JP2020190377A

JP2020190377A - 冷凍装置

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Publication number: JP2020190377A
Application number: JP2019096690A
Authority: JP
Inventors: 有弘岩田; Arihiro Iwata; 孝一田中; Koichi Tanaka; 必川劉; Bi Chuan Liu; 公佑西村; Kosuke Nishimura
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26

Abstract

【課題】装置全体として運転効率を向上させる。【解決手段】熱源側ユニット（10）には、複数の利用側ユニット（20）が並列に接続されている。熱源側ユニット（10）は、熱源側回路（11）を有する。熱源側回路（11）には、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とが設けられている。利用側ユニット（20）は、利用側回路（21）を有する。利用側回路（21）には、ターボ圧縮機（22）と、複数の利用側熱交換器（24）とが設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍装置に関するものである。

従来より、１つの室外機に対して複数の室内機が並列に接続され、室内機毎に室内温度制御を行うようにした空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、要求空調能力が最も大きい室内機に合わせて目標蒸発温度（又は目標凝縮温度）を決定して、室外機の圧縮機の容量制御を行うようにした構成が開示されている。

特開２０１１−２５７１２６号公報

しかしながら、要求空調能力が最も大きい室内機に合わせた冷媒回路制御を行うと、その他の室内機にとっては不要な動力が生じることとなり、装置全体として運転効率が低下するおそれがある。

本開示の目的は、装置全体として運転効率を向上させることにある。

本開示の第１の態様は、熱源側ユニット（10）に対して複数の利用側ユニット（20）が並列に接続された冷凍装置を対象としている。そして、前記熱源側ユニット（10）は、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とを有し、前記利用側ユニット（20）は、遠心圧縮機（22）と、少なくとも１つの利用側熱交換器（24）とを有する。

第１の態様では、熱源側ユニット（10）に対して複数の利用側ユニット（20）が並列に接続される。熱源側ユニット（10）は、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とを有する。利用側ユニット（20）は、遠心圧縮機（22）と、少なくとも１つの利用側熱交換器（24）とを有する。

このように、熱源側ユニット（10）の圧縮機（12）とは別に、複数の利用側ユニット（20）にそれぞれ遠心圧縮機（22）を設けることで、利用側ユニット（20）の冷凍能力を個別に制御することができる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、前記利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とは、別々の冷媒回路で構成されている。

第２の態様では、熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とが別々の冷媒回路で構成される。これにより、熱源側ユニット（10）と利用側ユニット（20）との間で二元冷凍サイクルを行うことで、比較的低温度の冷熱を得ることができる。

本開示の第３の態様は、第２の態様において、前記熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と、前記利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている。

第３の態様では、熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている。これにより、環境負荷や安全性を考慮して、熱源側回路（11）や利用側回路（21）に流通させる冷媒を自由に選定することができる。

本開示の第４の態様は、第２又は第３の態様において、前記熱源側回路（11）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つであり、前記利用側回路（21）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、ＣＯ_２冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つである。

第４の態様では、熱源側回路（11）に流通させる冷媒と利用側回路（21）に流通させる冷媒とを、環境負荷や安全性を考慮して、適宜選定するようにしている。

本開示の第５の態様は、第１乃至第４の態様のうち何れか１つにおいて、前記遠心圧縮機（22）は、潤滑油を必要としないオイルレスの圧縮機で構成されている。

第５の態様では、遠心圧縮機（22）をオイルレスの圧縮機で構成している。これにより、潤滑油の劣化に起因する遠心圧縮機（22）のメンテナンスが不要となる。

図１は、本実施形態に係る冷凍装置の全体構成を示す冷媒回路図である。図２は、冷房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。図３は、暖房運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。

図１に示すように、冷凍装置（1）は、１つの熱源側ユニット（10）と、複数の利用側ユニット（20）とを備えている。複数の利用側ユニット（20）は、熱源側ユニット（10）に対して互いに並列に接続されている。

熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とは、別々の冷媒回路で構成されている。熱源側回路（11）を流通する冷媒と、利用側回路（21）を流通する冷媒とは、後述するカスケード型熱交換器（30）を介して熱交換される。これにより、冷凍装置（1）は、蒸気圧縮式の二元冷凍サイクルを行うように構成される。冷凍装置（1）は、例えば、ビル等の室内の冷暖房に使用される。

本実施形態では、熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている。具体的に、熱源側回路（11）を流通する冷媒として、Ｒ１２３４ｚｅを用いている。また、利用側回路（21）を流通する冷媒として、Ｒ１２３３ｚｄを用いている。

〈熱源側ユニット〉
熱源側ユニット（10）は、室外に設置されている。熱源側ユニット（10）は、閉回路で構成された熱源側回路（11）と、熱源側ファン（17）と、制御装置（18）とを備えている。

熱源側回路（11）は、圧縮機（12）と、四方切換弁（13）と、熱源側熱交換器（14）と、熱源側膨張弁（15）とを備えている。

圧縮機（12）は、例えば、スクロール圧縮機などの容積型の圧縮機である。容積型の圧縮機（12）を用いることで、圧力比や容量制御などの運転範囲が広くなる。

四方切換弁（13）は、第１状態（図１に実線で示す状態）と第２状態（図１に破線で示す状態）に切り換わる弁である。

圧縮機（12）の吐出管は、四方切換弁（13）の第１ポートに接続されている。圧縮機（12）の吸入管は、四方切換弁（13）の第２ポートに接続されている。四方切換弁（13）の第３ポートは、熱源側熱交換器（14）のガス側端に接続されている。四方切換弁（13）の第４ポートは、ガス側連絡管（35）に接続されている。

熱源側熱交換器（14）は、例えば、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ熱交換器である。熱源側熱交換器（14）は、熱源側ファン（17）によって送られた室外空気を、冷媒と熱交換させる。熱源側熱交換器（14）の液側端は、熱源側膨張弁（15）の一端に接続されている。

熱源側膨張弁（15）は、開度可変の電子膨張弁である。熱源側膨張弁（15）の他端は、液側連絡管（36）の一端に接続されている。液側連絡管（36）の他端は、カスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）の液側端に接続されている。

このように、熱源側ユニット（10）の圧縮機（12）、四方切換弁（13）、熱源側熱交換器（14）、熱源側膨張弁（15）、液側連絡管（36）、カスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）、ガス側連絡管（35）によって、１次側冷媒回路（熱源側回路（11））が構成される。

〈利用側ユニット〉
利用側ユニット（20）は、例えば、ビルの各階に設置されている。利用側ユニット（20）は、閉回路で構成された利用側回路（21）と、複数の利用側ファン（27）とを備えている。利用側回路（21）は、ターボ圧縮機（22）（遠心圧縮機）と、四方切換弁（23）と、複数の利用側熱交換器（24）と、カスケード型熱交換器（30）とを備えている。

ターボ圧縮機（22）は、図示しないインペラを回転させ、ターボ圧縮機（22）内に吸い込んだ冷媒を加速させた後で減速することで、動圧を静圧に変換して冷媒の圧縮を行う。四方切換弁（23）は、第１状態（図１に実線で示す状態）と第２状態（図１に破線で示す状態）に切り換わる弁である。

ターボ圧縮機（22）の吐出管は、四方切換弁（23）の第１ポートに接続されている。ターボ圧縮機（22）の吸入管は、四方切換弁（23）の第２ポートに接続されている。四方切換弁（23）の第３ポートは、利用側熱交換器（24）のガス側端に接続されている。四方切換弁（23）の第４ポートは、カスケード型熱交換器（30）の第２流路（32）の一端に接続されている。

利用側熱交換器（24）は、例えば、ビルの各部屋に対応して複数設置されている。利用側熱交換器（24）は、例えば、クロスフィン式のフィン・アンド・チューブ熱交換器である。利用側熱交換器（24）は、利用側ファン（27）によって送られた室内空気を、冷媒と熱交換させる。利用側熱交換器（24）の液側端は、利用側膨張弁（25）の一端に接続されている。

利用側膨張弁（25）は、開度可変の電子膨張弁である。利用側膨張弁（25）の他端は、カスケード型熱交換器（30）の他端に接続されている。

カスケード型熱交換器（30）は、第１流路（31）と第２流路（32）とが形成されたプレート式の熱交換器である。カスケード型熱交換器（30）は、第１流路（31）を流れる冷媒を、第２流路（32）を流れる冷媒と熱交換させる。

カスケード型熱交換器（30）は、複数の利用側ユニット（20）に対応して複数設けられている。複数のカスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）は、互いに直列に接続されている。

複数のカスケード型熱交換器（30）のうち最も液側端のカスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）には、液側連絡管（36）が接続されている。また、最もガス側端のカスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）には、ガス側連絡管（35）が接続されている。

このように、利用側ユニット（20）のターボ圧縮機（22）、四方切換弁（23）、利用側熱交換器（24）、利用側膨張弁（25）、カスケード型熱交換器（30）の第２流路（32）によって、２次側冷媒回路（利用側回路（21））が構成される。

そして、１次側冷媒回路（熱源側回路（11））と、２次側冷媒回路（利用側回路（21））との間で、熱搬送が行われるようになっている。

本実施形態では、複数の利用側ユニット（20）に対してターボ圧縮機（22）をそれぞれ設けるようにしている。そのため、複数の利用側ユニット（20）の冷凍能力を個別に制御して、効率良く運転することができる。

また、ターボ圧縮機（22）は、同能力の容積型の圧縮機（12）に比べて体積を小さくすることができる。そのため、ターボ圧縮機（22）を天井裏等に設置することができ、機械室を別途設置する等の対策コストを低減することができる。

また、ターボ圧縮機（22）は、非容積式の圧縮機であることから、間欠吐出となる容積式の圧縮機（12）よりも圧力脈動が小さくなる。そのため、騒音対策にかかるコストを低減できる。

〈制御装置〉
冷凍装置（1）には、各種のセンサ（図示省略）が設けられている。例えば、利用側ユニット（20）の吹出し空気温度又は吸込み空気温度を検知する温度センサや、圧縮機（12）及びターボ圧縮機（22）の吐出管温度、吐出圧力、吸入圧力等を検知するセンサが設けられている。

制御装置（18）は、圧縮機（12）及びターボ圧縮機（22）の運転容量や、熱源側膨張弁（15）及び利用側膨張弁（25）の開度等を制御して、利用側ユニット（20）において所望の温度環境が得られるようにしている。このように、制御装置（18）は、利用側ユニット（20）からの吹出し空気温度又は吸込み空気温度が所定の目標温度になるように、各種機器を制御する。

−運転動作−
〈冷房運転〉
以下、冷凍装置（1）の冷房運転について説明する。図２に示すように、冷房運転では、四方切換弁（13）及び四方切換弁（23）が第１状態に設定され、利用側膨張弁（25）の開度が調節され、熱源側膨張弁（15）が全開状態に保たれる。また、冷房運転では、熱源側ファン（17）及び利用側ファン（27）の回転速度とが調節される。冷凍装置（1）に設けられた各種機器の制御は、制御装置（18）によって行われる。

熱源側ユニット（10）では、圧縮機（12）から吐出された冷媒は、四方切換弁（13）を通過後に熱源側熱交換器（14）へ流入し、室外空気へ放熱して凝縮する。熱源側熱交換器（14）から流出した冷媒は、熱源側膨張弁（15）を通過する際に膨張する。

熱源側膨張弁（15）を通過した冷媒は、液側連絡管（36）を通ってカスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）へ流入する。第１流路（31）を流れる冷媒は、第２流路（32）を流れる冷媒から吸熱して蒸発する。

カスケード型熱交換器（30）から流出した冷媒は、ガス側連絡管（35）を通って熱源側回路（11）へ流入し、四方切換弁（13）を通過後に圧縮機（12）へ吸入される。圧縮機（12）へ吸入された冷媒は、圧縮された後に圧縮機（12）から吐出される。

一方、利用側ユニット（20）では、ターボ圧縮機（22）から吐出された冷媒は、四方切換弁（23）を通過後に、カスケード型熱交換器（30）の第２流路（32）に流入する。第２流路（32）を流れる冷媒は、第１流路（31）を流れる冷媒へ放熱して凝縮する。カスケード型熱交換器（30）から流出した冷媒は、利用側膨張弁（25）を通過する際に膨張する。

利用側膨張弁（25）を通過した冷媒は、複数の利用側熱交換器（24）へ流入し、利用側熱交換器（24）において空気から吸熱して蒸発する。その結果、利用側熱交換器（24）では、利用側ファン（27）によって供給された室内の空気が冷却される。

利用側熱交換器（24）から流出した冷媒は、四方切換弁（23）を通過後にターボ圧縮機（22）へ吸入される。ターボ圧縮機（22）へ吸入された冷媒は、圧縮された後にターボ圧縮機（22）から吐出される。

〈暖房運転〉
以下、冷凍装置（1）の暖房運転について説明する。図３に示すように、暖房運転では、四方切換弁（13）及び四方切換弁（23）が第２状態に設定され、熱源側膨張弁（15）の開度が調節され、利用側膨張弁（25）が全開状態に保たれる。また、暖房運転では、熱源側ファン（17）及び利用側ファン（27）の回転速度とが調節される。冷凍装置（1）に設けられた各種機器の制御は、制御装置（18）によって行われる。

熱源側ユニット（10）では、圧縮機（12）から吐出された冷媒は、四方切換弁（13）を通過後にガス側連絡管（35）を通ってカスケード型熱交換器（30）の第１流路（31）へ流入する。第１流路（31）を流れる冷媒は、第２流路（32）を流れる冷媒へ放熱して凝縮する。カスケード型熱交換器（30）から流出した冷媒は、熱源側膨張弁（15）を通過する際に膨張する。

熱源側膨張弁（15）を通過した冷媒は、熱源側熱交換器（14）へ流入し、熱源側熱交換器（14）において室外空気から吸熱して蒸発する。

熱源側熱交換器（14）から流出した冷媒は、四方切換弁（13）を通過後に圧縮機（12）へ吸入される。圧縮機（12）へ吸入された冷媒は、圧縮された後に圧縮機（12）から吐出される。

一方、利用側ユニット（20）では、ターボ圧縮機（22）から吐出された冷媒は、四方切換弁（23）を通過後に利用側熱交換器（24）へ流入し、空気へ放熱して凝縮する。その結果、利用側熱交換器（24）では、利用側ファン（27）によって供給された室内の空気が加熱される。

利用側熱交換器（24）から流出した冷媒は、利用側膨張弁（25）を通過する際に膨張する。利用側膨張弁（25）を通過した冷媒は、カスケード型熱交換器（30）の第２流路（32）に流入する。第２流路（32）を流れる冷媒は、第１流路（31）を流れる冷媒から吸熱して蒸発する。

カスケード型熱交換器（30）から流出した冷媒は、四方切換弁（23）を通過後にターボ圧縮機（22）へ吸入される。ターボ圧縮機（22）へ吸入された冷媒は、圧縮された後にターボ圧縮機（22）から吐出される。

−実施形態の効果−
本実施形態の冷凍装置（1）は、熱源側ユニット（10）に対して複数の利用側ユニット（20）が並列に接続されている。そして、熱源側ユニット（10）は、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とを有し、利用側ユニット（20）は、ターボ圧縮機（22）（遠心圧縮機）と、少なくとも１つの利用側熱交換器（24）とを有する。

本実施形態では、熱源側ユニット（10）に対して複数の利用側ユニット（20）が並列に接続される。熱源側ユニット（10）は、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とを有する。利用側ユニット（20）は、遠心圧縮機（22）と、少なくとも１つの利用側熱交換器（24）とを有する。

また、本実施形態の冷凍装置（1）は、熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とは、別々の冷媒回路で構成されている。

本実施形態では、熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とが別々の冷媒回路で構成される。これにより、熱源側ユニット（10）と利用側ユニット（20）との間で二元冷凍サイクルを行うことで、比較的低温度の冷熱を得ることができる。

また、本実施形態の冷凍装置（1）は、熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と、利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている。

本実施形態では、熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている。これにより、環境負荷や安全性を考慮して、熱源側回路（11）や利用側回路（21）に流通させる冷媒を自由に選定することができる。

また、本実施形態の冷凍装置（1）は、熱源側回路（11）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つであり、利用側回路（21）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、ＣＯ_２冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つである。

本実施形態では、熱源側回路（11）に流通させる冷媒と利用側回路（21）に流通させる冷媒とを、環境負荷や安全性を考慮して、適宜選定するようにしている。

例えば、ＨＦＣ冷媒として、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４３ａ、Ｒ２４５ｆａ等を用いることができる。また、ＨＦＯ冷媒として、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１１２３、Ｒ１１３２（Ｅ）等を用いることができる。また、自然冷媒として、Ｒ７４４、Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ６００、Ｒ６００ａ、Ｒ１２７０などを用いることができる。

また、本実施形態の冷凍装置（1）は、ターボ圧縮機（22）は、潤滑油を必要としないオイルレスの圧縮機で構成されている。

本実施形態では、ターボ圧縮機（22）をオイルレスの圧縮機で構成している。具体的には、ターボ圧縮機（22）の駆動軸の軸受として、動圧気体軸受を用いるようにしている。これにより、潤滑油の劣化に起因する遠心圧縮機（22）のメンテナンスが不要となる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、熱源側回路（11）と利用側回路（21）とを別々の冷媒回路で構成することで、二元冷凍サイクルを行うようにしたが、例えば、二段冷凍サイクルを行う回路構成としてもよい。

また、本実施形態では、利用側回路（21）において、カスケード型熱交換器（30）とターボ圧縮機（22）との間に、アキュムレータを設けるようにしていもよい。

また、本実施形態では、ターボ圧縮機（22）は、駆動軸の両端にインペラが設けられた一軸二段圧縮機として構成されていてもよい。これにより、軸端方向からそれぞれ冷媒を吸入し、軸方向に働く力を打ち消し合うことで、スラスト力をキャンセルすることができる。

以上、実施形態及び変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及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、以上の実施形態及び変形例は、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。

以上説明したように、本開示は、冷凍装置について有用である。

1 冷凍装置
10 熱源側ユニット
11 熱源側回路
12 圧縮機
14 熱源側熱交換器
20 利用側ユニット
21 利用側回路
22 ターボ圧縮機（遠心圧縮機）
24 利用側熱交換器

Claims

熱源側ユニット（10）に対して複数の利用側ユニット（20）が並列に接続された冷凍装置であって、
前記熱源側ユニット（10）は、圧縮機（12）と、熱源側熱交換器（14）とを有し、
前記利用側ユニット（20）は、遠心圧縮機（22）と、少なくとも１つの利用側熱交換器（24）とを有する冷凍装置。
請求項１において、
前記熱源側ユニット（10）の熱源側回路（11）と、前記利用側ユニット（20）の利用側回路（21）とは、別々の冷媒回路で構成されている冷凍装置。
請求項２において、
前記熱源側回路（11）を流通する冷媒の種類と、前記利用側回路（21）を流通する冷媒の種類とが異なっている冷凍装置。
請求項２又は３において、
前記熱源側回路（11）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つであり、
前記利用側回路（21）を流通する冷媒は、ＨＦＣ冷媒、ＨＦＯ冷媒、ＨＦＣ冷媒とＨＦＯ冷媒との混合冷媒、ＣＯ_２冷媒、又はＣＦ_３Ｉ冷媒のうち何れか１つである冷凍装置。
請求項１乃至４のうち何れか１つにおいて、
前記遠心圧縮機（22）は、潤滑油を必要としないオイルレスの圧縮機で構成されている冷凍装置。