JP3717503B2

JP3717503B2 - 冷媒自然循環式冷房システム

Info

Publication number: JP3717503B2
Application number: JP2003424897A
Authority: JP
Inventors: 節夫兼田; 直人隅; 康介西端
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005180861A

Description

本発明は、凝縮器と、室内空調機や冷却装置などに備えられている利用側熱交換器との間で、気体と液体とに相変化する冷媒を自然循環により流動させて冷房を行う冷媒自然循環式冷房システムに関する。

上述のような冷媒自然循環式冷房システムでは、冷媒液配管内に冷媒ガスが存在すると冷媒の自然循環が損なわれ、土日の間など比較的長時間冷房運転を停止した後に冷房運転を起動したときに、冷媒液配管内に発生した冷媒ガスを抜くのに時間を要し、実際に所定温度の温調空気が吹き出されるまでに時間がかかる問題があった。

そこで、冷媒液配管内に混入した冷媒ガスを抜くものとして、従来、次のようなものがあった。
最も下方に位置する室内機への入口付近において、冷媒液配管内の圧力を測定する圧力センサを設け、冷房運転が停止されている間中、冷媒液配管内の圧力をモニタリングし、その測定圧力が所定圧力よりも低くなったときに膨張弁を開き、冷媒液配管内に発生した冷媒ガスを抜くように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２９２０２５号

しかしながら、従来の場合、冷媒液配管内に冷媒ガスが発生したことを検知するために高価な圧力センサを用いて冷房運転が停止している間中モニタリングしているにもかかわらず、「冷媒液配管内の冷媒ガス抜き制御」よりも「冷媒ガス配管内に冷媒液が侵入することを防止する」ことを優先させているため、「冷媒液配管内の冷媒ガス抜き制御」が作動しないことがある。その結果、冷房運転の停止が長時間に及ぶ場合には、「冷媒ガス配管内の冷媒液の存在が解消」されて「冷媒液配管内の冷媒ガス抜き制御」がやっと作動した時には、冷媒液配管内には冷媒ガスが充満されてしまっており、冷房運転を再開した時に、所定温度の温調空気を吹き出すまでに時間がかかったり、あるいは、再開できないといった不都合があった。
これは、冷媒液が冷媒ガス配管内に侵入する原因として、「冷媒液配管内の冷媒ガス抜き制御」を行っている室内機自身からの冷媒液の冷媒ガス配管内への侵入だけでなく、他の室内機からの冷媒液の冷媒ガス配管内への侵入（回り込み）があるためである。
したがって、定常冷房運転状態においては、「冷媒ガス配管内に冷媒液が侵入することを防止する」ことは、当然考慮すべきではあるが、冷房運転の起動時には、所定温度の温調空気を迅速に吹き出すために、「冷媒ガス配管内の冷媒液の存在」よりも「冷媒液配管内の冷媒ガスの存在を解消する」ことを最優先すべきなのである。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、簡単な改良で、冷房運転の起動時に、良好に所定温度の温調空気を迅速に吹き出させることができるようにすることを目的とする。

本発明は、上述のような目的を達成するために、
気体と液体とに相変化する冷媒を蒸発気化して冷熱を放熱する利用側熱交換器と、冷媒を凝縮液化する凝縮器とを冷媒液配管と冷媒ガス配管とを介して接続し、前記凝縮器を前記利用側熱交換器よりも上方に配置し、前記凝縮器と前記利用側熱交換器との間に、自然循環により前記凝縮器で凝縮液化した冷媒液を前記利用側熱交換器に移送するとともに、前記利用側熱交換器で蒸発気化した冷媒ガスを前記凝縮器に移送するに足るヘッド差を備え、前記冷媒液配管に、前記利用側熱交換器に供給する冷媒液量を調整する電子膨張弁を設けた冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
前記電子膨張弁として、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上の開き可能開度を有するものを選定し、
前記利用側熱交換器から吹き出される温調空気の給気温度を測定する給気温度センサと、
前記利用側熱交換器に戻される温調空気の還気温度を測定する還気温度センサと、
前記還気温度センサで測定される還気温度と前記給気温度センサで測定される給気温度との差を算出する温度差算出手段と、
前記温度差算出手段で算出された温度差が定常冷房運転状態に移行可能な状態と判断できる定常移行温度差になったときに定常冷房運転移行信号を出力する比較手段と、
冷房運転の起動時には、冷房運転起動信号に応答して前記電子膨張弁の開度を開き可能開度まで開き、かつ、定常冷房運転状態への切り換えに際しては、前記比較手段からの定常冷房運転移行信号に応答して前記電子膨張弁の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換える開度制御手段とを備えて構成する。

開き可能開度としては、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上の開度であれば良い。通常１．２〜１．３倍であるのに対して、１．５倍以上とすることで、冷媒液配管内の冷媒ガスを早期に流動させて抜くことができるからである。好ましくは２倍以上であり、１０倍以上であっても良い。
定常移行温度差としては、温度センサの取付位置や応答性の良し悪しなどによってバラツキがあるが、定常冷房運転状態での温度差（例えば、１０℃）をＴとしたときに、その２５〜５０％（０．２５〜０．５Ｔ）である。２５％未満では、冷媒ガスの抜けが不十分になり、５０％を越えると、定常冷房運転状態に移行する前に、冷媒液が冷媒ガス配管内に流れ込む、いわゆる液バックを生じやすくなるからである。

（作用・効果）
本発明の冷媒自然循環式冷房システムの構成によれば、電子膨張弁の開度に着目し、従来、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．２〜１．３倍程度であれば十分で、それ以上のものは不経済であるとして使用されていなかった従来観念を打破し、電子膨張弁として、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上の開度のものを用い、冷房運転の起動時に、電子膨張弁の開度を定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上に開き、冷媒液配管内の冷媒ガスを円滑に流動させることができる。
また、冷媒ガスが冷媒液配管内から抜けて冷媒が自然循環を開始し、定常冷房運転状態に移行可能であると判断したときに、電子膨張弁の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換えることができる。

したがって、電子膨張弁として、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上の開度のものを用いるという簡単な改良により、冷房運転の起動時に、電子膨張弁を大きく開いて、冷媒液配管内の冷媒ガスを円滑に流動させるから、冷媒液配管内の冷媒ガスを迅速に抜き、所定温度の温調空気を迅速に吹き出させることができる。
しかも、冷媒が自然循環を開始し、定常冷房運転状態に移行可能であると判断したときに、電子膨張弁の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換えるから、必要以上に電子膨張弁を大きく開いていて、冷媒液が冷媒ガス配管内に流動する液バックを生じさせてしまうことを抑制し、所定温度の温調空気を迅速かつ良好に吹き出させることができる。

次に、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例に係る冷媒自然循環式冷房システムを示す全体構成図であり、建物の各階それぞれに、冷房能力の異なる複数個の室内空調機１が設置されている。
室内空調機１は、気体と液体とに相変化する冷媒を蒸発気化して冷熱を放熱する利用側熱交換器２と、室内からの空気を吸い込んで利用側熱交換器２を通過させて吹き出す送風ファン３とを備えて構成されている。

最上階の室内空調機１よりも上方の位置に冷媒を凝縮液化する凝縮器４が設けられ、その凝縮器４と利用側熱交換器２とが冷媒液配管５と冷媒ガス配管６とを介して接続されている。
凝縮器４と利用側熱交換器２との間に、凝縮器４で凝縮液化した冷媒液を、自然循環により利用側熱交換器２に移送するとともに、利用側熱交換器２で蒸発気化した冷媒ガスを凝縮器４に移送するに足るヘッド差が備えられている。

冷媒液配管５の、利用側熱交換器２それぞれに近い箇所に、利用側熱交換器２に供給する冷媒液量を調整する電子膨張弁７が設けられている。
電子膨張弁５として、定常冷房運転状態で必要な最大開度（室内空調機１の空調能力に応じて特定される）の１．５倍以上の開き可能開度を有するものが選定されている。

室内空調機１において、図２の拡大図に示すように、利用側熱交換器２の温調空気の下流側に、利用側熱交換器２から吹き出される温調空気の給気温度を測定する給気温度センサ８が設けられ、送風ファン３の温調空気の上流側に、利用側熱交換器２に戻される温調空気の還気温度を測定する還気温度センサ９が設けられている。

また、冷媒液配管５の利用側熱交換器２への入口に近い箇所に冷媒温度を測定する第１の冷媒温度センサ１０が設けられ、一方、冷媒ガス配管６の利用側熱交換器２からの出口に近い箇所に冷媒温度を測定する第２の冷媒温度センサ１１が設けられている。

給気温度センサ８、還気温度センサ９、第１および第２の冷媒温度センサ１０，１１がコントローラ１２に接続され、コントローラ１２に電子膨張弁７および運転スイッチ１３が接続されている。
コントローラ１２には、図３の制御系のブロック図に示すように、温度差算出手段１４と、比較手段１５と、開度制御手段１６とが備えられている。

温度差算出手段１４では、還気温度センサ９で測定される還気温度と給気温度センサ８で測定される給気温度との差を算出するようになっている。
比較手段１５では、温度差算出手段１４で算出された温度差と設定値（０．３Ｔ）とを比較し、算出温度差が設定値以上になったときに定常冷房運転移行信号を出力するようになっている。

ここで、設定値（０．３Ｔ）としては、温度が定常冷房運転状態に移行可能な状態と判断できる定常移行温度差を設定する。詳述すれば、定常冷房運転状態での温度差Ｔ（通常、１０℃程度である）に対して３０％の値（０．３Ｔ）が設定される。この設定値としては、２５〜５０％の値を設定すれば良い。なぜならば、運転後に温度差が生じるというのは、冷媒ガスが抜けて冷媒が利用側熱交換器２に流動供給され始めたことを示す結果であり、これに伴って、自然循環が円滑に行われる状態に移行すると判断できるからである。

開度制御手段１６では、運転スイッチ１３からの冷房運転起動信号に応答して電子膨張弁７の開度を開き可能開度まで開き、かつ、温度差算出手段１４からの定常冷房運転移行信号に応答して電子膨張弁７の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換えるようになっている。

次に、上述制御動作につき、図４のフローチャートを用いて説明する。
先ず、運転スイッチ１３がＯＮされて運転信号が出力されているかどうかを判断する（Ｓ１）。
運転信号が出力されていれば、ステップＳ２に移行して、送風ファン３を駆動するなどの運転制御を行う。運転信号が出力されていなければ、ステップＳ１に戻る。

次いで、運転モードが冷房モードかどうかを判断する（Ｓ３）。
冷房モードで無ければ、暖房モードや換気モードなどの他の運転モードに移行する。冷房モードであれば、ステップＳ４に移行し、温度差ΔＴが設定温度差以上かどうか、すなわち、起動しているかどうかを判断する。
ステップＳ４において、温度差ΔＴが設定温度差以上で無い、すなわち、起動していないと判断したときには、ステップＳ５に移行して起動制御を行い、電子膨張弁７の開度を開き可能開度まで開く。その後、温度差ΔＴが設定温度差以上かどうか、すなわち、起動しているかどうかを判断し（Ｓ６）、起動していなければステップＳ１に戻し、起動制御を継続する。

ステップＳ４およびステップＳ６において、温度差ΔＴが設定温度差以上になった、すなわち、起動したと判断したときには、ステップＳ７に移行して定常制御を行い、電子膨張弁７の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換える。

以上の構成により、起動時には、必ず起動制御を行って冷媒液配管５内の冷媒ガスを迅速に抜き、早期に設定温度の温調空気を吹き出す冷房運転に移行できるようになっている。

また、図示しないが、コントローラ１２では、第１および第２の冷媒温度センサ１０，１１で測定される冷媒温度に基づいて、定常冷房運転状態での電子膨張弁７の開度を制御するようになっている。
すなわち、第２の冷媒温度センサ１１で測定される冷媒温度と第１の冷媒温度センサ１０で測定される冷媒温度との冷媒温度差を算出し、その冷媒温度差が第１の設定値（例えば、４）以下のときには、電子膨張弁７の開度を設定量開き、冷媒温度差が第２の設定値（例えば、１０）以上のときには、電子膨張弁７の開度を設定量閉じ、そして、冷媒温度差が第１の設定値と第２の設定値と間であるときには、電子膨張弁７の開度をそのままの状態に維持し、常に設定温度の温調空気を吹き出すことができるように冷房運転を行うようになっている。

電子膨張弁７としては、開度―冷媒流量の特性がリニアに近いものを使用する。これにより、定常冷房運転状態で必要な最大開度が３倍以上といった十分余裕を有するものを選定した場合に、冷媒液配管５内の冷媒ガスを迅速に抜くことができ、本発明の制御をより効果的に行うことができる。

また、室内空調機１の搬入後の起動テスト時などにおいて、例えば、電子膨張弁７の開度を２倍にし、前述温度差算出手段１４で設定温度差以上になるまでの時間を測定し、その時間が長ければ、開度を４倍に調整し、それでも長ければ、開度を８倍に調整するといったようにして、極力時間が短くなるように、開き可能開度を設定できる。
これにより、定常冷房運転状態で冷媒液を制御する上での電子膨張弁の必要な最大開度にかかわらず、起動時には、選定した電子膨張弁自体の最大開度を開き可能開度として、冷媒ガスを抵抗少なく流動させ、一層迅速にガス抜きを行うことができる。

また、例えば、ホテルなどのように、多量の冷媒が配管内を流動することに起因して、シュルシュルといった大きい流動音が発生することを抑制する必要がある場合には、選定した電子膨張弁自体の最大開度が大きくても、開き可能開度を定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍に近い開度に設定し、流動音の大きさを考慮しながら、極力時間が短くなるように、開き可能開度を設定してガス抜きを迅速に行うことができる。
したがって、空調場所に応じて好適に起動でき、しかも、それ自体の最大開度が同じ電子膨張弁でもって様々な空調場所に使用できるから、設計上での自由度が高くなり、設計を容易に行えるという効果を発揮させることができる。

本発明は、上述のように建物の複数階に多数の室内空調機１を設ける場合に限らず、例えば、ひとつの階に複数個の室内空調機１を設ける場合や、ひとつの室内空調機１を設ける場合、更には、冷却装置を設けるような場合にも適用できる。

本発明の実施例に係る冷媒自然循環式冷房システムを示す全体構成図である。室内空調機の拡大図である。制御系を示すブロック図である。起動制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２…利用側熱交換器
４…凝縮器
５…冷媒液配管
６…冷媒ガス配管
７…電子膨張弁
８…給気温度センサ
９…還気温度センサ
１４…温度差算出手段
１５…比較手段
１６…開度制御手段

Claims

気体と液体とに相変化する冷媒を蒸発気化して冷熱を放熱する利用側熱交換器と、冷媒を凝縮液化する凝縮器とを冷媒液配管と冷媒ガス配管とを介して接続し、前記凝縮器を前記利用側熱交換器よりも上方に配置し、前記凝縮器と前記利用側熱交換器との間に、自然循環により前記凝縮器で凝縮液化した冷媒液を前記利用側熱交換器に移送するとともに、前記利用側熱交換器で蒸発気化した冷媒ガスを前記凝縮器に移送するに足るヘッド差を備え、前記冷媒液配管に、前記利用側熱交換器に供給する冷媒液量を調整する電子膨張弁を設けた冷媒自然循環式冷房システムにおいて、
前記電子膨張弁として、定常冷房運転状態で必要な最大開度の１．５倍以上の開き可能開度を有するものを選定し、
前記利用側熱交換器から吹き出される温調空気の給気温度を測定する給気温度センサと、
前記利用側熱交換器に戻される温調空気の還気温度を測定する還気温度センサと、
前記還気温度センサで測定される還気温度と前記給気温度センサで測定される給気温度との差を算出する温度差算出手段と、
前記温度差算出手段で算出された温度差が定常冷房運転状態に移行可能な状態と判断できる定常移行温度差になったときに定常冷房運転移行信号を出力する比較手段と、
冷房運転の起動時には、冷房運転起動信号に応答して前記電子膨張弁の開度を開き可能開度まで開き、かつ、定常冷房運転状態への切り換えに際しては、前記比較手段からの定常冷房運転移行信号に応答して前記電子膨張弁の開度を定常冷房運転状態で必要な開度に切り換える開度制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷媒自然循環式冷房システム。