JP4849095B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、除湿運転や冷却運転を行う空気調和装置に係り、二酸化炭素冷媒を用いた場合の運転制御に関するものである。

従来の除湿機能を有する空気調和装置においては、空調空間を所定の温湿度環境に保持するために、被空調空気の状態を監視し、冷却運転と除湿運転の各運転モードのいずれが必要かを判断し、前記運転モードの切換を行って上記空調空間の温湿度を調節している。前記各運転モードの切換は、冷媒回路内に設けられた開閉弁の開閉によって冷媒流路を変更することにより行われている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１４２０１７号公報（第３−４頁、第７図、第８図）

従来の除湿機能を有する空気調和装置では、空気調和装置の除湿運転と冷却運転の各運転の切換による温湿度調節を行う場合、室内へ吹き出す非熱交換空気温度の差が大きいために、冷却運転時と除湿運転時では室内温度の変動が大きくなる。このため、室温を所定の温度に制御しようとすると、冷却運転と除湿運転の各運転モードを切換えるための開閉弁の切換えを頻繁に行うことになり、安定した除湿運転ができないことに加え、開閉弁の故障が発生し易くなり、装置の信頼性低下を招いていた。

本発明は上述の課題を解決するために為されたものであり、頻繁な運転モードの切換えを行わないで、適切な温湿度環境が得られる信頼性の高い空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明に係る空気調和装置においては、圧縮機、第一の熱交換器、絞り装置、第二の熱交換器を有し、冷媒に二酸化炭素を用いた空気調和装置であって、第一の熱交換器を臨界圧力より高い圧力で動作させ、第一の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力により、第一の熱交換器出口部の冷媒エンタルピを算出し、冷媒エンタルピの値に基づき、第一の熱交換器の熱交換量を変化させることを特徴とするものである。

本発明は以上に説明したように構成されているので、簡易な手段で再熱量を制御することが可能な安価で除湿性能の安定した空気調和装置を提供することができる。
また、除湿運転と冷房運転の切換頻度が低く、開閉弁の信頼性の高い空気調和装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、圧縮機１と、第一の熱交換器２と、第一の開閉弁３と、再熱用熱交換器４と、絞り装置５と、第二の熱交換器６とが、冷媒配管で接続されており、第一の送風機７は第一の熱交換器２に空気を送り込み、第二の送風機８は第二の熱交換器６と再熱用熱交換器４に空気を送り込む。第二の熱交換器６は再熱用熱交換器４の風上側に位置する。
また、第一の開閉弁３の入口側からはバイパス管９が分岐して、第二の開閉弁１０を経て再熱器９の出口側配管に接続されている。

除湿運転時には、第一の開閉弁３は開、第二の開閉弁１０は閉とし、また、冷却運転時には、第一の開閉弁３は閉、第二の開閉弁１０は開として装置を運転させる。

なお、この冷媒回路には冷媒として二酸化炭素を使用している。
二酸化炭素は、例えば特開２００２−２２２９９号公報にも示されているように、Ｒ２２等の冷媒と異なり、臨界圧力より高い圧力で動作するため、Ｒ２２等の冷媒を用いた場合の凝縮器に相当する熱交換器において等温で相変化しないのが特徴であり、前記凝縮器の出口に向かうにつれて冷媒の温度が低下する。

次に、この冷媒回路の制御系について説明する。
第一の熱交換器２の入口側配管には第一の温度センサ１１ａが、第一の熱交換器２の出口側配管には第二の温度センサ１２ａと第一の圧力センサ１３ａが、再熱用熱交換器４の出口側配管には第三の温度センサ１１ｂが、第二の熱交換器６の出口側配管には第四の温度センサ１２ｂと第二の圧力センサ１３ｂが取り付けられている。
更に、これらのセンサは制御装置１４の情報処理部１４ａと電気配線接続されており、各センサの情報は情報処理部１４ａに送られて情報処理され、これらの処理された情報に基いてアクチュエータ処理部１４ｂが第一の送風機７、第二の送風機８、絞り装置５、第一の開閉弁３、及び第二の開閉弁１０の制御を行っている。即ち、情報処理部１４ａは、圧力センサ１３ａ、１３ｂ、及び温度センサ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂから得られた情報から冷媒のエンタルピを演算し、アクチュエータ制御部１４ｂは、情報処理部１４ａからの情報に基いて、第一の送風機７の回転数を制御する。

図２は、本発明の空気調和装置の冷凍サイクルの動作を表すＰ−ｈ線図であり、横軸は冷媒エンタルピｈ、縦軸は冷媒圧力Ｐの大きさを示し、Ｔは等温線、点Ｃは臨界点である。
図において、除湿運転時、圧縮機１で圧縮された高温、高圧の冷媒は第一の熱交換器２に流れ込み、そこで圧縮機の入力分だけ放熱した状態Ｒ３となる。状態Ｒ３の冷媒は再熱用熱交換器４に流れ込み、そこで空気に放熱することで状態Ｒ４となり、絞り装置５で減圧されて気液二相状態Ｒ５となる。第二の熱交換器６において、冷媒は空気から熱を奪って蒸発し、ガス単相冷媒Ｒ１となり、再び圧縮機１に吸い込まれて冷凍サイクルを完結する。

次に、再熱能力の制御方法について説明する。
二酸化炭素の冷凍サイクルは通常臨界圧力以上で動作するため、第一の熱交換器２出口において冷媒温度と冷媒圧力を検知すれば、当該部分の冷媒エンタルピを決定することができる。第一の熱交換器２出口の圧力Ｐｃｍを圧力センサ１３ａで、温度Ｔｃｍを温度センサ１２ａで検知し、検知した結果を情報処理部１４ａでＲ３におけるエンタルピＨｃｍを演算する。なお、あらかじめ情報処理部１４ａには、圧力Ｐと温度Ｔから冷媒のエンタルピＨを求めるための近似式Ｈ＝ｆ（Ｐ，Ｔ）が記憶されている。

第二の熱交換器６出口においても、圧力センサ１３ｂで冷媒圧力Ｐｅｏ、温度センサ１２ｂで冷媒温度Ｔｅｏを検知し、得られた検知結果から情報処理部１４ａで第二の熱交換器６出口の冷媒エンタルピＨｅｏを演算する。

また、再熱用熱交換器４出口の冷媒温度Ｔｃｏと第一の熱交換器２出口の冷媒圧力Ｐｃｍから、再熱用熱交換器４出口の冷媒エンタルピＨｃｏを、第一の熱交換器２入口の冷媒温度Ｔｃｉｎと第一の熱交換器２出口の冷媒圧力Ｐｃｍから、第一の熱交換器２入口の冷媒エンタルピＨｃｉｎを情報処理部１４ａにより演算する。

ここで、上記演算から得られる各冷媒エンタルピの差分Ｈｃｍ−Ｈｃｉｎは第一の熱交換器２における凝縮熱交換量を、Ｈｃｍ−Ｈｃｏは再熱用熱交換器４における再熱熱交換量を、Ｈｃｏ−Ｈｅｏは第二の熱交換器６における蒸発熱交換量を表す。

二酸化炭素冷媒の特性により、再熱用熱交換器４出口と第一の熱交換器２出口の冷媒エンタルピが容易に検出できるため、例えば第一の送風機７の風量を変化させて、凝縮熱交換量を制御することによって再熱能力と蒸発能力の比率を自在に変化させることが可能となる。これにより、再熱能力を緻密に制御することができ、除湿運転における吹出温度を能動的に変化させることができる。
以下に、空気調和装置の再熱能力と蒸発能力の比率を自在に変化させる場合の制御方法について説明する。

ここでは、再熱能力を蒸発能力の４０％に制御する方法について説明する。
上記比率を４０％に制御するためには、次の（１）式あるいは（２）式が成立する必要がある。
（Ｈｃｍ−Ｈｃｏ）／（Ｈｅｏ−Ｈｃｏ）＝０．４ （１）
（１）式を変形すると
Ｈｃｍ＝０．４×（Ｈｅｏ−Ｈｃｏ）＋Ｈｃｏ （２）
まず、各圧力センサ、温度センサの検出値から、各冷媒エンタルピを情報処理部１４ａで演算する。
ここで、Ｈｃｍ＞０．４×（Ｈｅｏ−Ｈｃｏ）＋Ｈｃｏならば、アクチュエータ制御部１４ｂにより、第一の送風機７の回転数を増加させる。反対に、Ｈｃｍ＜０．４×（Ｈｅｏ−Ｈｃｏ）＋Ｈｃｏならば、アクチュエータ制御部１４ｂにより、第一の送風機７の回転数を減少させ、（１）式あるいは（２）式が成立するまで、以上の操作を繰り返すことで、目標比率の４０％に調節することが可能になる。

上記の再熱能力と蒸発能力の比率は、装置の特性として限界値（下限値）が存在し、仮に４０％と仮定すると再熱能力は４０〜１００％までの範囲で変化させることができる。逆に、冷却能力は０〜６０％の容量を制御できることになる。
なお、送風機の回転数を本実施の形態では制御したが、絞り装置や伝熱面積を制御する方法でも、再熱能力を自在に制御することは可能である。

図３は、本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の動作フロー図であり、上記で示した除湿運転及び冷却運転の切換と、除湿運転時の吹出空気温度の調節方法の流れを示したものである。
図において、空気調和装置の除湿運転を開始すると（ステップＳ１）、室内吸込空気温度を検出し、目標とする範囲内に入っているかどうかを判定して（ステップＳ２）、入っていればそのまま運転を続行し、入っていなければ再熱能力と蒸発能力の比率（Ｈｃｍ−Ｈｃｏ）／（Ｈｅｏ−Ｈｃｏ）を確認し（ステップＳ３）、その値が装置として予め設定されている限界再熱比率（下限値）よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ４）、小さければ冷却運転モードに切換えて運転し（ステップＳ５）、大きければ除湿運転モードのまま運転を続行する（ステップＳ６）。ステップ６で除湿運転続行と決定されれば、室内吸込空気温度は設定されている目標値よりも高いか否かを判定し（ステップＳ７）、高ければ現状の第一の熱交換器２出口温度よりも低めの目標温度を設定し（ステップＳ８）、この目標値に向って第一の熱交換器２に送風する第一の送風機７の風量を増加させ（ステップＳ８）、これに従って再熱量は減少して室内吹出空気温度は低下し、再度室内吸込空気温度の判定を行う（ステップＳ２）空気温度調節動作を繰り返す。ステップＳ７において、室内吸込空気温度が設定されている目標値よりも低ければ、現状の第一の熱交換器２出口温度よりも高めの目標温度を設定し（ステップＳ１０）、この目標値に向って第一の熱交換器２に送風する第一の送風機７の風量を減少させ（ステップＳ１１）、これに従って再熱量は増大して室内吹出空気温度は上昇し、再度室内吸込空気温度の判定を行う（ステップＳ２）空気温度調節動作を繰り返す。

以上のように、本発明では、再熱能力と蒸発能力の比率を自在に変化させることができるため、除湿運転範囲の大部分において、吹出空気温度の調節による空調空間の温度調節が可能になり、吹出空気温度の調整幅の広い除湿性能を得ることができる。従って、従来の空気調和装置のような吹出温度の上昇による急激な温度変化が無くなるため、冷却運転の必要になる度合が減少し、空気調和装置の除湿運転と冷却運転の切換りが大幅に減少する。その結果、開閉弁の故障確率も減少し、装置の信頼性が向上する。

実施の形態２．
通常の除湿サイクルでは、圧縮機の入力分だけ再熱能力が大きくなり、どうしても除湿機の吸込空気温度より、吹出空気温度の方が高くなってしまうため、再熱能力と蒸発能力を等しくすれば、装置の吸込・吹出空気温度はほぼ等しくなり、湿度のみを除去することが可能となる。
以下に、除湿装置の吸込空気温度と吹出温度を同じにするために、再熱能力と蒸発能力が等しくなるように制御する方法について説明する。

再熱能力と蒸発能力が等しくなるためには、次の（３）式が成立する必要がある。
Ｈｅｏ＝Ｈｃｍ （３）
まず、第一の熱交換器２出口の冷媒圧力Ｐｃｍ、冷媒温度Ｔｃｍ、第二の熱交換器６出口の冷媒圧力Ｐｅｏ、冷媒温度Ｔｅｏを検知し、情報処理部１４ａでエンタルピＨｃｍ、Ｈｅｏを演算する。
Ｈｅｏ＜Ｈｃｍならば、アクチュエータ制御部１４ｂにより、第一の送風機７の回転数を増加させる。反対にＨｅｏ＞Ｈｃｍならば、アクチュエータ制御部１４ｂにより、第一の送風機７の回転数を減少させ、（３）式が成立するまで、以上の操作を繰り返す。

また、第一の熱交換器２における第一の送風機７の風量を減少させて、Ｈｅｏ＜Ｈｃｍに制御することで、吹出温度の高い暖房気味除湿運転をすることができる。逆に、第一の送風機７の風量を増加させて、Ｈｅｏ＞Ｈｃｍに制御することで、吹出温度の低い冷房気味除湿をすることも可能である。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３を示す空気調和装置の冷媒回路図である。
図において、第一の熱交換器２の入口側に第四の開閉弁２ａが設けられ、第四の開閉弁２ａの入口側から第一の熱交換器２をバイパスする第二のバイパス回路１６が分岐して、第三の開閉弁１６ａを介して第一の熱交換器２の出口配管に接続されている。
通常は、第四の開閉弁２ａは開、第三の開閉弁１６ａは閉としているが、第一の熱交換器２において熱交換される室外空気温度が低いような場合では、第一の送風機７を運転させなくても、冷媒が冷却されて凝縮し、結果的に除湿運転時の再熱能力が不足する場合がある。このような場合は、第四の開閉弁２ａを閉、第三の開閉弁１６ａを開として第一の熱交換器２を冷媒が通過しないようにすることにより、凝縮部での放熱ロスが低減されて再熱能力が十分に確保できる。第二のバイパス回路１６の配管における放熱を低減するために、配管部分を断熱する等の処置は更に有効である。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図であり、再熱器１０出口に第一の逆止弁１７と、第一の熱交換器２出口に第二の逆止弁１８がそれぞれ設けられている。これらの逆止弁により、冷媒が再熱用熱交換器４をバイパスして第一のバイパス回路９を通過する場合、及び第一の熱交換器２をバイパスして第二のバイパス回路１６を通過する場合、各バイパス回路通過後の再熱用熱交換器４、第一の熱交換器２内への逆流を防止でき、冷媒量が不足することなく安定した冷凍サイクルが供給できる。

本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の冷凍サイクルの動作を表すＰ−ｈ線図である。 本発明の実施の形態１を示す空気調和装置の動作フロー図である。 本発明の実施の形態３を示す空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態４を示す空気調和装置の冷媒回路図である。

１ 圧縮機、２ 第一の熱交換器、２ａ 第四の開閉弁、３ 第一の開閉弁、４ 再熱用熱交換器、５ 絞り装置、６ 第二の熱交換器、７ 第一の送風機、８ 第二の送風機、９ 第一のバイパス回路、１０ 第二の開閉弁、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 温度センサ、１３ａ、１３ｂ 圧力センサ、１４ 制御装置、１４ａ 情報処理部、１４ｂ アクチュエータ制御部、１５ａ 冷却運転時の冷媒の流れ方向、１５ｂ 除湿運転時の冷媒の流れ方向、１６ 第二のバイパス回路、１６ａ 第三の開閉弁、１７ 第一の逆止弁、１８ 第二の逆止弁。

Claims (8)

1. 圧縮機、第一の熱交換器、絞り装置、第二の熱交換器を有し、冷媒に二酸化炭素を用いた空気調和装置であって、前記第一の熱交換器を臨界圧力より高い圧力で動作させ、該第一の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力により、該第一の熱交換器出口部の冷媒エンタルピを算出し、該冷媒エンタルピの値に基づき、該第一の熱交換器の熱交換量を変化させることを特徴とする空気調和装置。
2. 前記第一の熱交換器の熱交換量を、該第一の熱交換器を通過する風量を変化させることにより制御することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記第二の熱交換器に送風する送風機を備え、
   前記第一の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力と、前記第二の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力とを処理して前記送風機を運転制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
4. 冷凍サイクル上前記第一の熱交換器と前記絞り装置の間であって、前記第二の熱交換器の風下側に配置した再熱用熱交換器と、
   前記第二の熱交換器において冷却、除湿された空気を、前記再熱用熱交換器において加熱して吹き出す送風機を備え、
   前記第一の熱交換器入口部の冷媒温度と、前記第一の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力と、前記第二の熱交換器出口部の冷媒温度および冷媒圧力と、前記再熱用熱交換器出口部の冷媒温度とを処理して前記送風機を運転制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
5. 前記再熱用熱交換器をバイパスする第一のバイパス回路と前記第一のバイパス回路内に設けた第二の開閉弁と前記再熱用熱交換器の入口側に設けた第一の開閉弁とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
6. 前記再熱用熱交換器をバイパスする第一のバイパス回路と、前記第一のバイパス回路内に設けた第二の開閉弁と、前記再熱用熱交換器の入口側に設けた第一の開閉弁と、前記第一の熱交換器をバイパスする第二のバイパス回路と、前記第二のバイパス回路内に設けた第三の開閉弁と、前記第一の熱交換器の入口側に設けた第四の開閉弁と、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の空気調和装置。
7. 前記第二のバイパス回路の配管部分を断熱する手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の空気調和装置。
8. 前記再熱用熱交換器出口に設けられた第一の逆止弁と、前記第一の熱交換器出口に設けられた第二の逆止弁の内、少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の空気調和装置。

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