JP3688268B2 - 空気調和機の室外ファン制御システム及びその制御方法 - Google Patents

空気調和機の室外ファン制御システム及びその制御方法 Download PDF

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Description

【0001】
【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室外ファン制御システム及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
空気調和機において凝縮器、すなわち室外側熱交換器は室外機に設けられ周囲に熱を放出させることにより冷媒を凝縮させる役割を果たす。この際、室外側熱交換器における熱交換量は送風ファンの回転速度と室外温度により変るが、このような熱交換量の変化は室内機の冷房能力に直接に影響を与える。
【0003】
特に、室外温度が低い場合は、冷媒と外気との温度差が大きいため、室外側熱交換器における熱交換量が増える。これにより、蒸発器、すなわち室内側熱交換器における冷媒の蒸発温度が低くなって、室内側熱交換器の表面が凍結する恐れがあり、その場合室内機の冷房能力が低下する。
【0004】
一方、室外温度が高ければ冷媒と外気との温度差が小さいため、室外側熱交換器における熱交換量は減る。従って、室内側熱交換器で蒸発温度が上昇し、よって室内側熱交換器における冷媒の熱交換量が減って室内機の冷房能力が低下する。
【0005】
従って、室外温度の高低にかかわらず室内機の冷房能力をさらに最上に維持させるためには、室外温度の変化により室外側熱交換器で熱交換量を適切に調節する必要がある。
【0006】
このため、従来の空気調和機では、室外温度の高低により室外ファンの回転速度を高速と低速の2段に調節した。これは、通常室外ファンが1つの場合のみならず、複数のファンの場合も同じである。すなわち、室外温度が低い場合は室外側熱交換器における熱交換量を減らすために複数の室外ファンを同時に低速で運転し、室外温度が高い場合は、室外側熱交換器における熱交換量を増やすために複数の室外ファンを同時に高速で運転した。
【0007】
しかし、前述したような従来の空気調和機の室外ファン制御方法によれば、室外温度のみを考慮して室外ファンを制御するため、インバータ圧縮機やPWM圧縮機のように経時的に冷媒圧縮及び吐出量が変化する場合は、室外側熱交換器における熱交換量を常に一定に調節できないという問題点があった。
【0008】
特に、PWM圧縮機の場合は、圧縮機の運転中も冷媒の吐出が周期的または間欠的になされる。即ち、圧縮機の運転中に冷媒の吐出があるローディング(loading)と冷媒の吐出のないアンローディング(unloading)が交代に起こるため、経時的に冷媒の圧縮量と吐出量は変り、よって室外側熱交換器を通して流れる冷媒量が変る。すなわち、ローディングタイムが相対的に短い場合は、室外側熱交換器に流れる冷媒量も相対的に少なくなるが、この際室外ファンの回転速度が一定な場合は、室外側熱交換器を流れる冷媒量に比べて相対的に過度な熱交換がなされる。
【0009】
従って、冷媒の過冷によって室内機の冷房能力が低下する。一方、ローディングタイムが相対的に長い場合は、室外側熱交換器に流れる冷媒の量も相対的に多くなるが、この際も室外ファンの回転速度が一定だとすれば室外側熱交換器を流れる冷媒量に比べて相対的に足りない熱交換がなされる。従って、冷媒の凝縮圧力の上昇によって室内機の冷房能力が低下する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した背景下になされたもので、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を採用した空気調和機において室外側熱交換器における熱交換量を適切に調節することにより、室内機の冷房能力を適切に発揮できる室外ファン制御システム及びその制御方法を提供することをその目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための本発明の空気調和機室外ファン制御システムは、運転中に冷媒の吐出量が変化されうる圧縮機と、該圧縮機と連結された室外熱交換器と、該室外熱交換器の近傍に設けられた室外ファンと、室外温度をセンシングするための室外温度センサと、該室外温度センサでセンシングした室外温度と前記圧縮機の冷媒吐出量により予め定められた運転モードで前記室外ファンの運転を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【0012】
また、本発明の空気調和機の室外ファン制御方法は、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を有する空気調和機の室外ファン制御方法において、室外温度を検出する段階と、前記圧縮機のローディングタイムを検出する段階と、前記段階で検出された前記室外温度と前記圧縮機のローディングタイムに基づき予め定められた運転モードで前記室外ファンを運転させる段階と、を備えることを特徴とする。
【0013】
【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、室外熱交換器3と、電動膨張バルブ4と、それから室内熱交換器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で膨張された低圧冷媒の流れを案内する低圧管7である。室外熱交換器3は高圧管6の途中に設けられ、室内熱交換器5は低圧管7の途中に設けられる。圧縮機2が運転すれば冷媒は実線矢印方向に流れる。
【0014】
一方、本発明の空気調和機1は、室外機8と室内機9を備える。室外機8は前述した圧縮機2と室外熱交換器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と室外熱交換器3の下流の高圧管6に設けられたレシーバ11を備える。アキュムレーター10は室内熱交換器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に流入させる役割を果たす。
【0015】
即ち、室内熱交換器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】
同様に、室外熱交換器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状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と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を連結させ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相の冷媒だけを流入させ、途中にはベントバルブ13が設けられレシーバ11内部の気体状態の冷媒のバイパッシングを調節する。従って、レシーバ11内部のガス冷媒はベントバルブ13の作動により二点鎖線矢印方向に流れる。
【0018】
レシーバ11から張り出される高圧管は、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温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、アキュムレーター10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字形低圧冷媒管の内部を通過するよう配される。
【0019】
また、室外機8は、圧縮機2から室外熱交換器3に至る高圧管6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の上流とを連結するリキッドバイパス管15を備える。ホットガスバイパス管14の中途にはホットガスバルブ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】
一方、室外機8は、室外熱交換器3の近傍に設けられた第1室外ファン36と第2室外ファン37を備える。第1室外ファン36と第2室外ファン37は、左右に並設され外気をして室外熱交換器3を通過させることにより室外熱交換器3で熱交換を可能にする。このような第1室外ファン36と第2室外ファン37は圧縮機2における冷媒吐出量及び外部条件により運転モードが決定される。これについては後述する。また、室外機8は室外温度を測定するための室外温度センサ33を備える。
【0021】
室内機9は多数台が並列に配され、各室内機9は電動膨張バルブ4と室内熱交換器5を備える。従って、一台の室外機8に多数台の室内機9が連結された形態を取る。そして各室内機9の容量と形態は異同に構わない。
【0022】
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が使われる。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との間に圧縮室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(Pulse Width Modulated Valve)26が設けられる。
【0023】
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から吐出されない。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。
【0024】
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繰り返す。そして各周期においてローディングタイムとアンローディングタイムは必要冷房能力により変り、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室内熱交換器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室内熱交換器5の温度は上昇する。
【0025】
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する。本発明の実施例において周期は、一定に、例えば20秒に定めておき、室内機9の総必要冷房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化させ圧縮機2の能力を可変させる方式を取る。
【0026】
図4は本発明に係る空気調和機制御システムのブロック図である。図4に示した通り、室外機8は圧縮機2及びPWMバルブ26と信号の伝達が可能なように連結された室外制御部27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する。また室外温度センサ33が室外制御部27の入力ポートに連結され、第1室外ファン36と第2室外ファン37をそれぞれ駆動する第1室外ファン駆動部34と第2室外ファン駆動部35が室外制御部27の出力ポートに連結される。室外制御部27は、室外温度センサ33から入力された室外温度データと圧縮機2のローディングタイムを確認して第1室外ファン駆動部34と第2室外ファン駆動部35を制御することにより、第1室外ファン36と第2室外ファン37を所定の運転モードで運転させる。
【0027】
各室内機9は、室内制御部29と室外機8との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。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る。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機9の必要冷房能力を算出する。このように算出された必要冷房能力により圧縮機2のローディングタイムが決定される。
【0028】
第1室外ファン36と第2室外ファン37はそれぞれ停止モード、低速モード、高速モードの3種の運転モードを有する。そして、2つのファンの組み合わせによる運転モードは次の通りである。
【0029】
【表1】
Figure 0003688268
【0030】
すなわち、2つのファンの組み合わせによる運転モードは6種である。本実施例では2つのファンを使用したが、1つのファンのみでも運転でき、この場合運転モードは停止、低速、高速の3種である。
【0031】
前記運転モードは室外温度と圧縮機2のローディングタイムにより予め定められる。表2は7.5馬力圧縮機2のデューティサイクル制御周期が20秒の場合室外温度とローディングタイムによる運転モードを示す。
【0032】
【表2】
Figure 0003688268
【0033】
前記表2から分かるように、運転モードは室外温度が高いほど圧縮機2のローディングタイムが延びるほど(圧縮機ローディングタイムが延びるほど圧縮機の冷媒吐出量が多くなる)第1室外ファン36と第2室外ファン37の回転速度を高める方向に設定される。
【0034】
図5を参照して室外ファン制御過程を説明する。まず、圧縮機2の運転が始まると室外制御部27は、室外温度及び圧縮機のローディングタイムを受信する(S101)。室外温度は室外温度センサ33により検出され、圧縮機2が運転される場合、室外制御部27は圧縮機2のローディングタイムに対する情報を有している。次いで、室外温度と圧縮機のローディングタイムにより運転モードを選択する(S102)。運転モードの選択は表2のように予め定められたまま6種のモードのうち一つとして選択された。
【0035】
次いで選択された運転モードを行う前に、第1室外ファン36や第2室外ファン37が停止状態に存するかを判断して(S103)、第1室外ファン36や第2室外ファン37が停止状態の場合は、その室外ファンを選択された運転モードを問わず高速で運転する(S104)。すなわち、第1室外ファン36と第2室外ファン37が全て停止状態ならばモード5で運転する。これは、室外ファン駆動モータの起動時のパワー補強のためであり、このような運転は2〜5秒(望ましくは3秒)間続ける。
【0036】
段階103において、室外ファンが停止状態でないと判断されたり段階104で3秒が経過すれば、段階102で選択された運転モードで室外ファンを運転する(S105)。例えば室外温度が7℃以下の場合、圧縮機2のローディングタイムを問わず0モードが選択され、0モードでは第1室外ファン36と第2室外ファン37が全て停止される。この状態で室外温度が15℃であり、圧縮機のローディングタイムが12秒ならば、表2により運転モードは3モードが選択される。ただし、直ちに選択された3運転モードで室外ファンを運転することではなく、いったん5モードで第1室外ファン36と第2室外ファン37を高速で3秒間運転した後、選択された3モードで運転する。したがって、第1室外ファン36と第2室外ファン37は全て高速モードから低速モードに転換される。
【0037】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明に係る空気調和機の室外ファン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のローディングタイムと室外温度を考慮して室外ファンを制御することにより室外熱交換器における熱交換量を適切に調節することができ、よって室内機の冷房能力を適切に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る空気調和機の室外ファン制御システムの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PWM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室外ファン制御システムのブロック図である。
【図5】 本発明に係る空気調和機の室外ファン制御方法を示した流れ図である。
【符号の説明】
1 空気調和機
2 圧縮機
3 室外熱交換器
4 電動膨張バルブ
5 室内熱交換器
6 高圧管
7 低圧管
8 室外機
9 室内機
10 アキュムレーター
11 レシーバ
12 ベントバイパス管
13 ベントバルブ
15 リキッドバイパス管
16 ホットガスバルブ
18 吸引口
19 吐出口
26 PWMバルブ
27 室外制御部
28 室外通信回路部
29 室内制御部
36 第1室外ファン
37 第2室外ファン
33 室外温度センサ

Claims (11)

  1. 運転中に冷媒が吐出されるローディングタイムと冷媒が吐出されないアンローディングタイムとが反復され、前記ローディングタイムおよびアンローディングタイムがパルス幅変調方式で制御されて冷媒の吐出量が可変されうる圧縮機と、
    該圧縮機と連結された室外熱交換器と、
    該室外熱交換器の近傍に設けられた室外ファンと、
    室外温度をセンシングするための室外温度センサと、
    該室外温度センサでセンシングした室外温度と前記ローディングタイムにより推定される前記圧縮機の冷媒吐出量により予め定められた運転モードで前記室外ファンの運転を制御する制御部と、を備える空気調和機の室外ファン制御システム。
  2. 前記運転モードは、前記室外温度が高いほど前記圧縮機の冷媒吐出量が多くなるほど前記室外ファンの回転速度を高める方向に設定されることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
  3. 前記室外ファンは1つのファンであり、運転モードは停止モード、低速モード、高速モードを備える請求項1に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
  4. 前記室外ファンは、運転モードがそれぞれ停止モード、低速モード、高速モードである2つのファンを含み、前記2つのファンの運転モードの組み合わせは、停止-停止、停止-低速、停止-高速、低速-低速、低速-高速、高速-高速を含むことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
  5. 前記圧縮機は、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であり、前記圧縮機の冷媒吐出量はローディングタイムにより推定されることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
  6. 前記圧縮機と前記室外熱交換器は室外機を構成し、前記膨張バルブと前記室内熱交換器は室内機を構成し、前記室内機は多数台が並列に配されることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
  7. パルス幅変調方式で制御される圧縮機を有する空気調和機の室外ファン制御方法において、
    室外温度を検出する段階と、
    前記圧縮機のローディングタイムを検出する段階と、
    前記段階で検出された前記室外温度と前記圧縮機のローディングタイムに基づき予め定められた運転モードで前記室外ファンを運転させる段階と、を備える空気調和機の室外ファン制御方法。
  8. 前記運転モードは、前記室外温度が高いほど前記ローディングタイムが長いほど前記室外ファンの回転速度を高める方向に設定されることを特徴とする請求項7に記載の空気調和機の室外ファン制御方法。
  9. 前記室外ファンの運転モードは、停止モード、低速モード、高速モードを備え、前記室外ファンの運転モードを停止モードで他のモードに転換する場合は、まず所定時間中高速モードで運転させた後該当モードに転換することを特徴とする請求項8に記載の空気調和機の室外ファン制御方法。
  10. 前記所定時間は2〜5秒であることを特徴とする請求項9に記載の空気調和機の室外ファン制御方法。
  11. 前記室外ファンは、運転モードがそれぞれ停止モード、低速モード、高速モードである2つのファンを備え、前記2つのファンの運転モードは前記2つのファンの停止-停止、停止-低速、停止-高速、低速-低速、低速-高速、高速-高速の6段階で行われることを特徴とする請求項7に記載の空気調和機の室外ファン制御システム。
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