JPH0791717A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】室外空気の温度を検出する外気温度センサ１０
と、凝縮器出口の冷媒の温度を検出する凝縮温度センサ
１１にもとづいて、室外空気の温度の低下上昇に合わせ
て、室外ファン３の回転数を低下上昇させる第一の機能
と、室外空気の温度が所定の温度以下のときに、凝縮温
度が所定の温度以下になったなら、室外ファン３の回転
数をさらに低減させる第二の機能をもつ。 【効果】外気温が極めて低下した場合にも、冷凍サイク
ルの安定した冷房状態を維持できるのみならず、圧縮機
が正常な運転状態からいつ脱することが無くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、幅広い外気温の範囲、
特に極めて低い外気温において冷房するため凝縮器用の
室外ファンの風量制御機能を備えた空気調和機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の凝縮器用の室外ファンの風量制御
機能を備えた空気調和機については、特開平1−57052
号，1−102253号，4−110566号公報などがある。

【０００３】まず、特開平1−57052号公報では、室外側
熱交換器に室外ファンが付設され、少なくとも冷房運転
が可能な冷凍サイクルを備えた空気調和装置において、
室外側熱交換器の冷媒出口側温度を検出する温度検出器
と、この温度検出器の検出信号を入力し、室外側熱交換
器の冷媒出口側温度が一定温度以下であるときに室外フ
ァンの回転を抑制する制御装置とを設けたことを特徴と
する。

【０００４】この構成によると、冷媒温度の低下に対応
して室外ファンの回転が抑制されるため、凝縮作用が略
一定に保持される。したがって、外気温が低い場合でも
冷媒が過度に室外に保持されることがなく、液バック等
のサイクル異常が生じないとされている。

【０００５】次に、特開平1−102253 号公報では、室外
熱交換器の近傍に配設し、室外熱交換器の冷媒の凝縮温
度を検出する温度検出手段と、温度検出手段からの信号
と基準設定値とを比較演算し、その差に応じて室外送風
機の回転数を算定する比較演算手段と、圧縮機の吐出圧
力に応じて作動する圧力検出手段と、圧力検出手段の信
号によって比較演算手段の出力を変更し、室外熱交換器
の冷媒凝縮能力を略一定に維持すべく室外送風機の回転
数を制御する回転数制御手段と、を具備することを特徴
とする。

【０００６】この発明の空気調和機は、室外熱交換器の
冷媒の凝縮温度を温度検出手段で検出し、この検出信号
と基準設定値とを比較演算手段で比較演算し、算定した
室外送風機の回転数に、室外送風機の吐出圧力に応じて
作動する圧力開閉手段の信号を加えて、回転数制御手段
で室外送風機の回転数を制御し、室外熱交換器の冷媒凝
縮能力を一定に維持するため、外風による影響を受ける
ことなく室外送風機の回転数を制御することができるの
で、室外空気温度が低下し、室外送風機の回転数が低下
した場合にも、安定した運転が確保できるとされてい
る。

【０００７】さらに、特開平4−110566 号公報では、圧
縮機，凝縮器，減圧器，蒸発器を順次接続した冷凍サイ
クルと、凝縮器に室外空気を送る凝縮器用ファンと、凝
縮器の温度を検知する温度センサと、凝縮器用ファンの
駆動モータへの通電率を所定の周期ごとに温度センサの
検知温度に応じて制御し、且つ、同通電率の運転可能最
小値を外気温度のほぼ零℃ないしそれ以下に対応せしめ
る手段とを具備したことを特徴とする。

【０００８】この発明によれば、圧縮機，凝縮器，減圧
器，蒸発器を順次接続した冷凍サイクルと、凝縮器に室
外空気を送る凝縮器用ファンと、凝縮器の温度を検知す
る温度センサと、凝縮器用ファンの駆動モータへの通電
率を所定の周期ごとに温度センサの検知温度に応じて制
御し且つ同通電率の運転可能最小値を外気温度のほぼ零
℃ないしそれ以下に対応せしめる手段とを備えたので、
室外ユニットの運転温度域がかなり低い値にまで及ぶ場
合でも、冷凍能力の低下を招くことなく室外ユニットの
低騒音化を図ることができる冷凍サイクル装置を提供で
きるとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】特開昭1−57052号公報
では、室外熱交換器の冷媒出口側温度を検出している
が、ここでは冷媒は種々の要因で決る値だけ過冷却され
ているのが普通である。この温度は外気温の変化などの
要因で決る凝縮状態の変化のいわば最終結果としてあら
われるものである。そして、外気油が３５℃のような高
温の状態から、−15℃のような超低温の状態に対応し
て、当然凝縮状態は大きく変化するが一様ではない。こ
れに対して、室外熱交換器の冷媒出口側温度だけを検出
してから、室外ファンの回転を制御しても、即応的な制
御ができない。また室内ファンの回転を制御することに
より凝縮状態が変化すると、これより上流側の圧縮機の
吐出圧力にも影響が及ぶことに注意しなければならな
い。すなわち室内ファンの回転を下げすぎると、凝縮能
力が低下しこれによって吐出圧力が上昇する恐れがあ
る。また反対に、室内ファンの回転数が高いと、凝縮能
力が高いので吐出圧力が低下し過ぎる恐れがある。圧縮
機の吐出圧力が基準値内に調整されていないと、所定の
凝縮能力が保持できないばかりか、圧縮機の信頼性を損
なうことになり極めて危険であるという問題がある。

【００１０】そこで特開平1−102253 号公報は、上記と
同じく室外熱交換器の冷媒の凝縮温度に加えて、圧縮機
の吐出圧力をも検出するようにしている。そして、凝縮
温度をもとにして、室外ファンの回転を制御するに際し
て、圧縮機の吐出圧力の上昇，低下をも考慮して、室外
ファンの回転を制御するようにしている。これにより、
圧縮機の吐出圧力を所定の基準幅以内に保ちながら、室
外熱交換器の凝縮能力を一定に維持することができるこ
とになる。しかし、凝縮温度程ではないにしても、吐出
圧力も、外気温の変化などの要因で決る凝縮状態の変化
のいわば最終結果としてあらゆるものである。したがっ
て、凝縮能力に加えて吐出圧力を検出してから、室外フ
ァンの回転を制御したとしても、即応的な制御ができな
いことには変わりがない。また、これを実現するために
は、吐出圧力を検出する圧力検出器を必要とするが、所
定の圧力になったことのみを検知するいわゆる圧力開閉
器のオンオフ信号を用いるだけでは十分な制御ができな
いという問題がある。また、アナログ出力の得られる圧
力検出器を用いると精度は良いもののコストアップにな
る。

【００１１】これらの問題点に対して、特開平4−11056
6 号公報では、室外熱交換器の凝縮温度を検知するとと
もに、外気温度がほぼ零℃ないしそれ以下の温度のとき
に室外ファンの回転数が最低回転数になるようにしてい
る。すなわち、凝縮能力を変化させる主たる要因である
ところの外気温の低下に従って、室外ファンの回転数を
低下させるとしている。ところが、凝縮温度を検出し
て、これをどのように実現するのかが明確に示されてい
ない。外気温の低下とともに室外ファンの回転を低下さ
せるためには、外気温を知る必要があると思われるが、
外気温を直接検出する手段が提示されていない。この外
気温を凝縮温度によって間接的に決定するようにしたと
しても、非常に精度が悪い。なぜならば、凝縮温度は、
外気温度の変化などの要因で決る凝縮状態の変化のいわ
ば最終結果としてあらわれるものであるから、両者に相
関はあるとしても時間的なずれ及び熱交換器や冷媒とい
ったものの空間的なずれが介在し、物理的に等価とは言
えない。このように、この発明は技術課題を述べている
にすぎず、これを具体的に解決するための構成が提示さ
れていないという問題点がある。

【００１２】本発明の目的とするところは、以上述べた
技術課題を解決するための具体的構成を提示するもので
あり、幅広い外気温の範囲、特に極めて低い外気温にお
いて冷房するため、凝縮能力を調整し、吐出圧力を基準
幅内に制御する凝縮器用の室外ファンの風量制御機能を
備えた空気調和機を提供することを目的とするものであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機，凝縮
器，膨張弁，蒸発器を順次接続した冷凍サイクルと前記
凝縮器に室外空気を供給する凝縮器用の室外ファンと、
前記蒸発器に室内空気を供給する蒸発器用の室内ファン
とから成る空気調和機において、前記室外空気の温度を
検出する外気温度センサと、前記凝縮器出口の冷媒の温
度を検出する凝縮温度センサとを設け、室外空気の温度
低下上昇に合わせて、室外ファンの回転数を低下上昇さ
せる第一の機能と、室外空気の温度が所定の温度以下の
ときに凝縮温度が所定温度以下になったら室外ファンの
回転数をさらに低減させる第二の機能を有する制御装置
を有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】室内を冷房する場合には、圧縮機から吐出され
る高温高圧の冷媒ガスは、凝縮器にした室外の熱交換器
において凝縮して冷媒液となる。

【００１５】この凝縮過程を促進するため室外ファンに
よって凝縮器に外気を当てる。この冷媒液は、蒸発器に
した室内の熱交換器において蒸発して、低温低圧の冷媒
ガスとなる。この蒸発過程を促進するため、室内ファン
によって蒸発器に室内の空気をあてると、これが冷却さ
れるので室内の冷房が可能となる。

【００１６】通常、冷房は外気温度が高い場合に行われ
るので、これに合わせて各部の圧力や温度などの冷凍サ
イクルの状態を設定しておく。しかし最近では外気温度
が極めて低い場合にも冷房をする必要がある場合が増加
している。このような場合には、室内の冷房負荷が小さ
いにもかかわらず、室外の凝縮能力が増加する。これに
よって圧縮機の吐出圧力が低下するので、圧縮機の使用
限界を越え危険な状態になる恐れがある。そこで、圧縮
機の吐出圧力が低下し過ぎないように、室外の凝縮能力
を低下させる制御が必要となる。このためには、これの
主たる元の原因である外気温を検出して、予め室外ファ
ンの回転数を外気温にみあうだけの必要な量だけ低下さ
せる。これは、制御的見地からすると、凝縮能力および
吐出圧力の調整をフィードフォワード的に行うことにな
るから速応的な効果が期待できる。ところが、このよう
なフィードフォワード制御の欠点として、検出信号の誤
差，予期しない熱的外乱，設備状態の変化に対応できな
い点があげられる。これに対しては、これらの主たる結
果である凝縮器の出口の冷媒の温度を検出して、これが
所定の範囲になるように、前記のようにして決めた室外
ファンの回転数を修正する。これは、制御的見地からす
ると、凝縮能力および吐出圧力の調整をフィードバック
的に行うことになるから、定常偏差を補正し安定性を高
める効果が期待できる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を引用して、本発明の一実施例に
ついて説明する。

【００１８】図１は、本発明を有する冷凍サイクルのブ
ロック図である。１は冷媒の圧縮機、２は凝縮器となる
室外の熱交換器、３はこの凝縮過程を促進するため、外
気Ａを凝縮器２に当てるための室外ファン、４は室外フ
ァン３の駆動装置である。５は、膨張弁、６は蒸発器と
なる室外の熱交換器、７はこの蒸発過程を促進するた
め、室内空気Ｂを蒸発器６に当てるための室内ファン、
８は室内ファン７の駆動装置である。９は、冷媒をため
るアキュームレータである。室内を冷房する場合には、
図の矢印の方向に冷媒が流れる。圧縮機１を出た高温高
圧のガス冷媒は、室外の凝縮器２において外気Ａに放熱
して凝縮し液化する。この液冷媒は、膨張弁５と室内の
蒸発器６において室内の空気から吸熱して蒸発しガス化
する。このとき、室内の空気Ｂを冷却し冷房を行うこと
になる。通常はこの冷房は外気温度が３０℃前後の高い
場合に行われるので、これに合わせて各部の圧力や温度
などの冷凍サイクルの状態を設定しておく。しかし、最
近ではＯＡ機器や人の負荷が大きくて、冬季のように外
気温が低くなっても室内を冷房する場合が増加してい
る。このような場合には、室内の冷房負荷が小さいにも
かかわらず、室外の凝縮能力が増加する。これによって
圧縮器の吐出圧力が低下するが、これが圧縮機の使用限
界を越えると危険な状態になる恐れがある。そこで、圧
縮機の吐出圧力が低下し過ぎないように、凝縮能力を低
下させる制御が必要となる。このため、室外の空気の温
度Ｔａを検出する外気温センサ１０と、凝縮器の出口冷
媒の温度Ｔｓを検出する凝縮温度センサ１１を設け、こ
れらの検出信号にもとづいて室外ファン３の回転数を制
御する制御装置１２を設ける。

【００１９】図２は、この制御の原理を説明するブロッ
ク図である。圧縮機１の圧縮能力、すなわち吐出圧力Ｐ
ｄ及び凝縮機２の凝縮能力、すなわち熱交換器の凝縮温
度Ｔｃに直接影響を与えるものは、温度Ｔａの室外の空
気の風量である。いいかえると、室外ファン３の回転数
を制御することによって、凝縮器６の凝縮能力、すなわ
ち熱交換器の凝縮温度Ｔｃを制御し、さらに圧縮機１の
圧縮能力、すなわち吐出圧力Ｐｄを適切な状態に制御す
ることができる。しかしこれらの量を冷凍サイクルから
直接検出することは、センサのコストや凝縮能力の変動
に伴う検出信号の精度に問題があるので実用的ではな
い。これに対して本発明では、これらの主たる原因であ
る外気温Ｔａを外気温センサ１０によって検出して、予
め室外ファン３の回転数を、外気温Ｔａにみあうだけ予
め制御する。これは制御的見地からすると、凝縮能力お
よび吐出圧力Ｐｄの調整を、フィードフォワード的に行
うことになるから、速応的な効果が期待できる。ところ
が、このようなフィードフォワード制御のみに頼ると、
検出信号の誤差や、予期しない熱的な外乱や、設備状態
の変化があると、予め決めておいた制御がずれてしまう
という欠点が指摘される。そこで、これらの主たる結果
である凝縮器２の出口の冷媒の温度Ｔｓを凝縮温度セン
サ１１によって検出して、これが所定の範囲に入るよう
に、前記のようにして決めた室外ファン３の回転数を修
正する。これは制御的見地からすると、凝縮能力および
吐出圧力の調整をフィードバック的に行うことになるか
ら、定常偏差を補正し安定性を高める効果が期待でき
る。

【００２０】次に、図３，図４，図５を用いて、外気温
Ｔａ及び凝縮温度Ｔｓにもとづいて、室外ファン３の回
転数を制御する具体的方法を説明する。図３は、横軸に
外気温Ｔａ、縦軸に室外ファン３の風量、すなわち外気
温に適合した回転数の操作量を示している。図４は、図
３に示した制御のねらいもしくは結果として、横軸に外
気温Ｔａ、縦軸に圧縮機の吐出圧Ｐｄの関係を示してい
る。図５は、冷凍サイクルにおける冷媒、例えばＲ２２
の状態変化をエンタルピと圧力で示すモリエル線図であ
る。図３において、外気温Ｔａ₁ 以上のときは、室外フ
ァン３の回転数は１００％で運転する。このとき、圧縮
機１の吐出圧力は標準圧力Ｐｄ₁ 前後の圧縮機に対して
支障のない上限圧力Ｐｄ_uから下限圧力Ｐｄ_lの間にあ
り、このときは凝縮能力と吐出圧力がバランスした標準
的な運転状態である。この状態を実線ａ₁ で表わす。こ
の状態から外気温ＴａがＴａ₁ よりも低下しても室外フ
ァン３の回転数１００％のままで運転を続けていると、
凝縮能力が大きくなり過ぎて、吐出圧力が下限Ｐｄ_l を
下まわるので危険である。この状態を二点鎖線ａ_1lで表
わす。そこで、外気温がＴａ₁ 以下になったならば、強
制的に室外ファン３の回転数を低下させる。このときの
回転数は、吐出圧力Ｐｄが上限圧力Ｐｄ_u から下限圧力
Ｐｄ_l の間になるように選ぶ。このため外気温Ｔａの低
下に対応して、室外ファン３の回転数を連続的かつ比例
的に低下させることも可能であるが、わずかの外気温の
変化につれて回転数が細かく変化することは装置の寿命
の面から好ましくはない。そこで、図３に示すように外
気温の低下とともに、段階的に回転数を低下させる方が
簡便である。このようなラフな制御でも、図４に示すよ
うに吐出圧力Ｐｄは、上限圧力Ｐｄ_u から下限圧力Ｐｄ
_l の間に十分な精度と余裕をもって制御することができ
る。これらの状態を、実線ａ₂ ，ａ₃ ，ａ₄ で表わす。
ただし、回転数が切り換わるときに、二つの値の間でハ
ンチングを発生する恐れがあるので、図３に示すよう
に、外気温の上昇時と下降時で回転数に差をつけて切り
換えるようなヒステリシスを持たせることが有効であ
る。ところで、外気温Ｔａが零度Ｃ前後かそれ以下の極
めて低い温度Ｔａ₄ 以下になると、凝縮能力が上限にな
るので回転数を下げても吐出圧力が極めて低下するよう
になる。そこで、外気温がＴａ₄ 以下では、できるだけ
きめ細かく回転数を調節して、吐出圧力Ｐｄが圧力の下
限Ｐｄ_l よりも低下しないようにする必要がある。この
ためには図３に示すように回転数を外気温Ｔａの低下に
対応して、回転数を連続的かつ比例的に低下させること
が有効である。この状態を、実線ａ₅ で表わす。

【００２１】上記の制御方式を適用した場合、実用上以
下のような問題が生ずることは避けられない。そのひと
つは、温度検出のばらつきであり、これはサーミスタな
どのセンサ自体のばらつき，制御装置への取り込みのば
らつき，センサの取りつけ位置によるばらつきなどであ
り、通常数度に及ぶと言われている。他のひとつは、室
外ファン３の回転数の制御精度であり、これはサイリス
タなどの駆動装置のばらつき，季節風などによる室外空
気の突変による外乱などであり、特に回転数が低い場合
に影響が出やすいことが明白である。いいかえると、外
気温が低い場合にこれらのばらつきが重畳すると、図３
に示した制御方法によって期待される結果が図４に示し
たものからずれてしまう可能性がある。このうち最も起
りやすく注意すべき現象は、外気温がＴａ₄ よりも低い
ようなときに室外ファンの回転数が高い方にずれてしま
い、吐出圧力Ｐｄが下限Ｐｄ_l よりも下ってしまうこと
である。この状態を実線ａ_5lで表わす。しかし、コスト
の点から吐出圧力Ｐｄを直接検出していないので、替り
に凝縮器の出口の冷媒の温度Ｔｓを用いて、これを避け
るような工夫が必要である。

【００２２】図５のモリエル線図を用いてこの方法を説
明する。ｌ₀ より左はかわき度ｘ＝０の液相状態、ｌ₁
より右はかわき度ｘ＝１の気相状態であり、冷媒はこれ
らの間で気液の二相状態にある。凝縮器２においては、
ガス冷媒が直線的にＧからＬの方に向って液冷媒に変化
し、さらに過冷却状態になって凝縮器２から出る。この
出口の冷媒の凝縮温度Ｔｓと、圧縮機１の吐出圧力Ｐｄ
には相関がある。特に吐出圧力Ｐｄが下限Ｐｄ_l よりも
下っているときには、凝縮温度Ｔｓも極めて低い温度Ｔ
ｓ_l 以下になる。この関係を利用して、低外気温時、例
えば外気温がＴａ₄ 以下のときに、凝縮温度Ｔｓが下限
温度Ｔｓ_c 以下になったならば、吐出圧力が下限Ｐｄ_l
近くまで低下しているとみなして、室外ファンの現在の
回転数を低減するように補正し、これによって吐出圧力
の上昇を図るという制御方法が考えられる。この方法に
おける下限温度Ｔｓ_c と室外ファンの回転数の低減量
は、外気温がＴａ₄以下における、標準圧力Ｐｄ，下限
圧力Ｐｄ_l，上限圧力Ｐｄ_u及びこれらに対応する凝縮温
度Ｔｓと過冷却量の関係にもとづいて、前述の温度検出
のばらつきの大きさと、室外ファンの回転数の制御を考
慮して、実使用状態において吐出圧力が確実に下限圧力
Ｐｄ_l と上限圧力Ｐｄ_u の間になるように決定すること
ができる。

【００２３】図６は、以上説明した方法を実現する制御
装置１２の機能を示すフローチャートである。この機能
を一定時間毎に起動することで十分効果があるように決
める。外気温は、それほど急に変化するものではないか
ら、およそ３０分に１回毎に室外ファン３の回転数を制
御するくらいでよい。一方、室外熱交換器２の出口の冷
媒温度や圧縮機の吐出圧力はこれより速く変化するの
で、およそ３分に１回毎に室外ファンの回転数を補正す
るようにしておくとよい。以下、フローチャートに沿っ
て説明する。まず、外気温センサ１０によって、外気温
Ｔａを検出する。この外気温Ｔａによって、表１を参照
することにより、室外ファン３の回転数を制御する。

【００２４】次に、外気温度Ｔａが所定の外気温度Ｔａ
₄ よりも低い場合には、吐出圧力Ｐｄが低下している可
能性があるので、この判定とこれに対する制御を行う。
まず、室外熱交換器２の出口の冷媒温度センサ１１によ
って、凝縮温度Ｔｓを検出する。そして、凝縮温度Ｔｓ
が前記のようにして決めた所定の温度Ｔｓ_c よりも低い
場合には、現在の室外ファンの回転数を、所定の量だけ
低減する。この低減幅は、もともと回転数が低い状態に
あることを考慮すると、回転数制御の最小分解能程度に
なるものと考えられる。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、外気温が極めて低下し
た場合にも、それに合わせて室外ファンの回転数を適切
に制御することができる。これにより、室外熱交換器の
凝縮能力を所定の範囲内に調整することができるのみな
らず、圧縮機の吐出圧力を所定の範囲内に調整すること
ができる。この結果、冷凍サイクルの安定した冷房状態
を維持できるのみならず、圧縮機が正常な運転状態から
いつ脱することが無くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気調和機の全体構成を示すブロック
図。

【図２】本発明の空気調和機の機能の構成を示すブロッ
ク図。

【図３】本発明の機能と性能の説明図。

【図４】本発明の機能と性能の説明図。

【図５】本発明の機能と性能の説明図。

【図６】本発明の機能と性能の説明図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…室外熱交換器、３…室外ファン、４…
室外ファンの駆動装置、５…膨張弁、６…室内熱交換
器、７…室内ファン、８…室内ファンの駆動装置、９…
アキュームレータ、１０…外気温度センサ、１１…冷媒
温度センサ、１２…制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 慶治 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所清水工場内 (72)発明者 竹中 寛 静岡県清水市村松390番地 株式会社日立 製作所清水工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機，凝縮機，膨張弁，蒸発器を順次接
   続した冷凍サイクルと前記凝縮器に室外空気を供給する
   凝縮器用の室外ファンと、前記蒸発器に室内空気を供給
   する蒸発器用の室内ファンとから成る空気調和機におい
   て、前記室外空気の温度を検出する外気温度センサと、
   前記凝縮器出口の冷媒の温度を検出する凝縮温度センサ
   とを設け、室外空気の温度低下上昇に合わせて、室外フ
   ァンの回転数を低下上昇させる第一の機能と、室外空気
   の温度が所定の温度以下のときに、凝縮温度が所定温度
   以下になったら室外ファンの回転数をさらに低減させる
   第２の機能を有する制御装置を設けることを特徴とする
   空気調和機。