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JP5265001B2 - 空気調和装置 - Google Patents

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Description

本発明は複数の室内機などの負荷に対して冷房および暖房を効率よく行う空気調和装置に関するものである。
従来、冷房、暖房、あるいは冷房と暖房を同時に行う空気調和装置は、冷房を行うサイクルと暖房を行うサイクルが必要であり、これに伴い室内機への配管が多数必要となるため装置が過大で複雑である。これに対し、一次サイクルで温熱と冷熱を同時に生成し、その熱量差を空気熱交換器と圧縮機で補い、二次サイクルへ冷熱と温熱を搬送させるものがある(例えば特許文献1参照)。
また、冷房、あるいは暖房であっても要求される温度が異なる負荷が共存する場合があり(例えば暖房空調と床暖房、ペリメーター空調とインテリア空調)、別系統のサイクルが必要であるため装置が過大で複雑であるという問題がある。これに対し、一次サイクルと二次サイクル間の熱交換を行う熱交換器の一次冷媒側の前後に調整弁を設け、熱交換時の圧力と流量を調節することで一次サイクルを単一で成立させるものがある(例えば特許文献2参照)。
また、二次サイクルの省エネルギー制御の一つとして、室内機へ媒体を循環させるポンプの電気消費量を最小にする最小抵抗制御が知られている。この最小抵抗制御では、室内機への媒体の供給通路に設けられた制御弁の開度が最大となるように、すなわち制御弁において消耗される圧力損失が最小となるようにポンプ空調流量を制御する。開度制御手段は、各室内機の要求負荷を多数あるセンシングをすべての分岐ごとに演算する。ゾーンニング空調のように大規模であっても分岐が少なく、比較的運転パターンが安定するようなビル空調の場合であれば、厳密なフィード・フォワード制御であっても演算処理がこなせる。(例えば特許文献3参照)。
特公昭59−2832号公報(第2頁〜第4頁、図2、図3) 特開2007−183045号公報(第4頁〜第6頁、図1) 特開2004−317000号公報(第8頁〜第14頁、図1)
ところが、上記特許文献1で示される従来例は、一次側で温熱と冷熱を同時に生成させる場合、一次サイクルと二次サイクル間の熱交換器の一次側でバイパス経路を設け、一次側及びバイパス経路の流量調整により温熱と冷熱の生成量を調整しているため、一次サイクルが煩雑である。
また、上記特許文献2で示される従来例は暖房時、一次サイクルと二次サイクル間の熱交換器で高圧の方を吐出圧力とするので、2つの熱交換器の圧力差の昇圧仕事のうち、低い方の熱交換器を循環する分は無駄な仕事である。また負荷が複数存在する場合に対し的確な対応を示していない。
また、上記特許文献3で示される従来例では、制御定数の中に調整パラメータなるものがあり、複数の空調ごとの配管長やファンコイルの容量に応じた現地調整が必要である。現地調整の行為者が二次サイクルの仕様が判らない場合は調整にさらに時間を要する。また複数の室内機が有る場合は厳密な演算と機器間の通信に時間を要し、高価な処理装置が必要であり、安価な処理装置であれば処理しきれない虞がある。
本発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、簡単な構成で冷熱、温熱、あるいは冷熱と温熱を同時に生成可能であり、また冷熱あるいは温熱のみでも異なる様式の負荷に応じて生成する一次サイクルと、負荷の変動が伴う場合であっても短時間で安定する効率のよい二次サイクルからなる空気調和装置を得ることを目的としている。
本発明に係る空気調和装置は、第1の媒体が循環する第1のサイクルと、第2の媒体が循環する第2のサイクルと、前記第2の媒体が循環する第3のサイクルと、を備え、前記第1のサイクルは、圧縮機と、第1の熱交換器と、前記第1の媒体の流れ方向を正逆に転換させる流路切替器と、第1の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第2のサイクルを循環する第2の媒体が熱交換する第2の熱交換器と、第2の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第3のサイクルを循環する前記第2の媒体が熱交換する第3の熱交換器と、を順次配管で環状に接続して成り、前記第2のサイクルは、前記第2の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第1のポンプと、これらを接続する第1の経路と、一端が前記第1の経路の一端に接続され、他端が前記第1の経路の他端に接続される少なくとも1つの第1の分岐経路と、を備え、前記第3のサイクルは、前記第3の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第2のポンプと、これらを接続する第2の経路と、一端が前記第2の経路の一端に接続され、他端が前記第2の経路の他端に接続される少なくとも1つの第2の分岐経路と、を備え、前記各第1の分岐経路および前記各第2の分岐経路は流路切替弁と、室内機と、流量調整弁と、を備え、前記流路切替弁は、前記第1の分岐経路および前記第2の分岐経路の一端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのいずれか一方に切替接続する第1の流路切替弁と、前記第1の分岐経路及び前記第2の分岐経路の他端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのうち前記第1の流路切替弁と同じ側に切替接続する第2の流路切替弁と、を備え、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器とにより、温熱、冷熱、またはそれらの両方が前記第2の媒体に供給されて、前記室内機が個々に冷房運転か暖房運転の何れかの運転を行う空気調和装置であって、
運転中の前記室内機が全て冷房運転または全て暖房運転の場合に、各室内機に要求される前記第2の媒体の温度あるいは流量に応じて、各室内機に対応する前記第1の流路切替弁と前記第2の流路切替弁を操作する切替制御手段を備え、運転中の前記室内機が全て冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみで、前記各室内機により要求される温度が異なる場合は、前記室内機を要求される温度により、高温側の室内機グループと低温側の室内機グループに2分し、前記切替制御手段は、冷房運転の場合は低温側の室内機グループを、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に低い方の熱交換器を有するサイクルに接続し、暖房運転の場合は高温側の室内機グループを、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に高い方の熱交換器を有するサイクルに接続することを特徴とする。
本発明によれば、温熱、異なる温度の温熱、冷熱、異なる温度の冷熱、あるいは温熱と冷熱を同時、といった多様な負荷に応じ、単純な構成で熱源を効率よく供給できる。
この発明の実施の形態1における空気調和装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態1における空気調和装置の動作を示す回路図である。 この発明の実施の形態1における空気調和装置の動作を示す回路図である。 この発明の実施の形態1の別形態における空気調和装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態1の別形態における空気調和装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態1における空気調和装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態1における制御装置100の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態2における空気調和装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態2における制御装置100の動作を示すフローチャートである。
実施の形態1.
以下この発明の実施の形態1について説明する。図6はこの発明の実施の形態1に係わる空気調和装置の概略図である。90は空気調和の対象となる建物であり、居住空間91a〜c、非居住空間92a〜cがある。空気調和装置1は、熱源ユニット2、中継ユニット3、負荷ユニット4a〜4fから構成される。熱源ユニット2と中継ユニット3は、第1の延長配管13、第2の延長配管18の2本の配管で接続され、第1のサイクル5を形成する。中継ユニット3と負荷ユニット4a〜4fは、第3の延長配管33a〜fと第4の延長配管36a〜fで2本の配管ずつ接続され、第2のサイクル6、あるいは第3のサイクル7を形成する。熱源ユニット2は建物の屋上、屋外、地下等の機械室に設けられ、負荷ユニット4a〜fは居室、または居室近傍にあり、中継ユニット3は、図6のように居室の近傍に設置してもよいし、熱源ユニット2に隣接して設けてもよい。
このため、チラーのように配管が多数存在せず複雑でないため、空気調和の制御が簡単にでき、設置工事や調整が行い易くなる。
また、居室空間に接する第2のサイクルと第3のサイクルに封入されている第2の媒体が水、またはブライン、居室空間に接しない第1のサイクルに封入されている第1の媒体は二酸化炭素、と区別することにより、万が一媒体が漏洩したことを想定しても、悪影響を与える可能性は小さい。第1の媒体は、低GWP(地球温暖化係数)冷媒を含む可燃性冷媒であっても同様の効果が得られる。また本実施の形態ではサイクルと媒体が複数存在するため、空気調和装置が一つのサイクルで形成され一つの媒体が充填されている直膨形式と比較して、第1の媒体の充填量が少ない。第1の媒体が、一般的にオゾン破壊係数が高いフロン系冷媒の場合、仮に第1の媒体が漏洩しても、充填量が小さく環境への悪影響の程度が小さい。
また、流路切替機構は、いわゆる四方弁の形態をとるが、複数の部品で構成しても良い。例えば、開閉弁を4つ組合せて構成した流路切替機構、あるいは三方弁を2つ組合せて構成した流路切替機構など、流路の流れ方を切り替える機能を有するものであればどのようなものでもよい。
図1はこの発明の実施の形態1に係わる空気調和装置の回路図である。
また空気調和装置1は第1の媒体が循環する第1のサイクル5、第2の媒体が循環する第2のサイクル6、第2の媒体が循環する第3のサイクル7から構成される。第1の媒体は二酸化炭素であり、第2の媒体は水または水に防腐剤などの添加物を加えたもの、あるいはブラインである。
第1のサイクル5は、圧縮機9、流路切替器10、第1の熱交換器11、それに付随するファン12、第1の延長配管13、第1の減圧弁14、第2の熱交換器15、第2の減圧弁16、第3の熱交換器17、第2の延長配管18、流路切替器10、アキュームレータ19、圧縮機9、と順に接続されて構成される。第2のサイクル6は、第2の熱交換器15、第1のポンプ21、第1の分岐路40、複数の分岐経路8a〜8c、第1の集約路41、第2の熱交換器15、を順に接続して構成される。第3のサイクル7は、第3の熱交換器17、第2のポンプ22、第2の分岐路42、複数の分岐経路8a〜8c、第2の集約路43、第3の熱交換器17、を順に接続して構成される。複数の分岐経路8a〜8cは、第1の流路切替弁31a〜31c、流量調整弁32a〜32c、第3の延長配管33a〜33c、室内機34a〜34c、それに付随する室内機ファン35a〜35c、第4の延長配管36a〜36c、第2の流路切替弁37a〜37cから構成される。51〜57は圧力センサー、61〜66、67a〜67c、68a〜68cは温度センサーである。
なお、制御装置100は、圧縮機9の回転数を制御する圧縮機回転数制御手段、第1の熱交換器11に付随するファン及び室内機34a〜34cに付随する室内機ファン35a〜35cの回転数を制御するファン回転数制御手段、流路切替器10、第1の流路切替弁31a〜31c及び第2の流路切替弁37a〜37cの切替えを制御する切替制御手段、第1の減圧弁14、第2の減圧弁32a〜32cの流量を調整する流量調整手段、第1のポンプ21及び第2のポンプ22の回転数を制御する回転数制御手段を構成する。
次に、本実施の形態1における動作を説明する。
図2は、この発明の実施の形態1における空気調和装置の動作を示す回路図であり、図中の太線で示された回路は第2の冷媒が流れている回路を表し、細線で示された回路は第2の冷媒が流れていない(接続されていない)線を表している。
本実施の形態1における動作を、以下の6つに場合分けして説明する。
(1)冷房運転のみの場合、(2)冷房運転のみで、要求される温度が異なる場合、(3)冷房主体運転の場合、(4)暖房運転のみの場合、(5)暖房運転のみで、要求される温度が異なる場合、(6)暖房主体運転の場合
(1)冷房運転のみの場合
以下、冷房運転のみの場合について図2を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は実線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第1の熱交換器11に入り、ファン12により供給される外気に放熱することにより、第1の媒体の状態は高圧低温となる。第1の延長配管13を通過し、第1の減圧弁14で減圧され、第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。第1の媒体はさらに第2の熱交換器15、第2の減圧弁16、第3の熱交換器17を順次通過する。第2の減圧弁16は全開であり、圧力損失は小さい。また、第2の熱交換器15では第1のサイクル5と第2のサイクル6間で熱交換することで第1の媒体は冷熱を第2の媒体に供給し、第3の熱交換器17では第1のサイクル5と第3のサイクル7間で熱交換することで第1の媒体は冷熱を第2の媒体に供給する。これにより第1の媒体は蒸発し、低圧高乾き度、あるいは低圧過熱ガスとなる。次に第1の媒体は第2の延長配管18、流路切替器10、アキュームレータ19を順次通過し、再び圧縮機9へ循環される。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吸入側圧力センサー51での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御する。
また、制御装置100は吐出側圧力センサー52の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御する。これにより第1の熱交換器11の処理能力が適切に制御される。
また、制御装置100は下記の式(1)が一定となるように第1の減圧弁14の開度を制御する。
第3の熱交換器17の(出口スーパーヒート)=(温度センサー64の検知値)−(吸入側圧力センサー51の飽和温度換算値)…………………(1)
また、制御装置100は第2の減圧弁16の開度を全開にする。これにより室内機34の運転台数に応じて適切な冷房能力を実現することができる。
また制御装置100は下記の式(2)が一定となるように流量調整弁32a〜32cの開度を制御する。
室内機34の(出入口温度差)=(温度センサー67の検知値)−(温度センサー68の検知値)………………………………………………………(2)
また制御装置100は下記の式(3)が一定となるように第1のポンプ21の回転数を制御する。
(第1の圧力差)=(圧力センサー55の検知値)−(圧力センサー54の検知値)……(3)
更に制御装置100は下記の式(4)が一定となるように第2のポンプ22の回転数を制御する。
(第2の圧力差)=(圧力センサー57の検知値)−(圧力センサー56の検知値)……(4)
これにより各室内機34a〜34cに第2の媒体を適切に循環させることができる。
第2の熱交換器15で第1のサイクル5より冷熱を供給された第2のサイクル6では、第2の媒体が低温となり、第2の媒体が第1のポンプ21によって循環され、第1の流路切替弁31a、31bにより分岐経路8a、8bに至る。分岐経路8a、8bでは流量調整弁32a,32bの抵抗の程度により、この分岐経路を通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33a、33bを通過し、室内機34a、34bに至る。室内機34a、34bでは室内機ファン35a、35bにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、冷熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は高温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36a,36bを通過し、第2の流路切替弁37a,37bを通過した後、第1の集約路41に集約され、再び第2の熱交換器15に至る。
第3の熱交換器17で第1のサイクル5より冷熱を供給された第3のサイクル7では、第2の媒体が低温となり、第2の媒体が第2のポンプ22によって循環され、第1の流路切替弁31cにより分岐経路8cに至る。分岐経路8cでは流量調整弁32cの抵抗の程度により、この分岐経路8cを通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33cを通過し、室内機34cに至る。室内機34cでは室内機ファン35cにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、冷熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は高温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36cを通過し、第2の流路切替弁37cを通過した後、再び第3の熱交換器17に至る。
停止している室内機34があれば制御装置100は停止している室内機34の属する分岐経路8の流量調整弁32を全閉にするか、流路切替弁31、37を第2のサイクル6、第3のサイクル7のどちらにも接続しないように切替えさせる。
次に、制御装置100によるポンプ制御の詳細について述べる。空気調和装置の必要能力が定まれば、第2の媒体流量の必要流量が定まり、ポンプの流量が定まる。しかしポンプ揚程が最小化されなければポンプ入力が必要以上に大きく、空気調和装置の冷暖房効率を損なう。特にビル空調では、必要能力が小さい場合の空気調和装置では顕著である。しかし揚程を最小化するためには、ビル空調のような複数ある複雑な分岐経路(延長配管33、36と室内機34を含む)の流路抵抗を把握することが制御の収束性を図る上で重要である。
図7はこの実施の形態1における制御装置100の動作の流れを示すフローチャートである。制御装置100はまずステップS101で起動されると、ステップS102で全ての流量調整弁32を全開とする。次に制御装置100はステップS103でポンプの回転数を最大に設定し、ステップS104でポンプを起動させる。次に制御装置100はステップS105で短時間ではあるが一定時間経過した後、ステップS106で分岐抵抗計測運転を開始する。まず制御装置100は第1の室内機34について分岐抵抗計測運転を行う。すなわち、制御装置100はステップS107で第1の室内機34の流路切替弁31と37を開とし、第1の室内機34以外の流路切替弁31と37を閉とし、第1の室内機34のみに第2の媒体が流れるようにする。ステップS108で一定時間経過した後、制御装置100はステップS109で圧力センサー54〜57の検知値を取得し、ステップS110で第1の分岐経路の流路抵抗を演算する。この演算には予め設計上既知であるポンプの揚程−流量の相関式と揚程より、現在での流量が判り、その結果第1の分岐経路の流路抵抗が算出される。
次に制御装置100は、ステップS111で第2の室内機34に対しても同様の動作を行い、第2の分岐経路の流路抵抗を算出する。
さらに制御装置100は、同様の動作を繰り返し、ステップS120で最後(第n)の室内機34において同様の動作を行ない、第nの分岐経路の流路抵抗を演算し、その結果、全ての室内機34における必要能力が算出されるので、この全ての室内機34の必要能力によりポンプの流量が定まる。
なお図7では第1のポンプ21のみで全ての分岐経路の流路抵抗を演算する場合について説明したが、第1のポンプ21と第2のポンプ22で分岐経路を分担して演算しても良く、この場合には把握時間を短縮することができる。
次に制御装置100は、ステップS121で定時制御を開始し、第1のサイクル5も運転する。次に制御装置100は、ステップS122で一定時間経過したか否か判定し、経過していなければ、制御装置100はステップS123で式(3)による目標揚程となるようにポンプ回転数を制御する。ステップS122で一定時間経過すると、制御装置100はステップS124で第2のサイクル6の中で、流量調整弁32の開度が最も大きい分岐経路(この分岐経路をIとする)を探す。ステップS125でこの分岐経路Iの開度が目標最大開度以上であれば、ポンプの揚程が不足しているので、制御装置100はステップS126で目標揚程を増加させる。増加量は固定値でよい。ステップS125でこの分岐経路Iの開度が目標最大開度以下であれば、ポンプの揚程が過剰であるので、制御装置100はステップS127で目標揚程を低下させる。低下の方法は、
(新しい目標揚程)=(現在の目標揚程)/(該当する分岐経路の演算した流路抵抗)×((該当する分岐経路の演算した流路抵抗)−((現在の開度における流量調整弁の流路抵抗)−(目標最大開度における流量調整弁の流路抵抗)))である。
このように構成することにより、現地調整の行為者が必要なく、制御装置100が流路抵抗を把握し、運転中の制御に反映させているので、ポンプ入力の最小化を実現しやすい。またこの情報を式(2)での流量調整弁32の開度制御に反映することで、制御性をさらに安定させることができる。
なお、ここでは第2のサイクル6の第1のポンプ21について述べたが、第3のサイクル7の第1のポンプ22についても同様である。また、1つのポンプに前後2つの圧力センサーが設けられているが、ポンプ入口側の圧力はほぼ変化しないため、ポンプ出口側の圧力センサーで揚程を代用しても良い。さらに圧力センサーの代わりに流量センサーを設ければ、ポンプの揚程-流量特性と、流量センサーの検知値から、揚程と流路抵抗が求まるので、同様の効果が得られる。
次に、制御装置100による流路切替弁31の制御について更に述べる。室内機34は全て冷房で、前述したように、第1の媒体は第2の熱交換器15を通過して、低圧二相(低圧低乾き度)状態となり、その後に第3の熱交換器17を通過し、(出口スーパーヒート)がある低圧過熱ガス状態となる。二相状態の方が過熱ガス状態よりも伝熱特性が良いので、第2の熱交換器15は第3の熱交換器17より熱交換性能が優れている。そのため、能力が相対的に大きい室内機34を第2のサイクル6(第2の熱交換器15)に接続させると過不足なく能力を発揮することができる。制御装置100は、該当する分岐経路において、第1の流路切替弁31を第1の分岐路40に接続させるべく開、第2の分岐路42に非接続させるべく閉となるように切替えさせ、第2の流路切替弁37を第1の集約路41に接続するように開、第2の集約路43に非接続させるべく閉となるように切替えさせる。
また、流量調整弁32の開度が大きい室内機34は第2の媒体の流量が大きく、大きな能力が必要である。従って、流量調整弁32の開度が大きい室内機34は、第2のサイクル6(第2の熱交換器15)に接続させる方がよく、該当する第1の流路切替弁31と第2の流路切替弁37を同様に制御する。
(2)冷房運転のみで、要求される温度が異なる場合
以下、冷房運転のみで、要求される温度が異なる場合について図2を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は実線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第1の熱交換器11に入り、ファン12により供給される外気に放熱することにより、第1の媒体の状態は高圧低温となる。第1の延長配管13を通過し、第1の減圧弁14で減圧され、第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。第1の媒体はさらに第2の熱交換器15、第2の減圧弁16、第3の熱交換器17を順次通過する。第2の減圧弁16では第1の媒体の圧力低下が生じ、通過前後の圧力の飽和温度換算値が、要求される温度に対応する。これについては以下の理由による。即ち、第2の減圧弁16の開度と第1の媒体の圧力低下の度合い及び第1の媒体の温度低下の度合いとは1対1に対応しており、第2の減圧弁の開度が決まれば第1の媒体の圧力低下の度合い及び温度低下の度合いが自動的に決定される。従って、制御装置100が室内機34から要求される温度に対応するように第2の減圧弁16の開度を制御することで第1の媒体の温度を調整することができる。
また、第2の熱交換器15では第1のサイクル5と第2のサイクル6間で熱交換することで第1の媒体は冷熱を第2の媒体に供給し、第3の熱交換器17では第1のサイクル5と第3のサイクル7間で熱交換することで第1の媒体は冷熱を第2の媒体に供給する。これにより第1の媒体は蒸発し、低圧高乾き度、あるいは低圧過熱ガスとなる。次に第1の媒体は第2の延長配管18、流路切替器10、アキュームレータ19を順次通過し、再び圧縮機9へ循環される。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吸入側圧力センサー51での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御する。
また、制御装置100は吐出側圧力センサー52の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御する。これにより第1の熱交換器11の処理能力が適切に制御される。
また、制御装置100は下記の式(5)が一定となるように第1の減圧弁14の開度を制御する。
第3の熱交換器17の(出口スーパーヒート)=(温度センサー64の検知値)−(吸入側圧力センサー51の飽和温度換算値)…………………(5)
また制御装置100は、下記の式(6)が要求される温度差となるように第2の減圧弁16の開度を制御する。
(温度差)=(圧力センサー53の飽和温度換算値)−(吸入側圧力センサー51の飽和温度換算値)………………………………………………………(6)
これにより室内機34の運転台数に応じて適切な冷房能力が実現できる。
一方、第2の熱交換器15で第1のサイクル5より冷熱を供給された第2のサイクル6は、第1の媒体の圧力が減圧弁14を通過する前の相対的に高い方の第2の熱交換器15で第1のサイクル5と熱交換するサイクルであり、この第2のサイクル6では、第2の媒体の蒸発温度が第3のサイクル7のそれより高く、室内機34の吹出し温度が高い。
また、第3の熱交換器17で第1のサイクル5より冷熱を供給された第3のサイクル7は、第1の媒体の圧力が減圧弁14を通過した後の相対的に低い方の第3の熱交換器17で第1のサイクル5と熱交換するサイクルであり、この第3のサイクル7では、第2の媒体の蒸発温度が第2のサイクル6のそれより低く、室内機34の吹出し温度が低い。
この理由は以下の通りである。冷房運転の際には、第1のサイクル5において、第2の熱交換器15は第2の減圧弁16の上流に接続されているため、第2の熱交換器15を通過する第1の媒体の温度は第2の減圧弁16によって減圧される前の温度である。これに対して第3の熱交換器17は第1のサイクル5において、第2の減圧弁16の下流に接続されているため、第3の熱交換器17を通過する第1の媒体の温度は第2の減圧弁16によって減圧され温度が低下した後の温度となる。従って、第2の熱交換器15における第1の媒体の温度は第3の熱交換器17における第1の媒体の温度よりも高い。従って、第2の熱交換器15で第1の媒体と熱交換した第2のサイクル6の第2の媒体の温度は、第3の熱交換器17で、より温度の低い第1の媒体と熱交換した第3のサイクル7の第2の媒体の温度よりも温度が高くなる。以上が理由である。
なお、制御装置100は停止している室内機34があれば停止している室内機34の属する分岐経路の流量調整弁32を全閉にするか、流路切替弁31、37を第2のサイクル6、第3のサイクル7のどちらにも接続しないように切替えさせる。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は下記の式(7)が一定となるように流量調整弁32a〜32cの開度を制御する。
(出入口温度差)=(温度センサー67の検知値)−(温度センサー68の検知値)……(7)
また制御装置100は下記の式(8)が一定となるように第1のポンプ21の回転数を制御する。
(第1の圧力差)=(圧力センサー55の検知値)−(圧力センサー54の検知値)……(8)
また制御装置100は下記の式(9)が一定となるように第2のポンプ22の回転数を制御する。
(第2の圧力差)=(圧力センサー57の検知値)−(圧力センサー56の検知値)……(9)
これにより、各室内機34に第2の媒体を適切に循環させることができる。
以上のように、第2の熱交換器15と第3の熱交換器17を直列に接続して、2種類の温度の冷熱を供給することができ、無駄な圧縮過程がなく、空気調和装置の効率が高くなる。また、1つの熱源機で2種類の温度の冷熱を供給するので、ビル空調などのインテリア空調とペリメーター空調を同時に実現できる。
図3は、この発明の実施の形態1における空気調和装置の動作を示す回路図であり、図中の太線で示された回路は第2の冷媒が流れている回路を表し、細線で示された回路は第2の冷媒が流れていない(接続されていない)線を表している。
(3)冷房主体の冷暖房運転の場合
以下、冷房と暖房を同時に行い、冷房能力が暖房能力より大きい場合である"冷房主体運転"について図3を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は実線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第1の熱交換器11に入り、ファン12により供給される外気に放熱することにより、第1の媒体の状態は臨界圧力以上の場合は高圧中温となる。第1の媒体はさらに第1の延長配管13、第1の減圧弁14、第2の熱交換器15を順次通過する。第1の減圧弁14は全開であり、圧力損失は小さい。また、第2の熱交換器15では第1のサイクル5と第2のサイクル6間で熱交換することで第1の媒体は温熱を第2の媒体に供給し、高圧低温となる。次に第1の媒体は第2の減圧弁16で減圧され、第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。次に第1の媒体が第3の熱交換器17を通過する際に第1のサイクルと第3のサイクル間で熱交換することにより、第1の媒体は冷熱を第2の媒体に供給することで第1の媒体は蒸発し、低圧高乾き度、あるいは低圧過熱ガスとなる。次に第1の媒体は第2の延長配管18、流路切替器10、アキュームレータ19を順次通過し、再び圧縮機9へ循環される。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吸入側圧力センサー51での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御し、吐出側圧力センサー52の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御することにより第1の熱交換器11の処理能力を制御する。
また制御装置100は第1の減圧弁14の開度を全開にする。
また、制御装置100は下記の式(10)が一定となるように第2の減圧弁16の開度を制御する。
第3の熱交換器17の(出口スーパーヒート)=(温度センサー64の検知値)−(吸入側圧力センサー51の飽和温度換算値)………………………(10)
これにより室内機34の運転台数に応じて適切な冷房能力と暖房能力が実現できる。
第2の熱交換器15で第1のサイクル5より温熱を供給された第2のサイクル6では、第2の媒体の状態が相対的に高温となり、第2の媒体は第1のポンプ21によって循環され、第1の流路切替弁31aにより分岐経経路8aに至る。分岐経経路8aでは流量調整弁32aの抵抗の程度により、分岐経路8aを通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33aを通過し、室内機34aに至る。室内機34aでは室内機ファン35aにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、温熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は低温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36aを通過し、第2の流路切替弁37aを通過した後、第1の集約路41を介して再び第2の熱交換器15に至る。
第3の熱交換器17で第1のサイクル5より冷熱を供給された第3のサイクル7では、第2の媒体の状態が相対的に低温となり、第2の媒体は第2のポンプ22によって循環され、第1の流路切替弁31b、31cにより分岐経路8b、8cに至る。分岐経路8b、8cでは流量調整弁32b、32cの抵抗の程度により、分岐経路8b、8cを通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33b、33cを通過し、室内機34b、34cに至る。室内機34b、34cでは、室内機ファン35b、35cにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、冷熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は高温となる、次に第2の媒体は第4の延長配管36b、36cを通過し、第2の流路切替弁37b、37cを通過した後、第2の集約路43に集約され、再び第3の熱交換器17に至る。
以上のように、第2の熱交換器15と第3の熱交換器17を直列に接続して、第2の熱交換器15から比較的弱い温熱を供給し、第3の熱交換器17から比較的強い冷熱を供給することができるので、比較的少ない運転台数または比較的低い暖房能力を持つ室内機34を第2の熱交換器15に接続し、比較的多い運転台数または比較的高い冷房能力を持つ室内機34を第3の熱交換器17に接続することにより、効率の良い冷暖房運転が可能になる。
(4)暖房運転のみの場合
以下、暖房運転のみの場合について図2を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は破線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第2の延長配管18を通過し、第3の熱交換器17、第2の減圧弁16、第2の熱交換器15を通過する。第2の減圧弁16は全開であり、損失は小さい。また第3の熱交換器17では第1のサイクル5と第3のサイクル7間で熱交換することで第1の媒体は温熱を第2の媒体に供給し、第2の熱交換器15では第2のサイクル6と熱交換することにより、第1の媒体は温熱を第2の媒体に供給し、第1の媒体の状態は高圧低温となる。第1の減圧弁14を通過して第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。第1の延長配管13を通過し、次に第1の熱交換器11に入り、ファン12により供給される外気より吸熱することにより、第1の媒体の状態は低圧高乾き度となる。その後、流路切替器10、アキュームレータ19を通過して再び圧縮機9に循環される。一般的にビル用の室内機34は熱交換器の大きさ、延長配管と減圧弁の配置の仕方により、冷房よりも暖房時に余剰冷媒が生じるため、これをアキュームレータ19に収納し、圧縮機9に液冷媒が吸入されることを防ぎ、信頼性を確保する。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吐出側圧力センサー52での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御し、吸入側圧力センサー51の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御することにより第1の熱交換器11の処理能力が適切に制御される。
また制御装置100は第2の減圧弁16の開度を全開にする。
また制御装置100は下記の式(11)が一定となるように第1の減圧弁14の開度を制御する。
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力以上の場合)
第3の熱交換器17の(出口温度)=(温度センサー61の検知値)
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力未満の場合)
第3の熱交換器17の(出口サブクール)=(吐出側圧力センサー52の飽和温度換算値)−(温度センサー61の検知値)
………………………………(11)
これにより室内機34の運転台数に応じて適切な暖房能力が実現できる。
第3の熱交換器17で第1のサイクル5より温熱を供給された第3のサイクル7では、第2の媒体が高温となり、第2の媒体が第2のポンプ22によって循環され、第1の流路切替弁31cにより分岐経路8cに至る。分岐経路8cでは流量調整弁32cの抵抗の程度により、この分岐経路を通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33cを通過し、室内機34cに至る。室内機34cでは室内機ファン35cにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、温熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は低温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36cを通過し、第2の流路切替弁37cを通過した後、再び第3の熱交換器17に至る。
第2の熱交換器15で第1のサイクル5より温熱を供給された第2のサイクル6では、第2の媒体が高温となり、第2の媒体が第1のポンプ21によって循環され、第1の流路切替弁31a、31bにより分岐経路8a、8bに至る。分岐経路8a、8bでは流量調整弁32a,32bの抵抗の程度により、この分岐経路8a、8bを通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33a、33bを通過し、室内機34a、34bに至る。室内機34a、34bでは室内機ファン35a、35bにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、温熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は低温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36a,36bを通過し、第2の流路切替弁37a,37bを通過した後、第1の集約路41に集約され、再び第2の熱交換器15に至る。
停止している室内機34があれば制御装置100は停止している室内機34の属する分岐経路8の流量調整弁32を全閉にするか、流路切替弁31、37を第2のサイクル6、第3のサイクル7のどちらにも接続しないように切替えさせる。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は下記の式(12)が一定となるように流量調整弁32a〜32cの開度を制御する。
(出入口温度差)=(温度センサー67の検知値)−(温度センサー68の検知値)……(12)
また制御装置100は下記の式(13)が一定となるように第1のポンプ21の回転数を制御する。
(第1の圧力差)=(圧力センサー55の検知値)−(圧力センサー54の検知値)……(13)
また制御装置100は下記の式(14)が一定となるように第2のポンプ22の回転数を制御する。
(第2の圧力差)=(圧力センサー57の検知値)−(圧力センサー56の検知値)……(14)
これにより各室内機34に第2の媒体を適切に循環させることができる。
(5)暖房運転のみで、要求される温度が異なる場合
以下、暖房運転のみで、要求される温度が異なる場合について図3を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は破線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第2の延長配管18を通過し、第3の熱交換器17、第2の減圧弁16、第2の熱交換器15を順位通過する。第2の減圧弁16では圧力低下が生じ、通過前後の圧力の飽和温度換算値が、要求される温度に対応する。また第3の熱交換器17では第1のサイクル5と第3のサイクル7間で熱交換することで第1の媒体は温熱を第2の媒体に供給し、第2の熱交換器15では第1のサイクル5と第2のサイクル6間でと熱交換することにより、第1の媒体は温熱を第2の媒体に供給し、第1の媒体の状態は高圧低温となる。第1の媒体は更に第1の減圧弁14を通過して第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。第1の延長配管13を通過し、次に第1の熱交換器11に入り、第1の熱交換器11ではファン12により供給される外気より吸熱することにより、第1の媒体の状態は低圧高乾き度となる。第1の媒体はその後、流路切替器10、アキュームレータ19を通過して再び圧縮機9に循環される。一般的にビル用の室内機34は熱交換器の大きさ、延長配管と減圧弁の配置の仕方により、冷房よりも暖房時に余剰冷媒が生じるため、これをアキュームレータ19に収納し、圧縮機に液冷媒が吸入されることを防ぎ、信頼性を確保する。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吐出側圧力センサー52での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御する。
また、制御装置100は吸入側圧力センサー51の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御する。これにより第1の熱交換器11の処理能力を制御する。
また制御装置100は、下記の式(15)が要求される温度差となるように第2の減圧弁16の開度を制御する
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力以上の場合)
(圧力差)=(吐出側圧力センサー52の検知値)−(圧力センサー53の検知値)
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力未満の場合)
(温度差)=(吐出側圧力センサー52の飽和温度換算値)−(圧力センサー53の飽和温度換算値)
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(15)
また制御装置100は、下記の式(16)が一定となるように第1の減圧弁14の開度を制御する。
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力以上の場合)
第3の熱交換器17の(出口温度)=(温度センサー61の検知値)
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力未満の場合)
第3の熱交換器17の(出口サブクール)=(吐出側圧力センサー52の飽和温度換算値)−(温度センサー61の検知値)
……………………(16)
これにより室内機34の運転台数に応じて適切な暖房能力が実現できる。
一方、第3の熱交換器17で第1のサイクル5より温熱を供給された第3のサイクル7は、第1の媒体の圧力が減圧弁14を通過する前の相対的に高い方の第3の熱交換器17で第1のサイクル5と熱交換するサイクルであり、この第3のサイクルで7は、第2の媒体の蒸発温度が第2のサイクル6のそれより高く、室内機34の吹出し温度が高い。
また、第2の熱交換器15で第1のサイクル5より温熱を供給された第2のサイクル6は、第1の媒体の圧力が減圧弁14を通過した後の相対的に低い方の第2の熱交換器15で第1のサイクル5と熱交換するサイクルであり、この第2のサイクル6では、第2の媒体の蒸発温度が第3のサイクル7のそれより低く、室内機34の吹出し温度が低い。
この理由は以下の通りである。暖房運転の際には、第1のサイクル5において、第3の熱交換器17は第2の減圧弁16の上流に接続されているため、第3の熱交換器17を通過する第1の媒体の温度は第2の減圧弁16によって減圧される前の温度である。これに対して第2の熱交換器15は第1のサイクル5において、第2の減圧弁16の下流に接続されているため、第2の熱交換器15を通過する第1の媒体の温度は第2の減圧弁16によって減圧され温度が低下した後の温度となる。従って、第3の熱交換器17における第1の媒体の温度は第2の熱交換器15における第1の媒体の温度よりも高い。従って、第3の熱交換器17で第1の媒体と熱交換した第3のサイクル7の第2の媒体の温度は、第2の熱交換器15で、より温度の低い第1の媒体と熱交換した第2のサイクル6の第2の媒体の温度よりも温度が高くなる。以上が理由である。
なお、制御装置100は停止している室内機34があれば停止している室内機34の属する分岐経路の流量調整弁32を全閉にするか、流路切替弁31、37を第2のサイクル6、第3のサイクル7のどちらにも接続しないように切替えさせる。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は下記の式(17)が一定となるように流量調整弁32a〜32cの開度を制御する。
(出入口温度差)=(温度センサー67の検知値)−(温度センサー68の検知値)……(17)
また制御装置100は下記の式(18)が一定となるように第1のポンプ21の回転数を制御する。
(第1の圧力差)=(圧力センサー55の検知値)−(圧力センサー54の検知値)……(18)
また制御装置100は下記の式(19)が一定となるように第2のポンプ22の回転数を制御する。
(第2の圧力差)=(圧力センサー57の検知値)−(圧力センサー56の検知値)……(19)
これにより各室内機34に第2の媒体を適切に循環させることができる。
以上のように、第2の熱交換器15と第3の熱交換器17を直列に接続して、2種類の温度の温熱を供給することができ、無駄な圧縮過程がなく、空気調和装置の効率が高くなる。また、1つの熱源機で2種類の温度の温熱を供給するので、ビル空調などのインテリア空調とペリメーター空調を同時に実現できる。
(6)暖房主体の冷暖房運転の場合
以下、冷房と暖房を同時に行い、暖房能力が冷房能力より大きい場合である"暖房主体運転"について図3を用いて説明する。
この空気調和装置1では、流路切替器10は破線側に接続されており、圧縮機9で高圧高温に圧縮された第1の媒体は、流路切替器10を通過して、第2の延長配管18、第3の熱交換器17を通過する。第1の媒体が第3の熱交換器17を通過する際に第1のサイクル5と第3のサイクル7間で熱交換することにより、第1の媒体は温熱を第2の媒体へ供給し、第1の媒体の状態は高圧低温となる。次に第1の媒体は第2の減圧弁16で減圧され、第1の媒体の状態は低圧低乾き度となる。次に第1の媒体が第2の熱交換器15を通過する際に第1のサイクル5と第2のサイクル6間で熱交換することにより、第1の媒体は冷熱を第2の媒体へ供給し、第1の媒体の状態は低圧2相となる。次に第1の媒体は第1の減圧弁14を通過するが、第1の減圧弁14は全開であり、圧力損失は小さい。次に第1の媒体は第1の延長配管13を通過した後、第1の熱交換器11に入る。ここで第1の媒体はファン12により供給される外気より吸熱する。これにより、第1の媒体の状態は低圧高乾き度となる。第1の媒体はその後、流路切替器10、アキュームレータ19を通過して再び圧縮機9に循環される。一般的にビル用の室内機34は熱交換器の大きさ、延長配管と減圧弁の配置の仕方により、冷房よりも暖房時に余剰冷媒が生じるため、これをアキュームレータ19に収納し、圧縮機9に液冷媒が吸入されることを防ぎ、信頼性を確保する。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は吐出側圧力センサー52での圧力が一定となるように圧縮機9の回転数を制御し、吸入側圧力センサー51の圧力が一定となるように室外機ファン12の回転数を制御することにより第1の熱交換器11の処理能力を制御する。
また制御装置100は下記の式(20)が一定となるように第2の減圧弁16の開度を制御する。
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力以上の場合)
第3の熱交換器17の(出口温度)=(温度センサー63の検知値)
(圧力センサー51の検知値が第1の媒体の臨界圧力未満の場合)
第3の熱交換器17の(出口サブクール)=(吐出側圧力センサー52の飽和温度換算値)−(温度センサー63の検知値)
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(20)
また制御装置100は第1の減圧弁14の開度を全開にする。
これにより室内機34の運転台数に応じて適切な冷房能力と暖房能力が実現できる。
第3の熱交換器17で第1のサイクル5より温熱を供給された第3のサイクル7では、第2の媒体の状態が相対的に高温となり、第2の媒体は第2のポンプ22によって循環され、第1の流路切替弁31b、31cにより分岐経路8b、8cに至る。分岐経路8b、8cでは流量調整弁32b、32cの抵抗の程度により、分岐経路を通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33b、33cを通過し、室内機34b、34cに至る。室内機34b、34cでは室内機ファン35b、35cにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、温熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は低温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36b、36cを通過し、第2の流路切替弁37b、37cを通過した後、第2の集約路43に集約され、再び第3の熱交換器17に至る。
第2の熱交換器15で第1のサイクル5より冷熱を供給された第2のサイクル6では、第2の媒体の状態が相対的に低温となり、第2の媒体は第1のポンプ21によって循環され、第1の流路切替弁31aにより分岐経路8aに至る。分岐経路8aでは、流量調整弁32aの抵抗の程度により、分岐経路8aを通過する第2の媒体の流量が定まる。次に第2の媒体は第3の延長配管33aを通過し、室内機34aに至る。室内機34aでは室内機ファン35aにより第2の媒体は居室の空気と熱交換することで、冷熱を負荷側へ供給し、第2の媒体の状態は高温となる。次に第2の媒体は第4の延長配管36aを通過し、第2の流路切替弁37aを通過した後、第1の集約路41を介して、再び第2の熱交換器15に至る。
ここで制御装置100は以下の働きをする。制御装置100は下記の式(21)が一定となるように流量調整弁32a〜32cの開度を制御する。
(出入口温度差)=(温度センサー67の検知値)−(温度センサー68の検知値)……(21)
また制御装置100は下記の式(22)が一定となるように第1のポンプ21の回転数を制御する。
(第1の圧力差)=(圧力センサー55の検知値)−(圧力センサー54の検知値)……(22)
また制御装置100は下記の式(23)が一定となるように第2のポンプ22の回転数を制御する。
(第2の圧力差)=(圧力センサー57の検知値)−(圧力センサー56の検知値)……(23)
これにより各室内機34に第2の媒体を適切に循環させることができる。
これらの動作により、冷房のみ、暖房のみ、冷房と暖房混在運転を効率よく実現することができる。
なお、第1の減圧弁14あるいは第2の減圧弁16は開度を調整することができるが、並列に開閉弁を設けて減圧弁が全開の場合は、開閉弁を開、減圧弁が全開でない場合は、開閉弁を閉として、減圧弁が全開の場合の圧損低下を低減させてもよい。また、第2の熱交換器15、第3の熱交換器17はプレート熱交換器、2重管熱交換器、マイクロチャンネル熱交換器、のいずれであってもよい。ただし、プレート熱交換器のように流れ方向に制約がある場合は、切り替え弁などを設けてもよい。
また室外ユニットと中継ユニットのいずれかで、図4に示すようなブリッジ回路を設けてもよい。これにより運転中に流路切替器10を正逆切替えても、冷媒音等を抑制でき、第1の媒体の制御安定性が保たれる。即ち、図1の回路では、流路切替器10を切り替えると、第1のサイクルにおける第1の媒体の流れ方向が逆転するのに対し、図4では、第1の延長配管13、中継ユニット3内にある第1のサイクル、第2の延長配管18における第1の媒体の流れ方向が常に一定である。また、第2のサイクル、第3のサイクルでは、第2の媒体流れ方向は変化しない。第1の媒体流れ方向が逆転する時に冷媒音が発生するが、図6に示すように居室空間に近い箇所では流れ方向が変化せず、居室空間とその近傍では冷媒音が発生しない。(当然熱源ユニットでは冷媒音が発生する。)
また第1の熱交換器11の処理能力を、ファン12の回転速度を変化させることで制御する以外に、図5に示すように、第1の熱交換器11a〜11dを並列に分割し、分割の程度で処理能力を変化させても良い。ファン12が1個である場合や、ファンモータ信頼性上回転数を低下できない場合に有効である。
ここで、70a〜70d、71a〜71dは切替弁であり、表1に示す組合せで開閉を行うことにより、熱交換器11を部分的に使用することが可能であり、これにより、伝熱面積を低下させることができ、熱交換器の処理能力を変化させることが可能となる。
ファンモータの回転数を低下できない状況としては、ファンモータが制御装置100の冷却を兼ねている場合がある。また低外気の場合は、ファンモータを停止させたとしても、温度差があるため、熱交換する必要がありその場合には表1のような伝熱面積の調節が有効である。
Figure 0005265001
以上のように構成されるので、どのような運転の場合でも、第1のサイクルの経路は単純に形成される。熱源ユニット2と負荷側ユニット4が一つのサイクルで形成される、いわゆる直膨形式の空気調和装置では、複数ある室内機34のため回路が複雑で、発停を繰り返すので、第1のサイクル制御が複雑である。またサイクル内の圧縮機の信頼性上重要な冷凍機油は、高性能の油分離器を設けたとしても、完全に油を捕捉することができないので、サイクル内に偏在・滞留するおそれがある。しかし本実施の形態では第1のサイクルの経路が単純であるため、冷凍機油の偏在や滞留する可能性が低く、信頼性を確保できる。冷凍機油が媒体に対し非相溶性である場合に効果が大きい。第2のサイクル、第3のサイクルに使われるポンプは、もともと油を吐出させる可能性がないので、信頼性は高い。
また、流量調整弁32が中継ユニット内にあるため、流量調整弁32が故障した場合に中継ユニットのみを一括して復旧作業(交換など)すればよく、各室内機34を1つずつ復旧作業する必要がないため煩雑さが小さい。
上記の構成を用いることにより、冷房運転のみまたは冷房主体の冷暖房運転の場合には第2の熱交換器15の方が第3の熱交換器17よりも高い熱交換能力を有するので、相対的に冷房能力の高い室内機34を第2の熱交換器15に接続し、相対的に冷房能力の低い室内機34を第3の熱交換器17に接続することで、簡単な構成で効率の高い空気調和装置を構成することができる。
また、第2の熱交換器15の方が第3の熱交換器17よりも高い熱交換能力を有するので、流量調整弁の開度が全開に近い室内機34を、第2サイクルと第3サイクルの内で、第1の媒体の圧力が相対的に高い熱交換器を有する方のサイクルに接続することで、簡単な構成で効率の高い空気調和装置を構成することができる。
また、制御装置100は、全ての室内機34が冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみで、定格負荷でない場合は、第2のサイクルと第3のサイクルの内で、1つのサイクルのみで運転する場合にせよ、2つのサイクルで運転する場合にせよ、入力が小さい方で運転するように構成してもよい。
また、試運転時に各分岐ごとの流量特性を制御装置100に把握させて、通常運転時に反映させるように構成しても良い。これにより、より効率の高い切り替え制御が可能となる。
また、第1の媒体は二酸化炭素であるが、可燃性冷媒でもよいし、低GWP(Global Warming Potential:地球温暖化係数)冷媒でもよいし、フロン系のものでもよい。
なお、制御装置100(回転数制御手段)は、第2のサイクル6あるいは第3のサイクル7において第1のポンプ21あるいは第2のポンプ22の入口側の圧力と出口側の圧力間の差圧を目標値とするが、この目標値は、第2のサイクル6あるいは第3のサイクル7内に設けられた複数の流量調整弁32の内で最大の弁開度を持つ流量調整弁32の開度を最大にするような値とする。即ち、第1のポンプ21または第2ポンプ22からの流量を最小にし、最大の弁開度を持つ流量調整弁32の開度を最大にすることにより、効率的な運転が可能になる。
なお、第2のサイクル6あるいは第3のサイクル7において第1のポンプ21あるいは第2のポンプ22の出口側の圧力を目標値としてもよい。
実施の形態2.
次に、本実施の形態2における動作を説明する。
図8は、この発明の実施の形態2における空気調和装置の動作を示す回路図である。なお実施の形態1と同じものは説明を省略する。負荷側ユニット4の温度センサー67a〜c、68a〜cに代えて温度センサー67d〜f、68d〜fを中継ユニット内に設置し、設置場所の媒体2の温度を計測する点、第2のサイクル6と第3のサイクル7には圧力センサーが存在しない点以外は図1〜図3と同じである。
次に、制御装置100によるポンプ制御の詳細について述べる。
図9はこの実施の形態2における制御装置100の動作の流れを示すフローチャートである。制御装置100はまずステップS201で起動されると、ステップS202で全ての流量調整弁32を全開とする。次に制御装置100はステップS203でポンプの回転数を最大に設定し、ステップS204でポンプを起動させる。次に制御装置100はステップS205で短時間ではあるが一定時間経過した後、ステップS206で分岐抵抗計測運転を開始する。まず制御装置100は第1の室内機34について分岐抵抗計測運転を行う。すなわち、制御装置100はステップS207で第1の室内機の流路切替弁31と37を開とし、第1の室内機34以外の流路切替弁31と37を閉とし、第1の室内機34のみに第2の媒体が流れるようにする。ステップS208で一定時間経過した後、制御装置100はステップS209で温度センサー68の検知値を取得してT1oとする。
次に制御装置100は、ステップS210で第1の室内機34の流量調整弁32の開度を全開から50%開度に低下させる。なお、この50%という値は固定された数字ではなく、流量調整弁32の抵抗が大きく変化する値であればよい。次に制御装置100は、ステップS211でタイマ計測を開始する。次に制御装置100は、ステップS212で温度センサー68の検知値を取得してT1とし、ステップS213で(T1-T1o)の絶対値と設定値を比較する。比較の結果、(T1-T1o)の絶対値が設定値より小さければステップS212へ戻り、設定値より大きければステップS214へ進み、ステップS214でタイマ計測を終了した後、ステップS215で第1の分岐経路の流路抵抗を演算する。この演算には予め設計上既知であるポンプの揚程−流量の相関式と、流量調整弁32の開度を低減し温度センサー68の検知値が変化するまでの時間から第1の分岐経路の流量を推定し、この推定した流量から、流路抵抗が演算できる。
次に制御装置100は、ステップS216で第2の室内機34に対しても同様の動作を行い、第2の分岐経路の流路抵抗を算出する。
さらに制御装置100は、同様の動作を繰り返し、ステップS217で最後(第n)の室内機34において同様の動作を行ない、第nの分岐経路の流路抵抗を演算し、その結果、全ての室内機34における必要能力が算出されるので、この全ての室内機34の必要能力によりポンプの流量が定まる。
なお図9では第1のポンプ21のみで全ての分岐経路の流路抵抗を演算する場合について説明したが、第1のポンプ21と第2のポンプ22で分岐経路を分担して演算しても良く、この場合には把握時間を短縮することができる。
次に制御装置100は、ステップS218で定時制御を開始し、第1のサイクル5も運転する。次に制御装置100は、ステップS219で一定時間経過したか否か判定し、経過していなければ、制御装置100はステップS220で式(3)による目標揚程となるようにポンプ回転数を制御する。ステップS219で一定時間経過すると、制御装置100はステップS221で第2のサイクル6の中で、流量調整弁32の開度が最も大きい分岐経路(この分岐経路をIとする)を探す。ステップS222でこの分岐経路Iの開度が目標最大開度以上であれば、ポンプの揚程が不足しているので、制御装置100はステップS223で目標揚程を増加させる。増加量は固定値でもよい。ステップS223でこの分岐経路Iの開度が目標最大開度以下であれば、ポンプの揚程が過剰であるので、制御装置100はステップS224で目標揚程を低下させる。低下の方法は、
(新しい目標揚程)=(現在の目標揚程)/(該当する分岐経路の演算した流路抵抗)×((該当する分岐経路の演算した流路抵抗)−((現在の開度における流量調整弁の流路抵抗)−(目標最大開度における流量調整弁の流路抵抗)))である。
このように構成することにより、現地調整の行為者が必要なく、制御装置100が流路抵抗を把握し、運転中の制御に反映させているので、ポンプ入力の最小化を実現しやすい。さらに流路抵抗を圧力センサーではなく温度センサーを用いて演算するため、コスト低減が可能である。さらに温度センサーを室内機34ではなく中継ユニット3に設けてあるので、温度センサーが故障しても、中継ユニット3だけを一括して復旧作業(交換など)すればよく、各室内機34を1つずつ復旧作業する必要がないためメンテナンス性が向上する。
1 空気調和装置、2 熱源ユニット、3 中継ユニット、4、4a〜4f 負荷ユニット、5 第1のサイクル、6 第2のサイクル、7 第3のサイクル、8a〜8c 分岐経路、9 圧縮機、10 流路切替器、11、11a〜11d 第1の熱交換器、12 ファン、13 第1の延長配管、14 第1の減圧弁、15 第2の熱交換器、16 第2の減圧弁、17 第3の熱交換器、18 第2の延長配管、19 アキュームレータ、21 第1のポンプ、22 第2のポンプ、31、31a〜31c 第1の流路切替弁、32、32a〜32c 流量調整弁、33a〜33c 第3の延長配管、34、34a〜34c 室内機、35a〜35e 室内機ファン、36a〜36c 第4の延長配管、37a〜37c 第2の流路切替弁、40 第1の分岐路、41 第1の集約路、42 第2の分岐路、43 第2の集約路、51 吸入側圧力センサー、52 吐出側圧力センサー、53、54、55、56、57 圧力センサー、61、62、63、64、65、66、67、67a〜67c、68、68a〜68c 温度センサー、70a〜70d、71a〜71d 開閉弁、72a〜72d 逆止弁、90 建物、91 居室空間、92 非居室空間、100 制御装置。

Claims (14)

  1. 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
    第2の媒体が循環する第2のサイクルと、
    前記第2の媒体が循環する第3のサイクルと、を備え、
    前記第1のサイクルは、圧縮機と、第1の熱交換器と、前記第1の媒体の流れ方向を正逆に転換させる流路切替器と、第1の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第2のサイクルを循環する第2の媒体が熱交換する第2の熱交換器と、第2の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第3のサイクルを循環する前記第2の媒体が熱交換する第3の熱交換器と、を順次配管で環状に接続して成り、
    前記第2のサイクルは、前記第2の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第1のポンプと、これらを接続する第1の経路と、一端が前記第1の経路の一端に接続され、他端が前記第1の経路の他端に接続される少なくとも1つの第1の分岐経路と、を備え、
    前記第3のサイクルは、前記第3の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第2のポンプと、これらを接続する第2の経路と、一端が前記第2の経路の一端に接続され、他端が前記第2の経路の他端に接続される少なくとも1つの第2の分岐経路と、を備え、
    前記各第1の分岐経路および前記各第2の分岐経路は流路切替弁と、室内機と、流量調整弁と、を備え、
    前記流路切替弁は、前記第1の分岐経路および前記第2の分岐経路の一端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのいずれか一方に切替接続する第1の流路切替弁と、前記第1の分岐経路及び前記第2の分岐経路の他端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのうち前記第1の流路切替弁と同じ側に切替接続する第2の流路切替弁と、を備え、
    前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器とにより、温熱、冷熱、またはそれらの両方が前記第2の媒体に供給されて、前記室内機が個々に冷房運転か暖房運転の何れかの運転を行う空気調和装置であって、
    運転中の前記室内機が全て冷房運転または全て暖房運転の場合に、各室内機に要求される前記第2の媒体の温度あるいは流量に応じて、各室内機に対応する前記第1の流路切替弁と前記第2の流路切替弁を操作する切替制御手段を備え、
    運転中の前記室内機が全て冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみで、前記各室内機により要求される温度が異なる場合は、前記室内機を要求される温度により、高温側の室内機グループと低温側の室内機グループに2分し、
    前記切替制御手段は、冷房運転の場合は低温側の室内機グループを、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に低い方の熱交換器を有するサイクルに接続し、暖房運転の場合は高温側の室内機グループを、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に高い方の熱交換器を有するサイクルに接続することを特徴とする空気調和装置。
  2. 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
    第2の媒体が循環する第2のサイクルと、
    前記第2の媒体が循環する第3のサイクルと、を備え、
    前記第1のサイクルは、圧縮機と、第1の熱交換器と、前記第1の媒体の流れ方向を正逆に転換させる流路切替器と、第1の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第2のサイクルを循環する第2の媒体が熱交換する第2の熱交換器と、第2の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第3のサイクルを循環する前記第2の媒体が熱交換する第3の熱交換器と、を順次配管で環状に接続して成り、
    前記第2のサイクルは、前記第2の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第1のポンプと、これらを接続する第1の経路と、一端が前記第1の経路の一端に接続され、他端が前記第1の経路の他端に接続される少なくとも1つの第1の分岐経路と、を備え、
    前記第3のサイクルは、前記第3の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第2のポンプと、これらを接続する第2の経路と、一端が前記第2の経路の一端に接続され、他端が前記第2の経路の他端に接続される少なくとも1つの第2の分岐経路と、を備え、
    前記各第1の分岐経路および前記各第2の分岐経路は流路切替弁と、室内機と、流量調整弁と、を備え、
    前記流路切替弁は、前記第1の分岐経路および前記第2の分岐経路の一端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのいずれか一方に切替接続する第1の流路切替弁と、前記第1の分岐経路及び前記第2の分岐経路の他端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのうち前記第1の流路切替弁と同じ側に切替接続する第2の流路切替弁と、を備え、
    前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器とにより、温熱、冷熱、またはそれらの両方が前記第2の媒体に供給されて、前記室内機が個々に冷房運転か暖房運転の何れかの運転を行う空気調和装置であって、
    運転中の前記室内機が全て冷房運転または全て暖房運転の場合に、各室内機に要求される前記第2の媒体の温度あるいは流量に応じて、各室内機に対応する前記第1の流路切替弁と前記第2の流路切替弁を操作する切替制御手段を備え、
    前記切替制御手段は、運転中の全ての室内機が冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみの場合は、前記流量調整弁の開度が全開に近い室内機を、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に高い方の熱交換器を有するサイクルに接続することを特徴とする空気調和装置。
  3. 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
    第2の媒体が循環する第2のサイクルと、
    前記第2の媒体が循環する第3のサイクルと、を備え、
    前記第1のサイクルは、圧縮機と、第1の熱交換器と、前記第1の媒体の流れ方向を正逆に転換させる流路切替器と、第1の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第2のサイクルを循環する第2の媒体が熱交換する第2の熱交換器と、第2の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第3のサイクルを循環する前記第2の媒体が熱交換する第3の熱交換器と、を順次配管で環状に接続して成り、
    前記第2のサイクルは、前記第2の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第1のポンプと、これらを接続する第1の経路と、一端が前記第1の経路の一端に接続され、他端が前記第1の経路の他端に接続される少なくとも1つの第1の分岐経路と、を備え、
    前記第3のサイクルは、前記第3の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第2のポンプと、これらを接続する第2の経路と、一端が前記第2の経路の一端に接続され、他端が前記第2の経路の他端に接続される少なくとも1つの第2の分岐経路と、を備え、
    前記各第1の分岐経路および前記各第2の分岐経路は流路切替弁と、室内機と、流量調整弁と、を備え、
    前記流路切替弁は、前記第1の分岐経路および前記第2の分岐経路の一端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのいずれか一方に切替接続する第1の流路切替弁と、前記第1の分岐経路及び前記第2の分岐経路の他端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのうち前記第1の流路切替弁と同じ側に切替接続する第2の流路切替弁と、を備え、
    前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器とにより、温熱、冷熱、またはそれらの両方が前記第2の媒体に供給されて、前記室内機が個々に冷房運転か暖房運転の何れかの運転を行う空気調和装置であって、
    運転中の前記室内機が全て冷房運転または全て暖房運転の場合に、各室内機に要求される前記第2の媒体の温度あるいは流量に応じて、各室内機に対応する前記第1の流路切替弁と前記第2の流路切替弁を操作する切替制御手段を備え、
    前記切替制御手段は、運転中の全ての室内機が冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみの場合は、要求される能力がより大きい室内機を、前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器の内、前記第1の媒体の圧力が相対的に高い方の熱交換器を有するサイクルに接続することを特徴とする空気調和装置。
  4. 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
    第2の媒体が循環する第2のサイクルと、
    前記第2の媒体が循環する第3のサイクルと、を備え、
    前記第1のサイクルは、圧縮機と、第1の熱交換器と、前記第1の媒体の流れ方向を正逆に転換させる流路切替器と、第1の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第2のサイクルを循環する第2の媒体が熱交換する第2の熱交換器と、第2の減圧弁と、前記第1のサイクルを循環する第1の媒体と前記第3のサイクルを循環する前記第2の媒体が熱交換する第3の熱交換器と、を順次配管で環状に接続して成り、
    前記第2のサイクルは、前記第2の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第1のポンプと、これらを接続する第1の経路と、一端が前記第1の経路の一端に接続され、他端が前記第1の経路の他端に接続される少なくとも1つの第1の分岐経路と、を備え、
    前記第3のサイクルは、前記第3の熱交換器と、前記第2の媒体を駆動させる第2のポンプと、これらを接続する第2の経路と、一端が前記第2の経路の一端に接続され、他端が前記第2の経路の他端に接続される少なくとも1つの第2の分岐経路と、を備え、
    前記各第1の分岐経路および前記各第2の分岐経路は流路切替弁と、室内機と、流量調整弁と、を備え、
    前記流路切替弁は、前記第1の分岐経路および前記第2の分岐経路の一端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのいずれか一方に切替接続する第1の流路切替弁と、前記第1の分岐経路及び前記第2の分岐経路の他端側に配設され、前記第2のサイクル、前記第3のサイクルのうち前記第1の流路切替弁と同じ側に切替接続する第2の流路切替弁と、を備え、
    前記第2の熱交換器と前記第3の熱交換器とにより、温熱、冷熱、またはそれらの両方が前記第2の媒体に供給されて、前記室内機が個々に冷房運転か暖房運転の何れかの運転を行う空気調和装置であって、
    運転中の前記室内機が全て冷房運転または全て暖房運転の場合に、各室内機に要求される前記第2の媒体の温度あるいは流量に応じて、各室内機に対応する前記第1の流路切替弁と前記第2の流路切替弁を操作する切替制御手段を備え、
    前記切替制御手段は、運転中の全ての室内機が冷房運転のみ、あるいは暖房運転のみで、定格負荷でない場合は、前記第2のサイクルと前記第3のサイクルのうちの1方のサイクル又は両方のサイクルのいずれかのうち、前記ポンプの入力が小さい方で運転することを特徴とする空気調和装置。
  5. 前記流量調整手段は、試運転時に各分岐ごとの流路抵抗を把握して、通常運転に前記流路抵抗を反映させることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  6. 圧力センサーと流量センサーを備え、
    前記流量調整手段は、前記第2のサイクルと前記第3のサイクルの少なくとも一方における分岐された複数の経路の内の特定の経路の流路抵抗を前記圧力センサーの出力または前記流量センサーの出力に基づいて把握して、前記流路抵抗を通常運転に反映させることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  7. 各分岐された経路は流量を検知する検知手段を備え、
    前記流量調整手段は、各分岐経路ごとに単一に流量を流し、前記流量調整弁の開度を変化させた前後の前記検知手段の検知値により各分岐経路ごとの流路抵抗を把握して、通常運転に反映させることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  8. 前記回転数制御手段は、前記第2のサイクルあるいは前記第3のサイクルにおいて前記第1のポンプあるいは前記第2のポンプの入口側の圧力と出口側の圧力間の差圧を目標値とすることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  9. 前記回転数制御手段は、前記第2のサイクルあるいは前記第3のサイクルにおいて前記第1のポンプあるいは前記第2のポンプの出口側の圧力を目標値とすることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  10. 前記目標値は、前記第2のサイクルあるいは前記第3のサイクル内に設けられた複数の流量調整弁の内で最大の弁開度を持つ流量調整弁の開度を最大にするような値であることを特徴とする請求項8または9に記載の空気調和装置。
  11. 前記回転数制御手段は、前記第2のサイクルあるいは前記第3のサイクル内に設けられた複数の流量調整弁の内で最大の開度を持つ流量調整弁の開度が全開となるように、最大の開度を持つ前記流量調整弁が属するサイクルを構成する前記第1のポンプまたは前記第2のポンプを制御することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の空気調和装置。
  12. 第1の媒体が自然冷媒であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の空気調和装置。
  13. 第1の媒体が低GWP冷媒であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の空気調和装置。
  14. 第1の媒体がフロン系冷媒であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の空気調和装置。
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