JPWO2010050001A1 - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

熱源側熱交換器１２と中間熱交換器１５ａ、１５ｂと利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄ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おり、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの熱媒体側流路の入口側および出口側のそれぞれに、各中間熱交換器１５ａ、１５ｂに接続するように流路を切り替える流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄを備え、熱媒体循環回路内の熱媒体を循環させるポンプ２１ａ〜２１ｄを、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄと利用側熱交換器の入口側に設置された流路切替弁２２ａ〜２２ｄとの間の流路、または利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄと利用側熱交換器の出口側に設置された流路切替弁２３ａ〜２３ｄとの間の流路、のいずれかに設置した空気調和装置。

Description

この発明は、ビル用マルチエアコンなどの空気調和装置に関するものである。
従来の空気調和装置であるビル用マルチエアコンにおいては、室外に配置した熱源装置である室外機と室内に配置した室内機の間に冷媒を循環させることにより、室内に冷熱または温熱を搬送し、冷房または暖房を行っていた。冷媒としては、ＨＦＣ冷媒が多く使われており、ＣＯ2等の自然冷媒を使うものも提案されている。
また、別の従来の空気調和装置であるチラーにおいては、室外に配置した熱源装置にて、冷熱または温熱を生成し、室外機内に配置した熱交換器で水や不凍液等の熱媒体に冷熱または温熱を伝え、これを室内機であるファンコイルユニットや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（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、室内機に高圧の冷媒を搬送し、利用しているため、冷媒が室内に漏れた場合には、室内環境に悪影響を及ぼすおそれがあった。また、チラーは、室外で冷媒と水の熱交換を行い、熱交換された水を室内機まで搬送するため、水の搬送動力が非常に大きく、省エネでないという問題点があった。
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、環境性に優れしかも室内機側での水等の搬送動力が小さくて済む空気調和装置を得ることを目的としている。
この発明に係る空気調和装置は、
冷媒と前記冷媒と異なる熱媒体とを熱交換する少なくとも１台の中間熱交換器と、
圧縮機、熱源側熱交換器、少なくとも１つの膨張弁、および前記中間熱交換器の冷媒側流路を、前記冷媒が流通する配管を介して接続した冷凍サイクル回路と、
前記中間熱交換器の熱媒体側流路および利用側熱交換器を、前記熱媒体が流通する配管を介して接続した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おり、
前記利用側熱交換器の熱媒体側流路の入口側および出口側のそれぞれに、前記各中間熱交換器に接続するように流路を切り替える流路切替弁を備え、
熱媒体循環回路内の前記熱媒体を循環させるポンプを、前記利用側熱交換器と前記利用側熱交換器の入口側に設置された前記流路切替弁との間の流路、または前記利用側熱交換器と前記利用側熱交換器の出口側に設置された前記流路切替弁との間の流路、のいずれかに設置したものである。
上記空気調和装置は、前記利用側熱交換器の熱媒体入口側に設置された前記流路切替弁と前記利用側熱交換器との間の流路、および前記利用側熱交換器の熱媒体出口側に設置された前記流路切替弁と前記利用側熱交換器との間の流路にそれぞれ温度センサを備え、
前記２つの温度センサの検出温度の温度差を、予め定めた目標値に近づけるように前記ポンプを制御して、前記利用側熱交換器へ流れる前記熱媒体の流量を制御する。
この発明の空気調和装置は、室内機を構成する利用側熱交換器に高圧の冷媒を搬送しないので、冷媒が配管から漏れても、空調対象空間へ冷媒が侵入することを抑制でき、安全が確保できる。また、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ため、熱媒体の搬送動力を小さくすることができ、省エネになる。
この発明の実施の形態１に係る空気調和装置の全体構成図。 この発明の実施の形態１に係る空気調和装置の別の全体構成図。 この発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒および熱媒体用回路図。 全冷房運転時における冷媒および熱媒体の流れを示す回路図。 全暖房運転時における冷媒および熱媒体の流れを示す回路図。 冷房主体運転時における冷媒および熱媒体の流れを示す回路図。 暖房主体運転時における冷媒および熱媒体の流れを示す回路図。 この発明の実施の形態２に係る空気調和装置の冷媒および熱媒体用回路図。 空気調和装置の熱媒体流量制御を示すフローチャート。 空気調和装置のポンプＯＮ／ＯＦＦ制御を示すフローチャート。 空気調和装置の冷凍サイクル回路の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を変更する制御を示すフローチャート。
符号の説明
１ 熱源装置（室外機）、２ 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 熱媒体配管、６ 室外空間、７ 室内空間、８ 非空調空間、９ ビル等の建物、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、１６ｆ 膨張弁、１７ アキュムレータ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ ポンプ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 流路切替弁、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 流路切替弁、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 第六の温センサ、３８ 第七の温度センサ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ 流量計。
以下、この発明の実施の形態を詳しく説明する。
実施の形態１．
図１、図２はこの発明の実施の形態１に係る空気調和装置の全体構成図である。この空気調和装置は、熱源装置（室外機）１と、室内等の空調に供される室内機２と、室外機１から離され、非空調空間８等に設置される中継ユニット３とを備える。熱源装置１と中継ユニット３は冷媒配管４で接続され冷媒（一次媒体）が流れる。中継ユニット３と室内機２は熱媒体配管５で接続され、水や不凍液等の熱媒体（二次媒体）が流れる。中継ユニット３は、熱源装置１から送られてきた冷媒と室内機２から送られてきた熱媒体との間で熱交換等を行う。
熱源装置１は、通常、ビル等の建物９の外部空間である室外空間６に配置される。室内機２は、ビルの建物９の内部の居室等の室内空間７に、加熱または冷却された空気を搬送できる態様で配置されている。中継ユニット３は、熱源装置１および室内機２とは、別筐体になっており、冷媒配管４および熱媒体配管５を介して、室外空間６および室内空間７とは別の場所に設置できるように構成されている。図１において、中継ユニット３は、建物９の内部ではあるが室内空間７とは別の空間である天井裏等の非空調空間８に設置されている。なお、中継ユニット３はエレベータ等がある共用部等に設置することも可能である。
熱源装置１と中継ユニット３は、２本の冷媒配管４を用いて接続できるように構成されている。また、中継ユニット３と各室内機２は、それぞれが２本の熱媒体配管５を用いて接続されている。このように２本の配管を用いて接続することにより、空気調和装置の施工が容易になる。
図２には、中継ユニット３を複数備えた場合を示している。すなわち、中継ユニット３を、１つの親中継ユニット３ａとそれから派生した２つの子中継ユニット３ｂ(1)、３ｂ(2)に分けている。このようにすることにより、１つの親中継ユニット３ａに対し、子中継ユニット３ｂを複数接続できるようになる。なお、この構成においては、親中継ユニット３ａと子中継ユニット３ｂの間の接続配管は３本になっている。
なお、図１および図２で、室内機２は、天井カセット型を例に示してあるが、これに限るものではなく、天井埋込型、天井吊下式等、室内空間７に直接またはダクト等により、加熱または冷却した空気を吹き出せるようになっていればどんなものでもよい。
また、熱源装置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られない。たとえば、熱源装置１は換気口付の機械室等の囲まれた空間に設定してもよく、熱源装置１を建物９の内部に設置して排気ダクトで廃熱を建物９の外に排気してもよく、あるいは水冷式の熱源装置を用いてそれを建物９の中に設置する等してもよい。
また、中継ユニット３は、省エネには反するが熱源装置１のそばに置くこともできる。
次に、上記空気調和装置の詳細な構成を説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る空気調和装置の冷媒および熱媒体用回路図である。この空気調和装置は図３に示すように、熱源装置１、室内機２、中継ユニット３を有している。
熱源装置１は、圧縮機１０、四方弁１１、熱源側熱交換器１２、逆止弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、およびアキュムレータ１７を備え、室内機２は利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄを有している。中継ユニット３は、親中継ユニット３ａと子中継ユニット３ｂとを有し、親中継ユニット３ａは、冷媒の気相と液相を分離する気液分離器１４と、膨張弁（例えば電子膨張弁）１６ｅとを備えている。
子中継ユニット３ｂは、中間熱交換器１５ａ、１５ｂ、膨張弁（例えば電子膨張弁）１６ａ〜１６ｄ、ポンプ２１ａ〜２１ｄ、三方弁などの流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄを備えている。
流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄは、各利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入口側流路と出口側流路に対応して設けられており、流路切替弁２２ａ〜２２ｄは複数設置された中間熱交換器の間でそれらの出口側流路を切り替え、流路切替弁２３ａ〜２３ｄはそれらの入口側流路を切り替える。この例では、流路切替弁２２ａ〜２２ｄが中間熱交換器１５ａ、１５ｂの間でそれらの出口側流路を切り替え、流路切替弁２３ａ〜２３ｄが中間熱交換器１５ａ、１５ｂの間でそれらの入口側流路を切り替える作用を果たしている。
ポンプ２１ａ〜２１ｄは、各利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄとその入口側の流路切替弁２２ａ〜２２ｄとの間に設けられている。なお、ポンプ２１ａ〜２１ｄは、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄとその出口側の流路切替弁２３ａ〜２３ｄとの間に設けられてもよい。
子中継ユニット３ｂは、さらに次のような温度センサおよび圧力センサを備える。
・中間熱交換器１５ａ、１５ｂの熱媒体出口温度を検出する温度センサ（第一の温度センサ）３１ａ、３１ｂ、
・中間熱交換器１５ａ、１５ｂの熱媒体入口温度を検出する温度センサ（第二の温度センサ）３２ａ、３２ｂ、
・利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの熱媒体入口温度を検出する温度センサ（第三の温度センサ）３３ａ〜３３ｄ、
・利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの熱媒体出口温度を検出する温度センサ（第四の温度センサ）３４ａ〜３４ｄ、
・中間熱交換器１５ａの冷媒出口温度を検出する温度センサ（第五の温度センサ）３５、
・中間熱交換器１５ａの冷媒出口圧力を検出する圧力センサ３６、
・中間熱交換器１５ｂの冷媒入口温度を検出する温度センサ（第六の温度センサ）３７、
・中間熱交換器１５ｂの冷媒出口温度を検出する温度センサ（第七の温度センサ）３８。
なお、これらの温度センサ、圧力センサには、各種の温度計または温度センサ、各種の圧力計または圧力センサが利用できる。
そして、圧縮機１０、四方弁１１、熱源側熱交換器１２、逆止弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、気液分離器１４、膨張弁１６ａ〜１６ｅ、中間熱交換器１５ａ、１５ｂ、アキュムレータ１７が冷凍サイクル回路を構成している。
また、中間熱交換器１５ａ、流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、ポンプ２１ａ〜２１ｄ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄ、流路切替弁２３ａ〜２３ｄが熱媒体循環回路を構成している。同様に、中間熱交換器１５ｂ、流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、ポンプ２１ａ〜２１ｄ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄ、流路切替弁２３ａ〜２３ｄが熱媒体循環回路を構成している。
なお、図示するように、１台の利用側熱交換器、その利用側熱交換器の出入口に対応した１対の流路切替弁、および１台のポンプを有したセットが、中間熱交換器１５ａと中間熱交換器１５ｂに対して、それぞれ並列に複数設けられて、それぞれに熱媒体循環回路を構成している。
また、熱源装置１にはそれを構成する機器を制御し、熱源装置１にいわゆる室外機としての動作を行わせる制御装置１００が設けられている。また、中継ユニット３にはそれを構成する機器を制御し、後述する各種の動作を行わせる手段を備えた制御装置３００が設けられている。これらの制御装置１００、３００はマイコンなどから構成され、互いに通信可能に接続されている。次に、上記空気調和装置の各運転モードの動作について説明する。
＜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流れを示す回路図であり、回路図中の太線がそれらの流れを示している。全冷房運転時、冷媒は、圧縮機１０により圧縮され、高温高圧のガス冷媒になり、四方弁１１を介して熱源側熱交換器１２へ導入される。冷媒は、そこで凝縮されて液化し、逆止弁１３ａを通って熱源装置１から流出し、冷媒配管４を通って中継ユニット３へ流入する。中継ユニット３において、冷媒は、気液分離器１４へ入り、膨張弁１６ｅおよび１６ａを通って、中間熱交換器１５ｂへ導入される。この際、膨張弁１６ａによって冷媒は膨張させられて低温低圧の二相冷媒となり、中間熱交換器１５ｂは蒸発器として作用する。中間熱交換器１５ｂを出た冷媒は、低温低圧のガス冷媒となり、膨張弁１６ｃを通って、中継ユニット３から流出し、冷媒配管４を通って再び熱源装置１へ流入する。熱源装置１において、冷媒は、逆止弁１３ｄを通り、四方弁１１、アキュムレータ１７を介して、圧縮機１０へ吸い込まれる。この時、膨張弁１６ｂ、１６ｄは冷媒が流れないような小さい開度となっており、膨張弁１６ｃは全開状態とし圧力損失が起きないようにしている。
次に、二次側の熱媒体（水、不凍液等）の動きについて説明する。二次媒体である熱媒体は、中間熱交換器１５ｂにて、一次媒体である冷媒から冷熱を受け取って冷やされ、流路切替弁２２ａ〜２２ｄを介して、ポンプ２１ａ〜２１ｄに吸い込まれ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流入する。そこで熱媒体は、空気と熱交換をし、室内にて必要とされる空調負荷を賄い、流路切替弁２３ａ〜２３ｄを通って、再び中間熱交換器１５ｂへ流入する。なお、室内にて必要とされる空調負荷は、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄと第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの検出温度の差を、予め定めた目標値に保つようにポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数を制御することにより賄うことができる。
この際の制御装置３００の熱媒体流量制御動作について図９を基に説明する。図９は１つの室内機２の動作に対応したフローチャートであり、室内機２が複数あればこれに対応したこの動作を各室内機毎に行う。
制御装置３００は、処理が開始されると（ＳＴ０）、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄの検出温度Ｔ１、第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの検出温度Ｔ２を取り込む（ＳＴ１）。そして、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄが暖房運転を行っている時はＴ１からＴ２を引いた値を△Ｔｒとし（ＳＴ２、ＳＴ３）、冷房運転時や除霜運転時等の暖房運転時以外はＴ２からＴ１を引いた値を△Ｔｒとする（ＳＴ２、ＳＴ４）。
次に、制御装置３００は、利用側熱交換器出入口温度差△Ｔｒを予め定めた制御目標値Ｔｍｒと比較する（ＳＴ５）。△ＴｒからＴｍｒを減じた値が安定範囲Ｔｒｓよりも大きい場合、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数（吐出容量）を減らす、すなわち利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流す流量を減らす（ＳＴ６）。一方、△ＴｒからＴｍｒを減じた値が安定範囲−Ｔｒｓよりも小さい場合、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数（吐出容量）を増やす、すなわち利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流す流量を増やす（ＳＴ７）。このような一連の処理を終え（ＳＴ８）、次の制御タイミングにて再び制御を行う。
例えば、冷房運転で、制御目標値Ｔｍｒが５℃、安定範囲Ｔｒｓが１℃の場合、利用側熱交換器出入口温度差△Ｔｒが３℃であれば、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数（吐出容量）を制御し、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流す流量を減らすようにし、利用側熱交換器出入口温度差△Ｔｒが７℃であれば、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流す流量が増えるようにポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数（吐出容量）を制御し、利用側熱交換器出入口温度差△Ｔｒを制御目標値に近づける。なお、安定範囲Ｔｒｓを設けないようにしてもよいが（Ｔｒｓ＝０℃）、安定範囲を設けた方がポンプ２１ａ〜２１ｄの周波数変化回数が減り、ポンプの寿命が延びる。
図１０は複数の室内機２の間での動作に対応したフローチャートである。図１０のフローチャートに示すように、制御装置３００は、設置されたｎ台の室内機に対してそれぞれ１〜ｎの番号を付して、順番にすべての室内機（利用側熱交換器）の熱負荷状態を確認している（ＧＴ１、ＧＴ２、ＧＴ５、ＧＴ６）。そして制御装置３００は、暖房、冷房、除湿等の熱負荷がある利用側熱交換器２６に対応するポンプ２１は運転させ（ＧＴ３）、停止、送風や暖房、冷房、除湿にてサーモオフ状態にある場合等の熱負荷がない利用側熱交換器２６に対応するポンプ２１は停止させる（ＧＴ４）。すなわち、暖房、冷房、除湿等の熱負荷のない利用側熱交換器（サーモオフを含む）へは熱媒体を流す必要がないため、該当する利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに対応するポンプ２１ａ〜２１ｄを停止させる。図４においては、利用側熱交換器２６ａおよび２６ｂにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器２６ｃおよび２６ｄにおいては熱負荷がなく、対応するポンプ２１ｃ、２１ｄが停止している。
＜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流れを示す回路図であり、回路図中の太線がそれらの流れを示している。全暖房運転において、冷媒は、圧縮機１０により圧縮され、高温高圧のガス冷媒になり、四方弁１１を介して、逆止弁１３ｂ通って熱源装置１から流出し、冷媒配管４を通って中継ユニット３へ流入する。中継ユニット３において、冷媒は、気液分離器１４を通って、中間熱交換器１５ａへ導入され、中間熱交換器１５ａにおいて凝縮されて液化し、膨張弁１６ｄおよび１６ｂを通って、中継ユニット３から流出する。この際、膨張弁１６ｂによって、冷媒は膨張させられて、低温低圧の二相冷媒となり、冷媒配管４を通って再び熱源装置１へ流入する。熱源装置１において、冷媒は、逆止弁１３ｃを通って、熱源側熱交換器１２へ導入され、熱源側熱交換器１２は蒸発器として作用し、低温低圧のガス冷媒となり、四方弁１１、アキュムレータ１７を介して、圧縮機１０へ吸い込まれる。この時、膨張弁１６ａまたは１６ｃ、および膨張弁１６ｅは冷媒が流れないような小さい開度にしている。
次に、二次側の熱媒体（水、不凍液等）の動きについて説明する。二次媒体である熱媒体は、中間熱交換器１５ａにて、一次媒体の冷媒から温熱を受け取って暖められ、流路切替弁２２ａ〜２２ｄを介して、ポンプ２１ａ〜２１ｄに吸い込まれ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流入する。そして、空気と熱交換をし、室内にて必要とされる空調負荷を賄い、流路切替弁２３ａ〜２３ｄを通って、再び中間熱交換器１５ａへ流入する。なお、室内にて必要とされる空調負荷は、図８に示したように、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄと第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの温度差を目標値に保つように、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数を制御することにより、賄うことができる。
この際、暖房、冷房、除湿等の熱負荷のない利用側熱交換器（サーモオフを含む）へは熱媒体を流す必要がないため、その利用側熱交換器に対応するポンプを停止させる。図５においては、利用側熱交換器２６ａおよび２６ｂにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器２６ｃおよび２６ｄにおいては熱負荷がなく、対応するポンプ２１ｃ、２１ｄが停止している。
＜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流れを示す回路図であり、回路図中の太線がそれらの流れを示している。冷房主体運転において、冷媒は、圧縮機１０により圧縮され、高温高圧のガス冷媒になり、四方弁１１を介して熱源側熱交換器１２へ導入される。そこでガス状態の冷媒が凝縮して二相冷媒になり、二相状態にて熱源側熱交換器１２から流出し、逆止弁１３ａを通って熱源装置１から流出し、冷媒配管４を通って中継ユニット３へ流入する。
中継ユニット３において、冷媒は、気液分離器１４へ入って、二相冷媒中のガス冷媒と液冷媒が分離され、ガス冷媒は、中間熱交換器１５ａへ導入され、中間熱交換器１５ａにおいて凝縮されて液化し、膨張弁１６ｄを通る。一方、気液分離器１４において分離された液冷媒は、膨張弁１６ｅへ流され、中間熱交換器１５ａにて凝縮液化して膨張弁１６ｄを通った液冷媒と合流し、膨張弁１６ａを通って、中間熱交換器１５ｂへ導入される。この際、膨張弁１６ａによって、冷媒は膨張させられて、低温低圧の二相冷媒となり、中間熱交換器１５ｂは蒸発器として作用する。中間熱交換器１５ｂを出た冷媒は低温低圧のガス冷媒となり、膨張弁１６ｃを通って、中継ユニット３を流出し、冷媒配管４を通って再び熱源装置１へ流入する。熱源装置１においては、冷媒は、逆止弁１３ｄを通って、四方弁１１、アキュムレータ１７を介して、圧縮機１０へ吸い込まれる。この時、膨張弁１６ｂは冷媒が流れないような小さい開度となっており、膨張弁１６ｃは全開状態とし圧力損失が起きないようにしている。
次に、二次側の熱媒体（水、不凍液等）の動きについて説明する。二次媒体である熱媒体は、中間熱交換器１５ａにて、一次媒体である冷媒から温熱を受け取って暖められ、また、中間熱交換器１５ｂにて、冷媒から冷熱を受け取って冷やされ、それぞれの熱媒体循環回路内を流動させられる。そして、流路切替弁２２ａ〜２２ｄを介して、ポンプ２１ａ〜２１ｄに吸い込まれ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流入する。そこで、空気と熱交換をし、室内にて必要とされる空調負荷を賄い、流路切替弁２３ａ〜２３ｄを通って、それぞれ、暖かい熱媒体は中間熱交換器１５ａへ流入し、冷たい熱媒体は中間熱交換器１５ｂへ流入する。この間、暖かい熱媒体と冷たい熱媒体は、流路切替弁２２ａ〜２２ｄおよび２３ａ〜２３ｄの作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ導入される。
なお、室内にて必要とされる空調負荷は、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄと第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの温度差を目標値に保つように、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数を制御することにより、賄うことができる。
図６は、利用側熱交換器２６ａにて温熱負荷が発生し、利用側熱交換器２６ｂにて冷熱負荷が発生している状態を示している。
また、この際、暖房、冷房、除湿等の熱負荷のない利用側熱交換器（サーモオフを含む）へは熱媒体を流す必要がないため、その利用側熱交換器に対応するポンプを停止させる。図６においては、利用側熱交換器２６ａおよび２６ｂにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器２６ｃおよび２６ｄにおいては熱負荷がなく、対応するポンプ２１ｃ、２１ｄが停止している。
＜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流れを示す回路図であり、回路図中の太線がそれらの流れを示している。暖房主体運転において、冷媒は、圧縮機１０により圧縮され、高温高圧のガス冷媒になり、四方弁１１を介して、逆止弁１３ｂ通って熱源装置１から流出し、冷媒配管４を通って中継ユニット３へ流入する。中継ユニット３において、冷媒は、気液分離器１４を通って、中間熱交換器１５ａへ導入され、中間熱交換器１５ａにおいて凝縮されて液化する。その後、膨張弁１６ｄを通った冷媒は、膨張弁１６ａを通る流路と膨張弁１６ｂを通る流路に分けられる。膨張弁１６ａを通った冷媒は、膨張弁１６ａによって膨張させられて低温低圧の二相冷媒となり、中間熱交換器１５ｂへ流入し、中間熱交換器１５ｂは蒸発器として作用する。中間熱交換器１５ｂを出た冷媒は、蒸発してガス冷媒となって、膨張弁１６ｃを通る。一方、膨張弁１６ｂを通った冷媒は、膨張弁１６ｂによって膨張させられて低温低圧の二相冷媒となり、中間熱交換器１５ｂおよび膨張弁１６ｃを通った冷媒と合流して、より乾き度の大きい低温低圧の冷媒となる。そして、合流された冷媒は、中継ユニット３を流出し、冷媒配管４を通って再び熱源装置１へ流入する。熱源装置１において、冷媒は、逆止弁１３ｃを通って、熱源側熱交換器１２へ導入される。熱源側熱交換器１２は蒸発器として作用して、そこで低温低圧の二相冷媒が蒸発されてガス冷媒となり、四方弁１１、アキュムレータ１７を介して、圧縮機１０へ吸い込まれる。この時、膨張弁１６ｅは冷媒が流れないような小さい開度としている。
次に、二次側の熱媒体（水、不凍液等）の動きについて説明する。二次媒体である熱媒体は、中間熱交換器１５ａにて、一次媒体である冷媒から温熱を受け取って暖められ、また、中間熱交換器１５ｂにて、冷媒から冷熱を受け取って冷やされ、それぞれの熱媒体循環回路内を流動させられる。そして、流路切替弁２２ａ〜２２ｄを介して、ポンプ２１ａ〜２１ｄに吸い込まれ、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄに流入する。そこで、空気と熱交換をし、室内にて必要とされる空調負荷を賄い、流路切替弁２３ａ〜２３ｄを通って、それぞれ、暖かい熱媒体は中間熱交換器１５ａへ流入し、冷たい熱媒体は中間熱交換器１５ｂへ流入する。この間、暖かい熱媒体と冷たい熱媒体は、流路切替弁２２ａ〜２２ｄおよび２３ａ〜２３ｄの作用により、混合することなく、それぞれ温熱負荷、冷熱負荷がある利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ導入される。
なお、室内にて必要とされる空調負荷は、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄと第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの温度差を目標値に保つように、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数を制御することにより、賄うことができる。
図７は、利用側熱交換器２６ａにて温熱負荷が発生し、利用側熱交換器２６ｂにて冷熱負荷が発生している状態を示している。
また、この際、暖房、冷房、除湿等の熱負荷のない利用側熱交換器（サーモオフを含む）へは熱媒体を流す必要がないため、利用側熱交換器に対応するポンプを停止させる。図７においては、利用側熱交換器２６ａおよび２６ｂにおいては熱負荷があるため熱媒体を流しているが、利用側熱交換器２６ｃおよび２６ｄにおいては熱負荷がなく、対応するポンプ２１ｃ、２１ｄが停止している。
以上のように、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにて暖房負荷が発生している場合は、対応する流路切替弁２２ａ〜２２ｄおよび２３ａ〜２３ｄを加熱用の中間熱交換器１５ａに接続される流路へ切り替え、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにて冷房負荷が発生している場合は、対応する流路切替弁２２ａ〜２２ｄおよび２３ａ〜２３ｄを冷却用の中間熱交換器１５ｂに接続される流路へ切り替えることにより、各室内機２にて、暖房運転、冷房運転を自由に行うことができるようになる。
なお、流路切替弁２２ａ〜２２ｄおよび２３ａ〜２３ｄは、三方弁等の三方流路を切り替えられるものの他、止め弁等の二方流路の開閉を行うものを２つ組み合わせる等して、流路を切り替えられるようにしたものでもよい。また、ステッピングモータ駆動式の混合弁等の三方流路の流量を変化させられるものや、電子式膨張弁等の２方流路の流量を変化させられるものを２つ組み合わせる等して、流路切替弁として用いてもよく、その場合は、流路の突然の開閉によるウォーターハンマーを防ぐこともできる。
利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにおける熱負荷は、（１）式で表され、熱媒体の流量と密度と定圧比熱と、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入口と出口の熱媒体の温度差を乗じたものとなる。ここで、Ｖｗは熱媒体の流量、ρｗは熱媒体の密度、Ｃｐｗは熱媒体の定圧比熱、Ｔｗは熱媒体の温度、添字のｉｎは利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの熱媒体入口での値、添字のｏｕｔは利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの熱媒体出口での値を示す。
Figure 2010050001
すなわち、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ流す熱媒体の流量が一定の場合、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄでの熱負荷の変化に応じ、熱媒体の入出口での温度差が変化する。そこで、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入出口の温度差を目標とし、これが予め定めた目標値に近づくように、ポンプ２１ａ〜２１ｄの回転数を制御することにより、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ流れる流量を制御することができる。利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入出口の温度差の目標値は、例えば５℃に設定する。
なお、図３〜図７では、ポンプ２１ａ〜２１ｄを利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの上流側に設置する場合を例に説明を行ったが、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの下流側に設置してもよい。
さて、運転している各室内機から流出した熱媒体は、その後合流し、中間熱交換器１５ａまたは１５ｂへ流入する。この際、中間熱交換器１５ａまたは１５ｂにおける熱交換量は、賄うべき負荷熱量の合計値と等しい必要がある。もし、中間熱交換器１５ａまたは１５ｂにおける熱交換量が負荷熱量よりも小さければ、各利用側熱交換器での目標温度差を確保することができなくなる。
そのためには、利用側での熱負荷の大小に応じて、中間熱交換器１５ａまたは１５ｂにて、必要な熱交換量が確保できるように、中間熱交換器１５ａ、１５ｂにおける冷媒の凝縮温度または／および蒸発温度を制御すればよい。
このようにすることで、熱負荷が増加した場合、その変化に追従できる。また、逆に、熱負荷が小さい場合は、冷凍サイクルの凝縮温度または／および蒸発温度を制御することにより、配管の熱損失を低下させるとともに、冷凍サイクルでの仕事量を減らすことができ、省エネになる。
これらの熱負荷の大小の判断は、中間熱交換器１５ａ、１５ｂおよび各温度センサが設置されている中継ユニット３に接続されている制御装置３００にて行う。一方、凝縮温度および蒸発温度の制御目標値は、圧縮機１０および熱源側熱交換器１２が内蔵されている熱源装置１に接続されている制御装置１００に記憶されている。そこで、それらの制御装置３００、１００を通信可能に接続して、制御装置３００から制御装置１００へ凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を送信し、先に記憶されている凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を変更する。
居住空間における空気温度は、一般的に、２０〜２７℃程度に制御されている。そこで、中間熱交換器１５ａ、１５ｂにおける熱媒体出口温度が、居住空間の空気温度に対し、十分に低い温度あるいは高い温度であれば、室内の熱負荷を確実に賄うことができる。そこで、中間熱交換器１５ａ、１５ｂの熱媒体出口温度をそれぞれ、暖房、冷房に適した温度に制御する。例えば、暖房に供する中間熱交換器１５ａの熱媒体出口温度は５０℃、冷房に供する中間熱交換器１５ｂの熱媒体出口温度は７℃を目標値とする。そして、中間熱交換器の１５ａ、１５ｂの熱媒体出口温度を検出している第一の温度センサ３１ａ、３１ｂの検出値と上記目標値との偏差に応じ、冷凍サイクル側の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を、フィードバック制御（例えばＰＩＤ制御等）を用いて決定し、それらの温度を制御する。
図１１は、上記の制御目標値を変更する制御の例を示すフローチャートである。制御装置３００は、処理が開始されると（ＳＴ２０）、第一の温度センサ３１ａ、３１ｂの検出温度Ｔa1、Ｔb1を取り込む（ＳＴ２１）。続いて制御装置３００は、第一の温度センサ３１ａの検出温度Ｔa1を目標値（例えば５０℃）と比較し、第一の温度センサ３１ｂの検出温度Ｔb1を目標値（例えば７℃）と比較し、それぞれ偏差を算出する（ＳＴ２２）。次に制御装置３００は、算出した偏差を基に、ＰＩＤ制御等を用い、第一の温度センサ３１ａ、３１ｂの各検出温度が上記目標値となるような、冷凍サイクル側の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を算出する（ＳＴ２３）。その後、制御装置３００は、算出した制御目標値を制御装置１００に送信する（ＳＴ２４）。そして、制御装置１００は、先に記憶されていた冷凍サイクル回路の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を受信した制御目標値に変更して、それに基づき熱源装置１を制御する（ＳＴ２５）。
このように、中間熱交換器１５ａ、１５ｂの熱媒体出口温度を制御目標として、冷凍サイクル回路を制御することにより、確実に熱負荷に対応でき、安定した運転ができる。なお、熱媒体出口温度の代わりに熱媒体入口温度を一定に制御するようにしてもよい。
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２に係る空気調和装置の冷媒および熱媒体用回路図である。図８の回路は、図３の回路に、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ流れる熱媒体の流量を検出する熱媒体の流量計として、流量計４１ａ〜４１ｄを加えている。
流量計４１ａ〜４１ｄにより測定した熱媒体の流量、第三の温度センサ３３ａ〜３３ｄおよび第四の温度センサ３４ａ〜３４ｄの検出温度、熱媒体の密度および定圧比熱を基に、先述した（１）式により、各利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにおける熱負荷が算出できる。そして算出した各熱負荷を合計すれば、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの全体が発揮した能力を算出することができる。ここでは、制御装置３００に、このような能力算出手段を設けている。
制御装置３００は、さらに、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄが発揮した能力と冷凍サイクル側で発揮している能力を比較し、冷凍サイクル側で発揮する能力を利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄが発揮した能力に近づけるように、冷凍サイクル側の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値をフィードバック制御などにより算出して、算出した制御目標値を制御装置１００に送信する。そして、制御装置１００は、先に記憶されていた冷凍サイクル側の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を、受信した制御目標値に変更して、それに基づき熱源装置１を制御する。
このように、利用側熱交換器を流れる熱媒体の流量を基に、利用側熱交換器の熱負荷を演算し、これを賄えるように冷凍サイクル回路を制御することにより、利用側熱交換器の熱負荷が大きい場合は、確実に熱負荷に対応した能力を発揮することができ、熱負荷が小さい場合は、冷凍サイクルの凝縮温度と蒸発温度との温度差を小さくできるため、圧縮機での仕事量を小さくでき、省エネになる。
なお、流量計４１ａ〜４１ｄは、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄへ流れる熱媒体の流量を測定できればよく、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入口側に設置されていても、出口側に設置されていてもよい。
また、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄを流れる熱媒体の流量は、実測によらず、推定に基づいて行っても良い。例えば、熱媒体の流路に、ステッピングモータ等で駆動する流量調整弁を配置して、その制御パルス数と流量の関係を記憶しておけば、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄを流れる熱媒体の流量はある程度推測ができるので、この推測値を用いて上記の熱負荷算出を行っても良い。
実施の形態１、２において、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄが４つである場合を例に説明を行ったが、本発明においては、利用側熱交換器は少なくとも１台あればよく、その台数に制限はない。
また、ポンプ２１ａ〜２１ｄが、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの入口側に設置される場合を例に説明を行ったが、ポンプ２１ａ〜２１ｄは、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄの出口側に設置されていてもよい。
ポンプ２１ａ〜２１ｄは、利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄのいずれかにて、暖房負荷、冷房負荷または除湿負荷が発生した場合に動作し、いずれの利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにおいても、暖房負荷、冷房負荷および除湿負荷がない場合は、停止させる。
冷媒としては、Ｒ−２２、Ｒ−１３４ａ等の単一冷媒、Ｒ−４１０Ａ、Ｒ−４０４Ａ等の擬似共沸混合冷媒、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やその混合物、あるいはＣＯ2やプロパン等の自然冷媒が利用できる。
また、冷媒回路にアキュムレータ１７を含む構成としたが、アキュムレータ１７がない回路でも本発明は有効である。また、逆止弁１３ａ〜１３ｄがある場合について説明したが、これは本発明に必須のものではなく、これがなくても本発明を構成してその作用効果を奏することができる。
また、熱源側熱交換器１２および利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄには、送風機が取り付けられ、送風により凝縮あるいは蒸発を促進させることが好ましい。ただし、これに限るものではなく、例えば利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄとしては放射を利用したパネルヒータのようなものも用いることができるし、熱源側熱交換器１２としては、水や不凍液により熱を移動させる水冷式のタイプのものも用いることができ、放熱あるいは吸熱をできる構造のものであればどんなものでも用いることができる。
また、流路切替弁２２ａ〜２２ｄ、２３ａ〜２３ｄ、ポンプ２１ａ〜２１ｄは、各利用側熱交換器２６ａ〜２６ｄにそれぞれ１個づ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く、各利用側熱交換器１つに対し、それぞれが複数接続されていてもよい。その場合には、同じ利用側熱交換器に接続されている流路切替弁やポンプを、同じように動作させればよい。
また、中間熱交換器として、熱媒体の加熱用と冷却用に２台の中間熱交換器１５ａ、１５ｂを備えた例を示したが、中間熱交換器の台数はこれに限られるものではない。例えば、利用側熱交換器を冷房用にのみ使用する場合は中間熱交換器１５ｂだけでよく、利用側熱交換器を暖房用にのみ使用する場合は中間熱交換器１５ａだけでよい。また、利用側熱交換器の台数が多い場合は、それに合わせて中間熱交換器を増設してもよい。
以上のような実施の形態１、２の空気調和装置は、室内機を構成する利用側熱交換器に高圧の冷媒を搬送しないので、利用側熱交換器の熱交換媒体が仮に漏れても安全が確保できる。また、中間熱交換器と熱源側熱交換器と利用側熱交換器とを、それぞれ別体に形成し互いに離れた場所に設置できるようにすることにより、熱媒体の搬送動力を小さく抑えることができる。さらに、前述した各制御方式を採用したことで、利用側熱交換器の熱負荷に対する応答性が改善されて、省エネ性に優れた運転も可能となる。

Claims (8)

  1. 冷媒と前記冷媒と異なる熱媒体とを熱交換する少なくとも１台の中間熱交換器と、
    圧縮機、熱源側熱交換器、少なくとも１つの膨張弁、および前記中間熱交換器の冷媒側流路を、前記冷媒が流通する配管を介して接続した冷凍サイクル回路と、
    前記中間熱交換器の熱媒体側流路および利用側熱交換器を、前記熱媒体が流通する配管を介して接続した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おり、
    前記利用側熱交換器の熱媒体側流路の入口側および出口側のそれぞれに、前記各中間熱交換器に接続するように流路を切り替える流路切替弁を備え、
    熱媒体循環回路内の前記熱媒体を循環させるポンプを、前記利用側熱交換器と前記利用側熱交換器の入口側に設置された前記流路切替弁との間の流路、または前記利用側熱交換器と前記利用側熱交換器の出口側に設置された前記流路切替弁との間の流路、のいずれかに設置したことを特徴とする空気調和装置。
  2. 前記利用側熱交換器の熱媒体入口側に設置された前記流路切替弁と前記利用側熱交換器との間の流路、および前記利用側熱交換器の熱媒体出口側に設置された前記流路切替弁と前記利用側熱交換器との間の流路にそれぞれ温度センサを備え、
    前記２つの温度センサの検出温度の温度差を、予め定めた目標値に近づけるように前記ポンプを制御して、前記利用側熱交換器へ流れる前記熱媒体の流量を制御する流量制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
  3. 前記利用側熱交換器から暖房、冷房または除湿の運転要求があった際には対応設置された前記ポンプを動作させ、前記運転要求がない場合またはサーモオフ停止の場合は、対応設置された前記ポンプを停止させるＯＮ／ＯＦＦ制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の空気調和装置。
  4. 前記中間熱交換器の熱媒体入口側流路、または前記中間熱交換器の熱媒体出口側流路に、温度センサを備え、
    前記温度センサの検出温度を予め定めた目標値に近づけるように、前記冷凍サイクル回路の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を変更する制御目標値変更手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。
  5. 前記利用側熱交換器へ流した熱媒体の流量を検出する流量計と、
    前記流量計で検出された熱媒体の流量と、前記利用側熱交換器の入口側および出口側に設けた温度センサの検出温度とから、前記利用側熱交換器の発揮した能力を算出する能力算出手段とを備え、
    前記能力算出手段で算出された値を基に、前記冷凍サイクル回路の凝縮温度または／および蒸発温度の制御目標値を変更する制御目標値変更手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和装置。
  6. 前記中間熱交換器として、前記熱媒体の加熱に供する中間熱交換器と、前記熱媒体の冷却に供する中間熱交換器とを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気調和装置。
  7. 前記利用側熱交換器、前記各流路切替弁、および前記ポンプを有したセットが、並列に複数設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空気調和装置。
  8. 前記中間熱交換器を、前記利用側熱交換器が空調対象とする空間外に設置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空気調和装置。
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