JP2012180970A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機油を過剰に封入することなく、圧縮機での冷凍機油の偏りを防止し、かつ、高効率運転を可能とする冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷凍サイクル装置１００は、それぞれ独立した第１冷媒回路５ａおよび第２冷媒回路５ｂを具備する上流側冷媒回路群１００ｕと、それぞれ独立した第３冷媒回路５ｃおよび第４冷媒回路５ｄを具備する下流側冷媒回路群１００ｓとから成り、熱源側装置媒体は第２熱源側熱交換器２ｂ、第１熱源側熱交換器２ａ、第３熱源側熱交換器２ｃ、第４熱源側熱交換器２ｄの順に直列的に流れ、負荷側媒体は分岐して第１負荷側熱交換器４ａおよび第２負荷側熱交換器４ｂに並行的に流入し、一旦合流した後再度分岐して第３負荷側熱交換器４ｃおよび第４負荷側熱交換器４ｄに並列的に流入する。圧縮機運転台数制御は、上流側冷媒回路群１００ｕの圧縮機１を優先的に運転する。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置、特に、冷凍サイクルを形成する冷媒回路を複数系列有する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、空気調和機や温水機等の冷凍サイクル装置は、冷凍サイクルを形成する冷媒回路（サーキット）を複数系列具備する冷媒回路群（マルチサーキット）を、２群用意して、それぞれ独立した直列状に、負荷側媒体の流れ方向の上流側と下流側にそれぞれ設置している。すなわち、１つの冷媒回路に設置された熱交換器において負荷側媒体を冷却または加熱するよりも、上流側の冷媒回路群と下流側の冷媒回路群との平均の蒸発温度を高くしたり、上流側の冷媒回路群と下流側の冷媒回路群の平均の凝縮温度を低くする二凝縮温度二蒸発温度回路を採用することによって、高効率運転を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２６７７２２号公報（第５−９頁、図１）

特許文献１に開示された発明は、冷媒回路群において複数の冷媒回路が並列に設置され、複数の圧縮機の吐出配管がそれぞれ合流し、複数の吸入配管がそれぞれ合流するよう設置されている。このため、圧縮機の潤滑を行う冷凍機油が一方の圧縮機に偏ることで他方の圧縮機の冷凍機油が枯渇して圧縮機に焼き付きを起こすおそれがあり、その解決が要請されていた。
また、焼き付きを防止するため、一方に冷凍機油が偏ったとしても他方の圧縮機に潤滑に必要な冷凍機油を確保できるよう、多量に冷凍機油を封入する必要があり、圧縮機の入力が増加するおそれがあり、その解決が要請されていた。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記要請に応えるものであり、冷凍機油を過剰に封入することなく、圧縮機間における冷凍機油の偏りを防止し、かつ、高効率運転を可能とする冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、容量可変の圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、負荷側熱交換器、を環状に接続して冷凍サイクルを形成する冷媒回路を、複数系列具備する上流側冷媒回路群と、
容量可変の圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、負荷側熱交換器、を環状に接続して冷凍サイクルを形成する冷媒回路を、複数系列具備する下流側冷媒回路群と、
前記熱源側熱交換器と熱源側装置とを連結して熱源側媒体を循環させる熱源側回路と、
前記負荷側熱交換器と負荷側装置とを連結して負荷側媒体を循環させる負荷側回路と、
前記下流側冷媒回路群の負荷側熱交換器の最下流部に設置された温度センサーと、
該温度センサーの検知した検知温度と目標温度とに基づいて、前記圧縮機の運転する台数の変更および該運転する圧縮機の容量の変更の少なくとも一方の制御をする制御装置と
を備え、
前記熱源側媒体は、前記上流側冷媒回路群の複数の熱源側熱交換器と熱交換をした後、前記下流側冷媒回路群の複数の熱源側熱交換器と熱交換をし、且つ、前記負荷側媒体は、前記上流側冷媒回路群の複数の負荷側熱交換器と熱交換をした後、前記下流側冷媒回路群の複数の負荷側熱交換器と熱交換をし、
前記制御装置は、前記温度センサーの検知した検知温度と目標水温とを比較して、前記検知温度が目標水温より高い場合は、前記圧縮機の運転する台数の増加または運転している前記圧縮機の容量の増加の一方または両方を指令し、前記検知温度が目標水温より低い場合は、前記圧縮機の運転する台数の減少または運転している前記圧縮機の容量の減少の一方または両方を指令することを特徴とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、複数系列の冷媒回路が、それぞれ独立しているから、一方の圧縮機の冷凍機油が一方の圧縮機に流入することがないため、最小量の冷凍機油によって焼き付きが防止される。また、上流側冷媒回路群または下流側冷媒回路群の一方の圧縮機を優先的に運転することが可能になるから、容量制御による圧縮機運転台数減少時にも、冷媒と負荷側流体の伝熱面積を無駄にすることなく高効率運転が可能になる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。 図１に示す冷凍サイクル装置の効果の実験的検証を示す比較図。 図１に示す冷凍サイクル装置の圧縮機運転台数制御を示すフローチャート。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。 図４に示す冷凍サイクル装置の熱交換器を模式的に示す断面図。 本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。 本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。 本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。 本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図。

［実施の形態１：冷凍サイクル装置−その１）
図１〜図３は本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、図１は冷媒回路図、図２は効果の実験的検証を示す比較図、図３は圧縮機運転台数制御を示すフローチャートである。

（冷媒回路）
図１〜図３において、冷凍サイクル装置１００は、上流側冷媒回路群１００ｕと、下流側冷媒回路群１００ｓとから成っている。
上流側冷媒回路群１００ｕは、第１冷媒回路５ａと第２冷媒回路５ｂとを具備している。
第１冷媒回路５ａは、容量可変の第１圧縮機１ａと、第１熱源側熱交換器２ａと、第１膨張弁３ａと、第１負荷側熱交換器４ａとを順次連結して冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形成する。同様に、第２冷媒回路５ｂは、容量可変の第２圧縮機１ｂ、第２熱源側熱交換器２ｂ、第２膨張弁３ｂ、第２負荷側熱交換器４ｂとを順次連結して冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形成する。
下流側冷媒回路群１００ｓは、第３冷媒回路５ｃと第４冷媒回路５ｄとを具備している。
第３冷媒回路５ｃは、容量可変の第３圧縮機１ｃと、第３熱源側熱交換器２ｃと、第３膨張弁３ｃと、第３負荷側熱交換器４ｃとを順次連結して冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形成する。同様に、第４冷媒回路５ｄは、容量可変の第４圧縮機１ｄ、第４熱源側熱交換器２ｄ、第４膨張弁３ｄ、第４負荷側熱交換器４ｄとを順次連結して冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形成する。なお、以下の説明の便宜上、第１冷媒回路５ａ、第２冷媒回路５ｂ、第３冷媒回路５ｃ、第４冷媒回路５ｄをまとめて又はそれぞれを「冷媒回路５」と称す場合がある。

（熱源側水回路）
第１熱源側熱交換器２ａ、第２熱源側熱交換器２ｂ、第３熱源側熱交換器２ｃおよび第４熱源側熱交換器２ｄ（以下、まとめて又はそれぞれを「熱源側熱交換器２」と称す場合がある）は、冷媒と熱源側媒体（以下、「水」と称す）との間で熱交換を行う熱交換器である。
そして、熱源側熱交換器２において、図示しない熱源側装置媒体（以下、「クーリングタンク」と称す）から流出した水は、まず、第２熱源側熱交換器２ｂに流入し、次に第１熱源側熱交換器２ａに流入し、そして第３熱源側熱交換器２ｃに流入し、最後に第４熱源側熱交換器２ｄに流入し、再度、クーリングタンク（図示しない）に戻る。
すなわち、熱源側熱交換器２を具備する水回路（以下、「熱源側水回路２０」と称す）では、第１熱源側熱交換器２ａ、第２熱源側熱交換器２ｂ、第３熱源側熱交換器２ｃおよび第４熱源側熱交換器２ｄは直列に連結され、水はポンプ（図示しない）によってこれらを順番に通過しながら循環している。

（負荷側水回路）
一方、負荷側熱交換器４において、図示しない負荷装置から流出した負荷側媒体（以下、「水」と称す）は、まず分岐して第１負荷側熱交換器４ａおよび第２負荷側熱交換器４ｂにそれぞれ流入し、これらを通過した後、一旦合流し、次いで再度分岐して第３負荷側熱交換器４ｃおよび第４負荷側熱交換器４ｄにそれぞれ流入する。さらに、これらを通過した後、再度合流して、負荷装置（図示しない）に戻る。
すなわち、負荷側熱交換器４を具備する水回路（以下、「負荷側水回路４０」と称す）では、水が並行して流れる第１負荷側熱交換器４ａおよび第２負荷側熱交換器４ｂとが上流側で、水が並行して流れる第３負荷側熱交換器４ｃおよび第４負荷側熱交換器４ｄが下流側に配置され、ポンプ（図示しない）によって循環している。

（冷媒温度センサー)
第１圧縮機１ａ、第２圧縮機１ｂ、第３圧縮機１ｃおよび第４圧縮機１ｄの吸入側の配管には、それぞれ吸入側の冷媒温度を測定するための第１吸入温度センサー１３ａ、第２吸入温度センサー１３ｂ、第３吸入温度センサー１３ｃおよび第４吸入温度センサー１３ｄが設置され（以下、まとめて又はそれぞれを「吸入温度センサー１３」と称す場合がある）、一方、吐出側の配管には、それぞれ吐出側の冷媒温度を測定するための第１吐出温度センサー１４ａ、第２吐出温度センサー１４ｂ、第３吐出温度センサー１４ｃおよび第４吐出温度センサー１４ｄが設置されている（以下、まとめて又はそれぞれを「吐出温度センサー１４」と称す場合がある）。
吸入温度センサー１３および吐出温度センサー１４が計測した値は、計測信号として制御装置７に送信される。

（冷媒圧力センサー)
第１圧縮機１ａ、第２圧縮機１ｂ、第３圧縮機１ｃおよび第４圧縮機１ｄ（以下、まとめて又はそれぞれを「圧縮機１」と称す場合がある）の吸入側の配管には、それぞれ吸入側の冷媒圧力を測定するための第１吸入圧力センサー１５ａ、第２吸入圧力センサー１５ｂ、第３吸入圧力センサー１５ｃおよび第４吸入圧力センサー１５ｄが設置され（以下、まとめて又はそれぞれを「吸入圧力センサー１５」と称す場合がある）、一方、吐出側の配管には、それぞれ吐出側の冷媒圧力を測定するための第１吐出圧力センサー１６ａ、第２吐出圧力センサー１６ｂ、第３吐出圧力センサー１６ｃおよび第４吐出圧力センサー１６ｄが設置されている（以下、まとめて又はそれぞれを「吐出圧力センサー１６」と称す場合がある）。
吸入圧力センサー１５および吐出圧力センサー１６が計測した値は、計測信号として制御装置７に送信される。

（各構成要素の機能）
次に、この様に構成される冷凍サイクル装置１００において、冷媒の流れと、各構成要素の働きと、各構成要素における冷媒の状態について説明する。
圧縮機１はそれぞれ、能力（容量）を増減を制御自在であって、圧縮機１の低圧部より吸入した低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒へ変化させる。
このとき、圧縮機１はそれぞれが独立した別個の冷媒回路５に設置されているから、一方の圧縮機１の冷凍機油が一方の圧縮機１に流入することがないため、最小量の冷凍機油によって焼き付きが防止される。
熱源側熱交換器２は、圧縮機１より吐出された高温高圧のガス冷媒とポンプ（図示しない）によって供給された水の間で熱交換するものである。すなわち、かかる水は高温高圧のガス冷媒から温熱を受け取って「温水」になる。一方、高温高圧のガス冷媒は、温熱を放出して温度が低下し中温高圧の液冷媒になる。

第１膨張弁３ａ、第２膨張弁３ｂ、第３膨張弁３ｃおよび第４膨張弁３ｄ（以下、まとめて又はそれぞれを「膨張弁３」と称す場合がある）は、通過する流体への抵抗値が可変の絞り機構を有しており、圧縮機１に過度の液冷媒が戻らないように冷凍配管内の冷媒循環量を制御している。すなわち、熱源側熱交換器２において中温高圧の液となった液冷媒を膨張させ、低温低圧の気液二相冷媒へ変化させる機能を持つ。
負荷側熱交換器４は、膨張弁３より流入した低温低圧の気液二相冷媒とポンプ（図示しない）によって供給された水と熱交換するものである。すなわち、かかる水は低温低圧の気液二相冷媒から冷熱を受け取って「冷水」になる。一方、低温低圧の気液二相冷媒は冷熱を放出して温度が上昇し中温低圧のガス冷媒になる。

そして、中温低圧のガス冷媒は圧縮機１の吸入部に供給される。このとき、圧縮機１には過度の液冷媒が供給されないから、破損する恐れがない。なお、前記「低温、中温、高温」や「低圧、高圧」は、冷媒の状態を識別するための便宜であって、それぞれの値の大小関係を示すものであり、例えば、「中温高圧の液冷媒」と「中温低圧のガス冷媒」の温度が等しいことを示すものではない。

熱源側水回路２０において循環する水は、クーリングタンク（図示しない）からポンプ（図示しない）によって送り出され、熱源側熱交換器２において温熱を受け取って加熱された後、クーリングタンクに戻って冷却される（例えば、温熱を大気中に放出する）。
一方、負荷側水回路４０において循環する水は、負荷装置（図示しない）からポンプ（図示しない）によって送り出され、負荷側熱交換器４において冷熱を受け取って冷却された後、負荷装置に戻って加熱される（例えば、冷熱を大気中に放出する）。

（制御装置）
また、負荷側水回路４０の冷凍サイクル装置１００の最下流部（第３負荷側熱交換器４ｃの出側と第４負荷側熱交換器４ｄの出側との合流位置よりも下流側）に、出口水温センサー６が設置されている。
出口水温センサー６によって計測された水温（検知温度に同じ、以下、「出口水温Ｔｗ」と称す）と任意に設定された目標水温Ｔａとの偏差を制御装置７において演算する。そして、目標水温Ｔａに対して出口水温Ｔｗが高い場合（Ｔａ＜Ｔｗ）には、冷却不足であるから、圧縮機１の周波数を増加させ指令を発する。反対に、目標水温Ｔａに対して出口水温Ｔｗが低い場合（Ｔａ＞Ｔｗ）には、冷却過剰であるから、圧縮機１の周波数を減少させる指令を、制御装置７は発する。

また、制御装置７は、圧縮機１へ過度の液状の冷媒が戻らないように、膨張弁３の抵抗値（絞り度）を変化させ、圧縮機１へ流入する冷媒の過熱度を所定範囲に収まるよう冷媒循環量を制限する指令も出す。
過熱度は吸入温度センサー１３の計測温度と吸入圧力センサー１５の計測圧力から演算した飽和温度の差により求める。

なお、吐出温度センサー１４と吐出圧力センサー１６は、冷凍サイクル装置１００の最低限の制御には必要ないが、圧縮機１の吐出圧力や吐出温度が所定値以上になって、破損などを引き起こす前に運転停止や負荷を低減するなどの保護制御を開始する判断を行うために設置しているから、信頼性が向上している。

（圧縮機の運転要領）
冷凍サイクル装置１００は以上の構成であるから、圧縮機１の運転周波数を所定値まで下げたとしても、出口水温センサー６の検知した出口水温Ｔｗが目標水温Ｔａよりも低い場合（冷却過剰の場合）には、より少量の容量に対応するために、圧縮機１の運転台数を減少させ、一方、出口水温センサー６の出口水温Ｔｗが目標水温Ｔａよりも高い場合（冷却不足の場合）には、より多量の容量に対応するために、圧縮機１の運転台数を増加／減少させ、
そこで、冷凍サイクル装置１００は、以下の考察および実験的検証に基づいて、圧縮機１の運転要領を決定している。

（考察）
例えば圧縮機１の合計運転台数を４台から２台に減少させるのに、上流側冷媒回路群１００ｕにおける圧縮機１と上流側冷媒回路群１００ｕにおける圧縮機１の運転台数を、それぞれ１台ずつ減らす（特許文献１参照）と、熱源側熱交換器２や負荷側熱交換器４における冷媒と水との伝熱面積が減少する。
このため、冷凍サイクル装置１００では、熱源側熱交換器２および負荷側熱交換器４が「プレート熱交換器」である場合、その伝熱面積を有効利用するために、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓのいずれか一方における圧縮機１の全台（２台）を優先的に停止させ、他方における圧縮機１の全台（２台）を優先的に運転させている（これについては、別途詳細に説明する）。

しかしながら、この運転状態では運転している冷媒回路は、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓのみになるので、高効率である二凝縮温度二凝縮温度回路ではなくなる。
このように、冷凍サイクル装置１００において、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓのみで運転するか、上流側冷媒回路群１００ｕと下流側冷媒回路群１００ｓの圧縮機１を１台ずつ運転するかは、プレート熱交換器の冷媒と水との伝熱面積を有効利用して効率の低下を抑えるのと、伝熱面積は有効に利用できないものの二凝縮温度二蒸発温度回路で冷凍サイクルとしての効率を高めてプレート熱交換器の性能低下を補うのとでは、メリットとデメリットが相反関係にあり、どちらが高効率であるかは容易に判断できない。

（実験的検証）
そこで、上流側冷媒回路群１００ｕと下流側冷媒回路群１００ｓとにおける圧縮機１を各一台ずつ運転させた場合と、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓの一方の圧縮機１の運転台数を０台（ゼロ台）とし、他方の圧縮機１の運転台数を２台とした場合でどちらが高効率であるか実験的に検証した。
すなわち、前者は、例えば、第１圧縮機１ａおよび第３圧縮機１ｃを運転して第２圧縮機１ｂおよび第４圧縮機１ｄを停止した場合であり、後者は、例えば、第１圧縮機１ａおよび第２圧縮機１ｂを運転して第３圧縮機１ｃおよび第４圧縮機１ｄを停止した場合である。このとき、第１冷媒回路５ａ、第２冷媒回路５ｂ、第３冷媒回路５ｃ、第４冷媒回路５ｄは、同一であって、それぞれ同一の機器を具備している。
図２は、かかる実験の結果であって、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓの一方の圧縮機１の運転台数を０台（ゼロ台）とし、他方の圧縮機１の運転台数を２台とした場合を１００％とした場合（図２において、複斜線を付している）に対し、上流側冷媒回路群１００ｕと下流側冷媒回路群１００ｓとにおける圧縮機１をそれぞれ１台ずつ運転させた場合（図２において、単斜線を付している）は、入力比が増加し、ＣＯＰ比が悪化している。
すなわち、両者の能力比を同一にした場合、前者の効率がより良好であることが示されている。

（圧縮機運転台数制御）
この結果より、本発明に係る冷凍サイクル装置１００における運転要領（圧縮機１の起動要領、以下「圧縮機運転台数制御」と称す場合がある）を以下のように決定した。
例えば、圧縮機１が４台運転された状態から、１台停止するには、例えば、上流側冷媒回路群１００ｕにおける第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの一方を停止し、さらに、もう１台停止する際は、上流側冷媒回路群１００ｕにおける第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの他方を停止するか、あるいは、下流側冷媒回路群１００ｓにおける第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの一方を停止し、さらに、もう１台停止する際は、下流側冷媒回路群１００ｓにおける第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの他方を停止する。

また、例えば、上流側冷媒回路群１００ｕにおける第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの一方のみ１台運転された状態から、１台追加して起動するには、上流側冷媒回路群１００ｕにおける第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの他方を起動する。
同様に、下流側冷媒回路群１００ｓにおける第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの一方のみ１台運転された状態から、１台追加して起動するには、下流側冷媒回路群１００ｓにおける第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの他方を起動する。

つまり、冷凍サイクル装置１００において、高効率運転を実現するには、熱交換器の伝熱面積を有効利用することが重要であるので、上流側冷媒回路群１００ｕおよび下流側冷媒回路群１００ｓにおいて運転している圧縮機１の合計台数が半数越えになるまでは、上流側冷媒回路群１００ｕおよび下流側冷媒回路群１００ｓの一方における圧縮機のみを運転するようにし、上流側冷媒回路群１００ｕおよび下流側冷媒回路群１００ｓの両方における圧縮機１を運転する場合には、上流側冷媒回路群１００ｕまたは下流側冷媒回路群１００ｓの一方における圧縮機１は必ず全数運転するようにする。

（圧縮機運転台数制御のフロー）
図３において、冷凍サイクル装置１００の圧縮機運転台数制御は以下のステップを有している。
ＳＴＥＰ１で制御スタートすると、ＳＴＥＰ２では冷凍サイクル装置１００の出口水温の目標値（目標水温Ｔａ）を設定する。
ＳＴＥＰ３では出口水温センサー６で出口水温Ｔｗを検知し、制御装置７へ検知した計測値を送信する。

ＳＴＥＰ４では、ＳＴＥＰ３で計測した出口水温Ｔｗが目標水温Ｔａと同一であるか判定を行う。出口水温Ｔｗと目標水温Ｔａが同一である（正確には、目標水温Ｔａを含む所定の範囲内に出口水温Ｔｗがある）場合は、ＳＴＥＰ６に進に、同一でない場合はＳＴＥＰ５に進む
ＳＴＥＰ５では、出口水温Ｔｗが目標水温Ｔａよりも高い場合、圧縮機１の運転周波数を増加させ、反対に、出口水温Ｔｗが目標水温Ｔａよりも低い場合、圧縮機１の運転周波数を減少させ、ＳＴＥＰ６に進む。
ＳＴＥＰ６では、どの圧縮機１が運転しているか、および該圧縮機１の運転周波数を検知（確認）してＳＴＥＰ７に進む。

ＳＴＥＰ７では、運転周波数が所定値ｆａよりも大きいか判定を行い、圧縮機１の周波数ｆ１が所定値ｆａよりも大きい場合は圧縮機１の運転台数を増加するためにＳＴＥＰ８に進み、一方、圧縮機１の周波数ｆ１が所定値ｆａよりも大きくない場合はＳＴＥＰ９に進む。

ＳＴＥＰ８では、上流側冷媒回路群１００ｕの第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの一方のみの１台が運転している場合は、第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの他方を運転して、上流側冷媒回路群１００ｕの全ての圧縮機１を運転する。また、下流側冷媒回路群１００ｓの第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの一方のみの１台が運転している場合は、第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの他方を運転して、下流側冷媒回路群１００ｓの全ての圧縮機１を運転する。
さらに、上流側冷媒回路群１００ｕの２台の圧縮機１を運転している場合は、下流側冷媒回路群１００ｓの第３圧縮機１ｃまたは第４圧縮機１ｄの一方を運転し、また、下流側冷媒回路群１００ｓの２台の圧縮機１を運転している場合は、上流側冷媒回路群１００ｕの第１圧縮機１ａまたは第２圧縮機１ｂの一方を運転する。
さらに、圧縮機１を４台運転する場合には、まだ運転していない残りの圧縮機１を運転する。

ＳＴＥＰ９では、運転周波数が所定値ｆｂよりも小さいか判定を行い、圧縮機１の周波数ｆ１が所定値ｆｂよりも小さい場合は圧縮機１の運転台数を減少するためにＳＴＥＰ１０に進み、一方、圧縮機１の周波数ｆ１が所定値ｆｂよりも小さくない場合はＳＴＥＰ２に戻る。

ＳＴＥＰ１０では、運転している圧縮機１が１台のみであった場合、当該圧縮機１を停止する。
また、運転している圧縮機１が２台であった場合、当該圧縮機１の一方を停止する。
さらに、運転している圧縮機１が３台であった場合、上流側冷媒回路群１００ｕの第１圧縮機１ａおよび第２圧縮機１ｂが運転しているときは、下流側冷媒回路群１００ｓの圧縮機１を停止し、反対に、下流側冷媒回路群１００ｓの第３圧縮機１ｃおよび第４圧縮機１ｄが運転しているときは、上流側冷媒回路群１００ｕの圧縮機１を停止する。
さらに、運転している圧縮機１が４台であった場合、何れかの圧縮機１を停止して、ＳＴＥＰ２に戻る。

ここで重要となるのは、熱源側熱交換器２および負荷側熱交換器４（特に、プレート型熱交換器の場合）の伝熱面積を最大限利用するために、圧縮機１の運転台数が半数越えになるまでは、上流側冷媒回路群１００ｕもしくは下流側冷媒回路群１００ｓの一方のみの圧縮機１を運転するようにし、圧縮機運転台数が半数以上になる場合に他方の圧縮機運転台数を増加させることである。なお、このとき、第１冷媒回路５ａ、第２冷媒回路５ｂ、第３冷媒回路５ｃ、第４冷媒回路５ｄは、同一であって、それぞれ同一の機器を具備している。

また、蒸発温度の高い側の冷凍サイクルの能力を大きくする方が、蒸発温度の低い側の冷凍サイクルの能力を大きくするよりも高効率であるので、圧縮機１の運転台数を減少する場合には、下流側冷媒回路群１００ｓの圧縮機１の運転台数を優先的に減少させ、圧縮機１の運転台数を増加させる場合には、上流側冷媒回路群１００ｕの圧縮機１の運転台数を優先的に増加させることにより、より高効率な運転が可能となる。

さらには、熱源側熱交換器２または負荷側熱交換器４において、冷媒と水との流れが互いに対向するようにした方が熱伝達が促進され、より高効率である。
なお、以上は、熱源側熱交換器２および負荷側熱交換器４が何れも冷媒と水との間で熱交換するものを示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、その他の媒体、たとえば、空気やスラリー等との間で熱交換するものであってもよい。また、上流側冷媒回路群１００ｕおよび下流側冷媒回路群１００ｓに、それぞれ２系列の冷媒回路（２台の圧縮機）を具備しているが、本発明はこれに限定するものではなく、それぞれの数は相違してもよい。

［実施の形態２：冷凍サイクル装置−その２）
図４および図５は本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置を説明するものであって、図４は冷媒回路図、図５は熱交換器を模式的に示す断面図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図４において、冷凍サイクル装置２００は、上流側冷媒回路群２００ｕに上流熱源側熱交換器１１ｕおよび上流負荷側熱交換器１２ｕが配置され、下流側冷媒回路群２００ｓに下流熱源側熱交換器１１ｓおよび下流負荷側熱交換器１２ｓが配置されている。

上流熱源側熱交換器１１ｕは、実施の形態１における第１熱源側熱交換器２ａと第２熱源側熱交換器２ｂとが一体になったものである。すなわち、第１冷媒回路５ａおよび第２冷媒回路５ｂの冷媒流路がそれぞれ複数に分岐され、（図５において、「圧縮機１ａ流路」および「圧縮機１ｂ流路」で示す）、それぞれが交互に配置され、さらに、交互に配置された冷媒流路の間に、分岐された熱源側水回路２０の水流路が配置されている。
すなわち、分割された水流路は、第１冷媒回路５ａおよび第２冷媒回路５ｂの分岐された冷媒流路に挟まれ、水流路は共通し、冷媒流路と水流路とが交互に形成された「プレート熱交換器（以下、「ダブルサーキットのプレート熱交換器」と称す場合がある）を形成している。
そして、同様に、上流負荷側熱交換器１２ｕ、下流熱源側熱交換器１１ｓ、および下流負荷側熱交換器１２ｓも、ダブルサーキットのプレート熱交換器であるから、説明を省略する。

以上のように、冷凍サイクル装置２００は、ダブルサーキットのプレート熱交換器を用いることによって、実施の形態１に示した冷凍サイクル装置１００（並列に設置された圧縮機１毎に、それぞれ熱源側熱交換器２が設置されている）よりも、熱交換器の台数を減らすことができる。したがって、冷凍サイクル装置２００の設置面積を狭くすることができ、熱源側媒体の配管および負荷側媒体の配管（水配管）の分岐や熱交換器との接合が簡素になるため、施工性が向上する。

さらに、冷凍サイクル装置２００は、地下室に設置される場合が多く、エレベータを使用して搬入することが望ましい。したがって、冷凍サイクル装置２００は、サイズを小さくすることができるため、分割搬入に際し、搬入や設置が容易になる。また、負荷側の配管が少なくなるため、設置の際の工程が減少し、施工が容易になる。よってこれらの改善は冷凍サイクル装置２００の商品価値の向上に繋がる。

さらには、冷凍サイクル装置１００の場合、例えば、出口水温を１０℃から５℃に冷却する制御をしようとすると、負荷側媒体（水）の半分が運転している第１冷媒回路５ａの第１負荷側熱交換器４ａを通過し、残り半分が停止している第２冷媒回路５ｂの第２負荷側熱交換器４ｂを通過する。そうすると、第２負荷側熱交換器４ｂにおいては熱交換されないため、第２負荷側熱交換器４ｂを通過した直後の水温は１０℃のままであるから、第１負荷側熱交換器４ａを通過した水と第２負荷側熱交換器４ｂを通過した水が混合した水の温度を５℃にするためには、第１負荷側熱交換器４ａを通過した水の温度を０℃にする必要がある。このため、第１負荷側熱交換器４ａでは水が凍結して、これを破裂する可能性がある。

一方、ダブルサーキットのプレート熱交換器を使用する冷凍サイクル装置２００では、例えば、出口水温を１０℃から５℃に冷却する制御をしようとすると、上流負荷側熱交換器１２ｕを通過する水の温度は、５℃以下にならないため、凍結発生のリスクが低減している。
なお、冷凍サイクル装置２００においても、冷凍サイクル装置１００と同様の圧縮機運転台数制御を行うから、冷凍サイクル装置１００と同様の作用効果が得られる。

［実施の形態３：冷凍サイクル装置−その３）
図６は本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図６において、冷凍サイクル装置３００は、冷凍サイクル装置１００において熱源側媒体を「空気」に変更すると共に、冷媒回路５における冷媒の流れ方向を変更自在にしたものである。

すなわち、冷凍サイクル装置３００は、上流側冷媒回路群３００ｕと下流側冷媒回路群３００ｓとを有している。
そして、冷凍サイクル装置１００における熱源側熱交換器２をそれぞれ、冷媒と空気との間で熱交換する第１熱源側熱交換器８ａ、第２熱源側熱交換器８ｂ、第３熱源側熱交換器８ｃおよび第４熱源側熱交換器８ｄ（以下、「熱源側熱交換器８」と称す場合がある）に変更し、それぞれに空気を供給する第１送風機９ａ、第２送風機９ｂ、第３送風機９ｃおよび第４送風機９ｄが設置されている。
また、第１冷媒回路５ａには第１圧縮機１ａの出側に冷媒の流れ方向を変更する第１流路切替装置１０ａが設置され、同様に、第２冷媒回路５ｂ、第３冷媒回路５ｃおよび第４冷媒回路５ｄに、それぞれ第２流路切替装置１０ｂ、第３流路切替装置１０ｃおよび第４流路切替装置１０ｄが設置されている。

したがって、熱源側熱交換器８を凝縮器または蒸発器に切り替えることが可能であるから（負荷側熱交換器４を蒸発器または凝縮器に切り替えることができる）、例えば、熱源側熱交換器８を室内に配置すれば、室内に温風または冷風を送り出すことができる空気調和機として機能する。そして、冷凍サイクル装置３００においても、冷凍サイクル装置１００と同様の圧縮機運転台数制御を行うから、冷凍サイクル装置１００と同様の作用効果が得られる。

なお、負荷側へ水を供給する配管が熱源側熱交換器２もしくは負荷側熱交換器４の一方のみに接続している場合は、温水か冷水の何れかしか負荷側に供給できないため、図６に示すように、負荷側熱交換器４の機能と熱源側熱交換器２の機能とを入れ替えられるように、圧縮機１の吐出側または吸入側を、それぞれ熱源側熱交換器２または負荷側熱交換器４のどちらに接続するか自在に切り替えられる流路切替装置１０が設置されているから、利便性が向上している。
また、熱源側熱交換器２が蒸発器として機能している場合に、外気が低いことによって熱源側熱交換器２の表面に霜が生じる場合であっても、冷媒の流れ方向を切り替えることができるから、熱源側熱交換器２に高温高圧のガス冷媒を送り込むことによって除霜することができる。よって、利便性が向上し、熱交換効率が阻害されることを防止することができる。

［実施の形態４：冷凍サイクル装置−その４）
図７は本発明の実施の形態４に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図である。なお、実施の形態２または実施の形態３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図７において、冷凍サイクル装置４００は、上流側冷媒回路群４００ｕと下流側冷媒回路群４００ｓとを有している。そして、冷凍サイクル装置３００における負荷側熱交換器４をダブルサーキットのプレート熱交換器である上流負荷側熱交換器１２ｕおよび下流負荷側熱交換器１２ｓ（以下、まとめて又はそれぞれを「負荷側熱交換器１２」と称す場合がある）に変更している。

したがって、冷凍サイクル装置４００においても、冷凍サイクル装置３００および冷凍サイクル装置２００の作用効果を合わせた作用効果が得られる。

［実施の形態５：冷凍サイクル装置−その５）
図８は本発明の実施の形態５に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図である。なお、実施の形態３と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図８において、冷凍サイクル装置５００は、上流側冷媒回路群５００ｕと下流側冷媒回路群５００ｓとを有している。そして、冷凍サイクル装置３００において、上流側の第１熱源側熱交換器８ａおよび第２熱源側熱交換器８ｂを通過して空気が、下流側の第３熱源側熱交換器８ｃおよび第４熱源側熱交換器８ｄを通過するようにしたものである。
したがって、冷凍サイクル装置５００では、冷凍サイクル装置３００の作用効果が得られると共に、上流側冷媒回路群５００ｕと下流側冷媒回路群５００ｓとで異なる凝縮温度もしくは蒸発温度となるため、「二凝縮温度二蒸発温度回路」になり、より高効率になる。
この場合、熱源側熱交換器８を一体に形成することによって、製造が容易になる。

［実施の形態６：冷凍サイクル装置−その６）
図９は本発明の実施の形態６に係る冷凍サイクル装置を説明する冷媒回路図である。なお、実施の形態５と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図９において、冷凍サイクル装置６００は、上流側冷媒回路群６００ｕと下流側冷媒回路群６００ｓとを有している。そして、冷凍サイクル装置５００における負荷側熱交換器４を、ダブルサーキットのプレート熱交換器である上流負荷側熱交換器１２ｕおよび下流負荷側熱交換器１２ｓ（以下、まとめて又はそれぞれを「負荷側熱交換器１２」と称す場合がある）にしている。
したがって、冷凍サイクル装置６００では、冷凍サイクル装置５００と冷凍サイクル装置４００の作用効果を合わせた作用効果が得られる。

１ａ：第１圧縮機、１ｂ：第２圧縮機、１ｃ：第３圧縮機、１ｄ：第４圧縮機、２ａ：第１熱源側熱交換器、２ｂ：第２熱源側熱交換器、２ｃ：第３熱源側熱交換器、２ｄ：第４熱源側熱交換器、３ａ：第１膨張弁、３ｂ：第２膨張弁、３ｃ：第３膨張弁、３ｄ：第４膨張弁、４ａ：第１負荷側熱交換器、４ｂ：第２負荷側熱交換、４ｃ：第３負荷側熱交換器、４ｄ：第４負荷側熱交換器、５ａ：第１冷媒回路、５ｂ：第２冷媒回路、５ｃ：第３冷媒回路、５ｄ：第４冷媒回路、６：出口水温センサー、７：制御装置、８ａ：第１熱源側熱交換器、８ｂ：第２熱源側熱交換器、８ｃ：第３熱源側熱交換器、８ｄ：第４熱源側熱交換器、９ａ：第１送風機、９ｂ：第２送風機、９ｃ：第３送風機、９ｄ：第４送風機、１０ａ：第１流路切替装置、１０ｂ：第２流路切替装置、１０ｃ：第３流路切替装置、１０ｄ：第４流路切替装置、１１ｓ：下流熱源側熱交換器、１１ｕ：上流熱源側熱交換器、１２ｓ：下流負荷側熱交換器、１２ｕ：上流負荷側熱交換器、１３ａ：第１吸入温度センサー、１３ｂ：第２吸入温度センサー、１３ｃ：第３吸入温度センサー、１３ｄ：第４吸入温度センサー、１４ａ：第１吐出温度センサー、１４ｂ：第２吐出温度センサー、１４ｃ：第３吐出温度センサー、１４ｄ：第４吐出温度センサー、１５ａ：第１吸入圧力センサー、１５ｂ：第２吸入圧力センサー、１５ｃ：第３吸入圧力センサー、１５ｄ：第４吸入圧力センサー、１６ａ：第１吐出圧力センサー、１６ｂ：第２吐出圧力センサー、１６ｃ：第３吐出圧力センサー、１６ｄ：第４吐出圧力センサー、２０：熱源側水回路、４０：負荷側水回路、１００：冷凍サイクル装置（実施の形態１）、１００ｓ：下流側冷媒回路群、１００ｕ：上流側冷媒回路群、２００：冷凍サイクル装置（実施の形態２）、２００ｓ：下流側冷媒回路群、２００ｕ：上流側冷媒回路群、３００：冷凍サイクル装置（実施の形態３）、３００ｓ：下流側冷媒回路群、３００ｕ：上流側冷媒回路群、４００：冷凍サイクル装置（実施の形態４）、４００ｓ：下流側冷媒回路群、４００ｕ：上流側冷媒回路群、５００：冷凍サイクル装置（実施の形態５）、５００ｓ：下流側冷媒回路群、５００ｕ：上流側冷媒回路群、６００：冷凍サイクル装置（実施の形態６）、６００ｓ：下流側冷媒回路群、６００ｕ：上流側冷媒回路群。

Claims (12)

1. 容量可変の圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、負荷側熱交換器、を環状に接続して冷凍サイクルを形成する冷媒回路を、複数系列具備する上流側冷媒回路群と、
   容量可変の圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁、負荷側熱交換器、を環状に接続して冷凍サイクルを形成する冷媒回路を、複数系列具備する下流側冷媒回路群と、
   前記熱源側熱交換器と熱源側装置とを連結して熱源側媒体を循環させる熱源側回路と、
   前記負荷側熱交換器と負荷側装置とを連結して負荷側媒体を循環させる負荷側回路と、
   前記下流側冷媒回路群の負荷側熱交換器の最下流部に設置された温度センサーと、
   該温度センサーの検知した検知温度と目標温度とに基づいて、前記圧縮機の運転する台数の変更および該運転する圧縮機の容量の変更の少なくとも一方の制御をする制御装置と
   を備え、
   前記熱源側媒体は、前記上流側冷媒回路群の複数の熱源側熱交換器と熱交換をした後、前記下流側冷媒回路群の複数の熱源側熱交換器と熱交換をし、且つ、前記負荷側媒体は、前記上流側冷媒回路群の複数の負荷側熱交換器と熱交換をした後、前記下流側冷媒回路群の複数の負荷側熱交換器と熱交換をし、
   前記制御装置は、前記温度センサーの検知した検知温度と目標水温とを比較して、前記検知温度が目標水温より高い場合は、前記圧縮機の運転する台数の増加または運転している前記圧縮機の容量の増加の一方または両方を指令し、前記検知温度が目標水温より低い場合は、前記圧縮機の運転する台数の減少または運転している前記圧縮機の容量の減少の一方または両方を指令することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記圧縮機の運転する台数を増加させる際、前記上流側冷媒回路群の全ての圧縮機が所定の上限容量で運転するまでは、前記下流側冷媒回路群の何れの圧縮機も運転させない、または、前記下流側冷媒回路群の全ての圧縮機が所定の上限容量で運転するまでは、前記上流側冷媒回路群の何れの圧縮機も運転させないことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記圧縮機の運転する台数を減少させる際、前記上流側冷媒回路群または前記下流側冷媒回路群の一方の冷媒回路群の圧縮機を優先的に順次停止させ、前記上流側冷媒回路群または前記下流側冷媒回路群の一方の冷媒回路群の全ての圧縮機が停止した後、前記上流側冷媒回路群または前記下流側冷媒回路群の他方の冷媒回路群の圧縮機を順次停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御装置は、前記圧縮機の運転する台数を減少させる際、前記上流側冷媒回路群または前記下流側冷媒回路群の一方の冷媒回路群の全ての圧縮機が上限容量で運転している場合に限り、前記上流側冷媒回路群または前記下流側冷媒回路群の他方の冷媒回路群の圧縮機を順次停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記熱源側媒体が空気で、前記熱源側熱交換器が冷媒と空気との間で熱交換するものであって、
   前記熱源側熱交換器に空気を供給する送風機を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記上流側冷媒回路群の熱源側熱交換器を通過した空気が、前記下流側冷媒回路群の熱源側熱交換器を通過することを特徴とする請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記上流側冷媒回路群の熱源側熱交換器と前記下流側冷媒回路群の熱源側熱交換器とが一体に成形されていることを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記冷媒回路に冷媒の流れ方向を切り替える流路切替装置が設置されることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記制御装置は、前記上流側冷媒回路群の圧縮機のうち運転している圧縮機の数が、前記下流側冷媒回路群の圧縮機のうち運転している圧縮機の数よりも多いまたは同一であるように制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記熱源側熱交換器を形成する前記熱源側回路の一部が複数の熱源側流路に分岐され、
    前記熱源側熱交換器を形成する複数系列の冷媒回路の一部がそれぞれ複数の冷媒流路に分岐され、
    前記一方の系列の冷媒回路の冷媒流路と前記他方の系列の冷媒回路の冷媒流路とが前記熱源側流路を挟んで対向することを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記負荷側熱交換器を形成する前記負荷側回路の一部が複数の負荷側流路に分岐され、
    前記負荷側熱交換器を形成する複数系列の冷媒回路の一部がそれぞれ複数の冷媒流路に分岐され、
    前記一方の系列の冷媒回路の冷媒流路と前記他方の系列の冷媒回路の冷媒流路とが前記負荷側流路を挟んで対向することを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記上流側冷媒回路群を構成する複数系列の冷媒回路のそれぞれと、前記下流側冷媒回路群を構成する複数系列の冷媒回路のそれぞれが、同じ構成であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の冷凍サイクル装置。

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