(57)【要約】【課題】空気調和機の圧縮機及び送風ファンによる消費電力を抑制し、かつ熱交換器の熱交換能力低下を抑制する。【解決手段】圧縮機１，２、四方弁３、室外熱交換器４、室外膨張弁５、及び室外送風ファン８を備えた室外機１３と、室内膨張弁９及び室内熱交換器１０を備えた室内機１２とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、さらに、室外機の消費電力を制御する電力制御手段２１を設けて空気調和機を構成する。そして、電力制御手段２１は、冷房運転時及び暖房運転のいずれの場合も、制御周期ごとに室外送風ファンの回転数の増減制御を行い、圧縮機及び室外ファンの合計電力を最小にするとともに、暖房運転時には、室外送風ファンの回転数の増減制御の下限値を、室外熱交換器に着霜しない回転数に設定する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外膨張弁、及び室外送風ファンを備えた室外機と、室内膨張弁及び室内熱交換器を備えた室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成し、前記室外機の消費電力を制御する電力制御手段を備えた空気調和機であって、
前記電力制御手段は、冷房運転時及び暖房運転のいずれの場合も、制御周期ごとに前記室外送風ファンの回転数の増減制御を行い、前記圧縮機及び室外ファンの合計電力を最小にするとともに、暖房運転時には、前記室外送風ファンの回転数の増減制御の下限値を、前記室外熱交換器に着霜しない回転数に設定することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
前記電力制御手段は、冷房運転時は、前記室外送風ファンの初期回転数を該ファンの上限回転数付近に設定し、初回制御周期で所定の減少幅で前記室外送風ファンの回転数を減少させるとともに、制御周期ごとに前記圧縮機の電力及び前記室外送風ファンの電力を検出してこれらの合計電力を求めて、前回制御周期における前記合計電力と今回制御周期における前記合計電力とを比較して、
前記合計電力が減少しており、かつその減少幅が予め設定された値より大きければ、前記室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での前記室外送風ファンの回転数の増減方向と同一方向に、前回制御周期での増減幅と同じ増減幅で変更し、
前記合計電力が増加していれば、前記室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での前記室外送風ファンの回転数の増減方向と逆方向に、前回制御周期での増減幅より少ない増減幅で変更し、
前記合計電力が減少しており、かつ減少幅が予め設定された値より小さいとき、あるいは前記合計電力が同値のときは、前記室外送風ファンの回転数を維持することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【請求項３】
前記室外熱交換器の冷媒温度を検出する温度センサを備え、前記電力制御手段は、暖房運転時は、前記室外送風ファンの初期回転数を該ファンの上限回転数付近に設定し、初回制御周期で所定の減少幅で前記室外送風ファンの回転数を減少させるとともに、制御周期ごとに前記圧縮機の電力及び前記室外送風ファンの電力を検出してこれらの合計電力を求めて、前回制御周期における前記合計電力と今回制御周期における前記合計電力とを比較して、
合計電力が減少していれば、前記室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での減少幅と同じ減少幅で減少し、合計電力が増加あるいは同値のときは、前記室外送風ファンの回転数を維持する制御を行いながら、
前記室外送風ファンの回転数を減少させるごとに、前記温度センサの検出温度が０℃以下か否かを判定して、０℃以下のときは、前記室外送風ファンの回転数を減少前の回転数に戻して、該回転数を維持することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和機に係り、特に、圧縮機及び室外ファンの合計電力を抑制する空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題は地球規模での課題となっており、ひとつの解決策として省エネルギー化があげられる。また、ＪＩＳの改定によりＡＰＦ（Ａｎｎｕａｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｆａｃｔｏｒ：通年エネルギー消費効率）の表示も義務付けられており、ＡＰＦ向上の要請が高まっている。
【０００３】
空気調和機の省エネルギー技術としては、特許文献１に記載されているように、冷房運転時の圧縮機の消費電力と凝縮器の冷媒を冷却するファンモータの消費電力とを算出して、これらの合計値が最小となるようにファンモータを増減制御することが知られている。
【０００４】
【特許文献１】特許公開平５−１１８６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献の技術を、四方弁の切り替えによる暖房運転にそのまま適用した場合、蒸発器の熱交換能力の低下をまねくおそれがある。
【０００６】
すなわち、暖房運転時における圧縮機の消費電力と蒸発器の冷媒を加熱する送風ファンの消費電力との合計値は、送風ファンの回転数の減少にともなって低下する。そこで、消費電力抑制のために送風ファン回転数を下げていくと、冷媒の低圧圧力が下がるとともに蒸発温度も下がり、蒸発温度が０℃以下まで下がると蒸発器に霜が附着する。この着霜の結果、大幅な熱交換能力低下を生じる場合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、空気調和機の圧縮機及び送風ファンによる消費電力を抑制し、かつ熱交換器の熱交換能力低下を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の空気調和機は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室外膨張弁、及び室外送風ファンを備えた室外機と、室内膨張弁及び室内熱交換器を備えた室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを形成しており、さらに、室外機の消費電力を制御する電力制御手段を備えている。この電力制御手段は、冷房運転時及び暖房運転のいずれの場合も、制御周期ごとに室外送風ファンの回転数の増減制御を行い、圧縮機及び室外ファンの合計電力を最小にするとともに、暖房運転時には、室外送風ファンの回転数の増減制御の下限値を、室外熱交換器に着霜しない回転数に設定することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、冷房及び暖房運転の両時において通常運転を行っているときは、室外送風ファンの回転数を増減制御することによって圧縮機及び室外ファンの合計電力の最小化を図っている。その一方で、暖房運転時には、送風ファンの回転数増減制御の下限値を室外熱交換器に着霜しない回転数に設定しているので、着霜による熱交換器の熱交換能力低下を抑制することができる。
【００１０】
この場合において、冷房運転時の電力制御手段の制御内容を以下のようにすることができる。まず、室外送風ファンの初期回転数を該ファンの上限回転数付近に設定し、初回制御周期で所定の減少幅で室外送風ファンの回転数を減少させるとともに、制御周期ごとに圧縮機の電力及び室外送風ファンの電力を検出してこれらの合計電力を求めて、前回制御周期における前記合計電力と今回制御周期における前記合計電力とを比較する。
【００１１】
そして、合計電力が減少しており、かつその減少幅が予め設定された値より大きければ、つまり、前回制御周期での回転数の増減方向が適切な方向であり、かつ最小電力付近にはまだ到達していないときは、室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での室外送風ファンの回転数の増減方向と同一方向に、前回制御周期での増減幅と同じ増減幅で変更する。
【００１２】
一方、合計電力が増加していれば、つまり、前回制御周期での回転数の増減によって放物線の下端に相当する最小電力付近を通過してしまったときは、室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での室外送風ファンの回転数の増減方向と逆方向に、前回制御周期での増減幅より少ない増減幅、例えば前回制御周期の１／２の増減幅で変更する。
【００１３】
また、合計電力が減少しており、かつ減少幅が予め設定された値より小さいとき、つまり、合計電力は減少しているが下げ幅は小さく最小電力付近に到達したと判断できるとき、あるいは合計電力が同値のときは、室外送風ファンの回転数を維持する。このように合計電力を監視して室外送風ファンの回転数の合わせ込み制御を行うことで、合計電力の最小化を実現することができる。  
また、暖房運転時の電力制御手段の制御内容を以下のようにすることができる。室外熱交換器の冷媒温度を検出する温度センサを設けて、まず、電力制御手段は、室外送風ファンの初期回転数を該ファンの上限回転数付近に設定し、初回制御周期で所定の減少幅で室外送風ファンの回転数を減少させるとともに、制御周期ごとに圧縮機の電力及び室外送風ファンの電力を検出してこれらの合計電力を求めて、前回制御周期における合計電力と今回制御周期における合計電力とを比較する。
【００１４】
そして、合計電力が減少していれば、室外送風ファンの回転数を、前回制御周期での減少幅と同じ減少幅で減少し、合計電力が増加あるいは同値のときは、室外送風ファンの回転数を維持する制御を行いながら、室外送風ファンの回転数を減少させるごとに、温度センサの検出温度が０℃以下か否かを判定して、０℃以下のときは、室外送風ファンの回転数を減少前の回転数に戻して、該回転数を維持する。
【００１５】
これにより、圧縮機及び室外ファンの合計電力の最小化を図りつつ、室外熱交換器への着霜による熱交換能力低下を抑制することができる。
【００１６】
また、電力制御手段は、冷房運転及び暖房運転のいずれの場合も、冷凍サイクルの高圧圧力、低圧圧力、及び圧力比が予め設定された範囲内となるように室外送風ファンの回転数の増減制御を行うように構成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空気調和機の圧縮機及び送風ファンによる消費電力を抑制し、かつ熱交換器の熱交換能力低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用してなる空気調和機の実施形態を図１〜１０を用いて説明する。なお、以下は、１台の室外機に対して複数台の室内機が接続されるいわゆるマルチタイプの空気調和機を例に説明するが、これに限らず、本発明は、室外機と室内機とが１対１で接続される一般家庭用の空気調和機にも適用できる。
【００１９】
図１は、本実施形態の空気調和機の全体構成図である。空気調和機は、室外機１３と２台の室内機１２とが、液冷媒配管１４，ガス冷媒配管１５によって接続されて構成されている。
【００２０】
室外機１３は、運転周波数をインバータで可変して制御される容量可変式圧縮機１と、２台の容量固定式圧縮機２とを有しており、各圧縮機１，２は、四方弁３と並列に接続されている。四方弁３は、互いに並列に設けられた室外熱交換器４に配管接続され、各室外熱交換器４に対して設けられた室外膨張弁５を介して冷媒量調節器７へ接続されている。
【００２１】
また、四方弁３と一方の室外熱交換器４とを接続する配管には、室外熱交換器４への流路を切換える電動弁６が設けられている。そして、各室外熱交換器４に対して送風を行う室外送風ファン８が設けられている。
【００２２】
また、圧縮機１，２の高圧側には高圧圧力センサ１６、低圧側には低圧圧力センサ１７が設けられ、各室外熱交換器４には暖房時に冷媒蒸発温度を測定する温度センサ１８が設けられている。さらに、各圧縮機１，２の合計消費電力を測定する電力計１９と、各室外送風ファン８の合計消費電力を測定する電力計２０とが設けられている。図示していないが、各圧力センサ１６，１７、温度センサ１８、及び電力計１９，２０の検出値は、電力制御手段２１へ入力されるようになっており、また、電力制御手段２１の出力信号は各室外送風ファン８に入力されるようになっている。
【００２３】
各室内機１２は、室内膨脹弁９と室内熱交換器１０とを有しており、そして、各室内熱交換器１０に対して送風を行う室内送風ファン１１が設けられている。
【００２４】
ここで、一般的な圧縮機の消費電力特性について説明する。圧縮機の消費電力は、（１）圧縮機効率（＝圧縮機実機のＣＯＰ／圧縮機の理論ＣＯＰ）、及び（２）動力によるもの、によって大部分が決定される。また、（１）圧縮機効率は、高圧圧力、及び圧力比（＝高圧圧力／低圧圧力）などの因子が関係し、（２）動力によるものは、圧縮機回転数、差圧（＝高圧圧力−低圧圧力）、及び吸入冷媒の密度（低圧圧力、吸入ＳＨに起因）などの因子が関係する。
【００２５】
これらの項目の内、圧縮機回転数以外は冷媒圧力により変動するものであり、室外送風ファンの回転数にて変化させることができる。よって室外送風ファンの回転数を最適化することで圧縮機効率を上げ、圧縮機電力を減らすことができる。
【００２６】
次に、本実施形態の空気調和機の動作を説明する。図２に示すように一般的に圧縮機効率は、高圧圧力は低いほうがよく、圧力比は例えば２．５付近に最も効率のよいところが存在する。
【００２７】
冷房運転の場合、各圧縮機１，２で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、図の実線の矢印で示すように、四方弁３を経て、室外熱交換器４へと流入し、ここで熱交換器して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は室外膨張弁５を通り、余剰冷媒は冷媒量調節器７に貯留され、残りが液冷媒配管１４を通り、室内機１２へ送られる。送られた液冷媒は、室内膨張弁９へ流入し、ここで低圧まで減圧されて低圧２相状態となり、室内熱交換器１０で空気と熱交換して蒸発・ガス化する。その後、ガス冷媒は、ガス冷媒配管１５を経て各圧縮機１，２へ戻る。
【００２８】
この冷媒運転時においては、図３に示すように、送風ファン回転数は直接的には高圧圧力を変化させ、回転数を増やすと高圧圧力が低くなり、それに伴い圧力比、差圧が低くなる。回転数変化に伴う圧縮機効率の変化を図２にプロットしてみると、常用する外気温度ではファン回転数を増やすと高圧圧力と圧力比が落ち、圧縮機効率は上がることがわかる。
【００２９】
よって、ファン回転数を増やせば圧縮機電力は下がる。しかしファン電力は単純に増えるため、図４のようにそれぞれの合計電力が最小となるところが存在することとなる。図５のようにＣＯＰも同様の傾向となり、回転数の上限から下げていけば、電力の最小となる回転数にたどりつくことがわかる。回転数の下限は高圧圧力が上限圧力以下となる回転数とする。
【００３０】
これらをふまえた電力制御手段２１による制御フローを図６に示す。まず、運転が開始されると、室外送風ファン回転数の初期値[Ｖ０]を上限回転数とする（Ｓ１）。ここで、上限回転数とは、ファンの機械的上限回転数以下で、かつ、冷凍サイクルの高圧圧力、低圧圧力が最低許容圧力を満たす範囲内で最大の回転数とする。
【００３１】
所定時間経過後、圧縮機とファンの消費電力を電力計１９，２０にて算出し、合計電力[Ｐ０]を求める（Ｓ２）。続いて、ファンの回転数を一定量［ΔＶ０]、例えば現回転数の１０％減少させる（Ｖｓｅｔ＝Ｖ０−ΔＶ０）（Ｓ３）。
【００３２】
次に、圧縮機には運転可能な圧力範囲があり、それを満たすために冷凍サイクルの高圧圧力、低圧圧力、圧力比の上下限が規定の範囲内であるかを高圧圧力センサ１６、低圧圧力センサ１７にて判定する（Ｓ４）。規定の範囲外であれば（Ｓ４でＮＯ）、回転数を元に戻し、本制御を終了する（Ｓ８）。規定の範囲内であれば（Ｓ４でＹＥＳ）、圧縮機とファンの合計電力[Ｐｎ]を算出する（Ｓ５）。
【００３３】
そして、算出した合計電力[Ｐｎ]と前回の測定値[Ｐｎ−１]とを比較して消費電力が低下したか否かを判定する（Ｓ６）。Ｐｎ−１≧Ｐｎで電力が下がって、あるいは同値だったら（Ｓ６でＹＥＳ）、電力低下率に相当するΔＶｎに応じた電力低下量[Ｑｎ]、（例えばＱｎ＝ΔＰｎ／ΔＶｎ）が所定の値[Ｑｍｉｎ]以下かどうか判定する（Ｓ７）。Ｑｎ＜ＱｍｉｎでＱnが所定の値以下と判断すれば（Ｓ７でＮＯ）、制御を終了する。
【００３４】
一方、Ｓ６でＰｎ−１＜Ｐｎとなり電力が上がっていた場合は（Ｓ６でＮＯ）、回転数を前回と逆方向に変更するとともに、回転数を前回の回転数に戻らないようにΔＶ/２だけ変更して（Ｓ４）に戻る（Ｓ９）。
【００３５】
また、Ｓ７でＱｎ＞ＱｍｉｎとなりＱｎが所定の値以上であれば（Ｓ７でＹＥＳ）、さらにファン回転数を前回と同方向にΔＶnだけ変更して（Ｓ４）に戻る(Ｓ１０)。ここで、ΔＶｎは電力が最小となる回転数に収束するようにＱｎに応じた値（例えばΔＶｎ＝Ｖｎ×ａＱｎ  ａ:定数）とし、Ｑｎが大きければΔＶｎも大きくし、Ｑｎが小さければΔＶｎを小さくする。
【００３６】
このように、圧縮機効率をふまえた上で、消費電力が最小となるように室外送風ファン８の回転数を制御し、ファン電力と圧縮機電力の合計を最小とすることによって室外機消費電力を低減することができる。
【００３７】
続いて、暖房運転時の動作の説明をする。暖房運転の場合、各圧縮機１，２で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、図の破線の矢印で示すように、四方弁３、ガス冷媒配管１５を経て室内機１２の室内熱交換器１０へ流入し、ここで空気と熱交換して凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、室内膨張弁９、液冷媒配管１４を介して冷媒量調節器７へ流入し、室外膨張弁５で減圧された後に室外熱交換器４で空気と熱交換して蒸発、ガス化する。ガス化した冷媒は四方弁３を経て各圧縮機１，２へ戻る。
【００３８】
このような暖房運転時は、室外送風ファン８の回転数は、変化量は小さいが低圧圧力を変化させる。それに伴い圧縮機効率や差圧が変化する。図７に示すように、暖房では冷房ほど圧力の変化は少ないが、ファン回転数を増やすと、圧力比は下がるものの、高圧圧力及び低圧圧力は高くなる。
【００３９】
そして、図８に示すように、暖房運転ではファン回転数を上限回転数から下げていけば、圧縮機電力とファン電力は共に下がり、図９に示すようにＣＯＰも上がる。したがって、圧縮機電力とファン電力の合計値を下げるには、ファン回転数を下げていけばよいことがわかる。しかし、やみくもにファン回転数を下げていくと、低圧圧力が下がることで蒸発温度も下がり、蒸発温度が０℃以下まで下がると空気中に含まれる水分が室外熱交換器に着霜する。その結果、大幅な熱交換能力の低下となる。
【００４０】
そこで、本発明では、圧縮機の消費電力と室外送風ファンの消費電力との合計を抑制するとともに、ファン回転数の下限を設定して、室外熱交換器への着霜を抑制している。具体的には、ファンの回転数の下限を、温度センサ１８で検出される蒸発温度が０℃以下とならないところまでとする。また、回転数の上限は低圧圧力の上限圧力とする。
【００４１】
暖房運転時の電力制御手段２１による制御フローを図１０に示す。ここでは、冷房運転と同様の部分は省略して、異なる部分のみ説明する。運転が開始されると、室外送風ファン回転数の初期値[Ｖ０]を上限回転数に設定する（Ｓ１１）。ここで、上限回転数とは、ファンの機械的上限回転数以下で、かつ、サイクルの低圧圧力が最高許容圧力を満たす範囲内で最大の回転数とする。以降の処理は、基本的に冷房運転時の時と同様であるが、Ｓ１４において、暖房運転時のみの処理を行っている。
【００４２】
すなわち、Ｓ１３，Ｓ１７においてファン回転数を変更した後は、冷凍サイクルの高圧圧力、低圧圧力、圧力比の上下限が規定の範囲内であるかを高圧圧力センサ１６、低圧圧力センサ１７にて判定し、さらに冷媒蒸発温度が０℃以下になっていないか温度センサ１８にて判定する（Ｓ１４）。そして、冷媒蒸発温度が０℃以下と判断したら（Ｓ１４でＮＯ）、ファン回転数を元に戻し（Ｓ１８）、本制御を終了する。
【００４３】
冷媒温度が０℃より大きければ（Ｓ１４でＹＥＳ）、圧縮機とファンの合計電力[Ｐｎ]を算出して（Ｓ１５）、合計電力[Ｐｎ]と前回の測定値[Ｐｎ−１]とを比較して消費電力が低下したか否かを判定する（Ｓ１６）。ここで、Ｐｎ−１＞Ｐｎで電力が下がっていたら（Ｓ１６でＹＥＳ）、ファンの回転数を一定量[ΔＶ０]減少させて（Ｓ１７）、Ｓ１４へ戻る。一方、Ｐｎ−１≦Ｐｎで電力が減少しない場合は（Ｓ１６でＮＯ）、何らかの異常があるとみなして、本制御を終了する。
【００４４】
これにより、圧縮機効率をふまえた上で、消費電力が最小となるように室外送風ファン８の回転数を制御してファン電力と圧縮機電力の合計を抑制しつつ、室外熱交換器への着霜を抑制することができ、その結果、室外熱交換器の熱交換能力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態の空気調和機の全体構成図である。
【図２】圧縮機の圧力比と圧縮機効率の関係を示す図である。
【図３】冷房時の室外送風ファンの回転数と各圧力の関係を示す図である。
【図４】冷房時の室外送風ファンの回転数に対する圧縮機の消費電力及び送風ファンの消費電力の関係を示す図である。
【図５】冷房時の室外送風ファンの回転数とＣＯＰの関係を示す図である。
【図６】冷房時の室外送風ファンの回転数制御のフローチャートである。
【図７】暖房時の室外送風ファンの回転数と各圧力の関係を示す図である。
【図８】暖房時の室外送風ファンの回転数に対する圧縮機の消費電力及び送風ファンの消費電力の関係を示す図である。
【図９】暖房時の室外送風ファンの回転数とＣＯＰの関係を示す図である。
【図１０】暖房時の室外送風ファンの回転数制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１  容量可変式圧縮機
２  容量固定式圧縮機  
３  四方弁
４  室外熱交換器
５  室外膨張弁
８  室外送風ファン
９  室内膨脹弁
１０  室内熱交換器
１１  室内送風ファン
１２  室内機
１３  室外機
１４  液接続配管
１５  ガス配管
１６  高圧圧力センサ
１７  低圧圧力センサ
１８  温度センサ
１９，２０  電力計
２１  電力制御手段
【図１】
2008275216.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008275216.tif 000009
【図８】
2008275216.tif 000010
【図９】
2008275216.tif 000011
【図１０】
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