JPH07110165A

JPH07110165A - 空気調和装置

Info

Publication number: JPH07110165A
Application number: JP5258357A
Authority: JP
Inventors: Yozo Hibino; 陽三日比野; Susumu Nakayama; 進中山; Hiroshi Yasuda; 弘安田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1995-04-25
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP3156191B2

Abstract

(57)【要約】【目的】消費電力を最小化し高効率な運転状態を保持
可能とする。【構成】制御手段２１は、能力可変圧縮機１の吐出温
度又は吐出過熱度の目標値を決定する機構７と、吐出温
度又は吐出過熱度の目標値と検出値との偏差が小さくな
るように流量可変膨脹弁４の開度を演算する第１の演算
機構１０と、第１の演算機構１０の出力に応じて流量可
変膨脹弁４の開度を制御する開度制御器１１と、室温の
目標値を設定する室温設定器１２と、設定された室温と
検出された室温との偏差が小さくなるように能力可変圧
縮機１の回転数を演算する第２の演算機構１５と、第２
の演算機構１５の出力に応じて能力可変圧縮機１の回転
数を制御する回転数制御器１６と、開度及び回転数の各
偏差が所定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるよう
に補正する第３の演算機構１７とを具備している。【効果】省エネルギ運転を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷暖房サイクルに係
り、特に圧縮機の回転数制御と膨脹弁の開度制御とを行
うのに好適な空気調和装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、消費
電力もしくは成績係数を直接制御することのできる制御
手段を備えた空気調和装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る空気調和装置は、回転数を可変とした
能力可変圧縮機と室外ファンを付設した室外熱交換器と
を有する室外機と、開度を可変とした流量可変膨脹弁と
室内ファンを付設した室内熱交換器とを有する室内機
と、室内機及び室外機を順次接続して冷暖房サイクルを
形成し少なくとも一つの機器の消費電力を制御する制御
手段とを備えてなる空気調和装置において、制御手段
は、能力可変圧縮機の吐出温度又は吐出過熱度の目標値
を決定する機構と、吐出温度又は吐出過熱度の目標値と
検出された吐出温度又は吐出過熱度との偏差が小さくな
るように流量可変膨脹弁の開度を演算する第１の演算機
構と、第１の演算機構の出力に応じて流量可変膨脹弁の
開度を制御する開度制御器と、室温の目標値を設定する
室温設定器と、設定された室温と検出された室温との偏
差が小さくなるように能力可変圧縮機の回転数を演算す
る第２の演算機構と、第２の演算機構の出力に応じて能
力可変圧縮機の回転数を制御する回転数制御器と、それ
ぞれの演算により決められた開度及び回転数をそれぞれ
の偏差が所定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるよ
うに補正する第３の演算機構とを具備している構成とす
る。

【０００５】そして回転数を可変とした能力可変圧縮機
と室外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機
と、開度を可変とした流量可変膨脹弁と室内ファンを付
設した室内熱交換器とを有する室内機と、室内機及び室
外機を順次接続して冷暖房サイクルを形成し少なくとも
一つの機器の消費電力を制御する制御手段とを備えてな
る空気調和装置において、制御手段は、能力可変圧縮機
の吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値を決定する機構
と、吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値と検出された吸
入湿り度又は吸入過熱度との偏差が小さくなるように流
量可変膨脹弁の開度を演算する第１の演算機構と、第１
の演算機構の出力に応じて流量可変膨脹弁の開度を制御
する開度制御器と、室温の目標値を設定する室温設定器
と、設定された室温と検出された室温との偏差が小さく
なるように能力可変圧縮機の回転数を演算する第２の演
算機構と、第２の演算機構の出力に応じて能力可変圧縮
機の回転数を制御する回転数制御器と、それぞれの演算
により決められた開度及び回転数をそれぞれの偏差が所
定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるように補正す
る第３の演算機構とを具備している構成でもよい。

【０００６】また第１の演算機構、第２の演算機構及び
第３の演算機構のそれぞれは、デジタルコンピューター
を用いている構成でもよい。

【０００７】さらに制御手段は、消費電力が最小値にな
ったことを知らせる手段を有している構成でもよい。

【０００８】そして制御手段は、消費電力に関する第３
の演算機構を実行するか否かの選択を可能とする手段を
有している構成でもよい。

【０００９】また制御手段は、電力検出器又は電流検出
器により消費電力を監視する手段を有している構成でも
よい。

【００１０】さらに制御手段は、製品の出荷の際に該製
品の消費電力を評価して合否を判定する手段を有してい
る構成でもよい。

【００１１】そしてインバーター付パッケージエアコン
ディショナーにおいては、前記いずれか一つの空気調和
装置に、少なくともキャピラリ、サブ熱交換器、バイパ
ス、電磁弁及び逆止弁を具備してなる構成とする。

【００１２】

【作用】本発明によれば、第１の演算機構により、能力
可変圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度が目標値とな
るように、流量可変膨脹弁の開度を制御する第１のフィ
ードバック制御系が構成される。また、第２の演算機構
により、室温が設定値になるようにもしくは空調能力が
目標値になるように能力可変圧縮機の回転数を制御する
第２のフィードバック制御系が構成される。さらに第３
の演算機構により、第１及び第２のフィードバック制御
系を生かして、それぞれの偏差が所定範囲から逸脱しな
いという制約条件のもとで、消費電力を小さくする、も
しくは成績係数を大きくする最適化制御系が構成され
る。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例を図１を参照しながら説明
する。図１に示すように、回転数を可変とした能力可変
圧縮機１と室外ファン６を付設した室外熱交換器５とを
有する室外機と、開度を可変とした流量可変膨脹弁４と
室内ファン３を付設した室内熱交換器２とを有する室内
機と、室内機及び室外機を順次接続して冷暖房サイクル
を形成し少なくとも一つの機器の消費電力を制御する制
御手段２１とを備えてなる空気調和装置であって、制御
手段２１は、能力可変圧縮機１の吐出温度又は吐出過熱
度の目標値を決定する機構７と、吐出温度又は吐出過熱
度の目標値と検出された吐出温度又は吐出過熱度との偏
差が小さくなるように流量可変膨脹弁４の開度を演算す
る第１の演算機構１０と、第１の演算機構１０の出力に
応じて流量可変膨脹弁４の開度を制御する開度制御器１
１と、室温の目標値を設定する室温設定器１２と、設定
された室温と検出された室温との偏差が小さくなるよう
に能力可変圧縮機１の回転数を演算する第２の演算機構
１５と、第２の演算機構１５の出力に応じて能力可変圧
縮機１の回転数を制御する回転数制御器１６と、それぞ
れの演算により決められた開度及び回転数をそれぞれの
偏差が所定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるよう
に補正する第３の演算機構１７とを具備している構成で
ある。

【００１４】そして室内を暖房するときは、図１に示す
矢印のように、能力可変圧縮機（圧縮機）１から吐出さ
れる高温高圧のガス冷媒を室内熱交換器２に送り、ここ
で凝縮させることにより、室内からの低温の吸込空気を
加熱して高温の吐出空気を室内ファン３によって送出し
室内を暖房する。ここで凝縮した液冷媒を室外熱交換器
５に送り、そこで吸熱して蒸発させガス冷媒にするた
め、室外ファン６によって戸外空気を室外熱交換器５に
当てる。ここで蒸発した低温低圧のガス冷媒は、再び四
方弁２２及びアキュムレータ２３を経由して圧縮機１に
戻り、閉じた暖房サイクルを構成する。一方、室内を冷
房するときは、四方弁２２を切換えてこれと逆方向に冷
媒を循環させる。以下の実施例においては、図１に示す
暖房サイクルについて説明するが、冷房サイクルについ
ても全く同様に構成できる。すなわち、冷暖房サイクル
そのものの構成要素及びそれらの連結について、本発明
の精神を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良が行
い得ることは言うまでもない。

【００１５】図１に示す冷暖房サイクルに対して、圧縮
機の吐出温度もしくは吐出過熱度を流量可変膨脹弁（膨
脹弁）４の開度によって制御する第１のフィードバック
制御系は、吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値を決定
する機構７と、圧縮機１の吐出温度もしくは吐出過熱度
を検出する検出器８と、これらの目標値と検出値の偏差
を求める減算器９と、この偏差を小さく、最終的にはゼ
ロにするように膨脹弁４の開度を決定する第１の演算機
構１０と、この演算結果に基づき、例えば目標値が検出
値より大であれば膨脹弁４の開度を大にする等、開度を
調節する開度制御器１１とから構成されている。また、
圧縮機１の吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値と検出さ
れた吸入湿り度又は吸入過熱度との偏差が小さくなるよ
うに膨脹弁４の開度を制御してもよい。一方、室内の空
気温度もしくは室内熱交換器２の空調能力を圧縮機１の
回転数によって制御する第２のフィードバック制御系
は、室温の設定値を使用者が手動で入力する室温設定器
１２と、室内熱交換器２への吸込空気温度を検出する温
度検出器１３と、これらの設定値と検出値との偏差を求
める減算器１４と、この偏差を小さく、最終的にはゼロ
にするように圧縮機１の回転数を決定する第２の演算機
構１５と、この演算結果に基づいて圧縮機１の回転数を
制御する回転数制御器１６とから構成されている。な
お、室温の設定値と室内の吸込空気温度の検出値との偏
差から、室内熱交換器の空調能力の目標値を決定し、室
内熱交換器２への吸込空気温度と吹出空気温度との差と
室内ファンの風量によって決まる実際の空調能力との偏
差を小さく、最終的にはゼロにするように膨脹弁４の開
度を制御することも可能である。このときは吹出空気温
度を検出する温度検出器を設ける。

【００１６】以上に示した第１及び第２の演算機構に
は、比例積分微分演算を基にしたいわゆるＰＩＤ演算に
基づくものが用いられることが多い。また冷暖房サイク
ルは閉じているため、操作量として膨脹弁４の開度のみ
を調整したとしても、これに対する制御量である圧縮機
１の吐出温度もしくは吐出過熱度のみならず、室内熱交
換器２の吸込温度、吸出温度や空調能力も影響を受け
る。また逆に、操作量として圧縮機１の回転数のみを調
整したとしても、これに対する制御量である室内熱交換
器２の吸込温度、吹出温度及び空調能力のみならず、圧
縮機１の吐出温度もしくは吐出過熱度も影響を受ける。
これらの干渉を考慮すると、第１の演算機構と第２の演
算機構とはＰＩＤ演算の他に偏差の大きさや操作量の大
きさ等に関する情報を相互に交換して、これを利用して
予め制御量の干渉を小さくするようにそれぞれの操作量
を補正する演算を付加することが有効である。例えば第
２の演算機構１５の出力より第１の演算機構１０の出力
へ比例ゲインを接続し、比例ゲインの出力により第１の
演算機構１０の出力を補正するようにしてもよい。

【００１７】前記２つのフィードバック制御系によれ
ば、室内及び室外の温度条件の変動によらず、圧縮機の
安定した運転状態の保持と、使用者の室温設定を満足す
る空調環境の達成という制御手段に対する２つの要求仕
様を満すことができるのである。しかし、これら２つの
フィードバック制御系においては、空気調和装置が必要
とする消費電力の大きさについて、何ら関知していな
い。したがって、消費電力が大きい状態で運転している
恐れがある。そこで、消費電力を評価する実験を行った
ところ、２つの要求仕様を満すという制約のもとで、圧
縮機の回転数と膨脹弁の開度の２つの操作量の組合せを
調整すると、消費電力が変化すること、すなわち消費電
力を最小にすることができることが判明した。

【００１８】図２を参照し、この実験結果に基づいて第
３の演算機構による消費電力の最小化の原理を説明す
る。水平面内には、２つ操作量として圧縮機の回転数と
膨脹弁の開度とを示す座標軸をとる。この面と垂直に、
消費電力を示す座標軸をとる。第１の演算機構により圧
縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値が膨脹弁を
開度ｖｓに制御することにより達成され、同時に第２の
演算機構により、居住者の設定した室温設定値もしくは
これから決まる空調能力の目標値が圧縮機を回転数ｆｓ
に制御することにより達成された定常状態ｓを出発点と
する。このときの消費電力をｗｓとする。この状態を保
持しながら、圧縮機の回転数と膨脹弁の開度をわずかに
調整すると、消費電力が小さくなる方向がある。これ
は、同じ圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度と、室温
もしくは空調能力を実現する圧縮機の回転数と膨張弁の
開度との組合せは複数個存在し、しかもそれらの消費電
力に差があるという空気調和機の基本的特性に起因す
る。このうち、圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度の
設定値及び室温の設定値から所定の範囲以上はずれない
という要求仕様を満足している状態、すなわち、それぞ
れの設定値と検出値との偏差が所定範囲から逸脱しない
範囲Ｃ内において、消費電力が最小になる状態ａが必ず
存在する。状態ｂのように所定範囲Ｃを逸脱すると圧縮
機に過度の負荷が掛かる、または暖房がきき過ぎる等の
不具合を生じることになる。

【００１９】そこで、第３の演算機構では、圧縮機の吐
出温度もしくは吐出過熱度の目標値と吐出温度もしくは
吐出過熱度の検出値と第１の演算機構によって決定され
た膨脹弁の開度と、室温の設定値もしくは室調能力の目
標値と室温の検出値もしくは実際の空調能力と第２の演
算機構によって決定された圧縮機の回転数等の２つのフ
ィードバック制御系の情報に加えて、圧縮機の消費する
電力を検出する図１に示す電力検出器１８もしくは電圧
が一定のものであれば電流検出器１８の検出値を入力す
る。そして、消費電力が最少になるような圧縮機１の回
転数と膨脹弁４の開度との組み合せを演算し、加算器１
９及び加算器２０によってこれらの２つの操作量を補正
する。

【００２０】図３は、図２に示す原理に基づいて実際に
２つの操作量を消費電力が最小になるように決める第３
の演算機構の演算手順の一例を示すフローチャートであ
る。この演算手順は、空気調和装置の状態ならびに消費
電力に関する正しい判定を行なうため、圧縮機の吐出温
度もしくは吐出過熱度に関する第１のフィードバック制
御と室温もしくは空調能力に関する第２のフィードバッ
ク制御のそれぞれが完了し、空気調和装置が安定した定
常状態において起動される。これは、空気調和装置の主
たる制御量である圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度
と室温もしくは空調能力の変化率すなわち所定時間前後
の変化の大きさが所定量以下になったことにより判定で
きる。この変化の大きさは、必ずしもゼロである必要は
ない。まず、この状態において、所定のルールに従っ
て、圧縮機の回転数と膨脹弁の開度の一方もしくは両方
をそれぞれ所定量だけ補正し変更する。そして、その後
に所定時間だけ待ち時間を設けて、空気調和装置が再び
安定した定常状態になるのを待つ。そして空気調和装置
が定常状態になった際に、圧縮機の吐出温度もしくは吐
出過熱度が目標値からはずれていないか、そして室温が
設定値からはずれていないかもしくは室調能力が目標値
からはずれていないかを判定する。ただし本来これらの
偏差が全くゼロになるように制御することは不可能なも
のでありまた必要もなく、それぞれ所定の偏差の中に収
まっていればよい。

【００２１】それぞれの制御量が目標値もしくは設定値
から所定の偏差内に入っている場合にのみ、２つの操作
量である圧縮機の回転数と膨脹弁の開度を変更する前に
比べて消費電力が低下したかどうかを評価する。消費電
力が減っている場合は、先の２つの操作量の変更が有効
であったものと判断できる。そしてこの次は、先の２つ
の操作量の変更内容と同じ内容の操作量の変更になるよ
うなルールを採用することが有力であり、消費電力が最
小になる状態に同じ方向からアプローチすることにより
消費電力が最小になる状態を時間的に効率よく求められ
る。また消費電力が減っていない場合は、この操作量の
変更内容が有効ではないので、元の操作量に戻す必要が
ある。そして、後述するように所定のルールに従った操
作量の変更手順が完了した場合はこれ以上の消費電力の
低減は不可能であり、その状態が消費電力が最小の状態
であると判断できる。しかし、所定のルールに従った操
作量の変更手順が完了していない際は、その次のルール
に従って、２つの操作量を変更して、さらに消費電力が
少なくなるような状態を求める手順を続行する。このと
きは、先の２つの操作量の変更内容とは違った内容の操
作量の変更になるようなルールを採用することが有力で
あり、消費電力が最小になる状態に違った方向からアプ
ローチすることにより洩れなく消費電力が最小になる状
態が求められる。

【００２２】図４及び図５は、２つの操作量を変更する
ルールの一例を、図２と同じ水平面の座標を用いて表わ
したものである。図４及び図５に示すように、実線で囲
まれた領域内Ｄ，Ｅは、圧縮機の吐出温度や吐出過熱度
がその目標値に、かつ室温が設定値に、もしくは空調能
力が目標値に所定の精度で制御されている状態を示して
おり、目標値や設定値の変更がなければ、これらの制御
量は常にこの領域内になければならない。すなわち、制
御手段の目的は、この範囲Ｄ，Ｅ内において、消費電力
がより小さい状態となるような２つの操作量の組み合せ
をできるだけ時間的に効率よく求めることである。しか
も、この手順は簡潔で安定な運転状態を保持できるもの
である必要がある。図４は、２つの操作量のうち片方づ
つを順次所定量だけ変更する方法を示している。図４に
示すように、領域Ｄ内にある点ｓは、始めの制御が完了
した出発点とする。このとき操作量は各々ｆｓ，ｖｓで
ある。ここで、まず圧縮機の回転数ｆｓのみを所定量Δ
ｆだけ減少させｆｔとする（矢印Ａ₁）。これにより消
費電力が減少した状態ｔになり、しかもこの状態は、図
示のように領域Ｄ内に入っているものとする。もし消費
電力が減少しないか、あるいは図示のように領域Ｄから
はずれた状態になった場合は、膨脹弁の開度ｖｓを所定
量Δｖだけ減少させる方向を試みる（矢印Ｂ₁）。次
に、状態ｔにおいて、やはり圧縮機の回転数ｆｔを所定
量Δｆだけ減少させる（矢印Ａ₂）。これにより消費電
力が減少しないか、あるいは図示のように領域Ｄからは
ずれた状態になった場合は、元の状態ｔに戻す。このと
き操作量は各々ｆｔ，ｖｓである。そして、次は膨脹弁
の開度ｖｓを、所定量Δｖだけ減少させｖａとする（矢
印Ｂ₂）。これにより消費電力が減少した状態ａにな
り、しかもこの状態は領域Ｄ内に入っているものとす
る。もし消費電力が減少しないか、あるいは領域Ｄから
はずれた状態になった場合は、やはり元の状態ｔに戻
す。そしてこの状態が、消費電力が最小の状態であると
判定し、このような手順を終了させる。次に状態ａにお
いては、やはり膨脹弁の開度ｖａを所定量Δｖだけ減少
させる（矢印Ｂ₃）。これによって消費電力が減少しな
いか、あるいは領域Ｄからはずれた状態になった場合
は、やはり元の状態ａに戻す。そして、次に圧縮機の回
転数ｆａを所定量Δｆだけ減少させる（矢印Ａ₃）。こ
れによって消費電力が減少しないか、あるいは領域Ｄか
らはずれた状態になった場合は、やはり元の状態ａに戻
す。そして、この状態ａが消費電力が最少の状態である
と判定し、このような手順を終了させる。

【００２３】図４では、２つの操作量の各々を別個に所
定量だけ変更する手順を示したが、図５に示すように、
２つの操作量を同時に所定量だけ変更する手順も考えら
れる。図５においても、図４と同様の手順で、最初の状
態ｓから出発して消費電力が最少になる状態ａを求める
ことができる。

【００２４】

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、制御手段に３つの演算
機構を設けて膨張弁の開度と圧縮機の回転数とを制御す
るに際して、消費電力が最小になるような運転状態を自
動的にかつ能率的に実現でき、常に高効率な運転状態が
保持されて省エネルギーの効果が極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本実施例の原理を説明するグラフである。

【図３】本実施例の動作の手順を示すフローチャートで
ある。

【図４】本実施例の制御動作の内容を説明するグラフで
ある。

【図５】本実施例の制御動作の内容を説明するグラフで
ある。

【図６】本実施例の操作量の組合せを説明する図であ
る。

【符号の説明】

１能力可変圧縮機２室内熱交換器３室内ファン４流量可変膨脹弁５室外熱交換器６室外ファン７吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値を決定する機
構１０第１の演算機構１１回転数制御器１２室温設定器１５第２の演算機構１６開度制御器１７第３の演算機構２１制御手段

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】空気調和装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【従来の技術】従来の空気調和装置においては、特開昭
６３−２５４４６号公報及び特開昭５−１１８６０９号
公報に記載の技術を例として挙げることができる。前者
の従来技術は、圧縮機の回転数を操作して室温を、また
膨張弁の開度を操作して圧縮機の過熱度をそれぞれの設
定値あるいは目標値に制御することに加えて、室内側の
送風機の回転数を操作して、消費電力の最小化を図るこ
とを特徴としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の空気調和装置に
あっては、制御の直接の目的が室温の設定値及び圧縮機
の過熱度の目標値を遵守することであり、安定して制御
を行なう機能しか有していない。そして、室内側の送風
機の回転数のみを操作して消費電力を最小化しているか
ら、消費電力の最小化には限界がある。すなわち、真に
空気調和装置全体が消費する電力を最小化していない恐
れがあり、省エネルギという観点から不都合な問題点が
あった。

【０００４】本発明の目的は、消費電力もしくは成績係
数を直接制御することができる制御手段を備えた空気調
和装置を提供することにある。

【０００５】

【０００６】そして回転数を可変とした能力可変圧縮機
と室外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機
と、開度を可変とした流量可変膨脹弁と室内ファンを付
設した室内熱交換器とを有する室内機と、室内機及び室
外機を順次接続して冷暖房サイクルを形成し少なくとも
一つの機器の消費電力を制御する制御手段とを備えてな
る空気調和装置において、制御手段は、能力可変圧縮機
の吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値を決定する機構
と、吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値と検出された吸
入湿り度又は吸入過熱度との偏差が小さくなるように流
量可変膨脹弁の開度を演算する第１の演算機構と、第１
の演算機構の出力に応じて流量可変膨脹弁の開度を制御
する開度制御器と、室温の目標値を設定する室温設定器
と、設定された室温と検出された室温との偏差が小さく
なるように能力可変圧縮機の回転数を演算する第２の演
算機構と、第２の演算機構の出力に応じて能力可変圧縮
機の回転数を制御する回転数制御器と、それぞれの演算
により決められた開度及び回転数をそれぞれの偏差が所
定の範囲内でかつ消費電力が最小値となるように補正す
る第３の演算機構とを具備している構成でもよい。

【０００７】また第１の演算機構、第２の演算機構及び
第３の演算機構のそれぞれは、デジタルコンピューター
を用いている構成でもよい。

【０００８】さらに制御手段は、消費電力が最小値にな
ったことを知らせる手段を有している構成でもよい。

【０００９】そして制御手段は、消費電力に関する第３
の演算機構を実行するか否かの選択を可能とする手段を
有している構成でもよい。

【００１０】また制御手段は、電力検出器又は電流検出
器により消費電力を監視する手段を有している構成でも
よい。

【００１１】さらに制御手段は、製品の出荷の際に該製
品の消費電力を評価して合否を判定する手段を有してい
る構成でもよい。

【００１２】そしてインバーター付パッケージエアコン
ディショナーにおいては、前記いずれか一つの空気調和
装置に、少なくともキャピラリ、サブ熱交換器、バイパ
ス、電磁弁及び逆止弁を具備してなる構成とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】そして室内を暖房するときは、図１に示す
矢印のように、能力可変圧縮機（圧縮機）１から吐出さ
れる高温高圧のガス冷媒を室内熱交換器２に送り、ここ
で凝縮させることにより、室内からの低温の吸込空気を
加熱して高温の吐出空気を室内ファン３によって送出し
室内を暖房する。ここで凝縮した液冷媒を室外熱交換器
５に送り、そこで吸熱して蒸発させガス冷媒にするた
め、室外ファン６によって戸外空気を室外熱交換器５に
当てる。ここで蒸発した低温低圧のガス冷媒は、再び四
方弁２２及びアキュムレータ２３を経由して圧縮機１に
戻り、閉じた暖房サイクルを構成する。一方、室内を冷
房するときは、四方弁２２を切換えてこれと逆方向に冷
媒を循環させる。以下の実施例においては、図１に示す
暖房サイクルについて説明するが、冷房サイクルについ
ても全く同様に構成できる。すなわち、冷暖房サイクル
そのものの構成要素及びそれらの連結について、本発明
の精神を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良が行
い得ることは言うまでもない。

【００１６】図１に示す冷暖房サイクルに対して、圧縮
機の吐出温度もしくは吐出過熱度を流量可変膨脹弁（膨
脹弁）４の開度によって制御する第１のフィードバック
制御系は、吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値を決定
する機構７と、圧縮機１の吐出温度もしくは吐出過熱度
を検出する検出器８と、これらの目標値と検出値の偏差
を求める減算器９と、この偏差を小さく、最終的にはゼ
ロにするように膨脹弁４の開度を決定する第１の演算機
構１０と、この演算結果に基づき、例えば目標値が検出
値より大であれば膨脹弁４の開度を大にする等、開度を
調節する開度制御器１１とから構成されている。また、
圧縮機１の吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値と検出さ
れた吸入湿り度又は吸入過熱度との偏差が小さくなるよ
うに膨脹弁４の開度を制御してもよい。一方、室内の空
気温度もしくは室内熱交換器２の空調能力を圧縮機１の
回転数によって制御する第２のフィードバック制御系
は、室温の設定値を使用者が手動で入力する室温設定器
１２と、室内熱交換器２への吸込空気温度を検出する温
度検出器１３と、これらの設定値と検出値との偏差を求
める減算器１４と、この偏差を小さく、最終的にはゼロ
にするように圧縮機１の回転数を決定する第２の演算機
構１５と、この演算結果に基づいて圧縮機１の回転数を
制御する回転数制御器１６とから構成されている。な
お、室温の設定値と室内の吸込空気温度の検出値との偏
差から、室内熱交換器の空調能力の目標値を決定し、室
内熱交換器２への吸込空気温度と吹出空気温度との差と
室内ファンの風量によって決まる実際の空調能力との偏
差を小さく、最終的にはゼロにするように膨脹弁４の開
度を制御することも可能である。このときは吹出空気温
度を検出する温度検出器を設ける。

【００１７】以上に示した第１及び第２の演算機構に
は、比例積分微分演算を基にしたいわゆるＰＩＤ演算に
基づくものが用いられることが多い。また冷暖房サイク
ルは閉じているため、操作量として膨脹弁４の開度のみ
を調整したとしても、これに対する制御量である圧縮機
１の吐出温度もしくは吐出過熱度のみならず、室内熱交
換器２の吸込温度、吸出温度や空調能力も影響を受け
る。また逆に、操作量として圧縮機１の回転数のみを調
整したとしても、これに対する制御量である室内熱交換
器２の吸込温度、吹出温度及び空調能力のみならず、圧
縮機１の吐出温度もしくは吐出過熱度も影響を受ける。
これらの干渉を考慮すると、第１の演算機構と第２の演
算機構とはＰＩＤ演算の他に偏差の大きさや操作量の大
きさ等に関する情報を相互に交換して、これを利用して
予め制御量の干渉を小さくするようにそれぞれの操作量
を補正する演算を付加することが有効である。例えば第
２の演算機構１５の出力より第１の演算機構１０の出力
へ比例ゲインを接続し、比例ゲインの出力により第１の
演算機構１０の出力を補正するようにしてもよい。

【００１８】前記２つのフィードバック制御系によれ
ば、室内及び室外の温度条件の変動によらず、圧縮機の
安定した運転状態の保持と、使用者の室温設定を満足す
る空調環境の達成という制御手段に対する２つの要求仕
様を満すことができるのである。しかし、これら２つの
フィードバック制御系においては、空気調和装置が必要
とする消費電力の大きさについて、何ら関知していな
い。したがって、消費電力が大きい状態で運転している
恐れがある。そこで、消費電力を評価する実験を行った
ところ、２つの要求仕様を満すという制約のもとで、圧
縮機の回転数と膨脹弁の開度の２つの操作量の組合せを
調整すると、消費電力が変化すること、すなわち消費電
力を最小にすることができることが判明した。

【００１９】図２を参照し、この実験結果に基づいて第
３の演算機構による消費電力の最小化の原理を説明す
る。水平面内には、２つ操作量として圧縮機の回転数と
膨脹弁の開度とを示す座標軸をとる。この面と垂直に、
消費電力を示す座標軸をとる。第１の演算機構により圧
縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値が膨脹弁を
開度ｖｓに制御することにより達成され、同時に第２の
演算機構により、居住者の設定した室温設定値もしくは
これから決まる空調能力の目標値が圧縮機を回転数ｆｓ
に制御することにより達成された定常状態ｓを出発点と
する。このときの消費電力をｗｓとする。この状態を保
持しながら、圧縮機の回転数と膨脹弁の開度をわずかに
調整すると、消費電力が小さくなる方向がある。これ
は、同じ圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度と、室温
もしくは空調能力を実現する圧縮機の回転数と膨張弁の
開度との組合せは複数個存在し、しかもそれらの消費電
力に差があるという空気調和機の基本的特性に起因す
る。このうち、圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度の
設定値及び室温の設定値から所定の範囲以上はずれない
という要求仕様を満足している状態、すなわち、それぞ
れの設定値と検出値との偏差が所定範囲から逸脱しない
範囲Ｃ内において、消費電力が最小になる状態ａが必ず
存在する。状態ｂのように所定範囲Ｃを逸脱すると圧縮
機に過度の負荷が掛かる、または暖房がきき過ぎる等の
不具合を生じることになる。

【００２０】そこで、第３の演算機構では、圧縮機の吐
出温度もしくは吐出過熱度の目標値と吐出温度もしくは
吐出過熱度の検出値と第１の演算機構によって決定され
た膨脹弁の開度と、室温の設定値もしくは室調能力の目
標値と室温の検出値もしくは実際の空調能力と第２の演
算機構によって決定された圧縮機の回転数等の２つのフ
ィードバック制御系の情報に加えて、圧縮機の消費する
電力を検出する図１に示す電力検出器１８もしくは電圧
が一定のものであれば電流検出器１８の検出値を入力す
る。そして、消費電力が最少になるような圧縮機１の回
転数と膨脹弁４の開度との組み合せを演算し、加算器１
９及び加算器２０によってこれらの２つの操作量を補正
する。

【００２１】図３は、図２に示す原理に基づいて実際に
２つの操作量を消費電力が最小になるように決める第３
の演算機構の演算手順の一例を示すフローチャートであ
る。この演算手順は、空気調和装置の状態ならびに消費
電力に関する正しい判定を行なうため、圧縮機の吐出温
度もしくは吐出過熱度に関する第１のフィードバック制
御と室温もしくは空調能力に関する第２のフィードバッ
ク制御のそれぞれが完了し、空気調和装置が安定した定
常状態において起動される。これは、空気調和装置の主
たる制御量である圧縮機の吐出温度もしくは吐出過熱度
と室温もしくは空調能力の変化率すなわち所定時間前後
の変化の大きさが所定量以下になったことにより判定で
きる。この変化の大きさは、必ずしもゼロである必要は
ない。まず、この状態において、所定のルールに従っ
て、圧縮機の回転数と膨脹弁の開度の一方もしくは両方
をそれぞれ所定量だけ補正し変更する。そして、その後
に所定時間だけ待ち時間を設けて、空気調和装置が再び
安定した定常状態になるのを待つ。そして空気調和装置
が定常状態になった際に、圧縮機の吐出温度もしくは吐
出過熱度が目標値からはずれていないか、そして室温が
設定値からはずれていないかもしくは室調能力が目標値
からはずれていないかを判定する。ただし本来これらの
偏差が全くゼロになるように制御することは不可能なも
のでありまた必要もなく、それぞれ所定の偏差の中に収
まっていればよい。

【００２２】それぞれの制御量が目標値もしくは設定値
から所定の偏差内に入っている場合にのみ、２つの操作
量である圧縮機の回転数と膨脹弁の開度を変更する前に
比べて消費電力が低下したかどうかを評価する。消費電
力が減っている場合は、先の２つの操作量の変更が有効
であったものと判断できる。そしてこの次は、先の２つ
の操作量の変更内容と同じ内容の操作量の変更になるよ
うなルールを採用することが有力であり、消費電力が最
小になる状態に同じ方向からアプローチすることにより
消費電力が最小になる状態を時間的に効率よく求められ
る。また消費電力が減っていない場合は、この操作量の
変更内容が有効ではないので、元の操作量に戻す必要が
ある。そして、後述するように所定のルールに従った操
作量の変更手順が完了した場合はこれ以上の消費電力の
低減は不可能であり、その状態が消費電力が最小の状態
であると判断できる。しかし、所定のルールに従った操
作量の変更手順が完了していない際は、その次のルール
に従って、２つの操作量を変更して、さらに消費電力が
少なくなるような状態を求める手順を続行する。このと
きは、先の２つの操作量の変更内容とは違った内容の操
作量の変更になるようなルールを採用することが有力で
あり、消費電力が最小になる状態に違った方向からアプ
ローチすることにより洩れなく消費電力が最小になる状
態が求められる。

【００２３】図４及び図５は、２つの操作量を変更する
ルールの一例を、図２と同じ水平面の座標を用いて表わ
したものである。図４及び図５に示すように、実線で囲
まれた領域内Ｄ，Ｅは、圧縮機の吐出温度や吐出過熱度
がその目標値に、かつ室温が設定値に、もしくは空調能
力が目標値に所定の精度で制御されている状態を示して
おり、目標値や設定値の変更がなければ、これらの制御
量は常にこの領域内になければならない。すなわち、制
御手段の目的は、この範囲Ｄ，Ｅ内において、消費電力
がより小さい状態となるような２つの操作量の組み合せ
をできるだけ時間的に効率よく求めることである。しか
も、この手順は簡潔で安定な運転状態を保持できるもの
である必要がある。図４は、２つの操作量のうち片方づ
つを順次所定量だけ変更する方法を示している。図４に
示すように、領域Ｄ内にある点ｓは、始めの制御が完了
した出発点とする。このとき操作量は各々ｆｓ，ｖｓで
ある。ここで、まず圧縮機の回転数ｆｓのみを所定量Δ
ｆだけ減少させｆｔとする（矢印Ａ₁）。これにより消
費電力が減少した状態ｔになり、しかもこの状態は、図
示のように領域Ｄ内に入っているものとする。もし消費
電力が減少しないか、あるいは図示のように領域Ｄから
はずれた状態になった場合は、膨脹弁の開度ｖｓを所定
量Δｖだけ減少させる方向を試みる（矢印Ｂ₁）。次
に、状態ｔにおいて、やはり圧縮機の回転数ｆｔを所定
量Δｆだけ減少させる（矢印Ａ₂）。これにより消費電
力が減少しないか、あるいは図示のように領域Ｄからは
ずれた状態になった場合は、元の状態ｔに戻す。このと
き操作量は各々ｆｔ，ｖｓである。そして、次は膨脹弁
の開度ｖｓを、所定量Δｖだけ減少させｖａとする（矢
印Ｂ₂）。これにより消費電力が減少した状態ａにな
り、しかもこの状態は図示のように領域Ｄ内に入ってい
るものとする。もし消費電力が減少しないか、あるいは
領域Ｄからはずれた状態になった場合は、やはり元の状
態ｔに戻す。そしてこの状態が、消費電力が最小の状態
であると判定し、このような手順を終了させる。次に状
態ａにおいては、やはり膨脹弁の開度ｖａを所定量Δｖ
だけ減少させる（矢印Ｂ₃）。これによって消費電力が
減少しないか、あるいは領域Ｄからはずれた状態になっ
た場合は、やはり元の状態ａに戻す。そして、次に圧縮
機の回転数ｆａを所定量Δｆだけ減少させる（矢印
Ａ₃）。これによって消費電力が減少しないか、あるい
は領域Ｄからはずれた状態になった場合は、やはり元の
状態ａに戻す。そして、この状態ａが消費電力が最少の
状態であると判定し、このような手順を終了させる。

【００２４】図４では、２つの操作量の各々を別個に所
定量だけ変更する手順を示したが、図５に示すように、
２つの操作量を同時に所定量だけ変更する手順も考えら
れる。図５においても、図４と同様の手順で、最初の状
態ｓから出発して消費電力が最少になる状態ａを求める
ことができる。

【００２５】実際このような手順の詳細は、空気調和装
置の運転試験によって、予め具体的かつ定量的に規定で
きる。さらにこの結果をもとにすると、図６に示すよう
に、消費電力が最小となる状態を達成できるような２つ
の操作量の組み合せを予め決めて記憶しておき、室温の
設定値と吐出温度の目標値に対応した、圧縮機の回転数
と膨張弁の開度を選ぶことが可能となる。もちろん図６
に示されない状態は、この図６に示される他の値から補
間して求めればよい。このようにすると２つの操作量の
決定を、短時間で行なうことができる。また、図６の内
容を出発点として、次に図４及び図５に示した手順を実
施することも可能であり、この方法は時間的により効率
的に消費電力を最小化できる可能性がある。

【００２６】また、この第３の演算機構がなくても、制
御手段本来の２つのフィードバック制御機構を損なわれ
ないので、この消費電力の最小化が不必要もしくは不可
能な場合には、使用者の判断もしくは制御手段自身の判
断によってこれを停止もしくは休止させることができ
る。

【００２７】なお本発明においては、消費電力を最小化
することを目的として説明したが、その代りに成績係数
（ＣＯＰ）やエネルギ効率を最大化することを評価標と
して用いてもよい。

【００２８】これらは、空調出力と消費電力の比で求め
られるので同じことになる。

【００２９】図１に示す制御手段２１全体は、ディジタ
ルコンピュータで構成するのが有効であり、いずれの機
能もソフトウエアによって容易に構成できるので、その
方が得策である。また、制御手段２１は、前記の制御内
容を利用することによって、消費電力が最小になったこ
とを外部に知らせる手段、消費電力の演算を実行するか
否かの選択を可能とする手段、電力検出器又は電流検出
器により消費電力を監視する手段及び製品の出荷の際に
その製品の消費電力を評価して合否を判定する手段等を
具備することができる。また、空気調和装置としては、
キャピラリ、サブ熱交換器、バイパス、電磁弁及び逆止
弁を具備してなる構成のインバータ付パッケージエアコ
ンであってもよい。

【００３０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本実施例の原理を説明するグラフである。

【図６】本実施例の操作量の組合せを説明する図であ
る。

【符号の説明】１能力可変圧縮機２室内熱交換器３室内ファン４流量可変膨脹弁５室外熱交換器６室外ファン７吐出温度もしくは吐出過熱度の目標値を決定する機
構１０第１の演算機構１１回転数制御器１２室温設定器１５第２の演算機構１６開度制御器１７第３の演算機構２１制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転数を可変とした能力可変圧縮機と室
外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機と、
開度を可変とした流量可変膨脹弁と室内ファンを付設し
た室内熱交換器とを有する室内機と、該室内機及び前記
室外機を順次接続して冷暖房サイクルを形成し少なくと
も一つの機器の消費電力を制御する制御手段とを備えて
なる空気調和装置において、前記制御手段は、前記能力
可変圧縮機の吐出温度又は吐出過熱度の目標値を決定す
る機構と、前記吐出温度又は前記吐出過熱度の目標値と
検出された吐出温度又は吐出過熱度との偏差が小さくな
るように前記流量可変膨脹弁の開度を演算する第１の演
算機構と、該第１の演算機構の出力に応じて前記流量可
変膨脹弁の開度を制御する開度制御器と、室温の目標値
を設定する室温設定器と、該設定された室温と検出され
た室温との偏差が小さくなるように前記能力可変圧縮機
の回転数を演算する第２の演算機構と、該第２の演算機
構の出力に応じて前記能力可変圧縮機の回転数を制御す
る回転数制御器と、それぞれの演算により決められた前
記開度及び前記回転数をそれぞれの偏差が所定の範囲内
でかつ消費電力が最小値となるように補正する第３の演
算機構とを具備していることを特徴とする空気調和装
置。
【請求項２】回転数を可変とした能力可変圧縮機と室
外ファンを付設した室外熱交換器とを有する室外機と、
開度を可変とした流量可変膨脹弁と室内ファンを付設し
た室内熱交換器とを有する室内機と、該室内機及び前記
室外機を順次接続して冷暖房サイクルを形成し少なくと
も一つの機器の消費電力を制御する制御手段とを備えて
なる空気調和装置において、前記制御手段は、前記能力
可変圧縮機の吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値を決定
する機構と、前記吸入湿り度又は吸入過熱度の目標値と
検出された吸入湿り度又は吸入過熱度との偏差が小さく
なるように前記流量可変膨脹弁の開度を演算する第１の
演算機構と、該第１の演算機構の出力に応じて前記流量
可変膨脹弁の開度を制御する開度制御器と、室温の目標
値を設定する室温設定器と、該設定された室温と検出さ
れた室温との偏差が小さくなるように前記能力可変圧縮
機の回転数を演算する第２の演算機構と、該第２の演算
機構の出力に応じて前記能力可変圧縮機の回転数を制御
する回転数制御器と、それぞれの演算により決められた
前記開度及び前記回転数をそれぞれの偏差が所定の範囲
内でかつ消費電力が最小値となるように補正する第３の
演算機構とを具備していることを特徴とする空気調和装
置。
【請求項３】請求項１又は２記載の空気調和装置にお
いて、第１の演算機構、第２の演算機構及び第３の演算
機構のそれぞれは、デジタルコンピューターを用いてい
ることを特徴とする空気調和装置。
【請求項４】請求項１又は２記載の空気調和装置にお
いて、制御手段は、消費電力が最小値になったことを知
らせる手段を有していることを特徴とする空気調和装
置。
【請求項５】請求項１又は２記載の空気調和装置にお
いて、制御手段は、消費電力に関する第３の演算機構を
実行するか否かの選択を可能とする手段を有しているこ
とを特徴とする空気調和装置。
【請求項６】請求項１又は２記載の空気調和装置にお
いて、制御手段は、電力検出器又は電流検出器により消
費電力を監視する手段を有していることを特徴とする空
気調和装置。
【請求項７】請求項１又は２記載の空気調和装置にお
いて、制御手段は、製品の出荷の際に該製品の消費電力
を評価して合否を判定する手段を有していることを特徴
とする空気調和装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項記載の空気
調和装置に、少なくともキャピラリ、サブ熱交換器、バ
イパス、電磁弁及び逆止弁を具備してなることを特徴と
するインバーター付パッケージエアコンディショナー。