JP6328270B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態1に係る空気調和装置について説明する。図1は、本実施の形態に係る空気調和装置100の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図1に示すように、空気調和装置100は、室外機1と室内機2とが複数本(本例では2本)の主管5を介して接続された構成を有している。なお、図1では、1台の室内機2を示しているが、室内機2の接続台数は複数台であってもよい。
室外機1には、圧縮機10、冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12、アキュムレーター19、補助熱交換器40、第1絞り装置47、第2絞り装置42、第3絞り装置48、バイパス配管41等が搭載されている。また、室外機1には、熱源側熱交換器12及び補助熱交換器40に空気を送風する熱源側ファン16が搭載されている。
室内機2には、負荷側熱交換器26及び負荷側絞り装置25が搭載されている。負荷側熱交換器26は、複数本の主管5を介して室外機1に接続されている。負荷側熱交換器26では、空気と冷媒との間での熱交換により、室内空間に供給するための暖房用空気又は冷房用空気が生成される。なお、負荷側熱交換器26には、不図示の負荷側ファンにより室内空気が送風されるようになっている。負荷側絞り装置25は、例えば連続的又は多段階で可変に開度を調節可能なものである。負荷側絞り装置25としては、例えば電子式膨張弁等が用いられる。負荷側絞り装置25は、減圧弁及び膨張弁としての機能を有しており、冷媒を減圧して膨張させるものである。負荷側絞り装置25は、冷房運転モード(例えば、全冷房運転モード)での冷媒の流れにおいて負荷側熱交換器26の上流側に設けられている。
図2は、空気調和装置100の全冷房運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図2では、負荷側熱交換器26で冷熱負荷が発生している場合を例に挙げ、全冷房運転モードにおけるインジェクションの冷媒流れ以外の冷媒の流れについて説明する。なお、図2では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
図3は、空気調和装置100の全暖房運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図3では、負荷側熱交換器26で温熱負荷が発生している場合を例に挙げ、全暖房運転モードのインジェクションの冷媒流れ以外の冷媒の流れについて説明する。なお、図3では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。
(インジェクションの必要性と効果概要)
圧縮機10の吐出温度が高温になることにより生じる冷凍機油の劣化や圧縮機10の焼損を防ぐため、吐出温度を低下させる方法について説明する。以下の説明では、冷媒としてR32冷媒を使用した場合を例に挙げる。
全冷房運転モード及び全暖房運転モードにおける第2絞り装置42の制御について説明する。制御装置60は、吐出温度センサー43で検出された圧縮機10の吐出温度に基づいて、第2絞り装置42の開度を制御するようになっている。第2絞り装置42の開度(開口面積)が大きくなると、補助熱交換器40から圧縮機10の吸入部に流入する過冷却液冷媒の量が増加し、圧縮機10の吐出温度が低下する。一方、第2絞り装置42の開度(開口面積)が小さくなると、補助熱交換器40から圧縮機10の吸入部に流入する過冷却液冷媒の量が減少し、圧縮機10の吐出温度が上昇する。
このように、圧縮機10に吸入される冷媒のエンタルピを減少させることができるため、圧縮機10の吐出温度の過度の上昇を抑制することができる。これにより、冷凍機油の劣化を抑制できるため、圧縮機10が破損するのを防ぐことができる。したがって、圧縮機10の長期信頼性を高めることができる。よって、特殊な構造の圧縮機を使用せず安価な圧縮機を使用した場合であっても、システムの信頼性を確保することができる。また、圧縮機10の吐出温度の過度の上昇を抑制することにより、圧縮機10の回転数を高めることが可能になる。よって、高い暖房能力を確保でき、ユーザーの快適性を向上できる。
第1絞り装置47は、圧縮機10から吐出された高圧ガス冷媒の一部を中圧まで減圧させるものである。第1絞り装置47で減圧させられたガス冷媒は、補助熱交換器40で中圧の過冷却液となる。第2絞り装置42に流入する過冷却液が中圧となることで、第2絞り装置42前後の圧力差が小さくなるため、第2絞り装置42の流路を大きくすることが可能となる。すなわち、圧縮機10の吐出温度を第1の値以下とするために必要なインジェクション量が少量の場合に、サイズの小さい第2絞り装置42を使用する必要がなくなる。このため、第2絞り装置42の流路にゴミ等が詰まるのを防ぐことが可能となり、第2絞り装置42の動作不良により圧縮機10の吐出温度の制御が不安定になるのを防ぐことができる。
図5は、低外気温度での暖房運転時のインジェクション流量比Gr1/Gr2に対する圧縮機10の吐出温度の変化を外気温度毎に示すグラフである。グラフの横軸はインジェクション流量比Gr1/Gr2(無次元)を表しており、縦軸は圧縮機10の吐出温度[℃]を表している。グラフ中において、実線で示す曲線は外気温度が−20℃のときの吐出温度の変化を表しており、一点鎖線で示す曲線は外気温度が−10℃のときの吐出温度の変化を表しており、破線で示す曲線は外気温度が−5℃のときの吐出温度の変化を表している。ここで、インジェクション流量比Gr1/Gr2は、インジェクション流量Gr1[kg/h]を冷媒循環量Gr2[kg/h]で除した値である。冷媒としては、R32冷媒を使用した。インジェクションされる液冷媒のエンタルピ、圧縮機10の吸入部におけるガス冷媒のエンタルピ、圧縮機10の断熱効率、圧縮機10の体積効率、及び圧縮機10の圧縮比は、冷媒循環量Gr2が変化してもほぼ同一と仮定した。
図7は、インジェクションを行う際に制御装置60で実行される制御の一例を示すフローチャートである。図7を参照して、インジェクションを行う際の制御装置60の動作を説明する。
制御装置60は、室内機2から冷房運転又は暖房運転等の運転要求があった場合、空気調和装置100の運転を開始する。その後、ステップS2の処理に移行する。
制御装置60は、吐出温度センサー43で検出された圧縮機10の吐出温度を取得し、圧縮機10の吐出温度が第1の値(例えば、110℃)以上であるか否かを判定する。吐出温度が第1の値以上である場合(吐出温度≧第1の値)にはステップS3の処理に移行し、吐出温度が第1の値未満である場合(吐出温度<第1の値)にはステップS8の処理に移行する。
制御装置60は、圧力センサー44で検出された圧縮機10の吸入部の圧力から圧縮機10の吸入部の飽和ガス密度を算出する。また、制御装置60は、飽和ガス密度と圧縮機10の運転周波数とから圧縮機10の冷媒循環量Gr2を算出し、飽和ガス密度と圧縮機10の運転可能な最大周波数とから圧縮機10の最大冷媒循環量Grmaxを算出する。さらに、制御装置60は、冷媒循環量Gr2を最大冷媒循環量Grmaxで除した値である最大冷媒循環量比Gr2/Grmaxを算出し、最大冷媒循環量比Gr2/Grmaxが第2の値(例えば、0.4)以上であるか否かを判定する。最大冷媒循環量比Gr2/Grmaxが第2の値以上である場合(Gr2/Grmax≧第2の値)にはステップS4の処理に移行し、最大冷媒循環量比Gr2/Grmaxが第2の値未満である場合(Gr2/Grmax<第2の値)にはステップS5の処理に移行する。
制御装置60は、第3絞り装置48を開く。第3絞り装置48が既に開いている場合には、その状態を維持する。ステップS4の処理によって、第3絞り装置48は例えば全開開度となる。その後、ステップS6の処理に移行する。
制御装置60は、第3絞り装置48を閉じる。第3絞り装置48が既に閉じている場合には、その状態を維持する。ステップS5の処理によって、第3絞り装置48は例えば全閉開度となる。その後、ステップS6の処理に移行する。
制御装置60は、吐出温度センサー43で検出された圧縮機10の吐出温度が第3の値(目標吐出温度)に近づくように、第2絞り装置42の開度を調節する。圧縮機10の吐出温度が第1の値を超えないようにするため、第3の値は、第1の値よりも低い温度(例えば、100℃)に設定される。例えば、圧縮機10の吐出温度が第3の値よりも高い場合、制御装置60は、第2絞り装置42の開度を増加させる。圧縮機10の吐出温度が第3の値よりも低い場合、制御装置60は、第2絞り装置42の開度を減少させる。圧縮機10の吐出温度が、第3の値を含むある温度範囲(例えば、100℃±1℃)内にある場合、制御装置60は、第2絞り装置42の開度を維持する。ステップS6の処理によって、圧縮機10の吸入部に対し、必要なインジェクション量でのインジェクションが行われる。その後、ステップS7の処理に移行する。
制御装置60は、暖房運転モード(又は、後述する冷房暖房混在運転モード)の場合、外気温度センサー46で検出された外気温度が第4の値(例えば、0℃)以下であるか否かを判定する。外気温度が第4の値以下である場合(外気温度≦第4の値)にはステップS3の処理に移行し、外気温度が第4の値よりも高い場合(外気温度>第4の値)にはステップS2の処理に移行する。
制御装置60は、第2絞り装置42を閉じる。第2絞り装置42が既に閉じている場合には、その状態を維持する。ステップS8の処理によって、第2絞り装置42は例えば全閉開度となる。その後、ステップS9の処理に移行する。
制御装置60は、第3絞り装置48を閉じる。第3絞り装置48が既に閉じている場合には、その状態を維持する。ステップS9の処理によって、第3絞り装置48は例えば全閉開度となる。その後、ステップS10の処理に移行する。
制御装置60は、インジェクション運転を終了し、前回まで実施の運転モードに移行する。
本発明の実施の形態2に係る空気調和装置について説明する。図8は、本実施の形態に係る空気調和装置200の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。なお、実施の形態1と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
室外機1には、実施の形態1と同様に、圧縮機10、冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12、アキュムレーター19、補助熱交換器40、第1絞り装置47、第2絞り装置42、第3絞り装置48、バイパス配管41、熱源側ファン16等が搭載されている。
複数の室内機2a〜2dは、例えば互いに同一の構成を有している。室内機2a〜2dは、それぞれ負荷側熱交換器26a、26b、26c、26d、及び負荷側絞り装置25a、25b、25c、25dを備えている。負荷側熱交換器26a〜26dのそれぞれは、枝管6、中継装置3及び主管5を介して室外機1に接続されている。負荷側熱交換器26a〜26dのそれぞれでは、不図示の負荷側ファンにより供給される空気と冷媒との間で熱交換によって、室内空間に供給するための暖房用空気又は冷房用空気が生成される。負荷側絞り装置25a〜25dは、例えば連続的又は多段階で可変に開度を調節可能なものである。負荷側絞り装置25a〜25dとしては、例えば電子式膨張弁等が用いられる。負荷側絞り装置25a〜25dは、減圧弁及び膨張弁としての機能を有しており、冷媒を減圧して膨張させるものである。負荷側絞り装置25a〜25dは、冷房運転モード(例えば、全冷房運転モード)での冷媒の流れにおいて、負荷側熱交換器26a〜26dのそれぞれ上流側に設けられている。
中継装置3には、気液分離器14、冷媒間熱交換器50、第4絞り装置15、第5絞り装置27、複数の第1開閉装置23a、23b、23c、23d、複数の第2開閉装置24a、24b、24c、24d、第2逆流防止装置21a、21b、21c、21d(例えば、逆止弁)、第3逆流防止装置22a、22b、22c、22d(例えば、逆止弁)が搭載されている。
図9は、空気調和装置200の全冷房運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図9では、太線で表された配管が冷媒の流れる配管を示しており、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。ここで、負荷側熱交換器26a及び負荷側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生しているものとする。全冷房運転モードの場合、制御装置60は、室外機1の冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された冷媒が熱源側熱交換器12へ流入するように切り替える。
図10は、空気調和装置200の冷房主体運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図10では、太線で表された配管が冷媒の循環する配管を示しており、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。ここで、負荷側熱交換器26aでのみ冷熱負荷が発生しており、負荷側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生しているものとする。冷房主体運転モードの場合、制御装置60は、冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された冷媒が熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。
図11は、空気調和装置200の全暖房運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図11では、太線で表された配管が冷媒の流れる配管を示しており、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。ここで、負荷側熱交換器26a及び負荷側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生しているものとする。全暖房運転モードの場合、制御装置60は、冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒が熱源側熱交換器12を経由せずに中継装置3へ流入するように切り替える。
図12は、空気調和装置200の暖房主体運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図12では、太線で表された配管が冷媒の流れる配管を示しており、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。ここで、負荷側熱交換器26aでのみ冷熱負荷が発生し、負荷側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生しているものとする。暖房主体運転モードの場合、制御装置60は、冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒が熱源側熱交換器12を経由せずに中継装置3へ流入するように切り替える。
本発明の実施の形態3に係る空気調和装置について説明する。図13は、本実施の形態に係る空気調和装置300の回路構成の一例を全冷房運転モードにおける冷媒の流れと共に示す概略回路構成図である。なお、実施の形態1と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態の空気調和装置300は、室外機1の構成において実施の形態1の空気調和装置100と異なっている。
本発明の実施の形態4に係る空気調和装置について説明する。図14は、本実施の形態に係る空気調和装置400の回路構成の一例を全冷房運転モードにおける冷媒の流れと共に示す概略回路構成図である。なお、実施の形態1又は2と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態の空気調和装置400は、室外機1の構成において実施の形態2の空気調和装置200と異なっている。
本発明の実施の形態5に係る空気調和装置について説明する。図15は、本実施の形態に係る空気調和装置500の回路構成の一例を全暖房運転モードにおける冷媒の流れと共に示す概略回路構成図である。なお、実施の形態1と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態の空気調和装置500は、室外機1の構成において実施の形態1の空気調和装置100と異なっている。
本発明の実施の形態6に係る空気調和装置について説明する。図16は、本実施の形態に係る空気調和装置600の回路構成の一例を全暖房運転モードにおける冷媒の流れと共に示す概略回路構成図である。なお、実施の形態1又は2と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態の空気調和装置600は、室外機1の構成において実施の形態2の空気調和装置200と異なっている。
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、冷房運転モード及び暖房運転モードにおいて、吐出温度しきい値(第1の値)が110℃である場合について例示しているが、吐出温度しきい値は、圧縮機10の吐出温度の限界値に応じて設定されるものであればよい。例えば圧縮機10の吐出温度の限界値が120℃の場合、制御装置60により、吐出温度が120℃を超えないように圧縮機10の動作が制御されている。具体的には、吐出温度が110℃を超えた場合、制御装置60は、圧縮機10の周波数を低くして減速させるように制御する。したがって、上述したインジェクションを行って圧縮機10の吐出温度を下げる場合、圧縮機10の周波数を低くする温度(吐出温度しきい値)である110℃よりも少し低い温度である90℃から105℃の間の温度(例えば100℃等)に、目標吐出温度(第3の値)を予め設定することが好ましい。例えば、吐出温度が110℃を超えたときに圧縮機10の周波数を低くしない場合には、吐出温度しきい値が90℃以上120℃以下(例えば110℃等)に設定されるようにすればよい。
Claims (12)
- 圧縮機、熱源側熱交換器、少なくとも1つの負荷側絞り装置、及び少なくとも1つの負荷側熱交換器が冷媒配管を介して接続され、冷媒を循環させる冷凍サイクル回路と、
前記冷凍サイクル回路のうち前記圧縮機の吐出側に一端が接続され、前記冷凍サイクル回路のうち前記圧縮機の吸入側に他端が接続され、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部を分流させるバイパス回路と、
前記バイパス回路に設けられ、前記バイパス回路に分流した冷媒を減圧する第1絞り装置と、
前記バイパス回路のうち前記第1絞り装置の下流側に設けられ、流入する冷媒を冷却し、冷却された冷媒のすべてを前記圧縮機の吸入側に送出する補助熱交換器と、
前記バイパス回路のうち前記補助熱交換器の下流側に設けられ、前記補助熱交換器から前記圧縮機の吸入側に流入させる冷媒の流量を調節する第2絞り装置と、
前記第2絞り装置の開度を制御する制御装置と、
を有する空気調和装置。 - 前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が吐出温度しきい値以上となった場合、前記吐出温度が前記吐出温度しきい値よりも低くなるように前記第2絞り装置の開度を制御するものである請求項1に記載の空気調和装置。
- 前記吐出温度しきい値の設定可能な上限値は110℃である請求項2に記載の空気調和装置。
- 前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が目標吐出温度に近づくように、前記第2絞り装置の開度を制御するものである請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の空気調和装置。
- 前記目標吐出温度の設定可能な範囲は、90℃以上105℃以下である請求項4に記載の空気調和装置。
- 前記第1絞り装置は開度を調節可能なものであり、
前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の冷媒循環量に基づいて前記第1絞り装置の開度を制御するものである請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記第1絞り装置は固定絞りであり、
前記バイパス回路には、少なくとも開閉可能な第3絞り装置が前記第1絞り装置と並列に設けられており、
前記制御装置は、前記圧縮機から吐出される冷媒の冷媒循環量に基づいて前記第3絞り装置を開閉するものである請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒の圧力に基づいて飽和ガス密度を算出し、
前記飽和ガス密度と前記圧縮機の周波数とに基づいて前記冷媒循環量を算出し、
前記飽和ガス密度と前記圧縮機の運転可能な最大周波数とに基づいて最大冷媒循環量を算出し、
前記冷媒循環量を前記最大冷媒循環量で除した値である最大冷媒循環量比が所定値以上の場合に、前記第3絞り装置を開くものである請求項7に記載の空気調和装置。 - 前記圧縮機及び前記熱源側熱交換器を搭載する室外機と、
前記負荷側絞り装置及び前記負荷側熱交換器をそれぞれ搭載する複数の室内機と、
前記室外機と前記複数の室内機との間を中継する中継装置と、をさらに有し、
前記室外機と前記複数の室内機とは、前記中継装置を介して冷媒が循環するように接続されている請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷凍サイクル回路には、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流路を切り替える冷媒流路切替装置が設けられており、
前記バイパス回路の一端は、前記冷凍サイクル回路のうち前記冷媒流路切替装置と前記負荷側熱交換器との間に接続されており、
前記制御装置は、暖房運転時に前記第2絞り装置の開度を制御するものである請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記冷凍サイクル回路には、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流路を切り替える冷媒流路切替装置が設けられており、
前記バイパス回路の一端は、前記冷凍サイクル回路のうち前記冷媒流路切替装置と前記中継装置の入口側流路との間に接続されており、
前記制御装置は、暖房運転時に前記第2絞り装置の開度を制御するものであり、
暖房運転は、停止状態にない前記負荷側熱交換器の全てが凝縮器として機能する全暖房運転と、前記負荷側熱交換器の一部が凝縮器として機能し、前記負荷側熱交換器の他の一部が蒸発器として機能する暖房主体運転と、を含むものである請求項9に記載の空気調和装置。 - 前記熱源側熱交換器及び前記補助熱交換器の少なくとも一方は、水と冷媒との間で熱交換を行う水冷媒熱交換器である請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の空気調和装置。
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