JP2010236833A - 空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出温度を過剰に上昇させないホットガスバイパス運転を低コストにて可能とする空気熱源空気熱源ターボヒートポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】冷媒を圧縮するターボ圧縮機２を備えた圧縮機モジュールＡと、圧縮機モジュールＡに対して接続された複数の熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅとを備え、複数の熱交換モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅのそれぞれには、熱交換器モジュール側吐出配管２７とアキュムレータ４０に接続された冷媒吸入配管との間に、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法に関し、特に、低外気温時に風量が低下した際に安定した運転を行う空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法に関するものである。

ヒートポンプサイクルによる暖房運転によって温水を供給するターボヒートポンプが知られている。このようなターボヒートポンプとして、熱源空気との間で熱交換を行う空気熱交換器を備えた空気熱源ターボヒートポンプがある。空気熱源ヒートポンプは、水熱源ヒートポンプに比べて、熱源空気である外気温度の影響を大きく受ける。例えば、冬期のように低外気温度かつ高温水出力の場合、低負荷暖房運転を行うと、圧縮機吐出温度が１００℃を超えてしまう。この場合、ターボ圧縮機内部のガスシール部が熱膨張してしまい接触や焼き付きを起こしてしまい、また、制御弁の樹脂材に変形が生じるおそれがある。
また、ターボ冷凍機に用いられるターボ圧縮機は遠心圧縮機であるため、温度落差が大きくなるほど吸込風量が多くなる特性を有している。温度落差が大きい条件で暖房能力を絞ると（圧縮機吸込風量を低下させると）、図８に示されているように、サージング限界線を越えてしまい連続的圧縮が困難となる不安定運転領域での運転となってしまう。これを回避するために、圧縮機からの吐出ガスの一部を直接吸い込んで必要風量を確保し、安定領域での運転を実現するホットガスバイパス運転が行われる（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２８４０３４号公報

しかし、ホットガスバイパス運転は、高温となった吐出ガスを直接吸い込むため、吐出温度がさらに上昇して吐出温度が１００℃を超えてしまうと、上述のような問題が生じる。

一方、圧縮機吐出温度が上昇した場合、圧縮機保護のために液冷媒を圧縮機吸込に注入する方法がある。しかし、暖房負荷を低くするために能力を絞った運転では凝縮液冷媒量が減少するため、液冷媒の冷却が進まず、液冷媒を注入しても吸込温度の冷却効果がそれほど得られない。したがって、暖房能力を絞るほどホットガスバイパス冷媒流量が増加し、液冷媒の温度が低下しないため、吐出温度がさらに上昇してしまうという悪循環に陥ってしまうおそれがある。

また、一般に、ターボヒートポンプは、スクロール圧縮機やロータリ圧縮機を用いたパッケージエアコン等に比べて格段に容量が大きいため、ホットガスバイパス量が大きく、ホットガスバイパス弁も大きくなってしまう。したがって、流量調整機能を有する制御弁をホットガスバイポス弁に用いるには設備コストが高くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、吐出温度を過剰に上昇させないホットガスバイパス運転を低コストにて可能とする空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボヒートポンプは、冷媒を圧縮するターボ圧縮機を備えた圧縮機モジュールと、該圧縮機モジュールに対して接続された複数の熱交換器モジュールとを備え、これら熱交換器モジュールは、それぞれ、前記ターボ圧縮機に接続された吐出配管および吸込配管と、熱源側となる空気熱交換器と、外部負荷に接続された利用側熱交換器と、前記ターボ圧縮機の吸込側に接続され、冷媒の気液分離を行うアキュムレータと、を有する空気熱源ターボヒートポンプにおいて、複数の前記熱交換モジュールのそれぞれには、前記吐出配管と前記アキュムレータとの間、又は、前記吐出配管と前記アキュムレータに接続された冷媒吸入配管との間に、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管が設けられていることを特徴とする。

複数の熱交換器モジュールのそれぞれに、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管を設けたので、ホットガスバイパス流量をそれぞれの熱交換モジュールに分散することができる。したがって、ホットガスバイパス配管の口径を小さくできるとともにホットガスバイパス弁を小さくできる。これにより、大容量のターボヒートポンプであっても安価にホットガスバイパスを構成することができる。
また、ホットガスバイパス配管を、アキュムレータまたはアキュムレータに接続された冷媒吸込配管に接続することとしたので、ホットガスはアキュムレータ内を通過することになる。アキュムレータ内は低温の液冷媒が貯留されているので、ホットガスはアキュムレータ内で冷却された後に、ターボ圧縮機の吸込口へと導かれる。これにより、圧縮機吸込温度が低下することによって、圧縮機吐出温度の増大を抑えることができる。

さらに、本発明の空気熱源ターボヒートポンプでは、複数の前記熱交換モジュールのそれぞれに設けられた前記ホットガスバイパス弁は、開閉弁とされ、それぞれの開閉弁の開閉が独立に操作可能とされていることを特徴とする。

ホットガスバイパス弁を開閉弁としたので、流量調整弁に比べて安価に構成することができる。
また、それぞれの開閉弁の開閉が独立に操作可能とされているので、開閉弁が開となる個数を制御することによってホットガスバイパス流量を調整することができる。

さらに、本発明の空気熱源ターボヒートポンプでは、前記ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の前記熱交換モジュールの前記利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転が行われることを特徴とする。

ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の熱交換モジュールの利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転を行うこととした。これにより、この蒸発器による冷熱分が暖房の負荷として重畳することになるので、ターボ圧縮機の必要風量を確保することができる。

また、本発明の空気熱源ターボヒートポンプの制御方法は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機を備えた圧縮機モジュールと、該圧縮機モジュールに対して接続された複数の熱交換器モジュールとを備え、これら熱交換器モジュールは、それぞれ、前記ターボ圧縮機に接続された吐出配管および吸込配管と、熱源側となる空気熱交換器と、外部負荷に接続された利用側熱交換器と、前記ターボ圧縮機の吸込側に接続され、冷媒の気液分離を行うアキュムレータと、を有する空気熱源ターボヒートポンプの制御方法において、複数の前記熱交換モジュールのそれぞれには、前記吐出配管と前記アキュムレータとの間、又は、前記吐出配管と前記アキュムレータに接続された冷媒吸入配管との間に、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管が設けられ、前記ホットガスバイパス弁をそれぞれ独立に操作することを特徴とする。

複数の熱交換器モジュールのそれぞれに、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管を設けたので、ホットガスバイパス流量をそれぞれの熱交換モジュールに分散することができる。したがって、ホットガスバイパス配管の口径を小さくできるとともにホットガスバイパス弁を小さくできる。これにより、大容量のターボヒートポンプであっても安価にホットガスバイパスを構成することができる。
また、ホットガスバイパス配管を、アキュムレータまたはアキュムレータに接続された冷媒吸込配管に接続することとしたので、ホットガスはアキュムレータ内を通過することになる。アキュムレータ内は低温の液冷媒が貯留されているので、ホットガスはアキュムレータ内で冷却された後に、ターボ圧縮機の吸込口へと導かれる。これにより、圧縮機吸込温度が低下することによって、圧縮機吐出温度の増大を抑えることができる。
また、それぞれのホットガスバイパス弁を独立に操作することとしたので、ホットガスバイパス弁が開となる個数を制御することによってホットガスバイパス流量を調整することができる。

さらに、本発明の空気熱源ターボヒートポンプの制御方法では、前記ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の前記熱交換モジュールの前記利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転を行うことを特徴とする。

ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の熱交換モジュールの利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転を行うこととした。これにより、この蒸発器による冷熱分が暖房の負荷として重畳することになるので、ターボ圧縮機の必要風量を確保することができる。

本発明の空気熱源ターボヒートポンプおよびその制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
複数の熱交換器モジュールのそれぞれに、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管を設けたので、ホットガスバイパス流量をそれぞれの熱交換モジュールに分散することができる。したがって、ホットガスバイパス配管の口径およびホットガスバイパス弁を小さくできるので、大容量のターボヒートポンプであっても安価にホットガスバイパスを構成することができる。
また、ホットガスバイパス配管を、アキュムレータまたはアキュムレータに接続された冷媒吸込配管に接続することとしたので、ホットガスをアキュムレータ内で冷却した後に、ターボ圧縮機の吸込口へと導くことができる。これにより、圧縮機吸込温度が低下することによって、圧縮機吐出温度の増大を抑えることができる。

本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機の冷媒回路を示した概略構成図である。 図１のターボ冷凍機の圧縮機モジュールと１つの熱交換器モジュールの冷媒回路を示した概略構成図である。 本実施形態にかかるターボ冷凍機の圧縮機モジュールと１つの熱交換器モジュールを示した斜視図である。 本実施形態にかかるターボ冷凍機の圧力（ｐ）とエンタルピ（ｈ）との関係を示したｐ−ｈ線図である。 第１実施形態の変形例の冷媒回路を示した概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例の冷媒回路を示した概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例の冷媒回路を示した概略構成図である。 圧縮機吸込風量に対する圧縮機揚程のグラフであって、ターボ圧縮機の安定領域と不安定領域を示したグラフである。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態のターボ冷凍機（ターボヒートポンプ）が示されている。ターボ冷凍機１は、ヒートポンプサイクルによって温水を供給する暖房運転と、冷水を供給する冷房運転の双方が可能なようになっている。ターボ冷凍機１は、ターボ圧縮機２を備えた圧縮機モジュールＡと、複数（本実施形態では４つ）の熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅを備えている。熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれ、ターボ圧縮機２に接続されている。

圧縮機モジュールＡに設けられたターボ圧縮機２は、インバータ駆動の電動モータ１１により駆動される２段圧縮とされた多段ターボ圧縮機であり、吸入口２Ａおよび吐出口２Ｂの他に、図示省略の第１羽根車と第２羽根車との間に設けられている中間吸込口２Ｃを備えている。吸入口２Ａおよび中間吸込口２Ｃから吸い込まれた低圧の冷媒ガスおよび中間圧の冷媒ガスを第１羽根車および第２羽根車の回転により順次遠心圧縮し、圧縮した高圧の冷媒ガスを吐出口２Ｂから吐出するように構成されている。

吸入口２Ａには、圧縮機モジュール側吸込配管２２が接続されており、合流点２３にて各熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅへと延在する熱交換器モジュール側吸込配管２４が接続されている。
吐出口２Ｂには、圧縮機モジュール側吐出配管２５が接続されており、分岐点２６にて各熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅへと延在する熱交換器モジュール側吐出配管２７が接続されている。
中間吸込口２Ｃには、圧縮機モジュール側中間吸込配管２８が接続されており、合流点２９にて各熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅへと延在する熱交換器モジュール側中間吸込配管３０が接続されている。

ターボ冷凍機１は、図示しない制御部を備えており、各所に設けた温度センサおよび圧力センサの検出値に基づいて、冷温水温度が設定値となるように、図示省略の入口ベーン開度および電動モータ１１の回転数等が制御されるようになっている。

熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれ、空気熱交換器４と、利用側熱交換器９と、アキュムレータ４０とを備えている。
それぞれの熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅの利用側熱交換器９に接続された冷温水回路１８は共通のヘッダ（図示せず）に接続されている。つまり、それぞれの利用側熱交換器９は、冷温水回路１８に対して直列に接続されている。

次に、図２を用いて、熱交換モジュールの構成について説明する。同図に示された熱交換器モジュールＢは、４つの熱交換器モジュールのうちの１つを示しており、他の３つの熱交換器モジュールＣ，Ｄ，Ｅと同様の構成となっている。また、同図には、全ての熱交換器モジュールが接続されるターボ圧縮機２が示されている。
熱交換器モジュールＢは、冷凍サイクル切替え弁（四方切替え弁）３と、熱源側空気熱交換器４と、冷媒流通方向切替え弁（四方切替え弁）５と、エコノマイザ６と、冷媒予冷器７と、主膨張弁８と、利用側熱交換器９とを順次接続して構成された閉サイクルのヒートポンプサイクル（又は冷凍サイクル）を備えている。
同図において、冷凍サイクル切替え弁３及び冷媒流通方向切替え弁５に示された矢印のうち、実線矢印が冷房サイクルを示し、破線矢印がヒートポンプサイクルを示す。

冷凍サイクル切替え弁３は、熱交換器モジュール側吐出配管２７に接続された四方切替え弁であり、冷凍サイクルを逆転可能とし、ヒートポンプサイクルを構成するものである。この冷凍サイクル切替え弁３により、多段ターボ圧縮機２で圧縮された高圧冷媒ガスを、熱源側空気熱交換器４で凝縮させ、利用側熱交換器９で蒸発させる冷房サイクルと、利用側熱交換器９で凝縮させ、熱源側空気熱交換器４で蒸発させる暖房サイクルとに切替え可能とされている。

熱源側空気熱交換器４は、ファン（図示せず）を介して空気（外気）が流通可能とされているフィンアンドチューブ型の熱交換器が用いられており、冷媒がチューブ内を流通するように構成されている。この熱源側空気熱交換器４は、冷房サイクル時には、多段ターボ圧縮機２で圧縮された高圧冷媒ガスを空気と熱交換させて凝縮液化する凝縮器として機能し、暖房サイクル時には、利用側熱交換器９において凝縮液化され、主膨張弁７で膨張された低圧の液冷媒を空気と熱交換させて蒸発ガス化する蒸発器として機能するようになっている。

冷媒流通方向切替え弁５は、熱源側空気熱交換器４と利用側熱交換器９との間に設けられている四方切替え弁である。この冷媒流通方向切替え弁５で冷媒の流通方向を切替えることにより、冷房サイクル時および暖房サイクル時にエコノマイザ６、冷媒予冷器７および主膨張弁８に対して、常に一方向からエコノマイザ６、冷媒予冷器７および主膨張弁８の順に高圧液冷媒を流通させることができるように構成されている。

エコノマイザ６は、ヒートポンプサイクル（又は冷凍サイクル）の主回路１０側を流れる液冷媒と、主回路１０から分流されてエコノマイザ用副膨張弁１４により中間圧に減圧された冷媒とを熱交換させ、冷媒の蒸発潜熱で主回路１０側を流れる液冷媒を過冷却するプレート式熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器からなる中間冷却器６Ａにより構成されている。また、液冷媒を過冷却することにより蒸発された中間圧の冷媒ガスは、多段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ｃを経て中間圧の圧縮冷媒中に吸入させるための熱交換器モジュール側中間圧吸込配管３０に導かれる。これにより、中間冷却器方式のエコノマイザサイクルを構成している。

冷媒予冷器７は、エコノマイザ６の下流側に設けられ、蒸発器として機能する利用側熱交換器９または熱源側空気熱交換器４に対して、乾き度が略零に予冷された冷媒を供給するものである。この冷媒予冷器７は、エコノマイザ６用の中間冷却器６Ａと同一構成のプレート式熱交換器等の冷媒／冷媒熱交換器７Ａから構成されており、ヒートポンプサイクルの主回路１０側を流れる液冷媒と、エコノマイザ６の上流側の主回路から分流され、冷媒予冷器用膨張弁１６により減圧された冷媒とを熱交換させ、冷媒の蒸発潜熱により主回路１０側を流れる液冷媒を冷却するように構成されている。また、液冷媒を冷却することにより蒸発された冷媒ガスは、アキュムレータ４０へと導かれる。

主膨張弁８は、エコノマイザ６および冷媒予冷器７を経て過冷却された液冷媒を膨張させて低圧の液冷媒とし、蒸発器として機能する利用側熱交換器９または熱源側空気熱交換器４に供給するものである。

利用側熱交換器９は、複数のプレートを平行に積層し、複数の冷媒流路と複数の冷温水流路とを交互に配列して構成したプレート型熱交換器９Ａ，９Ｂ（図３参照）を直列多段に接続した構成とされている。この利用側熱交換器９は、冷房サイクル時に蒸発器、暖房サイクル時に凝縮器として機能するもので、冷温水回路１８を介して循環される冷水または温水と冷媒とを熱交換させ、冷房時には冷水を設定温度に冷却し、暖房時には温水を設定温度に加熱することにより、冷水または温水を取り出せるように構成されている。なお、冷媒の流れと冷水または温水の流れは、向流となるようにすることが望ましい。

アキュムレータ４０は、蒸発器にて蒸発気化した冷媒が導かれるようになっている。アキュムレータ４０では、蒸発器で蒸発し切れなかった液冷媒とガス冷媒を分離するものであり、液冷媒が底部に貯留され、ガス成分のみが熱交換器モジュール側吸込配管２５を介してターボ圧縮機２の吸込口２Ａへと導かれるようになっている。
アキュムレータ４０の冷媒吸込配管４２と、熱交換器モジュール側吐出配管２７との間には、ホットガスバイパス配管４４が設けられている。ホットガスバイパス配管４４には、開閉弁とされたホットガスバイパス弁４５が設けられている。このホットガスバイパス配管４４によって、ターボ圧縮機２からの吐出ガスの一部がアキュムレータ４０の上流側に導かれるようになっている。したがって、吐出ガスは、アキュムレータ４０内で低圧液冷媒に接触して冷却された後に、ターボ圧縮機２の吸込口２Ａに導かれる。
図３には、ホットガスバイパス配管４４及びホットガスバイパス弁４５の接続構造が具体的に示されている。

また、図２に示されているように、冷媒予冷器７の主回路１０出口から分岐されて、圧縮機モジュール側吸込配管２２に接続される液冷媒注入回路１９が設けられている。液冷媒注入回路１９には、圧縮機モジュール側吸込配管２２側に導入される液冷媒の流量を制御する冷媒流量制御弁２０が設けられている。この液冷媒注入回路１９によって液冷媒を圧縮機モジュール側吸込配管２２に噴射することにより、吸込冷媒温度を低下させて圧縮機保護が行われるようになっている。
図３には、圧縮機モジュール側吸込配管２２に接続されるモータ冷却回路１９および冷媒流量制御弁２０の接続構成が具体的に示されている。

次に、図４に示されたｐ（圧力）−ｈ（エンタルピ）線図を参照して、空気熱源ターボ冷凍機１の動作を説明する。

冷房サイクル時、多段ターボ圧縮機２の吸入口２Ａから吸入された低温低圧の冷媒ガスａは、第１羽根車によりｂ点まで圧縮され、中間吸込み口２Ｃから吸い込まれた中間圧の冷媒ガスと混合されてｃ点の状態となった後、第２羽根車に吸い込まれてｄ点まで圧縮される。この状態で多段ターボ圧縮機２から吐き出された冷媒ｄは、冷凍サイクル切替え弁３により熱源側空気熱交換器４に導かれ、空気（外気）と熱交換して冷却されることにより凝縮液化されて高圧液冷媒ｅとなる。

この高圧液冷媒ｅは、冷媒流通方向切替え弁５を経てエコノマイザ６に導かれる。エコノマイザ６の入り口で一部が分流され、エコノマイザ用膨張弁１４によりｆ点まで減圧された後、中間冷却器６Ａに流入される。この中間圧冷媒ｆは、中間冷却器６Ａで冷凍サイクルの主回路１０側を流れる高圧液冷媒ｅと熱交換され、液冷媒ｅから吸熱して蒸発ガス化された後、熱交換器ユニット側中間吸込配管３０を経て多段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ｃから圧縮途中の中間圧冷媒ガス中に吸入される。

一方、エコノマイザ６の中間冷却器６Ａにおいて、中間圧冷媒ｆと熱交換された主回路１０側の高圧液冷媒ｅは、ｇ点まで過冷却されて冷媒予冷器７に至る。中間冷却器６Ａの入り口でエコノマイザ用膨張弁１４への流れから分岐された液冷媒は、冷媒予冷器用膨張弁１６によりｈ点まで減圧されて冷媒予冷器７に流入し、主回路１０側の高圧液冷媒ｇと熱交換される。このｈ点の低圧冷媒は、冷媒予冷器７で主回路側の液冷媒ｇと熱交換されて蒸発ガス化された後、ｉ点を経て熱交換器ユニット側吸込配管２３を介して多段ターボ圧縮機２の吸入管路に戻されることにより、後述する利用側熱交換器９の出口冷媒と合流される。

ｇ点の高圧液冷媒は、冷媒予冷器７での予冷によりｊ点まで冷却された後、主膨張弁８によりｋ点まで減圧され、利用側熱交換器（蒸発器）９の入口に至る。この低圧冷媒ｋは、乾き度が略零の液単相冷媒である。このように、エコノマイザ６と利用側熱交換器（蒸発器）９との間に冷媒予冷器７を設け、エコノマイザ６により過冷却された冷媒を更に予冷することによって、利用側熱交換器（蒸発器）９に乾き度が略零の液単相冷媒を供給することが可能となる。

利用側熱交換器９に供給された液単相の冷媒ｋは、前段側プレート型熱交換器９Ａの複数の冷媒流路に対して均等に分配されて流通され、その間に冷温水回路１８を介して循環される冷水と熱交換されて一部の冷媒が蒸発される。前段側のプレート型熱交換器９Ａを流通した冷媒は、続いて後段側プレート型熱交換器９Ｂに流入され、同様に冷水と熱交換されて残りの冷媒が蒸発される。これによって、冷温水回路１８を介して循環される冷水は設定温度まで冷却され、負荷側へと供給されることにより冷房に供される。利用側熱交換器９を流通した冷媒は、その出口において過熱状態の低圧ガス冷媒ａとなり、再び多段ターボ圧縮機２に吸入され、以下同様のサイクルを繰り返す。

一方、暖房サイクル時、多段ターボ圧縮機２から吐き出された冷媒ｄは、冷凍サイクル切替え弁３によって利用側熱交換器９に導かれ、冷温水回路１８を介して循環される温水と熱交換される。これによって、高温高圧の冷媒ｄは温水に放熱して冷却され、凝縮液化して高圧液冷媒ｅとなり、温水は設定温度まで加熱され、負荷側へと供給されることによって暖房に供される。

高圧液冷媒ｅは、冷媒流通方向切替え弁５を介してエコノマイザ６に導かれ、更に冷媒予冷器７を経て主膨張弁８に至り、断熱膨張してｊ点からｋ点に減圧された後、熱源側空気熱交換器４に流入される。熱源側空気熱交換器４は、蒸発器として機能し、冷媒ｋはファン１２により流通される外気と熱交換され、外気から吸熱して蒸発ガス化される。この冷媒ａは、熱源側空気熱交換器４の出口において過熱状態の低圧ガス冷媒ａとされ、冷凍サイクル切替え弁３を経て再び多段ターボ圧縮機２に吸入される。以下同様のサイクルを繰り返す。

また、図４には、ｄ点における吐出ガスの一部を吸込口２Ａ側に戻すホットガスバイパスが矢印Ｈで示されている。さらに、ｊ点における過冷却液冷媒を吸込口２Ａ側に注入する圧縮機吐出温度上昇抑制冷媒液注入が矢印Ｉで示されている。

次に、ホットガスバイパス運転について説明する。
本実施形態では、温水供給する暖房運転時には、全ての熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅは暖房運転とされる。そして、低外気温となり低負荷暖房運転となった場合には、図８にて説明したように、サージング限界線を超えた不安定領域での運転となるので、ホットガスバイパス運転を行う。ただし、本実施形態では、それぞれのホットガスバイパス弁４５の開閉を全て同時に行うのではなく、それぞれのホットガスバイパス弁を独立して制御する。具体的には、安定領域にてターボ圧縮機２を運転させるために必要な増加風量に応じてホットガスバイパス弁４５を開とする個数を決定する。ホットガスバイパス弁４５の開閉の方法としては、４つ全て閉とする場合、１つのみ開とする場合、２つ開とする場合、３つ開とする場合、４つ開とする場合の５段階が考えられる。
例えば、必要な増加風量が少ない場合は、いずれか１つの熱交換器モジュールの１つのホットガスバイパス弁４５のみを開とする。一方、最低負荷（例えば定格の２０％）にて運転する必要がある場合には、４つ全ての熱交換器モジュールのホットガスバイパス弁４５を開とする。
また、４つのホットガスバイパス弁４５を組み合わせ、単位時間内で開となるデューティ比を調整することによって、時間平均として擬似的に流量を連続的に制御することとしてもよい。本実施形態では、アキュムレータ４０の上流側にホットガスバイパス配管４４が接続されているので、ホットガスバイパス弁４５の開閉を頻繁に繰り返しても、アキュムレータ４０の容積がバッファとなるため大きな圧力波が立たず、ターボ圧縮機２の連続運転に悪影響を及ぼすことがない。

上述した本実施形態にかかるターボ冷凍機１によれば、以下の作用効果を奏する。
複数の熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅのそれぞれに、ホットガスバイパス弁４５を有するホットガスバイパス配管４４を設けたので、ホットガスバイパス流量をそれぞれの熱交換モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅに分散することができる。したがって、ホットガスバイパス配管４４の口径を小さくできるとともにホットガスバイパス弁４５を小さくできる。これにより、大容量のターボ冷凍機１であっても安価にホットガスバイパスを構成することができる。

また、ホットガスバイパス配管４４を、アキュムレータ４０に接続された冷媒吸込配管４２に接続することとし、ホットガスをアキュムレータ４０内に通過させることとした。これにより、ホットガスがアキュムレータ内で冷却された後に、ターボ圧縮機２の吸込口２Ａへと導かれるので、圧縮機吸込温度が低下することによって、圧縮機吐出温度の増大を抑えることができる。

また、ホットガスバイパス弁４５を開閉弁としたので、流量調整弁に比べて安価に構成することができる。
また、ホットガスバイパス弁４５として設けたそれぞれの開閉弁の開閉を独立に操作可能としたので、開閉弁が開となる個数を制御することによってホットガスバイパス流量を調整することができる。

なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
図２に示した冷媒回路では、ホットガスバイパス配管４４がアキュムレータ４０の冷媒吸込配管４２に接続された構成としたが、図５に示すように、アキュムレータ４０に直接接続するようにしても良い。この場合、液冷媒内にホットガスを吹き込むようにすれば、さらにホットガスの冷却効果を増大させることができる。
図３には、本変形例のホットガスバイパス配管４４’の接続構造が具体的に示されている。
この変形例で一例として示したように、ホットガスバイパス配管４４の接続先は、アキュムレータ４０内にて液冷媒によってホットガスが冷却される限りにおいて、アキュムレータ４０内の上流側（アキュムレータ４０含む）であれば良い。

また、図２に示した冷媒回路では、液冷媒注入回路１９が圧縮機モジュール側吸込配管２２に接続された構成としたが、図６に示すように、アキュムレータ４０の冷媒吸込配管４２に接続するようにしても良い。
図３には、本変形例の液冷媒注入回路１９’および冷媒流量制御弁２０’の接続構造が具体的に示されている。同図から明らかなように、圧縮機モジュール側吸込配管２２に接続された液冷媒注入回路１９に比べて、本変形例のようにアキュムレータ４０の冷媒吸込配管４２に接続した方が配管長が大幅に短くすることができる。
この変形例で一例として示したように、液冷媒注入回路１９の接続先は、圧縮機に吸い込まれるガス冷媒を冷却できる限りにおいて、吸込口２Ａの上流側であれば良い。
なお、図７は、図５の変形例と図６の変形例とを組み合わせたものである。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、熱交換器モジュールの運転方法が異なるのみで、そのほかは共通するので、相違点のみについて説明する。
第１実施形態では、暖房運転時には、全ての熱交換器モジュールＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅを暖房運転とした。これに対して、本実施形態では、ホットガスバイパス運転時に、ホットガスバイパス弁４５を開とする代わりに、いずれかの熱交換モジュールの利用側熱交換器９を蒸発器とする冷房運転を行う。これにより、蒸発器とされた利用側熱交換器９の冷熱が他の利用側熱交換器９から供給される温水に対して暖房負荷として重畳することになる。したがって、低負荷運転が改善されて、ホットガスバイパス運転を行うのと同様にターボ圧縮機２の不安定領域を回避するために必要な風量を得ることができる。
また、蒸発器とされた利用側熱交換器９を通過する蒸発ガスは他の利用側熱交換器から供給される温水を冷却した後に、この温水温度（例えば５０℃）よりも若干低い温度となった上で、さらにアキュムレータ４０内で冷却されることになる。したがって、凝縮器とされた利用側熱交換器９を通過して温水温度程度となった蒸発ガスを供給する場合に比べて、吸込冷媒の温度をさらに低下させることができる。

１ ターボ冷凍機（空気熱源ターボヒートポンプ）
２ ターボ圧縮機
２Ａ 吸込口
２Ｂ 吐出口
２Ｃ 中間吸込口
３ 冷凍サイクル切替え弁
４ 熱源側空気熱交換器
５ 冷媒流通方向切替え弁
６ エコノマイザ
７ 冷媒予冷器
８ 主膨張弁
９ 利用側熱交換器
１６ 冷媒予冷器用膨張弁
１９ 液冷媒注入回路
２０ 冷媒流量制御弁
４０ アキュムレータ
４４ ホットガスバイパス配管
４５ ホットガスバイパス弁
Ａ 圧縮機モジュール
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 熱交換器モジュール

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機を備えた圧縮機モジュールと、
   該圧縮機モジュールに対して接続された複数の熱交換器モジュールと、を備え、
   これら熱交換器モジュールは、それぞれ、前記ターボ圧縮機に接続された吐出配管および吸込配管と、熱源側となる空気熱交換器と、外部負荷に接続された利用側熱交換器と、前記ターボ圧縮機の吸込側に接続され、冷媒の気液分離を行うアキュムレータと、を有する空気熱源ターボヒートポンプにおいて、
   複数の前記熱交換モジュールのそれぞれには、前記吐出配管と前記アキュムレータとの間、又は、前記吐出配管と前記アキュムレータに接続された冷媒吸入配管との間に、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管が設けられていることを特徴とする空気熱源ターボヒートポンプ。
2. 複数の前記熱交換モジュールのそれぞれに設けられた前記ホットガスバイパス弁は、開閉弁とされ、それぞれの開閉弁の開閉が独立に操作可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の空気熱源ターボヒートポンプ。
3. 前記ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の前記熱交換モジュールの前記利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転が行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の空気熱源ターボヒートポンプ。
4. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機を備えた圧縮機モジュールと、
   該圧縮機モジュールに対して接続された複数の熱交換器モジュールと、を備え、
   これら熱交換器モジュールは、それぞれ、前記ターボ圧縮機に接続された吐出配管および吸込配管と、熱源側となる空気熱交換器と、外部負荷に接続された利用側熱交換器と、前記ターボ圧縮機の吸込側に接続され、冷媒の気液分離を行うアキュムレータと、を有する空気熱源ターボヒートポンプの制御方法において、
   複数の前記熱交換モジュールのそれぞれには、前記吐出配管と前記アキュムレータとの間、又は、前記吐出配管と前記アキュムレータに接続された冷媒吸入配管との間に、ホットガスバイパス弁を有するホットガスバイパス配管が設けられ、
   前記ホットガスバイパス弁をそれぞれ独立に操作することを特徴とする空気熱源ターボヒートポンプの制御方法。
5. 前記ホットガスバイパス弁を開とする代わりに、所定の前記熱交換モジュールの前記利用側熱交換器が蒸発器となる冷房運転を行うことを特徴とする請求項４に記載の空気熱源ターボヒートポンプの制御方法。

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