JP6937919B2

JP6937919B2 - フリークーリング室外機

Info

Publication number: JP6937919B2
Application number: JP2020537344A
Authority: JP
Inventors: 善生山野; 昂仁彦根; 仁隆門脇; 拓也伊藤; 靖大越
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: EP3839375B1; EP3839375A1; EP3839375A4; WO2020035941A1; JPWO2020035941A1; US11592223B2; US20210247118A1

Description

本発明は、熱媒体にブラインを用いたフリークーリング室外機に関するものである。

従来、省エネルギー化を実現するため、自然エネルギーを利用したフリークーリング室外機がある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のフリークーリング室外機では、送風装置を備えた冷却塔内に、被冷却対象となる水（以下、冷却水と称する）を冷却する冷却水コイルと冷凍機の冷媒を冷却するコンデンサコイルとを同じプレートフィンチューブ型熱交換器内に配管した熱交換ユニットを設け、冷却塔で冷却水または冷媒を冷却する。そして、冷却された冷却水または冷媒で、外部機器で熱交換して温められた高温の水を冷却し、再び外部機器に送っている。

上記のようなフリークーリング室外機を寒冷地などに設置する場合、冷却水の凍結を防止するため、冷却水に凝固点を降下させる添加物を混ぜたブラインが用いられるが、添加物の含有濃度（以下、ブライン濃度と称する）は、設置場所の最低気温に合わせて決定していた。

特開平７−２３４０５５号公報

特許文献１のような従来のフリークーリング室外機では、ブライン濃度が高い場合、低い場合に比べて熱交換効率が低下する上に、粘度が高くなることでポンプ動力が必要になってエネルギー効率が低下してしまうという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、ブラインの凍結を防止するとともにエネルギー効率を向上させることができるフリークーリング室外機を提供することを目的としている。

本発明に係るフリークーリング室外機は、圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、および、第一水熱交換器の冷媒側流路が配管で接続されて、冷媒が循環する冷媒回路と、ブラインポンプ、第二熱交換器、および、第二水熱交換器のブライン側流路が配管で接続されて、ブラインが循環するブライン回路と、水ポンプ、前記第二水熱交換器の水側流路、および、前記第一水熱交換器の水側流路が配管で接続されて、水が循環する水回路と、前記第二熱交換器に送風する送風機と、前記ブライン回路のブライン循環量を調整する流量調整弁と、前記水回路の水温を検知する水温検知センサと、外気温度を検知する外気温度センサと、前記外気温度がブライン凍結温度以下の場合、前記水温に基づいて、ブライン温度がブラインの凍結温度以下とならないように前記ブライン循環量を制御する制御装置と、を備えたものである。

本発明に係るフリークーリング室外機によれば、外気温度がブライン凍結温度以下の場合、水回路の水温に基づいて、ブライン温度がブラインの凍結温度以下とならないようにブライン循環量を制御する。そのため、ブライン回路のブライン濃度を従来よりも低くすることができ、ブラインの凍結を防止するとともにエネルギー効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るフリークーリング室外機の構成図である。本発明の実施の形態に係るフリークーリング室外機のブライン回路に用いられるブラインの凍結を防止する制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係るフリークーリング室外機１００の構成図である。
図１に示すように、本実施の形態に係るフリークーリング室外機１００は、チラー運転を行う冷媒回路１０と、フリークーリング運転を行うブライン回路２０と、被冷却対象となる水（以下、冷却水と称する）が循環する水回路３０と、制御装置５０と、を備えている。

冷媒回路１０は、圧縮機１１、第一熱交換器１２、絞り装置１３、第一水熱交換器１４の冷媒側流路、および、アキュムレータ１５が配管で順次接続されて構成されており、回路内を冷媒が循環する。また、第一熱交換器１２の近傍には、第一熱交換器１２に送風する第一送風機１６が設けられている。

ブライン回路２０は、ブラインポンプ２１、流量調整弁２３、第二熱交換器２２、および、第二水熱交換器２４のブライン側流路が配管で順次接続されて構成されており、回路内を、水に凝固点を降下させる添加物を混ぜたブラインが循環する。また、第二熱交換器２２の近傍には、第二熱交換器２２に送風する第二送風機２５が設けられている。

水回路３０は、水ポンプ３１、第二水熱交換器２４の水側流路、第一水熱交換器１４の水側流路が配管で順次接続されて構成されており、回路内を冷却水が循環する。なお、第二水熱交換器２４が第一水熱交換器１４の上流側に配置されている。

圧縮機１１は、冷媒を吸入し、冷媒を圧縮して高温高圧の状態にして吐出するものであり、例えば、インバータ回路を有しており、回転数を変化させて容量制御を行うことができるタイプで構成されている。第一熱交換器１２は、冷媒と第一送風機１６から送られる空気との間で熱交換を行い、冷媒を冷却するものである。絞り装置１３は、冷媒を減圧させるものであり、例えば電子式膨張弁等のように、開度を可変に制御でき、通過する冷媒の流量を制御できる流量制御手段が最適であるが、例えば毛細管、膨張弁などの冷媒流量調節手段で構成してもよい。第一水熱交換器１４は、冷媒と水回路３０を流れる冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を冷却するものである。なお、第一水熱交換器１４において、冷却水の流れる方向に対して、冷媒の流れる方向が対向となっているが、それに限定されず、冷却水の流れる方向に対して、冷媒の流れる方向が並行となっていてもよい。アキュムレータ１５は、冷媒回路１０内で余剰となる冷媒を貯留するものである。

ブラインポンプ２１は、ブライン回路２０のブラインを加圧して回路内を移送するものであり、例えば、インバータ回路を有しており、回転数を変化させて流量を可変できるタイプで構成されている。第二熱交換器２２は、ブラインと第二送風機２５から送られる空気との間で熱交換を行い、ブラインを冷却するものである。流量調整弁２３は、例えば電子式膨張弁であり、開度を可変に制御でき、通過するブラインの流量を調整することでブライン回路２０を循環するブラインの流量（以下、ブライン循環量と称する）を調整できる流量調整手段である。なお、流量調整弁２３の位置は、ブラインポンプ２１と第二熱交換器２２との間に限定されないが、ブラインポンプ２１の下流側に配置されていることが望ましい。第二水熱交換器２４は、ブラインと水回路３０を流れる冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を冷却するものである。なお、第二水熱交換器２４において、冷却水の流れる方向に対して、ブラインの流れる方向が対向となっている。このように、冷却水に対してブラインを対向に流すことで、温度差がとれるため、熱交換効率を向上させることができる。

水ポンプ３１は、水回路３０の冷却水を加圧して回路内を移送するものであり、例えば、回転数が一定の定速タイプで構成されている。

制御装置５０は、圧縮機１１の回転数、絞り装置１３の開度、第一送風機１６の回転数、ブラインポンプ２１の回転数、流量調整弁２３の開度、第二送風機２５の回転数、および、水ポンプ３１の回転数などを制御するものである。制御装置５０は、例えば、専用のハードウェア、またはメモリーに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）で構成されるものである。

フリークーリング室外機１００の筐体（図示せず）の外部には、外気温度を検知する外気温度センサ４０が設けられている。また、水回路３０の第一水熱交換器１４の水側流路の出口側には、水温を検知する水温検知センサ３２が設けられている。また、第二水熱交換器２４のブライン側流路の出口側には、ブライン温度を検知するブライン温度検知センサ２６が設けられている。外気温度センサ４０、水温検知センサ３２、および、ブライン温度検知センサ２６は、例えばサーミスタである。

図２は、本発明の実施の形態に係るフリークーリング室外機１００のブライン回路２０に用いられるブラインの凍結を防止する制御のフローチャートである。
次に、フリークーリング室外機１００のブライン回路２０に用いられるブラインの凍結を防止する制御（以下、ブライン凍結防止制御と称する）について、図２を用いて説明する。なお、このブライン凍結防止制御は、外気温度センサ４０で検知した外気温度Ｔｏｕｔが、ブライン回路２０に用いられるブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）以下の場合、つまり、ブラインが凍結する恐れがある条件の場合に行われる。なお、ブライン凍結防止制御は、上記の条件に代えて、ブライン温度検知センサ２６で検知したブライン温度Ｔｂｒｎが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）にオフセット温度（例えば２℃）を加えた温度以下である場合に行われるようにしてもよい。

（ステップＳ１）
制御装置５０は、フリークーリング室外機１００が運転状態であるかどうかを判定する。制御装置５０は、フリークーリング室外機１００が運転状態であると判定した場合、ステップＳ２へ進む。一方、制御装置５０は、フリークーリング室外機１００が運転状態ではない、つまり切停止状態であると判定した場合、ステップＳ１２へ進む。ここで、切停止状態とは、フリークーリング室外機１００に通電はされているが、圧縮機１１、ブラインポンプ２１、および、水ポンプ３１が全て停止しており、第一送風機１６および第二送風機２５も停止している状態のことである。

（ステップＳ２）
制御装置５０は、圧縮機１１および第一送風機１６を停止させてチラー運転を停止し、フリークーリング運転のみを行う。

（ステップＳ３）
制御装置５０は、水温検知センサ３２で検知した水温Ｔｗｔｒと、あらかじめ設定された水回路３０を流れる冷却水の目標水温Ｔｔｇｔ（例えば１０℃）との差分Ｔｄｉｆ（＝Ｔｗｔｒ−Ｔｔｇｔ）を算出する。

（ステップＳ４）
制御装置５０は、差分Ｔｄｉｆが、第一基準温度差Ｔｓｔ１（例えば０℃）以下かどうかを判定する。そして、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第一基準温度差Ｔｓｔ１以下であると判定した場合は、ステップＳ５へ進む。一方、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第一基準温度差Ｔｓｔ１より大きいと判定した場合は、ステップＳ６へ進む。

（ステップＳ５）
制御装置５０は、第二送風機２５を停止させ、ブラインポンプ２１を最大回転数で動作させるとともに、ブライン循環量が最低流量となるように、流量調整弁２３の開度を制御する。ここで、水温Ｔｗｔｒが目標水温Ｔｔｇｔ以下の無負荷であるため、ブラインを第二熱交換器２２および第二水熱交換器２４で熱交換させる必要がない。しかし、外気温度Ｔｏｕｔがブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下であるため、ブラインポンプ２１を停止させるとブラインの温度が低下し、凍結温度Ｔｆｒｚ以下となって凍結する恐れがある。そこで、上記のように第二送風機２５、ブラインポンプ２１、および、流量調整弁２３を制御することで、第二熱交換器２２での熱交換量をできるだけ少なくするとともに、ブラインポンプ２１を動作させることにより発生した熱をブラインに伝えている。こうすることで、ブラインの温度が凍結温度Ｔｆｒｚ以下となるのを防ぎ、ブラインの凍結を防止することができる。なお、ブラインポンプ２１を最大回転数で動作させるのは、ブラインの凍結を防止するため、ブラインに伝える熱量をできるだけ多くするためである。

（ステップＳ６）
制御装置５０は、差分Ｔｄｉｆが、第二基準温度差Ｔｓｔ２（例えば２℃）以下かどうかを判定する。そして、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第二基準温度差Ｔｓｔ２以下であると判定した場合は、ステップＳ７へ進む。一方、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第二基準温度差Ｔｓｔ２より大きいと判定した場合は、ステップＳ８へ進む。なお、第二基準温度差Ｔｓｔ２＞第一基準温度差Ｔｓｔ１である。

（ステップＳ７）
制御装置５０は、水温検知センサ３２で検知した水温Ｔｗｔｒが目標水温Ｔｔｇｔとなるよう、ブラインポンプ２１および第二送風機２５を制御する。具体的には、制御装置５０は、ブラインポンプ２１の回転数を制御し、ブライン循環量を調整するとともに、第二送風機２５の回転数を制御し、第二熱交換器２２に送られる外気の量を制御する。このとき、水温Ｔｗｔｒと目標水温Ｔｔｇｔとの差が非常に小さい負荷極小であるため、ブラインポンプ２１の回転数は変動し、第二送風機２５の回転数は停止を含めて変動することになる。なお、ブラインポンプ２１の回転数を制御する代わりに、ブラインポンプ２１の回転数を一定とし、流量調整弁２３を制御することで、ブライン循環量を調整してもよい。

（ステップＳ８）
制御装置５０は、差分Ｔｄｉｆが、第三基準温度差Ｔｓｔ３（例えば５℃）以下かどうかを判定する。そして、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第三基準温度差Ｔｓｔ３以下であると判定した場合は、ステップＳ９へ進む。一方、制御装置５０が、差分Ｔｄｉｆが第三基準温度差Ｔｓｔ３より大きいと判定した場合は、ステップＳ１０へ進む。なお、第三基準温度差Ｔｓｔ３＞第二基準温度差Ｔｓｔ２である。

（ステップＳ９）
制御装置５０は、水温検知センサ３２で検知した水温Ｔｗｔｒが目標水温Ｔｔｇｔとなるよう、ブラインポンプ２１および第二送風機２５を制御する。具体的には、制御装置５０は、ブラインポンプ２１の回転数を制御し、ブライン循環量を調整するとともに、第二送風機２５の回転数を制御し、第二熱交換器２２に送られる外気の量を制御する。このとき、水温Ｔｗｔｒと目標水温Ｔｔｇｔとの差が小さい低負荷であるため、ブラインポンプ２１は最大回転数で固定され、第二送風機２５の回転数は変動することになる。なお、ブラインポンプ２１の回転数を制御する代わりに、ブラインポンプ２１の回転数を一定とし、流量調整弁２３を制御することで、ブライン循環量を調整してもよい。

（ステップＳ１０）
制御装置５０は、水温検知センサ３２で検知した水温Ｔｗｔｒが目標水温Ｔｔｇｔとなるよう、ブラインポンプ２１および第二送風機２５を制御する。具体的には、制御装置５０は、ブラインポンプ２１の回転数を制御し、ブライン循環量を調整するとともに、第二送風機２５の回転数を制御し、第二熱交換器２２に送られる外気の量を制御する。このとき、水温Ｔｗｔｒと目標水温Ｔｔｇｔとの差が大きい高負荷であるため、ブラインポンプ２１および第二送風機２５は最大回転数で固定されることになる。なお、ブラインポンプ２１の回転数を制御する代わりに、ブラインポンプ２１の回転数を一定とし、流量調整弁２３を制御することで、ブライン循環量を調整してもよい。

（ステップＳ１１）
制御装置５０は、外気温度センサ４０で検知した外気温度Ｔｏｕｔが、ブライン回路２０に用いられるブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）以下であるかどうかを判定する。そして、制御装置５０が、外気温度Ｔｏｕｔが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下であると判定した場合、ステップＳ３へ戻る。一方、制御装置５０が、外気温度Ｔｏｕｔが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚより大きいと判定した場合、ブライン凍結防止制御を終了する。なお、制御装置５０は、上記判定の代わりに、ブライン温度検知センサ２６で検知したブライン温度Ｔｂｒｎが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）にオフセット温度（例えば２℃）を加えた温度以下であるかどうかを判定してもよい。

（ステップＳ１２）
制御装置５０は、水温Ｔｗｔｒが、あらかじめ設定された基準温度Ｔｓｔｄ（例えば５℃）以下かどうかを判定する。そして、制御装置５０が、水温Ｔｗｔｒが、基準温度Ｔｓｔｄ以下であると判定した場合は、ステップＳ１３へ進む。一方、制御装置５０が、Ｔｗｔｒが、基準温度Ｔｓｔｄより大きいと判定した場合は、ステップＳ１４へ進む。

（ステップＳ１３）
制御装置５０は、ブラインポンプ２１を起動し、最大回転数で動作させるとともに、ブライン循環量が最低流量となるように、流量調整弁２３の開度を制御する。さらに、制御装置５０は、水の凍結を防止するため、水ポンプ３１を起動し、水回路３０の水を循環させる。ここで、水温Ｔｗｔｒがブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下であるため、このままではブラインが凍結してしまう恐れがある。また、外気温度Ｔｏｕｔがブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下であるため、ブラインを第二熱交換器２２で熱交換させると、ブラインの温度が低下してしまう。そこで、上記のようにブラインポンプ２１、水ポンプ３１、および、流量調整弁２３を制御することで、第二熱交換器２２での熱交換量をできるだけ少なくするとともに、ブラインポンプ２１を動作させて発生した熱をブラインに与えている。さらに、ブラインポンプ２１および水ポンプ３１を動作させることで、第二水熱交換器２４でブラインと水回路３０を流れる水との間で熱交換が行われ、水から熱をブラインに与えている。こうすることで、ブラインの温度が凍結温度Ｔｆｒｚ以下となるのを防ぎ、ブラインの凍結を防止することができる。なお、ブラインポンプ２１を最大回転数で動作させるのは、ブラインの凍結を防止するため、ブラインに伝える熱量をできるだけ多くするためである。

（ステップＳ１４）
制御装置５０は、外気温度センサ４０で検知した外気温度Ｔｏｕｔが、ブライン回路２０に用いられるブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）以下であるかどうかを判定する。そして、制御装置５０が、外気温度Ｔｏｕｔが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下であると判定した場合、ステップＳ１２へ戻る。一方、制御装置５０が、外気温度Ｔｏｕｔが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚより大きいと判定した場合、ブライン凍結防止制御を終了する。なお、制御装置５０は、上記判定の代わりに、ブライン温度検知センサ２６で検知したブライン温度Ｔｂｒｎが、ブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ（例えば、−５℃）にオフセット温度（例えば２℃）を加えた温度以下であるかどうかを判定してもよい。

以上のようにブライン凍結防止制御を行うことによって、外気温度Ｔｏｕｔがブラインの凍結温度Ｔｆｒｚ以下となっても、ブラインが凍結しないようにしている。そうすることで、ブライン回路２０に従来よりも濃度の低いブラインを用いることができるため、熱交換効率を向上させるとともに、粘度を低くすることができる。その結果、ブラインの凍結を防止するとともにエネルギー効率を向上させることができる。

以上、本実施の形態に係るフリークーリング室外機１００は、圧縮機１１、第一熱交換器１２、絞り装置１３、および、第一水熱交換器１４の冷媒側流路が配管で順次接続されて、冷媒が循環する冷媒回路１０を備えたものである。また、フリークーリング室外機１００は、ブラインポンプ２１、第二熱交換器２２、および、第二水熱交換器２４のブライン側流路が配管で順次接続されて、ブラインが循環するブライン回路２０を備えたものである。また、フリークーリング室外機１００は、水ポンプ３１、第二水熱交換器２４の水側流路、および、第一水熱交換器１４の水側流路が配管で順次接続されて、水が循環する水回路３０を備えたものである。また、フリークーリング室外機１００は、第二熱交換器２２に送風する送風機と、ブライン回路２０のブライン循環量を調整する流量調整弁２３と、水回路３０の水温を検知する水温検知センサ３２と、外気温度を検知する外気温度センサ４０と、を備えたものである。また、フリークーリング室外機１００は、外気温度がブライン凍結温度以下の場合、水回路３０の水温に基づいて、ブライン温度がブラインの凍結温度以下とならないようにブライン循環量を制御する制御装置５０を備えたものである。

本実施の形態に係るフリークーリング室外機１００によれば、外気温度がブライン凍結温度以下の場合、水回路３０の水温に基づいて、ブライン温度がブラインの凍結温度以下とならないようにブライン循環量を制御する。そのため、ブライン回路２０のブライン濃度を従来よりも低くすることができ、ブラインの凍結を防止するとともにエネルギー効率を向上させることができる。

１０冷媒回路、１１圧縮機、１２第一熱交換器、１３絞り装置、１４第一水熱交換器、１５アキュムレータ、１６第一送風機、２０ブライン回路、２１ブラインポンプ、２２第二熱交換器、２３流量調整弁、２４第二水熱交換器、２５第二送風機、２６ブライン温度検知センサ、３０水回路、３１水ポンプ、３２水温検知センサ、４０外気温度センサ、５０制御装置、１００フリークーリング室外機。

Claims

圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、および、第一水熱交換器の冷媒側流路が配管で接続されて、冷媒が循環する冷媒回路と、
ブラインポンプ、第二熱交換器、および、第二水熱交換器のブライン側流路が配管で接続されて、ブラインが循環するブライン回路と、
水ポンプ、前記第二水熱交換器の水側流路、および、前記第一水熱交換器の水側流路が配管で接続されて、水が循環する水回路と、
前記第二熱交換器に送風する送風機と、
前記ブライン回路のブライン循環量を調整する流量調整弁と、
前記水回路の水温を検知する水温検知センサと、
外気温度を検知する外気温度センサと、
前記外気温度がブライン凍結温度以下の場合、前記水温に基づいて、ブライン温度がブラインの凍結温度以下とならないように前記ブライン循環量を制御する制御装置と、を備えた
フリークーリング室外機。
前記制御装置は、
運転状態において、
前記外気温度がブライン凍結温度以下、かつ、前記水温とあらかじめ設定された目標水温との差分が、第一基準温度差以下であると判定した場合、
前記送風機を停止させ、前記ブラインポンプを最大回転数で動作させるとともに、前記ブライン循環量が最低流量となるように、前記流量調整弁の開度を制御する
請求項１に記載のフリークーリング室外機。
前記制御装置は、
運転状態において、
前記外気温度がブライン凍結温度以下、かつ、前記水温と前記目標水温との差分が、前記第一基準温度差より大きく前記第一基準温度差より大きい第二基準温度差以下であると判定した場合、
前記水温が前記目標水温となるように、前記ブラインポンプまたは前記流量調整弁と、前記送風機とを制御する
請求項２に記載のフリークーリング室外機。
前記制御装置は、
切停止状態において、
前記外気温度がブライン凍結温度以下、かつ、前記水温が基準温度以下であると判定した場合、
前記ブラインポンプおよび前記水ポンプを起動し、
前記ブラインポンプを最大回転数で動作させるとともに、前記ブライン循環量が最低流量となるように、前記流量調整弁の開度を制御する
請求項１〜３のいずれか一項に記載のフリークーリング室外機。