WO2010061643A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

　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冷凍サイクル装置を得る。 　目標値と吸込空気温度又は吹出空気温度との偏差が小さくなるように、圧縮機１の運転容量、室外送風機４の風量、室内送風機８の風量、及び絞り手段５の絞り開度の少なくとも１つを制御する運転制御手段１００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、運転制御手段１００は、圧縮機１の運転容量、室外送風機４の風量、室内送風機８の風量、及び絞り手段５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、圧縮機１の運転容量、室外送風機４の風量、室内送風機８の風量、及び絞り手段５の絞り開度の少なくとも１つを制御するものである。

Description

冷凍サイクル装置

　本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に、消費電力の低減に関する。

　従来の冷凍サイクル装置においては、例えば、「演算により決められた前記開度及び前記回転数をそれぞれの偏差が所定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるように補正する第３の演算機構とを具備している」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１５６１９１号公報（請求項１）

　従来の冷凍サイクル装置にあっては、制御の直接の目的が室温の設定値及び圧縮機の過熱度の目標値との偏差が所定の範囲内にある場合のみ、消費電力の最小化を図る制御を行っている。
　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、圧縮機の過熱度等を演算するのに使用している温度センサ及び圧力センサが経年劣化もしくは故障等により実際の値に対して誤差が大きい検出値を出力している場合は、見かけ上、実際に制御した目標値との偏差が大きくなり、消費電力の最小化を図る制御が行われない。このため、従来の技術では、センサ精度への依存性が大きい、という問題点があった。

　また、従来の技術では、消費電力が最小値となる運転操作量の決定方法は、現在の操作量に対して、一定の操作量だけ変化させて、消費電力の増減から順次探索しているため、一定の操作量の変化量が小さい場合は、ゲインが小さいことと同一であるため、消費電力が最小値となる運転状態を探索するまでに時間がかかり収束性が悪くなる、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。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、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冷凍サイクル装置を得るものである。

　本発明に係る冷凍サイクル装置は、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つを制御するものである。

　本発明は、目標値と吸込空気温度又は吹出空気温度との偏差が小さくなるように、圧縮機の運転容量、室外送風機の風量、室内送風機の風量、及び絞り手段の絞り開度の少なくとも１つを制御し、圧縮機の運転容量、室外送風機の風量、室内送風機の風量、及び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。

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。 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。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御の説明図である。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御の動作フローチャートである。 実施の形態１に係る操作量変更量ΔＸｍの変更方法について説明する図である。 実施の形態１に係る操作量変更量ΔＸｍの変更方法について説明する図である。 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。 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。 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。

符号の説明

　１　圧縮機、２　四方弁、３　室外熱交換器、４　室外送風機、５ａ　絞り手段、５ｂ　絞り手段、５ｄ　絞り手段、６　液接続配管、７ａ　室内熱交換器、７ｂ　室内熱交換器、８ａ　室内送風機、８ｂ　室内送風機、９　ガス接続配管、１０　吸入圧力センサ、１１　吸入温度センサ、１２　バイパス回路、２０　レシーバ、１００　運転制御手段、１０１　測定部、１０２　演算部、１０３　制御部、１０４　記憶部、１０５　比較部、１０６　判定部、２０１　吐出温度センサ、２０２　ガス側温度センサ、２０３　室外温度センサ、２０４　液側温度センサ、２０５ａ　液側温度センサ、２０５ｂ　液側温度センサ、２０６ａ　室内温度センサ、２０６ｂ　室内温度センサ、２０７ａ　ガス側温度センサ、２０７ｂ　ガス側温度センサ、２０８　冷媒－冷媒熱交換器低圧入口温度センサ、２０９　冷媒－冷媒熱交換器低圧出口温度センサ、２１０　冷媒－冷媒熱交換器、３０１　熱源ユニット、３０２ａ　利用ユニット、３０２ｂ　利用ユニット、４００　圧力センサ、４０１　プレート式熱交換器、４０２　流体入口温度センサ、４０３　流体出口温度センサ、４０４　流体送出手段。

実施の形態１．
　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＞
　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。

　次に、利用ユニット３０２ａ、３０２ｂの詳細な構成について説明する。
　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。

　利用ユニット３０２ａは、冷媒回路の一部である室内側冷媒回路を構成しており、室内送風機８ａと、利用側熱交換器である室内熱交換器７ａとを備えている。

　室内熱交換器７ａは、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器からなり、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内の空気を冷却し、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能して室内の空気を加熱する。

　室内送風機８ａは、室内熱交換器７ａに付設され、室内熱交換器７ａに供給する空気の流量を可変することが可能なファン、例えばＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等からなり、これによって利用ユニット３０２ａ内に室内空気を吸入し、室内熱交換器７ａにより冷媒との間で熱交換した空気を供給空気として室内に供給する機能を有する。

　また、利用ユニット３０２ａには、各種のセンサが設置されている。
　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。

　室内送風機８ａは、これらセンサの検出値に応じて運転制御手段１００（後述）によって制御される。制御動作については後述する。

＜熱源ユニット＞
　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。

　次に、熱源ユニット３０１の詳細な構成について説明する。
　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。

　絞り手段５ａは、熱源ユニット３０１の液側に接続配置されている。この絞り手段５ａは、絞り開度が可変であり、冷媒回路内を流れる冷媒の流量の調節等を行う。

　圧縮機１は、運転容量を可変することが可能であり、例えばインバータにより制御されるモータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機を用いる。この圧縮機１は、制御部１０３により制御される。例えば、室内熱交換器７ａ、７ｂの室内温度センサ２０６ａ、２０６ｂと、後述する空気温度設定器の設定温度（目標値）との偏差に応じて制御される。制御動作については後述する。
　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。

　四方弁２は、冷媒の流れの方向を切り換えるための弁である。この四方弁２は、冷房運転時には、室外熱交換器３を圧縮機１において圧縮される冷媒の凝縮器として、かつ室内熱交換器７ａ、７ｂを室外熱交換器３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の吐出側と室外熱交換器３のガス側とを接続するとともに、圧縮機１の吸入側とガス接続配管９側とを接続するように（図１の四方弁２の破線を参照）、冷媒流路を切り換える。
　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。

　室外熱交換器３は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器からなる。この室外熱交換器３は、そのガス側が四方弁２に接続され、その液側が液接続配管６に接続され、冷房運転時には冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能する。

　室外送風機４は、室外熱交換器３に付設され、室外熱交換器３に供給する空気の流量を可変することが可能なファン、例えばＤＣファンモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンからなり、これによって熱源ユニット３０１内に室外空気を吸入し、室外熱交換器３により冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する機能を有する。

　また、熱源ユニット３０１には、各種のセンサが設置されている。
　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。

　なお、圧縮機１、四方弁２、室外送風機４、及び絞り手段５ａは、これらセンサの検出値に応じて運転制御手段１００（後述）によって制御される。制御動作については後述する。

　以上のように、熱源ユニット３０１と利用ユニット３０２ａ、３０２ｂとが液接続配管６とガス接続配管９を介して接続されて、冷凍サイクル装置の冷媒回路が構成されている。

＜制御系＞

　本実施の形態における冷凍サイクル装置は、運転制御手段１００、図示しない空気温度設定器、及び電力検出手段を有している。
　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。

　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し、当該冷凍サイクル装置の消費電力を検出する。

　運転制御手段１００は、測定部１０１、演算部１０２、制御部１０３、記憶部１０４、比較部１０５、判定部１０６を有している。
　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。

　次に、本実施の形態の冷凍サイクル装置の消費電力を最小にする消費電力最小化制御について説明する。
　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。

＜消費電力最小化制御＞
　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。

　冷房運転時は、四方弁２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機１の吐出側が室外熱交換器３のガス側に接続され、かつ圧縮機１の吸入側が室内熱交換器７ａ、７ｂのガス側に接続された状態となる。また、絞り手段５ａは圧縮機１の吸入側における冷媒の過熱度が所定値になるように開度調節される。本実施の形態において、圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度は、まず圧縮機吸入温度Ｔｓより、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Ｔｅを差し引くことによって求められる。
　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。

　ここで、Ｔｓ、Ｔｄは温度［Ｋ］、Ｐｓ、Ｐｄは圧力［ＭＰａ］、ｎはポリトロープ指数［－］である。ポリトロープ指数は一定値（例えばｎ＝１．２）としてもよいが、Ｐｓ、Ｐｄの関数として定義することで、より精度よく圧縮機吸入温度Ｔｓを推測することができる。

　なお、図２の冷媒回路図に示すように、圧縮機１の吸入側に吸入圧力センサ１０と吸入温度センサ１１を設け、吸入圧力センサ１０により検出される圧縮機１の吸入圧力Ｐｓより蒸発温度Ｔｅに対応する飽和温度値に換算し、吸入温度センサ１１により検出される冷媒温度値からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって冷媒の過熱度を検出するようにしてもよい。

　なお、高圧の圧力及び低圧の圧力を算出するのに、ここでは冷媒の凝縮温度及び蒸発温度より換算しているが、圧縮機１の吸入側、吐出側に直接圧力センサを付加し求めるようにしてもよいことは言うまでもない。

　この冷媒回路の状態で、圧縮機１、室外送風機４及び室内送風機８ａ、８ｂを起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。その後、高圧のガス冷媒は、四方弁２を経由して室外熱交換器３に送られて、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高圧の液冷媒となる。

　そして、この高圧の液冷媒は、絞り手段５ａによって減圧されて、低温低圧の気液二相冷媒となり、液接続配管６を経由して利用ユニット３０２ａ、３０２ｂに送られ、室内熱交換器７ａ、７ｂで室内空気と熱交換を行って蒸発されて低圧のガス冷媒となる。ここで、絞り手段５ａは、圧縮機１の吸入における過熱度が所定値になるように室内熱交換器７ａ、７ｂ内を流れる冷媒の流量を制御しているため、室内熱交換器７ａ、７ｂにおいて蒸発された低圧のガス冷媒は、所定の過熱度を有する状態となる。
　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。

　この低圧のガス冷媒は、ガス接続配管９を経由して熱源ユニット３０１に送られ、四方弁２を経由して、再び、圧縮機１に吸入される。

　次に、暖房運転について説明する。

　暖房運転時は、四方弁２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機１の吐出側が室内熱交換器７ａ、７ｂのガス側に接続され、かつ圧縮機１の吸入側が室外熱交換器３のガス側に接続された状態となる。また、絞り手段５ａは圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度が所定値になるように開度調節される。本実施の形態において、圧縮機１の吸入における冷媒の過熱度は、まず圧縮機吸入温度Ｔｓより、ガス側温度センサ２０２により検出される冷媒の蒸発温度Ｔｅを差し引くことによって求められる。
　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。

　なお、冷房運転と同様に、図２に示すように、圧縮機１の吸入側に吸入圧力センサ１０と吸入温度センサ１１を設け、吸入圧力センサ１０により検出される圧縮機１の吸入圧力Ｐｓより蒸発温度Ｔｅに対応する飽和温度値に換算し、吸入温度センサ１１により検出される冷媒温度値からこの冷媒の飽和温度値を差し引くことによって冷媒の過熱度を検出するようにしてもよい。

　なお、冷房運転と同様に、高圧の圧力及び低圧の圧力を算出するのに、ここでも冷媒の凝縮温度及び蒸発温度より換算しているが、圧縮機１の吸入側、吐出側に直接圧力センサを付加し求めるようにしてもよいことは言うまでもない。

　この冷媒回路の状態で、圧縮機１、室外送風機４及び室内送風機８ａ、８ｂを起動すると、低圧のガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となり、四方弁２及びガス接続配管９を経由して、利用ユニット３０２ａ、３０２ｂに送られる。

　そして、利用ユニット３０２ａ、３０２ｂに送られた高圧のガス冷媒は、室内熱交換器７ａ、７ｂにおいて、室内空気と熱交換を行って凝縮されて高圧の液冷媒となった後、液接続配管６を経由して、絞り手段５ａによって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となる。ここで、絞り手段５ａは、圧縮機１の吸入における過熱度が所定値になるように室内熱交換器７ａ、７ｂ内を流れる冷媒の流量を制御しているため、室内熱交換器７ａ、７ｂにおいて凝縮された高圧の液冷媒は、所定の過冷却度を有する状態となる。
　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。

　この低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源ユニット３０１の室外熱交換器３に流入する。
　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。

　このように、冷房運転及び暖房運転を含む運転処理が運転制御手段１００により行われる。つまり、運転制御手段１００は、空気温度設定器により設定された目標値と、室内熱交換器７ａ、７ｂの吸込空気温度（又は吹出空気温度）との偏差が小さくなるように運転動作を制御する。

＜消費電力最小化制御方法＞
　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は実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御の説明図である。
　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。

　ここで、圧縮機１の運転容量（回転数）は、室温が目標設定温度になるように空調負荷に応じて常に制御されているものとする。
　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。

　まず、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る。そして、現Ｘｍ＿１（増加及び減少する前のＸｍ＿１）を含めた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が最も大きくなる運転操作量を、室外送風機４の運転操作量として採用する。
　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。

　つまり、運転制御手段１００は、圧縮機１の運転容量の運転操作量を、空気温度設定器により設定された目標値と、室内熱交換器７ａ、７ｂの吸込空気温度（又は吹出空気温度）との偏差が小さくなるように制御し、室外ファン風量Ｘｍ＿１、及び絞り手段の開度Ｘｍ＿２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となる。

　なお、図３においては、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説明したが、同様の考え方により、室内送風機８ａの運転操作量など、他の運転操作量Ｘｍ＿ｎについて、順次行うことにより、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ができる。

　なお、上記説明では、圧縮機１の運転容量を空調負荷に応じて制御して、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説明したが、本発明はこれに限るものではなく、圧縮機１の運転容量、室外送風機４の風量、室内送風機８の風量、及び絞り手段５ａの絞り開度等のうち、少なくとも１つの運転操作量を、目標値と吸込空気温度（又は吹出空気温度）との偏差が小さくなるように制御し、この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ようにしてもよい。

　次に、消費電力最小化制御における運転制御手段１００の詳細動作について、図４のフローチャートを用いて述べる。ここで、消費電力最小化実現のため、消費電力である評価関数を、Ｘｍ＿１～Ｘｍ＿ｎのｎ個の変数によって定義されたものとする。

　図４は実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御の動作フローチャートである。以下、図４の各ステップについて説明する。

（Ｓ１１）
　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。

（Ｓ１２）
　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。

（Ｓ１３）
　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。

（Ｓ１４）
　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。

（Ｓ１５）
　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。

（Ｓ１６）
　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。

（Ｓ１７）
　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。

　さらに、演算部１０２は、初期の操作量Ｘｍ＿ｎ（増加又は減少する前の操作量）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なかった場合は、増分比率Ｄ＿ｎに低減率Ｃｒを掛けたものを次回の増分比率Ｄ＿ｎとする。
　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。

　そして、演算部１０２は、更新した増分比率Ｄ＿ｎを用いて、消費電力を最小とする操作量Ｘｍ＿ｎが収束するまで、ステップＳ１５～Ｓ１７を繰り返し行う。
　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。

　ここで、消費電力Ｗの最小値探索における、操作量変更量ΔＸｍの変更方法について、図５、図６を用いて説明する。

　図５及び図６は実施の形態１に係る操作量変更量ΔＸｍの変更方法について説明する図である。
　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。

　例えば図５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［１］もしくは、Ｗ［２］である場合、Ｗが最小となる解が、操作量Ｘｍ±ΔＸｍの範囲外にある可能性がある。このため、次回の増分比率Ｄ＿ｎを増加させて、操作量変更量ΔＸｍ＿ｎを増加させる。
　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。

（Ｓ１８）
　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。

　なお、上記説明（図４）では、操作量Ｘｍ＿ｎを１つずつ別個に変更する手順を示したが、１つの操作量を３パターンで変更中に、他の操作量を同時に変更してもよい。
　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。

　なお、上記説明（図４）では、操作量変更量ΔＸｍ＿ｎについて、制約を設けるようにしても良い。つまり、演算部１０２によって算出されるパラメータの操作量の変更を行うことによって、冷凍サイクルの状態がその機器の運転保証範囲外の運転に近づくと想定される場合は、その操作変更を禁止するという制約条件を設ける。すなわち、消費電力が最小となる運転操作量が、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。

　以上のように本実施の形態においては、圧縮機１の運転容量の運転操作量を、空気温度設定器により設定された目標値と室内熱交換器７ａ、７ｂの吸込空気温度（又は吹出空気温度）との偏差が小さくなるように制御し、室外送風機４の風量、室内送風機８の風量、及び絞り手段５ａ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。

　また、本実施の形態における消費電力最小化制御は、必然的に最も消費電力が小さくなる運転状態、すなわち熱交換性能が最も高くなる操作量を、消費電力の計測量によって探索するため、過冷却度、過熱度等の冷凍サイクルの冷媒の状態量を測定する必要がない。
　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。

　また、「各操作量Ｘｍ＿ｎ毎の消費電力測定」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、このときの消費電力Ｗ［０］、Ｗ［１］、Ｗ［２］に基づき、当該冷凍サイクル装置の消費電力Ｗが最小となる運転操作量を求める。そして、消費電力の比較結果に応じて、操作量変更量ΔＸｍ＿ｎの増分比率Ｄ＿ｎを増加（増倍率Ｃｉ）又は減少（低減率Ｃｒ）させる。この更新した操作量変更量ΔＸｍ＿ｎを用いて、消費電力が最小となる運転操作量を繰り返し求める。
　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。

　なお、本実施の形態における消費電力最小化制御は、従来の冷凍サイクル装置の制御の基本制御方法を変更するものではないので、この消費電力の最小化が不必要もしくは不可能な場合には、使用者の判断もしくは運転制御手段１００の判断によって、この消費電力最小化を停止もしくは休止させてもよい。

　なお、本実施の形態においては、消費電力を最小化することを目的として説明したが、その代わりに成績係数（ＣＯＰ）やエネルギー効率を最大化することを評価標として用いてもよい。これは、冷凍サイクルの能力と消費電力の比で求められるので同じことになる。

　なお、本実施の形態における冷凍サイクル装置の構成に加え、各構成機器を管理して運転データを電話回線、ＬＡＮ回線、無線などの外部との通信を行い取得する管理装置としてのローカルコントローラを接続する構成としてもよい。このようなローカルコントローラを、冷凍サイクル装置の運転データを受信する情報管理センターの遠隔サーバに、ネットワークを介して接続し、遠隔サーバに消費電力を記憶するディスク装置等の記憶装置を接続することによって、消費電力最小化制御システムを構成することができる。
　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。

　以上、本実施の形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これに限られるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
　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。

　また、本実施の形態では、１台の熱源ユニット３０１を備えた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、複数台の熱源ユニット３０１を備えた冷凍サイクル装置に本発明を適用してもよい。

実施の形態２．
　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。

　本実施の形態の冷凍サイクル装置は、図７に示すように、絞り手段５ａの後に冷房と暖房の必要冷媒量の差である余剰冷媒量を溜めるレシーバ２０を設けるとともに、そのレシーバ２０と液接続配管６の流路の間に絞り手段５ｂを新たに付加したものである。このような構成は、現地での接続配管長が長く、冷房と暖房の差での余剰冷媒が多量に発生するタイプの冷凍サイクル装置に好適である。
　それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

　このような構成により、本実施の形態における冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御は、操作量Ｘｍ＿ｎとして、絞り手段５ａもしくは絞り手段５ｂのそれぞれの弁開度が操作パラメータとして増えるのみである。
　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。

実施の形態３．
　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。

　本実施の形態の冷凍サイクル装置は、図８に示すように、実施の形態１に示した液側温度センサ２０４と室外熱交換器３の間に、レシーバ２０を設け、レシーバ２０と液側温度センサ２０４の間に冷媒－冷媒熱交換器２１０を設け、高圧側の冷媒－冷媒熱交換器通過後の冷媒を絞り手段５ｄによって減圧し、低温低圧の冷媒を冷媒－冷媒熱交換器に流し、レシーバ通過後の冷媒の過冷却度を増加により冷却能力を増加させるバイパス回路１２を備え、冷媒－冷媒熱交換器２１０の前後に冷媒－冷媒熱交換器入口温度センサ２０８、冷媒－冷媒熱交換器出口温度センサ２０９を設けたものである。
　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。

　このような構成により、本実施の形態における冷凍サイクル装置の消費電力最小化制御は、絞り手段５ｄの弁開度が操作パラメータとして増えるのみである。
　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。

　なお、本実施の形態ではレシーバ２０を設けた冷媒回路構成で示したが、レシーバ２０が無い構成としてもよい。

実施の形態４．
　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。

　本実施の形態の冷凍サイクル装置は、図９に示すように、実施の形態１に示した圧縮機１の吐出部分に高圧圧力を検出する圧力センサ４００を設け、利用ユニット３０２ａは、冷媒回路の一部である室内側冷媒回路を構成しており、利用側熱交換器であるプレート式熱交換器４０１と、プレート式熱交換器内を流れる冷媒と熱交換する流体送出手段４０４と、送出される流体の熱交換前後の温度を検出する流体入口温度センサ４０２と、流体出口温度センサ４０３とで構成されたものである。
　それ以外の構成は前述の実施の形態１と同様である。

　ここで、プレート式熱交換器４０１内を流れる冷媒と熱交換を行う流体は、冷媒の凝縮熱の吸熱対象となるものであればよく、例えば水、冷媒、ブライン等でもよい。また、流体送出手段４０４は圧縮機やポンプ等でもよい。
　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。

　このような冷媒回路構成でも、冷凍サイクルは、前述の実施の形態１と同じ冷媒回路になる。
　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)

1. 　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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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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