JP4352604B2

JP4352604B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP4352604B2
Application number: JP2000299563A
Authority: JP
Inventors: 信斉藤; 多佳志岡崎; 寿彦榎本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2002106986A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒循環経路として、圧縮機による強制循環サイクルと液ポンプによる循環サイクルの双方を備え、状況に応じてそれぞれを切換えて運転する空気調和装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、冷媒搬送手段として圧縮機と液ポンプ双方を有する空気調和装置が、年間冷房用途に適用された例を示す。
これは、通常の冷房運転を行なう際には圧縮機運転を行ない、冬季や夜間など外気が室内より低温となる場合に液ポンプ運転を行なうものである。
以下、この空気調和装置の動作を図によって説明する。
【０００３】
図８において、１は室外ユニット、２は室内ユニットである。
圧縮機運転時には、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒が凝縮器４に入り、外気と熱交換して液冷媒となる。その後、液ポンプ容器２１を通過して絞り装置７で減圧されて乾き度の低い二相冷媒となって蒸発器８に入る。蒸発器８で室内空気と熱交換してガス冷媒となり、開放された開閉弁９を通ってアキュムレータ２３に入り、再び圧縮機３に戻る。
【０００４】
液ポンプ運転時には、液ポンプ２２から吐出された液冷媒は絞り装置７を通って蒸発器８に入る。液冷媒は蒸発器８で室内高温空気と熱交換してガス冷媒となり、順方向に接続された逆止弁１１を通って凝縮器４へと流入する。液ポンプ運転時は開閉弁９は閉止されており、これによりアキュムレータ２３、圧縮機３は液ポンプサイクルから切り離される。凝縮器４へ流入したガス冷媒は外気と熱交換して液化し再び液ポンプ２２に戻る。
【０００５】
液ポンプ運転時は、冷媒を昇圧する際に体積変化を伴わないため、ガス圧縮に比べて冷媒搬送動力を大きく低減でき、省エネルギーな冷房運転が可能である。また、延長配管（液管）および蒸発器入口冷媒状態が液単相となるため、圧縮機運転時よりも必要冷媒量を多く必要とする。そのため圧縮機運転時に余剰となる冷媒はアキュムレータに貯留される。
【０００６】
次に、この空気調和装置の動作切換について説明する。
液ポンプ運転時の冷房能力は、外気温度と室内温度との温度差に依存する。そのため、外気が十分低く液ポンプ運転で室内冷房負荷を処理できる場合には液ポンプ運転のみで冷房を行なうが、前記温度差が小さくなってくると、液ポンプ運転だけでは室内冷房負荷を処理できなくなり、圧縮機運転と液ポンプ運転を交互に行なう。また、外気温度が所定値以上になると液ポンプ運転は行なわれず、圧縮機運転のみで冷房を行なう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧縮機サイクルと液ポンプサイクル双方を有する空気調和装置は以上のように構成されているので、圧縮機運転と液ポンプ運転の交互運転が行なわれる条件下において圧縮機運転から液ポンプ運転に切換える場合、液ポンプを起動して圧縮機とアキュムレータをサイクルから切り離す前に、アキュムレータに貯留されている余剰冷媒を液ポンプサイクル内に回収する必要があり、絞り装置７を閉止した状態で数分間圧縮機を運転してアキュムレータ内の冷媒を凝縮器に回収する冷媒回収運転が切換の度に行なわれている。
【０００８】
そのため、液ポンプ運転が行われる温度範囲の中で外気温度が比較的高く液ポンプ運転時の冷房能力が小さい場合や、室温変動許容幅を小さく設定した場合などで圧縮機運転と液ポンプ運転の切換え周期が短くなると、この冷媒回収運転によるロスがトータルでみた冷房運転効率を低下させてしまうという問題点があった。
また、冷媒液ポンプとして図８で示したような浸漬型液ポンプを適用した場合には、アキュムレータの他に液ポンプを内蔵する容器が必要となるため、室外ユニットが大型になってしまうという問題点があった。
本発明は、圧縮機と液ポンプ双方の冷媒搬送手段を備えた空気調和装置において、圧縮機運転から重力または液ポンプ運転に切換える際に、冷媒回収運転をする必要の無い空気調和装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器が順次接続されてなる圧縮機サイクルと、液ポンプ、前記絞り装置、前記蒸発器、前記凝縮器を接続してなる液ポンプサイクルとにて動作する空気調和装置において、前記凝縮器出口と前記絞り装置の間に冷媒貯留容器を備え、前記圧縮機サイクル時と前記液ポンプサイクル時のそれぞれにおける必要冷媒量の差により生じる余剰冷媒を、前記貯留容器に貯留し、前記絞り装置の絞り開度を制御する絞り装置開度制御手段、及び前記絞り装置の絞り開度が絞られた場合に前記液ポンプの回転数を下げる液ポンプ回転数制御手段を備え、前記絞り装置開度制御手段、前記液ポンプ回転数制御装置の双方で前記液ポンプサイクルの冷媒流量を調整するものである。
【００１１】
また、前記冷媒貯留容器が、浸漬型液ポンプを内蔵していてもよい。
【００１２】
また、前記凝縮器出口と前記絞り装置の間に液ポンプを備えていてもよい。
【００１３】
また、液ポンプサイクルの必要冷媒量より多く冷媒が封入されていてもよい。
【００１４】
また、前記浸漬型ポンプは、下から渦流型ポンプ部、直流モーター部、電極部が直列に組み合わされて構成されていてもよい。
【００１５】
さらに、前記浸漬型ポンプを駆動するモーター部のブラシと整流子が黒鉛系カーボン材料であってもよい。
【００１６】
また、前記絞り装置開度制御手段は、前記蒸発器出口の過熱度が所定値になるように冷媒流量を制御するものである。
【００１７】
また、液ポンプサイクル時に外気温度が所定値以下となった場合に、前記凝縮器への送風量を低減させる凝縮器熱交換量制御手段を備えたものである。
【００１８】

【発明の実施の形態】
発明の実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１における空気調和装置のブロック図を示す。
通信基地局の機械室や電算室など、年間を通じて冷房が必要な空間の空調を行なう空気調和装置を示したものであり、１は室外ユニット、２は室内ユニット、３は圧縮機、４は凝縮器、５は冷媒貯溜容器、６は液ポンプ、７は絞り装置、８は蒸発器、９は開閉弁、１０、１１は逆止弁、１２は液ポンプ回転数制御手段、１３は凝縮器用送風機の送風量調整装置、１４は外気温度検出装置、１５は絞り装置開度制御手段である。
【００１９】
次に、動作について説明する。
圧縮機運転時には開閉弁９が開放され、また、圧縮機３の吐出圧力によって逆止弁１０は開放、逆止弁１１は閉止される。これにより、圧縮機３、凝縮器４、冷媒貯溜容器５、絞り装置７、蒸発器８という循環路が形成される。
この循環路において、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器４で外気と熱交換して高圧の液冷媒となる。この液冷媒は冷媒貯溜容器５を経由して絞り装置７で減圧され、乾き度の低い低圧の二相冷媒となって蒸発器８へ流入する。蒸発器８で室内空気と熱交換してガス冷媒となり、再び圧縮機３へ戻る。
【００２０】
液ポンプ運転時には、開閉弁９は閉止される。また、逆止弁１１は液ポンプ６の吐出圧力によって開放され、圧縮機３をバイパスする。これにより、液ポンプ６、絞り装置７、蒸発器８、凝縮器４、冷媒貯溜容器５という循環路が形成される。図１に示した液ポンプ６は浸漬型であり、冷媒貯溜容器５に内蔵された形で配設されている。
この循環路において、液ポンプ６から吐出された低温の液冷媒は絞り装置７を通過して蒸発器８へ流入し、高温の室内空気と熱交換してガス冷媒となる。このガス冷媒は凝縮器４へ流入し、低温の外気と熱交換して再び液冷媒となり、冷媒貯溜容器５に貯留され、液ポンプ６に戻る。
【００２１】
次に、図２を参照して運転モード切換制御について説明する。
図２には、外気温度の変化に応じた圧縮機運転時の冷房能力、液ポンプ運転時の冷房能力および室内冷房負荷が表されている。Ｔ₁は室内冷房負荷と液ポンプ運転時の冷房能力が一致する外気温度であり、Ｔ₂は液ポンプ運転時の冷房能力が所定値以下となる外気温度である。
【００２２】
運転モードは、図３に示すフローチャートにより選択される。ステップＳ３０１にて、外気温度検出装置１４で外気温度を測定する。ステップＳ３０２にて測定された外気温度がＴ₁より低い場合は、室内冷房負荷よりも液ポンプ運転時の冷房能力が上回るのでステップＳ３１１へ進み、液ポンプによる運転を行なう。
【００２３】
ステップＳ３０２にて測定された外気温度がＴ₁より高い場合は、ステップＳ３０３に進み、測定された外気温度がＴ₂より低い場合つまり外気温度がＴ₁とＴ₂の間である場合、ステップＳ３１２に進み、圧縮機運転と液ポンプ運転の交互運転を行なう。
【００２４】
測定された外気温度がＴ₂より高い場合は、液ポンプ冷房能力がほとんどなくなるのでステップＳ３１３に進み圧縮機運転を行なう。
【００２５】
前述しているように、液ポンプ運転時の方が圧縮機運転時よりも必要冷媒量が多いが、この実施の形態１における空気調和装置には液ポンプ運転時の必要冷媒量よりもさらに多くの冷媒を封入している。このようにすることで液ポンプ運転時にも冷媒貯溜容器５には冷媒液面が存在するようにし、液ポンプ吸入を常に液単相となるようにする。よって、外気温度変動などにより過渡的に蒸発器出口冷媒が過熱せず、延長配管（ガス管）に液冷媒が流入した場合でも、冷媒貯溜容器５内の液冷媒がバッファとなり、液切れによる吐出量低下あるいは吐出不能状態となる危険性を回避することができる。
【００２６】
また、液ポンプ運転に切換える際に開閉弁９を閉止して圧縮機をサイクルから切り離しても、余剰冷媒は冷媒貯溜容器５に貯留されているため液ポンプサイクルから切り離されることがないので、冷媒回収運転なしに液ポンプ運転への切換が可能である。
さらに、余剰冷媒貯留機能を冷媒貯溜容器５に持たせることからアキュムレータが不要となり、室外ユニットのコンパクト化が図れる。
【００２７】
次に、図４に、冷媒貯溜容器５内に配設された浸漬型液ポンプ６の構造の一例を示す。図において、冷媒貯溜容器５への冷媒配管はその出入口とも冷媒貯溜容器上面壁５ａを貫通し、冷媒貯溜容器５内上方において下向きに開口しており、冷媒配管の入口側は上面壁５ａの周縁寄りを、冷媒配管の出口側は上面壁５ａの中央寄りをそれぞれ貫通している。液ポンプ６は、下から渦流式ポンプ部６ａ、直流モーター部６ｂ、電極部６ｃの順に縦方向の直列接続によって構成され省スペース構造となっている。また、ポンプ部６ａで昇圧された冷媒が直流モーター部６ｂ、電極部６ｃを通過して上部出口６ｄへ抜ける構造となっており、上部出口６ｄは冷媒配管の出口側に接続されている。このような構造でポンプ入口が冷媒貯溜容器５の下方に位置するので、冷媒貯溜容器５内の貯留冷媒液面の上下変動に影響されることがない。
【００２８】
また、このポンプ６の電極部６ｃを構成するブラシ１６と整流子１７は双方とも黒鉛系カーボン材料からなっている。このように構成することで電極部の磨耗が低減され、磨耗粉による不具合を回避でき、液ポンプの長寿命化が図れる。
【００２９】
次に、この実施の形態１における空気調和装置の制御動作について図５、図６を用いて説明する。図５は、液ポンプ運転時のモリエル線図上の運転状態を示す。
絞り装置７の開度制御により、圧縮機運転時、液ポンプ運転時ともに蒸発器８出口の冷媒過熱度が所定値になるように冷媒流量を調整している。このとき、図２に示したように液ポンプ運転時の冷房能力は外気温度の変化に伴って大きく変化するが、モリエル線図上で冷媒が液からガスに相変化するエンタルピ差Δｉの変化量は小さい。よって、冷房能力の変化に伴って冷媒流量が大きく変動することとなる。
【００３０】
図６に液ポンプのＰＱ特性を示す。液ポンプの回転数が固定されている場合、冷媒流量を絞り開度のみで調整すると、冷媒温度が室内温度に近い場合などの低流量時に過大な揚程となってしまい、液ポンプの消費電力が大きくなってしまうとともに信頼性を低下させることとなる。
【００３１】
そこで、上記絞り装置開度制御手段１５に加えて液ポンプ回転数制御手段１２で絞り開度を開ける方向に冷媒流量を調整する。すなわち、絞り開度が絞られている場合には回転数を下げて冷媒流量を減少させる。また、絞り開度を全開としても蒸発器出口の冷媒過熱度が所定値を上回る場合には回転数を上げて冷媒流量を増加させるように制御を行なう。このような制御をすることで、液ポンプの揚程を増大させることがなく、液ポンプ消費電力を低減し、併せて信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、外気温度がＴ₁を大きく下回るような場合には、液ポンプ運転時においても冷房能力が過大となるため、所定の液冷媒温度になるように凝縮器熱交換量制御手段によって調整する。すなわち外気温度検出装置１４が、外気温度がＴ₁以下になったことを検出し、液ポンプ運転になった段階で、送風量調整装置１３により凝縮器４の送風機の風量が低くなるように調整する。このようにすることで、液ポンプ運転時の冷房能力が調整され、液ポンプ運転のみで冷房負荷を賄う際の消費電力を低減し、併せて室温制御性を向上させることができる。
【００３３】
発明の実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の一例のブロック図を示す。図において、配管と両端との間に自動閉止弁１８、１９を持つ液ポンプ６からなる液ポンプユニット２０が絞り装置７に並列に、かつ着脱可能に配設されている。このように配置することで、液ポンプユニット２０の交換等メンテナンスを容易に行なうことができる。この場合運転動作は実施の形態１と同様だが、制御は液ポンプ回転数固定で絞り装置部分をバイパス路として使用し、絞り装置開度制御手段のみで流量制御を行ってもよい。
また、図においては絞り装置７と並列に設置している例を示しているが、絞り装置７と冷媒貯溜容器５との間に設置してもよい。こちらの場合は、運転動作、制御ともに実施の形態１と同様に行なうことができる。
さらに、自動閉止弁１８、１９は、手動開閉のバルブであっても同様の機能を果たすことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器が順次接続されてなる圧縮機サイクルと、液ポンプ、絞り装置、蒸発器、凝縮器を接続してなる液ポンプサイクルとにて動作する空気調和装置において、凝縮器出口と前記絞り装置の間に冷媒貯溜容器を備え、圧縮機サイクル時と液ポンプサイクル時のそれぞれにおける必要冷媒量の差により生じる余剰冷媒を、冷媒貯溜容器に貯溜し、絞り装置の絞り開度を制御する絞り装置開度制御手段、及び絞り装置の絞り開度が絞られた場合に液ポンプの回転数を下げる液ポンプ回転数制御手段を備え、絞り装置開度制御手段、液ポンプ回転数制御装置の双方で液ポンプサイクルの冷媒流量を調整するので、液ポンプの不要な回転数の増大を抑制でき、消費電力を低減することができる。
【００３５】
また、液ポンプは、冷媒貯溜容器に内蔵された浸漬型液ポンプであるため、アキュムレータが不要となり室外ユニットのコンパクト化が可能である。
【００３６】
さらに、液ポンプサイクルの必要冷媒量より多く冷媒を封入しているので、外気温度変動などにより過渡的に蒸発器出口冷媒が過熱せず、延長配管に液冷媒が流入した場合でも冷媒貯溜容器内の液冷媒がバッファとなり液切れによる吐出量低下あるいは吐出不能状態となる危険性を回避することができる。
【００３７】
また、冷媒貯溜容器内に配設された浸漬型液ポンプは、下から渦流型ポンプ部、直流モーター部、電極部が直列に組み合わされて構成され、ポンプ入口が冷媒貯溜容器の下方になるので、冷媒貯溜容器内の貯溜冷媒液面の上下変動に影響されることがない。
【００３８】
また、浸漬型液ポンプを駆動する直流モータのブラシと整流子を黒鉛系カーボン材料としたので、整流子摩耗量を大幅に低減でき、長寿命化できるとともに摩耗粉による不具合を回避できるので信頼性が向上する。
【００３９】
また、絞り装置開度制御手段は、蒸発器出口の過熱度が所定値になるように冷媒流量を制御するため、必要な過熱度に合わせて液ポンプを制御でき、不用意に液ポンプ揚程を増大させることなく、信頼性を向上できる。
【００４０】
また、液ポンプサイクル時に外気温度が所定値以下となった場合に、凝縮器への送風量を低減させる凝縮器熱交換量制御手段を備えたため、液ポンプのみで運転される外気温度領域において室温制御性を向上するとともに消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による空気調和装置のブロック図。
【図２】本発明の実施の形態１による空気調和装置の外気温度に対する冷房能力を表す図。
【図３】本発明の実施の形態１による空気調和装置の運転モード切換を説明するフローチャート。
【図４】本発明の実施の形態１による液ポンプの構造図。
【図５】本発明の実施の形態１による空気調和装置の運転状態を表すモリエル線図。
【図６】本発明の実施の形態１による液ポンプのＰＱ特性図。
【図７】本発明の実施の形態２による空気調和装置のブロック図。
【図８】従来の空気調和装置のブロック図。
【符号の説明】
１室外ユニット、２室内ユニット、３圧縮機、
４凝縮器、５冷媒貯溜容器、６液ポンプ、
７絞り装置、８蒸発器、９開閉弁、
１０、１１逆止弁、１２液ポンプ回転数制御手段、
１３送風量調整装置、１４外気温度検出装置、
１５絞り装置開度制御手段、
１６ブラシ、１７整流子、１８、１９自動閉止弁、
２０液ポンプユニット
２１液ポンプ容器、２２液ポンプ、２３アキュムレータ

Claims

圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器が順次接続されてなる圧縮機サイクルと、液ポンプ、前記絞り装置、前記蒸発器、前記凝縮器を接続してなる液ポンプサイクルとにて動作する空気調和装置において、
前記凝縮器出口と前記絞り装置の間に冷媒貯留容器を備え、前記圧縮機サイクル時と前記液ポンプサイクル時のそれぞれにおける必要冷媒量の差により生じる余剰冷媒を、前記貯留容器に貯留し、
前記絞り装置の絞り開度を制御する絞り装置開度制御手段、及び前記絞り装置の絞り開度が絞られた場合に前記液ポンプの回転数を下げる液ポンプ回転数制御手段を備え、前記絞り装置開度制御手段、前記液ポンプ回転数制御装置の双方で前記液ポンプサイクルの冷媒流量を調整することを特徴とする空気調和装置。
前記液ポンプは、前記冷媒貯留容器に内蔵された浸漬型液ポンプであることを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
前記凝縮器出口と前記絞り装置の間に前記液ポンプを備えていることを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
液ポンプサイクルの必要冷媒量より多く冷媒が封入されている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。
前記浸漬型液ポンプは、下から渦流型ポンプ部、直流モーター部、電極部が直列に組み合わされて構成されていることを特徴とする請求項２記載の空気調和装置。
前記浸漬型ポンプを駆動するモーター部のブラシと整流子が黒鉛系カーボン材料であることを特徴とする請求項５記載の空気調和装置。
前記絞り装置開度制御手段は、前記蒸発器出口の過熱度が所定値になるように冷媒流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
液ポンプサイクル時に外気温度が所定値以下となった場合に、前記凝縮器への送風量を低減させる凝縮器熱交換量制御手段を備えたこと特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。