JP2008075948A - 水冷式空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる水冷式の空気調和装置であって、冷却水の温度が高くて超臨界サイクルで運転される場合でも成績係数が最大になるように制御される空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置１００は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる水冷式の空気調和装置であって、冷凍装置１と、冷却水供給装置５１と、制御装置４とを備えている。冷凍装置１は、高圧側の冷媒から冷却水に対して放熱を行わせる放熱器１３を有する。冷却水供給装置５１は、放熱器１３へ冷却水を供給する。制御装置４は、放熱器１３の冷媒出口温度に対して冷凍装置１の成績係数がほぼ最大となる高圧側の最適圧力を予め記憶しており、高圧側圧力が最適圧力となるように、冷却水の供給流量を調節する。
【選択図】図３

Description

高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる空気調和装置に関する。

地球環境保護の観点から、空気調和装置の冷媒として自然冷媒の適用検討が行われており、特にＣＯ２冷媒を使用した空気調和装置が多く開示されている。ＣＯ２冷媒は、臨界温度が低く（３１．１℃）、空冷式の空気調和装置の場合、冷房運転時に外気温が臨界温度より高くなると超臨界サイクルで運転されるため、成績係数が急激に低下する。そこで、外気温が臨界温度以上になっても超臨界サイクル運転を回避するために、放熱器に冷却水を供給し、冷媒と冷却水との間で熱交換を行わせる水冷式の空気調和装置の検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−５４６１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の空気調和装置においては、冷却水として利用する水源は、外気温が臨界温度以上になっても超臨界サイクルを回避できる低温の冷却水を供給可能であることが前提になっている。ところが実際の水冷式空気調和装置で、そのように通年にわたって安定的に低温の水を利用できる場合は少数であり、大概の水冷式空気調和装置は、冷却塔から供給される冷却水を利用している。冷却塔よって冷却できる水温は、外気湿球温度にアプローチと呼ばれる外気湿球温度と冷却塔出口水温との温度差を加算したものとなる。例えば、「空気調和設備の実務の知識（改定第３版、社団法人空気調和・衛生工学会編）」の１６８頁によれば、通常東京地方などでの冷却塔の設計値には、夏期の外気湿球温度を２７℃、アプローチを５℃にとるので、冷却塔の出口水温は３２℃となる。従って、ＣＯ２冷媒を使用する水冷式空気調和装置において冷却塔を使用する場合は、使用地域によっては冷却水の水温が臨界温度以上になるため、超臨界サイクルを回避できない状況が存在する。また、超臨界サイクルで運転する場合、放熱器出口の冷媒温度に対して成績係数が最大になる高圧側の冷媒圧力が存在することが知られている。そのため、超臨界サイクルで運転する状況では、成績係数の低下を最小限に抑制するために、高圧側の冷媒圧力を最適に制御する事が重要である。

本発明の課題は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる水冷式の空気調和装置であって、冷却水の温度が高くて超臨界サイクルで運転される場合でも成績係数が最大になるように制御される空気調和装置を提供することである。

第１発明に係る空気調和装置は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる水冷式の空気調和装置であって、冷凍装置と、冷却水供給装置と、制御装置とを備えている。冷凍装置は、高圧側の冷媒から冷却水に対して放熱を行わせる放熱器を有する。冷却水供給装置は、放熱器へ冷却水を供給する。制御装置は、放熱器の冷媒出口温度に対して冷凍装置の成績係数がほぼ最大となる高圧側の最適圧力を予め記憶しており、高圧側圧力が最適圧力となるように、冷却水の供給流量を調節する。

この空気調和装置では、冷却水供給流量の増減による熱交換量の増減で、高圧側圧力の調節が可能となり、制御装置は高圧側圧力を調節して冷凍装置の成績係数を最大値へ近づけることができる。このため、常に成績係数が最大となるように制御され、実負荷に応じて効率よく能力が発揮される。

第２発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、冷却水供給装置が、冷却水を冷却する冷却部と容量可変ポンプとを有する。容量可変ポンプは、冷却部から放熱器へ冷却水を供給し且つ冷却水の供給流量を可変する。

この空気調和装置では、制御装置が容量可変ポンプによって冷却水の供給流量を増減すると、冷媒と冷却水との熱交換量が増減し、高圧側圧力が増減する。このため、制御装置が容量可変ポンプを制御し高圧側圧力を最適値へ近づけることによって、成績係数が向上する。

第３発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、冷却水供給装置が、冷却水を冷却する冷却部と、冷却部から放熱器へ冷却水を供給する定容量ポンプと、冷却水の流量を調節する流量制御弁とを有する。

この空気調和装置では、制御装置が流量制御弁によって冷却水の供給流量を増減すると、冷媒と冷却水との熱交換量が増減し、高圧側圧力が増減する。このため、制御装置が流量制御弁を制御し高圧側圧力を最適値へ近づけることによって、成績係数が向上する。

第４発明に係る空気調和装置は、第１発明に係る空気調和装置であって、放熱器に入った冷却水が、放熱器における冷媒流れの下流側から上流側に向って流れる。

この空気調和装置では、冷却水が冷媒の流れる方向と対向するように流れるので、冷却水は上流側から下流側に進むにしたがって一定の勾配で温度上昇する。このため、放熱工程の全域を通じて冷媒温度と冷却水温度との差が適正に維持され、熱交換性能が向上する。

第５発明に係る空気調和装置は、第４発明に係る空気調和装置であって、冷却水供給装置が、バイパスと、バイパスの途中に設けられる流量制御弁とを有している。バイパスは、放熱器の冷却水入口から放熱器の冷却水出口に至る管路の途中から冷却水を冷却水出口へ直接迂回させる。

この空気調和装置では、冷却直後の冷却水が、冷媒出口側の冷媒を冷却するので冷媒出口温度が低くなる。冷媒出口温度がより低くなることで冷凍能力が向上する。

また、制御装置が流量制御弁を制御し流量を調節することによって、放熱器における冷却水と冷媒との熱交換量が増減され、高圧側圧力が増減する。このため、制御装置が流量制御弁を制御し高圧側圧力を最適値へ調節することによって、成績係数が向上する。

第１発明に係る空気調和装置は、常に成績係数が最大となるように制御され、実負荷に応じて効率よく能力が発揮される。

第２発明に係る空気調和装置では、容量可変ポンプが制御され高圧側圧力が最適値へ近づくことによって、成績係数が向上する。

第３発明に係る空気調和装置では、流量制御弁が制御され高圧側圧力が最適値へ近づくことによって、成績係数が向上する。

第４発明に係る空気調和装置では、放熱工程の全域を通じて冷媒温度と冷却水温度との差が適正に維持され、熱交換性能が向上する。

第５発明に係る空気調和装置では、冷媒出口温度がより低くなることで冷凍能力が向上する。さらに、高圧側圧力が最適値へ調節されることによって、成績係数が向上する。

〔第１実施形態〕
＜空気調和装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図である。空気調和装置１００は、冷凍装置１と冷却水供給装置５１とで構成されている。

（冷凍装置の構成）
冷凍装置１は、冷媒としてＣＯ２を使用している。そして、冷媒が流通できるように、圧縮機１１、放熱器である室外熱交換器１３、減圧機構である膨張弁１５、蒸発器である室内熱交換器１６などの機器が接続されて冷媒回路１０が形成されている。冷媒回路１０の高圧側圧力は冷媒の臨界圧力以上となる。

室外熱交換器１３は、冷媒と水とが熱交換できるように、冷媒回路１０の冷媒配管と、後述する給水回路６０の水配管とが熱的に接触する構造である。

圧縮機１１の吐出管側には、圧力センサ４１が設けられており、高圧側圧力が検出される。また、室外熱交換器１３の冷媒出口側には、放熱器出口温度センサ４２が設けられており、室外熱交換器１３の冷媒出口温度が検出される。

室内熱交換器１６の冷媒出口側には、蒸発器出口温度センサ４３が設けられており、室内熱交換器１６の冷媒出口温度が検出される。さらに、室内熱交換器１６には、蒸発器温度センサ４４が設けられており、蒸発温度が検出される。

室内熱交換器１６が設置されている室内には、室内温度センサ４５が設けられており、室温が検出される。

（冷却水供給装置の構成）
冷却水供給装置５１は、冷却部である冷却塔６１、容量可変ポンプ６２が接続され給水回路６０が形成されている。冷却塔６１は、冷凍装置１の室外熱交換器１３で加熱された水を冷却し冷却水を生成する。容量可変ポンプ６２は、冷却塔６１から冷凍装置１の室外熱交換器１３へ冷却水を供給し、且つその冷却水の供給流量を増減する。

容量可変ポンプ６２は、インバータ制御により運転周波数が可変であり、冷却水の供給流量を増加させたいときは運転周波数を上げ、逆に、冷却水の供給流量を減少させたいときは運転周波数を下げる。

＜空気調和装置の動作＞
冷房運転時、室外熱交換器１３および室内熱交換器１６は、それぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の冷媒ガスが室外熱交換器１３に導入される。ここで、冷媒ガスと冷却水との熱交換が行われた後、中温・高圧ガスとなる。この中温・高圧ガスが室内膨張弁１５で減圧されて低温・低圧の二相冷媒となり、室内熱交換器１６に導入される。ここで室内空気と熱交換が行われた後、再び圧縮機１１に吸入される。

＜高圧側圧力の最適化＞
冷房運転時、外気温度が低くて冷却水の温度がＣＯ２冷媒の臨界温度３１．１℃に対して十分低い場合は、超臨界サイクルを回避できるため高い成績係数が得られる。一方、外気温が高く冷却水の温度がＣＯ２冷媒の臨界温度である３１．１℃に近いかもしくは越えている場合は、超臨界サイクルでの運転となるため高い成績係数が得られるように放熱器の冷媒出口温度に対して最適な高圧値に制御する必要がある。

図２は、ＣＯ２冷媒の圧力−エンタルピー線図である。図２に示すように、ＣＯ２冷媒の冷凍サイクルでは、室外熱交換器１３の冷媒出口温度に対して、成績係数が最大となる高圧側圧力の最適圧力が存在する。換言すれば、高圧側圧力を冷媒出口温度に応じた最適圧力に調節することによって、最高の成績係数が得られる。本実施形態では、圧力センサ４１が検出する高圧側圧力が最適圧力に近づくように、冷却水の供給流量を調節する。

図３は、高圧側圧力制御のフローチャートである。制御装置４はステップＳ１で、室内温度センサ４５によって室温Ｔｒを検出する。ステップＳ２では、室温Ｔｒが設定値Ｔｒｓになっているか否かを判定する。ステップＳ２の判定がＹｅｓである場合はステップＳ３へ進み、Ｎｏである場合はステップＳ２１へ進む。

ステップＳ２１では、室温Ｔｒが設定値Ｔｒｓを超過しているか否かを判定する。ステップＳ２１の判定がＹｅｓである場合は、ステップＳ２２へ進み、圧縮機周波数ＦｃをΔＦｃだけ増加させた後、ステップＳ３へ進む。

一方、ステップＳ２１の判定がＮｏである場合は、ステップＳ２３へ進み、圧縮機周波数ＦｃをΔＦｃだけ減少させた後、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、蒸発器温度センサ４４および蒸発器出口温度センサ４３によって、蒸発温度Ｔｅおよび蒸発器出口温度Ｔｅｇを検出する。ステップＳ４では、蒸発器出口過熱度ＳＨを算出する。なお、蒸発器出口過熱度ＳＨは、蒸発器出口温度Ｔｅｇと蒸発温度Ｔｅとの差である。ステップＳ５では、蒸発器出口過熱度ＳＨが設定値ＳＨｓになっているか否かを判定する。ステップＳ５の判定がＹｅｓである場合はステップＳ６へ進み、Ｎｏである場合はステップＳ５１へ進む。

ステップＳ５１では、蒸発器出口過熱度ＳＨが設定値ＳＨｓを超過しているか否かを判定する。ステップＳ５１の判定がＹｅｓである場合は、ステップＳ５２へ進み、膨張弁１５の開度ＥＶをΔＥＶだけ増加させた後、ステップＳ６へ進む。

一方、ステップＳ５１の判定がＮｏである場合は、ステップＳ５３へ進み、膨張弁１５の開度ＥＶをΔＥＶだけ減少させた後、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、放熱器出口温度センサ４２および圧力センサ４１によって、放熱器出口温度Ｔｇｃおよび高圧Ｐｈを検出する。ステップＳ７では、高圧最適値Ｐａを設定する。ステップＳ８では、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａになっているか否かを判定する。ステップＳ８の判定がＹｅｓである場合はステップＳ１へ戻り、Ｎｏである場合はステップＳ８１へ進む。

ステップＳ８１では、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａを超過しているか否かを判定する。ステップＳ８１の判定がＹｅｓである場合は、ステップＳ８２へ進み、冷却水循環量ＭｗをΔＭｗだけ増加させた後、ステップＳ１へ戻る。

一方、ステップＳ８１の判定がＮｏである場合はステップＳ８３へ進み、冷却水循環量ＭｗをΔＭｗだけ減少させた後、ステップＳ１へ戻る。

上記の制御フローによって、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａとなるように調節される。

＜第１実施形態の特徴＞
空気調和装置１００は、冷凍装置１と、冷却水供給装置５１と、制御装置４とを備えている。冷凍装置１は、高圧側の冷媒から冷却水に対して放熱を行わせる室外熱交換器１３を有する。冷却水供給装置５１は、容量可変ポンプ６２によって室外熱交換器１３へ冷却水を供給する。制御装置４は、放熱器出口温度Ｔｇｃに対して冷凍装置１の成績係数がほぼ最大となる高圧最適値Ｐａを予め記憶しており、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａとなるように、容量可変ポンプ６２によって冷却水の供給流量を調節する。

この空気調和装置１００では、容量可変ポンプ６２によって冷却水の供給流量が増減すると、冷媒と冷却水との熱交換量が増減し、高圧Ｐｈが増減する。このため、容量可変ポンプ６２を制御し高圧Ｐｈを高圧最適値Ｐａへ近づけることによって、成績係数が向上する。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係る空気調和装置の構成図である。なお、実施形態１と同じ部品には同一の符号を付し説明を省略する。空気調和装置２００では、冷却水供給装置５１の冷却水供給流量が、定容量ポンプ６３と流量制御弁６４とによって調節される。定容量ポンプ６３は、容量可変ではないが十分な冷却水を供給することができる。流量制御弁６４は、弁開度を増減することによって冷却水の供給流量を調節する。

したがって、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａを上回っている場合は、冷却水の供給流量を増加させるため、流量制御弁６４の弁開度を大きくする。冷却水の供給流量が増加すると、室外熱交換器１３におけるＣＯ２冷媒と冷却水との熱交換が促進されて高圧側圧力が降下する。これによって、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａへ近づく。

また、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａを下回っている場合は、冷却水の供給流量を減少させるため、流量制御弁６４の弁開度を小さくする。冷却水の供給流量が減少すると、室外熱交換器１３におけるＣＯ２冷媒と冷却水との熱交換が抑制されて高圧Ｐｈが上昇する。これによって、高圧Ｐｈが高圧最適値Ｐａへ近づく。

＜第２実施形態の特徴＞
空気調和装置２００では、冷却水供給装置５１が、冷却水を冷却する冷却塔６１と、冷却塔６１から室外熱交換器１３へ冷却水を供給する定容量ポンプ６３と、冷却水の供給流量を調節する流量制御弁６４とを有する。流量制御弁６４によって冷却水の供給流量が増減すると、冷媒と冷却水との熱交換量が増減し、高圧Ｐｈが増減する。このため、流量制御弁６４を制御し高圧Ｐｈを高圧最適値Ｐａへ近づけることによって、成績係数が向上する。

〔第３実施形態〕
図５は、本発明の第３実施形態に係る空気調和装置の構成図である。なお、実施形態１と同じ部品には同一の符号を付し説明を省略する。空気調和装置３００の冷凍装置１では、室外熱交換器２３が熱交換器２３ａと熱交換器２３ｂとの２つに分割されている。熱交換器２３ａは冷房運転時の冷媒流れの上流側に位置し、熱交換器２３ｂは冷房運転時の冷媒流れの下流側に位置する。

冷却水供給装置５１では、冷却水が熱交換器２３ｂの冷媒出口側から熱交換器２３ａの冷媒入口側へ流れるように、給水回路６０が形成されている。このため、冷却水が、冷媒流れの下流側から上流側に向ってながれ、冷却水流れと冷媒流れが対向するようになり、冷却水と冷媒との熱交換が促進される。また、冷却直後の冷却水が、冷媒出口側の冷媒を冷却するので冷媒出口温度が低くなる。

熱交換器２３ｂを出た冷却水は２方向に分岐され、一方は熱交換器２３ａの冷却水入口へ入り、他方は熱交換器２３ａの冷却水出口へ迂回するバイパス７０へ入る。バイパス７０の途中に流量制御弁６４が設けられている。この流量制御弁６４の開度を増減することによって、熱交換器２３ａにおける冷却水と冷媒との熱交換量が増減され、高圧Ｐｈが調節される。

例えば、流量制御弁６４の開度を大きくすると、バイパス７０へ流れる冷却水が増えるので、熱交換器２３ａに流れる冷却水が減る。このため、熱交換器２３ａにおける冷却水と冷媒との熱交換が抑制され、高圧Ｐｈが高くなる。

一方、流量制御弁６４の開度を小さくすると、バイパス７０へ流れる冷却水が減るので、熱交換器２３ａに流れる冷却水が増える。このため、熱交換器２３ａにおける冷却水と冷媒との熱交換が促進され、高圧Ｐｈが低くなる。

＜第３実施形態の特徴＞
（１）
空気調和装置３００では、室外熱交換器２３に入った冷却水が、室外熱交換器２３における冷媒流れの下流側から上流側に向って流れる。冷却水が冷媒の流れる方向と対向するように流れるので、冷却水は上流側から下流側に進むにしたがって温度上昇する。このため、温度上昇前の低温の冷却水が、冷媒出口側の冷媒を冷却するので冷媒出口温度が低くなり冷凍能力が向上する。また、放熱工程の全域を通じて冷媒温度と冷却水温度との差が適正に維持され、熱交換性能が向上する。

（２）
空気調和装置３００は、冷却水供給装置５１が、バイパス７０と、バイパス７０の途中に設けられる流量制御弁６４とを有している。バイパス７０は、冷却水を熱交換器２３ｂの冷却水出口から熱交換器２３ａの冷却水出口へ直接迂回させる。そして、流量制御弁６４の開度を増減することによって、熱交換器２３ａにおける冷却水と冷媒との熱交換量が増減され、高圧Ｐｈが増減する。このため、流量制御弁６４を制御し高圧Ｐｈを高圧最適値Ｐａへ近づけることができ、成績係数が向上する。

以上のように、本発明によれば常に成績係数が最大となるように制御され実負荷に応じて効率よく能力が発揮されるので、空気調和装置に有用である。

本発明の第１実施形態に係る空気調和装置の構成図。 ＣＯ２冷媒の圧力−エンタルピー線図。 高圧側圧力制御のフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る空気調和装置の構成図。 本発明の第３実施形態に係る空気調和装置の構成図。

符号の説明

１ 冷凍装置
４ 制御装置
１３，２３ 室外熱交換器（放熱器）
５１ 冷却水供給装置
６１ 冷却塔（冷却部）
６２ 容量可変ポンプ
６３ 定容量ポンプ
６４ 流量制御弁
１００，２００，３００ 空気調和装置

Claims (5)

1. 高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる水冷式の空気調和装置であって、
   前記高圧側の冷媒から冷却水に対して放熱を行わせる放熱器（１３，２３）を有する冷凍装置（１）と、
   前記放熱器（１３，２３）へ前記冷却水を供給する冷却水供給装置（５１）と、
   前記放熱器（１３，２３）の冷媒出口温度に対して前記冷凍装置（１）の成績係数がほぼ最大となる高圧側の最適圧力を予め記憶しており、前記高圧側圧力が前記最適圧力となるように、前記冷却水の供給流量を調節する制御装置（４）と、
   を備えた空気調和装置（１００，２００，３００）。
2. 前記冷却水供給装置（５１）は、前記冷却水を冷却する冷却部（６１）と、前記冷却部（６１）から前記放熱器（１３，２３）へ前記冷却水を供給し且つ前記冷却水の供給流量を可変する容量可変ポンプ（６２）とを有する、
   請求項１に記載の空気調和装置（１００）。
3. 前記冷却水供給装置（５１）は、前記冷却水を冷却する冷却部（６１）と、前記冷却部（６１）から前記放熱器（１３，２３）へ前記冷却水を供給する定容量ポンプ（６３）と、前記冷却水の供給流量を調節する流量制御弁（６４）とを有する、
   請求項１に記載の空気調和装置（２００）。
4. 前記放熱器（１３，２３）に入った前記冷却水は、前記放熱器（１３，２３）における冷媒流れの下流側から上流側に向って流れる、
   請求項１に記載の空気調和装置（１００，２００，３００）。
5. 前記冷却水供給装置（５１）は、前記放熱器（２３）の冷却水入口から前記放熱器（２３）の冷却水出口に至る管路の途中から前記冷却水を前記冷却水出口へ直接迂回させるバイパス（７０）と、前記バイパス（７０）の途中に設けられる流量制御弁（６４）とを有している、
   請求項４に記載の空気調和装置（３００）。