JP3995825B2 - 空調機 - Google Patents

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を実施可能な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、外気温度が設定値以上となる場合には、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運転の切り替え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】
この空調機は、外気温度を基準として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を行うことになる。すなわち、外気温度が十分高い状態となったときには、冷媒ポンプでの冷房能力が低下してくるので、その場合において冷房能力の高い圧縮サイクル運転がなされることになり、本発明の空調機は、室内の冷房効率の観点から有利な運転を実施することが可能であることとなる。
【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、前記室外熱交換器に付設される室外側送風機における送風量が最大で、かつ室内温度が設定値以上にある場合に、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運転の切り替え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。
【００１０】
この空調機は、室外側送風機における送風量及び室内温度を判断基準として、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を行うものとなっている。このような場合において、室外側送風量が最大でかつ室内温度が設定値以上にあるということは、言い換えれば、冷媒ポンプサイクルにおける最大冷房能力が発揮されているにも関わらず室内の冷房が限界的状況にあるとともに、もはやこれ以上の冷房効果が期待できないことを意味する。したがって、このような場合に圧縮サイクルへと運転切り替えされることは、室内冷房にとって有効であることがわかる。
【００１１】
さらに、請求項３記載の空調機は、同様に、前記冷媒回路中における冷媒流量あるいは前記冷媒ポンプに異常が検知される場合に、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運手の切り替えを行う制御装置を備えていることを特徴とする。
【００１２】
この空調機は、冷媒流量あるいは前記冷媒ポンプの異常を判断基準として、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を行うものとなっている。ここでいう流量異常とは、例えば、前記冷媒ポンプの故障や該冷媒ポンプにキャビテーションが発生した場合等に検知される。このような場合に圧縮サイクルへの運転切り替えを行うことは、すなわち冷媒ポンプ故障による運転不可能な事態の回避、また、キャビテーション発生による続く冷媒ポンプ故障発生の回避等が可能となる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、以下に示すような基準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替判断に関するフローチャートである。すなわち図２は冷媒ポンプサイクル運転中を仮定しており、各ステップは、該冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルに切り替える際の諸判断基準を示したものとなっている。まずステップＳ１として、外気温度を検出し、これが設定値以上となる場合ないし設定値以上に上昇した場合に、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへと運転を切り替える。ここで外気温度の測定は上記外気温度センサ１５、及び設定値に係る判断はコントローラ１６によって行われることは言うまでもない。ちなみに、外気温度を基準とするこのような方法は、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの切り替えとして、最も単純な方法といえる。
【００１９】
次に、ステップＳ２として、室外側送風量が最大であるか否かの判断を行う。もし最大でなければ、前記ステップＳ１へと戻る。また、最大であるならば次なるステップＳ３へと進行する。このとき「室外側送風量最大」とは、具体的には、冷媒ポンプサイクル運転において発揮可能な冷房能力として、その最大値を達成している状態にあるときの室外側送風機１１の回転量のことを指す。すなわち、ステップＳ２においてステップＳ３へと進行するときには、冷媒ポンプサイクルの最大冷房能力における運転が行われていることになる。
【００２０】
ステップＳ３では、室内温度を測定し、その結果に基づいて該室内温度が予め定めた設定値以上であるか否かの判断を行う。もし設定値以上であれば圧縮サイクルへと運転の切り替えを行い、そうでなければ次のステップＳ４へと進む。このステップＳ３の意味するところは次のようなものである。すなわち、ステップＳ３に係る判断が行われると言うことは、上述したように、現時点では、冷媒ポンプサイクルの最大冷房能力における運転が行われている状態にある。そしてもし、この状態にあるにも関わらず室内温度がある設定値以上を示している場合には、これを放置すると室内環境の悪化を招くおそれがある。つまり、現時点では最大冷房能力による運転を行っているのであるから、室内に関するこれ以上の冷房効果を期待することができないからである。そこでこのようなときには、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへと運転の切り替えを行うのである。このことにより、室内の環境は適正に保たれることになる。
【００２１】
なお、このステップＳ３においては、直ちに当該判断を行うのではなく、一定時間、室内温度をモニターするような形態としてもよい。すなわち、しばらく冷媒ポンプサイクルにおける最大冷房能力による運転を実施させて、それでも室内温度が設定値以下とならないならば、その時初めて圧縮サイクルへの運転切り替えを行うようにしてもよい。
【００２２】
ステップＳ４では冷媒回路中を流れる冷媒流量の測定結果を基に、その流量が設定値以上であるか否かの判断を行う。すなわち冷媒流量が正常かあるいは異常か判断するのである。もし異常と判断されるならば、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへと運転の切り替えを行う。流量異常が検知されなければ、ステップＳ１へと戻り、再び上記した各種判断を遂行することになる。ちなみにこの流量チェックは、図１に示す流量計Ｍによって行われる。
【００２３】
ところで、上記でいう冷媒流量の異常とは、具体的には次に説明するようなものである。例えば、直接的には冷媒ポンプ１の故障によるものである。このような場合には、冷媒回路中における冷媒の流量が即座に異常を来すことは明らかである。また、冷媒ポンプ１においてキャビテーションが発生した場合にも、もはや定常的な冷媒の流れは実現されず、流量に異常が見られるだろう。またこの場合においては、冷媒ポンプ１の故障が続いて発生することが高い確率で予想されるから、直ちに冷媒ポンプサイクルによる運転を中止するのが好ましい。
【００２４】
ステップＳ４では、上記のような場合に、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへと運転の切り替えを行うのである。つまり例えば、上の例でいう冷媒ポンプ１が故障した場合にはもはや冷媒ポンプサイクルによる運転の実施が不可能なのであるから、このような状況を放置することなく、直ちに圧縮サイクルへと運転移行し、室内の冷房を続行することになる。またキャビテーションが発生した場合には、冷媒ポンプ１の故障等の不具合を招く前に、圧縮サイクルへと移行し適切な冷房運転が続行するようになされるのである。
【００２５】
このように本実施形態における空調機においては、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの切り替えが、外気温度、室外側送風機１１における送風量、また冷媒回路中の冷媒流量をそれぞれ判断基準として行われ、当該切り替えが適切な状況の下に実施されることになる。
【００２６】
なお、上記実施形態においては、外気温度に関する測定・判断（ステップＳ１）、室外側送風量の測定・判断（ステップＳ２）、室内温度に関する測定・判断（ステップＳ３）、及び冷媒流量の測定・判断（ステップＳ４）は同一フロー中において実施されるようになっていたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。すなわち例えば、上記実施形態において、ステップＳ２及びＳ３に係る測定・判断は行い、ステップＳ４に係る測定・判断は省略する、という形態にしてもよいし、また、逆の場合も当然あり得る。
【００２７】
上記の事情を図示したものが図３である。図３において、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は、各々独立のルートＲ１、Ｒ２、及びＲ３により行われるようになっている。ルートＲ１は、外気温度「のみ」を判断基準とし、これが設定値以下となる場合には、圧縮サイクルへと運転を切り替えるものである（ステップＵ１）。つまり図２でいえばステップＳ１のみを単独実施した場合のものである。ちなみに、この図３においては外気温度の設定値を１８℃として、具体的な数値でもって示した。またルートＲ２は、室内温度が設定値以上であるか否か、かつ室外側送風量が最大か否か（ステップＶ１）、の判断により圧縮サイクルへの運転切り替えを行うものとなっている。すなわち図２でいえば、ステップＳ２及びＳ３を実施しているものであることがわかる。さらにルートＲ３は、冷媒流量異常があるか否か（ステップＷ１）を判断基準としている。この場合は、図２でいうところのステップＳ４単独実施である。このように図３においては、ルートＲ１、Ｒ２、及びＲ３は、各々独立に実施されることになる。ただし、場合によっては、各ルートＲ１、Ｒ２、及びＲ３をソフト的に上記コントローラ１６に組み込んでおき、その選択が可能なように構成してもよい。
【００２８】
とにかくいずれにしても、図２ないし図３に示したような上記実施形態、図２におけるステップＳ２及びＳ３の単独実施、同じくステップＳ４単独実施等、それらすべてが本発明の概念内にあることに変わりはない。
【００２９】
【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、外気温度を基準として冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへと運転切り替えを行うことから、外気温度が十分高い状態となったときには冷媒ポンプでの冷房能力が低下してくるので、その場合において冷房能力の高い圧縮サイクル運転がなされることになり、本発明の空調機によれば、室内の冷房効率の観点から有利な運転を実施することができる。
【００３０】
また、請求項２記載の空調機は、上記両サイクルの運転切り替えの判断基準として、室外側送風量が最大でかつ室内温度が設定値以上という基準を設けることから、冷媒ポンプサイクルにおける冷房効果が期待できない状況において当該運転切り替えが行われ、室内冷房にとって有効であることがわかる。
【００３１】
さらに、請求項３記載の空調機は、同様に、前記冷媒回路中における冷媒流量を判断基準として設けることから、冷媒ポンプ故障による運転不可能な事態の回避、すなわち冷房が行われなくなることの回避、また、キャビテーション発生による続く冷媒ポンプ故障発生の回避等が可能となる。
【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】 本発明に係る空調機の運転フローチャートである。
【図３】 図２に示す各ステップについて、そのうちの一又は二以上を単独に実施するような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 (3)

1. 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、前記室外熱交換器に付設される室外側送風機における送風量が最大で、かつ室内温度が設定値以上にある場合には、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運転の切り替えを行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。
2. 請求項１に記載の空調機において、外気温度が設定値以上となる場合には、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運転の切り替えを行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。
3. 請求項１に記載の空調機において、前記冷媒回路中における冷媒流量あるいは前記冷媒ポンプに異常が検知される場合には、前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルに運転の切り替えを行う制御装置を備えていることを特徴とする空調機。

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