JP7055239B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱源機を備えた空気調和装置に関する。
従来、1台または複数台の室外機に複数台の室内機が接続され、室内機毎に冷房運転または暖房運転を選択できる空気調和装置がある。この空気調和装置は、圧縮機の吸入圧力および吐出圧力がそれぞれの目標値に一致するように圧縮機を制御することで、室外機の熱交換器の熱交換量を制御する。例えば、空気調和装置は、複数台の室内機のうち、半数以上の室内機が冷房運転を行い、残りの室内機が暖房運転を行う冷房主体運転で、吐出圧力が目標値になるように室外機の熱交換器の熱交換量を制御し、吸入圧力が目標値になるように圧縮機を制御する。
冷房主体運転を行うことができる空気調和装置の一例が特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された空気調和装置の室外機には、流量制御装置を備えたバイパス回路が熱交換器と並列に設けられている。この空気調和装置は、バイパス回路の流量制御装置の開度を制御することで、室外機の熱交換器の熱交換量を制御する。
国際公開第2013/111176号
冷房主体運転時には、冷房運転を行う室内機の熱交換器において結露水が凍結しないように、室外機に設けられた温度計が検出する外気温度に基づいて吸入圧力の目標値を決めて圧縮機を制御することが行われる。冷房主体運転では、外気温度は室外機の熱交換器における熱交換量に影響し、室外機の熱交換器の熱交換量は圧縮機の吸入と吐出との圧力差に影響を及ぼすからである。
例えば、外気温度が低い場合、圧縮機の吸入圧力が低下しやすくなるため、吸入圧力の目標値が高く設定される。その際、冷房運転を行う室内機の熱交換器における結露水の凍結を防げるが、圧縮機の運転周波数は低い周波数に制御される。その結果、圧縮機の吐出圧力が十分に上昇せず、冷房対象の空間への影響は小さいが、暖房対象の空間が暖まらなくなってしまう。
特許文献1の空気調和装置は、外気温度が低く、圧縮機の吐出圧力が低下すると、圧縮機の吸入と吐出との圧力差を大きくするために、バイパス回路の流量制御装置を制御して熱交換器の熱交換量を調整する。しかし、冷房運転を行う室内機の熱交換器に流れ込む冷媒の量を減らすことにはならず、蒸発温度が凍結温度に近づいてしまう。その結果、特許文献1の空気調和装置は、圧縮機の運転周波数を下げるか、圧縮機を停止せざるを得なくなり、暖房対象の空間が暖まらなくなってしまう。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷房主体運転時に暖房対象の部屋が暖まらなくなることを防止する空気調和装置を提供するものである。
本発明に係る空気調和装置は、圧縮機および熱源側熱交換器を備えた熱源側ユニットと、負荷側熱交換器および流量制御装置をそれぞれ備えた複数の負荷側ユニットと、前記熱源側ユニットが生成する熱源を前記複数の負荷側ユニットに分配する中継機と、前記熱源側ユニットと前記中継機とを接続し、前記中継機から前記熱源側ユニットに冷媒が流通する第1冷媒配管と、前記熱源側ユニットと前記中継機とを接続し、前記第1冷媒配管を流通する冷媒の圧力よりも高い圧力の冷媒が前記熱源側ユニットから前記中継機に流通する第2冷媒配管と、前記圧縮機に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力計と、前記中継機における前記第1冷媒配管に設けられ、前記第1冷媒配管を流通する冷媒の温度を検出する中継温度計と、外気温度を検出する外気温度計と、前記吸入圧力計によって検出される前記吸入圧力が目標吸入圧力に一致するように前記圧縮機を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記複数の負荷側ユニットにおいて暖房運転および冷房運転が混在し、暖房負荷に比べて冷房負荷が大きい冷房主体運転モードである場合、前記中継温度計によって検出される冷媒の温度に基づいて前記目標吸入圧力を決定する目標値設定手段を有し、前記目標値設定手段は、前記冷房主体運転モードであり、かつ前記外気温度によって検出される前記外気温度が決められた閾値温度より低い場合に、前記中継温度計によって検出される冷媒の温度に基づいて前記目標吸入圧力を決定するものである。
本発明によれば、目標吸入圧力の飽和温度である目標蒸発温度を決める判定基準値として、中継機において低圧の冷媒が流通する冷媒流路に設けられた中継温度計が検出する温度が用いられる。外気温度が低い場合でも、冷房運転を行う負荷側熱交換器において凍結防止温度以上を維持する範囲で、目標蒸発温度を下げて圧縮機を運転できる。その結果、冷房主体運転モードにおいて、圧縮機の吐出圧力が上昇し、暖房対象の空間が暖まらなくなることを防止できる。
実施の形態1に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。 図1に示した制御装置の一構成例を示す機能ブロック図である。 図1に示した空気調和装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 冷房主体運転モードにおいて、図3に示した手順を行った後の空気調和装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。
実施の形態1.
本実施の形態1の空気調和装置の構成を説明する。図1は、実施の形態1に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。図1では、空気調和装置の説明のために各構成を模式的に示しており、構成間の相対的なサイズの違いは実際の装置とは異なる場合がある。
図1に示すように、空気調和装置100は、熱源側ユニット110と、複数の負荷側ユニット130a~130cと、熱源側ユニット110が生成する熱源を負荷側ユニット130a~130cに分配する中継機120とを有する。熱源は温熱および冷熱である。負荷側ユニット130a~130cは中継機120に対して並列に接続されている。空気調和装置100は、冷媒の冷凍サイクルを利用して熱源側ユニット110から熱源を負荷側ユニット130a~130cに供給する。空気調和装置100は、暖房運転する暖房モードおよび冷房運転する冷房モードのうち、いずれの運転モードも、負荷側ユニット130a~130cの各負荷側ユニットを利用するユーザが自由に選択できる構成である。
なお、本実施の形態1では、1台の熱源側ユニット110に1台の中継機120が接続され、1台の中継機120に3台の負荷側ユニット130a~130cが接続される構成の場合で説明するが、各機器の台数は図1に示す構成の場合に限らない。熱源側ユニットは2台以上であってもよく、中継機は2台以上であってもよい。負荷側ユニットの台数は2台であってもよく、4台以上であってもよい。
図1に示すように、熱源側ユニット110と中継機120とは、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7で接続されている。中継機120において、第1冷媒配管6は第1分岐冷媒配管6a~6cに分岐し、第2冷媒配管7は第2分岐冷媒配管7a~7cに分岐している。中継機120と負荷側ユニット130aとは、第1分岐冷媒配管6aおよび第2分岐冷媒配管7aで接続されている。中継機120と負荷側ユニット130bとは、第1分岐冷媒配管6bおよび第2分岐冷媒配管7bで接続されている。中継機120と負荷側ユニット130cとは、第1分岐冷媒配管6cおよび第2分岐冷媒配管7cで接続されている。配管の太さは、第1冷媒配管6の配管の方が第2冷媒配管7の配管よりも太い。
本実施の形態1では、中継機120において、第1冷媒配管6を流通する冷媒の温度を検出する中継温度計63が設けられている。以下に、図1に示した熱源側ユニット110、中継機120、および負荷側ユニット130a~130cの各機器の構成について、詳しく説明する。
[熱源側ユニット110]
熱源側ユニット110は、中継機120を介して熱源を負荷側ユニット130a~130cに供給する熱源機である。熱源側ユニット110は、通常、負荷側ユニット130a~130cが設置されるビル等の建物の外の空間に設けられる。例えば、熱源側ユニット110は、建物の屋上に設けられる。
図1に示すように、熱源側ユニット110は、圧縮機1と、四方切替弁2aおよび2bと、熱源側熱交換器3-1および3-2と、アキュームレータ4と、流路調整ユニット27と、流量制御装置22、24および26と、制御装置30とを有する。圧縮機1と、四方切替弁2aおよび2bと、熱源側熱交換器3-1および3-2と、アキュームレータ4と、流路調整ユニット27と、流量制御装置22、24および26とは、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7で接続されている。
第2冷媒配管7は、第2分岐配管7-1と、第2分岐配管7-2と、バイパス配管25とに分岐している。第2分岐配管7-2は、一方が第2冷媒配管7に接続され、他方が四方切替弁2bに接続されている。第2分岐配管7-2には、流量制御装置24および熱源側熱交換器3-2が設けられている。第2分岐配管7-1は、一方が第2冷媒配管7に接続され、他方が四方切替弁2aに接続されている。第2分岐配管7-1には、流量制御装置22および熱源側熱交換器3-1が設けられている。バイパス配管25は、一方が第2冷媒配管7に接続され、他方が第2分岐配管7-1と合流して四方切替弁2aに接続されている。バイパス配管25は、熱源側熱交換器3-1および3-2をバイパスするために設けられた配管である。バイパス配管25には、流量制御装置26が設けられている。
熱源側熱交換器3-1および3-2の近傍には、冷媒と熱交換する流体の流量を制御する流量制御装置が設けられている。本実施の形態1では、熱源側熱交換器3-1および3-2は空冷式の熱交換器であり、流量制御装置が熱源側ファン3-mの場合で説明する。熱源側熱交換器3-1および3-2において、冷媒が空気以外の流体と熱交換する場合であってもよい。例えば、空気以外の流体が水である場合、熱源側熱交換器3-1および3-2は水冷式の熱交換器であり、この場合の流量制御装置はポンプである。
圧縮機1は、吸入する冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出する。圧縮機1は、例えば、容量を制御できるインバータ式圧縮機である。アキュームレータ4は、圧縮機1の冷媒吸入口側に設けられている。アキュームレータ4は、空気調和装置100の暖房運転および冷房運転の運転モードの違いによって生じる余剰冷媒を蓄える。また、アキュームレータ4は、過渡的な運転の変化に対して生じる余剰冷媒を蓄える。
四方切替弁2aおよび2bは、空気調和装置100が暖房運転と冷房運転のうち、いずれの運転モードで運転しているかによって、熱源側ユニット110における冷媒の流通方向を切り替える流路切替装置である。熱源側熱交換器3-1および3-2は、熱源側ファン3-mによって供給される空気と冷媒とが熱交換する熱交換器である。熱源側熱交換器3-1および3-2は、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。熱源側熱交換器3-1および3-2は、空気調和装置100が冷房運転を行う場合、凝縮器または放熱器として機能し、冷媒を液化する。熱源側熱交換器3-1および3-2は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、蒸発器として機能し、冷媒をガス化する。
流路調整ユニット27は、第1接続配管60aと、第2接続配管60bと、逆止弁18~21とを有する。逆止弁19は、第1冷媒配管6において、四方切替弁2aと中継機120との間に設けられている。逆止弁18は、第2冷媒配管7において、流量制御装置22、24および26と中継機120との間に設けられている。逆止弁19は、中継機120から四方切替弁2aへの冷媒の流れを許容するが、四方切替弁2aから中継機120への冷媒の流れを阻止する。逆止弁18は、流量制御装置22、24および26から中継機120への冷媒の流れを許容するが、中継機120から流量制御装置22、24および26への冷媒の流れを阻止する。
第1接続配管60aは、逆止弁19の冷媒出口と四方切替弁2aとの間における第1冷媒配管6と、逆止弁18の冷媒出口と中継機120との間における第2冷媒配管7とを接続する。逆止弁20は第1接続配管60aに設けられている。逆止弁20は、第1冷媒配管6から第2冷媒配管7への冷媒の流れを許容するが、第2冷媒配管7から第1冷媒配管6への冷媒の流れを阻止する。逆止弁20は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、圧縮機1から吐出された冷媒を中継機120に流通させる。
第2接続配管60bは、逆止弁19の冷媒入口と中継機120との間における第1冷媒配管6と、逆止弁18の冷媒入口と流量制御装置22、24および26との間における第2冷媒配管7とを接続する。逆止弁21は第2接続配管60bに設けられている。逆止弁21は、第1冷媒配管6から第2冷媒配管7への冷媒の流れを許容するが、第2冷媒配管7から第1冷媒配管6への冷媒の流れを阻止する。逆止弁21は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、中継機120から熱源側ユニット110に戻ってきた冷媒を圧縮機1の吸入側に流通させる。
流路調整ユニット27は、第2冷媒配管7を介して高圧の冷媒を熱源側ユニット110から中継機120に流出し、第1冷媒配管6を介して低圧の冷媒を中継機120から熱源側ユニット110に流入する役目を果たす。
流量制御装置22、24および26は、例えば、開度を調整できる電子膨張弁である。
流量制御装置22は、第2冷媒配管7および第2分岐配管7-1の接続点と熱源側熱交換器3-1との間に位置する。流量制御装置22は、空気調和装置100が冷房運転を行う場合、熱源側熱交換器3-1から逆止弁18へ流れる冷媒の流量を調整する。流量制御装置22は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、逆止弁21から熱源側熱交換器3-1に流入する冷媒の流量を調整する。
流量制御装置24は、第2冷媒配管7および第2分岐配管7-2の接続点と熱源側熱交換器3-2との間に位置する。流量制御装置24は、空気調和装置100が冷房運転を行う場合、熱源側熱交換器3-2から逆止弁18へ流れる冷媒の流量を調整する。流量制御装置24は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、逆止弁21から熱源側熱交換器3-2に流入する冷媒の流量を調整する。流量制御装置26は、バイパス配管25に流通する冷媒の流量を調整することで、熱源側熱交換器3-1および3-2に流入する冷媒の流量を調整する。
図1に示すように、圧縮機1の冷媒の吸入口には、圧縮機1に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力計52が設けられている。圧縮機1の冷媒の吐出口には、圧縮機1から吐出される冷媒の吐出圧力を検出する吐出圧力計51が設けられている。第2冷媒配管7における逆止弁18の上流側には、冷媒の吐出圧力と吸入圧力との中間の圧力である中圧を検出する中圧計53が設けられている。吐出圧力計51、吸入圧力計52および中圧計53は、例えば、圧力センサである。吐出圧力計51、吸入圧力計52および中圧計53は、図に示さない信号線で制御装置30と接続され、信号線を介して検出値を制御装置30に出力する。
圧縮機1の冷媒の吐出口には、圧縮機1から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度計61が設けられている。熱源側ユニット110の筐体(不図示)には、外気温度を検出する外気温度計62が設けられている。吐出温度計61および外気温度計62は、例えば、サーミスタなどの温度センサである。吐出温度計61および外気温度計62は、図に示さない信号線で制御装置30と接続され、信号線を介して検出値を制御装置30に出力する。
制御装置30は、熱源側ファン3-mのファンモータと、四方切替弁2aおよび2bと、圧縮機1と、図に示さない信号線を介して接続されている。本実施の形態1では、制御装置30が熱源側ユニット110に設けられている場合で説明するが、制御装置30の設置場所は熱源側ユニット110に限らない。制御装置30の構成についての詳細は後述する。
なお、熱源側ユニット110は、建物の外に設置される場合に限らない。熱源側熱交換器3-1および3-2において、冷媒が熱交換した空気が外気と熱交換できれば、熱源側ユニット110の設置位置は限定されない。例えば、換気口が設けられた機械室など、壁で囲まれた空間に、熱源側ユニット110が設置されてもよい。また、建物の内部であっても、排気ダクトが設けられ、廃熱を建物の外に排気できる部屋に熱源側ユニット110が設置されてもよい。熱源側熱交換器3-1および3-2が水冷式の熱交換器であれば、熱源側ユニット110は建物の内部に設置されてもよい。
[中継機120]
中継機120は、第1分岐部10と、第2分岐部11と、気液分離装置12と、バイパス配管14aおよび14bと、流量制御装置13および15と、第1熱交換器17と、第2熱交換器16とを有する。
第1分岐部10は、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7と、第1分岐冷媒配管6a~6cと接続されている。第2分岐部11は、第2分岐冷媒配管7a~7cと接続されている。バイパス配管14aは、気液分離装置12と第2分岐部11とを接続する配管である。バイパス配管14bは、第2分岐部11と第1冷媒配管6とを接続する配管である。第1冷媒配管6は、バイパス配管14bを介して第2分岐部11と接続される。第2冷媒配管7は、気液分離装置12を介して第1分岐部10と接続される。また、第2冷媒配管7は、気液分離装置12およびバイパス配管14aを介して、第2分岐部11と接続される。
バイパス配管14aおよびバイパス配管14bには、第1熱交換器17および第2熱交換器16が設けられている。バイパス配管14aにおいて、第1熱交換器17と第2熱交換器16との間に流量制御装置13が設けられている。バイパス配管14bにおいて、第2熱交換器16と第2分岐部11との間に流量制御装置15が設けられている。
第1分岐部10は、第1分岐冷媒配管6a~6cの各配管の接続先を、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7のうち、一方から他方に切り替える役目を果たす。第1分岐部10は、電磁弁8a~8cおよび9a~9cを有する。第1分岐部10において、第1分岐冷媒配管6aが2つの配管に分岐し、2つの配管のうち、一方の配管は電磁弁8aを介して第2冷媒配管7に接続され、他方の配管は電磁弁9aを介して第1冷媒配管6に接続されている。
第1分岐部10において、第1分岐冷媒配管6bが2つの配管に分岐し、2つの配管のうち、一方の配管は電磁弁8bを介して第2冷媒配管7に接続され、他方の配管は電磁弁9bを介して第1冷媒配管6に接続されている。第1分岐冷媒配管6cが2つの配管に分岐し、2つの配管のうち、一方の配管は電磁弁8cを介して第2冷媒配管7に接続され、他方の配管は電磁弁9cを介して第1冷媒配管6に接続されている。
電磁弁8aおよび9aの開閉が制御されることで、第1分岐冷媒配管6aの接続先が第1冷媒配管6と第2冷媒配管7との間で切り替わる。電磁弁8bおよび9bの開閉が制御されることで、第1分岐冷媒配管6bの接続先が第1冷媒配管6と第2冷媒配管7との間で切り替わる。電磁弁8cおよび9cの開閉が制御されることで、第1分岐冷媒配管6cの接続先が第1冷媒配管6と第2冷媒配管7との間で切り替わる。
第2分岐部11は、第2分岐冷媒配管7a~7cを、バイパス配管14aおよび14bに接続する役目を果たす。第2分岐部11は、バイパス配管14aを流通する冷媒およびバイパス配管14bを流通する冷媒を合流させる会合部を有する。気液分離装置12は、第2冷媒配管7を介して流入する冷媒を、気体と液体とに分離する。気液分離装置12で分離された気相の冷媒は第1分岐部10に流入し、気液分離装置12で分離された液相の冷媒は第2分岐部11に流入する。
流量制御装置13は、バイパス配管14aを流通する冷媒の流量を調整する。流量制御装置15は、バイパス配管14bを流通する冷媒の流量を調整する。流量制御装置13および15は、例えば、電子膨張弁である。
第1熱交換器17は、気液分離装置12および流量制御装置13の間を流通する冷媒と、第2熱交換器16および第1冷媒配管6の間を流通する冷媒とを熱交換させる。第2熱交換器16は、流量制御装置13および第2分岐部11の間を流通する冷媒と、流量制御装置15および第1熱交換器17の間を流通する冷媒とを熱交換させる。
バイパス配管14bにおいて、第2熱交換器16と第2分岐部11との間には、中継温度計63が設けられている。中継温度計63は、流量制御装置15を経由して第2熱交換器16に流入する冷媒の温度を検出する。中継温度計63は、例えば、サーミスタなどの温度センサである。中継温度計63は、図に示さない信号線で制御装置30と接続され、信号線を介して検出値を制御装置30に出力する。流量制御装置13および15の各装置と、電磁弁8a~8cおよび9a~9cの各電磁弁は、図に示さない信号線を介して制御装置30と接続されている。
[負荷側ユニット130a~130c]
負荷側ユニット130a~130cの各ユニットは、空調対象空間に空調空気を供給できる位置に設置されている。負荷側ユニット130a~130cの各ユニットは、中継機120を介して、熱源側ユニット110から冷熱が供給されると、空調対象空間に冷気を供給する。負荷側ユニット130a~130cの各ユニットは、中継機120を介して、熱源側ユニット110から温熱が供給されると空調対象空間に暖気を供給する。
負荷側ユニット130aは、負荷側熱交換器5aおよび流量制御装置40aを有する。負荷側熱交換器5aに設けられた伝熱管の一方の端が第2分岐冷媒配管7aに接続され、他方の端が第1分岐冷媒配管6aに接続されている。第2分岐冷媒配管7aに、第2分岐冷媒配管7aを流通する冷媒の流量を調整する流量制御装置40aが設けられている。負荷側ユニット130bは、負荷側熱交換器5bおよび流量制御装置40bを有する。負荷側熱交換器5bに設けられた伝熱管の一方の端が第2分岐冷媒配管7bに接続され、他方の端が第1分岐冷媒配管6bに接続されている。第2分岐冷媒配管7bに、第2分岐冷媒配管7bを流通する冷媒の流量を調整する流量制御装置40aが設けられている。
負荷側ユニット130cは、負荷側熱交換器5cおよび流量制御装置40cを有する。負荷側熱交換器5cに設けられた伝熱管の一方の端が第2分岐冷媒配管7cに接続され、他方の端が第1分岐冷媒配管6cに接続されている。第2分岐冷媒配管7cに、第2分岐冷媒配管7cを流通する冷媒の流量を調整する流量制御装置40cが設けられている。流量制御装置40a~40cは、例えば、電子膨張弁である。
負荷側熱交換器5aの近傍には、冷媒と熱交換する流体の流量を制御する流量制御装置が設けられている。本実施の形態1では、負荷側熱交換器5aは空冷式の熱交換器であり、流量制御装置が負荷側ファン5a-mの場合で説明する。負荷側ユニット130aと同様に、負荷側ユニット130bの負荷側熱交換器5bの近傍に負荷側ファン5b-mが設けられ、負荷側ユニット130cの負荷側熱交換器5cの近傍に負荷側ファン5c-mが設けられている。
負荷側熱交換器5aは、負荷側ファン5a-mによって供給される空気と冷媒とが熱交換する熱交換器である。負荷側熱交換器5bは、負荷側ファン5b-mによって供給される空気と冷媒とが熱交換する熱交換器である。負荷側熱交換器5cは、負荷側ファン5c-mによって供給される空気と冷媒とが熱交換する熱交換器である。負荷側熱交換器5a~5cは、例えば、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。負荷側熱交換器5a~5cの各熱交換器は、空気調和装置100が暖房運転を行う場合、凝縮器または放熱器として機能し、冷媒を液化することで暖気を生成する。負荷側熱交換器5a~5cの各熱交換器は、空気調和装置100が冷房運転を行う場合、蒸発器として機能し、冷媒をガス化することで冷気を生成する。
第2分岐冷媒配管7aにおいて、負荷側熱交換器5aと流量制御装置40aとの間には、冷媒の温度を検出する負荷側温度計64aが設けられている。第2分岐冷媒配管7bにおいて、負荷側熱交換器5bと流量制御装置40bとの間には、冷媒の温度を検出する負荷側温度計64bが設けられている。第2分岐冷媒配管7cにおいて、負荷側熱交換器5cと流量制御装置40cとの間には、冷媒の温度を検出する負荷側温度計64cが設けられている。負荷側温度計64a~64cは、例えば、サーミスタなどの温度センサである。
負荷側温度計64a~64cは、図に示さない信号線で制御装置30と接続され、信号線を介して検出値を制御装置30に出力する。流量制御装置40a~40cおよび負荷側ファン5a-m~5c-mのモータは、図に示さない信号線を介して制御装置30と接続されている。
図1に示す熱源側ユニット110、中継機120および負荷側ユニット130aにおいて、圧縮機1と、熱源側熱交換器3-1および3-2と、流量制御装置40aと、負荷側熱交換器5aとが冷媒配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路80が構成される。負荷側ユニット130bについても、負荷側ユニット130aと同様に、圧縮機1と、熱源側熱交換器3-1および3-2と、流量制御装置40bと、負荷側熱交換器5bとが冷媒配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路80が構成される。負荷側ユニット130cについても、負荷側ユニット130aと同様に、圧縮機1と、熱源側熱交換器3-1および3-2と、流量制御装置40cと、負荷側熱交換器5cとが冷媒配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路80が構成される。
なお、負荷側熱交換器5a~5cは、冷媒が空気以外の流体と熱交換する場合であってもよい。例えば、空気以外の流体が水である場合、負荷側熱交換器5a~5cは水冷式の熱交換器であり、負荷側ファン5a-m~5c-mの代わりに、3台のポンプが設けられる。
[制御装置30]
図2は、図1に示した制御装置の一構成例を示す機能ブロック図である。制御装置30は、空気調和装置100の運転モードに対応して、冷媒の冷凍サイクルを制御する。制御装置30は、例えば、マイクロコンピュータである。図1に示すように、制御装置30は、プログラムを記憶するメモリ31と、メモリ31が記憶するプログラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)32とを有する。メモリ31は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。
図2に示すように、制御装置30は、冷凍サイクル制御手段33と、目標値設定手段34とを有する。CPU32がプログラムを実行することで、冷凍サイクル制御手段33および目標値設定手段34が空気調和装置100に構成される。
冷凍サイクル制御手段33は、負荷側温度計64a~64c、外気温度計62、吐出圧力計51、吸入圧力計52および吐出温度計61の各測定器の検出値と、各負荷側ユニットに設定された設定温度とに基づいて、冷凍サイクルを制御する。
具体的には、冷凍サイクル制御手段33は、負荷側ユニット130a~130cに設定された運転モードにしたがって、四方切替弁2aおよび2bを切り替え、電磁弁8a~8cおよび9a~9cの開閉状態を制御する。また、冷凍サイクル制御手段33は、各測定器の検出値と負荷側ユニット130a~130cに設定された設定温度とに基づいて、圧縮機1の運転周波数と、熱源側ファン3-mおよび負荷側ファン5a-m~5c-mのモータの回転数とを制御する。冷凍サイクル制御手段33は、目標値設定手段34から通知される圧縮機1の目標吸入圧力と、運転する各負荷側ユニットで必要な冷凍能力とから圧縮機1の目標吐出圧力を設定し、圧縮機1の運転周波数を制御する。冷凍サイクル制御手段33は、冷房運転の負荷側熱交換器において結露水の凍結防止のために、負荷側温度計によって検出される温度が目標吸入圧力の飽和温度である目標蒸発温度より大きくなるように圧縮機1の運転周波数を制御する。
さらに、冷凍サイクル制御手段33は、各測定器の検出値と負荷側ユニット130a~130cに設定された設定温度とに基づいて、流量制御装置13、15、22、24、26および40a~40cの開度を制御する。メモリ31は、圧縮機1および流量制御装置22等の各機器に設定する目標値および各機器に対する制御値の算出に必要な定数および関数を記憶している。
目標値設定手段34は、空気調和装置100の運転モードに対応して、圧縮機1の目標吸入圧力を決定して冷凍サイクル制御手段33に通知する。運転モードには、暖房運転モード、冷房運転モード、暖房主体運転モードおよび冷房主体運転モードがある。これらの運転モードの詳細は後述する。
空気調和装置100の運転モードが暖房運転モード、冷房運転モードおよび暖房主体運転モードのうち、いずれかの運転モードである場合、目標値設定手段34は、外気温度計62によって検出される外気温度に基づいて圧縮機1の目標吸入圧力を決定する。例えば、冷房運転モードである場合、目標値設定手段34は、外気温度から負荷側熱交換器における結露水の凍結温度を推測し、推測した温度を飽和温度とする圧力を目標吸入圧力に決定する。
一方、空気調和装置100の運転モードが冷房主体運転モードである場合、目標値設定手段34は、中継温度計63によって検出される冷媒の温度に基づいて圧縮機1の目標吸入圧力を決定する。例えば、目標値設定手段34は、中継温度計63によって検出された温度が、冷房運転を行う負荷側熱交換器で結露水が凍結する温度である基準温度よりも大きい範囲に含まれていれば、検出された温度を目標蒸発温度に設定する。そして、目標値設定手段34は、設定した目標蒸発温度を飽和温度とする圧力を目標吸入圧力に決定する。基準温度は、例えば、0℃である。目標値設定手段34は、空気調和装置100の運転モードが冷房主体運転モードであり、かつ外気温度が決められた閾値温度より低い場合に、中継温度計63によって検出される冷媒の温度に基づいて圧縮機1の目標吸入圧力を決定してもよい。閾値温度は、例えば、15℃である。
なお、本実施の形態1では、制御装置30が空気調和装置100に含まれる機器の全てを直接に制御する場合で説明したが、制御装置30が実行する制御のうち、一部の制御を担う制御装置を別に設けてもよい。例えば、中継機120および負荷側ユニット130a~130cを制御するマイクロコンピュータ(不図示)が制御装置30とは別に設けられていてもよい。この場合、制御装置30は、マイクロコンピュータ(不図示)を介して間接的に中継機120および負荷側ユニット130a~130cを制御してもよい。
また、第2分岐部11に逆止弁等の流路切替弁を設け、暖房運転を行う負荷側ユニットから第2分岐部11に流入する冷媒を第2熱交換器16に流入させるようにしてもよい。冷房主体運転モードでは、流量制御装置15と第2熱交換器16との間を流通する冷媒は、飽和の気液混合冷媒となる。中継温度計63は負荷側温度計64a~64cよりも冷媒の流れの下流側に設けられているため、中継温度計63は負荷側温度計64a~64cよりも低い温度を検出する。
[運転モード]
負荷側ユニット130a~130cの各ユニットの運転状態に対応する各種運転モードについて説明する。空気調和装置100が行う運転には、上述したように、暖房運転モード、冷房運転モード、暖房主体運転モードおよび冷房主体運転モードの4つの運転モードがある。
冷房運転モードは、負荷側ユニット130a~130cが行うことができる運転が冷房運転のみの運転モードである。冷房運転モードでは、負荷側ユニット130a~130cのそれぞれは、冷房運転を行っている状態、または運転を停止している状態である。暖房運転モードは、負荷側ユニット130a~130cが行うことができる運転が暖房運転のみの運転モードである。暖房運転モードでは、負荷側ユニット130a~130cのそれぞれは、暖房運転を行っている状態、または運転を停止している状態である。
冷房主体運転モードおよび暖房主体運転モードは、負荷側ユニット130a~130cのユニット毎に冷房および暖房のうち、いずれの運転も選択できる運転モードである。冷房主体運転モードは、暖房運転および冷房運転が混在し、暖房負荷に比べて冷房負荷が大きい場合の運転モードである。冷房主体運転モードでは、熱源側熱交換器3-1および3-2は、圧縮機1の冷媒の吐出口側に接続され、凝縮器または放熱器として機能する。暖房主体運転モードは、暖房運転および冷房運転が混在し、冷房負荷に比べて暖房負荷が大きい場合の運転モードである。暖房主体運転モードでは、熱源側熱交換器3-1および3-2は、圧縮機1の冷媒の吸入口側に接続され、蒸発器として機能する。
次に、上述した4つの運転モードのうち、空気調和装置100の特徴に関連する冷房主体運転モードの場合の冷媒の流れを説明する。ここでは、負荷側ユニット130aおよび130bが冷房運転を行い、負荷側ユニット130cが暖房運転を行う場合で説明する。
[冷房主体運転モード]
冷凍サイクル制御手段33は、四方切替弁2aおよび2bを、圧縮機1から吐出される冷媒が熱源側熱交換器3-1および3-2に流入するように切り替える。冷凍サイクル制御手段33は、電磁弁9a、9bおよび8cを開状態に設定し、電磁弁8a、8bおよび9cを閉状態に設定する。
冷凍サイクル制御手段33は、四方切替弁2aおよび2bと電磁弁8a~8cおよび9a~9cとを設定した後、圧縮機1の運転を開始する。低温低圧のガス冷媒が圧縮機1によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって圧縮機1から吐出する。
圧縮機1から吐出した高温高圧のガス冷媒は、四方切替弁2aおよび2bを介して、熱源側熱交換器3-1および3-2に流入する。このとき、熱源側熱交換器3-1および3-2では、暖房で必要な熱量を残して冷媒は外気に放熱することで冷却され、中温高圧の気液二相状態となる。
熱源側熱交換器3-1および3-2から流出した中温高圧の気液二相冷媒は、第2冷媒配管7を流通して、気液分離装置12に流入する。そして、気液分離装置12において、気液二相冷媒はガス冷媒と液冷媒とに分離される。
気液分離装置12で分離されたガス冷媒は、第1分岐部10および電磁弁8cを経由して暖房運転を行う負荷側ユニット130cの負荷側熱交換器5cに流入する。負荷側熱交換器5cにおいて、冷媒が室内空気を加熱しながら冷却され、中温高圧の液冷媒となる。負荷側熱交換器5cから流出した液冷媒は流量制御装置40cを経由して第2分岐部11に流入する。
一方、気液分離装置12で分離された液冷媒は、第1熱交換器17に流入し、バイパス配管14bを流れる低圧冷媒と熱交換して冷却される。第1熱交換器17から流出した冷媒は、流量制御装置13および第2熱交換器16を経由して第2分岐部11に流入し、負荷側ユニット130cから流出する液冷媒と第2分岐部11で合流する。
第2分岐部11で合流した液冷媒は、液冷媒の一部がバイパス配管14bによってバイパスされ、残りの液冷媒は、冷房運転を行う負荷側ユニット130aおよび130bのそれぞれに対応する流量制御装置40aおよび40bに流入する。流量制御装置40aに流入した高圧の液冷媒は、開度が絞られた流路を流通することで減圧され、膨張して低温低圧の気液二相状態になる。また、流量制御装置40bに流入した高圧の液冷媒は、開度が絞られた流路を流通することで減圧され、膨張して低温低圧の気液二相状態になる。流量制御装置40aおよび40bにおける冷媒の変化はエンタルピが一定のもとで行われる。
流量制御装置40aを流出した低温低圧の気液二相状態の冷媒は、冷房運転を行う負荷側ユニット130aの負荷側熱交換器5aに流入する。負荷側熱交換器5aにおいて、冷媒が室内空気を冷却しながら加熱され、低温低圧のガス冷媒となる。また、流量制御装置40bを流出した低温低圧の気液二相状態の冷媒は、冷房運転を行う負荷側ユニット130bの負荷側熱交換器5bに流入する。負荷側熱交換器5bにおいて、冷媒が室内空気を冷却しながら加熱され、低温低圧のガス冷媒となる。
負荷側熱交換器5aを流出した低温低圧のガス冷媒は電磁弁9aを経由して第1分岐部10に流入する。負荷側熱交換器5bを流出した低温低圧のガス冷媒は電磁弁9bを経由して第1分岐部10に流入する。第1分岐部10で合流した低温低圧のガス冷媒は、バイパス配管14bの第1熱交換器17および第2熱交換器16で加熱された低温低圧のガス冷媒と合流し、第1冷媒配管6および四方切替弁2aおよび2bを経由して圧縮機1に戻る。圧縮機1に戻った冷媒は圧縮機1によって圧縮される。
次に、本実施の形態1の空気調和装置100の動作を説明する。図3は、図1に示した空気調和装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。目標値設定手段34は、現在、選択されている運転モードを判定する(ステップS101)。判定の結果、選択されている運転モードが冷房主体運転モードである場合、目標値設定手段34は、中継温度計63によって検出される冷媒の温度に基づいて目標吸入圧力を決定する(ステップS102)。目標値設定手段34は、決定した目標吸入圧力を冷凍サイクル制御手段33に通知する。
一方、ステップS101の判定の結果、選択されている運転モードが冷房主体運転モード以外の運転モードである場合、目標値設定手段34は、外気温度計62によって検出される外気温度に基づいて目標吸入圧力を決定する(ステップS103)。目標値設定手段34は、決定した目標吸入圧力を冷凍サイクル制御手段33に通知する。その後、目標値設定手段34は、運転モードが変更されるか否かを判定し(ステップS104)、運転モードが変更されると、ステップS101に戻る。
次に、空気調和装置100が冷房主体運転モードで運転している場合において、目標吸入圧力が設定された後の動作を説明する。図4は、冷房主体運転モードにおいて、図3に示した手順を行った後の空気調和装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、圧縮機1の運転周波数Fcに設定できる最大周波数をFmaxとし、最小周波数をFminとする。
冷凍サイクル制御手段33は、中継温度計63によって検出される温度Tmが基準温度Trefより大きいか否かを判定する(ステップS201)。温度Tmが基準温度Trefより大きい場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcが最小周波数Fminまで低下しているか否かを判定する(ステップS202)。判定の結果、運転周波数Fcが最小周波数Fminまで低下していない場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcを小さくする制御を行う(ステップS203)。ステップS202の判定の結果、運転周波数Fcが最小周波数Fminまで低下している場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcを維持する。
一方、ステップS201の判定の結果、温度Tmが基準温度Tref以下である場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcが最大周波数Fmaxに達しているか否かを判定する(ステップS204)。判定の結果、運転周波数Fcが最大周波数Fmaxに達していない場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcを大きくする制御を行う(ステップS205)。ステップS204の判定の結果、運転周波数Fcが最大周波数Fmaxに達している場合、冷凍サイクル制御手段33は、圧縮機1の運転周波数Fcを維持する。その後、冷凍サイクル制御手段33は、ステップS201の判定に戻る。
なお、図4を参照して、冷凍サイクル制御手段33は、中継温度計63によって検出される温度Tmを判定基準にして圧縮機1の運転周波数Fcを制御する場合で説明したが、吸入圧力を判定基準にしてもよい。つまり、冷凍サイクル制御手段33は、吸入圧力計52によって検出される吸入圧力が目標吸入圧力に一致するように圧縮機1の運転周波数を制御してもよい。
冷房主体運転モードにおいて、冷凍サイクル制御手段33が、中継温度計63によって検出される温度を、冷房運転を行う負荷側ユニットの負荷側熱交換器の蒸発温度として、圧縮機1の運転周波数Fcを制御する。例えば、外気温度が低い場合、圧縮機1の吸入圧力が低下する傾向があるが、冷房運転の負荷側熱交換器の蒸発温度により近い温度を基に目標蒸発温度が低く設定されることで、目標吸入圧力が低く設定される。そのため、冷房運転の負荷側熱交換器の凍結を防止するとともに、圧縮機1の運転周波数が低く制御されることが抑制される。その結果、吐出圧力が上昇し、暖房対象の空間が暖まらなくなることを防止できる。
本実施の形態1の空気調和装置100は、熱源側ユニット110と、複数の負荷側ユニット130a~130cと、熱源側ユニット110が生成する熱源を負荷側ユニット130a~130cに分配する中継機120と、吸入圧力計52と、制御装置30とを有する。中継機120において、中継機120から熱源側ユニット110に低圧の冷媒が流通する第1冷媒配管6に中継温度計63が設けられている。制御装置30は、冷房主体運転モードである場合、中継温度計63によって検出される冷媒の温度に基づいて圧縮機1の目標吸入圧力を決定する目標値設定手段34を有する。
本実施の形態1によれば、目標値設定手段34は目標吸入圧力の飽和温度である目標蒸発温度を決める判定基準値として、外気温度の代わりに、中継機120において低圧の冷媒が流通する冷媒流路に設けられた中継温度計63が検出する温度を用いる。そのため、外気温度に因らずに、目標蒸発温度が設定される。外気温度が低い場合でも、冷房運転を行う負荷側熱交換器において凍結防止温度以上を維持する範囲で、外気温度を基に決定される目標蒸発温度よりも蒸発温度を下げて圧縮機1を運転することができる。その結果、冷房主体運転モードにおける圧縮機1の運転範囲が拡大し、圧縮機1の吐出圧力が上昇し、暖房対象の空間が暖まらなくなることを防止できる。
負荷側ユニット130a~130cから冷媒が中継機120を経由して熱源側ユニット110に戻る第1冷媒配管6の冷媒流路において、中継温度計63は、負荷側温度計64a~64cよりも冷媒流路の下流側に位置している。そのため、第1分岐冷媒配管6a~6cの配管の圧損を考慮すると、中継温度計63は、負荷側温度計64a~64cよりも低い温度を検出する。目標値設定手段34は、目標吸入圧力を決定する際、中継温度計63で検出された温度が、負荷側熱交換器5a~5cで結露水が凍結する温度である基準温度よりも大きい範囲で、目標吸入圧力を下げることができる。その結果、圧縮機1の運転周波数を大きくする増速制御を行うことができ、暖房対象の空間が暖まらなくなることを防止できる。
また、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7のそれぞれの配管長が長い長尺配管システムに空気調和装置100が組み込まれる場合がある。例えば、熱源側ユニット110が高層ビルの最上階に設置され、第1冷媒配管6および第2冷媒配管7のそれぞれの配管長が20m以上になることがある。このような長尺配管システムでは、第1冷媒配管6の配管の圧損によって、熱源側ユニット110における冷媒の低圧圧力と、中継機120および負荷側ユニットにおける低圧圧力とに大きな差が生じてしまう。この場合、熱源側ユニット110における冷媒の低圧圧力の飽和温度で算出される蒸発温度が結露水の凍結温度になっても、実際の負荷側熱交換器では結露水の凍結温度まで蒸発温度が下がっておらず、凍結温度まで余裕があることがある。
これに対して、本実施の形態1の空気調和装置100は、中継機120に設けられた中継温度計63によって検出される低圧の冷媒の温度を蒸発温度の判定に用いることで、負荷側ユニットにより近い位置の温度で蒸発温度を推定できる。そのため、空気調和装置100は、負荷側熱交換器が凍結温度とならない範囲で熱源側ユニット110側の圧縮機1の目標吸入圧力を下げることができる。目標吸入圧力が下がることで、圧縮機1の運転周波数を増加させる範囲を拡大できる。その結果、凝縮温度が上昇し、暖房対象の空間が暖まらなくなることを防止できる。
実施の形態2.
実施の形態2は、熱源側ユニットから熱源が供給される複数の負荷側ユニットが中継機に設けられた構成である。実施の形態2では、実施の形態1で説明した構成と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
実施の形態2の空気調和装置の構成を説明する。図5は、実施の形態2に係る空気調和装置の一構成例を示す冷媒回路図である。図5では、空気調和装置の説明のために各構成を模式的に示しており、構成間の相対的なサイズの違いは実際の装置とは異なる場合がある。
図5に示す空気調和装置100aは、図1に示した熱源側ユニット110と、中継機120aと、複数の負荷側ユニット131a~131cとを有する。中継機120aは、図1に示した構成の他に、流量制御装置40a~40cと、冷媒と液流体とが熱交換する流体熱交換器45a~45cと、負荷側温度計64a~64cとを有する。つまり、中継機120aは、中継機120に負荷側ユニット130a~130cを備え、負荷側熱交換器5a~5cが流体熱交換器45a~45cに置き換えられた構成である。液流体は、例えば、水およびブラインである。
負荷側ユニット131aは、流体熱交換器45aに接続される配管72aと、液流体を配管72aに循環させるポンプ73aと、液流体によって運ばれる熱源が利用される負荷74aとを有する。負荷側ユニット131bは、流体熱交換器45bに接続される配管72bと、液流体を配管72bに循環させるポンプ73bと、液流体によって運ばれる熱源が利用される負荷74bとを有する。負荷側ユニット131cは、流体熱交換器45cに接続される配管72cと、液流体を配管72cに循環させるポンプ73cと、液流体によって運ばれる熱源が利用される負荷74cとを有する。
本実施の形態2の空気調和装置100aの動作は実施の形態1において図3および図4を参照して説明した動作と同様になるため、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態2の空気調和装置100aにおいても、実施の形態1で説明した効果と同様な効果が得られる。冷房主体運転モードにおいて、負荷側ユニット131a~131cのうち、暖房運転を行う負荷側ユニットで利用する温熱の温度が低くなることを防ぐことができる。
1 圧縮機、2a、2b 四方切替弁、3-1、3-2 熱源側熱交換器、3-m 熱源側ファン、4 アキュームレータ、5a~5c 負荷側熱交換器、5a-m~5c-m 負荷側ファン、6 第1冷媒配管、6a~6c 第1分岐冷媒配管、7 第2冷媒配管、7-1、7-2 第2分岐配管、7a~7c 第2分岐冷媒配管、8a~8c、9a~9c 電磁弁、10 第1分岐部、11 第2分岐部、12 気液分離装置、13 流量制御装置、14a、14b バイパス配管、15 流量制御装置、16 第2熱交換器、17 第1熱交換器、18~21 逆止弁、22、24、26 流量制御装置、25 バイパス配管、27 流路調整ユニット、30 制御装置、31 メモリ、32 CPU、33 冷凍サイクル制御手段、34 目標値設定手段、40a~40c 流量制御装置、45a~45c 流体熱交換器、51 吐出圧力計、52 吸入圧力計、53 中圧計、60a 第1接続配管、60b 第2接続配管、61 吐出温度計、62 外気温度計、63 中継温度計、64a~64c 負荷側温度計、72a~72c 配管、73a~73c ポンプ、74a~74c 負荷、80 冷媒回路、100、100a 空気調和装置、110 熱源側ユニット、120、120a 中継機、130a~130c、131a~131c 負荷側ユニット。

Claims (4)

  1. 圧縮機および熱源側熱交換器を備えた熱源側ユニットと、
    負荷側熱交換器および流量制御装置をそれぞれ備えた複数の負荷側ユニットと、
    前記熱源側ユニットが生成する熱源を前記複数の負荷側ユニットに分配する中継機と、
    前記熱源側ユニットと前記中継機とを接続し、前記中継機から前記熱源側ユニットに冷媒が流通する第1冷媒配管と、
    前記熱源側ユニットと前記中継機とを接続し、前記第1冷媒配管を流通する冷媒の圧力よりも高い圧力の冷媒が前記熱源側ユニットから前記中継機に流通する第2冷媒配管と、
    前記圧縮機に吸入される冷媒の吸入圧力を検出する吸入圧力計と、
    前記中継機における前記第1冷媒配管に設けられ、前記第1冷媒配管を流通する冷媒の温度を検出する中継温度計と、
    外気温度を検出する外気温度計と、
    前記吸入圧力計によって検出される前記吸入圧力が目標吸入圧力に一致するように前記圧縮機を制御する制御装置と、を有し、
    前記制御装置は、
    前記複数の負荷側ユニットにおいて暖房運転および冷房運転が混在し、暖房負荷に比べて冷房負荷が大きい冷房主体運転モードである場合、前記中継温度計によって検出される冷媒の温度に基づいて前記目標吸入圧力を決定する目標値設定手段を有し、
    前記目標値設定手段は、
    前記冷房主体運転モードであり、かつ前記外気温度によって検出される前記外気温度が決められた閾値温度より低い場合に、前記中継温度計によって検出される冷媒の温度に基づいて前記目標吸入圧力を決定する、
    空気調和装置。
  2. 前記目標値設定手段は、
    前記目標吸入圧力の飽和温度が基準温度より大きくなるように前記目標吸入圧力を決定する、請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記圧縮機、前記熱源側熱交換器、前記流量制御装置および前記負荷側熱交換器が前記中継機を介して冷媒配管で接続され、冷媒が循環する冷媒回路が構成される、請求項1または2に記載の空気調和装置。
  4. 前記中継機は、前記複数の負荷側ユニットを含んで構成され、
    複数の前記負荷側熱交換器のそれぞれは、冷媒と液流体とが熱交換する流体熱交換器である、請求項1~3のいずれか1項に記載の空気調和装置。
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