JP2004198029A - 空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷凍サイクルの熱交換器9に通風させる送風羽根19と、送風羽根19を回転させるファンモータ21と、ファンモータ21の回転数Nを制御する制御装置23と、送風羽根19の温度tを検出する温度センサ25とを備え、制御装置23は、回転数Nに基づいて求められるファンモータ21のコギング周波数f’と、温度tに基づいて求められる送風羽根19の固有振動数fnとの差Δfが設定差Δf*未満であるとき、差Δfが設定差Δf*以上になるまでファンモータ21の回転数Nを増加または減少させることにより、送風羽根19とファンモータ21との共振を回避し、共振による騒音を許容できる程度にまで抑えることができる。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルに送風するファンを備えた空気調和機に係り、特に、ファンの騒音を低減する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
空気調和機は、冷媒が封入された環状の流路に、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と室内の空気とを熱交換させる熱交換器と、冷媒を減圧する膨張弁と、冷媒と室外の空気とを熱交換させる熱交換器とを順次配設してなる冷凍サイクルを備えている。このような空気調和機は、例えばプロペラなどの送風羽根と、送風羽根を回転させる直流モータとで形成されたファンが設けられ、周囲の空気を熱交換器に通風させる構造になっている。
【0003】
これらのファンは、空気が通過する流体騒音、ファンの回転数とファンブレードの枚数に起因する羽根音、及びファンモータの振動により発生する電磁音などの騒音が発生する。特に、電磁音は、ファンモータの振動が送風羽根に伝播し、送風羽根が共振すると非常に耳障りな騒音となる。この共振は、送風羽根の固有振動数とファンモータの加振周波数とが合致することで発生することが知られており、従来では、加振周波数と固有振動数との間に一定の差を生じさせるように設計して共振を避ける工夫がなされている。
【0004】
ところで、加振周波数は、コギング周波数とも呼ばれ、例えば、ファンモータのステータの極数とロータのスロット数との最小公倍数にファンモータの回転数を積算して求められる。このファンモータの回転数は、温度の変化による例えば、潤滑油の粘性や巻き線温度の変化によって変動し、所望の回転数が得られない場合がある。したがって、たとえ共振を避けるために固有振動数と加振周波数とが合致しないように設計をしても、温度の変化に応じて加振周波数が変化して固有振動数と合致することがある。そこで、従来では、温度の変化に対するファンモータの回転数のズレ量を予め求めておき、検出した温度に応じてズレを補正して回転数を一定に保つことで、加振周波数を一定にし、送風羽根との避共振化を図るものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
【0006】
特開2000−154962号公報(第2頁、第1図)
【発明が解決しようとする課題】
空気調和機に備えられるファンの送風羽根は、送風効率の向上させるため自由曲面を多様した3次元翼形状が主流であり、一般に、成形の容易な樹脂材料が用いられている。しかし、樹脂材料は、温度に応じて弾性率が比較的大きく変化するという特性があり、この樹脂材料を用いた送風羽根の固有振動数もまた温度に応じて変化してしまう。特に、送風羽根の周囲温度は、冷房時と暖房時とで大きく異なるので固有振動数の変化も非常に大きい。したがって、いくらファンモータの回転数を一定に保って加振周波数の変動を抑えても、運転条件によっては共振を回避できないという問題がある。
【0007】
また、送風羽根とファンモータとを、例えばゴムなどの柔かい材質で柔軟に連結することで、ファンモータから送風羽根への振動の伝播を抑制して電磁音を抑える方法が考えられるが、この方法はゴムの強度や経年劣化などの問題があり信頼性に劣る。
【0008】
本発明の課題は、送風羽根とファンモータとの共振を回避することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の空気調和機は、上記課題を解決するために、冷凍サイクルの熱交換器に通風させる送風羽根と、この送風羽根を回転させるファンモータと、このファンモータの回転数を制御する制御装置と、送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出する検出器とを備え、制御装置は、回転数に基づいて求められるファンモータの加振周波数と、検出器の検出値に基づいて求められる送風羽根の固有振動数との差が設定差未満であるとき、その差が設定差以上になるまでファンモータの回転数を増加または減少させることを特徴とする。
【0010】
これにより、加振周波数と固有振動数との差が設定差より小さい場合に、ファンモータの回転数を増加または減少させて加振周波数と固有振動数とを設定差以上遠ざけることができる。この設定差を、送風羽根とファンモータとが共振する加振周波数と固有振動数との差よりも大きく、具体的には、固有振動数に加振周波数をだんだん近づけて、電磁音が許容できる大きさを超え始めるときの差より大きく設定する。これにより、送風羽根とファンモータとの共振を回避し、共振による騒音を許容できる程度にまで抑えることができる。
【0011】
ここで、加振周波数は、例えば、ファンモータのステータの極数とロータのスロット数との最小公倍数にファンモータの回転数を積算して求めることができ、例えば、図3に示すような加振周波数とファンモータの回転数との関係から、実際の回転数に基づいて算出することができる。また、固有振動数は、事前試験やシミュレーションなどにより求めた、例えば、図4に示すような固有振動数と送風羽根の周囲の温度との関係から、送風羽根の周囲の温度または送風羽根の周囲の温度に相関する例えば圧力や気温などの物理量に基づいて算出することができる。また、ここでは送風羽根の周囲の温度を基準としているが、計測が容易であるならば送風羽根自体の温度を基準にすることもできる。なお、図3は、縦軸に加振周波数を、横軸に回転数を表したグラフである。図4は、縦軸に固有振動数を、横軸に温度を表し、その温度における固有振動数を求めるグラフであり、一例として、加振周波数が100Hzのときに共振するポイントを示している。
【0012】
また、本発明は、送風羽根とファンモータの組を複数備えた空気調和機に適用することができる。この場合、制御装置は各ファンモータの回転数を制御し、検出器は各送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出し、各回転数に基づいて各ファンモータの加振周波数を求め、各検出値に基づいて各送風羽根の固有振動数を求める。そして、各ファンモータの加振周波数とこの各ファンモータに対応する送風羽根の固有振動数との差を求め、その差が設定差未満のファンモータの回転数を差が設定差以上になるまで増加または減少させる制御を行う。この制御とともに、回転数の総和が増加するとき全部または一部のファンモータの回転数を減少させ、減少するとき全部または一部のファンモータの回転数を増加させる制御を行うことができる。
【0013】
このような制御を行うことで、共振を起こしうる特定のファンモータの回転数を増加または減少させて共振を回避できるという効果に加え、全部または一部のファンモータの回転数を増減させて各ファンモータの回転数の総和を保つことができるので、全体としての送風能力を維持することができる。
【0014】
ここで、回転数の総和を維持するための回転数の制御は、例えば、回転数の総和が設定回転数から上回ったとき上回った分だけ、全部または一部のファンモータの回転数を下げるようにする。このときの回転数は、全部のファンモータから均等に下げてもよいし、一部の、例えば、固有振動数と加振周波数が近いために回転数が制御されているファンモータ以外のファンモータから下げてもよい。回転数の総和が設定回転数から下回った場合も同様に全部または一部のファンモータの回転数を上げるようにできる。
【0015】
また、上述した制御では加振周波数と固有振動数との差が設定差未満であるときに回転数を制御するようにしたが、これに代えて、事前試験などにより、図5に示すように、その温度において共振を起こす回転数を共振回転数として設定しておき、実際の回転数と検出値から求めた共振回転数との差が設定差未満であるとき、その差が設定差以上になるまでファンモータの回転数を増加または減少させるように制御することができる。ここで、共振回転数は、図4で求めた固有振動数から逆算により求めることもできる。
【0016】
さらに、上記空気調和機において、送風羽根を加熱する加熱器と、この加熱器の発熱量を制御する加熱制御装置とを設け、この加熱制御装置は、その差が設定差未満であるとき、その差が設定差以上になるまで加熱器の発熱量を増加または減少させることができる。この加熱器は、除霜用のヒータを用いることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明を適用してなる空気調和機の第1の実施形態について、図1を用いて説明する。図1は、本発明を適用してなる空気調和機の第1の実施形態の全体構成を示す。
【0018】
本発明の空気調和機は、図1に示すように、室内機1と室外機3とで形成され、室内機1と室外機3は、冷媒が封入された環状の循環流路5で連結されている。循環流路5には、室外機3内に配置された冷媒を圧縮する圧縮機7、冷媒と室外の空気とを熱交換させる室外熱交換器9、室内機1内に配置された冷媒を減圧する膨張弁11、及び冷媒と室内の空気とを熱交換させる室内熱交換器13が順次配設され、冷凍サイクルが形成されている。圧縮機7は四方弁15を介して循環流路5に連結され、冷媒の吐出方向を切り替えられるようになっている。
【0019】
室内機1には、ファン16が備えられている。ファン16は、送風側に室内熱交換器13が位置するように配置され、ファン16から吹出した空気は室内熱交換器13を介して符号18の矢印方向に流れて室内に流入するようになっている。
【0020】
室外機3には、ファン17が備えられている。ファン17は、樹脂製のプロペラ型の送風羽根19と、送風羽根19に連結されたブラシレス直流ファンモータ21とで形成されている。ファン17は、吸引側に室外熱交換器9が位置するように配置され、送風羽根19が回転することで、外気は符号20の矢印方向に流れて室外熱交換器9を通流し、送風羽根19の吸引側に流入するようになっている。また、ファンモータ21は、制御装置23から回転数を制御する制御信号が入力されるようになっている。送風羽根19の吹出側には、温度を検出する温度センサ25が設けられ、温度センサ25は、検出した温度を制御装置23に入力するようになっている。制御装置23は、入力された回転数及び温度からコギング周波数と固有振動数を求め、コギング周波数が固有振動数から外れるように回転数を制御するようになっている。
【0021】
このように構成される空気調和機の動作について説明する。まず、四方弁15は、冷房の場合は実線の状態に、暖房の場合は破線の状態に制御される。ここでは、冷房の場合を例示して説明する。空気調和機の運転が開始されると、圧縮機7は冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は四方弁15を介して室外熱交換器9に流入し、ファン17により流入する外気と熱交換して凝縮されて膨張弁11に導かれる。冷媒は、膨張弁11で減圧されて室内熱交換器13に流入され、室内熱交換器13内でファン16により通流する室内の空気と熱交換して蒸発する。蒸発した冷媒は、四方弁15を介して圧縮機7の吸引側に流入される。なお、冷房の場合、冷媒は符号27の矢印方向に循環するが、暖房の場合は逆となる。
【0022】
次に、本実施形態の特徴部である制御装置23による避共振制御について図2を用いて説明する。図2は、制御装置23の制御手順を示したフローチャートである。まず、制御装置23は、温度センサ25から温度tを取り込むとともに(ステップS1)、ファンモータ21から現在の回転数Nを取り込む(ステップS2)。次に、予め求めておいたファンモータ21のステータの極数とロータのスロット数との最小公倍数に、ステップS2で求めた回転数Nを積算してコギング周波数f’を求める(ステップS3)。さらに、事前に求めておいた図4に示す固有振動数fn(n=1,2,3...)と送風羽根の周囲の温度tとの関係から、ステップS1で求めた温度tに基づいて固有振動数fnを算出する(ステップS4)。
【0023】
ここで、ステップS4における図4に示す固有振動数fnと温度tとの関係の求め方について説明する。まず、固有振動数fの一般式は、次式(1)で表せる。
【0024】
f=1/(2π)×(K/m)1 /2 (f:固有振動数 K:ばね定数 m:質量)(1)
(1)式のばね定数Kは材料の弾性率E(t)に比例し、さらに、温度変化に対して質量mは不変である。また、送風羽根19の弾性率E(t)は図6に示すように温度tに関する近似式で表すことができることから、定数項をαとしてまとめると、最終的に固有振動数fnの温度tとの関係は、次式(2)のようになる。なお、図6は送風羽根19の材料である樹脂の弾性率E(t)と温度tとの一般的な関係を示す。
【0025】
fn=αn×{E(t)}1/2 (n=1,2,3・・・) (2)
nは固有振動数の次数、αnは送風羽根19の形状や材料により固有であり、事前試験またはシミュレーションなどで求めることができる。この(2)式から図4に示すグラフを求めることができる。
【0026】
そして、ステップS4で求めた固有振動数fnとコギング周波数f’とが合致するか判断する(ステップS5)。ステップS5における合致の判断は、コギング周波数f’と固有振動数fnとの差Δfが設定差Δf*より小さい場合に合致、大きい場合に合致していないとする。ステップS5で合致となる場合は、ファンモータ21の回転数NにΔNを加えて(ステップS6)ステップS1に戻り、合致でない場合はステップS1へ戻る。ここで、ステップS5の設定差Δf*の設定は、例えば、事前試験においてファンモータ21の回転数Nをだんだん上げて、固有振動数fnにコギング周波数f’をだんだん近づけていき電磁音を計測する。そして、図7に示すように、電磁音の大きさが許容値を超える回転数Nの範囲を求め、図3などから逆算して回転数Nの範囲に対応するfnとf’との差Δfを求め、求めたΔfより大きな値に設定差Δf*を設定する。
【0027】
これにより、コギング周波数f’を変化させて固有振動数fnからずらすことができ、送風羽根19とファンモータ21との共振を避けることができ、共振による騒音を許容できる程度に抑えることができる。
(第2の実施形態)
図8は、本発明を適用してなる空気調和機の第2の実施形態の全体構成図である。本実施形態は、第1の実施形態において、共振を避けるためにファンモータの回転数を増減することで、送風性能が阻害されるという問題を解決するためになされたものである。本実施形態は、複数の(本実施形態では2つ)ファン17を備え、2つの回転数の総和を維持することにある。したがって、第1の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略する。
【0028】
図8に示すように、ファン171、172は、樹脂製のプロペラ型の送風羽根191、192と、ブラシレス直流ファンモータ211、212とでそれぞれ形成されている。ファン171、172は、吸引側に室外熱交換器9が位置するように並べて配置されている。また、ファンモータ211、212は、制御装置43から回転数を制御する制御信号が入力されるようになっている。送風羽根191、192の吹出側には、温度を検出する温度センサ25が設けられ、温度センサ25は、検出した温度を制御装置43に入力するようになっている。
【0029】
本実施形態の特徴部である制御装置43による避共振制御について図9を用いて説明する。図9は、制御装置43の制御手順を示したフローチャートである。まず、制御装置43は、温度センサ25から温度tを取り込むとともに(ステップS11)、ファンモータ211、212から回転数N1、N2を取り込む(ステップS12)。次に、予め求めておいたファンモータ211、212のステータの極数とロータのスロット数との最小公倍数に、ステップS2で求めた回転数N1、N2をそれぞれ積算してコギング周波数f’1、f’2を求める(ステップS13)。さらに、事前試験により求めておいた図4に示す固有振動数fと送風羽根の周囲の温度tとの関係から、ステップS1で求めた温度tに基づいて固有振動数fn(n=1,2,3...)を算出する(ステップS14)。そして、コギング周波数f’1、f’2と固有振動数fとが合致するか判断する(ステップS15)。ステップS15における合致の判断は、コギング周波数f’1、f’2と固有振動数fnとの差Δf1、Δf2が設定差Δf*より小さい場合に合致、大きい場合に合致していないとする。ステップS15において合致となる場合は、ファンモータ211、212の回転数N1、N2の総和を求め(ステップS16)ステップS17に進み、合致しない場合はステップS11へ戻る。ステップS17において、N1にΔN1を、N2にΔN2を加えるとともに、N1とN2の総和と、回転数変更後のN1+ΔN1とN2+ΔN2の総和とを比較して、変更前の総和が変更後の総和より大きい場合大きい分だけ回転数N1、N2を減少させ、小さい場合小さい分だけ回転数N1、N2を増加させて(ステップS17)、ステップS11に戻る。これにより、固有振動数fとコギング周波数f’1、f’2とをずらすことができ、送風羽根191、192とファンモータ211、212との共振を避けることができるとともに、回転数N1、N2の総和を保つことができるので、ファンの送風能力を低下させることもない。なお、ステップS15の合致の判断、及び設定差Δf*の設定は、第1の実施形態のステップS5と同様である。
(第3の実施形態)
図10は、本発明を適用してなる空気調和機の第3の実施形態の全体構成図である。本実施形態は、第1の実施形態のようにファンモータの回転数を増減して共振を避けるという方法に代えて、送風羽根19の温度を変えることで共振を避けるようにしたものである。本実施形態は、室内機1に加熱器55を(本実施形態では2つ)備え、共振しうる場合にファンの温度を変化させて固有振動数fを変化させることにある。したがって、第1の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略する。
【0030】
図10に示すように、室内機1のファン16周囲には、発熱量を調整可能な加熱器55が2つ設けられている。加熱基55は、制御装置53から発熱量を制御する制御信号が入力されるようになっている。
【0031】
本実施形態の特徴部である制御装置53による避共振制御について図11を用いて説明する。図11は、制御装置53の制御手順を示したフローチャートである。まず、制御装置53は、温度センサ25から温度tを取り込むとともに(ステップS21)、ファンモータ21から現在の回転数Nを取り込む(ステップS22)。次に、予め求めておいたファンモータ21のステータの極数とロータのスロット数との最小公倍数に、ステップS22で求めた回転数Nを積算してコギング周波数f’を求める(ステップS23)。さらに、事前に求めておいた図4に示す固有振動数fn(n=1,2,3...)と送風羽根の周囲の温度tとの関係から、ステップS21で求めた温度tに基づいて固有振動数fnを算出する(ステップS24)。そして、コギング周波数f’と固有振動数fnとが合致するか判断する(ステップS25)。ステップS25における合致の判断は、コギング周波数f’と固有振動数fnとの差Δfが設定差Δf*より小さい場合に合致、大きい場合に合致していないとする。ステップS25で合致となる場合は、加熱器55の発熱量QにΔQを加えて(ステップS26)ステップS1に戻り、合致でない場合はステップS1へ戻る。これにより、コギング周波数f’を変化させて固有振動数fnからずらすことができ、送風羽根19とファンモータ21との共振を避けることができ、共振による騒音を許容できる程度に抑えることができる。
【0032】
また、上記実施の形態では、コギング周波数f’と固有振動数fnとの差Δfが設定差Δf*未満であるときに回転数Nを制御するようにしたが、これに代えて、事前試験などにより、図5に示すように、その温度tにおいて共振を起こす回転数を共振回転数として設定しておき、実際の回転数と検出値から求めた共振回転数との差が設定差未満であるとき、その差が設定差以上になるまでファンモータの回転数を増加または減少させるように制御することができる。ここで、共振回転数は、(2)式から求めることもできる。
【0033】
さらに、上記実施の形態では、送風羽根19の温度を温度センサ25により検出する構成としたが、これに代えて、室外の外気温度や、圧縮機7の吐出ガス圧力、圧縮機7の吐出ガス温度、室外熱交換器9の温度、または、内部の冷媒圧力などを検出して送風羽根19の温度を推定する構成とすることもできる。これらの情報で温度tを推定すれば、新たに温度センサ25を設ける必要がなくなり、コストの面で都合がよい。また、上記実施の形態では室外機3のファンの共振を抑える構成としたが、室内機1のファンの制御にも適用することができる。
【0034】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、送風羽根とファンモータとの共振を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用してなる空気調和機の第1の実施形態の全体構成を示す。
【図2】本発明を適用してなる空気調和機の第1の実施形態の制御手順を示したフローチャートである。
【図3】縦軸に加振周波数を、横軸に回転数を表し、加振周波数と回転数の関係を示したグラフである。
【図4】縦軸に固有振動数を、横軸に温度を表し、その温度における固有振動数を求めるグラフであり、一例として、加振周波数が100Hzのときに共振するポイントを示したグラフである。
【図5】縦軸に回転数を、横軸に温度を表し、その温度における共振回転数を求めるグラフである。
【図6】縦軸に樹脂の弾性率を、横軸に温度を表し、樹脂の弾性率と温度との一般的な関係を示したグラフである。
【図7】縦軸に電磁音の大きさを、横軸に回転数を表し、電磁音と回転数との関係を示したグラフである。
【図8】本発明を適用してなる空気調和機の第2の実施形態の全体構成図である。
【図9】本発明を適用してなる空気調和機の第2の実施形態の制御手順を示したフローチャートである。
【図10】本発明を適用してなる空気調和機の第3の実施形態の全体構成図である。
【図11】本発明を適用してなる空気調和機の第3の実施形態の制御手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
3 室外機
9 室外熱交換器
17 ファン
19 送風羽根
21 ファンモータ
23 制御装置
25 温度センサ
Claims (5)
- 冷凍サイクルの熱交換器に通風させる送風羽根と、該送風羽根を回転させるファンモータと、該ファンモータの回転数を制御する制御装置と、前記送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記回転数に基づいて求められるファンモータの加振周波数と、前記検出器の検出値に基づいて求められる前記送風羽根の固有振動数との差が設定差未満であるとき、前記差が設定差以上になるまで前記ファンモータの回転数を増加または減少させる空気調和機。 - 冷凍サイクルの熱交換器に通風させる送風羽根と、該送風羽根を回転させるファンモータと、該ファンモータの回転数を制御する制御装置と、前記送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記回転数と、前記検出器の検出値に基づいて求められる共振回転数との差が設定差未満であるとき、前記差が設定差以上になるまで前記ファンモータの回転数を増加または減少させる空気調和機。 - 冷凍サイクルの熱交換器に通風させる複数の送風羽根と、該複数の送風羽根をそれぞれ回転させる複数のファンモータと、該各ファンモータの回転数を制御する制御装置と、前記各送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記各回転数に基づいて前記各ファンモータの加振周波数を求め、前記検出器の各検出値に基づいて前記各送風羽根の固有振動数を求め、
前記各ファンモータの加振周波数と当該各ファンモータに対応する前記送風羽根の固有振動数との差を求め、前記差が設定差未満のファンモータの回転数を前記差が設定差以上になるまで増加または減少させるとともに、
前記複数のファンモータの回転数の総和が増加するとき前記複数のファンモータの全部または一部の回転数を減少させ、前記複数のファンモータの回転数の総和が減少するとき前記複数のファンモータの全部または一部の回転数を増加させる空気調和機。 - 冷凍サイクルの熱交換器に通風させる複数の送風羽根と、該複数の送風羽根をそれぞれ回転させる複数のファンモータと、該各ファンモータの回転数を制御する制御装置と、前記各送風羽根の周囲の温度または周囲の温度に相関する物理量を検出する検出器とを備え、
前記制御装置は、前記各回転数と、前記検出器の検出値に基づいて求められる共振回転数との差が設定差未満であるとき、前記差が設定差以上になるまで前記ファンモータの回転数を増加または減少させるとともに、
前記複数のファンモータの回転数の総和が増加するとき前記複数のファンモータの全部または一部の回転数を減少させ、前記複数のファンモータの回転数の総和が減少するとき前記複数のファンモータの全部または一部の回転数を増加させる空気調和機。 - 前記送風羽根の周囲を加熱する加熱器と、該加熱器の発熱量を制御する加熱制御装置とを設け、
該加熱制御装置は、前記差が設定差未満であるとき、前記差が設定差以上になるまで前記加熱器の発熱量を増加または減少させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の空気調和機。
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JP2002367005A JP4441661B2 (ja) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | 空気調和機 |
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