JP4180589B2 - 空気調和システム及びその非常用電源給電時における運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和システム及びその非常用電源給電時における運転方法に関し、特に情報通信機器等を格納する機械室空調制御に適した技術に関する。

従来、情報通信機器等を収容する機械室の空調システムの非常用電源供給システムとして、商用電源が停電した際の非常時にのみエンジン等の自家発電機をバックアップ稼動させる方式と、非常用のみならず通常運転時の電源としても併用する方式が公知である（例えば特許文献１）。この場合、自家発電機の容量は、接続される空調機及び情報通信機器の全ての負荷電力を同時に賄うような発電量に設定されることが一般的である。このため、自家発電機が大型となり、設備コスト、設置エリアの確保等が問題となる。

また、非常用電源として空調機稼動のみに自家発電機を用い、情報通信機器稼動についてはバッテリー給電による方式もある。しかし、この方式では、自家発電機が例えばエンジントラブル等により起動せず、バッテリー給電による情報通信機器のみ稼動した場合には、室内は冷房されないため機器類の発熱により局所的に高温の箇所が発生してしまう。情報通信機器類の許容温度は一般に情報通信室機器近傍の室温で規定され、周囲空気が高温になった場合には、機器自身が保護制御により自動停止してサービス継続が不能となったり、機器の構成部品が破壊されて故障に至るおそれがある。
また、本出願人は、非常用電源給電時において室内機送風機のみで抑制運転する技術について開示している（特許文献２）。
特開平９−２３８４３３号公報 特開２００４−２８６２９９号公報

本発明は、上記課題を解決するためのものであって、特許文献２において出願人が開示している技術をさらに進展させた技術に関するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、
（１）通常時は商用電源から電力供給を受けて稼動する空気調和機と、非常用電源供給手段と、を含む空気調和システムであって、前記空気調和機は、圧縮機と、室内機送風機と、商用電源遮断を検知する手段と、商用電源遮断を検知したときに圧縮機回転数及び室内機送風機風量の両方の能力を抑制する手段と、を備えて成ることを特徴とする空気調和システム。

（２）上記発明において、非常用電源供給手段が、バッテリー又は自家発電機のいずれか一方又は両方であることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）の発明において、商用電源遮断を検知したときに、圧縮機能力及び室内機送風機風量の両方を抑制する抑制運転モードを含むことを特徴とする空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法。

（４）上記（３）の発明において、圧縮機を運転停止し、かつ、前記室内機送風機風量を中間風量で運転する抑制運転モードを含むことを特徴とする。
（５）上記（３）の発明において、圧縮機を最低周波数で運転し、かつ、室内機送風機風量を顕熱比が０．９９となる中間風量で運転する抑制運転モードを含むことを特徴とする。
（６）空気調和機が複数の冷媒回路を有する（１）に記載の空気調和システムにおいて、複数の圧縮機のうちの一部の圧縮機を運転又は最低周波数で運転し、他の圧縮機を停止するとともに、室内機送風機風量を顕熱比が０．９９となる中間風量で運転する抑制運転モードを含むことを特徴とする。

（７）圧縮機と室内機送風機の両方の運転による第一の抑制運転モードと、室内機送風機のみの運転による第二の抑制運転モードと、を含み、バッテリー残量（Ｅ）が、第二の抑制運転モードにおいて二重床内蓄冷熱を空調対象室に放熱するのに要する室内機送風機電力量（Ｅ１）以下となったときに、第一の抑制運転モードから第二の抑制運転モードに切替えることを特徴とする。
（８）上記（７）において、第二の抑制運転モード下において、空調対象室の室温が許容限界温度を超えたときは、該許容限界温度を目標設定温度とし、かつ、圧縮機と室内機送風機の両方の運転による第三の抑制運転モード又は通常運転モードに切替えることを特徴とする。
（９）上記（７）又は（８）において、前記第二の抑制運転モード下において、さらに、空調対象室の室温上昇の微分値に基づいて抑制量を変化させることを特徴とする。
（１０）上記（７）又は（８）において、前記第二の抑制運転モード下において、さらに、前記許容限界温度と室温との偏差に基づいて抑制量を変化させることを特徴とする。

上記各発明によれば、空調機の中で電力消費が特に大きな圧縮機及び室内機送風機の電力消費を抑制することができるため、非常用電源の容量を小さくすることができ、設備コスト、設置エリアの削減に資する。

また、非常用電源給電時に室内機送風機により室内空気を強制循環させるため、局所的な高温発生を防止することができる。このため、本発明を情報通信機器等を格納する機械室等に適用した場合、通信機器の自動停止によるサービス継続不能や、機器構成部品の破壊による故障等のトラブルを回避できる。
また、空気調和機が複数の冷媒回路を有する空気調和システムにあっては、複数の圧縮機の一部のみを運転又は最低周波数で運転することにより、通信機器類の発熱密度に対応してさらにきめ細かい運転制御が可能となる。
また、第一の抑制運転モードと第二の抑制運転モードによる運転制御を行う発明にあっては、二重床内蓄冷熱を最大限に活用することができる。
また、第一の抑制運転モード下において室温上昇の微分値、又は許容限界温度と室温との偏差に基づいて抑制量を変化させる発明にあっては、抑制制御量を常に補正できるため、許容限界温度（危険温度）に到達することを可能な限り回避することができる。

以下、本発明に係る空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法の実施形態について、図１乃至５を参照してさらに詳細に説明する。重複を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和システム１の構成を示す図である。空気調和システム１は、空調機２、空調機２に電力供給する商用電源７、商用電源７停電時等の非常用電源であるエンジン発電機３及びバッテリー電源４、商用電源７と非常用電源を切替える電源切替装置６、バッテリー電源４の直流を交流に変換するＵＰＳ５、各電源と空調機２を結ぶ電力供給ラインＥ１乃至Ｅ３、を主要構成として備えている。なお、バッテリー電源４は通信機器類にも給電しているが、図示を省略する。

電源切替装置６における非常用電源の優先順位は、エンジン発電機３→バッテリー電源４の順であり、商用電源７が停止等したときは直ちにエンジン発電機３による給電に切り替えられる。但し、エンジン発電機３起動までの間、あるいはエンジン発電機３が故障等により起動しない場合にはバッテリー電源４により給電されるように構成されている。

図２は空調機２の構成を示す図である。空調機２は、室内機１２、室外機１３、圧縮機１４、膨張弁１６、これらを結ぶ冷媒循環配管１５、及び空調機２の運転制御を司る制御部８を主要構成としている。室内機１２は、蒸発器１２ａ、室内機送風機１２ｂを備えており、室内機送風機１２ｂにより吸い込んだ室内空気を蒸発器１２ａで冷却して、冷房対象の機械室に送出する。冷媒循環配管１５の内部には冷媒が充填されており、配管内を気相又は液相状態で循環するように構成されている。室外機１３は屋外に設置され、圧縮機１４、凝縮器１３ａ、室外機送風機１３ｂを内蔵している。そして、圧縮機１４で高温高圧にされたガス冷媒を凝縮器１３ａで外気と熱交換して冷却凝縮し、冷媒循環配管１５を介して室内機１２に搬送する。空調機２の冷凍能力は、圧縮機１４の回転数をインバータ制御することにより調整される。

制御部８は、いずれも不図示のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶部等を備え、ＲＯＭに格納されている所定のプログラムに従って、商用電源給電時は吸込み空気温度に基づく空調制御を行う。さらに、非常用電源からの給電信号を受けて後述の空調制御を行う。制御部８とエンジン発電機３及びバッテリー電源４の間は信号線Ｃ１、Ｃ２を介して接続されており、非常用電源からの給電信号を制御部８が受信可能に構成されている。また、制御部８と圧縮機１４及び室内機送風機１２ｂ間は、信号線Ｃ３、Ｃ４を介して接続されており、制御部８から圧縮機１４の運転周波数及び室内機送風機１２ｂの回転数を制御可能に構成されている。なお、空調機２は、この他にも四方弁、アキュムレーター、四方弁等の冷凍サイクルを構成する各種要素が含まれるが、図示を省略してある。

次に図３をも参照して、空気調和システム１の非常用電源給電時の運転制御フローについて説明する。運転開始時は電力供給ラインＥ１を介して商用電源７による給電が行われる。このときは通常の運転制御、すなわち吸込み温度制御により行われる（ステップＳ１０）。制御部８は、運転中、常に非常用電源からの給電信号を受信したか否かをモニターしている。停電等の原因によりバッテリー４又はエンジン発電機３の給電に切り替わると、バッテリー４又はエンジン発電機３は制御部８に給電信号を送信する。制御部８はこの信号を受信すると（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、圧縮機１４を最低周波数にし、室内機送風機の風量を所定の中間風量とする（ステップＳ１２）。この場合の風量は、圧縮機１４を最低周波数としたときに顕熱比（ＳＨＦ）が０．９９となる最低風量に設定される。これにより抑制運転モードとなり室温は上昇傾向となるが、上述のように通信機器類の動作許容温度を考慮した空調機運転制御が行われるため、サービス継続に支障をきたすことはない。この状態で運転が継続されるが、制御部８は非常用電源からの給電信号途絶を確認したときは（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、商用電源からの給電が復帰したと判断して通常の運転制御に復帰させる（ステップＳ１４）。

なお、本実施形態では非常用電源給電時に圧縮機を最低周波数運転としたが、圧縮機運転を停止し、室内機送風機のみ稼動させる形態とすることもできる。
また、本実施形態では非常用電源としてエンジン発電機及びバッテリー電源の両方を設けているが、エンジン発電機又はバッテリー電源のいずれか一方単独で給電する形態とすることもできる。

（第二の実施形態）
次に、図４、５を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態は、特に請求項６に関するものである。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、空調機の構成である。図４は、本実施形態に係る空調機２０の構成を示す図である。第一の実施形態に係る空調機２の構成と異なる点は、空調機２では冷媒循環系統が１系統であるのに対して、空調機２０は２つの冷媒循環系統Ａ、Ｂを備えていることである。すなわち、冷媒循環系統Ａは蒸発器２４ａ、圧縮機１４ａ、凝縮器２２ａ、膨張弁１６ａ及びこれらを結ぶ冷媒循環配管１５ａにより構成されている。また、冷媒循環系統Ｂは蒸発器２４ｂ、圧縮機１４ｂ、凝縮器２２ｂ、膨張弁１６ｂ及びこれらを結ぶ冷媒循環配管１５ｂにより構成されている。制御部８と圧縮機１４ａ、１４ｂとの間は信号線Ｃ５、Ｃ６を介して接続されている。各系統の冷凍サイクルの作動については上述の実施形態と同一である。また、非常用電源系統、その他のシステム構成についても第一の実施形態と同一であるので、図示及び説明を省略する。

次に図５をも参照して、本実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローについて説明する。運転開始時は商用電源７による給電が行われる。このときは通常の運転制御、すなわち吸込み温度制御により行われる（ステップＳ２０）。制御部８は、運転中、常に非常用電源からの給電信号を受信したか否かをモニターしている。そして、停電等の原因によりバッテリー４又はエンジン発電機３からの給電に切り替わり、非常用電源からの給電信号を受信したときは（ステップＳ２１においてＹＥＳ）、冷媒循環系統Ａの圧縮機１４ａの運転を停止し、冷媒循環系統Ｂの圧縮機１４ｂを最低周波数運転とする。また、室内機送風機１２ｂの風量を所定の中間風量とする（ステップＳ２２）。この場合の風量は、圧縮機１４を最低周波数としたときに顕熱比（ＳＨＦ）が０．９９となる最低風量に設定される。この状態で運転が継続され、制御部８は非常用電源からの給電信号途絶を確認したときは（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、商用電源からの給電が復帰したと判断して通常の運転制御に復帰させる（ステップＳ２４）。

なお、本実施形態では非常用電源からの給電信号受信時に、冷媒循環系統Ａの圧縮機１４ａの運転を停止し、冷媒循環系統Ｂの圧縮機１４ｂを最低周波数運転としたが、逆に冷媒循環系統Ａの圧縮機１４ａを最低周波数運転とし、冷媒循環系統Ｂの圧縮機１４ｂの運転を停止する制御としてもよい。
（第三の実施形態）
さらに、図６、７を参照して本発明の第三の実施形態について説明する。図６は、本実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローを示す図である。また、図７は本実施形態における運転モードと室温の時間的変化との関係を示す図である。本実施形態は、特に請求項８乃至１０に関するものである。本実施形態の構成は第一の実施形態と同一であるので、図示及び説明を省略する。
本実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローは、以下の通りである。図６を参照して、制御部８が非常用電源からの給電信号を受信しない間（通常時）は、商用電源給電により通常運転モードで運転される（ステップＳ３１）。非常用電源からの給電信号を受信したときは（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、直ちに抑制運転モード１、すなわち圧縮機１４及び室内機送風機１２ｂの両方の運転モードとなる（ステップＳ３２）。抑制運転モード１の間（区間Ａ）、継続的にバッテリー残量（Ｅ）が後述の区間Ｂにおいて抑制運転モード２により消費する室内機送風機電力量（Ｅ１）より大きいか否かの判定が行われる（ステップＳ３３）。なおＥ１は、二重床内躯体に蓄積されている蓄冷熱を、室内機送風機により空調対象室に完全放熱するのに要する時間を算出し、これに基づいて予め求めてある。
Ｅ＞Ｅ１のときは、抑制運転モード１が継続される（ステップＳ３４）。バッテリー残量ＥがＥ１以下となったときは（ステップＳ３３においてＮＯ）、抑制運転モード２、すなわち圧縮機１４の運転を停止し、室内機送風機１２ｂのみの運転に切替えられる（ステップＳ３３）。この状態で運転が継続（区間Ｂ）されるが、この間、継続的に室温が許容限界温度（危険温度）Θｅを超えたか否かの判定が行われる（ステップＳ３６）。なお、Θｅは室内に置かれている電子機器等の耐熱温度に基づいて設定することができる。Θｅ以下のときはバッテリー残量の判定ステップＳ３３に戻る（ステップＳ３６においてＮＯ）。Θｅを超えたときは抑制運転モード３に切替えられる（ステップＳ３３）。すなわち、目標設定温度をΘｅとし、圧縮機１４及び室内機送風機１２ｂの両方の運転モードとなる（区間Ｃ）。その後、継続的にバッテリー残量Ｅのモニターが行われ（ステップＳ３８）、残量Ｅが０となった時点で運転が停止される（ステップＳ３９）。
なお、抑制運転モード２において、室温上昇勾配（微分値）に応じて抑制量を変化させてもよい。または、許容限界温度と室温との偏差に応じて抑制量を変化させてもよい。これにより、例えば、微分値を検出して許容限界温度到達時間を推定し、さらにバッテリー枯渇時間と対比照合することにより、抑制量を常に補正することが可能となる。

本発明は、熱源種類、冷媒種類、空調方式、建築構造等を問わず、空調対象空気を空調機に導いて循環する空気調和システムに広く適用可能である。

第一の実施形態に係る空気調和システム１を示す図である。 空調機２の詳細を示す図である。 第一の実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローを示す図である。 第二の実施形態に係る空調機２０の詳細を示す図である。 第二の実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローを示す図である。 第三の実施形態における非常用電源給電時の運転制御フローを示す図である。 第三の実施形態における運転モードと室温の時間的変化との関係を示す図である。

符号の説明

１・・・・・空気調和システム
２、２０・・空調機
３・・・・・エンジン発電機
４・・・・・バッテリー電源
８・・・・・制御部
１２・・・・室内機
１２ａ、２４ａ・・・蒸発器
１２ｂ、２４ｂ・・・室内機送風機
１３ 室外機
１４、１４ａ、１４ｂ・・・圧縮機
Ｃ１〜Ｃ５・・・信号線

Claims (4)

1. 通常時は商用電源から電力供給を受けて稼動する空気調和機と、非常用電源供給手段と、を含み、
   前記空気調和機は、圧縮機と、室内機送風機と、商用電源遮断を検知する手段と、商用電源遮断を検知したときに圧縮機回転数及び室内機送風機風量の両方の能力を抑制する手段と、を備え、
   前記非常用電源供給手段が、バッテリー又は自家発電機のいずれか一方又は両方である、空気調和システムにおいて、
   商用電源遮断を検知したときに、圧縮機能力及び室内機送風機風量の両方を抑制する抑制運転モードを含み、さらに、
   前記圧縮機と前記室内機送風機の両方の運転による第一の抑制運転モードと、前記室内機送風機のみの運転による第二の抑制運転モードと、を含み、
   前記バッテリー残量（Ｅ）が、第二の抑制運転モードにおいて二重床内蓄冷熱を空調対象室に放熱するのに要する前記室内機送風機電力量（Ｅ１）以下となったときに、第一の抑制運転モードから第二の抑制運転モードに切替えることを特徴とする空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法。
2. 前記第二の抑制運転モード下において、空調対象室の室温が許容限界温度を超えたときは、該許容限界温度を目標設定温度とし、かつ、圧縮機と室内機送風機の両方の運転による第三の抑制運転モード又は通常運転モードに切替えることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法。
3. 前記第二の抑制運転モードにおいて、さらに、空調対象室の室温上昇の微分値に基づいて抑制量を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法。
4. 前記第二の抑制運転モード下において、さらに、前記許容限界温度と室温との偏差に基づいて抑制量を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和システムの非常用電源給電時における運転方法。

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