JP2019184231A - 冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流路切換機構が複雑となることを抑制する。【解決手段】流路切換機構(70)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉可能な開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)とを有する。第1流路(71)の流入部と第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)が圧縮部(30)の吐出部とが繋がる。第1流路(71)の流出部と第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)が熱源熱交換器(22)のガス側端部と繋がる。第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)が第2利用熱交換器(85,93)のガス側端部と繋がる。第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、第1利用熱交換器(83)のガス側端部とが、圧縮部(30)の吸入部と繋がる。【選択図】図16

Description

本開示は、冷凍装置に関する。
特許文献1の冷凍装置は、圧縮機(圧縮部)、室外熱交換器(熱源熱交換器)、冷設熱交換器(第1利用熱交換器)、室内熱交換器(第2利用熱交換器)が接続される冷媒回路を備える。冷媒回路には、流路切換機構として、2つの四方切換弁が設けられる。冷凍装置では、2つの四方切換弁の状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも下記の4つの運転が可能となる。
第1の運転(冷房/冷設運転)では、圧縮された冷媒が、室外熱交換器で放熱(凝縮)し、冷設熱交換器及び室内熱交換器で蒸発する。第2の運転(暖房/冷設運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器で放熱し、冷設熱交換器及び室外熱交換器で蒸発する。第3の運転(暖房/冷設熱回収運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器で放熱し、冷設熱交換器で蒸発するとともに、室外熱交換器は停止状態となる。第4の運転(暖房/冷設余熱運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器及び室外熱交換器で放熱し、冷設熱交換器で蒸発する。
特開2004−44921号公報
従来例の冷凍装置では、4つの運転を切り換えるために冷媒回路に2つの四方切換弁を設ける必要があり、流路切換機構が複雑であった。
本開示の目的は、流路切換機構が複雑となることを抑制することである。
第1の態様は、圧縮部(30)と、熱源熱交換器(22)と、該熱源熱交換器(22)に並列に繋がる第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(85,93)と、冷媒の流れを切り換える流路切換機構(70)とが接続される冷媒回路(11)を備えた冷凍装置であって、前記流路切換機構(70)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉する開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)とを有し、前記第1流路(71)の流入部と前記第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)が前記圧縮部(30)の吐出部とが繋がり、前記第1流路(71)の流出部と前記第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)が前記熱源熱交換器(22)のガス側端部と繋がり、前記第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)が前記第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がり、前記第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部とが、前記圧縮部(30)の吸入部と繋がることを特徴とする冷凍装置である。
第1の態様では、開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって第1から第4までの流路(71,72,73,74)の開閉状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも上記の4つの運転を行うことができる。
第2の態様は、第1の態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)の少なくとも1つに接続される弁(V1,V2,V3,V4)を含み、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、対応する流路(71,72,73,74)を開閉するように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第2の態様は、第1から第4の流路(71,72,73,74)の少なくとも1つに弁(V1,V2,V3,V4)が設けられる。弁(V1,V2,V3,V4)は、対応する流路(71,72,73,74)を開閉する。
第3の態様は、第2の態様において、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、開度が調節可能な流量調節弁で構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第3の態様では、流路(71,72,73,74)に設けられる弁(V1,V2,V3,V4)を流量調節弁とすることで、該流路(71,72,73,74)を流れる冷媒の流量ないし圧力を調節できる。
第4の態様は、第3の態様において、前記流量調節弁(V1)は、前記第1流路(71)に接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第4の態様では、第1流路(71)の弁(V1,V2,V3,V4)を流量調節弁とすることで、熱源熱交換器(22)で放熱ないし凝縮する冷媒の圧力ないし流量を調節できる。
第5の態様は、第3又は第4の態様において、前記流量調節弁(V3)は、前記第3流路(73)に接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第5の態様では、第3流路(73)の弁(V3)を流量調節弁とすることで、熱源熱交換器(22)で蒸発する冷媒の圧力ないし流量を調節できる。
第6の態様は、第2乃至第5のいずれか1つの態様において、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)のそれぞれに接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第6の態様では、第1から第4までの流路(71,72,73,74)のそれぞれに弁(V1,V2,V3,V4)が接続される。これらの弁(V1,V2,V3,V4)の開閉状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも上記の4つの運転を行うことができる。
第7の態様は、第2乃至第5のいずれか1つの態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第2接続点(C2)に設けられる第1三方弁(75)と、第3接続点(C3)に設けられる第2三方弁(76)の少なくとも一方を含み、前記第1三方弁(75)は、前記第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と遮断する第1状態と、前記第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成され、前記第2三方弁(76)は、前記第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と遮断する第1状態と、前記第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第7の態様では、三方弁(75,76)によって冷媒の流路が切り換えられる。
第8の態様は、第1乃至第7のいずれか1つの態様において、前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第2流路(72)を開け、前記第1流路(71)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させ、前記熱源熱交換器(22)を停止状態とする第1冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置。
第8の態様の第1冷凍サイクルでは、第1利用熱交換器(83)で吸熱した熱を、第2利用熱交換器(93)の熱源に利用できる。
第9の態様は、第8の態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第3流路(73)に接続される弁(V3)を含み、前記第1冷凍サイクル中に、前記第3流路(73)の弁(V3)を閉じる制御部(100)を備えていることを特徴とする冷凍装置である。
第9の態様では、第1冷凍サイクル中に、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が熱源熱交換器(22)へ流れ込んでしまうことを抑制できる。
第10の態様は、第1乃至第9の態様のいずれか1つにおいて、前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第1流路(71)及び前記第2流路(72)を開け、前記第3流路(73)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を前記熱源熱交換器(22)及び前記第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させる第2冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第10の態様の第2冷凍サイクルでは、第1利用熱交換器(83)で吸熱した熱を、第2利用熱交換器(93)の熱源に利用できる。余剰の熱は、熱源熱交換器(22)から放出される。
第11の態様は、第1乃至10の態様のいずれか1つにおいて、前記圧縮部(30)は、第1圧縮機(31)と第2圧縮機(41)とを含み、前記第1圧縮機(31)の吸入部が前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部と繋がり、前記第2圧縮機(41)の吸入部が前記第4流路(74)を介して前記第2利用熱交換器(85,93)のガス側端部と繋がることを特徴とする冷凍装置である。
第11の態様では、2つの圧縮機(31,41)で冷媒が圧縮されるとともに、第1利用熱交換器(83)と第2利用熱交換器(85,93)の蒸発圧力が異なる冷凍サイクルが実現可能となる。
第12の態様は、第1乃至11の態様のいずれか1つにおいて、前記冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置である。
図1は、実施形態に係る冷凍装置の配管系統図である。 図2は、運転モードを比較した表である。 図3は、冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図4は、冷房運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図5は、冷房/冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図6は、暖房運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図7は、暖房/冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図8は、暖房/冷設熱回収運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図9は、暖房/冷設余熱運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図10は、暖房/冷設熱回収運転の第3弁の制御に係るフローチャートである。 図11は、暖房時の運転モードの遷移状態を示す表である。 図12は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷設運転の冷媒の流れを示している。 図13は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷房運転の冷媒の流れを示している。 図14は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷房/冷設運転の冷媒の流れを示している。 図15は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房運転の冷媒の流れを示している。 図16は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設運転の冷媒の流れを示している。 図17は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設熱回収運転の冷媒の流れを示している。 図18は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設余熱運転の冷媒の流れを示している。 図19は、変形例2に係る冷凍装置の配管系統図である。 図20は、その他の実施形態に係る冷凍装置の配管系統図である。
以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態》
〈全体構成〉
実施形態に係る冷凍装置(10)は、主に業務用に用いられる冷蔵庫、冷凍庫、ショーケースなどの冷蔵設備や冷凍設備(以下、総称として冷設という)の庫内空間の空気の冷却と、室内の空調とを同時に行う。図1に示すように、冷凍装置(10)は、室外に設置される室外ユニット(20)と、庫内の空気を冷却する冷設ユニット(80)と、室内の空調を行う室内ユニット(90)と、コントローラ(100)とを備える。冷設ユニット(80)及び室内ユニット(90)の数量は、1つに限らず、2つ以上であってもよい。これらのユニット(20,80,90)が4本の連絡配管(12,13,14,15)によって相互に接続されることで、冷媒回路(11)が構成される。冷媒回路(11)では、冷媒が循環することで冷凍サイクルが行われる。本実施形態の冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素である。
〈室外ユニット〉
室外ユニット(20)は、屋外に設置される。室外ユニット(20)には、室外回路(21)が設けられる。室外回路(21)には、第1圧縮機(31)と、第2圧縮機(41)と、室外熱交換器(22)と、室外膨張弁(23)と、レシーバ(24)と、過冷却熱交換器(25)とが接続される。
第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、冷媒を圧縮する圧縮部(30)を構成している。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、二段圧縮式に構成されている。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、回転数が可変な可変容量式に構成される。
第1圧縮機(31)は、第1低段圧縮機構(31a)と第1高段圧縮機構(31b)とを有する。第1圧縮機(31)では、第1低段圧縮機構(31a)で圧縮された冷媒が、第1高段圧縮機構(31b)で更に圧縮される。第1圧縮機(31)には、第1吸入管(32)、第1中継管(33)、第1吐出管(34)、及び第1油戻し管(35)が接続される。第1吸入管(32)は、第1低段圧縮機構(31a)の吸入ポートに連通する。第1中継管(33)の流入端は、第1低段圧縮機構(31a)の吐出ポートに連通する。第1中継管(33)の流出端は、第1高段圧縮機構(31b)の吸入ポートに連通する。第1吐出管(34)は、第1高段圧縮機構(31b)の吐出ポートに連通する。第1中継管(33)には、第1インタークーラ(36)が接続される。第1油戻し管(35)には、開度が可変な第1流量調節弁(37)が接続される。
第2圧縮機(41)は、第2低段圧縮機構(41a)と第2高段圧縮機構(41b)とを有する。第2圧縮機(41)では、第2低段圧縮機構(41a)で圧縮された冷媒が、第2高段圧縮機構(41b)で更に圧縮される。第2圧縮機(41)には、第2吸入管(42)、第2中継管(43)、第2吐出管(44)、及び第2油戻し管(45)が接続される。第2吸入管(42)は、第2低段圧縮機構(41a)の吸入ポートに連通する。第2中継管(43)の流入端は、第2低段圧縮機構(41a)の吐出ポートに連通する。第2中継管(43)の流出端は、第2高段圧縮機構(41b)の吸入ポートに連通する。第2吐出管(44)は、第2高段圧縮機構(41b)の吐出ポートに連通する。第2中継管(43)には、第2インタークーラ(46)が接続される。第2油戻し管(45)には、開度が可変な第2流量調節弁(47)が接続される。
第1吐出管(34)には、第1油分離器(38)が接続される。第2吐出管(44)には、第2油分離器(48)が接続される。第1油分離器(38)で分離された油、及び第2吐出管(44)で分離された油は、油クーラ(39)で冷却される。油クーラ(39)で冷却された油は、第1油戻し管(35)を経由して第1圧縮機(31)に戻される。油クーラ(39)で冷却された油は、第2油戻し管(45)を経由して第2圧縮機(41)に戻される。
第1吸入管(32)及び第2吸入管(42)の間には、吸入連通管(50)が接続される。吸入連通管(50)には、開度が可変な圧力調節弁(V5)が設けられる。第1吐出管(34)の流出端及び第2吐出管(44)の流出端は、合流吐出管(52)に接続する。
ブリッジ回路(70)は、流路切換機構を構成している。ブリッジ回路(70)は、ブリッジ状に接続された第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉可能な4つの弁(V1,V2,V3,V4)とを有する。第1流路(71)には第1弁(V1)が、第2流路(72)には第2弁(V2)が、第3流路(73)には第3弁(V3)が、第4流路(74)には第4弁(V4)がそれぞれ接続される。本実施形態では、4つの弁(V1,V2,V3,V4)の全てが、開度が可変な流量調節弁で構成される。4つの弁(V1,V2,V3,V4)は、逆流防止機構を有している。具体的に、各弁(V1,V2,V3,V4)は、図1の各矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
4つの弁(V1,V2,V3,V4)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)をそれぞれ開閉する開閉機構を構成する。
ブリッジ回路(70)には、第1から第4までの4つの接続点(C1,C2,C3,C4)が構成される。第1接続点(C1)は、第1流路(71)の流入部と第2流路(72)の流入部とを接続する。第2接続点(C2)は、第1流路(71)の流出部と第3流路(73)の流入部とを接続する。第3接続点(C3)は、第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する。第4接続点(C4)は、第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する。
第1接続点(C1)は、第1吐出管(34)及び第2吐出管(44)(圧縮部(30)の吐出部)と繋がる。第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)(熱源熱交換器)のガス側端部と繋がる。第3接続点(C3)は、室内熱交換器(93)(第2利用熱交換器)のガス側端部と繋がる。第4接続点(C4)は、第2吸入管(42)(圧縮部(30)の吸入部)と繋がる。
室外熱交換器(22)は、熱源熱交換器を構成している。室外熱交換器(22)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。室外熱交換器(22)の近傍には、室外ファン(22a)が設けられている。室外熱交換器(22)を流れる冷媒と、室外ファン(22a)が送風する空気とが熱交換する。第1インタークーラ(36)、第2インタークーラ(46)、油クーラ(39)、及び室外熱交換器(22)は、室外ファン(22a)及びフィン(図示省略)を共有するように互いに隣接して配置される。
室外熱交換器(22)とレシーバ(24)との間には、第1配管(61)が接続される。第1配管(61)には、室外膨張弁(23)が接続される。室外膨張弁(23)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
レシーバ(24)は、冷媒を貯留する容器を構成している。過冷却熱交換器(25)は、高圧側流路(25a)と低圧側流路(25b)とを有する。過冷却熱交換器(25)では、高圧側流路(25a)を流れる冷媒と、低圧側流路(25b)を流れる冷媒とが熱交換する。
レシーバ(24)と過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)との間には、第2配管(62)が接続される。過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)の流出部には、第3配管(63)の一端が接続される。第3配管(63)の他端には、第1液分岐管(63a)と第2液分岐管(63b)とが接続する。第1液分岐管(63a)は、第1液連絡配管(12)を介して冷設熱交換器(83)の液側端部と繋がる。第2液分岐管(63b)は、第2液連絡配管(14)を介して室内熱交換器(93)の液側端部と繋がる。
第3配管(63)には、導入管(53)の一端が接続される。導入管(53)の途中には、減圧弁(54)と高圧側流路(25a)とが接続される。減圧弁(54)は、逆流防止機構を有している。減圧弁(54)は、図1の矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
導入管(53)の他端には、第1導入分岐管(53a)の流入端と、第2導入分岐管(53b)の流入端とが接続する。第1導入分岐管(53a)の流出端は、第1中継管(33)に接続する。第2導入分岐管(53b)の流出端は、第2中継管(43)に接続する。第1導入分岐管(53a)には、開度が可変な第3流量調節弁(55)が接続される。第2導入分岐管(53b)には、開度が可変な第4流量調節弁(56)が接続される。
第1配管(61)と第3配管(63)との間には、第4配管(64)が接続される。第1配管(61)と第2液分岐管(63b)との間には、第5配管(65)が接続される。レシーバ(24)の頂部には、ガス抜き管(67)の一端が接続される。ガス抜き管(67)の他端は、導入管(53)に接続する。ガス抜き管(67)には、ガス抜き弁(68)が接続される。ガス抜き弁(68)は、開度が可変な膨張弁で構成される。
上述した第1吐出管(34)、第2吐出管(44)、第1配管(61)、第4配管(64)、第5配管(65)、第2液分岐管(63b)には、それぞれ逆止弁(CV)が設けられる。各逆止弁(CV)は、図1の各矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
〈冷設ユニット〉
冷設ユニット(80)は、例えば冷蔵倉庫に設置される。冷設ユニット(80)には、冷設回路(81)が設けられる。冷設回路(81)の液側端部には、第1液連絡配管(12)が接続される。冷設回路(81)のガス側端部には、第1ガス連絡配管(13)が接続される。冷設回路(81)には、液側端から順に、冷設膨張弁(82)及び冷設熱交換器(83)が設けられる。冷設膨張弁(82)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
冷設熱交換器(83)は、第1利用熱交換器を構成している。冷設熱交換器(83)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。冷設熱交換器(83)の近傍には、庫内ファン(83a)が設けられている。冷設熱交換器(83)を流れる冷媒と、庫内ファン(83a)が送風する空気とが熱交換する。冷設熱交換器(83)のガス側端部は、第1ガス連絡配管(13)を介して第1圧縮機(31)の第1吸入管(32)に繋がる。
〈室内ユニット〉
室内ユニット(90)は、屋内に設置される。室内ユニット(90)には、室内回路(91)が設けられる。室内回路(91)のガス側端部には、第2ガス連絡配管(15)が接続される。室内回路(91)の液側端部には、第2液連絡配管(14)が接続される。室内回路(91)には、液側端から順に、室内膨張弁(92)及び室内熱交換器(93)が設けられる。室内膨張弁(92)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
室内熱交換器(93)は、第2利用熱交換器を構成している。室内熱交換器(93)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。室内熱交換器(93)の近傍には、室内ファン(93a)が設けられている。室内熱交換器(93)を流れる冷媒と、室内ファン(93a)が送風する空気とが熱交換する。室内熱交換器(93)のガス側端部は、第2ガス連絡配管(15)、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)、及び吸入中継管(58)を介して、第2圧縮機(41)の第2吸入管(42)に繋がる。
〈センサ〉
冷凍装置(10)には、各種のセンサが設けられる。これらのセンサが検出する指標の一例として、冷媒回路(11)の高圧冷媒の温度/圧力、低圧冷媒の温度/圧力、中間圧冷媒の温度/圧力、室外熱交換器(22)の冷媒の温度、冷設熱交換器(83)の冷媒の温度、室内熱交換器(93)の冷媒の温度、各圧縮機(31,41)の吸入過熱度、各圧縮機(31,41)の吐出過熱度、室外空気の温度、庫内空気の温度、室内空気の温度が挙げられる。
なお、図1では、これらのセンサのうち、詳細は後述する外気温度センサ(94)、第1冷媒温度センサ(95)、第2冷媒温度センサ(96)、及び内気温度センサ(97)を図示している。
〈コントローラ〉
制御部であるコントローラ(100)は、制御基板上に搭載されたマイクロコンピュータと、該マイクロコンピュータを動作させるためのソフトウエアを格納するメモリディバイス(具体的には半導体メモリ)とを含む。コントローラ(100)は、運転指令やセンサの検出信号に基づいて、冷凍装置(1)の各機器を制御する。コントローラ(100)による各機器の制御により、冷凍装置(1)の運転が切り換えられる。
−運転動作−
冷凍装置(1)の運転動作について詳細に説明する。図2に示すように、冷凍装置(10)の運転は、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転を含む。
冷設運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)は停止する。冷房運転では、冷設ユニット(80)が停止し、室内ユニット(90)が冷房を行う。冷房/冷設運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)が冷房を行う。暖房運転では、冷設ユニット(80)が停止し、室内ユニット(90)が暖房を行う。暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転のいずれにおいても、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)が暖房を行う。デフロスト運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室外熱交換器(22)の表面の霜を融かす動作が行われる。
暖房/冷設運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が比較的大きい条件下で実行される。暖房/冷設余熱運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が比較的小さい条件下で実行される。暖房/冷設熱回収運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が、暖房/冷設運転の間である条件下(冷設と暖房がバランスする条件下)で実行される。
図2に示すように、各運転では、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)の一方又は両方が運転される。第1圧縮機(31)のみ運転する場合、圧力調節弁(V5)が閉状態となる。第2圧縮機(41)のみ運転する場合、圧力調節弁(V5)が開状態となる。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)を運転する場合、圧力調節弁(V5)が開状態となる。以下の各運転の説明では、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)を運転する場合を例示する。
〈冷設運転〉
図3に示す冷設運転では、第1弁(V1)が開状態となり、第2弁(V2)、第3弁(V3)、第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御により調節され、室内膨張弁(92)が全閉状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
冷設運転や、他の運転では、次のように中間圧の冷媒を冷却する冷媒冷却動作が適宜行われる。第1圧縮機(31)の第1低段圧縮機構(31a)で圧縮された冷媒の少なくとも一部は、第1中継管(33)を経由して第1インタークーラ(36)を流れる。第1インタークーラ(36)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第1インタークーラ(36)で冷却された冷媒は、第1圧縮機(31)の第1高段圧縮機構(31b)で更に圧縮される。同様に、第2圧縮機(41)の第2低段圧縮機構(41a)で圧縮された冷媒の少なくとも一部は、第2中継管(43)を経由して第2インタークーラ(46)を流れる。第2インタークーラ(46)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第2インタークーラ(46)で冷却された冷媒は、第2圧縮機(41)の第2高段圧縮機構(41b)で更に圧縮される。
冷設運転や、他の運転では、過冷却熱交換器(25)の低圧側流路(25b)を流れた冷媒を各圧縮機(31,41)へ導入するインジェクション動作が適宜行われる。なお、各図においては、インジェクション動作時の冷媒の流れの図示は省略している。第2配管(62)の冷媒の一部は、導入管(53)に流入する。また、レシーバ(24)内のガス冷媒は、ガス抜き管(67)を経由して導入管(53)に流入する。導入管(53)に流入した冷媒は、減圧弁(54)で減圧された後、低圧側流路(25b)を流れる。冷設熱交換器(83)では、高圧側流路(25a)を流れる冷媒の熱が、低圧側流路(25b)を流れる冷媒に付与される。低圧側流路(25b)を流出した冷媒は、第1導入分岐管(53a)及び第2導入分岐管(53b)に分流する。第1導入分岐管(53a)の冷媒は、第1中継管(33)を経由して第1圧縮機(31)の第1高段圧縮機構(31b)に導入される。第2導入分岐管(53b)の冷媒は、第2中継管(43)を経由して第2圧縮機(41)の第2高段圧縮機構(41b)に導入される。
〈冷房運転〉
図4に示す冷房運転では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が開状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、蒸発する冷媒によって室内空気が冷やされる。室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)及び吸入中継管(58)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈冷房/冷設運転〉
図5に示す冷房/冷設運転では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が開状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)及び室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)に吸入される。室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)及び吸入中継管(58)を経由して第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房運転〉
図6に示す暖房運転では、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)の開度が過熱度制御され、冷設膨張弁(82)が閉状態となり、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(22)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第3流路(73)及び吸入中継管(58)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房/冷設運転〉
図7に示す暖房/冷設運転では、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)及び冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(22)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第3流路(73)及び吸入中継管(58)を経由して第2圧縮機(41)に吸入される。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)に吸入される。
〈暖房/冷設熱回収運転〉
図8に示す暖房/冷設熱回収運転では、第2弁(V2)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。第3弁(V3)は原則として開状態となる。室外膨張弁(23)が全閉状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第1冷凍サイクル)が行われる。この際、室外熱交換器(22)は、停止状態となる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房/冷設余熱運転〉
図9に示す暖房/冷設余熱運転では、第1弁(V1)及び第2弁(V2)が開状態となり、第3弁(V3)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)及び室内膨張弁(92)が全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)及び室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第2冷凍サイクル)が行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)及び第2流路(72)に分流する。第1流路(71)を流出した冷媒は、室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第2流路(72)を流出した冷媒は、第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、室外熱交換器(22)で放熱した冷媒と合流し、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈デフロスト運転〉
デフロスト運転の冷媒の流れは、図3に示す冷房運転と同様である。つまり、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、室外熱交換器(22)で放熱する。これにより、室外熱交換器(22)の表面の霜と融ける。室外熱交換器(22)の除霜に利用された冷媒は、室内熱交換器(93)で蒸発した後、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
−暖房/冷設熱回収運転における第3弁の制御−
上述した暖房/冷設熱回収運転では、圧縮部(30)(第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41))の吸入側の冷媒が、室外熱交換器(22)へ流れ込んでしまうのを回避するために第3弁(V3)が制御される。
冷凍装置(10)は、室外熱交換器(22)の内部圧力Poが、圧縮部(30)の吸入側の圧力Psよりも低くなっていることを示す条件Aを判定するためのセンサを有する。例えば図1に示す例では、このセンサとして、室外ユニット(20)に設けた外気温度センサ(94)が用いられる。外気温度センサ(94)は、室外熱交換器(22)の周囲の室外空気の温度Toを検出する。
図10に示すように、暖房/冷設熱回収運転が実行されると、外気温度センサ(94)の検出温度Toが所定温度Tsより高いか否かの判定が行われる(ステップST1)。ここで、この所定温度Tsは、外気温度が低いことに起因して室外熱交換器(22)の内部圧力Poが吸入圧力Psよりも低くなり得る温度条件の閾値である。
ステップST1において、検出された外気温度Toが、所定温度Ts以上である場合、コントローラ(100)は、第3弁(V3)を開状態とする(ステップST2)。これにより、室外熱交換器(22)の内部の冷媒は、圧縮部(30)の吸入側へ徐々に引き込まれるため、冷凍サイクルに利用される。
ステップST1において、検出された外気温度Toが、所定温度Tsより低い場合、コントローラ(100)は、第3弁(V3)を閉鎖させる(ステップST3)。外気温度Toが所定温度Tsよりも低い場合、室外熱交換器(22)の内部圧力Poが、圧縮部(30)の吸入側の圧力Psよりも低くなっている可能性があり、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が室外熱交換器(22)の内部へ流れてしまう可能性がある。こうなると、暖房/冷設熱回収運転における室内ユニット(90)や冷設ユニット(80)の能力が低下してしまう可能性がある。これに対し、このような条件下で第3弁(V3)を閉状態とすることで、冷媒が室外熱交換器(22)へ流れてしまうことを確実に回避できる。
−暖房の際の切換制御−
図11に示すように、冷凍装置(10)では、室内ユニット(90)の必要な暖房能力に応じて、暖房/冷設運転、暖房/熱回収運転、暖房/冷設余熱運転が切り換えられる。これらの運転を切り換える際の制御について説明する。これらの運転の切り換え時には、圧縮部(30)は停止されず継続して運転される。これらの運転の切り換え時には、ブリッジ回路(70)の第2弁(V2)及び第3弁(V3)の開度が適宜調節される。
室内ユニット(90)が暖房機となる運転では、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が求められる。この暖房能力は、各種のセンサの検出値から得ることができる。例えば図1に示す例では、室内熱交換器(93)のガス側端部に第1冷媒温度センサ(95)が設けられる。第1冷媒温度センサ(95)は、放熱器の状態の室内熱交換器(93)の入口側の冷媒温度T1を検出する。室内熱交換器(93)の液側端部には、第2冷媒温度センサ(96)が設けられる。第2冷媒温度センサ(96)は、放熱器の状態の室内熱交換器(93)の出口側の冷媒温度T2を検出する。室内ユニット(90)には、室内空気の温度Trを検出する内気温度センサ(97)(例えば吸込温度センサ)が設けられる。コントローラ(100)は、冷媒温度T1と冷媒温度T2の平均値Taveと室内空気の温度Trとの差に基づき、室内ユニット(90)の暖房能力を求める。なお、この暖房能力の算出方法は、室内熱交換器(93)を流れる二酸化炭素が臨界圧力以上となる場合のものである。例えば室内熱交換機(93)を流れる冷媒が、臨界圧力より小さい場合、室内熱交換器(93)の凝縮温度(例えば高圧圧力に相当する飽和温度Ts)と室内空気の温度Trとの差に基づき室内ユニット(90)の暖房能力を求めてもよいし、他の方法を採用してもよい。
〈暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転への切換〉
冷凍装置(10)では、必要暖房能力が比較的大きい場合、暖房/冷設運転が行われる。この際、ブリッジ回路(70)では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となる。ここで、暖房/冷設運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第3弁(V3)の開度が徐々に小さくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に大きくなり、室外空気から冷媒への吸熱量が徐々に小さくなる。このように、暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第3弁(V3)の開度が徐々に小さくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設余熱運転への切換〉
冷凍装置(10)では、必要暖房能力が中間である場合、暖房/冷設熱回収運転が行われる。この際、ブリッジ回路(70)では、第1弁(V1)、第3弁(V3)、及び第4弁(V4)が閉状態となり、第2弁(V2)が開状態となる。ここで、暖房/冷設熱回収運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第1弁(V1)の開度が徐々に大きくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に大きくなり、冷媒から室外空気への放熱量が徐々に大きくなる。このように、暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設余熱運転へ切り換わる際には、第1弁(V1)の開度が徐々に大きくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設余熱運転から暖房/冷設熱回収運転への切換〉
暖房/冷設余熱運転において、必要な暖房能力が大きくなると、第1弁(V1)の開度が徐々に小さくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に小さくなり、冷媒から室外空気への放熱量が徐々に小さくなる。このように、暖房/冷設余熱運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第1弁(V1)の開度が徐々に小さくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設運転への切換〉
暖房/冷設熱回収運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第3弁(V3)の開度が徐々に大きくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に小さくなり、室外空気から冷媒への吸熱量が徐々に大きくなる。このように、暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第3弁(V3)の開度が徐々に大きくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
−デフロスト運転の切換制御−
暖房/冷設運転、暖房/冷設運熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転において、デフロスト運転を実行させる指令があると、次のようにして、これらの運転からデフロスト運転へ切り換わる。
〈暖房/冷設運転とデフロスト運転の切換〉
暖房/冷設運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設運転→暖房/冷設熱回収運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。これにより、暖房/冷設運転時において蒸発器であった室外熱交換器(22)は、暖房/冷設熱回収運転において停止状態となり、デフロスト運転において放熱器となる。この結果、室外熱交換器(22)の圧力変動を抑制できる。
その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設熱回収運転→暖房/冷設運転の順に運転状態が切り換わる。これにより、デフロスト運転において放熱器であった室外熱交換器(22)は、暖房/冷設熱回収運転において停止状態となり、暖房/冷設運転において蒸発器となる。この結果、室外熱交換器(22)の圧力変動を抑制できる。なお、これらの運転の切り換えの際、図11に示すように、第2弁(V2)及び第3弁(V3)の開度を徐々に変更することもできる。
〈暖房/冷設熱回収運転とデフロスト運転の切換>
暖房/冷設熱回収運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設熱回収運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設熱回収運転の順に運転状態が切り換わる。
〈暖房/冷設余熱運転とデフロスト運転の切換>
暖房/冷設余熱運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設余熱運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設余熱運転の順に運転状態が切り換わる。
−冷房運転と暖房運転の切換制御−
冷房運転から暖房運転へ切り換える指令があると、圧縮部(30)を停止した後、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)を切り換える制御が行われる。具体的に、ブリッジ回路(70)において、閉状態であった第2弁(V2)及び第3弁(V3)を開状態に切り換えるとともに、開状態であった第1弁(V1)及び第4弁(V4)を閉状態に切り換える。その後、圧縮機(30A)を運転することで、暖房運転が行われる。
暖房運転から冷房運転へ切り換える指令があると、圧縮部(30)を停止した後、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)を切り換える制御が行われる。具体的に、ブリッジ回路(70)において、開状態であった第2弁(V2)及び第3弁(V3)を閉状態に切り換えるとともに、閉状態であった第1弁(V1)及び第3弁(V3)を開状態に切り換える。その後、圧縮部(30)を運転することで、冷房運転が行われる。
−実施形態の効果−
上記実施形態では、流路切換機構が、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉する開閉機構(4つの弁(V1,V2,V3,V4))とを有する。第1流路(71)の流入部と第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)は、圧縮部(30)の吐出部とが繋がる。第1流路(71)の流出部と第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)のガス側端部と繋がる。第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)は、第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がる。第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、冷設熱交換器(83)のガス側端部とが、前記圧縮部(30)の吸入部と繋がる。
これにより、図2に示すように、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)の開閉状態を切り換えることで、少なくとも、冷房/冷設運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転を行うことができ、加えて、冷設運転、冷房運転、デフロスト運転、暖房運転を行うことができる。
四方切換弁により流路を切り換える場合、高低差圧によってスプールが駆動されるため、スプールの衝撃に起因して騒音が発生したり、振動に伴って配管が折れる、あるいは損傷したりする不具合が生じ得る。特に、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、高低差圧は10MPa程度に至るため、このような不具合が顕著になる。これに対し、本実施形態では、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)をモータや電磁力によって駆動する方式であるため、高低差圧に起因する不具合を回避できる。
四方切換弁により流路を切り換える場合、高圧及び低圧の冷媒を配管を介して四方切換弁に作用させる必要がある。一方、冷凍装置において、上記の各運転を切り換えるようにすると、高圧ライン及び低圧ラインが適宜変化する。このため、全ての運転において、高圧及び低圧を四方切換弁に作用させるためには、回路構成が複雑となってしまう。これに対し、本実施形態では、高圧ライン及び低圧ラインの変化によらず、各弁(V1,V2,V3,V4)を駆動でき、回路構成の簡素化を図ることができる。
本実施形態では、4つの弁(V1,V2,V3,V4)の全てが、開度が調節可能な流量調節弁で構成される。このため、ブリッジ回路(70)の各流路(71,72,73,74)を流れる流量を調節できる。
特に、第1弁(V1)を流量調節弁とすることで、圧縮部(30)の吐出部と室外熱交換器(22)のガス側端部との間の流路の開度を調節できる。これにより、図11に示すように、放熱器となる室外熱交換器(22)の冷媒の圧力を徐々に変化させることができ、高低差圧が急峻に変化することを抑制できる。また、室外熱交換器(22)での冷媒の放熱量を調節できる。
特に、第3弁(V3)を流量調節弁とすることで、圧縮部(30)の吸入部と室外熱交換器(22)のガス側端部との間の流路の開度を調節できる。これにより、図11に示すように、蒸発器となる室外熱交換器(22)の冷媒の圧力を徐々に変化させることができ、高低差圧が急峻に変化することを抑制できる。また、室外熱交換器(22)での冷媒の吸熱量を調節できる。
上記実施形態では、室内熱交換器(93)が放熱器となり、且つ冷設熱交換器(83)が蒸発器となり、且つ室外熱交換器(85)が停止状態となる冷凍サイクル(暖房/冷設熱回収運転)において、第3流路(73)の弁(V3)を閉じる。
具体的には、図10に示すように、外気温度Toが所定温度Tsより低い条件が成立すると、コントローラ(100)によって第3弁(V3)が閉鎖される。このため、室外熱交換器(22)の内部の冷媒の温度及び圧力が低下することに起因して、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が室外熱交換器(22)へ流れ込んでしまうことを確実に回避できる。従って、暖房/冷設熱回収運転の能力の低下を抑制できる。
一方、外気温度Toが所定温度Tsより高い条件が成立すると、コントローラ(100)によって第3弁(V3)が開放される。このため、室外熱交換器(22)の内部の冷媒を、圧縮部(30)側へ引き込むことができ、暖房/冷設熱回収運転の能力を十分に確保できる。
実施形態では、圧縮部(30)が、第1圧縮機(31)と第2圧縮機(41)とを含み、第1圧縮機(31)の吸入部が前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部と繋がり、第2圧縮機(41)の吸入部が前記第4流路(74)を介して前記第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がる。このため、例えば冷房/冷設運転では、第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(93)の蒸発圧力を異なる圧力としながら冷凍サイクルを行うことができる。
実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。このため、地球温暖化の影響を緩和できる。
《実施形態の変形例1》
変形例1の冷凍装置(10)は、開閉機構が2つの三方弁(75,76)で構成される。第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)は、ブリッジ回路(70)に接続される。第1三方弁(75)は、ブリッジ回路(70)の第2接続点(C2)に接続される。第2三方弁(76)は、ブリッジ回路(70)の第3接続点(C3)に接続される。第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)は、モータによって駆動されるロータリ式の三方弁である。
第1三方弁(75)は、第1状態と、第2状態とに切り換わる。第1状態の第1三方弁(75)は、第2接続点(C2)を第1接続点(C1)と連通させ且つ第2接続点(C2)を第4接続点(C4)と遮断する。第2状態の第1三方弁(75)は、第2接続点(C2)を第4接続点(C4)と連通させ且つ第2接続点(C2)を第1接続点(C1)と遮断する。
第2三方弁(76)は、第1状態と、第2状態とに切り換わる。第1状態の第2三方弁(76)は、第3接続点(C3)を第4接続点(C4)と連通させ且つ第3接続点(C3)を第1接続点(C1)と遮断する。第2状態の第2三方弁(76)は、第3接続点(C3)を第1接続点(C1)と連通させ且つ第3接続点(C3)を第4接続点(C4)と遮断する。
それ以外の冷媒回路の構成は、基本的に上記実施形態1と同様である。
−運転動作−
変形例1の冷凍装置(10)の運転動作について説明する。変形例1の冷凍装置(10)の運転は、上記実施形態と同様、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転を含む。
〈冷設運転〉
図12に示す冷設運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御により調節され、室内膨張弁(92)が全閉状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷設運転の詳細な動作は、上記実施形態の冷設運転と同様である。
〈冷房運転(デフロスト運転)〉
図13に示す冷房運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は開状態となり、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷房運転の詳細は動作は、上記実施形態の冷房運転と同様である。また、変形例1のデフロスト運転の冷媒の流れは、図13の冷房運転と同様である。
〈冷房/冷設運転〉
図14に示す冷房/冷設運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)及び室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷房/冷設運転の詳細は動作は、上記実施形態の冷房/冷設運転と同様である。
〈暖房運転〉
図15に示す暖房運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)の開度が過熱度制御され、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の暖房運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房運転と同様である。
〈暖房/冷設運転〉
図16に示す暖房/冷設運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)及び冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の暖房/冷設運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設運転と同様である。
〈暖房/冷設熱回収運転〉
図17に示す暖房/冷設熱回収運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)が全閉状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第1冷凍サイクル)が行われる。この際、室外熱交換器(22)は、停止状態となる。変形例1の暖房/冷設熱回収運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設熱回収運転と同様である。
〈暖房/冷設余熱運転〉
図18に示す暖房/冷設余熱運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)及び室内膨張弁(92)が開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)及び室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第2冷凍サイクル)が行われる。変形例1の暖房/冷設余熱運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設余熱運転と同様である。
《実施形態の変形例2》
変形例2の冷凍装置(10)は、圧縮部(30)が1つの圧縮機(30A)で構成される。図19に示すように、変形例2の冷凍装置(10)の冷媒回路(11)には、上記実施形態と同様にしてブリッジ回路(70)が接続される。ブリッジ回路(70)の第1接続点(C1)は、圧縮機(30A)の吐出部(吐出管(34A))と繋がる。ブリッジ回路(70)の第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)(熱源熱交換器)のガス側端部と繋がる。ブリッジ回路(70)の第3接続点(C3)は、室内熱交換器(93)(第2利用熱交換器)のガス側端部と繋がる。ブリッジ回路(70)の第4接続点(C4)は、圧縮機(30A)の吸入部(吸入管(32A))と繋がる。変形例の冷媒回路(11)では、上記実施形態と同様、室外熱交換器(22)に冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)が並列に繋がる。冷設熱交換器(83)のガス側端部が圧縮機(30A)の吸入管(32A)と繋がる。
変形例2においても、上記実施形態と同様の制御により、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転が切り換えて行われる。
変形例2の冷房/冷設運転では、第4弁(V4)が圧力調節弁ないし減圧弁として機能する。つまり、第4弁(V4)の開度を最大開度より小さい所定開度に調節することで、室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒を減圧できる。これにより、室内熱交換器(93)の蒸発圧力を冷設熱交換器(83)の蒸発圧力より高く維持でき、いわゆる異温度蒸発式の冷凍サイクルを実現できる。
変形例2において、開閉機構が第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)で構成されてもよい。
《その他の実施形態》
上記実施形態や、各変形例においては、以下のような構成としてもよい。
冷凍装置(10)は、第2利用熱交換器として水などの熱媒体と冷媒とを熱交換させる熱交換器(85)を用いてもよい。図20に示す例の冷凍装置(10)では、実施形態の室内熱交換器(93)に替えて温水及び冷水を生成するための熱交換器(85)が設けられる。熱交換器(85)は、室外回路(21)に接続される。熱交換器(85)の液側には、実施形態の室内膨張弁(92)と同様に機能する膨張弁(86)が接続される。熱交換器(85)は、冷媒流路(85a)と熱媒体流路(85b)とを有する。熱交換器(85)では、冷媒と熱媒体(水)とが熱交換する。熱交換器(85)が放熱器として機能すると、冷媒流路(85a)の冷媒によって、熱媒体流路(85b)の水が加熱される。この水は、温水としてタンク(87)に貯留される。熱交換器(85)が蒸発器として機能すると、冷媒流路(85a)の冷媒によって、熱媒体流路(85b)の水が冷却される。この水は、冷水としてタンク(87)に貯留される。タンク(87)に貯留された温水及び冷水は、ポンプ(88)によって対象へ供給される。
開閉機構は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)を開閉できる弁であれば、電磁開閉弁などの他の弁であってもよい。開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、上記実施形態の弁(V1,V2,V3,V4)と、変形例1の三方弁(75,76)の組み合わせであってもよい。例えば上記実施形態の第1弁(V1)及び第3弁(V3)と、変形例1の第2三方弁(76)とを組み合わせた構成であってもよい。上記実施形態の第2弁(V2)及び第4弁(V4)と、第1三方弁(75)とを組み合わせた構成であってもよい。
冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素に限らず、HFC系の冷媒などの他の冷媒を用いてもよい。冷凍サイクルは、冷媒を臨界圧力以上にまで圧縮する、いわゆる臨界サイクルであってもよいし、冷媒を臨界圧力よりも低い圧力まで圧縮する、いわゆる亜臨界サイクルであってもよい。
第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、単段式であってもよい。
第1利用熱交換器及び第2利用熱交換器は、それぞれ2つ以上あってもよい。第1利用熱交換器は、冷凍庫の庫内を冷却するものであってもよいし、冷房専用の室内ユニットに設けられてもよい。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。以上に述べた「第1」、「第2」、「第3」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。
11 冷媒回路
22 室外熱交換器(熱源熱交換器)
30 圧縮機構
31 第1圧縮機
41 第2圧縮機
71 第1流路 (流路切換機構)
72 第2流路 (流路切換機構)
73 第3流路 (流路切換機構)
74 第4流路 (流路切換機構)
75 第1三方弁(開閉機構、流路切換機構)
76 第2三方弁(開閉機構、流路切換機構)
83 冷設熱交換器(第1利用熱交換器)
85 熱交換器(第2利用熱交換器)
93 室内熱交換器(第2利用熱交換器)
100 コントローラ(制御部)
V1 第1弁(開閉機構、流路切換機構)
V2 第2弁(開閉機構、流路切換機構)
V3 第3弁(開閉機構、流路切換機構)
V4 第4弁(開閉機構、流路切換機構)
本開示は、冷凍装置に関する。
特許文献1の冷凍装置は、圧縮機(圧縮部)、室外熱交換器(熱源熱交換器)、冷設熱交換器(第1利用熱交換器)、室内熱交換器(第2利用熱交換器)が接続される冷媒回路を備える。冷媒回路には、流路切換機構として、2つの四方切換弁が設けられる。冷凍装置では、2つの四方切換弁の状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも下記の4つの運転が可能となる。
第1の運転(冷房/冷設運転)では、圧縮された冷媒が、室外熱交換器で放熱(凝縮)し、冷設熱交換器及び室内熱交換器で蒸発する。第2の運転(暖房/冷設運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器で放熱し、冷設熱交換器及び室外熱交換器で蒸発する。第3の運転(暖房/冷設熱回収運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器で放熱し、冷設熱交換器で蒸発するとともに、室外熱交換器は停止状態となる。第4の運転(暖房/冷設余熱運転)では、圧縮された冷媒が、室内熱交換器及び室外熱交換器で放熱し、冷設熱交換器で蒸発する。
特開2004−44921号公報
従来例の冷凍装置では、4つの運転を切り換えるために冷媒回路に2つの四方切換弁を設ける必要があり、流路切換機構が複雑であった。
本開示の目的は、流路切換機構が複雑となることを抑制することである。
第1の態様は、圧縮部(30)と、熱源熱交換器(22)と、該熱源熱交換器(22)に並列に繋がる第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(85,93)と、冷媒の流れを切り換える流路切換機構(70)とが接続される冷媒回路(11)を備えた冷凍装置であって、前記流路切換機構(70)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉する開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)とを有し、前記第1流路(71)の流入部と前記第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)が前記圧縮部(30)の吐出部とが繋がり、前記第1流路(71)の流出部と前記第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)が前記熱源熱交換器(22)のガス側端部と繋がり、前記第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)が前記第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がり、前記第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部とが、前記圧縮部(30)の吸入部と繋がることを特徴とする冷凍装置である。
第1の態様では、開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって第1から第4までの流路(71,72,73,74)の開閉状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも上記の4つの運転を行うことができる。
第2の態様は、第1の態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)の少なくとも1つに接続される弁(V1,V2,V3,V4)を含み、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、対応する流路(71,72,73,74)を開閉するように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第2の態様は、第1から第4の流路(71,72,73,74)の少なくとも1つに弁(V1,V2,V3,V4)が設けられる。弁(V1,V2,V3,V4)は、対応する流路(71,72,73,74)を開閉する。
第3の態様は、第2の態様において、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、開度が調節可能な流量調節弁で構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第3の態様では、流路(71,72,73,74)に設けられる弁(V1,V2,V3,V4)を流量調節弁とすることで、該流路(71,72,73,74)を流れる冷媒の流量ないし圧力を調節できる。
第4の態様は、第3の態様において、前記流量調節弁(V1)は、前記第1流路(71)に接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第4の態様では、第1流路(71)の弁(V1,V2,V3,V4)を流量調節弁とすることで、熱源熱交換器(22)で放熱ないし凝縮する冷媒の圧力ないし流量を調節できる。
第5の態様は、第3又は第4の態様において、前記流量調節弁(V3)は、前記第3流路(73)に接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第5の態様では、第3流路(73)の弁(V3)を流量調節弁とすることで、熱源熱交換器(22)で蒸発する冷媒の圧力ないし流量を調節できる。
第6の態様は、第2乃至第5のいずれか1つの態様において、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)のそれぞれに接続されることを特徴とする冷凍装置である。
第6の態様では、第1から第4までの流路(71,72,73,74)のそれぞれに弁(V1,V2,V3,V4)が接続される。これらの弁(V1,V2,V3,V4)の開閉状態をそれぞれ切り換えることで、少なくとも上記の4つの運転を行うことができる。
第7の態様は、第2乃至第5のいずれか1つの態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第2接続点(C2)に設けられる第1三方弁(75)と、第3接続点(C3)に設けられる第2三方弁(76)の少なくとも一方を含み、前記第1三方弁(75)は、前記第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と遮断する第1状態と、前記第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成され、前記第2三方弁(76)は、前記第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と遮断する第1状態と、前記第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第7の態様では、三方弁(75,76)によって冷媒の流路が切り換えられる。
第8の態様は、第1乃至第7のいずれか1つの態様において、前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第2流路(72)を開け、前記第1流路(71)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させ、前記熱源熱交換器(22)を停止状態とする第1冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置。
第8の態様の第1冷凍サイクルでは、第1利用熱交換器(83)で吸熱した熱を、第2利用熱交換器(93)の熱源に利用できる。
第9の態様は、第8の態様において、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第3流路(73)に接続される弁(V3)を含み、前記第1冷凍サイクル中に、前記第3流路(73)の弁(V3)を閉じる制御部(100)を備えていることを特徴とする冷凍装置である。
第9の態様では、第1冷凍サイクル中に、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が熱源熱交換器(22)へ流れ込んでしまうことを抑制できる。
第10の態様は、第1乃至第9の態様のいずれか1つにおいて、前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第1流路(71)及び前記第2流路(72)を開け、前記第3流路(73)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を前記熱源熱交換器(22)及び前記第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させる第2冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第10の態様の第2冷凍サイクルでは、第1利用熱交換器(83)で吸熱した熱を、第2利用熱交換器(93)の熱源に利用できる。余剰の熱は、熱源熱交換器(22)から放出される。
第11の態様は、第1乃至第7のいずれか1つの態様において、前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第2流路(72)を開け、前記第1流路(71)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させ、前記熱源熱交換器(22)を停止状態とする第1冷凍サイクルと、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第1流路(71)及び前記第2流路(72)を開け、前記第3流路(73)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を前記熱源熱交換器(22)及び前記第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させる第2冷凍サイクルと、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって、第2流路(72)及び第4流路(74)を開け、第1流路(71)及び第3流路(73)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を熱源熱交換器(22)で放熱させ、第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(93)で蒸発させる第3冷凍サイクルと、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって、第2流路(72)及び第3流路(73)を開け、第1流路(71)及び第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を第2利用熱交換器(93)で放熱させ、熱源熱交換器(22)及び第1利用熱交換器(83)で蒸発させる第4冷凍サイクルとを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置である。
第1の態様は、第1乃至1の態様のいずれか1つにおいて、前記圧縮部(30)は、第1圧縮機(31)と第2圧縮機(41)とを含み、前記第1圧縮機(31)の吸入部が前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部と繋がり、前記第2圧縮機(41)の吸入部が前記第4流路(74)を介して前記第2利用熱交換器(85,93)のガス側端部と繋がることを特徴とする冷凍装置である。
第1の態様では、2つの圧縮機(31,41)で冷媒が圧縮されるとともに、第1利用熱交換器(83)と第2利用熱交換器(85,93)の蒸発圧力が異なる冷凍サイクルが実現可能となる。
第1の態様は、第1乃至1の態様のいずれか1つにおいて、前記冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置である。
図1は、実施形態に係る冷凍装置の配管系統図である。 図2は、運転モードを比較した表である。 図3は、冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図4は、冷房運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図5は、冷房/冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図6は、暖房運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図7は、暖房/冷設運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図8は、暖房/冷設熱回収運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図9は、暖房/冷設余熱運転の冷媒の流れを示した図1相当図である。 図10は、暖房/冷設熱回収運転の第3弁の制御に係るフローチャートである。 図11は、暖房時の運転モードの遷移状態を示す表である。 図12は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷設運転の冷媒の流れを示している。 図13は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷房運転の冷媒の流れを示している。 図14は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、冷房/冷設運転の冷媒の流れを示している。 図15は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房運転の冷媒の流れを示している。 図16は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設運転の冷媒の流れを示している。 図17は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設熱回収運転の冷媒の流れを示している。 図18は、変形例1に係る冷凍装置の配管系統図であり、暖房/冷設余熱運転の冷媒の流れを示している。 図19は、変形例2に係る冷凍装置の配管系統図である。 図20は、その他の実施形態に係る冷凍装置の配管系統図である。
以下、本実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態》
〈全体構成〉
実施形態に係る冷凍装置(10)は、主に業務用に用いられる冷蔵庫、冷凍庫、ショーケースなどの冷蔵設備や冷凍設備(以下、総称として冷設という)の庫内空間の空気の冷却と、室内の空調とを同時に行う。図1に示すように、冷凍装置(10)は、室外に設置される室外ユニット(20)と、庫内の空気を冷却する冷設ユニット(80)と、室内の空調を行う室内ユニット(90)と、コントローラ(100)とを備える。冷設ユニット(80)及び室内ユニット(90)の数量は、1つに限らず、2つ以上であってもよい。これらのユニット(20,80,90)が4本の連絡配管(12,13,14,15)によって相互に接続されることで、冷媒回路(11)が構成される。冷媒回路(11)では、冷媒が循環することで冷凍サイクルが行われる。本実施形態の冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素である。
〈室外ユニット〉
室外ユニット(20)は、屋外に設置される。室外ユニット(20)には、室外回路(21)が設けられる。室外回路(21)には、第1圧縮機(31)と、第2圧縮機(41)と、室外熱交換器(22)と、室外膨張弁(23)と、レシーバ(24)と、過冷却熱交換器(25)とが接続される。
第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、冷媒を圧縮する圧縮部(30)を構成している。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、二段圧縮式に構成されている。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、回転数が可変な可変容量式に構成される。
第1圧縮機(31)は、第1低段圧縮機構(31a)と第1高段圧縮機構(31b)とを有する。第1圧縮機(31)では、第1低段圧縮機構(31a)で圧縮された冷媒が、第1高段圧縮機構(31b)で更に圧縮される。第1圧縮機(31)には、第1吸入管(32)、第1中継管(33)、第1吐出管(34)、及び第1油戻し管(35)が接続される。第1吸入管(32)は、第1低段圧縮機構(31a)の吸入ポートに連通する。第1中継管(33)の流入端は、第1低段圧縮機構(31a)の吐出ポートに連通する。第1中継管(33)の流出端は、第1高段圧縮機構(31b)の吸入ポートに連通する。第1吐出管(34)は、第1高段圧縮機構(31b)の吐出ポートに連通する。第1中継管(33)には、第1インタークーラ(36)が接続される。第1油戻し管(35)には、開度が可変な第1流量調節弁(37)が接続される。
第2圧縮機(41)は、第2低段圧縮機構(41a)と第2高段圧縮機構(41b)とを有する。第2圧縮機(41)では、第2低段圧縮機構(41a)で圧縮された冷媒が、第2高段圧縮機構(41b)で更に圧縮される。第2圧縮機(41)には、第2吸入管(42)、第2中継管(43)、第2吐出管(44)、及び第2油戻し管(45)が接続される。第2吸入管(42)は、第2低段圧縮機構(41a)の吸入ポートに連通する。第2中継管(43)の流入端は、第2低段圧縮機構(41a)の吐出ポートに連通する。第2中継管(43)の流出端は、第2高段圧縮機構(41b)の吸入ポートに連通する。第2吐出管(44)は、第2高段圧縮機構(41b)の吐出ポートに連通する。第2中継管(43)には、第2インタークーラ(46)が接続される。第2油戻し管(45)には、開度が可変な第2流量調節弁(47)が接続される。
第1吐出管(34)には、第1油分離器(38)が接続される。第2吐出管(44)には、第2油分離器(48)が接続される。第1油分離器(38)で分離された油、及び第2吐出管(44)で分離された油は、油クーラ(39)で冷却される。油クーラ(39)で冷却された油は、第1油戻し管(35)を経由して第1圧縮機(31)に戻される。油クーラ(39)で冷却された油は、第2油戻し管(45)を経由して第2圧縮機(41)に戻される。
第1吸入管(32)及び第2吸入管(42)の間には、吸入連通管(50)が接続される。吸入連通管(50)には、開度が可変な圧力調節弁(V5)が設けられる。第1吐出管(34)の流出端及び第2吐出管(44)の流出端は、合流吐出管(52)に接続する。
ブリッジ回路(70)は、流路切換機構を構成している。ブリッジ回路(70)は、ブリッジ状に接続された第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉可能な4つの弁(V1,V2,V3,V4)とを有する。第1流路(71)には第1弁(V1)が、第2流路(72)には第2弁(V2)が、第3流路(73)には第3弁(V3)が、第4流路(74)には第4弁(V4)がそれぞれ接続される。本実施形態では、4つの弁(V1,V2,V3,V4)の全てが、開度が可変な流量調節弁で構成される。4つの弁(V1,V2,V3,V4)は、逆流防止機構を有している。具体的に、各弁(V1,V2,V3,V4)は、図1の各矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
4つの弁(V1,V2,V3,V4)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)をそれぞれ開閉する開閉機構を構成する。
ブリッジ回路(70)には、第1から第4までの4つの接続点(C1,C2,C3,C4)が構成される。第1接続点(C1)は、第1流路(71)の流入部と第2流路(72)の流入部とを接続する。第2接続点(C2)は、第1流路(71)の流出部と第3流路(73)の流入部とを接続する。第3接続点(C3)は、第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する。第4接続点(C4)は、第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する。
第1接続点(C1)は、第1吐出管(34)及び第2吐出管(44)(圧縮部(30)の吐出部)と繋がる。第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)(熱源熱交換器)のガス側端部と繋がる。第3接続点(C3)は、室内熱交換器(93)(第2利用熱交換器)のガス側端部と繋がる。第4接続点(C4)は、第2吸入管(42)(圧縮部(30)の吸入部)と繋がる。
室外熱交換器(22)は、熱源熱交換器を構成している。室外熱交換器(22)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。室外熱交換器(22)の近傍には、室外ファン(22a)が設けられている。室外熱交換器(22)を流れる冷媒と、室外ファン(22a)が送風する空気とが熱交換する。第1インタークーラ(36)、第2インタークーラ(46)、油クーラ(39)、及び室外熱交換器(22)は、室外ファン(22a)及びフィン(図示省略)を共有するように互いに隣接して配置される。
室外熱交換器(22)とレシーバ(24)との間には、第1配管(61)が接続される。第1配管(61)には、室外膨張弁(23)が接続される。室外膨張弁(23)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
レシーバ(24)は、冷媒を貯留する容器を構成している。過冷却熱交換器(25)は、高圧側流路(25a)と低圧側流路(25b)とを有する。過冷却熱交換器(25)では、高圧側流路(25a)を流れる冷媒と、低圧側流路(25b)を流れる冷媒とが熱交換する。
レシーバ(24)と過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)との間には、第2配管(62)が接続される。過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)の流出部には、第3配管(63)の一端が接続される。第3配管(63)の他端には、第1液分岐管(63a)と第2液分岐管(63b)とが接続する。第1液分岐管(63a)は、第1液連絡配管(12)を介して冷設熱交換器(83)の液側端部と繋がる。第2液分岐管(63b)は、第2液連絡配管(14)を介して室内熱交換器(93)の液側端部と繋がる。
第3配管(63)には、導入管(53)の一端が接続される。導入管(53)の途中には、減圧弁(54)と高圧側流路(25a)とが接続される。減圧弁(54)は、逆流防止機構を有している。減圧弁(54)は、図1の矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
導入管(53)の他端には、第1導入分岐管(53a)の流入端と、第2導入分岐管(53b)の流入端とが接続する。第1導入分岐管(53a)の流出端は、第1中継管(33)に接続する。第2導入分岐管(53b)の流出端は、第2中継管(43)に接続する。第1導入分岐管(53a)には、開度が可変な第3流量調節弁(55)が接続される。第2導入分岐管(53b)には、開度が可変な第4流量調節弁(56)が接続される。
第1配管(61)と第3配管(63)との間には、第4配管(64)が接続される。第1配管(61)と第2液分岐管(63b)との間には、第5配管(65)が接続される。レシーバ(24)の頂部には、ガス抜き管(67)の一端が接続される。ガス抜き管(67)の他端は、導入管(53)に接続する。ガス抜き管(67)には、ガス抜き弁(68)が接続される。ガス抜き弁(68)は、開度が可変な膨張弁で構成される。
上述した第1吐出管(34)、第2吐出管(44)、第1配管(61)、第4配管(64)、第5配管(65)、第2液分岐管(63b)には、それぞれ逆止弁(CV)が設けられる。各逆止弁(CV)は、図1の各矢印で示す方向の冷媒の流通を許容し、その逆方向の冷媒の流通を禁止する。
〈冷設ユニット〉
冷設ユニット(80)は、例えば冷蔵倉庫に設置される。冷設ユニット(80)には、冷設回路(81)が設けられる。冷設回路(81)の液側端部には、第1液連絡配管(12)が接続される。冷設回路(81)のガス側端部には、第1ガス連絡配管(13)が接続される。冷設回路(81)には、液側端から順に、冷設膨張弁(82)及び冷設熱交換器(83)が設けられる。冷設膨張弁(82)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
冷設熱交換器(83)は、第1利用熱交換器を構成している。冷設熱交換器(83)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。冷設熱交換器(83)の近傍には、庫内ファン(83a)が設けられている。冷設熱交換器(83)を流れる冷媒と、庫内ファン(83a)が送風する空気とが熱交換する。冷設熱交換器(83)のガス側端部は、第1ガス連絡配管(13)を介して第1圧縮機(31)の第1吸入管(32)に繋がる。
〈室内ユニット〉
室内ユニット(90)は、屋内に設置される。室内ユニット(90)には、室内回路(91)が設けられる。室内回路(91)のガス側端部には、第2ガス連絡配管(15)が接続される。室内回路(91)の液側端部には、第2液連絡配管(14)が接続される。室内回路(91)には、液側端から順に、室内膨張弁(92)及び室内熱交換器(93)が設けられる。室内膨張弁(92)は、開度が可変な電子膨張弁で構成される。
室内熱交換器(93)は、第2利用熱交換器を構成している。室内熱交換器(93)は、フィン・アンド・チューブ型の熱交換器である。室内熱交換器(93)の近傍には、室内ファン(93a)が設けられている。室内熱交換器(93)を流れる冷媒と、室内ファン(93a)が送風する空気とが熱交換する。室内熱交換器(93)のガス側端部は、第2ガス連絡配管(15)、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)、及び吸入中継管(58)を介して、第2圧縮機(41)の第2吸入管(42)に繋がる。
〈センサ〉
冷凍装置(10)には、各種のセンサが設けられる。これらのセンサが検出する指標の一例として、冷媒回路(11)の高圧冷媒の温度/圧力、低圧冷媒の温度/圧力、中間圧冷媒の温度/圧力、室外熱交換器(22)の冷媒の温度、冷設熱交換器(83)の冷媒の温度、室内熱交換器(93)の冷媒の温度、各圧縮機(31,41)の吸入過熱度、各圧縮機(31,41)の吐出過熱度、室外空気の温度、庫内空気の温度、室内空気の温度が挙げられる。
なお、図1では、これらのセンサのうち、詳細は後述する外気温度センサ(94)、第1冷媒温度センサ(95)、第2冷媒温度センサ(96)、及び内気温度センサ(97)を図示している。
〈コントローラ〉
制御部であるコントローラ(100)は、制御基板上に搭載されたマイクロコンピュータと、該マイクロコンピュータを動作させるためのソフトウエアを格納するメモリディバイス(具体的には半導体メモリ)とを含む。コントローラ(100)は、運転指令やセンサの検出信号に基づいて、冷凍装置(1)の各機器を制御する。コントローラ(100)による各機器の制御により、冷凍装置(1)の運転が切り換えられる。
−運転動作−
冷凍装置(1)の運転動作について詳細に説明する。図2に示すように、冷凍装置(10)の運転は、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転を含む。
冷設運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)は停止する。冷房運転では、冷設ユニット(80)が停止し、室内ユニット(90)が冷房を行う。冷房/冷設運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)が冷房を行う。暖房運転では、冷設ユニット(80)が停止し、室内ユニット(90)が暖房を行う。暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転のいずれにおいても、冷設ユニット(80)が運転され、室内ユニット(90)が暖房を行う。デフロスト運転では、冷設ユニット(80)が運転され、室外熱交換器(22)の表面の霜を融かす動作が行われる。
暖房/冷設運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が比較的大きい条件下で実行される。暖房/冷設余熱運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が比較的小さい条件下で実行される。暖房/冷設熱回収運転は、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が、暖房/冷設運転の間である条件下(冷設と暖房がバランスする条件下)で実行される。
図2に示すように、各運転では、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)の一方又は両方が運転される。第1圧縮機(31)のみ運転する場合、圧力調節弁(V5)が閉状態となる。第2圧縮機(41)のみ運転する場合、圧力調節弁(V5)が開状態となる。第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)を運転する場合、圧力調節弁(V5)が開状態となる。以下の各運転の説明では、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)を運転する場合を例示する。
〈冷設運転〉
図3に示す冷設運転では、第1弁(V1)が開状態となり、第2弁(V2)、第3弁(V3)、第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御により調節され、室内膨張弁(92)が全閉状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
冷設運転や、他の運転では、次のように中間圧の冷媒を冷却する冷媒冷却動作が適宜行われる。第1圧縮機(31)の第1低段圧縮機構(31a)で圧縮された冷媒の少なくとも一部は、第1中継管(33)を経由して第1インタークーラ(36)を流れる。第1インタークーラ(36)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第1インタークーラ(36)で冷却された冷媒は、第1圧縮機(31)の第1高段圧縮機構(31b)で更に圧縮される。同様に、第2圧縮機(41)の第2低段圧縮機構(41a)で圧縮された冷媒の少なくとも一部は、第2中継管(43)を経由して第2インタークーラ(46)を流れる。第2インタークーラ(46)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第2インタークーラ(46)で冷却された冷媒は、第2圧縮機(41)の第2高段圧縮機構(41b)で更に圧縮される。
冷設運転や、他の運転では、過冷却熱交換器(25)の低圧側流路(25b)を流れた冷媒を各圧縮機(31,41)へ導入するインジェクション動作が適宜行われる。なお、各図においては、インジェクション動作時の冷媒の流れの図示は省略している。第2配管(62)の冷媒の一部は、導入管(53)に流入する。また、レシーバ(24)内のガス冷媒は、ガス抜き管(67)を経由して導入管(53)に流入する。導入管(53)に流入した冷媒は、減圧弁(54)で減圧された後、低圧側流路(25b)を流れる。冷設熱交換器(83)では、高圧側流路(25a)を流れる冷媒の熱が、低圧側流路(25b)を流れる冷媒に付与される。低圧側流路(25b)を流出した冷媒は、第1導入分岐管(53a)及び第2導入分岐管(53b)に分流する。第1導入分岐管(53a)の冷媒は、第1中継管(33)を経由して第1圧縮機(31)の第1高段圧縮機構(31b)に導入される。第2導入分岐管(53b)の冷媒は、第2中継管(43)を経由して第2圧縮機(41)の第2高段圧縮機構(41b)に導入される。
〈冷房運転〉
図4に示す冷房運転では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が開状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、蒸発する冷媒によって室内空気が冷やされる。室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)及び吸入中継管(58)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈冷房/冷設運転〉
図5に示す冷房/冷設運転では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が開状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が閉状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)及び室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。室外熱交換器(22)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)に吸入される。室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第4流路(74)及び吸入中継管(58)を経由して第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房運転〉
図6に示す暖房運転では、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)の開度が過熱度制御され、冷設膨張弁(82)が閉状態となり、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(22)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第3流路(73)及び吸入中継管(58)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房/冷設運転〉
図7に示す暖房/冷設運転では、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)及び冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒が室内空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器(22)で蒸発した冷媒は、ブリッジ回路(70)の第3流路(73)及び吸入中継管(58)を経由して第2圧縮機(41)に吸入される。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)に吸入される。
〈暖房/冷設熱回収運転〉
図8に示す暖房/冷設熱回収運転では、第2弁(V2)が開状態となり、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となる。第3弁(V3)は原則として開状態となる。室外膨張弁(23)が全閉状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第1冷凍サイクル)が行われる。この際、室外熱交換器(22)は、停止状態となる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第2流路(72)及び第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈暖房/冷設余熱運転〉
図9に示す暖房/冷設余熱運転では、第1弁(V1)及び第2弁(V2)が開状態となり、第3弁(V3)及び第4弁(V4)が閉状態となる。室外膨張弁(23)及び室内膨張弁(92)が全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)及び室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第2冷凍サイクル)が行われる。
具体的には、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、ブリッジ回路(70)の第1流路(71)及び第2流路(72)に分流する。第1流路(71)を流出した冷媒は、室外熱交換器(22)を流れる。室外熱交換器(22)では、冷媒の熱が室外空気へ放出される。第2流路(72)を流出した冷媒は、第2ガス連絡配管(15)を経由して室内熱交換器(93)を流れる。室内熱交換器(93)では、放熱する冷媒によって室内空気が加熱される。室内熱交換器(93)で放熱した冷媒は、室外熱交換器(22)で放熱した冷媒と合流し、レシーバ(24)、過冷却熱交換器(25)の高圧側流路(25a)を経由して冷設熱交換器(83)を流れる。冷設熱交換器(83)では、蒸発する冷媒によって庫内空気が冷やされる。冷設熱交換器(83)で蒸発した冷媒は、第1ガス連絡配管(13)を経由して第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
〈デフロスト運転〉
デフロスト運転の冷媒の流れは、図3に示す冷房運転と同様である。つまり、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)で圧縮された冷媒は、室外熱交換器(22)で放熱する。これにより、室外熱交換器(22)の表面の霜と融ける。室外熱交換器(22)の除霜に利用された冷媒は、室内熱交換器(93)で蒸発した後、第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)に吸入される。
−暖房/冷設熱回収運転における第3弁の制御−
上述した暖房/冷設熱回収運転では、圧縮部(30)(第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41))の吸入側の冷媒が、室外熱交換器(22)へ流れ込んでしまうのを回避するために第3弁(V3)が制御される。
冷凍装置(10)は、室外熱交換器(22)の内部圧力Poが、圧縮部(30)の吸入側の圧力Psよりも低くなっていることを示す条件Aを判定するためのセンサを有する。例えば図1に示す例では、このセンサとして、室外ユニット(20)に設けた外気温度センサ(94)が用いられる。外気温度センサ(94)は、室外熱交換器(22)の周囲の室外空気の温度Toを検出する。
図10に示すように、暖房/冷設熱回収運転が実行されると、外気温度センサ(94)の検出温度Toが所定温度Tsより高いか否かの判定が行われる(ステップST1)。ここで、この所定温度Tsは、外気温度が低いことに起因して室外熱交換器(22)の内部圧力Poが吸入圧力Psよりも低くなり得る温度条件の閾値である。
ステップST1において、検出された外気温度Toが、所定温度Ts以上である場合、コントローラ(100)は、第3弁(V3)を開状態とする(ステップST2)。これにより、室外熱交換器(22)の内部の冷媒は、圧縮部(30)の吸入側へ徐々に引き込まれるため、冷凍サイクルに利用される。
ステップST1において、検出された外気温度Toが、所定温度Tsより低い場合、コントローラ(100)は、第3弁(V3)を閉鎖させる(ステップST3)。外気温度Toが所定温度Tsよりも低い場合、室外熱交換器(22)の内部圧力Poが、圧縮部(30)の吸入側の圧力Psよりも低くなっている可能性があり、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が室外熱交換器(22)の内部へ流れてしまう可能性がある。こうなると、暖房/冷設熱回収運転における室内ユニット(90)や冷設ユニット(80)の能力が低下してしまう可能性がある。これに対し、このような条件下で第3弁(V3)を閉状態とすることで、冷媒が室外熱交換器(22)へ流れてしまうことを確実に回避できる。
−暖房の際の切換制御−
図11に示すように、冷凍装置(10)では、室内ユニット(90)の必要な暖房能力に応じて、暖房/冷設運転、暖房/熱回収運転、暖房/冷設余熱運転が切り換えられる。これらの運転を切り換える際の制御について説明する。これらの運転の切り換え時には、圧縮部(30)は停止されず継続して運転される。これらの運転の切り換え時には、ブリッジ回路(70)の第2弁(V2)及び第3弁(V3)の開度が適宜調節される。
室内ユニット(90)が暖房機となる運転では、室内ユニット(90)の必要な暖房能力が求められる。この暖房能力は、各種のセンサの検出値から得ることができる。例えば図1に示す例では、室内熱交換器(93)のガス側端部に第1冷媒温度センサ(95)が設けられる。第1冷媒温度センサ(95)は、放熱器の状態の室内熱交換器(93)の入口側の冷媒温度T1を検出する。室内熱交換器(93)の液側端部には、第2冷媒温度センサ(96)が設けられる。第2冷媒温度センサ(96)は、放熱器の状態の室内熱交換器(93)の出口側の冷媒温度T2を検出する。室内ユニット(90)には、室内空気の温度Trを検出する内気温度センサ(97)(例えば吸込温度センサ)が設けられる。コントローラ(100)は、冷媒温度T1と冷媒温度T2の平均値Taveと室内空気の温度Trとの差に基づき、室内ユニット(90)の暖房能力を求める。なお、この暖房能力の算出方法は、室内熱交換器(93)を流れる二酸化炭素が臨界圧力以上となる場合のものである。例えば室内熱交換機(93)を流れる冷媒が、臨界圧力より小さい場合、室内熱交換器(93)の凝縮温度(例えば高圧圧力に相当する飽和温度Ts)と室内空気の温度Trとの差に基づき室内ユニット(90)の暖房能力を求めてもよいし、他の方法を採用してもよい。
〈暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転への切換〉
冷凍装置(10)では、必要暖房能力が比較的大きい場合、暖房/冷設運転が行われる。この際、ブリッジ回路(70)では、第1弁(V1)及び第4弁(V4)が閉状態となり、第2弁(V2)及び第3弁(V3)が開状態となる。ここで、暖房/冷設運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第3弁(V3)の開度が徐々に小さくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に大きくなり、室外空気から冷媒への吸熱量が徐々に小さくなる。このように、暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第3弁(V3)の開度が徐々に小さくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設余熱運転への切換〉
冷凍装置(10)では、必要暖房能力が中間である場合、暖房/冷設熱回収運転が行われる。この際、ブリッジ回路(70)では、第1弁(V1)、第3弁(V3)、及び第4弁(V4)が閉状態となり、第2弁(V2)が開状態となる。ここで、暖房/冷設熱回収運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第1弁(V1)の開度が徐々に大きくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に大きくなり、冷媒から室外空気への放熱量が徐々に大きくなる。このように、暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設余熱運転へ切り換わる際には、第1弁(V1)の開度が徐々に大きくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設余熱運転から暖房/冷設熱回収運転への切換〉
暖房/冷設余熱運転において、必要な暖房能力が大きくなると、第1弁(V1)の開度が徐々に小さくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に小さくなり、冷媒から室外空気への放熱量が徐々に小さくなる。このように、暖房/冷設余熱運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第1弁(V1)の開度が徐々に小さくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
〈暖房/冷設熱回収運転から暖房/冷設運転への切換〉
暖房/冷設熱回収運転において、必要な暖房能力が小さくなると、第3弁(V3)の開度が徐々に大きくなる。これにより、室外熱交換器(22)の圧力が徐々に小さくなり、室外空気から冷媒への吸熱量が徐々に大きくなる。このように、暖房/冷設運転から暖房/冷設熱回収運転へ切り換わる際には、第3弁(V3)の開度が徐々に大きくなるため、圧縮部(30)を継続して運転したとしても、冷媒回路(11)の高低差圧が大きく変化しない。このため、高低差圧の急峻な変化に起因する不具合を回避できる。
−デフロスト運転の切換制御−
暖房/冷設運転、暖房/冷設運熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転において、デフロスト運転を実行させる指令があると、次のようにして、これらの運転からデフロスト運転へ切り換わる。
〈暖房/冷設運転とデフロスト運転の切換〉
暖房/冷設運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設運転→暖房/冷設熱回収運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。これにより、暖房/冷設運転時において蒸発器であった室外熱交換器(22)は、暖房/冷設熱回収運転において停止状態となり、デフロスト運転において放熱器となる。この結果、室外熱交換器(22)の圧力変動を抑制できる。
その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設熱回収運転→暖房/冷設運転の順に運転状態が切り換わる。これにより、デフロスト運転において放熱器であった室外熱交換器(22)は、暖房/冷設熱回収運転において停止状態となり、暖房/冷設運転において蒸発器となる。この結果、室外熱交換器(22)の圧力変動を抑制できる。なお、これらの運転の切り換えの際、図11に示すように、第2弁(V2)及び第3弁(V3)の開度を徐々に変更することもできる。
〈暖房/冷設熱回収運転とデフロスト運転の切換>
暖房/冷設熱回収運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設熱回収運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設熱回収運転の順に運転状態が切り換わる。
〈暖房/冷設余熱運転とデフロスト運転の切換>
暖房/冷設余熱運転時において、デフロスト運転を開始させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、暖房/冷設余熱運転→デフロスト運転の順に運転状態が切り換わる。その後、デフロスト運転を終了させる指令がある場合、圧縮部(30)の運転がそのまま継続されるとともに、デフロスト運転→暖房/冷設余熱運転の順に運転状態が切り換わる。
−冷房運転と暖房運転の切換制御−
冷房運転から暖房運転へ切り換える指令があると、圧縮部(30)を停止した後、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)を切り換える制御が行われる。具体的に、ブリッジ回路(70)において、閉状態であった第2弁(V2)及び第3弁(V3)を開状態に切り換えるとともに、開状態であった第1弁(V1)及び第4弁(V4)を閉状態に切り換える。その後、圧縮機(30A)を運転することで、暖房運転が行われる。
暖房運転から冷房運転へ切り換える指令があると、圧縮部(30)を停止した後、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)を切り換える制御が行われる。具体的に、ブリッジ回路(70)において、開状態であった第2弁(V2)及び第3弁(V3)を閉状態に切り換えるとともに、閉状態であった第1弁(V1)及び第3弁(V3)を開状態に切り換える。その後、圧縮部(30)を運転することで、冷房運転が行われる。
−実施形態の効果−
上記実施形態では、流路切換機構が、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉する開閉機構(4つの弁(V1,V2,V3,V4))とを有する。第1流路(71)の流入部と第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)は、圧縮部(30)の吐出部とが繋がる。第1流路(71)の流出部と第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)のガス側端部と繋がる。第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)は、第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がる。第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、冷設熱交換器(83)のガス側端部とが、前記圧縮部(30)の吸入部と繋がる。
これにより、図2に示すように、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)の開閉状態を切り換えることで、少なくとも、冷房/冷設運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、及び暖房/冷設余熱運転を行うことができ、加えて、冷設運転、冷房運転、デフロスト運転、暖房運転を行うことができる。
四方切換弁により流路を切り換える場合、高低差圧によってスプールが駆動されるため、スプールの衝撃に起因して騒音が発生したり、振動に伴って配管が折れる、あるいは損傷したりする不具合が生じ得る。特に、冷媒として二酸化炭素を用いる場合、高低差圧は10MPa程度に至るため、このような不具合が顕著になる。これに対し、本実施形態では、ブリッジ回路(70)の各弁(V1,V2,V3,V4)をモータや電磁力によって駆動する方式であるため、高低差圧に起因する不具合を回避できる。
四方切換弁により流路を切り換える場合、高圧及び低圧の冷媒を配管を介して四方切換弁に作用させる必要がある。一方、冷凍装置において、上記の各運転を切り換えるようにすると、高圧ライン及び低圧ラインが適宜変化する。このため、全ての運転において、高圧及び低圧を四方切換弁に作用させるためには、回路構成が複雑となってしまう。これに対し、本実施形態では、高圧ライン及び低圧ラインの変化によらず、各弁(V1,V2,V3,V4)を駆動でき、回路構成の簡素化を図ることができる。
本実施形態では、4つの弁(V1,V2,V3,V4)の全てが、開度が調節可能な流量調節弁で構成される。このため、ブリッジ回路(70)の各流路(71,72,73,74)を流れる流量を調節できる。
特に、第1弁(V1)を流量調節弁とすることで、圧縮部(30)の吐出部と室外熱交換器(22)のガス側端部との間の流路の開度を調節できる。これにより、図11に示すように、放熱器となる室外熱交換器(22)の冷媒の圧力を徐々に変化させることができ、高低差圧が急峻に変化することを抑制できる。また、室外熱交換器(22)での冷媒の放熱量を調節できる。
特に、第3弁(V3)を流量調節弁とすることで、圧縮部(30)の吸入部と室外熱交換器(22)のガス側端部との間の流路の開度を調節できる。これにより、図11に示すように、蒸発器となる室外熱交換器(22)の冷媒の圧力を徐々に変化させることができ、高低差圧が急峻に変化することを抑制できる。また、室外熱交換器(22)での冷媒の吸熱量を調節できる。
上記実施形態では、室内熱交換器(93)が放熱器となり、且つ冷設熱交換器(83)が蒸発器となり、且つ室外熱交換器(85)が停止状態となる冷凍サイクル(暖房/冷設熱回収運転)において、第3流路(73)の弁(V3)を閉じる。
具体的には、図10に示すように、外気温度Toが所定温度Tsより低い条件が成立すると、コントローラ(100)によって第3弁(V3)が閉鎖される。このため、室外熱交換器(22)の内部の冷媒の温度及び圧力が低下することに起因して、圧縮部(30)の吸入側の冷媒が室外熱交換器(22)へ流れ込んでしまうことを確実に回避できる。従って、暖房/冷設熱回収運転の能力の低下を抑制できる。
一方、外気温度Toが所定温度Tsより高い条件が成立すると、コントローラ(100)によって第3弁(V3)が開放される。このため、室外熱交換器(22)の内部の冷媒を、圧縮部(30)側へ引き込むことができ、暖房/冷設熱回収運転の能力を十分に確保できる。
実施形態では、圧縮部(30)が、第1圧縮機(31)と第2圧縮機(41)とを含み、第1圧縮機(31)の吸入部が前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部と繋がり、第2圧縮機(41)の吸入部が前記第4流路(74)を介して前記第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がる。このため、例えば冷房/冷設運転では、第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(93)の蒸発圧力を異なる圧力としながら冷凍サイクルを行うことができる。
実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。このため、地球温暖化の影響を緩和できる。
《実施形態の変形例1》
変形例1の冷凍装置(10)は、開閉機構が2つの三方弁(75,76)で構成される。第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)は、ブリッジ回路(70)に接続される。第1三方弁(75)は、ブリッジ回路(70)の第2接続点(C2)に接続される。第2三方弁(76)は、ブリッジ回路(70)の第3接続点(C3)に接続される。第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)は、モータによって駆動されるロータリ式の三方弁である。
第1三方弁(75)は、第1状態と、第2状態とに切り換わる。第1状態の第1三方弁(75)は、第2接続点(C2)を第1接続点(C1)と連通させ且つ第2接続点(C2)を第4接続点(C4)と遮断する。第2状態の第1三方弁(75)は、第2接続点(C2)を第4接続点(C4)と連通させ且つ第2接続点(C2)を第1接続点(C1)と遮断する。
第2三方弁(76)は、第1状態と、第2状態とに切り換わる。第1状態の第2三方弁(76)は、第3接続点(C3)を第4接続点(C4)と連通させ且つ第3接続点(C3)を第1接続点(C1)と遮断する。第2状態の第2三方弁(76)は、第3接続点(C3)を第1接続点(C1)と連通させ且つ第3接続点(C3)を第4接続点(C4)と遮断する。
それ以外の冷媒回路の構成は、基本的に上記実施形態1と同様である。
−運転動作−
変形例1の冷凍装置(10)の運転動作について説明する。変形例1の冷凍装置(10)の運転は、上記実施形態と同様、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転を含む。
〈冷設運転〉
図12に示す冷設運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御により調節され、室内膨張弁(92)が全閉状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷設運転の詳細な動作は、上記実施形態の冷設運転と同様である。
〈冷房運転(デフロスト運転)〉
図13に示す冷房運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は開状態となり、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷房運転の詳細は動作は、上記実施形態の冷房運転と同様である。また、変形例1のデフロスト運転の冷媒の流れは、図13の冷房運転と同様である。
〈冷房/冷設運転〉
図14に示す冷房/冷設運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第1状態となる。室外膨張弁(23)は全開状態となり、冷設膨張弁(82)及び室内膨張弁(92)の開度が過熱度制御により制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)で放熱し、冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の冷房/冷設運転の詳細は動作は、上記実施形態の冷房/冷設運転と同様である。
〈暖房運転〉
図15に示す暖房運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)の開度が過熱度制御され、冷設膨張弁(82)が全閉状態となり、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の暖房運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房運転と同様である。
〈暖房/冷設運転〉
図16に示す暖房/冷設運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)及び冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、室外熱交換器(22)及び冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクルが行われる。変形例1の暖房/冷設運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設運転と同様である。
〈暖房/冷設熱回収運転〉
図17に示す暖房/冷設熱回収運転では、第1三方弁(75)が第2状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)が全閉状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御され、室内膨張弁(92)が全開状態となる。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第1冷凍サイクル)が行われる。この際、室外熱交換器(22)は、停止状態となる。変形例1の暖房/冷設熱回収運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設熱回収運転と同様である。
〈暖房/冷設余熱運転〉
図18に示す暖房/冷設余熱運転では、第1三方弁(75)が第1状態となり、第2三方弁(76)が第2状態となる。室外膨張弁(23)及び室内膨張弁(92)が開状態となり、冷設膨張弁(82)の開度が過熱度制御される。圧縮部(30)で圧縮された冷媒が、室外熱交換器(22)及び室内熱交換器(93)で放熱し、冷設熱交換器(83)で蒸発する冷凍サイクル(第2冷凍サイクル)が行われる。変形例1の暖房/冷設余熱運転の詳細は動作は、上記実施形態の暖房/冷設余熱運転と同様である。
《実施形態の変形例2》
変形例2の冷凍装置(10)は、圧縮部(30)が1つの圧縮機(30A)で構成される。図19に示すように、変形例2の冷凍装置(10)の冷媒回路(11)には、上記実施形態と同様にしてブリッジ回路(70)が接続される。ブリッジ回路(70)の第1接続点(C1)は、圧縮機(30A)の吐出部(吐出管(34A))と繋がる。ブリッジ回路(70)の第2接続点(C2)は、室外熱交換器(22)(熱源熱交換器)のガス側端部と繋がる。ブリッジ回路(70)の第3接続点(C3)は、室内熱交換器(93)(第2利用熱交換器)のガス側端部と繋がる。ブリッジ回路(70)の第4接続点(C4)は、圧縮機(30A)の吸入部(吸入管(32A))と繋がる。変形例の冷媒回路(11)では、上記実施形態と同様、室外熱交換器(22)に冷設熱交換器(83)及び室内熱交換器(93)が並列に繋がる。冷設熱交換器(83)のガス側端部が圧縮機(30A)の吸入管(32A)と繋がる。
変形例2においても、上記実施形態と同様の制御により、冷設運転、冷房運転、冷房/冷設運転、暖房運転、暖房/冷設運転、暖房/冷設熱回収運転、暖房/冷設余熱運転、及びデフロスト運転が切り換えて行われる。
変形例2の冷房/冷設運転では、第4弁(V4)が圧力調節弁ないし減圧弁として機能する。つまり、第4弁(V4)の開度を最大開度より小さい所定開度に調節することで、室内熱交換器(93)で蒸発した冷媒を減圧できる。これにより、室内熱交換器(93)の蒸発圧力を冷設熱交換器(83)の蒸発圧力より高く維持でき、いわゆる異温度蒸発式の冷凍サイクルを実現できる。
変形例2において、開閉機構が第1三方弁(75)及び第2三方弁(76)で構成されてもよい。
《その他の実施形態》
上記実施形態や、各変形例においては、以下のような構成としてもよい。
冷凍装置(10)は、第2利用熱交換器として水などの熱媒体と冷媒とを熱交換させる熱交換器(85)を用いてもよい。図20に示す例の冷凍装置(10)では、実施形態の室内熱交換器(93)に替えて温水及び冷水を生成するための熱交換器(85)が設けられる。熱交換器(85)は、室外回路(21)に接続される。熱交換器(85)の液側には、実施形態の室内膨張弁(92)と同様に機能する膨張弁(86)が接続される。熱交換器(85)は、冷媒流路(85a)と熱媒体流路(85b)とを有する。熱交換器(85)では、冷媒と熱媒体(水)とが熱交換する。熱交換器(85)が放熱器として機能すると、冷媒流路(85a)の冷媒によって、熱媒体流路(85b)の水が加熱される。この水は、温水としてタンク(87)に貯留される。熱交換器(85)が蒸発器として機能すると、冷媒流路(85a)の冷媒によって、熱媒体流路(85b)の水が冷却される。この水は、冷水としてタンク(87)に貯留される。タンク(87)に貯留された温水及び冷水は、ポンプ(88)によって対象へ供給される。
開閉機構は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)を開閉できる弁であれば、電磁開閉弁などの他の弁であってもよい。開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、上記実施形態の弁(V1,V2,V3,V4)と、変形例1の三方弁(75,76)の組み合わせであってもよい。例えば上記実施形態の第1弁(V1)及び第3弁(V3)と、変形例1の第2三方弁(76)とを組み合わせた構成であってもよい。上記実施形態の第2弁(V2)及び第4弁(V4)と、第1三方弁(75)とを組み合わせた構成であってもよい。
冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素に限らず、HFC系の冷媒などの他の冷媒を用いてもよい。冷凍サイクルは、冷媒を臨界圧力以上にまで圧縮する、いわゆる臨界サイクルであってもよいし、冷媒を臨界圧力よりも低い圧力まで圧縮する、いわゆる亜臨界サイクルであってもよい。
第1圧縮機(31)及び第2圧縮機(41)は、単段式であってもよい。
第1利用熱交換器及び第2利用熱交換器は、それぞれ2つ以上あってもよい。第1利用熱交換器は、冷凍庫の庫内を冷却するものであってもよいし、冷房専用の室内ユニットに設けられてもよい。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。以上に述べた「第1」、「第2」、「第3」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。
11 冷媒回路
22 室外熱交換器(熱源熱交換器)
30 圧縮機構
31 第1圧縮機
41 第2圧縮機
71 第1流路 (流路切換機構)
72 第2流路 (流路切換機構)
73 第3流路 (流路切換機構)
74 第4流路 (流路切換機構)
75 第1三方弁(開閉機構、流路切換機構)
76 第2三方弁(開閉機構、流路切換機構)
83 冷設熱交換器(第1利用熱交換器)
85 熱交換器(第2利用熱交換器)
93 室内熱交換器(第2利用熱交換器)
100 コントローラ(制御部)
V1 第1弁(開閉機構、流路切換機構)
V2 第2弁(開閉機構、流路切換機構)
V3 第3弁(開閉機構、流路切換機構)
V4 第4弁(開閉機構、流路切換機構)

Claims (12)

  1. 圧縮部(30)と、熱源熱交換器(22)と、該熱源熱交換器(22)に並列に繋がる第1利用熱交換器(83)及び第2利用熱交換器(85,93)と、冷媒の流れを切り換える流路切換機構(70)とが接続される冷媒回路(11)を備えた冷凍装置であって、
    前記流路切換機構(70)は、第1から第4までの流路(71,72,73,74)と、各流路(71,72,73,74)を開閉する開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)とを有し、
    前記第1流路(71)の流入部と前記第2流路(72)の流入部とを接続する第1接続点(C1)が前記圧縮部(30)の吐出部とが繋がり、
    前記第1流路(71)の流出部と前記第3流路(73)の流入部とを接続する第2接続点(C2)が前記熱源熱交換器(22)のガス側端部と繋がり、
    前記第2流路(72)の流出部と第4流路(74)の流入部とを接続する第3接続点(C3)が前記第2利用熱交換器(93)のガス側端部と繋がり、
    前記第3流路(73)の流出部と第4流路(74)の流出部とを接続する第4接続点(C4)と、前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部とが、前記圧縮部(30)の吸入部と繋がることを特徴とする冷凍装置。
  2. 請求項1において、
    前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)の少なくとも1つに接続される弁(V1,V2,V3,V4)を含み、
    前記弁(V1,V2,V3,V4)は、対応する流路(71,72,73,74)を開閉するように構成されることを特徴とする冷凍装置。
  3. 請求項2において、前記弁(V1,V2,V3,V4)は、開度が調節可能な流量調節弁で構成されることを特徴とする冷凍装置。
  4. 請求項3において、
    前記流量調節弁(V1)は、前記第1流路(71)に接続されることを特徴とする冷凍装置。
  5. 請求項3又は4において、
    前記流量調節弁(V3)は、前記第3流路(73)に接続されることを特徴とする冷凍装置。
  6. 請求項2乃至5のいずれか1つにおいて、
    前記弁(V1,V2,V3,V4)は、前記第1流路(71)、前記第2流路(72)、前記第3流路(73)、及び前記第4流路(74)のそれぞれに接続されることを特徴とする冷凍装置。
  7. 請求項2乃至5のいずれか1つにおいて、
    前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第2接続点(C2)に設けられる第1三方弁(75)と、第3接続点(C3)に設けられる第2三方弁(76)の少なくとも一方を含み、
    前記第1三方弁(75)は、前記第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と遮断する第1状態と、前記第2接続点(C2)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第2接続点(C2)を前記第1接続点(C1)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成され、
    前記第2三方弁(76)は、前記第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と遮断する第1状態と、前記第3接続点(C3)を前記第1接続点(C1)と連通させ且つ該第3接続点(C3)を前記第4接続点(C4)と遮断する第2状態とに切り換わるように構成されることを特徴とする冷凍装置。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1つにおいて、
    前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第2流路(72)を開け、前記第1流路(71)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させ、前記熱源熱交換器(22)を停止状態とする第1冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置。
  9. 請求項8において、
    前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)は、前記第3流路(73)に接続される弁(V3)を含み、
    前記第1冷凍サイクル中に、前記第3流路(73)の弁(V3)を閉じる制御部(100)を備えていることを特徴とする冷凍装置。
  10. 請求項1乃至9のいずれか1つにおいて、
    前記冷媒回路(11)は、前記開閉機構(V1,V2,V3,V4,75,76)によって前記第1流路(71)及び前記第2流路(72)を開け、前記第3流路(73)及び前記第4流路(74)を閉じるとともに、前記圧縮部(30)で圧縮された冷媒を前記熱源熱交換器(22)及び前記第2利用熱交換器(93)で放熱させ、前記第1利用熱交換器(83)で蒸発させる第2冷凍サイクルを行うように構成されることを特徴とする冷凍装置。
  11. 請求項1乃至10のいずれか1つにおいて、
    前記圧縮部(30)は、第1圧縮機(31)と第2圧縮機(41)とを含み、
    前記第1圧縮機(31)の吸入部が前記第1利用熱交換器(83)のガス側端部と繋がり、
    前記第2圧縮機(41)の吸入部が前記第4流路(74)を介して前記第2利用熱交換器(85,93)のガス側端部と繋がることを特徴とする冷凍装置。
  12. 請求項1乃至11のいずれか1つにおいて、
    前記冷媒回路(11)の冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする冷凍装置。
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