JP3611926B2

JP3611926B2 - 冷房システム

Info

Publication number: JP3611926B2
Application number: JP19325896A
Authority: JP
Inventors: 寧村田; 康敏吉田; 栄一和田
Original assignee: Sinko Industries Ltd
Current assignee: Sinko Industries Ltd
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH1038317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒自然循環方式にあって、その冷媒循環系に補圧ポンプを備えてなる冷房システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷房システムにおける冷媒の循環方式の一つとして、冷媒自然循環方式と呼ばれるものが知られている。この方式においては、冷却ユニットとしての蒸発器に対して、該蒸発器よりも高所に凝縮器を配置し、この両者を液管およびガス管を用いて往復に連結することにより、冷媒循環系が構成される。この循環系内に封入された冷媒は、蒸発器において吸熱により気化して冷媒ガスとなり、ガス圧によってガス管内を上昇して凝縮器へと移動する。凝縮器に到達した冷媒ガスは、凝縮器において放熱によって液化して冷媒液となり、重力によって液管内を下降して蒸発器へと移動する。
【０００３】
このような冷媒自然循環方式を採用する冷房システムにおいては、居室等の被冷房領域に配置される冷却ユニット（蒸発器）内の冷媒は、熱負荷状態に対応した気液割合状態（気液混合状態）にあることが必要である。つまり、適切な気液割合状態を確実とするために、室内機側蒸発器の制御バルブ直前の冷媒液に十分な水頭圧を与える必要がある。そして、このためには凝縮器と蒸発器との間の高低差を十分に確保する必要があり、このような高低差は一般的には３ｍ以上とされている。
【０００４】
一方、凝縮器と蒸発器との間に十分な高低差を設けることができない場合や、配管系における圧力損失が大きくて必要な水頭圧が確保できない場合には、これらに起因する水頭圧の不足を補うための補圧ポンプを液管に設けることが行なわれている。図１に、このような冷房システムの概略図を示した。
【０００５】
図１においては、複数の被冷房領域のそれぞれに配置された室内ユニット１１０に対して、１台の冷熱源装置１０１がそれらよりも高所に配置されている。室内ユニット１１０内の制御バルブを１１２を有する冷却ユニット（蒸発器）１１１と冷熱源装置１０１内の凝縮器１０２とがガス管１０５および液管１０６によって連結されており循環系を構成している。
【０００６】
蒸発器１１１において気化した冷媒ガスは、破線矢印で示したようにガス管１０５内を上昇して凝縮器１０２へと移動する。また、凝縮器１０２において液化した冷媒液は、実線矢印で示したように液管１０６内を重力によって下降して制御バルブ１１２を介して蒸発器１１１へと移動する。液管１０６に設けられた補液ポンプ１００は、制御バルブ１１２直前の冷媒液に作用する水頭圧の不足を補うために設けられたものである。
【０００７】
本来、このような補圧ポンプに供給される冷媒はすべて液相状態にあることが望ましいのであるが、補圧ポンプを利用する上記従来の方法は、冷熱源装置と補圧ポンプとを単純に連結しただけのものであったため、たとえポンプに十分な量の冷媒液が供給されない場合であってもポンプの作動は続行され、その結果、ポンプに供給される冷媒に気相部分が混じってしまう気相運転状態が頻発した。このような気相運転状態は、ポンプ寿命に悪影響を与えるだけでなく、配管系における冷媒の循環を悪化させフラッシュガスの発生を誘発し、その結果、システムの停止につながることもある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決すべき技術的課題は、液管に補圧ポンプを設けた冷媒自然循環方式の冷房システムにおいて、冷媒液を常にポンプに安定して供給する制御システムを提供し、これによって、ポンプが気相運転状態に陥ることを未然に防止することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段・作用・効果】
本発明は、前記課題を有効に解決するために創案されたものであって、冷媒自然循環系の液管に配置された補圧ポンプの作動・非作動を選択的に制御することによって、冷媒液を常に安定して補圧ポンプに供給し、これによって、ポンプが気相運転状態に陥ることを防止するものである。
【００１０】
一般的にポンプが気相運転状態となるのは、「ポンプへ送られる冷媒液量（すなわち、冷熱源装置での冷媒凝縮量）」よりも「ポンプから吐出される冷媒液量（すなわち、室内ユニットでの冷媒蒸発量）」の方が大きくなった場合である。そして、ポンプが気相運転状態となった場合には、ポンプの運転電流および出入口における差圧が正常時に比べて小さくなる。
【００１１】
そこで、本発明の冷房システムにおいては、システムの運転中に補圧ポンプのモータに流れる電流値またはポンプ出入口における差圧値を常時モニタリングする制御装置を設け、この制御装置によって、該電流値または差圧値が所定の設定限界値を下回った場合に補圧ポンプの作動を所定時間だけ停止させる。なお、この制御装置は、設定限界値の設定を変更する手段を備えていることが好ましい。以上のように構成された本発明の冷房システムにおいては、ポンプが気相運転状態に陥ってしまう前に、ポンプの作動を停止させることができる。そして、ポンプが停止している間にポンプ上流側に十分な量の冷媒液を蓄えることができるので、ポンプが気相運転状態に陥ることを未然に防止するこができる。
【００１２】
本発明の冷房システムにおいては、上述のようにポンプの作動情況を直接モニタリングして、ポンプが気相運転状態に陥るような兆候をみせた場合にポンプを停止させる直接制御方法を採用しているが、このような直接制御に重ねて、冷房システムの運転行程の中で気相運転状態を招き易いと考えられる特定の部分においては無条件にポンプの作動を停止させることによって、ポンプが気相運転状態に移行しようとすること自体を予防する予防制御が採用されることが好ましい。直接制御に重ねて予防制御を採用することによって、気相運転状態を確実に予防できることは勿論、システムの運転全体を通して、より安定したポンプ作動を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。図２は、本発明の冷房システムの一例を示しており、図１に示した従来例に対応するものである。
【００１４】
この冷房システムが図１に示したものと異なる点は、補圧ポンプ４の作動・非作動を選択的に制御する制御装置３を備えていることである。制御装置３によるポンプ制御の方法を以下に説明する。
【００１５】
一般的にポンプが気相運転状態となるのは、「ポンプへ送られる冷媒液量（すなわち、冷熱源装置での冷媒凝縮量）」よりも「ポンプから吐出される冷媒液量（すなわち、室内ユニットでの冷媒蒸発量）」の方が大きくなった場合である。そして、ポンプが気相運転状態となった場合には、ポンプの運転電流および出入口における差圧が正常時に比べて小さくなる。つまり、運転電流について考えると、気相運転状態においてポンプのモータに流れる電流値は正常時のそれに比べて６０％程度まで低下する。また、ポンプ出入口の差圧について考えると、気相運転状態においては、正常時に比べて差圧が３０％程度まで低下する。
【００１６】
そこで、冷房システムの作動中において、ポンプのモータに流れている電流値、またはポンプ出入口における差圧値を常時モニタリングし、それらの値が所定の設定限界値を下回った時にポンプの運転を停止させることによって、ポンプが気相運転状態に陥ってしまうことを未然に防止することができる。
【００１７】
図２は、電流値をモニタリングする実施形態を示している。つまり、制御装置３内には、ポンプのモータに流れる電流値を計測する電流計（図示せず）が設けられており、その電流値が常時モニタリングされる。そして、例えば、ポンプ４に流れる電流値が正常時に比べて８０％にまで低下したときにポンプの作動を停止させる。
【００１８】
ここで、８０％を限界値として設定した理由は以下の通りである。すなわち、前述のように気相運転状態においてはポンプに流れる電流が６０％程度まで低下し、しかも正常時の電流値の変動は数％以内であると考えられるから、電流値が正常時に比べて８０％にまで低下した場合には明らかに異常であり、気相運転状態に向かっていると判断できる。したがって、この時点でポンプの作動を停止させることにより、ポンプが気相運転状態となることを未然に防止することができる。
【００１９】
ポンプは、その上流側に十分な量の冷媒液が蓄えられるまで停止させておく必要があり、このために必要とされるポンプの停止時間は通常は３〜５分程度であると考えられるが、個々のシステムに対して個別に適切な停止時間を設定することが好ましい。
【００２０】
また、上述の例においては、８０％を設定限界値としたが、この設定限界値は使用されるポンプに応じて適宜変更することが好ましい。図２中のＡは、このような設定限界値を調整するスイッチを示している。
【００２１】
図２の例においては電流値がモニタリングされているが、前述のように、ポンプ出入口における差圧値をモニタリングしてもよい。そのような実施形態を図３に示した。ポンプ４が取り付けられている液管１６には、該ポンプ４を跨ぐようにして差圧計Ｂが配置されている。差圧計Ｂによって測定された差圧値は制御装置３に送られてモニタリングされる。そして、前述のように気相運転時においては差圧値が正常時に比べて３０％程度にまで低下するので、これが５０％にまで低下した時点でポンプの作動を停止させる。
【００２２】
差圧値をモニタリングする場合においても、電流値の場合と同様に、ポンプを停止させる場合の設定限界値を変更できることが好ましい。そして、そのような調整を行う調整スイッチが差圧計Ｂに設けられている。
【００２３】
以上説明した制御方法においては、ポンプの運転状態を直接モニタリングして、ポンプの運転状態が気相運転状態へと移行しようとする兆候を確認した場合に、ポンプを停止させる直接制御方法を採用している。そして、本発明の好ましい形態においては、このような直接制御に重ねて予防制御を採用することによって、より安定したシステム制御を実現している。ここでいう予防制御とは、システム全体の運転行程の中で特にポンプの気相運転状態を招き易い部分（詳細は後に説明する）をリストアップして、システムの運転行程がその部分にきた場合には無条件にポンプの作動を停止させるものである。
【００２４】
図４および図５は、直接制御に重ねて予防制御を採用する実施形態を示している。図４は、ポンプのモータに流れる電流値をモニタリングする直接制御に重ねて予防制御を採用する場合を、図５は、ポンプ出入口における差圧をモニタリングする直接制御に重ねて予防制御を採用する場合を示している。各実施形態においては、予防制御のために、冷熱源装置１および室内ユニット２の状態をモニタリングする必要がある。そして、そのための配線が図４および５中において破線で示されている。
【００２５】
システム全体の運転行程中において、特にポンプの気相運転状態を招き易い部分として、以下に説明する（１）〜（３）の３つの部分をリストアップした。各部分における制御方法を以下に説明する。なお、以下に説明する３種類の予防制御は、既に説明した直接制御に重ねて行なわれるものであるが、３種類の予防制御の全てを採用するか、選択的に１または２種類の予防制御を採用するかは適宜選択することができる。
【００２６】
（１）システム全体としての起動時
システムのメインスイッチ（図示せず）をオンすることによって、システム全体が起動するのであるが、このとき、ポンプ４および室内ユニット２の運転開始を冷熱源装置１の運転開始よりも所定時間（１３〜１５分）だけ遅らせる。
【００２７】
これによって、冷熱源装置１の出口１２からポンプ４に至る液管部分１６’をポンプ起動時までに満液状態とすることができる。ここで、ポンプ等の運転開始を遅らせる所定時間を１３〜１５分としたのは、通常の配管系では冷熱源装置を１０分前後作動させると全冷媒を凝縮器に回収できるからである。したがって、該所定時間は、システムの規模に応じて適宜変更することが好ましい。
【００２８】
なお、冷熱源装置１の停止動作とポンプ４の停止動作とは連動しており、冷熱源装置１の作動が止まるとポンプ４も停止する。その理由は、冷熱源装置１が停止しているのにポンプの作動を続行すると、やがてはポンプ上流側の冷媒液が不足して気相運転状態となるからである。
【００２９】
（２）システムの運転中に冷熱源装置の容量が高位の状態へと移行した場合
この予防制御は、冷熱源装置１としてその冷房能力を段階的に調節可能な段階容量制御式の冷凍機が採用されている場合に限って採用可能であることを、具体的な説明の前に述べておく。
【００３０】
冷房システムの運転中において、制御装置３が冷熱源装置１の現状容量をモニタリングする。そして、冷熱源装置１の現状容量の上昇を感知した場合に、所定時間だけポンプ４を停止させる。
【００３１】
冷熱源装置１の現状容量が上昇するのは、通常は、その冷媒出口１２における液温が上昇した場合である。このことは、室内ユニット２側での熱負荷が冷熱源装置１の現状容量（上昇前の現状容量）よりも大きいことを意味している。すなわち、この状態においては、循環系内の冷媒バランスは、室内ユニット２側で消費（蒸発）する冷媒量が冷熱源装置で生産（凝縮）する冷媒量よりも多くなっており、したがって、ポンプ４の上流側に存在する冷媒液量が少なくなっていると考えられる。したがって、そのままポンプ４の作動を続行すると、ポンプ４に冷媒液が供給されないということが起こり得る。したがって、ポンプ４の作動を所定時間（例えば、２〜３分）だけ停止することにより、ポンプ４の上流側に十分な量の冷媒液を確保できる。
【００３２】
（３）冷房運転中の被冷房領域のすべてが所望の設定温度にまで冷却された場合
この場合、各室内ユニットの制御バルブ２２が閉止状態となる。制御装置３が各バルブの開閉状態をモニタリングしており、すべての制御バルブ２２が閉止した場合にポンプ４を停止させる。
【００３３】
この場合にポンプ４を停止させる理由は以下の通りである。すなわち、すべての制御バルブ２２が閉止した場合には、冷熱源装置１は自動的に待機状態となるので、冷熱源装置１に冷媒ガスが回収されることはなくなる。つまり、この状態でポンプの運転を続行するとポンプ上流側の冷媒液量が十分でなくなる。したがって、すべての制御バルブ２２が閉止している間はポンプ４を停止させて、ポンプ４の上流側に十分な量の冷媒を確保する。
【００３４】
以上で３種類の予防制御の具体的な説明を終えるが、各予防制御においてポンプの停止が解除されてその作動を始めるべき時点において、万一ポンプ４の上流側に十分な冷媒液が確保されていない場合には、先に説明した直接制御が有効に作動しているのでポンプ４は作動を開始しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷媒循環系の液管に補圧ポンプを設けた従来の冷房システムを示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態における冷房システムを示す概略図である。ポンプが気相運転状態となることを防止するために、補圧ポンプに流れる電流値をモニタリングしている。
【図３】本発明の他の実施形態における冷房システムを示す概略図である。ポンプが気相運転状態となることを防止するために、補圧ポンプの出入口における差圧をモニタリングしている。
【図４】図２の冷房システムに対して予防制御を重ねて採用する実施形態を示す概略図である。
【図５】図３の冷房システムに対して予防制御を重ねて採用する実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１冷熱源装置
２室内ユニット
３制御装置
４補圧ポンプ
１１凝縮器
１５ガス管
１６液管
２１蒸発器
２２制御バルブ
１００補圧ポンプ
１０１冷熱源装置
１０２凝縮器
１０５ガス管
１０６液管
１１０室内ユニット
１１１蒸発器
１１２制御バルブ

Claims

被空調領域に設置される蒸発器(21)を備えた室内ユニット(２)と、
前記室内ユニット(２)よりも高所に設置される凝縮器(11)を備えた冷熱源装置(１)と、
蒸発器(21)と凝縮器(11)との間を往復に連結して冷媒循環系を構成する冷媒液管(16)および冷媒ガス管(15)と、
冷媒液管(15)の途中に配設された補圧ポンプ(４)とを備えた、冷媒自然循環式冷房システムであって、
システムの運転中に、補圧ポンプ ( ４ ) が気相運転状態となることを未然に防止するために当該補圧ポンプ(４)に流れる電流値をモニタリングし、該電流値が所定の設定限界値を下回った場合に補圧ポンプ(４)の作動を所定時間だけ停止させる制御装置(３)を備えていることを特徴とする、冷房システム。
被空調領域に設置される蒸発器(21)を備えた室内ユニット(２)と、
前記室内ユニット(２)よりも高所に設置される凝縮器(11)を備えた冷熱源装置(１)と、
蒸発器(21)と凝縮器(11)との間を往復に連結して冷媒循環系を構成する冷媒液管(16)および冷媒ガス管(15)と、
冷媒液管(15)の途中に配設された補圧ポンプ(４)とを備えた、冷媒自然循環式冷房システムであって、
システムの運転中に、補圧ポンプ ( ４ ) が気相運転状態となることを未然に防止するために当該補圧ポンプ(４)の出入口における差圧値をモニタリングし、該差圧値が所定の設定限界値を下回った場合に補圧ポンプ(４)の作動を所定時間だけ停止させる制御装置(３)を備えていることを特徴とする、冷房システム。
前記制御装置（３）は、電流値または差圧値の設定限界値を変更する手段を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の冷房システム。
前記制御装置（３）は、システムの起動時に、補圧ポンプ（４）の運転開始を冷熱源装置（１）の運転開始よりも所定時間だけ後らせ、
冷熱源装置（１）と補圧ポンプ（４）とは、冷熱源装置（１）が停止したときに補圧ポンプ（４）も停止することとなるように連動していることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記冷熱源装置（１）は、段階容量制御式の冷凍機であって、前記制御装置（３）は、冷熱源装置（１）の現状容量をモニタリングし、冷熱源装置の容量が上昇した場合に、所定時間だけ補圧ポンプ（４）を停止させることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記制御装置（３）は、室内ユニット（２）の制御バルブ（２２）の開閉状態をモニタリングし、該制御バルブ（２２）が閉じられている間は補圧ポンプ（４）の作動を停止させることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記冷熱源装置（１）は、段階容量制御式の冷凍機であって、前記制御装置（３）は、システムの起動時に、補圧ポンプ（４）の運転開始を冷熱源装置（１）の運転開始よりも所定時間だけ後らせるとともに、
冷熱源装置（１）の現状容量をモニタリングし、冷熱源装置の容量が上昇した場合に、所定時間だけ補圧ポンプ（４）を停止させ、
冷熱源装置（１）と補圧ポンプ（４）とは、冷熱源装置（１）が停止したときに補圧ポンプ（４）も停止することとなるように連動していることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記冷熱源装置（１）は、段階容量制御式の冷凍機であって、前記制御装置（３）は、冷熱源装置（１）の現状容量をモニタリングし、冷熱源装置の容量が上昇した場合に、所定時間だけ補圧ポンプ（４）を停止させるとともに、
室内ユニット（２）の制御バルブ（２２）の開閉状態をモニタリングし、該制御バルブ（２２）が閉じられている間は補圧ポンプ（４）の作動を停止させることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記制御装置（３）は、システムの起動時に、補圧ポンプ（４）の運転開始を冷熱源装置（１）の運転開始よりも所定時間だけ後らせるとともに、室内ユニット（２）の制御バルブ（２２）の開閉状態をモニタリングし、該制御バルブ（２２）が閉じられている間は補圧ポンプ（４）の作動を停止させ、
冷熱源装置（１）と補圧ポンプ（４）とは、冷熱源装置（１）が停止したときに補圧ポンプ（４）も停止することとなるように連動していることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。
前記冷熱源装置（１）は、段階容量制御式の冷凍機であって、
前記制御装置（３）は、システムの起動時に、補圧ポンプ（４）の運転開始を冷熱源装置（１）の運転開始よりも所定時間だけ後らせるとともに、
冷熱源装置（１）の現状容量をモニタリングし、冷熱源装置の容量が上昇した場合に、所定時間だけ補圧ポンプ（４）を停止させ、さらに、
室内ユニット（２）の制御バルブ（２２）の開閉状態をモニタリングし、該制御バルブ（２２）が閉じられている間は補圧ポンプ（４）の作動を停止させ、
冷熱源装置（１）と補圧ポンプ（４）とは、冷熱源装置（１）が停止したときに補圧ポンプ（４）も停止することとなるように連動していることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の冷房システム。