JP4436356B2

JP4436356B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP4436356B2
Application number: JP2006347175A
Authority: JP
Inventors: 俊二森脇
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008157550A

Description

本発明は、バイパス配管を備える空気調和機に関する。

空気調和機は、圧縮機から吐出させた冷媒を室外熱交換器と、室内熱交換器との間で循環させて冷房運転や暖房運転を行うように構成されている。従来の空気調和機には、低外気温で暖房能力を増大させることを目的として圧縮機の中間圧力部に液インジェクション膨張弁を設けたものがある。一般的に低外気温度での暖房運転時は、圧縮機の吐出温度の異常上昇を防止するために蒸発器出口の冷媒を湿り状態にし、圧縮機に吸入する冷媒の乾き度を低下させている。このため、アキュムレータには冷媒が滞溜している状態になっている。この状態で液インジェクションを行うと、蒸発器出口の冷媒の乾き度を上昇させた状態でも吐出温度の異常上昇を防止した運転が可能になる。したがって、アキュムレータに滞溜した冷媒が凝縮器側に移動して暖房能力が向上する。また、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度を低下させることにより、冷媒循環量を増大させて暖房能力が向上するという効果もある。

圧縮機の吐出冷媒温度を調整するときは、例えば、特許文献１に開示されているように、室外膨張弁と液インジェクション膨張弁の組み合わせで制御することが知られている。これら２つの弁を連動させることで、圧縮機の吐出過熱度が制御され、暖房運転が安定して行われるようになる。液インジェクション膨張弁の開度は、室外膨張弁の開度に係数を掛けて算出し、室外膨張弁の開度を目標とする冷媒温度に対してＰＩＤ制御する。係数は、状況の変化をフィードバックして所定の範囲内で変化させていた。
特開２００４−３２４９５２号公報

しかしながら、従来の空気調和機は、液インジェクション膨張弁と室外膨張弁の両方の動作で吐出過熱度を制御する際に、係数を状況に応じて補正する必要があったので、制御が複雑であった。このため、暖房能力の制御が難しかった。また、係数が適正な値に修正されるまでの間は、圧縮機の液戻り量のハンチングが発生するという課題があった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な制御で低外気温度での暖房運転を安定して行えるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する請求項１に係る発明は、室内機の室内熱交換器と、室外機の室外熱交換器の間で冷媒を循環させる共に、前記室内熱交換器から電動膨張弁を通って前記室外熱交換器に向かう冷媒の一部をバイパスラインを通って圧縮機に吸入可能に構成した空気調和機において、前記圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、前記凝縮器の冷媒飽和温度を検知する凝縮温度検知手段と、前記凝縮温度検知手段の検知温度が目標凝縮温度になるように前記電動膨張弁の開度を制御する凝縮温度制御手段と、前記吐出温度検知手段の検知温度が目標吐出温度になるように前記バイパスラインの開閉弁を開閉制御する吐出温度制御手段と、前記目標吐出温度を前記電動膨張弁の操作量に応じて補正する目標吐出温度補正手段と、を備えることを特徴とする空気調和機とした。
この空気調和機は、暖房運転時に目標吐出温度に合わせてバイパスラインを開いて暖房能力を増大させる際に、電動膨張弁の操作量に応じて目標吐出温度を補正する。電動膨張弁を操作すると吐出温度に影響を与えるが、このような影響を事前にバイパスラインの開閉操作に反映させることができる。

上記の課題を解決する請求項３に係る発明は、室内機の室内熱交換器と、室外機の室外熱交換器の間で冷媒を循環させる共に、前記室内熱交換器から電動膨張弁を通って前記室外熱交換器に向かう冷媒の一部をバイパスラインを通って圧縮機に吸入可能に構成した空気調和機において、前記圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、前記凝縮器の冷媒飽和温度を検知する凝縮温度検知手段と、暖房運転時に前記吐出温度検知手段の検知温度が第１の設定温度以上になったときに前記バイパスラインの開閉弁を開操作し、第２の設定温度以下になったときに閉操作する前記吐出温度制御手段と、前記凝縮温度検知手段の検知温度が目標凝縮温度になるように前記電動膨張弁の開度を制御する凝縮温度制御手段と、目標凝縮温度を前記バイパスラインの前記開閉弁を開操作する直前に一定時間上昇させ、閉操作する直前から一定時間低下させる目標凝縮温度補正手段と、を有することを特徴とする空気調和装置とした。
この空気調和機は、暖房運転時にバイパスラインを開閉する直前に目標凝縮温度を変化させる。バイパスラインの開閉弁を開操作するときは、電動膨張弁が閉操作するように制御される。バイパスラインの開閉弁を閉操作するときは、電動膨張弁が開操作するように制御される。

本発明の請求項１に係る空気調和機によれば、目標吐出温度を補正することで、圧縮機に吸入される冷媒乾き度のハンチングを防止でき、急激な液戻りによる圧縮機損傷を防止しながら暖房能力を安定して増大させることができる。目標吐出温度を電動膨張弁の操作量で補正するので、制御が容易である。
本発明の請求項３に係る空気調和機によれば、目標凝縮温度が吐出温度の変動を相殺するように設定されるので、吐出温度の急激な変動を防止できる。これによって、開閉弁の開閉頻度を減少させることができると共に、暖房能力を安定して増大させることができる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施の形態で、同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、重複する説明は、省略する。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、空気調和機１は、室外機２と室内機３がガス配管４と液配管５で接続された構成を有する。図１には、暖房運転時の配管接続が図示されている。
室外機２は、圧縮機１１の吐出配管１２に四方弁１３の第一のポート１３Ａが接続されている。四方弁１３は、第一のポート１３Ａと第二のポート１３Ｂを接続したときに、第三のポート１３Ｃと第四のポート１３Ｄが接続され、第一のポート１３Ａと第三のポート１３Ｃを接続したときに、第二のポート１３Ｂと第四のポート１３Ｄが接続される。第二のポート１３Ｂには、ガス配管４が接続されている。ガス配管４は、室外機２内から外部に引き出され、室内機３内に引き込まれている。

室内機３は、室内熱交換器１５を有し、一方の流入出口にガス配管４が接続されている。室内熱交換器１５の他方の流入出口には、液配管５が接続されている。室内熱交換器１５は、暖房運転時に凝縮器として機能し、冷房運転時に蒸発器として機能する。

液配管５は、室内機３から引き出され、室外機２に挿入されている。室外機２内では、バイパスライン１６が分岐しており、主電動膨張弁１７が設けられた後に、室外熱交換器１８の一方の流入出口に接続されている。室外熱交換器１８は、暖房運転時に蒸発器として機能するもので、他方の流入出口が配管１９を介して四方弁１３の第三のポート１３Ｃに接続されている。四方弁１３の第四のポート１３Ｄには、吸入配管２０が接続されている。吸入配管２０は、管路の途中にアキュムレータ２３が挿入されており、前記したバイパスライン１６と合流してから圧縮機１１の吸入口に接続されている。バイパスライン１６は、配管２１と、配管２１中に設けられたバイパス用開閉弁２２からなる。

ここで、室外機２の吐出配管１２には、圧縮機１１から吐出される高温高圧のガス冷媒の温度を測定する吐出温度検知手段３１が設けられている。室内機３の室内熱交換器１５には、冷媒の凝縮温度を測定する凝縮温度検知手段３２が設けられている。これら温度検知手段３１，３２には、公知の温度センサが用いられる。温度検知手段３１，３２で計測したデータは、室外機２に設けられた制御装置３３に入力されるようになっている。

制御装置３３は、空気調和機１の運転制御をするもので、圧縮機１１の運転制御や四方弁１３の切り替え制御を行う機能に加え、凝縮温度制御手段３４と、吐出温度制御手段３５と、目標吐出温度補正手段３６とに機能分割することができる。
凝縮温度制御手段３４は、凝縮温度検知手段３２と、主電動膨張弁１７と、目標吐出温度補正手段３６に接続されている。吐出温度制御手段３５は、吐出温度検知手段３１と、バイパス用開閉弁２２と、目標吐出温度補正手段３６に接続されている。

次に、空気調和機１の動作について説明する。
暖房運転時は、圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒が四方弁１３を通ってガス配管４に流れ、室内機３に導かれる。室内機３では、室内熱交換器１５で熱交換を行ってガス冷媒が凝縮し、室内熱交換器１５を通過する空気を加温する。加温された空気は、室内の暖房に用いられる。室内熱交換器１５で形成された液冷媒は、液配管５を通って室外機２に流入する。室外機２では、後述する処理に応じてバイパス用開閉弁２２が開いているときに一部の液冷媒がバイパスライン１６に流入する。バイパスされない他の液冷媒は、所定の開度に制御された主電動膨張弁１７に流入する。この液冷媒は、主電動膨張弁１７で減圧された後、室外熱交換器１８に流入する。室外熱交換器１８では、液冷媒が熱交換によって蒸発して低温のガス冷媒が形成される。ガス冷媒は、配管１９から四方弁１３を通って吸入配管２０に導かれ、圧縮機１１に吸入される。圧縮機１１で圧縮されたガス冷媒は、再び吐出配管１２から吐出される。以降は、前記と同様の経路で冷媒が系を循環する。

バイパスライン１６のバイパス用開閉弁２２が閉じているときは、圧縮機１１には、室外熱交換器１８を通ったガス冷媒のみが吸入される。バイパス用開閉弁２２が開いているときは、液冷媒が室外熱交換器１８を通らずに吸入配管２０を介して吸入される。これによって、アキュムレータ２３に滞溜していた冷媒が凝縮器側、つまり室内熱交換器１５側に移動して暖房能力が増大する。また、圧縮機１１に吸入される冷媒の乾き度を低下させることで、冷媒循環量が増大して暖房能力が向上する。

ここで、主電動膨張弁１７の開度制御と、バイパス用開閉弁２２の開閉制御は、図２に示す制御ブロック図に従って行われる。目標凝縮温度が入力されると、凝縮温度検知手段３２で計測した実際の凝縮温度に対する温度差が演算される。この温度差の情報は、凝縮温度制御手段３４に入力される。凝縮温度制御手段３４は、予め登録されたマップや、テーブル、計算式を用いて主電動膨張弁１７の開度の操作量、つまり主電動膨張弁１７の現在の開度に対して変化させる量を演算し、主電動膨張弁１７と、目標吐出温度補正手段３６とに受け渡す。主電動膨張弁１７では、入力された開度の操作量に基づいて開度が調整される。これによって、減圧量が調整され、室内熱交換器１５における凝縮温度が変化する。凝縮温度の変化は、凝縮温度検知手段３２で計測され、さらなる温度調整のためにフィードバックされる。また、目標吐出温度補正手段３６は、主電動膨張弁１７の開度の操作量に応じて目標吐出温度の補正量を演算する。

一方、目標吐出温度が入力されると、目標吐出温度補正手段３６で演算された補正値が加算され、補正した目標吐出温度が演算される。さらに、補正した目標吐出温度から、吐出温度検知手段３１で計測した吐出配管１２内のガス冷媒の実際の温度が引かれ、目標吐出温度に対する温度差が演算される。この温度差の情報は、吐出温度制御手段３５に入力される。吐出温度制御手段３５は、予め登録されたマップや、テーブル、計算式を用い、実際の吐出温度が目標吐出温度になるように、バイパス用開閉弁２２の操作量を演算する。バイパス用開閉弁２２は、吐出温度制御手段３５から出力された指令信号に応じて開閉動作する。その結果、圧縮機１１に吸入される冷媒の乾き度が変化して吐出温度が変化する。吐出温度の変化は、吐出温度検知手段３１で計測され、さらなる温度調整のためにフィードバックされる。

図３に目標吐出温度の補正量の例を模式的に示す。横軸は、主電動膨張弁１７の操作量を示す。主電動膨張弁１７の操作量は、ゼロ点を境にして開操作と閉操作に分かれる。縦軸は、目標吐出温度補正量を示す。目標吐出温度補正量は、ゼロ点を境にしてプラス補正とマイナス補正とに分かれる。図３に示す例では、主電動膨張弁１７の操作量がゼロのときに目標吐出温度の補正量がゼロになり、開方向の操作量が増えるに従って補正量がリニアに増加する。また、閉方向の操作量が増えるに従って補正量がリニアに減少する。減少の傾きは、増加時と同じ傾きになっている。なお、目標吐出温度の補正量は、曲線に従って増減しても良い。また、開操作側と閉操作側で異なるラインで変化させても良い。

この実施の形態では、暖房運転時にバイパスライン１６に液冷媒を通して圧縮機１１の暖房能力を増大させる構成において、バイパスライン１６を流れる冷媒量を主電動膨張弁１７の開度に基づいて補正するようにした。主電動膨張弁１７の操作によって生じる吐出温度への影響をバイパス用開閉弁２２の操作に反映して調整できるので、バイパスライン１６を流れる冷媒量のハンチングによって圧縮機１１に急激な液戻りが生じることが防止される。これによって、圧縮機の信頼性が向上すると共に、暖房能力の制御を安定して行うことが可能になり、快適性が向上する。
目標吐出温度の補正量は、例えば、図３に示すようなマップを使えば良いので、処理が簡単である。
なお、バイパス用開閉弁２２は、電動膨張弁であることが望ましい。精細な開度調整が可能であり、さらに暖房能力の制御性が向上する。バイパス用開閉弁をデューティ制御可能な電磁弁にした場合には、同一の効果を安価な装置構成で得られる。

（第２の実施の形態）
図４に空気調和機のブロック図を示す。空気調和機５１は、室外機２の制御装置３３の機能が第１の実施の形態と異なる。
制御装置３３は、凝縮温度制御手段３４と、吐出温度制御手段５２と、目標凝縮温度補正手段５３とを有する。
吐出温度制御手段５２は、吐出温度検知手段３１とバイパス用開閉弁２２と、目標凝縮温度補正手段５３とに接続されている。内部データとして、バイパス用開閉弁２２を開操作するときの吐出温度の閾値として第１の設定温度を有し、バイパス用開閉弁２２を閉操作するときの吐出温度の閾値として第２の設定温度を有する。
目標凝縮温度補正手段５３は、凝縮温度制御手段３４と、吐出温度制御手段５２に接続されている。

この実施の形態における吐出温度制御を図５を参照して説明する。なお、横軸は時間を示している。吐出温度は、吐出温度検知手段３１で計測される値である。ここでは、吐出温度を上昇させ、第１の設定温度Ｔ１と第２の設定温度Ｔ２の間で制御する。なお、時刻ｔ１で第１の設定温度Ｔ１に達し、時刻ｔ２で第２の設定温度Ｔ２になっている。第１の設定温度Ｔ１と第２の設定温度Ｔ２は、予め定められた温度とする。
凝縮温度目標値は、主電動膨張弁１７の開度を制御するために使用される。この実施の形態では、凝縮温度目標値を補正することで吐出温度を第１の設定温度Ｔ１と第２の設定温度Ｔ２の間に収めるようになっている。図５では、時刻ｔ０から所定の値を維持し、時刻ｔ１で第１の設定温度Ｔ１に達したときに急峻に立ち上がった後、減衰し、一定時間後に元の値に戻る。さらに、時刻ｔ２で第２の設定温度Ｔ２に達したときに急峻に立ち下がった後、徐々に増加し、一定時間後に元の値に戻っている。

凝縮温度目標値は、目標凝縮温度補正手段５３によって管理される。目標凝縮温度補正手段５３は、吐出温度制御手段５２がバイパス用開閉弁２２を開閉制御する信号を出力する直前に、その信号を受け取って凝縮温度目標値を補正する。このため、補正された凝縮目標値による主電動膨張弁１７の開閉動作は、バイパス用開閉弁２２の開閉動作に先立って行われる。凝縮温度目標値は、凝縮温度検知手段３２で検知した実際の凝縮温度に対して、予め定められている補正値を加算、又は減算して作成される。

主電動膨張弁１７は、時刻ｔ０では解放しており、そこから徐々に開度を減らす。時刻ｔ１で凝縮温度目標値が急峻に立ち上がったときは、これに従って開度が急激に減少する。その後、目標凝縮温度が低下するにつれて、曲線を描きつつ、なだらかに開操作して所定の開度に収束させる。さらに、時刻ｔ２で凝縮温度目標値が急峻に立ち下がったときは、これに従って開度が急激に増加する。その後、目標凝縮温度が増加するにつれて、曲線を描きつつ、なだらかに閉操作して所定の開度に収束させる。
バイパス用開閉弁２２は、制御を開始した時刻ｔ０では閉じており、時刻ｔ１までは閉じており、吐出温度が第１の設定温度Ｔ１に達した時刻ｔ１に開く。吐出温度が第２の設定温度Ｔ２に達した時刻ｔ２に閉じる。

その結果として、得られる吐出温度は、時刻ｔ０から徐々に増加し、時刻ｔ１付近からは第１の設定温度Ｔ１と第２の設定温度Ｔ２の間の略一定の所定値に制御される。

なお、比較として、従来における吐出温度の制御を図６に示す。凝縮温度目標値を設定すると、主電動膨張弁が開状態から徐々に開度が減少し、凝縮温度が所定値になる。それとともに吐出温度が上昇してバイパス用開閉弁がＯＮとなり、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度が急激に低下し、バイパス用開閉弁が短時間でＯＦＦとなる。その結果、バイパス用開閉弁は頻繁にＯＮとＯＦＦを繰り返し、圧縮機から吐出されるガス冷媒の吐出温度が変動して不安定な暖房運転となる。

この実施の形態によれば、暖房運転時に主電動膨張弁１７の制御目標値を凝縮温度で制御し、バイパス用開閉弁２２の制御目標値を吐出温度で制御する構成において、吐出温度が上昇した場合はバイパス用開閉弁２２を開操作する直前に、主電動膨張弁１７の凝縮温度の目標値を上昇させる。さらに、吐出温度が減少した場合は、バイパス用開閉弁２２を閉操作する直前に、主電動膨張弁１７の凝縮温度目標値を低下させるようにした。これによって、吐出温度の変動が抑制され、暖房能力を安定して増大でき、快適性が向上する。従来のようにバイパス用開閉弁が頻繁にＯＮ、ＯＦＦを繰り返すことがなくなるので、バイパス用開閉弁２２の開度制御をデューティ制御する場合に比べて、電磁弁の開閉頻度を低下できるので、電磁弁の長寿命化が図れる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、第１、第２の実施の形態における空気調和機１，５１において、バイパスライン１６を圧縮機１１の中間圧力部に接続しても良い。接続箇所には、液インジェクションを設け、バイパスライン１６に流れる液冷媒を圧縮機１１内に噴霧させる。このような構成でも、前記の各実施の形態と同様の効果が得られる。
第２の実施の形態で、主電動膨張弁１７の凝縮温度の目標値はバイパス用開閉弁２２を開閉操作するときと同時に変動させても良い。

本発明の実施の形態に係る空気調和機の概略構成を示す図である。空気調和機における吐出温度制御のブロック図である。目標吐出温度の補正量を一例を示すグラフである。他の実施形態に係る空気調和機の概略構成を示す図である。吐出温度制御のタイミングチャートである。従来の吐出温度制御のタイミングチャートである。

符号の説明

１，５１空気調和機
２室外機
３室内機
１１圧縮機
１５室内熱交換器
１６バイパスライン
１７主電動膨張弁
１８室外熱交換器
２２バイパス用開閉弁
３１吐出温度検知手段
３２凝縮温度検知手段
３３制御装置
３４凝縮温度制御手段
３５吐出温度制御手段
３６目標吐出温度補正手段
５２吐出温度制御手段
５３目標凝縮温度補正手段
Ｔ１第１の設定温度
Ｔ２第２の設定温度

Claims

室内機の室内熱交換器と、室外機の室外熱交換器の間で冷媒を循環させる共に、前記室内熱交換器から電動膨張弁を通って前記室外熱交換器に向かう冷媒の一部をバイパスラインを通って圧縮機に吸入可能に構成した空気調和機において、
前記圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、
前記凝縮器の冷媒飽和温度を検知する凝縮温度検知手段と、
前記凝縮温度検知手段の検知温度が目標凝縮温度になるように前記電動膨張弁の開度を制御する凝縮温度制御手段と、
前記吐出温度検知手段の検知温度が目標吐出温度になるように前記バイパスラインの開閉弁を開閉制御する吐出温度制御手段と、
前記目標吐出温度を前記電動膨張弁の操作量に応じて補正する目標吐出温度補正手段と、
を備えることを特徴とする空気調和機。
前記バイパスラインの開閉弁がデューティ制御可能な電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
室内機の室内熱交換器と、室外機の室外熱交換器の間で冷媒を循環させる共に、前記室内熱交換器から電動膨張弁を通って前記室外熱交換器に向かう冷媒の一部をバイパスラインを通って圧縮機に吸入可能に構成した空気調和機において、
前記圧縮機の吐出冷媒温度を検知する吐出温度検知手段と、
前記凝縮器の冷媒飽和温度を検知する凝縮温度検知手段と、
暖房運転時に前記吐出温度検知手段の検知温度が第１の設定温度以上になったときに前記バイパスラインの開閉弁を開操作し、第２の設定温度以下になったときに閉操作する前記吐出温度制御手段と、
前記凝縮温度検知手段の検知温度が目標凝縮温度になるように前記電動膨張弁の開度を制御する凝縮温度制御手段と、
目標凝縮温度を前記バイパスラインの前記開閉弁を開操作する直前に一定時間上昇させ、閉操作する直前から一定時間低下させる目標凝縮温度補正手段と、
を有することを特徴とする空気調和機。