JP6615371B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。特に、冷凍サイクル装置を構成する圧縮機における電力消費量の制御に係るものである。

たとえば、真夏、真冬などの環境負荷が高い状況では、地域全体で使用する総電力量が過多となり、電力会社から安定した電力供給が困難となる場合がある。そこで、電力会社などは、電力供給が困難になると、電気を動力とする機器の電力消費量を削減するための機器制御（以下、デマンド制御）を要求するデマンド信号を送ることがある。たとえば、機器を制御する制御装置がデマンド信号を受信すると、デマンド制御が行われる。たとえば、一般家庭で使用される家電製品において、最も電力消費量の多い、空気調和装置などのような、対象の温度調整を行う冷凍サイクル装置においても、デマンド制御を行うことが求められている。

冷凍サイクル装置において、デマンド制御を実現するにあたり、消費電力に最も影響の大きい圧縮機の駆動回転数を制御することが最も効果が大きい。

そこで、冷凍サイクル装置を制御する制御装置は、デマンド信号を受信すると、目標積算電力量を決める。さらに、デマンド制御を行う時間を任意の時限に区切る。そして、時限毎に、消費積算電力量を設定し、前回の時限における制御値を、今回の時限の制御に活用して、目標積算電力量を超えないようにして消費電力低減をはかるデマンド制御を行っている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−０４７９８９号公報

ここで、周囲環境に大きな変動がないときに冷凍サイクル装置の運転を長時間継続すると、温度調整対象の温度が設定温度に近づくことで、圧縮機の駆動回転数が下がり、それにともなって消費電力が下がる場合がある。

前述した特許文献１のように、デマンド信号を受信してデマンド制御を開始するときに消費電力の制御目標値を決める場合、室内の温度が、設定された温度に近づいた際の消費電力低下分などが考慮されない。このため、通常運転時からの削減割合を決めて消費電力を削減する場合においては、制御目標値が適切に設定されず、たとえば、消費電力が削減割合を大きく超える場合がある。

たとえば、補正値を用いて制御目標値を補正し、あらためて制御目標値を決めることも可能である。ただ、環境負荷、空気調和装置が設置された空間の広さなどにも影響されるため、適切な補正値を設定することが難しい。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、デマンド制御において、より精度の高い制御目標値を設定することができる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

この発明に係る冷凍サイクル装置は、駆動回転数が制御される圧縮機を有し、電力調整を行うデマンド制御が行われる冷凍サイクル装置であって、温度調整対象に対する設定温度と温度調整対象から検出される検出温度との温度差と、圧縮機の駆動回転数の平均である平均駆動回転数との関係に係るデータを記録する記録装置と、設定温度と検出温度との温度差を演算するとともに、デマンド制御の要求がないときには、圧縮機の平均駆動回転数を算出し、記録装置に記録された、温度差と平均駆動回転数との関係に係るデータを更新し、デマンド制御の要求がなされると、温度差に対応する平均駆動回転数を記録装置から取得し、圧縮機を制御する主制御器とを備えるものである。

この発明の冷凍サイクル装置においては、主制御器が、記録装置に記録された通常運転における平均駆動回転数に基づいて、デマンド制御における駆動回転数を決定するようにしたので、デマンド制御開始時における駆動回転数に依存したデマンド制御を行うことがない。このため、デマンド制御開始時の駆動回転数が大きすぎる、小さすぎるなどの原因によって、消費電力が削減目標値まで下がらない、快適性を損なうなどの不具合を防止することができる。

この発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置のデマンド制御装置１０を中心とするデマンド制御に係る構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における、記録装置５０に記録された温度差ｔと平均駆動回転数との関係を表す一例をテーブル形式で示す図である。 この発明の実施の形態１における空気調和装置におけるデマンド制御に関するフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態１における、デマンド信号、温度差ｔおよび駆動回転数の時間推移の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１における消費電力の比較例について示す図である。 この発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。ここで、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。また、明細書全文に示されている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適宜、適用することができる。そして、圧力の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、システム、装置などにおける状態、動作などにおいて相対的に定まるものとする。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置のデマンド制御装置１０を中心とするデマンド制御に係る構成を示す図である。図１に示すように、圧縮機１１０は、低温低圧の冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出する。ここで、圧縮機１１０は、たとえば、インバータ装置（図示せず）を有し、駆動回転数が変化することで容量制御可能なインバータ圧縮機であるものとする。また、温度検出装置となる温度センサ６０は、たとえば、冷凍サイクル装置において、対象空間などの温度調整対象の温度が検出される位置に設置され、温度調整対象の温度を検出し、検出温度の値を信号として主制御器２０に送る。ここでは、温度センサ６０が、室内の温度を検出するものとし、室内温度を検出温度とする。

また、リモートコントローラ７０は、入力装置、表示装置などを有し、冷凍サイクル装置に対する操作、設定などの入力支援、使用者への表示などを行う。ここでは、温度調整対象となる室内空間に対する温度制御目標として使用者が任意に設定した温度の値が、設定温度として、リモートコントローラ７０に入力される。リモートコントローラ７０は、設定温度のデータを含む信号を主制御器２０に送る。また、実施の形態１の外部装置８０は、デマンド信号を主制御器２０に送る。

デマンド制御装置１０は、冷凍サイクル装置をデマンド制御する装置である。ここでは、デマンド制御だけでなく、冷凍サイクル装置全体の制御を行うものとする。実施の形態１のデマンド制御装置１０は、デマンド制御を行う際、圧縮機１１０を制御対象とする。

図１に示すように、デマンド制御装置１０は、主制御器２０、リモコン信号受信器３０、デマンド信号受信器４０および記録装置５０を備えている。ここで、デマンド制御装置１０は、たとえば、基板で構成されており、主制御器２０、リモコン信号受信器３０、デマンド信号受信器４０および記録装置５０は、同一基板上にある装置であるものとして説明する。ただし、これに限定するものではなく、通信装置などにより、装置間で信号の送受を行うことができれば、各機器が、物理的に別の基板などに分かれた構成であっても同様の効果を得ることができる。

主制御器２０は、デマンド制御装置１０の制御の主となるコントローラである。実施の形態１においては、特に、前述した圧縮機１１０の駆動について、デマンド制御に係る処理を行う。そこで、実施の形態１の主制御器２０は、温度差演算部２１、駆動回転数検出部２２、温度差区分判定部２３、平均駆動回転数演算部２４、補正駆動回転数演算部２５、デマンド信号受信判定部２６および検索処理部２７を有している。

温度差演算部２１は、温度センサ６０からの信号に基づいて室内温度の値を測定する。また、室内温度と設定温度との温度差ｔを演算する処理を行う。駆動回転数検出部２２は、駆動回転数を検出する処理を行う。ここでは、デマンド制御などが行われていない、通常の運転状態（以降、通常運転という）において、室内温度が測定されたタイミングで駆動回転数を検出する。駆動回転数の検出方法については、特に限定するものではない。たとえば、圧縮機１１０の制御に係る駆動回転数を用いてもよい。また、検出装置から送られる信号に基づいて実際の駆動回転数を検出してもよい。温度差区分判定部２３は、温度差演算部２１が演算した温度差ｔが、あらかじめ定められた温度差区分のいずれの区分に該当するかを判定する処理を行う。ここで、実施の形態１においては、温度差区分において区分する温度範囲を１℃とするが、特に限定することなく、任意の範囲に設定することができる。

平均駆動回転数演算部２４は、各温度差区分における駆動回転数の平均を演算し、記録装置に記録されている平均駆動回転数のデータを更新する処理を行う。ここで、平均駆動回転数の演算について、特に限定するものではないが、たとえば、相加平均により平均駆動回転数を演算する。補正駆動回転数演算部２５は、デマンド制御を行う際に、電力の削減割合に基づく補正を行って、補正駆動回転数を演算する処理を行う。デマンド信号受信判定部２６は、デマンド信号受信器４０がデマンド信号を受信したかどうかを判定する。そして、検索処理部２７は、記録装置５０を検索して、データを取得する。

リモコン信号受信器３０は、たとえば、リモートコントローラ７０から送られた信号を受信し、主制御器２０に送る。実施の形態１では、特に、リモートコントローラ７０を介して利用者が設定した設定温度のデータを含む信号を処理し、主制御器２０に送るものとする。デマンド信号受信器４０は、たとえば、外部装置８０から送られたデマンド信号を受信して処理し、主制御器２０に送る。

記録装置５０は、主制御器２０が処理したデータ、主制御器２０が処理を行うために必要なデータなどの記憶、記録などを行う。実施の形態１においては、特に、室内温度と設定温度との温度差ｔと平均駆動回転数とが関連づけられ、データとして記録される。

図２は、この発明の実施の形態１における、記録装置５０に記録された温度差ｔと平均駆動回転数との関係を表す一例をテーブル形式で示す図である。図２は、冷凍サイクル装置が空気調和装置であるときの冷房運転を行う場合について示している。図２に示すように、実施の形態１においては、温度差ｔは、値に応じて区分されている。そして、各区分において、圧縮機１１０の駆動回転数の平均駆動回転数が関連付けられている。ここで、暖房運転などについても、具体的な数値は異なる可能性はあるが、同様に適用することができる。

たとえば、設定温度が２４℃であり、室内温度が２７．２℃だった場合、温度差ｔは３．２℃となる。このとき、温度差ｔが３℃≦ｔ＜４℃である区分に該当する。温度差ｔが３℃≦ｔ＜４℃の区分における圧縮機１１０の平均駆動回転数は、８０．２ｒｐｓとなる。一般的に、室内温度と設定温度との温度差ｔが大きければ、平均駆動回転数も大きくなる傾向がある。

図３は、この発明の実施の形態１における空気調和装置におけるデマンド制御に関するフローチャートを示す図である。図３に基づき、実施の形態１において、主制御器２０が行うデマンド制御に関する処理について説明する。

温度差演算部２１は、温度センサ６０から送られる信号に基づいて、室内温度を測定する（ステップＳ１）。そして、デマンド信号受信判定部２６は、デマンド信号受信器４０がデマンド信号を受信したかどうかを判定する（ステップＳ２）。ここで、デマンド信号を受信してから、デマンド制御を終了する旨の信号を受信していない場合には、デマンド信号の受信が継続されているものとする。

デマンド信号受信判定部２６が、デマンド信号受信器４０がデマンド信号を受信していないと判定すると、駆動回転数検出部２２は、圧縮機１１０の駆動回転数を検出する（ステップＳ３）。

そして、温度差演算部２１は、室内温度と設定温度との温度差ｔを算出する。また、温度差区分判定部２３は、算出した温度差ｔがいずれの温度差区分に該当するかを判定する（ステップＳ４）。平均駆動回転数演算部２４は、判定した温度差区分における圧縮機１１０の平均駆動回転数を算出し、記録装置５０に記録する（ステップＳ５）。以上より、主制御器２０は、通常運転においては、記録装置５０に記録された平均駆動回転数のデータを更新する処理を行う。

一方、ステップＳ２において、デマンド信号受信判定部２６が、デマンド信号を受信したと判定すると、温度差演算部２１は、室内温度と設定温度との温度差ｔを算出する。また、温度差区分判定部２３は、算出した温度差ｔがいずれの温度差区分に該当するかを判定する（ステップＳ６）。そして、検索処理部２７は、記録装置５０を検索し、判定した温度差区分における平均駆動回転数のデータを取得する（ステップＳ７）。

補正駆動回転数演算部２５は、取得した平均圧縮機駆動回転数の値に、任意の係数による補正を行って、圧縮機１１０の補正駆動回転数を決定する（ステップＳ８）。ここで、任意の係数は、電力の削減割合毎に、あらかじめ定められた係数である。たとえば、平均駆動回転数の値に、削減割合により決定した任意の係数を乗じた値を補正駆動回転数として決定する。主制御器２０は、決定した補正駆動回転数により圧縮機１１０の駆動を制御する（ステップＳ９）。

主制御器２０は、図３に示す処理を一定期間毎に周期的に行う。処理を行う間隔は任意に設定することができる。ただし、処理を行う間隔が長すぎると、室内温度と設定温度の温度差ｔの変化に対する追従が遅れる。このため、デマンド制御において、補正駆動回転数を変化させた方がいい場合でも、同じ補正駆動回転数で駆動し続ける可能性がある。また、通常運転において、平均駆動回転数を算出するための駆動回転数のサンプリング数が少なくなる、デマンド制御への対応が遅れるなどのデメリットが想定される。一方、処理を行う間隔が短すぎると、たとえば、温度差ｔが温度差区分の境目などの値であると、温度差区分が頻繁に変わって、平均駆動回転数が頻繁に変更されることで、ハンチングしてしまい、快適性が損われる懸念がある。このため、処理を行う間隔は、約１０分前後が適切であると考えられる。

図４は、この発明の実施の形態１における、デマンド信号、温度差ｔおよび駆動回転数の時間推移の一例を示す図である。図４では、削減割合を５０％とし、通常運転から消費電力を５０％削減する場合のデマンド制御を想定したものである。

図４のように、通常運転開始から１５０分の時点でデマンド信号が送られたとき、圧縮機１１０の駆動回転数は７６ｒｐｓであり、温度差ｔは２℃である。このとき、デマンド制御開始時における駆動周波数に基づいてデマンド制御を行う従来の処理では、一点鎖線で示すように、７６ｒｐｓの値に基づいて補正された駆動周波数のまま、デマンド制御を行うことになる。

一方、実施の形態１においてデマンド制御装置１０の主制御器２０が行った処理では、実線で示すように、記録装置５０に記録された平均駆動周波数の７１．５ｒｐｓの値（図２参照）に基づいて、補正駆動回転数を決定する。ここで、平均駆動周波数は、温度差区分による温度範囲における駆動周波数の平均であることから、運転継続によって温度差が縮まることによる圧縮機１１０の駆動回転数の低下分が、演算により得られる平均駆動周波数に反映されることになる。このため、通常運転における消費電力をより反映した電力削減を行うことができ、削減割合により近い電力の削減を行うことができる。

また、図４には、通常運転を継続させた場合の想定駆動回転数を点線で示している。空気調和装置が同一条件で長時間運転を継続し、消費電力が徐々に下がっていくような場合には、点線のように圧縮機１１０の駆動回転数は、徐々に下がっていく。

図５は、この発明の実施の形態１における消費電力の比較例について示す図である。通常運転における消費電力を１００％とし、デマンド制御における制御目標値を５０％としている。デマンド制御開始時における駆動周波数に基づいて制御目標値を決定する従来の処理では、制御目標値である５０％まで達しなかった。

実施の形態１のデマンド制御装置１０の主制御器２０が行った処理では、通常運転における温度差における平均駆動回転数に基づいて制御を行っているため、制御目標である削減割合５０％に近い消費電力量でデマンド制御を行うことができる。

実施の形態２．
前述した実施の形態１においては、補正駆動回転数演算部２５を有し、平均駆動回転数を削減割合に基づいて定めた任意の係数により補正した補正駆動回転数を演算したが、これに限定するものではない。たとえば、平均駆動回転数に基づいて削減割合毎に駆動回転数を演算などしておき、記録装置５０に記録しておいてもよい。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図６では、冷凍サイクル装置の代表例として空気調和装置について説明する。図６に示すように、実施の形態３における空気調和装置は、室外ユニット１００および室内ユニット２００を備えている。そして、室外ユニット１００と室内ユニット２００とを配管で接続することによって、冷媒を循環し、冷凍サイクルを利用した対象空間の空気調和を行う冷媒回路を構成している。

実施の形態３の室外ユニット１００は、圧縮機１１０、四方切換弁１２０、室外熱交換器１３０および膨張弁１４０を有している。圧縮機１１０は、実施の形態１において説明したように、たとえば、インバータ装置に容量制御可能なインバータ圧縮機であるものとする。冷媒流路切替装置となる四方切換弁１２０は、冷房運転モード時における冷媒の流れと暖房運転モード時における冷媒の流れとを切り換える弁である。また、減圧装置（絞り装置）となる膨張弁１４０は、冷媒を減圧して膨張させる。

室外熱交換器１３０は、たとえば、室外の空気（外気）と冷媒との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては蒸発器として機能し、室内ユニット２００から流入した低圧の冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を蒸発させ、気化させる。また、冷房運転時においては放熱器（凝縮器を含む。以下同じ）として機能し、圧縮機１１０において圧縮された冷媒と外気との熱交換を行い、冷媒を放熱または凝縮させる。

また、実施の形態３の室内ユニット２００は、室内熱交換器２１０を有している。室内熱交換器２１０は、冷媒と空調対象空間の空気（室内空気）との熱交換を行う。たとえば、暖房運転時においては放熱器として機能し、室外ユニット１００側から流入した冷媒と室内空気との熱交換を行う。このとき、室内熱交換器２１０は冷媒を放熱または凝縮させて、室外ユニット１００側に流出させる。一方、冷房運転時においては蒸発器として機能し、たとえば膨張弁１４０を通過した冷媒と室内空気との熱交換を行う。このとき、室内熱交換器２１０は冷媒に室内空気の熱を奪わせて蒸発させて気化させ、室外ユニット１００側に流出させる。

次に、実施の形態３の空気調和装置の動作について、冷媒の流れに基づいて説明する。まず冷房運転について説明する。圧縮機１１０により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方切換弁１２０を通過し、室外熱交換器１３０に流入する。そして、室外熱交換器１３０内を通過して、室外の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒（液冷媒）は、膨張弁１４０へ流入する。膨張弁１４０で減圧されて気液二相状態となった冷媒は室外ユニット１００から流出する。

室外ユニット１００を流出した気液二相冷媒は、配管を通過して室内ユニット２００に流入し、室内熱交換器２１０を通過する。そして、たとえば室内空間の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒（ガス冷媒）は、室内ユニット２００から流出する。

室内ユニット２００から流出したガス冷媒は配管を通過して室外ユニット１００に流入する。そして、四方切換弁１２０を通過して再度圧縮機１１０に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、冷房を行う。

次に暖房運転について冷媒の流れに基づいて説明する。圧縮機１１０により圧縮されて吐出した高温、高圧のガス冷媒は、四方切換弁１２０を通過して室外ユニット１００から流出する。室外ユニット１００を流出したガス冷媒は、配管を通過して室内ユニット２００に流入する。そして、室内熱交換器２１０を通過中に、たとえば室内空間の空気と熱交換することで凝縮、液化した冷媒は室内ユニット２００から流出する。

室内ユニット２００から流出した冷媒は配管を通過して室外ユニット１００に流入する。そして、膨張弁１４０で減圧されて気液二相状態となった冷媒は室外熱交換器１３０に流入する。そして、室外熱交換器１３０内を通過して、室外の空気と熱交換することで蒸発、ガス化した冷媒（ガス冷媒）は、四方切換弁１２０を通過して、再度、圧縮機１１０に吸入される。以上のようにして空気調和装置の冷媒が循環し、暖房を行う。

以上のように、実施の形態３の空気調和装置のような冷凍サイクル装置に対し、実施の形態１において説明したデマンド制御装置１０は、デマンド制御を行って、消費電力の削減をはかることができる。

実施の形態４．
前述した実施の形態１〜実施の形態３においては、圧縮機１１０のデマンド制御について説明したが、たとえば、冷凍サイクル装置において、室外熱交換器１３０および室内熱交換器２１０に空気を送る送風機について、圧縮機１１０で処理したことと同様のデマンド制御を行うようにしてもよい。

１ デマンド制御装置、１０ デマンド制御装置、２０ 主制御器、２１ 温度差演算部、２２ 駆動回転数検出部、２３ 温度差区分判定部、２４ 平均駆動回転数演算部、２５ 補正駆動回転数演算部、２６ デマンド信号受信判定部、２７ 検索処理部、３０ リモコン信号受信器、４０ デマンド信号受信器、５０ 記録装置、６０ 温度センサ、７０ リモートコントローラ、８０ 外部装置、１００ 室外ユニット、１１０ 圧縮機、１２０ 四方切換弁、１３０ 室外熱交換器、１４０ 膨張弁、２００ 室内ユニット、２１０ 室内熱交換器。

Claims (5)

1. 駆動回転数が制御される圧縮機を有し、電力調整を行うデマンド制御が行われる冷凍サイクル装置であって、
   温度調整対象に対する設定温度と前記温度調整対象から検出される検出温度との温度差と、前記圧縮機の駆動回転数の平均である平均駆動回転数との関係に係るデータを記録する記録装置と、
   前記温度差を演算するとともに、
   前記デマンド制御の要求がないときには、前記圧縮機の前記平均駆動回転数を算出し、前記記録装置に記録された、前記温度差と前記平均駆動回転数との関係に係るデータを更新し、
   前記デマンド制御の要求がなされると、前記温度差に対応する前記平均駆動回転数を前記記録装置から取得し、前記圧縮機を制御する主制御器と
   を備える冷凍サイクル装置。
2. 前記主制御器は、前記デマンド制御の要求がなされると、前記記録装置から取得した前記平均駆動回転数に基づいて前記圧縮機を制御し、前記デマンド制御の要求がないときには、前記温度差に基づいて前記圧縮機の駆動回転数を制御する請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記設定温度は、前記温度調整対象に対する温度制御目標として任意に設定される温度である請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記温度調整対象からの温度が検出される位置に設置され、前記温度調整対象の温度を検出する温度検出装置をさらに備える請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記温度差を区分けした温度差区分があらかじめ定められており、
   前記主制御器は、演算した前記温度差に基づいて該当する前記温度差区分を判定し、判定した前記温度差区分における前記平均駆動回転数を算出して、前記温度差と前記平均駆動回転数との関係に係るデータを更新する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images