JP5791785B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばビル用マルチエアコンなどに用いる多室形空気調和装置に関するものである。
一般的に用いられる多室形ヒートポンプ式の冷凍サイクル回路を備える空気調和装置は、室外機として圧縮機、四方弁、室外熱交換器を備え、複数の室内ユニットとして、それぞれに膨張弁、室内熱交換器を備えている。これら構成部品は順次冷媒管を介して連通され、ヒートポンプ式の冷凍サイクルが構成される。すなわち、室内ユニットを並列構成としており、冷房運転と暖房運転との切換えで、所定の冷凍サイクル回路を構成する。
このような多室形空気調和装置では、暖房運転であれば室内熱交換器の凝縮温度を目標値にして、圧縮機の運転容量を調整することで、冷凍サイクル回路全体の冷媒流量を調整している。また、各室内ユニットでは、室内熱交換器の過冷却度を目標値にして、膨張弁の開度を調整することで、室内熱交換器の冷媒流量を調整している。すなわち、室内熱交換器は暖房運転であればある程度決められた範囲で凝縮圧力と過冷却度を調整することで、室内ユニットの負荷に対して所定の暖房能力を発揮するように容量が設計されている。冷房運転であればある程度決められた範囲で蒸発圧力と過熱度を調整している。
また、複数の室内ユニットが同じ室内に配備されている空気調和装置においては、検知された冷媒回路の空調負荷が冷媒回路について予め設定されている定格暖房能力より大きい場合、いずれかの室内ユニットについて、空調能力セーブ運転を実施する空気調和装置が提案されている。(例えば、特許文献1参照)。この空気調和装置は、暖房運転時に圧縮機の容量が最大容量に達しているか否かを判断する。また、最大値に達していると判断した場合、高圧飽和温度の目標値から演算高圧飽和温度を引いた値に基づいて、暖房負荷に対するシステム全体の能力の過不足を判断する。そして、システム全体の能力が不足気味の場合、優先順位の低い順番に過冷却度(サブクール)目標値を大きい値に設定変更し、暖房能力セーブ運転を行っている。冷房運転時は過熱度(スーパーヒート)目標値を大きい値に設定変更している。
また、冷暖同時運転が可能な空気調和装置として、空調用の熱源機に対し、室内ユニットと並列に利用水の加熱が可能な水温調節機が接続された空気調和装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この空気調和装置は、暖房と水加温運転を同時に行う場合、高圧圧力が予め設定されている所定圧力未満の圧力になっていること検知した場合、空調側の能力不足と判断する。そして、水利用側冷媒流量制御装置の開度を所定の最小開度まで閉じて室内空調を優先させる制御を行っている。また、所定圧力以上の高圧圧力を検知した場合は、水利用側冷媒流量制御装置の開度を所定開度まで開いて室内空調と同時に水加温運転を可能にしている。
特開2007−271112号公報 特開平8−261599号公報
特許文献1のような従来の空気調和装置では、室内ユニットの凝縮温度(高圧飽和温度)が目標値よりも低いときに、優先順位の低い室内ユニットの冷媒流量を小さくして、凝縮温度を目標値に近づけるような制御を行っている。この制御により、優先順位の高い室内ユニットは、当該制御前に設定されていた空調能力を発揮できるようになるものの、当該制御は優先順位の高い室内ユニットの空調能力を大きくするものではない。また、特許文献2のような従来の空気調和装置も、凝縮温度(高圧圧力)が所定圧力未満のときに、優先順位の低い水温調節機の冷媒流量を小さくして、凝縮温度を所定圧力に近づけるような制御を行っている。この制御においても、特許文献1に開示された制御と同様に、優先順位の高い室内ユニットは、当該制御前に設定されていた空調能力を発揮できるようになるものの、当該制御は優先順位の高い室内ユニットの空調能力を大きくするものではない。
つまり、従来の空気調和装置では、優先順位の低い室内ユニットの冷媒流量を制御する減圧装置を調整して、優先順位の高い室内ユニットの空調能力を維持しているが、減圧装置を調整するのみでは、優先順位の高い室内ユニットの空調能力を大きくすることができないという課題があった。
換言すると、従来の空気調和装置では、優先順位の低い利用側熱交換器の冷媒流量を制御する減圧装置を調整して、優先順位の高い利用側熱交換器の熱交換能力を維持しているが、減圧装置を調整するのみでは、優先順位の高い利用側熱交換器の熱交換能力を大きくすることができないという課題があった。
また、例えば冷媒と水などの熱媒体との間で熱交換を行い、熱媒体を加熱又は冷却する複数の熱媒体間熱交換器と、熱媒体を循環させて室内空間を冷暖房する間接式室内熱交換器と、を備えた空気調和装置が従来より提案されている。このような空気調和装置においては、熱媒体間熱交換器の一部を凝縮器、残りの一部を蒸発器として、冷温水混在モードを実施可能なものもある。この冷温水混在モードを実施可能な従来の空気調和装置においては、全間接式室内熱交換器が暖房運転に用いられる場合に必要な能力は、全熱媒体熱交換器が凝縮器として機能する場合に満たされるように設計されている。このため、冷温水混在モードを実施可能な従来の空気調和装置が冷温水混在モードで運転する際には、間接式室内熱交換器が収容されている間接式室内ユニットの暖房負荷が十分に大きい場合、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器の伝熱面積が暖房負荷に対して小さいため、凝縮温度を所定の範囲に調整して膨張装置を調整するのみでは暖房負荷に対して熱媒体を十分に加熱できないという課題があった。また、暖房に係る熱媒体を送出するポンプの熱媒体送出流量が不足して、間接式室内ユニットの暖房能力が低下するという課題があった。
本発明は、上記のような課題の少なくとも1つを解決するためになされたものであり、一部の利用側熱交換器の熱交換能力を優先して運転する際、当該利用側熱交換器の熱交換能力を大きくすることが可能な空気調和装置を得ることを目的とする。
本発明に係る空気調和装置は、圧縮機と、凝縮器又は蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、凝縮器又は蒸発器として機能する複数の利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器に対応して設けられ、前記利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する複数の膨張装置と、前記圧縮機の運転容量及び複数の前記膨張装置の開度を制御する制御装置と、を備え、複数の前記利用側熱交換器の一部の熱交換能力を増大させる際(以下、熱交換能力を増大させる前記利用側熱交換器を第1の利用側熱交換器と称する)、前記制御装置は、前記圧縮機の運転容量を大きくすると共に、前記第1の利用側熱交換器以外の前記利用側熱交換器であって、前記第1の利用側熱交換器と同じ機能を果たす前記利用側熱交換器(以下、第2の利用側熱交換器と称する)の少なくとも1つに対して、当該第2の利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御して、当該第2の利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を減少させ、前記圧縮機の運転容量を大きくした後も、前記圧縮機の運転容量が上限値に達していない場合、前記第1の利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御して、当該第1の利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を増加させるものである。
本発明の空気調和装置は、第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、圧縮機の運転容量を大きくするとともに、第2の利用側熱交換器においては冷媒流量を減少させる。このため、例えば第1の利用側熱交換器を暖房用に用いる場合には第1の利用側熱交換器を流れる冷媒の凝縮飽和温度を高くでき、例えば第1の利用側熱交換器を冷房用に用いる場合には第1の利用側熱交換器を流れる冷媒の蒸発飽和温度を低くできる。そして、この際に、第2の利用側熱交換器の熱交換能力が過大となるのを抑制することができる。したがって、第1の利用側熱交換器の熱交換能力を優先して運転する際、当該第1の利用側熱交換器の熱交換能力を大きくすることができる。
本発明の実施の形態1に係る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に係る空気調和装置の制御回路図である。 本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の暖房能力増大制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の暖房主体運転を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の冷房主体運転を示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の能力増大制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の制御回路図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の冷温水混在モードを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の能力増大制御を示すフローチャートである。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の冷媒回路図である。なお、以下の説明では、同一構成を区別して記載する必要がある場合等、符号の末尾にアルファベットを付して記載することがある。本実施の形態1の空気調和装置は、圧縮機11、冷媒流路切替装置である四方弁12、熱源側熱交換器である室外熱交換器13、アキュムレータ14、利用側熱交換器である複数の室内熱交換器31、各室内熱交換器31に対応して設けられた複数の膨張弁32(膨張装置)を配管接続して冷凍サイクル回路を構成している。
詳しくは、圧縮機11は、吸入した冷媒を加圧して吐出する(送り出す)ものである。冷媒流路切替装置となる四方弁12は、圧縮機11の吐出側に設けられるものであり、冷媒の経路を切り替えるものである。なお、四方弁12は、後述する室外コントローラ202の指示に基づいて、冷暖房に係る運転モードに対応した弁の切り替えを行う。本実施の形態1では、冷房運転時と、暖房運転時とによって冷媒経路が切り替わるようにする。
室外熱交換器13は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン(図示せず)と空気を搬送するファン101を有し、冷媒と空気(外気)との熱交換を行うものである。例えば、室外熱交換器13は、暖房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス(気体)化させる。一方、室外熱交換器13は、冷房運転時においては凝縮器又はガスクーラ(以下では凝縮器とする)として機能し、冷媒を凝縮させて液化させる。場合によっては、完全にガス化、液化させず、液体とガスとの二相混合(気液二相冷媒)の状態にすることもある。
室内熱交換器31は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管及びその伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン(図示せず)と空気を搬送するファン(図示せず)を有し、冷媒と空気(室内)との熱交換を行うものである。例えば、室内熱交換器31は、暖房運転時においては凝縮器又はガスクーラ(以下では凝縮器とする)として機能し、冷媒を凝縮させて液化する。一方、室内熱交換器31は、冷房運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させてガス(気体)化させる。場合によっては、完全にガス化、液化させず、液体とガスとの二相混合(気液二相冷媒)の状態にすることもある。
例えば電子式膨張弁等の膨張弁32は、冷媒流量を調整することにより冷媒を減圧させる。アキュムレータ14は冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、圧縮機11に冷媒液が多量に戻って圧縮機11が破損したりするのを防止する働きがある。
また、この冷凍サイクル回路には、各種の圧力センサや温度センサが設けられている。
冷媒圧力検出手段である圧力センサ71は、圧縮機11の吐出側と四方弁12の間に設置され吐出圧力(圧縮機11が吐出する冷媒の圧力)を検知する。圧力センサ72は、アキュムレータ14と圧縮機11の間に設置され吸入圧力(圧縮機11が吸入する冷媒の圧力)を検知する。ただし、圧力センサ71、圧力センサ72は、それぞれ圧縮機11の吐出圧力、吸入圧力が検知できる場所であればこの限りではない。冷媒温度検出手段である温度センサ74は、四方弁12と室内熱交換器31を接続するガス枝管41に設置され、室内熱交換器31のガス側温度を検知する。温度センサ75は、各室内ユニットの室内熱交換器31と膨張弁32の間に設置され室内熱交換器31の液側温度を検知する。温度センサ73は、室内熱交換器31(換言すると、後述する各室内ユニット2)の吸込空気温度を検知する。
本実施の形態1では、圧縮機11、四方弁12、室外熱交換器13、アキュムレータ14を、熱源機である室外機1の中に収容している。室内熱交換器31、膨張弁32を、室内ユニット2に収容している。そして、室内ユニット2は、冷媒配管であるガス管4及びガス枝管41と液管5及び液枝管42とによって、室外機1に並列接続されている。
なお、図1では室内ユニット2が2台の場合を示しているが、室内ユニット2の台数は、2台以上であれば任意である。
また、室外機1には、室外機1の制御と空気調和装置全体の制御を統制する室外コントローラ202も収容されている。また、この室内ユニット2には、室内ユニットを制御する室内コントローラ203も収容されている(後述の図2参照)。
ここで、室外コントローラ202及び室内コントローラ203が、本発明の制御装置に相当する。なお、本実施の形態1では制御装置を室外コントローラ202及び室内コントローラ203に分割して構成しているが、これらを一体として構成しても勿論よい。
図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の制御回路図である。図2に示すように、室外コントローラ202には、インバータ回路201が接続されている。この室外コントローラ202は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等からなる。また、インバータ回路201は、室外コントローラ202の指令に応じた運転周波数(及び電圧)の交流電力を圧縮機11のモータに出力するものである。なお、室外コントローラ202は、圧力センサ71,72が検知する検知圧力に応じて、インバータ回路201に指令する運転周波数(つまり、圧縮機11の回転数)を決定する。この決定方法の詳細については後述する。
室内コントローラ203のそれぞれには、弁駆動回路205が接続される。この室内コントローラ203は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路からなり、各種制御指令をシリアル信号にて前記室外コントローラ202から供給されるようになっている。また、弁駆動回路205は、それぞれ室内コントローラ203の指令に応じて前記膨張弁32の開度をそれぞれ設定するものである。なお、室内コントローラ203は、操作部204からの要求内容や温度センサ73〜75の検知温度に応じて、前記膨張弁32の開度を決定する。この決定方法の詳細については後述する。
上述のように構成された空気調和装置に用いられる冷媒としては、例えば、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、CFCF=CH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COやプロパン等の自然冷媒を用いることができる。
<運転モード>
続いて、各運転モードにおける空気調和装置の動作について、冷媒の流れに基づいて説明する。ここで、冷凍サイクル回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、圧縮機11の圧縮、膨張弁32等の冷媒流量制御等によりできる相対的な圧力として高圧、低圧として表すものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。
(暖房運転)
室内ユニット2が室内空間を加熱する暖房運転を説明する。暖房運転においては、冷凍サイクル回路内の冷媒は、図1の実線矢印のように流れる。つまり、室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を流れ、さらにガス管4、ガス枝管41を通って各室内ユニット2に流入する。
室内ユニット2に流入したガス冷媒は室内熱交換器31に流入する。室内熱交換器31は冷媒に対して凝縮器として機能するため、室内熱交換器31を通過する冷媒は、熱交換対象となる空気を加熱して液化する(空気に放熱する)。これによって、室内空間は暖房される。室内熱交換器31を流出した液冷媒は、膨張弁32により減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。低温低圧の冷媒は室内ユニット2を流出して、液枝管42、液管5を通って室外機1へ戻る。
室外機1に流入した冷媒は、室外熱交換器13に流入して空気と熱交換することで蒸発し、ガス冷媒もしくは気液二相冷媒で流出する。蒸発した冷媒は、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
(冷房運転)
次に、室内ユニット2が室内空間を冷却する冷房運転を説明する。冷房運転においては、冷凍サイクル回路内の冷媒は、図1の破線矢印のように流れる。つまり、室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を経て、凝縮器として機能する室外熱交換器13に流れる。高圧のガス冷媒は、室外熱交換器13を通過する間にファン101によって搬送される外気と熱交換して凝縮し、高圧の液冷媒となって流出し、液管5、液枝管42を通って各室内ユニット2に流入する。
室内ユニット2に流入した冷媒は膨張弁32の開度を調整することで膨張し、低温低圧の気液二相冷媒が室内熱交換器31に流入する。室内熱交換器31は冷媒に対して蒸発器として機能するため、室内熱交換器31を通過する冷媒は、熱交換対象となる空気を冷却して(空気から吸熱する)、ガス冷媒となり流出する。これによって、室内空間は冷房される。流出したガス冷媒は、室内ユニット2を出てガス枝管41、ガス管4を通過して、室外機1に戻る。室外機1に流入した冷媒は、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
<冷凍サイクル回路のアクチュエータ制御>
続いて、上記のように運転される冷凍サイクル回路に設けられた各種アクチュエータの制御方法について説明する。
まず、圧縮機11の容量制御(つまり、回転数制御)について説明する。圧縮機11は、室外コントローラ202からの指令により回転数が制御される。具体的には、暖房運転時、室外コントローラ202は、圧力センサ71が検知する吐出圧力が所定の目標値となるように圧縮機11の回転数を制御し、冷凍サイクル全体の冷媒流量を調整する。換言すると、暖房運転時、室外コントローラ202は、冷媒の凝縮飽和温度(以下、単に凝縮温度ともいう)が所定の凝縮飽和温度目標値となるように、圧縮機11の回転数を制御し、冷凍サイクル全体の冷媒流量を調整する。例えば、目標値とする吐出圧力は、冷媒の飽和温度に換算しておよそ50℃程度とする。また、冷房運転時、室外コントローラ202は、圧力センサ72が検知する吸入圧力が所定の目標値となるように圧縮機11の回転数を制御し、冷凍サイクル全体の冷媒流量を調整する。換言すると、冷房運転時、室外コントローラ202は、冷媒の蒸発飽和温度(以下、単に蒸発温度ともいう)が所定の蒸発飽和温度目標値となるように圧縮機11の回転数を制御し、冷凍サイクル全体の冷媒流量を調整する。例えば、目標値とする吸入圧力は、飽和温度に換算しておよそ0℃程度とする。
次に、室内ユニット2の冷媒流量制御について説明する。膨張弁32は、室内コントローラ203からの指令により開度が制御される。具体的には、暖房運転時は室内熱交換器31の過冷却度を目標値にして開度を制御し、各室内ユニット2に流入する冷媒流量を調整する。過冷却度の算出方法は次の通りである。室外機1の圧力センサ71が検知する吐出圧力を、室外コントローラ202において飽和温度である凝縮温度に換算して、各室内ユニットの室内コントローラ203に送信する。室内コントローラ203は、凝縮温度と、温度センサ75が検知する冷媒の液側温度の差から、過冷却度を算出する。このとき、過冷却度はおよそ5度程度とするのが望ましい。冷房運転時は室内熱交換器31の過熱度を目標値にして開度を制御し、各室内ユニット2に流入する冷媒流量を調整する。過冷却度は、室内コントローラ203において、温度センサ74が検知する冷媒のガス側温度と、温度センサ75が検知する冷媒の液側温度の差から算出する。このとき、過熱度はおよそ3度程度とするのが望ましい。
<室内負荷と冷凍サイクル回路のアクチュエータ制御との関係>
まず、凝縮温度(吐出圧力)と蒸発温度(吸入圧力)の制御について述べる。暖房運転時は、冷媒の凝縮温度をある範囲で制御しており、これによって多室形の空気調和装置のように室内ユニット2の暖房負荷がそれぞれ異なる場合でも、所定の暖房能力を発揮することができる。冷房運転時は、冷媒の蒸発温度をある範囲で制御することで、室内ユニット2の冷房負荷がそれぞれ異なる場合でも、所定の冷房能力を発揮することができる。
次に、過冷却度と過熱度の制御について述べる。例えば、ある凝縮温度と過冷却度で室内ユニット2が暖房運転を行っているとする。このとき、室内ユニット2の吸込空気温度が低下、すなわち負荷が増加すると、膨張弁32の開度を変化させずに室内熱交換器31の冷媒流量が一定であれば、室内熱交換器31の熱交換量が増加して冷媒がより多く凝縮するため、過冷却度が大きくなる。このとき、膨張弁32の開度を大きくすると、室内熱交換器31において凝縮する冷媒流量が増加するため、過冷却度が小さくなり目標値に近づく。また、室内熱交換器31の熱交換量がより大きくなるため、室内ユニット2の暖房能力をより大きくすることができる。
一方で、室内ユニット2の吸込空気温度が上昇、すなわち負荷が減少すると、室内熱交換器31の熱交換量が減少して冷媒がより少なく凝縮するため、過冷却度が小さくなる。このとき、膨張弁32の開度を小さくすると、室内熱交換器31において凝縮する冷媒流量が減少するため、過冷却度が大きくなり目標値に近づく。また、室内熱交換器31の熱交換量がより小さくなるため、室内ユニット2の暖房能力をより小さくすることができる。
以上のように、凝縮温度と過冷却度を制御することで、室内負荷に対して所定の暖房能力を発揮することができる。
冷房運転においては、室内ユニット2の吸込空気温度が高く、すなわち負荷が増加すると過熱度が大きくなり、室内ユニット2の吸込空気温度が低く、すなわち負荷が減少すると過熱度が小さくなる。よって、蒸発温度と過熱度を制御することで、室内負荷に対して所定の冷房能力を発揮することができる。
<一部の室内ユニットの暖房能力増大制御方法>
ここで、ある一部の室内ユニット2から暖房能力増大要求があるとき、つまり、ある一部の室内ユニット2の暖房能力を増大させるときの制御方法について説明する。本実施の形態1では、圧縮機11の運転容量を通常より大きくして、暖房能力増大要求のあった室内ユニット2の暖房能力を設計容量よりも大きくしている。同時に、他の室内ユニット2においては、冷媒流量を抑制し、暖房能力が過大となるのを抑制している。一例として、室内ユニット2bの暖房能力を増大させる場合について、凝縮温度目標値Tcmと過冷却度目標値SCmの値を変更するフローを、図3のフローチャートに沿って述べる。ここで、室内熱交換器31bが第1の利用側熱交換器に相当する。室内熱交換器31aが第2の利用側熱交換器に相当する。
図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置の暖房能力増大制御を示すフローチャートである。
室内コントローラ203bは、室内ユニット2bの操作部204bから、暖房能力増大要求を受けると、暖房能力優先を室外コントローラ202に送信する。室外コントローラ202は、暖房能力優先を受信すると、図3のフローを開始して、空気調和装置の運転モードを能力優先モードに設定する(ステップS101)。ステップS102において、室外コントローラ202は、凝縮温度目標値TcmをΔTcmだけ高くする。このとき、圧縮機11は、凝縮温度Tcを基に回転数Fが制御されている。このため、回転数Fが回転数最大値Fmax未満であれば、凝縮温度目標値Tcmが高くなると圧縮機11の回転数Fが高くなる。
ステップS103において、室外コントローラ202は、能力優先以外の室内ユニット2(ここでは室内ユニット2aとする)に、能力抑制モードを送信する。能力抑制モードを受信した室内ユニット2aの室内コントローラ203aは、ステップS104において、室内熱交換器31aの過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ大きくする。このとき、膨張弁32aは、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが大きくなると開度Lが小さくなる。つまり、膨張弁32aの過冷却度目標値SCmが大きくなると、室内ユニット2a(より詳しくは、室内熱交換器31a)を流れる冷媒の量が減少する。
圧縮機11の回転数F及び膨張弁32aの開度の変化により、冷凍サイクル回路の運転状態が変化する。このため、ステップS105において、室外コントローラ202は、一定時間経過させる。一定時間は、例えば3分から5分程度である。ステップS106において、室外コントローラ202は、圧縮機11の回転数Fが最大値Fmax未満か否かを判断する。回転数FがFmax未満であれば(Yes)、ステップS107において、室外コントローラ202は、能力優先の室内ユニット2bに、冷媒流量増加モードを送信する。冷媒流量増加モードを受信した室内コントローラ203bは、ステップS108において、室内熱交換器31bの過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ小さくする。このとき、膨張弁32bは、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが小さくなると開度Lが大きくなる。つまり、膨張弁32bの過冷却度目標値SCmが小さくなると、室内ユニット2b(より詳しくは、室内熱交換器31b)を流れる冷媒の量が増大する。この時点で、凝縮温度目標値Tcmと過冷却度目標値SCmの値を変更するフローは終了するが、変更されたTcmとSCmは、室内ユニット2bの操作部204bから暖房能力優先要求が取り消しされるまで維持される。ステップS106において、回転数FがFmaxであれば(No)、フローは終了する。
<暖房能力増大制御の効果>
以上、本実施の形態1のように構成された空気調和装置においては、ステップS102において、凝縮温度目標値Tcmを高くするため、圧縮機11の回転数Fは、冷凍サイクルの所定の暖房能力を発揮するための回転数より高くなる。すなわち、冷凍サイクル全体の冷媒流量が増加するため、室内熱交換器31は、暖房能力を所定の能力よりも大きくすることができる。
また、ステップS104において、能力優先以外の室内熱交換器31aでは、過冷却度目標値SCmを大きくするため、膨張弁32aの開度Lは小さくなる。すなわち、室内熱交換器31aを流れる冷媒流量が減少するため、能力優先以外の室内ユニット2aにおいて、圧縮機11の回転数Fが高くなることによる暖房能力の増大を抑制できる。
また、凝縮温度目標値Tcmを高くして、各室内熱交換器31の過冷却度目標値SCmを変化させずに圧縮機11の回転数Fのみ高くする場合、暖房運転を行っている室内熱交換器31すべての暖房能力が増大して、能力優先室内ユニット2bの能力増大効果が小さくなってしまう。そのため、能力優先以外の室内熱交換器31aにおいて、過冷却度目標値SCmを大きくすることで、能力優先室内ユニット2bの能力増大効果をより大きくすることができる。
また、ステップS108において、能力優先室内熱交換器31bでは、過冷却度目標値SCmを小さくするため、膨張弁32bの開度Lは大きくなる。すなわち、室内熱交換器31bを流れる冷媒流量が増加するため、室内ユニット2bの暖房能力をより大きくすることができる。
また、ステップS102において、圧縮機11の回転数FがFmaxであった場合、回転数Fを高くすることができないが、この場合でも、ステップS104において能力優先以外の室内熱交換器31aを流れる冷媒流量を減少させて、ステップS108において能力優先の室内熱交換器31bを流れる冷媒流量を増加させることで、能力優先の室内ユニット2bの暖房能力を増大することができる。なお、以下の理由により、ステップS106において圧縮機11の回転数FがFmaxであった場合、能力優先の室内熱交換器31bの過冷却度目標値SCmを変更しない。つまり、回転数FがFmaxの状態で、膨張弁32bの開度Lを大きくして、室内熱交換器31bの冷媒流量を増加させると、凝縮温度Tcを凝縮温度目標値Tcmに維持できず、凝縮温度Tcが低下してしまう。このため凝縮温度Tcの低下を防止するため、ステップS106において圧縮機11の回転数FがFmaxであった場合、能力優先の室内熱交換器31bの過冷却度目標値SCmを変更しない。
なお、本実施の形態1においては、室内ユニット2の暖房能力増大制御について述べたが、冷房能力を増大させる制御を実施してもよい。この場合、蒸発温度目標値TemをΔTemだけ低くして、圧縮機11の回転数を冷凍サイクルの所定の冷房能力を発揮するための回転数より高くすればよい。また、能力優先の室内熱交換器31に対しては、室内熱交換器31の過熱度目標値SHmをΔSHmだけ小さくすることで冷媒流量を増加させて、能力優先以外の室内熱交換器31の過熱度目標値SHmをΔSHmだけ大きくすることで冷媒流量を減少できる。
実施の形態2.
実施の形態1で示した空気調和装置は、各室内ユニット2の運転モードとして同一のモード(暖房運転又は冷房運転のどちらか一方)を選択するものであった。これに限らず、各室内ユニットの運転モードを個別に選択できる空気調和装置、つまり冷暖同時運転が可能な空気調和装置においても本発明を実施することが可能である。なお、本実施の形態2においては、実施の形態1と同様の構成については同一の符号を付し、特に言及しない点については実施の形態1と同様とする。
図4は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の冷媒回路図である。本実施の形態2に係る空気調和装置は、室外機1に、逆止弁15a,15b,15c,15dを収容している。また、本実施の形態2に係る空気調和装置は、中継機3を備えている。この中継機3には、気液分離器51、内部熱交換器52,53、膨張弁54,55、開閉装置である電磁弁56,57、逆止弁58,59、圧力センサ76,77、中継機コントローラ206等が収容されている。そして、中継機3は、冷媒配管である高圧管6と低圧管7とで、室外機1と接続されている。また、各室内ユニット2は、冷媒配管であるガス枝管41と液枝管42とで、中継機3と並列接続されている。なお、室内ユニット2、中継機3の台数は任意である。
逆止弁15aは、室外熱交換器13と高圧管6の間に設けられ、室外熱交換器13から高圧管6の方向へのみ冷媒流通を許容するものである。逆止弁15bは、低圧管7と四方弁12の間に設けられ、低圧管7から四方弁12の方向へのみ冷媒流通を許容するものである。逆止弁15cは四方弁12と高圧管6の間に設けられ、四方弁12から高圧管6の方向へのみ冷媒流通を許容するものである。逆止弁15dは、低圧管7と室外熱交換器13の間に設けられ、低圧管7から室外熱交換器13の方向へのみ冷媒流通を許容するものである。
電磁弁56,57は、室内ユニット2のガス枝管41を、高圧ガス管61又は低圧管7に切り替えて接続するものである。電磁弁56を開放して電磁弁57を閉止すると、ガス枝管41と高圧ガス管61が接続し、電磁弁57を開放して電磁弁56を閉止すると、ガス枝管41と低圧管7が接続する。
逆止弁58,59は液枝管42にそれぞれ逆並列関係に一端が接続されている。逆止弁58の他端は液管63に接続され、液管63から液枝管42の方向へのみ冷媒流通を許容する。逆止弁59の他端は液管64に接続され、液枝管42から液管64の方向へのみ冷媒流通を許容する。
気液分離器51は、高圧管6から気液二相冷媒が流入した場合、ガスと液を分離して、ガス冷媒を高圧ガス管61、液冷媒を液管62に流す。
膨張弁54は気液分離器51と液管63,64の間に設けられる。バイパス配管65は、液管63と低圧管7とを結んでいる。膨張弁55は、このバイパス配管65の途中に設けられる。内部熱交換器53は、バイパス配管65の膨張弁55の下流部分と膨張弁54から液管63にいたる配管との間で熱交換を行うものである。一方、内部熱交換器52は、バイパス配管65の内部熱交換器53の下流部分と、気液分離器51と膨張弁54を接続する配管との間で熱交換を行う。
中継機コントローラ206は、膨張弁54,55の開度や、電磁弁56,57の開閉を制御(指令)するものである。
また、冷媒圧力検出手段である圧力センサ76は高圧を検知するものであり、冷媒圧力検出手段である圧力センサ77は、中間圧(高圧と低圧の間の圧力)を検知するものである。
<運転モード>
続いて、各運転モードにおける空気調和装置の動作について、冷媒の流れに基づいて説明する。本実施の形態2では、大きく4つの形態の運転が行われる。すなわち、室内ユニット2がすべて暖房運転を行う全暖房運転、室内ユニット2がすべて冷房運転を行う全冷房運転、室内ユニット2が冷房運転と暖房運転を混在して行い、暖房運転の容量が大きい暖房主体運転、冷房運転の容量が大きい冷房主体運転である。
(全暖房運転)
図4において、全暖房運転を説明する。冷媒の流れは、図4の実線の矢印で示す。室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は、圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を流れ、さらに逆止弁15c、高圧管6を通って室外機1を流出する。中継機3に流入した冷媒は、気液分離器51、高圧ガス管61、電磁弁56、ガス枝管41を通って各室内ユニット2に流入する。
室内ユニット2に流入したガス冷媒は室内熱交換器31に流入して暖房する。室内熱交換器31を流出した液冷媒は、膨張弁32により中間圧まで減圧され、中間圧の液冷媒となる。中間圧の液冷媒は室内ユニット2を流出して、液枝管42、逆止弁59を通った後液管64で合流し、ここから内部熱交換器53を通ってバイパス配管65に入り、膨張弁55に流入して低温低圧の気液二相状態まで減圧される。減圧された冷媒は、バイパス配管65、内部熱交換器53、内部熱交換器52を経た後、低圧管7を通って室外機1へ戻る。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁15dを通って、室外熱交換器13に流入して空気と熱交換することで蒸発し、ガス冷媒もしくは気液二相冷媒で流出する。蒸発した冷媒は、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
このとき、高圧管6は高圧で室外熱交換器13は低圧であり、圧縮機11と逆止弁15bの間は高圧で低圧管7は低圧であるため、逆止弁15a,15bには冷媒が流れない。また、電磁弁57は閉止している。
(全冷房運転)
図4において、冷房運転を説明する。冷媒の流れは、図4の破線の矢印で示す。室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は、圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を経て、凝縮器として機能する室外熱交換器13に流れ凝縮し、高圧の液冷媒となって流出し、逆止弁15a、高圧管6を通って室外機1を流出する。中継機3に流入した冷媒は、気液分離器51、液管62、内部熱交換器52、膨張弁54、内部熱交換器53の順に通って、液管63において分流する。分流した冷媒は逆止弁58、液枝管42を通って各室内ユニット2に流入する。
室内ユニット2に流入した冷媒は膨張弁32の開度を調整することで膨張し、低温低圧の気液二相冷媒が室内熱交換器31に流入して冷房する。流出したガス冷媒は、室内ユニット2を出てガス枝管41、電磁弁57を通って合流し、低圧管7を通過して、室外機1に戻る。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁15b、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
このとき、高圧管6は高圧で圧縮機11と逆止弁15cの間は低圧であり、室外熱交換器13と逆止弁15dの間は高圧で低圧管7は低圧であるので、逆止弁15c,15dには冷媒が流れない。また、電磁弁56は閉止している。また、このサイクルのときは、膨張弁54を通過した冷媒の一部がバイパス配管65へ流入し、膨張弁55で減圧されて、内部熱交換器53において、液管63から各室内ユニット2へ流入する冷媒との間で熱交換が行われる。さらに、内部熱交換器52において、膨張弁54に流入する冷媒との間で熱交換が行われる。内部熱交換器52における熱交換により蒸発した冷媒は、室内ユニット2において冷房した冷媒と低圧管7で合流し、室外機1へ戻る。一方、内部熱交換器52及び内部熱交換器53における熱交換により冷却され過冷却度を十分につけられた冷媒は、逆止弁58、液枝管42を経由して、室内ユニット2に流入する。
(暖房主体運転)
図5は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の暖房主体運転を示す冷媒回路図である。ここでは、一例として、室内ユニット2a,2b,2cが暖房運転、室内ユニット2dが冷房運転を行うとする。室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を流れ、さらに逆止弁15c、高圧管6を通って室外機1を流出する。中継機3に流入した冷媒は、気液分離器51、高圧ガス管61を通り、電磁弁56a,56b,56c、ガス枝管41a,41b,41cを通って、暖房運転する各室内ユニット2a,2b,2cに流入する。
室内ユニット2a,2b,2cに流入したガス冷媒は室内熱交換器31a,31b,31cに流入して暖房する。室内熱交換器31a,31b,31cを流出した液冷媒は、膨張弁32a,32b,32cにより中間圧まで減圧され、中間圧の液冷媒となる。中間圧の液冷媒は室内ユニット2a,2b,2cを流出して、液枝管42a,42b,42c、逆止弁59a,59b,59cを通った後、液管64で合流する。
合流した中間圧の液冷媒は、内部熱交換器53を通り、一部が液管63、逆止弁58d、液枝管42dを通って室内ユニット2dに流入する。室内ユニット2dに流入した冷媒は膨張弁32dの開度を調整することで膨張し、低温低圧の気液二相冷媒が室内熱交換器31dに流入して冷房する。流出したガス冷媒は、室内ユニット2dを出てガス枝管41d、電磁弁57dを通って、低圧管7に至る。一方で、内部熱交換器53を通った中間圧の液冷媒の他の一部は、バイパス配管65に流入し、高圧管6の高圧と液管63,64の圧力である中間圧との差を一定にするように制御される膨張弁55を通って、内部熱交換器53、内部熱交換器52を通過して低圧管7に至り、室内ユニット2dを冷房した冷媒と合流して、低温低圧の気液二相冷媒として室外機1へ戻る。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁15dを通って、室外熱交換器13に流入して空気と熱交換することで蒸発し、ガス冷媒もしくは気液二相冷媒で流出する。蒸発した冷媒は、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
このとき、高圧管6は高圧で室外熱交換器13は低圧であり、圧縮機11と逆止弁15bの間は高圧で低圧管7は低圧であるため、逆止弁15a,15bには冷媒が流れない。また、電磁弁56d,57a,57b,57cは閉止している。また、このサイクルのとき、バイパス配管65へ入った冷媒は、膨張弁55で減圧された後、内部熱交換器53において液管64から流入する冷媒との間で熱交換が行われるため、逆止弁58d、液枝管42dを経由して、室内ユニット2dに流入する冷媒は、冷却され過冷却度を十分につけられる。
(冷房主体運転)
図6は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の冷房主体運転を示す冷媒回路図である。ここでは、一例として、室内ユニット2a,2b,2cが冷房運転、室内ユニット2dが暖房運転を行うとする。室外機1において、圧縮機11に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機11を出た冷媒は、四方弁12を経て、凝縮器として機能する室外熱交換器13に流れ任意量凝縮し、高圧の気液二相冷媒となって流出し、逆止弁15a、高圧管6を通って室外機1を流出する。中継機3に流入した冷媒は、気液分離器51に流入して、ガス冷媒と液冷媒に分離される。分離されたガス冷媒は、高圧ガス管61を通り、電磁弁56d、ガス枝管41dを通って、暖房運転する室内ユニット2dに流入する。
室内ユニット2dに流入したガス冷媒は室内熱交換器31dに流入して暖房する。室内熱交換器31dを流出した液冷媒は、膨張弁32dにより中間圧まで減圧され、中間圧の液冷媒となる。中間圧の液冷媒は室内ユニット2dを流出して、液枝管42d、逆止弁59dを通った後、液管64に至る。
一方で、気液分離器51にて分離された液冷媒は、液管62から流出し、内部熱交換器52、高圧管6の高圧と液管63,64の圧力である中間圧との差を一定にするように制御される膨張弁54を通って、室内ユニット2dを暖房して液管64を通る液冷媒と合流する。合流した液冷媒は、内部熱交換器53を通って、一部は液管63に流入して、逆止弁58a,58b,58c、液枝管42a,42b,42cを通って室内ユニット2a,2b,2cに流入する。
室内ユニット2a,2b,2cに流入した冷媒は膨張弁32a,32b,32cの開度を調整することで膨張し、低温低圧の気液二相冷媒が室内熱交換器31a,31b,31cに流入して冷房する。流出したガス冷媒は、室内ユニット2a,2b,2cを出てガス枝管41a,41b,41c、電磁弁57a,57b,57cを通って合流し、低圧管7を通過して、室外機1に戻る。室外機1に流入した冷媒は、逆止弁15b、四方弁12、アキュムレータ14を介して再度圧縮機11へ吸い込まれる。
このとき、高圧管6は高圧で圧縮機11と逆止弁15cの間は低圧であり、室外熱交換器13と逆止弁15dの間は高圧で低圧管7は低圧であるので、逆止弁15c,15dには冷媒が流れない。また、電磁弁56a,56b,56c,57dは閉止している。また、このサイクルのときは、液管63の冷媒の他方の一部がバイパス配管65へ流入し、膨張弁55で減圧されて、内部熱交換器53において、液管63から室内ユニット2a,2b,2cへ流入する冷媒との間で熱交換が行われる。さらに、内部熱交換器52において、膨張弁54に流入する冷媒との間で熱交換が行われる。内部熱交換器52における熱交換により蒸発した冷媒は、室内ユニット2a,2b,2cにおいて冷房した冷媒と低圧管7で合流し、室外機1へ戻る。一方、内部熱交換器52及び内部熱交換器53における熱交換により冷却され過冷却度を十分につけられた冷媒は、逆止弁58a,58b,58c、液枝管42a,42b,42cを経由して、室内ユニット2a,2b,2cに流入する。
<冷暖同時運転における冷凍サイクル回路のアクチュエータ制御>
圧縮機11の回転数制御について、全暖房運転、全冷房運転については、実施の形態1と同じである。暖房主体運転時においては、室外コントローラ202は、圧力センサ71が検知する吐出圧力を目標値にして圧縮機11の回転数を制御し、冷凍サイクル回路全体の冷媒流量を調整する。すなわち、暖房運転を優先させるため、圧縮機11の回転数を制御することにより、暖房運転する室内ユニット2において所定の暖房能力を発揮するための凝縮温度を調整する。
また、冷房運転する室内ユニット2に対しては、室外熱交換器13の熱交換量調整手段によって蒸発温度を調整する。ここで、熱交換量調整手段とは、例えばファン101の回転数調整手段や、室外熱交換器13の伝熱管の一部を閉止する伝熱面積調整手段、あるいは室外熱交換器13を流れる冷媒の一部をバイパスさせるバイパス手段等である。ファン101の回転数を低くすること、又は冷媒の一部をバイパスさせることで、室外熱交換器13の熱コンダクタンスが小さくなり、伝熱管の一部を閉止することで伝熱面積が小さくなる。これらをいずれか実施、もしくは組み合わせることで、室外熱交換器13の外気温度と冷媒の蒸発温度の温度差が大きくなるため、蒸発温度が低下する。また、熱交換量調整手段が動作している状態から、ファン101の回転数を高くすること、又は冷媒の一部のバイパス量を小さくすることにより室外熱交換器13の熱コンダクタンスが大きくなり、閉止した一部の伝熱管を開放することで伝熱面積が大きくなるため、蒸発温度が高くなる。
一方で、冷房主体運転時は、冷房運転を優先させるため、室外コントローラ202は、圧力センサ72が検知する吸入圧力を目標値にして圧縮機11の回転数を制御し、冷房運転する室内ユニット2において所定の冷房能力を発揮するための蒸発温度を調整する。また、暖房運転する室内ユニット2に対しては、室外熱交換器13の熱交換量調整手段によって凝縮温度を調整する。暖房主体運転と同様に、室外熱交換器13の熱コンダクタンスを小さく、又は伝熱面積を小さくすると、室外熱交換器13の冷媒の凝縮温度と外気温度との差が大きくなり凝縮温度が高くなる。室外熱交換器13の熱コンダクタンスを大きく、又は伝熱面積を大きくすると、凝縮温度が低くなる。
<冷暖同時運転時の一部の室内ユニットの能力増大制御方法>
本実施の形態2の空気調和装置において、ある一部の室内ユニット2から能力増大要求(空調能力増大要求)があるとき、つまり、ある一部の室内ユニット2の空調能力を増大させるときの制御方法について説明する。なお、能力増大制御は、暖房能力増大制御又は冷房能力増大制御のどちらかについて実施する。ここでは、室内ユニット2bから能力増大要求があった場合について述べる。
図7は、本発明の実施の形態2に係る空気調和装置の能力増大制御を示すフローチャートである。
室内コントローラ203bは、室内ユニット2bの操作部204bから、能力増大要求を受けると、能力優先を室外コントローラ202に送信する。室外コントローラ202は、能力優先を受信すると、図7のフローを開始して、空気調和装置の運転モードを能力優先モードに設定する(ステップS201)。ステップS202において、室外コントローラ202は、室内ユニット2bの運転モードが暖房運転であれば(Yes)、ステップS203〜S209を実施する。また、室外コントローラ202は、室内ユニット2bの運転モードが冷房運転であれば(No)、ステップS210〜S216を実施する。
以下、ステップS203〜S209を説明する。ステップS203において、室外コントローラ202は、凝縮温度目標値TcmをΔTcmだけ高くする。このとき、空気調和装置が全暖房運転又は暖房主体運転の場合、圧縮機11は凝縮温度Tcを基に回転数Fが制御されている。このため、回転数Fが回転数最大値Fmax未満であれば、凝縮温度目標値Tcmが高くなると圧縮機11の回転数Fが高くなる。一方で、空気調和装置が冷房主体運転の場合、室外熱交換器13は凝縮温度Tcを基に熱交換量調整手段が制御されている。このため、室外熱交換器13の熱交換量調整手段が動作可能な範囲であれば(例えばファン101の回転数が最小値でなければ)、凝縮温度目標値Tcmが高くなると熱交換量調整手段が動作して室外熱交換器13の熱コンダクタンスが小さくなる。
ステップS204において、室外コントローラ202は、能力優先以外の室内ユニット2a,2c,2dのうち、暖房運転中の室内ユニット2に能力抑制モードを送信する。能力抑制モードを受信した室内ユニット2の室内コントローラ203は、ステップS205において、室内熱交換器31の過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ大きくする。このとき、膨張弁32は、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが大きくなると開度Lが小さくなる。
室外コントローラ202は、ステップS206において一定時間経過させた後、ステップS207において、圧縮機11の回転数Fが最大値Fmax未満か否かを判断する。回転数FがFmax未満であれば(Yes)、ステップS208において、室外コントローラ202は、能力優先室内ユニット2bに冷媒流量増加モードを送信する。冷媒流量増加モードを受信した室内コントローラ203bは、ステップS209において、室内熱交換器31bの過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ小さくする。このとき、膨張弁32bは、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが小さくなると開度Lが大きくなる。つまり、膨張弁32bの過冷却度目標値SCmが小さくなると、室内ユニット2b(より詳しくは、室内熱交換器31b)を流れる冷媒の量が増大する。この時点で、凝縮温度目標値Tcmと過冷却度目標値SCmの値を変更するフローは終了するが、変更されたTcmとSCmは、室内ユニット2bの操作部204bから暖房能力優先要求が取り消しされるまで維持される。ステップS207において、回転数FがFmaxであれば(No)、フローは終了する。
次に、ステップS210〜S216を説明する。ステップS210において、室外コントローラ202は、蒸発温度目標値TemをΔTemだけ低くする。このとき、空気調和装置が全冷房運転又は冷房主体運転の場合、圧縮機11は蒸発温度Teを基に回転数Fが制御されている。このため、回転数Fが回転数最大値Fmax未満であれば、蒸発温度目標値Temが低くなると圧縮機11の回転数Fが高くなる。一方で、空気調和装置が暖房主体運転の場合、室外熱交換器13は蒸発温度Teを基に熱交換量調整手段が制御されている。このため、室外熱交換器13の熱交換量調整手段が動作可能な範囲であれば(例えばファン101の回転数が最小値でなければ)、蒸発温度目標値Temが低くなると熱交換量調整手段が動作して室外熱交換器13の熱コンダクタンスが小さくなる。
ステップS211において、室外コントローラ202は、能力優先以外の室内ユニット2a,2c,2dのうち、冷房運転中の室内ユニット2に能力抑制モードを送信する。能力抑制モードを受信した室内ユニット2の室内コントローラ203は、ステップS212において、室内熱交換器31の過熱度目標値SHmをΔSHmだけ大きくする。このとき、膨張弁32は、過熱度SHの演算値を基に開度Lを制御しているので、過熱度目標値SHmが大きくなると開度Lが小さくなる。
室外コントローラ202は、ステップS213において一定時間経過させた後、ステップS214において、圧縮機11の回転数Fが最大値Fmax未満か否かを判断する。回転数FがFmax未満であれば(Yes)、ステップS215において、室外コントローラ202は、能力優先室内ユニット2bに冷媒流量増加モードを送信する。冷媒流量増加モードを受信した室内コントローラ203bは、ステップS216において、室内熱交換器31bの過熱度目標値SHmをΔSHmだけ小さくする。このとき、膨張弁32bは、過熱度SHの演算値を基に開度Lが制御されているので、過熱度目標値SHmが小さくなると開度Lが大きくなる。つまり、膨張弁32bの過熱度目標値SHmが小さくなると、室内ユニット2b(より詳しくは、室内熱交換器31b)を流れる冷媒の量が増大する。この時点で、蒸発温度目標値Temと過熱度目標値SHmの値を変更するフローは終了するが、変更されたTemとSHmは、室内ユニット2bの操作部204bから冷房能力優先要求が取り消しされるまで維持される。ステップS214において、回転数FがFmaxであれば(No)、フローは終了する。
<冷暖同時運転時の一部の室内ユニットの能力増大制御の効果>
以上のように、本実施の形態2では、冷暖同時運転が可能な空気調和装置において、空気調和装置全体の運転モードが、全暖房運転、全冷房運転、暖房主体運転、冷房主体運転のいずれかであり、室内ユニット2の運転モードが、暖房運転もしくは冷房運転のどちらかであっても、一部の室内ユニット2の空調能力を増大させることができる。すなわち、空気調和装置の運転モードと、室内ユニット2の運転モードによらず、一部の室内ユニット2の能力を増大させることができる。
実施の形態3.
以上の実施の形態1,2では、室内ユニット2に直接冷媒を循環させて、冷暖房を行う空気調和装置を示した。次に、熱媒体間熱交換器において冷媒と水等の熱媒体を熱交換させて、室内ユニット2に熱媒体を循環させるユニットを接続する空気調和装置の実施の形態を示す。つまり、本実施の形態3では、熱媒体を用いて室内の空調を行う間接式の室内ユニット(間接式室内熱交換器)を備えた空気調和装置の実施の形態を示す。なお、本実施の形態3においては、実施の形態1又は実施の形態2と同様の構成については同一の符号を付し、特に言及しない点については実施の形態1又は実施の形態2と同様とする。
図8は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の冷媒回路図である。本実施の形態3に係る空気調和装置は、実施の形態2で示した空気調和装置の構成に、熱媒体中継機8及び室内ユニット2e,2f,2g,2hを追加したものである。この熱媒体中継機8には、熱媒体間熱交換器81,82、四方弁83,84、膨張弁85,86,87、内部熱交換器88、熱媒体送出手段であるポンプ91,92、熱媒体流路切替手段である三方弁93,94、熱媒体流量調整手段である流量調整弁95、熱媒体中継機コントローラ207を収容する。また、室内ユニット2e,2f,2g,2hには、室内熱交換器31e,31f,31g,31hを収容する。なお、熱媒体中継機8、室内ユニット2の台数は任意である。
熱媒体中継機8は、高圧ガス管66と高圧ガス管61とを接続し、液管67と液管64とを接続し、低圧管68と低圧管7とを接続して、中継機3と配管接続している。熱媒体中継機8と室内ユニット2のそれぞれ(室内熱交換器31のそれぞれ)は水や不凍液等の安全な熱媒体が流れる熱媒体配管111,112で接続されている。つまり、熱媒体中継機8と室内ユニット2のそれぞれ(室内熱交換器31のそれぞれ)は、熱媒体経路で接続されている。
つまり、室内ユニット2a,2b,2c,2dは、中継機3と冷媒配管であるガス枝管41と液枝管42とで配管接続されているので、室内熱交換器31a,31b,31c,31dは冷媒が直接循環して冷暖房を行う。すなわち、室内熱交換器31a,31b,31c,31dは直膨式熱交換器であり、室内ユニット2a,2b,2c,2dは直膨式室内ユニットである。一方、室内ユニット2e,2f,2g,2hは、熱媒体中継機8と熱媒体配管111,112で配管接続されているので、室内熱交換器31e,31f,31g,31hは熱媒体が循環して冷暖房を行う。すなわち、室内熱交換器31e,31f,31g,31hは間接式熱交換器であり、室内ユニット2e,2f,2g,2hは間接式室内ユニットである。
図9は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の制御回路図である。熱媒体中継機8は熱媒体中継機コントローラ207を備え、弁駆動回路209、ポンプ駆動回路210が接続される。この熱媒体中継機コントローラ207は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路からなり、各種制御指令をシリアル信号にて前記室外コントローラ202から供給されるようになっている。また、中継機コントローラ206は中継機3に配管接続されている室内ユニット2a,2b,2c,2dの室内コントローラ203a,203b,203c,203dと通信して、中継機コントローラ206は室内ユニット2a,2b,2c,2dの運転情報を統合して室外コントローラ202と通信する。また、熱媒体中継機コントローラ207は熱媒体中継機8に配管接続されている室内ユニット2e,2f,2g,2hの室内コントローラ203e,203f,203g,203hと通信して、熱媒体中継機コントローラ207は室内ユニット2e,2f,2g,2hの運転情報を統合して室外コントローラ202と通信する。なお、図9では、室内ユニット2e及びその室内コントローラ203eのみ記載している。
熱媒体間熱交換器81,82は、冷媒を通過させる伝熱部と熱媒体を通過させる伝熱部とを有し、冷媒と熱媒体とによる媒体間の熱交換を行わせる。熱媒体間熱交換器81,82は間接式室内ユニットである室内ユニット2の運転モードによって、凝縮器として冷媒に放熱させて熱媒体を加熱する場合と、蒸発器として冷媒に吸熱させて熱媒体を冷却する場合がある。
ポンプ91,92は、熱媒体を循環させるために加圧する。ここで、ポンプ91,92については、内蔵するモータ(図示せず)の回転数を一定の範囲内で変化させることで、熱媒体を送り出す流量(吐出流量)を変化させることができる。
三方弁93は、熱媒体配管115又は熱媒体配管116を切り替えて、熱媒体配管111と接続する。三方弁94は、熱媒体配管113又は熱媒体配管114を切り替えて、熱媒体配管112と接続する。流量調整弁95は、それぞれ、室内ユニット2に流入する熱媒体の流量を調整する。
室外機1と中継機3は冷媒配管である高圧管6と低圧管7で接続されている。また、中継機3と室内ユニット2は冷媒配管であるガス枝管41と液枝管42で接続されている。
また、この冷凍サイクル回路には、各種の圧力センサや温度センサが設けられている。
圧力センサ138は、熱媒体間熱交換器81,82が凝縮器として機能する場合に、凝縮圧力を検知する。ただし、圧力センサ138は熱媒体間熱交換器81,82の凝縮圧力が検知できる位置であればよい。温度センサ131は四方弁83と熱媒体間熱交換器81との間に設置され、温度センサ132は熱媒体間熱交換器81と膨張弁85との間に設置され、温度センサ133は四方弁84と熱媒体間熱交換器82との間に設置され、温度センサ134は熱媒体間熱交換器82と膨張弁86との間に設置され、それぞれ冷媒の温度を検知する。温度センサ135は熱媒体配管115に設置され、熱媒体間熱交換器81から流出する熱媒体の温度を検知する。温度センサ136は熱媒体配管116に設置され、熱媒体間熱交換器82から流出する熱媒体の温度を検知する。温度センサ137は熱媒体配管112に設置され、間接式室内ユニットとなる各室内ユニット2から流出する熱媒体の温度を検知する。
<運転モード>
続いて、各運転モードにおける空気調和装置の動作について、冷媒及び熱媒体の流れに基づいて説明する。ただし、中継機3と直膨式の室内ユニット2の動作は、実施の形態2と同じであるため、熱媒体中継機8と、間接式の室内ユニット2のみの動作について説明する。熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2の運転モードとして、室内ユニット2がすべて暖房運転である温水モード、すべて冷房運転である冷水モード、冷暖房運転が混在する冷温水混在モードを説明する。
(温水モード)
室内ユニット2e,2f,2g,2hの運転モードがすべて暖房運転である温水モードについて、図8を用いて説明する。冷媒の流れは、先端塗りつぶし無しの実線矢印、熱媒体の流れは、先端塗りつぶしの破線矢印で示す。このとき、四方弁83は高圧ガス管66と熱媒体間熱交換器81を配管接続するようにする。四方弁84は高圧ガス管66と熱媒体間熱交換器82を配管接続するようにする。三方弁93は、熱媒体配管115を流れる熱媒体と、熱媒体配管116を流れる熱媒体が、混合して熱媒体配管111に流れるように中間開度にする。三方弁94は、熱媒体配管112を流れる熱媒体が、熱媒体配管113と熱媒体配管114に分流するように中間開度にする。
まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。高圧ガス管を通って熱媒体中継機8に流入したガス冷媒は、四方弁83,84を通って熱媒体間熱交換器81,82に流入する。熱媒体間熱交換器81,82は冷媒に対して凝縮器として機能するため、熱媒体間熱交換器81,82を通過する冷媒は、熱交換対象となる熱媒体を加熱して液化する(熱媒体に放熱する)。熱媒体間熱交換器81,82を流出した液冷媒は、膨張弁85,86により中間圧まで減圧されて中間圧の液冷媒となる。液冷媒は、液管67において合流して熱媒体中継機8を流出して、中継機3の液管64に戻る。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。熱媒体間熱交換器81,82において熱媒体は冷媒との熱交換により加熱される。熱媒体間熱交換器81において加熱された熱媒体は熱媒体配管115に送り出され、熱媒体間熱交換器82において加熱された熱媒体は熱媒体配管116に送り出される。三方弁93は、中間開度となっているため、熱媒体配管115から流れる熱媒体と熱媒体配管116から流れる熱媒体をおよそ半分ずつの比率で混合して、熱媒体は熱媒体配管111に流れ、熱媒体中継機8を流出する。室内ユニット2に流入した熱媒体は、室内熱交換器31において、ファン(図示せず)によって搬送される空気と熱交換し、空気を加熱して熱媒体の温度が低下する(空気に放熱する)。これによって、室内ユニット2は暖房する。
室内ユニット2を出た熱媒体は、熱媒体配管112を通って熱媒体中継機8に流入する。流入した熱媒体は、流量調整弁95を通って、三方弁94において熱媒体配管113と熱媒体配管114に分配される。熱媒体配管113に流れる熱媒体は、ポンプ91に加圧されて再び熱媒体間熱交換器81に戻る。熱媒体配管114に流れる熱媒体は、ポンプ92に加圧されて再び熱媒体間熱交換器82に戻る。
(冷水モード)
室内ユニット2e,2f,2g,2hの運転モードがすべて冷房運転である冷水モードについて、図8を用いて説明する。冷媒の流れは、先端塗りつぶし無しの破線矢印、熱媒体の流れは、先端塗りつぶしの破線矢印で示す。このとき、四方弁83は低圧管68と熱媒体間熱交換器81を配管接続するようにする。四方弁84は低圧管68と熱媒体間熱交換器82を配管接続するようにする。三方弁93は、熱媒体配管115を流れる熱媒体と、熱媒体配管116を流れる熱媒体が、混合して熱媒体配管111に流れるように中間開度にする。三方弁94は、熱媒体配管112を流れる熱媒体が、熱媒体配管113と熱媒体配管114に分流するように中間開度にする。
まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。液管67を通って熱媒体中継機8に流入した中間圧の冷媒は、内部熱交換器88を通って、膨張弁85,86により減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。低温低圧の冷媒は熱媒体間熱交換器81,82に流入する。熱媒体間熱交換器81,82は冷媒に対して蒸発器として機能するため、熱媒体間熱交換器81,82を通過する冷媒は、熱交換対象となる熱媒体を冷却して(熱媒体から吸熱する)、ガス冷媒となり流出する。流出した冷媒は、四方弁83,84を通って低圧管68において合流し、熱媒体中継機8を流出する。流出した冷媒は、中継機3の低圧管7に流れる。
また、このサイクルのときは、液管67を流れる冷媒の一部がバイパス配管69へ流入し、膨張弁87で減圧されて、内部熱交換器88において、液管67から膨張弁85,86へ流入する冷媒との間で熱交換が行われる。内部熱交換器88における熱交換により蒸発した冷媒は、熱媒体間熱交換器81,82において蒸発した冷媒と低圧管68で合流し、中継機3へ戻る。一方、内部熱交換器88における熱交換により冷却され過冷却度を十分につけられた冷媒は、膨張弁85,86を経由して、熱媒体間熱交換器81,82に流入する。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。熱媒体間熱交換器81,82において熱媒体は冷媒との熱交換により冷却される。熱媒体間熱交換器81において冷却された熱媒体は熱媒体配管115に送り出され、熱媒体間熱交換器82において冷却された熱媒体は熱媒体配管116に送り出される。三方弁93は、中間開度となっているため、熱媒体配管115から流れる熱媒体と熱媒体配管116から流れる熱媒体をおよそ半分ずつの比率で混合して、熱媒体は熱媒体配管111に流れ、熱媒体中継機8を流出する。室内ユニット2に流入した熱媒体は、室内熱交換器31において、ファン(図示せず)によって搬送される空気と熱交換し、空気を冷却して熱媒体の温度が上昇する(空気から吸熱する)。これによって、室内ユニット2は冷房する。
室内ユニット2を出た熱媒体は、熱媒体配管112を通って熱媒体中継機8に流入する。流入した熱媒体は、流量調整弁95を通って、三方弁94において熱媒体配管113と熱媒体配管114に分配される。熱媒体配管113に流れる熱媒体は、ポンプ91に加圧されて再び熱媒体間熱交換器81に戻る。熱媒体配管114に流れる熱媒体は、ポンプ92に加圧されて再び熱媒体間熱交換器82に戻る。
以上のように、熱媒体中継機8は、温水モードと冷水モードにおいて、熱媒体間熱交換器81,82の冷媒配管を並列に接続している。
(冷温水混在モード)
室内ユニット2e,2f,2g,2hの運転モードが暖房運転と冷房運転が混在する冷温水混在モードについて、図10を用いて説明する。なお、冷媒の流れは、先端塗りつぶし無しの実線矢印、熱媒体の流れは、先端塗りつぶしの破線矢印で示す。例えば、室内ユニット2e,2fが暖房運転を行い、室内ユニット2g,2hが冷房運転を行う場合について説明する。このとき、四方弁83は低圧管68と熱媒体間熱交換器81を配管接続するようにする。四方弁84は高圧ガス管66と熱媒体間熱交換器82を配管接続するようにする。三方弁93e,93fは、熱媒体配管116を流れる熱媒体が熱媒体配管111e,111fに流れるようにする。三方弁93g,93hは、熱媒体配管115を流れる熱媒体が熱媒体配管111g,111hに流れるようにする。三方弁94e,94fは、熱媒体配管112e,112fを流れる熱媒体が熱媒体配管114を流れるようにする。三方弁94g,94hは、熱媒体配管112g,112hを流れる熱媒体が熱媒体配管113を流れるようにする。
まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。高圧ガス管66を通って熱媒体中継機8に流入したガス冷媒は、四方弁84を通って熱媒体間熱交換器82に流入する。熱媒体間熱交換器82において凝縮して流出した液冷媒は、膨張弁86により中間圧まで減圧され、そのすべて又は一部は、膨張弁85により減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。低温低圧の冷媒は熱媒体間熱交換器81に流入する。熱媒体間熱交換器81において蒸発して流出した冷媒は、四方弁83、低圧管68を通って、熱媒体中継機8を流出する。流出した冷媒は、中継機3の低圧管7に流れる。
ここで、液管67の中間圧の液冷媒の流れは、熱媒体中継機8において暖房負荷が冷房負荷に対して大きい場合と、暖房負荷が冷房負荷に対して小さい場合により変化する。まず、暖房負荷が冷房負荷に対して大きい場合、熱媒体間熱交換器82において凝縮に係る冷媒流量に対して、熱媒体間熱交換器81において蒸発に係る冷媒流量が少なくなる。よって、膨張弁86で減圧された中間圧の液冷媒の一部は、液管67を通って中継機3に戻る。一方で、暖房負荷が冷房負荷に対して小さい場合、熱媒体間熱交換器82において凝縮に係る冷媒流量に対して、熱媒体間熱交換器81において蒸発に係る冷媒流量が多くなる。よって、膨張弁86で減圧された中間圧の液冷媒に加えて、液管67から熱媒体中継機8に流入する液冷媒が膨張弁85に流入することになる。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。暖房運転に係る熱媒体は、熱媒体間熱交換器82において熱媒体は冷媒との熱交換により加熱される。熱媒体間熱交換器82において加熱された熱媒体は熱媒体配管116に送り出される。熱媒体配管116を流れる熱媒体は、三方弁93e,93fを通過して熱媒体配管111e,111fを流れ、熱媒体中継機8を流出する。室内ユニット2e,2fに流入した熱媒体は、室内熱交換器31e,31fにおいて、暖房する。
室内ユニット2e,2fを出た熱媒体は、熱媒体配管112e,112fを通って熱媒体中継機8に流入する。流入した熱媒体は、流量調整弁95e,95f、三方弁94e,94fを通り、熱媒体配管114に流入する。熱媒体配管114に流れる熱媒体は、ポンプ92に加圧されて再び熱媒体間熱交換器82に戻る。
冷房運転に係る熱媒体は、熱媒体間熱交換器81において熱媒体は冷媒との熱交換により冷却される。熱媒体間熱交換器81において冷却された熱媒体は熱媒体配管115に送り出される。熱媒体配管115を流れる熱媒体は、三方弁93g,93hを通過して熱媒体配管111g,111hを流れ、熱媒体中継機8を流出する。室内ユニット2g,2hに流入した熱媒体は、室内熱交換器31g,31hにおいて、冷房する。
室内ユニット2g,2hを出た熱媒体は、熱媒体配管112g,112hを通って熱媒体中継機8に流入する。流入した熱媒体は、流量調整弁95g,95h、三方弁94g,94hを通り、熱媒体配管113に流入する。熱媒体配管113に流れる熱媒体は、ポンプ91に加圧されて再び熱媒体間熱交換器81に戻る。
以上より、熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2の運転モードについて説明したが、空気調和装置全体の運転モードは、実施の形態2において示したように、室内ユニット2a,2b,2c,2d,2e,2f,2g,2h全体の、暖房と冷房の負荷のバランスにより、全暖房運転、全冷房運転、暖房主体運転、冷房主体運転が設定される。
<冷凍サイクル回路(冷媒経路)のアクチュエータ制御>
膨張弁85,86は、熱媒体中継機コントローラ207からの指令により開度が制御される。具体的には、暖房運転時は熱媒体間熱交換器81,82の過冷却度を目標値にして開度を制御し、熱媒体間熱交換器81,82に流入する冷媒流量を調整する。過冷却度の算出方法は次の通りである。圧力センサ138が検知する凝縮圧力を、熱媒体中継機コントローラ207において飽和温度である凝縮温度に換算する。熱媒体中継機コントローラ207は、凝縮温度と、温度センサ132,134が検知する冷媒の液側温度の差から、過冷却度を算出する。冷房運転時は熱媒体間熱交換器81,82の過熱度を目標値にして開度を制御し、熱媒体間熱交換器81,82に流入する冷媒流量を調整する。過熱度は、熱媒体中継機コントローラ207において、温度センサ131,133が検知する冷媒のガス側温度と、温度センサ132,134が検知する冷媒の液側温度の差から算出する。
<熱媒体経路のアクチュエータ制御>
流量調整弁95は、熱媒体中継機コントローラ207からの指令により開度が制御される。具体的には、室内熱交換器31の熱媒体出入口温度差を目標値にして開度を制御し、室内熱交換器31に流入する熱媒体流量を調整する。室内熱交換器31の入口温度は、温水モードと冷水モードでは、温度センサ135と温度センサ136の検知する熱媒体温度の平均値とする。冷温水混在モードの際は、暖房運転する室内ユニット2と配管接続する流量調整弁95に対しては、温度センサ136の検知する熱媒体温度を用いて、冷房運転する室内ユニット2と配管接続する流量調整弁95に対しては、温度センサ135の検知する熱媒体温度を用いる。室内熱交換器31の出口温度は、温度センサ137の検知する熱媒体温度を用いて、入口温度と出口温度の差から、熱媒体出入口温度差を算出する。熱媒体出入口温度差は、およそ5〜7度程度とするのがよい。
つまり、温度センサ135〜137が検知する熱媒体温度をT[135]〜T[137]とすると、温水モードにおける室内熱交換器31の熱媒体出入口温度差ΔTwhは、ΔTwh={(T[135]+T[136])/2}−T[137]となる。また、冷水モードにおける室内熱交換器31の熱媒体出入口温度差ΔTwcは、ΔTwc=T[137]−{(T[135]+T[136])/2}となる。また、冷温水混在モードにおいて暖房運転する室内ユニット2の室内熱交換器31の熱媒体出入口温度差ΔTwhは、ΔTwh=T[136]−T[137]となる。また、冷温水混在モードにおいて冷房運転する室内ユニット2の室内熱交換器31の熱媒体出入口温度差ΔTwcは、ΔTwc=T[137]−T[135]となる。
ポンプ91,92は、熱媒体中継機コントローラ207の指令により回転数が制御される。具体的には、冷温水混在モードのとき、ポンプ92は、暖房運転を行っている室内ユニット2と配管接続する流量調整弁95のうち、最も開度が大きい流量調整弁95の開度が最大になるように、回転数を調整する。例えば、室内ユニット2e,2fが暖房運転を行って、流量調整弁95eの開度が開度最大値100%に対して70%、流量調整弁95fの開度が50%であるとき、熱媒体中継機コントローラ207は熱媒体の全体の循環量が過剰と判断して流量調整弁95eの開度が安定開度、すなわちポンプ92の回転数制御を行わない範囲に近づくようにポンプ92の回転数を小さくする。このとき、流量調整弁95eの安定開度はおよそ90〜95%程度とするのが望ましい。また、流量調整弁95eの開度が安定開度を超えて、例えば100%になった場合、熱媒体中継機コントローラ207は熱媒体の全体の循環量が不足と判断して流量調整弁95eの開度が安定開度に近づくようにポンプ92の回転数を大きくする。
冷房運転を行っている室内ユニット2に対してもポンプ91は同様の制御を実施する。
温水モード、冷水モードの場合、ポンプ91,92は同一回転数に設定し、同様の制御を実施する。
このように、流量調整弁95の開度が最大となるようにポンプ91,92の回転数を制御することで、熱媒体の搬送動力を小さくすることができる。
停止している室内ユニット2に対しては、流量調整弁95は熱媒体が流れないような開度とする。
<冷温水混在モードの熱媒体間熱交換器の能力増大制御方法>
本実施の形態3の空気調和装置は、熱媒体中継機8が冷温水混在モードになると、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器82の伝熱面積は、温水モードのときに熱媒体間熱交換器81,82が両方凝縮器となる場合に比べて、およそ半分となる。ここで、熱媒体間熱交換器81,82が両方凝縮器として機能するときに、間接式室内ユニット2の合計の定格の暖房能力が発揮できるように設計されるとすると、冷温水混在モードの際に間接式室内ユニット2の暖房負荷が十分に大きい場合、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器82の伝熱面積が暖房負荷に対して小さいため、凝縮温度を所定の範囲に調整すると、暖房負荷に対して熱媒体を十分に加熱できない。また、暖房に係る熱媒体を送出するポンプ92の熱媒体送出流量は、ポンプ91,92が暖房に係る熱媒体を送出する場合と比べて、およそ半分となる。このとき、さらに、ポンプ92の熱媒体送出流量が不足して、室内ユニット2の1台あたりの暖房能力が低下する。
一方で、熱媒体中継機8が冷温水混在モードとなり、冷房負荷が十分に大きい場合、熱媒体間熱交換器81において冷房負荷に対して熱媒体を十分に冷却できず、ポンプ91の熱媒体送出流量が不足して、室内ユニット2の1台あたりの冷房能力が低下する。
しかしながら、冷温水混在モードにおいて暖房負荷が十分に大きい場合や冷房負荷が十分に大きい場合に備えて、熱媒体間熱交換器81,82、ポンプ91,92の大きさや台数を備えることは、機器の大型化をもたらすだけでなく、高価となり経済的でない。
そこで、本実施の形態3では、熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2が冷温水混在モードのとき、熱媒体間熱交換器81又は熱媒体間熱交換器82に対して、能力増大制御を実施している。ここで、熱媒体間熱交換器81又は熱媒体間熱交換器82が第1の利用側熱交換器に相当する。直膨式の室内熱交換器31a,31b,31c,31dが第2の利用側熱交換器に相当する。
具体的な制御について、図11のフローチャートで説明する。
図11は、本発明の実施の形態3に係る空気調和装置の能力増大制御を示すフローチャートである。
熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2が冷温水混在モードのとき、熱媒体中継機8の操作部208より暖房能力増大要求又は冷房能力増大要求が熱媒体中継機コントローラ207に送られると、熱媒体中継機コントローラ207は能力優先を室外コントローラ202に送信する。室外コントローラ202は、能力優先を受信すると、図11のフローを開始して、空気調和装置の運転モードを能力優先モードに設定する(ステップS301)。ステップS302において、室外コントローラ202は、暖房能力優先の場合(Yes)、ステップS303〜ステップS309を実施する。また、室外コントローラ202は、冷房能力優先の場合(No)、ステップS310〜ステップS316を実施する。
以下、ステップS303〜ステップS309を説明する。ステップS303において、室外コントローラ202は、凝縮温度目標値TcmをΔTcmだけ高くする。このとき、空気調和装置が暖房主体運転の場合、圧縮機11は凝縮温度Tcを基に回転数Fが制御されている。このため、回転数Fが回転数最大値Fmax未満であれば、凝縮温度目標値Tcmが高くなると圧縮機11の回転数Fが高くなる。一方で、空気調和装置が冷房主体運転の場合、室外熱交換器13は凝縮温度Tcを基に熱交換量調整手段が制御されている。このため、室外熱交換器13の熱交換量調整手段が動作可能な範囲であれば、凝縮温度目標値Tcmが高くなると熱交換量調整手段が動作して室外熱交換器13の熱コンダクタンスが小さくなる。
ステップS304において、室外コントローラ202は、暖房能力抑制モードを中継機コントローラ206に送信する。中継機コントローラ206は、直膨式の室内ユニット2a,2b,2c,2dのうち、暖房運転中の室内ユニット2に能力抑制モードを送信する。能力抑制モードを受信した室内ユニット2の室内コントローラ203は、ステップS305において、室内熱交換器31の過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ大きくする。このとき、膨張弁32は、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが大きくなると開度Lが小さくなる。
室外コントローラ202は、ステップS306において一定時間経過させた後、ステップS307において、圧縮機11の回転数Fが最大値Fmax未満か否かを判断する。回転数FがFmax未満であれば(Yes)、ステップS308において、室外コントローラ202は、熱媒体中継機8に、冷媒流量増加モードを送信する。冷媒流量増加モードを受信した熱媒体中継機コントローラ207は、ステップS309において、熱媒体間熱交換器82の過冷却度目標値SCmをΔSCmだけ小さくする。このとき、膨張弁86は、過冷却度SCの演算値を基に開度Lが制御されているので、過冷却度目標値SCmが小さくなると開度Lが大きくなる。つまり、膨張弁86の過冷却度目標値SCmが小さくなると、熱媒体間熱交換器82を流れる冷媒の量が増大する。この時点で、凝縮温度目標値Tcmと過冷却度目標値SCmの値を変更するフローは終了するが、変更されたTcmとSCmは、熱媒体中継機8の操作部208から暖房能力優先要求が取り消しされるまで維持される。ステップS307において、回転数FがFmaxであれば(No)、フローは終了する。
次に、ステップS310〜ステップS316を説明する。ステップS310において、室外コントローラ202は、蒸発温度目標値TemをΔTemだけ低くする。このとき、空気調和装置が冷房主体運転の場合、圧縮機11は蒸発温度Teを基に回転数Fが制御されている。このため、回転数Fが回転数最大値Fmax未満であれば、蒸発温度目標値Temが低くなると圧縮機11の回転数Fが高くなる。一方で、空気調和装置が暖房主体運転の場合、室外熱交換器13は蒸発温度Teを基に熱交換量調整手段が制御されている。このため、室外熱交換器13の熱交換量調整手段が動作可能な範囲であれば、蒸発温度目標値Temが低くなると熱交換量調整手段が動作して室外熱交換器13の熱コンダクタンスが小さくなる。
ステップS311において、室外コントローラ202は、冷房能力抑制モードを中継機コントローラ206に送信する。中継機コントローラ206は、直膨式の室内ユニット2a,2b,2c,2dのうち、冷房運転中の室内ユニット2に能力抑制モードを送信する。能力抑制モードを受信した室内ユニット2の室内コントローラ203は、ステップS312において、室内熱交換器31の過熱度目標値SHmをΔSHmだけ大きくする。このとき、膨張弁32は、過熱度SHの演算値を基に開度Lを制御しているので、過熱度目標値SHmが大きくなると開度Lが小さくなる。
室外コントローラ202は、ステップS313において一定時間経過させた後、ステップS314において、圧縮機11の回転数Fが最大値Fmax未満か否かを判断する。回転数FがFmax未満であれば(Yes)、ステップS315において、室外コントローラ202は、熱媒体中継機8に、冷媒流量増加モードを送信する。冷媒流量増加モードを受信した熱媒体中継機コントローラ207は、ステップS316において、熱媒体間熱交換器81の過熱度目標値SHmをΔSHmだけ小さくする。このとき、膨張弁85は、過熱度SHの演算値を基に開度Lが制御されているので、過熱度目標値SHmが小さくなると開度Lが大きくなる。つまり、膨張弁85の過熱度目標値SHmが小さくなると、熱媒体間熱交換器81を流れる冷媒の量が増大する。この時点で、蒸発温度目標値Temと過熱度目標値SHmの値を変更するフローは終了するが、変更されたTemとSHmは、熱媒体中継機8の操作部208から冷房能力優先要求が取り消しされるまで維持される。ステップS314において、回転数FがFmaxであれば(No)、フローは終了する。
<暖房能力増大要求又は冷房能力増大要求の条件>
前述のように、操作部208が暖房能力増大又は冷房能力増大を要求するのは、熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2が冷温水混在モードのときである。
ここで、操作部208が暖房能力増大を要求する条件について説明する。熱媒体間熱交換器82の暖房能力増大が必要な条件として、運転している間接式の室内ユニット2の暖房容量が冷房容量に比べて十分大きいこと、実際に暖房負荷が大きいことが挙げられる。よって、本実施の形態3では、以下の3つの条件を判断して、操作部208は暖房能力増大を要求する。
(条件1A:暖房容量と冷房容量の比)
・ΣQh>ΣQc+α…(1)
ここで、ΣQhは暖房運転中の間接式の室内ユニット2の定格能力合計値、ΣQcは冷房運転中の間接式の室内ユニット2の定格能力合計値、αは尤度である。
(条件2A:室内熱交換器31の熱媒体入口温度)
・Twhin<Twhm−β…(2)
ここで、Twhinは暖房時の室内ユニット2の熱媒体入口温度であり、Twhmは暖房時の室内ユニット2の熱媒体入口温度目標値であり、βは尤度である。暖房運転中の室内ユニット2の負荷が大きい(吸込空気温度が低い)場合、Twhinが低下する。
(条件3A:熱媒体出入口温度差、流量調整弁開度、ポンプ回転数)
・「ΔTwhmax>ΔTwhm+γ、かつ、Lmax=100%」かつ「Fp=100%」…(3)
ここで、ΔTwhmaxは暖房中の室内ユニット2(より詳しくは、当該室内ユニット2の室内熱交換器31)の熱媒体出入口温度差のうちの最大値であり、ΔTwhmは暖房中の室内ユニット2の熱媒体出入口温度差目標値であり、γは尤度である。暖房負荷が大きい場合、熱媒体出入口温度差が大きくなる。
また、Lは暖房中の室内ユニット2の流量調整弁95の開度であり、Lmaxはそのうちの最大値である。Lmax=100%となっている場合、暖房に係る熱媒体の全体の流量が不足していることを意味する。
また、Fpはポンプ92の回転数であり、100%となっている場合、暖房に係る熱媒体の全体の流量が不足していることを意味する。
以上をまとめると、
・(条件1A)かつ(条件2A)…(4)
又は、
・(条件1A)かつ(条件3A)…(5)
を一定時間満たすとき、操作部208は暖房能力増大を要求するとよい。この条件を判定する際は、冷媒経路と熱媒体経路のアクチュエータが十分安定している状態が必要であり、一定時間は10〜30分程度とすることが望ましい。
同様に、熱媒体間熱交換器81の冷媒能力増大が必要な条件として、運転している間接式の室内ユニット2の冷媒容量が暖房容量に比べて十分大きいこと、実際に冷房負荷が大きいことが挙げられる。よって、操作部208が冷房能力増大を要求する条件は、以下のようにすればよい。
(条件1B:暖房容量と冷房容量の比)
・ΣQc>ΣQh+α…(6)
(条件2B:室内熱交換器31の熱媒体入口温度)
・Twcin>Twcm+β…(7)
ここで、Twcinは冷房時の室内ユニット2の熱媒体入口温度であり、Twcmは冷房時の室内ユニット2の熱媒体入口温度目標値である。冷房運転中の室内ユニット2の負荷が大きい(吸込空気温度が高い)場合、Twcinが上昇する。
(条件3B:熱媒体出入口温度差、流量調整弁開度、ポンプ回転数)
・「ΔTwcmax>ΔTwcm+γ、かつ、Lmax=100%」かつ「Fp=100%」…(8)
ここで、ΔTwcmaxは冷房中の室内ユニット2の熱媒体出入口温度差のうちの最大値であり、ΔTwcmは冷房中の室内ユニット2の熱媒体出入口温度差目標値である。冷房負荷が大きい場合、熱媒体出入口温度差が大きくなる。
また、Lmax=100%となっている場合、冷房に係る熱媒体の全体の流量が不足していることを意味する。
また、Fp=100%となっている場合、冷房に係る熱媒体の全体の流量が不足していることを意味する。
以上をまとめると、
・(条件1B)かつ(条件2B)…(9)
又は、
・(条件1B)かつ(条件3B)…(10)
を一定時間満たすとき、操作部208は冷房能力増大を要求するとよい。この条件を判定する際は、冷媒経路と熱媒体経路のアクチュエータが十分安定している状態が必要であり、一定時間は10〜30分程度とすることが望ましい。
また、冷房運転時の蒸発温度目標値Temについては、低下し過ぎると熱媒体間熱交換器81において熱媒体が凍結し、熱媒体間熱交換器81が破壊する恐れがある。このため、Temは熱媒体が凍結しないような温度に設定する。
<能力増大制御の効果>
以上のように、本実施の形態3に係る空気調和装置では、熱媒体中継機8と間接式の室内ユニット2が冷温水混在モードのとき、熱媒体間熱交換器81又は熱媒体間熱交換器82に対して、能力増大制御を実施することで、暖房能力又は冷房能力を増大することができる。よって、熱媒体間熱交換器81,82やポンプ91,92を大きくしたり、台数を増加させたりする必要がなく、空気調和装置を小型化、安価にすることができる。
また、本実施の形態3に係る空気調和装置では、暖房負荷が大きいときに暖房能力増大を要求して、一方で冷房能力が大きいときに冷房能力増大を要求するため、無駄に能力増大制御を実施することがなく、省エネ性に優れた空気調和装置を提供できる。
また、本実施の形態3に係る空気調和装置では、熱媒体間熱交換器81,82に対して能力増大制御を実施する際に、直膨式の室内ユニット2の能力を抑制している。直膨式の室内熱交換器31は、前述のように冷媒が直接循環しており、凝縮温度が高くなれば暖房能力が増加し、蒸発温度が低くなれば冷房能力が増加する。よって、能力を抑制することで、直膨式の室内ユニット2において能力が過剰になるのを抑制できる。
なお、上記の実施の形態1〜実施の形態3では、能力を増大させる熱交換器を1台のみとしたが、能力を増大させる熱交換器の数は任意である。また、上記の実施の形態1〜実施の形態3では、能力を増大させる熱交換器以外の熱交換器の全てにおいて冷媒流量を減少させていたが、能力を増大させる熱交換器以外の熱交換器の一部において冷媒流量を減少させることができれば、本発明を実施することができる。
本発明の活用例として、ビル用マルチエアコンなどに用いる多室形空気調和装置に適用できる。
1 室外機、2 室内ユニット、3 中継機、4 ガス管、5 液管、6 高圧管、7 低圧管、8 熱媒体中継機、11 圧縮機、12 四方弁、13 室外熱交換器、14 アキュムレータ、15 逆止弁、31 室内熱交換器、32 膨張弁、41 ガス枝管、42 液枝管、51 気液分離器、52,53 内部熱交換器、54,55 膨張弁、56,57 電磁弁、58,59 逆止弁、61 高圧ガス管、62,63,64 液管、65 バイパス配管、66 高圧ガス管、67 液管、68 低圧管、69 バイパス配管、71,72 圧力センサ、73,74,75 温度センサ、76,77 圧力センサ、81,82 熱媒体間熱交換器、83,84 四方弁、85,86,87 膨張弁、88 内部熱交換器、91,92 ポンプ、93,94 三方弁、95 流量調整弁、101 ファン、111,112,113,114,115,116 熱媒体配管、131,132,133,134,135,136,137 温度センサ、138 圧力センサ、201 インバータ回路、202 室外コントローラ、203 室内コントローラ、204 操作部、205 弁駆動回路、206 中継機コントローラ、207 熱媒体中継機コントローラ、208 操作部、209 弁駆動回路、210 ポンプ駆動回路。

Claims (10)

  1. 圧縮機と、凝縮器又は蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、凝縮器又は蒸発器として機能する複数の利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器に対応して設けられ、前記利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する複数の膨張装置と、前記圧縮機の運転容量及び複数の前記膨張装置の開度を制御する制御装置と、を備え、
    複数の前記利用側熱交換器の一部の熱交換能力を増大させる際(以下、熱交換能力を増大させる前記利用側熱交換器を第1の利用側熱交換器と称する)、
    前記制御装置は、
    前記圧縮機の運転容量を大きくすると共に、
    前記第1の利用側熱交換器以外の前記利用側熱交換器であって、前記第1の利用側熱交換器と同じ機能を果たす前記利用側熱交換器(以下、第2の利用側熱交換器と称する)の少なくとも1つに対して、当該第2の利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御して、当該第2の利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を減少させ
    前記圧縮機の運転容量を大きくした後も、前記圧縮機の運転容量が上限値に達していない場合、
    前記第1の利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御して、当該第1の利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を増加させることを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記熱源側熱交換器は蒸発器として機能し、前記利用側熱交換器は凝縮器として機能するものであり、
    前記制御装置は、前記利用側熱交換器を流れる冷媒の凝縮飽和温度が所定の凝縮飽和温度目標値となるように前記圧縮機の運転容量を制御するものであって、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、
    前記制御装置は、
    前記凝縮飽和温度目標値の値を高くすることによって前記圧縮機の運転容量を大きく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. 前記熱源側熱交換器は凝縮器として機能し、前記利用側熱交換器は蒸発器として機能するものであり、
    前記制御装置は、前記利用側熱交換器を流れる冷媒の蒸発飽和温度が所定の蒸発飽和温度目標値となるように前記圧縮機の運転容量を制御するものであって、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、
    前記制御装置は、
    前記蒸発飽和温度目標値の値を低くすることによって前記圧縮機の運転容量を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  4. 前記熱源側熱交換器は蒸発器として機能し、前記複数の前記利用側熱交換器の一部は凝縮器として機能し、前記複数の前記利用側熱交換器の残りの一部は蒸発器として機能するものであり、
    前記制御装置は、凝縮器として機能する前記利用側熱交換器を流れる冷媒の凝縮飽和温度が所定の凝縮飽和温度目標値となるように前記圧縮機の運転容量を制御し、
    前記第1の利用側熱交換器は凝縮器として機能するものであって、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、
    前記制御装置は、
    前記凝縮飽和温度目標値の値を高くすることによって前記圧縮機の運転容量を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  5. 前記熱源側熱交換器は凝縮器として機能し、前記複数の前記利用側熱交換器の一部は凝縮器として機能し、前記複数の前記利用側熱交換器の残りの一部は蒸発器として機能するものであり、
    前記制御装置は、蒸発器として機能する前記利用側熱交換器を流れる冷媒の蒸発飽和温度が所定の蒸発飽和温度目標値となるように前記圧縮機の運転容量を制御し、
    前記第1の利用側熱交換器は蒸発器として機能するものであって、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、
    前記制御装置は、
    前記蒸発飽和温度目標値の値を低くすることによって前記圧縮機の運転容量を大きくすることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  6. 前記制御装置は、
    凝縮器として機能する前記利用側熱交換器に流れる冷媒の過冷却度が所定の目標過冷却度となるように、当該利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御するものであり、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、前記目標過冷却度を大きくすることによって、前記第2の利用側熱交換器の流量を減少させることを特徴とする請求項又は請求項に記載の空気調和装置。
  7. 前記制御装置は、
    蒸発器として機能する前記利用側熱交換器に流れる冷媒の過熱度が所定の目標過熱度となるように、当該利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御するものであり、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際、前記目標過熱度を大きくすることによって、前記第2の利用側熱交換器の流量を減少させることを特徴とする請求項又は請求項に記載の空気調和装置。
  8. 前記利用側熱交換器の一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と該冷媒とは異なる熱媒体とが熱交換する熱媒体間熱交換器であり、
    前記利用側熱交換器の残りの一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と室内の空気とが熱交換する直膨式熱交換器であって、
    前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路に接続され、熱媒体と室内の空気とが熱交換する少なくとも1つの間接式熱交換器を備え、
    前記第1の利用側熱交換器が前記熱媒体間熱交換器であり、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際に冷媒の流量が減少する前記第2の利用側熱交換器は、前記直膨式熱交換器であることを特徴とする請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の空気調和装置。
  9. 前記利用側熱交換器の一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と該冷媒とは異なる熱媒体とが熱交換する熱媒体間熱交換器であり、
    前記利用側熱交換器の残りの一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と室内の空気とが熱交換する直膨式熱交換器であって、
    前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路に接続され、熱媒体と室内の空気とが熱交換する少なくとも1つの間接式熱交換器を備え、
    前記熱媒体間熱交換器として、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器と蒸発器として機能する熱媒体間熱交換器を有し、
    前記第1の利用側熱交換器は、接続されている前記間接式熱交換器の熱交換負荷が大きい側の前記熱媒体間熱交換器であり、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際に冷媒の流量が減少する前記第2の利用側熱交換器は、前記直膨式熱交換器であることを特徴とする請求項又は請求項に記載の空気調和装置。
  10. 圧縮機と、凝縮器又は蒸発器として機能する熱源側熱交換器と、凝縮器又は蒸発器として機能する複数の利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器に対応して設けられ、前記利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を調整する複数の膨張装置と、前記圧縮機の運転容量及び複数の前記膨張装置の開度を制御する制御装置と、を備え、
    複数の前記利用側熱交換器の一部の熱交換能力を増大させる際(以下、熱交換能力を増大させる前記利用側熱交換器を第1の利用側熱交換器と称する)、
    前記制御装置は、
    前記圧縮機の運転容量を大きくすると共に、
    前記第1の利用側熱交換器以外の前記利用側熱交換器であって、前記第1の利用側熱交換器と同じ機能を果たす前記利用側熱交換器(以下、第2の利用側熱交換器と称する)の少なくとも1つに対して、当該第2の利用側熱交換器に対応する前記膨張装置の開度を制御して、当該第2の利用側熱交換器に流れる冷媒の流量を減少させるものであり、
    前記利用側熱交換器の一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と該冷媒とは異なる熱媒体とが熱交換する熱媒体間熱交換器であり、
    前記利用側熱交換器の残りの一部は、前記熱源側熱交換器から供給された冷媒と室内の空気とが熱交換する直膨式熱交換器であって、
    前記熱媒体間熱交換器の熱媒体側流路に接続され、熱媒体と室内の空気とが熱交換する少なくとも1つの間接式熱交換器を備え、
    前記熱媒体間熱交換器として、凝縮器として機能する熱媒体間熱交換器と蒸発器として機能する熱媒体間熱交換器を有し、
    前記第1の利用側熱交換器は、接続されている前記間接式熱交換器の熱交換負荷が大きい側の前記熱媒体間熱交換器であり、
    前記第1の利用側熱交換器の熱交換能力を増大させる際に冷媒の流量が減少する前記第2の利用側熱交換器は、前記直膨式熱交換器であることを特徴とする空気調和装置。
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