JPS58205057A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、周波数制御により回転数が制御され１： る圧縮機（能力可変形圧縮機）を備えた空気調和機の冷
媒流量を、膨張弁により制御するようにした空気調和機
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周波数制御により圧縮機の回転数を空調負荷に応じて変
化させる空気調和機は、従来種々提案されている。

第１図はこの種の空気調和機を説明するための構成図で
ある。１は電動機２により駆動する圧縮機であり、この
圧縮機１から吐出される冷媒は凝縮器として作用する熱
交換器３、冷媒流量を調整する膨張弁４、および蒸発器
として作用する熱交換器５等を介して前記圧縮機１に戻
り、冷凍サイクルを構成している。６は周波数可変装置
であり、室内温度と温度設定値との差等に応じた所定の
設定周波数の電力を電動機２に供給し、空調負荷の変動
に対して圧縮機１の回転数を変化させ、負荷とバランス
した能力を発揮させるようにしている。

この種の能力可変形圧縮機１を搭載した空気調和機で用
いられている膨張弁４としては、温度膨張弁や、これと
同じ窒うな機能を持たせた第２図に示されるような膨張
器１４等がある。

前記温度膨張弁では熱交換器５の出口温度を感温筒で検
出し、この検出値に応じてダイヤフラムを上下動させて
弁の絞り調整を行ない、冷媒流量を制御している。この
ような膨張弁を用いて冷媒流量を制御すると、サイクル
の応答性および膨張弁自体の応答性の遅れにより、流量
制御の遅れを生じるという欠点がある。また、負荷変動
にともなって周波数可変装置６から出力される電力周波
数が大きく変化した場合には、熱交換器５の出口温度や
液バツク量が大きく変わり、この変化量に応じて温度膨
張弁の弁開度も前記のような遅れをともなって大きく変
化するため、冷凍サイクル中にハンチング現象が生じ、
そのため流量制御の安定性が悪く、ひいては圧縮機１の
信頼性の低下、運転効率の低下等の欠点を生じる。

また、第２図に示すような膨張器１４を使用し、圧縮機
駆動用電動機２の周波数制御を複数段階（例えば７段階
）で行なって圧縮機１０回転数に応じた流量制御を行な
う場合、その７段階に応じた能力のキャピラリチューブ
１５と、各キャピラリチューブ１５間の切換を行なう７
個の二方弁１６とが必要となり、そのため冷凍サイクル
の複雑化、コスト高、取付スペースの拡大化という欠点
がある。

〔発明の目的〕

本発明は、以上のような欠点を除去するためになされた
ものであって、流量制御の応答性が良く、しかも冷媒流
量が早期に安定化する構造簡単な空気調和機を提供する
ことを目的とする。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明では、弁開度指令信号
に基づいて冷媒流量の絞り調整を行なう膨張弁と、圧縮
機の制御周波数に応じて予め設定された膨張弁開度の弁
開度指令信号を前記膨張弁に与える弁制御装置とを、能
力可変形圧縮機を備えた空気調和機に設けるようにして
いる。

以下添付図面に基づいて第１発明と第２発明の一実施例
を説明する。なお、前記第１図、第２図と同一要素は同
一符号を付してその説明を省略する。

〔第１発明の実施例〕 第３図は第１発明の実施例（第１実施例）を示す空気調
和機の構成図である。前記第１図と異なる点は、膨張弁
別として電気的入力信号に基づいて弁の絞り調整が行な
る熱電形膨張弁、電動機駆動形膨張弁等を使用したこと
、この膨張弁Ｕの開度を弁制御装置５で制御するように
したことである。

即ち、熱電形膨張弁は、第４図に示すように、弁座間と
それに当接するニードル３１を具え、端子３２から供給
した入力電流により電気ヒータ３３を加熱してバイメタ
ル３４を作動させ、このバイメタル３４の変位により前
記ニードル３１を上下動させて絞り調整を行ない、入口
開口部３５から入流する高温高圧の液冷媒を前記ニード
ル３１と弁座間の間で所定量絞って低温低圧にして出口
開口部３６から排出する構造となっている。この膨張弁
２４では入力電流の大きさを変化させることによシ弁の
絞り量が調整されるので、従来の温度膨張’！””Ｋ：
比べ応答性が勝れる。また、前記電動機駆動形膨張弁は
、電動機の回転力を利用して前記ニードル３１を上下動
させる構造と寿っており、電動機の回転角または回転数
を制御することにより弁の絞り調整を行なうので、熱電
形膨張弁と同様に応答性が勝れている。また、この種の
膨張弁Ｕとして可逆構造のものをヒートポンプ式冷凍サ
イクルに使用すれば、逆止弁を使用せずに冷暖房切換運
転が可能となり、冷凍サイクルの構造が簡略化できる利
点がある。

また、前記膨張弁２４の開度を制御する弁制御装置部は
、前記第３図に示すように、記憶機能、演算機能および
これらの機能を制御する制御機能を有する制御部２６と
、この制御部部にデータ等を入力する操作部ガと、制御
部２６の出力信号（弁開度指令信号）に基づき膨張弁別
を作動する弁駆動部路とから構成される。前記周波数可
変装置６から出力される複数段階の周波数に対応する最
適弁開度値を実験等から求め□、この値を操作部２７を
介して制御部ｎに予め記憶：しておき、前記周波数可変
装置６の出力周波数ＩＫ毘じた最適弁開度値を制御部ｎ
で選択させてそれに応じた信号を出力させ、この出力信
号により弁駆動部路を介して膨張弁２４の弁開度を前記
最適弁開度値に調整する。

以上のように構成される空気調和機の動作を、第５図（
ａ）（ｂ）を基に説明する。第５図（ａ）は周波数に対
する冷暖房能力の関係、第５図（ｂ）は周波数に対する
膨張弁開度（Ｂ）の関係を示している。第５図（、）よ
り明らかなごとく、周波数可変装置６により圧縮機１の
回転数を周波数制御して変化させれば、空気調和機の冷
暖房能力を略比例的に変えることができる。そこで、周
波数可変装置６の出力周波数を、例えば７段階に変化さ
せる場合、この７段階の周波数で圧縮機１を回転させて
そのときの最適膨張弁開度値（Ｂｓ）を実験等で求める
と、第５図（ｂ）のように略比例的に変化する。この各
周波数に対する最適膨張弁開度値（Ｂｓ）を操作部２７
を介して制御部部に予め記憶させておけば、負荷変動に
応じて周波数可変装置６の出力周波数が変化した場合、
この変化後の周波数に対応する最適膨張弁開度値（Ｂｓ
）が制御部がで選択され、弁駆動部路を介して膨張弁別
の開度が前記選択値に一致するように調整され、膨張弁
Ｕの絞り作用によって圧縮機１の吐出圧力に応じた冷媒
流量に制御される。このように周波数可変装置６におけ
る出力周波数の変化と同期して直ちに膨張弁Ｕの開度が
最適値に調整されるので、冷媒流量制御の応答性が早く
、ハツチングも防止できる。この実施例では、膨張弁開
度（Ｂ）が１周波数で１開度であるので、前記第２図に
示す膨張器１４と略同様の動作特性と々るが、第２図に
比べて冷凍サイクルの構成が簡単になっているので、膨
張弁操作信号線が少なくて済むばかりか、膨張弁設置の
ための取付空間が小さくて済み、しかも低コストで製造
できる利点がある。また、通常の周波数可変装置６を搭
載した空気調和機では、可変周波数がリニア変化でなく
、１０〜１５段階程度に区分して周波数を変化させるよ
うにしているので、この実施例に係る流量制御をステッ
プ能力可変方式の空気調和機ばかりでなく、リニア能力
可変方式の空気調和機等に採用してもその効果を有効に
発揮できる。さらにまた、制御部２６をマイクロコンピ
ュータで構成して周波数可変装置６内の制御部をこのマ
イクロコンピュータ内に収納すれば、回路構成がより簡
単となる。

第６図は第１発明の他の実施例（第２実施例）に係る空
気調和機の構成図である。この空気調和機が前記第１実
施例と異なる点は、冷凍サイクルの所定箇所の温度と予
め設定された温度との偏差量に応じて膨張弁別の開度調
整を行なうようにしたことである。なお、前記第３図と
同一要素は同一符号が付されている。

冷凍サイクル中における所定箇所の温度を検出してこの
検出値に基づいて膨張弁別の開度調整を行なえば、実際
の運転状況に応じた流量制御ができる利点がある。そこ
で、第６図に示すように、蒸発器として作用する熱交換
器５の出口と略中間とにサーミスタ等の温度検出器（資
）、３１を設け、この温度検出器間、３１によシ熱交換
器５の出口温度ｔ１　と中間温度ｔ２とを検出して電気
信号に変換し、制御部２６に入力する。制御部２６刃は
温度重いと１２の温度差（スーパーヒート量Ｓ、倉、、
、　）　ｔを算出した後、操作部２７を介して制御部か
に予め記憶しておいた設定温度と前記温度差ｔとの偏差
量Δｔを演算し、この偏差量Δｔに応じた弁開度指令信
号を出力する。この出力信号により弁駆動部列を介して
膨張弁別の開度が調整され、運転負荷に応じた冷媒流量
に制御される。なお、制御部部は、周波数可変装置６の
出力周波数と同期をとって弁開度指令信号を出力する。

このよう左派量制御を行なうと、負荷追随性に勝れると
いう利点があるが、反面次のような問題を生じる。

■　各周波数に対する膨張弁開度（匂を示す第７図（ａ
）のように、各周波数に対して膨張弁Ｕの弁開度がＯ（
全閉状態）から１００（全開状態）まで変化可能である
と、膨張弁別が反応してから状態がサイクルに表われる
まで（即ち、温度検出時から膨張弁開度調整による冷媒
流量の変化時まで）、ある遅れ時間（応答遅れ）がある
ので、必要以上に弁開度を調整してし、１：マう。そこ
で始めてサイクルの応答が表われた蒔１：；今度は逆の
調整が必要となり、ハンチングをくり返す。特に、サイ
クルの応答が悪い場合には、全閉状態と全開状態をくり
返すひどいハンチングを起こす。

■　即ち、最初圧縮機１が起動した時を考えてみると、
最初は圧縮機１の吐出圧力Ｐｄが低く、急激に圧縮機１
に冷媒が引かれるので、蒸発器として作用する熱交換器
５がガス欠の状態となり、スーパーヒート量特性図であ
る第７図（ｃ）に示すようにスーパーヒートｔ　Ｓ、　
Ｔ（が多くなる。そこでこのスーパーヒート：＠：　Ｓ
、　Ｈに応じ、膨張弁開特性図である第７図（ｂ）に示
すように膨張弁２４の開度が開く。

ところが、サイクルが応答し冷媒液が戻ってきてスーパ
ーヒー）　ｉｌ　Ｓ、　Ｈが変化するまでは、数秒間程
度の時間（第７図（ｂ）、（ｃ）中のＴ。）を必要とし
、この時間Ｔ２Ｏ遅れにより膨張弁別はふたたび開度を
開くことになるので、膨張弁Ｕの弁が開きすぎの状態と
なる。これにより、ある時間経過すると、第７図（ｃ）
の斜線部分に示すように液バック大の状態となり、次い
で前記と逆の操作をくり返してハンチングが大きくなる
。このような現象は周波数が変わって圧縮機能力が変化
した時や、負荷変動時等にも起こり得る。

このようなハンチングによる熱交換器５の性能低下等の
問題を改善するために、この第２実施例では第８図（、
）に示すように各周波数での膨張弁開度の最大値ＢＭＡ
ｘと最小値ＢＭＩＮの制限域を設けるようにしている。

即ち、第８図（、）は冷房時における最適弁開度の周波
数特性図であり、図中の破線は過負荷条件（例えば、室
内温度３２℃、室外温度４３℃）、一点鎖線は低負荷条
件（例えば、室内温度２１℃、室外温度２１℃ン、およ
び二点鎖線は標準条件（例えば、室内温度２７’Ｃ１室
外温度３５℃）での膨張弁開度の最適値（サイクルマツ
チング点）をそれぞれ示している。この最適値は実験等
により求めたものであるが、図から明らかなように、低
負荷、標準負荷、過負荷条件の状態で必要な弁開度は各
周波数で異なっている。また破線と一点鎖線間の制限域
を超えた範囲での弁開度調整は、実用上必要としない。

そこで、各周波数に対する弁開度の最大値ＢＭＡｘと最
小値ＢＭＩＮを予め制御部かに記憶させておき、この制
御部２６から出力される各周波数に対する弁開度指令信
号値が前記最大値ＢＭＡｘと最小値ＢＭｒＮ間を超え々
いように制御する。このようにすれば、膨張弁開度特性
を示す第８図（ｂ）と、スーパーヒート量特性を示す第
８図（Ｃ）とから明らかなように、必要以上に膨張弁冗
の開度が変化することが々いので、ハンチングを小さく
押えることができ、熱交換器５の性能が向上するばかり
か、液パツク（第８図（ｃ）の斜線部分）も小さいので
圧縮機１等の信頼性も向上する。

〔第２発明の実施例〕 前記第１発明の第１と第２の実施例では、第３図、第６
図で示すように、周波数可変装置６から所定周波数の電
力を圧縮機駆動用電動機２に供給する際に、これと同期
して制御部部から前記周波数可変装置６の出力周波数に
対応する最適弁開度値Ｂｓ　　あるいは最適弁開度制御
幅値ＢＭＡＸ　−ＢＭ　Ｉ　Ｎに応じた弁開度指令信号
を出力し芝、・′膨張弁別の弁開度を制御するようにし
ているが、この第２発明では、前記制御部あからの最適
弁開度値：・１３１ｔＨあるいは最適弁開度制御値ＢＭ
Ａｘ−ＢＭ工、に応じた弁開度指令信号を出力して膨張
弁別の開度制御を行ない、次いで所定時間経過後冷凍サ
イクルが安定してから、冷凍サイクル中の所定箇所の温
度に応じた膨張弁Ｕの開度制御を行なうようにしてサイ
クルの早期安定化を図っている。

以下、前記第６図を基に第２発明の一実施例を詳述する
。

第６図中の制御部あに、各周波数に対応する最適弁開度
値Ｂａ　（第５図（ｂ）参照）あるいは最適弁開度制御
幅値ＢＭＡＸ＝ＭＩＮ　（第８図（ａ）参照）を操作部
ｎを介して予め記憶しておく。周波数可変装置６の出力
周波数が変化すれば、この変化後の周波数に対応した前
記最適弁開度値Ｂｓあるいは最適弁開度制御幅値ＢＭＡ
Ｘ−ＢＭＩＮを前記制御部部で選択し、この選択値に応
じた弁開度指令信号を制御部２６から出力して弁駆動部
２８を介して膨張弁別の弁開度を目標値と一致するよう
に制御する。次１ いで、所定時間（例えば、十数秒間）経過してサイクル
が安定した後、制御部２６では温度検出器３０゜３１か
らの検出信号に基づきスーパーヒート量Ｓ、Ｈと設定温
度との偏差量Δｔを算出してその偏差量Δｔ　に応じた
弁開度指令信号を出力する。この出力信号に基づき膨張
弁２４の弁開度が調整され、負荷変動に応じた冷媒流量
に制御される。以上のようにして冷、暖房時の冷媒流量
が制御されるので、周波数可変装置６の出力周波数が大
きく変化しても、当初は予め設定された最適弁開度値Ｂ
ｓ　あるいは最適弁開度制御幅値ＢＭＡＸ−ＢＭ工、と
一致するように膨張弁２４の開度が制御され、ノ・ンチ
ング現象等を防止できるばかりか、その後サイクルが安
定してから温度検出値に基づいて膨張弁２４の開度が制
御されるので、冷媒流量を早期に安定化させて負荷追随
性に勝れた流量制御ができる。

第９図は前記制御部Ｕのプログラムを示すフローチャー
トである。

即ち、周波数可変装置６の出力周波数が変化すると、そ
の周波数信号が制御部２６のブロックシ）に入力され、
ブロック５１に進む。ブロック５１では前記周波数に対
応する最適弁開度値Ｂｓあるいは最適弁開度制御幅値Ｂ
ＭＡＸ−ＢＭＩＮを選択し、ブロック５２に進む。この
ブロック５２では膨張弁別の制御開始開度（例えば、最
適弁開度値Ｂｓ）を設定し、それに応じた制御信号（弁
開度指令信号）を出力する。この出力信号に基づき膨張
弁Ｕの弁開度が調整される。ブロック５２から出力信号
が出されると、ブロック５３で前記制御開始開度ＢｌＩ
に応じたサイクル安定化時間Ｔｓの設定を行ない、その
時間Ｔ８の計数をブロック５４で行なう。ブロック５５
では前記時間ＴＩＩの経過を判断し、前記時間Ｔ８経過
前（＜ｋ）と判断すればブロック５４に戻りさらに計数
を続け、前記時間Ｔｓが経過したと判断すれば（≧ｋ）
ブロック５６に進む。

ブロック５６では、温度検出器Ｉ、３１の検出信号から
温度差（１１−１２）を算出するとともに、その温度差
と設定温度との偏差量Δｔ　を演算し、その偏差量Δｔ
が正の場合（〉Ｏ）にはブロック５７に進む。ブロック
５７では前記偏差量Δｔに応じた弁開度調整量ΔＢを求
め、膨張弁別の制御開度値（Ｂ＋ΔＢ）と最大値Ｂエエ
とを比較する。制御開度値（Ｂ＋ΔＢ）が最大値ＢＭＡ
Ｘより小さい場合にはブロック５８に進む。ブロック５
８では周波数可変装置６の出力周波数が変化していない
ことを条件（ブロック５９）に出力信号を出し、この出
力信号に基づき膨張弁２４の弁開度が制御開度値（Ｂ＋
ΔＢ）と一致するように弁開度が開く。前記ブロック５
７で制御開度値（Ｂ＋ΔＢ）が最大値ＢＭＡＸより大き
い場合には、ブロック５９に進み、このブロック５９で
周波数可変装置６の出力周波数が変化していないかどう
かを判断し、出力周波数が変化していればブロック関に
戻り、変化していなければブロック５６に戻る。

また、前記ブロック５６で求めた偏差量Δｔが負の場合
（〈０）には、ブロック５９に進む。ブロック（イ）で
はブロック５７と同様に前記偏差量Δｔに応じた弁開度
調整量−ΔＢを求め、膨張弁別の制御開度値（Ｂ−ΔＢ
）と最小値ＢＭ１Ｎとを比較し、（Ｂ−″Ｂ）＞ＢＭＩ
Ｎの場合にはブ、１：り６１に進む・ブロック６１では
周波数可変装置６の出力周波数が変化していないことを
条件（ブロック６２）に出力信号を出し、この出力信号
に基づき膨張弁Ｕの弁開度が制御開度値（Ｂ−ΔＢ）と
一致するように弁開度が閉じる。前記ブロックωで（Ｂ
−ΔＢ）〈ＢＭｌＮの場合にはブロック６２に進み、こ
のブロック６２で周波数可変装置６の出力周波数が変化
していないかどうかを判断し、出力周波数が変化してい
ればブロック関に戻り、変化してい々ければブロック５
６に戻る。このようにして冷媒流量の制御が行なわれる
。

［発明の効果］ 第１発明による空気調和機によれば、設定周波数に応じ
て予め設定された膨張弁開度の弁開度指令信号を膨張弁
開度制御装置から出力し、この出力を圧縮機駆動用電動
機への電力供給と同期させて膨張弁に与えて弁開度を制
御するようにしたので、前記電動機へ供給する電力の周
波数が変化すれば、この変化と同期して膨張弁の開度が
最適値に調整されるので、簡単な構成で冷媒流量制御の
応答性が早く、ハツチングも防止または小さくすること
ができる。

さらに、第２発明では、前記圧縮機駆動用電動機に与え
る所定周波数の電力供給時に、その所定周波数に応じて
予め設定された弁開度指令信号を膨張弁開度制御装置か
ら出力して膨張弁に与え、所定時間経過後には温度偏差
量に応じて予め設定された弁開度指令信号を前記膨張弁
開度制御装置から出力して前記膨張弁に与え弁開度を制
御するようにしたので、前記第１発明とほぼ同様の効果
を奏するばかりか、前記所定時間経過によりサイクルが
安定するので流量制御の遅れが防止でき、しかも負荷追
随性に勝れた冷媒流量の制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の先行技術に係る空気調和機
の構成図、第３図は第１発明の一実施例に係る空気調和
機の構成図、第４図は第３図中の膨張弁の構成図、第５
図（ａ）（ｂ）は第３図の動作説明図、第６図は第１発
明の他の実施例に係る空気調和機の構成図、第７図（ａ
）（ｂ）（ｃ）、第８図（、）（ｂ）（Ｃ）は第６図の
動作説明図、第９図は第２発明の一実施例に係る動作説
明図である。 １・・・圧縮機、２・・・圧縮機駆動用電動機、３，５
・・・熱交換器、６・・・周波数可変装置、２４・・・
膨張弁、謳・・・弁制御装置、加・・・制御部、３０．
３１・・・温度検出器。 出願人代理人　　猪　　股　　　清 第４゛凶 第５首 （ａ） （ｂ） Ｍ汲散（Ｈｚ） ８６目 ゝへ２５ 躬７目 周波数（Ｈｚ） 暦間 躬υ目 用反我（Ｈｚ） Ｈ１闇 第θ目 ６１　　　　　　　　　　　５８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機、熱交換器等で冷凍サイクルを構成し、前記
   圧縮機の駆動用電動機に空調負荷に応じた所定の設定周
   波数の電力を供給して前記圧縮機の回転数を制御するよ
   うにした空気調和機において、弁開度指令信号に基づい
   て冷媒流量の絞り調整を行なう膨張弁と、前記設定周波
   数に応じて予め設定された膨張弁開度の弁開度指令信号
   を前記設定周波数の電力供給に同期させて前記膨張弁に
   与える弁制御装置とを、前記空気調和機に設けたことを
   特徴とする空気調和機。 ２、特許請求の範囲第１項記載の空気調和機において、
   前記弁制御装置は、前記設定周波数に応じて弁開度値あ
   るいはその弁開度値を中心とした弁開度制御幅値を予め
   設定しておき、前記駆動用電動機に与える所定周波数の
   電力供給時に、その所定周波数に応じた前記弁開度値あ
   るいは弁開度制御幅値を選択しその選択された値に応じ
   た弁開度指令信号を出力するように構成した空気調和機
   。 ３圧縮機、熱交換器等で冷凍サイクルを構成し、前記圧
   縮機の駆動用電動機に空調負荷に応じた所定の設定周波
   数の電力を供給して前記圧縮機の回転数を制御するよう
   にした空気調和機において、弁開度指令信号に基づいて
   冷媒流量の絞り調整を行なう膨張弁と、前記駆動用電動
   機に与える所定周波数の電力供給時に、その所定周波数
   に応じて予め設定された膨張弁の弁開度指令信号を前記
   膨張弁に与え、かつ前記電力供給から所定時間経過後に
   、前記冷凍サイクルの所定箇所の温度と予め設定された
   温度との偏差量に応じて予め設定された膨張弁の弁開度
   指令信号を前記膨張弁に与える弁制御装置とを、前記空
   気調和機に設けたことを特徴とする空気調和機。 ４、％許請求の範囲第３項記載の空気調和機において、
   前記弁制御装置は、前記設定周波数に応じた弁開度値あ
   るいは弁開度値を中心とした弁開度制御幅値と、蒸発器
   として作用する前記熱交換器の略中間と出口の温度差と
   設定温度との偏差量に応じた弁開度制御値とを、予め設
   定しておき、前記駆動用電動機に与える所定周波数の電
   力供給時に、その所定周波数に応じた前記弁開度値ある
   いは弁開度制御幅値を選択しその選択された値に応じた
   弁開度指令信号を出力し、かつ前記電力供給から所定時
   間経過後に、前記偏差量に応じた弁開度制御値を選択し
   その選択値に応じた弁開度指令信号を出力するように構
   成した空気調和機。