JP6569899B2 - 空気調和システム、制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
除霜運転に関連して、特許文献1には、暖房能力を抑制して運転することで室外機への着霜を遅らせる暖房連続運転優先モードを備える空気調和器が記載されている。この空気調和器は、室外熱交換器の冷媒配管に取り付けられた室外熱交換器配管温度検出センサで配管温度を検出し、配管温度が所定の連続運転液管温度閾値以上である場合は、通常の暖房運転を行う。一方、配管温度が連続運転液管温度閾値を下回ると、この空気調和器は、室内機の吹き出し温度を低下させることで、除霜運転に入るまでの時間を長くする。配管温度がさらに低下して所定の霜取開始温度を下回ると、この空気調和器は、除霜運転を行う。
図1は、本発明の一実施形態に係る空気調和システムの概略構成図である。同図に示すように、空気調和システム1は、室外機2と、室内機3とを備える。室外機2は、膨張弁11と、室外熱交換器12と、室外ファン13と、四方弁14と、圧縮機15と、ホットガスバイパス弁16と、圧力センサ21と、室外熱交換器温度センサ22と、外気温度センサ23と、制御装置100とを備える。室内機3は、室内熱交換器31と、室内ファン32とを備える。
また、空気調和システム1のうち、制御装置100以外の各部を総称して空気調和システム本体200と称する。制御装置100は、空気調和システム本体200を制御する。
なお、空気調和システム1が備える室内熱交換器31の数は同図に示す2つに限らず1つ以上であればよい。
暖房運転では、圧縮機15で圧縮された気体の冷媒が、第4配管W14、四方弁14、第6配管W21の順に経由して室内熱交換器31へ流入する。室内熱交換器31へ流入した気体の冷媒は、室内の空気との熱交換によって放熱して凝縮する。凝縮によって液体になった冷媒は、第7配管W22を経由して膨張弁11で減圧された後、さらに第1配管W11を経由して室外熱交換器12へ流入する。室外熱交換器12へ流入した冷媒は、外気(室外の空気)との熱交換によって吸熱して蒸発する。蒸発によって気体になった冷媒は、第2配管W12、四方弁14、第3配管W13の順に経由して圧縮機15へ流入し圧縮される。
除霜運転でも、冷媒は暖房運転の場合と同様に流れ、室外熱交換器12で放熱することで室外熱交換器12を加熱する。この加熱によって室外熱交換器12に付着している霜が溶ける。
膨張弁11は、膨張弁11自らを流れる液体の冷媒を減圧する。この減圧により冷媒が蒸発し易くなる。
室外熱交換器12は、冷媒と外気との間で熱交換を行わせる。暖房運転では、膨張弁11で減圧された低圧の液体の冷媒が室外熱交換器12へ流入し、外気との熱交換によって吸熱して蒸発する。従って、室外熱交換器12は、外気から気化熱を吸熱して液体の冷媒を気化させる。一方、冷房運転では、圧縮機15で圧縮された高圧の気体の冷媒が室外熱交換器12へ流入し、外気との熱交換によって放熱して凝縮する。
室外ファン13は、外気を室外熱交換器12に送風する。室外ファンの送風により室外熱交換器12での熱交換が促進される。
ホットガスバイパス弁16は、圧縮機15から第1配管W11への冷媒の流れの有無を切り替える。ホットガスバイパス弁16が開くと、圧縮機15が圧縮した冷媒の一部が第5配管W15を経由して第1配管W11へ流れる。一方、ホットガスバイパス弁16が閉じると、この流れが遮断される。
空気調和システムのうち、圧縮機が圧縮した冷媒の圧力が高くなりすぎた場合に冷媒を減圧して機器や配管を保護する目的でホットガスバイパス及びホットガスバイパス弁を備えるものがある。一方、本実施形態の空気調和システム1は、この目的に加えて、室外熱交換器12の除霜を行う目的でホットガスバイパス(第5配管W15)及びホットガスバイパス弁16を用いる。
室外熱交換器温度センサ22は、室外熱交換器12の温度を検出する。例えば、室外熱交換器温度センサ22は、室外熱交換器12の冷媒配管の外面に設けられ、当該配管の外面の温度を測定する。
外気温度センサ23は、外気温度を検出する。
なお、膨張弁11、四方弁14、圧縮機15、ホットガスバイパス弁16、圧力センサ21、外気温度センサ23、制御装置100の何れかまたは複数が、室外機2の外部に設けられていてもよい。
室内熱交換器31は、冷媒と室内の空気との間で熱交換を行わせる。暖房運転では、高圧の気体の冷媒が室内熱交換器31へ流入し、室内の空気との熱交換によって放熱して凝縮する。従って、室内熱交換器31は、圧縮機15によって圧縮された気体の冷媒を液化させて凝縮熱を室内の空気に放熱する。一方、冷房運転では、低圧の液体の冷媒が室内熱交換器31へ流入し、室内の空気との熱交換によって吸熱して蒸発する。
室内ファン32は、室内機3が設置された室内の空気を室内熱交換器31へ送風する。室内ファン32の送風により室内熱交換器31での熱交換が促進される。
図2は、制御装置100の機能構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように制御装置100は、センサ値取得部110と、制御信号送信部120と、記憶部180と、制御部190とを備える。制御部190は、吸入圧力飽和温度算出部191と、吸入圧力飽和温度閾値決定部192と、室外熱交換器温度閾値決定部193と、運転制御部194とを備える。
制御信号送信部120は、制御部190が生成する制御信号を空気調和システム本体200へ送信する。
記憶部180は、制御装置100が備える記憶デバイスを用いて構成され、各種データを記憶する。
吸入圧力飽和温度算出部191は、圧力センサ21が検出する圧縮機15の吸入圧力から吸入圧力飽和温度を算出する。吸入圧力飽和温度算出部191が算出する吸入圧力飽和温度は、室外熱交換器12の蒸発温度を近似的に示している。
室外熱交換器温度閾値決定部193は、外気温度センサ23が検出する外気温度に基づいて室外熱交換器温度第1閾値と、室外熱交換器温度第2閾値とを決定する。室外熱交換器温度第1閾値は、室外熱交換器温度閾値の例に該当する。これらの閾値については後述する。
除霜運転回避モードでの運転時に室外熱交換器12の温度が室外熱交換器温度第1閾値に近付いた場合、及び、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第1閾値に近付いた場合のいずれも、運転制御部194は、除霜運転回避動作を空気調和システム本体200に行わせて、室外熱交換器12の温度、及び、吸入圧力飽和温度を上昇させる。
具体的には、運転制御部194は、室外熱交換器12の温度が室外熱交換器温度第2閾値より小さくなった場合、及び、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第2閾値より小さくなった場合のいずれも、除霜運転回避動作として以下のいずれか又はこれらの組み合わせを実行する。
ホットガスバイパス弁16を開くことで、圧縮機15で圧縮された高温の冷媒が室外熱交換器12に流入し、室外熱交換器12の温度、及び、吸入圧力飽和温度が上昇する。
(2)室外ファン13の回転数を増加させる。
室外ファン13の回転数が増加することで、室外熱交換器12での熱交換が促進され単位時間当たりの冷媒の蒸発量が増加する。単位時間当たりの冷媒の蒸発量が増加することで室外熱交換器12内の圧力が上昇し、室外熱交換器12の温度、及び、吸入圧力飽和温度が上昇する。
(3)圧縮機15の回転数を減少させる。
圧縮機15の回転数が減少することで単位時間当たりに室外熱交換器12へ流入する冷媒の量が減少する。これにより、冷媒による室外熱交換器12の冷却が抑制され、室外熱交換器12の温度、及び、吸入圧力飽和温度が上昇する。
また、図3に示すように室外熱交換器温度閾値決定部193は、外気温度に基づいて室外熱交換器温度第1閾値及び室外熱交換器温度第2閾値を決定する。外気温度が低い場合、外気温度が高い場合よりも室外熱交換器12に霜が付きにくくなるため、室外熱交換器温度閾値決定部193は外気温度が高い場合よりも室外熱交換器温度第1閾値及び室外熱交換器温度第2閾値を低く設定する。
なお、図3では、室外熱交換器温度第2閾値が室外熱交換器温度第1閾値よりも一定温度(例えば2℃)高い場合の例を示しているが、室外熱交換器温度第1閾値と室外熱交換器温度第2閾値との関係はこれに限らない。
また、図4に示すように吸入圧力飽和温度閾値決定部192は、外気温度に基づいて吸入圧力飽和温度第1閾値及び吸入圧力飽和温度第2閾値を決定する。外気温度が低い場合、外気温度が高い場合よりも室外熱交換器12に霜が付きにくくなるため、室外熱交換器温度閾値決定部193は外気温度が高い場合よりも吸入圧力飽和温度第1閾値及び吸入圧力飽和温度第2閾値を低く設定する。
なお、図4では、吸入圧力飽和温度第2閾値が吸入圧力飽和温度第1閾値よりも一定温度(例えば2℃)高い場合の例を示しているが、吸入圧力飽和温度第1閾値と吸入圧力飽和温度第2閾値との関係はこれに限らない。
また、運転制御部194は、除霜運転モードでは、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第1閾値より低下した場合、及び、室外熱交換器12の温度が室外熱交換器温度第1閾値よりも低下した場合のいずれも、除霜運転を行う。
同図の処理にて、センサ値取得部110は、外気温度センサ23が検出した外気温度を取得する(ステップS101)。
そして、吸入圧力飽和温度閾値決定部192は、外気温度に基づいて吸入飽和温度第1閾値及び吸入飽和温度第2閾値を決定し、室外熱交換器温度閾値決定部193は、外気温度に基づいて室外熱交換器温度第1閾値及び室外熱交換器温度第2閾値を決定する(ステップS102)。
そして、運転制御部194は、室外熱交換器温度が室外熱交換器温度第2閾値以上か否かを判定する(ステップS104)。室外熱交換器温度が室外熱交換器温度第2閾値以上であると判定した場合(ステップS104:YES)、センサ値取得部110は、圧力センサ21が検出した圧縮機15の吸入圧力を取得する(ステップS111)。
そして、運転制御部194は、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第2値以上か否かを判定する(ステップS113)。吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第2閾値以上であると判定した場合(ステップS113:YES)、運転制御部194は、空気調和システム本体200を制御して通常の暖房運転を行わせる(ステップS121)。
ステップS121の後、図5の処理を終了する。
ステップS131の後、図5の処理を終了する。
一方、ステップS113にて吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第2閾値未満であると判定した場合(ステップS113:NO)、ステップS131へ遷移する。
ステップS104及びステップS113のように、運転制御部194は、吸入圧力飽和温度と室外熱交換器12の温度とに基づいて、室外熱交換器12への着霜に対する対策の要否を判定する。
同図の処理にて、運転制御部194は、室外熱交換器温度の単位時間当たりの変化率を算出する(ステップS201)。
そして、運転制御部194は、ステップS201で算出した変化率が温度の低下を示し、かつ、変化率(低下率)の大きさが所定の室外熱交換器温度変化率閾値以上か否かを判定する(ステップS202)。変化率が温度の低下を示し、かつ、変化率の大きさが室外熱交換器温度変化率閾値以上であると判定した場合(ステップS202:YES)、運転制御部194は、ホットガスバイパス弁16を開く(ステップS211)。これにより、圧縮機15が圧縮した冷媒が第5配管W15を通って室外熱交換器12へ流入し、室外熱交換器12が加熱される。
ステップS211の後、図6の処理を終了する。
室外ファン13の回転数が最大回転数未満であると判定した場合(ステップS221:YES)、運転制御部194は、室外ファン13の回転数を増加させる(ステップS231)。室外ファンの回転数が増加することで室外熱交換器12での冷媒の蒸発量が増加して圧力が上昇し、当該室外熱交換器12の温度が上昇する。
ステップS231の後、図6の処理を終了する。
ステップS241の後、図6の処理を終了する。
なお、運転制御部194は、ステップS221でホットガスバイパス弁16を開いた場合、次に図5のステップS121で通常暖房運転を行うときにホットガスバイパス弁16を閉じる。
例えば、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第2閾値未満であると判定した場合、運転制御部194は、吸入圧力飽和温度を吸入圧力飽和温度第2閾値に近付けるPI制御を行う。空気調和システム1の管理者は、この場合の制御ゲインとして、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第1閾値未満にならない制御ゲインを試験運転等で予め求め、制御装置100に設定しておく。
但し、運転制御部194がステップS221で室外ファン13の回転数を増加させる制御方法、及び、運転制御部194がステップS241で圧縮機15の回転数を減少させる制御方法は、PI制御に限らず、吸入圧力飽和温度が吸入圧力飽和温度第1閾値未満にならず、かつ、室外熱交換器温度が室外熱交換器温度第1閾値未満にならない制御であればよい。
図7に示すように熱交換器システム19は、第1分配器(ディストリビュータ)210と、第1膨張弁221と、第2膨張弁222と、第2分配器231と、第3分配器232と、第1室外熱交換器241と、第2室外熱交換器242と、第1室外熱交換器温度センサ251と、第2室外熱交換器温度センサ252とを備える。
配管W231は、第2分配器231によって17個の配管W241−1〜W241−17に分岐されている。配管W241−1は、第1室外熱交換器241を経由して第2配管W12に至る。同様に、配管W241−2、・・・、配管W241−17も、それぞれ第1室外熱交換器241を経由して第2配管W12に至る。
また、配管W232は、第3分配器232によって17個の配管W242−1〜W242−17に分岐されている。配管W242−1は、第2室外熱交換器242を経由して第2配管W12に至る。同様に、配管W242−2、・・・、配管W242−17も、それぞれ第2室外熱交換器242を経由して第2配管W12に至る。
室内機が多数設けられるビル用空気調和システムなど、大きい熱量を必要とする空気調和システムでは、このように複数のサーキットを備える室外熱交換器が用いられることがある。
なお、熱交換器システム19が備える室外熱交換器の数は、図7に示す2つ(第1室外熱交換器241及び、第2室外熱交換器242)に限らず1つ以上であればよい。また、室外熱交換器に設けられるサーキットの数は、図7に示す室外熱交換器1台あたり17個に限らず2つ以上であればよい。
ここで、分配器の精度によって配管毎の温度にばらつきが生じる場合がある。例えば、第2分配器231の精度によって配管W241−1〜W241−17への冷媒の分配量にばらつきが生じると、配管毎の温度にばらつきが生じる。また、室外熱交換器(第1室外熱交換器241及び第2室外熱交換器242)に当たる風の影響によっても配管毎の温度にばらつきが生じる。
仮に、制御装置100が吸入圧力飽和温度に基づいて着霜を回避する機能を有していない場合、室外熱交換器温度センサが取り付けられている配管以外の配管に着霜しても、制御装置100が着霜を検知できず、空気調和システム1の能力低下、さらには氷による熱交換器の損傷や冷媒漏えいが生じる可能性がある。
また、多サーキット型の室外機では、圧縮機の吸入圧力を検出するために圧力センサが設けられることが多い。空気調和システム1でも、圧縮機15の吸入圧力を検出するための圧力センサ21を除霜運転回避動作に用いることができ、除霜運転回避動作の要否の判定のために新たに圧力センサを用いる必要はない。
これにより、空気調和システム1は、室外熱交換器12の温度を上昇させることができ、室外熱交換器12への着霜を除去または防止する着霜対策を行うことができる。
これにより、空気調和システム1は、室外熱交換器12の温度を上昇させることができ、室外熱交換器12への着霜を除去または防止する着霜対策を行うことができる。
これにより、空気調和システム1は、室外熱交換器12の温度を上昇させることができ、室外熱交換器12への着霜を除去または防止する着霜対策を行うことができる。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
110 センサ値取得部
120 制御信号送信部
180 記憶部
190 制御部
191 吸入圧力飽和温度算出部
192 吸入圧力飽和温度閾値決定部
193 室外熱交換器温度閾値決定部
194 運転制御部
Claims (7)
- 気体の冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮された気体の冷媒を液化させて凝縮熱を放熱する室内熱交換器と、
気化熱を吸熱して液体の冷媒を気化させる室外熱交換器と、
前記圧縮機への冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサと、
前記室外熱交換器の温度を検出する室外熱交換器温度センサと、
を備える空気調和システム本体と、
前記吸入圧力から吸入圧力飽和温度を算出する吸入圧力飽和温度算出部と、
前記吸入圧力飽和温度と、前記室外熱交換器の温度とに基づいて、前記室外熱交換器の温度を室外熱交換器温度閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を吸入圧力飽和温度閾値以上に制御する運転制御部と、
を備える空気調和システム。 - 前記空気調和システム本体は、外気温度を検出する外気温度センサを備え、
前記空気調和システムは、
前記外気温度に基づいて前記吸入圧力飽和温度閾値を決定する吸入圧力飽和温度閾値決定部と、
前記外気温度に基づいて前記室外熱交換器温度閾値を決定する室外熱交換器温度閾値決定部と、
を備える、
請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システム本体は、前記圧縮機が圧縮した冷媒を前記室外熱交換器へバイパスするホットガスバイパスに設けられたホットガスバイパス弁を備え、
前記運転制御部は、前記ホットガスバイパス弁を開くことで、前記室外熱交換器の温度を前記室外熱交換器温度閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を前記吸入圧力飽和温度閾値以上に制御する、
請求項1または請求項2に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システム本体は、外気を前記室外熱交換器に送風する室外ファンを備え、
前記運転制御部は、前記室外ファンの回転数を増加させることで、前記室外熱交換器の温度を前記室外熱交換器温度閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を前記吸入圧力飽和温度閾値以上に制御する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の空気調和システム。 - 前記運転制御部は、前記圧縮機の回転数を減少させることで、前記室外熱交換器の温度を前記室外熱交換器温度閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を前記吸入圧力飽和温度閾値以上に制御する、
請求項1から4のいずれか一項に記載の空気調和システム。 - 気体の冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮された気体の冷媒を液化させて凝縮熱を放熱する室内熱交換器と、
気化熱を吸熱して液体の冷媒を気化させる室外熱交換器と、
前記圧縮機への冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサと、
前記室外熱交換器の温度を検出する室外熱交換器温度センサと、
を備える空気調和システム本体を制御する制御方法であって、
前記吸入圧力から吸入圧力飽和温度を算出する吸入圧力飽和温度算出ステップと、
前記吸入圧力飽和温度と、前記室外熱交換器の温度とに基づいて、前記室外熱交換器の温度を室外熱交換器温度の閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を吸入圧力飽和温度の閾値以上に制御する着霜対策要否判定ステップと、
を含む制御方法。 - 気体の冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮された気体の冷媒を液化させて凝縮熱を放熱する室内熱交換器と、
気化熱を吸熱して液体の冷媒を気化させる室外熱交換器と、
前記圧縮機への冷媒の吸入圧力を検出する圧力センサと、
前記室外熱交換器の温度を検出する室外熱交換器温度センサと、
を備える空気調和システム本体を制御するコンピュータに、
前記吸入圧力から吸入圧力飽和温度を算出する吸入圧力飽和温度算出ステップと、
前記吸入圧力飽和温度と、前記室外熱交換器の温度とに基づいて、前記室外熱交換器の温度を室外熱交換器温度の閾値以上に制御し、かつ、前記吸入圧力飽和温度を吸入圧力飽和温度の閾値以上に制御する着霜対策要否判定ステップと、
を実行させるためのプログラム。
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