JP6047381B2 - 空調機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮サイクルとポンプサイクルとを適宜、切り替え可能な空調機に係り、特にポンプサイクルの運転比率を高める制御手段を備えた空調機に関する。

圧縮機を使用して冷媒を循環させる圧縮サイクルと、冷媒ポンプを使用して冷媒を循環させるポンプサイクルを、適宜、切り替えて運転可能な冷媒循環回路（以下、併用冷凍サイクルという）を備えた空調機が公知である。このような空調機においては、夏期等の外気温が高いときは圧縮サイクルにより運転し、冬期等の外気温が低いときはポンプサイクルにより運転することができ、圧縮サイクルのみの通常の空調機と比較して消費電力が少なく、省エネルギー性に優れた空調機といえる。
また、間接外気冷房方式であるため外気の空気質の影響を受けにくく、データセンター空調に適した空調機である。

本願出願人は、このような併用冷凍サイクルにおける圧縮サイクル⇔ポンプサイクルの切り替え条件に関して、外気温と室温との温度差、圧縮サイクルにおける冷房能力、圧縮機周波数等に基づき判定することを内容とする運転制御技術を開示している（特許文献１）。

特開２００２−６１９１８号公報

通常、併用冷凍サイクル空調機は、イニシャルコストを考慮して、従来の圧縮サイクル空調機やＡＨＵ空調機と併設して運用されるケースが多い。この場合、信頼性を確保するため、中央制御ではなく個別分散制御（個々の空調機を独立に能力制御）を採用することが多い。
しかしながら個別分散制御によれば、ポンプサイクルに切り替わった併用冷凍サイクル空調機と、従来タイプ空調機の負荷分担が成り行きとなるため、ポンプサイクルによる高効率運転可能な併用冷凍サイクル空調機の負荷分担が小さく、効率的に劣る圧縮サイクル空調機等の負荷分担が大きくなるケースでは、全体として省エネ性向上が図れないという問題がある。

本発明は、併用冷凍サイクルを備えた空調機において、上記各課題を解決するためのものであって、以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る併用冷凍サイクル空調機は、
（１）他の圧縮式空調機等と共に空調対象空間に設置される併用冷凍サイクル空調機であって、
圧縮機と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に冷媒を循環させる圧縮サイクルと、
冷媒ポンプと、該室内機と、該室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に該冷媒を循環させるポンプサイクルと、を備え、
所定のサイクル切替条件に従って、２つのサイクルを切り替えて運転可能な空調機（以下、併用冷凍サイクル空調機という）であって、
圧縮サイクル運転時において、
室内機吹き出し温度（Ｔｂ）を、設定値（Ｔｙ）に維持するように稼働する手段と、
ポンプサイクル運転時において、
該吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持するように稼働する手段と、
を、さらに備え、
ポンプサイクル運転比率を高めることにより、前記他の圧縮式空調機等に対して優先的に空調負荷分担されるように構成したことを特徴とする

本発明において、「圧縮サイクル」とは、圧縮機、蒸発器、凝縮器、膨張弁及びこれらを結ぶ冷媒配管により構成され、以下の冷媒循環によりヒートポンプサイクルを形成するものである。すなわち、圧縮機で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管内流れ凝縮器に導かれ、ここで外気と熱交換して冷却凝縮される。凝縮した液冷媒は、膨張弁を通過する際に断熱膨張し、低圧の液ガス並存状態となって蒸発器に導かれる。ここで冷房対象である室内空気から熱を奪って自らは蒸発し、低圧冷媒ガスとなって冷媒配管を介して圧縮機に戻る。

また、「ポンプサイクル」とは、冷媒ポンプ、蒸発器、凝縮器及びこれらを結ぶ冷媒配管により構成され、以下の冷媒循環によりヒートポンプサイクルを形成するものである。すなわち、冷媒は凝縮器において外気と熱交換して冷却され、液状態で冷媒ポンプに導かれ、ここで昇圧されて蒸発器に導かれる。ここで冷房対象である室内空気から熱を奪って蒸発し、冷媒ガスとなって凝縮器に戻る。

「併用冷凍サイクル」とは、これら２つのサイクルを同一冷媒配管及びバイパス配管により構成し、三方弁又は切り替え弁により冷媒循環経路を変更可能とすることにより実現するものである。

（２）他の圧縮式空調機等と共に空調対象空間に設置される併用冷凍サイクル空調機であって、
圧縮機と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に冷媒を循環させる圧縮サイクルと、
冷媒ポンプと、該室内機と、該室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に該冷媒を循環させるポンプサイクルと、を備え、
所定のサイクル切替条件に従って、２つのサイクルを切り替えて運転可能な空調機（以下、併用冷凍サイクル空調機という）であって、
圧縮サイクル運転時において、
室内機吸込み温度（Ｔｒ）を、設定値（Ｔｕ）に維持するように稼働する手段と、
ポンプサイクル運転時において、
該吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持するように稼働する手段と、
を、さらに備え、
ポンプサイクル運転比率を高めることにより、前記他の圧縮式空調機等に対して優先的に空調負荷分担されるように構成したことを特徴とする。

（３）上記（１）、（２）の発明において、前記吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持、又は、前記吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持する手段が、前記冷媒ポンプの循環量を制御する手段であることを特徴とする。

（４）上記（１）、（２）の発明において、前記吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持、又は、前記吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持する手段が、前記室外機の送風機風量を制御する手段であることを特徴とする。

上記各発明によれば、併用サイクルを備えた空調機のポンプサイクル運転時間を長くすることができるため、特に通常の圧縮式空調機やＡＨＵ空調機と併用して運転する空調システムにおいて、併用サイクル空調機の負荷分担を優先して運転することができるため、省エネ性に優れた空調システムの構築が可能になるという効果がある。

また、下限設定を設けたことにより、室内温度が過剰に下がりすぎる状態（過冷却）を回避することができるため、室内における結露防止や、余分なエネルギー消費の抑制が可能になるという効果がある。

第一の実施形態に係る空調機１の構成を示す図である。 空調機１の圧縮サイクル運転時における冷媒循環の態様を示す図である。 空調機１のポンプサイクル運転時における冷媒循環の態様を示す図である。 第一の実施形態のサイクル切替制御、及び、ポンプサイクル運転時における室内機送風量制御フローを示す図である。 第二の実施形態に係る空調機２０の構成を示す図である。 第二の実施形態のサイクル切替制御、及び、ポンプサイクル運転時における冷媒ポンプ流量制御フローを示す図である。

以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１乃至１１を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
本実施形態は、室外機送風量制御によりポンプサイクルによる運転比率の拡大を図る制御形態に関する。
本実施形態に係る併用サイクル空調機１は、図示を省略するが、他の通常の圧縮式空調機又はＡＨＵ空調機と共に空調対象空間に設置されている。
図１を参照して、本実施形態に係る空調機１において、圧縮サイクル回路は、圧縮機７、蒸発器５、凝縮器６、膨張弁８及び冷媒配管１０により構成されている。

また、ポンプサイクル回路は、冷媒ポンプ９、減圧弁として機能する膨張弁８、冷媒配管１０及び一部分岐するバイパス配管１１ａ、１１ｂ、分岐用三方弁１２ａ、１２ｂにより構成されている。冷媒配管（含バイパス配管）内部には冷媒が充填されており、冷凍サイクルに従って冷媒が気体又は液体状態で循環するように構成されている。蒸発器５には、室内還気を吸い込んで蒸発器５と熱交換させるための室内側送風機１５が、凝縮器６には外気を吸い込んで凝縮器６と熱交換させるための室外側送風機１６が、それぞれ付設されている。

蒸発器５、圧縮機７、膨張弁８、室内側送風機１５は、一体として室内機３内部に格納されている。同様に、両系統の凝縮器６、室外側送風機１６は一体として室外機４内部に格納されている。室内機３の吹出し部近傍には温度センサＳ２が、室外機４の外気吸込部近傍には温度センサＳ１が、それぞれ配設されている。各センサの計測値は制御部１４に取り込まれ、後述するように両系統のサイクル切り替え及びポンプサイクル運転時の室外機風量を制御するように構成されている。

次に図２（ａ）、２（ｂ）を参照して、空調機１の圧縮サイクル運転時及びポンプサイクル運転時における冷媒循環の態様について説明する。
圧縮サイクル運転時において、冷媒は図２（ａ）の太線経路により循環する。圧縮機７で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管１０内を流れて凝縮器６に導かれ、ここで外気と熱交換して冷却凝縮される。凝縮した液冷媒は、膨張弁８を通過する際に断熱膨張し、低圧の液ガス並存状態となって蒸発器５に導かれる。ここで冷房対象である室内空気から熱を奪って自らは蒸発し、低圧冷媒ガスとなって冷媒配管１０を介して圧縮機７に戻る。

また、ポンプサイクル運転時には、冷媒は図２（ｂ）の太線経路を辿り冷媒配管１０及びバイパス配管１１ａ、１１ｂ内を循環する。すなわち、凝縮器６において冷媒は、外気との熱交換により冷却され、液状態でバイパス配管１１ａを経由して冷媒ポンプ９に導かれる。ここで昇圧され、減圧弁として機能する膨張弁８を経由して蒸発器５に導かれる。ここで冷房対象である室内空気から熱を奪って蒸発し、冷媒ガスとなって冷媒配管１０、バイパス配管１１ｂを経由して凝縮器６に戻る。
なお、上記サイクルの切り替えは、制御部１４の指令による三方弁１２ａ、１２ｂの流路切り替え操作により行われる。

空調機１のサイクル切替制御及びポンプサイクル運転時の室外機風量は、制御部１４の指令に基づいて行われる。制御部１４は、センサＳ１、Ｓ２から送られる温度情報に基づいて、以下の運転制御実行を指令するように構成されている。制御部１４とセンサＳ１、Ｓ２、室内側送風機１５、室外側送風機１６、圧縮機７、冷媒ポンプ９、三方弁１２ａ、１２ｂ等の主要構成要素間は、信号線１４ｂを介して接続されており、以下の制御に必要な情報の授受、運転指令を可能に構成されている。

空調機１は以上のように構成されており、次に図３をも参照して、本実施形態における行われるサイクル切替制御、及び、ポンプサイクル運転時における室外機送風量制御フローについて説明する。なお、以下の制御は制御部１４からの指令により所定の時間間隔で行われる。
初期状態において、サイクル切替条件は温度センサＳ１により計測される外気温（≒室外機吸い込み温度）（Ｔｏ）が、閾値温度Ｔｘ以下か否かに設定されている（Ｓ１０１）。ここでは、現在、ポンプサイクル運転状態にある場合（Ｓ１０１においてＹ）を想定する（Ｓ１０２）。

まず、温度センサＳ２により、所定の時間間隔で室内機吹き出し温度（Ｔｂ）が計測される（Ｓ１０３）。次に、室内機吹き出し温度（Ｔｂ）が、下限閾値温度（Ｔｚ）から一定範囲（Ｔｚ＋α≧Ｔｂ≧Ｔｚ−α）に維持されているか否かの判定が行われる（Ｓ１０４）。なお、±αはハンチング回避のための調整値である。
一定範囲に維持されている場合には（Ｓ１０４においてＹ）、現状ファン回転数が維持される（Ｓ１０６）。
Ｔｂ＞Ｔｚ＋αの場合には、空調機１のポンプサイクル運転による負荷分担を可能な限り大きくするため、室外機ファン回転数を最大に至るまで段階的に増加させる（Ｓ１０５）。
また、Ｔｂ＜Ｔｚ−αの場合には、室内温度が過剰に下がりすぎる状態（過冷却）を回避するため、最小回転数に至るまで室外機ファン回転数を段階的に減少させる（Ｓ１０７）。

その後、Ｓ１０１においてＮ、Ｔｏ＞Ｔｘの状態に至った場合には圧縮サイクル運転に切り替えられ（Ｓ１０８）、吹き出し温度一定制御（例えばＴｂ＝１８℃）により運転される（Ｓ１０９）。

なお、本実施形態ではサイクル切替条件として、外気温（Ｔｏ）に基づく例を示したが、外気温と室内温度（Ｔｉ）との温度差（ΔＴ＝Ｔｏ−Ｔｉ）に基づいて変更する態様とすることもできる。

また、サイクル切替条件閾値として空調機設置条件に関わらず、同一温度値（Ｔｘ）とする例を示したが、例えば室外機から冷媒ポンプまでの冷媒配管延長により、設定閾値を変更可能とする態様とすることもできる。

（第二の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、冷媒ポンプ流量制御によりポンプサイクルによる運転比率の拡大を図る制御形態に関する。

本実施形態の構成構成が上述の空調システム１と異なる点は、空調システム１では、室内機３の吹出し部近傍に温度センサＳ２が配設されているのに対して、空調システム２０では、室内還気吸込部近傍に温度センサＳ２１が配設されていることである。その他の構成は空調システム１と同一であるので、重複説明を省略する。

次に、図５を参照して、本実施形態におけるサイクル切替制御フローについて説明する。Ｓ２０１−Ｓ２０２については、第一の実施形態のＳ１０１−Ｓ１０２のフローと同一である。

次に、温度センサＳ２１により、所定の時間間隔で室内機吸込み温度（Ｔｒ）が計測される（Ｓ２０３）。次いで、吸込み温度（Ｔｒ）が下限閾値温度（Ｔｖ）から一定範囲（Ｔｖ＋β≧Ｔｂ≧Ｔｖ−β）に維持されているか否かの判定が行われる（Ｓ２０４）。なお、±βはハンチング回避のための調整値である。
一定範囲に維持されている場合には（Ｓ２０４においてＹ）、現状冷媒ポンプ流量が維持される（Ｓ２０６）。

Ｔｒ＞Ｔｖ＋βの場合には、空調機２０のポンプサイクル運転による負荷分担を可能な限り大きくするため、冷媒ポンプ回転数を最大に至るまで段階的に増加させる（Ｓ２０５）。
また、Ｔｒ＜Ｔｚ−βの場合には、室内温度が過剰に下がりすぎる状態（過冷却）を回避するため、最小流量に至るまで冷媒ポンプ流量を段階的に減少させる（Ｓ２０７）。

その後、Ｓ２０１においてＮ、Ｔｏ＞Ｔｘの状態に至った場合には圧縮サイクル運転に切り替えられ（Ｓ２０８）、室内機吸込み温度一定制御（例えばＴｒ＝２５℃）により運転される（Ｓ２０９）。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず、併用冷凍サイクル空調機を備えた空調システムに広く適用可能である。

１・・・・空調機
３・・・・室内機
４・・・・室外機
５・・・・蒸発器
６・・・・凝縮器
７・・・・圧縮機
８・・・・膨張弁（減圧弁）
９・・・・冷媒ポンプ
１０・・・冷媒配管
１１ａ、１１ｂ・・・バイパス配管
１２ａ、１２ｂ・・・分岐用三方弁
１５・・・室内側送風機
１６・・・室外側送風機
１９・・・制御部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２１・・・温度センサ

Claims (4)

1. 他の圧縮式空調機等と共に空調対象空間に設置される併用冷凍サイクル空調機であって、 圧縮機と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に冷媒を循環させる圧縮サイクルと、
   冷媒ポンプと、該室内機と、該室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に該冷媒を循環させるポンプサイクルと、を備え、
   所定のサイクル切替条件に従って、２つのサイクルを切り替えて運転可能な空調機（以下、併用冷凍サイクル空調機という）であって、
   圧縮サイクル運転時において、
   室内機吹き出し温度（Ｔｂ）を、設定値（Ｔｙ）に維持するように稼働する手段と、
   ポンプサイクル運転時において、
   該吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持するように稼働する手段と、
   を、さらに備え、
   ポンプサイクル運転比率を高めることにより、前記他の圧縮式空調機等に対して優先的に空調負荷分担されるように構成したことを特徴とする併用冷凍サイクル空調機。
2. 他の圧縮式空調機等と共に空調対象空間に設置される併用冷凍サイクル空調機であって、
   圧縮機と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に冷媒を循環させる圧縮サイクルと、
   冷媒ポンプと、該室内機と、該室外機と、を含む回路により構成され、これら要素間に該冷媒を循環させるポンプサイクルと、を備え、
   所定のサイクル切替条件に従って、２つのサイクルを切り替えて運転可能な空調機（以下、併用冷凍サイクル空調機という）であって、
   圧縮サイクル運転時において、
   室内機吸込み温度（Ｔｒ）を、設定値（Ｔｕ）に維持するように稼働する手段と、
   ポンプサイクル運転時において、
   該吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持するように稼働する手段と、
   を、さらに備え、
   ポンプサイクル運転比率を高めることにより、前記他の圧縮式空調機等に対して優先的に空調負荷分担されるように構成したことを特徴とする併用冷凍サイクル空調機。
3. 前記吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持、又は、前記吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持する手段が、前記冷媒ポンプの循環量を制御する手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の併用冷凍サイクル空調機。
4. 前記吹き出し温度（Ｔｂ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｙ）より低い所定の閾値（Ｔｚ）近傍に維持、又は、前記吸込み温度（Ｔｒ）を、圧縮サイクル運転時における設定値（Ｔｕ）より低い所定の閾値（Ｔｖ）近傍に維持する手段が、前記室外機の送風機風量を制御する手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の併用冷凍サイクル空調機。
   

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