(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源側に定能力型圧縮機と能力制御可能な可変能力型圧縮機とを有すると共に、当該可変能力型圧縮機の能力調整を行うパワーコントロール機構が高圧冷媒回路内を流通する高圧冷媒ガスと低圧冷媒回路内を流通する低圧冷媒ガスとによって駆動される空気調和装置であって、
前記高圧冷媒回路と前記低圧冷媒回路とを連通する連通配管と、
当該連通配管から分岐し、当該連通配管内の冷媒ガスを前記パワーコントロール機構に導く複数本の導入配管と、
前記複数本の導入配管の夫々の分岐位置より前記高圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された複数個の高圧側遮断弁と、
前記複数本の導入配管のうち最も低圧側に位置する導入配管の分岐位置より前記低圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された低圧側遮断弁と、
前記可変能力型圧縮機の能力を複数段階に調整するべく、前記複数個の高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを所定の制御則に基づいて駆動制御する能力制御手段とを備え、
前記可変能力型圧縮機は前記複数本の導入配管からの冷媒ガスの制御によって複数段階に制御されるものであり、
この能力制御手段は、前記可変能力型圧縮機が停止しかつ前記定能力型圧縮機が運転している際に熱源側の能力を減少させる必要が生じた場合、前記連通配管を冷媒戻し配管とするべく、前記高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを同時に開放させることを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
前記定能力型圧縮機の能力と前記可変能力型圧縮機の最大能力との間に当該可変能力型圧縮機における略２段階分の能力差があり、かつ前記連通配管を冷媒戻し配管とした場合の能力減少量と、前記可変能力型圧縮機の１段階あたりの能力増減量とが略等しいことを特徴とする、請求項１記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、能力可変型圧縮機と定能力型圧縮機とを熱源側に備えた空気調和装置に係り、消費エネルギーの低減や構成部品点数の削減を図りながら、多段階での能力制御を実現する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の空気調和装置では、冷暖房時における室温のオーバシュートやハンチングを防止するため、利用側（室内熱交換器）の能力要求に応じて、熱源側（圧縮機）で能力制御を行うものが主流となっている。圧縮機の能力制御方法としては、インバータ装置を用いて交流電流の周波数を変換し、これにより圧縮機の駆動回転数をリニアに制御するものが多い。この方法によれば、圧縮機の能力を０〜定格点まで任意に変動させることができるため、略完全な空気調和制御が実現可能となる。ところが、インバータ装置には、周波数変換に伴うエネルギーロスが避けられない他、望ましくない電磁波を環境に放出したり、大型のものでは装置コストが高くなる等、種々の問題がある。
【０００３】
そこで、特開平８−２４７５６０号等では、一定速度で駆動される圧縮機構が内装された定速圧縮機を用いながら、パワーコントロール機構や冷媒戻し回路により能力制御を行う可変能力型圧縮機（以下、ＰＣ圧縮機と記す）が提案されている。パワーコントロール機構は、圧縮機構のシリンダ側壁等に弁装置を付設したもので、この弁装置を開放することにより、例えば、圧縮行程前半における圧縮仕事が行われなくなる。また、冷媒戻し回路は、例えば、圧縮機の吐出側冷媒回路と吸込側冷媒回路との間にバイパス配管を設け、このバイパス配管に介装された遮断弁を開放することにより、圧縮後の冷媒の一部を吸込側冷媒回路に環流させる。
【０００４】
ＰＣ圧縮機と通常の定速圧縮機とを組み合わせた場合、両圧縮機を個別に運転あるいは停止させたり、パワーコントロール機構や冷媒戻し回路を駆動することにより、多段階の能力制御が可能となる。例えば、ＰＣ圧縮機の定格能力を４馬力、定速圧縮機の定格能力を６馬力とし、パワーコントロール機構によるＰＣ圧縮機の能力低減量を２馬力、冷媒戻し回路による能力低減量を１馬力とすると、１〜１０馬力の範囲で１馬力毎（すなわち、１０段階）に能力を切換えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した冷媒戻し回路を開放させると、圧縮後の冷媒の一部が吸込側冷媒回路に環流するため、圧縮機は無駄な圧縮仕事を行うことになる。例えば、９馬力の能力で運転が行われる際には、冷媒戻し回路により１馬力の圧縮仕事が廃棄されるが、エネルギー消費は１０馬力の能力で運転が行われるときと略同等となる。これにより、インバータ装置を用いた場合と同等あるいはそれ以上のエネルギーロスが発生し、ＰＣ圧縮機の採用を難しくさせる要因となっていた。尚、冷媒戻し回路を設けず、パワーコントロール機構のみによる能力制御を行うことも考慮されたが、その場合には、上述した圧縮機構成では能力切換えが２馬力毎（すなわち、５段階）となってしまう。そのため、空気調和機においては、利用側の能力要求が小さい（例えば、１〜３馬力程度）場合等には、室温のオーバシュートやハンチングが起こりやすくなり、被空調空間におけるユーザーの快適性を損なう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明者等は、圧縮機本体で４段階の能力制御を行えるＰＣ圧縮機を開発し、これと通常の定速圧縮機とを組み合わせることで、多段階の能力制御を行いつつ、冷媒戻し回路の使用頻度を低減させた空気調和装置を実現した。すなわち、１〜４馬力の範囲で１馬力毎に能力を切り換えられるＰＣ圧縮機を製作し、これと６馬力の能力を有する定速圧縮機とを組み合わせることで、上述した従来装置と同様に１０段階の能力制御を行いながら、冷媒戻し回路の使用を５馬力運転時のみとすることができた。これにより、圧縮仕事の廃棄頻度が減少してエネルギー消費は当然に少なくなったが、今度は、冷媒戻し回路が５馬力運転時にしか用いられなくなるため、冷媒戻し回路（バイパス配管や遮断弁、ジョイント等）のコストパフォーマンスが著しく悪くなるという問題が生じた。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みなされたものであり、消費エネルギーの低減や構成部品点数の削減を図りながら、多段階での能力制御を実現した空気調和装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明では、熱源側に定能力型圧縮機と能力制御可能な可変能力型圧縮機とを有すると共に、当該可変能力型圧縮機の能力調整を行うパワーコントロール機構が高圧冷媒回路内を流通する高圧冷媒ガスと低圧冷媒回路内を流通する低圧冷媒ガスとによって駆動される空気調和装置であって、前記高圧冷媒回路と前記低圧冷媒回路とを連通する連通配管と、当該連通配管から分岐し、当該連通配管内の冷媒ガスを前記パワーコントロール機構に導く複数本の導入配管と、前記複数本の導入配管の夫々の分岐位置より前記高圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された複数個の高圧側遮断弁と、前記複数本の導入配管のうち最も低圧側に位置する導入配管の分岐位置より前記低圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された低圧側遮断弁と、前記可変能力型圧縮機の能力を複数段階に調整するべく、前記複数個の高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを所定の制御則に基づいて駆動制御する能力制御手段とを備え、前記可変能力型圧縮機は前記複数本の導入配管からの冷媒ガスの制御によって複数段階に制御されるものであり、この能力制御手段は、前記可変能力型圧縮機が停止しかつ前記定能力型圧縮機が運転している際に熱源側の能力を減少させる必要が生じた場合、前記連通配管を冷媒戻し配管とするべく、前記高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを同時に開放させるものを提案する。
【０００９】
この発明では、例えば、可変能力型圧縮機の最大能力より定能力型圧縮機の能力が比較的大きく、かつ室内側の能力要求が両能力間の値となった場合、能力制御手段は、能力型圧縮機のみを運転させながら高圧側遮断弁と低圧側遮断弁とを同時に開放させる。すると、高圧冷媒回路と低圧冷媒回路とが連通配管を介して連通され、定能力型圧縮機の能力の一部が廃棄されることにより、室内側の能力要求が満たされる。
【００１０】
また、請求項２の発明では、請求項１の空気調和装置において、前記定能力型圧縮機の能力と前記可変能力型圧縮機の最大能力との間に当該可変能力型圧縮機における略２段階分の能力差があり、かつ前記連通配管を冷媒戻し配管とした場合の能力減少量と、前記可変能力型圧縮機の１段階あたりの能力増減量とが略等しいものを提案する。
【００１１】
この発明では、能力制御手段は、定能力型圧縮機と可変能力型圧縮機との運転制御と、高圧側遮断弁と低圧側遮断弁との開閉制御を適宜行うことで、熱源側の能力を最小値から最大値まで段階的に制御できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、１台の室外ユニット１と複数台の室内ユニット２とからなる空気調和システムの概略構成図であり、同図中には実線で冷凍サイクルを示し、一点鎖線で制御・信号系統を示してある。
【００１３】
室外ユニット１側には、第１，第２圧縮機３，４、電磁式の四方弁５、室外熱交換器６、電動ファン７、アキュムレータ８、オイルセパレータ９等が設置されている。また、各室内ユニット２側には、電動膨張弁１１、室内熱交換器１２、電動ファン１３等が設置されている。そして、これら機器のうちで冷凍サイクルを構成するものは、ガス冷媒あるいは液冷媒の流通に供される冷媒配管２１〜３６により接続されている。図中、１５，１６は、両圧縮機３，４への冷媒の逆流を防止する逆止弁であり、それぞれ冷媒配管２１，２２に介装されている。
【００１４】
本実施形態の場合、冷媒配管２３（高圧冷媒回路）と冷媒配管３２（低圧冷媒回路）とが連通配管４１により連通されており、更に、連通配管４１からは冷媒配管２３側から順に第１〜第３導入配管４２〜４４が分岐している。第１〜第３導入配管４２〜４４は、後述するパワーコントロール機構の駆動源として、いずれも第１圧縮機３に接続されている。また、連通配管４１には、第１〜第３導入配管４２〜４４の各分岐位置より冷媒配管２３よりに常閉型の第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７が介装され、第３導入配管４４の分岐位置より冷媒配管３２よりにこれも常閉型の低圧側遮断弁４８が介装されている。図中、４９はキャピラリチューブであり、連通配管４１における低圧側遮断弁４８と冷媒配管３２との間に介装されている。
【００１５】
室外ユニット１内には、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成された、室外側コントロールユニット（以下、室外側ＥＣＵと記す）５１が設置されている。室外側ＥＣＵ５１は、内蔵した制御プログラムや図示しない各種センサ等からの入力情報に基づき、両圧縮機３，４や四方弁５、電動ファン７、各遮断弁４５〜４８を駆動制御する。
【００１６】
一方、各室内ユニット２内には、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成された、室内側コントロールユニット（以下、室内側ＥＣＵと記す）５３が設置されている。室内側ＥＣＵ５２は、内蔵した制御プログラムや図示しないリモートコントローラ、各種センサ等からの入力信号に基づき、電動膨張弁１１や電動ファン１３の駆動制御を行うと共に、バスライン５５を介して室外側ＥＣＵ５１との間で相互に信号の授受を行う。
【００１７】
本実施形態の場合、第１，第２圧縮機３，４は共に上下一対の回転圧縮要素を有する電動ツインロータ型の定速圧縮機であり、第１圧縮機３側の定格出力が４馬力、第２圧縮機４側の定格出力が６馬力となっている。第１圧縮機３は、パワーコントロール機構を備えたＰＣ圧縮機であり、１〜４馬力の間で１馬力毎に出力切換ができる。
【００１８】
以下、本実施形態におけるパワーコントロール機構の構造とその作用を説明する。
【００１９】
第１圧縮機３の圧縮機構６１は、図２にその半裁縦断面を示すように、メインフレーム６５とベアリングプレート６７とに挟持された上下一対のシリンダ６９，７０と、両シリンダ６９，７０および中間プレート７１により画成された上下一対のシリンダ室７３，７５と、両シリンダ室７３，７５の内周面に摺接しながら相互に１８０゜の位相差をもって偏心回転する上下一対のロータ７７，７９とからなっている。図中、８０は圧縮機ケーシングである。
【００２０】
パワーコントロール機構８１は、両シリンダ室７３，７５を３カ所の連通部位（後述するベーンに対して９０゜および１８０゜位相のずれた部位）で連通させるもので、シリンダ６９，７０および中間プレート７１の外周部を上下方向に貫通するバルブ孔８３と、このバルブ孔８３に摺動自在に保持された上下一対のピストンバルブ８５，８６と、これらピストンバルブ８５，８６を互いに離間する方向に付勢するバルブスプリング（圧縮コイルスプリング）８７とを主要構成部材としている。尚、中間プレート７１の部分では、ピストンバルブ８５，８６に対するストッパを形成するべく、バルブ孔８３の内径がピストンバルブ８５，８６の外径より小径となっている。また、バルブスプリング８７は、両ピストンバルブ８５，８６の受圧面に所定値以上の高圧（例えば、第１圧縮機３の最大吐出圧の２０％）が作用したときに、完全に圧縮するように設定されている。
【００２１】
バルブ孔８３は、中間プレート７１の近傍に穿孔された一対の連通孔８８，８９を介して、両シリンダ室７３，７５と連通されている。また、両シリンダ６９，７０および中間プレート７１には、バルブ孔８３に平行する冷媒導入孔９１が貫通しており、この冷媒導入孔９１に導入配管４２（４３，４４）からのガス冷媒が導入される。更に、メインフレーム６５とベアリングプレート６７とには、それぞれ、バルブ孔８３と冷媒導入孔９１とを連通させる連通凹部９３，９４が形成されている。
【００２２】
冷媒導入孔９１に低圧冷媒ガスが導入された場合、両ピストンバルブ８５，８６は、バルブスプリング８７のばね力により、図２に示したように、メインフレーム６５またはベアリングプレート６７の端面に押し付けられる。その結果、両シリンダ室７３，７５は、連通孔８８，８９、バルブ孔８３、逆止弁９０を介して連通され、一方のシリンダ室７５（７３）の圧縮空間から他方のシリンダ室７３（７５）の吸入空間にガス冷媒が流出する。一方、冷媒導入孔９１に高圧冷媒ガスが導入された場合、両ピストンバルブ８５，８６の受圧面に高圧が作用してバルブスプリング８７が圧縮され、両ピストンバルブ８５，８６が互いに接近して中間プレート７１に当接する。その結果、両ピストンバルブ８５，８６の外周面により連通孔８８，８９が閉鎖され、両シリンダ室７３，７５間が連通されなくなる。
【００２３】
図４は、圧縮機構６１に対するパワーコントロール機構８１の配置を示す模式図である。前述したように、パワーコントロール機構８１は、ベーン９５に対して９０゜および１８０゜位相のずれた部位にそれぞれ配置されており、吐出ポート９７側のパワーコントロール機構８１には第１導入配管４２が接続し、ベーン９５に対向するパワーコントロール機構８１には第２導入配管４３が接続し、吸入ポート９８側のパワーコントロール機構８１には第３導入配管４４が接続している。
【００２４】
本実施形態では、パワーコントロール機構８１を作動させる場合、室外側ＥＣＵ５１は、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７と低圧側遮断弁４８とを適宜駆動制御する。例えば、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７を開放（ＯＮ作動）させて、低圧側遮断弁４８を閉鎖（ＯＦＦ作動）させれば、冷媒配管２３内の高圧冷媒ガスが第１〜第３導入配管４２〜４４を介して各パワーコントロール機構８１に導入され、これにより、両シリンダ室７３，７５間の連通が全て遮断されて、第１圧縮機３はその運転時に４馬力の圧縮仕事を行うことになる。また、この状態から低圧側遮断弁４８を開放（ＯＮ作動）させれば、冷媒配管３２内の低圧冷媒ガスが第３導入配管４４を介して吸入ポート９８側のパワーコントロール機構８１に導入され、これにより、両シリンダ室７３，７５間の連通は３／４が遮断されて、第１圧縮機３はその運転時に３馬力の圧縮仕事を行うことになる。
【００２５】
また、この状態から更に第３高圧側遮断弁４７を開放（ＯＮ作動）させれば、冷媒配管３２内の低圧冷媒ガスが第２導入配管４３を介してベーン９５に対向するパワーコントロール機構８１にも導入され、これにより、両シリンダ室７３，７５間の連通は１／２が遮断されて、第１圧縮機３はその運転時に２馬力の圧縮仕事を行うことになる。そして、この状態から更に第２高圧側遮断弁４７を開放（ＯＮ作動）させれば、冷媒配管３２内の低圧冷媒ガスが第１〜第３導入配管４２〜４４を介して各パワーコントロール機構８１に導入され、これにより、両シリンダ室７３，７５間の連通が１／４が遮断されて、第１圧縮機３はその運転時に１馬力の圧縮仕事を行うことになる。
【００２６】
室外側ＥＣＵ５１は、室外ユニット１に１〜１０馬力の能力を発生させる際に、第１，第２圧縮機３，４の運転制御とパワーコントロール機構８１の駆動制御とを次のように行う。すわなち、第１圧縮機３のみを運転させながら、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７と低圧側遮断弁４８とを上述した手順で駆動制御すれば、１〜４馬力の間で１馬力毎の能力を得ることができる。また、第２圧縮機４のみを運転させれば、当然のことながら、６馬力の能力を得ることができる。そして、第１，第２圧縮機３，４を同時に運転させながら、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７と低圧側遮断弁４８とを駆動制御すれば、７〜１０馬力の間で１馬力毎の能力を得ることができる。
【００２７】
さて、室外ユニット１に５馬力の能力を発生させる場合、室外側ＥＣＵ５１は、第２圧縮機４のみを運転させると同時に、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７と低圧側遮断弁４８とを全て開放（ＯＮ作動）させる。すると、冷媒配管２３と冷媒配管３２とが連通配管４１により連通され、冷媒配管２３内を流通する高圧冷媒ガスが冷媒配管３２側に流出して、第２圧縮機４でなされた圧縮仕事の一部が廃棄されることになる。つまり、連通配管４１は、第１〜第３高圧側遮断弁４５〜４７と低圧側遮断弁４８とを全て開放された場合において、従来装置における冷媒戻し回路と同等の作用をもつことになるのである。また、連通配管４１に介装されたキャピラリチューブ４９は、第２圧縮機４の運転時に１馬力分の高圧ガス冷媒を流通させるように設定されているため、室外ユニット１は５馬力の能力を発生することになる。尚、図５は、室外ユニット１の能力と、第１，第２圧縮機３，４および各遮断弁４５〜４８のＯＮ／ＯＦＦ状態との関係を示すテーブルである。
【００２８】
このように、本実施形態の空気調和システムでは、パワーコントロール機構用の連通配管や遮断弁に冷媒戻し回路の機能を兼ねさせるようにしたため、冷媒戻し回路に専用のバイパス配管や遮断弁等を設ける必要がなくなり、機器構成の簡素化やコストダウン等を実現できた。
【００２９】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態は各１台の可変能力型圧縮機と定能力型圧縮機とを備えた空気調和システムに本発明を適用したものであるが、定能力型圧縮機を複数台備えたもの等に適用してもよい。また、上記実施形態では、４段階制御のパワーコントロール機構をツインロータ型の定速圧縮機に設けるようにしたが、パワーコントロール機構による能力制御を３段階以下あるいは５段階以上としてもよいし、圧縮機としてトリプルロータ以上の圧縮機構を備えたものを用いてもよい。また、パワーコントロール機構の構造については、例えば、圧縮機ケーシングの外部に連通配管を設ける等、種々の構造が考えられるし、冷凍サイクルにおける他の具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１の発明によれば、熱源側に定能力型圧縮機と能力制御可能な可変能力型圧縮機とを有すると共に、当該可変能力型圧縮機の能力調整を行うパワーコントロール機構が高圧冷媒回路内を流通する高圧冷媒ガスと低圧冷媒回路内を流通する低圧冷媒ガスとによって駆動される空気調和装置であって、前記高圧冷媒回路と前記低圧冷媒回路とを連通する連通配管と、当該連通配管から分岐し、当該連通配管内の冷媒ガスを前記パワーコントロール機構に導く複数本の導入配管と、前記複数本の導入配管の夫々の分岐位置より前記高圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された複数個の高圧側遮断弁と、前記複数本の導入配管のうち最も低圧側に位置する導入配管の分岐位置より前記低圧冷媒回路側で前記連通配管に介装された低圧側遮断弁と、前記可変能力型圧縮機の能力を複数段階に調整するべく、前記複数個の高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを所定の制御則に基づいて駆動制御する能力制御手段とを備え、前記可変能力型圧縮機は前記複数本の導入配管からの冷媒ガスの制御によって複数段階に制御されるものであり、この能力制御手段は、前記可変能力型圧縮機が停止しかつ前記定能力型圧縮機が運転している際に熱源側の能力を減少させる必要が生じた場合、前記連通配管を冷媒戻し配管とするべく、前記高圧側遮断弁と前記低圧側遮断弁とを同時に開放させるものとしたため、多段階での能力制御を実現しながら、バイパス配管や遮断弁等、専用の冷媒戻し回路を構成するための部材が不要になり、装置構成の簡素化やコストの低減を実現することができる。
【００３１】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の空気調和装置において、前記定能力型圧縮機の能力と前記可変能力型圧縮機の最大能力との間に当該可変能力型圧縮機における略２段階分の能力差があり、かつ前記連通配管を冷媒戻し配管とした場合の能力減少量と、前記可変能力型圧縮機の１段階あたりの能力増減量とが略等しいものとしたため、能力制御手段が定能力型圧縮機と可変能力型圧縮機との運転制御と、高圧側遮断弁と低圧側遮断弁との開閉制御とを適宜行うことで、熱源側の能力を最小値から最大値まで段階的に制御できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気調和システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】パワーコントロール機構の構造および作用を示す半裁縦断面図である。
【図３】パワーコントロール機構の構造および作用を示す半裁縦断面図である。
【図４】圧縮機構に対するパワーコントロール機構の配置を示す模式図である。
【図５】室外ユニットの能力と、第１，第２圧縮機および各遮断弁のＯＮ／ＯＦＦ状態との関係を示すテーブルである。
【符号の説明】
１  室外ユニット
２  室内ユニット
３  第１圧縮機（可変能力型圧縮機）
４  第２圧縮機（定能力型圧縮機）
２３  冷媒配管（高圧冷媒回路）
３２  冷媒配管（低圧冷媒回路）
４１  連通配管
４２  第１連通配管
４３  第２連通配管
４４  第３連通配管
４５  第１高圧側遮断弁
４６  第２高圧側遮断弁
４７  第３高圧側遮断弁
４８  低圧側遮断弁
４９  キャピラリチューブ
５１  室外側ＥＣＵ
【図１】
0003837208.tif 000002
【図２】
0003837208.tif 000003
【図３】
0003837208.tif 000004
【図４】
0003837208.tif 000005
【図５】
0003837208.tif 000006