JP5734031B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍空調装置に係り、より詳しくは、冷媒回路にＲ３２冷媒を用いた場合においても、圧縮機からの冷媒の吐出温度の上昇を抑制することのできる冷凍空調装置に関するものである。

従来の冷凍空調装置に、運転容量が可変である圧縮機と、熱源側熱交換器と、減圧装置と、負荷側熱交換器とを環状に接続された冷凍サイクルを複数備え、各冷凍サイクルの負荷側熱交換器において負荷側熱媒体を冷却又は加熱し、冷温熱を供給するとともに、負荷側熱媒体の流路が各冷凍サイクルの負荷側熱交換器を直列に流れるように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８１１４６号公報（特許請求の範囲、図１）

特許文献１に記載された冷凍空調装置においては、水の流路が各冷凍サイクルの負荷側熱交換器を直列に流れるように構成されているため、暖房運転時に下流側の冷凍サイクルに上流側の冷凍サイクルで加熱された温水が流入し、上流側の冷凍サイクルに比べて圧力が高くなるため、冷媒を従来のＲ４１０Ａから地球温暖化係数が小さいＲ３２に変えると、その熱物性により圧縮機の吐出温度が約２０℃上昇し、下流側冷凍サイクルの圧縮機の冷凍機油が劣化する高温限界温度を超えるおそれがあり、このため、圧縮機耐熱性及び耐摩耗性が低下して機器の信頼性を損うという問題点があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、冷媒回路にＲ３２冷媒を使用しても圧縮機の吐出温度の上昇を抑制して、圧縮機の信頼性及び運転能力を高めることのできる冷凍空調装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器が冷媒配管によりそれぞれ環状に接続され、Ｒ３２冷媒を使用する上流側冷媒回路及び下流側冷媒回路と、これら上流側冷媒回路及び下流側冷媒回路の凝縮器を直列に接続する水配管とを有し、前記下流側冷媒回路のみに、前記凝縮器と絞り装置との間に接続された冷媒熱交換器と、一端が前記凝縮器と冷媒熱交換器との間又は前記冷媒熱交換器と前記絞り装置との間に接続され、インジェクション用膨張弁を介して前記冷媒熱交換器を通り、他端が前記圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路とを設け、前記下流側冷媒回路の圧縮機の吐出側に温度センサ及び圧力センサを設け、これら温度センサ及び圧力センサの検知情報に対応して前記インジェクション用膨張弁の開度を制御することにより、前記下流側冷媒回路の圧縮機に吸入される冷媒の流量を調整し、吐出冷媒の温度を冷凍機油が劣化しない設定温度となるように制御するものである。

本発明によれば、冷媒回路にＲ３２冷媒を使用しても圧縮機の吐出温度の上昇を抑制することができるので、冷凍空調装置の信頼性及び運転能力を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の他の例の冷媒回路図である。 図２の冷媒回路のインジェクション用膨張弁の制御手順を示すフローチャート図である。 本発明実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。 本発明実施の形態２に係る冷凍空調装置の他の例の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の他の例の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態４に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る冷凍空調装置の冷媒回路を示す図１において、２０は上流側冷媒回路、３０は下流側冷媒回路図である。
上流側冷媒回路２０において、１ａは例えばスクロール圧縮機の如き第１の圧縮機、２ａは負荷側熱交換機能を備えた第１の凝縮器、３ａは第１の絞り装置、４ａは第１の蒸発器で、これらは第１の冷媒配管６ａにより環状に接続されている。

下流側冷媒回路３０において、１ｂは第２の圧縮機、２ｂは負荷側熱交換機能を備えた第２の凝縮器、３ｂは第２の絞り装置、４ｂは第２の蒸発器、５は第２の凝縮器２ｂと第２の絞り装置３ｂとの間に直列に接続された冷媒熱交換器で、これらは第２の冷媒配管６ｂにより環状に接続されている。

８は一端が冷媒熱交換器５と第２の絞り装置３ｂとの間に接続され、インジェクション用膨張弁７を介して冷媒熱交換器５を通り、他端が第２の圧縮機１ｂの圧縮室の中間に接続されたバイパス回路である圧縮機中間インジェクション回路である。
そして、上流側冷媒回路２０の第１の凝縮器２ａと、下流側冷媒回路３０の第２の凝縮器２ｂとは、負荷側熱媒体である水が流れる水配管１５により直列に接続されている。

ここで、本実施の形態においては、上流側冷媒回路２０及び下流側冷媒回路３０の冷媒に、Ｒ３２冷媒を使用する。このＲ３２冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が６７５と、従来の冷媒Ｒ４１０Ａの２０９０に比べて低く、地球環境に与える影響が小さい冷媒である。しかし、一方では圧縮機吐出温度が従来のＲ４１０Ａ冷媒と比べて約２０℃高くなり、圧縮機全体の内部温度が上昇して冷凍機油が劣化し、油漏不良により圧縮機の信頼性が低下するおそれがあった。

次に、上記のように構成した本実施の形態に係る冷凍回路の作用を説明する。
冷媒回路が運転を開始すると、上流側冷媒回路２０においては第１の圧縮機１ａから高温高圧のガス冷媒が吐出し、第１の凝縮器２ａに入る。このガス冷媒は、第１の凝縮器２ａで負荷側熱媒体である水配管１５を流れる水と熱交換が行われ、凝縮して液冷媒となり、第１の絞り装置３ａに入る。そして、第１の絞り装置３ａで減圧され、乾き度０．２〜０．３程度の低温低圧の気液二相冷媒となって第１の蒸発器４ａに入り、空気と熱交換が行われてガス冷媒となり、第１の圧縮機１ａの吸入管に吸入される。

また、下流側冷媒回路３０においては、第２の圧縮機１ｂから高温高圧のガス冷媒が吐出し、第２の凝縮器２ｂに入る。第２の凝縮器２ｂでは、第２の圧縮機１ｂから吐出したガス冷媒と、上流側冷媒回路２０の第１の凝縮器２ａで熱交換して加熱され、水配管１５を介して送られた温水との間で熱交換が行われ、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となり、冷媒熱交換器５へ送られる。

冷媒熱交換器５を通過した液冷媒は、一部はバイパスしてインジェクション用膨張弁７に流れ、残りは第２の絞り装置３ｂ側に流れる。
インジェクション用膨張弁７側に流れた液冷媒は、インジェクション用膨張弁７で減圧され、低温の気液二相冷媒となって冷媒熱交換器５に流入し、冷媒熱交換器５内で第２の凝縮器２ｂから流出した液冷媒と熱交換され、乾き度の高い低温の気液二相冷媒となって第２の圧縮機１ｂの圧縮室の中間に吸引される。このようにして、第２の凝縮器２ｂから流出した高温の液冷媒は冷却される。

一方、第２の絞り装置３ｂ側に流れた液冷媒は、第２の絞り装置３ｂで減圧されて乾き度０．１〜０．２程度の低温低圧の気液二相冷媒となり、第２の蒸発器４ｂに入る。そして気液二相冷媒は空気と熱交換を行ってガス冷媒となり、第２の圧縮機１ｂに吸入される。

上記のような冷媒回路において、上流側冷媒回路２０と下流側冷媒回路３０とは、第１、第２の凝縮器２ａ、２ｂが水配管１５により直列に接続されているため、下流側冷媒回路３０の第２の凝縮器２ｂには、上流側冷媒回路２０に比べて負荷側熱媒体である高い温度の水（温水）が流入する。
このため、下流側冷媒回路３０の運転圧力は、上流側冷媒回路２０の運転圧力より高くなり、上流側冷媒回路２０の第１の圧縮機１ａから吐出するガス冷媒の温度に比べて、下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂから吐出されるガス冷媒の温度の方が高くなる。

本実施の形態においては、図２に示すように、さらに下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂの吐出側に、吐出冷媒の温度を検知する温度センサ４１及び吐出冷媒の圧力を検知する圧力センサ４２を設け、その検知情報を制御回路４０に入力し、制御回路４０はこの入力情報に対応して、インジェクション用膨張弁７の開度を制御する制御信号を出力する。

すなわち、図３のフローチャートに示すように、温度センサ４１で検知した第２の圧縮機１ｂの吐出温度Ｔｄと、圧力センサ４２で検知した吐出圧力Ｐｄを制御回路４０に入力する（ステップＳ₁，Ｓ₂）。そして、圧力センサ４２で検知した吐出圧力Ｐｄから高温飽和温度Ｔｄｓを演算し（ステップＳ₃）、吐出温度Ｔｄと高温飽和温度Ｔｄｓとの差から吐出過熱度ＳＨｄを演算する（ステップＳ₄）。

次に、吐出過熱度ＳＨｄと、冷凍機油が劣化しない上限温度としあらかじめ設定した設定温度ＳＨｄｍとを比較し（ステップＳ₅）、吐出過熱度ＳＨｄが設定温度ＳＨｄｍより大きい場合は、制御回路４０からインジェクション用膨張弁７を開動作させる制御信号を出力し（ステップＳ₆）、吐出過熱度ＳＨｄが設定温度ＳＨｄｍより小さい場合は、インジェクション用膨張弁７を開動作させる制御信号を出力する（ステップＳ₆）。

このように、本実施の形態においては、第２の圧縮機１ｂの吐出温度が高くなり易い下流側冷媒回路３０では、第２の圧縮機１ｂの吐出側の冷媒の温度及び圧力に対応してインジェクション用膨張弁７の開度を制御することにより、第２の圧縮機１ｂに吸入される冷媒の流量を調整し、吐出冷媒の温度を冷凍機油が劣化しない設定温度となるように制御するので、Ｒ３２冷媒を使用しても第２の圧縮機１ｂの吐出温度の上昇を制御することができ、冷凍機油の劣化を防止し、信頼性及び運転能力を向上することができる。

また、冷媒の吐出温度が上昇しやすい下流側冷媒回路３０のみに、第２の圧縮機１ｂの吐出温度を制御する圧縮機中間インジェクション回路８を設けたので、従来の冷媒回路からのコストの上昇を抑えつつ、地球環境に与える影響の小さい冷凍空調装置を得ることができる。

さらに、インジェクション用膨張弁７で減圧した気液二相冷媒と、第２の凝縮器２ｂから流出した高温の液冷とを冷媒熱交換器５で熱交換し、第２の絞り装置３ｂに流入する高温の液冷媒を冷却するようにしたので、第２の蒸発器４ｂにおける熱交換量が増大して外気から吸熱する熱量を加熱させ、負荷側熱媒体である水を加熱する能力を拡大することができる。

また、上流側冷媒回路２０と下流側冷媒回路３０の第１、第２の圧縮機１ａ，１ｂに同じ構造のものを使用したので、組立作業やアフターサービスが容易であり、コストを低減することができる。

上記の説明では、圧縮機中間インジェクション回路８の一端を冷媒熱交換器５と第２の絞り装置３ｂとの間に接続した場合を示したが、第２の圧縮機１ｂと冷媒熱交換器５との間に接続してもよい。また、第２の圧縮機１ｂの吐出過熱度ＳＨｄと設定温度ＳＨｄｍとを比較して、インジェクション用膨張弁７の開度を制御する場合を示したが、第２の圧縮機１ｂの吐出温度Ｔｄと設定温度とを比較して、インジェクション用膨張弁７の開度を制御するようにしてもよい（以下の実施の形態においても同様である）。

［実施の形態２］
図４、図５は本発明の実施の形態２に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同じ部分には、これと同じ符号が付してある。
実施の形態１においては、バイパス回路である圧縮機中間インジェクション回路８の他端を第２の圧縮機１ｂの圧縮室の中間に接続した場合を示したが、本実施の形態においては、バイパス回路である圧縮機吸入インジェクション回路９の他端を、第２の圧縮機１ｂの吸入管に接続したものである。なお、その他の構造は、実施の形態１の場合と同じである。

本実施の形態においても、上流側冷媒回路２０及び下流側冷媒回路３０の冷媒には、Ｒ３２冷媒が使用される。そして、インジェクション用膨張弁７側に流れた液冷媒は、インジェクション用膨張弁７で減圧され、低温の気液二相冷媒となって冷媒熱交換器５に流入し、乾き度の高い低温の気液二相冷媒となり、圧縮機吸入インジェクション回路９により第２の圧縮機１ｂの吸入管に吸入される。

また、本発明においても実施の形態１の場合と同様に、図５に示すように、下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂの吐出側に、温度センサ４１及び圧力センサ４２を設け、これらの検知情報に対応してインジェクション用膨張弁７の開度を制御し、第２の圧縮機１ｂに流入する冷媒の流量を制御する。
本実施の形態によれば、実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。

［実施の形態３］
図６、図７は本発明の実施の形態３に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同じ部分には、同じ符号を付してある。
本実施の形態は、実施の形態２の冷媒回路において、下流側冷媒回路３０に設けた冷媒熱交換器５を省略し、第２の凝縮器２ｂと第２の絞り装置３ｂとの間に一端が接続され、インジェクション用膨張弁７を介して他端が第２の圧縮機１ｂの吸入管に接続されたバイパス回路である圧縮機吸入インジェクション回路１０を設けたものである。なお、本実施の形態においても、上流側冷媒回路２０と下流側冷媒回路３０の冷媒に、Ｒ３２冷媒を使用している。

本実施の形態において、上流側冷媒回路２０の作用は、実施の形態１の場合と同じである。
また、下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂから吐出した高温高圧のガス冷媒は第２の凝縮器２ｂに流入し、実施の形態１の場合と同様に、上流側冷媒回路２０から水配管１５を介して流入した温水との間で熱交換され、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となる。

この第２の凝縮器２ｂから吐出した液冷媒の一部は、圧縮機吸入インジェクション回路１０に流入し、インジェクション用膨張弁７により減圧され、気液二相冷媒となって第２の圧縮機１ｂの吸入管に流入し、残りの液冷媒は第２の絞り装置３ｂ側に流れる。
第２の絞り装置３ｂ側に流れた液冷媒は第２の絞り装置３ｂによって減圧され、乾き度０．１〜０．２程度の低温低圧の気液二相冷媒となって第２の蒸発器４ｂに入り、空気と熱交換されてガス冷媒となり、第２の圧縮機１ｂの吸入管に吸入される。

本実施の形態においても、図７に示すように、下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂの吐出側に、温度センサ４１及び圧力センサ４２を設け、これらからの検知情報に対応してインジェクション用膨張弁７の開度を制御することは、実施の形態１の場合と同様である。
本実施の形態によれば、実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができるが、さらに、冷媒熱交換器５を省略したので構造が簡単になり、その分コストを低減することができる。

［実施の形態４］
図８は本発明の実施の形態４に係る冷凍空調装置の冷媒回路図である。なお、実施の形態１と同じ部分には、これと同じ符号を付してある。
本実施の形態は、実施の形態１の冷媒回路（図１）において、下流側冷媒回路３０の冷媒熱交換器５及びバイパス回路である圧縮機中間インジェクション回路８を省略し、上流側冷媒回路２０の冷媒にはＲ３２冷媒を使用し、下流側冷媒回路３０の冷媒には、Ｒ４１０Ａ冷媒を使用したものである。

本実施の形態における上流側冷媒回路２０の作用は、実施の形態１の場合と同様である。
下流側冷媒回路３０においては、第２の圧縮機１ｂから高温高圧のガス冷媒が吐出され、第２の凝縮器２ｂに入る。そして、第２の凝縮器２ｂで負荷側熱媒体である水配管１５を流れる水（温水）で熱交換され、凝縮して液冷媒となり、第２の絞り装置３ｂに入る。液冷媒は第２の絞り装置３ｂで減圧され、乾き度０．２〜０．３程度の低温低圧の気液二相冷媒となり、第２の蒸発器４ｂに入る。そして、第２の蒸発器４ｂで空気と熱交換され、ガス冷媒となって第２の圧縮機１ｂに吸入される。

本実施の形態においては、第１の凝縮器２ａに流入する負荷側熱媒体である水の温度が低い上流側冷媒回路２０にはＲ３２冷媒を使用し、第２の凝縮器２ｂに流入する負荷側熱媒体である水の温度が高い下流側冷媒回路３０にはＲ４１０Ａ冷媒を使用したので、下流側冷媒回路３０の第２の圧縮機１ｂからの冷媒の吐出温度の上昇を抑えることができ、冷凍空気調和装置の信頼性を向上することができる。

また、従来の冷媒回路をそのまま使用できるので、コストが上昇することなく、地球環境に与える影響の少ない冷凍空調装置を得ることができる。

１ａ 第１の圧縮機、１ｂ 第２の圧縮機、２ａ 第１の凝縮器、２ｂ 第２の凝縮器、３ａ 第１の絞り装置、３ｂ 第２の絞り装置、４ａ 第１の蒸発器、４ｂ 第２の蒸発器、５ 冷媒熱交換器、６ａ 第１の冷媒配管、６ｂ 第２の冷媒配管、７ インジェクション用膨張弁、８ 圧縮機中間インジェクション回路、９，１０ 圧縮機吸入インジェクション回路、１５ 水配管、２０ 上流側冷媒回路、３０ 下流側冷媒回路、４０ 制御回路、４１ 温度センサ、４２ 圧力センサ。

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器が冷媒配管によりそれぞれ環状に接続され、Ｒ３２冷媒を使用する上流側冷媒回路及び下流側冷媒回路と、これら上流側冷媒回路及び下流側冷媒回路の凝縮器を直列に接続する水配管とを有し、
   前記下流側冷媒回路のみに、前記凝縮器と絞り装置との間に接続された冷媒熱交換器と、一端が前記凝縮器と冷媒熱交換器との間又は前記冷媒熱交換器と前記絞り装置との間に接続され、インジェクション用膨張弁を介して前記冷媒熱交換器を通り、他端が前記圧縮機の圧縮室に接続されたバイパス回路とを設け、
   前記下流側冷媒回路の圧縮機の吐出側に温度センサ及び圧力センサを設け、これら温度センサ及び圧力センサの検知情報に対応して前記インジェクション用膨張弁の開度を制御することにより、前記下流側冷媒回路の圧縮機に吸入される冷媒の流量を調整し、吐出冷媒の温度を冷凍機油が劣化しない設定温度となるように制御する
   ことを特徴とする冷凍空調装置。
2. 前記下流側冷媒回路のバイパス回路の他端を前記下流側冷媒回路の圧縮機の吸入管に接続したことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
3. 圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器が冷媒配管によりそれぞれ環状に接続され、Ｒ３２冷媒を使用する上流側冷媒回路及び下流側冷媒回路と、これら上流側冷媒回路と下流側冷媒回路の凝縮器を直列に接続する水配管とを有し、
   前記下流側冷媒回路のみに、一端が前記凝縮器と絞り装置との間に接続され、インジェクション用膨張弁を介して他端が前記圧縮機の吸入側に接続されたバイパス回路を設け、
   前記下流側冷媒回路の圧縮機の吐出側に温度センサ及び圧力センサを設け、これら温度センサ及び圧力センサの検知情報に対応して前記インジェクション用膨張弁の開度を制御することにより、前記下流側冷媒回路の圧縮機に吸入される冷媒の流量を調整し、吐出冷媒の温度を冷凍機油が劣化しない設定温度となるように制御する
   ことを特徴とする冷凍空調装置。

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