JP5988244B2

JP5988244B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP5988244B2
Application number: JP2012253080A
Authority: JP
Inventors: 松村　賢治; 賢治松村; 康孝吉田; 横関　敦彦; 敦彦横関; 太田　裕樹; 裕樹太田
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014102019A

Description

本発明は、強制循環方式の冷房運転と、自然循環方式の冷房運転を切り換えて運転が可能な空気調和機に関する。

近年のエネルギー枯渇問題、地球温暖化問題が注目を浴び、空気調和機の省エネ性が一層重要視されている。一方ビルや事務所等においてＯＡ機器などによる負荷は増加の一方であり、外気温度の低い春や秋でも冷房が必要とされるケースが増えている。

このような状況において、空気調和機の省エネ性を向上させるために、特許第４１６７１９６号公報（特許文献１）のものでは、自然循環冷房運転と強制循環冷房運転を組み合わせた空気調和機が提案されている。即ち、この特許文献１には、外気温度が低い場合には、圧縮機を停止させて、重力による冷媒の循環を利用した動力の少ない自然循環冷房運転を行い、外気温度が高く高負荷の場合には、圧縮機を運転する強制循環冷房運転を行う自然循環併用式の空気調和機が記載されている。

また、特開２００３−２８９１９５号公報（特許文献２）のものには、発熱部品を含む機器を収納した収納箱の筐体内を冷却する冷却装置において、外気温度と筐体内温度に基づいて、冷媒強制循環方式による運転と冷媒自然循環方式による運転を切り換えることが記載されている。更に、この特許文献２には、前記冷媒自然循環方式による冷却運転時には、電子膨張弁の開度を調整して冷媒流量を調整し、筐体内の温度を調節することについても記載されている。

特許第４１６７１９６号公報特開２００３−２８９１９５号公報

自然循環方式による冷房運転においては、室内の温度を制御する場合、強制循環方式による冷房運転のように、圧縮機の制御によって能動的に冷却能力を制御することはできない。
上記特許文献１のものには、自然循環方式による冷房運転において、室内の温度を制御することについての配慮が為されていない。

また、上記特許文献２のものでは、冷媒自然循環方式による冷却運転時には、電子膨張弁の開度を調整することにより、流れる冷媒の流量を調整して、冷却能力を制御することが開示されている。しかし、自然循環方式の冷房運転時に、室内の温度を制御するために、電子膨張弁を全開或いは全閉に制御して、自然循環冷房運転の起動（オン）、停止（オフ）を繰り返すように制御することの開示はない。また、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させている状態から、前記電子膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させる場合に、スムーズに起動させることについての配慮も為されていない。

本発明の目的は、自然循環冷房運転の起動、停止を繰り返すことにより室温制御を可能にし、且つ自然循環冷房運転の停止状態からスムーズに自然循環冷房運転を再起動させることのできる空気調和機を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、圧縮機、室外ファンにより送風される室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、膨張弁及び室内ファンにより送風される室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された前記室外側熱交換器とを、前記冷媒配管（接続液配管及び接続ガス配管）で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機であって、前記自然循環冷房運転時には、空調対象の室内空間の温度が設定温度以下となった場合、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させ、前記室内空間の温度が前記設定温度以上となった場合、前記膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させることにより、空調対象の室内空間の温度制御を行なうように構成し、且つ前記自然循環冷房運転の停止時には、前記膨張弁を全閉にすると共に前記室外ファンを停止させ、更に前記膨張弁を全閉にした後、前記室内ファンを所定時間運転し、その後この室内ファンを停止させることを特徴とする。

本発明によれば、自然循環冷房運転の起動、停止を繰り返すことにより室温制御を可能にし、且つ自然循環冷房運転の停止状態からスムーズに自然循環冷房運転を再起動させることのできる空気調和機を得ることができる効果がある。

本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。

以下、本発明の空気調和機の具体的実施例を図面に基づき説明する。

図１は本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図である。この図１において、１はスクロール圧縮機などで構成された圧縮機、２は室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、３は電子膨張弁などで構成された室内膨張弁、４は室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器で、これらの機器は順次冷媒配管（接続液配管５や接続ガス配管６など）で接続されている。また、前記圧縮機１の吸込側の冷媒配管と吐出側の冷媒配管とは、前記圧縮機１をバイパスするようにバイパス配管７で接続されており、このバイパス配管７には前記室外側熱交換器２側へのみ冷媒流通を可能にする逆止弁８が設けられている。
９は前記室外側熱交換器２へ室外空気を送風する室外ファン、１０は前記室内側熱交換器４へ室内空気を送風する室内ファンである。

前述した圧縮機１、室外側熱交換器２、バイパス配管７、逆止弁８及び室外ファン９などは室外に設置される室外機１００内に設けられており、前述した室内膨張弁３、室内側熱交換器４及び室内ファン１０などは室内に設置される室内機２００内に設けられている。前記室外機１００と前記室内機２００とは前記接続液配管５及び前記接続ガス配管６で接続され、また前記室外機１００は前記室内機２００よりも高い位置、例えばビルの屋上などに設置されている。

即ち、本実施例の空気調和機は、前記圧縮機１を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転だけでなく、前記室内側熱交換器４と、これよりも高い位置に設置された前記室外側熱交換器２とを、前記接続液配管５及び前記接続ガス配管６で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転も可能な構成になっており、前記強制循環冷房運転と前記自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機となっている。

前記強制循環冷房運転時には、図１の実線黒塗り矢印のように冷媒は流れる。即ち、圧縮機１から出た冷媒は、上方に設置された室外側熱交換器２に流入し、ここで室外ファン９により送風される室外空気と熱交換して液化する。その後、この液化した液冷媒は、接続液配管５を流れて室内膨張弁３で減圧され、室内側熱交換器４に入る。ここで、冷媒は、室内ファン１０で送られる室内空気と熱交換して該空気を冷却すると共に、自らは蒸気を増やし（気化し）、接続ガス配管６を流れて前記圧縮機１に再び吸入されるという冷凍サイクルを繰り返す。

自然循環冷房運転時には、図の実線白抜き矢印のように冷媒が流れる。自然循環冷房運転においては、前記圧縮機１を停止する。このため、前記圧縮機１には冷媒が流れず、前記室内側熱交換器４からのガス冷媒（気体冷媒）は、バイパス配管７及び逆止弁８を通過して前記室外側熱交換器２に流れる。また、前記室内膨張弁３を全開にし、冷媒が流れる流動抵抗を極力少なくする。

この自然循環冷房運転は、室外空気の温度が低く、室内空気の温度が高い場合に、効率の良い運転が可能になる。この自然循環冷房運転を確実に行なうためには、前記接続液配管５に液冷媒が確実に流れ、前記接続ガス配管６にはガス冷媒（気体冷媒）が確実に流れるようにする必要がある。

自然循環冷房運転は、圧縮機のような能動的に能力を制御する手段を持たず、冷媒を重力により循環させて行なう運転である。このため、室温を制御するには次のように行なう。即ち、自然循環冷房運転中に、室内の温度が設定温度以下となった場合、例えば前記設定温度よりも−０．２Ｋ程度の若干の補正量を加えた分だけ下回った時点で、前記室外ファン９を停止させ、且つ前記室内膨張弁３を全閉として、冷房能力を発生させないように制御する。このように自然循環冷房運転時には前記室外ファン９を停止させることでエネルギー消費を抑えることができる。

自然循環冷房運転を停止後、室内の温度が前記設定温度以上となった場合、例えば前記設定温度よりも＋０．２Ｋ程度の若干の補正量分だけ更に上昇した時点で、前記室外ファン９の運転を開始し、且つ前記室内膨張弁３を全開にすることで、自然循環冷房運転を再起動させる。即ち、冷媒を再び自然循環させて冷房能力を発生させる。

自然循環冷房運転を停止させたり、その停止後再起動させるための温度については、上記設定温度で行なっても良いが、上述した例のように、停止させる際には、設定温度にマイナスの補正量を加え、再起動させる際にはプラスの補正量を加えた温度になった時点で停止或いは再起動させるように制御することにより、起動、停止のハンチングを防止することができ、より信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

また、自然循環冷房運転中には、室内側熱交換器４内の冷媒及びその流れている流路（室内側熱交換器４内の冷媒配管や接続ガス配管６）は冷えているため、前記自然循環冷房運転を停止させて冷媒の流れが停止すると、室内側熱交換器４内の冷媒が凝縮液化して溜まり、また前記接続ガス配管６内の冷媒も凝縮液化して前記接続ガス配管の途中に滞留したり、前記室内側熱交換器４内に逆流して溜まってしまう。このように前記室内側熱交換器４内や前記接続ガス配管６の途中に液冷媒が満たされてしまうと、次の自然循環冷房運転の再起動時に、この冷媒を押し出すことができず、自然循環冷房運転の再起動が困難になる。

そこで、本実施例では、自然循環冷房運転を実施中の状態から、この自然循環冷房運転を停止させる際には、次のような移行制御を行なうようにしている。即ち、まず、前述したように、前記室外ファン９を停止させると共に、前記室内膨張弁３を全閉として、冷房能力を発生させないようにする。そして、前記室内ファン１０については、前記室内膨張弁３を全閉とした後、予め決めた所定時間運転を継続するように制御する。この所定時間は、前記室内側熱交換器４内の液冷媒のほぼ全てを気化させるために要する時間以上に設定すると良い。

このように制御することにより、停止中の室内側熱交換器４の温度を上昇させることができるため、自然循環冷房運転停止させて冷媒の流れが停止しても、室内側熱交換器内の液冷媒を気化させることができ、また室内側熱交換器４内の冷媒が凝縮液化して溜まるのも防止できる。更に、前記接続ガス配管６内の冷媒が、凝縮液化して該接続ガス配管６の途中に滞留したり、前記室内側熱交換器４内に逆流して溜まるのも防止できる。
なお、前記所定時間経過後は、前記室内ファン１０も停止するように制御し、消費電力の消費を抑える。

自然循環冷房運転の停止したことにより、室内空間の温度が設定温度（本実施例では設定温度にプラスの補正量を加えた温度）以上になると、前記室外ファン９及び前記室内ファン１０を作動させ、前記室内膨張弁３を全開にすることで、自然循環冷房運転を再起動させ、冷房能力を発生させる。このように、自然循環冷房運転の起動、停止を繰り返すことにより、室温制御を可能にすることができる。

なお、上述した本実施例においては、前記室内空間の温度が前記設定温度よりも所定温度低下した場合に、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させ、前記室内空間の温度が前記設定温度よりも所定温度上昇した場合に、前記膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させるようにして、起動、停止のハンチングを防止するようにしている。しかし、自然循環冷房運転を停止後、前記室内空間の温度上昇が遅い場合、前記接続液配管５内の冷媒液の一部が気化（ガス化）する。特に、室内機２００内の前記室内膨張弁３上流側の接続液配管５の部分５ａは温度の高い室内空気にから熱を受け易く、気化し易い。接続液配管５で気化した冷媒は気泡となって接続液配管５内を上昇し、前記接続液配管５の上部、特に室外機１００の室外側熱交換器２の下流側の部分５ｂなどに前記気泡が溜まり易い。

このように、前記接続液配管５に気化した冷媒が溜まると、自然循環冷房運転を再起動させるために、前記室外ファン９を作動させて、前記室外側熱交換器２内の冷媒を凝縮させても、その液冷媒が前記接続液配管５を伝わって前記室内側熱交換器４側に流れ難くなり、再起動が困難になる可能性がある。

そこで、本実施例では、前述したように、自然循環冷房運転を停止後、室内の温度が前記設定温度以上となった場合には、前記設定温度よりも例えば０．２Ｋ程度の僅かな補正量分だけ更に上昇した時点で、前記室外ファン９の運転を開始し、且つ前記室内膨張弁３を全開にすることで、自然循環冷房運転を再起動させるようにしている。

強制循環冷房運転においては、ハンチング防止のため、設定温度よりも通常±１〜２Ｋ程度の補正量をとるようにしているが、本実施例では前記補正量を±０．２Ｋ程度（例えば±０．１〜０．３Ｋの範囲内）の僅かな補正量とすることで、自然循環冷房運転の停止時間があまり長くならないようにすることができる。例えば、停止時間が好ましくは１〜２分となるようにすることができる。

なお、前記室内膨張弁３を全閉にして自然循環冷房運転を停止させた後、前記室内空間の負荷が小さく、温度が前記設定温度よりも所定温度上昇していない場合であっても、自然循環冷房運転を停止後一定時間（２〜１５分程度、好ましくは２〜５分）経過した場合には、前記室内膨張弁３を全開にして自然循環冷房運転を再起動させるように構成すると、再起動が困難になる可能性を低減できる。

このように、自然循環冷房運転の起動、停止を繰り返すことにより、室温制御を可能にすると共に、自然循環冷房運転の停止状態からスムーズに自然循環冷房運転を再起動させることのできる空気調和機を得ることができる。

また、自然循環冷房運転を停止して、前記室内ファン１０も停止させた後には、消費電力をほぼゼロの状態にすることができるから、高いＣＯＰを維持し且つ室温を設定温度に制御することも可能な自然循環冷房運転を実現できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例では、前記室内膨張弁３を電子膨張弁で構成する例について説明したが、前記室内膨張弁３は電子膨張弁に限られるものではなく、自然循環冷房運転において、前記室内側熱交換器４へ液冷媒を流入させたり、流入を停止させることができる膨張弁（膨張弁などの減圧装置と開閉弁を有するバイパス回路を組合せて構成したものもこの膨張弁の概念に含まれるものである）であれば良い。

また、上記実施例では、前記室内膨張弁３を開閉することで、自然循環冷房運転時における液冷媒の流入／停止を制御する例について説明したが、自然循環冷房運転時における液冷媒の流入／停止を制御する膨張弁は前記室内膨張弁３に限られるものではなく、例えば、前記室外機１００と室内機２００との間における前記接続液配管５などに膨張弁を設けて制御するようにしても良い。

更に、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…圧縮機、
２…室外側熱交換器、
３…室内膨張弁（膨張弁）、
４…室内側熱交換器、
５…接続液配管、６…接続ガス配管、
７…バイパス配管、８…逆止弁、
９…室外ファン、１０…室内ファン。

Claims

圧縮機、室外ファンにより送風される室外空気と熱交換を行なう室外側熱交換器、膨張弁及び室内ファンにより送風される室内空気と熱交換を行なう室内側熱交換器を順次冷媒配管で接続し、前記圧縮機を運転させて冷媒を強制循環させる強制循環冷房運転と、
前記室内側熱交換器と、この室内側熱交換器よりも高い位置に設置された前記室外側熱交換器とを、前記冷媒配管で接続し、重力を利用して前記冷媒を自然循環させる自然循環冷房運転とを切替えて運転可能な空気調和機であって、
前記自然循環冷房運転時には、空調対象の室内空間の温度が設定温度以下となった場合、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させ、前記室内空間の温度が前記設定温度以上となった場合、前記膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させることにより、空調対象の室内空間の温度制御を行なうように構成し、且つ
前記自然循環冷房運転の停止時には、前記膨張弁を全閉にすると共に前記室外ファンを停止させ、更に前記膨張弁を全閉にした後、前記室内ファンを所定時間運転し、その後この室内ファンを停止させる
ことを特徴とする空気調和機。
請求項１に記載の空気調和機であって、前記室内空間の温度が前記設定温度よりも所定温度低下した場合に、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させ、前記室内空間の温度が前記設定温度よりも所定温度上昇した場合に、前記膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させることを特徴とする空気調和機。
請求項２に記載の空気調和機であって、前記膨張弁を全閉にして自然循環冷房運転を停止させた後、前記室内空間の温度が前記設定温度よりも所定温度上昇していない場合であっても、自然循環冷房運転を停止後一定時間経過した場合には、前記膨張弁を全開にして自然循環冷房運転を再起動させることを特徴とする空気調和機。
請求項１に記載の空気調和機であって、前記膨張弁を全閉にした後、前記室内ファンを運転するための前記所定時間は、前記室内側熱交換器内の液冷媒を気化させるために要する時間以上に設定されていることを特徴とする空気調和機。