JPH0246865B2 - Kukichowaki - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は空気調和機にかかり、特に冷媒回路
の冷媒温度信号に応じ圧縮機の駆動周波数、膨張
弁開度等の制御可能な空気調和機に関する。

［従来の技術］ 第８図は、例えば特開昭59−77268号公報に示
された従来の空気調和機を示す冷媒回路図であ
り、図において１は圧縮機、２は四方弁、３は室
外熱交換器、４は電動式膨張弁、５は室内熱交換
器で、これらを冷媒配管６で連結してヒードポン
プ式冷凍サイクルの冷媒回路７を構成している。
６ａ〜６ｆは冷媒配管の各部配管を示す。８ａ，
８ｂは膨張弁４の両側の冷媒配管６ｃ，６ｄから
圧縮機１の吸入配管６ｆへバイパス回路をなす毛
細管、９は吸入配管６ｆに設けられた吸入冷媒温
度検出用の第１の冷媒温度検出器、１０は毛細管
８ａ，８ｂの出口８ｃに設けられた吸入圧力飽和
温度検出用の第２の冷媒温度検出器である。

次にそれの動作について説明する。冷房運転時
においては、四方弁２は図示位置にあり、圧縮機
１より吐出された高温高圧のガス冷媒は配管６
ａ、四方弁２、配管６ｂを通り室外熱交換器３に
入り、ここで凝縮して液冷媒となり配管６ｃにい
たる。液冷媒の大部分は電動式膨張弁４で減圧さ
れ配管６ｄから室内熱交換器５へ入り、ここで室
内の熱を奪うことにより蒸発して低温低圧のガス
冷媒となり、配管６ｅ、四方弁２、配管６ｆをへ
て圧縮機１に吸入される。一方一部の液冷媒は冷
媒配管６ｃからバイパス用毛細管８ａを通り未蒸
発の状態で吸入配管６ｆに吐出し圧縮機１に戻
る。ここで吸入配管６ｆ中の蒸発後の冷媒温度を
第１の冷媒温度検出器９で検出し、毛細管８ａを
へてそれの出口８ｃにおける冷媒から第２の温度
検出器１０により吸入（蒸発）圧力に対応した飽
和温度、即ち飽和蒸発温度を検出する。これら第
１、第２の冷媒温度検出器９，１０からの温度信
号の差からスーパーヒート量を検出し、そのスー
パーヒート量が所定の幅内に入るよう制御装置に
よつて電動式膨張弁４を制御する。なお暖房時に
は冷媒配管６ｄ側が高圧となるのでバイパス冷媒
は毛細管８ｂをへて圧縮機１に戻る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述の従来の空気調和機では、蒸発圧力におけ
る飽和温度、即ち飽和蒸発温度の検出は容易であ
るが、凝縮圧力における飽和温度、即ち飽和凝縮
温度を検出することができず、圧縮機の回転数制
御を含むより高度な制御には適さないという欠点
があつた。飽和凝縮温度を検出するには、内外熱
交換器温度を検出するか圧力センサを取付ける必
要があり、何れも高価で複雑となるという問題点
があつた。

この発明は以上の問題点を解消するためになさ
れたもので１つのバイパス回路で飽和蒸発温度と
飽和凝縮温度の両方が検出でき、より高度な制御
の可能な空気調和機を提供することを目的として
いる。

［問題点を解決するための手段］ この発明にかかる空気調和機は、圧縮機の吐出
配管と吸入配管との間に順次直列に連結した第
１、第２、第３の３個の毛細管からなる冷媒バイ
パス回路を設け、上記第１の毛細管と第３の毛細
管とを互いに熱交換するよう配置すると共に、第
１の冷媒温度検出器を圧縮機の吸入配管に、第２
の冷媒温度検出器を第３の毛細管の入口に、第３
の冷媒温度検出器を第１の毛細管の出口に設ける
よう構成したものである。

［作用］ この発明における空気調和機は、圧縮機の吐出
配管中の高温高圧の過熱域にあるガス冷媒の一部
を冷媒バイパス回路の第１の毛細管に通し、この
バイパス回路の出口にある第３の毛細管との間で
熱交換することにより、圧力をほぼ一定の状態で
冷媒温度を２相域まで冷却し、この状態での冷媒
から第３の冷媒温度検出器により吐出（凝縮）圧
力における飽和温度（飽和凝縮温度）を検出す
る。この吐出圧力における２相域の冷媒を第２の
毛細管により吸入圧力、即ち蒸発圧力に相当する
２相域まで減圧し、ここでの冷媒から第２の冷媒
温度検出器により吸入（蒸発）圧力における飽和
温度（飽和蒸発温度）を検出する。この２相域の
吸入圧力冷媒を第３の毛細管に通し、圧力をほぼ
一定のまま第１の毛細管との間で熱交換して、第
１の毛細管の入口、即ちバイパス回路の入口の冷
媒のエンタルピとほぼ等しいエンタルピの冷媒と
して吸入配管に戻す。上記第２、第３の冷媒温度
検出器からの飽和蒸発温度、飽和凝縮温度に応じ
た温度信号と、吸入配管に設けられた第１の冷媒
温度検出器からの吸入冷媒温度信号とに応じ、制
御装置によつて膨張弁開度、圧縮機の付勢電源周
波数を最適に制御する。

［実施例］ 以下この発明の一実施例を図について説明す
る。第１図はこの発明の一実施例を示す冷媒回路
図で、図において１〜６は第８図の同一符号と同
一或は相当部分を示しているが膨張弁４としては
電気信号によつて開度が制御される可逆式膨張弁
が使用されている。１１は圧縮機１の吸入配管６
ｆ中に設けられたアキユムレータで、圧縮機１、
四方弁２、室外熱交換器３、室内熱交換器５、膨
張弁４と共に冷媒配管６で連結されヒートポンプ
式冷媒回路７を構成している。９は第８図同様吸
入配管６ｆに取付けられた吸入冷媒温度検出用の
第１の冷媒温度検出器である。１２は吐出配管６
ａと吸入配管６ｆ間に設けられた冷媒バイパス回
路でその詳細が第２図に示されている。

第２図は第１図冷媒バイパス回路１２の一例を
示す構成図で、図において１３は、それの入口１
３ａが第１図吐出配管６ａに連がる第１の毛細
管、１４はこの第１の毛細管１３の出口１３ｂに
連結された第２の毛細管、１５はそれの入口１５
ｂが第２の毛細管１４に連結され、出口１５ａが
第１図の吸入配管６ｆに連がる第３の毛細管であ
る。これら第１、第３の毛細管１３，１５の内径
は上記第２の毛細管１４の内径より大になされ、
そして第１、第３の毛細管１３と１５が所定値Ｌ
だけ並行して接触して配置され、ろうづけで固着
され接触熱交換器１６を構成している。１７は第
３の毛細管入口１５ｂに取り付けられた飽和蒸発
温度検出用の第２の冷媒温度検出器、１８は第１
の毛細管出口１３ｂに取り付けられた飽和凝縮温
度検出用の第３の冷媒温度検出器である。

次にその動作を説明する。例えば冷房運転の場
合、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒
は吐出配管６ａ、四方弁２、配管６ｂを通り室外
熱交換器３に入り、ここで凝縮し液冷媒となり配
管６ｃにいたる。続いて可逆式膨張弁４で減圧さ
れ配管６ｄをへて室内熱交換器１１に入り、ここ
で冷媒を蒸発させることにより冷房効果を出し、
配管６ｅ、四方弁２をへて吸入管６ｆに入り、ア
キユムレータ１１で液冷媒を分離して圧縮機１に
戻るというヒートポンプ式冷凍サイクルを構成す
る。一方吐出冷媒の一部は吐出配管６ａから冷媒
バイパス回路１２を通り吸入配管６ｆへ入るとい
う流れを形成するが、この際高温高圧の過熱ガス
冷媒は第１の毛細管１３を通る過程で、第２の毛
細管１４で減圧された低温の冷媒と接触熱交換器
１６により熱交換することにより冷やされ、第１
の毛細管１３の出口１３ｂで高圧の２相冷媒とな
る。この高圧の２相冷媒は第２の毛細管１４によ
り低圧の２相冷媒となり、第３の毛細管１５に入
り、第３の毛細管１５を通る過程で接触熱交換器
１６により熱交換することにより加熱され、この
冷媒バイパス回路１２の入口１３ａの冷媒のエン
タルピとほぼ同じエンタルピの低圧過熱ガス冷媒
となり吸入配管６ｆに戻る。

第４図は以上の動作を示すモリエル線図で、横
軸はエンタルピｉ、縦軸は圧力Ｐを表わし、破線
で示したサイクル１９は、主冷媒回路７を流れる
冷媒のサイクルを、実線で示したサイクル２０は
冷媒バイパス回路１２のサイクル、即ち飽和温度
検知サイクルである。

なお図中６ａ〜６ｆ，１３ａ，１３ｂ，１５
ａ，１５ｂは冷房時のこれらサイクル１９，２０
における各配管、毛細管の冷媒のｉ・Ｐを表わし
ている。

第１の毛細管の出口１３ｂに取り付けた第３の
冷媒温度検出器１８で飽和凝縮温度を、第３の毛
細管の入口１５ｂに取り付けた第２の冷媒温度検
出器１７で飽和蒸発温度を検出し、そして吸入配
管６ｆに取り付けられた第１の冷媒温度検出器９
で吸入冷媒温度を検出する。これらの検出冷媒温
度信号に応じ後述のように可逆式膨張弁４及び圧
縮機７を制御する。

ここで冷媒バイパス回路１２による飽和蒸発温
度、飽和凝縮温度の検出動作についてさらに詳細
に説明する。ここでは吐出冷媒が２相域のどの点
まで冷却されるかということが重要な問題とな
る。即ち第１〜第３の毛細管１３，１４，１５の
寸法及び接触熱交換器１６の長さＬで全てが決定
され、これらの寸法が適切でないと、第１の毛細
管の出口１３ａの冷媒を２相域の状態に持つてく
ることが不可能となる。

いまバイパス冷媒量をＧKg／ｈとするとこれを
△ikcal／Kgだけエンタルピを減少させる（冷却
する）には Ｑ＝Ｇ×△ｉ kcal／ｈ ……(1) の熱を処理できる熱交換器が必要となる。

また熱交換器の能力は Ｑ＝Ｋ・Ａ・△ｔ kcal／ｈ ……(2) で表わされる。ここでＫは熱通過率kcal／m²ｈ
℃、Ａは伝熱面積、△ｔは温度差である。

一方 １／Ｋ＝１／h1＋１／λ＋１／h2 ここで h1は第１の毛細管内熱伝達率kcal／m²ｈ℃ λは接触熱交換器の熱伝導率kcal／ｍｈ℃ h2は第２の毛細管内熱伝達率kcal／m²ｈ℃ 通常上式の第２項は無視できる程小さくＫ∝ｈ
と考えてよい。

一方 Ａ∝ｄ・Ｌ Nu∝Re^0.8・Pr^0.4 ｈ＝λ・Nu／ｄ Re＝ｕ・ｄ／ν ｕ＝Ｇ・γ／π／４・d² ここで、Nuはヌセルト数、Reはレイノルズ
数、Prはプラントル数（物性値）、λは熱伝導率
（物性値）、ｄは管内径、ｕは管内速度、νは動粘
性係数、γは比重、Ｌは接触熱交換器の長さであ
る。

以上の式を整理すると、(2)式は Ｑ∝G^0.8．d^-0.8．Ｌ・△ｔ ……(3) となり、(1)式(3)式より Ｌ∝G^0.2．d^0.8．△ｉ・△t^-1……(4) となる。

また第１及び第３毛細管１３，１５の流量特性
を第２毛細管１４に比べ充分大きい流量を流すよ
うに設定すれば第２の毛細管１４の入口及び出口
では、ほぼ吐出圧力、吸入圧力と同じ圧力とな
り、バイパス流量Ｇは、第２毛細管１４の入口乾
き度、入口圧力、出口圧力、第２毛細管１４の内
径及び長さで決定される。バイパス流量Ｇは主冷
配回路７の流量に比べ充分小さくかつ雰囲気温度
による影響を受けずに温度を充分に検知できる流
量に設定するのが良い。上記接触熱交換器１６は
できるだけ小さい方が安価にでき、占有スペース
も小さくてすむという利点がある。発明者らの実
験結果では第１及び第３の毛細管１３，１５の内
径を3.0mm、長さを500mm、熱交換器１６の長さＬ
を250mmとし、又第２の毛細管１４の内径を0.6
mm、長さを500mmとすると良い結果が得られるこ
とが確認されている。このことから第１及び第３
の毛細管１３，１５の内径は３〜５mm、第２の毛
細管の内径は0.5mm〜1.0mm位の範囲で選択するの
が適当と考えられる。

次に上述の第１、第２及び第３の冷媒温度検出
器９，１７，１８によつて検出された冷媒温度信
号に応じた空気調和機の制御について説明する。

第３図はこの発明の一実施例である空気調和機
の制御系統を示すブロツク線図で、図において
１，４，９，１７及び１８は第１図、第２図と同
様の圧縮機、可逆式膨張弁、第１、第２及び第３
の冷媒温度検出器、２１はこれら冷媒温度検出器
９，１７，１８からの信号を入力する温度入力回
路、２２はマイクロコンピユータ等からなる制御
装置、２３は膨張弁駆動回路、２４は圧縮機１の
回転数を可変にするインバータからなる可変周波
数電源である。以上の制御系統の動作を第５図及
び第６図によつて説明する。

第５図は制御のために制御装置２２で実行され
るプログラムのフローチヤート、第６図は圧縮機
１の許容最高回転数、即ち許容最高電源周波数
F_naxと、第３の冷媒温度検出器１８で検出される
飽和凝縮温度CTとの関係を示した制御特性図で
ある。一般に飽和凝縮温度CTは圧縮機の吐出冷
媒圧力の上昇と共に上昇するので、第６図は圧縮
機の許容回転数即ちF_naxが吐出冷媒圧力の上昇に
よつて減少することを示している。これはCTが
高い時、即ち吐出冷媒圧力が高い時に高い周波
数、即ち回転数で圧縮機を運転すると、軸受の焼
付きなど故障の原因となるからである。そのため
CTとF_naxの関係は第６図の範囲内に入れておく
必要がある。

そこで、第５図におけるステツプ２５で、制御
装置２２は第３の冷媒温度検出器１８で検出され
温度入力回路２２をへて入力された飽和凝縮温度
CTにより、第６図に示す関係のF_naxを演算し決
定する。次にステツプ２６で室内熱交換器５の吸
込み空気温度と設定温度との差△Ｔにより、要求
される圧縮機１の付勢電源周波数（以下要求周波
数という）Frを決定する。そしてステツプ２７
でこの要求周波数Frと上記許容最高周波数F_nax
の大小を比較し、もしFrがF_naxより大きければ
ステツプ２８で出力周波数FoをF_naxとし、反対
に小さければステツプ２９で出力周波数Foを要
求周波数Frとし、ステツプ３０でこの出力周波
数Foをインバータである可変周波数電源２４に
出力し、圧縮機１の回転数を制御する。次にステ
ツプ３１で、第１の冷媒温度検出器９で検知され
る吸込み冷媒温度STと第２の冷媒温度検出器１
７で検知される飽和蒸発温度ETとの差からスー
パーヒートSHを算出し、ステツプ３２でこのス
ーパーヒートSHが設定下限SH１と上限SH２と
の間にあるかを判定する。スーパーヒートSHが
設定範囲内にあれば弁開度をそのままとし、設定
範囲外であれば、ステツプ３３でSHが下限値SH
１より小さいかを判定し、小さければステツプ３
４で一定幅だけ膨張弁開度を閉とし、逆に大きけ
ればステツプ３５で一定幅だけ膨張弁開度を開と
するよう膨張弁駆動回路２３に出力し、安定領域
に入るよう膨張弁４を制御する。

第７図は第１図の冷媒バイパス回路１２の他の
例を示す断面構成図で、１３，１４，１５は第２
図の同一符号と同様、第１の毛細管、第２の毛細
管及び第３の毛細管を示しているが、第３の毛細
管１５を太くして、その中に第１の毛細管１３を
挿入することにより２重管式の熱交換器３６を構
成している。２重管式の熱交換器３６は熱交換効
率がよいので接触熱交換器１６より小さくできる
利点がある。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば熱交換を行なう
冷媒バイパス回路を設け飽和蒸発温度と共に飽和
凝縮温度をも検出可能としたので、比較的安価な
構成で可逆式膨張弁及び圧縮機の可変周波数電源
等を制御する高度な制御が可能な、信頼性の高い
空気調和機が得られる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す冷媒回路
図、第２図はそれの冷媒バイパス回路の一例を示
す構成図、第３図はそれの制御系統を示すブロツ
ク線図、第４図はそれの動作説明用のモリエル線
図、第５図はそれの制御動作を説明するフローチ
ヤート、第６図はそれの制御特性図、第７図はこ
の発明における冷媒バイパス回路の他の実施例を
示す断面構成図、第８図は従来の空気調和機の制
御系統を示すブロツク線図である。 図において１は圧縮機、２は四方弁、３は室外
熱交換器、４は可逆式膨張弁、５は室内熱交換
器、６は冷媒配管、６ａは吐出配管、６ｆは吸入
配管、７は冷媒回路、９は第１の冷媒温度検出
器、１１はアキユムレータ、１２は冷媒バイパス
回路、１３は第１の毛細管、１３ａはそれの入
口、１３ｂはそれの出口、１４は第２の毛細管、
１５は第３の毛細管、１５ａはそれの出口、１５
ｂはそれの入口、１６は接触熱交換器、１７は第
２の冷媒温度検出器、１８は第３の冷媒温度検出
器、２１は温度入力回路、２２は制御装置、２３
は膨張弁駆動回路、２４は可変周波数電源、３６
は２重管式熱交換器である。図中同一符号は同一
或は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可変周波数電源で付勢される圧縮機、四方
   弁、室外熱交換器、電気信号で駆動される可逆式
   膨張弁及び室内熱交換器等を冷媒配管で連結して
   なる冷媒回路と、この冷媒回路の所定個所に設け
   られた冷媒温度検出器と、これら冷媒温度検出器
   からの冷媒温度信号に応じ上記可逆式膨張弁の開
   度及び上記圧縮機の付勢電源周波数を制御する制
   御装置とを備えた空気調和機において、上記圧縮
   機の吐出配管と吸入配管との間に、入口が上記吐
   出配管に連がる第１の毛細管、出口が上記吸入配
   管に連がり、上記第１の毛細管と熱交換するよう
   配置された第３の毛細管及び上記第１の毛細管の
   出口と上記第３の毛細管の入口を連結する減圧用
   第２の毛細管とからなる冷媒バイパス回路を設
   け、上記冷媒温度検出器を上記冷媒バイパス回路
   の第１の毛細管の出口、第３の毛細管の入口及び
   上記圧縮機の吸入配管にそれぞれ設けたことを特
   徴とする空気調和機。 ２ 上記第１及び第３の毛細管の内径を上記第２
   の毛細管の内径より大にしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の空気調和機。 ３ 上記第１及び第３の毛細管を所定長並行して
   接触させ固着し、熱交換させ得るようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１又は第２項記載
   の空気調和機。 ４ 上記第１及び第３の毛細管の何れかを他方の
   内に配設し、２重管として熱交換させ得るように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１又は第
   ２項記載の空気調和機。