JP4123829B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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多佳志 岡崎
修 森本
孝志 池田
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D2500/00Problems to be solved
    • F25D2500/02Geometry problems

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は冷凍サイクル装置に関するものであり、特に高低差の大きい高層ビルに設置された場合でも性能低下の生じない冷凍サイクル装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ビルなどの建物に設置される個別分散型の空調機である多室冷暖房装置では、高低差の大きい高層ビルなどに設置される場合、すなわち、室外ユニットが屋上などの高所に設置され、室内ユニットが各階フロアに設置される場合の暖房運転時や、室外ユニットが地下などの低所に設置され、室内ユニットが各階フロアに設置される場合の冷房運転時には、室外ユニットと室内ユニットとを接続する接続配管が長くなって圧力損失が増加し、さらに、高低差に伴う液ヘッドによる圧力損失も加わって性能が大きく低下するという問題があった。
【0003】
このことを図12に基づいて説明する。
図12中、冷凍サイクル装置は、屋上に設置される室外ユニット100と、上層階から各階F1、F2、…、Fnにそれぞれ設置される室内ユニット110a、110b、…、110nおよびそれらを接続する液配管120、ガス配管121により主に構成されている。また、室外ユニット100内には、圧縮機101、四方弁102、室外熱交換器103が収納されており、室内ユニット110a、110b、…、110n内には、絞り装置111a、111b、…、111nと室内熱交換器112a、112b、…、112nが収納されている。
【0004】
次に、動作について説明する。
暖房運転時には、四方弁102の第1口102aと第2口102bが接続され、第3口102cと第4口102dが接続される。そして、圧縮機101から吐出されたガス冷媒が四方弁102、ガス配管121の順に流れて室内熱交換器112a、…、112nに至り、室内熱交換器112a、…、112nで凝縮液化する。この凝縮液化した冷媒は、第2絞り装置111a、…、111nで減圧されて低圧二相冷媒となった後、液配管120を流れて室外熱交換器103に至り、室外熱交換器103で蒸発気化し、四方弁102を経て圧縮機101に戻る。
【0005】
ここで,最下階Fnに設置された室内ユニット110nでは、第2絞り装置111nから室外熱交換器103に至る配管で、水平方向、すなわち床方向の水平配管に伴う圧力損失と、垂直方向、すなわち階方向の垂直配管(高低差)に伴う液ヘッドによる圧力損失が生じてしまい、第2絞り装置111n出口部での圧力が上昇して第2絞り装置111n出入口での圧力差が低下してしまうことがある。そして、この第2絞り装置111n出入口における圧力差の低下により冷媒循環量の減少が引き起こされるので、高層ビルに冷凍サイクル装置を設置した場合に、性能が低下してしまうという問題があった。
【0006】
また、高低差の大きな高層ビルに対応可能な冷凍サイクル装置としては、例えば、図13に示すような特開平6−265173号公報に開示されたものもある。
図13では、ビルの上層部に冷熱源となる蓄熱槽200および温熱源となる蓄熱槽201をそれぞれ設置し、各階F1、F2、…に凝縮器となる第1の熱交換器210a、210b、…、および蒸発器となる第2の熱交換器211a、211b、…をそれぞれ設置し、さらに各階F1、F2、…に複数台の室内ユニット220a、220b、…を設置した構成となっている。
【0007】
また、蓄熱槽(冷熱源)200と各熱交換器210a、210b、…との間は冷水往管230aおよび冷水還管230bによって連結して閉回路(第1の閉回路)を構成し、内部に封入された冷水をポンプ231によって循環させることにより各第1の熱交換器210a、210b、…に冷熱を供給するようにしている。また、蓄熱槽(温熱源)201と各熱交換器211a、211b、…との間は温水往管232aおよび温水還管232bによって連結して閉回路(第2の閉回路)を構成し、内部に封入された温水をポンプ233によって循環させることにより各第2の熱交換器211a、211b、…に温熱を供給するようにしている。
【0008】
また、各階F1、F2、…に設置されている室内ユニット220a、220b、…は内部に冷房コイルおよび暖房コイルを備えており、図示しない切り換え機構によっていずれか一方のコイルを選択することにより冷房ユニットまたは暖房ユニットとして使用できるように構成されている。冷房コイルは冷媒蒸気管240aおよび冷媒液管240bからなる冷房配管系を介して対応する熱交換器210a、210b、…に接続され、暖房コイルは冷媒蒸気管241aおよび冷媒液管241bからなる暖房配管系を介して対応する熱交換器211a、211b、…に接続されている。第1の閉回路、及び第2の閉回路には、それぞれ内部に冷媒が封入されており、冷媒自然循環によって室内の冷房または暖房を行うように構成されている。
【0009】
この構成において、冷房運転を行うには、室内ユニット220a、220b、…を冷房ユニットに切り換え、冷房コイルで冷媒液を蒸発させて室内の熱を奪うことで内部の空気を冷却し冷房を行う。また、暖房運転を行うには,室内ユニット220a、220b、…を暖房ユニットに切り換え、暖房コイルで冷媒蒸気を凝縮させて室内に熱を与えることによって内部の空気を温めて暖房を行うというものであった。
【0010】
また、従来の冷凍サイクル装置として、図14に示すような特開平5−306849号公報に開示されたものもある。
図14では、熱源側冷房サイクル300と、熱源側暖房サイクル301と、冷媒搬送装置302の吐出口と吸入口を連通した連通管の途中に設けられた図示しない冷媒搬送装置バイパス弁と、熱源側ユニット303と、利用側ユニット304a、304b、304cより上部に位置した図示しない冷房補助ユニットと、下部に位置した暖房補助ユニット305と、これらを環状に連接して成る利用側冷媒サイクル306とにより構成されている。熱源側ユニット303と利用側ユニット304a、304b、304cに高低差がある場合、冷媒搬送装置302の負荷を低減する、すなわち冷媒搬送装置バイパス弁や暖房用第1補助熱交換器307を用いて利用側冷媒サイクルの冷房や暖房運転時に冷媒自然循環を利用することで冷媒搬送装置を小型化し、高揚程性能を向上するというものである。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図13に示す従来の冷凍サイクル装置では、冷熱源および温熱源という2つの熱源を有し、それらに蓄熱槽を用いているために、装置が大型化するという問題があった。また、冷熱源および温熱源をそれぞれ冷却および加熱するための冷媒サイクルを必要とするため、冷却および加熱用冷媒サイクルから熱搬送媒体(水)への熱交換ロスが発生し、消費電力が増加するという問題があった。さらに、冷熱および温熱媒体搬送用のポンプが必要になるため消費電力が増加するという問題があった。
【0012】
また、図14に示す従来の熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離した冷凍サイクル装置では、冷媒自然循環を利用するために、熱源側暖房サイクルは最下階に設置された利用側ユニットよりも更に下部に位置した暖房補助ユニットを通過することとなり、前述したように熱源側冷媒サイクルの性能が低下するという問題があった。さらに、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離したので、利用側冷媒サイクルの階方向(垂直方向)と床方向(水平方向)が同一冷媒回路系で構成されてしまい、利用側冷媒サイクルの冷媒封入量が増加することで冷媒漏洩時の影響が系全体へ及ぶとともに,システムの安全性を確保することが困難であるという問題があった。
【0013】
この発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、高低差の大きい高層ビルへ設置される場合にも性能低下が小さく、小型で省エネルギー性に優れた安全性の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明における冷凍サイクル装置は、少なくとも1台の圧縮機、少なくとも1台の室外熱交換器、開度変更可能な第1の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第1の冷媒サイクルと、開度変更可能な第2の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第2の冷媒サイクルとを備え、高圧配管に環状に接続される配管に設けられ、暖房運転時に第1の冷媒サイクルと第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第1の中間熱交換器と、低圧配管に環状に接続される配管に設けられ、冷房運転時に第1の冷媒サイクルと第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第2の中間熱交換器とを有するものとした。
【0015】
さらに、第1の中間熱交換器は室内熱交換器よりも下方に位置し、第2の中間熱交換器は室内熱交換器よりも上方に位置するものとした。
【0016】
さらに、高圧配管に環状に接続される配管で、第1の中間熱交換器の冷媒流入側に第1の気液分離器を設け、低圧配管に環状に接続される配管で、第2の中間熱交換器の冷媒流入側に第2の気液分離器を設けたものとした。
【0017】
また、この発明における冷凍サイクル装置は、圧縮機、少なくとも1台の室外熱交換器、開度変更可能な第1の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第1の冷媒サイクルと、開度変更可能な第2の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、建物の所定の階に設置される第2の冷媒サイクルとを備え、弁の開閉制御により高圧配管、または低圧配管に配管を介して接続され、第1の冷媒サイクルと第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう中間熱交換器と、第2の冷媒サイクルで冷媒を強制的に循環させる冷媒液搬送手段とを設けたものとした。
【0018】
さらに、冷媒液搬送手段はガス配管に設けられているものとした。
【0019】
さらに、冷媒液搬送手段は液配管に設けられているものとした。
【0020】
さらに、第1の絞り装置は、最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されることとした。
【0021】
さらに、圧縮機、及び室外熱交換器は、上層部に配置されることとした。
【0022】
さらに、圧縮機と高圧配管との間に、少なくとも1台の室外熱交換器が配置され、圧縮機と低圧配管との間に少なくとも1台の室外熱交換器が配置されているものとした。
【0023】
さらに、圧縮機の吐出側に設けられた四方弁を有し、室外熱交換器は配管を介して四方弁に接続され、さらに、四方弁と低圧配管とを接続する配管に設けられ、低圧配管から四方弁への方向にのみ冷媒を流す第1の逆止弁と、室外熱交換器と高圧配管とを接続する配管に設けられ、室外熱交換器から高圧配管への方向にのみ冷媒を流す第2の逆止弁と、第1の逆止弁の吸入側と第2の逆止弁の吸入側とを接続する配管に設けられ、第1の逆止弁の吸入側から第2の逆止弁の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第3の逆止弁と、第1の逆止弁の吐出側と第2の逆止弁の吐出側とを接続する配管に設けられ、第1の逆止弁の吐出側から第2の逆止弁の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第4の逆止弁とを有するものとした。
【0024】
さらに、圧縮機は最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置され、第1絞り装置及び室外熱交換器は最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されるものとした。
【0025】
さらに、第1の冷媒サイクルに、廃熱回収用の熱交換器を設けたものとした。
【0026】
さらに、第1の冷媒サイクルと第2の冷媒サイクルには、異なる冷媒が充填されているものとした。
【0027】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置を示す構成図である。
図1中、冷凍サイクル装置は、高低差の大きい高層ビル1の上層部、特に屋上に配置された室外ユニット10と、各階F1、…、Fnに設置される室内ユニット30a、…、30nと、分岐ユニット50a、…、50nおよび最下階に設置される室内ユニット30nよりも下部の地下B1に配置される終端ユニット70により主に構成されている。
【0028】
室外ユニット10は、階方向に設けられた第1配管である高圧配管81および低圧配管82と接続されるとともに、高圧配管81と低圧配管82は終端ユニット70内に設けられた開度変更可能な第1絞り装置71を介して接続され、熱源側冷媒サイクルを形成している。次に、室内ユニット30a、…、30nが接続される利用側冷媒サイクルのうち、最上階F1に設置される室内ユニット30aを例に取り上げ、構成を説明する。室内ユニット30aは、床方向に設置された第2配管であるガス配管83aおよび液配管84aに接続されるとともに、ガス配管83aおよび液配管84aは分岐ユニット50a内に設けられた三方弁51aおよび52aを介して中間熱交換器53aおよび54aと接続され、利用側冷媒サイクルを形成している。ここで、熱源側冷媒サイクル(第1の冷媒サイクル)は圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷媒サイクルを、利用側冷媒サイクル(第2の冷媒サイクル)は圧縮機を用いない自然循環サイクルを利用している。
【0029】
室外ユニット10内には、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機11、室外熱交換器12a、12b、13a、13b、外気を室外熱交換器12a、12bに送風するための送風機(図示せず)、圧縮機11への液戻りを防止するためのアキュムレータ14、及び開閉弁15、16、17、18、19、20およびこれらを接続するための配管が内蔵されている。ここで、圧縮機11としては、例えば周波数が固定の一定速圧縮機が使用される。
【0030】
一方、分岐ユニット50aには、第1配管中に環状に接続される第3配管85aおよび86a中に設けられた中間熱交換器53aおよび54a、第3絞り装置55aおよび56a、室内ユニット30aを中間熱交換器53aまたは54aのいずれか一方に接続するための三方弁51aおよび52aが内蔵されている。ここで、中間熱交換器53aおよび54aの設置位置は、冷房運転時には、室内熱交換器31aを蒸発器とした自然循環運転が、暖房運転時には室内熱交換器31aを凝縮器とした自然循環運転が成立するように設置される。すなわち、中間熱交換器53aは所定の高低差が得られるように室内熱交換器31aよりも上方に設置され、中間熱交換器54aは所定の高低差が得られるように室内熱交換器31aよりも下方に設置される。ここで、中間熱交換器53a、54aとしては,例えば液体同志の熱交換に適したプレート熱交換器が使用される。また、分岐ユニット50aは、ガス配管83aおよび液配管84aを介して室内ユニット30aと接続されている。また、高圧配管81と低圧配管82の終端は、終端ユニット70内に内蔵された第1絞り装置71を介して接続されており、終端ユニット70内には、圧力検出器73、第1温度検出器72が設けられている。
【0031】
また、室内ユニット30a内には、室内熱交換器31a、室内熱交換器31aに流れる冷媒の流量を調節する第2絞り装置32a、室内空気を強制的に室内熱交換器31aの外表面に送風するための送風機(図示せず)、およびそれらを接続するための配管が内蔵されている。さらに、室内熱交換器30aのガス側には第2温度検出器33aが、液側には第3温度検出器34aが設けられている。室内熱交換器31aの一端は、第2絞り装置32aを介して液配管84aに接続され、他端はガス配管83aに接続されている。
なお、図1では、室内ユニット30aを1台としているが、1台の分岐ユニット50aに対して複数台の室内ユニット30aが設置される構成であってもよい。
【0032】
次に、動作について説明する。
なお、図1では圧縮機11の周波数が固定のため、冷房負荷や暖房負荷の変化に応じて室外熱交換器12a、12b、13a、13bの使用個数を変化させ、負荷に対応した冷房能力や暖房能力を発揮するようにしている。
【0033】
まず、冷房負荷が大きく、暖房負荷がない場合の動作について説明する。
室外ユニット10内の開閉弁15、17、19、20は閉止され、開閉弁16、18は開放される。分岐ユニット50a内の第3絞り装置55aは中間熱交換器53a出口の冷媒が過熱ガスとなる適切な開度に設定され、第3絞り装置56aは全閉する。また、分岐ユニット50a内の三方弁51aおよび52aは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器53aを通過するように接続される。なお、終端ユニット70内の第1絞り装置71、室内ユニット30a内の第2絞り装置32aの開度設定については後述する。
【0034】
このとき、圧縮機11から吐出された高温高圧の冷媒蒸気は、開閉弁16を通って室外熱交換器12a、12bで完全に凝縮液化され、高圧配管81に流入する。高圧配管81を垂直方向に流下した液冷媒は、終端ユニット70の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された中間熱交換器53a、…、53nで蒸発気化し、室外ユニット10内の開閉弁18を通り、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。この時、低圧配管82を通過する低圧二相冷媒の一部が第3配管85a、・・・、85nに流入し、第3絞り装置55aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器53aで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第3配管85aを通って再び低圧配管82に戻る。冷房負荷が高い場合、低圧配管82を上昇する低圧二相冷媒は、各階に設置された中間熱交換器53a、…、53nで完全に蒸発気化するため、室外ユニット10内の室外熱交換器13a、13bを通過せずに開閉弁18を通り、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。
【0035】
次に、利用側冷媒サイクルの動作について説明する。
なお、利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器53aが凝縮器、室内熱交換器31aが蒸発器として動作するものとする。中間熱交換器53aで凝縮した冷媒液は、室内熱交換器31aとの高低差によって重力により下降し、三方弁52aを経て液配管84aを通り、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで蒸発気化した冷媒は、ガス配管83aを通り、三方弁51aを経て中間熱交換器53aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒自然循環が成立する。
【0036】
また、冷房負荷が中間状態(例えば50%負荷)にあり、暖房負荷がない場合には、開閉弁15、17、18が閉止、開閉弁16、19、20が開放され、室外ユニット10内での冷媒の流れが上述の冷房負荷が大きい場合とは異なることになる。
すなわち、冷房負荷が中間状態であるため、低圧配管82を上昇して室外ユニット10に流入する冷媒は、未蒸発の液を若干含む乾き度(=ガス冷媒の質量流量/(ガス冷媒の質量流量+液冷媒の質量流量))の高い気液二相状態となり、未蒸発液は室外ユニット10内の開閉弁19を通過し、室外熱交換器13aで蒸発し、開閉弁20、アキュムレータ14を経て圧縮機11へ戻ることになる。なお、開閉弁20が開放されているため、流動抵抗の大きな室外熱交換器13bへ冷媒は流れないが、開閉弁20の流動抵抗が大きく室外熱交換器13bへも冷媒が流れる場合には、室外熱交換器13aと13bとを接続する配管の途中にさらに開閉弁を設けても良い。
【0037】
また、冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合には、開閉弁15、17、18、20を閉止し、開閉弁16、19が開放され、室外ユニット10内での冷媒の流れが上述の冷房負荷が大きい場合、中間の場合とは異なることになる。
すなわち、低圧配管82を上昇し室外ユニット10に流入する冷媒は、未蒸発の液を多量に含む乾き度の低い気液二相状態となり、未蒸発液は室外ユニット10内の開閉弁19を通過後、室外熱交換器13a、13bの両方で蒸発し、アキュムレータ14を経て圧縮機11へ戻ることになる。
【0038】
また、暖房負荷が大きく、冷房負荷がない場合の暖房運転では、室外ユニット10内の開閉弁16、17、18、20は閉止され、開閉弁15、19は開放される。分岐ユニット50a内の第3絞り装置56aは中間熱交換器54a出口の冷媒が過冷却液となる適切な開度に設定され、55aは全閉する。また、分岐ユニット50a内の三方弁51aおよび52aは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器54aを通過するように接続される。
【0039】
このとき、圧縮機11から吐出された高温高圧の冷媒蒸気は、開閉弁15を通過し、高圧配管81に流入する。高圧配管81を垂直方向に流下したガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器54a、…、54nで凝縮液化し、終端ユニット70の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、室外ユニット10内の開閉弁19を通過後、室外熱交換器13a、13bの両方で蒸発気化し、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。この時、高圧配管81を通過する高圧ガス冷媒の一部が第3配管86a、…、86nに流入し、第3絞り装置56aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器54aに流入する。中間熱交換器54aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。
中間熱交換器54aで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒ガスは、第3配管86aを経て再び高圧配管81に戻る。なお、暖房負荷が高い場合、高圧配管81を下降する高圧ガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器54a、…、54nで完全に凝縮液化するため、 終端ユニット70の第1絞り装置71の手前では過冷却液となる。
【0040】
次に、利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器54aが蒸発器、室内熱交換器31aが凝縮器として動作する。中間熱交換器54aで蒸発した冷媒ガスは、三方弁51aを経てガス配管83aを通り、室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで凝縮液化した冷媒液は、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、液配管84aを通り、三方弁52aを経て中間熱交換器54aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒自然循環が成立する。
【0041】
暖房負荷が中間状態(例えば50%負荷)にあり、冷房負荷がない場合、開閉弁15、18、20が閉止、開閉弁16、17、19が開放され、室外ユニット10内での冷媒の流れが上述の暖房負荷が大きい場合とは異なることになる。
すなわち、室外熱交換器12aで冷媒がある程度(例えば,乾き度0.5)凝縮し、高圧配管81を下降する冷媒は未凝縮のガスを多量に含む乾き度の高い気液二相状態となる。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット50a、…、50nのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮するので、終端ユニット70内の第1絞り装置71手前では完全に凝縮した過冷却液となる。そして、第1絞り装置71で減圧されて低圧気液二相冷媒になり、低圧配管82を上昇して室外ユニット10内の開閉弁19を通過後、室外熱交換器13a、13bで蒸発気化し、アキュムレータ14を経て圧縮機11へ戻ることになる。
【0042】
また、暖房負荷が小さく,冷房負荷がない場合、開閉弁15、17、18、20が閉止、開閉弁16、19が開放され、室外ユニット10内での冷媒の流れが上述の暖房負荷が大きい場合、中間状態の場合とは異なることになる。
すなわち、室外熱交換器12a、12bで冷媒はほぼ凝縮液化するので、高圧配管81を下降する冷媒は未凝縮のガスを若干含む乾き度の低い気液二相状態となっている。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット50a、…、50nのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮するので、終端ユニット70内の第1絞り装置71手前では完全凝縮した過冷却液となる。
【0043】
つぎに、冷房および暖房負荷が混在する場合について説明する。
冷房および暖房負荷がともに中間状態である場合、開閉弁15、18が閉止、開閉弁16、17、19、20が開放される。このとき、圧縮機11で吐出された冷媒が室外熱交換器12aである程度(例えば,乾き度0.5)凝縮し、この未凝縮ガスは暖房運転が行われる中間熱交換器54a、…、54nで凝縮するので、終端ユニット70内の第1絞り装置71の手前では冷媒は完全に凝縮した過冷却液となっている。この過冷却液は、第1絞り装置71で低圧気液二相冷媒となり、低圧配管82を上昇する。低圧配管82を上昇した気液二相冷媒は、冷房運転が行われる中間熱交換器53a、…、53nで蒸発する。なお、低圧配管82を流れる未蒸発の液冷媒は、室外ユニット10内の開閉弁19を通り、室外熱交換器13aで蒸発し、開閉弁20を通過後に、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻ることになる。
【0044】
冷房および暖房負荷がともに大きい場合、開閉弁16、17、19、20が閉止、開閉弁15、18が開放される。従って、室外熱交換器12a、12b、13a、13bを利用しない運転がなされることになる。
また、冷房および暖房負荷がともに小さい場合、開閉弁15、17、18、20が閉止、開閉弁16、19が開放される。このとき、前述した冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合および暖房負荷が小さく冷房負荷がない場合と同様に、中間熱交換器53a、…、53nおよび54a、…、54nをほとんど利用しない運転が行われることになる。
【0045】
つぎに、第1絞り装置71の制御方法について説明する。
終端ユニット70内の第1絞り装置71の開度は、圧力検出器72および第1温度検出器73の検出値に基づいて制御される。すなわち、はじめに圧力検出器72で検出された圧力値に基づいて飽和液温度TSL1を換算する。この飽和液温度TSL1と第1温度検出器73で検出された冷媒液温度TL1との差、すなわち過冷却度(TSL1−TL1)が、あらかじめ設定されている目標過冷却度SC1に近づくように第1絞り装置71を制御する。また、目標過冷却度SC1は、各階に設置された室内熱交換器31a、…、31nで十分な暖房能力が得られるように10〜15℃程度に設定されることが望ましい。なお,本実施の形態では、飽和液温度TSL1の検出手段として圧力検出器72を用いる例を示したが、温度検出器を高圧配管81や第3配管86a、…、86nの途中に設置し、飽和液温度を直接検出するようにしても良い。また、圧力検出器72の設置位置は、第1絞り装置71の直前に限るものではなく、圧縮機11から第1絞り装置71に至る高圧配管中のどこに設置しても良い。
【0046】
つぎに,室内ユニット30a内の第2絞り装置32aの制御方法について説明する。
冷房運転時は、室内熱交換器31aのガス側にある第2温度検出器33aの検出値T1と、液側にある第3温度検出器34aの検出値T2との差(T1−T2)とが、あらかじめ設定される目標過熱度SH1に近づくように制御する。目標過熱度SH1は、室内熱交換器31a内での冷媒の圧力損失に伴う温度降下と室内熱交換器31aのガス側出口での目標過熱度によって決められる。例えば、R407C等の非共沸混合冷媒などのように、ある圧力下での気液二相状態において乾き度が大きくなるにつれて飽和ガス温度が上昇し、飽和液と飽和ガスとで温度差が数℃となる冷媒では、この温度上昇分Tgr[deg]を考慮に入れて、目標値を決定すべきである。一例として、室内熱交換器31aの入口から出口までの圧力損失に伴う温度降下が2[deg]、室内熱交換器31aのガス側出口での冷媒の過熱度を5[deg]、飽和液から飽和ガスまでの温度上昇分Tgr=5[deg]とするとSH1=5−2+5=8[deg]が目標値となる。また、目標過熱度SH1は、室内熱交換器31aで十分な熱交換が行われるように5〜10℃程度に設定されることが望ましい。この第2絞り装置31aの開度制御の方法は、他の第2絞り装置31b、…、31nの場合にも同様に適用できる。
【0047】
また、暖房運転時は、利用側冷媒サイクル中に設置された図示しない圧力検出器で検出された圧力値に基づいて飽和液温度TSL2を換算し、この飽和液温度TSL2と第3温度検出器34aで検出された冷媒液温度TL2との差、すなわち過冷却度(TSL2−TL2)が、あらかじめ設定されている目標過冷却度SC2に近づくように第2絞り装置32aを制御する。また、目標過冷却度SC2は,室内熱交換器31aで十分な暖房能力が得られるように10〜15℃程度に設定されることが望ましい。
【0048】
なお、分岐ユニット50a内の第3絞り装置55a、56aの制御方法は、第2絞り装置32aの開度制御方法と同様である。すなわち、第3絞り装置55aは第2絞り装置32aの冷房運転の場合と同様に、第3配管85a中の中間熱交換器53aのガス側に設置した第4温度検出器(図示せず)の検出値T4と、液側に設置した第6温度検出器(図示せず)の検出値T5との差(T4−T5)とが、あらかじめ設定される目標過熱度SH2に近づくように制御する。また、第3絞り装置56aは第2絞り装置32aの暖房運転の場合と同様に、第3配管86a中に設置された圧力検出器(図示せず)で検出された圧力値に基づいて飽和液温度TSL3を換算し、この飽和液温度TSL3と第6温度検出器(図示せず)で検出された冷媒液温度TL3との差、すなわち過冷却度(TSL3−TL3)が、あらかじめ設定されている目標過冷却度SC3に近づくように第3絞り装置56aを制御する。
【0049】
なお、図1では、圧縮機11の周波数が固定であるため、室外熱交換器を冷房あるいは暖房負荷に応じて分割使用する例を示したが、圧縮機11の周波数が変更可能な場合には、負荷に応じて圧縮機11の周波数を変更すればよく、室外熱交換器を分割せずに対応することが可能となる。また、室外送風機の送風量の制御を組合わせれば、さらに制御精度を向上させ、制御時間を短かく、かつ、制御範囲を広くすることもできる。また、図1では、室外熱交換器13a、13bを直列接続する例を示したが、並列接続してもよい。この場合、暖房運転時に室外熱交換器13aが着霜しても室外熱交換器13bに運転を切り替えることで暖房運転の継続が可能となる。なお、この実施の形態では、暖房運転時に室外熱交換器13a、13bが着霜した場合の除霜運転について述べなかったが、熱源側冷媒サイクル中に冷媒流路切換え装置である四方弁を設ければ除霜運転を容易に実現できる。
【0050】
また,図1では、室外ユニット10内の室外熱交換器12a、12bおよび13a、13bは2分割させたが、特にこれに限る必要はなく、3分割以上の複数分割させるように構成しても良い。この場合には、室外熱交換器12a、12bおよび室外熱交換器13a、13bの分割数に対応して開閉弁15〜20の数を増加させる必要がある。
【0051】
このように、冷媒配管を階方向(垂直方向)と床方向(水平方向)に分割し、第1絞り装置を最下階に設置される室内熱交換器よりも下部に配置したため、熱源側冷媒サイクルの冷媒回路を階方向のみで構成することで床方向の圧力損失に伴なう性能低下を防止することができ、高低差の高いビルに設置される場合でも性能低下の小さい冷凍サイクル装置を提供することができる。また、第3配管中に開度変更可能な第3絞り装置を設けたため、室内の冷房あるいは暖房負荷に対応した適切な熱交換量を中間熱交換器で確実に得ることができ,効率の高い運転が可能となる。
【0052】
また、熱源装置が1つであるため、システムが小型化できるとともに、蓄熱槽内の冷水あるいは温水を搬送する従来例に比べて熱交換ロスが中間熱交換器のみとなるので、消費電力を低減することができ、加えて、熱媒体搬送用のポンプが必要なくなるので、その分の消費電力を低減できる。さらに、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離し、室内送風機以外の動力を必要としない冷媒自然循環を利用するために、利用側冷媒サイクルの消費電力を低減できる。加えて、冷媒サイクルを熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離し、利用側冷媒サイクルの階方向と床方向が別サイクルで構成されているので、利用側冷媒サイクルの冷媒封入量を低減することができ、冷媒漏洩時の影響が小さくして、システムの安全性を確保することができる。
【0053】
実施の形態2.
図2は、実施の形態2における室外ユニットの構成図である。なお、図2中、図1と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【0054】
図2中、室外ユニット10は、冷媒ガスを圧縮するための周波数が変更可能な圧縮機11と、冷媒流路切り換え装置である四方弁21と、室外熱交換器12と、外気を室外熱交換器12に送風するための送風機(図示せず)と、圧縮機11への液戻りを防止するためのアキュムレータ14と、室外ユニット10に接続される高圧配管81に高圧ガスあるいは高圧二相冷媒を供給するためのもので、四方弁21と低圧配管82とを接続する配管に設けられ、低圧配管82から四方弁21の方向にのみ冷媒を流す第1の逆止弁22と、室外熱交換器12と高圧配管81とを接続する配管に設けられ、室外熱交換器12から高圧配管81への方向にのみ冷媒を流す第2の逆止弁23と、第1の逆止弁22の吸入側と第2の逆止弁23の吸入側とを接続する配管に設けられ、第1の逆止弁22の吸入側から第2の逆止弁23の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第3の逆止弁24と、第1の逆止弁22の吐出側と第2の逆止弁23の吐出側とを接続する配管に設けられ、第1の逆止弁22の吐出側から第2の逆止弁23の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第4の逆止弁25とを有している。
【0055】
なお、四方弁21の第1口21aは圧縮機11の吐出側と、第2口21bは第1の逆止弁22および第4の逆止弁25が接続される配管と、第3口21cはアキュムレータ14を介して圧縮機11の吸入側と、第4口21dは室外熱交換器12の一端とそれぞれ接続されている。
【0056】
次に,室外ユニット10での動作について説明する。
まず、冷房運転について説明するが、ここでは、冷房負荷の大小に対応して圧縮機11の周波数は変更するものとする。
まず、室外ユニット10内部の四方弁21は第1口21aと第4口21dが連通し、第2口21bと第3口21cが連通するように設定される。このとき、圧縮機11から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、室外熱交換器12で凝縮液化され、第2の逆止弁23を通って高圧配管81に流入する。高圧配管81を垂直方向に流下した液冷媒は、図1に示す下端の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された室内ユニット30a、…、30nで完全に蒸発気化し、室外ユニット10内に流入した後、第1の逆止弁22を通り、四方弁21の第2口21bから第3口21cを経てアキュムレータ14に入り、圧縮機11に戻る。
この時、下端の第1絞り装置71で減圧され、低圧配管82を上昇する低圧二相冷媒の一部は第3絞り装置55aを介して中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aで、利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第3配管85aを通じて再び低圧配管82に合流する。
【0057】
つぎに,暖房運転について説明するが,ここでも、暖房負荷の大小に対応して圧縮機11の周波数は変更するものとする。
まず、室外ユニット10内部の四方弁21は第1口21aと第2口21bが連通し、第3口21cと第4口21dが連通するように設定される。このとき、圧縮機11で圧縮され高温高圧となった冷媒は、四方弁21の第1口21aから第2口21bを経て第4の逆止弁25を通り、高圧配管81に流入する。高圧配管81を垂直方向に流下した冷媒ガスは、各階に設置された室内ユニット30a、…、30nで凝縮液化し、図1に示す下端の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、室外ユニット10内の第3の逆止弁24を通って室外熱交換器12で蒸発気化し、四方弁21の第4口21dから第3口21cを経てアキュムレータ14に入り、圧縮機11に戻る。この時、高圧配管81を通過する冷媒の一部が第3絞り装置56aを介して中間熱交換器54aに流入する。中間熱交換器54aにて利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒ガスは、第3配管86aを通じて再び高圧配管81に合流する。
【0058】
また,冷房負荷と暖房負荷が混在する場合は,室外熱交換器12の熱交換量を変化させて対応する。すなわち、冷房負荷が暖房負荷より大きい場合は,室外熱交換器12で圧縮機11から吐出される冷媒ガスを完全に凝縮液化させずに、未凝縮ガスを残した状態で高圧配管81に流入させる。これにより、暖房負荷が発生する室内ユニットに冷媒ガスを供給することができ、冷房運転と暖房運転を同時に行うことができる。また、暖房負荷が冷房負荷より大きい場合は、冷媒が下端の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入するが、低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、冷房負荷が発生する室内ユニットで若干蒸発気化するため、乾き度の高い状態で室外ユニット10に流入する。従って、室外熱交換器12では、未蒸発ガスを完全に蒸発気化させれば良く、冷房負荷が発生しない場合に比べて熱交換量を低下させる。なお、室外熱交換器12の熱交換量の制御方法としては、例えば室外熱交換器12用の送風機(図示せず)の風量を変化させる、あるいは、室外熱交換器12を複数個に分割し、必要な熱交換量に応じて分割された室外熱交換器の使用個数を変化させるなどの手段が考えられる。
【0059】
このようにすることで、四方弁21や第1の逆止弁22、第2の逆止弁23、第3の逆止弁24、第4の逆止弁25を有する既存の冷暖房同時運転機種などでも、大幅に変更することなく,高層ビルに適用することができる。
【0060】
実施の形態3.
図3は、実施の形態3における室外ユニットの構成図である。なお、図3中、図2と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図3中、室外ユニット10は、室外熱交換器12の他に、並べて配置される室外熱交換器26を有し、この室外熱交換器26の一端は、第1の逆止弁22、第4の逆止弁25と配管で接続され、他端は四方弁21の第2口21bに接続されている。
【0061】
このような構成においては、室外熱交換器26で冷房運転時では未蒸発液が蒸発し、暖房運転時では未凝縮ガスが凝縮するので、圧縮機11の周波数変更で対応できない負荷に対しても対応可能となる。また、室外熱交換器12、26に共通な室外送風機27を設けているため、室外熱交換器12、26それぞれに対応した室外送風機を設ける場合と比較して、室外ユニット10を小型にすることができる。
【0062】
実施の形態4.
図4は、実施の形態4における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図4中、図1と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図4中、気液分離器57が第3配管85aに設置され、気液分離器58が第3の配管86aに設置されている。さらに、気液分離器57の下部は第3絞り装置55aと、気液分離器58の上部は第3絞り装置56aと、それぞれ配管を介して接続されている。
【0063】
つぎに,動作について説明する。
冷房運転では、室外ユニット10で完全凝縮した冷媒液が高圧配管81に流入し、高圧配管81を垂直方向に流下した液冷媒は,終端ユニット70の第1絞り装置71で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された中間熱交換器53a、…、53nで蒸発気化し、室外ユニット10に流入する。この時、低圧配管82を通過する低圧二相冷媒の一部が気液分離器57aに流入し、気液分離された冷媒液が第3絞り装置55aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器53aで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第3配管85aを介して再び低圧配管82に戻る。なお、気液分離器57aで分離されたガス冷媒は、中間熱交換器53aをバイパスして第3配管85aに合流する。
【0064】
暖房運転時は、室外ユニット10で冷媒がある程度凝縮液化し、高圧配管81を下降する冷媒は、未凝縮のガスを含む乾き度の高い気液二相状態となる。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット50a、…、50nのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮し、終端ユニット70内の第1絞り装置71手前で完全凝縮した液となる。第1絞り装置71で減圧された低圧気液二相冷媒は、低圧配管82を上昇して室外ユニット10へ流入する。この時、高圧配管81を通過する高圧二相冷媒の一部が気液分離器58aに流入し、気液分離された冷媒ガスが第3絞り装置56aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器54aに流入する。中間熱交換器54aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。中間熱交換器54aで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、第3配管86aを介して再び高圧配管81に戻る。なお、気液分離器58aで分離された液冷媒は、中間熱交換器54aをバイパスして第3配管86aに合流する。
【0065】
このように、第3配管85aおよび86a中に気液分離器57aおよび58aを設けたため、中間熱交換器53aおよび54aにそれぞれ確実に液およびガスを供給することができ、気液二相流が絞り装置を通過する際に冷媒音が発生することを防止し、耳障りな音を低減できる。
【0066】
実施の形態5.
図5は、実施の形態5における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図5中、図1と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図5中、分岐ユニット50aでは、開閉弁59が低圧配管82中に環状に接続される第3配管85aに設けられ、開閉弁60が高圧配管81に環状に接続される第3配管86aに設けられている。また、冷媒液ポンプ61と四方弁62で主に構成される冷媒液搬送手段が、液配管84aに接続されている。なお、中間熱交換器と室内熱交換器の間での高低差や中間熱交換器の設置位置に関しては特に制約はない。
【0067】
つぎに,動作について説明する。
冷房運転時、開閉弁60、第3絞り装置56aは閉止し、開閉弁59は開放、第3絞り装置55aは適切な開度に設定される。このとき、低圧配管82を通過する低圧二相冷媒の一部が第3配管85aに流入し、第3絞り装置55aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器53aで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、開閉弁59を通過後、第3配管85aを介して再び低圧配管82に戻る。
【0068】
次に,利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器53aが凝縮器、室内熱交換器31aが蒸発器として動作する。中間熱交換器53aで凝縮した冷媒液は、四方弁62を経て冷媒液ポンプ61に流入する。冷媒液ポンプ61から吐出された冷媒は、四方弁62を通過し、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで蒸発気化した冷媒は、ガス配管83aを通り、中間熱交換器53aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒液ポンプによる強制循環サイクルが成立する。
【0069】
この冷房運転の冷媒流れを圧力―エンタルピー線図上に示したものが、図6である。
図6において、アは熱源側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作、イは利用側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作である。利用側冷媒サイクルの蒸発圧力Aは、熱源側冷媒サイクルの蒸発圧力Bに比べて上昇するが、その圧力差は熱源側サイクルのみで運転した場合の高低差に伴う性能低下に比べて小さく、結果として性能が向上する。また、暖房運転の冷媒流れも冷房運転と同様の圧力―エンタルピー線図上に示され、利用側冷媒サイクルの凝縮圧力は、熱源側冷媒サイクルの凝縮圧力に比べて低下するが、その圧力差は熱源側サイクルのみで運転した場合の高低差に伴う性能低下に比べて小さく、結果として性能が向上することになる。
【0070】
つぎに,暖房運転について説明する。
暖房運転時には、開閉弁59、第3絞り装置55aは閉止、開閉弁60は開放、第3絞り装置56aは適切な開度に設定される。このとき、高圧配管81を通過する高圧二相冷媒の一部が第3配管86aに流入し、第3絞り装置56aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。また、中間熱交換器53aで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、開閉弁60を通過後に、第3配管86aを介して再び高圧配管81に戻る。
【0071】
次に、利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器53aが蒸発器、室内熱交換器31aが凝縮器として動作する。中間熱交換器53aで蒸発した冷媒ガスは、ガス配管83aを通り、室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで凝縮液化した冷媒液は、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、液配管84aを通り、四方弁62を通過後、冷媒液ポンプ61に流入する。冷媒液ポンプ61から吐出された冷媒液は、四方弁62を経て中間熱交換器53aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒液ポンプ61を用いた強制循環サイクルが成立する。
【0072】
このように、利用側冷媒サイクル中に冷媒液搬送手段を設けたことで、中間熱交換器が1台ですみ、さらに、中間熱交換器の設置上での制約を受けなくてすむので、分岐ユニットを簡素化できるとともに、設置自由度の高いシステムを構築することができる。
【0073】
実施の形態6.
図7は、実施の形態6における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図7中、図1と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図7中、分岐ユニット50aでは、開閉弁59が低圧配管82中に環状に接続される第3配管85aに設けられ、開閉弁60が高圧配管81中に環状に接続される第3配管86aに設けられている。また、冷媒ガスポンプ61と四方弁62で主に構成される冷媒ガス搬送手段が、ガス配管83aに接続されている。
【0074】
次に、動作について説明する。
なお、冷房運転の分岐ユニット50a内の動作については,実施の形態5に示したものと同様であるため、利用側冷媒サイクルでの動作についてのみ説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器53aが凝縮器、室内熱交換器31aが蒸発器として動作する。中間熱交換器53aで凝縮した冷媒液は、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで蒸発気化した冷媒は、ガス配管83aを通り、四方弁62を通過後、冷媒ガスポンプ61に流入する。冷媒ガスポンプ61から吐出された冷媒ガスは、四方弁62を通過後、ガス配管83aを経て中間熱交換器53aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒ガスポンプによる強制循環サイクルが成立する。
【0075】
次に、暖房運転での動作についてであるが、分岐ユニット50a内の動作については,実施の形態5と同様であるため、利用側冷媒サイクルについてのみ説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器53aが蒸発器、室内熱交換器31aが凝縮器として動作する。中間熱交換器53aで蒸発した冷媒ガスは、ガス配管83aを通り、四方弁62を通過後、冷媒ガスポンプ61に流入する。冷媒ガスポンプ61から吐出された冷媒ガスは、四方弁62を経て室内熱交換器31aに流入する。室内熱交換器31aで凝縮液化した冷媒液は、第2絞り装置32aで冷媒流量を調節された後、液配管84aを通り、中間熱交換器53aに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒ガスポンプ61を用いた強制循環サイクルが成立する。
【0076】
この暖房運転の冷媒流れを圧力―エンタルピー線図上に示したものが、図8である。図8において、アは熱源側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作、イは利用側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作である。冷媒ガスポンプを用いる場合、利用側冷媒サイクルの凝縮圧力Aは、熱源側冷媒サイクルの凝縮圧力Bに比べて上昇するため、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて高温吹出しが可能となる。また、室内熱交換31aを水やブラインとの熱交換器とすることで給湯などの高温水供給が可能となる。さらに、冷房運転の冷媒流れも暖房運転と同様の圧力―エンタルピー線図上に示され、利用側冷媒サイクルの蒸発圧力は、熱源側冷媒サイクルの蒸発圧力に比べて低下するため、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて低温吹出しが可能となる。さらにまた、室内熱交換31aを水やブラインとの熱交換器とすることで冷凍などの低温水供給が可能となる。
【0077】
このように、利用側冷媒サイクル中に冷媒ガス搬送手段を設けたため、中間熱交換器が1台ですみ、さらに、中間熱交換器の設置上での制約を受けなくてすむので、分岐ユニットを簡素化できるとともに、設置自由度の高いシステムを構築することができる。また、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて高温吹出しや給湯などの高温水供給,低温吹出しや冷凍などの低温水供給が可能となる。
【0078】
実施の形態7.
図9は、実施の形態7における冷凍サイクル装置を示す構成図であり、図1において、室外ユニット10を地下B1に設置し、終端ユニット70をビルの屋上部に設置したものである。
【0079】
このようにしても、図1と同様の動作を行なうことができる。また、設置場所をとり、さらに重量のある室外ユニット10を地下B1に設置しているので、屋上床面の耐荷重が小さい高層ビルや屋上部に空間が無く地下に十分な空間を有する高層ビルなどでも冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。
【0080】
実施の形態8.
図10は、実施の形態8における冷凍サイクル装置の構成を示す構成図であり、図1の冷凍サイクル装置において、室外ユニット10が地下B1に設置されるとともに,終端ユニット70がビルの屋上部に設置され、室外ユニット10は圧縮機11とアキュムレータ14のみで主に構成し、室外熱交換器12a、12b、13a、13bを終端ユニット70内の第1絞り装置71を中心に、室外熱交換器12a、12bと室外熱交換器13a、13bを設置させるようにしたものである。なお、図10中、図1に示すものと同一の構成、及び同様の構成については符号を同一にし、説明を省略する。
【0081】
次に、動作について説明する。
まず、冷房負荷が大きく、暖房負荷がない場合の冷房運転では、終端ユニット70内の開閉弁15、17、19、20は閉止され、開閉弁16、18は開放される。分岐ユニット50a内の第3絞り装置55aは適切な開度に設定され、第3の絞り装置56aは全閉する。また、分岐ユニット50a内の三方弁51aおよび52aは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器53aを通過するように接続される。なお、終端ユニット70内の第1絞り装置71の開度設定については実施の形態1と同様であるため詳細な説明を省略する。
【0082】
圧縮機11から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、高圧配管81を上昇し、終端ユニット70内に流入する。終端ユニット70内の室外熱交換器12b、12aで完全凝縮して液化し、第1絞り装置71で減圧され低圧二相冷媒となって開閉弁18を通過し、低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に流下した液冷媒は、各階に設置された中間熱交換器53a,…、53nで蒸発気化し、室外ユニット10内に流入、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。この時、低圧配管52を通過する低圧二相冷媒の一部が第3配管85a、…、85nに流入し、第3絞り装置55aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器53aに流入する。中間熱交換器53aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器53aで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、再び低圧配管82に戻る。冷房負荷が高い場合、低圧配管82を下降する低圧二相冷媒は、各階に設置された中間熱交換器53a、…、53nで完全に蒸発気化し、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。利用側冷媒サイクルの動作や冷房負荷が中間状態で暖房負荷がない場合や冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合については実施の形態1と同様であるため詳細な説明を省略する。
【0083】
つぎに,暖房負荷が大きく,冷房負荷がない場合の暖房運転について説明する。
この場合,終端ユニット70内の開閉弁16、17、18、20は閉止し、開閉弁15、19を開放する。また、分岐ユニット50a内の第3絞り装置56aは適切な開度に設定され、第3の絞り装置55aは全閉にする。さらに、分岐ユニット50a内の三方弁51aおよび52aは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器54aを通過するように接続される。なお,終端ユニット70内の第1絞り装置71の開度設定については実施の形態1と同様であるため詳細な説明を省略する。
【0084】
このとき、圧縮機11から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、高圧配管81を上昇する。暖房負荷が高い場合、高圧配管81を上昇する高圧ガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器54a、…、54nで凝縮液化しながら高圧配管81を上昇し、終端ユニット70内に流入する。この時、高圧配管81を通過する高圧ガス冷媒の一部が第3配管86a、…、86nに流入し、第3絞り装置56aで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器54aに流入する。中間熱交換器54aでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。中間熱交換器54aで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、再び高圧配管81に戻る。終端ユニット70内に流入した液冷媒は、開閉弁15を通過後、第1絞り装置71で減圧され低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、室外熱交換器13b、13aで蒸発気化し、開閉弁19を経て低圧配管82に流入する。低圧配管82を垂直方向に流下したガス冷媒は、室外ユニット10内に流入し、アキュムレータ14を経て圧縮機11に戻る。なお、利用側冷媒サイクルの動作や暖房負荷が中間状態で冷房負荷がない場合、暖房負荷が小さく冷房負荷がない場合については実施の形態1と同様であるため詳細な説明を省略する。また、冷房負荷と暖房負荷がともに大きい場合、中間状態の場合、小さい場合の動作についても実施の形態1とほぼ同様であるため説明を省略する。
【0085】
このように、重量物である圧縮機11やアキュムレータ14を収納する室外ユニット10を地下B1に設置しているため、屋上床面の耐荷重が小さい高層ビルなどに好適な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【0086】
実施の形態9.
図11は、実施の形態9における室外ユニットの構成図であり、マイクロガスタービンや燃料電池などの分散電源から排熱回収した温水90を利用する排熱回収用熱交換器28、冷媒流路を室外熱交換器12と排熱回収用熱交換器28とにそれぞれ切り替える三方弁29a、29bを設置し、さらに3台の圧縮機11a、11b、11cを設けるようにしたものである。なお、圧縮機11a、11b、11cは周波数が変更可能なインバーター圧縮機が用いられる。また、図11中、図1と同一の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【0087】
この構成では、圧縮機を複数台設けているため圧縮機の周波数制御に加え、台数制御を行うことができ、小さな負荷に対しても高効率な運転を実現し,省エネルギー化を図ることができる。また、1台の圧縮機が故障した場合にも、残りの圧縮機で運転を継続することができるとともに、システム全体を停止することなく故障した圧縮機の交換が可能となり、信頼性の高いシステムを構築することができる。さらに、分散電源の排熱を回収するように構成しているため、ビル全体の熱エネルギー効率の高いシステムを構成することができる。
【0088】
なお、図11では、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの制御を独立して行う方法を示したが、室内ユニットの配管温度や冷媒圧力の情報を得て、第1絞り装置71の開度を制御するなど、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの制御を協調させるようにしても良い。また、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの冷媒は、例えば熱源側冷媒サイクルにR407C、利用側冷媒サイクルにR410Aというように、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルにそれぞれ適した冷媒を充填するようにすれば効率の高い運転を行うことができる。
【0089】
【発明の効果】
このように、この発明では、高低差の高いビルに設置される場合でも性能低下の小さい冷凍サイクル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図2】 本発明の実施の形態2に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図3】 本発明の実施の形態3に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態4に係わる冷凍サイクル装置の分岐ユニット構成を示す図である。
【図5】 本発明の実施の形態5に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態5に係わる熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルとの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。
【図7】 本発明の実施の形態6に係わる冷凍サイクル装置の分岐ユニット構成を示す図である。
【図8】 本発明の実施の形態6に係わる熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルとの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。
【図9】 本発明の実施の形態7に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態8に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態9に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図12】従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図13】冷媒自然循環を用いる従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図14】冷媒液ポンプを用いる従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【符号の説明】
1 高層ビル、 10 室外ユニット、 11 圧縮機、
12 室外熱交換器、 13 室外熱交換器、 14 アキュムレータ、
15 開閉弁、 16 開閉弁、 17 開閉弁、 18 開閉弁、
19 開閉弁、 20 開閉弁、 21 四方弁、 22 第1の逆止弁、
23 第2の逆止弁、 24 第3の逆止弁、 25 第4の逆止弁、
26 室外熱交換器、 27 送風機、 28 排熱回収用熱交換器、
29 三方弁、 30 室内ユニット、 31 室内熱交換器、
32 第2絞り装置、 33 第2温度検出器、 34 第3温度検出器、
50 分岐ユニット、 51 三方弁、 52 三方弁、
53 中間熱交換器、 54 中間熱交換器、 55 第3絞り装置、
56 第3絞り装置、 57 気液分離器、 58 気液分離器、
59 開閉弁、 60 開閉弁、 61 冷媒液ポンプ、
62 四方弁、 70 終端ユニット、 71 第1絞り装置、
72 圧力検出器、 73 第1温度検出器、 81 高圧配管、
82 低圧配管、 83 第2配管、 84 第2配管、 85 第3配管、
86 第3配管、 90 温水。

Claims (12)

  1. 少なくとも1台の圧縮機、少なくとも1台の室外熱交換器、開度変更可能な第1の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第1の冷媒サイクルと、開度変更可能な第2の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第2の冷媒サイクルとを備えた冷凍サイクル装置であって、
    前記高圧配管に環状に接続される配管に設けられ、暖房運転時に前記第1の冷媒サイクルと前記第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第1の中間熱交換器と、前記低圧配管に環状に接続される配管に設けられ、冷房運転時に前記第1の冷媒サイクルと前記第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第2の中間熱交換器とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 第1の中間熱交換器は室内熱交換器よりも下方に位置し、第2の中間熱交換器は室内熱交換器よりも上方に位置することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 高圧配管に環状に接続される配管で、第1の中間熱交換器の冷媒流入側に第1の気液分離器を設け、低圧配管に環状に接続される配管で、第2の中間熱交換器の冷媒流入側に第2の気液分離器を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 圧縮機、少なくとも1台の室外熱交換器、開度変更可能な第1の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第1の冷媒サイクルと、開度変更可能な第2の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第2の冷媒サイクルとを備えた冷凍サイクル装置であって、
    弁の開閉制御により前記高圧配管、または前記低圧配管に配管を介して接続され、前記第1の冷媒サイクルと前記第2の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう中間熱交換器と、前記第2の冷媒サイクルで冷媒を強制的に循環させる冷媒液搬送手段とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
  5. 冷媒液搬送手段はガス配管に設けられていることを特徴とする請求項4に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 冷媒液搬送手段は液配管に設けられていることを特徴とする請求項4に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 第1の絞り装置は、最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
  8. 圧縮機、及び室外熱交換器は、上層部に配置されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
  9. 圧縮機と高圧配管との間に、少なくとも1台の室外熱交換器が配置され、圧縮機と低圧配管との間に少なくとも1台の室外熱交換器が配置されていることを特徴とする請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
  10. 圧縮機の吐出側に設けられた四方弁を有し、室外熱交換器は配管を介して前記四方弁に接続され、さらに、前記四方弁と低圧配管とを接続する配管に設けられ、前記低圧配管から前記四方弁の方向にのみ冷媒を流す第1の逆止弁と、前記室外熱交換器と高圧配管とを接続する配管に設けられ、前記室外熱交換器から前記高圧配管の方向にのみ冷媒を流す第2の逆止弁と、前記第1の逆止弁の吸入側と前記第2の逆止弁の吸入側とを接続する配管に設けられ、前記第1の逆止弁の吸入側から前記第2の逆止弁の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第3の逆止弁と、前記第1の逆止弁の吐出側と前記第2の逆止弁の吐出側とを接続する配管に設けられ、前記第1の逆止弁の吐出側から前記第2の逆止弁の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第4の逆止弁とを有することを特徴とする請求項8に記載の冷凍サイクル装置。
  11. 第1の冷媒サイクルに、廃熱回収用の熱交換器を設けたことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
  12. 第1の冷媒サイクルと第2の冷媒サイクルには、異なる冷媒が充填されていることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
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