JP3932955B2 - 空気調和機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、年間を通して運転される空気調和機に関するものであり、特に圧縮機の動力を用いずに空調を行う自然循環運転を備えた空気調和機の空調能力の向上に関する。また、圧縮機の動力を用いる強制循環運転と自然循環運転とを併設する空気調和機の冷媒の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話をはじめとする移動体通信の普及によって、電算機室や移動体通信の中継電子機器を納めた基地局（シェルタ）に代表されるような電子機器の発熱を除去する分野が急速に広がっており、これらの場所では年間を通しての冷房運転が必要となっている。
【０００３】
これらの用途では、冬季や夜間のように外気温度が低い場合には、換気によって冷房することも可能であるが、霧，雨，雪，塵埃の侵入を防ぐ装置が必要となり、しかも外気温度の変動によって室内温度も変動するため、安定した冷房が行えない。この様な条件では、室内温度と外気温度との温度差と、室内機と室外機との高低差とを利用して、室内から室外へ冷媒により熱を運ぶ自然循環を利用した空気調和機を用いることができる。この自然循環を利用した空気調和機では、自然循環を利用した運転(以下、自然循環運転という)を行う場合に圧縮機動力が不要となるため、圧縮機を利用した運転(以下、強制循環運転という)を行う空気調和機による冷房よりも年間消費電力を大幅に低減することができる。
【０００４】
ここで、自然循環による冷房運転の動作原理について、図１７を用いて説明する。図１７は自然循環を利用した空気調和機として冷房装置を示す回路構成図であり、図において、２は凝縮器、３は室外ファン、５は室外機、６は液配管、７は蒸発器、８は室内ファン、９は空調対象空間に配置される室内機、１０はガス配管である。この場合は、冷房を行うので、蒸発器７が室内側に設置され、凝縮器２が室外側に設置されている。
凝縮器２を蒸発器７より相対的に高位置に配置すると、凝縮器２で凝縮した液冷媒は、液配管６内を重力により下降して蒸発器７に流入する。蒸発器７に流入した液冷媒は空調対象空間例えば室内の熱負荷を受けて蒸発した後、ガス配管１０を上昇して凝縮器２へ戻ることでサイクルが形成される。
【０００５】
このように、自然循環による冷房運転とは冷媒を循環させる駆動力として蒸発器７と凝縮器２との位置的な高低差における液冷媒とガス冷媒の密度差を利用するものであり、凝縮器２，蒸発器７，液配管６，ガス配管１０，および冷媒回路内の開閉弁部などの冷媒流路における圧力損失の和が液配管６内の液柱高さによる圧力上昇と等しい場合に成立する。
このような自然循環を利用した空気調和機において、従来、冷媒量は経験から適当な量を充填していた。また、自然循環運転中に空調能力を考慮して冷媒状態を適正に制御してはいなかった。
【０００６】
また、自然循環を利用した空気調和機では、室内温度と外気温度との温度差の存在が必要であり、環境条件によっては自然循環運転が機能しない場合が生じる。そこで、自然循環運転が機能しない場合に圧縮機を用いた強制循環運転を行う併用の空気調和機が構成されている。
ところで、自然循環運転と強制循環運転とを組合わせた空気調和機では、一般に自然循環運転と強制循環運転との冷媒流量の差や液部長さの違いに起因する冷媒量の差、負荷変動に起因する冷媒流量の差、延長配管の長短に起因する冷媒量の差などを調整する必要から、冷媒回路内に冷媒量調節手段を設ける必要がある。従来の空気調和機では、凝縮器出口に設けられた液溜め容器や圧縮機の吸入側に設けられたアキュムレータにこの冷媒量調節機能を持たせていたが、その冷媒量の適正な制御方法に関する検討はほとんど行われていなかった。
【０００７】
自然循環を利用した空気調和機の冷媒量制御方法の一例として、特開昭５７−９２６６６号公報に掲載されたように強制循環運転による冷房と自然循環運転による暖房とを併用した冷暖房機において冷媒量を制御したものがある。図１８は従来の強制循環運転と自然循環運転を有する空気調和機を示す回路構成図である。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、５は室外機、６、１０はそれぞれ冷媒配管で、自然循環運転時の液配管６とガス配管１０である。７は室内熱交換器、９は室内機、１４はアキュムレータ、２０は液溜め容器、２３は冷媒量調節器、２４はドライヤフィルタ、２５は加熱装置、２６は冷媒加熱コイル、２７は電磁弁、２８は逆止弁、２９は暖房運転の起動を円滑に行わせるための逆流防止用開閉弁、３０は冷媒加熱コイル出口２６ｂの冷媒圧力や温度の異常上昇を防止する高圧制御弁、３１は毛細管、３２は仕切、３３は冷媒管路、３４は分岐管、３５は配管、３６は電気ヒータ、３７、３８は開閉弁である。
【０００８】
この空気調和機は、圧縮機１を用いる強制循環運転の場合、電磁弁２７を閉止して、圧縮機１、凝縮器２、ドライヤフィルタ２４、逆止弁２８、毛細管３１、冷媒配管６、室内熱交換器７、冷媒配管１０、冷媒量調節器２３のアキュムレータ１４で、閉回路を構成する。そして、室内熱交換器７を蒸発器として動作させ、冷媒の蒸発を利用して室内の冷房を行う。
一方、自然循環運転による暖房の場合、電磁弁２７を開放して加熱装置２５を運転し、冷媒加熱コイル２６、該コイルの高位置側端部２６ａ、電磁弁２７、アキュムレータ１４、冷媒配管１０、室内熱交換器の高位置側端部７ａ、室内熱交換器７、室内熱交換器の低位置側端部７ｂ、冷媒配管６、冷媒加熱コイル２６の低位置側端部２６ｂで、閉回路を構成する。そして、室内熱交換器７を凝縮器として動作させ、冷媒の凝縮を利用して室内の暖房を行う。
【０００９】
また、冷媒量調節器２３の内部は、仕切３２によって外側の室２０と内側の室１４とに分けられている。そして、外気温度の影響を受ける外側の室２０を液溜め容器とし、内側の室１４をアキュムレータとした構造である。また、分岐管３４によって、液溜め容器２０の底部と、冷媒管路３３とを連通している。
分岐管３４で液溜め容器２０と連結されている冷媒管路３３は、強制循環運転時に室内熱交換器７に送る低圧の液冷媒が流れる管路で、かつ、自然循環運転時に室内熱交換器７で熱交換を行った後の液冷媒が流れる管路である。
アキュムレータ１４は、強制循環運転時に室内熱交換器７で熱交換を行った後のガス冷媒が流れる冷媒管路で、かつ、自然循環運転時に室内熱交換器７に送るガス冷媒が流れる冷媒管路中に設けられている。この冷媒量調整器２３によって、強制循環運転と自然循環運転との冷媒量の差を調整している。
【００１０】
上記のような従来の冷暖房機では、自然循環運転時において、外気温度が設定値、例えば５℃程度よりも低下すると、空調負荷の増加により冷媒流量を増加する必要がある。ところが、冷媒量調節器２３が外気によって冷却されるため、冷媒調節器２３内に冷媒が溜まってしまう。このような場合に、外気温度検知サーモの指令によって電気ヒータ３６が通電により発熱し、冷媒量調節器２３に熱を与えて溜まっている冷媒を蒸発させている。このため、外気温度が低いにも係わらず冷媒量調節器２３内の冷媒量が適正に保たれ、十分な自然循環能力が得られるというものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の自然循環を利用した空気調和機では、充填する冷媒量を適当に決めており、空調能力を考慮してはいなかった。また、自然循環運転中に冷媒状態を制御して空調能力を向上させてはいなかった。
また、従来の強制循環運転と自然循環運転とを併用した空気調和機では、空調負荷の変化に対して自然循環運転時の冷媒量を制御する場合、外気温度が設定値よりも低下すると、外気温度検知サーモの指令によって電気ヒータ３６が通電により発熱し冷媒量調節器２３に一定量の熱を与える構成であり、外気温度や冷媒流量が自然循環運転の能力に及ぼす影響を考慮した冷媒量制御が行われていなかったため、自然循環運転を利用することによる消費電力削減効果が小さくなるという課題があった。
【００１２】
また、冷媒量の調節を電気ヒータによって行うため、電気ヒータの電力量分だけ消費電力が増加し、自然循環運転を利用することによる消費電力削減効果が小さくなるという課題があった。
【００１３】
本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、自然循環運転において空調能力を考慮して最適な冷媒状態で運転でき、空調能力を最大限に発揮できる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。
また、強制循環運転と自然循環運転とを備え、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。
また、強制循環運転と自然循環運転とを備え、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、さらに空調能力を最大限に利用して自然循環運転を行い、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。 また、自然循環運転において高い空調能力が得られる空気調和機を得ることを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る空気調和機は、蒸発器とこの蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを配管で接続し冷媒を循環させて自然循環運転を行う空気調和機において、凝縮器と蒸発器の間の配管に設けられた冷媒流量調整手段と、凝縮器の出口の下部に配置されるとともに冷媒流量調整手段と凝縮器の間の配管に下部から接続された冷媒貯溜手段と、凝縮器の入口側の配管に圧縮機の吐出と吸入の間を逆止弁を介してバイパスさせるバイパス配管とを備え、圧縮機による強制循環運転から冷媒流量調整手段を全開にして自然循環運転へ切換可能とし、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度と外気温度に応じて凝縮器からの余剰冷媒を冷媒貯溜手段に蓄積するように冷媒流量調整手段を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る空気調和機は、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度に応じて冷媒流量調整手段を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、圧縮機と冷媒貯留手段とをバイパスするバイパス配管、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を接続し冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、冷媒貯留手段の入口側に開閉弁を設け、自然循環運転時に凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度または乾き度が設定値になるように開閉弁を開閉制御したことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る空気調和機は、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値となるように冷媒流量調整手段を調整したことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、圧縮機と冷媒貯留手段とをバイパスするバイパス配管、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を接続し冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、冷媒貯留手段の入口側に開閉弁を設け、自然循環運転時に蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように開閉弁を開閉制御したことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転における蒸発器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転で、冷媒流量または冷媒量を所定時間間隔で変化させることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る空気調和機は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に、自然循環運転における冷媒流量または冷媒量を変化させることを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
参考例１．
以下、本発明の参考例１について説明する。図１は本実施の形態に係る空気調和機として例えば冷房装置を示す回路構成図である。この空気調和機は、強制循環運転と自然循環運転とを併設する構成のものである。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は室外ファン、４は冷媒流量調整手段で例えば電子式膨張弁、５は室外機、６は液配管、７は蒸発器、８は室内ファン、９は室内機、１０はガス配管、１１は開閉手段で例えば逆止弁、１２はバイパス配管、１３は開閉手段で例えば開閉弁、１４はアキュムレータ、１５は開閉手段で例えば逆止弁である。
【００２４】
図１に示すように、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０で冷媒回路を構成し、配管内に冷媒を循環させる。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させるための凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止するための冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための逆止弁１１を介したバイパス配管１２、自然循環運転時にアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する開閉弁１３、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する逆止弁１５より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
室外機５の凝縮器２は室内機９の蒸発器７よりも高い位置に配置されており、ここでは例えば１．４ｍ程度の高低差をつけて配置している。
【００２５】
この空気調和機は、例えば発熱する電子機器などを納めたシェルタのように年間を通して冷房が必要な場所に利用される。そして、室内温度が外気温度よりも低いときには、圧縮機１を動作させる強制循環運転により室内の冷房を行う。また、室内温度が外気温度よりも高い時には、圧縮機１を停止して外気の冷熱を利用した自然循環運転により室内の冷房を行う。ここで、本実施の形態では、蒸発器７での冷媒の蒸発を利用して空調対象空間の冷房を行っている。
以下、強制循環運転について説明する。
電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【００２６】
次に、室内温度より外気温度が低い場合の自然循環運転について説明する。圧縮機１を停止し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止し、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開にする。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【００２７】
図２は、蒸発器とこの蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを配管で接続し冷媒を循環させて自然循環運転を行う空気調和機の実験機を試作し、複数の異なる冷媒充填量（例えば２．８ｋｇ，３．２ｋｇ，３．６ｋｇ，４．０ｋｇ，４．４ｋｇ，４．８ｋｇ）を充填して自然循環運転したときの、それぞれ自然循環運転時の冷媒充填量（ｋｇ）に対する冷房能力（ｋＷ）、蒸発器出口過熱度（℃）、凝縮器出口過冷却度（℃）の変化を示す実験結果である。図２の上側のグラフは、冷房能力の測定結果、下側のグラフは蒸発器出口過熱度（黒丸）、凝縮器出口過冷却度（白丸）の測定結果を示している。また、実験条件は室内温度と外気温度との温度差ΔＴが３３℃で一定の場合であり、横軸の冷媒充填量は自然循環運転を構成する冷媒回路内への冷媒充填量を示している。
【００２８】
図２の上側のグラフから明らかなように、冷房能力は冷媒充填量が４ｋｇ付近で最大値を示している。冷媒充填量が４ｋｇより少ない場合で、冷媒充填量の増加に伴い冷房能力が増加するのは、冷媒充填量の増加に伴って冷媒回路での有効な液柱高さが増加し、冷媒流量が増加するためである。また、冷媒充填量が４ｋｇを越えた場合で、冷媒充填量の増加に伴い冷房能力が減少するのは、蒸発器出口の冷媒が二相状態となるため蒸発器内のエンタルピー差が減少するとともに、蒸発器出口から凝縮器入口までのガス配管の圧力損失が増加し冷媒流量が減少するためである。また、図２の下側のグラフからわかるように、冷房能力が最大となる冷媒充填量（図２上側のグラフの冷媒充填量が４ｋｇ付近）では蒸発器出口は飽和ガスの状態（蒸発器出口過熱度０℃）となる。従って、この場合の室内外温度差（３３℃）では冷媒充填量を４ｋｇ付近の値に設定することにより、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用することができ、最大の消費電力削減効果を得ることができる。また、４ｋｇ以下に比べて４ｋｇ以上の方が冷媒量に対する冷房能力の低下割合が大きいため、充填する冷媒量は冷房能力が最大となる時の充填量以下（例えば３．５ｋｇ〜４．０ｋｇ）に設定しておけば、最大に近い冷房能力が得られる。
【００２９】
また、図２の実験条件における強制循環運転の適正冷媒量は約２ｋｇであるため、自然循環運転の冷房能力を最大とするためには、強制循環運転時の約２倍（４ｋｇ／２ｋｇ）程度の冷媒量を充填すればよいことがわかる。
【００３０】
図３は自然循環運転時の冷媒充填量（ｋｇ）に対する冷房能力（ｋＷ）を室内温度と外気温度との温度差ΔＴが３３℃の場合と１０℃の場合を比較したものである。図３に示すように、室内温度と外気温度との温度差ΔＴが小さくなると、最大となる冷房能力が得られる冷媒充填量が減少している。図３の点線は温度差が変化した時の冷房能力の最大値を結んだ直線である。この変化は、温度差ΔＴが小さくなると、凝縮器出口の過冷却度が減少するため、冷媒回路内の有効な液柱高さが減少し、冷媒流量が減少するためである。このことから、自然循環運転において、外気温度が高く室内外の温度差が小さい場合には、外気温度が低く室内外の温度差が大きい場合に比べ、冷媒充填量の少ない方が高い冷房能力を得られることがわかる。
【００３１】
図４は室内温度３８℃における自然循環運転時の外気温度に対する冷房能力および空調負荷の関係を示している。図において、横軸は外気温度（℃）、縦軸は冷房能力および空調負荷を示し、曲線Ａは例えば冷媒充填量が４ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量を示し、曲線Ｂは冷媒充填量が３．５ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量、曲線Ｃは冷媒充填量が３．０ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量を示している。この空調能力量は、空気調和機を構成する機器においてシュミレーションによって求めたり、実験的に求めることができる。
【００３２】
また、図４において、点線で示す曲線Ｚ１，Ｚ２は室内設定温度３８℃のときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調負荷量を示している。
ここで、各外気温度に対しその外気温度に対する空調負荷量は、機器の発熱量やシェルタの熱容量、壁からの吸放熱量によって、設計段階で求めることができる。
本実施の形態の空気調和機のように、シェルタのような人の出入がほとんどなく電子機器からの単位時間あたりの発熱量もほとんど変化しない空間で用いられる場合には、空調負荷量は外気温度が高くなるとこれに応じて大きくなり、曲線Ｚ１，Ｚ２に示されるように単調に増加するものとなっている。
【００３３】
また、自然循環運転時の空調能力量、この場合には冷房能力量は、外気温度３８℃で室内温度３８℃と同一の時には０であり、外気温度が３８℃から低下するとともに増加する。逆に空調負荷曲線は室内から外気への放熱のため、外気温度が低下するとともに減少する。このような特性から、例えばシェルタ内を３８℃以下に保つときの空調負荷曲線がＺ１である場合、冷房能力量と空調負荷量とがほぼ一致するときの外気温度、即ち冷房能力曲線と空調負荷曲線Ｚ１の交点における外気温度が、自然循環運転で空調負荷をまかなうことのできる空調可能最大外気温度となっている。具体的には、冷房能力曲線が曲線Ｂで示される冷媒量を充填した場合には、外気温度２１℃で空調負荷曲線Ｚ１と交差しており、空調可能最大外気温度は２１℃である。この場合、外気温度が空調可能最大外気温度２１℃以下のいかなる温度においても自然循環運転の冷房能力が空調負荷よりも大きくまたは空調負荷と等しくなり、自然循環運転の冷房能力だけで十分に空調負荷をまかなうことができる。
このように、変化させた複数の冷媒量において、前記空調能力量と前記空調負荷量とがほぼ一致するときの空調可能最大外気温度をそれぞれ求める。
【００３４】
本参考例では、空気調和機の自然循環運転による空調機能を最大限に生かすため、空調可能最大外気温度が最も高くなるように冷媒回路に冷媒を充填する。即ち、空調負荷量が図４の曲線Ｚ１に示すものとすると、この曲線Ｚ１と交差する点の外気温度が一番高い冷房能力曲線となる冷媒充填量を選ぶと、自然循環運転の冷房能力だけで十分に空調負荷量をまかなうことができる温度範囲が大きくなる。図４では曲線Ｂと曲線Ｚ１と交差する点の空調可能最大外気温度が一番高くなるので、この冷媒量３．５ｋｇを充填する。このように冷媒回路に充填する冷媒量を決定することにより、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる外気温度範囲が最大限に大きくなり、最大の消費電力の削減効果が得られる。
【００３５】
上記のようにして決定される冷媒充填量は、空調負荷量の変化によって変わるものであり、例えば曲線Ｚ２に示すような空調負荷量の場合には、曲線Ｃと曲線Ｚ２と交差する点の空調可能最大外気温度が一番高くなるので、この冷媒量３ｋｇを冷媒充填量として決定すれば、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる外気温度範囲が最大限に大きくなる。
【００３６】
なお、この空調能力曲線と空調負荷曲線の交差する点の外気温度以上では、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができなくなる。このため、外気温度がこれ以上になる場所で使用する場合には、強制循環運転を併用する。
また、例えば外気温度がほとんど空調可能最大外気温度以下であり、たまたま外気温度がこれ以上に上がって空調負荷が増えた場合には、例えば電子式膨張弁４の開度を変化させるなどして蒸発器７の出口部での過熱度を０に近い値に制御してもよい。図２に示すように、蒸発器７の出口部の冷媒状態として過熱度が０℃付近で、冷房能力が最大となっているので、蒸発器７の出口部での過熱度を０℃に近い値になるように運転すると、そのままの運転状態で継続するよりも冷房能力を増加することができる。
また、外気温度が自然循環運転のみでまかなうことができる温度以上にならない場所で使用する場合には、強制循環を併用する必要はなく、自然循環の冷媒回路を備えた構成とし、かつ本実施の形態で述べたように空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる温度範囲が最大限に大きくなるような冷媒量を充填すればよい。
【００３７】
自然循環運転を利用した空気調和機では、運転動力としては室外ファン３と室内ファン８の入力だけであり、年間消費電力の大幅削減が可能となる。特に、本実施の形態では、自然循環運転による空調可能外気温度の範囲が広くなるように冷媒の充填量を決定したので、さらに年間消費電力の大幅削減できる。
例えば図５に示すように、横１．５ｍ、奥行き３．７ｍ、高さ１．５ｍのシェルタのモデルを設定し、電子機器からの発熱量をＱ1 、壁からの吸放熱量をＱ2 、室内機の冷房能力量をＱ3 とし、特に室内機の強制循環運転の冷房能力量をＱ3c、自然循環運転の冷房能力量をＱ3nとして空調した際のシェルタ内の温度変化をシュミレーションした。このときのシェルタ内の空調の設定温度範囲を例えば２６℃〜３８℃、外気温度を２６℃とする。図６に時間に対するシェルタ内の温度変化を示す。図６（ａ）は圧縮機を用いた強制循環運転のみで空調を行った場合（通常型）の温度変化であり、図６（ｂ）は自然循環運転と強制循環運転を併用した場合（自然循環併用型）の温度変化である。シェルタ内の温度が設定温度範囲の上限である３８℃以上になると、圧縮機を運転して強制循環運転による冷房を行う。また、シェルタ内の温度が設定温度範囲の下限である２６℃以下になると、図６（ａ）では圧縮機を停止して冷房を行わず、図６（ｂ）では圧縮機を停止して自然循環運転による冷房を行う。この自然循環併用型において、自然循環運転の空調可能最大外気温度は、２６℃以下とする。
【００３８】
シェルタ内の温度は、強制循環運転によって、Ｑ1 −Ｑ2 −Ｑ3cの熱量で冷房され、３８℃から△ｔc （時間）で２６℃まで冷やされる。ここで、図６（ａ）の通常型では圧縮機運転を停止すると、Ｑ1 −Ｑ2 の熱量によって徐々に温度は上昇し△ｔn1（時間）で設定温度範囲の上限に達すると、再び圧縮機を運転する。一方、図６（ｂ）の自然循環併用型では圧縮機運転を停止すると、自然循環運転による冷房が行われる。このため、Ｑ1 −Ｑ2 −Ｑ3nの熱量によって徐々に温度は上昇し、△ｔn1（時間）よりも長い△ｔn2（時間）で設定温度範囲の上限に達し、再び圧縮機を運転する。
このように、強制循環運転と自然循環運転とを併用することにより、圧縮機の停止時間を長くでき、圧縮機の運転率を△ｔc ／（△ｔc ＋△ｔn1）から△ｔc ／（△ｔc ＋△ｔn2）に低下することができる。
本シュミレーション結果によれば、自然循環併用型空気調和機では、強制循環運転のみの空気調和機と比較して、圧縮機年間運転率を６９〜８６％程度低減でき、圧縮機の発停回数が大幅に低減でき、信頼性を向上できる空気調和機が得られる。また、圧縮機の運転率が低下することから、５１〜６６％程度、年間消費電力を削減できる。特に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用できる冷媒量を充填しているので、その効果を確実に得ることができる。
【００３９】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による空気調和機として例えば冷房装置について説明する。図７は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。
図において、１６は温度検知手段で例えば温度センサ、１７は圧力検知手段で例えば圧力センサ、１８は凝縮器２の出口部の冷媒の過冷却度を演算して設定値になるように制御する過冷却度演算制御手段であり、１９は蒸発器７の出口部の冷媒の過熱度を演算して設定値になるように制御する過熱度演算制御手段である。この過冷却度演算制御手段１８と過熱度演算制御手段１９は、それぞれ、冷媒状態検知機能とこの検知した冷媒状態を適正に制御する制御機能を兼ね備えている。図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
【００４０】
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止する冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための逆止弁１１を介したバイパス配管１２、バイパス配管１２を冷媒回路に対して開閉する開閉手段である逆止弁１１、自然循環運転時にアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する開閉弁１３、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する開閉手段である逆止弁１５より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００４１】
この空気調和機では、室内温度より外気温度が高い時には強制循環運転を行う。即ち、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【００４２】
また、室内温度より外気温度が低い場合には、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止する。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【００４３】
ところで、参考例１で述べたように自然循環運転の冷房能力を最大とするためには、冷媒流量や液部長さの違いから強制循環運転時の約２倍程度の冷媒量を充填する必要がある。このため、強制循環運転時には余剰の冷媒液を冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４内に貯溜する構成とする。そして、自然循環運転を行う際の運転切換時に、アキュムレータ１４内に貯溜された余剰冷媒を、自然循環運転の冷媒回路へ戻す冷媒回収運転を行う。
【００４４】
冷媒回収運転の方法としては、電子式膨張弁４の開度を通常の強制循環運転時よりも小さくまたは全閉にして冷媒流量を小さくまたは０とし、一定時間圧縮機１を運転する。この時、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となり、この過熱ガスによってアキュムレータ１４内に貯溜していた余剰冷媒は蒸発して、逆止弁１５を通り凝縮器２へ流入する。一定時間、例えば２分程度冷媒回収運転を行い、冷媒回収運転終了後は圧縮機１を停止する。この後にアキュムレータの入口側の電磁弁１３を閉止し、自然循環運転への運転切換時に低温低圧となったアキュムレータ１４へ冷媒が流入するのを防止する。ここでは冷媒回収運転は、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒を蒸発させるのに必要な時間を予め把握しておき、一定時間行うように構成しているが、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知して冷媒回収運転の終了としてもよい。
【００４５】
以下、自然循環運転における冷媒状態の制御方法について説明する。
図２に示すように、自然循環運転において、冷房能力が最大値となる状態では、蒸発器７出口の過熱度（黒丸）が０℃である。これを利用して、例えば過熱度設定値を０℃に近い値として５℃とし、蒸発器７出口の過熱度をこの過熱度設定値に制御することにより、冷房能力が最大値となる付近の状態で運転できる。ここで、蒸発器７の出口部における過熱度が正の時には冷媒状態の変化に応じて過熱度の検知値は変化する。ところが過熱度の検知値０℃になると飽和ガス温度になってしまって、冷媒状態は変化しても過熱度の検知値は０℃となりこれ以下の値を示すことはない。このため、過熱度の設定値は０℃とせずに、０℃に近い正の値、例えば５℃とする。
【００４６】
実際に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転を行う場合に、例えば電子式膨張弁４の開度を変えて冷媒流量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度を制御する。以下、この制御方法について説明する。
蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
過熱度（℃） ＝ 温度検知値−圧力検知値での飽和温度 ・・・（１）
【００４７】
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。そして、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定することにより冷媒流量を変化させる。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、開度を大きくして冷媒流量を増加させると、過熱度が低くなる。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、開度を小さくして冷媒流量を減少させると、過熱度が高くなる。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、冷媒流量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
特に、自然循環運転での冷媒の流量は強制循環運転時のそれに比べて小さいので、電子式膨張弁４の制御を一定の時間、例えば５分程度の時間間隔で冷媒流量を変化させることにより、冷媒の動きに適した速度で制御できる。このため、安定した自然循環運転を行うことができる。なお、この時間間隔は、５分よりもおそくてもよく、例えば１０分程度でもよい。
【００４８】
また、外気温度が高く外気と室内の空調設定温度との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなる。このため、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように冷媒流量を変化させると、冷媒回路内の冷媒量の分布が変化し、余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。
そこで、本実施の形態では、凝縮器２の出口部の冷媒状態も所定の設定値になるように制御している。例えば、蒸発器７の出口部の過熱度を過熱度設定値になるように冷媒流量を変化させると共に、凝縮器２の出口部の過冷却度を過冷却度設定値、例えば８℃となるように凝縮器２内の冷媒量を変化させる。即ち、凝縮器２の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過冷却度演算制御手段１８により凝縮器２の出口部の過冷却度を演算する。この過冷却度は式（２）で演算できる。
過冷却度（℃） ＝ 圧力検知値での飽和温度−温度検知値 ・・・（２）
【００４９】
そして、演算された過冷却度検知値と過冷却度設定値（例えば過冷却度８℃程度）とを比較して、演算された過冷却度検知値が過冷却度設定値よりもある値以上に大きくなる場合は、アキュムレータの入口側の電磁弁１３を所定時間、例えば１０秒程度開く。これにより、ガス配管１０を流れる余剰冷媒は低温低圧であるアキュムレータ１４内に流入し、電磁弁１３を再び閉じると、自然循環運転を構成する冷媒回路内の冷媒量が少なくなって凝縮器２内の冷媒量も少なくなる。従って、凝縮器２の出口部での過冷却度は小さくなる。このようにして、凝縮器２の出口での過冷却度を設定値に制御でき、蒸発器７および凝縮器２の出口部の冷媒状態を、冷房能力が最大限に発揮できる状態で運転することができる。
この時に、過冷却度演算制御手段１８で冷媒量を制御したことによるアキュムレータ１４内の余剰冷媒は、その自然循環運転の継続中には冷媒回路を再び循環することはないが、圧縮機１の動作による強制循環運転と冷媒回収運転を介して冷媒回路に戻すことができる。
【００５０】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、自然循環運転において、蒸発器７の出口部の過熱度が０℃のときに空調能力が最大になるという現象に基づいて、蒸発器７の出口の過熱度を過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように制御するので、外気温度を検知しなくても自然循環運転の空調能力を最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
さらに、本実施の形態では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御することによって生じる効率の低下を防止するため、凝縮器２の出口部の冷媒状態を適切な設定値（例えば過冷却度８℃程度）となるように制御している。このように、蒸発器７と凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することにより、自然循環運転における空調能力を最大限に確実に発揮できる制御方法を得ることができる。例えば、冷媒流量を変化させることによって余剰となった凝縮器２内の冷媒を冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４に貯溜すれば、外気温度と室内温度との温度差が小さくなっても、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなることなく、自然循環運転の効率が悪くなるのを防止できる。
また、凝縮器２の出口部での冷媒状態を所定の過冷却度に制御する際、余剰の冷媒を強制循環運転で必ず必要となる冷媒貯溜手段、この場合はアキュムレータ１４に貯溜して凝縮器２内の冷媒量を変化させている。このため、特別な機器を付加しないで、自然循環運転の運転中にその空調能力を最大限に利用できる冷媒量になるように制御できる。
また、冷媒量の調整を電気ヒータなどの外部入力を用いずに、アキュムレータ１４と電磁弁１３、電子式膨張弁４の開閉によって行うため、自然循環運転の特長である大きな消費電力削減効果が得られる。
【００５１】
なお、図７に示した構成では、凝縮器２の出口部の冷媒状態の制御は、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御した上での制御であり、特に過熱度演算制御手段１９で冷媒流量を変化させたことによって生じる余剰冷媒が自然循環運転に悪影響を及ぼさないようにするためのものである。外気温度と室内の空調設定温度との温度差が大きい場合には、冷媒流量をそれほど小さくする必要がないので、凝縮器２の出口部の過冷却度の増加による効率の低下はそれ程大きくない。このため、過冷却度演算制御手段１８での過冷却度の制御は特に行わなくてもよく、過冷却度演算制御手段１８およびこれで用いている温度センサ１６と圧力センサ１７はなくてもよい。
また、特に夏は外気温度が高くなり、冷媒回路内での有効な冷媒量が少ない方がよい可能性が高いので、過冷却度演算制御手段１８によって余剰冷媒をアキュムレータ１４に貯溜するように制御し、冬には外気温度が低いために、余剰冷媒が生じることはそれほどないと考えられ、アキュムレータ１４に貯溜する制御は行わないように構成してもよい。
【００５２】
なお、過冷却度演算制御手段１８と過熱度演算制御手段１９は、それぞれ例えばマイクロコンピュータのソフトウェアで実現できるので、室外機５または室内機９に設けた電気箱にマイクロコンピュータを格納しておき、これでソフトウェアを実行するようにすればよい。
【００５３】
過熱度演算制御手段１９での蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標値は、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値となるように過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。
さらに、過熱度演算制御手段１９で蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御した上で、過冷却度制御手段１８での凝縮器２の出口部の過冷却度の目標値は、乾き度が０．１以下で、かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値となるようにするのが望ましい。これは、乾き度が０．１よりも大きい場合には、液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になるからである。また、過冷却度が２０℃より大きい場合には余剰冷媒が凝縮器２の出口部付近に蓄積された状態となり、凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００５４】
なお、凝縮器２の出口部の冷媒状態の過冷却度または乾き度は、上記のように凝縮器２内の冷媒量を変化させて制御する他に、室外ファン３の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させても制御できる。室外ファン３の回転数を大きくして風量を増加させると過冷却度は増加し、室外ファン３の回転数を小さくして風量を減少させると過冷却度は減少する。
【００５５】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による空気調和機として例えば冷房装置の制御方法について説明する。図８は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図中、図７と同一符号は同一、または相当部分を示している。本実施の形態における過熱度演算制御手段１９は、蒸発器７での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御している。また、過冷却度演算制御手段１８は実施の形態２と同様、凝縮器２の出口部の冷媒状態が所定の過冷却度になるように開閉弁１３を開閉し、アキュムレータ１４へ冷媒を貯溜させて凝縮器２内の冷媒量を変化させている。
【００５６】
即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて室内ファン８の回転数を演算する。そして、室内ファン８の回転数を演算された回転数に設定することにより風量を変化させる。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、回転数を小さくして風量を減少させると、過熱度が低くなる。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、回転数を大きくして風量を増加させると、過熱度が高くなる。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
【００５７】
過熱度演算制御手段１９での蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標値は、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値となるように過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００５８】
また、外気温度が高く外気と室内の空調設定温度との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなる。このため、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように風量を変化させると、冷媒回路内の冷媒量の分布が変化し、余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。
そこで、本実施の形態では、実施の形態１と同様にして、凝縮器２の出口部の冷媒状態も所定の設定値になるように制御している。例えば、凝縮器２の出口部の過冷却度を過冷却度設定値、例えば１５℃となるようにアキュムレータ１４を利用して凝縮器２内の冷媒量を変化させる。また室外ファン３の回転数を変化させても過冷却度を制御することができる。これに関しては実施の形態１で詳しく述べたので、ここでは省略する。
【００５９】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、自然循環運転において、蒸発器７の出口部の過熱度が０℃のときに空調能力が最大になるという現象に基づいて、蒸発器７の出口の過熱度を過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように制御するので、外気温度を検知しなくても自然循環運転の空調能力を最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
さらに、本実施の形態では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御することによって生じる効率の低下を防止するため、凝縮器２の出口部の冷媒状態を適切な設定値（例えば過冷却度１５℃程度）となるように制御している。このように、蒸発器７と凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することにより、自然循環運転における空調能力を最大限に確実に発揮できる制御方法を得ることができる。
【００６０】
実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３による空気調和機として例えば冷房装置の制御方法について説明する。図９は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図中、図７と同一符号は同一、または相当部分を示している。本実施の形態における過熱度演算制御手段１９は、蒸発器７内の冷媒量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御している。
【００６１】
即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、過熱度検知値が過熱度設定値よりも低いときに、その差に基づいて開閉弁１３を所定時間、例えば１０秒程度開とする。過熱度検知値が過熱度設定値よりも低いということは、蒸発器７内の冷媒量が多く、余剰の冷媒液がガス配管１０を流れる。そこで、開閉弁１３を開閉すると、ガス配管１０を流れる冷媒液の一部がアキュムレータ１４へ流れて貯溜する。このため蒸発器７の出口部の乾き度が増加して冷媒量が減少するため、蒸発器７内は適正な冷媒量となり、出口部の過熱度は過熱度設定値に近づくように変化する。
【００６２】
このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７内の冷媒量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
ただし、開閉弁１３を開として冷媒量を変化させるということは、即ち、余剰冷媒を自然循環運転の冷媒回路から除いてしまうことであり、蒸発器７内の冷媒量を減少させる方向にしか変化させることはできない。しかし、予め自然循環運転で余剰冷媒がある程度生じる冷媒量を充填しておき、また、アキュムレータ１４へ一度に多く貯溜するのではなく、過熱度の変化をチェックしながら徐々に貯溜するように動作させれば、なんら問題はない。
【００６３】
この時に、過熱度演算制御手段１９で冷媒量を制御したことによるアキュムレータ１４内の余剰冷媒は、その自然循環運転の継続中には冷媒回路を再び循環することはないが、圧縮機１の動作による強制循環運転と冷媒回収運転を介して冷媒回路に戻すことができる。
【００６４】
本実施の形態による過熱度の制御は、蒸発器７内の冷媒量を減少させるのであるが、実際には自然循環運転の冷媒回路全体の冷媒量を減少させることになる。このため、実施の形態２および３の構成のように、冷媒流量や風量を変化させて冷媒量の分布が変わり、余剰冷媒が凝縮器２などに溜まってくるような現象は生じない。このため、実施の形態２および３で述べたような凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御しなくても、空調能力を最大限に発揮できるような自然循環運転を行うことができる。
【００６５】
なお、実施の形態１〜実施の形態３で、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように、冷媒流量、蒸発器７での風量、蒸発器７内の冷媒量を変化させる制御方法について述べた。冷媒流量および蒸発器７での風量および蒸発器７内の冷媒量のうちの少なくともいずれか１つを変化させればよいということであり、場合によっては例えば、これら３つすべてを変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるようしてもよいし、いずれか２つを変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるようしてもよい。
【００６６】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４による空気調和機の冷媒制御方法について説明する。本実施の形態では、蒸発器の出口部の冷媒状態として過熱度の制御目標範囲と、凝縮器の出口部の冷媒状態として過冷却度の制御目標範囲について説明する。このときの空気調和機の回路構成は図７と同様である。
図１０は圧力−エンタルピー線図である。図において、Ｆは飽和液線および飽和ガス線、Ｇ１は室内空気温度に相当する飽和圧力、Ｇ２は外気温度に相当する飽和圧力である。Ｈは圧力−エンタルピー線図上の状態変化を示すサイクルで、範囲Ｄは蒸発器７の出口部の乾き度（飽和ガス線Ｆの内側）および過熱度（飽和ガス線Ｆの外側）の制御目標範囲、範囲Ｅは凝縮器２の出口部の乾き度（飽和液線Ｆの内側）および過冷却度（飽和液線Ｆの外側）の制御目標範囲である。
【００６７】
制御目標範囲Ｄにおいて、最も空調能力が大きくなるのは、蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱度＝０℃のときであり、飽和ガス線上の状態となっている。この飽和ガス線上から向かって右側へ変化するにしたがって過熱度は増大する。また、飽和ガス線上から向かって左側の部分では、過熱度は０℃のままであり、この領域では冷媒状態を表わす指標として過熱度の代わりに乾き度Ｘを用いる。飽和ガス線上から向かって左側へ変化するにしたがって、乾き度は減少する。蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標範囲Ｄは、乾き度Ｘが０．９以上で、過熱度が１０℃以下の範囲が望ましい。
ここで、乾き度は全冷媒流量に対する冷媒ガス流量の比であり、式（３）で演算できる。
乾き度＝ガスの質量流量／（ガスの質量流量＋液の質量流量）・・・（３）
【００６８】
蒸発器７の出口部の冷媒状態の設定値を範囲Ｄの間で設定し、この設定値になるように冷媒流量や蒸発器７での風量や蒸発器７内の冷媒量を制御する。前に述べたように、過熱度は温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値より、式（１）から演算できる。また、乾き度は例えば乾き度センサを蒸発器７の出口部に設けることにより検知できる。
蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。従って、蒸発器７の出口部の冷媒状態の設定値を、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値とし、ガス配管の圧力損失の増大を抑えながら蒸発器内の伝熱面積を有効に利用する。
【００６９】
例えば、目標設定範囲Ｄにおいて、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を小さくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。
【００７０】
また、例えば、室内ファン８の回転数を変化させて蒸発器７での風量を変化させ、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が増加するように室内ファン８の回転数を上げる。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を小さくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が減少するように室内ファン８の回転数を下げる。
【００７１】
また、例えば、電磁弁１３を開として蒸発器７内の冷媒量を変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、電磁弁１３を開として蒸発器７内の冷媒量を減少させると、冷媒状態は向かって右側方向に変化する。
【００７２】
また、凝縮器２の出口の冷媒状態の制御目標範囲Ｅは、乾き度Ｘが０．１以下で、過冷却度が２０℃以下の範囲が望ましい。
前に述べたように、過冷却度は温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値より、式（２）から演算できる。また、乾き度は例えば乾き度センサを凝縮器２の出口部に設けることにより検知できる。
また、凝縮器２の出口部の乾き度に０．１という上限値を設けたのは、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１より大きいと、液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になるためである。また、凝縮器２の出口部の過冷却度が２０℃よりも大きいと、凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。従って、凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値を、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値とし、凝縮器内の伝熱面積を有効に利用でき、安定した自然循環運転を行う。
【００７３】
例えば、制御目標範囲Ｅにおいて、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。
【００７４】
また、例えば、室外ファン８の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させ、凝縮器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が減少するように室外ファン３の回転数を下げる。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が増加するように室外ファン３の回転数を上げる。
【００７５】
また、例えば、電磁弁１３を開として凝縮器２内の冷媒量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、電磁弁１３を開として凝縮器２内の冷媒量を減少させると、冷媒状態は向かって右側方向に変化する。
【００７６】
以上のように、蒸発器７の出口部の冷媒状態や、凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御すれば、自然循環運転で空調能力が最大限に発揮でき、自然循環運転の特長とする消費電力削減効果をさらに向上できる。
【００７７】
なお、蒸発器７の出口部や凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御して、自然循環運転で最大限の空調能力を得るという動作は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に行うのが望ましい。これは、図４で示したように外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以上、例えば室内設定温度を３８℃とした時では外気温度が１３℃程度より低くなると空調負荷が軽くなり、過剰な冷房能力によって空調対象空間であるシェルタ内が冷え過ぎ、シェルタ内に設置されている通信機器の信頼性が低下するのを防止するためである。
【００７８】
実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１１は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。
図において、２０は冷媒貯溜手段で、凝縮器２の出口部に設けられ、凝縮器２からの冷媒液を溜める液溜め容器である。また室外機５内に外気温度を検知する外気温度センサ１６を備えている。ここで、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、凝縮器出口部の冷媒液を溜める液溜め容器２０より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００７９】
冷媒貯溜手段である液溜め容器２０は、凝縮器２の下部に配置され、凝縮器２から冷媒が流入する配管と電子式膨張弁４へ流出する配管は液溜め容器２０の下部に接続する。また、液溜め容器２０の内容積は強制循環運転と自然循環運転との適正冷媒量差に相当する冷媒液を収納できる容積とする。この場合には、液溜め容器２０は実施の形態２におけるアキュムレータ１４の代わりに設けたものとなる。
【００８０】
この空気調和機では、強制循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環のサイクルが形成される。
【００８１】
また、自然循環運転を行う場合、例えば電子式膨張弁４の開度を全開すると、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環のサイクルが形成される。ここで、冷媒は圧縮機１を通る流路にも流れようとするが、圧縮機１内部の流動抵抗がバイパス配管１２の流動抵抗に比べて非常に大きいため、圧縮機１を通る冷媒流量はバイパス配管１２を通る冷媒流量に対して無視できるほど小さくなる。
【００８２】
ところで、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用する制御方法として、実施の形態１〜実施の形態３では、蒸発器７の出口部に設けた温度センサ１６と圧力センサ１７とから蒸発器７の出口の冷媒状態である過熱度を検知して、この過熱度を設定値になるように制御する方法について述べた。本実施の形態では、凝縮器２の出口部に設けた温度センサ１６と圧力センサ１７とから凝縮器２の出口の過冷却度を検知して、この過冷却度と外気温度とに応じて凝縮器２の出口部の過冷却度を設定値になるように制御する。凝縮器２の出口部の過冷却度を制御することにより、蒸発器７の出口部の過熱度を設定値に制御する方法を用いる。
【００８３】
図２に示すように冷媒量の増加に対し、蒸発器出口部の過熱度は単調に減少し、凝縮器出口部の過冷却度は単調に増加している。即ち、蒸発器出口部の過熱度の値と凝縮器出口部の過冷却度の値とは１対１に対応している。例えば図２の下側のグラフでは、外気温度と空調設定温度との温度差が３３℃の時の、冷媒量に対する蒸発器出口部の過熱度（黒丸）の変化と凝縮器出口部の過冷却度（白丸）の変化を示している。この関係から、蒸発器出口部の過熱度を希望の設定値、例えば０℃となるように制御する代わりに、凝縮器出口部の過冷却度をこれに相当する１５℃程度を設定値として制御してもよい。この過熱度と過冷却度の関係は、外気温度と空調設定温度との温度差が変化すれば変化する。このため、本実施の形態では、外気温度と空調設定温度との温度差に対し、蒸発器出口過熱度が設定値（例えば過熱度０℃）となる凝縮器出口過冷却度をあらかじめ把握しておき、外気温度を検知して凝縮器出口部の過冷却度がその外気温度と空調設定温度との温度差における設定値となるように制御する。具体的には、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させたり、また室外ファン３の回転数を増減して凝縮器２での風量を変化させたり、また室内ファン８の回転数を増減して蒸発器７での風量を変化させて、凝縮器２の出口部の過冷却度を制御する。
【００８４】
以下、本実施の形態における冷媒制御方法について、具体的に説明する。
ここで、本実施の形態では圧縮機１の吸入部にアキュムレータを備えていないため、強制循環運転と自然循環運転との冷媒量差の調整は液溜め容器２０によって行う。つまり、強制循環運転時は必要冷媒量が自然循環運転時に比べて少ないため、余剰となる凝縮器２の出口部からの過冷却液が液溜め容器２０に貯溜する。
自然循環運転時は、凝縮器２の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過冷却度演算制御手段１８により凝縮器２の出口部の過冷却度を演算する。これは式（２）によって演算できる。
【００８５】
次に、演算された過冷却度と外気温度センサ１６で検知した外気温度と空調設定温度との温度差における過冷却度の設定値とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。最後に、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定する。このような操作を一定時間間隔ごと、例えば５分ごとに繰り返すことによって、凝縮器２の出口の過冷却度を外気温度と空調設定温度との温度差に応じた設定値に制御できる。この制御は、蒸発器７の出口部の冷媒状態である過熱度を空調能力が最大付近になるように制御することと同等である。
【００８６】
例えば、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。逆に、過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。
また、室外ファン３の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させても、凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することができる。例えば、過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が減少するように室外ファン３の回転数を下げる。逆に、過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が増加するように室外ファン３の回転数を上げる。
【００８７】
外気温度が高く外気と室内との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となる冷媒量が少なくなるため、冷媒流量や風量を適正になるように変化させることによって余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されてくる。本実施の形態ではこの余剰冷媒は凝縮器２の出口部に設けた液溜め容器２０内に蓄積されるため、外気温度の変化に関わらず凝縮器２付近の冷媒状態を適切な状態に維持することができる。
【００８８】
また、本実施の形態による空気調和機において、液溜め容器２０を設けずに図７に示すようなアキュムレータ１４を備えた構成とし、過冷却度演算制御手段１８は、凝縮器出口部の過冷却度を演算しその過冷却度が設定値になるように、開閉弁１３を開閉制御してもよい。この場合には、自然循環運転での冷媒回路内の有効な冷媒量を変化させて凝縮器出口部の過冷却度または乾き度を制御することになる。このとき電子式膨張弁４の開度を例えば全開とするなど、一定の開度に固定しておけばよい。
【００８９】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、外気温度を検知して凝縮器２の出口部の過冷却度または乾き度がその外気温度における適正値となるように制御するため、蒸発器７および凝縮器２が常に適切な状態に維持され、自然循環運転の冷房能力が最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
【００９０】
また、図１１の回路構成では冷媒量の調整を電気ヒータなどの外部入力を用いずに凝縮器２の出口部の下部に設けた液溜め容器２０によって行うため、大きな消費電力削減効果が得られるという効果がある。
また、液溜め容器２０は凝縮器２の出口と電子式膨張弁４との間の配管に設けられているので、強制循環運転から自然循環運転に切換える際に冷媒回収運転をしなくても、電子式膨張弁４の開度を大きく例えば全開にするだけで、瞬時に液溜め容器２０に溜まっている冷媒液を自然循環運転で循環させることができる。 また、自然循環運転中や強制循環運転中に生じた余剰冷媒は、冷媒貯溜手段である液溜め容器２０に自動的に貯溜する。このため、余剰冷媒の量を把握したり、余剰冷媒の量に応じた開閉弁の開閉などの煩雑な制御を必要としない。また、余剰冷媒を貯溜することによって凝縮器内または蒸発器内の冷媒量を減少させ、かつ貯溜した冷媒を流出させることによって凝縮器内または蒸発器内の冷媒量を増加させるという冷媒量の変化を自動的に行うことができる。
【００９１】
また、凝縮器２の出口部のみの冷媒状態を制御することによって、蒸発器７の出口部の冷媒状態も制御でき、実施の形態２と比較して、簡単な構成で自然循環運転の空調能力を最大限に発揮できる空気調和機を得ることができる。
【００９２】
なお、凝縮器２の出口部の冷媒状態の制御目標値に関しては、実施の形態４で述べた範囲と同様である。即ち蒸発器７の出口部の冷媒状態において、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲となるように、これに対応する凝縮器２の出口部の過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発有効な伝熱面積が減少するためである。
さらに、蒸発器７の出口部の過熱度の設定値から凝縮器２の出口部の過冷却度を設定する際、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１以下で、かつ過冷却度が２０℃以下となるように、その設定値をある程度修正してもよい。これは、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１より大きい場合には液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になり、過冷却度が２０℃より大きい場合には凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００９３】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１２は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図において、本実施の形態による空気調和機は、自然循環運転のみで冷房を行うものであり、外気温度が空調対象空間の設定値よりも高くならないところで使用されるものとする。即ち、常に外部からの冷熱によって空調対象空間を冷房しうる場合に用いられるものである。
【００９４】
以下、本実施の形態に係る冷房装置について説明する。参考例１と同様、凝縮器２は蒸発器７よりも高いところ、例えば１．４ｍ程度高いところに設置されている。図において、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２の出口部と蒸発器７の入口部との間の配管に設けられ、冷媒流量を調整する冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、凝縮器出口部の冷媒液を溜める冷媒貯溜手段である液溜め容器２０より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した冷媒液を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００９５】
液溜め容器２０は凝縮器２の下部に配置され、凝縮器２から冷媒が流入する配管と電子式膨張弁４へ流出する配管は液溜め容器２０の下部に接続されている。また、液溜め容器２０は、外気温度と空調設定温度との温度差に応じて自然循環運転での冷媒回路内の有効な冷媒量を適正にするためのものであり、実施の形態６に示すような強制循環運転と自然循環運転との併用型空気調和機の場合の液溜め容器よりも少ない冷媒液を貯溜できる容積でよい。
【００９６】
以下、自然循環運転における冷媒制御方法について説明する。
まず、図４に示したように、この空気調和機が設置されるところの空調負荷に対して、空調可能最大外気温度が最大となる冷媒量を本実施の形態の冷媒回路に充填する。そして自然循環運転で動作させる。外気温度が空調可能最大外気温度以下の場合には、空調能力が十分に空調負荷を上回っている。空調負荷に対して空調能力が大きすぎて空調対象空間内の温度が下がり過ぎる場合には、例えば室内ファン８や室外ファン３の動作を停止して、蒸発器７や凝縮器２における風量を制御して熱交換量を少なくすればよい。
【００９７】
また、外気温度が空調可能最大外気温度を越えた場合には、この構成で得られる空調能力が最大となるように運転制御する。図２で示したように、外気温度と空調設定温度との温度差が変化しても、空調能力が最大となるところでは蒸発器７の出口部の過熱度が０℃になる。これを利用して、例えば過熱度設定値を０℃に近い正の値である５℃とし、蒸発器７出口の過熱度をこの過熱度設定値に制御することにより、冷房能力が最大値となる付近の状態で運転できる。
【００９８】
例えば実際に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転を行う場合、以下に示すようにして蒸発器７の出口部の過熱度を制御する。即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
【００９９】
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。そして、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定する。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、開度を大きくして冷媒流量を多くし、過熱度が低くなるように制御する。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、開度を小さくして冷媒流量を少なくし、過熱度が高くなるように制御する。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御している。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
また、電気ヒータなどを用いないので、自然循環運転の特長である消費電力の削減効果を最大限に発揮することができる。
【０１００】
外気温度が高く外気と室内との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなるため、蒸発器７の出口部の過熱度が過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように電子式膨張弁４の開度を変化させると、余剰となる冷媒が液溜め容器２０に貯溜される。ここに液溜め容器２０を設けていない構成では、凝縮器２の出口部に余剰となった冷媒液が蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。これに対し本実施の形態では、余剰となる冷媒が液溜め容器２０に自然に貯溜されるので、効率が低下するのを防止できる。
【０１０１】
また、外気温度と空調設定温度との温度差が大きくなって冷媒回路内の冷媒量が多い方が空調能力が得られる場合には、蒸発器７の出口部の冷媒状態を適正に制御する過程で自然に液溜め容器２０に貯溜した余剰冷媒が少なくなって冷媒回路を循環するようになり、冷媒量の調整が自然にされていることになる。
【０１０２】
なお、過熱度演算制御手段１９の代わりに実施の形態１で示したような凝縮器２の出口部の過冷却度を演算制御する過冷却度演算制御手段１８を設けてもよい。この場合には、過冷却度演算制御手段１８によって、凝縮器２の出口部の温度と圧力から演算した過冷却度と、外気温度と空調設定温度との温度差に基づいて電子膨張弁４の開度を変化させるように構成する。
また、実施の形態２のように、室内ファン８や室外ファン３の回転数を変えて蒸発器７または凝縮器２での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御してもよい。
【０１０３】
参考例２．
以下、本参考例２による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１３は本参考例による空気調和機を示す回路構成図である。 図において、２１は圧縮機１の出口部の高圧配管とアキュムレータ１４の入口部の低圧配管とを接続するバイパス配管で、配管の途中に開閉手段である開閉弁２２を配設している。４は液配管６から流入した高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段で、例えば電子式膨張弁である。本参考例では、強制循環運転と自然循環運転の液部長さの違いによる冷媒量差を吸収するために、この電子式膨張弁４を蒸発器７が設置されている室内機９側に設けている。また、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
【０１０４】
参考例１と同様、本参考例による空気調和機は、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止する冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための開閉弁１３、逆止弁１１を介したバイパス配管１２、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する逆止弁１５、圧縮機１の出口部の高圧配管とアキュムレータ１４の入口部の低圧配管とを接続する開閉弁２２を介したバイパス配管２１より構成されている。
また、室内機９は液配管６から流入した高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする電子式膨張弁４、電子式膨張弁４によって絞られた湿り蒸気を空調負荷によって蒸発させる蒸発器７、室内側の送風機である室内ファン８より構成されている。
【０１０５】
この空気調和機では、強制循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を凝縮器２から流出した冷媒液が減圧されて二相状態の湿り蒸気となる適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止されて、強制循環の冷媒回路が形成される。
また、自然循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止すると、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環の冷媒回路が形成される。
【０１０６】
参考例１で示したように、自然循環運転の冷房能力が最大となる付近の冷媒量を充填した場合、強制循環運転時にはアキュムレータ１４内に余剰冷媒が蓄積され、運転切換時にこの余剰冷媒を自然循環運転時の冷媒回路へ戻す冷媒回収運転が必要となる。冷媒回収運転としては、電子式膨張弁４の開度を全閉にして強制循環運転を行う方法もあるが、この方法では圧縮機１の吸入圧力が急激に低下するため、圧縮機１内に吸入された冷媒液が発泡して冷凍機油が吐出ガスとともに冷媒回路内へ流出し、圧縮機１内部の冷凍機油量が減少して潤滑不良により焼損に至る可能性がある。特に、スクロール圧縮機の場合、吸入圧力の低下や圧縮機１内部の冷媒液の発泡によって、摺動部への給油量が低下し、摺動部が温度上昇により熱変形して破損に至るといった問題が生じる。
【０１０７】
図１４は、本参考例の空気調和機における、強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。強制循環運転で必要な冷媒量は自然循環運転で循環する冷媒量の約１／２であり、余剰の冷媒は強制循環運転中にアキュムレータ１４に貯溜されてくる。強制循環運転から自然循環運転への運転切換時に、このアキュムレータ１４に貯溜されている冷媒を自然循環運転を構成する冷媒回路に回収する必要がある。
ＳＴ１では強制循環運転を行っており、開閉弁１３は開、開閉弁２２は閉とし、電子式膨張弁４の開度は、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定された状態である。ＳＴ２で運転切換指令を受け、冷媒回収運転を開始する。即ち、ＳＴ３で開閉弁２２を開放し、ＳＴ４で電子式膨張弁４の開度を蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱状態となるような開度に絞る。この状態で、一定時間例えば２分程度、圧縮機１を動作させる冷媒回収運転を行う（ＳＴ５）。
【０１０８】
電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時の開度よりも小さくすると、冷媒流量が減少し、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となる。このため、蒸発器７からの過熱ガスがアキュムレータ１４に流入する。これと共に、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部がアキュムレータ１４に流入する。アキュムレータ１４内の冷媒液は、蒸発器７からの過熱ガスと開閉弁２２を介したバイパス配管２１を通って流入する圧縮機１から吐出された過熱ガスによって蒸発し、凝縮器２側に回収される。
【０１０９】
次に、ＳＴ６で圧縮機１を停止し、ＳＴ７で開閉弁１３を閉止してアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する。そして、ＳＴ８で開閉弁２２を閉止して、電子式膨張弁４の開度を、冷媒回路内の圧力損失を低減するために例えば全開とし（ＳＴ９）、自然循環運転へ移行する（ＳＴ１０）。
【０１１０】
上記のように、本参考例における冷媒回収運転（ＳＴ５）では、圧縮機１の入口側と出口側を結ぶバイパス配管２１と開閉弁２２を設け、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部を吸入側へバイパスするため、圧縮機１の低圧を低下させることなくアキュムレータ１４内に蓄積された冷媒を自然循環回路にスムーズに回収することができる。
【０１１１】
また、本参考例では、図１３に示すように外気温度センサ１６で測定した外気温度から外気温度検知値と空調設定温度との温度差を検知する。そして、その温度差の大小に応じてＳＴ４の電子式膨張弁４の開度あるいはＳＴ５の冷媒回収時間を変化させ、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の蒸発量を変化させている。即ち、外気温度検知値と空調設定温度との温度差に応じて回収する冷媒量を変化させ、自然循環運転の冷媒回路内の冷媒量を増減している。図３に示したように、自然循環運転では外気温度と室内温度との温度差に対して空調能力を最大限に利用するための最適な冷媒量が存在する。従って、このように冷媒量を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させることにより、自然循環運転での冷媒回路内の冷媒量を可変にし、そのときの外気温度で最大の空調能力が得られるように制御することができる。
【０１１２】
外気温度検知値と空調設定温度との温度差の大小によって、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の蒸発量を変化させるには、ＳＴ４における電子式膨張弁４の開度を温度差の大小によって変化させることにより、蒸発量を可変にできる。温度差が大きい時には自然循環運転における冷媒量が多い方がよいので、電子式膨張弁４の開度を大きくして冷媒流量を多くし、温度差が小さい時には自然循環運転における冷媒量が少ない方が空調能力が高くなるので、電子式膨張弁４の開度を小さくして冷媒流量を少なくする。この時の冷媒回収運転は２分程度に固定しておけばよい。
また、ＳＴ５における冷媒回収運転の運転時間を温度差の大小によって変化させることにより、蒸発量を可変にできる。温度差が大きい時には冷媒回収運転の運転時間を長くし、温度差が小さい時には自然循環運転における冷媒量が少ない方が空調能力が高くなるので、冷媒回収運転の運転時間を短くする。この時の電子式膨張弁４は強制循環運転よりも小さい一定の開度で固定しておけばよい。
また、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知し、検知した吐出温度や吸入温度が設定値になるまで冷媒回収運転を行い、さらにその設定値を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させる構成としてもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱度を検知してこの過熱度が所定の設定値、例えば２０℃程度になるまで、冷媒回収運転を行い、さらにその設定値を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させる構成としてもよい。
この冷媒回収運転を行う時の、運転時間，電子式膨張弁の開度４，圧縮機１の吐出温度や吸入温度，蒸発器７の出口部の過熱度の設定値は、予め実験やシミュレーションによって、それぞれのパラメータとアキュムレータ１４からの蒸発量または残った冷媒量との関係を把握して記憶しておけばよい。
【０１１３】
ただし、外気温度と空調設定温度との温度差の大小に応じてアキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の回収量を変化させる動作は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に行うのが望ましい。これは、図４で示したように外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以上、例えば室内設定温度を３８℃とした時では外気温度が１３℃程度より低くなると空調負荷が軽くなり、過剰な冷房能力によって空調対象空間であるシェルタ内が冷え過ぎ、シェルタ内に設置されている通信機器の信頼性が低下するのを防止するためである。
【０１１４】
以上のように、本参考例による空気調和機では、圧縮機１の吸入圧力を低下させることなくアキュムレータ内に蓄積された冷媒を自然循環運転の冷媒回路に回収でき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
また、外気温度を検知して冷媒回収時間や冷媒回収時の膨張弁４の開度を制御するため、外気温度と空調設定温度との温度差に応じて冷媒量を適切に制御でき、自然循環運転で最大の冷房能力を得ることができる。このため、電気ヒータなどの特別な加熱手段などを用いなくても冷媒の回収をスムーズに行うことができ、自然循環運転の特長である消費電力削減効果を十分に発揮できる。
【０１１５】
また、電子式膨張弁４を蒸発器に近い室内機側に設けたため、自然循環運転と強制循環運転において、液部長さの違いによる冷媒量差を極力小さくできる。即ち、自然循環運転と強制循環運転において、電子式膨張弁４と蒸発器７との間が長いと液部長さの違いが大きくなり、電子式膨張弁４と蒸発器７との間を短かくすると液部長さの違いを短かくできる。これにより、冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４を小型化することができる。
【０１１６】
参考例３．
以下、本参考例３について説明する。図１５は本参考例に係る空気調和機として例えば冷房装置を示す回路構成図である。この空気調和機は、強制循環運転と自然循環運転とを併設する構成のものであり、電子式膨張弁４を蒸発器に近い室内機側に設けた以外は、参考例１と同様の構成である。電子式膨張弁４を室内機側に設けたため、参考例２と同様、自然循環運転と強制循環運転において、液部長さの違いによる冷媒量差を極力小さくでき、冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４を小型化することができる。
なお、本参考例では、強制循環運転から自然循環運転への切換えの際に行う冷媒回収運転について、主に説明する。
【０１１７】
強制循環運転では、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【０１１８】
また、自然循環運転では、圧縮機１を停止し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止し、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開にする。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【０１１９】
図１６は、本参考例の空気調和機における、強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。強制循環運転で必要な冷媒量は自然循環運転で循環する冷媒量の約１／２であり、余剰の冷媒は強制循環運転中にアキュムレータ１４に貯溜されてくる。強制循環運転から自然循環運転への運転切換時に、アキュムレータ１４に貯溜されている冷媒を自然循環運転を構成する冷媒回路に回収する必要がある。本参考例では、例えばアキュムレータ１４に貯溜した冷媒の全てを自然循環運転の冷媒回路に回収するものとする。 ＳＴ１では強制循環運転を行っており、開閉弁１３は開とし、電子式膨張弁４の開度は、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定された状態である。ＳＴ２で運転切換指令を受け、冷媒回収運転を開始する。即ち、ＳＴ４で電子式膨張弁４の開度を蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱状態となるような開度に絞る。具体的には電子式膨張弁４の開度を強制循環運転の開度よりも小さくまたは全閉にして、冷媒流量を小さくまたは０とする。この状態で、一定時間例えば２分程度、圧縮機１を動作させる冷媒回収運転を行う（ＳＴ５）。
【０１２０】
冷媒流量を小さくまたは０とすると、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となり、過熱ガスがアキュムレータ４に流入する。この過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒液は蒸発して凝縮器２側に回収される。
【０１２１】
次に、ＳＴ６で圧縮機１を停止し、ＳＴ７で開閉弁１３を閉止してアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する。そして、電子式膨張弁４の開度を、冷媒回路内の圧力損失を低減するために例えば全開とし（ＳＴ９）、自然循環運転へ移行する（ＳＴ１０）。
【０１２２】
本参考例では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を過熱状態とし、その過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒を蒸発させるので、アキュムレータ１４に電気ヒータなどの特別な加熱手段を必要とせず、自然循環運転の特長とするところの消費電力の削減効果を得ることができる。さらに、簡単な手順でスムーズに強制循環運転から自然循環運転に切換えることができる。
【０１２３】
このように、蒸発器７の出口部の冷媒状態を過熱状態とし、その過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒を蒸発させるには、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０の状態で所定時間圧縮機１を運転すればよい。本実施の形態では冷媒回収運転は、アキュムレータ１４内に貯溜している余剰冷媒がすべて蒸発した時点で冷媒回収運転を終了するのであるが、これは余剰冷媒がすべて蒸発するのに必要な所定の運転時間を設定しておく。運転時間によって冷媒回収運転の終了とすることで容易に判断できる。
また、圧縮機１の吐出過熱度や吸入過熱度を検知する温度センサおよび圧力センサを備え、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とし、検知した吐出過熱度や吸入過熱度が所定の設定値になるまで、圧縮機１を運転するというように、冷媒回収運転の終了を判断してもよい。
また、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知する温度センサを備えて、この温度センサで検知した温度から温度上昇速度を検知しても、冷媒回収運転の終了を検知できる。アキュムレータ４の出口側に冷媒液が流れている間は圧縮機１の吐出温度上昇および吸入温度上昇はほとんどないが、電子式膨張弁４の開度を小さく調整することによってアキュムレータ１４内の冷媒の過熱度が上がり圧縮機１の吸入部や吐出部に冷媒ガスが流れるようになると、この部分の温度上昇速度は速くなる。このため、圧縮機１の吸入部や吐出部の温度上昇速度が所定の設定値、例えば５℃／分程度以上になった時に冷媒回収運転の終了としてもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱状態と圧縮機１の吐出温度や吸入温度の関係を把握しておけば、この吐出温度や吸入温度が所定の設定値になった時に冷媒回収運転を終了してもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱度を検知する手段を備え、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とし、検知した過熱度が所定の設定値になるまで、圧縮機１を運転して、冷媒回収運転の終了としてもよい。この場合にも冷媒回収運転の終了を検知できる。この過熱度の検知手段については実施の形態２で述べたので、ここでは省略する。
【０１２４】
冷媒回収運転の終了を検知するため、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とした状態で、運転時間，吐出温度や吸入温度の設定値，過熱度の設定値は、予め設定しておく必要がある。この設定方法の一例としては、予め、実験やシミュレーションによって、アキュムレータ１４に全体の冷媒量の１／２が貯溜されている時に、その冷媒を蒸発させるのに必要な電子式膨張弁４の開度と運転時間の関係や、アキュムレータ１４にほとんど冷媒がなくなった時の圧縮機１の吐出温度や吸入温度の値や蒸発器７の出口部の過熱度の値を把握しておけばよい。
【０１２５】
なお、図１５に示す構成で、参考例２に示したように、圧縮機１の入口側と出口側を結ぶバイパス配管２１と開閉弁２２を設け、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部を蒸発器７からの過熱ガスと共にアキュムレータ１４に流入させるように構成すれば、圧縮機１の低圧を低下させることなくアキュムレータ１４内に蓄積された冷媒を自然循環回路にスムーズに回収することができる。
【０１２６】
なお、実施の形態１〜実施の形態６において、冷媒流量調整手段４として例えば電子式膨張弁を用いたが、これに限るものではない。特に、実施の形態１，５，６における冷媒流量調整手段４は、空気調和機の運転中に過熱度演算制御手段１９または過冷却度演算制御手段１８の出力する制御信号によって冷媒流量を変化させることができるものであればよい。例えば、複数の毛細管と複数の開閉弁を組合わせた構成とし、制御信号に基づいて開閉する開閉弁の種類を変化させることにより、冷媒が通過する毛細管の数を変化させる構成としてもよい。
また、実施の形態２では、蒸発器７または凝縮器２での風量を変化させる手段として、室内ファン８または室外ファン３の回転数を変化させているが、これに限るものではない。例えば、回転数は変化させずに、風路形状を変化させることにより、風路抵抗を変化させる構成としてもよい。また、回転数と風路形状を共に変化させてもよい。
【０１２７】
また、実施の形態１〜実施の形態６における空気調和機では、冷媒として例えば、フロンＲ２２や、フロンＲ３２／Ｒ１２５が５０／５０重量％の混合冷媒であるフロンＲ４１０Ａ、フロンＲ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａが２３／２５／５２重量％であるフロンＲ４０７Ｃや、炭化水素冷媒または炭化水素を含む混合冷媒、アンモニアなどを用いることができる。
冷媒としてフロンＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５＝５０／５０重量％）を用いると、Ｒ２２に比べて冷媒回路内の圧力損失が小さく、自然循環運転で得られる冷房能力を増大できる。
また、炭化水素冷媒には、例えばプロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）などがあり、これらはオゾン層破壊能力（ＯＤＰ）が０であるとともに、フロンＲ２２やフロンＲ４１０Ａなどのフロン冷媒に比べて地球温暖化能力（ＧＷＰ）が１オーダー以上小さく、地球環境に対して害の小さな冷媒である。特に、炭化水素冷媒の中でもプロパン（Ｒ２９０）は、同一質量速度におけるフロンＲ２２に対する蒸発熱伝達率は２．３倍、凝縮熱伝達率は１．３倍程度であり、圧力損失の点でも好ましく、地球環境に対して害が小さくかつフロンＲ２２に近い性能が得られる炭化水素冷媒である。
なお、ここでは炭化水素冷媒としてプロパン（Ｒ２９０）が自然循環運転に適していることを示したが、熱伝達率が大きく圧力損失の小さい他の炭化水素冷媒や炭化水素冷媒を含む混合冷媒を用いても、同様に地球環境に対して害が小さくかつ自然循環運転の冷媒として適用できるという効果を発揮する。ここで、炭化水素冷媒を含む混合冷媒としては、例えば二酸化炭素（ＣＯ2 ）／プロパン（Ｒ２９０）やアンモニア（ＮＨ3 ）／プロパン（Ｒ２９０）などを用いることができる。
【０１２８】
また、実施の形態１〜実施の形態６では、空気調和機として冷房装置について説明したが、凝縮器を室内側、蒸発器を室外側に設置して外気の温熱を利用した暖房装置についても適用でき、同様の効果がある。
【０１２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯溜手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記強制循環運転から前記自然循環運転への運転切換時に、前記蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップと、前記ステップで過熱状態となった冷媒の過熱ガスを前記冷媒貯溜手段に流入して貯溜している冷媒を蒸発させるステップとを備え、前記強制循環運転で前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒を前記自然循環運転の冷媒回路に回収することにより、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３０】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップで、冷媒流量が、強制循環運転における冷媒流量よりも小さくなるように冷媒流量調整手段を調整し、蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態としたことにより、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３１】
また、本発明によれば、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯溜手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記強制循環運転から前記自然循環運転への運転切換時に、前記蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップと、前記ステップで過熱状態となった冷媒の過熱ガスを前記冷媒貯溜手段に流入して貯溜している冷媒を蒸発させるステップと、外気温度と空調設定温度との温度差を検知するステップと、前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒を蒸発させるステップにおける前記冷媒の蒸発時に前記温度差を検知するステップで検知した温度差の大小により前記冷媒の蒸発量を変化させるステップと、を備え、前記強制循環運転で前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒の回収量を増減することにより前記自然循環運転の冷媒回路内の冷媒量を増減するので、冷媒回収運転後に、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒量とすることができ、高い空調能力で運転できる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３２】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度に応じて冷媒流量調整手段を制御することにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機が得られる。
【０１３３】
また、本発明によれば、冷媒貯溜手段に貯溜している冷媒を蒸発させるステップを所定時間行うことにより、冷媒回収運転の終了を容易に判断でき、自然循環運転での冷媒量を空調能力が最大限に発揮できる量とすることができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３４】
また、本発明によれば、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値としたことにより、凝縮器内の伝熱面積を有効に利用でき、安定した自然循環運転を行うことができる空気調和機が得られる。
【０１３５】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように冷媒流量調整手段を調整したことにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機が得られる。
【０１３６】
また、本発明によれば、自然循環運転時に蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように、冷媒流量および前記蒸発器での風量および前記蒸発器内の冷媒量のうちのいずれか１つを変化させたことにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３７】
また、本発明によれば、自然循環運転における蒸発器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値であることにより、ガス配管の圧力損失の増大を抑えながら蒸発器内の伝熱面積を有効に利用できる空気調和機が得られる。
【０１３８】
また、本発明によれば、自然循環運転で、冷媒流量または冷媒量を所定時間間隔で変化させることにより、自然循環運転に適した速度で制御でき、安定して自然循環運転を行うことができる空気調和機が得られる。
【０１３９】
また、本発明によれば、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に、自然循環運転における冷媒流量または冷媒量を変化させることにより、空調能力が過大になるのを防止でき、必要な外気温度と空調設定温度との温度差の範囲において自然循環運転による空調能力を最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができる空気調和機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１による空気調和機を示す回路構成図である。
【図２】 参考例１に係わる冷媒充填量に対する冷房能力、蒸発器出口過熱度、凝縮器出口過冷却度を示す特性図である。
【図３】 参考例１に係わる冷媒充填量に対する冷房能力を示す特性図である。
【図４】 参考例１に係わる外気温度に対する空調負荷と冷房能力の関係を示す特性図である。
【図５】 参考例１に係わるシュミレーションモデルを示す説明図である。
【図６】 参考例１に係わるシュミレーション結果による時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態１による空気調和機を示す回路構成図である。
【図８】 本発明の実施の形態２による空気調和機を示す回路構成図である。
【図９】 本発明の実施の形態３による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４に係わる圧力−エンタルピー線図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１２】 本発明の実施の形態６による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１３】 参考例２による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１４】 参考例２に係わる強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。
【図１５】 参考例３による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１６】 参考例３に係わる強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。
【図１７】 従来の自然循環運転を利用した空気調和機を示す回路構成図である。
【図１８】 従来の自然循環運転と強制循環運転とを備えた空気調和機を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 室外送風機、４ 冷媒流量調整手段、５ 室外機、６ 液配管、７ 蒸発器、８ 室内送風機、９ 室内機、１０ ガス配管、１１，１５ 開閉手段、１２ バイパス配管、１３ 開閉手段、１４ アキュムレータ、１６ 温度検知手段、１７ 圧力検知手段、１８ 過冷却度演算制御手段、１９ 過熱度演算制御手段、２０ 冷媒貯溜手段、２１ バイパス配管、２２ 開閉手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、年間を通して運転される空気調和機に関するものであり、特に圧縮機の動力を用いずに空調を行う自然循環運転を備えた空気調和機の空調能力の向上に関する。また、圧縮機の動力を用いる強制循環運転と自然循環運転とを併設する空気調和機の冷媒の制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話をはじめとする移動体通信の普及によって、電算機室や移動体通信の中継電子機器を納めた基地局（シェルタ）に代表されるような電子機器の発熱を除去する分野が急速に広がっており、これらの場所では年間を通しての冷房運転が必要となっている。
【０００３】
これらの用途では、冬季や夜間のように外気温度が低い場合には、換気によって冷房することも可能であるが、霧，雨，雪，塵埃の侵入を防ぐ装置が必要となり、しかも外気温度の変動によって室内温度も変動するため、安定した冷房が行えない。この様な条件では、室内温度と外気温度との温度差と、室内機と室外機との高低差とを利用して、室内から室外へ冷媒により熱を運ぶ自然循環を利用した空気調和機を用いることができる。この自然循環を利用した空気調和機では、自然循環を利用した運転(以下、自然循環運転という)を行う場合に圧縮機動力が不要となるため、圧縮機を利用した運転(以下、強制循環運転という)を行う空気調和機による冷房よりも年間消費電力を大幅に低減することができる。
【０００４】
ここで、自然循環による冷房運転の動作原理について、図１７を用いて説明する。図１７は自然循環を利用した空気調和機として冷房装置を示す回路構成図であり、図において、２は凝縮器、３は室外ファン、５は室外機、６は液配管、７は蒸発器、８は室内ファン、９は空調対象空間に配置される室内機、１０はガス配管である。この場合は、冷房を行うので、蒸発器７が室内側に設置され、凝縮器２が室外側に設置されている。
凝縮器２を蒸発器７より相対的に高位置に配置すると、凝縮器２で凝縮した液冷媒は、液配管６内を重力により下降して蒸発器７に流入する。蒸発器７に流入した液冷媒は空調対象空間例えば室内の熱負荷を受けて蒸発した後、ガス配管１０を上昇して凝縮器２へ戻ることでサイクルが形成される。
【０００５】
このように、自然循環による冷房運転とは冷媒を循環させる駆動力として蒸発器７と凝縮器２との位置的な高低差における液冷媒とガス冷媒の密度差を利用するものであり、凝縮器２，蒸発器７，液配管６，ガス配管１０，および冷媒回路内の開閉弁部などの冷媒流路における圧力損失の和が液配管６内の液柱高さによる圧力上昇と等しい場合に成立する。
このような自然循環を利用した空気調和機において、従来、冷媒量は経験から適当な量を充填していた。また、自然循環運転中に空調能力を考慮して冷媒状態を適正に制御してはいなかった。
【０００６】
また、自然循環を利用した空気調和機では、室内温度と外気温度との温度差の存在が必要であり、環境条件によっては自然循環運転が機能しない場合が生じる。そこで、自然循環運転が機能しない場合に圧縮機を用いた強制循環運転を行う併用の空気調和機が構成されている。
ところで、自然循環運転と強制循環運転とを組合わせた空気調和機では、一般に自然循環運転と強制循環運転との冷媒流量の差や液部長さの違いに起因する冷媒量の差、負荷変動に起因する冷媒流量の差、延長配管の長短に起因する冷媒量の差などを調整する必要から、冷媒回路内に冷媒量調節手段を設ける必要がある。従来の空気調和機では、凝縮器出口に設けられた液溜め容器や圧縮機の吸入側に設けられたアキュムレータにこの冷媒量調節機能を持たせていたが、その冷媒量の適正な制御方法に関する検討はほとんど行われていなかった。
【０００７】
自然循環を利用した空気調和機の冷媒量制御方法の一例として、特開昭５７−９２６６６号公報に掲載されたように強制循環運転による冷房と自然循環運転による暖房とを併用した冷暖房機において冷媒量を制御したものがある。図１８は従来の強制循環運転と自然循環運転を有する空気調和機を示す回路構成図である。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、５は室外機、６、１０はそれぞれ冷媒配管で、自然循環運転時の液配管６とガス配管１０である。７は室内熱交換器、９は室内機、１４はアキュムレータ、２０は液溜め容器、２３は冷媒量調節器、２４はドライヤフィルタ、２５は加熱装置、２６は冷媒加熱コイル、２７は電磁弁、２８は逆止弁、２９は暖房運転の起動を円滑に行わせるための逆流防止用開閉弁、３０は冷媒加熱コイル出口２６ｂの冷媒圧力や温度の異常上昇を防止する高圧制御弁、３１は毛細管、３２は仕切、３３は冷媒管路、３４は分岐管、３５は配管、３６は電気ヒータ、３７、３８は開閉弁である。
【０００８】
この空気調和機は、圧縮機１を用いる強制循環運転の場合、電磁弁２７を閉止して、圧縮機１、凝縮器２、ドライヤフィルタ２４、逆止弁２８、毛細管３１、冷媒配管６、室内熱交換器７、冷媒配管１０、冷媒量調節器２３のアキュムレータ１４で、閉回路を構成する。そして、室内熱交換器７を蒸発器として動作させ、冷媒の蒸発を利用して室内の冷房を行う。
一方、自然循環運転による暖房の場合、電磁弁２７を開放して加熱装置２５を運転し、冷媒加熱コイル２６、該コイルの高位置側端部２６ａ、電磁弁２７、アキュムレータ１４、冷媒配管１０、室内熱交換器の高位置側端部７ａ、室内熱交換器７、室内熱交換器の低位置側端部７ｂ、冷媒配管６、冷媒加熱コイル２６の低位置側端部２６ｂで、閉回路を構成する。そして、室内熱交換器７を凝縮器として動作させ、冷媒の凝縮を利用して室内の暖房を行う。
【０００９】
また、冷媒量調節器２３の内部は、仕切３２によって外側の室２０と内側の室１４とに分けられている。そして、外気温度の影響を受ける外側の室２０を液溜め容器とし、内側の室１４をアキュムレータとした構造である。また、分岐管３４によって、液溜め容器２０の底部と、冷媒管路３３とを連通している。
分岐管３４で液溜め容器２０と連結されている冷媒管路３３は、強制循環運転時に室内熱交換器７に送る低圧の液冷媒が流れる管路で、かつ、自然循環運転時に室内熱交換器７で熱交換を行った後の液冷媒が流れる管路である。
アキュムレータ１４は、強制循環運転時に室内熱交換器７で熱交換を行った後のガス冷媒が流れる冷媒管路で、かつ、自然循環運転時に室内熱交換器７に送るガス冷媒が流れる冷媒管路中に設けられている。この冷媒量調整器２３によって、強制循環運転と自然循環運転との冷媒量の差を調整している。
【００１０】
上記のような従来の冷暖房機では、自然循環運転時において、外気温度が設定値、例えば５℃程度よりも低下すると、空調負荷の増加により冷媒流量を増加する必要がある。ところが、冷媒量調節器２３が外気によって冷却されるため、冷媒調節器２３内に冷媒が溜まってしまう。このような場合に、外気温度検知サーモの指令によって電気ヒータ３６が通電により発熱し、冷媒量調節器２３に熱を与えて溜まっている冷媒を蒸発させている。このため、外気温度が低いにも係わらず冷媒量調節器２３内の冷媒量が適正に保たれ、十分な自然循環能力が得られるというものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の自然循環を利用した空気調和機では、充填する冷媒量を適当に決めており、空調能力を考慮してはいなかった。また、自然循環運転中に冷媒状態を制御して空調能力を向上させてはいなかった。
また、従来の強制循環運転と自然循環運転とを併用した空気調和機では、空調負荷の変化に対して自然循環運転時の冷媒量を制御する場合、外気温度が設定値よりも低下すると、外気温度検知サーモの指令によって電気ヒータ３６が通電により発熱し冷媒量調節器２３に一定量の熱を与える構成であり、外気温度や冷媒流量が自然循環運転の能力に及ぼす影響を考慮した冷媒量制御が行われていなかったため、自然循環運転を利用することによる消費電力削減効果が小さくなるという課題があった。
【００１２】
また、冷媒量の調節を電気ヒータによって行うため、電気ヒータの電力量分だけ消費電力が増加し、自然循環運転を利用することによる消費電力削減効果が小さくなるという課題があった。
【００１３】
本発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、自然循環運転において空調能力を考慮して最適な冷媒状態で運転でき、空調能力を最大限に発揮できる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。
また、強制循環運転と自然循環運転とを備え、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。
また、強制循環運転と自然循環運転とを備え、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、さらに空調能力を最大限に利用して自然循環運転を行い、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法を得ることを目的とするものである。 また、自然循環運転において高い空調能力が得られる空気調和機を得ることを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る空気調和機は、蒸発器とこの蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを配管で接続し冷媒を循環させて自然循環運転を行う空気調和機において、凝縮器と蒸発器の間の配管に設けられた冷媒流量調整手段と、凝縮器の出口の下部に配置されるとともに冷媒流量調整手段と凝縮器の間の配管に下部から接続された冷媒貯溜手段と、凝縮器の入口側の配管に圧縮機の吐出と吸入の間を逆止弁を介してバイパスさせるバイパス配管とを備え、圧縮機による強制循環運転から冷媒流量調整手段を全開にして自然循環運転へ切換可能とし、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度と外気温度に応じて凝縮器からの余剰冷媒を冷媒貯溜手段に蓄積するように冷媒流量調整手段を制御することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る空気調和機は、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度に応じて冷媒流量調整手段を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、圧縮機と冷媒貯留手段とをバイパスするバイパス配管、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を接続し冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、冷媒貯留手段の入口側に開閉弁を設け、自然循環運転時に凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度または乾き度が設定値になるように開閉弁を開閉制御したことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値であることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る空気調和機は、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値となるように冷媒流量調整手段を調整したことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、圧縮機と冷媒貯留手段とをバイパスするバイパス配管、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を接続し冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、冷媒貯留手段の入口側に開閉弁を設け、自然循環運転時に蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように開閉弁を開閉制御したことを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転における蒸発器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係る空気調和機は、自然循環運転で、冷媒流量または冷媒量を所定時間間隔で変化させることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る空気調和機は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に、自然循環運転における冷媒流量または冷媒量を変化させることを特徴とするものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
参考例１．
以下、本発明の参考例１について説明する。図１は本実施の形態に係る空気調和機として例えば冷房装置を示す回路構成図である。この空気調和機は、強制循環運転と自然循環運転とを併設する構成のものである。
図において、１は圧縮機、２は凝縮器、３は室外ファン、４は冷媒流量調整手段で例えば電子式膨張弁、５は室外機、６は液配管、７は蒸発器、８は室内ファン、９は室内機、１０はガス配管、１１は開閉手段で例えば逆止弁、１２はバイパス配管、１３は開閉手段で例えば開閉弁、１４はアキュムレータ、１５は開閉手段で例えば逆止弁である。
【００２４】
図１に示すように、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０で冷媒回路を構成し、配管内に冷媒を循環させる。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させるための凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止するための冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための逆止弁１１を介したバイパス配管１２、自然循環運転時にアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する開閉弁１３、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する逆止弁１５より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
室外機５の凝縮器２は室内機９の蒸発器７よりも高い位置に配置されており、ここでは例えば１．４ｍ程度の高低差をつけて配置している。
【００２５】
この空気調和機は、例えば発熱する電子機器などを納めたシェルタのように年間を通して冷房が必要な場所に利用される。そして、室内温度が外気温度よりも低いときには、圧縮機１を動作させる強制循環運転により室内の冷房を行う。また、室内温度が外気温度よりも高い時には、圧縮機１を停止して外気の冷熱を利用した自然循環運転により室内の冷房を行う。ここで、本実施の形態では、蒸発器７での冷媒の蒸発を利用して空調対象空間の冷房を行っている。
以下、強制循環運転について説明する。
電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【００２６】
次に、室内温度より外気温度が低い場合の自然循環運転について説明する。圧縮機１を停止し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止し、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開にする。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【００２７】
図２は、蒸発器とこの蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを配管で接続し冷媒を循環させて自然循環運転を行う空気調和機の実験機を試作し、複数の異なる冷媒充填量（例えば２．８ｋｇ，３．２ｋｇ，３．６ｋｇ，４．０ｋｇ，４．４ｋｇ，４．８ｋｇ）を充填して自然循環運転したときの、それぞれ自然循環運転時の冷媒充填量（ｋｇ）に対する冷房能力（ｋＷ）、蒸発器出口過熱度（℃）、凝縮器出口過冷却度（℃）の変化を示す実験結果である。図２の上側のグラフは、冷房能力の測定結果、下側のグラフは蒸発器出口過熱度（黒丸）、凝縮器出口過冷却度（白丸）の測定結果を示している。また、実験条件は室内温度と外気温度との温度差ΔＴが３３℃で一定の場合であり、横軸の冷媒充填量は自然循環運転を構成する冷媒回路内への冷媒充填量を示している。
【００２８】
図２の上側のグラフから明らかなように、冷房能力は冷媒充填量が４ｋｇ付近で最大値を示している。冷媒充填量が４ｋｇより少ない場合で、冷媒充填量の増加に伴い冷房能力が増加するのは、冷媒充填量の増加に伴って冷媒回路での有効な液柱高さが増加し、冷媒流量が増加するためである。また、冷媒充填量が４ｋｇを越えた場合で、冷媒充填量の増加に伴い冷房能力が減少するのは、蒸発器出口の冷媒が二相状態となるため蒸発器内のエンタルピー差が減少するとともに、蒸発器出口から凝縮器入口までのガス配管の圧力損失が増加し冷媒流量が減少するためである。また、図２の下側のグラフからわかるように、冷房能力が最大となる冷媒充填量（図２上側のグラフの冷媒充填量が４ｋｇ付近）では蒸発器出口は飽和ガスの状態（蒸発器出口過熱度０℃）となる。従って、この場合の室内外温度差（３３℃）では冷媒充填量を４ｋｇ付近の値に設定することにより、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用することができ、最大の消費電力削減効果を得ることができる。また、４ｋｇ以下に比べて４ｋｇ以上の方が冷媒量に対する冷房能力の低下割合が大きいため、充填する冷媒量は冷房能力が最大となる時の充填量以下（例えば３．５ｋｇ〜４．０ｋｇ）に設定しておけば、最大に近い冷房能力が得られる。
【００２９】
また、図２の実験条件における強制循環運転の適正冷媒量は約２ｋｇであるため、自然循環運転の冷房能力を最大とするためには、強制循環運転時の約２倍（４ｋｇ／２ｋｇ）程度の冷媒量を充填すればよいことがわかる。
【００３０】
図３は自然循環運転時の冷媒充填量（ｋｇ）に対する冷房能力（ｋＷ）を室内温度と外気温度との温度差ΔＴが３３℃の場合と１０℃の場合を比較したものである。図３に示すように、室内温度と外気温度との温度差ΔＴが小さくなると、最大となる冷房能力が得られる冷媒充填量が減少している。図３の点線は温度差が変化した時の冷房能力の最大値を結んだ直線である。この変化は、温度差ΔＴが小さくなると、凝縮器出口の過冷却度が減少するため、冷媒回路内の有効な液柱高さが減少し、冷媒流量が減少するためである。このことから、自然循環運転において、外気温度が高く室内外の温度差が小さい場合には、外気温度が低く室内外の温度差が大きい場合に比べ、冷媒充填量の少ない方が高い冷房能力を得られることがわかる。
【００３１】
図４は室内温度３８℃における自然循環運転時の外気温度に対する冷房能力および空調負荷の関係を示している。図において、横軸は外気温度（℃）、縦軸は冷房能力および空調負荷を示し、曲線Ａは例えば冷媒充填量が４ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量を示し、曲線Ｂは冷媒充填量が３．５ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量、曲線Ｃは冷媒充填量が３．０ｋｇのときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調能力量を示している。この空調能力量は、空気調和機を構成する機器においてシュミレーションによって求めたり、実験的に求めることができる。
【００３２】
また、図４において、点線で示す曲線Ｚ１，Ｚ２は室内設定温度３８℃のときの各外気温度に対しその外気温度に対する空調負荷量を示している。
ここで、各外気温度に対しその外気温度に対する空調負荷量は、機器の発熱量やシェルタの熱容量、壁からの吸放熱量によって、設計段階で求めることができる。
本実施の形態の空気調和機のように、シェルタのような人の出入がほとんどなく電子機器からの単位時間あたりの発熱量もほとんど変化しない空間で用いられる場合には、空調負荷量は外気温度が高くなるとこれに応じて大きくなり、曲線Ｚ１，Ｚ２に示されるように単調に増加するものとなっている。
【００３３】
また、自然循環運転時の空調能力量、この場合には冷房能力量は、外気温度３８℃で室内温度３８℃と同一の時には０であり、外気温度が３８℃から低下するとともに増加する。逆に空調負荷曲線は室内から外気への放熱のため、外気温度が低下するとともに減少する。このような特性から、例えばシェルタ内を３８℃以下に保つときの空調負荷曲線がＺ１である場合、冷房能力量と空調負荷量とがほぼ一致するときの外気温度、即ち冷房能力曲線と空調負荷曲線Ｚ１の交点における外気温度が、自然循環運転で空調負荷をまかなうことのできる空調可能最大外気温度となっている。具体的には、冷房能力曲線が曲線Ｂで示される冷媒量を充填した場合には、外気温度２１℃で空調負荷曲線Ｚ１と交差しており、空調可能最大外気温度は２１℃である。この場合、外気温度が空調可能最大外気温度２１℃以下のいかなる温度においても自然循環運転の冷房能力が空調負荷よりも大きくまたは空調負荷と等しくなり、自然循環運転の冷房能力だけで十分に空調負荷をまかなうことができる。
このように、変化させた複数の冷媒量において、前記空調能力量と前記空調負荷量とがほぼ一致するときの空調可能最大外気温度をそれぞれ求める。
【００３４】
本参考例では、空気調和機の自然循環運転による空調機能を最大限に生かすため、空調可能最大外気温度が最も高くなるように冷媒回路に冷媒を充填する。即ち、空調負荷量が図４の曲線Ｚ１に示すものとすると、この曲線Ｚ１と交差する点の外気温度が一番高い冷房能力曲線となる冷媒充填量を選ぶと、自然循環運転の冷房能力だけで十分に空調負荷量をまかなうことができる温度範囲が大きくなる。図４では曲線Ｂと曲線Ｚ１と交差する点の空調可能最大外気温度が一番高くなるので、この冷媒量３．５ｋｇを充填する。このように冷媒回路に充填する冷媒量を決定することにより、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる外気温度範囲が最大限に大きくなり、最大の消費電力の削減効果が得られる。
【００３５】
上記のようにして決定される冷媒充填量は、空調負荷量の変化によって変わるものであり、例えば曲線Ｚ２に示すような空調負荷量の場合には、曲線Ｃと曲線Ｚ２と交差する点の空調可能最大外気温度が一番高くなるので、この冷媒量３ｋｇを冷媒充填量として決定すれば、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる外気温度範囲が最大限に大きくなる。
【００３６】
なお、この空調能力曲線と空調負荷曲線の交差する点の外気温度以上では、空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができなくなる。このため、外気温度がこれ以上になる場所で使用する場合には、強制循環運転を併用する。
また、例えば外気温度がほとんど空調可能最大外気温度以下であり、たまたま外気温度がこれ以上に上がって空調負荷が増えた場合には、例えば電子式膨張弁４の開度を変化させるなどして蒸発器７の出口部での過熱度を０に近い値に制御してもよい。図２に示すように、蒸発器７の出口部の冷媒状態として過熱度が０℃付近で、冷房能力が最大となっているので、蒸発器７の出口部での過熱度を０℃に近い値になるように運転すると、そのままの運転状態で継続するよりも冷房能力を増加することができる。
また、外気温度が自然循環運転のみでまかなうことができる温度以上にならない場所で使用する場合には、強制循環を併用する必要はなく、自然循環の冷媒回路を備えた構成とし、かつ本実施の形態で述べたように空調負荷量を自然循環運転でまかなうことができる温度範囲が最大限に大きくなるような冷媒量を充填すればよい。
【００３７】
自然循環運転を利用した空気調和機では、運転動力としては室外ファン３と室内ファン８の入力だけであり、年間消費電力の大幅削減が可能となる。特に、本実施の形態では、自然循環運転による空調可能外気温度の範囲が広くなるように冷媒の充填量を決定したので、さらに年間消費電力の大幅削減できる。
例えば図５に示すように、横１．５ｍ、奥行き３．７ｍ、高さ１．５ｍのシェルタのモデルを設定し、電子機器からの発熱量をＱ1 、壁からの吸放熱量をＱ2 、室内機の冷房能力量をＱ3 とし、特に室内機の強制循環運転の冷房能力量をＱ3c、自然循環運転の冷房能力量をＱ3nとして空調した際のシェルタ内の温度変化をシュミレーションした。このときのシェルタ内の空調の設定温度範囲を例えば２６℃〜３８℃、外気温度を２６℃とする。図６に時間に対するシェルタ内の温度変化を示す。図６（ａ）は圧縮機を用いた強制循環運転のみで空調を行った場合（通常型）の温度変化であり、図６（ｂ）は自然循環運転と強制循環運転を併用した場合（自然循環併用型）の温度変化である。シェルタ内の温度が設定温度範囲の上限である３８℃以上になると、圧縮機を運転して強制循環運転による冷房を行う。また、シェルタ内の温度が設定温度範囲の下限である２６℃以下になると、図６（ａ）では圧縮機を停止して冷房を行わず、図６（ｂ）では圧縮機を停止して自然循環運転による冷房を行う。この自然循環併用型において、自然循環運転の空調可能最大外気温度は、２６℃以下とする。
【００３８】
シェルタ内の温度は、強制循環運転によって、Ｑ1 −Ｑ2 −Ｑ3cの熱量で冷房され、３８℃から△ｔc （時間）で２６℃まで冷やされる。ここで、図６（ａ）の通常型では圧縮機運転を停止すると、Ｑ1 −Ｑ2 の熱量によって徐々に温度は上昇し△ｔn1（時間）で設定温度範囲の上限に達すると、再び圧縮機を運転する。一方、図６（ｂ）の自然循環併用型では圧縮機運転を停止すると、自然循環運転による冷房が行われる。このため、Ｑ1 −Ｑ2 −Ｑ3nの熱量によって徐々に温度は上昇し、△ｔn1（時間）よりも長い△ｔn2（時間）で設定温度範囲の上限に達し、再び圧縮機を運転する。
このように、強制循環運転と自然循環運転とを併用することにより、圧縮機の停止時間を長くでき、圧縮機の運転率を△ｔc ／（△ｔc ＋△ｔn1）から△ｔc ／（△ｔc ＋△ｔn2）に低下することができる。
本シュミレーション結果によれば、自然循環併用型空気調和機では、強制循環運転のみの空気調和機と比較して、圧縮機年間運転率を６９〜８６％程度低減でき、圧縮機の発停回数が大幅に低減でき、信頼性を向上できる空気調和機が得られる。また、圧縮機の運転率が低下することから、５１〜６６％程度、年間消費電力を削減できる。特に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用できる冷媒量を充填しているので、その効果を確実に得ることができる。
【００３９】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による空気調和機として例えば冷房装置について説明する。図７は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。
図において、１６は温度検知手段で例えば温度センサ、１７は圧力検知手段で例えば圧力センサ、１８は凝縮器２の出口部の冷媒の過冷却度を演算して設定値になるように制御する過冷却度演算制御手段であり、１９は蒸発器７の出口部の冷媒の過熱度を演算して設定値になるように制御する過熱度演算制御手段である。この過冷却度演算制御手段１８と過熱度演算制御手段１９は、それぞれ、冷媒状態検知機能とこの検知した冷媒状態を適正に制御する制御機能を兼ね備えている。図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
【００４０】
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止する冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための逆止弁１１を介したバイパス配管１２、バイパス配管１２を冷媒回路に対して開閉する開閉手段である逆止弁１１、自然循環運転時にアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する開閉弁１３、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する開閉手段である逆止弁１５より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００４１】
この空気調和機では、室内温度より外気温度が高い時には強制循環運転を行う。即ち、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【００４２】
また、室内温度より外気温度が低い場合には、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止する。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【００４３】
ところで、参考例１で述べたように自然循環運転の冷房能力を最大とするためには、冷媒流量や液部長さの違いから強制循環運転時の約２倍程度の冷媒量を充填する必要がある。このため、強制循環運転時には余剰の冷媒液を冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４内に貯溜する構成とする。そして、自然循環運転を行う際の運転切換時に、アキュムレータ１４内に貯溜された余剰冷媒を、自然循環運転の冷媒回路へ戻す冷媒回収運転を行う。
【００４４】
冷媒回収運転の方法としては、電子式膨張弁４の開度を通常の強制循環運転時よりも小さくまたは全閉にして冷媒流量を小さくまたは０とし、一定時間圧縮機１を運転する。この時、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となり、この過熱ガスによってアキュムレータ１４内に貯溜していた余剰冷媒は蒸発して、逆止弁１５を通り凝縮器２へ流入する。一定時間、例えば２分程度冷媒回収運転を行い、冷媒回収運転終了後は圧縮機１を停止する。この後にアキュムレータの入口側の電磁弁１３を閉止し、自然循環運転への運転切換時に低温低圧となったアキュムレータ１４へ冷媒が流入するのを防止する。ここでは冷媒回収運転は、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒を蒸発させるのに必要な時間を予め把握しておき、一定時間行うように構成しているが、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知して冷媒回収運転の終了としてもよい。
【００４５】
以下、自然循環運転における冷媒状態の制御方法について説明する。
図２に示すように、自然循環運転において、冷房能力が最大値となる状態では、蒸発器７出口の過熱度（黒丸）が０℃である。これを利用して、例えば過熱度設定値を０℃に近い値として５℃とし、蒸発器７出口の過熱度をこの過熱度設定値に制御することにより、冷房能力が最大値となる付近の状態で運転できる。ここで、蒸発器７の出口部における過熱度が正の時には冷媒状態の変化に応じて過熱度の検知値は変化する。ところが過熱度の検知値０℃になると飽和ガス温度になってしまって、冷媒状態は変化しても過熱度の検知値は０℃となりこれ以下の値を示すことはない。このため、過熱度の設定値は０℃とせずに、０℃に近い正の値、例えば５℃とする。
【００４６】
実際に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転を行う場合に、例えば電子式膨張弁４の開度を変えて冷媒流量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度を制御する。以下、この制御方法について説明する。
蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
過熱度（℃） ＝ 温度検知値−圧力検知値での飽和温度 ・・・（１）
【００４７】
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。そして、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定することにより冷媒流量を変化させる。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、開度を大きくして冷媒流量を増加させると、過熱度が低くなる。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、開度を小さくして冷媒流量を減少させると、過熱度が高くなる。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、冷媒流量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
特に、自然循環運転での冷媒の流量は強制循環運転時のそれに比べて小さいので、電子式膨張弁４の制御を一定の時間、例えば５分程度の時間間隔で冷媒流量を変化させることにより、冷媒の動きに適した速度で制御できる。このため、安定した自然循環運転を行うことができる。なお、この時間間隔は、５分よりもおそくてもよく、例えば１０分程度でもよい。
【００４８】
また、外気温度が高く外気と室内の空調設定温度との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなる。このため、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように冷媒流量を変化させると、冷媒回路内の冷媒量の分布が変化し、余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。
そこで、本実施の形態では、凝縮器２の出口部の冷媒状態も所定の設定値になるように制御している。例えば、蒸発器７の出口部の過熱度を過熱度設定値になるように冷媒流量を変化させると共に、凝縮器２の出口部の過冷却度を過冷却度設定値、例えば８℃となるように凝縮器２内の冷媒量を変化させる。即ち、凝縮器２の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過冷却度演算制御手段１８により凝縮器２の出口部の過冷却度を演算する。この過冷却度は式（２）で演算できる。
過冷却度（℃） ＝ 圧力検知値での飽和温度−温度検知値 ・・・（２）
【００４９】
そして、演算された過冷却度検知値と過冷却度設定値（例えば過冷却度８℃程度）とを比較して、演算された過冷却度検知値が過冷却度設定値よりもある値以上に大きくなる場合は、アキュムレータの入口側の電磁弁１３を所定時間、例えば１０秒程度開く。これにより、ガス配管１０を流れる余剰冷媒は低温低圧であるアキュムレータ１４内に流入し、電磁弁１３を再び閉じると、自然循環運転を構成する冷媒回路内の冷媒量が少なくなって凝縮器２内の冷媒量も少なくなる。従って、凝縮器２の出口部での過冷却度は小さくなる。このようにして、凝縮器２の出口での過冷却度を設定値に制御でき、蒸発器７および凝縮器２の出口部の冷媒状態を、冷房能力が最大限に発揮できる状態で運転することができる。
この時に、過冷却度演算制御手段１８で冷媒量を制御したことによるアキュムレータ１４内の余剰冷媒は、その自然循環運転の継続中には冷媒回路を再び循環することはないが、圧縮機１の動作による強制循環運転と冷媒回収運転を介して冷媒回路に戻すことができる。
【００５０】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、自然循環運転において、蒸発器７の出口部の過熱度が０℃のときに空調能力が最大になるという現象に基づいて、蒸発器７の出口の過熱度を過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように制御するので、外気温度を検知しなくても自然循環運転の空調能力を最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
さらに、本実施の形態では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御することによって生じる効率の低下を防止するため、凝縮器２の出口部の冷媒状態を適切な設定値（例えば過冷却度８℃程度）となるように制御している。このように、蒸発器７と凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することにより、自然循環運転における空調能力を最大限に確実に発揮できる制御方法を得ることができる。例えば、冷媒流量を変化させることによって余剰となった凝縮器２内の冷媒を冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４に貯溜すれば、外気温度と室内温度との温度差が小さくなっても、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなることなく、自然循環運転の効率が悪くなるのを防止できる。
また、凝縮器２の出口部での冷媒状態を所定の過冷却度に制御する際、余剰の冷媒を強制循環運転で必ず必要となる冷媒貯溜手段、この場合はアキュムレータ１４に貯溜して凝縮器２内の冷媒量を変化させている。このため、特別な機器を付加しないで、自然循環運転の運転中にその空調能力を最大限に利用できる冷媒量になるように制御できる。
また、冷媒量の調整を電気ヒータなどの外部入力を用いずに、アキュムレータ１４と電磁弁１３、電子式膨張弁４の開閉によって行うため、自然循環運転の特長である大きな消費電力削減効果が得られる。
【００５１】
なお、図７に示した構成では、凝縮器２の出口部の冷媒状態の制御は、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御した上での制御であり、特に過熱度演算制御手段１９で冷媒流量を変化させたことによって生じる余剰冷媒が自然循環運転に悪影響を及ぼさないようにするためのものである。外気温度と室内の空調設定温度との温度差が大きい場合には、冷媒流量をそれほど小さくする必要がないので、凝縮器２の出口部の過冷却度の増加による効率の低下はそれ程大きくない。このため、過冷却度演算制御手段１８での過冷却度の制御は特に行わなくてもよく、過冷却度演算制御手段１８およびこれで用いている温度センサ１６と圧力センサ１７はなくてもよい。
また、特に夏は外気温度が高くなり、冷媒回路内での有効な冷媒量が少ない方がよい可能性が高いので、過冷却度演算制御手段１８によって余剰冷媒をアキュムレータ１４に貯溜するように制御し、冬には外気温度が低いために、余剰冷媒が生じることはそれほどないと考えられ、アキュムレータ１４に貯溜する制御は行わないように構成してもよい。
【００５２】
なお、過冷却度演算制御手段１８と過熱度演算制御手段１９は、それぞれ例えばマイクロコンピュータのソフトウェアで実現できるので、室外機５または室内機９に設けた電気箱にマイクロコンピュータを格納しておき、これでソフトウェアを実行するようにすればよい。
【００５３】
過熱度演算制御手段１９での蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標値は、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値となるように過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。
さらに、過熱度演算制御手段１９で蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御した上で、過冷却度制御手段１８での凝縮器２の出口部の過冷却度の目標値は、乾き度が０．１以下で、かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値となるようにするのが望ましい。これは、乾き度が０．１よりも大きい場合には、液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になるからである。また、過冷却度が２０℃より大きい場合には余剰冷媒が凝縮器２の出口部付近に蓄積された状態となり、凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００５４】
なお、凝縮器２の出口部の冷媒状態の過冷却度または乾き度は、上記のように凝縮器２内の冷媒量を変化させて制御する他に、室外ファン３の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させても制御できる。室外ファン３の回転数を大きくして風量を増加させると過冷却度は増加し、室外ファン３の回転数を小さくして風量を減少させると過冷却度は減少する。
【００５５】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２による空気調和機として例えば冷房装置の制御方法について説明する。図８は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図中、図７と同一符号は同一、または相当部分を示している。本実施の形態における過熱度演算制御手段１９は、蒸発器７での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御している。また、過冷却度演算制御手段１８は実施の形態２と同様、凝縮器２の出口部の冷媒状態が所定の過冷却度になるように開閉弁１３を開閉し、アキュムレータ１４へ冷媒を貯溜させて凝縮器２内の冷媒量を変化させている。
【００５６】
即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて室内ファン８の回転数を演算する。そして、室内ファン８の回転数を演算された回転数に設定することにより風量を変化させる。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、回転数を小さくして風量を減少させると、過熱度が低くなる。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、回転数を大きくして風量を増加させると、過熱度が高くなる。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
【００５７】
過熱度演算制御手段１９での蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標値は、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値となるように過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００５８】
また、外気温度が高く外気と室内の空調設定温度との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなる。このため、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように風量を変化させると、冷媒回路内の冷媒量の分布が変化し、余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。
そこで、本実施の形態では、実施の形態１と同様にして、凝縮器２の出口部の冷媒状態も所定の設定値になるように制御している。例えば、凝縮器２の出口部の過冷却度を過冷却度設定値、例えば１５℃となるようにアキュムレータ１４を利用して凝縮器２内の冷媒量を変化させる。また室外ファン３の回転数を変化させても過冷却度を制御することができる。これに関しては実施の形態１で詳しく述べたので、ここでは省略する。
【００５９】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、自然循環運転において、蒸発器７の出口部の過熱度が０℃のときに空調能力が最大になるという現象に基づいて、蒸発器７の出口の過熱度を過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように制御するので、外気温度を検知しなくても自然循環運転の空調能力を最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
さらに、本実施の形態では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御することによって生じる効率の低下を防止するため、凝縮器２の出口部の冷媒状態を適切な設定値（例えば過冷却度１５℃程度）となるように制御している。このように、蒸発器７と凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することにより、自然循環運転における空調能力を最大限に確実に発揮できる制御方法を得ることができる。
【００６０】
実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３による空気調和機として例えば冷房装置の制御方法について説明する。図９は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図中、図７と同一符号は同一、または相当部分を示している。本実施の形態における過熱度演算制御手段１９は、蒸発器７内の冷媒量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように制御している。
【００６１】
即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、過熱度検知値が過熱度設定値よりも低いときに、その差に基づいて開閉弁１３を所定時間、例えば１０秒程度開とする。過熱度検知値が過熱度設定値よりも低いということは、蒸発器７内の冷媒量が多く、余剰の冷媒液がガス配管１０を流れる。そこで、開閉弁１３を開閉すると、ガス配管１０を流れる冷媒液の一部がアキュムレータ１４へ流れて貯溜する。このため蒸発器７の出口部の乾き度が増加して冷媒量が減少するため、蒸発器７内は適正な冷媒量となり、出口部の過熱度は過熱度設定値に近づくように変化する。
【００６２】
このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７内の冷媒量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御できる。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
ただし、開閉弁１３を開として冷媒量を変化させるということは、即ち、余剰冷媒を自然循環運転の冷媒回路から除いてしまうことであり、蒸発器７内の冷媒量を減少させる方向にしか変化させることはできない。しかし、予め自然循環運転で余剰冷媒がある程度生じる冷媒量を充填しておき、また、アキュムレータ１４へ一度に多く貯溜するのではなく、過熱度の変化をチェックしながら徐々に貯溜するように動作させれば、なんら問題はない。
【００６３】
この時に、過熱度演算制御手段１９で冷媒量を制御したことによるアキュムレータ１４内の余剰冷媒は、その自然循環運転の継続中には冷媒回路を再び循環することはないが、圧縮機１の動作による強制循環運転と冷媒回収運転を介して冷媒回路に戻すことができる。
【００６４】
本実施の形態による過熱度の制御は、蒸発器７内の冷媒量を減少させるのであるが、実際には自然循環運転の冷媒回路全体の冷媒量を減少させることになる。このため、実施の形態２および３の構成のように、冷媒流量や風量を変化させて冷媒量の分布が変わり、余剰冷媒が凝縮器２などに溜まってくるような現象は生じない。このため、実施の形態２および３で述べたような凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御しなくても、空調能力を最大限に発揮できるような自然循環運転を行うことができる。
【００６５】
なお、実施の形態１〜実施の形態３で、蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるように、冷媒流量、蒸発器７での風量、蒸発器７内の冷媒量を変化させる制御方法について述べた。冷媒流量および蒸発器７での風量および蒸発器７内の冷媒量のうちの少なくともいずれか１つを変化させればよいということであり、場合によっては例えば、これら３つすべてを変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるようしてもよいし、いずれか２つを変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態が所定の過熱度になるようしてもよい。
【００６６】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４による空気調和機の冷媒制御方法について説明する。本実施の形態では、蒸発器の出口部の冷媒状態として過熱度の制御目標範囲と、凝縮器の出口部の冷媒状態として過冷却度の制御目標範囲について説明する。このときの空気調和機の回路構成は図７と同様である。
図１０は圧力−エンタルピー線図である。図において、Ｆは飽和液線および飽和ガス線、Ｇ１は室内空気温度に相当する飽和圧力、Ｇ２は外気温度に相当する飽和圧力である。Ｈは圧力−エンタルピー線図上の状態変化を示すサイクルで、範囲Ｄは蒸発器７の出口部の乾き度（飽和ガス線Ｆの内側）および過熱度（飽和ガス線Ｆの外側）の制御目標範囲、範囲Ｅは凝縮器２の出口部の乾き度（飽和液線Ｆの内側）および過冷却度（飽和液線Ｆの外側）の制御目標範囲である。
【００６７】
制御目標範囲Ｄにおいて、最も空調能力が大きくなるのは、蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱度＝０℃のときであり、飽和ガス線上の状態となっている。この飽和ガス線上から向かって右側へ変化するにしたがって過熱度は増大する。また、飽和ガス線上から向かって左側の部分では、過熱度は０℃のままであり、この領域では冷媒状態を表わす指標として過熱度の代わりに乾き度Ｘを用いる。飽和ガス線上から向かって左側へ変化するにしたがって、乾き度は減少する。蒸発器７の出口部の冷媒状態の制御目標範囲Ｄは、乾き度Ｘが０．９以上で、過熱度が１０℃以下の範囲が望ましい。
ここで、乾き度は全冷媒流量に対する冷媒ガス流量の比であり、式（３）で演算できる。
乾き度＝ガスの質量流量／（ガスの質量流量＋液の質量流量）・・・（３）
【００６８】
蒸発器７の出口部の冷媒状態の設定値を範囲Ｄの間で設定し、この設定値になるように冷媒流量や蒸発器７での風量や蒸発器７内の冷媒量を制御する。前に述べたように、過熱度は温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値より、式（１）から演算できる。また、乾き度は例えば乾き度センサを蒸発器７の出口部に設けることにより検知できる。
蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発に有効な伝熱面積が減少するためである。従って、蒸発器７の出口部の冷媒状態の設定値を、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値とし、ガス配管の圧力損失の増大を抑えながら蒸発器内の伝熱面積を有効に利用する。
【００６９】
例えば、目標設定範囲Ｄにおいて、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を小さくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。
【００７０】
また、例えば、室内ファン８の回転数を変化させて蒸発器７での風量を変化させ、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が増加するように室内ファン８の回転数を上げる。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を小さくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が減少するように室内ファン８の回転数を下げる。
【００７１】
また、例えば、電磁弁１３を開として蒸発器７内の冷媒量を変化させて蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、電磁弁１３を開として蒸発器７内の冷媒量を減少させると、冷媒状態は向かって右側方向に変化する。
【００７２】
また、凝縮器２の出口の冷媒状態の制御目標範囲Ｅは、乾き度Ｘが０．１以下で、過冷却度が２０℃以下の範囲が望ましい。
前に述べたように、過冷却度は温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値より、式（２）から演算できる。また、乾き度は例えば乾き度センサを凝縮器２の出口部に設けることにより検知できる。
また、凝縮器２の出口部の乾き度に０．１という上限値を設けたのは、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１より大きいと、液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になるためである。また、凝縮器２の出口部の過冷却度が２０℃よりも大きいと、凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。従って、凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値を、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値とし、凝縮器内の伝熱面積を有効に利用でき、安定した自然循環運転を行う。
【００７３】
例えば、制御目標範囲Ｅにおいて、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。
【００７４】
また、例えば、室外ファン８の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させ、凝縮器７の出口部の冷媒状態を制御する場合、冷媒状態を向かって右側方向に変化させたいとき、即ち過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が減少するように室外ファン３の回転数を下げる。逆に、冷媒状態を向かって左側方向に変化させたいとき、即ち過熱度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が増加するように室外ファン３の回転数を上げる。
【００７５】
また、例えば、電磁弁１３を開として凝縮器２内の冷媒量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、電磁弁１３を開として凝縮器２内の冷媒量を減少させると、冷媒状態は向かって右側方向に変化する。
【００７６】
以上のように、蒸発器７の出口部の冷媒状態や、凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御すれば、自然循環運転で空調能力が最大限に発揮でき、自然循環運転の特長とする消費電力削減効果をさらに向上できる。
【００７７】
なお、蒸発器７の出口部や凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御して、自然循環運転で最大限の空調能力を得るという動作は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に行うのが望ましい。これは、図４で示したように外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以上、例えば室内設定温度を３８℃とした時では外気温度が１３℃程度より低くなると空調負荷が軽くなり、過剰な冷房能力によって空調対象空間であるシェルタ内が冷え過ぎ、シェルタ内に設置されている通信機器の信頼性が低下するのを防止するためである。
【００７８】
実施の形態５．
以下、本発明の実施の形態５による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１１は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。
図において、２０は冷媒貯溜手段で、凝縮器２の出口部に設けられ、凝縮器２からの冷媒液を溜める液溜め容器である。また室外機５内に外気温度を検知する外気温度センサ１６を備えている。ここで、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２を出た高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、凝縮器出口部の冷媒液を溜める液溜め容器２０より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した湿り蒸気を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００７９】
冷媒貯溜手段である液溜め容器２０は、凝縮器２の下部に配置され、凝縮器２から冷媒が流入する配管と電子式膨張弁４へ流出する配管は液溜め容器２０の下部に接続する。また、液溜め容器２０の内容積は強制循環運転と自然循環運転との適正冷媒量差に相当する冷媒液を収納できる容積とする。この場合には、液溜め容器２０は実施の形態２におけるアキュムレータ１４の代わりに設けたものとなる。
【００８０】
この空気調和機では、強制循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環のサイクルが形成される。
【００８１】
また、自然循環運転を行う場合、例えば電子式膨張弁４の開度を全開すると、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環のサイクルが形成される。ここで、冷媒は圧縮機１を通る流路にも流れようとするが、圧縮機１内部の流動抵抗がバイパス配管１２の流動抵抗に比べて非常に大きいため、圧縮機１を通る冷媒流量はバイパス配管１２を通る冷媒流量に対して無視できるほど小さくなる。
【００８２】
ところで、自然循環運転の冷房能力を最大限に利用する制御方法として、実施の形態１〜実施の形態３では、蒸発器７の出口部に設けた温度センサ１６と圧力センサ１７とから蒸発器７の出口の冷媒状態である過熱度を検知して、この過熱度を設定値になるように制御する方法について述べた。本実施の形態では、凝縮器２の出口部に設けた温度センサ１６と圧力センサ１７とから凝縮器２の出口の過冷却度を検知して、この過冷却度と外気温度とに応じて凝縮器２の出口部の過冷却度を設定値になるように制御する。凝縮器２の出口部の過冷却度を制御することにより、蒸発器７の出口部の過熱度を設定値に制御する方法を用いる。
【００８３】
図２に示すように冷媒量の増加に対し、蒸発器出口部の過熱度は単調に減少し、凝縮器出口部の過冷却度は単調に増加している。即ち、蒸発器出口部の過熱度の値と凝縮器出口部の過冷却度の値とは１対１に対応している。例えば図２の下側のグラフでは、外気温度と空調設定温度との温度差が３３℃の時の、冷媒量に対する蒸発器出口部の過熱度（黒丸）の変化と凝縮器出口部の過冷却度（白丸）の変化を示している。この関係から、蒸発器出口部の過熱度を希望の設定値、例えば０℃となるように制御する代わりに、凝縮器出口部の過冷却度をこれに相当する１５℃程度を設定値として制御してもよい。この過熱度と過冷却度の関係は、外気温度と空調設定温度との温度差が変化すれば変化する。このため、本実施の形態では、外気温度と空調設定温度との温度差に対し、蒸発器出口過熱度が設定値（例えば過熱度０℃）となる凝縮器出口過冷却度をあらかじめ把握しておき、外気温度を検知して凝縮器出口部の過冷却度がその外気温度と空調設定温度との温度差における設定値となるように制御する。具体的には、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させたり、また室外ファン３の回転数を増減して凝縮器２での風量を変化させたり、また室内ファン８の回転数を増減して蒸発器７での風量を変化させて、凝縮器２の出口部の過冷却度を制御する。
【００８４】
以下、本実施の形態における冷媒制御方法について、具体的に説明する。
ここで、本実施の形態では圧縮機１の吸入部にアキュムレータを備えていないため、強制循環運転と自然循環運転との冷媒量差の調整は液溜め容器２０によって行う。つまり、強制循環運転時は必要冷媒量が自然循環運転時に比べて少ないため、余剰となる凝縮器２の出口部からの過冷却液が液溜め容器２０に貯溜する。
自然循環運転時は、凝縮器２の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過冷却度演算制御手段１８により凝縮器２の出口部の過冷却度を演算する。これは式（２）によって演算できる。
【００８５】
次に、演算された過冷却度と外気温度センサ１６で検知した外気温度と空調設定温度との温度差における過冷却度の設定値とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。最後に、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定する。このような操作を一定時間間隔ごと、例えば５分ごとに繰り返すことによって、凝縮器２の出口の過冷却度を外気温度と空調設定温度との温度差に応じた設定値に制御できる。この制御は、蒸発器７の出口部の冷媒状態である過熱度を空調能力が最大付近になるように制御することと同等である。
【００８６】
例えば、電子式膨張弁４で冷媒流量を変化させて凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御する場合、過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、冷媒流量が増加するように電子式膨張弁４の開度を大きくする。逆に、過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、冷媒流量が減少するように電子式膨張弁４の開度を小さくする。
また、室外ファン３の回転数を変化させて凝縮器２での風量を変化させても、凝縮器２の出口部の冷媒状態を制御することができる。例えば、過冷却度を小さくまたは乾き度を大きくしたいときには、風量が減少するように室外ファン３の回転数を下げる。逆に、過冷却度を大きくまたは乾き度を小さくしたいときには、風量が増加するように室外ファン３の回転数を上げる。
【００８７】
外気温度が高く外気と室内との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となる冷媒量が少なくなるため、冷媒流量や風量を適正になるように変化させることによって余剰となる冷媒が凝縮器２の出口部に蓄積されてくる。本実施の形態ではこの余剰冷媒は凝縮器２の出口部に設けた液溜め容器２０内に蓄積されるため、外気温度の変化に関わらず凝縮器２付近の冷媒状態を適切な状態に維持することができる。
【００８８】
また、本実施の形態による空気調和機において、液溜め容器２０を設けずに図７に示すようなアキュムレータ１４を備えた構成とし、過冷却度演算制御手段１８は、凝縮器出口部の過冷却度を演算しその過冷却度が設定値になるように、開閉弁１３を開閉制御してもよい。この場合には、自然循環運転での冷媒回路内の有効な冷媒量を変化させて凝縮器出口部の過冷却度または乾き度を制御することになる。このとき電子式膨張弁４の開度を例えば全開とするなど、一定の開度に固定しておけばよい。
【００８９】
以上のように本実施の形態の空気調和機では、外気温度を検知して凝縮器２の出口部の過冷却度または乾き度がその外気温度における適正値となるように制御するため、蒸発器７および凝縮器２が常に適切な状態に維持され、自然循環運転の冷房能力が最大限に利用可能な空気調和機を得ることができる。
【００９０】
また、図１１の回路構成では冷媒量の調整を電気ヒータなどの外部入力を用いずに凝縮器２の出口部の下部に設けた液溜め容器２０によって行うため、大きな消費電力削減効果が得られるという効果がある。
また、液溜め容器２０は凝縮器２の出口と電子式膨張弁４との間の配管に設けられているので、強制循環運転から自然循環運転に切換える際に冷媒回収運転をしなくても、電子式膨張弁４の開度を大きく例えば全開にするだけで、瞬時に液溜め容器２０に溜まっている冷媒液を自然循環運転で循環させることができる。 また、自然循環運転中や強制循環運転中に生じた余剰冷媒は、冷媒貯溜手段である液溜め容器２０に自動的に貯溜する。このため、余剰冷媒の量を把握したり、余剰冷媒の量に応じた開閉弁の開閉などの煩雑な制御を必要としない。また、余剰冷媒を貯溜することによって凝縮器内または蒸発器内の冷媒量を減少させ、かつ貯溜した冷媒を流出させることによって凝縮器内または蒸発器内の冷媒量を増加させるという冷媒量の変化を自動的に行うことができる。
【００９１】
また、凝縮器２の出口部のみの冷媒状態を制御することによって、蒸発器７の出口部の冷媒状態も制御でき、実施の形態２と比較して、簡単な構成で自然循環運転の空調能力を最大限に発揮できる空気調和機を得ることができる。
【００９２】
なお、凝縮器２の出口部の冷媒状態の制御目標値に関しては、実施の形態４で述べた範囲と同様である。即ち蒸発器７の出口部の冷媒状態において、乾き度Ｘが０．９以上でかつ過熱度が１０℃以下の範囲となるように、これに対応する凝縮器２の出口部の過冷却度または乾き度を設定する。蒸発器７の出口部の乾き度に０．９という下限値を設けたのは、蒸発器７の出口部の乾き度が０．９より小さいと、ガス配管１０内の圧力損失が大きくなって自然循環運転が効率よく行えないためである。また、蒸発器７の出口部の過熱度が１０℃よりも大きいと、蒸発器７内の過熱領域が増大して蒸発有効な伝熱面積が減少するためである。
さらに、蒸発器７の出口部の過熱度の設定値から凝縮器２の出口部の過冷却度を設定する際、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１以下で、かつ過冷却度が２０℃以下となるように、その設定値をある程度修正してもよい。これは、凝縮器２の出口部の乾き度が０．１より大きい場合には液配管６にガス冷媒が混入して自然循環運転が不安定になり、過冷却度が２０℃より大きい場合には凝縮器２内の過冷却領域が増大して凝縮に有効な伝熱面積が減少するためである。
【００９３】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１２は本実施の形態による空気調和機を示す回路構成図である。図において、本実施の形態による空気調和機は、自然循環運転のみで冷房を行うものであり、外気温度が空調対象空間の設定値よりも高くならないところで使用されるものとする。即ち、常に外部からの冷熱によって空調対象空間を冷房しうる場合に用いられるものである。
【００９４】
以下、本実施の形態に係る冷房装置について説明する。参考例１と同様、凝縮器２は蒸発器７よりも高いところ、例えば１．４ｍ程度高いところに設置されている。図において、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
参考例１と同様、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は、冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、凝縮器２の出口部と蒸発器７の入口部との間の配管に設けられ、冷媒流量を調整する冷媒流量調整手段である電子式膨張弁４、凝縮器出口部の冷媒液を溜める冷媒貯溜手段である液溜め容器２０より構成されている。
また、室内機９は、液配管６から流入した冷媒液を空調対象空間の空調負荷によって蒸発させて冷媒ガスとする蒸発器７、室内空気を強制的に蒸発器７の外表面に送風する送風機である室内ファン８より構成されている。
【００９５】
液溜め容器２０は凝縮器２の下部に配置され、凝縮器２から冷媒が流入する配管と電子式膨張弁４へ流出する配管は液溜め容器２０の下部に接続されている。また、液溜め容器２０は、外気温度と空調設定温度との温度差に応じて自然循環運転での冷媒回路内の有効な冷媒量を適正にするためのものであり、実施の形態６に示すような強制循環運転と自然循環運転との併用型空気調和機の場合の液溜め容器よりも少ない冷媒液を貯溜できる容積でよい。
【００９６】
以下、自然循環運転における冷媒制御方法について説明する。
まず、図４に示したように、この空気調和機が設置されるところの空調負荷に対して、空調可能最大外気温度が最大となる冷媒量を本実施の形態の冷媒回路に充填する。そして自然循環運転で動作させる。外気温度が空調可能最大外気温度以下の場合には、空調能力が十分に空調負荷を上回っている。空調負荷に対して空調能力が大きすぎて空調対象空間内の温度が下がり過ぎる場合には、例えば室内ファン８や室外ファン３の動作を停止して、蒸発器７や凝縮器２における風量を制御して熱交換量を少なくすればよい。
【００９７】
また、外気温度が空調可能最大外気温度を越えた場合には、この構成で得られる空調能力が最大となるように運転制御する。図２で示したように、外気温度と空調設定温度との温度差が変化しても、空調能力が最大となるところでは蒸発器７の出口部の過熱度が０℃になる。これを利用して、例えば過熱度設定値を０℃に近い正の値である５℃とし、蒸発器７出口の過熱度をこの過熱度設定値に制御することにより、冷房能力が最大値となる付近の状態で運転できる。
【００９８】
例えば実際に本実施の形態による空気調和機では、自然循環運転を行う場合、以下に示すようにして蒸発器７の出口部の過熱度を制御する。即ち、蒸発器７の出口部に設置した温度センサ１６と圧力センサ１７の検知値に基づいて、過熱度演算制御手段１９により蒸発器７の出口部の過熱度を演算する。この過熱度は式（１）で演算できる。
【００９９】
次に、演算された過熱度検知値と過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）とを比較し、その差に基づいて電子式膨張弁４の開度を演算する。そして、電子式膨張弁４の開度を演算された開度に設定する。例えば過熱度検知値が過熱度設定値よりも大きい場合には、開度を大きくして冷媒流量を多くし、過熱度が低くなるように制御する。逆に、過熱度検知値が過熱度設定値よりも小さい場合には、開度を小さくして冷媒流量を少なくし、過熱度が高くなるように制御する。このような手順を一定時間間隔、例えば５分程度の間隔で繰り返すことによって、蒸発器７の出口部の過熱度が設定値になるように制御している。このため、常に空調能力が最大付近になるように自然循環運転を行うことができる。
また、電気ヒータなどを用いないので、自然循環運転の特長である消費電力の削減効果を最大限に発揮することができる。
【０１００】
外気温度が高く外気と室内との温度差が小さい場合には、図３に示したように冷房能力が最大となるときの冷媒量が少なくなるため、蒸発器７の出口部の過熱度が過熱度設定値（例えば過熱度５℃程度）となるように電子式膨張弁４の開度を変化させると、余剰となる冷媒が液溜め容器２０に貯溜される。ここに液溜め容器２０を設けていない構成では、凝縮器２の出口部に余剰となった冷媒液が蓄積されて凝縮器２の出口の過冷却度が増加する。このように凝縮器２の出口部の過冷却度が増加すると、凝縮器２内での凝縮する面積が小さくなり、自然循環運転の効率が悪くなってしまう。これに対し本実施の形態では、余剰となる冷媒が液溜め容器２０に自然に貯溜されるので、効率が低下するのを防止できる。
【０１０１】
また、外気温度と空調設定温度との温度差が大きくなって冷媒回路内の冷媒量が多い方が空調能力が得られる場合には、蒸発器７の出口部の冷媒状態を適正に制御する過程で自然に液溜め容器２０に貯溜した余剰冷媒が少なくなって冷媒回路を循環するようになり、冷媒量の調整が自然にされていることになる。
【０１０２】
なお、過熱度演算制御手段１９の代わりに実施の形態１で示したような凝縮器２の出口部の過冷却度を演算制御する過冷却度演算制御手段１８を設けてもよい。この場合には、過冷却度演算制御手段１８によって、凝縮器２の出口部の温度と圧力から演算した過冷却度と、外気温度と空調設定温度との温度差に基づいて電子膨張弁４の開度を変化させるように構成する。
また、実施の形態２のように、室内ファン８や室外ファン３の回転数を変えて蒸発器７または凝縮器２での風量を変化させることにより、蒸発器７の出口部の冷媒状態を制御してもよい。
【０１０３】
参考例２．
以下、本参考例２による空気調和機として、例えば冷房装置について説明する。図１３は本参考例による空気調和機を示す回路構成図である。 図において、２１は圧縮機１の出口部の高圧配管とアキュムレータ１４の入口部の低圧配管とを接続するバイパス配管で、配管の途中に開閉手段である開閉弁２２を配設している。４は液配管６から流入した高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする冷媒流量調整手段で、例えば電子式膨張弁である。本参考例では、強制循環運転と自然循環運転の液部長さの違いによる冷媒量差を吸収するために、この電子式膨張弁４を蒸発器７が設置されている室内機９側に設けている。また、図１と同一符号は同一、または相当部分を示している。
【０１０４】
参考例１と同様、本参考例による空気調和機は、室外機５と室内機９およびそれらを接続するための液配管６、ガス配管１０から構成されている。
室外機５は冷媒ガスを圧縮する圧縮機１、この冷媒ガスを冷却液化させる凝縮器２、外気を強制的に凝縮器２の外表面に送風する送風機である室外ファン３、過渡的現象や冷媒の過充填などの場合に圧縮機１への液戻りを防止する冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４、自然循環運転時に圧縮機１およびアキュムレータ１４をバイパスするための開閉弁１３、逆止弁１１を介したバイパス配管１２、自然循環運転時に圧縮機１への冷媒の流入を防止する逆止弁１５、圧縮機１の出口部の高圧配管とアキュムレータ１４の入口部の低圧配管とを接続する開閉弁２２を介したバイパス配管２１より構成されている。
また、室内機９は液配管６から流入した高温高圧の冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とする電子式膨張弁４、電子式膨張弁４によって絞られた湿り蒸気を空調負荷によって蒸発させる蒸発器７、室内側の送風機である室内ファン８より構成されている。
【０１０５】
この空気調和機では、強制循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を凝縮器２から流出した冷媒液が減圧されて二相状態の湿り蒸気となる適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止されて、強制循環の冷媒回路が形成される。
また、自然循環運転を行う場合、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止すると、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環の冷媒回路が形成される。
【０１０６】
参考例１で示したように、自然循環運転の冷房能力が最大となる付近の冷媒量を充填した場合、強制循環運転時にはアキュムレータ１４内に余剰冷媒が蓄積され、運転切換時にこの余剰冷媒を自然循環運転時の冷媒回路へ戻す冷媒回収運転が必要となる。冷媒回収運転としては、電子式膨張弁４の開度を全閉にして強制循環運転を行う方法もあるが、この方法では圧縮機１の吸入圧力が急激に低下するため、圧縮機１内に吸入された冷媒液が発泡して冷凍機油が吐出ガスとともに冷媒回路内へ流出し、圧縮機１内部の冷凍機油量が減少して潤滑不良により焼損に至る可能性がある。特に、スクロール圧縮機の場合、吸入圧力の低下や圧縮機１内部の冷媒液の発泡によって、摺動部への給油量が低下し、摺動部が温度上昇により熱変形して破損に至るといった問題が生じる。
【０１０７】
図１４は、本参考例の空気調和機における、強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。強制循環運転で必要な冷媒量は自然循環運転で循環する冷媒量の約１／２であり、余剰の冷媒は強制循環運転中にアキュムレータ１４に貯溜されてくる。強制循環運転から自然循環運転への運転切換時に、このアキュムレータ１４に貯溜されている冷媒を自然循環運転を構成する冷媒回路に回収する必要がある。
ＳＴ１では強制循環運転を行っており、開閉弁１３は開、開閉弁２２は閉とし、電子式膨張弁４の開度は、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定された状態である。ＳＴ２で運転切換指令を受け、冷媒回収運転を開始する。即ち、ＳＴ３で開閉弁２２を開放し、ＳＴ４で電子式膨張弁４の開度を蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱状態となるような開度に絞る。この状態で、一定時間例えば２分程度、圧縮機１を動作させる冷媒回収運転を行う（ＳＴ５）。
【０１０８】
電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時の開度よりも小さくすると、冷媒流量が減少し、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となる。このため、蒸発器７からの過熱ガスがアキュムレータ１４に流入する。これと共に、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部がアキュムレータ１４に流入する。アキュムレータ１４内の冷媒液は、蒸発器７からの過熱ガスと開閉弁２２を介したバイパス配管２１を通って流入する圧縮機１から吐出された過熱ガスによって蒸発し、凝縮器２側に回収される。
【０１０９】
次に、ＳＴ６で圧縮機１を停止し、ＳＴ７で開閉弁１３を閉止してアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する。そして、ＳＴ８で開閉弁２２を閉止して、電子式膨張弁４の開度を、冷媒回路内の圧力損失を低減するために例えば全開とし（ＳＴ９）、自然循環運転へ移行する（ＳＴ１０）。
【０１１０】
上記のように、本参考例における冷媒回収運転（ＳＴ５）では、圧縮機１の入口側と出口側を結ぶバイパス配管２１と開閉弁２２を設け、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部を吸入側へバイパスするため、圧縮機１の低圧を低下させることなくアキュムレータ１４内に蓄積された冷媒を自然循環回路にスムーズに回収することができる。
【０１１１】
また、本参考例では、図１３に示すように外気温度センサ１６で測定した外気温度から外気温度検知値と空調設定温度との温度差を検知する。そして、その温度差の大小に応じてＳＴ４の電子式膨張弁４の開度あるいはＳＴ５の冷媒回収時間を変化させ、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の蒸発量を変化させている。即ち、外気温度検知値と空調設定温度との温度差に応じて回収する冷媒量を変化させ、自然循環運転の冷媒回路内の冷媒量を増減している。図３に示したように、自然循環運転では外気温度と室内温度との温度差に対して空調能力を最大限に利用するための最適な冷媒量が存在する。従って、このように冷媒量を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させることにより、自然循環運転での冷媒回路内の冷媒量を可変にし、そのときの外気温度で最大の空調能力が得られるように制御することができる。
【０１１２】
外気温度検知値と空調設定温度との温度差の大小によって、アキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の蒸発量を変化させるには、ＳＴ４における電子式膨張弁４の開度を温度差の大小によって変化させることにより、蒸発量を可変にできる。温度差が大きい時には自然循環運転における冷媒量が多い方がよいので、電子式膨張弁４の開度を大きくして冷媒流量を多くし、温度差が小さい時には自然循環運転における冷媒量が少ない方が空調能力が高くなるので、電子式膨張弁４の開度を小さくして冷媒流量を少なくする。この時の冷媒回収運転は２分程度に固定しておけばよい。
また、ＳＴ５における冷媒回収運転の運転時間を温度差の大小によって変化させることにより、蒸発量を可変にできる。温度差が大きい時には冷媒回収運転の運転時間を長くし、温度差が小さい時には自然循環運転における冷媒量が少ない方が空調能力が高くなるので、冷媒回収運転の運転時間を短くする。この時の電子式膨張弁４は強制循環運転よりも小さい一定の開度で固定しておけばよい。
また、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知し、検知した吐出温度や吸入温度が設定値になるまで冷媒回収運転を行い、さらにその設定値を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させる構成としてもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱度を検知してこの過熱度が所定の設定値、例えば２０℃程度になるまで、冷媒回収運転を行い、さらにその設定値を外気温度と空調設定温度との温度差に応じて変化させる構成としてもよい。
この冷媒回収運転を行う時の、運転時間，電子式膨張弁の開度４，圧縮機１の吐出温度や吸入温度，蒸発器７の出口部の過熱度の設定値は、予め実験やシミュレーションによって、それぞれのパラメータとアキュムレータ１４からの蒸発量または残った冷媒量との関係を把握して記憶しておけばよい。
【０１１３】
ただし、外気温度と空調設定温度との温度差の大小に応じてアキュムレータ１４に貯溜した余剰冷媒の回収量を変化させる動作は、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に行うのが望ましい。これは、図４で示したように外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以上、例えば室内設定温度を３８℃とした時では外気温度が１３℃程度より低くなると空調負荷が軽くなり、過剰な冷房能力によって空調対象空間であるシェルタ内が冷え過ぎ、シェルタ内に設置されている通信機器の信頼性が低下するのを防止するためである。
【０１１４】
以上のように、本参考例による空気調和機では、圧縮機１の吸入圧力を低下させることなくアキュムレータ内に蓄積された冷媒を自然循環運転の冷媒回路に回収でき、圧縮機の信頼性を向上させることができる。
また、外気温度を検知して冷媒回収時間や冷媒回収時の膨張弁４の開度を制御するため、外気温度と空調設定温度との温度差に応じて冷媒量を適切に制御でき、自然循環運転で最大の冷房能力を得ることができる。このため、電気ヒータなどの特別な加熱手段などを用いなくても冷媒の回収をスムーズに行うことができ、自然循環運転の特長である消費電力削減効果を十分に発揮できる。
【０１１５】
また、電子式膨張弁４を蒸発器に近い室内機側に設けたため、自然循環運転と強制循環運転において、液部長さの違いによる冷媒量差を極力小さくできる。即ち、自然循環運転と強制循環運転において、電子式膨張弁４と蒸発器７との間が長いと液部長さの違いが大きくなり、電子式膨張弁４と蒸発器７との間を短かくすると液部長さの違いを短かくできる。これにより、冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４を小型化することができる。
【０１１６】
参考例３．
以下、本参考例３について説明する。図１５は本参考例に係る空気調和機として例えば冷房装置を示す回路構成図である。この空気調和機は、強制循環運転と自然循環運転とを併設する構成のものであり、電子式膨張弁４を蒸発器に近い室内機側に設けた以外は、参考例１と同様の構成である。電子式膨張弁４を室内機側に設けたため、参考例２と同様、自然循環運転と強制循環運転において、液部長さの違いによる冷媒量差を極力小さくでき、冷媒貯溜手段であるアキュムレータ１４を小型化することができる。
なお、本参考例では、強制循環運転から自然循環運転への切換えの際に行う冷媒回収運転について、主に説明する。
【０１１７】
強制循環運転では、電子式膨張弁４の開度を、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を開放して圧縮機１を運転する。この時、逆止弁１１は圧縮機１の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で閉止され、強制循環運転の冷媒回路が形成される。
【０１１８】
また、自然循環運転では、圧縮機１を停止し、アキュムレータ入口側の電磁弁１３を閉止し、電子式膨張弁４の開度を、例えば冷媒回路内の圧力損失を低減するために全開にする。この時、逆止弁１１は冷媒の流れにより開放され、自然循環運転の冷媒回路が形成される。
【０１１９】
図１６は、本参考例の空気調和機における、強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。強制循環運転で必要な冷媒量は自然循環運転で循環する冷媒量の約１／２であり、余剰の冷媒は強制循環運転中にアキュムレータ１４に貯溜されてくる。強制循環運転から自然循環運転への運転切換時に、アキュムレータ１４に貯溜されている冷媒を自然循環運転を構成する冷媒回路に回収する必要がある。本参考例では、例えばアキュムレータ１４に貯溜した冷媒の全てを自然循環運転の冷媒回路に回収するものとする。 ＳＴ１では強制循環運転を行っており、開閉弁１３は開とし、電子式膨張弁４の開度は、凝縮器２を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定された状態である。ＳＴ２で運転切換指令を受け、冷媒回収運転を開始する。即ち、ＳＴ４で電子式膨張弁４の開度を蒸発器７の出口部の冷媒状態が過熱状態となるような開度に絞る。具体的には電子式膨張弁４の開度を強制循環運転の開度よりも小さくまたは全閉にして、冷媒流量を小さくまたは０とする。この状態で、一定時間例えば２分程度、圧縮機１を動作させる冷媒回収運転を行う（ＳＴ５）。
【０１２０】
冷媒流量を小さくまたは０とすると、蒸発器７の出口部の冷媒状態は過熱状態となり、過熱ガスがアキュムレータ４に流入する。この過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒液は蒸発して凝縮器２側に回収される。
【０１２１】
次に、ＳＴ６で圧縮機１を停止し、ＳＴ７で開閉弁１３を閉止してアキュムレータ１４への冷媒の流入を防止する。そして、電子式膨張弁４の開度を、冷媒回路内の圧力損失を低減するために例えば全開とし（ＳＴ９）、自然循環運転へ移行する（ＳＴ１０）。
【０１２２】
本参考例では、蒸発器７の出口部の冷媒状態を過熱状態とし、その過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒を蒸発させるので、アキュムレータ１４に電気ヒータなどの特別な加熱手段を必要とせず、自然循環運転の特長とするところの消費電力の削減効果を得ることができる。さらに、簡単な手順でスムーズに強制循環運転から自然循環運転に切換えることができる。
【０１２３】
このように、蒸発器７の出口部の冷媒状態を過熱状態とし、その過熱ガスによってアキュムレータ１４内の冷媒を蒸発させるには、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０の状態で所定時間圧縮機１を運転すればよい。本実施の形態では冷媒回収運転は、アキュムレータ１４内に貯溜している余剰冷媒がすべて蒸発した時点で冷媒回収運転を終了するのであるが、これは余剰冷媒がすべて蒸発するのに必要な所定の運転時間を設定しておく。運転時間によって冷媒回収運転の終了とすることで容易に判断できる。
また、圧縮機１の吐出過熱度や吸入過熱度を検知する温度センサおよび圧力センサを備え、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とし、検知した吐出過熱度や吸入過熱度が所定の設定値になるまで、圧縮機１を運転するというように、冷媒回収運転の終了を判断してもよい。
また、圧縮機１の吐出温度や吸入温度を検知する温度センサを備えて、この温度センサで検知した温度から温度上昇速度を検知しても、冷媒回収運転の終了を検知できる。アキュムレータ４の出口側に冷媒液が流れている間は圧縮機１の吐出温度上昇および吸入温度上昇はほとんどないが、電子式膨張弁４の開度を小さく調整することによってアキュムレータ１４内の冷媒の過熱度が上がり圧縮機１の吸入部や吐出部に冷媒ガスが流れるようになると、この部分の温度上昇速度は速くなる。このため、圧縮機１の吸入部や吐出部の温度上昇速度が所定の設定値、例えば５℃／分程度以上になった時に冷媒回収運転の終了としてもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱状態と圧縮機１の吐出温度や吸入温度の関係を把握しておけば、この吐出温度や吸入温度が所定の設定値になった時に冷媒回収運転を終了してもよい。
また、蒸発器７の出口部の過熱度を検知する手段を備え、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とし、検知した過熱度が所定の設定値になるまで、圧縮機１を運転して、冷媒回収運転の終了としてもよい。この場合にも冷媒回収運転の終了を検知できる。この過熱度の検知手段については実施の形態２で述べたので、ここでは省略する。
【０１２４】
冷媒回収運転の終了を検知するため、電子式膨張弁４の開度を強制循環運転時よりも小さくまたは全閉として、冷媒流量を小さくまたは０とした状態で、運転時間，吐出温度や吸入温度の設定値，過熱度の設定値は、予め設定しておく必要がある。この設定方法の一例としては、予め、実験やシミュレーションによって、アキュムレータ１４に全体の冷媒量の１／２が貯溜されている時に、その冷媒を蒸発させるのに必要な電子式膨張弁４の開度と運転時間の関係や、アキュムレータ１４にほとんど冷媒がなくなった時の圧縮機１の吐出温度や吸入温度の値や蒸発器７の出口部の過熱度の値を把握しておけばよい。
【０１２５】
なお、図１５に示す構成で、参考例２に示したように、圧縮機１の入口側と出口側を結ぶバイパス配管２１と開閉弁２２を設け、圧縮機１から吐出された高温高圧の過熱ガスの一部を蒸発器７からの過熱ガスと共にアキュムレータ１４に流入させるように構成すれば、圧縮機１の低圧を低下させることなくアキュムレータ１４内に蓄積された冷媒を自然循環回路にスムーズに回収することができる。
【０１２６】
なお、実施の形態１〜実施の形態６において、冷媒流量調整手段４として例えば電子式膨張弁を用いたが、これに限るものではない。特に、実施の形態１，５，６における冷媒流量調整手段４は、空気調和機の運転中に過熱度演算制御手段１９または過冷却度演算制御手段１８の出力する制御信号によって冷媒流量を変化させることができるものであればよい。例えば、複数の毛細管と複数の開閉弁を組合わせた構成とし、制御信号に基づいて開閉する開閉弁の種類を変化させることにより、冷媒が通過する毛細管の数を変化させる構成としてもよい。
また、実施の形態２では、蒸発器７または凝縮器２での風量を変化させる手段として、室内ファン８または室外ファン３の回転数を変化させているが、これに限るものではない。例えば、回転数は変化させずに、風路形状を変化させることにより、風路抵抗を変化させる構成としてもよい。また、回転数と風路形状を共に変化させてもよい。
【０１２７】
また、実施の形態１〜実施の形態６における空気調和機では、冷媒として例えば、フロンＲ２２や、フロンＲ３２／Ｒ１２５が５０／５０重量％の混合冷媒であるフロンＲ４１０Ａ、フロンＲ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａが２３／２５／５２重量％であるフロンＲ４０７Ｃや、炭化水素冷媒または炭化水素を含む混合冷媒、アンモニアなどを用いることができる。
冷媒としてフロンＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５＝５０／５０重量％）を用いると、Ｒ２２に比べて冷媒回路内の圧力損失が小さく、自然循環運転で得られる冷房能力を増大できる。
また、炭化水素冷媒には、例えばプロパン（Ｒ２９０）やイソブタン（Ｒ６００ａ）などがあり、これらはオゾン層破壊能力（ＯＤＰ）が０であるとともに、フロンＲ２２やフロンＲ４１０Ａなどのフロン冷媒に比べて地球温暖化能力（ＧＷＰ）が１オーダー以上小さく、地球環境に対して害の小さな冷媒である。特に、炭化水素冷媒の中でもプロパン（Ｒ２９０）は、同一質量速度におけるフロンＲ２２に対する蒸発熱伝達率は２．３倍、凝縮熱伝達率は１．３倍程度であり、圧力損失の点でも好ましく、地球環境に対して害が小さくかつフロンＲ２２に近い性能が得られる炭化水素冷媒である。
なお、ここでは炭化水素冷媒としてプロパン（Ｒ２９０）が自然循環運転に適していることを示したが、熱伝達率が大きく圧力損失の小さい他の炭化水素冷媒や炭化水素冷媒を含む混合冷媒を用いても、同様に地球環境に対して害が小さくかつ自然循環運転の冷媒として適用できるという効果を発揮する。ここで、炭化水素冷媒を含む混合冷媒としては、例えば二酸化炭素（ＣＯ2 ）／プロパン（Ｒ２９０）やアンモニア（ＮＨ3 ）／プロパン（Ｒ２９０）などを用いることができる。
【０１２８】
また、実施の形態１〜実施の形態６では、空気調和機として冷房装置について説明したが、凝縮器を室内側、蒸発器を室外側に設置して外気の温熱を利用した暖房装置についても適用でき、同様の効果がある。
【０１２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯溜手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記強制循環運転から前記自然循環運転への運転切換時に、前記蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップと、前記ステップで過熱状態となった冷媒の過熱ガスを前記冷媒貯溜手段に流入して貯溜している冷媒を蒸発させるステップとを備え、前記強制循環運転で前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒を前記自然循環運転の冷媒回路に回収することにより、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３０】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップで、冷媒流量が、強制循環運転における冷媒流量よりも小さくなるように冷媒流量調整手段を調整し、蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態としたことにより、電気ヒータなどの外部入力を必要とせずに強制循環運転から自然循環運転にスムーズに切換えることができ、大幅に消費電力を削減することができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３１】
また、本発明によれば、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯溜手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記強制循環運転から前記自然循環運転への運転切換時に、前記蒸発器の出口部の冷媒状態を過熱状態とするステップと、前記ステップで過熱状態となった冷媒の過熱ガスを前記冷媒貯溜手段に流入して貯溜している冷媒を蒸発させるステップと、外気温度と空調設定温度との温度差を検知するステップと、前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒を蒸発させるステップにおける前記冷媒の蒸発時に前記温度差を検知するステップで検知した温度差の大小により前記冷媒の蒸発量を変化させるステップと、を備え、前記強制循環運転で前記冷媒貯溜手段に貯溜した冷媒の回収量を増減することにより前記自然循環運転の冷媒回路内の冷媒量を増減するので、冷媒回収運転後に、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒量とすることができ、高い空調能力で運転できる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３２】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度に応じて冷媒流量調整手段を制御することにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機が得られる。
【０１３３】
また、本発明によれば、冷媒貯溜手段に貯溜している冷媒を蒸発させるステップを所定時間行うことにより、冷媒回収運転の終了を容易に判断でき、自然循環運転での冷媒量を空調能力が最大限に発揮できる量とすることができる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３４】
また、本発明によれば、自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値としたことにより、凝縮器内の伝熱面積を有効に利用でき、安定した自然循環運転を行うことができる空気調和機が得られる。
【０１３５】
また、本発明によれば、蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように冷媒流量調整手段を調整したことにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機が得られる。
【０１３６】
また、本発明によれば、自然循環運転時に蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように、冷媒流量および前記蒸発器での風量および前記蒸発器内の冷媒量のうちのいずれか１つを変化させたことにより、空調負荷に対して自然循環運転で空調できる能力が最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができ、高い空調能力で運転できる空気調和機の冷媒制御方法が得られる。
【０１３７】
また、本発明によれば、自然循環運転における蒸発器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値であることにより、ガス配管の圧力損失の増大を抑えながら蒸発器内の伝熱面積を有効に利用できる空気調和機が得られる。
【０１３８】
また、本発明によれば、自然循環運転で、冷媒流量または冷媒量を所定時間間隔で変化させることにより、自然循環運転に適した速度で制御でき、安定して自然循環運転を行うことができる空気調和機が得られる。
【０１３９】
また、本発明によれば、外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に、自然循環運転における冷媒流量または冷媒量を変化させることにより、空調能力が過大になるのを防止でき、必要な外気温度と空調設定温度との温度差の範囲において自然循環運転による空調能力を最大限に発揮できるような冷媒状態で運転することができる空気調和機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１による空気調和機を示す回路構成図である。
【図２】 参考例１に係わる冷媒充填量に対する冷房能力、蒸発器出口過熱度、凝縮器出口過冷却度を示す特性図である。
【図３】 参考例１に係わる冷媒充填量に対する冷房能力を示す特性図である。
【図４】 参考例１に係わる外気温度に対する空調負荷と冷房能力の関係を示す特性図である。
【図５】 参考例１に係わるシュミレーションモデルを示す説明図である。
【図６】 参考例１に係わるシュミレーション結果による時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態１による空気調和機を示す回路構成図である。
【図８】 本発明の実施の形態２による空気調和機を示す回路構成図である。
【図９】 本発明の実施の形態３による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４に係わる圧力−エンタルピー線図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１２】 本発明の実施の形態６による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１３】 参考例２による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１４】 参考例２に係わる強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。
【図１５】 参考例３による空気調和機を示す回路構成図である。
【図１６】 参考例３に係わる強制循環運転から自然循環運転への運転切換え手順を示すフローチャートである。
【図１７】 従来の自然循環運転を利用した空気調和機を示す回路構成図である。
【図１８】 従来の自然循環運転と強制循環運転とを備えた空気調和機を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ 室外送風機、４ 冷媒流量調整手段、５ 室外機、６ 液配管、７ 蒸発器、８ 室内送風機、９ 室内機、１０ ガス配管、１１，１５ 開閉手段、１２ バイパス配管、１３ 開閉手段、１４ アキュムレータ、１６ 温度検知手段、１７ 圧力検知手段、１８ 過冷却度演算制御手段、１９ 過熱度演算制御手段、２０ 冷媒貯溜手段、２１ バイパス配管、２２ 開閉手段。
Claims (9)
- 蒸発器とこの蒸発器よりも高い位置に設置された凝縮器とを配管で接続し冷媒を循環させて自然循環運転を行う空気調和機において、前記凝縮器と前記蒸発器の間の配管に設けられた冷媒流量調整手段と、前記凝縮器の出口の下部に配置されるとともに前記冷媒流量調整手段と前記凝縮器の間の配管に下部から接続された冷媒貯溜手段と、前記凝縮器の入口側の配管に圧縮機の吐出と吸入の間を逆止弁を介してバイパスさせるバイパス配管とを備え、前記圧縮機による強制循環運転から前記冷媒流量調整手段を全開にして自然循環運転へ切換可能とし、前記自然循環運転における前記凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度と外気温度に応じて前記凝縮器からの余剰冷媒を前記冷媒貯溜手段に蓄積するように前記冷媒流量調整手段を制御することを特徴とする空気調和機。
- 前記蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度に応じて前記冷媒流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
- 圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記冷媒貯溜手段の入口側に開閉弁を設け、前記強制循環運転時に前記開閉弁を開放し、前記強制循環運転から前記自然循環運転に切換えるための冷媒回収運転を行った後に前記開閉弁を閉止し、前記自然循環運転時に前記凝縮器の出口部の冷媒の過冷却度が設定値よりもある値以上大きい場合に前記開閉弁を所定時間開くことを特徴とする空気調和機。
- 自然循環運転における凝縮器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．１以下かつ過冷却度が２０℃以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項３記載の空気調和機。
- 前記蒸発器の出口部の冷媒の過熱度または乾き度が設定値になるように前記冷媒流量調整手段を調整したことを特徴とする請求項３記載の空気調和機。
- 圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器、冷媒貯留手段を順次配管で接続し冷媒を循環させる強制循環運転と、前記圧縮機と前記冷媒貯溜手段とをバイパスするバイパス配管、前記凝縮器、前記冷媒流量調整手段、前記蒸発器を接続し前記冷媒を循環させる自然循環運転とを切換可能な空気調和機において、前記冷媒貯溜手段の入口側に開閉弁を設け、前記強制循環運転時に前記開閉弁を開放し、前記強制循環運転から前記自然循環運転に切換えるための冷媒回収運転を行った後に前記開閉弁を閉止し、前記自然循環運転時に前記蒸発器の出口部の冷媒の過熱度が設定値よりも低い場合に前記開閉弁を所定時間開くことを特徴とする空気調和機。
- 自然循環運転における蒸発器の出口部の冷媒状態の設定値は、乾き度が０．９以上かつ過熱度が１０℃以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項６記載の空気調和機。
- 自然循環運転で、冷媒流量または冷媒量を所定時間間隔で変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の空気調和機。
- 外気温度と空調設定温度との温度差が２５℃以下の場合に、自然循環運転における冷媒流量または冷媒量を変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の空気調和機。
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