JP2016050738A - 圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液バックを防止するとともに、装置の制御構成を簡略化する。
【解決手段】圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置において、通常モードのポンプサイクル運転では負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を成り行きとするのに対して、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転に切り換えるとき、冷媒ポンプの出力を低下させることで負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を高める過熱度確保モードでポンプサイクル運転を実施し、この過熱度確保モードでのポンプサイクル運転において、負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度が設定許容値に上昇したときに、又は、設定時間が経過したときに、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを実行する。
【選択図】 図５

Description

本発明は圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置に関し、
詳しくは、運転停止した冷媒ポンプを迂回させる状態で圧縮機と外気熱交換器と膨張弁と負荷側熱交換器との順に冷媒を前記圧縮機により循環させる圧縮機サイクル運転と、
運転停止した前記圧縮機を迂回させる状態で前記冷媒ポンプと前記負荷側熱交換器と前記外気熱交換器との順に冷媒を前記冷媒ポンプにより循環させるポンプサイクル運転との切り換え実施が可能な冷媒循環路を設けるとともに、
前記圧縮機サイクル運転と前記ポンプサイクル運転との切り換えを自動的に実行する制御器を設け、
前記圧縮機サイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を凝縮させることで外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を蒸発させることで負荷媒体を冷却し、
前記ポンプサイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を低温外気と熱交換させることで、冷媒を冷却して凝縮させるとともに外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を負荷媒体と熱交換させることで、冷媒を加熱して蒸発させるとともに負荷媒体を冷却する圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置に関する。

この種の冷却装置におけるポンプサイクル運転では（図２参照）、冷媒ポンプ８から吐出される冷媒Ｒを負荷側熱交換２において負荷媒体ＩＡと単に熱交換させることで加熱して蒸発させるから、そのときの負荷媒体ＩＡの状態などによっては負荷側熱交換器２での冷媒Ｒの蒸発が不十分になって負荷側熱交換器２から液相混じりの蒸発冷媒Ｒが送出される状況になることがある。

しかし、このように負荷側熱交換器２から液相混じりの蒸発冷媒Ｒが送出される状況において、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが行われると、その液相混じりの蒸発冷媒Ｒが圧縮機サイクル運転への切り換えに伴い圧縮機４に吸入される状態になって所謂液バックが生じ、これが原因で圧縮機４の損傷を招く虞がある問題があった。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への運転切り換えにおいて合理的な切り換え形態を採ることで、上記問題を解消する点にある。

本発明の第１特徴構成は圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置に係り、その特徴は、
運転停止した冷媒ポンプを迂回させる状態で圧縮機と外気熱交換器と膨張弁と負荷側熱交換器との順に冷媒を前記圧縮機により循環させる圧縮機サイクル運転と、
運転停止した前記圧縮機を迂回させる状態で前記冷媒ポンプと前記負荷側熱交換器と前記外気熱交換器との順に冷媒を前記冷媒ポンプにより循環させるポンプサイクル運転との切り換え実施が可能な冷媒循環路を設けるとともに、
前記圧縮機サイクル運転と前記ポンプサイクル運転との切り換えを自動的に実行する制御器を設け、
前記圧縮機サイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を凝縮させることで外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を蒸発させることで負荷媒体を冷却し、
前記ポンプサイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を低温外気と熱交換させることで、冷媒を冷却して凝縮させるとともに外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を負荷媒体と熱交換させることで、冷媒を加熱して蒸発させるとともに負荷媒体を冷却する圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置であって、
前記制御器は、通常モードの前記ポンプサイクル運転では前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を成り行きとするのに対して、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転に切り換えるとき、前記冷媒ポンプの出力を低下させることで前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を高める過熱度確保モードで前記ポンプサイクル運転を実施するとともに、
この過熱度確保モードでの前記ポンプサイクル運転において、前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度が設定許容値に上昇したときに、又は、設定時間が経過したときに、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転への切り換えを実行する構成にしてある点にある。

この構成によれば、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転において負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を十分に上昇させた状態で圧縮機サイクル運転への切り換えを行うから、その過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を実施するまでの通常モードでのポンプサイクル運転において負荷側熱交換器から液相混じりの冷媒が送出されていたとしても、切り換え後の圧縮機サイクル運転において液相混じりの冷媒が圧縮機に吸入される所謂液バックを確実に防止することができる。

また、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換え時にのみ過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を実施して負荷側熱交換器の冷媒出口での冷媒の過熱度を上昇させるから、負荷側熱交換器の冷媒出口での冷媒の過熱度を計測し、その計測結果に基づいて負荷側熱交換器の冷媒出口での冷媒の過熱度を調整する過熱度制御をポンプサイクル運転において常時実施するのに比べ、装置の制御構成を簡略化することができ、また、ポンプサイクル運転での負荷媒体に対する冷却機能が常時の過熱度制御により制限されることも回避することができる。

なお、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転において設定時間が経過したときにポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを行う場合は、圧縮機の冷媒吸入側にアキュムレータ（気液分離器）を装備して、液バックの防止を一層確実にするのが望ましい。

本発明の第２特徴構成は、第１特徴構成の実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記制御器は、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転に切り換えた後、設定過渡時間が経過するまでは、前記圧縮機の出力を制限するとともに前記膨張弁の開度を設定制限開度に保持する安定化モードで前記圧縮機サイクル運転を実施し、
前記設定過渡時間が経過したとき前記圧縮機サイクル運転における前記安定化モードを解除して通常モードの前記圧縮機サイクル運転に移行する構成にしてある点にある。

この構成によれば、前述した過熱度確保モードでのポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転に切り換えた直後における圧縮機サイクル運転の過渡的な不安定化を、上記安定化モードでの圧縮機サイクル運転により防止することができ、これにより、負荷媒体に対する冷却機能をポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換え直後においても良好に保つことができる。

本発明の第３特徴構成は、第２特徴構成の実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記制御器は、前記通常モードのポンプサイクル運転では、前記負荷側熱交換器の冷媒入口側に設けた前記膨張弁の開度、及び、前記負荷側熱交換器の冷媒出口側に設けた蒸発圧力調整弁の開度を設定開度に保持した状態で、前記冷媒ポンプの駆動周波数を調整することで冷却能力を調整し、
前記通常モードの圧縮機サイクル運転では、前記膨張弁の開度を調整することで前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を設定過熱度に調整するとともに、前記蒸発圧力調整弁の開度を調整することで冷却能力を調整する構成にしてある点にある。

この構成によれば、通常モードのポンプサイクル運転では膨張弁の開度を設定開度に保持するだけで済み、この点で、ポンプサイクル運転において過熱度制御を常時実施するの比べ装置の制御構成を簡略化することができ、また、ポンプサイクル運転での負荷媒体に対する冷却機能が常時の過熱度制御により制限されることも回避することができる。

本発明の第４特徴構成は、第１〜第３特徴構成のいずれかの実施に好適な実施形態を特定するものであり、その特徴は、
前記制御器は、前記ポンプサイクル運転では、前記外気熱交換器に対して外気を通風する外気ファンを１００％出力で運転し、
前記圧縮機サイクル運転では、前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力が設定下限値よりも大きい状況では前記外気ファンを１００出力で運転するのに対し、
前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力が設定下限値未満となる状況では前記外気ファンの出力を調整することで、前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力を設定下限値に調整する構成にしてある点にある。

この構成によれば、圧縮機サイクル運転において外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力が設定下限値未満となる状況でも、外気ファンの出力調整により外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力を設定下限値に調整することで、圧縮機サイクル運転を安定的に実施することができ、これにより、圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との相互移行を円滑にすることができる。

圧縮機サイクル運転状態の冷媒回路図 ポンプサイクル運転状態の冷媒回路図 圧縮機サイクル運転及びポンプサイクル運転を示すモリエル線図 ポンプサイクル運転への切り換え形態を示すタイミングチャート 圧縮機サイクル運転への切り換え形態を示すタイミングチャート 冷媒冷却器の運転がない場合の障害を説明するモリエル線図 冷媒冷却器を運転する場合の運転切り換えを説明するモリエル線図 ポンプサイクル運転への切り換え時における各値の変化を示すグラフ 過熱度確保モードの実行がない場合の障害を説明するモリエル線図 過熱度確保モードを実行する場合の運転切り換えを説明するモリエル線図 圧縮機サイクル運転への切り換え時における各値の変化を示すグラフ 圧縮機サイクル運転への切り換え判定のフローチャート ポンプサイクル運転領域を示す相関図 ポンプサイクル運転への切り換え判定のフローチャート 外気温度と冷媒凝縮圧力と伝熱面状態との相関を示すグラフ 圧縮機サイクル運転への切り換え時における凝縮圧力の変化を示すグラフ 外気通風量と冷却能力と伝熱面状態との相関を示すグラフ ポンプサイクル運転への切り換え時における外気通風量の変化を示すグラフ 蒸発圧力及び凝縮圧力と冷却能力との相関を示すグラフ 圧縮機サイクル運転への切り換え判定のフローチャート

図１は外気を放熱源とする圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置Ｃを示し、この冷却装置Ｃにおける冷媒Ｒの循環路１には、冷媒蒸発器として機能させる負荷側熱交換器２と、蒸発圧力調整弁３と、圧縮機４と、冷媒凝縮器として機能させる外気熱交換器５と、受液器６と、冷媒冷却器７と、冷媒ポンプ８と、減圧弁９と、膨張弁１０とを、その順に並べて介装してある。

また、冷媒循環路１には、圧縮機４を迂回する圧縮機バイパス路１１、及び、この圧縮機バイパス路１１を開閉する圧縮機バイパス弁１１ａを設けるとともに、冷媒冷却器７と冷媒ポンプ８と減圧弁９との直列配置を迂回するポンプバイパス路１２、及び、このポンプバイパス路１２を開閉するポンプバイパス弁１２ａを設けてある。

また、圧縮機バイパス路１１の接続箇所よりも圧縮機４の側で、圧縮機４の冷媒吸込側及び冷媒吐出側には開閉弁１１ｃ，１１ｂを設け、さらに、ポンプバイパス路１２の接続箇所よりも冷媒ポンプ８の側で、冷媒ポンプ８の冷媒吐出側には開閉弁１２ｂを設けてある。

外気熱交換器５には放熱源である外気ＯＡを外気ファン１３により通風し、この外気ＯＡと冷媒Ｒとを外気熱交換器５において熱交換させる。

負荷側熱交換器２には負荷媒体である負荷側空気ＩＡを負荷側送風機１４により通風し、この負荷側空気ＩＡと冷媒Ｒとを負荷側熱交換器２において熱交換させる。

この冷却装置Ｃにおける冷媒循環路１では、図１に示す圧縮機サイクル運転と図２に示すポンプサイクル運転とを択一的に実施し、圧縮機サイクル運転では、図１に示す如く、圧縮機バイパス弁１１ａ及び開閉弁１２ｂを閉じるとともにポンプバイパス弁１２ａ及び開閉弁１１ｂ，１１ｃを開いて圧縮機４を運転することで、冷媒循環路１において冷媒冷却器７と停止状態の冷媒ポンプ８と減圧弁９とを迂回させる状態でポンプバイパス路１２を通じて冷媒Ｒを循環させる。

即ち、圧縮機サイクル運転では基本的に、一般の圧縮式冷凍回路と同様、圧縮機４により圧縮した気相の高圧冷媒Ｒを冷媒凝縮器としての外気熱交換器５において凝縮させ、その際の冷媒凝縮熱を、外気ファン１３により通風する外気ＯＡに放熱する。

外気熱交換器５において凝縮した液相の高圧冷媒Ｒは、受液器６及びポンプバイパス路１２を通じ膨張弁１０に通過させて低圧領域に開放することで、その液相冷媒Ｒを冷媒蒸発器としての負荷側熱交換器２において蒸発させ、その際の冷媒蒸発熱を、負荷側送風機１４により通風する負荷側空気ＩＡから奪取させることで負荷側空気ＩＡを冷却する。

負荷側熱交換器２において蒸発した気相の低圧冷媒Ｒは、蒸発圧力調整弁３を通じ圧縮機４に吸入させて再び圧縮する。

一方、ポンプサイクル運転では、図２に示す如く、ポンプバイパス弁１２ａ及び開閉弁１１ｂ，１１ｃを閉じるとともに圧縮機バイパス弁１１ａ及び開閉弁１２ｂを開いて冷媒ポンプ８を運転することで、冷媒循環路１において停止状態の圧縮機４を迂回させる状態で圧縮機バイパス路１１を通じて冷媒Ｒを循環させる。

即ち、ポンプサイクル運転では基本的に、冷媒ポンプ８より液相冷媒Ｒを減圧弁９及び膨張弁１０を通じて冷媒蒸発器としての負荷側熱交換器２に送ることで、その液相冷媒Ｒを負荷側熱交換器２において負荷側送風機１４により通風する負荷側空気ＩＡと熱交換させ、これにより、液相冷媒Ｒを加熱して蒸発させるとともに負荷側空気ＩＡを冷却する。

負荷側熱交換器２において蒸発した気相冷媒Ｒ（場合によっては液相混じりの気相冷媒）は蒸発圧力調整弁３及び圧縮機バイパス路１１を通じて冷媒凝縮器として外気熱交換器５に送ることで、その気相冷媒Ｒを外気熱交換器５において外気ファン１３により通風する外気ＯＡと熱交換させ、これにより、気相冷媒Ｒを冷却して凝縮させるとともに、冷媒Ｒが先の負荷側熱交換器２において負荷側空気ＩＡから取得した熱を通風外気ＯＡに放熱する。

外気熱交換器５において凝縮した液相冷媒Ｒは、受液器６及び冷媒冷却器７を通じ冷媒ポンプ８に吸入させ、再び負荷側熱交換器２に送る。

図３において実線は圧縮機サイクル運転におけるモリエル線図を示し、破線はポンプサイクル運転におけるモリエル線図を示し、図中の各符号は次の通りである。

圧縮機サイクル運転（実線）
ｐｅ：負荷側熱交換器２（冷媒蒸発器）における冷媒Ｒの蒸発圧力
ｐｃ：外気熱交換器５（冷媒凝縮器）における冷媒Ｒの凝縮圧力
ＳＨ：負荷側熱交換器２（冷媒蒸発器）の冷媒出口における冷媒Ｒの過熱度
ＳＣ：外気熱交換器５（冷媒凝縮器）の冷媒出口における冷媒Ｒの過冷却度

ポンプサイクル運転（破線）
ｐｅ′：負荷側熱交換器２（冷媒蒸発器）における冷媒Ｒの蒸発圧力
ｐｃ′：外気熱交換器５（冷媒凝縮器）における冷媒Ｒの凝縮圧力
ＳＣ′：冷媒冷却器７の冷媒出口における冷媒Ｒの過冷却度

この冷却装置Ｃにおける制御器１５は圧縮機サイクル運転において次のａ〜ｄの各制御を実行する。

ａ．過熱度制御：負荷側熱交換器２の冷媒出口における冷媒Ｒの過熱度ＳＨを計測し、その計測結果に基づいて膨張弁１０の開度を調整することで、過熱度ＳＨを設定過熱度ＳＨｓに調整する。

ｂ．圧縮機吸込圧力制御：圧縮機４の入口における冷媒Ｒの圧力である吸込圧力ｐｓを計測し、その計測結果に基づいて圧縮機４の駆動周波数を調整（インバータ制御）することで、圧縮機４の吸込圧力ｐｓを設定吸込圧力ｐｓｓに調整する。

ｃ．冷却能力制御：負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑと冷却装置Ｃの冷却能力Ｑとのバランス状態を計測し、その計測結果に基づいて蒸発圧力調整弁３の開度を調整することで、冷却装置Ｃの冷却能力Ｑ（具体的には負荷側熱交換器２での負荷側空気ＩＡの冷却量）を負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑ（即ち、必要冷却量）に見合う値（Ｑ＝ｑ）に調整する。

ｄ．外気風量制御：外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃを計測し、その計測凝縮圧力ｐｃが設定下限値ｐｃｍｉｎより大きい状況では外気ファン１３を１００％出力で運転し、これに対し、計測凝縮圧力ｐｃが設定下限値ｐｃｍｉｎ未満となる状況では、外気ファン１３の出力（換言すれば、外気熱交換器５に対する外気ＯＡの通風量ｆｏ）を調整することで、外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃを設定下限値ｐｃｍｉｎに調整する。

一方、制御器１５はポンプサイクル運転において次のｅ，ｆの制御を実行する。

ｅ．冷却能力制御：負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑと冷却装置Ｃの冷却能力Ｑとのバランス状態を計測し、その計測結果に基づいて冷媒ポンプ８の駆動周波数を調整（インバータ制御）することで、冷却装置Ｃの冷却能力Ｑ（具体的には負荷側熱交換器２での負荷側空気ＩＡの冷却量）を負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑ（即ち、必要冷却量）に見合う値（Ｑ＝ｑ）に調整する。

ｆ．冷却器運転：冷却用空気や冷却用水などの冷却用熱媒ＣＷを冷媒冷却器７に送給して、冷媒冷却器７における通過冷媒Ｒを冷却用熱媒ＣＷと熱交換させることで冷却する。

なお、ポンプサイクル運転において、膨張弁１０の開度及び蒸発圧力調整弁３の開度は設定開度（一般的には全開）に固定され、また、外気ファン１３は１００％出力で運転される。

ポンプサイクル運転は低温外気ＯＡを利用するものであり圧縮機４の運転に代え冷媒ポンプ８の運転で済ませることから圧縮機サイクル運転に比べ省エネルギ面で有利であるが、外気ＯＡの温度が上昇する温暖期には、負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑ（必要冷却量）に見合う冷却能力Ｑを得るのに圧縮機サイクル運転が必要になる。

このことから、制御器１５は、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが適切か否か、及び、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切か否かを自動的に判定し、その判定結果に従って圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換えを自動的に実行する。

具体的には、制御器１５は、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが適切であると判定すると、図４に示すように、圧縮機４の停止と、圧縮機バイパス弁１１ａ及び開閉弁１２ｂの開弁並びにポンプバイパス弁１２ａ及び開閉弁１１ｂ，１１ｃの閉弁による冷媒経路の切り換えと、冷媒ポンプ８及び冷媒冷却器７の起動とを同一のタイミング（ないしは、ほぼ同一のタイミング）で実行して、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えを行う。

また制御器１５は、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切であると判定すると、図５に示すように、先ず現行のポンプサイクル運転を通常モードから過熱度確保モードにする。

つまり、通常モードでのポンプサイクル運転では、負荷側熱交換器２の冷媒出口における冷媒Ｒの過熱度ＳＨを成り行きにするのに対し、この過熱度確保モードでのポンプサイクル運転では、制御器１５は冷媒ポンプ８の駆動周波数を設定された制限周波数に低下させて冷媒Ｒの流量を低下させることで、負荷側熱交換器２の冷媒出口における冷媒Ｒの過熱度ＳＨ′を上昇させる。

そして、この過熱度確保モードでのポンプサイクル運転において計測過熱度ＳＨ′が設定許容値ＳＨｍまで上昇する（又は設定時間が経過する）と、同図５に示すように、冷媒ポンプ８及び冷媒冷却器７の停止と、ポンプバイパス弁１２ａ及び開閉弁１１ｂ，１１ｃの開弁並びに圧縮機バイパス弁１１ａ及び開閉弁１２ｂの閉弁による冷媒経路の切り換えと、圧縮機４の起動とをやはり同一のタイミング（ないしはほぼ同一のタイミング）で実行して、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを行う。

このように圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換えにおいて、圧縮機４の起動・停止と、冷媒ポンプ８の起動・停止と、各弁１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂの開閉による冷媒経路の切り換えとの三者を同一のタイミング（ないしは、ほぼ同一のタイミング）で行うことにより、圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換え時においても負荷側熱交換器２において負荷側空気ＩＡを継続的に冷却することができる。

ここで、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えにおいて、冷媒冷却器７の運転がない状態で単に圧縮機４の停止と冷媒ポンプ８の起動と冷媒経路の切り換えとを同一のタイミングで行うと、図６において矢印ｘ-ｘ′で模式的に示すように、圧縮機サイクル運転において外気熱交換器５から送出された高温の冷媒Ｒや受液器６に溜まった高温の冷媒Ｒが、ポンプサイクル運転への切り換えに伴う圧力低下のために冷媒ポンプ８への吸入過程で液相領域から気相・液相混合領域に入って一部が気相化し、これが原因で冷媒ポンプ８が気相混じりの冷媒を吸入してしまう状態になって冷媒ポンプ８においてキャビテーションが発生する。

これに対し、ポンプサイクル運転への切り換えの際に上記の如く冷媒冷却器７に対する冷却用熱媒ＣＷの送給を開始して冷媒冷却器７の運転を開始すると、図７において矢印ｘ−ｘ′で模式的に示すように、圧縮機サイクル運転において外気熱交換器５から送出された高温の冷媒Ｒや受液器６に溜まった高温の冷媒Ｒでも冷媒冷却器７での冷却により適切な過冷却度ＳＣ′を確保して液相領域に保った状態で冷媒ポンプ８に吸入させることができ、これにより、冷媒ポンプ８でのキャビテーションの発生を防止することができる。

また、ポンプサイクル運転では冷媒冷却器７を継続運転して適切な過冷却度ＳＣ′を保つから、その過冷却度ＳＣ′の計測やその計測結果に基づく過冷却度制御も不要にすることができ、冷凍回路Ｃの制御構成を単純化することもできる。

なお、冷却用熱媒ＣＷが冷媒冷却器７に十分に流れ込み始めるのに要する時間を考慮して、冷媒冷却器７の運転開始は図４において破線で示すようにポンプサイクル運転への切り換えに先立って行うようにしてもよい。

図８は、圧縮機４の停止と冷媒ポンプ８及び冷媒冷却器７の起動と冷媒経路の切り換えとを同一のタイミングで行うようにして圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転へ切り換えた場合の実験結果を示す。

この図８から判るように、この冷却装置Ｃでは、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り換えたとき、負荷側熱交換器２の出口空気温度（即ち、負荷側熱交換器２から送出される冷却後の負荷側空気ＩＡの温度）が多少上昇するものの数分程度で速やかに元の温度に復帰しており、負荷側熱交換器２での負荷側空気ＩＡの冷却について概ね良好な継続性が確保されている。

また、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転へ切り換えたとき、それに伴い外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃが急激に低下（ｐｃ→ｐｃ′）することに対しても、冷媒冷却器７での通過冷媒Ｒの冷却により、冷媒ポンプ８における有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨ）は必要値（必要ＮＰＳＨ）以上に保たれており、これにより、冷媒ポンプ８でのキャビテーションの発生が防止される。

一方、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えにおいて、上記過熱度確保モードの実施がない状態で単に冷媒ポンプ８の停止と圧縮機４の起動と冷媒経路の切り換えとを同一のタイミングで行うと、図９において矢印ｙ-ｙ′で模式的に示すように、ポンプサイクル運転において冷媒蒸発器としての負荷側熱交換器２から液相混じりの冷媒Ｒが送出される状況であった場合、その液相混じりの冷媒Ｒが圧縮機サイクル運転への切り換えに伴い圧縮機４に吸入される状態になって所謂液バックが生じ、これが原因で圧縮機４の損傷を招く。

特にポンプサイクル運転において過熱度制御を行わず負荷側熱交換器２を湿式の冷媒蒸発器として機能させる場合、この問題は避けられない。

これに対し、圧縮機サイクル運転への切り換えに先立ち上記の如くポンプサイクル運転を通常モードから過熱度確保モードにすると、図１０において矢印ｙ−ｙ′で模式的に示すように、冷媒蒸発器としての負荷側熱交換器２から送出される冷媒Ｒの過熱度ＳＨ′を圧縮機サイクル運転への切り換えに先立ち確保する（即ち、気相冷媒Ｒのみが送出される状態にする）ことができ、これにより、所謂液バックを防止して圧縮機４の損傷を防止することができる。

図１１は、冷媒ポンプ８の停止と圧縮機４の起動と冷媒経路の切り換えとを同一のタイミングで行うようにしてポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転へ切り換えた場合の実験結果を示す。

この図１１からも判るように、この冷却装置Ｃでは、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り換えたとき（図８参照）と同様、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転に切り換えたときも、負荷側熱交換器２の出口空気温度（即ち、負荷側熱交換器２から送出される冷却後の負荷側空気ＩＡの温度）が多少上昇するものの数分程度で速やかに元の温度に復帰しており、負荷側熱交換器２での負荷側空気ＩＡの冷却について概ね良好な継続性が確保されている。

また、冷媒蒸発器としての負荷側熱交換器２の冷媒出口における冷媒Ｒの過熱度ＳＨも確保（ＳＨ≧ＳＨｍ）されており、これにより圧縮機４への液バックが防止される。

なお、図５に示すように、制御器１５は、過熱度確保モードの実行下でポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転に切り換えると、その後、数分程度の設定過渡時間Ｔｃが経過するまでは、圧縮機４の駆動周波数を設定制限周波数に保持するともに、膨張弁１０の開度及び蒸発圧力調整弁３の開度を設定制限開度に保持する安定化モードを実行し、設定過渡時間Ｔｃが経過した時点で、圧縮機４の駆動周波数、膨張弁１０の開度、蒸発圧力調整弁３の開度の夫々を調整する通常モードの圧縮機サイクル運転に移行する。

つまり、過熱度確保モードの実施で冷媒Ｒの流量を低下させて負荷側熱交換器２の冷媒出口における過熱度ＳＨ′を上昇させた状態から圧縮機サイクル運転へ切り換えたときに、圧縮機サイクル運転における前述のａ．過熱度制御、ｂ．圧縮機吸込圧力制御、ｃ．冷却能力制御を直ちに開始すると、過熱度ＳＨが設定過熱度ＳＨｓに向って急変するとともに、圧縮機４の吸込圧力ｐｓも設定吸込圧力ｐｓｓに向って急変し、これらの急変が原因で過熱度ＳＨ及び吸込圧力ｐｓが変動するとともに冷却能力Ｑが変動して、圧縮機サイクル運転が一時的にせよ不安定になる。

これに対し、圧縮機サイクル運転への切り換え直後は上記安定化モードを実施することで、上記の如き圧縮機サイクル運転の不安定化を防止することができ、切り換え直後における圧縮機サイクル運転を安定化することができる。

前述の如く制御器１５は、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが適切か否か、及び、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切か否かを判定して、圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換えを実行するが、この制御器１５は、ポンプサイクル運転では、基本的に外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃ′の計測値に基づいて圧縮機サイクル運転への切り換え（即ち、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換え）を決定する。

また、制御器１５は、圧縮機サイクル運転では外気ＯＡの温度が低下して前述のｄ．外気風量制御により凝縮圧力ｐｃが設定下限値ｐｃｍｉｎに保持されている状況において、基本的に外気ファン１３の出力（換言すれば、外気熱交換器５に対する外気ＯＡの通風量ｆｏ）に基づいてポンプサイクル運転への切り換えを決定する。

具体的には、ポンプサイクル運転では、図１２に示すように、外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′が設定上限値ｐｃｍａｘ′より高くなった（ｐｃ′＞ｐｃｍａｘ′）とき、あるいは、負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑ（必要冷却量）が予め設定されたポンプサイクル運転での最大冷却能力Ｑｍａｘより大きくなった（ｑ＞Ｑｍａｘ）ときに、制御器１５は、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切と判定して、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えを実行する。

一方、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えについては、図１３に示すように、外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃが外気風量制御により設定下限値ｐｃｍｉｎに保たれている状況での外気ファン１３の出力（ここでは外気通風量ｆｏ）と冷却能力Ｑと外気温度ｔｏとの三者の相関において、境界線Ｌ１により画定されるポンプサイクル運転領域Ｄ１（境界線Ｌ１より下側の領域）を実験や試運転に基づいて予め設定しておく。

そして、圧縮機サイクル運転では、図１４に示すように、各時点における計測負荷熱量ｑと計測外気通風量ｆｏとを座標値とする状態点（ｑ，ｆｏ）が上記ポンプサイクル運転領域Ｄ１に入った（ｑ，ｆｏ∈Ｄ１）ときに、制御器１５は、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが適切と判定して、ポンプサイクル運転への切り換えを実行する。

なお、図１３において、□ライン、△ライン、○ラインは外気温度ｔｏが各々１５℃，１０℃，５℃であるときの外気通風量ｆｏと冷却能力Ｑとの相関線である。

また、図１３において境界線Ｌ２により画定される領域Ｄ２（境界線Ｌ２より下側の領域）は、ポンプサイクル運転が可能な領域であり、境界線Ｌ１と境界線Ｌ２との間の領域はポンプサイクル運転と圧縮機サイクル運転とのハンチング的な切り換えを防止する不感帯領域にしてある。

つまり、外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃ′を成り行きとするポンプサイクル運転では、図１５に示すように、ある時点の外気温度ｔｏに対して、外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃ′は、外気熱交換器５における伝熱面が通常であるか、塵埃等で汚れているか、あるいは、降雨等で濡れているかによって異なるものになる。

この為、従前のように外気温度ｔｏのみを基準として圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換え判定を行うのでは、外気熱交換器５における伝熱面が汚れている場合、通常よりも凝縮圧力ｐｃ′が上昇していて冷却能力Ｑが既に不足となっている状況で、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが行われてしまう虞がある。

また、外気熱交換器５における伝熱面が濡れている場合では逆に、通常よりも凝縮圧力ｐｃ′が上昇しておらず冷却能力Ｑに未だ余裕がある状況で、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが行われてしまう虞がある。

これに対し、上記の如く外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′が設定上限値ｐｃｍａｘ′より大きくなった（ｐｃ′＞ｐｃｍａｘ′）とき、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切と判定するようにすることで、外気温度ｔｏのみを切り換え基準とする従前の方式に比べ、外気熱交換器５における伝熱面の汚れや濡れにかかわらず、常に適切なタイミングでポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転へ切り換えることができる。

図１６は、上記のように外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′に基づいてポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを行うようにした場合の実験結果を示すが、同図１６からも判るように、ポンプサイクル運転では外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′は外気温度ｔｏの上昇に伴って上昇している。そして、その上昇で計測凝縮圧力ｐｃ′が設定上限値ｐｃｍａｘ′を超えたときに、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えが行われている。

なお、この冷却装置Ｃでは、前述の図１２に示すように、外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′が設定上限値ｐｃｍａｘ′以下（ｐｃ′≦ｐｃｍａｘ′）の状況でも、負荷熱量ｑ（必要冷却量）が予め設定されたポンプサイクル運転での最大冷却能力Ｑｍａｘより大きくなった（ｑ＞Ｑｍａｘ）ときには、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えを行うようにしたが、ポンプサイクル運転時において負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑが比較的安定していて大きく増大することがない場合など、冷却装置Ｃの使用条件によっては、外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′のみに基づいて過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えを行うようにしてもよい。

一方、図１７は、外気温度ｔｏが１０℃で、圧縮機サイクル運転において前述のｄ．外気風量制御により外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃが設定下限値ｐｃｍｉｎに保持されている状況での外気ファン１３による外気通風量ｆｏと冷却能力Ｑと外気熱交換器５における伝熱面状態との相関を示す。

同図１７から判るように、圧縮機サイクル運転において外気通風量ｆｏの調整により外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃが設定下限値ｐｃｍｉｎに保持されている状況では、外気温度ｔｏが一定でも、ある時点の外気通風量ｆｏに対する冷却能力Ｑは、外気熱交換器５における伝熱面が通常であるか、塵埃等で汚れているか、あるいは、降雨等で濡れているかによって異なるものになる。

この為、従前のように外気温度ｔｏのみを基準として圧縮機サイクル運転とポンプサイクル運転との切り換えを行うのでは、外気熱交換器５における伝熱面が汚れている場合、未だポンプサイクル運転では負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑを未だ処理できない状況で、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが行われてしまう虞がある。

また、外気熱交換器５における伝熱面が濡れている場合では逆に、既にポンプサイクル運転でも負荷側空気ＩＡの負荷熱量ｑを十分に処理できる状況にあるのに、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが行われない虞がある。

これに対し、上記の如く計測負荷熱量ｑと計測外気通風量ｆｏとを座標値とする状態点（ｑ，ｆｏ）が予め設定したポンプサイクル運転領域Ｄ１に入った（ｑ，ｆｏ∈Ｄ１）とき、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転へ切り換えるようにすることで、外気温度ｔｏのみを切り換え基準とする従前の方式に比べ、外気熱交換器５における伝熱面の汚れや濡れにかかわらず、常に適切なタイミングで圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転へ切り換えることができる。

図１８は、上記のように計測負荷熱量ｑと計測外気通風量ｆｏとを座標値とする状態点（ｑ，ｆｏ）の位置に基づいて圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えを行うようにした場合の実験結果を示すが、同図１８からも判るように、圧縮機サイクル運転において外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃを設定下限値ｐｃｍｉｎに保つように外気ファン１３による外気通風量ｆｏを調整している状況では、その外気通風ｆｏは外気温度ｔｏの低下にともなって低下している。そして、その外気通風量ｆｏの低下で計測負荷熱量ｑと計測外気通風量ｆｏとを座標値とする状態点（ｑ，ｆｏ）が予め設定したポンプサイクル運転領域Ｄ１に入った（ｑ，ｆｏ∈Ｄ１）ときに、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転への切り換えが行われている。
なお、図１８では、状態点（ｑ，ｆｏ）がポンプサイクル運転領域Ｄ１に入った後、暫くしてポンプサイクル運転への切り換えが行われているが、これは状態点（ｑ，ｆｏ）がポンプサイクル運転領域Ｄ１に入ったことを確認した上でポンプサイクル運転への切り換えが行われていることによる。

上述の例では、制御器１５は外気熱交換器５における冷媒Ｒの計測凝縮圧力ｐｃ′が設定上限値ｐｃｍａｘ′より大きくなった（ｐｃ′＞ｐｃｍａｘ′）ときに、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えが適切と判定して、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを実行するように構成したが、これに代えて、制御器１５はポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換え判定を次のように行うものにしてもよい。

図１９に示すように、ポンプサイクル運転では外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃ′、及び、負荷側熱交換器２における冷媒Ｒの蒸発圧力ｐｅ′の夫々と、冷却装置Ｃの冷却能力Ｑ（即ち、負荷側熱交換器２での負荷側空気ＩＡの冷却量）との間に、特定の関係式（例えば、図中の式１や式２など）により表すことができる相関がある。

このことから、外気熱交換器５における冷媒Ｒの凝縮圧力ｐｃ′又は負荷側熱交換器２における冷媒Ｒの蒸発圧力ｐｅ′を計測して、その計測値に対応する冷却能力Ｑ（即ち、その時点におけるポンプサイクル運転での冷却能力）を制御器１５に演算させるようにする。

そして、図２０に示すように、その演算した冷却能力Ｑを判定用冷却能力Ｑｓとして逐次設定させ、これに対して、計測負荷熱量ｑ（即ち、必要冷却量）がその時の判定用冷却能力Ｑｓより大きくなったときに、ポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えが適切と判定して、過熱度確保モードでのポンプサイクル運転を経た圧縮機サイクル運転への切り換えを実行するように、また、その切り換え後、設定過渡時間Ｔｃの間は安定化モードで圧縮機サイクル運転を実施するように、制御器１５を構成してもよい。

即ち、このように制御器１５を構成しても、外気温度ｔｏのみを切り換え基準とする従前の方式に比べ、外気熱交換器５における伝熱面の汚れや濡れにかかわらず、常に適切なタイミングでポンプサイクル運転から圧縮機サイクル運転への切り換えを行うことができる。

なお、上記の例では、負荷媒体として負荷側空気ＩＡを負荷側熱交換器２で冷却する冷却装置Ｃを示したが、本発明は、各種気体を負荷側熱交換器２で冷却する負荷媒体とする場合に限らず、水などの各種液体を負荷側熱交換器２で冷却する負荷媒体とする場合や、物品や原材料などの各種固体を負荷側熱交換器２で冷却する負荷媒体とする場合などにも適用することができる。

本発明による圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置は、各種分野において種々の負荷媒体を冷却するのに利用することができる。

８ 冷媒ポンプ
４ 圧縮機
５ 外気熱交換器
１０ 膨張弁
２ 負荷側熱交換器
Ｒ 冷媒
１ 冷媒循環路
１５ 制御器
ＳＨ 過熱度
ＳＨｍ 設定許容値
Ｔｃ 設定過渡時間
３ 蒸発圧力調整弁
Ｑ 冷却能力
ＯＡ 外気
１３ 外気ファン
ｐｃ 凝縮圧力
ｐｃｍｉｎ 設定下限値

Claims (4)

1. 運転停止した冷媒ポンプを迂回させる状態で圧縮機と外気熱交換器と膨張弁と負荷側熱交換器との順に冷媒を前記圧縮機により循環させる圧縮機サイクル運転と、
   運転停止した前記圧縮機を迂回させる状態で前記冷媒ポンプと前記負荷側熱交換器と前記外気熱交換器との順に冷媒を前記冷媒ポンプにより循環させるポンプサイクル運転との切り換え実施が可能な冷媒循環路を設けるとともに、
   前記圧縮機サイクル運転と前記ポンプサイクル運転との切り換えを自動的に実行する制御器を設け、
   前記圧縮機サイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を凝縮させることで外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を蒸発させることで負荷媒体を冷却し、
   前記ポンプサイクル運転では、前記外気熱交換器において冷媒を低温外気と熱交換させることで、冷媒を冷却して凝縮させるとともに外気に放熱し、これに併行して、前記負荷側熱交換器において冷媒を負荷媒体と熱交換させることで、冷媒を加熱して蒸発させるとともに負荷媒体を冷却する圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置であって、
   前記制御器は、通常モードの前記ポンプサイクル運転では前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を成り行きとするのに対して、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転に切り換えるとき、前記冷媒ポンプの出力を低下させることで前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を高める過熱度確保モードで前記ポンプサイクル運転を実施するとともに、
   この過熱度確保モードでの前記ポンプサイクル運転において、前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度が設定許容値に上昇したときに、又は、設定時間が経過したときに、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転への切り換えを実行する構成にしてある圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置。
2. 前記制御器は、前記ポンプサイクル運転から前記圧縮機サイクル運転に切り換えた後、設定過渡時間が経過するまでは、前記圧縮機の出力を制限するとともに前記膨張弁の開度を設定制限開度に保持する安定化モードで前記圧縮機サイクル運転を実施し、
   前記設定過渡時間が経過したとき前記圧縮機サイクル運転における前記安定化モードを解除して通常モードの前記圧縮機サイクル運転に移行する構成にしてある請求項１に記載した圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置。
3. 前記制御器は、前記通常モードのポンプサイクル運転では、前記負荷側熱交換器の冷媒入口側に設けた前記膨張弁の開度、及び、前記負荷側熱交換器の冷媒出口側に設けた蒸発圧力調整弁の開度を設定開度に保持した状態で、前記冷媒ポンプの駆動周波数を調整することで冷却能力を調整し、
   前記通常モードの圧縮機サイクル運転では、前記膨張弁の開度を調整することで前記負荷側熱交換器の冷媒出口における冷媒の過熱度を設定過熱度に調整するとともに、前記蒸発圧力調整弁の開度を調整することで冷却能力を調整する構成にしてある請求項２に記載した圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置。
4. 前記制御器は、前記ポンプサイクル運転では、前記外気熱交換器に対して外気を通風する外気ファンを１００％出力で運転し、
   前記圧縮機サイクル運転では、前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力が設定下限値よりも大きい状況では前記外気ファンを１００％出力で運転するのに対し、
   前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力が設定下限値未満となる状況では前記外気ファンの出力を調整することで、前記外気熱交換器における冷媒の凝縮圧力を設定下限値に調整する構成にしてある請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧縮機／ポンプ切換式の冷却装置。

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