JP7353514B1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

効率改善を図った冷凍サイクル装置を提供する。冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する中間冷却器と、前記中間冷却器を経た冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、前記高段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、前記中間冷却器による冷却量と前記放熱器による冷却量比率を変更する冷却量比率変更手段と、を備える。

Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。

近年、冷凍機や空気調和機などの性能を向上させるために二段圧縮の冷凍サイクル装置が採用されている。二段圧縮の冷凍サイクル装置では、低段側圧縮機から吐出された冷媒が中間冷却器に送られる。中間冷却器は、冷媒を放熱させて、冷却された冷媒を高段側圧縮機に送る。高段側圧縮機から吐出された冷媒は、凝縮器に送られる。凝縮器は、冷媒を放熱させて冷媒を凝縮させる。

特許文献１には、中間冷却器が凝縮器と一体化させた熱交換器を使用することで、熱交換器の構造を単純化させた冷凍装置が記載されている。

特許第６０９１５６７号公報

冷凍サイクル装置の効率改善が市場より要請されている。本開示の目的は、効率改善を図った冷凍サイクル装置を提供することにある。

詳細は後述するが、本発明者は、二段圧縮の冷凍サイクル装置の効率改善を図るために、中間冷却器と凝縮器の冷却量比率を諸条件に応じて変更することを見出し、以下に示す冷凍サイクル装置を案出した。

本開示の冷凍サイクル装置は、
冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する中間冷却器と、
前記中間冷却器を経た冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記高段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、
前記中間冷却器による冷却量と前記放熱器による冷却量の、冷却量比率を変更する冷却量比率変更手段と、を備える。

前記中間冷却器による冷却量と、前記凝縮器による冷却量の、冷却量比率を変更することで、中間冷却器と凝縮器のそれぞれの冷却性能を、全体的な冷却効率の観点から最適化できる。

これにより、二段圧縮の冷凍サイクルの効率改善を図った冷凍サイクル装置を提供できる。

第１実施形態の冷凍サイクル装置を示す図である。 中間冷却器と放熱器の冷却量比率とＣＯＰとの関係を示す図である。 第二実施形態の冷凍サイクル装置の一部分を示す図である。 図３のＡ１領域の拡大図であり、熱交換器を中間冷却器の一部として使用する場合を示す。 図３のＡ１領域の拡大図であり、熱交換器を放熱器の一部として使用する場合を示す。

［第１実施形態］
冷凍サイクル装置１０の第一実施形態について、図１を参照しながら説明する。なお、各図において、図面の寸法比と実際の寸法比とは、必ずしも一致していない。また、各図面間での寸法比も、必ずしも一致していない。

冷凍サイクル装置１０は、具体的には、空気調和機又は冷凍機であってもよい。空気調和機は、冷房運転、又は暖房運転等の空調を行う機械である。空気調和機は、ルームエアコン、パッケージエアコン、ビル用マルチエアコンを含む。

冷凍サイクル装置１０は、低段側圧縮機と高段側圧縮機の二段で冷媒を圧縮する、二段圧縮システムを採用している。冷凍サイクル装置１０は、冷媒Ｒ１を圧縮する低段側圧縮機２と、低段側圧縮機２から吐出された冷媒Ｒ２を冷却する中間冷却器４と、中間冷却器４を経た冷媒Ｒ２を圧縮する高段側圧縮機３と、高段側圧縮機３から吐出された冷媒Ｒ３を冷却する放熱器５と、蒸発器６と、気液分離器７と、減圧器（８，９）を備える。

低段側圧縮機２で圧縮された中間圧の冷媒Ｒ２が中間冷却器４で冷却され、冷却された後に高段側圧縮機３で冷媒Ｒ２がさらに圧縮されるため、冷凍サイクル装置１０は冷却効率に優れている。放熱器５を経て高段側減圧器８で減圧された冷媒Ｒ３は二相冷媒であり、気液分離器７で気体と液体に分離される。気液分離器７を経た液体の冷媒Ｒ４は低段側減圧器９で減圧され、蒸発器６で蒸発させて吸熱能力を発揮する。蒸発器６を経た冷媒Ｒ１は低段側圧縮機２に向かう。

気体の冷媒Ｒ５は中間冷媒であり、冷媒Ｒ５は、蒸発器６及び低段側圧縮機２をバイパスして高段側圧縮機３に送られる。これにより、低段側圧縮機２で圧縮するガス冷媒の量を減らすことができ、低段側圧縮機２の消費電力を抑えることができる。または、蒸発器６に流入する比エンタルピを下げることによる能力向上が可能である。気液分離器７は、気体と液体を分離する機能のほかに、余剰の冷媒を貯留する機能も有する。なお、気液分離器７は冷凍サイクル装置１０にとって必須の構成ではない。例えば、冷凍サイクル装置１０は、気液分離器７に代えてエコノマイザ回路を有していてもよい。

場所によって冷媒Ｒ１～Ｒ５と、冷媒に付した符号を異ならせているが、当然ながら、冷媒Ｒ１～Ｒ５は同じ物質である。本実施形態の冷媒Ｒ１～Ｒ５は、環境負荷を小さくするため、地球温暖化係数（ＧＷＰ）の小さい二酸化炭素冷媒を使用している。二酸化炭素以外の冷媒（例えば、フロン系冷媒や炭化水素系冷媒）を使用してもよい。また、二酸化炭素冷媒と他の冷媒の混合冷媒を使用してもよい。

図１では、低段側圧縮機２及び高段側圧縮機３は、別体の圧縮機であるように示しているが、低段側圧縮機２及び高段側圧縮機３が一体化された圧縮機でもよい。一体化された圧縮機の場合、低段側圧縮機２と高段側圧縮機３の駆動源（例えば、モータ）が共有されていてもよい。低段側圧縮機２及び高段側圧縮機３は、例えば、レシプロ圧縮機、ロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機やスクロール圧縮機などである。

中間冷却器４と放熱器５として種々の熱交換器を使用できる。中間冷却器４は、主に低段側圧縮機２で温度上昇した冷媒を冷却し、放熱器５は、主に高段側圧縮機３で温度上昇した冷媒を冷却する。放熱器５は、凝縮器又はガスクーラとも呼ばれる。冷凍サイクル装置１０は、第一送風機１１と第二送風機１２とを有する。第一送風機１１及び第二送風機１２は、放熱器５（又は中間冷却器４）に対し空気を送風することにより、放熱器５（又は中間冷却器４）を通る冷媒の冷却を促進するか、又は、放熱器５（又は中間冷却器４）の熱を吸収した空気を吸引及び排出し、新たな空気を導くことにより、冷媒の冷却を促進する。第一送風機１１及び第二送風機１２は、いずれも、単独の送風ファンで構成されてもよいし、複数の送風ファンを組み合わせて構成されてもよい。

本実施形態において、中間冷却器４と放熱器５は一体化されている。そして、第一送風機１１は放熱器５の近傍に設けられ、実質的に放熱器５のみを冷却する。ここでいう「近傍」とは、第一送風機１１の送風方向に第一送風機１１と放熱器５を見たとき、第一送風機１１は放熱器５と重なる状態をいう。第二送風機１２は中間冷却器４と放熱器５の両方の近傍に設けられ、実質的に中間冷却器４と放熱器５の両方を冷却する。ここでいう「近傍」とは、第二送風機１２の送風方向に第二送風機１２と中間冷却器４及び放熱器５とを見たとき、第二送風機１２は中間冷却器４と放熱器５の両方に重なる状態をいう。なお、本明細書において、中間冷却器４と放熱器５の一体化とは、中間冷却器４の冷媒流路を囲む放熱構造と、放熱器５の冷媒流路を囲む放熱構造が、共有されているか、互いの放熱構造が熱伝達可能に接している状態をいう。放熱構造として、例えば、放熱フィンが配置されている、又は、熱伝導性部材が配置されていることが挙げられる。

上述の実施形態は、一例にすぎない。変形例として、第一送風機１１は放熱器５のみを冷却し、第二送風機１２は中間冷却器４のみを冷却してもよい。例えば、第一送風機１１及び第二送風機１２は、共に中間冷却器４と放熱器５の両方を冷却してもよい。第一送風機１１による中間冷却器４と放熱器５の冷却量比率と、第二送風機１２による中間冷却器４と放熱器５の冷却量比率が異なっていればよい。さらに、中間冷却器４と放熱器５は、一体化されていなくてもよい。

冷凍サイクル装置１０は、電気的な入力、制御、記憶、演算あるいは出力等を行う制御部１５を備えている。制御部１５は、第一送風機１１及び第二送風機１２と電気的に接続されており、第一送風機１１及び第二送風機１２の各送風量（回転速度、又は、回転停止若しくは回転開始）を調節できる。上述したように、第一送風機１１は放熱器５のみを冷却し、第二送風機１２は中間冷却器４と放熱器５の両方を冷却する。そのため、第一送風機１１及び第二送風機１２の各送風量を調節すると、中間冷却器４への送風量と放熱器５への送風量が変化する。よる冷却量と放熱器５による冷却量の、冷却量比率が変化する。よって、制御部１５は冷却量比率変更手段としての機能を備えている。

図２は、中間冷却器４と放熱器５の冷却量比率と、冷凍サイクル装置のＣＯＰ（Coefficent Of Performance、「成績係数」ともいう。）との関係を示す図である。横軸の冷却量比率は、中間冷却器４と放熱器５の合計冷却量に対する、中間冷却器４の冷却量の割合を示す。冷却量比率が大きくなるほど（図２の右に向かうほど）、中間冷却器４の冷却量の割合が増す。冷却量比率が小さくなるほど（図２の左に向かうほど）、放熱器５の冷却量の割合が増す。縦軸のＣＯＰが大きくなるほど（図２の上に向かうほど）、冷却性能が高いことを示す。

図２において、ある条件での冷却量比率とＣＯＰとの関係が曲線Ｃ１で示される。曲線Ｃ１は上に凸状を示し、ＣＯＰが最大となる点Ｐ１を有する。これは、ある条件において、冷却性能を最大化できる冷却量比率が存在することを示す。曲線Ｃ１とは異なる条件における前記関係が曲線Ｃ２で示される。曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２とは異なる条件における前記関係が曲線Ｃ３で示される。曲線Ｃ２はＣＯＰが最大となる点Ｐ２を有する。曲線Ｃ３はＣＯＰが最大となる点Ｐ３を有する。曲線Ｃ１～Ｃ３及び点Ｐ１～Ｐ３より、条件に応じた冷却量比率を設定することで、ＣＯＰを最大化できることがわかる。

前段落における「条件」として、中間冷却器４及び放熱器５が配置される外気温度（すなわち、中間冷却器４と放熱器５に送風される空気の温度）、並びに低段側圧縮機２及び高段側圧縮機３の回転数などが例示される。

図１に戻り、冷凍サイクル装置１０は、低段側圧縮機２から吐出される冷媒Ｒ２の物理量を検出するセンサ１６、中間冷却器４で冷却された冷媒Ｒ２の物理量を検出するセンサ１７、及び高段側圧縮機３から吐出される冷媒Ｒ３の物理量を検出するセンサ１８を備えている。これらのセンサ（１６，１７，１８）は制御部１５と電気的に接続されており、検出した物理量を制御部１５に伝える。センサが検出する物理量は、温度と圧力のうち少なくとも一方を含む。そして、センサ（１６，１７，１８）の検出値に基づいて、冷却量比率変更手段は、中間冷却器４と放熱器５の冷却量比率を制御する。センサ（１６，１７，１８）の検出値が変化すると、冷却量比率変更手段としての機能を有する制御部１５は、第一送風機１１及び第二送風機１２の各送風量を調節する。

冷凍サイクル装置１０の冷媒流路の他の箇所に冷媒の物理量を検出するセンサを配置してもよい。例えば、放熱器５で冷却された後の冷媒の物理量を検出し、中間冷却器４と放熱器５の合計冷却量を計測したり、センサ１８の検出結果と比較して放熱器５の冷却能力を計測したりしてもよい。例えば、中間冷却器４の吸込側の流路内の冷媒の物理量を検出し、センサ１６の検出結果と比較して中間冷却器４の冷却能力を計測してもよい。

［第二実施形態］
冷凍サイクル装置２０の第二実施形態について、図３を参照しながら説明する。第一実施形態の冷凍サイクル装置１０と異なる特徴を中心に説明する。第一実施形態の冷凍サイクル装置１０と同様の特徴については説明を省略する。

図３は、二段圧縮システムの冷凍サイクル装置２０における、低段側圧縮機２から放熱器５までの配管系統図を示している。図３における低段側圧縮機２、高段側圧縮機３、中間冷却器４及び放熱器５の配置は、図１のこれらの各機器（２，３，４，５）の配置と一見異なるように見えるが、これらの各機器（２，３，４，５）の配置に関して、図１と図３は等価である。

冷凍サイクル装置２０は、放熱器５及び中間冷却器４とは別の熱交換器２１を有する。そして、冷凍サイクル装置２０は、熱交換器２１に繋がる冷媒の流入路及び流出路を備える。熱交換器２１に繋がる冷媒の流入路及び当該流出路は、それぞれ、低段側圧縮機２の吐出流路と高段側圧縮機３の吐出流路に、逆止弁及び開閉弁を介して接続されている。各開閉弁を制御するアクチュエータは、制御部１５と電気的に接続されており、制御部１５は、各開閉弁の開閉を制御する。

熱交換器２１は、中間冷却器４の一部として機能させることもできるし、放熱器５の一部として機能させることもできる。熱交換器２１を中間冷却器４の一部として機能させる場合と、熱交換器２１を放熱器５の一部として機能させる場合とでは、中間冷却器４と放熱器５の冷却量比率が異なる。

図４Ａは、図３のＡ１領域を拡大した配管系統図であり、熱交換器２１を中間冷却器４の一部として機能する場合を示す。開閉弁（Ｖ１～Ｖ４）が白抜きのとき、当該開閉弁は開いていることを表す。開閉弁（Ｖ１～Ｖ４）が黒く塗りつぶされているとき、当該開閉弁は閉じていることを表す。この開閉弁の表記は、後述する図４Ｂにいても同様である。

中間冷却器４で冷却された冷媒Ｒ２は、開閉弁Ｖ１と開閉弁Ｖ４が閉じているため、熱交換器２１へ向かう。冷媒Ｒ２は熱交換器２１でさらに冷却され、開閉弁Ｖ３を通って高段側圧縮機３に向かう。なお、冷媒Ｒ２は、逆止弁Ｃ２を通って高圧の冷媒Ｒ３と合流することはできない。このようにして、熱交換器２１は中間冷却器４の下流に配置されたもう一つの中間冷却器として機能する。冷媒Ｒ２は中間冷却器４と熱交換器２１の両方で冷却されるので、中間冷却器４の冷却性能が相対的に高くなる。

図４Ｂは、図３のＡ１部を拡大した配管系統図であり、熱交換器２１を放熱器５の一部として機能する場合を示す。中間冷却器４で冷却された冷媒Ｒ２は、開閉弁Ｖ１を通って高段側圧縮機３に向かう。高段側圧縮機３から吐出された冷媒Ｒ３は、放熱器５に向かう。放熱器５で冷却された冷媒Ｒ３は、開閉弁Ｖ２が閉じており、開閉弁Ｖ４が開いているため、熱交換器２１に向かう。熱交換器でさらに冷却された冷媒Ｒ３は、開閉弁Ｖ３が閉じているため高段側圧縮機３に向かうことなく、逆止弁Ｃ２を通って気液分離器７（図４Ｂ、図３では不図示。図１参照）に向かう。なお、冷媒Ｒ２は、逆止弁Ｃ１を通って高圧の冷媒Ｒ３と合流することはできない。このようにして、熱交換器２１は放熱器５の下流に配置されたもう一つの放熱器として機能する。冷媒Ｒ３は放熱器５と熱交換器２１の両方で冷却されるので、放熱器５の冷却性能が相対的に高くなる。

制御部１５は、開閉弁（Ｖ１～Ｖ４）を制御して、熱交換器２１を、中間冷却器４の一部として機能させたり、又は放熱器５の一部として機能させたり、切り替えることができる。よって、制御部１５は冷却量比率変更手段としての機能を備えている。

中間冷却器４、熱交換器２１及び放熱器５は一体化されていてもよい。本明細書において、中間冷却器４、熱交換器２１及び放熱器５の一体化とは、中間冷却器４の冷媒流路を囲む放熱構造と、熱交換器２１の冷媒流路を囲む放熱構造と、放熱器５の冷媒流路を囲む放熱構造とが、共有されているか、互いの放熱構造が熱伝達可能に接している状態をいう。中間冷却器４と熱交換器２１のみが一体化されていてもよいし、熱交換器２１と放熱器５のみが一体化されていてもよい。

冷凍サイクル装置は、上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものではない。また、各実施形態を組み合わせることもできる。冷凍サイクル装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。

２ ：低段側圧縮機
３ ：高段側圧縮機
４ ：中間冷却器
５ ：放熱器
６ ：蒸発器
７ ：気液分離器
８，９：減圧器
１０，２０：冷凍サイクル装置
１１ ：第一送風機
１２ ：第二送風機
１５ ：制御部
１６～１８：センサ
２１ ：熱交換器
Ｃ１，Ｃ２：逆止弁
Ｒ１～Ｒ５：冷媒
Ｖ１～Ｖ４：開閉弁

Claims (4)

1. 冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
   前記低段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する中間冷却器と、
   前記中間冷却器を経た冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
   前記高段側圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、
   前記中間冷却器による冷却量と前記放熱器による冷却量の、冷却量比率を変更する冷却量比率変更手段と、を備え、
   前記放熱器及び前記中間冷却器とは別の熱交換器を有し、
   前記冷却量比率変更手段は、前記熱交換器を前記放熱器の一部又は前記中間冷却器の一部として機能させることにより、前記冷却量比率を変更する冷凍サイクル装置。
2. 前記放熱器と前記中間冷却器と前記熱交換器は一体化されている、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記低段側圧縮機から吐出された冷媒の温度若しくは圧力、前記中間冷却器を経た冷媒の温度若しくは圧力、又は前記高段側圧縮機から吐出された冷媒の温度若しくは圧力を検出するセンサを備え、
   前記センサの検出値が変化したとき、前記冷却量比率変更手段は前記冷却量比率を変更する、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒は、二酸化炭素冷媒である、請求項１又は２に記載の冷凍サイクル装置。

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