JP5667956B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

コンピュータネットワークを構築するには、各コンピュータから要求を受けて処理するために、コミュニケーション用、データベース用、ファイル管理用などのサーバーを必要とする。この種のサーバーは運営や管理の利便性から、サーバー機械室に設置されている。また複数台のサーバーはサーバーラックに格納され、サーバー機械室には複数のサーバーラックが設置される。他方サーバーは動作時の発熱が大きく、安定動作させるため空気調和装置を併設し運用する。

多くのサーバー機械室を持つデータセンターなどでは、近年サーバー以外の電力消費を抑える要望が高まっており、空気調和装置もまた低消費電力化が求められている。サーバー機械室全体の空気調和装置としては、一般に圧縮機、室外熱交換器（凝縮器）、膨張弁、室内熱交換器（蒸発器）を順次冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成する空気調和装置が利用される。しかしサーバー機械室は３０℃程度で運用されるため、たとえば真冬の場合など外気温がそれよりも低ければ、圧縮機を使用するまでもなく単に冷媒を循環させることにより直接外気で冷媒を冷却できるため、冷房運転を行うことができる。

この点についてたとえば、特開平１０−８２５６６号公報（特許文献１）には、「簡単な構成で、少ない冷媒配管で、室内外機の設置条件（高さ位置）に制約を受けることなく、しかも送風機動力の増大や水質管理等の問題を生じることなく、外気温度を考慮しながら年間を通じて必要かつ十分な冷房能力を確保しつつ省エネルギ運転を可能として年間運転効率の向上が図れる空冷パッケージ空調機を提供する。このために、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁１３、蒸発器１１を配管接続して冷媒を循環させる蒸気圧縮式冷却回路において、凝縮器２２と膨張弁１３との間の配管に冷媒ポンプ２３を設け、圧縮機２１の運転による圧縮サイクルの冷房運転と冷媒ポンプ２３の運転による熱輸送サイクルの冷房運転のいずれかを外気温度に基づいて自動的に選択し実行する。」と記載されている（要約参照）。

特開平１０−８２５６６号公報

上記特許文献１の記載の技術によれば、室内気温より外気温が低温の場合、ポンプにより冷媒を循環するため、圧縮機による循環を行うことに比べて低消費電力にて冷房運転を行うことが可能である。しかし、この特許文献１には、圧縮機による圧縮機サイクル運転からポンプによるポンプサイクル運転に切り替わる場合の安定した冷媒量について何ら考慮されていない。

すなわち、特許文献１の空気調和装置においては、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り替わる場合に、ポンプ入口側に十分な液冷媒が存在しておらず、ポンプ起動時に多くのガス冷媒がポンプに流入することにより、いわゆるキャビテーションが発生する虞がある。このキャビテーションが発生するとポンプによる冷媒循環を行うことができなくなる。

そこで本発明は、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り替わる場合にポンプ起動時のキャビテーションが発生しないように安定した起動を行うことができる空気調和装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段と、減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流れる冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器と、気液分離器内の冷媒を加熱するヒーターと、圧縮機が停止した状態で凝縮器から流れる液冷媒を循環させるポンプと、を備えた空気調和装置において、空気調和機は室外に設置される室外機と室内に設置される室内機とを備えて構成され、室内機は、圧縮機、気液分離器、及び、ヒーターを内部に有し、室外機は、ポンプ、凝縮器、及びこれらの間を接続する配管を内部に有し、ポンプが起動する前にヒーターを動作することにより気液分離器内の冷媒を加熱し、その後にポンプを起動してポンプにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り替わる場合にポンプ起動時のキャビテーションが発生しないように安定した起動を行うことができる空気調和装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の空気調和装置の構成を説明するための図。 実施例１、２の空気調和装置の冷凍サイクルを説明するモリエル線図。 実施例１の空気調和装置の構成を説明するための図。

本発明の実施例について以下、図面を用いて説明する。

実施例１について図１、図２を用いて説明する。

本実施例の空気調和装置はサーバー機械室などの冷房運転に特に有利な効果を奏するものであり、真冬のような外気温度が低い場合であっても冷房対象であるサーバー機械室は３０℃程度で運用される。このように外気温度がサーバー機械室内の温度より低ければ、冷媒を単に循環することにより冷却できるため、圧縮機を使用することなく低消費電力にて冷房運転を行うことができる。このような低温外気の冷熱を利用するシステムをフリークーリングと呼ぶ。フリークーリングを効果的に行うため、冷媒の強制循環装置を追加したシステムが開発されつつあり、強制循環にポンプを使うことで、圧縮機を用いる冷凍サイクルに対して低消費電力にて冷房運転を行うことが可能である。

なお、空気調和装置に付帯する設備として、冷凍機からの冷却水を通過させて空気を冷却する冷却コイルを直列に併設することで、空気調和装置と冷却コイルを通過する空気の温度差を大きくして、空気調和装置本体の低消費電力化に対応する方法がある。しかしながら、この方法は空気調和システム全体で見ると構造が煩雑化し導入コストがアップするという問題がある。

そこで本実施例においては、上記のように冷却コイルを直列に併設することでコストを増大することなく、空気調和装置単独で低消費電力化し、尚且つ信頼性の高い空気調和装置について説明する。

図１は、本実施例の情報通信向け空気調和装置の構成を説明するための図である。空気調和装置は、室外機６、室内機７からなり、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁４、蒸発器５を順次冷媒配管で接続して冷房運転を行う圧縮機による圧縮機サイクル運転と、凝縮器２、ポンプ３（強制冷媒循環ポンプ）、膨張弁４、蒸発器５を順次冷媒配管で接続して冷房運転するポンプによるポンプサイクル運転との双方のサイクル運転を行う。なお、両サイクルで凝縮器２、膨張弁４、蒸発器５を共有する。室内機７側には、膨張弁４、蒸発器５、アキュームレータ１６、圧縮機１が搭載され、順次接続されている。蒸発器５の出口側には、冷媒温度を検出する温度センサ１４と冷媒圧力を検出する圧力センサ１５を備えており、これらのセンサの検出値を用いて冷媒過熱度を検出する。

圧縮機サイクルとポンプサイクルは、室内側熱負荷と外気条件により切り替わるが、基本的には外気温度が室内温度よりも低い場合には圧縮機サイクル運転からポンプサイクル運転に切り替える。これによりポンプは圧縮機よりも消費電力が非常に低いために圧縮機サイクル運転に比べて低消費電力にて運転することが可能となる。

ここでポンプ起動前において、それまでの運転履歴により、アキュームレータ１６に冷媒が溜まり込んでいると想定されることがあり得る。このような場合にポンプ３を起動するとポンプ３の入口側に十分な液冷媒が存在しておらず、ガス冷媒がポンプ３に流入する虞がある。このように多くのガス冷媒がポンプ３に流入するとポンプ３はいわゆるキャビテーションを起こす虞があり、冷媒循環を行うことができなくなる。

そこで本実施例の空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２と、凝縮器２により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段（膨張弁４）と、該減圧手段（膨張弁４）により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器５と、蒸発器５から流れる冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器（アキュームレータ１６）と、気液分離器（アキュームレータ１６）内の冷媒を加熱するヒーター２４とを備えている。

そして、圧縮機１が停止した状態で凝縮器２から流れる液冷媒を循環させるポンプ３、をさらに備え、ポンプ３が起動する前にヒーター２４を動作することにより気液分離器（アキュームレータ１６）内の冷媒を加熱し、その後にポンプ３を起動して当該ポンプ３により冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うものである。

このようにポンプ起動前にヒーター２４（アキュームレータヒーター）により、アキュームレータ１６内の冷媒を加熱することで、冷媒の乾き度が大きくなる、もしくは過熱領域となり、液冷媒として存在していた冷媒が気化冷媒として冷媒がアキュームレータ１６から室外機６側へ移動するため、凝縮器２の出口側に設けられた余剰冷媒調整器９に十分な液冷媒を確保することができる。よって、ポンプ起動時においては液冷媒がポンプ３に流入するため、キャビテーションを行うことなく安定してポンプ起動、及びその後のポンプサイクル運転を行うことが可能となるものである。

図２は圧縮機サイクル運転、ポンプサイクル運転を説明するモリエル線図を示している。モリエル線図の示す内容については周知であるため詳細な説明は省略する。図２において飽和蒸気線の右側が過熱領域であり、気相のみの状態になる。この加熱の度合いを示すのが過熱度であり圧力検出手段１５による検出圧力に対して求まる飽和温度に対して、温度検出手段１４による検出温度との差により求めることができる。たとえば圧力検出手段１５による検出圧力に対して求まる飽和温度が２０℃で、温度検出手段１４による検出温度が２５℃の場合には飽和温度より高く過熱状態にあり過熱度は５度である。

ポンプサイクル運転時、蒸発器５の出口側の過熱度を室外機送風機８、ポンプ３、膨張弁４のいずれかの回転数・開度、もしくはその組み合わせにより制御する。しかし、それでもなお、蒸発器５の出口側の過熱度が確保できない場合、すなわち図２の「ポンプによる冷凍サイクル」の下側の線（蒸発器５による液冷媒の蒸発過程）において飽和領域から過熱領域に達しない場合には、室内機７側の気液分離器１６（アキュームレータ）に冷媒が溜まり込んでしまうことがあり得る。このような状態が継続すると、ポンプ３の入口側の冷媒不足が生じるため、ポンプ３のキャビテーション発生の原因となり得る。

そこで本実施例の空気調和装置においては、ヒーター２４を停止させた状態でポンプ３により冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行っている場合に、蒸発器５の出口側の過熱度が設定値以下である場合に、ヒーター２４を動作させ気液分離器（アキュームレータヒーター）の冷媒を加熱する。すなわち、蒸発器５の出口側の過熱度が確保できていない場合に、強制冷媒循環ポンプ３のキャビテーションが発生すると判断するキャビテーション検出機構を備えたものである。これにより、室内機７のアキュームレータ１６に溜まり込んでいた冷媒を室外機６側に移動させることができるので、ポンプ入口側の冷媒不足を解消し、キャビテーション発生を防止することができる。

図１において圧縮機１の入口配管と開止弁もしくは逆止弁１３を介し、ポンプ３の運転時に圧縮機１をバイパスする配管に接続されている。圧縮機１の出口側には、液冷媒が逆流することを避けるため、逆止弁が接続されている。この逆止弁は、開止弁とし圧縮機運転に応じた開閉制御としても良い。ポンプ３は室内機、室外機に対して独立して設置され、制御装置を内蔵する。ポンプ３入口側には、冷媒の過冷却度をモニタするための圧力センサ１０、温度センサ１１を配している。

図２において飽和液線の左側に位置する状態が、過冷却といい、液相のみの状態となる。この過冷却の度合いを示すのが、過冷却度であり、圧力センサ１０による検出圧力に対して求まる飽和温度に対して、計測された温度の差より求めることができる。たとえば、検出圧力に対する飽和温度が１０℃、計測された温度が５℃であれば、飽和温度より低く、過冷却であり、過冷却度が５度である。

ポンプサイクル運転時は、過冷却度に応じ室外機送風機８、ポンプ３、膨張弁４のいずれかの回転数・開度、もしくはその組み合わせの制御により過冷却度を制御しキャビテーションを抑える。すなわち、図２において飽和領域から過冷却領域に達するようにするものである。なお、ポンプ入口・出口には、圧縮機運転時、冷媒がポンプをバイパスするよう逆止弁２３を介したバイパス配管で接続される。またポンプ前後への配管は、阻止弁２０を介することで、ポンプ停止、圧縮機運転状態にて、ポンプの交換が可能とする構造である。

ポンプは駆動音を抑えるため、その入口側配管もしくは出口側配管、もしくは入口出口両側に、消音機１２が配置されておりポンプ駆動音を抑える。消音器１２は、単純膨張形、挿入管形、クインケ管、共鳴管、何れでも良い。加えて、ポンプ駆動による固体伝播音を抑えるため、ポンプ３は、筐体構造物に対し、ゴム、シリコンなど固有振動数が低い振動絶縁体を介し固定する。

またポンプ３は室外機６の近傍に設置することにより、凝縮器２−ポンプ３間の配管長を短くなるため、凝縮器２にて過冷却域に入り液化した冷媒が、配管損失にて、圧力低下、気化することを抑えることとなり、ポンプ３にキャビテーションが生じる虞を低減することができる。またポンプ３は筐体の底面に設置し、該底面は、室外機６筐体の底面より低い位置に設置することで、ポンプ起動時にポンプ内に気相が入るリスクを減らすことができる。すなわち、液冷媒は重力により下方に移動し、一方でガス冷媒は上方に移動するものであり、低い位置に設置されたポンプ３に液冷媒が流れ易くすることでキャビテーション発生するリスクを低減することができる。

なお、キャビテーション運転を避けるため、圧縮機運転に切り替わった場合、圧縮機１の液冷媒圧縮が起こることもあり得る。よって室内風量、ポンプ運転周波数、室内機膨張弁４、いずれか、もしくはその組み合わせによる蒸発器５の出口側での過熱度が確保できない場合（図２において飽和領域に留まる場合）、気液分離器１６（アキュームレータ）をヒーター２４にて加熱し、液冷媒を追い出す制御を行う。

以下、図３を用いて実施例２について説明する。同一の符号については実施例１と同様なので説明を省略する。

図３は、凝縮器２−ポンプ３間の配管長を短くするため、室外機６内にポンプ３を内蔵したものである。これにより凝縮器２にて過冷却域に入り液化した冷媒が、配管損失にて圧力低下、気化することをより抑えることとなり、ポンプキャビテーションリスクを減らすことができる。

さらにポンプ３は室外機６内において下部に設置することが望ましい。これによりガス冷媒は上方へ移動することからガス冷媒がポンプ３に流入する虞を防止することができる。またポンプ３は凝縮器高さ３分の１以下の低い位置に設置することにより、ポンプ起動時にポンプ３にガス冷媒による気相が入るリスクを減らすことができる。凝縮器２よりも低い位置にポンプ３を設置することによっても同一の作用効果を奏することが可能である。

なお、本実施例の空気調和機は室外に設置される室外機６と、室内に設置される室内機７とを備えて構成され、室内機７は、圧縮機１を内部に備えるものである。すなわち、本実施例においてはポンプ３を室外機６に内蔵していることから、さらに圧縮機を室外機６に設置すると大型化につながる。そこで本実施例において圧縮機１を室内機７に内蔵することで室外機の小型化を図るものである。

通常の空気調和装置の場合には室内機の側にはユーザーがいることから騒音が大きな問題となり、室内機に圧縮機を配置することは難しい。しかし本実施例の空気調和装置は、サーバー等の機械室の冷房に適用されることから室内機側の騒音が大きな問題とならないことから、このように室外機６にポンプ３、そして室内機７に圧縮機１をそれぞれ内蔵することが有効である。また室内機に圧縮を設置した場合、室外機に圧縮機を搭載した場合よりも、長配管時における配管損失による冷媒循環量の低下現象が少なく抑えられるため、長配管でも高効率な圧縮サイクルを維持でき、システムの高効率化に繋がる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ ポンプ
４ 膨張弁
５ 蒸発器
６ 室外機筐体
７ 室内機筐体
８ 室外送風機
９ 余剰冷媒調整装置
１０ ポンプ入口圧力センサ
１１ ポンプ入口温度センサ
１２ サイレンサ
１３ 圧縮機バイパス弁
１４ 蒸発器出口温度センサ
１５ 圧力センサ
１６ アキュームレータ
１７ 圧縮機出口圧力センサ
１８ 室内送風機
１９ 阻止弁
２０ ポンプ交換用阻止弁
２１ ポンプバイパス弁
２２ 圧縮機バイパス弁
２３ ポンプユニット筐体
２４ アキュームレータヒータ

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器により凝縮された冷媒を減圧する減圧手段と、
   該減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   該蒸発器から流れる冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器内の冷媒を加熱するヒーターと、
   前記圧縮機が停止した状態で前記凝縮器から流れる液冷媒を循環させるポンプと、を備え、
   前記空気調和機は室外に設置される室外機と、室内に設置される室内機とを備えて構成され、
   前記室内機は、前記圧縮機、前記気液分離器、及び、前記ヒーターを内部に有し、
   前記室外機は、前記ポンプ、前記凝縮器、及びこれらの間を接続する配管を内部に有し、
   前記ポンプが起動する前に前記ヒーターを動作することにより前記気液分離器内の冷媒を加熱し、その後に前記ポンプを起動して当該ポンプにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行うことを特徴とする空気調和装置。
2. 請求項１に記載に空気調和装置において、
   前記ヒーターを停止させた状態で前記ポンプにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転を行っている場合に、
   前記蒸発器の出口側の過熱度が設定値以下である場合に、前記ヒーターを動作させ前記気液分離器の冷媒を加熱することを特徴とする空気調和装置。
3. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプは前記凝縮器よりも下部に配置されることを特徴とする空気調和装置。
4. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記ポンプは前記室外機内における下部に配置されることを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項１に記載の空気調和装置において、
   前記室外機は、前記ポンプのキャビテーション検出機構を筐体に内蔵し、
   前記キャビテーション検出機構は冷媒の過冷却度をモニタするための圧力センサ及び温度センサを有することを特徴とする空気調和装置。
6. 請求項１に記載に空気調和装置において、
   前記ポンプにより冷媒を循環させるポンプサイクル運転から前記圧縮機のみを運転させることにより冷媒を循環させる圧縮機サイクル運転に切り替えた場合に、
   前記蒸発器の出口側の過熱度が設定値以下である場合に、前記ヒーターを動作させ前記気液分離器の冷媒を加熱することを特徴とする空気調和装置。
7. 請求項２に記載の空気調和装置において、
   前記圧縮機の入口側の冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記蒸発器の出口側の冷媒の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
   前記蒸発器の出口側の過熱度は、前記圧力検出手段により検出した圧力と前記温度検出手段により検出した温度を用いて算出されることを特徴とする空気調和装置。