JP2019066156A - 空気調和装置および鉄道車両用空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなうなり音は、各誘導電動機の回転速度の差が大きいほど、その周波数が大きくなることが知られている。うなり音は、周波数がある程度大きくなると、連続音としてしか知覚されず、うなり音としては知覚され難い。そこで、各誘導電動機を意図的に異なる周波数で駆動する空気調和装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
図1〜図7を参照しながら、本発明の実施の形態1にかかる空気調和装置100について説明する。本実施の形態にかかる空気調和装置100は、図1に示すように、冷媒が循環する独立した2系統の冷媒管路(冷媒管路20a,冷媒管路20b)を備える。なお、空気調和装置100は、鉄道車両に適用することが好ましいが、鉄道車両以外の車両や船舶等に適用することもできる。
冷媒管路20aを循環する冷媒は、圧縮機1aで圧縮されて高温高圧のガス状となり、室外熱交換器3aで凝縮液化した後、膨張弁2aで膨張され、減圧されることで低温低圧の二相状態となり、室内熱交換器4aで蒸発ガス化して圧縮機1aに戻る。室内空気は、室内熱交換器4aを通過する際、低温の冷媒と熱交換を行って低温の空気となり室内に供給される。
冷媒管路20aを循環する冷媒は、圧縮機1aで圧縮されて高温高圧のガス状となり、室内熱交換器4aで凝縮液化した後、膨張弁2aで膨張され、減圧されることで低温低圧の二相状態となり、室外熱交換器3aで蒸発ガス化して圧縮機1aに戻る。室内空気は、室内熱交換器4aを通過する際、高温の冷媒と熱交換を行って高温の空気となり室内に供給される。
なお、本実施の形態では、空気調和装置100の運転開始時など、実測温度T1と実測温度T2が等しく、PI制御により、三相誘導電動機8aおよび三相誘導電動機8bに等しい周波数(以下、基本周波数f0)の交流電圧を印加する場合、すなわち、三相誘導電動機8aおよび三相誘導電動機8bを等しい周波数で駆動する場合について説明する。
加速度センサ5aは、三相誘導電動機8aの加速度の測定結果を制御装置11に出力する。
同図3に示すように、負荷「0」の状況の下、周波数60Hzの交流電圧を印加した場合、三相誘導電動機8aおよび三相誘導電動機8bは、いずれも同期速度N0で回転する。一般に、三相誘導電動機の極数をpとし、三相誘導電動機に印加される交流電圧の周波数をfとすると、同期速度N0は、2f/p(rps)となる。
N1=(1−s1)N0・・・(1)
N2=(1−s2)N0・・・(2)
一方、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2の差が大きいほどうなり音の周波数は大きくなる。すなわち、図4(c)に示す周期Taは短くなる。
うなり音の周波数が大きい場合は、連続音として知覚され、うなり音としては知覚されない。うなり音の周波数が小さくなるに従ってうなり音として知覚されるようになり、所定の周波数(例えば、4〜10Hz)にあるときに最も強い不快感を与える。そして、上記所定の周波数よりも小さい範囲においては、周波数が小さいほど知覚に与える不快感は小さくなる。
制御装置11は、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2の差の絶対値に関して、設定差α1よりも大きく且つ設定差α2未満の範囲を所定範囲Aとし、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2の差の絶対値が所定範囲Aにあるか否かを判断する。
三相誘導電動機駆動周波数導出部101bは、偏差ε2に基づいてPI(比例積分)制御により三相誘導電動機8bを駆動する基本周波数f0を算出して、インバータ10bに出力する。インバータ10bは、電源50から供給される電力の周波数を基本周波数f0に変換して、三相誘導電動機8bに供給する。
同様に、加速度センサ5bは、三相誘導電動機8bの加速度を測定し、その結果を分析機106bに出力する。分析機106bは、加速度センサ5bの測定結果を周波数分析することで、三相誘導電動機8bの単位時間(秒)当たりの回転数(第2の回転速度N2)を算出してすべり量算出部102bおよび演算部103に出力する。
このとき、制御装置11は、上述した基本周波数f0(例えば、60Hz)で三相誘導電動機8aおよび三相誘導電動機8bを駆動する(ステップS10)。
s1=(f0−pN1/2)/f0・・・(3)
s2=(f0−pN2/2)/f0・・・(4)
Δf=(s1−s2)/(s1+s2)×f0・・・(5a)
Δf=(s2−s1)/(s1+s2)×f0・・・(5b)
上述したように、上記式(5a)が適用されるのは、第1の回転速度N1の方が第2の回転速度N2より小さく、第1のすべり量s1の方が第2のすべり量s2よりも大きい場合である。
(1−s1)×(N0+ΔN)=(1−s2)×(N0−ΔN)・・・(6)
ΔN=(s1−s2)/(s1+s2)×N0・・・(7)
上記式(7)を基本周波数に置き換えることで、上記式(5a)が導かれる。
このように、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2とを同一の値(Nc)に移行させることができる。すなわち、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2との差を「0」とするように、基本周波数f0を補正することができる。
・本実施の形態では、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2の差が所定範囲Aにある場合、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2との差が閾値α1未満である「0」となるように、補正値Δfを用いて基本周波数f0を補正する。このため、第1の回転速度N1と第2の回転速度N2の差に起因して、知覚に不快感を与える周波数のうなり音が発生することを抑制することができる。また、圧縮機1aと圧縮機1bの吐出量に差が発生することを抑制することができるため、空気調和装置100から吹き出される空気の温度分布にばらつきが生じることを抑制することができる。特に、鉄道車両では、乗客の近辺に圧縮機1aおよび圧縮機1bが配置されるため、鉄道車両に設けられた空気調和装置100から発生するうなり音が乗客に与える不快感は、鉄道車両以外に設けられた空気調和装置から発生するうなり音がユーザに与える不快感よりも大きくなる場合が多い。この点、本実施の形態では、上述した所定の周波数のうなり音の発生を抑制することができるため、より効果的に、乗客に与える不快感を低減することができるようになる。
実施の形態2の空気調和装置100の制御方法について、先の図1〜8の他、更に図9を併せ参照して説明する。なお、特に断りの無い場合、同一符号は同一の構成を示し、実施の形態1と同様の処理については、同一のステップ番号を付すことによりその詳細な説明を適宜割愛する。
一方、所定期間P1が経過したと判断する場合(ステップS21;YES)、第1の回転速度N1および第2の回転速度N2を算出する(ステップS22)。
実施の形態3の空気調和装置100の制御方法について、先の図2、3の他、更に図10〜13を併せ参照して説明する。なお、特に断りの無い場合、同一符号は同一の構成を示し、実施の形態1と同様の処理については、同一のステップ番号を付すことによりその詳細な説明を適宜割愛する。
図11(a)に、騒音センサ60が検出する波形の一例として、三相誘導電動機8aから生じる騒音の波形と三相誘導電動機8bから生じる騒音の波形を合成した波形を示す。
図11(c)に示すように、1フレーム(例えば、1秒)に、うなり音の波形が5個検出される場合、三相誘導電動機8aと三相誘導電動機8bの回転速度の差は、5Hz(または5rps)となる。
三相誘導電動機駆動周波数導出部101bは、偏差ε2に基づいて、PI(比例積分)制御により、三相誘導電動機8bの基本周波数f0を算出し、インバータ10bに出力する。インバータ10bは、電源50から供給される電力の周波数を基本周波数f0に変換して三相誘導電動機8bに供給する。
Δf=(p/2×n)/2・・・(9)
まず、制御装置11は、上述した偏差ε1および偏差ε2に基づいて定められる基本周波数f0(例えば、60Hz)の交流電圧を三相誘導電動機8aおよび三相誘導電動機8bに印加する(ステップS10)。
うなり音は、圧縮機1aおよび圧縮機1bから生じる騒音が合成されたものであるため、その大きさは、うなり音が発生していない通常時よりも大きくなる。そこで、本実施の形態では、事前試験やシミュレーションなどにより、うなり音が発生している状況において検出される騒音レベルと、通常時の騒音レベルとの差を予め求めておき、この差に基づいて所定値γを設定する。所定値γは、駆動モードごとに異なる値を設定してもよい。
一方、騒音レベルが所定値γ以上であると判断する場合(ステップS40;YES)、ステップS41に進み、補正値Δf(=(p/2×n)/2)を算出する。
一方、騒音レベルが所定値γ以上であると判断する場合(ステップS45;NO)、ステップS42,43で基本周波数f0を補正しても、うなり音が発生する状況は改善されなかったことを意味する。すなわち、ステップS42,43では、三相誘導電動機8aの回転速度の方が三相誘導電動機8bの回転速度よりも大きいと仮定して基本周波数f0を補正したが、補正後の騒音レベルが依然として所定値γ以上である場合は、上記ステップS42,43での仮定が誤りであり、実際には、三相誘導電動機8aの回転速度の方が三相誘導電動機8bの回転速度よりも小さかったと考えられる。
・騒音センサ60の検出値に基づいてうなり音の発生を抑制することができるため、コストの低減を図ることができる。
・上記実施の形態2では、第1の指令周波数f1と第2の指令周波数f2を異なる値に設定した場合に図9に示した制御処理を実施すると説明したが、第1の指令周波数f1と第2の指令周波数f2を同一の値に設定した場合に同図9に示した制御処理を実施してもよい。
Claims (6)
- 冷媒を圧縮して吐出する複数の圧縮機と、前記複数の圧縮機にそれぞれ設けられる複数の誘導電動機と、前記複数の誘導電動機に印加する交流電圧の周波数を駆動周波数として導出する導出手段と、供給電源の周波数を前記駆動周波数に変換し前記複数の誘導電動機に出力するインバータとを有する空気調和装置であって、
前記複数の誘導電動機の回転速度を測定する回転速度測定手段と、前記複数の誘導電動機の回転速度の差が、予め定められた周波数のうなり音が発生する範囲にあるか否かを判断する判断手段とを備え、
前記導出手段は、前記判断手段にて前記複数の誘導電動機の回転速度の差が前記範囲にあると判断されると、前記複数の誘導電動機の回転速度の差が前記範囲の下限値未満となるように、前記駆動周波数を補正する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 請求項1に記載の空気調和装置であって、
前記導出手段は、前記回転速度測定手段の測定結果に基づいて算出された補正値を用いて、前記駆動周波数を補正する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 冷媒を圧縮して吐出する複数の圧縮機と、前記複数の圧縮機にそれぞれ設けられる複数の誘導電動機と、前記複数の誘導電動機に印加する交流電圧の周波数を駆動周波数として導出する導出手段と、供給電源の周波数を前記駆動周波数に変換し前記複数の誘導電動機に出力するインバータとを有する空気調和装置であって、
当該空気調和装置が設置されている空間の騒音を測定する騒音測定手段と、前記騒音測定手段にて測定された前記騒音値が予め定められた騒音値以上であるか否かを判断する判断手段を備え、
前記導出手段は、前記判断手段にて前記騒音測定手段にて測定された騒音値が前記予め定められた騒音値以上であると判断されると、前記騒音測定手段にて測定された騒音値が前記予め定められた騒音値未満となるように、前記駆動周波数を補正する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 請求項3に記載の空気調和装置であって、
前記導出手段は、前記騒音測定手段の測定結果に基づいて算出された補正値を用いて、前記駆動周波数を補正する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 請求項1または3に記載の空気調和装置であって、
前記導出手段は、予め定められた補正値を用いて前記駆動周波数を補正する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の空気調和装置を車両に搭載したことを特徴とする鉄道車両用空気調和装置。
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