JP2013092318A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したポンプサイクル運転を行うことができる空気調和装置を提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒を循環させる圧縮機サイクル運転を行う圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器に送風する送風機と、凝縮器により凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機が停止した状態で凝縮器から流れる液冷媒を膨張弁に送ることにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うポンプと、を備え、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に、送風機を停止させる、又は設定速度以下となるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

コンピュータネットワークを構築するには、各コンピュータから要求を受けて処理するために、コミュニケーション用、データベース用、ファイル管理用などのサーバーを必要とする。この種のサーバーは運営や管理の利便性から、サーバー機械室に設置されている。また複数台のサーバーはサーバーラックに格納され、サーバー機械室には複数のサーバーラックが設置される。他方サーバーは動作時の発熱が大きく、安定動作させるため空気調和装置を併設し運用する。

多くのサーバー機械室を持つデータセンターなどでは、近年サーバー以外の電力消費を抑える要望が高まっており、空気調和装置もまた低消費電力化が求められている。サーバー機械室全体の空気調和装置としては、一般に圧縮機、室外熱交換器（凝縮器）、膨張弁、室内熱交換器（蒸発器）を順次冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成する空気調和装置が利用される。しかしサーバー機械室は３０℃程度で運用されるため、たとえば真冬の場合など外気温がそれよりも低ければ、圧縮機を使用するまでもなく単に冷媒を循環させることにより直接外気で冷媒を冷却できるため、冷房運転を行うことができる。

この点についてたとえば、特開平１０−８２５６６号公報（特許文献１）には、「簡単な構成で、少ない冷媒配管で、室内外機の設置条件（高さ位置）に制約を受けることなく、しかも送風機動力の増大や水質管理等の問題を生じることなく、外気温度を考慮しながら年間を通じて必要かつ十分な冷房能力を確保しつつ省エネルギー運転を可能として年間運転効率の向上が図れる空冷パッケージ空調機を提供する。このために、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁１３、蒸発器１１を配管接続して冷媒を循環させる蒸気圧縮式冷却回路において、凝縮器２２と膨張弁１３との間の配管に冷媒ポンプ２３を設け、圧縮機２１の運転による圧縮サイクルの冷房運転と冷媒ポンプ２３の運転による熱輸送サイクルの冷房運転のいずれかを外気温度に基づいて自動的に選択し実行する。」と記載されている（要約参照）。

特開平１０−８２５６６号公報

上記特許文献１の記載の技術によれば、室内気温より外気温が低温の場合、ポンプにより冷媒を循環するため、圧縮機による循環を行うことに比べて低消費電力にて冷房運転を行うことが可能である。しかし、この特許文献１には、圧縮機による圧縮機サイクル運転からポンプによるポンプサイクル運転に切り替わる場合に、ポンプの入口側に多くのガス冷媒が溜まることに起因するキャビテーション発生の虞については何ら考慮されていない。

本発明は、圧縮機サイクル運転からポンプによるポンプサイクル運転に切り替わる場合に、ポンプの入口側にガス冷媒が溜まらないようにすることでキャビテーション発生の虞を低減し、安定したポンプサイクル運転を行うことができる空気調和装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、冷媒を循環させる圧縮機サイクル運転を行う圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器に送風する送風機と、凝縮器により凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機が停止した状態で凝縮器から流れる液冷媒を膨張弁に送ることにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うポンプと、を備え、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に、送風機を停止させる、又は設定速度以下となるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機サイクル運転からポンプによるポンプサイクル運転に切り替わる場合に、ポンプの入口側にガス冷媒が溜まらないようにすることでキャビテーション発生の虞を低減し、安定したポンプサイクル運転を行うことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の空気調和装置サイクルを説明するための図。 実施例２の空気調和装置サイクルを説明するための図。 図２の開止弁２１の代わりに絞り器２２を配置した図。 実施例３の空気調和装置サイクルを説明するための図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

本発明の第一の実施形態について説明する。
本実施例の空気調和装置はサーバー機械室などの冷房運転に特に有利な効果を奏するものであり、真冬のような外気温度が低い場合であっても冷房対象であるサーバー機械室は３０℃程度で運用される。このように外気温度がサーバー機械室内の温度より低ければ、冷媒を単に循環することにより冷却できるため、圧縮機を使用することなく低消費電力にて冷房運転を行うことができる。このような低温外気の冷熱を利用するシステムをフリークーリングと呼ぶ。フリークーリングを効果的に行うため、冷媒の強制循環装置を追加したシステムが開発されつつあり、強制循環にポンプを使うことで、圧縮機を用いる冷凍サイクルに対して低消費電力にて冷房運転を行うことが可能である。

なお、空気調和装置に付帯する設備として、冷凍機からの冷却水を通過させて空気を冷却する冷却コイルを直列に併設することで、空気調和装置と冷却コイルを通過する空気の温度差を大きくして、空気調和装置本体の低消費電力化に対応する方法がある。しかしながら、この方法は空気調和システム全体で見ると構造が煩雑化し導入コストがアップするという問題がある。

そこで本実施例においては、上記のように冷却コイルを直列に併設することでコストを増大することなく、空気調和装置単独で低消費電力化し、尚且つ信頼性の高い空気調和装置について説明する。
図１は、本実施例にかかわる情報通信向け空気調和装置を示す図である。空気調和装置は、圧縮機１、凝縮器２、余剰冷媒調節器８、開止弁４、膨張弁５、蒸発器６、アキュームレータ１５、を順次冷媒配管で接続して冷房運転を行う圧縮サイクル運転と、凝縮器２、余剰冷媒調節器８、ポンプ３（強制冷媒循環ポンプ）、開止弁４、膨張弁５、蒸発器６を順次冷媒配管で接続して冷房運転するポンプサイクル運転との双方の運転を行う。両サイクルで凝縮器２、余剰冷媒調節器８、膨張弁５、蒸発器６を共有する。蒸発器６の出口側には、冷媒温度を検出する温度センサ１３、冷媒圧力を検出する圧力センサ１４を持ちこれらのセンサの検出値を用いて冷媒過熱度を検出する。またポンプ３の上流側にも同じく、冷媒温度を検出する圧力センサ９と冷媒温度を検出する温度センサ１０を備えており、これらのセンサの検出値を用いて冷媒の過冷却度を算出する。

圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転は、室内側熱負荷と外気条件により切り替わる。本実施例の空気調和装置は、室内機と室外機とから構成され、室内機は圧縮機１、開止弁４、膨張弁５、蒸発器６、アキュームレータ１５、温度センサ１３、圧力センサ１４、さらに室内送風機１７を備えている。一方で室外機は、凝縮器２、余剰冷媒調節器８、圧力センサ９、温度センサ１０、ポンプ３、さらに室外送風機７を備えている。

ポンプサイクル運転を行う前は、圧力センサ９、温度センサ１０の値より冷媒の過冷却度を算出し、ｐ−ｈ線図上の過冷却域に入っているか否か判断する。過冷却域となっていない場合にはポンプ３の入り口側冷媒が２相となっていることを意味するため、この状態でポンプサイクル運転を行うと、ポンプ入り口側にガス冷媒が流入し、ポンプによる循環ができない虞がある。そこでこの場合には、圧縮機１、室外送風機７、膨張弁５のいずれかを制御し、一定時間過冷却を確保するための運転を行い、ポンプサイクル運転に移行することを保留する。

一方で過冷却域となっていた場合は、ポンプサイクル運転への移行を許可し、圧縮機１を停止する。本実施例の空気調和装置は、冷媒を循環させる圧縮機サイクル運転を行う圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮器２に送風する送風機（室外送風機７）と、凝縮器２により凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁５と、膨張弁５により膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器６と、圧縮機１が停止した状態で凝縮器２から流れる液冷媒を膨張弁５に送ることにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うポンプ３と、を備え、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に、送風機（室外送風機７）を停止させる、又は設定速度以下となるように制御する。

圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に送風機（室外送風機７）を運転し続けているとポンプ３入口側冷媒の圧力が低下することにより、圧縮機サイクル運転時にはｐ−ｈ線図上の過冷却域にあったとしても２相域になってしまう虞がある。そこで本実施例においては上記したように送風機（室外送風機７）を停止させる、又は設定速度以下となるように制御することにより、このような圧力が下がるのを防止し、ポンプ３の入口側冷媒が過冷却域になるようにするものである。これにより、ポンプサイクル運転時にポンプ３に多くのガス冷媒が流れないようになるため、液冷媒を流入させポンプの安定した起動、運転を行うことが可能となる。

なお、上記したような送風機（室外送風機７）を停止させる、又は設定速度以下となるようにする制御については、圧縮機１を停止させた後、直ちに行う必要があるが（たとえば２００sec以内）、圧縮機１を停止させる前から行うようにしてもよい。

また、本実施例の空気調和装置は図示しない室外温度を検出する室外温度センサをさらに備え、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に、室外温度センサによる検出温度が設定温度以下の場合にのみ、送風機（室外送風機７）を停止させる、又は設定速度以下となるように制御するようにするとよい。つまり、外気温度が低い場合に特に送風機（室外送風機７）の運転による冷媒圧力の低下が生じるが、外気温度が高い場合には、冷媒圧力の低下が起こりにくいためである。設定温度としてはたとえば５℃程度に設定することがよい。

さらに圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、膨張弁５の開度を絞る、又は閉止することが望ましい。ポンプサイクル運転に移行する場合に、膨張弁５の開度が開いたままにしていると、冷媒が室内機側（蒸発器６側）に流れてしまうため、ポンプ３の入口側が冷媒不足となり結果として多くのガス冷媒がポンプ運転時にポンプ３に流入する虞がある。特に室外機が室内機よりも上側にあった場合には、液冷媒が下側の室内機側（蒸発器６側）に流れ易くなるため、このような現象が起こり易い。

そこで上記したように膨張弁５の開度を絞る、又は閉止することにより、冷媒の流れを止めることができるため、ポンプ３の冷媒不足を防止し、多くのガス冷媒がポンプ３に流れることがないようにできる。よって、安定してポンプサイクル運転に移行することができる。あるいは、ポンプと前記膨張弁との間の流路の開閉を行う開止弁４を膨張弁５の代わりに、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に移行する際に、閉じるようにしても同様の効果を得ることができる。なお、この膨張弁５、又は開止弁４を閉じるタイミングとしては圧縮機１の停止直後が望ましいが、停止直前から行うようにしても構わない。

上記したような送風機（室外送風機７）の制御を行った場合に、ポンプ３の入口側冷媒が過冷却域になった場合に、開止弁４又は膨張弁５を開きつつポンプを起動する。ポンプ起動後、圧縮機サイクル運転時の高い圧力状態から圧力が徐々に低下するが、圧力降下がほぼ一定となるまでの間、室外送風機７は、低い回転数を維持し、圧力の急変を避ける。これによりポンプ３入口側の圧力、温度がｐ−ｈ線図上の過冷却域に留めることができるため、安定してポンプサイクル運転を行うことができるものである。ポンプ３の入口側での圧力降下が一定水準と達した時点より、ポンプ運転回転数と室外送風機を段階的に上昇させ、負荷に見合う通常のポンプ運転を行う。

なお、ポンプ３入口部に設けた圧力センサ９と、ポンプ３入口部に設けた温度センサ１０より求めた過冷却度により、過冷却度１度以上の場合にのみ上記した室外送風機７、開止弁４又は膨張弁５の制御を行うことが望ましい。

図２を用いて、本発明の実施例２について説明する。同一の符号については実施例１と同様なので説明を省略する。
図２は図１に対し、凝縮器２と余剰冷媒調節器８の間に、開止弁２１を設けた点が異なる。本実施例においても実施例１と同様にポンプ３の入口側冷媒が過冷却域となっていた場合は、ポンプサイクル運転へ移行する。この際に開止弁２１を閉止するものである。このようにポンプサイクル運転へ移行する際に開止弁２１を閉止することで室外送風機７が送風を続けていたとしても凝縮器２からの冷媒がポンプ３側へ流れなくなるため、凝縮器２の出口側で圧力低下が生じてもこの影響を受けることがなくなる。すなわち圧力低下によりガス冷媒が発生してもこのガス冷媒がポンプ３へ流れなくなるため、キャビテーションを防止し安定したポンプ起動、及びポンプサイクル運転を行うことができるものである。

なお、この開止弁２１を閉じるタイミングとしては、圧縮機１の停止直後が望ましいが、停止直前から閉じるようにしてもよい。ポンプ３の起動準備が整った後、開止弁２１、開止弁４を開放し、膨張弁５を開けつつポンプを起動する。ポンプ起動後、圧縮サイクル時の高い圧力状態から圧力が徐々に低下するが、圧力降下がほぼ一定となるまでの間、室外送風機７は、低い回転数を維持し、圧力の急変を避け、ポンプ入口圧力・温度がｐ−ｈ線図上の過冷却域に留める様にする。

図３は図２の開止弁２１を絞り器２２に置き換えたものである。上記した開止弁２１では開閉しかできなかったが、ポンプサイクル運転へ移行する際に絞り器２２の開度を絞ることにより、同様の効果が得られる。なお、本実施例では開止弁２１、絞り器２２の制御について説明したが、本実施例の制御に加えて実施例１の制御を合わせて行うことが望ましいことは言うまでもない。

実施例３について図４を用いて説明する。
図４は、図２に加えて余剰冷媒調整器８とポンプ３（強制冷媒循環ポンプ）との間に過冷却器２５を設けたサイクル系統を示すものである。図２と同様の記号のものは同様の構成を意味するため、説明を省略する。また余剰冷媒調節器８と過冷却器２５の間に開止弁２３を設けたものである。

開止弁２１、開止弁２３は、通電時のみ閉止できる構造とし、停電時は自動的に開放される構造とする。これにより制御が必要なときのみ閉止でき、停電時には、自動開放されることで、無制御時に余剰冷媒装置の液封による異常圧力上昇を避けることができる。また、開止弁２１と開止弁２３の間には、圧力センサ２４を設け、圧力センサ２４の検出値が一定以上の場合は、開止弁２１と開止弁２３を開放する制御とする。

実施例１、２と同様にポンプ３の入口側冷媒が過冷却域となっていた場合は、ポンプサイクル運転へ移行する。すなわち、圧縮機１を停止させ、さらに開止弁２１、開止弁２３を閉止する。また圧縮機１の停止時には、膨張弁５を全閉もしくは開止弁４を閉止する。そしてポンプ３の起動準備が整った後は、開止弁２１、開止弁２３、開止弁４を開放し、膨張弁５を開けつつポンプを起動する。ポンプ起動後、圧縮サイクル時の高い圧力状態から圧力が徐々に低下するが、圧力降下がほぼ一定となるまでの間、室外送風機７は、低い回転数を維持し、圧力の急変を避け、ポンプ入口圧力・温度がｐ−ｈ線図上の過冷却域に留める様にする。なお、本実施例の制御に加えて実施例１又は２の制御を合わせて行うことが望ましいことは言うまでもない。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ ポンプ
４、２１、２３ 開止弁
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 室外送風機
８ 余剰冷媒調整装置
９ ポンプ入口圧力センサ
１０ ポンプ入口温度センサ
１１ サイレンサ
１２ 圧縮機出口弁
１３ 蒸発器出口温度センサ
１４、２４ 圧力センサ
１５ アキュームレータ
１６ 圧縮機出口圧力センサ
１７ 室内送風機
１８ ポンプ交換用阻止弁
１９ ポンプバイパス弁
２０ 圧縮機バイパス弁
２２ 絞り器
２５ 過冷却器

Claims (11)

1. 冷媒を循環させる圧縮機サイクル運転を行う圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器に送風する送風機と、
   該凝縮器により凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
   該膨張弁により膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記圧縮機が停止した状態で前記凝縮器から流れる液冷媒を前記膨張弁に送ることにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うポンプと、を備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記送風機を停止させる、又は設定速度以下となるように制御することを特徴とする空気調和装置。
2. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記膨張弁の開度を絞る、又は閉止することを特徴とする空気調和装置。
3. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプと前記膨張弁との間の流路の開閉を行う開止弁をさらに備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記開始弁を閉じることを特徴とする空気調和装置。
4. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   室外温度を検出する室外温度センサをさらに備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記室外温度センサによる検出温度が設定温度以下の場合にのみ、前記送風機を停止させる、又は設定速度以下となるように制御することを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプと前記凝縮器との間の流路を開閉する開止弁をさらに備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記開止弁を閉じることを特徴とする空気調和装置。
6. 請求項５に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプの入口側に余剰冷媒を溜めるタンクをさらに備え、
   前記開止弁は前記タンクと前記凝縮器との間の流路を閉止するものであることを特徴とする空気調和装置。
7. 請求項５又は６に記載の空気調和装置において、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記膨張弁の開度を絞る、又は閉止することを特徴とする空気調和装置。
8. 請求項５又は６に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプと前記膨張弁との間の流路の開閉を行う開止弁をさらに備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記開始弁を閉じることを特徴とする空気調和装置。
9. 請求項５又は６に記載の空気調和装置において、
   室外温度を検出する室外温度センサをさらに備え、
   前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記室外温度センサによる検出温度が設定温度以下の場合にのみ、前記開止弁を閉じることを特徴とする空気調和装置。
10. 請求項１に記載の空気調和装置において、
    前記ポンプと前記凝縮器との間の流路の大きさを絞る絞り器をさらに備え、
    前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記絞り器の開度を小さくすることを特徴とする空気調和装置。
11. 請求項１０に記載の空気調和装置において、
    前記ポンプの入口側の余剰冷媒を溜めるタンクと、
    該タンクと前記蒸発器との間の流路の開閉を行う開止弁をさらに備え、
    前記圧縮機サイクル運転から前記ポンプサイクル運転に移行する際に、前記開止弁を閉じることを特徴とする空気調和装置。