(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１）と、室外側熱交換器（２）と、室外ファン（７）と、室外電動膨張弁（３）と、少なくとも２個以上に分割された室内側熱交換器（４、６）と、この分割された室内側熱交換器（４、６）間において室外熱交換器（２）側の第１室内熱交換器（４）と圧縮機（１）側の第２室内熱交換器（６）との間に介設される室内電動膨張弁（５）とを備え、上記室外側熱交換器（２）又は上記第1室内熱交換器（４）を凝縮器として機能させると共に、少なくとも上記第２室内熱交換器（６）を蒸発器として機能させる空気調和機であって、上記圧縮機（１）の周波数、上記室内電動膨張弁（５）の開度、及び上記室外ファン（７）の回転数を制御して、室内を目標温度と目標湿度とによって規定される目標空調負荷点に近づける目標空調運転を行う際に、目標空調負荷点に接近させるための周波数操作量、開度操作量、及び回転数操作量を求め、これらの操作量と、予め求めていた単位周波数当りの消費電力、単位開度当りの消費電力、及び単位回転数当りの消費電力とで、全体の消費電力変化量を求め、この消費電力変化量及び上記周波数操作量が正であるときに、開度操作量及びファン回転数操作量を上記求めた開度操作量及びファン回転数操作量よりも増加させる一方、周波数操作量を上記求めた周波数操作量よりも減少させることにより、目標空調運転の定常運転状態においては消費電力量を略最小とすることを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
圧縮機（１）と、室外側熱交換器（２）と、室外ファン（７）と、室外電動膨張弁（３）と、少なくとも２個以上に分割された室内側熱交換器（４、６）と、この分割された室内側熱交換器（４、６）間において室外熱交換器（２）側の第１室内熱交換器（４）と圧縮機（１）側の第２室内熱交換器（６）との間に介設される室内電動膨張弁（５）とを備え、上記室外側熱交換器（２）又は上記第1室内熱交換器（４）を凝縮器として機能させると共に、少なくとも上記第２室内熱交換器（６）を蒸発器として機能させる空気調和機であって、上記圧縮機（１）の周波数、上記室内電動膨張弁（５）の開度を制御して、室内を目標温度と目標湿度とによって規定される目標空調負荷点に近づけた後に、上記圧縮機（１）の周波数を、周波数の最小操作量だけ低下させ、低下させた圧縮機（１）の周波数において上記目標空調負荷点に近づくように、上記室内電動膨張弁（５）の開度及び室外ファン（７）の回転数を調整して、消費電力量の低下を図ることを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
上記圧縮機（１）の周波数の低下を所定時間毎に行うことを特徴とする請求項２の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空気調和機として、冷房運転と除湿運転とが可能なものが、例えば特開昭５５−１２１３５２号公報に提案されている。すなわち、この空気調和機においては、図９に示すように、室内側熱交換器を、第１室内側熱交換器５１と第２室内側熱交換器５２とに分割し、室外側熱交換器５３と第１室内側熱交換器５１との間に室外流量調節弁５４を介設すると共に、第１室内側熱交換器５１と第２室内側熱交換器５２との間に室内流量調節弁５５を介設している。また、図９において５６は圧縮機を示している。そして、流量調節弁５４、５５の開度を調節して冷媒量を制御することにより、冷房運転から除湿運転までの運転状態を任意に実現できるように構成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、室外流量調節弁５４と室内流量調節弁５５との間の第１室内側熱交換器５１をこの２つの流量調節弁５４、５５の冷媒流量調節により蒸発器から再加熱器まで変化させることになる。しかしながら、冷凍サイクルの安定動作のためにはこの２つの流量調節弁５４、５５のうち一つは吸入過熱度の調節のための操作を行う必要がある。この場合、第１室内側熱交換器５１の状態を決定しているのは、残りの流量調節弁５５、５４となる。例えば、室内流量調節弁５５で吸入過熱度を調節し、室外流量調節弁５４で第１室内側熱交換器５１の状態を変化させる場合の室外流量調節弁５４と能力との関係を図１０に示す。この図１０からわかるように、室外流量調節弁５４が全開のとき、第１室内側熱交換器５１と室外側熱交換器５３との圧力差はきわめて小さくなるので、第１室内側熱交換器５１は凝縮器として働き再加熱能力最大となり、冷凍サイクル全体の顕熱能力が最小となる。
【０００４】
また、室外流量調節弁５４を絞っていった場合は、第１室内側熱交換器５１の状態は単調に変化し、最終的に蒸発器である第２室内側熱交換器５２と第１室内側熱交換器５１との圧力は等しくなり、冷却能力最大となる顕熱能力は最大となる。一方、潜熱能力は、図１１に示すように、室外流量調節弁５４の開度により流量が変化し、開度大（流量大）の時は大きく、開度小（流量小）の時は小さくなる。このことは、冷房から除湿の運転状態を連続的に実現はしているものの、流量調整弁の変化に応じて顕熱能力と潜熱能力は従属的に変化していることから、目標とする顕熱能力・潜熱能力を満足する流量調整弁の開度は一意に決定され、このときの消費電力も決まってしまう。このため、能力バランスしたとしても消費電力量の点からは効率の悪い動作をしていたという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、冷房負荷全域で、温度・湿度を独立に調節でき、しかも消費電力の少ない運転が可能な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】
そこで請求項１の空気調和機は、圧縮機１と、室外側熱交換器２と、室外ファン７と、室外電動膨張弁３と、少なくとも２個以上に分割された室内側熱交換器４、６と、この分割された室内側熱交換器４、６間において室外熱交換器２側の第１室内熱交換器４と圧縮機１側の第２室内熱交換器６との間に介設される室内電動膨張弁５とを備え、上記室外側熱交換器２又は上記第1室内熱交換器４を凝縮器として機能させると共に、少なくとも上記第２室内熱交換器６を蒸発器として機能させる空気調和機であって、上記圧縮機１の周波数、上記室内電動膨張弁５の開度、及び上記室外ファン７の回転数を制御して、室内を目標温度と目標湿度とによって規定される目標空調負荷点に近づける目標空調運転を行う際に、目標空調負荷点に接近させるための周波数操作量、開度操作量、及び回転数操作量を求め、これらの操作量と、予め求めていた単位周波数当りの消費電力、単位開度当りの消費電力、及び単位回転数当りの消費電力とで、全体の消費電力変化量を求め、この消費電力変化量及び上記周波数操作量が正であるときに、開度操作量及びファン回転数操作量を上記求めた開度操作量及びファン回転数操作量よりも増加させる一方、周波数操作量を上記求めた周波数操作量よりも減少させることにより、目標空調運転の定常運転状態においては消費電力量を略最小とすることを特徴としている。
【０００７】
上記請求項１の空気調和機では、圧縮機１の周波数、室内電動膨張弁５の開度、及び室外ファン７の回転数を制御して目標空調負荷点に近づける目標空調運転が可能であるので、室内を所望の温度及び所望の湿度に近づけることができる。またこの際、目標空調負荷点に接近させるための周波数操作量、開度操作量、及び回転数操作量を求め、これらの操作量と、予め求めていた単位周波数当りの消費電力、単位開度当りの消費電力、及び単位回転数当りの消費電力とで、全体の消費電力変化量を求め、この消費電力変化量が負であれば、現在の消費電力量から減少することになるので、各操作量をこのままの状態とすることによって、省エネを達成できる。また、消費電力変化量が正、つまり増加していても、周波数操作量が負であれば、この圧縮機の消費電力が減少することになる。この場合、消費電力変化量の増加は、消費電力上昇の少ない室内電動膨張弁５及び室外ファン７の操作によるものであり、このままの状態とするほうが、全体として省エネとなる。そして、消費電力変化量及び上記周波数操作量が正であれば、開度操作量及びファン回転数操作量を上記求めた開度操作量及びファン回転数操作量よりも増加させる一方、周波数操作量を上記求めた周波数操作量よりも減少させることにより、全体の消費電力量の増加を少なく抑えることができる。
【００１２】
請求項２の空気調和機は、圧縮機１と、室外側熱交換器２と、室外ファン７と、室外電動膨張弁３と、少なくとも２個以上に分割された室内側熱交換器４、６と、この分割された室内側熱交換器４、６間において室外熱交換器２側の第１室内熱交換器４と圧縮機１側の第２室内熱交換器６との間に介設される室内電動膨張弁５とを備え、上記室外側熱交換器２又は上記第1室内熱交換器４を凝縮器として機能させると共に、少なくとも上記第２室内熱交換器６を蒸発器として機能させる空気調和機であって、上記圧縮機１の周波数、上記室内電動膨張弁５の開度を制御して、室内を目標温度と目標湿度とによって規定される目標空調負荷点に近づけた後に、上記圧縮機１の周波数を、周波数の最小操作量だけ低下させ、低下させた圧縮機１の周波数において上記目標空調負荷点に近づくように、上記室内電動膨張弁５の開度及び室外ファン７の回転数を調整して、消費電力量の低下を図ることを特徴としている。
【００１３】
上記請求項２の空気調和機では、顕熱負荷及び潜熱負荷にて規定される目標空調負荷点に近づけたまま、消費電力の上昇が大きい圧縮機１の周波数を下げるものであるので、全体の消費電力量の増加を少なく抑えることができる。
【００１６】
請求項項３空気調和機は、上記圧縮機１の周波数の低下を所定時間毎に行うことを特徴としている。
【００１７】
上記請求項項３の空気調和機では、圧縮機１の周波数の低下を所定時間毎に行うものであるので、確実に省エネ領域に移行させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この発明の空気調和機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は空気調和機の簡略構成図である。この空気調和機は、圧縮機１と、室外熱交換器２と、室外膨張弁（室外電動膨張弁）３と、第１室内熱交換器４と、室内膨張弁（室内電動膨張弁）５と、第２室内熱交換器６とが順次接続されてなる。すなわち、この場合、室内熱交換器を２個に分割している。また、室外熱交換器２側に室外ファン７が付設され、室内熱交換器側に室内ファン８が付設されている。
【００１９】
このため、室外膨張弁３及び室内膨張弁５を調節することによって、この冷媒回路内を循環する冷媒流量を制御して、冷房運転及び除湿運転を行うことができる。すなわち、室内膨張弁５を全開状態として、室外膨張弁３の開度を制御することによって、室外熱交換器２を凝縮器として機能させ、第１・第２室内熱交換器４、６を蒸発器として機能させて、冷房運転を行う。しかも室外膨張弁３の開度を制御して、この冷房運転の冷房能力を変動させることができる。
【００２０】
また、室外膨張弁３を全開状態として、室内膨張弁５の開度を制御することによって、第１室内熱交換器４を再加熱器として機能させると共に、第２室内熱交換器６を蒸発器として機能させて、除湿運転を行うことができる。さらに、室外膨張弁３をある程度絞った後、室内膨張弁５の開度を調整することによって、第１室内側熱交換器４を、蒸発器としても再加熱器としても機能させずに、第２室内側熱交換器６を蒸発器として機能させて、冷房能力の小さい運転を行わせることができる。なお、以下の説明は、室外膨張弁３で圧縮機１の吸入過熱度を調節し、室内膨張弁５で第１室内熱交換器４の状態を制御する場合についてのものである。
【００２１】
ところで、圧縮機１の周波数、室外ファン７の回転数、室内膨張弁５の開度、室外膨張弁３の開度の各アクチュエータのいずれを操作しても潜熱能力（除湿能力）および顕熱能力（冷房能力）は変化するが、操作するアクチュエータによりその変化の割合が異なることが明らかである。しかも、操作するアクチュエータにより、顕熱能力・潜熱能力変化量は同じであっても消費電力量が異なることも明らかである。
【００２２】
図４は圧縮機１の周波数、室外ファン７の回転数、室内膨張弁５の開度によって実現される能力域を顕熱能力・潜熱能力軸上に表したものである。圧縮機１の周波数を固定したときには室内膨張弁５の開度及び室外ファン７の回転数によって実現できる制御領域が決まり、圧縮機１の周波数をＺ１、・・・、Ｚｎと変化させたときには、制御領域もΣ１、・・・、Σｎと変化する。この時、空調負荷として点ｐ（☆）の能力点を目標としたとき点ｐは複数の制御領域に含まれることから、点ｐを実現する圧縮機１の周波数、室外ファン７の回転数、室内膨張弁５の開度の組み合わせは複数あり、その数は点ｐを含む制御領域の数に等しい。従って、制御領域つまり圧縮機周波数の制御単位が細かいほど組み合わせは多くなることになる。
【００２３】
一方、図８は室内外環境を同一にしたときの圧縮機１の周波数と消費電力量との関係を示したものであり、消費電力量の変化は、おおむね圧縮機１の周波数の増減と同一傾向を示している。また、図５は室内外環境と圧縮機１の周波数とを固定して、室外ファン７の回転数と消費電力との関係を示したものであり、図６は図５と同様に室内外環境に加え圧縮機１の周波数も固定して室内膨張弁５の開度と消費電力の関係を示したものである。そして、図７は、特定の消費電力について、室内膨張弁５の開度と室外ファン７の回転数との関係を示したものである。
【００２４】
このように、室内・室外環境が同じであってもアクチュエータである圧縮機１、室外ファン７、室内膨張弁５の組み合わせにより消費電力量が異なるが、一定の傾向をもって変化することから、この傾向に従って複数の組み合わせがあるアクチュエータの操作量を決定することが可能である。言い換えれば、空調負荷点ｐは制御領域Σ１、・・・、Σｎのいずれかで決定されるアクチュエータ制御量でも実現できる。ところが、従来のこの種の空気調和機の制御は、この制御領域Σ１、・・・、Σｎのいずれかの点ｐに収束させようとしているが、最終的に、どの制御領域に収束するかは全く考慮していなかった。すなわち、制御領域Σ１で実現する空調負荷点ｐの消費電力量Ｗａ、制御領域Σ２で実現する空調負荷点ｐの消費電力量Ｗｂ、制御領域Σｎで実現する空調負荷点ｐの消費電力量Ｗｎは同じにならない。
【００２５】
しかし、制御領域を固定すると空調負荷点ｐでの室内膨張弁５の開度、室外ファン７の回転数は一意に決定され、図８からわかるように、制御領域の基準である圧縮機１の周波数で能力バランスさせればよいことになる。そこで、この空気調和機においては、目標空調負荷点に接近させるための周波数操作量、開度操作量、及び回転数操作量を求め、これらの操作量と、予め求めていた単位周波数での消費電力、単位開度での消費電力、及び単位回転数での消費電力とで、全体の消費電力変化量を求め、この消費電力変化量に基づいて、周波数操作量、開度操作量、及び回転数操作量を調整するものである。
【００２６】
具体的な制御方法について、図２に示すフローチャート図に従って説明する。この場合、周波数１Ｈｚ、開度１°、ファン回転数１ｒｐｍに対する消費電力量の変化、つまり単位周波数での消費電力量ｗｃと、単位開度での消費電力量ｗｖと、単位回転数での消費電力量ｗｆとを求め、テーブル等にこれらのデータを持たせておく。そして、ステップＳ１に示すように、目標能力バランスのための周波数操作量ΔＣ、室内膨張５の開度操作量ΔＶ、室外ファン回転数操作量ΔＦを求める。次に、ステップＳ２へ移行して、上記テーブルから各消費電力量ｗｃ、ｗｖ、ｗｆを読み出して、この各消費電力量ｗｃ、ｗｖ、ｗｆと上記ステップＳ１で求めた各操作量ΔＣ、ΔＶ、ΔＦとで、目標能力バランスのため（目標空調負荷点に接近させるため）の消費電力変化量ΔＷを算出する。この消費電力変化量ΔＷは次の（１）式から求めることができる。
ΔＷ＝ｗｃ・ΔＣ＋ｗｖ・ΔＶ＋ｗｆ・ΔＦ    ・・・（１）
【００２７】
その後は、ステップＳ３へ移行して、ΔＷ≧０（ΔＷが正）かつΔＣ≧０（ΔＣが正）であるかを判断する。そして、ΔＷ≧０かつΔＣ≧０であれば、ステップＳ４へ移行し、ΔＷ≧０かつΔＣ≧０でなければ、ステップＳ５へ移行する。これは、ΔＷ＜０（ΔＷが負）であれば、消費電力が減少する方向に働くので、このままの状態での運転を継続させるのが省エネにつながるからである。また、ΔＷ≧０であっても、ΔＣ＜０（ΔＣが負）であれば、消費電力としては能力合わせのため上昇するが、主に消費電力上昇の少ないアクチュエータ、つまり圧縮機１以外の室内膨張弁５と室外ファン７によって操作されていることになり、このような場合であっても、このままの状態での運転を継続させるのが省エネにつながるからである。
【００２８】
そして、ΔＷ≧０かつΔＣ≧０であれば、消費電力が上昇し、しかも費電力上昇の大きいアクチュエータ、つまり圧縮機１が主に操作されることになる。このため、能力合わせのために算出した制御量（操作量）のうち、消費電力の上昇の少ないアクチュエータ、つまり室内膨張弁５と室外ファン７の操作量を相対的に増加させるものである。
【００２９】
すなわち、ステップＳ４で、現在の周波数をＣｎ、現在の開度をＶｎ、現在のファン回転数をＦｎとしたときに、目標周波数Ｃを次の（２）式から求め、目標弁開度Ｖを次の（３）式から求め、目標ファン回転数Ｆを次の（４）式から求める。ここで、αは係数であり、α＞１である。このαは目標能力への収束速度との兼ね合いで決定する。
Ｃ＝Ｃｎ＋ΔＣ／α    ・・・（２）
Ｖ＝Ｖｎ＋ΔＶ×α    ・・・（３）
Ｆ＝Ｆｎ＋ΔＦ×α    ・・・（４）
【００３０】
また、ステップＳ５では、この状態のままの運転を継続させるものであるので、現在の周波数をＣｎ、現在の開度をＶｎ、現在のファン回転数をＦｎとしたときに、目標周波数Ｃを次の（５）式から求め、目標弁開度Ｖを次の（６）式から求め、目標ファン回転数Ｆを次の（７）式から求める。
Ｃ＝Ｃｎ＋ΔＣ    ・・・（５）
Ｖ＝Ｖｎ＋ΔＶ    ・・・（６）
Ｆ＝Ｆｎ＋ΔＦ    ・・・（７）
【００３１】
このように、目標負荷点（所定温度でかつ所定湿度）に近づける際に、その消費電力量を略最小とすることができ、しかも、目標負荷点近傍に達した後においても消費電力が少ない運転を行うことができる。このため、省エネ運転が可能となって、地球環境にやさしい空気調和装置となり、また、ランニングコストの低減が可能であるので、ユーザーにとっては電力料金の減少につながって好ましいものとなる。
【００３２】
上記図２のフローチャート図では、目標負荷点に近づける際にも省エネ運転を行うものであるが、通常の運転（例えば、過熱度制御）を行って、この目標負荷点に近づけた後、省エネ運転となるように制御してもよい。この制御方法について、図３のフローチャート図にしたがって説明する。
【００３３】
運転を開始して、ステップＳ６でこのシステム（空気調和装置）が定常に達したか否かを判断する。ここで、定常に達するとは、目標空調負荷点の所定範囲内に達することをいう。そして、定常に達していなければ、達するまでまち、定常に達していれば、ステップＳ７へ移行する。
【００３４】
そして、このステップＳ７では、所定時間（例えば、５分）以上経過したか否かの判断を行い、経過していなければ、ステップＳ６に戻り、経過していればステップＳ８へ移行する。このステップＳ８では、圧縮機１の周波数を低下させる。この場合の操作量は、周波数操作の最小値とする。すなわち、現在の周波数をＣｎとしたときに、目標周波数Ｃを次の（８）式で求めることができる。
Ｃ＝Ｃｎ−１    ・・・（８）
【００３５】
この場合、圧縮機１の周波数の低下に応じて、室内電動膨張弁５の開度及び室外ファン７の回転数を調整して、消費電力量の略最小化を図ることになる。すなわち、定常に達した後、一定時間間隔に、圧縮機１の周波数が所定周波数だけ低下されて、省エネ運転領域に移行させることができる。これにより、省エネ運転の信頼性が向上する。
【００３６】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、単位周波数当りの消費電力、単位開度当りの消費電力、及び単位回転数当りの消費電力をデータテーブルで持つのではなく、運転中にこれらの単位あたりの消費電力を算出するようにしてもよい。さらに、室内側熱交換器として、第１・第２室内側熱交換器４、６に限るものではなく、３個以上に分割されているものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の空気調和機によれば、冷房負荷全域で温度・湿度を独立に調整でき、しかも室内を所望の温度及び所望の湿度に近づけることができる。これにより、快適空間を形成することができ、ユーザーは快適にすごすことができる。また、この目標空調運転の定常運転状態においては、消費電力量が略最小となるので、省エネを達成できる。これにより、この装置は地球環境にやさしく、しかも電力料金を減少させることができ、ユーザーにとっては好ましいものとなる。
【００４０】
請求項２の空気調和機によれば、室内を所望の温度及び所望の湿度に近づけることができる。これにより、快適空間を形成することができ、ユーザーは快適にすごすことができる。また、目標空調負荷点に近づけたまま、消費電力量が略最小となる運転へ移行させるので、省エネを達成できる。これにより、この装置は地球環境にやさしく、しかも電力料金を減少させることができ、ユーザーにとっては好ましいものとなる。
【００４２】
請求項３の空気調和機によれば、確実に省エネ領域に移行させることができ、省エネ運転の信頼性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の空気調和機の実施形態を示す簡略構成図である。
【図２】上記空気調和機の運転動作を示すフローチャート図である。
【図３】上記空気調和機の他の運転動作を示すフローチャート図である。
【図４】圧縮機周波数と室外ファン回転数と室内膨張弁開度とによって実現される能力域を顕熱能力・潜熱能力軸上に現したグラフ図である。
【図５】室外ファン回転数と消費電力との関係を示すグラフ図である。
【図６】室内膨張弁開度と消費電力との関係を示すグラフ図である。
【図７】室内膨張弁開度と室外ファン回転数との関係を示すグラフ図である。
【図８】圧縮機周波数と消費電力との関係を示すグラフ図である。
【図９】従来の空気調和機を示す簡略構成図である。
【図１０】室外流量調節弁の開度と能力との関係を示すグラフ図である。
【図１１】顕熱能力と潜熱能力との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  室外側熱交換器
３  室外電動膨張弁
４  室内側熱交換器
５  室内電動膨張弁
６  室内側熱交換器
７  室外ファン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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