JPH06193951A - 空気調和系統 - Google Patents

空気調和系統

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JPH06193951A
JPH06193951A JP5280589A JP28058993A JPH06193951A JP H06193951 A JPH06193951 A JP H06193951A JP 5280589 A JP5280589 A JP 5280589A JP 28058993 A JP28058993 A JP 28058993A JP H06193951 A JPH06193951 A JP H06193951A
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fan
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オムプラカシュ バーヘル ビジェイ
Hank E Millet
ユージェン ミレット ハンク
Mickey F Hickey
フランシス ヒキィ ミッキー
Hung Manh Pham
マーン ファム ハング
Gregory P Herroon
ポール ヘェルン グレゴリー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 居住者が快適と感じる状態を、高い効率を維
持しつつ経済的に達成する制御機構を備えた空気調和系
統を提供する。 【構成】 屋内熱交換器２６、屋外熱交換器３２、圧縮
機３８を備えたヒートポンプ系統２０において、屋内フ
ァン２８を可変速モータ３０によって駆動させる。屋外
空気温度を測定する温度センサ５６、屋内温度を測定す
る温度センサ６０、屋内湿度を測定する湿度センサ６２
を設ける一方、屋内、屋外及びルーム・コントロールユ
ニット４６，４４，４５を設けて上記モータの速度を屋
内の上記２サセンサの測定値に応じ制御して屋内湿度を
調整すると共に、屋外の上記センサの測定値に応じ制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は空気調和機、ヒートポ
ンプ及び冷却・冷凍袋置用の電子制御装置に関するもの
である。特にこの発明はデジタル制御回路を用いて屋内
ファンの速度を、環境条件の測定値を基準として加熱及
び冷却効率を最適化すると共に居住者の快適さを改善す
るように制御する装置に係る。本制御系は屋内ファンの
速度を、相対湿度と温度の測定値によって決定される快
適包絡線（ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）内に保
つように、調節する。
【０００２】
【発明の背景】加熱及び冷却産業は或る期間、空気調和
及びヒートポンプ系統の効率を改善するように努力して
来た。系統の効率は多面的な概念のもので、効率を測定
及び評価する数多くの異なった方法が存在する。アメリ
カ合衆国では現在、それによって効率を測定及び評価可
能である諸パラメータが空気調和冷凍協会（ＡＲＩ＝Ａ
ｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｆｒｉ
ｇｅｒａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）によって確定
されている。異なったメーカー及びモデルの空気調和及
びヒートポンプ装置を効率で比較可能とするためＡＳＨ
ＲＡＥ（アメリカ加熱冷凍技術者協会、Ａｍｅｒｉｃａ
ｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓの略
称）は、ＡＲＩ ２１０−８１に記載の効率測定標準を
公表した。同標準によると例えば、効率は装置の全定格
出力で、つまり装置が最高の加熱又は冷却能力の下で稼
働している状態で、測定される。この効率の格付け法は
異なった複数製造者による複数装置を或る程度共通した
基準で比較することを可能とするが、日々の運転におい
てほとんどの加熱及び冷却装置が全定格出力で連続して
稼働されるようなことは考えられない。実際に我々は、
加熱及び冷却装置を何時も全定格出力で稼働させると装
置効率が実際に低下することを見出している。１日の間
の多くの時間で、また合衆国の或る地域ではほとんど常
時、最適の効率は最大定格出力よりも実質的に低いとこ
ろで達成される。上記のような地域では、加熱及び冷却
装置をピーク出力未満で稼働する状態に落としたとすれ
ばエネルギーを実際に節減できることになろう。
【０００３】そうすることはしかし、サーモスタットの
設定温度を数度上げ下げするとか系統中を流動させる冷
媒の量を減らすとかいった単純な事柄ではない。最大定
格出力時に最適効率で稼働するように設計された加熱及
び冷却装置は、全定格出力よりも低い出力状態へと落と
された時に必らずしも最適効率で稼働するわけではな
い。最適効率は普通、設計及び製造過程において装置中
に、数多くの物理的及び熱力学的制約に基づき、微細に
調整して組込まれるものであり、装置が出来上った後で
簡単に変更できるものではない。これからして通常遭遇
する運転条件の全範囲にわたり効率を最適化する能力を
備えた加熱冷却系統を提供することは、実際的ではない
と共に不経済である。ＡＳＨＲＡＥ標準が効率の格付け
法を全定格出力基準のものとしていることから当然に、
加熱冷却系統は全定格出力で最適効率を与えるものに設
計される。この方法で系統を都合よく、競合するものと
比較できる。当然ながらこの結果、全定格出力で稼働せ
しめられることが仮にあるとしてもめったにはない加熱
冷却系統が、ほとんど或は決っして最適の効率を達成し
ないことになる。
【０００４】効率の問題を複雑化しているのは、快適さ
の問題である。かなりの程度に相対湿度が快適さに対し
影響を及ぼす。乾燥した条件下で人は、湿った条件下で
よりも高い温度で快適に感じる。湿った天候では建物の
居住者はよく、サーモスタットの設定点をちょうど快適
である通常の設定点よりも低める必要がある。空気調和
系統の１つの利点は、同系統が冷却する空気から水分を
除去することにある。
【０００５】しかし驚くべきことに多くの高効率の空気
調和系統は、より旧式で効率が低い空気調和系統よりも
空気中から水分を除去することが少ない。これは高効率
の空気調和系統が比較的高い蒸発器コイル温度、つまり
同コイル上を通過する空気から水分を除去することが比
較的少なくなる温度で、稼働することに依る。このため
高効率の空気調和装置はときに、使用者が快適と感じる
ためサーモスタットの設定点を低めることからして低効
率の空気調和系統よりも多くの電力を消費することとな
る。今日の空気調和系統はこの問題に対し、適切に対処
していない。
【０００６】
【発明の要約】この発明は上述の効率の問題に対し、極
めて効果的で経済的な方法で対処するものである。この
発明に係る空気調和系統は、屋内コイルないし熱交換器
を横切って流れる空気流量を屋外空気温度のような環境
条件の測定値に基づいて調節する可変速の屋内ファンを
用いる。屋内熱交換器を横切って流れる空気流量は熱が
吸収（冷却モード）又は放出（加熱モード）される割合
に影響し、これはさらに冷却系統内の過熱に対し影響を
与える。マイクロプロセッサ依拠の制御系が設けられ、
本制御系は空気調和系統を最適効率範囲に維持する、適
切した屋内空気流量（ファン速度）を選択する。
【０００７】この発明は湿度の問題に対し、湿った条件
下では空気中からより多量の水分が除去されるようにす
るため空気流速をより遅くするよう、屋内ファンの速度
を制御することによって対処する。より詳しく述べると
マイクロプロセッサ依拠の制御系によって、ＡＳＨＲＡ
Ｅ（アメリカ加熱冷凍技術者協会）により定められた冷
却（又は加熱）モード快適包絡線の範囲が維持されるよ
うに屋内ファン速度を決定させ、それによって室温と湿
度を関連させる。
【０００８】この発明の他の特徴と長所は、添付図面を
参照して行う以下の実施例の説明から明瞭に理解でき
る。
【０００９】
【実施例】この発明は空気調和機、ヒートポンプ及び冷
却系統において冷却サイクルを最適化するのに用いられ
る装置及び方法に係る。この発明に係る制御系では冷却
系統の過熱を最適に制御するために、独特のセンサーと
電子制御屋内ファンとを有するマイクロプロセッサ依拠
の制御機構が用いられる。この発明の原理とするところ
を説明するために、加熱と冷却の両者を行うヒートポン
プ系統について説明する。本型式のヒートポンプ系統は
商用又は居住用の建物の暖房及び冷房を行うのに好適し
ているが、この発明の原理とするところは商用及び居住
用の冷暖房に限らず全ゆる熱伝達ポンプ系に適用可能で
ある。
【００１０】好ましい実施例について詳細に述べる前
に、冷却サイクルについて概観する。本サイクルを、図
１に模式的に示した基本冷却系統を参照して説明する。
【００１１】冷却サイクルは、温度を下げるため或は周
囲の「空気調和」を行うために蒸発の冷却効果を利用す
る。この冷却効果は加圧冷媒を（普通は液相で）低圧領
域中に放出して、同冷媒を気体と液体との低温混合物へ
と膨脹させることにより得られる。上記低圧領域は普
通、図１に示す蒸発器コイル１０のような蒸発器コイル
を有する。蒸発器コイル１０中に入った冷媒混合物は、
所望の冷却を行うべき領域の高温周囲空気にさらされ
る。冷媒の液体から気体への蒸発によって周囲空気から
熱が吸収され同空気が冷却される。周囲空気を循環させ
冷蒸発器コイルと迅速に接触させて熱伝達を増大させる
ためよく、ファン又はブロワ（図示せず）が用いられ
る。冷媒は、低圧力とされることからして蒸発器コイル
中で蒸発或は沸騰しうる。液体から気相へと転換させる
ためには、蒸発潜熱を加えなければならない。この蒸発
潜熱は勿論、蒸発器コイルを取囲む周囲空気から奪われ
る。
【００１２】低圧の蒸発器中へと流入する高圧（液相）
の冷媒流は通常、普通膨脹弁１２と称される制限オリフ
ィスないし絞り弁によって秤量される。今日では単純な
調整不能の毛細管からパルス幅制御弁のような電気調整
弁までにわたる、種々の型式の多数の膨脹弁手段が存在
している。
【００１３】圧力下で蒸発器コイル中に導入し膨脹させ
るのに利用できる冷媒が無限に供給され、そのような冷
媒を大気中に安全に排出できるのであれば、冷却系統は
所期の機能を奏するために蒸発器コイルだけを備えてい
ればよいことになる。しかし圧力下で使用でき次いで大
気中に排出できる便利な冷媒源はほとんど存在しないか
ら、基本的な冷却系統はまた蒸発器コイルの出口で冷媒
を集め、それを再び高圧状態へと圧縮し、同冷媒を再び
使用できるように液相へと凝縮する回収装置も含んでい
る。
【００１４】したがって基本的な冷却サイクルは気体冷
媒を蒸発器コイル１０の出口から圧縮機１４へと送る過
程を含み、圧縮機１４は気体冷媒を圧縮して実質的によ
り高い圧力へともたらし、同時に冷媒温度を高める。な
お液相にある高圧で高温の冷媒は次に熱除却装置へと供
給され、そこで高圧冷媒気体が凝縮して液相のものとな
る。
【００１５】この熱除去装置は普通、凝縮器コイル１６
と呼ばれる別のコイルを備えている。凝縮器コイルを加
圧冷媒の温度よりも低い周囲条件に置くことにより冷媒
から熱が奪われ、同冷媒が液相へ転換するように冷却さ
れる。凝縮器コイル１６の出口を出る液体冷媒は任意の
受液槽１８に貯留でき、その後に再び膨脹弁１２へ再循
環させて再びサイクルを開始できる。
【００１６】蒸発器コイル中での液相から気相への冷媒
膨脹は、瞬時には起きない。冷却サイクルの稼働中に蒸
発器コイル１０の内部を験べてみたとしたら、入口端
（膨脹弁に隣接した端）において気相の冷媒と液相の冷
媒とを見出すことになろう。冷媒がコイル中を移行する
につれてますます多量の冷媒が気相へと沸騰或は蒸発し
て、ますます少量の冷媒のみが液相に留まることになろ
う。
【００１７】或る点（コイルの内部でもありうるし、コ
イル出口を越えて圧縮機へと導かれているラインの内部
でもありうる。）で冷媒は完全に気相へと蒸発してしま
うことになる。この点は乾燥点（ｄｒｙ ｏｕｔ ｐｏ
ｉｎｔ）と呼ばれる。この乾燥点は、同点が冷媒の飽和
温度或は沸点以上への温度上昇可能点を示すものである
ことからして、重要である。飽和温度より高い温度への
温度上昇が過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）と称される。
【００１８】過熱現象を理解するために、蒸発器コイル
のような閉鎖系中では一定圧力で沸騰中の液体が、系中
に液体が残っている限り一定の沸点に留まることを、理
解しなければならない。この沸点はもちろん、熱力学の
法則によって示されるように圧力に依存する。全ての液
体冷媒が沸騰してしまうと、気体冷媒は今や追加の熱を
積極的に吸収して沸点よりも高い温度へと上昇可能とな
る。
【００１９】気体冷媒が液体冷媒と接触しているとき、
この状態は飽和状態と普通呼ばれている。飽和状態で気
体冷媒の温度は沸点と同じである。全ての液体が沸騰し
てしまい、蒸気の温度を沸点よりも高い温度へと高める
ように追加の熱が加えられているとすると、蒸気は過熱
されていると称される。「過熱」といった用語は、蒸気
温度と飽和温度（沸騰点温度）間の温度差を示すのに用
いられる。
【００２０】蒸発器コイルを出る冷媒の過熱を測定する
ことによって、冷却系統がどの程度効率的に稼働してい
るかを或る程度知ることができる。例えば過熱が何ら行
われていないとすると、蒸発器コイル中で冷媒が完全に
は蒸発しつつないと推量できる。このことは蒸発器に高
濃度の液相冷媒があってそれが圧縮機に対し供給される
可能性、つまり圧縮機の効率を大きく損じ圧縮機の損傷
すら生じさせうる条件、を示すことにもなる。
【００２１】他方、過度に高い過熱値は蒸発器コイルが
もっと多量の冷媒を受入れ可能であったことを、したが
ってまた低効率の指標を、意味することになる。冷却制
御系の設計目標は精密に適量の冷媒が秤量されて蒸発器
コイルに供給され、圧縮機を液体状態で通過することと
なるような過剰の冷媒が蒸発器コイルに溢れることなし
に同コイルの全長が有効に利用されるようにすることに
ある。
【００２２】冷却サイクルの基本原理を概括したので、
次に本発明の好ましい実施例について説明する。この発
明は数多くの型式で実施できるが、図２に示したヒート
ポンプ系統を例にとって説明を進める。
【００２３】図２においてヒートポンプ系統の全体は符
号２０で指してある。この系統２０は屋内ユニット２
２、ルームユニットないしサーモスタットユニット２
３、及び屋外ユニット２４を含んでいる。屋内ユニット
２２は屋内コイルないし熱交換器２６、及び屋内ファン
２８を含んでいる。屋内ファン２８は、可変速モータ３
０により駆動されるものであるのが好ましい。屋内ファ
ン２８及びコイル２６は適当なケーシング内に、ファン
２８により周囲の室内空気が屋内コイル２６を、可変速
モータ３０の速度で決定される流速で横切って流れるこ
ととなるように配置されている。
【００２４】屋外ユニット２４は屋外コイルないし熱交
換器３２、及び適当なモータ３６によって駆動される屋
外ファン３４を含んでいる。屋外ユニットは屋外コイル
３２及び屋外ファン３４を取囲む保護ハウジングであっ
て、ファン３４が周囲の屋外空気を引込み屋外コイル３
２を横切らせて流動させ熱伝達を高めるようにする保護
ハウジングを、備えているのが望ましい。図示の同ハウ
ジングは圧縮機３８も内部に収容するものとされてい
る。
【００２５】図２に示す系統は屋内コイルと屋外コイル
の機能を単に逆転するのみで冷却及び加熱の両者に用い
ることができることからして、いわゆる「ヒートポン
プ」系統である。逆転は四方弁４０を用いて行われる。
図２で四方弁４０が図示のＣＯＯＬＩＮＧ（冷却）位置
に置かれているときは、屋内コイル２６が蒸発器コイル
として機能し屋外コイル３２が凝縮器コイルとして機能
する。四方弁４０がＨＥＡＴＩＮＧ（加熱）位置（別の
位置）へと切替えられるとコイル２６，３２の機能が逆
転される。つまり屋内コイル２６が凝縮器、屋外コイル
３２が蒸発器として働く。
【００２６】屋内外のコイル及び圧縮機に加えて本系は
電子的に制御可能である膨脹弁４２も用いる。図示の好
ましい実施例において膨脹弁４２は無段に可変（又は有
段に可変）であるステッパモータ弁であり、この弁はオ
リフィス寸法ないし開口度を、完全開放状態から完全閉
鎖状態までの広範囲にわたって電子的に制御可能であ
る。この発明に係る制御系に電気的に制御される他の型
式の弁、例えばパルス幅制御弁を、設けることもできる
が、図示実施例のようにステッパモータ弁を用いるの
が、同弁が脈動なく動作することからして好ましい。ス
テッパモータ弁４２はオリフィス寸法の調整時にのみ動
かされる。この必要性は典型的な連続稼働中に数回生じ
うる（例えば１時間に数回）。これに対しパルス幅制御
弁は連続稼働時間の全体にわたり連続して動作を反復す
る。
【００２７】図２の冷却系統を装置化するために用いら
れるマイクロプロセッサ依拠の制御系は、図７に示され
ている。屋内ユニット２２、ルームユニットないしサー
モスタットユニット２３及び屋外ユニット２４は、デー
タリンク４８によって互に接続されている。データリン
ク４８は、全３個のユニットについて交流電力の供給及
び接地を行うと共に１対の直列通信データラインを提供
する４線バスであるのが望ましい。屋内ユニット２２、
ルームユニット２３及び屋外ユニット２４はそれぞれ、
他のユニットと通信リンクを介して通信するところのマ
イクロプロセッサ依拠のコントロールユニットを有す
る。図７には屋外ユニット２４のコントロールユニット
４４と屋内ユニット２２のコントロールユニット４６
を、示してある。ルームユニット２３もマイクロプロセ
ッサ依拠のコントロールユニットを含んでいる。詳細な
点は、図を判り易くするため図７では省略してある。
【００２８】屋内ユニット２２は屋内ファンないしブロ
ワ２８も有し、これは一体化されている駆動用可変速モ
ータ３０を含んでいる。図示の好ましい実施例では、２
４０ＶＡＣを必要とするモータを用いている。データリ
ンク４８を介して送られる制御信号及び論理信号は２４
ＶＡＣ及び５ＶＤＣでのものである。この目的のために
屋内ユニット２２には逓降変圧器１８０を設けてある。
モータ３０はモータ通信ライン１８２を介し２４ＶＡＣ
の線路レベルで、屋内コントロールユニット４６から動
作制御命令を受取ると共に該コントロールユニット４６
に対し状態連絡要求信号（ｓｔａｔｕｓ ｓｉｇｎａｌ
ｓ）を供給する。
【００２９】図示の好ましい実施例では、補助の熱を供
給するために電気抵抗ヒータ１８４を用いている。屋内
コントロールユニット４６は、このヒータ１８４を何時
オン及びオフするかを決定する。この信号はライン１８
８を介し２４ＶＡＣ論理レベルで供給される。屋内コン
トロールユニット４６はまた、膨脹弁４２を制御するた
めに２４ＶＡＣ論理信号も供給する。
【００３０】屋外コントロールユニット４４も図示の線
路を介し２４ＶＡＣ論理レベルで、複数の異なった制御
信号を供給すると共に受取る。例えば屋外コントロール
ユニット４４は圧縮機リレーＫ１に対しオン／オフ信号
を供給する。このリレーＫ１は圧縮機コントローラ１９
０を作動させる。類似して屋外コントロールユニット４
４は加熱／冷却リレーＫ２に対しオン／オフ信号を供給
し、該リレーＫ２は、前述したようにヒートポンプ系統
を加熱又は冷却モードの何れかとする逆転弁４０を切替
える。屋外コントロールユニット４４はファン・オン／
オフリレーＫ３とファン速度リレーＫ４に対しても、制
御信号を供給する。これらのリレーＫ３，Ｋ４は屋外フ
ァンモータ３６を制御する。図示の好ましい実施例では
屋外ファンモータ３６は２速モータである。屋外コント
ロールユニット４４はまた論理レベルのデータを屋外セ
ンサ、例えば圧縮機の吐出温度を測定する第１の温度セ
ンサ５４、大気ないし周囲温度を測定する第２の温度セ
ンサ５６、及び屋外コイル３２（図２）の温度を測定す
るコイル温度センサ５５から、受取る。上記温度センサ
５４，５５，５６の配置は図２に示してある。
【００３１】図８，９にはマイクロプロセッサ依拠のコ
ントロールユニット４４，４５，４６を、運転中にこれ
らのユニット間で伝送される信号のタイプを示すため若
干詳細に図示してある。図８にはルームユニット２３用
のコントロールユニット４５を、それに関連させてある
キーボード１９２及びディスプレイ１９４と共に示して
ある。キーボード１９２はコントロールユニット４５に
対し、８線路並列データバスを介して接続されている。
ディスプレイ１９４は類似して、３６線路並列データバ
スを介して接続されている。ルームユニット用のコント
ロールユニット４５にはまた、屋内温度センサ６０と屋
内湿度センサ６２も接続してある。屋外ユニット中にも
湿度センサ１９６（図９）を設けて、屋外湿度を測定す
ることができる。屋外ユニットを保護するために、図９
に示す圧力カットアウト１９８と温度カットアウト２０
０を設けてある。
【００３２】図８，９を検討する上で図示実施例のユニ
ット間通信が直列データリンク４８を介して行われる点
に、留意すべきである。直列伝送の性質として伝送線路
が全ユニットにより所有され、したがって１度に１つの
メッセージのみが伝送される。図８，９にはルームユニ
ット用コントロールユニット４５と屋内コントロールユ
ニット４６間及び屋外コントロールユニット４４と屋内
コントロールユニット４６間の明細データ流れを、系稼
働中に受け渡しされる情報のタイプで示してある。図
８，９ではこのデータ伝送が並列的に画かれており、ま
た並列伝送リンクの形のものとできるけれども、図示の
好ましい実施例では直列リンクを用いている。系稼働中
に受け渡しされる、この大量の信号を伝送するためにマ
イクロプロセッサ依拠の制御系は、予め決めたプロトコ
ルに従い直列的に受理メッセージを送る。３つのコント
ロールユニットはそれぞれ十分なＲＡＭを有し、また或
る場合にはユニット間で伝送される情報から成る種々の
パラメータを貯える不揮発性メモリを有する。したがっ
て例えばセンサ１９６により測定された屋外湿度は屋外
コントロールユニット４４のＲＡＭ中に貯えられ、その
後に屋内コントロールユニット４６へと伝送されて該コ
ントロールユニット４６のＲＡＭ中に貯えられる。その
後に同じ屋外湿度データがルームユニットへと伝送さ
れ、同ユニットのコントロールユニット４５のＲＡＭ中
に貯えられることもある。建物の居住者は所望の場合、
屋外湿度の表示を要求するように適当なキーボード機能
を働かせることができる。以上はしかし、モジュールか
らモジュールへとデータがどう流れるかの一例に過ぎな
い。各モジュールの暫定貯蔵機能を利用することによ
り、各モジュールは自らの系の重要な仕事を最優先して
処理し時間があるときにのみ重要性に乏しい仕事に従事
するように、動作できる。したがって建物の居住者が屋
外湿度のディスプレイ表示を要求しても屋外モジュール
がその圧縮機制御といった仕事を無視することは起きな
いし、同様に屋内モジュールがそのファン速度制御とい
った仕事を無視することは起きないことになる。建物の
居住者の要求の受理と屋外湿度のディスプレイ表示は即
座に行われてディスプレイ上に湿度の値が示されるが、
その値は最新のデータ更新動作時に得られたものであ
る。
【００３３】次に掲げる表１及び表２，３は、実施例に
おいて３つのコントロールユニット間での通信プロトコ
ルを示している。また表４，５，６は、表２，３におい
て用いられている省略記号について説明するためのもの
である。
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【００３４】屋内コントロールユニット４６とルームコ
ントロールユニット４５間の通信は一連のステータス要
求（状態連絡要求）及びステータス回答（状態連絡回
答）とパラメータ要求（パラメータ連絡要求）及びパラ
メータ回答（パラメータ連絡回答）から成っている。類
似して屋内コントロールユニット４６と屋外コントロー
ルユニット４４間の通信は一連の指令更新（ｃｏｍｍａ
ｎｄ ｕｐｄａｔｅｓ）、ステータス要求（状態連絡要
求）及びステータス回答（状態連絡回答）から成ってい
る。表１に掲げた情報は一般化したもので、採用した基
本的ハンドシェーキング・プロトコルを示している。こ
のプロトコルは、複数コントロールユニット間で受け渡
しされる一連のメッセージによって実行される。表２，
３は連続したもので、好ましいメッセージのフォーマッ
トをより詳細に示している。表１及び表２，３は、これ
らの表に円で囲んで挿入したキーナンバーを利用し互に
結び付けて読むことができる。例えば屋内コントロール
ユニットからルームコントロールユニットへのステータ
ス要求（キーナンバーで指してある。）を、表中から
容易に見付けることができる。つまり表１と表２の両方
でステータス要求メッセージを、見出すことができ
る。表２はステータス要求メッセージを特定するのに用
いられる、好ましいメッセージ・フォーマットのシーケ
ンスを示している。表２から、屋内コントロールユニッ
トからルームコントロールユニットへのステータス要求
メッセージは、８１ １９４ １９である。これはかな
り短いメッセージである。他のメッセージ、例えばステ
ータス回答は、かなり長くて比較的大量の情報を伝送
する。
【００３５】表２，３においてキーナンバー，，
及びのようないくつかのメッセージは、データを伝送
しない簡単なメッセージである。残りのメッセージは、
数値データを伝送することからしてより複雑である。こ
れらの比較的複雑なメッセージはそれぞれ、メッセージ
のタイプとその意図した受領者を特定するのに２つのバ
イトヘッダを用いている（例えばメッセージは、バイ
ト ８１ １９４で始まっている。）。なおこれらの比
較的複雑なメッセージは、単一バイトのチェック・サム
で終っている（例えばメッセージはチェック・サム２
２３で終っている。）。ヘッダとチェック・サム間のバ
イトは、そのメッセージによって伝えられつつある数値
データから成る。表４−６は各データ・バイトの簡単な
説明を与えるものである。例えばメッセージにおいて
湿度設定点は８０で示され、湿度の百分率は７０と示さ
れている等である。表４−６は表２，３中の省略記号を
定義している。表２，３中で使用されている数値データ
は、典型的な稼働データを単に例示するのみのものであ
る。系稼働中に異なった数値データが得られることもあ
る。
【００３６】表２，３中のメッセージ・データのいくつ
かはフラグ（ＦＬＡＧ）データで示されている。これら
のデータは典型的に、２進数により伝送することができ
るオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）又は真／偽（ＴＲＵＥ／
ＦＡＬＳＥ）プールデータから成る。貯蔵スペースを節
減すると共に通信時間を短縮するために、これらのプー
ルデータはビット・レベルで種々のフラグバイト中に結
合されている。例えばメッセージにおいてビット７コ
ラム中のフラグビットは、手動モードと通常モードとの
何れが選択されているかを示す。ビット６は、系がパワ
ーアップ・モードにあるかキープレス・モードにあるか
を伝える。ビット３は、ブロワ（ファン）がオンかオフ
かを告げる。これらのフラグバイトの記述で使用されて
いる省略記号については表４−６を参照できる。
【００３７】屋内コントロールユニット４６は主制御装
置（マスター）として機能し、系全体の動作と３つのコ
ントロールユニット間の通信の多くを制御する。図１０
は実施例の制御系を構成するソフトウェア機能要素を示
すソフトウェア・ブロック図である。本実施例では屋内
コントロールユニットが主制御装置として働くことか
ら、図１０のソフトウェア・モジュールの多くが屋内コ
ントロールユニット４６中にあって該コントロールユニ
ット４６により実行される。もちろん装置構成上で何れ
のマイクロプロセッサ依拠のモジュールも、主制御装置
として用いることができる。なお図１０に示したソフト
ウェア機能は全３個のコントロールユニットに分散或は
受持たせることが可能である。したがって実施例で採用
している、特定コントロールユニットに対する特定機能
の割当てが発明範囲を限定するものと、みなすべきでは
ない。
【００３８】図１０について説明して行くと、ソフトウ
ェア制御系の心臓部には幹線（ｍａｉｎｌｉｎｅ）制御
ブロック２０２がある。このブロックないしモジュール
は、残りのブロックないしモジュールと直接又は間接に
接合されている。幹線制御ブロック２０２は全ゆる系性
能要求事項を供給する主制御系ブロック２０１によって
監視を受ける。幹線制御ブロック２０２は、主制御系の
命令を、他のモジュールに対し入力することにより実行
するよう、働く。例えばパワーアップ初期化ブロック２
０４及びパワーアップ診断ブロック２０６が、初期のパ
ワーアップ中に幹線制御ブロック２０２によって呼出さ
れる。また幹線制御ブロックは、数学的計算が行われる
時には何時でも呼出される数学的ルーチン・ブロック２
０８を呼出す。類似して幹線制御ブロック２０２は、事
象のタイミングが問題となる場合に何時でも使用される
クロック支援及びトリアック（ｔｒｉａｃ）駆動ブロッ
ク２１０を呼出す。
【００３９】本制御系は、通常の稼働中にパラメータを
連続して更新可能である点で適応性のものである。しか
し初期のパワーアップ時には事前設定始動パラメータが
用いられ、同パラメータはＮＯＶＲＡＭコントロール／
インタフェース・ブロック２１４を介して呼出される不
揮発性ＲＡＭないしＮＯＶＲＡＭメモリ中に貯えられて
いる。不揮発性ＲＡＭは、系の稼働中に普通は変更され
ることのない定数のような他の数値も、貯えることもで
きる。本目的で不揮発性ＲＡＭを用いることは、それに
よって出荷前に工場で標準化されたハードウェア系をカ
スタムプログラム可能となることからして、有利であ
る。これによって多かれ少なかれ標準的であるコントロ
ール・モジュールのパッケージを、工場内での簡単なプ
ログラミングによって広範囲の異なった加熱及び冷却系
統のために使用できることになる。それによってコスト
が大きく節減される。
【００４０】通信及びメッセージ処理は、通信ブロック
２１６とコントロール支援メッセージ・ブロック２１８
によって与えられる。これらのブロック２１６，２１８
は表１−３に記載した通信プロトコルを実行する。デー
タリンク上にメッセージをどのようにのせるかといった
方法についての実際の細目は、バスブロック２２０によ
って処理される。系の診断はブロック２２２によって実
施される。所望の場合には制御系を、自己テスト及び自
己構成を実施するようにプログラムできる。これはブロ
ック２２４によって実施される。記述した他のカテゴリ
に適合しない、どのような補助支援機能も、幹線制御ブ
ロック２０２によって呼出すことができる。このことを
例示する目的で、補助支援ブロック２２６を図示してあ
る。
【００４１】幹線制御ブロック２０２はさらに冷却系統
の構成要素、屋内ファン及び補助の加熱器を制御すると
いった重要な役割りを果たす。冷却系統の構成要素に関
連して、膨脹弁電子制御ブロック２２８を設けてある。
このブロック２２８は膨脹弁の設定を決定し同設定を行
う役割りを果たす。類似してリレーＫ１を介し圧縮機を
オフ、オフに切替える圧縮機制御ブロック２３０も、設
けられている。ブロック２３２で実行されるＰＩＤアル
ゴリズムは、それによって系が稼働中にパラメータを更
新するところの適応制御を提供する。
【００４２】ファン速度の制御に関しブロワ制御ブロッ
ク２３４は、ブロワ・フィードバック検出ブロック２３
６、パルス幅調整出力制御ブロック２３８及びブロワ・
オン／オフ遅延ブロック２４０から命令を受取る。図例
の屋内ファンモータ３０はパルス幅調整系によって駆動
され、同調整系はモータ駆動信号のパルス幅を、モータ
速度を変更調節するように調整する。パルス幅調整出力
制御ブロック２３８とブロワ・フィードバック検出ブロ
ック２３６は、パルス幅調整の閉ループ系機能を提供す
る。ブロワ・オン／オフ遅延ブロック２４０は屋内ファ
ンのオン／オフ・シーケンスを変更することにより、熱
交換要素の温度に関連して空気流れを最適化する。
【００４３】抵抗加熱要素のような補助の加熱器を使用
する系統では、加熱帯片制御ブロック２４２と段階制御
ブロック２４４が設けられる。加熱帯片制御ブロック２
４２は主に、補助加熱要素をオンさせる１個又は複数個
のリレーを励磁させる役割りを果たす。段階制御ブロッ
ク２４４は加熱帯片制御ブロック２４２にそのような動
作を、所望の温度と必要とされる熱の量とに基づいて行
わせる。
【００４４】図示の好ましい実施例ではコイル上に蓄積
した霜を周期的に溶かすために、要求時除霜サイクルを
利用している。本サイクルは除霜制御ブロック２４６に
よって処理される。なおファン速度を、湿度を制御する
ため又はＡＳＨＲＡＥ（アメリカ加熱冷凍技術者協会）
の快適帯（ｃｏｍｆｏｒｔ ｚｏｎｅ）内に系挙動を維
持するために、変更調節できる。これは湿度制御ブロッ
ク２４８によって処理される。
【００４５】上述のように図示の好ましい制御系は、種
々のセンサからデータを収集して収集されたデータに基
づき屋内ファン速度の制御等を行うマイクロプロセッサ
依拠の制御系である。より詳しく言うと図示実施例は、
一方は屋内ユニットに関連させてあり他方は屋外ユニッ
トに関連させてある２つのマイクロプロセッサ依拠のコ
ントロールユニット４６，４４を用いている。またルー
ムユニットないしサーモスタットユニット２３にも、マ
イクロプロセッサ依拠のコントロールユニット４５を含
ませている。全３個のマイクロプロセッサ依拠のコント
ロールユニットは、並列又は直列データリンクのような
適当なデータリンク４８を介して互に接続されている。
屋外コントロールユニット４４は主としてデータ収集の
役割りを果たし、一方屋内コントロールユニット４６は
系のオン／オフ・サイクル、屋内ファンの速度調整、膨
脹弁の制御、要求時除霜の開始／終結、機能不良の検
出、及び系動作の遂行を司どる。
【００４６】より詳しく言うと屋内コントロールユニッ
トであるマイクロプロセッサ４６は、ヒートポンプ系統
が加熱モードで運転されているか冷却モードで運転され
ているかに依存して、屋内ファンの速度を異別に調整す
る。何れのモードでも屋内ファンの速度は屋外温度の関
数として調整される。加熱モードにおいて同ファン速度
は図３に示すように、４段階で７０％から１００％の範
囲にわたり変更される。冷却モードにおいてファン速度
は図４に示すように、２段階で７０％から１００％に変
更される。図３，４に示す好ましい空気流量−温度関係
は勿論、本発明の範囲内で変更できる。屋内空気流れは
主として、屋外空気温度を基準として最適の加熱及び冷
却効率を達成するように調整される。
【００４７】図１２に示すように屋内空気流れは、加熱
モードと冷却モードとでは異なったアルゴリズムに従っ
て調整される。系が冷却モードか加熱モードかの何れか
にあると（ステップ４００，４０２）、ステップ４０４
で圧縮機が運転中かどうかがチェックされる。もし運転
されていなかったら、そして屋内ファンが手動モードに
セットされていなかったら（ステップ４０６）、ステッ
プ４０８に示すように屋内ファンがオフされる。屋内フ
ァンが手動モードにセットされていたら、屋内ファンは
ステップ４１６に示すように固有最低速度で稼働するよ
う指令される。
【００４８】圧縮機がオン状態にあると屋外空気温度が
ステップ４１０で読取られ、屋内ファンがステップ４１
２で起動される。ファンがオン状態にあることを確認す
るテストが、ステップ４１８で実施される。その後、ヒ
ートポンプ系統が冷却モードにあるとすると、屋内ファ
ンの速度が図４の方策に従って調整される（ステップ４
２４）。他方、ヒートポンプ系統が加熱モードにあると
すると、屋内ファンの速度が図３の方策に従って変更調
節される（ステップ４２６）。前述したように図４に示
す方策は、屋外温度が約９２°Ｆ以下では７０％の空気
流量を要求し約９２°Ｆ以上では１００％の空気流量を
要求するといった、２段階のファン速度調整に係る。図
３に示す方策も、図示の４段階のファン速度調整に係
る。ファン速度の段階的な制御に加えて図示の好ましい
制御系は、積極的な湿度調節ルーチン４２８を採用して
いる。本ルーチン４２８については後で、図１１を参照
して説明する。
【００４９】ファン速度を１００％から７０％に減らす
ことによっては、冷却容量を実質的に犠牲にすることな
しにかなりの量のエネルギーを節減できる。電気モータ
駆動の屋内ファンは３乗則に従う。すなわちモータ速度
が半分に減らされると消費電力は８因数だけ、つまり８
分の１に、減らされる。同様にモータ速度が７０％に減
らされると消費電力は全負荷電力の約３５％に減少す
る。したがって例えばモータが全負荷時に５００ワット
の電力を消費するとすれば、速度が７０％に減らされた
時には１７１ワット付近の電力を消費することになる。
このことは有意義なエネルギー節減を意味している。同
様に速度がさらに５０％にまで減らされると、モータは
約６２ワットの電力を消費することになる。３乗則関係
からしてモータ速度の１００％から７０％への減少によ
り電力消費量が５００ワットから約１７０ワットへと低
下する。これはファン稼働１時間当り３３０ワットない
し約３分の１キロワットの節減を意味する。モータ速度
を５０％にまで減らすとさらにエネルギーが節減される
が、７０％にまで減らした場合ほどのエネルギー節減は
得られない。すなわち７０％から５０％への速度減少に
よって余分に節減される電力量はほぼ１１０ワットであ
る。この逓減関係からして図示の好ましい実施例は、エ
ネルギー節減と空気流量間の合理的な妥協点として７０
％への速度減少を採用している。７０％の速度減少因数
は好ましいものであるが、他の速度減少因数を利用して
本発明を実施することも可能である。
【００５０】図２に示すようにルームユニットのマイク
ロプロセッサないしサーモスタット・モジュール４５
は、屋内温度センサ６０と屋内湿度センサ６２を含む。
屋内温度及び湿度データは、屋内マイクロプロセッサ４
６へ伝送される。屋内温度及び湿度データは、居住者の
快適さを促進するためのＡＳＨＲＡＥ（アメリカ加熱冷
凍技術者協会）の快適包絡線（ｃｏｍｆｏｒｔ ｅｎｖ
ｅｌｏｐ）の領域内を維持するように、ファン速度をさ
らに制御するため用いられる。図５，６に示す快適包絡
線は体感温度がどのように、実際の温度だけの関数では
なく湿度もの関数であるかを示している。例えば相対湿
度８０％では実際の室温７５°Ｆが７８°Ｆであるよう
に感じられる。この現象からして湿った日には居住者
は、快適に感じるためサーモスタットの設定点を低めね
ばならないかもしれない。これによっては勿論、より低
い設定温度を達成するためにはより多くのエネルギーを
消費しなければならないことからして利用経費が増され
る。
【００５１】本発明はこの問題に、その根源で対処する
ものである。高い効率の空気調和系統は名目上、比較的
高い蒸発器コイル温度で動作し、したがって空気中から
湿気を除去することが比較的少ないことを見出した。本
発明はこのことを、屋内ファンの速度を湿度を基準とし
て調節することにより補償するものである。より詳しく
言うと、ルームユニットないしサーモスタットユニット
中に温度センサ及び湿度センサを配置する。これらのセ
ンサは屋内ファンの速度を、屋内温度及び相対湿度がア
メリカ加熱冷凍技術者協会により定められた快適包絡線
（図５参照）内で動くよう調節するために、使用され
る。ファン速度の調節アルゴリズムないし機構の原理的
な要素は図１１に示されている。
【００５２】図１１について述べて行くと、積極的な湿
度制御は、測定された屋内温度及び湿度を用い実際の温
度と室内の水分含量ないし湿度に基づく見掛けの温度と
の差を計算することで、達成される。この差は、系の水
分除去能力を変更するように屋内空気流量を調節するの
に用いられる。見掛けの温度、実際の温度、及び相対湿
度間の関係は、図６に示してある。図示の好ましい実施
例では、屋内及び屋外温度が７５°Ｆ未満の場合には何
時でも、屋内ファンモータをその最高速度の６０％以下
に落とさないこととする。見掛けの屋内温度が快適包絡
線外にあったとしても、そうする。これは屋内コイルが
凍結するのを防ぐためである。
【００５３】図１１について具体的に説明して行くと、
ステップ２５６−２５９で系がどのモードにあるかを確
認した後、ステップ２６１，２６２で５分間の時限ルー
プを入れる。この５分間の間にファン速度アルゴリズム
を実行する。先ずステップ２６３で屋内温度及び屋外温
度が７５°Ｆ以下であるとすると、最低ファン速度を、
ステップ２６５に示すように６０％に設定する。そうで
ない場合にはステップ２６４に指示のように、最低ファ
ン速度を７０％に設定する。
【００５４】その後に実際の室温と実際の室内湿度をス
テップ２６６で屋内センサ６０，６２から確認し、見掛
けの温度をステップ２６７で決定する。見掛けの温度の
決定はルックアップ表又は他の適当な計算を用いること
で出来る。実際の温度と見掛けの温度間の差をステップ
２６８で算出し、この差を、ファン速度を設定するため
に用いる。ステップ２６９，２７０及び２７１に示すよ
うに、差が零（０）より大きいとファン速度を５％の因
数だけ減少させる。差が零（０）より小さいと、ファン
速度が既に最高値１００％でない限り同速度を５％の因
数だけ増大させる。
【００５５】したがってファン速度は段階的に、好まし
くは５％宛の段階で、増減調節される。速度の例えば５
％といった増分又は減分は、５分間の間に一度だけ実施
される。
【００５６】ファン速度の調節は実際に、室内の湿度の
制御を援ける。屋内ファンの速度減少（屋内空気流量の
減少）は屋内コイルの温度を低下させる。これにより高
室内湿度状態でのヒートポンプ系統の水分除去機能が、
水分を除去する屋内コイルに対する所与の量の室内空気
の接触時間が長くされることによって、高められる。逆
に屋内ファンの速度が高いと熱伝達が改善され、これに
より屋内コイルの温度が高まって同コイルの露点温度が
高くなる。そしてこれによってコイルの水分除去能力が
減じ、屋内相対湿度がより高められることになる。
【００５７】したがって屋内ファン速度は、高室内湿度
状態でも低室内湿度状態でも屋内相対湿度を調節するた
めに利用される。これによって居住者の快適さが改善さ
れる。この快適モードは、運転者がサーモスタット制御
器上の「快適モード（Ｃｏｍｆｏｒｔ Ｍｏｄｅ）」を
選択することによって導入できる。本モードを所望しな
い場合、居住者は積極的湿度制御ロジックを迂回或は無
効にする「経済モード（Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｍｏｄｅ）」
を選択できる。
【００５８】上述の方法で湿度が快適包絡線の限界内に
もたらされると制御系は、サーモスタットへの設定によ
り指示された設定点へと温度を制御する。しかし湿度が
快適包絡線外にあると制御系は、５０％の相対温度での
サーモスタット設定点温度による快適さに匹敵する快適
さを与える見掛けの温度を達成するように、制御動作す
る。
【００５９】以上の説明から明らかなように本発明は、
従来の冷却サイクル制御法とは大きく異なった制御法に
係る。本発明のマイクロプロセッサ依拠の制御系及び湿
度基準のファン速度変更デジタル制御は、屋内ファンの
速度を制御された態様で最適化することによって定常状
態及びサイクル中の性能と快適さを大きく改善する。定
格出力未満の場合にさえ最適効率で冷却系統を稼働させ
つつ、かつ、比較的高い温度設定値で建物の居住者に快
適感を与えつつ、エネルギーを節減する。
【００６０】この発明をヒートポンプに関する好ましい
実施例について説明して来たが、この発明は数多くの型
式の空気調和系統及び冷却・冷凍系統に適用可能である
ことが、理解されるべきである。したがってこの発明は
実施例によって限定されるべきではなく、特許請求の範
囲に特定した発明範囲を逸脱することなしに実施例の構
成に修正及び変更を加えて実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本的な冷却サイクルを示す模式図である。
【図２】ヒートポンプに係る、本発明冷却制御系の好ま
しい実施例を示す模式図である。
【図３】加熱モードにおける、最高流量の百分率として
の屋内空気流量と屋外温度との間の関係を示すグラフで
ある。
【図４】冷却モードにおける、最高流量の百分率として
の屋内空気流量と屋外温度との間の関係を示すグラフで
ある。
【図５】温度−湿度快適包絡線を示すグラフである。
【図６】温度−湿度快適包絡線を示すグラフである。
【図７】好ましいマイクロプロセッサ依拠の制御系を示
すブロック図である。
【図８】ルーム（サーモスタット）ユニットと屋内ユニ
ット間のデータ流れを示すブロック図である。
【図９】屋外ユニットと屋内ユニット間のデータ流れを
示すブロック図である。
【図１０】好ましいソフトウェアの実施例を示すソフト
ウェア・ブロック図である。
【図１１】屋内空気流れを制御するための好ましい方法
を示すフローチャートである。
【図１２】屋内空気流れを制御するための好ましい方法
を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０ ヒートポンプ系統 ２２ 屋内ユニット ２３ ルーム（サーモスタット）ユニット ２４ 屋外ユニット ２６ 屋内コイル（屋内熱交換器） ２８ 屋内ファン ３０ 可変速モータ ３２ 屋外コイル（屋外熱交換器） ４０ 四方弁 ４２ 膨脹弁 ４４ コントロールユニット ４５ コントロールユニット ４６ コントロールユニット ４８ データリンク ５４ 温度センサ ５５ 温度センサ ５６ 温度センサ ６０ 屋内温度センサ ６２ 屋内湿度センサ ４２８ 湿度調節ルーチン
フロントページの続き (72)発明者 ハンク ユージェン ミレット アメリカ合衆国、45365オハイオ州、ピー カ、ノース ユニオン シェルバイ ロー ド 8655 (72)発明者 ミッキー フランシス ヒキィ アメリカ合衆国、45365オハイオ州、シド ニー、ワパコニータ ロード、ハージン 9249 (72)発明者 ハング マーン ファム アメリカ合衆国、45414オハイオ州、ディ トン、スティル ミード ドライブ 6671 (72)発明者 グレゴリー ポール ヘェルン アメリカ合衆国、45365オハイオ州、ピー カ、ノース ワシントン ロード 5495

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 屋外熱交換器、屋内熱交換器、及び圧縮
    機を有するヒートポンプ手段、 空気調和のために空気を、上記屋内熱交換器を横切らせ
    て流動させる屋内ファン、 上記屋内ファンを少なくとも２つの異なった速度で駆動
    するために該屋内ファンに対し接続してある可変速モー
    タ手段、 屋外空気温度を示すパラメータを測定するセンサ手段、
    及び上記センサ手段と上記モータ手段とに対し接続され
    ていて、屋外空気温度を基準として上記屋内ファンの速
    度を選択する処理手段、を備えた空気調和系統。
  2. 【請求項２】 前記屋内熱交換器から前記屋外熱交換器
    へと熱を汲み出す冷却モードと前記屋外熱交換器から前
    記屋内熱交換器へと熱を汲み出す加熱モードとを選択す
    るためのモード選択手段を備えていて、前記処理手段
    が、上記冷却モードでファン速度と空気温度間の第１の
    関係を用いる共に上記加熱モードでファン速度と空気温
    度間の第２の関係を用いて、それぞれ前記屋内ファンの
    速度を選択するものに構成されている請求項１の空気調
    和系統。
  3. 【請求項３】 屋外熱交換器、屋内熱交換器、及び圧縮
    機を有するヒートポンプ手段、 空気調和のために空気を、上記屋内熱交換器を横切らせ
    て流動させる屋内ファン、 上記屋内ファンを少なくとも２つの異なった速度で駆動
    するために該屋内ファンに対し接続してある可変速モー
    タ手段、 屋内空気温度を示すパラメータを測定する第１のセンサ
    手段、 屋内湿度を示すパラメータを測定する第２のセンサ手
    段、及び上記した第１及び第２のセンサ手段と上記モー
    タ手段とに対し接続されていて、屋内の空気温度及び湿
    度を基準として上記屋内ファンの速度を選択する処理手
    段、を備えた空気調和系統。
  4. 【請求項４】 前記処理手段が、少なくとも１つの快適
    包絡線関係を貯える記憶手段を含んでいて前記屋内ファ
    ンの速度を、少なくとも部分的に該快適包絡線関係を基
    準として決定するものに構成されている請求項３の空気
    調和系統。
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