JPWO2010050000A1 - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

室内機まで冷媒を循環させず、さらに省エネルギ化をはかることができる空気調和装置を得る。冷媒を加圧する圧縮機10、冷媒の循環経路を切り替える四方弁11、熱交換を行う熱源側熱交換器12、冷媒を圧力調整するための膨張弁16a〜16eおよび冷媒と熱媒体との熱交換を行って熱媒体を加熱および冷却する複数の中間熱交換器15a、15bを配管接続して冷凍サイクル回路を構成し、中間熱交換器15a、15b、熱媒体を加圧するポンプ21a、21b、熱媒体と室内空間7の空気との熱交換を行う複数の利用側熱交換器26a〜26dを配管接続して熱媒体回路を構成する。

Description

この発明は、例えばビル用マルチエアコンなどに用いる空気調和装置に関するものである。
ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置においては、例えば建物外に配置した熱源機である室外機と建物の室内に配置した室内機の間に冷媒を循環させる。そして、冷媒が放熱、吸熱することにより、加熱、冷却した空気を空調対象空間に搬送し冷房または暖房を行っていた。冷媒としては、例えばHFC(ハイドロフルオロカーボン)冷媒が多く使われている。また、二酸化炭素(CO2 )等の自然冷媒を使うものも提案されている。
また、チラーと呼ばれる空気調和装置においては、建物外に配置した熱源機にて、冷熱または温熱を生成する。そして、室外機内に配置した冷媒回路の熱交換器で冷媒との熱交換を行うことにより、水、不凍液等の熱媒体を加熱、冷却し、これを室内機であるファンコイルユニット、パネルヒータ等に搬送して冷房または暖房を行っていた。また、排熱回収型チラーと呼ばれる、熱源機に4本の水配管を接続し、冷却、加熱した水等を同時に供給できるものもある(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−343936号公報
従来の空気調和装置では、室内機まで冷媒を循環させているため、冷媒が室内等に漏れる可能性があった。一方、チラーのような空気調和装置は、冷媒が室内機を通過することはない。しかし、建物外の熱源機において熱媒体を加熱、冷却し、室内機側に熱媒体を搬送する必要がある。このため、熱交換に必要とする熱量を搬送するためのエネルギ消費が冷媒よりも多い水、不凍液等の循環経路が長くなり、搬送動力が非常に大きくなる。また、例えば冷房または暖房を行う際の熱負荷が増加する場合を考える。このとき、熱交換に係る熱量を増やす場合に熱媒体を多く循環させて搬送動力を増やすよりも、冷媒と熱媒体との熱交換に係る熱量を制御した方が省エネルギをはかるためには効果的である。さらに、熱媒体循環回路で熱媒体を循環させるだけでは負荷に対応できない場合もある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、室内機まで冷媒を循環させないため、ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置のように冷媒の室内への漏れの問題が起きず安全であり、さらにチラーのような空気調和装置よりも水の循環経路が短いため、省エネルギ化をはかる等ができるような空気調和装置を提供することを目的とする。
この発明に係る空気調和装置は、冷媒を加圧する圧縮機、冷媒の循環経路を切り替えるための冷媒流路切替装置、冷媒を熱交換させるための熱源側熱交換器、冷媒を圧力調整するための第一の膨張弁並びに冷媒と冷媒とは異なる熱媒体との熱交換を行って、熱媒体を加熱する中間熱交換器および熱媒体を冷却する中間熱交換器を配管接続する冷凍サイクル回路と、熱媒体を加熱する中間熱交換器および熱媒体を冷却する中間熱交換器、各中間熱交換器の熱交換に係る熱媒体を循環させるためのポンプ並びに熱媒体と空調対象空間に係る空気との熱交換を行う複数の利用側熱交換器を配管接続する熱媒体循環回路とを備え、熱源側熱交換器と中間熱交換器と利用側熱交換器とは、それぞれ別体に形成されて互いに離れた場所に設置できるようにされている。
この発明によれば、空調対象空間の空気を加熱または冷却するための室内機には熱媒体が循環することとなり、冷媒が循環しないため、例えば、冷媒が配管などから漏れたとしても空調対象空間へ冷媒が侵入することを抑制できる安全な空気調和装置を得ることができる。また、また、中間熱交換器を有する中継装置を、室外機、室内機とは別のユニットとして設けることにより、室外機と室内機との間で直接熱媒体を循環させる場合に比べて、熱媒体の搬送動力が少なくてすむ。そのため、省エネルギ化を図ることができる。
本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を表す図である。 空気調和装置の別の設置例を表す図である。 実施の形態1に係る空気調和装置の構成を表す図である。 全冷房運転時における冷媒および熱媒体の流れを示した図である。 全暖房運転時における冷媒および熱媒体の流れを示した図である。 冷房主体運転時における冷媒および熱媒体の流れを示した図である。 暖房主体運転時における冷媒および熱媒体の流れを示した図である。 実施の形態1の制御目標値の設定変更に係る処理を表す図である。 実施の形態2に係る空気調和装置の構成を表す図である。 実施の形態2の制御目標値の設定変更に係る処理を表す図である。 実施の形態3に係るp−h線図である。 膨張弁16cの開度制御に係る処理を表す図である。
符号の説明
1 熱源装置(室外機)、2、2a、2b、2c、2d 室内機、3 中継ユニット、3a 親中継ユニット、3b(1)、3b(2) 子中継ユニット、4 冷媒配管、5、5a、5b、5c、5d 熱媒体配管、6 室外空間、7 室内空間、8 非空調空間、9 建物、10 圧縮機、11 四方弁、12 熱源側熱交換器、13a、13b、13c、13d 逆止弁、14 気液分離器、15a、15b 中間熱交換器、16a、16b、16c、16d、16e 膨張弁、17 アキュムレータ、21a、21b、21c、21d ポンプ(熱媒体送出装置)、22a、22b、22c、22d 流路切替弁、23a、23b、23c、23d 流路切替弁、24a、24b、24c、24d 止め弁、25a、25b、25c、25d 流量調整弁、26a、26b、26c、26d 利用側熱交換器、31a、31b 第一の温度センサ、32a、32b 第二の温度センサ、33a、33b、33c、33d 第三の温度センサ、34a、34b、34c、34d 第四の温度センサ、35 第五の温度センサ、36 圧力センサ、37 第六の温度センサ、38 第七の温度センサ、41a、41b、41c、41d 流量計、100 室外機側制御装置、200 信号線、300 中継ユニット側制御装置。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を表す図である。図1の空気調和装置は、熱源装置である室外機1、空調対象空間の空調を行う1または複数の室内機2および冷媒と冷媒とは異なる熱(熱量)を搬送する媒体(以下、熱媒体という)との熱交換を行って、熱伝達の中継を行う中継装置となる中継ユニット3をそれぞれ別体のユニットとして有している。室外機1と中継ユニット3との間は、例えばR−410A、R−404A等の擬似共沸混合冷媒等の冷媒を循環させて熱の搬送を行うために冷媒配管4で接続する。一方、中継ユニット3と室内機2との間は、水、空調温度域内で不揮発性又は低揮発性の防腐剤を添加した水、不凍液等の熱媒体を循環させて熱の搬送を行うために熱媒体配管5で接続する。
ここで、本実施の形態では、ビル等の建物9外の空間である室外空間6に室外機1を設置する。また、建物9内において居室等、空調対象空間となる室内空間7の空気を加熱または冷却させることができる位置に室内機2を設置する。そして、冷媒が流入出する中継ユニット3を室外空間6および室内空間7とは別の建物内の非空調空間8に設置する。非空調空間8については、例えば冷媒漏れ等の発生により、冷媒が人に与える影響(例えば不快感等)をできる限り少なくするため、人の出入りがない、または少ない空間であるものとする。図1においては、室内空間7とは壁等で仕切られた天井裏等を非空調空間8として中継ユニット3を設置している。また、例えば、エレベータ等がある共用部等を非空調空間8として中継ユニット3を設置することも可能である。
また、本実施の形態の室外機1と中継ユニット3との間は、2本の冷媒配管4を用いて接続できるように構成している。また、中継ユニット3と各室内機2との間についても、それぞれが2本の熱媒体配管5を用いて接続している。このような接続構成にすることで、建物9の壁の間を通過させる配管(特に冷媒配管4)は2本でよくなるため、建物9に対して空気調和装置の施工が容易になる。
図2は空気調和装置の別の設置例を表す図である。図2では、中継ユニット3を、さらに親中継ユニット3aと複数の子中継ユニット3b(1)、3b(2)とに分けて構成している。構成の詳細は後述するが、このように中継ユニット3を親中継ユニット3aと子中継ユニット3bとに分けることにより、1つの親中継ユニット3aに対し、子中継ユニット3bを複数接続することができる。本実施の形態のような構成においては、親中継ユニット3aと各子中継ユニット3bの間を接続する配管数は3本になる。
ここで、図1および図2では、室内機2を天井カセット型にした場合を例に示してあるが、これに限るものではない。例えば天井埋込型、天井吊下式等、直接、ダクト介する等により、室内空間7に、加熱または冷却した空気を供給することができれば、型式は問わない。
また、室外機1は、建物9の外の室外空間6に設置されている場合を例に説明を行ったが、これに限るものではない。例えば換気口付の機械室等のような囲まれた空間に設置することができる。また、室外機1を建物9内に設置して排気ダクトで建物9の外に排気等してもよい。さらに水冷式の熱源装置を用いて室外機1を建物9の中に設置するようにしてもよい。
また、省エネルギには反するが、中継ユニット3を室外機1のそばに置くこともできる。
図3は実施の形態1に係る空気調和装置の構成を表す図である。本実施の形態の空気調和装置は、圧縮機10、四方弁11、熱源側熱交換器12、逆止弁13a、13b、13cおよび13d、気液分離器14a、中間熱交換器15aおよび15b、絞り装置となる膨張弁16a、16b、16c、16dおよび16e並びにアキュムレータ17を配管接続して冷凍サイクル回路(冷媒回路、1次側回路)を構成する冷凍サイクル装置を有している。
圧縮機10は吸入した冷媒を加圧して吐出する(送り出す)。また、冷媒流路切替装置となる四方弁11は、室外機側制御装置100の指示に基づいて、冷暖房に係る運転形態(モード)に対応した弁の切り替えを行い、冷媒の経路が切り替わるようにする。本実施の形態では、全冷房運転(ここでは、運転しているすべての室内機2が冷房(除湿も含む。以下、同じ)をしていることをいう)、冷房主体運転(冷暖房同時運転のうち、冷房が主となる)時と、全暖房運転(ここでは、運転しているすべての室内機2が暖房をしていることをいう)、暖房主体運転(冷暖房同時運転のうち、暖房が主となる)時とによって循環経路が切り替わるようにする。
熱源側熱交換器12は、例えば、冷媒を通過させる伝熱管およびその伝熱管を流れる冷媒と外気との間の伝熱面積を大きくするためのフィン(図示せず)を有し、冷媒と空気(外気)との熱交換を行う。例えば、全暖房運転時、暖房主体運転時においては蒸発器として機能し、冷媒を蒸発させて気化させる。一方、全冷房運転時、冷房主体運転時においては凝縮器またはガスクーラとして機能させる。このとき、例えば冷房主体運転時のように、完全にガス化、液化させず、液体とガス(気体)との二相混合(気液二相冷媒)の状態まで凝縮する等を行うこともある。
逆止弁13a、13b、13cおよび13dは冷媒が逆流することを防止して冷媒の流れを整え、室外機1からの冷媒の流入出における循環経路を一定にする。気液分離器14は冷媒配管4から流れる冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。中間熱交換器15a、15bは、冷媒を通過させる伝熱管と熱冷媒を通過させる伝熱管とを有し、冷媒と熱媒体との媒体間の熱交換を行わせる。本実施の形態では、中間熱交換器15aは、全暖房運転、冷房主体運転、暖房主体運転において凝縮器またはガスクーラとして機能し、熱媒体を加熱させる。また、中間熱交換器15bは、全冷房運転、冷房主体運転、暖房主体運転において蒸発器として機能し、熱媒体を冷却させる。例えば電子式膨張弁等の膨張弁16a、16b、16c、16d、16eは、冷媒流量を調整することにより冷媒を減圧させる。アキュムレータ17は冷凍サイクル回路中の過剰な冷媒を貯留したり、圧縮機10に冷媒液が多量に戻って圧縮機10が破損するのを防止する働きがある。
また、図3においては、前述した中間熱交換器15aおよび15b、熱媒体送出手段21aおよび21b、流路切替弁22a、22b、22c、22d、23a、23b、23cおよび23d、止め弁24a、24b、24cおよび24d、流量調整弁25a、25b、25cおよび25d、利用側熱交換器26a、26b、26cおよび26d並びに熱媒体バイパス配管27a、27b、27c、27dを配管接続して熱媒体循環回路(2次側回路)を構成する。
熱媒体送出装置であるポンプ21a、21bは、熱媒体を循環させるために加圧する。また、利用側熱交換器26a、26b、26c、26dは、それぞれ室内機2a、2b、2c、2dにおいて、熱媒体と室内空間7に供給する空気とを熱交換させ、室内空間7に搬送等する空気を加熱または冷却する。また、本実施の形態では、例えば三方切替弁等である流路切替弁22a、22b、22c、22dは、それぞれ利用側熱交換器26a、26b、26c、26dの入口側(熱媒体流入側)において流路切り替えを行う。また、流路切替弁23a、23b、23c、23dも、それぞれ利用側熱交換器26a、26b、26c、26dの出口側(熱媒体流出側)において流路切り替えを行う。ここでは、これらの切替装置は、加熱に係る熱媒体と冷却に係る熱媒体のどちらかを利用側熱交換器26a、26b、26c、26dに通過させるための切り替えを行うものである。また、止め弁24a、24b、24c、24dは、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、それぞれ利用側熱交換器26a、26b、26c、26dに熱媒体を通過または遮断させるために開閉する。
さらに、三方流量調整弁である流量調整弁25a、25b、25c、25dは、それぞれ、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、利用側熱交換器26a、26b、26c、26dと熱媒体バイパス配管27a、27b、27c、27dとを通過する熱媒体の比率を調整する。熱媒体バイパス配管27a、27b、27c、27dは、それぞれ、流量調整弁25a、25b、25c、25dによる調整で利用側熱交換器26a、26b、26c、26dに流れなかった熱媒体を通過させる。
第一の温度センサ31a、31bは、それぞれ中間熱交換器15aおよび15bの熱媒体出口側(熱媒体流出側)における熱媒体の温度を検出する温度センサである。また、第二の温度センサ32a、32bは、それぞれ中間熱交換器15aおよび15bの熱媒体入口側(熱媒体流入側)における熱媒体の温度を検出する温度センサである。第三の温度センサ33a、33b、33c、33dは、それぞれ利用側熱交換器26a、26b、26c、26dの入口側(流入側)における熱媒体の温度を検出する温度センサである。また、第四の温度センサ34a、34b、34c、34dは、それぞれ利用側熱交換器26a、26b、26c、26dの出口側(流出側)における熱媒体の温度を検出する温度センサである。以下、例えば第四の温度センサ34a、34b、34c、34d等の同じ手段について、特に区別しない場合には、例えば添え字を省略したり、第四の温度センサ34a〜34dとして表記したりするものとする。他の機器、手段についても同様であるものとする。
第五の温度センサ35は、中間熱交換器15aの冷媒出口側(冷媒流出側)における冷媒の温度を検出する温度センサである。圧力センサ36は、中間熱交換器15aの冷媒出口側(冷媒流出側)における冷媒の圧力を検出する圧力センサである。また、第六の温度センサ37は、中間熱交換器15bの冷媒入口側(冷媒流入側)における冷媒の温度を検出する温度センサである。また、第七の温度センサ38は、中間熱交換器15bの冷媒出口側(冷媒流出側)における冷媒の温度を検出する温度センサである。以上の温度検出手段、圧力検出手段から、検出に係る温度値、圧力値に係る信号を、中継ユニット側制御装置300に送信する。
また、本実施の形態では、少なくとも室外機1と中継ユニット3とにそれぞれ室外機側制御装置100と中継ユニット側制御装置300とを備えている。そして、室外機側制御装置100と中継ユニット側制御装置300とは各種データを含む信号通信を行うための通信線102により接続されている。室外機側制御装置100は、冷凍サイクル装置の特に室外機1が収容する各機器に指示に係る信号等を送る等、制御を行うための処理を行う。そのため、例えば、各種検出手段の検出に係るデータ等、処理を行うために必要となる各種データ、プログラム等を一時的または長期的に記憶しておく記憶装置(図示せず)を有する。また、中継ユニット側制御装置300は、例えば熱媒体循環装置の機器等、中継ユニット3が収容する各機器に指示に係る信号等を送る等、制御を行うための処理を行う。中継ユニット側制御装置300についても同様に、記憶装置(図示せず)を有しているものとする。ここで、本実施の形態では、室外機1と中継ユニット3との内部にそれぞれ室外機側制御装置100と中継ユニット側制御装置300とを設けるようにしているが、各装置の制御等ができれば、例えば近傍に設ける等、設ける場所を限定しない。
本実施の形態では、圧縮機10、四方弁11、熱源側熱交換器12、逆止弁13a〜13d、アキュムレータ17および室内機側制御装置100を室外機1の中に収容する。また、利用側熱交換器26a〜26dを、それぞれ各室内機2a〜2dに収容する。
そして、本実施の形態においては、熱媒体循環装置に係る各機器および冷凍サイクル装置のうち、気液分離器14、膨張弁16a〜16eを中継ユニット3に収容する。また、第一の温度センサ31aおよび31b、第二の温度センサ32aおよび32b、第三の温度センサ33a〜33d、第四の温度センサ34a〜34d、第五の温度センサ35、圧力センサ36、第六の温度センサ37並びに第七の温度センサ38についても、中継ユニット3に収容する。
ここで、図2のように、親中継ユニット3aと1または複数の子中継ユニット3bに分けて設置する場合は、例えば図3の点線で示すように、気液分離器14、膨張弁16eを親中継ユニット3aに収容する。また、気液分離器14、中間熱交換器15aおよび15b、膨張弁16a〜16d、ポンプ21aおよび21b、流路切替弁22a〜22dおよび23a〜23d、止め弁24a〜24b、流量調整弁25a〜25dを子中継ユニット3bに収容する。
次に、各運転モードにおける空気調和装置の動作について、冷媒および熱媒体の流れに基づいて説明する。ここで、冷凍サイクル回路等における圧力の高低については、基準となる圧力との関係により定まるものではなく、圧縮機1の圧縮、膨張弁16a〜16e等の冷媒流量制御などによりできる相対的な圧力として高圧、低圧として表すものとする。また、温度の高低についても同様であるものとする。
<全冷房運転>
図4は全冷房運転時における冷媒および熱媒体のそれぞれの流れを示した図である。ここでは、室内機2a、2bが室内空間7の冷房を行い、室内機2c、2dが停止している場合について説明する。まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。室外機1において、圧縮機10に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機10を出た冷媒は、四方弁11を経て、凝縮器として機能する熱源側熱交換器12に流れる。高圧のガス冷媒は熱源側熱交換器12内を通過する間に外気との熱交換により凝縮し、高圧の液冷媒となり、逆止弁13aを流れる(冷媒の圧力の関係で逆止弁13b、13c側には流れない)。さらに冷媒配管4を通って熱媒体変換器3に流入する。
熱媒体変換器3に流入した冷媒は気液分離器14を通過する。全冷房運転時には熱媒体変換器3に液冷媒が流入するため、中間熱交換器15aにはガス冷媒が流れず、中間熱交換器15aは機能しない。一方、液冷媒は膨張弁16e、16aを通過して、中間熱交換器15bに流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300が膨張弁16aの開度を制御し、冷媒の流量を調整することで冷媒を減圧させるため、低温低圧の気液二相冷媒が中間熱交換器15bに流入することになる。ここで、中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16aに対し、中間熱交換器15bの冷媒の入口(流入)側の温度と出口(流出)側の温度差を制御目標値に近づける開度の制御(スーパーヒート制御)を行っている。また、膨張弁16eに対し、気液分離器14における圧力と中圧との圧力差を目標値に近づけるように開度の制御を行っている。
中間熱交換器15bは冷媒に対して蒸発器として作用するため、中間熱交換器15bを通過する冷媒は、熱交換対象となる熱媒体を冷却しながら(熱媒体から吸熱しながら)、低温低圧のガス冷媒となって流出する。中間熱交換器15bから流出したガス冷媒は膨張弁16cを通過して熱媒体変換器3から流出する。そして、冷媒配管4を通過して室外機1に流入する。ここで、全冷房運転時における膨張弁16b、16dについては、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、冷媒が流れないような開度にしておく。また、膨張弁16cについては、圧力損失が生じないようにするため、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて全開にしておく。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通過して、さらに四方弁11、アキュムレータ17を介して再度圧縮機10へ吸い込まれる。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。ここで、図4において、停止により熱負荷がかからない(室内空間7を冷却する必要がない。サーモオフしている状態を含む)室内機2c、2dの利用側熱交換器26c、26dへは熱媒体を通過させる必要がない。そこで、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、止め弁24c、24dは閉止し、利用側熱交換器26c、26dに熱媒体が流れないようにする。
熱媒体は中間熱交換器15bにおいて冷媒との熱交換により冷却される。そして、冷却された熱媒体はポンプ21bにより吸引され、送り出される。ポンプ21bから出た熱媒体は、流路切替弁22a、22b、止め弁24a、24bを通過する。そして、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づく流量調整弁25a、25bの流量調整により、室内空間7の空気を冷却するための熱負荷に対して必要な熱量を賄う(供給する)分の熱媒体が利用側熱交換器26a、26bに流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、第三の温度センサ33a、33bの検出に係る温度と第四の温度センサ34a、34bの検出に係る温度との利用側熱交換器出入口温度差を、設定した制御目標値に近づけるように、流量調整弁25a、25bに、利用側熱交換器26a、26bと熱媒体バイパス配管27a、27bとを通過する熱媒体の比率を調整させる。
利用側熱交換器26a、26bに流入した熱媒体は室内空間7の空気との熱交換を行って流出する。一方、利用側熱交換器26a、26bに流入しなかった残りの熱媒体は室内空間7の空気調和には寄与することなく熱媒体バイパス配管27a、27bを通過する。
利用側熱交換器26a、26bを流出した熱媒体と熱媒体バイパス配管27a、27bを通過した熱媒体とは、流量調整弁25a、26bにおいて合流して流路切替弁23a、23bを通過して中間熱交換器15bに流入する。中間熱交換器15bにおいて冷却された熱媒体は再度ポンプ21bにより吸引され、送り出される。
<全暖房運転>
図5は全暖房運転時における冷媒および熱媒体のそれぞれの流れを示した図である。ここでは、室内機2a、2bが暖房を行い、室内機2c、2dが停止している場合について説明する。まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。室外機1において、圧縮機10に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機10を出た冷媒は、四方弁11、逆止弁13bを流れる。さらに冷媒配管4を通って熱媒体変換器3に流入する。
熱媒体変換器3に流入した冷媒は気液分離器14を通過する。全暖房運転時に熱媒体変換器3へ流入する冷媒はガス冷媒であるため、中間熱交換器15bには液冷媒が流れず、中間熱交換器15bは機能しない。一方、ガス冷媒は中間熱交換器15aに流入する。中間熱交換器15aは冷媒に対して凝縮器として作用するため、中間熱交換器15aを通過する冷媒は、熱交換対象となる熱媒体を加熱しながら(熱媒体に放熱しながら)、液冷媒となって流出する。
中間熱交換器15aから流出した冷媒は、膨張弁16dおよび16bを通過して中継ユニット3から流出し、冷媒配管4を通って室外機1に流入する。このとき、中継ユニット側制御装置300が膨張弁16dの開度を制御することで冷媒の流量を調整して、冷媒を減圧させるため、低温低圧の気液二相冷媒が中継ユニット3から流出することになる。ここで、中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16dに対し、中間熱交換器15aの冷媒の出口(流出)側の圧力の飽和温度と出口側の温度との温度差を制御目標値に近づける開度の制御(サブクール制御)を行っている。また、膨張弁16b、16cについては、圧力損失が生じないようにするため、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて全開にする。そして、膨張弁16a、16eについては、冷媒が流れないような開度にしておく。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13cを経て、蒸発器として機能する熱源側熱交換器12に流れる。低温低圧の気液二相冷媒は、熱源側熱交換器12内を通過する間に外気との熱交換により蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した冷媒は、四方弁11、アキュムレータ17を介して再度圧縮機10へ吸い込まれる。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。ここで、図5において、停止により熱負荷がかからない(室内空間7を加熱する必要がない。サーモオフしている状態を含む)室内機2c、2dの利用側熱交換器26c、26dへは熱媒体を通過させる必要がない。そこで、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、止め弁24c、24dは閉止し、利用側熱交換器26c、26dに熱媒体が流れないようにする。
熱媒体は中間熱交換器15aにおいて冷媒との熱交換により加熱される。そして、加熱された熱媒体はポンプ21aにより吸引され、送り出される。ポンプ21aから出た熱媒体は、流路切替弁22a、22b、止め弁24a、24bを通過する。そして、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づく流量調整弁25a、25bの流量調整により、室内空間7の空気を加熱するための熱負荷に対して必要な熱量を賄う(供給する)分の熱媒体が利用側熱交換器26a、26bに流入する。ここで、全暖房運転においても、中継ユニット側制御装置300は、第三の温度センサ33a、33bの検出に係る温度と第四の温度センサ34a、34bの検出に係る温度との温度差が設定した目標値となるように、流量調整弁25a、25bに、利用側熱交換器26a、26bと熱媒体バイパス配管27a、27bとを通過する熱媒体の比率を調整させる。
利用側熱交換器26a、26bに流入した熱媒体は室内空間7の空気との熱交換を行って流出する。一方、利用側熱交換器26a、26bに流入しなかった残りの熱媒体は室内空間7の空気調和には寄与することなく熱媒体バイパス配管27a、27bを通過する。
利用側熱交換器26a、26bを流出した熱媒体と熱媒体バイパス配管27a、27bを通過した熱媒体とは、流量調整弁25a、26bにおいて合流して流路切替弁23a、23bを通過して中間熱交換器15aに流入する。中間熱交換器15bにおいて加熱された熱媒体は再度ポンプ21aにより吸引され、送り出される。
<冷房主体運転>
図6は冷房主体運転時における冷媒および熱媒体のそれぞれの流れを示した図である。ここでは、室内機2aが暖房、室内機2bが冷房を行い、室内機2c、2dが停止している場合について説明する。まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。室外機1において、圧縮機10に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機10を出た冷媒は、四方弁11を経て、熱源側熱交換器12に流れる。高圧のガス冷媒は熱源側熱交換器12内を通過する間に外気との熱交換により凝縮する。ここで、冷房主体運転のときには、熱源側熱交換器12から気液二相冷媒が流出するようにする。熱源側熱交換器12から流出した気液二相冷媒は逆止弁13aを流れる。さらに冷媒配管4を通って熱媒体変換器3に流入する。
熱媒体変換器3に流入した冷媒は気液分離器14を通過する。気液分離器14において気液二相冷媒は液冷媒とガス冷媒とに分離する。気液分離器14において分離したガス冷媒は、中間熱交換器15aに流入する。中間熱交換器15aに流入した冷媒は、凝縮により熱交換対象となる熱媒体を加熱しながら液冷媒となって流出し、膨張弁16dを通過する。中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16dに対し、中間熱交換器15aの冷媒の出口(流出)側の圧力の飽和温度と出口側の温度との温度差を制御目標値に近づける開度の制御(サブクール制御)を行っている。
一方、気液分離器14において分離した液冷媒は、膨張弁16eを通過する。そして、膨張弁16dを通過した液冷媒と合流し、膨張弁16aを通過して中間熱交換器15bに流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300が膨張弁16aの開度を制御し、冷媒の流量を調整することで冷媒を減圧させるため、低温低圧の気液二相冷媒が中間熱交換器15bに流入する。中間熱交換器15bに流入した冷媒は、蒸発により熱交換対象となる熱媒体を冷却しながら低温低圧のガス冷媒となって流出する。中間熱交換器15bから流出したガス冷媒は膨張弁16cを通過して熱媒体変換器3から流出する。そして、冷媒配管4を通過して室外機1に流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16aに対し、中間熱交換器15bの冷媒の入口(流入)側の温度と出口(流出)側の温度差を制御目標値に近づける開度の制御(スーパーヒート制御)を行っている。また、膨張弁16bについては、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、冷媒が流れないような開度にしておく。また、膨張弁16cについては、圧力損失が生じないようにするため、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて全開にしておく。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13dを通過して、さらに四方弁11、アキュムレータ17を介して再度圧縮機10へ吸い込まれる。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。ここで、図6において、停止により熱負荷がかからない(室内空間7を冷却、加熱する必要がない。サーモオフしている状態を含む)室内機2c、2dの利用側熱交換器26c、26dへは熱媒体を通過させる必要がない。そこで、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、止め弁24c、24dは閉止し、利用側熱交換器26c、26dに熱媒体が流れないようにする。
熱媒体は中間熱交換器15bにおいて冷媒との熱交換により冷却される。そして、冷却された熱媒体はポンプ21bにより吸引され、送り出される。また、熱媒体は中間熱交換器15aにおいて冷媒との熱交換により加熱される。そして、冷却された熱媒体はポンプ21aにより吸引され、送り出される。
ポンプ21bから出た冷却された熱媒体は、流路切替弁22b、止め弁24bを通過する。また、ポンプ21aから出た加熱された熱媒体は、流路切替弁22a、止め弁24aを通過する。このように、流路切替弁22aは加熱された熱冷媒を通過させ、冷却された熱冷媒を遮断する。また、流路切替弁22bは冷却された熱冷媒を通過させ、加熱された熱冷媒を遮断する。このため、循環中においては冷却された熱媒体と加熱された熱媒体とは隔てられ、混合することはない。
そして、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づく流量調整弁25a、25bの流量調整により、室内空間7の空気を冷却するための熱負荷に対して必要な熱量を賄う(供給する)分の熱媒体が利用側熱交換器26a、26bに流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、第三の温度センサ33a、33bの検出に係る温度と第四の温度センサ34a、34bの検出に係る温度との温度差が、それぞれ設定した目標値となるように、流量調整弁25a、25bに、利用側熱交換器26a、26bと熱媒体バイパス配管27a、27bとを通過する熱媒体の比率を調整させる。
利用側熱交換器26a、26bに流入した熱媒体は室内空間7の空気との熱交換を行って流出する。一方、利用側熱交換器26a、26bに流入しなかった残りの熱媒体は室内空間7の空気調和には寄与することなく熱媒体バイパス配管27a、27bを通過する。
利用側熱交換器26a、26bを流出した熱媒体と熱媒体バイパス配管27a、27bを通過した熱媒体とは、流量調整弁25a、26bにおいて合流して流路切替弁23a、23bを通過して中間熱交換器15bに流入する。中間熱交換器15bにおいて冷却された熱媒体は再度ポンプ21bにより吸引され、送り出される。同様に、中間熱交換器15aにおいて加熱された熱媒体は再度ポンプ21aにより吸引され、送り出される。
<暖房主体運転>
図7は暖房主体運転時における冷媒および熱媒体のそれぞれの流れを示した図である。ここでは、室内機2aが暖房、室内機2bが冷房を行い、室内機2c、2dが停止している場合について説明する。まず、冷凍サイクル回路における冷媒の流れについて説明する。室外機1において、圧縮機10に吸入された冷媒は圧縮され、高圧のガス冷媒として吐出される。圧縮機10を出た冷媒は、四方弁11、逆止弁13bを流れる。さらに冷媒配管4を通って熱媒体変換器3に流入する。
熱媒体変換器3に流入した冷媒は気液分離器14を通過する。気液分離器14を通過したガス冷媒は中間熱交換器15aに流入する。中間熱交換器15aに流入した冷媒は、凝縮により熱交換対象となる熱媒体を加熱しながら液冷媒となって流出し、膨張弁16dを通過する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16dに対し、中間熱交換器15aの冷媒の出口(流出)側の圧力の飽和温度と出口側の温度との温度差を制御目標値に近づける開度の制御(サブクール制御)を行っている。また、膨張弁16eについては冷媒が流れないような開度にしておく。
膨張弁16dを通過した冷媒は、さらに膨張弁16aと16bとを通過する。膨張弁16aを通過した低温低圧の気液二相冷媒は中間熱交換器15bに流入する。中間熱交換器15bに流入した冷媒は、蒸発により熱交換対象となる熱媒体を冷却しながら低温低圧のガス冷媒となって流出する。中間熱交換器15bから流出したガス冷媒は膨張弁16cを通過する。一方、膨張弁16bを通過した冷媒も、中継ユニット側制御装置300が膨張弁16aの開度を制御するため、低温低圧の気液二相冷媒となり、膨張弁16cを通過したガス冷媒と合流する。そのため、より乾き度の大きい低温低圧の冷媒となる。合流した冷媒は冷媒配管4を通過して室外機1に流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、膨張弁16aに対し、中間熱交換器15bの冷媒の入口(流入)側の温度と出口(流出)側の温度差を制御目標値に近づける開度の制御(スーパーヒート制御)を行っている。また、膨張弁16bに対し、気液分離器14における圧力と中圧との圧力差を目標値に近づけるように開度の制御を行っている。また、熱冷媒の凍結を防止する等のため、膨張弁16cに対し、中間熱交換器15bの冷媒の入口側の温度が所定の温度以下にならないように開度の制御を行っている。
室外機1に流入した冷媒は、逆止弁13cを経て、蒸発器として機能する熱源側熱交換器12に流れる。低温低圧の気液二相冷媒は、熱源側熱交換器12内を通過する間に外気との熱交換により蒸発し、低温低圧のガス冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した冷媒は、四方弁11、アキュムレータ17を介して再度圧縮機10へ吸い込まれる。
次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。ここで、図7において、停止により熱負荷がかからない(室内空間7を冷却、加熱する必要がない。サーモオフしている状態を含む)室内機2c、2dの利用側熱交換器26c、26dへは熱媒体を通過させる必要がない。そこで、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づいて、止め弁24c、24dは閉止し、利用側熱交換器26c、26dに熱媒体が流れないようにする。
熱媒体は中間熱交換器15bにおいて冷媒との熱交換により冷却される。そして、冷却された熱媒体はポンプ21bにより吸引され、送り出される。また、熱媒体は中間熱交換器15aにおいて冷媒との熱交換により加熱される。そして、冷却された熱媒体はポンプ21aにより吸引され、送り出される。
ポンプ21bから出た冷却された熱媒体は、流路切替弁22b、止め弁24bを通過する。また、ポンプ21aから出た加熱された熱媒体は、流路切替弁22a、止め弁24aを通過する。このように、流路切替弁22aは加熱された熱冷媒を通過させ、冷却された熱冷媒を遮断する。また、流路切替弁22bは冷却された熱冷媒を通過させ、加熱された熱冷媒を遮断する。このため、循環中においては冷却された熱媒体と加熱された熱媒体とは隔てられ、混合することはない。
そして、中継ユニット側制御装置300からの指示に基づく流量調整弁25a、25bの流量調整により、室内空間7の空気を冷却するための熱負荷に対して必要な熱量を賄う(供給する)分の熱媒体が利用側熱交換器26a、26bに流入する。ここで、中継ユニット側制御装置300は、第三の温度センサ33a、33bの検出に係る温度と第四の温度センサ34a、34bの検出に係る温度との温度差が、それぞれ設定した目標値となるように、流量調整弁25a、25bに、利用側熱交換器26a、26bと熱媒体バイパス配管27a、27bとを通過する熱媒体の比率を調整させる。
利用側熱交換器26a、26bに流入した熱媒体は室内空間7の空気との熱交換を行って流出する。一方、利用側熱交換器26a、26bに流入しなかった残りの熱媒体は室内空間7の空気調和には寄与することなく熱媒体バイパス配管27a、27bを通過する。
利用側熱交換器26a、26bを流出した熱媒体と熱媒体バイパス配管27a、27bを通過した熱媒体とは、流量調整弁25a、26bにおいて合流して流路切替弁23a、23bを通過して中間熱交換器15bに流入する。中間熱交換器15bにおいて冷却された熱媒体は再度ポンプ21bにより吸引され、送り出される。同様に、中間熱交換器15aにおいて加熱された熱媒体は再度ポンプ21aにより吸引され、送り出される。
次に、熱媒体が熱媒体バイパス配管27a〜27dを通過せずにすべて利用側熱交換器26a〜26d側へ流れ、かつ、ポンプ21a、21bの回転数が最大の状態の場合がある。このような状態のとき、猛暑によって冷房による利用側熱交換器26a〜26dに係る熱負荷又は極寒による暖房による利用側熱交換器26a〜26dに係る熱負荷がさらに増加し、利用側熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に対応できるだけの熱量の供給を行わなければならない場合を考える。このとき、熱媒体循環装置側の機器だけでさらに熱量の供給を行うことは困難なことが多い。また、熱媒体を搬送させることで、搬送動力が大きくなり、エネルギも消費する。
ここで、熱媒体を加熱する中間熱交換器15aにおいては、冷媒が熱媒体に対して放熱して加熱する。そのため、第一の温度センサ31aの検出に係る熱媒体の出口側(流出側)の温度が、中間熱交換器15aの入口側(流入側)における冷媒の温度よりも高くなることはない。そして、冷媒の過熱ガス域の加熱量は少ないので、熱媒体の出口側(流出側)の温度は、圧力センサ36の検出に係る圧力における飽和温度で求まる凝縮温度によって制約される。また、熱媒体を冷却する側の中間熱交換器15bにおいては、冷媒が熱媒体から吸熱して冷却する。そのため、第一の温度センサ31bの検出に係る熱媒体の出口側(流出側)の温度が、中間熱交換器15bの入口側(流入側)における冷媒の温度よりも低くなることはない。
従って、例えば、利用側熱交換器26a〜26d(室内機2a〜2d)に係る、加熱、冷却についての熱負荷の増加又は減少に対して、中間熱交換器15bの冷媒の蒸発温度、中間熱交換器15aの冷媒の凝縮温度を上昇又は低下させるようにする。これにより、加熱、冷却にかかる熱媒体の温度を上昇又は低下させて利用側熱交換器26a〜26dに送り出すようにする。そこで、利用側熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に応じて、中間熱交換器15a、15bにおける冷媒の凝縮温度または/および蒸発温度の制御目標値を変更する。そして、冷凍サイクル回路の各機器を制御する制御装置は、制御目標値に合わせて凝縮温度または/および蒸発温度を変化させるように制御する。凝縮温度または/および蒸発温度を変化させることで熱負荷の変化に追従することができる。
また、逆に熱負荷が小さい場合を考える。例えば、冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷が小さい場合、利用側熱交換器26a〜26dの熱媒体出口側の温度が7℃では低すぎる。この時、中間熱交換器15bを通過する冷媒の蒸発温度を高くして、熱媒体の出口側の温度がより高い温度になるようにする。例えば、通常は0℃である蒸発温度が5℃となるように制御目標値を変更し、冷却に係る熱媒体の温度を高くする。これにより、配管における熱損失を低下させるとともに、冷凍サイクル回路が熱媒体を冷却するために行う仕事量を減らすことができる。このため、省エネルギ化をはかることができる。これは、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷が小さい場合も同様である。暖房に係る熱負荷が小さい場合には、凝縮温度を低くするように制御目標値を変更することで、省エネルギ化をはかることができる。
そこで、熱負荷に基づく制御目標値を設定できるように、室外機側制御装置100と中継ユニット側制御装置300との間を信号線200により通信接続して信号の送受信が行えるようにする。そして、中継ユニット側制御装置300は、熱交換器26a〜26dに係る加熱、冷却による熱負荷を判断し、その判断に基づく凝縮温度または/および蒸発温度の制御目標値のデータを含む信号を送信する。信号を受信した室外機側制御装置100は、凝縮温度または/および蒸発温度の制御目標値を変更する。ここで、中継ユニット側制御装置300から制御目標値の増減値のデータを含む信号を送信することにより、室外機側制御装置100が制御目標値を変化させるようにしてもよい。
図8は中継ユニット側制御装置300が行う凝縮温度、蒸発温度の制御目標値の設定変更に係る処理のフローチャートを表す図である。ここで、中継ユニット側制御装置300が流量調整弁25a〜25dおける流量調整を最適に行っているものとして説明する。
処理開始後(GT0)、例えば各機器の出力が安定するまでの一定時間待つ(GT1)。中継ユニット側制御装置300は、冷凍サイクル回路における運転形態が全冷房運転又は冷房の比重が高い冷房主体運転であるかどうかを判断する(GT2)。全冷房運転又は冷房の比重が高い冷房主体運転であると判断すると、冷却に係る熱冷媒を送り出すポンプ21bの回転数R1を判断し、回転数R1が最大回転数からαb1を引いた値以上であるかどうかを判断する(GT3)。ここで、αb1は例えば10rpm等を値とする。回転数R1が最大回転数からαb1を引いた値以上であると判断すると、回転数R1が十分大きく、ポンプ21bだけでは冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷を賄えず、冷房に係る熱負荷を賄うには冷媒の蒸発温度が高すぎると判断することができる。そこで、蒸発温度の制御目標値Temを蒸発温度変化幅ΔTe(例えば1℃)だけ低下させた値を新たな蒸発温度の制御目標値Temとして設定する(GT4)。これにより、中間熱交換器15bにおいては熱媒体がさらに冷却される。
回転数R1が最大回転数からαb1を引いた値より小さいと判断すると、さらに、回転数R1が最小回転数にαb2(例えば10rpm)を加えた値以下であるかどうかを判断する(GT5)。回転数R1が最小回転数にαb2を加えた値以下であると判断すると、ポンプ21bの回転数R1が小さすぎ、また、冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に対して冷媒の蒸発温度が低すぎると判断することができる。そこで、蒸発温度の制御目標値Temを蒸発温度変化幅ΔTeだけ上昇させた値を新たな蒸発温度の制御目標値Temとして設定する(GT6)。これにより、中間熱交換器15bにおいて熱媒体の冷却を弱めることができる。回転数R1が最大回転数からαb1を引いた値より小さく、最小回転数にαb2を加えた値より大きいときは、そのままの蒸発温度の制御目標値Temを設定する。
一方、GT2において、運転形態が全冷房運転又は冷房主体運転でない(全暖房運転又は暖房の比重が高い暖房主体運転である)と判断すると、加熱に係る熱冷媒を送り出すポンプ21aの回転数R2を判断し、回転数R2が最大回転数からαa1(例えば10rpm)を引いた値以上であるかどうかを判断する(GT7)。回転数R2が最大回転数からαa1を引いた値以上であると判断すると、回転数R2が十分大きく、ポンプ21aだけでは暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷を賄えず、暖房に係る熱負荷を賄うには冷媒の凝縮温度が低すぎると判断することができる。そこで、凝縮温度の制御目標値Tcmを凝縮温度変化幅ΔTc(例えば1℃)だけ上昇させた値を新たな凝縮温度の制御目標値Tcmとして設定する(GT8)。これにより、中間熱交換器15aにおいては熱媒体がさらに加熱される。
回転数R2が最大回転数からαa1を引いた値より小さいと判断すると、さらに、回転数R2が最小回転数にαa2(例えば10rpm)を加えた値以下であるかどうかを判断する(GT9)。回転数R2が最小回転数にαa2を加えた値以下であると判断すると、ポンプ21aの回転数R2が小さすぎ、また、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に対して冷媒の凝縮温度が高すぎると判断することができる。そこで、凝縮温度の制御目標値Tcmを凝縮温度変化幅ΔTcだけ低下させた値を新たな凝縮温度の制御目標値Tcmとして設定する(GT10)。これにより、中間熱交換器15aにおいて熱媒体の加熱を弱めることができる。回転数R2が最大回転数からαa1を引いた値より小さく、最小回転数にαa2を加えた値より大きいときは、そのままの凝縮温度の制御目標値Tcmを設定する。
中継ユニット側制御装置300は、設定した蒸発温度の制御目標値Tem又は凝縮温度の制御目標値Tcmのデータを含む信号を、信号線200を介して室外機側制御装置100に送信する(GT11)。そして、以上の処理を繰り返し行う(GT12)。
ここで、例えば凝縮温度変化幅ΔTc、蒸発温度変化幅ΔTeを1℃としているが、限定するものではない。また、凝縮温度変化幅ΔTc、蒸発温度変化幅ΔTeを、あらかじめ固定した一定値に設定してもよい。また、運転中に学習等に係る処理を行い、最適値を設定するようにしてもよい。この場合は、ポンプ21a、21bの回転数に基づいて、熱負荷を予測する処理を行うことができる。
以上のように、実施の形態1の空気調和装置では、室内空間7の空気を加熱または冷却するための室内機2には熱媒体が循環し、冷媒が循環しない。そのため、例えば、配管などから冷媒が漏れても、人がいる室内空間7に冷媒が侵入するのを抑制できる安全な空気調和装置を得ることができる。また、中継ユニット3を、室外機1、室内機2とは別のユニットとすることで、室外機と室内機との間で直接熱媒体を循環させる場合に比べて、熱媒体を搬送する距離が短くなるため、搬送動力が少なくてすみ、省エネルギになる。また、本実施の形態の空気調和装置では、全冷房運転、全暖房運転、冷房主体運転および暖房主体運転の4つの形態(モード)のいずれかによる運転を行うことができる。このような運転を行う場合でも、中継ユニット3において、熱媒体を加熱、冷却をそれぞれ行う中間熱交換器15a、15bを有し、二方切替弁、三方切替弁等の流路切替弁22a〜22d、23a〜23dにより、加熱に係る熱媒体と冷却に係る熱媒体とを必要とする利用側熱交換器26a〜26dに供給することができる。
また、中継ユニット側制御装置300が、例えば、ポンプ21aの回転数が上限又は下限に近づいたものと判断すると、中間熱交換器15aを通過する冷媒の凝縮温度の制御目標値を変化させ、凝縮温度によって熱媒体の温度を上昇又は低下させて、加熱に係る熱媒体を循環させるようにしたので、熱媒体循環装置側の限界をこえる暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷にも対応することができる。特に、熱負荷が小さい場合でも過剰な熱量の熱媒体を送り出さずにすむため、省エネルギ化をはかることができる。同様に、ポンプ21bの回転数が上限又は下限に近づいたものと判断すると、中間熱交換器15bを通過する冷媒の蒸発温度の制御目標値を変化させるようにしたので、熱媒体循環装置側の限界をこえる冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷にも対応することができる。
実施の形態2.
図9は実施の形態2に係る空気調和装置の構成を表す図である。図9において、流量計41a、41b、41c、41dは、それぞれ利用側熱交換器26a〜26dに流れる熱媒体の流量を検出し、流量値に係る信号を中継ユニット側制御装置300に送信する。
本実施の形態では、例えば流量計41a〜41dを設けることにより、中継ユニット側制御装置300が利用側熱交換器26a〜26dを流れる熱媒体の流量の値を得られるようにしたものである。そして、利用側熱交換器26a〜26dを流れる熱媒体の流量、第三の温度センサ33a〜33dの検出に係る温度および第四の温度センサ34a〜34dの検出に係る温度に基づいて、中継ユニット側制御装置300が計算等を行う。
例えば、室内機2における冷房、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷の合計値が、冷凍サイクル装置において発揮している冷房能力、暖房能力に対して大きいまたは小さいかどうかを判断する。そして、冷凍サイクル装置の機器を制御し、凝縮温度、蒸発温度を低下または上昇させるように指示することで、冷房能力、暖房能力を低下または増加させるようにする。
図10は実施の形態2に係る中継ユニット側制御装置300が行う凝縮温度、蒸発温度の制御目標値の設定変更に係る処理のフローチャートを表す図である。ここで、本実施の形態では、室内機2a〜2dを表す室内機番号として、室内機番号n=1〜4を設定しているものとする。
処理開始後(RT0)、例えば各機器の出力が安定するまでの一定時間待つ(RT1)。中継ユニット側制御装置300は、送信される信号に基づいて、流量計41a〜41dの検出に係る熱媒体の各流量Vr、第三の温度センサ33a〜33dの検出に係る各温度Triと第四の温度センサ34a〜34dの検出に係る温度Troとを判断する(読み取る)(RT2)。そして、室内機番号n=1、合計冷房能力Qew=0、合計暖房能力Qcw=0を初期値として設定する(RT3)。ここで、合計冷房能力Qewは、冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に対して、中間熱交換器15bにおいて、冷凍サイクル装置側が熱媒体を冷却している能力の合計値である。また、合計暖房能力Qcwは、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に対して、中間熱交換器15aにおいて、冷凍サイクル装置側が熱媒体を加熱している能力の合計値である。
そして、例えば室内機番号1である室内機2aについて、停止しているかどうかを判断する(RT4)。停止していないと判断すると、さらに冷房を行っているかどうかを判断する(RT5)。冷房を行っていると判断すると、次式(1)に基づいて、室内機2aにおける冷房能力Qe(=室内機2における冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷)を算出する。また、算出した冷房能力Qeを合計冷房能力Qewに加算する(RT6)。一方、冷房を行っていない(暖房を行っている)と判断すると、次式(2)に基づいて、室内機2aにおける暖房能力Qc(=室内機2における暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷)を算出する。また、算出した暖房能力Qcを合計暖房能力Qcwに加算する(RT7)。ここで、RT4において、室内機2が停止していると判断すると、冷房能力Qe、暖房能力Qcの算出を行わない。
Qe=Vr×(Tro−Tri)
Qew←Qew+Qe …(1)
Qc=Vr×(Tri−Tro)
Qcw←Qcw+Qc …(2)
そして、室内機番号が設定した最大値であるかどうかを判断する(RT8)。最大値でないと判断すると、処理を行っていない室内機2が存在するものとして、室内機番号nに1を追加する(RT9)。そして、次の室内機番号が表す室内機2に係るデータに基づいて、RT4〜RT7の処理を行う。
すべての室内機2に係る処理を行うと、算出した合計冷房能力Qewを(3)式に代入し、蒸発温度変化量ΔTeを算出する。ここで、基準冷房能力Qewn、基準蒸発温度偏差ΔTen、係数keは、設定している値である。また、算出した合計暖房能力Qcwを(4)式に代入し、凝縮温度変化量ΔTcを算出する。ここで、基準暖房能力Qcwn、基準凝縮温度偏差ΔTcn、係数kcは、設定している値である。そして、(5)式に基づいて蒸発温度の制御目標値Temを蒸発温度変化量ΔTeだけ減少させた値を新たな蒸発温度の制御目標値Temとして設定する。また、(6)式に基づいて凝縮温度の制御目標値Tcmを凝縮温度変化量ΔTcだけ増加させた値を新たな凝縮温度の制御目標値Tcmとして設定する(RT10)。
ΔTe=ΔTen×ke×{(Qew/Qewn)−1} …(3)
ΔTc=ΔTcn×kc×{(Qcw/Qcwn)−1} …(4)
Tem=Tem−ΔTe …(5)
Tcm=Tcm+ΔTc …(6)
中継ユニット側制御装置300は、設定した蒸発温度の制御目標値Tem又は凝縮温度の制御目標値Tcmのデータを含む信号を、信号線200を介して室外機側制御装置100に送信する(GT10)。以上の処理を繰り返し行う(GT12)。
ここで、(3)式では合計冷房能力Qewが基準冷房能力Qewnに等しい場合にΔTeが0になる。また、(4)式では合計暖房能力Qcwが基準暖房能力Qcwnに等しい場合にΔTcが0になるようになっている。このため、冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷の大小、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷の大小が、それぞれΔTe、ΔTcに反映されるようになっている。これにより、検出に係る熱媒体の流量に基づいて、熱負荷を予測することができる。
ここで、図9においては、流量計41a〜41dを、利用側熱交換器26a〜26dの入口側に設けている。ただ、利用側熱交換器26a〜26dを流れる熱媒体の流量を検出できるのであれば、利用側熱交換器26a〜26dの出口側に設けるようにしてもよい。
また、流量計41a〜41dが利用側熱交換器26a〜26dを流れる熱媒体の流量を検出するようにした。ここで、例えば流量調整弁25a〜25dがステッピングモータタイプの流量調整弁の場合には、モータ駆動のためのパルス数と流量との間には相関関係がある。そこで、パルス数と流量との関係を記憶装置に記憶しておくことで、中継ユニット側制御装置300は、利用側熱交換器26a〜26dを流れる熱媒体の流量を推定により検出することができる。
また、流量計41a〜41dが検出する流量等を用いて、冷房能力、暖房能力等から蒸発温度の制御目標値Tem、凝縮温度の制御目標値Tcmを行った。中継ユニット側制御装置300は、蒸発温度の制御目標値Tem、凝縮温度の制御目標値Tcmの代わりとして、ポンプ21a、21bの回転数と中間熱交換器15a、15bにそれぞれ流入出する熱媒体の温度差とに基づいて、利用側熱交換器26a〜26dにおける冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷を算出等することができる。そして、これらの熱負荷に基づいて、蒸発温度、凝縮温度の上昇、低下させるような指示を室外機側制御装置100に送信することもできる。ここで、ポンプ21a、21bの回転数または吐出流量を検出するための手段を設けるようにしてもよい。ここでは、ポンプ21a、21bの回転数の制御は中継ユニット側制御装置300が行っており、中継ユニット側制御装置300が検出手段としての役割も果たすことができるため、特に設けなくてもよい。
また、利用側熱交換器26a〜26dにおいても、最大負荷状態、すなわちすべての利用側熱交換器26a〜26dにおいて各利用側熱交換器26a〜26dの入口側の温度と出口側の温度との温度差は、中間熱交換器15a、15bの熱媒体の入口側の温度と出口側の温度との温度差よりも大きくなることはない。すなわち、利用側熱交換器の入出口温度差の目標値も、中間熱交換器における冷媒の凝縮温度および蒸発温度に基づいて設定の変更を行う。
以上のように、実施の形態2の空気調和装置によれば、熱媒体の各流量Vr、第三の温度センサ33a〜33d、第四の温度センサ34a〜34dの検出に係る利用側熱交換器26a〜26dの熱媒体入口側と出口側とにおける温度差に基づいて算出した冷房能力、暖房能力に基づいて、蒸発温度の制御目標値、凝縮温度の制御目標値を新たに設定するようにしたので、利用側熱交換器26a〜26dにおける冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷、暖房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷に基づく蒸発温度の制御目標値、凝縮温度の制御目標値を設定することができる。このため、例えば、ポンプ21a、21bの搬送動力を増やさずに、熱負荷の増加に対応することができるため、省エネルギ化をはかることができる。
実施の形態3.
図11は実施の形態3に係る外気温が低い場合の暖房主体運転における冷凍サイクル回路におけるp−h線図である。ここで、本実施の形態における空気調和装置の構成は、実施の形態1及び2で説明した図3、8と同じである。本実施の形態は、中継ユニット側制御装置300の制御に基づく膨張弁16cの開度に係る動作について説明する。
例えば室外空間6の気温(以下、外気温という)Taが低い場合、室内機2は暖房を行っていることが多い。しかし、多くのコンピュータが置いてあるサーバールーム等、年間を通して冷房の需要がある室内空間7もある。このような場合には、上述した暖房主体運転を行うことになる。このとき、熱源側熱交換器12は、蒸発器として機能するため、外気からの吸熱を行うことになる。外気から吸熱するためには、熱源側熱交換器12における冷媒の蒸発温度が外気温よりも低くないといけない。
例えば、外気温が−20℃の場合、熱源側熱交換器12における冷媒の蒸発温度は、−26℃程度になる。この場合に、膨張弁16cがないと、熱源側熱交換器12における冷媒の蒸発温度と、中間熱交換器15bにおける冷媒の蒸発温度は同じになる。このため、例えば熱媒体循環回路における熱媒体が水の場合、中間熱交換器15b内で凍結してしまい、熱媒体が循環しなくなってしまう。また、熱媒体として、不凍液の場合でも、低い温度でも凍結しないようにするためには、不凍液の濃度を濃くしなければならない。そのため、熱媒体の粘度が高くなり、ポンプ21の搬送動力を大きくするため、エネルギ消費量が多くなってしまう。
そこで、膨張弁16cにより、冷媒に圧力損失を付けることにより、熱源側熱交換器12における冷媒の蒸発温度が下がったとしても、中間熱交換器15bにおける冷媒の蒸発温度を所定の温度に維持できるようにする。
図11のp−h線図に示すように、例えば、外気温(熱源側熱交換器12の周囲における空気の温度)Taが−20℃の時、熱源側熱交換器12内の冷媒の蒸発温度Tnは−26℃程度になる。このときでも、中間熱交換器15bを通過する冷媒の蒸発温度Txは0℃程度に維持することができる。このときの熱媒体循環回路における熱媒体の平均温度Twは約7℃となる。そのため、熱媒体が水の場合でも凍結することはない。この場合、熱源側熱交換器12内の冷媒の飽和圧力Pnと中間熱交換器15b内の冷媒の飽和圧力Pxとの差(Pn−Px)が、膨張弁16cによる圧力損失になる。
この制御は、第七の温度センサ38の検出に係る中間熱交換器15の冷媒出口(流出)側の温度を制御目標温度に近づけるように、例えばPID(比例−積分−微分)制御等により、膨張弁16cの開度を変化させて行う。
図12は実施の形態3に係る中継ユニット側制御装置300が行う膨張弁16cの開度制御に係る処理のフローチャートを表す図である。中継ユニット側制御装置300は処理を開始すると(ST0)、第六の温度センサ37から送信される信号に基づいて、第六の温度センサ37の検出に係る温度Tenを判断する(読み取る)(ST1)。
そして、温度Tenから蒸発温度の制御目標値Temを引いた値をΔTeを算出する(ST2)。ΔTeが0以下であるかどうかを判断する(ST3)。ΔTeが0以下である(すなわちTenが蒸発温度の制御目標値Temよりも低い)と判断すると、開度(開口面積)を減らすように膨張弁16cに指示する(ST4)。これにより中間熱交換器15bを通過する冷媒の入口側の温度Tenを上昇させる。この際、例えば、ΔTeに比例定数Kを乗じた値で開度を補正する。この補正に係る制御を上述したPID制御にすることで、より制御精度を向上させるようにすることができる。
一方、ΔTeが0以下でない(すなわちTenが蒸発温度の制御目標値Temよりも高い)と判断すると、開度(開口面積)を増やすように膨張弁16cに指示する(ST5)。これにより中間熱交換器15bの冷媒の入口側における温度Tenを低下させる。以上の処理を、例えば一定時間毎に繰り返し行う(ST6)。
ここで、熱媒体が水の場合には、凍結を防止するため、蒸発温度の制御目標値Temを水の凍結温度である0℃よりも高い値に設定する。例えば、蒸発温度の制御目標値Temが3℃で、温度Tenが1℃の場合、膨張弁16cの開度を減らして、温度Tenを上昇させて、蒸発温度の制御目標値Temに近づけると共に凍結を防止するように制御する。また、蒸発温度の制御目標値Temが3℃で、温度Tenが5℃の場合、膨張弁16cの開度を増加させて、温度Tenを低下させ、蒸発温度の制御目標値Temに近づけるように制御する。
このように、外気温が低くて、温度Tenが蒸発温度の制御目標値Temよりも高い場合は、膨張弁16cの開度を増やすことにより、蒸発温度の制御目標値Temに制御することができる。一方で、外気温が高い場合は、膨張弁16cの開度が全開に至っても、温度Tenが蒸発温度の制御目標値Temよりも高い状態となったままになる。ただ、この場合、膨張弁16cでの圧力損失をできるだけ減らすようにした方が、装置全体として効率がよい。そのため、膨張弁16cは全開状態のままにする。膨張弁16の開度は全開よりも大きくなることはないため、この状態でも特に問題はない。
また、中間熱交換器15bの冷媒の蒸発温度に関する制御は、熱冷媒の凍結を防止すること以外にも行うことができる。例えば、冷房による熱交換器26a〜26dに係る熱負荷が小さい場合に、中間熱交換器15bにおける冷媒の蒸発温度を上げる。これにより、中間熱交換器15bでの熱交換量を減らし、熱負荷に適切に対応した制御を行い、室内空間7の快適性を維持することができる。
以上のように、実施の形態3の空気調和装置によれば、中継ユニット側制御装置300が膨張弁16cの開度を変化させることにより、中間熱交換器15bを通過する冷媒の蒸発温度が所定の温度以上を維持できるようにするため、例えば、外気温が低い場合でも冷媒の温度が低くなりすぎて、熱媒体を凍結等させてしまうことがなく、安全な運転を行うことができる。
実施の形態4.
上述の実施の形態1においては、冷凍サイクル回路において循環させる冷媒として擬似共沸混合冷媒の冷媒を用いて説明したが、これに限定するものでない。例えば、R−22、R−134a等の単一冷媒、R−407C等の非共沸混合冷媒、化学式内に二重結合を含む、CF3CF=CH2等の地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒その冷媒を含む混合冷媒、CO2 、プロパン等の自然冷媒等を用いてもよい。
また、上述の実施の形態に係る空気調和装置では、冷凍サイクル回路にアキュムレータ17を有して構成しているが、例えばアキュムレータ17がない構成にしてもよい。逆止弁13a〜13dについても必須の手段ではないため、逆止弁13a〜13dを用いずに冷凍サイクル回路を構成しても、同様の動作を行うことができ、同様の効果を奏することができる。
上述の実施の形態で特に示していないが、例えば室外機1において、熱源側熱交換器12における外気と冷媒との熱交換を促進するための送風機を設けてもよい。また、室内機2a〜2dにおいても、利用側熱交換器26a〜26dにおける空気と熱媒体との熱交換を促進させ、室内空間7に加熱または冷却した空気を送り込むための送風機を設けてもよい。また、上述の実施の形態においては、熱源側熱交換器12、利用側熱交換器26a〜26dにおける熱交換を促進するために送風機を設けることに関する説明を行ったが、これに限定するものではない。冷媒、熱媒体に対して、放熱または吸熱を促進できるような手段、装置等で構成すれば、どんなものでも用いることができる。例えば、利用側熱交換器26a〜26dを、放射を利用したパネルヒータ等により送風機を特に設けずに構成することができる。また、熱源側熱交換器12における冷媒との熱交換を、水や不凍液により行うようにしてもよい。
また、上述の実施の形態では、4台の室内機2が、それぞれ利用側熱交換器26a〜26dを有する場合について説明したが、室内機2の台数を4台に限定するものではない。
流路切替弁22a〜22d、23a〜23d、止め弁24a〜24d、流量調整弁25a〜25dは、各利用側熱交換器26a〜26dにそれぞれ1つずつ接続される場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、それぞれの機器について、各利用側熱交換器26a〜26dに対して、複数設けるようにし、同じように動作させるようにしてもよい。そして、同じ利用側熱交換器26a〜26dに接続されている、流路切替弁22、23、止め弁24、流量調整弁25を同じように動作させれるようにすればよい。
また、上述の実施の形態では、蒸発器となり熱冷媒を冷却する中間熱交換器15a、凝縮器となり熱冷媒を加熱する中間熱交換器15bをそれぞれ1台ずつ有する例について説明した。本発明は各1台ずつに限るものではなく、複数台設けるようにしてもよい。

Claims (9)

  1. 冷媒を加圧する圧縮機、前記冷媒の循環経路を切り替えるための冷媒流路切替装置、前記冷媒を熱交換させるための熱源側熱交換器、前記冷媒を圧力調整するための第一の膨張弁並びに前記冷媒と前記冷媒とは異なる熱媒体との熱交換を行って、前記熱媒体を加熱する中間熱交換器および前記熱媒体を冷却する中間熱交換器を配管接続する冷凍サイクル回路と、
    前記熱媒体を加熱する中間熱交換器および前記熱媒体を冷却する中間熱交換器、各中間熱交換器の熱交換に係る前記熱媒体を循環させるためのポンプ並びに前記熱媒体と空調対象空間に係る空気との熱交換を行う複数の利用側熱交換器を配管接続する熱媒体循環回路と
    を備え、前記熱源側熱交換器と前記中間熱交換器と前記利用側熱交換器とは、それぞれ別体に形成されて互いに離れた場所に設置できるようにされていることを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときの、前記熱媒体を冷却する中間熱交換器と前記熱源側熱交換器との間の流路に第二の膨張弁を設置し、
    前記熱媒体を冷却する中間熱交換器における冷媒の蒸発温度が、前記熱源側熱交換器における冷媒の蒸発温度よりも高くなるように、前記第二の膨張弁の開度を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。
  3. 前記熱媒体を冷却する中間熱交換器における冷媒の蒸発温度を、前記熱媒体を冷却する中間熱交換器内で前記熱媒体を凍結させない温度とすることを特徴とする請求項2に記載の空気調和装置。
  4. 前記圧縮機、前記冷媒流路切替装置および前記熱源側熱交換器を収容する室外機の各装置を制御する室外機側制御装置と、
    前記第一および第二の膨張弁および前記中間熱交換器を収容する中継装置の各装置を制御し、該室外機側制御装置との間で通信可能な中継装置側制御装置とをさらに備え、
    前記熱媒体を加熱する中間熱交換器を通過する冷媒の凝縮温度または/および前記熱媒体を冷却する中間熱交換器を通過する冷媒の蒸発温度の制御目標値または該制御目標値の増減値のデータを含む制御信号を前記中継装置側制御装置から前記室外機側制御装置に送信することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の空気調和装置。
  5. 中継装置側制御装置は、前記ポンプの回転数に基づいて、制御目標値を増減させるかどうかを判断することを特徴とする請求項4に記載の空気調和装置。
  6. 循環させる冷媒を加圧する圧縮機、冷媒の循環経路を切り替えるための冷媒流路切替装置、外気と冷媒との熱交換を行う熱源側熱交換器、冷媒を圧力調整をするための複数の膨張弁および前記冷媒と前記冷媒と異なる熱媒体との熱交換を行って、前記熱媒体を加熱および冷却する複数の中間熱交換器を配管接続して冷凍サイクル回路を構成し、
    前記複数の中間熱交換器、該複数の中間熱交換器の熱交換に係る前記熱媒体を循環させるためのポンプ、前記熱媒体と空調対象空間の空気との熱交換を行う複数の利用側熱交換器および各利用側熱交換器への前記中間熱交換器が加熱した前記熱媒体の通過または冷却した前記熱媒体の通過を切り替えるための熱媒体流路切替装置を配管接続して熱媒体回路を構成し、
    前記中間熱交換器または前記利用側熱交換器に係る熱負荷を算出し、前記熱媒体を加熱する中間熱交換器を通過する冷媒の凝縮温度または/および前記熱媒体を冷却する中間熱交換器を通過する冷媒の蒸発温度の制御目標値の変更処理を行う制御装置とを備えることを特徴とする空気調和装置。
  7. 前記各利用側熱交換器を通過する熱媒体の流量を検出するための流量計と、
    前記各利用側熱交換器にそれぞれ流入および流出する前記熱媒体の温度をそれぞれ検出する熱媒体温度センサとをさらに備え、
    前記制御装置は、前記各利用側熱交換器を通過する熱媒体の流量と前記各利用側熱交換器の通過前後の温度差とに基づいて、前記利用側熱交換器に係る熱負荷を算出することを特徴とする請求項6に記載の空気調和装置。
  8. 前記ポンプが送出する熱媒体の流量を検出するための流量計と、
    前記中間熱交換器に流入および流出する前記熱媒体の温度をそれぞれ検出する熱媒体温度センサとをさらに備え、
    前記制御装置は、前記ポンプが送出する熱媒体の流量と前記中間熱交換器の通過前後の温度差とに基づいて、前記利用側熱交換器に係る熱負荷を算出することを特徴とする請求項6に記載の空気調和装置。
  9. 前記制御装置は、前記膨張弁および前記中間熱交換器を収容する中継装置の各装置を制御し、前記圧縮機、前記冷媒流路切替装置および前記熱源側熱交換器を収容する室外機の各装置を制御する室外機側制御装置との間で通信可能な中継装置側制御装置であって、
    前記凝縮温度または/および蒸発温度の制御目標値または該制御目標値の増減値のデータを含む制御信号を前記中継装置側制御装置から前記室外機側制御装置に送信することを特徴とする請求項6から請求項8のいずれかに記載の空気調和装置。
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