JPH06281273A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、冷暖房時の定常性能向上、暖房時
の室外熱交換器除霜制御及び冷房時の室内熱交換器凍結
防止制御の向上を図ることを目的とする。 【構成】 暖房時に室内熱交換器１１の中間温度と出口
温度の温度差を検出する温度差検出手段１３，１４と、
検出された温度差を基に膨張弁４の弁開度を制御して凝
縮冷媒の過冷却度制御を行う制御手段１５とを有するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非共沸混合冷媒を用い
て空気と冷媒間で熱交換を行うヒートポンプ式冷凍サイ
クルを備え、室内の冷暖房を行う空気調和装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】空気調和装置における冷凍サイクルには
冷暖房の熱源として大気の熱源を利用するものが多い。
一般にはこのヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた空気
調和装置は、暖房時には室外機で大気の熱を汲み取って
室内機で熱を放出し、逆に冷房時には室内機で室内の熱
を汲み取り、室外機で大気に熱を捨ている。従って、冷
凍サイクル的に見るとインバータ機種では、室外機にイ
ンバータ、圧縮機、絞り機構、四方弁、室外熱交換器、
室外送風機が、また室内機に室内熱交換器、室内送風機
がそれぞれ主要部品として搭載されている。このような
空気調和装置の性能は、圧縮機を除けば、室内機及び室
外機の熱交換器性能に大きく左右される。したがって、
各社ともに、最近の住宅事情に関係し、両室内外機の省
スペース性の大きいコンパクトで高性能な熱交換器及び
低騒音高効率送風機の研究、開発が主流になりつつあ
る。特に、室内機においては細径パイプ熱交換器等の使
用によりコンパクト化、高効率化が図られている。一
方、室外機においても熱交換器の高効率化が図られてい
るが、室内機ほどではない。これは、室外機の場合、暖
房時の霜付きの問題があり、室内機のようにフィンにス
リットを入れる、３段以上の多段にする等をして熱交換
性能を向上させることが困難であることも起因してい
る。

【０００３】さらには、近年、オゾン破壊を防ぎ、温暖
化を防止するという世界的な地球環境保護の観点から、
従来空気調和装置用冷媒として使用されてきたＲ２２に
代る冷媒が求められている。このＲ２２にサイクル温
度、圧力が近い代替冷媒は各種候補が上っているが、殆
んどが非共沸混合冷媒であり、この非共沸混合冷媒は冷
媒気液相変化時の温度勾配が大きく伝熱学的に伝熱性能
が劣る欠点がある。即ち、大気の熱を汲み上げる暖房ヒ
ートポンプ運転では、外気温度が低い場合には、室外熱
交換器入口付近で凍結、かつ、外気温度と室外機蒸発温
度との有効温度差が小さくなるので、外気温度が高い場
合に比べてどうしても暖房能力が低下する問題が生じ
る。冷房時も同様に、冷房性能の低下と外気温度が低い
場合などは室内熱交換器の入口付近が凍結し易くなる。
また、冷暖房時ともに非共沸混合冷媒の流量制御の適正
化を図り、安定した冷凍サイクルを提供する必要があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクルを有する空気調
和装置は、外気温度が低い場合に室外熱交換器入口付近
で凍結が生じ易く、また暖房能力が低下するという問題
があり、冷房時も同様に、冷房性能の低下と外気温度が
低い場合などには室内熱交換器の入口付近が凍結し易く
なるという種々の問題点が残されていた。

【０００５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、非共沸混合冷媒を使用し
た冷凍サイクルにおいて、適正な温度検知と膨張弁等の
制御を行うことにより、冷暖房時の定常性能向上、暖房
時の室外熱交換器除霜制御及び冷房時の室内熱交換器凍
結防止制御の向上を図ることのできる空気調和装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、非共沸混合冷媒を使用した冷凍
サイクルを有する空気調和装置において、暖房時に室内
熱交換器の中間温度と出口温度の温度差を検出する温度
差検出手段と、該温度差検出手段で検出された温度差を
基に膨張弁の弁開度を制御して凝縮冷媒の過冷却度制御
を行う制御手段とを有することを要旨とする。

【０００７】第２に、非共沸混合冷媒を使用した冷凍サ
イクルを有する空気調和装置において、暖房時に室外熱
交換器の室外温度および入口温度または中間温度を基に
膨張弁の弁開度を制御して除霜制御を行う制御手段を有
することを要旨とする。

【０００８】第３に、非共沸混合冷媒を使用した冷凍サ
イクルを有する空気調和装置において、冷房時に室外熱
交換器の中間温度と出口温度の温度差を検出する温度差
検出手段と、該温度差検出手段で検出された温度差を基
に膨張弁の弁開度を制御して凝縮冷媒の過冷却度制御を
行う制御手段とを有することを要旨とする。

【０００９】第４に、非共沸混合冷媒を使用した冷凍サ
イクルを有する空気調和装置において、冷房時に室内熱
交換器の入口温度を基に圧縮機、膨張弁、室内送風機又
は室外送風機の少なくとも何れかを制御して前記室内熱
交換器の凍結防止制御を行う制御手段を有することを要
旨とする。

【００１０】

【作用】上記構成において、第１に、暖房時に凝縮器と
して機能する室内熱交換器の中間温度と出口温度の温度
差により凝縮液の過冷却度が検出され、この検出結果を
基に膨張弁の弁開度が制御されて冷媒流量が制御され
る。これにより凝縮冷媒の過冷却度が適正に制御されて
暖房時の定常性能が向上する。

【００１１】第２に、暖房時に室外熱交換器の室外温度
と入口温度または中間温度とで室外熱交換器の着霜が検
知され、この検知結果を基に膨張弁の絞りが小さくなる
ように制御されて適正に除霜が行われる。

【００１２】第３に、冷房時に凝縮器として機能する室
外熱交換器の中間温度と出口温度の温度差により凝縮液
の過冷却度が検出され、この検出結果を基に膨張弁の弁
開度が制御されて冷媒流量が制御される。これにより凝
縮冷媒の過冷却度が適正に制御されて冷房時の定常性能
が向上する。

【００１３】第４に、冷房時に室内熱交換器の入口温度
で室内熱交換器の凍結が判断され、この判断結果を基に
例えば膨張弁の絞りが小さくなるように制御されて室内
熱交換器の凍結が防止される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図６に基づ
いて説明する。図１に示す冷凍サイクルにおいて、室外
機１は、圧縮機２、四方弁３、電動式膨張弁４、室外熱
交換器５、室外送風機６、室外熱交換器入口温度センサ
７、室外熱交換器中間温度センサ８及び室外温度センサ
９等の主要部品で構成されている。このうち、室外熱交
換器入口温度センサ７は、冷房時には室外熱交換器出口
温度センサとして機能する。また、室内機１０は、室内
熱交換器１１、室内送風機１２、室内熱交換器入口温度
センサ１３及び室内熱交換器中間温度センサ１４等で構
成されている。このうち、室内熱交換器入口温度センサ
１３は、暖房時には室内熱交換器出口温度センサとして
機能する。１５は制御手段としての制御器であり、この
制御器１５で電動式膨張弁４の弁開度が制御されるよう
になっている。本冷凍サイクルで使用される冷媒は、Ｒ
２２の単一冷媒とサイクル温度、圧力が近い例えばＲ３
２／Ｒ１３４ａ＝７０：３０の混合冷媒である。図１中
には、この冷媒の流れを、暖房時は実線、冷房時は破線
で示した。

【００１５】次に、上述のように構成された冷凍サイク
ルの作用を説明する。まず、図２のフローチャート及び
図３を用いて暖房運転を説明する。電動式膨張弁４の弁
開度が一定開度に初期化され、圧縮機２が起動されてそ
の運転周波数が設定値に到達する（ステップ２１，２
２，２３）。この状態で、圧縮機２より吐出された高
温、高圧の気化冷媒は、四方弁３を通過した後、室内機
１０に導かれ、室内熱交換器１１を流れる間に室内送風
機１２による室内空気と熱交換することで、室内に熱を
放出し、凝縮する。凝縮し液化した冷媒は、室外機１に
戻る。このとき、室内熱交換器中間温度と室内熱交換器
出口温度の温度差により凝縮液の過冷却度が検出され、
この検出結果を基に電動式膨張弁４が絞られる（ステッ
プ２４、図３）。凝縮冷媒は、この電動式膨張弁４で減
圧された後、室外熱交換器５で室外送風機６による室外
空気と熱交換し、蒸発過程を完了する。加熱された低圧
の気化冷媒は、再び圧縮機２に入り高温、高圧の気化冷
媒となって吐出され、暖房時の１サイクルが終了する。
そして、この暖房時のサイクルにおいて、上記のように
電動式膨張弁４の弁開度が制御される結果、凝縮冷媒の
過冷却度が適正に制御されて暖房時の定常性能が向上す
る。

【００１６】次に、図４のフローチャートを用いて、暖
房時における室外熱交換器５の着霜検知と除霜制御を説
明する。通常の暖房運転時において（ステップ２５）、
着霜の検知は、室外熱交換器入口温度と室外温度で判断
する。これらの温度が所定の設定温度以下であれば着霜
と判断する（ステップ２６）。除霜は、電動式膨張弁４
の絞りを小さくして行い、室外熱交換器入口温度あるい
は中間温度を見て、これらの温度が設定温度以上になれ
ば（ステップ２７）、除霜運転終了と判断する（ステッ
プ２８）。

【００１７】次いで、図５のフローチャートを用いて、
冷房運転を説明する。電動式膨張弁４の弁開度が一定開
度に初期化され、圧縮機２が起動されてその運転周波数
が設定値に到達する（ステップ３１，３２，３３）。こ
の状態で、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒は、
四方弁３を通過した後、室外熱交換器５に導かれ、室外
送風機６による室外空気により、冷却されて凝縮過程が
完了する。高圧の液となった冷媒は、電動式膨張弁４で
減圧されて室内機１０に導かれる。このとき、室外熱交
換器中間温度と室外熱交換器出口温度の温度差により凝
縮液の過冷却度が検出され、この検出結果を基に電動式
膨張弁４が絞られる（ステップ３４）。減圧されて室内
機１０に導かれた冷媒は、室内熱交換器１１で室内送風
機１２による室内空気と熱交換することで、蒸発過程で
室内空気の熱を奪い、冷房が行われる。低圧の気化され
た冷媒は、室外機１の圧縮機２に入り、再び高温、高圧
の気化冷媒となって吐出され、冷房時の１サイクルが終
了する。そして、この冷房時のサイクルにおいて、上記
のように電動式膨張弁４の弁開度が制御される結果、凝
縮冷媒の過冷却度が適正に制御されて冷房時の定常性能
が向上する。

【００１８】次に、図６のフローチャートを用いて、冷
房時における室内熱交換器１１の凍結防止制御を説明す
る。通常の冷房運転時において（ステップ３５）、例え
ば室外温度が低く、凝縮温度の低下とともに蒸発温度が
低下し室内熱交換器１１が凍結する恐れがある場合の検
知は、室内熱交換器入口温度を見て行われる。この温度
が所定の設定温度以下であれば凍結する恐れありと判断
される（ステップ３６）。凍結防止制御は、圧縮機２の
運転周波数を低下、電動式膨張弁４の絞りを小さくす
る、室内送風量を増加する或いは室外送風量を減少する
等で対応する（ステップ３７）。そして室内熱交換器入
口温度が設定温度以上になれば（ステップ３８）、凍結
防止制御終了と判断する。

【００１９】上述の冷凍サイクルにおいては、以下に示
すようなメリットが多い。Ｒ３２／Ｒ１３４ａ＝７０：
３０付近の非共沸混合冷媒を使用した場合、冷媒の気液
相変化時の温度勾配が大きいため、冷暖房時ともに電動
式膨張弁の絞り制御が例えば過熱度制御では複雑にな
り、温度センサの数も多く必要になるが、過冷却度制御
では簡単で温度センサの数も少なく、安定した冷媒流量
制御が可能となる。さらに、暖房時における除霜制御に
おいては、室外熱交換器入口付近で凍結し易いため、入
口温度と中間温度出口を見れば適正な制御が可能とな
る。また、冷房時の熱交換器凍結も入口付近で起こり易
いため、熱交換器入口温度を見て防止制御が可能とな
る。従って、冷暖房時の適正な冷媒流量制御と冷暖房性
能の向上が図れる。

【００２０】なお、本発明は上記実施例に限ったもので
はなく、請求範囲の主旨を逸脱しなければ、冷凍サイク
ルの構成が多少異なったものであっても構わない。例え
ば、電動式膨張弁の絞り制御を行う場合に圧縮機サクシ
ョン温度も併用して見て構わないし、暖房時の除霜制御
において図示はしていないが、電動式膨張弁の絞りを小
さくする代りに、圧縮機吐出ガスを室外熱交換器にバイ
パスしても構わない。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１に、暖房時に室内熱交換器の中間温度と出口温度の
温度差を検出し、その検出結果を基に膨張弁の弁開度を
制御して凝縮冷媒の過冷却度制御を行うようにしたた
め、凝縮冷媒の過冷却度が適正に制御されて暖房時の定
常性能を向上させることができる。

【００２２】第２に、暖房時に室外熱交換器の室外温度
および入口温度または中間温度を基に膨張弁の弁開度を
制御して除霜制御を行うようにしたため、暖房時におけ
る室外熱交換器の除霜性能を向上させることができる。

【００２３】第３に、冷房時に室外熱交換器の中間温度
と出口温度の温度差を検出し、その検出結果を基に膨張
弁の弁開度を制御して凝縮冷媒の過冷却度制御を行うよ
うにしたため、凝縮冷媒の過冷却度が適正に制御されて
冷房時の定常性能を向上させることができる。

【００２４】第４に、冷房時に室内熱交換器の入口温度
を基に圧縮機、膨張弁、室内送風機又は室外送風機の少
なくとも何れかを制御して室内熱交換器の凍結防止制御
を行うようにしたため、冷房時における室内熱交換器の
凍結防止性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空気調和装置の実施例における冷
凍サイクルを示す図である。

【図２】上記実施例において暖房時の過冷却度制御を説
明するためのフローチャートである。

【図３】上記実施例において過冷却度と膨張弁開度の関
係を示す特性図である。

【図４】上記実施例において暖房時における室外熱交換
器の除霜制御を説明するためのフローチャートである。

【図５】上記実施例において冷房時の過冷却度制御を説
明するためのフローチャートである。

【図６】上記実施例において冷房時における室内熱交換
器の凍結防止制御を説明するためのフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１ 室外機 ２ 圧縮機 ４ 電動式膨張弁 ５ 室外熱交換器 ６ 室外送風機 ７ 室外熱交換器入口温度センサ ８ 室外熱交換器入口温度センサとともに温度差検出手
段となる室外熱交換器中間温度センサ ９ 室外温度センサ １０ 室内機 １１ 室内熱交換器 １２ 室内送風機 １３ 室内熱交換器入口温度センサ １４ 室内熱交換器入口温度センサとともに温度差検出
手段となる室内熱交換器中間温度センサ １５ 制御器（制御手段）

【手続補正書】

【提出日】平成６年５月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】上述の冷凍サイクルにおいては、以下に示
すようなメリットが多い。Ｒ３２／Ｒ１３４ａ＝３０：
７０付近の非共沸混合冷媒を使用した場合、冷媒の気液
相変化時の温度勾配が大きいため、冷暖房時ともに電動
式膨張弁の絞り制御が例えば過熱度制御では複雑にな
り、温度センサの数も多く必要になるが、過冷却度制御
では簡単で温度センサの数も少なく、安定した冷媒流量
制御が可能となる。さらに、暖房時における除霜制御に
おいては、室外熱交換器入口付近で凍結し易いため、入
口温度と中間温度出口を見れば適正な制御が可能とな
る。また、冷房時の熱交換器凍結も入口付近で起こり易
いため、熱交換器入口温度を見て防止制御が可能とな
る。従って、冷暖房時の適正な冷媒流量制御と冷暖房性
能の向上が図れる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】なお、本発明は上記実施例に限ったもので
はなく、請求範囲の主旨を逸脱しなければ、冷凍サイク
ルの構成が多少異なったものであっても構わない。例え
ば、電動式膨張弁の絞り制御を行う場合に圧縮機サクシ
ョン温度も併用して見て構わないし、暖房時の除霜制御
において図示はしていないが、電動式膨張弁の絞りを小
さくする代りに、圧縮機吐出ガスを室外熱交換器にバイ
パスしても構わない。また、除霜方式が四方弁の切替え
で蒸発器に圧縮機からのホットガスを流す方式でも構わ
ない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 哲司 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝住空間システム技術研究所内 (72)発明者 後藤 功一 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝住空間システム技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクル
   を有する空気調和装置において、暖房時に室内熱交換器
   の中間温度と出口温度の温度差を検出する温度差検出手
   段と、該温度差検出手段で検出された温度差を基に膨張
   弁の弁開度を制御して凝縮冷媒の過冷却度制御を行う制
   御手段とを有することを特徴とする空気調和装置。
2. 【請求項２】 非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクル
   を有する空気調和装置において、暖房時に室外熱交換器
   の室外温度および入口温度または中間温度を基に膨張弁
   の弁開度を制御して除霜制御を行う制御手段を有するこ
   とを特徴とする空気調和装置。
3. 【請求項３】 非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクル
   を有する空気調和装置において、冷房時に室外熱交換器
   の中間温度と出口温度の温度差を検出する温度差検出手
   段と、該温度差検出手段で検出された温度差を基に膨張
   弁の弁開度を制御して凝縮冷媒の過冷却度制御を行う制
   御手段とを有することを特徴とする空気調和装置。
4. 【請求項４】 非共沸混合冷媒を使用した冷凍サイクル
   を有する空気調和装置において、冷房時に室内熱交換器
   の入口温度を基に圧縮機、膨張弁、室内送風機又は室外
   送風機の少なくとも何れかを制御して前記室内熱交換器
   の凍結防止制御を行う制御手段を有することを特徴とす
   る空気調和装置。