JP6545448B2 - 二段圧縮式冷凍サイクル装置及びその制御装置並びに制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、二段圧縮式冷凍サイクル装置及びその制御装置並びに制御方法に関するものである。
従来、２台の圧縮機を直列に接続してなる二段圧縮式冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような二段圧縮式冷凍サイクル装置において、低段側圧縮機と高段側圧縮機との間の圧力である中間圧力は、圧縮機の総仕事量を理論的に最小にする中間圧力、すなわち、低段側圧縮機の圧力比と高段側圧縮機の圧力比とが等しくなる圧力（理論中間圧力）に制御される。
特開２０１４−１６０７９号公報
しかしながら、低段側圧縮機と高段側圧縮機との容量が異なる場合、または機種が異なる場合には、中間圧力を上記理論中間圧力で制御しても消費電力が最小にならない場合がある。また、低段側圧縮機と高段側圧縮機との機種や容量が同じであっても個体差があるため、必ずしも上記理論中間圧力が消費電力の観点からして最適であるとは限らない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧縮機の総消費電力を低減することのできる二段圧縮式冷凍サイクル装置及びその制御装置並びに制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１態様は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置であって、前記低段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第１情報が格納された低圧側記憶手段と、前記高段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第２情報が格納された高圧側記憶手段と、所定のアルゴリズムに従って目標中間圧力を設定する目標設定手段と、前記低段側圧縮機の回転数及び前記高段側圧縮機の回転数と、前記第１情報および前記第２情報とを用いて、前記中間圧力の値を所定の中間圧力の範囲で変化させたときの圧縮機の総効率を演算し、前記圧縮機の総効率が現在の総効率以上となる前記中間圧力を決定する中間圧力決定手段と、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定手段によって決定された中間圧力に変更する目標変更手段と、を具備し、前記目標変更手段は、前記目標設定手段による前記目標中間圧力に基づく前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機の回転数制御が行われ、安定状態であると判定された場合に、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定手段によって決定された前記中間圧力に変更する制御装置である。
上記構成によれば、目標設定手段により、目標中間圧力に所定のアルゴリズムに従って求められた中間圧力が設定され、その後、中間圧力決定手段によって、現在の目標中間圧力における圧縮機効率以上の効率が得られる中間圧力が決定され、目標変更手段によって、目標中間圧力が中間圧力決定手段によって決定された中間圧力に変更される。
この場合において、中間圧力決定手段は、低段側圧縮機及び高段側圧縮機についての実際の特性を用いて高効率で運転可能な中間圧力を決定するので、目標設定手段によって設定された目標中間圧力の場合と比べて、高効率（高性能）な運転を実現することが可能となる。ここで、高段側圧縮機は、低段側圧縮機の冷媒流れ下流側に設けられている。
上記制御装置において、前記目標設定手段は、前記低段側圧縮機の圧縮比と前記高段側圧縮機の圧縮比とが等しくなる理論中間圧力を前記目標中間圧力として設定することとしてもよい。
上記構成によれば、理論中間圧力で中間圧力を制御したときよりも高い効率（性能）を実現することが可能となる。
本発明の参考例としての一態様は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置であって、目標高圧圧力または目標低圧圧力を設定する際に用いられるパラメータと、理論中間圧力のときの圧縮機総効率よりも大きな効率が得られる目標中間圧力とが関連付けられた中間圧力情報が格納されている記憶手段と、前記中間圧力情報から現在の前記パラメータの値に対応する目標中間圧力を取得し設定する目標設定手段とを備え、前記理論中間圧力は、前記低段側圧縮機の圧縮比と前記高段側圧縮機の圧縮比とが等しくなる中間圧力である制御装置である。
このような構成によれば、目標高圧圧力または目標低圧圧力を設定する際に用いられるパラメータと、理論中間圧力のときの圧縮機総効率よりも大きな効率が得られる目標中間圧力とが関連付けられた中間圧力情報を用いて、目標中間圧力が設定される。これにより、理論中間圧力で中間圧力を制御するときよりも高い効率（性能）で圧縮機を運転させることが可能となる。更に、中間圧力情報を用いることにより、目標高圧圧力または目標低圧圧力を設定する際に用いられるパラメータの現在値から直接的に目標中間圧力を得ることが可能となる。これにより、処理を簡素化することができ、処理負担の低減を図ることが可能となる。
上記「目標高圧圧力または目標低圧圧力を設定する際に用いられるパラメータ」とは、換言すると、低段側圧縮機の回転数制御に用いられるパラメータである。また、このパラメータは、二段圧縮式冷凍サイクル装置の態様によって異なる。例えば、凝縮器において冷却水に対して放熱し、蒸発器において冷水から吸熱することにより、所定温度の冷水を供給するようなターボ冷凍機を例に挙げると、パラメータとしては、冷却水温度、冷水設定温度等が挙げられる。また、例えば、蒸発器において外気から吸熱し、凝縮器において冷水に対して放熱することにより、所定温度の温水（湯）を供給するような給湯器を例に挙げると、パラメータとしては、外気温度、給湯設定温度等が挙げられる。また、冷房機能または暖房機能あるいはその両方を備える空気調和機を例に挙げると、パラメータとしては、室内設定温度、外気温度等が挙げられる。
本発明の第２態様は、上記制御装置を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置である。
本発明の第３態様は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法であって、所定のアルゴリズムに従って目標中間圧力を設定する目標設定工程と、前記低段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第１情報、前記高段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第２情報、前記低段側圧縮機の回転数、及び前記高段側圧縮機の回転数を用いて、前記中間圧力の値を所定の中間圧力の範囲で変化させたときの圧縮機の総効率を演算し、前記圧縮機の総効率が現在の総効率以上となる前記中間圧力を決定する中間圧力決定工程と、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定工程において決定された中間圧力に変更する目標変更工程と、を含み、前記目標変更工程は、前記目標設定工程による前記目標中間圧力に基づく前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機の回転数制御が行われ、安定状態であると判定された場合に、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定工程によって決定された前記中間圧力に変更する二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法である。
本発明の参考例としての一態様は、低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法であって、目標高圧圧力または目標低圧圧力を設定する際に用いられるパラメータと、理論中間圧力のときの圧縮機総効率よりも大きな効率が得られる目標中間圧力とが関連付けられた中間圧力情報を用いて、現在の前記パラメータの値に対応する目標中間圧力を取得し設定する目標設定工程を含み、前記理論中間圧力は、前記低段側圧縮機の圧縮比と前記高段側圧縮機の圧縮比とが等しくなる中間圧力である二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法である。
本発明によれば、圧縮機の総消費電力を低減することができるという効果を奏する。
本発明の第１実施形態に係る空気調和機の冷媒系統図である。 本発明の第１実施形態に係る空気調和機の制御装置が備える各種機能のうち、圧縮機の回転数制御に関する構成を示した図である。 低段側効率テーブルの一例を示した図である。 二段式圧縮機の効率演算式について説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る空気調和機の制御装置により実行される処理の手順を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る空気調和機の制御装置が備える各種機能のうち、圧縮機の回転数制御に関する構成を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る空気調和機の制御装置により実行される処理の手順を示したフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る空気調和機の制御装置により実行される処理の手順を示したフローチャートである。
以下に、本発明に係る二段圧縮式冷凍サイクル装置及びその制御装置並びに制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。本発明の二段圧縮式冷凍サイクル装置は、熱媒を冷却または加熱して出力するものであり、例えば、空気調和機やターボ冷凍機等が一例として挙げられる。熱媒は、気体、液体を問わない。また、二段圧縮式冷凍サイクル装置は、熱媒を冷却または加熱する機能のみを有していてもよいし、両方の機能を有していてもよい。以下の説明においては、二段圧縮式冷凍サイクル装置の一例として、空気調和機を例に挙げて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和機１０の冷媒系統図である。空気調和機１０は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、冷房と暖房とを切り替えるための四方弁４と、室内空気と冷媒とが熱交換する室内熱交換器５と、外気と冷媒とが熱交換する室外熱交換器６と、室内熱交換器５と室外熱交換器６との間に設けられ、液冷媒を貯留する中間冷却器７とを備えている。中間冷却器７と室内熱交換器５との間の冷媒配管には第１膨張弁９が、中間冷却器７と室外熱交換器６との間の冷媒配管には第２膨張弁１１がそれぞれ設けられている。また、圧縮機３と四方弁４との間には、ガス化しきれなかった冷媒が液状のまま圧縮機３に吸入されるのを防ぐために、冷媒の液分を貯留するアキュムレータ１３が設けられている。上記構成において、例えば、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器６、中間冷却器７、第２膨張弁１１、及びアキュムレータ１３は、室外機に設けられ、室内熱交換器５及び第１膨張弁９は室内機に設けられている。
圧縮機３は、低段側圧縮機３ａと、高段側圧縮機３ｂとを備える２段圧縮機とされている。低段側圧縮機３ａ及び高段側圧縮機３ｂは、スクロール圧縮機であり、高段側圧縮機３ｂは、低段側圧縮機３ａに比べて容量が小さい、例えば、低段側圧縮機３ａの容量の約０．７倍から１倍程度とされている。低段側圧縮機３ａと高段側圧縮機３ｂとの間の冷媒配管、換言すると、高段側圧縮機３ｂの冷媒吸込側は、中間圧冷媒配管８によって、中間冷却器７内の空気相（上方空間）７ａと接続されている。
空気調和機１０は、圧縮機３から吐出されて四方弁４へ流れる冷媒の圧力（高圧圧力：凝縮圧力）を測定する圧力センサ（図示略）、及び四方弁４から圧縮機３へ戻される冷媒の圧力（低圧圧力：蒸発圧力）を測定する圧力センサ（図示略）を備える。
このような空気調和機１０の冷房運転時においては、高段側圧縮機３ｂから吐出された高温高圧の冷媒は、破線矢印で示すように、四方弁４を経て室外熱交換器６に送られ、ここで外気と熱交換することによって凝縮液化して液冷媒となる。液冷媒となった冷媒は、第２膨張弁１１により中間圧に調整され、中間冷却器７に送られる。中間冷却器７において、中間圧冷媒は気液分離され、ガス冷媒は中間圧冷媒配管８を通じて高段側圧縮機３ｂの冷媒吸込側へと導かれ、液冷媒は中間冷却器７内に貯留される。中間冷却器７内に貯留された中間圧の液冷媒は、第１膨張弁９を通過する過程で断熱膨張した後、室内熱交換器５に送られ、ここで室内空気を冷却することによって蒸発気化する。室内熱交換器５において、吸熱してガスになった冷媒は、四方弁４、アキュムレータ１３を経て圧縮機３の低段側圧縮機３ａに送られる。低段側圧縮機３ａにおいて圧縮された冷媒は、中間圧冷媒配管８からのガス冷媒と合流して、高段側圧縮機３ｂに吸い込まれ、高段側圧縮機３ｂによって更に圧縮された冷媒が四方弁４に送られる。
このように、空気調和機１０の冷房運転時には、室外熱交換器６が凝縮器として、室内熱交換器５が蒸発器として機能する。
一方、空気調和機１０の暖房運転時には、高段側圧縮機３ｂから吐出された高温・高圧の冷媒は、実線矢印で示すように、四方弁４を経て室内熱交換器５に送られ、ここで室内空気に放熱することによって凝縮液化し、高圧低温の液冷媒となる。この液冷媒は、第１膨張弁９によって中間圧に調整され、中間冷却器７に送られる。中間冷却器７において、中間圧冷媒は気液分離され、ガス冷媒は中間圧冷媒配管８を通じて高段側圧縮機３ｂの冷媒吸込側へと導かれ、液冷媒は中間冷却器７内に貯留される。中間冷却器７内に貯留された中間圧の液冷媒は、第２膨張弁１１を通過する過程で断熱膨張した後、室外熱交換器６に送られ、ここで外気を冷却することによって蒸発気化する。室外熱交換器６において、吸熱してガスになった冷媒は、四方弁４、アキュムレータ１３を経て圧縮機３の低段側圧縮機３ａに送られる。低段側圧縮機３ａにおいて圧縮された冷媒は、中間圧冷媒配管８からのガス冷媒と合流して、高段側圧縮機３ｂに吸い込まれ、高段側圧縮機３ｂによって更に圧縮された冷媒が四方弁４に送られる。
このように、空気調和機１０の暖房運転時には、室内熱交換器５が凝縮器として、室外熱交換器６が蒸発器として機能する。
なお、本実施形態では、室内熱交換器５及び室外熱交換器６ともに気体との熱交換としているが、これに限られず、液体（例えば、水）との熱交換としてもよい。
このような空気調和機１０において、圧縮機３の制御、四方弁４の切り替え、第１膨張弁９及び第２膨張弁１１の開度制御等は、制御装置２０（図２参照）によって行われる。図２は、空気調和機１０の制御装置が備える各種機能のうち、圧縮機３の回転数制御に関する構成を示した図である。制御装置２０は、例えば、圧縮機制御部（制御手段）２１と、低段側圧縮機３ａを駆動する低段側駆動装置２２ａ、及び高段側圧縮機３ｂを駆動する高段側駆動装置（高段側駆動手段）２２ｂを主な構成として備えている。
低段側駆動装置２２ａ及び高段側駆動装置２２ｂの各々は、例えば、６つのスイッチング素子を備えるインバータ、インバータを構成するスイッチング素子を駆動するゲートドライバ、圧縮機制御部２１からの回転数指令に基づいて、ゲートドライバにＰＷＭ信号を与えるマイクロプロセッサ等を備えている。
圧縮機制御部２１は、例えば、マイクロプロセッサであり、後述する各部により実現される各種機能は、ＲＯＭ等の記録媒体に格納されているプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等のメモリに読み出して実行することにより実現される。
圧縮機制御部２１は、例えば、低段側記憶部３１、高段側記憶部３２、目標設定部３３、中間圧力決定部３４、目標変更部３５、電流制限部３６、回転数指令演算部３７等を備えている。
低段側記憶部３１には、低段側圧縮機３ａについて、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第１情報が格納されている。例えば、低段側記憶部３１には、図３に示すように、中間圧力と効率とが関連付けられた低段側効率テーブルが回転数毎に格納されている。
高段側記憶部３２には、高段側圧縮機３ｂについて、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第２情報が格納されている。例えば、低段側記憶部３１と同様に、中間圧力と効率とが関連付けられた高段側効率テーブルが回転数毎に格納されている。
目標設定部３３は、所定のアルゴリズムに従って目標中間圧力を設定する。例えば、目標設定部３３は、蒸発圧力と凝縮圧力とから、低段側圧縮機３ａの圧縮比と高段側圧縮機３ｂの圧縮比とが等しくなる中間圧力に目標中間圧力を設定する。
中間圧力決定部３４は、低段側圧縮機３ａの回転数及び高段側圧縮機３ｂの回転数と、第１情報および第２情報とから、圧縮機の総効率が現在の総効率以上となる中間圧力を決定する。中間圧力決定部３４は、例えば、現在の低段側圧縮機３ａの回転数に対応する低段側効率テーブルと、現在の高段側圧縮機３ｂの回転数に対応する高段側テーブルとから、同じ中間圧力Ｐｍ＿ｉにおける効率η１、η２を抽出し、この効率η１、η２を以下の（１）式に代入することで、当該中間圧力Ｐｍ＿ｉにおける圧縮機３の総効率を演算する。
Figure 0006545448
（１）式において、η＿ａｌｌは圧縮機３の総効率、Ｘはガス冷媒のインジェクション率であり、中間圧力（Ｐｍ＿ｉ）と過冷却度とから演算される。η１は低段側圧縮機３ａの中間圧力Ｐｍ＿ｉにおける効率、η２は高段側圧縮機３ｂの中間圧力Ｐｍ＿ｉにおける効率である。
なお、上記（１）式は、以下の過程から導出された式である。
例えば、図４に示すような２段圧縮式冷凍サイクルのモリエル線図を想定すると、圧縮機３の全体入力Ｗは以下の（２）式で表される。
Figure 0006545448
上記（２）式において、Ｇｒ１は低段側圧縮機の冷媒循環量、Ｇｒ２は高段側圧縮機の冷媒循環量、ｈＡＢは図４におけるＡＢ間のエンタルピー差、ｈＣＤは図４におけるＣＤ間のエンタルピー差、η１（＝理論動力／実動力）は低段側圧縮機の効率、η２（＝理論動力／実動力）は高段側圧縮機の効率、Ｘは乾き度である。ここで、ｈ＝ｈＡＢ≒ｈＣＤとすると、（２）式は以下の（３）式で表される。
Figure 0006545448
また、圧縮機３の全体入力Ｗは、圧縮機３の総効率η＿ａｌｌを用いて、以下の（４）式で表され、更に、ｈ＝ｈＡＢ≒ｈＣＤとすると、（４）式は（５）式で表される。
Figure 0006545448
そして、上記（３）式及び（５）式から、上記（１）式に示した圧縮機３の総効率η＿ａｌｌの式が導出される。
中間圧力決定部３４は、中間圧力Ｐｍ＿ｉの値を所定の中間圧力の範囲で変化させたときの圧縮機３の総効率η＿ａｌｌをそれぞれ演算し、最も総効率η＿ａｌｌの値が大きくなる中間圧力を決定する。
目標変更部３５は、現在の目標中間圧力を中間圧力決定部３４によって決定された中間圧力に変更する。
電流制限部３６は、高段側駆動装置２２ｂを流れる電流（例えば、モータ電流）を高段側駆動装置２２ｂの構成から決定される所定の電流制限値を超えないように制御するものである。例えば、モータ電流が電流制限値を超える場合に、モータ電流が電流制限値以下となるまで、現在の目標中間圧力を上昇させる。また、この状態において、モータ電流が予め設定されている解除電流値以下となった場合には、目標中間圧力を理論中間圧力に変更する。
回転数指令演算部３７は、低段側駆動装置２２ａに与える低段側回転数指令ωａ＊及び高段側駆動装置２２ｂに与える高段側回転数指令ωｂ＊を生成する。
具体的には、回転数指令演算部３７は、冷房運転時においては、低圧圧力（低段側圧縮機３ａの吸込圧力）が室内設定温度から決定される目標低圧圧力となるような低段側圧縮機３ａの回転数指令ωａ＊を生成し、暖房運転時においては、例えば、高圧圧力（高段側圧縮機３ｂの吐出圧力）が室内設定温度から決定される目標高圧圧力となるような低段側圧縮機３ａの回転数指令ωａ＊を生成する。
また、回転数指令演算部３７は、中間圧力を現在設定されている目標中間圧力に一致させるような高段側圧縮機３ｂの回転数指令ωｂ＊を生成する。例えば、回転数指令演算部３７は、目標中間圧力をパラメータとして含む回転数指令ωｂ＊の演算式を保有しており、演算式に目標中間圧力を入力することにより、回転数指令ωｂ＊を得てもよいし、目標中間圧力と回転数指令ωｂ＊とが関連付けられたテーブルを保有しており、このテーブルから目標中間圧力に対応する回転数指令ωｂ＊を得ることとしてもよい。ここで、目標中間圧力が上昇した場合、高段側圧縮機３ｂの回転数は下がる方向に制御される。
回転数指令演算部３７によって決定された低段側回転数指令ωａ＊は低段側駆動装置２２ａに与えられ、高段側回転数指令ωｂ＊は高段側駆動装置２２ｂに与えられる。低段側駆動装置２２ａ、高段側駆動装置２２ｂは、それぞれ与えられた低段側回転数指令ωａ＊及び高段側回転数指令ωｂ＊に、圧縮機モータの回転数が一致するようにインバータを駆動する。
次に、本実施形態に係る空気調和機の制御装置２０によって実行される圧縮機３の回転数制御について図５を参照して説明する。
まず、冷房、暖房、外気温度、室内設定温度等の各種入力情報に基づいて、各種目標値が設定される（ステップＳＡ１）。例えば、冷房時であれば室内設定温度から目標低圧圧力が、暖房時であれば室内設定温度から目標高圧圧力が設定されるとともに、目標中間圧力に理論中間圧力が設定される。続いて、ステップＳＡ１で設定された目標低圧圧力（冷房時）または目標高圧圧力（暖房時）に基づいて低段側圧縮機３ａの回転数制御が行われるとともに、目標中間圧力（＝理論中間圧力）に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数制御が行われる（ステップＳＡ２）。続いて、安定状態であるか否かが判定される（ステップＳＡ３）。安定状態であるか否かは、例えば、冷房時においては低圧圧力と目標低圧圧力との差分が許容範囲内であり、かつ、中間圧力と目標中間圧力との差が許容範囲内であるか、暖房時においては高圧圧力と目標高圧圧力との差分が許容範囲内であり、かつ、中間圧力と目標中間圧力との差が許容範囲内であるかによって判定される。なお、安定状態であるか否かの判定は上記例に限定されない。例えば、室内温度と室内設定温度との差が許容範囲内であるか否かによって判定してもよい。
この結果、安定状態でなければ（ステップＳＡ３において「ＮＯ」）、ステップＳＡ２に戻り、それぞれの目標圧力に基づく回転数制御が行われる。一方、安定状態である場合には（ステップＳＡ３において「ＹＥＳ」）、モータ電流が所定の電流制限値を超えているか否かが判定され（ステップＳＡ４）、超えていれば（ステップＳＡ４において「ＹＥＳ」）、電流制限処理が行われる（ステップＳＡ５）。これにより、モータ電流が電流制限値以内となるまで、ステップＳＡ１で設定された目標中間圧力が上昇させられ、モータ電流が電流制限値以内となったときの目標中間圧力に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数が制御される。
一方、ステップＳＡ４において、モータ電流が所定の電流制限値を超えていないと判定された場合には（ステップＳＡ４において「ＮＯ」）、現在の低段側圧縮機３ａの回転数に対応する低段側効率テーブル及び現在の高段側圧縮機３ｂの回転数に対応する高段側効率テーブルと、上記（１）式とを用いて、圧縮機３の総効率η＿ａｌｌが最も高い中間圧力が決定される（ステップＳＡ６）。なお、効率テーブルを選択する場合においては、低段側圧縮機３ａの実回転数及び高段側圧縮機３ｂの実回転数に代えて、目標高圧圧力または目標低圧圧力から決定される低段側回転数指令ωａ＊及び現在の中間圧力から決定される高段側回転数指令ωｂ＊を用いることとしてもよい。このように低段側回転数指令ωａ＊及び高段側回転数指令ωｂ＊を用いることにより、ノイズ分を除去することができ、適切な効率テーブルを選択することが可能となる。
続いて、現在の目標中間圧力がステップＳＡ６で決定された中間圧力に変更され（ステップＳＡ７）、高段側圧縮機３ｂについては、変更後の目標中間圧力に基づく回転数制御が行われる（ステップＳＡ８）。これにより、理論中間圧力で中間圧力を制御するときよりも、高効率で圧縮機３を運転させることが可能となる。
続いて、外気温度や室内設定温度等の設定条件等が変更されたか否かが判定され（ステップＳＡ９）、変更されていなかった場合には、ステップＳＡ８に戻り、変更後の目標中間圧力、すなわち、圧縮機３の総効率が最も高くなる目標中間圧力に基づく回転数制御が行われる。一方、設定条件等が変更された場合には、ステップＳＡ１に戻り、変更後の条件に基づいて、目標高圧圧力または目標低圧圧力が新たに設定されるとともに、目標中間圧力が理論中間圧力に設定される。
以上、本実施形態に係る空気調和機１０及びその制御装置２０並びに制御方法によれば、低段側圧縮機３ａの効率特性を示す低段側効率テーブルと、高段側圧縮機３ｂの効率特性を示す高段側効率テーブルとをそれぞれ用意しておき、これらの情報を用いて圧縮機３全体として効率のよい中間圧力が決定され、決定された中間圧力に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数が制御される。このように、低段側圧縮機３ａ及び高段側圧縮機３ｂについて実際の効率特性を用いて最も効率の高い中間圧力を決定するので、理論中間圧力に基づいて回転数制御を行う場合よりも効率（性能）を高めることが可能となる。
なお、中間圧力決定部３４は、必ずしも圧縮機３の総効率η＿ａｌｌが最大値を取るときの中間圧力を決定する必要はない。例えば、理論中間圧力で制御したときの総効率η＿ａｌｌよりも高い総効率が得られる中間圧力を取得すれば、性能を向上させるという目的は果たすことができる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る空気調和機及びその制御装置並びに制御方法について説明する。
上述した第１実施形態では、低段側効率テーブル及び高段側効率テーブルを用いて、中間圧力を変化させたときのそれぞれの総効率η＿ａｌｌを演算し、この演算結果から総効率η＿ａｌｌが最も高いときの中間圧力を目標中間圧力として設定していた。しかしながら、効率が最も高い中間圧力は、上記のような演算をせずとも、以下の理由から外気温度、室内設定温度、及び低圧側圧縮機の回転数から特定することができる。
すなわち、圧縮機３において、高段側圧縮機３ｂは中間圧力に基づいて回転数が制御されるので、中間圧力が変化しない限り高段側回転数指令ωｂ＊は一定とされる。これに対し、低段側圧縮機３ａの回転数は、設定条件が変化することにより変化する。具体的には、外気温度または室内設定温度が変化することにより、目標高圧圧力または目標低圧圧力が変更され、この変更に伴い低段側圧縮機３ａの回転数が変化する。低段側圧縮機３ａの回転数が変化することにより、圧縮機３の総効率が最大となる中間圧力を演算する際に参照される低段側効率テーブルが変化する。したがって、効率のよい中間圧力が変化するタイミングは、外気温度または室内設定温度が変化したタイミングということができる。
更に、外気温度、室内設定温度、及び低段側圧縮機の回転数が同じであれば、総効率η＿ａｌｌが最大値を取る中間圧力は常に同じ中間圧力となる。したがって、外気温度、室内設定温度、及び低段側圧縮機３ａの回転数と、圧縮機３の総効率が最大となる中間圧力とを関連づけた中間圧力情報を予め用意しておくことで、外気温度、室内設定温度、及び低段側圧縮機３ａの回転数から、圧縮機３の総効率η＿ａｌｌが最大となる中間圧力を直接的に得ることが可能となる。
本実施形態に係る制御装置２０´は、上記中間圧力情報を用いて目標中間圧力を設定するものである。以下、本実施形態に係る空気調和機及びその制御装置並びに制御方法について、上述した第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図６は、本実施形態に係る制御装置２０´の構成を示した図である。図６に示すように、圧縮機制御部２１´は、図２に示される第１実施形態に係る低段側記憶部３１及び高段側記憶部３２に代えて、外気温度、室内設定温度、低段側圧縮機３ａの回転数、及び圧縮機３の総効率が最大となる中間圧力が関連付けられた中間圧力情報が格納された記憶部３０を有するとともに、中間圧力決定部３４及び目標変更部３５が省略され、目標設定部３３´が、記憶部３０に格納されている中間圧力情報から得られる中間圧力を目標中間圧力として設定する。
このような制御装置２０´においては、図７に示すように、まず、冷房、暖房、外気温度、室内設定温度等の各種入力情報に基づいて、各種目標値が設定される（ステップＳＢ１）。例えば、冷房時であれば室内設定温度から目標低圧圧力を、暖房時であれば室内設定温度から目標高圧圧力が設定されるとともに、現在の外気温度及び室内設定温度に対応する中間圧力が記憶部３０に格納されている中間圧力情報から取得され、取得された中間圧力が目標中間圧力として設定される。続いて、ステップＳＢ１で設定された目標低圧圧力（冷房時）または目標高圧圧力（暖房時）に基づいて低段側圧縮機３ａの回転数制御が行われるとともに、目標中間圧力に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数制御が行われる（ステップＳＢ２）。続いて、モータ電流が所定の電流制限値を超えているか否かが判定され（ステップＳＢ３）、超えていれば（ステップＳＢ３において「ＹＥＳ」）、電流制限処理が行われる（ステップＳＢ４）。これにより、モータ電流が電流制限値以内となるまで、ステップＳＢ１で設定された目標中間圧力が上昇させられ、モータ電流が電流制限値以内となったときの目標中間圧力に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数が制御される。
一方、ステップＳＡ３において、モータ電流が所定の電流制限値を超えていないと判定された場合には（ステップＳＢ３において「ＮＯ」）、外気温度や室内設定温度等の設定条件等が変更されたか否かが判定され（ステップＳＢ５）、変更されていなかった場合には、ステップＳＢ２に戻り、現在の目標中間圧力に基づいて回転数制御が行われる。一方、設定条件等が変更された場合には、ステップＳＡ１に戻り、変更後の条件に基づいて、目標高圧圧力または目標低圧圧力が新たに設定されるとともに、目標中間圧力が記憶部３０の中間圧力情報を用いて設定される。
以上、本実施形態に係る空気調和機１０及びその制御装置２０並びに制御方法によれば、第１実施形態に比べて演算処理を簡素化することができ、演算処理負担を軽減させることが可能となる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る空気調和機及びその制御装置並びに制御方法について説明する。上述した第２実施形態においては、図７のステップＳＢ１において、目標設定部３３´が中間圧力情報を参照して取得した中間圧力を目標中間圧力に設定することとした。本実施形態では、目標中間圧力の初期値として理論中間圧力を設定し、その後、上述した第２実施形態のように、中間圧力情報を用いた目標中間圧力の設定を行うこととしている。以下、本実施形態に係る制御装置２０´によって実行される処理について図８を参照して説明する。なお、制御装置の主な構成については、第２実施形態に係る制御装置２０´と同様であるため、説明を省略する。
まず、上述した第１実施形態のように、目標設定部３３´により、冷房、暖房、外気温度、室内設定温度等の各種入力情報に基づいて、各種目標値が設定される（ステップＳＣ１）。例えば、冷房時であれば室内設定温度から目標低圧圧力を、暖房時であれば室内設定温度から目標高圧圧力が設定されるとともに、目標中間圧力に理論中間圧力が設定される。続いて、ステップＳＣ１で設定された目標低圧圧力（冷房時）または目標高圧圧力（暖房時）に基づいて低段側圧縮機３ａの回転数制御が行われるとともに、目標中間圧力（＝理論中間圧力）に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数制御が行われる（ステップＳＣ２）。続いて、モータ電流が所定の電流制限値を超えているか否かが判定され（ステップＳＣ３）、超えていれば（ステップＳＣ３において「ＹＥＳ」）、電流制限処理が行われる（ステップＳＣ４）。これにより、モータ電流が電流制限値以内となるまで、ステップＳＣ１で設定された目標中間圧力が上昇させられ、モータ電流が電流制限値以内となったときの目標中間圧力に基づいて高段側圧縮機３ｂの回転数が制御される。
一方、ステップＳＣ３において、モータ電流が所定の電流制限値を超えていないと判定された場合には（ステップＳＣ３において「ＮＯ」）、目標設定部３３´により、現在の外気温度、室内設定温度、及び低段側圧縮機３ａの回転数に対応する中間圧力が記憶部３０に格納されている中間圧力情報から取得され、取得された中間圧力が目標中間圧力として設定される（ステップＳＣ５）。これにより、高段側圧縮機３ｂについては、変更後の目標中間圧力に基づく回転数制御が行われる（ステップＳＣ６）。この結果、理論中間圧力で中間圧力を制御するときよりも、高効率で圧縮機３を運転させることが可能となる。
続いて、外気温度や室内設定温度等の設定条件等が変更されたか否かが判定され（ステップＳＣ７）、変更されていなかった場合には、ステップＳＣ６に戻り、現在の目標中間圧力、すなわち、圧縮機３の総効率が最も高くなる目標中間圧力に基づく回転数制御が行われる。一方、設定条件等が変更された場合には、ステップＳＣ１に戻り、上述の処理が繰り返される。
以上、本発明の各実施形態に係る空気調和機及びその制御装置並びに制御方法について説明してきたが、本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。
３ 圧縮機
３ａ 低段側圧縮機
３ｂ 高段側圧縮機
４ 四方弁
５ 室内熱交換器
６ 室外熱交換器
７ 中間冷却器
８ 中間圧冷媒配管
９ 第１膨張弁
１０ 空気調和機
１１ 第２膨張弁
１３ アキュムレータ
２０、２０´ 制御装置
２１、２１´ 圧縮機制御部
２２ａ 低段側駆動装置
２２ｂ 高段側駆動装置
３０ 記憶部
３１ 低段側記憶部
３２ 高段側記憶部
３３、３３´ 目標設定部
３４ 中間圧力決定部
３５ 目標変更部
３６ 電流制限部
３７ 回転数指令演算部

Claims (4)

  1. 低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置であって、
    前記低段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第１情報が格納された低圧側記憶手段と、
    前記高段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第２情報が格納された高圧側記憶手段と、
    所定のアルゴリズムに従って目標中間圧力を設定する目標設定手段と、
    前記低段側圧縮機の回転数及び前記高段側圧縮機の回転数と、前記第１情報および前記第２情報とを用いて、前記中間圧力の値を所定の中間圧力の範囲で変化させたときの圧縮機の総効率を演算し、前記圧縮機の総効率が現在の総効率以上となる前記中間圧力を決定する中間圧力決定手段と、
    前記目標中間圧力を前記中間圧力決定手段によって決定された中間圧力に変更する目標変更手段と、
    を具備し、
    前記目標変更手段は、前記目標設定手段による前記目標中間圧力に基づく前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機の回転数制御が行われ、安定状態であると判定された場合に、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定手段によって決定された前記中間圧力に変更する制御装置。
  2. 前記目標設定手段は、前記低段側圧縮機の圧縮比と前記高段側圧縮機の圧縮比とが等しくなる理論中間圧力を前記目標中間圧力として設定する請求項１に記載の制御装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の制御装置を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置。
  4. 低段側圧縮機と高段側圧縮機とを直列に接続してなる圧縮機を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法であって、
    所定のアルゴリズムに従って目標中間圧力を設定する目標設定工程と、
    前記低段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第１情報、前記高段側圧縮機について、回転数と中間圧力と効率とが関連付けられた第２情報、前記低段側圧縮機の回転数、及び前記高段側圧縮機の回転数を用いて、前記中間圧力の値を所定の中間圧力の範囲で変化させたときの圧縮機の総効率を演算し、前記圧縮機の総効率が現在の総効率以上となる前記中間圧力を決定する中間圧力決定工程と、
    前記目標中間圧力を前記中間圧力決定工程において決定された中間圧力に変更する目標変更工程と、
    を含み、
    前記目標変更工程は、前記目標設定工程による前記目標中間圧力に基づく前記低段側圧縮機及び前記高段側圧縮機の回転数制御が行われ、安定状態であると判定された場合に、前記目標中間圧力を前記中間圧力決定工程によって決定された前記中間圧力に変更する二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法。
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