JP7412639B2 - 熱源ユニット - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle

Description

本開示は、熱源ユニットに関する。
熱源ユニットは、圧縮機で圧縮した冷媒を冷媒回路に送り出す。圧縮機には、モータや軸などの機械部品の駆動を円滑にするための冷凍機油が注入されている。圧縮機内の冷凍機油の一部は、冷媒とともに圧縮機から吐出される。冷媒回路に油分離器を設けることにより、冷媒とともに吐出された冷凍機油を冷媒から分離することができる。
国際公開第2019/026270号は、圧縮機の中間圧ポートに冷媒を注入するインジェクション流路に、油分離器で分離された冷凍機油を合流させる技術を開示する。
国際公開第2019/026270号
一般に、油分離器の油出口からは冷凍機油に冷媒が混ざって排出される。このため、油分離器の油出口から圧縮機の吸入ポートに冷凍機油を戻した場合、圧縮機から負荷ユニットに向けて吐出された高圧の冷媒の一部が負荷ユニットに流入する前に圧縮機の低圧側に戻る。その結果、熱源ユニットの冷凍能力が低下する。油分離器からの冷凍機油を中間圧ポートから圧縮機に戻すことにより、このような冷凍能力の低下が生じることを防止できる。
しかし、油分離器からの冷凍機油を中間圧ポートから圧縮機に流入させた場合、液冷媒の戻り時(いわゆる液バック時)に圧縮機の吸入ポート側の油が希釈されることによって、圧縮機内の機械部品の潤滑性が低下するおそれがある。
本開示は、このような課題を解決するものであり、熱源ユニットの性能が低下することを極力防止しつつ、圧縮機の冷凍機油不足を解消することを目的とする。
本開示は、膨張弁および第1熱交換器を含む負荷ユニットに接続されるように構成された冷凍装置の熱源ユニットに関する。熱源ユニットは、負荷ユニットに接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する第1流路と、第1流路に配置され、吸入ポートおよび中間圧ポートから冷媒を吸入し、吐出ポートから冷媒を吐出するように構成された圧縮機と、第1流路において圧縮機の下流に配置され、冷媒入口、冷媒出口および油出口を有する油分離器と、第1流路において油分離器の下流に配置される第2熱交換器と、第2熱交換器よりも下流の第1流路から分岐し、第2熱交換器を通過した冷媒を中間圧ポートから圧縮機に戻すように構成された第2流路と、油分離器の油出口から排出される冷凍機油の返油流路を第1返油流路と第2返油流路との間で切り替える切替機構とを備える。第1返油流路において、冷凍機油は第2流路を通じて中間圧ポートから圧縮機に戻る。第2返油流路において、冷凍機油は吸入ポートから圧縮機に戻る。
本開示によれば、熱源ユニットの性能が低下することを極力防止しつつ、圧縮機の冷凍機油不足を解消することができる。
実施の形態1に関わる冷凍装置の全体構成図である。 実施の形態1に関わる制御装置の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2に関わる冷凍装置の全体構成図である。 実施の形態2に関わる制御装置の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態3に関わる冷凍装置の全体構成図である。 実施の形態3に関わる制御装置の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態4に関わる冷凍装置の全体構成図である。 実施の形態4に関わる制御装置の制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態5に関わる冷凍装置の全体構成図である。 実施の形態5に関わる制御装置の制御を説明するためのフローチャートである。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に関わる冷凍装置301の全体構成図である。冷凍装置301は、熱源ユニット101と負荷ユニット201とを備える。熱源ユニット101は、通常、室外に配置されるので、室外ユニットと呼ばれることがある。熱源ユニット101は、本実施の形態では、熱を室外に排出する冷熱源として動作する。熱源ユニット101は負荷ユニット201と接続されている。
熱源ユニット101は、圧縮機1と、油分離器2と、第2熱交換器3と、第3熱交換器4と、インジェクション膨張弁5と、アキュムレータ8と、制御装置50とを備える。負荷ユニット201は、膨張弁6および第1熱交換器7を備える。
圧縮機1と、油分離器2と、第2熱交換器3と、第3熱交換器4とは、配管11~13により接続されている。アキュムレータ8と圧縮機1とは、配管16により接続されている。第3熱交換器4と接続される配管14は、負荷ユニット201の膨張弁6に接続されている。アキュムレータ8と接続される配管15は、負荷ユニット201の第1熱交換器7に接続されている。配管11~16は、負荷ユニット201に接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する第1流路を構成する。循環流路は、冷凍サイクルのメイン回路と呼ばれることがある。
圧縮機1は、吐出ポートG1と、吸入ポートG2と、中間圧ポートG3とを備える。圧縮機1は、モータや軸などの機械部品を備える。圧縮機1には冷凍機油が注入されている。冷凍機油は機械部品の潤滑性を維持する。
圧縮機1は、制御装置50からの制御信号に従って回転速度を調整するように構成される。圧縮機1の回転速度が調整されることによって冷媒の循環量が変化する。これにより、冷凍装置301の冷凍能力を調整することができる。
圧縮機1の吐出ポートG1からは高温高圧のガス状態の冷媒が吐出される。このとき、圧縮機1内の冷凍機油の一部が冷媒とともに吐出される。吐出ポートG1から吐出された冷媒および冷凍機油は油分離器2に向かう。
油分離器2は、冷媒入口P1と、冷媒出口P2と、油出口P3とを備える。吐出ポートG1から吐出された冷媒および冷凍機油は、冷媒入口P1から油分離器2に流入する。油分離器2は、冷媒と冷凍機油とを分離する。冷媒は、冷媒出口P2から排出された後、凝縮器として機能する第2熱交換器3に向かう。
第2熱交換器3は、油分離器2の下流に配置される。第2熱交換器3では、冷媒が外気と熱交換をすることによって凝縮する。凝縮した冷媒は負荷ユニット201に向かう前に第3熱交換器4に流入する。第3熱交換器4では、第2熱交換器3から配管13を通じて流入する冷媒と、配管14の分岐点aからインジェクション配管21,22を通じて流入する冷媒との間で熱交換が行われる。
インジェクション配管21とインジェクション配管22との間にはインジェクション膨張弁5が配置される。インジェクション膨張弁5は分岐点aから流入する冷媒を膨張させてから第3熱交換器4に流入させる。その結果、第2熱交換器3から排出された冷媒が、分岐点aを通って負荷ユニット201に向かう前に第3熱交換器4で冷却される。このように、第3熱交換器4は過冷却器として機能する。インジェクション配管22から第3熱交換器4に流入した冷媒は、インジェクション配管23を通って中間圧ポートG3から圧縮機1に戻る。
インジェクション配管21~23は、メイン回路を構成する第1流路とは別のインジェクション流路(第2流路)を構成する。インジェクション流路は、負荷ユニット201に向かう配管14の分岐点aから分岐し、第2熱交換器3を通過した冷媒を中間圧ポートG3から圧縮機1に戻すように構成されている。
インジェクション流路を設けることにより、圧縮機1から吐出された冷媒の温度を下げることができる。インジェクション膨張弁5は、外部から与えられる信号に応じて開度が変更される電子膨張弁である。インジェクション膨張弁5でインジェクション流路を流れる冷媒の流量を調整することによって、圧縮機1の吐出温度を制御することができる。このため、圧縮機1の吐出温度が過剰に上昇する状況において効率的な運転をすることが可能になる。
第3熱交換器4から排出された冷媒の流路は、分岐点aにおいて、配管14を通って負荷ユニット201に向かう流路と、インジェクション配管21に向かう流路とに分岐する。負荷ユニット201に向かった冷媒は、膨張弁6によって膨張した後、第1熱交換器7に流入する。第1熱交換器7に流入した冷媒は、庫内の空気から熱を吸収することで蒸発し、室内を冷却する。第1熱交換器7から排出された冷媒は、配管15を通って熱源ユニット101に戻る。熱源ユニット101に戻った冷媒は、アキュムレータ8に流入する。
アキュムレータ8は、圧縮機1の吸入ポートG2側に設置される。換言すると、アキュムレータ8は、圧縮機1の上流に配置される。アキュムレータ8はガス状態の冷媒と液状態の冷媒とを分離する。アキュムレータ8で分離されたガス状態の冷媒は、配管16を通って吸入ポートG2から圧縮機1に吸入される。
油分離器2で分離された冷凍機油の返油流路について説明する。油分離器2の油出口P3は、返油配管31と接続されている。返油配管31は、三方弁40によって返油配管32および返油配管33と接続されている。返油配管32はインジェクション配管23と接続されている。返油配管33は圧縮機1の吸入側の配管16と接続されている。
三方弁40は、油出口P3から排出された冷凍機油の流路を第1返油流路と第2返油流路との間で切り替える。第1返油流路は、冷凍機油が、返油配管31,32、およびインジェクション配管23を通じて中間圧ポートG3から圧縮機1に戻る流路である。第2返油流路は、冷凍機油が、返油配管31,33、および配管16を通って吸入ポートG2から圧縮機1に戻る流路である。三方弁40に変えて、2つの弁を組み合わせた機構によって、返油流路を第1返油流路と第2返油流路との間で切り替えるように構成してもよい。
油分離器2の油出口P3から排出される冷凍機油には冷媒も混ざっている。このため、第2返油流路を通じて吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油を戻した場合、冷凍機油に混ざった冷媒の量だけ負荷ユニット201側に流れる冷媒量が少なくなる。その結果、冷凍装置301の能力が低下する。
冷凍能力の低下を改善するためには、インジェクション流路の一部を含む第1返油流路を通じて中間圧ポートG3から圧縮機1に冷凍機油を戻すことが有効である。第1返油流路を用いることにより、低圧(吸入)側へ冷媒が流れることがない。その結果、冷凍装置301の冷凍能力が低下することを防止できる。このように、インジェクション流路を利用して冷凍機油を戻す方式はインジェクション返油方式と呼ばれることがある。
インジェクション返油方式では、圧縮機1のシェル内の中間部分に冷凍機油を返す。このため、圧縮機1のシェル内の中間部分に圧縮部が存在する場合、圧縮部には十分に油を供給することができる。しかし、圧縮部に供給された冷凍機油がモータの軸や軸受部等の機械部品に行き渡る前にガス状態の冷媒とともに圧縮機1から吐出されてしまうと、機械部品の潤滑性が不十分となる可能性がある。この可能性は、圧縮部よりも下方にモータが配置されている低圧シェルの圧縮機の場合に大きくなる。
一般に、圧縮機は、低圧シェルと高圧シェルとに分類される。低圧シェルでは、上述のとおり、密閉容器であるシェル内において圧縮部よりも下方にモータが配置されている。高圧シェルでは、シェル内において圧縮部よりも上方にモータが配置される。
圧縮機1を高圧シェルで構成した場合、圧縮されたガス状態の冷媒がシェル内を通過するため、中間圧ポートG3から圧縮機1に戻された冷凍機油はガス状態の冷媒とともにシェル内に行き渡る。ゆえに、圧縮機1を高圧シェルで構成した場合、機械部品に対する冷凍機油の供給は、中間圧ポートG3から圧縮機1に戻る冷凍機油に依存するところが大きい。
これに対して、圧縮機1を低圧シェルで構成した場合、圧縮されたガス状態の冷媒は、モータを通ることなく圧縮機1から吐出される。このため、中間圧ポートG3から圧縮機1に戻された冷凍機油もモータを潤すことなく、ガス状態の冷媒とともに圧縮機1から吐出されるおそれがある。ゆえに、圧縮機1を低圧シェルで構成した場合、機械部品に対する冷凍機油の供給は、吸入ポートG2から圧縮機1に戻る冷凍機油に加えて、圧縮機1の底部に設けたオイルタンクからの給油に依存するところが大きい。
圧縮機1を低圧シェルおよび高圧シェルのいずれで構成したとしても、圧縮機1の吸入ポートG2に液状態の冷媒の戻りが発生するような、いわゆる液バックが発生したときは、圧縮機1の吸入ポートG2側から戻る冷凍機油およびオイルタンク内の冷凍機油が液状態の冷媒により希釈される。これにより圧縮機1内の冷凍機油の濃度が低下してしまう。その結果、モータ、モータに関連する軸、および軸受部などの機械部品の潤滑が不十分となる。
このように液バックによって冷凍機油の濃度が低下する状況では、第2返油流路を通じて吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油を戻すことが有効である。吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油を戻すことによって、冷凍機油の濃度を維持することができる。ただし、第2返油流路を通じて吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油を戻した場合、冷凍能力が低下してしまう。しかし、液バックが解消した時点で再び冷凍機油を中間圧ポートG3から圧縮機1に戻すように返油流路を切り替えることにより、冷凍能力が低下する期間を最小限に抑えることができる。
そこで、熱源ユニット101は、液バックが生じていない場合には、インジェクション流路の一部を含む第1返油流路を通じて中間圧ポートG3から圧縮機1に冷凍機油を戻す。一方、熱源ユニット101は、運転中の負荷変動や蒸発器への着霜などにより液バックが生じた場合には、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える。これにより、第2返油流路を通じて吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油が戻る。
返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替えることにより、吸入ポートG2への返油量が増加する。その結果、液バックが発生したときに、冷凍機油の濃度が低下することを防止できる。
また、油分離器2から戻る高温の冷凍機油を圧縮機1の吸入ポートG2側の配管16に案内することにより、液状態の冷媒と高温の冷凍機油との間で熱交換が行われる。その結果、液状態の冷媒の蒸発が促進される。これにより、液バック状態を解消することができる。
熱源ユニット101は、液バックが解消すれば、返油流路を第2返油流路から第1返油流路に戻す。
三方弁40は、制御装置50により制御される。制御装置50は、液バックを検知した場合に、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える。制御装置50は、たとえば、圧縮機1が吸入する冷媒の過熱度(吸入スーパーヒート)が低下したことを検出することによって液バックの発生を特定する。
圧縮機1の吸入側の配管16には、温度センサ71と第1圧力センサ72とが設けられる。温度センサ71は、たとえば、吸入温度サーミスタにより構成されている。温度センサ71は、圧縮機1により吸入される冷媒の温度を検出する。第1圧力センサ72は、圧縮機1により吸入される冷媒の圧力を検出する。
制御装置50は、たとえば、第1圧力センサ72が検出した圧力に対応する飽和温度と、温度センサ71の検出温度との温度差から吸入スーパーヒートを算出する。なお、制御装置50は、圧縮機1が吐出する冷媒の過熱度が低下したことに基づいて液バックを検出してもよい。
制御装置50は、CPU(Central Processing Unit)51と、メモリ52と、各種信号を入出力するための入出力バッファ(図示せず)等を含んで構成される。メモリ52は、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含む。CPU51は、ROMに格納されているプログラムをRAM等に展開して実行する。ROMに格納されるプログラムは、制御装置50の処理手順が記されたプログラムである。制御装置50は、これらのプログラムに従って、熱源ユニット101における各機器の制御を実行する。
図2は、実施の形態1に関わる制御装置50の制御を説明するためのフローチャートである。制御装置50は、以下に説明するフローチャートの処理を実行することによって、返油流路を第1返油流路と第2返油流路との間で切り替える。
はじめに、制御装置50は、液バックが検出されているか否かを判定する(ステップS11)。具体的には、制御装置50は、ステップS11において、吸入スーパーヒートが第1閾値未満の場合に液バック有と判定する。第1閾値は、たとえば、10K(ケルビン)である。
制御装置50は、液バックが発生していないと判定した場合(ステップS11にてYES)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第2返油流路から第1返油流路に切り替える(ステップS12)。これにより、油分離器2の油出口P3から排出された冷凍機油および冷媒は、返油配管31,32およびインジェクション配管23を通って中間圧ポートG3から圧縮機1に戻る。このため、低圧(吸入)側へ冷媒が流出することがない。その結果、冷凍装置301の冷凍能力が低下することを防止できる。
なお、ステップS11においてYESと判定した時点において、既に返油流路が第1返油流路に設定されている場合、制御装置50は、第1返油流路の設定を維持する。
制御装置50は、液バックが発生していると判定した場合(ステップS11にてNO)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS13)。これにより、油分離器2の油出口P3から排出された冷凍機油および冷媒は、返油配管31,33および配管16を通って吸入ポートG2から圧縮機1に戻る。このため、液バックによって冷凍機油の濃度が低下することを防止できる。また、液状態の冷媒と高温の冷凍機油との間で熱交換が行われることにより、液状態の冷媒の蒸発を促進させ、液バック状態を解消することができる。
なお、ステップS11においてNOと判定した時点において、既に返油流路が第2返油流路に設定されている場合、制御装置50は、第2返油流路の設定を維持する。
制御装置50は、ステップS12またはステップS13の後、本フローチャートに基づく処理を終える。
制御装置50は、このように、三方弁40を制御することによって、通常は冷凍装置301の能力および性能を重視した運転が行なう一方で、液バック発生時には圧縮機1の信頼性を優先する運転に切り替えることができる。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に関わる冷凍装置302の全体構成図である。実施の形態2に関わる冷凍装置302は、返油配管31に第1流量調整弁61が追加されている点で実施の形態1に関わる冷凍装置301と異なる。実施の形態2に関わる冷凍装置302は、その他の構成の点では、実施の形態1に関わる冷凍装置301と同じである。第1流量調整弁61は、たとえば、電子膨張弁である。実施の形態2に関わる熱源ユニット102は、実施の形態1に関わる熱源ユニット101と同様に制御装置50を備える。
熱源ユニット102において、制御装置50は、三方弁40に加えて、第1流量調整弁61を制御する。制御装置50は、液バックの度合いに応じて第1流量調整弁61の開度を制御することにより、油分離器2から圧縮機1に戻す冷凍機油の量を調整する。制御装置50の制御の詳細をフローチャートに基づいて説明する。
図4は、実施の形態2に関わる制御装置50の制御を説明するためのフローチャートである。はじめに、制御装置50は、液バックが検出されているか否かを判定する(ステップS21)。制御装置50は、液バックが発生していないと判定した場合(ステップS21にてYES)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第2返油流路から第1返油流路に切り替える(ステップS22)。
ステップS21およびステップS22の処理の内容は、図2を用いて説明したステップS11およびステップS12の処理の内容と同じである。したがって、制御装置50は、吸入スーパーヒートが10K以上の場合に液バック無しと判定し、吸入スーパーヒートが10K以上の場合に液バック有と判定する。また、ステップS22の処理が実行されることにより、油分離器2の油出口P3から排出された冷凍機油および冷媒は、返油配管31,32およびインジェクション配管23を通って中間圧ポートG3から圧縮機1に戻る。このときの第1流量調整弁61の開度は一定の大きさとすることができる。たとえば、第1流量調整弁61の開度を最大の開度としてもよい。
制御装置50は、液バックが発生していると判定した場合(ステップS21にてNO)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS23)。これにより、油分離器2の油出口P3から排出された冷凍機油および冷媒は、返油配管31,33および配管16を通って吸入ポートG2から圧縮機1に戻る。
なお、ステップS21においてNOと判定した時点において、既に返油流路が第2返油流路に設定されている場合、制御装置50は、第2返油流路の設定を維持する。
次に、制御装置50は、液バックの度合いが軽度か否か判定する(ステップS24)。液バックの度合いは、たとえば、吸入スーパーヒートの大きさに基づいて判定することができる。たとえば、吸入スーパーヒートの大きさが第1閾値以上であれば液バックなしと判定し、吸入スーパーヒートの大きさが第2閾値以上で第1閾値未満であれば、軽度な液バックと判定し、吸入スーパーヒートの大きさが第2閾値未満であれば重度の液バックと判定することが考えられる。たとえば、第1閾値を10Kとし、第2閾値を5Kとしてもよい。
制御装置50は、液バックの度合いが軽度であると判定した場合(ステップS24にてYES)、第1流量調整弁61の開度を小さくする(ステップS25)。一方、制御装置50は、液バックの度合いが重度であると判定した場合(ステップS24にてNO)、第1流量調整弁61の開度を大きくする(ステップS26)。
たとえば、制御装置50は、「第1開度>第2開度>第3開度」が成立するように、第1流量調整弁61の開度を制御する。ここで、第1開度は、液バックが発生していないときの第1流量調整弁61の開度である。第2開度は、重度の液バックが発生しているときの第1流量調整弁61の開度である。第3開度は、軽度の液バックが発生しているときの第1流量調整弁61の開度である。
これら第1開度~第3開度は、固定値であってもよい。第1開度は、第1流量調整弁61を全開にする大きさであってもよい。また、制御装置50は、一定時間ごとに図4に示すフローチャートの処理を繰り返し実行した場合、状況に応じてステップS25およびステップS26で設定する開度を変動させてもよい。たとえば、制御装置50は、ステップS24において重度の液バックが発生していると判定し、ステップS26において第1流量調整弁61の開度を設定する。その後、制御装置50は、再び、フローチャートに基づく処理を実行する。このとき、ステップS24において重度の液バックが発生していると判定した場合、制御装置50は、ステップS26において第1流量調整弁61の開度を先に設定した開度よりも大きくしてもよい。
制御装置50は、ステップS22、ステップS25、またはステップS26の後、本フローチャートに基づく処理を終える。
実施の形態2に関わる熱源ユニット102によれば、実施の形態1に関わる熱源ユニット101と同様に、液バックが発生した場合、吸入ポートG2から圧縮機1に冷凍機油が戻る。その結果、液バックによって冷凍機油の濃度が低下することを防止できるとともに液状態の冷媒の蒸発を促進することができる。
しかも、実施の形態2に関わる熱源ユニット102によれば、液バックの度合いに応じて第1流量調整弁61の開度が調整される。具体的には、液バックの度合いが大きいと第1流量調整弁61の開度が大きくなり、液バックの度合いが小さいと第1流量調整弁61の開度が小さくなる。その結果、液バックの度合いが大きいと、より多くの冷凍機油が吸入ポートG2から圧縮機1に戻る。
既に説明したとおり、油分離器2の油出口P3からは冷凍機油のみならず、冷媒も排出される。このため、圧縮機1に戻す冷凍機油の量が増えるに連れて、負荷ユニット201に流れることなく圧縮機1に戻る冷媒の量も増える。
しかし、実施の形態2に関わる熱源ユニット102によれば、液バックの度合いに応じて第1流量調整弁61の開度が調整されるため、液バックおよび冷凍機油の濃度の低下という問題を解消するために必要な適切な量の冷凍機油を吸入ポートG2へ戻すことができる。換言すると、実施の形態2によれば、冷凍機油とともに吸入ポートG2から圧縮機1に戻ってしまう冷媒の量を削減しつつ、液バックなどを解消することができる。したがって、実施の形態2によれば、液バックの度合いに応じて圧縮機1に戻す冷凍機油の量を調整することにより、冷凍機油の濃度の適正化と液状態の冷媒の蒸発促進とを両立させつつ、冷凍サイクル能力が極力低下しないようにすることができる。
さらに、実施の形態2に関わる熱源ユニット102によれば、液バックが発生したときに、圧縮機1へ過度に冷凍機油が戻ることを抑制できるため、圧縮機1の故障の原因となる油圧縮が圧縮機1内で発生することを防止できる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に関わる冷凍装置303の全体構成図である。実施の形態3に関わる冷凍装置303は、第3返油流路が構成されている点で実施の形態2に関わる冷凍装置302と異なる。実施の形態3に関わる冷凍装置303は、その他の構成の点では、実施の形態2に関わる冷凍装置302と同じである。
実施の形態3に関わる冷凍装置303には、返油配管33の分岐点bと、負荷ユニット201から流れる冷媒をアキュムレータ8に案内する配管15とを接続する返油配管41が設けられる。第3返油流路は、返油配管33の分岐点bから分岐し、油分離器2から排出される冷凍機油が配管15を通ってアキュムレータ8に流れるように構成されている。
返油配管41には、第2流量調整弁62が設けられている。第2流量調整弁62は、たとえば、電磁弁である。実施の形態3に関わる熱源ユニット103は、実施の形態1に関わる熱源ユニット101と同様に制御装置50を備える。
熱源ユニット103において、制御装置50は、三方弁40および第1流量調整弁61に加えて、第2流量調整弁62を制御する。制御装置50は、通常時において第2流量調整弁62を閉じている。制御装置50は、液バックの度合いに応じて第1流量調整弁61の開度を制御することにより、油分離器2から圧縮機1に戻す冷凍機油の量を調整する。さらに、制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上になると、第2流量調整弁62を開く。制御装置50の制御の詳細をフローチャートに基づいて説明する。
図6は、実施の形態3に関わる制御装置50の制御を説明するためのフローチャートである。図6に示されるステップS31~ステップS35の処理は、実施の形態2として説明した図4のステップS21~ステップS25の処理と同じである。したがって、ここではそれらの説明を繰り返さない。
制御装置50は、重度の液バックが発生している場合、ステップS34においてNOと判定する。この場合、制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上か否かを判定する(ステップS36)。第1流量調整弁の61の開度が基準開度以上でない場合(ステップS36にてNO)、第1流量調整弁61の開度を大きくする(ステップS37)。
制御装置50は、ステップS37の後、ステップS31に戻って、処理を繰り返す。制御装置50は、再びステップS34に進んだときに、重度の液バックが発生していると判定すると、第1流量調整弁の61の開度が基準開度以上でない限り、ステップS37において第1流量調整弁61の開度をさらに大きくする。このような処理が繰り返されることにより、冷凍機油の戻り量が増加し続けるとともに、やがて、第1流量調整弁61の開度が予め設定しておいた基準開度以上となる。
重度の液バックが解消しないからといって、第1流量調整弁61の開度を制限なく大きくし続けると、圧縮機1に戻る冷凍機油の量が多くなり過ぎる。この場合、圧縮機1の故障の原因となる油圧縮が圧縮機1内で発生するおそれがある。
そこで、制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上となった場合(ステップS36にてYES)、第2流量調整弁62を開く(ステップS38)。
制御装置50が第2流量調整弁62を開くことにより、返油配管33を流れる冷凍機油の一部が返油配管33の分岐点bから返油配管41を通ってアキュムレータ8に流れる。これにより返油配管33から吸入ポートG2に向かう冷凍機油の量が減る。その結果、圧縮機1に戻る冷凍機油の量が過多になることを防止できる。図5に示されるように、配管15からアキュムレータ8に流入した冷凍機油はアキュムレータ8内に保持される。ゆえに、アキュムレータ8はオイルタンクの役割を兼ねる。
返油配管41からアキュムレータ8に向かう高温の冷凍機油は、配管15を含むメイン回路を流れる冷媒と熱交換する。このため、吸入ポートG2に向かう液状態の冷媒の蒸発が促進される。その結果、液バックを解消することができる。液バックを解消することで、圧縮機1の吸入側で冷凍機油の濃度が低くなり過ぎてしまうことも防止できる。
このように、第2流量調整弁62を開くことによって返油配管33から吸入ポートG2に向かう高温の冷凍機油の量が減ったとしても、吸入ポートG2よりも上流に配置されたアキュムレータ8付近で液状態の冷媒の蒸発を促進することができる。その結果、高温の冷凍機油により液バックを解消する効果を維持できる。
制御装置50は、ステップS38にて第2流量調整弁62を開いた後、再び、ステップS31の処理を実行する。液バックの度合いが重度の状態が継続している場合には、ステップS34でNOと判断され、さらに、ステップS36にてYESと判断される。その結果、第2流量調整弁62が開いた状態が維持される。やがて、液バックの度合いが軽度になると、制御装置50は、ステップS33~S35の処理を実行した後、第2流量調整弁62を閉じる(ステップS39a)。また、液バックが解消すると(ステップS31にてYES)、制御装置50は、ステップS32の処理を実行した後、第2流量調整弁62を閉じる(ステップS39b)。ステップS39aまたはステップS39bの後、制御装置50は、本フローチャートに基づく処理を終える。
実施の形態3に関わる熱源ユニット103によれば、実施の形態2に関わる熱源ユニット102と同様に、液バックの度合いに応じて第1流量調整弁61の開度が調整される。このため、実施の形態3に関わる熱源ユニット103は、実施の形態2に関わる熱源ユニット102によって奏される効果と同様の効果を発揮することができる。
さらに、実施の形態3に関わる熱源ユニット103によれば、重度の液バックが発生し、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上となったときに、第2流量調整弁62が開くことによって冷凍機油の一部がアキュムレータ8へ案内される。その結果、圧縮機1内に必要以上の冷凍機油が戻ることを防止できる。さらには、アキュムレータ8を含む循環流路に高温の冷凍機油を流すことで液状態の冷媒の蒸発を促し、液バックを解消することができる。
なお、実施の形態3において、第2流量調整弁62としては、第1流量調整弁61と同様に開度を調整できる弁を採用してもよい。
この場合、制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上になるまでは、第2流量調整弁62の開度を第1開度に制御する。たとえば、第1開度はゼロである。つまり、第1流量調整弁61が閉じた状態(全閉)である。あるいは第1開度は、ゼロを超える開度であってもよいが、閉じた状態に近いことが望ましい。
制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上となった場合に、第2流量調整弁62の開度を第1開度から第1開度よりも大きい第2開度に制御する。第2開度は、たとえば、第2流量調整弁62を全開させる開度である。しかし、制御装置50は、第1流量調整弁61の開度が基準開度以上となった場合に、第2流量調整弁62の開度を直ちに全開にせずに、段階的に第2流量調整弁62の開度を上げるように制御してもよい。
実施の形態3においては、図5に示されるように、返油配管41と配管15とが接続されている。しかしながら、返油配管41を直接、アキュムレータ8に接続してもよい。この場合でも、高温の冷凍機油によってアキュムレータ8内の温度が上昇することによって、メイン回路を流れる液状態の冷媒の蒸発を促進することができる。
実施の形態4.
図7は、実施の形態4に関わる冷凍装置304の全体構成図である。実施の形態4に関わる冷凍装置304は、圧縮機1に油面センサ74が設けられている点で実施の形態1に関わる冷凍装置301と異なる。実施の形態4に関わる冷凍装置304は、その他の構成の点では、実施の形態1に関わる冷凍装置301と同じである。油面センサ74は、圧縮機1内の冷凍機油の油面高さを検出する。
実施の形態4は、圧縮機1として低圧シェルの圧縮機を採用した場合に、特に、有用である。低圧シェルの圧縮機は、シェル内に冷凍機油を保有している。低圧シェルの圧縮機は、差圧や軸の回転により冷凍機油を吸い上げ、モータ等の駆動部および圧縮部に冷凍機油を供給する。油面センサ74を圧縮機1の適切な位置に設けることにより、圧縮部などに冷凍機油を供給できる高さまで圧縮機1の内部が冷凍機油で満たされているか否かを検出できる。実施の形態4に関わる熱源ユニット104は、実施の形態1に関わる熱源ユニット101と同様に制御装置50を備える。油面センサ74の検出値は、制御装置50に入力される。制御装置50の制御の詳細をフローチャートに基づいて説明する。
図8は、実施の形態4に関わる制御装置50の制御を説明するためのフローチャートである。はじめに、制御装置50は、圧縮機1内の油面の高さが予め設定した基準高さ以上か否かを判定する(ステップS41)。制御装置50は、圧縮機1内の油面の高さを油面センサ74の検出値に基づいて特定する。基準高さは、圧縮部などに十分な量の冷凍機油を供給できる高さまで圧縮機1の内部が冷凍機油で満たされているか否かを判定するための基準値である。基準高さの値は、圧縮機1のサイズおよび種類に応じて設定する。制御装置50のメモリ52には、基準高さの値が予め格納されている。
制御装置50は、圧縮機1内の油面の高さが基準高さ以上であると判定した場合(ステップS41にてYES)。三方弁40を制御することによって、返油流路を第2返油流路から第1返油流路に切り替える(ステップS42)。ステップS42の処理は、図2を用いて説明したステップS12の処理と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。
このように、制御装置50は、圧縮機1内に冷凍機油が十分にある場合、高効率で冷凍サイクルを運転するため、返油流路を第1返油流路に切り替えることにより、インジェクション流路を通じて中間圧ポートG3から圧縮機1に冷凍機油を戻す。
しかし、このように中間圧ポートG3から圧縮機1に冷凍機油を戻すことを継続すると、特に圧縮機1が低圧シェルである場合に問題が生じる。すなわち、中間圧ポートG3から低圧シェルの圧縮機1に戻った冷凍機油は、圧縮部に供給される。圧縮部に供給された冷凍機油は、圧縮されたガス状態の冷媒とともに圧縮機1から吐出されてしまう。また、圧縮機1内に存在している冷凍機油も圧縮機1の運転により巻き上げられて圧縮機1から吐出される。その結果、シェル内の油量は減少していく。
そこで、制御装置50は、シェル内の油量が一定量以下になったことを油面センサ74で間接的に特定する。制御装置50は、圧縮機1内の油面の高さが基準高さ以上でないと判定した場合(ステップS41にてNO)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS43)。これにより、冷凍機油は、吸入ポートG2から圧縮機1に戻る。その結果、シェル内への冷凍機油の戻り量が増加する。なお、ステップS43の処理は、図2を用いて説明したステップS13の処理と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。制御装置50は、ステップS42またはステップS43の後、本フローチャートに基づく処理を終える。
実施の形態4に関わる熱源ユニット104によれば、三方弁40を制御することによって、通常は冷凍装置304の能力および性能を重視した運転が行なう一方で、冷凍機油の量が不足しているときには圧縮機1の信頼性を優先する運転に切り替えることができる。
実施の形態5.
図9は、実施の形態5に関わる冷凍装置305の全体構成図である。実施の形態5に関わる冷凍装置305は、圧縮機1の吐出ポートG1に接続される配管11に第2圧力センサ73が設けられている点、および油面センサ74が設けられていない点で実施の形態4に関わる冷凍装置304と異なる。実施の形態5に関わる冷凍装置305は、その他の構成の点では、実施の形態4に関わる冷凍装置304と同じである。したがって、実施の形態5は、実施の形態4と同様、特に、低圧シェルの圧縮機に適用した場合に有用である。
実施の形態4に関わる熱源ユニット104は、圧縮機1内の冷凍機油の量が適正量であるか否かを油面センサ74の検出値で判定する。これに対して、実施の形態5に関わる熱源ユニット105は、圧縮機1内の冷凍機油の量が適正量であるか否かを圧縮機1の入力の大きさに基づいて判定する。
ここで、圧縮機1の入力の大きさは、たとえば、圧縮機1の消費電力量である。圧縮機1のモータが冷凍機油に浸った状態でモータを駆動すると、冷凍機油の粘性抵抗によりモータの回転動力が増加する。このため、圧縮機1内を満たす冷凍機油の量が多くなるにつれて、圧縮機1の消費電力が大きくなる。逆に、圧縮機1内の冷凍機油の量が少なくなるにつれてモータに対する冷凍機油の粘性抵抗が弱くなるため、圧縮機1の消費電力が小さくなる。圧縮機1を満たす冷凍機油の量が不十分で油面の高さが基準高さよりも低くなる場合には、圧縮機1の消費電力がその基準高さに応じた消費電力量よりも小さくなる。
そこで、実施の形態5に関わる熱源ユニット105は、圧縮機1内の冷凍機油の量が適正量であるか否かを圧縮機1の消費電力に基づいて判定する。圧縮機1の消費電力は、圧縮機1の吸入側(低圧側)の圧力、圧縮機1の吐出側(高圧側)の圧力、圧縮機1により吸入される冷媒の温度、および圧縮機1の回転数などから算出することができる。
第1圧力センサ72は、圧縮機1の吸入側の圧力を検出する。第2圧力センサ73は、圧縮機1の吐出側の圧力を検出する。温度センサ71は、圧縮機1により吸入される冷媒の温度を検出する。制御装置50は、これら各センサの検出値および圧縮機1の回転数に基づいて、圧縮機1の消費電力を算出する。制御装置50のメモリ52には、圧縮機1に適正量の冷凍機油が存在するときの圧縮機1の消費電力が基準電力値として予め格納されている。制御装置50の制御の詳細をフローチャートに基づいて説明する。
図10は、実施の形態5に関わる制御装置50の制御を説明するためのフローチャートである。はじめに、制御装置50は、圧縮機1の消費電力がメモリ52に格納されている基準電力値以上であるか否かを判定する(ステップS51)。圧縮機1の消費電力が基準電力値以上である場合には、圧縮機1に十分な量の冷凍機油が存在すると判断できる。
そこで、制御装置50は、圧縮機1の消費電力が基準電力値以上であると判定した場合(ステップS51にてYES)。三方弁40を制御することによって、返油流路を第2返油流路から第1返油流路に切り替える(ステップS52)。ステップS52の処理は、図2を用いて説明したステップS12の処理と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。
制御装置50は、圧縮機1の消費電力が基準電力値以上でないと判定した場合(ステップS51にてNO)、三方弁40を制御することによって、返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS53)。これにより、シェル内への冷凍機油の戻り量が増加する。その結果、圧縮機1内の冷凍機油の不足が解消される。なお、ステップS53の処理の詳細は、図2を用いて説明したステップS13の処理と同様であるので、ここではその説明を繰り返さない。制御装置50は、ステップS52またはステップS53の後、本フローチャートに基づく処理を終える。
実施の形態5に関わる熱源ユニット105によれば、三方弁40を制御することによって、通常は冷凍装置305の能力および性能を重視した運転が行なう一方で、冷凍機油の量が不足しているときには圧縮機1の信頼性を優先する運転に切り替えることができる。
[変形例]
実施の形態3に関する変形例を説明する。実施の形態3に関わる冷凍装置303は、図5に示されるように、第1流量調整弁61および第2流量調整弁62を備える。しかし、第1流量調整弁61および第2流量調整弁62を具備しないように冷凍装置303を構成してもよい。また、第1流量調整弁61を具備し、第2流量調整弁62を具備しないように冷凍装置303を構成してもよい。また、第1流量調整弁61を具備せず、第2流量調整弁62を具備するように冷凍装置303を構成してもよい。
たとえば、第1流量調整弁61および第2流量調整弁62を具備しないように冷凍装置303を構成した場合を考える。この場合、制御装置50が三方弁40を制御することによって、冷凍機油の返油流路は2つの流路の間で切り替えられる。一方の返油流路は、各実施の形態において説明した第1返油流路である。他方の返油流路は、実施の形態3において説明した第2返油流路および第2返油流路から分岐した第3返油流路である。このような構成に加えて、第1流量調整弁61を設けた場合には、油分離器2から排出される冷凍機油の量を調整することができるようになる。
また、第1流量調整弁61を具備せず、第2流量調整弁62を具備するように冷凍装置303を構成した場合、制御装置50が液バックの度合いに応じて第2流量調整弁62を開くか否かを判定するように構成してもよい。たとえば、制御装置50は、液バックの度合いが軽度であれば第2流量調整弁62を閉じる。制御装置50は、液バックの度合いが重度であれば第2流量調整弁62を開く。このとき、制御装置50は、液バックの程度に応じて、第2流量調整弁62の開度を調整してもよい。
(まとめ)
以上説明した実施の形態の特徴について説明する。
(1) 本開示は、膨張弁(6)および第1熱交換器(7)を含む負荷ユニット(201)に接続されるように構成された冷凍装置(301~305)の熱源ユニット(101~105)に関する。熱源ユニットは、負荷ユニットに接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する第1流路(11~16)と、第1流路に配置され、吸入ポート(G2)および中間圧ポート(G3)から冷媒を吸入し、吐出ポート(G1)から冷媒を吐出するように構成された圧縮機(1)と、第1流路において圧縮機の下流に配置され、冷媒入口(P1)、冷媒出口(P2)および油出口(P3)を有する油分離器(2)と、第1流路において油分離器の下流に配置される第2熱交換器(3)と、第2熱交換器よりも下流の第1流路から分岐し、第2熱交換器を通過した冷媒を中間圧ポートから圧縮機に戻すように構成された第2流路(21~23)と、油分離器の油出口から排出される冷凍機油の返油流路を第1返油流路(31,32,23)と第2返油流路(31,33,16)との間で切り替える切替機構(40)とを備える。第1返油流路において、冷凍機油は第2流路を通じて中間圧ポートから圧縮機に戻る。第2返油流路において、冷凍機油は吸入ポートから圧縮機に戻る。
(2) 切替機構は、吸入ポートに対する液状態の冷媒の戻り(液バック)が発生した場合に返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS13,S23,S33)。
(3) 熱源ユニットは、油出口から排出される冷凍機油の量を調整する第1流量調整弁(61)をさらに備える。
(4) 熱源ユニットは、第1流量調整弁を制御する制御装置(50)をさらに備える。制御装置は、液状態の冷媒の戻りの量に応じて第1流量調整弁の開度を調整する(ステップS24~ステップS26、ステップS34~ステップS36)。
(5) 制御装置は、圧縮機の吸入スーパーヒートに基づいて、液状態の冷媒の戻りの量を判定する(ステップS24,ステップS34)。
(6) 熱源ユニットは、第1流路において圧縮機の上流に配置されるアキュムレータ(8)と、第1返油流路から分岐し、油分離器から排出される冷凍機油がアキュムレータに流れるように構成された第3返油流路(41,15)とをさらに備える。
(7) 熱源ユニットは、油出口から排出される冷凍機油の量を調整する第1流量調整弁(61)と、第3返油流路への冷凍機油の流通量を調整する第2流量調整弁(62)とをさらに備える。
(8) 熱源ユニットは、第1流量調整弁と第2流量調整弁とを制御する制御装置(50)をさらに備え、制御装置は、第1流量調整弁の開度が基準開度以上となった場合に第2流量調整弁の開度を第1開度(たとえば、全閉)から第1開度よりも大きい第2開度(たとえば、全開)に変更する(ステップS38)。
(9) 熱源ユニットは、圧縮機の内部に存在する冷凍機油の油面の高さを検知する油面センサ(74)をさらに備え、切替機構は、冷凍機油の油面の高さが基準高さ未満となった場合に返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS43)。
(10) 切替機構は、圧縮機の消費電力が基準電力値未満となった場合に返油流路を第1返油流路から第2返油流路に切り替える(ステップS53)。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 圧縮機、2 油分離器、3 第2熱交換器、4 第3熱交換器、5 インジェクション膨張弁、6 膨張弁、7 第1熱交換器、8 アキュムレータ、11~16 配管、21~23 インジェクション配管、31~33,41 返油配管、40 三方弁、50 制御装置、51 CPU、52 メモリ、61 第1流量調整弁、62 第2流量調整弁、71 温度センサ、72 第1圧力センサ、73 第2圧力センサ、74 油面センサ、201 負荷ユニット、301~305 冷凍装置、101~105 熱源ユニット、G1 吐出ポート、G2 吸入ポート、G3 中間圧ポート、P1 冷媒入口、P2 冷媒出口、P3 油出口、a,b 分岐点。

Claims (7)

  1. 膨張弁および第1熱交換器を含む負荷ユニットに接続されるように構成された冷凍装置の熱源ユニットであって、
    前記負荷ユニットに接続されることによって、冷媒が循環する循環流路を形成する第1流路と、
    前記第1流路に配置され、吸入ポートおよび中間圧ポートから前記冷媒を吸入し、吐出ポートから前記冷媒を吐出するように構成された圧縮機と、
    前記第1流路において前記圧縮機の下流に配置され、冷媒入口、冷媒出口および油出口を有する油分離器と、
    前記第1流路において前記油分離器の下流に配置される第2熱交換器と、
    前記第2熱交換器よりも下流の前記第1流路から分岐し、前記第2熱交換器を通過した前記冷媒を前記中間圧ポートから前記圧縮機に戻すように構成された第2流路と、
    前記油分離器の前記油出口から排出される冷凍機油の返油流路を第1返油流路と第2返油流路との間で切り替える切替機構と、
    前記第1流路において前記圧縮機の上流に配置されるアキュムレータと、
    前記油出口と前記切替機構との間に設けられ、前記油出口から排出される前記冷凍機油の量を調整する第1流量調整弁と、
    前記第1返油流路から分岐し、前記油分離器から排出される前記冷凍機油が前記アキュムレータに流れるように構成された第3返油流路と、
    前記第3返油流路への前記冷凍機油の流通量を調整する第2流量調整弁とを備え、
    前記第1返油流路において、前記冷凍機油は前記第2流路を通じて前記中間圧ポートから前記圧縮機に戻り、
    前記第2返油流路において、前記冷凍機油は前記吸入ポートから前記圧縮機に戻り、
    前記切替機構の切替状態と、前記第2流量調整弁の状態とが組み合わせられることによって、前記第1流量調整弁から前記切替機構に前記冷凍機油が流入した場合に、前記第1返油流路~前記第3返油流路の各々を流れる前記冷凍機油の流量が調整される、熱源ユニット。
  2. 前記切替機構は、前記吸入ポートに対する液状態の前記冷媒の戻りが発生した場合に前記返油流路を前記第1返油流路から前記第2返油流路に切り替える、請求項1に記載の熱源ユニット。
  3. 前記第1流量調整弁を制御する制御装置をさらに備え、
    前記制御装置は、液状態の前記冷媒の戻りの量に応じて前記第1流量調整弁の開度を調整する、請求項1または請求項2に記載の熱源ユニット。
  4. 前記制御装置は、前記圧縮機の吸入スーパーヒートに基づいて、液状態の前記冷媒の戻りの量を判定する、請求項3に記載の熱源ユニット。
  5. 前記第1流量調整弁と前記第2流量調整弁とを制御する制御装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第1流量調整弁の開度が基準開度以上となった場合に前記第2流量調整弁の開度を第1開度から前記第1開度よりも大きい第2開度に変更する、請求項1に記載の熱源ユニット。
  6. 前記圧縮機の内部に存在する前記冷凍機油の油面の高さを検知する油面センサをさらに備え、
    前記切替機構は、前記冷凍機油の前記油面の高さが基準高さ未満となった場合に前記返油流路を前記第1返油流路から前記第2返油流路に切り替える、請求項1に記載の熱源ユニット。
  7. 前記切替機構は、前記圧縮機の消費電力が基準電力値未満となった場合に前記返油流路を前記第1返油流路から前記第2返油流路に切り替える、請求項1に記載の熱源ユニット。
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