(57)【要約】【課題】コストの増大を抑えると共に、インジェクションによる性能向上効果を最大限に発揮し、ＣＯＰを向上させる。【解決手段】圧縮機１、凝縮器３、第一の減圧装置４、気液分離器５、第二の減圧装置６、蒸発器７を順次接続して冷凍サイクルを構成し、気液分離器５より圧縮機１に冷媒を供給するインジェクション配管９を備えた空気調和機において、圧縮機１の回転数と蒸発器７の入口冷媒温度とに関連して、冷凍サイクルとして上流側となる第一の減圧装置４あるいは第二の減圧装置５の開度を制御する。【選択図】  図１
2004278825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、開度調節可能な第一の減圧装置、気液分離器、開度調節可能な第二の減圧装置、蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器より前記圧縮機に冷媒を供給するインジェクション配管を備えた空気調和機において、
前記圧縮機の回転数と前記蒸発器の入口冷媒温度とに関連して、冷凍サイクルとして上流側となる前記第一の減圧装置あるいは前記第二の減圧装置の開度を制御することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記蒸発器の入口冷媒温度が低いほど、前記上流側となる減圧装置の開度を小さくすることを特徴とした空気調和機。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記圧縮機回転数が低いほど、前記上流側となる減圧装置の開度小さくすることを特徴とした空気調和機。
【請求項４】
圧縮機、凝縮器、第一の減圧装置、気液分離器、第二の減圧装置、蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器より前記圧縮機に冷媒を供給するインジェクション配管を備えた空気調和機において、
前記圧縮機の回転数及び吐出冷媒温度と前記蒸発器の入口冷媒温度とに関連して、冷凍サイクルとして上流側となる前記第一の減圧装置あるいは前記第二の減圧装置の開度を制御することを特徴とする空気調和機。
【請求項５】
請求項４に記載のものにおいて、前記インジェクション配管に二方弁を設け、前記吐出冷媒温度が所定値よりも低く、下流側となる前記減圧装置の開度が所定値よりも小さい場合に前記二方弁を閉じることを特徴とした空気調和機。
【請求項６】
請求項４に記載のものにおいて、前記吐出冷媒温度が所定値よりも高く、下流側となる前記減圧装置の開度が所定値よりも大きい場合には、上流側となる前記減圧装置の開度を大きくすることを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和機に関し、特にインジェクション回路を備えたものに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インジェクション回路を設けた冷凍サイクルにおいては、中間圧力である気液分離器の圧力を何らかの手段で測定し、これが目標値になるように下流側減圧装置を制御することにより、インジェクション効果を最大限に発揮することが知られ、例えば、吐出温度が急変する点に下流側減圧装置の開度を制御することが特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０―１８５３４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、気液分離器に温度センサを設置することが必要とされるが、温度センサの精度により性能が左右されると共に、新たにセンサを追加して制御を行なうので、コスト高と成り易い。また、下流側減圧装置の開度を制御するため、上流側減圧装置の開度で蒸発器吸入過熱度の制御を行なわなければならないので、過渡時には凝縮器に液冷媒が溜まり込んで、高圧圧力が異常上昇し、制御が不安定になる恐れがある。
【０００５】
さらに、吐出温度が急変する点で下流側減圧装置の制御を行なうようにしているので、気液分離器が十分に大きな容積を有し、液インジェクションが生じない場合においては吐出温度の急変が生じないので、制御が困難となる。仮に気液分離器の容積が小さくて、液インジェクションによる吐出温度の急変化が生じる場合は、液インジェクションが頻繁に生じて圧縮機の信頼性が低下する恐れがある。
【０００６】
さらに、下流側減圧装置を吐出温度の急変化点で制御するので、圧縮機回転数などの運転状態が変化するようなときには制御が不安定になる。
【０００７】
本発明の目的は、コストの増大を抑えると共に、インジェクションによる性能向上効果を最大限に発揮し、ＣＯＰを向上させ、２００７冷凍年度省エネ法（グリーン購入法）基準値を充分に達成することにある。
【０００８】
また他の目的は、液インジェクションが生じることによる圧縮機の信頼性低下を防止し、長期間に渡るランニングコストを低下すると共に、高効率化を図り、年間電気代を大幅に削減することにある。
【０００９】
さらに、他の目的は、インジェクション運転時に下流側減圧装置の余裕度が不足することによる圧縮機吐出温度の異常上昇を防ぎ、圧縮機の信頼性の確保を図ることにある。
【００１０】
なお、本発明は、上記目的の少なくとも一つを達成することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、開度調節可能な第一の減圧装置、気液分離器、開度調節可能な第二の減圧装置、蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器より前記圧縮機に冷媒を供給するインジェクション配管を備えた空気調和機において、前記圧縮機の回転数と前記蒸発器の入口冷媒温度とに関連して、冷凍サイクルとして上流側となる前記第一の減圧装置あるいは前記第二の減圧装置の開度を制御するものである。
【００１２】
また、上記のものにおいて、蒸発器の入口冷媒温度が低いほど、上流側となる減圧装置の開度を小さくすることが望ましい。
【００１３】
さらに、圧縮機回転数が低いほど、上流側となる減圧装置の開度小さくすることが望ましい。
【００１４】
さらに、本発明は、圧縮機、凝縮器、第一の減圧装置、気液分離器、第二の減圧装置、蒸発器を順次接続して冷凍サイクルを構成し、前記気液分離器より前記圧縮機に冷媒を供給するインジェクション配管を備えた空気調和機において、前記圧縮機の回転数及び吐出冷媒温度と前記蒸発器の入口冷媒温度とに関連して、冷凍サイクルとして上流側となる前記第一の減圧装置あるいは前記第二の減圧装置の開度を制御するものである。
【００１５】
さらに、上記のものにおいて、インジェクション配管にニ方弁を設け、前記吐出冷媒温度が所定値よりも低く、下流側となる前記減圧装置の開度が所定値よりも小さい場合に前記ニ方弁を閉じることが望ましい。
【００１６】
さらに、上記のものにおいて、吐出冷媒温度が所定値よりも高く、下流側となる前記減圧装置の開度が所定値よりも大きい場合には、上流側となる前記減圧装置の開度を大きくすることが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
一実施形態の空気調和機の構成を図１に示し、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、第一の減圧装置４、気液分離器５、第二の減圧装置６、室内熱交換器７を順次冷媒配管にて接続して主冷凍サイクルを構成している。
冷房運転時には四方弁２を実線のように切替え、実線の矢印の方向に冷媒が流れ、冷房サイクルが運転される。冷房運転時には圧縮機１で圧縮された冷媒は、室外熱交換器３に送られ、室外送風機２０によって送られた空気によって冷却され、凝縮する。凝縮された液冷媒は第一の減圧装置４にて減圧されて中間圧力となり、気液分離器５にて液冷媒とガス冷媒とに分離される。液冷媒は第二の減圧装置６にて更に減圧され、室内熱交換器７にて蒸発し、四方弁２を経て圧縮機１へと戻る。一方、気液分離器で分離されたガス冷媒はインジェクション配管９を通して圧縮機へ注入される。インジェクション配管の途中にはニ方弁８を設けて、必要に応じて開閉を行なうことができる。
【００１８】
暖房運転時には四方弁２を点線のように切替え、破線の矢印の方向に冷媒が流れ、暖房サイクルが運転される。暖房運転時には圧縮機１で圧縮された冷媒は、室内熱交換器７に送られ、室内送風機２１にて送られた空気によって冷却されて凝縮する。凝縮された液冷媒は第二の減圧装置６にて減圧されて中間圧力となり、気液分離器５にて液冷媒とガス冷媒とに分離される。液冷媒は第一の減圧装置４にてさらに減圧され、室外熱交換器３にて蒸発し、四方弁２を経て圧縮機１へと戻る。一方、気液分離器で分離されたガス冷媒はインジェクション配管９を通して圧縮機へ注入される。
【００１９】
圧縮機１は制御装置３０内のインバータ３１により駆動され、室内の負荷に応じて回転数制御される。圧縮機吐出配管には吐出冷媒温度センサ１０が設けられ、圧縮機冷媒ガス温度（Ｔｄ）を検出する。ここで、吐出冷媒温度センサ１０は圧縮機チャンバ表面に設置しても良い。また、室外熱交換器液冷媒温度センサ１１、室内熱交換器液冷媒温度センサ１２を設け、それぞれ、室外熱交換器液冷媒温度（Ｔｅ）、室内熱交換器液冷媒温度（ＴＬ）を検出する。またこれらのセンサは制御装置３０に接続され、信号が読み込まれる。
インジェクション配管９に設けられたニ方弁８および、第一の減圧装置４、第二の減圧装置６は、センサから読み込まれた信号をもとに制御装置３０から開閉および開度の制御が行われる。
【００２０】
次に、図２のモリエル線図によりインジェクションサイクルの動作とインジェクション効果の説明を行なう。図の横軸にはエンタルピ、縦軸には圧力を示している。
従来の一般的な冷凍サイクルサイクルでは圧縮機ではａからｃ’まで圧縮されたガス冷媒は凝縮器で冷却されて凝縮し、ｄ’の液冷媒となる。これをｇ’まで減圧装置により減圧し、蒸発器で加熱されて蒸発し、ａ’の圧縮機に戻り、サイクルを形成している。
【００２１】
これに対し、ガスインジェクションサイクルでは、圧縮機でａからｂまで圧縮されたところで、気液分離器からｈの状態のガス冷媒が注入され、ｃまで圧縮される。凝縮器ではｄ’まで冷却されて凝縮し、上流側減圧装置にて中間圧力まで減圧されｅの二相状態の冷媒が気液分離器に流入する。ここで、液冷媒ｆとガス冷媒ｈに分離され、ガス冷媒ｈは圧縮機の中間圧力部分に注入される、液冷媒は下流側減圧装置にてｇまで減圧され、蒸発器でａまで加熱されて蒸発し、圧縮機に戻り、サイクルを形成している。従来のサイクルと比較すると、ガスインジェクションサイクルでは、蒸発器の入口エンタルピがｇ’からｇへと減少するため、蒸発器エンタルピ差が拡大し、冷房能力が増加する。また、暖房運転の場合、ｂ点において圧縮機にガスがインジェクションされることにより、凝縮器での循環量が増加するため、暖房能力が増加する。
したがって、能力が増加した分だけ圧縮機回転数を低下させることにより、圧縮機入力を低減することができ、空気調和機の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。
【００２２】
次に、本実施の形態における冷凍サイクル制御の動作について説明を行なう。
図３はガスインジェクションサイクルの制御状態を示した図であり、実線で示された線（主サイクル：ａ１→ｂ１→ｃ１→ｄ１→ｅ１→ｆ１→ｇ１→ａ１、ガスインジェクション：ｅ１→ａ１）が上流側減圧装置の開度制御が適正に行なわれた場合の冷凍サイクルを示している。これに対して、点線で示された線（主サイクル：ａ２→ｂ２→ｃ２→ｄ２→ｅ２→ｆ２→ｇ２→ａ２、ガスインジェクション：ｅ２→ａ２）は上流側減圧装置を全開として運転した場合のサイクルである。
【００２３】
両者を比較すると、上流側減圧装置の制御が適正に行なわれている時に対して、上流側減圧装置を全開として運転した場合では、上流側減圧装置の減圧量がＥＸＰＵ２と小さくなり、気液分離器での圧力が上昇している。したがって、圧縮機のインジェクションポートｂ２との圧力差が増加するため、インジェクション量が増加する。インジェクションの循環量をＧｒｉとし、蒸発器の循環量をＧｒｅとすると、気液分離器でのかわき度ｘはｘ＝Ｇｒｉ／（Ｇｒｉ＋Ｇｒｅ）と表されるため、気液分離器でのかわき度はｅ２のように大きくなるとともに、凝縮器出口ｄ２においても二相状態となっている。このため、凝縮器出口のエンタルピが大きくなり、凝縮器でのエンタルピ差Δｈｃ２が小さくなり、凝縮能力が低下する。
【００２４】
図には示していないが、上流側減圧装置の開度が適正開度よりも小さい場合には、凝縮器出口の過冷却度が大きくなりすぎて、凝縮器に液冷媒が溜まるため、凝縮圧力が上昇して圧縮機動力が増加すると共に、気液分離器の圧力が低下するために、圧縮機インジェクションポート部圧力との差圧が小さくなって、インジェクション量が減少し、インジェクションの効果が小さくなる。
【００２５】
上流側減圧装置の開度（減圧量）によって、冷凍サイクルの効率（成績係数）は大きく変化し、図４に上流側減圧装置の開度と成績係数の関係を示す。
上流側減圧装置の開度に対して、成績係数は適正開度において最大となる。また、この時の凝縮器過冷却度はＳＣ０である。上流側減圧装置の開度が大きすぎるか、または小さすぎる場合では成績係数が低下する。
【００２６】
次に、蒸発器の冷媒循環量と上流側減圧装置の開度との関係を図５に示す。
凝縮器過冷却度ＳＣが任意の値になる上流側減圧装置の開度は、蒸発器の冷媒循環量に比例することが分かる。つまり上流側減圧装置の開度は以下の式にて表すことができる。
ＥＸＰＵ＝β（ＳＣ）×Ｇｒｅ    ・・・（１）
ＥＸＰＵは上流側減圧装置の開度、β（ＳＣ）は比例定数で過冷却度の関数、Ｇｒｅは蒸発器の冷媒循環量であり、成績係数が最大となる時の上流側減圧装置の開度ＥＸＰＵは、過冷却度ＳＣがＳＣ０の時のβ（ＳＣ０）を求めることにより、以下の式で求めることができる。
ＥＸＰＵ＝β（ＳＣ０）×Ｇｒｅ  ・・・（２）
また、蒸発器の冷媒循環量Ｇｒｅは圧縮機の回転数Ｎおよび蒸発器として作用する熱交換器出口温度にて、以下の式で示されるように推定することができる。
Ｇｒｅ＝α×ρｓ×Ｎ  ・・・（３）
ここで、αは定数であり、ρｓは推定圧縮機吸入冷媒密度であり以下の式にて求める。
冷房時：    ρｓ＝Ａｃ×Ｎ＋Ｂｃ×ＴＬ＋Ｃｃ・・・（４）
暖房時：    ρｓ＝Ａｈ×Ｎ＋Ｂｈ×ＴＬ＋Ｃｈ・・・（５）
ここで、ＴＬは室内熱交換器液冷媒温度、Ｔｅは室外熱交換器液冷媒温度、Ａｃ、Ｂｃ、Ｃｃ、Ａｈ、Ｂｈ、Ｃｈは定数であり、この（３）、（４）、（５）式により推定された蒸発器の冷媒循環量Ｇｒｅにより、（２）式により、上流側減圧装置の開度を求めることができる。
【００２７】
次に、液インジェクションが発生した場合の検知および保護制御の方法について説明する。
図６に示した空気調和機において、上流側減圧装置の開度は先に説明を行なった様に制御がなされる。つまり圧縮機回転数Ｎ、蒸発器入口温度ＴＬ（もしくはＴｅ）により推定された冷媒循環量に比例した値に制御を行なう。一方、下流側減圧装置は圧縮機回転数Ｎや外気温度センサ１３により検出された外気温度Ｔｏ、室内空気温度センサ１４により検出された室内温度Ｔｉ等の条件等により定められた目標値になるように圧縮機吐出冷媒温度の制御を行なう。気液分離器は第一の減圧装置で減圧された気液二相冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する機能と共に、封入冷媒量とサイクル内必要冷媒量との差である余剰冷媒を貯留する機能も有している。
【００２８】
通常はインジェクション配管に液が混入して液インジェクションとならないように、気液分離器は気液分離に適した構造を有すると共に十分な容積を有するようにするが、サイクル内の冷媒封入量を間違えて過封入となった時には、気液分離器の容積が足りなくなってインジェクション配管に液が混入して液インジェクションが生じてしまう場合がある。この場合、インジェクションされた液冷媒の蒸発潜熱により圧縮機吐出冷媒温度が低下し、最悪の時には圧縮機チャンバー内の油が液冷媒により希釈されて、油の粘度低下により圧縮機の信頼性が損なわれる。
【００２９】
本実施形態の空気調和機においては、圧縮機吐出冷媒温度を制御している下流側減圧装置が所定開度（例えば、全開状態の１０％）以下まで開度を小さくする制御を行なっても、圧縮機吐出冷媒温度が所定値（例えば、目標吐出冷媒温度値−２０℃）より低い場合にはインジェクション配管９の途中に設けられたニ方弁８を閉じる。これにより、液インジェクションによる圧縮機信頼性低下を防止することができる。
【００３０】
つぎに、下流側減圧装置の容量不足保護制御の方法について説明を行なう。  上流側減圧装置の開度を制御した状態では、室内温度、外気温度や圧縮機回転数などの冷凍サイクルの運転状態や、室内機と室外機をつなぐ接続配管の長さにより、圧縮機吐出冷媒温度を制御する下流側減圧装置の開度が全開となっても減圧量が過大となる場合がある。つまり、下流側減圧装置の容量不足が生じるこの様な条件下では、圧縮機吐出冷媒温度が高くなり、最悪の時には圧縮機内の電動機コイルの絶縁不良となり、焼損に至る可能性がある。
【００３１】
本実施形態の空気調和機においては、圧縮機吐出冷媒温度を制御する下流側減圧装置の開度が所定値（例えば全開開度）よりも大きく制御されていても、圧縮機吐出冷媒温度が所定値（目標吐出冷媒温度＋２０℃）よりも高い場合には、上流側減圧装置の開度を開くようにする。これによって、下流側減圧装置の容量不足時の圧縮機吐出冷媒温度の過昇を防止することが可能となる。
【００３２】
以上のように、圧縮機回転数と蒸発器入口冷媒温度に応じて上流側の減圧装置の減圧量を調整することにより、気液分離器における圧力が適正に保たれる。また、圧縮機回転数と蒸発器入口冷媒温度に応じて、上流側減圧装置を調整すると共に、圧縮機吐出冷媒温度に応じて下流側減圧装置を調整することにより、凝縮器過冷却度と蒸発器過熱度が適正に保たれる。
【００３３】
さらに、上流側の減圧装置の減圧量を調整することにより、気液分離器における中間圧力を適正に保ち、ガスインジェクションによる性能向上効果を最大限に発揮させることができる。また、圧縮機に液冷媒がインジェクションされて、性能が低下している場合を検知して、ニ方弁を閉じてインジェクションを止めることにより、液インジェクションの発生による圧縮機の信頼性低下を防止することができる。
【００３４】
さらに、圧縮機吐出温度制御を行なっている、下流側減圧装置の開度が全開または、全開近くまで開いても吐出温度が高く、減圧量が大きすぎる場合。つまり、減圧装置の容量に不足が生じた時には、上流側減圧装置を開いて、制御範囲を確保することができる。
【００３５】
以上述べたように、上流側減圧装置を常に適正に制御し、インジェクションによる性能向上効果を最大限に発揮し、ＣＯＰを向上させ、２００７冷凍年度省エネ法（グリーン購入法）基準値を充分に達成することができる。また、液インジェクションが生じることによる圧縮機の信頼性低下を防止し、長期間に渡るランニングコストを低下すると共に、高効率化を図り、年間電気代を大幅に削減することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、コストの増大を抑えると共に、インジェクションによる性能向上効果を最大限に発揮し、ＣＯＰを向上させ、常に効率の高い運転状態を維持することができ、信頼性の高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施形態における空気調和機の冷凍サイクルを示すブロック図。
【図２】ガスインジェクションサイクルの動作を示すモリエル線図。
【図３】一実施の形態におけるガスインジェクションサイクル制御の動作を示すモリエル線図。
【図４】一実施の形態におけるガスインジェクションサイクル制御によるＣＯＰ変化を説明するモリエル線図。
【図５】一実施の形態における上流側減圧装置の開度制御を説明するグラフ。
【図６】他の一実施形態における空気調和機の冷凍サイクルを示すブロック図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…第一の減圧装置、５…気液分離器、６…第二の減圧装置、７…室内熱交換器、８…ニ方弁、９…インジェクション配管、１０…吐出冷媒温度センサ、１１…室外熱交換器液冷媒温度センサ、１２…室内熱交換器液冷媒温度センサ、２０…室外送風機、２１…室内送風機、３０…制御装置、３１…インバータ。
【図１】
2004278825.tif 000003
【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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