JP5629366B2 - 空気調和装置、空気調和装置の運転制御方法および冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置、空気調和装置の運転制御方法および冷却システムに関し、特に、冷媒の密度差により冷媒を循環させる自然循環を行う空気調和装置、空気調和装置の運転制御方法および冷却システムに関する。

空気調和装置は冷凍サイクルを備えており、圧縮機により冷媒を循環させる強制循環サイクルでは、冷媒は圧縮機により駆動され、凝縮器に流入して凝縮液化し、膨張弁で減圧され、低温低圧の気液二相状態の冷媒が蒸発器に流入して蒸発気化して冷却を行う。

また、冷媒の密度差により冷媒を自然循環させる自然循環サイクルが可能な自然循環併用式空気調和機が知られている（例えば、特許文献１参照）。自然循環サイクルでは、冷媒は冷媒液と冷媒ガスとの密度差により駆動され、冷媒の循環量は蒸発器入口側に形成された冷媒液による液柱の高さの影響を受ける。また、自然循環サイクルを行う空気調和装置が熱交換を開始するためには、（即ち、自然循環サイクルが起動するためには、）室内温度、室外温度、自然循環サイクル内の冷媒温度の影響を受ける。そのため、自然循環サイクル内の冷媒温度が適正な範囲から外れている場合には、冷媒液が蒸発器に供給されず冷媒不足による冷房運転の能力不足や立ち上がりの遅れが生じることになる。冷媒自然循環サイクルにより冷房運転時の冷媒不足を改善する技術として、例えば、特許文献１が知られている。

特開平１１−２５７７６７号公報

自然循環サイクルによる冷房運転は、一般に、中間期（外気温度が室内温度より低い時期）において行われる。この自然循環サイクルによる運転が行われるためには、通常、室内温度と室外温度との間にある程度の温度差（例えばΔＴ＝５℃程度）が必要であり、この温度差が小さくなると、凝縮器内で流入したガス冷媒を完全に液化させることができなくなる。また、室外温度が低い場合、室外ユニット内におさめられた冷媒回路内の冷媒は室外温度と平衡した圧力に保たれている。このため、自然循環による冷房運転を開始するためには、冷媒回路内の冷媒を室外温度相当の圧力以上で、室内温度相当の圧力以下の所定の圧力領域に移行させる必要がある。

そこで、本発明は、自然循環サイクルにおいて、自然循環の起動を安定して速やかに開始させることのできる空気調和装置、空気調和装置の運転制御方法および冷却システムを提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、熱源側の第一熱搬送媒体と熱交換を行う第一熱交換器と、膨張弁と、前記第一熱交換器より低い位置に設置され、液体である利用側の第二熱搬送媒体と熱交換を行う第二熱交換器とを順次接続して環状に形成された冷媒回路に、前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパス配管と、前記第一熱交換器に対して並列に接続される第三熱交換器と、該第三熱交換器の上流側および下流側に設けられる開閉弁と、前記膨張弁をバイパスする膨張弁バイパス配管に設けられる冷媒流量制御弁と、を備え、前記開閉弁を閉弁して前記第三熱交換器に余剰冷媒を貯留するとともに、前記圧縮機と、前記第一熱交換器と、前記膨張弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を循環させる強制循環サイクルと、前記開閉弁を開弁して、前記圧縮機バイパス配管と、前記第一熱交換器および前記第三熱交換器と、前記冷媒流量制御弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を密度差により循環させて冷房する自然循環サイクルと、を切替えて運転可能であり、前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動時に、前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動後の流量である所定の流量より増加させる立ち上げ運転を行うことを特徴とする。

本発明によれば、自然循環サイクルにおいて、自然循環の起動を安定して速やかに開始させることのできる空気調和装置、空気調和装置の運転制御方法および冷却システムを提供することができる。

本実施形態に係る空気調和装置の系統図である。 本実施形態に係る空気調和装置の冷房運転（強制循環）時における冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。 本実施形態に係る空気調和装置の冷房運転（自然循環）時における冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。 空気調和装置の起動時における制御を説明するフローチャートである。 空気調和装置の起動時における制御を説明するフローチャートである。 自然循環への切り替え操作における制御を説明するフローチャートである。 冷房運転（自然循環）時における圧力とエンタルピーの関係を示す図の一例である。 一年間の室外温度の変化と冷房負荷の関係を示す一例である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

≪空気調和装置≫
図１は、本実施形態に係る空気調和装置Ｓの系統図である。
空気調和装置Ｓは、冷媒が循環する冷媒回路１０を有し室外（被空調空間外）に設置される室外ユニット１と、室内（被空調空間）に設置される室内ユニット３と、制御装置５と、を備えている。
空気調和装置Ｓは、室内ユニット３が配置された室内を冷房する「冷房運転」と、室内ユニット３が配置された室内を暖房する「暖房運転」と、を行う機能を有している。
さらに、「冷房運転」は、後述する圧縮機１１により冷媒回路１０の冷媒を循環させる強制循環サイクルによる冷房運転（以下、「冷房運転（強制循環）」と称す）と、冷媒の密度差により冷媒回路１０の冷媒を循環させる自然循環サイクルによる冷房運転（以下、「冷房運転（自然循環）」と称す）と、を行う機能を有している。

また、空気調和装置Ｓは、冷媒が循環する冷媒回路１０と、熱搬送媒体が循環する熱搬送媒体循環回路３０と、を備えている。

＜冷媒回路＞
室外ユニット１に設けられた冷媒回路１０は、冷媒を圧縮して高圧の冷媒とする圧縮機１１と、冷房運転と暖房運転とで冷媒の流れ方向を切り替える四方弁１２と、室外熱交換器１３と、補助室外熱交換器１４と、室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４に対して室外空気を送風する室外ファン１３ａと、冷媒を減圧する膨張弁１５と、冷媒の流量を制御する冷媒流量制御弁１６と、熱搬送媒体との熱交換を行う中間熱交換器１７の一次側流体流路１７ａと、電磁弁２４，２５と、二方弁２２，２３と、バイパス弁２１とを備えて構成されている。これらの各機器、弁等は、冷媒配管によって環状に接続されている。

圧縮機１１は、容量制御が可能な可変容量型の圧縮機である。このような圧縮機としては、ピストン式、ロータリー式、スクロール式、スクリュー式、遠心式のものを採用可能である。具体的には、圧縮機１１は、スクロール式の圧縮機であり、インバータ制御により容量制御が可能で、低速から高速まで回転速度が可変である。

室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４は、室外ファン１３ａから送風される熱源側の熱媒体としての室外空気と各熱交換器１３，１４内を流れる冷媒との間で熱交換を行うものであり、例えばフィンチューブ式のものが用いられている。補助室外熱交換器１４は、室外熱交換器１３に対して並列に接続されており、補助室外熱交換器１４の前後（冷房運転時における冷媒の流れの上流側と下流側）に設けられた電磁弁２４，２５を開閉することにより、冷媒を、室外熱交換器１３のみに流す場合と、室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４の両方に流す場合とに切り替えることができるようになっている。

また、圧縮機１１をバイパスするためのバイパス配管２１ａが設けられており、このバイパス配管２１ａには二方弁であるバイパス弁２１が取り付けられている。そのため、圧縮機１１の前後に設けられた二方弁２２，２３とバイパス弁２１の開閉を制御することにより、冷媒が流れる流路が、圧縮機１１を経由する場合と、圧縮機１１をバイパスする場合とに切り替えることができるようになっている。

さらに、膨張弁１５をバイパスするバイパス配管１６ａが設けられており、このバイパス配管１６ａには、冷媒流量制御弁１６が取り付けられている。つまり、膨張弁１５と冷媒流量制御弁１６とは並列に接続されている。よって、膨張弁１５と冷媒流量制御弁１６の開閉を制御することにより、冷媒を膨張弁１５と冷媒流量制御弁１６とに選択的に流すことができる。

中間熱交換器１７は、一次側流体流路１７ａを通流する冷媒と二次側流体流路１７ｂを通流する熱搬送媒体との間で熱交換が行われるものであり、プレート式熱交換器等が用いられる。中間熱交換器１７は、室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４よりも低い位置に設置される。これは、自然循環サイクルによる冷房運転を行うためである。

なお、冷媒として、HFC冷媒、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒（例えば、ＣＯ_２冷媒）などを用いることができる。

＜熱搬送媒体循環回路＞
室外ユニット１から室内ユニット３に亘って設けられた熱搬送媒体循環回路３０は、熱搬送媒体を送液する循環ポンプ３１と、三方弁３２と、室内ユニット３に設置された室内熱交換器３３と、室内熱交換器３３に対して室内空気を送風する室内ファン３３ａと、冷媒との熱交換を行う中間熱交換器１７の二次側流体流路１７ｂとを配管で順次接続して、環状に形成された回路である。

室内熱交換器３３は、室内ファン３３ａから送風される利用側の熱媒体としての室内空気と室内熱交換器３３内を流れる熱搬送媒体との間で熱交換を行うものであり、例えばフィンチューブ式のものが用いられている。
この熱搬送媒体循環回路３０内を流れる熱搬送媒体は、室内熱交換器３３を介して室内ユニット３が配置された室内の室内空気と熱交換して、室内を冷房または暖房する。室内熱交換器３３の能力調整は、循環ポンプ３１の回転速度、三方弁３２の開度、室内ファン３３ａの回転速度によって制御されている。

なお、熱搬送媒体として、水や、エチレングリコールなどのブライン（不凍液）などを用いることができる。

＜制御装置＞
また、空気調和装置Ｓは、制御装置５を備えている。
制御装置５は、空気調和装置Ｓの運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各種弁（四方弁１２、膨張弁１５、冷媒流量制御弁１６、バイパス弁２１、二方弁２２，２３、電磁弁２４，２５、三方弁３２）の状態（開度）、循環ポンプ３１の回転速度、圧縮機１１の回転速度、各熱交換器のファン（室外ファン１３ａ、室内ファン３３ａ）の回転速度、を制御して、空気調和装置Ｓの各種運転を制御する機能を有している。

また、空気調和装置Ｓは、室外温度Ｔ_ＯＡを検出する温度センサ４１と、室内温度Ｔ_ＲＭを検出する温度センサ４２と、中間熱交換器１７の入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮを検出する温度センサ４３と、中間熱交換器１７の出口冷媒温度Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}を検出する温度センサ４４と、を備え、温度センサ４１，４２，４３，４４で検出された温度の検出信号は、制御装置５に入力される。

＜冷房運転（強制循環）＞
まず、冷房運転（強制循環）時における空気調和装置Ｓの動作について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る空気調和装置Ｓの冷房運転（強制循環）時における冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
図２に示すように、制御装置５は、冷媒流量制御弁１６、バイパス弁２１、電磁弁２４および電磁弁２５が閉弁し、二方弁２２、二方弁２３が開弁するように制御する。制御装置５は、膨張弁１５の開度（絞り）を制御し、四方弁１２を冷房運転の位置となるように制御する。制御装置５は、圧縮機１１および室外ファン１３ａの回転速度を制御する。
なお、冷房運転（強制循環）時において、補助室外熱交換器１４には余剰冷媒が貯留されるようになっている。

圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器として機能する室外熱交換器１３に流入する。室外熱交換器１３を通流する冷媒は、室外ファン１３ａにより送られてくる室外空気と熱交換することにより放熱して、高圧の液冷媒となる。室外熱交換器１３から流出した液冷媒は、膨張弁１５で減圧され、低温低圧の気液二相状態となる。
そして、低温低圧の冷媒は、蒸発器として機能する中間熱交換器１７の一次側流体流路１７ａに流入する。中間熱交換器１７の一次側流体流路１７ａを通流する冷媒は、中間熱交換器１７の二次側流体流路１７ｂを流れる熱搬送媒体と熱交換することにより熱搬送媒体によって加熱されて蒸発気化し圧縮機１１へと送られ、冷媒回路１０を循環する。

次に、熱搬送媒体循環回路３０について説明する。制御装置５は、循環ポンプ３１および室内ファン３３ａの回転速度を制御する。また、制御装置５は、三方弁３２の開度を制御する。

中間熱交換器１７の二次側流体流路１７ｂを通流し冷却された熱搬送媒体は、循環ポンプ３１を駆動させることにより、室内ユニット３の室内熱交換器３３に流入する。室内熱交換器３３を通流する熱搬送媒体は、室内ファン３３ａにより送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより吸熱する。そして、吸熱した熱搬送媒体は、室内熱交換器３３から中間熱交換器１７の二次側流体流路１７ｂへと送られ、熱搬送媒体循環回路３０を循環する。
このように、室内ユニット３の室内熱交換器３３で熱搬送媒体が吸熱することにより、空気（室内空気）が冷却され、室内（被空調空間）が冷房される。

＜暖房運転＞
なお、暖房運転時は、図２に示す冷房運転（強制循環）時と逆向きに冷媒を通流させる。即ち、冷媒回路１０の四方弁１２を切り替えて、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒が中間熱交換器１７へと送られ、中間熱交換器１７が凝縮器として機能する。そして、膨張弁１５で減圧され、室外熱交換器１３が蒸発器として機能する。
また、中間熱交換器１７で加熱された熱搬送媒体は、室内熱交換器３３に流入し、室内ファン３３ａにより送られてくる空気（室内空気）と熱交換することにより放熱して、室内（被空調空間）が暖房される。

＜冷房運転（自然循環）＞
次に、冷房運転（自然循環）時における空気調和装置Ｓの動作について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る空気調和装置Ｓの冷房運転（自然循環）時における冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
図３に示すように、制御装置５は、膨張弁１５、二方弁２２、二方弁２３が閉弁し、バイパス弁２１、電磁弁２４および電磁弁２５が開弁するように制御する。制御装置５は、冷媒流量制御弁１６の開度を制御する。制御装置５は、室外ファン１３ａの回転速度を制御する。なお、圧縮機１１は停止している。
なお、冷房運転（自然循環）時において、補助室外熱交換器１４は室外熱交換器１３共に凝縮器として機能するようになっている。

凝縮器として機能する室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４内の冷媒は、室外空気へ放熱して、凝縮し、液化する。密度の大きい液冷媒は、重力の影響を受けて下降していき、冷媒流量制御弁１６を通り、蒸発器として機能する中間熱交換器１７の一次側流体流路１７ａに流入する。中間熱交換器１７の一次側流体流路１７ａを通流する冷媒は、中間熱交換器１７の二次側流体流路１７ｂを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより熱搬送媒体から吸熱して、蒸発し、ガス化する。このとき、冷媒の密度差による圧力勾配ができるため、蒸発した冷媒は、バイパス配管２１ａを通って、室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４に向かって流れていき、冷媒回路１０を循環する。
なお、熱搬送媒体循環回路３０は、冷房運転（強制循環）時の熱搬送媒体循環回路３０の動作と同じで有り説明を省略する。

なお、例えば、室内の設定温度を２５℃とし、冷房運転（自然循環）が可能な室内外温度差を５℃とすれば、図８に示すように、冷房運転（自然循環）を行う時期は室外温度が２０℃を下回る時期であり、特に、４月、５月、９月、１０月頃となるが、冬期においても室内側の熱負荷が高い場合は自然循環運転が可能となる。

＜空気調和装置の起動時における制御＞
制御装置５が実行する空気調和装置Ｓの運転モードについて説明する。図４および図５は、空気調和装置Ｓの起動時における制御を説明するフローチャートである。なお、空気調和装置Ｓは停止しており、空気調和装置Ｓの空調運転を開始する場合について説明する。

ステップＳ１０１において、制御装置５は、室外ユニット１の室外ファン１３ａを駆動させ、室外ユニット１内に室外空気を取り込み、温度センサ４１で室外温度Ｔ_ＯＡを検出する。また、制御装置５は、室内ユニット３の室内ファン３３ａを駆動させ、室内ユニット３内に室内空気を取り込み、温度センサ４２で室内温度Ｔ_ＲＭを検出する。また、制御装置５は、室内の目標温度である設定温度Ｔ_ＲＰＳを取得する。なお、設定温度Ｔ_ＲＰＳは、例えば、室内に設置されたリモコン（図示せず）を使用者が操作することにより、制御装置５に入力される。

ステップＳ１０２において、制御装置５は、室内温度Ｔ_ＲＭが設定温度Ｔ_ＲＰＳより高いか否かを判定する。室内温度Ｔ_ＲＭが設定温度Ｔ_ＲＰＳより高い場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ１０４に進む。室内温度Ｔ_ＲＭが設定温度Ｔ_ＲＰＳより高くない場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、制御装置５は、空気調和装置Ｓの暖房運転（強制循環）を実行する。このように、室内の設定温度が室内温度よりも高い場合、暖房運転（強制循環）を実行する。

ステップＳ１０４において、制御装置５は、室内温度Ｔ_ＲＭと室外温度Ｔ_ＯＡとの温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＯＡ）が所定値ＰＳ１より大きいか否かを判定する。温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＯＡ）が所定値ＰＳ１より大きい場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ１０５に進む。温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＯＡ）が所定値ＰＳ１より大きくない場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５において、制御装置５は、室内温度Ｔ_ＲＭと設定温度Ｔ_ＲＰＳとの温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＲＰＳ）が所定値ＰＳ２より大きいか否かを判定する。温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＲＰＳ）が所定値ＰＳ２より大きい場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ１０７に進む。温度差（Ｔ_ＲＭ−Ｔ_ＲＰＳ）が所定値ＰＳ２より大きくない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、制御装置５は、空気調和装置Ｓの冷房運転（強制循環）を実行する。
このように、自然循環サイクルによる冷房運転ができない場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）や、冷房負荷が大きい場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）には、圧縮機１１を駆動させる冷房運転（強制循環）を実行する。

ステップＳ１０７において、制御装置５は、空気調和装置Ｓの停止前の運転モード（前回の運転モード）が冷房運転（自然循環）であるか否かを判定する。停止前の運転モードが冷房運転（自然循環）である場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理は図５のステップＳ１０９に進む。停止前の運転モードが冷房運転（自然循環）でない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８において、制御装置５は、冷房運転（自然循環）への切替操作を行う。なお、切替操作は、図６を用いて後述する。そして、制御装置５の処理は図５のステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９において、制御装置５は、温度センサ４３で中間熱交換器１７の入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮを検出する。また、制御装置５は、圧力比率Ｋを算出する。
ここで、図７を用いて説明する。図７は、冷房運転（自然循環）時における圧力とエンタルピーの関係を示す図の一例である。
まず、制御装置５は、室内温度Ｔ_ＲＭに基づいて、室内温度基準圧力Ｐ_ＲＭを算出する。また、制御装置５は、室外温度Ｔ_ＯＡに基づいて、室外温度基準圧力Ｐ_ＯＡを算出する。また、制御装置５は、入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮに基づいて、冷媒温度基準圧力Ｐ_ｒｅｆを算出する。
ここで、室内温度基準圧力Ｐ_ＲＭとは、冷媒回路１０内の冷媒が室内温度Ｔ_ＲＭとした場合における冷媒の圧力であり、冷媒回路１０に封入された冷媒の物性値に基づいて算出される。室外温度基準圧力Ｐ_ＯＡとは、冷媒回路１０内の冷媒が室外温度Ｔ_ＯＡとした場合における冷媒の圧力であり、冷媒回路１０に封入された冷媒の物性値に基づいて算出される。
冷媒温度基準圧力Ｐ_ｒｅｆとは、冷媒回路１０内の現在の冷媒温度に相当する圧力であり、基準温度としては、例えば中間熱交換器１７の入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮにおける冷媒の圧力であり、冷媒回路１０に封入された冷媒の物性値に基づいて算出される。
そして、図７に示すように、室内温度基準圧力Ｐ_ＲＭと室外温度基準圧力Ｐ_ＯＡとの圧力差（Ｐ_ＲＭ−Ｐ_ＯＡ）をΔＰとし、冷媒温度基準圧力Ｐ_ｒｅｆと室外温度基準圧力Ｐ_ＯＡとの圧力差（Ｐ_ｒｅｆ−Ｐ_ＯＡ）をΔＰ１とし、圧力比率Ｋは、ΔＰ１／ΔＰとして、制御装置５は圧力比率Ｋを算出する。

ステップＳ１１０において、制御装置５は、ステップＳ１０９で算出した圧力比率Ｋが、所定値ＰＳ３以上か否かを判定する。圧力比率Ｋが、所定値ＰＳ３以上の場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ１１５に進む。圧力比率Ｋが、所定値ＰＳ３以上でない場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１において、制御装置５は、冷房運転（自然循環）の立ち上げ運転指令を出力する。
ここで、立ち上げ運転とは、冷房運転（自然循環）を速やかに起動させるための立ち上げ運転であり、具体的には後述するステップＳ１１２からステップＳ１１４の処理である

ステップＳ１１２において、制御装置５は、膨張弁１５を開弁状態とし、冷媒流量制御弁１６の開度を閉弁状態とする。あるいは、膨張弁１５を閉弁状態とし、冷媒流量制御弁１６の開度を絞った状態とする。また、循環ポンプ３１の回転速度を増加させ循環する熱搬送媒体の流量を増加させる。また、中間熱交換器１７と室内熱交換器３３との間を循環する熱搬送媒体の量が増加するように三方弁３２を切り替える。

ステップＳ１１３において、制御装置５は、温度センサ４３で中間熱交換器１７の入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮを検出するとともに、温度センサ４４で中間熱交換器１７の出口冷媒温度Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}を検出する。また、制御装置５は、中間熱交換器１７の出入口冷媒温度差ΔＥＶ（＝Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}−Ｔ_ＥＶＩＮ）を算出する。

ステップＳ１１４において、制御装置５は、出入口冷媒温度差ΔＥＶ（＝Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}−Ｔ_ＥＶＩＮ）が所定値ＰＳ４より大きいか否かを判定する。出入口冷媒温度差ΔＥＶ（＝Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}−Ｔ_ＥＶＩＮ）が所定値ＰＳ４より大きい場合（Ｓ１１４・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ１１６に進む。出入口冷媒温度差ΔＥＶ（＝Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}−Ｔ_ＥＶＩＮ）が所定値ＰＳ４より大きくない場合（Ｓ１１４・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ１１３に戻る。

ステップＳ１１５において、制御装置５は、立ち上げ運転は不要であると判定する。そして、制御装置５の処理はステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１６において、制御装置５は、冷媒流量制御弁１６の開度を流量制御（あるいは全開）とする。また、循環ポンプ３１の回転速度を冷房運転（自然循環）の定格速度で駆動させる。三方弁３２についても、同様である。

ステップＳ１１７において、制御装置５は、空気調和装置Ｓの冷房運転(自然循環)を開始する。

次に、図６を用いて、図４のステップＳ１０８に示す自然循環への切り替え操作について説明する。
ステップＳ２０１において、制御装置５は、冷媒流量制御弁１６、二方弁２２、二方弁２３を閉弁状態とする。なお、この状態において、バイパス弁２１、電磁弁２４および電磁弁２５は閉弁しており、膨張弁１５は開弁している。

ステップＳ２０２において、制御装置５は、電磁弁２５の開度を変更する。これにより、補助室外熱交換器１４に貯留されている液冷媒が、電磁弁２５から膨張弁１５を通り、中間熱交換器１７の入口側へと放出され、中間熱交換器１７の入口側に冷媒液柱を形成する。

ステップＳ２０３において、制御装置５は、電磁弁２４および電磁弁２５で挟まれた領域における冷媒の圧力（補助室外熱交換器１４における冷媒の圧力）と、その他の冷媒回路１０における冷媒の圧力（例えば、室外熱交換器１３における冷媒の圧力）との圧力差を検出し、その圧力差が規定値以内であるか否かを判定する。なお、それぞれの圧力検出は圧力センサ（図示せず）で検出する。
圧力差が規定値以内である場合（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）、制御装置５の処理はステップＳ２０４に進む。圧力差が規定値以内でない場合（Ｓ２０３・Ｎｏ）、制御装置５の処理はステップＳ２０２に戻る。
このように、圧力差が規定値以内となるまで電磁弁２５の開度を変更して、補助室外熱交換器１４に貯留された冷媒を放出する。

ステップＳ２０４において、制御装置５は、電磁弁２４および電磁弁２５の開度を全開状態にする。
ステップＳ２０５において、制御装置５は、バイパス弁２１を開弁状態とする。そして、制御装置５の処理は、ステップＳ１０８に示す冷房運転（自然循環）への切替操作を終了し、図５のステップＳ１０９に進む。

＜空気調和装置Ｓの作用効果＞
次に、本実施形態に係る空気調和装置Ｓの作用効果について説明する。
空気調和装置Ｓの自然循環サイクルによる冷房運転を開始させるためには、冷媒回路１０内の冷媒の圧力を自然循環が可能な圧力領域（図７のサイクルで示す圧力領域）へと移行させる必要がある。
しかし、例えば、空気調和装置Ｓが停止していた状態では、冷媒回路１０内の冷媒の圧力（即ち、冷媒温度基準圧力Ｐ_ｒｅｆに相当）は、室外温度Ｔ_ＯＡと平衡した圧力（即ち、室外温度基準圧力Ｐ_ＯＡに相当）となっている。

本実施形態に係る空気調和装置Ｓは、ステップＳ１１２に示すように、立ち上げ運転において、循環ポンプ３１の回転速度を増加させ、中間熱交換器１７に流入する熱搬送媒体の流量を増加させることにより、中間熱交換器１７における冷媒と熱搬送媒体との熱交換が促進され、冷媒が熱搬送媒体により速やかに加熱される。これにより、冷媒回路１０内の冷媒の圧力も上昇して、自然循環が可能な圧力領域へと速やかに移行させることができる。ここで、加熱量は、サイクル内の冷媒封入量やサイクルを構成する機器の熱容量などにより決定される。
これにより、本実施形態に係る空気調和装置Ｓは、自然循環サイクルによる冷房運転を速やかに開始し、室内を空調するため、使用者の快適性が向上する。また、立ち上げ時間を短くすることができ、省エネルギ性が向上する。

また、本実施形態に係る空気調和装置Ｓは、ステップＳ１１２に示すように、立ち上げ運転において、膨張弁１５および冷媒流量制御弁１６で開度を絞ることにより、中間熱交換器１７の入口側に冷媒液柱を形成することができるので、自然循環サイクルによる冷房運転を起動しやすくすることができる。

また、本実施形態に係る空気調和装置Ｓは、ステップＳ１１３、ステップＳ１１４に示すように、中間熱交換器１７の出入口温度差ΔＥＶが所定値（ＰＳ４）より大きくなったときに立ち上げ運転の終了と判定する。
中間熱交換器１７において冷媒が熱搬送媒体により加熱されると、入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮと出口冷媒温度Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}とは、共に上昇し、出入口温度差ΔＥＶは小さいままである。更に冷媒が加熱されると、冷媒が蒸発してガス化し、中間熱交換器１７の出口側からバイパス配管２１ａを通り、室外熱交換器１３および補助室外熱交換器１４に向かって流れる。このため、冷媒が蒸発してガス化すると、即ち、冷媒の自然循環が開始されると、出口冷媒温度Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}は、急に立ち上がる。一方、中間熱交換器１７の入口側には冷媒液柱が形成されており、入口冷媒温度Ｔ_ＥＶＩＮは緩やかに上昇する。
このように、出入口温度差ΔＥＶ（＝Ｔ_{ＥＶＯＵＴ}−Ｔ_ＥＶＩＮ）が所定値（ＰＳ４）より大きくなったか否かを判定することにより、冷媒の自然循環が開始されたか、即ち、立ち上げ運転を終了するか否かを判定することができる。

≪変形例≫
なお、本実施形態に係る空気調和装置Ｓは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、強制循環サイクルによる冷房運転時は余剰冷媒を貯留し、自然循環サイクルによる冷房運転時は凝縮器として機能する補助室外熱交換器１４を備えるものとして説明したが、これに限られるものではなく、サイクルの運転状態に応じて冷媒回路１０内の冷媒量を調整する冷媒供給装置（図示せず）であってもよい。

また、上記実施形態においては、強制循環サイクルによる冷房運転時は冷媒を膨張弁１５に通流させ、自然循環サイクルによる冷房運転時は冷媒を冷媒流量制御弁１６に通流させるものとして説明したが、これに限られるものではなく、一つの減圧弁（または、一つの冷媒流量制御弁）で構成してもよい。

また、上記実施形態においては、中間熱交換器１７で冷却された熱搬送媒体を室内熱交換器３３に供給し、室内（被空調空間）を冷房（冷却）する空気調和装置Ｓとして説明したが、これに限られるものではなく、中間熱交換器１７で冷却された熱搬送媒体を機器（図示せず）に供給するチラーシステム（冷却システム）に適用してもよい。
本発明によれば、自然循環サイクルによる冷却運転の起動に要する時間を短縮することができるので、冷却不良状態で放置できる期間が短い機器（例えば、データセンタなど）にも適用することができる。

また、上記実施形態においては、中間熱交換器１７と熱搬送媒体循環回路３０とを備え、立ち上げ運転時において、熱搬送媒体を送液する循環ポンプ３１の回転速度を増加させるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、中間熱交換器１７と熱搬送媒体循環回路３０を備えないで、中間熱交換器１７に代えて室内熱交換器３３に冷媒を循環させる構成であって、立ち上げ運転時において、室内ファン３３ａの回転速度を増加させるものであってもよい。なお、この構成において、冷媒の自然循環が可能となるためには、室内熱交換器３３を室外熱交換器１３よりも低い位置に配置する必要がある。

Ｓ 空気調和装置
１ 室外ユニット
３ 室内ユニット
５ 制御装置
１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
１２ 四方弁
１３ 室外熱交換器（第一熱交換器）
１３ａ 室外ファン
１４ 補助室外熱交換器（第三熱交換器）
１５ 膨張弁
１６ 冷媒流量制御弁
１６ａ バイパス配管（膨張弁バイパス配管）
１７ 中間熱交換器（第二熱交換器）
１７ａ 一次側流体流路
１７ｂ 二次側流体流路
２１ バイパス弁
２１ａ バイパス配管（圧縮機バイパス配管）
２２，２３ 二方弁
２４，２５ 電磁弁
３０ 熱搬送媒体循環回路
３１ 循環ポンプ
３２ 三方弁
３３ 室内熱交換器
３３ａ 室内ファン
４１，４２ 温度センサ
４３ 温度センサ（第一温度検出手段）
４４ 温度センサ（第二温度検出手段）

Claims (6)

1. 圧縮機と、熱源側の第一熱搬送媒体と熱交換を行う第一熱交換器と、膨張弁と、前記第一熱交換器より低い位置に設置され、液体である利用側の第二熱搬送媒体と熱交換を行う第二熱交換器とを順次接続して環状に形成された冷媒回路に、
   前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパス配管と、
   前記第一熱交換器に対して並列に接続される第三熱交換器と、
   該第三熱交換器の上流側および下流側に設けられる開閉弁と、
   前記膨張弁をバイパスする膨張弁バイパス配管に設けられる冷媒流量制御弁と、を備え、
   前記開閉弁を閉弁して前記第三熱交換器に余剰冷媒を貯留するとともに、前記圧縮機と、前記第一熱交換器と、前記膨張弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を循環させる強制循環サイクルと、
   前記開閉弁を開弁して、前記圧縮機バイパス配管と、前記第一熱交換器および前記第三熱交換器と、前記冷媒流量制御弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を密度差により循環させて冷房する自然循環サイクルと、を切替えて運転可能であり、
   前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動時に、前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動後の流量である所定の流量より増加させる立ち上げ運転を行う
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記第二熱交換器を通流する冷媒の流入側温度を検出する第一温度検出手段と、流出側温度を検出する第二温度検出手段と、をさらに備え、
   前記第一温度検出手段の検出温度と、前記第二温度検出手段の検出温度との温度差が、所定値より大きくなると、増加させた前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を前記所定の流量に変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
3. 前記自然循環サイクルの起動時に、前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を所定の流量より増加させるとともに、前記冷媒流量制御弁の開度を所定の開度より絞ることを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
4. 前記第二熱交換器を通流する冷媒の流入側温度を検出する第一温度検出手段と、流出側温度を検出する第二温度検出手段と、をさらに備え、
   前記第一温度検出手段の検出温度と、前記第二温度検出手段の検出温度との温度差が、所定値より大きくなると、前記冷媒流量制御弁の開度を前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動後の開度である所定の開度に変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載の空気調和装置。
5. 圧縮機と、熱源側の第一熱搬送媒体と熱交換を行う第一熱交換器と、膨張弁と、前記第一熱交換器より低い位置に設置され、液体である利用側の第二熱搬送媒体と熱交換を行う第二熱交換器とを順次接続して環状に形成された冷媒回路に、
   前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパス配管と、
   前記第一熱交換器に対して並列に接続される第三熱交換器と、
   該第三熱交換器の上流側および下流側に設けられる開閉弁と、
   前記膨張弁をバイパスする膨張弁バイパス配管に設けられる冷媒流量制御弁と、を備える空気調和装置の運転制御方法であって、
   前記開閉弁を閉弁して前記第三熱交換器に余剰冷媒を貯留するとともに、前記圧縮機と、前記第一熱交換器と、前記膨張弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を循環させる強制循環サイクルと、
   前記開閉弁を開弁して、前記圧縮機バイパス配管と、前記第一熱交換器および前記第三熱交換器と、前記冷媒流量制御弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を密度差により循環させて冷房する自然循環サイクルと、を切替えて運転可能であり、
   前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動時に、前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動後の流量である所定の流量より増加させる立ち上げ運転を行う
   ことを特徴とする空気調和装置の運転制御方法。
6. 圧縮機と、熱源側の第一熱搬送媒体と熱交換を行う第一熱交換器と、膨張弁と、前記第一熱交換器より低い位置に設置され、液体である利用側の第二熱搬送媒体と熱交換を行う第二熱交換器とを順次接続して環状に形成された冷媒回路に、
   前記圧縮機をバイパスする圧縮機バイパス配管と、
   前記第一熱交換器に対して並列に接続される第三熱交換器と、
   該第三熱交換器の上流側および下流側に設けられる開閉弁と、
   前記膨張弁をバイパスする膨張弁バイパス配管に設けられる冷媒流量制御弁と、を備え、
   前記開閉弁を閉弁して前記第三熱交換器に余剰冷媒を貯留するとともに、前記圧縮機と、前記第一熱交換器と、前記膨張弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を循環させる強制循環サイクルと、
   前記開閉弁を開弁して、前記圧縮機バイパス配管と、前記第一熱交換器および前記第三熱交換器と、前記冷媒流量制御弁と、前記第二熱交換器との間で相変化する冷媒を密度差により循環させて冷房する自然循環サイクルと、を切替えて運転可能であり、
   前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動時に、前記第二熱交換器に流入する前記利用側の第二熱搬送媒体の流量を前記自然循環サイクルによる冷房運転の起動後の流量である所定の流量より増加させる立ち上げ運転を行う
   ことを特徴とする冷却システム。

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