JP2017142039A - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】室外ユニット及び室内ユニットの運転を停止することなく、水熱交換器内の水の凍結を回避できる空気調和装置を提供すること。【解決手段】室内ユニット３Ａ，３Ｂと並列に接続され、室外ユニット２から供給される冷媒と水とを熱交換する水熱交換器５１を有する水温調ユニット４０を備え、水温調ユニット４０は、水熱交換器５１の冷媒入口側に設けられた水温調膨張弁５２と、水温調膨張弁５２及び水熱交換器５１をバイパスするバイパス管５３と、バイパス管５３に設けられたバイパス弁５４とを備え、水熱交換器５１が蒸発器として機能する運転中に、該水熱交換器５１を流れる水の凍結のおそれがあると判定された場合、水温調膨張弁５２を閉じると共に、バイパス弁５４を開いて水の凍結を防止する凍結防止制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒と室内空気とを熱交換する室内空気熱交換器と、冷媒と水とを熱交換する水熱交換器とを備えた空気調和装置に関する。
一般に、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、減圧手段、及び、蒸発器を備え、これらに冷媒を循環させると共に、蒸発器で冷媒と被冷却流体との熱交換を行い、該被冷却流体の冷却を行う冷却装置が知られている。この種の冷却装置では、蒸発器での被冷却流体の凍結を防止する構成を備えた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−２４３８２８号公報
ところで、近年、冷媒を圧縮する圧縮機、室外熱交換器を有する室外ユニットと、室外ユニットから供給される冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器を有する室内ユニットと、この室内ユニットに並列に配置されて室外ユニットから供給される冷媒と水とを熱交換する水熱交換器を有する水温調ユニットと、を備えた空気調和装置が開発されている。この種の空気調和装置では、例えば、室外熱交換器の除霜運転のように、室内熱交換器及び水熱交換器をそれぞれ蒸発器として機能させる運転中に、冷媒の蒸発温度が低下した場合、水熱交換器内の水が凍結するおそれが生じる。この場合、水熱交換器内の水の凍結を防止するために、空気調和装置全体の運転を異常停止させることも可能ではあるが、室外ユニット及び室内ユニットの運転が停止されるという問題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、室外ユニット及び室内ユニットの運転を停止することなく、水熱交換器内の水の凍結を回避できる空気調和装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、及び、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器を有する室外ユニットと、室外ユニットにユニット間配管を介して接続され、該室外ユニットから供給される冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器を有する室内ユニットと、室内ユニットと並列に室外ユニットに接続され、該室外ユニットから供給される前記冷媒と水とを熱交換する水熱交換器を有する水温調ユニットと、を備えた空気調和装置であって、水温調ユニットは、水熱交換器の冷媒入口側に設けられた制御弁と、制御弁及び水熱交換器をバイパスするバイパス管と、バイパス管に設けられたバイパス弁とを備え、水熱交換器が蒸発器として機能する運転中に、該水熱交換器を流れる水の凍結のおそれの有無を判定する凍結判定部と、水の凍結のおそれがあると判定された場合、制御弁を閉じると共に、バイパス弁を開いて水の凍結を防止する凍結防止制御部とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、水熱交換器を流れる水の凍結のおそれがあると判定された場合、凍結防止制御部は、制御弁を閉じると共に、バイパス弁を開くことにより、冷媒が水熱交換器に流入することが防止される。また、高温冷媒が水熱交換器をバイパスすることで、空気調和装置の低圧圧力を上昇させ、凍結を防止する方向に運転点を変化させることも期待できる。このため、室外ユニット及び室内ユニットの運転を妨げることなく、水熱交換器を流れる水の凍結を回避することができる。
この構成において、凍結判定部は、水熱交換器を流れる水の温度が凍結基準温度を下回った場合に、水の凍結のおそれがあると判定してもよい。この構成によれば、水温調ユニットにおいて、仕様範囲外の条件(例えば水温または水量)で水が使用された場合であっても、水熱交換器を流れる水の凍結のおそれの有無を簡単に判定できる。
また、凍結判定部は、水熱交換器を流れる冷媒の温度が凍結基準温度を下回った場合に、水の凍結のおそれがあると判定してもよい。この構成によれば、水熱交換器の出入口水温が凍結温度以上でも、水熱交換器内部の冷媒入口付近で局所的に水が凍結する可能性を検知できる。
また、凍結判定部は、冷媒がユニット間配管を流れる際に生じる圧力損失を考慮して定めた所定の低圧保護値を、圧縮機の吸込圧力が下回った場合、水の凍結のおそれがあると判定してもよい。この構成によれば、水温調ユニットが室外ユニットから離れた位置に配置された構成であっても、水熱交換器を流れる水の凍結のおそれの有無を精度良く判定できる。また、冷媒循環量が少なく、冷媒温度センサでは冷媒温度を精度よく検知できずに水の凍結のおそれを検知できない場合であっても、水熱交換器内部の微細構造部で部分的に水が凍結する可能性を検知することができる。
また、水熱交換器を流れる冷媒の温度が凍結基準温度よりも高いアンチフロスト温度に低下した場合に、低圧保護値を高く補正し、冷媒の温度がアンチフロスト温度よりも高いアンチフロスト解除温度に上昇した場合に、低圧保護値を低く補正する低圧保護値補正部を備えてもよい。この構成によれば、水の凍結のおそれの有無を判定する基準となる低圧保護値を、水温調ユニットの運転状況に応じて補正するため、該判定の精度をより高めることができる。
また、水熱交換器が蒸発器として機能する運転は、室外熱交換器の除霜を行う除霜運転を含んでもよい。この構成によれば、除霜運転中に、水の凍結のおそれがあると判定された場合、制御弁を閉じると共にバイパス弁を開くことにより、冷媒が水熱交換器に流入することが防止され、水熱交換器を流れる水の凍結を回避することができる。更に、除霜運転では、室内ユニットの室内熱交換器において、室外ユニットから供給される冷媒と室内空気との熱交換により、室内空気から熱を汲み上げることができるため、除霜運転を継続して行うことができる。
本発明によれば、水熱交換器を流れる水の凍結のおそれがあると判定された場合、凍結防止制御部は、制御弁を閉じると共に、バイパス弁を開くことにより、冷媒が水熱交換器に流入することが防止される。このため、室外ユニット及び室内ユニットの運転を妨げることなく、水熱交換器を流れる水の凍結を回避することができる。
図１は、本実施形態にかかる空気調和装置の回路構成図である。 図２は、本実施形態にかかる室外コントローラと水温調コントローラの機能ブロック図である。 図３は、別の実施形態にかかる室外コントローラと水温調コントローラの機能ブロック図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
図１は、本実施形態にかかる空気調和装置の回路構成図である。空気調和装置１は、１台の室外ユニット２と、複数台（図１では２台）の室内ユニット３Ａ，３Ｂと、１台の水温調ユニット４０とを備えたマルチ型の空気調和装置である。室内ユニット３Ａ，３Ｂ及び水温調ユニット４０は、室外ユニット２から導出されるユニット間配管６に互いに並列に接続されている。ユニット間配管６は、液冷媒が流通する液配管５と、液冷媒が気化した冷媒ガスが流通するガス配管４とを備える。
室外ユニット２は、冷媒を圧縮するインバータ駆動の圧縮機１０と、冷媒ガス中から潤滑油を分離する油分離器１１と、冷媒の循環方向を切換える四方弁１２と、冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器１３と、暖房時に用いられて冷媒を減圧・膨張させる室外膨張弁１５と、液冷媒を貯留するレシーバ１６と、液冷媒に過冷却を与える過冷却熱交換器１７と、過冷却熱交換器１７に分流される冷媒量を制御する過冷却用膨張弁１８と、ガス側操作弁２０と、液側操作弁２１とを備えている。また、室外ユニット２は室外コントローラ５０を備え、この室外コントローラ５０は、圧縮機１０、四方弁１２、室外膨張弁１５、過冷却用膨張弁１８等を制御している。
室外ユニット２側の上記各機器は、冷媒配管２２を介して順次接続されて室外側冷媒回路２３を構成している。より具体的には、冷媒配管２２は、圧縮機１０の吐出側と四方弁１２とを接続する吐出管２２ａと、圧縮機１０の吸入側と四方弁１２とを接続する吸入管２２ｂとを備える。また、冷媒配管２２は、室外熱交換器１３の一端１３ａと液側操作弁２１とを接続する室外側液管２２ｃと、室外熱交換器１３の他端１３ｂと四方弁１２とを接続する室外側ガス管２２ｄとを備えて構成される。
また、室外ユニット２には、室外熱交換器１３に対して外気を送風する室外ファン２４が設けられている。さらに、油分離器１１と圧縮機１０の吸入管２２ｂとの間には、油分離器１１内で吐出冷媒ガスから分離された潤滑油を所定量ずつ圧縮機１０側に戻すための油戻し回路２５が設けられている。過冷却用膨張弁１８は、室外側液管２２ｃから分岐された分岐液管２６に設けられ、この分岐液管２６は、過冷却熱交換器１７を介して吸入管２２ｂに接続されている。
本実施形態では、室外側冷媒回路２３には、各種の圧力センサや温度センサが設けられている。具体的には、圧縮機１０と四方弁１２との間の吐出管２２ａには、圧縮機１０から吐出された高圧冷媒の圧力を検知する高圧センサ４１が設けられ、四方弁１２と分岐液管２６との間の吸入管２２ｂには、圧縮機１０に吸入される低圧冷媒の圧力（低圧圧力）を検知する低圧センサ（低圧圧力検知部）４２が設けられている。また、圧縮機１０と油分離器１１との間の吐出管２２ａには、吐出された冷媒の温度を検知する吐出温度センサ４３が設けられ、分岐液管２６と圧縮機１０との間の吸入管２２ｂには、圧縮機１０に吸入される低圧冷媒の温度を検知する吸入温度センサ４５が設けられている。
ユニット間配管６を構成するガス配管４および液配管５は、室外ユニット２のガス側操作弁２０および液側操作弁２１に接続される冷媒配管であり、現場での据え付け施工時に、室外ユニット２とそれに接続される複数台の室内ユニット３Ａ，３Ｂ、及び、水温調ユニット４０との間の距離に応じて、その配管長が適宜設定されるようになっている。ガス配管４および液配管５の途中には、複数の分岐器（不図示）が設けられ、該分岐器を介して適宜台数の室内ユニット３Ａ，３Ｂ、及び、水温調ユニット４０が接続されている。これによって、密閉された１系統の冷凍サイクル（冷媒回路）７が構成されている。
室内ユニット３Ａ，３Ｂは、室内空気を冷媒と熱交換させて冷却または加熱し、室内の空調に供する室内熱交換器３０と、冷房時に用いられる室内膨張弁３１と、室内熱交換器３０を介して室内空気を循環させる室内ファン３２とを備え、室内側の分岐ガス配管３３Ａ，３３Ｂおよび分岐液配管３４Ａ，３４Ｂを介して分岐器に接続されている。また、室内ユニット３Ａ，３Ｂには、室内膨張弁３１等を制御する室内コントローラ３５が設けられている。なお、室内ユニット３Ａ，３Ｂの各室内コントローラ３５は、それぞれ室外コントローラ５０と接続されている。
水温調ユニット４０は、水と冷媒との熱交換を行う水熱交換器５１と、この水熱交換器５１が蒸発器として機能する運転時に用いられる水温調膨張弁（制御弁）５２とを備え、室内側の分岐ガス配管３３Ｃおよび分岐液配管３４Ｃを介して分岐器に接続されている。水熱交換器５１は、例えば、プレート熱交換器が用いられる。水温調膨張弁５２は、水熱交換器５１の冷媒入口側に設けられ、全閉から全開まで開度をリニアに調整できる。水熱交換器５１が蒸発器として機能する運転としては、水を冷却する冷却運転に加えて、室外ユニット２の室外熱交換器１３の除霜を行うデフロスト運転（除霜運転）を含む。また、上記した水は、冷媒と熱交換される被熱交換媒体であり、ブラインを含んでも良い。
水温調ユニット４０は、分岐ガス配管３３Ｃと分岐液配管３４Ｃとを接続し、水熱交換器５１及び水温調膨張弁５２をバイパスするバイパス管５３を備える。このバイパス管５３には、該バイパス管５３内の冷媒の流れを制御するバイパス弁５４と、分岐液配管３４Ｃから分岐ガス配管３３Ｃへの冷媒の流れを許容し、その逆方向の流れを禁止する逆止弁５５とが直列に設けられている。
水熱交換器５１には、循環ポンプ６１と利用熱交換器６２を有する水循環経路６３が接続され、この水循環経路６３を上記した水が循環することで、該水と冷媒との熱交換が行われる。利用熱交換器６２は、水温調タンク６０内に配置され、この水温調タンク６０内に貯留される利用水と水循環経路６３を循環する水とで熱交換を行うことにより、水温調タンク６０内の利用水を加熱または冷却して、その温度を調整する。温度調整された利用水は、不図示の水利用設備側に送出され、床暖房、空気暖房等をはじめとする適宜用途に利用される。
水温調ユニット４０は、水熱交換器５１を流れる冷媒、及び、水の温度を検知する各種温度センサが設けられている。具体的には、水熱交換器５１の分岐液配管３４Ｃには、入口冷媒温度を検知する入口冷媒温度センサ５６が設けられ、水熱交換器５１の分岐ガス配管３３Ｃには、出口冷媒温度を検知する出口冷媒温度センサ５７が設けられている。また、水熱交換器５１の水循環経路６３には、入口水温度を検知する入口水温度センサ６４と、出口水温度を検知する出口水温度センサ６５とが設けられている。また、水温調ユニット４０は、室外コントローラ５０に接続され、水温調膨張弁５２、バイパス弁５４、循環ポンプ６１等を制御する水温調コントローラ５８を備える。
次に、空気調和装置１の動作について説明する。本実施形態では、室内ユニット３Ａ，３Ｂの冷房運転時に水温調ユニット４０の冷却運転が行われ、室内ユニット３Ａ，３Ｂの暖房運転時に水温調ユニット４０の加熱運転が行われる。空気調和装置１において、冷房運転は、以下のように行われる。圧縮機１０で圧縮され、吐出された高温高圧の冷媒ガスは、油分離器１１で冷媒中に含まれている潤滑油が分離される。その後、冷媒ガスは、四方弁１２により室外熱交換器１３側に循環され、室外熱交換器１３で室外ファン２４により送風される外気と熱交換されて凝縮液化される。この液冷媒は、室外膨張弁１５を通過し、レシーバ１６内にいったん貯留される。
レシーバ１６で循環量が調整された液冷媒は、過冷却熱交換器１７を通過する過程で、室外側液管２２ｃから一部分流され、過冷却用膨張弁１８で断熱膨張された冷媒と熱交換されて過冷却される。この液冷媒は、液側操作弁２１を経て室外ユニット２から液配管５へと導かれ、分岐器を介して室内ユニット３Ａ，３Ｂ及び水温調ユニット４０の分岐液配管３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃへと分流される。一方、過冷却に利用された冷媒は、分岐液管２６を通じて、圧縮機１０の吸入管２２ｂに流入する。
分岐液配管３４Ａ，３４Ｂに分流された液冷媒は、各室内ユニット３Ａ，３Ｂに流入し、室内膨張弁３１でそれぞれ断熱膨張され、気液二相流となって室内熱交換器３０に流入される。室内熱交換器３０では、室内ファン３２により循環される室内空気と冷媒とが熱交換され、室内空気は冷却されて室内の冷房に供される。一方、冷媒は蒸発してガス化され、分岐ガス配管３３Ａ，３３Ｂを経てガス配管４で合流される。
また、分岐液配管３４Ｃに分流された液冷媒は、水温調ユニット４０に流入し、水温調膨張弁５２で断熱膨張され、気液二相流となって水熱交換器５１に流入される。水熱交換器５１では、循環ポンプ６１の運転により水循環経路６３を循環する水と冷媒とが熱交換され、この水は冷却されて水温調タンク６０内の利用水の冷却に供される。一方、冷媒は蒸発してガス化され、分岐ガス配管３３Ｃを経てガス配管４で各室内ユニット３Ａ，３Ｂからの冷媒に合流される。
ガス配管４で合流された冷媒ガスは、再び室外ユニット２に戻り、ガス側操作弁２０、四方弁１２を経て、過冷却熱交換器１７からの冷媒ガスと合流された後、圧縮機１０に吸入される。この冷媒は、圧縮機１０において再び圧縮され、以上のサイクルを繰り返すことによって冷房運転及び冷却運転が行われる。
一方、暖房運転は、以下のように行われる。圧縮機１０により圧縮され、吐出された高温高圧の冷媒ガスは、油分離器１１で冷媒中に含まれている潤滑油が分離された後、四方弁１２を介してガス側操作弁２０側に循環される。この高圧冷媒ガスは、ガス側操作弁２０、ガス配管４を経て室外ユニット２から導出され、分岐ガス配管３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを経て室内ユニット３Ａ，３Ｂ及び水温調ユニット４０に導入される。
室内ユニット３Ａ，３Ｂに導入された高温高圧の冷媒ガスは、室内熱交換器３０で室内ファン３２を介して循環される室内空気と熱交換され、これにより加熱された室内空気は室内に吹出されて暖房に供される。一方、室内熱交換器３０で凝縮液化された冷媒は、室内膨張弁３１、分岐液配管３４Ａ，３４Ｂを経て液配管５で合流されて室外ユニット２に戻る。
また、水温調ユニット４０に導入された高温高圧の冷媒ガスは、水熱交換器５１で循環ポンプ６１の運転により水循環経路６３を循環する水と熱交換され、この水は加熱されて水温調タンク６０内の利用水の加熱に供される。一方、水熱交換器５１で凝縮液化された冷媒は、水温調膨張弁５２、分岐液配管３４Ｃを経て液配管５で各室内ユニット３Ａ，３Ｂからの冷媒と合流されて室外ユニット２に戻る。
室外ユニット２に戻った冷媒は、液側操作弁２１を経て過冷却熱交換器１７に至り、冷房時の場合と同様に過冷却された後、レシーバ１６に流入され、いったん貯留されることにより循環量が調整される。この液冷媒は、室外膨張弁１５に供給されて断熱膨張された後、室外熱交換器１３に流入される。
室外熱交換器１３では、室外ファン２４から送風される外気と冷媒とが熱交換され、冷媒は外気から吸熱して蒸発ガス化される。この冷媒は、室外熱交換器１３から四方弁１２を経て、過冷却熱交換器１７からの冷媒ガスと合流された後、圧縮機１０に吸入され、圧縮機１０において再び圧縮される。以上のサイクルを繰り返すことによって暖房運転及び加熱運転が行われる。
ところで、上記した水温調ユニット４０の冷却運転では、水温調ユニット４０の水熱交換器５１は蒸発器として機能する。また、暖房運転時において、室外熱交換器１３の除霜を行うデフロスト運転では、水温調ユニット４０の冷却運転と同様の向きに冷媒が流れるため、水温調ユニット４０の水熱交換器５１は蒸発器として機能する。これら水温調ユニット４０の冷却運転時や室外熱交換器１３のデフロスト運転時において、水熱交換器５１への水の循環が停止する異常が生じた場合、もしくは、室外気温が極めて低下した場合には、水熱交換器５１に供給される冷媒の蒸発温度が低下することにより、水熱交換器５１内の水が凍結することで膨張し、水熱交換器５１を破損するおそれがある。このため、本構成では、水熱交換器５１の破損を防止するために水の凍結防止処理を行う構成を有する。
図２は、本実施形態にかかる室外コントローラと水温調コントローラの機能ブロック図である。室外コントローラ５０は、図２に示すように、室外制御部７０と、凍結判定部７１と、低圧保護値補正部７２と、凍結防止制御部７３を備える。また、室外コントローラ５０には、圧縮機１０と低圧センサ４２とが接続されている。ここで、室外コントローラ５０に接続される他の機器については省略する。
水温調コントローラ５８は、室外コントローラ５０と通信可能に構成され、室外コントローラ５０の室外制御部７０と協働して水温調ユニット４０の動作を制御する水温調制御部８０を備える。水温調コントローラ５８には、水温調膨張弁５２と、バイパス弁５４と、循環ポンプ６１と、入口冷媒温度センサ５６と、出口冷媒温度センサ５７とが接続されている。ここで、水温調コントローラ５８に接続される他の機器については省略する。
室外制御部７０は、空気調和装置１全体の動作を制御する。凍結判定部７１は、水温調ユニット４０の冷却運転時、もしくは、室外熱交換器１３のデフロスト運転時に、水熱交換器５１を流れる水が凍結するおそれがあるか否かを判定する。本実施形態では、各ユニット間を循環する冷媒の圧力に基づいて、水が凍結するおそれの有無を判定している。この構成によれば、冷媒循環量が少なく、例えば、入口冷媒温度センサ５６及び出口冷媒温度センサ５７では冷媒温度を精度よく検知できずに凍結のおそれを検知できない場合であっても、水熱交換器５１内部の微細構造部で部分的に凍結する可能性を検知できる。具体的には、凍結判定部７１は、低圧センサ４２が検知する低圧冷媒の低圧圧力ＬＰと、所定の低圧保護値ＬＰｐｈｍｕとを比較して、低圧圧力ＬＰが低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを下回った場合に、水が凍結するおそれがあると判定する。この低圧保護値ＬＰｐｈｍｕは、室外ユニット２と水温調ユニット４０とを接続するユニット間配管６を冷媒が流れる際に生じる冷媒の圧力損失を考慮した基準値である。低圧センサ４２が検知する低圧冷媒の低圧圧力ＬＰは、水熱交換器５１を流れる冷媒の圧力よりも上記した圧力損失分だけ低い値となっている。このため、低圧圧力ＬＰの値から圧力損失相当分を減じた値を低圧保護値ＬＰｐｈｍｕとして設定しておき、この低圧保護値ＬＰｐｈｍｕに基づいて、水の凍結のおそれの有無を判定するため、水温調ユニット４０が室外ユニット２から離れた位置に配置される構成においても、水熱交換器５１における水の凍結のおそれの有無を簡単、かつ精度良く判定することができる。
低圧保護値補正部７２は、上記した低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを、水温調ユニット４０の運転状況に応じて補正する。冷媒の圧力損失は、ユニット間配管６を流れる冷媒量によって変動するものであるため、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを水温調ユニット４０の運転状況に応じて補正することで、水の凍結するおそれの有無を判定する基準値としての低圧保護値ＬＰｐｈｍｕの精度を高めることができる。凍結防止制御部７３は、室外制御部７０の制御下、水が凍結するおそれがあると判定された場合に、該水の凍結を回避する動作を行う。具体的な動作については後述する。
水温調ユニット４０の水温調制御部８０は、入口冷媒温度センサ５６及び出口冷媒温度センサ５７を用いて、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度及び出口温度を監視している。また、水温調制御部８０は、予め設定された凍結基準温度、アンチフロスト温度、及びアンチフロスト解除温度を記憶しており、検知された冷媒の入口温度及び出口温度が、凍結基準温度、アンチフロスト温度、もしくは、アンチフロスト解除温度に至った場合には、その都度、室外制御部７０に信号を出力する。凍結基準温度は、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度または出口温度がその凍結基準温度まで低下した場合には、水熱交換器５１内の水が凍結するおそれが極めて高い温度をいい、本実施形態では０℃に設定されている。この凍結基準温度に冷媒の入口温度または出口温度が至った場合には、水温調制御部８０は、水温調ユニット４０をサーモオフさせて、水温調ユニット４０の運転を停止する。また、水温調制御部８０は、上記したサーモオフの代わりに、水温調膨張弁５２を閉じると共にバイパス弁５４を開くように制御してもよい。
また、アンチフロスト温度とは、水熱交換器５１内の水の凍結が予想される温度をいう。このアンチフロスト温度は、凍結基準温度よりも高い温度に設定され（本実施形態では３℃）、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕの補正に利用される。また、アンチフロスト解除温度は、水熱交換器５１内の水の凍結のおそれがないと予想される温度をいい、アンチフロスト温度よりも高い温度に設定される（本実施形態では５℃）。これら凍結基準温度、アンチフロスト温度、及び、アンチフロスト解除温度の値は、適宜変更することが可能である。
次に、水が凍結するおそれの有無を判定する判定処理動作について説明する。この判定処理動作は、水温調ユニット４０の水熱交換器５１が蒸発器として機能する動作において実行される。ここでは、室外熱交換器１３のデフロスト運転を例示する。デフロスト運転が実行されると、水温調制御部８０は、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度及び出口温度を監視する。
また、凍結判定部７１は、低圧センサ４２が検知する低圧冷媒の低圧圧力ＬＰを取得するとともに、予め設定されたデフロスト運転時の低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを読み出し、低圧圧力ＬＰが低圧保護値ＬＰｐｈｍｕよりも低下するか否かを監視する。これと平行して、低圧保護値補正部７２は、監視された冷媒温度に基づいて、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを補正する。具体的には、冷媒の入口温度及び出口温度がアンチフロスト温度まで低下した場合、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを先の値から所定値加算した値に補正する。一方、冷媒の入口温度及び出口温度がアンチフロスト解除温度まで上昇した場合、この状態が所定時間経過後に、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを先の値から所定値減算した値に補正する。このように、水熱交換器５１を流れる冷媒の温度に基づいて、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを補正することにより、水が凍結するおそれの有無の判定精度をより高めることができる。
この判定処理において、凍結判定部７１は、低圧圧力ＬＰが低圧保護値ＬＰｐｈｍｕよりも低下した場合、水が凍結するおそれがあると判定する。そして、凍結防止制御部７３は、圧縮機１０の運転周波数（能力）を低下させることによって、低圧圧力ＬＰが低圧保護値ＬＰｐｈｍｕ以上の値に上昇するようにコントロールする。さらに、凍結防止制御部７３は、圧縮機１０の運転周波数制御と同時に、水温調制御部８０を介して、水温調膨張弁５２を閉じると共にバイパス弁５４を開くように制御する。これによれば、冷媒は、バイパス管５３を流れるため、冷媒が水熱交換器５１に流入することが防止され、水熱交換器５１を流れる水の凍結を回避することができる。また、高温冷媒が水熱交換器５１をバイパスすることで、空気調和装置１における低圧圧力を上昇させ、凍結を防止する方向に運転点を変化させることも期待できる。さらに、デフロスト運転では、室内ユニット３Ａ，３Ｂの各室内熱交換器３０において、冷媒と室内空気との熱交換により、室内空気から熱を汲み上げることができるため、室外ユニット２や室内ユニット３Ａ，３Ｂを停止することなくデフロスト運転を継続して行うことができる。
次に、別の実施形態について説明する。図３は、本実施形態にかかる室外コントローラと水温調コントローラの機能ブロック図である。室外コントローラ５０Ａは、図３に示すように、室外制御部７０を備える。また、室外コントローラ５０Ａには、圧縮機１０が接続されている。ここで、室外コントローラ５０Ａに接続される他の機器については省略する。
水温調コントローラ５８Ａは、室外コントローラ５０Ａと通信可能に構成される。水温調コントローラ５８Ａは、水温調ユニット４０の動作を制御する水温調制御部８０と、凍結判定部８１と、凍結防止制御部８２とを備える。水温調コントローラ５８Ａには、水温調膨張弁５２と、バイパス弁５４と、入口水温度センサ６４と、出口水温度センサ６５と、入口冷媒温度センサ５６と、出口冷媒温度センサ５７とが接続されている。ここで、水温調コントローラ５８Ａに接続される他の機器については省略する。上記した実施形態では、凍結判定部７１は、低圧センサ４２が検知する低圧冷媒の低圧圧力ＬＰと、所定の低圧保護値ＬＰｐｈｍｕとを比較して、低圧圧力ＬＰが低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを下回った場合に、凍結するおそれがあると判定していたが、この別の実施形態では、水熱交換器５１を流れる水の温度に基づいて、水の凍結のおそれがあるか否かを判定している。この構成では、対象となる水の温度を直接検知しているので、水温調ユニット４０において、仕様範囲外の条件(例えば水温または水量)で水が使用された場合であっても、水が凍結するおそれの有無を容易に判定できる。
水温調制御部８０は、入口水温度センサ６４及び出口水温度センサ６５を用いて、水熱交換器５１を流れる水の入口温度及び出口温度を監視している。また、水温調制御部８０は、予め設定された凍結基準温度、凍結基準解除温度を記憶しており、検知された水の入口温度及び出口温度が凍結基準温度もしくは凍結基準解除温度に至った場合には、凍結判定部８１及び凍結防止制御部８２に信号を出力する。凍結基準温度は、水熱交換器５１内の水が凍結するおそれが高い温度をいい、本実施形態では４℃に設定されている。また、凍結基準解除温度は、水熱交換器５１内の水の凍結のおそれがないと予想される温度をいい、凍結基準温度よりも高い温度に設定される（本実施形態では７℃）。
凍結判定部８１は、水の入口温度及び出口温度が凍結基準温度よりも低下した場合、水が凍結するおそれがあると判定する。この場合、凍結防止制御部８２は、水温調ユニット４０をサーモオフさせて、水温調ユニット４０の運転を停止する。また、凍結防止制御部８２は、上記したサーモオフの代わりに、水温調膨張弁５２を閉じると共にバイパス弁５４を開くように制御してもよい。これによれば、冷媒は、バイパス管５３を流れるため、冷媒が水熱交換器５１に流入することが防止され、水熱交換器５１を流れる水の凍結を回避することができる。
また、この別の実施形態では、水熱交換器５１を流れる冷媒の温度に基づいて、水の凍結のおそれがあるか否かを判定することもできる。この構成では、水熱交換器５１の出入口水温がいずれも上記した凍結基準温度以上であっても、水熱交換器５１内部の冷媒入口付近で局所的に水が凍結する可能性を検知することができる。
水温調制御部８０は、入口冷媒温度センサ５６及び出口冷媒温度センサ５７を用いて、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度及び出口温度を監視している。また、水温調制御部８０は、上述のように、予め設定された凍結基準温度、及び、凍結基準解除温度を記憶しており、検知された冷媒の入口温度及び出口温度が、凍結基準温度、もしくは、凍結基準解除温度に至った場合には、その都度、凍結判定部８１及び凍結防止制御部８２に信号を出力する。凍結基準温度は、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度または出口温度がその凍結基準温度まで低下した場合には、水熱交換器５１内の水が凍結するおそれが極めて高い温度をいい、本実施形態では０℃に設定されている。また、凍結基準解除温度は、水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度または出口温度が、所定時間（例えば１８０秒間）継続して該凍結基準解除温度以上に上昇すれば、水熱交換器５１内の水の凍結のおそれがないと予想される温度をいい、凍結基準温度よりも高い温度に設定される（本実施形態では５℃）。
水熱交換器５１を流れる冷媒の入口温度または出口温度が凍結基準温度まで低下した場合、凍結判定部８１は、水熱交換器５１を流れる水が凍結するおそれがあると判定する。この場合、凍結防止制御部８２は、水温調ユニット４０をサーモオフさせて、水温調ユニット４０の運転を停止する。また、凍結防止制御部８２は、上記したサーモオフの代わりに、水温調膨張弁５２を閉じると共にバイパス弁５４を開くように制御してもよい。これによれば、冷媒は、バイパス管５３を流れるため、冷媒が水熱交換器５１に流入することが防止され、水熱交換器５１を流れる水の凍結を回避することができる。
以上、本実施形態の空気調和装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機１０、及び、冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器１３を有する室外ユニット２と、ユニット間配管６を介して室外ユニット２に接続され、該室外ユニット２から供給される冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器３０を有する室内ユニット３Ａ，３Ｂと、室内ユニット３Ａ，３Ｂと並列に室外ユニット２に接続され、室外ユニット２から供給される冷媒と水とを熱交換する水熱交換器５１を有する水温調ユニット４０と、を備え、水温調ユニット４０は、水熱交換器５１の冷媒入口側に設けられた水温調膨張弁５２と、水温調膨張弁５２及び水熱交換器５１をバイパスするバイパス管５３と、バイパス管５３に設けられたバイパス弁５４とを備え、水熱交換器５１が蒸発器として機能する運転中に、該水熱交換器５１を流れる水の凍結のおそれの有無を判定する凍結判定部７１，８１と、水の凍結のおそれがあると判定された場合、水温調膨張弁５２を閉じると共に、バイパス弁５４を開いて水の凍結を防止する凍結防止制御部７３，８２とを備えるため、冷媒が水熱交換器５１に流入することが防止され、室外ユニット２及び室内ユニット３Ａ，３Ｂの運転を妨げることなく、水熱交換器５１を流れる水の凍結を回避することができる。
また、本実施形態によれば、凍結判定部８１は、水熱交換器５１を流れる水の温度が凍結基準温度を下回った場合に、水の凍結のおそれがあると判定するため、水温調ユニット４０において、仕様範囲外の条件で水が使用された場合であっても、水熱交換器５１を流れる水の凍結のおそれの有無を簡単に判定できる。
また、本実施形態によれば、凍結判定部８１は、水熱交換器５１を流れる冷媒の温度が凍結基準温度を下回った場合に、水の凍結のおそれがあると判定するため、水熱交換器５１の出入口水温が凍結基準温度以上であっても、水熱交換器５１内部の冷媒入口付近で局所的に水が凍結する可能性を検知することができる。
また、本実施形態によれば、凍結判定部７１は、冷媒がユニット間配管６を流れる際に生じる圧力損失を考慮して定めた所定の低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを、低圧圧力ＬＰが下回った場合、水熱交換器５１を流れる水の凍結のおそれがあると判定するため、水温調ユニット４０が室外ユニット２から離れた位置に配置された構成であっても、水熱交換器５１における水の凍結のおそれの有無を精度良く判定することができる。
また、本実施形態によれば、水熱交換器５１を流れる冷媒の温度が水の凍結基準温度よりも高いアンチフロスト温度に低下した場合に、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを高く補正し、冷媒の温度がアンチフロスト温度よりも高いアンチフロスト解除温度に上昇した場合に、低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを低く補正する低圧保護値補正部７２を備えたため、水の凍結のおそれの有無を判定する基準となる低圧保護値ＬＰｐｈｍｕを、水温調ユニット４０の運転状況に応じて補正することにより、該判定の精度をより高めることができる。
また、本実施形態によれば、室外熱交換器１３の除霜を行うデフロスト運転中において、水熱交換器５１における水の凍結のおそれがあると判定された場合に、水温調膨張弁５２を閉じると共に、バイパス弁５４を開く制御を行うことにより、冷媒が水熱交換器５１に流入することが防止され、水熱交換器５１を流れる水の凍結を回避することができる。更に、デフロスト運転では、室内ユニット３Ａ，３Ｂの室内熱交換器３０において、室外ユニット２から供給される冷媒と室内空気との熱交換により、室内空気から熱を汲み上げることができるため、デフロスト運転を継続して行うことができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。本実施形態では、水温調ユニット４０の水熱交換器５１が蒸発器として機能する運転として、デフロスト運転を説明したが、水の冷却運転であってもよいことは勿論である。
１ 空気調和装置
２ 室外ユニット
３Ａ，３Ｂ 室内ユニット
６ ユニット間配管
１０ 圧縮機
１３ 室外熱交換器
３０ 室内熱交換器
３５ 室内コントローラ
４０ 水温調ユニット
４２ 低圧センサ（低圧圧力検知部）
５０ 室外コントローラ
５１ 水熱交換器
５２ 水温調膨張弁（制御弁）
５３ バイパス管
５４ バイパス弁
５６ 入口冷媒温度センサ
５７ 出口冷媒温度センサ
５８ 水温調コントローラ
６４ 入口水温度センサ
６５ 出口水温度センサ
７１，８１ 凍結判定部
７２ 低圧保護値補正部
７３，８２ 凍結防止制御部
８０ 水温調制御部

Claims (6)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器を有する室外ユニットと、前記室外ユニットにユニット間配管を介して接続され、該室外ユニットから供給される前記冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器を有する室内ユニットと、前記室内ユニットと並列に前記室外ユニットに接続され、該室外ユニットから供給される前記冷媒と水とを熱交換する水熱交換器を有する水温調ユニットと、を備えた空気調和装置であって、
    前記水温調ユニットは、前記水熱交換器の冷媒入口側に設けられた制御弁と、前記制御弁及び前記水熱交換器をバイパスするバイパス管と、前記バイパス管に設けられたバイパス弁とを備え、
    前記水熱交換器が蒸発器として機能する運転中に、該水熱交換器を流れる前記水の凍結のおそれの有無を判定する凍結判定部と、前記水の凍結のおそれがあると判定された場合、前記制御弁を閉じると共に、前記バイパス弁を開いて前記水の凍結を防止する凍結防止制御部とを備えることを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記凍結判定部は、前記水熱交換器を流れる前記水の温度が凍結基準温度を下回った場合に、前記水の凍結のおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
  3. 前記凍結判定部は、前記水熱交換器を流れる前記冷媒の温度が凍結基準温度を下回った場合に、前記水の凍結のおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
  4. 前記凍結判定部は、前記冷媒が前記ユニット間配管を流れる際に生じる圧力損失を考慮して定めた所定の低圧保護値を、前記圧縮機の吸込圧力が下回った場合、前記水の凍結のおそれがあると判定することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
  5. 前記水熱交換器を流れる前記冷媒の温度が前記凍結基準温度よりも高いアンチフロスト温度に低下した場合に、前記低圧保護値を高く補正し、前記冷媒の温度が前記アンチフロスト温度よりも高いアンチフロスト解除温度に上昇した場合に、前記低圧保護値を低く補正する低圧保護値補正部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
  6. 前記水熱交換器が蒸発器として機能する運転は、前記室外熱交換器の除霜を行う除霜運転を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の空気調和装置。
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