JP3625816B2 - 空気調和機の起動制御システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和機に係り、さらに詳しくはパルス幅変調方式の圧縮機を採用した空気調和機の安全起動制御システム及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
建物の大型化に伴って一台の室外器に多数台の室内器が連結された形態のマルチエアコン(Multi−airconditioner)に対する要求が高まりつつある。マルチエアコンは室外器と室内器が割合遠く離れて設けられるため、室外器と室内器とを連結する冷媒管が延びて冷媒充填量が多く、起動時圧縮機への液冷媒の流入可能性が高まる。
【0003】
特に、マルチエアコンの運転中にいずれの室内器の電源を急に遮断すれば液冷媒の流入可能性はさらに高まる。運転中の室内器の電源をリモコンを使用せず急に遮断すれば室内器を構成している電動膨張バルブに電源供給が中断するので、電動膨張バルブが閉らなくなって凝縮器と電動膨張バルブとの間の冷媒管に存する高圧の液冷媒が電動膨張バルブと蒸発器を経て蒸発されないまま圧縮機または圧縮機上流のアキュムレーターに流入される。
【0004】
このような現象は、高圧側と低圧側の圧力平衡ばなされるまで続くが、圧縮機に流入された液冷媒は圧縮機内のオイルと混合されオイルの濃度を薄めて、圧縮機の起動時摩擦部の潤滑を阻害するので結局圧縮機の損傷を招く。
【0005】
一方、マルチエアコンの場合は大きい冷房要求能力を要するのみならず、運転する室内器と運転しない室内器が頻繁に変るため、冷房要求能力が変る。このような要求に応じてマルチエアコンでは大容量でありながら能力可変が可能な回転数可変型圧縮機が使用される。このような回転数可変型圧縮機は、インバータ制御を通してモータに印加される電流の周波数を変らせてモータの回転数を制御することで圧縮機の容量を冷房要求能力の変化に適するよう調整する。しかし、従来の回転数可変型圧縮機は冷房要求能力により回転中のモータを直接に制御すべきなので、良好な応答性と正確性によりモータの回転数を制御し難い問題点があった。また、モータの回転数が頻繁に変るため、これによる振動と騒音が発生してモータと圧縮機の寿命が縮まり、全体的に機械的信頼性が劣化する問題点があった。
【0006】
また、モータに印加される電流の周波数を変換させるためには高価で複雑な構造の回路装置を要するのみならず消費電力が大きいため、一般の圧縮機より効率に劣る短所もあった。特に、回転数可変型圧縮機では、最初投入された商用のAC入力電源はコンバータでDC電源に変り、再びコンバータで必要とする周波数のAC電源に変るなど数回にかけて入力電源の変化過程が要求されるため、回路構成が極めて複雑になり電子ノイズが多量発生する。
【0007】
そして、回転数可変型圧縮機は大容量では制御し難く、効率が劣化し、全体サイズが大きくなり、コストアップになるなど問題があるため、一台の回転数可変型圧縮機で大容量の要求条件を満たし難い。従って、大容量の要求条件下では2台以上の圧縮機を使用し、この場合通常回転数可変型圧縮機と共にモータが一定速度で回転する標準型圧縮機を共用するようになる。このように複数の圧縮機を使用する場合、室外器の全体サイズが極めて大きくなり、よって取り扱いが困難であった。
【0008】
他の形態の能力可変型圧縮機としてパルス幅変調方式の圧縮機(Pulse Width Modulated Compressor)がアメリカ特許6、047、557号と日本特開平8−334094号に開示されている。しかし、このような圧縮機は、多数の冷蔵室または冷凍室を有する冷蔵システムに使用されるもので、圧縮機と蒸発器との間の冷媒管が短い短配管に使用されることを前提にしている。従って、長配管になることが避けられず、また制御環境が冷蔵システムとは違う建物の空気調和システムにはそのまま適用し難い。また、前述した先行技術にはパルス幅変調方式の圧縮機をマルチエアコンに応用するための制御システムや制御方法、特に起動を迅速で安全に行うための制御システムや制御方法は全く開示されていない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
発明は前述した背景下でなされたもので、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を採用すると同時に、圧縮機の起動を迅速で安全に行える空気調和機の起動制御システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0010】
本発明の他の目的は、パルス幅変調方式の圧縮機を採用した空気調和機において起動時液冷媒の流入を最大限防止できる空気調和機の起動制御システム及びその制御方法を提供するところにある。
【0011】
前述した目的を達成するための本発明の空気調和機の起動制御システムは、パルス幅変調方式で制御される圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を膨張させる電動膨張バルブと、前記圧縮機の吐出側と前記膨張器の流入側とを連結させる高圧管と、前記膨張器の流出側と前記圧縮機の吸引側とを連結させる低圧管と、一端は前記高圧管に連結され他端は前記低圧管に連結されたバイパス管と、該バイパス管の中途に設けられ前記バイパス管に流れる流体の流量を調節する流量調節バルブと、前記圧縮機の起動時、前記電動膨張バルブは閉め前記流量調節バルブを開けるよう前記電動膨張バルブと前記流量調節バルブの駆動を制御し、正常運転時より短周期のデューティ制御信号を発して前記圧縮機を制御する圧縮機制御部と、を備える。
【0012】
そして、本発明に係る空気調和機の起動制御システムは、パルス幅変調方式で制御される圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を膨張させる電動膨張バルブと、前記圧縮機の吐出側と前記膨張器の流入側とを連結させる高圧管と、前記膨張器の流出側と前記圧縮機の吸引側とを連結させる低圧管と、一端は前記高圧管に連結され他端は前記低圧管に連結されたバイパス管と、該バイパス管の中途に設けられ前記バイパス管に流れる流体の流量を調節する流量調節バルブと、前記圧縮機の起動時液冷媒が前記圧縮機に流入されることを防止するよう前記流量調節バルブと前記電動膨張バルブ及び前記圧縮機を制御する制御部と、を備える。
【0013】
また、本発明の空気調和機の起動制御方法は、パルス幅変調方式で制御される圧縮機に起動信号が入ってきたのかを判断する段階と、該段階で起動信号が入ってきたら電動膨張バルブを閉め前記圧縮機の吐出側と吸引側賭を連結するバイパス管の流量調節バルブを開けた状態に前記圧縮機を運転させる起動運転段階と、該起動運転中に所定時間が経過されたのかを判断する段階と、該段階で所定時間が経過されたら起動運転を終了する段階と、を備える。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例を詳述する。図1は本発明に係る空気調和機のサイクル構成図である。本発明の空気調和機1は閉回路を構成するよう冷媒管により順次に連結された圧縮機2と、凝縮器3と、電動膨張バルブ4と、蒸発器5と、を備える。冷媒管のうち圧縮機2の吐出側と電動膨張バルブ4の流入側とを連結する冷媒管は圧縮機2から吐出された高圧冷媒の流れを案内する高圧管6であり、電動膨張バルブ4の流出側と圧縮機2の吸引側とを連結する冷媒管は電動膨張バルブ4から膨張された低圧冷媒の流れを案内する低圧管7である。凝縮器3は高圧管6の中途に設けられ、蒸発器5は低圧管7の中途に設けられる。圧縮機2が運転すれば冷媒は実線矢印方向に流れる。
【0015】
一方、本発明の空気調和機1は、室外器8と室内器9を備える。室外器8は前述した圧縮機2と凝縮器3を備え、圧縮機2の上流の低圧管7に設けられたアキュムレーター10と凝縮器3の下流の高圧管6に設けられたレシーバ11を含む。アキュムレーター10は蒸発器5で今だ蒸発できなかった液冷媒を集めて気化させ圧縮機2に流入させるよう働く。すなわち、蒸発器5で完全な蒸発がなされない場合アキュムレーター10に流れ込む冷媒は液体と気体状態の混合であるが、アキュムレーター10は液状の冷媒を気化させ気体状態の冷媒(ガス冷媒)だけを圧縮機に吸引させる。このため、アキュムレーター10の内部の冷媒管の入口端と冷媒管の出口端はアキュムレーター10内の上部に置かれることが望ましい。
【0016】
類似に、凝縮器3で完全な凝縮がなされない場合、レシーバ11に流れ込む冷媒は液相と気相の混合である。レシーバ11は液状の冷媒と気体状態の冷媒を分離して液状の冷媒だけを流出するよう構成されるが、このためレシーバ11の内部の冷媒管の入口端と出口端はレシーバ11の内部の下側まで延びる。
【0017】
レシーバ11の内部の気体状態の冷媒をバイパッシングするためにレシーバ11とアキュムレーター10の上流の低圧管7とを連結するベントバイパス管12が設けられる。ベントバイパス管12の入口端はレシーバ11の上側に設けられ気体状態の冷媒だけを流入させ、中途には流量調節バルブとしてベントバルブ13が設けられバイパッシングされるガス冷媒の流量を調節する。二点鎖線矢印はベントバイパス管12を流れるガス冷媒の流動方向を示す。
【0018】
レシーバ11から張り出された高圧管はアキュムレーター10を通過するよう構成される。これは、この高圧管を通過する相対的に高い温度の冷媒を用いてアキュムレーター10内の低温の液状の冷媒を気化させるためのである。アキュムレーター10における気化を効率よく行うためにアキュムレーター10の内部の低圧冷媒管はU字形に形成され、アキュムレーター10を通過する高圧冷媒管はU字形の低圧冷媒管の内部を通過するよう配される。
【0019】
また、室外器8は、圧縮機2と凝縮器3との間の高圧管とアキュムレーター10とを連結するホットガスバイパス管14と、レシーバ11の下流とアキュムレーター10の上流を連結するリキッドバイパス管15と、を備える。ホットガスバイパス管14の中途には流量調節バルブの一つであるホットガスバルブ16が設けられバイパスされるホットガスの流量を調節し、リキッドバイパス管15の中途にはリキッドバルブ17が設けられバイパスされる液冷媒の流量を調節する。従って、ホットガスバルブ16が開放されれば、圧縮機2から出てきたホットガスの一部はホットガスバイパス管14に沿って点線矢印方向に流れ、リキッドバルブ17が開放されれば、レシーバ11から出てきた液冷媒の一部はリキッドバイパス管15に沿って一点鎖線矢印方向に流れる。
【0020】
室内器9は多数台が並列に配され、各室内器9は電動膨張バルブ4と蒸発器5を含む。従って、一台の室外器8に多数台の室内器9が連結された形態を取る。そして各室内器9の容量と形態は異同に拘らない。
【0021】
図2a及び図2bに示した通り、圧縮機としてはパルス幅変調方式で制御される能力可変型圧縮機2が使用される。圧縮機2は、吸引口18と吐出口19が設けられたケーシング20と、該ケーシング20の内部に設けられたモータ21と、該モータ21の回転力を受けて回転する旋回スクロール22と、旋回スクロール22の間に圧縮室23を形成する固定スクロール24と、を備える。ケーシング20には固定スクロール24の上側と吸引口18とを連結するバイパス管25が設けられ、該バイパス管25にはソレノイドバルブ形態のPWMバルブ26が設けられる。図2aはPWMバルブ26がオフされバイパス管25を塞いでいる状態を示した図であって、この状態では圧縮機2は圧縮された冷媒を吐出する。このような状態をローディング(loading)とし、この際圧縮機2は100%の容量で運転する。図2bはPWMバルブ26がオンされバイパス管25を開けている状態を示した図であって、この際冷媒は圧縮機2から吐出しない。このような状態をアンローディング(unloading)とし、圧縮機2は0%の容量で運転する。ローディング状態やらアンローディング状態やら圧縮機2には電源が供給され、モータ21は一定速度で回転する。圧縮機2に電源供給が遮断されればモータ21は回転せず圧縮機2の運転は止まる。
【0022】
図3に示した通り、圧縮機2は運転中に一定周期でローディングとアンローディングを反復する。そして各周期でローディングタイムとアンローディングタイムは冷房要求能力により変り、ローディングタイムにおいて圧縮機2は冷媒を吐出するので蒸発器5の温度は下降し、アンローディングタイムで圧縮機2は冷媒を吐出しないため蒸発器5の温度は上昇する。図3において斜線を引いた部分の面積は冷媒吐出量を示す。ローディングタイムとアンローディングタイムを制御する信号をデューティ制御信号と呼ぶ。本発明の実施例において周期は一定に、例えば20秒に定めて置き、室内器9の総冷房要求能力によりローディングタイムとアンローディングタイムを変らせて圧縮機2の能力を可変させる方式を取る。
【0023】
図4は本発明に係る空気調和機の制御システムのブロック図である。図4に示した通り、室外器8は圧縮機2及びPWMバルブ26と信号伝達が可能なように連結された室外制御部27と、を備える。室外制御部27は室外通信回路部28と連結されデータを送受信し、ベントバルブ13とホットガスバルブ16、それからリキッドバルブ17と連結され、必要に応じてこれらバルブを駆動制御する。各室内器9は室内制御部29を備え、該室内制御部29の入力ポートには温度検知部30と温度設定部31が連結され、出力ポートには電動膨張バルブ4が連結される。温度検知部30は調和空間である室内の温度をセンシングする温度センサであり、温度検知部30によりセンシングされた温度に基づき冷房要求能力が算出される。各室内器9は室内制御部29とデータ送受信が可能なように連結された室内通信回路部32を備える。室外通信回路部28と室内通信回路部32は有線または無線でデータ送受信が可能なように設けられている。
【0024】
本発明において圧縮機2の運転は正常運転と起動運転とに区分される。正常運転は圧縮機に電源が印加されており、起動が完了された状態で室内器から転送されたきた冷房要求能力により圧縮機が運転されることを指し、起動運転は圧縮機に起動信号が入ってくる場合起動のために行われる運転を指す。
【0025】
正常運転モードにおいて室内制御部29は温度検知部30及び温度設定部31から信号を受けて室内温度と設定温度との差に基づき室内器9の冷房要求能力を算出する。また、室内制御部29は自分の冷房能力情報を有しており、冷房要求能力を算出する際室内温度と設定温度との差及び自分の冷房能力の両者に基づき冷房要求能力を算出することもできる。このように算出された各室内器の冷房要求能力は通信回路部28、32を通して室外制御部27に転送され、室外制御部27は各室内器9の冷房要求能力を合算した総冷房要求能力を計算して、総冷房要求能力により予め定められた圧縮機2のローディングタイムとアンローディングタイムで圧縮機を運転する。
【0026】
図5を参照して起動運転に入る前の圧力平衡過程を及び起動運転を説明する。まず、室外制御部27の制御下で圧縮機2が停止されているのかを判断して(S101)、圧縮機2が停止状態ならば電動膨張バルブ4とベントバルブ13を完全に開放する(S102)。この状態で30秒が経過されたかを判断して(S103)、30秒が経過されたらホットガスバルブ16を開放する( S104 )。次いで、ホットガスバルブが開放された後2分30秒(電動膨張バルブ4とベントバルブ13を開放した後3分)が経過したのかを判断する(S105)。3分経過されたら電動膨張バルブ4、ベントバルブ13、ホットガスバルブ16を閉める(S106)。このように3分間の圧力平衡過程を経ることは、サイクル内の高圧と低圧の平衡を取らせて圧縮機の作動初期の起動負荷を軽減させるためである。ここで、3分はサイクル内の高圧と低圧の平衡を取らせるために必要な時間なのでシステムにより変りうる時間である。
【0027】
次いで、起動運転を説明する。起動運転も室外制御部27の制御下に行われ、まず圧縮機2の起動信号が入ってきたかを判断して(S107)、起動信号が入ってきたら圧縮機2を運転し、電動膨張バルブ4は閉じ、ホットガスバルブ16とベントバルブ13は開放する(S108)。この際、圧縮機2を制御するためのデューティ制御信号の周期は正常運転におけるデューティ制御信号の周期より短くする。このように起動運転の周期を正常運転の周期より短くすることは、正常運転周期で起動する場合圧力変動がひどくなって圧縮機の信頼性に影響を与え安全な起動を実現し難いからである。また、正常運転中のアンローディングタイムが長い場合、起動するのに割合長時間かかる問題があり、ローディングタイムが長い場合は圧力降下がひどくなることは勿論、アキュムレーター10から圧縮機2に液冷媒の流入可能性があるため、ローディングタイムを割合短くしつつ頻繁にローディングさせることにより起動を迅速で安全に行えるからである。本実施例において起動運転の周期は正常運転周期の20〜80%であり、50%が最も望ましい。起動運転周期の下限を20%にすることはローディングタイムとアンローディングタイムが普通秒単位になされ、可能な最小周期を縮めるのに限界があるからであり、上限を80%にする理由は80%以上にする場合周期短縮の効果がほぼないからである。従って、正常運転の周期が20秒の場合は起動運転の周期は4秒ないし16秒になり、最適の周期は10秒になる。
【0028】
また、起動運転で圧縮機は20〜50%のモジュレーション(Modulation)で運転するが、20%のモジュレーションとは圧縮機が2秒のローディングタイムと8秒アンローディングタイムで運転することを指し、50%のモジュレーションとは圧縮機が5秒のローディングタイムと5秒のアンローディングタイムで運転することを指す。最適には30%のモジュレーションであり、この場合ローディングタイムとアンローディングタイムの比は3:7である。このように起動運転を50%以下のモジュレーションにする理由は、起動運転は正常運転でないためモジュレーションを高めるのに限界があり、低温起動でモジュレーションを高める場合圧力降下が甚だしくて圧縮機の信頼性に影響を与えるからである。
【0029】
起動運転中に全ての電動膨張バルブ4を閉める理由は、起動初期に凝縮器3を経たレシーバ11と蒸発器5内の液冷媒がアキュムレター10に一時に流入され圧縮機2に吸引されることを防止するためである。また電動膨張バルブ4を閉めることにより蒸発器5と圧縮機2の間の冷媒管の内部と圧縮機2の吸引部を迅速に低圧状態にさせることにより迅速な起動を実現できる。
【0030】
一方、全ての電動膨張バルブ4を閉め圧縮機2を運転すれば、電動膨張バルブ4と圧縮機2との間の冷媒圧力の降下が甚だしく起り、正常な冷媒の循環がなされないため、圧縮機2が過熱する原因になる。従って、ホットガスバルブ16を開けて圧縮機2の吐出側とアキュムレーター10の上流側の低圧管とを連結させる。すると、圧縮機2から出てきたホットガスの一部がアキュムレーター10に流入されることによりアキュムレーター10部分の冷媒圧力が甚だしく降下されることを防止し圧縮機2が正常に作動する。
【0031】
また、全ての電動膨張バルブ4が閉っている状態では冷媒の循環が正常になされないため、凝縮器3で凝縮された冷媒が迅速にレシーバ11の内部に流入できなくなる。従って、ベントバルブ13を開けてレシーバ11内のガス冷媒を低圧側に抜き取ることにより液冷媒をレシーバ11に迅速に流入させて円滑な起動を実現する。
【0032】
参考に、リキッドバルブ17は圧縮機2に吸込まれる冷媒の過熱度が高くて液体成分を補充する必要がある時開放する。
【0033】
一方、段階108は約1〜5分間、望ましくは1分間行われる。すなわち、段階108を行う間に1分が経過されたかを判断して(S109)、1分が経過されたならば起動運転を終了し、そうでない場合は引き続き段階108を行う。このような起動運転の時間は起動運転の所期の目的を達成しつつできるだけ迅速に冷房運転を開始するのに適した時間に定められる。安全起動のみを考慮する場合、十分な時間中起動運転を行うことが望ましいが、その場合は正常運転、すなわち冷房運転の開始時期が遅くなるので、本実施例ではこの時間を1分にし、冷房運転がやや遅れても安全起動に焦点を合わせる場合は5分までも可能である。
【0034】
以上述べた通り、本発明に係る空気調和機の起動制御システム及びその制御方法によれば、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を採用し電動膨張バルブと流量調節バルブであるホットガスバルブ、ベントバルブの開閉を適切に調節することにより圧縮機の起動を迅速で安全に行える。また、圧縮機の起動時液冷媒の流入を最大限防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る空気調和機の起動制御システムの冷凍サイクル構成図である。
【図2a】本発明の空気調和機に採用されたパルス幅変調方式の圧縮機のローディング状態を示した図である。
【図2b】アンローディング状態を示した図である。
【図3】図2の圧縮機の運転中にローディング及びアンローディングと冷媒吐出量との関係を示した図である。
【図4】本発明に係る空気調和機の起動制御システムの全体ブロック図である。
【図5】本発明に係る空気調和機の起動制御過程を示した流れ図である。
【符号の説明】
2 圧縮機
4 電動膨張バルブ
5 蒸発器
8 室外器
9 室内器
13 ベントバルブ
16 ホットガスバルブ
17 リキッドバルブ
26 PWMバルブ
27 室外制御部
Claims (11)
- デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を膨張させる電動膨張バルブと、
前記圧縮機の吐出側と前記電動膨張バルブの流入側とを連結させる高圧管と、
前記電動膨張バルブの流出側と前記圧縮機の吸引側とを連結させる低圧管と、
一端は前記高圧管に連結され、他端は前記低圧管に連結されたバイパス管と、
該バイパス管の中途に設けられ前記バイパス管に流れる流体の流量を調節する流量調節バルブと、
前記圧縮機の起動時、前記電動膨張バルブは閉め前記流量調節バルブを開けるよう前記電動膨張バルブと前記流量調節バルブの駆動を制御し、正常運転時より短周期のデューティ制御信号を発して前記圧縮機を制御する制御部と、を備える空気調和機の起動制御システム。 - 前記低圧管の中途にはアキュムレーターが設けられ、前記バイパス管は前記圧縮機と前記凝縮器との間の高圧管と前記アキュムレーターとを連結するホットガスバイパス管であり、前記流量調節バルブは前記ホットガスバイパス管に設けられたホットガスバルブであることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- 前記低圧管の中途にはアキュムレーターが設けられ、前記凝縮器の下流の高圧管にはレシーバが設けられ、前記バイパス管は前記レシーバと前記アキュムレーターの上流側とを連結するベントバイパス管であり、前記流量調節バルブは前記ベントバイパス管に設けられたベントバルブであることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- 前記圧縮機の起動運転中のデューティ制御信号の周期は、前記圧縮機の正常運転中のデューティ制御信号周期の20〜80%であることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- 前記圧縮機起動運転中のローディングタイムとアンローディングタイムの比は2:8〜5:5であることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- 前記圧縮機の起動運転は、1〜5分間行われることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- 前記圧縮機の起動運転中のデューティ制御信号の周期は4〜16秒であることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の起動制御システム。
- デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機に起動信号が入ってきたのかを判断する段階と、
前記段階において起動信号が入ってきたら電動膨張バルブを閉め前記圧縮機の吐出側と吸引側とを連結するバイパス管の流量調節バルブを開けたまま前記圧縮機を所定時間中運転させる起動運転段階と、を備え、
前記起動運転段階は、正常運転より短周期のデューティ制御信号で前記圧縮機を運転させることを特徴とする空気調和機の起動制御方法。 - 前記起動運転段階において前記圧縮機のデューティ制御信号の周期は正常運転のデューティ制御信号周期の20〜80%であることを特徴とする請求項8に記載の空気調和機の起動制御方法。
- 前記起動運転段階で前記圧縮機のローディングタイムとアンローディングタイムの比は2:8〜5:5であることを特徴とする請求項8に記載の空気調和機の起動制御方法。
- 前記起動運転は1〜5分間行うことを特徴とする請求項8に記載の空気調和機の起動制御方法。
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