JP3992195B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮冷凍サイクルを利用する空気調和機に関し、快適性と信頼性を確保し、消費電力の低減を図るものに好適である。

従来、消費電力を低減するためデマンドコントローラとシーケンサを設け、シーケンサが複数の空気調和機の圧縮機を制御できるようにし、1台を順に停止して残りを作動することとして平均電力を下げることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

特開平１０―８９７４４号公報

実際の空調機消費電力は使用される時間での空調負荷及び周囲の空気温度や設置条件により大きく変動し、例えば周囲の空気温度が高く空調負荷が高い場合には、使用する空気調和機の運転圧力が上昇し、平常時に比べ大きく消費電力が上昇する。したがって、上記従来技術のように順に空気調和機を停止する方法では、快適性が大きく損なわれる。
また、圧縮機を単に停止、再起動させるものでは、不必要に空調機の停止から起動の回数が増加することになり、圧縮機と電源との間に設けられる継電器等の接点寿命やファンモータ及び圧縮機に与える負荷が増大する。そして、停止から再起動によって安定した空調能力を有するには時間がかかるため、その間の運転効率が低下し、省エネルギ化に反するものとなる。

本発明の目的は上記従来技術の課題を解決し、利用者のデマンド要求、つまり消費電力の制限に応じ、その制限内で空調能力を最大限確保し、快適性が損なわれることがないようにすることにある。
また、他の目的は、消費電力の低減を図ると共に、信頼性の確保を図ることにある。

（１）上記課題を解決するために、本発明は、複数台の圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、室外膨張装置、室外送風機を備えた室外機と、電動膨張弁、利用側熱交換器、室内送風機を備えた複数台の室内機と、を液接続配管及びガス接続配管で接続し、前記圧縮機の運転周波数を制御する空気調和機において、
前記複数台の圧縮機は、可変容量式圧縮機と容量固定式圧縮機を備え、前記空気調和機の運転中の電流が、予め設定した制限消費電力の上限値に基づく電流値より大きい場合、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも１台の可変容量式圧縮機の運転周波数を所定制御幅ずつ低減させ、前記運転周波数が下限値となっても、前記空気調和機の運転中の電流が前記制限消費電力の上限値に基づく電流値より大きい場合、前記容量固定式圧縮機の運転台数を減少させ、
運転負荷に応じて運転周波数を増加させる場合、前記可変容量式圧縮機の運転周波数を所定制御幅ずつ増加させ、前記運転周波数が上限値となり、次回起動させる前記容量固定式圧縮機の予想される運転電流を加えても、前記制限電流値より大きくならない場合に、前記容量固定式圧縮機の運転台数を増加させる制御回路を備えるものである。

（２）上記（１）のものにおいて、前記空気調和機の運転中の電流が前記上限値に基づく電流値より大きい場合、前記可変容量式圧縮機の運転周波数を低減させ、その後、一定時間待機してから前記容量固定式圧縮機の運転台数を減ずることが望ましい。

（３）上記（２）のものにおいて、運転周波数を低減させた１台の前記可変容量式圧縮機の前記運転周波数が下限値となり、他の前記容量固定式圧縮機が全て停止した場合、運転停止処理を行うことが望ましい。
（４）上記（１）のものにおいて、前記制限消費電力の上限値を設定し前記空気調和機を運転している場合、前記電動膨張弁の開度は、前記制限消費電力の上限値を設定していない場合に比べ小さくすることが望ましい。

（５）上記（１）のものにおいて、前記複数台の室内機に優先順位を与え、優先順位の高い室内機ほど前記電動膨張弁の開度を大きくすることが望ましい。
（６）上記（１）のものにおいて、前記複数台の室内機に優先順位を与え、該優先順位をデマンドレベルとして表示することが望ましい。

（７）上記（１）のものにおいて、前記空気調和機を複数台設置し、複数台のうち少なくとも1台を、前記制限消費電力の上限値を設定して運転し、前記上限値を設定して運転する前記空気調和機を順次ローテーションすることが望ましい。
（８）上記（１）のものにおいて、前記空気調和機を複数台設置し、前記制限消費電力の上限値を設定して運転中であることを表示することが望ましい。

本発明によれば、消費電力の上限を設定したうえで、空調能力を充分確保できるので、快適性を損なうことなく消費電力の低減を図ることができる。

消費電力を低減させるには、負荷変動に応じて圧縮機を容量変化させる必要があるが、単に圧縮機の容量を低下させるだけでは、低減するべき消費電力量と必要とする空調能力のバランスをとることはできず、冷媒循環量を大きく減少させ、信頼性の低下を招くことになる。

以下、図を参照して本発明による実施の形態を説明する。
図１において、室外機１３は運転周波数をインバータで可変して制御される容量可変式圧縮機１、容量固定式圧縮機２を有し、各圧縮機は四方弁３へ並列に接続されている。四方弁３は熱源側熱交換器４へ配管接続され、熱源側熱交換器４から室外膨張装置５を介して冷媒量調節器７へ接続されている。また、６は熱源側熱交換器４への流路を切換える電動弁、８は熱源側熱交換器４へ送風する室外送風機である。
さらに、９は電動膨脹弁、１０は利用側熱交換器、１１は室内送風機であり、室内機１２を構成し、室内機１２は１４液接続配管、１５ガス接続配管で室外機１３に連結され、容量可変式圧縮機１、容量固定式圧縮機２、室外機送風機７、室内送風機１１が運転されて空気と熱交換して室内の空気調和が行われる。

つぎに、本実施の形態の動作を説明する。
冷房運転の場合、冷媒は図で実線矢印の方向に流れ、容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２から吐出されたガス冷媒は四方弁３を通過し複数の冷媒通路で構成する熱源側機熱交換器４で凝縮する。凝縮された冷媒は冷媒量調節噐７に入り、冷媒量調節噐７より導出した液冷媒は、室外機１３と室内機１２を接続する液接続配管１４において、配管長に応じた圧力損失により気液二相流となって電動膨脹弁９に入る。
電動膨脹弁９は任意の絞り量設定可能な膨脹装置であり、電動膨脹弁９にて減圧された冷媒は蒸発器となる利用側熱交換器１０に送られ、蒸発し、室内空気が冷却される。蒸発した冷媒はガス接続配管１５を通過して、圧縮機１及び２の吸入側に戻る。

暖房運転の場合、四方弁３の切換えることにより、図で点線矢印の向きに冷媒が流れ、容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２から吐出された冷媒は四方弁３、ガス接続配管１５を通過し、利用側熱交換器１０で放熱して凝縮し、室内の暖房を行う。
凝縮液は電動膨脹弁９で絞られ膨脹し、液接続配管１４内を気液二相流として室外機１３へ搬送され、液接続配管１４の圧力損失によりさらに大きなかわき度になった冷媒は熱源側熱交換器４に送られる。熱源側熱交換器４に送られた冷媒は、蒸発してかわき度の大きな状態になり、四方弁３を通過して容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２に戻る。

冷房時には電動膨脹弁９が、暖房時には電動膨張弁５が容量可変式圧縮機1及び容量固定式圧縮機２の吸入側の過熱度が少し付くように制御されることで、湿り圧縮となって効率が悪い状態で運転されることが無い。

消費電力を制限したとき、圧縮機を台数制御するフローチャートを図２に示し、予め設定された消費電力量を越えないよう容量可変式圧縮機1の運転周波数をインバータで可変して容量制御することと、容量固定式圧縮機２との組み合わせて運転することにより圧縮機運転容量を制御する。
容量可変式圧縮機１及び容量固定式圧縮機２は、カレントトランスで電流値を計測、あるいは圧力センサで高圧圧力及び低圧圧力を検出して容量に対する関数またはテーブル値により運転電流を推定し、運転中の空気調和機の総電流値を制御回路に伝送している。

図２において、デマンド信号を受信（ステップ１６）し、で外部入力信号又は予め設定された時間等により消費電力制限制御が有効となった場合、ステップ１７、１８にて制限消費電力に相当する電流値Ｉ1と運転中の空気調和機電流Ｉ２を比較し、Ｉ1＜Ｉ2の場合にはステップ１９に移行する。
ステップ１９で可変容量式圧縮機１の容量可変値Hzが容量可変下限値Hzminでない場合、ステップ２０にてＩ1≧Ｉ2となるまで容量可変値の時間当たりの制御幅ΔＨｚにて可変容量式圧縮機の運転容量を減少させる。そして、ステップ１９にてＨｚ＝ＨｚminとなってもＩ1＜Ｉ2の場合にはステップ２１にて容量固定式の圧縮機台数を現在の運転台数ｎから1台減少する。

ステップ２０において、容量可変式圧縮機１の運転による冷媒循環量を低減しても、運転電流の低減は時間的な遅れがある。そのため、ステップ１９にてＨｚ＝Ｈｚminとなった場合、すぐに台数を減少させずおよそ３０秒から1分程度の一定時間待機し、電流値の変化をより円滑にする。

以上の制御をＩ1≧Ｉ2となるまで繰り返すことで消費電力の制限範囲内での運転となる。また、ステップ２１にて容量可変値Hzが容量可変下限値Hzminでありかつ容量固定式の現在の圧縮機台数が全て停止した場合にはステップ２３にて運転停止処理を行い、再度起動することで制限消費電力を越えた運転を防止する。
容量固定式圧縮機２は容量可変式圧縮機１と異なり、運転台数の増減にて運転電流の制御を行うため、容量可変式圧縮機１に対し不連続的な制御性を持つ。このため容量固定式圧縮機台数２を減少させることによりＩ1に対してＩ２が一時的に大きく下回ることとなる。したがって、ステップ２４にてＩ1−ΔＩ１＝Ｉ2となるまでステップ２６にて容量可変式圧縮機１の容量を容量可変値の時間当たりの制御幅ΔＨｚだけ増加させる。ΔＩ１は空気調和機の容量や容量可変式圧縮機１の可変幅によって決まる制御定数である。

運転負荷や周囲温度の変化により空気調和機の全電流値が下がり、ステップ１８にてＩ1＞Ｉ2となった場合はステップ２６にて容量可変式圧縮機１の容量を増加させる。ステップ２５にて容量可変式圧縮機１の可変値Ｈｚが最大値Hzmaxとなり、かつ容量固定式圧縮機２の運転台数ｎを1台増加することによる予想電流I３がI１≧I３の場合、ステップ２７にて容量固定式圧縮機２の運転台数ｎを１台増加する。そして、Ｉ1＜Ｉ３の場合は運転台数を変化しない。

以上の制御は全てが容量可変式圧縮機１であっても全て容量固定式圧縮機で構成されている場合でも同様に行う。全ての圧縮機を容量固定式圧縮機２で構成した場合、容量可変式圧縮機１のように連続的な容量制御ができないが、容量可変式圧縮機１を使用するのに比べ、安価にすることができる。

また、上記制御実施時には冷媒循環量が低下し、膨張装置による効果が小さくなるため圧縮機への吸入圧力が上昇し易くなる。このため、圧縮機吐出圧力と吸入圧力の比率が小さくなり、圧縮機への循環油の供給量が低下する等の不具合が生じ易い。よって上限消費電力が制限されている状態において、空気調和機に接続された利用側熱交換器に接続された任意の絞り量に設定可能な、可変絞り機構を有する膨張装置（電動膨張弁）を設け、膨張装置の開度を循環量低減量に相当する分絞る。これにより、圧縮機吸入圧力の上昇を抑えることができる。
さらに、膨張装置の絞り量は空気調和機全体の冷媒循環量に対して、それぞれの室内機へ分配される冷媒量に直接作用するため、膨張装置の開度が大きいほど、より多くの冷媒が流れることになり空調能力に比例する。そこで、予めデマンド設定により空調能力を優先させる室内機に対して膨張装置絞り量を変化させず、又は他のデマンド設定により、空調能力優先度の低い室内機に比べ絞り幅を小さくすることで、限られた消費電力の中でデマンド設定に応じた空調能力を得て、快適性を損なうことなく、空気調和機の信頼性と消費電力の低減を両立出来る。

図３はデマンド制御中の膨張装置の絞り量を制御するフローチャートを示す。
ステップ２９にて上限消費電力を制限するデマンド制御が有効となった場合、図２にて説明したように圧縮機の容量を減少させ冷媒循環量を低減する。しかし、電動膨脹弁９にて減圧された冷媒は通常時の冷媒循環量に比べ、絞り量が相対的に減少したことになるので、ステップ３０にて電動膨張弁９をΔＶだけさらに絞るようにして冷凍サイクルを安定させる。しかし、室内機１２に流れる冷媒循環量も相対的に減少し、空調能力は小さくなるので、予め設置された室内機間にデマンド設定による優先順位を設定し、空気調和機全体の空調能力の低減による各室内での快適性の低下を解消する。

通常、ステップ３１のように全室内機を合計してΔＶの絞り量が必要な場合、ΔＶは個々の室内機電動膨張弁９の容量や設定温度及び室内温度等に応じてΔＶ11からΔＶ1ｎまで絞り量を分配する。そこで、ステップ３２でデマンド設定にて定義された能力優先順位をあらわす係数Ｋｉを定め、室内機間で空調能力の優先順位による再分配を行う。つまり、空調能力の優先順位を考慮した絞り量ΔＶ2IをΔＶ2i=Ｋi×ΔＶ1iとなるように設定し、利用者の快適性に一番あった空調能力とする。ステップ３３ではΔＶ2iにk=ΔV/(ΣΔＶ2i)にて定義される補正係数ｋを乗じて各室内機に指令される絞り量ΔＶｉの総和がΔＶとなるようにする。
以上により、圧縮機容量を低減させることによる、圧縮機吸入圧力の上昇を抑え消費電力制限時においても信頼性と快適性を両立することができる。

デマンド制御が実施中であることを室内機リモコン３４の表示部に表示した例を図４に示し、図３で説明した消費電力の制限中に各室内機の優先順位をデマンドレベルとして、レベル５の数字及び能力の棒グラフとして表示している。これにより、利用者は室内機の現在の運転状態による空調能力とデマンドレベル及び体感温度の関連づけをすることができ、デマンドレベルの調整をすることでより利用者個々の快適性にあった運転が可能となる。

消費電力の上限を設定できる機能を有する空気調和機を複数台設置した場合において、空調設備全体の上限を制限するには、消費電力の上限値を個々に設定し、上限消費電力の合計値が空調設備全体の消費電力の制限値を下回るように設定すれば良い。この場合、空調設備全体で冷媒循環量を下げる制御を実施するため、消費電力の制限を実施中は快適性を損なう場合がある。また個々の空気調和機にて消費電力を制限する場合、上限消費電力と実際の運転消費電力の誤差が累積されることになり、空調設備が大きく、設置台数が多くなると誤差が拡大されることになる。この時、予め設定された時間及び順序に応じて上限消費電力を制限する空気調和機を順次ローテーションさせる。

複数台の空気調和機を設置し、消費電力を制限する空気調和機を順次ローテーションさせる場合の運転方法を図５に示し、優先順位の低い室内機が能力低下しないようにデマンド制御を実施する空気調和機とデマンド制御を実施しない空気調和機を任意の設定時間でローテーションさせ、空調設備全体の消費電力低減を図る。具体的には、デマンド制御をしない場合には、図５の左側に示すように消費電力は、デマンド無効時の値となり、その後、複数台のうち１台目の消費電力制限、つまり、デマンド設定を有効とし、その時の消費電力は図５でデマンド有効時の値となる。次に、所定時間（ΔＴ時間）後に１台目のデマンド設定を無効とし、２台目のデマンド設定を有効にする。以下、順次デマンド設定の無効と有効を繰り返していく。

デマンド制御実施中の室外機に実施中であることを表示する例を図６示し、室外機３５の正面の視認し易い位置、例えば高さ方向の中央より上部分、側端部に、表示板３６を設け、上から通常運転中、デマンド制御中、図５記載のローテーション制御によるデマンド制御待機中の各制御状態を表示板３６にそれぞれ点灯又は点滅、消灯により区別して表示する。これにより、点検及び保守サービスによる作業者が現在の運転状態をわかり易く認識でき、点検に要する時間が短縮しサービス向上に役立つ。また、この情報を外部集中管理システム等の遠隔監視装置等へ伝送することで、空気調和機の省エネ運転、省エネサービスの運用管理が容易となる。

本発明による一実施の形態を示す冷凍サイクルのブロック図。 一実施の形態による圧縮機の運転方法を示すフローチャート。 一実施の形態による電動弁の制御方法を示すフローチャート。 一実施の形態による室内リモコンを示す正面図。 一実施の形態による複数台の空気調和機の制御方法を示すグラフ。 一実施の形態によるデマンド実施中の表示を示す正面図。

符号の説明

1…容量可変式圧縮機、2…容量固定式圧縮機、3…四方弁、4…熱源側熱交換器、5…室外膨張装置、6…電動弁、7…冷媒量調節器、8…室外送風機、9…電動膨張弁、10…利用側熱交換器、11…室内送風機、12…室内機、13…室外機、14…液接続配管、15…ガス接続配管、34…室内リモコン、35…室外機、36…室外正面表示部。

Claims (8)

1. 複数台の圧縮機、四方弁、熱源側熱交換器、室外膨張装置、室外送風機を備えた室外機と、電動膨張弁、利用側熱交換器、室内送風機を備えた複数台の室内機と、を液接続配管及びガス接続配管で接続し、前記圧縮機の運転周波数を制御する空気調和機において、
   前記複数台の圧縮機は、可変容量式圧縮機と容量固定式圧縮機を備え、前記空気調和機の運転中の電流が、予め設定した制限消費電力の上限値に基づく電流値より大きい場合、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも１台の可変容量式圧縮機の運転周波数を所定制御幅ずつ低減させ、前記運転周波数が下限値となっても、前記空気調和機の運転中の電流が前記制限消費電力の上限値に基づく電流値より大きい場合、前記容量固定式圧縮機の運転台数を減少させ、
   運転負荷に応じて運転周波数を増加させる場合、前記可変容量式圧縮機の運転周波数を所定制御幅ずつ増加させ、前記運転周波数が上限値となり、次回起動させる前記容量固定式圧縮機の予想される運転電流を加えても、前記制限電流値より大きくならない場合に、前記容量固定式圧縮機の運転台数を増加させる制御回路を備えたことを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記空気調和機の運転中の電流が前記上限値に基づく電流値より大きい場合、前記可変容量式圧縮機の運転周波数を低減させ、その後、一定時間待機してから前記容量固定式圧縮機の運転台数を減ずることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項２に記載のものにおいて、運転周波数を低減させた１台の前記可変容量式圧縮機の前記運転周波数が下限値となり、他の前記容量固定式圧縮機が全て停止した場合、運転停止処理を行うことを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記制限消費電力の上限値を設定し前記空気調和機を運転している場合、前記電動膨張弁の開度は、前記制限消費電力の上限値を設定していない場合に比べ小さくすることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１に記載のものにおいて、前記複数台の室内機に優先順位を与え、優先順位の高い室内機ほど前記電動膨張弁の開度を大きくすることを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１に記載のものにおいて、前記複数台の室内機に優先順位を与え、該優先順位をデマンドレベルとして表示することを特徴とする空気調和機。
7. 請求項１に記載のものにおいて、前記空気調和機を複数台設置し、複数台のうち少なくとも1台を、前記制限消費電力の上限値を設定して運転し、前記上限値を設定して運転する前記空気調和機を順次ローテーションすることを特徴とする空気調和機。
8. 請求項1に記載のものにおいて、前記空気調和機を複数台設置し、前記制限消費電力の上限値を設定して運転中であることを表示することを特徴とする空気調和機。

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