JP2005283078A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】室外熱交換器の出力変動を抑制して運転を安定化できる空気調和機を提供すること。
【解決手段】この空気調和機１は、室内に設置される室外熱交換器２１と、室外に設置される室内熱交換器３１とを備え、これらの熱交換器２１、３１間に冷媒を循環させて室内および室外にて熱交換を行うことにより、室内の冷房、暖房もしくは冷暖房を行う。空気調和機１は、室外熱交換器２１の周囲の空気を循環させる室外ファン２１１と、冷媒を加圧して室外熱交換器２１および室内熱交換器２１間に循環させる圧縮機２３と、圧縮機２３による冷媒の供給圧力を検出する圧力センサ４２とを含み構成される。そして、空気調和機１は、検出された冷媒の供給圧力に基づいて、室外ファン２１１の回転数を無段階制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空気調和機に関し、さらに詳しくは、室外熱交換器の出力変動を抑制して運転を安定化できる空気調和機に関する。

従来の空気調和機には、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の空気調和機は、室外に配置される室外ユニットと、室内に配置される室内ユニットとを含み構成される。これらのユニットは、それぞれ熱交換器（室内熱交換器または室外熱交換器）を有しており、配管によって相互に接続されている。また、これらの熱交換器は、その周囲の空気を循環させるファンを有する。従来の空気調和機は、これらの熱交換器間に冷媒を流通させて室内および室外にて熱交換を行うことにより、室内の冷房、暖房または冷暖房を行っていた。

ここで、従来の空気調和機では、室外熱交換器のファン（室外ファン）が交流誘導電動機により駆動される。そして、この室外ファンは、その回転数を何ら制御されておらず、運転時にてほぼ一定の回転数にて駆動されていた。また、室外ファンは、冷房運転時、暖房運転時および冷暖房運転時のいずれの場合においても、一様な回転数にて駆動されていた。

しかしながら、かかる従来の空気調和機では、運転状態によって圧縮機の出力が変動すると、これに応じて室外熱交換器の出力が変動して冷え過ぎや暖まり過ぎ等の過出力現象が生じ、機器の運転が不安定となるおそれがある。

特開平５−７１７９１号公報

そこで、この発明は、上記に鑑みてされたものであって、室外熱交換器の出力変動を抑制して運転を安定化できる空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる空気調和機は、室内に設置される室外熱交換器と、室外に設置される室内熱交換器とを備え、これらの熱交換器間に冷媒を循環させて室内および室外にて熱交換を行うことにより、室内の冷房、暖房もしくは冷暖房を行う空気調和機において、前記室外熱交換器の周囲の空気を循環させる室外送風機と、冷媒を加圧して前記室外熱交換器および前記室内熱交換器間に循環させる圧縮機と、前記圧縮機による冷媒の供給圧力を検出する圧力センサとを含み、且つ、検出された冷媒の供給圧力に基づいて、前記室外送風機の回転数を無段階制御することを特徴とする。

この空気調和機では、圧縮機の出力（冷媒の供給圧力）に応じて室外熱交換器の出力（室外送風機の回転数）が無段階制御により調整されるので、室外熱交換器の過出力が抑制される。これにより、各構成要素の出力変動（冷え過ぎや暖まり過ぎ等）が抑制されるので、機器の運転が安定化する利点がある。

また、この発明にかかる空気調和機は、前記無段階制御は、前記室外送風機の回転数が、検出された冷媒の供給圧力に対して一次遅れ制御による数値制御である。

この空気調和機では、一次遅れ制御により室外送風機の回転数が数値制御されるので、圧縮機の出力変動（供給圧力の変動）に対して、室外送風機の回転数が過渡的に追従するように数値制御される。したがって、圧縮機の出力が不安定な場合（例えば、振動的に変動する場合）にも、室外送風機が安定的に回転する。これにより、室外熱交換器の出力が安定化されるので、機器の運転がより安定化される利点がある。

また、この発明にかかる空気調和機は、前記室外送風機が、直流電動機により駆動される。

この空気調和機では、室外送風機が直流電動機により駆動されるので、室外送風機が交流誘導電動機により駆動される構成と比較して、その回転数の制御が容易である。これにより、圧縮機の出力変動に応じて、室外送風機の回転数を的確に調整できる利点がある。

この発明にかかる空気調和機によれば、圧縮機の出力（冷媒の供給圧力）に応じて室外熱交換器の出力（室外送風機の回転数）が無段階制御により調整されるので、室外熱交換器の過出力が抑制され、各構成要素の出力変動（冷え過ぎや暖まり過ぎ等）が抑制されるので、機器の運転が安定化する利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施例の構成要素には、当業者が置換可能且つ容易なもの、或いは実質的同一のものが含まれる。

図１は、この発明の実施例１にかかる空気調和機を示す回路図である。なお、同図は、一例として、冷房運転時における回路図を示している。

この空気調和機１は、室外に配置される室外ユニット２と、室内に配置される室内ユニット３と、制御ユニット４とを含み構成される。そして、室外ユニット２および室内ユニット３がそれぞれ熱交換器２１、３１を有しており、これらの熱交換器２１、３１が相互に配管５により接続されている。空気調和機１は、これらの熱交換器２１、３１間に冷媒を循環させて室内および室外にて熱交換を行うことにより、室内の冷房、暖房もしくは冷暖房を行うことができる。

室外ユニット２は、室外熱交換器２１と、室外膨張弁２２と、圧縮機２３と、アキュムレータ２４と、四方切換弁２５とを含み、これらが配管５により接続されて構成されている。室外熱交換器２１は、外気との間で冷媒の熱交換を行う機器であり、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能する。室外膨張弁２２は、冷媒の流路を絞る弁であり、主として、暖房運転時に使用される。また、この室外膨張弁２２は、その開度調整により配管５内における冷媒の流量を調整できる。圧縮機２３は、冷媒を吸入して圧縮し、冷媒の圧力を高める機能を有する。アキュムレータ２４は、冷媒の余剰分を一時的に貯蔵して冷媒の流量を調整する機能を有する。四方切換弁２５は、室外ユニット２内の配管５の接続を切り換えることにより、暖房運転用の配管構成と冷房用の配管構成とを切り換える弁である。

ここで、室外ユニット２の室外熱交換器２１は、その周囲の空気を循環させて熱交換を促進させる室外送風機として、室外ファン２１１を有する。この室外ファン２１１は、直流電動機により駆動され、無段階且つ任意の回転数Ｎでの駆動が可能である。なお、室外送風機には、室外ファン２１１の他に、ブロアも使用できる。また、室外ファン２１１は、可変速制御ができれば、その駆動手段は直流電動機に限られない。例えば、三相交流誘導電動機によるインバータ駆動を適用してもよい。

室内ユニット３は、室内熱交換器３１と、室内膨張弁３２とを含み、これらが配管５により接続されて構成されている。室内空気との間で冷媒の熱交換を行う機器であり、暖房運転時には凝縮器として機能し、冷房運転時には蒸発器として機能する。室内膨張弁３２は、冷媒の流路を絞る弁であり、主として、冷房運転時に使用される。また、この室外膨張弁２２は、その開度調整により配管５内における冷媒の流量を調整できる。

なお、この空気調和機１では、複数の室内ユニット３、３が室外ユニット２に接続されており、これらの室内ユニット３、３が相互に独立して稼働できる。これにより、例えば、各室内ユニット３が異なる部屋に設置されて独立して稼働することにより、各室内の空気を個別に調和することができる。

制御ユニット４は、制御部４１と、圧力センサ４２と、その他のセンサ（図示省略）とを含み構成される。制御部４１は、室外ユニット２および室内ユニット３の各構成要素を制御する機能を有し、特に、室外ファン２１１の回転数Ｎを制御する機能を有する。圧力センサ４２は、圧縮機２３の吐出口側に設置されており、吐出口側における冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰを検出する。なお、供給圧力ＨＰは、冷房運転時における冷媒の供給圧力であり、供給圧力ＬＰは、暖房運転時における冷媒の供給圧力である。各種のセンサは、室外ユニット２および室内ユニット３の各構成要素、ならびに、配管の要所に設置されて必要な情報を検出する。なお、この空気調和機１では、制御部４１が室外ユニット２内に設置されているが、これに限らず、制御部４１が室内ユニット３内に設置されても良い。

［空気調和機の作用］
この空気調和機１において、冷房運転時では、冷媒が室外熱交換器２１にて凝縮液化されて液体状態となり、液配管５１を通って室内熱交換器３１側に流れる（図４参照）。そして、冷媒が、室内膨張弁３２にて流路を絞られることにより、室内熱交換器３１内にて蒸発気化して熱を吸収する。これにより、熱交換が行われて室内の空気が冷却される。そして、冷媒が、四方切換弁２５およびアキュムレータ２４を通って圧縮機２３に流れ、圧縮機２３にて圧縮されて、再び室外熱交換器２１側に送られる（図１参照）。これにより、冷媒が室外熱交換器２１および室内熱交換器３１間を循環して、室内の冷房が行われる。

一方、暖房運転時では、冷媒が、高温高圧のガス状態にて室内熱交換器３１に流入し、室内熱交換器３１内にて凝縮液化して熱を放出する。これにより、熱交換が行われて室内の空気が暖められる（図２参照）。そして、冷媒が、室内熱交換器３１側から液配管５１を通って室外熱交換器２１側に流れ、室外膨張弁２２にて流路を絞られることにより、室外熱交換器２１内にて断熱膨張して蒸発気化する。そして、冷媒が、四方切換弁２５およびアキュムレータ２４を通って圧縮機２３に流れ、圧縮機２３にて圧縮されて、再び室内熱交換器３１側に送られる（図１参照）。これにより、冷媒が室内熱交換器３１および室外熱交換器２１間を循環して、室内の暖房が行われる。

なお、暖房運転時には、図１に記載した回路図において、配管の接続が四方切換弁２５によって切り換えられ、図２における室外熱交換器２１側の配管５がアキュムレータ２４側に接続されると共に、室内熱交換器３１側の配管５が圧縮機２３側に接続される（図示省略）。

［室外ファンの作用］
図２および図３は、図１に記載した室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。これらの図では、図２が冷房運転時における室外ファン２１１の駆動特性を示しており、図３が暖房運転時における室外ファン２１１の駆動特性を示している。また、これらの図では、縦軸に室外ファン２１１の回転数Ｎが示され、横軸に圧縮機２３の吐出口における冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰが示されている。

この空気調和機１では、運転時にて、圧力センサ４２が圧縮機２３の吐出口における冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰを検出する。この検出は、所定のサンプリング時間毎（例えば、０．５秒毎）に検出される。そして、検出された供給圧力ＨＰ、ＬＰに基づいて室外ファン２１１の回転数Ｎが決定され、室外ファン２１１が駆動されて室外熱交換器２１の出力が制御される。また、かかる室外熱交換器２１の出力制御は、フィードバック制御により運転中に常時行われる。これにより、例えば、室内設定温度の変更やサーモオフ（室内が設定温度に達したときの室内ユニット３の一時的な停止）により圧縮機２３の出力が変動したときに、これに応じて、室外熱交換器２１の出力が好適に制御される。

ここで、室外ファン２１１の回転数Ｎは、冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰとの関係により、図２および図３に示したグラフに基づいて決定される。例えば、冷房運転時には、冷媒の供給圧力ＨＰが低いときには室外ファン２１１の回転数Ｎが高くなり、冷媒の供給圧力ＨＰが高いときには室外ファン２１１の回転数Ｎが低くなるように、数値制御が行われる（図２参照）。一方、暖房運転時には、冷媒の供給圧力ＬＰが低いときには室外ファン２１１の回転数Ｎが低くなり、冷媒の供給圧力ＬＰが高いときには室外ファン２１１の回転数Ｎが高くなるように、数値制御が行われる（図３参照）。

また、冷房運転時には、冷媒の供給圧力ＨＰが臨界値ＨＰＬ以下のときに室外ファン２１１の回転数Ｎが最低値Ｎｍｉｎで一定となり、冷媒の供給圧力ＨＰが臨界値ＨＰＨ以上のときに室外ファン２１１の回転数Ｎが最大値Ｎｍａｘで一定となる（図２参照）。一方、暖房運転時には、冷媒の供給圧力ＬＰが臨界値ＬＰＬ以下のときに室外ファン２１１の回転数Ｎが最大値Ｎｍａｘで一定となり、冷媒の供給圧力ＬＰが臨界値ＬＰＨ以上のときに室外ファン２１１の回転数Ｎが最低値Ｎｍｉｎで一定となる（図３参照）。なお、これらの臨界値ＨＰＬ、ＨＰＨ、ＬＰＬ、ＬＰＨは、圧縮機２３の吐出圧力、配管５での圧力損失、揚程差による圧力損失、室内ユニット３での圧力損失、圧縮機２３の吸入圧力などの要素を考慮して当業者公知の手法により決定される。

［効果］
この空気調和機１によれば、圧縮機２３の出力（冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰ）に応じて室外熱交換器２１の出力（室外ファン２１１の回転数Ｎ）が調整されるので、室外熱交換器２１の過出力が抑制される。これにより、各構成要素の出力変動（冷え過ぎや暖まり過ぎ等）が抑制されるので、機器の運転が安定化する利点がある。なお、圧縮機２３の出力に応じて室外熱交換器２１の出力を制御する技術は、発明者独自の視点によるものであり、現在知られていない。

また、この空気調和機１によれば、室外ファン２１１が直流電動機により駆動されるので、室外ファンが交流誘導電動機により駆動される構成と比較して、室外ファン２１１の回転数Ｎが容易且つ正確に制御されるので、運転がより安定化される利点がある。また、室外ファン２１１の駆動にかかる消費電力が低減される利点がある。また、室外ファン２１１の無段階制御が可能となるので、圧縮機２３の出力変動に応じて、室外ファン２１１の回転数Ｎを的確に調整できる利点がある。また、これにより、後述する室外ファン２１１の回転数Ｎの一次遅れ制御が可能となる利点がある。

この空気調和機１では、冷媒の供給圧力ＨＰ、ＬＰの臨界値ＨＰＬ、ＨＰＨ、ＬＰＬ、ＬＰＨに対して、室外ファン２１１の回転数Ｎの最大値Ｎｍａｘもしくは最小値Ｎｍｉｎが設定されている。これにより、冷房の場合には、冷媒の供給圧力が低い場合には、Ｎｍｉｎが最適になり、冷媒の供給圧力が高い場合には、Ｎｍａｘが最適になる。

［複数の室内ユニットとの関係］
なお、この空気調和機１は、複数の室内ユニット３が設置されると共にこれらの室内ユニット３が別個独立に運転される構成（図１参照）において、特に有益である。かかる構成では、圧縮機２３が、各室内ユニット３の総出力に応じて駆動される。このため、各室内ユニット３の稼働状態や設置数によって圧縮機２３の総出力（供給圧力ＨＰの数値）が大きく変動する。この点において、この空気調和機１では、圧縮機２３の出力に応じて室外熱交換器２１の出力を制御するので、圧縮機２３の出力変動が大きい場合にも、機器の運転が安定化される利点がある。

図４、図５−１、図５−２は、図１に記載した室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。これらの図において、図４は、冷房運転時における室外ファンの駆動特性を示しており、図５−１は、が冷房運転時における冷媒の供給圧力ＨＰの変動を示しており、図５−２が供給圧力ＨＰの変動に応じた室外ファン２１１の回転数Ｎの変化を示している。この空気調和機１は、室外ファン２１１の回転数Ｎが、圧縮機２３の出力（冷媒の供給圧力ＨＰ）に対して、一次遅れ制御により数値制御される点に特徴を有する。

この空気調和機１では、まず、圧力センサ４２によって冷媒の供給圧力ＨＰが各サンプリング時間帯毎に検出され、この供給圧力ＨＰを基礎として後述する所定の算出式により制御圧力ＨＰＣが算出される。そして、この制御圧力ＨＰＣを用いて室外ファン２１１の回転数Ｎが決定される。

ここで、制御圧力ＨＰＣは、以下の算出式により算出される。

この算出式では、変数ｎが各サンプリング時間帯の序数を示しており、変数ΔＴがサンプリング時間を示しており、変数ＴＬａｇが時定数を示している。なお、サンプリング時間ΔＴは、制御部４１の処理能力に基づき任意に決定される。また、時定数ＴＬａｇは、空気調和機１の仕様などに応じて当業者公知の手法により決定される経験値である。

この算出式に示すように、制御圧力ＨＰＣ（ｎ）は、そのときに検出された冷媒の供給圧力ＨＰ（ｎ）と、前回検出されたの冷媒の供給圧力ＨＰ（ｎ−１）とに基づいて算出される。そして、この制御圧力ＨＰＣ（ｎ）が用いられることにより、室外ファン２１１の回転数Ｎは、その数値が冷媒の供給圧力ＨＰに対して一次遅れにより過渡的に変動するように、制御される。かかる構成では、冷媒の供給圧力ＨＰが振動的に変動した場合にも、回転数Ｎの高周波数成分（ノイズ）が除去されて回転数Ｎが滑らかに変動する（図５−１、図５−２参照）。これにより、冷媒の供給圧力ＨＰが不安定な場合にも、室外ファン２１１の回転数Ｎが安定化する。

この空気調和機１によれば、一次遅れ特性を有するフィードバック制御系により室外ファン２１１の回転数Ｎが数値制御されるので、圧縮機の出力変動（供給圧力の変動）に対して、室外ファンの回転数が過渡的に追従するように数値制御される。したがって、圧縮機２３の出力が不安定な場合（例えば、振動的に変動する場合：図５−１参照）にも室外ファン２１１が安定的に回転する（図５−２参照）。これにより、室外熱交換器２１の出力が安定化されるので、機器の運転がより安定化される利点がある。さらに、室外熱交換器２１が安定的に駆動されることによって、フィードバック作用により圧縮機２３の出力が安定するので、機器の運転がさらに安定化される利点がある。

なお、この空気調和機１では、一例として、冷房運転時における室外ファン２１１の駆動特性について説明したが、暖房運転時の場合についても同様である。以下に、冷媒の供給圧力ＬＰに基づく室外ファン２１１の回転数Ｎの算出式を示す。

この算出式では、暖房運転時の制御圧力ＬＰＣ（ｎ）がそのときに検出された冷媒の供給圧力ＬＰ（ｎ）と、前回検出されたの冷媒の供給圧力ＬＰ（ｎ−１）とに基づいて算出される。そして、この制御圧力ＬＰＣ（ｎ）に基づいて、室外ファン２１１の回転数Ｎが決定される。これにより、室外ファン２１１の回転数Ｎが、一時遅れ制御により数値制御系される。

以上のように、本発明にかかる空気調和機は、室外熱交換器の出力変動を抑制して、運転を安定化できる点で有用である。

この発明の実施例１にかかる空気調和機を示す回路図である。 室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。 室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。 室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。 室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。 室外熱交換器の室外ファンの駆動特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 空気調和機
２ 室外ユニット
３ 室内ユニット
４ 制御ユニット
２１ 室外熱交換器
２２ 室外膨張弁
２３ 圧縮機
２４ アキュムレータ
２５ 四方切換弁
３１ 室内熱交換器
３２ 室内膨張弁
４１ 制御部
４２ 圧力センサ
５ 配管
５１ 液配管
２１１ 室外ファン

Claims (3)

1. 室外に設置される室外熱交換器と、室内に設置される室内熱交換器とを備え、これらの熱交換器間に冷媒を循環させて室内および室外にて熱交換を行うことにより、室内の冷房、暖房もしくは冷暖房を行う空気調和機において、
   前記室外熱交換器の周囲の空気を循環させる室外送風機と、
   冷媒を加圧して前記室外熱交換器および前記室内熱交換器間に循環させる圧縮機と、
   前記圧縮機による冷媒の供給圧力を検出する圧力センサとを含み、且つ、
   検出された冷媒の供給圧力に基づいて、前記室外送風機の回転数を無段階制御することを特徴とする空気調和機。
2. 前記無段階制御は、前記室外送風機の回転数が、検出された冷媒の供給圧力に対して一次遅れ制御による数値制御であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記室外送風機が、直流電動機により駆動される請求項１または２に記載の空気調和機。

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