(57)【要約】【課題】圧縮機の冷媒吐出温度と、室外熱交換器または室内熱交換器の温度との温度差が、冷凍サイクルが安定する温度差に達する時間を短縮する。【解決手段】空気調和機１は、室外熱交換器１４と、室内熱交換器３２と、膨張弁１５と、圧縮機１２と、圧縮機１２による冷媒循環を、圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室外熱交換器１４に入る冷房時循環と、圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室内熱交換器３２に入る暖房時循環とに切り替える切替弁１３を備える。制御部４０は、室外ファン１６と室内ファン３３のうち、当該運転時に凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を、停止または低速回転で開始し、圧縮機１２の冷媒吐出温度が所定値まで上昇した後、ファンの回転数を上昇させる制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室外熱交換器と、室内熱交換器と、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器の間に配置された膨張弁と、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器、及び前記膨張弁を含む冷凍サイクル中に冷媒を循環させる圧縮機と、前記圧縮機による冷媒循環を、前記圧縮機から吐出された冷媒が先に前記室外熱交換器に入る冷房時循環と、前記圧縮機から吐出された冷媒が先に前記室内熱交換器に入る暖房時循環とに切り替える切替弁と、前記室外熱交換器に組み合わせられる室外ファンと、前記室内熱交換器に組み合わせられる室内ファンと、全体を制御する制御部を備えた空気調和機において、
当該空気調和機の運転開始時に前記制御部は、前記室外ファンと前記室内ファンのうち、当該運転時に凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を、停止または低速回転で開始し、前記圧縮機の冷媒吐出温度が所定値まで上昇した後、前記ファンの回転数を上昇させる制御を行うことを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
前記空気調和機の運転が冷房運転であり、凝縮器として機能する熱交換器が前記室外熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項３】
前記空気調和機の運転が暖房運転であり、凝縮器として機能する熱交換器が前記室内熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートポンプ方式の空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
家屋用の空気調和機は、ヒートポンプ方式を採用し、また室外機と室内機に分かれるセパレート型としたものが主流となっている。このような空気調和機において、スーパーヒート制御、すなわち過熱度の制御が実施されることがある。その例を特許文献１〜４に見ることができる。
【０００３】
特許文献１に記載された空気調和機では、冷凍サイクルを構成する圧縮機の冷媒吐出温度が制御対象となる。圧縮機の冷媒吐出温度が、吐出温度検知手段以外の検知手段の出力値から推定計算された目標吐出温度になるように、同じく冷凍サイクルを構成する電子式膨張弁の開度が制御される。
【０００４】
特許文献２に記載された空気調和機では、スーパーヒート量（Ｓ−Ｈ量）を目標値に合わせるように、膨張弁の開閉度合が調節される。圧縮機の吐出側と吸入側間に、吐出圧力と吸入圧力の圧力差を検出する圧力センサが設けられる。圧縮機の吐出側には吐出温度を検出する圧力センサが設けられ、室外熱交換器には室外熱交温度を検出する室外熱交温度センサが設けられる。検出した室外熱交温度と圧力差により凝縮温度及び蒸発温度を算出する。凝縮温度と検出した吐出温度とにより、圧縮機の圧縮行程の終わる吐出点を算出する。吐出点の延長線と蒸発温度の延長線との交点より、圧縮機の冷媒の吸入温度を算出する。吸入温度と蒸発温度の差により（Ｓ−Ｈ量）を算出し、スーパーヒート制御を行う。
【０００５】
特許文献３に記載された空気調和機では、圧縮機が運転中に過冷却となることを防いで液圧縮（コンプロック）を防止している。圧縮機には加熱装置が設けられる。圧縮機又は吐出パイプの冷媒温度と、冷媒の凝縮温度の温度差が、所定値以下のときは加熱装置に通電し、所定値以上のときは加熱装置への通電を止める。
【０００６】
特許文献４に記載された空気調和機では、圧縮機最低運転周波数を設定し、運転に支障のない量の冷凍機油を圧縮機内に滞留させる。そして圧縮機に必要最低量の冷凍機油を滞留させてから、圧縮機吐出スーパーヒートがつくように、絞り装置の開度が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−８９９７６号公報
【特許文献２】特開２００１−２０１１９８号公報
【特許文献３】実開昭６１−１２７３５９号公報
【特許文献４】特開２００４−１５６８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ヒートポンプ方式の空気調和機では、圧縮機の冷媒吐出温度と、室外熱交換器または室内熱交換器の温度との温度差が、冷凍サイクルが安定する温度差であることが求められる。目標とする温度差（本明細書及び図面において「目標ＳＨ」と称されることがある）に、実際に測定した温度差（本明細書及び図面において「実測ＳＨ」と称されることがある）が近づくのは、早ければ早いほど良い。従来の空気調和機では、膨張弁を制御することで圧縮機の冷媒吐出温度の上昇を促進し、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまでの時間の短縮を図っていた。しかしながらこの手法では冷媒吐出温度の上昇が緩やかであり、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまで長時間を要していた。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ヒートポンプ方式の空気調和機において、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまでの時間の短縮に有効な、新規な制御手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る空気調和機は、室外熱交換器と、室内熱交換器と、前記室外熱交換器と前記室内熱交換器の間に配置された膨張弁と、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器、及び前記膨張弁を含む冷凍サイクル中に冷媒を循環させる圧縮機と、前記圧縮機による冷媒循環を、前記圧縮機から吐出された冷媒が先に前記室外熱交換器に入る冷房時循環と、前記圧縮機から吐出された冷媒が先に前記室内熱交換器に入る暖房時循環とに切り替える切替弁と、前記室外熱交換器に組み合わせられる室外ファンと、前記室内熱交換器に組み合わせられる室内ファンと、全体を制御する制御部を備え、当該空気調和機の運転開始時に前記制御部は、前記室外ファンと前記室内ファンのうち、当該運転時に凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を、停止または低速回転で開始し、前記圧縮機の冷媒吐出温度が所定値まで上昇した後、前記ファンの回転数を上昇させる制御を行うことを特徴としている。
【００１１】
上記構成の空気調和機において、当該空気調和機の運転が冷房運転であり、凝縮器として機能する熱交換器が前記室外熱交換器であることが好ましい。
【００１２】
上記構成の空気調和機において、当該空気調和機の運転が暖房運転であり、凝縮器として機能する熱交換器が前記室内熱交換器であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、運転時に凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を、停止または低速回転で開始し、圧縮機の冷媒吐出温度が所定値まで上昇した後、前記ファンの回転数を上昇させる制御を行うことにより、冷凍サイクルが安定する目標温度まで圧縮機の冷媒吐出温度が上昇するのに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、冷房運転時の状態を示すものである。
【図２】本発明の第１実施形態に係る空気調和機の概略構成図で、暖房運転時の状態を示すものである。
【図３】パラレルフロー型熱交換器の概略構成図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】第１実施形態に係る空気調和機の制御ブロック図である。
【図６】第１実施形態に係る空気調和機の制御について説明するフローチャートである。
【図７】実測ＳＨのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１から図７に基づき本発明の第１実施形態に係る空気調和機１についての説明を行う。空気調和機１では、熱交換器としてサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器が用いられる。
【００１６】
サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の基本構造を図３に示す。図３では紙面上側が熱交換器の上側、紙面下側が熱交換器の下側となる。パラレルフロー型熱交換器５０は、２本の垂直方向ヘッダパイプ５１、５２と、その間に配置される複数の水平方向偏平チューブ５３を備える。いずれも両端が閉じた形状であるヘッダパイプ５１、５２は水平方向に間隔を置いて平行に配置され、偏平チューブ５３は垂直方向に所定ピッチで配置されている。実際に機器に搭載する段階では、熱交換器５０は設計の要請に従って様々な角度に据え付けられるから、本明細書における「垂直方向」「水平方向」は厳格に解釈されるべきものではない。単なる方向の目安として理解されるべきである。
【００１７】
偏平チューブ５３は金属を押出成型した細長い成型品であり、図４に示す通り、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５４が形成されている。偏平チューブ５３は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５４の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５４は断面形状及び断面面積の等しいものが図４の左右方向に複数個並び、そのため偏平チューブ５３の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５４はヘッダパイプ５１、５２の内部に連通する。
【００１８】
偏平チューブ５３の偏平面にはフィン５５が取り付けられる。フィン５５として、ここではコルゲートフィンを用いているが、プレートフィンでも構わない。上下に並ぶフィン５５のうち、最上段のものと最下段のものの外側にはサイドプレート５６が配置される。
【００１９】
ヘッダパイプ５１、５２、偏平チューブ５３、フィン５５、及びサイドプレート５６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ５３はヘッダパイプ５１、５２に対し、フィン５５は偏平チューブ５３に対し、サイドプレート５６はフィン５５に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。
【００２０】
ヘッダパイプ５１の内部は、１個の仕切部Ｐ１により２個の区画Ｓ１、Ｓ２に仕切られている。仕切部Ｐ１は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ１には合計２４本の偏平チューブ５３のうち１２本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ２にも１２本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。なおここに示した偏平チューブ５３の数は一例であり、これに限定されるものではない。
【００２１】
ヘッダパイプ５２の内部は、２個の仕切部Ｐ２、Ｐ３により３個の区画Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５に仕切られている。仕切部Ｐ２、Ｐ３は複数の偏平チューブ５３を複数の偏平チューブグループに区分する。区画Ｓ３には合計２４本の偏平チューブ５３のうち４本からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ４には１５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続され、区画Ｓ５には５本の偏平チューブ５３からなる偏平チューブグループが接続される。
【００２２】
上記した偏平チューブ５３の総数、各ヘッダパイプ内部の仕切部の数とそれによって仕切られる区画の数、及び仕切部によって区分される偏平チューブグループ毎の偏平チューブ５３の数は、いずれも単なる例示であり、発明を限定するものではない。
【００２３】
区画Ｓ３には冷媒出入パイプ５７が接続される。区画Ｓ５には冷媒出入パイプ５８が接続される。
【００２４】
熱交換器５０の機能は次の通りである。熱交換器５０が凝縮器として用いられるとき、冷媒は冷媒出入パイプ５７を通じて区画Ｓ３に供給される。区画Ｓ３に入った冷媒は区画Ｓ３と区画Ｓ１を連結する４本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ１に向かう。この４本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＡを構成する。冷媒パスＡはブロック矢印で象徴されている。それ以外の冷媒パスもブロック矢印で象徴させる。
【００２５】
区画Ｓ１に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ１と区画Ｓ４を連結する８本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ４に向かう。この８本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＢを構成する。
【００２６】
区画Ｓ４に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ４と区画Ｓ２を連結する７本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ２に向かう。この７本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＣを構成する。
【００２７】
区画Ｓ２に入った冷媒はそこで折り返し、区画Ｓ２と区画Ｓ５を連結する５本の偏平チューブ５３を通って区画Ｓ３に向かう。この５本の偏平チューブ５３で編成される偏平チューブグループが冷媒パスＤを構成する。区画Ｓ５に入った冷媒は冷媒出入パイプ５８より流出する。
【００２８】
熱交換器５０が蒸発器として用いられるときは、冷媒は冷媒出入パイプ５８を通じて区画Ｓ５に供給される。それ以後の冷媒の流れは、熱交換器５０が凝縮器として用いられるときの冷媒パスを逆に辿る。すなわち冷媒パスＤ→冷媒パスＣ→冷媒パスＢ→冷媒パスＡのルートで冷媒は区画Ｓ１に入り、冷媒出入パイプ５７より流出する。
【００２９】
上記熱交換器５０をヒートポンプサイクルの構成要素として用いたセパレート型空気調和機１の概略構成を図１に示す。空気調和機１は室外機１０と室内機３０により構成される。
【００３０】
室外機１０は、板金製部品と合成樹脂製部品により構成される筐体１１の内部に、圧縮機１２、切替弁１３、室外熱交換器１４、膨張弁１５、室外ファン１６などを収納している。切替弁１３は四方弁である。室外熱交換器１４として熱交換器５０が用いられる。膨張弁１５には開度制御の可能なものが用いられる。室外ファン１６はモータにプロペラファンを組み合わせたものである。
【００３１】
室外機１０は２本の冷媒配管１７、１８で室内機３０に接続される。冷媒配管１７は液体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１８に比較して細い管が用いられている。そのため冷媒配管１７は「液管」「細管」などと称されることがある。冷媒配管１８は気体の冷媒を流すことを目的としており、冷媒配管１７に比較して太い管が用いられている。そのため冷媒配管１８は「ガス管」「太管」などと称されることがある。冷媒には例えばＨＦＣ系のＲ４１０ＡやＲ３２等が用いられる。
【００３２】
室外機１０の内部の冷媒配管で、冷媒配管１７に接続される冷媒配管には二方弁１９が設けられ、冷媒配管１８に接続される冷媒配管には三方弁２０が設けられる。二方弁１９と三方弁２０は、室外機１０から冷媒配管１７、１８が取り外されるときに閉じられ、室外機１０から外部に冷媒が漏れることを防ぐ。室外機１０から、あるいは室内機３０を含めた冷凍サイクル全体から、冷媒を放出する必要があるときは、三方弁２０を通じて放出が行われる。
【００３３】
室内機３０は、合成樹脂製部品により構成される筐体３１の内部に、室内熱交換器３２、室内ファン３３などを収納している。室内熱交換器３２は、３個の熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを、室内ファン３３を覆う屋根のように組み合わせたものである。熱交換器３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのいずれかまたは全部を熱交換器５０で構成することができる。室内ファン３３はモータにクロスフローファンを組み合わせたものである。
【００３４】
空気調和機１の運転制御を行う上で、各所の温度を知ることが不可欠である。この目的のため、室外機１０と室内機３０に温度検出器が配置される。室外機１０においては、室外熱交換器１４に温度検出器２１が配置され、圧縮機１２の吐出部となる吐出管１２ａに温度検出器２２が配置され、圧縮機１２の吸入部となる吸入管１２ｂに温度検出器２３が配置され、膨張弁１５と二方弁１９の間の冷媒配管に温度検出器２４が配置され、筐体１１の内部の所定箇所に外気温測定用の温度検出器２５が配置される。室内機３０においては、室内熱交換器３２に温度検出器３４が配置される。温度検出器２１、２２、２３、２４、２５、３４はいずれもサーミスタにより構成される。
【００３５】
空気調和機１の全体制御を司るのは図５に示す制御部４０である。制御部４０は室内温度が使用者によって設定された目標値に達するように制御を行う。
【００３６】
制御部４０は圧縮機１２、切替弁１３、膨張弁１５、室外ファン１６、及び室内ファン３３に対し動作指令を発する。また制御部４０は温度検出器２１〜２５、及び温度検出器３４からそれぞれの検出温度の出力信号を受け取る。制御部４０は温度検出器２１〜２５及び温度検出器３４からの出力信号を参照しつつ、圧縮機１２、室外ファン１６、及び室内ファン３３に対し運転指令を発し、切替弁１３と膨張弁１５に対しては状態切り替えの指令を発する。
【００３７】
図１は空気調和機１が冷房運転あるいは除霜運転を行っている状態を示す。この時圧縮機１２は冷房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室外熱交換器１４に入る循環様式で冷媒を循環させる。
【００３８】
圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室外熱交換器１４に入り、そこで室外空気との熱交換が行われる。冷媒は室外空気に対し放熱を行い、凝縮する。凝縮して液状となった冷媒は室外熱交換器１４から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室内熱交換器３２に送られ、膨張して低温低圧となり、室内熱交換器３２の表面温度を下げる。表面温度の下がった室内熱交換器３２は室内空気から吸熱し、これにより室内は冷やされる。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室外ファン１６によって生成された気流が室外熱交換器１４からの放熱を促進し、室内ファン３３によって生成された気流が室内熱交換器３２の吸熱を促進する。
【００３９】
図２は空気調和機１が暖房運転を行っている状態を示す。この時は切替弁１３が切り替えられて冷房運転時と冷媒の流れが逆になる。圧縮機１２は暖房時循環、すなわち圧縮機１２から吐出された冷媒が先に室内熱交換器３２に入る循環様式で冷媒を循環させる。
【００４０】
圧縮機１２から吐出された高温高圧の冷媒は室内熱交換器３２に入り、そこで室内空気との熱交換が行われる。冷媒は室内空気に対し放熱を行い、室内は暖められる。放熱し、凝縮して液状となった冷媒は室内熱交換器３２から膨張弁１５に入り、そこで減圧される。減圧後の冷媒は室外熱交換器１４に送られ、膨張して低温低圧となり、室外熱交換器１４の表面温度を下げる。表面温度の下がった室外熱交換器１４は室外空気から吸熱する。吸熱後、低温の気体状の冷媒は圧縮機１２に戻る。室内ファン３３によって生成された気流が室内熱交換器３２からの放熱を促進し、室外ファン１６によって生成された気流が室外熱交換器１４による吸熱を促進する。
【００４１】
空気調和機１の運転が開始されると、圧縮機１２の冷媒吐出温度は次第に上昇する。圧縮機１２の冷媒吐出温度は温度検出器２２で測定される。冷房運転時には、温度検出器２２の測定温度と、温度検出器２１による室外熱交換器１４の測定温度との温度差が、実測ＳＨとなる。暖房運転時には、温度検出器２２の測定温度と、温度検出器３４による室内熱交換器３２の測定温度との温度差が、実測ＳＨとなる。
【００４２】
図７のグラフに示す通り、実測ＳＨは次第に目標ＳＨに近づいて行く。圧縮機１２の冷媒吐出温度の上昇が促進されれば、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまでの時間は短縮される。従来方式によることとすれば、膨張弁１５を制御して圧縮機１２の冷媒吐出温度の上昇を促進することになるが、この方式では冷媒吐出温度の上昇が緩やかで、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまで長時間を要する。
【００４３】
本発明に係る空気調和機１では、制御部４０が図６のフローチャートの制御を行う。空気調和機１の運転が開始されると、制御部４０はステップ＃１０１で圧縮機１２を起動する。次いで制御部４０は、ステップ＃１０２で目標ＳＨを決定する。環境条件や設定された運転条件により、求められるＳＨが異なるので、最適な結果が得られるように制御部４０は目標ＳＨを決定する。
【００４４】
制御部４０はステップ＃１０３で実測ＳＨのチェックを行う。前述の通り、冷房運転時には温度検出器２２の測定温度と温度検出器２１による室外熱交換器１４の測定温度との温度差が実測ＳＨとなり、暖房運転時には温度検出器２２の測定温度と温度検出器３４による室内熱交換器３２の測定温度との温度差が実測ＳＨとなる。実測ＳＨがまだ目標ＳＨに達していなければステップ＃１０４に進む。
【００４５】
ステップ＃１０４で制御部４０は、当該運転時に凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を制御する。すなわち冷房運転時には室外ファン１６の運転を制御し、暖房運転時には室内ファン３３の運転を制御する。その制御では、ファンの運転が停止または低速運転（望ましくは最低速での運転）で開始される。
【００４６】
凝縮器として機能する熱交換器に組み合わせられているファンの運転を停止するか、運転したとしても低速で運転することで、凝縮器の温度が上昇する。凝縮器以降の冷凍サイクルでも冷媒温度が上昇し、圧縮機１２に戻ってくる冷媒の温度が高くなる。これを受けて、ステップ＃１０５では圧縮機１２の冷媒吐出温度が上昇する。この場合の冷媒吐出温度の上昇度合は、膨張弁１５を制御する方式よりも速い。その結果、図７に示す通り、実測ＳＨが目標ＳＨに達するまでの時間が短縮される。
【００４７】
制御部４０は所定のサンプリングレートで実測ＳＨのチェックを続ける。実測ＳＨが目標ＳＨに達すればステップ＃１０６に進む。ステップ＃１０６で制御部４０は、ファンの回転数を通常の回転数にまで上昇させる。これをもって、圧縮機１２の冷媒吐出温度の早期上昇を目指した室外ファン１６または室内ファン３３の制御は終了となる。
【００４８】
＜第２実施形態＞
第２実施形態の空気調和機１としては、熱交換器としてパラレルフロー型熱交換器を用いないものを想定することができる。例えばフィンアンドチューブ型熱交換器を熱交換器に用いたものを第２実施形態の空気調和機１として想定することができる。
【００４９】
＜第３実施形態＞
第３実施形態の空気調和機１としては、複数の室内機と１台の室外機とからなるマルチタイプの空気調和機を想定することができる。
【００５０】
＜第４実施形態＞
第１〜第３の実施形態の空気調和機１として、セパレート型空気調和機を提示して説明したが、それ以外の形式の空気調和機、例えば室内熱交換器と室外熱交換器が一つの筐体に入っている一体型空気調和機やウィンドウタイプの空気調和機に本発明を適用したものを、第４実施形態の空気調和機１として想定することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明はヒートポンプ方式の空気調和機に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１    空気調和機
１０  室外機
１１  筐体
１２  圧縮機
１３  切替弁
１４  室外熱交換器
１５  膨張弁
１６  室外ファン
２１、２２、２３、２４、２５  温度検出器
３０  室内機
３１  筐体
３２  室内熱交換器
３３  室内ファン
３４  温度検出器
４０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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