JP4895883B2

JP4895883B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP4895883B2
Application number: JP2007078633A
Authority: JP
Inventors: 信齊藤; 修森本; 大祐嶋本; 剛久保田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008241069A

Description

この発明は空気調和装置に関し、特に圧縮過程に冷媒をインジェクションして低外気温度時の暖房能力を向上させる空気調和装置に関するものである。

従来の空気調和装置としては、例えば「ガスインジェクションポート１ａを有する圧縮機１、四路切換弁２、熱源側熱交換器３、膨張機構４および利用側熱交換器７を備え、前記利用側熱交換器７と膨張機構４とを結ぶ液管の途中に冷媒加熱器６を設け且つ該冷媒加熱器６と前記膨張機構４との間に気液分離器５を介設した冷媒加熱式空気調和機において、前記気液分離器５の気相部と前記ガスインジェクションポート１ａとを、圧縮機１側から気液分離器５側への冷媒流通を許容しない逆流防止機構９を備えたインジェクション回路Ｂを介して接続する」（例えば特許文献１参照）というものが提案されている。
また、例えば「主圧縮機（１）からの吐出ガスは気管（１８）を経て凝縮器（２）に入って液化し液化冷媒は液管（１０）から液管（１１）に流れ二相流膨張機としてのスクリュー式膨張機（４）に流入して膨張仕事をして同軸の過給用圧縮機（５）を回転させた後、管（１３）を経て蒸発器（９）に流入して蒸発し所要の冷凍作用を遂行する。次いで気化冷媒は気管（１４）（１５）に分流する。気管（１４）を流れる気化冷媒は主圧縮機（１）の吸入口から吸入される。気管（１５）を流れる気化冷媒は過給用圧縮機（５）により圧縮され、チエツキ弁（８）を経て主圧縮機（１）の閉じ込み後の位置（１９）から圧入される。一方、液管（１０）から液管（１２）に分流した液化冷媒は膨張弁（３）において膨張した後、管（１３）を経て蒸発器（９）に流入する。」（例えば特許文献２参照）というものが提案されている。

特許第３０７０２２３号公報（段落番号００１５、図２）特開昭５８−２１７１６３号公報（第３頁、図１）

従来の空気調和装置においては、ヒートポンプによる暖房を行う場合、外気温度が低くなるにつれて、蒸発器として機能する室外熱交換器の蒸発圧力は低下し、圧縮機が吸入する冷媒ガス密度は小さくなる。このため、圧縮機回転数がその使用範囲の上限となっても冷媒を十分な高圧高温状態に圧縮できなくなる。また、凝縮器として機能する室内熱交換器内に圧送できる冷媒流量が少なくなる。したがって、所望の暖房能力が得られなくなる場合がある。このとき、所望の暖房能力を得るために、圧縮機の圧縮過程に冷媒をインジェクションする。このようにして、冷媒を十分な高圧高温状態に圧縮し、凝縮器（室内熱交換器）に十分な冷媒量を圧送して所望の暖房能力を得ている。
しかし、従来の空気調和装置には以下のような問題があった。まず、特許文献１の構成においては、低外気温度時の暖房能力を向上させるために圧縮機の圧縮過程に冷媒をインジェクションしても、暖房能力の向上は、インジェクションされた冷媒が凝縮器（室内熱交換器）に流れる増加分により増加する室内への放熱量のみである。蒸発器（室外熱交換器）自体に流れる冷媒量は変わらず、蒸発器（室外熱交換器）の熱交換能力（吸熱能力）は向上されない。このため、暖房能力の向上分に対して大きな圧縮機の入力（消費電力）が必要となり、低外気温度時に空気調和装置の運転効率が低下してしまうという問題点があった。
また、特許文献２の構成においても、凝縮器（室内熱交換器）に流れる冷媒量はメイン圧縮機と過給用圧縮機から圧入される冷媒量の合計であり、それ以上の冷媒量の増加は望めないという問題点があった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は、低外気温度時の暖房運転において、暖房能力増大のために冷媒を圧縮機にインジェクションすることによって引き起こる運転効率の低下のない空気調和装置を得ることである。また、第２の目的は、空気調和装置に備えられた複数の圧縮機が圧送可能である冷媒の合計流量以上に凝縮器に流れる冷媒量を増大させることで、大きな暖房能力が得られる空気調和装置を得ることである。

この発明に係る空気調和装置は、圧縮過程に冷媒をインジェクション可能な第１の圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置及び蒸発器が順次環状に接続された冷凍サイクル回路と、前記凝縮器と前記第１の減圧装置との間で分岐され、第２の減圧装置を介して前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするインジェクション回路とを備えた空気調和装置において、前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、該冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機を備えるものである。

この発明においては、蒸発器と第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機を備えたことにより、第２の圧縮機が冷媒を吸入することで蒸発器に流れる冷媒流量を増加させ、蒸発器の熱交換能力（吸熱能力）を向上させることができる。このため、低外気温度時でも運転効率の良い空気調和装置を得ることができる。

また、凝縮器に流れる冷媒量は、第１の圧縮器から圧送される冷媒量、インジェクション回路から第１の圧縮器の圧縮過程にインジェクションされる冷媒量、及び第２の圧縮機から第１の圧縮器の圧縮過程にインジェクションされる冷媒量の和となる。このため、空気調和装置に備えられた第１の圧縮器及び第２の圧縮機が圧送可能である冷媒の合計流量以上に凝縮器に流れる冷媒量を増大させることができる。したがって、大きな暖房能力が得られる空気調和装置を得ることができる。

実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態における空気調和装置の冷媒回路の一例を示すものである。空気調和装置は室外ユニット１及び室内ユニット２で構成されている。室外ユニット１と室内ユニット２は接続配管であるガス管５及び液管８で接続されて閉回路を形成し、この閉回路には冷媒として例えばＲ４１０Ａが封入されている。

室外ユニット１には冷凍サイクル回路の構成部品として、この発明の第１の圧縮機に相当する回転数調節可能なインジェクション圧縮機３、インジェクション圧縮機３から吐出された冷媒中に含まれる冷凍機油を分離する油分離器１６、冷房と暖房で流路を切り替える四方弁４、第１の減圧装置１０、室外熱交換器１１、室外送風機１１ａ及びアキュムレータ１２が設けられている。また、インジェクション回路Ａの構成部品として、この発明の第２の減圧装置に相当するインジェクション用減圧装置１３、内部熱交換器９、逆止弁１４が設けられている。さらに、この発明の第２の圧縮機に相当する第２圧縮機１５が設けられている。インジェクション圧縮機３は例えばスクロール形式であり、インジェクションポート３ａを介して圧縮室内にインジェクション回路Ａから供給される冷媒をインジェクションすることが可能な構造となっている。第２圧縮機１５は例えば回転数一定のロータリ圧縮機である。また、第１の減圧装置１０及びインジェクション用減圧装置１３は開度を可変に制御することができる構造となっている。

また、室外ユニット１には温度検知手段である温度センサ２１ａ，２１ｄ，２１ｅ及び２１ｇと、制御装置２０が設けられている。温度センサ２１ａはインジェクション圧縮機３の吐出側に設けられ、インジェクション圧縮機３の吐出温度Ｔｄを計測する。温度センサ２１ｄは室外熱交換器１１の中間部の冷媒流路上に設けられ、室外熱交換器１１の蒸発温度を計測する。温度センサ２１ｅは室外熱交換器１１の出口に設けられ、室外熱交換器１１出口の冷媒温度を計測する。また、温度センサ２１ｇは室外ユニット１の周囲の外気温度Ｔｃを計測する。制御装置２０は、室外ユニット１及び後述する室内ユニット２内に設けられた各温度センサ２１ａ〜２１ｇの計測温度、ユーザーが室内温度設定手段により設定した室内設定温度Ｔａ、及び目標吐出過熱度ＳＨｄ１等の情報を格納する格納手段を有している。なお、この格納手段は制御装置２０の外部に設けられてもよい。また、制御装置２０は、室内温度設定手段により設定された室内設定温度から目標凝縮温度Ｔｅ１を算出する目標凝縮温度設定手段、インジェクション圧縮機３の回転数を算出する圧縮機回転数演算手段、インジェクション圧縮機３に冷媒のインジェクションを開始するか否か、つまりインジェクション用減圧装置１３を開くか否かを判定するインジェクション要否判定手段、インジェクション用減圧装置１３の開度Ｖｐを決定する減圧装置開度演算手段、第２圧縮機１５の作動するか否かを判定する第２圧縮機作動要否判定手段、及び第１の減圧装置１０や第３の減圧装置７等の開度を調整する制御手段等を備えている。

室内ユニット２には冷凍サイクル回路の構成部品である室内熱交換器６、室内送風機６ａ及び第３の減圧装置７が設けられている。なお、本実施形態では第３の減圧装置を室内ユニット２に設けたが、室外ユニット１に設けてもよいし、室外ユニット１及び室内ユニット２を接続する液管８の途中に設けてもよい。

また、室内ユニット２には温度検知手段である温度センサ２１ｂ，２１ｃ，及び２１ｆが設けられている。温度センサ２１ｂは室内熱交換器６の中間部の冷媒流路上に設けられ、室内熱交換器６の凝縮温度Ｔｅを計測する。温度センサ２１ｃは室内熱交換器６の出口に設けられ、室内熱交換器６出口の冷媒温度を計測する。また、温度センサ２１ｆは室内ユニット２内に吸気される室内温度Ｔｂを計測する。

始めに、本実施形態の空気調和装置における暖房運転時の冷凍サイクル動作において、第２圧縮機１５が停止しており、インジェクション用減圧装置１３が作動している場合について説明する。
図２は、第２圧縮機１５が停止しており、インジェクション用減圧装置１３が作動している場合における暖房運転時の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。横軸は比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］、縦軸は冷媒圧力［ＭＰａ］となっている。また、図２中に矢印で示したＧｉはインジェクション用減圧装置１３を通ってインジェクション回路を流れる冷媒流量［ｋｇ／ｈ］を示しており、Ｇｅはインジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量を示している。図１及びこの図２を用いて、第２圧縮機１５が停止し、インジェクション用減圧装置１３が作動している場合における暖房運転時の冷凍サイクル動作について以下説明する。

暖房運転時には四方弁４の流路は図１の実線方向に設定されている。インジェクション圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、油分離器１６、四方弁４及びガス管５を経由して室内ユニット２へ流入する。その後、室内熱交換器６において室内空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒（状態Ｂ）となる。このとき、室内送風機６ａにより室内熱交換器６に送風された室内空気は、室内熱交換器６により加熱されることで暖房を行う。室内熱交換器６を出た高圧液冷媒は第３の減圧装置７及び液管８を経由して室外ユニットへ戻る（状態Ｃ）。ここで、第３の減圧装置７は、凝縮器として機能する室内熱交換器６の出口過冷却度を、例えば１０℃一定となるように開度が調整される。つまり、第３の減圧装置７は、温度センサ２１ｂで計測される室内熱交換器６を流れる高圧冷媒の凝縮温度Ｔｅと、温度センサ２１ｃで計測される室内熱交換器６の出口温度との差が例えば１０℃一定となるように開度が調整される。本実施形態では室内ユニット２は単体であるが、例えば室内ユニット２が複数台設置されている場合、第３の減圧装置７の開度を室内熱交換器６の出口過冷却度にしたがって制御することで、一方の室内ユニット２に冷媒が偏って流れることがなく各室内ユニット２に流れる冷媒量のバランスを調整することができる。

室外ユニット１に戻った高圧液冷媒は、その一部がインジェクション回路Ａに分岐され、主流は内部熱交換器９へ流入する。主流の高圧液冷媒（状態Ｃ）は内部熱交換器９で、インジェクション回路Ａに分岐されインジェクション用減圧装置１３で減圧され低温となった冷媒と熱交換し、冷却される（状態Ｄ）。さらに、第１の減圧装置１０で減圧され、低圧二相状態となり（状態Ｅ）、室外熱交換器１１へ流入する。室外熱交換器１１では、室外送風機１１ａから送風される室外空気から吸熱し、蒸発して低圧ガス冷媒となる（状態Ｆ）。その後、四方弁４を介してアキュムレータ１２へ流入する（同じく状態Ｆ）。ここで、第１の減圧装置１０は、蒸発器である室外熱交換器１１の出口過熱度が一定となるように開度が調整される。つまり、第１の減圧装置１０は、温度センサ２１ｄで計測される室外熱交換器１１を流れる低圧冷媒の蒸発温度と、温度センサ２１ｅで計測される室外熱交換器１１の出口温度との差が一定となるように開度が調整される。なお、第１の減圧装置１０の入口と出口との圧力差が一定となるように開度を調整してもよい。

アキュムレータ１２の内部は、仕切板１２ａによって第１の部屋１２ｂ及び第２の部屋１２ｃに仕切られている。第１の部屋１２ｂには、室外熱交換器１１から四方弁４を介して流入した低圧ガス冷媒（状態Ｆ）が貯えられる。第２の部屋１２ｃには、油分離器１６によって冷媒中から分離された冷凍機油が送油管１６ａを介して流入し、貯えられる。アキュムレータ１２とインジェクション圧縮機３とを接続する冷媒配管には油戻し穴１７が設けられており、インジェクション圧縮機３が第１の部屋１２ｂから低圧ガス冷媒（状態Ｆ）を吸入する際、この油戻し穴１７から第２の部屋１２ｃに貯えられた冷凍機油も吸入される。

一方、インジェクション回路Ａに分岐された冷媒（状態Ｃ）は、インジェクション用減圧装置１３でインジェクション圧力まで減圧されて低温の二相冷媒となり（状態Ｇ）、内部熱交換器９へ流入して主流の高圧液冷媒に加熱されて比エンタルピを増大させる（状態Ｈ）。その後、逆止弁１４を経てインジェクション圧縮機３にインジェクションされる。

インジェクション圧縮機３では、アキュムレータ１２の第１の部屋１２ｂから低圧ガス冷媒（状態Ｆ）を吸入し、昇圧する過程で、インジェクション回路Ａよりインジェクションされる冷媒（状態Ｈ）を吸引し、それぞれを合流させる（状態Ｉ）。その後、高圧まで昇圧され吐出される（状態Ａ）。このとき、インジェクション圧縮機３から吐出される高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）の冷媒流量、つまり室内熱交換器６を流れる冷媒流量は（Ｇｅ＋Ｇｉ）［ｋｇ／ｈ］となる。

続いて、本実施形態の空気調和装置における暖房運転時の冷凍サイクル動作において、第２圧縮機１５が作動しており、インジェクション用減圧装置１３も作動している場合について説明する。
図３は、第２圧縮機１５が作動しており、インジェクション用減圧装置１３も作動している場合における暖房運転時の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。横軸は比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］、縦軸は冷媒圧力［ＭＰａ］となっている。また、図３中に矢印で示したＧｉはインジェクション回路を流れる冷媒流量［ｋｇ／ｈ］を示しており、Ｇｅ＋Ｇｓは蒸発器として機能する室内熱交換器２を流れる冷媒流量［ｋｇ／ｈ］を示している。Ｇｅはインジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２の第１の部屋１２ｂより吸引する冷媒流量であり、Ｇｓは第２圧縮機１５がアキュムレータ１２の第１の部屋１２ｂより吸引する冷媒流量である。図１及びこの図３を用いて、第２圧縮機１５が作動しておりインジェクション用減圧装置１３も作動している場合における暖房運転時の冷凍サイクル動作について以下説明する。

インジェクション圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）は、油分離器１６、四方弁４及びガス管５を経由して室内ユニット２へ流入する。その後、室内熱交換器６において室内空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒（状態Ｂ）となる。このとき、室内送風機６ａにより室内熱交換器６に送風された室内空気は、室内熱交換器６により加熱されることで暖房を行う。室内熱交換器６を出た高圧液冷媒は第３の減圧装置７及び液管８を経由して室外ユニットへ戻る（状態Ｃ）。室外ユニット１に戻った高圧液冷媒は、その一部がインジェクション回路Ａに分岐され、主流は内部熱交換器９へ流入する。主流の高圧液冷媒（状態Ｃ）は内部熱交換器９で、インジェクション回路Ａに分岐されインジェクション用減圧装置１３で減圧され低温となった冷媒と熱交換し、冷却される（状態Ｄ）。さらに、第１の減圧装置１０で減圧され、低圧二相状態となり（状態Ｅ）、室外熱交換器１１へ流入する。室外熱交換器１１では、室外送風機１１ａから送風される室外空気から吸熱し、蒸発して低圧ガス冷媒となる（状態Ｆ）。その後、四方弁４を経てアキュムレータ１２へ流入する（状態Ｆ）。その後、吸入された低圧ガス冷媒（状態Ｆ）はインジェクション圧縮機３に戻り高圧まで昇圧され吐出される（状態Ａ）。

インジェクション回路Ａに分岐された冷媒（状態Ｃ）は、インジェクション用減圧装置１３でインジェクション圧力まで減圧されて低温の二相冷媒となり（状態Ｇ）、内部熱交換器９へ流入して主流の高圧液冷媒に加熱されて比エンタルピを増大させる（状態Ｈ）。その後、逆止弁１４を経てインジェクション圧縮機３にインジェクションされる。
ここまでの冷凍サイクル動作については、上記図２で説明した第２圧縮機１５が作動しておらず、インジェクション用減圧装置１３が作動している場合における暖房運転時の冷凍サイクル動作と同じである。

アキュムレータ１２の第１の部屋１２ｂに貯えられた低圧ガス冷媒（状態Ｆ）は、第２圧縮機１５により吸入されて昇圧される（状態Ｊ）。ここで、アキュムレータ１２と第２圧縮機１５とを接続する冷媒配管にも油戻し穴１７が設けられており、第２圧縮機１５が第１の部屋１２ｂから低圧ガス冷媒（状態Ｆ）を吸入する際、この油戻し穴１７から第２の部屋１２ｃに貯えられた冷凍機油も吸入される。第２圧縮機１５により昇圧された冷媒はインジェクション回路Ａに圧入され、インジェクション回路Ａを流れる冷媒と合流する（状態Ｋ）。
インジェクション圧縮機３では、アキュムレータ１２から低圧ガス冷媒（状態Ｆ）を吸入し、昇圧する過程で、インジェクション回路Ａよりインジェクションされる冷媒（状態Ｋ）を吸引し、それぞれを合流させる（状態Ｉ）。その後、昇圧され吐出される（状態Ａ）。このとき、インジェクション圧縮機３から吐出される高温高圧のガス冷媒（状態Ａ）の冷媒流量、つまり室内熱交換器６を流れる冷媒流量は（Ｇｅ＋Ｇｉ＋Ｇｓ）［ｋｇ／ｈ］となる。

ここで、エンタルピとは冷媒１［ｋｇ］が有する熱量［ｋＪ］であるから、空気調和機の暖房能力は、室内熱交換器６の凝縮能力に室内熱交換器６を流れる冷媒流量を乗じたものとして表すことができる。つまり、状態Ａと状態Ｂとのエンタルピ差に室内熱交換器６を流れる冷媒流量を乗じたものとして表すことができる。また、空気調和機の暖房能力は、室外熱交換器１１の蒸発能力に室外熱交換器１１を流れる冷媒流量を乗じたものとインジェクション圧縮機３の入力（消費電力）との和であると表すこともできる。つまり、状態Ｆと状態Ｅとのエンタルピ差に室外熱交換器１１を流れる冷媒流量（インジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量Ｇｅ）を乗じた値とインジェクション圧縮機３の入力（消費電力）との和と表すことができる。

第２圧縮機１５が停止しており、インジェクション用減圧装置１３が作動している場合における室内熱交換器６を流れる冷媒流量は（Ｇｅ＋Ｇｉ）［ｋｇ／ｈ］となる。したがって、空気調和機の暖房能力を向上させるにはインジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量Ｇｅ、又はインジェクション用減圧装置１３を通ってインジェクション回路を流れる冷媒流量Ｇｉを増加させる必要がある。
Ｇｅを増加させるにはインジェクション圧縮機３の回転数をあげる必要があるが、すでに暖房能力を上げるためインジェクション圧縮機３を最大回転数で作動している場合には、Ｇｉの増加分のみが暖房能力を向上させることになる。
しかし、外気温度が低くなるにつれて、室外熱交換器１１の蒸発圧力は低下するため、インジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量Ｇｅは減少する。このため、Ｇｅの減少により室外熱交換器１１の蒸発能力が低下する。また、Ｇｉは室外熱交換器１１を流れないので、Ｇｉによって蒸発能力は改善しない。このとき、蒸発能力が減少した分だけインジェクション用減圧装置１３の入力は増大することとなり、当然ながらＣＯＰ（＝暖房能力／インジェクション用減圧装置１３の入力）は低下する。

一方、第２圧縮機１５が作動しており、インジェクション用減圧装置１３も作動している場合における室内熱交換器６を流れる冷媒流量は（Ｇｅ＋Ｇｉ＋Ｇｓ）［ｋｇ／ｈ］となる。したがって、空気調和機の暖房能力を向上させるにはインジェクション圧縮機３がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量Ｇｅ、インジェクション用減圧装置１３を通ってインジェクション回路を流れる冷媒流量Ｇｉ、又は第２圧縮機１５がアキュムレータ１２より吸引する冷媒流量Ｇｓを増加させる必要がある。
Ｇｅを増加させるにはインジェクション圧縮機３の回転数をあげる必要があるが、すでに暖房能力を上げるためインジェクション圧縮機３を最大回転数で作動している場合には、ＧｉとＧｓの増加分が暖房能力を向上させることになる。
また、Ｇｓは室外熱交換器１１を流れる冷媒流量を増加させ、室外熱交換器１１の蒸発能力も向上させる。このため、Ｇｓにより蒸発能力が増加した分だけインジェクション用減圧装置１３の入力は減少することとなる。したがって、第２圧縮機１５が作動することにより、インジェクション用減圧装置１３のみが作動している場合と比べ暖房能力がさらに向上するとともに運転効率も向上することとなる。

図４は、この発明の実施の形態における空気調和装置の暖房運転時における制御フローの一例である。この図４を用いてインジェクション圧縮機３の回転数制御、インジェクション用減圧装置１３の開度制御、及び第２圧縮機１５の動作制御について説明する。
ステップＳ１でユーザーから暖房運転開始の指令を受け取ると、ステップ２で空気調和装置の制御装置２０は、ユーザーが室内温度設定手段により設定した室内の設定温度Ｔａ、温度センサ２１ｆにて計測される室内ユニット２内に吸気される室内温度Ｔｂ、及び温度センサ２１ｇにて計測される外気温度Ｔｃを読み込む。また、温度センサ２１ａにて計測されるインジェクション圧縮機３の吐出温度Ｔｄや、温度センサ２１ｂにて計測される凝縮温度Ｔｅ（室内熱交換器６の冷媒流路中間部の冷媒温度）などの冷凍サイクルの動作状態を読み込む。

ステップＳ３ではインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１を設定する。本実施形態においては、制御装置２０内に有する圧縮機回転数演算手段により設定温度Ｔａと実際の室内温度Ｔｂとの温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴをもとにインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１を算出する。つまり、圧縮機回転数演算手段は、温度偏差ΔＴを暖房負荷に相当するとし、暖房負荷の関数としてｆｚ１を演算する。

ステップＳ４では、制御装置２０内に有するインジェクション要否判定手段により、インジェクション圧縮機３にインジェクションを開始するか否か、つまりインジェクション用減圧装置１３を開くか否かを判定する。インジェクションの開始または終了の判定は、外気温度Ｔｃとインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１との関係により行う。
図５は、本実施形態におけるインジェクション開始域及び第２圧縮機１５作動域を表した図である。図５では、横軸を外気温度Ｔｃ［℃］、縦軸をインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１として、インジェクション開始域及び第２圧縮機１５作動域を表している。また、インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１は、最大回転数を１００％としている。外気温度ＴｃがＴｃ１になると、インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１が１００％でインジェクションが開始される。外気温度Ｔｃが低くなるにしたがい、インジェクションが開始されるインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１は無段階に低くなり、外気温度Ｔｃが−１０℃以下ではインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１に関係なくインジェクションが行われる。

ステップＳ５では、制御装置２０内に有する減圧装置開度演算手段によりインジェクション用減圧装置１３の開度Ｖｐを決定する。インジェクション用減圧装置１３はインジェクションする冷媒量を操作するアクチュエータであり、インジェクション用減圧装置１３の開度Ｖｐを操作することでインジェクション圧縮機３の吐出温度Ｔｄが顕著に変化する。本実施形態では、インジェクション圧縮機３の吐出温度Ｔｄと凝縮温度Ｔｅ（室内熱交換器６の冷媒流路中間部の冷媒温度）との冷媒温度差である吐出過熱度ＳＨｄを求める。この吐出過熱度ＳＨｄと目標吐出過熱度ＳＨｄ１（例えば１０℃）との差ΔＳＨｄによりインジェクション用減圧装置１３の開度Ｖｐを算出する。本実施形態では目標吐出過熱度ＳＨｄ１を１０℃としたが、例えば２０℃など、空気調和装置の冷凍サイクル能力や外気温度等の諸条件に応じて任意に設定可能である。また、第２圧縮機１５が稼動する条件では吐出過熱度ＳＨｄを確保しやすくなるので、そのときの目標吐出過熱度は３０℃〜４０℃としてもよい。

ステップＳ６では、制御装置２０内に有する第２圧縮機作動要否判定手段により、第２圧縮機１５の作動するか否かを判定する。第２圧縮機の作動または停止の決定は外気温度Ｔｃとインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１との関係により行う。図５に示すように、インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１が上限近傍（例えば９０％以上）であり、外気温度ＴｃがＴｃ２以下である場合に第２圧縮機１５を作動する。第２圧縮機を作動させる条件として、既にインジェクションが開始されていることが前提であるので、Ｔｃ２は前記Ｔｃ１よりも低い温度である必要がある。
ステップＳ７では、ステップＳ６で判定された第２圧縮機１５の作動要否判定にしたがった作動指令を第２圧縮機１５に行った後、ステップＳ２に戻る。

図６は、この発明の実施の形態における空気調和装置の暖房運転時における制御フローの別の一例である。インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１においては、凝縮温度Ｔｅをもとに設定することもできる。
ステップ３において、制御装置２０内に有する目標凝縮温度設定手段により、ユーザーが設定する設定温度Ｔａから目標凝縮温度Ｔｅ１を求める。この目標凝縮温度Ｔｅ１と実際の凝縮温度Ｔｅとの温度差ΔＴｅを求め、この温度差ΔＴｅをもとにインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１を算出する。つまり、圧縮機回転数演算手段は、温度偏差ΔＴｅを暖房負荷に相当するとし、暖房負荷の関数としてｆｚ１を演算する。目標凝縮温度Ｔｅ１と実際の凝縮温度Ｔｅとの温度差ΔＴｅによりインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１を制御することで、従来より有る制御方法によって室内ユニット２が複数になった場合の制御が可能となる。

図７は、本実施形態における空気調和装置を上記図４に示す制御フローで制御したときの最大暖房能力を示す図である。横軸は外気温度Ｔｃ［℃］、縦軸は暖房能力［ｋＷ］である。特性１の点線部は、インジェクションを行わない場合の通常暖房での最大暖房能力（インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１は１００％）を示す。特性２の点線部は、インジェクション用減圧装置１３をさせた場合の最大暖房能力（インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１は１００％）を示す。特性３の点線部は、インジェクション用減圧装置１３をさせ、さらに第２圧縮機１５も作動させた場合の最大暖房能力（インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１は１００％）を示す。また、実線部が本実施形態における空気調和装置の最大暖房能力を示す。通常運転において、外気温度Ｔｃが下がるにしたがい最大暖房能力も低下している。外気温度ＴｃがＴｃ１以下になると、インジェクション用減圧装置１３は開き、冷媒はインジェクション回路Ｂを流れてインジェクション圧縮機３にインジェクションされ、最大暖房能力は向上する。さらに外気温度Ｔｃが低下しＴｃ２以下になると、第２圧縮機１５が作動し、第２圧縮機１５に吸入された冷媒がインジェクション回路Ｂに圧入されて最大暖房能力は向上する。このように、インジェクション開始の外気温度Ｔｃ１と第２圧縮機作動開始の外気温度Ｔｃ２をずらすことで、基準となる暖房能力を幅広い外気温度範囲で得ることができる。

このように構成された空気調和装置においては、第２圧縮機１５がアキュムレータ１２から冷媒を吸入することにより、暖房時に蒸発器として機能する室外熱交換器１１に流れる冷媒流量を増加させ、室外熱交換器１１の熱交換能力を向上させることができる。また、第２圧縮機１５による室外熱交換器１１の冷媒流量を増加のため、インジェクション圧縮機３の入力を減少させることができる。したがって、単にインジェクション量を大きくする暖房能力増大制御や、外部熱源からの加熱による操作よりも空気調和機の運転効率よく、暖房能力を向上することができる。

また、暖房時に凝縮器として機能する室内熱交換器６に流れる冷媒量は、インジェクション圧縮機３から圧送される冷媒量、インジェクション回路Ａからインジェクション圧縮機３の圧縮過程にインジェクションされる冷媒量、及び第２圧縮機１５からインジェクション回路Ａを介してインジェクション圧縮機３の圧縮過程にインジェクションされる冷媒量の和となる。このため、空気調和装置に備えられたインジェクション圧縮機３及び第２圧縮機１５が圧送可能である冷媒の合計流量以上に室内熱交換器６に流れる冷媒量を増大させることができる。したがって、大きな暖房能力を得ることができる。

主流である冷凍サイクル回路を流れる高温冷媒と、インジェクション回路Ａを流れる低温冷媒が熱交換を行う内部熱交換器９を備えたので、インジェクション回路Ａを流れる冷媒は熱を吸収して乾き度が高くなり、エンタルピ差を大きくすることができる（状態Ｇ−Ｈ間）。このため、この冷媒をインジェクションしたインジェクション圧縮機３の冷媒吐出温度を高く維持できることができ、室内熱交換器６での冷媒エンタルピ差が増大する。よって、室内熱交換器６での熱交換能力を向上することができる。
また、主流である冷凍サイクル回路を流れる高温冷媒は放熱することで、エンタルピが減少し（状態Ｃ−Ｄ間）、室外熱交換器１１での冷媒エンタルピ差が増大する。よって、室外熱交換器１１での熱交換能力を向上させることができる。
したがって、さらに空気調和装置の運転効率が向上する。

上述した制御フローの一例にしたがって、インジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１、インジェクション用減圧装置１３の開度Ｖｐ、及び第２圧縮機１５を制御することで、基準となる暖房能力を幅広い外気温度範囲で得ることができる。また、目標凝縮温度Ｔｅ１と実際の凝縮温度Ｔｅとの温度差ΔＴｅによりインジェクション圧縮機３の回転数ｆｚ１を制御することで、従来より有る制御方法によって室内ユニット２が複数になった場合の制御が可能となる。

第２圧縮機１５が設置される位置は、第２圧縮機１５を設置しない従来の空気調和装置の構成に対して第２圧縮機１５を付加するのみであり、簡単な改造で追加することができる。また、冷凍サイクル回路と独立しているので、インジェクション圧縮機３の容量を変更しなくても第２圧縮機１５の容量変更によって幅広い運転容量に対応できる。

また、第２圧縮機１５は、インジェクション圧縮機３の吸入圧力からインジェクション圧力までの昇圧過程を補助するものであり、外気温度Ｔｃや室内温度Ｔｂによらず圧縮比は２〜２．５程度と安定する。そのため、低外気においても高圧縮比による制約（インジェクション圧縮機３の吐出温度Ｔｄの異常上昇やインジェクション圧縮機３の軸受荷重の増大に対する保護など）を受けず使用することができる。

アキュムレータ１２を設置し、同じアキュムレータ１２からインジェクション圧縮機３及び第２圧縮機１５の双方が冷媒と冷凍機油を吸入することで、冷凍機油が片方の圧縮機に偏ることがない。したがって、インジェクション圧縮機３及び第２圧縮機１５の故障を防止でき、信頼を確保できる。

室内ユニット２に第３の減圧装置７を設けることで、室内ユニット２を複数台設置した場合でも、第３の減圧装置７の開度を室内熱交換器６の出口過冷却度にしたがって制御することにより、一方の室内ユニット２に冷媒が偏ってながれることがなく各室内ユニット２に流れる冷媒量のバランスを調整することができる。

この発明の実施の形態を示す空気調和装置の冷媒回路図である。この発明の実施の形態を示す空気調和装置における暖房運転時（第２圧縮機１５停止、インジェクション用減圧装置１３作動）の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。この発明の実施の形態を示す空気調和装置における暖房運転時（第２圧縮機１５作動、インジェクション用減圧装置１３作動）の冷凍サイクル動作を示すＰ−ｈ線図である。この発明の実施の形態を示す空気調和装置の暖房運転時における制御フローの一例である。この発明の実施の形態におけるインジェクション開始域及び第２圧縮機１５作動域を表した図である。この発明の実施の形態を示す空気調和装置の暖房運転時における制御フローの別の一例である。この発明の実施の形態を示す空気調和装置の暖房能力を示す図である。

符号の説明

１室外ユニット、２室内ユニット、３インジェクション圧縮機、３ａインジェクションポート、４四方弁、５ガス管、６室内熱交換器、６ａ室内送風機、７第３の減圧装置、８液管、９内部熱交換器、１０第１の減圧装置、１１室外熱交換器、１１ａ室外送風機、１２アキュムレータ、１２ａ仕切板、１２ｂ第１の部屋、１２ｃ第２の部屋、１３インジェクション用減圧装置、１４逆止弁、１５第２圧縮機、１６油分離器、１６ａ送油管、１７油戻し穴、２０制御装置、２１ａ〜２１ｇ温度センサ、Ａインジェクション回路、Ｇｅインジェクション圧縮機３が吸引する冷媒流量、Ｇｉインジェクション回路を流れる冷媒流量、Ｇｓ第２圧縮機１５が吸引する冷媒流量、ＳＨｄ吐出過熱度、ＳＨｄ１目標吐出過熱度、Ｔａ設定温度、Ｔｂ室内温度、Ｔｃ外気温度、Ｔｄインジェクション圧縮機３の吐出温度、Ｔｅ凝縮温度、Ｔｅ１目標凝縮温度、Ｖｐインジェクション用減圧装置１３の開度。

Claims

圧縮過程に冷媒をインジェクション可能な第１の圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置及び蒸発器が順次環状に接続された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮器と前記第１の減圧装置との間で分岐され、第２の減圧装置を介して前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするインジェクション回路とを備えた空気調和装置において、
前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、該冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機を備えたことを特徴とする空気調和装置。
圧縮過程に冷媒をインジェクション可能な第１の圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置及び蒸発器が順次環状に接続された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮器と前記第１の減圧装置との間で分岐され、第２の減圧装置を介して前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、
前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、該冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機と、を備え、
前記冷凍サイクル回路における前記第１の圧縮機と前記凝縮器との間には、前記第１の圧縮機より吐出された冷媒から冷凍機油を分離する油分離器を設け、
前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間にはアキュムレータを設け、
該アキュムレータと前記油分離器とは送油管によって接続されており、
前記アキュムレータは前記蒸発器から流入する冷媒を貯蔵する第１の部屋と、前記油分離器から前記送油管を介して送油される冷凍機油を貯蔵する第２の部屋を有し、
前記第１の圧縮機及び前記第２の圧縮機は、各々油戻し穴を備えた吸入管によって前記アキュムレータの第１の部屋から冷媒を吸入するとともに、前記アキュムレータの第２の部屋から前記油戻し穴を介して冷凍機油を吸入することを特徴とする空気調和装置。
圧縮過程に冷媒をインジェクション可能な第１の圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置及び蒸発器が順次環状に接続された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮器と前記第１の減圧装置との間で分岐され、第２の減圧装置を介して前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、
前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、該冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機と、を備え、
前記第１の圧縮機は回転数調整可能な圧縮機からなり、
目標室内温度を設定する室内温度設定手段と、
室内温度、外気温度、前記第１の圧縮機が吐出する冷媒の吐出温度、及び前記凝縮器内を流通する冷媒の凝縮温度を計測する温度計測手段と、
前記目標室内温度及び前記室内温度に基づいて、前記第１の圧縮機の回転数を算出する圧縮機回転数演算手段と、
前記外気温度及び前記第１の圧縮機の回転数に基づいて、前記第２の減圧装置を開いて前記インジェクション回路より前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするか否かを判定するインジェクション要否判定手段と、
前記第１の圧縮機が吐出する冷媒の吐出温度及び前記凝縮器内を流通する冷媒の凝縮温度に基づいて、前記第２の減圧装置の開度を算出する減圧装置開度演算手段と、
前記外気温度及び前記第１の圧縮機の回転数に基づいて、前記第２の圧縮機を作動させるか否かを判定する第２圧縮機作動要否判定手段とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
圧縮過程に冷媒をインジェクション可能な第１の圧縮機、凝縮器、第１の減圧装置及び蒸発器が順次環状に接続された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮器と前記第１の減圧装置との間で分岐され、第２の減圧装置を介して前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするインジェクション回路と、
前記蒸発器と前記第１の圧縮機との間の冷媒を吸入し、該冷媒を圧縮して前記インジェクション回路に導入する第２の圧縮機と、を備え、
前記第１の圧縮機は回転数調整可能な圧縮機からなり、
目標室内温度を設定する室内温度設定手段と、
前記目標室内温度に基づいて目標凝縮温度を設定する目標凝縮温度設定手段と、
外気温度、前記第１の圧縮機が吐出する冷媒の吐出温度、及び前記凝縮器内を流通する冷媒の凝縮温度を計測する温度計測手段と、
前記目標凝縮温度及び前記凝縮温度に基づいて、前記第１の圧縮機の回転数を算出する圧縮機回転数演算手段と、
前記外気温度及び前記第１の圧縮機の回転数に基づいて、前記第２の減圧装置を開いて前記インジェクション回路より前記第１の圧縮機に冷媒をインジェクションするか否かを判定するインジェクション要否判定手段と、
前記第１の圧縮機が吐出する冷媒の吐出温度及び前記凝縮器内を流通する冷媒の凝縮温度に基づいて、前記第２の減圧装置の開度を算出する減圧装置開度演算手段と、
前記外気温度及び前記第１の圧縮機の回転数に基づいて、前記第２の圧縮機を作動させるか否かを判定する第２圧縮機作動要否判定手段とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
前記凝縮器と、
前記冷凍サイクル回路と前記インジェクション回路の分岐部と、
の間に第３の減圧装置を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の空気調和装置。
前記インジェクション回路を流通し前記第２の減圧装置で減圧された冷媒と、
前記冷凍サイクル回路を流通する冷媒のうち、前記インジェクション回路の分岐部と前記第１の減圧装置との間を流れる冷媒と、
が熱交換を行う内部熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の空気調和装置。