JPWO2011099067A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、熱源機と室内機の間に4本の水配管を接続し、冷却、加熱した水等を同時に供給し、室内機において冷房または暖房を自由に選択できる排熱回収型チラーと呼ばれる熱源側熱交換器も存在している(たとえば、特許文献2参照)。
また、室外機と熱交換器を持つ分岐ユニットとの間を2本の配管で接続し、室内機に2次冷媒を搬送するように構成されている空気調和装置も存在している(たとえば、特許文献4参照)。
特許文献4に記載されているような空気調和装置においては、熱交換後の1次冷媒が熱交換前の1次冷媒と同じ流路に流入しているため、複数の室内機を接続した場合に、各室内機にて最大能力を発揮することができず、エネルギー的に無駄な構成となっていた。また、分岐ユニットと延長配管との接続が冷房2本、暖房2本の合計4本の配管でなされているため、結果的に室外機と分岐ユニットとが4本の配管で接続されているシステムと類似の構成となっており、工事性が悪いシステムとなっていた。
これに加えて、上記に列挙された課題に対処することを補助的な目的としている。
前記第一の熱交換器に超臨界状態の前記冷媒を流通させて前記第一の熱交換器をガスクーラーとして、または、亜臨界状態の前記冷媒を流通させて凝縮器として動作させ、
前記第二の熱交換器に低圧二相状態の前記冷媒を流通させて蒸発器として動作させ、
前記冷媒回路内に、使用温度範囲内の全領域で非相溶性あるいは難相溶性を示す油、または、使用温度範囲内のある温度以上で非相溶性あるいは難相溶性を示しかつ同温度未満では相溶性を示す冷凍機油を封入し、
前記第一の熱交換器の出口側から前記絞り装置の入口側に至る流路のいずれかの位置に前記冷媒を2つ以上の流路に分流する分流装置を備え、
前記分流装置は、前記冷媒が亜臨界状態で運転されている時に液状態となっている位置に設置され、前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ水平方向またはほぼ鉛直上向き方向とされている。
この発明の実施の形態1について、図面に基づいて説明する。図1及び図2は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置の設置例を示す概略図である。図1及び図2に基づいて、空気調和装置の設置例について説明する。この空気調和装置は、冷媒(熱源側冷媒、熱媒体)を循環させる冷凍サイクル(冷媒循環回路A、熱媒体循環回路B)を利用することで各室内機が運転モードとして冷房モードあるいは暖房モードを自由に選択できるものである。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
室外機1には、圧縮機10と、四方弁等の第一の冷媒流路切替装置11と、熱源側熱交換器12と、アキュムレーター19とが冷媒配管4で直列に接続されて搭載されている。また、室外機1には、第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13(13a,13b,13c,13d)が設けられている。第1接続配管4a、第2接続配管4b、逆止弁13a〜13dを設けることで、室内機2の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機3に流入させる熱源側冷媒の流れを一定方向にすることができる。
室内機2には、それぞれ利用側熱交換器26が搭載されている。この利用側熱交換器26は、熱媒体配管5によって熱媒体変換機3の熱媒体流量調整装置25と第二の熱媒体流路切替装置23に接続するようになっている。この利用側熱交換器26は、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱媒体との間で熱交換を行ない、室内空間7に供給するための暖房用空気あるいは冷房用空気を生成するものである。
熱媒体変換機3には、2つの熱媒体間熱交換器15(15a,15b)と、2つの絞り装置16(16a,16b)と、2つの開閉装置17(17a,17b)と、2つの第二の冷媒流路切替装置18(18a,18b)と、流体送出装置である2つのポンプ21(21a,21b)と、4つの第一の熱媒体流路切替装置22(22a,22b,22c,22d)と、4つの第二の熱媒体流路切替装置23(23a,23b,23c,23d)と、4つの熱媒体流量調整装置25(25a,25b,25c,25d)と、が搭載されている。
図3は、空気調和装置100の全冷房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図3では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ冷熱負荷が発生している場合を例に全冷房運転モードについて説明する。なお、図3では、太線で表された配管が熱源側冷媒と熱媒体の流れる配管を示し、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
また、図7は、高圧側が超臨界状態に遷移する冷凍サイクルの動作を示すP−h線図、図8は、高圧側が亜臨界状態にて動作する冷凍サイクルの動作を示すP−h線図である。通常の環境条件では、図7に示す高圧側が超臨界状態となる冷凍サイクルになり、低温外気冷房運転(外気温が低い状態での冷房運転)時等においては、高圧が低い状態で運転されることになり、図8に示す亜臨界状態の冷凍サイクルになる。
低温・低圧の冷媒(図7または図8の点A)が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒となって吐出される(図7または図8の点B)。圧縮機10から吐出された高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、第一の冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12がガスクーラーまたは凝縮器として動作して室外空気に放熱しながら冷却され、中温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒(図7または図8の点C)となる。この点の冷媒が臨界点よりも上の超臨界状態である場合は、冷媒はガスでも液でもない超臨界状態の冷媒のまま、温度が変化し、亜臨界状態の冷媒の場合は、二相状態を経て液冷媒となる。熱源側熱交換器12から流出した中温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した中温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、開閉装置17aを経由した後に分流装置14で分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bに入り、そこで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒(図7または図8の点D)となる。
全冷房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第二の熱媒体流路切替装置23a及び第二の熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気から吸熱することで、室内空間7の冷房を行なう。
図4は、空気調和装置100の全暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図4では、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bでのみ温熱負荷が発生している場合を例に全暖房運転モードについて説明する。なお、図4では、太線で表された配管が熱源側冷媒と熱媒体の流れる配管を示し、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温・低圧の冷媒(図7または図8の点A)が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒(図7または図8の点B)となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、第一の冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、熱媒体間熱交換器バイパス配管4dを通った後、分岐されて第二の冷媒流路切替装置18a及び第二の冷媒流路切替装置18bを通って、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bのそれぞれに流入する。
全暖房運転モードでは、熱媒体間熱交換器15a及び熱媒体間熱交換器15bの双方で熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21a及びポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第二の熱媒体流路切替装置23a及び第二の熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。そして、熱媒体が利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bで室内空気に放熱することで、室内空間7の暖房を行なう。
図5は、空気調和装置100の冷房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図5では、利用側熱交換器26aで冷熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで温熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図5では、太線で表された配管が冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の循環する配管を示している。また、図5では、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温・低圧の冷媒(図7または図8の点A)が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒(図7または図8の点B)となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、第一の冷媒流路切替装置11を介して熱源側熱交換器12に流入する。そして、熱源側熱交換器12がガスクーラーまたは凝縮器として動作して、室外空気に放熱しながら冷却されて、熱源側熱交換器12から流出し、逆止弁13aを通って室外機1から流出し、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、熱媒体間熱交換器バイパス配管4dを介し、第二の冷媒流路切替装置18bを通ってガスクーラーまたは凝縮器として動作する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。また、冷房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第二の熱媒体流路切替装置23a及び第二の熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
図6は、空気調和装置100の暖房主体運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。この図6では、利用側熱交換器26aで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器26bで冷熱負荷が発生している場合を例に暖房主体運転モードについて説明する。なお、図6では、太線で表された配管が熱源側冷媒と熱媒体の循環する配管を示し、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。
低温・低圧の冷媒(図7または図8の点A)が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒(図7または図8の点B)となって吐出される。圧縮機10から吐出された高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、第一の冷媒流路切替装置11を通り、第1接続配管4aを導通し、逆止弁13bを通過し、室外機1から流出する。室外機1から流出した高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、冷媒配管4を通って熱媒体変換機3に流入する。熱媒体変換機3に流入した高温・高圧の超臨界状態または亜臨界状態の冷媒は、熱媒体間熱交換器バイパス配管4dを介し、第二の冷媒流路切替装置18bを通ってガスクーラーまたは凝縮器として動作する熱媒体間熱交換器15bに流入する。
暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15bで熱源側冷媒の温熱が熱媒体に伝えられ、暖められた熱媒体がポンプ21bによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。また、暖房主体運転モードでは、熱媒体間熱交換器15aで熱源側冷媒の冷熱が熱媒体に伝えられ、冷やされた熱媒体がポンプ21aによって熱媒体配管5内を流動させられることになる。ポンプ21a及びポンプ21bで加圧されて流出した熱媒体は、第二の熱媒体流路切替装置23a及び第二の熱媒体流路切替装置23bを介して、利用側熱交換器26a及び利用側熱交換器26bに流入する。
冷凍サイクルの冷媒回路内には、圧縮機10等の潤滑のために、冷凍機油が封入されている。冷凍機油は、圧縮機10から冷媒と一緒に吐出され、大部分は、圧縮機10の吐出側に設けられている油分離器(図示せず)によって、ガス冷媒と分離され、油分離器と圧縮機10の吸入側とを接続している油戻し配管(図示せず)によって、圧縮機10の吸入側に戻される。しかし、油分離器で分離されなかった冷凍機油は、冷媒と一緒に冷凍サイクル内を循環し、熱交換器12および15、絞り装置16を通って、圧縮機10へ戻される。
二酸化炭素冷媒が、低温外気冷房運転の場合等、高圧側が亜臨界状態となり、凝縮器出口側では、液冷媒になっている運転状態が想定される。先に述べた通り、亜臨界液冷媒においては、冷凍機油がPAGであってもPOEであっても、冷凍機油と液冷媒は分離し、凝縮器出口の温度では、冷凍機油の密度が液冷媒の密度よりも大きいため、冷凍機油は液冷媒の下に沈みながら、冷媒と共に冷凍サイクルの冷媒回路内を循環している。なお、冷凍機油がPAGの場合、PAG内には微量の冷媒しか溶けず、POEの場合はPOE内にはPAGの場合よりは少し多く冷媒が溶けているが、油リッチの層と液冷媒リッチな層に分離していることには変わりなく、どちらの油であっても、冷凍機油が液冷媒の下に沈みながら冷媒と共に冷凍サイクル内を循環していると言って問題ない。
以上説明したように、本実施の形態に係る空気調和装置100は、幾つかの運転モードを具備している。これらの運転モードにおいては、室外機1と熱媒体変換機3とを接続する冷媒配管4には熱源側冷媒が流れる。
本実施の形態に係る空気調和装置100が実行する幾つかの運転モードにおいては、熱媒体変換機3と室内機2を接続する熱媒体配管5には水や不凍液等の熱媒体が流れる。
Claims (13)
- 圧縮機と、第一の熱交換器と、絞り装置と、第二の熱交換器とが接続された冷媒回路を有し、前記冷媒回路内に超臨界状態に遷移する冷媒を流通させる冷凍サイクルを構成し、
前記第一の熱交換器に超臨界状態の前記冷媒を流通させて前記第一の熱交換器をガスクーラーとして、または、亜臨界状態の前記冷媒を流通させて凝縮器として動作させ、
前記第二の熱交換器に低圧二相状態の前記冷媒を流通させて蒸発器として動作させ、
前記冷媒回路内に、使用温度範囲内の全領域で非相溶性あるいは難相溶性を示す油、または、使用温度範囲内のある温度以上で非相溶性あるいは難相溶性を示しかつ同温度未満では相溶性を示す冷凍機油を封入し、
前記第一の熱交換器の出口側から前記絞り装置の入口側に至る流路のいずれかの位置に前記冷媒を2つ以上の流路に分流する分流装置を備え、
前記分流装置は、前記冷媒が亜臨界状態で運転されている時に液状態となっている位置に設置され、前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ水平方向またはほぼ鉛直上向き方向とされていることを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ水平方向であり、かつ、前記冷媒が前記分流装置から流出する方向がほぼ水平方向かつ前記分流装置への流入方向に対してほぼ直角な方向であることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ水平方向であり、かつ、前記冷媒が前記分流装置から流出する方向がほぼ水平方向かつ前記分流装置への流入方向に対してほぼ平行な方向であることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ鉛直上向きであり、かつ、前記冷媒が前記分流装置から流出する方向がほぼ水平方向かつ前記分流装置への流入方向に対してほぼ直角な方向であることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒が前記分流装置に流入する方向がほぼ鉛直上向きであり、かつ、前記冷媒が前記分流装置から流出する方向がほぼ鉛直上向きかつ前記分流装置への流入方向に対してほぼ平行な方向であることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記使用温度範囲内のある温度以上で非相溶性あるいは難相溶性を示しかつ同温度未満では相溶性を示す前記冷凍機油の、非相溶性あるいは難相溶性と相溶性との境界の温度は、−10度から15度の間の温度であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記圧縮機の出口側流路に、第一の冷媒流路切替装置を備え、前記第一の冷媒流路切替装置を切替えることにより、屋外または機械室に設置した熱源側熱交換器を前記第一の熱交換器として動作させる冷房運転と、前記熱源側熱交換器を前記第二の熱交換器として動作させる暖房運転と、を切り替えることが可能な請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第一の熱交換器または前記第二の熱交換器の一方の周囲に空気を流通させて屋外または機械室に設置した熱源側熱交換器として使用し、前記第一の熱交換器または前記第二の熱交換器の他方の周囲に空気を流通させて利用側熱交換器として使用し、
前記利用側熱交換器を複数の熱交換器から構成し、前記複数の利用側熱交換器のうちのそれぞれを収容し、空調対象空間を空気調和できる位置に設置された複数の室内機を備えたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 空気とは異なる熱媒体が流通し前記熱媒体と周囲空気との間で熱交換する利用側熱交換器を収容し、空調対象空間を空調できる位置に設置された複数の室内機と、
前記第一の熱交換器または前記第二の熱交換器の一方を、前記冷媒と周囲空気との間で熱交換するようにした熱源側熱交換器と、
前記第一の熱交換器または前記第二の熱交換器の他方を、前記冷媒と前記熱媒体との間で熱交換するようにした少なくとも2台の熱媒体間熱交換器と、
前記圧縮機の出口側流路を、前記熱源側熱交換器と前記熱媒体間熱交換器との間で切替える第一の冷媒流路切替装置と、
前記熱媒体間熱交換器の冷媒側流路を、前記圧縮機の出口側又は前記熱源側熱交換器の出口側と接続される高温高圧の前記冷媒が流れる高圧側流路と、前記圧縮機の入口側又は前記熱源側熱交換器の入口側と接続される低温低圧の冷媒が流れる低圧側流路との間で切替える第二の冷媒流路切替装置と、
前記熱媒体を前記熱媒体間熱交換器と前記利用側熱交換器との間で循環させる熱媒体送出装置と、
前記複数の利用側熱交換器の熱媒体流路の入口側または出口側に設置され前記利用側熱交換器に対する前記熱媒体の循環量を調整する複数の利用側流量制御装置と、
前記複数の利用側熱交換器の熱媒体側流路の入口側および出口側のそれぞれに設置された複数の熱媒体流路切替装置と、
を備えたことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 少なくとも前記圧縮機、前記複数の第一の冷媒流路切替装置および前記熱源側熱交換器を室外機に収容し、
少なくとも前記絞り装置、前記複数の熱媒体間熱交換器および前記複数の第二の冷媒流路切替装置を熱媒体変換機に収容し、
前記室外機と前記熱媒体変換機と前記室内機とは、それぞれ別体に形成されて互いに離れた場所に設置できるように構成されていることを特徴とする請求項9に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記複数の熱媒体間熱交換器のすべてに高温高圧の前記冷媒を流して前記熱媒体を加熱する全暖房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器のすべてに低温低圧の前記冷媒を流して前記熱媒体を冷却する全冷房運転モードと、前記複数の熱媒体間熱交換器の一部に高温高圧の冷媒を流して前記熱媒体を加熱しかつ前記複数の熱媒体間熱交換器の一部に低温低圧の冷媒を流して前記熱媒体を冷却する冷房暖房混在運転モードと、を備えたことを特徴とする請求項9または請求項10に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記室外機と前記熱媒体変換機とを2本の配管で接続したことを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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