JP3816782B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和機に関し、より詳しくは、空気調和機の除湿運転時の湿度制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、湿気を取った冷気を再熱器で暖めて送り出す再熱除湿（ドライ）方式と呼ばれる除湿方式を採用した空気調和機が主流になりつつある。
【０００３】
従来のこのような空気調和機では、再熱除湿運転時、湿度センサを用いて湿度制御を行っている。より具体的には、湿度センサからの出力をＡ／Ｄ変換してデジタル値に変え、その値をマイクロコンピュータ（以下、マイコン）による演算によって相対湿度を求め、この相対湿度と設定相対湿度との偏差に基づいて、部屋の相対湿度が設定相対湿度になるように圧縮機の運転周波数を制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、湿度センサを用いた湿度制御においては、相対湿度を求めるためのマイコンによる演算量が多い上、部屋の相対湿度を求めるためだけに使用される湿度センサ自体も高価な電気部品である。こうしたことから、湿度センサを用いた湿度制御は空気調和機の製造コストを高くしている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、コスト削減を図るために、湿度センサを使用することなく湿度制御を行う空気調和機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とを備えた空気調和機において、
室内温度検出手段と、
蒸発器温度検出手段と、
上記室内温度検出手段によって検出された部屋の温度から、その部屋の目標相対湿度に相当する目標蒸発器温度を決定する目標蒸発器温度決定手段と、
上記蒸発器温度検出手段によって検出された蒸発器温度と、上記目標蒸発器温度決定手段によって決定された目標蒸発器温度とに基づいて、上記蒸発器の温度が上記目標蒸発器温度になるように上記圧縮機の運転周波数を制御する周波数制御手段と
を備えて、部屋の実際の湿度を検出することなく、部屋の湿度制御を行うようにし、
検出された蒸発器温度と上記目標蒸発器温度とを比較する比較手段をさらに備え
上記目標蒸発器温度は上限と下限を有しており、
上記比較手段は、検出された蒸発器温度と上記目標蒸発器温度の上限および下限とを比較し、
上記周波数制御手段は、上記比較手段による比較結果に基づいて、蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の上限と下限の間に入るよう圧縮機の運転周波数を制御し、
上記目標蒸発器温度の上限および下限をそれぞれＫｍ１、Ｋｍ２とし、室温をαとすると、Ｋｍ１、Ｋｍ２はそれぞれ
Ｋｍ１＝α×ａ＋ｂ１（℃）、Ｋｍ２＝α×ａ＋ｂ２（℃）
（但し、１２／１６≦ａ≦３１／３２、−２２≦ｂ１≦−２、ｂ１−４≦ｂ２≦ｂ１−１）
に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
室温つまり部屋の温度とその部屋の相対湿度と蒸発器温度の三者には相関関係がある。図４は本願発明者が行った試験結果に基づく室温と蒸発器温度と相対湿度との関係を示している。なお、この試験は、２．８ｋＷクラスの空調機を１０畳の部屋に使用して行ったものである。図４において、破線ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ試験結果から得られた相対湿度（ＲＨ％）４０％，４５％，５０％，５５％のラインである。また、実線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ、試験結果からのＲＨ％ラインａ，ｂ，ｃ，ｄをもとに得られた一次近似式でのラインである。直線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ同じ傾き１５／１６を持つ。この図から、室温と相対湿度が決まれば、蒸発器温度が一義的に決まることが分かる。本発明はこの点に着目してなされたものである。なお、図４ではグラフを見やすくするために、相対湿度４０％，４５％，５０％，５５％以外の試験結果は省略している。
【０００８】
本発明の空気調和機では、通常の冷房運転時あるいは除湿運転時、室内温度検出手段が部屋の温度を検出する一方、蒸発器温度検出手段が蒸発器（室内熱交換器）の温度を検出する。そして、検出された部屋の温度から、目標蒸発器温度決定手段がその部屋の目標相対湿度に相当する目標蒸発器温度の上限と下限を決定する。さらに、比較手段が、上記蒸発器温度検出手段によって検出された蒸発器温度と、上記目標蒸発器温度決定手段によって決定された目標蒸発器温度の上限および下限とを比較する。そして、周波数制御手段が、上記比較手段による比較結果に基づいて、蒸発器の温度が上記目標蒸発器温度の上限と下限の間に入るように上記圧縮機の運転周波数を制御する。このようにして、湿度の制御が行われる。
【０００９】
本発明によれば、湿度制御のために検出すべきものは部屋の温度と蒸発器の温度だけであり、検出手段としては、空調機ならば殆ど必ず搭載しているサーミスタ等の室内温度検出手段と蒸発器温度検出手段だけがあればよい。高価な湿度センサは不要である。したがって、本発明の空気調和機は安価に製造できる。
また、この湿度制御では、上記目標蒸発器温度の上限および下限がそれぞれ
Ｋｍ１＝α×ａ＋ｂ１（℃）、Ｋｍ２＝α×ａ＋ｂ２（℃）
（但し、１２／１６≦ａ≦３１／３２、−２２≦ｂ１≦−２、ｂ１−４≦ｂ２≦ｂ１−１）に設定されているので、目標相対湿度を約４０％〜７０％に制御することができる。上述したように、試験結果に基づく図４に示す各直線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの傾きは１５／１６である。そこで、一例では、ａ＝１５／１６、ｂ１＝−１２、ｂ２＝−１４としている。つまり、上記目標蒸発器温度の上限および下限をそれぞれ、α×１５／１６−１２（℃）およびα×１５／１６−１４（℃）に設定している。これにより、部屋の相対湿度を人間にとって快適と感じられる５０％近辺に収束させることができる。
【００１０】
一実施形態においては、上記空気調和機は、再熱除湿機能を有し、再熱除湿運転時に凝縮機として機能する第１室内熱交換器と、蒸発器として機能する第２室内熱交換器とを備え、上記再熱除湿運転時、上記蒸発器温度検出手段は蒸発器として機能する上記第２室内熱交換器の温度を蒸発器温度として検出し、上記周波数制御手段は、上記第２室内熱交換器の温度が上記目標蒸発器温度になるように上記圧縮機の運転周波数を制御する。
【００１１】
通常の冷房運転では、特にその運転初期においては、室内の空気の温度と大きく異なる温度の風が吹き出されるので、室内温度にむらが生じやすく、その分、湿度制御の精度が低下しやすい。これに対して、再熱除湿運転では、室内の空気を吸い込む一方、室温とほぼ同じ温度の除湿された風を吹き出して循環させているので、室温ムラが殆ど生じない。吸い込み空気の温度つまり室温が一定になるので、高精度に湿度制御ができる。
【００１２】
一実施形態において、上記目標蒸発器温度決定手段は、演算によって目標蒸発器温度を求めている。
【００１３】
本発明では、ある室温に対する目標蒸発器温度は、傾きをａとする一次式で定義しているので、少ない計算量で目標蒸発器温度を算出することができる。
【００１４】
演算によって目標蒸発器温度を求める代わりに、室温と、目標相対湿度を得るための蒸発器温度とを１対１に対応付けたルックアップテーブルを空気調和機に搭載しておいてもよい。上記目標蒸発器温度決定手段は、このルックアップテーブルを参照することにより、目標蒸発器温度を得ることができる。
【００１５】
【００１６】
蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の上限と下限の間に入るようにするための圧縮機運転周波数の制御の一例として、上記周波数制御手段は、
検出された蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の上限以上のときには、所定時間（例えば１０分）毎に上記圧縮機の運転周波数を一定量（例えば、２Ｈｚ）だけ増加させる制御を行い、
検出された蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の下限未満のときには、所定時間（例えば１０分）毎に上記圧縮機の運転周波数を一定量（例えば、２Ｈｚ）だけ減少させる制御を行い、
検出された蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の下限以上かつ上限未満のときには現在の上記圧縮機の運転周波数を維持する制御を行ってもよい。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を図示の実施形態により説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態である再熱除湿機能を有する空気調和機の冷凍サイクルブロック図である。図１において、１は圧縮機、２は四方弁、３は室外熱交換器、４は室外ファン、５は室外ファンモータ、６は電動膨張弁、７，８は閉鎖弁である。また、９，１０は第１,第２室内熱交換器、１１は再熱除湿用キャピラリ、１２は二方弁、１３は室内ファン、１４は室内ファンモータである。また、１５は室外機側配管を一括して表し、１６は室内機側配管を一括して表している。１７は室外機側配管１５と室内機側配管１６とを連絡させるための連絡配管である。また、２２は室内温度検出手段としての室内吸込み温度センサ、２３は蒸発器温度検出手段としての室内熱交換器温度センサ、３２は室外吸込み温度センサ、３３は室外熱交換器温度センサである。また、実線矢印は冷房時および再熱除湿運転時における冷媒の流れる方向を表し、破線矢印は暖房運転時における冷媒流れる方向を表している。
【００２１】
通常の冷房運転時には、四方弁２は実線で示す切換位置に切り換えられ、電動膨張弁６は絞られるとともに二方弁１２は全開にされて、室外熱交換器３が凝縮器として機能し、第１，第２室内熱交換器９，１０が蒸発器として機能する。また、再熱除湿運転時には、電動膨張弁６は全開にされるととともに二方弁１２は閉じられて、室外熱交換器３と第１室内熱交換器９が凝縮器として機能し、第２室内熱交換器１０が蒸発器として機能する。一方、暖房運転時には、四方弁２が点線で示す切換位置に切り換えられ、二方弁１２が全開にされ電動膨張弁６が絞られて、第１，第２室内熱交換器９，１０が凝縮器として機能し、室外熱交換器３が蒸発器として機能する。
【００２２】
図２はこの空気調和機の制御系を表すブロック図である。図２に示すように、空気調和機は、室内機に搭載されたマイコンによって構成される室内制御部２０と、室外機に搭載されたマイコンによって構成される室外制御部３０とを備えている。上記室内制御部２０は、目標蒸発器温度を決定する目標蒸発器温度決定手段と、検出された蒸発器温度と目標蒸発器温度とを比較する比較手段と、比較結果に基づいて上記蒸発器の温度が上記目標蒸発器温度になるように圧縮機１の運転周波数を制御する周波数制御手段を有するとともに、室外制御部３０は、室内制御部２０の周波数制御手段と共同して圧縮機１の運転周波数を制御する周波数制御手段を有する。室内制御部２０と室外制御部３０は互いにデータおよび制御信号のやり取りをしている。
【００２３】
さらに、室内制御部２０には、室内吸込み温度センサ２２からの室温（室内機による吸い込み空気の温度）を表す信号、室内熱交換器温度センサ２３からの蒸発器温度（冷房および再熱除湿運転時に蒸発器として機能する第２室内熱交換器１０の温度）を表す信号、リモートコントローラ（以下、リモコン）２１からの制御信号が入力される。
【００２４】
一方、室外制御部３０には、室外機吸込み温度センサ３２からの外気温（室外機による吸い込み空気の温度）を表す信号、室外熱交換器温度センサ３３からの室外熱交換器温度を表す信号、およびＣＴ（変流器)センサ３４からの信号が入力される。
【００２５】
室内制御部２０は入力された信号に応じて、速度制御回路２５を介して室内ファンモータ１４の回転速度を制御すると共に、異常運転である旨の表示を行う異常運転表示回路１８を制御する。一方、室外制御部３０は入力された信号に応じて、速度制御回路３５を介して室外ファンモータ５の回転速度を制御すると共に、運転モードに応じた四方弁２の切換および電動膨張弁６の開閉を制御する。さらに、インバータ回路１９の制御を介して圧縮機１の運転周波数を制御する。
【００２６】
この空気調和機では、再熱除湿運転時、圧縮機の回転数つまり運転周波数の制御を、図５に示すように、蒸発器温度に応じて３つの湿度ゾーンに分けて行うようにしている。図５において、ＲＣゾーンは周波数アップゾーン、ＲＡゾーンは周波数ダウンゾーン、そして蒸発器温度Ｋｍ１，Ｋｍ２の間にあるＲＢゾーンが周波数現状維持ゾーンである。制御の一例として、この実施形態では、ＲＣゾーンでは１０分毎に１ステップ（Ｆ１＝２Ｈｚ）づつ周波数を増加させ、ＲＡゾーンでは１０分毎に１ステップ（Ｆ２＝２Ｈｚ）づつ周波数を減少させる制御を行う。運転開始時は周波数アップゾーンの制御が行われる。また、ここでは、目標相対湿度を５０％付近に設定している。
【００２７】
次に、再熱除湿運転時の湿度制御プログラムを図３を用いて説明する。
【００２８】
まず、ステップＳ１で、室内吸い込み温度センサ２２によって吸い込み空気の温度つまり室温αの検出が行われると共に、室内熱交換器温度センサ２３によって第２室内熱交換器１０の温度つまり蒸発器温度βが検出される。
【００２９】
次に、ステップＳ２において、室内制御部２０によって、目標蒸発器温度の範囲つまり上限Ｋｍ１と下限Ｋｍ２とが次の一次式（１）,（２）を用いて算出される。
【００３０】
Ｋｍ１＝α×ａ＋ｂ１（℃）．．．（１）
Ｋｍ２＝α×ａ＋ｂ２（℃）．．．（２）
【００３１】
ここで、ｂ１およびｂ２は目標相対湿度や室内熱交換器温度センサ２３の設置位置等に応じて変化する値であり、目標相対湿度が決まれば決まる値である。また、ａは１２／１６から３１／３２の範囲内の値を取る。また、ｂ２はｂ１よりも１〜４℃低い温度に設定する。この実施形態においては、目標相対湿度を５０％付近に設定するため、ａは１５／１６、ｂ１は−１２℃、ｂ２は−１４℃と設定されている。それ故、目標蒸発器温度の上限Ｋｍ１および下限Ｋｍ２はそれぞれ式（１）’,（２）’
Ｋｍ１＝α×１５／１６−１２（℃）．．．（１）’
Ｋｍ２＝α×１５／１６−１４（℃）．．．（２）’
のαにステップ１で検出された室温の値を代入することにより求められる。
【００３２】
次に、ステップＳ３において、検出された蒸発器温度βと目標蒸発器温度の上限Ｋｍ１とが比較される。比較の結果、蒸発器温度βが目標蒸発器温度の上限Ｋｍ１以上であると、図５に示すＲＣゾーン（周波数アップゾーン）の制御を行うために、ステップＳ７に進んでＲＡゾーン（周波数ダウンゾーン）での所定時間を計時するためのタイマーＴ２をクリアすると共に、ステップＳ８にてＲＣゾーンでの所定時間（ここでは１０分）を計時するためのタイマーＴ１がクリアされているかどうかを判断し、クリアされていると、ステップＳ９にてタイマーＴ１をセットして所定時間１０分のカウントを開始し、ステップＳ１に戻る。
【００３３】
上記と同様にしてステッＳ８まで進むと、今度はタイマーＴ１はクリアされていないのでステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、タイマーＴ１がカウントを終了したかどうかが判断される。１０分が経過しないあいだは、プログラムはステップＳ１１に進んでタイマーＴ１によるカウントが継続される。
【００３４】
そして、所定時間である１０分が経過すると、ステップＳ１０からステップＳ１２に進んで、圧縮機の運転周波数を１ステップ（Ｆ１＝２Ｈｚ）分アップする指令を室外制御部３０に対して出す。そして、次のステップＳ１３で、再度タイマーＴ１をセットして、所定時間１０分の計時を開始し、ステップＳ１に戻る。圧縮機の運転周波数を１ステップ（Ｆ１）分アップする指令を受けた室外制御部３０は、インバータ回路１９に制御信号を送って周波数を増加させ、圧縮機１の回転数を上げる。以上の処理を繰り返すことによって、湿度が次第に低下することになる。
【００３５】
一方、ステップＳ３で蒸発器温度βが目標蒸発器温度の上限Ｋｍ１以上でないと判断されると、今度はステップＳ４で蒸発器温度βが目標蒸発器温度の下限Ｋｍ２と比較される。比較の結果、蒸発器温度βが目標蒸発器温度の下限Ｋｍ２よりも低いと判断されると、図５に示すＲＡゾーン（周波数ダウンゾーン）の制御を行うために、ステップＳ１４に進んで上記タイマーＴ１をクリアすると共に、ステップＳ８にてＲＡゾーンでの所定時間（ここでは１０分）を計時するためのタイマーＴ２がクリアされているかどうかを判断し、クリアされていると、ステップＳ１６にてタイマーＴ２をセットして所定時間１０分のカウントを開始し、ステップＳ１に戻る。
【００３６】
上記と同様にしてステップＳ１５まで進むと、今度はタイマーＴ２はクリアされていないのでステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、タイマーＴ２がカウントを終了したかどうかが判断される。１０分が経過しないあいだは、プログラムはステップＳ１８に進んでタイマーＴ２によるカウントが継続される。
【００３７】
そして、所定時間である１０分が経過すると、ステップＳ１７からステップＳ１９に進んで、圧縮機の運転周波数を１ステップ（Ｆ２＝２Ｈｚ）分ダウンする指令を室外制御部３０に対して出す。そして、次のステップＳ２０で、再度タイマーＴ２をセットして、所定時間１０分の計時を開始し、ステップＳ１に戻る。圧縮機の運転周波数を１ステップ（Ｆ２）分ダウンする指令を受けた室外制御部３０は、インバータ回路１９に制御信号を送って周波数を減少させ、圧縮機１の回転数を下げる。以上の処理を繰り返すことによって、湿度が次第に上昇することになる。
【００３８】
一方、ステップＳ４にて蒸発器温度βが目標蒸発器温度の下限Ｋｍ２よりも低くないと判断されると、ステップＳ５に進む。この場合、蒸発器温度βは目標蒸発器温度の範囲内（Ｋｍ２≦β＜Ｋｍ１）にあるため、両方のタイマーＴ１，Ｔ２ともクリアされ、Ｓ６で、圧縮機の運転周波数を現状のまま維持する指令を室外制御部３０に対して出す。この指令を受けた室外制御部３０は、インバータ回路１９を介して圧縮機１の回転数を維持する制御を行う。
【００３９】
以上の処理を行うことにより、室内の相対湿度は目標相対湿度である５０％付近に収束される。
【００４０】
なお、本実施の形態においては、図３に記載した各ステップはすべて室内制御部２０にて行うようにしたが、ステップＳ１で検出された温度α、βを表す信号を室内制御部２０から室外制御部３０に送ることにより、ステップＳ２以降の処理を室外制御部３０にて行うことも可能である。その場合には、ステップＳ１２,Ｓ１９,Ｓ６での圧縮機周波数指令は直接にインバータ回路１９に対して出力されることになる。
【００４１】
また、本実施の形態においては、目標蒸発器温度に幅を持たせた制御を行った。目標蒸発器温度には必ずしも幅を持たせなくてもよいが、幅を持たせた方がゆとりのある制御が行える。
【００４２】
また、本実施の形態においては、室内の目標相対湿度を５０％近辺としているが、それ以外の数値を設定してもよい。目標相対湿度を違う数値に設定した場合には、上記一次式（１），（２）におけるａ、ｂ１、ｂ２をその目標相対湿度に対応した値とすればよい。なお、約４０％〜７０％ＲＨを目標相対湿度とする場合には、１２／１６≦ａ≦３１／３２、−２２≦ｂ１≦−２、ｂ１−４≦ｂ２≦ｂ１−１を満たすように、目標蒸発器温度の上限Ｋｍ１と下限Ｋｍ２を設定すればよい。
【００４３】
また、本実施の形態においては、目標蒸発器温度を計算によって求めたが、室温と、目標相対湿度を得るための蒸発器温度とを１対１に対応付けたルックアップテーブルを空気調和機に搭載しておいてもよい。その場合、図３のステップＳ２は、このルックアップテーブルを参照するステップとなる。
【００４４】
また、本実施の形態の空気調和機は第１，第２の室内熱交換器を備えて再熱除湿機能を有するものであったが、本発明は再熱除湿機能を持たない空気調和機にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した空気調和機の一例における冷凍サイクルブロック図である。
【図２】 図１の空気調和機の制御系を示すブロック図である。
【図３】 図２に示した制御系によって実行される湿度制御のフロチャートである。
【図４】 室温と蒸発器温度と相対湿度との関係を表すグラフである。
【図５】 図１の空気調和機における圧縮機周波数の３つの制御ゾーンを説明する図である
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 室外ファン
５ ファンモータ
６ 電動膨張弁
７、８ 閉鎖弁
９ 第１室内熱交換器
１０ 第２室内熱交換器
１１ 再熱除湿用キャピラリ
１２ 二方弁
１３ 室内ファン
１４ ファンモータ
１５ 室外機側配管
１６ 室内機側配管
１７ 連絡配管

Claims (1)

1. 圧縮機（１）と凝縮器と蒸発器とを備えた空気調和機において、
   室内温度検出手段（２２）と、
   蒸発器温度検出手段（２３）と、
   上記室内温度検出手段（２２）によって検出された部屋の温度から、その部屋の目標相対湿度に相当する目標蒸発器温度（Ｋｍ１，Ｋｍ２）を決定する目標蒸発器温度決定手段（２０、Ｓ２）と、
   上記蒸発器温度検出手段（２３）によって検出された蒸発器温度（β）と、上記目標蒸発器温度決定手段によって決定された目標蒸発器温度とに基づいて、上記蒸発器の温度が上記目標蒸発器温度になるように上記圧縮機（１）の運転周波数を制御する周波数制御手段（２０、３０、Ｓ６、Ｓ１２、Ｓ１９）と
   を備えて、部屋の実際の湿度を検出することなく、部屋の湿度制御を行うようにし、
   検出された蒸発器温度（β）と上記目標蒸発器温度（Ｋｍ１，Ｋｍ２）とを比較する比較手段（２０、Ｓ３、Ｓ４）をさらに備え
   上記目標蒸発器温度は上限（Ｋｍ１）と下限（Ｋｍ２）を有しており、
   上記比較手段は、検出された蒸発器温度と上記目標蒸発器温度の上限および下限とを比較し、
   上記周波数制御手段は、上記比較手段による比較結果に基づいて、蒸発器温度が上記目標蒸発器温度の上限と下限の間に入るよう圧縮機の運転周波数を制御し、
   上記目標蒸発器温度の上限および下限をそれぞれＫｍ１、Ｋｍ２とし、室温をαとすると、Ｋｍ１、Ｋｍ２はそれぞれ
   Ｋｍ１＝α×ａ＋ｂ１（℃）、Ｋｍ２＝α×ａ＋ｂ２（℃）
   （但し、１２／１６≦ａ≦３１／３２、−２２≦ｂ１≦−２、ｂ１−４≦ｂ２≦ｂ１−１）
   に設定されていることを特徴とする空気調和機。

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