JP6840870B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、複数の室外ユニットおよび複数の室内ユニットを備えた冷凍サイクル装置に関する。
複数の室外ユニットおよびこれら室外ユニットに配管接続された複数の室内ユニットを備え、各室内ユニットの要求能力の総和に応じて各室外ユニットの運転台数を制御するマルチタイプの冷凍サイクル装置が知られている。
この冷凍サイクル装置では、室外ユニットの運転台数が減少した場合に、運転を継続する側の室外ユニットに過剰な量の冷媒が流れることがある。こうなると、運転を継続する側の室外ユニットにおける室外熱交換器内の液冷媒領域が増えて同室外熱交換器内の二相冷媒領域が減少し、その室外熱交換器の熱交換効率が低下する。これに伴い、冷房能力が低下してしまう。
この不具合に対処するため、受液器いわゆるレシーバタンクを冷凍サイクルに設け、このレシーバタンクに過剰分の冷媒を溜め込む構成の冷凍装置が知られている（例えば特許文献１）。
特開２００８−２９８３３５号公報
上記冷凍サイクル装置では、レシーバタンクを設ける分だけコストが高くなる。
本発明の実施形態の目的は、レシーバタンクを用いることなく、運転を継続する側の室外ユニットに過剰な量の冷媒が流れない冷凍サイクル装置を提供することである。
請求項１の冷凍サイクル装置は、圧縮機、室外熱交換器、および室外ファンを有し、冷媒配管で接続された複数の室外ユニットと；室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと；前記各室外ユニットの運転台数を制御するコントローラと；を備える。コントローラは、前記各室外ユニットの運転台数を減少する際に、停止対象の室外ユニットの室外ファンを高速度運転しかつ同室外ユニットの圧縮機を低能力運転し、この高速度運転および低能力運転を所定時間にわたり継続した後、前記停止対象の室外ユニットの室外ファンおよび圧縮機を停止する。
第１実施形態の構成を示す図。 第１実施形態の制御を示すフローチャート。 第１実施形態における冷凍サイクルの状態を示すｐ−ｈ線図。 第２実施形態の制御を示すフローチャート。
［１］第１実施形態
以下、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、複数たとえば２つの室外ユニットＡ１，Ａ２が互いに並列に配管接続され、これら室外ユニットＡ１，Ａ２に複数の室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎが配管接続されている。
室外ユニットＡ１において、圧縮機１の吐出口に四方弁２を介して室外熱交換器３が配管接続され、その室外熱交換器３に電動膨張弁４を介して液側パックドバルブ５ａが配管接続されている。さらに、ガス側パックドバルブ５ｂに四方弁２およびアキュームレータ６を介して圧縮機１の吸込口が配管接続されている。室外熱交換器３の近傍には室外ファン７が配置されている。電動膨張弁４は、入力される駆動パルスの数に応じて開度が連続的に変化するパルスモータバルブ（ＰＭＶ）である。
室外ユニットＡ２において、圧縮機１１の吐出口に四方弁１２を介して室外熱交換器１３が配管接続され、その室外熱交換器１３に電動膨張弁１４を介して液側パックドバルブ１５ａが配管接続されている。さらに、ガス側パックドバルブ１５ｂに四方弁１２およびアキュームレータ１６を介して圧縮機１１の吸込口が配管接続されている。室外熱交換器１３の近傍には室外ファン１７が配置されている。電動膨張弁１４は、入力される駆動パルスの数に応じて開度が連続的に変化するパルスモータバルブである。
室外ユニットＡ１の液側パックドバルブ５ａと室外ユニットＡ２の液側パックドバルブ１５ａとが渡り配管５１により接続され、室外ユニットＡ２のガス側パックドバルブ５ｂと室外ユニットＡ２のガス側パックドバルブ１５ｂとが渡り配管５２により接続されている。
室外ユニットＡ１の液側パックドバルブ５ａと室外ユニットＡ２の液側パックドバルブ１５ａとを接続する渡り配管５１の他端側に室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの各電動膨張弁２１を介して室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの各室内熱交換器２２がそれぞれ配管接続され、これら室内熱交換器２２に室外ユニットＡ１のガス側パックドバルブ５ｂと室外ユニットＡ２のガス側パックドバルブ１５ｂとを接続する渡り配管５２の他端側が配管接続されている。各室内熱交換器２２の近傍にはそれぞれ室内ファン２３が配置されている。
以上の配管接続により、ヒートポンプ式の冷凍サイクルが構成されている。
圧縮機１は、インバータ３１の出力により動作するモータを密閉ケースに納めたもので、アキュームレータ６を経た冷媒を吸込み、その吸込み冷媒を圧縮して吐出口から吐出する。インバータ３１は、商用交流電源３２の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を所定周波数Ｆ１（Hz）およびその所定周波数Ｆ１に応じたレベルの交流電圧に変換し出力する。圧縮機１１は、インバータ４１の出力により動作するモータを密閉ケースに納めたもので、アキュームレータ１６を経た冷媒を吸込み、その吸込み冷媒を圧縮して吐出口から吐出する。インバータ４１は、商用交流電源４２の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を所定周波数Ｆ２（Hz）およびその所定周波数Ｆ２に応じたレベルの交流電圧に変換し出力する。以下、所定周波数Ｆ１，Ｆ２のことを運転周波数Ｆ１，Ｆ２という。
冷房時は、矢印で示すように、圧縮機１，１１の吐出口から吐出される冷媒が四方弁２，１２、室外熱交換器３，１３、電動膨張弁４，１４、液側パックドバルブ５ａ，１５ａ、渡り配管５１、各電動膨張弁２１を経て各室内熱交換器２２に流入する。各室内熱交換器２２から流出する冷媒は、渡り配管５２、ガス側パックドバルブ５ｂ，１５ｂ、四方弁２，１２、アキュームレータ６，１６を通って圧縮機１，１１の吸込口に吸込まれる。この冷媒の流れにより、室外熱交換器３，１３が凝縮器として機能し、各室内熱交換器２２が蒸発器として機能する。
圧縮機１の吐出口と四方弁２との間の高圧側配管に、圧縮機１から吐出されるガス冷媒の温度Ｔｄ１を検知する冷媒温度センサ３３、および圧縮機１から吐出されるガス冷媒の圧力（高圧側圧力）Ｐｄ１を検知する冷媒圧力センサ３４が取付けられている。室外ファン７の外気吸込み風路に外気温度Ｔｏ１を検知する外気温度センサ３５が配置されている。電動膨張弁４と液側パックドバルブ５ａとの間の液側配管に、室外熱交換器３から流出する液冷媒の温度Ｔｘ１を検知する冷媒温度センサ３６が取付けられている。四方弁２とアキュームレータ６との間の低圧側配管に、圧縮機１に吸込まれるガス冷媒の温度Ｔｓ１を検知する温度センサ３７、および圧縮機１に吸込まれるガス冷媒の圧力（低圧側圧力）Ｐｓ１を検知する圧力センサ３８が取付けられている。
圧縮機１１の吐出口と四方弁１２との間の高圧側配管に、圧縮機１１から吐出されるガス冷媒の温度Ｔｄ２を検知する冷媒温度センサ４３、および圧縮機１１から吐出されるガス冷媒の圧力（高圧側圧力）Ｐｄ２を検知する冷媒圧力センサ４４が取付けられている。室外ファン１７の外気吸込み風路に外気温度Ｔｏ２を検知する外気温度センサ４５が配置されている。電動膨張弁１４と液側パックドバルブ１５ａとの間の液側配管に、室外熱交換器１３から流出する液冷媒の温度Ｔｘ２を検知する冷媒温度センサ４６が取付けられている。四方弁１２とアキュームレータ１６との間の低圧側配管に、圧縮機１１に吸込まれるガス冷媒の温度Ｔｓ２を検知する冷媒温度センサ４７、および圧縮機１１に吸込まれるガス冷媒の圧力（低圧側圧力）Ｐｓ２を検知する圧力センサ４８が取付けられている。
室外ユニットＡ１はメインコントローラ３０を有し、このメインコントローラ３０に上記冷媒温度センサ３３，３６，３７、冷媒圧力センサ３４，３８、外気温度センサ３５などの検知結果が通知される。メインコントローラ３０は、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの各コントローラ２０と通信線接続され、各コントローラ２０からの指令および当該室外ユニットＡ１内の上記各センサの検知結果に応じて四方弁２、電動膨張弁４、室外ファン７、インバータ３１を制御する。
室外ユニットＡ２はコントローラ４０を有し、このコントローラ４０に上記冷媒温度センサ４３，４６，４７、冷媒圧力センサ４４，４８、外気温度センサ４５などの検知結果が通知される。コントローラ４０は、メインコントローラ３０に通信線接続され、そのメインコントローラ３０からの指令および当該室外ユニットＡ２内の上記各センサの検知結果に応じて四方弁１２、電動膨張弁１４、室外ファン１７、インバータ４１を制御する。
メインコントローラ３０は、第１制御セクション３０ａおよび第２制御セクション３０ｂを有する。
第１制御セクション３０ａは、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの各コントローラ２０の要求能力の総和に応じて、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数および圧縮機１，１１の運転周波数Ｆ１，Ｆ２を制御する。
第２制御セクション３０ｂは、制御セクション３０ａにより室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数が減少する際に、停止対象の室外ユニットの室外ファンを高速度運転し、かつ停止対象の室外ユニットの圧縮機を低能力運転し、この高速度運転および低能力運転を所定時間ｔにわたり継続した後、停止対象の室外ユニットの室外ファンおよび圧縮機を停止する。所定時間ｔは、例えば１分間である。
つぎに、メインコントローラ３０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。フローチャート中の符号Ｓ１〜Ｓ６は処理ステップを示す。
メインコントローラ３０は、冷房運転時、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎにおける各コントローラ２０の要求能力の総和に応じて、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数および圧縮機１，１１の能力（運転周波数Ｆ１，Ｆ２）を制御する（Ｓ１）。
そして、メインコントローラ３０は、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数を減少する必要が生じた際に（Ｓ２のＹＥＳ）、停止対象の室外ユニットＡ２の室外ファン１７を高速度運転し（Ｓ３）、かつ同室外ユニットＡ２の圧縮機１１を低能力運転する（Ｓ４）。
この圧縮機１１の低能力運転の実行に際し、メインコントローラ３０は、圧縮機１１の能力値として、運転を継続する側の室外ユニットＡ１の圧縮機１の現時点の能力（運転周波数Ｆ１）より低い値を設定する。
室外ファン１７が高速度運転すると、室外熱交換器１３における冷媒の凝縮が促進されて、室外熱交換器１３内に多くの液冷媒が溜まり込む。これに伴い圧縮機１１が低能力運転するので、室外熱交換器１３から電動膨張弁１４側の液側配管および渡り配管５１を通って室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎに流れ出る冷媒が減少する。このとき、電動膨張弁１４の開度を小さくまたは全閉としてもよい。電動膨張弁１４の開度を小さくすることで室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎに流れ出る冷媒をさらに減少させることができる。
続いて、メインコントローラ３０は、上記室外ファン１７の高速度運転および上記圧縮機１１の低能力運転を所定時間ｔにわたり継続した後（Ｓ５のＹＥＳ）、室外ファン１７および圧縮機１１を停止する（Ｓ６）。この停止後、メインコントローラ３０は、初めのＳ１の処理に戻り、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎにおける各コントローラ２０の要求能力の総和に応じて、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数を制御するとともに運転する室外ユニットの圧縮機の能力を制御する。
以上のように、停止対象の室外ユニットＡ２の室外ファン１７および圧縮機１１を予め高速度運転しかつ低能力運転することにより、室外ユニットＡ２の室外熱交換器１３に液冷媒が溜まり込むとともに、室外熱交換器１３から電動膨張弁１４側の液側配管および渡り排気管５１を通って室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎに流れ出る冷媒が減少する。これにより、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に過剰な量の冷媒が流れる不具合を解消できる。従来のような冷媒量消勢用のレシーバタンクが不要であり、その分、コストの低減が図れる。
室外ユニットＡ１に過剰な量の冷媒が流れないので、室外熱交換器３内の液冷媒領域が不要に増えて二相冷媒領域が減少することはなく、よって室外熱交換器３の熱交換効率が低下しない。室外熱交換器３の熱交換効率が低下しないので、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの要求能力の総和に見合う冷房能力を得ることができる。
仮に、室外ユニットＡ１に過剰な量の冷媒が流れた場合の冷凍サイクル状態を図３のｐ−ｈ線図（破線）で示す。運転を継続する側の室外ユニットＡ１に過剰な量の冷媒が流れると、室外ユニットＡ１における高圧側冷媒圧力Ｐｄ１が上昇する。高圧側冷媒圧力Ｐｄ１が所定値を超えて上昇すると、機器保護のために圧縮機の運転周波数を低下させる制御が行われて冷房能力が低下してしまう。
一方で、停止対象の室外ユニットＡ２に液冷媒が溜まり過ぎてしまうと、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に十分な量の冷媒が流れなくなり、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎの要求能力の総和に見合う冷房能力を確保できない状態となる。この場合、Ｓ１の処理において、室外ユニットＡ２の室外ファン１７および圧縮機１１の運転が再開される。この運転再開により、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に十分な量の冷媒が流れるようになる。
［２］第２実施形態
冷凍サイクル装置の第２実施形態について説明する。
メインコントローラ３０の第２制御セクション３０ｂは、制御セクション３０ａにより室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数が減少する際に、外気温度センサ３５の検知温度（外気温度）Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ以上であることを条件に、停止対象の室外ユニットの室外ファンを高速度運転しかつ同室外ユニットの圧縮機を低能力運転する。そして、第２制御セクション３０ｂは、この高速度運転および低能力運転を所定時間ｔにわたり継続した後、停止対象の室外ユニットの室外ファンおよび圧縮機を停止する。
外気温度センサ３５の検知温度Ｔｏ１は、室外ユニットＡ２側の外気温度センサ４５により検知される外気温度Ｔｏ２とほぼ同じである。閾値Ｔｏｓは、外気温度Ｔｏ１が中・高温度領域にあるか低温度領域にあるかの判定用である。
メインコントローラ３０が実行する制御を図４のフローチャートを参照しながら説明する。Ｓ１１〜Ｓ１７は処理ステップを示す。
メインコントローラ３０は、冷房運転時、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎにおける各コントローラ２０の要求能力の総和に応じて、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数および圧縮機１，１１の能力（運転周波数Ｆ１，Ｆ２）を制御する（Ｓ１１）。
そして、メインコントローラ３０は、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数を減少する必要が生じた際に（Ｓ１２のＹＥＳ）、外気温度センサ３５の検知温度Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ以上の中・高温度領域にあるかを判定する（Ｓ１３）。
外気温度Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ以上の中・高温度領域にある場合（Ｓ１３のＹＥＳ）、メインコントローラ３０は、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に過剰な量の冷媒が流れる可能性があるとの判断の下に、停止対象の室外ユニットＡ２の室外ファン１７を高速度運転し（Ｓ１４）、かつ同室外ユニットＡ２の圧縮機１１を低能力運転する（Ｓ１５）。
この圧縮機１１の低能力運転の実行に際し、メインコントローラ３０は、圧縮機１１の能力値として、運転を継続する側の室外ユニットＡ１の圧縮機１の現時点の能力（運転周波数Ｆ１）より低い値を設定する。
室外ファン１７が高速度運転すると、室外熱交換器１３における冷媒の凝縮が促進されて、室外熱交換器１３内に多くの液冷媒が溜まり込む。これに伴い圧縮機１１が低能力運転するので、室外熱交換器１３から電動膨張弁１４側の液側配管および渡り排気管５１を通って室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎに流れ出る冷媒が減少する。ひいては、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎから室外ユニットＡ１に流れる冷媒の量も減少する。
続いて、メインコントローラ３０は、上記室外ファン１７の高速度運転および上記圧縮機１１の低能力運転を所定時間ｔにわたり継続した後（Ｓ１６のＹＥＳ）、室外ファン１７および圧縮機１１を停止する（Ｓ１７）。この停止後、メインコントローラ３０は、初めのＳ１の処理に戻り、室内ユニットＢ１，Ｂ２，…Ｂｎにおける各コントローラ２０の要求能力の総和に応じて、室外ユニットＡ１，Ａ２の運転台数を制御するとともに運転する室外ユニットの圧縮機の能力を制御する。
上記Ｓ１３の判定において、外気温度Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ未満の低温度領域にある場合（Ｓ１３のＮＯ）、メインコントローラ３０は、上記Ｓ１４〜Ｓ１６の処理を実行することなく、室外ファン１７および圧縮機１１を停止する（Ｓ１７）。
すなわち、外気温度Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ未満の低温度領域にある状態でＳ１４〜Ｓ１６の処理を実行すると、室外ユニットＡ２の室外熱交換器１３に溜まり込む冷媒の量が増え過ぎて、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に十分な量の冷媒が流れない可能性がある。この冷媒量の偏りを防ぐため、外気温度Ｔｏ１が閾値Ｔｏｓ未満の低温度領域にある場合はＳ１４〜Ｓ１６の処理を実行しないようにしている。
他の構成および効果は、第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
［３］変形例
上記各実施形態では、室外ユニットが２台の場合を例に説明したが、３台以上であっても同様に実施できる。
上記各実施形態では、停止対象が室外ユニットＡ２で、運転を継続する側が室外ユニットＡ１である場合を例に説明したが、停止対象を室外ユニットＡ１とし、運転を継続する側を室外ユニットＡ２とすることも、もちろん可能である。上記第２実施形態では、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に十分な量の冷媒が流れなくなる可能性の有無を外気温度Ｔｏ１と閾値Ｔｏｓとの比較により判断したが、室外ユニットＡ１側の過冷却度ＳＣ１と、室外ユニットＡ２側の過冷却度ＳＣ２とを比較し、この比較結果から上記可能性の有無を判断してもよい。
図３において、運転を継続する側の室外ユニットＡ１の状態を破線で示し、停止対象の室外ユニットＡ２の状態を実線で示す。このとき、運転を継続する側の室外ユニットＡ１の冷媒量が多く、停止対象の室外ユニットＡ２の冷媒量が少ないとすると、室外ユニットＡ１の高圧側冷媒圧力Ｐｄ１、凝縮温度Ｔｃ１および過冷却度ＳＣ１は、停止対象の室外ユニットＡ２の高圧側冷媒圧力Ｐｄ２、凝縮温度Ｔｃ２および過冷却度ＳＣ２よりも大きくなる。
ここで室外ユニットＡ１の過冷却度ＳＣ１は、凝縮温度Ｔｃ１と室外熱交換器３から流出する液冷媒の温度（冷媒温度センサ３６の検知温度）Ｔｘ１との差（＝Ｔｃ１−Ｔｘ１）で求めることができる。同様に室外ユニットＡ２の過冷却度ＳＣ２は、凝縮温度Ｔｃ２と室外熱交換器１３から流出する液冷媒の温度（冷媒温度センサ４６の検知温度）Ｔｘ２との差（＝Ｔｃ２−Ｔｘ２）で求めることができる。また、凝縮温度Ｔｃ１、Ｔｃ２は、冷媒圧力センサ３４、４４の検知圧力（高圧側冷媒圧力）Ｐｄ１、Ｐｄ２を用いて演算により求めることができる。
以上のように、運転を継続する側の室外ユニットＡ１の過冷却度ＳＣ１よりも停止対象の室外ユニットＡ２の過冷却度ＳＣ２が小さい場合は、停止対象の室外ユニットＡ２の冷媒量が少なく、運転を継続する側の室外ユニットＡ１に十分な量の冷媒が流れなくなる可能性がないと判断できる。
上記各実施形態では、空気調和機に搭載される冷凍サイクル装置を例に説明したが、給湯機等の他の機器に搭載される冷凍サイクル装置においても同様に実施可能である。
その他、上記各実施形態および変形例は、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。この新規な実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は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。
Ａ１，Ａ２…室外ユニット、Ｂ１，Ｂ２，…Ｂｎ…室内ユニット、１，１１…圧縮機、２，１２…四方弁、３，１３…室外熱交換器、４，１４…電動膨張弁、６，１６…アキュームレータ、７，１７…室外ファン、３０…メインコントローラ、４０…コントローラ、２１…電動膨張弁、２２…室内熱交換器、２３…室内ファン、２０…コントローラ、３１，４１…インバータ

Claims (3)

  1. 圧縮機、室外熱交換器、および室外ファンを有し、冷媒配管で接続された複数の室外ユニットと、
    室内熱交換器を有する複数の室内ユニットと、
    前記各室外ユニットの運転台数を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記コントローラは、
    前記各室外ユニットの運転台数を減少する際に、停止対象の室外ユニットの室外ファンを高速度運転しかつ同室外ユニットの圧縮機を低能力運転し、
    この高速度運転および低能力運転を所定時間にわたり継続した後、前記停止対象の室外ユニットの室外ファンおよび圧縮機を停止する、
    ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記コントローラは、
    前記各室外ユニットの運転台数を減少する際に、外気温度が閾値以上であることを条件に、停止対象の室外ユニットの室外ファンを高速度運転しかつ同室外ユニットの圧縮機を低能力運転する
    ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記低能力運転する前記圧縮機の能力は、運転を継続する側の室外ユニットの圧縮機の能力より低い
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
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