JP2024073015A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、運転条件により切換手段を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる冷凍システムを提供する。
【解決手段】低段圧縮機１１、高段圧縮機１２、室外熱交換器１５、低段圧縮機１１と高段圧縮機１２との間に配置されるアキュームレータ１３、高段圧縮機１２の吐出側に配置されるオイルセパレータを有する室外機１０と、室内熱交換器２２を有する室内機２０と、冷設熱交換器３１を有する冷設機器３０と、を接続した冷凍サイクル回路と、を備え、低段圧縮機１１とアキュームレータ１３との間に配置されたインタークーラー６５と、低段圧縮機１１からの冷媒をアキュームレータまたはインタークーラー６５に切り換える三方弁６７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍システムに関する。

特許文献１は、二段圧縮機と、インタークーラーと、ガスクーラと、ガスクーラに接続される中間熱交換器とを備え、中間熱交換器は、ガスクーラからの冷媒と、高圧側冷媒流路から分流して膨張弁により減圧させた冷媒との熱交換を行い、膨張弁を経て中間熱交換器で熱交換された冷媒を二段圧縮機の二段目の高段側吸込口に流入させるようにした冷凍装置を開示する。

特開２０１３－１６７３８６号公報

本開示は、運転条件により切換手段を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる冷凍システムを提供する。

本開示における冷凍システムは、低段圧縮機、高段圧縮機、室外熱交換器、前記高段圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機と、冷設熱交換器を有する冷設機器と、を接続した冷凍サイクル回路と、を備え、前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との間に配置されたインタークーラーと、前記低段圧縮機からの冷媒を前記高段圧縮機の吸入側または前記インタークーラーに切り換える切換手段と、を備えている。

本開示によれば、運転条件により切換手段を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる。

実施の形態１における冷房運転時の動作を示す冷凍システムの回路図 実施の形態１における制御構成を示すブロック図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、圧縮機の低段側から吐出された冷媒をインタークーラーで熱交換して圧縮機の高段側に戻す技術があった。

このような従来の技術を用いた場合、夏期の効率を改善するためにはインタークーラーを備えた方が良いが、冬期に排熱を利用しようとした場合、インタークーラーにより熱が逃げてしまうため、十分に排熱を利用することができないという課題を発明者らは発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。
本開示は、運転条件により切換手段を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる冷凍システムを提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図面を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１－１．冷凍システムの構成］
図１は、実施の形態１における冷凍システム１の冷凍サイクル回路を示す図である。
図１に示すように、冷凍システム１は、室外機１０と、室内機２０と、冷設機器３０とを備えている。
室内機２０は、例えば、コンビニエンスストアやスーパーマーケットなどの店舗における店内の空調を行うものであり、冷設機器３０は、店内に設置されている冷却貯蔵設備としての冷蔵ショーケースや冷凍ショーケースの庫内冷却を行うものである。

室外機１０は、低段圧縮機１１と、２つの高段圧縮機１２，１２とを備えている。低段圧縮機１１に対して、２つの高段圧縮機１２は、並列に接続されている。
低段圧縮機１１と、高段圧縮機１２との間には、アキュームレータ１３が配置されている。
すなわち、低段圧縮機１１から吐出させた冷媒は、アキュームレータ１３により気体と液体とに分離され、気体冷媒のみが高段圧縮機１２に送られる。

高段圧縮機１２の吐出側には、オイルセパレータ１４が接続されている。オイルセパレータ１４には、冷媒配管４０を介して室外熱交換器１５が接続されている。
オイルセパレータ１４と室外熱交換器１５との間の冷媒配管４０には、室内機２０とアキュームレータ１３との間の冷媒配管４０に接続される第１の暖房用配管４１が接続されている。
また、オイルセパレータ１４と室外熱交換器１５との間の冷媒配管４０には、冷設機器３０と低段圧縮機１１との間の冷媒配管４０に接続される第１の室外戻り用配管４２が接続されている。

オイルセパレータ１４と室外熱交換器１５との間には、第１の切替機構５０が設けられている。第１の切替機構５０は、オイルセパレータ１４と室外熱交換器１５との間の冷媒配管４０の開閉を行う第１の冷房用弁５１と、第１の暖房用配管４１の中途部に設けられ第１の暖房用配管４１の開閉を行う第１の暖房用弁５２と、第１の室外戻り用配管４２の中途部に設けられ第１の室外戻り用配管４２の開閉を行う室外冷媒戻り用弁５３と、を備えている。

室外熱交換器１５には、冷媒配管４０を介して気液分離器１６が接続されている。気液分離器１６には、冷媒配管４０および冷設用入口側膨張機構３２を介して冷設機器３０の冷設熱交換器３１が接続されている。冷設熱交換器３１は、冷設用出口側圧力調整機構３３を介して低段圧縮機１１に接続されている。
室外熱交換器１５と気液分離器１６との間の冷媒配管４０には、室内用膨張機構２１を介して室内熱交換器２２に接続される第２の冷房用配管４３が接続されている。
室外熱交換器１５と気液分離器１６との間の冷媒配管４０には、室内熱交換器２２に接続される第２の暖房用配管４４が接続されている。
室外熱交換器１５と気液分離器１６との間の冷媒配管４０には、冷設熱交換器３１と気液分離器１６との間の冷媒配管４０に接続される第２の室外戻り用配管４５が接続されている。

室外熱交換器１５と気液分離器１６との間には、第２の切替機構５４が設けられている。第２の切替機構５４は、室外熱交換器１５と気液分離器１６との間の冷媒配管４０の開閉を行う第２の冷房用弁５５と、第２の冷房用配管４３の中途部に設けられ第２の冷房用配管４３の開閉を行う第３の冷房用弁５６と、第２の暖房用配管４４の中途部に設けられ第２の暖房用配管４４の開閉を行う第２の暖房用弁５７と、を備えている。
第２の室外戻り用配管４５の中途部には、第２の室外戻り用配管４５の流量を制御する冷媒戻り用膨張機構５８が設けられている。
第２の冷房用弁５５、第３の冷房用弁５６および第２の暖房用弁５７の下流側には、それぞれ逆止弁５９が設けられている。

室内熱交換器２２は、冷媒配管４０、開閉弁２３およびアキュームレータ１３を介して高段圧縮機１２に接続されている。
また、本実施の形態においては、気液分離器１６のガス冷媒をアキュームレータ１３の吸込側に送るガス冷媒戻り配管６０が設けられている。ガス冷媒戻り配管６０の中途部には、ガス冷媒流量制御弁６１が設けられている。

また、本実施の形態においては、低段圧縮機１１とアキュームレータ１３との間には、インタークーラー６５が設けられている。
低段圧縮機１１とアキュームレータ１３との間の冷媒配管には、インタークーラー６５をバイパスするバイパス管６６が設けられている。バイパス管６６と冷媒配管との接続部分には、低段圧縮機１１から送られる冷媒をアキュームレータ１３に送るか、またはインタークーラー６５に送るかを切り換える切換手段としての三方弁６７が設けられている。

［１－２．動作］
次に、本実施の形態の動作について説明する。
まず、冷房運転を行う動作について説明する。
冷房運転を行う場合は、図１に示すように、第１の冷房用弁５１を開とし、第２の冷房用弁５５、第３の冷房用弁５６をそれぞれ開とする。第１の暖房用弁５２、第２の暖房用弁５７、第１の高負荷用弁、室外戻り用弁、室外戻り用膨張機構をそれぞれ閉とする。
また、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５に送るように三方弁６７を切り換える。
この状態で、低段圧縮機１１および各高段圧縮機１２を駆動することで、低段圧縮機１１により圧縮された冷媒は、インタークーラー６５に送られ、インタークーラー６５により冷却される。インタークーラー６５により冷却された冷媒は、アキュームレータ１３を介して各高段圧縮機１２に送られ、各高段圧縮機１２によりさらに圧縮されてオイルセパレータ１４にむけて吐出される。

オイルセパレータ１４を経た冷媒は、第１の冷房用弁５１を通って室外熱交換器１５に送られ、室外熱交換器１５において外気と熱交換を行う。
熱交換後の冷媒は、第２の冷房用弁５５を介して気液分離器１６に送られ、第３の冷房用弁５６を介して室内熱交換器２２に送られる。
室内熱交換器２２において、冷媒は室内空気と熱交換し、室内空気の冷却を行う。室内空気と熱交換した冷媒は、アキュームレータ１３を介して各高段圧縮機１２に戻される。

一方、気液分離器１６からの冷媒の一部は、冷設用入口側膨張機構３２を介して冷設熱交換器３１に送られ、冷設熱交換器３１において熱交換を行い、冷設機器３０の冷却を行う。冷設熱交換器３１において熱交換した冷媒は、冷設用入口側膨張機構３２を介して低段圧縮機１１に戻される。

次に、暖房運転を行う場合の動作について説明する。
図２は、暖房運転の動作を示す冷凍システム１の回路図である。なお、冷媒の流れを図中矢印で示している。
図２に示すように、暖房運転を行う場合は、第１の暖房用弁５２、第２の暖房用弁５７をそれぞれ開とし、第１の冷房用弁５１、第２の冷房用弁５５、第３の冷房用弁５６および室外冷媒戻り用弁５３をそれぞれ閉とする。
また、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５を介さず、バイパス管６６を介してアキュームレータ１３に直接送るように三方弁６７を切り換える。

この状態で、低段圧縮機１１および各高段圧縮機１２を駆動することで、低段圧縮機１１により圧縮された冷媒が、アキュームレータ１３を介して各高段圧縮機１２に送られ、各高段圧縮機１２によりさらに圧縮されてオイルセパレータ１４にむけて吐出される。
オイルセパレータ１４を経た冷媒は、第１の暖房用弁５２を通って室内熱交換器２２に送られ、室内熱交換器２２において室内空気と熱交換を行い、室内空気の暖房を行う。

室内熱交換器２２で熱交換を行った冷媒は、第２の暖房用弁５７を介して気液分離器１６に送られた後、冷設用入口側膨張機構３２を介して冷設熱交換器３１に送られ、冷設熱交換器３１において熱交換を行い、冷設機器３０の冷却を行う。
冷設熱交換器３１において熱交換した冷媒は、冷設用出口側圧力調整機構３３を介して低段圧縮機１１に戻される。
すなわち、本開示の冷凍システム１は、暖房時には、室内熱交換器２２がガスクーラまたは放熱器として機能するように構成され、室外熱交換器１５は使用されない。

また、本実施の形態においては、気液分離器１６のガス冷媒をアキュームレータ１３の吸込側に送るガス冷媒戻り配管６０が設けられている。そして、冷房運転時に、ガス冷媒流量制御弁６１の開度を制御して、気液分離器１６のガス冷媒の戻り量を制御することで、室内熱交換器２２に送られる冷媒の差圧を生成することができる。
これにより、蒸発温度が高い室内熱交換器２２の蒸発温度に規定の値を加算した圧力で制御することが可能となる。そのため、環境保全性が高い自然冷媒の二酸化炭素（Ｒ７４４）を使用し、弱点である空調温度帯の効率を改善することができ、冷凍システム全体としての効率を改善することができる。

また、本実施の形態においては、冷房運転時に、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５に送り、インタークーラー６５により冷却した後、アキュームレータ１３を介して各高段圧縮機１２に送るようにしているので、冷房運転時には、高段圧縮機の圧縮効率を向上させることができる。
一方、暖房運転時には、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５を介さず、アキュームレータ１３に直接送るようにしているので、二段圧縮の冷媒回路のヒートポンプにおいて、暖房運転時の排熱利用の高効率化を図ることができる。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態においては、低段圧縮機１１、高段圧縮機１２、室外熱交換器１５、低段圧縮機１１と高段圧縮機１２との間に配置されるアキュームレータ１３、高段圧縮機１２の吐出側に配置されるオイルセパレータを有する室外機１０と、室内熱交換器２２を有する室内機２０と、冷設熱交換器３１を有する冷設機器３０と、を接続した冷凍サイクル回路と、を備え、低段圧縮機１１とアキュームレータ１３との間に配置されたインタークーラー６５と、低段圧縮機１１からの冷媒をアキュームレータ１３またはインタークーラー６５に切り換える三方弁６７（切換手段）と、を備えている。
これにより、運転条件により三方弁６７を切り換えることで、低段圧縮機１１と高段圧縮機１２とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる。

また、本実施の形態においては、冷房運転時に、三方弁６７（切換手段）は、低段圧縮機１１からの冷媒をインタークーラー６５に送るように切り換える。
これにより、冷房運転時に、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５に送り、インタークーラー６５により冷却した後、高段圧縮機１２に送ることで、高段圧縮機１２の圧縮効率を向上させることができる。

また、本実施の形態においては、暖房運転時に、三方弁６７（切換手段）は、低段圧縮機１１からの冷媒をアキュームレータ１３に直接に送るように切り換える。
これにより、暖房運転時に、低段圧縮機１１から送られる冷媒をインタークーラー６５を介さず、アキュームレータ１３に直接送ることで、暖房運転時の排熱利用の高効率化を図ることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

（付記）
以上の実施の形態の記載により、下記の技術が開示される。
（技術１）低段圧縮機、高段圧縮機、室外熱交換器、前記高段圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機と、冷設熱交換器を有する冷設機器と、を接続した冷凍サイクル回路と、を備え、前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との間に配置されたインタークーラーと、前記低段圧縮機からの冷媒を前記高段圧縮機の吸入側または前記インタークーラーに切り換える切換手段と、を備えている冷凍システム。
この構成により、運転条件により三方弁を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる。

（技術２）冷房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記インタークーラーに送るように切り換える技術１に記載の冷凍システム。
この構成により、冷房運転時に、低段圧縮機から送られる冷媒をインタークーラーに送り、インタークーラーにより冷却した後、高段圧縮機に送ることで、高段圧縮機の圧縮効率を向上させることができる。

（技術３）暖房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記高段圧縮機の吸入側に直接に送るように切り換える冷凍システム。
この構成により、暖房運転時に、低段圧縮機から送られる冷媒をインタークーラーを介さず、高段圧縮機に直接送ることで、暖房運転時の排熱利用の高効率化を図ることができる。

（技術４）前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との間にアキュームレータが配置され、暖房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記アキュムレータを介して前記高段圧縮機の吸入側に送るように切り換える技術１に記載の冷凍システム。
この構成により、暖房運転時に、低段圧縮機から送られる冷媒をインタークーラーを介さず、アキュームレータを介して高段圧縮機に送ることで、暖房運転時の排熱利用の高効率化を図ることができる。

本開示は、運転条件により切換手段を切り換えることで、低段圧縮機と高段圧縮機とを用いた二段圧縮冷凍システムの効率を高めることができる冷凍システムとして好適に利用可能である。

１ 冷凍システム
１０ 室外機
１１ 低段圧縮機
１２ 高段圧縮機
１３ アキュームレータ
１４ オイルセパレータ
１５ 室外熱交換器
１６ 気液分離器
２０ 室内機
２１ 室内用膨張機構
２２ 室内熱交換器
２３ 開閉弁
３０ 冷設機器
３１ 冷設熱交換器
３２ 冷設用入口側膨張機構
３３ 冷設用出口側圧力調整機構
４０ 冷媒配管
４１ 第１の暖房用配管
４２ 第１の室外戻り用配管
４３ 第２の冷房用配管
４４ 第２の暖房用配管
４５ 第２の室外戻り用配管
５０ 第１の切替機構
５１ 第１の冷房用弁
５２ 第１の暖房用弁
５３室外冷媒戻り用弁
５４ 第２の切替機構
５５ 第２の冷房用弁
５６ 第３の冷房用弁
５７ 第２の暖房用弁
５８ 冷媒戻り用膨張機構
５９ 逆止弁
６０ ガス冷媒戻り配管
６１ ガス冷媒流量制御弁
６５ インタークーラー
６６ バイパス管
６７ 三方弁

Claims (4)

1. 低段圧縮機、高段圧縮機、室外熱交換器、前記高段圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータを有する室外機と、室内熱交換器を有する室内機と、冷設熱交換器を有する冷設機器と、を接続した冷凍サイクル回路と、を備え、
   前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との間に配置されたインタークーラーと、前記低段圧縮機からの冷媒を前記高段圧縮機の吸入側または前記インタークーラーに切り換える切換手段と、を備えている
   冷凍システム。
2. 冷房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記インタークーラーに送るように切り換える
   請求項１に記載の冷凍システム。
3. 暖房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記高段圧縮機の吸入側に直接に送るように切り換える
   請求項１に記載の冷凍システム。
4. 前記低段圧縮機と前記高段圧縮機との間にアキュームレータが配置され、
   暖房運転時に、前記切換手段は、前記低段圧縮機からの冷媒を前記アキュームレータを介して前記高段圧縮機の吸入側に送るように切り換える
   請求項１に記載の冷凍システム。

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