(57)【要約】【課題】ＣＯ2などのように装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍空調装置において、配管長の長短によらず、装置停止時の圧力上昇を抑制でき、高信頼性かつ低コストの冷凍空調装置を得る。【解決手段】室外機１と室内機２ａ、２ｂとを接続する液管７とガス管１０に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、液管とガス管の管内径比を設定する。【選択図】図１
2009139012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧縮機及び室外熱交換器を備える室外機と、室内熱交換器及び減圧装置を備える室内機と、前記室外機と前記室内機とを接続する配管として、任意の長さに設定される液管及びガス管とを備えた冷凍空調装置において、
冷媒として、冷凍空調装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒が用いられ、
前記室外熱交換器が放熱器、前記室内熱交換器が蒸発器となり前記室内熱交換器から冷熱を供給する運転において、前記液管と前記ガス管の長さに応じた冷媒充填量を設定する場合、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、前記液管と前記ガス管の管内径比を設定することを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
少なくとも圧縮機及び室外熱交換器を備える室外機と、室内熱交換器及び減圧装置を備える室内機と、前記室外機と前記室内機とを接続する配管として、任意の長さに設定される液管及びガス管とを備えた冷凍空調装置において、
冷媒として、冷凍空調装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒が用いられ、
前記室内熱交換器が放熱器、前記室外熱交換器が蒸発器となり前記室内熱交換器から温熱を供給する運転において、前記液管と前記ガス管の長さに応じた冷媒充填量を設定する場合、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、前記液管と前記ガス管の管内径比を設定することを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項３】
前記上限密度は、冷凍空調装置の設計圧力と、冷凍空調装置停止時の装置周囲温度の上限値とから推算することを特徴とする請求項１または２記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
少なくとも圧縮機及び室外熱交換器を備える室外機と、室内熱交換器及び室内側減圧装置を備える室内機と、前記室外機と前記室内機とを接続する配管として、任意の長さに設定される液管及びガス管とを備えた冷凍空調装置において、
冷媒として、冷凍空調装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒が用いられ、
前記室外熱交換器が放熱器、前記室内熱交換器が蒸発器となり前記室内熱交換器から冷熱を供給する運転において、前記液管と前記ガス管内の冷媒状態を制御する場合、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、前記液管の冷媒密度を制御する密度制御手段を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項５】
前記密度制御手段として、前記室外熱交換器と前記液管との間に室外側減圧装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の冷凍空調装置。
【請求項６】
前記密度制御手段として、前記室外熱交換器での熱交換量を調整する熱交換量調整手段または風量調整手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の冷凍空調装置。
【請求項７】
少なくとも圧縮機及び室外熱交換器を備える室外機と、室内熱交換器及び室内側減圧装置を備える室内機と、前記室外機と前記室内機とを接続する配管として、任意の長さに設定される液管及びガス管とを備えた冷凍空調装置において、
冷媒として、冷凍空調装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒が用いられ、
前記室内熱交換器が放熱器、前記室外熱交換器が蒸発器となり前記室内熱交換器から温熱を供給する運転において、前記液管と前記ガス管内の冷媒状態を制御する場合、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、前記液管の冷媒密度を制御する密度制御手段を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項８】
前記密度制御手段は、前記室内側減圧装置であることを特徴とする請求項７記載の冷凍空調装置。
【請求項９】
前記密度制御手段として、前記室内熱交換器での熱交換量を調整する熱交換量調整手段または風量調整手段を備えたことを特徴とする請求項７記載の冷凍空調装置。
【請求項１０】
冷凍空調装置に充填される冷媒量を調整する運転を実施する際に、前記密度調整手段にて、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように冷媒密度を制御することを特徴とする請求項４または７記載の冷凍空調装置。
【請求項１１】
冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍空調装置に関し、特に冷媒として、例えば二酸化炭素（ＣＯ2）などのように超臨界状態となる冷媒を用いる冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍空調装置に、冷媒としてＣＯ2を用いるとともに、運転状態に応じて装置を循環する冷媒量を調整する容器を備えて高効率運転を実現するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５３３４９号公報（第７―２０頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の冷凍空調装置では、充填した冷媒量が多くなると、以下のような問題があった。
ＣＯ2は臨界温度が３１℃であるため、３１℃以上の高温では超臨界状態で冷媒が存在する。冷凍空調装置の停止状態において、外気温度が３１℃以上である場合は、冷媒温度も３１℃以上となり冷媒は超臨界状態となる。冷媒の圧力は充填される冷媒量と冷媒温度と装置の内容積によって決定されるので、冷媒温度が高いほど、また充填される冷媒量が多いほど圧力が高くなる。従来の冷凍空調装置において、室外機と室内機を接続する液管、ガス管の長さは装置の配置状況によって変化し、配管長が長くなる場合、装置へ充填される冷媒量も多くなる。従って、装置の内容積に対して冷媒充填量が多いと、装置が停止しかつ外気が高温となった場合、装置内の冷媒圧力が上昇しやすくなり、装置の設計圧力以上となり装置の信頼性が低下する可能性があった。
また、このような状況を回避するには、配管長が長く冷媒充填量が増加する状況にあわせて装置の内容積を増加させるようにバッファ容器を設けることができるが、この場合、装置に接続される配管長が短い場合には、バッファ容器が無駄に大容量となり、装置のコストが上昇する問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題に鑑み、ＣＯ2などのように装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍空調装置において、配管長の長短によらず、装置停止時の圧力上昇を抑制でき、高信頼性かつ低コストの冷凍空調装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る冷凍空調装置は、少なくとも圧縮機及び室外熱交換器を備える室外機と、室内熱交換器及び減圧装置を備える室内機と、前記室外機と前記室内機とを接続する配管として、任意の長さに設定される液管及びガス管とを備えた冷凍空調装置において、
冷媒として、冷凍空調装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒が用いられ、
前記室外熱交換器が放熱器、前記室内熱交換器が蒸発器となり前記室内熱交換器から冷熱を供給する運転において、前記液管と前記ガス管の長さに応じた冷媒充填量を設定する場合、前記液管と前記ガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように、前記液管と前記ガス管の管内径比を設定するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ＣＯ2などのように装置停止時の冷媒状態が超臨界状態となり得る冷媒を用いる冷凍空調装置において、液管とガス管に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように液管とガス管の管内径比を設定するので、装置に設けられる配管長の長さによらず、冷凍空調装置停止時の冷媒密度を装置に許容される上限密度以下にすることができ、バッファ容器などを設けるなどのコストをかけずに、装置停止時の圧力を設計圧力以下に抑制し、高信頼性かつ低コストの装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図１を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
図１において、室外機１は、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、室外側膨張弁６、アキュムレータ１１を備えるユニットとして構成されている。
一方、室内には複数台、本例では２台の室内機２ａ、２ｂが設置されており、この室内機２ａ、２ｂは、室内側膨張弁８ａ、８ｂ、室内熱交換器９ａ、９ｂを備えるユニットとして構成されている。また、室外機１と室内機２ａ、２ｂとを接続する接続配管として、任意の長さに設定される液管７とガス管１０が設けられている。ここで、液管７は室外熱交換器５と室内側減圧装置である室内側膨張弁８ａ、８ｂとを接続する接続配管であり、ガス管１０は室内熱交換器９ａ、９ｂと圧縮機３とを接続する接続配管である。
【０００９】
この冷凍空調装置は、冷房の定格能力として、例えば２８ｋＷを実現する１０ＨＰの容量であり、冷媒としては本例では二酸化炭素（ＣＯ2）が用いられている。
圧縮機３はインバータ（図示せず）により回転数が制御され容量制御されるタイプであり、室外側膨張弁６、室内側膨張弁８ａ、８ｂは開度が可変に制御される電子膨張弁である。室外熱交換器５は外気と、室内熱交換器９ａ、９ｂは室内空気と熱交換を行い、その熱交換量はそれぞれの熱交換器に付設されるファン（図示せず）の送風量によって可変に制御される。
【００１０】
室外機１内には圧力センサ１２ａが圧縮機３吐出側に、圧力センサ１２ｂが圧縮機３吸入側に、圧力センサ１２ｃが室外側膨張弁６と液配管７の間に設けられており、それぞれ設置場所の冷媒圧力を計測する。また、温度センサ１３ａが圧縮機３吐出側に、温度センサ１3ｂが室外熱交換器５と室外側膨張弁６の間に、温度センサ１３ｃが圧縮機３吸入側に設けられており、それぞれ設置場所の冷媒温度を計測する。また、温度センサ１３ｄは室外機１周囲の外気温度を計測する。
【００１１】
室内機２ａ、２ｂ内には温度センサ１３ｅ、１３ｇが室内熱交換器９ａ、９ｂと室内側膨張弁８ａ、８ｂの間に、温度センサ１３ｆ、１３ｈが室内熱交換器９ａ、９ｂとガス管１０の間に設けられており、それぞれ設置場所の冷媒温度を計測する。
【００１２】
また、室外機１内には、例えばマイクロコンピュータにより構成された計測制御装置１４が設けられており、圧力センサ１２や温度センサ１３などによる計測情報や、冷凍空調装置使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、四方弁４の流路切換、室外熱交換器５の熱交換量、室外側膨張弁６の開度、室内側膨張弁８ａ、８ｂの開度などを制御する。
【００１３】
次に、この冷凍空調装置の運転動作について説明する。まず、冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁４の流路は図１の実線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て室外熱交換器５に流入し、放熱器となる室外熱交換器５で放熱しながら温度低下する。このとき冷媒圧力の高圧値が臨界圧力以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま温度低下し放熱する。また高圧値が臨界圧力以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。室外熱交換器５を出た高圧低温の冷媒は室外側膨張弁６でわずかに減圧された後、液管７を経由して、室内機２ａ、２ｂに流入する。そして室内側膨張弁８ａ、８ｂで低圧二相の状態に減圧された後で、蒸発器となる室内熱交換器９ａ、９ｂに流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化しながら室内機側の空気に冷熱を供給する。室内熱交換器９ａ、９ｂを出た低圧ガス冷媒は室内機２ａ、２ｂを出て、ガス管１０を経由し室外機１に流入し、四方弁４、アキュムレータ１１を経て圧縮機３に吸入される。
【００１４】
次に、暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁４の流路は図１の点線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て室外機１を流出しガス管１０を経て室内機２ａ、２ｂに流入する。そして室内熱交換器９ａ、９ｂに流入し、放熱器となる室内熱交換器９ａ、９ｂで放熱しながら温度低下する。このとき冷媒圧力の高圧値が臨界圧力以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま温度低下し放熱する。また高圧値が臨界圧力以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。冷媒から放熱された熱を室内側の空気に与えることで暖房を行う。室内熱交換器９ａ、９ｂを出た高圧低温の冷媒は室内側膨張弁８ａ、８ｂでわずかに減圧された後、液管７を経由して、室外機１に流入する。室外機１に流入した冷媒は室外側膨張弁６で低圧二相の状態に減圧された後で、蒸発器となる室外熱交換器５に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化される。室外熱交換器５を出た低圧ガス冷媒は四方弁４、アキュムレータ１１を経て圧縮機３に吸入される。
【００１５】
次に、この冷凍空調装置における設計圧力について説明する。装置内の冷媒回路部にて高圧で動作する可能性がある部分については、高圧側の設計圧力が適用され、それ以外の場所は基本的に低圧で動作するので低圧側の設計圧力が適用される。この実施の形態１では、四方弁４から圧縮機３吸入側につながる冷媒回路が常に低圧となるので、この部分の冷媒配管やアキュムレータ１１には低圧側の設計圧力が適用される。また、圧縮機３のシェル内圧が低圧である場合にはこの部分も含まれる。装置の前記箇所以外は高圧で動作する場合があるので、高圧側の設計圧力が適用される。本例の場合、低圧側の設計圧力は装置停止時に最も圧力が高くなる状況を想定して９ＭＰａ、高圧側の設計圧力は装置動作時の高圧の最も高い状況を想定して１４ＭＰａに設定される。
【００１６】
装置停止時には、室外側膨張弁６及び室内側膨張弁８ａ、８ｂは開に制御され、装置内の各部が連通した状態となる。従って停止時の装置内圧力は以下のように決定される。  まず、装置内の冷媒密度は、装置の内容積と充填冷媒量より、冷媒密度［ｋｇ／ｍ3］＝充填冷媒量［ｋｇ］／内容積［ｍ3］と求められる。外気温度が３１℃以上の場合、ＣＯ2冷媒は超臨界状態となるので、冷媒の温度、圧力に対して密度が規定されるようになる。従って密度が充填冷媒量によって決定される状況では、密度、温度から冷媒圧力が決定され、この圧力は高温であるほど高く、また、充填冷媒量が多いほど高くなる。
なお、従来のフロン系冷媒などのように停止時に超臨界状態とならない冷媒においては、温度に対して規定される飽和圧力が停止状態の圧力となる。そのため液封状態とならない限り充填冷媒量が変化しても停止時の圧力は変化せず、温度のみで規定される。
【００１７】
設計圧力によって装置に許容される上限圧力が規定される場合は、その圧力に対応して装置に許容される上限の密度が決定される。前述したように、停止時に装置全体が連通した状態とされる場合、冷媒圧力は装置各部に等しく作用するため、装置の冷媒圧力は低圧側の設計圧力以下であることが求められ、９ＭＰａ以下とする必要がある。このとき、装置周囲の温度の最高値が５０℃と想定される場合には、圧力９ＭＰａ、温度５０℃の冷媒密度が上限密度となり、この値は２８５ｋｇ／ｍ3となる。
装置周囲の温度の最高値をパラメータとし、設計圧力に対する上限密度を求めると図２のようになる。この特性は、ＣＯ2冷媒の物性から求められ、上限密度は、設計圧力が高いほど高く、装置周囲の温度の最高値が高いほど低くなる。
【００１８】
室外機１と室内機２に必要とされる冷媒量は６ｋｇ、室外機１と室内機２合計の内容積が２４Ｌ（リットル）であった場合に、室外機１、室内機２における冷媒密度は２５０ｋｇ／ｍ3となる。この値は上限密度以下であり、この密度にて外気温度が５０℃である場合の圧力は８．５ＭＰａとなる。この状況で接続配管長＝０である場合は、停止時の圧力を設計圧力以下とすることができる。ここで、接続配管長とは、室外機１と室内機２ａ、２ｂとのユニット間の接続配管である液管７及びガス管１０の長さをいうものとする。
【００１９】
次に、液管７、ガス管１０の配管が接続される状況について説明する。本例の場合、ガス管１０として外径２５．４ｍｍ、肉厚２ｍｍの配管が用いられ、液管７として外径１２．７ｍｍ、肉厚１ｍｍの配管が用いられる。液管７、ガス管１０の配管長に応じた追加充填量は、装置動作時に液管７、ガス管１０の配管内に存在する冷媒量で規定される。冷房運転に対応して追加充填量を設定する場合、液管７の冷媒状態は、高圧低温の冷媒となり、代表条件として、圧力１１ＭＰａ、温度３０℃とするとその冷媒密度は７９２ｋｇ／ｍ3となる。また、ガス管１０の冷媒状態は低圧のガス冷媒となり、代表条件として、圧力５ＭＰａ、温度１７℃とするとその冷媒密度は１４８ｋｇ／ｍ3となる。液管７、ガス管１０の長さ１ｍあたりの内容積はそれぞれ、０．０９Ｌ、０．３６Ｌとなるので、配管１ｍあたりの必要追加充填量は０．１２５ｋｇとなる。従って配管長１０ｍの場合は１．２５ｋｇ、配管長１００ｍの場合は１２．５ｋｇの冷媒量が追加充填される。このとき、液管７とガス管１０の平均冷媒密度は、２７８ｋｇ／ｍ3となり、前述した上限密度以下となる。
【００２０】
液管７、ガス管１０の冷媒状態は装置の運転条件によって定まるため、配管長によらず決定される。従って、液管７とガス管１０の平均密度を上限密度以下とするためには、液管７の内径、ガス管１０の内径を適切に設定する必要がある。上記の例のように冷房運転時は一般には、液管７に存在する冷媒密度≫ガス管１０に存在する冷媒密度となるので、平均密度を低くするには、ガス管１０の内径に対して液管７の内径を一定割合以上小さくする必要がある。平均密度は、液管７の冷媒密度とガス管１０の冷媒密度を液管７、ガス管１０の容積、もしくは管内断面積で重み付けを行って平均することで求められ、
平均密度＝（液管７の冷媒密度×液管７の容積＋ガス管１０の冷媒密度×ガス管１０の容積）／（液管７の容積＋ガス管１０の容積）
と求められる。冷媒状態が上記の例となる場合、液管７の容積＝０．２７×ガス管１０の容積とすると平均密度は上限密度２８５ｋｇ／ｍ3と等しくなる。従って上限密度以下とするには、液管７の容積＜０．２７×ガス管１０の容積とすればよく、容積∝内径の２乗であるので、液管７の内径＜ガス管１０の内径×０．５２である場合に、平均密度は上限密度以下となる。
上記の配管径の条件では、液管７の内径＝１０．７ｍｍ、ガス管１０の内径２１．４ｍｍであり、液管７の内径はガス管１０の内径×０．５２＝１１．１ｍｍより小さくなるため平均密度は上限密度より低くなる。
【００２１】
液管７、ガス管１０の配管長＝０である場合の装置の冷媒密度＜上限密度であり、配管の冷媒密度＜上限密度であるため、この装置では接続される配管長によらず停止時の冷媒密度＜上限密度となる。例えば配管長が１０ｍである場合には、冷媒充填量＝７．２５ｋｇ、内容積＝２８．５Ｌであり、平均密度＝２５４ｋｇ／ｍ3となり上限密度以下となる。また配管長が１００ｍである場合には、冷媒充填量＝１８．５ｋｇ、内容積＝６９Ｌであり、平均密度＝２６８ｋｇ／ｍ3となりこちらも上限密度以下となる。
【００２２】
装置の平均密度は上記のように求められるが、液管７、ガス管１０の各容積を管内径に置き換えて換算すると、
平均密度＝｛液管７の冷媒密度×（液管７内径／ガス管１０内径）2＋ガス管１０の冷媒密度｝／｛（液管７内径／ガス管１０内径）2＋１）｝
と求められる。内径比ｒ＝液管７内径／ガス管１０内径とし、内径比ｒに対する平均密度の特性を求めると、図３のようになる。図３では上記の例のように、液管７の冷媒密度７９２ｋｇ／ｍ3、ガス管１０の冷媒密度１４８ｋｇ／ｍ3の場合の平均密度の特性を求めている。図３に示されるように液管７とガス管１０に存在する冷媒の平均密度は、内径比ｒが大きいほど大きくなり、内径比ｒ＝０では、ガス管の冷媒密度に一致し、内径比ｒ＝１では、液管７とガス管１０の冷媒密度の平均値となり、内径比ｒが大きくなるにつれて、液管７の冷媒密度に漸近する特性を示す。
【００２３】
液管７とガス管１０の内径比ｒは、平均密度が上限密度を下回るように設定されるので、上限密度＝２８５ｋｇ／ｍ3とした場合、図３にて平均密度＝２８５ｋｇ／ｍ3となる内径比ｒが上限値として選定され、内径比ｒの選定結果は上述したように内径比ｒ＜０．５２となる。図２に示されるように設計圧力が高いほど上限密度が大きくなる特性を示すので、設計圧力が高く設定される場合には、平均密度も高く設定でき、許容される液管７とガス管１０の内径比ｒの値も高くなる。また、図２に示されるように周囲温度の最高値が高いほど上限密度は低くなる特性を示すので、周囲温度の最高値が高く設定される場合には、平均密度は低く設定され、許容される液管７とガス管１０の内径比ｒの値も低くなる。
【００２４】
なお、液管７、ガス管１０の管径の選定は以下の手順で実施される。まず始めにガス管１０の管径を選定する。ガス管１０では管径が細いほど装置動作時の冷媒圧力損失が増加し、それによる能力やＣＯＰ（成績係数）などの性能低下が見込まれ、管径が太いほど肉厚増によるコストアップが見込まれる。そこで、機器の性能の制約から許容される圧力損失を設定し、その圧力損失以下となるように選定される管径の中で、コストアップを抑制するために、最小となる配管径、またはその近傍の配管径が選定される。次に液管７の管径の選定であるが、液管７については、上記のように平均密度の制約から内径比が定められ、ガス管１０の管径が既に選定されているので、これらから上限の管径が決められ、その管径以下で選定される。液管７においても、管径が太いほど肉厚増によるコストアップが見込まれる一方で、管径が細く、冷媒の圧力損失が大きくなる場合には、室外側膨張弁６、室内側膨張弁８の動作差圧が小さくなり、装置の動作が適切になされない場合があるので、機器の制約から許容される圧力損失を設定し、その圧力損失以下となるように選定される管径の中で、平均密度から選定される内径比ｒ、及びコストを勘案して配管径が選定される。
【００２５】
以上のように液管７、ガス管１０の管径の設定により運転時に配管に存在する冷媒の平均密度を上限密度以下とすることで、配管長によらず停止時の装置の冷媒密度を上限密度以下とすることができる。そのため装置停止時の圧力を設計圧力以下に維持することができ、信頼性の高い冷凍空調装置とすることができる。また、配管長が長くなり充填冷媒量が増加した場合に、停止時の圧力上昇を抑制するためのバッファタンクが不要となり低コストの装置とすることができる。
【００２６】
なお、配管の冷媒の平均密度を上限密度以下とする配管内径比の設定については冷房運転、暖房運転のいずれかを対象とすることになる。冷房運転時の必要冷媒量＞暖房運転時の必要冷媒量である場合は上記のように冷房運転の冷媒状態に基づいて配管径を選定する。暖房運転時には、余剰冷媒が発生し、アキュムレータ１１に余剰冷媒が滞留する運転が実施される。一方、暖房運転時の必要冷媒量＞冷房運転時の必要冷媒量である場合は暖房運転の冷媒状態に基づいて配管径を選定する。冷房運転時には、余剰冷媒が発生し、アキュムレータ１１に余剰冷媒が滞留する運転が実施される。暖房運転時の配管径の選定についても運転時の配管の冷媒密度が暖房運転時の状態に基づくだけであり、冷房運転時と同様の方法で実施される。
【００２７】
上記の管径の設定については、液管７、ガス管１０が途中で枝分かれし細径となる場合にも適用できる。一般に配管が設置される場合は、液管７・ガス管１０が同じ箇所に同じ長さで設置されるので、枝分かれした後でも対となる液管７・ガス管１０において、平均密度＜上限密度という条件を成立させることで、同様に停止時の圧力上昇を抑制することができる。従って室内機が多数あり、枝分かれ箇所が複数あるような場合であっても、対となる液管７・ガス管１０に対し本実施の形態の構成を適用することで、装置停止時の圧力上昇を抑制することができる。
【００２８】
また、冷凍装置として冷熱のみを供給する装置、例えば室外機１としてコンデンシングユニット、室内機２としてショーケースを用いた装置構成においても本実施の形態の構成は適用可能である。この場合四方弁４、室外側膨張弁６は無くてもよい。運転は前述した冷房運転（冷却運転）のみ実施されるので、配管径の決定は、冷房運転の状態に基づいて実施される。
【００２９】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２における冷媒回路図は実施の形態１の図１に示したものと同じであり、実施の形態１と同様に冷房、暖房の各運転を実施する。実施の形態１では、配管径の設定により配管の長い装置における停止時の圧力上昇を抑制したが、実施の形態２では、配管の冷媒状態を制御することにより、停止時の圧力上昇を抑制する。
【００３０】
実施の形態１で説明したように、配管長が長くなる場合には、その配管の運転時の冷媒状態に応じた冷媒量が充填される。従って運転中の冷媒状態に応じて求められる液管７、ガス管１０の平均密度が上限密度以下となるように運転状態を制御できれば、配管長が長くなる場合に充填される冷媒量を低減でき、停止時の圧力上昇を抑制することが可能となる。
【００３１】
配管の冷媒状態を変更する場合、ガス管１０の冷媒状態を大きく変更することは難しいので、液管７での冷媒状態を制御により変更し、冷媒密度を調整する。液管７の密度調整手段は、冷房運転時には、室外側膨張弁６となり、暖房運転時には室内側膨張弁８となる。各膨張弁で冷媒の圧力を低下させることで液管７での冷媒圧力を低下させることができる。冷媒圧力が低下するとそれに応じて冷媒密度が低下するので、配管での平均密度を調整することができる。
【００３２】
以下、冷媒密度の制御方法の一例を示す。ガス管１０として外径２５．４ｍｍ、肉厚２ｍｍの配管が用いられ、液管７として外径１５．８８ｍｍ、肉厚１．５ｍｍの配管が用いられる場合、各配管の１ｍあたりの内容積はそれぞれ、０．３６Ｌ、０．１３Ｌとなる。冷房運転を実施しているとし、その時のガス管１０での冷媒状態が、圧力５ＭＰａ、温度１７℃とするとその冷媒密度は１４８ｋｇ／ｍ3となる。装置の低圧側設計圧力を９ＭＰａ、装置周囲の温度の最高値が５０℃と想定される場合、上限密度は２８５ｋｇ／ｍ3となる。
【００３３】
ここで、室外側膨張弁６入口の冷媒状態が、圧力１１ＭＰａ、温度３０℃である場合、その冷媒密度は７９２ｋｇ／ｍ3となり、室外側膨張弁６で減圧がなされない場合は、液管７の冷媒状態も同じとなり、冷媒密度は７９２ｋｇ／ｍ3となる。液管７、ガス管１０の長さ１ｍあたりの内容積はそれぞれ、０．１３Ｌ、０．３６Ｌとなるので、配管１ｍあたりの必要追加充填量は０．１５６ｋｇとなる。従って配管長１０ｍの場合は１．５６ｋｇ、配管長１００ｍの場合は１５．６ｋｇの冷媒量が追加充填される。このとき、液管７とガス管１０の平均冷媒密度は、３１９ｋｇ／ｍ3となり、前述した上限密度を上回る。
【００３４】
この状態で配管長が１００ｍとなった場合、実施の形態１と同様に室外機１と室内機２に必要とされる冷媒量は６ｋｇ、室外機１と室内機２の合計の内容積が２４Ｌであると、装置内の充填冷媒量は２１．６ｋｇ、内容積７３Ｌとなり装置全体の平均密度は２９６ｋｇ／ｍ3となる。この密度にて温度５０℃における圧力は９．１ＭＰａとなり設計圧力を上回り、信頼性が確保できないことになる。
【００３５】
上記のように、室外側膨張弁６で減圧しない場合には、信頼性が確保できなくなるので、室外側膨張弁６の開度を小さく制御して減圧を行い、液管７の冷媒密度を調整する。前記の配管径の場合に、配管の平均密度を上限密度以下とするには、液管７の冷媒密度は６６４ｋｇ／ｍ3以下とする必要がある。そこで液管７の冷媒状態を圧力１１ＭＰａ、温度３０℃の状態から５．９ＭＰａ以下まで減圧し、液管７の冷媒密度を６６４ｋｇ／ｍ3以下とする。
【００３６】
室外側膨張弁６、室内側膨張弁８の開度制御は図４に基づいて実施される。図４において、液管入口の膨張弁とは、冷房運転時の場合は室外側膨張弁６、暖房運転時の場合は室内側膨張弁８を指す。まず、液管７、ガス管１０の配管径を設定し、冷房運転時は室外側膨張弁６の開度、暖房運転時は室内側膨張弁８の開度の初期設定を行う（Ｓ１）。次に、ガス管１０の冷媒状態（圧力及び温度）を検知し（Ｓ２）、ガス管１０の冷媒密度を検知する（Ｓ３）。すなわち、ガス管１０の冷媒密度の検知は、冷房運転時は、低圧を検知する圧力センサ１２ｂによる検知値、及びガス管１０の温度を表す温度センサ１３ｃの値に基づいて密度を演算して求め、暖房運転時は、高圧を検知する圧力センサ１２ａによる検知値、及びガス管１０の温度を表す温度センサ１３ａの値に基づいて密度を演算して求める。
次に、液管７の冷媒状態（圧力及び温度）を検知し（Ｓ４）、液管７の冷媒密度を検知する（Ｓ５）。すなわち、液管７の冷媒密度の検知は、液管７に流入する減圧前の冷媒の温度と液管７の圧力に基づいて演算して求める。冷房運転時には、液管７の圧力を検知する圧力センサ１２ｃによる検知値、及び室外側膨張弁６に流入する冷媒温度を表す温度センサ１３ｂの値に基づいて密度を演算し、暖房運転時には、液管７の圧力を検知する圧力センサ１２ｃによる検知値、及び室内側膨張弁８に流入する冷媒温度を表す温度センサ１３ｅ、１３ｇの値に基づいて密度を演算する。
そして液管７、ガス管１０の冷媒密度演算値及び、液管７、ガス管１０の配管径から平均密度を求め（Ｓ６）、この平均密度と上限密度を比較し（Ｓ７）、平均密度が上限密度を上回る場合には、室外側膨張弁６、もしくは室内側膨張弁８の開度を小さく制御し（Ｓ８）、液管７の圧力を低下させる。そして平均密度が上限密度を下回るまで各膨張弁の開度制御を実施する。
【００３７】
以上のように、液管７の圧力を低下させる制御を行うことにより、配管の冷媒の平均密度を上限密度である２８５ｋｇ／ｍ3以下とすることができる。配管長＝０である場合の装置の冷媒密度＜上限密度であり、配管の冷媒密度＜上限密度であるため、配管長によらず停止時の装置の冷媒密度を上限密度以下とすることができる。そのため装置停止時の圧力を設計圧力以下に維持することができ、信頼性の高い冷凍空調装置とすることができる。また配管長が長くなり充填冷媒量が増加した場合に、停止時の圧力上昇を抑制するためのバッファタンクが不要となり低コストの装置とすることができる。
【００３８】
装置の充填冷媒量は、一般に装置の運転状況によって判断される。冷凍空調装置に充填される冷媒量の調整運転を実施する際に、上記の膨張弁の開度制御により液管７とガス管１０に存在する冷媒の平均密度が、冷凍空調装置停止時に許容される上限密度を超えないように冷媒密度を制御することで、冷媒が過剰に充填することを回避し、停止時の圧力上昇を直接回避することが可能となる。このように密度制御を行った場合、配管長によらず冷媒の過充填を確実に回避できるので、配管長の情報が不明である状況であっても、停止時の圧力上昇を回避でき、より信頼性の高い装置とすることができる。
【００３９】
なお、配管での平均密度を調整する手段として、室外側膨張弁６、室内側膨張弁８による開度制御以外に、放熱器となる各熱交換器の熱交換量を制御することで、配管での平均密度を調整することもできる。冷媒密度は、圧力だけでなく温度にも依存して変化するので、冷房運転時は室外熱交換器５、暖房運転時は室内熱交換器９の熱交換量を、ファン風量で制御する。配管の平均密度を演算し、平均密度が上限密度を上回る場合には、ファン風量を低下させ、液管７の冷媒温度を上昇させる。そして平均密度が上限密度を下回るまでファン風量の制御を実施する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。
【図２】実施の形態１における設計圧力と上限密度の相関を表した図である。
【図３】実施の形態１における配管内径比と冷媒平均密度の相関を表した図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る膨張弁開度制御方法を表した図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  室外機、２ａ、２ｂ  室内機、３  圧縮機、４  四方弁、５  室外熱交換器、６  室外側膨張弁、７  液管、８ａ、８ｂ  室内側膨張弁、９ａ、９ｂ  室内熱交換器、１０  ガス管、１１  アキュムレータ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  圧力センサ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ  温度センサ、１４  計測制御装置。
【図１】
2009139012.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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