JP5306168B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、輻射センサーを備えた空気調和機、特に室内機の制御に関する。
従来の空気調和機では、空調対象空間内にショーケースが設置されている場合、ショーケースに風が当らないように初期工事時に空気調和機の設置場所をずらすなど、施工側でショーケースのレイアウトに対応しており、空気調和機設置後は、空気調和機の吹出気流が何に当っているかを検知せずに空調している(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−231758号公報(図1)
このように、従来の空気調和機は、設置後に吹出気流が何に当っているかを検知せずに空調していたため、温度管理型ショーケース、つまり外側から暖めたり冷やしたりする必要がない例えば冷凍・冷蔵ショーケース等にも気流が到達し、ショーケースそのものの冷却効率を下げたり、ショーケースに保存されている食品等の保存状態を悪化させるという問題があった。
既述したように、空気調和機とショーケースが同時に施工される初期工事時には、ショーケースに空気調和機の吹出気流が到達しないようにレイアウトを構築することもできるが、空気調和機設置後に店舗のレイアウト変更が行われる際は、空気調和機も移動させることは困難であり、施工側ではなく機器側での対応が望まれる。
また、空気調和機の吹出気流が空調対象空間に広がる前に再び還流して吸い込まれるショートサーキットへの対応についても、従来は空調設備設計者あるいは空調設備施工者がショートサーキットを起こしていないかを判断して壁面や障害物から距離をとるか、一部の吹出口を閉塞するようにしているが、経験の浅い設計者、施工者の場合には十分な対策が取られず、ショートサーキットによって空調機の信頼性が損なわれたり、設定温度に到達する前に圧縮機が停止したりするなどの問題があった。
本発明は前記のような課題を解決するためになされたもので、第1の目的は空気調和機の周囲環境を検知して、判断し、その周囲環境における最適運転を自動的に実現することができる空気調和機を得ることにある。
また、本発明の第2の目的は、同一空間にてデマンド運転が設定されている他の冷媒系統の空気調和機と調和して省エネ運転することができる空気調和機を得ることにある。
本発明に係る空気調和機は、揺動角制御可能な風向板を有し、天井付近に取り付けられ、室内を空調する空気調和機本体と、空気調和機本体に設けられた多眼あるいは複数個の輻射センサーと、デマンド運転を設定するためのリモコンと、輻射センサーの検知に係る熱画像から温度と画素数の閾値判定により温度管理型ショーケースおよび人体の位置を検知し、ショーケースが検知された場合には、当該ショーケースに吹出気流が到達しないように、かつリモコンにて設定された要求信号に基づいて気流を制御する空調制御装置と備え、空調制御装置は、輻射センサーの検知に係る熱画像から吹出気流が壁面に衝突する際に発生する物体の温度変化部の上端位置を検知し、上下吹出角度を変更して温度変化部の上端位置の移動量と変更した上下吹出角度量により壁面までの距離を測定し、この測定した距離に応じて気流の制御を行うものである。
本発明に係る空気調和機においては、輻射センサーの検知に係る熱画像から温度と画素数の閾値判定により温度管理型ショーケースおよび人体の位置を検知し、検知された位置に基づいて気流を制御する空調制御装置とを備え、空調制御装置は、輻射センサーの検知に係る熱画像から吹出気流が壁面に衝突する際に発生する物体の温度変化部の上端位置を検知し、上下吹出角度を変更して温度変化部の上端位置の移動量と変更した上下吹出角度量により壁面までの距離を測定し、この測定した距離に応じてショーケースに気流が到達するのを避けるように構成しているので、売り場のレイアウトを変更する際に空調機の吹出方向を考慮する必要が無く、レイアウト変更が容易になるとともに、ショーケースに気流が到達して効率を悪化させる外乱となることを防ぐことができる。また、ショーケース内の温度に対して外乱を与えないため、食品の保存状態を良好に保つことができ、食品の安全性向上にも寄与する。
また、ショートサーキットが防止でき、空調機の信頼性が向上し、機器寿命を延長するだけでなく、設定温度と実際の温度が異なる(空調機が設定温度に到達したと誤検知し、停止してしまう)などの不快な空調状態を回避することができる。また、不快な空調状態の発生に起因していたユーザによる設定温度の変更(冷房時は温度を下げる/暖房時は温度を上げる)がなくなり、消費電力の増加を抑制することができ、省エネに貢献する。
本発明の実施の形態1に係る空気調和機の外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機の内部構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機による距離予測の動作説明図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和機による空調対象エリアの分割パターンの説明図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和機による空調空間を表す説明図である。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る空気調和機の外観を示す斜視図、図2はその内部構成を示す縦断面図、図3はその距離予測の動作説明図、図4はその空調対象エリアの分割パターンの説明図である。
本実施の形態の空気調和機は、図1に示すように箱状のキャビネット1と、その下部に取り付けられた矩形状の化粧パネル2と、使用者が好みに合わせたデマンド運転を設定するためのリモコン(図示せず)と、気流を制御する空調制御装置30とを備えている。化粧パネル2は、吹出口3aと、吸込口3bと、吹出口3aに取り付けられて上下風向を制御可能とする風向フラップ4とを備えている。また、化粧パネル2の一角の下面には、輻射センサー5が室内に臨むように設けられている。
キャビネット1の内部構造は図2に示すとおりである。すなわち、キャビネット1の天面中心には、ファンモーター6が負荷軸を下方に向けて設置され、この負荷軸にはターボファン7が取り付けられている。そして、このターボファン7を囲むように熱交換器8が配置され、この熱交換器8の外側には、これを囲むように、風路を構成し、熱交換された空気と機外とを断熱するインナーカバー9が配置されている。
熱交換器8の下部には、熱交換の際に発生する凝縮水を受け、かつ風路を構成するドレインパン10が配置され、ドレインパン10の下部には、ターボファン7の吸込口に連通する開口部を有し、またインナーカバー9およびドレインパン10により構成される風路に連通する吹出口3aを有する化粧パネル2が配置され、この化粧パネル2の吹出口3aには、上下方向に風向を調整可能な風向フラップ4が設けられている。
化粧パネル2の吸込口3bには、機器内部に塵埃等が侵入するのを防止するエアフィルター11と、エアフィルター11を支持しかつ目隠しとして機能するグリル3cが設けられている。さらにエアフィルター11とターボファン7の間には、吸込んだ空気をターボファン7へスムーズに導入するためのベルマウス12が設けられている。ターボファン7の吸込口近傍には吸込み温度センサー13が設けられ、また化粧パネル2の1角の下面には、モーターにより鉛直方向の軸を中心に360度回転可能に設置されたサーモパイル型の前記輻射センサー5が設けられている。
輻射センサー部の構成を図1乃至図3により更に詳述する。化粧パネル2の一部に成形された中空の略円錐型凸部には穴16が設けられ、内部には、モーター17と、モーター17の軸に接続されて回転可能としたセンサーケース18が設けられ、センサーケース18に、検知部を穴16を通して外部に露出するように輻射センサー5が取り付けられている。輻射センサー5は、複数の検知部から構成され、検知部は前記略円錐型凸部の円の法線に対して平行に配列されている。
空調制御装置30は、輻射センサー5の検知に係る熱画像から温度と画素数の閾値判定により温度管理型ショーケースおよび人体の位置を検知し、前記ショーケースが検知された場合には、当該ショーケースに吹出気流が到達しないように、かつリモコンにて設定された要求信号に基づいて気流を制御するものである。
次に、本実施の形態の空気調和機の初回起動時およびリセット時の動作について説明する。なお、空調機の通常運転時の基本動作については説明を省略する。まず、空調機設置後の初回起動時およびリセット時に、輻射センサー5を空調機の運転中または停止中にモーター駆動力により1分/1回程度の速度で360度回動させ、回動による軌跡軸と輻射センサー5の配列方向の軸で2次元熱画像を構成する。次いで、この輻射センサー5の検知に係る2次元熱画像から各画素の温度により画素のグルーピングを行い、物体画像の切り分けを行う。切り分けられた物体画像のうち、平均温度が閾値Tsc以下で画素数が閾値Ssc以上である位置を記憶し、再びセンサー5を回動させ、前記と同様に物体画像の切り分けおよび閾値処理を行う。前回と今回の両方に前記閾値を満足する物体が存在する場合には、前回と今回の物体の位置を比較し、該物体の移動距離を算出する。この移動距離が非常に小さい閾値以下である場合、その物体を温度管理型ショーケース、例えば冷凍・冷蔵ショーケースであると認識する。ショーケースと認識された場合、吹出口に設けられている上下フラップ4あるいは図示しない左右フラップあるいは図示しない風量制御手段の少なくとも一つを動作させ、吹出した気流がショーケースの商品陳列部に到達しないように制御する。閾値はセンサー感度、設置高さ等により適切に設定する必要がある。リモコンあるいは制御基板に配置したスイッチを用いて前記閾値を設置環境に応じて変更できるようにしても良い。
また、図3に示すように初回の起動時には、風向フラップ4を略水平吹き(水平吹出風向1)14とし、冷房運転または暖房運転を実施し、その際に輻射センサー5の検知に係る熱画像のうち、画素温度と熱交換器の配管温度または吹出温度との差がTw以下の画素をグルーピングし、このグループのサイズが閾値Sw以上であるグループ15を抽出し、このグループの上端位置15Aを記憶する。即ち吹出気流の壁面への衝突位置を記憶する。このように、温度差閾値Tw、サイズ閾値Swを設けることで、壁面か床面かを推定している。即ち輻射センサー5の検知に係る熱画像が床面であれば、吹出気流は拡散し、室内空気と混合されるためTwが大きくなる。また、各輻射センサー5はある視野角を持っているため、対象の壁面または床面が十分遠い距離にある場合には、解像度が下がりSwは小さくなる。よって、Twが小さく、Swが大きい場合に熱画像に映る壁面が近距離にあることが推定できる。
次に、吹出風向をある角度だけ下吹方向(水平吹出風向2)16として、前記と同様に熱画像から画素温度と熱交換器の配管温度または吹出温度との差がTw以下の画素をグルーピングし、このグループのサイズが閾値Sw以上であるグループ17を抽出し、このグループの上端位置17Bを検出し、吹出角度の変更分と前記上端位置15Aと上端位置17Bの垂直方向の距離から三角法により吹出気流が当っている壁面までの距離を推定する。距離が閾値以下である場合は、物体までの距離が近過ぎると認識し、当該壁面方向に向かう吹出口の風量を減少させるように風量制御手段を駆動させるかあるいは、リモコン等の表示装置によりユーザへ当該壁面方向に向かう吹出口を閉塞するように要求表示する。表示しながら、風量制御手段を駆動させてもよい。ユーザへの処置要求表示を行った場合には、処置を行った後に、リモコン等による要求非表示操作を行うことにより非表示とする。さらに、検知した情報は記憶装置に記憶しておき、リモコン等からのユーザ操作により検知結果を参照できるようにしている。また、リモコン等からのユーザ操作による前記壁面距離検知指令があった場合にも、前記検知動作を行う。
冷房時には吹出気流は重力により下がり気味となり、暖房時には浮力により上がり気味となるため、吸込温度、吹出温度、冷媒温度等により運転状態をみて吹出角度に補正を掛ける。これにより、精度向上が期待できる。
また、スケジューリングやタイマー等の自動機能による空調ON時に、輻射センサー5により人体存在の検知動作を行い、不在である場合には設定温度までの目標到達時間を延長し、圧縮機の回転数を(効率の良い範囲に)制限しながら緩やかに設定温度まで達するように制御する。
さらに、輻射センサー5の検知に係る2次元熱画像の情報により人体の存在位置を検出し、人体が空調対象エリア内のどのエリアに集中しているかにより吹出方向を制御する。前記空調対象エリア19は吹出方向の制御により吹き分けられる範囲では細かくし、気流の到達しないエリア、例えば図4のような各吹出し方向間のデッドエリア20となるコーナー方向(部屋の四隅等)では粗くする。
以上のように、ショーケースを検知して風を送らないようにしているので、空調機の吹出気流により商品が暖められることが無く、食品の保存状態を良好な状態に安定化することができる。また、ショーケースのエアカーテンを阻害することなく、ショーケースが必要以上の能力で冷やそうとする無駄を省くことができるため、省エネに貢献する。
また、空調機そのものが自動的に吹出口と壁面等の障害物体との距離を検知して、風量調整あるいは報知を行うため、ショートサーキットが防止でき、空調機の信頼性が向上し、機器寿命を延長するだけでなく、設定温度と実際の温度が異なる(空調機が設定温度に到達したと誤検知し、停止してしまう)などの不快な空調状態を回避することができる。また、不快な空調状態の発生に起因していたユーザによる設定温度の変更(冷房時は温度を下げる/暖房時は温度を上げる)がなくなり、消費電力の増加を抑制することができ、省エネに貢献する。
さらに、自動空調ON時に人体が不在である場合には、空調能力をセーブして(例えば、圧縮機回転数の上限を効率の良い範囲まで下げて)運転するため、高効率な空調が可能となる。
通常の空調運転中においても、人の存在により吹出気流を制御するエリアを空調領域内の気流がよく到達する範囲は細かく分割し、到達しない範囲(デッドエリア20)は粗く分割するようにしているので、快適性・省エネ性を向上しながら、制御に必要なメモリの保存領域を縮小することができ、処理も軽くなるため、CPUの必要処理能力が引き下げられ、コスト低減が図れるだけでなく、演算処理によるエネルギーの消費を抑えることができる。
実施の形態2.
図5は本発明の実施の形態2に係る空気調和機による空調空間を表す説明図であり、図中、前述の実施の形態1のものに相当する部分には同一符号を付してある。
前述の実施の形態1では、単一の冷媒系統あるいは単一の制御系統でも省エネ運転や快適性を向上できるようにしたものであるが、ここでは複数の室外機と室内機でなる複数冷媒系統が制御的にグループとなって運転されるような場合に省エネ運転できる実施の形態について説明する。
本実施の形態の空気調和機は、同一空調対象空間内に複数の冷媒系統が設置され、それぞれが制御的に繋がり、グループを構成している。図5は室内機21aと室外機23aで構成される系統aと室内機21bと室外機23bで構成される系統bが制御線24により制御的に繋がり、グループを構成している。グループの運転操作は、室内機21aとリモコン線25により接続されたリモコン26により行われ、ユーザからのリモコン操作により、リモコン26から系統a、系統bに同じ指令が与えられる。ここで、系統aはエリア27aを空調対象空間とし、系統bはエリア27bを空調対象空間としている。それぞれの室内機21a,21bには図示しない人感センサー(前述の輻射センサー5と同様のもの)が搭載されている。なお、各系統a,bはそれぞれデマンド設定がされているものとする。ここで、デマンドとは消費電力のピークカットを行うため、最大能力を制限する制御のことであり、デマンド率とは最大能力に対する制限された能力の比率をいう。
前記人感センサーにより自エリアの在人数あるいは在人率等の人体熱負荷を検知し、人体熱負荷が閾値Lh以上である場合にはリモコン26にデマンド率UP要求を送信する。リモコン26はデマンド率UP要求を受けると、グループ内の全冷媒系統に対してデマンド率変更可否の問い合わせを行う。リモコン26からの問い合わせに対して各冷媒系統では、人体熱負荷が閾値L1以下である場合にはデマンド率変更可能の回答を送信し、閾値Lhより大きい場合にはデマンド率変更不可の回答を送信する。リモコン26では各冷媒系統からの回答を集計し、デマンド率変更可能の回答があった場合には、デマンド率変更可能な系統のデマンド率を下げ、下げたデマンド率から当該系統の最大消費電力の減少分を算出し、この減少分だけデマンド率UP要求のあった系統のデマンド率を上げる。閾値LhおよびL1は複数の値を持つようにして段階的にデマンド率の再配分を行うようにしてもよい。例えばLhがレベル1の場合には5%引下げ可能、レベル2の場合には10%引下げ可能のようにしてもよい。
このように、本実施の形態の空気調和機においては、トータルのデマンド率を維持しながら必要なエリアへ空調能力を重点配分するようにしているので、ユーザの求める快適性を損なうことなく空調による電気料金の増大を抑えることができる。また、ピーク電力を抑えることができるので、発電設備の能力を低く設定することができ、結果としてCO2 の発生量を削減することができる。
なお、以上の実施の形態1および2では、空調対象空間の輻射を測る輻射センサー7や人感センサーは、接続されたモーターにより回動するように構成されているものを例に挙げて説明したが、モーターを使用せずに各吹出方向に向けて配置された多眼あるいは複数の輻射センサーを用いてもよいことは言うまでもない。
1 キャビネット、2 化粧パネル、3a 吹出口、3b 吸込口、4 風向フラップ(風向板)、5 輻射センサー、6 ファンモーター、7 ターボファン、8 熱交換器、9 インナーカバー、10 ドレインパン、11 フィルター、12 ベルマウス、13 吸込み温度センサー、15A,17B 物体の温度変化部の上端位置、17 モーター、18 センサーケース、19 空調対象エリア(吹出気流が到達可能である範囲)、20 デッドエリア(吹出気流が到達不可能なエリア)、21a,21b 室内機、23a,23b 室外機、24 制御線、25 リモコン線、26 リモコン、27a 系統aの空調対象エリア(自空調対象エリア)、27b 系統bの空調対象エリア、30 空調制御装置。

Claims (3)

  1. 揺動角制御可能な風向板を有し、天井付近に取り付けられ、室内を空調する空気調和機本体と、
    前記空気調和機本体に設けられた多眼あるいは複数個の輻射センサーと、
    デマンド運転を設定するためのリモコンと、
    前記輻射センサーの検知に係る熱画像から温度と画素数の閾値判定により温度管理型ショーケースおよび人体の位置を検知し、前記ショーケースが検知された場合には、当該ショーケースに吹出気流が到達しないように、かつ前記リモコンにて設定された要求信号に基づいて気流を制御する空調制御装置と備え
    前記空調制御装置は、前記輻射センサーの検知に係る熱画像から吹出気流が壁面に衝突する際に発生する物体の温度変化部の上端位置を検知し、上下吹出角度を変更して前記温度変化部の上端位置の移動量と変更した上下吹出角度量により壁面までの距離を測定し、この測定した距離に応じて前記気流の制御を行うことを特徴とする空気調和機。
  2. 揺動角制御可能な風向板を有し、天井付近に取り付けられ、室内を空調する空気調和機本体と、
    前記空気調和機本体に設けられた多眼あるいは複数個の輻射センサーと、
    空調温度、風向、風量を設定するためのリモコンと、
    前記輻射センサーの検知に係る熱画像から温度と画素数の閾値判定により冷温体および人体の位置を検知し、検知された位置に基づいて気流を制御する空調制御装置とを備え、
    前記空調制御装置は、前記輻射センサーの検知に係る熱画像から吹出気流が壁面に衝突する際に発生する物体の温度変化部の上端位置を検知し、上下吹出角度を変更して前記温度変化部の上端位置の移動量と変更した上下吹出角度量により壁面までの距離を測定し、この測定した距離に応じて前記気流の制御を行うことを特徴とする空気調和機。
  3. 前記空調制御装置は、床面の温度分布あるいは人体の存在情報を空調対象領域を分割して取り扱い、その分割のパターンは吹出気流が到達可能である範囲は細かく、吹出気流が到達不可能なエリアは粗くすることを特徴とする請求項1又は2記載の空気調和機。
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