JPWO2010061643A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
したがって、消費電力を最小化する制御の適用範囲を拡大する場合、前記所定の範囲を拡大すればよいが、その場合、室内温度との設定温度との偏差も大きくなるため、例えば冷房では、消費電力最小となる場合が、室内温度が高めになる運転状態となるため、快適性が損なわれる、という問題点があった。
また、逆に変化量が大きい場合は、運転状態がハンチングし、冷凍サイクルの状態が安定しない、という問題点があった。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を概略的に示す冷媒回路図である。
本実施の形態の冷凍サイクル装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、屋内の冷暖房に使用される装置である。
図1に示すように、冷凍サイクル装置は、並列に接続された複数台(本実施の形態では1台)の熱源ユニット301と、それに冷媒連絡配管となる液接続配管6及びガス接続配管9を介して並列に接続された複数台(本実施の形態では2台)の利用ユニット302a、302bとを有している。
この冷凍サイクル装置に用いられる冷媒としては、例えばR410A、R407C、R404AなどのHFC冷媒、R22、R134aなどのHCFC冷媒、又は炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがある。
利用ユニット302a、302bは、屋内の天井に埋め込みや吊り下げ等により設置され、又は屋内の壁面に壁掛け等により設置され、液接続配管6及びガス接続配管9を介して熱源ユニット301に接続されて冷媒回路の一部を構成している。
なお、利用ユニット302aと利用ユニット302bとは同様の構成を有しているため、ここでは利用ユニット302aについてのみ説明し、利用ユニット302bについては、各符号にサフィックス「b」を付する。
すなわち、室内熱交換器7aの液側には、液状態又は気液二相状態の冷媒の温度(暖房運転時における過冷却液温度Tco又は冷房運転時における蒸発温度Teに対応する冷媒温度)を検出する液側温度センサ205aが設けられている。
また、室内熱交換器7aには、気液二相状態の冷媒の温度(暖房運転時における凝縮温度Tc又は冷房運転時における蒸発温度Teに対応する冷媒温度)を検出するガス側温度センサ207aが設けられている。
さらに、利用ユニット302aの室内空気の吸入口側には、ユニット内に流入する室内空気の温度(吸込空気温度)を検出する室内温度センサ206aが設けられている。なお、室内温度センサ206aを、利用ユニット302aの室内空気の吹出口側に設けて、ユニット内から吐出する室内空気の温度(吹出空気温度)を検出するようにしてもよい。
なお、液側温度センサ205a、ガス側温度センサ207a、及び室内温度センサ206aは、例えばサーミスタにより構成されている。
熱源ユニット301は、屋外に設置されており、液接続配管6及びガス接続配管9を介して利用ユニット302a、302bに接続されており、冷媒回路の一部を構成している。
熱源ユニット301は、圧縮機1と、四方弁2と、熱源側熱交換器としての室外熱交換器3と、室外送風機4と、絞り手段5aとを備えている。
なお、本実施の形態では、圧縮機1が1台のみの場合を説明するが、これに限定されず、利用ユニット302の接続台数等に応じて、2台以上の圧縮機1が並列に接続されたものであってもよいことは言うまでもない。
また四方弁2は、暖房運転時には、室内熱交換器7a、7bを圧縮機1において圧縮される冷媒の凝縮器として、かつ室外熱交換器3を室内熱交換器7a、7bにおいて凝縮される冷媒の蒸発器として機能させるために、圧縮機1の吐出側とガス接続配管9側とを接続するとともに、圧縮機1の吸入側と室外熱交換器3のガス側とを接続するように(図1の四方弁2の実線を参照)、冷媒流路を切り換える機能を有する。
すなわち、圧縮機1には、吐出温度Tdを検出する吐出温度センサ201が設けられている。
また、室外熱交換器3には、気液二相状態の冷媒の温度(冷房運転時における凝縮温度Tc又は暖房運転時における蒸発温度Teに対応する冷媒温度)を検出するガス側温度センサ202が設けられている。
さらに、室外熱交換器3の液側には、液状態又は気液二相状態の冷媒の温度を検出する液側温度センサ204が設けられている。
また、熱源ユニット301の室外空気の吸入口側には、ユニット内に流入する室外空気の温度すなわち外気温度Taを検出する室外温度センサ203が設けられている。
空気温度設定器は、例えば使用者からの操作に基づいて、利用ユニット302a、302bの吸込空気温度又は吹出空気温度の設定値(目標値)を設定する。
測定部101には、各種温度センサによって検知された各諸量が入力される。この測定部101に入力された各諸量は、演算部102によって処理され、演算結果が制御部103に送られる。そして制御部103により、演算部102の演算結果に基づき、圧縮機1、四方弁2、室外送風機4、絞り手段5a、室内送風機8aが、所望の制御目標範囲に収まるように駆動制御される。
また、演算部102によって得られた運転状態量の演算結果及び冷凍サイクル装置の消費電力の値は記憶部104に記憶される。
また、記憶部104には、採取した消費電力が記憶されており、この記憶された値と現在の冷凍サイクルの消費電力の値が、比較部105によって比較され、その比較結果が判定部106に送られてその判定結果に基づき、冷凍サイクル装置の制御部103の操作量を決定する。
なお、消費電力最小化制御には、冷房運転と暖房運転とが含まれる。
まず、消費電力最小化制御における冷房運転について、図1を用いて説明する。
ここで、圧縮機吸入温度Tsは、ガス側温度センサ207a、207bにより検出される冷媒の蒸発温度を低圧の飽和圧力Psに換算し、ガス側温度センサ202により検出される冷媒の凝縮温度を高圧の飽和圧力Pdに換算し、圧縮機1の吐出温度センサ201により検出される冷媒の吐出温度Tdより、圧縮機1の圧縮工程はポリトロープ指数nのポリトロープ変化と仮定し、下記(1)式より算出することができる。
このように、各室内熱交換器7a、7bには、利用ユニット302a、302bが設置された空調空間において要求される運転負荷に応じた流量の冷媒が流れている。
ここで、圧縮機吸入温度Tsは、ガス側温度センサ202により検出される冷媒の蒸発温度を低圧の飽和圧力Psに換算し、ガス側温度センサ207a、207bにより検出される冷媒の凝縮温度を高圧の飽和圧力Pdに換算し、圧縮機1の吐出温度センサ201により検出される冷媒の吐出温度Tdより、圧縮機の圧縮工程はポリトロープ指数nのポリトロープ変化と仮定し、前述の(1)式より算出することができる。
このように、各室内熱交換器7a、7bには、各利用ユニット302a、302bが設置された空調空間において要求される運転負荷に応じた流量の冷媒が流れている。
そして、室外熱交換器3に流入した低圧の気液二相状態の冷媒は、室外送風機4によって供給される室外空気と熱交換を行って凝縮されて低圧のガス冷媒となり、四方弁2を経由して再び、圧縮機1に吸入される。
次に、消費電力最小化制御方法の考え方について図3を用いて述べる。
図3において、水平面内には、2つの運転操作量(Xm_n:n=識別番号)として、室外送風機4が室外熱交換器3に供給する空気の流量(以下「室外ファン風量Xm_1」という。)と、絞り手段5aの絞り開度(以下「絞り手段の開度Xm_2」という。)とを示す座標軸をとる。また、この面と垂直に、成績係数すなわちCOPを示す座標軸をとる。
このように冷凍サイクル装置の冷却能力又は暖房能力を維持した状態で、冷凍サイクル装置の消費電力を最小とする、すなわち成績係数(COP)を最大とする、室外ファン風量Xm_1と絞り手段の開度Xm_2との運転操作量を求める場合を考える。
次に、上記の室外ファン風量Xm_1の状態で、絞り手段の開度Xm_2を、所定量ΔXm_2だけ増加及び減少させて、現Xm_2(増加及び減少する前のXm_2)を含め3点の中で最も消費電力が小さい運転操作量、すなわちCOPが大きい運転操作量を、絞り手段5aの運転操作量として採用する。
そして、上記の絞り手段の開度Xm_2の状態で、再度、室外ファン風量Xm_1を所定量ΔXm_1だけ増加及び減少させて、消費電力が小さい運転操作量を求める。
この操作を順次繰り返すことによって、室温が目標設定温度になっている状態で、消費電力が最小値となる運転状態が実現できる。
まず、演算部102は、「操作量変更量ΔXm_nの変更倍率の設定」において、増倍率Ciと低減率Crとを設定する。
この増倍率Ciは、後述する「各操作量Xm_n毎の消費電力測定」において、Xm_nの操作量が変更された場合に、操作量変更量ΔXm_nを増加させる倍率として用いるものである。
また、低減率Crは、同様に「各操作量Xm_n毎の消費電力測定」において、Xm_nの操作量が変更されなかった場合に、操作量変更量ΔXm_nを低減させる比率として用いるものである。この増倍率Ciは、通常1.1〜2.0、低減率Crは通常0.9〜0.1であり、最小に設定した値に固定する。
これらの増倍率Ciと低減率Crとを用いることにより、操作量変更量ΔXm_nが弾力的に変化し、収束速度と、消費電力が最小となる運転状態実現への精度が向上する。
次に、演算部102は、「各操作量の最小増分の設定」において、各変数の所要精度(絶対値)として最小操作変更量ε_nの値を設定する。
すなわち、操作量変更量ΔXm_nは、最小操作変更量ε_nより小さくならないようにして、各操作量の更新限界を設定する。この最小操作変更量ε_nの値は、例えば絞り手段の開度であれば、最小開度変更量であるため、電気式膨張弁であれば1パルス分に相当する。また、外ファン風量であれば、最小ファンモータ変更回転数となる。
さらに、演算部102は、「各操作量、増分比率の初期値設定」において、操作量Xm_nの初期値と増分比率D_nの初期値とを設定する。
各操作量Xm_nの初期値は、現在の操作量を入力する。増分比率D_nの初期値は、所定値(例えば0.05)を入力する。
ここから、「各操作量Xm_n毎の消費電力測定」を行う繰り返しループに入る。
まず、繰り返しループの中で、演算部102は、最初に「増分計算」において、操作量変更量ΔXm_nを次式にて計算する。
次に、演算部102は、「消費電力測定」において、操作量Xm_nを操作量変更量ΔXm_nだけ増加及び減少させる。そして、操作量Xm_n、操作量Xm_n+ΔXm_n、操作量Xm_n−ΔXm_nの3パターンでの消費電力の値を、電力検出手段から取得する。そして取得した消費電力の値を、それぞれW[0]、W[1]、W[2]として、記憶部104に記憶させる。
次に、「3パターンの消費電力比較」において、比較部105は、記憶部104に記憶された消費電力W[0]、W[1]、W[2]の値を比較する。
判定部106は、比較部105により比較された消費電力W[0]、W[1]、W[2]の値のうち、最も消費電力が小さいものを判定し、当該消費電力での操作量を選択する。制御部103は、判定部106により選択された操作量を採用して運転操作を行う。
一方、操作量Xm_n+ΔXm_n、又は操作量Xm_n−ΔXm_nでの消費電力が最小である場合、すなわち制御部103が操作する運転操作量が更新された場合は、増分比率D_nに増倍率Ciを掛けたものを次回の増分比率D_nとする。
なお、この操作量Xm_nの収束の判断は、例えば、操作量変更量ΔXm_nが最小操作変更量ε_n以下となったとき、操作量Xm_nが収束したと判断する。
つまり、増分比率D_nの値は、操作量変更量ΔXm_n≧最小操作変更量ε_nとなるように、増分比率D_nの下限値を制限する。
図5及び図6において、操作量Xm_nを基準として、操作量Xm_nでの入力をW[0]とし、+ΔXm_n、−ΔXm_n変化させた時の入力をそれぞれ、W[1]、W[2]とする。
一方、例えば図6に示すように、W[0]、W[1]、W[2]を比較し、消費電力Wの最小値が、W[0]である場合、Wが最小となる解が、操作量Xm_n±ΔXm_nの範囲内にある可能性がある。このため、次回の増分比率D_nを減少させ、操作量変更量ΔXmを減少させる。
このように、順次、操作量変更量ΔXm_nを更新していくことで、消費電力Wが最小となる操作量Xm_nを、収束性が良く(収束速度が速く)、かつ精度良く求めることができる。
次に、演算部102は、操作パラメータを次のパラメータ(n=n+1)に変化させて、当該操作量Xm_nについて、再度、ステップS14「各操作量Xm_n毎の消費電力測定」を行う。
そして、すべての操作パラメータ数(n=nmax)まで一通り実施した場合は、最初の操作パラメータ(n=1)に戻り、繰り返し同じ操作を行う。
このようにすることで、消費電力の最小化に影響の大きいパラメータから収束させることが可能となるため、時間的に効率的に消費電力を最小化できる。
これにより、機器の運転保証範囲の制約の中で消費電力が最小となる最適な運転状態を実現できる。
例えば、ここで、運転保証範囲外の運転になるというのは、冷房時に冷凍サイクルの高圧が、機器の運転保証である高圧上限値に近い状態で運転している場合に、室外ファン風量を低下させる操作を行うのは、高圧圧力が確実に上昇するため、運転保証範囲外の運転になる危険性があり、風量低下の操作を禁止すれば、運転保証外の運転を回避することが可能となる。
このため、冷却能力又は暖房能力を維持しつつ、消費電力の低減を図ることができる。したがって、室内温度と設定温度との偏差を小さくして、如何なる設置条件、環境条件においても、室内の快適性を維持した上で、消費電力が最小となる運転状態を求めることができる。
つまり、過冷却度、過熱度等の冷凍サイクルの冷媒状態を計測している測定手段が経年劣化や故障により、測定不能になった場合でも、機器の信頼性を維持した状態で、高効率な運転を実現できる。
このため、センサ精度への依存度を小さくすることができる。したがって、常に高効率な運転状態が保持され、機器の信頼性を確保することができる。
このため、消費電力Wが最小となる操作量Xm_nを、収束性が良く(収束速度が速く)、かつ精度良く求めることができる。したがって、消費電力が最小となる最適運転状態を迅速に実現できる。
例えば、ローカルコントローラを、冷凍サイクル装置の消費電力を取得する測定部101及び操作量を演算する演算部102とし、記憶装置を記憶部104とし、遠隔サーバを比較部105、判定部106、及び報知部として機能させる等の構成が考えられる。
この場合には、冷凍サイクル装置には現在の消費電力及び運転状態量の基準値や演算比較する機能を有しておく必要がなくなる。
また、このように遠隔監視できるシステムを構成することによって、定期メンテナンス時に、作業者が現地に赴いて消費電力最小化制御の稼動もしくは停止を行う作業の必要がなくなるため、機器の操作性が向上する。
例えば本実施の形態では、冷暖切り換え可能な冷凍サイクル装置に本発明を適用したものを例に挙げて説明したが、これに限定されず、暖房専用の冷凍サイクル装置や冷房専用の冷凍サイクル装置や冷暖同時運転可能な冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。
また、家庭用のルームエアコンや冷蔵庫などの小型の冷凍サイクル装置や、冷蔵倉庫の冷却用の冷凍機やヒートポンプチラーなどの大型の冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。
図7は実施の形態2に係る冷凍サイクル装置を概略的に示す冷媒回路図である。
図7において、前述の実施の形態1と同一部分には同一符号を付してある。
それ以外の構成は前述の実施の形態1と同様である。
したがって、本実施の形態2においても、基本的な消費電力最小化制御の考え方は変わらないため、実施の形態1と同様に消費電力を最小化する運転を実現できる。
図8は実施の形態3に係る冷凍サイクル装置を概略的に示す冷媒回路図である。
図8において、前述の実施の形態1と同一部分には同一符号を付してある。
なお、冷媒−冷媒熱交換器210は、例えばプレート式熱交換器や二重管式熱交換器等を用いることが考えられる。
それ以外の構成は前述の実施の形態1と同様である。
したがって、本実施の形態3においても、基本的な消費電力最小化制御の考え方は変わらないため、実施の形態1と同様に消費電力を最小化する運転を実現できる。
図9は実施の形態4に係る冷凍サイクル装置を概略的に示す冷媒回路図である。
図9において、前述の実施の形態1と同一部分には同一符号を付してある。
それ以外の構成は前述の実施の形態1と同様である。
また、プレート式熱交換器401もこの形態に限るものではなく、冷媒と流体間で熱交換できるものであれば、二重管熱交換器やマイクロチャネル等でもよい。
したがって、本実施の形態4においても、実施の形態1と同様に消費電力を最小化する運転を実現できる。
Claims (7)
- 運転容量が可変である圧縮機と、室外送風機が付設された熱源側熱交換器と、絞り開度が可変である絞り手段と、室内送風機が付設された利用側熱交換器とを順次接続した冷凍サイクル装置において、
前記利用側熱交換器の吸込空気温度又は吹出空気温度の目標値を設定する空気温度設定器と、
前記目標値と前記吸込空気温度又は前記吹出空気温度との偏差が小さくなるように、前記圧縮機の運転容量、前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度の少なくとも1つを制御する運転制御手段と、
当該冷凍サイクル装置の消費電力を検出する電力検出手段と
を備え、
前記運転制御手段は、
前記圧縮機の運転容量、前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度の少なくとも1つの運転操作量について、当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる運転操作量を求め、
該運転操作量に応じて、前記圧縮機の運転容量、前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度の少なくとも1つを制御する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記運転制御手段は、
前記圧縮機の運転容量、前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度のうち、少なくとも1つの運転操作量を、前記目標値と前記吸込空気温度又は前記吹出空気温度との偏差が小さくなるように制御し、
該偏差が小さくなるように制御する運転操作量以外の運転操作量について、当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる運転操作量を求める
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記運転制御手段は、
前記圧縮機の運転容量の運転操作量を、前記目標値と前記吸込空気温度又は前記吹出空気温度との偏差が小さくなるように制御し、
前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度の運転操作量について、当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる運転操作量を求める
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記運転制御手段は、
前記圧縮機の運転容量、前記室外送風機の風量、前記室内送風機の風量、及び前記絞り手段の絞り開度の少なくとも1つについて、運転操作量を所定量増加及び減少させ、
所定量増加した運転操作量、所定量減少した運転操作量、並びに増加及び減少する前の運転操作量において検出された前記消費電力に基づき、当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる運転操作量を求める
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記運転制御手段は、
前記所定量増加した運転操作量、前記所定量減少した運転操作量、並びに前記増加及び減少する前の運転操作量において検出された前記消費電力のうち、
前記所定量増加した運転操作量、又は前記所定量減少した運転操作量において検出された前記消費電力が最小となるとき、前記所定量の値を増加させた所定量を用いて、当該運転操作量を所定量増加及び減少させ、
前記増加及び減少する前の運転操作量において検出された前記消費電力が最小となるとき、前記所定量の値を減少させた所定量を用いて、当該運転操作量を所定量増加及び減少させ、
当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる運転操作量を繰り返し求める
ことを特徴とする請求項4記載の冷凍サイクル装置。 - 前記運転制御手段は、
当該冷凍サイクル装置の消費電力が最小となる前記運転操作量が、所定の運転保証範囲内にあるとき、当該運転操作量に応じた制御を行う
ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記電力検出手段は、
当該冷凍サイクル装置に供給される電力を検出する電力検出手段又は電流検出手段を有する
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
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