JP5310289B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン駆動式の空気調和装置に関するものである。
従来、空気調和装置としては、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。この空気調和装置では、冷房運転時、冷媒を圧縮する圧縮機の回転速度を駆動するための駆動源の回転速度(モータ回転速度)を上限回転速度により制限することで、制御回路等の異常過熱や圧縮機の過負荷運転などの防止が図られている。この場合、制御回路等の異常過熱や圧縮機の過負荷運転などが生じるときのモータ回転速度は外気温度に応じて異なることから、冷房運転時における外気温度を検出する外気温度検出手段を設けてその検出結果に基づき前記した上限回転速度を変更・設定することも併せて提案されている。これにより、制御回路等の異常過熱や圧縮機の過負荷運転を防止しつつ、できるだけ圧縮機の回転速度(モータ回転速度)の不要な制限を阻止して冷房性能の低下を防止している。
特開2008−202905号公報
ところで、特許文献1の空気調和装置では、外気温度検出手段としての外気温度センサにより検出される外気温度は、その設置位置に応じて種々の熱の影響を受けることになり、正確な外気温度の検出をできない場合がある。具体的には、外気温度センサの設置される室外機が空冷式の熱交換器(例えばラジエータなど)を備える場合、熱交換後の温度上昇した空気の影響を受けて、実際の外気温度よりも高い外気温度を検出することがある。あるいは、日射の影響により外気温度センサ又はその周辺部品が加熱されて、実際の外気温度よりも高い外気温度を検出することがある。
しかしながら、特許文献1の空気調和装置では、こうした熱の影響を受けて検出された外気温度に基づいて、圧縮機の回転速度(モータ回転速度)を制限する上限回転速度が決定されてしまうため、圧縮機の回転速度が過剰に制限されて、冷房性能の低下が生じることがある。
本発明の目的は、圧縮機の回転速度の過剰な制限による冷房性能の低下を抑制することができる空気調和装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、エンジン、該エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機及び冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室外機熱交換器を有する室外機と、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室内機熱交換器を有する室内機と、前記圧縮機から吐出された冷媒が該圧縮機に吸入されるまでの流路を形成して前記室外機熱交換器及び前記室内機熱交換器に冷媒を循環させる冷媒回路とを備え、前記圧縮機の回転速度を予め設定されている上限回転速度を下回るように制御する空気調和装置において、外気温度を検出する外気温度検出手段と、冷房運転時において、前記検出された外気温度が所定外気温度を超えるとき、前記上限回転速度が所定の上限回転速度よりが小さくなるように該上限回転速度を補正する補正手段と、前記エンジン及び前記圧縮機が収容される機械室内のルーム温度を検出するルーム温度検出手段と、前記検出されたルーム温度が所定ルーム温度を下回るとき、前記補正手段による前記上限回転速度の補正を取り消す取消手段とを備えたことを要旨とする。
前記外気温度検出手段により検出された外気温度が相対的に高くても、前記ルーム温度検出手段により検出されたルーム温度が所定ルーム温度を下回る場合、前記外気温度が種々の熱の影響を受けて本来の外気温度よりも高く検出されている可能性がある。同構成によれば、前記ルーム温度検出手段により検出されたルーム温度が所定ルーム温度を下回る場合、前記補正手段による前記上限回転速度の補正が、前記取消手段により取り消される。従って、前記外気温度検出手段により検出された外気温度が本来の外気温度よりも高く検出されている場合であっても、前記圧縮機の回転速度の過剰な制限による冷房性能の低下を抑制することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の空気調和装置において、前記ルーム温度検出手段は、前記圧縮機よりも前記エンジンに近い位置に配置されていることを要旨とする。
同構成によれば、前記ルーム温度検出手段は、前記圧縮機よりも前記エンジンに近い位置に配置されていることで、該エンジンの発熱による前記ルーム温度の上昇をより正確に検出することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の空気調和装置において、前記ルーム温度検出手段は、前記機械室及び該機械室の上部に設けられた熱交換室間を連通する換気口の配置に合わせて設けられていることを要旨とする。
同構成によれば、前記ルーム温度検出手段は、前記換気口の配置に合わせて設けられていることで、前記機械室内の空気の対流を利用して前記ルーム温度をより正確に検出することができる。
本発明では、圧縮機の回転速度の過剰な制限による冷房性能の低下を抑制することができる空気調和装置を提供することができる。
本発明の一実施形態の冷媒系統を示す回路図。 同実施形態の冷却液の系統を示す回路図。 (a)(b)は、室外機の内部構造を示す正面図及び側面図。 外気温度と上限回転速度との関係を示すマップ。 同実施形態の上限回転速度の設定態様を示すフローチャート。 同実施形態のエンジン回転速度の制御態様を示すフローチャート。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1は、本実施形態に係るエンジン駆動式の空気調和装置を示す回路図である。同図に示されるように、この空気調和装置は、室外機10と、室内機30とを備えて構成されている。
室外機10に設置され、ガスエンジン11(図2参照)により駆動される圧縮機12は、冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して、冷媒配管13aを介して接続された四方弁14に冷媒を送り出す。なお、冷媒配管13aには、オイルセパレータ26が設けられている。
四方弁14は、冷媒配管13bを介して室外機熱交換器15に接続されるとともに、冷媒配管13cを介してサブ熱交換器16に接続され、更に冷媒配管13dを介して開閉弁17に接続されている。また、四方弁14は、冷媒配管13eを介してアキュームレータ18に接続されるとともに、該アキュームレータ18は、冷媒配管13fを介して前記圧縮機12に接続されている。
なお、前記室外機熱交換器15は、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管13gを介して過冷却熱交換器19に接続されている。また、冷媒配管13gには、過冷却熱交換器19側への冷媒の流れを許容する逆止弁21が配置されるとともに、該逆止弁21と並列で流量調整弁22aが配置されている。さらに、前記サブ熱交換器16は、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管13hを介して過冷却熱交換器19に接続されている。そして、冷媒配管13hには、流量調整弁22bが配置されている。また、過冷却熱交換器19は、冷媒配管13iを介して開閉弁20に接続されている。
室内機30に設置された室内機熱交換器31は、冷媒配管32aを介して前記開閉弁17に接続されるとともに、冷媒配管32bを介して前記開閉弁20に接続されている。そして、冷媒配管32bには、電子膨張弁33が配置されている。なお、前記室内機熱交換器31は、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する。
冷媒配管13a〜13i,32a,32bは、圧縮機12から吐出された冷媒が該圧縮機12に吸入されるまでの流路を形成して、室外機熱交換器15及び室内機熱交換器31に冷媒を循環させる冷媒回路Lを構成する。特に、室外機10側の冷媒循環に係る圧縮機12を除いた略全体の構成を総称して冷媒ユニットRU(図3参照)という。
ここで、冷媒の流れについて説明する。なお、図1では、冷房運転時及び暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印及び破線矢印で表している。
冷房運転時、圧縮機12を出た冷媒は、オイルセパレータ26及び四方弁14を通過した後、室外機熱交換器15に導かれる。ここで、冷媒は、外気により熱を奪われて凝縮・液化し、更に過冷却熱交換器19により過冷却状態となる。その後、冷媒配管32bを通り室内機30の電子膨張弁33で減圧された冷媒は、室内機熱交換器31で室内の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、冷媒配管32aを通り四方弁14及びアキュームレータ18を経て圧縮機12に戻る。以上の過程を経ることで、室内が冷房される。
一方、暖房運転時、圧縮機12を出た冷媒は、オイルセパレータ26及び四方弁14を通過した後、室内機熱交換器31(室内機30)に導かれる。ここで、冷媒は、室内へ熱を放出し、凝縮・液化する。その後、室内機30の電子膨張弁33で減圧された冷媒は、冷媒配管32bを通り、室外機10の流量調整弁22a,22bでそれぞれ減圧され、該流量調整弁22aを通過した冷媒は室外機熱交換器15に、流量調整弁22bを通過した冷媒はサブ熱交換器16にそれぞれ導かれる。冷媒は、室外機熱交換器15では外気から熱を吸収、気化し、サブ熱交換器16ではエンジン排熱から熱を吸収、気化する。その後、室外機熱交換器15を通過し四方弁14を経た冷媒と、サブ熱交換器16を通過した冷媒とが合流し、アキュームレータ18を経て圧縮機12に戻る。以上の過程を経ることで、室内が暖房される。
次に、前記室外機10のガスエンジン11及びその冷却液系統について図2に基づき概略的に説明する。同図に示されるように、冷却液は、室外機10に設置されたウォータポンプ51によってその流れが作られており、液配管52aを介してガスエンジン11に送り出される。冷却液は、ガスエンジン11内部の流路(図示略)において該ガスエンジン11により加熱され、液配管52bを介してサーモスタット弁53に送り出される。
サーモスタット弁53は、バイパス液配管52cを介してウォータポンプ51に接続されるとともに、液配管52dを介して前記サブ熱交換器16に接続され、更に液配管52eを介してラジエータ54に接続されている。このラジエータ54は、前記ガスエンジン11により加熱された冷却液を、室外の空気との間の熱交換により放熱する。なお、前記サブ熱交換器16は、液配管52fを介して前記ウォータポンプ51に接続されるとともに、前記ラジエータ54は、液配管52gを介して該ウォータポンプ51に接続されている。そして、前記サーモスタット弁53は、冷却液の温度に応じてバイパス液配管52c、サブ熱交換器16及びラジエータ54をそれぞれ流れる冷却液の流量を調節する。
具体的には、ガスエンジン11で加熱された冷却液は、運転開始時等で温度が低いときは、サーモスタット弁53を介してウォータポンプ51に戻り、再びガスエンジン11で加熱される。また、ガスエンジン11で加熱された冷却液は、温度が上昇してくると、サーモスタット弁53を介してサブ熱交換器16に流れる。さらに、ガスエンジン11で加熱された冷却液は、温度が更に上昇してくると、サーモスタット弁53を介してラジエータ54に流れる。
なお、サーモスタット弁53によりバイパス液配管52cに導かれた冷却液は、ガスエンジン11との間で熱交換を繰り返すことで円滑に加熱される。また、サーモスタット弁53によりサブ熱交換器16に導かれた冷却液は、該サブ熱交換器16を流れる冷媒との熱交換に供せられて該冷媒を加熱する。これにより、暖房時は冷媒を温めて暖房能力を向上させる。さらに、サーモスタット弁53によりラジエータ54に導かれた冷却液は、室外の空気との間で熱交換することで放熱される。液配管52a〜52gは、ウォータポンプ51により送り出された冷却液が該ウォータポンプ51に戻るまでの流路を形成して、ガスエンジン11等に冷却液を循環させる冷却液回路L1を構成する。特に、ガスエンジン11及びその冷却液循環等に係る略全体の構成を総称してエンジンユニットEU(図3参照)という。
次に、前記室外機10の内部構造について説明する。図3(a)(b)は、室外機10の内部構造を示す正面図及び側面図である。同図に示されるように、室外機10は、その筐体をなす箱形のケース40を備える。このケース40内は、高さ方向中間部に配置される仕切板41によって上下に二分されており、該仕切板41の下側及び上側に機械室(エンジンルーム)40a及び熱交換室(熱交換器ルーム)40bをそれぞれ形成する。
機械室40aには、圧縮機12、冷媒ユニットRU及びエンジンユニットEUが収容・設置されている。一方、熱交換室40bには、冷却フィンを有する前記室外機熱交換器15がその前面及び後面に沿って広がるように設置されるとともに、前側の室外機熱交換器15に隣接して冷却フィンを有する前記ラジエータ54がその前面に沿って広がるように設置されている。そして、機械室40a及び熱交換室40bは、エンジンユニットEUの上方で前記仕切板41に設けられた換気口42によって連通されている。
また、熱交換室40b内は、高さ方向中間部に配置されるサポート柱43によって上下に更に二分されている。そして、サポート柱43上には、ファンモータ44が設置されるとともに、該ファンモータ44によって回転駆動されるファン45が設置されている。ラジエータ54に送り出された冷却液は、ファン45による送風によって空冷される。
ここで、熱交換室40b内のサポート柱43には、ケース40に形成された通気孔46(図3(a)参照)に対向して、外気温度検出手段としての外気温度センサ61が設けられている。この外気温度センサ61は、室外機10の設置環境下における外気温度Toを検出する。また、仕切板41の機械室40aに臨む下面には、前記換気口42に隣接してルーム温度検出手段としてのルーム温度センサ62が設けられている。このルーム温度センサ62は、機械室40a内のルーム温度(エンジンルーム温度)Teを検出する。
なお、既述のように、換気口42は、エンジンユニットEUの上方に設けられており、ルーム温度センサ62は、エンジンユニットEU付近(圧縮機12等よりもエンジンユニットEUに近い位置)に配置されている。これにより、ガスエンジン11の発熱によるルーム温度の上昇がより正確に検出される。また、ルーム温度センサ62は、換気口42の配置に合わせてその付近に設けられていることで、機械室40a内の空気の対流を利用してルーム温度がより正確に検出される。
図2に併せ示したように、室外機10には、例えばマイコンを主体に構成された制御ユニット60が搭載されている。この制御ユニット60は、前記外気温度センサ61及び前記ルーム温度センサ62とそれぞれ電気的に接続されている。また、制御ユニット60は、クランク角センサ63と電気的に接続されている。なお、制御ユニット60は、クランク角センサ63の出力読み値からガスエンジン11の現在の回転速度(y(s))を計算する。制御ユニット60は、外気温度センサ61に検出された外気温度To及びルーム温度センサ62に検出されたルーム温度Teに基づいて、ガスエンジン11(圧縮機12)の回転速度を制御する。
すなわち、冷房運転時、制御ユニット60は、ガスエンジン11や圧縮機12が過負荷運転とならないよう、ガスエンジン11(圧縮機12)の実際の回転速度(y(s))が上限回転速度Rmaxを下回るように該回転速度を制御する。
通常、制御ユニット60は、上限回転速度Rmaxを予め定められた所定の上限回転速度RM(例えば1950[rpm])に維持する。この上限回転速度RMは、冷房運転時、例えば制御ユニット60等の異常過熱や圧縮機12の過負荷運転を防止し得る規格上(システム)の上限回転速度である。また、外気温度Toが所定外気温度Tth1(例えば47°C)を超えるとき、制御ユニット60は、前記上限回転速度Rmaxが所定の上限回転速度RMより小さくなるようにこれを補正する(補正手段)。具体的には、制御ユニット60は、その内蔵するメモリに予め記憶された下式(1)に従って上限回転速度Rmaxを補正する。
Rmax=−600/5×(To−52)+1350 …(1)
図4は、このときの外気温度Toに応じた上限回転速度Rmaxの推移を示すグラフである。
さらに、冷房運転時、ルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2(例えば67°C)を下回るとき、制御ユニット60は、式(1)による上限回転速度Rmaxの補正を取り消す(取消手段)。つまり、外気温度Toが所定外気温度Tth1を超えていても、ルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2(例えば67°C)を下回るときには、制御ユニット60は、前記所定の上限回転速度RMを維持する。このように、上限回転速度Rmaxの補正の判断基準に、システムの負荷から決まるルーム温度Teが利用されることで、外気温度Toと実際の外気温度とに差異があるとき、システムの最大負荷に対してガスエンジン11(圧縮機12)に不要な回転速度制限がなされることを防止できる。なお、所定ルーム温度Tth2は、機械室40a内の各部品の耐熱性(性能維持)等から決定された温度であって、冷房運転時、設置位置に応じた熱の影響を受けていないときの外気温度Toが所定外気温度Tth1にあるときのルーム温度Teに相当する。
そして、制御ユニット60は、ガスエンジン11の回転速度(y(s))が上述の態様で設定等された上限回転速度Rmaxを下回るように該回転速度を制御する。具体的には、制御ユニット60は、目標値としての上限回転速度Rmaxであるエンジン回転速度目標値r(s)及び実際の回転速度y(s)をその内蔵するメモリから読み込んでこれらの偏差e(s)(=r(s)−y(s))を計算するとともに、該偏差e(s)に基づくPID制御の計算方法で、スロットルバルブの開度制御量u(s)を算出する。スロットルバルブは、その開度の調整によりガスエンジン11のシリンダ(燃焼室)に導入される混合気の流量を調整するものである。この開度制御量u(s)がガスエンジン11に適応されることで、ガスエンジン11の回転速度y(s)がエンジン回転速度目標値r(s)に応じて制御される。
次に、本実施形態の動作について図5及び図6のフローチャートに基づき総括して説明する。
図5は、制御ユニット60による上限回転速度Rmaxの設定態様を示すフローチャートである。この処理は、例えば定時割り込みにより繰り返し実行される。同図に示すように、処理がこのルーチンに移行すると、現在の外気温度To、ルーム温度Teが検出される(S1)。そして、検出された外気温度Toに基づき、式(1)に従って上限回転速度Rmaxが計算される(S2)。
続いて、ルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2以上か否かが判断される(S3)。そして、ルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2以上のときには、外気温度Toが実際に高いと推定されることから、S2で算出した上限回転速度Rmaxが適応・メモリに記憶され(S4)、ルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2未満のときには、外気温度Toが高いのは設置位置に応じた熱の影響を受けていると推定されることから、冷房運転時のシステムの最大回転速度即ち前記上限回転速度RMが上限回転速度Rmaxとして適応・メモリに記憶される(S5)。S4又はS5で上限回転速度Rmaxが設定等されると、その後の処理が一旦終了される。
図6は、上限回転速度Rmaxに基づく制御ユニット60によるガスエンジン11の回転制御態様を示すフローチャートである。同図に示すように、処理がこのルーチンに移行すると、エンジン回転速度目標値r(s)として、現在の上限回転速度Rmax(S4又はS5で設定等された上限回転速度Rmax)が読み込まれる(S11)。続いて、ガスエンジン11の現在の回転速度y(s)が読み込まれる(S12)。そして、エンジン回転速度目標値r(s)と実際の回転速度y(s)との偏差e(s)(=r(s)−y(s))が計算され(S13)、該偏差e(s)に基づきPID制御の計算方法でスロットルバルブの開度制御量u(s)が算出される(S14)。
さらに、外乱d(s)が考慮され(S15)、開度制御量u(s)及び外乱d(s)の合計値(=u(s)+d(s))がガスエンジン11に適応される(S16)。ガスエンジン11は、外乱d(s)を考慮した開度制御量u(s)が適応されて、その回転速度y(s)がエンジン回転速度目標値r(s)を下回るように駆動制御される。続いて、クランク角センサ63の出力読み値からガスエンジン11の現在の回転速度y(s)が改めて計算され(S17)、メモリに記憶されてその後の処理が一旦終了される。ここで計算等された回転速度y(s)がS12で読み込まれて、次回のルーチンにおけるガスエンジン11の駆動制御に供されることはいうまでもない。
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)本実施形態では、ルーム温度センサ62により検出されたルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2を下回る場合、制御ユニット60により上限回転速度Rmaxの補正が取り消される。従って、外気温度センサ61により検出された外気温度Toが本来の外気温度よりも高く検出されている場合であっても、ガスエンジン11の回転速度即ち圧縮機12の回転速度の過剰な制限による冷房性能の低下を抑制することができる。
(2)本実施形態では、ルーム温度センサ62は、圧縮機12よりもガスエンジン11(エンジンユニットEU)に近い位置に配置されていることで、該ガスエンジン11の発熱によるルーム温度Teの上昇をより正確に検出することができる。
(3)本実施形態では、ルーム温度センサ62は、換気口42の配置に合わせて設けられていることで、機械室40a内の空気の対流を利用してルーム温度Teをより正確に検出することができる。
(4)本実施形態では、ルーム温度センサ62により検出されたルーム温度Teが所定ルーム温度Tth2を超える場合、制御ユニット60により上限回転速度Rmaxが小さくなるように補正されて負荷が低減される。これにより、ルーム温度(Te)の過上昇を抑えて、各種部品の熱負荷増大による劣化を防止することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態において、外気温度センサ61は、室外機熱交換器15の近傍に配置してもよい。
・前記実施形態においては、ガスエンジン11の回転速度を介して間接的に圧縮機12の回転速度を制御したが、圧縮機12の回転速度を直に制御してもよい。
・前記実施形態において、上限回転速度Rmaxの計算式(1)は一例である。
・本発明は、灯油エンジンにより圧縮機12が回転駆動される灯油ヒートポンプ(KHP)式の空気調和装置に適用してもよい。
L…冷媒回路、10…室外機、11…ガスエンジン(エンジン)、12…圧縮機、15…室外機熱交換器、30…室内機、31…室内機熱交換器、40a…機械室、40b…熱交換室、42…換気口、60…制御ユニット(補正手段、取消手段)、61…外気温度センサ(外気温度検出手段)、62…ルーム温度センサ(ルーム温度検出手段)。

Claims (3)

  1. エンジン、該エンジンにより駆動されて冷媒を吸入するとともに該吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機及び冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室外機熱交換器を有する室外機と、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室内機熱交換器を有する室内機と、前記圧縮機から吐出された冷媒が該圧縮機に吸入されるまでの流路を形成して前記室外機熱交換器及び前記室内機熱交換器に冷媒を循環させる冷媒回路とを備え、前記圧縮機の回転速度を予め設定されている上限回転速度を下回るように制御する空気調和装置において、
    外気温度を検出する外気温度検出手段と、
    冷房運転時において、前記検出された外気温度が所定外気温度を超えるとき、前記検出された外気温度が低いときよりも高いときの方が、前記上限回転速度が所定の上限回転速度より小さくなるように該上限回転速度を補正する補正手段と、
    前記エンジン及び前記圧縮機が収容される機械室内のルーム温度を検出するルーム温度検出手段と、
    前記検出されたルーム温度が所定ルーム温度を下回るとき、前記補正手段による前記上限回転速度の補正を取り消す取消手段とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
  2. 請求項1に記載の空気調和装置において、
    前記ルーム温度検出手段は、前記圧縮機よりも前記エンジンに近い位置に配置されていることを特徴とする空気調和装置。
  3. 請求項1又は2に記載の空気調和装置において、
    前記ルーム温度検出手段は、前記機械室及び該機械室の上部に設けられた熱交換室間を連通する換気口の配置に合わせて設けられていることを特徴とする空気調和装置。
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