JPWO2014112615A1 - 二元冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器、高温側アキュムレータを高温側冷媒配管を介して連通する高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、前記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器、低温側アキュムレータを低温側冷媒配管を介して連通する低温側冷凍回路と、前記高温側圧縮機の吐出側と前記高温側アキュムレータの入口側とを連絡する高温側バイパス回路と、前記高温側バイパス回路に設けられた高温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が所定の温度以下の場合、前記高温側バイパス弁を開く制御手段と、を備える。
Description
本発明の実施態様は、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置に関する。
従来より公知の二元冷凍サイクル装置は、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備え、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルが、１つのカスケード熱交換器（中間熱交換器）を共用し、高温側冷凍サイクルを循環する冷媒と、低温側冷凍サイクルを循環する冷媒とを、カスケード熱交換器で熱交換させ、高温側冷凍サイクルを循環する高温側冷媒により水または温水を加熱し、温水を生成している。
一般的に、外気温度が低いときに冷凍サイクルを起動すると、冷凍サイクルを構成する圧縮機内の冷凍機油の温度が低下する。そのため、圧縮機の起動による圧力上昇とともに冷媒の冷凍機油への溶解が進み、冷凍機油が希釈される。この冷凍機油の希釈が進むと、冷媒とともに圧縮機外に吐き出される冷凍機油の吐油量が増加し、圧縮機内の油面が低下して圧縮機構部の潤滑不足が発生しやすくなる。
特に、高温水を生成する二元冷凍サイクル装置の高温側冷凍サイクルにおいては、凝縮圧力上昇が早く、凝縮圧力も高いため、冷凍機油の希釈が促進されやすく、冷凍機油の吐油量が増加するという課題がある。
特に、高温水を生成する二元冷凍サイクル装置の高温側冷凍サイクルにおいては、凝縮圧力上昇が早く、凝縮圧力も高いため、冷凍機油の希釈が促進されやすく、冷凍機油の吐油量が増加するという課題がある。
上述の従来技術における鑑み、本発明の目的は、低外気温時の起動において、圧縮機外に吐き出される冷凍機油の吐油量を抑制することのできる二元冷凍サイクル装置を提供するものである。
上記課題を解決するために提供される本発明の実施態様による二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器、高温側アキュムレータを高温側冷媒配管を介して連通する高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、前記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器、低温側アキュムレータを低温側冷媒配管を介して連通する低温側冷凍回路と、前記高温側圧縮機の吐出側と前記高温側アキュムレータの入口側とを連絡する高温側バイパス回路と、前記高温側バイパス回路に設けられた高温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が所定の温度以下の場合、前記高温側バイパス弁を開く制御手段と、を備えたことを特徴とする。
上記の特徴を有する二元冷凍サイクル装置は更に以下の好適な実施態様を有することが望ましい。
更に前記低温側圧縮機の吐出側と前記低温側アキュムレータの入口側とを連絡する低温側バイパス回路と、前記低温側バイパス回路に設けられた低温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が所定値以下の場合、前記低温側バイパス弁を開く制御手段と、を備えることが望ましい。
また、前記制御手段は、前記高温側バイパス弁が開いている間、前記高温側圧縮機を所定の運転周波数で駆動させることが望ましい。
また、前記制御部は、入水温度と外気温度外気温度に基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じてバイパス回路を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路を開く高温側バイパス制御手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路に加えて低温側バイパス回路を開く低温側バイパス制御手段と、を備える。
なお、本発明による二元冷凍サイクル装置は、適用先に応じて本発明の精神を変えない限り、上述の実施の形態に限定されるものではない。
上記の特徴を有する二元冷凍サイクル装置は更に以下の好適な実施態様を有することが望ましい。
更に前記低温側圧縮機の吐出側と前記低温側アキュムレータの入口側とを連絡する低温側バイパス回路と、前記低温側バイパス回路に設けられた低温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が所定値以下の場合、前記低温側バイパス弁を開く制御手段と、を備えることが望ましい。
また、前記制御手段は、前記高温側バイパス弁が開いている間、前記高温側圧縮機を所定の運転周波数で駆動させることが望ましい。
また、前記制御部は、入水温度と外気温度外気温度に基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じてバイパス回路を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路を開く高温側バイパス制御手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路に加えて低温側バイパス回路を開く低温側バイパス制御手段と、を備える。
なお、本発明による二元冷凍サイクル装置は、適用先に応じて本発明の精神を変えない限り、上述の実施の形態に限定されるものではない。
上述の本発明の実施態様によれば、低外気温時の起動において、圧縮機外に吐き出される冷凍機油の吐油量を抑制することのできる二元冷凍サイクル装置を提供できる。
さらに、本実施形態における二元冷凍サイクル装置は、外気温度が低く冷凍機油の希釈が生じやすいときに、高温側バイパス回路を開放した状態で高温側圧縮機の運転を開始することにより、圧縮機内部に高温のガス冷媒を流入させて圧縮機内の冷凍機油の温度を上昇させることができる。これにより冷媒の冷凍機油への溶け込みを抑制し、希釈による冷凍機油の圧縮機外への排出量を抑えることができる。
本発明の実施態様による更なる効果、利点は添付図面を参照してなされた以下の記載からより明確にされるであろう。
さらに、本実施形態における二元冷凍サイクル装置は、外気温度が低く冷凍機油の希釈が生じやすいときに、高温側バイパス回路を開放した状態で高温側圧縮機の運転を開始することにより、圧縮機内部に高温のガス冷媒を流入させて圧縮機内の冷凍機油の温度を上昇させることができる。これにより冷媒の冷凍機油への溶け込みを抑制し、希釈による冷凍機油の圧縮機外への排出量を抑えることができる。
本発明の実施態様による更なる効果、利点は添付図面を参照してなされた以下の記載からより明確にされるであろう。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる二元冷凍サイクル装置の構成を示す冷凍サイクルの構成図である。高温水生成装置として用いられる二元冷凍サイクル装置Ｒは、筐体Ｋに搭載される高温側冷凍サイクルＲａと、低温側冷凍サイクルＲｂおよび制御部２０とから構成される。
図１は、本発明の実施形態にかかる二元冷凍サイクル装置の構成を示す冷凍サイクルの構成図である。高温水生成装置として用いられる二元冷凍サイクル装置Ｒは、筐体Ｋに搭載される高温側冷凍サイクルＲａと、低温側冷凍サイクルＲｂおよび制御部２０とから構成される。
高温側冷凍サイクルＲａは、冷媒を圧縮する高温側圧縮機１と、冷媒を凝縮する温水熱交換器２（高温側凝縮器）と、冷媒を減圧する高温側膨張装置３と、低温側冷凍サイクルＲｂの冷媒と熱交換するカスケード熱交換器４と、冷媒を気液分離するための高温側アキュムレータ５とを有し、これらが冷媒配管を介して順次連通される。
カスケード熱交換器４は、高温側冷凍サイクルＲａでは、高温側冷媒流路４ａを流れる冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。温水熱交換器２内には、高温側冷凍サイクルＲａの冷媒が流れる冷媒側流路２ａと、被加熱流体である水が流れる水側流路２ｂが設けられ、この水側流路２ｂが温水配管Ｈと連通する。温水配管Ｈには送水ポンプ１８が設けられる。
カスケード熱交換器４は、高温側冷凍サイクルＲａでは、高温側冷媒流路４ａを流れる冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。温水熱交換器２内には、高温側冷凍サイクルＲａの冷媒が流れる冷媒側流路２ａと、被加熱流体である水が流れる水側流路２ｂが設けられ、この水側流路２ｂが温水配管Ｈと連通する。温水配管Ｈには送水ポンプ１８が設けられる。
高温側圧縮機１の吐出側と高温側アキュムレータ５の入口側は、高温側バイパス回路６により連通される。高温側バイパス回路６には、開閉弁である高温側バイパス弁７が設けられる。
低温側冷凍サイクルＲｂは、冷媒を圧縮する低温側圧縮機１１と、加熱運転と除霜運転とで冷媒の流れる方向を切り換える四方弁１２と、カスケード熱交換器４と、冷媒を減圧する低温側膨張装置１３と、冷媒を蒸発させる空気熱交換器（低温側蒸発器）１４と、低温側アキュムレータ１５とを有し、これらが冷媒配管を介して順次連通される。
カスケード熱交換器４は、低温側冷凍サイクルＲｂでは、低温側冷媒流路４ｂを流れる冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。
空気熱交換器１４に対抗する位置には、この空気熱交換器１４に空気を送る送風機１９が設けられる。
カスケード熱交換器４は、低温側冷凍サイクルＲｂでは、低温側冷媒流路４ｂを流れる冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。
空気熱交換器１４に対抗する位置には、この空気熱交換器１４に空気を送る送風機１９が設けられる。
低温側圧縮機１１の吐出側と低温側アキュムレータ１５の入口側は、低温側バイパス回路１６により連通される。低温側バイパス回路１６には、開閉弁である低温側バイパス弁１７が設けられる。
本実施形態では、高温側冷凍サイクルＲａにおいてはＲ１３４ａ冷媒が使用され、低温側冷凍サイクルＲｂにおいてはＲ４１０Ａ冷媒が使用される。
高温側冷凍サイクルＲａに使用されるＲ１３４ａは、低温側冷凍サイクルＲｂに使用されるＲ４１０Ａと比較して、同一温度で飽和ガス密度、飽和圧力が低いため、高温水を生成可能な二元冷凍サイクル装置の高温側冷凍サイクルＲａに使用する冷媒として適している。
高温側冷凍サイクルＲａに使用されるＲ１３４ａは、低温側冷凍サイクルＲｂに使用されるＲ４１０Ａと比較して、同一温度で飽和ガス密度、飽和圧力が低いため、高温水を生成可能な二元冷凍サイクル装置の高温側冷凍サイクルＲａに使用する冷媒として適している。
また、冷凍機油については、高温側冷凍サイクルＲａの高温側圧縮機１においてはＰＶＥ（ポリビニルエーテル）が使用され、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側圧縮機１１においてはＰＯＥ（ポリオールエステル）が使用される。なお、高温側圧縮機１の冷凍機油として用いるＰＶＥは、高温時において、ＰＯＥよりも圧縮機構部の磨耗が少なく高温側圧縮機の冷凍機油として適している。その反面、ＰＶＥは、ＰＯＥに比べてＲ１３４ａ冷媒に解けやすいという性質を持っており、低外気温起動時に吐油量が増加するという性質を持っている。
このように構成された二元冷凍サイクル装置Ｒにおいて、後述する制御部（制御装置）２０により、高温側圧縮機１が駆動されることによる高温側冷凍サイクルＲａの運転と、低温側圧縮機１１が駆動されることによる低温側冷凍サイクルＲｂの運転とが行われる。さらに、温水配管Ｈの送水ポンプ１８が駆動されることにより温水熱交換器２の水側流路２ｂ内を水が流れる。この水は冷媒側流路２ａにおいて高温側冷媒から放熱される熱で温められて最高で９０℃程度の高温水となる。この温水は温水配管Ｈから温水を必要とする箇所に供給される。
尚、制御部２０と各構成要素との関係は図２に示される。
尚、制御部２０と各構成要素との関係は図２に示される。
高温側冷凍サイクルＲａと低温側冷凍サイクルＲｂとが運転されることにより、高温側冷媒流路４ａおよび低温側冷媒流路４ｂを含む熱交換器４において熱交換が行われ、高温側冷凍サイクルＲａの高温側冷媒が低温側冷凍サイクルＲｂの低温側冷媒から放熱された熱で温められる。これにより、高温側冷凍サイクルＲａでは、高温側圧縮機１に吸込まれる冷媒の温度が高くなり、高温側圧縮機１内の温度と圧力は、低温側圧縮機１１内の温度と圧力に比べて高くなり、温水熱交換器２の冷媒側流路２ａから放熱される熱量が多くなり、高温水の生成が可能となる。
次に、本発明の実施形態にかかる二元冷凍サイクル装置Ｒの制御部（制御装置）を図２のブロック図に基づき説明する。
該二元冷凍サイクル装置Ｒは、筐体Ｋの内部にＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成された制御部２０を備えている。
この制御部２０には、高温側圧縮機１駆動制御用インバータ回路２１、低温側圧縮機１１駆動制御用インバータ回路２２、送風機１９駆動制御用インバータ回路２３、高温側膨張装置３、低温側膨張装置１３、四方弁１２、高温側バイパス弁７、低温側バイパス弁１７、ポンプ１８が接続され、その動作がコントロールされる。
該二元冷凍サイクル装置Ｒは、筐体Ｋの内部にＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成された制御部２０を備えている。
この制御部２０には、高温側圧縮機１駆動制御用インバータ回路２１、低温側圧縮機１１駆動制御用インバータ回路２２、送風機１９駆動制御用インバータ回路２３、高温側膨張装置３、低温側膨張装置１３、四方弁１２、高温側バイパス弁７、低温側バイパス弁１７、ポンプ１８が接続され、その動作がコントロールされる。
制御部２０には、高温側圧縮機１および低温側圧縮機１１の吐出側に設けられる温度センサ３１ａ、３１ｂおよび圧力センサ３２ａ、３２ｂと、吸込側に設けられる温度センサ３３ａ、３３ｂおよび圧力センサ３４ａ、３４ｂと、温水熱交換器２の水側流路２ｂ入口側に設けられる入口水温センサ３５と、出口側に設けられる出口水温センサ３６と、カスケード熱交換器４に設けられる温度センサ（図示しない）と、空気熱交換器１４に設けられる温度センサ（図示しない）と、空気熱交換器１４の近傍に設けられる外気温度センサ３７が接続される。なお、図２においては、温度センサ３１ａ、入口水温センサ３５、外気温度センサ３７が制御部２０に接続された状態を示している。
高温側圧縮機１駆動制御用インバータ回路２１は、商用交流電源などの電源の電圧を整流し、それを制御部２０からの指令に応じた周波数の電圧に変換し、高温側圧縮機１の圧縮機モータ１Ｍに出力する。この出力が圧縮機モータ１Ｍの駆動電力となる。同様に低温側圧縮機１１駆動制御用インバータ回路２２が低温側圧縮機１１の圧縮機モータ１１Ｍを駆動し、送風機１９駆動制御用インバータ回路２３が送風機１９のファンモータ１９Ｍを駆動する。送水ポンプ１８についても送水ポンプ駆動制御用インバータ（図示しない）により駆動される。
制御部２０は、タッチパネルやリモートコントローラなどの操作部（共に図示しない）を介して入力される運転条件や各種センサからの検知信号などの情報に基づいて各部の動作条件を決定し、圧縮機モータ１Ｍ、１１Ｍ、ファンモータ１９Ｍ、四方弁１２、各膨張装置３、１３、および各バイパス弁７、１７、ポンプ１８などを駆動する。
上記の制御部２０は、主要な機能として次の（１）〜（４）の手段を有する。
（１） 起動時、入口水温センサ３５の検出信号から取得した入水温度Ｔｗｉと外気温度センサ３７の検出信号から取得した外気温度Ｔｏに基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段２０ａ。
（２） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じてバイパス回路６，１６を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段２０ｂ。
（３） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じて高温側バイパス回路６を開く高温側バイパス制御手段２０ｃ。
（４） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じて高温側バイパス回路６に加えて低温側バイパス回路１６を開く低温側バイパス制御手段２０ｄ。
（１） 起動時、入口水温センサ３５の検出信号から取得した入水温度Ｔｗｉと外気温度センサ３７の検出信号から取得した外気温度Ｔｏに基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段２０ａ。
（２） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じてバイパス回路６，１６を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段２０ｂ。
（３） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じて高温側バイパス回路６を開く高温側バイパス制御手段２０ｃ。
（４） 低外気温起動モード実行時、外気温度Ｔｏに応じて高温側バイパス回路６に加えて低温側バイパス回路１６を開く低温側バイパス制御手段２０ｄ。
以下、上記の二元冷凍サイクル装置Ｒの動作を図３、図４に基づき説明する。
図３は、二元冷凍サイクル装置Ｒの制御部２０が実行する処理のフローチャート、図４は、低外気温起動モードの外気温度と動作の関係を示す説明図である。
図３は、二元冷凍サイクル装置Ｒの制御部２０が実行する処理のフローチャート、図４は、低外気温起動モードの外気温度と動作の関係を示す説明図である。
オペレータが温水供給側に設けられた操作部、または、二元冷凍サイクル装置Ｒに設けられた操作部を操作するか、あるいは、いずれかの操作部に設定された運転スケジュールに応じて運転開始が指示されると、まず、制御部２０は、温水熱交換器２の水側流路２ｂの入口側に設けられた入口水温センサ３５によって検知される入水温度Ｔｗｉと、外気温度センサ３７によって検知される外気温度Ｔｏとを取得する。
そして、制御部２０は、入水温度Ｔｗｉが制御部２０に予め記憶された所定の温度Ｔｗｉｓ（例えば４０℃）より高く、且つ、外気温度Ｔｏが制御部２０に予め記憶された所定の温度Ｔ１（例えば２０℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１）。
そして、制御部２０は、入水温度Ｔｗｉが制御部２０に予め記憶された所定の温度Ｔｗｉｓ（例えば４０℃）より高く、且つ、外気温度Ｔｏが制御部２０に予め記憶された所定の温度Ｔ１（例えば２０℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１）。
ここで、冷凍機油は、圧縮機内の冷凍機油の温度が低下し、冷媒の圧力上昇が急な場合に希釈され易い。入水温度Ｔｗｉが４０℃以下のときは、高温側冷凍サイクルＲａの温水熱交換器２での凝縮圧力が高くないため、高温側圧縮機１を起動しても圧縮機内の圧力が急に上昇することがない。そのため、冷凍機油の温度が低い（外気温度Ｔｏが低い）場合でも冷凍機油の希釈は発生しにくい。また、外気温度Ｔｏが２０℃より高い場合は、圧縮機内の冷凍機油の温度が低下しないため、高温側冷凍サイクルＲａの温水熱交換器２での凝縮圧力が高い（入水温度Ｔｗｉが高い）場合でも冷凍機油の希釈は発生しにくい。従って、制御部２０は、入水温度Ｔｗｉが４０℃以下または外気温度Ｔｏが２０℃より高い場合（ステップＳ１でＮｏの場合）は低外気温起動モードを実行しない。
一方、入水温度Ｔｗｉが４０℃より高く、かつ、外気温度Ｔｏが２０℃以下の場合（ステップＳ１でＹｅｓの場合）は、制御部２０は、次に説明する低外気温起動モードを実行する。
一方、入水温度Ｔｗｉが４０℃より高く、かつ、外気温度Ｔｏが２０℃以下の場合（ステップＳ１でＹｅｓの場合）は、制御部２０は、次に説明する低外気温起動モードを実行する。
図４に示すように、制御部２０は、外気温度Ｔｏに応じてバイパス回路の開放時間やバイパス弁の開閉を制御する。
まず、制御部２０は、外気温度Ｔｏに応じてバイパス回路の開放時間（バイパス回路開放設定時間）Ｔｓを設定する。
まず、制御部２０は、外気温度Ｔｏに応じてバイパス回路の開放時間（バイパス回路開放設定時間）Ｔｓを設定する。
制御部２０は、外気温度Ｔｏが所定値Ｔ１〜Ｔ２の範囲（Ｔ２＜Ｔｏ≦Ｔ１）であるか否かを判断する（ステップＳ３）。ここで、Ｔ１は例えば２０℃であり、Ｔ２は−１０℃である。外気温度Ｔｏが−１０度より高く２０℃以下であれば（ステップＳ３におけるＹｅｓの場合）、制御部２０はステップＳ５に進んで高温側バイパス回路６の高温側バイパス弁７の開放時間ｔｓを所定時間ｔ１（例えば６分間）に設定する。
制御部２０は、ステップＳ３において、外気温度Ｔｏが−１０℃以下の場合（ステップＳ３におけるＮｏの場合）は、ステップＳ４に進んで外気温度Ｔｏが所定値Ｔ２〜Ｔ３の範囲（Ｔ３＜Ｔｏ≦Ｔ２）であるか否かを判断する。ここで、Ｔ３は例えば−１５℃である。
制御部２０は、外気温度Ｔｏが−１５℃より高く−１０℃以下であれば（ステップＳ４のＹｅｓの場合）、ステップＳ６に進んで高温側バイパス回路６の高温側バイパス弁７の開放時間ｔｓを所定時間ｔ２（例えば８分間）に設定する。
制御部２０は、外気温度Ｔｏが−１５℃より高く−１０℃以下であれば（ステップＳ４のＹｅｓの場合）、ステップＳ６に進んで高温側バイパス回路６の高温側バイパス弁７の開放時間ｔｓを所定時間ｔ２（例えば８分間）に設定する。
制御部２０は、外気温度Ｔｏが−１５℃以下の場合（ステップＳ４のＮｏの場合）は、ステップＳ７に進んで高温側バイパス回路６および低温側バイパス回路１６の各バイパス弁７、１７の開放時間ｔｓを所定時間ｔ３（例えば３０分間）に設定する。
制御部２０は、高温側バイパス回路６の高温側バイパス弁７を開いた後、高温側圧縮機１の運転を開始する（ステップ８）。さらにステップＳ９に進み、低温側圧縮機１１の運転を開始する。
高温側冷凍サイクルＲａの高温側バイパス弁７が開かれ、高温側圧縮機１が運転されることにより、高温側圧縮機１から吐出したガス冷媒の一部が、高温側バイパス回路６を介して高温側アキュムレータ５に流入する。高温側アキュムレータ５に流入したガス冷媒は、高温側圧縮機１に吸込まれ、圧縮機内の冷凍機油を温める。時間の経過とともに高温側圧縮機１から吐出するガス冷媒の温度が上昇していき、冷凍機油の温度も上昇する。
このとき、制御部２０は、温度センサ３１ａによって検知される吐出ガス冷媒の温度Ｔｄを取得し、この吐出ガス温度Ｔｄが所定の温度を超えたか否かを判断する（ステップＳ１２）。
本実施形態において、この所定の温度は、操作部で設定される出湯設定温度（目標設定温度）Ｔｗｏｓ（例えば９０℃）から所定値α（例えば１０℃）を引いた温度８０℃としている。
本実施形態において、この所定の温度は、操作部で設定される出湯設定温度（目標設定温度）Ｔｗｏｓ（例えば９０℃）から所定値α（例えば１０℃）を引いた温度８０℃としている。
制御部２０は、ステップ１２Ｓにおいて、吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃（Ｔｗｏｓ−１０℃）を越えると（ステップＳ１１においてＮｏの場合）、圧縮機１内の冷凍機油は十分に温められたと判断して高温側バイパス弁７を閉じる（ステップＳ１４）。
また、制御部２０は、吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃を超えていなくても（ステップＳ１１においてＹｅｓの場合）、高圧側バイパス回路６が開かれてからの経過時間ｔが、バイパス回路開放設定時間ｔｓ（ステップＳ５では６分間、ステップＳ６では８分間）を経過すると（ステップＳ１３のＹｅｓの場合）、圧縮機１内の冷凍機油は温められたと判断し、高温側バイパス弁７を閉じる（ステップＳ１４）。
また、制御部２０は、吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃を超えていなくても（ステップＳ１１においてＹｅｓの場合）、高圧側バイパス回路６が開かれてからの経過時間ｔが、バイパス回路開放設定時間ｔｓ（ステップＳ５では６分間、ステップＳ６では８分間）を経過すると（ステップＳ１３のＹｅｓの場合）、圧縮機１内の冷凍機油は温められたと判断し、高温側バイパス弁７を閉じる（ステップＳ１４）。
そして、制御部２０は、高温側バイパス弁７を閉じた後、低外気温起動モードを解除し（ステップＳ１５）、通常運転に移行する。
低外気温起動モード実行時、制御部２０は、高温側バイパス弁７が開かれている間、高温側圧縮機１を通常運転時の運転周波数よりも小さい運転周波数（例えば３０Ｈｚ）一定で駆動する。冷凍機油が希釈しやすい条件下において、高温側圧縮機１の運転周波数を急激に上昇させたり、高い運転周波数で駆動してしまうと、圧縮機外へ吐き出される冷凍機油の吐油量が増えてしまう。そのため、低外気温起動モード実行時は、高温側圧縮機１の運転周波数を３０Ｈｚに保持することで、圧縮機外へ吐き出される冷凍機油の吐油量を抑えることができる。
一方、低温側圧縮機１１は、高温側圧縮機１と比べると冷凍機油の希釈は生じにくいため、通常運転と同じ運転周波数で駆動される。低温側圧縮機１１までも低い運転周波数で駆動すると、低温側冷凍サイクルＲｂが高温側冷凍サイクルＲａへ与える熱が不足し、高温側冷凍サイクルＲａの立ち上がりに時間がかかってしまう。従って、高温側圧縮機１の吐出ガス温度Ｔｄを早く上昇させるため、低温側圧縮機１１は通常運転と同様に駆動される。
次に、外気温度Ｔｏが極めて低い場合の低外気温起動モードの動作について説明する。
外気温度Ｔｏが−１５℃（所定の温度Ｔ３）以下のような極めて低温の場合、高温側冷媒が高温側冷凍サイクルＲａ内で寝込むことで冷媒循環量が低下する上に、上述のように高温側バイパス弁７を開放し、高温側圧縮機１を低い運転周波数で駆動するため、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側冷媒がカスケード熱交換器４において放熱しきれない。そのため、低温側冷凍サイクルＲｂでの高圧側圧力が急激に上昇して、高圧スイッチ等の保護装置が作用し二元冷凍サイクル装置Ｒの運転が強制停止されてしまう。このように、外気温度Ｔｏが極めて低い状況下にあるときは、二元冷凍サイクル装置Ｒが運転できない場合がある。
外気温度Ｔｏが−１５℃（所定の温度Ｔ３）以下のような極めて低温の場合、高温側冷媒が高温側冷凍サイクルＲａ内で寝込むことで冷媒循環量が低下する上に、上述のように高温側バイパス弁７を開放し、高温側圧縮機１を低い運転周波数で駆動するため、低温側冷凍サイクルＲｂの低温側冷媒がカスケード熱交換器４において放熱しきれない。そのため、低温側冷凍サイクルＲｂでの高圧側圧力が急激に上昇して、高圧スイッチ等の保護装置が作用し二元冷凍サイクル装置Ｒの運転が強制停止されてしまう。このように、外気温度Ｔｏが極めて低い状況下にあるときは、二元冷凍サイクル装置Ｒが運転できない場合がある。
そこで、外気温度が極めて低い状況下にあっても二元冷凍サイクル装置Ｒが運転できるようにするため、制御部２０は、外気温度Ｔｏが−１５℃よりも低い場合（ステップＳ４のＮｏの場合）は、バイパス回路開放設定時間ｔｓを３０分間（ｔ３）に設定（ステップＳ７）した後、高温側バイパス弁７を開く（ステップＳ１０）とともに低温側バイパス弁１７を開く（ステップＳ１１）。
外気温度が極めて低い状況下では、高温側圧縮機１内の冷凍機油が温まり難いため、バイパス回路開放設定時間ｔｓを前述の６分間（ｔ１：ステップＳ５）や８分間（ｔ２：ステップＳ６）より長い３０分間（ｔ３）に設定している。
バイパス回路開放設定時間ｔｓを設定した後、制御部２０からの指令により、高温側バイパス回路６の高温側バイパス弁７を開いて高温側圧縮機１の運転を開始する（ステップＳ１０）。さらに制御部２０からの指令により、低温側バイパス回路１６の低温側バイパス弁１７を開いて低温側圧縮機１１の運転を開始する（ステップＳ１１）。
このとき、高温側圧縮機１は低い運転周波数（３０Ｈｚ一定）で駆動され、低温側圧縮機１１は通常運転の運転周波数で駆動される。
低温側バイパス弁１７が開かれることにより、低温側圧縮機１１から吐出したガス冷媒の一部が、低温側バイパス回路１６を介して低温側アキュムレータ１５に流入する。低温側アキュムレータ１５に流入したガス冷媒は、低温側圧縮機１１に吸込まれる。低温側圧縮機１１から吐出したガス冷媒の一部が低温側バイパス回路１６に流れることにより、低温側冷凍サイクルＲｂの高圧側圧力の急激な上昇を抑えることができ、低温側冷凍サイクルＲｂの高圧異常による強制停止を回避することができる。
制御部２０は、高温側圧縮機１の吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃（Ｔｗｏｓ−１０℃）を越えると（ステップＳ１２のＮｏ）、高温側圧縮機１内の冷凍機油は十分に温められたと判断して、高温側バイパス弁６および低温側バイパス弁１６を閉じるべく指令する（ステップＳ１４）。
また、制御部２０は、吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃（Ｔｗｏｓ−１０℃）を超えていなくても（ステップＳ１２のＹｅｓ）、高圧側バイパス弁７および低温側バイパス弁１７が開かれてからの経過時間ｔが３０分間（ｔｓ＝ｔ３）を経過すると（ステップＳ１３のＹｅｓ）、高温圧縮機１内の冷凍機油は温められたと判断し、それに従って高温側バイパス弁７および低温側バイパス弁１７を閉じる（ステップＳ１４）。
また、制御部２０は、吐出ガス冷媒温度Ｔｄが８０℃（Ｔｗｏｓ−１０℃）を超えていなくても（ステップＳ１２のＹｅｓ）、高圧側バイパス弁７および低温側バイパス弁１７が開かれてからの経過時間ｔが３０分間（ｔｓ＝ｔ３）を経過すると（ステップＳ１３のＹｅｓ）、高温圧縮機１内の冷凍機油は温められたと判断し、それに従って高温側バイパス弁７および低温側バイパス弁１７を閉じる（ステップＳ１４）。
次いで、制御部２０は、高温側バイパス弁７および低温側バイパス弁１７を閉じた後、低外気温起動モードを解除（ステップＳ１５）し、通常運転に移行する。
以上の構成によって、外気温度Ｔｏが極めて低い状況下であっても二元冷凍サイクル装置Ｒを運転することができる。
以上の構成によって、外気温度Ｔｏが極めて低い状況下であっても二元冷凍サイクル装置Ｒを運転することができる。
以上説明したように、本実施形態における二元冷凍サイクル装置Ｒは、外気温度が低く冷凍機油の希釈が生じやすいときに、高温側バイパス回路６を開放した状態で高温側圧縮機１の運転を開始することにより、圧縮機内部に高温のガス冷媒を流入させて圧縮機内の冷凍機油の温度を上昇させることができる。これにより冷媒の冷凍機油への溶け込みを抑制し、希釈による冷凍機油の圧縮機外への排出量を抑えることができる。
さらに、本実施形態における二元冷凍サイクル装置Ｒは、外気温度が極めて低い状況下にあっては、低温側冷凍サイクルＲｂのバイパス回路１６も開放することにより、低温側サイクルＲｂの高圧異常を防ぐことができる。
なお、本発明による二元冷凍サイクル装置Ｒは、温水生成装置に限定されるものではなく、適用先に応じて構成され、上述の実施の形態に限定されない。
例えば、低温側冷凍サイクルＲｂの空気熱交換器１４の代わりに、工場等の温排水から熱を吸収するような熱交換器を使用すれば、空気熱交換器１４のように熱交換器表面に着霜することがないため、低温側冷凍サイクルＲｂを逆サイクルとするための四方弁１２を除去することが可能になる。
また、高温側冷凍サイクルＲａおよび低温側冷凍サイクルＲｂで使用される冷媒はＲ１３４ａ，Ｒ４１０Ａに限らず、Ｒ３２、Ｒ２４５ｆａ、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ等の冷媒を使用してもよい。
以上、本実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、実施形態の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…高温側圧縮機、２…温水熱交換器、３…高温側膨張装置、４…カスケード熱交換器、５…高温側アキュムレータ、６…高温側バイパス回路、７…高温側バイパス弁、Ｒａ…高温側冷凍回路、１１…低温側圧縮機、１２…四方弁、１３…低温側膨張装置、１４…空気熱交換器、１５…低温側アキュムレータ、１６…低温側バイパス回路、１７…低温側バイパス弁、１８…送水ポンプ、Ｒｂ…低温側冷凍回路、Ｋ…筐体、２０…制御部（制御手段）、２１、２２、２３…インバータ装置。
上記課題を解決するために提供される本発明の実施態様による二元冷凍サイクル装置は、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器、高温側アキュムレータを高温側冷媒配管を介して連通する高温側冷凍回路と、低温側圧縮機、前記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器、低温側アキュムレータを低温側冷媒配管を介して連通する低温側冷凍回路と、前記高温側圧縮機の吐出側と前記高温側アキュムレータの入口側とを連絡する高温側バイパス回路と、前記高温側バイパス回路に設けられた高温側バイパス弁と、前記低温側圧縮機の吐出側と前記低温側アキュムレータの入口側とを連絡する低温側バイパス回路と、前記低温側バイパス回路に設けられた低温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が第１の温度以下の場合、前記高温側バイパス弁を開き、外気温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度以下の場合、さらに前記低温側バイパス弁を開く制御手段と、を備えたことを特徴とする。
上記の特徴を有する二元冷凍サイクル装置は更に以下の好適な実施態様を有することが望ましい。
また、前記制御手段は、前記高温側バイパス弁が開いている間、前記高温側圧縮機を通常運転時の運転周波数よりも小さい所定の運転周波数で駆動させることが望ましい。
また、前記制御部は、前記高温側凝縮器における被加熱流体の入口側の温度と外気温度に基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じてバイパス回路を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路を開く高温側バイパス制御手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路に加えて低温側バイパス回路を開く低温側バイパス制御手段と、を備える。
なお、本発明による二元冷凍サイクル装置は、適用先に応じて本発明の精神を変えない限り、上述の実施の形態に限定されるものではない。
上記の特徴を有する二元冷凍サイクル装置は更に以下の好適な実施態様を有することが望ましい。
また、前記制御手段は、前記高温側バイパス弁が開いている間、前記高温側圧縮機を通常運転時の運転周波数よりも小さい所定の運転周波数で駆動させることが望ましい。
また、前記制御部は、前記高温側凝縮器における被加熱流体の入口側の温度と外気温度に基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じてバイパス回路を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路を開く高温側バイパス制御手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路に加えて低温側バイパス回路を開く低温側バイパス制御手段と、を備える。
なお、本発明による二元冷凍サイクル装置は、適用先に応じて本発明の精神を変えない限り、上述の実施の形態に限定されるものではない。
Claims (4)
- 高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張装置、カスケード熱交換器、高温側アキュムレータを高温側冷媒配管を介して連通する高温側冷凍回路と、
低温側圧縮機、前記カスケード熱交換器、低温側膨張装置、低温側蒸発器、低温側アキュムレータを低温側冷媒配管を介して連通する低温側冷凍回路と、
前記高温側圧縮機の吐出側と前記高温側アキュムレータの入口側とを連絡する高温側バイパス回路と、
前記高温側バイパス回路に設けられた高温側バイパス弁と、
起動時に、外気温度が所定の温度以下の場合、前記高温側バイパス弁を開く制御手段と、
を備えたことを特徴とする二元冷凍サイクル装置。 - 前記低温側圧縮機の吐出側と前記低温側アキュムレータの入口側とを連絡する低温側バイパス回路と、前記低温側バイパス回路に設けられた低温側バイパス弁と、起動時に、外気温度が所定値以下の場合、前記低温側バイパス弁を開く制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
- 前記制御手段は、前記高温側バイパス弁が開いている間、前記高温側圧縮機を所定の運転周波数で駆動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二元冷凍サイクル装置。
- 前記制御部は、入水温度と外気温度外気温度に基づいて低外気温起動モードを実行するか否かを判定する低外気温起動モード選択手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じてバイパス回路を開く時間を設定するバイパス回路開放時間設定手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路を開く高温側バイパス制御手段と、低外気温起動モード実行時、外気温度に応じて高温側バイパス回路に加えて低温側バイパス回路を開く低温側バイパス制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の二元冷凍サイクル装置。
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