JP2018071955A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの発生を抑制しつつ、省エネルギ性能をさらに高めた空気調和機を提供する。【解決手段】圧縮機１と、室内熱交換器５と、膨張弁４と、室外熱交換器２とが冷媒配管により接続されることで形成される冷凍サイクルと、圧縮機１への冷媒の通流をバイパスさせ、室内熱交換器５と室外熱交換器２との間でポンプ３によって冷媒を循環させることで形成されるポンプサイクルと、前記冷凍サイクルを利用した運転中、室外熱交換器２を収容する室外機６が設置された室外の温度が、室内熱交換器５を収容する室内機７が設置された室内の温度よりも低くなったときに、前記ポンプサイクルを利用した運転に切替える中央演算制御装置５０と、前記ポンプサイクルに対して液冷媒を供給する冷媒貯留装置２６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば情報通信機器を設置した部屋での空気調和に好適な空気調和機に関する。

コンピュータネットワークを構築するためには、コミュニケーション用、データベース用、ファイル管理用等の様々なサーバが使用される。サーバは、セキュリティや運用管理の観点から、データセンタ内のサーバ機械室に設置される。このサーバ機械室では、複数のサーバがサーバラックに収納され、そのサーバラックが連続設置されることで、サーバが運用されている。

サーバ機械室には、サーバからの発熱量が大きいため、サーバを冷却して安定的に動作させるために、空気調和機が備えられる。ただ、近年の処理データ増加等によりサーバの高密度化や高効率化に伴ってさらに発熱量が多くなり、空気調和機の性能強化の要望が高まってきている。一方で、近年の省エネルギに対する意識の高まりを受けて、空気調和機の低消費電力化の要望もいっそう高まっている。

空気調和機は、通常は、圧縮機、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁を備えて構成され、これらにより、冷凍サイクルが形成されている。ただ、サーバ機械室のような一年を通して暖かい部屋に設置される空気調和機としては、低消費電力化に対応するため、圧縮機に加え、冷媒を強制的に循環するポンプを搭載したものの検討が進められている。

このようなポンプサイクルを搭載した空気調和機では、夏場等の外気高温時には、圧縮機を使用した冷凍サイクルにより、室内が空気調和される。一方で、冬場等の外気低温時には、圧縮機に代えて（即ち圧縮機を使用せずに）ポンプを使用して、冷媒が強制循環される。これにより、室内熱交換器から排出された冷媒が外気で冷却されるような「ポンプサイクル」が形成され、外気における冷熱により、室内が空気調和される。ポンプの消費電力は圧縮機の消費電力よりも極めて小さいことから、このような運転により、空気調和機の消費電力を抑制することができる。

ポンプを使用したポンプサイクルの利用時には、ポンプの吸込側に十分な液冷媒が存在していないと、キャビテーションが発生する可能性がある。キャビテーションの発生は、ポンプの故障につながるため、十分に抑制されることが望まれる。そこで、キャビテーションの発生を抑制する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１には、空気調和装置において冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段と、減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流れる冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器と、を備えていることが記載されている。さらに、気液分離器内の冷媒を加熱するヒータと、圧縮機が停止した状態で凝縮器から流れる液冷媒を循環させるポンプと、を備え、ポンプが起動する前にヒータを動作することにより気液分離器内の冷媒を加熱し、その後にポンプを起動して当該ポンプにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うことが記載されている。

特開２０１３−７６４９１号公報

特許文献１に記載の技術において、ヒータによって与えられる熱量には限界がある。そのため、気液分離器の内部に溜まった液冷媒をヒータで加熱して気化冷媒とするときに、溜まっていた液冷媒の量によっては完全に液冷媒が気化しない可能性がある。そのため、ポンプの吸込側に依然として気体冷媒（気泡）が存在してしまう可能性があり、キャビテーションの防止という観点からは、依然として改善の余地がある。

また、例えば冬場等、外気温度が十分に低いときには、省エネルギの観点から、前記のように圧縮機を使用せずにポンプが使用されて（圧縮機がバイパスされて）、冷媒が循環される。しかし、特許文献１に記載のように、気液分離器の内部に溜まった冷媒の加熱にヒータを使用すれば、ヒータによる消費電力が無視できなくなる。そのため、空気調和機において消費電力の大きな圧縮機を停止したにも関わらず、消費電力が無視できないヒータを使用することになり、省エネルギ性の観点からも、依然として改善の余地がある。

本発明は前記の課題に鑑みて為されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、キャビテーションの発生を抑制しつつ、省エネルギ性能をさらに高めた空気調和機を提供することである。

本発明者らは前記の課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、圧縮機と、室内熱交換器と、膨張弁と、室外熱交換器とが冷媒配管により接続されることで形成される冷凍サイクルと、前記圧縮機への冷媒の通流をバイパスさせ、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間で送液装置によって冷媒を循環させることで形成されるポンプサイクルと、前記冷凍サイクルを利用した運転中、前記室外熱交換器を収容する室外機が設置された室外の温度が、前記室内熱交換器を収容する室内機が設置された室内の温度よりも低くなったときに、前記ポンプサイクルを利用した運転に切替える演算制御装置と、前記ポンプサイクルに対して液冷媒を供給する液冷媒供給装置と、を備えることを特徴とする、空気調和機に関する。

本発明によれば、キャビテーションの発生を抑制しつつ、省エネルギ性能をさらに高めた空気調和機を提供することができる。

第一実施形態の空気調和機の構成を示す図である。 第一実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を供給するときのフローである。 第一実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が余剰になったときに液冷媒を回収するときのフローである。 第二実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を断続的に供給するときのフローである。 第三実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を供給するときのフローである。 第三実施形態の空気調和機において液冷媒の供給を開始する時の指標となる基準時間変化を示すグラフである。 第四実施形態の空気調和機の構成を示す図である。

以下、図面を適宜参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。なお、同じ符号や同じステップ番号を付したものについは、同じ装置や部材、制御内容を表すものとして、説明の簡略化のために重複する説明は省略する。

図１は、第一実施形態の空気調和機１００の構成を示す図である。空気調和機１００を構成する室内機７は、例えば、情報通信機器（サーバ等）が設置される部屋（一年を通じて温暖で、かつ、ある程度一定の温度の部屋、例えばサーバルーム等）に設置される。そして、第一実施形態の空気調和機１００では、常時冷房運転が行われており、これにより、熱を発する情報通信機器の冷却が行われる。

また、空気調和機１００では、室内温度と外気温度とに応じて、運転モードが切替えられるようになっている。具体的には、外気温度が室内温度以上のとき（例えば夏場の昼間等）には、圧縮機１を用いた「冷凍サイクル」による空調が行われる。一方で、外気温度が室内温度よりも低いとき（例えば冬場等のほか、夏場の夜間等）には、前記の「冷凍サイクル」を利用した空調から、圧縮機１に代えてポンプ３を使用した「ポンプサイクル」を利用した空調に切替えられる。このポンプサイクルにより、外気の冷熱が室内に放出され、室内の空気調和が行われる。なお、空気調和機１００において、「冷凍サイクル」及び「ポンプサイクル」のそれぞれを構成する具体的な装置等については後記する。また、冷凍サイクルとポンプサイクルとの切替は、図示しない室内温度計及び室外温度計により測定された温度に基づいて、後記する中央演算制御装置５０によって行われる。

空気調和機１００は、前記のように例えばサーバルームに設置される室内機７と、屋外に設置される室外機６とを備えている。また、空気調和機１００では、内径が同じ冷媒配管が使用されている。室内機７は、圧縮機１と、室内熱交換器５（蒸発器）と、プロペラファン１８と、膨張弁４と、アキュムレータ１６と、とを備えている。また、室内機７は、室外機６（後記する）に備えられたポンプ３によるポンプサイクルを利用するときに使用されるバイパス弁１３（逆止弁）と、圧縮機１を用いた冷凍サイクルの利用時に使用される逆止弁２２と、サイレンサ１２とを備えている。

また、室内機７は、室内熱交換器５の出口側冷媒温度を測定する温度センサ１４と、冷凍サイクル利用時のアキュムレータ１６の出口側冷媒温度を測定する温度センサ２３とを備えている。さらに、室内機７は、冷凍サイクル利用時の圧縮機１の吐出側冷媒圧力を測定する圧力センサ１７と、ポンプサイクル利用時の室内熱交換器５の出口側冷媒圧力を測定する圧力センサ１５とを備えている。そして、アキュムレータ１６には、内部に滞留した液冷媒の液面の高さ、即ち液位を検出する液位センサ２４が接続されている。

これらのセンサにより取得された温度や圧力、液位は、図示しない電気信号線を介して接続されたインターフェース（Ｉ／Ｆ）５１を経由して、中央演算制御装置５０に入力される。この中央演算制御装置５０には、クラウドや遠隔地にあるサーバ（いずれも図示しない）に対して、ネットワーク８０を介して接続される出力装置７０が接続されている。従って、中央演算制御装置５０において算出されて得られた各情報（詳細は後記する）は、出力装置７０及びネットワーク８０を介して、外部のサーバやクラウドに出力される。

中央演算制御装置５０は、いずれも図示はしないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、Ｉ／Ｆ（インターフェイス）等を備えて構成される。そして、中央演算制御装置５０は、ＲＯＭに格納されている所定の制御プログラムがＣＰＵによって実行されることにより具現化される。

一方で、室外機６は、室外熱交換器２（凝縮器）と、余剰冷媒調整装置９（レシーバタンク）と、プロペラファン８と、インバータ制御されるポンプ３と、を備えている。また、室外機６は、室外熱交換器２から排出された冷媒に対して液冷媒を供給するための、液冷媒を貯留した冷媒貯留装置２６を備えている。冷媒貯留装置２６は、電磁弁２７，２８を介してポンプサイクル及び冷凍サイクルに接続されている。

また、電磁弁２７，２８と、冷凍サイクル及びポンプサイクルとの間には、それぞれ、一組の逆止弁及びポンプ（いずれも図示しない）が備えられている。そして、電磁弁２７，２８を開弁した時に、ポンプの駆動も開始されるようになっている。これにより、液冷媒の通流方向が一方向となるように冷媒の通流方向が制御されつつ、液冷媒の供給及び回収が行われる。

具体的には、電磁弁２７を開弁しつつポンプを駆動させることで、冷媒貯留装置２６の内部の液冷媒がポンプサイクルに供給される（ポンプサイクルからは逆流しない）。また、電磁弁２８を開弁しつつポンプを駆動させることで、ポンプサイクルの液冷媒が冷媒貯留装置２６の内部に回収される（ポンプサイクルへは逆流しない）。なお、以下の説明では、このポンプの駆動についての説明は省略し、電磁弁２７を単に開弁することで液冷媒がポンプサイクルに供給されるものとし、また、電磁弁２８を単に開弁することで液冷媒がポンプサイクルから回収されるものとする。

さらに、室外機６は、冷凍サイクルとポンプサイクルとを切替えるための切替弁２０ａ，２０ｂと、バイパス弁２１（逆止弁）とを備えている。

また、室外機６は、ポンプサイクル利用時に、ポンプ３に流入する冷媒の圧力及び温度を測定する圧力センサ１０及び温度センサ１１を備えている。さらに、室外機６に備えられる余剰冷媒調整装置９には、その内部に滞留した液冷媒の液面の高さ、即ち液位を検出する液位センサ２５が接続されている。また、冷媒貯留装置２６には、その内部に貯留した液冷媒の液面の高さ、即ち液位を検出する液位センサ２９が接続されている。これらのセンサにより取得された温度や圧力、液位は、図示しない電気信号線を介して接続されたインターフェース（Ｉ／Ｆ）５２を経由して、中央演算制御装置５０に入力される。

なお、電磁弁２８，２９の開閉制御は、図示しない電気信号線を介して接続されたインターフェース（Ｉ／Ｆ）５２を経由して、中央演算制御装置５０により行われる。電磁弁２７，２８が開閉されることで、詳細は後記するが、ポンプサイクルへの液冷媒の供給、及び、ポンプサイクルからの液冷媒の回収が行われる。

室外機６と室内機７とは、冷媒が通流する冷媒配管によって接続されている。そして、室内機７に収容された圧縮機１、膨張弁４及び室内熱交換器５と、室外機６に収容された室外熱交換器２とが、この冷媒配管により接続されることで、冷凍サイクルが形成されている。また、空気調和機１では、冷凍サイクルを構成する圧縮機１への冷媒の通流をバイパスさせることができるように、冷媒流路が形成されている。そのため、圧縮機１ではなく、室内機７に収容された膨張弁４及び室内熱交換器５と、室外機６に収容されたポンプ３及び室外熱交換器２とが冷媒配管により接続されることで、ポンプサイクルが形成されている。このポンプサイクルでは、ポンプ３によって冷媒が強制的に循環されることで、室内熱交換器５と室外熱交換器２との間で冷媒が循環するようになっている。

また、空気調和機１００には、空気調和機１００の運転に関する各情報を表示可能な表示装置６０が備えられる。この表示装置６０は、例えば、室内機７や室外機６の設置場所から離れた場所に設置される。具体的には、例えば、室内機７や室外機６の設置場所からは離れているものの室内機７や室外機６にある程度近い場所のほか、例えばデータセンタのような遠隔地に設置された建物内等に設置される。そのため、空気調和機１００には、外部に設置された表示装置６０に情報を出力するために、インターフェース（Ｉ／Ｆ）５１等が備えられている。

表示装置６０に表示される情報としては、例えば、冷媒貯留装置２６からポンプサイクルへの液冷媒の供給量及びポンプサイクルから冷媒貯留装置２６への液冷媒の回収量、ポンプ３の吸込側での冷媒中のキャビテーション（後記する）の有無、キャビテーション発生時の時刻、圧力センサ１０，１５，１７により測定された圧力（冷凍サイクル及びポンプサイクルを循環する液冷媒の圧力）、温度センサ１１，１４，２３の値（冷凍サイクル及びポンプサイクルを循環する液冷媒の温度）、アキュムレータ１６、余剰冷媒調整装置９及び冷媒貯留装置２６内の冷媒量（液位センサ２４，２５，２９により測定された液位、即ち、ポンプサイクルにおいて滞留した液冷媒の量）等であり、これらのうちの少なくとも一種である。また、これらに加えて、電磁弁２７，２８の開閉状態が表示されるようにしてもよい。

次に、例えば夏場に行われる冷凍サイクルを利用した運転と、例えば冬場に行われるポンプサイクルを利用した運転とにおける冷媒の流れについて説明する。はじめに、冷凍サイクルを利用した運転時の冷媒の流れについて説明する。なお、冷凍サイクル運転時には、ポンプ３の駆動は停止し、かつ、切替弁２０ａ，２０ｂ及び電磁弁２７，２８は閉弁している。

空気調和機１００では、前記のように、圧縮機１、室外熱交換器２、膨張弁４及び室内熱交換器５をこの順で冷媒が通流することで、冷凍サイクルが形成されている。そして、室内機７の圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、サイレンサ１２及び逆止弁２２を通流し、室外機６の室外熱交換器２に供給される。そして、ガス冷媒は、室外熱交換器２において外気によって凝縮して液冷媒となり、余剰冷媒調整装置９に供給される。そして、余剰冷媒調整装置９の液冷媒は、バイパス弁２１を通流し、膨張弁４で膨張して低温低圧の液冷媒となり、室内熱交換器５に供給される。室内熱交換器５では、冷媒は蒸発することでガス冷媒となるとともに、冷熱が部屋に放出され、部屋の冷房が行われる。そして、室内熱交換器５から排出されたガス冷媒は、アキュムレータ１６を経て、圧縮機１に戻される。

次に、ポンプサイクルを利用した運転時の冷媒の流れについて説明する。なお、空気調和機１００でのポンプサイクル運転時には、圧縮機１の駆動は停止し、かつ、切替弁２０ａ，２０ｂは開弁している。また、詳細は図２や図３を参照しながら後記するが、ポンプサイクルを利用した運転中、必要に応じて電磁弁２７，２８の開閉が行われ、これにより、冷媒貯留装置２６からポンプサイクルへの冷媒の供給及び回収が行われる。ただし、ここでは説明の簡略化のために、電磁弁２７，２８は閉弁状態のまま維持され、冷媒の供給及び回収は行われないものとする。

空気調和機１００では、前記のように、室外熱交換器２、ポンプ３、膨張弁４及び室内熱交換器５をこの順で冷媒が通流することで、ポンプサイクルが形成されている。なお、圧縮機１の駆動は前記のように停止されているから、冷媒の通流はポンプ３の駆動によって行われることになる。室内熱交換器５で室内の熱を受け取って高温となった冷媒は、バイパス弁１３を通流し、室外熱交換器２に供給される。ポンプサイクルは、前記のように例えば冬場に行われるため、外気温度が低い。そのため、室外熱交換器２に供給された高温の冷媒は、外気に放熱し、低温の冷媒に変化する。そして、この低温の冷媒は、余剰冷媒調整装置９、切替弁２０ａ、ポンプ３、切替弁２０ｂ及び膨張弁４を経て室内熱交換器５に戻され、室内に冷熱を放出することになる。

ところで、ポンプサイクルを利用した運転時、サーバからの発熱量が少なく、室内の負荷が低い（比較的室温が低い）とき等、室内熱交換器５出口での過熱度が低いと、液冷媒がアキュムレータ１６に溜まり込み易くなる。即ち、室内熱交換器５で蒸発しきれずに残存することとなった液冷媒は、バイパス弁１３を経て室外機６に向かわずに、アキュムレータ１６に溜まり込み易くなる。そして、アキュムレータ１６に液冷媒が溜まれば、ポンプサイクルを循環する冷媒の量が減少する。

そうすると、ポンプ３の吸込側に十分な液冷媒が存在せず、ポンプ３の吸込側で所謂キャビテーションが発生し易くなる。このようなキャビテーションの発生は、ポンプ３の信頼性の低下につながる。そこで、空気調和機１００では、このようなキャビテーションを防止するため、キャビテーションの発生の予測が行われる。そして、液冷媒が不足してキャビテーションが発生しそうな場合には、冷媒貯留装置２６からポンプサイクルへの液冷媒の供給が行われるようになっている。

図２は、第一実施形態の空気調和機１００において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を供給するときのフローである。このフローは、前記の図１を参照しながら説明した中央演算制御装置５０によって行われる。冷凍サイクルを利用した運転中、外気温度が低くなり、ポンプサイクルを利用した運転の方が省エネルギ効果が高いと判断された場合、圧縮機１の運転が停止され、ポンプ３によるポンプ運転が開始される（ステップＳ１０１）。これにより、ポンプサイクルが形成され、ポンプサイク内での冷媒の循環が開始される。なお、このとき、電磁弁２７，２８は閉弁している。

そして、中央演算制御装置５０は、液位センサ２４，２５により測定された液位に基づき、アキュムレータ１６及び余剰冷媒調整装置９のそれぞれの内部の液冷媒の量を算出する（ステップＳ１０２）。ここで算出された液冷媒の量の和が、ポンプサイクルにおいて滞留している液冷媒の量に相当する。

ここで、中央演算制御装置５０には、液位センサ２４により測定された液位と、アキュムレータ１６の内部の液冷媒量とを対応づけた対応関係が予め記憶されている。また、中央演算制御装置５０には、液位センサ２５により測定された液位と、余剰冷媒調整装置９の内部の液冷媒量とを対応づけた対応関係が予め記憶されている。そこで、中央演算制御装置５０は、これらの対応関係を用いて、液位センサ２４，２５により測定された液位から、アキュムレータ１６及び余剰冷媒調整装置９のそれぞれの内部の液冷媒の量を算出することになる。なお、これらの対応関係は、例えばキュムレータ１６及び余剰冷媒調整装置９の設計条件や試運転、実験等により決定可能である。

次いで、中央演算制御装置５０は、現在のポンプ３の運転周波数に基づいて、ポンプサイクルを循環する冷媒流量を算出する（ステップＳ１０３）。即ち、ポンプ３を駆動させるインバータ（図示しない）の回転速度により、循環する液冷媒の流量（流速に配管の断面積を乗じて得られた値）が算出される。そして、中央演算制御装置５０は、前記のステップＳ１０２で算出された液冷媒の量（滞留している液冷媒の量）と、前記のステップＳ１０３で算出された液冷媒の流量（循環している液冷媒の流量）とに基づいて、ポンプサイクルでのキャビテーションの発生可能性を予測する（ステップＳ１０４）。

具体的には、まず、中央演算制御装置５０は、前記のステップＳ１０２で算出された液冷媒の量（滞留している液冷媒の量）と、空気調和機１００に当初封入された冷媒の量とから、ポンプサイクルを循環している冷媒の量（絶対量）を算出する。そして、算出された絶対量の冷媒が、前記のステップＳ１０３で算出された液冷媒の流量でポンプサイクルを通流する場合に、キャビテーションが発生する可能性が高いか否かを判断する。

より具体的には、ポンプサイクルに存在する絶対量が大きければキャビテーションは発生しにくいが、ポンプサイクルに存在する絶対量が少なければキャビテーションは発生し易い。また、同じ絶対量であっても、流量が少なければ（流れがゆっくりしていれば）キャビテーションは発生しにくいが、流量が多ければ（流れが早ければ）キャビテーションは発生し易い。そこで、キャビテーションの発生可能性を数値化した一例である「冷媒の絶対量を冷媒の流量で除して得られた値（絶対量／流量）」が、予め定められた値（閾値）以下であれば、キャビテーションが発生し易いと考えることができる。一方で、冷媒の絶対量を冷媒の流量で除して得られた値（絶対量／流量）が、予め定められた値（閾値）を超えていれば、キャビテーションが発生しにくいと考えることができる。

そこで、このようにして判断した結果（ステップＳ１０５）、キャビテーションの発生可能性が低い（キャビテーションが発生しにくいため、液冷媒を供給してキャビテーションの発生可能性をさらに低くする必要が無い）と判断された場合（Ｎｏ方向）、中央演算制御装置５０は、圧力センサ１０により測定された圧力、及び、温度センサ１１により測定された温度に基づき、キャビテーションの発生可能性を予測する（ステップＳ１０６）。即ち、ポンプ３の吸込側の冷媒の状態（温度及び圧力）に基づいて、直接的にキャビテーションの発生のし易さを判断する。

より具体的には、冷媒の温度が低ければキャビテーションは発生しにくいが、冷媒の温度が高ければキャビテーションが発生し易くなる。また、冷媒の圧力が高ければキャビテーションは発生しにくいが、冷媒の圧力が低ければキャビテーションが発生し易くなる。そこで、キャビテーションの発生可能性を数値化した一例として、冷媒の圧力を冷媒の温度で除して得られた値（圧力／温度）が、予め定められた値（閾値）以下であれば、キャビテーションが発生し易いと考えることができる。一方で、冷媒の圧力を冷媒の温度で除して得られた値（圧力／温度）が、予め定められた値（閾値）を超えていれば、キャビテーションが発生しにくいと考えることができる。

そこで、このようにして判断した結果（ステップＳ１０７）、キャビテーションの発生可能性が低い（キャビテーションが発生しにくいため、液冷媒を供給してキャビテーションの発生可能性をさらに低くする必要が無い）と判断された場合（Ｎｏ方向）、中央演算制御装置５０は、予め定めた所定時間待機し（ステップＳ１１０）、所定時間経過後に再度前記のステップＳ１０２以降のフローが行われる。

一方で、前記のステップＳ１０５又は前記のステップＳ１０７のいずれかでキャビテーションの発生可能性が高いと判断された場合（Ｙｅｓ方向）、中央演算制御装置５０は、不足している液冷媒の量を算出する（ステップＳ１０８）。具体的には、例えば、前記のステップＳ１０５においてキャビテーションの発生可能性が高いと判断された場合には、冷媒の絶対量を冷媒の流量で除して得られた値（絶対量／流量）が予め定められた値（閾値）を超えるように、即ち、その閾値を超えるために必要な冷媒の不足分が算出される。

また、例えば、前記のステップＳ１０７においてキャビテーションの発生可能性が高いと判断された場合には、冷媒の圧力を冷媒の温度で除して得られた値（圧力／温度）が、予め定められた値（閾値）を超えるように、即ち、その閾値を超える圧力にまで圧力を高めるために必要な冷媒の不足分が算出される。特に、この場合では、冷媒の絶対量を増やす（冷媒を供給する）ことで、冷媒の圧力を高めることができる。

そして、中央演算制御装置５０は、電磁弁２７を開弁し、前記のステップＳ１０８で算出された量の液冷媒を冷媒貯留装置２６からポンプサイクルに供給する（ステップＳ１００９）。なお、電磁弁２７の開弁中、中央演算制御装置５０は液位センサ２９により測定される液位を監視している。そして、液位センサ２９により測定される液位が、前記ステップＳ１０８で算出された不足分に対応する液位になった時に、中央演算制御装置５０は電磁弁２７を閉弁する。これらの一連の制御により、液冷媒の不足が補われ、キャビテーションの発生が抑制される。

この図２に示すフローは、液冷媒の供給を行うときのものである。そして、液冷媒の供給後、例えば外気温度や室内機７が設置された部屋の温度の変化等により、キャビテーションの発生可能性（前記のステップＳ１０５やステップＳ１０７で判断したもの）が変化することがある。そして、キャビテーションの発生可能性が低くなれば、図２のフローに従って、冷媒貯留装置２６からポンプサイクルに供給された液冷媒は余剰となる。そのため、このようなときには、余剰となった冷媒は冷媒貯留装置２６に回収されることが好ましい。そこで、次に、液冷媒の供給後、供給された液冷媒の回収を行うときのフローについて説明する。

図３は、第一実施形態の空気調和機１００において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が余剰になったときに液冷媒を回収するときのフローである。即ち、前記の図２に示すフローが行われた後に、この図３に示すフローが行われる。この図３に示すフローも、中央演算制御装置５０によって行われる。まず、冷媒貯留装置２６から液冷媒が供給された後、予め定められた所定時間、待機が行われる（ステップＳ２０１）。そして、所定時間待機後、前記の図２を参照しながらステップＳ１０２〜ステップＳ１０５が行われる。そして、ステップＳ１０５において、キャビテーションの発生可能性が高いと判断された場合には、液冷媒がさらに供給される（ステップＳ２０２）。供給量や供給方法については、前記の図２を参照しながら説明した内容と同様である。液冷媒の更なる供給後には、再度ステップＳ２０１以降が行われる。

一方で、ステップＳ１０５において、キャビテーションの発生可能性が低いと判断された場合でも（Ｎｏ方向）、前記のステップＳ１０６を経て、ステップＳ１０７でキャビテーションの発生可能性が大きいと判断された場合には、前記のステップＳ２０２と同様にして、液冷媒のさらなる供給が行われる。一方で、ステップＳ１０７でキャビテーションの発生可能性は小さいと判断された場合には（Ｎｏ方向）、中央演算制御装置５０は余剰な液冷媒の量を算出する（ステップＳ２０３）。余剰な液冷媒の量は、例えば、このステップＳ２０３に至るまでに冷媒貯留装置２６からポンプサイクルに供給された液冷媒の総量（合計量）とすることができる。

そして、中央演算制御装置５０は、電磁弁２８を開けて、算出された量の液冷媒をポンプサイクルから冷媒貯留装置２６に回収する（ステップＳ２０４）。回収量の調整は、前記の図２を参照しながら説明した供給のときと同様にして行われる。これらの一連の制御により、液冷媒の供給を行うことでキャビテーションの発生を抑制しつつ、キャビテーションの発生可能性が低いと予測される場合には、液冷媒の回収が行われる。

以上の図２及び図３は、第一実施形態の空気調和機１００において行われる液冷媒の供給及び回収に関する基本フローである。そして、液冷媒の供給及び回収は、前記のように電磁弁２７，２８の開閉により行われる。ただ、電磁弁２７，２８を単に開けると、ポンプサイクルを通流する液冷媒の圧力が局所的に大きく変化する可能性があり、これにより、キャビテーションが発生し易くなる可能性がある。そこで、以下の第二実施形態では、前記の図１に示した空気調和機１００と同じ装置構成を有する空気調和機を使用して、キャビテーションの発生のより確実な防止を図るため、以下のような制御が行われる。

図４は、第二実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を断続的に供給するときのフローである。圧縮機１を停止し、代わりにポンプ３によるポンプ運転開始後（ステップＳ１０１）、中央演算制御装置５０は圧力センサ１０，１５により、ポンプ３の吸込側の冷媒の圧力、及び、室内熱交換機５から排出され、室外熱交換器２に供給される冷媒の圧力をそれぞれ測定する（ステップＳ３０１）。そして、中央演算制御装置５０は、測定された二つの圧力が全て基準圧力以下であるか否かを判断する（ステップＳ３０２）。ここでいう「基準圧力」とは、仮に電磁弁２７を全開にして液冷媒の全部を供給したとしても、キャビテーションの発生可能性を低く抑えることができる圧力の閾値である。

判断の結果、測定された二つの圧力の双方が基準圧力以下であれば（Ｙｅｓ方向）、中央演算制御装置５０は、電磁弁２７を全開にし、液冷媒を冷媒貯留装置２６からポンプサイクルに供給する（ステップＳ３０３）。一方で、測定された二つの圧力のうち、少なくとも一方が基準圧力を超えていた場合（Ｎｏ方向）、この状態で液冷媒を供給すると、ポンプサイクル内の液冷媒の圧力が高くなり過ぎて、局所的な圧力変動が生じる可能性がある。特に、局所的に圧力の低下が生じると、その圧力低下が生じた部分でキャビテーションが発生し易くなる。

そこで、中央演算制御装置５０は、圧力センサ１０，１５により測定される圧力を監視しつつ、各圧力が各基準圧力を超えないように断続的に電磁弁２７を開弁する（ステップＳ３０４）。これにより、ポンプサイクル内の液冷媒の過度の圧力変化が防止される。そのため、局所的な圧力変動が防止され、これにより、局所的な圧力低下に伴って生じうるキャビテーションの発生が防止される。

以上の第一実施形態及び第二実施形態では、空気調和機１００のポンプサイクルを循環する冷媒の圧力や温度について注目し、電磁弁２７，２８の制御が行われていた。ただ、ポンプサイクルの利用時、室外熱交換器２で受け取った室外の冷熱は、循環する冷媒を介して、そのまま室内熱交換器５で室内に放出される。従って、例えば昼夜等、室外の温度が変化すれば、室外熱交換器２で受け取る冷熱の量も変化することになる。そうすると、冷媒の温度が変化することで冷媒の挙動も変化するため、例えば、通常の運転時にはキャビテーションが起きにくかったにもかかわらず、急に外気温度が上がって冷媒の温度も上がった場合、キャビテーションの発生のし易さが急激に上昇することになる。そこで、以下に示す第三実施形態では、前記の図１に示した空気調和機１００と同じ装置構成を有する空気調和機を使用して、このような急激な外気温度の変化が生じた場合でも、キャビテーションを防止し、安定した空気調和が可能になっている。

図５は、第三実施形態の空気調和機において、ポンプサイクルを循環する液冷媒が不足したときに液冷媒を供給するときのフローである。圧縮機１を停止し、代わりにポンプ３によるポンプ運転開始後（ステップＳ１０１）、中央演算制御装置５０は、液位センサ２５により、余剰冷媒調整装置９の液位についての時間変化を測定する（ステップＳ４０１）。具体的には、中央演算制御装置５０は、単位時間あたりの液位センサ２５により測定される液冷媒の液位を測定することで、余剰冷媒調整装置９の液位についての時間変化を測定する。なお、ポンプサイクルを直接的に構成していないアキュムレータ１６の内部の液冷媒の液位は、変化しにくい。そこで、ここでは、制御の簡略化のために、液位センサ２４より測定されるアキュムレータ１６の液位は考慮していない。

そして、中央演算制御装置５０は、余剰冷媒調整装置９の液位について測定された時間変化が、予め定められた基準時間変化以上であるか否かを判断する（ステップＳ４０２）。この「基準時間変化」について、図６を参照しながら説明する。

図６は、第三実施形態の空気調和機において液冷媒の供給を開始する時の指標となる基準時間変化を示すグラフである。図６に示すグラフにおいて、横軸は時間、縦軸は液位センサ２５により測定される、余剰冷媒調整装置９の内部の液冷媒の液位である。中央演算制御装置５０には、図６において実線で示す基準時間変化に関するグラフが記憶されている。そして、ここでいう「基準時間変化」とは、このグラフの傾きを表している。

液位センサ２５により測定される液位が低下する、即ち、余剰冷媒調整装置９の内部の液冷媒の量が減少すれば、ポンプサイクルを循環する液冷媒の量が多くなるため、キャビテーションの発生可能性は低くなる（図６において一点鎖線で示すグラフ）。しかし、例えば外気温度が大きく変化すると、冷媒の挙動も大きく変化する。そのため、余剰冷媒調整装置９の内部の液冷媒の量が急激に変化することがある。そして、このような急激な変化は、その変化が液冷媒の減少であったとしても局所的な圧力変動を招き、その結果、キャビテーションの発生可能性を高めることになる。そこで、第三実施形態の空気調和機では、単位時間あたりの液位の変化、即ち、液冷媒の単位時間あたりの変化量（減少量）を測定し、その時間変化が予め定められた基準時間変化以上となったとき（図６において破線で示すグラフ）、冷媒貯留装置２６からの液冷媒の供給が行われるようになっている。

具体的には、図５でのステップＳ４０２において、測定された減少量の時間変化が基準時間変化以上、即ち時間変化である傾きが基準時間変化のグラフの傾きよりも大きいとき（グラフの傾きが、図６において破線で示すように急であるとき；Ｙｅｓ方向）、中央演算制御装置５０は電磁弁２７を全開にする（ステップＳ４０３）。これにより、冷媒貯留装置２６の内部の液冷媒の全量がポンプサイクルに供給される。一方で、前記のステップＳ４０２において、測定された減少量の時間変化が基準時間変化未満、即ち時間変化である傾きが基準時間変化のグラフの傾き未満のとき（グラフの傾きが、図６において一点鎖線で示すように緩やかであるとき；Ｙｅｓ方向）、所定時間待機し（ステップＳ１１０）、その後、前記のステップＳ４０１が再度行われる。

前記のステップＳ４０３において電磁弁２７が全開にされた後、中央演算制御装置５０は、液位センサ２５により余剰冷媒調整装置９の液位についての減少量の時間変化を測定しながら、さらに所定時間待機する（ステップＳ４０４）。即ち、中央演算制御装置５０は、所定時間待機しながら、前記の図６に示すようなグラフを作成する。そして、作成されたグラフに基づいて、前記のステップＳ４０２と同様に、測定された減少量の時間変化が基準時間変化以上であるか否かを判断する（ステップＳ４０５）。

この判断の結果、測定された減少量の時間変化が依然として基準時間変化以上である場合（即ち、前記のステップ４０２でのＹｅｓ方向と同じである場合）、中央演算制御装置５０はポンプ３の運転を停止して、圧縮機１の運転を開始する（ステップＳ４０６）。即ち、前記のステップＳ４０３での制御によって冷媒貯留装置２６の内部の液冷媒は全てポンプサイクルに供給されており、これ以上の液冷媒をポンプサイクルに供給することができない。そこで、このような場合には、ポンプ３に代えて圧縮機１を使用した冷凍サイクルを利用することで、キャビテーションの発生が抑制される。

一方で、前記のステップＳ４０５において、測定された時間変化が基準時間変化未満であるとき（即ち、前記のステップ４０２でのＮｏ方向と同じである場合）、所定時間待機される（ステップＳ１１０）。そして、中央演算制御装置５０は、所定時間待機後に再度液位センサ２５により液位を測定し、液位が回復したか否かを判断する（ステップＳ４０７）。この結果、液位が回復していなければ（Ｎｏ方向）、余剰冷媒調整装置９の内部には余剰の冷媒が増加しておらず、循環する液冷媒の量が増加したことになる。そこで、そのままポンプサイクルを利用した運転が行われ、所定時間待機後（ステップＳ１１０）、再度前記のステップＳ４０１が行われる。

一方で、このステップＳ４０７において、液位が回復した場合（Ｙｅｓ方向）、余剰冷媒調整装置９の内部に余剰の液冷媒が新たに生成したことになる。そこで、このような場合には、例えば前記の図３に示すフローに従い、冷媒貯留装置２６への液冷媒の回収が行われる（ステップＳ４０８）。

このような第三実施形態の空気調和機によれば、余剰冷媒の量が減少したものの、循環する液冷媒の量が急激に変化した結果キャビテーションの発生可能性が高くなったとしても、ポンプサイクルから冷凍サイクルに切り替えることで、安定した空気調和運転を行うことができる。

図７は、第四実施形態の空気調和機２００の構成を示す図である。前記の各実施形態では、室外機８の内部に冷媒貯留装置２６が備えられていたが、空気調和機２００では、冷媒貯留装置２６は、室外機８と室内機７とを接続する冷媒配管の途中に備えられている。この冷媒貯留装置２６は、空気調和機２００に対して脱着可能になっている。即ち、空気調和機２００では、冷媒貯留装置２６は所謂「後付け」可能な構成になっている。そして、冷媒貯留装置２６を後付け可能にするため、室外機８と室内機７とを接続する冷媒配管の途中であって室外機８の側には、冷媒流路を閉塞する阻止弁１９ａが備えられている。また、室外機８と室内機７とを接続する冷媒配管の途中であって室内機７の側には、冷媒流路を閉塞する阻止弁１９ｂが備えられている。

冷媒貯留装置２６を空気調和機２００に取り付ける際、まず、阻止弁１９ａ，１９ｂの双方が閉弁される。そして、冷媒配管に形成された取り付け口（図示しない）に対して、冷媒貯留装置２６が取り付けられる。このとき、冷媒流れの上流側に電磁弁２８が、また、下流側に電磁弁２７が配置されるように、冷媒貯留装置２６が取り付けられる。そして、冷媒貯留装置２６が取り付けた後、阻止弁１９ａ，１９ｂが開弁され、図示しない真空装置を使用して真空引きが行われる。真空引きにより冷媒配管の内部の空気が除去され、使用準備が完了する。そして、その後、圧縮機１を使用した冷凍サイクルを利用した運転、又は、ポンプ３を使用したポンプサイクルを利用した運転のいずれかが行われる。

このような第四実施形態の空気調和機２００によれば、その設置場所に応じて、冷媒貯留装置２６を適宜脱着することができる。即ち、設置場所の地域や環境、気候等に応じて外気から冷媒に与えられる冷熱量の範囲が変化する。従って、液冷媒でのキャビテーションの可能性の高さも、空気調和機２００の設置場所によって変化することになる。また、例えば、一年を通じて暑い場所等に設置された場合、外気温が常に高いことから、ポンプサイクルを利用することができない。そこで、このような場合には、冷媒貯留装置２６は取り外されて、冷凍サイクルを利用した運転のみが行われる。

以上、四つの実施形態について、図面を適宜参照しながら説明したが、本発明はこれらの例に何ら限られるものではない。特に、各実施形態は必ずしも単独で行われる必要は無く、任意のステップを適宜組み合わせたり入れ替えたり、また、任意の実施形態を適宜組み合わせたり入れ替えたりして、本発明を実施することができる。

また、例えば、前記の例では、液冷媒をポンプサイクルに供給及び回収の際には、二つの電磁弁２７，２８の何れか一方のみが開弁されることで、液冷媒の供給及び回収が行われたが、例えば、供給及び回収で流路を切り替える等、他の方法によって液冷媒がポンプサイクルに供給及び回収にされるようにしてもよい。

さらに、例えば、前記の図５を参照しながら説明した第三実施形態では、制御の簡略化のためにアキュムレータ１６の内部の液冷媒については考慮していないが、この第三実施形態でも、液位センサ２４を使用して、アキュムレータ１６の内部の液冷媒についても考慮することができる。これにより、ポンプサイクルでの液冷媒のより正確な滞留量を見積もることができる。

また、例えば、前記の各フローにおいて、キャビテーションの発生可能性を予測する際の方法は、前記の例に限定されない。例えば図２のステップＳ１０４では、冷媒の絶対量を冷媒の流量で除して得られた値（絶対量／流量）を指標としてキャビテーションの発生可能性を予測しているが、例えば実験や試運転等で算出される任意の計算式を使用して、当該予測を行ってもよい。図２でのステップＳ１０６等、他のステップや実施形態においても同様である。また、図６に示すグラフも一例であり、異なる形状のグラフや算出式等、任意の方法で評価することができる。

さらに、液位センサ２４，２５，２９の具体的な種類としては、内部の液冷媒の液面によって接点のオンオフが切り替えられる方式のもののほか、液面の上下変化に追従して液面の位置を検出可能な方式のもの等、任意のセンサを使用することができる。

また、表示装置６０には、前記のように液冷媒の供給量等が表示されるようにしたが、例えばキャビテーションが所定時間内に所定回数発生したことを中央演算制御装置５０が検出した場合には、冷媒漏れや空気調和機の故障が生じていると判断して、その内容を表示装置６０に表示するようにしてもよい。

さらに、前記の例では、出力装置７０はネットワーク８０に接続されていたが、出力装置７０は例えば持ち運び可能な外部記録媒体等であってもよい。

１ 圧縮機（冷凍サイクル）
２ 室外熱交換器（凝縮器、冷凍サイクル、ポンプサイクル）
３ ポンプ（ポンプサイクル）
４ 膨張弁（冷凍サイクル）
５ 室内熱交換器（蒸発器、冷凍サイクル、ポンプサイクル）
６ 室外機
７ 室内機
１０ 圧力センサ（第一圧力センサ）
１１ 温度センサ（温度センサ）
１５ 圧力センサ（第二圧力センサ）
２４ 液位センサ（液冷媒滞留検出装置）
２５ 液位センサ（液冷媒滞留検出装置）
２６ 冷媒貯留装置（液冷媒供給装置）
２７ 電磁弁（液冷媒供給装置）
２８ 電磁弁（液冷媒供給装置）
２９ 液位センサ（液冷媒供給装置、液冷媒滞留検出装置）
５０ 中央演算制御装置（演算制御装置、液冷媒滞留検出装置）
６０ 表示器（表示装置）
７０ 出力装置
１００ 空気調和機
２００ 空気調和機

Claims (9)

1. 圧縮機と、室内熱交換器と、膨張弁と、室外熱交換器とが冷媒配管により接続されることで形成される冷凍サイクルと、
   前記圧縮機への冷媒の通流をバイパスさせ、前記室内熱交換器と前記室外熱交換器との間で送液装置によって冷媒を循環させることで形成されるポンプサイクルと、
   前記冷凍サイクルを利用した運転中、前記室外熱交換器を収容する室外機が設置された室外の温度が、前記室内熱交換器を収容する室内機が設置された室内の温度よりも低くなったときに、前記ポンプサイクルを利用した運転に切替える演算制御装置と、
   前記ポンプサイクルに対して液冷媒を供給する液冷媒供給装置と、を備えることを特徴とする、空気調和機。
2. 前記ポンプサイクルにおける液冷媒の滞留量を検出する液冷媒滞留検出装置を備え、
   前記演算制御装置は、前記ポンプサイクルを循環する液冷媒の流量と、前記液冷媒滞留検出装置によって検出された液冷媒の滞留量とに基づいて、前記液冷媒供給装置から前記ポンプサイクルに液冷媒を供給するか否かを判断することを特徴とする、請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記送液装置の吸込側の冷媒の圧力を測定する第一圧力センサと、
   前記送液装置の吸込側の冷媒の温度を測定する温度センサと、を備え、
   前記演算制御装置は、前記第一圧力センサにより測定された圧力と、前記温度センサにより測定された温度とに基づいて、前記液冷媒供給装置から前記ポンプサイクルに液冷媒を供給するか否かを判断することを特徴とする、請求項１又は２に記載の空気調和機。
4. 前記送液装置の吸込側の冷媒の圧力を測定する第一圧力センサと
   前記室内熱交換器から排出され、前記室外熱交換器に供給される冷媒の圧力を測定する第二圧力センサと、を備え、
   前記演算制御装置は、前記液冷媒供給装置から前記ポンプサイクルに液冷媒を供給する際、前記第一圧力センサ及び前記第二圧力センサにより測定される各圧力が予め定められた基準圧力を超えないように、液冷媒を断続的に前記ポンプサイクルに供給することを特徴とする、請求項１又は２に記載の空気調和機。
5. 前記ポンプサイクルにおける液冷媒の滞留量を検出する液冷媒滞留検出装置を備え、
   前記ポンプサイクルを利用した運転時、前記演算制御装置は、前記液冷媒滞留検出装置により検出される、単位時間あたりの液冷媒の減少量を監視し、当該単位時間あたりの液冷媒の減少量が予め定められた基準値以上であるとき、前記液冷媒供給装置に貯留された全液冷媒を前記ポンプサイクルに供給することを特徴とする、請求項１又は２に記載の空気調和機。
6. 前記演算制御装置は、前記液冷媒供給装置に貯留された全液冷媒を前記ポンプサイクルに供給した後に所定時間待機し、当該待機後の単位時間あたりの液冷媒の減少量が依然として前記基準値以上であるときに、前記ポンプサイクルを利用した運転から前記冷凍サイクルを利用した運転に切替えることを特徴とする、請求項５に記載の空気調和機。
7. 前記液冷媒供給装置は、前記室内熱交換器を収容する室内機と、前記室外熱交換器を収容する室外機と、を接続する冷媒配管の途中に、脱着可能に構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の空気調和機。
8. 前記液冷媒供給装置から前記ポンプサイクルへの液冷媒の供給量、前記ポンプサイクルから前記液冷媒供給装置への液冷媒の回収量、前記ポンプサイクルでのキャビテーションの発生の有無、当該キャビテーション発生時の時刻、前記ポンプサイクルを循環する液冷媒の圧力、前記ポンプサイクルを循環する液冷媒の温度、及び、前記ポンプサイクルにおいて滞留した液冷媒量からなる群から選ばれる少なくとも一種の情報を表示する表示装置を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の空気調和機。
9. 前記情報のうちの少なくとも一部を外部に出力する出力装置を備えることを特徴とする、請求項８に記載の空気調和機。

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