JP2013130160A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機を保護しつつ、消費電力を低減することができる空気調和機を提供する。
【解決手段】少なくとも、圧縮機４４、室外機１２、第１膨張弁４１、第２膨張弁４３、及び室内機１１が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、圧縮機４４を制御する制御手段６１とを備え、制御手段６１は、圧縮機４４の吐出過熱度及び圧縮機４４の軸トルクに基づいて、圧縮機４４の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて圧縮機４４を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気調和機に関し、特に、圧縮機を保護しつつ、消費電力を下げる空気調和機に関する。

従来の空気調和機は、圧縮機の液バックの現象を防ぐことで圧縮機を保護するために、圧縮機の吐出温度と、凝縮器の凝縮温度との差をある一定値以上に保つように制御していた。
具体的には、従来の空気調和機は、圧縮機の運転周波数や膨張弁の開度を制御することにより、圧縮機の吐出温度と、凝縮器の凝縮温度との差をある一定値以上に保つように制御していた。
より具体的には、従来の空気調和機は、例えば、吐出温度と凝縮温度との差が１０（℃）以下となった状態を検出したとき、圧縮機の運転周波数を上げたり、膨張弁の開度を小さくしたりしていた。これにより、従来の空気調和機は、吐出温度と凝縮温度との差を１０（℃）以上に保つように調整していた（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の空気調和機は、圧縮機を流れる電流や圧縮機に印加する電圧に基づいて圧縮機軸トルク値を推定し、その推定結果に基づいて圧縮機の液バックの現象等を防ぐ制御が行われていた（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１９６４１号公報（図１） 特開２００４−６０４５７号公報（段落［００９２］）

しかしながら、従来の空気調和機（特許文献１）は、外気温度の条件や運転周波数等の運転条件のように圧縮機内部の駆動系の物理特性値に関連する条件を制御パラメータとして含めることなく、吐出温度と凝縮温度との差である吐出過熱度が、ある一定値を下回るようになったとき、一律に補正制御をかけていた。
換言すれば、従来の空気調和機は、圧縮機内部の駆動系の物理特性値を考慮することなく、一律に圧縮機の運転周波数を大きくする制御をすることにより圧縮機を保護していた。

そのため、従来の空気調和機は、圧縮機にかかる負荷が実際には問題が生じない程度のものであったとしても、圧縮機の運転周波数を大きくする補正制御をするものであった。
これにより、従来の空気調和機は、圧縮機の液バックの現象を防ぐことで圧縮機を保護する際、消費電力を大きくしていることになっていた。

この結果、近年、空気調和機の運転に省エネルギーが要求されているにもかかわらず、消費電力の小さい空調運転ができないという問題点があった。

また、従来の空気調和機（特許文献２）は、圧縮機内部の駆動系の物理特性値の一つである圧縮機軸トルクを考慮した制御を行い、それによって圧縮機の液バックの現象を防ぐ制御をすることで圧縮機を保護していたものの、消費電力を下げることには考慮していないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、圧縮機を保護しつつ、消費電力を下げることができる空気調和機を提供することを目的とするものである。

本発明の空気調和機は、少なくとも、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、前記圧縮機を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記圧縮機の吐出過熱度及び前記圧縮機の軸トルクに基づいて、前記圧縮機の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて前記圧縮機を制御するものである。

本発明は、圧縮機の吐出過熱度と圧縮機軸トルクとに基づいて圧縮機の吐出過熱度を制御することにより、圧縮機を保護しつつ、消費電力を下げることができるという効果を有する。

従来の空気調和機１を概略的に示す冷媒回路図である。 従来の圧縮機保護動作処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１における空気調和機２を概略的に示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１における圧縮機保護動作処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１における圧縮機４４の吐出過熱度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。 本発明の実施の形態１における運転周波数を上げるときの条件を説明する圧縮機４４の吐出過熱度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。 本発明の実施の形態１における室内熱交換器３１又は室外熱交換器４７の凝縮温度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
まず、実施の形態１の説明に先立って、従来の空気調和機における圧縮機保護動作処理について、図１、２を用いて説明し、その問題点を明らかにしたところで、次に、本発明の実施の形態１における圧縮機保護動作処理について、図３〜６を用いて説明する。
また、圧縮機軸トルクと蒸発温度とから凝縮温度を推定する処理について、図７を用いて説明する。

図１は、従来の空気調和機１を概略的に示す冷媒回路図である。
図１に示すように、従来の空気調和機１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、図示しない屋内の冷暖房に使用される装置であり、室内機１１と、室外機１２とを備える。

まず、室内機１１について説明する。
室内機１１は、屋内の天井に埋め込まれたり、吊り下げられたりすることで設置されるものである。また、室内機１１は、屋内の壁面に壁掛けされることにより設置されるものでもある。
室内機１１は、ガス接続配管２１及び液接続配管２２を介して室外機１２に接続されて冷媒回路の一部を構成している。
室内機１１は、利用側熱交換器として機能する室内熱交換器３１と、図示しない室内送風機とを有する。

室内熱交換器３１は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能することで室内の空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能することで室内の空気を加熱するものであり、例えば、伝熱管と多数のフィンとから形成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器から構成されている。

室内送風機は、室内機１１内に室内空気を吸入し、室内熱交換器３１により、吸入した室内空気と冷媒との間で熱交換した空気を供給空気として室内に供給する機能を有するものである。室内送風機は、室内熱交換器３１に付設され、室内熱交換器３１に供給する空気の流量を可変することが可能なファン、例えば、ＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等から構成されている。

室内機１１には、室内熱交換器３１の近傍に、気液二相状態の冷媒の温度を検出するセンサとして室内熱交換器温度センサ３２が設置されている。室内熱交換器温度センサ３２は、例えば、サーミスタにより構成されるものである。
室内熱交換器温度センサ３２は、冷房運転時には室内熱交換器３１を流れる冷媒の蒸発温度を検出し、暖房運転時には室内熱交換器３１を流れる冷媒の凝縮温度を検出する。

なお、ここでは、室内機１１に設置されるセンサの一例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、室内熱交換器３１の液側に、液状態又は気液二相状態の冷媒の温度を検出する液側温度センサが設けられていてもよい。
また、室内機１１の室内空気の吸入口側に、室内機１１内に流入する室内空気の温度を検出する室内温度センサが設けられていてもよい。
また、室内機１１の室内空気の吹出口側に、室内機１１内から吐出する室内空気の温度を検出する室内温度センサが設けられていてもよい。

なお、室内送風機は、上述したセンサの検出値に応じて制御部（図示せず）によって制御されている。

次に、室外機１２について説明する。
室外機１２は、屋外に設置されるものであり、ガス接続配管２１及び液接続配管２２を介して室内機１１に接続されて冷媒回路の一部を構成している。
室外機１２は、第１膨張弁４１と、レシーバ４２と、第２膨張弁４３と、圧縮機４４と、四方弁４６と、熱源側熱交換器として機能する室外熱交換器４７とを有し、冷媒配管を介して接続されている。

第１膨張弁４１は、高圧状態の冷媒を減圧して中圧状態にするものであり、例えば、開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成されている。
レシーバ４２は、冷媒液を貯留するものであり、また、内部に冷媒熱交換器５１（詳細については後述する）を有するものである。また、レシーバ４２と第１膨張弁４１との間は、冷媒配管で接続され、レシーバ４２と第２膨張弁４３との間は、冷媒配管で接続されている。これらの冷媒配管は、レシーバ４２の内部において、ある程度の長さで形成され、液冷媒をレシーバ４２の内部に液滴させている。
第２膨張弁４３は、中圧状態の冷媒を減圧して低圧状態にするものであり、例えば、開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成されている。

圧縮機４４は、運転容量を可変にすることが可能なものであり、例えば、インバータにより運転周波数が制御されるＤＣブラシレスモータ（図示せず）等によって駆動される容積式圧縮機から構成されている。
また、圧縮機４４は、図示しない制御部により制御され、例えば、室内熱交換器３１と、図示しないリモートコントローラーの設定温度（目標値）との偏差に応じて制御される。
また、圧縮機４４には、吐出側に吐出温度を検出するセンサとして圧縮機吐出温度センサ４５が設けられている。圧縮機吐出温度センサ４５は、例えば、サーミスタにより構成されるものである。
なお、圧縮機吐出温度センサ４５は、本発明における「吐出温度検知手段」に相当する。

なお、ここでは、圧縮機４４に設置されるセンサの一例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、吸入側に吸入温度を検出するセンサとして圧縮機吸入温度センサが設けられていてもよい。

四方弁４６は、冷媒流路を切り換える機能を有するものであり、冷房運転や暖房運転に応じて冷媒の流れの方向を切り換える弁で構成されている。

四方弁４６は、冷房運転時には、図１の四方弁４６内部の破線に示すように、圧縮機４４の吐出側と室外熱交換器４７のガス側とを接続するとともに、圧縮機４４の吸入側とガス接続配管２１側とを接続する。
これにより、四方弁４６は、室外熱交換器４７を圧縮機４４において圧縮される冷媒の凝縮器として、かつ室内熱交換器３１を室外熱交換器４７において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させている。

また、四方弁４６は、暖房運転時には、図１の四方弁４６内部の実線で示すように、圧縮機４４の吐出側とガス接続配管２１側とを接続するとともに、圧縮機４４の吸入側と室外熱交換器４７のガス側とを接続する。
これにより、四方弁４６は、室内熱交換器３１を圧縮機４４において圧縮される冷媒の凝縮器として、かつ室外熱交換器４７を室内熱交換器３１において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させている。

室外熱交換器４７は、冷媒運転時には冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能するものであり、例えば、伝熱管と多数のフィンとにより形成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器から構成されている。
また、室外熱交換器４７は、室外熱交換器４７のガス側が冷媒配管を介して四方弁４６に接続され、室外熱交換器４７の液側が冷媒配管を介して第２膨張弁４３に接続されている。

また、室外熱交換器４７の近傍には、図示しない室外送風機が付設されている。室外送風機は、室外機１２内に室外空気を吸入し、室外熱交換器４７により、室外空気と冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する機能を有するものであり、室外熱交換器４７に供給する空気の流量を可変することが可能なファン、例えば、ＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンから構成されている。

また、室外機１２には、室外熱交換器４７の近傍に、気液二相状態の冷媒の温度を検出するセンサとして室外熱交換器温度センサ４８が設置されている。室外熱交換器温度センサ４８は、例えば、サーミスタにより構成されるものである。
室外熱交換器温度センサ４８は、冷房運転時には室外熱交換器４７を流れる冷媒の凝縮温度を検出し、暖房運転時には室外熱交換器４７を流れる冷媒の蒸発温度を検出する。

なお、ここでは、室外機１２に設置されるセンサの一例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、室外熱交換器４７の液側に、液状態又は気液二相状態の冷媒の温度を検出する液側温度センサが設けられていてもよい。
また、室外機１２の室外空気の吸入口側に、室外機１２内に流入する室外空気の温度を検出する室外温度センサが設けられていてもよい。

冷媒熱交換器５１は、例えば、Ｕ字形状からなる吸入配管であり、四方弁４６と圧縮機４４の吸入側とを接続し、上述したようにレシーバ４２内に設けられている。冷媒熱交換器５１は、レシーバ４２内に貯留されている冷媒液と圧縮機４４に吸入される冷媒との間で熱交換させるものである。

なお、圧縮機４４、四方弁４６、室外送風機、第１膨張弁４１、及び第２膨張弁４３は、上述したセンサの検出値に応じて制御部（図示せず）によって制御されている。

図２は、従来の圧縮機保護動作処理を説明するフローチャートである。

（ステップＳ１１）
制御部は、各パラメータを設定する。
具体的には、制御部は、現在の運転周波数Ｆ、吐出過熱度による圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ、吐出温度検出値と凝縮温度検出値との差分である吐出過熱度ＳＨｄ、及び吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１を設定する。

より具体的には、現在の運転周波数Ｆは、駆動中の圧縮機４４の現在の運転周波数を意味するものである。
また、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、液バックの現象を生じさせない状態の運転周波数の下限値を意味するものである。つまり、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、圧縮機に流入する冷媒が気相冷媒の状態であるときの圧縮機の運転周波数のうち、圧縮機の運転周波数の下限値として、最低運転周波数を定めたものである。圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、例えば、シミュレーションや実験等により、予め求めておけばよい。

また、吐出過熱度ＳＨｄは、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ３２又は室外熱交換器温度センサ４８から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。
例えば、吐出過熱度ＳＨｄは、冷房運転時には、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室外熱交換器温度センサ４８から検出した凝縮温度との差分から求められ、暖房運転時には、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ３２から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。

吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１は、予め設定された吐出過熱度の値であり、この値を下回ったときには、圧縮機の運転周波数を上げるような制御が実施される。吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１は、例えば、シミュレーションや実験等により求められるものであり、この値を下回った状態で、圧縮機４４に冷媒が吸入されると、吸入された冷媒は液冷媒を多く含むこととなるとされている。そのため、安全側に働くようにするために、吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１は、実際の臨界値よりも高めに設定されている。
ただし、後述するように、吐出過熱度ＳＨｄが吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１を下回ったときであっても、実際には、圧縮機４４内部の駆動系の物理特性値を考慮すれば、圧縮機４４に負荷がそれほどかからない状態が存在する。

（ステップＳ１２）
制御部は、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ未満か否かを判定する。制御部は、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ未満のとき、ステップＳ１３へ進み、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ以上のとき、ステップＳ１５へ進む。

（ステップＳ１３）
制御部は、吐出過熱度ＳＨｄが、吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１未満か否かを判定する。制御部は、吐出過熱度ＳＨｄが、吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１未満のとき、ステップＳ１４へ進み、吐出過熱度ＳＨｄが、吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１以上のとき、ステップＳ１５へ進む。

（ステップＳ１４）
制御部は、圧縮機４４の運転周波数を所定の値だけ上げ、処理を終了する。

（ステップＳ１５）
制御部は、現在の周波数Ｆを維持したまま、膨張弁の開度を調整し、処理は終了する。例えば、膨張弁の開度を小さくし、吐出過熱度を大きくする制御を実施し、吐出過熱度が所定の値になったとき、処理は終了する。

このように、従来の制御においては、吐出温度検出値と凝縮温度検出値との差が、吐出過熱度の補正開始値未満になったら圧縮機４４の運転周波数を所定の値だけ上げるように制御をすることで、吐出過熱度を所定値以上に保つものであった。そのため、従来では、圧縮機４４内部の駆動系の物理特性値を考慮することなく液バックの現象を防いでいた。
この結果、圧縮機４４にかかる負荷に対して補正をすることが不要であった場合にも運転周波数の補正をしていた。このため、消費電力の小さい運転をすることができなかった。
そこで、本実施の形態１においては、以降で説明するように、圧縮機４４内部の駆動系の物理特性値の一つの圧縮機軸トルクも補正の条件に加えるようにしたのである。
これにより、運転周波数の補正をする必要のない場合に、消費電力を小さい状態に保つことができるのである。

図３は、本発明の実施の形態１における空気調和機２を概略的に示す冷媒回路図である。
なお、本実施の形態１において、特に記述しない項目については従来の空気調和機１の説明と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、同一の機能や構成についてはその説明を省略することとする。

図３に示すように、空気調和機２は、制御手段６１が設けられており、圧縮機４４の電流や電圧を検出し、その検出結果に基づいて圧縮機の運転周波数等を制御するものである。
制御手段６１は、電流検出手段７１、電圧検出手段７２、演算手段７３、及び記憶手段７４等を有する。なお、演算手段７３及び記憶手段７４は、マイクロプロセッサユニット等にて構成されるものである。

電流検出手段７１は、圧縮機に流れる電流、例えば、瞬時電流を検出するものである。電流検出手段７１は、例えば、電流検出リレー等で検出した値を適宜補正して演算手段７３に供給するものである。
なお、電流検出手段７１は、本発明における「圧縮機電流検知手段」に相当する。

電圧検出手段７２は、圧縮機に印加する電圧、例えば、瞬時電圧を検出するものである。電圧検出手段７２は、例えば、電圧検出リレー等で検出した値を適宜補正して演算手段７３に供給するものである。
なお、電圧検出手段７２は、本発明における「圧縮機電圧検知手段」に相当する。

演算手段７３は、電流検出手段７１や電圧検出手段７２から供給された検出結果に基づいて、圧縮機軸トルクを演算するものである。また、演算手段７３は、記憶手段７４に格納されている各種データに基づいて、各種演算を行うものである。演算手段７３は、例えば、後述する式（１）〜（８）の各演算式が、電子計算機で解釈実行可能なアルゴリズムで記述されたプログラムであるとき、そのプログラムを順に実行するものである。

記憶手段７４は、電流検出手段７１や電圧検出手段７２の検出結果を適宜格納する。これにより、記憶手段７４は、例えば、時系列的にこれらのデータを格納しておくことができるため、制御手段６１は、格納しておいたデータを利用して、圧縮機４４の劣化状態を自動的に判定し、その判定結果に応じて、上述した吐出過熱度と圧縮機軸トルクの相関関係を補正してもよい。これにより、現在の圧縮機の状態に基づいて、圧縮機の運転周波数を制御することができるため、より正確に圧縮機の保護をすることができる。

また、記憶手段７４は、上記で説明したような式（１）〜（８）を記述したプログラムを格納している。
また、記憶手段７４は、後述する式（１）〜（８）を、例えば、データテーブルとして記憶することで、演算の高速化を図るようにしてもよい。具体的には、式（１）〜（８）の各関係式の各種パラメータの相関関係が、離散的なマトリックス状のデータとして作成され、あるパラメータが与えられたときには、マトリックス状のデータの補間処理をすることで、最終的に圧縮機軸トルクが演算されるようにしてもよい。
また、記憶手段７４は、図５で後述する圧縮機４４の吐出過熱度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係や、図６で後述する室内熱交換器３１又は室外熱交換器４７の凝縮温度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係がデータ化されたものを格納している。

次に、演算手段７３による圧縮機軸トルクの演算について、式（１）〜（８）を用いて説明する。

圧縮機４４を駆動するモータ、例えば、ブラシレスＤＣモータにおけるモータ駆動トルクとしての圧縮機軸トルクの演算は、インダクタンスと電流値とからなる演算式を用いる場合と、磁束と電流値とからなる演算式を用いる場合等がある。
インダクタンスと電流値とからなる演算式は、式（１）〜（４）を用いて式（５）のように表される。
具体的には、瞬時電圧Ｖは式（１）で表される。このため、瞬時電流Ｉが検出されていれば、瞬時電圧Ｖを式（１）に基づいて求めることも可能である。また、瞬時電圧Ｖも検出されていれば、式（１）の演算は不要となる。

磁束φは式（２）で表される。このため、瞬時電圧Ｖと瞬時電流Ｉとから磁束φは演算されるものである。

磁束のベクトルの向きは、式（３）、（４）で表される。ここで、α、βは、固定座標系であり、ｕ、ｖ、ｗの３相を２相に変換したものとなっている。

そして、式（１）〜（４）によりブラシレスＤＣモータの位置、すなわち、ロータの位置を推定することができることになる。つまり、瞬時電流Ｉと瞬時電圧Ｖとからロータの位置を推定することができる。
また、式（１）〜（４）、瞬時電流Ｉ、及び瞬時電圧Ｖ等の定数や検出値を用いることで、さらには、圧縮機４４の入力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを座標変換した電流値ｉｄ、ｉｑを求め、これらによって、次に示す式（５）のように、モータ駆動トルク、すなわち、圧縮機軸トルクＴｍが求まることになる。
換言すれば、式（５）による圧縮機軸トルクＴｍは、瞬時電流Ｉと瞬時電圧Ｖとから求められるものである。

また、磁束と電流値とからなる演算式である式（６）は、一次磁束と電流との外積により、ブラシレスＤＣモータの固定子に働くトルクを求めるものである。
ここで、ブラシレスＤＣモータの回転子トルクは、固定子トルクの反力である。従って、モータ駆動トルクとしての圧縮機軸トルクＴｍは、次に示す式（６）のように表される。

ここで、式（６）においても、α、βは、固定座標系であり、ｕ、ｖ、ｗの３相を２相に変換したものとなっている。また、λαは次の式（７）で算出され、λβは次の式（８）で算出される。要するに、瞬時電圧Ｖから磁束を求めることができる。
よって、式（６）による圧縮機軸トルクＴｍも、瞬時電流Ｉと瞬時電圧Ｖとから求められるものである。

図４は、本発明の実施の形態１における圧縮機保護動作処理を説明するフローチャートである。

（ステップＳ３１）
制御手段６１は、各パラメータを設定する。
具体的には、制御部は、現在の運転周波数Ｆ、吐出過熱度による圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ、吐出温度検出値と凝縮温度検出値との差分である吐出過熱度ＳＨｄ、吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１、吐出過熱度の運転周波数制御による補正開始値ＳＨｄｘ２、圧縮機軸トルクＴｍ、及び保護が必要なトルク値Ｔｘ（以下、Ｔｘと称する）を設定する。

より具体的には、現在の運転周波数Ｆは、駆動中の圧縮機４４の現在の運転周波数を意味するものである。
また、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、液バックの現象を生じさせない状態の運転周波数の下限値を意味するものである。つまり、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、圧縮機に流入する冷媒が気相冷媒の状態であるときの圧縮機の運転周波数のうち、圧縮機の運転周波数の下限値として、最低運転周波数を定めたものである。圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘは、例えば、シミュレーションや実験等により、予め求めておけばよい。
また、吐出過熱度ＳＨｄは、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ３２又は室外熱交換器温度センサ４８から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。
例えば、吐出過熱度ＳＨｄは、冷房運転時には、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室外熱交換器温度センサ４８から検出した凝縮温度との差分から求められ、暖房運転時には、圧縮機吐出温度センサ４５から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ３２から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。

吐出過熱度の補正開始値ＳＨｄｘ１（以下、ＳＨｄｘ１と称する）は、予め設定された吐出過熱度の値であり、この値を下回ったときには、吐出過熱度の運転周波数制御による補正開始値ＳＨｄｘ２（以下、ＳＨｄｘ２と称する）を用いた判定が実行される。
つまり、吐出過熱度ＳＨｄが吐出過熱度のＳＨｄｘ１を下回ったときであっても、実際には、圧縮機４４内部の駆動系の物理特性値を考慮すれば、圧縮機４４に負荷がそれほどかからない状態が存在するため、その状態であるか否かをＳＨｄｘ２の値とＴｘとで判定させるのである。
ＳＨｄｘ２は、上記で説明したように、ＳＨｄｘ１での判定後に再度、吐出過熱度Ｓｈｄを判定させる値である。
圧縮機軸トルクＴｍは、上記で説明した式（１）〜（８）等に基づいて求めた現在の圧縮機軸トルクである。
Ｔｘは、圧縮機４４の仕様に基づいて定められた値であり、後述する故障にいたる限界トルク値Ｔｚではないものの、圧縮機４４の保護を考慮する必要な状態となるトルク値を意味するものである。

ここで、ＳＨｄｘ１、ＳＨｄｘ２、及び圧縮機軸トルクＴｍの相関関係について、図５を用いて説明する。
図５は、本発明の実施の形態１における圧縮機４４の吐出過熱度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。図５に示すように、横軸を圧縮機４４の吐出過熱度ＳＨｄ（℃）、縦軸を圧縮機軸トルクＴｍ（Ｎｍ）とする。このとき、圧縮機４４の負荷条件を示す曲線は、吐出過熱度ＳＨｄが大きくなるにつれ、圧縮機軸トルクＴｍは小さくなる特性を示している。逆に言えば、吐出過熱度ＳＨｄが小さくなるにつれ、圧縮機軸トルクＴｍは大きくなる特性を示している。

圧縮機４４の負荷条件を示す曲線は、図５に示すように、主に、３つの場合に分類される。
一つ目は、過負荷条件の曲線であり、二つ目は、標準条件の曲線であり、三つ目は、軽負荷条件の曲線である。
そして、ＳＨｄｘ１のときには、３つの条件とも、圧縮機軸トルクＴｍは、故障にいたる限界トルク値Ｔｚ（以下、Ｔｚと称する）とはなっていない。ただし、標準条件のときに保護の必要なトルク値Ｔｘ（以下、Ｔｘと称する）となっている。
また、ＳＨｄｘ２のときには、過負荷条件のときにＴｚとなっている。

換言すれば、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１以上であれば、圧縮機４４は、このままの運転周波数で駆動し続けても問題は発生しない。
一方、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１未満かつＳＨｄｘ２以上であれば、圧縮機４４は、Ｔｘとなっている可能性があるものの、故障にいたることにはならないので、圧縮機４４の運転周波数を上げる必要はない。このときには、圧縮機４４の運転周波数を上げることで、吐出過熱度ＳＨｄを制御するのではなく、第１膨張弁４１や第２膨張弁４３の開度を調整することで、吐出過熱度ＳＨｄを制御する。

また、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１未満かつＳＨｄｘ２未満であれば、圧縮機４４は、Ｔｚとなっている可能性がある。そのため、故障にいたる可能性があるので、圧縮機４４の運転周波数を上げる必要がある。よって、このときには、運転周波数を上げることで、吐出過熱度ＳＨｄを制御するとよい。ただし、上記の式（１）〜（８）等に基づいて、圧縮機軸トルクＴｍを求め、その値がＴｘより大きいときに、運転周波数を上げるようにする。
このようにすることで、運転周波数を上げる必要があるときのみ、運転周波数を上げるようにすることができる。
すなわち、吐出過熱度ＳＨｄと圧縮機軸トルクＴｍとに基づいて、吐出過熱度ＳＨｄを制御する。これにより、必要なときだけ運転周波数を上げることができるので、消費電力を低減することができる。

このように、ＳＨｄｘ１だけでは、圧縮機４４の運転周波数を上げなくていいときにも上げてしまうことになる。
これに対して、ＳＨｄｘ１、ＳＨｄｘ２、及び圧縮機軸トルクＴｍを制御パラメータに用いることで、必要なときだけ、圧縮機４４の運転周波数を上げることができる。これにより、消費電力を低減することができる。

また、図５に示すように、ＳＨｄがＳＨｄｘ１以上であれば、吐出過熱度は十分にある状態であり、ＳＨｄがＳＨｄｘ１未満であれば、吐出過熱度は不足している状態である。すなわち、ＳＨｄｘ１は、圧縮機４４の吐出過熱度ＳＨｄのうち、圧縮機４４の吐出過熱度ＳＨｄの補正制御を開始するか否かを定めた値である。そして、吐出過熱度ＳＨｄの補正制御には、運転周波数を上げる場合と、第１膨張弁４１や第２膨張弁４３等の膨張弁の開度を調整する、例えば、開度を小さくする場合があるが、ＳＨｄがＳＨｄｘ２未満でなければ、運転周波数を上げる必要はない。

また、図５に示すように、ＳＨｄがＳＨｄｘ２以上であれば、吐出過熱度は不足している状態であるものの、運転周波数を上げる必要がある程ではない。また、ＳＨｄがＳＨｄｘ２未満であり、かつ吐出過熱度ＴｍがＴｘより大きいとき、吐出過熱度は不足している状態であり、かつ、運転周波数を上げる必要がある状態である。

つまり、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ２以上ＳＨｄｘ１未満のとき、運転周波数を上げる必要はないが、Ｔｘとなっている可能性があるため、この場合には、運転周波数を上げるのではなく、現在の運転周波数を維持しつつ、第１膨張弁４１や第２膨張弁４３の開度を調整していけばよい。

なお、ＳＨｄｘ２は、本発明における「設定過熱度」に相当する。

ここで、図４に戻り、本発明の実施の形態１における圧縮機保護動作処理の説明を再開する。

（ステップＳ３２）
制御手段６１は、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ未満か否かを判定する。制御手段６１は、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ未満のとき、ステップＳ３３へ進み、現在の運転周波数Ｆが、圧縮機の運転周波数補正制限値Ｆｘ以上のとき、ステップＳ３６へ進む。

（ステップＳ３３）
制御手段６１は、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１未満か否かを判定する。制御手段６１は、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１未満のとき、ステップＳ３４へ進み、ＳＨｄが、ＳＨｄｘ１以上のとき、ステップＳ３６へ進む。

（ステップＳ３４）
制御手段６１は、ＳＨｄがＳＨｄｘ２未満であり、かつ圧縮機軸トルクＴｍがＴｘより大きいか否かを判定する。制御手段６１は、ＳＨｄがＳＨｄｘ２未満であり、かつ圧縮機軸トルクＴｍがＴｘより大きいとき、ステップＳ３５へ進み、ＳＨｄがＳＨｄｘ２以上であり、かつ圧縮機軸トルクＴｍがＴｘ以下のとき、ステップＳ３６へ進む。
このときの条件について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態１における運転周波数を上げるときの条件を説明する圧縮機４４の吐出過熱度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。図６に示すように、ハッチングをしてある領域において、以降で説明するステップＳ３５の処理が実行されるのである。
なお、Ｔｘは、本発明における「設定トルク」に相当する。

（ステップＳ３５）
制御手段６１は、圧縮機４４の運転周波数を所定の値だけ上げ、処理を終了する。

（ステップＳ３６）
制御手段６１は、現在の周波数Ｆを維持したまま、膨張弁の開度を調整し、処理は終了する。例えば、膨張弁の開度を小さくし、吐出過熱度を大きくする制御を実施し、吐出過熱度が所定の値になったとき、処理は終了する。

このように、本実施の形態１の制御においては、圧縮機４４内部の駆動系の物理特性値の一つの圧縮機軸トルクも補正の条件に加えるようにした。
これにより、運転周波数の補正をする必要のない場合に、消費電力を小さい状態に保つことができる。
また、運転周波数の補正をする必要がある場合に、運転周波数を上げるので、圧縮機４４を保護することもできる。
これにより、圧縮機を保護しつつ、消費電力を下げることができる

なお、上記では、圧縮機４４の駆動系の物理特性値に一つである圧縮機軸トルクを制御パラメータに加えた一例について説明したが、これに限定されるものではない。

また、上記では、吐出過熱度における制御の一例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、吸入過熱度における制御であってもよい。この場合には、吸入過熱度と圧縮機軸トルクとの相関関係を予め求めておけばよい。
このようにすることで、圧縮機に冷媒が流入する手前の状態を検知し、それに基づいて圧縮機の運転周波数を制御することができる。

次に、室内熱交換器３１や室外熱交換器４７の蒸発温度と、圧縮機軸トルクとに基づいて、室内熱交換器３１や室外熱交換器４７の凝縮温度を推定する処理について、図７を用いて説明する。

図７は、本発明の実施の形態１における室内熱交換器３１又は室外熱交換器４７の凝縮温度と圧縮機４４の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。横軸を凝縮温度Ｔｃ（℃）とし、縦軸を圧縮機軸トルクＴｍ（Ｎｍ）としたときの蒸発温度Ｔｅ（℃）の特性曲線が図７に示されている。図７には、複数の蒸発温度Ｔｅ（℃）に対応する特性曲線が示されている。図７に示すような相関関係のデータは、例えば、記憶手段７４に格納されている。
具体的には、圧縮機軸トルク、蒸発温度、及び凝縮温度から相関情報群がデータとして形成され、圧縮機軸トルクと、蒸発温度とから、凝縮温度が定まるように関連付けられている。
例えば、図７に示すように、蒸発温度Ｔｅが０（℃）であり、圧縮機軸トルクＴｍが１０（Ｎｍ）であれば、凝縮温度Ｔｃを７０（℃）と推定することができる。
よって、圧縮機軸トルクと蒸発温度とが定まれば、凝縮温度を推定することができる。そして、吐出過熱度ＳＨｄを求める際、推定した凝縮温度を用いてもよい。

以上のように、本実施の形態１においては、少なくとも、圧縮機４４、室外機４７、第１膨張弁４１、第２膨張弁４３、及び室内機３１が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、圧縮機４４を制御する制御手段６１とを備え、制御手段６１は、圧縮機４４の吐出過熱度及び圧縮機４４の軸トルクに基づいて、圧縮機４４の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて圧縮機４４を制御することにより、圧縮機を保護しつつ、消費電力を低減することができる。

また、本実施の形態１においては、圧縮機４４の吐出温度を検知する圧縮機吐出温度センサ４５と、圧縮機４４に流れる電流を検知する電流検出手段７１と、圧縮機４４に印加する電圧を検知する電圧検出手段７２とを備え、制御手段６１は、吐出温度検知手段で検知した吐出温度に基づいて吐出過熱度を求め、当該吐出過熱度がＳＨｄｘ２未満のときであって、かつ、電流検出手段７１の検知結果と電圧検出手段７２の検知結果とに基づいて演算した前記圧縮機４４の軸トルクが、Ｔｘを超えたとき、圧縮機４４の運転周波数を増加させることにより、圧縮機を保護しつつ、消費電力を低減することができる。

１、２ 空気調和機、１１ 室内機、１２ 室外機、２１ ガス接続配管、２２ 液接続配管、３１ 室内熱交換器、３２ 室内熱交換器温度センサ、４１ 第１膨張弁、４２ レシーバ、４３ 第２膨張弁、４４ 圧縮機、４５ 圧縮機吐出温度センサ、４６ 四方弁、４７ 室外熱交換器、４８ 室外熱交換器温度センサ、５１ 冷媒熱交換器、６１ 制御手段、７１ 電流検出手段、７２ 電圧検出手段、７３ 演算手段、７４ 記憶手段。

Claims (2)

1. 少なくとも、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、
   前記圧縮機を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記圧縮機の吐出過熱度及び前記圧縮機の軸トルクに基づいて、前記圧縮機の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて前記圧縮機を制御する
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 前記圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度検知手段と、
   前記圧縮機に流れる電流を検知する圧縮機電流検知手段と、
   前記圧縮機に印加する電圧を検知する圧縮機電圧検知手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記吐出温度検知手段で検知した前記吐出温度に基づいて前記吐出過熱度を求め、当該吐出過熱度が設定過熱度未満のときであって、かつ、
   前記圧縮機電流検知手段の検知結果と前記圧縮機電圧検知手段の検知結果とに基づいて演算した前記圧縮機の軸トルクが、前記圧縮機の軸トルクの設定トルクを超えたとき、前記圧縮機の運転周波数を増加させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
   

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