JP7017096B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に関する。

従来、中圧レシーバと、室外熱交換器と圧縮機との間の冷媒を熱交換する内部熱交換器を備え、中圧レシーバから圧縮機の中間部に冷媒を注入できるインジェクション回路を備えたものがある。このときにインジェクション回路に流れる冷媒は、インジェクション回路に備えた膨張弁の開度を圧縮機の吐出温度（又は吐出過熱度）に基づいて制御を行っている。中圧レシーバの前後の膨張弁は、凝縮側の膨張弁をＳＣ（過冷却度）制御、蒸発側の膨張弁を吸入ＳＨ(吸入過熱度)制御をとしている（例えば、特許文献１参照）。ＳＣ制御は、過冷却度（＝凝縮器中間温度－凝縮器の出口温度）が目標値となるように膨張弁の開度制御を行うものであり、吸入ＳＨ制御は、吸入過熱度（＝蒸発器出口温度－蒸発器中間温度）が目標値となるように膨張弁の開度制御を行うものである。

一方、除霜運転後や低外気温で長時間停止した後の暖房運転起動時などは吸入ＳＨ（吸入過熱度）が確保できない。これは、アキュムレータや室外熱交換器等の低圧側となる回路に液冷媒が溜まっている状態で運転が起動されるためである。この条件では、冷媒回路内の冷媒は中圧レシーバではなくアキュムレータ内に貯まり、その状態でインジェクション回路を用いたインジェクション制御を行っても中圧レシーバ内に液冷媒がないため、吐出温度を下げるという効果がほとんど発揮されなくなる。

ここで、吐出温度（又は吐出ＳＨ）でインジェクション回路の膨張弁を制御しているため、中圧レシーバ内の液冷媒の有無が判断できない。従って、中圧レシーバ内に液冷媒がない状態でインジェクションを動作させる場合があり、その結果、吐出温度を下げようとインジェクション膨張弁を開くが、液冷媒がないことで吐出温度がほとんど低減しないため、インジェクション膨張弁の開度が全開となり、その状態で吸入ＳＨが確保されるとアキュムレータに貯まっていた冷媒が中圧レシーバに貯まりインジェクション回路に流れる。その結果、冷媒の循環量が急激に増加することで凝縮温度が一時的に急上昇する。凝縮温度、すなわち、暖房運転時の室内熱交換器の温度が一時的に急上昇すると、室内熱交換器と熱交換して室内機の筐体内から室内空間へ吹出される空気の温度（吹出温度）が不安定になる（快適性の低下）。また、吐出温度の低下により吐出温度と凝縮温度の差が一時的になくなることで、圧縮機内部で冷媒が凝縮して液化することによる圧縮機内のオイル希釈化（信頼性低下）という問題が発生する。

特開２００６－１１２７５３号公報

本発明は以上述べた問題点を解決するものであって、吹出温度のむら（快適性の低下）や、吐出温度の低下による圧縮機内のオイル希釈化（信頼性低下）を防止する空気調和機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、以下のように把握される。
（１）本発明の第１の観点は、空気調和機であって、冷媒が、暖房運転時に、圧縮機、室内熱交換器、上流側膨張弁、中圧レシーバ、下流側膨張弁、室外熱交換器の順に流れるように冷媒配管で接続された冷媒回路と、前記中圧レシーバの冷媒を前記圧縮機にインジェクションするインジェクション回路と、前記インジェクション回路に設けられ、インジェクションする冷媒の量を調整するインジェクション膨張弁と、前記上流側膨張弁、前記下流側膨張弁及び前記インジェクション膨張弁を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているか否かを判定する液貯留判定部を有し、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっていると判定すると、前記インジェクション膨張弁を開いてインジェクションを行う、ことを特徴とする。

（２）上記（１）において、前記液貯留判定部は、前記冷媒回路において、前記上流側膨張弁の流入前と流出後の冷媒温度の差によって、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているかどうかを判定する。

（３）上記（１）において、前記液貯留判定部は、前記冷媒回路において、吸入過熱度が負の所定値を下回るか否かによって、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているかどうかを判定する。

本発明によれば、吹出温度が不安定になること（快適性の低下）や、吐出温度の低下による圧縮機内のオイル希釈化（信頼性低下）を防止する空気調和機を提供することができる。

本発明の実施形態の空気調和機を説明する図であって、（Ａ）は冷媒回路図、（Ｂ）は室外機制御手段のブロック図である。 基本的な冷媒回路を説明する図である。 図２の冷媒回路に係るモリエル線図（ｐｈ線図）である。 インジェクション回路を有する冷媒回路を説明する図である。 図４の冷媒回路に係るモリエル線図（ｐｈ線図）である。 中圧レシーバを備えた冷媒回路を説明する図である。 図６の冷媒回路に係るモリエル線図（ｐｈ線図）である。 本発明の実施形態の空気調和機において、インジェクション回路及び中圧レシーバを有する冷媒回路を説明する図である。 図８の冷媒回路に係るモリエル線図（ｐｈ線図）である。 本発明の実施形態の空気調和機において、動作フローである。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

＜冷媒回路の構成＞
まず、図１（Ａ）を参照して、室外機２を含む空気調和機１の冷媒回路について説明する。図１（Ａ）に示すように、本実施形態における空気調和機１は、屋外に設置される室外機２と、室内に設置され、室外機２に液管４及びガス管５で接続された室内機３を備えている。詳細には、室外機２の液側閉鎖弁２５と室内機３の液管接続部３３が液管４で接続されている。また、室外機２のガス側閉鎖弁２６と室内機３のガス管接続部３４がガス管５で接続されている。以上により、空気調和機１の冷媒回路１０が形成される。

＜＜室外機の冷媒回路＞＞
まずは、室外機２について説明する。室外機２は、圧縮機２１と、四方弁２２と、室外熱交換器２３と、暖房運転時における上流側膨張弁２４と、液管４が接続された液側閉鎖弁２５と、ガス管５が接続されたガス側閉鎖弁２６と、室外ファン２７と、暖房運転時における下流側膨張弁２８と、インジェクション膨張弁２９と、中圧レシーバ８１と、冷媒間熱交換器８２を備えている。そして、室外ファン２７を除くこれら各装置が後述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路１０の一部をなす室外機冷媒回路１０ａを形成している。なお、圧縮機２１の冷媒吸入側には、アキュムレータ（不図示）が設けられてもよい。また、本明細書では「インジェクション」を「ＩＮＪ」と表記することがある。

圧縮機２１は、図示しないインバータにより回転数が制御されることで、運転容量を変えることができる容量可変型圧縮機である。圧縮機２１の冷媒吐出側は、四方弁２２のポートａと吐出管６１で接続されている。また、圧縮機２１の冷媒吸入側は、四方弁２２のポートｃと吸入管６６で接続されている。

中圧レシーバ８１は、液側閉鎖弁２５と室外熱交換器２３との間の室外機液管６３に、上流側膨張弁２４と下流側膨張弁２８に挟まれて設けられている。中圧レシーバ８１は、大小様々な室内機３が接続されても、適切な冷媒量に調整するためのものである。中圧レシーバ８１の下流側ではインジェクション配管６５が分岐しており、インジェクション配管６５は、インジェクション膨張弁２９を介して圧縮機２１内部の図示しないシリンダの中間部に接続されている。インジェクション配管６５は、凝縮器（暖房運転時には室内熱交換器３１）の冷媒循環量を増やしたり、圧縮機２１の吐出温度を下げたりするため、圧縮機２１に冷媒をインジェクションするものである。インジェクション配管６５の途中には、インジェクション配管６５を流れる冷媒と室外機液管６３を流れる冷媒との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器８２が設けられている。

インジェクション配管６５、インジェクション膨張弁２９を含む一連の回路をインジェクション回路という（なお、本明細書では、インジェクション配管６５で代表させてインジェクション回路ということがある。また、ここで示すインジェクション回路は一例であって、他の態様であってもよい）。インジェクション膨張弁２９は、インジェクション配管６５の開閉手段として設けられ、圧縮機２１の吐出温度又は吐出ＳＨを制御する。

四方弁２２は、冷媒の流れる方向を切り替えるための弁であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄの４つのポートを備えている。ポートａは、上述したように圧縮機２１の冷媒吐出側と吐出管６１で接続されている。ポートｂは、室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口と冷媒配管６２で接続されている。ポートｃは、上述したように圧縮機２１の冷媒吸入側と吸入管６６で接続されている。そして、ポートｄは、ガス側閉鎖弁２６と室外機ガス管６４で接続されている。なお、四方弁２２が、本発明の流路切替手段である。

室外熱交換器２３は、冷媒と、後述する室外ファン２７の回転により室外機２の内部に取り込まれた外気を熱交換させるものである。室外熱交換器２３の一方の冷媒出入口は、上述したように四方弁２２のポートｂと冷媒配管６２で接続され、他方の冷媒出入口は液側閉鎖弁２５と室外機液管６３で接続されている。室外熱交換器２３は、後述する四方弁２２の切り替えによって、冷房時は凝縮器として機能し、暖房運転時は蒸発器として機能する。

暖房運転時における上流側膨張弁２４及び下流側膨張弁２８は、図示しないパルスモータにより駆動される電子膨張弁である。具体的には、パルスモータに加えられるパルス数によりその開度が調整される。上流側膨張弁２４は、ＳＣが所定の目標値になるように、その開度が調整される。また、下流側膨張弁２８は、暖房運転時は圧縮機２１から吐出される冷媒の温度である吐出温度が所定の目標温度となるように、その開度が調整される。

室外ファン２７は樹脂材で形成されており、室外熱交換器２３の近傍に配置されている。室外ファン２７は、その中心部が図示しないファンモータの回転軸に接続されている。ファンモータが回転することで室外ファン２７が回転する。室外ファン２７の回転によって、室外機２の図示しない吸込口から室外機２の内部へ外気を取り込み、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換した外気を、室外機２の図示しない吹出口から室外機２外部へ放出する。

以上説明した構成の他に、室外機２には各種のセンサが設けられている。図１（Ａ）に示すように、吐出管６１には、圧縮機２１から吐出される冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサ７１と、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度（上述した吐出温度）を検出する吐出温度センサ７３が設けられている。吸入管６６には、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力を検出する吸入圧力センサ７２と、圧縮機２１に吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度センサ７４と、暖房運転時に上流側膨張弁２４から流出した冷媒の温度を検出する室外機液管温度センサ７７ｂが設けられている。

室外熱交換器２３の図示しない冷媒パスの略中間部には、室外熱交換器２３の温度である室外熱交温度を検出する熱交温度センサ７５が設けられている。そして、室外機２の図示しない吸込口付近には、室外機２の内部に流入する外気の温度、すなわち外気温度を検出する外気温度センサ７６が備えられている。

また、室外機２には、室外機制御手段２００が備えられている。室外機制御手段２００は、室外機２の図示しない電装品箱に格納されている制御基板に搭載されている。図１（Ｂ）に示すように、室外機制御手段２００は、ＣＰＵ２１０と、記憶部２２０と、通信部２３０と、センサ入力部２４０を備えている（なお、本明細書では、室外機制御手段２００を単に制御手段ということがある）。

記憶部２２０は、フラッシュメモリで構成されており、室外機２の制御プログラムや各種センサからの検出信号に対応した検出値、圧縮機２１や室外ファン２７等の制御状態等を記憶している。また、図示は省略するが、記憶部２２０には室内機３から受信する要求能力に応じて圧縮機２１の回転数を定めた回転数テーブルが予め記憶されている。

通信部２３０は、室内機３との通信を行うインターフェイスである。センサ入力部２４０は、室外機２の各種センサでの検出結果を取り込んでＣＰＵ２１０に出力する。

ＣＰＵ２１０は、前述した室外機２の各センサでの検出結果を、センサ入力部２４０を介して取り込む。さらには、ＣＰＵ２１０は、室内機３から送信される制御信号を、通信部２３０を介して取り込む。ＣＰＵ２１０は、取り込んだ検出結果や制御信号等に基づいて、圧縮機２１や室外ファン２７の駆動制御を行う。また、ＣＰＵ２１０は、取り込んだ検出結果や制御信号に基づいて、四方弁２２の切り替え制御を行う。さらには、ＣＰＵ２１０は、取り込んだ検出結果や制御信号に基づいて、上流側膨張弁２４及び下流側膨張弁２８の開度調整、インジェクション膨張弁２９の開閉制御及び開度調整を行う。ＣＰＵ２１０には、中圧レシーバ８１内に液冷媒が貯まっているか否かを判定する液貯留判定部が設けられており、液貯留判定部は、詳しくは後述するように、中圧レシーバ８１内に液冷媒が貯まっていると判定すると、インジェクション膨張弁２９を開いて冷媒を圧縮機２１の中圧へインジェクションを行う。

＜＜室内機の冷媒回路＞＞
次に、図１（Ａ）を用いて、室内機３について説明する。室内機３は、室内熱交換器３１と、室内ファン３２と、液管４の他端が接続された液管接続部３３と、ガス管５の他端が接続されたガス管接続部３４を備えている。そして、室内ファン３２を除くこれら各装置が以下で詳述する各冷媒配管で相互に接続されて、冷媒回路１０の一部をなす室内機冷媒回路１０ｂを形成している。

室内熱交換器３１は、冷媒と後述する室内ファン３２の回転により室内機３の図示しない吸込口から室内機３の内部に取り込まれた室内空気を熱交換させるものである。室内熱交換器３１の一方の冷媒出入口は、液管接続部３３と室内機液管６７で接続されている。室内熱交換器３１の他方の冷媒出入口は、ガス管接続部３４と室内機ガス管６８で接続されている。室内熱交換器３１は、室内機３が冷房運転を行う場合は蒸発器として機能し、室内機３が暖房運転を行う場合は凝縮器として機能する。

室内ファン３２は樹脂材で形成されており、室内熱交換器３１の近傍に配置されている。室内ファン３２は、図示しないファンモータによって回転することで、室内機３の図示しない吸込口から室内機３の内部に室内空気を取り込み、室内熱交換器３１において冷媒と熱交換した室内空気を室内機３の図示しない吹出口から室内へ吹き出す。

以上説明した構成の他に、室内機３には各種のセンサが設けられている。室内機液管６７には、室内熱交換器３１に流入あるいは室内熱交換器３１から流出する冷媒の温度を検出する液側温度センサ７７ａが設けられている。室内機ガス管６８には、室内熱交換器３１から流出あるいは室内熱交換器３１に流入する冷媒の温度を検出するガス側温度センサ７８が設けられている。そして、室内機３の図示しない吸込口付近には、室内機３の内部に流入する室内空気の温度、すなわち室温を検出する室温センサ７９が備えられている。

＜冷媒回路の動作の概要＞
次に、本実施形態における空気調和機１の空調運転時の冷媒回路１０における冷媒の流れや各部の動作について、より詳しくは図２から図１０を用いて説明するが、図１（Ａ）を用いてその概要をまず説明する。以下では、図中、実線で示した冷媒の流れに基づいて、室内機３が暖房運転を行う場合について説明する。なお、破線で示した冷媒の流れが冷房運転を示している。

室内機３が暖房運転を行う場合、ＣＰＵ２１０は、図１（Ａ）に示すように四方弁２２を実線で示す状態、すなわち、四方弁２２のポートａとポートｄが連通するよう、また、ポートｂとポートｃが連通するよう、切り替える。これにより、冷媒回路１０において実線矢印で示す方向に冷媒が循環し、室外熱交換器２３が蒸発器として機能するとともに、室内熱交換器３１が凝縮器として機能する暖房サイクルとなる。

圧縮機２１から吐出された高圧の冷媒は、吐出管６１を流れて四方弁２２に流入する。四方弁２２のポートａに流入した冷媒は、四方弁２２のポートｄから室外機ガス管６４を流れて、ガス側閉鎖弁２６を介してガス管５に流入する。ガス管５を流れる冷媒は、ガス管接続部３４を介して室内機３に流入する。

室内機３に流入した冷媒は、室内機ガス管６８を流れて室内熱交換器３１に流入し、室内ファン３２の回転により室内機３の内部に取り込まれた室内空気と熱交換を行って凝縮する。このように、室内熱交換器３１が凝縮器として機能し、室内熱交換器３１で冷媒と熱交換を行った室内空気が図示しない吹出口から室内に吹き出されることによって、室内機３が設置された室内の暖房が行われる。

室内熱交換器３１から流出した冷媒は、室内機液管６７を流れ、液管接続部３３を介して液管４に流入する。液管４を流れ、液側閉鎖弁２５を介して室外機２に流入した冷媒は、室外機液管６３を流れて上流側膨張弁２４、中圧レシーバ８１、下流側膨張弁２８を通過する際に減圧される。上述したように、暖房運転時において、上流側膨張弁２４の開度は、室内熱交換器３１流出後の冷媒の過冷却度（ＳＣ）が所定の目標値となるように、下流側膨張弁２８の開度は、圧縮機２１の吐出温度が所定の目標値となるように調整されるか、若しくは、圧縮機２１に吸入される冷媒の吸入過熱度（吸入ＳＨ）が所定の目標値となるように調整される。

上流側膨張弁２４、中圧レシーバ８１、下流側膨張弁２８を通過して室外熱交換器２３に流入した冷媒は、室外ファン２７の回転により室外機２の内部に取り込まれた外気と熱交換を行って蒸発する。室外熱交換器２３から冷媒配管６２に流出した冷媒は、四方弁２２のポートｂ及びポートｃ、吸入管６６を流れ、圧縮機２１に吸入されて再び圧縮される。

＜冷媒回路の動作の詳細＞
次に、本実施形態における空気調和機１の空調運転時の冷媒回路１０における冷媒の流れや各部の動作について、図２から図１０を用いて詳しく説明する。説明にあたっては、基本的な冷媒回路１１、インジェクション回路６５を有する冷媒回路１２、中圧レシーバ８１を有する冷媒回路１３、そして、本実施形態に係るインジェクション回路６５及び中圧レシーバ８１を有する冷媒回路１０を順に説明する。

＜＜基本的な冷媒回路＞＞
図２及び図３を用いて、基本的な冷媒回路１１について説明する。図２に示すように、冷媒回路１１における基準点として、点Ａは圧縮機２１と凝縮器（暖房運転時の室内熱交換器３１に対応。以下、凝縮器３１と表記）の間、点Ｂは凝縮器３１と膨張弁（暖房運転時の下流側膨張弁２８に対応。以下、膨張弁２８と表記）の間、点Ｃは膨張弁２８と蒸発器（暖房運転時の室外熱交換器２３に対応。以下、蒸発器２３と表記）の間、点Ｄは蒸発器２３と圧縮機２１の間を指す（以下同様）。

点Ａから点Ｄ、又は各点間における冷媒の状態は、図３に示すように、以下のとおりとなる。（１）圧縮機２１での圧縮過程の冷媒（点Ｄ～Ａ間）は、圧縮され、圧力（縦軸）・温度共に上昇して高温高圧の過熱蒸気となる（周囲空気との熱交換で凝縮しやすい状態になる）。（２）圧縮機２１から吐出された冷媒（点Ａ）は、過熱状態の高圧気相冷媒である。（３）凝縮器３１での凝縮過程の冷媒（点Ａ～Ｂ間）は、周囲空気と熱交換（放熱）することで、圧力が一定のまま、過熱蒸気、飽和蒸気、湿り蒸気、飽和液の各状態を経て高圧の過冷却液となる。（４）凝縮器３１から流出した冷媒（点Ｂ）は、過冷却状態の高圧液相冷媒である。（５）膨張弁２８での膨張過程の冷媒（点Ｂ～Ｃ間）は、膨張し、圧力（縦軸）・温度共に下降して湿り蒸気となる（周囲空気との熱交換で蒸発しやすい状態になる）。（６）膨張弁２８から流出した冷媒（点Ｃ）は、液リッチ（＝液相比率が高い）状態の低圧二相冷媒である。（７）蒸発器２３での蒸発過程の冷媒（点Ｃ～Ｄ間）は、周囲空気と熱交換（吸熱）することで、圧力が一定のまま、湿り蒸気、飽和蒸気、の各状態を経て低圧の過熱蒸気となる。（８）蒸発器２３から流出した冷媒（点Ｄ）は、過熱状態の低圧気相冷媒である。

この基本的な冷媒回路１１における制御対象である圧縮機２１、室内ファン３２、膨張弁２８及び室外ファン２７の制御方法は、次のとおりである。圧縮機２１は、室内機３側の要求される能力に基づいて制御される（要求される能力：室内熱交換器３１（暖房運転時：凝縮器、冷房時：蒸発器）の周囲温度（＝室温）と目標温度の差に応じて設定）。室内ファン３２は、暖房運転時（凝縮器が室内熱交換器３１の場合）冷房運転時（凝縮器が室外熱交換器２３の場合）ともに室温と設定温度の差に応じて制御、若しくはユーザによって好みの風量となるように設定される。膨張弁２８は、点Ａの温度（吐出温度）が目標値となるように制御（吐出温度制御）、又は、圧縮機２１の回転数の変化量に応じて予め定めた制御量（パルス）で膨張弁２８の開度を調整する制御（回転数パルス制御）によって制御される。尚、吐出温度制御は、室内温度や外気温等の外乱が吐出温度の変化に現れてから開度調整を行うフィードバック制御であるのに対し、回転数パルス制御は、回転数の変化量から循環量の変化量を予測して予め膨張弁が適正な開度となるように調整を行うフィードフォワード制御である。室外ファン２７は、暖房運転時（蒸発器が熱源側の場合）冷房運転時（蒸発器が利用側の場合）ともに圧縮機２１の回転数に基づいて制御される。

基本的な冷媒回路１１における運転上の制約は、次のとおりである。点Ｂでは冷媒が液相状態である（＝過冷却が取れている）ことが求められる。なぜならば、膨張弁２８に二相冷媒が流入すると、冷媒流動音の発生や、制御性の悪化などの不都合が生じるからである。点Ｄでは冷媒が気相状態である（＝過熱が取れている）ことが求められる。なぜならば、圧縮機２１に液相冷媒が流入すると液圧縮（液相冷媒は非圧縮性であるため、圧縮機２１が破損する。）し、信頼性が低下するからである。

＜＜インジェクション回路を有する冷媒回路＞＞
図４及び図５を用いて、インジェクション回路６５を有する冷媒回路１２について説明する。 図４に示すように、インジェクション回路６５を有する冷媒回路１２では、凝縮器３１からの流出後の冷媒の一部を圧縮機２１の中間圧へ流入させる。インジェクション回路６５には、圧縮機２１へインジェクションする冷媒量を調整するインジェクション膨張弁２９を備えるとともに、インジェクションする冷媒の乾き度を上げるため、冷媒間熱交換器８２（ＳＣ熱交換器）を備える。

図４に示すように、冷媒回路１２の基準点としては、点Ａ～Ｄのほかに点Ｅ～Ｇが加えられ、点Ｅは冷媒間熱交換器８２の室外機液管６３側流路出口と膨張弁２８の間、点Ｆはインジェクション膨張弁２９と冷媒間熱交換器８２のインジェクション回路６５側流路入口の間、点Ｇは冷媒間熱交換器８２のインジェクション回路６５側流路出口と圧縮機２１の間を指す（以下同様）。

インジェクション回路６５の目的は、凝縮器３１の冷媒循環量を増やす（低外気（－２０～－３０℃）暖房運転時等、暖房能力を上昇させる）こと、また、圧縮機２１の吐出温度を下げる（低外気暖房運転時等、蒸発温度を外気温度よりも低くすることで、高圧（凝縮圧力）と低圧（蒸発圧力）の圧力差が大きくなっても、圧縮機２１の温度が異常温度とならないようにする）ことである。

冷媒回路１２における冷媒の状態は、図５に示すようになるが、冷媒回路１１と異なる点は以下のとおりとなる。（１）圧縮機２１での圧縮過程の点Ｄ～Ａ間において、インジェクション回路６５を介して凝縮過程の冷媒の一部が二相状態で圧縮機２１の中間圧に流入することにより、圧縮機２１で圧縮される冷媒の温度が圧縮途中で低下し、インジェクション回路６５に冷媒を循環させない場合と比較して点Ａにおける吐出温度が下がる。（２）冷媒は、凝縮過程の点Ａ～Ｂ間を通過して液相状態になった後、点Ｂ～Ｅ間においてインジェクション回路６５の点Ｆ～Ｇ間を流れる冷媒と冷媒間熱交換器８２によって熱交換され過冷却される。（３）点Ａ～Ｂ間から分岐したインジェクション回路６５に流入した冷媒は、点Ｂ～Ｆ間でインジェクション膨張弁２９を介して低圧の二相状態になり、その後、点Ｆ～Ｇ間において点Ｂ～Ｅ間を流れる冷媒と冷媒間熱交換器８２によって熱交換されて乾き度が上昇し、点Ｇから圧縮過程の点Ｄ～Ａ間にインジェクションされる。

この冷媒回路１２における特徴的な制御対象である膨張弁２８及びインジェクション膨張弁２９の制御方法は、次のとおりである。膨張弁２８は、インジェクションをしない場合は、点Ａの温度（吐出温度）が目標値となるように制御（吐出温度制御）し、また、圧縮機２１の回転数の変化量に応じて予め定めた制御量（パルス）で膨張弁２８の開度を調整する制御（回転数パルス制御）する。インジェクションを行う場合は、吸入ＳＨ（＝点Ｄの温度－点Ｃの温度）が目標値となるように制御（吸入ＳＨ制御）し、圧縮機の回転数の変化量に応じて予め定めた制御量（パルス）で膨張弁２８の開度を調整する制御（回転数パルス制御）する。インジェクション膨張弁２９は、インジェクションをしない場合は、閉じる。インジェクションを行う場合は、点Ａの温度（吐出温度）又は吐出ＳＨが目標値となるように制御（吐出温度制御又は吐出ＳＨ制御）する。

＜＜中圧レシーバを有する冷媒回路＞＞
図６及び図７を用いて、中圧レシーバ８１を有する冷媒回路１３について説明する。図６に示すように、冷媒回路１３の基準点は、基本的な冷媒回路１１と同様に点Ａ～Ｄである。

中圧レシーバ８１の目的は、接続される室内機３の大きさを問わず、適切な冷媒量に調整することである。これは、室内熱交換器３１の大きさや、各所の配管の長さ（管内容積）によって冷媒回路１３に必要な冷媒量が異なることに対応するものである。ここで、「必要な冷媒量が異なる」とは、効率の良い、信頼性的に問題ない運転（適性吸入ＳＨ、ＳＣ）を行うために必要な冷媒量は室内熱交換器大きさや接続配管長さといった容積差で異なることを意味しており、中圧レシーバ８１内は、その内部の冷媒を冷媒回路１３内に出入りさせることで調整する。

中圧レシーバ８１を有する冷媒回路１３では、凝縮器３１と蒸発器２３の間に中圧レシーバ８１を備えており、中圧レシーバ８１の上流側と下流側にはそれぞれ、上流側膨張弁２４と下流側膨張弁２８が設けられている。冷媒回路１３における冷媒の状態は、図７に示すように、基本的な冷媒回路１１と実質的に同様である。

この冷媒回路１３における特徴的な制御対象である上流側膨張弁２４及び下流側膨張弁２８の制御方法は、次のとおりである。上流側膨張弁２４は、ＳＣ、すなわち、過冷却度（＝点Ａ～Ｂ間の二相域の温度－点Ｂの温度）が目標値となるように制御（ＳＣ制御）する。下流側膨張弁２８は、点Ａの温度（吐出温度）が目標値となるように制御（吐出温度制御）、若しくは、吸入ＳＨ、すなわち、吸入過熱度（＝点Ｄの温度－点Ｃの温度）が目標値となるように制御（吸入ＳＨ制御）する。

＜＜本実施形態に係るインジェクション回路及び中圧レシーバを有する冷媒回路＞＞
本実施形態に係る冷媒回路１０について、図８及び図９を用いて説明する。図１に示したように、冷媒回路１０は、上記で説明したインジェクション回路６５及び中圧レシーバ８１の双方を備えている。図８は、図１を簡略化して冷媒回路１０を図示したものであり、図４のインジェクション回路６５を有する冷媒回路１２において、インジェクション回路６５が分岐する手前（上流側）に上流側膨張弁２４と中圧レシーバ８１を設けた態様となる。図４における膨張弁２８は、下流側膨張弁２８となる。図８に示すように、冷媒回路１０の基準点としては、点Ａ～Ｄ、点Ｅ～Ｇのほかに点Ｈが加えられ、点Ｈは上流側膨張弁２４と中圧レシーバ８１の間を指す。

冷媒回路１０における冷媒の状態は、図９に示すようになるが、冷媒回路１２と異なる点は以下のとおりとなる。（１）冷媒は、凝縮過程の点Ａ～Ｂ間を経た後、点Ｂ～Ｈ間で上流側膨張弁２４を介して圧力が下がり、その後、点Ｈ～Ｅ間においてインジェクション回路６５の点Ｆ～Ｇ間と冷媒間熱交換器８２によって熱交換される。（２）点Ａ～Ｅ間の点Ｈから分岐したインジェクション回路６５に流入した冷媒は、点Ｈ～Ｆ間でインジェクション膨張弁２９を介して圧力が下がり、その後、点Ｆ～Ｇ間において点Ｂ～Ｅ間と冷媒間熱交換器８２によって熱交換されて乾き度が上昇し、点Ｇから圧縮過程の点Ｄ～Ａ間にインジェクションされる。

ところで、本実施形態の冷媒回路１０においては、吸入ＳＨが確保できないときにインジェクション制御によって吐出温度を下げることができないことがある。ここで、「吸入ＳＨが確保できないとき」とは、例えば、外気温度センサ７６の検出値である外気温が低温（例えば、－５℃）の時の起動時である。この低外気温起動時において、冷媒は温度が下がると凝縮する。すなわち、冷媒回路１０中の低温の箇所に集中する（例えば、暖房運転後の室内熱交換器２１やアキュムレータ（不図示）。この状態は、一般に「寝こみ」と呼ばれている。）。そうすると、どこかに冷媒が集中することにより、他の部分では冷媒が不足する。

具体的には、中圧レシーバ８１内の冷媒は、運転中は高温高圧状態であるため、運転時に低温低圧となっていたアキュムレータや室外熱交換器２１へ停止後に冷媒が流出しやすく、次回運転開始時に中圧レシーバ８１内が空になっていることが多い。中圧レシーバ８１が空になっていると、インジェクション膨張弁２９を開いてもインジェクション回路６５に気相冷媒が流れ込む。その後、気相冷媒は冷媒間熱交換器８２において室外機液管６３を流れる冷媒と熱交換して過熱状態となった後、圧縮機２１の中間部に注入されるため、吐出温度を下げることができない。

そこで、本実施形態では、中圧レシーバ８１内に液冷媒が無いときは、インジェクションしないようにインジェクション膨張弁２９を制御する。中圧レシーバ８１内に液冷媒があるか否かは、制御手段２００のＣＰＵ２１０に含まれる液貯留判定部が上流側膨張弁２４の流入前と流出後の冷媒温度の差（点Ｂと点Ｈの温度差）があるか否かを見て判断する。点Ｂの冷媒の温度は、液側温度センサ７７ａによって検出され、点Ｈの冷媒の温度は、室外機液管温度センサ７７ｂによって検出される。もし、温度差があれば、上流側膨張弁２４から流出した冷媒が気液二相状態であることを意味している。中圧レシーバ８１に流入する冷媒と流出する冷媒は同じ状態で安定するため、中圧レシーバ８１に流入する冷媒が気液二相状態であれば、中圧レシーバ８１内には内部で分離されたガス冷媒が溜まる。この場合、中圧レシーバ８１内に液冷媒は無いと判定する。そのため、この状態ではインジェクションを行わない。また、液貯留判定部は、吸入ＳＨ（吸入過熱度）が負の所定値を下回るか否かによって、中圧レシーバ８１内に液冷媒が貯まっているかどうかを判定するようにしてもよい。吸入ＳＨは、吸入温度センサ７４の検出値である吸入温度から、熱交温度センサ７５の検出値である蒸発温度を減じて算出される。吸入ＳＨは通常正の値（０以上）を示すが、アキュムレータ内の液冷媒が無くなった（中圧レシーバ８１に移った）時に、吸入圧力が一時的に低下することで、負の値を示すことがある。この場合、中圧レシーバ８１内に液冷媒が溜まっていると判断できる。

＜＜暖房運転時の処理の流れ＞＞
次に、図１０に示すフローチャートを用いて、暖房運転を行う際に、室外機制御手段２００のＣＰＵ２１０が実行する処理について説明する。

図１０に示すフローチャートは、ＣＰＵ２１０が暖房運転を行う際の処理の流れを示すものであり、ＳＴはステップを表しこれに続く番号はステップ番号を表している。尚、図１０では、本発明に関わる処理を中心に説明しており、これ以外の処理、例えば、使用者の指示した設定温度や風量等の運転条件に対応した冷媒回路１００の制御といった、空気調和機１に関わる一般的な処理については説明を省略している。

ＣＰＵ２１０は、暖房運転を開始すると、圧縮機２１、上流側膨張弁２４、下流側膨張弁２８の起動制御を行う（ＳＴ１０１）。圧縮機２１の起動制御は、圧縮機２１からの吐油量を抑える目的で段階的に回転数を上昇させる制御である。上流側膨張弁２４及び下流側膨張弁２８の起動制御は、予め試験等で定められ、外気温に応じた初期パルスが記憶部２２０にそれぞれ記憶されており、当該初期パルスで開度を固定する制御である。次に、ＣＰＵ２１０は、起動制御の終了条件が成立したか否かを判定し（ＳＴ１０２）、終了条件が成立していれば（ＳＴ１０２－ＹＥＳ）、圧縮機２１、上流側膨張弁２４、下流側膨張弁２８を通常制御に切り換える（ＳＴ１０３）。終了条件が成立していなければ（ＳＴ１０２－ＮＯ）、ＳＴ１０２に戻る。通常制御では、圧縮機２１は要求コードに対応する回転数に制御、上流側膨張弁２４はＳＣ制御、下流側膨張弁２８は吸入ＳＨ制御とする。

次に、ＣＰＵ２１０は、中圧レシーバ８１に液冷媒が有るかどうかを判定する（ＳＴ１０４）。ＳＴ１０４において、上流側膨張弁２４の前後の温度差（液側温度センサ７７ａの検出値－室外機液管温度センサ７７ｂの検出値）が無し（配管内の流路抵抗による圧力損失を考慮して許容できる温度差を定めても良い）、もしくは、吸入ＳＨが正の所定値であれば、中圧レシーバ８１に液冷媒が有りと判定し（ＳＴ１０４－ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１０は、下流側膨張弁２８の制御間隔を通常制御（例えば、６０秒）とする（ＳＴ１０５）。他方、上流側膨張弁２４の前後の温度差が有れば（温度差＞０、若しくは、温度差＞許容できる温度差）、中圧レシーバ８１に液冷媒が無しと判定し（ＳＴ１０４－ＮＯ）、ＣＰＵ２１０は、吸入ＳＨがゼロであるか否かを判定する（ＳＴ１１０）。吸入ＳＨがゼロである場合（ＳＴ１１０－ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１０は、下流側膨張弁２８の制御間隔を短く（例えば、３０秒）する（ＳＴ１１１）。下流側膨張弁２８の制御間隔を短くすることで、下流側膨張弁２８の開度を早期に絞ることができ、これにより中圧レシーバへ早期に液冷媒が溜まりやすくなる。ＣＰＵ２１０は、ＳＴ１１１の処理の後は、ＳＴ１０４へ戻る。ＳＴ１０５は、ＳＴ１１１で早期に中圧レシーバ８１に液冷媒を貯めるため制御間隔を短くした後、制御間隔を元に戻すステップとなる。なお、制御間隔を短くする代わりに制御量を大きく（例えば、通常の制御量に対して２０％程制御量を増大させる）してもよい。

上述したＳＴ１０４において中圧レシーバ８１に液冷媒が無しと判定された場合（ＳＴ１０４－ＮＯ）、ＳＴ１１０において、液冷媒が無い原因を判断している。吸入ＳＨ＝０であると、吸入冷媒が二相状態となっている、すなわち、アキュムレータや室外熱交換器２３に液冷媒が貯まっているから、中圧レシーバ８１内には液冷媒が無いと判断できる。この場合、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ１１１において、下流側膨張弁２８の制御間隔を短く（若しくは、制御量を大きく）して、アキュムレータの液冷媒を早期に中圧レシーバ８１に送ればよい。一方、ＳＨ＞０であると、吸入冷媒がガス状態となっており、アキュムレータに液冷媒が貯まっていない。すなわち、液冷媒がどこにも偏っていないと判断できる。この場合、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０１の処理を行う。

ＣＰＵ２１０は、ＳＴ１１０において、吸入ＳＨがゼロでなければ（ＳＴ１１０－ＮＯ）、冷媒が不足しているか否かを判定する（ＳＴ２０１）。冷媒が不足しているか否かの判定は、（１）「吸入ＳＨが目標値を超えている、且つ、下流側膨張弁２８の開度が全開」と、（２）「吸入ＳＨが閾値以上」のいずれかの条件を満たしたときに冷媒が不足していると判定する。

（１）の条件は、吸入ＳＨが目標値を超えているおり、下流側膨張弁２８の開度を開いて吸入ＳＨを目標値まで低下させる必要があるが、下流側膨張弁２８の開度が全開であるため、これ以上開度を大きくすることができず、下流側膨張弁２８の開度制御だけでは吸入ＳＨを下げられない。すなわち、通常の各膨張弁の開度制御では運転を継続できない異常状態（冷媒不足）であるため、上流側膨張弁２４のＳＣ制御を解除する。また、（２）の閾値は、「吸入ＳＨが目標吸入ＳＨ付近で落ち着いている通常時」ではないと判断できる最小の吸入ＳＨであり、試験等で予め定められ、記憶部２２０に記憶に記憶されている。吸入ＳＨがこの閾値以上の値である場合は異常時（冷媒不足）と判定し、上流側膨張弁２４のＳＣ制御を解除する。

ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０１において冷媒不足と判定した場合（ＳＴ２０１－ＹＥＳ）、上流側膨張弁２４に所定パルス加える、すなわち、上流側膨張弁２４を開く方向に制御する（ＳＴ２０２）。上流側膨張弁２４を開いて、下流側膨張弁２８の吸入ＳＨ制御のみを行えばよい。上流側膨張弁２４には目標ＳＨ未満の冷媒が流入することになるため、二相状態の冷媒が流入する場合もある。この時、冷媒流動音の発生や、制御性の悪化などの不都合が生じるが、本実施形態の制御では、圧縮機２１の信頼性を目的とする下流側膨張弁２８の吸入ＳＨ制御を優先している。その後、ＣＰＵ２１０は、所定時間を経過したかどうかを判定し（ＳＴ２０３）、所定時間を経過していれば（ＳＴ２０３－ＹＥＳ）、ＳＴ２０４へ移行する。所定時間を経過していなければ（ＳＴ２０３－ＮＯ）、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０３に処理を戻す。ＳＴ２０３の所定時間は、上流側膨張弁２４の開度の変更が冷媒の温度に反映されるまでの待機時間とする。ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０４において、吸入ＳＨが目標値以下であるか否かを判定し、吸入ＳＨが目標値以下であれば（ＳＴ２０４－ＹＥＳ）、フローを終了する。吸入ＳＨが目標値を超えていれば（ＳＴ２０４－ＮＯ）、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０２に処理を戻して、吸入ＳＨが目標吸入ＳＨ以下となるまでこのフローを繰り返す。なお、一度ＳＴ２０１で開度調整された上流側膨張弁２４はＳＣ制御に復帰しない。これは元から冷媒が不足しているためであり、上流側膨張弁２４はＳＣ制御を行えないからである。尚、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ２０１において冷媒不足ではないと判定した場合（ＳＴ２０１－ＮＯ）、冷媒がどこにも偏っておらず、冷媒を無駄なく循環させて運転を行っていると判断して、ＳＴ１０４に処理を戻す。

次に、ＣＰＵ２１０は、ＳＴ１０５の後、インジェクション制御の開始条件が成立したか否かを判定する（ＳＴ１０６）。インジェクション制御の開始条件は、例えば外気温度Ｔｏが－２℃以下とする。インジェクション制御の開始条件が成立していれば（ＳＴ１０６－ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１０は、インジェクション制御を行う（ＳＴ１０７）。具体的には、インジェクション膨張弁２９による吐出温度制御を開始する。インジェクション制御の開始条件が成立していなければ（ＳＴ１０６－ＮＯ）、ＣＰＵ２１０は、一連のフローを終了する。ＳＴ１０７の後、ＣＰＵ２１０は、インジェクション制御の終了条件が成立しているか否かを判定する（ＳＴ１０８）。インジェクション終了条件は、例えば、室温制御による圧縮機２１の停止時、運転停止指示による圧縮機２１停止時、冷房暖房への切換時などであり、これらのうち１つでも成立していれば（ＳＴ１０８－ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１０は、インジェクション制御を終了する（ＳＴ１０９）。上記のインジェクション終了条件がいずれも成立していなければ（ＳＴ１０８－ＮＯ）、ＳＴ１０８の判定に戻る。

１ 空気調和機
２ 室外機
３ 室内機
４ 液管
５ ガス管
１０ 冷媒回路
１０ａ 室外機冷媒回路
１０ｂ 室内機冷媒回路
２１ 圧縮機
２２ 四方弁
２３ 室外熱交換器
２４ （暖房運転時）上流側膨張弁
２５ 液側閉鎖弁
２６ ガス側閉鎖弁
２７ 室外ファン
２８ （暖房運転時）下流側膨張弁
２９ インジェクション膨張弁
３１ 室内熱交換器
３２ 室内ファン
３３ 液管接続部
３４ ガス管接続部
６１ 吐出管（圧縮機～四方弁）
６２ 冷媒配管（四方弁～室外熱交換器）
６３ 室外機液管（室外熱交換器～液側閉鎖弁）
６４ 室外機ガス管（ガス側閉鎖弁～四方弁）
６５ インジェクション配管（レシーバ、冷媒間熱交換器間～圧縮機）
６６ 吸入管（四方弁～圧縮機）
６７ 室内機液管（液側閉鎖弁～室内熱交換器）
６８ 室内機ガス管（室内熱交換器～ガス側閉鎖弁）
７１ 吐出圧力センサ
７２ 吸入圧力センサ
７３ 吐出温度センサ
７４ 吸入温度センサ
７５ 熱交温度センサ
７６ 外気温度センサ
７７ 液側温度センサ
７８ ガス側温度センサ
７９ 室温センサ
８１ 中圧レシーバ
８２ 冷媒間熱交換器
２００ 室外機制御手段
２１０ ＣＰＵ
２２０ 記憶部
２３０ 通信部
２４０ センサ入力部

Claims (3)

1. 冷媒が、暖房運転時に、圧縮機、室内熱交換器、上流側膨張弁、中圧レシーバ、下流側膨張弁、室外熱交換器の順に流れるように冷媒配管で接続された冷媒回路と、
   前記中圧レシーバの冷媒を前記圧縮機にインジェクションするインジェクション回路と、
   前記インジェクション回路に設けられ、インジェクションする冷媒の量を調整するインジェクション膨張弁と、
   前記上流側膨張弁、前記下流側膨張弁及び前記インジェクション膨張弁を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているか否かを判定する液貯留判定部を有し、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっていると判定すると、前記インジェクション膨張弁を開いてインジェクションを行う、ことを特徴とする空気調和機。
2. 前記液貯留判定部は、前記冷媒回路において、前記上流側膨張弁の流入前と流出後の冷媒温度の差によって、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているかどうかを判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記液貯留判定部は、前記冷媒回路において、吸入過熱度が負の所定値を下回るか否かによって、前記中圧レシーバ内に液冷媒が貯まっているかどうかを判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。

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