JP2013130160A - 空気調和機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、圧縮機44、室外機12、第1膨張弁41、第2膨張弁43、及び室内機11が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、圧縮機44を制御する制御手段61とを備え、制御手段61は、圧縮機44の吐出過熱度及び圧縮機44の軸トルクに基づいて、圧縮機44の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて圧縮機44を制御する。
【選択図】図3
Description
具体的には、従来の空気調和機は、圧縮機の運転周波数や膨張弁の開度を制御することにより、圧縮機の吐出温度と、凝縮器の凝縮温度との差をある一定値以上に保つように制御していた。
より具体的には、従来の空気調和機は、例えば、吐出温度と凝縮温度との差が10(℃)以下となった状態を検出したとき、圧縮機の運転周波数を上げたり、膨張弁の開度を小さくしたりしていた。これにより、従来の空気調和機は、吐出温度と凝縮温度との差を10(℃)以上に保つように調整していた(例えば、特許文献1参照)。
換言すれば、従来の空気調和機は、圧縮機内部の駆動系の物理特性値を考慮することなく、一律に圧縮機の運転周波数を大きくする制御をすることにより圧縮機を保護していた。
これにより、従来の空気調和機は、圧縮機の液バックの現象を防ぐことで圧縮機を保護する際、消費電力を大きくしていることになっていた。
まず、実施の形態1の説明に先立って、従来の空気調和機における圧縮機保護動作処理について、図1、2を用いて説明し、その問題点を明らかにしたところで、次に、本発明の実施の形態1における圧縮機保護動作処理について、図3〜6を用いて説明する。
また、圧縮機軸トルクと蒸発温度とから凝縮温度を推定する処理について、図7を用いて説明する。
図1に示すように、従来の空気調和機1は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、図示しない屋内の冷暖房に使用される装置であり、室内機11と、室外機12とを備える。
室内機11は、屋内の天井に埋め込まれたり、吊り下げられたりすることで設置されるものである。また、室内機11は、屋内の壁面に壁掛けされることにより設置されるものでもある。
室内機11は、ガス接続配管21及び液接続配管22を介して室外機12に接続されて冷媒回路の一部を構成している。
室内機11は、利用側熱交換器として機能する室内熱交換器31と、図示しない室内送風機とを有する。
室内熱交換器温度センサ32は、冷房運転時には室内熱交換器31を流れる冷媒の蒸発温度を検出し、暖房運転時には室内熱交換器31を流れる冷媒の凝縮温度を検出する。
また、室内機11の室内空気の吸入口側に、室内機11内に流入する室内空気の温度を検出する室内温度センサが設けられていてもよい。
また、室内機11の室内空気の吹出口側に、室内機11内から吐出する室内空気の温度を検出する室内温度センサが設けられていてもよい。
室外機12は、屋外に設置されるものであり、ガス接続配管21及び液接続配管22を介して室内機11に接続されて冷媒回路の一部を構成している。
室外機12は、第1膨張弁41と、レシーバ42と、第2膨張弁43と、圧縮機44と、四方弁46と、熱源側熱交換器として機能する室外熱交換器47とを有し、冷媒配管を介して接続されている。
レシーバ42は、冷媒液を貯留するものであり、また、内部に冷媒熱交換器51(詳細については後述する)を有するものである。また、レシーバ42と第1膨張弁41との間は、冷媒配管で接続され、レシーバ42と第2膨張弁43との間は、冷媒配管で接続されている。これらの冷媒配管は、レシーバ42の内部において、ある程度の長さで形成され、液冷媒をレシーバ42の内部に液滴させている。
第2膨張弁43は、中圧状態の冷媒を減圧して低圧状態にするものであり、例えば、開度が可変に制御可能な電子式膨張弁等で構成されている。
また、圧縮機44は、図示しない制御部により制御され、例えば、室内熱交換器31と、図示しないリモートコントローラーの設定温度(目標値)との偏差に応じて制御される。
また、圧縮機44には、吐出側に吐出温度を検出するセンサとして圧縮機吐出温度センサ45が設けられている。圧縮機吐出温度センサ45は、例えば、サーミスタにより構成されるものである。
なお、圧縮機吐出温度センサ45は、本発明における「吐出温度検知手段」に相当する。
これにより、四方弁46は、室外熱交換器47を圧縮機44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31を室外熱交換器47において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させている。
これにより、四方弁46は、室内熱交換器31を圧縮機44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47を室内熱交換器31において凝縮される冷媒の蒸発器として機能させている。
また、室外熱交換器47は、室外熱交換器47のガス側が冷媒配管を介して四方弁46に接続され、室外熱交換器47の液側が冷媒配管を介して第2膨張弁43に接続されている。
室外熱交換器温度センサ48は、冷房運転時には室外熱交換器47を流れる冷媒の凝縮温度を検出し、暖房運転時には室外熱交換器47を流れる冷媒の蒸発温度を検出する。
また、室外機12の室外空気の吸入口側に、室外機12内に流入する室外空気の温度を検出する室外温度センサが設けられていてもよい。
制御部は、各パラメータを設定する。
具体的には、制御部は、現在の運転周波数F、吐出過熱度による圧縮機の運転周波数補正制限値Fx、吐出温度検出値と凝縮温度検出値との差分である吐出過熱度SHd、及び吐出過熱度の補正開始値SHdx1を設定する。
また、圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、液バックの現象を生じさせない状態の運転周波数の下限値を意味するものである。つまり、圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、圧縮機に流入する冷媒が気相冷媒の状態であるときの圧縮機の運転周波数のうち、圧縮機の運転周波数の下限値として、最低運転周波数を定めたものである。圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、例えば、シミュレーションや実験等により、予め求めておけばよい。
例えば、吐出過熱度SHdは、冷房運転時には、圧縮機吐出温度センサ45から検出した吐出温度と、室外熱交換器温度センサ48から検出した凝縮温度との差分から求められ、暖房運転時には、圧縮機吐出温度センサ45から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ32から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。
ただし、後述するように、吐出過熱度SHdが吐出過熱度の補正開始値SHdx1を下回ったときであっても、実際には、圧縮機44内部の駆動系の物理特性値を考慮すれば、圧縮機44に負荷がそれほどかからない状態が存在する。
制御部は、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx未満か否かを判定する。制御部は、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx未満のとき、ステップS13へ進み、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx以上のとき、ステップS15へ進む。
制御部は、吐出過熱度SHdが、吐出過熱度の補正開始値SHdx1未満か否かを判定する。制御部は、吐出過熱度SHdが、吐出過熱度の補正開始値SHdx1未満のとき、ステップS14へ進み、吐出過熱度SHdが、吐出過熱度の補正開始値SHdx1以上のとき、ステップS15へ進む。
制御部は、圧縮機44の運転周波数を所定の値だけ上げ、処理を終了する。
制御部は、現在の周波数Fを維持したまま、膨張弁の開度を調整し、処理は終了する。例えば、膨張弁の開度を小さくし、吐出過熱度を大きくする制御を実施し、吐出過熱度が所定の値になったとき、処理は終了する。
この結果、圧縮機44にかかる負荷に対して補正をすることが不要であった場合にも運転周波数の補正をしていた。このため、消費電力の小さい運転をすることができなかった。
そこで、本実施の形態1においては、以降で説明するように、圧縮機44内部の駆動系の物理特性値の一つの圧縮機軸トルクも補正の条件に加えるようにしたのである。
これにより、運転周波数の補正をする必要のない場合に、消費電力を小さい状態に保つことができるのである。
なお、本実施の形態1において、特に記述しない項目については従来の空気調和機1の説明と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
また、同一の機能や構成についてはその説明を省略することとする。
制御手段61は、電流検出手段71、電圧検出手段72、演算手段73、及び記憶手段74等を有する。なお、演算手段73及び記憶手段74は、マイクロプロセッサユニット等にて構成されるものである。
なお、電流検出手段71は、本発明における「圧縮機電流検知手段」に相当する。
なお、電圧検出手段72は、本発明における「圧縮機電圧検知手段」に相当する。
また、記憶手段74は、後述する式(1)〜(8)を、例えば、データテーブルとして記憶することで、演算の高速化を図るようにしてもよい。具体的には、式(1)〜(8)の各関係式の各種パラメータの相関関係が、離散的なマトリックス状のデータとして作成され、あるパラメータが与えられたときには、マトリックス状のデータの補間処理をすることで、最終的に圧縮機軸トルクが演算されるようにしてもよい。
また、記憶手段74は、図5で後述する圧縮機44の吐出過熱度と圧縮機44の圧縮機軸トルクとの相関関係や、図6で後述する室内熱交換器31又は室外熱交換器47の凝縮温度と圧縮機44の圧縮機軸トルクとの相関関係がデータ化されたものを格納している。
インダクタンスと電流値とからなる演算式は、式(1)〜(4)を用いて式(5)のように表される。
具体的には、瞬時電圧Vは式(1)で表される。このため、瞬時電流Iが検出されていれば、瞬時電圧Vを式(1)に基づいて求めることも可能である。また、瞬時電圧Vも検出されていれば、式(1)の演算は不要となる。
また、式(1)〜(4)、瞬時電流I、及び瞬時電圧V等の定数や検出値を用いることで、さらには、圧縮機44の入力電流iu、iv、iwを座標変換した電流値id、iqを求め、これらによって、次に示す式(5)のように、モータ駆動トルク、すなわち、圧縮機軸トルクTmが求まることになる。
換言すれば、式(5)による圧縮機軸トルクTmは、瞬時電流Iと瞬時電圧Vとから求められるものである。
ここで、ブラシレスDCモータの回転子トルクは、固定子トルクの反力である。従って、モータ駆動トルクとしての圧縮機軸トルクTmは、次に示す式(6)のように表される。
よって、式(6)による圧縮機軸トルクTmも、瞬時電流Iと瞬時電圧Vとから求められるものである。
制御手段61は、各パラメータを設定する。
具体的には、制御部は、現在の運転周波数F、吐出過熱度による圧縮機の運転周波数補正制限値Fx、吐出温度検出値と凝縮温度検出値との差分である吐出過熱度SHd、吐出過熱度の補正開始値SHdx1、吐出過熱度の運転周波数制御による補正開始値SHdx2、圧縮機軸トルクTm、及び保護が必要なトルク値Tx(以下、Txと称する)を設定する。
また、圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、液バックの現象を生じさせない状態の運転周波数の下限値を意味するものである。つまり、圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、圧縮機に流入する冷媒が気相冷媒の状態であるときの圧縮機の運転周波数のうち、圧縮機の運転周波数の下限値として、最低運転周波数を定めたものである。圧縮機の運転周波数補正制限値Fxは、例えば、シミュレーションや実験等により、予め求めておけばよい。
また、吐出過熱度SHdは、圧縮機吐出温度センサ45から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ32又は室外熱交換器温度センサ48から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。
例えば、吐出過熱度SHdは、冷房運転時には、圧縮機吐出温度センサ45から検出した吐出温度と、室外熱交換器温度センサ48から検出した凝縮温度との差分から求められ、暖房運転時には、圧縮機吐出温度センサ45から検出した吐出温度と、室内熱交換器温度センサ32から検出した凝縮温度との差分から求められるものである。
つまり、吐出過熱度SHdが吐出過熱度のSHdx1を下回ったときであっても、実際には、圧縮機44内部の駆動系の物理特性値を考慮すれば、圧縮機44に負荷がそれほどかからない状態が存在するため、その状態であるか否かをSHdx2の値とTxとで判定させるのである。
SHdx2は、上記で説明したように、SHdx1での判定後に再度、吐出過熱度Shdを判定させる値である。
圧縮機軸トルクTmは、上記で説明した式(1)〜(8)等に基づいて求めた現在の圧縮機軸トルクである。
Txは、圧縮機44の仕様に基づいて定められた値であり、後述する故障にいたる限界トルク値Tzではないものの、圧縮機44の保護を考慮する必要な状態となるトルク値を意味するものである。
図5は、本発明の実施の形態1における圧縮機44の吐出過熱度と圧縮機44の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。図5に示すように、横軸を圧縮機44の吐出過熱度SHd(℃)、縦軸を圧縮機軸トルクTm(Nm)とする。このとき、圧縮機44の負荷条件を示す曲線は、吐出過熱度SHdが大きくなるにつれ、圧縮機軸トルクTmは小さくなる特性を示している。逆に言えば、吐出過熱度SHdが小さくなるにつれ、圧縮機軸トルクTmは大きくなる特性を示している。
一つ目は、過負荷条件の曲線であり、二つ目は、標準条件の曲線であり、三つ目は、軽負荷条件の曲線である。
そして、SHdx1のときには、3つの条件とも、圧縮機軸トルクTmは、故障にいたる限界トルク値Tz(以下、Tzと称する)とはなっていない。ただし、標準条件のときに保護の必要なトルク値Tx(以下、Txと称する)となっている。
また、SHdx2のときには、過負荷条件のときにTzとなっている。
一方、SHdが、SHdx1未満かつSHdx2以上であれば、圧縮機44は、Txとなっている可能性があるものの、故障にいたることにはならないので、圧縮機44の運転周波数を上げる必要はない。このときには、圧縮機44の運転周波数を上げることで、吐出過熱度SHdを制御するのではなく、第1膨張弁41や第2膨張弁43の開度を調整することで、吐出過熱度SHdを制御する。
このようにすることで、運転周波数を上げる必要があるときのみ、運転周波数を上げるようにすることができる。
すなわち、吐出過熱度SHdと圧縮機軸トルクTmとに基づいて、吐出過熱度SHdを制御する。これにより、必要なときだけ運転周波数を上げることができるので、消費電力を低減することができる。
これに対して、SHdx1、SHdx2、及び圧縮機軸トルクTmを制御パラメータに用いることで、必要なときだけ、圧縮機44の運転周波数を上げることができる。これにより、消費電力を低減することができる。
制御手段61は、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx未満か否かを判定する。制御手段61は、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx未満のとき、ステップS33へ進み、現在の運転周波数Fが、圧縮機の運転周波数補正制限値Fx以上のとき、ステップS36へ進む。
制御手段61は、SHdが、SHdx1未満か否かを判定する。制御手段61は、SHdが、SHdx1未満のとき、ステップS34へ進み、SHdが、SHdx1以上のとき、ステップS36へ進む。
制御手段61は、SHdがSHdx2未満であり、かつ圧縮機軸トルクTmがTxより大きいか否かを判定する。制御手段61は、SHdがSHdx2未満であり、かつ圧縮機軸トルクTmがTxより大きいとき、ステップS35へ進み、SHdがSHdx2以上であり、かつ圧縮機軸トルクTmがTx以下のとき、ステップS36へ進む。
このときの条件について図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施の形態1における運転周波数を上げるときの条件を説明する圧縮機44の吐出過熱度と圧縮機44の圧縮機軸トルクとの相関関係を示す線図である。図6に示すように、ハッチングをしてある領域において、以降で説明するステップS35の処理が実行されるのである。
なお、Txは、本発明における「設定トルク」に相当する。
制御手段61は、圧縮機44の運転周波数を所定の値だけ上げ、処理を終了する。
制御手段61は、現在の周波数Fを維持したまま、膨張弁の開度を調整し、処理は終了する。例えば、膨張弁の開度を小さくし、吐出過熱度を大きくする制御を実施し、吐出過熱度が所定の値になったとき、処理は終了する。
これにより、運転周波数の補正をする必要のない場合に、消費電力を小さい状態に保つことができる。
また、運転周波数の補正をする必要がある場合に、運転周波数を上げるので、圧縮機44を保護することもできる。
これにより、圧縮機を保護しつつ、消費電力を下げることができる
このようにすることで、圧縮機に冷媒が流入する手前の状態を検知し、それに基づいて圧縮機の運転周波数を制御することができる。
具体的には、圧縮機軸トルク、蒸発温度、及び凝縮温度から相関情報群がデータとして形成され、圧縮機軸トルクと、蒸発温度とから、凝縮温度が定まるように関連付けられている。
例えば、図7に示すように、蒸発温度Teが0(℃)であり、圧縮機軸トルクTmが10(Nm)であれば、凝縮温度Tcを70(℃)と推定することができる。
よって、圧縮機軸トルクと蒸発温度とが定まれば、凝縮温度を推定することができる。そして、吐出過熱度SHdを求める際、推定した凝縮温度を用いてもよい。
Claims (2)
- 少なくとも、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張手段、及び利用側熱交換器が冷媒配管で接続され、冷媒を循環させる冷媒回路と、
前記圧縮機を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記圧縮機の吐出過熱度及び前記圧縮機の軸トルクに基づいて、前記圧縮機の運転周波数を設定し、設定した運転周波数に基づいて前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする空気調和機。 - 前記圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度検知手段と、
前記圧縮機に流れる電流を検知する圧縮機電流検知手段と、
前記圧縮機に印加する電圧を検知する圧縮機電圧検知手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記吐出温度検知手段で検知した前記吐出温度に基づいて前記吐出過熱度を求め、当該吐出過熱度が設定過熱度未満のときであって、かつ、
前記圧縮機電流検知手段の検知結果と前記圧縮機電圧検知手段の検知結果とに基づいて演算した前記圧縮機の軸トルクが、前記圧縮機の軸トルクの設定トルクを超えたとき、前記圧縮機の運転周波数を増加させる
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
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