JPS63150551A - 空気調和システム及びそれに於ける圧縮機速度及び電動機速度の制御方法 - 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】 発凱夏丘■ 本発明は一般的に熱ポンプ及び空気調和システムの制御
に係り、一層Ｍ１Ｋｌ［Ｉには、多重区域空気調和シス
テムのなかの可変速度圧縮機の速度制御に係る。

住居に通常見出される形式の基本的な空気調和システム
は、室温が予め定められた温度差だけサーモスタット設
定点から偏差している時間中に一定体禎の加熱又は冷却
空気を与えるべく単一のサーモスタットにより制御され
ている加熱／冷却ユニットを含んでいる。このようなシ
ステムは、必要条件が異なる多重の使用エリアが存在す
るより大きいビルディングに対しては不適当であること
が見出されている。これらの必要条件に適応するため、
多重区域システムが導入され、現在広く探・用されてい
る。このような多重区域システムは多重サーモスタット
を有し、各サーモスタットがその特定の区域への冷却／
加熱空気の流れを制御する。

多重区域システムの一つの形式はパーカー・エレクトロ
二ックス社（Ｐａｒｋｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　
Ｉｎｃ、）から商業的に入手可能なＶＶＴ　（可変体積
及び温度）システムとして知られているものである。こ
のシステムは１９８５年７月２３日付は米国特許第４　
、５３０　、３９５号明細書に記載されており、その内
容を参照によりここに組み入れたものとする。このシス
テムはそれぞれの区域への所望の量の空気の流れを保つ
べく空気の流れ及び温度を変化させるためマイクロコン
ピュータ・ペースのサーモスタット及びダンパー組立体
を含んでいる。このようなシステムは、オーバーサイズ
の条件で通常作動するように、予想される負荷よりも大
きい容？を有する単一速度の圧縮機で作動するように設
計されている。最初に、個別区域ダンパーは全て全開位
置にあるが、区域温度がそれぞれのサーモスタット設定
点に近づくにつれて、それらのそれぞれのダンパーが閉
位置に向かって移動し始める。

従って、設定点温度が満足されたこれらの区域では、ダ
ンパーが閉じられるが、他の区域では、ダンパーは全開
であるか閉位置に向かう移動の過程にあるかのいずれか
である。適当な空気の流れが保たれるように、全開位置
にとどまる常に一つのダンパーが存在するが、残りのダ
ンパーはついには閉じ、また最終的にサーモスタット設
定点の全てが満足さた時にシステムは停止する。こうし
てダンパーが主として全開又は全開位置で作υＪする傾
向ををし、それらの極限位置の間の移動の周期は比較的
短い時間に制限されていることは理解されよう。

従って、本発明の目的は、改良された空気調和温度制御
システムを提供することである。

本発明の他の目的は、システムの容置とその実際の負荷
とを一層密にマツチさせるための空気調和システムを提
供することである。

本発明の別の目的は、一層大きい時間百分率にわたり区
域への空気の流れの制御を保つための多重区域システム
システムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、使用に際して非常に機能的
であり且つ製造及び作動が経済的である空気調和制御シ
ステムを提供することである。

本発明のｎｉｉ記及び伯の目的、特徴及び利点は以下に
その好ましい実施例を図面により詳細に説明するなかで
一層明らかになろう。

光皿Ω」工 要約すると、本発明の一つの局面によれば、多重区域空
気調和システムは圧縮機を駆動する可変速度の電シＪ機
を設けられており、電υ１機の速度は種々の区域内のサ
ーモスタット設定点と室温との間の差により求められた
実際の負荷に応答して調節される。

本発明の他の局面によれば、可変速度電動機の速度は区
域のいずれか一つに存在する最大の温度差に応答して変
更される。ここで温度差とは、その区域のサーモスタッ
ト設定点と室温との間の差をいう。こうして、圧縮機が
実質的に連続的に比較的低い速度で運転され得るので、
システムの容量が負荷と実質的にマツチされている。従
って、システムは、改善された制御及び性能効率特性が
得られるように比較的狭い範囲内で作動し得る。

本発明のさらに他の局面によれば、狭い作動範囲は、ダ
ンパーがそれらの移動位置にある時間が実質的に増大さ
れまたダンパーが全開又は全閉位置にある時間が実質的
に減少されるように、区域ダンパーの移動範囲と合致す
るように選定されている。このことは再び個々の区域へ
の空気の流れの一層精密な１ＤＩＪ　ｆｌｌを可能にす
る。

以下、図面により本発明の好ましい実施例を説明する。

しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能である。

：′　い・！乍ｌの−１１ 第１図を参照すると、多重区域熱ポンプシステムが屋外
コイル１１と屋内コイル１２と個′々のダクト１４．１
６．１７及び１８により参照符号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを付
されている複数個の区域に加熱及び（又は）冷却空気を
供給するダク）１３を含んでいるものとして示されてい
る。種々の区域への加熱／冷却需要の差のために、これ
らの区域への空気の流れは参照符号Ｄ　Ａ　、Ｄ　Ｂ　
％　Ｄ　（及びＤＯを付されているダンパーにより個々
に関節される。従って、これらのダンパーは個々のダク
ト１４．１６．１７及び１８の流路のなかに置かれてお
り、またそれぞれ導線２１．２２．２３及び２４を経て
システム制御装置１９から受ける電気信号に応答して制
御される。

上記のように個々の区域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤがその区域の
特定の需要を満足する可変の空気体積を供給され得るこ
とに加えて、個々の区域は図示されているように（囚々
のサーモスタットＴ＾、Ｔ［ｌ、Ｔｏ及びＴｏにより個
々に需要レベルを設定し且つ現在の条件を検出する手段
をも存する。これらのサーモスタットは導線２７．２８
．２９及び３１及び共通導線３２を経て制御装置１９と
通信する。

制御装置Ｒ１９はそれぞれ導線３３及び３４を経て屋外
コイル１１及び屋内コイル１２と接続されている。信号
は制御装置１９からこれらのコイルに、（１）それぞれ
の膨張弁を制御ｆｆ１ｌする目的、（２）それぞれのフ
ァン電動機を制御する目的、（３）冷却モードと加熱モ
ードとの間の切換時にリバーシング弁を制御する目的で
送られる。導線３３及び３４を経て、検出された温度条
件及び検出された電動機作動条件のような負帰還信号も
制御装置１９に与えられる。

本発明は、可変速度能力を有する空気調和システムに係
る。一般的に、これは、屋外コイル１１のなかに置かれ
ている圧縮機３５が成る速度範囲内で、任意の一つの時
点でその時点での負荷需要にマツチされている速度で作
動し得ることを忍法する。この可変速度能力は多くの仕
方で与えられ得る。例えば、電気的に転流される電動＃
Ｒ（ＥＣＭ）が、所望の可変速度特性を得るべくそのデ
ューティザイクルを変更されて、圧縮機を駆動するのに
使用され得る。他の方法として、予め定められた範囲内
の所望の速度を得るのにデユーティサイクル入力を変更
するのに第１図中に示されているようにインバータ制御
装置３６を使用することもできる。インバータ制ｆｌｆ
ｌｌ装置３Ｇは導線３７を経て制御装置１９と通信して
おり、またその入力は圧縮機３５を駆動するためのＡＣ
誘導電動機に直接に与えられている。速度変更の行い方
は後で説明する。

本発明が、空気調和のための任意のシステム、例えば冷
却のみのシステム、加熱のみのシステム又は熱ポンプシ
ステムに応用可能であることは理解されよう。しかし、
本発明の重要な局面を完全に開示する目的で、ここでは
熱ポンプシステムに応用されるものとして本発明を説明
する。もらろん、加熱された空気を主ダクト１３にＯＦ
ｃ給するべく屋内ファン又はブロワ−と組み合わさって
作動する電気抵抗ストリップヒーター３８の群のような
補足的な加熱システムを熱ポンプシステムと組み合わせ
て用窓することは熱ポンプシステムで一般的に行われて
いる。もちろん、代替的な方法として、屋内コイルを炉
と組み合わせることもでき、この場合には炉は可変速度
電動機により駆動される固有のブロワ−を有する。従っ
て、本発明の可変速度制御の特徴は圧縮機３５及び屋内
ファン３９だけでなく高温空気炉のブスロワー電動機に
も応用可能である。

次ぎに第２図を参照して、本発明の速度制御システムの
作動原理を説明する。システムが作動条件にある時、区
域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの各々にそれぞれのザーモスタ７　
ｈ”ｌ’Ａ、Ｔｎ、Ｔｃ及び’ｒ。

、２．、　　　　　　　に於ける設定点と実際の検出さ
れた温度との間の温度が通常存在する。本発明によれば
、速度制御に使用するための制御偏差はこれらの差のう
ち最大のものである。すなわち、その設定点と実際の検
出された温度との間の最大の差を有する区域が、その温
度差によりシステムの速度を制御する区域である。従っ
て、その区域のなかのダンパーＤはその区域が制御して
いる時間中は全開位置にとどまり、残りの区域への空気
の流れはそれらの変調モードで作動しているそれらのそ
れぞれのダンパーにより制御されている。もし、その間
に、制御区域の温度差が別の区域の一つのなかの温度差
以下に減少すれば、その別の区域が次いで制御区域とな
り、またその温度差がシステムの速度を決定するために
使用される。

区域の各々のなかの制御の度合を高めるため１、ダンパ
ーＤＡ１Ｄｆ１２ＤＣ及びＤＯがそれらの移動の比例帯
のなかにとどまること、すなわちそれらの全開位置でも
全閉位置でもなくそれらの中間移動位置にあることが望
ましい。従って、制御区域のなかの温度差は１°Ｆ（０
，５６°Ｃ）だけオフセ・ノドされており、その結果と
しての差が次いで制御値として使用されている。信頼性
を高める目的で、区域の各々のなかの温度差は２０秒ご
とに一同計算され、また２分間にわたり平均化される。

こうして、２分ごとに区域Ａ、−Ｂ、Ｃ及びＤのなかの
平均化された差が比較され、また最大の差が速度制御ア
ルゴリズムに使用するために選択される。

制御装置１９により決定される制御値は全システム容量
の百分率又は制御レベルに対する要求を表す。この制御
レベル信号は制御装置１９からインパークｉｂ制御装置
３６へ通され、そこで比例積分（Ｐｌ）制御部が制御レ
ベルをそれと関係付けられるデユーティサイクルに変換
するべく作動し、このデユーティサイクルが圧縮機３５
の速度を決定する。この関係は第３図にグラフで示され
ており、このグラフからインバータ制御周波数、８４Ｈ
ｚ（冷却）及び９０１−［ｚ（加熱）、の各々に対して
特定のデユーティサイクル及びそれと関係付けられる圧
縮機速度が制御装置１９から受ける容量百分率又は制御
レベル信号の関数として求められ得る。比例積分（ＰＩ
）制御部が制御レベルの連続範囲にわたり制御を行わず
に第３図の横軸上に示されている１６の離散的レベルで
制御を行うことは理解されよう。こうして、所与の制御
レベル需要に対して、これらの１６点のうち最も近いも
のがデユーティサイクル、従ってまた圧縮機速度を決定
するのに応用される。

制御装置１９からの制御値が所望の制御レベルに翻訳さ
れる仕方を次ぎに説明する。上記のように、個々の区域
Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤから決定された制御値は２分ごとに更
新される。次いで速度変化率が下記の式に基づいて毎回
計算される。

速度変化率＝ＰＣＮＳＴ　（ＣＶ２−ＣＶＩ）＋ＩＣＮ
５Ｔ　（ＣＶ２）　　　　（式１）ここで、ＰＣＮＳＴ
は％Ｆでの比例利得率、ＣＶ、は先の制御値、 ｃｖ２は更新された制御値、 Ｉ　ＣＮ５Ｔは％Ｆでの積分制御作用定数。

上式から求められた速度変化率は次いで、更新された制
御レベルを求めるため、古い容量百分率又は制御レベル
に加えられる。更新された制御レベルは次いで、更新さ
れたデユーティサイクル及び圧縮機速度を求めるため、
第３図中に示されているようなルックアップテーブルに
与えられる。

圧縮機３５の速度が変更される時、屋内ファン又はブロ
ワ−３９の速度を変更することも望ましい。一般的に、
ファン速度は圧縮機速度の直接関数として制御されず、
制御装置ｉ！１９に於ける更新された制御値の関数とし
て制御される。これは上記の圧縮機速度に対して説明し
た仕方と類似の仕方で実現される。再び、上記の式（１
）に与えられ、古い制御値及び新しい制御値が比例利得
率ＰＣＮＳＴ及び積分制御作用定数ＩＣＮ５Ｔが特定の
比例積分制御に適するように選定される。速度変化は再
び、新しい制御レベルを求めるべく、現在の制御レベル
に加えられ、新しい制御レベルが次いで、新しいデユー
ティサイクル及びファン電動機速度を求めるため、第３
図中に示されているものと類似のルックアップテーブル
に、伝達関数を求めるべく与えられる。

可変速度の制御の仕方を説明してきたが、種々の関係す
る作動条件を説明することは適切であろう。システムが
始動する時（すなわちいずれか一つの区域の最大温度差
が１°Ｆ（０，５６°Ｃ）以上である時）、圧ｋｉＵｎ
は第３図に示されているように全システム容量の選定さ
れた最大速度（すなわち６％）でターンオシする。制御
弁は２分ごとに更新され始めるが、速度変更は所定の時
間（例えば８分）の間は禁止される。この遅延の目的は
、冷たいダクト、空気の成層などに起因するシステムの
逆応答特性を消し得るようにすることである。制御はこ
の過渡時間の間の制御作用を避けることにより改善され
る。

遅延が終了すると、速度は前記の仕方で最新の制御値を
使用して調節される。システムは次いで連続的に作動し
、制御値が零に減ぜられるまで、速度変更が更新される
。

２分間にわたる制ｆｆｆｌｌ　ＩＦｔｉの変化が予め定
められた値（例えば１２°Ｆ（６，７°Ｃ））を超過す
る場合には、設定点の突然の変更が行われており、また
ＰＩ式が所定の時間にわたり１００％まで容量を増大さ
せることを許されているとみなされる。

遅延の後に、２１式は容量を再び工００％の値から調節
することを許される。もし容量が第二の調節の後に１３
０％以上であれば、ＩＣＮ５ＴＯ値がより低い値にリセ
ットされ、またストリップ熱がサイクルオンを許される
。これは、容量が１００％以下に低下してＩ　ＣＮ５Ｔ
がその初期値にリセットされるまで継続される。

速度変更は、ス）　ＩＪツブ熱の使用後及び解凍後の所
定の時間の間も禁止される。解凍後の速度は解凍前のレ
ベルと同一のレベルに設定される。

ストリップヒーター３８は圧縮機３５及びブロワ−３９
の制御値と同一の制御値により制御される。ストリップ
ヒーターのデユーティサイクルは需要制御レベル又は容
量百分率から１００％を引いた値であり、ストリップ熱
デユーティサイクルは１００％の最大値を有する。従っ
て、前記のように、１３０％の容量百分率は、もしユニ
ットが加熱モードにあるならば、３０％のデユーティサ
イクルでストリップヒーターのサイクリングを開始する
。

上記のシステムでは、周囲温度条件が適度であるとして
も、区域の一つが圧縮機を最大速度で作動させるのに十
分に大きい温度差を有することが可能である。この条件
を避けるため、第４図に示されているように速度制限機
能が設けられている。こうして、周囲温度が５０°Ｆ（
１０°Ｃ）と７５°Ｆ（２４°Ｃ）との間である時、制
御装置は図示されているように圧縮機速度を制限する。

このことは加熱モードの作動時にも冷却モードの作動時
にも真である。

本発明をその好ましい実施例について説明してきたが、
本発明の範囲内で多（の他の形態がとられ得ることは理
解されよう。例えば、各区域に対して個々のダクト及び
ダンパーを有するダクトシステムを説明してきたが、本
発明は共通の屋外コイルと共に個々の屋内コイルを有す
る多重区域システムにも応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を取り入れた多重区域システムの概要図
である。 第２図は本発明の方法に於けるステップのシーケンスを
示すフローチャートである。 第３図はインバータ周波数制御特性を示すグラフである
。 第４図は速度制限機能を示すグラフである。 Ａ　−Ｄ−・・区域、Ｄ　Ａ　％　Ｄ　Ｄ−・・ダンパ
ー、’ｒＡ−’ｒＯ・・・サーモスタット、１１・・・
屋外コイル、１２・・・屋内コイル、１３・・・主ダク
ト、１４〜１８・・・ダクト、１９・・・システム制御
装置、３５・・・圧縮機、３６・・・インバータ制御装
置、３８・・・ストリップヒーター、３９・・・ブロワ
−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）屋外及び屋内コイルと、制御モジュールに応答し
   て作動する可変速度圧縮機と、区域内に配置されており
   制御モジュールに電気的に接続されている個々のサーモ
   スタットとを有する形式の多重区域空気調和システムに
   於ける圧縮機速度の制御方法に於いて、 区域のなかの実際温度をモニタし、またそれらをそれぞ
   れのサーモスタット設定点と比較して温度差を求める過
   程と、 温度差のうち最大のものを周期的に選択する過程と、 前記最大の温度差に応答して圧縮機速度を調節する過程
   と を含んでいることを特徴とする多重区域空気調和システ
   ムに於ける圧縮機速度の制御方法。
2. （２）可変速度電動機と、個々の区域のサーモスタット
   とを有する形式の空気調和システムに於ける電動機速度
   の制御方法に於いて、 区域の各々のなかの実際温度を検出し、またそれらをそ
   れらの対応付けられているサーモスタット設定点と比較
   してそれぞれの温度差を求める過程と、 前記温度差を比較し、また制御値として利用するべく前
   記温度差のうち最大のものを選択する過程と、 予め定められた伝達関数の使用により前記制御値を所望
   の速度に変換する過程と 可変速度電動機を前記所望の速度で作動させる過程と を含んでいることを特徴とする空気調和システムに於け
   る電動機速度の制御方法。
3. （３）個々の区域のサーモスタットと、空気を個々の区
   域に循環させるための可変速度ファンとを有する形式の
   改良された多重区域空気調和システムに於いて、 個々の区域の温度とそれらの対応付けられているサーモ
   スタット設定点との間の差を求めるための手段と、 前記の個々の区域の温度差を比較し、またそれらのうち
   最大のものを選択する過程と、 代表的な所望の速度を得るべく前記の最大の温度差を利
   用するための手段と、 ファンの速度を前記所望の速度に保つための制御手段と を含んでいることを特徴とする空気調和システム。