JP2011089690A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】運転中に水の供給がなくなった場合及び圧縮機起動時に水の供給がない場合に運転を停止し、凍結を防止する。
【解決手段】水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートとを有するプレート式熱交換器４，圧縮機２，室外膨張弁５、を備える室外機１と、室内熱交換器２５を備える室内機２３とを冷媒配管１０，１１で接続した空気調和機において、プレート式熱交換器の側面に温度センサ９を備え、水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートの温度を温度センサで測定し、この温度センサの値が所定の値以下となる場合に圧縮機の運転を停止する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、水を熱源とする熱源側熱交換器を備え、この熱源側熱交換器内部に流れる水の凍結保護を行うようにした空気調和機に係り、特にプレート式熱交換器に好適なものである。

近年、環境問題は地球規模での課題となっており、省エネルギー化が一つの解決策として挙げられる。水を熱源とする熱源側熱交換器を有する空気調和機では、未利用熱源（地下水や設備からの排熱等）を利用できる。また、水と冷媒との間で熱交換が行われる場合は熱交換効率が良く、空気を熱源とする一般的な空気調和機より省エネルギー性が高いため、環境負荷が低い。一方、この熱交換器は水と冷媒とで熱交換を行うため、冷媒温度がマイナスになると水が凍り、凍った水が熱交換器内で膨張して熱交換器を破損させるおそれがある。

特許文献１には、多室型の空気調和機において、サーミスタを熱交換器の各冷媒ガス側に設置し、サーミスタによって測定された冷媒ガス温度に基づいて、熱交換器に水が十分に流れているかどうかを判定し、水が十分に流れていないと判定した場合は、圧縮手段に運転停止指令を行うことで熱交換器の凍結を防止することが記載されている。

特許文献２には、冷凍装置において、プレート式熱交換器の冷温水が流出する冷温水出口の近傍に凍結防止センサを設けて、冷温水温度が最も低い温度となる冷温水出口の温度を検出して冷水の凍結を判断し、圧縮機等の運転を制御することで冷水の凍結を防止することが記載されている。

特許４１８６４９２号公報 特開２００５−１８８７６５号公報

しかし、上記特許文献１の空気調和機は、運転中に水が供給されなくなった場合には、液冷媒が水と熱交換できず、液冷媒が熱交換器内に溜まるため、室外膨張弁の開度を蒸発能力に合わせて調整し、熱交換器出口の冷媒を一定過熱度のガスに制御する。そのため、熱交換器出口のガス管温度はすぐに低下せずに冷媒温度のみが低下し、保護が働く前に熱交換器内の水は凍結してしまう。

また、上記特許文献２の冷凍装置は、水が供給されなくなった場合には冷温水出口に水が流れてこないため、熱交換器内部の正確な水温を測ることができず、水が流れなくなった直後に空調機の負荷変動等により急激に冷媒温度が下がった場合には冷水の凍結を判断することができない。

本発明の目的は、運転中に水の供給がなくなった場合及び圧縮機起動時に水の供給がない場合に運転を停止し、凍結を防止できる空気調和機を得ることにある。

本発明の他の目的は、圧縮機起動前に水の供給がない場合は運転を開始せず、凍結を防止できる空気調和機を得ることにある。

前記課題を解決するため、本発明の特徴は、水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートとを有するプレート式熱交換器，圧縮機，室外膨張弁、を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機とを冷媒配管で接続した空気調和機において、前記プレート式熱交換器の側面に温度センサを備え、前記水が流れるプレートと前記冷媒が流れるプレートの温度を前記温度センサで測定し、前記温度センサの値が所定の値以下となる場合に前記圧縮機の運転を停止することにある。

前記温度センサは、前記プレート式熱交換器に水が供給されている場合は気液二相冷媒が貯留する部分であって、前記プレート式熱交換器に水が供給されていない場合は液冷媒が貯留する部分に備えられることが望ましい。

また、前記温度センサは、前記プレート式熱交換器の高さ方向の略中心より下側であって、前記プレート式熱交換器に冷媒が流入する前記冷媒配管より上側に備えられることが望ましい。

本発明の他の特徴は、水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートとを有するプレート式熱交換器，圧縮機，室外膨張弁、を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機とを冷媒配管で接続した空気調和機において、前記プレート式熱交換器の側面に温度センサを備え、前記圧縮機の運転開始前に前記水が流れるプレートと前記冷媒が流れるプレートの温度を前記温度センサで測定し、前記温度センサの値が所定の値以上である場合に前記圧縮機の運転を開始させることにある。

更に、前記室内機を複数備えるものでもよい。

本発明によれば、プレート式熱交換器の側面に温度センサを備え、水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートの温度を温度センサで測定し、この温度センサの値が所定の値以下となる場合に圧縮機の運転を停止するように構成したので、運転中に水の供給がなくなった場合及び圧縮機起動時に水の供給がない場合に運転を停止し、凍結を防止できる。

また、圧縮機の運転開始前に水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートの温度を温度センサで測定し、温度センサの値が所定の値以上である場合に圧縮機の運転を開始させるように構成したので、圧縮機起動前に水の供給がない場合は運転を開始せず、凍結を防止できる。

本発明の実施例１における冷凍サイクル構成図。 熱源側熱交換器の冷媒圧力と冷媒温度との関係を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器周りの構成図。 従来技術における熱源側熱交換器凍結時の温度変化を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器凍結時の温度変化を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器の温度センサ取付面を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器に通水された状態と断水状態での熱源側熱交換器の高さ方向の冷媒状態を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器に通水された状態と断水状態での温度センサ取付位置Ｃ部の温度特性を示す図。 本発明の実施例１における熱源側熱交換器に通水された状態と断水状態での熱源側熱交換器の部分別温度特性を示す図。 本発明の実施例２における凍結保護の制御を説明するフローチャート。

以下、図を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本実施例の空気調和機の冷凍サイクル構成図である。空気調和機は、熱源ユニットである室外機１と２台の室内機２３とが、液接続配管２２，ガス接続配管２１によって接続されている。室内機２３は１台でも複数台でも良い。室外機１は運転周波数をインバータで可変制御される容量可変式の圧縮機２を有し、圧縮機２と四方弁３とが接続されている。圧縮機２の低圧側には受液器６を備えている。四方弁３はガス冷媒配管１０によって熱源側熱交換器４と接続される。熱源側熱交換器４と室外膨張弁５は液冷媒配管１１で接続される。

熱源ユニットは水を熱源としており、熱源側熱交換器４は図３に示すようなプレート式熱交換器が用いられる。このプレート式熱交換器４には水配管１５によってユニット外部から水が供給され、冷媒との間で熱交換する。この水は、温度と流量が規定の範囲になるように調整され、ボイラや冷水設備から送られる。

また、圧縮機２の高圧側には高圧圧力センサ７、低圧側には低圧圧力センサ８を備え、熱源側熱交換器４の側面には温度センサ９が設けられている。

まず熱源側熱交換器４が凍結する過程を説明する。暖房時には、熱源側熱交換器４は蒸発器となり、低温低圧の冷媒が流れ込み、外部の設備から供給された水から熱を奪い蒸発する。水は熱を奪われ温度が下がる。

図２に示すように、熱交換器入口の冷媒温度は圧力に依存し、その圧力は圧縮機の低圧圧力とほぼ同値になる。熱交換器内の水の最低温度はこの冷媒温度と同値になると考えられる。ここで、冷媒温度がマイナスになる圧力をＰ１とし、運転時はＰ１以上を保つように圧縮機周波数を制御する。例えば低圧圧力がＰ１を下回ったら、圧縮機周波数を落として低圧圧力をＰ１以上に回復させるという保護方法が一般的である。

しかし、前記手段により保護できるのは温度や流量が規定範囲の水が供給されている場合である。水の供給が無くなった場合や規定の使用範囲以下になった場合には圧縮機周波数を下限まで落としても低圧圧力はＰ１を下回る。その結果、冷媒温度はマイナスとなり水が凍結し、熱交換器が破損する。この場合には、圧縮機の運転を停止する必要がある。

次に、本実施例の凍結保護方法について説明する。図３にプレート式熱交換器４とその周囲の図を示す。冷媒の流れは暖房時の流れである。関連技術として熱交換器出口のガス冷媒配管１０に温度センサを設置し、この温度センサによって測定した温度Ｔ１０の値を用いて凍結保護を行う方法がある。しかし、運転中に水の供給が無くなった場合には、図４に示すように、水の供給が無くなったと同時に冷媒温度と水温は下がっていくが、ガス管温度Ｔ１０はすぐには下がらず遅れて下がりだすため、うまく凍結保護ができない。これは、プレート式熱交換器の内部構造の特徴として上部がガスになり易いこと、及び蒸発能力に合わせて室外膨張弁の開度が調整され、熱交換器出口の冷媒を一定過熱度のガスに制御するためである。水が供給されなくなった場合は、蒸発能力が低下するため、室外膨張弁５の開度は小さくなり冷媒循環量が低下する。プレート式熱交換器内の液の上昇速度が抑えられるため、ガス管温度Ｔ１０はすぐには低下しない。そのため、ガス管温度Ｔ１０の低下によって水の凍結を判定しようとする場合、ガス管温度Ｔ１０が低下を始めた頃には既に冷媒温度はマイナスとなっており、水は凍結している。

そこで、本実施例ではプレート式熱交換器４の側面の所定の位置に温度センサ９を設置し、その温度センサ９で測定した温度Ｔ９によって凍結保護を行う。プレート式熱交換器４はステンレス等からなる薄いプレート状の熱交換器を幾層にも重ねて、水の流れるプレートと冷媒の流れるプレートとを交互にするため、プレート式熱交換器４の側面は、水の流れるプレート及び冷媒の流れるプレートとがむきだしになっており、温度センサ９は両方のプレートと接触するように設置される。従って、温度センサ９は水と冷媒の温度影響を受ける面に設置され、水と冷媒の両方を反映した温度を測定している。水が流れている時は、水は冷媒と熱交換し、Ｔ９は水に近い温度となる。水の供給が無くなると冷媒の温度に近づいていくので、水の供給が無くなったと同時に、冷媒温度及び水温と同様にＴ９も下がっていく。この場合の温度変化を図５に示す。Ｔ９が所定の値、例えば２℃にまで低下したら運転を停止するようにすれば、冷媒よりも温度の高い水の温度はマイナスになることがなく、水の凍結を防止できる。

正常に水の供給がある場合には保護停止させず、水の供給が無い場合のみ、更に正確に保護停止させるため、温度センサ９の高さ方向の位置を説明する。

図６に温度センサ取付面の位置を示す。取付面はプレート式熱交換器４を実機搭載した状態で、冷媒入口ノズル２７と冷媒出口ノズル２８のある面と垂直となる鉛直方向の面である。この面は水と冷媒が交互に流れており、水と冷媒の両方が反映された温度を測ることができる。本実施例では、プレート式熱交換器４の高さ方向の全長（Ｈ）の半分（Ｈ／２）より下側であって、冷媒入口ノズル２７より上側の範囲とする。図６に示すように、斜線部分の二面とする。

図７にプレート式熱交換器４の高さ方向をＡ〜Ｄ部に分け、熱交換器内の冷媒状態を示す。状態Ｉは正常に水の供給が行われている時の状態である。状態IVは水の供給が止まった状態であり、熱交換器内の水が凍り始める直前の状態を示す。

Ａ部は冷媒の状態が常にガスとなる箇所であり、プレート式熱交換器４の上部と冷媒出口ノズル２８の付近で、ガス冷媒配管１０を含む。Ｂ部は冷媒の状態が常に気液二相となる箇所である。Ｃ部は冷媒の状態が状態Ｉにおいては二相であり、状態IVでは液となる箇所である。熱交換器全長Ｈの略半分より下であって冷媒入口ノズル２７の上側までとする。Ｄ部は冷媒の状態が常に液となり、冷媒入口ノズル２７の上側から熱交換器最下部までであり、冷媒の入口である液冷媒配管１１を含む。本実施例では暖房運転時のサイクルを説明するため、冷媒入口ノズル２７と冷媒出口ノズル２８としているが、冷房運転時は冷媒入口ノズル２７から冷媒が流出し、冷媒出口ノズル２８からプレート式熱交換器４に冷媒が流入するものである。

プレート式熱交換器は流れ方向の断面積が大きいため、冷媒の流速が遅くなる。冷媒が下から上に流れるため、二相冷媒中の液冷媒は上に昇りにくく、ガス冷媒と分離して液冷媒だけが下部に溜まりやすい。更に内容積が非常に小さいために、蒸発しきれない冷媒が流れてくると熱交換器が瞬時に液冷媒で満たされてしまう。液冷媒で満たされると更に蒸発性能が落ち、回復できなくなる。そうならないために、室外膨張弁は熱交換器出口の配管の温度を監視し、蒸発しきれるだけの冷媒を流すために開度を調整している。本実施例ではこのプレート式熱交換器の特徴を利用している。状態IVでは水の供給が無くなり蒸発能力が得られなくなったために、蒸発できない冷媒が増えてプレート式熱交換器４の下部に溜まっていく。室外膨張弁５が動かなければすぐにプレート式熱交換器４の上部まで液が溜まりＡ部まで二相又は液冷媒で満たされるが、実際には室外膨張弁５を閉めて冷媒流量を少なくする制御を行う。これによりＡ部はしばらくの間ガス冷媒で満たされ温度が下がらない。Ｃ部は状態Ｉにおいては気液二相であり、状態IVでは液冷媒で満たされるため、温度が急激に低下する。本実施例ではこのＣ部に温度センサ９を設置し、温度センサ９の値が所定の値を下回ったら運転を停止する。

状態IVにおいてＣ部の表面温度が急激に低下する理由を説明する。
図８に水と冷媒が温度センサ９に与える影響を示す。例として、状態Ｉにおける熱交換器内の冷媒温度を１℃、水温を９℃とし、状態IVにおける熱交換器内の冷媒温度を０℃、水温を８℃とする。温度センサ９を設置する熱交換器の表面温度は、内部の冷媒と水に影響される。まず状態Ｉでは冷媒は気液二相である。水の供給が無くなった状態IVでは、冷媒は液となる。液冷媒は二相冷媒より熱容量が大きくなる。更に水が止まるため、水の熱伝達率が低下する。この状態では、熱交換器の表面温度は冷媒側の温度に大きく影響され、冷媒の温度に近くなる。以上の特性によりＣ部は水の供給が無くなった時に大きく温度が低下する。

プレート式熱交換器４のＡ〜Ｄ部の温度を状態別に示したものを図９に示す。
凍結保護する所定の温度（保護値）を定め、これを破線で示す。状態ＩとIIは正常に水が供給されている場合であり、ここで保護がかかってはいけない。
状態Ｉはプレート式熱交換器４に水が流れている定常時であり、Ａ〜Ｄ部のどこも保護値より高い温度を示し保護停止しない。
状態IIは過渡時を示す。空調機は運転開始や負荷変動が起こると低圧圧力が一時的に下がることがあり、低圧圧力が下がると冷媒温度も下がる。特に、ビル等に用いられる多室型の空調機のように馬力が必要なものの場合は負荷変動が起こりやすい。本実施例では、空調機の負荷変動が大きい場合を過渡時とする。Ａ〜Ｃ部で温度測定する場合は、水が供給されておりガス又は二相冷媒が存在し、水温の影響を大きく受けているため温度はそれほど下がらない。しかしＤ部の冷媒は、液又は乾き度が低く液に近い冷媒が存在し、水温より冷媒温度の影響を受けるため、保護値を下回る温度まで冷媒の温度が下がった場合は、水が供給されているにもかかわらず保護停止してしまう。

状態IIIとIVは水の供給が無い場合であり、ここでは保護停止する必要がある。
状態IIIは水が供給されていない状態で起動した場合を示す。この場合、Ａ部とＢ部は温度が下がるものの保護値まで下がるかどうかは確実ではなく、保護停止しないおそれがある。
状態IVは運転中に水の供給が無くなった場合を示す。この場合、図４及び図７で説明した通り、Ａ部の温度はほとんど下がらず、Ｂ部の温度も保護値に達するほど下がらない。一方、Ｃ部とＤ部は液冷媒が満たされることにより温度が急激に低下する。

以上より水が供給されている時は保護停止せず、水の供給が無くなった時のみそれを正確に検知して保護停止できるのはＣ部となる。本実施例ではこの特性を利用してＣ部に温度センサ９を設置し、凍結保護を行う。プレート式熱交換器４の半分の高さ位置であって、液冷媒が流入する冷媒入口ノズル２７より上の位置であるＣ部を説明したが、水が供給されている場合は気液二相となる領域であって、水が供給されなくなった場合は液冷媒が溜まる領域であればよい。

なお、多室型空調機の場合は、負荷変動が大きい過渡時（状態II）を考慮しなければならないため、温度センサ９の適切な設定場所は上述の通りＣ部となる。しかし、例えば室内機が１台しかなく負荷変動が小さい場合は、状態IIになりにくいため、Ｄ部であっても通水時は保護値を下回ることがない。従って、Ｄ部に温度センサ９を設けてもよい。

また、Ｃ部の温度センサ９を用いて圧縮機の運転開始前に規定の温度範囲の水が供給されているかを検知して、規定範囲外であれば運転を開始しないようにすることで、予めプレート式熱交換器４を凍結から保護することもできる。

図１０に本実施例の凍結保護の制御を説明するフローチャートを示す。まず、圧縮機起動前に規定の温度範囲の水が供給されているかどうかを判定する（Ｓ１）。水の温度が低く、使用範囲外であれば運転を開始しない。使用範囲内であれば運転を開始する（Ｓ２）。

運転開始直後に、凍結防止のための保護値を下回った積算時間を把握するために、時間計測を開始する（Ｓ４）。次に、水が凍結しているかどうかを判断するために温度Ｔ９を測定し、それが所定の値、つまり保護値を下回ったかどうかを判定する（Ｓ５）。保護値は例えば２℃等に設定される。所定の温度以上であった場合は時間計測をリセット（Ｓ３）して時間計測を再度開始し（Ｓ４）、運転を継続する。Ｔ９が所定の温度以下であった場合は、その状態が連続して続いているかどうかを判定するために、Ｓ３で開始した時間計測が所定時間経過したかどうかを判定する（Ｓ６）。これによりＴ９が所定温度以下、且つ所定時間経過した場合に運転を停止する（Ｓ７）。保護値を下回る温度がしばらく続いた場合に運転停止を判断するため、誤検知した場合や一時的に想定外の冷媒温度低下があった場合に、水が供給されているにもかかわらず保護停止してしまうのを防止することができる。

１ 室外機
２ 圧縮機
３ 四方弁
４ 熱源側熱交換器（プレート式熱交換器）
５ 室外膨張弁
６ 受液器
７ 高圧圧力センサ
８ 低圧圧力センサ
９ 温度センサ
１０ ガス冷媒配管
１１ 液冷媒配管
１５ 水配管
２０ 制御部
２１ ガス接続配管（冷媒配管）
２２ 液接続配管（冷媒配管）
２３ 室内機
２４ 室内膨張弁
２５ 室内熱交換器
２６ 室内送風機
２７ 冷媒入口ノズル
２８ 冷媒出口ノズル

Claims (5)

1. 水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートとを有するプレート式熱交換器，圧縮機，室外膨張弁、を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機とを冷媒配管で接続した空気調和機において、前記プレート式熱交換器の側面に温度センサを備え、前記水が流れるプレートと前記冷媒が流れるプレートの温度を前記温度センサで測定し、前記温度センサの値が所定の値以下となる場合に前記圧縮機の運転を停止することを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、前記温度センサは、前記プレート式熱交換器に水が供給されている場合は気液二相冷媒が貯留する部分であって、前記プレート式熱交換器に水が供給されていない場合は液冷媒が貯留する部分に備えられることを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１において、前記温度センサは、前記プレート式熱交換器の高さ方向の略中心より下側であって、前記プレート式熱交換器に冷媒が流入する前記冷媒配管より上側に備えられることを特徴とする空気調和機。
4. 水が流れるプレートと冷媒が流れるプレートとを有するプレート式熱交換器，圧縮機，室外膨張弁、を備える室外機と、室内熱交換器を備える室内機とを冷媒配管で接続した空気調和機において、前記プレート式熱交換器の側面に温度センサを備え、前記圧縮機の運転開始前に前記水が流れるプレートと前記冷媒が流れるプレートの温度を前記温度センサで測定し、前記温度センサの値が所定の値以上である場合に前記圧縮機の運転を開始させることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記室内機を複数備えることを特徴とする多室型の空気調和機。

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