JP6590026B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮する室外凝縮器と、
前記室外凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する冷却膨張弁と、
前記冷却膨張弁で減圧された冷媒を室内空気との熱交換により蒸発させ当該室内空気を冷却・除湿する蒸発器と、
前記圧縮機、前記室外凝縮器、前記冷却膨張弁、及び前記蒸発器をこの順で接続している冷却回路と、
前記冷却回路における前記圧縮機と前記室外凝縮器とを接続する経路から分岐し、前記冷却膨張弁と前記蒸発器とを接続する経路に接続されている再熱経路と、
前記再熱経路において、前記圧縮機で圧縮された冷媒を、前記蒸発器で冷却・除湿された室内空気との熱交換により凝縮させ当該室内空気を加熱する室内凝縮器と、
前記再熱経路において、前記室内凝縮器で凝縮された冷媒を減圧する再熱膨張弁と、
前記冷却膨張弁及び前記再熱膨張弁の開度を制御する制御装置と、を備えており、
前記制御装置は、
前記蒸発器における蒸発温度及び前記蒸発器を通過した後の冷媒の温度に基づいた前記冷却膨張弁のみの開度制御により、前記蒸発器における冷媒循環量を調整して前記蒸発器通過後の冷媒の過熱度を調整する冷却制御部と、
前記再熱膨張弁の開度制御により、前記室内凝縮器における冷媒循環量を調整して室温を調整する再熱制御部と、を備え、
前記再熱膨張弁は、前記冷却膨張弁による過熱度の調整を可能とする前記蒸発器における冷却能力と前記室内凝縮器における再熱能力との比率に基づいて、前記再熱制御部によって制御される開度の上限が設定されている。
上記構成を有する空気調和装置は、冷却膨張弁による過熱度の調整を可能とする、蒸発器における冷却能力と室内凝縮器における再熱能力との比率に基づいて、再熱膨張弁の開度の上限が設定されているので、蒸発器の冷媒循環量に対する室内凝縮器の冷媒循環量の割合が過度に大きくならないように室内凝縮器の冷媒循環量を制限することができ、冷却膨張弁の開度制御による蒸発器の過熱度の調整を適切に行うことが可能となる。
この構成によれば、例えば、運転中に、外部からの熱負荷の減少に応じて蒸発器における冷却能力を低下させた場合に、再熱膨張弁の開度の上限を低く調整し、室内凝縮器における再熱能力をも低下させることができるので、蒸発器の冷却能力に変動が生じたとしても、蒸発器の冷媒循環量に対する室内凝縮器における冷媒循環量の割合が過度に大きくならず、冷却膨張弁の開度制御による過熱度の調整を適切に行うことができる。
この構成によれば、冷却膨張弁を流れる冷媒循環量は、蒸発器の冷却能力と相関があり、再熱膨張弁を流れる冷媒循環量は、室内凝縮器の再熱能力と相関があるので、前記冷却膨張弁を流れる冷媒循環量と前記再熱膨張弁を流れる冷媒循環量との比率に基づいて再熱膨張弁の開度の上限を調整することができる。
この構成によれば、蒸発器を通過する前後の空気の温度差は、蒸発器における冷却能力と相関があり、前記室内凝縮器を通過する前後の空気の温度差は、室内凝縮器における再熱能力と相関がある。したがって、これらの温度差の比率に基づいて再熱膨張弁の開度の上限を調整することができる。また、各温度差は空気温度センサを用いて容易に計測することができるので、再熱膨張弁の開度の上限を調整する操作を簡便に行うことができる。
室内凝縮器の出口における過冷却度が十分に確保できない場合、再熱膨張弁に気液二相冷媒が流入し、室内凝縮器への冷媒循環量が急減少して過熱度の制御が乱れる等の不都合が生じる。
このような不都合に鑑み、上記構成を有する空気調和装置は、再熱制御部が、室内凝縮器の出口の冷媒の過冷却度に応じて再熱膨張弁の開度の制御量を補正し、当該過冷却度を所定値に調整するので、過冷却度を好適に確保することができる。
前記再熱用冷媒配管には、前記再熱用第1開閉弁をバイパスする再熱用バイパス管が接続され、該再熱用バイパス管には前記再熱用第1開閉弁より口径の小さい再熱用第2開閉弁が接続されている。
この構成によれば、再熱除湿モードの運転を開始するときに、再熱用第1開閉弁よりも口径が小さな再熱用第2開閉弁を先に開くことにより、冷却運転中に再熱用冷媒配管に溜まり込んだ液冷媒が再熱用膨張弁を一気に通過しないので、配管の振動や騒音を防止できる。
この構成によれば、再熱除湿モードの運転が終了したときに、再熱用第1開閉弁及び再熱用第2開閉弁を閉じてから所定時間後に上記再熱膨張弁を閉鎖することにより、その間に室内凝縮器内の液冷媒を室内凝縮器から流出させることができる。室内凝縮器から流出した液冷媒は冷却回路の蒸発器で蒸発した後に圧縮機に回収することができる。
[第1の実施の形態]
<空気調和装置の全体構成>
図1は、本発明の一実施の形態に係る空気調和装置を示す概略構成図である。
本実施形態の空気調和装置1は、例えば、食肉工場のように水分を多く含む食肉等の冷却対象が室内に頻繁に出入りするような環境で使用され、室内の温度を一定に維持しつつ除湿をも行う再熱除湿運転が可能な空気調和装置1である。例えば、空気調和装置は1、食肉加工工場の懸肉庫等の冷却対象空間を冷やすために用いられる冷凍装置とされている。
室内機3は、例えば工場等の屋内に配置され、第1膨張弁14と、蒸発器(冷却器)15と、室内凝縮器(再熱器)22と、第2膨張弁23と、室内ファン17と、空気温度センサSa1,Sa2,Sa3と、冷媒温度センサSb1,Sb2,Sb3,Sb4,Sb5と、冷媒圧力センサSc1等を備えている。
また、本実施形態の空気調和装置1は、冷却回路11における、圧縮機12と室外凝縮器13とを接続する経路11aから分岐し、第1膨張弁14と蒸発器15とを接続する経路11bに接続される再熱経路21を備えている。この再熱経路21は、冷却回路11における室外凝縮器13と第1膨張弁14とをバイパスしている。再熱経路21には、室内凝縮器22と第2膨張弁23とが設けられている。したがって、室内凝縮器22及び第2膨張弁23は、室外凝縮器13及び第1膨張弁14と並列に設けられている。再熱経路21は、冷却回路11により冷却された室内空気の温度を上昇させるために機能する。
以上の各センサの検出信号は制御装置30に入力され、制御装置30による各種機器の制御に利用される。なお、空気調和装置1は、以上に説明した全てのセンサを備えている必要はなく、少なくとも後述する制御例において用いられるセンサを備えていればよい。
制御装置30は、冷却制御部31と、再熱制御部32と、上限調整部33としての機能を有している。
冷却制御部31は、冷却膨張弁14の開度を制御することによって蒸発器15における冷媒循環量を調整し、蒸発器15における冷却能力によって室内空気を所望に冷却・除湿するとともに、蒸発器15を通過した冷媒の過熱度を調整するための機能部である。
上述したように、空気調和装置1は、冷却膨張弁14の開度制御によって蒸発器15における冷媒循環量を調整し、蒸発器15を通過した後の過熱度を所定値に調整する。これにより、圧縮機12には液状冷媒が流入せず、圧縮機12が保護される。
一方、蒸発器15には、冷却膨張弁14を通過した冷媒だけでなく、再熱経路21からの冷媒も流入する。再熱経路21から流入する冷媒の循環量は、冷却膨張弁14によって制御することはできないため、再熱経路21からの冷媒循環量が相対的に多くなると冷却膨張弁14による過熱度の調整が困難になる。
<基本制御>
図3は、空気調和装置の基本制御の手順を示すフローチャートである。この基本制御は、再熱膨張弁23の開度の上限を固定とした場合の制御例である。
まず、ステップS1において、蒸発器15の出口における冷媒の温度Tcoが第1冷媒温度センサSb1により検出される。また、ステップS2において、蒸発器15を流れている冷媒の温度Tcmが第2冷媒温度センサSb2により検出される。この冷媒の温度Tcmは、蒸発器15における蒸発温度に相当する。
SH=Tco−Tcm ・・・ (3)
ΔSH=SH−SHm ・・・ (4)
ΔCPls=PID(ΔSH) ・・・ (5)
CPls=CPls(現在値)+ΔCPls ・・・ (6)
そして、ステップS7において、制御装置30は、吸込温度Taを所定の目標値に調整するための再熱膨張弁23の開度RPlsを求める。具体的に、まず、制御装置30は、次式(7)により、現在の吸込温度Taと、目標吸込温度Tamとの差分ΔTaを演算する。
ΔTa=Ta−Tam ・・・ (7)
ΔRPls=PID(ΔTa) ・・・ (8)
RPls=RPls(現在値)−ΔRPls ・・・ (9)
この所定の上限値RMaxは、冷却膨張弁14による過熱度の調整を可能とするような、蒸発器15における冷却能力φC(上記式(1)参照)と、室内凝縮器22による再熱能力φR(上記式(2)参照)との比率に基づいて設定される。つまり、当該比率をξとすると、次の式(10)が満たされるように上限値RMaxが設定される。
ξ・φC=φR ・・・ (10)
そして、ステップS9において制御装置30は、決定された開度RPlsにより再熱膨張弁23の開度を制御する。
上述した基本制御では、再熱膨張弁23の開度の上限値RMaxが固定値とされている。しかし、空気調和装置1の運転中に、室外から侵入する熱等の外負荷の減少に応じて蒸発器15における冷却能力が低下すると、再熱能力が相対的に高くなりすぎ、冷却膨張弁14による過熱度の調整が困難となる場合がある。以下、詳しく説明する。
図4(a)は、再熱膨張弁23の開度を所定の上限値で固定した場合における、外負荷と、空気調和装置における冷却能力と、再熱能力との関係を示しており、上段(I)から下段(III)に向かうに従い、外負荷が減少している。
図5は、空気調和装置の応用制御1の手順を示すフローチャートである。
図5におけるステップS11〜S17、S19、S20は、それぞれ図3におけるステップS1〜S9と略同じである。そして、応用制御例1では、図5におけるステップS18において、再熱膨張弁23の開度の上限を冷却膨張弁14の開度に応じて変更している。
RMax’=ζ・CVc/CVr・CPls ・・・ (11)
蒸発器15における冷却能力及び室内凝縮器における再熱能力は、上記式(1)及び式(2)により表現されるが、他の方法により代替することができる。例えば、次式(12)のように、蒸発器15における冷却能力を、第1空気温度センサSa1で検出した温度t1と、第3空気温度センサSa3で検出した温度t3との差T1(蒸発器15により低下した温度)で代替し、室内凝縮器22における再熱能力を、第2空気温度センサSa2で検出した温度t2と、第3空気温度センサSa3で検出した温度t3との差T2(室内凝縮器22によって上昇した温度)で代替することができる。そして、各温度差T1、T2の比率が所定値α以下となるように、再熱膨張弁23の開度の上限を調整することで、冷却能力の変動に応じて再熱膨張弁23の開度の上限を調整することができる。
T2/T1≦α ・・・ (12)
(ただし、T1=t1−t3、T2=t2−t3)
上述した基本制御や応用制御1においては、再熱膨張弁23の開度の上限を設定し、室内凝縮器22を流れる冷媒の循環量について考慮したものとなっていた。応用制御2では、これらに加えて、室内凝縮器22の出口における過冷却度が適切に確保されるように、再熱膨張弁23の開度を制御するものとなっている。
図6におけるステップS21〜S26は、図3におけるステップS1〜S6と略同様であり、制御装置30は、蒸発器出口温度Tcoと蒸発器中間温度Tcmとから過熱度SHを求め、この過熱度SHを目標値とする冷却膨張弁14の開度CPlsを求めて冷却膨張弁14を操作する。また、ステップS26において、第1空気温度センサSa1により室内機3への室内空気の吸込温度Taが検知される。
SC=Tsl−Trev ・・・ (13)
過冷却度SCが3度よりも大きい場合、過冷却度は十分に確保されていると考えられるので、ステップS31において、過冷却度SCに基づく再熱膨張弁23の調整量dSCPlsを0とし、ステップS34に処理を進める。
dSCPls=γ・{3−max(SC,0)} ・・・ (14)
ここでは、過冷却度SCが0度を超える場合には、閾値「3度」から過冷却度SCを減じ、所定の補正係数γを乗算することによって調整量dSCPlsを求める。過冷却度SCが0度以下の場合には、閾値「3度」に所定の補正係数γを乗算することによって調整量dSCPlsを求める。
図8に示すように、過冷却度SCの計測点でのエンタルピーをhSC、過冷却度SCの計測点での飽和液エンタルピーをhsl、室内凝縮器22の入口のエンタルピーをhriとすると、過冷却度1度相当のエンタルピーhは、次式(15)となる。
h=(hsl−hSC)/SC ・・・ (15)
γ=Cv’×h/(hri−hSC)/Cv×MaxPls ・・・ (16)
ここで、Cv’は現在の再熱膨張弁23の開度に対する流量係数、Cvは、再熱膨張弁23の全開時の流量係数(いわゆるCV値)、MaxPlsは、再熱膨張弁23の全開時のパルス数である。
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る空気調和装置を示す概略構成図である。
この空気調和装置(冷凍装置)1は、図9に示すように、室外機(熱源側ユニット)2と室内機(利用側ユニット)3とを備えている。冷却回路10において、室外機2の室外凝縮器(熱源側熱交換器)13と室内機3の冷却膨張弁14との間には、レシーバ18と冷却用電磁弁25とが設けられている。レシーバ18は、室外機2に設けられ、冷却用電磁弁25は室内機3に設けられている。
本実施形態の空気調和装置(冷凍装置)1では、制御装置30により運転中に冷却モードと再熱除湿モードの切り換え制御が行われる。
例えば、空気調和装置1の起動時は、懸肉庫等の庫内への食肉の搬入に伴って庫内を冷却する必要があるため、図10の冷却・再熱モードと表示している領域のうちの冷却モード(庫内を急速に冷却する冷却プルダウン)の運転が行われる。庫内温度が13℃〜17℃の間は、冷却モードと再熱除湿モードを切り換えながら運転が行われる。
次に、図11のフローチャートに基づいて、上述の運転モードの切り換え動作について、より具体的に説明する。
ステップS41では、空気調和装置1の運転が行われているかどうかの判別が行われる。判別結果が「YES」であって運転している場合は、ステップS42へ進んで蒸発器15の吸込空気温度が17℃以上であるかどうかが判別され、ステップS41の判別結果が「NO」であって運転していない場合は、ステップS43へ進んで停止の処理をしてからステップS41へ戻る。
次に、各モードの運転動作について説明する。各モードにおいて、各種の弁やファンや圧縮機は図12に示す状態に制御される。図12において、「ユニットクーラ」は室内機(利用側ユニット)3を表し、冷凍機は室外機(熱源側ユニット)2を表している。「SV1」は冷却用電磁弁25を、「SV2」は再熱用電磁弁26を、「EV1」は冷却膨張弁14を、「EV2」は再熱膨張弁23を、「MF1」は室内ファン(利用側ファン)17を示している。また、「MF2」は室外ファン(熱源側ファン)16を、「MC」は圧縮機12を、「SV4」は圧力調整用電磁弁27を示している。
冷却モード(サーモオン)の運転では、冷却用電磁弁25は「開」、再熱用電磁弁26は「閉」、冷却膨張弁14は過熱度制御(蒸発器15の出口冷媒の過熱度が目標値になるように開度制御される状態)、再熱膨張弁23は「閉(全閉)」、室内ファン17は大風量(H風量)、室外ファン16と圧力調整用電磁弁27は目標高圧圧力に基づいた制御(高圧制御)、圧縮機12はインバータ制御で目標の運転容量になるように周波数制御される。
再熱除湿モードでは、各種の弁などの制御の一部が冷却モードとは異なる。具体的には、再熱用電磁弁26が「開」に制御され、再熱膨張弁23が吸込空気温度に基づいて制御され、室内ファン17が低風量(L風量)となる。
時間T1において再熱除湿モードの運転を開始すると、そのときに再熱膨張弁23(図13ではEV2と表示)を開く操作を行う。このとき、再熱用第1開閉弁26(図13ではSV2と表示)と再熱用第2開閉弁28(図13ではSV5と表示)は閉じられたままである。
本実施形態によれば、蒸発器15の吸込空気温度が目標温度の範囲内(13℃〜17℃)で且つ吸込空気の相対湿度が目標湿度(45%RH)以上であるときには、庫内空間の温度に対して湿度が比較的高い状態であるため、温度を下げずに湿度を下げるように再熱除湿モードの運転が行われる。一方、蒸発器15の吸込空気温度が目標温度より高いか、または、蒸発器15の吸込空気温度が目標温度の範囲内(13℃〜17℃)で且つ吸込空気の相対湿度が目標湿度未満であると、湿度よりも温度を優先して下げるように冷却モードの運転が行われる。このように、吸込空気の状態に応じて再熱除湿モードと冷却モードが行われるので、庫内空間の湿度や温度を適正値に制御することが可能になる。
例えば、本発明の空気調和装置は、食肉工場に限らず、あらゆる環境下で用いることができる。
11 :冷却回路
11a :経路
11b :経路
12 :圧縮機
13 :室外凝縮器
14 :冷却膨張弁
15 :蒸発器
21 :再熱経路
22 :室内凝縮器
23 :再熱膨張弁
30 :制御装置
31 :冷却制御部
32 :再熱制御部
33 :上限調整部
Claims (9)
- 圧縮機(12)と、
前記圧縮機(12)で圧縮された冷媒を凝縮する室外凝縮器(13)と、
前記室外凝縮器(13)で凝縮された冷媒を減圧する冷却膨張弁(14)と、
前記冷却膨張弁(14)で減圧された冷媒を室内空気との熱交換により蒸発させ当該室内空気を冷却・除湿する蒸発器(15)と、
前記圧縮機(12)、前記室外凝縮器(13)、前記冷却膨張弁(14)、及び前記蒸発器(15)をこの順で接続している冷却回路(11)と、
前記冷却回路(11)における前記圧縮機(12)と前記室外凝縮器(13)とを接続する経路(11a)から分岐し、前記冷却膨張弁(14)と前記蒸発器(15)とを接続する経路(11b)に接続されている再熱経路(21)と、
前記再熱経路(21)において、前記圧縮機(12)で圧縮された冷媒を、前記蒸発器(15)で冷却・除湿された室内空気との熱交換により凝縮させ当該室内空気を加熱する室内凝縮器(22)と、
前記再熱経路(21)において、前記室内凝縮器(22)で凝縮された冷媒を減圧する再熱膨張弁(23)と、
前記冷却膨張弁(14)及び前記再熱膨張弁の開度を制御する制御装置(30)と、を備えており、
前記制御装置(30)は、
前記蒸発器(15)における蒸発温度及び前記蒸発器(15)を通過した後の冷媒の温度に基づいた前記冷却膨張弁(14)のみの開度制御により、前記蒸発器(15)の冷媒循環量を調整して前記蒸発器(15)通過後の冷媒の過熱度を調整する冷却制御部(31)と、
前記再熱膨張弁(23)の開度制御により、前記室内凝縮器(22)の冷媒循環量を調整して室温を調整する再熱制御部(32)と、を備え、
前記再熱膨張弁(23)は、前記冷却膨張弁(14)による過熱度の調整を可能とする前記蒸発器(15)における冷却能力と前記室内凝縮器(22)における再熱能力との比率に基づいて、前記再熱制御部(32)によって制御される開度の上限が設定されている、空気調和装置。 - 前記制御装置(30)は、運転中の前記蒸発器(15)における冷却能力の変動に応じて、前記再熱膨張弁(23)の開度の上限を調整する上限調整部(33)をさらに備えている、請求項1に記載の空気調和装置。
- 前記再熱膨張弁(23)の開度の上限が、前記冷却膨張弁(14)を流れる冷媒循環量と前記再熱膨張弁(23)を流れる冷媒循環量との比率に基づいて調整される、請求項2に記載の空気調和装置。
- 前記再熱膨張弁(23)の開度の上限が、前記蒸発器(15)を通過する前後の空気の温度差と、前記室内凝縮器(22)を通過する前後の空気の温度差との比率に基づいて調整される、請求項2に記載の空気調和装置。
- 前記再熱制御部(32)は、前記室内凝縮器(22)の出口の冷媒の過冷却度に応じて前記再熱膨張弁(23)の開度の制御量を補正し、当該過冷却度を調整する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の空気調和装置。
- 前記制御装置(30)は、前記蒸発器(15)で冷却・除湿した空気を前記室内凝縮器(22)で加熱する再熱除湿モードの運転制御と、前記蒸発器(15)で冷却・除湿した空気が前記室内凝縮器(22)を通過するだけの冷却モードの運転制御とをさらに行うものであり、前記蒸発器(15)の吸込空気温度が目標温度の範囲内で且つ吸込空気の相対湿度が目標湿度以上であるときに前記再熱除湿モードの運転を行い、前記蒸発器(15)の吸込空気温度が目標温度より高いか、または、当該吸込空気温度が目標温度の範囲内で且つ吸込空気の相対湿度が目標湿度未満であるときに冷却モードの運転を行うように構成されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の空気調和装置。
- 前記再熱除湿モードの運転時における前記室内凝縮器(22)の冷媒流入側の再熱用冷媒配管(45)に再熱用第1開閉弁(26)が接続され、前記室内凝縮器(22)の冷媒流出側に前記再熱膨張弁(23)が接続され、
前記再熱用冷媒配管(45)には、前記再熱用第1開閉弁(26)をバイパスする再熱用バイパス管(46)が接続され、該再熱用バイパス管(46)には前記再熱用第1開閉弁(26)より口径の小さい再熱用第2開閉弁(28)が接続されている、請求項6に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置(30)は、前記再熱除湿モードの運転を開始するときに、前記再熱用第1開閉弁(26)を閉鎖した状態で、前記再熱膨張弁(23)を開いてから所定時間後に前記再熱用第2開閉弁(28)を開き、その所定時間後に前記再熱用第1開閉弁(26)を開放する液冷媒除去運転を行うように構成されている、請求項7に記載の空気調和装置。
- 前記制御装置(30)は、前記再熱除湿モードの運転を終了するときに、前記再熱用第1開閉弁(26)及び前記再熱用第2開閉弁(28)を閉じてから所定時間後に前記再熱膨張弁(23)を閉鎖するように構成されている、請求項8に記載の空気調和装置。
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