JP4043756B2 - 空気調和装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気調和装置及びその制御方法、特に電算機室用空調機として用いられる空気調和装置及びその制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は、従来の電算機室用空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。
この図において、1は容量可変型の圧縮機、2は圧縮機1から吐出されたガス冷媒を凝縮液化する凝縮側熱交換器、3は凝縮側熱交換器2からの液化冷媒を減圧する流量可変型の絞り装置、4は減圧された冷媒を蒸発ガス化する蒸発側熱交換器、5は上記各機器を接続し冷媒回路を構成する冷媒配管、6は蒸発側熱交換器4に設けられた送風機で、矢印6Aで示す風路を形成する。
7は蒸発側熱交換器4の風路の吸込側に設けられ、吸込側の温度を検出する吸込側乾球温度検出手段、8は同じく吹出側の温度を検出する吹出側乾球温度検出手段、9は蒸発側熱交換器4の流入側に設けられ、蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段である。
【0003】
図6は、従来の空気調和装置における顕熱比(SHF)の変化を示す概略空気線図である。ここでは、一例としてある設計ポイントA(吸込空気温度24℃(乾球温度)、湿度(RH)45%の条件でSHF=1、風量300m3/min、顕熱能力56kWでの吸込、吹出空気の状態と露点温度を示す)で設計された熱交換器、送風機仕様に対して、設定湿度条件が異なる場合の吸込口、熱交換器部、吹出口の空気の状態を示している。
設計ポイントAにおける100%負荷時(負荷56kW)の吹出温度は、顕熱比(SHF)=1から以下の式でΔTを求めることにより得られる。
Q=60×Va×Cp/v×ΔT/860 (1)
Q :顕熱能力(kW)
Va:風量(m3/min)
Cp:空気の比熱(kcal/kg・℃)
v :空気の比容積(m3/kg)
ΔT:吸込側と吹出側の乾球温度差(℃)
【0004】
ここでは、簡易的に説明するために、式(1)においてCp=0.24、v=0.85としてΔTを算出すると共に、吹出温度を算出すると、図6に示すように14.5℃となる。この時の露点温度はSHF=1ということと湿り空気線図から、吸込空気温度24℃で設計ポイントAを通るSHF=1の同一絶対湿度線Bと飽和曲線との交点として求められ、11℃となる。この露点温度を目標蒸発温度として制御すれば、除湿することなく、顕熱能力も満足することができる。従来は、ある設計ポイントにおける露点温度+αを目標蒸発温度とし、そこから例えば吸込温度設定値と吸込温度との差(負荷)をみながら目標蒸発温度を調整するのが一般的であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和装置は以上のように構成されていたため、吸込状態が図6の設計ポイントAより少し高湿度条件、例えば湿度(RH)50%の場合には、100%負荷時(負荷56kW)の吹出温度は、湿度(RH)45%の場合と同様に式(1)から14.5℃と算出されるが、この時の露点温度は図6の吸込空気温度24℃と50%RHとの交点Cを通るSHF=1の同一絶対湿度線Dと飽和曲線との交点として求められ、13℃となり、吹出温度と露点温度との差が小さくなる。つまり、吸込空気の湿度状態を知ることなしに、目標蒸発温度を設定し、吸込側乾球温度情報のみで上述の45%RH時と同様に目標蒸発温度を11℃に設定して制御を行なうと、5%の湿度に相当する分を除湿してしまうことになる。特にプルダウン時(50%RH以上の時)には除湿が顕著となり、過渡的に過剰な除湿が行なわれる結果、設計条件である45%RHを大きく下回り、低湿度環境下での静電気発生などによるコンピュ−タなどの電算機器への悪影響が出る可能性があるという問題点があった。
【0006】
また、従来の高顕熱制御方法として、例えば特公平7−92259号公報に示されるように、結露水検知手段を設け、この手段によって結露水(除湿されたドレン水)を検知(除湿したことを検知)した場合に、目標蒸発温度を上げるという方式もあるが、この方式は、高負荷、高湿度条件下で結露水を出さない蒸発温度制御であるがためにプルダウン時などに顕熱能力が出せなくなる可能性があるという問題点があった。
従来はこうした万が一の低湿度条件に陥った場合のバックアップとして、低湿度状態を検知して加湿器による加湿が行なわれているが、この場合には加湿量と加湿容量の増加を招くという問題点があった。
また、コンピュータなどの電算機器周囲の空気状態と蒸発側熱交換器の蒸発温度制御とがアンマッチになった場合には非効率運転となり、消費電力が増大するという問題点もあった。
【0007】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、蒸発側熱交換器に湿度検出手段を設けて吸込側の湿度を検出すると共に、吸込空気に対する露点温度を検知することにより、過剰に除湿することなく、負荷に応じた高顕熱制御が可能で、除湿量を最小限に抑えることができる空気調和装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる空気調和装置は、また、容量可変型の圧縮機と、この圧縮機から吐出されたガス冷媒を凝縮液化する凝縮側熱交換器と、この凝縮側熱交換器からの液化冷媒を減圧する絞り装置と、この絞り装置によって減圧された冷媒を蒸発ガス化する蒸発側熱交換器と、この蒸発側熱交換器の吸込側もしくは吹出側の温度を検出する乾球温度検出手段と、蒸発側熱交換器の吸込側の湿度を検出する湿度検出手段と、蒸発側熱交換器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、蒸発温度を露点温度以上に制御する制御装置とを備え、目標蒸発温度を露点温度に設定すると共に、運転時の蒸発温度が上記目標蒸発温度を含む所定の範囲内となるように上記制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の蒸発温度が上記所定の範囲の上限を越えた時は、圧縮機の容量を大きくすると共に、絞り装置の絞り流量を増加し、上記所定の範囲の下限を越えた時は、圧縮機の容量を小さくすると共に、絞り装置の絞り流量を少なくするようにしたものである。
【0010】
この発明に係わる空気調和装置は、また、吸込側乾球温度及び湿度と、湿り空気線図での同一絶対湿度線と飽和曲線との交点を対応させた露点温度マトリックスを設け、この露点温度マトリックスから露点温度を得るようにしたものである。
【0011】
この発明に係わる空気調和装置は、また、蒸発側熱交換器から吹出された冷却空気を、蒸発側熱交換器が設置された室の二重床の内側を経由して電算機等の負荷が収納されたラックに供給するようにしたものである。
【0013】
この発明に係わる空気調和装置の制御方法は、また、吸込温度もしくは吹出温度の目標温度を設定すると共に、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が目標温度を含む所定の範囲内となるように制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたものである。
【0014】
この発明に係わる空気調和装置の制御方法は、また、目標湿度を設定すると共に、蒸発側熱交換器の吸込側湿度が目標湿度を含む所定の範囲内となるように制御装置を所定の時間毎に動作させ、吸込側湿度が所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。図1は、実施の形態1の構成を示す冷媒回路図である。この図において、1は容量可変型の圧縮機、2は圧縮機1から吐出されたガス冷媒を凝縮液化する凝縮側熱交換器、3は凝縮側熱交換器2からの液化冷媒を減圧する流量可変型の絞り装置、4は減圧された冷媒を蒸発ガス化する蒸発側熱交換器、5は上記各機器を接続し冷媒回路を構成する冷媒配管、6は蒸発側熱交換器4に設けられた送風機で、矢印6Aで示す風路を形成する。7は蒸発側熱交換器4の風路の吸込側に設けられ、吸込側の温度を検出する吸込側乾球温度検出手段、8は同じく吹出側の温度を検出する吹出側乾球温度検出手段、9は蒸発側熱交換器4の流入側に設けられ、蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段、10は蒸発側熱交換器4の吸込側に設けられた湿度検出手段、11は吸込側乾球温度検出手段7または吹出側乾球温度検出手段8及び蒸発温度検出手段9並びに湿度検出手段10の検出値にもとづいて圧縮機を容量制御する容量制御手段、12は蒸発温度検出手段9の検出値にもとづいて絞り装置3の冷媒流量を制御する流量制御手段である。
【0016】
図2は、実施の形態1の空気調和装置を電算機室に設置した状態を示す概略図である。この図において、20は電算機室、21はフリーアクセスの床面を形成する二重床で、その内側が後述する室内ユニットから吹出された冷却空気の通路とされている。22は空気調和装置の室内ユニットで、蒸発側熱交換器4、絞り装置3、送風機6、吸込側及び吹出側乾球温度検出手段7,8、湿度検出手段10、流量制御手段12等を収容すると共に、上部の吸込口23から電算機室空気を吸込み、下部の吹出口24から床面21の内側に冷却空気を吹出す構成とされている。なお、この実施の形態では上部を吸込口23、下部を吹出口24としているが、この構成を逆にして下部の吹出口24を吸込口とし、上部の吸込口23を吹出口とすることもできる。
【0017】
また、この実施の形態では、室内ユニットの設置面積を小さくするため、圧縮機、アキュムレータ等の冷媒回路構成部品を図示しない室外ユニットに収容するスプリット方式を前提とした構成を示しているが、上記の各冷媒回路構成部品を室内ユニットに収容するリモート方式とすることもできる。
また、25は電算機器を収容しているラックで、下面が二重床21の内側に連通するようにされている。
【0018】
このような構成において、室内ユニット22の吹出口24から吹出された冷却空気は、矢印6Aで示すようにフリーアクセスの床面21の内側を通過し、負荷となる電算機器が収納されているラック25に吸い込まれ、電算機器を冷却し終えた空気は、ラック25から上方に向けて電算機室20に排出され、室内ユニット22の吸込口23へ吸い込まれる。室内ユニット22では、蒸発温度検出手段9によって蒸発側熱交換器4の蒸発温度を検出し、この温度が露点温度以上となるように圧縮機容量と絞り装置の冷媒流量が制御される。
【0019】
図3は、実施の形態1における露点温度検知の手順を示すブロック図である。
図3(A)に示すように、吸込側乾球温度検出手段7で検出した吸込側乾球温度と、湿度検出手段10で検出した湿度(ここでは相対湿度として説明するが絶対湿度でもよい)とから、図6に例示した湿り空気線図上の乾球温度と湿度曲線との交点を求め、この交点を通る顕熱比(SHF)=1即ち、同一絶対湿度線と飽和曲線との交点から露点温度を求める。この場合、図3(B)に示すように、縦軸に吸込側乾球温度、横軸に湿度をとり、その交点位置に上述のようにして求めた露点温度を表示した露点温度マトリックスをあらかじめ用意しておくことにより、乾球温度と湿度が分かれば簡単に露点温度を得ることができる。
この露点温度マトリックスの乾球温度は1℃間隔、湿度は5%間隔であるが、それぞれの中間の値に対しては内挿近似とし、マトリックス範囲外については外挿近似とする。
【0020】
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2を図にもとづいて説明する。この実施の形態の冷媒回路図及び温度、湿度の検出手段は図1と同様であるため、図1を流用して説明を省略し、図4のフローチャート図にもとづいて実施の形態2の制御方法について説明する。
【0021】
まず、ステップS1で目標とする湿度RHmと、目標とする吸込温度もしくは吹出温度TLmを設定する。次に、ステップS2で目標湿度RHmと吸込側乾球温度検出手段7で検出した吸込温度Tinとから実施の形態1で述べた手順により露点温度TRを求める。次いで、ステップS3で目標蒸発温度の初期設定値Tem0を、Tem0=TRと設定し、ステップS4において、蒸発温度Teに対してあらかじめ設定しておいた温度差ΔTeにて
Tem0−ΔTe≦Te≦Tem0+ΔTe となるように、蒸発温度Teをある設定された経過時間毎に制御する。蒸発温度Teが上記の範囲を越えた場合はステップS5でチェックし、Tem0+ΔTe<Te の場合には、ステップS6で圧縮機の容量制御手段11により圧縮機容量Fをアップすると共に、絞り装置3の流量制御手段12により絞り流量Lをアップする。反面、Tem0―ΔTe>Teの場合には、ステップS7で圧縮機の容量制御手段11により圧縮機容量Fをダウンすると共に、絞り装置3の流量制御手段12により絞り流量Lをダウンする。
【0022】
そして、ステップS8で、ある設定された経過時間毎に現在の吸込温度もしくは吹出温度TLが目標設定温度TLmに接近したかどうかを判定し、接近していなければ目標蒸発温度Temを変更する。即ち、接近していなければステップS9でチェックし、吸込温度もしくは吹出温度TLに対してあらかじめ設定しておいた温度差ΔTLにて、TLm0+ΔTL<TLの場合には、ステップS10で目標蒸発温度Temをダウンさせる。ただし、この時Te≧TRとする。
反面、TLm0―ΔTL>TLの場合には、ステップS11で目標蒸発温度Temをアップさせる。吸込温度もしくは吹出温度TLが目標設定温度TLmに接近した場合には、ステップS12で現在の湿度RHが目標湿度RHmに接近したかどうかを判定し、接近している場合には、ステップS16で目標蒸発温度Tem、圧縮機容量F及び絞り装置の流量Lを現状のままとし、接近していなければ、目標蒸発温度Temを変更する。即ち、接近していなければステップS13でチェックし、湿度RHに対してあらかじめ設定しておいた湿度差ΔRHにて、RHm+ΔRH<RHの場合には、ステップS14で目標蒸発温度Temをダウンさせる。ただし、この時Te≧TRとする。反面、RHm―ΔRH>RHの場合には、ステップS15で目標蒸発温度Temをアップさせる。
【0023】
このような制御を行なうことによって、吸込もしくは吹出温度の設定温度TLmに対して必要負荷能力を満足させながら、温度が露点温度を下回らずに、除湿量を抑制することができる。
【0025】
【発明の効果】
この発明に係わる空気調和装置は、また、容量可変型の圧縮機と、この圧縮機から吐出されたガス冷媒を凝縮液化する凝縮側熱交換器と、この凝縮側熱交換器からの液化冷媒を減圧する絞り装置と、この絞り装置によって減圧された冷媒を蒸発ガス化する蒸発側熱交換器と、この蒸発側熱交換器の吸込側もしくは吹出側の温度を検出する乾球温度検出手段と、蒸発側熱交換器の吸込側の湿度を検出する湿度検出手段と、蒸発側熱交換器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、蒸発温度を露点温度以上に制御する制御装置とを備え、目標蒸発温度を露点温度に設定すると共に、運転時の蒸発温度が上記目標蒸発温度を含む所定の範囲内となるように上記制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の蒸発温度が上記所定の範囲の上限を越えた時は、圧縮機の容量を大きくすると共に、絞り装置の絞り流量を増加し、上記所定の範囲の下限を越えた時は、圧縮機の容量を小さくすると共に、絞り装置の絞り流量を少なくするようにしたものであるため、プルダウン時などのような実使用環境条件が設計ポイントよりずれた場合においても、高顕熱運転が可能となる他、必要負荷能力を満足させながら蒸発温度が露点温度を下回ることなく、除湿量を抑制することができる。
【0026】
この発明に係わる空気調和装置は、また、吸込側乾球温度及び湿度と、湿り空気線図での同一絶対湿度線と飽和曲線との交点を対応させた露点温度マトリックスを設け、この露点温度マトリックスから露点温度を得るようにしたため、露点温度を容易に得ることができ、的確な制御が可能となるものである。
【0027】
この発明に係わる空気調和装置は、また、蒸発側熱交換器から吹出された冷却空気を、蒸発側熱交換器が設置された室の二重床の内側を経由して電算機等の負荷が収納されたラックに供給するようにしたものであるため、電算機室の空気調和を容易に的確に行なうことができる。
【0029】
この発明に係わる空気調和装置の制御方法は、また、吸込温度もしくは吹出温度の目標温度を設定すると共に、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が目標温度を含む所定の範囲内となるように制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたものであるため、高効率で除湿量の少ない高顕熱運転を行なうことができる。
【0030】
この発明に係わる空気調和装置の制御方法は、また、目標湿度を設定すると共に、蒸発側熱交換器の吸込側湿度が目標湿度を含む所定の範囲内となるように制御装置を所定の時間毎に動作させ、吸込側湿度が所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたものであるため、必要負荷能力を満足させながら蒸発温度が露点温度を下回ることなく、除湿量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1の構成を示す冷媒回路図である。
【図2】 実施の形態1の空気調和装置を電算機室に設置した状態を示す概略図である。
【図3】 実施の形態1における露点温度検知の手順を示すブロック図である。
【図4】 この発明の実施の形態2の制御方法を示す高顕熱制御フローチャート図である。
【図5】 従来の空気調和装置の構成を示す冷媒回路図である。
【図6】 従来の空気調和装置におけるSHF変化を示す概略空気線図である。
【符号の説明】
1 圧縮機、 2 凝縮側熱交換器、 3 絞り装置、 4 蒸発側熱交換器、 5 冷媒配管、 6 送風機、 6A 風路、 7 吸込側乾球温度検出手段、 8 吹出側乾球温度検出手段、 9 蒸発温度検出手段、 10 湿度検出手段、 11 容量制御手段、 12 流量制御手段、 20 電算機室、 21 二重床、 22 室内ユニット、 23 吸込口、 24 吹出口、 25 ラック。
Claims (5)
- 容量可変型の圧縮機と、この圧縮機から吐出されたガス冷媒を凝縮液化する凝縮側熱交換器と、上記凝縮側熱交換器からの液化冷媒を減圧する絞り装置と、上記絞り装置によって減圧された冷媒を蒸発ガス化する蒸発側熱交換器と、上記蒸発側熱交換器の吸込側もしくは吹出側の温度を検出する乾球温度検出手段と、上記蒸発側熱交換器の吸込側の湿度を検出する湿度検出手段と、上記蒸発側熱交換器の蒸発温度を検出する蒸発温度検出手段と、上記蒸発温度を露点温度以上に制御する制御装置とを備え、目標蒸発温度を露点温度に設定すると共に、運転時の蒸発温度が上記目標蒸発温度を含む所定の範囲内となるように上記制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の蒸発温度が上記所定の範囲の上限を越えた時は、圧縮機の容量を大きくすると共に、絞り装置の絞り流量を増加し、上記所定の範囲の下限を越えた時は、圧縮機の容量を小さくすると共に、絞り装置の絞り流量を少なくするようにしたことを特徴とする空気調和装置。
- 上記吸込側乾球温度及び湿度と、湿り空気線図での同一絶対湿度線と飽和曲線との交点を対応させた露点温度マトリックスを設け、この露点温度マトリックスから露点温度を得るようにしたことを特徴とする請求項1記載の空気調和装置。
- 上記蒸発側熱交換器から吹出された冷却空気は、上記蒸発側熱交換器が設置された室の二重床の内側を経由して電算機等の負荷が収納されたラックに供給されるようにされたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の空気調和装置。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項記載の空気調和装置において、吸込温度もしくは吹出温度の目標温度を設定すると共に、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が上記目標温度を含む所定の範囲内となるように上記制御装置を所定の時間毎に動作させ、運転時の吸込温度もしくは吹出温度が上記所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、上記所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたことを特徴とする空気調和装置の制御方法。
- 目標湿度を設定すると共に、蒸発側熱交換器の吸込側湿度が上記目標湿度を含む所定の範囲内となるように上記制御装置を所定の時間毎に動作させ、吸込側湿度が上記所定の範囲の上限を越えた時は、目標蒸発温度を露点温度以下とならない範囲で低くし、上記所定の範囲の下限を越えた時は、目標蒸発温度を高くするようにしたことを特徴とする請求項4記載の空気調和装置の制御方法。
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