JP7096511B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
図1は、本開示の一実施形態にかかる冷凍サイクル装置1の概略構成図である。
冷凍サイクル装置1は、メイン冷媒が循環するメイン冷媒回路20と、サブ冷媒が循環するサブ冷媒回路80と、を有しており、室内の空調(ここでは、冷房及び暖房)を行う装置である。
メイン冷媒回路20は、主として、メイン圧縮機21、22と、メイン熱源側熱交換器25と、メイン利用側熱交換器72a、72bと、インジェクション管31と、エコノマイザ熱交換器32と、サブ利用側熱交換器85と、第1メイン流路切換機構23と、を有している。また、メイン冷媒回路20は、中間冷媒管61と、第2メイン流路切換機構24と、中間熱交換器26と、中間熱交バイパス管63と、ブリッジ回路40と、上流側メイン膨張機構27と、メイン利用側膨張機構71a、71bと、を有している。そして、メイン冷媒回路20には、メイン冷媒として、二酸化炭素が封入されている。
サブ冷媒回路80は、主として、サブ圧縮機81と、サブ熱源側熱交換器83と、サブ利用側熱交換器85と、サブ流路切換機構82と、を有している。また、サブ冷媒回路80は、サブ膨張機構84を有している。そして、サブ冷媒回路80には、サブ冷媒として、GWP(温暖化係数)が750以下のHFC冷媒(R32等)、HFO冷媒(R1234yfやR1234ze等)、又は、HFC冷媒とHFO冷媒との混合冷媒(R452B等)が封入されている。尚、サブ冷媒は、これらに限定されるものではなく、二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒(プロパンやアンモニア等)であってもよい。
上記のメイン冷媒回路20及びサブ冷媒回路80の構成機器は、熱源ユニット2と、複数の利用ユニット7a、7bと、サブユニット8と、に設けられている。利用ユニット7a、7bはそれぞれ、メイン利用側熱交換器72a、72bに対応して設けられている。
熱源ユニット2は、室外に配置されている。サブ利用側熱交換器85、メイン利用側膨張機構71a、71b及びメイン利用側熱交換器72a、72bを除くメイン冷媒回路20が、熱源ユニット2に設けられている。
利用ユニット7a、7bは、室内に配置されている。メイン冷媒回路20のメイン利用側膨張機構71a、71b及びメイン利用側熱交換器72a、72bが利用ユニット7a、7bに設けられている。
サブユニット8は、室外に配置されている。サブ冷媒回路80、及び、メイン冷媒回路20を構成する冷媒管の一部(サブ利用側熱交換器85に接続されるメイン冷媒が流れる冷媒管の一部)が、サブユニット8に設けられている。
熱源ユニット2と利用ユニット7a、7bとは、メイン冷媒回路20の一部を構成するメイン冷媒連絡管11、12によって接続されている。
そして、上記のメイン冷媒回路20及びサブ冷媒回路80の構成機器を含めた熱源ユニット2、利用ユニット7a、7b及びサブユニット8の構成機器は、制御部9によって制御されるようになっている。制御部9は、熱源ユニット2、利用ユニット7a、7b及びサブユニット8に設けられた制御基板等が通信接続されることによって構成されており、各種センサ34、35、74a、74b、75a、75b、91~99、101~107の検出信号等を受けることができるように構成されている。尚、図1においては、便宜上、熱源ユニット2、利用ユニット7a、7b及びサブユニット8等とは離れた位置に制御部9を図示している。このように、制御部9は、各種センサ34、35、74a、74b、75a、75b、91~99、101~107等の検出信号等に基づいて、冷凍サイクル装置1の構成機器21~24、27、28、33、44、71a、71b、73a、73b、81、82、84、86の制御、すなわち、冷凍サイクル装置1全体の運転制御を行うようになっている。
次に、冷凍サイクル装置1の動作について、図2~図7を用いて説明する。ここで、図2は、冷房運転時における冷凍サイクル装置1内の冷媒の流れを示す図である。図3は、冷房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力-エンタルピ線図である。図4は、暖房運転時における冷凍サイクル装置1内の冷媒の流れを示す図である。図5は、暖房運転時の冷凍サイクルが図示された圧力-エンタルピ線図である。図6は、メイン冷媒回路20とサブ冷媒回路80との連動制御を示すフローチャートである。図7は、冷房運転時のメイン膨張機構27の入口におけるメイン冷媒の温度Th1及びサブ利用側熱交換器85の出口におけるサブ冷媒の温度Ts1によるメイン冷媒回路20の成績係数の変化を示す図である。
冷房運転時は、第1メイン流路切換機構23が図2の実線で示されるメイン冷却運転状態に切り換えられ、かつ、第2メイン流路切換機構24が図2の実線で示される中間熱交放熱状態に切り換えられる。また、第1メイン流路切換機構23がメイン冷却運転状態に切り換えられるため、第1下流側メイン膨張機構44が閉じられる。また、冷房運転時は、サブ冷媒回路冷却動作を行うため、サブ流路切換機構82が図2の実線で示されるサブ冷却運転状態に切り換えられる。
暖房運転時は、第1メイン流路切換機構23が図4の破線で示されるメイン加熱運転状態に切り換えられ、かつ、第2メイン流路切換機構24が図4の破線で示される中間熱交バイパス状態に切り換えられる。また、第1メイン流路切換機構23がメイン加熱運転状態に切り換えられるため、第1下流側メイン膨張機構44が開けられる。また、暖房運転時は、サブ冷媒回路加熱動作を行うため、サブ流路切換機構82が図4の破線で示されるサブ加熱運転状態に切り換えられる。
次に、上記のサブ冷媒回路冷却動作を伴う冷房運転時及びサブ冷媒回路加熱動作を伴う暖房運転時におけるメイン冷媒回路20とサブ冷媒回路80との連動制御について説明する。
図6に示すように、制御部9は、ステップST1において、冷房運転が選択されると、ステップST11において、サブ冷媒回路冷却動作を伴う冷房運転が開始されるが、このとき、メイン冷媒回路20においては、インジェクション膨張機構33が所定開度に設定され、サブ冷媒回路80においては、サブ圧縮機81が所定容量、かつ、サブ膨張機構84が所定開度に設定される。
図6に示すように、制御部9は、ステップST1において、冷房運転が選択されると、ステップST12において、サブ冷媒回路加熱動作を伴う暖房運転が開始されるが、このとき、メイン冷媒回路20においては、インジェクション膨張機構33が所定開度に設定され、サブ冷媒回路80においては、サブ圧縮機81が所定容量、かつ、サブ膨張機構84が所定開度に設定される。
次に、冷凍サイクル装置1の特徴について説明する。
ここでは、上記のように、メイン冷媒が循環するメイン冷媒回路20に従来と同様のインジェクション管31及びエコノマイザ熱交換器32を設けるだけでなく、メイン冷媒回路20とは別のサブ冷媒が循環するサブ冷媒回路80を設けている。
また、ここでは、インジェクション管31を流れるメイン冷媒を、多段圧縮機であるメイン圧縮機21、22の圧縮行程の途中部分(低段側圧縮要素21aと高段側圧縮要素22aとの間)に送ることができるため、メイン圧縮機21、22において冷凍サイクルにおける中間圧(MPh1)まで圧縮されたメイン冷媒の温度を低下させることができる。
また、ここでは、上記のように、冷却運転を行う際及び加熱運転を行う際のいずれにおいても、エコノマイザ熱交換器32に、メイン膨張機構27で減圧される前のメイン冷媒を流すことができるため、エコノマイザ熱交換器32におけるメイン冷媒の冷却能力を大きくすることができる。
サブ冷媒回路80がメイン冷媒回路20から独立して制御がなされると、冷房運転を行う際には、エコノマイザ熱交換器32におけるメイン冷媒の冷却熱量(図3の点F、G参照)とサブ利用側熱交換器85におけるメイン冷媒の冷却熱量(図3の点H、I参照)とのバランスが損なわれるおそれがある。また、暖房運転を行う際には、インジェクション管31を流れるメイン冷媒の流量とサブ利用側熱交換器85におけるメイン冷媒の加熱熱量(図5の点H、I)とのバランスが損なわれることがある。
また、ここでは、上記のように、メイン冷媒回路20とサブ冷媒回路80とを連動させる制御を行うにあたり、メイン冷媒回路20の成績係数COPに基づいてインジェクション膨張機構33及びサブ冷媒回路80の構成機器を制御している。
また、ここでは、上記のように、冷却運転を行う際に、メイン冷媒回路20の成績係数COPに基づいてインジェクション膨張機構33及びサブ冷媒回路80の構成機器を制御するにあたり、エコノマイザ熱交換器32の出口におけるインジェクション管31を流れるメイン冷媒の過熱度SHh1に基づいてインジェクション膨張機構33を制御している。
また、ここでは、上記のように、加熱運転を行う際に、メイン冷媒回路20の成績係数COPに基づいてインジェクション膨張機構33及びサブ冷媒回路80の構成機器を制御するにあたり、エコノマイザ熱交換器85の出口におけるインジェクション管31を流れるメイン冷媒の過熱度SHh1に基づいてインジェクション膨張機構33を制御している。
また、ここでは、上記のように、メイン冷媒として二酸化炭素を使用し、サブ冷媒として低GWPの冷媒や二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒を使用しているため、地球温暖化等の環境負荷を低減することができる。
<変形例1>
上記実施形態では、ステップST12、ST22において、制御部9が、エコノマイザ熱交換器32の出口におけるインジェクション管31を流れるメイン冷媒の過熱度SHh1に基づいてインジェクション膨張機構33の開度を制御しているが、これに限定されるものではない。
上記実施形態及び変形例1では、上流側メイン膨張機構27において減圧されたメイン冷媒をサブ利用側熱交換器85(第2サブ流路85b)に直接送る構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、図8に示すように、上流側メイン膨張機構27とサブ利用側熱交換器85との間に気液分離器51を設けてもよい。
上記実施形態及び変形例1、2では、複数のメイン圧縮機21、22によって、多段圧縮機を構成しているが、これに限定されるものではなく、圧縮要素21a、21bを有する1台のメイン圧縮機によって多段圧縮機を構成してもよい。
上記実施形態及び変形例1~3では、第1メイン圧縮機21と第2メイン圧縮機22との間にメイン冷媒を冷却する中間熱交換器26が設けられた構成を採用しているが、これに限定されるものではなく、中間熱交換器26が設けられていなくてもよい。
上記変形例4のように中間熱交換器26を有しない構成を採用する場合には、多段圧縮機をメイン圧縮機として採用しなくてもよい。例えば、図9に示すように、メイン圧縮機121として、圧縮行程の途中で外部からメイン冷媒を導入する中間インジェクションポート121bを有する圧縮要素121aを含む単段圧縮機を採用し、中間インジェクションポート121bにインジェクション管31を接続してもよい。
上記実施形態及び変形例1~5では、インジェクション管31がメイン圧縮機21、22やメイン圧縮機121の圧縮行程の途中部分(低段側圧縮要素21aと高段側圧縮要素22aとの間や中間インジェクションポート121b)にメイン冷媒を送るように接続されているが、これに限定されるものではなく、多段圧縮機の最も低段側に位置する第1メイン圧縮機21の吸入側や、単段圧縮機からなるメイン圧縮機121の吸入側にメイン冷媒を送るように接続されていてもよい。
9 制御部
20 メイン冷媒回路
21、22、121 メイン圧縮機
21a 低段側圧縮要素
22a 高段側圧縮要素
121a 圧縮要素
121b 中間インジェクションポート
23 第1メイン流路切換機構
25 メイン熱源側熱交換器
26 中間熱交換器
27 上流側メイン膨張機構
31 インジェクション管
32 エコノマイザ熱交換器
33 インジェクション膨張機構
72a、72b メイン利用側熱交換器
80 サブ冷媒回路
81 サブ圧縮機
82 サブ流路切換機構
83 サブ熱源側熱交換器
85 サブ利用側熱交換器
Claims (15)
- メイン冷媒を圧縮するメイン圧縮機(21、22、121)と、
前記メイン冷媒の放熱器又は蒸発器として機能するメイン熱源側熱交換器(25)と、
前記メイン冷媒の蒸発器又は放熱器として機能するメイン利用側熱交換器(72a、72b)と、
前記メイン熱源側熱交換器と前記メイン利用側熱交換器との間を流れる前記メイン冷媒を分岐して前記メイン圧縮機に送るインジェクション管(31)と、
前記メイン熱源側熱交換器と前記メイン利用側熱交換器との間を流れる前記メイン冷媒を前記インジェクション管を流れる前記メイン冷媒との熱交換によって冷却するエコノマイザ熱交換器(32)と、
前記メイン利用側熱交換器が前記メイン冷媒の蒸発器として機能するように前記メイン冷媒を循環させるメイン冷却運転状態と、前記メイン利用側熱交換器が前記メイン冷媒の放熱器として機能するように前記メイン冷媒を循環させるメイン加熱運転状態と、を切り換えるメイン流路切換機構(23)と、
を有する、メイン冷媒回路(20)を備えており、
前記メイン冷媒回路は、前記エコノマイザ熱交換器において冷却された前記メイン冷媒の冷却器又は加熱器として機能するサブ利用側熱交換器(85)を有しており、
サブ冷媒を圧縮するサブ圧縮機(81)と、
前記サブ冷媒の放熱器又は蒸発器として機能するサブ熱源側熱交換器(83)と、
前記サブ冷媒の蒸発器として機能して前記エコノマイザ熱交換器において冷却された前記メイン冷媒を冷却する、又は、前記サブ冷媒の放熱器として機能して前記エコノマイザ熱交換器において冷却された前記メイン冷媒を加熱する、前記サブ利用側熱交換器と、
前記サブ利用側熱交換器が前記サブ冷媒の蒸発器として機能するように前記サブ冷媒を循環させるサブ冷却運転状態と、前記サブ利用側熱交換器が前記サブ冷媒の放熱器として機能するように前記サブ冷媒を循環させるサブ加熱運転状態と、を切り換えるサブ流路切換機構(82)と、
を有する、サブ冷媒回路(80)を備えている、
冷凍サイクル装置(1)。 - 前記メイン圧縮機は、前記メイン冷媒を圧縮する低段側圧縮要素(21a)と、前記低段側圧縮要素から吐出された前記メイン冷媒を圧縮する高段側圧縮要素(22a)と、を含んでおり、
前記メイン冷媒回路は、中間熱交換器(26)を有しており、
前記中間熱交換器は、前記メイン流路切換機構を前記メイン冷却運転状態にしている場合に、前記低段側圧縮要素と前記高段側圧縮要素との間を流れる前記メイン冷媒の冷却器として機能し、前記メイン流路切換機構を前記メイン加熱運転状態にしている場合に、前記サブ利用側熱交換器において加熱された前記メイン冷媒の蒸発器として機能する、
請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン圧縮機は、前記圧縮行程の途中で外部から前記メイン冷媒を導入する中間インジェクションポート(121b)を有する圧縮要素(121a)を含んでおり、
前記インジェクション管は、前記中間インジェクションポートに接続されている、
請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン圧縮機は、前記メイン冷媒を圧縮する低段側圧縮要素(21a)と、前記低段側圧縮要素から吐出された前記メイン冷媒を圧縮する高段側圧縮要素(22a)と、を含んでおり、
前記インジェクション管は、前記高段側圧縮要素の吸入側に接続されている、
請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン冷媒回路は、前記エコノマイザ熱交換器と前記サブ利用側熱交換器との間にメイン膨張機構(27)を有している、
請求項1~4のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン冷媒回路及び前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する制御部(9)をさらに備えており、
前記制御部は、前記メイン冷媒回路と前記サブ冷媒回路とが連動するように前記メイン冷媒回路及び前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記インジェクション管は、インジェクション膨張機構(33)を有しており、
前記制御部は、前記メイン冷媒回路の成績係数に基づいて前記インジェクション膨張機構及び前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項6に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン流路切換機構を前記メイン冷却運転状態にし、かつ、前記サブ流路切換機構を前記サブ冷却運転状態にしている場合に、前記メイン膨張機構の入口における前記メイン冷媒の温度が第1メイン冷媒目標温度になるように前記インジェクション膨張機構の開度を制御した状態で、前記メイン冷媒回路の成績係数に基づいて前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項7に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン流路切換機構を前記メイン冷却運転状態にし、かつ、前記サブ流路切換機構を前記サブ冷却運転状態にしている場合に、前記エコノマイザ熱交換器の出口における前記インジェクション管を流れる前記メイン冷媒の過熱度が第1メイン冷媒目標過熱度になるように前記インジェクション膨張機構の開度を制御した状態で、前記メイン冷媒回路の成績係数に基づいて前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項7に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン膨張機構の入口における前記メイン冷媒の温度と前記メイン冷媒回路の成績係数と前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度との相関関係に応じて、前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度の目標値である第1サブ冷媒目標温度を設定し、前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度が前記第1サブ冷媒目標温度になるように前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項8又は9に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン流路切換機構を前記メイン加熱運転状態にし、かつ、前記サブ流路切換機構を前記サブ加熱運転状態にしている場合に、前記メイン膨張機構の入口における前記メイン冷媒の温度が第2メイン冷媒目標温度になるように前記インジェクション膨張機構の開度を制御した状態で、前記メイン冷媒回路の成績係数に基づいて前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項7~10のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン流路切換機構を前記メイン加熱運転状態にし、かつ、前記サブ流路切換機構を前記サブ加熱運転状態にしている場合に、前記エコノマイザ熱交換器の出口における前記インジェクション管を流れる前記メイン冷媒の過熱度が第2メイン冷媒目標過熱度になるように前記インジェクション膨張機構の開度を制御した状態で、前記メイン冷媒回路の成績係数に基づいて前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項7~10のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記メイン膨張機構の入口における前記メイン冷媒の温度と前記メイン冷媒回路の成績係数と前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度との相関関係に応じて、前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度の目標値である第2サブ冷媒目標温度を設定し、前記サブ利用側熱交換器の出口における前記サブ冷媒の温度が前記第2サブ冷媒目標温度になるように前記サブ冷媒回路の構成機器を制御する、
請求項11又は12に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン冷媒は、二酸化炭素であり、
前記サブ冷媒は、GWPが750以下のHFC冷媒、HFO冷媒、又は、HFC冷媒とHFO冷媒との混合冷媒である、
請求項1~13のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記メイン冷媒は、二酸化炭素であり、
前記サブ冷媒は、二酸化炭素よりも成績係数が高い自然冷媒である、
請求項1~13のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
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