JP2022032679A - 熱媒体圧縮装置、空調装置、および熱媒体圧縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空調用の圧縮機を効率良く運転する。【解決手段】熱媒体圧縮装置は、第１の圧縮機１、第２の圧縮機２と、これら第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを熱交換器に並列に接続する吸入側配管４および吐出側配管５と、前記第１の圧縮機１の吐出側と第２の圧縮機２の吸入側とを直列に接続する接続配管６と、前記吸入側配管４、吐出側配管５、接続配管６を流れる熱媒体の流量を制御する制御部３とを有し、前記制御部３は、前記第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを前記吸入側配管４と吐出側配管５との間で択一的に接続し、あるいは、前記第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを前記吸入側配管４と吐出側配管５との間で直列に接続し、直列に接続された前記第２の圧縮機２に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機１から排出される熱媒体の流量より多く制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱媒体圧縮装置、空調装置、および熱媒体圧縮方法に関する。

サーバー等の電子機器を収容するサーバー室には、電子機器から発生する熱を吸収して適正な室温に維持する空気調和装置（以下空調装置と称す）が設けられる。この空調装置に関連する技術として、特許文献１に記載されたものが知られている。
この空調装置は、特許文献１の段落００１０に記載されたように、吸入した冷媒を中圧まで圧縮する低圧縮比で効率の良い容量可変な圧縮機と、吸入した中圧の冷媒を高圧に圧縮して吐出する高圧縮比の容量可変な圧縮機とを直列に接続した構成を有する。また前記空調装置は、前記圧縮機と放熱／吸熱部との間の配管を切り替えることによって冷房、暖房のいずれかで動作する構成とされている。

また特許文献２には、特許文献１と同じく、二基の圧縮機を直列に接続した空調装置が開示されている。

特開２０１０－１３９２０５号公報 特開２００３－１４８８２４号公報

ところで、空調装置に低圧熱媒体（例えば通常の環境で保管、運搬する場合の蒸気圧力が１ＭＰａ以下のフッ素化合物ガス）を用いた場合、熱媒体が移動させることのできる単位容積当たりの熱量が高圧熱媒体に比して少ないため、多量の熱媒体の移動が必要となり、吐出流量が大きな圧縮機が必要とされる。またサーバー室の冷却のために消費されるエネルギーを考慮すると、サーバーの発熱量の変化、季節、時間帯による気温の変化に対応した効率的な圧縮機の運用が求められる。

この発明は、空調装置に設けられる圧縮装置を効率的に運用することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様にかかる熱媒体圧縮装置は、以下の構成を有する。
熱媒体を圧縮する第１の圧縮機、および第２の圧縮機と、これら第１の圧縮機と第２の圧縮機とを熱交換器に接続する吸入側配管および吐出側配管と、前記第１の圧縮機の吐出側と第２の圧縮機の吸入側とを直列に接続する接続配管と、前記吸入側配管、吐出側配管、接続配管を流れる熱媒体の流量を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを前記吸入側配管と吐出側配管との間で択一的に接続し、あるいは、前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを前記吸入側配管と吐出側配管との間で直列に接続し、直列に接続された前記第２の圧縮機に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機から排出される熱媒体の流量より多く制御することを特徴とする。

本発明の第２の態様にかかる熱媒体圧縮方法は、以下の構成を有する。
熱媒体を圧縮する第１の圧縮機および第２の圧縮機を熱交換器に対して並列およびまたは直列に接続することによって、熱交換器への熱媒体の流量を制御する熱交換方法であって、前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを前記吸入側配管と吐出側配管との間で直列に接続した状態で、前記第２の圧縮機に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機から排出される熱媒体の流量より多く制御することを特徴とする。

本発明は、複数の圧縮機を備えた圧縮装置を効率的に運転することができる。

本発明の最小構成例のブロック図である。 本発明の第１実施形態を適用した空調装置の配管系統図である。 本発明の第１実施形態にかかる熱媒体圧縮装置の配管系統図である。 図３の装置の第１の使用態様における熱媒体の流れの説明図である。 図３の装置の第２の使用態様における熱媒体の流れの説明図である。 図３の装置の第３の使用態様における熱媒体の流れの説明図である。 図３の装置の第３の使用態様における熱媒体の流れの説明図である。 本発明の第１実施形態の作用を説明するための圧縮比の変化を季節毎に示す図表である。

本発明の第１の態様の最小構成例にかかる熱媒体圧縮装置について図１を参照して説明する。
この熱媒体圧縮装置は、第１の圧縮機１、第２の圧縮機２と、これら第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを熱交換器に並列に接続する吸入側配管４および吐出側配管５と、前記第１の圧縮機１の吐出側と第２の圧縮機２の吸入側とを直列に接続する接続配管６と、前記吸入側配管４、吐出側配管５、接続配管６を流れる熱媒体の流量を制御する制御部３と、を有し、前記制御部３は、前記第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを前記吸入側配管４と吐出側配管５との間で択一的に接続し、あるいは、前記第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを前記吸入側配管４と吐出側配管５との間で直列に接続し、直列に接続された前記第２の圧縮機２に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機１から排出される熱媒体の流量より多く制御する。

上記構成の熱媒体圧縮装置にあっては、第１の圧縮機１から吐出された熱媒体の流量より第２の熱媒体に吸引される熱媒体の流量より多くすることにより、第２の圧縮機２の圧縮能力が第１の圧縮機１と同一あるいは大きい場合であっても、第２の圧縮機２に十分な熱媒体が吸い込まれるので、効率的な運転を行うことができる。

本発明の第２の態様の最小構成例にかかる熱媒体圧縮方法について図１を参照して説明する。
熱媒体を圧縮する第１の圧縮機１および第２の圧縮機２を熱交換器に対して並列およびまたは直列に接続することによって、熱交換器への熱媒体の流量を制御する熱交換方法であって、前記第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを前記吸入側配管４と吐出側配管５との間で直列に接続した状態で、前記第２の圧縮機２に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮１機から排出される熱媒体の流量より多く制御することを特徴とする。

上記構成の熱媒体圧縮方法にあっては、第１の圧縮機１から吐出された熱媒体の流量より第２の熱媒体に吸引される熱媒体の流量より多くすることにより、第２の圧縮機２の圧縮能力が第１の圧縮機１と同一あるいは大きい場合であっても、第２の圧縮機２に十分な熱媒体が吸い込まれるので、効率的な運転を行うことができる。

図１を具体化した本発明の第１実施形態に係る構成について図２～図８を参照して説明する。
まず、図２を参照して、第１実施形態にかかる熱媒体圧縮装置を有する空調装置について説明する。
本発明にかかる熱媒体圧縮装置１００は、受熱器２００で吸熱した熱媒体を吸入して圧縮する。具体的には、例えばサーバー室の空調において、図１の矢印Ａに示すように受熱器２００が吸入した空気（サーバー室に設置されたサーバー等の排熱により温度が上昇した空気）を熱媒体の蒸発（圧力低下）によって冷却して、矢印Ｂに示すように大気中に放出する。前記熱媒体圧縮装置１００は、前記熱交換によって圧力が低下した熱媒体を吸い込んで圧縮した後、放熱器３００、膨張弁４００を経由して前記受熱器２００へ循環させる。

前記放熱器３００は、例えば熱媒体圧縮装置１００を構成する圧縮機１００ａのケーシング等の部材、あるいはここで圧縮されて排出された熱媒体を冷却するもので、例えば、冷却水の循環とクーリングタワーにおける放熱とによって放熱するシステム、あるいは放熱フィンにより大気中に放熱する構成が採用される。前記膨張弁４００は、熱媒体圧縮装置１００～放熱器３００を経て圧縮された熱媒体の流速を調整することにより、受熱器２００へ低温となった熱媒体（液相または気液混相）を供給する。なお図２の空調装置にあっては、低圧熱媒体（例えば通常の環境で保管、運搬する場合の蒸気圧力が１ＭＰａ以下のフッ素化合物ガス）が使用される。

前記熱媒体圧縮装置１００の構成について、図３を参照して説明する。
符号１は吸入した熱媒体を圧縮して吐出する第１の圧縮機であって、この第１実施形態では、例えば、容積式圧縮機に比して圧縮比が小さく、吐出流量（容積流量）が大きなターボ圧縮機が採用されている。
前記第１の圧縮機１は、吸入側配管４から供給された熱媒体を所定の圧縮比で圧縮して接続配管６へ排出し、第２の圧縮機２の吸入側へ供給する。この第１実施形態では、前記第２の圧縮機２として、前記第１の圧縮機１と同一仕様（少なくとも、圧縮比と単位時間当たりの容積流量とに拠って特定される定格容量が同一）のターボ圧縮機が採用されている。

前記第２の圧縮機２の吐出側には、（第１の）吐出側配管５が接続されている。また前記第２の圧縮機２の吐出側には、前記（第１の）吐出側配管５と並列に（第２の）吐出側配管７が接続され、さらに、バイパス配管８と戻り配管９とが接続されている。
前記吸入側配管４には、前記第１の圧縮機１に吸入される熱媒体の流量を調整する第１の弁１０が設けられている。前記戻り配管９には、該戻り配管９を流れる熱媒体の流量を調整する第２の弁２０が設けられている。前記バイパス配管８には、該バイパス配管８を流れる熱媒体の流量を調整する第３の弁３０が設けられ、前記第２の吐出側配管７には、該第２の吐出側配管７を流れる熱媒体の流量を調整する第４の弁４０が設けられている。前記第２の吐出側配管７とバイパス配管８との接続個所は、前記戻り配管９を介して前記接続配管６に接続されている。

前記第１の弁１０、第２の弁２０、第３の弁３０、第４の弁４０は、例えば、電動モータ、あるいは空気圧によって操作される自動弁であって、図２～図８に図示しない制御部によって開、閉、あるいはその中間の開度に制御されるが、これらの一部または全部を空調装置の運転状況に応じて手動操作により調整しても良い。
前記熱媒体圧縮装置は、前記第１の弁１０、第２の弁２０、第３の弁３０、第４の弁４０の操作によって、後述の動作例１～４の運転モードに切り替えて熱媒体を圧縮する。
これら動作例１～４における前記第１、第２、第３、第４、の弁１０、２０、３０、４０の開閉状況の組み合わせを表１に示す。

前記表１に示された動作例１～４について、図４～７を参照して説明する。
なお図４～７において、実線は、熱媒体が流れる配管、破線は、熱媒体の流量が調整される配管、二点鎖線は、物理的な管は存在するが熱媒体が流れない配管、を各々示すものとする。

図４は動作例１を示す。
この動作例１は、空調装置の熱負荷が大きい場合の動作を示し、第１の弁１０が全開、第３の弁３０が全閉、第２の弁２０、第４の弁４０の開度が運転状況に応じて調整される。
すなわち、この動作例１にあっては、第１の弁１０が全開であるため、第１の圧縮機１に吸入側配管４から熱媒体が吸入され、所定の圧縮比で圧縮されて接続配管６へ吐出される。ここで、第１の圧縮機１から吐出される熱媒体の流量は、第１の圧縮機１の圧縮比に応じて、第１の圧縮機１に吸入された熱媒体の流量より減少する。前記第１の圧縮機１から接続配管６へ吐出された熱媒体は、第２圧縮機２に吸入されて所定の圧縮比で圧縮されて第１、第２の吐出側配管５、６へ吐出される。なお第３の弁３０が全閉とされていることから、バイパス配管８へ熱媒体が流れて第１の圧縮機１へ循環し、再度圧縮されることはない。

また第２の圧縮機２で圧縮された熱媒体は、第２の弁２０、第４の弁４０の開度に応じて、第２の吐出側配管７、戻り配管９を経由して接続配管６へ戻され、第２の圧縮機２へ再び吸入される。ここで前記第２の弁２０、第４の弁４０は、前記戻り配管９から戻されて循環する熱媒体の流量が、第２の圧縮機２の効率的な運転を可能とする定格容量に近い吸入流量となるように開度が調整される。そして、第２の圧縮機２で圧縮された熱媒体は、吐出側配管５を経由して受熱器へ供給され、空気と熱交換されてサーバー室の空気を冷却する。

このように、動作例１にあっては、第２の圧縮機２により圧縮された熱媒体の一部を接続配管６を経由して第２の圧縮機２の吸入側へ戻して循環させることにより、第１の圧縮機１の吐出量より第２の圧縮機２の吸入量を多くすることができ、第２の圧縮機２が第１の圧縮機１と同等の吐出容量を有する場合であっても、出力調整が容易ではないターボ圧縮機における、吸入量の不足によるサージング、あるいは圧縮効率の低下を防止することができる。すなわち、第１の圧縮機１と同一の圧縮比、吐出流量を有する第２の圧縮機２に、第１の圧縮機１から吐出される定格より少量の熱媒体に加えて、戻り配管９を経由して循環する熱媒体を吸入させることにより、第２の圧縮機を効率の良い定格吸入量、吐出量に近い条件で運転することができる。

図５は動作例２を示す。
この動作例２は、サーバーの負荷が小さく、サーバー室内へ排出される熱量が少ない場合、あるいは秋期、冬季等の外気温が低く、空調装置の熱負荷が小さい場合に第１の圧縮機１のみを運転する場合の動作を示している。この動作例２では、第１の弁１０が開、第２の弁２０、第４の弁４０が開とされ、第３の弁３０の開度が運転状況に応じて調整される。
すなわち、この動作例２にあっては、第１の弁１０が全開であるため、第１の圧縮機１に吸入側配管４から熱媒体が吸入され、所定の圧縮比で圧縮されて接続配管６へ吐出される。接続配管６へ流入した熱媒体は、第２の弁２０、第４の弁４０がともに全開であることから、吐出側配管５から排出されて受熱器へ供給され、サーバー室の空気を冷却する。
また、第３の弁３０の開度を調整することにより、第１の圧縮機１を流れる熱媒体の流量を維持しつつ、熱負荷に応じた必要な流量の熱媒体を供給することができる。なお、第１の圧縮機１の定格容量が、必要とされる熱媒体の流量より大きい場合であっても、第３の弁３０を開閉して第１の圧縮機１を循環する熱媒体の流量を調整することによって、第１の圧縮機１を定格容量近くで効率良く運転することができる。

このように、動作例２にあっては、第１の圧縮機１のみを運転することによって、熱負荷に応じた適切な消費エネルギーで空調装置を運転することができる。なお図５の管路にあっては、第１の圧縮機１～バイパス配管８～第２の吐出側配管７を経由して第１の吐出側配管５に到る管路の抵抗が第２の圧縮機２の内部を経由して第１の吐出側配管５に到る管路の抵抗より小さいので、第２の圧縮機２を経由して流れる熱媒体の流量は小さい。
なお、第２の圧縮機２の吸入側、吐出側に各々弁を設け（図５において図示略）、これらの弁を全閉とすることにより、第２の圧縮機２を熱媒体の管路から切り離すことが可能な構成を採用すれば、第１の圧縮機１の運転中であっても、第２の圧縮機２を熱媒体の管路から切り離して保守、点検、あるいは予備の圧縮機との交換を行うことができる。

図６は動作例３を示す。
この動作例３は、前述の動作例２と同じく、サーバーの負荷が小さく、サーバー室内へ排出される熱量が少ない、あるいは秋期、冬季等の外気温が低く、空調装置の熱負荷が小さい場合に第２の圧縮機２のみを運転する場合の動作を示している。この動作例３では、第１の弁１０が閉、第２の弁２０、第３の弁３０が開とされ、第４の弁４０の開度が運転状況に応じて調整される。
すなわち、動作例３にあっては、第１の弁１０が全閉であるため、第１の圧縮機１に吸入側配管４から熱媒体が吸入されることがなく、第２の弁２０、第３の弁３０が全開であることから、バイパス配管８、戻り配管９，接続配管６を経由して第２の圧縮機２の吸入側へ熱媒体が供給される。第２の圧縮機２へ吸入されて圧縮された熱媒体は、所定の圧縮比で圧縮されて吐出側配管５から蒸発器へ送り出される。また第２の圧縮機２へ吸入されて圧縮された熱媒体は、第２の弁２０が全開であることから、第４の弁４０の開度に応じた流量が再度第２の圧縮機２に吸入されて圧縮される。すなわち、第４の弁４０の開度に応じて循環する熱媒体の流量を調整することにより、熱負荷に応じた熱媒体を吐出側配管５から蒸発器へ供給することができる。なお動作例３にあっては、第２の圧縮機２に圧縮前の熱媒体が吸入されるので、その流量は、動作例１のように第１の圧縮機１によって圧縮されて容積が減少した場合に比して大きく、したがって、第４の弁４０を全閉にして循環をなくした運転状況も発生し得る。

このように、動作例３にあっては、第２の圧縮機２のみを運転することによって、熱負荷に応じた適切な消費エネルギーで空調装置を運転することができる。なお、第１の圧縮機１の吸入側の第１の１０に加えて、吐出側（接続配管６からバイパス配管９が分岐する接続点より上流）に弁を設けておき、これらを全閉とすることにより、第２の圧縮機２の運転中であっても、第１の圧縮機１を熱媒体の管路から切り離して保守、点検、あるいは予備の圧縮機との交換を行うことができる。

図７は動作例４を示す。
この動作例４は、サーバーからの発熱量が極めて少ない、あるいは秋期、冬季等の外気温が低く、空調装置の熱付加が極めて小さい場合、さらには、シャットダウン等、サーバーが通電されていない場合の動作を示し、第１の弁１０，第２の弁２０が全閉、第３の弁３０、第４の弁４０が全開とされている。また第１の圧縮機１、第２の圧縮機２は、いずれも停止されている。
すなわち、動作例４にあっては、吸入側配管４～第２の吐出側配管７～第１の吐出側配管５を経由して熱媒体が循環する。
なお、第２の圧縮機２の吐出側に弁を設けておけば、第１の圧縮機１と第２の圧縮機２とを共に熱媒体の管路から切り離して保守、点検、あるいは予備機との交換を行うことができる。

以上のように構成された空調装置にあっては、図８に示すように、季節による外気温の変化（空調装置の負荷）に応じて、第１の圧縮機１、第２の圧縮機２を運転または停止させ、サーバー室の冷却に要する所要電力を削減することができる。
詳細には、冬季のように熱負荷が最も小さい場合には、圧縮機を運転しないことにより、熱媒体の自然循環（吸熱により蒸発し、管路を循環する間に自然冷却によって冷却される状態）による冷却を行う。また春季、秋期のように、中間の熱負荷の場合には、圧縮機１台のみを運転して低圧縮比で熱媒体を圧縮することにより、低圧縮の熱媒体を蒸発器に供給して冷却を行う。また夏期のように、熱負荷が大きい場合には、２台の圧縮機を雲底して高圧縮比で熱媒体を圧縮することにより、高圧縮の熱媒体を蒸発器に供給して冷却を行う。

すなわち、第１実施形態にあっては、第１の圧縮機１、第２の圧縮機２として同一定格容量（圧縮比と流量が同一）を採用しているので、両方の圧縮機を停止した場合、圧縮機を１台運転した場合、圧縮機を２台運転した場合のいずれかの動作態様で必要な冷却能力を得ることができる。
また、第１の圧縮機１、第２の圧縮機として、互いに定格容量が異なるものを採用すれば、いずれかの圧縮機を選択的に単独運転することにより、熱負荷に応じてより細かく容量を調整することができる。

なお本発明にかかる熱媒体圧縮雄値で使用される圧縮機は、ターボ圧縮機に限定されるものではない。すなわち、ターボ方式以外の他の方式の圧縮機に適用した場合であっても、圧縮機を循環する熱媒体の量を調整することにより、圧縮機を効率の良い、例えば定格容量に近い吸入量、吐出量の運転条件で運転して消費電力削減を図ることができる。
また、管路中の予期しない圧力バランスの変動によって熱媒体が本来の方向と異なる方向へ流れる現象を防止するため、あるいは、より細かい流量、圧力の調整、あるいは、管路を構成する種々の機器の保守、点検、交換のため、図３に示す管路にさらに開閉弁、逆止弁を追加しても良い。さらに、低圧縮比、高流量（圧縮機２基分）の熱媒体を熱交換器に供給すべく、第１の圧縮機、第２の圧縮機を吸入側配管および吐出側配管に対して並列に接続するための管路を設けても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、熱媒体圧縮装置、空調装置、および熱媒体圧縮方法に利用することができる。

１ 第１の圧縮機
２ 第２の圧縮機
３ 制御部
４ 吸入側配管
５ （第１の）吐出側配管
６ 接続配管
７ （第２の）吐出側配管
８ バイパス配管
９ 戻り配管
１０ 第１の弁
２０ 第２の弁
３０ 第３の弁
４０ 第４の弁
１００ 熱媒体圧縮装置
２００ 受熱器（蒸発器）
３００ 放熱器（凝縮器）
４００ 膨張弁

Claims (8)

1. 熱媒体を圧縮する第１の圧縮機、および第２の圧縮機と、
   これら第１の圧縮機と第２の圧縮機とを熱交換器に接続する吸入側配管および吐出側配管と、
   前記第１の圧縮機の吐出側と第２の圧縮機の吸入側とを直列に接続する接続配管と、
   前記吸入側配管、吐出側配管、接続配管を流れる熱媒体の流量を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを前記吸入側配管と吐出側配管との間で択一的に接続し、あるいは、前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを前記吸入側配管と吐出側配管との間で直列に接続するとともに、直列に接続された前記第２の圧縮機に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機から排出される熱媒体の流量より多く制御する、
   熱媒体圧縮装置。
2. 前記第２の圧縮機の最大容量は、少なくとも前記第１の圧縮機の最大容量を有する、
   請求項１に記載の熱媒体圧縮装置。
3. 前記第２の圧縮機の吐出側と吸入側とを接続する戻り配管を有し、
   前記制御部は、さらに、前記戻り配管を流れる熱媒体の流量を制御する、
   請求項１または２のいずれか１項に記載の熱媒体圧縮装置。
4. 前記吸入側配管と前記接続側管路とを接続するバイパス配管を有し、
   前記制御部は、さらに、前記バイパス配管を開または閉に制御する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の熱媒体圧縮装置。
5. 前記吸入側配管、吐出側配管、戻り配管、バイパス配管は、それぞれ流量を調整する弁を有し、
   前記制御部は、前記弁の開度を制御する、
   請求項４に記載の熱媒体圧縮装置。
6. 前記第１、第２の圧縮機はターボ圧縮機である、請求項１～５のいずれか１項記載の熱媒体圧縮装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の熱媒体圧縮装置と、
   この熱媒体圧縮装置から供給された熱媒体を大気と熱交換する熱交換器と、
   を有する空調装置。
8. 熱媒体を圧縮する第１の圧縮機および第２の圧縮機を熱交換器に対して択一的にまたは直列に接続することによって、熱交換器への熱媒体の流量を制御する熱交換方法であって、
   前記第１の圧縮機と第２の圧縮機とを吸入側配管と吐出側配管との間で直列に接続した状態で、前記第２の圧縮機に吸引される熱媒体の流量を前記第１の圧縮機から排出される熱媒体の流量より多く制御する
   熱媒体圧縮方法。

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