JP6429022B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は空気調和機に関する。

圧縮機の起動時に膨張弁の開度は目標開度に設定される。目標開度は、定常時（目標温度に到達した状態）のフィードバック制御で予測される開度に設定される。こうした目標開度で膨張弁の開度が設定されると、室温の変化量を大きくするために必要な膨張弁の開度に比べて、冷媒の循環量が抑えられる。室温の変化量を大きくするためには、圧縮機の吸込側で冷媒が不足する。特許文献１では、冷媒の不足を回避するために、圧縮機の起動時に目標開度よりも大きい開度が設定される。このように目標開度が設定されると、膨張弁で冷媒の滞りが解消され、冷媒の不足は回避される。設定時間が経過すると、開度の設定はフィードバック制御に移行する。

特開平５−１９６３０９号公報

室温が安定すると、圧縮機は断続運転を実施する。冷房運転時の断続運転では圧縮機の起動時に室内熱交換器の入り口付近だけが急速に冷却され、入り口付近の温度が露点温度以下に下がる。室内熱交換器の入り口付近では室内熱交換器の外面に結露する。このとき、中間域および出口付近では室内熱交換器の外面が乾いた状態に維持されると、結露した水分は乾いた状態の外面を伝うことができず、入り口と中間域との境から水滴は直下の送風ファンに向かって落下してしまう。こうして露飛びが引き起こされる。特許文献１では、圧縮機の起動時に引き起こされる露飛びの防止といった課題は認識されていない。

本発明のいくつかの態様によれば、圧縮機の起動時に露飛びを防止することができる空気調和機は提供されることができる。

本発明の一態様は、圧縮機起動時の初期回転数に応じて設定される膨張弁の目標開度よりも大きい初期開度を特定する第１制御信号を出力する露飛び防止制御部と、室内熱交換器を流通する冷媒の温度が露点温度以下になると、前記圧縮機の回転数に応じて設定される開度を特定する第２制御信号を出力する運転制御部と
を備える空気調和機に関する。

冷房運転時、圧縮機が起動すると、第１制御信号に基づき膨張弁は初期開度を確立する。その結果、膨張弁が目標開度を確立する場合に比べて、二相冷媒は室内熱交換器中に広い範囲で行き渡る。室内熱交換器は広い範囲で冷却される。室内熱交換器が露点温度に達すると、室内熱交換器の外面で十分に結露が引き起こされる。室内熱交換器の外面では十分な範囲で濡れ状態が確保される。水滴は確実に室内熱交換器の外面を伝う。こうして結露の水分は確実に回収される。露飛びは防止される。その後、第１制御信号に代わって第２制御信号に基づき膨張弁は圧縮機の回転数に応じて開度を確立する。こうした制御は冷媒音の抑制や立ち上がり性能の向上、定常運転までの時間短縮に貢献する。

空気調和機は、前記室内熱交換器に取り付けられて、前記検出信号を生成する温度センサを備えてもよい。空気調和機では膨張弁の開度の制御にあたって室内熱交換器内の圧力が検出される。圧力の検出にあたって室内熱交換器には検出部としての温度センサが取り付けられる。温度センサは二相冷媒の温度を測定する。温度センサの検出信号は判定部に送られる。こうして第１制御信号から第２制御信号への切り替えにあたって温度センサの検出信号が流用されると、電子部品の追加は回避され、製造コストの低減は実現される。

空気調和機は、前記圧縮機起動時から段階的に前記圧縮機の回転数を上げる第３制御信号を出力する圧縮機制御部をさらに備えてもよい。圧縮機の起動時、圧縮機は段階的に回転数を上げる。こうして冷媒の循環経路内で満遍なく冷媒は確保される。

前記露飛び防止制御部は、前記初期開度から時間の経過に応じて前記膨張弁を絞ってもよい。こうして膨張弁の開度は目標開度に向かって絞られる。

前記運転制御部は、前記圧縮機起動時から、前記圧縮機の回転数に応じて設定される開度を算出してもよい。運転制御部は第２制御信号の出力以前に第１制御信号の出力の背後で圧縮機の回転数に応じて開度を算出する。第１制御信号の出力と並行して、圧縮機の回転数に応じて開度は算出される。こうして確実に第１制御信号から第２制御信号に切り替えは実現される。スムースな切り替えは達成される。

前記運転制御部は、算出された開度と、時間の経過に応じて絞られる膨張弁の開度以下になると、前記検出信号で特定される前記温度に関係なく、前記第２制御信号を出力すればよい。室内熱交換器が露点温度に至る以前に、第１制御信号は第２制御信号に取って代わられる。こうして圧縮機の回転数に応じた開度との乖離は最小限に止められる。

以上のように開示の空気調和機によれば、圧縮機の起動時に露飛びを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和機の構成を概略的に示す概念図である。 室内機および制御回路および冷凍回路の構成を概略的に示す概念図である。 冷房運転時の断続運転にあたって空気調和機の動作を概略的に示すフローチャートである。 初期開度の変化と圧縮機の回転数に基づき算出される開度との関係を示すグラフである。 初期開度の変化と圧縮機の回転数に基づき算出される開度との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

（１）空気調和機の構成
図１は本発明の一実施形態に係る空気調和機１１の構成を概略的に示す。空気調和機１１は室内機１２および室外機１３を備える。室内機１２は例えば建物内の室内空間に設置される。室内機１２には室内熱交換器１４が組み込まれる。室外機１３には圧縮機１５、室外熱交換器１６、膨張弁１７および四方弁１８が組み込まれる。室内熱交換器１４、圧縮機１５、室外熱交換器１６、膨張弁１７および四方弁１８は冷凍回路１９を形成する。

冷凍回路１９は第１循環経路２１を備える。第１循環経路２１は四方弁１８の第１口１８ａおよび第２口１８ｂを相互に結ぶ。第１循環経路２１には、圧縮機１５が設けられている。圧縮機１５の吸入管１５ａは四方弁１８の第１口１８ａに冷媒配管を介して接続される。第１口１８ａからガス冷媒は圧縮機１５の吸入管１５ａに供給される。圧縮機１５は低圧のガス冷媒を所定の圧力まで圧縮する。圧縮機１５の吐出管１５ｂは四方弁１８の第２口１８ｂに冷媒配管を介して接続される。圧縮機１５の吐出管１５ｂからガス冷媒は四方弁１８の第２口１８ｂに供給される。冷媒配管は例えば銅管であればよい。

冷凍回路１９は第２循環経路２２をさらに備える。第２循環経路２２は四方弁１８の第３口１８ｃおよび第４口１８ｄを相互に結ぶ。第２循環経路２２には、第３口１８ｃ側から順番に室外熱交換器１６、膨張弁１７および室内熱交換器１４が組み込まれる。室外熱交換器１６は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換をする。室内熱交換器１４は、通過する冷媒と周囲の空気との間で熱エネルギーの交換をする。第２循環経路２２は例えば銅管などの冷媒配管で形成されればよい。

室外機１３には室外送風ファン２３が組み込まれる。室外送風ファン２３は室外熱交換器１６に通風する。室外送風ファン２３は例えば羽根車の回転に応じて気流を生成する。気流は室外熱交換器１６を通り抜ける。通り抜ける気流の流量は羽根車の回転数に応じて調整される。

室内機１２には室内送風ファン２４が組み込まれる。室内送風ファン２４は室内熱交換器１４に通風する。室内送風ファン２４は羽根車の回転に応じて気流を生成する。室内送風ファン２４の働きで室内機１２には室内空気が吸い込まれる。室内空気は室内熱交換器１４を通り抜け冷媒と熱交換する。熱交換された冷気または暖気の気流は室内機１２から吹き出される。通り抜ける気流の流量は羽根車の回転数に応じて調整される。室内送風ファン２４は例えばクロスフローファンで構成される。

冷凍回路１９で冷房運転が実施される場合には、四方弁１８は第２口１８ｂおよび第３口１８ｃを相互に接続し第１口１８ａおよび第４口１８ｄを相互に接続する。したがって、圧縮機１５の吐出管１５ｂから高温高圧の冷媒が室外熱交換器１６に供給される。冷媒は室外熱交換器１６、膨張弁１７および室内熱交換器１４を順番に流通する。室外熱交換器１６では冷媒から外気に放熱する。膨張弁１７で冷媒は低圧まで減圧される。減圧された冷媒は室内熱交換器１４で周囲の空気から吸熱する。冷気が生成される。冷気は室内送風ファン２４の働きで室内空間に吹き出される。

冷凍回路１９で暖房運転が実施される場合には、四方弁１８は第２口１８ｂおよび第４口１８ｄを相互に接続し第１口１８ａおよび第３口１８ｃを相互に接続する。圧縮機１５から高温高圧の冷媒が室内熱交換器１４に供給される。冷媒は室内熱交換器１４、膨張弁１７および室外熱交換器１６を順番に流通する。室内熱交換器１４では冷媒から周囲の空気に放熱する。暖気が生成される。暖気は室内送風ファン２４の働きで室内空間に吹き出される。膨張弁１７で冷媒は低圧まで減圧される。減圧された冷媒は室外熱交換器１６で周囲の空気から吸熱する。その後、冷媒は圧縮機１５に戻る。

（２）室内機の構成
室内熱交換器１４は前側体１４ａおよび後側体１４ｂを備える。前側体１４ａは室内送風ファン２４の前側から室内送風ファン２４に向き合わせられる。後側体１４ｂは室内送風ファン２４の後側から室内送風ファン２４に向き合わせられる。前側体１４ａおよび後側体１４ｂは上端が近接するように配置される。

室内熱交換器１４は、いわゆるフィンチューブ型熱交換器である。室内熱交換器１４は、室内送風ファン２４の回転軸２４ａに平行に延びる複数の冷媒管２６を有する。冷媒は室内熱交換器１４内を水平方向に往復する。冷媒管２６は第２循環経路２２の一部を構成する。ここでは、冷媒は４系統に分岐される。したがって、冷媒管２６は室内熱交換器１４に４つの入り口２６ａおよび４つの出口２６ｂを形成する。室内熱交換器１４内の冷媒循環経路は、入り口２６ａ側の領域（入口域）と出口２６ｂ側の領域（出口域）と、その間の中間域とからなる。室内熱交換器１４の一部は、室内送風ファン２４の上方に位置する。入口域と中間域との境界は、重力方向に室内送風ファン２４の上方に位置する。室内熱交換器１４の外面が乾いた状態に維持されると、結露した水分は乾いた状態の外面を伝うことができず、水滴は直下の送風ファンに向かって落下してしまう。冷媒管２６は例えば銅やアルミニウムといった金属材料から形成されることができる。

室内熱交換器１４は複数の放熱フィン２７を有する。放熱フィン２７は冷媒管２６に結合される。放熱フィン２７は室内送風ファン２４の回転軸２４ａに直交しつつ相互に平行に広がる。放熱フィン２７は冷媒管２６と同様に例えば銅やアルミニウムといった金属材料から形成されることができる。冷媒管２６および放熱フィン２７を通じて冷媒と空気との間で熱交換が実現される。

室内機１２はドレンパン２８を備える。ドレンパン２８は重力方向に室内熱交換器１４の下方に配置される。前側体１４ａの下端および後側体１４ｂの下端から滴る水滴はドレンパン２８で受け止められる。こうしてドレンパン２８は結露時の水滴を回収する。

室内機１２は温度センサ２９を備える。温度センサ２９は冷媒管２６に取り付けられる。温度センサ２９は検出信号を出力する。検出信号では室内熱交換器１４を流通する冷媒の温度が特定される。温度変化の検出にあたって温度センサ２９は、分岐されたうちの１系統の冷媒管２６の中間域に固定される。こうして温度センサ２９は二相冷媒の温度を測定する。温度センサ２９の位置が入り口２６ａに近いと、液冷媒の温度しか検出されず、圧力の測定に役立たない。反対に、温度センサ２９の位置が出口２９ｂに近いと、ガス冷媒の温度しか検出されないため二相冷媒の温度を検出できず、圧力の測定に役立たない。

（３）制御回路の構成
空気調和機１１には制御回路３１が組み込まれる。制御回路３１は膨張弁制御部３２および圧縮機制御部３３を備える。膨張弁制御部３２は膨張弁１７の駆動源（例えばステッピングモータ）に電気的に接続される。駆動源の働きで膨張弁１７の開度は調整される。開度の調整にあたって膨張弁１７の駆動源には膨張弁制御部３２から第１制御信号および第２制御信号が供給される。圧縮機制御部３３は圧縮機１５の駆動源（例えば駆動モータ）に電気的に接続される。駆動源の働きで圧縮機１５のロータは回転する。ロータの回転数に応じて圧縮機１５の吐出量は調整される。吐出量の調整にあたって圧縮機１５の駆動源には圧縮機制御部３３から第３制御信号が供給される。圧縮機制御部３３は圧縮機１５の起動時にゼロから段階的に圧縮機１５の回転数を引き上げる。

膨張弁制御部３２は露飛び防止制御部３５を備える。露飛び防止制御部３５は第１制御信号を生成する。第１制御信号は膨張弁１７の目標開度よりも大きい初期開度を特定する。目標開度は圧縮機１５の起動時の初期回転数に応じて設定される。露飛び防止制御部３５は初期開度から時間の経過に応じて膨張弁１７を絞る。したがって、第１制御信号では、圧縮機１５の起動時から時間の経過に応じて、初期開度から段階的に減少する開度が特定される。初期開度は予め決められていればよく制御回路３１に付随の記憶メモリなどに格納されていればよい。

膨張弁制御部３２は運転制御部３６を備える。運転制御部３６は、圧縮機１５の回転数に応じて設定される開度を算出する。すなわち、運転制御部３６には圧縮機制御部３３から圧縮機１５の回転数を特定する情報が供給される。膨張弁１７の目標開度は運転制御部３６で算出されることができる。運転制御部３６は、算出した開度に基づき第２制御信号を生成する。第２制御信号の出力にあたって、運転制御部３６は、算出された開度と、時間の経過に応じて絞られる膨張弁１７の開度とを比較する。運転制御部３６は２つの開度が等しいと第２制御信号の出力を開始する。

膨張弁制御部３２は判定部３７を備える。判定部３７は室内機１２の温度センサ２９に接続される。判定部３７には温度センサ２９から検出信号が供給される。判定部３７は、検出信号で特定される温度が露点温度以下になると、第１制御信号の出力から第２制御信号の出力に切り替えを実施する。

露点温度は、図示しない湿度センサーを用いて測定した相対湿度から算出しても良い。あるいは、室温に対して予め設定した湿度（例えば６０％）によって決まる温度を露点温度としてもよい。

（４）空気調和機の動作
冷房運転時に室温が設定温度に達すると、圧縮機制御部３３は圧縮機１５の吐出量を減少させ室温の低下を防止する。さらに室温が設定温度で安定すると、圧縮機制御部３３は圧縮機１５の断続運転を実施する。圧縮機１５は動作停止と起動とを繰り返す。図３に示されるように、ステップＳ１で制御回路３１が起動を判断すると（Ｓ１−Ｙｅｓ）、ステップＳ２で制御回路３１は第３制御信号を出力する。第３制御信号は圧縮機制御部３３で生成される。第３制御信号は圧縮機１５に供給される。圧縮機１５の動作は第３制御信号に基づき制御される。図４に示されるように、圧縮機制御部３３はゼロから段階的に圧縮機１５の回転数を引き上げていく。こうして冷媒の循環経路内で満遍なく冷媒は確保される。

制御回路３１はステップＳ３で第１制御信号を出力する。第１制御信号は露飛び防止制御部３５で生成される。第１制御信号では初期開度が特定される。第１制御信号に基づき膨張弁１７は初期開度を確立する。ここでは、初期開度は全開に設定される。膨張弁１７で減圧された冷媒は室内熱交換器１４に導入される。冷媒の蒸発に応じて室内熱交換器１４の吸熱が実現され、室内機１２で冷気が生成される。冷気は室内機１２から吹き出される。

ステップＳ４で制御回路３１は膨張弁１７の開度を算出する。開度の制御値は運転制御部３６で生成される。図４に示されるように、膨張弁１７の開度は圧縮機１５の回転数に応じて設定される。ここでは、制御値の算出にあたって圧縮機１５の回転数に対して所定の係数が掛け合わせられる。ステップＳ５で、算出された開度は初期開度と比較される。起動開始時、算出された開度は目標開度に一致することから、算出された開度は初期開度よりも小さい（Ｓ５−Ｙｅｓ）。その結果、制御回路３１はステップＳ６で検出信号の温度を判定する。温度が露点温度まで下がっていなければ、再びステップＳ４に戻って制御回路３１は膨張弁１７の開度を算出する。図４から明らかなように、膨張弁１７の初期開度は目標開度よりも大きい。その結果、膨張弁１７が目標開度を確立する場合に比べて、二相冷媒は室内熱交換器１４中に広い範囲で行き渡る。室内熱交換器１４は全体で冷却されていく。

ステップＳ６で露点温度以下の温度が特定されると（Ｓ６−Ｙｅｓ）、制御回路３１はステップＳ７で第１制御信号に代えて第２制御信号を出力する。出力信号は第１制御信号から第２制御信号に切り替えられる。第２制御信号は運転制御部３６で生成される。第２制御信号では、前述のように圧縮機１５の回転数に応じて算出された開度が特定される。ステップＳ６において室内熱交換器１４が露点温度に達すると、室内熱交換器１４の外面で全体にわたって結露が引き起こされる。室内熱交換器１４の外面では十分な範囲で濡れ状態が確保される。水滴は確実に室内熱交換器１４の外面を伝う。こうして結露の水分は確実にドレンパン２８に流れ落ちる。露飛びは防止される。

図４に示されるように、第２制御信号の出力に先立って第１制御信号に基づき膨張弁１７の開度は目標開度に向かって絞られる。膨張弁１７の開度は徐々に減少することから、冷却の偏りは回避される。十分に広い範囲にわたって均等に室内熱交換器１４は冷却されていく。室内熱交換器１４の外面では偏りなく温度は低下していく。

第１制御信号が第２制御信号に切り替えられると、膨張弁１７は圧縮機１５の回転数に応じて開度を確立する。運転制御部３６では圧縮機１５の起動時から継続的に圧縮機１５の回転数に応じて開度は算出される。第１制御信号の出力と並行して、圧縮機１５の回転数に応じて開度は算出される。こうして確実に第１制御信号から第２制御信号に切り替えは実現される。スムースな切り替えは達成される。第２制御信号に基づく制御によれば、冷媒音の抑制や立ち上がり性能の向上、定常運転までの時間短縮は実現される。

室内熱交換器１４が露点温度に至る以前に、ステップＳ５で、算出された開度が第１制御信号に基づき時間の経過に応じて絞られる膨張弁１７の開度以上になると（Ｓ５−Ｎｏ）、制御回路３１はステップＳ７で第２制御信号を出力する。この場合には、図５に示されるように、検出信号で特定される温度に関係なく第１制御信号は第２制御信号に取って代わられる。こうして圧縮機１５の回転数に応じた開度との乖離は最小限に止められる。第２制御信号に基づき冷媒音の抑制や立ち上がり性能の向上、定常運転までの時間短縮は実現される。

空気調和機１１では定常運転時に膨張弁１７の開度の制御にあたって室内熱交換器１４内の圧力が検出される。圧力の検出にあたって室内熱交換器１４に温度センサ２９が取り付けられる。温度センサ２９は二相冷媒の温度を測定する。こうして第１制御信号から第２制御信号への切り替えにあたって温度センサ２９の検出信号が流用されると、電子部品の追加は回避され、製造コストの低減は実現される。

１１ 空気調和機、１４ 室内熱交換器、１５ 圧縮機、１７ 膨張弁、２９ 温度センサ、３３ 圧縮機制御部、３５ 露飛び防止制御部、３６ 運転制御部、３７ 判定部。

Claims (4)

1. 圧縮機起動時の初期回転数に応じて設定される膨張弁の目標開度よりも大きい初期開度を特定する第１制御信号を出力する露飛び防止制御部と、
   室内熱交換器を流通する冷媒の温度を検出する検出部と、
   前記検出部の温度が露点温度以下になると、前記圧縮機の回転数に応じて設定される開度を特定する第２制御信号を出力する運転制御部と
   を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機において、前記露飛び防止制御部は、前記初期開度から時間の経過に応じて前記膨張弁を絞ることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項２に記載の空気調和機において、前記運転制御部は、前記圧縮機起動時から、前記圧縮機の回転数に応じて設定される開度を算出することを特徴とする空気調和機。
4. 請求項３に記載の空気調和機において、前記運転制御部は、算出された開度と、時間の経過に応じて絞られる膨張弁の開度以下になると、前記検出信号で特定される前記温度に関係なく、前記第２制御信号を出力することを特徴とする空気調和機。

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