JP3843331B2 - ヒートポンプ式空気調和機及び室外機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用して、複数の室内機を同時または個別に運転するマルチ型のヒートポンプ式空気調和機に係わり、特に冬期に室外空気温度が例えば−１５℃以下に低下する寒冷地で利用するヒートポンプ式空気調和機に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地においても高暖房能力を発揮するため、高圧液冷媒を圧縮機の圧縮機構部内に噴射（液インジェクション）し、その流量を制御することが知られ、例えば特開平８−２１０７０９号公報に記載されている。
【０００３】
また、複数の圧縮機を並列に設けた場合、保守点検時に全ての圧縮機を停止させないため、流量制御付きの液インジェクションを個別に備えることが、特開平７−１５１３９６号公報に記載されている。
【０００４】
さらに、室外熱交換器下部に一体に構成した過冷却器を設けることで、室外熱交換器下部の着霜を防止し、暖房能力や成績係数をより高くすることが例えば、特開平９−２２９４９６号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術である特開平８−２１０７０９号公報に記載のものでは、１台の容量制御式圧縮機で対応しているので、大容量化するためには圧縮機が大型化してしまい、生産設備の標準化などにおいても不利となる。また、省エネのために最小能力を小さく、つまり最大最小能力の差を大きくするためには、圧縮機の最小回転数をより低くする必要がある。そして、最小回転数をより低くすると、軸受けの油膜形成等が困難になり、軸受けや給油機構の改良が一層必要になる。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、圧縮機を大型化することなく、最大最小能力の差を大きくし、信頼性の高いヒートポンプ式空気調和機を得ることにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、空気調和機としての必要とされる能力の大きさに関わらず、圧縮機の標準化を可能とし、製品の展開を容易にすることにある。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、高い暖房能力を得て、室外空気温度が−１５℃以下であっても実質的な暖房運転を可能にすることにある。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、暖房運転時に室外熱交換器での熱交換量が増大しても、室外熱交換器下部での着霜や氷結を防止して暖房能力を高めることにある。
【００１０】
なお、本発明は上記課題および目的の少なくとも一つを解決するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ヒートポンプ式空気調和機において、室外機と接続される複数台の室内機と、複数台設けられ、そのうち少なくとも１台は回転数が制御されその容量が可変とされ、他は一定速型圧縮機とされた圧縮機と、前記圧縮機のそれぞれのインジェクション回路に設けられた液インジェクション電磁弁と、容量可変の圧縮機に対するインジェクション回路に設けられた液インジェクション膨張弁と、一定速型圧縮機に対するインジェクション回路に設けられたキャピラリーチューブと、液インジェクション電磁弁の開閉及び液インジェクション膨張弁の開度を制御する室外制御装置と、を備え、前記容量可変の圧縮機に対しては前記液インジェクション膨張弁で液インジェクション量が制御され、前記一定速型圧縮機に対しては圧縮機起動後ある一定の吐出温度に達した時に前記液インジェクション電磁弁を開弁してインジェクションが開始され、吐出温度が所定の値となるように前記室外膨張弁を制御し、停止している前記一定速型圧縮機に対しては前記前記液インジェクション電磁弁が閉じられるものである。
【００１２】
これにより、圧縮機に液インジェクション量を室内機の台数に応じて制御するので、必要とされる容量が増加して圧縮機が高圧力比運転となってもそれに応じて冷却され、圧縮機の内部温度が異常に上昇することなく、高効率とすることができる。そして、圧縮機を複数台とし、それぞれに液インジェクションするので、最大最小能力の差を大きくしても１台当たりにしてみれば最小回転数を低くする必要がない。よって、圧縮機を大型化することなく、また軸受けの油膜形成等が容易となり、信頼性を高めることができる。
【００１３】
また、上記のものにおいて、容量が可変とされた前記圧縮機は吸い込み部と吐出部の中間部にインジェクションが行われるスクロール型とされたことが望ましい。
【００１４】
これにより、圧縮機を複数台とし、それぞれに液インジェクションするうえ、さらに少なくとも１台は回転数が制御されその容量が可変とされた圧縮機とするので、最大容量では高圧力比運転となってもそれに応じて冷却し、最小能力ではその容量を最小に制御することが可能となり、より一層、最大最小能力の差を大きくすることができる。
【００１７】
さらに、上記に記載のものにおいて、室外熱交換器の下部に過冷却熱交換器を備えたことが望ましい。
【００１８】
さらに、上記のものにおいて、前記複数台の圧縮機はスクロール型とされ、室外空気温度が−１５℃以下であっても前記室内熱交換器を凝縮器として作用させ前記四方弁を室内が暖房となるようにすることが望ましい。
【００１９】
これにより、複数台の圧縮機のうち少なくとも１台は低速回転から高速回転に適するスクロール型とし、室外空気温度が−１５℃以下であっても室内が暖房となるようにするので、灯油やガス等の電気以外のエネルギ源を用いる事無く、最低室外空気温度が−１５℃から−２０℃となる地域、例えば北海道の旭川などでも扱いが容易で、クリーンな電気式空気調和機とすることができる。
【００２１】
さらに、上記のものにおいて、最小から最大能力を前記定格能力の１０％〜１３０％の範囲内で可変して運転されることが望ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して一実施の形態を説明する。図１は、第１の実施の形態を示す冷凍サイクルの構成図である。１は容量制御型圧縮機、２ａ、２ｂは一定速型圧縮機、３はアキュムレータ、４はオイルセパレータ、５は四方弁、６ａ、６ｂは室外熱交換器、７ａ、７ｂは室外膨張弁、８ａ、８ｂは過冷却器、９ａ、９ｂは室外送風機、１０はレシーバ、１１はガス液熱交換器、１２はガス阻止弁、１３は液阻止弁、１５はガスバイパス、２０は容量制御型圧縮機用液インジェクション膨張弁、２１ａ、２１ｂは一定速型圧縮機用液インジェクション膨張弁、２２は容量制御型圧縮機用液インジェクション電磁弁、２３ａ、２３ｂは一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁、２４は容量制御型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ、２５ａ、２５ｂは一定速型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ、３０は室外制御装置、３１は室外温度センサー、３２は容量制御型圧縮機用吐出温度センサー、３３ａ、３３ｂは一定速型圧縮機用吐出温度センサー、３４は吸入温度センサーであり室外機１００を構成する。
【００２５】
また、５０ａ、５０ｂ、５０ｃは室内熱交換器、５１ａ、５１ｂ、５１ｃは室内膨張弁、５２ａ、５２ｂ、５２ｃは室内送風機、５３ａ、５３ｂ、５３ｃは室内制御装置、５４ａ、５４ｂ、５４ｃは室内吸込温度センサー、５５ａ、５５ｂ、５５ｃはリモートコントローラであり、室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃを構成する。さらに、室内機２００ａ、２００ｂ、２００ｃは、ガス接続配管４０、液接続配管４１、により室外機１００に連結されるとともに、室内制御装置５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび室外制御装置３０も伝送線４２により連結されている。リモートコントローラ５５ａ、５５ｂ、５５ｃの操作により運転をして、空気調和を行なう。
【００２６】
室外機の据付け省工事・省スペース化、個別分散形空気調和ニーズの高まりにより、一台の容量制御可能な室外機に複数の室内機を接続し、それぞれの室内機を個別に運転、停止可能なマルチ型空気調和機が普及している。さらに近年、一層の省工事化、省スペース化による設置コスト削減の観点から、室外機は大容量化の一途をたどっている。多くの室内機を連結可能とし、しかも個別運転可能とするため、比較的大容量のマルチ型空気調和機では圧縮機を複数搭載して、その運転台数により空調容量を可変させるのが一般的である。
【００２７】
一方、高緯度地区において、灯油やガスを用いる暖房機器に対して、機器の安全性が高く取り扱いも容易で、かつ排気が無くクリーンなエネルギを使用する電気式空気調和機のニーズは高く、−１５℃以下でも十分な暖房能力と吹き出し温度が確保されるより大容量のヒートポンプ式空気調和機が必要とされている。
【００２８】
本実施例では、すべての圧縮機は吸入と吐出の間の中間圧力となる圧縮室に過冷却液冷媒を減圧して噴射する液インジェクション式を採用している。これにより、吸入圧力が低くて吸入ガス量が少ない場合でも途中から液インジェクションによる冷媒が加わるため吐出される冷媒量が増大する。すなわち、蒸発温度が低くても圧縮機の冷媒循環量を高くすることができる。さらに中間圧力を旋回スクロールの背面に導き固定スクロールへの押し付け力を発生するスクロール型圧縮機の場合、上記のような高圧力比運転であっても旋回スクロールの背圧を高くすることができ、液インジェクションされた冷媒が低圧側へ漏洩する量が少ないので信頼性を確保し、より外気が低温の場合の暖房運転に対応できる。よって、高効率な運転が可能となる。
【００２９】
次に本実施の形態の動作を示す。リモートコントローラ５５ａ、５５ｂ、５５ｃのいずれかまたはすべてがスイッチオンされた時、室内制御装置５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび室外制御装置３０により、圧縮機、送風機、電磁弁、および膨張弁が運転、操作される。
【００３０】
圧縮機の運転台数の制御について、図４を参照して説明する。図は本実施例のように容量制御型圧縮機１台と一定速型圧縮機２台を組み合わせる場合を示している。まず、リモートコントローラ５５ａ、５５ｂ、５５ｃのいずれかまたはすべてがスイッチオンされた時、オンした室内機の容量、設定温度と室内吸込温度の関係等による要求能力により、圧縮機の必要運転容量が演算される。例えば室内運転台数が少ない時や空調負荷が小さく、必要運転容量が低い▲１▼の場合は、容量制御型圧縮機１のみを運転して、例えばインバータによる回転数制御を用いた圧縮機の場合は回転数を変化させて必要運転容量の変化に対応する。容量制御型圧縮機１台の最大容量を越えた場合は一定速型圧縮機２ａ、２ｂのいずれか１台とともに▲１▼、▲２▼のように同時に運転して、２台の圧縮機合計の容量で運転する。さらに室内機が全て運転されたり、大きな空調能力が必要だったりする場合は、全ての圧縮機を運転して▲１▼、▲２▼、▲３▼の合計容量で運転されるようになっている。
【００３１】
次に低外気温度における暖房運転時の液インジェクション回路の動作を示す。まず液インジェクションが働く条件について、図５に示す。室外温度センサー３１が検知する外気温度が所定の温度Ｔ℃以下になって、蒸発温度の低下による低圧側圧力が低下して、圧縮機が高圧力比運転になったときに液インジェクション回路の動作を開始する。まず室外膨張弁７ａ、７ｂは吸入温度センサー３４により検知する温度から圧縮機吸入側に過熱度が付くよう、開度を制御する。容量制御型圧縮機用液インジェクション電磁弁２２、および運転されている一定速型圧縮機の一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂは開弁され、容量制御型圧縮機用液インジェクション膨張弁２０、運転されている一定速型圧縮機の一定速型圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａ、２１ｂは徐々に開弁され、過冷却器８ｂ通過後の液冷媒を圧縮機へ導入する。
【００３２】
容量制御型圧縮機用吐出温度センサー３２、一定速型圧縮機用吐出温度センサー３３ａ、３３ｂにより検知される各々の圧縮機の吐出温度が所定の温度になるように、液インジェクション量を個別に制御する。なお、運転されていない一定速型圧縮機の液インジェクション膨張弁および電磁弁は閉弁としているので、圧縮室内への液冷媒の流入は防止される。また、動作している液インジェクション回路の液冷媒は、容量制御型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２４、一定速型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２５ａ、２５ｂを介して圧縮機の圧縮室へ噴射されるので、キャピラリーチューブの圧力損失により膨張弁や電磁弁への圧縮室圧力脈動の伝播が抑制され、膨張弁や電磁弁が圧力脈動により故障することを防止することができる。
【００３３】
以上、複数台の圧縮機に対して個別に液インジェクション量を制御できるので、容量制御型圧縮機の運転容量や圧縮機の吐出量による冷媒循環量の差、あるいは圧縮機個体差等によるモーター効率や圧縮効率の差によらず、最適な液インジェクション量に調整することができる。また、停止している圧縮機に対しては液インジェクションを閉じることができるので、圧縮機室内への冷媒液封による圧縮機の故障を防止することができる。これにより圧縮機の個別発停が可能になり、大きな最大最小容量差を得られるとともに、大型の空気調和機を小さな圧縮機を複数組み合せて運転することが可能になり、一定速型圧縮機の共用化による製品の馬力展開も容易にできることになる。
【００３４】
また、外気温度が低く、高圧力比運転になってしまう時でも、圧縮機の運転台数によらず適正なインジェクション量が得られるので、圧縮機吸入冷媒量が増加して冷媒循環量が増大するとともに、液インジェクションによる液冷媒の気化潜熱により圧縮機が冷却される。そして、圧縮機の放熱による熱が回収される共に、圧縮機の効率が改善されるので、高い暖房能力が得られるうえ、効率の高い運転となる。
【００３５】
次に本発明の第２の実施の形態を示す。図２は本発明の第２の実施の形態を示しており、図１の液インジェクション回路に関る点線内部のみを示している。本実施の形態では、一定速型圧縮機２ａ、２ｂの液インジェクションは、一定速型圧縮機用液インジェクション膨張弁２１ａにより流量が制御されたのち分岐して、一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂ、一定速型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２５ａ、２５ｂを介して各々の圧縮機に液冷媒が供給されるようになっている。もし一定速型圧縮機がいずれか一方しか運転しない場合は、運転しない側の電磁弁を閉弁してインジェクションしないようにする。このような液インジェクション回路の構成にすることで、高価で故障原因ともなりうる液インジェクション用膨張弁の個数を減らすことができ、駆動用の電気回路を含めて部品点数を低減することができるとともに、信頼性をより高くすることができる。
【００３６】
次に本発明の第３の実施の形態を示す。図３は本発明の第３の実施の形態を示しており、図１の液インジェクション回路に関る点線内部のみを示している。本実施の形態では、一定速型圧縮機２ａ、２ｂの液インジェクションは、一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂ、一定速型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ２５ａ、２５ｂを介して各々の圧縮機に液冷媒が供給されるようになっており、液インジェクション流量はキャピラリーチューブの減圧量のみによる固定的なものとなっている。キャプラリーチューブの仕様は、一定速型圧縮機の吐出量に応じて、ある運転条件で所望の性能を得ることができる液インジェクション量が得られるようにしている。
【００３７】
本実施の形態では、一定速型圧縮機側の液インジェクション回路については、圧縮機起動後ある一定の吐出温度に達した時に、一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁２３ａ、２３ｂを開弁して、インジェクションを開始する。このとき、運転状態によって吐出温度が低下し過ぎた場合は、吐出温度が所定の値になるよう室外膨張弁７ａ、７ｂを調整（制御）して、より圧縮機吸入側過熱度を大きくして吐出温度を上昇させる。
【００３８】
また、逆に電磁弁を開弁したにも拘わらず吐出温度が上昇し続けた場合は、室外膨張弁７ａ、７ｂを調整して、より圧縮機吸入側過熱度を小さくして吐出温度を低下させる。このように室外膨張弁を吸入過熱度のみならず吐出温度を加味した動作（制御）をさせることで、液インジェクションの流量がキャピラリーチューブによる固定的なものであっても、圧縮機の吐出温度を過大に上昇または低下させることが無く、電動機の耐熱温度を超えた運転や冷凍機油の粘度低下等、圧縮機の信頼性を低下させる運転を防止することができる。
【００３９】
以上によって、一定速型圧縮機の液インジェクション用膨張弁を全く使用しないようにすることができ、部品点数を一層低減するとともに、信頼性をさらに高くすることができる。
【００４０】
また、液インジェクション回路の流量制御に電動膨張弁を使用した場合、電動膨張弁および駆動電気回路が必要になるが、部品点数増加、故障要因箇所増加を抑える観点から、極力簡易な構成で実現する方法をとることが好ましい。
【００４１】
大容量の空気調和機では、室外熱交換器での熱交換量増大のため、暖房運転時に蒸発器になる室外熱交換器の霜を取り除く除霜運転時に解氷されて滴下する水の量もより多く、これが室外熱交換機下部で氷塊になり除霜時間を増大させ、暖房能力を低下させるため、室外熱交換機下部に過冷却器を設置して着霜や氷結を防止するのが、暖房能力を向上させるために一層効果的である。
【００４２】
なお、上記実施例では室外熱交換器、過冷却器、および室外膨張弁を２系統有する例で示しているが、１系統または３系統以上の場合でも同様に動作できる。また、圧縮機については、例えばインバータ制御によるような連続容量制御型の圧縮機を１台用いる場合を示したが、複数の一定速型圧縮機の運転台数制御や、バイパス等を用いるアンローダ機能や極数変換電動機を使用するような段階容量制御を有する圧縮機の運転を組み合わせることも良い。
【００４３】
以上の実施の形態によれば、空気調和機に複数台の圧縮機を用いていても、液インジェクション量を個別に制御できるので、容量制御型圧縮機の運転容量や、圧縮機の差によるモーター効率や圧縮効率の差によらず、最適な液インジェクション量に調整することができる。また、停止している圧縮機に対しては液インジェクションを閉じることができるので、圧縮機室内への冷媒液封による圧縮機の故障を防止することができる。これにより圧縮機の個別発停が可能になり、大きな最大最小容量差を得られるとともに、大型の空気調和機を小さな圧縮機を複数組み合せて運転することが可能になり、一定速型圧縮機の共用化による製品の馬力展開も容易にできる。
【００４４】
さらに、外気温度が低く、高圧力比運転になってしまう時でも、圧縮機の運転台数によらず適正なインジェクション量が得られるので、圧縮機吸入冷媒量が増加して冷媒循環量が増大するとともに、液インジェクションによる液冷媒の気化潜熱により圧縮機が冷却されることにより、圧縮機の放熱による熱を回収するとともに、圧縮機の効率が改善される。よって、高い暖房能力が得られるうえ、効率の高い運転を実現することが可能になる。
【００４５】
さらに、高価で故障原因ともなりうる液インジェクション用膨張弁の個数を減らすことができるので、信頼性が高く、生産効率の良い空気調和機を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、複数の室内機を同時または個別に運転するマルチ型のヒートポンプ式空気調和機において、圧縮機を大型化することなく、最大最小能力の差を大きくし、信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル構成の一部を示すブロック図。
【図３】本発明の第３の実施の形態における冷凍サイクル構成の一部を示すブロック図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における圧縮機の運転状況を示すパターン図。
【図５】本発明の第１の実施の形態における液インジェクションの動作と効果を示す線図。
【符号の説明】
１…容量制御型圧縮機、２ａ、２ｂ…一定速型圧縮機、３…アキュムレータ、４…オイルセパレータ、５…四方弁、６ａ、６ｂ…室外熱交換器、７ａ、７ｂ…室外膨張弁、８ａ、８ｂ…過冷却器、９ａ、９ｂ…室外送風機、１０…レシーバ、１１…ガス液熱交換器、１２…ガス阻止弁、１３…液阻止弁、１５…ガスバイパス、２０…容量制御型圧縮機用液インジェクション膨張弁、２１ａ、２１ｂ…一定速型圧縮機用液インジェクション膨張弁、２２…容量制御型圧縮機用液インジェクション電磁弁、２３ａ、２３ｂ…一定速型圧縮機用液インジェクション電磁弁、２４…容量制御型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ、２５ａ、２５ｂ…一定速型圧縮機用液インジェクションキャピラリーチューブ、３０…室外制御装置、３１…室外温度センサー、３２…容量制御型圧縮機用吐出温度センサー、３３ａ、３３ｂ…一定速型圧縮機用吐出温度センサー、３４…吸入温度センサー、４０…ガス接続配管、４１…液接続配管、４２…伝送線、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ…室内熱交換器、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ…室内膨張弁、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…室内送風機、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ…室内制御装置、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ…室内吸込温度センサー、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ…リモートコントローラ、１００…室外機、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ…室内機。

Claims (5)

1. 室外熱交換器、圧縮機、四方弁、室外膨張弁を有した室外機と、室内熱交換器を有する室内機を備え、前記圧縮機に液冷媒がインジェクションされるヒートポンプ式空気調和機において、
   前記室外機と接続される複数台の前記室内機と、
   複数台設けられ、そのうち少なくとも１台は回転数が制御されその容量が可変とされ、他は一定速型圧縮機とされた前記圧縮機と、
   前記圧縮機のそれぞれのインジェクション回路に設けられた液インジェクション電磁弁と、
   前記容量可変の圧縮機に対する前記インジェクション回路に設けられた液インジェクション膨張弁と、
   前記一定速型圧縮機に対する前記インジェクション回路に設けられたキャピラリーチューブと、
   前記液インジェクション電磁弁の開閉及び前記液インジェクション膨張弁の開度を制御する室外制御装置と、
   を備え、前記容量可変の圧縮機に対しては前記液インジェクション膨張弁で液インジェクション量が制御され、前記一定速型圧縮機に対しては圧縮機起動後ある一定の吐出温度に達した時に前記液インジェクション電磁弁を開弁してインジェクションが開始され、吐出温度が所定の値となるように前記室外膨張弁を制御し、停止している前記一定速型圧縮機に対しては前記前記液インジェクション電磁弁が閉じられることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
2. 請求項１に記載のものにおいて、容量が可変とされた前記圧縮機は吸い込み部と吐出部の中間部にインジェクションが行われるスクロール型とされたことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記室外熱交換器の下部に過冷却熱交換器を備えたことを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記複数台の圧縮機はスクロール型とされ、室外空気温度が−１５℃以下であっても前記室内熱交換器を凝縮器として作用させ前記四方弁を室内が暖房となるようにすることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
5. 請求項１に記載のものにおいて、最小から最大能力を前記定格能力の１０％〜１３０％の範囲内で可変して運転されることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。

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