JPWO2011099074A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このため、必要な熱交換量を維持しながらCOPを高く維持することができ、省エネルギー化を図ることができる。
図1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1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13a、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁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、逆止弁13b、逆止弁13c、及び、逆止弁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、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2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、第2熱交換器としての2つの熱媒体間熱交換器15と、2つの絞り装置16と、2つの開閉装置17と、2つの第2冷媒流路切替装置18と、熱媒体送出装置としての2つのポンプ21と、4つの第1熱媒体流路切替装置22と、4つの第2熱媒体流路切替装置23と、4つの熱媒体流量調整装置25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冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図3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。また、図7は、冷凍サイクルの動作を示すP−h線図である。
低温・低圧の冷媒(図7の点A)が圧縮機10によって圧縮され、高温・高圧の超臨界状態の冷媒となって吐出される(図7の点B)。圧縮機10から吐出された高温・高圧の超臨界状態の冷媒は、第1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・高圧の超臨界状態の冷媒(図7の点C)となる。ガスクーラー内の冷媒は臨界点よりも上の超臨界状態であるため、冷媒はガスでも液でもない超臨界状態の冷媒のまま、温度が変化する。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・高圧の超臨界状態の冷媒は、開閉装置17aを経由した後に分岐されて絞り装置16a及び絞り装置16bで膨張させられて、低温・低圧の二相冷媒(図7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2熱媒体流路切替装置23a及び第2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冷媒(熱源側冷媒及び熱媒体)の流れる配管を示している。また、図4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・高圧の超臨界状態の冷媒(図7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・高圧の超臨界状態の冷媒は、第1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2冷媒流路切替装置18a及び第2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2熱媒体流路切替装置23a及び第2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・高圧の超臨界状態の冷媒(図7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・高圧の超臨界状態の冷媒は、第1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・高圧の超臨界状態の冷媒は、熱媒体間熱交換器バイパス配管4dを介し、第2冷媒流路切替装置18bを通ってガスクーラー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2熱媒体流路切替装置23a及び第2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6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・高圧の超臨界状態の冷媒(図7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・高圧の超臨界状態の冷媒は、第1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・高圧の超臨界状態の冷媒は、熱媒体間熱交換器バイパス配管4dを介し、第2冷媒流路切替装置18bを通ってガスクーラー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2熱媒体流路切替装置23a及び第2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。
擬似飽和温度および擬似凝縮温度について、図7の二酸化炭素のP−h線図(圧力−エンタルピー線図)を基に説明する。圧力が臨界圧力よりも低い場合は、亜臨界状態となり、冷媒はエンタルピーによりガス、二相、液と相変化を起こす。亜臨界状態で、ガス冷媒が冷却される、すなわち、エンタルピーが小さくなる、過程を考える。ガス冷媒は、冷却されて温度が低下し、飽和ガス線に至り、その後二相状態となる。冷媒が二相状態の場合、等圧力状態においては、エンタルピーが変化しても、冷媒の温度は変化せず、液の割合が増加する。そして、飽和液線に至って、液状態となり、エンタルピーの低下に従い、液冷媒の温度が低下する。熱交換器内の冷媒が亜臨界状態の場合は、二相状態が大半の領域を占め、凝縮器内においては、この二相状態の冷媒の温度である凝縮温度を、熱交換器出口のサブクール(過冷却度)を制御するための代表温度とする。すなわち、凝縮温度と凝縮器出口冷媒温度との温度差をサブクールとし、これが目標値になるように、絞り装置の開度を調整し、凝縮器を熱交換性能(COP)が高い状態に制御する。熱交換器内の液冷媒量が増加し過ぎると、加熱能力は増加するが、圧縮機の入力も増えるため、COPが悪化し、熱交換器内の液冷媒量が小さ過ぎると、凝縮器での熱交換量が低下すると共に、蒸発器での熱交換量も低下するため、熱交換能力を維持するために圧縮機の回転数が増加し、COPが悪化する。すなわち、熱交換器内の凝縮温度を最適値に制御することにより、COPを高く維持することができる。例えば、(1)式のように、サブクールの目標値(SCM)と現在のサブクール(SC)との偏差に、係数kSCを乗じて、絞り装置の開度の変化量(ΔN)を決めて、絞り装置の制御を行う。
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ている。
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を接続する配管5には水や不凍液等の熱媒体が流れている。
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器の一方に、超臨界状態の前記冷媒を流通させてガスクーラーとして動作させ、
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器の他方に、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る冷凍サイクル装置において、
前記ガスクーラー内の前記冷媒と熱交換させる熱媒体の流量を変化させる熱媒体送出装置と、
前記ガスクーラーの出口側から前記蒸発器に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記ガスクーラーの出口側の前記冷媒の温度を検出する出口温度センサーとを備え、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において、前記冷媒のエンタルピーが臨界点のエンタルピーとほぼ同じとなる第1代表点の冷媒温度と、前記出口温度センサーの検出温度との温度差に応じて、前記絞り装置の開度を制御し、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において前記第1代表点と異なる温度である第2代表点の温度に応じて、前記圧縮機の回転数または/および前記熱媒体送出装置の回転数を制御するものである。
Claims (16)
- 圧縮機と、第1熱交換器と、絞り装置と、第2熱交換器とを配管接続し、超臨界状態に遷移する冷媒を循環させる冷媒循環回路を備え、
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器の一方に、超臨界状態の前記冷媒を流通させてガスクーラーとして動作させ、
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器の他方に、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る冷凍サイクル装置において、
前記ガスクーラー内の前記冷媒と熱交換させる熱媒体の流量を変化させる熱媒体送出装置と、
前記ガスクーラーの出口側から前記蒸発器に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記ガスクーラーの出口側の前記冷媒の温度を検出する出口温度センサーと
を備え、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において所定のエンタルピーとなる第1代表点の冷媒温度と、前記出口温度センサーの検出温度との温度差に応じて、前記絞り装置の開度を制御し、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において前記第1代表点と異なる温度である第2代表点の温度に応じて、前記圧縮機の回転数または/および前記熱媒体送出装置の回転数を制御する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記第1代表点は、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において、前記冷媒のエンタルピーが臨界点のエンタルピーとほぼ同じとなる温度である
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の出口側から前記絞り装置に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記冷媒の高圧側の圧力を検知する圧力センサーを備え、
前記第1代表点は、
前記圧力センサーの検出圧力を用いて求められるものである
ことを特徴とする請求項1または2記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の出口側から前記ガスクーラーに至る流路の何れかの位置に設けられ、前記ガスクーラーの入口側の前記冷媒の温度を検出する入口温度センサーを備え、
前記第2代表点は、
前記出口温度センサーの検出温度と前記入口温度センサーの検出温度とを用いて求められるものである
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2代表点は、
前記出口温度センサーの検出温度と前記入口温度センサーの検出温度との平均温度、または、前記出口温度センサーの検出温度と前記入口温度センサーの検出温度とに所定の重み付け係数を乗じて求められる重み付け平均温度、である
ことを特徴とする請求項4記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2代表点は、
前記ガスクーラー内での冷媒圧力において、前記冷媒の定圧比熱が最大となる温度である
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の出口側から前記絞り装置に至る流路の何れかの位置に設けられ、前記冷媒の高圧側の圧力を検知する圧力センサーを備え、
前記第2代表点は、
前記圧力センサーの検出圧力を用いて求められるものである
ことを特徴とする請求項6記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1熱交換器または前記第2熱交換器に、圧力が臨界圧力よりも高い超臨界状態の前記冷媒を流通させてガスクーラーとして動作させる場合と、
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器に、圧力が臨界圧力よりも低い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る場合とで、
前記第1代表点および前記第2代表点の演算方法を異なるものとする
ことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1熱交換器または前記第2熱交換器に、圧力が臨界圧力よりも低い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る場合、
前記第2代表点は、
前記凝縮器内での冷媒圧力において、二相状態となる前記冷媒の飽和温度であり、
前記第1代表点は、
前記第2代表点の温度とほぼ同じ温度である
ことを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の出口側から前記第1熱交換器に至る流路と、前記圧縮機の出口側から前記第2熱交換器に至る流路とを切り替える第1冷媒流路切替装置を備え、
前記第1熱交換器は、室外機に収容され、
前記第1冷媒流路切替装置を切り替えて、
前記第1熱交換器に超臨界状態の前記冷媒を流通させてガスクーラーとして動作させ、前記第2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る冷房運転と、
前記第2熱交換器に超臨界状態の前記冷媒を流通させてガスクーラーとして動作させ、前記第1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る暖房運転と、を切り替える
ことを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1熱交換器は、室外機に収容され、前記熱媒体としての空気と前記冷媒とを熱交換し、
前記第2熱交換器は、1または複数設けられ、空調対象空間に設置される1または複数の室内機に収容され、前記熱媒体としての前記空調対象空間内の空気と前記冷媒とを熱交換する
ことを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 複数の利用側熱交換器を備え、
前記熱媒体送出装置、前記利用側熱交換器、及び、複数の前記第2熱交換器が接続されて熱媒体を循環させる熱媒体循環回路が形成され、
前記第1熱交換器は、室外機に収容され、空気と前記冷媒とを熱交換し、
前記複数の第2熱交換器は、前記熱媒体と前記冷媒とを熱交換し、
前記利用側熱交換器は、空調対象空間に設置される1または複数の室内機に収容され、前記熱媒体と前記空調対象空間内の空気とを熱交換する
ことを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2熱交換器に流入または流出する前記冷媒の流路を切り替える第2冷媒流路切替装置と、
前記複数の利用側熱交換器の出口側にそれぞれ設けられ、該利用側熱交換器の出口側と前記第2熱交換器との間の流路を切り替える第1熱媒体流路切替装置と、
前記複数の利用側熱交換器の入口側にそれぞれ設けられ、該利用側熱交換器の入口側と前記第2熱交換器との間の流路を切り替える第2熱媒体流路切替装置と、
前記利用側熱交換器と前記第1熱媒体流路切替装置との間、または、前記利用側熱交換器と前記第2熱媒体流路切替装置との間に設けられ、該利用側熱交換器を循環する前記熱媒体の流量を調整する熱媒体流量調整装置と、
を備えたことを特徴とする請求項12記載の冷凍サイクル装置。 - 前記複数の第2熱交換器の全てに前記圧縮機から吐出された高温・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、
前記複数の第2熱交換器の全てに低温・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、
前記複数の第2熱交換器の一部に前記圧縮機から吐出された高温・高圧の前記冷媒を流して前記熱媒体を加熱し、前記複数の第2熱交換器の他の一部に低温・低圧の前記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
を実行可能である
ことを特徴とする請求項12または13記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機、前記第1冷媒流路切替装置、および前記第1熱交換器は、室外機に収容され、
少なくとも前記絞り装置、前記第2熱交換器、および前記第2冷媒流路切替装置は、熱媒体変換機に収容され、
前記室外機、前記熱媒体変換機および前記室内機のそれぞれは、別体に形成され、互いに離れた場所に設置できる
ことを特徴とする請求項13または14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本の冷媒配管で接続した
ことを特徴とする請求項15記載の冷凍サイクル装置。
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