WO2019215813A1 - 空気調和機 - Google Patents

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heat exchanger
flow rate
outside air
indoor
air conditioner
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Inventor
結 義澤
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00Control or safety arrangements
    • F24F11/70Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
    • F24F11/83Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air by controlling the supply of heat-exchange fluids to heat-exchangers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/044Systems in which all treatment is given in the central station, i.e. all-air systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B6/00Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/02Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in parallel

Definitions

  • the present invention relates to an air conditioner including an indoor unit that directly takes outside air into the inside and blows out outside air that has been air-conditioned by an indoor heat exchanger.
  • an air conditioner equipped with a so-called all-fresh indoor unit in which outside air is directly taken into the inside and outside air conditioned by an indoor heat exchanger is blown into the room.
  • this air conditioner when the outside air temperature is lowered and the temperature of the intake air is lowered, the operation capability is lowered, and there is a possibility that the operation is abnormal due to the temperature drop of the refrigerant circuit.
  • air conditioners equipped with all-fresh indoor units are widely used in facilities such as hospitals and factories in cold regions. For this reason, in cold districts, air conditioners have been used by, for example, performing a primary treatment by heating the sucked air with an electric heater or the like and then sending it to a heat exchanger.
  • the replacement ventilation system disclosed in Patent Literature 1 includes an indoor unit having a plurality of indoor heat exchangers arranged in an air-conditioned space, and an outdoor unit having an outdoor heat exchanger and a compressor arranged outside the room. ing.
  • This replacement ventilation system increases the number of indoor heat exchangers used when the temperature difference between the intake air temperature and the blown air temperature of the indoor unit increases, and the number of indoor heat exchangers used when the temperature difference decreases. It is the structure which decreases.
  • the replacement ventilation system disclosed in Patent Document 1 suppresses the generation of a draft that descends toward the floor and flows along the floor due to a buoyancy difference due to a temperature difference between the low-temperature air supplied to the air-conditioned space and the room air. It is a configuration. In other words, this replacement ventilation system is not a configuration considering operation in a cold region where the temperature of the intake air is low. Therefore, this replacement ventilation system may not be able to raise the room temperature without increasing the amount of heat exchange, for example, in an operating state where the temperature difference between the blown air and the intake air is small and the outside air temperature is low. Further, when the temperature of the intake air is lowered, the driving ability is lowered, and there is a possibility that the operation is abnormal due to the temperature drop of the refrigerant circuit.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the heat exchange amount of the indoor unit can be increased as appropriate, and the primary treatment by heating with an electric heater or the like is performed. It aims at providing the air conditioner which can perform a stable driving
  • An air conditioner includes an outdoor unit having at least an outdoor heat exchanger and a compressor, and at least an indoor heat exchanger and an expansion mechanism, and takes outside air directly into the outside and is conditioned by the indoor heat exchanger.
  • the opening degree of the flow regulating valve can be adjusted, and the heat exchange amount can be appropriately increased using the auxiliary heat exchanger. Stable operation can be performed without performing primary treatment by heating with an electric heater or the like.
  • FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of an air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing the indoor unit of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an air conditioner 100 according to Embodiment 1 includes an outdoor unit 1 having an outdoor heat exchanger 10 and a compressor 11, and an indoor unit 2 having an indoor heat exchanger 20 and an expansion mechanism 21. , And a control unit 5 for overall control.
  • FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of an air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing the indoor unit of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • an air conditioner 100 according to Embodiment 1 includes an outdoor unit 1 having an outdoor heat exchanger 10 and a compressor 11, and an indoor unit 2 having an indoor heat exchanger 20 and an expansion mechanism 21. , And a control unit 5 for overall control.
  • FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram
  • the indoor unit 2 according to Embodiment 1 is a so-called all-fresh indoor unit that takes in outside air directly from the outside B and blows out outside air conditioned by the indoor heat exchanger 20 into the room A.
  • the white arrow shown in FIG. 2 has shown the flow of air.
  • the refrigerant circuit of the air conditioner 100 is configured by sequentially connecting the outdoor heat exchanger 10, the compressor 11, the indoor heat exchanger 20, and the expansion mechanism 21 by refrigerant piping.
  • the outdoor heat exchanger 10 functions as an evaporator during heating operation, and performs heat exchange between the refrigerant flowing out of the expansion mechanism 21 and the air.
  • the outdoor heat exchanger 10 functions as a condenser during the cooling operation, and exchanges heat between the refrigerant discharged from the compressor 11 and the air.
  • the outdoor heat exchanger 10 draws in outside air with an outdoor fan (not shown), and discharges the air exchanged heat with the refrigerant to the outside.
  • the compressor 11 compresses the sucked refrigerant and discharges it in a high temperature and high pressure state.
  • the compressor 11 has a configuration in which the operation capacity can be varied, and is a positive displacement compressor driven by a motor controlled by an inverter.
  • the indoor heat exchanger 20 functions as a condenser during heating operation, and performs heat exchange between the refrigerant discharged from the compressor 11 and air.
  • the indoor heat exchanger 20 functions as an evaporator during the cooling operation, and performs heat exchange between the refrigerant flowing out of the expansion mechanism 21 and the air.
  • the indoor heat exchanger 20 sucks outside air with an indoor blower (not shown) and supplies air indoors that has exchanged heat with the refrigerant.
  • the expansion mechanism 21 expands the refrigerant flowing in the refrigerant circuit by reducing the pressure, and includes an electronic expansion valve whose opening degree can be variably controlled.
  • the expansion mechanism 21 is controlled by the control unit 5.
  • the control unit 5 includes an arithmetic device such as a microcomputer or a CPU and software executed thereon.
  • the control unit 5 may be configured by hardware such as a circuit device that realizes the function.
  • the high-temperature and high-pressure gas refrigerant compressed by the compressor 11 flows into the indoor heat exchanger 20.
  • the high-temperature and high-pressure gas refrigerant flowing into the indoor heat exchanger 20 exchanges heat with the outside air passing through the indoor heat exchanger 20 to become a high-pressure liquid refrigerant.
  • the high-pressure liquid refrigerant that has flowed out of the indoor heat exchanger 20 is decompressed by the expansion mechanism 21, becomes a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant, and flows into the outdoor heat exchanger 10.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant that has flowed into the outdoor heat exchanger 10 exchanges heat with the outside air that passes through the outdoor heat exchanger 10 to become a low-temperature and low-pressure gas refrigerant and is sucked into the compressor 11.
  • a refrigerant flow switching device such as a four-way valve may be provided to switch the refrigerant flow direction in the refrigeration cycle between the cooling operation and the heating operation.
  • the high-temperature and high-pressure gas refrigerant compressed by the compressor 11 flows into the outdoor heat exchanger 10 via the refrigerant flow switching device.
  • the high-temperature and high-pressure gas refrigerant flowing into the outdoor heat exchanger 10 exchanges heat with outdoor air passing through the outdoor heat exchanger 10 to become a high-pressure liquid refrigerant.
  • the high-pressure liquid refrigerant flowing out of the outdoor heat exchanger 10 is depressurized by the expansion mechanism 21 and flows into the indoor heat exchanger 20 as a low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant.
  • the low-pressure gas-liquid two-phase refrigerant that has flowed into the indoor heat exchanger 20 exchanges heat with the outside air that passes through the indoor heat exchanger 20 to become a low-temperature low-pressure gas refrigerant and is sucked into the compressor 11.
  • the air conditioner 100 according to Embodiment 1 has a configuration in which the indoor unit 2 is an all-fresh indoor unit. That is, the indoor unit 2 has a structure in which the outside air is directly taken into the interior and the outside air conditioned by the indoor heat exchanger 20 is blown out into the room A. Compared with an air conditioner, the influence of a decrease in outside air temperature is large. Therefore, particularly in cold regions where the temperature of the intake air is low, there is a situation where the operation cannot be performed due to restrictions on the indoor unit side even if the outdoor unit side can be operated.
  • the indoor unit 2 of the air conditioner 100 according to Embodiment 1 flows to the auxiliary heat exchanger 3 that bypasses a part of the refrigerant discharged from the compressor 11 and performs heat exchange, and the auxiliary heat exchanger 3.
  • the flow rate adjusting valve 4 for adjusting the flow rate of the refrigerant is provided.
  • the auxiliary heat exchanger 3 functions as a condenser and exchanges heat between the refrigerant discharged from the compressor 11 and the air.
  • the auxiliary heat exchanger 3 sucks outside air with an indoor blower (not shown) and supplies air that has been heat-exchanged with the refrigerant into the room.
  • the flow rate adjusting valve 4 is an electromagnetic valve or the like whose opening degree can be controlled variably.
  • the control unit 5 adjusts the opening degree of the flow rate adjusting valve 4 based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6. Specifically, when the control unit 5 determines that the outside air temperature detected by the outside air temperature detection means 6 is equal to or less than a set threshold value, the control unit 5 performs control to increase the opening degree of the flow rate adjustment valve 4.
  • the outside air temperature detection means 6 is a temperature sensor such as a thermistor and is provided in the outdoor unit 1.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the operating capacity of the indoor unit of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention and the outside air temperature.
  • the horizontal axis indicates the outside air temperature.
  • the vertical axis represents the operating capacity (rated ratio) of the indoor unit 2.
  • FIG. 4 is explanatory drawing which showed an example of operation
  • the indoor unit 2 has a lower operating capacity (rated ratio) as the outside air temperature decreases.
  • the indoor unit 2 has an operating capacity of 80% when the outside air temperature becomes ⁇ 10 ° C.
  • the control unit 5 performs control to turn on the flow rate adjustment valve 4 to open the refrigerant and allow the refrigerant to flow into the auxiliary heat exchanger 3. .
  • control unit 5 When the temperature is higher than ⁇ 10 ° C., the control unit 5 performs control to turn off the flow rate adjustment valve 4 and close it. In addition, the heat exchange capacity of the outdoor unit 1 as well as the indoor unit 2 is increased by flowing the refrigerant into the auxiliary heat exchanger 3. Therefore, the control part 5 controls the outdoor unit 1 according to the indoor unit 2 in which a heat exchange capacity increases.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating the control operation of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the air conditioner 100 starts the heating operation.
  • the control unit 5 closes the flow rate adjustment valve 4 until the outside air temperature reaches the target threshold value, and performs control by the expansion mechanism 21 and the compressor 11.
  • step S101 the control unit 5 determines whether or not the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6 is equal to or less than a preset target threshold value.
  • the target threshold value is ⁇ 10 ° C. as an example.
  • step S102 the control unit 5 determines that the operating capacity of the indoor unit 2 has decreased due to a decrease in the temperature of the intake air, and has entered a region where there is a possibility of an abnormal operation. And the auxiliary heat exchanger 3 is used to increase the heat exchange capacity. And it returns to step S101 again and the control part 5 determines whether the outside temperature detected by the outside temperature detection means 6 is below a preset threshold value.
  • step S103 the control unit 5 turns off the flow rate adjusting valve 4 to close it, stops the use of the auxiliary heat exchanger 3, and prevents dew or deterioration of controllability due to excessive capacity. And it returns to step S101 again and the control part 5 determines whether the outside temperature detected by the outside temperature detection means 6 is below a preset threshold value.
  • the air conditioner 100 adjusts the ratio of the refrigerant flow rate between the indoor heat exchanger 20 and the auxiliary heat exchanger 3 even during normal operation where the outside air temperature is higher than the threshold value, so that the refrigerant is also supplied to the auxiliary heat exchanger 3. May be flushed. That is, the control unit 5 performs control so that the flow rate adjustment valve 4 is always open. This is to prevent a situation where the auxiliary heat exchanger 3 that is not used becomes an obstacle and the operating capacity of the indoor unit 2 is reduced when the intake air is large.
  • a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the refrigerant discharged from the compressor 11 and flowing into the indoor heat exchanger 20 is provided between the indoor heat exchanger 20 and the compressor 11, and the flow rate adjustment is performed by the control unit 5. It is good also as composition which controls a valve.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a combination of the refrigerant flow rate ratio of the indoor heat exchanger and the refrigerant flow rate ratio of the auxiliary heat exchanger.
  • the threshold value is when the temperature detected by the outside air temperature detection means 6 reaches ⁇ 10 ° C.
  • the refrigerant flow rate ratio during normal operation where the temperature is higher than the threshold is 50% for the indoor heat exchanger 20 and 50% for the auxiliary heat exchanger 3 so that the refrigerant flowing into the auxiliary heat exchanger 3 does not become zero.
  • the total is set to 100%.
  • the refrigerant flow rate ratio is set to 75% for the indoor heat exchanger 20 and 75% for the auxiliary heat exchanger 3 so that the total is 150%. Further, when the outside air temperature exceeds the threshold and reaches ⁇ 20 ° C., the refrigerant flow rate ratio is set to be 200% in total, with the indoor heat exchanger 20 being 100% and the auxiliary heat exchanger 3 being 100%. To do.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the arrangement of the indoor heat exchanger and the auxiliary heat exchanger of the air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the white arrow shown in FIG. 7 has shown the flow of air.
  • the indoor heat exchanger 20 and the auxiliary heat exchanger 3 are sequentially arranged along the flow direction of the outside air taken into the indoor unit 2.
  • the indoor heat exchanger 20 is installed at a position where the outside air flows most.
  • the controller 5 adjusts the opening degree of the flow rate adjusting valves 22 and 4 based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6 and preferentially increases the refrigerant flow rate of the indoor heat exchanger 20 into which the outside air is directly taken.
  • the control part 5 may adjust only the opening degree of the flow regulating valve 4, and may perform control which gives priority and increases the refrigerant
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the arrangement of the indoor heat exchanger and the auxiliary heat exchanger of the
  • the invaded outside air can be quickly heat-exchanged. A situation in which air having a low temperature flows into the circuit can be prevented.
  • control unit 5 adjusts the opening degree of the flow rate adjusting valves 22 and 4 based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6, and gives priority to the refrigerant flow rate of the auxiliary heat exchanger 3 into which the outside air is directly taken. And control to increase. Note that the control unit 5 may perform control to preferentially increase the refrigerant flow rate of the auxiliary heat exchanger 3 by adjusting only the opening degree of the flow rate adjustment valve 4.
  • the indoor unit 2 of the air conditioner 100 includes the auxiliary heat exchanger 3 that bypasses a part of the refrigerant discharged from the compressor 11 and performs heat exchange, and the auxiliary heat exchanger. And a flow rate adjusting valve 4 that adjusts the flow rate of the refrigerant flowing to 3.
  • the control unit 5 adjusts the opening degree of the flow rate adjustment valve 4 based on the outside air temperature. Specifically, when the control unit 5 determines that the outside air temperature is equal to or lower than a preset threshold value, the control unit 5 performs control to increase the opening degree of the flow rate adjustment valve 4.
  • the air conditioner 100 according to Embodiment 1 adjusts the opening of the flow rate adjustment valve 4 and uses the auxiliary heat exchanger 3 to exchange heat when the outside air temperature becomes low in a cold region or the like. Since the amount can be appropriately increased, stable operation can be performed without performing primary treatment by heating with an electric heater or the like.
  • FIG. 8 is a refrigerant circuit diagram of the air conditioner according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of the operation of the flow regulating valve of the air conditioner according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the second embodiment only the parts different from the configuration described in the first embodiment will be described.
  • symbol is attached
  • the indoor unit 2 of the air conditioner 101 according to Embodiment 2 has a configuration in which two sets of the auxiliary heat exchanger 3 and the flow rate adjustment valve 4 are provided in parallel.
  • the auxiliary heat exchanger 3 includes a first auxiliary heat exchanger 3a and a second auxiliary heat exchanger 3b.
  • the flow rate adjusting valve 4 includes a first flow rate adjusting valve 4a and a second flow rate adjusting valve 4b.
  • the controller 5 adjusts the opening degree of the first flow rate adjusting valve 4a and the second flow rate adjusting valve 4b based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6.
  • the control unit 5 performs control to turn on the first flow rate adjustment valve 4a to open it, and supply the refrigerant to the first auxiliary heat exchanger 3a. Let it flow.
  • the indoor unit 2 has an operating capacity (rated ratio) of 80% when the outside air temperature becomes ⁇ 10 ° C.
  • the control unit 5 performs control to turn on the second flow rate adjustment valve 4b together with the first flow rate adjustment valve 4a to open the second auxiliary heat exchanger 3b. Let the refrigerant flow. As shown in FIG.
  • the indoor unit 2 has an operating capacity (rated ratio) of 70% when the outside air temperature reaches ⁇ 20 ° C. That is, the control part 5 adjusts the opening degree of the 1st flow regulating valve 4a and the 2nd flow regulating valve 4b in steps based on the outside temperature detected by the outside temperature detecting means 6. In addition, the heat exchange capacity of the outdoor unit 1 is increased together with the indoor unit 2 by allowing the refrigerant to flow into the first auxiliary heat exchanger 3a and the second auxiliary heat exchanger 3b. Therefore, the control part 5 controls the outdoor unit 1 according to the indoor unit 2 in which a heat exchange capacity increases.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating the control operation of the air conditioner according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the first threshold value is ⁇ 10 ° C. as an example.
  • the second threshold value is ⁇ 20 ° C. as an example.
  • the air conditioner 100 starts a heating operation.
  • the control unit 5 closes the first flow rate adjustment valve 4a and the second flow rate adjustment valve 4b until the outside air temperature reaches the first threshold value, and performs control by the expansion mechanism 21 and the compressor 11. .
  • step S201 the control unit 5 determines whether or not the outside temperature detected by the outside temperature detecting means 6 is equal to or less than a first threshold value set in advance. If the controller 5 determines that the outside air temperature detected by the outside air temperature detection means 6 is not less than or equal to the first threshold value set in advance, the process proceeds to step S202. On the other hand, if the control part 5 determines with the outside temperature detected by the outside temperature detection means 6 being below the preset 1st threshold value, it will progress to step S203.
  • step S202 the control unit 5 turns off the first flow rate adjustment valve 4a to close it, stops the use of the first auxiliary heat exchanger 3a, and prevents dew or deterioration of controllability due to excessive capacity. . And it returns to step S201 again and the control part 5 determines whether the external temperature detected by the external temperature detection means 6 is below the preset 1st threshold value.
  • step S203 the control unit 5 determines that the operating capacity of the indoor unit 2 has decreased due to a decrease in the temperature of the intake air, and has entered a region where there is a possibility of abnormal operation, and turns on the first flow rate adjustment valve 4a.
  • the heat exchange capacity is increased using the first auxiliary heat exchanger 3a.
  • step S204 the control unit 5 determines whether or not the outside air temperature detected by the outside air temperature detecting means 6 is equal to or lower than a second threshold value set in advance. If the controller 5 determines that the outside air temperature detected by the outside air temperature detection means 6 is not less than or equal to the preset second threshold value, the process proceeds to step S205. On the other hand, if the control part 5 determines with the outside temperature detected by the outside temperature detection means 6 being below the preset 2nd threshold value, it will progress to step S206.
  • step S205 the control unit 5 turns off the second flow rate adjustment valve 4b to close it, and stops the use of the second auxiliary heat exchanger 3b, thereby preventing dew or deterioration of controllability due to excessive capacity. . And it returns to step S201 again and the control part 5 determines whether the external temperature detected by the external temperature detection means 6 is below the preset 1st threshold value.
  • step S206 the control unit 5 turns on the second flow rate adjustment valve 4b to open it, and increases the heat exchange capacity by using the second auxiliary heat exchanger 3b. And it returns to step S204 again and the control part 5 determines whether the outside temperature detected by the outside temperature detection means 6 is below the 2nd threshold value set beforehand.
  • a plurality of sets of the auxiliary heat exchanger 3 and the flow rate adjusting valve 4 are provided in parallel.
  • the control part 5 adjusts the opening degree of the some flow regulating valve 4 based on external temperature. Therefore, in the air conditioner 101 according to the second embodiment, when the outside air temperature becomes low in a cold region or the like, the opening degrees of the first flow rate adjustment valve 4a and the second flow rate adjustment valve 4b are adjusted, and the first By using the auxiliary heat exchanger 3a and the second auxiliary heat exchanger 3b, it is possible to appropriately increase the amount of heat exchange in accordance with the decrease in operating capacity. Therefore, stable operation can be effectively enhanced without performing primary treatment by heating with an electric heater or the like.
  • the present invention has been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above.
  • the illustrated air conditioners 100 and 101 are examples, and are not limited to the above-described contents, and may include other components.
  • the indoor unit 2 is not limited to the illustrated unit, and two or more indoor units may be provided.
  • the present invention includes a range of design changes and application variations usually made by those skilled in the art without departing from the technical idea thereof.

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Abstract

空気調和機は、少なくとも室外熱交換器及び圧縮機を有する室外機と、少なくとも室内熱交換器及び膨張機構を有し、内部に外気を直接取り込み室内熱交換器によって空調した外気を室内に吹き出す室内機と、室内機を制御する制御部と、を備えている。室内機は、圧縮機から吐出された冷媒の一部をバイパスして熱交換する補助熱交換器と、補助熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁と、を有している。制御部は、外気温度に基づいて、流量調整弁の開度を調整する。

Description

空気調和機
 本発明は、外気を内部に直接取り込み、室内熱交換器によって空調された外気を室内に吹き出す室内機を備えた空気調和機に関する。
 従来、外気を内部に直接取り込み、室内熱交換器によって空調された外気を室内に吹き出す、所謂オールフレッシュ室内機を備えた空気調和機が知られている。この空気調和機は、外気温度が低下して吸込空気の温度が低くなると運転能力が低下し、冷媒回路の温度低下によって運転異常となるおそれがあった。特に、吸込み空気の温度が低い寒冷地では、室外機側が運転可能でも、室内機側の制約により運転が行えない状況があった。一方で、寒冷地における病院又は工場などの施設でも、オールフレッシュ室内機を備えた空気調和機が広く使用されている。そのため、寒冷地では、吸い込み空気を電気ヒータなどで加熱による一次処理を行ってから熱交換器に送るなどして空気調和機を使用していた。
 例えば特許文献1に開示された置換換気システムは、空調空間内に配置された複数の室内熱交換器を有する室内ユニットと、室外に配置され室外熱交換器及び圧縮機を有する室外ユニットとを備えている。この置換換気システムは、室内ユニットの吸込空気温度と吹出空気温度との温度差が大になると、室内熱交換器の使用個数を増加させ、温度差が小になると、室内熱交換器の使用個数を減少させる構成である。
特開2010-196978号公報
 特許文献1に開示された置換換気システムは、空調空間に給気された低温空気と室内空気との温度差による浮力差により、床方向に下降して床に沿って流れるドラフトの発生を抑制する構成である。つまり、この置換換気システムは、吸込空気の温度が低い寒冷地での運転を考慮した構成ではない。そのため、この置換換気システムは、例えば吹出空気と吸込空気の温度差が小さく、外気温が低い運転状態において、熱交換量が増加せずに室温を上昇させることができないおそれがある。また、吸込空気の温度が低くなると運転能力が低下し、冷媒回路の温度低下によって運転異常となるおそれがある。
 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、外気温度が低下した場合に、室内機の熱交換量を適宜増加させることができ、電気ヒータなどで加熱による一次処理を行うことなく安定運転を行うことができる、空気調和機を提供することを目的とする。
 本発明に係る空気調和機は、少なくとも室外熱交換器及び圧縮機を有する室外機と、少なくとも室内熱交換器及び膨張機構を有し、内部に外気を直接取り込み前記室内熱交換器によって空調した外気を室内に吹き出す室内機と、前記室内機を制御する制御部と、を備え、前記室内機は、前記圧縮機から吐出された冷媒の一部をバイパスして熱交換する補助熱交換器と、前記補助熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁と、を有し、前記制御部は、外気温度に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整するものである。
 本発明によれば、寒冷地などにおいて外気温度が低温となった場合に、流量調整弁の開度を調整し、補助熱交換器を使用して熱交換量を適宜増加させることができるので、電気ヒータなどで加熱による一次処理を行うことなく安定運転を行うことができる。
本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内機を示した説明図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内機の運転能力と外気温度との関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の流量調整弁の動作の一例を示した説明図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の制御動作を説明するフローチャートである。 室内熱交換器の冷媒流量比率と、補助熱交換器の冷媒流量比率の組み合わせの一例を示した説明図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内熱交換器と補助熱交換器の配置を示した模式図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和機の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和機の流量調整弁の動作の一例を示した説明図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和機の制御動作を説明するフローチャートである。
 以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略又は簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。
 実施の形態1.
 先ず、図1~図7に基づいて、本発明の実施の形態1に係る空気調和機100の構成及び動作を説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の冷媒回路図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内機を示した説明図である。図1に示すように、実施の形態1に係る空気調和機100は、室外熱交換器10及び圧縮機11を有する室外機1と、室内熱交換器20及び膨張機構21を有する室内機2と、全体を統括制御する制御部5と、を備えている。図2に示すように、実施の形態1における室内機2は、室外Bから外気を内部に直接取り込み、室内熱交換器20で空調した外気を室内Aに吹き出す、所謂オールフレッシュ室内機である。図2に示した白抜き矢印は、空気の流れを示している。
 空気調和機100の冷媒回路は、室外熱交換器10、圧縮機11、室内熱交換器20及び膨張機構21を、冷媒配管により順次に接続して構成されている。室外熱交換器10は、暖房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構21から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室外熱交換器10は、冷房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機11から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室外熱交換器10は、図示省略の室外送風機によって外気を吸入し、冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する。
 圧縮機11は、吸入した冷媒を圧縮し、高温高圧の状態にして吐出するものである。圧縮機11は、一例として、運転容量を可変させることが可能とした構成であり、インバータにより制御されるモータによって駆動される容積式圧縮機である。
 室内熱交換器20は、暖房運転時には凝縮器として機能し、圧縮機11から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。また、室内熱交換器20は、冷房運転時には蒸発器として機能し、膨張機構21から流出した冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。室内熱交換器20は、図示省略の室内送風機によって外気を吸入し、冷媒との間で熱交換した空気を室内に供給する。
 膨張機構21は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧して膨張させるものであり、開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成される。膨張機構21は、制御部5によって制御される。
 制御部5は、例えばマイコン又はCPUのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成される。なお、制御部5は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアにより構成されてもよい。
 次に、実施の形態1に係る空気調和機100の暖房運転時の動作について説明する。圧縮機11により圧縮された高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器20に流入する。室内熱交換器20に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器20を通過する外気と熱交換して高圧の液冷媒となる。室内熱交換器20から流出した高圧の液冷媒は、膨張機構21で減圧され、低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器10に流入する。室外熱交換器10に流入した低圧の気液二相の冷媒は、室外熱交換器10を通過する外気と熱交換して低温低圧のガス冷媒となって圧縮機11に吸入される。
 なお、図示することは省略したが、例えば四方弁等の冷媒流路切替装置を設けて、冷房運転時と暖房運転時とで冷凍サイクルの冷媒の流れ方向を切り替える構成としてもよい。空気調和機100の冷房運転時の動作は、圧縮機11により圧縮された高温高圧のガス冷媒が、冷媒流路切替装置を介して室外熱交換器10に流入する。室外熱交換器10に流入した高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器10を通過する室外空気と熱交換して高圧の液冷媒となる。室外熱交換器10から流出した高圧の液冷媒は、膨張機構21で減圧され、低圧の気液二相の冷媒となって室内熱交換器20に流入する。室内熱交換器20に流入した低圧の気液二相の冷媒は、室内熱交換器20を通過する外気と熱交換して低温低圧のガス冷媒となって圧縮機11に吸入される。
 実施の形態1に係る空気調和機100は、図2に示すように、室内機2をオールフレッシュ室内機とした構成である。つまり、室内機2は、外気を内部に直接取り込み、室内熱交換器20によって空調した外気を室内Aへ吹き出す構造なので、室内の空気を吸い込み室内熱交換器を通した空気を室内へ吹き出す通常の空気調和機と比べて、外気温度の低下の影響が大きい。そのため、特に吸い込み空気の温度が低い寒冷地においては、室外機側が運転可能でも、室内機側の制約により運転が行えない状況があった。
 そこで、実施の形態1に係る空気調和機100の室内機2は、圧縮機11から吐出された冷媒の一部をバイパスして熱交換する補助熱交換器3と、補助熱交換器3に流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁4と、を備えた構成としている。
 補助熱交換器3は、凝縮器として機能し、圧縮機11から吐出された冷媒と空気との間で熱交換を行わせるものである。補助熱交換器3は、図示省略の室内送風機によって外気を吸入し、冷媒との間で熱交換した空気を室内に供給する。
 流量調整弁4は、開度が可変に制御可能とした電磁弁等である。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度に基づいて、流量調整弁4の開度を調整する。具体的には、制御部5は、外気温度検知手段6により検知した外気温度が設定した閾値以下であると判断すると、流量調整弁4の開度を増加させる制御を行う。なお、外気温度検知手段6は、例えばサーミスタ等の温度センサであり、室外機1に設けられている。
 次に、図3及び図4に基づいて、室内機2の運転能力と、当該運転能力に基づく流量調整弁4の制御について説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内機の運転能力と外気温度との関係を示したグラフである。横軸は、外気温度を示している。縦軸は、室内機2の運転能力(定格比)を示している。また、図4は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の流量調整弁の動作の一例を示した説明図である。
 図3に示すように、室内機2は、外気温度が低下するにつれて、運転能力(定格比)が低下していることがわかる。例えば、室内機2は、外気温度が-10℃になると、運転能力が80%になる。室内機2の運転能力が80%以下は、吸込み空気の温度低下によって、室内機2の運転能力が低下し、運転異常の可能性がある領域である。このデータは、制御部5に記憶されている。図4に示すように、制御部5は、例えば外気温度が-10℃以下であると、流量調整弁4をONにして開状態とする制御を行い、補助熱交換器3に冷媒を流入させる。制御部5は、-10℃よりも高い温度であると流量調整弁4をOFFにして閉状態とする制御を行う。なお、補助熱交換器3に冷媒を流入させることによって、室内機2と共に室外機1の熱交換容量も増加する。そのため、制御部5は、熱交換容量が増加する室内機2に合わせて室外機1の制御を行う。
 次に、実施の形態1に係る空気調和機100の制御動作を、図1~図4を参照しつつ図5に示すフローチャートに基づいて説明する。図5は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の制御動作を説明するフローチャートである。
 図5に示すように、空気調和機100は、暖房運転を開始する。制御部5は、暖房運転の開始時において、外気温度が目標の閾値に達するまで流量調整弁4を閉じて、膨張機構21及び圧縮機11による制御を行う。
 ステップS101において、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した目標の閾値以下であるか否かについて判定する。図3及び図4に示すように、目標の閾値は、一例として-10℃である。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した閾値以下であると判定すると、ステップS102に進む。一方、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した閾値以下でないと判定すると、ステップS103に進む。
 ステップS102において、制御部5は、吸込み空気の温度低下によって、室内機2の運転能力が低下し、運転異常の可能性がある領域となったと判断し、流量調整弁4をONにして開状態とし、補助熱交換器3を使用して熱交換容量を増加させる。そして、再びステップS101に戻り、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した閾値以下であるか否かについて判定する。
 ステップS103において、制御部5は、流量調整弁4をOFFにして閉状態とし、補助熱交換器3の使用を停止させて、能力過多による露付き又は制御性の悪化を防止する。そして、再びステップS101に戻り、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した閾値以下であるか否かについて判定する。
 なお、空気調和機100は、外気温度が閾値よりも高い通常運転時でも、室内熱交換器20と補助熱交換器3の冷媒流量の比率を調整して、補助熱交換器3にも冷媒を流してもよい。つまり、制御部5は、流量調整弁4が常に開状態となるように制御を行う。これは、吸込み空気が多い場合に、使用しない補助熱交換器3が障害物となって室内機2の運転能力が低下してしまう事態を防止するためである。なお、室内熱交換器20と圧縮機11との間に、圧縮機11から吐出され、室内熱交換器20に流入する冷媒の流量を調整する流量調整弁を設け、制御部5で当該流量調整弁を制御する構成としてもよい。
 図6は、室内熱交換器の冷媒流量比率と、補助熱交換器の冷媒流量比率の組み合わせの一例を示した説明図である。閾値は、外気温度検知手段6で検知した温度が-10℃に達したときである。閾値よりも温度が高い通常運転時における冷媒流量比率は、補助熱交換器3に流入される冷媒が0とならないように、室内熱交換器20を50%、補助熱交換器3を50%とし、合計で100%となるように設定する。
 外気温度が閾値の場合における冷媒流量比率は、室内熱交換器20を75%、補助熱交換器3を75%とし、合計で150%となるように設定する。また、外気温度が閾値を超えて-20℃に達した場合における冷媒流量比率は、室内熱交換器20を100%、補助熱交換器3を100%とし、合計で200%となるように設定する。
 また、図7は、本発明の実施の形態1に係る空気調和機の室内熱交換器と補助熱交換器の配置を示した模式図である。図7に示した白抜き矢印は、空気の流れを示している。実施の形態1に係る空気調和機100は、室内熱交換器20と補助熱交換器3とが、室内機2の内部に取り込まれる外気の流れ方向に沿って順に配置されている。図7では、外気が最も流入する位置に室内熱交換器20が設置されている。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度に基づいて、流量調整弁22及び4の開度を調整し、外気が直接取り込まれる室内熱交換器20の冷媒流量を優先して増加させる制御を行う。なお、制御部5は、流量調整弁4の開度のみを調整して、室内熱交換器20の冷媒流量を優先して増加させる制御を行ってもよい。
 つまり、図7に示した空気調和機100では、外気が最も流入する室内熱交換器20に、冷媒の流量を多くさせる制御を行うことで、侵入した外気を素早く熱交換することができ、冷媒回路内に温度が低い空気が流入する事態を防止することができる。
 なお、図示することは省略したが、外気が最も流入する位置に補助熱交換器3を設置してもよい。この場合、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度に基づいて、流量調整弁22及び4の開度を調整し、外気が直接取り込まれる補助熱交換器3の冷媒流量を優先して増加させる制御を行う。なお、制御部5は、流量調整弁4の開度のみを調整して、補助熱交換器3の冷媒流量を優先して増加させる制御を行ってもよい。
 以上のように、実施の形態1に係る空気調和機100の室内機2は、圧縮機11から吐出された冷媒の一部をバイパスして熱交換する補助熱交換器3と、補助熱交換器3に流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁4と、を有している。制御部5は、外気温度に基づいて、流量調整弁4の開度を調整する。具体的には、制御部5は、外気温度が予め設定した閾値以下であると判断すると、流量調整弁4の開度を増加させる制御を行う。したがって、実施の形態1に係る空気調和機100は、寒冷地などにおいて外気温度が低温となった場合に、流量調整弁4の開度を調整し、補助熱交換器3を使用して熱交換量を適宜増加させることができるので、電気ヒータなどで加熱による一次処理を行うことなく安定運転を行うことができる。
 実施の形態2.
 次に、図8~図10に基づいて、本発明の実施の形態2に係る空気調和機101を説明する。図8は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機の冷媒回路図である。図9は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機の流量調整弁の動作の一例を示した説明図である。なお、実施の形態2では、実施の形態1で説明した構成と異なる部分のみを説明する。また、実施の形態1で説明した空気調和機100と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。
 図8に示すように、実施の形態2に係る空気調和機101の室内機2は、補助熱交換器3と流量調整弁4との組を2組並列させて設けた構成である。補助熱交換器3は、第1補助熱交換器3aと第2補助熱交換器3bとで構成されている。流量調整弁4は、第1流量調整弁4aと第2流量調整弁4bとで構成されている。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度に基づいて、第1流量調整弁4a及び第2流量調整弁4bの開度を調整する。
 図9に示すように、制御部5は、外気温度が-10℃以下であると第1流量調整弁4aをONにして開状態とする制御を行い、第1補助熱交換器3aに冷媒を流入させる。図3に示すように、室内機2は、外気温度が-10℃になると、運転能力(定格比)が80%になるからである。また、制御部5は、外気温度が-20℃以下であると第1流量調整弁4aと共に第2流量調整弁4bをONにして開状態とする制御を行い、第2補助熱交換器3bに冷媒を流入させる。図3に示すように、室内機2は、外気温度が-20℃になると、運転能力(定格比)が70%になるからである。つまり、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度に基づいて、段階的に第1流量調整弁4a及び第2流量調整弁4bの開度を調整する。なお、第1補助熱交換器3a及び第2補助熱交換器3bに冷媒を流入させることによって、室内機2と共に室外機1の熱交換容量も増加する。そのため、制御部5は、熱交換容量が増加する室内機2に合わせて室外機1の制御を行う。
 次に、実施の形態2に係る空気調和機101の制御動作を、図8及び図9を参照しつつ図10に示すフローチャートに基づいて説明する。図10は、本発明の実施の形態2に係る空気調和機の制御動作を説明するフローチャートである。なお、第1閾値は、一例として-10℃である。第2閾値は、一例として-20℃である。
 図10に示すように、空気調和機100は、暖房運転を開始する。制御部5は、暖房運転の開始時において、外気温度が第1閾値に達するまで第1流量調整弁4a及び第2流量調整弁4bを閉状態とし、膨張機構21及び圧縮機11による制御を行う。
 ステップS201において、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第1閾値以下であるか否かについて判定する。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第1閾値以下でないと判定すると、ステップS202に進む。一方、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第1閾値以下であると判定すると、ステップS203に進む。
 ステップS202において、制御部5は、第1流量調整弁4aをOFFにして閉状態とし、第1補助熱交換器3aの使用を停止させて、能力過多による露付き又は制御性の悪化を防止する。そして、再びステップS201に戻り、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第1閾値以下であるか否かについて判定する。
 ステップS203において、制御部5は、吸込み空気の温度低下によって、室内機2の運転能力が低下し、運転異常の可能性がある領域となったと判断し、第1流量調整弁4aをONにして開状態とし、第1補助熱交換器3aを使用して熱交換容量を増加させる。
 ステップS204において、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第2閾値以下であるか否かについて判定する。制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第2閾値以下でないと判定すると、ステップS205に進む。一方、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第2閾値以下であると判定すると、ステップS206に進む。
 ステップS205において、制御部5は、第2流量調整弁4bをOFFにして閉状態とし、第2補助熱交換器3bの使用を止めることで、能力過多による露付き又は制御性の悪化を防止する。そして、再びステップS201に戻り、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第1閾値以下であるか否かについて判定する。
 ステップS206において、制御部5は、第2流量調整弁4bをONにして開状態とし、第2補助熱交換器3bを使用することで熱交換容量を増加させる。そして、再びステップS204に戻り、制御部5は、外気温度検知手段6で検知した外気温度が予め設定した第2閾値以下であるか否かについて判定する。
 つまり、実施の形態2に係る空気調和機101では、補助熱交換器3と流量調整弁4との組が複数並列させて設けられている。そして、制御部5は、外気温度に基づいて、複数の流量調整弁4の開度を調整する。したがって、実施の形態2に係る空気調和機101では、寒冷地などにおいて外気温度が低温となった場合に、第1流量調整弁4aと第2流量調整弁4bの開度を調整し、第1補助熱交換器3aと第2補助熱交換器3bを使用して、運転能力の低下に合わせた熱交換量を適宜増加させることができる。よって、電気ヒータなどで加熱による一次処理を行うことなく安定運転を効果的に高めることができる。
 なお、図示した実施の形態2では、補助熱交換器3と流量調整弁4との組を2組並列させて設けた構成を示したが、この限りではない。補助熱交換器3と流量調整弁4との組は、3組以上並列させて設けてもよい。
 以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、図示した空気調和機100及び101は、一例であって、上述した内容に限定されるものではなく、他の構成要素を含んでもよい。また、室内機2は、図示した1台に限定されず、2台以上設けてもよい。要するに、本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更及び応用のバリエーションの範囲を含むものである。
 1 室外機、2 室内機、3 補助熱交換器、3a 第1補助熱交換器、3b 第2補助熱交換器、4 流量調整弁、4a 第1流量調整弁、4b 第2流量調整弁、5 制御部、6 外気温度検知手段、10 室外熱交換器、11 圧縮機、20 室内熱交換器、21 膨張機構、22 流量調整弁、100、101 空気調和機。

Claims (5)

  1.  少なくとも室外熱交換器及び圧縮機を有する室外機と、
     少なくとも室内熱交換器及び膨張機構を有し、内部に外気を直接取り込み前記室内熱交換器によって空調した外気を室内に吹き出す室内機と、
     前記室内機を制御する制御部と、を備え、
     前記室内機は、
     前記圧縮機から吐出された冷媒の一部をバイパスして熱交換する補助熱交換器と、
     前記補助熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する流量調整弁と、を有し、
     前記制御部は、外気温度に基づいて、前記流量調整弁の開度を調整する、空気調和機。
  2.  前記補助熱交換器と前記流量調整弁との組が、複数並列させて設けられており、
     前記制御部は、外気温度に基づいて、複数の前記流量調整弁の開度を調整する、請求項1に記載の空気調和機。
  3.  前記室内熱交換器及び前記補助熱交換器は、前記室内機の内部に取り込まれる外気の流れ方向に沿って順に配置されており、
     前記制御部は、外気温度に基づいて前記流量調整弁の開度を調整し、外気が直接取り込まれる前記室内熱交換器又は前記補助熱交換器の冷媒流量を優先して増加させる制御を行う、請求項1又は2に記載の空気調和機。
  4.  前記制御部は、外気温度が予め設定した閾値以下であると判断すると、前記流量調整弁の開度を増加させる制御を行う、請求項1~3のいずれか一項に記載の空気調和機。
  5.  前記制御部は、前記流量調整弁が常に開状態となるように制御を行う、請求項1~4のいずれか一項に記載の空気調和機。
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