JP5054935B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、1台の室内ユニットと１台の室外ユニットを組み合わせた空気調和機、及び複数台の室内ユニットと１台の室外ユニットを組み合わせた空気調和機に関するものである。
従来から空気調和機は室内の空気温度を設定温度に近づけるよう室内吹出空気温度制御を行っていた。例えば、室内吸込空気温度を温度センサにて検知し、設定温度との差が小さくなったら運転を停止させる。また、設定温度との差が大きくなったら運転を再開するといった運転制御を行っていた。インバータを搭載した空気調和機においては、設定温度との差が小さくなったら圧縮機の周波数を下降させる。また、設定温度との差が大きくなったら周波数を上昇させる等の制御を行っていた。
従来技術の例としては、例えば特許文献１を挙げることができる。本文献による技術は次のとおりである。設定室温と計測室温との差・設定風速・室内ユニットの種類から目標吹出温度を決定し、この目標吹出温度と計測した吹出温度から空調指数を算出し、この空調指数に基づいて圧縮機の周波数を制御するものである。また、特許文献２には、能力可変圧縮機の運転周波数に応じて室外ファンの回転速度切り換え用の設定温度を可変する空気調和機が記載されている。
特開平６−５０５９１号公報（特許請求の範囲欄） 特開平１−３１２３４５号公報（特許請求の範囲欄）
従来の技術では圧縮機の周波数制御のみでもおよそ目標の室内吹出空気温度は得ることができた。しかし、例えば外気温度が２０℃前後の空調負荷が小さい温度条件での冷房運転時、室内ユニットの配管温度低下により吹出温度が極度に低下してしまい、吹出空気の冷風感により快適性が損なわれるという課題があった。また、マルチタイプの空気調和機においては、室内機の運転台数が１台から３台程度と少なく、かつ室内機の容量が小さい場合、室外機の容量に対し室内機の容量が小さすぎるため冷媒循環量が多くなりすぎて、吹出し温度が極度に低下してしまい、快適性が損なわれるという課題もあった。
本発明の目的は、吹出し温度が低下しすぎるのを抑制し、快適性が高い空気調和機を得ることにある。
上記課題を解決するために、本発明の一態様では、空気調和機を、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外機用送風機、室外外気温度センサ及び室外膨張弁を有する室外機と、室内熱交換器、室内機用送風機、室内吸込空気温度センサ、室内吹出空気温度センサ及び室内膨張弁を有する室内機とを備え、前記圧縮機、前記四方弁、前記室外熱交換器、前記室外膨張弁、前記室内熱交換器及び前記室内膨張弁とが冷媒配管で連結された冷凍サイクルを形成し、前記室外外気温度センサで検出した室外外気温度が低くなるほど前記室外機用送風機の回転数の下限を下げ、予め定められた前記圧縮機の複数の運転周波数域が低くなるほど前記室外機用送風機の回転数の下限を下げ、前記室内吹出空気温度センサで検出した室内吹出空気温度と前記室内吸込空気温度センサで検出した室内吸込空気温度に応じて、前記室内機の設定温度を演算し、前記室内機の運転をＯＮ／ＯＦＦさせるものとしている。
さらに、室内吹出空気温度が所定の温度以下になった場合、室内機の運転を停止させることが望ましい。
さらに、上記構成において、室内吹出空気温度に応じて冷房運転起動時の圧縮機の運転周波数の上昇速度を制御することが望ましい。
さらに、上記構成において、冷房運転起動時の前記圧縮機の運転周波数の上昇速度を0.5Hz/s以下とすることが望ましい。
さらに、上記構成において、室内機用送風機の回転数を室内吹出空気温度に応じて制御することが望ましい。
さらに、上記構成において、室内機に設けられた吹出空気の風向調整用ルーバの風向を室内吹出空気温度に応じて制御することが望ましい。
本発明によれば、空気調和機の吹出温度が低下しすぎるのを抑制し、快適性が高い空気調和機を得ることができる。
従来の技術では目標の吹出温度を得る目的のために圧縮機の周波数を制御しているのみであるが、本発明では圧縮機の周波数制御のみならず、室外機用送風機の回転数、室内膨張弁の開度、及び電磁弁のON/OFF等の制御を複合的に組み合わせることによって目標の室内吹出空気温度を実現しようとしているところに大きな違いがある。
本発明に関する空気調和機の構成について説明する。図１は空気調和機の一例として挙げられるマルチエアコンの冷凍サイクル系統図である。マルチエアコンは1台の室外ユニット２０と1台または複数台の室内ユニット２１で構成され、冷媒配管Ｃで冷凍サイクルを構成したものである。室外ユニット２０は1台または複数台の圧縮機１、冷凍機油を冷媒と分離するためのオイルセパレータ５、四方弁９、室外熱交換器３、室外膨張弁８、液冷媒受液用のレシーバ４、気液分離用のアキュムレータ６などで構成されている。室内ユニット２１は室内膨張弁７、室内熱交換器2などで構成されている。複数台の室内ユニットが接続されている場合は分岐管１３によって、冷媒が個々の室内ユニットに分配されるようになっている。室内熱交換器２の吸い込み側には室内送風機２２が、室外熱交換器の吸い込み側には室外送風機２３が設けられている。圧縮機１の上部には圧縮機温度検出用の圧縮機上部温度センサ１９が、室外熱交換器３の吸込側には室外吸込空気温度センサ１６が取り付けられサイクル制御に用いられている。また、室内熱交換器２の吸込側には室内吸込空気温度センサ１４、吹出側には室内吹出空気温度センサ１５、配管には室内ガス配管温度センサ１７、室内液配管温度センサ１８が取り付けられサイクル制御に用いられている。マルチエアコンにおける室内吹出空気温度が低下しすぎる要因について説明する。マルチエアコンの場合、室内ユニット２１は各部屋の負荷状況や温度状況により１台運転の場合もあれば、複数台運転の場合もある。１台運転や２〜３台運転のときなど室内ユニット２１の運転台数が少ない場合や運転している室内ユニット２１の容量が小さい場合は、室外ユニット２０の容量に対して、室内ユニット２１の容量が小さ過ぎるため室内側と室外側のバランスが悪くなり冷房能力過剰となりやすい。このような場合、圧縮機１の運転周波数を低下させ冷媒循環量を低減させることで過剰な冷房能力の低減を図るものの、圧縮機１は運転するのに必要な最低周波数があるため単に圧縮機１の周波数低減だけでは室内側と室外側の容量バランスを調整しきれないことがある。そのような場合、室内ユニット２１の冷房能力が過剰となり室内吹出空気温度が著しく低下し冷風感の原因となる。また、複数台運転の場合でも、特定の室内ユニット２１に冷媒が集中して室内吹出空気温度が著しく低下する場合もある。以下に空気調和機の室内ユニット２１の吹出温度が低下しすぎるのを防止するための具体的な制御方法について説明する。
室内吹出空気温度低下を防止するための１つ目の方法として、室内吹出空気温度及び室外外気温度及び圧縮機運転周波数に応じて室外機用送風機の回転数を制御する手法が挙げられる。
図２に冷房運転時の室外機送風機制御の一例を示す。図中の数字は室外機送風機のファンステップを示している。室外機送風機は０から１６ステップまでのファンステップを用意しており、最小回転数を０ステップ、最大回転数を１６ステップとし、１６段階の回転数に制御できるようにしている。
冷房運転時、通常制御では圧力センサ１２により圧縮機１の吐出圧力を検出し、吐出圧力が目標圧力になるよう室外機送風機の回転数を制御している。マルチエアコンの場合、室内ユニット２１の運転台数が変化することがあるため、運転台数が変わっても常に圧縮機１の圧力負荷を一定に保たせるためである。
この吐出圧力の一定制御に加え、室外温度によりファンステップの下限を決定する。室外温度が２５℃以上と高い場合は圧縮機１の吐出圧力が上昇するため室外送風機のファンステップの下限を高くし吐出圧力の上昇を抑制する。反対に室外温度が５℃以下と低い場合は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力が低下するため室外機のファンステップの下限を低くし吐出圧力と吸入圧力の低下による室内ユニット２１の室内吹出空気温度が低下しすぎるのを抑制する。
具体的には、圧縮機１の運転周波数が５０Ｈｚ以上の場合、外気温度が上昇し１５℃以上になるとファンステップの下限は、ファンステップ１からファンステップ４とし、さらに温度が上昇し２５℃以上となるとファンステップ５とする。反対に外気温度が下降し１５℃以下になるとファンステップ下限は、ファンステップ５からファンステップ４とし、さらに温度が下降し５℃以下になるとファンステップ１とする。
さらに、圧縮機１の運転周波数に応じて、４５〜５０Ｈｚ、４０〜４５Ｈｚ、３５〜４０Ｈｚ、３５Ｈｚ以下の場合に分け、それぞれファンステップの下限テーブルを定める。いずれの運転周波数でも外気温度が低いほどファンステップの下限は低くなるようにしている。なお、圧縮機１の運転周波数が３５Ｈｚ以下の場合はファンステップ下限を外気温度によらず常にファンステップ１になるようにしている。
以上のようにファンステップの下限を決めることによって、かつファンステップの下限はできるだけ低くなるように室外機用送風機制御を行うことによって、圧縮機１の吸入圧力の低下による室内ユニット２１の室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止する。
本実施例によれば、サイクルの冷媒循環量を低減でき、吹出し空気温度が低下 しずぎるのを防止できる。
図３に冷房運転時の送風機制御フローチャートの一例を示す。ファンステップ１の状態で、複数の室内機のうちで最低吹出温度が１０℃以下、かつ室外温度が２０℃以下、かつ圧縮機１の運転周波数が３０Ｈｚ以下、の場合にファンステップ０の状態に移行することで、圧縮機１の吸入圧力の低下による室内ユニット２１の室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止する。
また、ファンステップ０の状態で、複数の室内機のうちで最低吹出温度が１２℃以上、または圧縮機１の吐出温度が２．３ＭＰａ以上、または圧縮機１の運転周波数が３４Ｈｚ以上、の場合はファンステップ１の状態に戻すことで、圧縮機１の吐出圧力の上昇を抑制する。
冷房運転時において、特に外気低温条件の場合は、室外ユニット２０の送風機の風量が大きいと圧縮機１の吐出圧力が低下し、室内熱交換器２の温度低下により室内ユニット２１の空気吹出温度が低下する。この吹出温度低下を防止するためには、上記に示す室外ユニット２０の送風機のファンステップを低下させる、すなわち送風機の回転数を低下させることやファンステップ０とすることで解決することができる。ただし、ファンステップ０、すなわち送風機の回転数を０とすると、圧縮機１の吐出圧力が異常上昇してしまうため、前記に示す温度条件等を満足させることが肝要である。
室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止するための２つ目の方法として、室内吹出空気温度に応じて室内膨張弁の開度を制御する手法が挙げられる。マルチエアコンの場合は１台の室外機２０に対し組み合わされた複数の室内ユニット２１にはそれぞれ室内膨張弁７が取り付けられており、膨張弁の開度調整にて各室内ユニットに流れる冷媒量を調節することができる。室内膨張弁７は室内吸込空気温度センサ１４と室内吹出空気温度センサ１５より算出される空気温度差、および室内液配管温度センサ１８と室内ガス配管温度センサ１７より算出される熱交換器過冷却度、および圧力センサ１２にて検出される圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力、および圧縮機上部温度センサ１９にて検出される圧縮機１の吐出温度、などのデータをもとに演算処理を行い最適な開度に制御している。
その際、ある１台の室内ユニットａにおいて室内吹出空気温度が１０℃以下に低下している場合は、この室内ユニットａに備えられている室内膨張弁ａの開度を絞り室内ユニットａに流れる冷媒量を減少させることで、室内ユニットａの吹出温度が上昇するため、吹出温度が低下しすぎるのを防止することができる。この方法によれば、１つ目の方法よりも確実に吹出温度が低下しすぎるのを防止することができる。
しかし、室内ユニットａの室内膨張弁ａの開度を絞ることで接続された他の室内ユニットｂに冷媒が集中し、室内ユニットｂにおいても室内吹出空気温度が１０℃以下に低下する場合がある。この場合も室内ユニットｂに備えられている室内膨張弁ｂの開度を絞り室内ユニットｂに流れる冷媒量を減少させることで、室内ユニットｂの吹出温度が上昇するため、吹出温度が低下しすぎるのを防止することができる。
しかし、このように接続された複数の室内ユニット２１の室内膨張弁７の開度が順次絞られ、全ての室内ユニットの室内膨張弁7の開度が絞られてしまうと圧縮機１の吐出圧力や圧縮機上部温度が高くなり、圧縮機１が異常過昇状態となってしまう。その対応としてガスバイパス用電磁弁１０を開き、圧縮機１の上部温度の過昇防止を図ることができる。
ガスバイパス用電磁弁１０はＯＮ/ＯＦＦ制御しかできないため、電磁弁がＯＮの場合とＯＦＦの場合とで吐出圧力や圧縮機上部温度が大きく変動してしまうことがある。その場合は、バイパス回路用電磁弁１０と直列に接続されたキャピラリチューブの代わりに電子膨張弁を配置することによりこの問題を解決することができる。膨張弁による開度調整にて冷媒流量の微調整ができるため、吐出圧力や圧縮機上部温度の変動を少なくすることが可能となる。
室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止するための３つ目の方法として、運転停止している室内機の室内膨張弁開度を運転している室内機の空気吹出温度に応じて制御する手法が挙げられる。
前述したとおり、室内吹出空気温度が低下しすぎる条件は、運転台数が１〜３台程度と少ない場合や、運転している室内ユニットの容量が小さい場合に発生することが多い。そこで運転中の室内ユニットにおいて、室内吹出空気温度が１０℃以下に低下している室内ユニットａがあった場合、その室内膨張弁ａは冷媒循環量を少なくするため膨張弁開度を絞る方向で制御する。しかしながら、室内吹出空気温度が１０℃以上に上昇しない場合は、停止中の他室内ユニットａ’の室内膨張弁ａ’の開度を開くことによって、冷媒を停止中の室内ユニットａ’側に流して、運転中の室内ユニットａの冷媒循環量を減らして冷房能力過剰状態を回避し、室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止することができる。なお、停止中の室内ユニット中の冷媒は、循環せずに停止している。
図４に冷房運転時の室内膨張弁開度制御の一例を示す。例えば、室内ユニットａが冷房にて室内膨張弁開度３００パルスで運転していたとすると、停止中の室内ユニットａ’ 、ｂ’、 ｃ’の室内膨張弁開度は通常４０パルスで閉じている。室内ユニットａの室内吹出空気温度が１０℃以下に低下したとき、室内ユニットａの冷媒循環量を減らすため、停止中の室内ユニットａ’の室内膨張弁開度を３０分間１００パルスまで開き、冷媒を室内ユニットａ’側に導く。停止中の他の室内ユニットｂ’、 ｃ’についても順次、室内膨張弁開度を３０分間１００パルスまで開き冷媒を室内ユニットｂ’、 ｃ’に導いていく。このようにすることによって、室内ユニットａの冷房能力過剰状態を回避し、室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止することができる。また、順次停止中の室内膨張弁の開度を切り替えていくことで、特定の停止中の室内ユニットのみへの冷媒集中も回避することができる。
室内吹出空気温度の低下しすぎるのを防止するための４つ目の方法として、室内機用送風機の回転数並びに吹出空気の風向調整用ルーバの風向を室内吹出空気温度に応じて制御する手法が挙げられる。室内ユニット２１の室内吹出空気温度が１０℃以下に低下している場合は、室内機の送風機の回転数を上昇させ室内風量を大きくすることで室内吹出空気温度を上昇させることができる。また、室内ユニット２１の室内吹出空気温度が１０℃以下に低下している場合は、室内ユニット２１に設けられた室内吹出空気の風向調節用ルーバの風向を上吹きとすることで温度の低い室内吹出空気が直接、人に当たらないようにすることで冷風感を防止することができる。また、前記２つの方法を組み合わせた方法、すなわち室内吹出空気温度に応じて室内機の送風機の回転数や風向調節用ルーバの風向を自動的に切り替えることによって、室内吹出空気温度が低下しすぎるのを抑え冷風感を防止することができる。
本実施例によれば、運転中の室内機の冷媒循環量を低減でき、吹出空気温度 が低下しずぎるのを防止できる。ただし、図２の方法と比較すると、停止中の室内機にも冷媒が流れるため、冷媒の流動音（異常音）が発生する可能性がある。
具体例として、図５に冷房運転時の室内機送風機制御のフローチャート一例を示す。室内風量設定がＨｉ（急風）、Ｍｅ（強風）、Ｌｏ（弱風）のいずれかで、室内ルーバが上吹固定、下吹固定、または自動で上下する設定の際に、室内ユニット２１の室内吹出空気温度が１０℃以下となった場合、室内送風機の回転数を２％増加させる。そのとき室内吹出風速が大きくなり部屋にいる人に風が当たるのを防止するため、室内ルーバを上吹に固定する。それでも室内吹出空気温度が上昇しない場合は更に回転数を２％増加させる。そして、最大１０％まで回転数を増加させる。上限を設けているのは回転数上昇により送風騒音値が増加してしまうためである。室内吹出空気温度が１０℃以上に復帰すれば、元の室内風量設定と室内ルーバ設定に戻す。
室内吹出空気温度が低下しすぎるのを防止するための５つ目の方法として、室内ユニット２１の室内吹出空気温度と室内吸込空気温度に応じて、室内ユニット２１の設定温度を任意に演算し、室内ユニット２１の運転をＯＮ/ＯＦＦ制御する手法が挙げられる。冷房運転時、設定温度まで室内吸込空気温度が下がった時点で当該室内ユニット２１を運転停止させるが、設定温度まで室内吸込空気温度が下がらなくとも早めに運転停止させれば、冷風感により快適性が損なわれることや室内吹出空気温度が低下しすぎることを抑えることができる。
具体的には、室内機の室内吹出空気温度が１０℃以下かつ室内吸込空気温度≦室内設定温度+Ａ℃の条件を満たしたときに、当該室内ユニットの運転を停止させる。ここで、Ａの値は室内ユニット２１の室内吸込空気温度、室内吹出空気温度、室外ユニット２０の外気温度により任意に決定される値である。この値を調整することで冷房時の冷やし過ぎにより、室内吹出空気温度が低下しすぎることや冷風感による快適性が損なわれることを防止することができる。
吹出空気温度低下を防止するための６つ目の方法として、室内吹出空気温度に応じて冷房運転起動時の圧縮機運転周波数の上昇速度を制御する手法が挙げられる。冷房運転の起動時は圧縮機１の運転周波数の上昇速度はできるだけ早くし、目標の室温まで下げるよう制御しているが、急激に室温を下げることで室内温度と室内吹出空気温度の温度差が大きくなり、冷風感により結果的に快適性が損なわれることがある。快適性の改善のため、圧縮機１の運転周波数の上昇速度を遅くすることで冷風感を抑制することができる。例えば、通常3.0Hz/s程度の圧縮機の運転周波数の上昇速度を、冷房運転の起動時には、0.5Hz/s以下とするとよい。なお、室内ユニット２１の設定温度と室内吹出空気温度の温度差により、圧縮機の運転周波数の上昇速度を遅くすることで、消費電力を低減させると共に年間消費電力の低減させる効果も期待できる。
以上に述べた各手法により、室内ユニット２１の吹出空気温度が低下しすぎるのを防止し、快適な空調が実現できる。なお、これらの手法はいずれか１つの方法でも効果があるし、複数の手法の組み合わせでも吹出空気温度が低下しすぎるのを防止する効果を得ることができる。
上記の本発明の実施例によれば、室外外気温度を室外外気温度センサにより検出し、外気温度が下がればそれに応じて室外機用送風機の回転数を下げる。また、圧縮機の運転周波数及び外気温度に応じて室外機用送風機の最低回転数が決められており、圧縮機の運転周波数が低いほど室外機用送風機の回転数は下がり、外気温度が低いほど室外機用送風機の回転数は下がる。運転中、室内吹出空気温度、吐出圧力、圧縮機の運転周波数の条件によっては室外機用送風機の回転数は０となる。また、接続された複数の室内機において、室内吹出空気温度が低下した室内機に関しては、室内膨張弁の開度が絞り方向に制御される。
本発明の実施例の冷凍サイクル構成を示す図である。 冷房運転時の室外機送風機制御の一例を示す図である。 冷房運転時の送風機制御のフローチャートの一例を示す図である。 冷房運転時の室内膨張弁開度制御の一例を示す図である。 冷房運転時の室内機送風機制御のフローチャートの一例を示す図である。
符号の説明
１ 圧縮機
２ 室内機熱交換器
３ 室外機熱交換器
４ レシーバ
５ オイルセパレータ
６ アキュムレータ
７ 室内膨張弁
８ 室外膨張弁
９ 四方弁
１０ ガスバイパス用電磁弁
１１ 圧力スイッチ
１２ 圧力センサ
１３ 分岐管
１４ 室内吸込空温度センサ
１５ 室内吹出空気温度センサ
１６ 室外吸込空気温度センサ
１７ 室内ガス配管温度センサ
１８ 室内液配管温度センサ
１９ 圧縮機上部温度センサ
２０ 室外ユニット
２１ 室内ユニット
Ａ 冷房サイクル
Ｂ 暖房サイクル
Ｃ 冷媒配管

Claims (5)

  1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外機用送風機、室外外気温度センサ及び室外膨張弁を有する室外機と、
    室内熱交換器、室内機用送風機、室内吸込空気温度センサ、室内吹出空気温度センサ及び室内膨張弁を有する複数の室内機と、を備え、
    前記圧縮機、前記四方弁、前記室外熱交換器、前記室外膨張弁、前記室内熱交換器及び前記室内膨張弁が冷媒配管で連結された冷凍サイクルを形成し、
    前記圧縮機が第１の運転周波数域で運転している場合に、前記室外機用送風機の回転数は、前記室外外気温度センサで検出した室外外気温度が低くなるほど下限を下げて運転するように制御され、
    前記圧縮機が前記第１の運転周波数域よりも低い第２の運転周波数域で運転している場合に、前記室外機用送風機の回転数は、前記室外外気温度センサで検出した室外外気温度が低くなるほど小さく、かつ前記下限よりも下限を下げて運転するように制御され、
    前記室内吹出空気温度センサで検出した室内吹出空気温度が所定の温度以下になった場合で、かつ前記室内吸込空気温度センサで検出した室内吸込空気温度が室内設定温度に設定温度を加算した値以下となった場合に、前記室内機の運転を停止させることを特徴とする空気調和機。
  2. 請求項１において、前記室内吹出空気温度に応じて冷房運転起動時の前記圧縮機の運転周波数の上昇速度を制御することを特徴とする空気調和機。
  3. 請求項２において、冷房運転起動時の前記圧縮機の運転周波数の上昇速度を０.５Ｈｚ／ｓ以下とすることを特徴とする空気調和機。
  4. 請求項１において、前記室内機用送風機の回転数を前記室内吹出空気温度に応じて制御することを特徴とする空気調和機。
  5. 請求項４において、前記室内機に設けられた吹出空気の風向調整用ルーバの風向を前記室内吹出空気温度に応じて制御することを特徴とする空気調和機。
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