JP4738237B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、室外機ユニットを設置する環境温度が低い状態で冷房運転を行う低外気冷房運転について、その運転可能温度をより低下させた空気調和装置に関する。

従来より、冷凍サイクルを利用して室内（空調対象）の冷暖房や除湿（以下、総称して「空調」と呼ぶ）を行うヒートポンプ式の空気調和装置が知られている。この空気調和装置は、室内機ユニットと室外機ユニットとの間を冷媒配管及び電気配線で接続した構成とされる。
上述したヒートポンプ式の空気調和装置においては、室外機ユニットを設置している環境温度が低い状況で冷房運転を行う低外気冷房運転を実施することもある。このような低外気冷房運転の場合には、運転起動時の冷媒循環量が少ない状態であるにもかかわらず、凝縮器として機能する室外熱交換器の凝縮能力が非常に高くなるため、凝縮した液冷媒が室外熱交換機の内部に溜まり込み、冷凍サイクルを循環する冷媒量が減少して圧縮機の低圧側圧力を所定値以上に低下させることがある。このような低圧側圧力の低下は圧縮機保護の観点から好ましいことではない。従って、圧縮機停止の保護回路を設けて冷房運転を停止するなど低外気冷房運転が可能な環境温度には制約があった。

上述した低外気冷房運転時に発生する低圧側圧力の低下防止対策としては、室外熱交換器に設けられた室外ファンの運転を停止したり、あるいは、室外ファンの運転を通常の冷房運転時よりも低速回転側に変更することにより、凝縮能力を抑制して最適化することが知られている。
また、上述した低外気冷房運転時に発生する低圧側圧力の低下防止対策としては、運転起動時に電子膨張弁の開度を通常の冷房運転時より大きく設定し、冷凍サイクルを循環する冷媒が流れやすい状態にすることも知られている。

このような低圧防止対策の具体例として、冷房運転起動時における電子膨張弁の初期開度及び室外ファンの初期風量を外気温度に応じて複数の領域に区画することが開示されている。この場合、外気温度が低い領域ほど電子膨張弁を小開度に、室外ファンを低風量に設定するとともに、外気温度が所定値以下の低温となる領域では、電子膨張弁を大開度に設定している。（たとえば、特許文献１参照）
特許第２５５１２３８号公報

ところで、上述した従来技術によれば、外気温度が所定値以下の低温領域では電子膨張弁を大開度に設定して低外気冷房運転を実施するので、このような大開度の状態が継続されると液冷媒の循環量が過大となる。この結果、室外機ユニットの圧縮機に液冷媒が戻ることとなるので、圧縮機内では液圧縮の状態になるとともに、液冷媒により圧縮機内の潤滑油濃度が希釈されて十分な潤滑機能を得られなくなることが懸念される。
このような液圧縮や潤滑油濃度の希釈は、圧縮機を破損させる原因となるため好ましくない。

このような背景から、低外気冷房時に発生する液冷媒の循環量が過大になることを抑制または防止することにより圧縮機破損の問題を解消し、より低温の温度環境でも信頼性の高い低外気冷房運転を可能にした空気調和装置の開発が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮機の破損を防止してより低温の温度環境でも信頼性の高い低外気冷房運転が可能な空気調和装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
電子膨張弁を備えた冷媒回路に設けた圧縮機を運転して循環する冷媒の状態変化により空調を行うヒートポンプ式の空気調和装置において、冷房運転時に所定値未満の低外気温度を検出した低外気冷房運転時に所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合、前記圧縮機の運転をいったん停止して前記電子膨張弁の開度を全開とし、所定の条件で前記圧縮機の運転を再開する自動復帰後に、前記圧縮機の低圧圧力が所定の圧力まで回復した時点で前記電子膨張弁の開度を絞る低外気冷房運転モードを設け、前記低外気温冷房運転モードは、所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合に前記圧縮機の運転を停止するとともに前記電子膨張弁の開度を全開にする運転停止段階と、前記運転停止段階から所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を連続して所定時間（ｔ２）検知した時点から所定時間（ｔ３）経過後に前記圧縮機の運転を再開する自動復帰段階と、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ４）経過後に所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を検出したら前記電子膨張弁を初期開度に設定し、かつ、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ５）経過後に通常の電子膨張弁制御に戻す電子膨張弁制御段階と、を備えていることを特徴とするものである。

このような空気調和装置によれば、冷房運転時に所定値未満の低外気温度を検出した低外気冷房運転時に所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合、前記圧縮機の運転をいったん停止して前記電子膨張弁の開度を全開とし、所定の条件で前記圧縮機の運転を再開する自動復帰後に、前記圧縮機の低圧圧力が所定の圧力まで回復した時点で前記電子膨張弁の開度を絞る低外気冷房運転モードを設けたので、圧縮機を停止して電子膨張弁を全開にした状態では冷凍サイクルの低圧圧力が均圧圧力に向けて上昇する。そして、この圧力上昇を検出して圧縮機の運転を自動復帰した後、低圧圧力が所定の低圧圧力まで上昇していることを確認して電子膨張弁の開度を絞るので、大開度の状態を継続して液冷媒の循環量が過大となることを防止でき、従って、外気温度がより低温となっても圧縮機を停止することなく低外気温冷房運転を継続することができる。
そして、前記低外気温冷房運転モードは、所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合に前記圧縮機の運転を停止するとともに前記電子膨張弁の開度を全開にする運転停止段階と、前記運転停止段階から所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を連続して所定時間（ｔ２）検知した時点から所定時間（ｔ３）経過後に前記圧縮機の運転を再開する自動復帰段階と、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ４）経過後に所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を検出したら前記電子膨張弁を初期開度に設定し、かつ、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ５）経過後に通常の電子膨張弁制御に戻す電子膨張弁制御段階と、を備えている。

上記の電子膨張弁制御段階において、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ４）経過後に所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を回復しない場合には、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ５）経過後に前記電子膨張弁を初期開度に設定して通常の電子膨張弁制御に戻してもよい。

上述した本発明によれば、低外気冷房運転モードによる運転が低外気冷房時に発生していた液冷媒の過大循環量を抑制または防止するので、液圧縮や潤滑不良等による圧縮機破損の問題を解決することができる。このため、低外気冷房運転時においては、液圧縮や潤滑不良を原因とする圧縮機の破損を防止でき、たとえば外気温−１５℃程度のように、より低温の外気温度環境でも信頼性の高い運転が可能になる。
また、このような低外気冷房運転モードは、室外制御部のソフトウェアを変更することで容易に実現可能である。従って、空気調和装置に新たな機器類を追加するハード面の変更と比較して低コストである。

以下、本発明に係る空気調和装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図３は、マルチ型空気調和装置の全体構成例を示す説明図である。このマルチ型空気調和装置は、室外機ユニット１０と、同室外機ユニット１０に接続された複数台の室内機ユニット２０（図３では、２台の室内機ユニットの場合の構成を表示）とを具備して構成される。これら室内機ユニット１０及び室外機ユニット２０は、冷媒を流す冷媒配管３０や図示しない電気配線等により接続されている。

室外機ユニット１０は、冷媒を圧縮して送出する圧縮機１１と、冷媒の循環方向を切り換える四方弁１２と、冷媒と外気との間で熱交換を行う室外熱交換器１３と、暖房運転時の絞り機構として機能する室外電子膨張弁１４と、凝縮器の出口冷媒制御等を行うレシーバ１５及びアキュムレータ１６と、各種の運転制御を行う室外制御部１７とを主な構成要素として構成される。
なお、この室内機ユニット１０には、この他にも図示省略の室外ファン、サービスバルブ及びストレーナ等の機器類が設けられている。

上述した室外機ユニット１０内には、冷媒の温度や圧力等を検出して室外制御部１７に入力するセンサ類が適所に設けられている。
このうち、冷媒温度を検出する温度センサとしては、吐出管温度センサ１８ａ、室外熱交温度センサ１８ｂ、吸入管温度センサ１８ｃ及びドーム下温度センサ１８ｄが設けられている。さらに、室外機ユニット１０が設置されている室外環境の空気（以下、「室外空気」と呼ぶ）温度を検出する温度センサとして、外気温度センサ１８ｅが設けられている。また、冷媒圧力を検出する圧力センサとして、高圧圧力センサ１９ａ及び低圧圧力センサ１９ｂが設けられている。

室内機ユニット２０は、ケーシング内に室内熱交換器２１、冷房運転時の絞り機構として機能する室内電子膨張弁２２及び室内制御部２３の他、図示しない室内ファン等の機器類を収納した構成とされる。
また、室内機ユニット２０には、各ユニット毎に冷媒や吸込空気の温度を検出して室内制御部２３に入力するセンサ類が適所に設けられている。図示の室内機ユニット２０は、冷媒温度を検出する３つの室内熱交温度センサ２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、吸込空気温度を検出する吸込温度センサ２５とを備えている。
この室内機ユニット２０は、室内ファンで吸引した室内の空気を室内熱交換器２１に導いて通過させ、上述した室外機ユニット１０から供給される冷媒との間で熱交換した空調空気を室内に吹き出すように構成されている。

そして、上述した空気調和装置は、室外機ユニット１０の室外制御部１７が、冷房運転時に所定値（たとえば５℃程度に設定）未満の低外気温度を検出した場合に選択される低外気冷房運転モードを備えている。この低外気運転モードは、室外制御部１７内に形成された冷房運転の制御プログラムであり、圧縮機１１の吸入側に配設された低圧圧力センサ１９ｂが所定値Ｐ１以下の低圧圧力（ＰＳＬ）を連続して所定時間ｔ１検知した場合に選択される。
この低外気運転モードは、圧縮機１１の運転をいったん停止して室内電子膨張弁２２の開度を全開とし、所定の条件を満たして圧縮機１１の運転が再開された自動復帰後に、圧縮機１１の低圧圧力が所定の圧力Ｐ２まで回復した時点で室内電子膨張弁２２の開度を全開から絞るようにした運転制御である。

以下では、上述した構成とした空気調和装置の作用について、冷房運転時及び暖房運転時のそれぞれの場合に分けて説明する。
最初に、冷房運転時の空調作用について、図中に矢印で示した冷媒の流れとともに説明する。なお、冷房運転及び暖房運転は、四方弁１２の操作により変化する冷媒の流れ方向に応じて選択切換えされる。
この冷房運転において、圧縮機１１の圧縮で高温高圧の気体とされた冷媒は、四方弁１２を通過して室外熱交換器１３に導かれる。この室外熱交換器１３では、高温高圧の気相冷媒が室外空気と熱交換することにより、高温高圧の気体冷媒が室外空気に放熱して凝縮液化する。この結果、高温高圧の気体冷媒は高温高圧の液冷媒となり、この液冷媒は、冷房運転時に全開とされる室外電子膨張弁１４及びレシーバ１５を通過した後、冷媒配管３０を通って室内機ユニット２０に供給される。

室内機ユニット２０に導入された液冷媒は、室内電子膨張弁２２を通過することで減圧され、低温低圧の液冷媒となって室内熱交換器２１に送られる。この液冷媒は、室内熱交換器２１で空調対象空間内の空気（以下、「室内空気」と呼ぶ）と熱交換し、室内空気から吸熱する。この結果、室内空気が冷却されて冷風となり、冷媒自身は蒸発気化して低温低圧の気体冷媒となる。
この気体冷媒は、冷媒配管３０を通って室外機ユニット１０に戻され、四方弁１２からアキュムレータ１６を経由して再び圧縮機１１に吸引されるため、以下同様の過程で状態変化を繰り返しながら空気調和装置の冷凍サイクルを循環する。

次に、暖房運転について簡単に説明する。この暖房運転は、上述した冷房運転から四方弁１２を操作して冷媒の循環方向を切り換えることにより実施される。
圧縮機１１の圧縮で高温高圧の気体とされた冷媒は、図中に破線矢印で示すように、四方弁１２及び冷媒配管３０を通過して室内機ユニット２０に導かれる。この気体冷媒は、室内機ユニット２０の室内熱交換器２１を通過する際に室内空気と熱交換して放熱する。この放熱により、室内空気は加熱されて温風となり、気体冷媒は凝縮して高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、暖房運転時に全開とされる室内電子膨張弁２２を及び冷媒配管３０を通過して室外機ユニット１０に戻される。

室外機ユニット１０内を流れる液冷媒は、室外電子膨張弁１４を通過する際に減圧されることにより、低温低圧の液冷媒となって室外熱交換器１３に流れ込む。
室外熱交換器１３に流れ込んだ液冷媒は、この熱交換器を通過する際に室外空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温低圧の気体冷媒となる。この気体冷媒は、四方弁１２及び吸入マフラ１６を通過して圧縮機１１に吸引されるため、以下同様の過程で状態変化を繰り返しながら空気調和装置の冷凍サイクルを循環する。

続いて、上述した空気調和装置の低外気冷房運転モードの運転制御を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。
この低外気冷房運転モードは、冷房運転時において、外気温度センサ１８ｅで検出された外気温度の検出値が所定値未満の低温である場合、図２のステップＳ１に示すように、圧縮機１１の低圧圧力を検出する低圧圧力センサ１９ｂの検出値を監視する。この結果、低圧圧力センサ１９ｂが所定値Ｐ１以下の低圧を検知し、この低圧検知の状態が所定時間ｔ１連続した場合には低圧異常検知と判断し、通常の冷房運転制御から低外気冷房運転モードに切り換えた運転制御が実施される。
ここで所定値Ｐ１及び所定時間ｔ１の一例を示すと、所定値Ｐ１は０．０８ＭＰａ程度の低圧となり、所定時間ｔ１は１５秒程度となる。

このような低圧異常は、低外気温により室外熱交換器１３の凝縮能力が必要以上に高くなり、凝縮した液冷媒が室外熱交換器１３内に溜まり込むため、冷凍サイクルの冷媒循環量が著しく減少することにより発生する。
このため、上述した低圧異常検知がなされると、次のステップＳ２に進んで圧縮機１１の運転を停止した後、次のステップＳ３に進んで室内電子膨張弁２２を全開にする。ここで全開とする室内電子膨張弁２２は、室内機ユニット２０が複数存在する場合、運転中の室内機ユニット２０内に設置されているものとし、停止中の室内機ユニット２０については全閉状態をそのまま維持する。

また、室外熱交換器１３の凝縮能力を低減するため、室外熱交換器１３に設けられた室外空気ファン（不図示）の運転は、停止または低速回転に切り換えられる。
このようにして、低圧圧力センサ１９ｂが所定値Ｐ１以下の低圧圧力を所定時間ｔ１継続して検知した場合、圧縮機１１の運転を停止するとともに室内電子膨張弁２２の開度を全開にすることで運転停止段階が完了する。

上述した運転停止段階の後、圧縮機１１の運転停止状態を継続することにより、冷凍サイクル内の冷媒圧力は、気体の冷媒が全開の室内電子膨張弁２２を通り、冷媒の均圧圧力に向けて上昇する。このため、ステップＳ４において、均圧圧力より低い値に設定された所定値Ｐ２以上の低圧圧力を連続して所定時間ｔ２検知すると、均圧圧力に向けて順調に圧力上昇しているため運転再開が可能と判断し、次のステップＳ５に進む。

このステップＳ５では、所定時間ｔ２を経過した時点からさらに所定時間ｔ３を経過すると、低圧圧力は圧縮機１１の運転再開に支承がない安定した圧力状態にあると判断し、圧縮機１１の運転を再開する。このようにして、運転停止段階から所定値Ｐ２以上の低圧圧力を連続して所定時間ｔ２検知した時点から所定時間ｔ３経過後に、圧縮機１１の運転を再開する自動復帰段階が完了する。
ここで所定値Ｐ２及び所定時間ｔ２，ｔ３の一例を示すと、所定値Ｐ２はＰ１より高い０．２ＭＰａ程度の低圧となり、所定時間ｔ２は１０秒程度、所定時間ｔ３は３分程度となる。

上述した自動復帰段階の後、ステップＳ６において、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ４経過後に上述した所定値Ｐ２以上の低圧圧力を再度検出すると、室内電子膨張弁２２の開度を全開から絞って初期開度に設定し、次のステップＳ７に進む。このステップＳ７では、自動復帰による圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ５経過後に、過熱度を一定に保つ通常の電子膨張弁制御に戻される。ここで設けた所定時間ｔ５は、通常制御に支承のない安定した運転が継続していることを確認する時間である。

このようにして、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ４経過後に所定値Ｐ２以上の低圧圧力を検出したら室内電子膨張弁２２を初期開度に設定し、かつ、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ５経過後に通常の電子膨張弁制御に戻すことにより、低外気冷房運転モードにおける電子膨張弁制御段階が完了する。すなわち、ここで説明した電子膨張弁制御段階の完了は、低外気冷房運転モードの終了を意味している。
ここで、室内電子膨張弁２２の初期開度は、通常の冷房運転を開始した場合に設定される開度であり、通常は全開時の２０％程度とされる。また、所定時間ｔ４，ｔ５の一例を示すと、所定時間ｔ４は１分程度、所定時間ｔ５は３分程度となる。

上述した低外気冷房運転モードは、外気温度が低い状態において、空気調和装置の冷房運転を起動する場合や、一時的に運転停止して室外熱交換器１３に液冷媒が溜まった場合に有効である。すなわち、冷房運転をいったん停止して室内電子膨張弁２２を全開することにより、低圧圧力センサ１９ｂで冷凍サイクル内の冷媒圧力が均圧圧力まで上昇する過程を検出し、所定の低圧圧力Ｐ２で圧縮機１１の運転を再開するとともに、室内電子膨張弁２２を初期開度に維持して安定した冷房運転の継続が可能なことを確認してから通常の冷房運転に移行する。

従って、たとえ循環する冷媒量が少量であっても、冷凍サイクル内を循環する冷媒の流れが安定した後には低外気冷房運転の継続が可能であり、低外気冷房時に発生していた液冷媒の過大循環を抑制または防止することができる。そして、低外気冷房運転に起因する液圧縮や潤滑不良により圧縮機１１が破損するのを防止し、たとえば外気温−１５℃程度となるような低温の温度環境でも信頼性の高い低外気冷房運転が可能になる。
このような低外気冷房運転モードの追加は、空気調和装置に新たな機器類を追加するようなハード面での変更及び改造を不要とし、室外制御部１７のソフトウェアを変更するだけで低コストに実現できる。
また、上述した低外気冷房運転モードは、圧縮機１１の吸入側に設置されるアキュムレータ１６がなくても、低外気冷房運転時に液冷媒が圧縮機１１に戻る液圧縮を防止し、圧縮機１１の破損を回避した信頼性の高い運転を可能にする。

続いて、上述した低外気冷房運転モードの変形例を図４に示すタイムチャートに基づいて説明する。
この変形例は、上述した実施形態と電子膨張弁制御段階の制御が異なっており、この電子膨張弁制御段階以前については同じ制御となる。従って、以下では電子膨張弁制御段階のみを説明し、それ以前の制御には説明を省略する。

この変形例の電子膨張弁制御段階では、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ４経過後に所定値Ｐ２以上の低圧圧力を回復しない場合、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ５経過後に室内電子膨張弁２２を初期開度に設定して通常の電子膨張弁制御に戻す。すなわち、自動復帰段階後に圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ５を経過した場合には、低圧圧力が所定値のＰ２まで上昇していない場合であっても、室内電子膨張弁２２の開度を全開から絞って初期開度に設定し、過熱度を一定に保つ通常の電子膨張弁制御に戻す。

このように、圧縮機１１の運転再開から所定時間ｔ５経過後に室内電子膨張弁２２を初期開度に設定して通常の電子膨張弁制御に戻すことにより、低外気冷房運転モードにおける電子膨張弁制御段階を完了して低外気冷房運転モードを終了してもよい。
このような制御としても、冷凍サイクル内を循環する冷媒の流れが安定した後には低外気冷房運転の継続が可能であり、低外気冷房時に発生していた液冷媒の過大循環を抑制または防止することができ、低外気冷房運転に起因する液圧縮や潤滑不良により圧縮機１１が破損するのを防止し、たとえば−１５℃程度となるより低温の温度環境でも信頼性の高い低外気冷房運転が可能になる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば室外機ユニット及び室内機ユニットがともに１台で冷媒回路に１つの電子膨張弁を配設した構成の空気調和装置にも適用可能であるなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る空気調和装置の一実施形態として、低外気冷房運転モードのタイムチャートを示す図である。 図１に示した低外気冷房運転モードのフローチャートである。 本発明に係る空気調和装置の構成例を示す図である。 低外気冷房運転モードの変形例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ 室外機ユニット
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器
１４ 室外電子膨張弁
１７ 室外制御部
１８ｅ 外気温度センサ
１９ａ 高圧圧力センサ
１９ｂ 低圧圧力センサ
２０ 室内機ユニット
２１ 室内熱交換器
２２ 室内電子膨張弁
２３ 室内制御部

Claims (2)

1. 電子膨張弁を備えた冷媒回路に設けた圧縮機を運転して循環する冷媒の状態変化により空調を行うヒートポンプ式の空気調和装置において、
   冷房運転時に所定値未満の低外気温度を検出した低外気冷房運転時に所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合、前記圧縮機の運転をいったん停止して前記電子膨張弁の開度を全開とし、所定の条件で前記圧縮機の運転を再開する自動復帰後に、前記圧縮機の低圧圧力が所定の圧力まで回復した時点で前記電子膨張弁の開度を絞る低外気冷房運転モードを設け、
   前記低外気温冷房運転モードは、
   所定値（Ｐ１）以下の低圧圧力を所定時間（ｔ１）継続して検知した場合に前記圧縮機の運転を停止するとともに前記電子膨張弁の開度を全開にする運転停止段階と、
   前記運転停止段階から所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を連続して所定時間（ｔ２）検知した時点から所定時間（ｔ３）経過後に前記圧縮機の運転を再開する自動復帰段階と、
   前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ４）経過後に所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を検出したら前記電子膨張弁を初期開度に設定し、かつ、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ５）経過後に通常の電子膨張弁制御に戻す電子膨張弁制御段階と、
   を備えていることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記電子膨張弁制御段階において、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ４）経過後に所定値（Ｐ２）以上の低圧圧力を回復しない場合には、前記圧縮機の運転再開から所定時間（ｔ５）経過後に前記電子膨張弁を初期開度に設定して通常の電子膨張弁制御に戻すことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。

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