JP4540812B2 - 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。例えば、外気温度に基づいて前記両サイクル相互の切り替えを行うことが考えられるが、外気温度のみに基づく判断では、例えば、蒸発器が存在する室内の温度が低いため外気温度と室内温度との差が十分でないといった極端な温度条件となった場合、凝縮器で冷媒が十分液化されずに冷媒ポンプ内で気化し、気液混相状態となってキャビテーションを生じる可能性もなしとしないものであった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、最も好適な環境下で、具体的には、全体としてよりエネルギ消費が少なくなるような、両サイクルの切り替え運転を行える空調機を提供するとともに、冷媒ポンプ内における予期せぬ気相の発生を抑制してキャビテーションの発生をより確実に防止することを目的とする。
【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。
請求項１の空調機は、圧縮機により圧縮された冷媒を室内の熱交換機に循環させる圧縮サイクルによる冷房運転と、外気との熱交換により冷却された冷媒を室内の熱交換機に循環させる冷媒ポンプサイクルによる冷房運転とを切り替えて室内の冷房を行う空調機において、室内温度と外気温度との差が設定値以上となる場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプ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。
【０００８】
請求項２記載の空調機は、前記制御装置は、さらに、前記圧縮サイクルにおける冷房能力が、該冷房能力に関する設定値以下となる場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルに運転の切り替えを行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の空調機は、前記制御装置は、さらに、前記圧縮サイクルにおける圧縮機周波数が、該圧縮機周波数に関する設定値以下となる場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルに運転の切り替えを行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の空調機は、前記制御装置は、前記室内温度と外気温度との差が前記設定値よりも小さい復帰設定値以下となることを条件に前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルへ運転を切り替えることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の空調機は、圧縮機により圧縮された冷媒を室内の熱交換機に循環させる圧縮サイクルによる冷房運転と、外気との熱交換により冷却された冷媒を室内の熱交換機に循環させる冷媒ポンプサイクルによる冷房運転とを切り替えて室内の冷房を行う空調機において、室内温度と外気温度との差が第一の設定値Ｔ１以上となる第１の場合、前記室内温度と外気温度との差が第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上となり、かつ前記圧縮サイクルにおける冷房能力が、該冷房能力に関する設定値以下となる第２の場合、又は、 前記室内温度と外気温度との差が前記第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上となり、かつ前記圧縮サイクルにおける圧縮機周波数が、該圧縮機周波数に関する設定値以下となる第３の場合のいずれか一の場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプ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。
【００１２】
請求項６記載の空調機は、前記制御装置は、前記室内温度と外気温度との差が前記第２の設定値よりも小さい復帰設定値以下となることを条件に前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルへ運転を切り替えることを特徴とする。
【００１３】
この空調機によれば、室内温度と外気温度との差に基づいて、さらには、その時点の圧縮機の負荷状態に基づいて、的確に圧縮サイクルと冷媒ポンプサイクルとを切り替えることにより、最も効率的な運転を可能とするとともに、冷媒ポンプサイクルにおいて、必要な温度差を確保して冷媒を液相に戻すことができる。
【００１４】
【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。
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が接続されるとともに、室内温度センサ１７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は圧縮サイクル運転中を仮定しており、各ステップは、該圧縮サイクルから冷媒ポンプ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Ｓ１０として、外気温度および室内温度を検出し、室内温度から外気温度を引いた温度差の値が設定値（第一の設定値）Ｔ１以上となるか否かを判断する。ここで室内温度および外気温度の測定は上記外気温度センサ１５、室内温度センサ１７により行われ、また、設定値Ｔ１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。この判断の結果、第一の設定値Ｔ１以上である場合（ＹＥＳ）にはＳ１４へ進んで直ちに冷媒ポンプサイクルへ切り替えられ、また、ＮＯの場合にはＳ１１へ進む。
【００１９】
次に、ステップＳ１１として、前記温度差の値が設定値（第二の設定値）Ｔ２以上か否かの判断を行う。もし設定値Ｔ２未満ならば前記ステップＳ１０へと戻る。また、設定値Ｔ２以上ならば次なるステップＳ１２へと進行する。このとき設定値Ｔ２は上記設定値Ｔ１に対して、Ｔ２＜Ｔ１なる関係を有する。すなわち、ステップＳ１２へと進行する場合には、温度差ＴはＴ１＞Ｔ＞Ｔ２となっていることとなり、また、ステップＳ１へと戻る場合には、同じくＴ１＞Ｔ２＞Ｔとなっている。後者の場合は、適当なＴ２を定めておけば、外気温度が十分高いことを意味するから、必要な冷房を能力を得るために圧縮サイクルによる運転が行われることになり、ステップＳ１０とステップＳ１１とを繰り返しながら冷房運転は続行されることになる。
【００２０】
ステップＳ１２では、予め定めておいた冷房能力に関する設定値について、実際の冷房能力が該設定値以下となる場合には、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへと運転を切り替える。ここで冷房能力の設定値とは、一般に使用される冷房能力の単位であるＷを充てる例だけではなく、例えば、室内の温度の所望値（℃）を充てることなども考えられる。さらに、ステップＳ１３では、圧縮機周波数に関する設定値について、実際の圧縮機周波数が該設定値以下となる場合に、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへと運転を切り替える。ステップＳ１２及びＳ１３のいずれの判断においてもＮＯとなった場合には、再びステップＳ１０へと戻る。以下では、これらステップＳ１２及びステップＳ１３について、もう少し詳細な説明を行う。
【００２１】
ステップＳ１２及びステップＳ１３における判断は、上記したように室内温度と外気温度との差ＴがＴ１＞Ｔ＞Ｔ２なる温度において行われるものである。つまり、圧縮サイクルによる運転によって必要な冷房能力を得るべきか、あるいは冷媒ポンプサイクルによる運転によって効率的な冷房を行うか、のいずれによるべきかは一概に判断しかねる状況にあると言い換えてもよい。したがって、ステップＳ１２及びステップＳ１３はこれを決定するため、以下のような根拠のもとになされるものである。
【００２２】
まず一般に、圧縮機５の運転に必要な消費電力よりも、冷媒ポンプ１の運転に必要なそれは小さい。すなわち、圧縮サイクルによる運転よりも冷媒ポンプサイクルによる運転の方が消費電力は小さいのである。したがって、できるだけ冷媒ポンプ１の運転時間を長くするほうが、消費電力の削減効果は大きくなる。また、冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力と外気温度との関係は、図３に示すように与えられる。この図に示すように、冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力は、外気温度が大きい場合（本実施形態にあっては室内温度と外気温度との温度差が小さい場合）に小さく、同様に小さい場合に大きく、というように該外気温度に依存することから、圧縮サイクルにおける冷房能力との関係から、ある外気温度Ｔにおいて冷媒ポンプサイクルと圧縮サイクルにおける冷房能力に大きな差がない場合には、冷媒ポンプサイクルに移行した方が電力消費の観点からみて好ましい場合があることとなる。
【００２３】
図２に示すステップＳ１２及びステップＳ１３は、上記のような判断を実質的に行うものである。すなわち、ステップＳ１２においては、室内温度と外気温度との差がある値Ｔであるときの圧縮サイクルにおける冷房能力が、上記のように同じ温度差Ｔにあるときの冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力と大きな差がなくなるようなときの、その（圧縮サイクルにおける）冷房能力に係る値を設定値とし、該設定値以下となる場合に、冷媒ポンプサイクルへと移行するようにするものである。また、ステップＳ１３においては、同様な考え方のもと、圧縮機の運転負荷を表す周波数値において、ある設定値を定めておき、該設定値以下となった時点で冷媒ポンプサイクルへと切り替えるのである。
【００２４】
つまり、現時点での室内温度と外気温度との差Ｔ（Ｔ１＞Ｔ＞Ｔ２）と、当該時点での圧縮サイクルでの冷房能力を測定して、冷媒ポンプサイクルに切り替えても同様な冷房能力が発揮できるときには、圧縮サイクル運転から冷媒ポンプサイクル運転に切り替える、ということである。
【００２５】
このように本発明による年間冷房型空調機においては、圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの切り替え判断において、室内温度と外気温度との温度差に加えて、圧縮サイクル及び冷媒ポンプサイクルによる冷房能力をも基準として加味することにより、当該圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの切り替えによっても、同程度の冷房能力が確保でき、しかも省エネルギな運転が行える。
【００２６】
一方、冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの切り替え判断は、図４に示すフローチャートに従って行われる。すなわち、室内温度と外気温度との差Ｔを復帰設定値Ｔ３と比較し（ステップＳ２０）、この復帰設定値以下であること、すなわちＴ＜Ｔ３であることを条件として冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへ切り替え、圧縮サイクルによる冷房運転が開始される（ステップＳ２０）。ここに、前記復帰設定値Ｔ３の値は、前記第１、第２の設定値Ｔ１，Ｔ２に対して、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の値とされている。したがって、一般的には、冷媒ポンプサイクルへの切り替え時より外気温度が高くなった場合に圧縮サイクルへ切り替えられる。したがって、圧縮サイクルと栽培ポンプサイクルとの間の切り替えが短時間に繰り返されるようないわゆるハンチング現象を防止し、より安定した空調運転が可能になる。
【００２７】
なお、上記実施形態においては、外気温度および室内温度に関する測定・判断（ステップＳ１０）、圧縮サイクルにおける冷房能力の測定・判断（ステップＳ１２）、及び圧縮機周波数の測定・判断（ステップＳ１３）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Ｓ１２に係る測定・判断は行い、ステップＳ１３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。ちなみにこれら両形態について、一般的ないしは実際上の観点から付言をするならば、冷房能力の測定・判断を行うことには困難が伴う場合が多くあると想定されるから、ステップＳ１３を残しステップＳ１２を省略する、という形態が最も実用的であるということは言えるものと思われる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の空調機は、室内温度と外気温度との差を判断基準として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を行うことから、室内温度と外気温度の差が十分大きくなったときには、この温度条件にてより運転効率の高い冷媒ポンプサイクル運転がなされることになる。したがって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。
【００２９】
また、本発明の空調機は、上記両サイクルの運転切り替えの判断基準として、室内温度と外気温度との差に加え、冷房能力をも加味することから、室内温度と外気温度との差のみではいずれのサイクルで運転するかの判断が困難であるような場合において、よりエネルギ消費の少ないサイクルを選択し運転することができる。
【００３０】
さらに、本発明の空調機は、冷房能力の指標としてより具体的な圧縮機周波数を採用したもので、この圧縮機周波数は、通常、インバータ電源を用いた空調機における運転負荷を示すパラメータであるから、請求項２の場合と同様な効果を享受することができる。
【００３１】
また、本発明の空調機は、室内温度と外気温度との差が第一の設定値Ｔ１以上となる第１の場合、前記室内温度と外気温度との差が第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上となり、かつ前記圧縮サイクルにおける冷房能力が、該冷房能力に関する設定値以下となる第２の場合、又は、 前記外気温度が前記第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上となり、かつ前記圧縮サイクルにおける圧縮機周波数が、該圧縮機周波数に関する設定値以下となる第３の場合のいずれか一の場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルへ運転を切り替えるから、冷媒ポンプサイクルにおいて確実に冷媒を液化し得るとともに、最も効率的なサイクルによる冷房を行うことができる。
【００３２】
加えて、本発明は、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の切り替えは、前記室内温度と外気温度との差が前記設定値よりも小なる値をもって行うようになされているから、圧縮サイクルと冷媒ポンプサイクルとが繰り返し切り替えられるハンチング現象が防止され、より安定的な運転を実施することができる。
【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】 本発明に係る空調機の圧縮サイクルから冷媒ポンプサイクルへの切り替え制御のフローチャートである。
【図３】 冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力と外気温度との関係を示すグラフである。
【図４】 本発明に係る空調機の冷媒ポンプサイクルから圧縮サイクルへの切り替え制御の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（制御装置）
１７ 室内温度センサ

Claims (1)

1. 圧縮機により圧縮された冷媒を室内の熱交換機に循環させる圧縮サイクルによる冷房運転と、外気との熱交換により冷却された冷媒を室内の熱交換機に循環させる冷媒ポンプサイクルによる冷房運転とを切り替えて室内の冷房を行う空調機において、
   室内温度から外気温度を差し引いた温度が第一の設定値Ｔ１以上となる第１の場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルに運転の切り替えを行い、
   前記室内温度から外気温度を差し引いた温度が第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上及び前記第一の設定値Ｔ１より小さい温度となり、かつ前記圧縮サイクルにおける冷房能力が、前記室内温度と外気温度との差についての前記冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力に係る値を設定値とし、該設定値以下となる第２の場合、又は、
   前記室内温度から外気温度を差し引いた値が前記第二の設定値Ｔ２（＜Ｔ１）以上及び前記第一の設定値Ｔ１より小さい温度となり、かつ前記圧縮サイクルにおける圧縮機周波数から算出される冷房能力が、前記室内温度と外気温度との差についての前記冷媒ポンプサイクルにおける冷房能力に係る値を設定値とし、該設定値以下となる第３の場合に前記圧縮サイクルから前記冷媒ポンプサイクルに運転の切り替えを行い、
   前記室内温度から外気温度を差し引いた温度が前記第二の設定値よりも小さい復帰設定値以下となることを条件に前記冷媒ポンプサイクルから前記圧縮サイクルへ運転を切り替える制御装置を備えることを特徴とする空調機。

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