JP6594126B2 - 冷凍サイクル装置、及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルを利用した空気調和装置や冷凍装置等の冷凍サイクル装置に係り、冷房運転の実施及びその制御方法に関する。

現在の情報化社会において、コンピュータ・電子機器の増加が顕著である。コンピュータ・電子機器は基本的に常時運転しているため、運転中は機器が熱を発する。機器の発熱量が多くなるとコンピュータ・電子機器を設置しているデータセンタやコンピュータ室内の温度が上昇し電子機器の故障に至る可能性がある。そのため、発熱を抑制するため電子機器の冷却を行う必要がある。電子機器を冷却する方法として空気調和機を設置し冷房運転を実施することが主流である。

対人向け空気調和機の冷房運転は、外気温度が高温および室内温度が高温の状態で運転されることが一般的である。機器冷却を行うデータセンタおよびコンピュータ室は機器への水分の付着を回避するため密閉空間で使用されることが多い。そのため、寒冷地または冬季に係らず室内温度は上昇するため、外気温度が低温の場合でも冷房運転を実施するケースがある。外気温度が低温の冷房運転時は室外熱交換量が多く、冷房能力が過大となりやすいため、圧縮機回転数は低回転となる。しかし、圧縮機回転数低下に伴い高圧圧力が低下し圧縮機の使用範囲を逸脱することがある。一方で、予め圧縮機回転数を低下させないようにしてしまうと、外気低温時の冷房運転のような低負荷時の効率が低下する。そのため、対人向け空調機は外気低温時の冷房運転には適さない。また、機器冷却用としての空気調和機は存在するが、機器冷却に適した冷凍サイクル、部品を用いる必要があるため高額な空気調和機となる。そのため、対人向け空調機の容量である１４．０ｋＷ以下の機器冷却用空気調和機が要望されている。先に述べたように対人向け空気調和機は外気低温時の冷房運転には適さないため、外気低温時の冷房運転を行うためには圧縮機の使用範囲を逸脱しない圧力制御が必須となる。

空気調和機のサイクル機器を保護するための圧力制御を用いた空気調和機として、例えば特開２０１０−２１０１９８号公報（特許文献１）にあるような空気調和機が知られている。特許文献１では、高圧圧力上昇保護もしくは低圧圧力低下保護を目的とし、高圧圧力が上昇、または低圧圧力が低下した場合の圧縮機回転数制御を提案している。

特開２０１０−２１０１９８号公報

特許文献１では高圧圧力が上昇、もしくは低圧圧力が低下した場合の圧縮機回転数制御を提案しているが、外気低温時のような高圧圧力が低下した場合を考慮した制御は提案されていない。また、凝縮温度および蒸発温度にて検知した値において圧縮機回転数制御を実施しているが、室外ファン回転数および外気温度を使用した制御は提案されていない。

従来、外気低温時の冷房運転は冷房能力が過大となりやすいため、圧縮機回転数低下に伴う吐出圧力低下により圧縮機の使用範囲を逸脱していたが、本発明は、外気低温時の冷房運転において通常の効率を低下させず圧縮機の使用範囲を逸脱しないことを可能とする冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を達成するために、その一例を挙げるならば、圧縮機、四方弁、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置であって、圧縮機の回転数制御を行う制御装置と、外気温度を検知する温度検知手段を備え、制御装置は、圧縮機を所定の上限値および下限値の範囲で回転数制御し、温度検知手段で検知した外気温度が所定以下となった場合に下限値を高くするように制御する。

本発明によれば、対人向け空気調和機の外気低温時の冷房運転においても通常の効率を低下させず、また、圧縮機の使用範囲を逸脱せず冷房運転が可能となる。

実施例１における空気調和装置の室外機側の構成を示す構成図である。 実施例１における圧縮機回転数と外気温度の関係を示す特性図である。 実施例２における外気温度、検知圧力および室外ファン回転数を使用した制御手段のフローチャートである。

本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含まれる。

本実施例は冷凍サイクル装置である空気調和装置について図１を用いて説明する。図１は、空気調和装置５０の室外機５１側の構成を示している。ここで、本実施例では外気低温時の冷房運転を実施することを前提としている。

図１において、１は圧縮機であり、この圧縮機１は冷媒配管を介して四方弁２に接続されている。四方弁２は圧縮機１とガス阻止弁１１、或いは室外熱交換器３の接続を切り替える機能を備えている。室外熱交換器３には室外ファン２３が設けられており、冷媒と外部の空気との間で熱交換するもので、冷房運転では冷媒の熱を外部空気に排出する。

また、室外熱交換器３には冷媒配管を介して室外膨張弁４が接続されており、室外膨張弁４は更に液阻止弁１２と接続されている。ガス阻止弁１１と液阻止弁１２はガス接続配管、及び液接続配管によって室内機(図示せず)側と接続されている。

冷房運転時は、高圧圧力は圧力検出手段である高圧圧力センサ２４及び室外熱交換器の液側温度センサ２５のいずれかによって圧力を算出または推定する。算出された高圧圧力を元にサイクル制御を実施する。サイクル制御は制御装置１６にて行う。外気温度は温度検知手段である外気温度センサ２６にて検知する。

冷凍サイクルの基本構成は図１となるが、詳細な制御方法は図２にて説明する。

外気低温時の冷房運転は冷房能力が過大となりやすいため圧縮機回転数は低回転となる。低回転となった場合は高圧圧力が低下し圧縮機の使用範囲を逸脱する。予め低回転とならないよう圧縮機回転数の下限値を設定し制御する方法があるが、外気低温時の冷房運転のような低負荷時の場合は、予め設定する下限値を上げておくと必要以上に冷房能力を出すために効率が低下してしまう。そのため、通常運転の効率を低下させず高圧圧力を上昇させ圧縮機の使用範囲を逸脱しないようにする必要がある。

図２に圧縮機回転数と外気温度の関係のグラフを示す。例えば、外気温度Ｔ１までは通常運転の下限周波数ｆＬ１としても高圧圧力が圧縮機の使用範囲を逸脱しないとする。この場合は外気温度Ｔ１までは通常運転の下限周波数ｆＬ１を変更する必要はない。しかし、外気温度Ｔ１未満において圧縮機の使用範囲を逸脱するとした場合、外気温度Ｔ１未満は高圧圧力を上昇させる必要がある。そのため、外気温度Ｔ１未満となった場合は、圧縮機の使用範囲を逸脱しない下限周波数として、図２に示すような外気温度低下に対応して下限周波数を上昇させる。また、外気温度の低下に伴い室外熱交換量は増加し、高圧圧力は低下しやすくなる。そのため、更に外気温度Ｔ２を設け、外気温度Ｔ２に対応した下限周波数ｆＬ２を設定する。図２に示す太い実線が下限周波数の変化を示している。これにより、圧縮機回転数は、図２に示す太い破線のように、外気温度がＴ１より高い状態では、外気温度が低下するに従い、必要とする冷房能力は減少するので低下し、外気温度がＴ０になると下限周波数ｆＬ１に従ってｆＬ１となり、Ｔ０からＴ１まではｆＬ１一定となる。そして、外気温度Ｔ１からさらに外気温度が低下すると下限周波数の上昇に伴い圧縮機回転数は増加し、外気温度Ｔ２になると下限周波数ｆＬ２に従ってｆＬ２となる。

このように、外気低温時の冷房運転においては通常運転の下限周波数ｆＬ１以上に下限周波数を上昇させることで高圧圧力を上昇させ、図２に示す圧縮機使用範囲領域に制限することで圧縮機の使用範囲を逸脱することを回避でき、各々の外気温度で下限周波数を変更することにより低負荷時の効率が低下することなく冷房運転が可能となる。

また、下限周波数は上限周波数ｆｕ（図２に示す太い一点鎖線）に対し５０％以下となるようにし、低負荷時の高圧過昇を併せて抑制する。例えば、上限周波数ｆｕが１００Ｈｚであれば、下限周波数は５０Ｈｚ以下とすることで、省エネ性を確保できる。

以上のように、本実施例は、圧縮機、四方弁、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置であって、圧縮機の回転数制御を行う制御装置と、外気温度を検知する温度検知手段を備え、制御装置は、圧縮機を所定の上限値および下限値の範囲で回転数制御し、温度検知手段で検知した外気温度が所定以下となった場合に下限値を高くするように制御する。

また、制御装置は、温度検知手段で検知した外気温度が所定温度Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２（Ｔ０＞Ｔ１＞Ｔ２）としたとき、温度Ｔ０以上は外気温度の低下に従って圧縮機の回転数を減少し、Ｔ０とＴ１間は一定回転数とし、Ｔ１とＴ２間は外気温度の低下に従って圧縮機の回転数を増加させるように制御する。

また、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮した冷媒と外部の空気との間で熱交換を行う熱交換器を有する冷凍サイクル装置の制御方法であって、圧縮機は所定の上限値および下限値の範囲で回転数制御され、外気温度が所定以下となった場合に下限値を高く設定するように制御する。

これにより、対人向け空気調和機の外気低温時の冷房運転においても通常の効率を低下させず、また、圧縮機の使用範囲を逸脱せず冷房運転が可能となる。

実施例１では外気温度のみで下限周波数を変更したが、本実施例では室外ファン回転数および高圧圧力を考慮した制御方法について説明する。

すなわち、外気低温時の冷房運転において室外ファン回転数が高い場合は室外熱交換量が多くなり凝縮圧力が低下する。そのため、室外ファン回転数を低下させることにより凝縮圧力上昇および高圧圧力を上昇させるが、室外ファン回転数のみでは高圧圧力を上昇できないケースがある。その場合、下限周波数を上昇させ高圧圧力を上昇させる。

図３は、本実施例の外気温度、検知圧力および室外ファン回転数を使用した制御手段のフローチャートである。図３において、まず通常の冷房運転からスタートし、ステップＳ１において外気温度を検出し、予め設定した外気温度Ｔ１に対し外気温度≧Ｔ１の場合はスタート時の状態に戻り、外気温度＜Ｔ１の場合は次ステップへ進む。ステップＳ２では、検知した圧力が圧縮機の使用範囲外かを確認する。圧縮機の使用範囲外でない場合はスタート時の状態に戻り外気温度を再度検知する。検知圧力が圧縮機の使用範囲外である場合は次ステップに進む。ステップＳ３では高圧圧力を上昇させるため室外ファン回転数を低下させる。ステップＳ４では室外ファン回転数を確認し、室外ファン回転数が下限より高い場合はスタート時の状態に戻り、室外ファン回転数が下限の場合はステップＳ５に進み下限周波数を上昇させる。下限周波数は上限周波数に対し５０％以下となるようにし、低負荷時の高圧圧力を併せて抑制する。その後はスタート時の状態に戻り各々のステップにて状態を確認する。以上のステップを繰り返すことにより圧縮機の使用範囲外となる運転を回避することが可能となる。

以上のように、本実施例は、圧縮機、四方弁、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置であって、圧縮機の回転数制御を行う制御装置と、外気温度を検知する温度検知手段と、吐出圧力を検知する圧力検出手段と、室外ファンを備え、制御装置は、圧縮機を所定の上限値および下限値の範囲で回転数制御し、温度検知手段で検知した外気温度が所定以下となった場合に、室外ファンの回転数が所定以下となり圧力検出手段で検知した吐出圧力が所定の圧力以下となった場合に下限値を高くするように制御する。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１…圧縮機、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…室外膨張弁、１１…ガス阻止弁、１２…液阻止弁、１６…制御装置、２３…室外ファン、２４…高圧圧力センサ、２５…液側温度センサ、２６…外気温度センサ、５０…空気調和装置、５１…室外機

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置であって、
   前記圧縮機の回転数制御を行う制御装置と、
   外気温度を検知する温度検知手段を備え、
   前記制御装置は、前記圧縮機を所定の上限値および下限値の範囲で回転数制御し、前記温度検知手段で検知した外気温度が所定以下となった場合に前記下限値を高くし、
   さらに、吐出圧力を検知する圧力検出手段と、
   室外ファンを備え、
   前記制御装置は、前記室外ファンの回転数が所定以下となり前記圧力検出手段で検知した吐出圧力が所定の圧力以下となった場合に前記下限値を高くすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１に記載の冷凍サイクル装置であって、
   前記下限値は前記上限値の５０％以下となるように制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機、四方弁、室外膨張弁、室外熱交換器を冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した冷凍サイクル装置であって、
   前記圧縮機の回転数制御を行う制御装置と、
   外気温度を検知する温度検知手段を備え、
   前記制御装置は、前記温度検知手段で検知した外気温度が所定温度Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２（Ｔ０＞Ｔ１＞Ｔ２）としたとき、温度Ｔ０以上は外気温度の低下に従って前記圧縮機の回転数を減少し、Ｔ０とＴ１間は一定回転数とし、Ｔ１とＴ２間は外気温度の低下に従って前記圧縮機の回転数を増加させるように制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項３に記載の冷凍サイクル装置であって、
   前記制御装置は、外気温度が前記温度Ｔ２以下のときには一定回転数となるように前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。

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