JP6415019B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の技術は、室内機に対応する筐体内に、自然循環回路の蒸発器及び強制循環回路の蒸発器と、送風機とを搭載し、この送風機が取り込んだ空気をこれらの蒸発器で冷却した後に空調対象空間に放出することができるように構成されているものである。これにより、自然循環回路によって空調対象空間で発生している負荷を賄うことができる場合には、強制循環回路の圧縮機を停止して、消費電力を抑制することができるようになっている。
このような、空気調和装置では、制御方法として、たとえば、空調対象空間で発生している負荷に対応して圧縮機の回転数を変化させると、送風機の回転数(風量)もそれに応じて変化させるというものがある。
このように、圧縮機の回転数と送風機の回転数を連動させることによって、空調対象空間の温度をすみやかに設定温度にすること、及び消費電力を抑制することの両立などを実現している。
すなわち、自然循環回路の蒸発器の冷却能力は、蒸発器吸込み空気温度と凝縮器吸込み空気温度との温度差が同等かつ凝縮器通過風量が一定の条件においては、蒸発器の通過風量つまり送風機の回転数に依存している。このため、空調対象空間で発生している負荷が小さくなれば、その分圧縮機の回転数を低下させることになるが、それに伴い送風機の回転数も低下させるので、結果として自然循環回路の蒸発器に供給される空気の量が低下し、この蒸発器の冷却能力が低下する。
したがって、圧縮機の回転数を低下させたことにより強制循環回路の蒸発器の冷却能力の低下だけでなく、自然循環回路の蒸発器の冷却能力も低下することとなり、空気調和装置として冷却能力不足になってしまうという課題があった。
圧縮機が停止しているので空気調和装置の冷却能力は、自然循環回路の蒸発器が賄うこととなるが、冷却能力が低下しているので、結果として空気調和装置全体としての冷却能力が不足してしまうことがある。この場合には、再び圧縮機を運転させて、足りない分の冷却能力を強制循環回路の蒸発器で賄うこととなる。
すなわち、特許文献1に記載の技術において、圧縮機の回転数に送風機の回転数を連動させる制御方法を実施すると、圧縮機の発停の頻度が増えてしまい、高効率に空気調和装置を運転することができないという課題があった。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る空気調和装置100の概要構成例図である。
本実施の形態に係る空気調和装置100は、冷却能力の不足となることを抑制しながら、消費電力を抑制することができる改良が加えられたものである。
なお、以下の説明では、空気調和装置100が冷房運転を実施する場合を例に説明する。また、以下の説明における空調対象空間とは、たとえば、室内、データセンター、サーバールーム、ビルの一室、倉庫などに対応するものである。
図1で示されるように、本実施の形態に係る空気調和装置100は、強制循環回路室内機1と、強制循環回路室外機2と、自然循環回路室内機3と、自然循環回路室外機4とで構成されている。
強制循環回路室内機1と強制循環回路室外機2とは冷媒配管で接続され強制循環回路200を構成し、自然循環回路室内機3と自然循環回路室外機4とは、冷媒配管で接続され自然循環回路300を構成している。
強制循環回路室内機1には、室内膨張弁(図示せず)と利用側熱交換器12とが直列に接続されて搭載されている。室内膨張弁は、冷媒を減圧膨張させるものであり、開度を可変とすることができる電子膨張弁で構成するとよい。
利用側熱交換器12は冷房運転時には蒸発器として機能するものである。なお、本実施の形態では、図1に示すように、空気調和装置100が冷房運転を実施する場合のみを例として説明している。仮に、強制循環回路200に四方弁などを設置して暖房運転を実施する場合には、利用側熱交換器12は凝縮器として機能する。
利用側熱交換器12には、空気を供給するための遠心ファンや多翼ファンなどで構成される室内送風手段13が付設されている。また、室内送風手段13はたとえばインバータにより回転数が制御され風量調整されるタイプのもので構成されている。つまり、利用側熱交換器12は、送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。
なお、本実施の形態では、室内送風手段13が強制循環回路室内機1に設置されている場合を例に説明するが、それに限定されるものではなく、室内送風手段13により形成される風路内に、強制循環回路室内機1および自然循環回路室内機3が設置されていればよい。たとえば、室内送風手段13が、自然循環回路室内機3に設置されていてもよいし、強制循環回路室内機1及び自然循環回路室内機3の両方に設置されていてもよい。
強制循環回路室外機2には、圧縮機21と、熱源側熱交換器22とが直列に接続されて搭載されている。圧縮機21は、冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえばインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプのもので構成されている。
熱源側熱交換器22は、冷房運転時には凝縮器、暖房運転時には蒸発器として機能するものである。この熱源側熱交換器22には、空気を供給するためのプロペラファンなどで構成される室外送風手段24が付設されている。つまり、熱源側熱交換器22は、送風手段から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化または凝縮液化するものである。
自然循環回路室内機3には、蒸発器として機能する自然循環用蒸発器31が搭載されている。また、自然循環回路室内機3は、強制循環回路室内機1の空気吸込口の一次側(空気流入側)に設置され、強制循環回路室内機1の室内送風手段13により流通される空気が、自然循環用蒸発器31にも供給されるように構成されている。
なお、本実施の形態において、自然循環回路室内機3は、強制循環回路室内機1と別体であるものとして説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、自然循環用蒸発器31も、利用側熱交換器12とともに強制循環回路室内機1内に設置されている態様であってもよいし、強制循環回路室内機1の空気吸込口の一次側に接続されたダクト内部に設置されている態様であってもよい。
また、本実施の形態では、自然循環回路室内機3に流入した空気が自然循環用蒸発器31を通過した後に、利用側熱交換器12に供給されるように自然循環回路室内機3と強制循環回路室内機1とが構成されている場合を例に説明したが、それに限定されるものではない。
自然循環回路室外機4には、凝縮器として機能する自然循環用凝縮器41と、自然循環用凝縮器41に付設され、自然循環用凝縮器41に空気を供給する自然循環回路室外機送風手段42とが搭載されている。
自然循環回路室外機送風手段42は、通電時に運転するようになされている。
なお、自然循環回路室外機送風手段42の運転方法であるが、自然循環運転時のみ運転したり、強制循環回路室内機1から出力される運転信号により運転したりするといったように、予め設定された制御で運転を行うようにしてもよい。
なお、本実施の形態では、強制循環回路200には冷媒が封入され、自然循環回路300にも冷媒が循環しているものとして説明するが、それに限定されるものでなく、自然循環回路300にはたとえば水などの熱媒体が封入されていてもよい。
次に、空気調和装置100の動作について説明する。
空気調和装置100の強制循環回路200及び自然循環回路300には冷媒が封入されている。強制循環回路200において、この冷媒は、圧縮機21で高温・高圧にされ、圧縮機21から吐出して、熱源側熱交換器22に流入する。熱源側熱交換器22に流入した冷媒は、室外送風手段24から供給される空気と熱交換して凝縮液化する。
すなわち、冷媒は放熱して液体に状態変化するのである。凝縮液化した冷媒は、冷媒配管を導通し、室内膨張弁に流入する。
そして、温度上昇した空気は、送風手段によって利用側熱交換器12に再度供給され、冷媒の蒸発熱で冷却される。このように、空調対象空間の空気が循環している。
空気調和装置100の冷却能力について説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上のため、室内制御装置14及び室外制御装置23を併せて制御装置400と総称するものとする。
制御装置400は、強制循環回路室内機1の冷房運転を実施するにあたり、「空調対象空間の空気の温度又は空調対象空間に吹きだされる空気の温度」を、「予め設定された温度又は予め設定された温度範囲」に近づけるように、室内送風手段13の回転数、室外送風手段24の回転数、自然循環回路室外機送風手段42の回転数、圧縮機21の回転数、及び図示省略の室内膨張弁の開度などの制御を実施している。
ここで、空気調和装置100の冷房運転における「冷却能力」について説明する。
空調対象空間では、空調対象空間に設置された機器の発熱量、実際の空調対象空間の温度や湿度、及び空調対象空間外の温度などに応じた負荷が発生している。
たとえば、空気調和装置100を起動して間もないとき、季節が夏であるとき、機器の発熱量が大きいなどの場合には、この負荷がその分大きくなる。そのため、空気調和装置100は、負荷が大きい分だけ、「冷却能力」を増大させて運転を行う。
また、冷却対象機器の発熱量が低下した場合などに、負荷が小さくなっている。そのため、空気調和装置100は、負荷が小さくなった分だけ、「冷却能力」を低下させて運転を行う。
なお、空気調和装置100の冷却能力としては、強制循環回路200の利用側熱交換器12による冷却に起因するものと、自然循環回路300の自然循環用蒸発器31による冷却に起因するものとに分けることができる。
そこで、前者を「強制循環回路200の冷却能力」と称し、後者を「自然循環回路300の冷却能力」と称するものとする。
次に、制御装置400の詳しい動作について説明する。
制御装置400は、後述する(a)及び(b)の条件を満たすと、「強制循環回路200の圧縮機21を運転して利用側熱交換器12を蒸発器として機能させる第1の運転モード」から、「強制循環回路200の圧縮機21を停止する第2の運転モード」に移行する。すなわち、自然循環回路300で能力を満足する場合は、圧縮機21を停止し強制循環回路200は冷房に寄与しないように制御されるということである。
より詳細には、制御装置400は、第1の運転モードでは、強制循環回路室内機1の冷却能力を100%とする場合には室内送風手段13の回転数もたとえば100%となるようにし、強制循環回路室内機1の冷却能力を70%とする場合には室内送風手段13の回転数もたとえば70%となるようにし、概ね冷却能力と回転数とが比例するように室内送風手段13を制御している。但し、室内送風手段13の回転数が回転数範囲の下限に達した場合は、冷却能力によらず回転数は下限値で制御される。
なお、第1の運転モードにおいて、強制循環回路室内機1の冷却能力が100%未満となる運転のことを部分負荷運転とも称する。すなわち、上述した強制循環回路室内機1の冷却能力を70%とする場合については、部分負荷運転を実施しているということである。
まず、(a)について説明する。
強制循環回路200の冷却能力をQcompと定義し、自然循環回路300の冷却能力をQgravと定義する。
Qcompは、「圧縮機21の回転数」、強制循環回路200の「冷媒圧力」及び「冷媒温度」に基づいて算出される量である。
Qgravは、「室内送風手段13の回転数」及び「空調対象空間と空調対象空間外との温度差」に基づいて算出される量である。
「冷媒圧力」、「冷媒温度」及び「蒸発器吸込み空気温度(室内機吸込み温度)と凝縮器吸込み空気温度(室外機吸込み温度)との温度差」の検出方法であるが、図示省略の圧力センサ及び温度センサなどで実施することができる。
ここで、Qgravの最大値とは、「蒸発器吸込み空気温度と凝縮器吸込み空気温度との温度差」がある値である場合においては、「室内送風手段13の回転数」が最大のときである。この最大のQgravの値を、自然循環回路300の冷却能力の最大値Qgrav*と定義する。
制御装置400は、強制循環回路200の冷却能力Qcompよりも自然循環回路300の冷却能力の最大値Qgrav*の方が大きいか否かの演算をしている。
第1の運転モードのときにおける消費電力をW1と定義し、第2の運転モードのときにおける消費電力をW2と定義する。
W1は、「圧縮機21の回転数に応じた消費電力」及び「室内送風手段13の回転数に応じた消費電力」に基づいて算出される量である。
W2は、「室内送風手段13の回転数が最大回転数であるときの消費電力」に基づいて算出される量である。
なお、実際には、たとえば制御装置400の演算による消費電力、図示省略の室内膨張弁の動作による消費電力などといった消費電力があるが、本実施の形態では、これらについては便宜的に考慮しないものとする。
制御装置400は、第2の運転モードの消費電力W2よりも第1の運転モードの消費電力W1の方が消費電力が大きいか否かの演算をしている。
なお、「(a)強制循環回路200の冷却能力Qcompよりも自然循環回路300の冷却能力の最大値Qgrav*の方が大きい」場合というのは、強制循環回路200の圧縮機21を停止して利用側熱交換器12による冷却がなくなってしまっても、室内送風手段13の回転数を最大として自然循環用蒸発器31の冷却分を増大させることで、賄い得るということである。
このため、第2の運転モードに移行することで、冷却能力不足となることを抑制しながら、消費電力を抑制することができることになる。
なお、本実施の形態において、第2の運転モードでは、室内送風手段13の回転数を最大とする場合を一例に説明したが、それに限定されるものではない。たとえば、室内送風手段13の回転数を、第1の運転モードのときよりも大きい設定値としても、同様の効果を得ることができる。なお、この場合には、W2を「室内送風手段13の回転数が最大回転数であるときの消費電力」ではなく、「第1の運転モードのときの回転数よりも大きい設定値における消費電力」とすればよい。
ただし、第2の運転モードでは、室内送風手段13の回転数を最大とし、圧縮機21の運転を停止することで、冷却能力不足となることを抑制しながら、消費電力を抑制するという効果をより顕著に得ることができる。
本実施の形態に係る空気調和装置100は、第1の運転モードから第2の運転モードに移行することができるので、冷却能力の不足となることを抑制しながら、消費電力を抑制することができる。
Claims (7)
- 圧縮機、第1の凝縮器、絞り装置及び第1の蒸発器を有する第1の循環回路と、第2の凝縮器及び第2の蒸発器を有し、循環する冷媒を強制的に搬送する動力を有さない第2の循環回路とを有する空気調和装置において、
前記第1の蒸発器及び前記第2の蒸発器に空気を供給する室内送風手段と、
前記圧縮機の回転数に比例するように前記室内送風手段の回転数を制御する第1の運転モードと、前記第1の運転モードを実施しているときよりも前記室内送風手段の回転数を増加させるとともに前記圧縮機を停止させる第2の運転モードとを運転モードとして含む制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
前記第1の運転モードを実施しているときに、
前記第1の蒸発器の冷却能力及び前記第2の蒸発器の冷却能力を算出し、
(a)前記算出された前記第1の蒸発器の冷却能力よりも、前記算出された前記第2の蒸発器の冷却能力の方が大きく、且つ、(b)前記第1の運転モードの消費電力の方が前記第2の運転モードの消費電力よりも大きい場合には、前記第1の運転モードから前記第2の運転モードに移行する
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第2の蒸発器の冷却能力として、その最大値を、前記室内送風手段の最大回転数、及び、空調対象空間と前記空調対象空間外との温度差に基づいて算出し、
前記第1の運転モードから前記第2の運転モードへの移行判断において、前記第2の蒸発器の冷却能力として、その最大値を用いる
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第1の運転モードの消費電力及び前記第2の運転モードの消費電力を、前記室内送風手段の回転数及び前記圧縮機の回転数に基づいて算出している
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第2の運転モードを実施しているときには前記室内送風手段の回転数を最大回転数とする
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第1の蒸発器の冷却能力を、前記圧縮機の回転数、前記第1の循環回路の冷媒圧力、及び前記第1の循環回路の冷媒温度に基づいて算出する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第2の運転モードを実施しているときに、前記第2の循環回路が冷却能力を発揮していないと判断すると、
(a)前記第1の蒸発器の冷却能力よりも、予め設定される前記第2の蒸発器の冷却能力の方が大きいという条件、及び(b)前記第1の運転モードの消費電力の方が前記第2の運転モードの消費電力よりも大きいという条件によらず、前記第1の運転モードに移行する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気調和装置。 - 前記制御装置は、
前記第2の運転モードを実施しているときにおいて、予め定められた時間内に空調対象空間の設定温度に到達しない場合には、
(a)前記第1の蒸発器の冷却能力よりも、予め設定される前記第2の蒸発器の冷却能力の方が大きいという条件、及び(b)前記第1の運転モードの消費電力の方が前記第2の運転モードの消費電力よりも大きいという条件によらず、前記第1の運転モードに移行する
ことを特徴とする請求項6に記載の空気調和装置。
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