が多くなるため、冷凍サイクルの冷媒循環量が増加する。このような冷媒循環量が多い状態において、電子膨張弁１６を絞り過ぎの状態とすると、室内熱交換器２２に送られる冷媒循環量が適正値より減少するため、室内吸込空気温度の負荷に対する冷房負荷が不足し、この結果、室内熱交換器２２の入口側冷媒温度より中間部の冷媒温度が上昇してしまう。つまり、主管サーミスタ２４温度が補助サーミスタ２５部分の温度より高くなる逆転状態となる。この逆転状態での温度差が大きくなると圧縮機１４へと戻る冷媒の温度が所定値以上に高くなり、圧縮機１４が高温状態となってしまう。
このため、空気調和機１０においては、ＴｃとＴｊとの温度差を考慮しつつも必要な冷房能力を得るために、電子膨張弁１６の開度を常に最適の絞り状態に維持して適切な冷媒循環量を確保することが必要とされている。

ところで、冷媒循環量は、電子膨張弁１６の開度だけで無く、空気調和機１０の冷房能力によっても変化する。つまり、冷房能力が高ければ、同じ開度であっても冷媒循環量は多くなる。すなわち、適切な冷媒循環量を確保して室内熱交換器２２での過熱を防止するためには、冷房能力に応じた制御が必要となる。図３は、本実施形態で設定している冷房能力（冷房定格能力）毎の各サーミスタの温度差（Ｔｃ−Ｔｊ）と圧縮機１４の回転数（運転周波数）との関係を示している。この図３に示すように、Ｔｃ−Ｔｊの適切な温度差は、冷房能力毎、また、定格が同じ冷房能力であっても圧縮機１４の運転周波数毎に異なっている。

これは、圧縮機１４の運転周波数が比較的小さい領域（相対的に回転数が低い低負荷運転領域）では、圧縮機１４の吐出圧力および吐出冷媒量が少なくなるため冷凍サイクルの冷媒循環量が減少する。この冷媒循環量が少ない状態では、冷媒循環量が比較的多い状態の運転時より絞り量が大きく、その開度の調整が、絞り量が小さい領域の状態よりその調整が難しい。すなわち、絞り量が大きい状態では、その絞り量の開度の変化が大きく循環冷媒量の変化に影響を与えることになる。

これに対し、空調負荷が小さい場合において、絞り量が最適状態より若干大きく絞られて室内吸込空気温度に対する冷房負荷が不足している状態では、室内熱交換器２２の入口側冷媒温度より中間部の冷媒温度が上昇し、主管サーミスタ２４温度が室補助サーミスタ２５部分の温度より高くなった状態において、この温度差が、圧縮機１４の運転周波数が比較的大きい領域の場合より、大きくなっても、圧縮機１４へ戻る冷媒の温度上昇による、圧縮機１４の過熱状態となる問題を生じ難い。
このため、電子膨張弁１６の開度を開側に制御する範囲（絞り量を大きくする領域）、すなわち、絞り量を制御するための基準値には、圧縮機１４の運転周波数が相対的に低い低負荷領域に対しては相対的に大きい温度差が設定され、運転周波数が相対的に高い高負荷領域では相対的に小さい温度差が設定されている。また、基準値に設定する温度差を決定するための圧縮機１４の運転周波数は、冷房能力に応じて設定されている。

制御装置１９は、図５に示すように、正常サイクルでは冷媒循環量が多くなるにつれて温度差が低下する条件（グラフＧ１参照）において、温度差が設計上の上限値（グラフＧ２参照）を超えないように、図６に示す弁制御処理を実行することで電子膨張弁１６の開度を制御している。
制御装置１９は、図６に示す弁制御処理において、まず冷房運転中であるかを判定する（Ｓ１）。そして、冷房運転中でなければ（Ｓ１：ＮＯ）、現在の運転状態を維持する（Ｓ６）。これに対して、制御装置１９は、冷房運転中であれば（Ｓ１：ＹＥＳ）、圧縮機１４の回転数が基準周波数以上であるかを判定する（Ｓ２）。この基準周波数は、本実施形態の場合、最大回転数のおよそ１／５（本実施形態では２０Ｈｚ）に設定されている。

さて、通常、日本国内の住宅に設置される空気調和機は、日本の風土に合わせ、ＪＩＳで定められている冷房標準使用条件を基準に、空気調和機の冷房運転可能な室内温度範囲(例えば２０℃〜３２℃)と室外温度範囲(例えば１８℃〜４３℃)が設定され、この各温度範囲の条件下では、支障なく空気調和機が運転できるように設計されている。上記室内・室外各温度範囲おけるである例えば室内温度（３２℃）が高く、室外温度（１８℃）が低い、室内高温・室外低温条件の場合には、図３に示すように圧縮機１４が７．８Ｈｚ程度の低回転数で作動している状態であって、且つ、電子膨張弁１６の開度が１４５ｐｌｓ（１４５パルス。全開に対して３／５以上となっている）のように比較的開側に制御されているとしても、Ｔｃ（２７℃）がＴｊ（２０℃）よりも大きくなる逆転状態となる。このような室内高温・室外低温条件の場合、既に電子膨張弁１６の開度が大きくなっている状態（つまり、冷媒循環量が既に多い状態）であるので、それ以上に電子膨張弁１６の開度を開側に制御したとしても温度差を縮めることができないと考えられる。

そのため、制御装置１９は、圧縮機１４の回転数が基準周波数よりも低い場合であって（Ｓ２：ＮＯ）、且つ、電子膨張弁１６の開度は３／５以上の場合には（Ｓ３：ＮＯ）、ステップＳ６に移行して現在の運転状態を維持する。つまり、この場合には、弁制御処理内では、電子膨張弁１６の開度の制御は行われないことになる。これは、電子膨張弁１６が過度に開放されること（例えば全開になること）を抑制することにより、室内熱交換器２２の冷却機能が損なわれることを防止するためである。
このように、本実施形態では、電子膨張弁１６を開側に制御する処理は、圧縮機１４の運転周波数が最大運転周波数の１／５以下の低速回転数のときには、電子膨張弁１６の開度が全開に対して３／５以下の開度の場合に行われる。

これに対して、制御装置１９は、圧縮機１４の回転数が基準周波数以上である場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、主管サーミスタ２４と補助サーミスタ２５との温度差（Ｔｃ−Ｔｊ）が基準値（図４参照）以上であれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、速やかに電子膨張弁１６を所定パルス分だけ開側に制御する（Ｓ５）。これにより、冷媒循環量が増加して冷房能力が増加し、室内熱交換器２２の過熱が防止される。なお、ステップＳ４にて参照する基準値は、圧縮機１４の現在の回転数に応じて図４のいずれかを選択すればよい。また、所定パルスは、ＨＦＣ単一冷媒の特性に応じて適宜設定すればよい。

また、制御装置１９は、圧縮機１４の回転数が基準周波数よりも低い場合であっても（Ｓ２：ＮＯ）、電子膨張弁１６の開度が３／５未満の場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、電子膨張弁１６を所定パルス分だけ開側に制御する（Ｓ５）。つまり、図３に示した室内高温・室外低温条件の場合とは異なり、図３の冷房標準使用条件である室内温度（２７℃）、室外温度（３５℃）における最も左側の項のように回転数が低回転数（７．８Ｈｚ）であっても、電子膨張弁１６の開度が４９ｐｌｓ程度であれば（全開に対して３／５未満であれば）、電子膨張弁１６を開側に制御することで冷媒循環量を増加させている。このように圧縮機１４の運転周波数が最大運転周波数の１／５以下（実施例では２０ｒｐｍ）の低速回転数で運転中の冷媒の循環量が少ない状態では、電子膨張弁１６の開度を開側に制御しても（開き気味としても）、室内と室外との温度条件(室外温度が低く、室内温度が高い条件)によっては設定値以上の温度差となるので、そのような状態であれば圧縮機１４の過負荷運転（異常運転）にはならず、冷凍サイクルに異常を生じることがないため、電子膨張弁１６を開側に制御している。

なお、主管サーミスタ２４と補助サーミスタ２５との温度差（Ｔｃ−Ｔｊ）が基準値未満の場合には（Ｓ４：ＮＯ）、冷媒循環量を増加させる必要がないことから、ステップＳ６に移行して現在の運転状態を維持することになる。
このように、空気調和機１０は、主管サーミスタ２４と補助サーミスタ２５との温度差（Ｔｃ−Ｔｊ）、圧縮機１４の回転周波数、および冷房能力に応じて、電子膨張弁１６の開度を制御している。

以上説明した本実施形態の空気調和機１０によれば、次のような効果を奏する。
ＨＦＣ単一冷媒（Ｒ３２）を採用しているので、従来採用されていた混合冷媒（Ｒ４１０Ａ）に対して潜熱を大きくすることができ、従来と同等の能力を得るための冷媒封入量を減少させることができる。これにより、製造コストを削減できるとともに、例えば冷媒配管１３の小型化・軽量化等を図ることも可能となる。

従来から使用されている汎用的な電子膨張弁１６を使用した場合、主に絞り気味領域の範囲で開度を制御することで冷媒循環量を下げることが可能となるが、電子膨張弁１６を絞り過ぎると、室内熱交換器２２での冷媒循環量が十分取れずに過熱気味となり、冷房能力が十分得らないおそれがある。また、冷凍サイクルの温度上昇を招いて圧縮機１４の破損や耐久性の低下を招くおそれがある。そこで、弁制御処理により電子膨張弁１６を常に最適の絞り状態に維持させることにより、十分な冷房能力を得ることができるとともに、冷凍サイクルの温度上昇を防止することで圧縮機１４の破損や耐久性の低下を招くおそれを低減することができる。

従来は、電子膨張弁１６の開度は冷房運転時には圧縮機１４の吸込側配管の冷媒温度と室内熱交換器２２の主管サーミスタ２４の測定温度との差に基づいて制御されていたが、本実施形態のように主管サーミスタ２４に対する補助サーミスタ２５の温度差に基づいて電子膨張弁１６の開度を制御することにより、電子膨張弁１６の絞り過ぎを抑制することができる。このため、冷房運転時に電子膨張弁１６を絞り過ぎた場合には室内熱交換器２２のおよそ半分が乾いてしまい通過する吸込み空気を除湿できずに室内機１２内部に結露してしまうおそれを低減することができる。また、冷媒循環量の不足による過度の冷凍サイクル温度上昇を抑制することができる。

圧縮機１４の運転周波数が比較的大きい領域（相対的に回転数が高い状態）では、主管サーミスタ２４温度が補助サーミスタ２５部分の温度より高くなった場合に、速やかに電子膨張弁１６を開側に制御することで冷媒循環量を増加させ、冷房負荷に対応する冷媒循環量を確保することで圧縮機１４の過熱運転を防止することができる。
電子膨張弁１６の開度を制御するための基準値は、圧縮機１４の運転周波数に応じて、且つ、冷房能力の大きさに対応して設定されているので、比較的大きな冷房能力の機種では基準となる運転周波数を低く設定して、圧縮機１４の保護を図るようにすることができ、それぞれ最適な絞り量と制御を行うことができる。
最大運転周波数の１／５以下の場合には電子膨張弁１６を開側に制御する処理を行う一方、１／５を超える場合には電子膨張弁１６の現在の開度に応じて処理を行うか否かを判定することで、冷凍サイクルに異常を生辞させることを防止しつつ、室内熱交換器２２の冷却機能が損なわれることを防止することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態の構成は第１実施形態と共通するので、図１等を参照しながら説明する。
空気調和機１０は、図１に示すように、室内熱交換器２２を有する室内機１２、室外熱交換器１５を有する室外機１１、室外熱交換器１５と室内熱交換器２２との間を接続して冷媒の流れる伝熱管（冷媒配管１３）を備えている。また、本実施形態でも、冷媒としてＨＦＣ単一冷媒を使用している。

本実施形態の制御装置１９は、再熱除湿運転指令に基づいて除湿弁２３を作動させる一方、除湿弁２３の作動後において主管サーミスタ２４に対する補助サーミスタ２５の温度差が予め設定されている基準値以上となった場合には、除湿弁２３の作動不良と判断して除湿弁２３を再作動させる。
これにより、再熱除湿運転時の除湿弁２３の動作不良を検知することができる。また、動作不良時には再作動させることで、再熱除湿運転を正常に行うことができる。さらに、仮に再作動させたとしても除湿弁２３が動作不良を起こしていると判定した場合には、故障と判断することもできる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にて例示したものに限定されることなく、次のように変形又は拡張することができる。
第１実施形態の電子膨張弁１６の制御と第２実施形態の除湿弁２３の制御との双方を適用してもよい。
主管サーミスタ２４に対する補助サーミスタ２５の温度差が所定値以上の場合に電子膨張弁１６を開側に制御した後、その温度差が未だ所定値以上の場合は、その後の電子膨張弁１６を開側に変更動作させる制御を実施しないようにしてもよい。これにより、電子膨張弁１６が全開となって室内熱交換器２２の冷却機能が損なわれることを防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０は空気調和機、１１は室外機、１２は室内機、１３は冷媒配管、１４は圧縮機、１５は室外熱交換器、１６は電子膨張弁、１９は制御装置、２２は室内熱交換器、２３は除湿弁、２４は主管サーミスタ、２５は補助サーミスタを示す。

Claims (3)

1. インバータ制御により回転数が可変の圧縮機、室外熱交換器および電子膨張弁を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機と、前記室外機および前記室内機の間を接続する冷媒配管と、前記圧縮機の運転周波数および前記電子膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備えた空気調和装置において、
   前記冷媒としてＨＦＣ（Hydro Fluoro Carbon）単一冷媒を使用し、
   冷房運転時における前記室内熱交換器の前記冷媒配管の中間位置に主管サーミスタを設けるとともに、当該冷媒配管の入口側配管位置に補助サーミスタを設けてそれぞれの部位の温度を測定し、
   前記制御装置は、冷房運転時における前記主管サーミスタに対する前記補助サーミスタの温度差が予め定められている基準値以上になると、前記電子膨張弁の開度を前記ＨＦＣ単一冷媒の特性に合わせて開側に制御し、
   前記基準値は、前記圧縮機の運転周波数に応じて、運転周波数が相対的に高い状態では相対的に小さい温度差が設定され、運転周波数が相対的に低い状態では相対的に大きい温度差が設定され、
   前記基準値に設定する温度差を決定するための前記圧縮機の運転周波数は、冷房定格能力に応じて設定されることを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御装置は、前記圧縮機の運転周波数が最大回転数に対して１／５以上であるとき、および、前記圧縮機の運転周波数が最大回転数に対して１／５未満であって且つ前記電子膨張弁の開度が全開に対して３／５未満の状態のとき、前記電子膨張弁の開度を開側に制御する一方、前記電子膨張弁を開側に制御した後における前記主管サーミスタに対する前記補助サーミスタの温度差が所定値未満であるとき、その後は前記電子膨張弁を開側に制御することを規制することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
3. 前記室内機は、再熱除湿運転用の除湿弁が前記室内熱交換器に設けられており、
   前記室内熱交換器の除湿弁の冷房運転時における下流側の位置に前記主管サーミスタを設け、冷房基準の入口側に前記補助サーミスタを設けてそれぞれの部位の温度を測定し、再熱除湿運転指令に基づいて前記除湿弁を作動させる一方、当該除湿弁の作動後において前記主管サーミスタに対する前記補助サーミスタの温度差が予め設定されている基準値以上となった場合、前記除湿弁の作動不良と判断して前記除湿弁を再度作動させることを特徴とする請求項１または２記載の空気調和機。

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