JPH0665940B2 - ヒ−トポンプ式空気調和機の冷媒制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は多室分離形空気調和機の冷媒制御に関するもの
である。

従来例の構成とその問題点 従来、ヒートポンプ式の空気調和機は、圧縮機、四方
弁、室外熱交換器（非利用側）、膨張機構、すなわち、
キャピラリチューブあるいは温度式自動膨張弁、室内熱
交換器（利用側）、四方弁、アキュウムレーターと順設
し、ヒートポンプ冷凍サイクルを構成している。

近年、前記圧縮機の回転数を可変速に制御し、冷暖房能
力、入力等を室内外の温度条件により回転数を可変でき
るいわゆる周波数変換圧縮機が開発されてきた。

そして、前記ヒートポンプ式冷凍サイクルに周波数変換
圧縮機を搭載し、前記キャピラリチューブまたは温度式
自動膨張弁による冷媒回路の制御を行なう。

ところが、前者のキャピラリチューブ方式による制御
は、周波数変換による圧縮機回転数の変化を行なうと、
当然に、冷媒循環量が変化し、たとえば、回転数が高く
なったときに冷媒循循環量が増大し、キャピラリチュー
ブでの減圧範囲は一定であるから圧縮比が大きくなり、
過熱運転（吐出温度の過熱）となり、回転数が低くなっ
たときに冷媒循環量が減少し、圧縮比が小さくなり液戻
り運転になる。

また、上記後者の温度式自動膨張弁方式は、吸入管側の
圧力と温度とによって冷媒流量を調節しながら制御し、
蒸発器として作用する熱交換器側へ冷媒流量を開節して
圧縮機へ戻すものであるが、この温度式自動膨張弁にし
ても冷媒制御範囲は狭く、これを広範囲にしたとしても
ハンチング現象が発生する。

すなわち、このハンチング現象は、第１図に示すように
吸入管内を流れる冷媒の実際の温度Ａ（実線）に自動温
度膨張弁の感温筒で検出する感知温度Ｂ（点線）が追随
せず、感温筒を介しているために感知が遅れてしまい、
自動膨張弁内の弁の開閉が頻繁に繰返される、いわゆる
ハンチング現象が発生する欠点を有する。

また、温度式自動膨張弁を広範囲に制御するために弁の
口径を大きくしてもよいが、口径を大きくすると流量の
変化量が大きすぎて実用的でない。

こうしたキャピラリチューブや自動温度膨張弁の欠点を
補うべく、最近、周波数変換圧縮機を搭載したヒートポ
ンプ式冷凍サイクルの冷媒制御用として、電動膨張弁が
開発されている。そして、この電動膨張弁を制御するに
は膨張弁出口温度および吸入管温度を入力して開度を変
化させる方法が実施されているが、サーミスタの温度特
性による温度だけの制御では、急激な温度変化の場合、
このハンチング現象が十分に解決されているとは云え
ず、緻密な冷媒制御は行なえず、特に多室形ヒートポン
プ式空気調和機では各々の温度変化に対し、この冷媒制
御は不十分である。

前記電動膨張弁とその制御を示す技術として、たとえ
ば、米国特許第4362027号に示されるものがあるが、こ
の電動膨張弁とその制御は、概論に述べているように状
態に応答するセンサーは温度センサーであって、最初の
センサーは吸込圧力（低圧）に拡散する液冷媒の温度に
応答できる所に設け、２番目のセンサーは吸込側で感じ
る応答できる所に設け、前記２つのセンサーによって感
知された温度の差に応じて過熱度を制御するよう電動膨
張弁が調節されると述べているように、あくまでも温度
センサーによる制御であり、急激な温度変化の場合、実
際の温度と感知する温度とは伝熱面における差が生じ、
ハンチング現象が十分に解決されない欠点を有する。

発明の目的 本発明は上記従来の欠点を解消するもので、冷媒制御を
効率よく、かつ、多室形ヒートポンプ式空気調和機にも
応用可能であり、緻密に制御するようにした理想的なヒ
ートポンプ式の冷凍サイクルを得ることを目的とする。

発明の構成 本発明は周波数変換により可変速する圧縮機と、四方弁
と、室外熱交換器と、電動膨張弁と、複数の室内熱交換
器と、アキュウムレーター等とを順設したヒートポンプ
式冷凍サイクルであって、前記圧縮機の吐出管に高圧圧
力センサーと、吸入管側に低圧圧力センサーを備えると
ともに、同じく吸入管側に吸入管の冷媒温度を感知する
温度センサーとを備え、圧縮機の周波数制御を、暖房時
は前記高圧圧力センサーにより周波数を段階的に変化さ
せ、冷房時は前記低圧圧力センサーにより周波数を段階
的に変化させ、前記電動膨張弁は、冷房時および暖房時
ともに前記低圧圧力センサーと前記吸入管に設けた温度
センサーによって過熱度の制御領域を段階的に各種ゾー
ンに分割して制御し、前記暖房時および冷房時の周波数
段階変化と前記過熱度段階制御とをマイクロコンピュー
ター等の制御部にプログラムし、多室の室内機の負荷に
対し、総合的に対応したヒートポンプ式冷凍サイクルの
制御を行なうようにしたものである。

実施例の説明 本発明の一実施例を第２図〜第５図にもとづいて説明す
る。

１は室外機、２、３は複数機に接続された室内機であ
る。前記室外機には周波数変換式で低周波数より高周波
数、たとえば30Hz〜120Hzに制御されることで可変速す
る周波数変換式の圧縮機４を設けてあり、この圧縮機４
は制御部８に接続されている。前記圧縮機４からは四方
弁５、非利用側となる室外熱交換器６、電動膨張弁７と
順設している。

この電動膨張弁７は冷房時および暖房時の冷媒流量を制
御し、この制御は、冷・暖房時ともに、低圧圧力センサ
ー12と、温度センサー14とに制御され、且つ、制御部８
からのパルス信号により流量制御を行なう。前記圧縮機
４の戻り側にはアキュウムレーター９が設けられてお
り、圧縮機４の吐出側は吐出管11の暖房時における高圧
圧力を検出する高圧圧力センサー10が設けられている。

そして、同圧力センサー10よりの入力は制御部８に接続
される。また吸入管13ににはその冷暖房時における低圧
圧力を検出する低圧圧力センサー12を設けてあり、同圧
力よりの入力は制御部８に接続される。さらに吸入管13
には温度センサー14が取着され、電動膨張弁７の制御
は、前述したように、冷暖房時ともに前記低圧圧力セン
サー12と前記温度センサー14とにより制御されるように
して、同じく制御部８に接続されている。

このように、多室形ヒートポンプ式冷凍サイクル中に、
制御部８に接続した周波数変換式の圧縮機４、電動膨張
弁７、高圧圧力センサー10、低圧圧力センサー12、温度
センサー14が、各々制御部８に接続されている。この制
御部８より出力される制御をどのように制御するかを以
下に述べる。

暖房運転動作の圧縮機周波数制御は、、高圧圧力センサ
ー10により吐出管11の圧力を検出して、第３図に示すよ
うに制御領域を各種ゾーンに分割して段階的に制御す
る。

すなわち、吐出力の圧力値の低いとき（たとえば16kg/c
m²Ｇ以下）は上昇ゾーンにあって周波数を上げる必要が
あるから、たとえば、時間帯の組合わせを行なうべく周
波数を10秒間に1stepの変化速度で周波数を上げる。こ
こで、1stepとは、圧縮機周波数は任意にとることが可
能として、0.2Hz〜２Hz程度とする（以後も同じ）。そ
して高圧側の圧力が上り監視ゾーンに入ると圧力を上げ
るが、制御したい圧力に対し近づいてきたため、上昇ゾ
ーンにある場合より遅いスピード、たとえば30秒間に1s
tepの変化速度で周波数を上げる。

そして制御中心領域（以下、制御ゾーンと称する）上る
と、そのまま周波数を維持しながらこの制御ゾーン内で
暖房運転を続ける。

次に室内温度が上昇し、あるいは外気温度が上昇するな
どして負荷が小さくなると、圧力が高くなるから下降ゾ
ーンに入る。下降ゾーンに入ると圧力をすみやかに下げ
るよう、たとえば、1step／2secの早い変化速度で周波
数を下げ、再び制御ゾーンに入れ、あくまでも制御ゾー
ン内で周波数を維持するようにして吐出圧力を適正に保
つのである。

次に冷房運転動作の圧縮機周波数制御は、低圧圧力セン
サー12により吸入管13の圧力を検出して、第４図に示す
ように段階的に制御するもので、前述した暖房時と同じ
制御ゾーンで維持されるのである。

すなわち、吸入管圧力が高く（蒸発温度が高い場合）、
上昇ゾーン、たとえば5.5kg/cm²Ｇ以上の場合、周波数
を上げて回転を増し、冷媒循環量を増大し、たとえば時
間帯を組合わせて10秒で1stepの割合早い変化速度で周
波数を上げる。

そして監視ゾーンに入れば制御する圧力に近づくため、
変化速度を遅くするようさらに1step／30secの変化速度
で周波数を上げる。そして制御ゾーンに入れてそのまま
周波数を維持しながら、この制御ゾーン内で冷房運転を
続ける。

次に、室内温度が下降し冷房負荷が小さくなると、圧力
が低くなるから下降ゾーンに入る。下降ゾーンに入る
と、たとえば、1step／2secの変化速度で周波数を下げ
て再び制御ゾーンに入れ、制御ゾーン内で周波数を維持
するようにして吸入管圧力を適正に保つ、暖房時同様の
制御を行なうのである。

次に、冷暖房時の電動膨張弁７の制御は、元来、冷凍サ
イクルでの冷媒制御で、低圧側は適正な過熱状態にする
ことが最も望ましいとされており、通常のキャピラリチ
ューブ制御、膨張弁による制御でも、冷凍能力を最大に
発揮できるようにするには、必ず適正な過熱がとられて
いる。しかし従来の制御方法では、広範囲な空気条件や
使用条件ではカバーしきれない面があり、本発明はこれ
らをすべて満足できるようにしたものである。

すなわち、吸入管13に設けられた低圧圧力センサー12と
温度センサー14との出力により制御部８において入力さ
れ、演算することにより、電動膨張弁７をあらかじめ設
定した各種ゾーンに分割し、設定した制御領域で段階的
に制御するもので、以下にこれを第５図にもとづいて説
明する。

冷媒の飽和蒸気線を過ぎた蒸気線側の一定の過熱度帯
を、電動膨張弁７を閉の方向とする閉ゾーン（第５図の
29、21、22、25、26、27、28）と、電動膨張弁７を開と
して（蒸発器として作用する熱交換器を暖房時は室外熱
交換器６、冷房時は室内機２、３への冷媒循環量を増大
するようにした）開ゾーン（第５図の０、21、22、23、
24、27、28）と、この開ゾーンと閉ゾーンとの間に監視
ゾーン（第５図の23、24、27、26）および制御中心領域
（以下制御ゾーンと称する）（第５図の22、23、26、2
5）を設ける。

そして、P1は蒸発圧力が高くなりすぎることを防止する
圧力値で、膨張弁を制御するものであり、P2は蒸発圧力
が低くなりすぎないことを防止する圧力値で、膨張弁を
制御するものである。

そして、仮に吸入管温度と圧力からの信号が開ゾーン、
すなわち、蒸発器として作用する熱交換器出口が制御す
る過熱状態より離れていれば、電動膨張弁７を、たとえ
ば、早いスピード（たとえば、膨張弁の開度を10秒間に
１回、全開度１／240程度）開けて監視ゾーンに入ると
制御する過熱度に近づくため、遅いスピード（たとえば
120秒に１回全開度１／240程度）開けて制御ゾーンに入
れるようにする。この制御ゾーンにおいて適正な冷媒流
量制御を行なうのである。

このとき、圧力値は常に素早く対応するが温度感知が遅
れるため、ゾーンを設けてそれぞれの時間で対応するよ
うにする。

また、仮に吸入管温度と圧力が閉ゾーン、すなわち非過
熱度状態にあれば、電動膨張弁７をたとえばすばやいス
ピードで5secに１回１／240程度閉じて制御ゾーンに入
れ、適正な冷媒流量制御を行なうのである。これらは冷
暖房時における電動膨張弁制御であるが、以上述べた制
御をマイクロコンピューター等のプログラムにより、自
由に前述した制御数字を制御部８に組合わせ組込み、種
々の冷凍回路に応用するのである。また、冷媒状態が過
渡現象を起す起動後やデフロスト時も、前述の時間帯の
組合わせにより圧力と温度を適正に保つプログラム化は
容易である。

発明の効果 このように本発明は、周波数変換の圧縮機制御を、暖房
時は吐出管に設けた高圧圧力センサーにより周波数を所
定の段階に変化させ、冷房時は吸入管に設けられた低圧
圧力センサーにより周波数を所定の段階に変化させ、室
外熱交換器と室内熱交換器との間にに設けられた電動膨
張弁を、冷暖房時ともに、前記低圧圧力センサーと吸入
管に取着された温度センサーとによって過熱度の制御領
域を段階的に制御し、前記暖房時および冷房時の圧縮機
の運転周波数段階変化と前記過熱度段階制御とを制御部
でプログラム化し、ヒートポンプ式冷凍サイクルを制御
するようにしたものであるから、通常のエアコンのみな
らず、複数の室内機の負荷変動を持つマルチタイプのエ
アコンに対しても、高圧圧力と低圧圧力をとらまえて迅
速に応答し、緻密、かつ、滑らかに対応でき、しかも、
効率よく制御され、特に多室形ヒートポンプ式空気調和
機のように室内負荷の変動のあるとき、負荷に追随した
経済的運転が行なわれ、圧縮機制御、電動膨張弁制御方
式を含めた理想的なヒートポンプ式冷凍サイクルとなる
などの効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の説明に付する温度式自動膨張弁の実質
温度と感知温度との差を示す温度−時間のグラフ図、第
２図は本発明の一実施例のヒートポンプ式冷凍サイクル
図、第３図は同暖房時における圧縮機周波数制御ゾーン
段階を示す図、第４図は同冷房時における圧縮機周波数
制御ゾーン段階を示す図、第５図は同電動膨張弁の過熱
度制御ゾーン段階を示す図である。 ４……圧縮機、７……電動膨張弁、10……高圧圧力セン
サー 12………低圧圧力センサー、14……温度センサー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可変速圧縮機の制御を、暖房時には高圧圧
   力センサーにより段階制御し、冷房時には低圧圧力セン
   サーにより段階制御するとともに、電動膨張弁の制御を
   冷房時および暖房時に低圧圧力センサーおよび温度セン
   サーにより、過熱度を一定にするようプログラム化され
   た制御部にて、段階制御することとし、可変速圧縮機の
   段階制御に関し、暖房時には高圧圧力センサーにより、
   冷房時には低圧圧力センサーにより、各々読み取られる
   圧力に基づいて可変速圧縮機の変化速度を時間帯との組
   合せにおいて制御中心領域に近づくにつれて遅くなるよ
   うに制御し、制御中心領域を越える場合には、すみやか
   に制御中心領域に戻るように制御し、一方、前記電動膨
   張弁の段階制御に関し、冷房時および暖房時ともに圧縮
   機に房る冷媒の圧力と温度を各々前記低圧圧力センサー
   および前記温度センサーにて検知し、これを入力とし、
   この入力に基づき過熱度を演算して膨張弁の開閉を行わ
   せ、且つ、開閉スピードを、制御中心領域に近づくにつ
   れ遅くなるように時間帯とを組合わせ、制御中心領域を
   越える場合には、すみやかに制御中心領域に戻るように
   したヒートポンプ式空気調和機の冷媒制御方法。