JP2020201012A

JP2020201012A - 空調機

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Publication number: JP2020201012A
Application number: JP2019109593A
Authority: JP
Inventors: 山田　拓郎; Takuo Yamada; 拓郎山田; 熊倉　英二; Eiji Kumakura; 英二熊倉; 吉見　敦史; Atsushi Yoshimi; 敦史吉見; 岩田　育弘; Yasuhiro Iwata; 育弘岩田; 知厚南田; Tomoatsu Minamida
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: JP7469583B2

Abstract

【課題】冷媒サイクルシステムの充填冷媒量削減。【解決手段】冷媒サイクルシステム１００は、第１流体を循環させる一次側サイクル２０と、第２流体を循環させる二次側サイクル４０と、第１流体と第２流体との間で熱交換を行わせるカスケード熱交換器３５と、を備える。二次側サイクル４０は、二次側熱交換器５１と、第２流体を減圧する減圧装置５２と、第２流体の循環の方向を切り替える切換装置３４と、を有する。二次側熱交換器５１の容積である第１容積Ｖ１と、カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積である第２容積Ｖ２とが、の関係である。【選択図】図１

Description

カスケード熱交換器を有する冷媒サイクルシステム。

特許文献１（特開２０１４−７４５０８号公報）には、カスケード熱交換器を有する冷媒サイクルシステムが開示されている。

暖房運転において冷媒サイクルシステムが必要とする冷媒の量と、冷房運転において冷媒サイクルシステムが必要とする冷媒の量との間には差異がある場合がある。この差異の原因となるのが、カスケード熱交換器の容積と利用熱交換器の容積の差分である。差分が大きい場合、冷媒サイクルシステムは、暖房運転又は冷房運転のうちより多くの冷媒を必要とする運転のために、多量の冷媒を収容しておかなければならない。しかし、冷媒サイクルシステムに充填する冷媒量を少なくすることへの要望がある。

第１観点の冷媒サイクルシステムは、第１流体を循環させる一次側サイクルと、第２流体を循環させる二次側サイクルと、第１流体と第２流体との間で熱交換を行わせるように構成された第１流体通路及び第２流体通路を有するカスケード熱交換器と、を備える。第２流体は冷媒である。二次側サイクルは、第２流体がカスケード熱交換器から得る冷熱又は温熱を利用するための二次側熱交換器と、第２流体を減圧する減圧装置と、第２流体の循環の方向を切り替える切換装置と、を有する。二次側熱交換器の容積である第１容積Ｖ１と、カスケード熱交換器の第２流体通路の容積である第２容積Ｖ２とが、

の関係である。

この構成によれば、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２が大きく違わない。したがって、カスケード熱交換器の第２流体通路に液冷媒が多く存在する冷房運転時と、二次側熱交換器に液冷媒が多く存在する暖房運転時とにおいて、冷媒サイクルシステムが必要とする冷媒量が大きく違わない。よって、冷媒サイクルシステムに充填する冷媒量を少なくできる。

第２観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点の冷媒サイクルシステムにおいて、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とが、

の関係である。

この構成によれば、冷媒サイクルシステムに充填する冷媒量をさらに少なくできる。

第３観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点又は第２観点の冷媒サイクルシステムにおいて、二次側熱交換器が、扁平多穴管を有する。

第４観点の冷媒サイクルシステムは、第１観点から第３観点のいずれか１つの冷媒サイクルシステムにおいて、複数の二次側サイクルと、複数のカスケード熱交換器と、を備える。第１容積は、複数の二次側熱交換器の容積の総和である。第２容積は、複数のカスケード熱交換器に含まれる複数の第２流体通路の容積の総和である。

第５観点の冷媒サイクルシステムは、第４観点の冷媒サイクルシステムであって、複数の二次側サイクルは、扁平多穴管を有する熱交換器と、クロスフィン熱交換器と、を有する。

第１実施形態に係る冷媒サイクルシステム１００を示す図である。第１実施形態の変形例１Ａに係る冷媒サイクルシステム１００を示す図である。第２実施形態に係る冷媒サイクルシステム１００’を示す図である。

＜第１実施形態＞
（１）全体構成
図１は、冷媒サイクルシステム１００を示す。冷媒サイクルシステム１００は、熱源から冷熱又は温熱を取得して、ユーザに冷熱又は温熱を提供するためのものである。

冷媒サイクルシステム１００は、１台の熱源ユニット１０、１台のカスケードユニット３０、１台の利用ユニット５０を有する。

熱源ユニット１０と、カスケードユニット３０とを接続することによって、一次側サイクル２０が構成される。一次側サイクル２０は第１流体を循環させる回路である。第１流体は冷媒である。

カスケードユニット３０と、利用ユニット５０とを接続することによって、二次側サイクル４０が構成される。二次側サイクル４０は第２流体を循環させる回路である。第２流体は冷媒である。第１流体と第２流体は同一の冷媒であってもよいし、異なる冷媒であってもよい。

（２）詳細構成
（２−１）熱源ユニット１０
熱源ユニット１０は、熱源である外気から、冷熱又は温熱を取得する。熱源ユニット１０は、圧縮機１１、四路切換弁１２、熱源熱交換器１３、熱源膨張弁１４、過冷却膨張弁１５、過冷却熱交換器１６、液閉鎖弁１８、ガス閉鎖弁１９を有する。

圧縮機１１は、第１流体である低圧ガス冷媒を吸入し、それを圧縮して、高圧ガス冷媒を吐出する。四路切換弁１２は、冷房運転の場合には図１の実線で示す接続を行い、暖房運転の場合には図１の破線で示す接続を行う。熱源熱交換器１３は、第１流体と外気との間で熱交換を行うものである。熱源熱交換器１３は、冷房運転の場合には凝縮機として機能し、暖房運転の場合には蒸発機として機能する。熱源膨張弁１４は、第１流体の流量を調節する。さらに、熱源膨張弁１４は、第１流体を減圧させる減圧装置として機能する。

過冷却膨張弁１５は、循環する第１流体を減圧して、冷却用ガスを作り出す。過冷却熱交換器１６は、循環する第１流体と冷却用ガスとを熱交換させることによって、第１流体に過冷却度を与える。

液閉鎖弁１８、ガス閉鎖弁１９は、熱源ユニット１０の設置工事の場合などに、第１流体の循環する流路を遮断する。

（２−２）カスケードユニット３０
カスケードユニット３０は、第１流体と第２流体の間で熱交換をさせるためのものである。

カスケードユニット３０は、一次側膨張弁３１、二次側膨張弁３２、圧縮機３３、四路切換弁３４、カスケード熱交換器３５、液閉鎖弁３８、ガス閉鎖弁３９、を有する。

一次側膨張弁３１は、一次側サイクル２０を循環する第１流体の量を調節する。さらに、一次側膨張弁３１は、第１流体を減圧させる。

二次側膨張弁３２は、二次側サイクル４０を循環する第２流体の量を調節する。さらに、二次側膨張弁３２は、第２流体を減圧させる。

圧縮機３３は、第２流体である低圧ガス冷媒を吸入し、それを圧縮して、高圧ガス冷媒を吐出する。四路切換弁３４は切換装置として機能し、冷房運転の場合には図１の実線で示す接続を行い、暖房運転の場合には図１の破線で示す接続を行う。

カスケード熱交換器３５は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うものである。カスケード熱交換器３５は、例えば、プレート熱交換器である。カスケード熱交換器３５は、第１流体通路３５１及び第２流体通路３５２を有する。第１流体通路３５１は、第１流体を通過させる。第２流体通路３５２は、第２流体を通過させる。カスケード熱交換器３５は、冷房運転の場合には第１流体の蒸発器かつ第２流体の凝縮器として機能し、暖房運転の場合には第１流体の蒸発器かつ第２流体の凝縮器として機能する。

液閉鎖弁３８、ガス閉鎖弁３９は、カスケードユニット３０の設置工事の場合などに、第２流体の循環する流路を遮断する。

（２−３）利用ユニット５０
利用ユニット５０は、ユーザに冷熱又は温熱を提供するためのものである。利用ユニット５０は、利用熱交換器５１、利用膨張弁５２を有する。利用熱交換器５１は、冷熱又は温熱をユーザに利用させるためのものである。利用熱交換器５１は、マイクロチャネル熱交換器であり、扁平多穴管を有する。扁平多穴管は、例えば穴径が０．０５ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以下の冷媒流路を有する。利用膨張弁５２は、二次側サイクル４０を循環する第２流体の量を調節する。さらに、利用膨張弁５２は、第２流体を減圧させる減圧装置として機能する。

（３）動作
（３−１）冷房運転
（３−１−１）一次側サイクル２０の動作
圧縮機１１は、第１流体である低圧ガス冷媒を吸入し、高圧ガス冷媒を吐出する。高圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、熱源熱交換器１３へ到達する。熱源熱交換器１３は、高圧ガス冷媒を凝縮させ、それによって高圧液冷媒を作る。このとき、第１流体である冷媒は外気へ熱を放出する。高圧液冷媒は、全開にされた熱源膨張弁１４を通過し、過冷却熱交換器１６を通過し、液閉鎖弁１８を経由して、一次側膨張弁３１へ到達する。適切な開度を設定された一次側膨張弁３１は、高圧液冷媒を減圧し、それによって低圧気液二相冷媒を作る。低圧気液二相冷媒は、カスケード熱交換器３５の第１流体通路３５１に入る。カスケード熱交換器３５は、低圧気液二相冷媒を蒸発させ、それによって低圧ガス冷媒を作る。このとき、第１流体は第２流体から熱を吸収する。低圧ガス冷媒は、第１流体通路３５１を出て、ガス閉鎖弁１９を通過し、四路切換弁１２を経由して、圧縮機１１に吸入される。

熱源膨張弁１４を出た高圧液冷媒の一部は、適切な開度を設定された過冷却膨張弁１５によって減圧され、気液二相の冷却用ガスとなる。冷却用ガスは過冷却熱交換器１６を通過する。このとき、冷却用ガスは、高圧液冷媒を冷やすことによって過冷却度を与える。冷却用ガスは、過冷却熱交換器１６を出て、四路切換弁１２から来る低圧ガス冷媒と混ざり、圧縮機１１へ吸入される。

（３−１−２）二次側サイクル４０の動作
圧縮機３３は、第２流体である低圧ガス冷媒を吸入し、高圧ガス冷媒を吐出する。高圧ガス冷媒は、四路切換弁３４を経由して、カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２へ入る。カスケード熱交換器３５は、高圧ガス冷媒を凝縮させ、それによって高圧液冷媒を作る。このとき、第２流体は第１流体へ熱を放出する。高圧液冷媒は、第２流体通路３５２を出て、液閉鎖弁３８を通過し、二次側膨張弁３２へ到達する。適切な開度を設定された二次側膨張弁３２は、高圧液冷媒を減圧し、それによって低圧気液二相冷媒を作る。低圧気液二相冷媒は、利用膨張弁５２へ到達する。適切な開度を設定された利用膨張弁は、低圧気液二相冷媒の圧力をさらに低下させる。低圧気液二相冷媒は、利用熱交換器５１へ到達する。利用熱交換器５１は、低圧気液二相冷媒を蒸発させ、それによって低圧ガス冷媒を作る。このとき、第２流体である冷媒は、ユーザのいる環境から熱を吸収する。低圧ガス冷媒は、利用熱交換器５１を出て、ガス閉鎖弁３９を通過し、四路切換弁１２を経由して、圧縮機３３に吸入される。

（３−２）暖房運転
（３−２−１）一次側サイクル２０の動作
圧縮機１１は、第１流体である低圧ガス冷媒を吸入し、高圧ガス冷媒を吐出する。高圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、ガス閉鎖弁１９を通過し、カスケード熱交換器３５の第１流体通路３５１へ入る。カスケード熱交換器３５は、高圧ガス冷媒を凝縮させ、それによって高圧液冷媒を作る。このとき、第１流体は第２流体に熱を放出する。高圧液冷媒は、全開にされた一次側膨張弁３１を通過し、次いで液閉鎖弁１８及び過冷却熱交換器１６を通過し、熱源膨張弁１４へ到達する。適切な開度を設定された熱源膨張弁１４は、高圧液冷媒を減圧し、それによって低圧気液二相冷媒を作る。低圧気液二相冷媒は、熱源熱交換器１３に到達する。熱源熱交換器１３は、低圧気液二相冷媒を蒸発させ、それによって低圧ガス冷媒を作る。このとき、第１流体である冷媒は外気から熱を吸収する。低圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を通過し、圧縮機１１に吸入される。

（３−２−２）二次側サイクル４０の動作
圧縮機３３は、第２流体である低圧ガス冷媒を吸入し、高圧ガス冷媒を吐出する。高圧ガス冷媒は、四路切換弁３４を経由して、ガス閉鎖弁３９を通過し、利用熱交換器５１に到達する。利用熱交換器５１は、高圧ガス冷媒を凝縮させ、それによって高圧液冷媒を作る。このとき、第２流体である冷媒は、ユーザのいる環境に対して熱を放出する。高圧液冷媒は、利用膨張弁５２へ到達する。適切な開度を設定された利用膨張弁５２は、高圧液冷媒を減圧し、それによって低圧気液二相冷媒を作る。低圧気液二相冷媒は、液閉鎖弁３８を通過し、二次側膨張弁３２へ到達する。適切な開度を設定された二次側膨張弁３２は、低圧気液二相冷媒の圧力をさらに低下させる。低圧気液二相冷媒は、カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２へ入る。カスケード熱交換器３５は、低圧気液二相冷媒を蒸発させ、それによって低圧ガス冷媒を作る。このとき、第２流体は第１流体から熱を吸収する。低圧ガス冷媒は、第２流体通路３５２を出て、四路切換弁３４を通過し、圧縮機３３に吸入される。

（４）熱交換器の仕様
利用熱交換器５１の容積は第１容積Ｖ１である。カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積は第２容積Ｖ２である。第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とは、

の関係である。

好ましくは、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とが、

の関係である。

（５）特徴
（５−１）
第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とは、

の関係である。

この場合、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２が大きく違わない。したがって、カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２に液冷媒が多く存在する冷房運転時と、利用熱交換器５１に液冷媒が多く存在する暖房運転時とにおいて、冷媒サイクルシステム１００が必要とする冷媒量が大きく違わない。よって、冷媒サイクルシステム１００に充填する冷媒量を少なくできる。また、冷媒サイクルシステム１００は、第２流体の貯留容器などを必要とする可能性が低い。

（５−２）
第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とは、

の関係であってもよい。

この場合、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２の差がさらに小さい。よって、冷媒サイクルシステム１００に充填する冷媒量をさらに少なくできる。

（６）変形例
（６−１）変形例１Ａ
図２は、上述の実施形態の変形例１Ａに係る冷媒サイクルシステム１００の構成である。この変形例では、第１流体は水又はブラインである。第１流体は、圧縮機１１の代わりにポンプ１１ａによって、一次側サイクル２０を循環する。

本変形例でも、利用熱交換器５１の容積は第１容積Ｖ１である。カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積は第２容積Ｖ２である。第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とは、

の関係である。

この構成によっても、冷媒サイクルシステム１００に充填する冷媒量を少なくできる。

好ましくは、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２とが、

の関係である。

この構成によっても、冷媒サイクルシステム１００に充填する冷媒量をさらに少なくできる。

（６−２）変形例１Ｂ
上述の実施形態では利用ユニット５０の数は１台である。これに代えて、利用ユニットの台数は２以上であってもよい。この場合、上記数式において第１容積Ｖ１は、全ての利用ユニットの利用熱交換器の容積の総和である。

＜第２実施形態＞
（１）全体構成
図３は、冷媒サイクルシステム１００’を示す。冷媒サイクルシステム１００’は、１台の熱源ユニット１０、２台のカスケードユニット３０Ａ、３０Ｂ、４台の利用ユニット５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ，５０Ｄを有する点において、第１実施形態と異なっている。

熱源ユニット１０と、カスケードユニット３０Ａ、３０Ｂとを接続することによって、一次側サイクル２０が構成される。一次側サイクル２０は第１流体を循環させる回路である。第１流体は冷媒である。

カスケードユニット３０Ａと、利用ユニット５０Ａ、５０Ｂとを接続することによって、二次側サイクル４０Ａが構成される。カスケードユニット３０Ｂと、利用ユニット５０Ｃ、５０Ｄとを接続することによって、もう一つの二次側サイクル４０Ｂが構成される。二次側サイクル４０Ａ、４０Ｂは第２流体を循環させる回路である。第２流体は冷媒である。第１流体と第２流体は同一の冷媒であってもよいし、異なる冷媒であってもよい。

（２）詳細構成
（２−１）熱源ユニット１０
熱源ユニット１０は、第１実施形態の熱源ユニット１０と同様の構成を有する。

（２−２）カスケードユニット３０Ａ、３０Ｂ
カスケードユニット３０Ａ、３０Ｂは、第１実施形態のカスケードユニット３０と同様の構成を有する。

第１のカスケードユニット３０Ａは、カスケード熱交換器３５を有する。このカスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積はＶ２１である。

第２のカスケードユニット３０Ｂは、カスケード熱交換器３５を有する。このカスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積はＶ２２である
ここで、全てのカスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２の容積の総和である第２容積Ｖ２は、

である。

（２−３）利用ユニット５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ
利用ユニット５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、第１実施形態の利用ユニット５０Ａと同様の構成を有する。

第１の利用ユニット５０Ａは、利用熱交換器５１を有する。この利用熱交換器５１の容積はＶ１１である。

第２の利用ユニット５０Ｂは、利用熱交換器５１を有する。この利用熱交換器５１の容積はＶ１２である。

第３の利用ユニット５０Ｃは、利用熱交換器５１を有する。この利用熱交換器５１の容積はＶ１３である。

第４の利用ユニット５０Ｄは、利用熱交換器５１を有する。この利用熱交換器５１の容積はＶ１４である。

ここで、全ての利用熱交換器５１の容積の総和である第１容積Ｖ１は、

である。

（３）熱交換器の仕様
（３−１）第１の二次側サイクル４０Ａ
以下の関係が成り立つように熱交換器の容積が設計される。

好ましくは、以下の関係が成り立つように熱交換器の容積が設計される。

（３−２）第２の二次側サイクル４０Ｂ
以下の関係が成り立つように熱交換器の容積が設計される。

（３−３）冷媒サイクルシステム１００’全体
以下の関係が成り立つように熱交換器の容積が設計される。

（４）特徴
第２実施形態においては、以下の関係が成り立つように熱交換器の容積が設計される。

この場合、第１容積Ｖ１と第２容積Ｖ２が大きく違わない。したがって、カスケード熱交換器３５の第２流体通路３５２に液冷媒が多く存在する冷房運転時と、利用熱交換器５１に液冷媒が多く存在する暖房運転時とにおいて、冷媒サイクルシステム１００’が必要とする冷媒量が大きく違わない。よって、冷媒サイクルシステム１００’は、第２流体の貯留容器などを必要とする可能性が低い。

（５）変形例
（５−１）変形例２Ａ
上述の実施形態では、カスケードユニット３０Ａ、３０Ｂの数は２台である。これに代えて、カスケードユニットの台数は３以上であってもよい。

（５−２）変形例２Ｂ
上述の実施形態では、利用ユニット５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄが有する４つの利用熱交換器５１は、第１実施形態と同様に扁平多穴管を有するものである。これに代えて、４つの利用熱交換器５１の一部が扁平多穴管を有するものであり、４つの利用熱交換器５１の一部がクロスフィン熱交換器であってもよい。

（５−３）変形例２Ｃ
第１実施形態の各変形例を第２実施形態に適用してもよい。

＜むすび＞
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示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。

１０：熱源ユニット
２０：一次側サイクル
３０：カスケードユニット
３０Ａ：カスケードユニット
３０Ｂ：カスケードユニット
３４：四路切換弁（切換装置）
３５：カスケード熱交換器
４０：二次側サイクル
４０Ａ：二次側サイクル
４０Ｂ：二次側サイクル
５０：利用ユニット
５０Ａ：利用ユニット
５０Ｂ：利用ユニット
５０Ｃ：利用ユニット
５０Ｄ：利用ユニット
５１：利用熱交換器（二次側熱交換器）
５２：利用膨張弁（減圧装置）
１００：冷媒サイクルシステム
１００’ ：冷媒サイクルシステム
３５１：第１流体通路
３５２：第２流体通路
Ｖ１：第１容積
Ｖ２：第２容積

特開２０１４−７４５０８号公報

Claims

第１流体を循環させる一次側サイクル（２０）と、
第２流体を循環させる二次側サイクル（４０）と、
前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行わせるように構成された第１流体通路（３５１）及び第２流体通路（３５２）を有するカスケード熱交換器（３５）と、
を備え、
前記第２流体は冷媒であり、
前記二次側サイクルは、前記第２流体が前記カスケード熱交換器から得る冷熱又は温熱を利用するための二次側熱交換器（５１）と、前記第２流体を減圧する減圧装置（５２）と、前記第２流体の循環の方向を切り替える切換装置（３４）と、を有し、
前記二次側熱交換器の容積である第１容積Ｖ１と、前記カスケード熱交換器の前記第２流体通路の容積である第２容積Ｖ２とが、

の関係である、
冷媒サイクルシステム（１００）。
前記第１容積Ｖ１と前記第２容積Ｖ２とが、

の関係である、
請求項１に記載の冷媒サイクルシステム。
前記二次側熱交換器は、扁平多穴管を有する、
請求項１又は請求項２に記載の冷媒サイクルシステム。
複数の前記二次側サイクル（４０Ａ、４０Ｂ）と、
複数の前記カスケード熱交換器と、
を備え、
前記第１容積は、複数の前記二次側熱交換器の容積の総和であり、
前記第２容積は、複数の前記カスケード熱交換器に含まれる複数の前記第２流体通路の容積の総和である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の冷媒サイクルシステム（１００’）。
複数の前記二次側サイクルは、扁平多穴管を有する熱交換器と、クロスフィン熱交換器と、を有する、
請求項４に記載の冷媒サイクルシステム。