JP5340406B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえばビル用マルチエアコン等に適用される空気調和装置に関するものである。
ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置においては、たとえば建物外に配置した熱源機である室外機と建物の室内に配置した室内機との間に冷媒を循環させる。そして、冷媒が放熱、吸熱して、加熱、冷却された空気により空調対象空間の冷房または暖房を行なっていた。冷媒としては、たとえばHFC(ハイドロフルオロカーボン)冷媒が多く使われている。また、二酸化炭素(CO2 )等の自然冷媒を使うものも提案されている。
また、チラーと呼ばれる空気調和装置においては、建物外に配置した熱源機にて、冷熱または温熱を生成する。そして、室外機内に配置した熱交換器で水、不凍液等を加熱、冷却し、これを室内機であるファンコイルユニット、パネルヒーター等に搬送して冷房または暖房を行なっていた(たとえば、特許文献1参照)。
また、排熱回収型チラーと呼ばれる、熱源機と室内機の間に4本の水配管を接続し、冷却、加熱した水等を同時に供給し、室内機において冷房または暖房を自由に選択できるものもある(たとえば、特許文献2参照)。
また、1次冷媒と2次冷媒の熱交換器を各室内機の近傍に配置し、室内機に2次冷媒を搬送するように構成されているものもある(たとえば、特許文献3参照)。
また、室外機と熱交換器を持つ分岐ユニット間を2本の配管で接続し、室内機に2次冷媒を搬送するように構成されているものもある(たとえば、特許文献4参照)。
特開2005−140444号公報(第4頁、図1等) 特開平5−280818号公報(第4、5頁、図1等) 特開2001−289465号公報(第5〜8頁、図1、図2等) 特開2003−343936号公報(第5頁、図1)
従来のビル用マルチエアコン等の空気調和装置では、室内機まで冷媒を循環させているため、冷媒が室内等に漏れる可能性があった。一方、特許文献1及び特許文献2に記載されているような空気調和装置では、冷媒が室内機を通過することはない。しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載されているような空気調和装置では、建物外の熱源機において熱媒体を加熱または冷却し、室内機側に搬送する必要がある。このため、熱媒体の循環経路が長くなる。ここで、熱媒体により、所定の加熱あるいは冷却の仕事をする熱を搬送しようとすると、搬送動力等によるエネルギーの消費量が冷媒よりも高くなる。そのため、循環経路が長くなると、搬送動力が非常に大きくなる。このことから、空気調和装置において、熱媒体の循環をうまく制御することができれば省エネルギー化を図れることがわかる。
特許文献2に記載されているような空気調和装置においては、室内機毎に冷房または暖房を選択できるようにするためには室外側から室内まで4本の配管を接続しなければならず、工事性が悪いものとなっていた。特許文献3に記載されている空気調和装置においては、ポンプ等の2次媒体循環手段を室内機個別に持つ必要があるため、高価なシステムとなるだけでなく、騒音も大きいものとなり、実用的なものではなかった。加えて、熱交換器が室内機の近傍にあるため、冷媒が室内に近い場所で漏れるという危険性を排除することができなかった。
特許文献4に記載されているような空気調和装置においては、熱交換後の1次冷媒が熱交換前の1次冷媒と同じ流路に流入しているため、複数の室内機を接続した場合に、各室内機にて最大能力を発揮することができず、エネルギー的に無駄な構成となっていた。また、分岐ユニットと延長配管との接続が冷房2本、暖房2本の合計4本の配管でなされているため、結果的に室外機と分岐ユニットとが4本の配管で接続されているシステムと類似の構成となっており、工事性が悪いシステムとなっていた。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、省エネルギー化を図ることができる空気調和装置を得るものである。また、室内機または室内機の近傍まで冷媒を循環させずに安全性の向上を図ることができる空気調和装置を得るものである。さらに、室外機と分岐ユニット(熱媒体変換機)または室内機との接続配管を減らし、工事性の向上を図るとともに、エネルギー効率を向上させることができる空気調和装置を得るものである。
本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、複数の絞り装置、及び、複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱源側冷媒を循環させる冷媒循環回路が形成され、複数のポンプ、複数の利用側熱交換器、及び、前記複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱媒体を循環させる複数の熱媒体循環回路が形成された空気調和装置であって、前記複数の利用側熱交換器にそれぞれ設けられ、該利用側熱交換器を循環する前記熱媒体の流量を調整する熱媒体流量調整装置と、前記熱媒体間熱交換器から前記利用側熱交換器の入口側に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する第1温度センサーと、前記利用側熱交換器の出口側から前記熱媒体間熱交換器に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する第2温度センサーと、少なくとも前記熱媒体流量調整装置、前記ポンプ、前記圧縮機及び前記絞り装置を制御する制御装置とを備え、前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器の一部に前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱し、前記複数の熱媒体間熱交換器の他の一部に低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードとを実行可能であり、前記複数のポンプのそれぞれは、前記複数の熱媒体間熱交換器の何れかに対応して設けられ、前記制御装置は、前記第1温度センサー及び前記第2温度センサーの検出温度に基づき、前記熱媒体流量調整装置の開度を制御する熱媒体流量調整装置制御を行い、前記熱媒体流量調整装置制御により制御される前記熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、目標開度に近づくように、前記ポンプの運転容量を制御するポンプ制御を行い、前記熱媒体流量調整装置制御及び前記ポンプ制御により流量が制御された前記熱媒体の温度が、目標温度に近づくように、前記冷媒循環回路の冷凍サイクルの制御を行い、前記冷凍サイクルの制御において、前記第1温度センサーの検出温度が前記熱媒体の目標温度に近づくように、前記熱源側冷媒の凝縮温度及び蒸発温度の少なくとも一方、又は、前記熱源側冷媒の凝縮温度の偏差値及び蒸発温度の偏差値の少なくとも一方を設定し、前記ポンプ制御において、高温・高圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、暖房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御し、低温・低圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、冷房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御する。
本発明は、熱媒体が循環する配管を短くでき、搬送動力が少なくて済むため、省エネルギー化を図ることができる。また、熱媒体流量調整装置での損失を低減するように開度を設定できると共に熱媒体の温度を目標温度に近づけることができる。
本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の別の一例を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の全冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の暖房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の熱媒体流量調整装置の制御フローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の熱媒体流量調整装置の開度と開口面積の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置のポンプの制御フローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷凍サイクルの凝縮温度および蒸発温度の制御フローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の外気温度と熱媒体の目標温度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の室温と室温の目標温度との差と熱媒体の目標温度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の回路構成の更に別の一例を示す概略回路構成図である。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1及び図2は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。図1及び図2に基づいて、空気調和装置の設置例について説明する。この空気調和装置は、冷媒(熱源側冷媒、熱媒体)を循環させる冷凍サイクル(冷媒循環回路A、熱媒体循環回路B)を利用することで各室内機が運転モードとして冷房モードあるいは暖房モードを自由に選択できるものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
図1においては、実施の形態に係る空気調和装置は、熱源機である1台の室外機1と、複数台の室内機2と、室外機1と室内機2との間に介在する熱媒体変換機3と、を有している。熱媒体変換機3は、熱源側冷媒と熱媒体とで熱交換を行なうものである。室外機1と熱媒体変換機3とは、熱源側冷媒を導通する冷媒配管4で接続されている。熱媒体変換機3と室内機2とは、熱媒体を導通する配管(熱媒体配管)5で接続されている。そして、室外機1で生成された冷熱あるいは温熱は、熱媒体変換機3を介して室内機2に配送されるようになっている。
図2においては、実施の形態に係る空気調和装置は、1台の室外機1と、複数台の室内機2と、室外機1と室内機2との間に介在する複数に分割した熱媒体変換機3(親熱媒体変換機3a、子熱媒体変換機3b)と、を有している。室外機1と親熱媒体変換機3aとは、冷媒配管4で接続されている。親熱媒体変換機3aと子熱媒体変換機3bとは、冷媒配管4で接続されている。子熱媒体変換機3bと室内機2とは、配管5で接続されている。そして、室外機1で生成された冷熱あるいは温熱は、親熱媒体変換機3a及び子熱媒体変換機3bを介して室内機2に配送されるようになっている。
室外機1は、通常、ビル等の建物9の外の空間(たとえば、屋上等)である室外空間6に配置され、熱媒体変換機3を介して室内機2に冷熱又は温熱を供給するものである。室内機2は、建物9の内部の空間(たとえば、居室等)である室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給できる位置に配置され、空調対象空間となる室内空間7に冷房用空気あるいは暖房用空気を供給するものである。熱媒体変換機3は、室外機1及び室内機2とは別筐体として、室外空間6及び室内空間7とは別の位置に設置できるように構成されており、室外機1及び室内機2とは冷媒配管4及び配管5でそれぞれ接続され、室外機1から供給される冷熱あるいは温熱を室内機2に伝達するものである。
図1及び図2に示すように、実施の形態に係る空気調和装置においては、室外機1と熱媒体変換機3とが2本の冷媒配管4を用いて、熱媒体変換機3と各室内機2とが2本の配管5を用いて、それぞれ接続されている。このように、実施の形態に係る空気調和装置では、2本の配管(冷媒配管4、配管5)を用いて各ユニット(室外機1、室内機2及び熱媒体変換機3)を接続することにより、施工が容易となっている。
図2に示すように、熱媒体変換機3を、1つの親熱媒体変換機3aと、親熱媒体変換機3aから派生した2つの子熱媒体変換機3b(子熱媒体変換機3b(1)、子熱媒体変換機3b(2))と、に分けることもできる。このようにすることにより、1つの親熱媒体変換機3aに対し、子熱媒体変換機3bを複数接続できるようになる。この構成においては、親熱媒体変換機3aと子熱媒体変換機3bとを接続する冷媒配管4は、3本になっている。この回路の詳細については、後段で詳細に説明するものとする(図3A参照)。
なお、図1及び図2においては、熱媒体変換機3が、建物9の内部ではあるが室内空間7とは別の空間である天井裏等の空間(以下、単に空間8と称する)に設置されている状態を例に示している。熱媒体変換機3は、その他、エレベーター等がある共用空間等に設置することも可能である。また、図1及び図2においては、室内機2が天井カセット型である場合を例に示してあるが、これに限定するものではなく、天井埋込型や天井吊下式等、室内空間7に直接またはダクト等により、暖房用空気あるいは冷房用空気を吹き出せるようになっていればどんな種類のものでもよい。
図1及び図2においては、室外機1が室外空間6に設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、室外機1は、換気口付の機械室等の囲まれた空間に設置してもよく、排気ダクトで廃熱を建物9の外に排気することができるのであれば建物9の内部に設置してもよく、あるいは、水冷式の室外機1を用いる場合にも建物9の内部に設置するようにしてもよい。このような場所に室外機1を設置するとしても、特段の問題が発生することはない。
また、熱媒体変換機3は、室外機1の近傍に設置することもできる。ただし、熱媒体変換機3から室内機2までの距離が長すぎると、熱媒体の搬送動力がかなり大きくなるため、省エネルギーの効果は薄れることに留意が必要である。さらに、室外機1、室内機2及び熱媒体変換機3の接続台数を図1及び図2に図示してある台数に限定するものではなく、本実施の形態に係る空気調和装置が設置される建物9に応じて台数を決定すればよい。
図3は、実施の形態に係る空気調和装置(以下、空気調和装置100と称する)の回路構成の一例を示す概略回路構成図である。図3に基づいて、空気調和装置100の詳しい構成について説明する。図3に示すように、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に備えられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して冷媒配管4で接続されている。また、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して配管5で接続されている。
[室外機1]
室外機1には、圧縮機10と、四方弁等の第1冷媒流路切替装置11と、熱源側熱交換器12と、アキュムレーター19とが冷媒配管4で直列に接続されて搭載されている。また、室外機1には、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dが設けられている。第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dを設けることで、室内機2の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機3に流入させる熱源側冷媒の流れを一定方向にすることができる。
圧縮機10は、熱源側冷媒を吸入し、その熱源側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。第1冷媒流路切替装置11は、暖房運転時(全暖房運転モード時及び暖房主体運転モード時)における熱源側冷媒の流れと冷房運転時(全冷房運転モード時及び冷房主体運転モード時)における熱源側冷媒の流れとを切り替えるものである。熱源側熱交換器12は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器(または放熱器)として機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱源側冷媒との間で熱交換を行ない、その熱源側冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。アキュムレーター19は、圧縮機10の吸入側に設けられており、過剰な冷媒を貯留するものである。
逆止弁13dは、熱媒体変換機3と第1冷媒流路切替装置11との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(熱媒体変換機3から室外機1への方向)のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁13aは、熱源側熱交換器12と熱媒体変換機3との間における冷媒配管4に設けられ、所定の方向(室外機1から熱媒体変換機3への方向)のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁13bは、第1接続配管4aに設けられ、暖房運転時において圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱媒体変換機3に流通させるものである。逆止弁13cは、第2接続配管4bに設けられ、暖房運転時において熱媒体変換機3から戻ってきた熱源側冷媒を圧縮機10の吸入側に流通させるものである。
第1接続配管4aは、室外機1内において、第1冷媒流路切替装置11と逆止弁13dとの間における冷媒配管4と、逆止弁13aと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、を接続するものである。第2接続配管4bは、室外機1内において、逆止弁13dと熱媒体変換機3との間における冷媒配管4と、熱源側熱交換器12と逆止弁13aとの間における冷媒配管4と、を接続するものである。なお、図3では、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁13dを設けた場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、これらを必ずしも設ける必要はない。
[室内機2]
室内機2には、それぞれ利用側熱交換器26が搭載されている。この利用側熱交換器26は、配管5によって熱媒体変換機3の熱媒体流量調整装置25と第2熱媒体流路切替装置23に接続するようになっている。この利用側熱交換器26は、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱媒体との間で熱交換を行ない、室内空間7に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。
この図3では、4台の室内機2が熱媒体変換機3に接続されている場合を例に示しており、紙面下から室内機2a、室内機2b、室内機2c、室内機2dとして図示している。また、室内機2a〜室内機2dに応じて、利用側熱交換器26も、紙面下側から利用側熱交換器26a、利用側熱交換器26b、利用側熱交換器26c、利用側熱交換器26dとして図示している。なお、図1及び図2と同様に、室内機2の接続台数を図3に示す4台に限定するものではない。
[熱媒体変換機3]
熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15と、2つの絞り装置16と、2つの開閉装置17と、2つの第2冷媒流路切替装置18と、2つのポンプ21と、4つの第1熱媒体流路切替装置22と、4つの第2熱媒体流路切替装置23と、4つの熱媒体流量調整装置25と、が搭載されている。なお、熱媒体変換機3を親熱媒体変換機3aと子熱媒体変換機3bとに分けたものについては図3Aで説明する。
2つの熱媒体間熱交換器15(熱媒体間熱交換器15a、熱媒体間熱交換器15b)は、凝縮器(放熱器)又は蒸発器として機能し、熱源側冷媒と熱媒体とで熱交換を行ない、室外機1で生成され熱源側冷媒に貯えられた冷熱又は温熱を熱媒体に伝達するものである。熱媒体間熱交換器15aは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられており、全暖房運転モード時において熱媒体の加熱に供し、全冷房運転モード時、冷房主体運転モード時および暖房主体運転モード時において熱媒体の冷却に供するものである。また、熱媒体間熱交換器15bは、冷媒循環回路Aにおける絞り装置16bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられており、全暖房運転モード時、冷房主体運転モード時および暖房主体運転モード時において熱媒体の加熱に供し、全冷房運転モード時において熱媒体の冷却に供するものである。
2つの絞り装置16(絞り装置16a、絞り装置16b)は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置16aは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの上流側に設けられている。絞り装置16bは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの上流側に設けられている。2つの絞り装置16は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。
2つの開閉装置17(開閉装置17a、開閉装置17b)は、二方弁等で構成されており、冷媒配管4を開閉するものである。開閉装置17aは、熱源側冷媒の入口側における冷媒配管4に設けられている。開閉装置17bは、熱源側冷媒の入口側と出口側の冷媒配管4を接続した配管に設けられている。2つの第2冷媒流路切替装置18(第2冷媒流路切替装置18a、第2冷媒流路切替装置18b)は、四方弁等で構成され、運転モードに応じて熱源側冷媒の流れを切り替えるものである。第2冷媒流路切替装置18aは、冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15aの下流側に設けられている。第2冷媒流路切替装置18bは、全冷房運転時の熱源側冷媒の流れにおいて熱媒体間熱交換器15bの下流側に設けられている。
熱媒体送出装置である2つのポンプ21(ポンプ21a、ポンプ21b)は、配管5を導通する熱媒体を循環させるものである。ポンプ21aは、熱媒体間熱交換器15aと第2熱媒体流路切替装置23との間における配管5に設けられている。ポンプ21bは、熱媒体間熱交換器15bと第2熱媒体流路切替装置23との間における配管5に設けられている。2つのポンプ21は、たとえば容量制御可能なポンプ等で構成するとよい。なお、ポンプ21aを、熱媒体間熱交換器15aと第1熱媒体流路切替装置22との間における配管5に設けてもよい。また、ポンプ21bを、熱媒体間熱交換器15bと第1熱媒体流路切替装置22との間における配管5に設けてもよい。
4つの第1熱媒体流路切替装置22(第1熱媒体流路切替装置22a〜第1熱媒体流路切替装置22d)は、三方弁等で構成されており、熱媒体の流路を切り替えるものである。第1熱媒体流路切替装置22は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。第1熱媒体流路切替装置22は、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15aに、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15bに、三方のうちの一つが熱媒体流量調整装置25に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第1熱媒体流路切替装置22a、第1熱媒体流路切替装置22b、第1熱媒体流路切替装置22c、第1熱媒体流路切替装置22dとして図示している。
4つの第2熱媒体流路切替装置23(第2熱媒体流路切替装置23a〜第2熱媒体流路切替装置23d)は、三方弁等で構成されており、熱媒体の流路を切り替えるものである。第2熱媒体流路切替装置23は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。第2熱媒体流路切替装置23は、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15aに、三方のうちの一つが熱媒体間熱交換器15bに、三方のうちの一つが利用側熱交換器26に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の入口側に設けられている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第2熱媒体流路切替装置23a、第2熱媒体流路切替装置23b、第2熱媒体流路切替装置23c、第2熱媒体流路切替装置23dとして図示している。
4つの熱媒体流量調整装置25(熱媒体流量調整装置25a〜熱媒体流量調整装置25d)は、たとえばステッピングモーターを用いた二方弁等で構成されており、熱媒体流路となる配管5の開度を変更可能にし、熱媒体の流量を調整するものである。熱媒体流量調整装置25は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。熱媒体流量調整装置25は、一方が利用側熱交換器26に、他方が第1熱媒体流路切替装置22に、それぞれ接続され、利用側熱交換器26の熱媒体流路の出口側に設けられている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から熱媒体流量調整装置25a、熱媒体流量調整装置25b、熱媒体流量調整装置25c、熱媒体流量調整装置25dとして図示している。
なお、本実施の形態では、熱媒体流量調整装置25は利用側熱交換器26の出口側(下流側)に設ける場合を説明するが、これに限らず、一方を利用側熱交換器26に、他方が第2熱媒体流路切替装置23に接続し、利用側熱交換器26の入口側(上流側)に設けるようにしてもよい。
また、熱媒体変換機3には、各種検出手段(2つの第1温度センサー31、4つの第2温度センサー34、4つの第3温度センサー35、及び、圧力センサー36)が設けられている。これらの検出手段で検出された情報(温度情報、圧力情報)は、空気調和装置100の動作を統括制御する制御装置(図示省略)に送られ、圧縮機10の駆動周波数、図示省略の送風機の回転数、第1冷媒流路切替装置11の切り替え、ポンプ21の駆動周波数、第2冷媒流路切替装置18の切り替え、熱媒体の流路の切替等の制御に利用されることになる。
2つの第1温度センサー31(第1温度センサー31a、第1温度センサー31b)は、熱媒体間熱交換器15から流出した熱媒体、つまり熱媒体間熱交換器15の出口における熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第1温度センサー31aは、ポンプ21aの入口側における配管5に設けられている。第1温度センサー31bは、ポンプ21bの入口側における配管5に設けられている。
4つの第2温度センサー34(第2温度センサー34a〜第2温度センサー34d)は、第1熱媒体流路切替装置22と熱媒体流量調整装置25との間に設けられ、利用側熱交換器26から流出した熱媒体の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。第2温度センサー34は、室内機2の設置台数に応じた個数(ここでは4つ)が設けられるようになっている。なお、室内機2に対応させて、紙面下側から第2温度センサー34a、第2温度センサー34b、第2温度センサー34c、第2温度センサー34dとして図示している。
4つの第3温度センサー35(第3温度センサー35a〜第3温度センサー35d)は、熱媒体間熱交換器15の熱源側冷媒の入口側または出口側に設けられ、熱媒体間熱交換器15に流入する熱源側冷媒の温度または熱媒体間熱交換器15から流出した熱源側冷媒の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。第3温度センサー35aは、熱媒体間熱交換器15aと第2冷媒流路切替装置18aとの間に設けられている。第3温度センサー35bは、熱媒体間熱交換器15aと絞り装置16aとの間に設けられている。第3温度センサー35cは、熱媒体間熱交換器15bと第2冷媒流路切替装置18bとの間に設けられている。第3温度センサー35dは、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられている。
圧力センサー36は、第3温度センサー35dの設置位置と同様に、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間に設けられ、熱媒体間熱交換器15bと絞り装置16bとの間を流れる熱源側冷媒の圧力を検出するものである。
また、図示省略の制御装置は、マイコン等で構成されており、各種検出手段での検出情報及びリモコンからの指示に基づいて、圧縮機10の駆動周波数、送風機の回転数(ON/OFF含む)、第1冷媒流路切替装置11の切り替え、ポンプ21の駆動、絞り装置16の開度、開閉装置17の開閉、第2冷媒流路切替装置18の切り替え、第1熱媒体流路切替装置22の切り替え、第2熱媒体流路切替装置23の切り替え、及び、熱媒体流量調整装置25の駆動等を制御し、後述する各運転モードを実行するようになっている。
また、制御装置は、熱媒体変換機3の内部又は近接した位置に配置した第1制御器と、室外機1の内部又は近接した位置に配置した第2制御器とにより構成されている。そして、第1制御器により、熱媒体変換機3内の熱媒体流量調整装置25、ポンプ21、絞り装置16などを制御し、第2制御器により、室外機1内の圧縮機10などを制御するようにする。このとき、第1制御器と第2制御器とを無線又は有線での通信ができるように接続し、例えば、熱源側冷媒の凝縮温度及び蒸発温度の少なくとも一方、又は、熱源側冷媒の凝縮温度の偏差値及び蒸発温度の偏差値の少なくとも一方の制御目標値を制御信号として、第1制御器から第2制御器へ送信する。なお、制御動作については後段で詳述する。
なお、熱媒体変換機3とは別体に設置された筐体に、熱媒体流量調整装置25を収容するようにしても良い。この場合、熱媒体流量調整装置25が収容された筐体の内部又は近接した位置に第3制御器を配置し、この第3制御器と第1制御器とを無線又は有線での通信ができるように接続する。そして、熱媒体流量調整装置25の開度、開口面積、又は開口面積と対応する値の情報が、第3制御器から第1制御器に伝送されるようにする。なお、本実施の形態では制御装置をユニット毎に設ける場合を説明するが、これに限らず、1つの制御装置により集中制御するようにしても良い。
熱媒体を導通する配管5は、熱媒体間熱交換器15aに接続されるものと、熱媒体間熱交換器15bに接続されるものと、で構成されている。配管5は、熱媒体変換機3に接続される室内機2の台数に応じて分岐(ここでは、各4分岐)されている。そして、配管5は、第1熱媒体流路切替装置22、及び、第2熱媒体流路切替装置23で接続されている。第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を制御することで、熱媒体間熱交換器15aからの熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるか、熱媒体間熱交換器15bからの熱媒体を利用側熱交換器26に流入させるかが決定されるようになっている。
そして、空気調和装置100では、圧縮機10、第1冷媒流路切替装置11、熱源側熱交換器12、開閉装置17、第2冷媒流路切替装置18、熱媒体間熱交換器15aの冷媒流路、絞り装置16、及び、アキュムレーター19を、冷媒配管4で接続して冷媒循環回路Aを構成している。また、熱媒体間熱交換器15aの熱媒体流路、ポンプ21、第1熱媒体流路切替装置22、熱媒体流量調整装置25、利用側熱交換器26、及び、第2熱媒体流路切替装置23を、配管5で接続して熱媒体循環回路Bを構成している。つまり、熱媒体間熱交換器15のそれぞれに複数台の利用側熱交換器26が並列に接続され、熱媒体循環回路Bを複数系統としているのである。
よって、空気調和装置100では、室外機1と熱媒体変換機3とが、熱媒体変換機3に設けられている熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続され、熱媒体変換機3と室内機2とも、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bを介して接続されている。すなわち、空気調和装置100では、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bで冷媒循環回路Aを循環する熱源側冷媒と熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体とが熱交換するようになっている。
熱媒体としては、熱媒体循環回路Bの循環により気体と液体との二相変化をしない単相の液を用いる。たとえば水や不凍液等を用いる。
図3Aは、実施の形態に係る空気調和装置(以下、空気調和装置100Aと称する)の回路構成の別の一例を示す概略回路構成図である。図3Aに基づいて、熱媒体変換機3を親熱媒体変換機3aと子熱媒体変換機3bとに分けた場合の空気調和装置100Aの回路構成について説明する。図3Aに示すように、熱媒体変換機3は、親熱媒体変換機3aと、子熱媒体変換機3bとで、筐体を分けて構成されている。このように構成することにより、図2に示したように1つの親熱媒体変換機3aに対し、複数の子熱媒体変換機3bを接続することができる。
親熱媒体変換機3aには、気液分離器14と、絞り装置16cと、が設けられている。その他の構成要素については、子熱媒体変換機3bに搭載されている。気液分離器14は、室外機1に接続する1本の冷媒配管4と、子熱媒体変換機3bの熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bに接続する2本の冷媒配管4と、に接続され、室外機1から供給される熱源側冷媒を蒸気状冷媒と液状冷媒とに分離するものである。絞り装置16cは、気液分離器14の液状冷媒の流れにおける下流側に設けられ、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、熱源側冷媒を減圧して膨張させるものであり、冷房暖房混在運転時に、絞り装置16cの出口を中圧に制御する。絞り装置16cは、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。このように構成することにより、親熱媒体変換機3aに子熱媒体変換機3bを複数接続できるようになる。
空気調和装置100が実行する各運転モードについて説明する。この空気調和装置100は、各室内機2からの指示に基づいて、その室内機2で冷房運転あるいは暖房運転が可能になっている。つまり、空気調和装置100は、室内機2の全部で同一運転をすることができるとともに、室内機2のそれぞれで異なる運転をすることができるようになっている。なお、空気調和装置100Aが実行する各運転モードについても同様であるので、空気調和装置100Aが実行する各運転モードについては説明を省略する。以下、空気調和装置100には、空気調和装置100Aも含まれているものとする。
空気調和装置100が実行する運転モードには、駆動している室内機2の全てが冷房運転を実行する全冷房運転モード、駆動している室内機2の全てが暖房運転を実行する全暖房運転モード、冷房負荷の方が大きい冷房暖房混在運転モードとしての冷房主体運転モード、及び、暖房負荷の方が大きい冷房暖房混在運転モードとしての暖房主体運転モードがある。以下に、各運転モードについて、熱源側冷媒及び熱媒体の流れとともに説明する。
[全冷房運転モード]
図4は、空気調和装置100の全冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図4では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生している場合を例に全冷房運転モードについて説明する。なお、図4では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図4では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図4に示す全冷房運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を熱媒体が循環するようにしている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧液冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高圧液冷媒は、開閉装置17aを経由した後に分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
この二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒート(過熱度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、第3温度センサー35cで検出された温度と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。また、開閉装置17aは開、開閉装置17bは閉となっている。
次に、熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
全冷房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。
それから、熱媒体は、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bから流出した熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31aまたは第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方へ流れる流路が確保されるように、中間的な開度にしている。
全冷房運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにする。図4においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、熱媒体を循環させればよい。
[全暖房運転モード]
図5は、空気調和装置100の全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図5では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に全暖房運転モードについて説明する。なお、図5では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図5では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図5に示す全暖房運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を熱媒体が循環するようにしている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒は、分岐されて第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。
熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は、開閉装置17bを通って、熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、第2接続配管4bを導通し、逆止弁13cを通過して、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。
そして、熱源側熱交換器12に流入した冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16aは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクール(過冷却度)が一定になるように開度が制御される。同様に、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、開閉装置17aは閉、開閉装置17bは開となっている。なお、熱媒体間熱交換器15の中間位置の温度が測定できる場合は、その中間位置での温度を圧力センサー36の代わりに用いてもよく、安価にシステムを構成できる。
次に、熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
全暖房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。
それから、熱媒体は、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bから流出して熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bに流入する。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bから流出した熱媒体は、第1熱媒体流路切替装置22a及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21a及びポンプ21bへ吸い込まれる。
なお、利用側熱交換器26の配管5内では、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、第1温度センサー31aで検出された温度、あるいは、第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。熱媒体間熱交換器15の出口温度は、第1温度センサー31aまたは第1温度センサー31bのどちらの温度を使用してもよいし、これらの平均温度を使用してもよい。
このとき、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方へ流れる流路が確保されるように、中間的な開度にしている。また、本来、利用側熱交換器26aは、その入口と出口の温度差で制御すべきであるが、利用側熱交換器26の入口側の熱媒体温度は、第1温度センサー31bで検出された温度とほとんど同じ温度であり、第1温度センサー31bを使用することにより温度センサーの数を減らすことができ、安価にシステムを構成できる。
全暖房運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにする。図5においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、熱媒体を循環させればよい。
[冷房主体運転モード]
図6は、空気調和装置100の冷房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図6では、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図6では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の循環する配管を示している。また、図6では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図6に示す冷房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉とし、熱媒体間熱交換器15aと利用側熱交換器26aとの間を、熱媒体間熱交換器15bと利用側熱交換器26bとの間を、それぞれ熱媒体が循環するようにしている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮し、二相冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した二相冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した二相冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入した二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通って、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、第3温度センサー35aで検出された温度と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるスーパーヒートが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17aは閉、開閉装置17bは閉となっている。なお、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35dで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度を制御してもよい。また、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでスーパーヒートまたはサブクールを制御するようにしてもよい。
次に、熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
利用側熱交換器26bでは熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が低下した熱媒体は、熱媒体流量調整装置25b及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が上昇した熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15aへ流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。
この間、暖かい熱媒体と冷たい熱媒体とは、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23の作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器26へ導入される。なお、利用側熱交換器26の配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。
冷房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにする。図6においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、熱媒体を循環させればよい。
[暖房主体運転モード]
図7は、空気調和装置100の暖房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図7では、利用側熱交換器26aで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで冷熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、図7では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の循環する配管を示している。また、図7では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
図7に示す暖房主体運転モードの場合、室外機1では、第1冷媒流路切替装置11を、圧縮機10から吐出された熱源側冷媒を熱源側熱交換器12を経由させずに熱媒体変換機3へ流入させるように切り替える。熱媒体変換機3では、ポンプ21a及びポンプ21bを駆動させ、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bを開放し、熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを閉止し、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれと利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bとの間を熱媒体が循環するようにしている。
まず始めに、冷媒循環回路Aにおける熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧のガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入したガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで蒸発し、熱媒体を冷却する。この低圧二相冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3から流出し、冷媒配管4を通って再び室外機1へ流入する。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13cを通って、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12に流入した冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、第1冷媒流路切替装置11及びアキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
このとき、絞り装置16bは、圧力センサー36で検出された圧力を飽和温度に換算した値と第3温度センサー35bで検出された温度との差として得られるサブクールが一定になるように開度が制御される。また、絞り装置16aは全開、開閉装置17aは閉、開閉装置17bは閉となっている。なお、絞り装置16bを全開とし、絞り装置16aでサブクールを制御するようにしてもよい。
次に、熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについて説明する。
暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって配管5内を流動させられることになる。また、暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第2熱媒体流路切替装置23a及び第2熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
利用側熱交換器26bでは熱媒体が室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。また、利用側熱交換器26aでは熱媒体が室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。このとき、熱媒体流量調整装置25a及び熱媒体流量調整装置25bの作用によって熱媒体の流量が室内にて必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量に制御されて利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入するようになっている。利用側熱交換器26bを通過し若干温度が上昇した熱媒体は、熱媒体流量調整装置25b及び第1熱媒体流路切替装置22bを通って、熱媒体間熱交換器15aに流入し、再びポンプ21aへ吸い込まれる。利用側熱交換器26aを通過し若干温度が低下した熱媒体は、熱媒体流量調整装置25a及び第1熱媒体流路切替装置22aを通って、熱媒体間熱交換器15bへ流入し、再びポンプ21bへ吸い込まれる。
この間、暖かい熱媒体と冷たい熱媒体とは、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23の作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器26へ導入される。なお、利用側熱交換器26の配管5内では、暖房側、冷房側ともに、第2熱媒体流路切替装置23から熱媒体流量調整装置25を経由して第1熱媒体流路切替装置22へ至る向きに熱媒体が流れている。また、室内空間7にて必要とされる空調負荷は、暖房側においては第1温度センサー31bで検出された温度と第2温度センサー34で検出された温度との差を、冷房側においては第2温度センサー34で検出された温度と第1温度センサー31aで検出された温度との差を目標値に保つように制御することにより、賄うことができる。
暖房主体運転モードを実行する際、熱負荷のない利用側熱交換器26(サーモオフを含む)へは熱媒体を流す必要がないため、熱媒体流量調整装置25により流路を閉じて、利用側熱交換器26へ熱媒体が流れないようにする。図7においては、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器26c及び利用側熱交換器26dにおいては熱負荷がなく、対応する熱媒体流量調整装置25c及び熱媒体流量調整装置25dを全閉としている。そして、利用側熱交換器26cや利用側熱交換器26dから熱負荷の発生があった場合には、熱媒体流量調整装置25cや熱媒体流量調整装置25dを開放し、熱媒体を循環させればよい。
[冷媒配管4]
以上説明したように、本実施の形態に係る空気調和装置100は、幾つかの運転モードを具備している。これらの運転モードにおいては、室外機1と熱媒体変換機3とを接続する冷媒配管4には熱源側冷媒が流れている。
[配管5]
本実施の形態に係る空気調和装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、熱媒体変換機3と室内機2を接続する配管5には水や不凍液等の熱媒体が流れている。
[熱媒体流量調整装置25a〜25d]
熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御の詳細につき、図を元に説明する。
図8は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の熱媒体流量調整装置の制御フローチャートである。図8は1つの室内機2に対応したフローチャートであり、この処理を各室内機2毎に行う。例えば空気調和装置100の運転が開始されると、制御装置は、図8のフローチャートに示す流量制御の処理を開始し(ST0)、第1温度センサー31aの検出温度T1a、第1温度センサー31bの検出温度T1b、及び第2温度センサー34a〜34dの検出温度T2を読み取る(ST1)。そして、室内機2a〜2dのそれぞれについて暖房を行っているかどうかを判断し(ST2)、室内機2a〜2dが暖房を行っている場合は、温度T1bから温度T2を引き、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrを算出する(ST3)。一方、室内機2a〜2dが暖房を行っていない場合は、温度T2から温度T1aを引き、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrを算出する(ST4)。
次に、利用側熱交換器26a〜26dのそれぞれについて、制御目標値Tmrから利用側熱交換器26の出入口温度差ΔTrを引いた値と、安定範囲(上限値Trs、下限値−Trs)とを比較する(ST5)。TmrからΔTrを減じた値が安定範囲の上限値Trsよりも大きい場合、当該熱媒体流量調整装置25の開度(開口面積)を減らすように指示する。これにより当該利用側熱交換器26に流れる流量を減少させる(ST6)。一方、TmrからΔTrを減じた値が安定範囲の下限値−Trsよりも小さい場合、当該熱媒体流量調整装置25の開度(開口面積)を増やすように指示する。これにより当該利用側熱交換器26に流れる流量を増加させる(ST7)。さらに、TmrからΔTrを減じた値が、安定範囲内(−Trs≦Tmr−ΔTr≦Trs)である場合、当該熱媒体流量調整装置25の開度変更に係る指示を行わない。一連の処理を終え、次の制御タイミングにて再び上記の制御を繰り返し行う(ST8)。
例えば、冷房を行っている場合、制御目標値が5℃、安定範囲が1℃の場合、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrが3℃であれば、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度(開口面積)を減らすように制御し、利用側熱交換器26a〜26dに流れる流量を減らすようにする。また、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrが7℃であれば、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度(開口面積)を増やすように制御し、利用側熱交換器26a〜26dに流れる流量を増やすようにする。以上のようにして、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrを制御目標値に近づける。
ここで、安定範囲Trsを0℃とし、利用側熱交換器26aの出入口温度差ΔTrに合わせて熱媒体流量調整装置25aの開度を細かく追従させることもできる。ただ、安定範囲Trsを設けることにより、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度を変化させる回数を減らし、開度に係る負荷を減らすことができる。このため、熱媒体流量調整装置25a〜25dの寿命を延ばすことができる。
図8のフローチャートにおける、ST6およびST7における熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御方法(熱媒体流量調整装置制御)について、更に細かく説明する。例えば、利用側熱交換器26a〜26dが全暖房運転で、ある負荷状態にある時、熱媒体流量調整装置25a〜25dがある開度になって安定しているものとし、この時、第1温度センサー31a、31bで検出される温度T1から第2温度センサー34a〜34dで検出される温度T2を引いた温度差をΔT1とする。T1とT2の温度差の目標値をΔTmとすると、利用側熱交換器26a〜26dでの熱交換量Qは、概略値として、(1)式で求めることができる。なお、ここで、ΔPは熱媒体流量調整装置25a〜25dの前後差圧、ρ、Cpは熱媒体の密度および比熱、kはその他の値を集めた係数であり、これらは温度差がΔT1からΔTmになった場合でも、変化しないと仮定している。A1、Amは、それぞれT1とT2の温度差がΔT1(現在)、ΔTm(目標)となる時の熱媒体流量調整装置25a〜25dの開口面積である。熱媒体流量調整装置25a〜25dとして、例えば、ステッピングモータ式の弁を使用するものとした場合、その幾何学的構造から、熱媒体流量調整装置25a〜25dの各開度に対する開口面積を求めることができる。例えば、図9は、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度と開口面積の関係を示した図の一例である。
Figure 0005340406
これを展開すると、(2)式が得られる。すなわち、T1とT2の現在の温度差ΔT1(検出温度差)、T1とT2の温度差の目標値ΔTm(目標温度差)、および現在の熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度における開口面積A1を用いると、ΔTmとなる時の熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度における開口面積(開口面積予測値Am)を求めることができる。
Figure 0005340406
そこで、この開口面積予測値Amと係数ksを用いて、熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御ゲインGsを(3)式のように定め、(4)式のように制御ゲインGsおよびΔTmとΔT1の差に基づき、次の制御タイミングで出力すべき熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度を求めることができる。
Gs=ks・(開口面積予測値Am−現在の開口面積A1) (3)
次の制御タイミングでの開度=現在の開度+Gs・(ΔTm−ΔT1) (4)
図8のST6およびST7においては、以上のような演算を行い、熱媒体流量調整装置25a〜25dの次の制御タイミングでの出力開度を決定し、制御を行っている。
このように制御を行うと、熱媒体流量調整装置25a〜25dの現在の開口面積が目標値から離れている時は制御ゲインを大きくすることができ、収束を速めることができる。
なお、ここでは、制御ゲインを連続的に変化させる場合について説明を行ったが、制御ゲインを段階的に変化させるようにしても構わない。例えば、開口面積予測値Amと現在の開口面積A1との差分値の範囲と制御ゲインとを対応させるテーブル等を参照することで段階的に変化させるようにしても良い。
また、この制御は、各利用側熱交換器26毎に行うものであり、システム全体の運転モード、室内機2の運転台数等とは関係なく、同様の方法で制御が行える。
なお、上記の説明では、開口面積を用いて熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御を行う場合を説明したが、これに限らず、開口面積と対応する値を用いて熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御を行うようにしても良い。熱媒体流量調整装置25a〜25dの開口面積と対応する値としては、例えばCv値を用いることができる。ここで、Cv値とは、60°F(15℃)の清水を、バルブ前後の差圧を1psi(6.9kpa)に保って流した場合の流量をus gal/min(gpm)で表した数値であり、バルブの選定に一般的に用いられている。このCv値は、流体の種類および状態が決まれば、開口面積と一対一対応をしているため、熱媒体流量調整装置25においても、開口面積の代わりにCv値を用いることができる。
[ポンプ21a、21b]
次に、上記の熱媒体流量調整装置制御により制御される熱媒体流量調整装置25の開度が、目標開度に近づくように、熱媒体送出装置であるポンプ21a、21bの運転容量を制御するポンプ制御について説明する。
図10は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置のポンプの制御フローチャートである。なお、以下の説明では、熱媒体を加熱する熱媒体間熱交換器15に対応するポンプ21を暖房側のポンプ21と称し、熱媒体を冷却する熱媒体間熱交換器15に対応するポンプ21を冷房側のポンプ21と称する。なお、ポンプ21を2以上設ける場合にも暖房側のポンプ21と冷房側のポンプ21とに分けて同様の動作を行う。
空気調和装置100の運転中において、制御装置は所定の制御タイミングにてポンプ制御の処理を開始し(GT0)、暖房運転中の室内機2の有無を判断する(GT1)。暖房運転中の室内機2がある場合、暖房中の室内機2の合計容量コードをΣQjh、暖房運転中の熱媒体流量調整装置25a〜25dのうち開口面積が最大のものの開口面積をAhmaxとする(GT2)。ここで、室内機2の利用側熱交換器26の熱交換量に関する情報である容量コードは、制御装置に予め設定されているものとする。次に、(5)式および(6)式により、暖房運転中のポンプ21の運転容量(周波数等)を演算する(GT3)。
温水側ポンプ容量=kh1・kh2・ΣQjh (5)
kh1=kh1+kah・(Ahmax/Ab−1) (6)
ここで、kh2は室内機2の容量コードを暖房側のポンプ容量に変換する係数、kh1は制御ゲイン、kahは緩和係数であり例えば0.3である。なお、全暖房運転の時は、温水側のポンプ21の運転台数が、冷房暖房混在運転(冷房主体運転モード又は暖房主体運転モード)の時に対し、2倍になるため、kh2の値を0.5倍にする。
また、Abは、熱媒体流量調整装置25a〜25dの目標開度に相当する開口面積(開口面積の目標値)である。熱媒体の流れは、熱媒体流量調整装置25a〜25dで絞られることによって損失を与えられ、ポンプ21a、21bの圧力−流量特性により、ある流量でバランスしている。ポンプ21a、21bの電力を減らし省エネルギーにするためには、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度をなるべく大きい値とし、ここでの損失をなるべく少なくし、その分、ポンプ21a、21bの運転容量を小さくする必要がある。そのためには、熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度は最大とするのが望ましいが、ポンプ21a、21bの運転容量を上げる方法へも制御する必要があるため、(6)式で用いる熱媒体流量調整装置25a〜25dの目標開口面積(目標値)は、例えば全開の85%相当の開度の開口面積を用いる。このように目標開口面積は熱媒体流量調整装置25の最大開度に相当する開口面積に基づき予め設定されている。
(5)式、(6)式を用いることにより、暖房側の熱媒体流量調整装置25a〜25dの最大開度が目標開度よりも小さい場合は、暖房側のポンプ21a、21bの運転容量が小さくなり、暖房側の熱媒体流量調整装置25a〜25dの最大開度が目標開度よりも大きい場合は、暖房側のポンプ21a、21bの運転容量が大きくなる。これにより熱媒体間熱交換器15を循環する熱媒体の流量が変化し、出入口温度差ΔTrも変化する。このため上記の熱媒体流量調整装置制御において、熱媒体流量調整装置25の開度が調整されて目標開度に近づくことになる。
次に、制御装置は冷房運転室内機の有無を判断する(GT4)。冷房運転中の室内機2がある場合、冷房中の室内機2の合計容量コードをΣQjc、冷房運転中の熱媒体流量調整装置25a〜25dのうち開口面積が最大のものの開口面積をAcmaxとする(GT5)。次に、(7)式および(8)式により、暖房運転中のポンプ21の運転容量(周波数等)を演算する(GT6)。
冷水側ポンプ容量=kc1・kc2・ΣQjc (7)
kc1=kc1+kac・(Acmax/Ab−1) (8)
ここで、kc2は室内機2の容量コードを冷房側のポンプ容量に変換する係数、kc1は制御ゲイン、kacは緩和係数であり例えば0.3である。なお、全冷房運転の時は、冷水側のポンプ21の運転台数が、冷房暖房混在運転(冷房主体運転モード又は暖房主体運転モード)の時に対し、2倍になるため、kc2の値を0.5倍にする。Abは暖房室内機の時と同じ値である。
(7)式、(8)式を用いることにより、冷房側の熱媒体流量調整装置25a〜25dの最大開度が目標開度よりも小さい場合は、冷房側のポンプ21a、21bの運転容量が小さくなり、冷房側の熱媒体流量調整装置25a〜25dの最大開度が目標開度よりも大きい場合は、冷房側のポンプ21a、21bの運転容量が大きくなる。これにより熱媒体間熱交換器15を循環する熱媒体の流量が変化し、出入口温度差ΔTrも変化する。このため上記の熱媒体流量調整装置制御において、熱媒体流量調整装置25の開度が調整されて目標開度に近づくことになる。
以上の処理を、例えば一定時間毎に繰り返し行う(GT7)。ポンプ21a、21bの制御は、以上のように熱媒体流量調整装置25a〜25dの開度情報を使用するため、熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御がある程度安定してから行う必要があり、ポンプ21a、21bの制御間隔(時間)は、熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御間隔(時間)よりも長くする必要がある。例えば、熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御間隔が10秒である場合、ポンプ21a、21bの制御間隔は、この3倍以上とし、30秒や1分等の値にするのが望ましいが、これに限るものではなく2倍などとしてもよい。
なお、上記の説明では、熱媒体流量調整装置25の開口面積の最大値(Ahmax、Acmax)が目標開口面積(Ab)に近づくようにポンプ21の運転容量を制御したが、これに限らず、例えば暖房運転中又は冷房運転中の熱媒体流量調整装置25の開度面積の平均値を求め、この開口面積の平均値が目標開口面積に近づくように制御しても良い。
[冷凍サイクルの凝縮温度および蒸発温度]
ここまで、熱媒体流量調整装置25a〜25dおよびポンプ21a、21bの制御について説明を行った。これに加え、利用側熱交換器26a〜26dに送出する熱媒体の温度が目標温度に近づくように制御する冷媒循環回路の冷凍サイクルの制御について説明する。
図11は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷凍サイクルの凝縮温度および蒸発温度の制御フローチャートである。空気調和装置100の運転中において、制御装置は所定の制御タイミングにて処理を開始し(RT0)、第1温度センサー31a、31bの温度を検出し、それぞれTwa、Twbとする(RT1)。次に、全暖房運転モードであるかを判断し(RT2)、全暖房運転モードである場合は、TwaとTwbとの平均を取ってTwとし(RT3)、冷媒の凝縮温度の目標値の変化量ΔCT(凝縮温度の偏差値)を(9)式により演算する(RT4)。なお、ここで、Twhmは温水側の目標温度、kcは緩和係数であり例えば0.3、αは温水側の延長配管での放熱量であり例えば1℃である。また、全暖房運転モードにおいては、冷媒の蒸発温度の目標値の変化量ΔETはゼロとする。
ΔCT=ΔCT+kc・(Twhm+α−Tw) (9)
次に、全冷房運転モードであるかを判断し(RT5)、全冷房運転モードである場合は、TwaとTwbとの平均を取ってTwとし(RT6)、冷媒の蒸発温度の目標値の変化量ΔET(蒸発温度の偏差値)を(10)式により演算する(RT7)。なお、ここで、Twcmは冷水側の目標温度、keは緩和係数であり例えば0.3、βは冷水側の延長配管での吸熱量であり例えば1℃である。また、全冷房運転モードにおいては、冷媒の凝縮温度の目標値の変化量ΔCTはゼロとする。
ΔET=ΔET+ke・(Tw−Twcm−β) (10)
次に、冷房暖房混在運転モード(冷房主体運転モード又は暖房主体運転モード)であるかを判断し(RT8)、冷房暖房混在運転モードである場合は、冷媒の凝縮温度の目標値の変化量ΔCTを(11)式により、冷媒の蒸発温度の目標値の変化量ΔETを(12)式により演算する(RT9)。
ΔCT=ΔCT+kc・(Twhm+α−Twb) (11)
ΔET=ΔET+ke・(Twa−Twcm−β) (12)
以上の演算は、熱媒体変換機3に配置され、制御装置を構成する第1制御器により行う。そして、演算された、冷媒の凝縮温度の目標値の変化量ΔCTおよび冷媒の蒸発温度の目標値の変化量ΔETを、室外機1に配置されている第2制御器に有線または無線により、送信する(RT10)。なお、室外機1の第2制御器では、別の制御アルゴリズムにより演算あるいは予め設定されている凝縮温度および蒸発温度の制御目標値に、それぞれΔCTおよびΔETを加えた値を、制御目標値として、冷凍サイクルの制御を行う。
以上の処理を、例えば一定時間毎に繰り返し行う(RT11)。凝縮温度および蒸発温度の制御は、熱媒体の温度を情報として使用する。ポンプ21a、21bの流量が変化すれば、熱媒体の温度が変化する。そこで、凝縮温度および蒸発温度の制御は、ポンプ21aおよび21bの制御がある程度安定してから行う必要があり、凝縮温度および蒸発温度の制御間隔(時間)は、ポンプ21a、21bの制御間隔(時間)よりも長くする必要がある。例えば、凝縮温度および蒸発温度の制御間隔が1分である場合、ポンプ21a、21bの制御間隔は、この3倍以上とし、3分から5分程度にするのが望ましいが、これに限るものではなく2倍などとしてもよい。
すなわち、ポンプ21a、21bの制御間隔は、熱媒体流量調整装置25a〜25dの制御間隔よりも長くし、凝縮温度および蒸発温度の制御間隔は、ポンプ21a、21bの制御間隔よりも長くするのが望ましい。
なお、ここでは、凝縮温度および蒸発温度の制御目標値の変化量(偏差値)を演算し、熱媒体変換機3の第1制御器から室外機1の第2制御器に送信する場合を例に説明を行ったが、凝縮温度および蒸発温度そのものを演算し、熱媒体変換機3の第1制御器から室外機1の第2制御器に送信するようにしてもよい。
また、ここでは、高圧側で二相に変化するR410A等の冷媒を使用することを想定し、凝縮温度という表現を用いたが、CO2等の高圧側で超臨界状態で動作する冷媒を使用する場合は、二相状態と超臨界の境目である臨界点よりも圧力が高い領域の各圧力において、冷媒の定圧比熱が最大となる点である擬似臨界点の温度を、凝縮温度の代わりに用いればよい。
以上、熱媒体の温度が目標温度に近づくように、凝縮温度及び蒸発温度の少なくとも一方を制御する方法について説明を行った。熱媒体の目標温度は、固定値でも構わないが、室内空間7の熱負荷に応じて変化させる方が、より省エネルギー化を図ることが可能になる。
室内の負荷を推測し、熱媒体の目標温度を変化させる方法として、幾つかの方法が考えられる。一つ目の方法を説明する。室内空間7の熱負荷は、室温(室内空間7の温度)と外気温度(室外空間6の温度)との温度差、日射、室内空間7の内部発熱等によって決まる。このうち室温と外気温度との温度差が最も影響が大きく、空調している間は、室温はほぼ一定値に保たれているため、熱負荷は大まかには外気温度によって推測することができる。また、室内機2から室内空間7に供給される熱量は、室温と熱媒体との温度差によって決まる。よって、熱媒体の目標温度を外気温度によって、決める方法が考えられる。例えば、熱源側熱交換器12が熱源側冷媒と熱交換する空気の吸込温度を外気温度として検出する図示省略の外気温度センサーを備え、この外気温度センサーの検出温度に基づき、熱媒体の目標温度を変化させる。
図12は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の外気温度と熱媒体の目標温度との関係を示す図である。例えば、図12に示すように、熱媒体の目標温度を外気温度との一次関数により設定する。この場合、暖房運転時は、外気温度が10℃の時、熱媒体目標温度が40℃、外気温度が0℃の時、熱媒体目標温度が45℃、外気温度−10℃の時、熱媒体目標温度が50℃等と設定する。
二つ目の方法を説明する。室温と室温の目標温度との温度差が大きい場合、空気調和装置100はより大きな熱量を室内空間7に供給する必要があり、この温度差が小さい時は空気調和装置100が室内空間7に供給すべき熱量は小さくてよい。すなわち、室温と室温の目標温度との温度差に基づいて、熱媒体の目標温度を決定することができる。例えば、利用側熱交換器26a〜26dが熱媒体と熱交換する空気の吸込温度を室内温度として検出する図示省略の室内温度センサーを備え、この室内温度センサーの検出温度と、室内空間7の室温の目標温度との差に応じて、熱媒体の目標温度を変化させる。
図13は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の室温と室温の目標温度との差と熱媒体の目標温度との関係を示す図である。例えば、図13に示すように、暖房時は、室温の目標温度から室温を引いた値が大きいほど、熱媒体の温度を高くし、冷房時は、室温から室温の目標温度を引いた値が大きいほど、熱媒体の温度を低くする。実際には、室内機2は複数あるため、暖房運転状態または冷房運転状態にある各室内機2の室温の目標温度と室温との差が最も大きいものを用いて、熱媒体の温度を決めればよい。
以上説明したように、本実施の形態に係る空気調和装置100においては、第1温度センサー及び第2温度センサーの検出温度に基づき、熱媒体流量調整装置25の開度を制御し、これにより制御される熱媒体流量調整装置25の開度が、目標開度に近づくように、ポンプ21の運転容量を制御し、さらに、これらの制御により流量が制御された熱媒体の温度が、目標温度に近づくように、冷媒循環回路の冷凍サイクルの制御を行う。このため、熱媒体の流れが熱媒体流量調整装置25で絞られることによる損失を低減するように開度を設定できると共に、熱媒体の温度を目標温度に近づけることができる。よって、搬送動力が少なくて済み、省エネルギー化を図ることができる。
また、本実施の形態では、熱媒体間熱交換器15の出口における熱媒体の温度を検出する第1温度センサー31a、31bと、利用側熱交換器26a〜26dから流出した熱媒体の温度を検出する第2温度センサー34a〜34dとの温度差で、それぞれの熱媒体流量調整装置25を制御する。熱媒体間熱交換器15の出口と配管5(1)とは、距離も短く、かつ同じ筐体内に設置されているため、熱損失も少なく、配管5(1)の位置の検出温度と、熱媒体間熱交換器15の出口の検出温度とは、あまり大きな違いはない。そのため、配管5(1)の位置に第1温度センサー31を設置する代わりに、熱媒体間熱交換器15ごとに設けた第1温度センサー31を使用することにより、設置する温度検出手段の数を減らすことができ、安価にシステムを構成できる。
また、本実施の形態の空気調和装置100では、利用側熱交換器26にて暖房負荷または冷房負荷のみが発生している場合は、対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を中間的な開度にし、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方に熱媒体が流れるようにしている。これにより、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方を暖房運転または冷房運転に使用することができるため、伝熱面積が大きくなり、効率のよい暖房運転または冷房運転を行なうことができる。
また、利用側熱交換器26にて暖房負荷と冷房負荷とが混在して発生している場合は、暖房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を加熱用の熱媒体間熱交換器15bに接続される流路へ切り替え、冷房運転を行なっている利用側熱交換器26に対応する第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を冷却用の熱媒体間熱交換器15aに接続される流路へ切り替えることにより、各室内機2にて、暖房運転、冷房運転を自由に行なうことができる。
また、空気調和装置100においては、室外機1と熱媒体変換機3とは、熱源側冷媒を導通する冷媒配管4で接続されている。熱媒体変換機3と室内機2とは、熱媒体を導通する配管5で接続されている。そして、室外機1で生成された冷熱あるいは温熱は、熱媒体変換機3により熱媒体と熱交換を行ない、室内機2に配送される。このため、室内機2又は室内機2の近傍まで冷媒を循環せず、冷媒が室内等に漏れる可能性を排除できる。したがって、安全性の向上を図ることができる。
また、室外機1と別体の熱媒体変換機3により、熱源側冷媒と熱媒体との熱交換を行なう。このため、熱媒体が循環する配管5を短くでき、搬送動力が少なくて済むため、安全性を向上させるとともに省エネルギー化を図ることができる。
また、熱媒体変換機3と各室内機2とが2本の配管5を用いて、それぞれ接続されている。そして、各室内機2内の利用側熱交換器26と、熱媒体変換機3に収容された熱媒体間熱交換器15との間の流路を各運転モードに応じて切り替える。このため、2本の配管5の接続で室内機2毎に冷房または暖房を選択でき、熱媒体が循環する配管の工事を容易かつ安全に行なうことができる。
また、室外機1と熱媒体変換機3とが2本の冷媒配管4を用いて接続されている。このため、冷媒配管4の工事を容易かつ安全に行なうことができる。
また、ポンプ21は、熱媒体間熱交換器15ごとに設けられている。このため、ポンプ21を室内機2ごとに個別に備える必要がなく、空気調和装置100を安価な構成とすることができる。また、ポンプによる騒音を低減することができる。
また、複数の利用側熱交換器26は、それぞれ、第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23を介して、熱媒体間熱交換器15と並列に接続される。このため、複数の室内機2を備える場合でも、熱交換後の熱媒体が、熱交換前の熱媒体と同じ流路に流入することがなく、各室内機2にて最大能力を発揮することができる。よって、エネルギーの無駄を削減し、省エネルギー化を図ることができる。
さらに、本実施の形態に係る空気調和装置は、図15に示すような室外機(以下、室外機1Bと称する)と熱媒体変換機(以下、熱媒体変換機3Bと称する)とを3本の冷媒配管4(冷媒配管4(1)、冷媒配管4(2)、冷媒配管4(3))で接続するような構成のもの(以下、空気調和装置100Bと称する)でもよい。なお、図14には、空気調和装置100Bの設置例を図示している。つまり、空気調和装置100Bも、室内機2の全部で同一運転をすることができるとともに、室内機2のそれぞれで異なる運転をすることができるようになっている。また、熱媒体変換機3B内における冷媒配管4(2)には、冷房主体運転モード時の高圧液合流のための絞り装置16d(たとえば電子式膨張弁等)が設けられている。
空気調和装置100Bの基本的な構成については、空気調和装置100と同様であるが、室外機1B及び熱媒体変換機3Bの構成が若干異なっている。室外機1Bには、圧縮機10、熱源側熱交換器12、アキュムレーター19、2つの流路切替部(流路切替部41及び流路切替部42)が搭載されている。流路切替部41及び流路切替部42が第1冷媒流路切替装置を構成している。空気調和装置100では、第1冷媒流路切替装置が四方弁である場合を例に説明したが、図15に示すように第1冷媒流路切替装置が複数の二方弁の組み合わせであってもよい。
熱媒体変換機3Bでは、開閉装置17及び冷媒配管4(2)を分岐させて第2冷媒流路切替装置18bと接続させた冷媒配管を設けておらず、代わりに開閉装置18a(1)および18b(1)が冷媒配管4(1)に接続され、開閉装置18a(2)および18b(2)が冷媒配管4(3)に接続されている。また、絞り装置16dが設けられ、冷媒配管4(2)に接続されている。
冷媒配管4(3)は、圧縮機10の吐出配管と熱媒体変換機3Bとを接続している。2つの流路切替部は、二方弁等で構成されており、冷媒配管4を開閉するものである。流路切替部41は、圧縮機10の吸入配管と熱源側熱交換器12との間に設けられており、開閉が制御されることで、熱源機冷媒の流れを切り替えるものである。流路切替部42は、圧縮機10の吐出配管と熱源側熱交換器12との間に設けられており、開閉が制御されることで、熱源機冷媒の流れを切り替えるものである。
以下、図15に基づいて空気調和装置100Bが実行する各運転モードについて簡単に説明する。なお、熱媒体循環回路Bにおける熱媒体の流れについては空気調和装置100と同様であるため説明を省略する。
[全冷房運転モード]
この全冷房運転モードでは、流路切替部41が閉、流路切替部42が開に制御される。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の全部が、流路切替部42を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した高圧液冷媒は、冷媒配管4(2)を通って熱媒体変換機3Bに流入する。熱媒体変換機3Bに流入した高圧液冷媒は、全開状態の絞り装置16dを通った後、分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。
この二相冷媒は、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入し、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出したガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを介してから合流し、熱媒体変換機3Bから流出し、冷媒配管4(1)を通って再び室外機1Bへ流入する。室外機1Bに流入した冷媒は、アキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
[全暖房運転モード]
この全暖房運転モードでは、流路切替部41が開、流路切替部42が閉に制御される。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の全部が、冷媒配管4(3)を通過し、室外機1Bから流出する。室外機1Bから流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4(3)を通って熱媒体変換機3Bに流入する。熱媒体変換機3Bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、分岐されて第2冷媒流路切替装置18a及び第2冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。
熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、高圧の液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒となる。この二相冷媒は、全開状態の絞り装置16dを通って、熱媒体変換機3Bから流出し、冷媒配管4(2)を通って再び室外機1Bへ流入する。
室外機1Bに流入した冷媒は、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12に流入した冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、流路切替部41及びアキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
[冷房主体運転モード]
ここでは、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、冷房主体運転モードでは、流路切替部41が閉、流路切替部42が開に制御される。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の一部が、流路切替部42を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12で室外空気に放熱しながら凝縮し、高圧の液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した液冷媒は、冷媒配管4(2)を通って熱媒体変換機3Bに流入し絞り装置16dで若干減圧され中圧になる。一方、残りの高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4(3)を通り、熱媒体変換機3Bに流入する。熱媒体変換機3Bに流入した高温・高圧の冷媒は、第2冷媒流路切替装置18b(2)を通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで若干減圧されて中圧になり、絞り装置16dで減圧され中圧になった液冷媒と合流する。合流した冷媒は絞り装置16aで膨張させられて低圧二相冷媒となり、蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低圧のガス冷媒となる。このガス冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、第2冷媒流路切替装置18aを介して熱媒体変換機3Bから流出し、冷媒配管4(1)を通って再び室外機1Bへ流入する。室外機1Bに流入した冷媒は、アキュムレーター19を介して、圧縮機10へ再度吸入される。
[暖房主体運転モード]
ここでは、利用側熱交換器26aで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで冷熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、暖房主体運転モードでは、流路切替部41が開、流路切替部42が閉に制御される。
低温・低圧の冷媒が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧のガス冷媒の全部が、冷媒配管4(3)を通過し、室外機1Bから流出する。室外機1Bから流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒配管4(3)を通って熱媒体変換機3Bに流入する。熱媒体変換機3Bに流入した高温・高圧のガス冷媒は、第2冷媒流路切替装置18bを通って凝縮器として作用する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
熱媒体間熱交換器15bに流入したガス冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。熱媒体間熱交換器15bから流出した液冷媒は、絞り装置16bで膨張させられて低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、2つに分流され、一方は、絞り装置16aを介して蒸発器として作用する熱媒体間熱交換器15aに流入する。熱媒体間熱交換器15aに流入した低圧二相冷媒は、熱媒体循環回路Bを循環する熱媒体から吸熱することで蒸発し、熱媒体を冷却する。この低圧二相冷媒は、熱媒体間熱交換器15aから流出し、低温・低圧ガス冷媒となって、第2冷媒流路切替装置18a(1)を介して熱媒体変換機3Bから流出し、冷媒配管4(1)を通って再び室外機1Bへ流入する。また、絞り装置16bを通った後分流させられた低圧二相冷媒は、全開状態の絞り装置16dを介して熱媒体変換機3Bから流出し、冷媒配管4(2)を通って室外機1Bへ流入する。
冷媒配管4(2)を通って室外機1Bに流入した冷媒は、蒸発器として作用する熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12に流入した冷媒は、熱源側熱交換器12で室外空気から吸熱して、低温・低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した低温・低圧のガス冷媒は、流路切替部41を通り、冷媒配管4(1)を通って室外機1Bに流入した低温・低圧ガス冷媒と合流し、アキュムレーター19を介して圧縮機10へ再度吸入される。
なお、実施の形態で説明した第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23は、三方弁等の三方流路を切り替えられるもの、開閉弁等の二方流路の開閉を行なうものを2つ組み合わせる等、流路を切り替えられるものであればよい。また、ステッピングモーター駆動式の混合弁等の三方流路の流量を変化させられるもの、電子式膨張弁等の二方流路の流量を変化させられるものを2つ組み合わせる等して第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23として用いてもよい。この場合は、流路の突然の開閉によるウォーターハンマーを防ぐこともできる。さらに、実施の形態では、熱媒体流量調整装置25がステッピングモーター駆動式の二方弁である場合を例に説明を行なったが、三方流路を持つ制御弁とし利用側熱交換器26をバイパスするバイパス管と共に設置するようにしてもよい。
また、熱媒体流量調整装置25は、ステッピングモーター駆動式で流路を流れる流量を制御できるものを使用してもよいし、二方弁でも、三方弁の一端を閉止したものでもよい。また、熱媒体流量調整装置25として、開閉弁等の二方流路の開閉を行なうものを用い、ON/OFFを繰り返して平均的な流量を制御するようにしてもよい。
また、第2冷媒流路切替装置18が四方弁である場合を説明したが、これに限るものではなく、二方流路切替弁や三方流路切替弁を複数個用い、同じように冷媒が流れるように構成してもよい。
本実施の形態に係る空気調和装置100は、冷房暖房混在運転ができるものとして説明をしてきたが、これに限定するものではない。熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16がそれぞれ1つで、それらに複数の利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装25が並列に接続され、冷房運転か暖房運転のいずれかしか行なえない構成であっても同様の効果を奏する。
また、利用側熱交換器26と熱媒体流量調整装置25とが1つしか接続されていない場合でも同様のことが成り立つのは言うまでもなく、更に熱媒体間熱交換器15及び絞り装置16として、同じ動きをするものが複数個設置されていても、当然問題ない。さらに、熱媒体流量調整装置25は、熱媒体変換機3に内蔵されている場合を例に説明したが、これに限るものではなく、室内機2に内蔵されていてもよく、熱媒体変換機3と室内機2とは別体に構成されていてもよい。
熱源側冷媒としては、たとえばR−22、R−134a等の単一冷媒、R−410A、R−404A等の擬似共沸混合冷媒、R−407C等の非共沸混合冷媒、化学式内に二重結合を含む、CF3 CF=CH2 等の地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒やその混合物、あるいはCO2 やプロパン等の自然冷媒を用いることができる。加熱用として動作している熱媒体間熱交換器15aまたは熱媒体間熱交換器15bにおいて、通常の二相変化を行なう冷媒は、凝縮液化し、CO2 等の超臨界状態となる冷媒は、超臨界の状態で冷却されるが、どちらでも、その他は同じ動きをし、同様の効果を奏する。
熱媒体としては、たとえばブライン(不凍液)や水、ブラインと水の混合液、水と防食効果が高い添加剤の混合液等を用いることができる。したがって、空気調和装置100においては、熱媒体が室内機2を介して室内空間7に漏洩したとしても、熱媒体に安全性の高いものを使用しているため安全性の向上に寄与することになる。
実施の形態では、空気調和装置100にアキュムレーター19を含めている場合を例に説明したが、アキュムレーター19を設けなくてもよい。また、実施の形態では、空気調和装置100に逆止弁13a〜逆止弁13dがある場合を例に説明したが、これらも必須の部品ではない。したがって、アキュムレーター19や逆止弁13a〜逆止弁13dを設けなくても、同様の動作をし、同様の効果を奏することは言うまでもない。
また、一般的に、熱源側熱交換器12及び利用側熱交換器26には、送風機が取り付けられており、送風により凝縮あるいは蒸発を促進させる場合が多いが、これに限るものではない。たとえば、利用側熱交換器26としては放射を利用したパネルヒーターのようなものを用いることもできるし、熱源側熱交換器12としては、水や不凍液により熱を移動させる水冷式のタイプのものを用いることもできる。つまり、熱源側熱交換器12及び利用側熱交換器26としては、放熱あるいは吸熱をできる構造のものであれば種類を問わず、用いることができる。また、利用側熱交換器26の個数を特に限定するものではない。
実施の形態では、第1熱媒体流路切替装置22、第2熱媒体流路切替装置23、及び、熱媒体流量調整装置25が、各利用側熱交換器26にそれぞれ1つずつ接続されている場合を例に説明したが、これに限るものではなく、1つの利用側熱交換器26に対し、それぞれが複数接続されていてもよい。この場合には、同じ利用側熱交換器26に接続されている、第1熱媒体流路切替装置、第2熱媒体流路開閉装置、熱媒体流量調整装置を同じように動作させればよい。
また、実施の形態では、熱媒体間熱交換器15が2つある場合を例に説明したが、当然、これに限るものではない。熱媒体を冷却または/及び加熱できるように構成すれば、熱媒体間熱交換器15をいくつ設置してもよい。
また、ポンプ21a及びポンプ21bは、それぞれ一つとは限らず、複数の小容量のポンプを並列に並べて使用してもよい。
以上のように、本実施の形態に係る空気調和装置100は、熱媒体側の熱媒体流路切替装置(第1熱媒体流路切替装置22及び第2熱媒体流路切替装置23)、熱媒体流量調整装置25、ポンプ21を制御することにより、安全かつ省エネルギー性の高い運転を実行することができる。
1 室外機、1B 室外機、2 室内機、2a 室内機、2b 室内機、2c 室内機、2d 室内機、3 熱媒体変換機、3B 熱媒体変換機、3a 親熱媒体変換機、3b 子熱媒体変換機、4 冷媒配管、4a 第1接続配管、4b 第2接続配管、5 配管、6 室外空間、7 室内空間、8 空間、9 建物、10 圧縮機、11 第1冷媒流路切替装置、12 熱源側熱交換器、13a 逆止弁、13b 逆止弁、13c 逆止弁、13d 逆止弁、14 気液分離器、15 熱媒体間熱交換器、15a 熱媒体間熱交換器、15b 熱媒体間熱交換器、16 絞り装置、16a 絞り装置、16b 絞り装置、16c 絞り装置、17 開閉装置、17a 開閉装置、17b 開閉装置、18 第2冷媒流路切替装置、18a 第2冷媒流路切替装置、18b 第2冷媒流路切替装置、19 アキュムレーター、21 ポンプ、21a ポンプ、21b ポンプ、22 第1熱媒体流路切替装置、22a 第1熱媒体流路切替装置、22b 第1熱媒体流路切替装置、22c 第1熱媒体流路切替装置、22d 第1熱媒体流路切替装置、23 第2熱媒体流路切替装置、23a 第2熱媒体流路切替装置、23b 第2熱媒体流路切替装置、23c 第2熱媒体流路切替装置、23d 第2熱媒体流路切替装置、25 熱媒体流量調整装置、25a 熱媒体流量調整装置、25b 熱媒体流量調整装置、25c 熱媒体流量調整装置、25d 熱媒体流量調整装置、26 利用側熱交換器、26a 利用側熱交換器、26b 利用側熱交換器、26c 利用側熱交換器、26d 利用側熱交換器、31 第1温度センサー、31a 第1温度センサー、31b 第1温度センサー、34 第2温度センサー、34a 第2温度センサー、34b 第2温度センサー、34c 第2温度センサー、34d 第2温度センサー、35 第3温度センサー、35a 第3温度センサー、35b 第3温度センサー、35c 第3温度センサー、35d 第3温度センサー、36 圧力センサー、41 流路切替部、42 流路切替部、100 空気調和装置、100A 空気調和装置、100B 空気調和装置、A 冷媒循環回路、B 熱媒体循環回路。

Claims (18)

  1. 圧縮機、熱源側熱交換器、複数の絞り装置、及び、複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱源側冷媒を循環させる冷媒循環回路が形成され、
    複数のポンプ、複数の利用側熱交換器、及び、前記複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱媒体を循環させる複数の熱媒体循環回路が形成された空気調和装置であって、
    前記複数の利用側熱交換器にそれぞれ設けられ、該利用側熱交換器を循環する前記熱媒体の流量を調整する熱媒体流量調整装置と、
    前記熱媒体間熱交換器から前記利用側熱交換器の入口側に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する第1温度センサーと、
    前記利用側熱交換器の出口側から前記熱媒体間熱交換器に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する第2温度センサーと、
    少なくとも前記熱媒体流量調整装置、前記ポンプ、前記圧縮機及び前記絞り装置を制御する制御装置と
    を備え、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の一部に前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱し、前記複数の熱媒体間熱交換器の他の一部に低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードと
    を実行可能であり、
    前記複数のポンプのそれぞれは、前記複数の熱媒体間熱交換器の何れかに対応して設けられ、
    前記制御装置は、
    前記第1温度センサー及び前記第2温度センサーの検出温度に基づき、前記熱媒体流量調整装置の開度を制御する熱媒体流量調整装置制御を行い、
    前記熱媒体流量調整装置制御により制御される前記熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、目標開度に近づくように、前記ポンプの運転容量を制御するポンプ制御を行い、
    前記熱媒体流量調整装置制御及び前記ポンプ制御により流量が制御された前記熱媒体の温度が、目標温度に近づくように、前記冷媒循環回路の冷凍サイクルの制御を行い、
    前記冷凍サイクルの制御において、
    前記第1温度センサーの検出温度が前記熱媒体の目標温度に近づくように、前記熱源側冷媒の凝縮温度及び蒸発温度の少なくとも一方、又は、前記熱源側冷媒の凝縮温度の偏差値及び蒸発温度の偏差値の少なくとも一方を設定し、
    前記ポンプ制御において、
    高温・高圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、暖房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御し、
    低温・低圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、冷房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御する
    ことを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記熱媒体流量調整装置制御の制御間隔より、前記ポンプ制御の制御間隔の時間を長くし、
    前記ポンプ制御の制御間隔より、前記冷凍サイクルの制御の制御間隔の時間を長くした
    ことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。
  3. 前記ポンプ制御の制御間隔は、前記熱媒体流量調整装置制御の制御間隔の3倍以上であり、
    前記冷凍サイクルの制御の制御間隔は、前記ポンプ制御の制御間隔の3倍以上である
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の空気調和装置。
  4. 前記制御装置は、
    前記第1温度センサーと前記第2温度センサーとの検出温度差と、前記利用側熱交換器の目標温度差との差に基づいて、前記熱媒体流量調整装置の開度を制御し、前記利用側熱交換器を循環する前記熱媒体の流量を制御する
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の空気調和装置。
  5. 前記制御装置は、
    現在の開度における前記熱媒体流量調整装置の開口面積又は開口面積と対応する値と、前記検出温度差が前記目標温度差となるときの前記熱媒体流量調整装置の開口面積の予測値又は開口面積と対応する値の予測値との差に応じて、前記熱媒体流量調整装置の制御ゲインを設定する
    ことを特徴とする請求項4に記載の空気調和装置。
  6. 前記制御装置は、
    前記検出温度差、前記目標温度差、及び現在の開度における前記開口面積又は前記開口面積と対応する値に基づき、前記開口面積の予測値又は前記開口面積と対応する値の予測値を求める
    ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和装置。
  7. 前記制御装置は、
    前記熱媒体流量調整装置の制御ゲインを連続的又は複数段階に変化させる
    ことを特徴とする請求項5又は6記載の空気調和装置。
  8. 前記制御装置は、
    前記熱媒体流量調整装置制御により制御された前記熱媒体流量調整装置の開口面積又は開口面積と対応する値に基づき、前記熱媒体流量調整装置の開口面積又は開口面積と対応する値が目標値に近づくように、前記ポンプの運転容量を制御する
    ことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の空気調和装置。
  9. 前記目標値は、前記熱媒体流量調整装置の最大開度に相当する開口面積又は開口面積と対応する値を基に予め設定されたものであり、
    前記複数の熱媒体流量調整装置の開口面積又は開口面積と対応する値の最大値が、前記目標値に近づくように、前記ポンプの運転容量を制御する
    ことを特徴とする請求項8に記載の空気調和装置。
  10. 前記制御装置は、
    前記複数の利用側熱交換器の熱交換量に関する情報である容量コードが予め設定され、
    暖房運転を行っている前記利用側熱交換器の前記容量コードの合計値に基づいて、高温・高圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を変化させ、
    冷房運転を行っている前記利用側熱交換器の前記容量コードの合計値に基づいて、低温・低圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を変化させる
    ことを特徴とする請求項の何れか一項に記載の空気調和装置。
  11. 前記熱源側熱交換器が前記熱源側冷媒と熱交換する空気の吸込温度を検出する外気温度センサーを備え、
    前記外気温度センサーの検出温度に基づき、前記熱媒体の目標温度を変化させる
    ことを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の空気調和装置。
  12. 前記複数の利用側熱交換器にそれぞれ設けられ、当該利用側熱交換器が前記熱媒体と熱交換する空気の吸込温度を検出する室温温度センサーを備え、
    前記室温温度センサーの検出温度と、空調対象空間の目標温度との差に応じて、前記熱媒体の目標温度を変化させる
    ことを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載の空気調和装置。
  13. 前記圧縮機及び前記熱源側熱交換器は室外機に収容され、
    前記複数の絞り装置、前記複数の熱媒体間熱交換器及び前記複数のポンプは熱媒体変換機に収容され、
    前記利用側熱交換器は室内機に収容され、
    前記室外機、前記熱媒体変換機及び前記室内機のそれぞれは、別体に形成され、互いに離れた場所に設置できる
    ことを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載の空気調和装置。
  14. 前記圧縮機及び前記熱源側熱交換器は室外機に収容され、
    前記複数の絞り装置、前記複数の熱媒体間熱交換器及び前記複数のポンプは熱媒体変換機に収容され、
    前記室外機、及び前記熱媒体変換機のそれぞれは、別体に形成され、互いに離れた場所に設置でき、
    前記制御装置は、
    前記熱媒体変換機の内部又は近接した位置に配置され、少なくとも前記熱媒体流量調整装置、前記ポンプ、及び前記絞り装置を制御する第1制御器と、
    前記室外機の内部又は近接した位置に配置され、少なくとも前記圧縮機を制御する第2制御器と
    を備え、
    前記第1制御器と前記第2制御器とを無線又は有線での通信ができるように接続し、
    前記熱源側冷媒の凝縮温度及び蒸発温度の少なくとも一方、又は、前記熱源側冷媒の凝縮温度の偏差値及び蒸発温度の偏差値の少なくとも一方の制御目標値を制御信号として、前記第1制御器から前記第2制御器へ送信する
    ことを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載の空気調和装置。
  15. 前記熱媒体流量調整装置は熱媒体変換機に収容された
    ことを特徴とする請求項1〜14の何れか一項に記載の空気調和装置。
  16. 前記圧縮機及び前記熱源側熱交換器は室外機に収容され、
    前記複数の絞り装置、前記複数の熱媒体間熱交換器及び前記複数のポンプは熱媒体変換機に収容され、
    前記熱媒体流量調整装置は、前記熱媒体変換機とは別体に設置された筐体に収容され、
    前記制御装置は、
    前記熱媒体変換機の内部又は近接した位置に配置され、少なくとも前記熱媒体流量調整装置、前記ポンプ、及び前記絞り装置を制御する第1制御器と、
    前記熱媒体変換機とは別体に設置された筐体の内部又は近接した位置に配置された第3制御器と
    を備え、
    前記第1制御器と前記第3制御器とを無線又は有線での通信ができるように接続し、
    前記熱媒体流量調整装置の開度又は開口面積の情報が、前記第3制御器から前記第1制御器に伝送される
    ことを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載の空気調和装置。
  17. 前記第1温度センサー及び前記第2温度センサーは、熱媒体変換機に収容された
    ことを特徴とする請求項1〜16の何れか一項に記載の空気調和装置。
  18. 圧縮機、熱源側熱交換器、複数の絞り装置、及び、複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱源側冷媒を循環させる冷媒循環回路が形成され、
    複数のポンプ、複数の利用側熱交換器、及び、前記複数の熱媒体間熱交換器が接続されて熱媒体を循環させる複数の熱媒体循環回路が形成された空気調和装置であって、
    前記複数の利用側熱交換器にそれぞれ設けられ、該利用側熱交換器を循環する前記熱媒体の流量を調整する熱媒体流量調整装置と、
    少なくとも前記熱媒体流量調整装置、前記ポンプ、前記圧縮機及び前記絞り装置を制御する制御装置と
    を備え、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の全てに低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、
    前記複数の熱媒体間熱交換器の一部に前記圧縮機から吐出された高温・高圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を加熱し、前記複数の熱媒体間熱交換器の他の一部に低温・低圧の熱源側冷媒を流して、前記熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードと
    を実行可能であり、
    前記複数のポンプのそれぞれは、前記複数の熱媒体間熱交換器の何れかに対応して設けられ、
    前記制御装置は、
    前記熱媒体流量調整装置の開度を制御する熱媒体流量調整装置制御を行い、
    前記熱媒体流量調整装置制御により制御される前記熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、目標開度に近づくように、前記ポンプの運転容量を制御するポンプ制御を行い、
    前記熱媒体流量調整装置制御及び前記ポンプ制御により流量が制御された前記熱媒体の温度が、目標温度に近づくように、前記冷媒循環回路の冷凍サイクルの制御を行い、
    前記ポンプ制御において、
    高温・高圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、暖房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御し、
    低温・低圧の熱源側冷媒が流れている前記熱媒体間熱交換器に対応する前記ポンプの運転容量を、冷房運転中の前記利用側熱交換器に対応する前記複数の熱媒体流量調整装置のうち最大の開度を有する前記熱媒体流量調整装置の開度が、前記目標開度に近づくように制御する
    ことを特徴とする空気調和装置。
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