(57)【要約】【課題】  空気調和機の電子膨張弁制御において、フィードバック制御を行わず的確な絞り量を決定し、冷凍サイクルの安定化を図る。【解決手段】室内温度、室外温度、室内ファン速度および圧縮機１の回転数を用いて、予め実験により求めた計算式により蒸発器熱交換効率が最大となる最適絞り弁開度を計算ブロック７１により算出し、電子膨張弁５を制御する。【選択図】  図１
2004218879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
能力可変の圧縮機、室内熱交換器、電子膨張弁、室外熱交換器を順次冷媒配管で接続した冷凍サイクルと、
前記室内熱交換器の熱を室内空間に搬出する速度可変の室内送風ファンと、
前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、
室内温度検出手段および室外温度検出手段とを有する空気調和機であって、
圧縮機回転数検出手段出力、室内温度検出手段出力、室外温度検出手段出力、および室内送風ファン速度情報を用いて、蒸発器効率が最大となるように電子膨張弁開度を制御する制御手段を有することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
能力可変の圧縮機、室内熱交換器、電子膨張弁、室外熱交換器を順次冷媒配管で接続した冷凍サイクルと、
前記室内熱交換器の熱を室内空間に搬出する速度可変の室内送風ファンと、
前記圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出手段と、
室内温度検出手段および室外温度検出手段とを有する空気調和機の制御方法であって、
前記制御手段は、圧縮機回転数以外の条件を一定とした空気調和機測定条件において、蒸発器効率が最大となる電子膨張弁開度である基準膨張弁開度を予め実験により求めた計算式を用いて圧縮機回転数より算出し、
しかる後、室内温度、室外温度および室内送風ファン速度情報から計算される環境係数に対する、蒸発器効率が最大となる膨張弁開度を前記基準膨張弁開度で除した比膨張弁開度を予め実験により求めた計算式を用いて算出し、
しかる後、前記基準膨張弁開度と比膨張弁開度の積を求めることにより算出した膨張弁開度を用いて電子膨張弁を制御することを特徴とする空気調和機の制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の空気調和機の制御方法において、制御手段は予め実験で求めた計算式を用いて基準膨張弁開度および比膨張弁開度を求める代わりに、圧縮機回転数および環境係数に対する蒸発器効率が最大となる膨張弁開度を記憶装置に予め記憶させておき、前記記憶装置に記憶されたデータを用いて電子膨張弁開度を制御することを特徴とする空気調和機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ式空気調和機の冷凍サイクルを構成する電子膨張弁の開度制御技術に係り、特にフィードバック制御を行わずに適切な膨張弁の開度制御を行うことのできる空気調和機とその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、空気調和機は図４に示すような圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、室外熱交換器４および膨張弁５からなる冷凍サイクルを有している。
【０００３】
この空気調和機は、冷房運転時には四方弁２を制御して冷媒を破線矢印に示すように室内熱交換器３から圧縮機１、室外熱交換器４、膨張弁５の順に流して室内熱交換器３に戻すことで、室内熱交換器３を蒸発器として機能させて周囲の熱を吸収させている。一方、リモコンの設定風量等に応じて室内側ファンを回転制御し、室内熱交換器３で熱交換した冷風を室内に吹き出し、室内温度とリモコンの設定温度との差に応じた所定運転周波数で圧縮機１を運転して室温をコントロールしている。
【０００４】
そして、暖房運転時には、冷房運転時とは逆に冷媒を実線矢印に示すように室外熱交換器４から圧縮機１、室内熱交換器３、膨張弁５の順に流して室外熱交換器４に戻すように四方弁２を制御することで、室内熱交換器を凝縮器として機能させて周囲に熱を放出させている。一方、リモコンの設定風量等に応じて室内ファンを回転制御し、室内熱交換器３で熱交換した温風を室内に吹き出し、室内温度とリモコンの設定温度との差に応じた所定運転周波数で圧縮機１を運転して室温をコントロールしている。
【０００５】
空気調和機は上記の冷暖房運転を行うため、図５に示すように、マイクロコンピュータ、電動機等のドライブ回路、その他からなる室内機制御部６および室外機制御部７を備え、室内機制御部６はリモコンによる指示にしたがって室内ファン駆動電動機等を制御するとともに、室外機制御部７に所定の指令（室温と設定値の差に応じた運転周波数、室内熱交換器温度その他）を転送し、室外機制御部はその指令により圧縮機１を制御する。また、空気調和機は、室内熱交換器３の温度を検出する室内熱交温度センサー１１、圧縮機１の吸入温度を検出するサクション温度センサー１２および室外熱交換器４の温度を検出する室外熱交温度センサー１３を備えている。
【０００６】
上記のような圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を順次冷媒配管で接続して形成した冷凍サイクルにおいて圧縮機をインバータ制御する場合、圧縮機の吐出圧力は圧縮比によって定まるので圧縮機回転数には依存せず、かつ、冷媒流量は圧縮機の吐出圧力と冷凍サイクルの流路抵抗で定まるので、圧縮機回転数を制御すると共に冷凍サイクルを流れる冷媒流量が所定の値になるように膨張弁の開度を変えてやる必要がある。
【０００７】
一方、蒸発器を流れる冷媒の流量は蒸発器で熱交換される空気温度や風量に応じて最適流量が存在する。すなわち、蒸発器を流れる冷媒流量が最適流量よりも少ない時には冷媒が蒸発器を通り切らないうちに蒸発しきってしまい、気化された冷媒が蒸発器内で過熱されて蒸発器出口温度が上昇し、蒸発器熱交換効率が低下してしまう。また、蒸発器を流れる冷媒量が最適流量よりも多い場合には蒸発器内で冷媒が蒸発しきれずに、蒸発器出口から液冷媒のまま吐出されてしまい、この液冷媒が圧縮機に吸入されて液バック現象を起こし、圧縮機損傷の原因となることがある。
【０００８】
以上のような不具合を解消する為、圧縮機をインバーターなどで可変速制御する冷凍サイクルにおいては、膨張弁を開度が制御できる電子膨張弁とし、蒸発器を通る冷媒量が常に最適な量になるように膨張弁開度を制御することが行われている。
【０００９】
膨張弁開度を制御する方法としては、例えば特許文献１に従来技術として記載されているように圧縮機の吸入温度と蒸発器の温度とを計測し、この差（（Ｓ−Ｈ）量）を一定にするように膨張弁開度を制御するスーパーヒート制御と呼ばれる制御方法が採用されている。この方法は、圧縮機の吸入口は冷媒配管により蒸発器の吐出口に接続されているので、圧縮機吸入口における冷媒温度（吸入温度）は冷媒量が適量であれば蒸発器の吐出冷媒温度よりも少し高い温度となる事を利用したものである。しかしながら、この制御方法では冷媒流量の変化と測定される温度の変化との間には必然的に時間遅れが生じる為、室内温度の急激な変化等に対して制御が追いついてかず、図６に示すような、膨張弁開度が目標値に対して上下に大きく振れるハンチングと呼ばれる現象を起こすことがある。このようなハンチング現象をおこすと冷凍サイクルが安定して動作しないので、室内環境の悪化を招くと言う不具合を生じる。
【００１０】
そこで、このハンチング現象を抑制する為に様々な方法が提案されているが、例えば特許文献１では（Ｓ−Ｈ）量を所定時間の間監視し、この（Ｓ−Ｈ）量が目標設定値よりも高い第１の設定値以上になった回数と、目標設定値よりも低い第２の設定値以下になった回数をカウントし、かつ監視中における膨張弁の開度の最大値及び最小値を検出し、前記カウント数が所定値以上である場合には所定時間の間膨張弁開度を前記最大値と最小値の平均値に固定するように制御することを提案している。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２６７４３０号公報（第１頁）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、膨張弁開度により大きく影響を受ける圧縮機の吸入温度を用いて閉ループ制御により膨張弁を制御している為に、原理的にハンチングをなくすことは不可能であり、極端なハンチングを収束させる点では効果があるが、ある程度のハンチングが発生することは防止できない。また膨張弁開度が最適値に安定するまでに長い時間がかかってしまい、その間冷凍サイクルが不安定になることは回避できない、複雑な制御プロセスを必要とする、等の問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ハンチングをまったく起こすことなく、且つ速やかに冷媒流量が最適値に安定する事を可能とした空調機およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決する為に、本発明の空気調和機及びその制御方法は、制御に使用するデータを膨張弁開度の影響を受けない室内温度、室外温度および室内送風ファン速度情報とし、これと圧縮機の回転数を用いて、予め実験により求めた計算式により最適膨張弁開度を算出し、これにより電子膨張弁を制御することで制御系が閉ループを形成しないようにしたものである。
【００１５】
本構成により、膨張弁開度がハンチングを起こすことなくかつ速やかに目標値に安定する冷媒流量制御が実現でき、冷凍サイクルの動作が不安定にならず常に快適な運転を行う空気調和機を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和機の制御系統の概略ブロック線図である。図１において図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、この時の冷凍サイクルは図４と同様な構成となっている。
【００１８】
図１において６は室内機制御部であり、室内温度センサー８その他からの信号を取り込んで、室内送風ファン１３他を制御している。室内機制御部６からは室内温度、室内送風ファン速度情報、その他必要な情報が室外機制御部に対して出力されている。７１は室外機制御部であり、室内機制御部６より出力された室内温度その他のデータ、および室外機に取り付けられた室外温度センサーその他からの信号を用いて、圧縮機回転数、電子膨張弁開度その他の室外機機能を制御している。７１ａは室外機制御部の一部分を構成する計算ブロックであり、圧縮機回転数、室外温度、室内温度、室内送風ファン速度情報に基いて蒸発器に対する冷媒流量が最適となる膨張弁開度を算出し、電子膨張弁を制御している。
【００１９】
以下に、計算ブロック７１ａがどのようにして蒸発器効率最大となる膨張弁開度を算出するかを説明する。
【００２０】
図２は空気調和機の圧縮機回転数に対する基準膨張弁開度を示す特性図であり、空気調和機を標準性能試験条件で運転したときの蒸発器効率が最大となる膨張弁開度（基準膨張弁開度）を、圧縮機回転数に対して求めたものである。なお、膨張弁開度は電子膨張弁を駆動するステッピングモータに供給するパルス数をもって表し、膨張弁がある開度の時を０として、そこから膨張弁を所定の開度とするのに必要な、ステッピングモータへの供給パルス数でカウントしている。
【００２１】
このようにして求めた圧縮機回転数と基準膨張弁開度との関係を実験式として表すと次式のようになる。
【００２２】
【数１】
2004218879.tif 000003
【００２３】
ここで、Ｐｈｚは基準膨張弁開度（パルス数）、Ｎは圧縮機回転数（回転／毎秒）、ｋ１１、ｋ１２、ｋ１３は空気調和機の仕様によって定まる定数であり、発明者等が行った冷房運転での実験ではｋ１１＝５９、ｋ１２＝３．１４７、ｋ１３＝０．０１２４１であった。
【００２４】
そして、実際の蒸発機熱交換効率を最大とする膨張弁最適開度は、圧縮機回転数と空気調和機負荷の組合せにより定まるので、上記基準膨張弁開度に対して負荷条件による補正をかけてやる必要がある。このため、発明者等は負荷条件を代表する係数として、室内温度、室外温度および室内送風ファン風速の関数で表される環境係数Ｔｋを定義し、圧縮機回転数を一定として環境係数の値を変化させたときの蒸発器熱交換効率が最大となる膨張弁開度をそれぞれ求め、これを基準膨張弁開度で除したものを比膨張弁開度とし、環境係数と比膨張弁開度の関係を求めた。なお、環境係数Ｔｋは具体的には、室内温度をＴｉｎ、室外温度をＴｏｕｔ、室内送風ファン風速係数をａとしたとき、
【００２５】
【数２】
2004218879.tif 000004
【００２６】
と定義した。なお実験に使用した空気調和機では、室内ファン風速は強、中、弱の３段階に調節が可能であり、室内ファン風速係数ａは実際のファン送風能力を考慮して、強：ａ＝１、中：ａ＝０．９５、弱：ａ＝０．９として計算を行う。以上のようにして測定した環境係数と比膨張弁開度の関係を図３に示す。
【００２７】
このようにして求めた環境係数と比膨張弁開度の関係を実験式として表すと次式のようになる。
【００２８】
【数３】
2004218879.tif 000005
【００２９】
ここで、ｐは比膨張弁開度（パルス数）、ｋ３１、ｋ３２、ｋ３３は空気調和機の仕様によって定まる定数であり、発明者等が行った冷房運転での実験ではｋ３１＝０．８７６５７、ｋ３２＝０．０１８３５６、ｋ３３＝０．０００７２７６２であった。
【００３０】
計算ブロック７１ａはマイクロコンピュータと数式１、２および３を演算するプログラムを記憶させたメモリーを内蔵しており、圧縮機回転数から数式１を用いて基準膨張弁開度を算出する。更に、計算ブロック７１ａは室内温度、室外温度および室内送風ファン風速係数から数式２を用いて環境係数を算出した後、数式３を用いて環境係数から比膨張弁開度を算出、この比膨張弁開度と基準膨張弁開度の積を求めることで当該圧縮機回転数、室内温度、室外温度、室内ファン風速における最適膨張弁開度を得ている。この最適膨張弁開度を用いて電子膨張弁を制御することで、制御に使用する入力情報として膨張弁開度に影響される要素を使用しない制御が実現できるので、ハンチングを起こすことが無く、安定した冷凍サイクル運転をすることが出来る。
【００３１】
なお、上記の説明では各式の定数を冷房運転時のもので説明したが、暖房運転時にはこれらの定数を異なるものに置き換えて制御する必要がある。
【００３２】
また、上記実施の形態１の説明では、計算ブロックに内蔵したマイクロコンピュータで予めプログラムされた計算式を演算して最適膨張弁開度を算出するものを説明したが、計算結果を予めデータとしてメモリーに記憶させておき、検出された回転数および蒸発器温度に対応するデータを呼び出して制御を行っても同様の効果を得ることが出来る。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至３記載の発明によると、膨張弁開度による影響を受けない圧縮機の回転数および、空調負荷により決まる室内温度、室外温度、室内ファン風速を用いて最適膨張弁開度を算出制御するので、複雑なフィードバック制御をせずに安定した冷凍サイクル制御が出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態１における空気調和機の制御系統ブロック線図
【図２】空気調和機の圧縮機回転数に対する基準膨張弁開度を示す特性図
【図３】空気調和機の環境係数と比膨張弁開度の関係を示す特性図
【図４】空気調和機の冷凍サイクルを示す概略構成図
【図５】従来の空気調和機の制御系統ブロック線図
【図６】従来の空気調和機のハンチング動作を説明する特性図
【符号の説明】
１      圧縮機
２      四方弁
３      室内熱交換器
４      室外熱交換器
５      電子膨張弁
６      室内機制御部
７      室外機制御部（従来例）
７１    室外機制御部（実施の形態１）
７１ａ  計算ブロック
８      室内温度センサー
９      室外温度温度センサー
１０    室内送風ファン
【図１】
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【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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