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特集論文

多目的な利用環境に配慮したパッケージエアコン開発技術（パッケージエアコン開発におけるダイナミックシミュレーションの活用）
Development of Packaged Air Conditioners
Applying to Many Using Environments
赤 澤 公 雄＊1
Kimio Akazawa

藤 崎 忠 司＊3
Tadashi Fujisaki

蒲原覚＊2

鈴木寛＊4

Satoru Kamohara
Hiroshi Suzuki

パッケージエアコンの利用環境はお客様ごとに異なり，同じ利用環境は２つとない．利用環境の違いには，室外機と室内機を接続する配管の長さ，室外機の設置場所（屋上かそれとも地上か），外気温度変化などがある．これらの違いをダイナミックシミュレーションで計算し，特殊な利用環境でもパッケージエアコンの性能を発揮できることを検証している．この計算適用事例と得られた成果とを紹介する．

1．はじめに圧力，流量と室内熱交換器と室外熱交換器で熱交換する空気温度，風量及び熱交換量とを数値計算すること

当社は，発電プラントのような大規模な設備で，かになる．この冷媒，空気といった流体温度，圧力，流つ工場で全プロセスを統合した試験が困難な製品に対量を解くダイナミックシミュレーション計算コードとして，ダイナミックシミュレーションを数十年前よりして，当社ではこれまで発電プラント動特性解析やロ適用している．その実績を踏まえ，ダイナミックシミ

ケットエンジンの燃料，酸素系統動特性解析に適用しュレーションは，有効性が実証された設計検証手法とてきた PRANET というシミュレーションコードを保いえる．

持している (1)．このコードで流体種類として R134a，一方，パッケージエアコン開発の分野では，比較的R407C，R410A といった冷媒を扱えるよう改造した．

容易に実機工場試験が可能であるため，これまではダさらに，エアコンに特有の計算条件である圧縮機潤滑イナミックシミュレーションよりも実機試験を主体と油移動に関する計算式をシミュレーション目的に応じした開発を行ってきた．しかしながら，近年の製品市て追加して計算を進めている．

場グローバル化に伴い，その利用環境は，条件の組合

3．利用環境を想定したシミュレーション

せで爆発的な種類となってきており，これらを工場試験で網羅することは，現実的な方策でなくなってきて3．1 配管長の長短いる．このように開発段階では，膨大な利用環境が考室外機と室内機とを接続する接続配管はお客様のごえられる中，どのような利用環境のお客様にもご満足都合により，短いものから長いものまである．特に，いただくため，様々な利用環境を想定したダイナミッ

ビル用空調システムの場合，５ m から 160 m（業界最クシミュレーションを実施し，当社パッケージエアコ長の当社新製品 LX）まで変化することになる．このンの性能を予測評価している．また，工場における試配管長の相違により，設計上考慮していることの代表

運転結果とダイナミックシミュレーション結果とを比的なものには以下のものがある．

較することで，この予測精度向上に取り組んでいる．

① 冷媒チャージ量が変わる

2．ダイナミックシミュレーションの概要② 低負荷運転時の圧縮機潤滑油濃度の変化③ デフロスト運転所要時間の変化

パッケージエアコンの性能を予測するダイナミックデフロスト運転とは，外気温が０℃以下のように低シミュレーションでは，エアコン内における冷媒温度，

い状況下で暖房運転を実施すると室外熱交換器表面に＊1＊2

技術本部高砂研究所制御システム研究室主席
技術本部高砂研究所制御システム研究室＊3＊4

技術本部名古屋研究所空調・圧縮研究推進室主席
冷熱事業本部空調輸冷製造部空調設計課

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霜が付着するため，この霜を溶かす（デフロスト）運

濃度を規定値以下に抑えるための設計パラメータと転をいう．

して以下のものがある．
¡低負荷時の起動，停止それぞれの最短時間

この ① の冷媒チャージ量の変化に対して，静的な¡起動停止時における圧縮機回転数変動パターン

計算から液配管長が決まれば適正な冷媒量が決まり，この低負荷運転時における現象を配管長が５ m

その値をユーザマニュアルに記載している．の場合と 120 m の場合とについてダイナミックシミ（1）低負荷時運転② の低負荷運転時における圧縮機潤滑油濃度のュレーションで検討した例について示す．対象機種

変化については，温調負荷が小さく，圧縮機がオ

は新型ビル用空調機 LX シリーズの 10 馬力機であン／オフを繰り返すような状況下において，圧縮機る．その冷媒系統図を図１に示す．配管長として，内潤滑油の冷媒による希釈率がどう変化するかを問

５ m と 120 m を選んだ理由は，まず最低でも５ m題にする．希釈率は次式により定義する．

程度の配管は取り付け上必要不可欠となることと，120 m 以上の配管長の場合，管口径を小さくするた
め，冷媒量としては 120 m のときが最も多くなるた

ここで，めである．

Toil ： 希釈率（％）

図２にシミュレーション結果を示す．図２(a)はMref： 圧縮機内冷媒質量

冷房モードにおける低負荷時運転のシミュレーショ

Moil ： 圧縮機内潤滑油質量

ン結果であり，図２(b)は暖房モードにおける低負圧縮機内に液冷媒が大量に戻ってきて，希釈率が荷時運転のシミュレーション結果である．図２から規定値を超えると圧縮機故障原因となる．一方，配分かることは，冷房では配管長にかかわらず希釈率

管長が長くなれば，圧縮機が停止から運転した直後が 10 ％以下を維持しているのに対し，暖房時でに液冷媒が多く圧縮機に戻る．この圧縮機内潤滑油

120 m 配管の時には 20 ％程度まで希釈率が上昇している．これは暖房時のほうが液冷媒が圧縮機に戻

ガス管
四方切換弁

率の規定値は 40 ％であり，現行の設計パラメータ

オイル
逆止弁
セパレータ

吸入管

電子膨張弁
圧縮機めと考えられる．しかしながら，当該圧縮機の希釈で問題ないことが確認できた．

電子膨張弁

アキュム
レータ
液ガス熱交

液管

（2）デフロスト運転

過冷却
コイル

油戻り管

デフロスト運転において設計上考慮すべき点は，デフロストに掛かる時間と圧縮機の高低圧制限を維レシーバ持できるかどうかにある．圧縮機高低圧制限は通常電子膨張弁の定常運転を想定した制限値であり，デフロスト運図１ 新型ビル用空調機 LX シリーズ 10 馬力機の冷媒系
新型ビル用空調機 LX シリーズ 10 馬力機の構
統図

転のような短時間に事象が完結する過渡時に対して成機器，配管系統を示す．

希釈率計算結果：５m（△），120 m（□）はほとんど同じ

201006050403020

圧縮機回転数

希釈率（％）

希釈率制限値：これを超えると大きすぎる

4030

圧縮機回転数（Hz）

希釈率（％）

50は厳しい（この制限値を満たせば十分過ぎる余裕を50

希釈率制限値：これを超えると大きすぎる40□：120m配管の希釈率計算結果

302010圧縮機回転数060△：５m配管の希釈率計算結果

40302010100102030時

4050

060間（分）（a）冷房モード低負荷運転時の圧縮機回転数と潤滑油希釈率

500102030時

4050

圧縮機回点数（Hz）

室内熱交換器

りやすく，配管長が長いほど大量の液冷媒が戻るた

室外熱交換器

060間（分）（b）暖房モード低負荷運転時の圧縮機回転数と潤滑油希釈率

図２ ダイナミックシミュレーション例(a)は冷房モード低負荷運転時の圧縮機回転数と潤滑油希釈率で，圧縮機が起動停止を繰り返す低負荷運転時の回転数と希釈率の時間応答を示す．(b)は暖房モード低負荷運転時の圧縮機回転数と潤滑油希釈率で，圧縮機が起動停止を繰り返す低負荷運転時の回転数と希釈率の時間応答を示す．
三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）

84もつ）条件となっており，必要があれば，圧縮機の4.0過渡時耐力を詳細に評価する必要がある．対象機種について，デフロスト運転時のシミュレーションを実施した．

圧（MPa）馬力機とし，配管長が５ m，100 m，160 m の場合

3.5

高は図１に示した新型ビル用空調機 LX シリーズの 10

圧縮機圧力制限 この中であれば，長時間運転しても OK：配管長 100 m

暖房運転

3.0
3.5

デフロスト終了

2.0

デフロスト開始

1.51.0

デフロスト運転時の高圧（圧縮機吐出圧）と低圧デフロスト中0.5（圧縮機吸込圧）との関係を圧縮機定常時圧力制限

0.00と対比したものを図 3 に示す．図 3 から分かること0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
低は，まずデフロスト運転中，高圧が低下し，圧縮機制限範囲を外れる．これは先に記述したように圧縮

1

1.1 1.2圧（MPa）

図３ デフロスト運転時の高圧と低圧との相関

デフロ
スト運転時の高圧と低圧の相関を圧縮機圧力制限と対比して示す．

機制限範囲は定常運転時の制限値であり，デフロス
縮機圧力制限は，圧縮機回転軸の油膜厚さに関係し5.04.5

施し，新型ビル用空調機 LX シリーズでは検証を行っている．
3．2

室外機取付け場所

国内におけるビル用空調機の室外機取付け場所は屋上が大半を占めるが，地上に設置するケースもある．
さらに，海外のお客様においては，室外機を地上に設高圧／低圧（MPa）ており，圧力，希釈率等から油膜厚さの再評価を実100：吐出ガス温度計算結果

4.03.53.0：室内熱交能力計算結果

2.51.00.50.0位置に取り付けることになり，室外機を地上に設置した場合には室内機のほうが室外機よりも高い位置とな

約 27 分で整定している：低圧計算結果
起動051015置する割合が国内における比率よりも高い．室外機を屋上に設置した場合には，室内機は室外機よりも低い

200：高圧計算結果

2.01.5806040

能力（kW）／温度（℃）

ト運転の過渡時にそのまま適用はできない．この圧

20時25303540間（分）図４ 室外機を室内機より 40 m 高い位置に設置したとき
起動後 30 分経ての圧力，弁開度，圧縮機回転数ば安定した運転ができる．

る．この室外機と室内機の高さの最大差は，ビル用空調機 LX の場合 40 m である．この室外機と室内機のおける暖房運転起動時挙動をシミュレーション計算し設置高さの違いに対して設計上考慮していることの代た．この結果を図４に示す．図４から分かることは，表的なものには以下のものがある．

暖房標準条件（外気温７℃，室内温度 20 ℃）におい¡室外機上の場合：暖房運転時，液冷媒を下から上にて，40 m の高低差があっても温度，圧力，熱交換器流すことになり，ここでの減圧による冷媒フラッシ能力ともに安定した運転が可能であることである．こュによる能力低下．の図５では，能力が整定するのに約 27 分掛かってい¡室外機下の場合：冷房運転時，液冷媒を下から上にるが，その後，更に短い時間で整定するパラメータを流すことになり，ここでの減圧による冷媒フラッシシミュレーションで決定した．この結果を新型ビル用

ュによる能力低下．

空調機 LX シリーズに適用した．

いずれも液を下から上に向かって流す場合の減圧沸3．3 外気温度の変化

騰を生じさせないことが，空調機の性能維持のために外気温度はまさにお客様ごと，また空調機を使用す必須となる．ここで減圧沸騰を回避するだけならば，るその日，また一日の中でも時間によって変化する，

静的な解析で凝縮器となる熱交換器（冷房時：室外熱最も不確定要素の大きい環境条件である．この外気温交，暖房時：室内熱交）の出口過冷却度をつければ良度が変わる影響をシミュレーションで事前に検討し，いという答えがでる．しかしながら，ダイナミックシ空調機能力限界と空調機耐力を評価した．空調機耐力

ミュレーションすることで，そのときの膨張弁開度がとして，最も影響が顕著に現れる高圧を選んだ．また，どの程度になり，必要能力を発揮するための圧縮機回デフロスト運転時と同様に圧縮機圧力制限範囲につい転数がどの程度かを事前に検討可能である．これによても評価した．対象機種は図１に示した新型ビル用空り，実機試験回数を低減できる．そこで図１に示した

調機 LX シリーズの 10 馬力機とし，その他の計算条件

新型ビル用空調機 LX シリーズの 10 馬力機を対象とは以下のようにした．

し，室外機を室内機よりも 40 m 上に設置した場合に¡運転モード：冷房

85
圧縮機圧力制限 この中であれば，長時間運転しても OK4.570

膨張弁制御により低圧が降下

4.0：外気温度 20℃
：外気温度 35℃
：外気温度 40℃
：外気温度 50℃

5025

吐出圧（Mpa）

5.0

70

80

90 100 110 120
回転数（Hz）

130 140

高 圧（MPa）

冷房能力（−）

100

外気温度 50℃，回転数120 Hz以外は，
すべて圧力制限内

3.5
3.0
2.5
2.0
1.5

（a）外気温度が変わったときの冷房能力

1.0

4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
70

0.5
0.0

：外気温度 50℃
（回転数：白抜き80 Hz，グレイ100 Hz，塗潰し120 Hz）：外気温度 40℃
（回転数：白抜き80 Hz，グレイ100 Hz，塗潰し120 Hz）：外気温度 35℃
（回転数：白抜き80 Hz，グレイ100 Hz，塗潰し120 Hz）：外気温度 20℃（回転数：白抜き80 Hz，グレイ100 Hz，塗潰し120 Hz）
00.1

0.2

0.3

0.4

0.5
低：外気温度 50℃：外気温度 40℃
：外気温度 35℃
：外気温度 20℃
8090

100 110 120
回転数（Hz）

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

圧（MPa）（c）外気温度が変わったときの高低圧

図５ 外気シミュレーション例

130 140（b）外気温度が変わったときの高圧(a)は外気温度が変わったときの冷房能力を示す．外気温度が低いほど冷房能力が大きい．(b)は外気温度が変わったときの高圧を示す．外気温度が高いほど高圧が高い．(c)は外気温度が変わったときの高圧と低圧の相関を圧縮機圧力制限と対比して示す．

¡外気温度： 50 ℃，43 ℃，35 ℃，20 ℃

境をダイナミックシミュレーションの条件として組み¡室内温度： 27 ℃

込んだシミュレーション計算を実施することによる，¡圧縮機回転数： 80 Hz，100 Hz，120 Hz

設計段階におけるトラブル未然防止，品質向上，開発

この設定根拠は，室内温度は JIS 規格値に固定し，期間短縮への取組みを紹介した．

外気温度を空調機使用制限上限の 43 ℃，JIS 規格の今後ますます製品開発加速への要求が高まる中，信

35 ℃，負荷が０に近くなる 20 ℃，及び想定される上頼性及び性能向上を目的とした数値シミュレーション

限（輻射熱など）として 50 ℃を選んだ．また，圧縮の設計への適用は従来にも増して重要な差別化ポイン

機回転数は運転制御の適切さを検討するため，最高回トとなっており，当社においても意欲的に取り組み，転数 120 Hz からその 2/3 の 80 Hz とした．計算結果の多様な製品開発の要所要所にシミュレーションを活用

冷房能力をまとめたグラフを図５(a)に，高圧をまとし試作品の製作と試験期間を短縮することで，お客様めたものを図５(b)に，高圧と低圧の相関及び圧縮機のニーズを満足する製品をいち早く提供していく所存

圧力制限を図５(c)に示す．

である．

図５(a)から分かることは，外気温度が低いほど能力が大きいことと，圧縮機回転数が大きいほど能力が大きいことである．次に図５(b)から分かることは，外気温度が使用制限上限の 43 ℃以下の場合には圧縮機回転数を 120Hz まで上昇しても高圧は圧縮機の高圧制限を超えないことと，外気温度が 50 ℃の場合に参 考 文 献（1）桑原ほか，ノード・リンクネットワーク表現による流体システムのシミュレーションプログラム
PRANET，三菱重工技報 Vol.22 No.6（1985）
p.859

は圧縮機回転数が 80Hz でも高圧が高くなることである．これより，限界を超えた外気温度でもトラブルを回避するためには，高圧が高いとき圧縮機回転数を下げる高圧ランバック制御が必要であることが分かる．
また，図５(c)より高圧ランバック制御を追加すれば，ここで検討した外気温度条件では，すべて圧縮機の圧赤澤公雄

蒲原覚

藤崎忠司

力制限内で運転できることが分かる．ここで得た成果を新型ビル用空調機 LX シリーズに適用した．

4．まとめ

本報では，多種多様なパッケージエアコンの利用環

鈴木寛

三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）