以下、図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図1は、本実施形態にかかる空調冷凍装置1のシステム構成を示す図である。この空調冷凍装置1は、例えばコンビニエンスストアの店舗内2(室内)の室内空調と、そこに設置されている冷却貯蔵設備としての冷蔵ケース3や冷凍ケース4の庫内冷却とを実現するものである。なお、冷蔵ケース3は、前面や上面が開口しているオープンショーケースと、透明ガラス扉にて開口が開閉自在に閉塞されたウォークインショーケースとがあり、その庫内が冷蔵温度(+3℃〜+10℃)に冷却され、飲料や冷蔵食品が陳列されるものである。冷凍ケース4は、庫内が冷凍温度(−10℃〜−20℃)に冷却され、冷凍食品や冷菓などが陳列されるものである。
空調冷凍装置1は、店舗内2の空調を行う空調系統部6と、冷蔵ケース3や冷凍ケース4の庫内冷却を行う冷却系統部8とを備えている。この空調系統部6は、店舗内2の天井などに設置された室内ユニット11と、店舗外に設置された室外ユニット12とを備えている。この室内ユニット11と室外ユニット12との間には空調用冷媒回路7が配管構成されている。この空調用冷媒回路7は、室内ユニット11内に設置された利用側熱交換器27と、室外ユニット12内に設置された熱源側熱交換器16と、空調用圧縮機13A、13Bとにより冷暖房サイクルを行うものである。
空調用圧縮機13Aはインバータ制御用の圧縮機であり、空調用圧縮機13Bは定速運転用の圧縮機である。これら空調用圧縮機13A、13Bは、並列接続されて各空調用圧縮機13A及び13Bの吐出側が逆止弁5A、5Bを介して合流され、オイルセパレータ10を介して四方弁14の一方の入口に接続される。また、四方弁14の一方の出口は熱源側熱交換器16の入口に接続されている。この熱源側熱交換器16は、多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側16Aとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側16Bとで構成されている。そして、この熱源側熱交換器16の出口側16Bの出口は、並列接続された逆止弁5Cと膨張弁17とを介して膨張弁18の入口に接続され、膨張弁18の出口は室内ユニット11に渡り、利用側熱交換器27の入口に接続されている。
利用側熱交換器27の出口は、室外ユニット12に渡り、四方弁14の他方の入口に接続され、四方弁14の他方の出口は逆止弁5Dを介してアキュムレータ23に接続されている。そして、このアキュムレータ23の出口が空調用圧縮機13A、13Bの吸込側に接続されている。なお、逆止弁5Dはアキュムレータ23側が順方向とされている。
また、この空調用冷媒回路7においては、膨張弁17と膨張弁18との間の冷媒管が分岐され、この分岐管が膨張弁19を介してカスケード熱交換器21に接続される。このカスケード熱交換器21は、複数の伝熱プレートを積層して、各伝熱プレート管に2種類の冷媒が流通する空調側通路21Aとケース側通路21Bとを交互に形成し、隣接する空調側通路21A及びケース側通路21Bを2種類の冷媒が流通する間に伝熱プレートを介して熱交換が行われるプレート式熱交換器が適用される。このカスケード熱交換器21によって空調用冷媒回路7の低圧側と冷却用冷媒回路9の高圧側とは熱的に連結されている。
このカスケード熱交換器21は、空調側通路21Aの入口が膨張弁19に接続され、その出口がアキュムレータ23を介して空調用圧縮機13A,13Bの吸込側に接続されている。これにより、膨張弁19により低圧とされた冷媒は、カスケード熱交換器21に供給された後、空調用圧縮機13A,13Bに戻される。すなわち、この空調冷凍装置1においては、冷媒循環経路として、各利用側熱交換器27A,27Bを経由する経路αと、カスケード熱交換器21を経由する経路βとが形成される。
室外側空調コントローラ26は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷媒温度及び外気温度等の温度情報や冷媒圧力等の圧力情報に基づいて室外ユニット12側の空調系統部6の機器を制御するものである。また、送風機24は、熱源側熱交換器16に外気を送風する送風機であり、室外ユニット12内の熱源側熱交換器16に対応する位置に設けられている。
また、室内側空調コントローラ28は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、ユーザ指示に基づいて室内ユニット11側の機器を制御したり、室外側空調コントローラ26にユーザ指示に応じた情報などをデータ通信したりするものである。また、送風機15は、利用側熱交換器27に室内空気を送る送風機であり、室内ユニット11内の利用側熱交換器27に対応する位置に設けられている。
一方、冷却系統部8は、冷却貯蔵設備としての冷蔵ケース3や冷凍ケース4と、室外ユニット12との間に渡って設けられた冷却用冷媒回路9とを備えている。この冷却用冷媒回路9は、冷蔵ケース3に設けられた冷蔵用蒸発器43、冷凍ケース4に設けられた冷凍用蒸発器49、室外ユニット12内に設置された凝縮器(熱交換器)38及び冷却用圧縮機37及び昇圧用圧縮機54により冷凍サイクルを行うものである。
冷却用圧縮機37は、冷媒循環を主たる役割とするものであり、この冷却用圧縮機37の吐出側は、オイルセパレータ31を介して四方弁39の一方の入口に接続され、この四方弁39の一方の出口が凝縮器38の入口に接続されている。この凝縮器38は多数の並列配管から成る流路抵抗の比較的小さい入口側38Aとこれらが少数の並列配管若しくは単数の配管に集約される出口側38Bとで構成されている。そして、この凝縮器38の出口側38Bの出口はレシーバータンク36の入口に接続され、このレシーバータンク36の出口が四方弁41の一方の入口に接続されている。すなわち、レシーバータンク36は凝縮器38の冷媒下流側に接続されている。
また、四方弁41の一方の出口はカスケード熱交換器21のケース側通路21Bの入口に接続されている。また、カスケード熱交換器21のケース側通路21Bの出口は、四方弁39の他方の入口に接続されており、この四方弁39の他方の出口は四方弁41の他方の入口に接続されている。そして、この四方弁41の他方の出口は室外ユニット12から出て室内2(店内)に入り分岐する。分岐した一方の配管は電磁弁46及び膨張弁44を介して冷蔵ケース3の冷蔵用蒸発器43の入口に接続されている。他方は電磁弁52及び膨張弁51を介して冷凍ケース4の冷凍用蒸発器49の入口に接続されている。
冷凍用蒸発器49の出口は、逆止弁30を介して昇圧用圧縮機54の吸込側に接続されている。この昇圧用圧縮機54は、冷凍ケース4を経た冷媒の圧力を、冷蔵ケース3を経た冷媒圧力まで昇圧させるためのものであり、冷却用圧縮機37よりも出力の小さい圧縮機である。この昇圧用圧縮機54の吐出側は、オイルセパレータ45を介して四方弁42の一方の入口に接続され、四方弁42の一方の出口は冷蔵用蒸発器43の出口側に接続された後、冷却用圧縮機37の吸込側に接続されている。すなわち、昇圧用圧縮機54と冷却用圧縮機37とは、冷媒回路上、直列に接続される。なお、冷却用圧縮機37はインバータ制御用の圧縮機であり、昇圧用圧縮機54は定速運転用の圧縮機である。
また、四方弁42の他方の入口は、昇圧用圧縮機54の入口側の管路に接続され、四方弁42の他方の出口は、逆止弁61を介してカスケード熱交換器21のケース側通路21Bの入口側の管路に合流されている。なお、逆止弁61はカスケード熱交換器21側が順方向とされている。
上記構成では、冷却系統部8の各構成部品のうち、昇圧用圧縮機54、逆止弁30、オイルセパレータ45及び四方弁42が、冷却用圧縮機37を収納する室外ユニット12とは別ユニットのブースタユニット22に収納されている。このブースタユニット22に収納された四方弁42は、それを切り換えることにより、冷蔵用蒸発器43及び冷凍用蒸発器49から出た冷媒(冷却用冷媒)を、冷却系統部8の各圧縮機(冷却用圧縮機37或いは昇圧用圧縮機54)を経由せずに、カスケード熱交換器21の入口に導くバイパス経路を形成可能に構成されている。これによれば、冷却用圧縮機37及び昇圧用圧縮機54の一方が故障した場合、四方弁42を切り換えることにより、冷蔵用蒸発器43及び冷凍用蒸発器49から流出した冷媒は、故障していない圧縮機を経由してカスケード熱交換器21の入口に導くことができる。
室外側冷却コントローラ32は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷媒温度及び外気温度等の温度情報や冷媒圧力等の圧力情報に基づいて室外ユニット12側の冷却系統部8の機器を制御するものである。また、冷蔵ケースコントローラ50は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷蔵ケース3の庫内温度に基づいて冷却系統部8の機器を制御するものである。また、冷凍ケースコントローラ55は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、冷凍ケース4の庫内温度に基づいて冷却系統部8の機器を制御するものである。また、送風機35は、凝縮器38に外気を送風する送風機であり、送風機20は、凝縮器38に冷蔵ケース3の庫内空気を送る送風機であり、送風機25は、冷凍用蒸発器49に冷凍ケース4の庫内空気を送る送風機である。
また、空調冷凍装置1は、主コントローラ56を有している。この主コントローラ56は、汎用のマイクロコンピュータで構成され、室外側空調コントローラ26、室内側空調コントローラ28、室外側冷却コントローラ32、冷蔵ケースコントローラ50及び冷凍ケースコントローラ55とデータ通信を行うものである。
ところで、室外側冷却コントローラ32と室外側空調コントローラ26とは、データ通信可能に接続されており、この室外側空調コントローラ26は、主コントローラ56を介して室内側空調コントローラ28に接続されている。この室内側空調コントローラ28には、空調系統部6に運転/停止を含む各種指示を与えるリモートコントローラ(通称リモコン:遠隔操作手段)29が当該室内側空調コントローラ28と通信可能に接続されている。このリモコン29は、室内2に配置されるものであり、各種情報を表示する液晶パネルからなる表示部や、各種操作子(例えば、運転切替ボタン,風量切替ボタン,温度設定ボタン,運転/停止ボタンなど。いずれも不図示)を備える。
ここで、運転切替ボタンは、運転モード(例えば、冷房運転、暖房運転など)を選択するためのものであり、風量切替ボタンは、室内ユニット11から排出される風量(例えば、強,中,弱など)を選択するためのものである。また、温度設定ボタンは、例えば、冷房時には18〜30℃、暖房時には16から26℃等の範囲で室内温度を設定するためのものである。また、運転/停止ボタンは、空調系統部6を運転もしくは停止させるためのものである。
リモコン29の各種操作子を介して、ユーザから入力された指示は(設定温度など)、室内側空調コントローラ28との間の通信により、室内側空調コントローラ28に通知され、空調系統部6の動作情報(運転状態(冷房運転か暖房運転か等))等は、表示部に表示される。
なお、この空調冷凍装置1においては、空調用冷媒回路7と冷却用冷媒回路9とでは異なる冷媒が用いられ、例えば、空調用冷媒回路7にはR410Aが用いられ、冷却用冷媒回路9にはR410Aより沸点が高いR404Aが用いられる。このように、この空調冷凍装置1は、各冷媒回路に最適な冷媒をそれぞれ用いることができるので、回路設計の自由度を高くすることができる。
次に、空調冷凍装置1の動作を説明する。
この空調冷凍装置1において、空調系統部6は、室外側空調コントローラ26及び室内側空調コントローラ28により、リモコン29を介して指示された運転モード、設定温度等に応じて、冷房運転又は暖房運転を行い、室内温度を設定温度に空調する。また、冷却系統部8は、室外側冷却コントローラ32、室内側冷蔵コントローラ50及び室内側冷凍コントローラ55の制御の下、冷蔵ケース3の庫内温度を予め設定された冷蔵温度にすると共に、冷凍ケース4の庫内温度を予め設定された冷凍温度にする。
詳述すると、この空調冷凍装置1において、主コントローラ56は、各コントローラ26、28、32、50、55とデータ通信することで、空調系統部6と冷却系統部8の現在の運転状態に関するデータを受信し、受信したデータに基づき、後述するその時点で最適な運転パターンを決定し、この最適運転パターンに関するデータ及び各機器の運転データを各コントローラ26、28,32、50、55に送信する。そして、各コントローラ26、28、32、50、55が、主コントローラ56から受信したデータに基づいて後述する制御動作を実行する。
(1) 空調系統部の冷房運転
まず、室外側空調コントローラ26は、空調系統部6の冷房運転が最適であると判断した場合、冷房運転を行うべく、室内側空調コントローラ28及び主コントローラ56へ所定のデータを送信するとともに、このデータを受信した主コントローラ56は、これらのデータを室外側冷却コントローラ32、冷蔵ケースコントローラ50及び冷凍ケースコントローラ55に送信する。
図1に示すように、室外側空調コントローラ26は、四方弁14の一方の入口(オイルセパレータ10との接続口)を一方の出口(熱源側熱交換器16との接続口)に連通させ、他方の入口(利用側熱交換器27との接続口)を他方の出口(アキュムレータ23との接続口)に連通させる。また、膨張弁17を全開とし、空調用圧縮機13A、13Bを運転する。なお、室外側空調コントローラ26は、空調用圧縮機13Aについては運転周波数をインバータ制御して能力制御をする。
空調用圧縮機13A、13Bが運転されると、空調用圧縮機13A、13Bの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ10から四方弁14を経て熱源側熱交換器16の入口側16Aに入る。この熱源側熱交換器16には送風機24により外気が通風されており、冷媒はここで放熱し、凝縮液化する。すなわち、この場合、熱源側熱交換器16は凝縮器として機能する。この液冷媒は、熱源側熱交換器16を経て膨張弁17を通過した後、分岐される。分岐した一方は膨張弁18に至り、そこで絞られて低圧とされた後(減圧)、利用側熱交換器27に分岐して流入し、そこで蒸発する。この利用側熱交換器27には、送風機15により室内空気(店舗内の空気)が通風され、冷媒の蒸発による吸熱作用で室内空気を冷却する。
これにより、室内2(店舗内)の冷房が行われる。利用側熱交換器27を出た低温のガス冷媒は合流された後、四方弁14、逆止弁5D、アキュムレータ23を順次経て空調用圧縮機13A、13Bの吸込側に供給される循環を繰り返す。
また、膨張弁17を通過して分岐した冷媒の他方は膨張弁19に至り、そこで絞られて低圧とされた後(減圧)、カスケード熱交換器21の空調側通路21Aに流入し、そこで蒸発する。かかる空調用冷媒回路7の冷媒の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器21は冷却され、低温となる。カスケード熱交換器21を出た低温のガス冷媒はアキュムレータ23を経て空調用圧縮機13A、13Bの吸込側に供給される循環を繰り返す。
室内側空調コントローラ28は、温度センサ(不図示)を介して検出した店舗2内の空気温度に基づき、室内(店舗内)2の温度を予め設定された設定温度とするように、利用側熱交換器27に通風する送風機15を制御する。この室内側空調コントローラ28の情報は室外側空調コントローラ26に送信され、室外側空調コントローラ26はこの情報に基づいて空調用圧縮機13A、13Bの運転を制御する。
室外側空調コントローラ26は、温度センサ(不図示)を介して検出した利用側熱交換器27の出入口の冷媒温度、或いは、利用側熱交換器27の温度と、カスケード熱交換器21の出入口の冷媒温度、或いは、カスケード熱交換器21の温度に基づいて適正な過熱度となるように膨張弁18、19の弁開度を調整する。
一方、室外側冷却コントローラ32は、冷却用圧縮機37から吐出された高温高圧のガス冷媒を凝縮器38に供給すべく、冷却系統部8の冷却用冷媒回路9の四方弁39の一方の入口(オイルセパレータ31との接続口)を一方の出口(凝縮器38との接続口)に連通させ、他方の入口(カスケード熱交換器21との接続口)を他方の出口(四方弁41との接続口)に連通させる。
また、室外側冷却コントローラ32は、凝縮器38を通過したガス冷媒をカスケード熱交換器21に供給すべく、四方弁41の一方の入口(四方弁39との接続口)を一方の出口(冷蔵用蒸発器43及び冷凍用蒸発器49(電磁弁46、47、52)との接続口)に連通させ、他方の入口(レシーバータンク36との接続口)を他方の出口(カスケード熱交換器21との接続口)に連通させる。そして、冷却用圧縮機37及び昇圧用圧縮機54を運転する。
これにより、冷却用圧縮機37から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ31にてオイルを分離された後、四方弁39を経て凝縮器38の入口側38Aに入る。この凝縮器38にも送風機35により外気が通風されており、凝縮器38に流入した冷媒はそこで放熱し、凝縮する。なお、電磁弁47は全開とされる。
この凝縮器38から出た冷媒はレシーバータンク36の入口側から当該レシーバータンク36内に入り、そこに一旦貯留されて気/液が分離される。分離された液冷媒は、レシーバータンク36の出口から出て四方弁41を通過した後、カスケード熱交換器21のケース側通路21Bに入る。このケース側通路21Bに入った冷却用冷媒回路9の冷媒(高圧側の冷却用冷媒)は、前述の如き空調用冷媒回路7の冷媒(空調用冷媒)の蒸発によって低温となっているカスケード熱交換器21によって冷却され、さらに過冷却される。より具体的には、上記したように室外側空調コントローラ26により予め定めた設定温度差(例えば20℃)だけ冷却される。なお、凝縮器38の直後にレシーバータンク36を配置しているので、過冷却時の熱損失を無くすことができるようになると共に、冷媒量の調整も行うことができる。
このカスケード熱交換器21にて過冷却された冷媒は、四方弁39、四方弁41を順次通過した後に分岐され、一方は電磁弁46を通過して膨張弁44に至り、そこで絞られた後(減圧)、冷蔵用蒸発器43に流入し、そこで蒸発する。冷蔵用蒸発器43には送風機20により冷蔵ケース3の庫内空気がそれぞれ通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却される。これにより、冷蔵ケース3の庫内冷却が行われる。冷蔵用蒸発器43を出た低温のガス冷媒は、昇圧用圧縮機54のオイルセパレータ45の出口側に至る。
また、カスケード熱交換器21を出て分岐された他方の冷媒は、電磁弁52を通過して膨張弁51に至り、そこで絞られた後(減圧)、冷凍用蒸発器49に流入し、そこで蒸発する。この冷凍用蒸発器49には送風機25により冷凍ケース4の庫内空気が通風・循環されており、冷媒の蒸発による吸熱作用で庫内空気は冷却され、冷凍ケース4の庫内冷却が行われる。
冷凍用蒸発器49を出た低温のガス冷媒は、分岐され、一方は逆止弁30を経て昇圧用圧縮機54に至り、そこで、圧縮されて冷蔵用蒸発器43の出口側の圧力まで昇圧された後、昇圧用圧縮機54から吐出され、オイルセパレータ45でオイルを分離された後、四方弁42を介して冷蔵用蒸発器43からの冷媒と合流する。この合流した冷媒は冷却用圧縮機37の吸込側に吸い込まれる循環を繰り返す。また他方は、四方弁42、逆止弁61を介してカスケード熱交換器21に流入する。
冷蔵ケースコントローラ50は、冷蔵ケース3の庫内温度若しくは冷蔵用蒸発器43を経た吐出冷気温度或いは冷蔵用蒸発器43への吸込冷気温度と、冷蔵用蒸発器43の出口側の冷媒温度、或いは、冷蔵用蒸発器43の温度とに基づいて各膨張弁44の弁開度や送風機20をそれぞれ制御する。これにより、冷蔵ケース3の庫内を前述した冷蔵温度に冷却維持しながら、適正な過熱度(過熱度一定)とする。
また、冷凍ケースコントローラ55は、冷凍ケース4の庫内温度若しくは冷凍用蒸発器49を経た吐出冷気温度或いは冷凍用蒸発器49への吸込冷気温度と、冷凍用蒸発器49の出口側の冷媒温度、或いは、冷凍用蒸発器49の温度とに基づいて膨張弁51の弁開度や送風機25を制御する。これにより、冷凍ケース4の庫内を前述した冷凍温度に冷却維持しながら、適正な過熱度(過熱度一定)とする。
冷却用圧縮機37の運転周波数は吸込側の圧力(冷却用冷媒回路9の低圧圧力)に基づいて制御される。そして、各膨張弁44、51の全てが全閉となった場合には停止されると共に、何れかが開放されているときは運転される。
このように、カスケード熱交換器21の空調側通路21Aを流れる空調用冷媒回路7の低圧側冷媒によって冷却用冷媒回路9の高圧側冷媒を過冷却することができるので、冷蔵ケース3や冷凍ケース4の蒸発器43、49における冷却能力と冷却用冷媒回路9の運転効率が改善される。なお、この場合、冷却用冷媒回路9の高圧側の冷媒は、凝縮器38を介してカスケード熱交換器21のケース側通路21Bに流すので、空調用冷媒回路7の過熱度も適正範囲に維持できる。
また、冷却用冷媒回路9の冷凍用蒸発器49から出た冷媒の圧力は、その蒸発温度が低くなることから冷蔵用蒸発器43を出た冷媒より低くなるが、冷蔵用蒸発器43から出た冷媒と合流する前に昇圧用圧縮機54により圧縮されるので、冷蔵ケース3と冷凍ケース4といったように異なる庫内温度を制御する場合でも各ケースを適正温度に冷却しながら、昇圧用圧縮機54により冷却用圧縮機37に吸い込まれる冷媒の圧力を揃えることができ、運転を支障無く行うことができるようになる。
(2) 空調系統部の暖房運転
次に、空調系統部の暖房運転を図2を参照しつつ説明する。
まず、室外側空調コントローラ26は、空調系統部6の暖房運転が最適であると判断した場合、暖房運転を行うべく、室内側空調コントローラ28及び主コントローラ56へ所定のデータを送信すると共に、このデータを受信した主コントローラ56は、これらのデータを室外側冷却コントローラ32、室内側冷蔵コントローラ50及び室内側冷凍コントローラ55へ送信する。
室外側空調コントローラ26は、冷媒の流れを冷房運転時と逆にすべく、四方弁14の一方の入口(オイルセパレータ10との接続口)を一方の出口(アキュムレータ23との接続口)に連通させ、他方の入口(利用側熱交換器27との接続口)を他方の出口(熱源側熱交換器16との接続口)に連通させる。また、膨張弁17を全閉とすると共に膨張弁18を全開とし、空調用圧縮機13A、13Bを運転する。
空調用圧縮機13A、13Bが運転されると、これら空調用圧縮機13A、13Bの吐出側から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ10から四方弁14を経て利用側熱交換器27に供給される。この利用側熱交換器27には、送風機15により室内空気が通風され、冷媒はここで放熱し、室内空気を加熱する一方、凝縮化する。これにより、室内(店舗内)の暖房が行われる。
利用側熱交換器27で液化した冷媒は、膨張弁18、膨張弁19を順に経由して低圧とされた後(減圧)、カスケード熱交換器21の空調側通路21Aに流入し、そこで蒸発して吸熱した後、アキュムレータ23を経て空調用圧縮機13A、13Bの吸込側に供給される循環を繰り返す。
また、前述した冷房運転と同様に、室内2(店内)の温度がリモコン29(遠隔操作手段)を用いてユーザにより設定された設定温度(基準温度)となるように、室内側空調コントローラ28は送風機15を制御すると共に、室外側空調コントローラ26は、カスケード熱交換器21の出入口の冷媒温度、或いは、カスケード熱交換器21の温度に基づいて適正な過熱度となるように膨張弁18、19の弁開度を調整する。
一方、室外側冷却コントローラ32は、冷却系統部8の冷却用冷媒回路9の四方弁39の一方の入口(オイルセパレータ31との接続口)を一方の出口(四方弁41との接続口)に連通させ、他方の入口(カスケード熱交換器21との接続口)を他方の出口(凝縮器38との接続口)に連通させる。また、室外側冷却コントローラ32は、四方弁41の一方の入口(四方弁39との接続口)を一方の出口(冷蔵用蒸発器43及び冷凍用蒸発器49(電磁弁46、47、52)との接続口)に連通させ、他方の入口(レシーバータンク36との接続口)を他方の出口(カスケード熱交換器21との接続口)に連通させる。そして冷却用冷却用圧縮機37及び昇圧用昇圧用圧縮機54を運転する。
これにより、冷却用冷却用圧縮機37から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁39、41を経てカスケード熱交換器21のケース側通路21Bに供給される。すなわち、冷却用圧縮機37から吐出された高温高圧のガス冷媒は、冷房運転の場合は凝縮器38を経た後にカスケード熱交換器21に供給されるのに対し、凝縮器38に行く前にカスケード熱交換器21に供給される。
このカスケード熱交換器21に供給された冷却用冷媒回路9の冷媒は、前述の如き空調用冷媒回路7の冷媒の蒸発によって低温となっているカスケード熱交換器21によって冷却され、更に過冷却される。言い換えると、空調用冷媒回路7の冷媒は、冷却用冷媒回路9の冷媒から熱を汲み上げることができる。
カスケード熱交換器21のケース側通路21Bを通過した冷媒は、四方弁39を経て凝縮器38の入口側38Aに入る。この凝縮器38には送風機35により外気が通風されており、凝縮器38に流入した冷媒はここで放熱し、凝縮する。
この凝縮器38から出た冷媒はレシーバータンク36内に入り、そこに一旦貯留されて気/液が分離される。分離された液冷媒はレシーバータンク36から出て四方弁41を通過した後に分岐され、前述同様に電磁弁46、52に向かうことになる。
このような運転により、空調系統部6の空調用冷媒回路7の暖房運転時には、カスケード熱交換器21で冷却用冷媒回路9の高圧側冷媒の廃熱を回収して空調用冷媒回路7の利用側熱交換器27に搬送することができるようになる。これにより、空調系統部6の暖房能力の改善を図ることができるようになり、総じて、室内空調と冷蔵ケース3及び冷凍ケース4の庫内冷却を行う空調冷凍装置1の効率改善を図り、消費エネルギの低減を図ることが可能となる。
特にこの場合、冷却用冷媒回路9の高圧側の冷媒を、凝縮器38より先にカスケード熱交換器21に流すので、冷却用冷媒回路9の高圧側冷媒からの廃熱回収を効率的に行い、空調用冷媒回路7の利用側熱交換器27における暖房能力をより一層向上させることができるようになる。
ここで、店内2が比較的暖かいなど空調系統部6が軽負荷となると、室外側空調コントローラ26は、膨張弁19の弁開度を絞って冷媒流量を低減させていくようになるので、カスケード熱交換器21における冷却用冷媒回路9の冷媒の放熱量が過剰となってくるが、本発明では冷却用冷媒回路9の高圧側の冷媒をカスケード熱交換器21に流した後、凝縮器38に流すようにしているので、空調用冷媒回路7の暖房運転時において冷却用冷媒回路9のカスケード熱交換器21における冷媒の放熱量が過剰となった場合には、凝縮器38にて当該過剰な熱量が放出される。これにより、安定した廃熱回収運転を実現することができる。
さらに、上述の如き空調系統部6の暖房運転時に、空調系統部6がカスケード熱交換器21で冷却用冷媒回路9の高圧側冷媒から回収する熱量が不足すると、室外側空調コントローラ26は、膨張弁19の弁開度を制御して廃熱回収を行うと共に、この廃熱回収に加え、必要熱量を維持するように膨張弁17の弁開度を制御する(熱回収制御)。なお、この場合も、冷却系統部8は冷媒をカスケード熱交換器21に流して熱回収を効率的に行う。
また、上述の如き空調系統部6の暖房運転時に、空調系統部6がカスケード熱交換器21で冷却用冷媒回路9の高圧側冷媒から回収する熱量が過多になると、室外側空調コントローラ26は、膨張弁19を全閉、膨張弁18を全開とし、必要熱量を回収するように膨張弁17の弁開度を制御する(熱回収制御)。また、冷却系統部8は、冷媒をカスケード熱交換器21に流し、回収熱量が過多となった場合には過冷却を増加させる。これにより、より安定した廃熱回収運転を実現することができるようになる。
また、上述した如く四方弁39及び41を用いて流路を切り換え、空調用冷媒回路7の冷房運転時と暖房運転時において、冷却用冷媒回路9の凝縮器38及びその出口に接続されたレシーバータンク36に流れる冷媒の流通方向を同一としている。これにより、冷房運転時と暖房運転時とで凝縮器38やレシーバータンク36内の冷媒の流れが反対となる場合に比して冷却用冷媒回路9内を流れる冷媒の圧力損失の発生を防止若しくは抑制することができるようになり、効率的な運転が可能となる。特に、二個の四方弁39、41にて流路を切り換えているので冷却用冷媒回路9の構成を簡素化することができるようになる。
(3) 空調系統部の自動運転
上述のように、空調冷凍装置1は、空調系統部6に運転/停止を含む各種指示を与えるリモコン(遠隔操作手段)29を備え、このリモコン29によって空調系統部6の動作を制御できるが、冷却系統部8の冷却用圧縮機37が運転された場合には、少なくとも運転/停止以外の指示を禁止して空調系統部6の動作を自動運転制御するようになっている。ここで、空調系統部6の自動運転制御とは、リモコン29による指示によらず、室外ユニットが備えるコントローラ(例えば、室外側空調コントローラ26)によって、空調運転モードの選択、室内基準温度の設定及びカスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量制御等を行うことをいう。この場合、室外側空調コントローラ26が禁止手段として機能する。
具体的には、室外側冷却コントローラ32は、冷却系統部8の冷却用圧縮機37が運転された場合、その運転を検知して、その旨を室外側空調コントローラ26に通知する。この通知を受信すると、室外側空調コントローラ26は空調系統部6を自動運転するとともに、室内側空調コントローラ28に空調系統部6が自動運転制御されている旨を通知する。この室内側空調コントローラ28は、当該コントローラ28に接続(有線接続又は無線接続)されたリモコン29の操作が禁止されていることを報知すべく、リモコン29にその旨(例えば、「集中管理中」)のメッセージを表示させる。
次に、図3に示すフローチャートを参照して、空調系統部6の自動運転制御について説明する。
室外側空調コントローラ26は、冷却系統部8の冷却用圧縮機37の運転信号を受信すると、リモコン29の指示のうち、運転/停止以外の指示を禁止して、空調系統部6を自動運転制御する(ステップS1)。本実施形態では、冷却用圧縮機37が運転されている場合であっても、リモコン29を通じて、空調系統部6の運転/停止の指示を行うことができる。ここで、冷却用圧縮機37が運転されている場合とは、冷却用圧縮機37が実際に運転されている場合のみならず、この冷却用圧縮機37は各ショーケース3,4の庫内温度が設定温度まで冷却されているために、停止している場合(いわゆるサーモオフ中)も含む。なお、冷却用圧縮機37がサーモオフでなく停止している場合(電源供給が絶たれている場合など)には、リモコン29を通じて自由に空調系統部6を制御(基準温度など)することができる。
次に、室外側空調コントローラ26は、空調用圧縮機13の運転開始時における外気温度または室内温度に基づいて、運転モードを選択するとともに、室内基準温度を所定の設定温度に設定し、この室内目標温度にするように空調系統部6を制御する(ステップS2)。この設定温度は、外気温度または室内温度に対応づけられており、冷房時には22℃〜26℃、暖房時には20℃〜24℃となるように制御される。
例えば、外気温度が30℃以上の場合には、設定温度は26℃に設定されて冷房運転が選択される。また、外気温度が20℃以上26℃未満であり、室内温度が22℃以上の場合には、設定温度は22℃に設定されて、冷房運転が選択される。一方、外気温度が15℃未満の場合には、設定温度は20℃に設定されて、暖房運転が選択される。また、外気温度が20℃以上26℃未満であり、室内温度が22℃未満の場合には、設定温度は24℃に設定されて、暖房運転が選択される。これらの設定温度は、予めコンビニエンスストアの本部等により定められた値であり、地域や店舗状況等により適宜変更が可能である。
続いて、室外側空調コントローラ26は、冷却系統部8の冷却負荷を監視する(ステップS2)。具体的には、冷蔵ケース3及び冷凍ケース4の各庫内温度を検出するとともに、冷却用圧縮機37の運転周波数を検出する。そして、検出した各庫内温度と、冷蔵ケース3及び冷凍ケース4の各設定温度との温度差が所定の温度差(例えば、5℃)以上であるか否か、及び、冷却用圧縮機37の運転周波数が効率の悪い周波数範囲(例えば、所定の周波数以上)にあるか否かを判別する(ステップS3)。
ステップS3の判別において、冷蔵ケース3または冷凍ケース4の庫内温度と、各ショーケース3,4の設定温度との温度差が所定の温度差以上であり、かつ、冷却用圧縮機37の運転周波数が効率の悪い周波数範囲(例えば、所定の周波数以上)にある場合(ステップS3:Yes)、室外側空調コントローラ26は、冷却系統部8の冷却補助をおこなうようにカスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を制御する(ステップS4)。
具体的には、室外側空調コントローラ26は、膨張弁18を閉じる方向に制御するとともに、膨張弁19を開く方向に制御することにより、カスケード熱交換器21を流れる空調用冷媒の供給量を、各ショーケース3,4の庫内温度と、これら各ショーケース3,4の設定温度との温度差が所定の温度差以上で、かつ、冷却用圧縮機37の運転周波数が所定の周波数以上となる前の供給量に比べて増加するように制御する。これによれば、空調用冷媒の蒸発による吸熱作用でカスケード熱交換器21が更に冷却され、冷却用冷媒のカスケード熱交換器21における出入口での温度差(過冷却度)が大きくなり、冷却系統部8での冷却能力を増やすことができる。この場合、(1)、(2)に記した、空調系統部6の冷房及び暖房運転時における冷却用冷媒の過冷却度(例えば、20℃)に比べて、冷却補助運転時の冷却用冷媒の過冷却度は大きく設定されている(例えば、25℃)。
カスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を増加して、冷却系統部8の冷却補助をすることにより、冷蔵ケース3及び冷凍ケース4の庫内温度を予め設定した設定温度まで冷却することができるとともに、冷却用圧縮機37の運転周波数を効率の良い周波数範囲にて運転することができるため、冷却系統部8の運転が安定し、冷却系統部8の効率を向上させることができる。通常、空調系統部6の効率と、冷凍系統部8の効率とを比較した場合、空調系統部6の効率の方が優れている。従って、カスケード熱交換器21で冷却用冷媒を十分に過冷却することにより、冷却系統部8の効率を向上させた場合には、その分だけ空調冷凍装置1全体としての効率を向上させることができ、消費エネルギの低減を図ることができる。
また、冷蔵ケース3または冷凍ケース4の庫内温度と、各ショーケース3,4の設定温度との温度差が所定の温度差よりも小さい、若しくは、冷却用圧縮機37の運転周波数が効率の悪い周波数範囲にない場合(ステップS3:No)、室外側空調コントローラ26は、空調系統部8の空調負荷を監視する(ステップS5)。具体的には、室内ユニット11に設けられた温度センサ(図示せず)から室内温度の情報を取得し、この室内温度と、ステップS1にて設定された設定温度(基準温度)との温度差を検出する。そして、この温度差が所定の温度差(例えば、2℃)以上であるか否かを判別する(ステップS6)。
ステップS6の判別において、室温と設定温度との温度差が所定の温度差以上である場合(ステップS6:Yes)には、室外側空調コントローラ26は、室温と設定温度との温度差を所定の温度差よりも小さく(空調優先)するようにカスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を制御する(ステップS7)。具体的には、室外側空調コントローラ26は、膨張弁18を開く方向に制御するとともに、膨張弁19を閉じる方向に制御することにより、カスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を、室温と設定温度との温度差が所定の温度差以上となる前の供給量に比べて減少する、すなわち室内ユニット11を流れる空調用冷媒の供給量を、室温と設定温度との温度差が所定の温度差以上となる前の供給量に比べて増やすことにより、室内空調を優先的に行うことができる。この場合、(1)、(2)に記載した、空調系統部6の冷房及び暖房運転時における冷却用冷媒の過冷却度(例えば、20℃)に比べて、室内空調を優先的に運転する場合における冷却用冷媒の過冷却度は小さく設定されている(例えば、10℃)。
室内ユニット11を流れる空調用冷媒の供給量を増加し、空調系統部6の室内空調を優先することにより、室温を早く設定温度にすることができるため、早い時期に、室内ユニット11への空調用冷媒の供給量を抑制することができるようになる。従って、室温が早くに安定すると、その分だけ、早く、膨張弁19を開く方向に制御できることにより、カスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を増大させることが可能になる。これが増大すると、カスケード熱交換器21における空調用冷媒と、冷凍用冷媒との間で熱交換が促進され、その分だけ、早い時期に冷蔵側の負荷が安定し、その運転が安定するため空調冷凍装置1全体としての効率を向上させることができる。
また、室温と設定温度との温度差が所定の温度差よりも小さい場合(ステップS6:No)、室外側空調コントローラ26は、カスケード熱交換器21での冷却用冷媒の過冷却度を、所定の過冷却度(例えば、20℃)となるように、膨張弁18及び膨張弁19の開度を制御する(ステップS8)。このように、空調系統部6の空調負荷が小さい場合には、空調用冷媒をカスケード熱交換器21に供給することにより、冷却用冷媒を過冷却させることができ、空調冷凍装置1全体としての効率を向上させることができる。
そして、室外側空調コントローラ26は、上記ステップS4、ステップS7或いは、ステップS8の処理を実行すると、ステップS1の処理に移行し、上記ステップS1〜S8の処理を繰り返す。
本実施形態では、空調系統部6に運転/停止を含む各種指示を与えるリモコン29(遠隔操作手段)を備え、冷却系統部8の冷却用圧縮機37が運転された場合に、このリモコン29による指示のうち、運転/停止以外の指示を禁止する禁止手段を備える構成とすることにより、ユーザが自由に設定温度などを変更できなくなり、室外側空調コントローラ26によって空調系統部6が効率良く運転されるため、空調負荷が早い時期に安定し、空調用冷媒の供給量を抑制することができるようになる。空調負荷が安定すると、カスケード熱交換器21への空調用冷媒の供給量を増大させることが可能になり、これが増大すると、カスケード熱交換器21における空調用冷媒と、冷凍用冷媒との間で熱交換が促進され、早い時期に冷蔵側の負荷が安定し、その運転が安定することにより空調冷凍装置1全体としての効率を向上させることができるため、消費エネルギの低減を図ることができる。
また、本実施形態では、禁止手段を動作させて空調系統部6を自動運転状態とした場合に、室外側空調コントローラ26は、空調用圧縮機13の運転開始時の外気温度または室内温度に基づいて、運転モードを選択するとともに、基準温度の設定を行ない、この基準温度に室内温度を近づけるように室内空調を行うように制御することにより、空調負荷が早い時期に安定し、空調用冷媒の供給量を抑制することができるようになるため、空調冷凍装置1全体の効率を向上させることができ、消費エネルギの低減を図ることができる。
また、本実施形態では、禁止手段を動作させて空調系統部6を自動運転状態とした場合に、室外側空調コントローラ26は、冷却系統部8の冷却貯蔵設備3,4の庫内温度と予め設定された設定温度との差が所定温度以上になり、かつ、冷却用圧縮機37の運転周波数が所定の周波数以上となると、冷却系統部8の冷却補助のために、カスケード熱交換器21を流れる空調用冷媒の供給量を、冷却貯蔵設備3,4の庫内温度と予め設定された設定温度との差が所定温度以上になり、かつ、冷却用圧縮機37の運転周波数が所定の周波数以上となる前の供給量に比べて増加させ、冷却用冷媒を十分に過冷却させるように制御している。これによれば、冷蔵ケース3及び冷凍ケース4の庫内温度を予め設定した設定温度まで冷却することができるとともに、冷却用圧縮機37の運転周波数を効率の良い周波数範囲にて運転することができるため、冷却系統部8の運転が安定し、その運転が安定することにより空調冷凍装置1全体としての効率を向上させることができ、消費エネルギの低減を図ることができる。また、冷蔵ケース3や冷凍ケース4の扉が長期間開いたままで冷却系統部8の能力だけでは十分に冷却できない状況が生じたとしても、空調系統部6によって冷却系統部8が迅速に補助されるので、ケース内の商品が傷んでしまうのを確実に防止することが可能である。
また、本実施形態では、室外ユニット12に設けられた室外側空調コントローラ26によって、空調系統部6の自動運転を実行する構成としているため、汎用の室内ユニットを使用して空調冷凍装置1を形成することができ、上述のように、空調冷凍装置1全体の効率を向上させることができ、消費エネルギの低減を図ることができる。
本実施形態では、コンビニエンスストア等の店舗に適用される冷凍システムに本発明を適用する場合について述べたが、空調と、冷蔵ケース3や冷凍ケース4以外の被冷却設備の冷却とを行う冷凍システムに広く適用することができる。更に、上記実施形態で示した配管構成などは、それに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、本実施形態では、リモコン29による指示のうち、運転/停止以外の指示を禁止しているが、運転/停止指示をも禁止する構成としても良い。