JPH11108468A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】家庭用空気調和機の分野では、通常使用圧力が
ＨＣＦＣ−２２の１.５ 倍になることの安全上の課題、
及びＨＦＣ−４１０Ａの臨界圧力がＨＣＦＣ−２２とほ
ぼ同じという問題があり、サイクル制御が従来より困難
になることが予想される。 【解決手段】ＨＦＣ−４１０Ａ冷媒の臨界圧力以下に予
め設定された圧力センサーは、設定圧力を超えた場合に
は減圧装置の開度を制御することにより絞り量を調整し
て、圧縮機の回転数をある一定量減速させることによ
り、冷凍サイクルの負荷を軽減し圧力を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＨＦＣ系の高圧多元
冷媒、特にＨＦＣ−４１０Ａを用いる家庭用ヒートポン
プ式空気調和機において、冷凍サイクル内の圧力が従来
のＨＣＦＣ系を用いた家庭用ヒートポンプ式空気調和機
より高くなることによる冷凍サイクルの安全性の問題、
通常使用圧力と臨界圧力が近いことによる冷凍サイクル
の信頼性の問題が予想されるため、冷凍サイクルの信頼
性、及び安全性の確立を目的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来家庭用ヒートポンプ式空気調和機の
冷凍サイクルの冷媒として使用していたＨＣＦＣ−２２
は、日本工業規格（以下ＪＩＳ規格と称す）で設計圧力
が2.84Ｍｐａと規定されており、この設計圧力をベース
に耐圧強度：４.２１Ｍｐａ を満足する部品で冷凍サイ
クルが構成されている。又ＨＣＦＣ−２２の特性とし
て、臨界圧力が４.９９Ｍｐａ に対し、セパレートタイ
プの実機冷凍サイクルでは、冷房時，暖房時とも通常運
転中の圧縮機吐出圧力は２.０ＭＰａ 程度、過負荷時で
２.５〜３.０Ｍｐａ程度であり、実使用状態の圧力と臨
界圧力が比較的離れているため、臨界圧力を超えた場合
の保護として特別な制御は必要がなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、地球環境保護
の観点からオゾン層を破壊すると見なされているHCFC系
の使用規制が始まり、今後ＨＦＣ系に移行しつつある。
このＨＦＣ系の冷媒で家庭用ルームエアコンの分野で
は、疑似共沸で従来のＨＣＦＣ−２２に特性が比較的似
ている二元冷媒のＨＦＣ−４１０Ａ（ＨＦＣ３２／ＨＦ
Ｃ１２５＝５０／５０％）を使用することに固まりつつ
あるが、ＨＣＦＣ−２２と同一飽和温度で圧力を比較す
ると、約１.５ 倍となる。

【０００４】一方ＨＦＣ−４１０Ａの臨界圧力は４.９
６Ｍｐａ であり、ＨＣＦＣ−２２とほぼ同じ値であ
る。現在ＪＩＳ規格の改訂を進めている段階であるが、
当然設計圧力も高くなり、ＨＣＦＣ−２２の設計圧力に
相当する飽和圧力で換算すると、約１.５倍の４.２４Ｍ
ｐａになるものと予想される。この設計圧力をベースに
すると、耐圧強度：６.３６Ｍｐａ の圧力仕様となる。

【０００５】又本冷媒を実機セパレートタイプの冷凍サ
イクルで試験すると、通常の冷房時，暖房時で３.０Ｍ
ｐａ 程度であるが、過負荷時あるいは凝縮器側の放熱
異常（冷房時は室外側熱交換器、暖房時は室内側熱交換
器）時には制御の方法にもよるが、ＨＦＣ−４１０Ａの
臨界圧力を超える場合が想定される。

【０００６】通常の冷房，暖房サイクル状態と臨界圧力
を超えた場合の冷凍サイクル状態をそれぞれ図８，図９
のモリエル線図により説明する。ａ点は冷房時には室内
側熱交換器の入口、暖房時には室外側熱交換器の入口で
ある。ｂ点は冷房時には室内側熱交換器の出口、暖房時
には室外側熱交換器の出口である。ｃ点は圧縮機の入
口、ｄ点は圧縮機の出口である。ｅ点は冷房時には室外
側熱交換器の入口、暖房時には室内側熱交換器の入口で
ある。ｆ点は冷房時には室外側熱交換器の出口、暖房時
には室内側熱交換器の出口である。

【０００７】図８でａ〜ｂの工程で蒸発し吸熱したガス
冷媒はｃ〜ｄの工程で圧縮機により圧縮され、高温，高
圧のガス冷媒となる。高温，高圧のガス冷媒はｅ〜ｆの
工程で放熱凝縮し高圧液冷媒となり、ｆ〜ａの工程で減
圧装置により減圧される。

【０００８】ところが、図９に示すようにｃ〜ｄの工程
で圧縮され、高温，高圧となったガス冷媒は、臨界圧力
を超えているためｅ〜ｆの工程で凝縮することなく、ガ
ス冷媒で存在する。この結果ｆ〜ａの工程で減圧装置を
通過するときに、冷媒の抵抗が大きく流れにくくなるた
め、冷凍サイクル内の冷媒循環量が減少し適正な冷凍サ
イクルを得ることができない他、圧縮機の吐出温度が上
昇する要因ともなり、冷凍機油の劣化等冷凍サイクルの
信頼性を低下させる要因となる。又、冷凍サイクル内の
圧力が極度に高くなることにより、冷凍サイクルを構成
する部品の強度の面で信頼性の低下にもつながる。

【０００９】本発明の目的は、上記課題を解消するため
になされたものであり、臨界圧力を超える状態を未然に
防止し、信頼性が高く、安全で快適な空気調和機を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
冷媒がＨＦＣ系で、特に高圧系冷媒、例えばＨＦＣ−３
２，ＨＦＣ−１２５をそれぞれ５０％混合したＨＦＣ−
４１０Ａ冷媒と、負荷により回転数を可変することがで
きる圧縮機，四方弁，室外側熱交換器，減圧装置，室内
側熱交換器で構成される冷凍サイクルとともに、負荷に
応じて前記圧縮機の回転数，減圧装置の絞り量を制御す
る電気機器で構成される空気調和機において、前記冷凍
サイクル内の圧力を検知する手段と検知した圧力により
絞り量を減圧装置に伝達する手段を有し、検知した圧力
があらかじめ設定した圧力以上になった場合、減圧装置
の開度をある一定以上制御し、前記冷凍サイクル内の圧
力を低減するものである。

【００１１】本発明の第２の発明では、圧力検出手段に
よりＨＦＣ−４１０Ａの臨界圧力である４.９６Ｍｐａ
以下の圧力をあらかじめ設定しておき、冷凍サイクル内
の圧力状態がＨＦＣ−４１０Ａの臨界圧力を超えないよ
う、減圧装置の開度を制御することにより絞り量を調整
するため、適正な冷凍サイクルを得ることができる。

【００１２】この発明は、第１の発明において、冷凍サ
イクル内の圧力があらかじめ設定した圧力以上になった
場合、圧縮機の回転数をある一定の割合で減速させるも
のである。

【００１３】この第２の発明によれば、冷凍サイクル内
の圧力状態がＨＦＣ−４１０Ａの臨界圧力を超えないよ
う、圧縮機の回転数をある一定の割合で減速させるた
め、適正な冷凍サイクルを得ることができる。

【００１４】第３の発明は、請求項１記載の発明におい
て、冷凍サイクルの圧力を検知するかわりに圧縮機モー
タの電流を検知し、圧縮機モータの電流があらかじめ設
定した電流値以上の値になった場合に、減圧装置の開度
をある一定以上制御し、絞り量を調整するものである。

【００１５】この第３の発明によれば、冷凍サイクル内
の圧力状態と、圧縮機モータの電流が線形に変化する特
性を利用し、圧縮機モータの電流値検知により減圧装置
の開度を制御し、減圧装置の絞り量を調整するため適正
な冷凍サイクルを得ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を示す。

【００１７】図１は本発明の実施の形態にかかる空気調
和機の冷凍サイクルである。１は圧縮機、２は冷房時と
暖房時に冷媒の流れを切り替える四方弁、３は室外側熱
交換器であり冷房時は凝縮器の作用をなし、暖房時は蒸
発器の作用をなす。４は減圧装置である電動膨張弁、５
は室内側熱交換器であり冷房時は蒸発器の作用をなし、
暖房時は凝縮器の作用をなす。６は圧力センサーで圧縮
機１から吐出される冷媒の圧力を検知する。７は温度セ
ンサーで圧縮機１の頭部に取り付けられ、圧縮機１の異
常過熱を検知する手段として使用される他、電動膨張弁
４の絞り量を調整する手段として使用され、圧縮機１か
ら吐出される冷媒の温度を制御する。圧縮機１は圧縮機
モータの回転数を制御することにより能力が可変となっ
ている。

【００１８】冷房時，圧縮機１から吐出された高温高圧
ガス冷媒は、四方弁２を通り室外側熱交換器３で放熱し
凝縮して、高圧液冷媒となる。前記液冷媒は減圧装置で
ある電動膨張弁４で減圧され、室内熱交換器５で蒸発吸
熱しガス化した状態で四方弁２を通り、圧縮機１に戻
る。この冷凍サイクルで適正な冷凍能力を得るため、電
動膨張弁４の絞り量を調整する必要がある。そこであら
かじめ圧縮機１の回転数に応じて電動膨張弁４の絞り量
を設定しておく必要がある。この手段として、圧縮機１
の異常過熱を検知する温度センサー７を電動膨張弁４の
絞り量調整に兼用で使用するのが、安価かつ構造が単純
のため一般的である。

【００１９】図２，図３により制御方法を説明する。圧
縮機１から吐出される冷媒温度は、圧縮機の頭部温度に
ほぼ一致することが実験結果から判明している。そこ
で、圧縮機１の頭部温度を圧縮機１の回転数に応じて、
適正な冷凍サイクルになるようあらかじめ目標温度とし
て設定しておく。図２で、目標温度が圧縮機１の回転数
に応じ傾斜している理由は、室外側熱交換器３と室内側
熱交換器５のバランスを取り、適正な冷凍サイクルを得
るためである。又、圧縮機１の高回転域と低回転域で目
標温度が一定の理由は、圧縮機１が過熱しすぎることに
よる冷凍機油劣化防止、および圧縮機１の温度が低すぎ
ることによる圧縮機１への冷媒の液戻り防止のためであ
る。

【００２０】圧縮機１の頭部の温度は温度センサー７で
検知され、図３の膨張弁開度制御部７１に情報として入
力される。膨張弁開度制御部７１に入力された情報は現
在温度と目標温度の偏差比較部７２に送られ、偏差量に
従って膨張弁ステップモータ動作計算部７３で膨張弁ス
テップモータの動作量を計算する。計算された動作量は
膨張弁開度制御部７１にフイードバックされ、膨張弁開
度制御部７１から電動膨張弁ステップモータ４１に指令
される。

【００２１】このように通常は圧縮機１の回転数に応
じ、常に目標温度になるよう制御され、適正な冷凍能力
を得るように構成される。一方圧力センサー６により検
知された圧力は、圧力判定部６１であらかじめ設定され
た圧力より高いか低いか判定され、設定圧力を超えた時
には膨張弁開度制御部７１に情報が送られる。この場
合、膨張弁開度制御部７１から膨張弁ステップモータ４
１に直接指令が出され、膨張弁ステップモータ４１はあ
らかじめ決められたステップ数だけ開く。この結果、冷
凍サイクルの負荷が軽減されるため、冷媒の圧力は減じ
る方向に作用する。膨張弁開度制御部７１から膨張弁ス
テップモータ７１への直接指令は、冷媒圧力が設定圧力
以下になるまで繰り返される。又、この状態時には、温
度センサー７からの膨張弁開度制御部７１への情報は無
視される。

【００２２】冷媒圧力が設定圧力以下になると、圧力判
定部６１から膨張弁開度制御部７１への情報がなくなる
ため、再び温度センサー７の情報が膨張弁開度制御部７
１に送られる。

【００２３】暖房時には、圧縮機１から吐出された高温
高圧ガス冷媒は、四方弁２を通り室内側熱交換器５で放
熱し凝縮して、高圧液冷媒となる。前記液冷媒は減圧装
置である電動膨張弁４で減圧され、室外熱交換器３で蒸
発吸熱しガス化した状態で四方弁２を通り、圧縮機１に
戻る冷凍サイクルで構成される。温度センサー７，圧力
センサー６と電動膨張弁４による冷媒制御方法は、冷房
時の冷媒制御方法と同様に行うことができる。

【００２４】次に圧縮機１の回転数制御による冷媒圧力
の制御について図４，図５により説明する。インバータ
駆動装置により圧縮機１の回転数を制御する方式では、
特に外気温の影響で圧縮機１の負荷変化により圧縮機モ
ータに流れる電流が大きく変動する。この結果、インバ
ータ駆動装置に大電流が流れる場合があり、運転を保証
するにはインバータ駆動装置の電気容量を上げる必要が
ある。電気容量を上げればコスト高となるため、図４に
示すように、圧縮機回転数に応じて制限電流、及び最大
電流をあらかじめ設定しておく。

【００２５】図５で具体的に制御方法を説明すると、圧
縮機１のモータに流れる電流を、圧縮機モータ電流検知
部１１で検知し、この情報を圧縮機モータ電流制御部１
２に伝達する。圧縮機モータ電流制御部１２では、予め
図４に示す圧縮機回転数と圧縮機モータに流せる制限電
流のデータを有しており、制限電流と実電流の偏差を計
算し、圧縮機回転数を制御する。この方式でインバータ
駆動装置に流れる電流を制限し、保護している。

【００２６】一方、圧力センサー６で検知された冷媒圧
力は、圧力判定部６１であらかじめ設定された圧力より
高いか低いか判定され、設定圧力を超えた時には圧縮機
モータ電流制御部１２に情報が送られる。この場合、圧
縮機モータ電流制御部１２から予め決められた回転数だ
け減速するよう指令がでる。この結果、圧縮機１の回転
数が低減し、冷凍サイクルの負荷が軽減されるため、冷
媒の圧力は減じる方向に作用する。圧縮機モータ電流制
御部１２からの減速指令は、冷媒圧力が設定圧力以下に
なるまで繰り返される。

【００２７】次に圧力センサー６を使わず、圧縮機モー
タに流れる電流で冷媒圧力を制御する方式を図６，図７
により説明する。圧縮機１の吐出圧力が上昇すると、圧
縮機１の負荷が大きくなるため、圧縮機モータ電流が増
加する。実験によれば、図６に示すように吐出圧力と圧
縮機モータ電流はおよそ比例関係がある。そこで、あら
かじめ設定圧力になる圧縮機モータの制限電流を求めて
おき、図７の電流判定部１３に入力しておく。圧縮機モ
ータ電流検知部１１で検知した電流値は情報として電流
判定部１３に送られ、電流判定部１３では、予め入力さ
れている制限電流値と比較して、制限電流値を超えた場
合には、圧縮機モータ電流制御部１２へ情報を送る。

【００２８】圧縮機モータ電流制御部１２ではこの情報
を基に予め決められた回転数だけ減速させる。圧縮機モ
ータ電流制御部１２からの減速指令は、冷媒圧力が設定
圧力以下になるまで繰り返されることは前述した方法の
場合と同様である。

【００２９】

【発明の効果】第１の発明によれば、負荷により回転数
を可変することができる圧縮機，四方弁，室外側熱交換
器，減圧装置，室内側熱交換器で構成される冷凍サイク
ルとともに、負荷に応じて前記圧縮機の回転数，減圧装
置の絞り量を制御する電気機器で構成される空気調和機
において、前記冷凍サイクル内の圧力を検知する手段
と、検知した圧力により絞り量を減圧装置に伝達する手
段を有し、検知した圧力がＨＦＣ−４１０Ａ冷媒の臨界
圧力以下に予め設定した圧力以上になった場合、減圧装
置の開度をある一定以上制御することにより、前記冷凍
サイクル内の圧力を低減することができるため、常に適
正な冷凍サイクルを得ることができ、又冷凍サイクルの
信頼性向上も図ることができる。

【００３０】第２の発明によれば、第１の減圧装置の開
度調整による冷凍サイクル内の圧力低減方式と同等の効
果が期待できる。

【００３１】第３の発明によれば、冷凍サイクル内の圧
力を検知する手段の代わりに、圧縮機モータ電流を使用
するため、第１の効果の他、冷凍サイクルの構成部品が
少なくなるため、コスト低減，信頼性の更なる向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる空気調和機の冷凍
サイクルを示す図である。

【図２】圧縮機回転数と圧縮機頭部の目標温度の関係を
示す特性図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかる電動膨張弁への情
報伝達のブロック図である。

【図４】圧縮機回転数と圧縮機モータ制限電流の関係を
示す特性図である。

【図５】本発明の実施の形態にかかる圧力センサーから
圧縮機回転数を制御するまでの情報伝達ブロック図であ
る。

【図６】吐出圧力と圧縮機モータ電流の関係を示す特性
図である。

【図７】本発明の実施の形態にかかる圧縮機モータ電流
により圧縮機回転数を制御する情報伝達のブロック図で
ある。

【図８】ＨＦＣ−４１０Ａ冷媒での通常運転状態時のモ
リエル線図である。

【図９】ＨＦＣ−４１０Ａ冷媒の臨界圧力を超えた状態
のモリエル線図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外側熱交換器、４…電
動膨張弁（減圧装置）、５…室内側熱交換器、６…圧力
センサー、７…温度センサー、１２…圧縮機モータ制御
部、６１…圧力判定部、７１…膨張弁開度制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒がＨＦＣ系で、特に高圧系冷媒、例え
   ばＨＦＣ−３２，ＨＦＣ−１２５をそれぞれ５０％混合
   したＨＦＣ−４１０Ａ冷媒と、負荷により回転数を可変
   することができる圧縮機，四方弁，室外側熱交換器，減
   圧装置，室内側熱交換器で構成される冷凍サイクルとと
   もに、負荷に応じて前記圧縮機の回転数、減圧装置の絞
   り量を制御する電気機器で構成される空気調和機におい
   て、前記冷凍サイクル内の圧力を検知する手段と検知し
   た圧力により絞り量を減圧装置に伝達する手段を有し、
   検知した圧力があらかじめ設定した圧力以上になった場
   合、減圧装置の開度をある一定以上制御し、前記冷凍サ
   イクル内の圧力を低減することを特徴とする空気調和
   機。