JPH05196310A - 屋外ファン制御装置及びこれを用いた屋外ファン制御方法 - Google Patents

屋外ファン制御装置及びこれを用いた屋外ファン制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 屋外ファンに流れ込む空気の量を最適化する
ことができる屋外ファン制御装置を提供する。 【構成】 変速コンプレッサを有するヒートポンプの屋
外ユニットは、コンプレッサの速度及び屋外冷媒温度の
両方に応答して制御される。このようにして、コンプレ
ッサの動作速度の値域全体についてファンの動作効率と
駆動モータとを最適化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、空気調和システム及び
ヒートポンプシステムに関し、特に、システム全体の効
率及び信頼性を高めるように屋外空気量を最適化する方
法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】空気調和システム及びヒートポンプシス
テムを設計する際、一般には屋外ファンモータを使用し
て一段階のみかまたは二段階の速度で動作させるように
している。設計方法自体が特定の動作状態で最適化され
た性能及び効率につながるのである。別の動作状態にお
ける性能は効果的とはいえないが、これはシステム設計
の経済性ということに鑑みて一般には認められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような周知の設計
方法は最初にかかる費用の面では経済的であるが、製品
寿命の間にかかるシステムの動作費用を含む全体として
の費用は、その動作特性によって実際には割高となると
いう問題がある。詳細に言えば、屋外ファンモータの速
度とこれに対応する電力消費量は比較的高いレベルに設
定されており、外気温が最高温度となった時のシステム
の容量及び効率についての必要条件を満たすようにして
ある。システムには単速モータが用いられており、空気
量を多くしなくてもシステムでの必要条件を満たすこと
ができるような場合でも、動作値域全体について最初に
設定されている電力を消費して動作する。特に、外気温
が穏やかである場合には、加熱と冷却のいずれにして
も、コイルに要求される仕事を実行するために必要とさ
れる空気量は気温が最高である時よりも少ない。風が強
い日には、この風のためにコイルを通って流れ込む空気
の量が増加し、ファンはその時に必要とされる仕事量よ
りも多くの仕事をしている場合がある。一方、コイルに
埃がたまっていたり、空気の吸入口や吐出口に障害物が
あるなどコイルの効率を悪くするような状態となれば、
システムが最適となる点は通常の最適化された動作状態
での点とは全く異なってしまう。
【０００４】ある一定温度以下になると、空気調和シス
テムまたはヒートポンプシステムを高信頼度で空気調和
機として使用することができなくなるということは従来
から知られている。主にこのような場合には、華氏０度
（摂氏−１８度）以下の外気温の時に空気調和を必要と
しても良いように冷却室またはコンピュータ室を含んで
いる。気温がこのように低くなってくるとコンデンサ内
の冷媒の凝縮温度も低下し、これに応じて冷凍システム
の高圧側での上部圧力が低下する。このような問題につ
いては、本願譲受人に譲渡された１９６５年７月２７日
登録の米国特許第３，１９６，６２９号に記載されてい
るように、関連したファン速度の低下によって示され
る。この方法は主に低温の時にファン速度を落とす機能
を果たすが、これは外気温度状態（例えば華氏５５度
（摂氏約１２．７度）以下）が低い場合にのみ動作する
ものであり、システムの効率はあまりよくならない。し
かしながら、効率に関する上述した問題についてみる場
合には、このようなシステムを使用する必要性というこ
とにも留意すべきである。
【０００５】したがって本発明の目的は、効率面で改良
された空気調和機を提供することにある。
【０００６】この目的は、特許請求の範囲の序文と特徴
部分に記載の方法及び装置によって達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、コンプレッサ速度及び液冷媒温度の関数として屋外
ファンの速度を制御し、ヒートポンプの動作値域全体に
ついて屋外コイルに流れ込む空気の量を最適化する。こ
のようにして、屋外ファンモータの速度を制限し、どん
な動作状態であっても空気調和機またはヒートポンプに
要求される仕事を実行するために必要な空気量のみを供
給する。このようにすることで、ファンモータの電力消
費量も制限され、システム全体の効率が増す。
【０００８】本発明の他の態様によれば、マイクロプロ
セッサ制御を行ってコンプレッサ速度及び液冷媒温度を
モニタリングし、再計算及びファン速度の調節を連続し
て実行し、システムによって通常の加熱／冷却モードを
実行している間の最適な動作を維持する。
【０００９】本発明の他の態様によれば、外気温度が低
い場合に、マイクロプロセッサ制御を行ってファンを減
速させるかまたは実際にファンを停止させ、信頼度の高
い動作を行うために必要な上部圧力を維持する。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例について図面
を参照して説明するが、これらは本発明の真の趣旨及び
範囲を逸脱することなく様々な修正を施したり異なる構
成とすることも可能である。
【００１１】図１を参照すると、本発明が用いられてい
るヒートポンプシステム１１が示されている。このヒー
トポンプシステムは、屋外／屋内コイル及び冷媒膨張装
置（図示せず）とともに従来の装置において見られるよ
うな冷凍回路を形成する屋外コイル１２とコンプレッサ
１３とを有している。
【００１２】周知の方法と同様に、四方形弁１４を用い
て冷媒を屋内または屋外のコイルにそれぞれ送ることに
よって、加熱モードまたは冷却モードのいずれにおいて
もヒートポンプを動作させることができる。さらに、こ
の弁を用いることでシステムを除湿モードで動作させ、
暖かい吐出ガスを屋外コイルに送ることもできる。
【００１３】冷凍回路の一部を形成しているものとし
て、液分配器１６及び蒸気ヘッダ１７がある。加熱モー
ドで動作する場合には、液冷媒が膨張装置を通過した
後、液分配器１６によって液冷媒を屋外コイル１２の個
々の回路に分配する。さらに、屋外コイル１２を通過し
た冷媒がすべて集まる共通の点が蒸気ヘッダ１７であ
り、冷媒はここから逆洗弁１４へ送られる。冷却または
除湿モードで動作する時には、屋外コイル１２を通過し
た冷媒がすべて集まる共通の点は液分配器１６であり、
冷媒はここから屋内コイル（図示せず）へ送られる。さ
らに蒸気ヘッダ１７によって暖かい吐出ガスを分配して
屋外コイル１２の個々の回路へ送る。さらに、冷凍回路
の一部として、アキュムレータ１８が備えられている。
アキュムレータは起動時にコンプレッサ１３で液体が停
留しないようにするためのものである。
【００１４】まず空気を放射状に中心に向かって屋外コ
イル１２を通過させ、さらにこの空気を上方向に吐出す
ことによってヒートポンプに空気を通過させる構成要素
についてみると、ルーバ形の上部カバー１９が備えられ
ている。このカバーから、屋外ファンプロペラ２２に駆
動的に連結された屋外ファンモータ２１が吊り下げられ
ている。冷却及び加熱の両モードで動作する際、図１に
おいて矢印で示すように、モータ２１によってファンプ
ロペラを駆動して外気を放射状に中心に向かって屋外コ
イル１２に送ってさらに上方向に吐出す。
【００１５】屋外コイル１２がエバポレータとして機能
する加熱モードと、屋外コイル１２がコンデンサとして
機能する冷却モードのうちのどちらのモードで動作して
いる時にも、モータ２１の速度を選択的に変えることが
好ましい。インバータの動作すなわちゼネラル エレク
トリック カンパニー（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）から一般に販売されている電気
的整流モータ（ＥＣＭ）などの適当に制御されたＤＣモ
ータを用いることによって制御されるＡＣモータなどを
使用した何らかの可変方法を用いて達成することができ
る。一実施例として、モータ２１にはＤＣ永久磁石型の
ものを使用し、さらに後部カバーに集められた集中制御
部２３を備えていることが好ましい。制御パッケージ内
には小ダイオードブリッジ、キャパシタ及び電源切り替
え装置が備えられており、これらの組み合わせで交流
（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換する。このように、様々
な方法でＤＣ電源を投入したり切ったりして、検出した
パラメータの機能及び以下に述べる機能としてモータ速
度を制御する。一方、電気的導体によってモータ２１へ
の入力にディスクリート制御回路を用いてもよい。
【００１６】図２を参照すると、屋外ユニットが概略的
に示されている。図において、屋外ユニットは、システ
ム内で検出した状態に応じてファンモータ２１及びコン
プレッサ１３の速度を選択的に制御するために用いられ
ている制御回路を有している。屋内ユニットについては
図示しないが、屋外ユニットは、液冷媒ライン２４と気
冷媒ライン２６と電気的制御バス２７とによって、流体
的及び電気的に屋内ユニットと接続されていると考える
ことができる。液体供給弁２８及び蒸気供給弁２９は、
屋内ユニットとの間で相互に冷媒の流れをつくるために
備えられている。膨張弁３１は、選択的に調節すること
でオリフィスの大きさを変えて液冷媒の膨張量を変える
ことができ、液冷媒ライン２４に備えられている。
【００１７】制御ボックスは破線で囲み、符号３２で示
す。制御ボックス３２は、ＥＣＭコンプレッサ駆動パケ
ージ３３と、マイクロプロセッサに基づく制御モジュー
ル３４と、主トランスフォーマ３６とを有している。制
御ボックス３２に入力される電流は、高圧電源３７から
高圧電流で供給され、導線３８及び３９によってＥＣＭ
コンプレッサ駆動パケージ３３に接続される。さらに、
導線４１及び４２によってファンモータ２１に接続さ
れ、導線４３及び４４によってトランスフォーマ３６に
接続される。さらに、高圧電流は、クランクヒータの端
子に直接接続された導線４６によってクランクケースヒ
ータに供給され、マイクロプロセッサに基づく制御モジ
ュール３４に接続された導線４７や、マイクロプロセッ
サに基づく制御モジュール３４をクランスケースヒータ
の他方の端子と接続する導線４８にも供給される。コン
プレッサ電流は、導線４９，５１及び５２を介してＥＣ
Ｍコンプレッサ駆動パケージ３３から供給される。
【００１８】ＥＣＭコンプレッサ駆動パケージ３３は高
圧の単相ＡＣ電源を高圧のＤＣ電源に変換する機能を有
する。すなわち、３つの別個のＤＣ出力ラインのオン−
オフを切り替え、各々が互いに約１２０度ずつ位相がず
れた状態とし、「３相」オン−オフ信号をコンプレッサ
１３に供給する。これらのラインがオン−オフに切り替
えられる速度によって出力の周波数が決まり、さらにコ
ンプレッサ１３の速度が決まる。コンプレッサは、効率
を高めるために永久磁石ロータを有している。
【００１９】ＥＣＭコンプレッサ駆動パケージ３３の切
り替え速度及びコンプレッサ１３の速度は、マイクロプ
ロセッサに基づく制御モジュール３４から線５３に供給
される「速度要求」によって決定される。さらに、低圧
のＲＰＭフィードバック信号がＥＣＭコンプレッサ駆動
パケージ３３から送出され、線５４を介してマイクロプ
ロセッサに基づく制御モジュール３４に供給される。制
御モジュール３４は信号を読んでコンプレッサが所望の
速度で動作しているか否かを判定し、さらに所望の速度
を得るために信号を調節してＥＣＭに送る。
【００２０】同様に、マイクロプロセッサに基づく制御
モジュール３４は、線５６から供給されるものと同じ型
のＰＷＭ（パルス幅変調）信号を用いてファンモータ２
１の速度を制御する。しかしながら、ファンモータ自体
が内部でモータ速度の制御を行っているため、この場合
はフィードバック信号は必要ない。モータはＰＷＭ信号
を速度要求と解釈し、自己調整を行ってその速度とす
る。
【００２１】ファンモータ２１及びコンプレッサ用の駆
動モータの速度を制御することに加え、制御モジュール
３４は逆洗弁１４及び膨張弁３１を制御する機能を有す
る。逆洗弁１４の場合、制御モジュール３４はこの弁を
加熱モードか冷却／除湿モードかのどちらかにする。一
方膨張弁３１は、オリフィス開口の大きさの値域につい
て調節され、コンプレッサ１３の速度に応じて流量が調
節される。
【００２２】制御モジュール３４への入力についてみる
と、４つのサーミスタ５７，５８，５９及び６１が備え
られている。これらは、それぞれ屋外コイル温度（ＴＯ
Ｃ）、屋外気温（ＴＯＡ）、吸入圧力（ＴＳ）及び吐出
し温度（ＴＤ）をモニタリングするためのものである。
屋外コイル温度（ＴＯＣ）を示す信号は線６２へ、屋外
気温（ＴＯＡ）を示す信号は線６３へ、吸入圧力（Ｔ
Ｓ）を示す信号は線６４へ、さらに吐出し温度（ＴＤ）
を示す信号は線６６へ送られる。
【００２３】図３を参照すると、屋外コイル１２の一部
が詳細に示されている。図において、周知の構成要素で
あるプレートフィン６７と、管６８と、返しベンド６９
とが含まれている。本発明によるファン速度制御装置を
用いるために、コイル１２における冷媒温度をモニタリ
ングすることが好ましい。これは屋外コイル自体の温度
を検出することによって行うことができる。このような
目的のため、標準的な屋外コイル１２を図３に示すよう
に修正する。
【００２４】屋外コイル１２のいくつかの点において、
さらに好ましくは屋外コイルの底部にある回路の中間に
おいて、標準的な返しベンド６９を延在した返しベンド
７１に変えてコイルの温度を検出できるようにする。こ
のような目的のため、延在した返しベンド７１の外面を
直接サーミスタ５７に接触させ、このサーミスタを銅の
スリーブ７２によって保持する。スリーブ７２は、延在
した返しベンド７１にろう付けしておくことが好まし
い。さらに、銅スリーブとサーミスタとを組み合わせた
ものを絶縁体７３で覆い、必要とされる熱的な絶縁を与
えてサーミスタ５７が所望の温度応答性を有するように
する。サーミスタ線６２は、サーミスタ５７における抵
抗の変化を示す電気信号を、上述したように制御モジュ
ール３４に送るためのものである。
【００２５】線６２に送られる屋外コイル温度ＴＯＣ
と、線５４のコンプレッサ速度、及び線６７に送られる
個々の動作モード（すなわち冷却または加熱）に応答
し、制御モジュール３４は以下の数式３に示すアルゴリ
ズムに基づいて屋外ファン速度を算出する。
【００２６】
【数３】
【００２７】ここで、ファン速度％は、モータを動かす
ために必要な最大屋外ファン速度ＲＰＭの百分率であ
る。
【００２８】ＣＳは、総スピード範囲に対して標準化さ
れたコンプレッサの速度である。
【００２９】ＴＯＣは、屋外コイルの動作温度（冷却時
にはコンデンサの飽和温度と等しく、加熱時にはエバポ
レータの飽和温度と等しい）である。
【００３０】係数ａ、ｂ及びｃは以下の表１に示す通り
である。
【００３１】
【表１】
【００３２】どんな動作状態においてもシステム性能を
最適なものとする外気の流れを得られるような状態で行
った実験上の試験に基づいて決定された係数ａ、ｂ及び
ｃは、システムに依存するものである。したがって、こ
のような特定のシステム設計の各々について決定する必
要がある。
【００３３】加熱または冷却モードでシステムが通常の
動作を行っている間、制御モジュール３４は上述したア
ルゴリズムを使用して上述した入力を常にモニタリング
し、再計算を行ってファン速度を調節し、最適な性能を
維持している。さらに、華氏０度（摂氏−１８度）付近
の低温では、制御モジュール３４は屋外ファンを循環さ
せる（または完全に停止させる）ように動作し、信頼性
が高い動作を行うために必要な上部圧力を維持する。
【００３４】図４及び図５を参照すると、屋外ファン速
度は、相対的なコンプレッサ速度（ＣＭＰＳＰＤ）及び
屋外コイル温度の関数として示されている。このとき、
冷却モード（図４）か加熱モード（図５）のいずれかの
モードで上述したアルゴリズムを使用している。図４に
おいて、コンプレッサ速度（ＣＭＰＳＰＤ）に関係な
く、外気温度が低い状態や風が強い状態などが原因で屋
外コイル温度が低下すると、屋外ファン速度も実質的に
落ちていることが分かる。すなわち、相対的なコンプレ
ッサ速度（ＣＭＰＳＰＤ）が０．５であれば、屋外コイ
ル温度が華氏１００度（摂氏約３７．８度）であるとき
にファンは容量速度の８２％程度で動作している。一
方、屋外コイル温度が華氏７０度（摂氏約２１度）であ
れば、容量速度の約１１％で動作するのである。
【００３５】同様に、図５に示すような加熱モードで動
作する場合には、屋外コイル温度が上昇すると、必要と
される屋外ファンの動作速度は実質的に低下する。例え
ば、相対的なコンプレッサ速度（ＣＭＰＳＰＤ）が０．
２５のとき、屋外コイル温度が華氏０度（摂氏−１８
度）であれば屋外ファンは容量速度の約８０％で動作す
る。一方、屋外コイル温度が華氏８０度（摂氏約２６．
６度）であれば、ファンは容量速度の２５％程度で動作
する。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、コ
ンプレッサ速度及び液冷媒温度の関数として屋外ファン
の速度を制御し、ヒートポンプの動作値域全体について
屋外コイルに流れ込む空気の量を最適化することができ
る。したがって、屋外ファンモータの速度を制限し、ど
んな動作状態であっても空気調和機またはヒートポンプ
に要求される仕事を実行するために必要な空気量のみを
供給することができるという効果を奏する。
【００３７】また、本発明は、外気温度が低い場合にマ
イクロプロセッサ制御を行ってファンを減速させるかま
たは実際にファンを停止させ、信頼度の高い動作を行う
ために必要な上部圧力を維持することができるという効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が用いられているヒートポンプを示す図
である。
【図２】本発明によるヒートポンプ制御システムを示す
概略図である。
【図３】屋外コイル部の一部とこれに備えられたサーミ
スタを示す図である。
【図４】本発明による冷却モードにおいて動作している
間の液冷媒の温度変化に応じて制御された屋外ファン速
度を示すグラフである。
【図５】本発明による加熱モードにおいて動作している
間の液冷媒の温度変化に応じて制御された屋外ファン速
度を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…ヒートポンプシステム １２…屋外コイル １３…コンプレッサ １４…四方形弁（逆洗弁） １６…液分配器 １７…蒸気ヘッダ １８…アキュムレータ １９…上部カバー ２１…屋外ファンモータ ２２…屋外ファンプロペラ ２４…液冷媒ライン ２６…気冷媒ライン ３２…制御ボックス ３４…制御モジュール
フロントページの続き (72)発明者 ジョン エム．パーマー アメリカ合衆国，ニューヨーク，シラキュ ーズ，ジェイムズ ストリート 2022 (72)発明者 ジェイムズ ピー．ソウドウ アメリカ合衆国，インディアナ，インディ アナポリス，パッディントン レイン ダ ブリュ．7743 (72)発明者 ピーター ジー．ピーアレット アメリカ合衆国，ニューヨーク，フェイエ ットヴィル，キャッシン ドライブ 106

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 変速コンプレッサと、屋外コイルと、変
    速モータを備えたファンとを有するヒートポンプシステ
    ム用の改良された屋外アセンブリであって、 動作速度の値域について前記コンプレッサの速度を検出
    する速度検出手段と、 屋外コイルにおける冷媒温度を検出する温度検出手段
    と、 前記コンプレッサの速度と前記冷媒温度の両方に応答し
    て、前記動作速度の値域全体について前記ファンの動作
    効率が最適なものとなるように前記ファンを制御する制
    御手段と、を有することを特徴とする屋外ファン制御装
    置。
  2. 【請求項２】 前記温度検出手段が、前記屋外コイル内
    の管の表面に取り付けられたサーミスタを有することを
    特徴とする請求項１記載の改良されたヒートポンプシス
    テム。
  3. 【請求項３】 前記制御手段が、前記検出された冷媒温
    度に一定の乗数値をかけることを特徴とする請求項１記
    載の改良された屋外コイル。
  4. 【請求項４】 前記制御手段が、前記コンプレッサ速度
    に一定の乗数値をかけることを特徴とする請求項１記載
    の改良されたヒートポンプシステム。
  5. 【請求項５】 前記制御手段が、以下の数１に示すアル
    ゴリズムに基づいて前記ファンの速度を制御し、 【数１】 ファン速度％は、ファンモータを動かすために必要な最
    大屋外ファン速度ＲＰＭの百分率、 ＣＳは、総スピード範囲に対して標準化された前記コン
    プレッサの速度、 ＴＯＣは、前記屋外コイルの動作温度（冷却時にはコン
    デンサの飽和温度と等しく、加熱時にはエバポレータの
    飽和温度と等しい）、 ａ、ｂ及びｃは定数である、ことを特徴とする請求項１
    記載の改良されたヒートポンプシステム。
  6. 【請求項６】 変速コンプレッサと、屋外コイルと、変
    速可変モータを備えたファンとを有するヒートポンプシ
    ステムにおいてファン速度を制御する方法であって、 動作速度の値域について前記コンプレッサの速度を検出
    するステップと、 屋外コイルにおける冷媒温度を検出するステップと、 前記コンプレッサの速度と前記冷媒温度の両方に応答し
    て、前記動作速度の値域全体について前記ファンの動作
    効率が最適なものとなるように前記ファンを制御するス
    テップと、を有することを特徴とする屋外ファン制御方
    法。
  7. 【請求項７】 前記ファンを制御するステップが、以下
    の数２に示すアルゴリズムに基づいて実行され、 【数２】 ファン速度％は、モータを動かすために必要な最大屋外
    ファン速度ＲＰＭの百分率、 ＣＳは、総スピード範囲に対して標準化された前記コン
    プレッサの速度、 ＴＯＣは、前記屋外コイルの動作温度（冷却時にはコン
    デンサの飽和温度と等しく、加熱時にはエバポレータの
    飽和温度と等しい）、 ａ、ｂ及びｃは定数である、ことを特徴とする請求項６
    記載の屋外ファン制御方法。
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