WO2022162819A1

WO2022162819A1 - 空気調和装置

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Publication number: WO2022162819A1
Application number: PCT/JP2021/002974
Authority: WO
Inventors: 章太郎山本; 裕昭金子; ミャオミャオ
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JPWO2022162819A1

Abstract

【課題】　暖房運転の立ち上がり時において、圧縮機の信頼性の向上と、暖房性能の改善とを両立した空気調和装置を提供すること。【解決手段】　室内機２００および室外機１００から構成される冷凍サイクルであって、室外機１００が膨張弁１１０、熱交換器１１４および圧縮機１０８を含む冷凍サイクルと、冷凍サイクルの動作を制御する制御装置１０２とを有し、室外機１００は、熱交換器１１４と圧縮機１０８との間を流れる冷媒の圧力を測定する圧力センサ１０４と、冷媒の温度を測定する温度センサ１０６とを備え、冷凍サイクルが暖房運転を始動した場合に、制御装置１０２は、圧縮機１０８に吸入される冷媒の過熱度に基づいて、膨張弁１１０の開度を制御する。

Description

空気調和装置

　本発明は、冷凍サイクルを有する空気調和装置に関する。

　冷凍サイクルを有する空気調和装置が暖房運転を始動する場合、運転の停止中に室外熱交換器や液配管に滞留した液冷媒が圧縮機に吸入される可能性がある。このように、十分にガス化されていない冷媒が圧縮機に吸入されると、液圧縮により圧縮機にダメージを与える虞がある。

　そこで従来は、圧縮機へのダメージを抑制するために、暖房運転始動時の膨張弁開度を小さくし、冷媒の過熱度を大きくすることで、圧縮機への液冷媒の吸入を抑制していた。しかしながら、上述したようにして膨張弁開度を小さくすると、冷媒をガス化しやすくできる反面、冷媒の密度が低下するため、暖房性能が低下する。

　また、このような暖房性能の低下を抑制する方法として、膨張弁開度のフィードバック制御を行う方法が挙げられる。しかしながら、暖房運転始動時のような過渡時では、圧縮機の熱容量が大きく温度変化に追従しにくいため、適切にフィードバック制御できず、やはり暖房性能の低下の抑制には向かない。

　暖房運転におけるフィードバック制御を行う技術として、例えば特開２００３－１６６７６２号公報（特許文献１）などが挙げられる。特許文献１によれば、過冷却度の推定精度を向上することで、適切なフィードバック制御を行うことができる。

　しかしながら特許文献１は、暖房運転始動時の制御を対象としたものではなく、上述した諸問題の観点からは不十分であった。そのため、暖房運転の立ち上がり時において、圧縮機の信頼性の向上し、かつ、暖房性能の改善するさらなる技術が求められていた。

特開２００３－１６６７６２号公報

　本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、暖房運転の立ち上がり時において、圧縮機の信頼性の向上と、暖房性能の改善とを両立した空気調和装置を提供することを目的とする。

　すなわち、本発明によれば、
　室内機および室外機から構成される冷凍サイクルであって、前記室外機が膨張弁、熱交換器および圧縮機を含む冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルの動作を制御する制御手段とを有し、
　前記室外機は、前記熱交換器と前記圧縮機との間を流れる冷媒の圧力を測定する圧力センサと、前記冷媒の温度を測定する温度センサとを備え、
　前記冷凍サイクルが暖房運転を始動した場合に、前記制御手段は、前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度に基づいて、前記膨張弁の開度を制御する、
　空気調和装置が提供される。

　本発明によれば、暖房運転の立ち上がり時において、圧縮機の信頼性の向上と、暖房性能の改善とを両立した空気調和装置が提供できる。

各実施形態における空気調和装置の概略構成を示す図。各実施形態の室外機に含まれるハードウェア構成を示す図。各実施形態の制御装置に含まれるソフトウェアブロック図。第１の実施形態における空気調和装置の冷凍サイクル回路を示す図。第２の実施形態における空気調和装置の冷凍サイクル回路を示す図。

　以下、本発明を、第１および第２の各実施形態をもって説明するが、本発明は後述する各実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。また、以下では、暖房運転を行う空気調和装置を例にして実施形態を説明するが、実施形態に係る空気調和装置は、暖房運転のほか、冷房運転や除湿運転など、各種の空気調和運転が可能である。

　図１は、各実施形態における空気調和装置１０の概略構成を示す図である。空気調和装置１０は、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）で冷媒を循環させることによって、空気調和を行う機器である。

　図１に示すように、空気調和装置１０は、屋外に設置される室外機１００と、室内に設置される室内機２００とを備えている。また、空気調和装置１０は、冷媒が流れる冷媒配管３００を備えており、室外機１００および室内機２００は、冷媒配管３００によって接続されている。なお、図１では、１台の室外機１００と１台の室内機２００から構成された空気調和装置１０を例示しているが、特に実施形態を限定するものではない。したがって、空気調和装置１０を構成する室外機１００は複数台を連結したものであってもよく、また、室内機２００は２台以上接続されてもよい。

　なお、図１では省略しているが、空気調和装置１０は、リモコンなどの操作装置によって運転動作を制御できる。また、空気調和装置１０を構成する室外機１００および室内機２００は、不図示の通信線を介して接続されている。

　図２は、各実施形態の室外機１００に含まれるハードウェア構成を示す図である。図２に示すように各実施形態における室外機１００は、制御装置１０２、圧力センサ１０４、温度センサ１０６、圧縮機１０８、室外膨張弁１１０、ファン１１２、室外熱交換器１１４を含んで構成される。このうち、圧縮機１０８、室外膨張弁１１０、ファン１１２、室外熱交換器１１４は、冷凍サイクルを構成する部品である。なお、図２に示したハードウェアは代表的なものの例示であり、室外機１００には、これら以外のハードウェアが含まれ得る。なお、図２では、圧縮機１０８、室外膨張弁１１０、室外ファン１１２などの冷凍サイクルを構成する部品は、いずれも１つずつ搭載されているが、特に実施形態を限定するものではなく、複数が搭載されていてもよい。

　制御装置１０２は、室外機１００の動作を制御するプログラムを実行し、所定の処理を行う装置である。制御装置１０２は、例えばＣＰＵのような処理装置で構成され、室外機１００を構成する他のハードウェアの動作を制御する。特に説明する実施形態においては、制御装置１０２は、各種センサから取得した測定値に基づいて、冷凍サイクルに係る部品の動作を制御することで、適切な空気調和を実行する。なお、制御装置１０２は、必ずしも室外機１００に含まれていなくてもよく、例えば室内機２００に含まれるＣＰＵなどによって、室外機１００のハードウェアの動作を制御する構成であってもよい。

　圧力センサ１０４は、室外機１００内の配管を流れる冷媒の圧力を測定するセンサである。各実施形態において圧力センサ１０４は、複数個所に設けられてもよく、例えば圧縮機１０８の吸入側および吐出側に設けることができる。圧力センサ１０４が測定した冷媒の圧力は、制御装置１０２に出力される。

　温度センサ１０６は、室外機１００内の配管を流れる冷媒の温度を測定するセンサである。各実施形態において温度センサ１０６は、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管に設けられる。特に、後述する第１の実施形態では、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管の、室外熱交換器１１４に近い側に温度センサ１０６が設けられる。また、第２の実施形態では、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管の、圧縮機１０８に近い側に温度センサ１０６が設けられる。温度センサ１０６が測定した冷媒の温度は、制御装置１０２に出力される。

　圧縮機１０８は、モータの駆動によって、低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する装置である。圧縮機１０８の形態は特に限定されないが、例として、振動が小さいロータリ圧縮機やスクロール圧縮機などを用いることができる。室外膨張弁１１０は、冷媒を膨張させて冷媒の温度を下げる装置である。また、室外膨張弁１１０は、制御装置１０２によって開度を調整でき、冷媒の流量を制御することができる。

ファン１１２は、複数の羽根と、複数の羽根を回転させる動力手段（モータ）とを含む。ファン１１２は、モータにより複数の羽根を回転させ、外気を吸い込み、室外熱交換器１１４で熱交換した空気を室外機１００の外部へ向けて送風する。

室外熱交換器１１４は、２つのヘッダと、２つのヘッダ間を繋ぐ複数の伝熱管と、伝熱管の外面に取り付けられる複数のフィンとを含む。冷媒は、一方のヘッダへ供給され、複数の伝熱管内を通り、他方のヘッダへと流れる。ファン１１２が吸い込んだ外気は、複数のフィンや伝熱管の外表面と接触し、伝熱管内を通って流れる冷媒と熱交換して、冷却され、または温められる。

　以上、各実施形態の室外機１００に含まれるハードウェア構成について説明した。次に、各実施形態において制御装置１０２によって実行される機能手段について、図３を以て説明する。図３は、各実施形態の制御装置１０２に含まれるソフトウェアブロック図である。

　制御装置１０２は、圧力取得部１５１、温度取得部１５２、過熱度算出部１５３、冷凍サイクル制御部１５４の各モジュールを含んで構成される。以下に、各モジュールの詳細を説明する。

　圧力取得部１５１は、圧力センサ１０４が出力した、冷媒の圧力の測定値を取得する手段である。

　温度取得部１５２は、温度センサ１０６が出力した、冷媒の温度の測定値を取得する手段である。

　過熱度算出部１５３は、演算手段を構成し、圧力取得部１５１および温度取得部１５２が取得した各測定値に基づいて、圧縮機１０８に吸入される冷媒の過熱度を算出する。過熱度は、測定した圧力における飽和温度と、測定した温度との差分として定義され、例えば使用する冷媒のｐ－ｈ線図（pressure-enthalpy線図。いわゆるモリエル線図）の飽和蒸気線を用いて求めることができる。本実施形態の過熱度算出部１５３は、圧力値と飽和温度とを対応付けたテーブルを参照することで、冷媒の過熱度を算出することができる。

　冷凍サイクル制御部１５４は、室外機１００に含まれる冷凍サイクル部品の動作を制御する手段である。特に各実施形態における冷凍サイクル制御部１５４は、過熱度算出部１５３が算出した冷媒の過熱度が目標とする値になるように、室外膨張弁１１０の開度を制御する。したがって、各実施形態における冷凍サイクル制御部１５４は、例えば、算出された過熱度が目標値よりも大きい場合には、室外膨張弁１１０の開度を大きくし、算出された過熱度が目標値よりも小さい場合には、室外膨張弁１１０の開度を小さくする制御を行う。

　なお、上述したソフトウェアブロックは、制御装置１０２を構成するＣＰＵなどが所定のプログラムを実行することで、各ハードウェアを機能させることにより、実現される機能手段に相当する。また、各実施形態に示した機能手段は、全部がソフトウェア的に実現されても良いし、その一部または全部を同等の機能を提供するハードウェアとして実装することもできる。

　ここまで、各実施形態に共通するハードウェア構成およびソフトウェアブロックを説明した。以下では、実施形態ごとの詳細な構成について図４および図５を以て説明する。

　まず、第１の実施形態について説明する。図４は、第１の実施形態における空気調和装置１０の冷凍サイクル回路を示す図である。図４に示す冷凍サイクル回路は、暖房運転を行う空気調和装置１０を示しており、１台の室外機１００と、４台の室内機２００ａ～２００ｄから構成されている。なお、図中の矢印は、暖房運転時における冷媒の流れる方向を示している。四方弁１１６は、制御装置１０２によって入出力の接続関係が制御され、冷房運転時には、図４と異なる入出力接続となる。また、図４に示す室外機１００には、圧縮機１０８に吸入される冷媒の圧力を測定する圧力センサ１０４、圧縮機１０８から吐出される冷媒の圧力を測定する圧力センサ１２０、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管を流れる冷媒の温度を測定する温度センサ１０６が設けられ、制御装置１０２と接続される。

　ここで、暖房運転を行う空気調和装置１０の冷凍サイクルにおける冷媒の流れについて説明する。室内熱交換器２０２ａ～２０２ｄで室内空間の空気と熱交換されて液体となった冷媒は、室内膨張弁２０４ａ～２０４ｄ、液冷媒配管３０４、液阻止弁３０８を通って、室外機１００内に流入する。

　その後、冷媒は、室外膨張弁１１０でさらに膨張して、低温低圧の液冷媒として室外熱交換器１１４に供給される。暖房運転時において室外熱交換器１１４は、蒸発器として作用する。すなわち、低温低圧の液冷媒は、室外熱交換器１１４において外気と熱交換されて蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。

　室外熱交換器１１４によってガス化した後、冷媒は、圧縮機１０８に吸入される。そして、冷媒は圧縮機１０８によって圧縮され、低温低圧のガス冷媒から、高温高圧のガス冷媒となる。圧縮機１０８から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁１１６、ガス阻止弁３０６、ガス冷媒配管３０２を通って、室内機２００ａ～２００ｄに流入する。その後、上述した冷凍サイクルを繰り返すことで、空気調和装置１０は暖房運転を行う。

　ところで、空気調和装置１０の停止時には室外熱交換器１１４内に液冷媒が滞留している。そのため、停止状態から暖房運転が開始されると、室外熱交換器１１４内に滞留している、過熱度の取れていない冷媒が圧縮機１０８に吸入される（いわゆる「液戻り」が生じる）こととなる。液戻りが生じると圧縮機１０８にダメージを与える原因となることから、一般には、暖房始動時の室外膨張弁１１０の開度を小さくして、冷媒の吸入密度を低下させ、冷媒を蒸発させる制御が行われる。一方で、室外膨張弁１１０の開度を小さくすると冷媒循環量が小さくなり、暖房運転の立ち上がり時の暖房性能が低下する。

　そこで、第１の実施形態では、暖房運転始動時のような過渡的な状態において、圧縮機１０８に吸入される冷媒の過熱度が目標値となるように室外膨張弁１１０の開度を制御する。例えば、冷凍サイクル制御部１５４は、所定の過熱度を目標値として、算出された過熱度が目標値よりも大きい場合には、室外膨張弁１１０の開度を大きくし、算出された過熱度が目標値よりも小さい場合には、室外膨張弁１１０の開度を小さくする制御を行う。

　冷媒の過熱度は、圧力センサ１０４が測定した冷媒の吸入圧力および温度センサ１０６が測定した冷媒の温度に基づいて算出することができる。このように、圧縮機１０８の吸入側の冷媒の過熱度に基づいて、室外膨張弁１１０の開度をフィードバック制御することで、圧縮機１０８の吸入側の過熱度を確保できるため、暖房始動時における液戻りを抑制できる。また、過熱度に基づくフィードバック制御を行うことで、過熱度が過大となる状態、かつ、冷媒循環量が少ない状態を抑制できるため、暖房性能を向上できる。さらに、過熱度に基づいてフィードバック制御は、冷凍サイクルの変動に対する追従性が良好であることから、暖房運転始動時のような過渡時においても適切に制御することができる。したがって、第１の実施形態の空気調和装置１０は、圧縮機１０８へのダメージの抑制と、立ち上がり時における暖房性能の改善とを両立することができる。

　特に、第１の実施形態においては、図４に示すように、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管の、室外熱交換器１１４に近い側に温度センサ１０６設けられる。より具体的には、温度センサ１０６は、室外熱交換器１１４の近傍に配置でき、例えば、室外熱交換器１１４のガス集合管に配置できる。このような位置に温度センサ１０６を配置することで、室外熱交換器ガス温度を測定することができる。温度センサ１０６を圧力センサ１０４の上流側に配置することで、圧力センサ１０４が測定する圧力は、温度センサ１０６の位置における圧力よりも低く測定されるため、算出される過熱度は、実際の値よりも大きくなる。これによって、室外膨張弁１１０の開度が大きくなるように制御でき、暖房の立ち上がり性能をより向上できる。

　なお、過熱度の目標値は必ずしも一定の値で設定されなくてもよく、例えば、圧縮機１０８に吸入される冷媒の吸入圧力に応じて目標値を変化させてもよい。これによって、暖房運転の始動状態に応じた目標値を設定できるため、適切に室外膨張弁１１０の開度を制御することができる。

　ここまでに説明した第１の実施形態によれば、空気調和装置１０は、圧縮機１０８へのダメージの抑制と、立ち上がり時における暖房性能の改善とを両立できる。特に、第１の実施形態の場合には、空気調和装置１０は、暖房の立ち上がり性能を大きく向上できる。

　次に、第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態における空気調和装置１０の冷凍サイクル回路を示す図である。なお、以下の第２の実施形態の説明では、上述した第１の実施形態と共通する事項については、適宜省略するものとする。

　なお、暖房運転時の第２の実施形態における冷凍サイクルの動作や冷媒の流れは、図４に示した第１の実施形態のものと同様である。したがって、第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、過熱度に基づいて室外膨張弁１１０の開度を制御制御する。すなわち、冷凍サイクル制御部１５３は、暖房運転始動時のような過渡的な状態において、圧縮機１０８に吸入される冷媒の過熱度が目標値となるように室外膨張弁１１０の開度を制御する。これによって、第２の実施形態の空気調和装置１０は、圧縮機１０８へのダメージの抑制と、立ち上がり時における暖房性能の改善とを両立することができる。

　第１の実施形態と、第２の実施形態との相違点は、温度センサ１０６が配置される位置である。すなわち、第１の実施形態において温度センサ１０６は圧力センサ１０４の上流側に配置されているのに対して、第２の実施形態における温度センサ１０６は、図５に示すように、圧力センサ１０４の下流側に配置されている。

　上述したように第２の実施形態においては、室外熱交換器１１４と圧縮機１０８とを接続する配管の、圧縮機１０８に近い側に温度センサ１０６設けられる。より具体的には、温度センサ１０６は、圧縮機１０８の近傍に配置でき、例えば、圧縮機吸入管に配置できる。このような位置に温度センサ１０６を配置することで、圧縮機吸入ガス温度を測定することができる。温度センサ１０６を圧力センサ１０４の下流側に配置することで、圧力センサ１０４が測定する圧力は、温度センサ１０６の位置における圧力よりも高く測定されるため、算出される過熱度は、実際の値よりも小さくなる。これによって、室外膨張弁１１０の開度が小さくなるように制御でき、圧縮機１０８への液戻りをより抑制できる。

　なお、第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、圧縮機１０８に吸入される冷媒の吸入圧力に応じて目標値を変化させてもよい。

　ここまでに説明した第２の実施形態によれば、空気調和装置１０は、圧縮機１０８へのダメージの抑制と、立ち上がり時における暖房性能の改善とを両立できる。特に、第２の実施形態の場合には、空気調和装置１０は、圧縮機１０８へのダメージを大きく抑制できる。

　以上、説明した本発明の各実施形態によれば、暖房運転の立ち上がり時において、圧縮機の信頼性の向上と、暖房性能の改善とを両立した空気調和装置を提供することができる。

　以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…空気調和装置、
１００…室外機、
１０２…制御装置、
１０４…圧力センサ、
１０６…温度センサ、
１０８…圧縮機、
１１０…室外膨張弁、
１１２…ファン、
１１４…室外熱交換器、
１１６…四方弁、
１２０…圧力センサ、
１５１…圧力取得部、
１５２…温度取得部、
１５３…過熱度算出部、
１５４…冷凍サイクル制御部、
２００…室内機、
２０２…室内熱交換器、
２０４…室内膨張弁、
３００…冷媒配管、
３０２…ガス冷媒配管、
３０４…液冷媒配管、
３０６…ガス阻止弁、
３０８…液阻止弁

Claims

　室内機および室外機から構成される冷凍サイクルであって、前記室外機が膨張弁、熱交換器および圧縮機を含む冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルの動作を制御する制御手段とを有し、
　前記室外機は、前記熱交換器と前記圧縮機との間を流れる冷媒の圧力を測定する圧力センサと、前記冷媒の温度を測定する温度センサとを備え、
　前記冷凍サイクルが暖房運転を始動した場合に、前記制御手段は、前記圧縮機に吸入される冷媒の過熱度に基づいて、前記膨張弁の開度を制御する、
　空気調和装置。
　前記制御手段は、前記圧力センサの測定値および前記温度センサの測定値に基づいて、前記過熱度を算出する、請求項１に記載の空気調和装置。
　前記温度センサが、前記熱交換器と前記圧縮機とを接続する配管の、前記圧力センサよりも上流側に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の空気調和装置。
　前記温度センサが、前記熱交換器と前記圧縮機とを接続する配管の、前記圧力センサよりも下流側に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の空気調和装置。
　前記制御手段は、前記過熱度の目標値を、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の吸入圧力に応じて変化させることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和装置。