JPS629137A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧縮機の容量制御が可能な起動時刻設定機能
を備えた空気調和機に関するものである。

（従来の技術） 従来からタイマーによって空気調和機（以下、単に空調
機という）の起動時刻を設定し、当該設定時刻に空調機
が起動されるようにしたものは一般に知られている。そ
して、このような起動時刻制御の本来の意図は、当該設
定時刻に単に空調機が起動されればよいと言うものでは
なく、当該設定時刻（空調目標時刻）に室内が快適な空
調状態となっていることにある。従って、空調機のユー
ザは、通常、当該空調機の冷暖房能力並びに外気温を経
験的に判断して予冷、予熱時間を考慮し、空調目標時刻
よりも所定時間だけ早目に起動時刻を設定するようにし
ている。

ところが、空調対象となる部屋の温度や湿度は外気温等
外部条件によって大きく左右され、日によって、また時
間帯によって変化が激しいので、上記のように予冷、予
熱時間を経験によって正確に逆算判断することは相当に
難しい。

そのため、上記従来の起動時刻制御手段では、先ず起動
時刻が早すぎることによる不必要な空運転に起因する消
費電力の損失（第８図ａ参照）、又起動時刻が遅すぎる
ことによる快適性の欠如（第８図す参照）などの事態を
生じる。このような事態になることを防止し、例えば第
８図Ｃに示すように理想的な起動制御を行うためには、
先ず空調対象である部屋の熱容量Ｃ１単位温度差当たり
の熱負荷ＫＡ（Ｋ−平均熱貫流率、Ａ＝面積）、室内温
度Ｔｉおよび室外温度Ｔｏ、空調機能力Ｑ等から起動時
刻より空調目標温度Ｔｔになるまでの起ち上りに必要な
所要運転時間Δｔｓを正確に演算する必要がある。

このような空調目標温度Ｔｔになるまでの所要運転時間
Δｔｓを自動的に演算するように構成した起動制御手段
として、従来例えば実開昭５７−３９５４号公報に示さ
れるヒートポンプ給湯装置がある。この従来技術は、冷
凍装置の凝縮器によって貯湯槽内の水を設定温度まで加
熱するに際し、現在の槽内平均水温と給水温度又は外気
温度などの外部条件とを演算要素として、先ず上記槽内
水を上記設定温度まで加熱するのに要する所要運転時間
を算定し、次に当該温水の主たる使用時間から上記所要
運転時間を逆算してその時間だけ早期に冷凍装置を起動
するようにしたもので、温水の実際の使用時間に対応し
た最適な冷凍装置の起動を行うことができるようになっ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記従来技術の給湯装置は、単に冷凍装置を外
部条件等に対応した最適起動時間でＯＮ。

ＯＦＦ駆動するのみであり、圧縮機の容量自体を能力コ
ントロールするようにはなっていない。従って、外部条
件によっては極めて小容量で足りる場合にも、圧縮機の
容量自体は常に定格能力（最大能力）で稼動されること
になり、不必要に消費電力が大きくなる問題がある。

また、一方上記のような給湯装置の場合には、負荷量の
中心となる貯水槽の水量自体は略一定しており、温度変
化も比較的少ないから、上記所要運転時間Δｔｓを算出
することは比較的容易である。

しかし、一般の室内空調の場合には、室内、室外間の温
度差による熱損失量（ＫＡΔｔ）や部屋自体の熱容量が
空調機の設置される当該部屋の構造、施工方法等によっ
て種々に相違し、空調機の設計時点からそれらの熱負荷
要素を定数的に設定しておくことは不可能である。従っ
て、一般の空調機の場合には上記所要運転時間Δｔｓの
算出は、上記給湯装置のようには容易ではなく、上記従
来の給湯装置における起動制御手段をそのまま適用する
ことはできない問題がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記の問題を解決することを目的としてなさ
れたもので、第１図〜第３図に示すように、空調対象で
ある部屋３の室内温度Ｔｉ並びに室外温度Ｔｏをそれぞ
れ検出する温度センサ１８゜１９と、上記部屋３の空調
目標温度ＴＬ並びに空調目標時刻ｔｓをそれぞれ設定す
る空調目標温度設定手段１７並びに空調目標時刻設定手
段１６と、空気調和機２の空調能力および該空調能力に
対応した上記室内温度Ｔｉの変化から当該空気調和機２
の起動時点における上記部屋３の熱容量Ｃおよび熱負荷
ＫＡを算出する起動データ演算手段４と、この起動デー
タ演算手段４の上記演算値から、上記空調目標時刻設定
手段１６により設定された空調目標時刻ｔｓに対応する
空気調和機２の起動時刻並びに当該起動時刻から上記空
調目標時刻ｔｓまでの予熱又は予冷運転中における最適
な圧縮機３０の容量値をそれぞれ算出して、上記空気調
和機２を制御する起動制御手段５および回転数制御平段
６とを備えてなるものである。

（作　用） 上記の手段によると、空調対象である部屋３の熱容ｆｆ
１ｃ、熱負荷ＫＡ等が当該空調機２の能力およびこの空
調機能力に対する室内温度Ｔｉの変化から学習制御的に
算定され、該算定値に基づいて設定空調目標時刻ｔｓに
設定空調温度Ｔｓになるように最適な起動時刻ｔｏが演
算される。従って、当該部屋３の室内、室外の温度差に
よる熱損失や部屋の熱容量ｃ、熱負荷ＫＡに種々の相違
があっても、それらの相違を定数的に学習同定した上で
各部屋に最適な起動制御を行うことができる。しかも、
当該起動制御期間内における圧縮機容量は、当該起動中
における上記空調負荷に対応した最適値にコントロール
されるようになっているので、上記起動時刻が最適にな
ることにより空運転がなくなることと併せて最もエネル
ギー効率の高い運転を行うことができ、消費電力の節減
にも大きく寄与することができる。

（実施例） 第１図〜第７図は、本発明に係る空調機の実施例を示す
ものである。

先ず第１図は、上記実施例の制御システムの概略を、ま
た第２図は当該制御システムのＣＰＵを中心とするハー
ドウェア部分の具体的な構成を、さらに第３図は上記第
２図のＣＰＵ部分で実行される制御プログラムのフロー
チャートをそれぞれ示している。

第１図において符号１は後述のマイクロコンピュータに
よって構成される空調機制御手段であり、空調機２は、
この空調機制御手段ｌによってその空調能力がフィード
バック制御され、空調対象である部屋３の室温を設定温
度に維持するように作動する。一方、符号４は、設定空
調目標温度Ｔｔ、室外温度Ｔｏ、後述の方法によりモデ
ル化された部屋の熱容量Ｃ並びに熱負荷ＫＡ、空調機２
の空調能力Ｑ等の各種のデータが入力される起動データ
演算手段であり、起動データ演算手段４は上記各種の外
部入力から、室内温度Ｔｉが空調目標温度Ｔｔまで達す
るのに必要な空調機の最適な所要運転時間ΔＬｓと圧縮
機の最適回転数（特許請求の範囲中の圧縮機容量値に該
当する）Ｚｏとを演算し、当該各演算値に基づいて対応
する空調機２の起動状態を制御する起動手段５およびそ
の圧縮機の容量を制御する回転数制御手段６を作動させ
て空調機２を制御する。この起動状態の制御においても
、上記部屋３の室内温度Ｔｉが上記起動データ演算手段
４にフィードバックされるようになっており、普段の空
調機運転状態における空調能力および室外温度Ｔｏ並び
にそれらの変化の記憶データから当該部屋の上記熱容量
Ｃ１室内外の単位温度差当たりの上記熱負荷ＫＡを学習
制御的に同定し演算する。

次に、第２図において、符号ＩＯは、上記第１図の空調
機制御手段ｌと起動データ演算手段４の両機能を備えた
マイクロコンピュータであり、ＣＰＵＩＩを中心として
ＲＡＭ１２．ＲＯＭ１３などのデータ記憶手段並びに外
部機器人出力信号との接続のためのＩ１０インターフェ
ース回路１４、さらに時間設定のためのタイマー１５と
を備えている。このマイクロコンピュータＩＯは、先ず
第１のデータバスＢｌを介して空調目標時刻設定手段１
６と、また第２のデータバスＢ２を介して空調目標温度
設定手段１７にそれぞれ接続されている。

また、一方、符号１８および１９は、それぞれ部屋３の
室内温度Ｔｉおよび室外温度ＴＯを検出する各温度セン
サであり、これら各温度センサ１８および１９の検出信
号は増幅器２０．２１を介して入力マルチプレクサ２２
、アナログフィルタ２３を介してＡ／Ｄ変換器２４に供
給され、Ａ’／Ｄ変換器されてデジタル信号の形で第３
のデータバスＢ３を通じて上記１１０インタ一フエース
回路１４よりｃｐｕｚに入力される。

さらに、符号２は、圧縮機３０、四路切換弁３１、凝縮
器３２、膨張弁３３、蒸発器３４を順次可逆的に接続す
るとともにインバータ等の圧縮機３０の回転数制御手段
６と冷却ファン３６、並びに、圧縮機３０内の潤滑油へ
の冷媒の溶は込みを防止するクランクケースヒータ３７
およびその制御手段３８とを備えて構成された上述の空
調機であり、上記圧縮機３０の回転数制御手段６、冷却
ファン３６、膨張弁３３、四路切換弁３１、クランクケ
ースヒータ制御手段３８等は、それぞれ対応するアクチ
ュエータ６ａ、３６ａ、３３ａ、３１ａ、３８ａを備え
、−Ｆ記マイクロコンピュータ１０より第４のデータバ
スＢ４からＤ／Ａ変換器４２、出ノノマルチブレクサ４
３を介して供給される各種制御信号によってその運転状
態が制御されるようになっている。

次に、第３図のフローチャートを参照して上記第２図の
制御システムの動作と作用並びに−効果を説明する。

先ず、ユーザーのタイマー操作をトリガーとして制御動
作をスタートし、最初にステップＳ、で上述の空調目標
時刻ｔｓと空調目標温度Ｔｔ力力投設定れ該設定値が入
力記憶される。次に、ステップＳ、で温度センサＩ９に
より室外温度ＴＯを測定し人力するとともに、さらにス
テップＳ、で上記空調目標温度Ｔｔと室外温度Ｔｏの差
の絶対値１Ｔｔ−Ｔｏｌにより監視開始時刻を演算する
。この時刻は上記室内・外の温度差から空調機能力をも
考慮して決定される。そして、ステップＳ４で上記監視
開始時刻の経過を確認し、続いてステップＳ５でその時
の室内温度Ｔｉと室外温度Ｔｏとを各々測定し人力する
とともに最適な起動時刻ｔｏを演算する。この最適な起
動時刻ｔｏの演算は、次のようにして行なわれる。

すなわち、当該空調機設置室を等価的にモデル化し、熱
的な定数値ＫＡ（熱負荷）、Ｃ（熱容量）で特性付けす
ると、第４図に示すように空調機の能力Ｑが入力として
作用するとともにその時の室内温度Ｔ　ｉの変化が出力
として求められる。この入力として空調機能力Ｑの時間
的な変化を、−次遅れ関数等の簡単な系に近似させて置
けば周知の手段であるラプラス変換、逆ラプラス変換等
によって上記室内温度Ｔｉの変化は簡単に求めることが
できる。従って、所要運転時間Δｔｓも、Ｔｉ＝Ｔ。

＋ΔＴ１　ΔＴ＝ΔＴ　（Ｑ　、Ｋ　Ａ　、ｃ、ｔ）で
Ｔｔ＝ＴｉとなるときのしをΔｉｓとすればよいことか
ら簡単に求められる。なお、上記熱負荷定数ＫＡの、Ｋ
は当該部屋の平均熱貫流率（壁、床、天井の平均値）、
Ａはそれらの合計面積を示している。

次に、ステップＳ６では、下記の方法によって圧縮機の
最適回転数Ｚｏを演算する。

今、例えば、 （１）空調機について、１馬力相当の周波数可変方式の
インバータ型ヒートポンプを使用し、（２）空調される
部屋として、熱負荷ＫＡ、熱容量Ｃが、 平均熱貫流率 に＝３　　　（Ｋｃａ（１／ｍ”ｈ’ｃ：１面積 Ａ＝４９　　（ｍ”：１ 熱容量 Ｃ−４１ＣＫｃａ（１／ｈ） のらのを対象とし、 （３）空気条件については、 部屋の空調目標温度Ｔｔ＝２１　（°ＣＬ部屋の初期温
度は室外温度と同じと仮定する。そして、室外温度Ｔｏ
をパラメータとして例えば予熱運転中の圧縮機運転周波
数Ｚを横軸にとり、当該予熱期間中の積算人力比Ｗ　／
　Ｗ　ｏｐｔ　（第５図イ）、運転時間（第５図口）、
室外への損失熱量比（第５図ハ）、積算ＥＥＲ比（第５
図二）を計測すると各々図示のようになる。

そして、上記各図から明らかなように、各々の外気温度
０°Ｃ，４℃、７℃において、積算入力を最小にする下
記最適運転周波数Ｚｏが存在することが分かる。

なお、上記第５図における積算入力、損失熱量、積算Ｅ
ＥＲは、各々のＺｏに対応する各位に対する比で示しで
ある。

こうした最適値が存在する理由は、圧縮機運転周波数Ｚ
が小さくて予熱時間が長くなれば室外への損失熱量は増
え、又他方ＥＥＲはよくしられているように圧縮機運転
周波数Ｚが小さい程高い。

よって、この２つの傾向のトレードオフ関係により、積
算入力を最小にする最適運転周波数ＺＯが存在すること
になり、外気温が低い程、高い方ヘシフトす、る。

次に、外気温度ＴＯと上記最適運転周波数Ｚｏとの関係
を第６図に示した。丸印で示したポイントが上記各外気
温度での最適運転周波数Ｚｏである。

外気温度０℃及び７℃で、最適運転周波数Ｚｏに幅があ
るのは、当該部屋の熱容量Ｃを±５−０％程変化さけた
場合の最適運転周波数ＺＯの変化であるがその幅は１０
Ｈｚ程度と小さい。

そして、図中に実線で暖房負荷とマツチングするマツチ
ング周波数Ｚｍを示した。このマツチング周波数Ｚｍの
求め方は、第７図に示している。

Ｚｏ＜Ｚｍとの関係をみると、外気温度Ｔｏにかかわら
ず、 １．３０ＸＺｍ≦Ｚ　ｏｐｔ≦１．７０Ｘ　Ｚ＋ｎ　　
　（Ｈｚ）の範囲にあることが分かる。そして、このＺ
Ｏがどのように決まっているかを知るために、暖房負荷
ＫＡ、熱容量Ｃ１空調目標温度Ｔｔを変えて検討した結
果、やはりＺｏは上記の範囲にあることが分かった。

従って、暖房負荷ＫＡ（Ｔｔ−Ｔｏ）　　（Ｋｃａｕ／
ｍ’ｈ’ｃ）と釣り合うような暖房能力とのマツチング
周波数Ｚｍを求め３０〜７０％だけそれよりも高い周波
数で予熱を行えば積算入力を最小にすることができるこ
とが分かる。この３０〜７０％の周波数増加は、空調機
の能力に換算すると２５〜５５％程度の能力増加に相当
する。従って、周波数以外による圧縮機容量制御方式（
例えばアンロード方式）の場合は、空調負荷と釣り合う
容量に対して２５〜５５％程度能力が増加する容量値に
おいて運転すれば良い。

現在、一般的な容量制御方法としては、設定温度とサー
モ等で測定された室内温度との差によるものが多いが、
これを本発明の起動制御機構にそのまま適用すると、設
定温度と室内温度との差が２〜３℃位になるまでは最高
周波数で予熱運転されることになるので、エネルギー効
率が低下することになり、又、ヒートポンプ運転では、
最高周波数で運転すると室外機への着霜の速度も早まり
性能上の低下をきたすことになる。

従って、予熱・予冷運転中の圧縮機回転数は、上記本発
明の如くに最適に制御することが不可欠である。

なお、上述した圧縮機容量の範囲は予熱・予冷期間中の
代表的な容量の値であり、起動時における電流の一時的
増加を防ぐための段階的な回転数増加など従来から行な
われている方式と相反するものではない。

そして、次にステップＳ７に移り上記の起動時刻ｔｏの
経過が判断され、ＹＥＳの場合にはさらにステップＳｌ
ｌで実際に空調機２が上記最適回転数Ｚｏをもって効率
的に起動される。一方、上記ステップＳ７の判断の結果
、Ｎｏの場合、すなわち起動時刻ｔｏが未経過の場合に
は、上記とは別ルーチンのステップＳ、に移行し、上記
監視を開始してから所定時間ｔｗ（例えば１０分）が経
過しているかどうかを判断し、ＹＥＳの場合には再度ス
テップＳ５に戻って最適起動時刻の演算を行う一方、Ｎ
ｏの場合にはさらにステップＳ７に戻って最適起動時刻
の経過を確認する動作を継続する。これによって、上記
時間ｔｗごとの外部条件の変化に対応した適切な最適起
動時刻が算出されるようになる。

なお、上記の説明では、温度のみをパラメータとして室
内外の空気条件を検出しているが、厳密に言うと蒸発器
側の性能は湿度によっても大きく影響されるので、温度
並びに湿度の両方を検出して行うのが好ましい。また、
本発明は、さらに他の実施例として上記空調機に潤滑油
中への冷媒の溶は込み防止用のクランクケースヒータを
備えたものが使用され、当該クランクケースヒータを本
発明の起動制御手段により圧縮機の起動時刻よりも早く
作動させることによって、起動時の潤滑油のフォーミン
グ防止を行わしめることら行なわれる。このようにする
と、圧縮機起動時の負荷量をより軽減でき、さらに消費
電力を節減できる。

（発明の効果） 本発明の空気調和機は、以上に説明したように、空調対
象である部屋３の室内温度Ｔｉ並びに室外温度Ｔｏをそ
れぞれ検出する温度センサｌ　８．１９と、上記部屋３
の空調目標温度Ｔｔ並びに空調目標時刻ｔｓをそれぞれ
設定する空調目標温度設定手段１７並びに空調目標時刻
設定手段１６と、空気調和機２の空調能力および該空調
能力に対応した上記室内温度Ｔｉの変化から当該空気調
和機２の起動時刻における上記部屋３の熱容量Ｃおよび
熱負荷ＫＡを算出する起動データ演算手段４と、この起
動データ演算手段４の上記演算値から、上記空調目標時
刻設定手段１６により設定された空調目標時刻ｔｓに対
応する空気調和機２の起動時刻並びに当該起動時刻から
上記空調目標時刻までの予熱又は予冷運転中における最
適な圧縮機３０の容量値をそれぞれ算出して上記空気調
和機２を制御する起動制御手段５および回転数制御手段
６とを備えてなることを特徴とするものである。

従って、本発明によると、空調対象である部屋３の熱容
量ｃ、熱負荷ＫＡ等が当該空調機２の能力およびこの空
調機能力に対する室内温度Ｔｉの変化から学習制御的に
算定され、該算定値に基づいて設定された空調目標時刻
ｔｓに設定空調温度ＴＳになるように最適起動時刻ｔｏ
が演算される。従って、当該部屋３の室内、室外の温度
差による熱損失や部屋の熱容ｆｆ１ｃ、熱負荷ＫＡに種
々の相違があっても、それらの相違を定数的に学習同定
した上で各部屋に最適な起動制御を行うことができる。

しかも、当該起動制御期間内における圧縮機容量は、当
該起動中における上記空調負荷に対応した最適値にコン
トロールされるようになっているので、上記起動時刻が
最適になることにより空運転がなくなることと併せて最
もエネルギー効率の高い運転を行うことができ、消費電
力の節減にも大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の空気調和機の制御システム
の概略的な構成を示すブロック図、第２図は、同空気調
和機のハードウェア構成を示すブロック図、第３図は、
同空気調和機の制御動作を示すフローヂャート、第４図
は、該第３図における制御動作の起動時刻算定方法を説
明するモデル図、第５図（イ）〜第５図（ニ）および第
６図は、外気温度と圧縮機の最適運転周波数との関係を
最適容量値決定の観点から各種評価要素をもって示すグ
ラフ、第７図は、ヒートポンプの暖房能力と暖房負荷線
を示すグラフ、第８図（ａ）〜（ｃ）は、従来の起動時
刻制御における設定時間と室温変化の関係を示す説明図
である。 ！・・・・・空調機制御手段 ２・・・・・空気調和機（空調機） ３・・・・・部屋 ４・・・・・起動データ演算手段 ５・・・・・起動制御手段 ６・・・・・回転数制御手段 １６・・・・空調目標時刻設定手段 １７・・・・空調目標温度設定手段 １８・・・・（室内）温度センサ １９・・・・（室外）温度センサ ３０・・・・圧縮機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、空調対象である部屋３の室内温度Ｔｉ並びに室外温
   度Ｔｏをそれぞれ検出する温度センサ１８、１９と、上
   記部屋３の空調目標温度Ｔｔ並びに空調目標時刻ｔｓを
   それぞれ設定する空調目標温度設定手段１７並び空調目
   標に時刻設定手段１６と、空気調和機２の空調能力およ
   び該空調能力に対応した上記室内温度Ｔｉの変化から当
   該空気調和機２の起動時点における上記部屋３の熱容量
   ｃおよび熱負荷ＫＡを算出する起動データ演算手段４と
   、この起動データ演算手段４の上記演算値から、上記空
   調目標時刻設定手段１６により設定された空調目標時刻
   ｔｓに対応する空気調和機２の起動時刻並びに当該起動
   時刻から上記空調目標時刻ｔｓまでの予熱又は予冷運転
   中における最適な圧縮機３０の容量値をそれぞれ算出し
   て、上記空気調和機２を制御する起動制御手段５および
   回転数制御手段６とを備えてなる空気調和機。