JP2009236398A

JP2009236398A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2009236398A
Application number: JP2008082777A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Yamamoto; 敏浩山本
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】単純な構成で、大きな変化幅の空調負荷に適切に対応し得る最適な空調能力を確保できる信頼性に優れた空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置１０は、圧縮機２１、室外熱交換機２２、膨張弁２３を有する複数の室外ユニット１１と、該室外ユニット１１と液管１３、ガス管１４を介して接続される複数の室内ユニット１２と、を備えた空気調和装置において、複数の前記室外ユニット１１のうちの一台の室外ユニット１１ａに備えられる前記圧縮機２１ａは、冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂを複数有するロータリ式の圧縮機であり、複数の前記冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂのうちの少なくともひとつ５５ｂは休止可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の室外ユニットおよび複数の室内ユニットを備えた空気調和装置に係り、特に容量を可変としたものに関する。

空気調和装置において、それぞれ圧縮機を備えた複数台の室外ユニットと、複数台の室内ユニットとが冷媒配管を介して並列に接続されて構成された空気調和装置が知られている。この種のマルチタイプの空気調和装置には、室内ユニット側の容量、接続台数、形態が自由に選択できるメリットがある。一方で、空調する室内機の運転台数および個々の要求能力が常に変化するため、スプリット空調機に対して、容量（能力）の可変幅を格段に大きくする必要がある。

容量を可変とするために、インバータ駆動式の圧縮機およびＯＮ／ＯＦＦのみを行う商用型圧縮機との組み合わせなどを用いる技術が知られている。しかしながら、この技術においては、大容量になればなるほど、圧縮機の台数が増加し、それに付随して冷凍サイクル部品点数や回路が増加するという問題があり、コストアップの原因となっている。

このようなマルチタイプの空気調和装置に対しては、部分負荷運転が多いため、一般に、中〜低速回転での効率の良いロータリ式圧縮機が、省エネ性の観点からも有利である。極端に回転数の低い（循環量の小さい）運転は効率が低下する傾向にあるため、排除容積を小さくして高速運転することが一般的である。

しかし、室内ユニットが複数台接続されるマルチタイプの空気調和装置において、室内ユニット側の熱交換容量が大きく変化する場合、例えば高外気温度、高室内温度の条件で一室のみが運転される場合には、運転容量（冷媒循環量）を小さくしても、高圧側の圧力上昇が激しく、高圧側圧力が設計圧力を超えないように圧縮機回転数の低下または運転停止して断続運転になる場合がある。特に暖房運転時、室内ユニット側でフィルターつまりがあった場合等には空調運転を満足にできない場合がある。

また、ロータリ式圧縮機の場合、このような負荷が高い条件（高凝縮圧力条件、差圧が大きい運転条件）では、低回転数で運転した場合、慣性力による油の引き込みがブレードの背圧からローラへの押し付け面圧に対して弱くなるため、（楔効果の減少、消滅）摺動部の潤滑が不十分になりローラ部が潤滑不足により主軸部が磨耗するなどの問題がある。

上記のような問題解決のため。容量の異なる容量可変式のロータリ圧縮機を複数組み合わせ、容量可変幅を大きく確保しながら、圧縮機の成績係数の低下する回転数領域を回避する技術が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３４３８９８号公報

しかしながら上記技術では以下のような問題がある。すなわち、圧縮機が複数台となるため、付随する冷凍サイクル部品や回路が複雑となる。また、ディメンションの異なる圧縮機同士の組み合わせで、機外に放出される油の量が異なる場合には、油分離機からの油戻し回路、圧縮機間の均油構造も個別に調整する必要があり、信頼性の高い空気調和を実現することが困難である。

そこで本発明は、単純な構成で、大きな能力可変幅を確保できる空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る空気調和装置は、圧縮機、室外熱交換機、膨張弁を有する複数の室外ユニットと、該室外ユニットと冷媒配管を介して接続される複数の室内ユニットと、を備えた空気調和装置において、複数の前記室外ユニットのうちの一台に備えられる前記圧縮機は、冷媒圧縮室を複数有するロータリ式の圧縮機であり、複数の前記冷媒圧縮室のうちの少なくともひとつは休止可能であることを特徴とする。

本発明によれば、単純な構成で、大きな能力可変幅を確保できる空気調和装置を提供できる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る空気調和装置１０は、複数の室外ユニット１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、複数の室内ユニット１２（１２ａ〜１２ｆ）を備えたマルチタイプの空気調和装置である。複数の室内ユニット１２ａ〜１２ｆと複数の室外ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃとは、冷媒配管としての液管１３およびガス管１４によって並列に接続されている。なお、ここでは一例として室外ユニット１１を３台、室内ユニット１２を６台備えた場合を示すが、これに限られるものではない。

室外ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃ内には、それぞれ、インバータ５１によって駆動される密閉型回転式圧縮機２１ａ，２１ｂ、２１ｃ、室外熱交換器２２、電子膨張弁（膨張弁）２３、四方弁２４、リキッドタンク２５、およびアキュムレータ２６が連通されている。

また、複数の室内ユニット１２ａ〜１２ｆには、それぞれ、電子膨張弁（膨張弁）３１、室内熱交換器３２、が配置されている。

圧縮機２１の冷媒吐出口に吐出管４１を介して四方弁２４が接続され、その四方弁２４に室外熱交換器２２が接続されている。室外熱交換器２２に対し、外気供給用の室外ファン２７が設けられている。

吐出管４１と吸込管４４との間に油戻し管４５の一端が接続され、その他端がキャピラリチューブ４７を介してオイルセパレータ４６に接続されている。

室外熱交換器２２には電子膨張弁２３および冷媒量調整用のリキッドタンク２５を介して複数の電子膨張弁３１が接続され、その各電子膨張弁３１に複数の室内熱交換器３２がそれぞれ接続されている。これら室内熱交換器３２に対し、室内空気循環用の室内ファン３３が設けられているとともに、その室内ファン３３吸込む室内空気の温度Ｔａを検知する室内温度センサ３４が設けられている。

各室内熱交換器３２に、上記四方弁２４およびアキュムレータ２６を介して吸込管４４が接続されている。吸込管４４にサクションカップ４８を介して圧縮機２１の冷媒吸込口が接続されている。

上記圧縮機２１、吐出管４１、四方弁２４、室外熱交換器２２、室外ファン２７、外気温度センサ２８、電子膨張弁２３、リキッドタンク２５、アキュムレータ２６、吸込管４４、サクションカップ４８、オイルセパレータ４６は、室外ユニット１１に搭載されている。

上記各電子膨張弁２３、各室内熱交換器３２、各室内ファン３３、各室内温度センサ３４は、それぞれ室内ユニット１２に搭載されている。

一方、制御部５０に、四方弁２４、外気温度センサ２８、各室内温度センサ３４、インバータ５１、操作器５２、電子膨張弁２３、各電子膨張弁３１、後述する圧縮機の切替弁５７が接続されている。

インバータ５１は、商用交流電源５３の電圧を整流し、その整流後の直流電圧を制御部５０からの指令に応じた周波数の交流電圧に変換して出力する。この出力が圧縮機２１の駆動電力となる。操作器５２は、運転モードや室内温度など各種運転条件の設定用である。

３つの室外ユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃにそれぞれ設けられた圧縮機２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうち、一つの圧縮機２１ａは、２つの冷媒圧縮室（シリンダ）５５ａ，５５ｂを備えるロータリ圧縮機である。さらに、一つの室外ユニット１１ａには、第２の冷媒圧縮室５５ｂの動作状態を切り替える切替手段としての切替弁５７と、バイパス配管５８と、第２の吸込管５９と、封止部６０が設けられている。第２の冷媒圧縮室５５ｂ、切替弁５７、バイパス配管５８、第２の吸込管５９及び封止部６０によって可変シリンダ機構６１が構成される。

室外ユニット１１ａにおいては、サクションカップ４８から、二つの吸込管４４、５９を介して、二つの圧縮機構５５ａ、５５ｂがそれぞれ接続されている。第２の冷媒圧縮室５５ｂに連通する吸込管５９に切替弁５７が備えられている。なお、第２の吸込管５９に設けられた切替弁５７の他方側はバイパス配管５８を介して吐出管４１に接続される。なお、二つの冷媒圧縮室５５ａ、５５ｂに対する吐出管４１は共通している。

この切替弁５７の開閉が制御部５０によって制御され、第２の冷媒圧縮室５５ｂを休止可能としている。すなわち、切替弁５７の切り替えによって、第２の冷媒圧縮室５５ｂを動作させるか、あるいはサクションカップ４８からそのまま吐出管４１に冷媒を吐出するかが選択可能である。

一方、他の室外ユニット１１ｂ、１１ｃには可変シリンダ機構６０が設けられていない。すなわち、圧縮機２１ｂ、２１ｃは、一つの冷媒圧縮室５５ａのみ有するロータリ圧縮機であるとともに、切替弁５７、バイパス配管５８、第２の吸込管５９及び封止部６０は備えられていない。

こうして、複数台の室外ユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃから複数台の室内ユニット１２ａ〜１２ｆにかけて、冷房および暖房運転が可能なヒートポンプ式の冷凍サイクルが構成されている。

冷房時には室内ユニット１２の電子膨張弁２３で過熱度制御および室内ユニット１２間の分留制御を行い、暖房時には室外ユニット１１の電子膨張弁２３で加熱度制御を行っている。

冷房運転時は、圧縮機２１の吐出冷媒が四方弁２４、室外熱交換器２２、電子膨張弁２３、リキッドタンク２５、各電子膨張弁３１を通して各室内熱交換器３２に流れ、その各室内熱交換器３２を経た冷媒が四方弁２４、アキュムレータ２６、吸込管４４、およびサクションカップ４８を通して圧縮機２１に吸込まれる。このとき、室外熱交換器２２が凝縮器、各室内熱交換器３２が蒸発器として働く。

暖房運転時は、圧縮機２１の吐出冷媒が四方弁２４、各室内熱交換器３２、各電子膨張弁２３、リキッドタンク２５、電子膨張弁２３を通して室外熱交換器２２に流れ、その室外熱交換器２２を経た冷媒が四方弁２４、アキュムレータ２６、吸込管４４、およびサクションカップ４８を通して圧縮機２１に吸込まれる。このとき、各室内熱交換器３２が凝縮器、室外熱交換器２２が蒸発器として働く。

制御部５０は、例えば、暖房時に一台運転などの容量の小さい運転を行った場合には、複数の室外ユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃのうち、複数の冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂを備える室外ユニット１１ａを作動させるとともに、各室内ユニット１２の空調負荷の総和（総空調負荷）に応じて冷媒圧縮室２１ａの切替弁５７を制御する機能を有する。なお、冷房時に小容量の室内ユニット１２の運転をする場合も同様である。

図２に、本実施形態にかかる空気調和装置１０における圧縮機２１ａの回転数（空調能力）と成績係数の特性を示した例を示す。なお、可変シリンダ機構６１を用いない圧縮機のみを用いた空気調和装置の圧縮機の回転数（空調能力）と成績係数の特性を二点差線で示す。

制御部５０は、例えば室内ユニット１２の要求能力が一定値Ｑａ以上となる場合に二つの冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂを作動させ、要求能力が一定値Ｑａ未満である場合に一方の冷媒圧縮室５５ｂを休止させる。

本実施形態の空気調和装置１０では、能力Ｑ（Ｗ）がＱａまでの低負荷の場合には１つの冷媒圧縮室５５ａのみで作動させるとともに、一定値Ｑａ以上においては２つの冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂで作動させることにより、要求能力が低い低負荷の場合にも高い回転数が維持され、高い成績係数（効率）が得られる。

本実施形態によれば以下のような効果が得られる。すなわち、圧縮機２１の搭載個数を増やすことなく、能力可変幅を大きく取ることができ、一台の室外ユニット１１ａにおいて、容量の異なる室内ユニットが複数台接続される個別分散能力制御に対応できる。

したがって、小容量の室内ユニット運転等、循環量が小さく負荷の高い（凝縮温度が高い）運転パターンでも必要回転数が確保しやすくなるため、圧縮機２１のローラとブレード間の潤滑を十分に確保しながら、高圧側圧力上昇による保護動作などをさせることなく、適切な空調を行うことができる。

また、一般に圧縮機の効率の低下しやすい低速運転時に、１つの冷媒圧縮室（シリンダ）を休止することで、効率のよい回転数まで引き上げることが可能で、部分負荷特性、期間消費電力特性等を向上させる効果が得られる。

また、高気密、高断熱の住宅、ビル、コンパートメントなど、小さな冷暖房負荷で運転される場合にも、高効率運転が可能である。また、容量可変幅が大きく取れることにより、室内ユニットの最小容量を小さくすることができ、より細分化した空調システムの提供が可能となる。

例えば、暖房時に室内ユニット１２ａ〜１２ｆのいずれか一台による運転などの容量の小さい運転を行った場合等、蒸発器が大きく、凝縮器が小さい運転となり、特に高外気温度では凝縮圧力があがりやすい状況においても、ひとつの冷媒圧縮室５５ｂを休止することにより、圧縮機の回転数をあまり下げずに循環量を下げることが可能となる。

また、冷房時に室内ユニット１２ａ〜１２ｆのうちで容量の小さい室内ユニットの運転をする場合にも、最小循環流量が小さく確保できる。したがって、小蒸発器の運転でも、循環量過多による過剰な蒸発温度の低下やこれに伴う室内空気熱交換の凍結などが発生しない。

このため、単純な構成で、圧縮機２１の摺動部の磨耗、圧縮機の吸込側の過熱、圧縮機の運転効率の低下などの不具合を解消しながら、大きな変化幅の空調負荷に適切に対応し得る最適な空調能力を確保できる信頼性にすぐれた空気調和装置を提供できる。

また、複数の室外ユニット１１ａ，１１ｂ，１１ｃのうちの一つの室外ユニット１１ａの圧縮機２１ａのみを、複数の冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂを備える構成とするだけでよく、他の室外ユニット１１ｂ，１１ｃの圧縮機２１ｂ，２１ｃは通常の構成とできるので、可変シリンダ機構６１が必要となる最小循環量運転を、能力可変幅、省エネ性能を損なうことなく、低コストで実現することができる。

また、室内ユニット１２側において複数の分岐管１３ａ，１４ａに分岐された液管１３及びガス管１４は、一般に下流側に接続される室内ユニット１２の容量に見合った配管径とされるが、このような分岐部の下流側で、液管１３での循環流量過多による圧力損失増大やそれにともなう液管１３のフラッシング、室内ユニット１２間の能力分配（冷媒流量分配）不能状態、などの不具合を防止することができ、適切な蒸発温度での冷房が可能となる。

さらに、可変シリンダ機構６１を設けたことにより、更なる低循環量運転が可能となるため、室外ユニットに接続される室内ユニットの最小単位を小さく設定することができ、より小さい空調負荷のスペースの細分化空調が可能となり、空調設計の自由度が増す。

同一容量可変幅で見た場合、圧縮機２１の排除容積を大きくとることが可能なため、最大能力での運転周波数を、従来より低く設定することができ、騒音を低減することができる。

なお、上記実施形態において、室外ユニット１１ａの圧縮機２１は２つの冷媒圧縮室５５ａ，５５ｂを備えた場合について説明したが、これに限られるものではなく、３つ以上であっても適用可能である。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明の一実施形態にかかる空気調和装置の構成を示す図。同空気調和装置における空調能力と効率を示すグラフ。

符号の説明

１０…空気調和装置、１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）…室外ユニット、
１２…室内ユニット、１３…液管（冷媒配管）、１４…ガス管（冷媒配管）、
２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）…圧縮機、２２…室外熱交換器、２３…電子膨張弁、
２４…四方弁、２５…リキッドタンク、２６…アキュムレータ、２７…室外ファン、
２８…外気温度センサ、３１…電子膨張弁、３２…室内熱交換器、３…室内ファン、
３４…室内温度センサ、４１…吐出管、４４．５９…吸込管、４５…バイパス管、
５０…制御部、５５ａ．５５ｂ…冷媒圧縮室、５７…切替弁、５８…バイパス配管、
６０…封止部、６１…可変シリンダ機構。

Claims

圧縮機、室外熱交換機、膨張弁を有する複数の室外ユニットと、該室外ユニットと冷媒配管を介して接続される複数の室内ユニットと、を備えた空気調和装置において、
複数の前記室外ユニットのうちの一台に備えられる前記圧縮機は、冷媒圧縮室を複数有するロータリ式の圧縮機であり、
複数の前記冷媒圧縮室のうちの少なくともひとつは休止可能であることを特徴とする空気調和装置。
圧縮機、室外熱交換器、及び膨張弁を備えた複数の室外ユニットと、
前記室外ユニットに、冷媒配管を介して接続される複数の室内ユニットと、を備え、
複数の前記室外ユニットのうち、いずれかの室外ユニットの前記圧縮機には、複数の冷媒圧縮室が設けられるとともに、
複数の前記冷媒圧縮室のうちの少なくともいずれかの動作状態を切り替え可能な切替手段が設けられたことを特徴とする、空気調和装置。