JP4241500B2 - エンジン駆動式空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、各室内ユニットの空調負荷に応じて能力可変に空調運転を行うエンジン駆動式空気調和装置に関するものである。
これまでのエンジン駆動式空気調和装置は、エンジンの駆動力で駆動される圧縮機と室外熱交換器とを備える室外ユニットと、室内熱交換器を備える室内ユニットとを冷媒配管で接続して構成されており、各室内ユニットの、例えば、室内温度センサで検出される室内温度と、各室内ユニットの操作部に設定された設定温度との温度差に基いて、夫々の室内ユニットの空調負荷が算出され、これら空調負荷を前記室外ユニットで集計して合計の空調負荷を算出し、この合計の空調負荷に応じて前記エンジンの運転を行って空調運転を行わせていた(例えば、特許文献1参照)。
特開平09−236299号公報
しかし、これまでのエンジン駆動式空気調和装置では、エンジンの燃料消費量とは無関係に、上記空調負荷に基づいてのみ空調運転を行っている。従って、従来の装置では、省エネ運転を機能的に行うことができないという問題があった。ちなみに、ユーザが省エネ運転を実行したい場合、従来では、リモコンにより室内ユニットの運転を一時的に停止させるか、或いは、室内ユニットの設定温度を、冷房運転時には上げる、暖房運転時には下げる等の操作を実行しなければならなかった。
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、エンジンの燃料消費量を抑制できるエンジン駆動式空気調和装置を提供する。
上記目的を達成するため、本発明は、エンジンの駆動力で駆動される圧縮機と室外熱交換器とを備える室外ユニットと、室内熱交換器を備える室内ユニットとを冷媒配管で接続して構成し、室内ユニットで検出される空調負荷に応じて能力可変に空調運転を行うエンジン駆動式空気調和装置において、前記エンジン運転中の燃料消費量を取得する取得手段と、空調負荷に応じて蒸発器の出入口温度差を設定し、この出入口温度差の設定に基づいて蒸発器側の膨張弁の開度を制御すると共に、前記燃料消費量と予め規定された規定消費量とを比較し、前記燃料消費量が当該規定消費量を上回ることがないように、前記エンジンの回転数を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料消費量が前記規定消費量に基づいて設定した閾値を超えた場合に、エンジン回転数を下げて空調負荷に対応するエンジン回転数よりも低いエンジン回転数で運転させると共に、エンジン負荷が下がるように前記出入口温度差の設定を変更し、前記燃料消費量が前記閾値より低い閾値を下回った場合に、前記出入口温度差の設定を元の状態に戻すことを特徴とするものである。
この場合において、前記取得手段が、エンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度のすべて、或いはその一部を入力として、前記燃料消費量を出力してもよい。また、前記取得手段が、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データをマップとして記憶する記憶手段を備えていてもよい。前記取得手段が、ニューラルネットワークを利用して、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データを学習することにより、入出力関係を数式化する手段を備えていてもよい。
前記規定消費量を変更可能としてもよい。また、前記エンジン駆動式空気調和装置で循環させる冷媒は、代替冷媒R410Aであってもよい。
本発明では、エンジン運転中の燃料消費量を取得する取得手段と、この取得された燃料消費量と予め規定された規定消費量とを比較し、燃料消費量が規定消費量を上回ることがないように、エンジンの回転数を制御する制御手段とを備えたから、エンジンの燃料消費量を抑制することができる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、本実施形態にかかるエンジン駆動式空気調和装置100を示す構成図である。このエンジン駆動式空気調和装置100は、1台の室外ユニット1と複数台(例えば2台)の室内ユニット2a、2bとを、ガス管3a及び液管3bからなるユニット間配管3で接続して構成される。また、エンジン駆動式空気調和装置100は、当該空気調和装置100の運転制御を行う制御装置4と、この制御装置4の運転指示等の操作を行う操作部5とを備えている。この操作部5は、室内ユニット2a、2bの運転/停止等を行う、いわゆるリモート制御装置、或いは、これら室内ユニット2a、2bおよび室外ユニット1の各種設定や運転状態の確認が行える遠隔操作装置であってもよい。なお、本実施形態では、エンジン駆動式空気調和装置100には、単位体積当りの冷媒能力が高く圧力損失の少ない代替冷媒R410aを循環させる構成としている。
室外ユニット1は室外に設置され、この室外ユニット1には、燃料ガスなどを燃焼させて駆動力を発生するエンジン10と、このエンジン10に図示しない駆動力伝達手段を介して接続され、上記代替冷媒R410aを圧縮吐出する圧縮機11と、冷媒の循環方向を反転させる四方弁12と、冷媒と外気との熱交換を行わせる室外熱交換器13と、冷媒の減圧を行う室外膨張弁14と、圧縮機11に吸込まれる冷媒の気液分離を行うアキュムレータ15とが冷媒配管で接続されて収納されている。室外熱交換器13には、この室外熱交換器13へ向かって送風する室外ファン16が隣接して配置されている。
室内ユニット2a、2bには、これら室内ユニット2a、2bが据え付けられた室内の室内空気と冷媒との熱交換を行う室内熱交換器20a、20bと、各室内ユニット2a、2bへ流入する冷媒の冷媒量を制御する室内膨張弁21a、21bとが、各々冷媒配管で接続されて収納されている。上記室内熱交換器20a、20bには、これらの室内熱交換器20a、20bへ送風する室内ファン22a、22bがそれぞれ隣接して配置されている。
また、圧縮機11を駆動するエンジン10の燃焼室には、エンジン燃料供給装置31から燃料と空気との混合気が供給される。このエンジン燃料供給装置31は、燃料供給配管32に、燃料遮断弁33、ゼロガバナ34、燃料調整弁35及びスロットルバルブ36が順次配設され、このスロットルバルブ36は、エンジン10の上記燃焼室に接続されている。燃料遮断弁33は、閉鎖型の燃料遮断弁機構を構成し、燃料遮断弁33が全閉または全開し、燃料ガスの漏れのない遮断と連通とを択一に実施する。エンジン10には、このエンジン10の回転数を検出する回転数検出器(不図示)が設けられている。
上記操作部5が操作されると、上述のように制御装置4は、室外ユニット1及び室内ユニット2a、2bの運転を制御する。具体的には、室外ユニット1におけるエンジン10、四方弁12、室外膨張弁14及び室外ファン16、並びに室内ユニット2a、2bにおける室内膨張弁21a、21b、及び室内ファン22a、22bをそれぞれ制御する。
制御装置4により四方弁12が切り替えられることにより、当該空気調和装置100が冷房運転又は暖房運転に設定される。つまり、制御装置4が四方弁12を冷房側に切り替えたときには、冷媒が破線矢印の如く流れ、室外熱交換器13が凝縮器に、室内熱交換器20a、20bが蒸発器になって冷房運転状態となり、各室内熱交換器20a、20bが室内を冷房する。また、制御装置4が四方弁12を暖房側に切り替えたときには、冷媒が実線矢印の如く流れ、室内熱交換器20a、20bが凝縮器に、室外熱交換器13が蒸発器になって暖房運転状態となり、各室内熱交換器20a、20bが室内を暖房する。
制御装置4は、図2に示すように、エンジン駆動式空気調和装置100の各種設定や、エンジン10及び圧縮機11への運転指示設定等を行う設定部41と、制御用プログラムおよび制御用データを予め記憶しているEEPROM42と、このEEPROM42内の制御用プログラム等に基づいてエンジン駆動式空気調和装置100の全体を制御するCPU43と、各種データを一時的に格納するRAM44と、操作部5との通信を行う送受信部45とを備える。
本実施形態では、エンジン10の運転中に、このエンジン10の燃料消費量を取得し、この取得した燃料消費量と予め規定された規定消費量とを比較し、燃料消費量が当該規定消費量を上回ることがないように、エンジン10のエンジン回転数を制御する制御手段を備えており、制御装置4が上記制御手段として機能する。ここで、規定消費量は省エネルギー運転時の燃料消費量の制限値を定めたものであり、この規定消費量は上記EEPROM42に記憶され、適宜変更が可能な構成となっている。
図3は、空調負荷とエンジン回転数との関係及び空調負荷と燃料消費量との関係を示した図である。制御装置4は、図3に示すように、空調負荷が小さい場合(図中Xで示す領域)には、空調負荷に応じてエンジン回転数を制御している(通常運転制御)。この通常運転制御では、制御装置4は、空調負荷が増加すると、これに対応してエンジン回転数を上昇させるように制御しており、エンジン回転数が上昇する結果として燃料消費量も上昇している。この運転は、一般的な通常運転である。
一方、空調負荷が所定の閾値Mを超えて増加した場合(図中Yで示す領域)には、制御装置4は、上述のように、燃料消費量が規定消費量を上回ることがないように、エンジン回転数を制御する(省エネルギー運転制御)。
燃料消費量は、エンジン10の運転中、リアルタイムで取得される。ここで、制御装置4(取得手段)は、エンジン回転数(rpm)、燃料調整弁開度(step)及びスロットル開度(step)のすべて、或いはその一部を入力として、燃料消費量(kw)を出力することにより、この燃料消費量を取得している。具体的には、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルク(kg・m)を変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データをマップ化して記憶しておき、このマップにエンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度のすべて、或いはその一部を入力し、補完計算をすることによって当該燃料消費量を取得する。
上記マップは以下のように作成する。例えば、エンジン10に負荷として1、3、5、7、9、11、13(kg・m)のトルクを加え、各々のトルクについて1000(rpm)でエンジン10が回転するように燃料調整弁開度、スロットル開度を調整し、その状態における燃料調整弁開度、スロットル開度及び燃料消費量(kw)を計測する。同様にエンジン回転数1200(rpm)、1400(rpm)・・・2000(rpm)についても、各トルクでの燃料調整弁開度、スロットル開度及び燃料消費量を計測し、これらの実験データをテーブルデータとしてマップ化する。このマップは、上記EEPROM42(記憶手段)に記憶されている。
上記省エネルギー運転を選択するか否かは、操作部5の操作によって行なわれる。操作部5は、図4に示すように、エンジン駆動式空気調和装置100の運転状態を表示する表示部51と、このエンジン駆動式空気調和装置100の運転/停止を指示する運転/停止スイッチ52と、冷房や暖房等の運転モードの切り替えを指示する運転切り替えスイッチ53と、各室内ユニット2a、2bの目標とする室内温度(以下、設定温度という。)を設定する温度設定スイッチ54と、省エネルギー運転制御の実行を指示する省エネスイッチ55とを備える。この省エネスイッチ55は押しボタン式スイッチであり、当該省エネスイッチ55が1度押されると、表示部51に省エネルギーマークが点灯表示されて、省エネルギー運転制御が実行される。また、上記省エネスイッチ55が再度押されると、省エネルギーマークが消灯されて、省エネルギー運転制御が解除されて通常運転制御が実行される。なお、省エネスイッチ55は、エンジン10および圧縮機11への設定を行うスイッチであるため、上述の制御装置4の設定部41へ設けることも可能である。
次に、エンジン駆動式空気調和装置100の省エネルギー運転制御について説明する。
図5は、省エネルギー運転の動作を示すフローチャートである。
まず、制御装置4は、省エネルギー運転制御が実行するように設定がされているか否かについて判別する(ステップS1)。具体的には、制御装置4は、操作部5に設けられた省エネスイッチ55が操作されているか否かを判別する。
ステップS1の判別において、省エネルギー運転が設定されていない場合(ステップS1:No)には、上記した通常運転によって、空調負荷に応じたエンジン10の回転数制御を行なう(ステップS11)。また、ステップS1の判別において、省エネルギー運転が設定されている場合(ステップS1:Yes)には、制御装置4は、現在のエンジンの運転状況におけるエンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度を検出(ステップS2)し、これらの情報のすべて、或いはその一部を入力して燃料消費量を出力する(ステップS3)。
具体的には、制御装置4は、エンジン回転数を上述した回転数検出器を用いて検出するとともに、空調負荷に対して設定された燃料調整弁35及びスロットルバルブ36の開度のstep数を検出する。そして、これらエンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度の情報を、制御装置4のEEPROM42に記憶させたマップに入力し、補完計算をすることによって、現時点での燃料消費量をリアルタイムに取得する。なお、一般にエンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度には、相関関係があるため、これらの一部を上記マップに入力することによっても、燃料消費量を取得することはできるが、これらすべての情報を入力することによって、より精度の高い出力データ(燃料消費量)を得ることができる。
続いて、制御装置4は、この制御装置4のEEPROM42に予め規定された規定消費量Flimを読み出し(ステップS4)、この規定消費量Flimと上記ステップS3で取得された燃料消費量Fcとを比較する。具体的には、この燃料消費量Fcが上記規定消費量Flim×0.95以上であるか否かを判別する(ステップS5)。
ステップS5の判別において、Fc≧Flim×0.95である場合(ステップS5:Yes)には、制御装置4はエンジン回転数の下降させる(ステップS6)。この場合、燃料消費量Fcは規定消費量Flimにかなり接近した状態にあるため、このままでは燃料消費量Fcが規定消費量を上回る(オーバーシュートする)可能性が考えられる。そのため、制御装置4はエンジン10のエンジン回転数を下げる制御を行うことにより、燃料消費量Fcの増加を抑え、当該燃料消費量Fcが規定消費量Flimを上回ることを防止している。例えば、制御装置4は、1回につき50(rpm)ずつ、エンジン回転数を下降させる制御を行う。
上記ステップS6において、エンジン10の回転数を下降させた場合、エンジン10は、室内ユニット2a、2bが要求する空調負荷に対応するエンジン回転数よりも低いエンジン回転数で運転されるため、この際、エンジン10が発生するトルクに対してエンジン負荷が大きくなり、エンジン回転数とエンジン負荷とのバランスが崩れた状態となっている。
そのため、制御装置4は、エンジン回転数とエンジン負荷とのバランスを修正するために、蒸発器(冷房時では室内熱交換器20a,20b、暖房時では室外熱交換器13)での出入口温度差の設定を上げる(ステップS7)。具体的には、この蒸発器の出入口温度差は、通常、空調負荷に応じて、例えば1〜14℃の範囲に設定されるところ、当該出入口温度差が、例えば7〜14℃の範囲となるように、当該出入口温度差の設定を上げる。
このように、当該出入口温度差の設定を上げることにより、結果的に蒸発器側の膨張弁(冷房時では室内膨張弁21a,21b、暖房時では室外膨張弁14)の開度が小さくなり、冷媒循環量を減じることによりエンジン10の負荷を下げることができ、エンジン回転数とエンジン負荷とのバランスを修正することができる。
一方、ステップS5の判別において、Fc≧Flim×0.95でない場合(ステップS5:No)、すなわち、Fc<Flim×0.95となる場合には、制御装置4は、続いて上記燃料消費量Fcが上記規定消費量Flim×0.9より小さいか否かを判別する(ステップS8)。
ステップS8の判別において、Fc<Flim×0.9でない場合(ステップS8:No)、すなわち、Flim×0.9≦Fc<Flim×0.95である場合には、制御装置4は、エンジン回転数の上昇を禁止する(ステップS9)。制御装置4は、燃料消費量Fcが上記範囲にある場合には、エンジン回転数の上昇を禁止することにより、燃料消費量Fcがこれ以上増加することを防止し、当該燃料消費量Fcが規定消費量Flimを上回ることを防止している。この場合、制御装置4はエンジン回転数の下降についてまで禁止するものではないが、通常、制御装置4はエンジン回転数をそのまま維持するように制御する。従って、本実施形態では、制御装置4は、燃料消費量Fcが上記範囲を満たすように、エンジン回転数を制御している。
続いて、制御装置4は、ステップ7における当該蒸発器での出入口温度差の設定をキャンセルする(ステップS10)。具体的には、当該出入口温度差の設定を元の状態(例えば1〜14℃)に戻す。そして、ステップS1〜ステップS11の処理を繰り返し実行する。
一方、ステップS8の判別において、Fc<Flim×0.9である場合(ステップS8:Yes)には、制御装置4は、上記通常運転によって、空調負荷に応じたエンジン10の回転数制御を行ない(ステップS11)、ステップS1〜ステップS11の処理を繰り返し実行する。
本実施形態では、エンジン10が運転中に消費した燃料消費量を取得する取得手段4と、この取得された燃料消費量と予め規定された規定消費量とを比較し、燃料消費量が当該規定消費量を上回ることがないように、エンジン10の回転数を制御する制御手段4とを備えた構成としたことから、エンジン10の燃料消費量削減することができ、省エネルギー運転を実現することができる。
また、本実施形態では、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度及び燃料消費量を計測して得た実験データをマップ化して記憶する記憶手段42を備える構成としているため、これらエンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度を検出して、これらの情報のすべて、或いはその一部を入力することで、燃料消費量を取得することができる。
また、本実施形態では、エンジン駆動式空気調和装置100の冷媒として、単位体積当りの冷媒能力が高く圧力損失の少ない前記代替冷媒R410aを使用しているため、さらに、省エネルギーを推進した空調運転を行うことができる。
また、本実施形態では、制御手段4は、規定消費量を超えないように燃料消費量を制御するため、燃料ガス配管設備の設計をする際に、この規定消費量に合致した配管設備を設ければ良く、設備コストを削減することができる。
また、本実施形態では、規定消費量を変更可能としているため、既存の配管設備を利用する場合には、この規定消費量を当該配管設備の最大燃料消費量に設定することにより、当該配管設備の最大燃料消費量に合わせた運転が可能となる。これによれば、配管設備の新設工事が不要となりコスト削減が実現できる。
また、本実施形態では、省エネルギー運転が実行されると、空調負荷に関係なく、燃料消費量が規定消費量を上回らないように、エンジン回転数を制御するため、空調負荷が増加した場合には、室内温度がユーザの要求に応じきれないことも生じる。しかし、操作部5に設けた省エネスイッチ55を押すことによって、省エネルギー運転制御は解除され、通常運転制御が実行されるため、ユーザが要求する室内温度とすることも担保されている。
なお、燃料消費量の最大値を制御する手法として、簡易的にエンジン回転数の上限を規定する方法も考えられる。しかし、所定の回転数における燃料消費量は、エンジン負荷(つまり空調負荷)の大きさによって変化するものであるため、上記のようにエンジン回転数の上限を規定するだけでは、燃料消費量の最大値を精度良く制御することが困難となる。そこで、本実施形態に示したように、所定の入力情報から燃料消費量を出力し、この燃料消費量に応じてエンジン回転数を制御する方法の方が、当該燃料消費量の最大値を精度良く制御することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、上記実施形態で示した各設定値や配管構成はそれに限定されるものでは無く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
また、本実施形態では、取得手段として、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データをマップ化して記憶する記憶手段42を備える構成としていたが、人間の脳の構造をまねて作った情報処理機構であるニューラルネットワークを利用して、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データを学習することにより、入出力関係を数式化する手段を備える構成としても良い。これによれば、EEPROM42の使用量を抑えることができる。
また、本実施形態では、エンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度の情報を、制御装置4のEEPROM42に記憶させたマップに入力し、補完計算をすることによって燃料消費量を出力する構成としているが、エンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度の入力に対して、燃料流量(m3/h)を出力とするマップを作成してEEPROM42に記憶させておき、当該燃料流量を出力値として用いる構成としても良い。なお、この場合には、当該燃料流量の比較対象として規定流量(m3/h)が予め規定されることになる。
本実施形態にかかるエンジン駆動式空気調和装置を示すである。 制御装置の構成を示すブロック図である。 省エネルギー運転における空調負荷と燃料消費量/エンジン回転数との関係を示した図である。 操作部の正面図である。 省エネルギー運転のフローチャートである。
符号の説明
1 室外ユニット
2a、2b 室内ユニット
3 ユニット間配管
4 制御装置(取得手段、制御手段、記憶手段、数式化手段)
5 操作部
10 エンジン
11 圧縮機
13 室外熱交換器
20a、20b 室内熱交換器
42 EEPROM(記憶手段)
100 エンジン駆動式空気調和装置

Claims (6)

  1. エンジンの駆動力で駆動される圧縮機と室外熱交換器とを備える室外ユニットと、室内熱交換器を備える室内ユニットとを冷媒配管で接続して構成し、室内ユニットで検出される空調負荷に応じて能力可変に空調運転を行うエンジン駆動式空気調和装置において、
    前記エンジン運転中の燃料消費量を取得する取得手段と、
    空調負荷に応じて蒸発器の出入口温度差を設定し、この出入口温度差の設定に基づいて蒸発器側の膨張弁の開度を制御すると共に、前記燃料消費量と予め規定された規定消費量とを比較し、前記燃料消費量が当該規定消費量を上回ることがないように、前記エンジンの回転数を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記燃料消費量が前記規定消費量に基づいて設定した閾値を超えた場合に、エンジン回転数を下げて空調負荷に対応するエンジン回転数よりも低いエンジン回転数で運転させると共に、エンジン負荷が下がるように前記出入口温度差の設定を変更し、前記燃料消費量が前記閾値より低い閾値を下回った場合に、前記出入口温度差の設定を元の状態に戻すことを特徴とするエンジン駆動式空気調和装置。
  2. 前記取得手段が、エンジン回転数、燃料調整弁開度及びスロットル開度のすべて、或いはその一部を入力として、前記燃料消費量を出力することを特徴とする請求項1記載のエンジン駆動式空気調和装置。
  3. 前記取得手段が、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データをマップ化して記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のエンジン駆動式空気調和装置。
  4. 前記取得手段が、ニューラルネットワークを利用して、予めエンジン型式、燃料ガス種毎に、エンジン回転数及びトルクを変化させて燃料調整弁開度、スロットル開度、燃料消費量を計測して得た実験データを学習することにより、入出力関係を数式化する手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のエンジン駆動式空気調和装置。
  5. 前記規定消費量を変更可能としたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のエンジン駆動式空気調和装置。
  6. 前記エンジン駆動式空気調和装置で循環させる冷媒は、代替冷媒R410Aであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のエンジン駆動式空気調和装置。
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