JP2015098976A

JP2015098976A - 空気調和機

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Publication number: JP2015098976A
Application number: JP2013238899A
Authority: JP
Inventors: 和記杉村; Kazuki Sugimura
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP6334896B2

Abstract

【課題】省エネルギー性や快適性が高く、また、必要な制御データ量や開発時の確認試験を減らすことができ、信頼性、生産性を向上させることができる空気調和機を提供する。【解決手段】実施形態の空気調和機１は、一対の室内機１ａおよび室外機１ｂから構成され、インバータ制御により運転能力を可変な分離型の空気調和機であって、室外機１ｂは、運転時に用いるシリンダ数を可変とする圧縮機３を有しており、シリンダ数が最小の状態で圧縮機３を運転する際の運転周波数の調整間隔を、シリンダ数が最大の状態で圧縮機３を運転する際の運転周波数の調整間隔よりも小さくしたことを特徴とする空気調和機。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、空気調和機に関する。

従来、例えば特許文献１のように、圧縮機のシリンダ数を可変とすることで運転能力の調整を可能とした空気調和機が知られている。このような空気調和機では、空調負荷の大小に応じて、運転周波数が異なるように設定されている複数の運転周波数テーブルのうちから、最適なテーブルを選択する制御が行われていた。

特開２００５−０７７０３９号公報

しかしながら、予め定められている運転周波数テーブルに基づいて制御を行うと、実際に必要な冷房能力よりも過多の状態で運転されたりすることで余分なエネルギーが消費されていたり、運転時において空調を行う際の制御データ量が必要以上に増加したり、運転周波数テーブルを作成するための開発時の確認試験等が増加していた。
本実施形態は、省エネルギー性や快適性が高く、また、必要な制御データ量や開発時の確認試験を減らすことができ、信頼性、生産性を向上させることができる空気調和機を提供することを課題とする。

本実施形態の空気調和機は一対の室内機および室外機から構成され、インバータ制御により運転能力を可変な分離型の空気調和機であって、室外機は、運転時に用いるシリンダ数を可変とする圧縮機を有しており、シリンダ数が最小の状態で圧縮機を運転する際の運転周波数の調整間隔を、シリンダ数が最大の状態で圧縮機を運転する際の運転周波数の調整間隔よりも小さくしたことを特徴とする。

第１実施形態の空気調和機の圧縮機を１シリンダで運転する時の態様を模式的に示す図第１実施形態の空気調和機の圧縮機を２シリンダで運転する時の態様を模式的に示す図第１実施形態の空気調和機の運転能力の一例を示す図第１実施形態の空気調和機の運転周波数の一例を示す図第１実施形態の空気調和機の空調制御の流れを模式的に示す図第２実施形態の空気調和機の運転周波数の一例を示す図

以下、複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態において実質的に共通する部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、空気調和機１は、室内機１ａおよび室外機１ｂからなる周知の冷凍サイクルを構成している。室内機１ａは、一般家庭等で用いられているような概ね横長の直方体状に形成されており、設置状態におけるその横幅が８００ｍｍ以下、且つ、その高さが２９５ｍｍ以下に設計されている。つまり、室内機１ａは、概ね一畳分以下の横幅を有している。この室内機１ａは、配管や電源線および信号線等で室外機１ｂに接続されている。

室外機１ｂは、制御部２、インバータ回路２ａ、圧縮機３、配管部材４、四方切替弁５等を備えている。制御部２は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータにより構成されており、例えばＲＯＭ等に記憶されているコンピュータプログラムを実行することで、室外機１ｂを制御する。なお、制御部２により行われる制御は多岐に渡るが、ここでは実施形態に関連して圧縮機３の制御について説明する。

制御部２は、インバータ回路２ａを駆動することで、圧縮機３の運転周波数を制御する。なお、インバータ回路２ａ自体は周知の構成を採用することができるので説明は省略する。この圧縮機３は、２シリンダ型ロータリ式のものであり、本体内の下部側に、圧縮機構部６が設けられ、その上部に図示しないモータ等により構成される電動機部が設けられている。これら電動機部と圧縮機構部６とは、モータの回転軸を介して連結されている。なお、インバータ回路２ａは、この電動機部のモータを制御することで、圧縮機３の運転周波数を制御する。

圧縮機構部６は、図示しない中間仕切り板を介して上下に配設された上部シリンダ７と、下部シリンダ８とを備えている。これら上部シリンダ７および下部シリンダ８は、互いに外形形状寸法が相違し、かつ内径寸法が同一となるように設計されている。具体的には、上部シリンダ７は、製造時における外径寸法が本体ケースの内径寸法よりも僅かに大に形成され、本体ケース内周面に圧入された後、溶接加工によって位置決め固定されている。

上部シリンダ７の上面部には、図示しない主軸受が固定されている。また、下部シリンダ８の下面部には、図示しない副軸受が固定されている。そして、中間仕切板および副軸受の外径寸法は、下部シリンダ８の内径寸法よりもある程度大となるように設計されている。そして、この下部シリンダ８の内径位置は、シリンダの中心から偏心した位置に設定されている。そのため、下部シリンダ８は、その外周の一部が中間仕切板および副軸受けの外径よりも径方向外側に突出している。

モータの回転軸は、その中途部と下端部とが、主軸受と副軸受とに回転自在に支持されている。この回転軸は、上部シリンダ７および下部シリンダ８内を貫通しているとともに、略１８０°の位相差をもって設けられている２つの偏心部が取り付けられている。各偏心部は、互いに同一直径をなしており、上部シリンダ７と下部シリンダ８の内径部にそれぞれ位置している。各偏心部には、同一直径をなすローリングピストンがそれぞれ取り付けられている。このローリングピストンは、上部シリンダ７および下部シリンダ８のそれぞれのシリンダ室内に偏心回転自在に収容されている。なお、図１（Ｂ）に、下部シリンダ８に収容されているローリングピストン８ａを示す。

各ローリングピストンは、互いに１８０°の位相差をもって上部シリンダ７および下部シリンダ８内を偏心回転することにより、各シリンダ内において、同一の排除容積となるように設定されている。上部シリンダ７および下部シリンダ８には、それぞれベーン９およびベーン１１が設けられている。各ベーン９、１０は、図２（Ａ）に示すように、それぞれバネ等の弾性部材１０ａ、１０ｂによってシリンダ内に向かって付勢されており、矢印Ｙ１、Ｙ２にて示すように、ローリングピストンの回転に応じてシリンダ内に突没自在に設けられている。

このうち、下部シリンダ８に対応するベーン１１は、電磁石１２によって、その突没の態様が制御される。具体的には、ベーン１１は、図１（Ａ）に示すように電磁石１２に吸着され、シリンダ内に進入不可となっている状態と、図２（Ａ）に示すように電磁石１２から離脱し、シリンダ内に突没自在な状態とに制御される。この図１（Ａ）に示す状態が、下部シリンダ８にて圧縮運転が行われずに空転する状態、つまり、１シリンダ運転の状態に相当する。また、図２（Ａ）に示す状態が、下部シリンダ８にて圧縮運転が行われる状態、つまり、２シリンダ運転の状態に相当する。この運転状態の制御は、制御部２によって行われる。

この１シリンダ運転と２シリンダ運転とでは、配管部材４に設けられている四方切替弁５が切り換えられる。具体的には、１シリンダ運転では、図１（Ａ）に示すように、下部シリンダ８につながる経路が四方切替弁５によって圧縮機３の吐出側（高圧側）に切り換えられ、図１（Ｂ）に示すように、下部シリンダ８は、その内部全域が常に高圧状態となる。一方、２シリンダ運転では、図２（Ａ）に示すように、下部シリンダ８につながる経路が四方切替弁５によってアキュムレータ側つまりは吸入側（低圧側）に切り換えられ、図２（Ｂ）に示すように、下部シリンダ８は、その内部においてベーン１１の回転方向の前後に高圧領域と低圧領域とが形成される。

このように１シリンダ運転と２シリンダ運転とを切り換えることで、後述する第１範囲、第２範囲のように運転能力の調整範囲を可変とすることができる。この場合、冷房最大能力を必要とする場合には、使用するシリンダ数を最大（本実施形態では２つ）とする２シリンダ運転が行われ、冷房最小能力を必要とする場合には、使用するシリンダ数を最小（本実施形態では１つ）とする１シリンダ運転が行われる。なお、各調整範囲においては、後述するように運転周波数を変更することで運転能力の調整が可能となっている。

本実施形態の空気調和機の場合、図３に「実施形態の空気調和機」として示すように、冷房定格能力が８．０ｋＷ、冷房最小能力が０．２ｋＷ、冷房最大能力が８．２ｋＷに設定されている。そして、能力比が、冷房最大能力÷冷房最小能力＝８．２÷０．２＝４１．０となっている。このように冷房最大能力が８．２ｋＷ程度であれば、冷房の対象となる空間が例えば２０畳くらいの大きな空間であっても冷房能力が不足することがなく、また、冷房最小能力が０．２ｋＷ程度であれば、後述するように冷房の対象となる空間が間仕切りされて例えば４畳半程度となったような場合であっても、冷房能力が過多になるおそれが少なく、冷えすぎることを抑制できる。

一方、図３に「従来の空気調和機その１」、「従来の空気調和機その２」として示すように、従来の空気調和機では、本実施形態の空気調和機と同じ冷房定格能力が８．０ｋＷであったとしても、例えば冷房最小能力が０．８ｋＷ、冷房最大能力が８．１ｋＷで能力比が１０．１のものや、冷房最小能力が０．５ｋＷ、冷房最大能力が８．２ｋＷで能力比が１６．４等のように、その能力比が低い、換言すると、冷房能力の調整範囲が狭くなっている。

この場合、例えば２０畳のリビング等をそのまま空調する場合にはいずれの空気調和機であっても同様な空調を行えることが想定される。しかし、例えば室内機１ａが設置されている一角を間仕切って小さい空間としたり、室内の温度が低い等の場合、従来の空気調和機では、最小冷房能力で運転したとしても冷房能力が過多となることが想定される。その結果、間仕切りした空間が冷えすぎたり、設定温度を維持するため運転と停止を繰り返すことで快適性が低下したり、運転効率の高い省エネの冷房運転を図ることが難しいことになる。

これに対して、本実施形態の空気調和機１の場合、空調の調整範囲を冷房運転時における冷房最大能力と冷房最小能力との能力比が２０よりも大きくし最小冷房能力側をより低く設定されているため、間仕切りした場合や気温が低い場合等においても、今までより小さい冷房能力域での継続的な運転が可能となる。これにより、設定温度より冷えすぎたり、設定温度を維持するために運転と停止を繰り返すことでて快適性が低下したりすることなく、小さい冷房能力域でも運転効率の高い省エネ運転を図ること出来る。この場合、実施形態の空気調和機１では冷房最大能力が８．２ｋＷであることから、２０以上の能力比を確保するためには、冷房最小能力が０．４１ｋＷ以下であればよい。また、冷房最大能力が８．０ｋＷ以上である場合には、冷房最小能力は０．４ｋＷ以下であればよい。

また、本実施形態の空気調和機１の場合、図４に示すように、１シリンダ運転時における圧縮機３の運転周波数の調整間隔（以下、便宜的に第１範囲と称する）のほうが、２シリンダ運転時における圧縮機３の運転周波数の調整間隔（以下、便宜的に第２範囲と称する）よりも、狭く設定されている。具体的には、本実施形態では、１シリンダ運転の場合の運転周波数の調整間隔は０．３Ｈｚ単位に設定されている一方、２シリンダ運転の場合の運転周波数の調整間隔は０．４Ｈｚ単位に設定されている。このうち、第１範囲において運転周波数が最小となる状態での運転が、冷房能力が最小となる冷房最小能力での運転に相当し、第２範囲において運転周波数が最大となる状態での運転が、冷房能力が最大となる冷房最大能力での運転に相当する。

このため、設定温度と室温度の差が小さく空調負荷が少なくなって相対的に冷房能力が低い１シリンダ運転が選択されている場合には、その調整間隔が狭いことから、圧縮機３の運転周波数を細かく制御することが可能になっている。つまり、室温をより設定温度に近づけるための制御がし易くなっている。一方、設定温度と室温度の差が大きく空調負荷が大きくなって相対的に冷房能力が高い２シリンダ運転が選択されている場合には、その調整間隔が相対的に広くなっていることから、空調能力を確保しつつも、より早く設定温度に近づけることができるようになっている。

次に、上記した空気調和機１の作用について説明する。なお、以下の制御は主として上記した制御部２により行われているものの、ここでは空気調和機１を主体にして説明する。
空気調和機１は、図５に示す空調制御を行っており、電源がＯＮされると、冷房運転であるか、設定温度は何℃であるか等の設定読み込みを行い（Ｓ１）、室温を取得する（Ｓ２）。そして、室温と設定温度等から空調負荷を想定し、空調負荷が、１シリンダ運転を選択するか２シリンダ運転を選択するかの判断基準となる基準値（選択基準値に相当する）よりも大きいかを判定する（Ｓ３）。

そして、空気調和機１は、空調負荷が基準値よりも小さいと判定すると（Ｓ３：ＮＯ）、１シリンダ運転を設定し（Ｓ４）、圧縮機３の運転周波数の調整範囲を上記した第１範囲に設定し（Ｓ５）、空調制御を実施する（Ｓ６）。なお、ステップＳ６では周知の空調制御が行われている。一方、空気調和機１は、空調負荷が基準値よりも大きいと判定すると（Ｓ３：ＹＥＳ）、２シリンダ運転を設定し（Ｓ７）、圧縮機３の運転周波数の調整範囲を上記した第２範囲に設定し（Ｓ８）、空調制御を実施する（Ｓ６）。
このように、空気調和機１は、想定される負荷に応じて１シリンダ運転と２シリンダ運転とを選択する。これにより、消費電力を抑制しつつ、最適な冷房能力で運転することができる。つまり、空気調和機１は、省エネルギー性が高くなっている。

このとき、冷房運転時における冷房最大能力と冷房最小能力との能力比が２０よりも大きく、且つ、冷房最大能力が８ｋＷよりも大きいことから、例えば２０畳といった広い部屋であっても空調能力を確保できるとともに、間仕切りされた小さい空間を冷房する場合や季節によって温度が低い場合等であっても、不要なエネルギー消費を抑制しつつ、快適性を保つことができる。

また、空気調和機１は、冷房最小能力が０．４１ｋＷ以下（実施形態では０．２ｋＷ）であるので、間仕切りされた小さい空間であっても過度に冷却されること等がなく、快適性を保つことができる。
また、空気調和機１は、運転時に用いるシリンダ数を可変とする圧縮機３を有しており、冷房最大能力での運転時にはシリンダ数を最大とした状態で運転し、冷房最小能力での運転時にはシリンダ数を最小とした状態で運転する。これにより、冷房最小能力での運転時には、エネルギー消費をさらに抑制することができる。

また、空気調和機１は、１シリンダ運転と２シリンダ運転とで、運転周波数の調整間隔を異ならせている。具体的には、１シリンダ運転のほうがより細かく調整することが可能となっている。これにより、１シリンダ運転時には、設定温度に対する追従性が高くなり、快適性をより高めることができる。一方、２シリンダ運転時には、空調能力を確保しつつも、より早く設定温度に近づけることができる。また、空調負荷が大きいときには、制御間隔が広くなることから必要な制御データ量が相対的に少なくなり、運転時の処理負荷の低減、さらには、開発・製造時の確認試験を減らすことができ、信頼性および生産性の向上を図ることができる。

また、１シリンダ運転時には細かい制御を行うことで快適性を向上させることができる一方、２シリンダ運転では、上記したようにローリングピストンが略１８０°の位相差にて互いに反対方向に移動するように動作するため、振動等が抑制され静粛性が高くなる。そのため、第１範囲と第２範囲のどちらでも空調が可能な場合には、１シリンダ運転の調整範囲の上限付近で運転を行って微調整することを重視するか、例えば深夜等であれば２シリンダ運転の調整範囲の下限側の低い運転周波数で運転を行って静粛性を重視するかといった選択の自由度を高めることもできる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、空気調和機１の構成は第１実施形態と共通するので、同一符号にて説明する。
第２実施形態の空気調和機１では、図６に示すように、使用するシリンダ数が最小の運転状態（本実施形態では１シリンダ運転）における運転周波数の最小値、つまり、圧縮機３が運転状態にある場合における運転周波数の最小値（図６の第１範囲における４．８Ｈｚ）よりも、使用するシリンダ数が最大の運転状態（本実施形態では２シリンダ運転）における運転周波数の最小値、つまり、圧縮機３が運転状態にある場合の運転周波数の最小値（図６の第２範囲における９．６Ｈｚ）が大となるように設定されている。

また、空気調和機１は、１シリンダ運転における運転周波数の最大値（図６の第１範囲における２５．１Ｈｚ）よりも、２シリンダ運転における運転周波数の最大値（図６の第２範囲における１３０．４Ｈｚ）が大となるように設定されている。
これにより、本実施形態の空気調和機１は、シリンダ数が少ない運転であるほど、より低い能力での運転が可能となる。一方、シリンダ数が多い運転であるほど、より高い能力での運転が可能となる。したがって、上記したように間仕切りしたような小さい空間においては冷えすぎ等を起こすことなく快適性を保つことができるとともに、不要な絵なるギー消費を抑制することができる。

さらに、空気調和機１は、１シリンダ運転における運転周波数の最大値（図６の第１範囲における２５．１Ｈｚ）にシリンダ数を掛けた値が、２シリンダ運転における運転周波数の最小値（図６の第２範囲における９．６Ｈｚ）よりも大となるように設定されている。換言すると、１シリンダ運転における運転周波数の最大値（図６の第１範囲における２５．１Ｈｚ）よりも、２シリンダ運転における運転周波数の最小値（図６の第２範囲における９．６Ｈｚ）が小となるように設定されている。
これにより、より幅広い領域でより効率のよい運転を行うことができ、空気調和機１の性能向上を図ることができる。また、第１実施形態と同様に、微調整を優先するか静粛性を優先するかの自由度を高めることもできる。

（その他の実施形態）
空気調和機１は、上記した実施形態にて例示した構成に限定されることなく、次のように変形又は拡張することができる。また、上記した実施形態で例示したものおよび以下に示す変形例および拡張例で例示する構成は、その一部または全部を任意に組み合わせることができる。

各実施形態で例示した調整範囲の上限や下限、あるいは調整可能な運転周波数の数（以下、便宜的にステップ数と称する）は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、各実施形態では第１範囲と第２範囲とで調整可能なステップ数を同じにしたが、第１範囲と第２範囲とでステップ数を異ならせてもよい。例えば、空調負荷の小さい第１範囲では０．１Ｈｚや０．２Ｈｚ等のより狭い間隔で切り替えステップ数を増やしてより細かな調整を可能とし、空調負荷の大きい第２範囲では０．５Ｈｚやそれ以上の広い間隔で切り替えステップ数を第１範囲よりも減らしてより迅速に設定温度付近まで室温を調整できるようにしてもよい。

各実施形態では２シリンダ構成の圧縮機３を例示したが、３シリンダや４シリンダ等、ｎ個の複数のシリンダを備える構成であってもよい。その場合、実施形態のようにそれぞれのシリンダ数に応じて運転周波数の調整範囲を第１〜第ｎ範囲のように設定し、第１範囲の調整間隔を、第ｎ範囲の調整間隔よりも小さくしたり、第１範囲の最大値を第ｎ範囲の最小値よりも大とし、且つ、第１範囲の最大値よりも第ｎ範囲の最大値を大としたり、第１範囲の最大値に当該調整範囲で使用されるシリンダ数を乗じた値を、第ｎ範囲の最小値よりも大としたりすることで、各実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、例えば第１〜第３範囲が設定されている場合、第１範囲の調整間隔を第２範囲の調整間隔よりも小さくし、第２範囲の調整間隔を第３範囲の調整間隔よりも小さくしてもよいし、第１範囲の最大値に当該調整範囲で使用されるシリンダ数（１個）を乗じた値を第２範囲の最小値よりも大とし、第２範囲の最大値に当該調整範囲で使用されるシリンダ数（２個）を乗じた値を第３範囲の最小値よりも大としたりしてもよい。他の設定についても同様である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は空気調和機、１ａは室内機、１ｂは室外機、２は制御部、２ａはインバータ回路、３は圧縮機、６は圧縮機構部、７は上部シリンダ（シリンダ）、８は下部シリンダ（シリンダ）を示す。

Claims

一対の室内機および室外機から構成され、インバータ制御により運転能力を可変な分離型の空気調和機であって、
前記室外機は、運転時に用いるシリンダ数を可変とする圧縮機を有しており、
前記シリンダ数が最小の状態で前記圧縮機を運転する際の運転周波数の調整間隔を、前記シリンダ数が最大の状態で前記圧縮機を運転する際の運転周波数の調整間隔よりも小さくしたことを特徴とする空気調和機。
前記シリンダ数が最小の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最大値を、前記シリンダ数が最大の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最小値よりも大とし、且つ、前記シリンダ数が最小の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最大値よりも、前記シリンダ数が最大の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最大値を大とすることを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
前記シリンダ数が最小の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最大値にシリンダ数を乗じた値を、前記シリンダ数が最大の状態で前記圧縮機を運転する際における運転周波数の調整範囲の最小値よりも大としたことを特徴とする請求項１または２記載の空気調和機。