JP2013036631A

JP2013036631A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2013036631A
Application number: JP2011170746A
Authority: JP
Inventors: Kenji Moriyama; 健史森山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: JP5766061B2

Abstract

【課題】空調負荷に対し圧縮機効率の最適化を図ることができる空気調和機を提供する。
【解決手段】空調の運転開始の際、２台の圧縮機１０１、１０２のうち予め設定された圧縮機１０１の運転を開始し、室温サーミスタ１１２の検出温度と設定温度の温度差に基づく空調負荷が一定以上となったときに、残りの圧縮機１０２の運転を開始して、２台の圧縮機１０１、１０２の運転による空調負荷に対し平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機１０１、１０２の効率と対応する回転数をそれぞれ算出し、各圧縮機１０１、１０２をそれぞれの回転数で運転する制御回路１０８ａを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の圧縮機を備えた空気調和機、特に複数の圧縮機を空調負荷に応じて制御する空気調和機に関するものである。

従来の空気調和機として、例えばインバータ回路によって駆動される２台の圧縮機を備え、回路構成の簡易化および形状の小型化を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００５／１２４９８８号公報（第５頁、図３）

しかしながら、前述した従来の空気調和機では、冷媒回路上に２台の圧縮機を備えているものの、空調負荷に対し圧縮機の同一仕事量あたりの消費電力量、圧縮機効率の最適化を行うものではなかった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、空調負荷に対し圧縮機効率の最適化を図ることができる空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、複数台の圧縮機を有する室外機と、室内の温度を検出する室温センサーを有し、室外機とで冷媒回路を構成する室内機とを備えた空気調和機において、空調の運転開始の際、複数台の圧縮機のうち予め設定された圧縮機の運転を開始し、室温センサーの検出温度と設定温度の温度差に基づく空調負荷が一定以上となったときに、残りの圧縮機の運転を開始して、先に運転した圧縮機を含む全圧縮機の運転による空調負荷に対し平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機の効率と対応する回転数をそれぞれ算出し、各圧縮機をそれぞれの回転数で運転する制御回路を備えたものである。

本発明によれば、予め設定された圧縮機の運転により、室温センサーの検出温度と設定温度の温度差に基づく空調負荷が一定以上となったときに、残りの圧縮機の運転を開始して、先に運転した圧縮機を含む全圧縮機の運転による空調負荷に対し平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機の効率と対応する回転数をそれぞれ算出し、各圧縮機をそれぞれの回転数で運転する。これにより、空調負荷に対し各圧縮機の効率の最適化を図ることができ、そのため、全圧縮機の運転時の合計電流値を抑えることができ、空気調和機の消費電力量の低減を図ることができる。

実施の形態に係る空気調和機を示す冷房運転時の冷媒回路図である。図１に示す空気調和機の暖房運転時の冷媒回路図である。実施の形態の空気調和機における空調負荷と圧縮機効率の相関を示す曲線図である。実施の形態に係る空気調和機の圧縮機の制御を示すフローチャートである。

図１は本発明の実施の形態に係る空気調和機を示す冷房運転時の冷媒回路図、図２は図１に示す空気調和機の暖房運転時の冷媒回路図である。
本実施の形態の空気調和機は、室外機１００と、その室外機１００に冷媒配管を介して接続された室内機１１０とで構成されている。室外機１００は、例えば２台の圧縮機１０１、１０２、四方弁１０３、室外熱交換器１０４、膨張弁１０５、ストップバルブ１０６、１０７、回路基板１０８、室外用送風ファン、回路基板１０８等により構成されている。室内機１１０は、室内熱交換器１１１、室温センサーである例えば室温サーミスタ１１２、室内用送風ファン（図示せず）等により構成されている。

２台の圧縮機１０１、１０２は、吐出側が１本の冷媒配管を介して四方弁１０３の入口と接続され、吸込側が１本の冷媒配管を介して四方弁１０３の出口と接続されている。四方弁１０３の一方の入出口と他方の入出口との間には、室外熱交換器１０４、膨張弁１０５、ストップバルブ１０６、室内熱交換器１１１、ストップバルブ１０７が順次に冷媒配管により接続されている。

四方弁１０３は、冷房と暖房のサイクルを切り替えるための弁である。四方弁１０３により冷房運転に切り替えられたときには、室外熱交換器１０４が凝縮器として、室内熱交換器１１１が蒸発器として動作する。また、暖房運転に切り替えられたときには、室外熱交換器１０４が蒸発器として、室内熱交換器１１１が凝縮器として動作する。膨張弁１０５は、流入する液冷媒を絞り量の調節に応じて膨張させ、冷媒の圧力・温度を下げる。ストップバルブ１０６には液状態の冷媒が流れ、ストップバルブ１０７にはガス状態の冷媒が流れる。これらストップバルブ１０６、１０７は、本製品の出荷時や移設時に弁が閉じられ、室内機１１０との接続後に弁が開放される。

室温サーミスタ１１２は、室内機１１０が設置された室内の温度を検出し、検出温度に応じた信号を回路基板１０８に出力する。回路基板１０８は、交流電圧を直流に変換するコンバータ回路、各圧縮機１０１、１０２を駆動する２つのインバータ回路、室温サーミスタ１１２からの信号をデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器、２つのインバータ回路や膨張弁１０５、室外用送風ファン等を駆動・制御する制御回路１０８ａ、メモリ１０８ｂ等が基板に実装されて構成されている。

前記のように構成された空気調和機において、冷房運転時の冷媒の流れは図１に示す矢印のように流れる。冷媒は、２台の圧縮機１０１、１０２により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、四方弁１０３を介して室外熱交換器１０４へと流れ込む。そして、そのガス冷媒は、室外熱交換器１０４で室外用送風ファンにて送り込まれる室外空気と熱交換（放熱）され高圧の液冷媒となる。その後、その液冷媒は、膨張弁１０５により所定の圧力まで膨張されて低圧の気液二相の冷媒となり、ストップバルブ１０６を介して室内熱交換器１１１に流入する。室内熱交換器１１１に流入した気液二相の冷媒は、室内用送風ファンにより送り込まれる室内空気と熱交換（吸熱）され低温低圧のガス冷媒となり、ストップバルブ１０７、四方弁１０３を介して圧縮機１０１、１０２へと戻る。

また、暖房運転時の冷媒の流れは図２に示す矢印のように流れる。冷媒は、前記と同様に２台の圧縮機１０１、１０２により圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、四方弁１０３、ストップバルブ１０７を介して室内熱交換器１１１へと流れ込む。そのガス冷媒は、室内熱交換器１１１で室内用送風ファンにて送り込まれる室内空気と熱交換（放熱）され高圧の液冷媒となる。その後、その液冷媒は、ストップバルブ１０６を通過し膨張弁１０５により所定の圧力まで膨張されて低圧の気液二相の冷媒となり、室外熱交換器１０４に流入する。室外熱交換器１０４に流入した気液二相の冷媒は、室外用送風ファンにより送り込まれる室外空気と熱交換（吸熱）され低温低圧のガス冷媒となり、四方弁１０３を介して圧縮機１０１、１０２へと戻る。

図３は実施の形態の空気調和機における空調負荷と圧縮機効率の相関を示す曲線図である。その曲線図は、圧縮機の性能データを示し、例えば、室外機１００に２台の小容量圧縮機が搭載された場合における１台運転時の空調負荷と圧縮機効率の相関を示すと共に、２台運転時の空調負荷と圧縮機効率の相関を示しており、また、２台の大容量圧縮機が搭載された場合における１台運転時の空調負荷と圧縮機効率の相関を示すと共に、２台運転時の空調負荷と圧縮機効率の相関を示している。なお、小容量圧縮機とは、ストロークボリューム（圧縮機が１回の回転で冷媒回路に送り込める冷媒量）が小さい圧縮機のことであり、大容量圧縮機とは、ストロークボリュームが大きい圧縮機のことである。

一般に、小容量圧縮機は、図３に示すように、空調できる負荷の限界が大容量圧縮機より低いが、空調できる負荷の範囲では大容量圧縮機よりも効率が高い。これは、圧縮機の加工ばらつきや機械損失にどうしても差異が出るためである。圧縮機は、ある回転数をピークに上に凸となる効率特性をもつため、その回転数を超えると効率が下がる一方である。しかし、圧縮機を２台運転した場合は、ある回転数から１台運転したときより効率が高くなる。１台あたりの回転数が下がる分、より高回転数に元々もっているピークが移動するためである。

図３より以下に示す２点が判る。
（１）空気調和機として対応させたい空調負荷の領域(主にその上限)が決まれば、それに応じた圧縮機を決定できるが、その際に、より小さい圧縮機を複数台で構成することにより、対応させたい空調負荷の領域における圧縮機効率の全体的な引き上げが可能である。
（２）圧縮機を複数台で構成した上で、例えば、空調負荷が小さい領域においては圧縮機は１台で運転し、空調負荷が一定以上となったときに圧縮機の運転台数を増やし、１台あたりの回転数を下げることで平均効率が上がるため、圧縮機効率の効果的な引き上げが可能である。

本実施の形態においては、空気調和機の運転を開始する際、２台の圧縮機１０１、１０２のうち予め設定された例えば圧縮機１０１を運転し、空調負荷が一定以上となったとき、即ち１台目の圧縮機１０１の効率が低下したときに２台目の圧縮機１０２も駆動して、２台の圧縮機１０１、１０２の運転による空調負荷に対し最高となる平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機１０１、１０２の効率と対応する回転数でそれぞれ制御する。

前述の制御を実現するために、以下に示す制御パラメータを用い、制御パラメータから得られるデータが予めメモリ１０８ｂに格納されている。なお、本実施の形態における室外機１００に搭載されている圧縮機１０１、１０２は、一例としてストロークボリュームが小さい小容量圧縮機が使用されているものとして説明する。
Ｒ１圧縮機１０１の回転数
Ｒ２圧縮機１０２の回転数
Ｓ１圧縮機１０１のストロークボリューム
Ｓ２圧縮機１０２のストロークボリューム
Ｖ１圧縮機１０１の吐出冷媒流量
Ｖ２圧縮機１０２の吐出冷媒流量
Ｃ１圧縮機１０１の回転数Ｒ１に対応する効率
Ｃ２圧縮機１０２の回転数Ｒ２に対応する効率
Ｎ圧縮機の運転台数
Ｑ空調負荷
Ｔ１リモコンの設定による室内の設定室温
Ｔ２室温サーミスタ１１２により検出される室温
Ｔ３空調能力が空調負荷に対して不足であることを示す温度閾値
Ｔ４空調能力が空調負荷に対して過剰であることを示す温度閾値
ΔＴＴ１とＴ２の温度差

そして、前述の各パラメータは、下記のような関係になっている。
（１）Ｑ∝（Ｖ１＋Ｖ２）空調負荷Ｑは、圧縮機１０１、１０２の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２と比例関係にあり、また、圧縮機１０１のみの吐出冷媒流量Ｖ１と比例関係にある。
（２）Ｖ１＝Ｓ１×Ｒ１圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１は、ストロークボリュームＳ１と回転数Ｒ１の積である。
（３）Ｖ２＝Ｓ２×Ｒ２圧縮機１０２の吐出冷媒流量Ｖ２は、ストロークボリュームＳ２と回転数Ｒ２の積である。
（４）Ｃ１＝Ｆ（Ｒ１）圧縮機１０１の効率Ｃ１は、回転数Ｒ１の関数である。
（５）Ｃ２＝Ｆ（Ｒ２）圧縮機１０２の効率Ｃ２は、回転数Ｒ２の関数である。
（６）（（Ｃ１＋Ｃ２）／Ｎ）＝Ｆ（Ｖ１＋Ｖ２）Ｎは圧縮機の台数、Ｃ１、Ｃ２は式（４）、（５）より算出される。

前述したメモリ１０８ｂには、運転開始の際に最初に運転する圧縮機１０１の情報がデータとして格納され、圧縮機１０１、１０２のストロークボリュームＳ１、Ｓ２、前記（４）、（５）に基づいて作成された圧縮機１０１、１０２毎の回転数Ｒ１、Ｒ２と効率Ｃ１、Ｃ２の相関データが格納されている。また、メモリ１０８ｂには、小容量圧縮機の１台運転時の空調負荷・圧縮機効率の相関曲線、及び小容量圧縮機の２台運転時の空調負荷・圧縮機効率の相関曲線が性能データとして格納されている。また、メモリ１０８ｂには、前記の式（１）〜（５）及び式（６）が格納されている。

次に、図４に示すフローチャートに基づいて動作を説明する。
回路基板１０８上の制御回路１０８ａは、リモコンの操作による運転開始の指令が室内機１１０を介して入力されると（Ｓ１）、最初に起動する圧縮機１０１の情報をメモリ１０８ｂから読み込む（Ｓ２）。次いで、制御回路１０８ａは、メモリ１０８ｂから小容量圧縮機の１台運転時の空調負荷・圧縮機効率の相関曲線、及び小容量圧縮機の２台運転時の空調負荷・圧縮機効率の相関曲線を性能データとして読み込む（Ｓ３）。

その後、制御回路１０８ａは、先に読み込んだ情報に基づいて圧縮機１０１を起動する（Ｓ４）。これ以降は、前述の性能データに基づいて、空調負荷が一定に達していないときに圧縮機１０１を運転し、空調負荷が一定以上となったときに２台の圧縮機１０１、１０２で運転する。

制御回路１０８ａは、Ｓ３において読み込んだ性能データから現在の空調負荷Ｑに対し最適な圧縮機１０１の効率を認識し、かつ、その効率と対応する回転数Ｒ１を、メモリ１０８ｂに格納された圧縮機１０１の回転数Ｒ１と効率の相関データから検索する。そして、制御回路１０８ａは、その回転数Ｒ１で圧縮機１０１が運転するように制御し、吐出冷媒流量Ｖ１を増加させる。

この時、制御回路１０８ａは、圧縮機１０１の回転数Ｒ１に基づいて吐出冷媒流量Ｖ１を算出し（式（２）参照）、かつ、空調状態を認識して吐出冷媒流量Ｖ１と空調状態とを関連づけてメモリ１０８ｂに書き込む（Ｓ５）。空調状態とは、リモコンによって設定された室内の設定温度Ｔ１と室温サーミスタ１１２により検出された室温Ｔ２との温度差ΔＴである。冷房運転時の温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１となり、暖房運転時の温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２となる。

そして、制御回路１０８ａは、メモリ１０８ｂに書き込んだ空調状態から圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１が十分か否かを確認する（Ｓ６）。制御回路１０８ａは、ΔＴ≧Ｔ３のときには、空調能力が空調負荷に対し不足しているとして吐出冷媒流量Ｖ１を増加させ、Ｔ４≦ΔＴ＜Ｔ３のときには現在の吐出冷媒流量Ｖ１を維持し、ΔＴ＜Ｔ４のときには、空調能力が空調負荷に対し過剰であるとして吐出冷媒流量Ｖ１を減少させる。なお、圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１の変化は、冷凍サイクル制御においてハンチングの原因になりやすいため、Ｔ３とＴ４には適切な差を設けることが望ましい。

制御回路１０８ａは、Ｓ６において決定した圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１から回転数Ｒ１を算出する（Ｓ７）。例えば、制御回路１０８ａは、現在の吐出冷媒流量Ｖ１を維持するときには現在の回転数Ｒ１を維持し、吐出冷媒流量Ｖ１を増加あるいは減少させるときには、式（２）を用いて吐出冷媒流量Ｖ１から回転数Ｒ１を算出する。そして、制御回路１０８ａは、算出した回転数Ｒ１で圧縮機１０１が運転されるように制御する（Ｓ８）。この時、制御回路１０８ａは、Ｓ６で決定した圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１と比例関係にある現在の空調負荷Ｑを認識し、その空調負荷Ｑが一定以上でないときにはＳ５に戻って前述した動作を繰り返す。また、制御回路１０８ａは、前述の吐出冷媒流量Ｖ１から認識した空調負荷Ｑが一定以上となったときに２台目の圧縮機１０２も起動する。

制御回路１０８ａは、２台目の圧縮機１０２を起動したときに、前述の性能データから現在の空調負荷Ｑに対し最高となる効率（平均効率）を認識する。その平均効率は、式（４）、（５）より得られる圧縮機１０１、１０２の効率Ｃ１、Ｃ２を式（６）を用いて算出された値である。そして、制御回路１０８ａは、その平均効率を得たときの圧縮機１０１、１０２の効率Ｃ１、Ｃ２とそれぞれ対応する回転数Ｒ１、Ｒ２を、メモリ１０８ｂに格納された圧縮機１０１、１０２毎の回転数Ｒ１、Ｒ２と効率Ｃ１、Ｃ２の各相関データから検索する。次いで、制御回路１０８ａは、その回転数Ｒ１、Ｒ２でそれぞれの圧縮機１０１、１０２が運転されるように制御し、吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を増加させる（Ｓ４）。

この時、制御回路１０８ａは、圧縮機１０１の回転数Ｒ１に基づいて吐出冷媒流量Ｖ１を算出すると共に、圧縮機１０２の回転数Ｒ２に基づいて吐出冷媒流量Ｖ２を算出して（式（２）、（３）参照）、合計の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２をメモリ１０８ｂに書き込む。また、制御回路１０８ａは、前記と同様に空調状態を認識して吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２と関連づけてメモリ１０８ｂに書き込む（Ｓ５）。

そして、制御回路１０８ａは、メモリ１０８ｂに書き込んだ空調状態から圧縮機１０１、１０２から吐出される吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２が十分か否かを確認する（Ｓ６）。制御回路１０８ａは、前記と同様にΔＴ≧Ｔ３のときには吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を増加させ、Ｔ４≦ΔＴ＜Ｔ３のときには現在の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を維持し、ΔＴ＜Ｔ４のときには吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を減少させる。なお、圧縮機１０１、１０２の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２の変化は、冷凍サイクル制御においてハンチングの原因になりやすいため、Ｔ３とＴ４には適切な差を設けることが望ましい。また、一定時間以上を経過したらメモリ１０８ｂに書き込んだ吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２とΔＴから、吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を増減させるか否かを判定するようにしてもよい。

制御回路１０８ａは、Ｓ６において決定した圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１から回転数Ｒ１を算出すると共に、圧縮機１０２の吐出冷媒流量Ｖ２から回転数Ｒ２を算出する（Ｓ７）。例えば、制御回路１０８ａは、現在の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を維持するときには各圧縮機１０１、１０２の現在の回転数Ｒ１、Ｒ２を維持する。また、制御回路１０８ａは、吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２を増加あるいは減少させるときには、式（２）、（３）を用いて吐出冷媒流量Ｖ１、Ｖ２から各圧縮機１０１、１０２の回転数Ｒ１、Ｒ２を算出する。そして、制御回路１０８ａは、算出した回転数Ｒ１で圧縮機１０１を運転すると共に、回転数Ｒ２で圧縮機１０２を運転する（Ｓ８）。この時、制御回路１０８ａは、Ｓ６で決定した圧縮機１０１の吐出冷媒流量Ｖ１＋Ｖ２と比例関係にある現在の空調負荷Ｑを認識し、その空調負荷Ｑが一定以上のときにはＳ５に戻って前述した動作を繰り返す。

以上のように本実施の形態によれば、予め設定された圧縮機１０１の運転により、室温サーミスタ１１２の検出温度と設定温度の温度差に基づく空調負荷が一定以上となったときに、２台目の圧縮機１０２も運転し、２台の圧縮機１０１、１０２の運転による空調負荷に対し最高となる平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機の効率Ｃ１、Ｃ２と対応する回転数Ｒ１、Ｒ２をそれぞれ算出し、各圧縮機１０１、１０２をそれぞれの回転数Ｒ１、Ｒ２で運転する。これにより、空調負荷Ｑに対し各圧縮機１０１、１０２の効率の最適化を図ることができ、そのため、各圧縮機１０１、１０２の運転時の合計電流値を抑えることができ、空気調和機の消費電力量の低減を図ることができる。

なお、実施の形態では、圧縮機１０１、１０２を同じ小容量圧縮機として説明したが、大容量圧縮機として説明してもよい。また、圧縮機１０１を小容量圧縮機とし、圧縮機１０２を大容量圧縮機として説明してもよい。

１００室外機、１０１、１０２圧縮機、１０３四方弁、１０４室外熱交換器、１０５膨張弁、１０６、１０７ストップバルブ、１０８回路基板、１０８ａ制御回路、１０８ｂメモリ、１１０室内機、１１１室内熱交換器、１１２室温サーミスタ。

Claims

複数台の圧縮機を有する室外機と、室内の温度を検出する室温センサーを有し、前記室外機とで冷媒回路を構成する室内機とを備えた空気調和機において、
空調の運転開始の際、複数台の圧縮機のうち予め設定された圧縮機の運転を開始し、前記室温センサーの検出温度と設定温度の温度差に基づく空調負荷が一定以上となったときに、残りの圧縮機の運転を開始して、先に運転した圧縮機を含む全圧縮機の運転による空調負荷に対し平均効率を算出し、かつ、その平均効率を得たときの各圧縮機の効率と対応する回転数をそれぞれ算出し、各圧縮機をそれぞれの回転数で運転する制御回路
を備えたことを特徴とする空気調和機。
前記制御回路は、予め設定された圧縮機を運転しているときに、空調負荷に対し最適な効率と対応する回転数を算出し、当該圧縮機をその回転数で運転することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
前記複数台の圧縮機は、容量が同じあるいは異なっていることを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和機。