JP7216258B1 - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】多くのデータ取得を必要とすることなく、インジェクション量の制御を行うことを目的とする。【解決手段】空気調和機であって、圧縮機、熱源側熱交換器、第１膨張弁、および利用側熱交換器を有する主冷媒回路と、利用側熱交換器から熱源側熱交換器に流れる冷媒の一部を圧縮機の中間圧に圧縮された冷媒に合流させるバイパス経路と、バイパス経路を流れる冷媒を減圧する第２膨張弁と、利用側熱交換器から熱源側熱交換器へ流れる主冷媒回路の冷媒の熱を、バイパス経路で減圧された冷媒に与える内部熱交換器と、暖房運転において、バイパス経路のうち、内部熱交換器の出口と入口の冷媒温度の温度差と、目標温度差と、に基づいて、第２膨張弁の開度を調整する開度調整手段と、利用側熱交換器の過冷却度に基づいて、目標温度差を設定する設定手段と、を備える。

Description

本発明は、空気調和機に関する。

冷凍サイクルにおいては、外気温度が低下するにつれて、圧縮機吸入密度が低下するため、圧縮機の回転数が同じでも暖房能力は低下する。これに対し、特許文献１には、高圧液冷媒の一部をインジェクションし、暖房能力を向上させる空気調和機が開示されている。また、特許文献２には、インジェクション回路を流れる冷媒の流量を調整するために、圧縮機の吐出温度が目標値と一致するように、インジェクション回路の膨張弁の開度を制御し、外気低温時の暖房能力を向上させる技術が開示されている。さらに、特許文献２には、圧縮機の吐出温度の目標値を、暖房能力最大となる値や運転効率最大となる値に設定できることが開示されている。

特開２０００－２７４８５９号公報 特許第４７６７３４０号公報

しかしながら、圧縮機特性（運転効率）は、圧縮機の種類や回転数、圧縮比等の運転状況によって異なり、吸入圧力及び吐出圧力が同じ、かつ吸入温度が同じでも、吐出温度が異なる場合がある。このため、インジェクションを行う際の、圧縮機の吐出温度の目標値は、圧縮機の種類や運転状況に応じて異ならせる必要がある。そして、目標値を定めるにあたり、暖房能力が最大となる値や運転効率が最大となる値を決定するために必要なデータ量が多く、設定に時間がかかるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、多くのデータ取得を必要とすることなく、インジェクション量の制御を行うことを目的とする。

そこで、本発明は、空気調和機であって、圧縮機、熱源側熱交換器、第１膨張弁、および利用側熱交換器を有する主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器に流れる冷媒の一部を前記圧縮機の中間圧に圧縮された冷媒に合流させるバイパス経路と、前記バイパス経路を流れる冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる前記主冷媒回路の冷媒の熱を、前記バイパス経路で減圧された冷媒に与える内部熱交換器と、暖房運転において、前記バイパス経路のうち、前記内部熱交換器の出口と入口の冷媒温度の温度差と、目標温度差と、に基づいて、前記第２膨張弁の開度を調整する開度調整手段と、前記利用側熱交換器の過冷却度に基づいて、前記目標温度差を設定する設定手段と、を備える。

本発明によれば、多くのデータ取得を必要とすることなく、インジェクション量の制御を行うことができる。

空気調和機の構成図である。 ＰＨ線図である。 制御を示すフローチャートである。

図１は、実施形態に係る空気調和機を示す図である。空気調和機１は、冷凍サイクルで冷媒を循環させることによって、空調を行う。空気調和機１は、室内（被空調空間）に設置される室内機１０と、屋外（室外）に設置される室外機２０と、を備えている。室内機１０と室外機２０とは、冷媒配管により形成される主冷媒回路Ｑ１を介して接続される。なお、図１に示す実線矢印は、暖房運転時における冷媒の流れを示している。また、図１に示す破線矢印は、冷房運転時における冷媒の流れを示している。

室内機１０は、利用側熱交換器１１と、利用側ファン１２と、を備えている。利用側熱交換器１１において、その伝熱管（図示せず）を通流する冷媒と、利用側ファン１２から送り混まれる室内空気と、の間で熱交換が行われる。利用側熱交換器１１は、四方弁２２の切り替えにより凝縮器または蒸発器として動作する。利用側ファン１２は、利用側熱交換器１１の付近に設置されている。利用側ファン１２は、利用側ファンモータ１２ａの駆動によって、利用側熱交換器１１に室内空気を送り込む。

室外機２０は、圧縮機２１と、四方弁２２と、熱源側熱交換器２３と、熱源側ファン２４と、第１膨張弁２５と、第２膨張弁２６と、内部熱交換器２７と、制御部２８と、を備えている。圧縮機２１は、低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する。熱源側熱交換器２３において、その伝熱管を通流する冷媒と、熱源側ファン２４から送り込まれる外気と、の間で熱交換が行われる。熱源側熱交換器２３は、四方弁２２の切り替えにより凝縮器または蒸発器として動作する。

熱源側ファン２４は、熱源側熱交換器２３の付近に設置されている。熱源側ファン２４は、熱源側ファンモータ２４ａの駆動によって、熱源側熱交換器２３に外気を送り込む。第１膨張弁２５は、「凝縮器」（熱源側熱交換器２３及び利用側熱交換器１１の一方）で凝縮した冷媒を減圧する機能を有している。なお、第１膨張弁２５において減圧された冷媒は、「蒸発器」（熱源側熱交換器２３及び利用側熱交換器１１の他方）に導かれる。

四方弁２２は、空気調和機１の運転モードに応じて、冷媒の流路を切り替える弁である。四方弁２２の切り替えにより、冷房運転時には、破線矢印で示すように、圧縮機２１、熱源側熱交換器２３（凝縮器）、第１膨張弁２５、及び利用側熱交換器１１（蒸発器）の順に冷媒が循環する冷凍サイクルとなる。また、四方弁２２の切り替えにより、暖房運転時には、実線矢印で示すように、圧縮機２１、利用側熱交換器１１（凝縮器）、第１膨張弁２５、及び熱源側熱交換器２３（蒸発器）の順に冷媒が循環する冷凍サイクルとなる。すなわち、圧縮機２１、「凝縮器」、第１膨張弁２５、及び「蒸発器」を順次に介して、冷凍サイクルで冷媒が循環する主冷媒回路Ｑ１において、前記した「凝縮器」及び「蒸発器」の一方は熱源側熱交換器２３であり、他方は利用側熱交換器１１である。

このように、空気調和機１においては、利用側熱交換器１１、圧縮機２１、四方弁２２、熱源側熱交換器２３及び第１膨張弁２５により、主冷媒回路Ｑ１が形成されている。さらに、空気調和機１においては、主冷媒回路Ｑ１のうち、利用側熱交換器１１と熱源側熱交換器２３の間から分岐し、圧縮機２１の中間部に合流するバイパス回路Ｑ２が設けられている。バイパス回路Ｑ２により、主冷媒回路Ｑ１を流れる冷媒のうち、利用側熱交換器１１から熱源側熱交換器２３に流れる冷媒の一部は、圧縮機２１において中間圧に圧縮された冷媒に合流する。バイパス回路Ｑ２には、第２膨張弁２６及び内部熱交換器２７が設けられている。第２膨張弁２６は、主冷媒回路Ｑ１から流入する冷媒を若干減圧する。内部熱交換器２７は、主冷媒回路Ｑ１の冷媒とバイパス回路Ｑ２の冷媒との間の熱交換を行う。すなわち、内部熱交換器２７は、利用側熱交換器１１から熱源側熱交換器２３へ流れる、主冷媒回路Ｑ１の冷媒の熱をバイパス回路Ｑ２の第２膨張弁２６で減圧された冷媒に与える。

また、圧縮機２１の吐出側には第１温度センサ３１が設けられている。熱源側熱交換器２３の出入口のうち四方弁２２側の出入口には、第２温度センサ３２が設けられている。利用側熱交換器１１の出入口のうち内部熱交換器２７側の出入口には、第３温度センサ３３が設けられている。バイパス回路Ｑ２において、内部熱交換器２７の吸入側と吐出側には、それぞれ第４温度センサ３４及び第５温度センサ３５が設けられている。また、圧縮機２１の吐出側には第１圧力センサ４１が設けられ、圧縮機２１と四方弁２２の間には第２圧力センサ４２が設けられている。

図２は、暖房運転時のＰＨ線図である。暖房時、バイパス回路Ｑ２においては、利用側熱交換器１１で凝縮した冷媒の一部が第２膨張弁２６で減圧される（Ａ－Ｂ）。そして、内部熱交換器２７で主冷媒回路Ｑ１の冷媒とバイパス回路Ｑ２の冷媒とが熱交換することで、主冷媒回路Ｑ１の冷媒は過冷却されるとともに（Ａ－Ｄ）、バイパス回路Ｑ２の冷媒はガス化され（Ｂ－Ｃ）、圧縮機２１へインジェクションされる。このようにバイパス回路Ｑ２によりガスインジェクションサイクルが形成される。

インジェクションが行われることで、圧縮機２１から吐出される冷媒量は、吸入冷媒量Ｇｒとインジェクションされる冷媒ｇｒの和（Ｇｒ＋ｇｒ）となり、吸入冷媒量より増加する。このため、凝縮器として動作する利用側熱交換器１１へ流れる冷媒量が増え、暖房能力が増加する。一方で、圧縮機２１において中間圧でガス冷媒がインジェクションされるため、低圧から中間圧までの圧縮仕事が減少する。これにより、外気低温時における圧縮機２１の暖房能力は向上し、運転効率は向上する。

一方で、空気調和機１の運転効率は、圧力状態の影響も受ける。室内機１０の利用側熱交換器１１の出口の過冷却度が大きくなるとエンタルピ差が増加し、凝縮能力が増加するが、過冷却度が増加するのに伴い凝縮器での冷媒側熱伝達率は低下する。このため、利用側熱交換器１１全体では性能が低下し、高圧圧力が増加する。これにより、圧縮仕事が増加するため、運転効率が最大となる過冷却度が存在する。したがって、空気調和機１においては、利用側熱交換器１１の過冷却度を適正に調整するのが好ましい。

室外機２０の制御部２８は、このような制御を行うための構成として、開度調整部２８１と、設定部２８２と、を備えている。開度調整部２８１は、第１膨張弁２５及び第２膨張弁２６の開度を調整する。設定部２８２は、バイパス回路Ｑ２において、内部熱交換器２７の出口と入口の冷媒温度の差の目標値である目標温度差を設定する。制御部２８は、プロセッサー、主記憶装置及び補助記憶装置を備え、プロセッサーが補助記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより、開度調整部２８１及び設定部２８２を実現する。なお、他の例としては、開度調整部２８１及び設定部２８２は、ハードウェアにより実現されてもよい。

図３は、暖房運転時の、制御部２８による制御を示すフローチャートである。本制御は、一定期間おきに実行される。本制御においては、まず、Ｓ１００において、制御部２８は、過冷却度を特定する。具体的には、制御部２８は、第１圧力センサ４１により検知された吐出圧力における飽和温度から算出した冷媒温度と、運転状態にある利用側熱交換器１１の出口側の第３温度センサ３３により検知された冷媒温度と、の差を、過冷却度として特定する。なお、過冷却度の特定方法は、実施形態に限定されるものではない。他の例としては、利用側熱交換器１１の中間位置に温度センサを配置し、制御部２８は、この温度センサで検知された、気液二相状態の温度と、利用側熱交換器１１の出口側の第３温度センサ３３で検知された冷媒温度と、の差を過冷却度として特定してもよい。

次に、Ｓ１０２において、制御部２８は、内部熱交換器２７の出入口の温度差を特定する。具体的には、制御部２８は、内部熱交換器２７の出口側の第５温度センサ３５により検知される出口側冷媒温度と、内部熱交換器２７の入口側の第４温度センサ３４により検知される入口側冷媒温度とを取得する。そして、制御部２８は、出口側冷媒温度と入口側冷媒温度の差を温度差として特定する。

次に、Ｓ１０４において、設定部２８２は、目標温度差を決定する。ここで、目標温度差は、内部熱交換器２７の出入口の温度差の目標値である。目標温度差は、過冷却度に応じて定まる値であり、過冷却度が大きくなるほど小さくなるような値である。例えば、過冷却度が第１の値の場合の目標温度差は、過冷却度が第１の値よりも大きい第２の値の場合の目標温度差に比べて大きい。設定部２８２は、過冷却度から目標温度差を決定する。なお、設定部２８２は、予め設定された過冷却度と目標温度差の対応関係を示す関数を利用することで、過冷却度から目標温度差を決定する。他の例としては、制御部２８には、目標温度差と過冷却度の対応を示す対応テーブルが予め設定されており、設定部２８２は、対応テーブルに従い、過冷却度から目標温度差を定めてもよい。

前述の通り、運転効率が最大となる過冷却度が存在する。この運転効率が最大となる過冷却度を目標過冷却度とし、過冷却度が目標過冷却度になるように目標温度差が定められている。すなわち、目標温度差は、過冷却度と、目標過冷却度と、に基づいて設定される。

次に、Ｓ１０６において、制御部２８の開度調整部２８１は、実際の温度差が、目標温度差になるように、第２膨張弁の開度を調整する。例えば、過冷却度が目標過冷却度よりも大きい場合には、目標温度差として、実際の温度差よりも小さい値が設定される。この場合、開度調整部２８１は、温度差を小さくし、目標温度差に近づけるために、第２膨張弁２６の開度を大きくする。これにより、バイパス回路Ｑ２を流れる冷媒量が増加し、内部熱交換器２７での熱交換量も増加し、主冷媒回路Ｑ１の熱源側熱交換器２３の入口側の過冷却度が増加する。液冷媒は密度が大きいため、熱源側熱交換器２３の冷媒保有量が増加し、相対的に、利用側熱交換器１１の冷媒保有量が減少する。その結果、利用側熱交換器１１の出口側の過冷却度は減少する。このように、過冷却度が大きい場合には、目標温度差になるように、第２膨張弁の開度を大きくすることで、過冷却度をより小さくすることができる。

一方で、過冷却度が目標過冷却度よりも小さい場合には、目標温度差として、実際の温度差よりも大きい値が設定される。この場合、開度調整部２８１は、温度差を大きくし、目標温度差に近付けるために、第２膨張弁２６の開度を小さくする。これにより、バイパス回路Ｑ２を流れる冷媒量が減少し、利用側熱交換器１１の出口側の過冷却度が増加する。このように、過冷却度が小さい場合には、目標温度差になるように、第２膨張弁２６の開度を小さくすることで、過冷却度をより大きくすることができる。このように、過冷却度に応じて、目標温度差を設定し、これに応じて第２膨張弁２６の開度を調整することにより、インジェクション量を調整し、運転効率を向上させることができる。

なお、Ｓ１０６においては、制御部２８は、第２膨張弁２６の開度を一定量だけ大きく、または小さくし、一定時間後に、内部熱交換器２７の出入口の温度差を再度確認する、という処理を繰り返すことにより、温度差を目標温度差に近付けるものとする。

次に、Ｓ１０８において、制御部２８は、第１温度センサ３１により検知された、圧縮機２１の吐出冷媒温度を取得する。次に、Ｓ１１０において、制御部２８は、圧縮機２１の吸入過熱度を特定する。具体的には、制御部２８は、第２圧力センサ４２により検知された圧力における蒸発温度から算出した冷媒温度と、熱源側熱交換器２３の出口側の第２温度センサ３２により検知された冷媒温度と、の差を、吸入過熱度として特定する。なお、過熱度の特定方法は、実施形態に限定されるものではない。他の例としては、熱源側熱交換器２３の中間位置に温度センサを配置し、制御部２８は、この温度センサで検知された、気液二相状態の温度と、熱源側熱交換器２３の出口側の第２温度センサ３２で検知された冷媒温度と、の差を、過熱度として特定してもよい。

次に、Ｓ１１２において、開度調整部２８１は、圧縮機２１の吐出冷媒温度と、吸入過熱度と、に基づいて、第１膨張弁２５の開度を調整する。具体的には、開度調整部２８１は、吐出冷媒温度が予め設定された目標温度を超える場合には、第１膨張弁２５の開度を大きくする。一方で、開度調整部２８１は、吸入過熱度が過熱度目標値未満の場合には、第１膨張弁２５の開度を小さくする。開度調整部２８１は、吸入過熱度が過熱度目標値を超える場合には、第１膨張弁２５の開度を大きくする。ここで、過熱度目標値は、予め定められているものとする。なお、吐出冷媒温度から開度を大きくする必要があり、吸入過熱度から開度を小さくする必要がある場合がある。この場合には、開度調整部２８１は、開度大きくする分と、開度を小さくする分と、の平均の開度を求め、この開度に調整する。

第１膨張弁２５の開度は、暖房運転時は、一般に、熱源側熱交換器２３の出口側の過熱度又は圧縮機２１の吸入過熱度に応じて制御される。外気低温時には、圧縮比が高い運転となり、圧縮機２１の吐出温度が高くなりやすく、上述の通り、バイパス回路Ｑ２においてインジェクションを行うことで吐出温度を下げることが可能である。しかしながら、第２膨張弁２６として比較的小さい容量が用いられ、また、中間圧で圧縮機２１へインジェクションすることからインジェクション量には限度がある。そこで、上記の通り、本実施形態の空気調和機１においては、インジェクション量を調整するのに加えて、主冷媒回路Ｑ１の第１膨張弁２５の開度を調整することとした。これにより、圧縮機２１の吐出温度の急激な温度上昇を抑えることができる。

以上のように、本実施形態の空気調和機１は、利用側熱交換器１１の過冷却度に応じて、内部熱交換器２７の出入口の目標温度差を決定し、出入口の温度差が目標温度差になるように第２膨張弁２６の開度を調整する。このように、空気調和機１は、第２膨張弁２６の開度調整を、圧縮機２１の吐出温度ではなく、圧縮機２１の種類や運転状況に依存しない目標値（目標温度差）に応じて行う。したがって、圧縮機２１の種類や運転状況に応じた、多くのデータの取得を要することなく、インジェクション量の制御を行うことができる。

また、利用側熱交換器１１の出口側の過冷却度が大き過ぎると凝縮器のエンタルピ差は増加するが、熱交換器性能は低下し、高圧圧力が上昇する。このため、運転効率が最大となる過冷却度が存在する。本実施形態の空気調和機１は、この運転効率が最大となる過冷却度を目標過冷却度とし、目標過冷却度に応じて目標温度差を決定し、目標温度差に応じて、第２膨張弁２６の開度を調整する。これにより、空気調和機１の運転効率を向上させることができる。また、外気低温時は、圧縮機２１の吸入圧力が低下し、吸入密度が低下するため、熱源側熱交換器２３の冷媒保有量が相対的に減り、利用側熱交換器１１の過冷却度が増加する。このような場合に、本実施形態の空気調和機１は、目標温度差を小さくすることで、インジェクション量を増加させ、暖房能力を向上させることができる。

なお、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、例えばある実施形態の変形例を他の実施形態や他の変形例に適用するなど、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

そうした第１の変形例としては、空気調和機１は、複数の室内機を備えてもよい。この場合、各室内機には、利用側熱交換器が設けられる。制御部は、複数の利用側熱交換器の過冷却度の平均を求め、この過冷却度に応じて目標温度差を決定する。

第２の変形例としては、目標温度差は、過冷却度に応じて定まる値であり、過冷却度が大きくなるほど小さくなるような値であればよく、運転効率が最大となる値でなくてもよい。

第３の変形例について説明する。実施形態においては、開度調整部２８１は、圧縮機２１の吐出冷媒温度と、吸入過熱度と、の両方に基づいて、第１膨張弁２５の開度を調整した。ただし、開度調整部２８１は、吐出冷媒温度のみに基づいて、第１膨張弁の開度を調整してもよい。例えば、吐出温度が所定の目標温度を超えた場合に、第１膨張弁２５の開度を大きくしてもよい。この場合にも、吐出温度を下げることができる。

１ 空気調和機
１０ 室内機
１１ 利用側熱交換器
１２ 利用側ファン
２０ 室外機
２１ 圧縮機
２２ 四方弁
２３ 熱源側熱交換器
２４ 熱源側ファン
２５ 第１膨張弁
２６ 第２膨張弁
２７ 内部熱交換器
３１～３５ 第１～第５温度センサ
４１、４２ 圧力センサ
Ｑ１ 主冷媒回路
Ｑ２ バイパス回路

Claims (5)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、第１膨張弁、および利用側熱交換器を有する主冷媒回路と、
   前記利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器に流れる冷媒の一部を前記圧縮機の中間圧に圧縮された冷媒に合流させるバイパス経路と、
   前記バイパス経路を流れる冷媒を減圧する第２膨張弁と、
   前記利用側熱交換器から前記熱源側熱交換器へ流れる前記主冷媒回路の冷媒の熱を、前記バイパス経路で減圧された冷媒に与える内部熱交換器と、
   暖房運転において、前記バイパス経路のうち、前記内部熱交換器の出口と入口の冷媒温度の温度差と、目標温度差と、に基づいて、前記第２膨張弁の開度を調整する開度調整手段と、
   前記利用側熱交換器の過冷却度に基づいて、前記目標温度差を設定する設定手段と、
   を備える、空気調和機。
2. 前記過冷却度が第１の値の場合の前記目標温度差は、前記過冷却度が前記第１の値よりも大きい第２の値の場合の前記目標温度差に比べて大きい、請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記設定手段は、前記利用側熱交換器の過冷却度と、予め定められた目標過冷却度と、に基づいて、前記目標温度差を設定する、請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記圧縮機の吐出側の冷媒温度を検知する温度センサをさらに備え、
   前記開度調整手段は、前記温度センサが検知した前記冷媒温度と、目標温度と、に基づいて、前記第１膨張弁の開度を調整する、請求項１に記載の空気調和機。
5. 前記開度調整手段は、さらに、前記圧縮機の吸入過熱度に基づいて、前記第１膨張弁の開度を調整する、請求項４に記載の空気調和機。

Images