JP3766088B2 - 空気調和機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は空気調和機及びその制御方法に係り、より詳しくは可変能力圧縮機の作動状態を考慮して固定能力圧縮機を起動させる空気調和機及びその制御方法に関するものである。

建物が大型化していくに従い、一つの室外機に多数の室内機が連結された形態のマルチエアコン（Multi-airconditioner）に対する需要者の要求が増大している趨勢である。マルチエアコンにおいては、室内機ごとに冷房要求能力が異なるばかりでなく、殆どの場合、各室内機は独立して運転されるので、全ての室内機の冷房要求容量を合算した総冷房要求能力も変わることになる。したがって、冷房要求能力の変化に応じて圧縮機の容量（能力）を調整し、各室内機ごとに室内側熱交換器、つまり蒸発器の上流側に設けられた電動膨張バルブの開度を調節することで対応している。

可変する冷房要求能力に応じて容量（能力）を可変させることができる可変能力圧縮機として、回転数可変方式の圧縮機と、パルス幅変調方式の圧縮機とがある。回転数可変方式の圧縮機は、インバータ制御により、圧縮機に印加される電流の周波数を変化させてモータの回転数を制御することにより、圧縮機の容量（能力）を可変して冷房要求能力の変化に合うように調整するものであり、パルス幅変調方式の圧縮機は、冷媒を吐き出すローディング時間と、冷媒を吐き出していないアンローディング時間を決定するデューティ制御信号に応じて圧縮機の容量を可変させて冷房要求能力に合うように調整する。

前記可変能力圧縮機が処理できる能力も限られる。したがって、マルチエアコンに適用される可変能力圧縮機の能力より、一つの室外機に連結される多数の室内機の総冷房要求能力が大きい場合は、一つの可変能力圧縮機で成し遂げ難いため、可変能力圧縮機を追加して取り付ける必要がある。

ところで、可変能力圧縮機は一般の圧縮機、つまり能力の一定した固定能力圧縮機より高価であり、設置作業が難しいため、可変能力圧縮機と固定能力圧縮機を並列に連結して室内機の冷房要求能力の変化に対処している実情である。

従来技術によると、室内機の冷房要求能力が可変能力圧縮機の能力範囲内で変化する場合は、一つの可変能力圧縮機のみを用いて冷房運転を行うが、室内機の冷房要求能力が可変能力圧縮機の能力を超える場合は、固定能力圧縮機を一緒に用いて高い冷房要求能力に対処している。

しかし、従来技術によると、可変能力圧縮機の作動状態を全く考慮せずに固定能力圧縮機を起動させるため、過度な起動電流が発生するおそれがあり、よって円滑に起動できなくて起動特性が悪くなるか、甚だしくは機器の損傷を来すなど、圧縮機の信頼性を低下させる要因となった。

したがって、本発明は前述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、可変能力圧縮機の作動状態を考慮して固定能力圧縮機を起動することにより、円滑な起動を可能にした空気調和機及びその制御方法を提供することである。

前記のような目的を達成するため、本発明は、一定の能力を有する固定能力圧縮機と、ローディング状態で冷媒を吐き出し、アンローディング状態で冷媒を吐き出さない、周期内のローディング時間とアンローディング時間を決定するデューティ制御信号に応じて能力が可変する可変能力圧縮機と、前記可変能力圧縮機及び前記固定能力圧縮機の同時起動を防止するため、前記可変能力圧縮機と前記固定能力圧縮機を順次起動させる制御部とを含んでなる空気調和機を提供する。

前記制御部は、前記可変能力圧縮機を起動させてから前記固定能力圧縮機を起動させ得る。

前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動電流及び前記可変能力圧縮機の運転電流を合算した総電流値が最大許容電流値を超えないように、前記固定能力圧縮機を起動させ得る。

前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生すると、前記可変能力圧縮機がアンローディング状態で前記固定能力圧縮機を起動させ得る。

前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生した後にも前記可変能力圧縮機が持続してローディング状態を維持すると、前記可変能力圧縮機を強制的にアンローディング状態に転換させた後、前記固定能力圧縮機を起動させ得る。

また、本発明は、一定の能力を有する固定能力圧縮機と、周期内のローディング時間及びアンローディング時間を決定するデューティ制御信号に応じて能力が可変する可変能力圧縮機とを含む空気調和機の制御方法において、前記可変能力圧縮機を作動させる段階と、前記可変能力圧縮機の作動後、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生したかを判断する段階と、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生すると、前記可変能力圧縮機の作動状態によって前記固定能力圧縮機を起動させる段階とを含む空気調和機の制御方法を提供する。

前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、前記可変能力圧縮機がアンローディング状態であるかを判断する段階と、前記可変能力圧縮機のアンローディング状態で前記固定能力圧縮機を起動させる段階とを含み得る。

前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、前記可変能力圧縮機がローディング状態であると、アンローディング状態になるまで待ってから前記固定能力圧縮機を起動させる段階を含み得る。

前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、前記可変能力圧縮機がローディング状態を持続すると、前記可変能力圧縮機を強制的にアンローディング状態に転換させてから前記固定能力圧縮機を起動させる段階を含み得る。

本発明は、冷房要求能力が増大して固定能力圧縮機の起動要求が発生すると、圧縮機の高圧側と低圧側間の圧力差が減少する可変能力圧縮機のアンローディング状態で固定能力圧縮機を起動させることにより、円滑な起動を可能にし、過度な起動電流の発生を防止して、圧縮機の信頼性を向上させることができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による空気調和機の冷凍サイクルを示す。同図に示すように、本発明の空気調和機は室外機１と室内機９とを備える。室外機１は、可変能力圧縮機２と、一般的な固定能力圧縮機４と、凝縮器５とを備える。前記可変能力圧縮機２と固定能力圧縮機４は並列に連結され、前記可変能力圧縮機２はＰＷＭバルブ３により冷媒を吐き出すローディング状態と冷媒を吐き出さないアンローディング状態で作動されるパルス幅変調方式の圧縮機であり、前記固定能力圧縮機４はオン又はオフされる方式で運転され、一定の回転数で駆動する一般的な圧縮機である。

前記室内機９は多数の前記室外機１が並列に連結されたものである。各室内機９は電動膨張バルブ１２と蒸発器１０とを備える。したがって、一つの室外機１に多数の室内機９が連結された形態を取っている。そして、各室内機９の容量及び形態は同一であるか、又は異なっている。

前記可変能力圧縮機２及び前記固定能力圧縮機４は吐出側の高圧管６と吸入側の低圧管７との間に並列に連結される。前記高圧管６は吐出冷媒を凝縮器５に案内する冷媒管であり、前記低圧管７は各室内機９の蒸発器１０から供給される冷媒を前記可変能力圧縮機２及び前記固定能力圧縮機４に案内するための冷媒管である。

図２に示すように、前記可変能力圧縮機２は、ＰＷＭバルブ３がオフして冷媒を吐き出すローディング状態と、ＰＷＭバルブ３がオンして冷媒を吐き出さないアンローディング状態とを繰り返し、室内冷房要求能力に応じて後述する室外制御部に印加されるデューティ制御信号に応じてローディング時間及びアンローディング時間が変わる。図２において、斜線部の面積は冷媒吐出量を示す。

図３は本発明による空気調和機の制御システムのブロック図である。
同図に示すように、室外機１は、可変能力圧縮機２、ＰＷＭバルブ３、固定能力圧縮機４、及び各室内機９に対してデータを送受信するための通信回路部１４にそれぞれ信号伝達可能に連結された室外制御部１３を備える。

各室内機９は、室外機１に対しデータを送受信するための通信回路部１５、室内温度感知部１７、所望温度設定部１８、室内ファン１１及び電動膨張バルブ１２にそれぞれ信号伝達可能に連結された室内制御部１６を備える。

前記室内制御部１６には、室内温度感知部１７で検出された室内温度と、所望温度設定部１８で設定された設定温度が入力される。前記室内制御部１６はそれ自体の冷房能力に対する情報を持っており、冷房要求能力を算出するとき、室内温度と設定温度の差及びそれ自体の冷房能力に基づいて冷房要求能力を算出することもでき、また室内機の冷房能力のみに基づいて冷房要求能力を算出することもできる。各室内機９で算出された冷房要求能力は通信回路部１５，１４を介して室外制御部１３に伝送される。

前記室外制御部１３は、各室内機９の冷房要求能力を合算した総冷房要求能力を計算し、計算された総冷房要求能力に応じて前記可変能力圧縮機２及び固定能力圧縮機４を作動させる。この際、前記室外制御部１３は、総冷房要求能力が大きくない場合、前記可変能力圧縮機２のみを作動させた状態で、冷房要求能力の変化に合うように前記室外制御部１３から出力するデューティ制御信号に応じて前記可変能力圧縮機２の能力を可変させるが、総冷房要求能力が増加して前記可変能力圧縮機２の能力を超える場合は、追加的に前記固定能力圧縮機４を起動させた後、前記室外制御部１３から出力するデューティ制御信号に応じて可変能力圧縮機２の能力を可変させることで、冷房要求能力の変化に対処するようにする。

ところで、冷房要求能力が増加したため、前記固定能力圧縮機４を起動させなければならない起動要求が発生したとき、前記室外制御部１３が前記可変能力圧縮機２の作動状態を考慮せず起動要求に応答して固定能力圧縮機４を直ちに起動させる場合は、円滑な起動ができないこともあり得る。すなわち、運転停止した固定能力圧縮機４の高圧側と低圧側の圧力差が大きい状態で、固定能力圧縮機４を無理に起動させ、過度な起動電流が誘発されて起動特性が悪くなることがある。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、一例として、可変能力圧縮機４が冷媒を吐き出すローディング状態で、前記固定能力圧縮機４を起動させるためにオンさせた場合（ｔａ）、前記固定能力圧縮機４の起動電流（ｉａ）と前記可変能力圧縮機４の運転電流（ｉｂ）を合わせた総電流値（ｉｃ）が急激に大きくなる。このため、起動が不安定になり、起動特性が悪くなるか、又は機器の損傷をもたらすおそれがある。

これに鑑み、冷房要求能力が増大して前記固定能力圧縮機４の起動要求が発生した場合、前記室外制御部１３は前記可変能力圧縮機２の作動状態を考慮して前記固定能力圧縮機４を起動させる。好ましくは、前記室外制御部１３は可変能力圧縮機２のアンローディング状態で前記固定能力圧縮機４を起動させることにより、過度な起動電流の発生を防止し、円滑な起動を行わせる。

図５Ａに示すように、前記可変能力圧縮機２がローディング状態であるときに、前記固定能力圧縮機４の起動要求が発生した場合（ｔａ）、前記室外制御部１３は前記固定能力圧縮機４の起動を一定時間遅延させる。ここで、一定時間とは、前記可変能力圧縮機２がローディング状態からアンローディング状態に転換するのにかかる時間をいう。
一定時間が経過して前記可変能力圧縮機２がアンローディング状態に転換した後、前記固定能力圧縮機４を起動させる（ｔｂ）。

一方、前記可変能力圧縮機４が１００％運転する場合であって、図５Ｂに示すようにローディング状態を持続するときに、前記固定能力圧縮機４の起動要求が発生した場合、前述したように、前記可変能力圧縮機４がアンローディング状態に転換するまで長時間待機しなければならない。この場合、前記固定能力圧縮機４の起動要求を迅速に反映し難い。したがって、前記室外制御部１３は、図５Ｂのように前記可変能力圧縮機４がローディング状態を持続するときに、前記固定能力圧縮機４の起動要求が発生すると、前記可変能力圧縮機２に対して一定時間（Ｂ）の間に強制的にアンローディング状態に転換させ、アンローディング状態に転換した後、前記固定能力圧縮機４を起動させる（ｔｃ）。

前記一定時間（Ｂ）は起動要求に迅速に応答する目的で前記可変能力圧縮機２を制御するためのデューティ制御信号の１周期以内に設定する。
前記一定時間（Ｂ）は、前記固定能力圧縮機４を起動させた後、正常運転に到達するのにかかる時間を考慮して設定する。

前記のような本発明による空気調和機の室外制御部の動作を図６に基づいて説明する。
まず、前記室外制御部１３は、各室内機９から伝送される冷房要求能力を合算して総冷房要求能力を計算し、室内機冷房運転要求があるかを判断し（Ｓ１０１）、この判断の結果、室内機冷房運転要求がないと運転停止する（Ｓ１０２）。

段階Ｓ１０１での判断の結果、室内機冷房運転要求があると、優先して前記可変能力圧縮機４を作動させ、冷房要求能力の変化に応じて前記可変能力圧縮機２の能力を可変させる（Ｓ１０３）。

このように前記可変能力圧縮機２を作動させる途中、前記室外制御部１３は冷房要求能力の増大により前記固定能力圧縮機４の起動要求が発生したかを判断し（Ｓ１０４）、この判断の結果、起動要求がないと、段階Ｓ１０１に戻り、前記可変能力圧縮機２のみによる運転を行うようにする。

段階Ｓ１０４での判断の結果、起動要求があると、前記室外制御部１３は、前記可変能力圧縮機２がアンローディング状態であるかを判断し（Ｓ１０５）、この判断の結果、前記可変能力圧縮機２がアンローディング状態であると、直ちに前記固定能力圧縮機４を起動させた後（Ｓ１０６）、リターンさせる。

段階Ｓ１０５の判断の結果、前記可変能力圧縮機２がアンローディング状態でないと、前記室外制御部１３は、前記可変能力圧縮機２がローディング状態を持続するかを判断し（Ｓ１０７）、この判断の結果、前記可変能力圧縮機２がローディング状態を持続しない場合、段階Ｓ１０５に戻り、一定時間を経過してアンローディング状態に転換するときに起動させるようにする。

段階Ｓ１０７の判断の結果、前記可変能力圧縮機２がローディング状態を持続する場合、前記室外制御部１３は、前記可変能力圧縮機２を一定時間アンローディング状態に転換させた後、前記固定能力圧縮機４を起動させた後（Ｓ１０８）、リターンさせる。

本発明による空気調和機の冷凍サイクルを示す図である。 圧縮機の運転中のローディング及びアンローディングと冷媒吐出量の関係を示す図である。 本発明による空気調和機の全体ブロック図である。 可変能力圧縮機及び固定能力圧縮機の同時機能により過度な起動電流が発生することを説明する図である。 可変能力圧縮機及び固定能力圧縮機の同時機能により過度な起動電流が発生することを説明する図である。 本発明により可変能力圧縮機の作動状態によって固定能力圧縮機を起動する動作を説明する図である。 本発明により可変能力圧縮機の作動状態によって固定能力圧縮機を起動する動作を説明する図である。 本発明による空気調和機の室外制御部の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 室外機
２ 可変能力圧縮機
４ 固定能力圧縮機
９ 室内機

Claims (5)

1. 一定の能力を有する固定能力圧縮機と、
   ローディング状態で冷媒を吐き出し、アンローディング状態で冷媒を吐き出さない、周期内のローディング時間とアンローディング時間を決定するデューティ制御信号に応じて能力が可変する可変能力圧縮機と、
   前記可変能力圧縮機及び前記固定能力圧縮機の同時起動を防止するため、前記可変能力圧縮機と前記固定能力圧縮機を順次起動させる制御部とを含んでなり、
   前記制御部は、前記可変能力圧縮機を起動させてから前記固定能力圧縮機を起動させ、
   前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生すると、前記可変能力圧縮機がアンローディング状態で前記固定能力圧縮機を起動させることを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動電流及び前記可変能力圧縮機の運転電流を合算した総電流値が最大許容電流値を超えないように、前記固定能力圧縮機を起動させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記制御部は、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生した後にも前記可変能力圧縮機が持続してローディング状態を維持すると、前記可変能力圧縮機を強制的にアンローディング状態に転換させた後、前記固定能力圧縮機を起動させることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
4. 一定の能力を有する固定能力圧縮機と、周期内のローディング時間及びアンローディング時間を決定するデューティ制御信号に応じて能力が可変する可変能力圧縮機とを含む空気調和機の制御方法において、
   前記可変能力圧縮機を作動させる段階と、
   前記可変能力圧縮機の作動後、前記固定能力圧縮機の起動要求が発生したかを判断する段階と、
   前記固定能力圧縮機の起動要求が発生すると、前記可変能力圧縮機の作動状態によって前記固定能力圧縮機を起動させる段階とを含んでなり、
   前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、
   前記可変能力圧縮機がアンローディング状態であるかを判断する段階と、
   前記可変能力圧縮機のアンローディング状態で前記固定能力圧縮機を起動させる段階とを含み、
   前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、
   前記可変能力圧縮機がローディング状態であると、アンローディング状態になるまで待ってから前記固定能力圧縮機を起動させる段階を含むことを特徴とする空気調和機の制御方法。
5. 前記固定能力圧縮機を起動させる段階は、前記可変能力圧縮機がローディング状態を持続すると、前記可変能力圧縮機を強制的にアンローディング状態に転換させてから前記固定能力圧縮機を起動させる段階を含むことを特徴とする請求項４に記載の空気調和機の制御方法。
   

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