JP5793670B2

JP5793670B2 - 空気調和装置

Info

Publication number: JP5793670B2
Application number: JP2011101221A
Authority: JP
Inventors: 松山　哲也; 哲也松山; 文紀河野; 晃小森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2012233616A

Description

本発明は、水またはアルコールを主成分とする冷媒を用いた空気調和装置に関する。

従来、空気調和装置としては、フロン冷媒や代替フロン冷媒を用いた装置が広く利用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層破壊や地球温暖化等の問題を有している。そこで、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた空気調和装置が提案されている。例えば、特許文献１には、そのような空気調和装置として、図５に示すような空気調和装置１００が開示されている。

空気調和装置１００は、蒸発器１１１、圧縮機１１２および凝縮器１１３がこの順に接続された冷媒回路１１０を有している。蒸発器１１１および凝縮器１１３には水が貯留されている。蒸発器１１１に貯留された水は、吸熱用循環路１２０により負荷部１２１を経由して循環させられる。凝縮器１１３に貯留された水は、放熱用循環路１３０により冷却塔１３１を経由して循環させられる。圧縮機１１２は、蒸発器１１１から水蒸気を吸入して圧縮し、圧縮した水蒸気を凝縮器１１３に吐出する。

特許文献１の空気調和装置１００のように冷媒として水を用いた場合、冷媒回路１１０内が大気圧よりも低い負圧状態となるため、圧縮機１１２に吸入される水蒸気の圧力である低圧側圧力と圧縮機１１２から吐出された水蒸気の圧力である高圧側圧力の間の圧力差が小さくなる。このため、その圧力差を蒸発器１１１および凝縮器１１３に貯留された水の位置ヘッドにより吸収することが可能となる。これにより、凝縮器１１３と蒸発器１１１の間に介挿される膨張弁を排除することが可能となる。

特許第４４５４４５６号公報

具体的に、空気調和装置１００では、蒸発器１１１と凝縮器１１３の間に生じる水蒸気の圧力差に対して、蒸発器１１１内の水の水面高さと凝縮器１１３内の水の水面高さとの間にレベル差Δｈを生じさせることで、圧力バランスを保っている。つまり、図５に示すように、低圧側圧力をＰＬ［ｋＰａ］、高圧側圧力をＰＨ［ｋＰａ］、基準面からの蒸発器１１１内の水の水面高さをｈｅ［ｍ］、基準面からの凝縮器１１３内の水の水面高さをｈｃ［ｍ］とすると、次の式（１）が成り立つ。式中、ρは水の密度［ｋｇ／ｍ³］であり、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ²］である。

式（１）より、レベル差Δｈは式（２）で与えられる。

式（２）より、蒸発器１１１内の水の水面高さと凝縮器１１３内の水の水面高さとの間のレベル差Δｈは冷凍サイクルの高低圧差に比例する。このため、空気調和装置１００を高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差が大きい冷房条件で動作させた場合、あるいは空気調和装置１００を用いて暖房を行う場合は、冷凍サイクルの高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差が非常に大きくなるため、凝縮器１１３内の水の水面高さｈｃが低下し、蒸発器１１１内の水の水面高さｈｅが上昇する。例えば、特許文献１に記載されているように、蒸発圧力１．７kＰａ、凝縮圧力６．３kＰａのときは、それらの圧力差が４．６kＰａであるため、レベル差Δｈは４７ｃｍとなる。しかしながら、例えば、蒸発圧力１．２５kＰａ、凝縮圧力１０．４kＰａのときは、それらの圧力差が９．１５kＰａとなるため、レベル差Δｈは９３ｃｍとなる。

蒸発器１１１の高さには、高圧側圧力と低圧側圧力の圧力差に起因するレベル差Δｈに加え、吸熱側循環路１２０および放熱側循環路１３０に設けられたポンプ１２２，１３２でのキャビテーションの発生を防止するように有効吸込ヘッド（available NPSH）を確保するための高さ、および吸熱側循環路１２０から戻される水が蒸発するのに必要な高さが必要である。そのため、上記のようにレベル差Δｈが増大すると、これが空気調和装置１００の大型化の原因となる。さらに、凝縮器１１３内の水の水面高さが最も低下した状態で運転している際に能力変動が生じると、放熱側循環路１３０に設けられたポンプ１３２の有効吸込ヘッドが確保できずキャビテーションが発生し、ポンプ１３２の信頼性が低下するおそれがある。これに対しては、蒸発器１１１の高さを高くして有効吸込ヘッドを大きくすることが有効であるが、これは空気調和装置１００のさらなる大型化を招来する。

上記事情に鑑み、本発明は、水またはアルコールを主成分とする冷媒を用いた空気調和装置において、当該空気調和装置の小型化を図ることができ、かつ、循環用のポンプでのキャビテーションの発生を防止できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、水またはアルコールを主成分とする冷媒を循環させる冷媒回路であって、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる蒸発器、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器、および冷媒液を減圧する、減圧幅が変更可能な減圧機構がこの順に接続された冷媒回路と、室内または室外に設置される第１熱交換器と、前記第１熱交換器とは逆に室外または室内に設置される第２熱交換器と、前記蒸発器に貯留された冷媒液を前記第１熱交換器を経由して循環させる第１循環路と、前記凝縮器に貯留された冷媒液を前記第２熱交換器を経由して循環させる第２循環路と、前記圧縮機に吸入される冷媒蒸気の圧力である低圧側圧力を検出する低圧検出手段と、前記圧縮機から吐出された冷媒蒸気の圧力である高圧側圧力を検出する高圧検出手段と、前記減圧機構を通過する前後の冷媒液の圧力差を検出する差圧検出手段と、前記低圧検出手段により検出される低圧側圧力、前記高圧検出手段により検出される高圧側圧力および前記差圧検出手段により検出される圧力差に基づいて、前記蒸発器内の冷媒液の液面高さと前記凝縮器内の冷媒液の液面高さとの間のレベル差を推定し、この推定したレベル差が所定のレベル差以下となるように前記減圧機構を制御する制御装置と、を備える、空気調和装置を提供する。

上記の構成によれば、いかなる運転状態においても蒸発器内の冷媒液の液面高さと凝縮器内の冷媒液の液面高さとの間のレベル差を小さく抑えることが可能となるため、蒸発器の高さを小さくすることができる。これにより、空気調和装置の小型化を図ることができる。また、運転中に能力変動が生じたとしても、凝縮器内には一定量以上の水が確保されるため、凝縮器側のポンプでのキャビテーションの発生を防止することができる。さらに、本発明では、制御装置が蒸発器内の冷媒液の液面高さと凝縮器内の冷媒液の液面高さとの間のレベル差を推定しているため、レベルセンサを用いてレベル差を実測する場合に比べ、耐環境性および信頼性を向上させることができるとともに、空気調和装置のコストを低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図圧力比と質量流量の関係を示す圧縮機マップの一例を示す図第１実施形態で行われるレベル差制御のフローチャート本発明の第２実施形態に係る空気調和装置の構成図従来の空気調和装置の構成図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
＜構成＞
図１に、本発明の第１実施形態に係る空気調和装置１Ａを示す。この空気調和装置１Ａは、蒸発器２４、圧縮機２１、凝縮器２２および減圧機構２３を含む、冷媒を循環させる冷媒回路２と、両端が蒸発器２４に接続された第１循環路４と、両端が凝縮器２２に接続された第２循環路５と、制御装置６とを備えている。冷媒回路２、第１循環路４および第２循環路５内には、水またはアルコールを主成分とする冷媒が充填されており、冷媒回路２、第１循環路４および第２循環路５内は大気圧よりも低い負圧状態になっている。

冷媒回路２では、蒸発器２４、圧縮機２１、凝縮器２２および減圧機構２３が流路によってこの順に接続されている。

蒸発器２４は、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる。具体的に、蒸発器２４に貯留された冷媒液は、第１循環路４により第１熱交換器３１を経由して循環させられる。蒸発器２４内では、第１熱交換器３１で加熱されて第１循環路４の下流端から当該蒸発器２４内に戻る冷媒液が減圧条件下で沸騰する。なお、蒸発器２４内に戻る冷媒液は、第１循環路４の下流端から噴霧されてもよい。

第１循環路４は、蒸発器２４から第１熱交換器３１に冷媒液を導く、冷媒液を圧送する第１ポンプ４０が設けられた第１送り路４１と、第１熱交換器３１から蒸発器２４に冷媒液を導く第１戻し路４２とを含む。第１熱交換器３１は、室内または室外に設置され、送風機３２により供給される空気を冷媒液との熱交換により冷却する。

圧縮機２１は、冷媒蒸気を圧縮する。圧縮機２１は、容積型圧縮機であってもよいし、遠心型圧縮機であってもよい。また、圧縮機２１は、多段で構成されていてもよい。

本実施形態では、圧縮機２１に吸入される冷媒蒸気の圧力である低圧側圧力ＰＬ［ｋＰａ］を検出する低圧検出手段として第１圧力センサ６１が蒸発器２４に設けられており、圧縮機２１から吐出された冷媒蒸気の圧力である高圧側圧力ＰＨ［ｋＰａ］を検出する高圧検出手段として第２圧力センサ６２が凝縮器２３に設けられている。ただし、第１圧力センサ６１は、冷媒回路２における蒸発器２４と圧縮機２１の間の部分に設けられていてもよいし、第２圧力センサ６２は、冷媒回路２における圧縮機２１と凝縮器２２の間の部分に設けられていてもよい。

凝縮器２２は、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する。具体的に、凝縮器２２に貯留された冷媒液は、第２循環路５により第２熱交換器３３を経由して循環させられる。凝縮器２２内では、圧縮機２１から吐出された冷媒蒸気が、第２熱交換器３３で冷却されて第２循環路５の下流端から当該凝縮器２２内に戻る冷媒液と直接接触することにより凝縮する。なお、凝縮器２２内に戻る冷媒液は、第２循環路５の下流端から噴霧されてもよい。

第２循環路５は、凝縮器２２から第２熱交換器３３に冷媒液を導く、冷媒液を圧送する第２ポンプ５０が設けられた第２送り路５１と、第２熱交換器３３から凝縮器２２に冷媒液を導く第２戻し路５２とを含む。第２熱交換器３３は、第１熱交換器３１とは逆に室外または室内に設置され、送風機３４により供給される空気を冷媒液との熱交換により加熱する。

第１熱交換器３１および第２熱交換器３３としては、例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器を用いることができる。第１室内熱交換器３１を室内に設置した場合には冷房専用の空気調和装置１Ａが得られ、第２室内熱交換器３３を室内に設置した場合には暖房専用の空気調和装置１Ａが得られる。なお、第１熱交換器３１および第２熱交換器３３のうちの室外に設置される方は、必ずしも空気と冷媒液との間で熱交換を行うものである必要はなく、例えば工業用水などの液体と冷媒液との間で熱交換を行うものであってもよい。

減圧機構２３は、凝縮器２２から蒸発器２４に導かれる冷媒液を減圧する。減圧機構２３は、減圧幅を変更可能な構成を有している。本実施形態では、減圧機構２３として電子膨張弁が採用されている。減圧機構２３は、制御装置６により任意の開度に調整される。

本実施形態では、制御装置６が差圧演算部６３を有している。差圧演算部６３は、減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰ［ｋＰａ］を検出する差圧検出手段として機能する。制御装置６には、第１圧力センサ６１により検出される低圧側圧力ＰＬ、第２圧力センサ６２により検出される高圧側圧力ＰＨおよび圧縮機２１の回転数Ｎｃ［ｒｐｍ］が入力される。差圧演算部６３は、低圧側圧力ＰＬ、高圧側圧力ＰＨおよび圧縮機２１の回転数Ｎｃから減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰを算出する。そして、制御装置６は、低圧側圧力ＰＬ、高圧側圧力ＰＨおよび差圧演算部６３で算出された圧力差ΔＰに基づいて、蒸発器２４内の冷媒液の液面高さと凝縮器２２内の冷媒液の液面高さとの間のレベル差Δｈ［ｍ］を推定し、この推定したレベル差Δｈが所定のレベル差ΔＨ以下となるように減圧機構２３を制御する。なお、基準面（例えば、減圧機構２３を含む水平面）からの蒸発器２４内の冷媒液の液面高さをｈｅ［ｍ］とし、基準面からの凝縮器２２内の冷媒液の液面高さをｈｃ［ｍ］とすると、Δｈ＝ｈｅ−ｈｃである。

＜運転動作＞
次に、本実施形態の空気調和装置１Ａの運転動作について説明する。

蒸発器２４内で気化した飽和状態の冷媒蒸気は、圧縮機２１に吸入されて圧縮されることにより過熱状態となる。圧縮機２１から吐出された冷媒蒸気は、凝縮器２２において、第２熱交換器３３で過冷却された冷媒液と熱交換することで凝縮する。凝縮器２２にて凝縮した冷媒液の大部分は、第２ポンプ５０により第２熱交換器３３へ圧送される。第２熱交換器３３に圧送された冷媒液は、ここで空気に放熱した後に凝縮器２２に戻る。

凝縮器２２にて凝縮した冷媒液の残りは、減圧機構２３により減圧された後に蒸発器２４に導入される。減圧機構２３の開度は、上述したように推定したレベル差Δｈが所定のレベル差ΔＨ以下となるように調整される。例えば、所定のレベル差ΔＨが０ｍに設定されている場合には、Δｈ＞０のとき、つまり、圧縮機２１から吐出された冷媒蒸気の圧力が所定値よりも高いときは、減圧機構２３の開度を小さくする制御がなされる。

蒸発器２４内の冷媒液の大部分は、第１ポンプ４０により第１熱交換器３１へ圧送される。第１熱交換器３１に圧送された冷媒液は、ここで空気から吸熱した後に蒸発器２４に戻る。蒸発器２４内の冷媒液は、減圧条件下での沸騰により蒸発し、気化した冷媒蒸気が圧縮機２１に吸入される。圧縮機２１により冷媒蒸気が再び圧縮されることで、飽和蒸気線および飽和液線に基づく冷凍サイクルが繰り返される。

＜レベル差制御＞
次に、制御装置６が減圧機構２３を制御することにより行われるレベル差制御について説明する。最初に、レベル差制御の原理について説明する。

通常は、蒸発器２４および凝縮器２２にレベルセンサを設け、このレベルセンサによってレベル差Δｈを測定すればよいが、レベルセンサは、信頼性および負圧下での使用時の作動性に問題がある。本実施形態の空気調和装置１Ａでは、上述した低圧側圧力ＰＬ、高圧側圧力ＰＨ、蒸発器２４内の冷媒液の液面高さｈｅ、凝縮器２２内の冷媒液の液面高さｈｃ、および減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰについては、次の式（３）の関係が成り立つ。式中、ρは水の密度［ｋｇ／ｍ³］であり、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ²］である。

式（３）より、レベル差Δｈは式（４）で与えられる。

このため、式（１）とは異なり、減圧機構２３により圧力差ΔＰを設けることでレベル差Δｈを小さくすることが可能となる。

レベル差Δｈを制御するのに必要な条件のうちの高圧側圧力ＰＨおよび低圧側圧力ＰＬは、システムより容易に得ることが出来る。残りの条件である減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰは、例えば差圧センサによって得ることが出来る。しかしながら、差圧センサは高価なため、本実施形態では、減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰを減圧機構２３の圧力−流量特性より求める。ここで、減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）と減圧機構２３を通過する冷媒液の質量流量Ｑの関係は一般的なオリフィス制御弁においては式（５）で表され、圧力差ΔＰは式（６）で与えることができる。式中、αは例えば45.16などの定数であり、Ｇは冷媒液の比重であり、Ｃｖは流量係数である。

ここでは、式（５）および（６）に記載したような減圧機構２３の圧力−流量特性を示す関係式から圧力差ΔＰを求めているが、実験で測定した実測データをマッピングしたテーブルを利用してもよい。この場合、使用するテーブルは制御装置６内、もしくは外部に配置されたメモリ等に格納される。上記操作において重要なことは、圧力差ΔＰと質量流量Ｑの関係を求めることである。

減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰの導出には、減圧機構２３を通過する冷媒液の質量流量Ｑが必要となる。第１熱交換器３１を循環する冷媒液の流量および第２熱交換機３３を循環する冷媒液の流量は一定であるため、減圧機構２３を通過する冷媒液の質量流量Ｑは、圧縮機２１、凝縮器２２、減圧機構２３および蒸発器２４をこの順に通るように冷媒回路２を循環する冷媒の質量流量でもある。冷媒回路２を循環する冷媒の質量流量Ｑは圧縮機３の処理量により求めることが可能であるため、本実施形態では、差圧演算部６３が、冷媒回路２を循環する冷媒の質量流量Ｑを、図２に示す圧縮機マップを使用して求める。必要な情報としては、圧縮機２１の回転数Ｎｃ、圧力比πである。ここで、圧力比πは式（７）により求めることが可能である。

つまり、必要となる情報は、高圧側圧力ＰＨ、低圧側圧力ＰＬ、圧縮機２１の回転数Ｎｃのみとなる。本実施形態では、図２に示したような圧縮機マップを利用したが、質量流量Ｑは、冷凍サイクルとして成立する条件から得られた質量流量Ｑと圧力比πの作動点マップにより求めてもよい。さらに、圧縮機２１の回転数Ｎｃ、高圧側圧力ＰＨ、低圧側圧力ＰＬから、実験で測定した実測データをマッピングしたテーブルや関数を利用してもよい。この場合、使用するテーブルは制御装置６内、もしくは外部に配置されたメモリ等に格納される。上記操作において重要なことは、逐次運転しているポイントでの質量流量Ｑを求めることである。

差圧演算部６３は、冷媒回路２を循環する冷媒の質量流量Ｑを算出した後に、算出した質量流量Ｑを使用して減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰを算出する。制御装置６は、差圧演算部６３により算出された圧力差ΔＰを使用してレベル差Δｈを推定し、推定したレベル差Δｈが所定のレベル差ΔＨ以下、またはある目標レベル差ΔｈＴとなるように減圧機構２３を制御する。

例えば、レベル差Δｈを一定とすべく目標レベル差ΔｈＴが定められている場合には、Δｈ−ΔｈＴ＞０に推移したときは、式（４）により高圧側圧力ＰＨと低圧側圧力ＰＬの圧力差が大きくなっているため、減圧機構２３による減圧幅を大きくする、つまり、減圧機構２３の開度を小さく設定することで、Δｈ−ΔｈＴをゼロに収斂する。逆に、Δｈ−ΔｈＴ＜０に推移したときは、式（４）により高圧側圧力ＰＨと低圧側圧力ＰＬの差圧が小さくなっているため、減圧機構２３による減圧幅を小さくする、つまり、減圧機構２３の開度を大きく設定することで、Δｈ−ΔｈＴをゼロに収斂する。上記操作を逐次繰り返すことで、レベル差Δｈを常に所望のレベル差ΔｈＴに保つことが可能となる。

次に、制御装置６が上述したレベル差制御をどのように実現するかを図３のフローチャートを用いて説明する。

レベル差制御が開始されると、制御装置６は、高圧側圧力ＰＨ、低圧側圧力ＰＬ、圧縮機回転数Ｎｃを取得する（Ｓ１０１）。次に、差圧演算部６３が、高圧側圧力ＰＨと低圧側圧力ＰＬから、式（７）により圧力比πを算出する（Ｓ１０２）。差圧演算部６３は、Ｓ１０２で算出した圧力比πと圧縮機２１の回転数Ｎｃから、図２の圧縮機マップにより冷媒回路２を循環する質量流量Ｑを求める（Ｓ１０３）。さらに、差圧演算部６３は、得られた質量流量Ｑを用いて、式（６）により減圧機構２３を通過する前後の冷媒液の圧力差ΔＰを算出する（Ｓ１０４）。その後、制御装置６は、差圧演算部６３が算出した圧力差ΔＰとＳ１０１で取得した高圧側圧力ＰＨおよび低圧側圧力ＰＬから、式（４）によりレベル差Δｈを求める（Ｓ１０５）。最後に、求めたレベル差Δｈが所定のレベル差ΔＨ以下になるように、例えば、比例・積分（ＰＩ）制御を実施することで、減圧機構２３の開度が調整される（Ｓ１０６）。

所定のレベル差ΔＨは、任意に決定することが可能である。所定のレベル差ΔＨがゼロに設定されれば、レベル差Δｈが解消する。これにより、蒸発器２４の高さを最も低くすることができるとともに、凝縮器２２内の水を循環させるための第２ポンプ５０でのキャビテーションの発生を防止することができ、小型で信頼性の高い空気調和装置１Ａを実現できる。なお、制御装置６が上記フローによって一連の制御を行うタイミングは本システムにおける水位変動の時定数の数十分の一程度でよい。つまり数十ｍｓから数百ｍｓ程度で十分である。

＜効果＞
本実施形態では、低圧側圧力ＰＬと高圧側圧力ＰＨと圧縮機２１の回転数Ｎｃを入力情報とすれば、蒸発器２４内の冷媒液の液面高さｈｅと凝縮器２２内の冷媒液の液面高さｈｃとの間のレベル差Δｈを求めることが可能であることを利用し、そのレベル差Δｈが所定のレベル差ΔＨ以下（特に好ましくはゼロ）になるように減圧機構２３の開度が調整される。これにより、いかなる運転状態においてもレベル差Δｈを小さく抑えることが可能となるため、蒸発器５の高さを小さくすることができる。また、運転中に能力変動が生じたとしても、凝縮器２２内には一定量以上の水が確保されるため、凝縮器２２側の第２ポンプ５０でのキャビテーションの発生を防止することができる。さらに、本実施形態では、制御装置６が蒸発器２４内の冷媒液の液面高さｈｅと凝縮器２２内の冷媒液の液面高さｈｃとの間のレベル差Δｈを推定しているため、レベルセンサを用いてレベル差を実測する場合に比べ、耐環境性および信頼性を向上させることができるとともに、空気調和装置１Ａのコストを低減させることができる。

＜変形例＞
前記実施形態では、第１圧力センサ６１および第２圧力センサ６２により低圧側圧力ＰＬおよび高圧側圧力ＰＨが検出されていたが、本発明の低圧検出手段および高圧検出手段はこれに限られるものではない。例えば、低圧側圧力ＰＬは、圧縮機２１入口の蒸発温度ＴＬから求めてもよい。つまり、本発明の低圧検出手段は、蒸発器２４内の冷媒液もしくは冷媒蒸気の温度または冷媒回路２における蒸発器２４と圧縮機２１の間の冷媒蒸気の温度を検出する蒸発温度センサ、および前記蒸発温度センサにより検出される温度を圧力に換算する演算部で構成されていてもよい。また、高圧側圧力ＰＨは、圧縮機２１出口の凝縮温度ＴＨから求めてもよい。つまり、本発明の高圧検出手段は、凝縮器２２内の冷媒蒸気もしくは冷媒液の温度を検出する凝縮温度センサ、および前記凝縮温度センサにより検出される温度を圧力に換算する演算部で構成されていてもよい。これにより、高価な圧力センサを用いずに、サーミスタや熱電対等の安価な温度センサを用いて低圧側圧力ＰＬおよび高圧側圧力ＰＨを検出することが可能になる。

また、前記実施形態では、差圧演算部６３が圧力比πと圧縮機２１の回転数Ｎｃから冷媒回路２を循環する冷媒の質量流量Ｑを算出しているが、冷媒回路２に当該冷媒回路２を流れる冷媒蒸気または冷媒液の体積流量を検出する流量計を設け、検出された体積流量を質量流量Ｑに換算してもよい。ただし、前記実施形態のような構成であれば、流量計が不要であるために、空気調和装置１Ａのコストを低減させることができる。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態に係る空気調和装置１Ｂを示す。この空気調和装置１Ｂは、室内の冷房と暖房とが切り替え可能な構成を有している。具体的には、第１循環路４および第２循環路５に、第１四方弁７１および第２四方弁７２が設けられている。空気調和装置１Ｂのその他の構成は、第１実施形態の空気調和装置１Ａと同じである。

より詳しくは、第１循環路４の第１送り路４１における第１ポンプ４０よりも下流側部分は第２循環路５の第２送り路５１における第２ポンプ５０よりも下流側部分と交わっており、その交わった位置に第１四方弁７１が配置されている。さらに、第１循環路４の第１戻し路４２は第２循環路５の第２戻し路５２と交わっており、その交わった位置に第２四方弁７２が配置されている。

第１四方弁７１は、本発明の第１切換手段に相当し、実線矢印の向きに冷媒液を流す第１状態と破線矢印の向きに冷媒液を流す第２状態との間で切り換えられる。第１状態では、第１四方弁７１は、第１ポンプ４０から圧送される冷媒液を第１熱交換器３１に導くとともに、第２ポンプ５０から圧送される冷媒液を第２熱交換器３３に導く。第２状態では、第１四方弁７１は、第１ポンプ４０から圧送される冷媒液を第２熱交換器３３に導くとともに、第２ポンプ５０から圧送される冷媒液を第１熱交換器３１に導く。

第２四方弁７２は、本発明の第２切換手段に相当し、実線矢印の向きに冷媒液を流す第１状態と破線矢印の向きに冷媒液を流す第２状態との間で切り換えられる。第１状態では、第２四方弁７２は、第１熱交換器３１から流出する冷媒液を蒸発器２４に導くとともに、第２熱交換器３３から流出する冷媒液を凝縮器２２に導く。第２状態では、第２四方弁７２は、第１熱交換器３１から流出する冷媒液を凝縮器２２に導くとともに、第２熱交換器３３から流出する冷媒液を蒸発器２４に導く。

例えば、第１熱交換器３１を室外に設置し、第２熱交換器３３を室内に設置した場合には、第１四方弁７１および第２四方弁７２をそれぞれ第１状態に切り換えることにより室内の暖房を行うことができ、第１四方弁７１および第２四方弁７２をそれぞれ第２状態に切り換えることにより室内の冷房を行うことができる。

本実施形態においても、低圧側圧力ＰＬと高圧側圧力ＰＨと圧縮機２１の回転数Ｎｃにより、蒸発器２４内の冷媒液の液面高さｈｅと凝縮器２２内の冷媒液の液面高さｈｃとのレベル差Δｈを推定し、推定したレベル差Δｈを所定のレベル差ΔＨ以下にすることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の第１切換手段および第２切換手段のそれぞれは、四方弁に限られるものではなく、例えば一対の三方弁を用いて構成することも可能である。

本発明の空気調和装置は、家庭用エアコン、業務用エアコン等に有用である。

１Ａ，１Ｂ空気調和装置
２冷媒回路
２１圧縮機
２２凝縮器
２３減圧機構
２４蒸発器
３１第１熱交換器
３３第２熱交換器
４第１循環路
４０第１ポンプ
５第２循環路
５０第２ポンプ
６制御装置
６１第１圧力センサ（低圧検出手段）
６２第２圧力センサ（高圧検出手段）
６３差圧演算部（差圧検出手段）
７１第１四方弁（第１切換手段）
７２第２四方弁（第２切換手段）

Claims

水またはアルコールを主成分とする冷媒を循環させる冷媒回路であって、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる蒸発器、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮器、および冷媒液を減圧する、減圧幅が変更可能な減圧機構がこの順に接続された冷媒回路と、
室内または室外に設置される第１熱交換器と、
前記第１熱交換器とは逆に室外または室内に設置される第２熱交換器と、
前記蒸発器に貯留された冷媒液を前記第１熱交換器を経由して循環させる第１循環路と、
前記凝縮器に貯留された冷媒液を前記第２熱交換器を経由して循環させる第２循環路と、
前記圧縮機に吸入される冷媒蒸気の圧力である低圧側圧力を検出する低圧検出手段と、
前記圧縮機から吐出された冷媒蒸気の圧力である高圧側圧力を検出する高圧検出手段と、
前記減圧機構を通過する前後の冷媒液の圧力差を検出する差圧検出手段と、
前記低圧検出手段により検出される低圧側圧力、前記高圧検出手段により検出される高圧側圧力および前記差圧検出手段により検出される圧力差に基づいて、前記蒸発器内の冷媒液の液面高さと前記凝縮器内の冷媒液の液面高さとの間のレベル差を推定し、この推定したレベル差が所定のレベル差以下となるように前記減圧機構を制御する制御装置と、
を備え、
前記第１循環路には、前記蒸発器と前記第１熱交換器の間に第１ポンプが設けられ、前記第２循環路には、前記凝縮器と前記第２熱交換器の間に第２ポンプが設けられている、空気調和装置。
前記差圧検出手段は、前記冷媒回路を循環する冷媒の質量流量から前記減圧機構を通過する前後の冷媒液の圧力差を算出する、請求項１に記載の空気調和装置。
前記差圧検出手段は、前記低圧検出手段により検出される低圧側圧力と前記高圧検出手段により検出される高圧側圧力との圧力比を算出し、この圧力比と前記圧縮機の回転数とから前記冷媒回路を循環する冷媒の質量流量を求める、請求項２に記載の空気調和装置。
前記低圧検出手段は、蒸発器内の冷媒液もしくは冷媒蒸気の温度または前記冷媒回路における前記蒸発器と前記圧縮機の間の冷媒蒸気の温度を検出する蒸発温度センサ、および前記蒸発温度センサにより検出される温度を圧力に換算する演算部を含み、
前記高圧検出手段は、凝縮器内の冷媒蒸気もしくは冷媒液の温度を検出する凝縮温度センサ、および前記凝縮温度センサにより検出される温度を圧力に換算する演算部を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導く第１状態と、前記第１ポンプから圧送される冷媒液を前記第２熱交換器に導き、前記第２ポンプから圧送される冷媒液を前記第１熱交換器に導く第２状態との間で切り換えられる第１切換手段と、
前記第１循環路および前記第２循環路に設けられ、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導く第１状態と、前記第１熱交換器から流出する冷媒液を前記凝縮器に導き、前記第２熱交換器から流出する冷媒液を前記蒸発器に導く第２状態との間で切り換えられる第２切換手段と、
をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気調和装置。