JP6313950B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機には、圧縮機と、膨張機構として膨張弁が設けられている。圧縮機の吐出温度は、膨張弁の開度を調整することで、予め定められた目標温度となるように制御される。

ここで、起動時は冷媒の移動・相変化に伴う圧力変動や温度変化などが大きい。そのため、起動時に圧縮機の吐出温度に基づいて膨張弁の開度を制御したとしても、圧縮機の吐出温度が大きく変動し、制御が不安定になる課題がある。

このような起動時の課題に対して、特許文献１は、起動時に室外膨張弁を閉じ気味の状態にして、時間の経過とともに、弁開度を開く初期弁開度制御を行う制御手段を備えた空気調和機を開示している。

特開２００１−３５５９３３号公報

ところで、冷媒としてＲ３２を採用した場合、Ｒ３２はＲ４１０Ａに対して常圧における沸点が低いことから、低温で液化しやすく、圧縮機が液冷媒を吸い込みしやすい。また、Ｒ３２は、Ｒ４１０Ａに比べて断熱指数が大きいため、圧縮過程における等エントロピ線の傾きが大きく、過熱度を取ったときの吐出温度の上昇幅が大きい。

そのため、冷媒としてＲ３２を採用した場合、特許文献１に記載のように起動時に予め定められた比例定数で一律に膨張弁開度を変化させたとき、図３に示すように、圧縮機が十分に加熱されていない状態で、蒸発圧力が低下する。この状態が続くと、圧縮機の吐出温度が上昇しないまま、蒸発圧力が下がり続ける。すると、圧縮機が液冷媒を吸い込みやすくなり、圧縮機の信頼性が低下する。

一方、運転を継続すると、時間の経過ともに圧縮機が加熱されるため、吐出温度が上昇する。このとき、特許文献１に記載のように起動時に予め定められた比例定数で一律に膨張弁開度を変化させたとき、吐出温度が急激に上昇する。すると、吐出温度の急激な上昇によって圧縮機のモータに用いられる永久磁石が減磁するなど信頼性が低下する。このため、Ｒ４１０Ａを使用している装置について、冷媒をＲ３２に入れ換えただけでは、起動時に信頼性が低下する課題がある。

そこで、本発明は、起動時の信頼性を高めた空気調和機を提供することを目的とする。

本発明の空気調和機は、圧縮機、室内熱交換器、膨張機構及び室外熱交換器を有する冷凍サイクルと、圧縮機の吐出温度に基づいて膨張機構を制御する吐出温度制御手段と、起動時に第１の設定時間膨張機構の開度を第１の設定開度以上にする第１制御手段と、第１の設定時間経過後に第２の設定時間、膨張機構の開度を第１の設定開度より狭い第２の設定開度以上にする第２制御手段と、第２の設定時間経過後に第３の設定時間、膨張機構の開度を第２の設定開度より狭い第３の設定開度以上にする第３制御手段とを備え、Ｒ３２単体又はＲ３２が５０重量％を越える混合冷媒が用いられる。

本発明によれば、起動時の信頼性を高めた空気調和機を提供することができる。

本実施形態に係る空気調和機の冷媒回路構成図である。 本実施形態に係る運転開始初期の膨張弁開度の変化と吐出温度の変化を示すグラフである。 運転開始初期に予め定められた比例定数で一律に膨張弁開度を変化させた場合における吐出温度の変化を示すグラフである。 Ｒ４１０ＡとＲ３２の圧縮過程におけるサイクル変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本実施形態の空気調和機１の構成、機能および動作に関する概要について、説明する。図１は、本実施形態の空気調和機１を構成する各構成要素とそれらの接続関係を表す基本構成図である。

空気調和機１は、圧縮機２、流路切換弁（例えば四方弁）３、室外熱交換器４、膨張機構５、室内熱交換器６、サクションタンク７を環状に接続した回路１０で構成される。また、空気調和機１を制御するため、制御部５０とサーミスタなどの温度検出手段５１を備えている。膨張機構５は電子膨張弁等を用いる。

温度検出手段５１は圧縮機２の吐出温度を検知するため、圧縮機２の上部に設置されている。なお、温度検出手段５１を圧縮機２の吐出配管に設置してもよい。

空気調和機１の各機器の動作について図１を用いて説明する。空気調和機１の運転モードが「冷房」である場合、四方弁３を切り替えることで、冷媒は図１の実線矢印の方向へ流れる。圧縮機２から吐出された冷媒は、四方弁３の実線で示した流路を介して、室外熱交換器４に供給される。そして、室外熱交換器４から排出された冷媒は、膨張機構５で減圧膨張し、室内熱交換器６に供給される。つづいて、室内熱交換器６から排出された冷媒は、四方弁３の実線で示した流路を介して、サクションタンク７及び圧縮機２に戻る。

また、空気調和機１の運転モードが「暖房」である場合、四方弁３を切り替えることで、冷媒は図１の破線矢印の方向へ流れる。圧縮機２から吐出された冷媒は、四方弁３の破線で示した流路を介して、室内熱交換器６に供給される。そして、室外熱交換器６から排出された冷媒は、膨張機構５で減圧膨張し、室外熱交換器４に供給される。室外熱交換器４から排出された冷媒は、四方弁３の破線で示した流路を介して、サクションタンク７及び圧縮機２に戻る。

例えば、室外熱交換器４及び室内熱交換器６はフィンチューブ形式で構成し、フィン側で空気をプロペラファンや貫流ファンなどで通流し、管側に冷媒を通流することで熱の授受が行われる。

制御部５０は、温度検出手段５１から吐出温度の情報を取得する他、四方弁３の切換や膨張機構５の弁開度、圧縮機２の回転数、室外熱交換器４及び室内熱交換器６、室内温度及び室外温度を図示していない温度検出手段によって取得し、室外熱交換器４と室内熱交換器６の空気側の交換熱量を制御する。

温度検出手段５１の温度精度は、概ねサイクルに影響を与えない精度とする。例えば、上限＋１℃、下限−１℃とする。この範囲内において温度検出手段５１で検出される温度は同じ値となる。

また、膨張機構５の開度は、後述するように圧縮機２の回転数から算出される目標吐出温度と、温度検出手段５１より検出される吐出温度との温度差に応じて定められる開度差で制御ステップ毎に制御される。

サクションタンク７は運転開始時など冷媒が液のまま圧縮機２で圧縮され信頼性が損なわれることを防ぐため設けられている。圧縮機２は容積型の圧縮機であり、本実施形態では回転数が可変である圧縮機とする。

以上、説明した動作の具体的な制御方法について、図２で説明する。図２は、本実施形態における起動時の膨張弁開度の変化と吐出温度の変化を示すグラフである。

図中の始動開度Ｐ１、第１初期制御の開度Ｐ２、第２初期制御の開度Ｐ３、第３初期制御の開度Ｐ４、並びに、ぞれぞれの開度の持続時間（始動開度の持続時間Ｐ１＿Ｔ、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ、第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ、第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ）は、空気調和機の容量や運転モードにより異なり、事前の要素検討などから実験的に定められる。例えば、初期制御の開度Ｐ２〜Ｐ４は、全開のパルスが４８０パルスの膨張弁を用いた場合、１００〜３００、初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ〜Ｐ４＿Ｔは、膨張機構５のパルス制御間隔が１０〜２０秒の場合、概ね６０秒から１２０秒に設定する。

本実施形態は、圧縮機２、室内熱交換器６、膨張機構５及び室外熱交換器４を有する冷凍サイクルと、圧縮機２の吐出温度に基づいて膨張機構５を制御する吐出温度制御手段と、起動時に第１の設定時間（第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ）膨張弁の開度を第１の設定開度（第１初期制御の開度Ｐ２）以上にする第１制御手段と、第１の設定時間（第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ）経過後に第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）、膨張機構５の開度を第１の設定開度（第１初期制御の開度Ｐ２）より狭い第２の設定開度（第２初期制御の開度Ｐ３）以上にする第２制御手段と、第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）経過後に第３の設定時間（第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ）、膨張機構５の開度を第２の設定開度（第２初期制御の開度Ｐ３）より狭い第３の設定開度（第３初期制御の開度Ｐ４）以上にする第３制御手段とを備え、Ｒ３２単体又はＲ３２が５０重量％を越える混合冷媒が用いられる。

以下、具体的に本実施形態について説明する。空気調和機１の圧縮機２が起動した後、図２に示すように膨張機構５は予め定められた始動開度Ｐ１に設定される。圧縮機２が起動することで、圧縮機２内のガス冷媒と冷凍機油が攪拌され、圧縮されたガス冷媒と冷凍機油の一部がサイクル内を循環し始める。

始動開度の持続期間Ｐ１＿Ｔが終了し、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔがスタートすると、予め設定されている目標吐出温度と、温度検出手段５１での吐出温度の差により、膨張機構５の制御パルス量が決定される。

一定時間間隔で制御パルス量を都度定め、膨張機構５の開度が小さくなり、第１初期制御の開度Ｐ２と等しくなると、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔが経過するまで膨張機構５の開度を制御しない。

図２に示すように、膨張機構５が一定間隔で制御されている間は直線的に吐出温度が上昇し、膨張機構５の開度の変化がなくなると上昇する傾きが緩やかになり、山なりの変化をする。

このとき、仮に膨張機構５の開度を制御し続け、さらに開度を小さくすると、圧縮機２が十分に加熱されていない状態で、蒸発圧力が低下する。図３は、運転開始初期に予め定められた比例定数で一律に膨張弁開度を変化させた場合における吐出温度の変化を示すグラフである。図３に示すように予め定められた比例定数で一律に膨張弁開度を変化させる状態が続くと、吐出温度が上昇しないまま、蒸発圧力が下がり続け、冷房運転の場合は室内熱交換器６、暖房運転の場合は室外熱交換器４の伝熱管温度が低下し、伝熱管表面で結露した水分が氷結してしまうおそれがある。

特に、冷媒としてＲ３２を採用する場合、Ｒ３２はＲ４１０Ａに対して常圧における沸点が低いことから、低温で液化しやすく、圧縮機２の吸い込みで液を吸い込みしやすくなり、信頼性が低下する。また、Ｒ３２のように断熱指数が大きい冷媒を用いた場合、熱容量による制御応答遅れを要因として、吐出温度が上昇しないまま、吐出温度と蒸発圧力が下がり続けて熱交換器が氷結する。

第１初期制御の開度Ｐ２を定める要素検討では、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ内で蒸発側の熱交換器から圧縮機吸込み部の間で冷媒が過熱しないように、すなわち圧縮機２に吸入される冷媒が若干湿り気味となる開度に調整することが望ましい。圧縮機２は予め設定された回転数で駆動する。

第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔが終了して、第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔがスタートすると、第１初期制御の開度Ｐ２による制限が解除され、再度、目標吐出温度と吐出温度の差により、膨張機構５の制御パルス量が決定される。

一定時間間隔で制御パルス量を都度定め、膨張機構５の開度が小さくなり、第２初期制御の開度Ｐ３に等しくなると、それ以上膨張機構５を制御しない。

第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔにおいても、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔと同様に、膨張機構５が一定間隔で制御されている間は直線的に吐出温度が上昇し、膨張機構５の開度の変化がなくなると、上昇する傾きが緩やかになり、山なりの変化をする。

このとき、仮に膨張機構５の開度を制御し続け、さらに開度を小さくすると、吐出温度が急上昇し、運転当初に圧縮機２内からサイクル内に循環した冷凍機油がサイクル内で分離・滞留し、圧縮機２内へ戻らないことがあり、圧縮機２の信頼性を損なう恐れがある。

第２初期制御の弁開度Ｐ＿３を定める要素検討では、第１初期制御の弁開度Ｐ＿２と同様に、第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ内で蒸発側の熱交換器から圧縮機２の吸込み部の間で冷媒が過熱しないように、すなわち圧縮機２に吸入される冷媒が若干湿り気味となる開度に調整することが望ましい。

第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔが終了し、第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔがスタートすると、図２に示すように、第２初期制御の弁開度Ｐ＿３による制限が解除され、再度、目標吐出温度と吐出温度の差により、膨張機構５の制御パルス量が決定される。

一定時間間隔で制御パルス量を都度定め、膨張機構５の開度が小さくなり、第３初期制御の弁開度Ｐ＿４と等しくなると、それ以上膨張機構５を制御しない。

図２に示すように、初期制御２時間と同様、膨張機構５が一定間隔で制御されている間は直線的に吐出温度が上昇し、膨張弁開度の変化がなくなると上昇する傾きが緩やかになり、山なりの変化をする。

このとき、仮に膨張機構５の開度を制御し続け、さらに開度を小さくすると、吐出温度が急上昇し、目標吐出温度を大きく超えるだけでなく、圧縮機２内のモータの磁力が低下したり、樹脂部品、四方弁内の樹脂部品などの高温劣化を招き、圧縮機２・要素部品の信頼性を著しく損なう恐れがある。

特に、冷媒としてＲ３２を採用する場合、吐出温度が急激に上昇しやすい。図４は、Ｒ４１０ＡとＲ３２の圧縮過程におけるサイクル変化を示すグラフである。一点差線は飽和蒸気線Ｍ、実線はＲ４１０Ａの低過熱度での圧縮過程Ｐ及び高過熱度での圧縮工程Ｑ、並びに、Ｒ３２の低過熱度での圧縮過程Ｐ’及び高過熱度での圧縮工程Ｑ’である。

図４に示すように、Ｒ４１０Ａの吸込側における過熱度変化ｄＳＨｓとＲ３２の吸込側における過熱度変化ｄＳＨｓ’が等しい場合、Ｒ３２の吐出側における過熱度変化ｄＳＨｄ’はＲ４１０Ａの吐出側における過熱度変化ｄＳＨｄよりも大きい。つまり、Ｒ３２はＲ４１０Ａに対して断熱指数が大きく、圧縮過程における等エントロピ線の傾きが大きく、過熱度が取れた際の吐出温度の上昇幅が大きい。従って、冷媒としてＲ３２を採用する場合、圧縮過程における等エントロピ線の傾きが大きく、過熱度を取ったときの吐出温度の上昇幅が大きく、前述の現象が起こりやすい。

第３初期制御の弁開度Ｐ＿４を定める要素検討では、第２初期制御の弁開度Ｐ＿３と同様に、第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ内で蒸発側の熱交換器から圧縮機２の吸込み部の間で冷媒が過熱しないように、すなわち圧縮機２に吸入される冷媒が若干湿り気味となる開度に調整する。

以上説明した通り、本実施形態によれば、運転開始から吐出温度が安定するまでに、少なくとも３つの区間で膨張機構５の開度変化に制限を設けることで、温度応答遅れにより考えられる不具合を回避でき、起動時の信頼性を高める空気調和機を提供することができる。本実施形態は、断熱指数が大きく、過熱するほど温度の上昇速度が速いＲ３２のような冷媒を採用した場合に、目標吐出温度になるまで過熱しないように段階的に制御するため、特に有効である。

本実施形態では、第１の設定時間（第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ）は第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）よりも長く、且つ、第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）は第３の設定時間（第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ）よりも長くしている。運転を継続すると、時間の経過ともに圧縮機２、凝縮器等が加熱されて、吐出温度上昇に対する応答性が向上する。本実施形態によれば、冷凍サイクルの応答時間を確保し、運転開始から応答性の変化に応じて膨張機構５の開度を制御することができる。

本実施形態では、第１の設定時間（第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ）、第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）及び第３の設定時間（第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ）において圧縮機２は予め設定された回転数で駆動し、少なくとも第２の設定時間（第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ）又は第３の設定時間（第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔ）において圧縮機２は二相状態の冷媒を吸入する。本実施形態によれば、圧縮機２の吐出温度の急激な上昇を抑制でき、圧縮機２の信頼性をさらに向上させることができる。

なお、本実施形態では、始動開度の持続時間Ｐ１＿Ｔ、第１初期制御の持続時間Ｐ２＿Ｔ、第２初期制御の持続時間Ｐ３＿Ｔ、第３初期制御の持続時間Ｐ４＿Ｔにおいて、膨張機構５の開度の下限値（第１初期制御の開度Ｐ２、第２初期制御の開度Ｐ３、第３初期制御の開度Ｐ４）に加え、膨張機構５の開度の上限値を設けてもよい。

また、膨張機構５の開度変化を一律に緩やかにすることで、起動時の信頼性を確保することも考えられるが、室内の温度が設定温度に到達するまでの時間が長くなり、快適性が低下する。

以上、本発明に係る空気調和機について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。

冷媒としてＲ３２を用いる場合について説明したが、これに限らない。例えば、冷媒として、Ｒ３２を５０重量％以上含む混合冷媒に用いてもよい。

１…空気調和機、２…圧縮機、３…流路切換弁、４…室外熱交換器、５…膨張弁、６…室内熱交換器、７…サクションタンク、５０…制御部、５１…温度検出手段

Claims (2)

1. 圧縮機、室内熱交換器、膨張機構及び室外熱交換器を有する冷凍サイクル装置と、
   前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
   起動時に第１の設定時間の間、前記膨張機構の開度を漸次縮小して第１の設定開度まで下げ、その後当該第１の設定開度を前記第１の設定時間の終了までの所定時間維持する第１制御手段と、
   前記第１の設定時間経過後の第２の設定時間の間、前記膨張機構の開度を漸次縮小して第２の設定開度まで下げ、その後当該第２の設定開度を前記第２の設定時間の終了までの所定時間維持する第２制御手段と、
   前記第２の設定時間経過後の第３の設定時間の間、前記膨張機構の開度を漸次縮小して第３の設定開度まで下げ、その後当該第３の設定開度を前記第３の設定時間の終了までの所定時間維持する第３制御手段とを備え、
   前記第１乃至第３の設定開度は前記吐出温度検出手段で検出した前記圧縮機の吐出温度と目標吐出温度との差に基づいて前記第１乃至第３制御手段がそれぞれ決定し、
   前記第１の設定時間は前記第２の設定時間よりも長く、且つ、前記第２の設定時間は前記第３の設定時間よりも長く設定されていて、
   Ｒ３２単体又はＲ３２が５０重量％を越える混合冷媒が用いられることを特徴とする空気調和機。
2. 前記第１の設定時間、前記第２の設定時間及び前記第３の設定時間において前記圧縮機は予め設定された回転数で駆動し、少なくとも前記第２の設定時間又は前記第３の設定時間において前記圧縮機は二相状態の冷媒を吸入することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。