JP2006046838A - インバータ式空気調和装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低外気冷房が可能なインバータ式空気調和装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置において、冷房運転中に圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、室外ファンを停止制御して室外ファンの室外熱交換器及びインバータ制御部への送風を停止するようにした。
【選択図】 図６

Description

本発明は、圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ式空気調和装置及びその制御方法に関し、特に室外ファンの制御技術に関する。

従来より、圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置が知られている。この種の空気調和装置は、室外ファンの送風空気によりインバータ制御部の冷却を行う構成を備え、空調運転中は室外ファンを常時回転させ、インバータ制御部等を常時冷却するようにしている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２３２５５７号公報

しかし、従来の構成では、室外ファンを常時回転させるため、低外気冷房時（特に外気温が−５℃以下での冷房時）は、室外熱交換器の凝縮圧力が著しく低下し、冷媒高圧部と冷媒低圧部との間の差圧を確保できなくなる。この場合、冷媒滞留が発生して冷媒不足となり、冷房運転を行っているにも係わらず、実質的に冷房ができなくなってしまう。一方、低外気冷房時に室外ファンを単に停止したとすると、室外熱交換器の凝縮圧力の低下は抑制できるが、インバータ制御部がその発熱により高温となり、インバータ制御部の故障を招くおそれがある。

そこで、本発明の目的は、低外気冷房が可能なインバータ式空気調和装置及びその制御方法を提供することにある。

上述課題を解決するため、本発明は、圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置において、前記室外ファンの送風空気により前記インバータ制御部の冷却を行う構成を備えると共に、外気温度を測定する外気温度センサを備え、冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、前記外気温度センサの測定温度が所定温度より低い場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止するファン制御手段を備えることを特徴とする。この発明によれば、冷房運転中に圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、室外ファンを停止制御して室外ファンの室外熱交換器及びインバータ制御部への送風を停止するため、室外熱交換器の凝縮圧力を上昇させ、冷房能力を向上させることができる。

上記発明において、前記ファン制御手段は、冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、前記外気温度センサの測定温度が、前記室外ファンを運転すると冷房不能となる温度の上限値近傍になった場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止することにより、外気温度が室外ファンを運転すると冷房不能となる温度であっても、冷房することができる。

また、上記発明において、前記ファン制御手段は、前記室外ファンを停止制御した後、前記室外熱交換器の温度が所定温度以上になると、又は、前記圧縮機の運転周波数が低周波数域を超えると、前記室外ファンの運転を開始させることにより、インバータ制御部の過度な温度上昇を回避することができる。

また、本発明は、圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備え、室外ファンの送風空気によりインバータ制御部の冷却を行う構成を備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置の制御方法において、冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止することを特徴とする。この発明によれば、冷房運転中に圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、室外ファンを停止制御して室外ファンの室外熱交換器及びインバータ制御部への送風を停止するため、室外熱交換器の凝縮圧力を上昇させ、冷房能力を向上させることができる。

本発明は、冷房運転中に圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、室外ファンを停止制御して室外ファンの室外熱交換器及びインバータ制御部への送風を停止するため、低外気冷房運転時は室外熱交換器の凝縮圧力を上昇させて冷房能力を向上させ、低外気冷房が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本発明に係るインバータ式空気調和装置の一例を示す空気調和装置の回路構成を示す図である。この空気調和装置１は、１台の室外機１ａと、複数台（例えば２台）の室内機２ａ、２ｂとを、ユニット間配管９，１０からなる冷媒配管で接続して構成されている。また、この空気調和装置１は、本装置１の運転制御を行う制御装置１００と、この制御装置１００に運転開始指示等の各種指示を行う操作部２０とを備えている。

室外機１ａは、室外に設置され、冷媒を圧縮する圧縮機（ＤＣインバータ圧縮機）７と、冷媒の循環方向を反転させる四方弁８と、冷媒と外気との熱交換を行わせる室外熱交換器１１と、冷媒の減圧を行う室外膨張弁１３と、圧縮機７に吸込まれる冷媒の気液分離を行うアキュムレータ５とが冷媒配管で接続されて収納されている。また、室外熱交換器１１には、室外ファン３３が隣接して配置され、この室外ファン３３の送風空気が室外熱交換器１１に供給される。室外ファン３３は、その風量の調節が可能であり、制御装置１００からの駆動信号に応答して、例えば、高速、中速、低速（最小風量）の３段階に回転速度を可変する。

室内機２ａ、２ｂは、室内に設置され、室内空気と冷媒との熱交換を行う室内熱交換器２１ａ、２１ｂと、各室内機２ａ、２ｂへ流入する冷媒の冷媒量を制御する室内膨張弁２３ａ、２３ｂとが、各々冷媒配管で接続されて収納されている。上記室内熱交換器２１ａ、２１ｂには、これらの室内熱交換器２１ａ、２１ｂへ送風する室内ファン２２ａ、２２ｂがそれぞれ隣接して配置されている。

室外機１ａは、図２に示すように、略箱形状の外装体３０と、この外装体３０の内部空間を熱交換室Ａと機械室Ｂとに仕切る仕切板３１とを有し、熱交換室Ａには、Ｌ型のプレートフィン熱交換器である室外熱交換器１１と、室外ファン３３とが配置され、機械室Ｂには圧縮機７と制御装置１００とが配置されている。

制御装置１００は、プリント基板１０１、コンデンサ１０２、圧縮機７をインバータ駆動する圧縮機駆動モジュール（インバータ制御部）１０３等を備え、これら電気部品が、仕切板３１に固定された放熱部材３５に電装板３６を介して取り付けられている。この放熱部材３５は、アルミニウム等の熱伝導性が高い金属材料で形成され、熱交換室Ａに露出する面には放熱フィン３５ａが切り起こされ、この放熱部材３５の機械室Ｂ側の面に取り付けられた上記電子部品１０１〜１０３の熱を放熱可能に構成されている。この熱交換室Ａには、室外ファン３３による送風空気が流れるため、室外ファン３３の駆動時は、放熱フィン３５ａを介して上記電子部品の熱の放熱量、つまり、上記電子部品の冷却量が十分に確保される。

また、室外機１ａには、図３に示すように、外気温度センサ３４が取り付けられている。外気温度センサ３４は、室外機１ａの空気吸込側の通風パネル３７ａ，３７ｂの一方のパネル３７ａに配置され、室外熱交換器１１の一次側（送風空気吸込側）近傍に配置されるようになっている。従って、この外気温度センサ３４は、室外ファン３３回転時は、図３に矢印で示すように、室外熱交換器１１を通過する前の送風空気の温度（＝外気温度）を測定できるようになっている。なお、この外気温度センサ３４を通風パネル３７ｂに配置してもよい。

図４は、制御装置１００の機能構成を示すブロック図である。
制御装置１００は、制御用プログラム、制御用データ等を記憶するＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）４０と、このＥＥＰＲＯＭ４０内の制御用プログラム等に基づいて空気調和装置１全体を制御するＣＰＵ４１と、各種データを一時的に格納するＲＡＭ４２と、操作部２０との通信を行う送受信部４３と、圧縮機駆動モジュール１０３や空気調和装置１の各部と信号を送受するためのインターフェース（Ｉ／Ｆ）４４とを備えている。

制御装置１００は、このＩ／Ｆ４４を介して、温度センサ（上記外気温度センサ３４、室内温度を計測する室内温度センサ５０（図１）、熱交換器１１、２１ａ、２１ｂの冷媒出入口温度を測定する温度センサ（図示せず）等）と接続され、各箇所の温度を取得可能に構成されている。そして、制御装置１００は、上記操作部２０が操作されると、四方弁８、圧縮機７、室外膨張弁１３、室内膨張弁２３ａ、２３ｂ、室外ファン３３、室内ファン２２ａ、２２ｂをそれぞれ制御する。

具体的には、制御装置１００は、運転開始時、外気温度センサ３４と室内温度センサ５０の計測温度の差に基づいて四方弁８を切り替えることにより、空気調和装置１を冷房運転又は暖房運転に設定する。ここで、操作部２０で冷房運転に手動設定されている場合は、外気温度や室内温度に関係なく、冷房運転に設定する。そして、四方弁８を冷房側に切り替えたときには、図１に示すように、冷媒が実線矢印の如く流れ、室外熱交換器１１が凝縮器に、室内熱交換器２１ａ、２１ｂが蒸発器として機能して冷房運転状態となり、各室内熱交換器２１ａ、２１ｂが室内を冷房する。また、制御装置１００が四方弁８を暖房側に切り替えたときには、冷媒が波線矢印の如く流れ、室内熱交換器２１ａ、２１ｂが凝縮器に、室外熱交換器１１が蒸発器として機能して暖房運転状態となり、各室内熱交換器２１ａ、２１ｂが室内を暖房する。

また、制御装置１００は、操作部２０で設定された設定温度と、室内温度センサ５０により取得した室内温度との差等に基づいて、圧縮機駆動モジュール１０３により圧縮機７の運転周波数を可変制御し、また、熱交換器１１、２１ａ、２１ｂの冷媒出入口温度の差に基づいて、室外膨張弁１３及び室内膨張弁２３ａ、２３ｂの開度を制御する。また、制御装置１００は、操作部２０の設定等に基づき室内ファン２２ａ、２２ｂの回転数を可変制御する。

ところで、インバータ式空気調和装置は、インバータ制御部品（上記圧縮機駆動モジュール１０３に相当）の発熱量が高い場合は、インバータ制御部品を冷却する必要がある。そこで、本実施形態では、上記のように、室外機１ａの熱交換室Ａに放熱フィン３５ａを配置し、室外ファン３３の送風空気によって圧縮機駆動モジュール１０３等の電気部品を効率よく強制冷却できるように構成している。ところが、上記冷房運転中に室外ファン３３を常時運転したとすれば、低外気冷房時（特に外気温が−５℃以下の冷房時）は、図５に冷凍サイクル線図を示すように、室外熱交換器１１の凝縮圧力Ｐ１が著しく低下し、冷媒高圧部と冷媒低圧部との間の差圧ΔＰを十分に確保できなくなり、実質的に冷房ができなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、一定条件下で室外ファン３３を停止させる室外ファン制御を行うようになっている。

図６は、この室外ファン制御を示すフローチャートである。なお、前提として、この室外ファン制御は、冷房運転時に所定の割り込み周期で継続的に実行される制御である。まず、制御装置１００は、現在の圧縮機７の運転周波数ｆを取得し、圧縮機７の運転周波数ｆが予め設定された設定周波数ｆ１より低いか否か、つまり、圧縮機７の運転周波数ｆが低周波数域（０＜ｆ＜ｆ１）か否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、設定周波数ｆ１は、空調負荷から要求される室外熱交換器１１の凝縮圧力が小さく、かつ、圧縮機駆動モジュール１０３やコンデンサ１０２等の発熱量が室外ファン３３による強制冷却が殆ど必要ないと考えられる周波数の上限値以下の値であり、本実施形態では例えば３０Ｈｚに設定されている。

次いで、制御装置１００は、圧縮機７の運転周波数ｆが設定周波数ｆ１以上の場合（ステップＳ１：NO）、室外ファン３３を運転状態に維持する（ステップＳ２）。この場合、制御装置１００は、外気温度と室内温度から室外ファン風量を設定する風量設定マップを参照することによって、空調負荷に応じた風量（高速、中速、低速のいずれか）に制御する。このように圧縮機７の運転周波数ｆが高く、圧縮機駆動モジュール１０３等の電気部品の発熱量が高い運転状況の場合には、室外ファン３３を運転するため、これら電気部品が十分に冷却され、動作に支障が生じることがない。

一方、圧縮機７の運転周波数ｆが設定周波数ｆ１より低い場合（ステップＳ１：YES）、つまり、圧縮機７が低回転運転の場合、制御装置１００は、外気温度センサ３４の計測温度が予め設定したファン停止温度Ｔ１より低いか否かを判定する（ステップＳ３）。このファン停止温度Ｔ１は、室外ファン３３を運転すると冷媒高圧部と冷媒低圧部との間の差圧ΔＰを十分に確保できなくなる温度、つまり、室外ファン３３を運転すると室外熱交換器１１における凝縮圧力が著しく低くなり、冷房不能となる温度の上限値或いはその近傍の値に設定され、本実施形態では例えば０℃に設定されている。

ここで、外気温度センサ３４の計測温度がファン停止温度Ｔ１以上であれば（ステップＳ３：NO）、室外ファン３３の運転を継続しても冷房可能であるため、制御装置１００は、ステップＳ２の処理に移行し、室外ファン３３を運転状態に維持する。なお、本実施形態では、冷房サーモオフの状態となり、圧縮機７が停止している状態でも、室外ファン３３を低速運転し、上記圧縮機駆動モジュール１０３等を強制冷却するように構成されている。

一方、外気温度センサ３４の計測温度がファン停止温度Ｔ１より低い場合（ステップＳ２：YES）、制御装置１００は、室外ファン３３を停止制御する（ステップＳ４）。このように、冷房運転中に圧縮機７が低回転運転となり、かつ、外気温度がファン停止温度Ｔ１より低い場合に、室外ファン３３を停止制御することにより、図５に一点鎖線で示すように、室外熱交換器１１の凝縮圧力を上昇させ、上記差圧ΔＰを確保して冷房能力を向上させることができる。この室外ファン制御を行うことにより、この制御を行わない空気調和装置では−５℃程度の外気温で冷房ができなくなったのに対し、−１５℃位の外気温まで冷房が可能になることを確認することができた。

ところで、室外ファン３３を停止制御した場合、上記圧縮機駆動モジュール１０３やコンデンサ１０２等の電気部品の温度上昇が懸念されるが、本実施形態においては、外気温度センサ３４を室外熱交換器１１の一次側（送風空気吸込側）近傍に配置したため、室外ファン３３停止時は、この外気温度センサ３４により室外熱交換器１１の温度を測定することが可能となっている。

本実施形態では、室外ファン３３を停止すると室外熱交換器１１の凝縮温度が上がるため、制御装置１００は、室外熱交換器１１の温度が上記ファン停止温度Ｔ１を超えると、上記ステップＳ３の判定結果が否定結果となり、ステップＳ２の処理に移行して室外ファン３３の運転を再開する。これにより、圧縮機駆動モジュール１０３やコンデンサ１０２等の電気部品の冷却が開始される。この場合、このファン停止温度Ｔ１は、室外ファン３３を運転すると冷房不能となる温度の上限値或いは上限値近傍に設定されているため、室外ファン３３の停止時間を、圧縮機駆動モジュール１０３等の電気部品の過度な温度上昇を回避可能な短時間とすることができる。

また、室外ファン３３を停止制御した後に、空調負荷が増大して圧縮機７の運転周波数が高くなった場合も、制御装置１００は、上記ステップＳ１の判定結果が否定結果となるため、ステップＳ２の処理に移行して室外ファン３３の運転を再開し、圧縮機駆動モジュール１０３等の電気部品の過度な温度上昇を確実に抑制することができる。

従って、この空気調和装置１は、低外気冷房時は、「室外ファン３３の停止」と「室外ファン３３を最小風量で運転」とを繰り返し、圧縮機駆動モジュール１０３等の電気部品の過度な温度上昇を抑制しつつ、室外ファン３３を必要最小限の時間だけ停止させる間欠運転を行う。この結果、本実施形態に係る空気調和装置１は、室外ファンを常時運転する従来のインバータ式空気調和装置に比して、低外気冷房時の冷房能力を向上させることができ、ほぼ年間を通して冷房（年間冷房）が可能となり、コンピュータルームを併設した部屋の空調等に最適となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施形態で示して各設定値や配管構成はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、上記実施形態では、１台の室外機と複数台の室内機を備えるインバータ式空気調和装置に本発明を適用する場合を例示したが、任意台数の室外機と室内機を備えるインバータ式空気調和装置に広く適用が可能である。

本発明に係るインバータ式空気調和装置の一例を示す空気調和装置の回路構成を示す図である。 室外機の構成を示す図である。 室外機の斜視図である。 制御装置の機能構成を示す図である。 低外気冷房時の冷凍サイクルを示す図である。 室外ファン制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 空気調和装置（インバータ式空気調和装置）
１ａ 室外機
２ａ、２ｂ 室内機
７ 圧縮機
１１ 室外熱交換器
１３ 膨張弁
２０ 操作部
２１ａ、２１ｂ 室内熱交換器
２２ａ、２２ｂ 室内ファン
２３ａ、２３ｂ 室内膨張弁
３３ 室外ファン
３４ 外気温度センサ
１００ 制御装置
１０１ プリント基板
１０２ コンデンサ
１０３ 圧縮機駆動モジュール

Claims (4)

1. 圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置において、
   前記室外ファンの送風空気により前記インバータ制御部の冷却を行う構成を備えると共に、外気温度を測定する外気温度センサを備え、冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、前記外気温度センサの測定温度が所定温度より低い場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止するファン制御手段を備えることを特徴とするインバータ式空気調和装置。
2. 前記ファン制御手段は、冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、前記外気温度センサの測定温度が、前記室外ファンを運転すると冷房不能となる温度の上限値近傍になった場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止することを特徴とする請求項１記載のインバータ式空気調和装置。
3. 前記ファン制御手段は、前記室外ファンを停止制御した後、前記室外熱交換器の温度が所定温度以上になると、又は、前記圧縮機の運転周波数が低周波数域を超えると、前記室外ファンの運転を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載のインバータ式空気調和装置。
4. 圧縮機、空調負荷に応じて圧縮機の運転周波数を可変制御するインバータ制御部、室外熱交換器、及び、この室外熱交換器に外気を送風する室外ファンを備え、室外ファンの送風空気によりインバータ制御部の冷却を行う構成を備えた室外機と、この室外機と冷媒配管を介して接続された室内機とを具備したインバータ式空気調和装置の制御方法において、
   冷房運転中に前記圧縮機の運転周波数が低周波数域となり、かつ、外気温度が所定温度より低い場合に、前記室外ファンを停止制御して室外ファンの前記室外熱交換器及び前記インバータ制御部への送風を停止することを特徴とするインバータ式空気調和装置の制御方法。
   

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