JP2006112703A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機の膨張弁制御において、制御タイミングを変更することなく、膨張弁や冷凍サイクルの特性毎に実験による調整を必要とせず開発工数が増加することのない、簡易なアルゴリズムで、安定して効率的な運転を可能とした空気調和機を提供するものである。
【解決手段】 圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を環状に接続して構成した冷媒回路と、前記冷媒回路の運転状態を最適に保つように前記膨張弁の操作量を決定する操作量演算手段と、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度をパラメータとした一次式により決定される係数を乗じて最終操作量を決定する操作量補正手段を備えた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機の運転制御に関わり、特に膨張弁の駆動制御に関するものである。

従来、この種の空気調和機は、圧縮機の速度可変幅の拡大に伴い、冷凍サイクルの運転状態を最適に維持するために様々な膨張弁制御技術が開発されてきた。特に圧縮機が低周波数運転を行っている状態では、冷凍サイクルを構成する部品の熱容量に対して冷媒の熱量が小さいために、高周波数運転を行っている状態よりも膨張弁の動作に対する冷凍サイクルの応答が遅くなるといった課題があり、当該課題に対して、膨張弁開度が所定値以下且つ、圧縮機運転周波数が所定値以下且つ、目標吐出温度と現在の吐出温度との偏差が所定値以上の場合に、膨張弁制御インターバルを通常の制御インターバルより長く設定するようにして、安定して効率的な運転をするようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の空気調和機の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、室内熱交換器５により構成された冷凍サイクルは、インバータ１１により前記圧縮機１を空調負荷に対応した周波数で運転する。吐出温度センサ６は前記圧縮機１から吐出される冷媒の温度、吐出温度Tdを検出し、目標吐出温度設定手段１２は圧縮機１の運転周波数信号Hzに基いて冷媒の目標吐出温度Mtを算出し出力する。吐出温度偏差算出手段１３は、前記目標吐出温度Mtと吐出温度Tdの偏差を算出し、その偏差を吐出温度偏差信号eとして出力する。

操作量演算手段１４は吐出温度偏差算出手段１３から出力される吐出温度偏差信号eから、膨張弁４に対する操作量を算出し、その算出結果を膨張弁駆動手段１７に出力し、膨張弁４を制御する。

一方、制御タイミング設定手段１８は運転周波数信号Hzと吐出温度偏差信号eから、操作量演算手段１４に対して操作量を出力させるタイミングを決定する。

制御タイミング設定手段１４の動作例としては、運転周波数信号Hzが２４以下であるか否かを判定し、２４より大きければ、制御タイミングを９０秒に設定し、終了する。

運転周波数信号Hzが２４以下であれば次に、吐出温度偏差eが２より大きいか否かを判定し、２以下であれば、制御タイミングを９０秒に設定して終了する。２より大きければ、制御タイミングを270秒に設定し、終了する。

制御タイミング設定手段１８は、設定した制御タイミング（９０秒または２７０秒）毎に操作量演算手段１４に対して操作量を出力するように指示命令を出力するように構成されている。
特開２００１−０１２８０８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、制御タイミングを変更するアルゴリズムが煩雑になり、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎に実験による調整を必要とするので、空気調和機の開発工数が増加するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡易なアルゴリズムで、制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき、かつ安定して効率的な運転を可能とした空気調和機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を環状に接続して構成した冷媒回路と、前記冷媒回路の運転状態を最適に保つように前記膨張弁の操作量を決定する操作量演算手段と、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度をパラメータとした一次式により決定される係数を乗じて最終操作量を決定する操作量補正手段を備えた構成としたものである。

これによって、操作量演算手段の算出した操作量に対して、操作量補正手段が現在の膨張弁開度に応じた係数を乗じるという補正を行なうので、操作量演算手段の制御手法が如何なるものであったとしても、膨張弁の絶対開度が小さい状態の場合はゆっくりと動作し、絶対開度が大きい状態の場合は速く動作するという制御を実現できる。すなわち基本的な膨張弁制御のアルゴリズムを変更することなく、また制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき、かつ安定して効率的な運転を可能とした空気調和機を提供することが可能となる。

また、本発明の空気調和機は、操作量補正手段は、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度により階段状に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたものである。

これによって、膨張弁の流量特性が膨張弁開度に対して一次式でない場合においても、その膨張弁の流量特性に応じた係数を予めテーブル化しておくことにより、容易に膨張弁の流量特性に適した制御性を実現できるようになる。

また、本発明の空気調和機は、操作量補正手段を、前記操作量演算手段による操作量に対して、あらかじめ関数化した膨張弁の流量特性を元に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたものである。

これによって、膨張弁の流量特性が膨張弁開度に対して一次式でない場合においても、その膨張弁の流量特性に応じた係数を膨張弁開度の関数として予め設定しておくことにより、膨張弁の流量特性に適した制御性を実現できるようになる。

また、本発明の空気調和機は、操作量補正手段を、圧縮機運転周波数が変化した場合に、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたものである。

これによって、圧縮機運転速度による冷媒循環量の変化に対する冷凍サイクルの応答性の変化に対しても、制御タイミングを変更する等の複雑な処理をすることなく、膨張弁の追随性を容易に高めることが可能となる。

また、本発明の空気調和機は、操作量補正手段を、圧縮機運転周波数が所定値以上変化した場合にのみ、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたものである。

これによって、例えばマルチ型の空気調和機において室内機の運転容量が急激に変化して圧縮機運転速度を急激に変化させる必要性が生じた場合においても、膨張弁の追随性を
容易に高めることが可能となる。

本発明の空気調和機は、簡易なアルゴリズムで、制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき、かつ安定して効率的な運転を可能とした空気調和機を提供することができる。

第１の発明は圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を環状に接続して構成した冷媒回路と、前記冷媒回路の運転状態を最適に保つように前記膨張弁の操作量を決定する操作量演算手段と、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度をパラメータとした一次式により決定される係数を乗じて最終操作量を決定する操作量補正手段を備えた構成とすることにより、操作量演算手段の算出した操作量に対して、操作量補正手段が現在の膨張弁開度をパラメータとした一次式により決定される係数を乗じるという補正を行なうので、操作量演算手段の制御手法が如何なるものであったとしても、膨張弁の絶対開度が小さい状態の場合はゆっくりと動作し、絶対開度が大きい状態の場合は速く動作するという制御を実現できる。

すなわち基本的な膨張弁制御のアルゴリズムを変更することなく、また制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき、かつ安定して効率的な運転をすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の操作量補正手段を前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度により階段状に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにすることにより、膨張弁の流量特性が膨張弁開度に対して一次式でない場合においても、その膨張弁の流量特性に応じた係数を予めテーブル化しておくことにより、容易に第一の発明と同等の膨張弁の流量特性に適した制御性を実現できるようになる。

第３の発明は、特に、第１の発明の操作量補正手段を前記操作量演算手段による操作量に対して、あらかじめ関数化した膨張弁の流量特性を元に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにすることにより、膨張弁の流量特性が膨張弁開度に対して一次式でない場合においても、その膨張弁の流量特性に応じた係数を膨張弁開度の関数として予め設定しておくことにより、容易に第一の発明と同等で第二の発明より精度良く膨張弁の流量特性に適した制御性を実現できるようになる。

第４の発明は、特に、第１の発明の操作量補正手段を圧縮機運転周波数が変化した場合に、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにすることにより、圧縮機運転速度による冷媒循環量の変化に対する冷凍サイクルの応答性の変化に対しても、制御タイミングを変更する等の複雑な処理をすることなく、膨張弁の追随性を容易に高めることが可能とすることができる。

第５の発明は、特に、第１の発明の操作量補正手段を圧縮機運転周波数が所定値以上変化した場合にのみ、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにすることにより、例えばマルチ型の空気調和機において室内機の運転容量が急激に変化して圧縮機運転速度を急激に変化させる必要性が生じた場合においても、膨張弁の追随性を容易に高めることが可能とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における空気調和機の制御ブロック図を示すものである。

図１において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、室内熱交換器５により冷凍サイクルが構成される。インバータ１１は前記圧縮機１を空調負荷に対応した周波数で運転する。吐出温度センサ６は前記圧縮機１から吐出される冷媒の温度、吐出温度Tdを検出し、目標吐出温度設定手段１２は圧縮機１の運転周波数信号Hzに基いて冷媒の目標吐出温度Mtを算出し出力する。

吐出温度偏差算出手段１３は、前記目標吐出温度Mtと吐出温度Tdの偏差を算出し、その偏差を吐出温度偏差信号eとして出力する。

操作量演算手段１４は吐出温度偏差算出手段１３から出力される吐出温度偏差信号eから、膨張弁４に対する操作量ΔＰを算出し、操作量補正手段１６に出力する。膨張弁開度記憶手段１５は膨張弁４の開度を初期化した時点から、操作量ΔPを累積加算し、前回膨張弁制御が行われた時点ｔ−１における開度を前回開度Ｐ（ｔ−１）を記憶するとともに、操作量補正手段１６の必要に応じて前回開度Ｐ（ｔ−１）を出力する。

操作量補正手段１６は膨張弁４の最大開度Ｐmaxを定数として保持し、前回開度Ｐ（ｔ−１）を変数とした一次式によりｋ＝（Ａ／Ｐmax）×Ｐ（ｔ−１）＋Ｃなる補正係数ｋを求め、操作量ΔＰに乗じることにより、最終操作量ΔＰ'＝ｋ×ΔＰを算出し、ΔＰ'を膨張弁駆動手段１７に出力して膨張弁４を制御するとともに、今回開度Ｐ（ｔ）＝Ｐ（ｔ−１）＋ΔＰ'を膨張弁開度記憶手段１５に出力する。

以上のように構成された空気調和機について、以下その作用を説明する。

図２は一般的な膨張弁の流量特性を示す流量−膨張弁開度特性図である。

図２において、膨張弁開度記憶手段１５が記憶している前回開度Ｐ（ｔ−１）＝１００の場合、およびＰ（ｔ−１）＝３００の場合、各々操作量補正手段１６が無いと仮定しての作用を比較して説明する。

まず、前回開度Ｐ（ｔ−１）＝１００のとき、例えば、操作量演算手段１４が操作量ΔＰ＝+30を出力しＰ（ｔ）＝１３０となった場合、冷媒流量はｑ（１００）からｑ（１３０）に変化する。

また、前回開度Ｐ（ｔ−１）＝３００のとき、同様に操作量演算手段１４が操作量ΔＰ＝＋３０を出力しＰ（ｔ）＝３３０になった場合、冷媒流量はｑ（３００）からｑ（３３０）に変化する。

各々の場合における変化前後の流量比ｑ（１３０）／ｑ（１００）、およびｑ（３３０）)／ｑ（３００）は、前者が大きく後者が小さいのは、膨張弁の流量特性より明らかである。

すなわち、操作量演算手段１４による出力が等しくても、膨張弁が絞り気味の場合においては、一回の膨張弁制御の操作による流量の変化が大きく、冷凍サイクルの状態を大きく変化させるのに対して、膨張弁が開き気味の場合においては、流量の変化が小さく冷凍
サイクルの状態を変化させにくい傾向となる。

図３は本実施の形態における空気調和機の補正係数−膨張弁開度特性図である。図３において、前回開度３００の場合に補正係数ｋが１になるように定数を設定した場合、Ａ＝Pmax／３００、Ｃ＝０である。この設定で前回開度Ｐ（ｔ−１）＝３００の場合は、補正係数k＝１であり、前回開度Ｐ（ｔ−１）＝１００の場合は、補正係数k＝１／３となり、最終操作量ΔＰ'は各々３０、および１０となって、一回の膨張弁制御の操作による流量変化の比が等しくなるように補正される。

以上のように、本実施の形態においては、操作量演算手段１４が如何なる制御を行うかに依存せず、前回開度が絞り気味の場合は操作量を小さく、前回開度が開き気味の場合には操作量を大きくする操作量補正手段１６を有していることで、制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき、かつ安定して効率的な運転を可能とすることができる。

また、本実施の形態では操作量補正手段の補正係数導出方法として、図４、図５に示すように予め定めた階段状、ないしは関数定義された補正係数により最終操作量を算出することで、膨張弁の流量特性が一次式にならない場合においても、自由度の高い設定とすることができる。

また、本実施の形態において、操作量補正手段の補正係数導出方法として、圧縮機運転周波数をパラメータとして予め関数定義された補正係数を単独もしくは前述の現在の膨張弁開度をパラメータとした補正係数と組み合わせて使用して最終操作量を算出することで、圧縮機運転周波数が低いときには操作量を小さく、圧縮機運転周波数が高いときには操作量を大きくすることができる。

以上のように、本発明にかかる空気調和機は、簡易なアルゴリズムで、制御タイミングを変更することなく、また膨張弁や冷凍サイクルの特性毎の調整を容易にでき安定して効率的な運転が可能となるので、制御による可変範囲が限られており、該制御範囲内の絶対値が小さいときにゆっくり、大きいときに速い動作を必要とする制御対象、例えば圧縮機制御等にも適用できる。

本発明の実施の形態１における空気調和機の制御ブロック図 本発明の実施の形態１における空気調和機の流量−膨張弁開度特性図 本発明の実施の形態１における空気調和機の補正係数−膨張弁開度特性図 本発明の実施の形態１における空気調和機の補正係数−膨張弁開度特性図 本発明の実施の形態１における空気調和機の補正係数−膨張弁開度特性図 従来の空気調和機の制御ブロック図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 膨張弁
５ 室内熱交換器
６ 吐出温度センサ
１１ インバータ
１２ 目標吐出温度設定手段
１３ 圧縮機速度制御手段
１４ 操作量演算手段
１５ 膨張弁開度記憶手段
１６ 操作量補正手段
１７ 膨張弁駆動手段
１８ 制御タイミング設定手段

Claims (5)

1. 圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を環状に接続して構成した冷媒回路と、前記冷媒回路の運転状態を最適に保つように前記膨張弁の操作量を決定する操作量演算手段と、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度をパラメータとした一次式により決定される係数を乗じて最終操作量を決定する操作量補正手段を備えたことを特徴とする空気調和機。
2. 操作量補正手段は、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の膨張弁開度により階段状に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の空気調和機。
3. 操作量補正手段は、前記操作量演算手段による操作量に対して、あらかじめ関数化した膨張弁の流量特性を元に定めた係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の空気調和機。
4. 操作量補正手段は、圧縮機運転周波数が変化した場合に、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の空気調和機。
5. 操作量補正手段は、圧縮機運転周波数が所定値以上変化した場合にのみ、前記操作量演算手段による操作量に対して、現在の圧縮機運転周波数に比例した係数を乗じて最終操作量を決定するようにしたことを特徴とする、請求項４に記載の空気調和機。

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