(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機と、
該圧縮機と共に冷凍サイクルを構成する凝縮器と、電動膨張バルブと、蒸発器と、
該蒸発器の過熱度を算出するための状態量をセンシングするための手段と、
算出された過熱度に基づき前記電動膨張バルブの開度を調節するための制御部と、を備えてなり、
前記状態量センシング手段は、前記蒸発器の入口に設けられた入口温度センサと前記蒸発器の出口に設けられた出口温度センサとを備え、
前記過熱度は前記圧縮機のデューティサイクル周期と相応する時間中に前記入口温度センサが感知した前記蒸発器の入口平均温度と前記出口温度センサが感知した前記蒸発器の出口平均温度との差により定まることを特徴とする空気調和機の過熱度制御システム。
【請求項２】
前記入口平均温度と前記出口平均温度は前記圧縮機のデューティサイクルの周期と同一な時間中に測定された各温度の平均値であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の過熱度制御システム。
【請求項３】
前記圧縮機のデューティサイクル周期と相応する時間は、前記圧縮機のローディングタイムであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の過熱度制御システム
【請求項４】
前記圧縮機と前記凝縮器は室外機を備え、前記電磁膨張バルブと前記蒸発器は室内機を構成し、前記室内機は多数個が並列に配されることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の過熱度制御システム。
【請求項５】
デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機と電動膨張バルブ、蒸発器と、を備える空気調和機の制御方法において、
前記蒸発器の入口温度と出口温度を検知する段階と、
前記入口温度と出口温度に基づき前記蒸発器の過熱度を算出する段階と、
算出された過熱度に基づき前記電動膨張バルブの目標開度値を算出する段階と、
前記段階で算出された目標開度値で前記電動膨張バルブの開度を調整する段階と、を備え、
前記入口温度と前記出口温度はそれぞれ、前記圧縮機のデューティサイクル周期と相応する時間中に前記入口温度センサが感知した前記蒸発器の入口平均温度と前記出口温度センサが感知した前記蒸発器の出口平均温度であることを特徴とする空気調和機の過熱度制御方法。
【請求項６】
前記圧縮機のデューティサイクル周期と相応する時間は、前記圧縮機のローディングタイムであることを特徴とする請求項５に記載の空気調和機の過熱度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和機に係り、さらに詳しくはパルス幅変調方式の圧縮機を採用した空気調和機の過熱度制御システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建物の大型化に伴って一つの室外機に多数の室内機が連結された形態のマルチエアコン(Multi-airconditioner)に対する需要者の要求が高まりつつある。マルチエアコンはそれぞれの室内機が設けられた場所の環境的な特性の変化により各室内機毎に冷房要求能力が変る。従って、各室内機毎に室内側熱交換器、すなわち蒸発器の上流側に設けられた電動膨張バルブの開度を調節することによりこれに対応させている。特に、マルチエアコンの場合、各室内機と室外機との間の冷媒管の長さが異り、よって冷媒の流動抵抗が相違するので、各蒸発器の過熱度(蒸発器の出口温度−蒸発器の入口温度)もやはり違う。そもそも過熱度(degree of superheat)とは飽和温度以上に加熱された過熱蒸気の温度とその圧力に当る飽和温度との差を指すが、実際は測定が容易な蒸発器の出口温度と入口温度との差を過熱度と見なして制御を行うことが容易である。
【０００３】
一方、蒸発器から出てきた冷媒の過熱度が高い場合に、圧縮機の過熱及び効率低下を招くのみならず、過熱度が高すぎる場合には安全装置が作動してシステム全体の運転が中断される場合もある。他方、過熱度が低すぎると圧縮機に液冷媒が流入する可能性が高まる。
【０００４】
従って、室内側熱交換器(蒸発器)の過熱度を適正レベルに管理して室内機の能力を極大化し、各室内機間の能力偏差を縮め、圧縮機とシステム全体の効率及び安定性を高める必要がある。
【０００５】
従来のマルチエアコンでは定速度型や回転数可変型圧縮機を使用するため、圧縮機の運転中冷媒の流量は経時的に変らない。これにより蒸発器の入口温度と出口温度が図８に示した通り安定的に変るため、ある瞬間の蒸発器の入口温度と出口温度を検知し、これらの差を用いて過熱度を制御するのにさほど問題がなかった。
【０００６】
他の形態の能力可変型圧縮機としてパルス幅変調方式の圧縮機(Pulse Width Modulated Compressor)が米国特許第６、０４７、５５７号と日本国特開平８-３３４０９４号に開示されている。しかし、このような圧縮機は多数の冷蔵室または冷凍室を有する冷蔵システムに使われるもので、圧縮機と蒸発器との間の冷媒管が短い短配管に使用されることを前提にしている。従って、長配管になることが避けられずかつ制御環境が冷蔵システムとは異る建物の空気調和システムにはそのまま適用できない。また、前述した先行技術にはパルス幅変調方式の圧縮機を空気調和機、特にマルチエアコンに応用するための制御システムや制御方法、特に過熱度制御方法が全く開示されていない。
【０００７】
空気調和機にパルス幅変調方式の圧縮機を使用する場合、圧縮機が運転されても冷媒が吐出されるローディングタイムと冷媒の吐出されないアンローディングタイムが周期的に反復されるため、サイクル内の冷媒流れが周期的にあったりなかったりする。これによりパルス幅変調方式の圧縮機を有する空気調和機は蒸発器の入口温度と出口温度が冷媒の流れの有無により上下に揺れる特性(温度ばらつき現象)を有している。このため、従来のマルチエアコンのように単純にある瞬間で検出された蒸発器の入口温度と出口温度を検知することだけでは蒸発器の過熱度を正しく算出できない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した背景下になされたもので、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を採用した空気調和機において蒸発器の入口温度と出口温度のばらつき現象を補償して実際過熱度に応ずる蒸発器の過熱度を算出しよって電動膨張バルブを制御することにより、システムを最適状態に運転させる空気調和機の過熱度制御システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための本発明の空気調和機過熱度制御システムは、デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機と、該圧縮機と共に冷凍サイクルを構成する凝縮器と、電動膨張バルブと、蒸発器と、該蒸発器の過熱度を算出するための状態量をセンシングするための手段と、算出された過熱度により前記電動膨張バルブの開度を調節するための制御部と、を備える。
【００１０】
また本発明は、デューティ制御信号に応じてパルス幅変調方式で制御される圧縮機と電動膨張バルブ、蒸発器を含む空気調和機の制御方法において、前記蒸発器の入口温度と出口温度を検知する段階と、前記入口温度と出口温度に基づき前記蒸発器の過熱度を算出する段階と、算出された過熱度に基づき前記電動膨張バルブの目標開度値を算出する段階と、前記段階で算出された目標開度値で前記電動膨張バルブの開度を調整する段階と、を備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
図１は本発明に係る空気調和機のサイクル構成図である。本発明の空気調和機１は閉回路を構成するよう冷媒管により順次に連結された圧縮機２と、凝縮器３と、電動膨張バルブ４と、蒸発器５と、を備える。冷媒管のうち圧縮機２の吐出側と電動膨張バルブ４の流入側とを連結する冷媒管は圧縮機２から吐出された高圧冷媒の流れを案内する高圧管６であり、電動膨張バルブ４の流出側と圧縮機２の吸引側とを連結する冷媒管は電動膨張バルブ４から膨張された低圧冷媒の流れを案内する低圧管７である。凝縮器３は高圧管６の中途に設けられ、蒸発器５は低圧管７の中途に設けられる。圧縮機２が運転すれば、冷媒は実線の矢印方向に流れる。
【００１２】
一方、本発明の空気調和機１は室外機８と室内機９を含む。室外機８は前述した圧縮機２と凝縮器３を備え、圧縮機２の上流の低圧管７に設けられたアキュムレーター１０と凝縮器３の下流の高圧管６に設けられたレシーバ１１とを備える。アキュムレーター１０は蒸発器５から未だ蒸発できない液冷媒を集め気化させ圧縮機２に流入させる役割を果たす。すなわち蒸発器５で完全な蒸発がなされない場合、アキュムレーター１０に入ってくる冷媒は液体と気体状態の混合であるが、アキュムレーター１０は液状の冷媒を気化させ気体状態の冷媒(ガス冷媒)のみが圧縮機に吸引されるようにする。このため、アキュムレーター１０の内部の冷媒管入口端と冷媒管出口端はアキュムレーター１０内の上部に置かれることが望ましい。
【００１３】
同じく、凝縮器３で完全な凝縮がなされない場合、レシーバ１１に入ってくる冷媒は液相と気相の混合である。レシーバ１１は液状の冷媒と気相の冷媒とを分離して液状の冷媒のみを流出するよう構成されるが、このためレシーバ１１の内部の冷媒管入口端と出口端はレシーバ１１の内部の下側まで延びる。
【００１４】
レシーバ１１の内部の気体状態の冷媒をバイパスするためにレシーバ１１とアキュムレーター１０の上流の低圧管７とを連結させるベントバイパス管１２が設けられる。ベントバイパス管１２の入口端はレシーバ１１の上側に設けられ気相の冷媒のみを流入させ、中途にはベントバルブ１３が設けられてバイパッシングされるガス冷媒の流量を調節する。図１において二点鎖線矢印はこのガス冷媒の流動方向を示す。
【００１５】
レシーバ１１から出て来る高圧管はアキュムレーター１０を通過するよう構成される。これは、この高圧管を通過する相対的に高い温度の冷媒を用いてアキュムレーター１０内の低温の液状の冷媒を気化させるためのものである。アキュムレーター１０における気化を効率よく行うため、アキュムレーター１０の内部の低圧冷媒管はＵ字形に形成され、アキュムレーター１０を通過する高圧冷媒管はＵ字型低圧冷媒管の内部を通過するように配される。
【００１６】
また、室外機８は圧縮機２から凝縮器３に至る高圧管６とアキュムレーター１０とを連結するホットガスバイパス管１４と、レシーバ１１の下流とアキュムレーター１０の上流とを連結するリキッドバイパス管１５と、を備える。ホットガスバイパス管１４の中途にはホットガスバルブ１６が設けられバイパスされるホットガスの流量を調節し、リキッドバイパス管１５の中途にはリキッドバルブ１７が設けられバイパスされる液冷媒の流量を調節する。従って、ホットガスバルブ１６が開放されれば、圧縮機２から出てきたホットガスの一部はホットガスバイパス管１４に沿って点線矢印方向に流れ、リキッドバルブ１７が開放されればレシーバ１１から出てきた液冷媒の一部はリキッドバイパス管１５に沿って一点鎖線矢印方向に流れる。
【００１７】
室内機９は多数個が並列に配され、各室内機９は電動膨張バルブ４と蒸発器５を備える。したがって、一つの室外機８に多数個の室内機９が連結された形態を取る。そして各室内機９の容量と形態は同一な場合も異る場合もありうる。
【００１８】
一方、蒸発器５の入口には蒸発器５に流れ込む冷媒の温度を測定するための蒸発器入口温度センサ３０が設けられ、蒸発器５の出口には蒸発器５から出てくる冷媒の温度を測定するための蒸発器出口温度センサ３１が設けられる。これらの温度センサは冷媒の過熱度を測定するための状態量センシング手段であって、他の状態量、例えば圧力を測定できる圧力センサを使用することもできる。
【００１９】
図２ａと図２ｂに示した通り、圧縮機としてパルス幅変調方式で制御される能力可変型圧縮機２が使用される。圧縮機２は、吸引口１８と吐出口１９が設けられたケーシング２０と、該ケーシング２０の内部に設けられたモータ２１と、該モータ２１の回転力を受けて回転する旋回スクロール２２と、旋回スクロール２２との間に圧縮室２３を形成する固定スクロール２４と、を備える。ケーシング２０には固定スクロール２４の上側と吸引口１８とを連結するバイパス管２５が設けられ、該バイパス管２５にはソレノイドバルブ形態のＰＷＭバルブ(Pulse Width Modulated Valve)２６が設けられる。図２ａはＰＷＭバルブ２６がオフされバイパス管２５を塞いでいる状態を示した図であって、この状態では圧縮機２は圧縮された冷媒を吐出する。このような状態をローディング(loading)とし、この際圧縮機２は１００％の容量で運転する。図２ｂはＰＷＭバルブ２６がオンされバイパス管２５を開いている状態を示した図であって、この際冷媒は圧縮機２から吐出されない。このような状態をアンローディング(unloading)とし、圧縮機２は０％の容量で運転する。ローディング状態であろうとアンローディング状態であろうと圧縮機２には電源が供給され、モータ２１は一定速度で回転する。圧縮機２に電源供給が遮断されれば、モータ２１は回転せず圧縮機２の運転は止まる。
【００２０】
図３に示した通り、圧縮機２は運転中に一定周期にローディングとアンローディングを繰り返す。そして、各周期においてローディングタイムとアンローディングタイムは冷房要求能力により変り、ローディングタイムにおいて圧縮機２は冷媒を吐出するので蒸発器５の温度は下がり、アンローディングタイムにおいて圧縮機２は冷媒を吐出しないため、蒸発器５の温度は上がる。図３において斜線を引いた部分の面積は冷媒吐出量を示す。ローディングタイムとアンローディングタイムを制御する信号をデューティ制御信号と呼ぶ。本発明の実施形態において周期は一定に例えば２０秒に定めて置き、室内機９の総冷房要求能力によりローディングタイムとアンローディングタイムを変えて圧縮機２の能力を可変させる方式を取る。
【００２１】
図４は本発明に係る空気調和機制御システムのブロック図である。図４に示した通り、室外機８は圧縮機２及びＰＷＭバルブ２６と信号の伝達が可能なように連結された室外制御部２７と、を備える。室外制御部２７は室外通信回路部２８と連結されデータを送受信する。
【００２２】
各室内機９は、室内制御部２９と室外機８とのデータ送受信が可能なように連結された室内通信回路部３２を含む。室外通信回路部２８と室内通信回路部３２は有線または無線でデータ送受信が可能なように設けられている。この室内制御部２９の入力ポートには蒸発器入口温度センサ３０と蒸発器出口温度センサ３１が連結され、出力ポートには電動膨張バルブ４が連結される。蒸発器入口温度センサ３０は電動膨張バルブ４を通過して蒸発器５に流れ込む冷媒の温度を検知し、蒸発器出口温度センサ３１は蒸発器５を通過した冷媒の温度を検知し、検知された温度情報は室内制御部２９に入力される。室内制御部２９は、入力された蒸発器の出口温度と蒸発器の入口温度に基づき過熱度を算出し、算出された過熱度により電動膨張バルブ５の開度を調整する。
【００２３】
図５に基づき過熱度制御過程を説明する。まず、ＰＷＭバルブの周期、すなわち圧縮機のデューティサイクル周期を確認する(Ｓ１０１)。このような圧縮機のデューティサイクル周期は室外機８から室外通信回路部２７と室内通信回路部２８を経て室内制御部２９に転送されるが、本実施形態においてその周期は予め設定された値であって２０秒である。次いで、蒸発器５の入口温度及び出口温度を周期的にまたは連続的に検出する(Ｓ１０２)。蒸発器５の入口温度は蒸発器入口温度センサ３０により検出され、蒸発器５の出口温度は蒸発器出口温度センサ３１により検出される。室内制御部２９は検出された蒸発器の入口温度、蒸発器の出口温度、検出周期をそれぞれ積算し、検出回数をカウントする(Ｓ１０３)。
【００２４】
次いで、室内制御部２９は累積された検出周期が圧縮機のデューティサイクル周期と同一であるかを判断して(Ｓ１０４)、同一でない場合は前述した段階を行い続け、同一な場合は累積入口温度、累積出口温度、検出回数を用いて蒸発器の平均入口温度及び平均出口温度を算出する(Ｓ１０５)。すなわち、過熱度制御を始めると、室内制御部２９は圧縮機のデューティサイクル周期を確認してその周期中の蒸発器の平均入口温度と平均出口温度を算出する。圧縮機デューティサイクル周期の代りに圧縮機ローディングタイムを使用することもできる。この場合、圧縮機ローディングタイムに対する情報も室外機８から転送される。
【００２５】
次いで、蒸発器５の過熱度を算出する(Ｓ１０６)。本実施形態において使用する過熱度は、蒸発器の平均出口温度から蒸発器の平均入口温度を差し引いた値である。過熱度が算出されればその過熱度に基づき予め定められた電動膨張バルブ４の目標開度を算出し(Ｓ１０７)、算出された目標開度により電動膨張バルブ４の開度を目標開度に調整する(Ｓ１０８)。ここで目標開度値は、過熱度が高い場合は低める方向に設定され、過熱度が低い場合は高める方向に設定される。
【００２６】
このように蒸発器の過熱度算出のために蒸発器の入口温度と出口温度の平均値を使用することは、パルス幅変調方式で作動する圧縮機の場合は圧縮機が運転中であっても冷媒吐出が間欠的になされるため、これによる蒸発器における温度ばらつき現象を補償するためである。図６と図７に示した通りパルス幅変調方式の圧縮機を使用する場合は蒸発器の入口温度と出口温度の差が常に変るので、特定時点における蒸発器の入口温度と出口温度を用いて過熱度を計算する場合、計算された過熱度が実際過熱度を反映できなくなる。また平均温度を使用するとしても図６のように平均温度検出累積時間がＰＷＭバルブの周期、すなわち圧縮機のデューティサイクル周期と異る場合は蒸発器の平均入口温度と平均出口温度の差が変るので、計算された過熱度は実際過熱度と異なる可能性が高い。一方、図７のように平均温度累積検出時間を圧縮機のデューティサイクル周期と一致させる場合、蒸発器の平均入口温度と平均出口温度との差がほぼ一定なので、計算された過熱度は実際過熱度と実質的に一致し、よって正しく過熱度制御を行える。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明に係る空気調和機の過熱度制御方法によれば、パルス幅変調方式で制御される圧縮機を採用した空気調和機において蒸発器の出口温度と入口温度との差を用いて過熱度を制御し、圧縮機のデューティサイクル周期と同じ時間中の蒸発器の平均入口温度と平均出口温度を算出して過熱度計算の基礎として使用することにより温度ばらつき現象を補償して、実質的な過熱度に応ずる過熱度を算出することができ、これに基づき電動膨張バルブの開度を調整することによりシステムを最適化させうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る空気調和機過熱度制御システムのサイクル構成図である。
【図２ａ】  本発明の空気調和機に採用されたパルス幅変調方式の圧縮機のローディング状態を示した図である。
【図２ｂ】  アンローディング状態を示した図である。
【図３】  図２の圧縮機の運転中にローディング及びアンローディングと冷媒吐出量との関係を示した図である。
【図４】  本発明に係る空気調和機の過熱度制御システムのブロック図である。
【図５】  本発明に係る空気調和機の過熱度制御過程を示した流れ図である。
【図６】  本発明に係る空気調和機において圧縮機のデューティサイクル周期と蒸発器平均温度算出周期が相異なる場合、蒸発器の入口温度と蒸発器の出口温度の変化を示したグラフである。
【図７】  本発明に係る空気調和機において圧縮機のデューティサイクル周期と蒸発器平均温度算出周期が同じ場合蒸発器の入口温度と蒸発器の出口温度の変化を示したグラフである。
【図８】  従来のマルチエアコンの蒸発器の入口温度と蒸発器の出口温度の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
２  圧縮機
５  蒸発器
８  室外機
９  室内機
２６  ＰＷＭバルブ
２７  室外制御部
２８  室外通信回路部
２９  室内制御部
３０  蒸発器入口温度センサ
３１  蒸発器出口温度センサ
【図１】
0003688267.tif 000002
【図２ａ】
0003688267.tif 000003
【図２ｂ】
0003688267.tif 000004
【図３】
0003688267.tif 000005
【図４】
0003688267.tif 000006
【図５】
0003688267.tif 000007
【図６】
0003688267.tif 000008
【図７】
0003688267.tif 000009
【図８】
0003688267.tif 000010