JPH07286761A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】電力最小化機構２１あるいは２４は、膨張弁６
の開度あるいは室外ファン３の回転数を補正することに
より室温の設定値からの偏差を圧縮機１の吐出温度もし
くは吐出過熱度を所定の範囲に維持するとともに、消費
電力を検出することにより消費電力が最小な状態を実現
する。 【効果】省エネルギ運転により、電力費用を節減でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍サイクルの運転状
況に合わせて、膨張弁の開度制御とを行うのに好適な空
気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の上記の分野に関連する空気調和装
置については、特開昭63−25446 号ないしは特開平5−1
18609 号公報に記載の技術を例としてあげることができ
る。

【０００３】これらの従来技術は、圧縮機の回転数を操
作して室温が居住者の希望する設定値になるように制御
している。また、膨張弁の開度を操作して圧縮機の吐出
温度もしくは吐出過熱度が目標値になるように制御して
いる。さらに、室内機あるいは室外機の送風ファンの回
転数を操作して、消費電力の最小化を図ることを特徴と
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の空気調和装置に
おいては、制御の直接の目的が室温の設定値及び圧縮機
の過熱度もしくは吐出温度の目標値を遵守することであ
り、これらの制御を速応的かつ安定的に実現するための
機能が中心となっている。そして、室内機もしくは室外
機の送風ファンの回転数だけを単独で操作することによ
り空気調和装置の消費電力を最小化しようとしているか
ら、空気調和装置全体の消費電力の最小化には限界があ
った。すなわち、空気調和装置全体が消費する電力を真
に最小化していない恐れがあり、省エネルギの観点から
不都合であった。特に、室内ファンの回転数は、通常使
用者の感覚や好みに応じて設定されるものであるから、
空気調和装置の制御装置自体で自由に変更することはで
きない。また、室外ファンの回転数は、冷凍サイクルの
安定化を第１の目的として制御するものであり、これ単
独で消費電力の最小化だけの目的で操作することはでき
ない。

【０００５】本発明の目的は、消費電力もしくは成績係
数を直接制御できる制御手段特に、消費電力を最小化も
しくは成績係数を最大化できる制御手段を備えた空気調
和装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、回転数が一定の圧縮機と回転数が
可変の室外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室
外機と、開度が可変の膨張弁と回転数が可変の室内ファ
ンを付設した室内熱交換器を有する室内機と、室内機及
び室外機を順次接続して冷房及び暖房サイクルを形成す
る空気調和機において、室温設定器に設定された設定値
と検出された室温と偏差に応じて圧縮機の発停を制御す
る圧縮機制御機構と、圧縮機の吐出温度又は吐出過熱度
の目標値を決定する目標値決定機構と、前記吐出温度も
しくは吐出過熱度の目標値と検出された吐出温度もしく
は吐出過熱度との偏差が小さくなるような膨張弁の開度
を演算する開度演算機構と、室温の設定からの偏差が所
定の範囲内でありかつ吐出温度もしくは吐出過熱度の目
標値もしくは目標値からの偏差が所定の範囲内であると
き消費電力が最小値と成るように圧縮機の吐出温度又は
吐出過熱度の目標値を補正するかもしくは膨張弁の開度
を補正する演算機構を具備した制御装置を有するように
した。

【０００７】さらに、このような目的を達成するため
に、本発明は、回転数が一定の圧縮機と回転数が可変の
室外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機
と、開度が可変の膨張弁と回転数が可変の室内ファンを
付設した室内熱交換器を有する室内機と、室内機及び室
外機を順次接続して冷房及び暖房サイクルを形成する空
気調和機において、室温設定器に設定された室温の設定
値と検出された室温と偏差に応じて圧縮機の発停を制御
する圧縮機制御機構と、検出された吐出温度もしくは吐
出過熱度に対応した膨張弁の開度を演算する開度演算機
構と、検出された外気温度に対応した室外ファンの回転
数を演算する回転数演算機構と、室温の偏差が所定の範
囲内でありかつ吐出温度もしくは吐出過熱度が所定の範
囲内であるとき消費電力が最小値と成るように膨張弁の
開度及び室外ファンの回転数を補正する演算機構とを具
備した制御装置を有するようにした。

【０００８】

【作用】本発明によれば、本来の制御機構によって室温
の設定値と圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度の目標
値を所定の精度で遵守する。さらに消費電力最小化機構
によって消費電力が最小になるように吐出温度もしくは
吐出過熱度の目標値もしくは膨張弁の開度を補正する。
したがって、冷凍サイクル、特に圧縮機にとって安定か
つ安全な運転を常に維持できるのみならず、消費電力が
最小な状態をも実現できるので、使用者にとって好まし
い。

【０００９】さらに本発明によれば、本来の制御機構に
よって室温の設定値と圧縮機の吐出温度もしくは吐出過
熱度の目標値を所定の精度で遵守する。さらに、消費電
力最小化機構によって消費電力が最小になるように膨張
弁の開度および室外ファンの回転数を補正する。

【００１０】したがって、冷凍サイクル、特に圧縮機に
とって安定かつ安全な運転を常に維持できるのみなら
ず、消費電力が最小な状態をも実現できるので、使用者
にとって好ましい。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を、図１を参照しながら説明
する。１は、回転数が一定の圧縮機、２は圧縮機駆動機
構、３は回転数が可変の室外ファン、４は室外ファンの
駆動機構、５は室外熱交換器、６は開度が可変の膨張
弁、７は膨張弁の駆動機構、８は回転数が可変の室内フ
ァン、９は室内ファンの駆動機構、１０は室内熱交換
器、１ａはアキュームレータ、１２は四方弁である。

【００１２】圧縮機の駆動機構２，室外ファンの駆動機
構４，室外ファンの駆動機構９の各々に対しては、この
空気調和装置の電力制御器４１を通して、電力が供給さ
れている。

【００１３】室内側を冷房するときには、図の実線の矢
印のように冷媒を流して冷房サイクルとして、室外側熱
交換器５を凝縮器とし、室内側熱交換器１０を蒸発器と
する。また、室内側を暖房するときには、図の破線の矢
印のように四方弁１２を切換えて反対に冷媒を流して暖
房サイクルとして、室内側熱交換器１０を凝縮器とし、
室外側熱交換器を蒸発器とする。この冷房サイクル及び
暖房サイクルの各運転状態は、後述する制御装置１１に
よって制御する。

【００１４】制御装置１１を機能させるため、冷暖房サ
イクルに対して、圧縮機１の吐出温度もしくは吐出過熱
度を検出する温度検出器１２，室外熱交換器に対する外
気の温度を検出する温度検出器１３，室内熱交換器に対
する室内の温度を検出する温度検出器１４及び、本発明
の特徴たる消費電力の検出器１５を設け、これらの信号
を入力する。消費電力の検出器としては、電力を直接計
る電力計や受電電圧がほぼ一定であることを考慮してシ
ャント抵抗，ホール素子，カレントトランスなどの電流
計を用いることができる。あるいは直接各駆動機構の出
力トルクを測定してもよい。

【００１５】また、居住者が希望する室温を設定する設
定器１６と、居住者が希望する室内ファンの風速を設定
する設定器１７を設けて、これらの信号を入力する。

【００１６】制御装置１１では、これらの信号にもとづ
いて、以下に説明する方式にもとづいて、圧縮機１の駆
動機構２，室外ファン３の駆動機構４，膨張弁６の駆動
機構７，室内ファン８の駆動機構９を制御する。

【００１７】図２は、居住者が室温設定器１６に設定し
た設定値になるよう圧縮機を制御する室温制御系統であ
る。室温検出器１４で検出した室温と設定値との偏差の
大きさを圧縮機制御機構１８によって判定し、偏差が大
きい場合には圧縮機駆動機構２によって圧縮機１を起動
運転する。また、偏差が小さい場合には駆動機構２によ
って圧縮機１を停止する。居住者にとってはいつでも、
この設定値からの偏差が所定の範囲内にあることが望ま
しい。

【００１８】図３は、居住者が室内ファン設定器３に設
定した風速になるよう室内ファンを制御する制御系統で
ある。この出力に応じて室内ファンの駆動機構９によっ
て、室内ファン８の風速を制御する。

【００１９】図４は、本発明の第１の実施例の制御系統
である。圧縮機１の特性から決まる吐出温度もしくは吐
出過熱度の目標値の決定機構１９によって、吐出温度も
しくは吐出過熱度の目標値を決定する。

【００２０】この目標値と吐出温度検出器１２によって
検出した吐出温度の検出値との偏差に応じて、開度演算
機構２０によって、膨張弁の開度を決定する。ここで
は、Ｐ（比例）Ｉ（積分）Ｄ（微分）制御アルゴリズム
にもとづく開度演算機構２０を示しているが、この他の
制御アルゴリズムにもとづくものでもよい。この演算結
果にもとづいて、膨張弁６の駆動機構７によって、膨張
弁６の開度を制御する。

【００２１】図４（ａ）では、電力検出器１５によっ
て、空気調和装置の消費電力を検出し、電力最小化機構
２１によって、消費電力が最小になるように吐出温度設
定機構１９が設定する吐出温度もしくは吐出過熱度の目
標値を所定の範囲内において補正する。圧縮機１が安全
で安定した運転状態にあることを定常的に保証するため
には、吐出温度もしくは吐出過熱度は厳密に唯一の目標
値である必要はなく、所定の範囲内にあればよいことか
ら、このような補正による電力の最小化が可能である。

【００２２】図４（ｂ）では、電力検出器１５によっ
て、空気調和装置の消費電力を検出し、電力最小化機構
２１によって、消費電力が最小になるようにＰＩＤ演算
機構２０が決定した膨張弁の開度を、偏差が所定の範囲
内において補正する。圧縮機１が安全で安定した運転状
態にあることを定常的に保証するためには、吐出温度も
しくは吐出過熱度は目標値に正確に一致している必要は
なく、所定の範囲内にあればよいことから、このような
補正が可能になる。予め、できるだけ消費電力が最小に
なるように吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値やこれ
に対する膨張弁の開度を決定しておくこともある程度は
可能ではあるが、このようにしておいても空気調和装置
の環境条件や運転状態が変動することに対して適応する
ことはできない。したがって、空気調和装置の運転中に
常に消費電力を検出し、これを最小化する機能２１を設
けることが有効である。ただし、このときに室温が居住
者が設定した設定値からの偏差が所定の範囲内にあっ
て、温度環境が実質的に変化しないことが必要である。

【００２３】図５は、電力最小化機能２１の制御動作を
説明するフローチャートである。この制御動作は圧縮機
１が起動してから所定時間が経過して、室外ファン３や
室内ファン８の回転数や膨張弁６の開度の変化が少なく
なった冷暖房サイクルが定常的に安定した運転状態にお
いて動作させなければならない。

【００２４】この時点で、吐出温度の目標値を所定量も
しくは、膨張弁の開度を所定開度だけ補正変更をしてみ
る。そして、室温の設定値からの偏差が所定範囲内にあ
ってかつ吐出温度の目標値からの偏差が所定範囲内にあ
るかどうかを判定する。この判定が成立する場合には、
運転状態としては問題ないと判断できる。そこで、補正
前と補正後の消費電力の大きさを比較し、補正後に、消
費電力が少なくなったかどうかを判定する。そして消費
電力が少なくなっている場合には、この吐出温度の目標
値もしくは膨張弁の開度の補正が有効であったことが確
められたことになる。この場合には、さらに同じように
して吐出温度の目標値を所定量もしくは膨張弁の開度を
所定開度だけ補正することを続けることができる。一
方、室温の偏差が所定範囲よりもはずれるかまたは吐出
温度の偏差が所定範囲よりもはずれた場合には、運転状
態として問題があると判断される。また、補正前に比べ
て補正後の消費電力が少なくなっていない場合にも、こ
の補正が正しくなかったことになる。これらの場合に
は、補正を元に戻す。そして、予め決めた補正の方向、
例えば目標値の大きくする補正と小さくする補正あるい
は膨張弁の開方向と開方向への補正をすべて行い終えて
しまった場合には、これ以上消費電力を最小化すること
ができないと判断されるので、吐出温度の目標値もしく
は膨張弁の開度の補正を終了する。そうでない場合に
は、他の方向への補正を続けることができる。

【００２５】図６は、この電力最小化機能２１の制御動
作による空気調和装置の運転状態の変化の一例である。
横軸は圧縮機１の吐出圧力を示しており、縦軸は圧縮機
１の吐出温度を示している。空気調和装置の運転状態
は、この２次元座標上の一点であらわされる。通常、空
気調和装置、特に圧縮機１が安全で安定した運転を持続
するためには、吐出圧力が最低圧力Ｐ_d1 から最高圧力
Ｐ_d2の間にあり、同時に吐出温度が最低温度Ｔ_d1 から
最高温度Ｔ_d2 の間にあることが要求されており、この
領域をＥで示している。始めに図５に示した制御動作が
起動された時の吐出温度をＴ_dsとし、この運転状態をｓ
とする。この運転状態ｓにおいて、吐出温度の目標値も
しくは膨張弁６の開度を所定量だけ補正変更してみる。
これによって、吐出温度がＴ_dsからＴ_daに変化して、運
転状態はｓからａになったとする。ここで、吐出温度が
目標値からの偏差が所定の範囲内にあるかどうか、すな
わち吐出温度が領域Ｅ内にあるかどうかを判定する。図
６の場合には、吐出温度はＴ_da＜Ｔ_d2であるので、この
運転状態ａは許容される。

【００２６】そこで、前と同様にして、運転状態ａにお
いて、吐出温度の目標値もしくは膨張弁６の開度を所定
量だけ補正変更することができる。これによって、吐出
温度がＴ_daからＴ_dbに変化して、運転状態はａからｂに
なったとする。この運転状態ｂでも、吐出温度が目標値
からの偏差が所定の範囲内にあるかどうか、すなわち吐
出温度が領域Ｅ内にあるかどうかを判定する。図６の場
合には、吐出温度はＴ_db＞Ｔ_d2であるので、この運転状
態ｂは許容されない。そこで、この運転状態ｂから元の
運転状態ａに戻すために、運転状態ａにおいて吐出温度
の目標値もしくは膨張弁６の開度を所定量だけ補正変更
したものを元へ戻すようにする。これによって、運転状
態ｂから運転状態ａに近い運転状態ｃに戻ることが期待
される。このようにして、運転状態ｃにおいて制御動作
が終了する。この結果吐出温度は領域Ｅ内にあって、安
全かつ安定な運転の維持が保証され、なおかつ、始めの
運転状態ｓよりも消費電力が最小な運転状態が実現され
る。なお、いずれの運転状態においても室温の設定値か
らの偏差が所定の範囲内にあったものとしたが、これか
らはずれた場合には、上記の補正変更はできない。この
第１の実施例は、図１に示した冷房サイクル及び暖房サ
イクルのいずれにも適用できる。

【００２７】図７は、本発明の第２の実施例の制御系統
である。図４に示した吐出温度もしくは吐出過熱度の目
標値の決定機構１９とＰＩＤ演算機構２０は、予め開度
演算機構２２にまとめることができる。この開度演算機
構２２の一例の開度テーブルの内容を図８（ａ）に示
す。図において、横軸に、吐出温度を示し、縦軸に膨張
弁６の開度を示している。圧縮機１の吐出温度に比例し
て、膨張弁６の開度を増加させることにより、吐出温度
が所定の範囲内になるように制御することができる。そ
こで、吐出温度検出器１２によって検出した吐出温度に
もとづいて、図８（ａ）の関係をテーブル化した開度テ
ーブル２２を参照することにより、これに対応した膨張
弁６の開度を決定する。この結果にもとづいて、膨張弁
６の駆動機構７によって、膨張弁６の開度を制御する。
一方、外気温に応じて室外ファン３の回転数を制御する
系統についても、同じような制御系を構成する。冷房サ
イクルにおける、この回転数演算機構２３の一例の開度
テーブルの内容を図８（ｂ）に示す。図において、横軸
に外気温度を示し、縦軸に室外ファン３の回転数を示し
ている。外気温度に比例して、室外ファン３の回転数を
増加させることにより、圧縮機１の吐出圧力が所定の範
囲内になるように制御することができる。そこで、外気
温度検出器１３によって検出した外気温度にもとづい
て、図８（ｂ）の関係をテーブル化した回転数テーブル
２３を参照することにより、これに対応した室外ファン
３の回転数を決定する。この結果にもとづいて、室外フ
ァンの駆動機構４によって、室外ファン３の回転数を制
御する。

【００２８】暖房サイクルにおける、回転数制御機構２
３の一例の開度テーブルの内容を図８（ｃ）に示す。図
において、横軸に外気温度を示し、縦軸に室外ファン３
の回転数を示している。外気温度に比例して、室外ファ
ン３の回転数を減少させることにより、圧縮機１の吐出
圧力が所定の範囲内になるように制御することができ
る。そこで、外気温度検出器１３によって検出した外気
温度にもとづいて、図８（ｃ）の関係をテーブル化した
回転数テーブル２３を参照することにより、これに対応
した室外ファン３の回転数を決定する。この結果にもと
づいて、室外ファン３の駆動機構４によって、室外ファ
ン３の回転数を制御する。

【００２９】図７においては、電力検出器１５によっ
て、空気調和装置の消費電力を検出し、電力最小化機構
２４によって消費電力が最小になるように、予め決定し
てある開度テーブル２２で決まる開度と回転数テーブル
２３で決まる回転数を所定の範囲内において吐出温度も
しくは吐出過熱度が所定の範囲内において、補正する。
圧縮機１が安全で安定した運転状態であることを定常的
に保証するためには、吐出温度もしくは吐出過熱度は厳
密に唯一の目標値である必要はなく、所定の範囲内にあ
ればよいことから、このような補正による電力の最小化
が可能である。ただし、このときに、室温が居住者が設
定した設定値からの偏差が所定の範囲内にあって、温度
環境が実質的に変化しないことが必要である。

【００３０】図９は、電力最小化機構２４の制御動作を
説明するフローチャートである。図５において説明した
のと同じ事情によって、運転状態が安定した時点でこの
制御動作を起動する。はじめに、膨張弁６の開度及び室
外ファン３の回転数を所定量だけ補正変更してみる。そ
して、室温の偏差が所定範囲内にあってかつ吐出温度が
所定範囲内にあるかどうか判定する。この判定が成立す
る場合には、運転状態としては問題ないと判断できる。
そこで、補正前と補正後の消費電力の大きさを比較し、
補正後に消費電力が少なくなったかどうか判定する。そ
して消費電力が少なくなっている場合には、この膨張弁
の開度及び室外ファンの回転数の補正が有効であったこ
とが確められたことになる。この場合には、さらに同じ
ようにして、膨張弁の開度及び室外ファンの回転数を所
定量だけ補正することを続けることができる。一方、吐
出温度が所定範囲よりもはずれた場合には、運転状態と
して問題があると判断される。また、補正前に比べて補
正後の消費電力が少なくなっていない場合にも、この補
正が正しくなかったと判断される。このような場合に
は、補正を元に戻す必要がある。そして、予め決めた方
向、例えば、膨張弁の開方向と閉方向、あるいは室外フ
ァンの回転数を大きくする方向と小さくする方向への補
正をすべて行い終えてしまった場合には、補正によって
これ以上消費電力を最小化することができないと判断さ
れるので、膨張弁の開度及び室外ファンの回転数の補正
を終了する。そうでない場合には、残っている他の方向
への補正を続けることができる。このような制御動作を
繰り返すことによって、吐出温度が決められた所定の範
囲内にあって、安全かつ安定な運転状態が維持され、な
おかつ始めの状態よりも消費電力が最小な運転状態が実
現される。なお、いずれの運転状態においても、室温の
設定値からの偏差が所定の範囲内にあったものとした
が、これからはずれた場合には、上記の補正変更は成立
しない。

【００３１】図５，図９における補正の手順、あるいは
補正の方向や大きさの選択の詳細は、空気調和装置の運
転試験と綿密に行うことによって、予め定量的に決定す
ることができるので、これに従って行うようにする。

【００３２】なお、図１に示した制御装置１１全体は、
ディジタルコンピュータによって構成することが有効で
あり、いずれの機構もソフトウェアによって容易に構成
できる内容のものである。このほか、消費電力が最小に
なったことを外部に知らせる表示伝達手段，消費電力の
最小化を実行するか否かを決定する判定手段，消費電力
の最小化を実行するか否かの外部からの指示を入手する
設定手段，消費電力そのものを定量的に把握してその合
否を判定する監視手段等を具備することができる。

【００３３】なお本発明の説明においては、消費電力を
最小化することを目的として説明したが、これと等価な
指標として成績係数（ＣＯＰ）やエネルギ効率係数を最
大化することを目的としても同じである。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、室温の設定値に対して
偏差を所定の範囲内になるようにかつ圧縮機の吐出温度
もしくは吐出過熱度の目標値に対して所定の範囲内にな
るように制御するという本来の制御機構を生かしなが
ら、なおかつ消費電力が最小な高効率な運転状態を実現
することができる。したがって、空気調和装置の安全か
つ安定した運転状態を常に維持できるのみならず、電力
費用を節減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気調和装置全体のブロック図。

【図２】制御装置の機能を示すブロック図。

【図３】制御装置の機能を示すブロック図。

【図４】本発明の特徴である消費電力最小化機構の機能
のブロック図。

【図５】消費電力最小化機構の制御動作を説明するフロ
ーチャート。

【図６】電力最小化機構の動作を説明するグラフ。

【図７】本発明の特徴である消費電力最小化機構の機能
のブロック図。

【図８】制御装置の機能を示す説明図。

【図９】制御装置の機能を示す説明図。

【図１０】消電電力最小化機構の制御動作を説明するフ
ローチャート。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…圧縮機駆動機構、３…室外ファン、４
…室外ファン駆動機構、５…室外熱交換器、６…膨張
弁、７…膨張弁駆動機構、８…室内ファン、９…室内フ
ァン駆動機構、１０…室内熱交換器、１１…制御装置、
１２…四方弁、１３…外気温検出器、１４…室温検出
器、１５…電力検出器、１６…室温設定器、１７…室内
ファンの風速設定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転数が一定の圧縮機と回転数が可変の室
   外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機と、
   開度が可変の膨張弁と回転数が可変の室内ファンを付設
   した室内熱交換器を有する室内機と、前記室内機及び前
   記室外機を順次接続して冷房及び暖房サイクルを形成す
   る空気調和機において、室温設定器に設定された設定値
   と検出された室温と偏差に応じて圧縮機の発停を制御す
   る圧縮機制御機構と、前記圧縮機の吐出温度又は吐出過
   熱度の目標値を決定する目標値決定機構と、前記吐出温
   度もしくは吐出過熱度の目標値と検出された吐出温度も
   しくは吐出過熱度との偏差が小さくなるような膨張弁の
   開度を演算する開度演算機構と、室温の設定値からの偏
   差が所定の範囲内でありかつ吐出温度もしくは吐出過熱
   度の目標値もしくは目標値からの偏差が所定の範囲内で
   あるとき消費電力が最小値と成るように前記圧縮機の吐
   出温度又は吐出過熱度の目標値を補正するかもしくは前
   記膨張弁の開度を補正する機構を具備した制御装置を有
   することを特徴とする空気調和装置。