JP7316844B2

JP7316844B2 - 空気調和機

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Publication number: JP7316844B2
Application number: JP2019102535A
Authority: JP
Inventors: 春実加藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: JP2020197320A

Description

本発明は、空調の対象空間に対して冷房と除湿とを行う空気調和機に関する。

従来、空調の対象空間に対して冷房と除湿とを行う空気調和機が知られている。たとえば、特許第４６７０９３５号公報（特許文献１）には、顕熱負荷および潜熱負荷に応じて運転モードを切り替える空気調和機が開示されている。当該空気調和機によれば、被空調域の温度および湿度を無駄なく短時間で所望の状態にすることができる。

特許第４６７０９３５号公報

空調対象の空間の温度および湿度が所望の温度および湿度に近づく空調の過程に応じて、当該空間の快適性は変化し得る。しかし、特許文献１に開示されている空気調和機においては、空調の過程における空調対象の空間の快適性については考慮されていない。その結果、空気調和機に対するユーザの満足感が十分に得られない可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、空調の対象空間の快適性を向上させることである。

本発明に係る空気調和装置は、冷媒を循環させることによって対象空間を空調する。空気調和装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、第２熱交換器と、第１膨張弁と、第１送風装置とを備える。第１熱交換器は、対象空間に配置されている。第２熱交換器は、対象空間の外に配置されている。第１送風装置は、第１熱交換器に送風する。冷媒は、圧縮機、第２熱交換器、第１膨張弁、および第１熱交換器の第１循環方向に循環する。対象空間の温度および湿度を用いて算出される快適性指数が基準値よりも大きい場合の第１送風装置の単位時間当たりの送風量は、快適性指数が基準値より小さい場合の第１送風装置の単位時間当たりの送風量よりも大きい。

本発明によれば、快適性指数が基準値よりも大きい場合の第１送風装置の単位時間当たりの送風量が、快適性指数が基準値より小さい場合の第１送風装置の単位時間当たりの送風量よりも大きいことにより、空調の対象空間の快適性を向上させることができる。

実施の形態１に係る空気調和機の構成を示す機能ブロック図である。図１の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。図１の制御装置によって行われる運転モードの切り替え処理を説明するためのフローチャートである。空調の過程における室内空間の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。ＷＢＧＴが「警戒」の領域に空調の開始状態が含まれる場合の室内空間の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。ＷＢＧＴが「危険」の領域に空調の開始状態が含まれる場合の空調の他の過程における室内空間の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。実施の形態２に係る空気調和機の構成および冷房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。実施の形態２に係る空気調和機の構成および再熱除湿運転における冷媒の流れを併せて示す図である。実施の形態３に係る空気調和機の構成および冷房運転における冷媒の流れを示す図である。実施の形態３に係る空気調和機の構成および再熱除湿運転における冷媒の流れを示す図である。実施の形態３に係る空気調和機の構成および暖房運転における冷媒の流れを併せて示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和機１００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、空気調和機１００は、室内機１１０と、室外機１２０とを備える。

室内機１１０は、室内熱交換器５（第１熱交換器）と、室内ファン６（第１送風装置）と、温度センサＴｓと、湿度センサＨｓとを含む。室内機１１０は、空気調和機１００による空調の対象である室内空間（対象空間）に配置されている。

室外機１２０は、圧縮機１と、室外熱交換器２（第２熱交換器）と、室外ファン３（第２送風装置）と、膨張弁４（第１膨張弁）と、制御装置１０とを含む。室外機１２０は、室内空間の外である室外空間に配置されている。制御装置１０は、室内機１１０に配置されてもよいし、室内機１１０および室外機１２０とは別個に設けられてもよい。

冷媒は、圧縮機１、室外熱交換器２、膨張弁４、および室内熱交換器５の循環方向（第１循環方向）に循環する。室外熱交換器２は、凝縮器として機能する。室外熱交換器２を通過する冷媒は、凝縮熱を室外空間に放出する。室内熱交換器５は、蒸発器として機能する。室内熱交換器５を通過する冷媒は、室内熱交換器５の周辺の空気から蒸発熱を吸収する。当該冷媒の温度（蒸発温度）が室内空間の空気の露点温度よりも低い場合、室内熱交換器５の周辺の空気中の水分が液化する。空気調和機１００は、室内空間の温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎがユーザによって設定された所望の温度（設定温度）および所望の湿度（設定湿度）に近づくように、室内空間に対して冷房運転および除湿運転を行う。

空気調和機１００による冷房運転は、室内空間の空気の温度を低下させ、当該空気の顕熱を除去する。空気調和機１００による除湿運転は、室内空間の空気中の水分を液体に状態変化させることによって当該空気中の水分量を減少させ、当該空気中の水分の潜熱を除去する。

制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御することにより、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、圧縮機１から吐出されて膨張弁４によって減圧される前の冷媒と膨張弁４によって減圧されて圧縮機１に吸入される前の冷媒との圧力差が所望の範囲の値となるように膨張弁４の開度を制御する。膨張弁４は、冷媒の過熱度および過冷却度が目標値となるように制御されてもよい。

制御装置１０は、室外ファン３の回転速度を制御することにより、室外ファン３の単位時間当たりの送風量を制御する。制御装置１０は、室外ファン３を制御することにより、室外熱交換器２における冷媒と空気との間の熱交換量を調節する。制御装置１０は、室内ファン６の回転速度を制御することにより、室内ファン６の単位時間当たりの送風量を制御する。制御装置１０は、室内ファン６を制御することにより、室内熱交換器５における冷媒と空気との間の熱交換量を調節する。制御装置１０は、室内ファン６の単位時間当たりの送風量を減少させて冷媒の蒸発温度を室内空気の露点温度よりも低くすることにより、室内空間に対する除湿運転を行う。

制御装置１０は、室内空間に配置された温度センサＴｓおよび湿度センサＨｓからサンプリングタイム毎に室内空間の温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎをそれぞれ取得する。湿度センサＨｓによって測定される湿度Ｈｎは、相対湿度である。制御装置１０が湿度センサＨｓから取得する湿度は、絶対湿度でもよい。制御装置１０は、温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎが設定温度および設定湿度に近づくように、空気調和機１００を統合的に制御する。

図２は、図１の制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、制御装置１０は、処理回路１１と、メモリ１２と、入出力部１３とを含む。処理回路１１は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリ１２に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路１１が専用のハードウェアである場合、処理回路１１は、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路１１がＣＰＵの場合、制御装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２に格納される。処理回路１１は、メモリ１２に記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリ１２には、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

一般に、室内空間にいるユーザにとって、室内空間の湿度の変化よりも室内空間の空気の温度の変化の方が感じ易いことが多い。また、空気調和機１００を起動してから、冷媒の蒸発温度が室内熱交換器５の周辺の空気の露点温度以下となり除湿運転が可能となるまで或る程度の時間を要する。そのため、空気調和機１００においては、室内空間の快適性が比較的低下している場合、室内空間の空気の冷却を、当該空気の除湿よりも優先する。空調の過程において室内空間の快適性が迅速に改善されるため、室内空間の快適性を向上させることができる。

実施の形態に係る空気調和機においては、室内空間の温度および湿度を用いて算出される快適性指数を用いて室内空間の快適性の低下を検知する。快適性指数としては、たとえば、不快指数ＤＩ（Discomfort Index）、新標準有効温度ＳＥＴ＊（Standard Effective Temperature）、あるいは湿球黒球温度ＷＢＧＴ（Wet Bulb Globe Temperature）を挙げることができる。

不快指数ＤＩは、室内空間の温度および湿度を総合的に評価することができる主観的かつ経験的な快適性指数であり、以下の式（１）で表される。

式（１）において変数Ｔ，ＲＨは、空気の温度（℃）および相対湿度（％）をそれぞれ表す。温度Ｔおよび相対湿度ＲＨには、室内空間の温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎがそれぞれ対応する。

新標準有効温度ＳＥＴ＊（Standard Effective Temperature)は、ＡＳＨＲＡＥ（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）において標準的体感温度として採用されている快適性指数である。新標準有効温度ＳＥＴ＊は、室内空間の温度、湿度、風速、輻射温度、およびユーザの着衣量を用いて算出される。

湿球黒球温度ＷＢＧＴは、熱中症の予防のために考案された快適性指数であり、以下の式（２）で表される。

式（２）において、変数Ｔ，ＲＨは、式（２）と同様に空気の温度（℃）および相対湿度（％）をそれぞれ表す。変数ＳＲ，ＷＳは、全天日射量（ｋＷ／ｍ^２）および平均風速（ｍ／ｓ）をそれぞれ表す。全天日射量ＳＲは、たとえば研究機関あるいは公的な機関が公表するデータ（たとえば気象庁の数値予報データ）、または赤外線センサによる室内空間の計測値を用いて決定される。平均風速ＷＳは、室内ファン６の回転速度を用いて算出される。空気調和機１００による空調開始時において、室内ファン６は停止しているため、平均風速ＷＳは０となる。

日本生気象学会が公表する日常生活における熱中症予防指針によると、室内空間のＷＢＧＴが２８℃を超えるとすべての生活活動において熱中症が発生する危険性がある。具体的には、ＷＢＧＴが２５℃未満である生活環境は「注意」と判定され、２５℃以上２８℃未満の範囲である生活環境は「警戒」と判定され、ＷＢＧＴが２８℃以上３１℃未満の範囲である生活環境は「厳重警戒」と判定され、ＷＢＧＴが３１℃以上の生活環境は「危険」と判定される。たとえば、夏期において室内空間のＷＢＧＴが２９℃である場合、熱中症の危険性を安全な程度まで低下させるために、室内空間においてユーザが実際に感じる快適性を早急に改善する必要がある。

空気調和機１００においては、ＷＢＧＴが２５℃（基準値）より大きい場合、室内空間のＷＢＧＴを速やかに低下させる快適性優先モードによって空調が行われる。選択される。ＷＢＧＴが２５℃よりも低い場合、室内空間の温度および湿度を設定温度および設定湿度にできるだけ速く到達させる効率性優先モードによって空調が行われる。

快適性指数が基準値より大きい場合、室内空間の温度および湿度を設定温度および設定湿度にそれぞれ近づける空調の過程において、快適性優先モードおよび効率性優先モードの順に運転モードが切り替えられることにより、当該過程の最初から効率性優先モードが行われている場合よりも快適性の改善をユーザが感じ易くなる。空気調和機１００によれば室内空間の快適性が向上するため、空気調和機１００に対するユーザの満足度を向上させることができる。

図３は、図１の制御装置１０によって行われる運転モードの切り替え処理を説明するためのフローチャートである。図３に示される処理は、空気調和機１００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。以下では、ステップを単にＳと記載する。

図３に示されるように、制御装置１０は、Ｓ１０１において温度センサＴｓおよび湿度センサＨｓから室内空間の温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎをそれぞれ取得して処理をＳ１０２に進める。制御装置１０は、Ｓ１０２において温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎを用いて快適性指数を算出し、処理をＳ１０３に進める。制御装置１０は、Ｓ１０３において快適性指数が基準値よりも大きいか否かを判定する。快適性指数が基準値よりも大きい場合（Ｓ１０３においてＹＥＳ）、制御装置１０は、Ｓ１０４において運転モードを快適性優先モードに設定して処理をメインルーチンに返す。快適性指数が基準値以下である場合（Ｓ１０３においてＮＯ）、制御装置１０は、Ｓ１０５において運転モードを効率性優先モードに設定して処理をメインルーチンに返す。

快適性優先モードの室内ファン６の単位時間あたりの送風量は、効率性優先モードの室内ファン６の単位時間あたりの送風量よりも大きい。快適性優先モードにおいては、室内熱交換器５によって冷却された空気が比較的短時間で室内に送風されるため、冷媒の蒸発温度の低下が抑制されるとともに室内熱交換器５による冷却が室内空間の温度に反映され易い。すなわち、快適性優先モードにおいては、冷却が除湿よりも優先される。効率性優先モードにおいては、室内空気の温度および湿度が設定温度および設定湿度にできるだけ短時間で到達するように冷却および除湿が行われる。

図４～図６は、室内空間の空気の状態変化を示す湿り空気線図である。図４～図６において設定温度（２４℃）および設定湿度（５０％）によって指定される設定状態Ｃｕは同じ状態である。図４～図６に示される曲線ＳＣは、相対湿度が１００％である状態を示す飽和曲線である。図４～図６においては飽和曲線上にＷＢＧＴの値が示されているとともに、「警戒」の領域、「厳重警戒」の領域、および「危険」の領域に互いに異なるハッチングが付されている。図４～図６の違いは、空気調和機１００による空調の開始時の室内空間の温度Ｔｎおよび湿度Ｈｎによって指定される空調の開始状態、および開始状態から設定状態Ｃｕに至る空調の過程である。

図４には、ＷＢＧＴが２５℃未満である領域に開始状態Ｃ１１が含まれている場合が示されている。開始状態Ｃ１１の温度および湿度は、それぞれ２７℃および７０％である。図４に示される場合、室内空間の快適性を改善する緊急性は比較的低いため、空気調和機１００の運転モードは、効率性優先モードに設定される。図４に示されるように、空気調和機１００による空調の過程は、湿り空気線図において開始状態Ｃ１１から設定状態Ｃｕに直接向かう直線的な過程となる。

図５には、ＷＢＧＴが２５℃以上２８℃未満である「警戒」の領域に開始状態Ｃ２１が含まれている場合が示されている。開始状態Ｃ２１の温度および湿度は、それぞれ３１℃および６０％である。図５に示される場合、室内空間の快適性を改善する緊急性が比較的高いため、空気調和機１００の運転モードは、まず快適性優先モードに設定される。図５に示されるように、空気調和機１００による空調の過程は、湿り空気線図において開始状態Ｃ２１からほぼ水平方向に冷却過程を経て状態Ｃ２２に至る。状態Ｃ２２の温度および湿度は、２６℃および８０％の状態である。状態Ｃ２２におけるＷＢＧＴは、２５℃より小さい。状態Ｃ２２において空気調和機１００の運転モードは効率性優先モードに切り替えられる。空調の過程は、状態Ｃ２２からの空調の過程は、設定状態Ｃｕに直接向かう直線的な過程である。

図６には、ＷＢＧＴが３１℃以上である「危険」の領域に開始状態Ｃ３１が含まれている場合が示されている。開始状態Ｃ３１の温度および湿度は、それぞれ３６℃および６０％である。図６に示される場合、室内空間の快適性を改善する緊急性が比較的高いため、空気調和機１００の運転モードは、まず快適性優先モードに設定される。図６に示されるように、空気調和機１００による空調の過程は、湿り空気線図において開始状態Ｃ３１からほぼ水平方向に冷却過程を経て飽和曲線ＳＣ上の状態Ｃ３２に至る。状態Ｃ３２におけるＷＢＧＴは、２５℃より大きいため快適性優先モードが継続される。空調の過程は、状態Ｃ３２からほぼ飽和曲線ＳＣに沿って変化して状態Ｃ３３に至る。状態Ｃ３３のＷＢＧＴは２５℃よりも小さい。状態Ｃ３３において空気調和機１００の運転モードは効率性優先モードに切り替えられる。状態Ｃ３３からの空調の過程は、設定状態Ｃｕに直接向かう直線的な過程である。

以上、実施の形態１に係る空気調和機によれば、空調の対象空間の快適性を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２においては、再熱除湿運転を行う空気調和機について説明する。図７は、実施の形態２に係る空気調和機２００の構成および冷房運転における冷媒の流れを併せて示す機能ブロック図である。空気調和機２００の構成は、図１の空気調和機１００の構成において制御装置１０が１０Ａに置き換えられているとともに、室内熱交換器７（第３熱交換器）および膨張弁８（第２膨張弁）が追加された構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。なお、図７および図８においては、全開の膨張弁を点線で示している。実施の形態３において参照する図９～図１１においても同様である。

図７に示されるように、室内熱交換器７および膨張弁８は、膨張弁４と室内熱交換器５との間で、この順に直列に接続されている。室内熱交換器７は、室内空間に配置されている。制御装置１０Ａは、膨張弁４の開度を制御するとともに膨張弁８を全開として、室内熱交換器５および７を蒸発器として機能させる。

図８は、実施の形態２に係る空気調和機２００の構成および再熱除湿運転における冷媒の流れを併せて示す図である。図８に示されるように、制御装置１０Ａは、膨張弁４を全開とするとともに膨張弁８を制御することにより、室外熱交換器２および室内熱交換器７を凝縮器として機能させる。再熱除湿運転においては、室内熱交換器５によって冷却および除湿された空気が室内熱交換器７によって暖められるため、温度低下を抑制しながら除湿を行うことができる。

制御装置１０Ａは、室外ファン３の単位時間当たりの送風量を制御して、空調における冷却および除湿のバランスを調節する。空調における除湿の割合を高める場合、制御装置１０Ａは、室外ファン３の単位時間当たりの送風量を小さくして室外熱交換器２から放出される凝縮熱（凝縮能力）を抑制することにより、室内熱交換器７から放出される凝縮熱を増加させる。

以上、実施の形態２に係る空気調和機によれば、空調の対象空間の快適性を、再熱除湿運転によって実施の形態１よりもさらに向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３においては冷媒の循環方向を冷房運転および再熱除湿運転の循環方向とは逆の循環方向（第２循環方向）に切り替えることにより、暖房運転を行う空気調和機について説明する。図９および図１０は、実施の形態３に係る空気調和機３００の構成を示す機能ブロック図である。図９および図１０は、冷房運転および再熱除湿運転における冷媒の流れをそれぞれ示す。空気調和機３００の構成は、図７の空気調和機２００の構成において制御装置１０Ａが１０Ｂに置き換えられているとともに、四方弁９（流路切替弁）が追加された構成である。これら以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

図９および図１０に示されるように、制御装置１０Ｂは、四方弁９を制御して、圧縮機１の吐出口と室外熱交換器２とを連通させるとともに、室内熱交換器５と圧縮機１の吸入口とを連通させる。

図１１は、実施の形態３に係る空気調和機３００の構成および暖房運転における冷媒の流れを併せて示す図である。図１１に示されるように、空気調和機３００の構成を示す機能ブロック図である。制御装置１０Ｂは、四方弁９を制御して、圧縮機１の吐出口と室内熱交換器５とを連通させるとともに、室外熱交換器２と圧縮機１の吸入口とを連通させる。暖房運転において、室内熱交換器５および７は凝縮器として機能し、室外熱交換器２は蒸発器として機能する。

以上、実施の形態３に係る空気調和機によれば、実施の形態２と同様に空調の対象空間の快適性を向上させることができるとともに、対象空間に対する暖房を行うことができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１圧縮機、２室外熱交換器、３室外ファン、４，８膨張弁、５，７室内熱交換器、６室内ファン、９四方弁、１０，１０Ａ，１０Ｂ制御装置、１１処理回路、１２メモリ、１３入出力部、１００，２００，３００空気調和機、１１０室内機、１２０室外機。

Claims

冷媒を循環させることによって対象空間を空調する空気調和機であって、
圧縮機と、
前記対象空間に配置された第１熱交換器と、
前記対象空間の外に配置された第２熱交換器と、
第１膨張弁と、
前記第１熱交換器に送風する第１送風装置と、
前記対象空間の温度および湿度を取得して前記第１送風装置を制御する制御装置とを備え、
前記冷媒は、前記圧縮機、前記第２熱交換器、前記第１膨張弁、および前記第１熱交換器の第１循環方向に循環し、
前記制御装置は、前記温度および前記湿度を用いて算出される快適性指数が基準値よりも大きい第１の場合の前記第１送風装置の単位時間当たりの送風量を前記快適性指数が前記基準値より小さい第２の場合の前記第１送風装置の単位時間当たりの送風量よりも増加させ、前記第１の場合の前記第１送風装置の単位時間当たりの送風量が前記第２の場合の前記第１送風装置の単位時間当たりの送風量より大きい状態を、前記快適性指数が前記基準値よりも小さくなるまで継続する、空気調和機。
前記対象空間に配置され、前記第１循環方向において前記第１膨張弁からの前記冷媒が流入する第３熱交換器と、
前記第２熱交換器に送風する第２送風装置と、
前記第３熱交換器と前記第１熱交換器との間に接続された第２膨張弁とをさらに備え、
前記第１の場合において、前記第２膨張弁は全開とされて前記第３熱交換器は蒸発器として機能し、
前記第２の場合において、前記第１膨張弁は全開とされて前記第３熱交換器は凝縮器として機能し、
前記第１の場合の前記第２送風装置の単位時間当たりの送風量は、前記第２の場合の前記第２送風装置の単位時間当たりの送風量よりも大きい、請求項１に記載の空気調和機。
前記冷媒の循環方向を、前記第１循環方向とは逆の第２循環方向との間で切り替える流路切替弁をさらに備える、請求項１または２に記載の空気調和機。
前記快適性指数は、湿球黒球温度である、請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和機。
前記制御装置は、前記第２の場合、設定温度および設定湿度に特定される設定状態に向かって、前記温度および前記湿度によって特定される状態を湿り空気線図上で直線的に変化させる、請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和機。