JP6656801B2 - 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には、低段側圧縮機、高段側圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁、受液器、室内膨張弁、室内熱交換機を順次配管で接続し、低段側圧縮機の吐出側と高段側圧縮機の吸込側を接続する配管の途中に、受液器からガス冷媒をインジェクションする二段圧縮式冷凍サイクル装置が開示されている。
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最小にする中間圧力、例えば、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理論中間圧力に制御される。
特開２００７−１０２８２号公報
特許文献１に開示されているように、二段圧縮式の冷凍サイクルにおいて、高段側圧縮機の冷媒吸込側にガス冷媒がインジェクションされる場合、高段側圧縮機が吸い込む冷媒量は低段側圧縮機が吸い込む冷媒量よりも多くなるため、高段側圧縮機の仕事量は低段側圧縮機の仕事量よりも大きくなる。これにより、高段側圧縮機を駆動するインバータ等に流れる電流は、必然的に低段側圧縮機よりも大きな値となるため、低段側圧縮機よりも許容電流の大きな駆動装置が必要となり、装置の大型化やコスト増大を招くおそれがあった。
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、高段側圧縮機の駆動装置の大型化及びコスト増大を回避することの可能な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備える圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に冷媒がインジェクションされる二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置であって、前記高段側圧縮機を駆動する高段側駆動手段と、前記高段側駆動手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、所定のアルゴリズムに基づいて目標中間圧力を設定する目標設定手段と、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記高段側駆動手段の構成から決定される所定の電流制限値を超えているか否かを判定する判定手段と、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値を超えている場合に、前記目標中間圧力を上昇させ、前記高段側圧縮機の回転数を低下させる方向に制御させる目標変更手段とを備える制御装置である。
上記構成によれば、目標設定手段により所定のアルゴリズムに基づいて目標中間圧力が設定され、高段側駆動手段を流れる電流の値が高段側駆動手段の構成から決定される所定の電流制限値を超えていると判定手段によって判定された場合に、目標変更手段により、目標中間圧力が上昇させられる。目標中間圧力が上昇することにより、高段側圧縮機へのガス冷媒のインジェクション量、換言すると、乾き度が低下し、高段側圧縮機への仕事量が減少する。これにより、高段側駆動手段に流れる電流を低下させることができ、高段側駆動手段の大型化やコスト増大を回避することが可能となる。ここで、高段側圧縮機は、低段側圧縮機よりも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、前記目標変更手段は、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値未満となるまで前記目標中間圧力を上昇させることとしてもよい。
上記構成によれば、高段側駆動手段を流れる電流の値が電流制限値未満となるまで目標中間圧力が上昇させられるので、高段側駆動手段を流れる電流の値を確実に電流制限値未満とすることが可能となる。
前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、高段側駆動手段を流れる電流の値が電流制限値未満の場合には、高効率運転を可能とする理論中間圧力に目標中間圧力が設定され、この目標中間圧力に基づいて高段側圧縮機が制御されることとなるので、効率のよい運転を可能とすることができる。
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備える圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記高段側圧縮機を駆動する高段側駆動手段とを備え、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に冷媒がインジェクションされ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基づいて目標中間圧力を設定する目標設定工程と、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記高段側駆動手段の構成から決定される所定の電流制限値を超えているか否かを判定する判定工程と、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値を超えている場合に、前記目標中間圧力を上昇させ、前記高段側圧縮機の回転数を低下させる方向に制御させる目標変更工程とを備え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、高段側圧縮機の駆動装置の大型化やコスト増大を回避することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る空気調和機の冷媒系統図である。 本発明の一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。 本発明の一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。
図１は、本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段式圧縮機とされている。高段側圧縮機３ｂは、例えば、低段側圧縮機３ａの約０．７以上１．０以下の容量とされている。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）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、目標設定部３１、判定部３２、目標変更部３３、回転数指令演算部３４等を備えている。目標設定部３１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、圧縮機３の総仕事を最小にする中間圧力、換言すると、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。
判定部３２は、高段側駆動装置２２ｂ内を流れる所定の電流の値が、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以上であるか否かを判定する。ここで、「所定の電流」の一例としては、インバータに供給される電流、インバータから圧縮機モータに供給される電流（以下「モータ電流」という。）が挙げられる。以下の説明では、便宜上、モータ電流を用いて判定する場合を例示して説明する。また、電流制限値は、例えば、インバータ、コイル、平滑コンデンサ等の各種素子の許容電流の設計値などから決定される。
目標変更部３３は、判定部３２によって、モータ電流が電流制限値以上であると判定された場合に、目標設定部３１によって設定されている目標中間圧力を上昇させる。例えば、目標変更部３３は、所定の変化レートで目標中間圧力を上昇させてもよいし、ステップ状に変化させてもよい。なお、変化のさせ方については、上記例に限られず、種々の手法を採用することが可能である。
回転数指令演算部３４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３４は、モータ電流が電流制限値以下である場合には、目標設定部３１によって設定された目標中間圧力に基づいて高段側回転数指令ωｂ＊を生成し、モータ電流が電流制限値を超えている場合には、目標変更部３３によって変更された目標中間圧力に基づいて高段側回転数指令ωｂ＊を生成する。
この場合、例えば、回転数指令演算部３４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。以下、この理由について説明する。
まず、低段側圧縮機３ａの循環量Ｇｒ１[ｋｇ／ｈ]は、以下の（１）式で表され、高段側圧縮機３ｂの循環量Ｇｒ２[ｋｇ／ｈ]は、以下の（２）式で表される。
Figure 0006656801
（１）、（２）式において、ｖ１は低段側圧縮機３ａの押し退け量[ｍ３]、ωａは低段側圧縮機３ａの回転数[ｒｐｓ]、ρ１は低段側圧縮機３ａの吸入密度[ｋｇ／ｍ３]、Ｘは乾き度（インジェクション率）、ｖ２は高段側圧縮機３ｂの押し退け量[ｍ３]、ωｂは高段側圧縮機３ｂの回転数[ｒｐｓ]、ρ２は高段側圧縮機３ｂの吸入密度[ｋｇ／ｍ３]である。
（１）、（２）式から、低段／高段の押し退け量比αは以下の（３）式で表される。
Figure 0006656801
中間圧力を上昇させた場合を想定すると、（３）式において、ρ２、（１−Ｘ）はいずれも上昇する一方で、α、（ωａ×ρ１）は変化しない。この関係から、中間圧力を上昇させた場合、高段側圧縮機３ｂの回転数は下がる方向に制御しなければならないことがわかる。
また、低段側回転数指令ωａ＊については、回転数指令演算部３４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。なお、低段側圧縮機の回転数制御については、適宜公知の手法を採用することが可能である。
回転数指令演算部３４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３を参照して説明する。なお、以下の説明については、高段側圧縮機３ｂの制御について主に説明し、低段側圧縮機３ａの制御については説明を省略する。
まず、目標中間圧力に理論中間圧力を設定し（ステップＳＡ１）、この理論中間圧力に基づく高段側圧縮機３ｂの回転数制御を行う（ステップＳＡ２）。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を判定し（ステップＳＡ３）、超えていなければ（ステップＳＡ３において「ＮＯ」）、ステップＳＡ２に戻り、理論中間圧力に基づく高段側圧縮機３ｂの回転数制御を引き続き行う。一方、ステップＳＡ３において、モータ電流が電流制限値を超えていると判定した場合は（ステップＳＡ３において「ＹＥＳ」）、目標中間圧力を上昇する方向に変更し、例えば、目標中間圧力を理論中間圧力から所定量上昇させ（ステップＳＡ４）、変更後の目標中間圧力に基づく高段側圧縮機３ｂの回転数制御を行う（ステップＳＡ５）。続いて、モータ電流が電流制限値を超えているか否かを判定し（ステップＳＡ６）、超えていれば（ステップＳＡ６において「ＹＥＳ」）、ステップＳＡ４に戻り、目標中間圧力を更に上昇させる。そして、モータ電流が電流制限値以下となるまで、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下となると（ステップＳＡ６において「ＮＯ」）、ステップＳＡ５に戻り、そのときに設定されていた目標中間圧力に基づく高段側圧縮機３ｂの回転数制御が行われる。
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、高段側駆動装置２２ｂを流れる電流の値が高段側駆動装置２２ｂの構成から決定される所定の電流制限値を超えている場合に、目標中間圧力を上昇させるので、高段側圧縮機３ｂの仕事量を減少させることができ、高段側駆動装置２２ｂに流れる電流を少なくすることが可能となる。これにより、高段側駆動装置２２ｂに流れる電流を容量内に抑制することができ、高段側駆動装置２２ｂの容量増大に伴う装置大型化やコスト増大を回避することが可能となる。
なお、本実施形態においては、モータ電流と電流制限値との関係において、目標中間圧力を変更することとしたが、これに代えて、理論動力が予め設定されている制限値を超えた場合に、目標中間圧力を上昇させることとしてもよい。理想動力は、高段側圧縮機３ｂの冷媒吸込状態に依存し、中間圧力と高圧圧力（高段側圧縮機３ｂの吐出圧力）から算出することが可能である。
また、目標変更部３３によって設定された目標中間圧力に基づく回転数制御が維持されている状態において、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戻してもよい。このように、圧縮機３の負荷が減った場合、外気温度が変化した場合、室内設定温度が変更された場合、あるいは高段側圧縮機３ｂの運転状態が厳しい状態から脱した場合には、目標中間圧力を低減したり、理論中間圧力に戻したりことで、効率のよい運転範囲で圧縮機を運転させることが可能となる。
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、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、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 制御装置
２１ 圧縮機制御部
２２ａ 低段側駆動装置
２２ｂ 高段側駆動装置
３１ 目標設定部
３２ 判定部
３３ 目標変更部
３４ 回転数指令演算部

Claims (5)

  1. 低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備える圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に冷媒がインジェクションされる二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御装置であって、
    前記高段側圧縮機を駆動する高段側駆動手段と、
    前記高段側駆動手段を制御する制御手段と
    を備え、
    前記制御手段は、
    所定のアルゴリズムに基づいて目標中間圧力を設定する目標設定手段と、
    前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記高段側駆動手段の構成から決定される所定の電流制限値を超えているか否かを判定する判定手段と、
    前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値を超えている場合に、前記目標中間圧力を上昇させ、前記高段側圧縮機の回転数を低下させる方向に制御させる目標変更手段と
    を備える制御装置。
  2. 前記目標変更手段は、前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値未満となるまで前記目標中間圧力を上昇させる請求項１に記載の制御装置。
  3. 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または請求項２に記載の制御装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか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。
  5. 低段側圧縮機と高段側圧縮機とを備える圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記高段側圧縮機を駆動する高段側駆動手段とを備え、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に冷媒がインジェクションされ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基づいて目標中間圧力を設定する目標設定工程と、
    前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記高段側駆動手段の構成から決定される所定の電流制限値を超えているか否かを判定する判定工程と、
    前記高段側駆動手段を流れる電流の値が前記電流制限値を超えている場合に、前記目標中間圧力を上昇させ、前記高段側圧縮機の回転数を低下させる方向に制御させる目標変更工程と
    を備える二段圧縮式冷凍サイクル装置の制御方法。
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