JP2012207866A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和機の効率を広範囲の部分負荷にわたって高くする。
【解決手段】周波数が可変式の圧縮機１を複数台有する室外ユニット１１と、複数台の室内ユニット１５とを備えた空気調和機において、前記複数台の圧縮機は、全断熱効率と周波数との関係式である特性式を各々有し、前記複数台の圧縮機のうち運転中の前記圧縮機の前記特性式に基づいて全断熱効率を求めると共に前記求めた全断熱効率が所定値以上となるように運転中の前記圧縮機の周波数を制御する制御部２０を備えることを特徴とする空気調和機。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００６−４６７８２号公報（特許文献１）がある。この公報には、一台または複数台の圧縮機を有する室外ユニットを一台または複数台備えると共に、室内ユニットを複数台備えたマルチ型の空気調和機が提供されている。このような空気調和機は、室外ユニット側に、四方弁等を設け、その四方弁等によって冷媒の流れる方向を切り替えることによって室外熱交換器を凝縮器及び室内熱交換器を蒸発器として機能させる冷房運転と、これとは逆に室外熱交換器を蒸発器及び室内熱交換器を凝縮器として機能させる暖房運転を可能に構成されている。マルチ型の空調システムでは空調負荷の変化幅が大きい。それに対応するため、インバータ駆動の可変式圧縮機と商用電源駆動の一定速圧縮機との組み合わせ、またはインバータ駆動の可変式圧縮機を複数台組合せて運転を行うことが記載されている。

特開２００６−４６７８２号公報

空調負荷が小さい場合には前記室外ユニットは、搭載される一部の圧縮機の運転周波数を低下させる、または運転を停止することにより部分負荷運転に切り替え、圧縮機の運転周波数を変化させて空調負荷に応じて冷媒循環量を調整している。

しかし上記特許文献のものは、ある運転周波数に効率のピークを持ち、それ以外の周波数領域では効率が低下するという課題がある。

本発明の目的は、空気調和機の効率を広範囲の部分負荷にわたって高くすることにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、周波数が可変式の圧縮機を複数台有する室外ユニットと、複数台の室内ユニットとを備えた空気調和機において、前記複数台の圧縮機は、全断熱効率と周波数との関係式である特性式を各々有し、前記複数台の圧縮機のうち運転中の前記圧縮機の前記特性式に基づいて全断熱効率を求めると共に前記求めた全断熱効率が所定値以上となるように運転中の前記圧縮機の周波数を制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、空気調和機の効率を広範囲の部分負荷にわたって高くすることができる。

本発明の第１実施形態による冷凍サイクル系統図である。 本発明の第１実施形態による機能構成ブロック図である。 本発明の第１実施形態による冷房運転時の冷凍サイクル系統図である。 本発明の第１実施形態による暖房運転時の冷凍サイクル系統図である。 本発明の第２実施形態による冷凍サイクル系統図である。 本発明の第２実施形態による機能構成ブロック図である。 本発明による各圧縮機の運転周波数と室内負荷の関係を示す。 本発明による制御フローチャートである。 本発明による合成特性式イメージ図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含む。

本発明の第１実施形態のマルチ型空調システムについて図１を用いて説明する。図１は本実施形態のマルチ型空調システムの冷凍サイクル系統図である。

本実施形態におけるマルチ型空調システムは、室外ユニット１１と、３台の室内ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃで構成されるマルチ型空調システムと、これらを制御する制御装置とを備えて構成される。このマルチ型空調システムは、ここで、室外ユニット１１の接続台数は複数でも良く、室内ユニット１５の接続台数も３台より多くても少なくても良い。また、なお、符号１５ａ〜１５ｃなどに付けたアルファベットの添え字は、各部品を総称的に表わす場合などに省略して用いることがある。

室外ユニット１１は、標準的な空調機の室外ユニットと同様に、それぞれに室外熱交換器６と、冷暖切替用四方弁４とを備え、圧縮機１ａ，１ｂは容量可変型とし、圧縮機吸入配管には気液分離器１０が接続されている。

四方弁４は制御装置により冷房運転側と暖房運転側とに切り替え可能である。接続される配管はガス配管１６と、液配管１７で、ガス阻止弁１８ａ，１８ｂ，液阻止弁１９ａ，１９ｂとでそれぞれ接続される。

室内ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃはそれぞれ熱交換器１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、送風機１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、電動膨張弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃとそれらを制御する装置で構成される。

図２に本発明の第１実施形態の機器構成ブロック図を示す。
室外ユニット１１はそれぞれ圧縮機１，電動膨張弁５，電動膨張弁９，送風機７，四方弁４をコントローラ２０にて制御される。制御情報として圧縮機用温度センサ２２，外気センサ２３，高圧圧力センサ２４，低圧圧力センサ２５，配管温度センサ２６を備え、各センサの読み取り値より予めプログラムされた圧力及び温度目標により各構成部品を制御する。また室外ユニット１１は伝送線３２を介して通信され、室外ユニットが複数台接続する場合は１１ａを初期設定時にコントローラ２０ａから親機設定することで、室外ユニットを複数台接続時の統合システム制御を担当するコントローラ２０ａに決定され、初期設定時に子機設定された室外ユニット１１ｂのコントローラ２０ｂは親機設定された室外ユニットのコントローラ２０ａの指令に従い、子機設定された室外ユニット内の各部品を制御する。

室内ユニット１５は室外ユニット１１ａと伝送線３３を介して通信される。複数の室外ユニットを接続している場合は親機設定された室外ユニット１１と伝送線３３を介して通信される。リモコン３１の発停信号により、コントローラ２１は送風機を制御し、リモコン３１よって設定された温度条件をコントローラ２０ａに送信する。また、冷媒状態を把握するためのガス温度センサ２７，液温度センサ２８，空気状態を把握するための吸い込み温度センサ２９，吹出し温度センサ３０の計測値をコントローラ２０ａに送信し、コントローラ２０ａは最適な冷媒状態に調整するための電動膨張弁１４の開度指令をコントローラ２１に送信する。コントローラ２１はコントローラ２０ａの指令に従い、電動膨張弁１４を制御する。

図３に本発明の第１実施形態の冷房運転における冷媒の流れを説明する。冷媒は図３で実線矢印の方向に流れ、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は四方弁４を通過し、冷媒通路で構成する室外側機熱交換器６で凝縮する。凝縮された液冷媒は、過冷却回路８を通過するが、過冷却回路上流で分岐された液冷媒が電動膨脹弁９で減圧され低圧側配管とバイパスされ、過冷却回路８にて熱交換される。これにより液阻止弁１９を通過する冷媒は過冷却状態となり、分岐された冷媒は過熱状態となり気液分離器１０へ戻る。この過冷却回路の効果により、熱交換器６にて熱交換するよりも、より冷媒の過冷却度が増し、より効率のよい運転が可能となる。液配管１７を通過した冷媒は室内ユニットの電動膨張弁１４に入る。電動膨脹弁９は任意の絞り量設定可能な膨脹装置であり、電動膨脹弁９にて減圧された冷媒は、蒸発器となる室内側熱交換器１２に送られ、冷媒が蒸発し、室内空気は冷却される。ガス配管に接続され、気液分離器１０にて適切な吸入かわき度に調整され圧縮機１の吸入側に戻る。

ここで室内側の負荷状況に応じて室内側容量を低減させる場合、室内側負荷変動により容量可変式圧機容量を低減させる、または室外側送風機風量を低下させて室外側熱交換量を低減させることができるが、室内側負荷が熱源側容量に対して極端に小さくなった場合、かつ室外ユニットが複数台接続されている場合は上記手段だけでなく、室外側ユニットの運転台数を低減させる。

図４に本発明の第１実施形態の暖房運転における冷媒の流れを説明する。冷媒は図４で破線矢印の方向に流れ、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、ガス配管を流れ、室内ユニット１５に流れる。室内ユニット１５にて複数の冷媒通路で構成する熱交換器１２で凝縮し、電動膨張弁１４にて任意の過冷却度を確保すべく、絞り量を任意に調整する。このとき熱交換器１２にて放熱され暖房がなされる。凝縮された液冷媒は、室外ユニット１１と室内ユニット１５を接続する液配管１７を通過し液阻止弁１９を介して過冷却回路９を通過し、電動膨脹弁５に入る。電動膨脹弁５は任意の絞り量設定可能な膨脹装置であり、電動膨脹弁５にて減圧された冷媒は、蒸発器となる室外側熱交換器６に送られ、冷媒が蒸発する。蒸発した冷媒は四方弁４を経由し、気液分離器１０にて適切な吸入かわき度に調整され圧縮機１の吸入側に戻る。

ここで利用側の負荷状況に応じて室内側容量を低減させる場合、利用側負荷変動により容量可変式圧縮機容量を低減させる、または熱源側送風機風量を低下させて熱源側熱交換量を低減させることができるが、利用側負荷が熱源側容量に対して極端に小さくなった場合、上記手段だけでなく、冷房時同様に室外側ユニットの運転台数を低減させる。

本発明の第２実施形態のマルチ型空調システムについて図５，図６に示す。図５はマルチ型空調システムの冷凍サイクル系統図であり、図６は機器構成ブロック図である。第１実施形態と異なる点は、室外ユニット１１内に容量可変型圧縮機が複数台備えられていることにある。
図７に各圧縮機の運転周波数と室内負荷の関係を示す。図では必要容量の半分である容量の可変式圧縮機（主圧縮機，副圧縮機）を２台搭載した例を示す。室内負荷が大きくなるにつれて圧縮機の周波数も高くする必要がある。圧縮機の効率の指標の一つであり、最も圧縮機の効率に影響する全断熱効率ηtを用いて、主圧縮機の全断熱効率ηtが最大となる周波数まで、主圧縮機単独で運転する。室内負荷が大きくなり、周波数が主圧縮機の全断熱効率ηtピークポイントを超えると、主圧縮機だけでなく副圧縮機も運転開始する。
この周波数以上では、主圧縮機と副圧縮機とが室内負荷を分担して空調する。

図８に制御フローチャートを示す。空調運転を開始し冷凍サイクルが安定すると、室内負荷から必要周波数が求められ、必要周波数から圧縮機の目標運転周波数が求められる。
必要周波数が高く圧縮機を複数台稼働しなければならない場合は、各圧縮機の全断熱効率の特性式に基づいて合成特性式を求める。合成特性式とは、２台以上の圧縮機が運転する場合に、全断熱効率ηtが最も高くなる運転周波数を必要周波数に対して算出したものを言う。この周波数の制御や特性式の合成は、コントローラ（制御部）２０ａで行われる。
コントローラ２０ａは求めた合成特性式から、最も高い、またはある一定以上の全断熱効率にて圧縮機を運転するように周波数を変更する。ここで、各圧縮機の特性式が示す全断熱効率は、異なる周波数で最大値を示すことがよく、低周波数領域（中間使用領域）と高周波数領域（定格使用領域）の各々で最大値を持つ特性式を合成し、合成特性式により算出される最も高い全断熱効率、または、ある一定以上の全断熱効率以上で運転されるように周波数を変更する。これにより、広範囲の周波数にわたって全断熱効率を高くすることができ、高い効率で運転することができる。効率が高い領域を広くすることにより容量展開および単体利用した場合においても常に高い効率で使用することができる。

次に全断熱効率の合成特性式から、主となる運転圧縮機が決定される。主となる運転圧縮機を例えば圧縮機１ａとすると、圧縮機１ａは、圧縮機１ａおよび圧縮機１ｂの目標運転周波数Ｆ１，Ｆ２がＦ１≦Ｆ２となる周波数制御１およびＦ１＞Ｆ２となる周波数制御２に場合分けをして周波数制御する。複数の室外ユニットに可変式圧縮機を１台ずつ搭載する場合は、主圧縮機１ａを制御するコントローラ２０ａが周波数を制御することになり、１台の室外ユニットに可変式圧縮機を複数台搭載する場合もコントローラ２０ａが周波数を制御する。

負荷変動により運転圧縮機の周波数の変更が必要となる場合は、場合分けによって選択された周波数制御モード（周波数制御１または周波数制御２）によって各圧縮機の運転周波数が決定される。周波数制御モードは、継続して運転する限り変更することはない。つまり指令周波数（必要周波数）が０Ｈｚとなった時のみ周波数制御モードが変更可能であるが、室内負荷変動によって周波数制御モードは変更しない。これにより、頻繁に周波数制御モードが切り替わることがないので、急激な冷凍サイクルの変動および圧縮機周波数のハンチングを避けることができる。

圧縮機の吸入圧力と圧縮機の吐出圧力の圧力比に応じて特性式は変動するため、合成特性式と圧力比に基づいて全断熱効率を求め、所定の全断熱効率の値以上となるような必要周波数を求める。これにより、外気温度，室内温度等の外乱も考慮して運転することができるので、高い効率で運転することができる。また必要周波数に対し、主圧縮機のηtピークポイントまでは主圧縮機１台の運転とする。

上記のように冷凍サイクル安定時に算出される必要周波数から目標運転周波数を決定し、全断熱効率の合成特性式から主圧縮機を決定して運転すると、急激な冷凍サイクルの変動および圧縮機周波数のハンチングを避けることができる。

図９は合成特性式が示す周波数と全断熱効率のイメージ図である。図のように低周波数領域（中間使用領域）と高周波数領域（定格使用領域）の各々で最大の全断熱効率の値を持つ特性式（破線）の各圧縮機を利用して複数の圧縮機を稼働させると、合成特性式（実線）のように広範囲の周波数にわたって全断熱効率を高くすることができ、高い効率で運転することができる。

上記運転周波数によるピークポイントは以下の方法でずらすことができる。スクロール圧縮機は、運転中にスクロール歯型同士が直接当たらないようにするためあらかじめ隙間を設けてあり、圧縮機内へ給油された冷凍機油で隙間をシールし、漏れを防いでいる。圧縮室内の冷媒ガス漏れの影響は、低回転数の時ほど顕著に現れる。高回転数域では、回転数に比例して増える摺動部の抵抗損失の影響や、遠心力やスクロール歯型の変形によってスクロール歯型同士が当たることで、圧縮機入力が増え効率が低くなる。よってスクロール歯型同士の隙間を小さくすると漏れ損失が減り、高回転数域の摺動損失が増えるため、効率ピークポイントは低回転数側へ。また、隙間を大きくすると漏れ損失が増え、高回転数域の摺動損失が減るため、効率ピークポイントは高回転数側へずらすことができる。このように効率ピークポイントをずらすことで、より広範囲の部分負荷において効率を高くすることができる。

１ａ，１ｂ， 圧縮機
２ａ，２ｂ 気液分離器
３ａ，３ｂ 逆止弁
４ａ，４ｂ 四方弁２
５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 電動膨脹弁
６ａ，６ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 熱交換器
７ａ，７ｂ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 送風機
８ａ，８ｂ 過冷却器
１０ａ，１０ｂ アキュームレータ
１１ａ，１１ｂ 室外ユニット
１５a，１５ｂ，１５ｃ 室内ユニット
１６ ガス配管
１７ 液配管
１８ ガス阻止弁
１９ 液阻止弁
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２１ｂ コントローラ
２２ａ，２２ｂ 圧縮機用温度センサ
２３ａ，２３ｂ 外気センサ
２４ａ，２４ｂ 高圧圧力センサ
２５ａ，２５ｂ 低圧圧力センサ
２６ａ，２６ｂ 配管温度センサ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ ガス温度センサ
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 液温度センサ
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ 吸い込み温度センサ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 吹出し温度センサ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 操作リモコン
１００ マルチ型空調システム。

Claims (7)

1. 周波数が可変式の圧縮機を複数台有する室外ユニットと、複数台の室内ユニットとを備えた空気調和機において、
   前記複数台の圧縮機は、全断熱効率と周波数との関係式である特性式を各々有し、
   前記複数台の圧縮機のうち運転中の前記圧縮機の前記特性式に基づいて全断熱効率を求めると共に前記求めた全断熱効率が所定値以上となるように運転中の前記圧縮機の周波数を制御する制御部を備えることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、前記室外ユニットを複数台備え、前記複数台の室外ユニットの各々に前記制御部を備えることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１又は２において、前記複数台の圧縮機は、最大の全断熱効率となる周波数が各々異なる特性式を各々有するものであることを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記制御部は、運転中の前記圧縮機の前記特性式と、運転中の前記圧縮機に吸入される圧力と吐出される圧力との比とに基づいて全断熱効率を求めることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記制御部は、冷凍サイクル安定時に室内負荷に基づいて求められる必要周波数から目標運転周波数を決定することを特徴とする空気調和機。
6. 請求項５において、前記圧縮機は２台備えられ、一の前記圧縮機を主圧縮機とし、他の前記圧縮機を副圧縮機とし、前記主圧縮機を制御する前記制御部は、前記主圧縮機の目標運転周波数Ｆ１と前記副圧縮機の目標運転周波数Ｆ２がＦ１≦Ｆ２となる周波数制御モード１と、Ｆ１＞Ｆ２となる周波数制御モード２との何れかを選択し、前記必要周波数が０Ｈｚとなった時に選択された前記周波数制御モードを変更可能とする制御を行うことを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記圧縮機の容量が同じであることを特徴とする空気調和機。

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