JP5976333B2 - 空気調和装置及び空気調和装置の四方弁制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置及び空気調和装置の四方弁制御方法に関するものである。

冷房運転と暖房運転時とにおいて、空気調和装置が冷媒回路中の冷媒の流れ方向を切り換えるために切換え弁、例えば四方弁が冷媒回路に設けられる。そして、冷房運転と暖房運転を切り換える際、又は暖房運転と除霜運転を切り換える際に、四方弁の切換えが行われる。
特許文献１では、ヒートポンプ式空気調和機の発明であって、複数の四方弁が並設された室外ユニットを複数台備えた構成において、四方弁の切換え動作を確実に行う技術が開示されている。

特開２００９−７９８２８号公報

四方弁がパイロット圧によって駆動し切り換わる場合、冷媒回路の高圧側と低圧側の差圧が確保される必要がある。例えば極低温時などの原因によって、差圧が確保されず、四方弁が確実に作動しなかった場合、その後、圧縮機の吐出圧が高まっても四方弁が切り換わらないことがある。四方弁が切り換わらない場合、運転を継続すると、液バック運転が生じるおそれがある。四方弁を確実に切り換えるため、四方弁の機械的な作動を補助するオプション品を用いることもできるが、製造コストが上昇してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、四方弁の切換えを確実化させることが可能な空気調和装置及び空気調和装置の四方弁制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和装置及び空気調和装置の四方弁制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る空気調和装置は、冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、パイロット圧によって駆動し、前記圧縮機から吐出された冷媒の流路を切り換える四方弁とを有する冷媒回路と、前記圧縮機の回転数を調整する圧縮機制御部と、前記圧縮機の回転数が予め定められた第１回転数に到達したとき、又は、前記圧縮機の回転数を上昇させているとき、前記冷媒回路中のバイパス経路に設けられた開閉弁を一定時間のみ閉鎖させる開閉弁制御部と、前記開閉弁が前記一定時間閉鎖された後、前記四方弁に切換え動作させる四方弁制御部とを備える。

この発明によれば、圧縮機の回転数が予め定められた第１回転数に到達したとき、又は、圧縮機の回転数を上昇させているとき、冷媒回路中のバイパス経路に設けられた開閉弁が閉鎖される。その結果、冷媒回路は差圧が調整され、四方弁の切換えに必要な差圧が確保される可能性が高くなる。したがって、開閉弁が閉鎖された状態で切換え動作することによって、四方弁の切換えを確実化させることができる。また、弁を閉鎖する時間を一定時間のみとすることによって、冷媒回路に与える可能性がある悪影響を低減できる。

上記発明において、前記圧縮機の吐出側かつ前記四方弁の入口側の冷媒の第１圧力を測定する高圧圧力測定部と、前記圧縮機の吸入側かつ前記四方弁の出口側の冷媒の第２圧力を測定する低圧圧力測定部と、前記第１圧力と前記第２圧力との間の差圧を算出する差圧算出部とを更に備え、前記開閉弁制御部は、算出された前記差圧が予め定められた第１閾値よりも低い場合、前記開閉弁を一定時間のみ閉鎖させてもよい。

この発明によれば、四方弁を挟んで冷媒圧力が高い第１圧力と冷媒圧力が低い第２圧力との間の差圧が算出される。そして、差圧が第１閾値よりも低いときに開閉弁が閉鎖されることによって、冷媒回路は差圧が調整される。すなわち、四方弁の切換えに必要な差圧が確保されていないとき、開閉弁が閉鎖されて、四方弁の切換えを確実化させることができる。

上記発明において、前記四方弁制御部は、前記開閉弁が閉鎖している間に前記差圧が前記第１閾値以上となった場合、前記四方弁に切換え動作させてもよい。

この発明によれば、差圧が第１閾値以上となったとき、四方弁に切換え動作させることから、四方弁は、四方弁の切換えに必要な差圧が確保されている可能性が高くなる。そのため、四方弁の切換えを確実化させることができる。

上記発明において、前記四方弁が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された前記差圧が前記第１閾値以上である場合は、前記四方弁の切換え動作が正常に行われたと判断する判断部を更に備えてもよい。

この発明によれば、四方弁が切換え動作をして、所定時間経過した後、差圧が第１閾値以上である場合は、四方弁の切換えに必要な差圧が確実に確保されて、四方弁の切換え動作が正常に行われたと判断される。

上記発明において、前記四方弁が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された前記差圧が前記第１閾値よりも低い場合、前記圧縮機制御部は、前記圧縮機を停止させ、その後前記圧縮機を再起動させ、前記四方弁制御部は、前記再起動後において、前記四方弁に再び切換え動作させてもよい。

この発明によれば、四方弁が切換え動作をして、所定時間経過した後、差圧が第１閾値よりも低いとき、四方弁の切換え動作に異常が発生している可能性があるが、圧縮機が停止し再起動することによって、冷媒回路の差圧が再度調整される。そして、四方弁は、差圧が確保されている可能性が高い状態で再び切換え動作することになるため、四方弁の切換えを確実化させることができる。

本発明によれば、空気調和装置の冷媒回路において、差圧が調整され、四方弁の切換えに必要な差圧を確保させることによって、四方弁の切換えを確実化させることができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置を示す構成図である。 同実施形態に係る空気調和装置の室外制御器を示すブロック図である。 同実施形態に係る空気調和装置の動作を示すフローチャートである。 同実施形態に係る空気調和装置の動作を示すフローチャートである。 同実施形態に係る空気調和装置の動作を示すフローチャートである。 同実施形態に係る空気調和装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る空気調和装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和装置を示す構成図である。
空気調和装置は、室外機１と室内機２を備え、冷媒管からなる冷媒回路を有する。
室外機１は、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、アキュムレータ６、暖房用膨張弁１３及び室外機１の各部を制御するための室外制御器３１（図２参照）を主な構成要素として備えている。また、室内機２は、室内熱交換器７、冷房用膨張弁１４及び室内制御器（図示せず。）を備えている。また、室外機１内の室外熱交換器５と室内機２内の室内熱交換器７とは、ガス管８及び液管９によって接続されている。

室外機１において、圧縮機３の吐出側は、ガス管８の途中に介挿された四方弁４に接続されており、圧縮機３の吸入側は、アキュムレータ６を介して四方弁４に接続されている。ここで、圧縮機３は、インバータ駆動の能力可変圧縮機である。

四方弁４は、パイロット圧によって駆動し、圧縮機３から吐出された冷媒の流路を切り換える。四方弁４がオフである場合、冷房運転又は除霜運転となり、圧縮機３、室外熱交換器５、室内熱交換器７及びアキュムレータ６が順次連結されるようになっている。また、四方弁４がオンである場合、暖房運転となり、圧縮機３、室内熱交換器７、室外熱交換器５、及びアキュムレータ６が順次連結されるようになっている。

すなわち、空気調和装置の冷房運転時には、室外機１の圧縮機３から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、実線矢印で示すように、逆止弁（図示せず。）、四方弁４を経て室外熱交換器５に送られ、ここで外気と熱交換することによって凝縮液化する。この液冷媒は、ストレーナ１０、液側操作弁１１を順次経て、室内機２に流入する。そして、液冷媒は、冷房用膨張弁１４を通過する過程で、断熱膨張した後、室内熱交換器７へ送られ、ここで室内空気を冷却することによって蒸発気化する。室内熱交換器７において吸熱してガスになった冷媒は、ガス管８に流入し、ガス側操作弁１２を経て、室外機１に流入し、四方切換弁４、アキュムレータ６を経て、圧縮機３に送られる。

ここで、冷房運転時において、室外熱交換器５は、凝縮器の一例であり、室内熱交換器７は、蒸発器の一例である。そして、圧縮機３と、室外熱交換器５と、冷房用膨張弁１４と、室内熱交換器７によって、冷媒回路が構成される。

また、暖房運転時には、四方弁４が冷房運転時と異なる方向に切り換えられる。室外機１の圧縮機３から吐出された冷媒は、破線矢印で示すように、逆止弁（図示せず。）、四方弁４、ガス側操作弁１２、ガス管８を経て、室内機２の室内熱交換器７に流入し、ここで室内空気に放熱することによって凝縮液化する。この液冷媒は、液管９、及び液側操作弁１１を経て、室外機１に流入する。そして、液冷媒は、ストレーナ１０を経て、暖房用膨張弁１３を通過する過程で、断熱膨張した後、室外熱交換器５へ送られ、ここで外気から吸熱することによって蒸発気化する。次いで、このガス冷媒は、四方弁４、アキュムレータ６を経て、圧縮機３に送られる。

ここで、暖房運転時において、室内熱交換器７は、凝縮器の一例であり、室外熱交換器５は、蒸発器の一例である。そして、圧縮機３と、室内熱交換器７と、暖房用膨張弁１３と、室外熱交換器５によって、冷媒回路が構成される。

アキュムレータ６の入口に接続された配管には、低圧圧力センサ２４が設けられる。低圧圧力センサ２４は、圧縮機３に吸入される低圧のガス冷媒の圧力を測定する。

圧縮機３の吐出口に接続された配管には、高圧圧力センサ２５が設けられる。高圧圧力センサ２５は、圧縮機３から吐出される高圧のガス冷媒の圧力を測定する。

冷媒回路には、更にホットガスバイパス１５、油戻しバイパス１９等のバイパス経路が設けられる。

ホットガスバイパス１５は、圧縮機３の吐出側かつ四方弁４の入口側と、室外熱交換器５の出口側かつ暖房用膨張弁１３の入口側とを結ぶ。ホットガスバイパス１５には、ストレーナ１６と開閉弁１７が設けられる。冷房運転時には、開閉弁１７を閉じてホットガスバイパス１５を遮断し、ホットガスバイパス１５を介したガス冷媒の供給が停止される。一方、暖房運転時には、開閉弁１７が開とされることで、ホットガスバイパス１５には、圧縮機３から吐出される高温のガス冷媒（ホットガス）が流れ、室外熱交換器５へ高温のガス冷媒が供給される。

圧縮機３の吐出側には、オイルセパレータ１８が設けられ、オイルセパレータ１８は、冷媒中の潤滑油を分離する。オイルセパレータ１８で分割された冷媒は、四方弁４へ流入する。一方、潤滑油は、油戻しバイパス１９を介して圧縮機３へ供給される。
油戻しバイパス１９は、オイルセパレータ１８と圧縮機３とを結び、油戻しバイパス１９には、ストレーナ２０と開閉弁２１が設けられる。

次に、室外制御器３１について説明する。
室外制御器３１は、差圧算出部３２と、圧縮機制御部３３と、開閉弁制御部３４と、四方弁制御部３５と、判断部３６などからなる。
差圧算出部３２は、低圧圧力センサ２４と高圧圧力センサ２５それぞれで測定された圧力の差（差圧）を算出する。
圧縮機制御部３３は、圧縮機３の回転数を調整する。また、圧縮機制御部３３は、圧縮機３の停止や起動・再起動の制御をする。圧縮機制御部３３は、四方弁４が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された差圧が第１閾値よりも低い場合、圧縮機３を停止させ、その後圧縮機３を再起動させる。なお、圧縮機制御部３３は、上述のケースにおいて、圧縮機３の再起動ではなく、圧縮機３の回転数を更に上昇させてもよい。また、圧縮機３の再起動後、開閉弁１７，２１を閉鎖させる代わりに、圧縮機制御部３３が、圧縮機３の回転数を上昇させてよい。

開閉弁制御部３４は、ホットガスバイパス１５に設けられた開閉弁１７と、油戻しバイパス１９に設けられた開閉弁２１の開閉を制御する。開閉弁制御部３４は、圧縮機３の起動後、圧縮機３の回転数を上昇させているとき、開閉弁１７，２１を一定時間（例えば５秒）のみ閉鎖させる。なお、開閉弁制御部３４は、圧縮機３の回転数が予め定められた第１回転数に到達したときに、開閉弁１７，２１を一定時間（例えば５秒）のみ閉鎖させてもよい。
開閉弁１７，２１の一定時間のみの閉鎖は、差圧算出部３２で算出された差圧が予め定められた第１閾値よりも低い場合に行うようにしてもよい。

四方弁制御部３５は、四方弁４に切換え動作させる。すなわち、四方弁制御部３５は、四方弁４のオン・オフを切換えさせる。四方弁制御部３５は、開閉弁１７，２１が一定時間のみ閉鎖された後、四方弁４に切換え動作させる。
閉鎖されている間に差圧が予め定められた第１閾値以上となった場合は、一定時間の経過を待たずに、四方弁４の切換え動作をするようにしてもよい。
四方弁制御部３５は、圧縮機３の再起動後において、四方弁４に再び切換え動作させる。

判断部３６は、四方弁４の切換え動作の正常又は異常を判断する。判断部３６は、四方弁４が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された差圧が第１閾値以上である場合は、四方弁４の切換え動作が正常に行われたと判断する。

次に、空気調和装置における四方弁の切換え動作について説明する。
初めに、図３を参照して、四方弁切換え前の空気調和装置の動作を説明する。
まず、圧縮機３を起動する（ステップＳ１）。起動直後には、四方弁４の切換えに必要な差圧が確保されていないため、四方弁４の切換えは行わない。そして、圧縮機３の回転数を上昇させる（ステップＳ２）。

そして、回転数上昇中において、バイパス経路、例えばホットガスバイパス１５と油戻しバイパス１９のそれぞれの開閉弁１７，２１を閉鎖させる（ステップＳ３）。これにより、冷媒回路は差圧が調整され、四方弁４の切換えに必要な差圧が確保される可能性が高くなる。

次に、開閉弁１７，２１を閉鎖した後、５秒後に四方弁制御部３５が四方弁４に対して四方弁切換え指令を送信する（ステップＳ４）。そして、四方弁４は、切換え指令に基づいて、切換え動作を行う。開閉弁１７，２１が閉鎖された状態で切換え動作することによって、四方弁４の切換えを確実化させることができる。

その後、ホットガスバイパス１５と油戻しバイパス１９のそれぞれの開閉弁１７，２１を通常制御に戻す（ステップＳ５）。開閉弁１７，２１を閉鎖する時間を一定時間（ここでは５秒間）のみとすることによって、開閉弁１７，２１を長時間閉鎖した場合、冷媒回路に与える可能性がある悪影響を低減できる。

なお、図３では、ステップＳ３において、圧縮機３の回転数上昇中に開閉弁１７，２１を閉鎖させるとしたが、図４に示すように、差圧が予め定められた第１の閾値以上であるか否かを確認しながら（ステップＳ１１）、四方弁４の切換え動作を行うか（ステップＳ１２）、開閉弁１７，２１を閉鎖させるか（ステップＳ１３）を分けてもよい。第１の閾値は、例えば四方弁４の切換えに必要な最低作動圧力差である。圧縮機３の回転数上昇中に差圧が第１の閾値以上であるときは、四方弁４の切換え動作を行う（ステップＳ１２）。一方、差圧が第１の閾値よりも低いときは、開閉弁１７，２１を閉鎖させる（ステップＳ１３）。

また、図３では、ステップＳ４において、開閉弁１７，２１を閉鎖させたとき、５秒後に四方弁切換え指令を送信するとしたが、図４に示すように、差圧が予め定められた第１の閾値以上であるか否かを確認しながら（ステップＳ１４）、四方弁４の切換え動作を行うか（ステップＳ１５）、四方弁切換え不良であると判断するか（ステップＳ１７）を分けてもよい。

開閉弁１７，２１が閉鎖したとき、差圧が第１の閾値以上であるときは、閉鎖後５秒以内でも、四方弁４の切換え動作を行う（ステップＳ１５）。その後、ホットガスバイパス１５と油戻しバイパス１９のそれぞれの開閉弁１７，２１を通常制御に戻す（ステップＳ１６）。

一方、例えば開閉弁１７，２１の閉鎖後５秒経過しても、差圧が第１の閾値よりも低いときは、四方弁切換え不良であると判断する（ステップＳ１７）。すなわち、開閉弁１７，２１の閉鎖によって、冷媒回路は差圧が調整され、四方弁４の切換えに必要な差圧が確保されるはずであるが、開閉弁１７，２１を閉鎖しても差圧に変化がない場合は、四方弁４の切換えが行われず、四方弁４の切換えに不具合が生じていると判断する。

次に、上述の四方弁切換え動作が行われた後の空気調和装置の動作を説明する。
図３及び図４で、四方弁切換え動作が行われた場合、四方弁４の切換えが正常に行われたか否かを判断し、正常に行われていない可能性がある場合は、四方弁４の切換え動作が再度行われる。

すなわち、図５に示すように、四方弁４の切換えが正常に行われたか否かは、四方弁４の切換え動作後、例えば３分経過したときの差圧が第１の閾値以上であるか否かを確認する（ステップＳ２１）。差圧が第１の閾値以上である場合は、四方弁４の切換えが正常に行われたと判断する（ステップＳ２２）。一方、差圧が第１の閾値よりも低いときは、ステップＳ２３〜ステップＳ３０で、再度四方弁４の切換え動作を行う。

まず、圧縮機３が停止されて、再起動される（ステップＳ２３）。これにより、冷媒回路の状態が変化し、四方弁４の切換えが正常に行われる可能性が生じる。そして、圧縮機３の回転数を上昇させる（ステップＳ２４）。このとき、差圧が予め定められた第１の閾値以上であるか否かを確認しながら（ステップＳ２５）、四方弁４の切換え動作を行うか（ステップＳ２６）、または、開閉弁１７，２１を閉鎖させる（ステップＳ２７）。開閉弁１７，２１を閉鎖した場合、５秒後に四方弁制御部３５が四方弁に対して四方弁切換え指令を送信する（ステップＳ２８）。そして、四方弁４は、切換え指令に基づいて、切換え動作を行う。その後、ホットガスバイパス１５と油戻しバイパス１９のそれぞれの開閉弁１７，２１を通常制御に戻す（ステップＳ２９）。

そして、再び、ステップＳ２６やステップＳ２８の四方弁４の切換え動作後、例えば３分経過したときの差圧が第１の閾値以上であるか否かを確認する（ステップＳ３０）。差圧が第１の閾値以上である場合は、四方弁４の切換えが正常に行われたと判断する（ステップＳ２２）。一方、差圧が第１の閾値よりも低いときは、四方弁切換え不良であると判断する（ステップＳ１７）。

なお、図５では、圧縮機３の再起動後、ステップＳ２５において、差圧が第１閾値以上であるか否かを判断するとしたが、図６に示すように、圧縮機３の回転数を見ながら、四方弁４の切換えを判断してもよい。具体的には、ステップＳ３２及びステップＳ３３で、圧縮機３の回転数と差圧を確認し、差圧が第１閾値よりも低く、回転数が予め定められた第２回転数以上になったときは、四方弁切換え不良であると判断する（ステップＳ１７）。すなわち、圧縮機３の回転数をある一定値まで上げても、差圧が第１閾値以上に確保されないときは、四方弁４の切換えが行われず、四方弁４の切換えに不具合が生じていると判断する。

ステップＳ３２及びステップＳ３３で、圧縮機３の回転数と差圧を確認し、回転数が予め定められた第１回転数未満であり、差圧が第１閾値以上であるときは、四方弁４の切換え動作を行う（ステップＳ３４）。四方弁４の切換え動作後、例えば３分経過したときの差圧が第１の閾値以上であるか否かを確認する（ステップＳ３５）。差圧が第１の閾値以上である場合は、四方弁４の切換えが正常に行われたと判断する（ステップＳ２２）。一方、差圧が第１の閾値よりも低いときは、四方弁切換え不良であると判断する（ステップＳ１７）。

以上、四方弁４の切換え動作がうまく行われない場合、液バックなどの不具合が生じるおそれがあるが、本実施形態によれば、バイパス経路、例えばホットガスバイパス１５や油戻しバイパス１９の開閉弁１７，２１を閉鎖することによって、差圧を生じさせる可能性を高めて、四方弁４が切り換わるように試みる。また、場合によっては、差圧を確認しながら、四方弁４に対して切換え指令を送信して、四方弁４に切換え動作させる。すなわち、四方弁４の切換えに必要な差圧が確保されている可能性が高い状態を確認することで、四方弁４の切換えを確実化させる。一方、差圧が確保されていないときは、圧縮機３を再起動した後、再度四方弁４の切換えを試みて、四方弁４の切換えを確実化させることができる。

１ 室外機
２ 室内機
３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ アキュムレータ
７ 室内熱交換器
８ ガス管
９ 液管
１０，１６，２０ ストレーナ
１１ 液側操作弁
１２ ガス側操作弁
１３ 暖房用膨張弁
１４ 冷房用膨張弁
１５ ホットガスバイパス
１７，２１ 開閉弁
１８ オイルセパレータ
１９ 油戻しバイパス
２４ 低圧圧力センサ
２５ 高圧圧力センサ
３１ 室外制御器
３２ 差圧算出部
３３ 圧縮機制御部
３４ 開閉弁制御部
３５ 四方弁制御部
３６ 判断部

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、パイロット圧によって駆動し、前記圧縮機から吐出された冷媒の流路を切り換える四方弁とを有する冷媒回路と、
   前記圧縮機の回転数を調整する圧縮機制御部と、
   前記圧縮機の吐出側かつ前記四方弁の入口側の冷媒の第１圧力を測定する高圧圧力測定部と、
   前記圧縮機の吸入側かつ前記四方弁の出口側の冷媒の第２圧力を測定する低圧圧力測定部と、
   前記第１圧力と前記第２圧力との間の差圧を算出する差圧算出部と、
   前記圧縮機の回転数が予め定められた第１回転数に到達したとき、又は、前記圧縮機の回転数を上昇させているとき、算出された前記差圧が予め定められた第１閾値よりも低い場合、前記冷媒回路中のバイパス経路に設けられた開閉弁を一定時間のみ閉鎖させる開閉弁制御部と、
   前記開閉弁が前記一定時間閉鎖された後、前記四方弁に切換え動作させ、前記開閉弁が閉鎖している間に前記差圧が前記第１閾値以上となった場合、前記四方弁に切換え動作させる四方弁制御部と、
   を備える空気調和装置。
2. 前記四方弁が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された前記差圧が前記第１閾値以上である場合は、前記四方弁の切換え動作が正常に行われたと判断する判断部を更に備える請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記四方弁が切換え動作し、予め定められた時間経過した後、算出された前記差圧が前記第１閾値よりも低い場合、前記圧縮機制御部は、前記圧縮機を停止させ、その後前記圧縮機を再起動させ、
   前記四方弁制御部は、前記再起動後において、前記四方弁に再び切換え動作させる請求項１に記載の空気調和装置。
4. 冷媒を圧縮し吐出する圧縮機と、パイロット圧によって駆動し、前記圧縮機から吐出された冷媒の流路を切り換える四方弁とを有する冷媒回路を備える空気調和装置の四方弁制御方法であって、
   前記圧縮機の回転数を調整するステップと、
   前記圧縮機の吐出側かつ前記四方弁の入口側の冷媒の第１圧力を測定するステップと、
   前記圧縮機の吸入側かつ前記四方弁の出口側の冷媒の第２圧力を測定するステップと、
   前記第１圧力と前記第２圧力との間の差圧を算出するステップと、
   前記圧縮機の回転数が予め定められた第１回転数に到達したとき、又は、前記圧縮機の回転数を上昇させているとき、算出された前記差圧が予め定められた第１閾値よりも低い場合、前記冷媒回路中のバイパス経路に設けられた開閉弁を一定時間のみ閉鎖させるステップと、
   前記開閉弁が前記一定時間閉鎖された後、前記四方弁に切換え動作させるステップと、
   前記開閉弁が閉鎖している間に前記差圧が前記第１閾値以上となった場合、前記四方弁に切換え動作させるステップと、
   を備える空気調和装置の四方弁制御方法。

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