JP3995824B2

JP3995824B2 - 空調機

Info

Publication number: JP3995824B2
Application number: JP07691899A
Authority: JP
Inventors: 常雄植草; 正秀柳; 至誠藁谷
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JP2000274774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外気温度が低いときも冷房が必要な高発熱機器用の空調機に関するものであり、詳しくは、外気温度が低いことを積極的に利用して室内の冷房を行う冷媒ポンプを保有する年間冷房型空調機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的には、室内の冷房方法として、圧縮式冷凍サイクルを利用した空調装置がある。本空調装置の冷房原理を以下に説明する。圧縮によりガス冷媒を加圧して高温高圧ガスとして凝縮器に送り、凝縮器では外気と熱交換して冷媒が液化する。液冷媒は膨張弁で減圧されて蒸発器にいたり、蒸発器において室内空気を冷却することで冷媒がガス化し、圧縮機に戻る。以下このサイクルを繰り返すことで、室内の熱を蒸発器及び凝縮器を介して大気中に放出することで室内の冷房を行う。
【０００３】
外気温度が低い場合には、圧縮機は運転せずに、冷媒ポンプで冷媒を循環させるだけで冷房運転が行える。この方法は、外気で一旦冷媒を冷やし、その冷えた冷媒で室内の冷房を行うので、間接外気冷房と呼ばれる。循環媒体として水を使用する場合があるが、冷媒を使うことにすれば、その相変化を利用することができるから、循環量を削減することでポンプ動力を削減することができる。
【０００４】
間接外気冷房での冷房サイクルを以下に説明する。蒸発器を出たガス冷媒はそのまま凝縮器に送られ、凝縮器にて低温外気で冷やされて液化し、冷媒ポンプに送られる。冷媒ポンプでは液冷媒が加圧され、蒸発器に導かれる。蒸発器では室内空気を冷却することで冷媒がガス化し、再び凝縮器に戻る。以下このサイクルを繰り返し、室内の熱を蒸発器及び凝縮器を介して大気中に放出することで室内の冷房を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記事項を踏まえると、外気温度が高い場合には圧縮サイクルで運転し、外気温度が低い場合には冷媒ポンプサイクルで運転することとすれば、効率的ではあるが、しかしながら、従来までにおいては、両サイクルを切り替える際のより具体的な基準等の設定ないし弁操作等の運転操作方法は定まっていなかった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、冷媒ポンプサイクル及び圧縮サイクルを実現可能な空調機において、最も好適な環境下で、具体的には、両サイクルの切り替え時における好適な冷媒回路中の弁操作を行える空調機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段をとった。
すなわち、請求項１記載の空調機は、冷媒ポンプ、膨張弁、室内熱交換器、圧縮機、室外熱交換器が順に接続された冷媒回路を備え、該冷媒回路において、前記冷媒ポンプを稼働して室内の冷房を行う冷媒ポンプサイクルと、前記圧縮機を稼働して室内の冷房を行う圧縮サイクルとを実現可能な空調機であって、上記両サイクルの運転切り替え時において、前記冷媒ポンプのバイパス弁、前記膨張弁のバイパス弁、及び前記圧縮機のバイパス弁のいずれもが、所定の時間、開となるような弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
この空調機によれば、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへ、また冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへ、の運転切り替え時において、圧縮機、膨張弁、及び冷媒ポンプに関するバイパス弁がいずれも開となることから、冷媒回路中の冷媒は自然流動状態となり、室内熱交換器及び室外熱交換器における冷媒圧の均一化を実現することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２記載の空調機は、上記請求項１記載の空調機と同様な前提を備えた空調機であって、前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルへの運転切り替え時において、前記膨張弁のバイパス弁及び前記圧縮機のバイパス弁を開として所定の時間を経過した後、前記冷媒ポンプのバイパス弁を閉とする弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とするものである。さらに、請求項３記載の空調機は、同様に、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルへの運転切り替え時において、前記冷媒ポンプのバイパス弁を開として所定の時間を経過した後、前記膨張弁のバイパス弁及び前記圧縮機のバイパス弁を閉とする弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００１０】
これらの空調機は、請求項１記載の空調機における制御装置による弁操作を、それぞれのサイクル移行に応じて適切に制御する態様を実現している。すなわち、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへ、また冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへ、のいずれの運転移行においても、適切な状態で、３つのバイパス弁が所定の時間、開となる状況を現出させることが可能となっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
本発明に係る年間冷房型空調機は、図１に示すように、冷媒ポンプ１、膨張弁９、蒸発器（室内熱交換器）４、圧縮機５、凝縮器（室外熱交換器）８が順に接続された（図では左回り）冷媒回路を有している。これらのうち、冷媒ポンプ１と圧縮機５とは、通常同時に稼働することはない。本実施形態では、冷媒ポンプ１が稼働状態にある場合における、この冷媒回路中の冷媒の流れ方を指してこれを「冷媒ポンプサイクル」、圧縮機５が稼働状態にある場合におけるときを同様にして「圧縮サイクル」とよぶことにする。
【００１２】
冷媒回路には、上記の構成要素の他、冷媒ポンプ１の付属設備として冷媒ポンプ用インバータ２、冷媒ポンプバイパス弁３、また圧縮機５の付属設備として圧縮機用インバータ６、圧縮機バイパス弁７、がそれぞれ備えられている。また、膨張弁９の付属設備として膨張弁のバイパス弁１０が備えられている。
【００１３】
さらに、蒸発器４近傍には室内側送風機１３が備えられ、該送風機１３には室内側送風機風量制御装置１４が接続されている。凝縮器８近傍にも、同様にして、室外側送風機１１、及びこれに接続される室外側送風機風量制御装置１２が備えられている。加えて、この冷媒回路には、これら各機器の動作制御等を行うためのコントローラ（制御装置）１６が備えられており、該コントローラ１６には外気温度センサ１５が接続されている。
【００１４】
上記構成となる冷媒回路を備えた年間冷房型空調機において、圧縮サイクル及び冷媒ポンプサイクルの運転は以下のようになる。
まず、圧縮サイクルで運転する場合には、冷媒ポンプバイパス弁３を開き、圧縮機バイパス弁７及び膨張弁のバイパス弁１０を閉じる。圧縮サイクルは以下のように動作する。圧縮機５によりガス冷媒を加圧して高温高圧ガスとして凝縮器８に送り、凝縮器８では外気と熱交換して冷媒が液化する。液冷媒は膨張弁９で減圧されて蒸発器４に至り、蒸発器４において室内空気を冷却することで冷媒がガス化し、圧縮機５に戻る。以下、このサイクルを繰り返すことで、室内の熱を蒸発器４及び凝縮器８を介して大気中に放出することで室内の冷房を行う。
【００１５】
一方、冷媒ポンプサイクルで運転する場合には、冷媒ポンプバイパス弁３を閉じ、圧縮機バイパス弁７及び膨張弁のバイパス弁１０を開く。冷媒ポンプサイクルは以下のように動作する。蒸発器４をでたガス冷媒はそのまま凝縮器８に送られ、凝縮器８にて低温外気により冷やされて液化し、冷媒ポンプ１に送られる。冷媒ポンプ１では液冷媒が加圧され、蒸発器４に導かれる。蒸発器４では室内空気を冷却することで冷媒がガス化し、再び凝縮器８に戻る。以下このサイクルを繰り返し、室内の熱を蒸発器４及び凝縮器８を介して大気中に放出することで室内の冷房を行う。
【００１６】
ところで、本発明においては、上記した圧縮サイクル及び冷媒ポンプサイクルの両サイクルは、以下に示すような弁操作にて切り替えられることを特徴とするものである。
図２は、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの切り替え時の弁操作に関するフローチャートである。すなわち図は圧縮サイクル運転中を仮定しているものである。まずステップＳ１として、圧縮機５の運転が停止しているか否かの判断を行う。圧縮機５が停止していないときには再びステップＳ１に戻り、停止しているときにはステップＳ２へと進行する。なお、ここでいう圧縮機５の停止とは、例えば、外気温度等の測定によって該外気温度が予め定めた設定値よりも低いと判断されたとき、コントローラ１６が圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへと運転切り替えを行おうとする際に、圧縮機５の動作をまず制御することによって生じる運転停止のことを指すものである。
【００１７】
次にステップＳ２及びＳ３として、膨張弁のバイパス弁１０及び圧縮機バイパス弁７をともに開とする。このことにより、膨張弁９及び圧縮機５には冷媒が流れなくなる。また、この時点では依然、冷媒ポンプバイパス弁３は開となっていることに注意を要する。すなわち、本空調機の冷媒回路に備えられるバイパス弁３、７、１０はすべて開いている状態にある。
【００１８】
ステップＳ４として、上記３つのバイパス弁３、７、１０は開いたまま、予め設定した所定の時間が経過するまでしばらく待機する。そして設定時間が経過したら、ステップＳ５に進み、冷媒ポンプバイパス弁３を閉じる。ここに至って冷媒回路中の冷媒の流れとして冷媒ポンプサイクルが成立し、また実際に該サイクルによる運転、つまり冷媒ポンプ１の運転を開始する（ステップＳ６）。
【００１９】
図３は、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの切り替え時の弁操作に関するフローチャートである。すなわちこの場合、図２とは逆に、冷媒ポンプサイクル運転中を仮定しているものである。まずステップＵ１として、冷媒ポンプ１の運転が停止しているか否かの判断を行う。冷媒ポンプ１が停止していないときには再びステップＵ１に戻り、停止しているときにはステップＵ２へと進行する。ここでいう冷媒ポンプ１の停止はサイクル切り替えに伴う運転停止であること、またその判断（例えば、外気温度が設定値以上）が該運転停止前に事前に行われていること、は図２におけるステップＳ１に関する説明と同様である。
【００２０】
次にステップＵ２として、冷媒ポンプバイパス弁３を開とする。このことにより、冷媒ポンプ１には冷媒が流れなくなる。また、この時点で３つのバイパス弁３、７、１０がすべて開となっている状態となるのは、図２におけるステップＳ２及びＳ３と同様である。
【００２１】
そして、ステップＵ３で設定時間経過まで待機した後、ステップＵ４及びＵ５にて、膨張弁のバイパス弁１０及び圧縮機バイパス弁７をともに閉とする。ここに至って、冷媒回路中の冷媒の流れとして圧縮サイクルが成立し、また実際に該サイクルの運転、つまり圧縮機５の運転を開始する（ステップＵ６）。
【００２２】
上記した説明により、図２及び図３において注意すべきは、サイクル切り替え時において３つのバイパス弁３、７、１０が同時に開いている状態が存在することである。冷媒回路においては、このような操作を実施することにより、冷媒回路中の冷媒は自然流動状態となり、蒸発器４、凝縮器８に関する均圧化が進行することとなる。
【００２３】
このことをやや詳しく説明すれば、圧縮サイクル運転時においては、図１に示す凝縮器８における冷媒圧力が蒸発器４におけるそれよりも高くなり、冷媒ポンプサイクル運転時においてはその逆に、凝縮器８における冷媒圧力が蒸発器４よりも低い状態にある。例えば、圧縮サイクル運転時、冷媒圧力が凝縮器８で９kg/cm²、蒸発器４で６kg/cm²である一方、冷媒ポンプサイクル運転時には凝縮器８で５kg/cm²、蒸発器で６kg/cm²という様になっている。通常、両サイクルとも蒸発器４での冷媒圧力はほぼ等しいので（上記では共に６kg/cm²）、サイクル切り替えを行うと凝縮器８の圧力が大きく変化（同じく９kg/cm²から５kg/cm²又は５kg/cm²から９kg/cm²）することになる。したがって急なサイクル切り替えを行うと、圧縮機５及び冷媒ポンプ１には、急激に逆の圧力がかかってしまうこととなって、その運転上問題がある。そこで上記したように、３つのバイパス弁３、７、１０が同時に開くような弁操作を実施することにより、蒸発器４、凝縮器８に関する冷媒圧力の均一化を達成することが有効となることがわかる。特に、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの運転移行時においては、その他の条件が整えば、冷媒回路中に自然循環を起こさせた後、冷媒ポンプバイパス弁３を閉とする（ステップＳ５を実施する）ようにすればよい。
【００２４】
このように本空調機によれば、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへ、また冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへ、の運転切り替え時において、冷媒回路中の冷媒、殊に蒸発器４、凝縮器８に関する冷媒圧の均一化が達成されることになるから、圧縮機５及び冷媒ポンプ１に急激な圧力変化が生じるようなことがなく、それらに悪影響を及ぼすようなことがない。つまり本実施形態においては、安定的なサイクル切り替えを行うことできるのである。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の空調機は、両サイクルの運転切り替え時において、圧縮機、膨張弁、及び冷媒ポンプに関するバイパス弁がいずれも開となることから、冷媒回路中の冷媒は自然流動状態となり、室内熱交換器及び室外熱交換器における冷媒圧の均一化を実現する。したがって本発明による空調機は、サイクル切り替えにおいて圧縮機及び冷媒ポンプに無理な圧力変化をかける心配がなく、当該サイクル切り替えをも含め全体として安定的な運転を実施することができる。
【００２６】
また、請求項２及び３記載の空調機は、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの運転切り替え、また冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの運転切り替え、のそれぞれのケースに応じた弁操作が実施されることになるから、最も適切な制御となると共に、当然ながら、請求項１記載の空調機により得られる効果を同様に享受することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空調機の冷媒回路構成を示す説明図である。
【図２】本発明の空調機における、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの運転切り替えに係る運転フローチャートである。
【図３】本発明の空調機における、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの運転切り替えに係る運転フローチャートである。
【符号の説明】
１冷媒ポンプ
２冷媒ポンプ用インバータ
３冷媒ポンプバイパス弁
４蒸発器（室内熱交換器）
５圧縮機
６圧縮機用インバータ
７圧縮機バイパス弁
８凝縮器（室外熱交換器）
９膨張弁
１０膨張弁のバイパス弁
１１室外側送風機
１２室外側送風機風量制御装置
１３室内側送風機
１４室内側送風機風量制御装置
１５外気温度センサ
１６コントローラ

Claims

冷媒ポンプ、膨張弁、室内熱交換器、圧縮機、室外熱交換器が順に接続された冷媒回路を備え、該冷媒回路において、前記冷媒ポンプを稼働して室内の冷房を行う冷媒ポンプサイクルと、前記圧縮機を稼働して室内の冷房を行う圧縮サイクルとを切り替えて運転可能な空調機であって、上記両サイクルの運転切り替え時において、前記冷媒ポンプのバイパス弁、前記膨張弁のバイパス弁、及び前記圧縮機のバイパス弁のいずれもが、所定の時間、開となるような弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。
請求項１に記載の空調機において、前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルへの運転切り替え時において、前記膨張弁のバイパス弁及び前記圧縮機のバイパス弁を開として所定の時間を経過した後、前記冷媒ポンプのバイパス弁を閉とする弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。
請求項１に記載の空調機において、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルへの運転切り替え時において、前記冷媒ポンプのバイパス弁を開として所定の時間を経過した後、前記膨張弁のバイパス弁及び前記圧縮機のバイパス弁を閉とする弁操作を行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。