JPWO2015140994A1 - 熱源側ユニット及び空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

負荷側ユニット300と配管接続して冷媒回路を構成する熱源側ユニット100であって、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機101と、蒸発器又は放熱器として機能する熱源側熱交換器103と、流入した冷媒を液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液状の冷媒が流出する液冷媒流出口が、熱源側熱交換器103が蒸発器として機能するときの冷媒流入側となる接続配管404と接続される気液分離器116と、気液分離器116においてガス状の冷媒が流出するガス冷媒流出口と熱源側熱交換器103が蒸発器として機能するときの冷媒流出側の配管とを接続する第6接続配管125と、第6接続配管125を通過する冷媒を制御する絞り装置117とを備えるものである。

Description

本発明は、複数の室内ユニット(負荷側ユニット)のそれぞれで冷房運転又は暖房運転を実行する運転(以下、冷暖混在運転と称する)が可能な熱源側ユニット等に関するものである。
従来から、熱源機(熱源側ユニット)に接続された複数台の負荷側ユニットにおいて、冷房と暖房とを混在して同時に運転可能な空気調和装置が存在する(例えば、特許文献1参照)。このような空気調和装置では、必要とする冷房負荷又は暖房負荷に応じて室外熱交換器が凝縮器又は凝縮器として働くよう流路を切替え、負荷側ユニットへの冷媒の供給は中継器によって切替えられている。
特開平4−359767号公報(第8頁、図1)
暖房運転中又は暖房負荷が主となる冷暖混在運転中において、熱源側ユニットへ流入する冷媒の乾き度は運転容量や冷暖比に応じて変化する。したがって冷媒中において、ガス状の冷媒(ガス冷媒)と液状の冷媒(液冷媒)の割合は変化しているが、冷媒の全量を室外熱交換器へ流していた。室外熱交換器での圧力損失は室外熱交換器を流れる冷媒流量に応じて増加するため、冷媒量が増加するに従い、室外熱交換器での圧力損失が大きくなり、圧縮機の吸入密度が低下する。圧縮機の吸入密度が低下すると、同一能力を発揮するために流量を維持しようとして駆動周波数が多くなる。したがって、結果として消費電力が増加し、装置全体における運転の省エネルギーの効果が低下するという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷媒回路における圧力損失を低下することで消費電力を抑制することができる熱源側ユニット等を提供することを目的としている。
本発明に係る熱源側ユニットは、負荷に対して能力供給を行う負荷側ユニットと配管接続して冷媒回路を構成する熱源側ユニットであって、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、蒸発器又は放熱器として機能する熱源側熱交換器と、流入した冷媒を液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液状の冷媒が流出する液冷媒流出口が、熱源側熱交換器が蒸発器のときの冷媒流入側の配管と接続される気液分離器と、気液分離器においてガス状の冷媒が流出するガス冷媒流出口と熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときの冷媒流出側の配管とを接続するバイパス配管と、バイパス配管における冷媒の通過を制御する絞り装置とを備えるものである。
本発明に係る熱源側ユニットによれば、気液分離器、バイパス配管及び絞り装置を備え、蒸発器となる室外熱交換器において通過させる必要がない分の冷媒をバイパスすることで、低圧流路において生じる圧力損失を低減することで圧縮機における冷媒の吸入密度低下を抑制し、消費電力を抑制することができる。
本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の全暖房運転モードの運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の暖房主体運転モードの運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷房運転比率と乾き度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の全冷房運転モードの運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷房主体運転モードの運転時の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
以下、発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置について図面等を参照しながら説明する。ここで、図1を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別等している複数の同種の機器等について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、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。そして、温度、圧力等の高低については、特に絶対的な値との関係で高低等が定まっているものではなく、システム、装置等における状態、動作等において相対的に定まるものとする。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態に係る空気調和装置500の冷媒回路構成の一例を示す概略構成図である。図1に基づいて、空気調和装置500の冷媒回路構成について説明する。この空気調和装置500は、例えばビル、マンション等に設置され、冷媒を循環させる冷凍サイクル(ヒートポンプサイクル)を利用して、冷暖混在運転を実行できるものである。
空気調和装置500は、熱源側ユニット100と、複数台(図1では2台)の負荷側ユニット300(負荷側ユニット300a、300b)と、冷媒制御ユニット200と、を有している。冷媒制御ユニット200は、熱源側ユニット100と負荷側ユニット300との間に設置され、冷媒の流れを切り換えることで、各負荷側ユニット300が冷房又は暖房を選択して実行することができる。ここで、空気調和装置500では、熱源側ユニット100と冷媒制御ユニット200とが2本の配管(高圧配管402、低圧配管401)で接続され、冷媒制御ユニット200と負荷側ユニット300とが2本の配管(液管406(液管406a、406b)、ガス管405(ガス管405a及び405b))で接続され、冷凍サイクルを形成している。
[熱源側ユニット100]
熱源側ユニット100は、負荷側ユニット300に冷熱又は温熱を供給する機能を有している。
熱源側ユニット100は、圧縮機101、流路切替え装置である四方切替え弁102、熱源側熱交換器103及びアキュムレータ104を搭載する。これらの機器を直列に接続し、メインの冷媒回路の一部を構成する。また、熱源側ユニット100は、逆止弁108、逆止弁109、逆止弁110、逆止弁111、逆止弁112、逆止弁113、逆止弁114、逆止弁115、第1接続配管120、第2接続配管121、第3接続配管122、第4接続配管123及び第5接続配管124を搭載する。このため、負荷側ユニット300の要求にかかわらず、冷媒制御ユニット200に流入させる冷媒の流れを一定方向にすることができる。第2接続配管121と第5接続配管124は気液分離器116を介して接続されており、バイパス配管となる気液分離器116のガス側流出配管として、第6接続配管125がアキュムレータ104の一次側に接続されている。第6接続配管125上には冷媒の流量を調整するための絞り装置117が設けられている。さらに、熱源側ユニット100には、開閉弁105(開閉弁105a及び開閉弁105b)、逆止弁107並びに熱源側ファン106が搭載されている。
圧縮機101は、低温・低圧のガス冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒として、系内に冷媒を循環させることによって空気調和に係る運転をさせるものである。圧縮機101は、例えば容量制御可能なインバータタイプの圧縮機等で構成するとよい。ただし、圧縮機101を容量制御可能なインバータタイプの圧縮機に限定するものではない。例えば一定速のタイプの圧縮機、インバータタイプと一定速タイプと組み合わせた圧縮機等で構成してもよい。
四方切替え弁102は、圧縮機101の吐出側に設けられ、冷房運転(全冷房運転モード又は冷房主体運転モード)時と暖房運転(全暖房運転モード又は暖房主体運転モード)時とで冷媒流路を切替える。そして、熱源側熱交換器103が運転モードに応じて蒸発器又は凝縮器として機能するように冷媒の流れを制御する。
熱源側熱交換器103(熱源側熱交換器103a及び熱源側熱交換器103b)は、熱媒体(例えば、周囲空気、水等)と冷媒との間で熱交換を行う。暖房運転時には蒸発器として機能して冷媒を蒸発・ガス化する。また、冷房運転時には凝縮器(放熱器)として機能して冷媒を凝縮・液化する。本実施の形態のように、熱源側熱交換器103が空冷式熱交換器であれば、熱源側ファン106等の送風機を有している。例えば、後述する制御装置118は、熱源側ファン106の回転数を制御して熱源側熱交換器103の凝縮能力又は蒸発能力を制御する。また、熱源側熱交換器103が水冷式熱交換器であれば、水循環ポンプ(図示せず)の回転数を制御して熱源側熱交換器103の凝縮能力又は蒸発能力を制御する。アキュムレータ104は、圧縮機101の吸入側に設けられ、液冷媒とガス冷媒とを分離する機能と余剰冷媒を貯留する機能とを有している。
第1接続配管120は、逆止弁113の下流側における高圧配管402と逆止弁112の下流側における低圧配管401とを接続する配管である。第5接続配管124は、気液分離器116を介して、第2接続配管121と低圧配管401とを接続する配管である。後述するように、主として、暖房運転時に冷媒制御ユニット200から流入する冷媒が通過する。ここで図1は構成部品の相対的な位置が実際とは異なる場合がある。例えば気液分離器116は、低圧配管401の下部よりも高い位置に設けている。このように、油の溜まりこみを防止するために、気液分離器116を低圧配管401よりも高い位置に設けることが望ましい。第6接続配管125は、絞り装置117を介して圧縮機101の吸入側(アキュムレータ104の流入側、熱源側熱交換器103の二次側(冷媒流出側)ともなる)と気液分離器116のガス側流出部とを接続する配管である。第2接続配管121は逆止弁113の上流側における高圧配管402と気液分離器116の液側流出部とを接続する配管である。
気液分離器116は液冷媒とガス冷媒とを分離する。そして、気液分離器116は液側流出部とガス側流出部とを有している。液側流出部は第2接続配管121と接続している。一方、ガス側流出部は、前述したように、第6接続配管125によって、絞り装置117を介してアキュムレータ104の流入側と接続している。絞り装置117は、第6接続配管125を通過する冷媒量を制御する。第6接続配管125を通過する冷媒量を制御することで、熱源側熱交換器103を通過する冷媒量を制御することができる。ここで、本実施の形態では、絞り装置117は、例えば制御装置118からの指示に基づいて開度を調整することができる電子膨張弁等で構成する。ただし、絞り装置117は開度が固定のものであってもよい。また、2台以上の固定絞り又は固定絞りと可変絞りとを組合せて装置を構成してもよい。
ここで、図1に示すように、第2接続配管121と高圧配管402との合流部を合流部aとする。また、第1接続配管120と高圧配管402との合流部を合流部b(合流部aより下流側)とする。第5接続配管124と低圧配管401との合流部を合流部cとする。そして、第1接続配管120と低圧配管401との合流部を合流部d(合流部cより下流側)とする。
また、気液分離器116は、第5接続配管124を設けず、低圧配管401上に設置してもよい。ただ、図1等に示すように、低圧配管401より分岐して合流部aに接続される配管上に設置しておけば、熱源側熱交換器103が凝縮器として働く場合(冷房運転時)、気液分離器116における圧力損失による低圧側の圧力低下を抑制することができる。
逆止弁112は、合流部cと合流部dとの間に設けられており、冷媒制御ユニット200から熱源側ユニット100への方向のみに冷媒の流れを許容する。逆止弁113は、合流部aと合流部bとの間に設けられており、熱源側ユニット100から冷媒制御ユニット200への方向のみに冷媒の流れを許容する。逆止弁115は、第1接続配管120に設けられており、合流部dから合流部bの方向へのみに冷媒の流れを許容する。逆止弁114は、第2接続配管121に設けられており、合流部cから合流部aの方向へのみに冷媒の流れを許容する。
第3接続配管122は、逆止弁109の下流側における高圧配管402と逆止弁108の下流側における接続配管403とを接続するものである。第4接続配管123は、逆止弁109の上流側における接続配管404と逆止弁108の上流側における接続配管403とを接続するものである。
ここで、図1に示すように、第4接続配管123と接続配管404との合流部を合流部eとする。また、第4接続配管123と高圧配管402との合流部を合流部f(合流部eより下流)とする。第4接続配管123と接続配管403との合流部を合流部gとする。第3接続配管122と接続配管404との合流部を合流部h(合流部gより下流)とする。そして、第6接続配管125とアキュムレータ104の吸入側配管の合流部を合流部iとする。
逆止弁108は、合流部gと合流部hとの間に設けられており、四方切替え弁102から熱源側熱交換器103への方向のみに冷媒の流れを許容する。逆止弁109は、合流部eと合流部fとの間に設けられており、熱源側熱交換器103から冷媒制御ユニット200への方向のみに冷媒の流れを許容する。逆止弁107は、熱源側熱交換器103aと逆止弁109との間に設けられており、熱源側熱交換器103aから逆止弁109の方向のみに冷媒の流れを許容する。
開閉弁105a及び105bは熱源側熱交換器103a及び103bの上流部に設けられており、開閉が制御されることで冷媒を同通したりしなかったりするものである。開閉弁105aの開閉を制御することで熱源側熱交換器103a及び103bへの冷媒の流れを制御する。
また、熱源側ユニット100は、圧縮機101から吐出された冷媒の圧力(高圧圧力)を検知する高圧センサ141を有している。また、圧縮機101に吸入される冷媒の圧力(低圧圧力)を検知する低圧センサ142を有している。高圧センサ141及び低圧センサ142は、検知した圧力に係る信号を、空気調和装置500の動作を制御する制御装置118に送る。制御装置118は、高圧圧力及び低圧圧力に基づいて、圧縮機101の駆動周波数、送風機の回転数、四方切替え弁102の切替え制御等を行う。
制御装置118は、熱源側ユニット100が有する機器を中心に、空気調和装置500の制御を行う。ここで、制御装置118は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されている。例えばCPU(Central Processing Unit )等の制御演算処理手段を有する。また、記憶手段(図示せず)を有しており、制御等に係る処理手順をプログラムとしたデータを有している。そして、制御演算処理手段がプログラムのデータに基づく処理を実行して熱源側ユニット100を構成する機器等の制御を実現する。ここで、本実施の形態では、熱源側ユニット100内に制御装置118を設置しているが、機器等の制御を行うことができれば、設置場所は問わない。
[冷媒制御ユニット200]
冷媒制御ユニット200は、熱源側ユニット100と負荷側ユニット300との間に介在し、負荷側ユニット300の運転状況に応じて冷媒の流れを切り替える。ここで、図1では、冷媒制御ユニット200が有するいくつかの機器の符号の後に「a」又は「b」を付加している。これは、後に説明する「負荷側ユニット300a」に接続しているか、「負荷側ユニット300b」に接続しているかを表している。そして、以下の説明においては、符号の後に付加した添字「a」又は「b」を省略する場合がある。省略した場合は「負荷側ユニット300a」又は「負荷側ユニット300b」に接続されているいずれの機器の場合も含んで説明している。
冷媒制御ユニット200は、高圧配管402及び低圧配管401で熱源側ユニット100のそれぞれと接続し、液管406及びガス管405で負荷側ユニット300のそれぞれと接続している。冷媒制御ユニット200には、気液分離器211と、第1開閉弁212(第1開閉弁212a、212b)と、第2開閉弁213(第2開閉弁213a、213b)と、第1絞り装置214と、第2絞り装置215と、第1冷媒熱交換器216と、第2冷媒熱交換器217と、が搭載されている。また、冷媒制御ユニット200には、第2冷媒熱交換器217の一次側(第1絞り装置214を経由した冷媒が流れる側)の下流側における配管を分岐し、低圧配管401に接続させた接続配管220が設けられている。
気液分離器211は、高圧配管402に設けられ、高圧配管402を流れてくる二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する機能を有している。気液分離器211で分離されたガス冷媒は接続配管221を介して第1開閉弁212に、液冷媒は第1冷媒熱交換器216に、それぞれ供給される。
第1開閉弁212は、運転モードごとに負荷側ユニット300への冷媒の供給を制御するためのものであり、接続配管221とガス管405との間に設けられている。つまり、第1開閉弁212は、一方が気液分離器211に、他方が負荷側ユニット300の室内熱交換器312にそれぞれ接続されており、開閉により、冷媒を通過させるか否かを制御する。
第2開閉弁213も、運転モードごとに負荷側ユニット300への冷媒の供給を制御するためのものであり、ガス管405と低圧配管401との間に設けられている。つまり、第2開閉弁213は、一方が低圧配管401に、他方が負荷側ユニット300の室内熱交換器312に、それぞれ接続されており、開閉が制御されることで、冷媒を導通したりしなかったりするものである。
第1絞り装置214は、気液分離器211と液管406とを接続する配管、つまり第1冷媒熱交換器216と第2冷媒熱交換器217との間に設けられており、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この第1絞り装置214は、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御装置や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。
第2絞り装置215は、接続配管220において第2冷媒熱交換器217の二次側における上流側に設けられており、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この第2絞り装置215は、第1絞り装置214と同様に、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御装置や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。
第1冷媒熱交換器216は、一次側(気液分離器211で分離された液冷媒が流れる側)を流れる冷媒と、二次側(接続配管220において第2絞り装置215を経由した後に第2冷媒熱交換器217から流出した冷媒が流れる側)を流れる冷媒と、の間で熱交換を実行するものである。
第2冷媒熱交換器217は、一次側(第1絞り装置214の下流側)を流れる冷媒と、二次側(第2絞り装置215の下流側)を流れる冷媒と、の間で熱交換を実行するものである。
第1絞り装置214、第2絞り装置215、第1冷媒熱交換器216及び第2冷媒熱交換器217を冷媒制御ユニット200に搭載することによって、第1冷媒熱交換器216及び第2冷媒熱交換器217によってメイン回路(一次側)を流れる冷媒と接続配管220(二次側)を流れる冷媒との間で熱交換を行い、メイン回路を流れる冷媒の過冷却をとれるようになっている。第2絞り装置215の開度によって、第2冷媒熱交換器217の一次側出口において適正な過冷却がとれるようバイパス量を制御するようになっている。
[負荷側ユニット300]
負荷側ユニット300は、冷房負荷又は暖房負荷に対し、熱源側ユニット100からの冷熱又は温熱を供給する。例えば、図1では、「負荷側ユニット300a」に備えられている各機器の符号の後に「a」を付加し、「負荷側ユニット300b」に備えられている各機器の符号の後に「b」を付加して図示している。そして、以下の説明においては、符号の後の「a」、「b」を省略する場合があるが、負荷側ユニット300a、負荷側ユニット300bのいずれにも各機器が備えられている。
負荷側ユニット300には、室内熱交換器312(室内熱交換器312a、312b)と、室内絞り装置311(室内絞り装置311a、311b)とが、直列に接続されて搭載されている。また、室内熱交換器312に空気を供給するための図示省略の送風機を設けるとよい。ただし、室内熱交換器312が、冷媒と水等の冷媒とは異なる熱媒体とで熱交換を実行するものであってもよい。
室内熱交換器312は、熱媒体(例えば、周囲空気や水等)と冷媒との間で熱交換を行い、暖房運転時には凝縮器(放熱器)として冷媒を凝縮・液化し、冷房運転時には蒸発器として冷媒を蒸発・ガス化させるものである。室内熱交換器312は、一般的には、図では省略されているファンを合わせて構成され、ファンの回転数によって凝縮能力又は蒸発能力が制御される。
室内絞り装置311は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この室内絞り装置311は、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御装置や、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。
負荷側ユニット300には、室内絞り装置311と室内熱交換器312との間における冷媒配管の温度を検知する温度センサ314(温度センサ314a及び314b)、室内熱交換器312と第1開閉弁212及び第2開閉弁213との間における冷媒配管の温度を検知する温度センサ313(温度センサ313a及び313b)、が少なくとも設けられている。これらの各種検知手段で検知された情報(温度情報)は、空気調和装置500の動作を制御する制御装置118に送られて、各種アクチュエーターの制御に利用される。つまり、温度センサ313及び温度センサ314からの情報は、負荷側ユニット300に設けられている室内絞り装置311の開度、図示省略の送風機の回転数等の制御に利用されることになる。
ここで、圧縮機101は、吸入した冷媒を高圧状態に圧縮できるものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、レシプロ、ロータリー、スクロールあるいはスクリュー等の各種タイプを利用して圧縮機101を構成することができる。また、気液分離器116は二相冷媒を気相と液相に分離することができれば方式や形状を限定するものではなく、例えば重力分離や遠心分離等の方式を採用することができる。さらに、気液分離器116の分離効率についても限定されるものではなく、システムで許容できる液バック量や冷媒の循環量、目標とする性能値、及び目標コスト等に応じて選択すればよい。さらに、空気調和装置500に使用する冷媒の種類を特に限定するものではなく、例えば二酸化炭素や炭化水素、ヘリウム等の自然冷媒、HFC410AやHFC407C、HFC404A等の塩素を含まない代替冷媒、若しくは既存の製品に使用されているR22やR134a等のフロン系冷媒のいずれを使用してもよい。
図1では、空気調和装置500の動作を制御する制御装置118を熱源側ユニット100に搭載した場合を例に示しているが、冷媒制御ユニット200、又は、負荷側ユニット300のいずれかに設けるようにしてもよい。また、制御装置118を、熱源側ユニット100、冷媒制御ユニット200、及び、負荷側ユニット300の外部に設けるようにしてもよい。また、制御装置118を機能に応じて複数に分けて、熱源側ユニット100、冷媒制御ユニット200、負荷側ユニット300のそれぞれに設けるようにしてもよい。この場合、各制御装置を無線又は有線で接続し、通信可能にしておくとよい。
次に空気調和装置500が実行する運転動作について説明する。
空気調和装置500においては、例えば室内等に設置されたリモートコントローラ等からの冷房要求、暖房要求を受信する。空気調和装置500は、要求に応じて4つの運転モードのうち、いずれかの空気調和動作を行う。4つの運転モードとして、負荷側ユニット300が全て冷房運転要求である全冷房運転モード、冷房運転要求と暖房運転要求が混在しており、かつ冷房運転により処理すべき負荷が多いと判断される冷房主体運転モード、冷房運転要求と暖房運転要求が混在しており、かつ暖房負荷が多いと判断される暖房主体運転モード、全ての負荷側ユニット300が全て暖房運転要求である全暖房運転モードがある。
まず、暖房運転(全暖房運転モード又は暖房主体運転モードにおける運転)について説明する。
[全暖房運転モード]
図2は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置500の全暖房運転モード時の冷媒の流れを示す図である。図2に基づいて、全暖房運転モード時における空気調和装置500の運転動作について説明する。
圧縮機101は低温・低圧の冷媒を圧縮して、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機101から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方切替え弁102を通り、逆止弁115を介して高圧配管402へ流れる。そして、熱源側ユニット100から流出する。熱源側ユニット100から流出した高温・高圧のガス冷媒は、冷媒制御ユニット200の気液分離器211を経由し、接続配管221を通過する。全暖房運転モードでは、第1開閉弁212は開放状態とし、第2開閉弁213は閉止状態とする。このため、高温・高圧のガス冷媒は第1開閉弁212及びガス管405を通って負荷側ユニット300へ至る。
負荷側ユニット300に流入したガス冷媒は、室内熱交換器312(室内熱交換器312a及び室内熱交換器312b)に流入する。室内熱交換器312は凝縮器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して凝縮、液化する。このとき冷媒が周囲に放熱することによって室内等の空調対象空間は暖房される。その後、室内熱交換器312から流出した液冷媒は、室内絞り装置311(室内絞り装置311a及び室内絞り装置311b)で減圧され、負荷側ユニット300から流出する。
室内絞り装置311で減圧された液冷媒は、液管406(液管406a及び液管406b)を流れ、冷媒制御ユニット200に流入する。冷媒制御ユニット200に流入した液冷媒は、第2絞り装置215を介して接続配管220を経由して低圧配管401に至る。低圧配管401を流れる冷媒は、冷媒制御ユニット200から流出した後、熱源側ユニット100に戻る。
熱源側ユニット100に戻った冷媒は、気液分離器116に流入する。ここでガス冷媒と液冷媒とに分離される。分離されたガス冷媒は第6接続配管125を通り、絞り装置117を介してアキュムレータ104へ流れる。一方、気液分離器116で分離された液冷媒は第2接続配管121を通り、逆止弁114及び逆止弁110を介して熱源側熱交換器103(熱源側熱交換器103a及び熱源側熱交換器103b)に至る。このとき開閉弁105(開閉弁105a及び開閉弁105b)は開いている。熱源側熱交換器103は蒸発器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して冷媒は蒸発、ガス化する。その後、熱源側熱交換器103から流出した冷媒は、四方切替え弁102を経由してアキュムレータ104へ流入する。そして、アキュムレータ104内のガス冷媒を圧縮機101が吸入し、系内を循環させることで冷凍サイクルが成り立っている。以上の流れで、空気調和装置500は全暖房運転モードでの運転を実行する。
ここで、全暖房運転モードにおいて、制御装置118が行う絞り装置117の制御について説明する。全暖房運転において、気液分離器116の入口における冷媒の乾き度がxであるとする。このとき、気液分離器116における入口冷媒流量をGrとすると、ガス冷媒量Ggは、Gg=Gr・xとなる。
乾き度xは、例えば高圧センサ141と温度センサ314から計算される負荷側熱交換器出口エンタルピhoと、低圧センサ142より試算される飽和液エンタルピhl、及び飽和ガスエンタルピhgに基づいて、次式(1)の関係式より求めることができる。
Figure 2015140994
気液分離器116から合流部iまでの流路抵抗をCvgとすると、流路抵抗Cvgは次式(2)で表される。また、第2接続配管121から熱源側熱交換器103を経由して合流部iまでの流路抵抗をCvlとすると、流路抵抗Cvlは次式(3)で表される。
Figure 2015140994
Figure 2015140994
ここで、ΔPg=ΔPlとなる。また、液冷媒量Glは、Gl=Gr・(1−x)となる。したがって、理想的に気液が完全に分離されてガス冷媒のみが第6接続配管から絞り装置117を経由して合流部iへ流れ、液冷媒のみが第2接続配管121から熱源側熱交換器103を経由して合流部iへ流れるとき、次式(4)が成り立つ。
Figure 2015140994
流路抵抗Cvlは第2接続配管121から熱源側熱交換器103を経由して合流部iまでの仕様によって決まる。このため、事前の評価、計算等によって求めることができる。そして、同一のユニットである場合には流路抵抗Cvlは一定である。ここでは運転中の乾き度に応じた開度(つまり流路抵抗CVg)を制御できるように可変の絞りとすることもできるが、運転中は気液分離器116に流入する冷媒の乾き度はおおよそ一定となっている。このため、絞り装置117を固定絞りとする場合には、気液分離器116に流入する冷媒の乾き度に応じて式(4)を満たすようにすればよい。
[暖房主体運転モード]
図3は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置500の暖房主体運転モード時の冷媒の流れを示す図である。冷房を行う負荷側ユニット300と暖房を行う負荷側ユニット300が混在しており、かつ暖房に係る負荷の方が大きい場合、暖房主体運転モードによる運転を行う。図3に基づいて、暖房主体運転モード時における空気調和装置500の運転動作について説明する。ここでは、負荷側ユニット300aが暖房を行い、負荷側ユニット300bが冷房を行う場合の暖房主体運転モードの運転について説明する。
暖房を行う負荷側ユニット300aを冷媒が通過するまでの冷媒の流れは全暖房運転モードにおける運転と同じである。室内熱交換器312aによる熱交換により液化し、液管406aを通過した液冷媒は、第2冷媒熱交換器217によって過冷却される。そして、液管406bを通過して、冷房を行う負荷側ユニット300bに至る。負荷側ユニット300bに流入した冷媒は、室内絞り装置311bで減圧される。室内絞り装置311bで減圧された冷媒は、室内熱交換器312bに流入する。室内熱交換器312bは蒸発器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して蒸発、ガス化する。このとき冷媒が周囲から吸熱することによって室内は冷房される。その後、負荷側ユニット300bから流出した冷媒は、第2開閉弁213bを介して、接続配管220を流れる。この冷媒は、第2冷媒熱交換器217で過冷却をとるために第1絞り装置214と第2絞り装置215を介して接続配管220を流れてきた冷媒と合流し、低圧配管401に至る。
低圧配管401を通過して熱源側ユニット100に戻った冷媒は、逆止弁114及び逆止弁110を介して熱源側熱交換器103(熱源側熱交換器103a及び熱源側熱交換器103b)に至る。ここで、開閉弁105(開閉弁105a及び開閉弁105b)は開状態である。熱源側熱交換器103は蒸発器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して冷媒は蒸発、ガス化する。その後、熱源側熱交換器103から流出した冷媒は、四方切替え弁102を経由してアキュムレータ104へ流入する。そして、アキュムレータ104内の冷媒を圧縮機101が吸入し、系内を循環させることで冷凍サイクルが成り立っている。以上の流れで、空気調和装置500は暖房主体運転モードを実行する。
図4は本発明の実施の形態1に係る空気調和装置500の冷房運転比率と乾き度との関係を示す図である。暖房主体運転モードにおいて、制御装置118が行う絞り装置117の制御について説明する。絞り装置117に必要な流路抵抗Cvlは、前述した式(3)で求めることができる。このとき、暖房主体運転モードにおいては気液分離器116の入口乾き度xは、図4より暖房負荷と冷房負荷の比率によって決まる値となる。
全負荷Qt(=暖房負荷Qh+冷房負荷Qc)に対する冷房負荷Qcの割合を冷房負荷率とすると、冷房負荷Qcと暖房負荷Qhとが等しいとき(冷房負荷率=0.5のとき)、全熱回収運転となって気液分離器116の入口乾き度が1となる。そして、冷房負荷率が小さくなるにしたがって全暖房運転モードで運転したときの冷媒の乾き度に近づく運転となる。暖房主体モードでの運転中は、この冷房負荷率に応じた乾き度の冷媒中に含まれるガス冷媒を流すように、制御装置118は絞り装置117の開度を制御する。
冷房負荷率を求める方法としては、例えば、実際の負荷側ユニット300の吸込み温度と吹き出し温度との差及び風量設定値より冷房している負荷側ユニット300及び暖房している負荷側ユニット300のそれぞれの能力を演算して冷房負荷率とすることができる。また、例えば簡易的には、暖房している負荷側ユニット300の能力コードと冷房している負荷側ユニット300の能力コードより演算することができる。例えば、開度が変更可能な絞り装置117とすることで、暖房主体運転時の冷房負荷率に応じた開度制御をすることが可能となる。乾き度xが1以上と推定される場合には絞り装置117の開度は制御範囲内で全開としておくことで、冷媒回路の低圧側において発生する圧力損失を小さくすることができる。
次に、冷房運転(全冷房運転モード又は冷房主体運転モードにおける運転)について説明する。
[全冷房運転モード]
図5は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置500の全冷房運転モード時の冷媒の流れを示す図である。図3に基づいて、全冷房運転モード時における空気調和装置500の運転動作について説明する。
圧縮機101は低温・低圧の冷媒を圧縮して、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機101から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方切替え弁102を通り、熱源側熱交換器103へ流れる。熱源側熱交換器103は凝縮器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して凝縮、液化する。その後、熱源側熱交換器103から流出した液冷媒は、接続配管404を通って、逆止弁113を経て、熱源側ユニット100から流出する。
熱源側ユニット100から流出した高圧液冷媒は、冷媒制御ユニット200の気液分離器211を経由し、第1冷媒熱交換器216の一次側(冷媒流入側)に流入する。第1冷媒熱交換器216の一次側に流入した液冷媒は、第1冷媒熱交換器216の二次側(冷媒流出側)を冷媒によって過冷却をつけられる。この過冷却度が大きくなった液冷媒は、第1絞り装置214にて中間圧まで絞られる。その後、この液冷媒は、第2冷媒熱交換器217に流れ、さらに過冷却度を大きくする。それからこの液冷媒は分流して、一部が液管406a及び406bを流れ、冷媒制御ユニット200から流出する。
冷媒制御ユニット200から流出した液冷媒は、負荷側ユニット300a、300bに流入する。負荷側ユニット300a、330bに流入した液冷媒は、室内絞り装置311a、301bにて絞られ、低温の気液二相冷媒となる。この低温の気液二相冷媒は、室内熱交換器312a、312bに流入する。室内熱交換器312a及び312bは蒸発器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して蒸発、ガス化する。このとき冷媒が周囲から吸熱することによって室内は冷房される。その後、負荷側ユニット300a及び300bから流出した冷媒は、第2開閉弁213a、213bを介し、第2冷媒熱交換器217で過冷却をとるために第1絞り装置214と第2絞り装置215を介して接続配管220を流れてきた冷媒と合流し、低圧配管401に至る。
低圧配管401を流れる冷媒は、冷媒制御ユニット200から流出した後、熱源側ユニット100に戻る。熱源側ユニット100に戻ったガス冷媒は、逆止弁112、四方切替え弁102、アキュムレータ104を介して圧縮機101に再度吸入される。
一方、絞り装置117を開くことで気液分離器116を介して第6接続配管125を経由してアキュムレータ104へガス冷媒を流すことができる。全冷房運転時、気液分離器116の一次側は過熱度>0となるよう制御されているため、気液分離器116によって気液を分離する必要はない。したがって、気液分離器116の液側流出管は逆止弁114によって冷媒が通過しない。絞り装置117を開くことで、流路は逆止弁112、四方切替え弁102を介してアキュムレータ104に流れる経路と、絞り装置117を介してアキュムレータ104に戻す経路とができる。流路において生じる圧力損失は流量の1.75乗に比例する。このため、経路が2つになることで、各経路では流量が低下し、全冷房運転モードの運転において、低圧側の圧力損失を低下することができ、消費電力の抑制が可能となる。以上の流れで、空気調和装置500は全冷房運転モードを実行する。
ここで、絞り装置117の制御動作について説明する。全冷房運転モードでの運転中は負荷側ユニット300へ流れ込む冷媒は過熱度がついているので、暖房主体運転時の冷房負荷率0.5以上の場合と同じく絞り装置117の開度は最大とする。開度を最大とすることで、低圧側の逆止弁112及び四方切替え弁102で発生する圧力損失を小さくし、消費電力を抑制することができる。
[冷房主体運転モード]
図6は、本発明の実施の形態1に係る空気調和装置500の冷房主体運転モード時の冷媒の流れを示す図である。冷房を行う負荷側ユニット300と暖房を行う負荷側ユニット300が混在しており、かつ冷房に係る負荷の方が大きい場合、冷房主体運転モードによる運転を行う。図6に基づいて、冷房主体運転モード時における空気調和装置500の運転動作について説明する。ここでは、負荷側ユニット300aが冷房を行い、負荷側ユニット300bが暖房を行う場合の冷房主体運転モードの運転について説明する。
圧縮機101は低温・低圧の冷媒を圧縮して、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。圧縮機101から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方切替え弁102を介して熱源側熱交換器103に流入する。熱源側熱交換器103は凝縮器として働いているので、冷媒は、周囲の空気と熱交換して凝縮、二相化する。その後、熱源側熱交換器103から流出した気液二相冷媒は、高圧配管402を通って、逆止弁113を経て、熱源側ユニット100から流出する。
熱源側ユニット100から流出した気液二相冷媒は、冷媒制御ユニット200の気液分離器211に流入する。気液分離器211に流入した気液二相冷媒は、気液分離器211でガス冷媒と液冷媒とに分離される。ガス冷媒は、気液分離器211から流出した後、接続配管221に流入する。第2接続配管121に流入したガス冷媒は、第1開閉弁212bを介して、ガス管405bを流れ、負荷側ユニット300bに流入する。負荷側ユニット300bに流入したガス冷媒は、室内熱交換器312bで周囲に放熱することで空調空間を暖房するとともに、自身は凝縮・液化し、室内熱交換器312bから流出する。室内熱交換器312bから流出した液冷媒は、室内絞り装置311bで中間圧力まで絞られる。
室内絞り装置311bで絞られた中間圧力の液冷媒は、液管406bを流れ、気液分離器211で分離され、第1冷媒熱交換器216、第1絞り装置214を経由してきた液冷媒と合流してから、第2冷媒熱交換器217に流入する。第2冷媒熱交換器217に流入した液冷媒は、さらに過冷却度を大きくして、液管406aを流れ、冷媒制御ユニット200から流出する。冷媒制御ユニット200から流出した液冷媒は、負荷側ユニット300aに流入する。負荷側ユニット300aに流入した液冷媒は、室内絞り装置311aにて絞られ、低温の気液二相冷媒となる。この低温の気液二相冷媒は、室内熱交換器312aに流入し、周囲から熱を奪うことで空調空間を冷房するとともに、自身は蒸発・気化し、室内熱交換器312aから流出する。
室内熱交換器312aから流出したガス冷媒は、ガス管405aを流れて負荷側ユニット300aから流出した後、冷媒制御ユニット200に流入する。冷媒制御ユニット200に流入した冷媒は、第2開閉弁213aを介し、第2冷媒熱交換器217で過冷却をとるために第1絞り装置214と第2絞り装置215を介して接続配管220を流れてきた冷媒と合流し、低圧配管401に至る。
低圧配管401を流れる冷媒は、冷媒制御ユニット200から流出した後、熱源側ユニット100に戻る。熱源側ユニット100に戻ったガス冷媒は、逆止弁112、四方切替え弁102、アキュムレータ104を介して圧縮機101に再度吸入される。以上の流れで、空気調和装置500は冷房主体運転モードを実行する。
ここで、絞り装置117の制御動作について説明する。冷房主体運転モードにおける運転においても、全冷房運転モードの運転と同様に、負荷側ユニット300の入口状態は乾き度1で制御されるので絞り装置117は制御範囲で全開としておけばよい。これにより、逆止弁112と四方切替え弁102で発生する圧力損失を低減し、圧縮機101の吸入密度の低下を抑制することで省エネルギーの運転を実現することができる。
実施の形態2.
上述した実施の形態では、バイパス配管となる第6接続配管125には、ガス冷媒が通過するようにした。本発明はこれに限定するものではなく、例えば熱源側熱交換器103を通過する冷媒量を制御するため、絞り装置117の開度を制御して液冷媒の一部が第6接続配管125を通過するようにしてもよい。つまり、必ずしも理想的に気液分離器116で完全に液ガスを分離する必要はなく、システムとして一部の液を第6接続配管から絞り装置117を経由して合流部iへ流すことを許容できる場合、反対に一部のガスが第2接続配管121から熱源側熱交換器103を経由して合流部iへ流すことを許容できる場合、又はそのいずれも許容できる場合には、式(4)で求められる流路抵抗Cvgに対して補正を行い、目標とすることもできる。
実施の形態3.
上述した実施の形態1では、熱源側ファン106の回転数に基づいて、開閉弁105a及び105bを制御するようにした。例えば、熱源側熱交換器103が水冷式熱交換器であれば、水循環ポンプの制御値(周波数、消費電力、電流)を監視等して、開閉弁105a及び105bを制御することとしてもよい。
また、実施の形態1では、熱源側ユニット100を1台、冷媒制御ユニット200を1台及び負荷側ユニット300を2台とした空気調和装置500の例を示したが、各ユニットの台数を特に限定するものではない。また、実施の形態1では、負荷側ユニット300において、冷房と暖房とを混在して運転可能な空気調和装置500に適用した場合を例に説明したが、特に限定するものではない。例えば、能力供給により負荷に加熱する冷凍サイクル装置、冷凍システム等、冷凍サイクルを利用して冷媒回路を構成する他の装置等にも本発明を適用することができる。
100 熱源側ユニット、101 圧縮機、102 四方切替え弁、103,103a,103b 熱源側熱交換器、104 アキュムレータ、105,105a,105b 開閉弁、106 熱源側ファン、107,108,109,110,111,112,113,114,115 逆止弁、116 気液分離器、117 絞り装置、118 制御装置、120 第1接続配管、121 第2接続配管、122 第3接続配管、123 第4接続配管、124 第5接続配管、125 第6接続配管、141 高圧センサ、142 低圧センサ、200 冷媒制御ユニット、211 気液分離器、212,212a,212b 第1開閉弁、213,213a,213b 第2開閉弁、214 第1絞り装置、215 第2絞り装置、216 第1冷媒熱交換器、217 第2冷媒熱交換器、220 接続配管、221 接続配管、300,300a,300b 負荷側ユニット、311,311a,311b 室内絞り装置、312,312a,312b 室内熱交換器、313,313a,313b,314,314a,314b 温度センサ、401 低圧配管、402 高圧配管、403 接続配管、404 接続配管、405,405a,405b ガス管、406,406a,406b 液管、500 空気調和装置。
本発明に係る熱源側ユニットは、負荷に対して能力供給を行う負荷側ユニットと配管接続して冷媒回路を構成する熱源側ユニットであって、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、蒸発器又は放熱器として機能する熱源側熱交換器と、熱源側熱交換器の機能に基づき、冷媒の流れを切り換える流路切替え装置と、流入した冷媒を液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液状の冷媒が流出する液冷媒流出口が、熱源側熱交換器が蒸発器のときの冷媒流入側の配管と接続される気液分離器と、気液分離器においてガス状の冷媒が流出するガス冷媒流出口と熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときの冷媒流出側の配管とを接続するバイパス配管とを備え、気液分離器及びバイパス配管は、熱源側熱交換器が放熱器として機能するときに、負荷側ユニットから流入した冷媒の一部が分岐して流路切替え装置をバイパスさせるように、流路切替え装置を通過する流路に対して並列に接続されているものである。

Claims (6)

  1. 負荷に対して能力供給を行う負荷側ユニットと配管接続して冷媒回路を構成する熱源側ユニットであって、
    冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
    蒸発器又は放熱器として機能する熱源側熱交換器と、
    流入した冷媒を液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液状の冷媒が流出する液冷媒流出口が、前記熱源側熱交換器が蒸発器のときの冷媒流入側の配管と接続される気液分離器と、
    該気液分離器においてガス状の冷媒が流出するガス冷媒流出口と前記熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときの冷媒流出側の配管とを接続するバイパス配管と、
    該バイパス配管における前記冷媒の通過を制御する絞り装置と
    を備える熱源側ユニット。
  2. 前記熱源側熱交換器の機能に基づき、冷媒の流れを切り換える流路切替え装置をさらに備え、
    前記熱源側熱交換器が凝縮器として機能するときには、前記負荷側ユニットから流入した冷媒の一部を分岐して前記流路切替え装置をバイパスさせるように、前記気液分離器及び前記バイパス配管を、前記流路切替え装置を通過する流路に対して並列接続して構成する請求項1に記載の熱源側ユニット。
  3. 前記気液分離器の冷媒流入側における冷媒の乾き度を検出する乾き度検出装置をさらに備え、
    前記乾き度検出装置の検出に係る前記冷媒の乾き度に基づいて、前記絞り装置の開度を制御する請求項1又は2に記載の熱源側ユニット。
  4. 前記負荷側ユニットが前記負荷に対して供給する能力に基づいて得られる前記冷媒の乾き度から前記絞り装置の開度を制御する請求項1又は2に記載の熱源側ユニット。
  5. 前記ガス冷媒流出口から液状の冷媒も流出可能に前記絞り装置を制御する請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱源側ユニット。
  6. 複数の負荷側ユニットと、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱源側ユニットとを配管接続して冷媒回路を構成する空気調和装置。
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