JP6956150B2 - 冷凍サイクルシステム - Google Patents

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Description

本発明は、冷凍サイクルシステムに関する。
空気調和装置の室外機においては、冬季に氷柱が落下したり、夏季に台風などにより異物が吹き飛ばされたりといったことにより、ファンに損傷が発生することがある。また、ファンが破損していなくとも、冬季は、雪や氷塊がファンに付着し、ファンの重心が回転軸からずれたアンバランスの状態になることがある。このような状態で、回転を継続すると、大きな振動が発生し、最悪の場合、熱交換器や配管の破損に至る場合もある。このような状態になると、空気調和装置の継続運転が不可能となり、復旧にも多大な時間と費用を要することになる。特許文献1には、送風機の振動を加速度センサによって検出することで、送風機の異常を診断する技術が開示されている。
特開2014−211143号公報
しかしながら、従来技術においては、空気調和装置の運転を開始しないと異常を検知できないため、異常が生じた状態で運転を開始し、被害を大きくする可能性があるという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、異常が生じた場合に、被害の拡大を防止することを目的とする。
本発明は、室外機の周囲の外気温及び気象情報のうち少なくとも一方の情報である外気情報を取得する取得部と、送風機のファンの軸方向の応力を検出する応力検出部と、冷凍サイクルシステムの運転の開始時に、前記外気情報が予め設定された外気条件を満たし、かつ前記応力が予め設定された応力条件を満たす場合に、前記ファンの回転数を、前記運転の設定値に応じて定まる第1の回転数よりも少ない第2の回転数に設定する制御部とを有する。
本発明によれば、異常が生じた場合に、被害の拡大を防止することができる。これにより、より信頼性の高い冷凍サイクルシステムを提供することができる。
室外機の概略断面図である。 送風機の概略図である。 制御品箱の主要構成を示す図である。 ファン制御処理を示すフローチャートである。 低回転制御の説明図である。 第2の実施形態に係る空気調和システムの構成図である。
図1は、空気調和システム1の室外機10の概略断面図である。図2は、送風機130をファン131の軸方向と垂直な方向から見た概略図である。本実施形態の空気調和システム1は、室外機10と、不図示の室内機とが冷媒配管により接続されて冷凍サイクルを構成し、空気調和を行う。本実施形態の空気調和システム1は、冷凍サイクルシステムの一例である。図1に示すように、本実施形態の室外機10は、上吹き出しタイプで、屋外の基礎20に設置されている。室外機10の筐体110には、空冷式の熱交換器120と、この熱交換器120に通風するための送風機130が備えられている。送風機130は、ファン(プロペラファン)131、シュラウド132、モータ(ファンモータ)133及び梁材134を主に有している。シュラウド132は、ファン131の外周に設けられ、ベルマウスやダクトとして機能する。モータ133は、ファン131を駆動する。梁材134は、モータ133を支持する。
図1及び図2に示すように、梁材134の端部134aには、磁性部材201が設けられている。磁性部材201は、磁性体材料で形成された部材である。また、磁性部材201の垂直方向下側には、磁性部材201の磁場を検出する磁場センサ202が設けられている。磁場センサ202は、磁性部材201と物理的に接触しない位置に配置されている。ファン131に雪や氷が付着した場合や、ファン131が回転した場合には、これらの応力により、梁材134が垂直下方向に撓む。このため、磁性部材201と磁場センサ202の間の距離が変化する。磁場センサ202は、このような磁性部材201の変位を検出する。本実施形態に係る磁場センサ202は、ホール素子で形成されており、梁材134が撓むことに伴い磁性部材201との距離が変化することに応じた電圧を検出する。磁場センサ202は、電圧から梁材134の撓み、すなわち梁材134に加わる応力を求めることができる。
筐体110の側面には熱交換器120が設けられている。熱交換器120の近傍には、外気温センサ210が設けられている。外気温センサ210は、室外機10の周囲の気温(外気温)を検出する。
また、図1に示すように、筐体110の内部には、圧縮機140、アキュムレータ150、制御品箱160等が設けられている。制御品箱160には、外気温センサ210や、空気調和システム1を構成している冷凍サイクルの圧力センサなどの各種センサからの情報が入力され、圧縮機140や膨張弁(図示せず)などの冷凍サイクル部品を制御する制御部、送風機130を制御するためのインバータ装置などが収納されている。
図3は、制御品箱160の主要構成を示す図である。制御品箱160には、制御部161と、記憶部162と、通信部163と、が設けられている。制御部161は、各種制御を行う。記憶部162は、各種プログラムや各種情報を記憶している。制御部161は、記憶部162に記憶されているプログラムを実行することにより、各種処理を行う。通信部163は有線又は無線により外部機器と通信を行う。制御部161は、圧縮機140、熱交換器120、膨張弁などを有する冷凍サイクル170の制御等を行う。制御部161はさらに、ファン131の異常を検出する。制御部161は、異常を検出すると、異常が検出された旨の通知情報をリモコン180に設けられた表示部181に表示するよう制御する。
図4は、制御部161による、ファン制御処理を示すフローチャートである。異常検出処理は、ファン131の異常を検出する処理である。ファン131の異常としては、例えば、ファン131への雪や氷の付着等が挙げられる。S100において、制御部161は、空調運転の開始指示(運転開始指示)を取得したか否かを判定する。制御部161は、運転開始指示を取得した場合には(S100でYES)、処理をS110へ進める。制御部161は、運転開始指示を取得していない場合には(S100でNO)、処理をS101へ進める。
S101において、制御部161は、ファン131の回転に応じてモータ133が発電しているか否かを判定する。モータ133がファン131を回転するよう制御していない状態においても、風が吹いた場合には、ファン131は回転する。ファン131が回転すると発電する。すなわち発電していることから、風が吹いていることがわかる。制御部161は、発電している場合には(S101でYES)、処理をS102へ進める。制御部161は、発電していない場合には(S101でNO)、処理をS100へ進める。
S102において、制御部161は、外気温センサ210から外気温を取得する。ここで、外気温は、外気情報の一例であり、本処理は、外気情報の取得処理の一例である。そして、制御部161は、外気温と予め設定された第1温度閾値とを比較する。第1閾値は予め設定された値である。S101及びS102の処理は、台風が発生していることを検出する処理であることから、第1温度閾値は、台風が発生する季節における温度、またはこれよりも低い温度とする。制御部161は、外気温が第1温度閾値よりも高い場合には(S102でYES)、処理をS103へ進める。制御部161は、外気温が第1温度閾値以下の場合には(S102でNO)、処理をS100へ進める。S103において、制御部161は、ファン131の回転によるモータ133の発電により、モータ133を電磁ブレーキとして作用させることで、ファン131の回転が停止するよう制御する。ファン131の回転を停止もしくは回転数を抑制する理由は、以下の通りである。すなわち、ファン131は、設計強度上の回転数上限があり、異常な高回転数となった際に、ファン131に過大な応力が生じファン131自体が破損する恐れがある為である。なお、ファン131の設計許容応力は、尤度が考慮されているが、異常な強風の際の破損を未然防止する為である。
以上の処理により、モータ133による制御が行われていない状態で、台風等による強風によってファン131が高速に回転し、ファン131が破損するのを防ぐことができる。
次に、起動後の処理について、適宜図5を参照しつつ説明する。図5は、低回転制御における回転数(一定時間当たりの回転数、回転速度)のプロファイルの一例を示す図である。図5に示すグラフの横軸は時間、縦軸は回転数を示している。またグラフにおける破線は通常時のファン131の制御(通常回転制御)のプロファイルを示し、実線は低回転制御のプロファイルを示している。低回転制御については後述する。
制御部161は、室外機10の起動後は、まず、S110において、外気温センサ210から温度、すなわち外気温を取得する。ここで、外気温は、外気情報の一例であり、本処理は、外気情報の取得処理の一例である。そして、制御部161は、外気温と、予め設定された第2温度閾値とを比較する。ここで、第2温度閾値は、例えば、マイナス5℃等、ファン131に氷や霜が付着し得る温度とする。制御部161は、外気温が第2温度閾値よりも低い場合には(S110でYES)、処理をS111へ進める。制御部161は、外気温が第2温度閾値以上の場合には(S110でNOT)、処理をS130へ進める。
S130において、制御部161は、ファン131の通常回転制御を行う。通常回転制御は、図5に実線で示すプロファイルに従った制御である。通常回転制御は、回転数R2まで徐々に回転数を増加させる制御である。ここで、回転数R2は、空調運転の設定値から定まる制御値である。起動ステージにおいて回転数R2に達すると、安定ステージへと移行する。
S111において、制御部161は、梁材134に掛かる荷重が、予め定められた荷重閾値よりも大きい否かを判定する。具体的には、制御部161は、磁場センサ202の検出結果を取得し、検出結果が予め定められた電圧閾値以上の場合に、荷重が荷重閾値よりも大きいと判定する。本処理のタイミングにおいては、ファン131は停止しており、磁場センサ202の検出結果は、梁材134に掛かる荷重に依存する。ファン131に氷や霜が付着している場合にはファン131の重さは正常な状態におけるファン131の重さよりも重くなるため、梁材134はより大きく撓むことになり、磁場センサ202はより大きな電圧を検出する。制御部161は、閾値以上の電圧を検出した場合に、荷重が閾値よりも大きいと判定する。このように、制御部は、応力検出部として機能する。制御部161は、荷重が荷重閾値よりも大きい場合には(S111でYES)、処理をS112へ進める。制御部161は、荷重が荷重閾値以下の場合には(S111でNO)、処理をS130へ進める。
S112において、制御部161は、ファン131の低回転制御を行う。図5に示すように、制御部161は、低回転数制御においては、低回転制御における最大回転数(図5においては、R2)までの範囲において、回転数を徐々に増加させる。ここで、最大回転数(R2)は、通常時の制御における起動時の最大回転数(図5においては、R1)に比べて小さい値であり、予め設定されているものとする。最大回転数R2は、例えば、100rpm未満の値とするのが好ましい。また、低回転数制御における最大回転数及び回転数変化のプロファイルは予め設定されているものとする。
なお、図5の例においては、低回転制御における最大回転数までの加速度は、通常回転制御における回転数の加速度と等しくなるような制御としたが、加速度を通常回転制御における加速度に比べて小さくしてもよい。
制御部161は、低回転制御を開始してから所定の時間が経過すると、S113において、ファン131に異常が生じているか否かを判定する。このように、制御部161は、異常検出部として機能する。本実施形態の制御部161は、梁材134の撓みの程度、すなわち応力に応じてファン131の異常を検出する。以下、異常を検出する処理について説明する。ファン131の回転中は、梁材134には、ファン131の回転数に応じた応力が掛かる。一方で、ファン131に異常が生じている場合には、重心がずれることにより、振動が生じることに起因し、正常な状態に比べて大きな応力が掛かる。さらに、正常な状態においては、応力は回転数が大きくなるほど大きくなる。
そこで、本実施形態の室外機10は、回転数と、基準電圧の関係式を記憶部162に予め格納しておく。なお、他の例としては、回転数と基準電圧の対応テーブルが格納されていてもよい。そして、制御部161は、基準電圧と、磁場センサ202により検出された電圧との比較結果から異常の有無を検出する。具体的には、制御部161は、回転数から基準電圧を求め、基準電圧と、実際に磁場センサ202により検知された電圧とを比較する。そして、制御部161は、検知された電圧が基準電圧よりも大きい場合には、異常が生じていると判定する。一方で、制御部161は、検知された電圧が基準電圧以下の場合には、異常は生じていないと判定する。
図4に戻り、制御部161は、異常が生じている場合には(S113でYES)、処理をS114へ進める。制御部161は、異常が生じていない場合には(S113でNO)、処理をS130へ進める。
図5に示すように、例えば、t1のタイミングにおいて、S113において、異常なしと判定されたとする。この場合には、S130において通常回転制御が行われる。すなわち、ファン131の回転制御は、低回転制御から通常回転制御に遷移する。これにより、図5に示すように、低回転制御における最高回転数よりも高い回転数まで増加させるような制御が行われる。
例えば室外機10の停止中に氷や霜がファン131に付着している場合がある。このような状態で、ファン131を回転させると、振動が生じ、熱交換器120の破損等に至る場合がある。これに対し、本実施形態の制御部161は、S111及びS112の処理により、ファン131に異常が生じている可能性があるか否かを判定し、異常が生じている可能性がある場合には、運転開始時に、通常回転制御に比べて低い回転数での制御である低回転制御を行う。これにより、熱交換器120の破損等の被害が生じるのを防ぐことができる。さらに、制御部161は、低回転制御中に異常の検出を行うので、異常が生じていた場合には、適切な措置をとることができる。また、制御部161は、異常が検出されなかった場合には、通常回転制御に遷移させることで、速やかに、空調運転の設定値に応じた空調運転を開始することができる。
図4に戻り、S114においては、制御部161は、ファン131の回転を停止させ、再起動し、再び低回転制御を行う。比較的少量の霜や氷であれば、ファン131の回転が停止する際に、ファン131から振り落とすことができる。
そして、制御部161は、再起動から所定の時間が経過すると、S115において、ファン131の異常の有無を判定する。制御部161は、異常が生じている場合には(S114でYES)、処理をS116へ進める。制御部161は、異常が生じていない場合には(S114でNO)、処理をS130へ進める。
S116において、制御部161は、ファン131についた氷や霜を溶かすデフロスト処理を行う。具体的には、制御部161は、熱交換器120を凝縮器として動作させることで、ファン131に暖かい空気を送り、霜や氷を溶かす。本処理においては、ファン131に比較的多量の霜や氷が付着している場合においても、これらを除去することができる。すなわち、ファン起動リトライ処理(S114)において落としきれなかった霜や氷を除去することができる。制御部161は、デフロスト処理を開始してから所定の時間が経過すると、S117において、再度ファン131の異常の有無を判定する。制御部161は、異常が生じている場合には(S117でYES)、処理をS118へ進める。制御部161は、異常が生じていない場合には(S117でNO)、処理をS130へ進める。なお、S115及びS117における異常検出の処理は、S113における異常検出の処理と同様である。
S118において、制御部161は、空調運転を停止する。すなわち、制御部161は、ファン131の回転を停止する。次に、S119において、制御部161は、異常が生じた旨を表示部181に表示する。さらに、S120において、制御部161は、異常が生じた旨を履歴として記憶部162に記録する。以上で、ファン制御処理が終了する。
以上のように、本実施形態に係る空気調和システム1においては、空調運転の開始時に、ファン131の低回転制御を行う。これにより、ファン131に異常が生じていた場合であっても、ファン131が回転することにより周囲の部品が破損するといった被害の拡大を防止することができる。これにより、より信頼性の高い冷凍サイクルシステムを提供することができる。
本実施形態の第1の変形例について説明する。制御部161は、異常が生じている可能性があるような外気条件を満たす場合に低回転制御を行えばよく、低回転制御を行うための条件は実施形態に限定されるものではない。例えば、制御部161は、S111の処理を省略し、外気温が閾値未満の場合には、梁材134の荷重に関わらず、低回転制御を行うこととしてもよい。また、他の例としては、制御部161は、梁材134の荷重が正常な状態における荷重よりも重い場合に低回転制御を行うものとしてもよい。すなわち、制御部161は、S110の処理を省略し、梁材134に掛かる荷重が荷重閾値よりも重い場合に、低回転制御を行うこととしてもよい。
第2の変形例について説明する。S110においては、外気が、ファン131に霜や氷が付着し得るような外気の状況であるか否かを判定できればよく、そのための具体的な処理は実施形態に限定されるものではない。例えば、制御部161は、通信部163を介して外部装置から天気予報などの気象情報を取得する。さらに、記憶部162には、天気が雪である、温度が氷点下である、など、外気が、ファン131に霜や氷が付着し得るような状況に対応した気象情報の条件が予め格納されているものとする。そして、制御部161は、外部装置から取得した気象情報が、記憶部162に格納されている条件を満たす場合に、処理をS111へ進めることとしてもよい。このように、制御部161は、冷凍サイクルシステムの室外機の周囲の外気温及び気象情報のうち少なくとも一方の情報を外気情報として取得し、外気情報に基づいて、送風機130のファン131の回転数を制御すればよい。
同様に、S102においては、外気の状況が、台風が発生し得る状況であるかを判定できればよく、そのための具体的な処理は実施形態に限定されるものではない。例えば、制御部161は、気象情報から台風が発生しているか否かを判定し、台風が発生している場合に電磁ブレーキを作動させてもよい。
第3の変形例としては、制御部161は、異常が生じている可能性があるような応力の条件(応力条件)を満たす場合に、低回転制御を行えばよく、低回転制御を行うための応力条件は実施形態に限定されるものではない。例えば、制御部161は、応力が応力閾値よりも小さい場合に、低回転制御を行うこととしてもよい。これにより、ファン131の一部の欠損のような異常が生じている場合に低回転制御を行うことができる。
第4の変形例としては、低回転制御において異常が検出された場合の処理は実施形態に限定されるものではない。他の例としては、制御部161は、S113において異常が検出された場合には、ファン起動リトライ処理(S114)や、デフロスト処理(S116)を行うことなく、ファン131を停止することとしてもよい。
第4の変形例について説明する。制御部161は、ファン131の振動により異常を検出すればよく、異常を検出するための具体的な処理は実施形態に限定されるものではない。例えば、ファン131の加速度を検出する加速度センサ(不図示)を設け、制御部161は、加速度センサによるファン131の加速度の検出結果から異常判定を行ってもよい。
また、他の例としては、室外機10は、ファン131の軸の所定の位置に磁性部材を設け、磁性部材よりも軸から遠い位置に磁場センサを設置する。そして、制御部161は、ファン131の回転中における磁性部材に対する磁場センサの検出結果から異常判定を行ってもよい。ファン131が正常に回転している場合には、ファン131は一定速度で回転するため、磁性部材と磁場センサの距離変化の周期は一定となる。しかしながら、ファン131の欠損などが生じた場合には、ファン131の重心位置がずれ、振動が生じる。これにより、検出周期が乱れ、磁場センサの検出周期は、一定値からずれた値となる。制御部161は、ファン131の軸に設けられた磁性部材に対応して、磁場センサにより得られる検出周期からファン131の振動、すなわちファン131の異常の有無を判定することができる。
また、他の例としては、室外機10は、異常検出のための構成として、磁性部材201と磁場センサ202に替えて、ひずみゲージを備えてもよい。ひずみゲージは、梁材134に設けられる。ひずみゲージは、梁材134の端部134aに配置されるのが好ましい。この場合、制御部161は、ひずみゲージにより検出されたひずみを取得し、ひずみに応じた応力を用いて、異常検出処理を行えばよい。
第5の変形例としては、本実施形態においては、送風機のファンを備えた冷凍サイクルシステムの一例として空気調和システムについて説明したが、冷凍システムであってもよい。
第6の変形例としては、図4を参照しつつ説明した異常検出処理の主体は、室外機10の制御部161に限定されるものではない。他の例としては、不図示の室内機の制御部が異常検出処理を実行してもよい。また、複数の室外機や複数の空気調和装置を管理する集中管理装置により室外機10が管理されている場合には、集中管理装置が異常検出処理を実行する空気調和システムとして構成されてもよい。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る空気調和システムについて説明する。図6は、第2の実施形態に係る空気調和システム2の全体構成図である。空気調和システム2は、複数の室外機11、12、13と、複数の室内機21、22、23を備えている。さらに、空気調和システム2は、これらの機器を管理する集中管理装置30を備えている。
集中管理装置30は、制御部301と、記憶部302と、通信部303と、を備えている。制御部301、記憶部302及び通信部303は、それぞれ制御品箱160の制御部161、記憶部162及び通信部163と同様である。制御部301は、室外機11〜13と、室内機21〜23と、を制御する。さらに、制御部301は、各室外機11〜13について、第1の実施形態において説明したファン制御処理を行う。そして、S117において異常が検出された場合には、異常が検出された室外機のファン131の回転を停止し、他の室外機により、空調運転を継続する。これにより、空気調和システム2は、異常が生じた室外機の運転を停止しつつ、異常が生じていない室外機により、空調運転を安全に開始することができる。
なお、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、例えばある実施形態の変形例を他の実施形態に適用するなど、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1、2 空気調和システム
10、11、12、13 室外機
21、22、23 室内機
131 ファン
131a 端部
133 モータ
134 梁材
161、301 制御部
201 磁性部材
202 磁場センサ
210 温度センサ

Claims (6)

  1. 室外機の周囲の外気温及び気象情報のうち少なくとも一方の情報である外気情報を取得する取得部と、
    送風機のファンの軸方向の応力を検出する応力検出部と、
    冷凍サイクルシステムの運転の開始時に、前記外気情報が予め設定された外気条件を満たし、かつ前記応力が予め設定された応力条件を満たす場合に、前記ファンの回転数を、前記運転の設定値に応じて定まる第1の回転数よりも少ない第2の回転数に設定する制御部と
    を有する冷凍サイクルシステム。
  2. 前記ファンの前記回転数が前記第2の回転数に設定されているときに、前記ファンの異常を検出する異常検出部をさらに有する請求項に記載の冷凍サイクルシステム。
  3. 前記制御部は、前記ファンの異常を検出した場合に、前記ファンの回転を停止させる請求項に記載の冷凍サイクルシステム。
  4. 前記制御部は、前記ファンの異常を検出した場合に、熱交換器のデフロスト処理を行う請求項又はに記載の冷凍サイクルシステム。
  5. 前記制御部は、前記外気情報に応じて、前記冷凍サイクルシステムの停止中の、モータの電力によらない前記ファンの回転を停止させる電磁ブレーキを作動させる請求項1乃至の何れか1項に記載の冷凍サイクルシステム。
  6. 前記室外機を複数有し
    記室外機それぞれの前記ファンの異常を検出する異常検出部をさらに有し、
    前記制御部は、複数の前記室外機のうち一の前記室外機において、異常が検出された場合に、異常が検出された前記室外機の前記ファンの回転を停止する請求項1に記載の冷凍サイクルシステム。
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