特許 7499615 空気調和システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-06

(45)【発行日】2024-06-14

(54)【発明の名称】空気調和システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20240607BHJP

   F24F 11/873 20180101ALI20240607BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 321B

F25B1/00 331E

F24F11/873

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020097373

(22)【出願日】2020-06-04

(65)【公開番号】P2021188878

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-05-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000236056

【氏名又は名称】三菱電機ビルソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】和田 恵美

(72)【発明者】

【氏名】大山 晃

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２２８９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国実用新案第２０８３５０２４１（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開２００７－２３２２４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００－４９／０４

Ｆ２４Ｆ １／００－１３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エアハンドリングユニットから給気する空気を冷却する空気調和システムであって、
運転容量が可変である圧縮機と、前記圧縮機によって吐出された冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器において凝縮された冷媒液を過冷却する過冷却熱交換器と、前記過冷却熱交換器において過冷却された冷媒液を膨張する膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された気液混合冷媒を蒸発させて前記エアハンドリングユニットから給気する空気を冷却する蒸発器と、を有する主回路と、
前記主回路の前記過冷却熱交換器と前記膨張弁との間と、前記蒸発器と前記圧縮機との間とを接続し、前記過冷却熱交換器において過冷却された冷媒液の一部を膨張するバイパス回路膨張弁を有し、前記バイパス回路膨張弁によって膨張された気液混合冷媒を前記過冷却熱交換器で蒸発させるバイパス回路と、
前記バイパス回路膨張弁の開度を制御する制御装置と、
を備え、
前記過冷却熱交換器には、前記過冷却熱交換器において蒸発する気液混合冷媒を加熱する加熱器が設けられ、
前記加熱器は、出力を制御可能な電気ヒータであって、
前記制御装置は、前記エアハンドリングユニットからの給気温度が設定温度よりも低く、前記圧縮機の回転数が最低回転数を含む所定範囲以下の場合には、前記バイパス回路膨張弁を開いて前記主回路の冷媒液を過冷却し、前記主回路の冷媒液の過冷却度が設定過冷却度以上の場合には、前記電気ヒータをОＮとし、前記過冷却度が前記設定過冷却度となるように前記電気ヒータの出力を調節する、
空気調和システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エアハンドリングユニットから給気する空気を冷却する空気調和システムに関する。

【背景技術】

【0002】

空気調和システムは、エアハンドリングユニットにおいて空気を冷却して恒温室等に給気するシステムである（例えば、特許文献１）。空気調和システムでは、空気を冷却する際に蒸気圧縮式冷凍サイクルが用いられる。空気調和システムでは、圧縮機の駆動モータの周波数（回転数）を制御することによって圧縮機の運転容量を制御して、恒温室の冷房負荷に対応している。

【0003】

空気調和システムでは、圧縮機が低回転数では運転できないため、圧縮機が低回転数になると圧縮機を停止する制御を行う。そのため、恒温室の冷房負荷が低い場合には、圧縮機の停止、運転が繰り返され、恒温室への給気温度を設定温度に保つことが困難となる。

【0004】

そこで、空気調和システムでは、エアハンドリングユニットにおいて空気を過冷却して、別途エアハンドリングユニットに設けられた電気ヒータによって過冷却した空気を再加熱している。これにより、圧縮機を連続運転させながら恒温室への給気温度を設定温度に保つことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０２０－０２０４８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、上記空気調和システムにおける過冷却、及び電気ヒータによる再加熱は、不要なエネルギーを消費していることになる。また、エアハンドリングユニット内のスペースが狭く別途電気ヒータを設けることができない場合もある。

【0007】

本発明の目的は、冷房負荷が低い場合であっても電気ヒータによって再加熱することなく圧縮機を連続運転することができる空気調和システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る空気調和システムは、エアハンドリングユニットから給気する空気を冷却する空気調和システムであって、運転容量が可変である圧縮機と、圧縮機によって吐出された冷媒ガスを凝縮させる凝縮器と、凝縮器において凝縮された冷媒液を過冷却する過冷却熱交換器と、過冷却熱交換器において過冷却された冷媒液を膨張する膨張弁と、膨張弁によって膨張された気液混合冷媒を蒸発させてエアハンドリングユニットから給気する空気を冷却する蒸発器と、を有する主回路と、主回路の過冷却熱交換器と膨張弁との間と、蒸発器と圧縮機との間とを接続し、過冷却熱交換器において過冷却された冷媒液の一部を膨張するバイパス回路膨張弁を有し、バイパス回路膨張弁によって膨張された気液混合冷媒を過冷却熱交換器で蒸発させるバイパス回路と、を備え、過冷却熱交換器には、過冷却熱交換器において蒸発する気液混合冷媒を加熱する加熱器が設けられる。

【0009】

本発明に係る空気調和システムにおいて、バイパス回路膨張弁の開度を制御する制御装置をさらに備え、制御装置は、エアハンドリングユニットからの給気温度が設定温度よりも低く、圧縮機の回転数が最低回転数の場合には、バイパス回路膨張弁を開いて主回路の冷媒液を過冷却することが好適である。

【0010】

本発明に係る空気調和システムにおいて、加熱器は、出力を制御可能な電気ヒータであって、制御装置は、主回路の冷媒液の過冷却度が設定過冷却度以下の場合には、電気ヒータをОＮとし、過冷却度が設定過冷却度となるように電気ヒータの出力を調節することが好適である。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る空気調和システムによれば、冷房負荷が低い場合であっても電気ヒータによって再加熱することなく圧縮機を連続運転することができる。これにより、エアハンドリングユニットに別途電気ヒータを設けなくてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態の一例である空気調和システムの構成を示す冷媒回路図である。

【図2】本実施形態の一例である過冷却熱交換器を示す模式図である。

【図3】本実施形態の一例である制御装置の構成を示すブロック図である。

【図4】本実施形態の一例である冷却制御の一例の流れを示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、方向、数値等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等に合わせて適宜変更することができる。

【0014】

図１を用いて、本実施形態の一例である空気調和システム１０について説明する。図１は、空気調和システム１０の構成を示す冷媒回路図である。また、図１に記載された矢印は、冷媒の流れる向きを示している。

【0015】

空気調和システム１０は、エアハンドリングユニット６０において空気を冷却して恒温室８０に給気するシステムである。空気調和システム１０では、空気を冷却する際に蒸気圧縮式冷凍サイクルが用いられる。空気調和システム１０によれば、詳細は後述するが、冷房負荷が低い場合であってもエアハンドリングユニット６０に電気ヒータを設けて再加熱することなく圧縮機１１を連続運転することができる。これにより、エアハンドリングユニット６０に別途電気ヒータを設けなくてもよい。

【0016】

空気調和システム１０は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成する主回路２０と、主回路２０に設けられて主回路２０の冷媒液を過冷却させる過冷却熱交換器３０と、主回路２０の冷媒液の一部を膨張させて過冷却熱交換器３０において蒸発させるバイパス回路４０と、空気調和システム１０の各機器を制御する制御装置５０（図３参照）とを有する。

【0017】

主回路２０は、駆動モータの周波数を制御することで運転容量（回転数）を制御する圧縮機１１と、圧縮機１１によって吐出された冷媒ガス中に含まれる冷凍機油を分離する油分離器１２と、圧縮機１１によって吐出された冷媒ガスを室外空気と熱交換して凝縮させる凝縮器としての空冷凝縮器１３と、空冷凝縮器１３に向けて外気空気を送風する送風機１４と、空冷凝縮器１３において凝縮された冷媒液を一時的に貯える受液器１５とを有する。空冷凝縮器１３の出口には、圧力センサー１６が設けられる。

【0018】

さらに、主回路２０は、空冷凝縮器１３において凝縮された冷媒液を過冷却する過冷却熱交換器３０と、主回路２０を遮断する主回路電磁弁１７と、過冷却熱交換器３０において過冷却された冷媒液を膨張する主回路膨張弁１８と、主回路膨張弁１８で膨張された気液混合冷媒を蒸発させてエアハンドリングユニット６０内の空気を冷却する蒸発器としての空気冷却器１９と、空気冷却器１９で蒸発された冷媒ガスに含まれる冷媒液を冷媒ガスから分離するアキュームレータ２１とを有する。空気冷却器１９の入口及び出口には、それぞれ温度センサー２２、２３が設けられる。

【0019】

過冷却熱交換器３０には、電気ヒータ３３が設けられる。また、主回路２０の過冷却熱交換器３０の出口には、温度センサー２４が設けられる。過冷却熱交換器３０及び電気ヒータ３３について詳細は後述する。

【0020】

バイパス回路４０は、主回路２０の過冷却熱交換器３０と主回路電磁弁１７との間と、空気冷却器１９とアキュームレータ２１との間を接続する回路である。バイパス回路４０は、バイパス回路４０を遮断するバイパス回路電磁弁４１と、過冷却熱交換器３０において過冷却された冷媒液の一部を膨張するバイパス回路膨張弁４２とを有し、バイパス回路膨張弁４２で膨張された気液混合冷媒を過冷却熱交換器３０で蒸発させる。

【0021】

バイパス回路４０の過冷却熱交換器３０の入口には、温度センサー４３が設けられる。また、主回路２０とバイパス回路４０との接続部の下流側には、温度センサー４４が設けられる。

【0022】

また、空気調和システム１０は、恒温室８０の室内空気が設定温度になるように冷却した空気を給気するエアハンドリングユニット６０と、室外に設置されてエアハンドリングユニット６０に熱源を供給するコンデンシングユニット７０とを備える。

【0023】

エアハンドリングユニット６０は、恒温室８０の室内空気が設定温度になるように恒温室８０から還気した空気を冷却して恒温室８０に給気するユニットである。エアハンドリングユニット６０は、外部から空気を取り込む構成であってもよい。

【0024】

エアハンドリングユニット６０は、恒温室８０から還気された空気を取り込む還気口６１と、恒温室８０に空気を給気する給気口６２と、給気口６２の上流に設けられ、エアハンドリングユニット６０内に通風経路を形成する送風機６３と、送風機６３の上流に設けられる主回路２０の空気冷却器１９とが収容される。還気口６１及び給気口６２の近傍には、温度センサー６４、６５がそれぞれ設けられる。

【0025】

コンデンシングユニット７０には、上述した主回路２０の圧縮機１１、油分離器１２、空冷凝縮器１３、送風機１４、受液器１５、圧力センサー１６及びアキュームレータ２１等の機器が架台に取付けられて収容される。

【0026】

恒温室８０は、クリーンルーム、製品試験室、製品製造室等として利用される。恒温室８０にはエアハンドリングユニット６０で冷却された空気が給気され、恒温室８０からエアハンドリングユニット６０に空気が還気される。

【0027】

図２を用いて、過冷却熱交換器３０について説明する。図２は、過冷却熱交換器３０を示す模式図である。また、図２に記載された矢印は、冷媒の流れの向きを示している。

【0028】

過冷却熱交換器３０は、バイパス回路４０のバイパス回路膨張弁４２によって膨張された気液混合冷媒が蒸発することによって、主回路２０の空冷凝縮器１３において凝縮された冷媒液を過冷却する共に電気ヒータ３３の加熱による熱を奪う熱交換器である。

【0029】

図２に示すように、過冷却熱交換器３０は、シェルアンドチューブ式の熱交換器であって、円筒状のシェル３１と、シェル３１の内部に配置された円管状のチューブ３２と、シェル３１の外周に設けられた加熱器としての電気ヒータ３３とを有する。

【0030】

シェル３１では、入口３１Ａがバイパス回路４０のバイパス回路膨張弁４２に接続され、出口３１Ｂがバイパス回路４０の主回路２０との合流部分に接続され、バイパス回路膨張弁４２によって膨張された気液混合冷媒が蒸発する。チューブ３２では、入口３２Ａが主回路２０の受液器１５に接続され、出口３２Ｂが主回路２０のバイパス回路４０の分岐部分に接続され、空冷凝縮器１３において凝縮された冷媒液が過冷却される。

【0031】

加熱器としての電気ヒータ３３は、出力としての温度を制御可能に構成される。電気ヒータ３３は、例えばサイリスタ制御によって出力電圧を制御して温度を制御可能に構成される。電気ヒータ３３は、シェル３１の下部に設けられてもよく、シェル３１の外周に亘って設けられてもよい。

【0032】

図３を用いて、制御装置５０の構成について説明する。図３は、制御装置５０の構成を示すブロック図である。

【0033】

制御装置５０は、上述したように空気調和システム１０の各機器を制御する装置である。制御装置５０は、例えばエアハンドリングユニット６０に隣接した制御盤に収容される。制御装置５０には、制御を実行する演算処理装置としてのＣＰＵと、ＣＰＵに接続される記憶装置としてのＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）とが搭載される。

【0034】

図３に示すように、制御装置５０は、圧力センサー１６、温度センサー２２、２３、２４、４３、４４、６４、６５が接続され、これらのセンサーからの圧力値又は温度の検知信号が送信される。また、制御装置５０は、圧縮機１１、主回路膨張弁１８、電気ヒータ３３、バイパス回路電磁弁４１及びバイパス回路膨張弁４２に接続され、これらの機器を制御する。

【0035】

図４を用いて、本実施形態の空気調和システム１０による冷却制御の一例の流れについて説明する。図４は、冷却制御の流れを示すフロー図である。

【0036】

空気調和システム１０による冷却制御は、エアハンドリングユニット６０の給気温度が設定温度まで冷却されるように、制御装置５０によって各機器を調節するものである。冷却制御によれば、冷房負荷が低い場合であっても圧縮機１１を連続運転しながら、エアハンドリングユニット６０の給気温度を設定温度まで冷却して設定温度に保つことができる。

【0037】

制御装置５０は、ステップＳ１１において温度センサー６５によって検知されたエアハンドリングユニット６０の給気温度が、制御装置５０に設定された設定温度よりも高いかどうかを確認する。

【0038】

給気温度が設定温度よりも高い場合には、ステップＳ１２においてバイパス回路電磁弁４１をОＦＦとすると共にバイパス回路膨張弁４２の開度を０としてバイパス回路４０を遮断し、電気ヒータ３３をОＦＦとし、給気温度が設定温度になるように圧縮機１１の回転数及び主回路膨張弁１８の開度を調節する。

【0039】

ステップＳ１２では、例えば、温度センサー２３によって検出される空気冷却器１９の出口の冷媒ガスの温度と、温度センサー２２によって検出される空気冷却器１９の入口の気液混合冷媒の温度との差から空気冷却器１９の出口の冷媒ガスの過熱度を算出し、当該過熱度が設定過熱度となるように主回路膨張弁１８の開度を調節する。これにより、空気冷却器１９の出口の冷媒ガスの過熱度を最適な過熱度によって空気調和システム１０を運転することができ、空気調和システム１０のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：エネルギー消費効率）を向上することができる。

【0040】

制御装置５０は、エアハンドリングユニット６０の給気温度が設定温度以下の場合には、ステップＳ１３において圧縮機１１への指令回転数が最低回転数以下かどうかを確認する。圧縮機１１の最低回転数とは、圧縮機１１が運転できる範囲の回転数のうちの最低回転数であって、圧縮機１１を駆動する駆動電動機の周波数である。制御装置５０は、ステップＳ１３において圧縮機１１の指令回転数が最低回転数を含む所定範囲以下かどうかを確認してもよい。

【0041】

制御装置５０は、圧縮機１１の回転数が最低回転数以下の場合には、ステップＳ１４においてバイパス回路電磁弁４１をОＮとすると共にバイパス回路膨張弁４２の開度を調節する。このとき、温度センサー４４によって検出される主回路２０とバイパス回路４０との合流後の冷媒ガスの温度と、温度センサー４３によって検出されるバイパス回路４０の過冷却熱交換器３０の入口の冷媒液温度との差から上記合流後の冷媒ガスの過熱度を算出し、当該過熱度が設定過熱度となるようにバイパス回路膨張弁４２の開度を調節する。これにより、バイパス回路４０に流れる冷媒循環量を最適な循環量とすることができる。

【0042】

制御装置５０は、ステップＳ１５において、主回路２０の冷媒液の過冷却度が設定過冷却度以上であるかを確認する。主回路２０の冷媒液の過冷却度は、圧力センサー１６によって検知される圧力の飽和蒸気圧温度を演算したものから温度センサー２２で検出される過冷却熱交換器３０の出口の冷媒液の温度を差し引いて算出される。設定過冷却度は、予め制御装置５０に設定されている。

【0043】

ステップＳ１５において、主回路２０の冷媒液の過冷却度が設定過冷却度以上の場合には、過冷却熱交換器３０においてバイパス回路４０の気液混合冷媒の蒸発に対する熱量が不足している。そこで、制御装置５０は、ステップＳ１６において、電気ヒータ３３をОＮとして、主回路２０の冷媒液の過冷却度が設定過冷却度となるように電気ヒータ３３の温度を調整する。

【0044】

空気調和システム１０によれば、恒温室８０の冷房負荷が低い場合であっても圧縮機１１を連続運転しながらエアハンドリングユニット６０から給気する空気を冷却することができる。これにより、エアハンドリングユニット６０内に別途電気ヒータを設ける必要がない。また、エアハンドリングユニット６０のスペースが狭く別途電気ヒータを設けることができない場合であっても、高精度な温度制御を実現することができる。

【0045】

なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0046】

１０ 空気調和システム、１１ 圧縮機、１２ 油分離器、１３ 空冷凝縮器（凝縮器）、１４ 送風機、１５ 受液器、１６ 圧力センサー、１７ 主回路電磁弁、１８ 主回路膨張弁（膨張弁）、１９ 空気冷却器（蒸発器）、２０ 主回路、２１ アキュームレータ、２２、２３、２４ 温度センサー、３０ 過冷却熱交換器、３１ シェル、３２ チューブ、３３ 電気ヒータ（加熱器）、４０ バイパス回路、４１ バイパス回路電磁弁、４２ バイパス回路膨張弁、４３、４４ 温度センサー、５０ 制御装置、６０ エアハンドリングユニット、６１ 還気口、６２ 給気口、６３ 送風機、６４、６５ 温度センサー、７０ コンデンシングユニット、８０ 恒温室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】