JP4776511B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを形成してなる冷凍装置に関する。

冷凍機や空気調和機などの冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器などを冷媒配管で連結して冷凍サイクルを形成し、凝縮器又は蒸発器での冷媒の相変化を利用して、空気や水などの負荷流体を加熱又は冷却するものである。

このような冷凍装置では、負荷の軽重の程度に応じて、凝縮器や蒸発器での冷媒と負荷流体との熱交換量を制御する必要があり、例えば、特許文献１には、圧縮機の圧縮容量、又は冷媒流量弁の開度を制御することにより、熱交換量を制御することが記載されている。

特開２００５−３４５１０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように、圧縮機の圧縮容量や冷媒流量弁の開度の制御による熱交換量の制御だけでは、負荷変動に柔軟に対応できない場合がある。

例えば、空気調和機において、冷房運転中に、室内温度が所望の設定温度付近まで十分に冷却されてくれば、負荷が除々に軽くなるが、上述の制御だけでは制御幅が少ないために対応しきれず、設定温度を下回って冷えすぎる場合がある。このような冷えすぎを回避するためには、空気調和機の運転（圧縮機）自体をＯＮ／ＯＦＦ制御することも考えられるが、運転ＯＮ／ＯＦＦに伴って負荷の冷却ムラが生じ、さらには圧縮機などの空気調和器の構成要素に対する信頼性(寿命)に問題が生じるおそれがある。

また、冷凍サイクルを形成する冷凍装置は、蒸発器側の負荷（例えば室内温度）変動だけではなく、凝縮器側の負荷（例えば室外温度）も独立して変動するので、これも適切な熱交換量の制御を困難にする一因となっている。

本発明は、負荷変動に対する熱交換量の制御を安定しておこなう冷凍装置を実現することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、室外熱交換器と、室外膨張弁とを有する室外機、及び室内膨張弁と、室内熱交換器と、圧縮機と、四方弁とを有する室内機を、冷媒を循環する配管で連結して冷凍サイクルを形成し、室外及び室内熱交換器の熱交換量を制御する制御手段を備えてなり、室外又は室内熱交換器により負荷流体を加熱又は冷却するリモートコンデンサ型の冷凍装置において、室外及び室内熱交換器は、それぞれ並列接続された複数の分配流路を有し、室外及び室内膨張弁は、複数の分配流路のそれぞれに設けられ、各流路を開閉可能に形成されてなり、制御手段は、室外熱交換器の負荷流体の温度に基づいて複数の室外膨張弁の開閉を制御し、室内熱交換器の負荷流体の温度に基づいて複数の室内膨張弁の開閉を制御することを特徴とする。

すなわち、室外及び室内熱交換器は、並列接続された複数の分配流路で形成されており、この分配流路のそれぞれに対して膨張弁が設けられているので、膨張弁の開閉によって任意の数の分配流路を選択することができる。これにより、室外及び室内熱交換器の伝熱面積を制御することができる。室外及び室内熱交換器において伝熱面積を制御することにより、負荷流体との熱交換量を制御することができるので、負荷変動に対して膨張弁の開閉を制御することにより熱交換量の制御を安定して行うことができる。

例えば、空気調和機の冷房中に、負荷流体である室内空気の温度が所望の温度に近づいて負荷が軽いと判断すれば、制御手段は、蒸発器を構成する複数の分配流路の開閉弁のうち少数の開閉弁のみを「開」にし、残りの開閉弁は「閉」にすることにより蒸発器の熱交換量を抑制したまま運転を継続でき、冷えすぎや圧縮機の停止を抑制することができる。

ところで、冷凍サイクルを形成する冷凍装置は、室内熱交換器側の負荷変動だけではなく、室外熱交換器側の負荷も独立して変動するので、圧縮容量の制御や、冷媒流量の制御だけでは、熱交換量の制御を安定しておこなうことは困難であった。しかし、本発明の冷凍装置の第１態様によれば、制御手段が、室外熱交換器の負荷流体の温度に基づいて複数の室外膨張弁の開閉を制御し、室内熱交換器の負荷流体の温度に基づいて複数の室内膨張弁の開閉を制御しているので、室外側と室内側のそれぞれにおいて、負荷流体の温度に基づいて負荷の軽重を判断し、各膨張弁の開閉を制御して伝熱面積を制御することができる。したがって、室外側と室内側のそれぞれの負荷変動に対して、それぞれの熱交換器で熱交換量を制御することができ、その結果、負荷変動に対する熱交換量の制御を安定しておこなうことができる。

また、室外熱交換器の複数の分配流路のそれぞれと、この流路に対応する室外膨張弁との組ごとに室外機を形成することも可能である。このように、リモートコンデンサ型の冷凍装置において、室外機を複数に分割することで配置の自由度を向上することができる。

また、本発明は、圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、室外膨張弁とを冷媒を循環させる配管で連結してなる室外機、及び室内膨張弁と、室内熱交換器とを冷媒を循環させる配管で連結してなる室内機を接続して冷凍サイクルを形成し、室外及び室内熱交換器の熱交換量を制御する制御手段を備えてなり、室外又は室内熱交換器により負荷流体を加熱又は冷却するセパレート型の冷凍装置において、室外及び室内熱交換器は、それぞれ並列接続された複数の分配流路を有し、室外及び室内膨張弁は、分配流路のそれぞれに設けられ、各流路を開閉可能に形成されてなり、制御手段は、室外熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室外膨張弁の開閉を制御し、室内熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室内膨張弁の開閉を制御するように構成してもよい。

本発明によれば、負荷変動に対する熱交換量の制御を安定しておこなう冷凍装置を実現することができる。

以下、本発明を適用してなる冷凍装置の実施形態について図１〜図３を用いて説明する。本実施形態は、冷凍装置としてリモートコンデンサ型の空気調和機を例に挙げて説明するが、本発明は、これに限らずセパレート型の空気調和機にも適用可能である。また、本発明は、空気調和機に限らず、冷凍ショーケースや冷凍倉庫などに用いられる冷凍機のような、冷凍サイクルを形成してなる装置に適用可能である。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施例の空気調和機の全体構成を示す図である。図１に示すように、空気調和機１０は、室内機１と室外機２を、冷媒を循環する配管３で接続して構成されている。

室内機１は、圧縮機４と、四方弁５と、室内膨張弁６と、室内熱交換器７などが冷媒を循環する配管３で連結されて構成されており、室外機２は、室外熱交換器８と、室外膨張弁９などが冷媒を循環する配管３で連結されて構成されている。このように、空気調和機１０は、圧縮機４が室内機１に設けられるリモートコンデンサ型の空気調和機である。

次に、本実施例の特徴構成について説明する。図１に示すように、室内機１の内部で冷媒の配管３は、循環冷媒が複数に分配されるように並列接続されたｎ本の分配流路３−１〜３−ｎとなっている。各分配流路３−１〜３−ｎには、それぞれ室内熱交換器７−１〜７−ｎが形成されており、また、各流路３−１〜３−ｎには、それぞれ室内膨張弁６−１〜６−ｎが設けられている。室内膨張弁６−１〜６−ｎは、それぞれ弁開度が調整可能であり、各分配流路３−１〜３−ｎの開閉を制御可能である。

室内機１と同様に、室外機２の内部で、冷媒の配管３は、循環冷媒が複数に分配されるように並列接続されたｎ本の分配流路３−１〜３−ｎとなっている。各分配流路３−１〜３−ｎには、それぞれ室外熱交換器８−１〜８−ｎが形成されており、また、各流路３−１〜３−ｎには、それぞれ室外膨張弁９−１〜９−ｎが設けられている。室外膨張弁９−１〜９−ｎは、それぞれ弁開度が調整可能であり、各分配流路３−１〜３−ｎの開閉を制御可能である。なお、室外機２と室内機１で、流路の分配数を異ならせてもよい。

そして、室内機１には、本実施例の特徴部である制御手段１２が備えられている。制御手段１２は、室内膨張弁６−１〜６−ｎ及び室外膨張弁９−１〜９−ｎと制御ラインを介して接続されている。また、室内機１が設置された室内の温度を検出する室内温度検出器１３、及び室外の温度を検出する室外温度検出器１４と制御ラインを介して接続されている。なお、制御手段１２は、室内機１に設けられていてもよい。

次に、空気調和機１０の動作と共に、制御手段１２の制御内容について説明する。図１に示す実線矢印は冷房運転時における冷媒の流れを示し、破線矢印は暖房運転時における冷媒の流れを示している。

まず、冷房運転時は、圧縮機４で圧縮された高温高圧の冷媒は、四方弁５を通過して室外熱交換器８に流入し、室外熱交換器８を通過する空気と熱交換して凝縮液化した後、室外膨張弁９に流入する。ここで、室外熱交換器８−１〜８−ｎのうち、いずれの熱交換器に冷媒が流入するかは、制御手段１２によって制御される。

制御手段１２は、ユーザなどによって予め設定された設定温度と、室内温度検出器１３で得られた温度とを比較して、差分Δｔに基づいて室内の負荷を判断し、室外膨張弁９−１〜９−ｎのうち、いずれを開又は閉にするかを決定する。

つまり、例えば、設定温度に対して室内の温度がある程度高く、負荷が大きいと判断する場合は、熱交換量を多くして設定温度に迅速に近づける必要があるので、室外膨張弁９−１〜９−ｎを全て開にして、室外熱交換器８―１〜８−ｎの全てに冷媒を通流させて熱交換をおこなう。

これに対して、室内の温度が略設定温度まで冷却されている負荷の小さい場合は、室外膨張弁９−１〜９−ｎのうち、一部のみを開にして、開にした室外熱交換器８のみに冷媒を通流させて熱交換をおこなう。

また、制御手段１２は、このような差分Δｔに基づく室内の負荷による制御に加えて、室外温度検出器１４で得られた外気の温度に基づいて室外膨張弁９の開閉を制御する。これは、例えば室内の負荷が同じ状態でも、外気の温度は独立に変動するものであるので、外気が低く凝縮能力が高い場合は開にする室外膨張弁の数を少なくし、外気が高く凝縮能力が低い場合は開にする室外膨張弁の数を多くする。

制御手段１２によって開になった室外膨張弁９に対応する室外熱交換器８で外気と熱交換された冷媒は、室外膨張弁９を介して室内機１に送られ、室内膨張弁６によって、室内熱交換器７で蒸発できる圧力まで減圧され、その後室内熱交換器７に流入し、室内熱交換器７を通過する空気と熱交換して蒸発ガス化する。

ここで、制御手段１２は、ユーザなどによって予め設定された設定温度と、室内温度検出器１３で得られた温度とを比較して、差分Δｔに基づいて室内の負荷を判断し、室内膨張弁６−１〜６−ｎのうち、減圧をおこなう膨張弁を選択する。これにより、冷媒は選択された室内膨張弁６で減圧し、この膨張弁に対応する室内熱交換器７のみで熱交換して蒸発する。そして、室内熱交換器７で熱交換して蒸発したガス冷媒は、四方弁５を介して再び圧縮機４に戻る。

暖房運転の場合は、四方弁５を切り替えて、冷媒の循環方向が反対になるだけで基本的な動作は冷房時と同様である。つまり、圧縮機４で圧縮された冷媒は、破線矢印のように四方弁５を介して室内熱交換器７へ流入し、室内熱交換器７を通過する空気と熱交換して凝縮液化する。その後、室外膨張弁９で減圧され、室外熱交換器８で熱交換されて蒸発し、ガス冷媒となって圧縮機４に戻る。

制御手段１２は、室内膨張弁６―１〜６−ｎの制御に関しては、ユーザなどによって予め設定された設定温度と、室内温度検出器１３で得られた室内の温度とを比較して、差分Δｔに基づいて室内の負荷を判断し、室内膨張弁６−１〜６−ｎのいずれを開又は閉にするかを選択する。負荷が大きければ多くの室内膨張弁を開にして熱交換量を増大させ、負荷が小さければ開にする室内膨張弁の数を減らして熱交換量を抑制させる。

また、室外膨張弁９−１〜９−ｎの制御に関しては、差分Δｔに基づく室内の負荷及び室外温度に基づく室外の負荷に応じて、室外膨張弁９−１〜９−ｎのうち、減圧をおこなう膨張弁を選択して、室外熱交換器８での熱交換量を制御する。

次に、図２を用いて、室内熱交換器７及び室外熱交換器８の配置について説明する。図２は、ｎ分割された各熱交換器を上下に等間隔に配置した例を示している。分割された熱交換器は、このように上下に等間隔に配置してもよいし、左右又は奥行き方向に等間隔に配置してもよい。また、等間隔でなく、適宜間隔をあけて配置してもよい。

そして、制御手段１２によって選択される熱交換器は、例えば、１番目から１つずつ順番に選択された熱交換器であってもよいし、１番目、３番目、５番目などのように奇数番を選択してもよい。また、偶数番を選択してもよい。つまり、ｎ個の熱交換器のうち、開又は閉にする熱交換器の個数は、上述したように室内温度や室外温度などに基づいて制御され、開又は閉にする熱交換器の場所や組み合わせ方は、適宜選択することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、室外熱交換器８及び室内熱交換器７は、それぞれ複数の分配流路３−１〜３−ｎで形成された熱交換器を有しており、この分配流路のそれぞれの流路を、室外膨張弁９及び室内膨張弁６により開閉制御することができる。したがって、室外熱交換器８及び室内熱交換器７の伝熱面積を制御して熱交換量を制御することができ、その結果、負荷変動に対する熱交換量の制御を安定しておこなうことができる。

また、室内温度と設定温度との差に基づく負荷だけではなく、室外温度に基づく室外熱交換器の負荷も考慮して、室外膨張弁の開閉を制御して伝熱面積を制御することができる。したがって、室外側と室内側のそれぞれの負荷変動に対して、それぞれの熱交換器で熱交換量を制御することができ、その結果、負荷変動に対する熱交換量の制御を安定しておこなうことができる。

図３は、本発明の第２実施例の空気調和機の全体構成を示す図である。本実施例が、実施例１と異なるのは、各室外熱交換器８−１〜８−ｎのそれぞれと、これに対応する室外膨張弁９−１〜９−ｎの組ごとに室外機２−１〜２−ｎが形成される点のみである。それ以外の部分は、実施例１と同様であるので説明を省略する。

このように、室外機を熱交換器と膨張弁の組ごとに形成することにより、室外機の設置場所の自由度が向上する。特に、リモートコンデンサ型の空気調和機においては、例えば室外機の寸法や重量などに対して設置場所の制約を受ける場合が多く、そのような場合に本実施例は好適である。

なお、上述の実施例では、四方弁を用いて冷房と暖房の両方が可能な空気調和機を例に説明したが、これに限らず、本発明は、四方弁を用いずに冷却のみ可能な冷凍機などにも適用可能である。この場合、凝縮器側に設けられる弁は、弁の開度を調整可能な膨張弁ではなく、電磁弁などの開閉制御のみ可能な弁であればよい。

また、実施例のように、外気又は室内温度に基づき、室外熱交換器又は室内熱交換器の熱交換量を制御することに加えて、圧縮機の容量制御や減圧装置による調整とあわせて運用すれば、より広範囲の熱容量バランスに対応し、負荷の変動に対する熱交換量の制御を安定におこなうことができる。

さらに、本発明は、圧縮機が室外機に設けられるセパレート型の空気調和機にも適用可能であり、室外機1台に対し室内機が複数台接続されるようないわゆるマルチタイプの空気調和機にも適用可能である。このような空気調和機では、各室内機で運転ＯＮ／ＯＦＦが生じるので、室外熱交換器での熱交換量は、運転している室内機の室内熱交換器の合計熱交換量とバランスさせる必要があり随時変化することになる。このような負荷の急激な変化があった場合には、従来の圧縮機の容量制御や冷媒流量弁の開度の制御だけでは、負荷変動に柔軟に対応できない場合があったが、本発明を適用することで、よりきめ細かく、安定的に熱交換量の制御が可能となる。

また、実施例では、室外温度及び室内温度に基づいて室外膨張弁及び室内膨張弁の制御をおこなったが、これだけに限らず、種々の制御因子を加えることもできる。例えば、省エネモードを搭載した空気調和機で、ユーザから省エネモードが選択されたら、室内温度が設定温度に到達するまでの時間を多少犠牲にしてエネルギー効率が向上するように膨張弁の開閉を制御することも可能である。

本発明の第１実施例の空気調和機の全体構成を示す図である。 熱交換器の配置の例を示す図である。 本発明の第２実施例の空気調和機の全体構成を示す図である。

符号の説明

１ 室内機
２ 室外機
３ 配管
４ 圧縮機
５ 四方弁
６ 室内膨張弁
７ 室内熱交換器
８ 室外熱交換器
９ 室外膨張弁
１０ 空気調和機
１２ 制御手段
１３ 室内温度検出器
１４ 室外温度検出器

Claims (3)

1. 室外熱交換器と、室外膨張弁とを有する室外機、及び室内膨張弁と、室内熱交換器と、圧縮機と、四方弁とを有する室内機を、冷媒を循環させる配管で連結して冷凍サイクルを形成し、前記室外及び室内熱交換器の熱交換量を制御する制御手段を備えてなり、前記室外又は室内熱交換器により負荷流体を加熱又は冷却するリモートコンデンサ型の冷凍装置において、
   前記室外及び室内熱交換器は、それぞれ並列接続された複数の分配流路を有し、
   前記室外及び室内膨張弁は、前記複数の分配流路のそれぞれに設けられ、各流路を開閉可能に形成されてなり、
   前記制御手段は、前記室外熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室外膨張弁の開閉を制御し、前記室内熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室内膨張弁の開閉を制御することを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載の冷凍装置において、前記室外熱交換器の複数の分配流路のそれぞれと、該流路に対応する室外膨張弁との組ごとに室外機が形成されてなることを特徴とする冷凍装置。
3. 圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、室外膨張弁とを冷媒を循環させる配管で連結してなる室外機、及び室内膨張弁と、室内熱交換器とを冷媒を循環させる配管で連結してなる室内機を接続して冷凍サイクルを形成し、前記室外及び室内熱交換器の熱交換量を制御する制御手段を備えてなり、前記室外又は室内熱交換器により負荷流体を加熱又は冷却するセパレート型の冷凍装置において、
   前記室外及び室内熱交換器は、それぞれ並列接続された複数の分配流路を有し、
   前記室外及び室内膨張弁は、前記分配流路のそれぞれに設けられ、各流路を開閉可能に形成されてなり、
   前記制御手段は、前記室外熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室外膨張弁の開閉を制御し、前記室内熱交換器の負荷流体の温度に基づいて前記複数の室内膨張弁の開閉を制御することを特徴とする冷凍装置

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