特許 5871723 空気調和機及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5871723

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】空気調和機及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20160216BHJP

   F24F 11/02 20060101ALI20160216BHJP

   F24F 11/04 20060101ALI20160216BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/00 399C

   F25B1/00 396A

   F25B1/00 383

   F25B1/00 381D

   F24F11/02 102X

   F24F11/02 102F

   F24F11/04 G

   F25B1/00 351T

【請求項の数】9

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-133796(P2012-133796)

(22)【出願日】2012年6月13日

(65)【公開番号】特開2013-257086(P2013-257086A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2014年9月12日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 次世代ヒートポンプシステム研究開発 実負荷に合わせた年間効率向上ヒートポンプシステムの研究開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立アプライアンス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】横関 敦彦

(72)【発明者】

【氏名】吉田 康孝

(72)【発明者】

【氏名】松村 賢治

【審査官】 ▲高▼藤 啓

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２２２３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３０２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３７５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５７１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３７０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４７５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２６４６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１０５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４７４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０３２６１０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６０−００２８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４２５０７１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０９９６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２４Ｆ １１／０２

Ｆ２４Ｆ １１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸発器と、この蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を接続する液側接続配管及びガス側接続配管と、前記蒸発器の上流側に設けられた弁装置と、前記蒸発器に送風するための蒸発器用ファンと、前記凝縮器に送風するための凝縮器用ファンとを備え、自然循環による冷凍サイクル運転を行う空気調和機であって、
自然循環による冷房運転時における冷却能力を検出して自然循環運転の停止有無を判定する自然循環運転の停止判定装置を備え、前記停止判定装置は、少なくとも前記蒸発器の吸込空気温度と吹出空気温度との差に基づいて自然循環運転の停止有無を判定し、
自然循環による冷房運転時に自然循環運転が停止した場合、前記蒸発器上流側に設けられた弁装置を全閉にすると共に、前記蒸発器用ファン及び前記凝縮器用ファンを増速させて前記液側接続配管に液冷媒を増加させ、前記ガス側接続配管にはガス冷媒を増加させるように制御し、その後前記蒸発器上流側の弁装置を開放させて自然循環運転の再起動を行なうように制御する制御装置を備える
ことを特徴とする空気調和機。

【請求項2】

請求項１に記載の空気調和機であって、前記停止判定装置は、更に前記凝縮器用ファンの回転数、前記蒸発器用ファンの回転数、前記弁装置の開度、前記凝縮器の吸込空気温度、前記蒸発器の吸込空気温度の少なくとも１以上の情報も加えて、自然循環運転の停止有無を判定することを特徴とする空気調和機。

【請求項3】

請求項１または２に記載の空気調和機であって、自然循環運転時における前記蒸発器の吸込空気温度と空調対象室内の設定空気温度との差に基づいて、前記凝縮器用ファン、前記蒸発器用ファン、前記蒸発器上流側の弁装置の順に、必要に応じて低速側または低開度側へ順に制御して容量制御を行なうことを特徴とする空気調和機。

【請求項4】

請求項１または２に記載の空気調和機であって、前記液側接続配管はその途中に逆勾配となる部分が生じないように構成されていることを特徴とする空気調和機。

【請求項5】

請求項４に記載の空気調和機であって、前記ガス側接続配管もその途中に逆勾配となる部分が生じないように構成されていることを特徴とする空気調和機。

【請求項6】

請求項１または２に記載の空気調和機であって、前記液側接続配管を、前記蒸発器の高さ寸法に対し、該蒸発器下部から上方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で前記蒸発器に接続すると共に、前記ガス側接続配管を、前記蒸発器の高さ寸法に対し、該蒸発器上部から下方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で前記蒸発器に接続していることを特徴とする空気調和機。

【請求項7】

請求項１に記載の空気調和機であって、強制循環運転用の圧縮機と、強制循環運転と自然循環運転を切り替える切替回路とを備え、
前記自然循環運転が停止した後、自然循環運転の再起動を行なうように前記制御装置で制御を行っても再起動できない場合には、前記制御装置は、前記切替回路を切り替えると共に前記圧縮機を起動して強制循環運転するように制御する
ことを特徴とする空気調和機。

【請求項8】

請求項１または７に記載の空気調和機であって、冷媒としてＲ３２またはＲ３２を５０％以上含む冷媒を用いることを特徴とする空気調和機。

【請求項9】

蒸発器と、この蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を接続する液側接続配管及びガス側接続配管と、前記蒸発器の上流側に設けられた弁装置と、前記蒸発器に送風するための蒸発器用ファンと、前記凝縮器に送風するための凝縮器用ファンとを備え、自然循環による冷凍サイクル運転を行う空気調和機の制御方法であって、
少なくとも前記蒸発器の吸込空気温度と吹出空気温度との差に基づいて自然循環運転の停止有無を判定し、
自然循環運転が停止した場合、前記蒸発器上流側に設けられた弁装置を全閉にすると共に、前記蒸発器用ファン及び前記凝縮器用ファンを増速させて前記液側接続配管に液冷媒を増加させ、前記ガス側接続配管にはガス冷媒を増加させるように制御し、その後前記蒸発器上流側の弁装置を開放させて自然循環運転の再起動を行なう
ことを特徴とする空気調和機の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自然循環による冷凍サイクル運転機能を備えている空気調和機及びその制御方法に関し、特に、自然循環による冷凍サイクル運転と強制循環による冷凍サイクル運転を切替え運転可能なものに関する。

【背景技術】

【0002】

自然循環による冷凍サイクル運転（自然循環運転）と強制循環による冷凍サイクル運転（強制循環運転）を切替え運転可能な従来の空気調和機としては、特開平１１−１８２８９５号公報（特許文献１）に記載されたものなどがある。このような空気調和機においては、蒸発器と、この蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを冷媒配管で接続することにより、冷媒を循環させて自然循環運転を行なうようにしている。この自然循環運転は、外気が室温より低い場合に使用され、圧縮機を動作させずに、冷媒のヘッド差（前記蒸発器と凝縮器のヘッド差）のみで冷媒を循環させるので、省電力運転が可能となる。

【0003】

特許文献１に記載された空気調和機においては、圧縮機、凝縮器、膨張弁、前記凝縮器よりも下方に配置した蒸発器、この蒸発器と、前記圧縮機及び凝縮器に接続する回路接続手段（四方弁）、前記膨張弁をバイパスする膨張弁バイパス回路、凝縮器用ファン及び蒸発器用ファンとを備えている。そして、自然循環運転の際には、前記膨張弁バイパス回路を使用すると共に、前記回路接続手段により前記蒸発器と凝縮器を接続し、自然循環運転用の冷媒回路を構成する。また、強制循環運転の際には、前記膨張弁バイパス回路を閉止して冷媒が前記膨張弁に流れるようにすると共に、前記回路接続手段で前記蒸発器と圧縮機を接続し、強制循環運転用の冷媒回路を構成する。これにより、自然循環運転及び強制循環運転の両方の運転を可能にしている。

【0004】

また、この特許文献１のものでは、前記自然循環運転時には、室内温度を検知して前記凝縮器用ファンと前記蒸発器用ファンのうち少なくとも一方のファンの風量を制御することにより、ファン動力を削減すると共に室内温度の過剰な低下を防止するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−１８２８９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１のものでは、ファン制御を行なうことにより、省電力化や室温を適正に制御するようにしているが、室内温度（室温）は外気温度だけではなく、室内に発生する内部負荷によっても影響を受ける為、能力制御のみを目的としてファン制御を実施した場合、冷凍サイクルの運転状態が不安定となって自然循環運転を継続できない場合がある。

【0007】

例えば、外気温度が高い状態の場合で、内部負荷が小さい場合、能力を少なくしようとして凝縮器用ファンが低速に制御された場合、凝縮器出口の冷媒状態が気液二相状態になり、室外機と室内機を接続する液接続配管（液管）内に多量のガス冷媒が混入することにより、安定した液ヘッド差を発生できなくなり、自然循環運転（自然循環冷房運転）が停止してしまうことがある。

【0008】

逆に、外気温度が低い状態の場合で、内部負荷が小さい場合には、凝縮器用ファンが低速に制御されるだけでは能力低減が不十分で、更に蒸発器用ファンも低速に制御される場合がある。この場合、蒸発器出口の冷媒状態が湿り状態となり、前記液接続配管の液ヘッド差を打ち消す方向のヘッド差が、室内機と室外機を接続するガス接続配管（ガス管）に作用することになり、安定した自然循環ができなくなり、この場合、自然循環運転が停止してしまう可能性が更に高くなる。

【0009】

本発明の目的は、自然循環運転が停止した場合に、安定した自然循環運転へ再起動することのできる空気調和機及びその制御方法を得ることにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するための本発明は、蒸発器と、この蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を接続する液側接続配管及びガス側接続配管と、前記蒸発器の上流側に設けられた弁装置と、前記蒸発器に送風するための蒸発器用ファンと、前記凝縮器に送風するための凝縮器用ファンとを備え、自然循環による冷凍サイクル運転を行う空気調和機であって、自然循環による冷房運転時における冷却能力を検出して自然循環運転の停止有無を判定する自然循環運転の停止判定装置を備え、前記停止判定装置は、少なくとも前記蒸発器の吸込空気温度と吹出空気温度との差に基づいて自然循環運転の停止有無を判定し、自然循環による冷房運転時に自然循環運転が停止した場合、前記蒸発器上流側に設けられた弁装置を全閉にすると共に、前記蒸発器用ファン及び前記凝縮器用ファンを増速させて前記液側接続配管に液冷媒を増加させ、前記ガス側接続配管にはガス冷媒を増加させるように制御し、その後前記蒸発器上流側の弁装置を開放させて自然循環運転の再起動を行なうように制御する制御装置を備えることを特徴とする。

【0011】

本発明の他の特徴は、蒸発器と、この蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を接続する液側接続配管及びガス側接続配管と、前記蒸発器の上流側に設けられた弁装置と、前記蒸発器に送風するための蒸発器用ファンと、前記凝縮器に送風するための凝縮器用ファンとを備え、自然循環による冷凍サイクル運転を行う空気調和機の制御方法であって、少なくとも前記蒸発器の吸込空気温度と吹出空気温度との差に基づいて自然循環運転の停止有無を判定し、自然循環運転が停止した場合、前記蒸発器上流側に設けられた弁装置を全閉にすると共に、前記蒸発器用ファン及び前記凝縮器用ファンを増速させて前記液側接続配管に液冷媒を増加させ、前記ガス側接続配管にはガス冷媒を増加させるように制御し、その後前記蒸発器上流側の弁装置を開放させて自然循環運転の再起動を行なうことにある。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、自然循環運転が停止した場合に、安定した自然循環運転へ再起動することのできる空気調和機及びその制御方法を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の空気調和機の実施例１を示す冷凍サイクル構成図。

【図2】図１の空気調和機における自然循環運転時の理想的な状態を示すモリエル線図。

【図3】図１の空気調和機における自然循環運転時の冷媒循環が滞り易い運転状態を示すモリエル線図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の空気調和機及びその制御方法の具体的実施例を図面に基づいて説明する。

【実施例1】

【0015】

本発明の空気調和機及びその制御方法の実施例１を図１〜図３により説明する。
図１は、本実施例における空気調和機の冷凍サイクル構成図である。図において、１００は室外機、２００は室内機である。前記室外機１００は前記室内機２００に対してＨ１（ｍ）だけ高い位置に設置されている。

【0016】

前記室外機１００には、圧縮機１、四方弁２、冷房運転時に凝縮器となる室外熱交換器３、サブクーラ３４、室外膨張弁４、液阻止弁６０、ガス阻止弁６１及びアキュムレータ９などが設けられている。また、前記室外熱交換器３にはその液側にディストリビュータ３３が、そのガス側にはガス側ヘッダ３６が設けられている。
前記室内機２００には、室内膨張弁（弁装置）６及び冷房運転時に蒸発器となる室内熱交換器７などが設けられている。

【0017】

５は前記室外機１００の液阻止弁６０側と前記室内機２００の室内膨張弁６側とを接続している液側接続配管、８は前記室外機１００のガス阻止弁６１側と前記室内機２００の室内熱交換器７側とを接続しているガス側接続配管である。
また、本実施例では、図１に示すように、前記液側接続配管５と前記室内機２００とは、室内熱交換器７の高さ寸法Ｈhexに対し、その下部から上方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で接続されている。また、前記ガス側接続配管８と前記室内機２００とは、室内熱交換器７の高さ寸法Ｈhexに対し、その上部から下方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で接続されている。このように前記液側接続配管５とガス側接続配管８を前記室内機２００に接続する構成とすることにより、前記室外側熱交換器３からは前記液側接続配管５を介して前記室内熱交換器７側に液冷媒が流れ易くなり、また前記室内熱交換器７からは前記ガス側接続配管８を介して、前記室外熱交換器３側にガス冷媒が流れ易くなる。

【0018】

そして、前記圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、サブクーラ３４、室外膨張弁４、液阻止弁６０、液側接続配管５、室内膨張弁６、室内熱交換器７、ガス側接続配管８、ガス阻止弁６１、再び四方弁２、アキュムレータ９と経由して前記圧縮機１に再び接続されるように、これらの機器が冷媒配管で環状に接続されて強制循環による冷凍サイクル運転（強制循環運転）ができるようになっている。

【0019】

また、本実施例では、前記ガス阻止弁６１と前記室外熱交換器３のガス側とを接続するバイパス配管（第１のバイパス配管）２０が設けられており、このバイパス配管２０には第１の開閉弁２１とバイパス逆止弁２５が設けられている。更に、前記室外熱交換器３のガス側と前記四方弁２を接続する冷媒配管の途中には第２の開閉弁２２が設けられ、前記ガス阻止弁６１と前記四方弁２とを接続する冷媒配管の途中には第３の開閉弁２３が設けられている。この第３開閉弁２３と前記ガス阻止弁６１との間に前記バイパス配管２０の一端が接続され、このバイパス配管２０の他端は、前記第２開閉弁２２と前記室外熱交換器３のガス側ヘッダ３６とを接続している冷媒配管３５に接続されている。

【0020】

このように構成することにより、自然循環による冷凍サイクル運転（自然循環運転）も可能な構成となっている。即ち、前記第１の開閉弁２１を開くと共に、前記第２及び第３の開閉弁２２，２３を閉じることにより、蒸発器（室内熱交換器７）からのガス冷媒を、前記圧縮機１には流さず、前記バイパス配管２０を介して凝縮器（室外熱交換器３）に流すことにより、自然循環冷房運転が可能となる。従って、前記第１〜第３の各開閉弁２１〜２３は、強制循環運転と自然循環運転とを切り替える切替回路を構成している。

【0021】

更に、本実施例では、前記第３開閉弁２３と前記ガス阻止弁６１との間の冷媒配管（ガス側接続配管）と、前記室外膨張弁４と前記液阻止弁６０との間の冷媒配管（液側接続配管）とを接続するバイパス配管（第２のバイパス配管）３０を設け、このバイパス配管３０には余剰冷媒を溜めるための冷媒貯留器１０が設けられている。また、前記冷媒貯留器１０の両側の前記バイパス配管３０には、該バイパス配管３０を開閉するためのガス側開閉弁２６と液側開閉弁２７が設けられている。
前記バイパス配管３０は、前記室外熱交換器３と、前記室内熱交換器７を接続している前記液側接続配管５と前記ガス側接続配管８とを接続するように設けられていれば良く、好ましくは図１に示すように、室外機１００内のガス側接続配管８側近傍（ガス阻止弁６１付近）と液側接続配管５側近傍（液阻止弁付近）とを接続するように設けると良い。

【0022】

なお、図１において、２４は圧縮機１への冷媒の逆流を防止するための吐出逆止弁である。また、４０は前記圧縮機１の吐出側温度を検出するための吐出温度センサ、４１は前記室外熱交換器３の液温度センサ、４２は前記サブクーラ３４出口の液冷媒の温度を検出するサブクーラ出口温度センサ、４３は前記室内熱交換器７の液温度センサ、４４は前記室内熱交換器７のガス温度センサ、４５は前記室内熱交換器７に吸い込まれる室内空気の温度を検出する室内吸込温度センサ、４６は前記室内熱交換器７で熱交換されて室内に吹き出された空気の温度を検出する室内吹出温度センサ、４７は前記室外熱交換器３に吸い込まれる室外空気の温度を検出するための室外吸込温度センサ、４８は前記圧縮機１から吐出される冷媒の圧力を検出する吐出圧力センサである。

【0023】

これらの各センサ４０〜４８からの検出データは前記室外機１００や前記室内機２００、或いはリモコンや遠隔監視装置（図示せず）などに設けられた制御装置７０に送られ、この制御装置７０は前記各センサなどからの情報に基づいて前記圧縮機１、四方弁（切替回路）２、室外膨張弁４、室内膨張弁６、前記各開閉弁２１〜２３，２６，２７，前記室外ファン５０、前記室内ファン５１などを制御するように構成されている。

【0024】

また、前記制御装置７０はマイクロコンピュータなどにより構成され、各センサ４０〜４８からの入力された情報や、前記各制御対象１，２，４，６，２１〜２３，２６，２７，５０，５１の制御情報が記憶されるように構成されている。

【0025】

更に、前記制御装置７０には、自然循環運転中に該自然循環運転が停止したことを判定する停止判定装置７１が設けられている。この停止判定装置７１は、例えば、自然循環冷房運転時における冷却能力を検出することで自然循環運転の停止有無を判定する。本実施例では、前記停止判定装置は、前記蒸発器の室内吸込温度センサ４５で検出された吸込空気温度と、前記室内吹出温度センサ４６で検出された吹出空気温度との差を求め、その差が所定値以下なら自然循環運転が停止していると判定するようにしている。この停止判定装置７１は、前記凝縮器用ファン（室外送風機５０）の回転数、前記蒸発器用ファン（室内送風機５１）の回転数、前記室内膨張弁（弁装置）６の開度、前記室外吸込温度センサ４７で検出された室外空気温度（凝縮器の吸込空気温度）、前記室内吸込温度センサ４５で検出された室内空気温度（蒸発器の吸込空気温度）などの各情報の少なくとも１以上も加えて、自然循環運転の停止判定をするとなお好ましい。

【0026】

冷凍サイクル中には、所定量の冷媒が封入されており、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ１５２ａ、Ｒ７４４、Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ６００ａなどの冷媒、またはこれらの混合物などが使用されている。冷媒の選定に当たっては、圧力損失が低く、蒸発潜熱が大きいものであれば、強制循環運転及び自然循環運転の効率を高くできるため、望ましい。

【0027】

現在パッケージエアコン（業務用エアコン）やルームエアコンで広く使用されているＲ４１０Ａは、電力消費を抑えて地球温暖化への間接影響を少なくすることができる。
また、蒸発潜熱が大きいＲ３２を使用すれば、同一能力で運転する時の冷媒循環量を少なくすることができ、Ｒ４１０Ａより低圧力損失になり、運転効率が向上するから、電力消費に伴って排出される二酸化炭素を少なくすることができる。加えてＲ３２は、冷媒のＧＷＰ（地球温暖化係数）が小さいため、冷媒が大気中へ漏洩した際に生じる地球温暖化の直接影響を少なくすることが可能である。Ｒ３２使用時の低圧力損失特性は、自然循環運転時のように、冷凍サイクルを駆動するための差圧が非常に小さい場合でも、安定した循環を維持することが容易であることから、自然循環運転と強制循環運転とを切り替えて使用するタイプの空気調和機用の冷媒として特に有効である。なお、前記冷媒として、Ｒ３２だけでなく、Ｒ３２の割合を５０％以上（〜１００％未満）とした冷媒を使用しても良い。

【0028】

圧縮機１を駆動させる強制循環運転時には、冷房運転、暖房運転共に、前記第１の開閉弁２１を閉にすると共に、前記第２の開閉弁２２と第３の開閉弁２３は開に制御される。そして、強制循環冷房運転時には、圧縮機１の吐出側と室外熱交換器３のガス側が接続され、またアキュムレータ９とガス阻止弁６１側が接続されるように前記四方弁２が切替えられる。これにより、圧縮機１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、四方弁２を通って前記室外熱交換器３に導かれ、室外送風機（凝縮器用ファン）５０から送風される室外空気により冷却されて凝縮し、液冷媒となる。この液冷媒は、その後、全開状態に制御されている室外膨張弁４を通過して液阻止弁６０、液側接続配管５を通り、前記室内機２００へと送られる。

【0029】

この室内機２００に送られた前記液冷媒は、室内膨張弁（弁装置）６により所定量減圧されて、低圧の気液二相流となり、室内熱交換器（蒸発器）７に流入する。ここで、気液二相流の低圧冷媒は室内送風機（蒸発器用ファン）５１からの室内空気と熱交換して蒸発し、低圧ガス冷媒になると共に、前記室内空気は冷却されることにより、冷房作用が為される。

【0030】

その後、前記低圧ガス冷媒は、前記ガス側接続配管８を通って前記室外機１００へ戻り、ガス阻止弁６１を通過後、四方弁２からアキュムレータ９へ流れて、圧縮機１へと吸い込まれる。

【0031】

このように、空気調和機における強制循環冷房運転では、圧縮機１で冷媒を圧縮し、室外熱交換器３で凝縮させ、室内膨張弁６で減圧して、室内熱交換器７で蒸発させるという一連の冷凍サイクルを構成している。

【0032】

強制循環暖房運転時には、前記四方弁２を、圧縮機１の吐出側とガス阻止弁６１側とが、またアキュムレータ９と室外熱交換器３のガス側とが接続されるように切替える。冷凍サイクルの動作は、強制循環冷房運転時の場合に対して、室内熱交換器７が凝縮器として作用し、また室外熱交換器３は蒸発器として作用することになり、室内空気に対して暖房作用が為されることになる。即ち、冷凍サイクルの動作は逆になり、室内熱交換器７と室外熱交換器３の状態が逆転する。しかし、冷凍サイクルの原理は同一であるため、その他の詳細な説明は省略する。

【0033】

次に、自然循環冷房運転時（自然循環運転）の動作について、図１の冷凍サイクル構成図及び図２のモリエル線図を用いて説明する。強制循環冷房運転から自然循環冷房運転に切り替える場合、前記制御装置７０により、まず前記圧縮機１の運転を停止し、その後前記切替回路を構成する第１〜第３の開閉弁２１〜２３を操作して行う。即ち、第１の開閉弁２１を開くと共に、第２の開閉弁２２と第３の開閉弁２３は閉じるように制御する。

【0034】

これにより、圧縮機１、四方弁２及びアキュムレータ９への冷媒循環は絶たれるため、不要な冷媒の溜まり込みが防止され、自然循環運転時の冷媒量が確保され易くなる。また、圧縮機１を再起動する際の液戻りによる液圧縮等を防止でき、信頼性低下に繋がるような不具合が発生するのも防止できる。

【0035】

なお、自然循環運転が実施できるのは、前記室外吸込温度センサ４７で検出された室外空気温度Ｔｏが前記室内吸込温度センサ４５で検出された室内空気温度Ｔｉよりも低い場合であり、例えば、次式が成立する場合に自然循環冷房運転を実施する。
Ｔｏ＜Ｔｉ−１０ （Ｋ）
この自然循環運転による冷媒の駆動力は、液冷媒とガス冷媒の密度差と、室外機と室内機間の設置高低差Ｈ１から生じるヘッド差ΔＰであり、このヘッド差ΔＰは次式で求めることができる。
ΔＰ＝（ρ_Ｌ−ρ_ｇ）・ｇ・Ｈ１
ここで、ρ_Ｌは冷媒液密度（ｋｇ／ｍ^３）、ρ_ｇは冷媒ガス密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）、Ｈ１は室外機と室内機間の高低差（ｍ）である。

【0036】

即ち、図１に示した冷凍サイクル構成図において、室外熱交換器（凝縮器）３内の冷媒は、室外送風機（凝縮器用ファン）５０により送風された室外空気（室内空気より低温）により、冷却されて凝縮し、液冷媒となって、前記ヘッド差ΔＰにより、循環を開始する。

【0037】

この自然循環運転では、室外膨張弁４は全開状態に制御されるので、前記室外熱交換器３からの液冷媒は前記室外膨張弁４をそのまま通過し、更に液阻止弁６０を通過後、液側接続配管５を通って室内機２００へ導かれる。

【0038】

この室内機２００では、前記蒸発器としての室内熱交換器７の上流側に設けられているほぼ全開状態の室内膨張弁（弁装置）６を通過し、前記室内熱交換器（蒸発器）７に導入される。なお、室外機１００と室内機２００間の設置高低差Ｈ１が大きい場合には、前記室内膨張弁６の開度を調節して流量制御し、これにより冷却能力を制御する容量制御を実施する場合もある。

【0039】

この容量制御においては、前記室内吸込温度センサ４５で検出された前記蒸発器の吸込空気温度と、空調対象室内の設定空気温度との差に基づいて、まずは前記凝縮器用ファン（室外送風機）５０を制御して行う。前記凝縮器用ファン５０の制御だけでは容量制御が不十分の場合には、次に前記蒸発器用ファン（室内送風機）５１の制御を行なう。これでもなお容量制御が不十分の場合には、前記蒸発器上流側の弁装置６の開度を制御して容量制御を行なう。このような順序で、必要に応じて、例えば、前記各ファン５０，５１を低速側へ、前記弁装置６を低開度側へ順に制御することで、低容量側への容量制御が可能となる。

【0040】

なお、本実施例では、前記蒸発器（室内熱交換器７）の上流に設けた弁装置６を室内膨張弁のみで構成している例で説明したが、前記弁装置６を、膨張弁と、これをバイパスするバイパス回路と、このバイパス回路を開閉する開閉弁で構成し、自然循環冷房運転時には、前記膨張弁を全閉とし、前記開閉弁を開いて前記パイパス回路を冷媒が通過するように構成しても良い。

【0041】

室内熱交換器７に流入した前記液冷媒は、室内送風機（蒸発器用ファン）５１により送風される室内空気と熱交換して加熱され、蒸発してガス冷媒となる。この時前記室内空気は冷却されて室内を冷房する。

【0042】

前記室内熱交換器７のガス冷媒は、ガス側接続配管８を通過して上昇し、上方に設置された前記室外機１００に流入して、ガス阻止弁６１を通過後、第１の開閉弁２１、バイパス逆止弁２５を通って、再び前記室外熱交換器（凝縮器）３へ戻るという一連の冷凍サイクルを構成する。

【0043】

ここで、図２のモリエル線図上に自然循環運転時の運転状態を示すと、ａ→ｂは室外熱交換器（凝縮器）３での凝縮作用を、ｂ→ｃは室外機１００から室内機２００への液冷媒の下降により液ヘッド差ΔＰＬが増大し、圧力が上昇している様子を示している。前記液ヘッド差ΔＰＬは、
ΔＰＬ＝ρ_Ｌ・ｇ・Ｈ１
で求めることができる。なお、図２のｂ→ｃは、液側接続配管５の圧損ΔＰＬpipe分も考慮されている。また、Δｈは前記蒸発器及び凝縮器における比エンタルピ差、Ｇｒは通常の自然循環運転時の冷媒循環量、ＳＣcoは凝縮器出口過冷却度、ＳＨeoは蒸発器出口過熱度である。

【0044】

次に、ｃ→ｄは室内熱交換器（蒸発器）７での蒸発作用を、ｄ→ａは室内機２００から室外機１００へのガス冷媒の上昇によるガス側接続配管８での圧力損失ΔＰｇpipeとガスヘッド差ΔＰｇ（＝ρ_ｇ・ｇ・Ｈ１）により圧力が低下している様子を示している。このように、冷媒がａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａと自然循環することにより、自然循環運転の冷凍サイクルを構成している。

【0045】

これに対し、図３のモリエル線図上に示したのは、凝縮器用ファン（室外送風機５０）と蒸発器用ファン（室内送風機５１）の回転数を抑えた場合の自然循環冷房の運転状態である。凝縮器用ファンの回転数を低速に制御すると、凝縮器（室外熱交換器３）での冷媒状態はａ´→ｂ´と比エンタルピ差Δｈ´へと小さくなり、凝縮器出口状態は液冷媒にガス冷媒が混入した気液二相状態となる。また、蒸発器用ファンを低速に制御すると、蒸発器での冷媒状態はｃ´→ｄ´となり、蒸発器出口ではガス冷媒に液冷媒が混入した気液二相状態になる。

【0046】

凝縮器（室外熱交換器３）出口状態が気液二相状態になると、凝縮器から蒸発器（室内熱交換器７）へと冷媒が下降する液側接続配管内も気液二相状態となり、液側冷媒の液ヘッド差ΔＰＬ´は、
ΔＰＬ´＝ρ_Ｌ´・ｇ・Ｈ１
となる。ここで、液側接続配管５内の平均冷媒密度ρ_Ｌ´（ｋｇ／ｍ^３）はガス冷媒の混入により、満液状態で運転された場合に比べて小さくなるため、液側接続配管５内のヘッドが減少する。

【0047】

また、蒸発器出口状態が気液二相状態になると、蒸発器から凝縮器へと冷媒が上昇するガス側接続配管８内も気液二相状態になり、ガス側冷媒のガスヘッド差ΔＰｇ´は、
ΔＰｇ´＝ρ_ｇ´・ｇ・Ｈ１
となる。ガス側接続配管８内冷媒の平均冷媒密度ρ_Ｌ´（ｋｇ／ｍ^３）は液冷媒の混入により、ガスのみで運転された場合に比べて大きくなるため、ガス側接続配管８内のヘッドが増加して、冷媒循環を妨げる方向の力が作用する。

【0048】

更に、前記各接続配管５，８内をそれぞれ液冷媒のみ、或いはガス冷媒のみが循環した場合に比べ、冷媒が気液二相状態で流れた場合の前記各接続配管内の圧力損失は増大する。従って、図３に示した自然循環冷房運転時の冷媒循環量Ｇｒ´は、図２に示した通常の自然循環運転時の冷媒循環量Ｇｒよりも減少し、前記蒸発器及び凝縮器における比エンタルピ差も図３に示したΔｈ´のように減少するから、これらの相乗効果により冷房能力Ｑ´は、
Ｑ´＝Ｇｒ´・Δｈ´
へと減少する。これにより、室内の冷房負荷に応じて、冷房能力を調整することが可能である。

【0049】

しかしながら、空調を行っている室内温度を調整するために、前記凝縮器用ファンと蒸発器用ファンの回転数を低下させる制御を実施した場合、前述したように、液側接続配管５へのガス冷媒の混入や、ガス側接続配管８への液冷媒の混入により、液側接続配管５での下降流、ガス側接続配管８での上昇流が阻害されることがある。
例えば、冷媒循環量Ｇｒ´が少なくなることにより、液側接続配管５内のガス冷媒が蒸発器側に下降することができなくなったり、ガス側接続配管８内の液冷媒が凝縮器側に上昇することができなくなることがある。このため冷媒循環が意図せずに停止して自然循環運転ができなくなることがあった。

【0050】

自然循環冷房運転が停止すると、冷房能力が発揮できなくなり、空調を行っている室内の温度上昇をもたらし、対人空調として使用している場合には居住者に対する快適性を損ね、電算機などの機器の空調として使用していた場合には、機器の安定運転を損ねるといった問題が生じる。

【0051】

そこで、本実施例の空気調和機では、自然循環運転中に、前記蒸発器における吸込空気温度と吹出空気温度の温度差が、予め定めた所定時間以上ゼロになっている場合には、自然循環運転が停止している判断し、次に説明する自然循環再起動制御へと移行させる。

【0052】

自然循環再起動制御では、まず、蒸発器（室内熱交換器７）の上流側（自然循環運転時における上流側）に設置された前記室内膨張弁（弁装置）６を閉止すると共に、前記凝縮器用ファン（室外送風機５０）、前記蒸発器用ファン（室内送風機５１）を増速して運転する。これにより、前記凝縮器（室外熱交換器３）内には液冷媒が貯められていき、前記蒸発器内では冷媒がガス化してガス冷媒が増えていくので液冷媒は減少していく。

【0053】

また、本実施例では、図１で説明したように、凝縮器と蒸発器を接続している液側接続配管を、前記蒸発器（室内熱交換器７）の高さ寸法Ｈhexに対し、該蒸発器下部から上方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で前記蒸発器に接続すると共に、前記ガス側接続配管８を、前記蒸発器の高さ寸法Ｈhexに対し、該蒸発器上部から下方に向って１／４までの高さ寸法範囲位置で前記蒸発器に接続しているので、前記凝縮器から前記液側接続配管５側に液冷媒が流れ易くなり、その結果、前記液側接続配管５内は液冷媒で満たされる状態となる。一方、前記ガス側接続配管８内はガス冷媒で満たされるように状態変化していく。

【0054】

このように、前記液側接続配管５は液冷媒で、前記ガス側接続配管８はガス冷媒で満たされるように状態変化していくことにより、自然循環運転を再起動するための十分なヘッド差が作用するようになる。上述したような制御状態を一定時間保持した後、前記室内膨張弁（弁）６を開放することにより、自然循環運転を再起動させることができる。

【0055】

更に、自然循環運転の再起動を容易にする為には、液側接続配管５を凝縮器３から蒸発器７に至るまでの経路を下降のみで構成して、途中に逆勾配となる部分（トラップとなる部分）が生じないようにすることで、液側接続配管５へのガス冷媒の溜まり込みを防止することが可能となり、より再起動し易くなる効果が得られる。また、好ましくは、蒸発器７から凝縮器３までのガス側接続配管８の経路を上昇のみで構成して、途中に逆勾配となる部分（トラップとなる部分）が生じないようにすることで、このガス側接続配管８途中に液冷媒が溜まり込むのを防止することができ、更に再起動がし易くなる。

【0056】

上記した自然循環の再起動制御を行った後において、再度冷房能力の発生が検知できない場合、つまり、前記室内吹出温度センサ４６で検出される蒸発器７からの吹出空気温度が、前記室内吸込温度センサ４５で検出される蒸発器７への吸込空気温度よりも低くならない状態が一定時間以上継続したした場合には、前記制御装置７０は、強制循環冷房運転への切替え制御を行なう。即ち、前記制御装置７０は、前記切替回路を構成している第１〜第３の開閉弁２１〜２３を強制循環冷房運転可能に切り替えると共に、前記圧縮機１を起動するように制御する。

【0057】

更に詳しく説明すれば、前記第１の開閉弁２１を閉にすると共に、前記第２の開閉弁２２と第３の開閉弁２３を開に制御する。その後、圧縮機１が起動され、該圧縮機１により圧縮されて高温高圧となった冷媒は、四方弁２を通って前記室外熱交換器３に導かれ、室外送風機５０から送風される室外空気により冷却されて凝縮し、液冷媒となる。この液冷媒は、その後、全開状態に制御されている室外膨張弁４を通過し、更に前記液阻止弁６０、液側接続配管５を通って前記室内機２００へと送られる。

【0058】

この室内機２００に送られた前記液冷媒は、前記室内膨張弁６により所定量減圧されて、低圧の気液二相流となり、室内熱交換器７に流入する。ここで、気液二相流の低圧冷媒は室内送風機５１からの室内空気と熱交換して蒸発し、自らは低圧ガス冷媒になると共に前記室内空気を冷却し、冷房作用が為される。

【0059】

その後、前記低圧ガス冷媒は、前記ガス側接続配管８を通って室外機１００へ戻り、ガス阻止弁６１を通過後、四方弁２からアキュムレータ９へ流れて、前記圧縮機１に再び吸い込まれるという強制循環冷房運転が行われる。

【0060】

このように、強制循環冷房運転を一定時間行うことにより、前記液側接続配管５は液冷媒で満たされ、前記ガス側接続配管８はガス冷媒で満たされる状態になる。このため、その後の自然循環運転への切り替えを確実に行うことができる。

【0061】

本実施例によれば、自然循環運転において、前記液側接続配管５やガス側接続配管８内の冷媒状態が理想的な状態とならずに、自然循環運転が停止した場合でも、安定した自然循環運転への再起動を速やかに行なわせることのできる空気調和機を得ることができる。
また、本実施例によれば、自然循環運転が不意に停止すると、その停止状態を速やかに且つ正確に判定して、安定した自然循環運転へ速やかに再起動できるから、無駄な電力消費を押さえることが可能になると共に、空調する室内温度の上昇による快適性への悪影響も低減できる。

【符号の説明】

【0062】

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器（凝縮器）、４…室外膨張弁、
５…液側接続配管、６…室内膨張弁（弁装置）、７…室内熱交換器（蒸発器）、
８…ガス側接続配管、９…アキュムレータ、１０…冷媒貯留器、
２０…バイパス配管（第１のバイパス配管）、
２１〜２３…切替回路（２１…第１の開閉弁、２２…第２の開閉弁、
２３…第３の開閉弁、）
２４…吐出逆止弁、２５…バイパス逆止弁、
２６…ガス側開閉弁、２７…液側開閉弁、
３０…バイパス配管（第２のバイパス配管）、
３３…ディストリビュータ、３４…サブクーラ、
３６…ガス側ヘッダ、４０…吐出温度センサ、
４１，４３…液温度センサ、４２…サブクーラ出口温度センサ、
４４…ガス温度センサ、
４５…室内吸込温度センサ、４６…室内吐出温度センサ、
４７…室外吸込温度センサ、４８…吐出圧力検知手段、
５０…室外送風機（凝縮器用ファン）、５１…室内送風機（蒸発器用ファン）、
６０…液阻止弁、６１…ガス阻止弁、
７０…制御装置、７１…停止判定装置、
１００…室外機、２００…室内機。

【図1】

【図2】

【図3】