JPWO2019026234A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、熱媒体回路は、複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備えるものである。

Description

本発明は、水またはブラインを含む熱媒体を冷凍サイクルで加熱または冷却した冷媒と熱交換させて、冷温熱を負荷側に供給する冷凍サイクル装置に関する。

冷温熱を負荷側に供給する冷凍サイクル装置の一例として、凝縮器と、凝縮器に並列に接続された２つの蒸発器とを有する冷却器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された冷却器では、２つの蒸発器で冷媒と熱交換を行う熱媒体が流通する配管が、２つの蒸発器が直列に接続されるように設置されている。熱媒体は、２つの蒸発器で段階的に冷却される。この冷却器では、直列に接続される２つの蒸発器のうち、１段目の蒸発器の蒸発温度を２段目の蒸発器の蒸発温度よりも高い温度に設定することで、冷凍効率の高い運転を行っている。

特開２００６−３２９６０１号公報

特許文献１に開示された冷却器において、熱媒体が受ける圧力損失は、熱媒体が通過する直列接続される蒸発器が多くなるほど大きくなる。圧力損失は熱媒体の粘性および速度に依存する。熱媒体の粘度が高い場合、複数の蒸発器を直列に接続すると、ポンプの負荷が大きくなる。一方、複数の蒸発器を並列に設置することも考えられる。しかし、複数の蒸発器が並列に接続された構成は、複数の蒸発器が直列に接続された構成に比べて、冷凍効率が数パーセント低下してしまう。

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、圧力損失の影響を抑制して運転効率を向上させた冷凍サイクル装置を提供するものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、前記複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、前記熱媒体回路は、前記複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、前記複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備えるものである。

本発明によれば、直列流路および並列流路のうち、運転効率のよい流路を熱媒体回路に形成できるため、装置全体として運転効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。 図１に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。 図１に示した熱媒体回路に直列流路が形成される構成を示す図である。 図１に示した熱媒体回路に並列流路が形成される構成を示す図である。 図１に示した熱媒体回路に片系統流路が形成される構成を示す図である。 図５に示した片系統流路とは別の片系統流路が形成される構成を示す図である。 図２に示した制御部が実行する流路選択の手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。

実施の形態１．
本実施の形態１の冷凍サイクル装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、冷媒回路２ａおよび２ｂと、冷媒回路２ａおよび２ｂを循環する冷媒と熱媒体が熱交換する熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを備えた熱媒体回路３０とを有する。冷凍サイクル装置１に、制御部４０が設けられている。熱媒体回路３０は負荷側ユニット６０と接続されている。負荷側ユニット６０と熱媒体回路３０との間を循環する熱媒体は、水またはブラインである。

冷媒回路２ａおよび２ｂは、冷凍サイクルで生成される熱を熱媒体回路３０に供給する。冷媒回路２ａは、圧縮機３ａ、熱源側熱交換器４ａ、および減圧装置５ａを有する。熱源側熱交換器４ａには、外気を熱源側熱交換器４ａに供給するファン７ａが設けられている。冷媒回路２ａは、熱媒体熱交換器６ａと接続されている。冷媒回路２ｂは、圧縮機３ｂ、熱源側熱交換器４ｂ、および減圧装置５ｂを有する。熱源側熱交換器４ｂには、外気を熱源側熱交換器４ｂに供給するファン７ｂが設けられている。冷媒回路２ｂは、熱媒体熱交換器６ｂと接続されている。冷媒回路２ａおよび２ｂは同様な構成のため、冷媒回路２ａの構成について説明する。

圧縮機３ａは冷媒を圧縮して吐出する。圧縮機３ａは、インバータで回転数制御が行われるインバータ圧縮機であり、回転数に応じて容量を変化させる。圧縮機３ａは、回転数が一定速で、別の方法で容量を変化させるタイプの圧縮機であってもよい。熱源側熱交換器４ａは、冷媒が空気と熱交換するものであり、例えば、プレートフィン熱交換器からなる。熱源側熱交換器４ａは、冷媒回路２ａの凝縮器として機能する。減圧装置５ａは、冷媒を膨張させる。減圧装置５ａは、開度を調整できる電子膨張弁であってもよく、キャピラリーチューブであってもよい。

なお、圧縮機３ａおよび３ｂの容量制御は、インバータによる回転数制御に限らず、他の制御を用いてもよい。例えば、機械的に圧縮機３ａおよび３ｂのストロークボリュームを変更する容量制御を用いてもよい。また、各冷媒回路２ａおよび２ｂに、圧縮機３ａを複数台設け、圧縮機３ａの運転台数を変更することで、圧縮機の容量制御を行ってもよい。これらの場合でも、インバータで回転数を制御する場合と同様に圧縮機３ａおよび３ｂの運転制御を行うことで、各冷媒回路２ａおよび２ｂの冷凍サイクルの運転をバランスよく実施でき、冷凍サイクルの高効率の運転を実現できる。

また、熱源側熱交換器４ａおよび４ｂの構成は、プレートフィン熱交換器に限らず、例えば、コルゲートフィンなど他の形式であってもよい。熱源側熱交換器４ａおよび４ｂにおいて、冷媒が熱交換する対象は空気に限らず、水など他の媒体であってもよい。

熱媒体回路３０は、熱媒体に冷媒回路２ａおよび２ｂを循環する冷媒と熱交換させた後、熱交換後の熱媒体を負荷側ユニット６０に供給する。熱媒体回路３０の熱媒体の流入口側には、熱媒体が負荷側ユニット６０から熱媒体回路３０に戻る配管３１が接続されている。また、熱媒体回路３０の熱媒体の流出口側には、熱媒が熱媒体回路３０から負荷側ユニット６０に供給される配管３２が接続されている。配管３１は、熱媒体熱交換器６ａを通る配管３３と、熱媒体熱交換器６ｂを通る配管３４とに分岐する。配管３３および配管３４は合流して配管３２と接続されている。

負荷側ユニット６０と、配管３１と、配管３２とが接続され、熱媒体が循環する負荷側流路が構成される。配管３１には、負荷側ユニット６０に熱媒体を循環させる動力として、熱媒体搬送装置８が設けられている。熱媒体搬送装置８はポンプである。図１では、熱媒体搬送装置８が冷凍サイクル装置１の外部に設けられている場合を示しているが、熱媒体搬送装置８は冷凍サイクル装置１内に設けられていてもよい。

熱媒体回路３０は、複数の熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを有する。熱媒体熱交換器６ａは、冷媒回路２ａを循環する冷媒が熱媒体と熱交換するものであり、例えば、プレート式熱交換器からなる。熱媒体熱交換器６ａは、冷媒回路２ａの蒸発器として機能する。熱媒体熱交換器６ｂは、冷媒回路２ｂを循環する冷媒が熱媒体と熱交換するものであり、例えば、プレート式熱交換器からなる。熱媒体熱交換器６ｂは、冷媒回路２ｂの蒸発器として機能する。

なお、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂの構成は、プレート式熱交換器に限らず、他の形式であってもよい。熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂは、例えば、シェルチューブ型または二重管式などの形式であってもよい。また、熱媒体回路３０と負荷側ユニット６０との間を循環する熱媒体は、水またはブラインに限らず、顕熱で熱を授受する媒体であれば他の媒体であってもよい。

本実施の形態１では、熱媒体熱交換器６ａおよび熱媒体熱交換器６ｂは、冷媒と熱媒体とが対向流となる構成である。冷媒と熱媒体とが対向流となった状態で熱交換を行うため、熱交換の効率が向上する。

本実施の形態１では、熱媒体熱交換器６ａおよび熱媒体熱交換器６ｂが単体の熱交換器の場合で説明するが、熱媒体熱交換器６ａと熱媒体熱交換器６ｂとが一体的に形成されていてもよい。この場合、冷凍サイクル装置１において、熱媒体熱交換器が占める設置面積を小さくすることができ、省スペース化を図れる。

また、図１に示す構成では、熱源側熱交換器４ａおよび４ｂが凝縮器として機能し、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂが冷媒回路２ａおよび２ｂの蒸発器として機能する場合を示しているが、熱源側熱交換器４ａおよび４ｂを蒸発器としてもよい。この場合、冷媒回路２ａおよび２ｂは温熱を熱媒体回路３０に提供する。

熱媒体回路３０は、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂが直列に接続される直列流路と、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂが並列に接続される並列流路と、熱媒体熱交換器６ａまたは６ｂに冷媒を流通する片系統流路とを、切り替える流路切替装置５０を有する。流路切替装置５０は、熱媒体熱交換器６ｂの下流側と熱媒体熱交換器６ａの上流側とを接続する配管３５と、熱媒体熱交換器６ａおよび配管３５への熱媒体の流入を制御する第１の弁９と、熱媒体熱交換器６ｂからの熱媒体の流出を制御する第２の弁１１とを有する。本実施の形態１では、配管３５に第３の弁１０が設けられている。第１の弁９、第２の弁１１および第３の弁１０は、例えば、電磁弁である。

第１の弁９は、配管３３において、配管３１と熱媒体熱交換器６ａとの間であって、配管３５が配管３３と接続される箇所よりも上流側に設けられている。第２の弁１１は、配管３４において、熱媒体熱交換器６ｂと配管３２との間であって、配管３５が配管３４と接続される箇所よりも下流側に設けられている。配管３５は、第１の弁９と熱媒体熱交換器６ａとの間で配管３３と接続され、第２の弁１１と熱媒体熱交換器６ｂとの間で配管３４と接続されている。第１の弁９、第２の弁１１および第３の弁１０は、二方弁であって、開閉により熱媒体の流通を制御する。なお、第１の弁９および第３の弁１０の代わりに、三方弁が設けられてもよい。また、第２の弁１１および第３の弁１０の代わりに、三方弁が設けられてもよい。

また、図１に示すように、冷凍サイクル装置１は、熱媒体回路３０に流入する熱媒体の入口圧力を測定する入口圧力センサ１２と、熱媒体回路３０から流出する熱媒体の出口圧力を測定する出口圧力センサ１３とを有する。図１に示す構成例では、入口圧力センサ１２は配管３１に設けられ、出口圧力センサ１３は配管３２に設けられている。配管３２には、配管３２に流れる熱媒体の流量を測定する流量計４５が設けられている。

図２は、図１に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。図１に示す制御部４０は、例えば、マイクロコンピュータである。制御部４０は、プログラムを記憶するメモリと、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とを有する。図２では、メモリおよびＣＰＵを図に示すことを省略している。

制御部４０は、入口圧力センサ１２、出口圧力センサ１３および流量計４５と信号線で接続されている。制御部４０は、圧縮機３ａおよび３ｂと、ファン７ａおよび７ｂと、減圧装置５ａおよび５ｂと信号線で接続されている。制御部４０は、流路切替装置５０と信号線で接続されている。具体的には、制御部４０は、第１の弁９、第２の弁１１および第３の弁１０と信号線で接続されている。制御部４０は、熱媒体搬送装置８と信号線で接続されている。本実施の形態１では、各機器および各センサと制御部４０との通信接続手段が有線の場合で説明するが、通信接続手段は無線であってもよい。

図２に示すように、制御部４０は、冷凍サイクル制御手段４１と、効率算出手段４２と、流路決定手段４３とを有する。冷凍サイクル制御手段４１は、負荷側ユニット６０が必要とする熱量にしたがって、圧縮機３ａおよび３ｂの運転周波数と、ファン７ａおよび７ｂの回転数と、減圧装置５ａおよび５ｂの開度と、熱媒体搬送装置８の回転数とを制御する。冷凍サイクル制御手段４１は、冷媒回路２ａおよび２ｂについて、運転を停止した場合、運転を停止した冷媒回路の情報を含む運転停止情報を、効率算出手段４２を介して流路決定手段４３に送信する。冷凍サイクル制御手段４１は、熱媒体回路３０に形成された流路にしたがって冷凍サイクルを制御する。

効率算出手段４２は、熱媒体回路３０における圧力損失として、熱媒体回路３０の入口圧力と出口圧力との圧力差を算出する。効率算出手段４２は、流量計４５が測定する流量を用いて圧力損失を算出してもよい。効率算出手段４２は、算出した圧力損失を用いて、流路選択の判定に用いる値を算出する。流路決定手段４３は、効率算出手段４２が算出した値と設定値とを比較し、直列流路および並列流路から熱媒体回路３０に形成する流路を選択する。また、流路決定手段４３は、運転停止情報を冷凍サイクル制御手段４１から効率算出手段４２を介して受信すると、運転停止情報にしたがって２つの片系統流路のうち、いずれかの流路を選択する。流路決定手段４３は、選択した流路にしたがって流路切替装置５０を制御する。流路決定手段４３は、選択した流路を冷凍サイクル制御手段４１に通知する。

次に、図１に示した熱媒体回路３０に直列流路が形成される場合について説明する。図３は、図１に示した熱媒体回路に直列流路が形成される構成を示す図である。図３では、熱媒体が流れる方向を矢印で示す。流路決定手段４３は、第１の弁９を閉状態に制御し、第３の弁１０を開状態に制御し、第２の弁１１を閉状態に制御する。これにより、熱媒体熱交換器６ｂと熱媒体熱交換器６ａとが直列に接続される。このとき、配管３５は、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを直列に接続する接続流路として機能する。

図３に示す構成では、熱媒体は、配管３１から配管３４に流入し、熱媒体熱交換器６ｂを流通して配管３５に流出する。続いて、熱媒体は、配管３５から配管３３に流入し、熱媒体熱交換器６ａを流通して配管３３から配管３２に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器６ｂ、接続流路および熱媒体熱交換器６ａを順に流通する直列流路が、熱媒体回路３０に形成される。

次に、図１に示した熱媒体回路３０に並列流路が形成される場合を説明する。図４は、図１に示した熱媒体回路に並列流路が形成される構成を示す図である。流路決定手段４３は、第１の弁９を開状態に制御し、第３の弁１０を閉状態に制御し、第２の弁１１を開状態に制御する。これにより、熱媒体熱交換器６ｂと熱媒体熱交換器６ａとが並列に接続される。

図４に示す構成では、熱媒体は、配管３１から配管３３および３４に分流する。配管３３を流れる熱媒体は、熱媒体熱交換器６ａを流通する。一方、配管３４を流れる熱媒体は、熱媒体熱交換器６ｂを流通する。配管３３を流れる熱媒体と配管３４を流れる熱媒体とが合流して配管３２に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器６ａを流れる流路と熱媒体が熱媒体熱交換器６ｂを流れる流路とからなる並列流路が、熱媒体回路３０に形成される。

次に、図１に示した熱媒体回路３０に片系統流路が形成される場合を説明する。図５は、図１に示した熱媒体回路に片系統流路が形成される構成を示す図である。図５は、冷媒回路２ａおよび２ｂのうち、冷媒回路２ｂが運転しているが、冷媒回路２ａが運転を停止している場合である。流路決定手段４３は、第１の弁９および第３の弁１０を閉状態に制御し、第２の弁１１を開状態に制御する。図５に示す構成では、熱媒体は、配管３１から配管３４に流入し、熱媒体熱交換器６ｂを流通した後、配管３４から配管３２に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器６ａを流通せず、熱媒体熱交換器６ｂを流通する片系統流路が、熱媒体回路３０に形成される。

図６は、図５に示した片系統流路とは別の片系統流路が形成される構成を示す図である。図６は、冷媒回路２ａおよび２ｂのうち、冷媒回路２ａが運転しているが、冷媒回路２ｂが運転を停止している場合である。流路決定手段４３は、第１の弁９を開状態に制御し、第２の弁１１および第３の弁１０を閉状態に制御する。図６に示す構成では、熱媒体は、配管３１から配管３３に流入し、熱媒体熱交換器６ａを流通した後、配管３３から配管３２に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器６ｂを流通せず、熱媒体熱交換器６ａを流通する片系統流路が、熱媒体回路３０に形成される。

次に、制御部４０が熱媒体回路３０に形成する流路を選択する場合について説明する。流路決定手段４３は、熱媒体回路３０に形成される流路毎に異なる冷凍効率と熱媒体搬送装置８の動力効率とを比較して、より運転効率のよい流路を選択する。

一般的には、冷凍サイクルの成績係数（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は、ＣＯＰ＝（利用できる熱量［ｋＷ］／圧縮機への入力［ｋＷ］）で表される。この成績係数の式を基にして、利用できる熱量と熱媒体搬送装置８の動力効率との比を成績係数として流路毎に算出する。直列流路の場合の成績係数となる直列成績係数をＣＯＰｓとし、並列流路の場合の成績係数となる並列成績係数をＣＯＰｐとする。

直列流路の場合に冷媒回路２ａおよび２ｂが生成する熱量をＱｓとし、並列流路の場合に冷媒回路２ａおよび２ｂが生成する熱量をＱｐとする。本実施の形態１では、熱量ＱｓおよびＱｐは、冷媒回路２ａおよび２ｂが一定の条件で運転している場合の値とするが、冷凍サイクル制御手段４１が熱量ＱｓおよびＱｐを算出してもよい。熱媒体搬送装置８の動力効率の逆数Ｅを、Ｅ＝（圧力損失ΔＰ／消費電力Ｗ）と表す。圧力損失ΔＰは、熱媒体回路３０の前後の圧力損失である。直列流路の場合の逆数Ｅｓを、Ｅｓ＝（圧力損失ΔＰｓ／消費電力Ｗｓ）とする。並列流路の場合の逆数Ｅｐを、Ｅｐ＝（圧力損失ΔＰｐ／消費電力Ｗｐ）とする。

これらの値から、ＣＯＰｓを、ＣＯＰｓ＝（Ｑｓ／Ｅｓ）と表す。ＣＯＰｐを、ＣＯＰｐ＝（Ｑｐ／Ｅｐ）と表す。ＣＯＰｓ／ＣＯＰｐの値をシステム改善率Ｕとする。システム改善率Ｕに対する流路選択の基準となる設定値をＵｒｅｆとする。設定値Ｕｒｅｆは、システム改善率Ｕが設定値Ｕｒｅｆより大きい場合に、運転効率が並列流路よりも直列流路の方がよいと判定される値である。熱量ＱｓおよびＱｐの値と、設定値Ｕｒｅｆとを制御部４０が記憶している。

図７は、図２に示した制御部が実行する流路選択の手順の一例を示すフローチャートである。効率算出手段４２は、流路切替装置５０を制御して、直列流路を熱媒体回路３０に設定する（ステップＳＴ１０１）。効率算出手段４２は、熱媒体搬送装置８の消費電力Ｗｓの情報を冷凍サイクル制御手段４１から取得する。効率算出手段４２は、入口圧力センサ１２が測定する入口圧力と出口圧力センサ１３が測定する出口圧力との圧力差を算出する（ステップＳＴ１０２）。算出される圧力差を圧力損失ΔＰｓとする。続いて、効率算出手段４２は、流路切替装置５０を制御して、並列流路を熱媒体回路３０に設定する（ステップＳＴ１０３）。効率算出手段４２は、熱媒体搬送装置８の消費電力Ｗｐの情報を冷凍サイクル制御手段４１から取得する。そして、効率算出手段４２は、入口圧力と出口圧力との圧力差を算出する（ステップＳＴ１０４）。算出される圧力差を圧力損失ΔＰｐとする。

効率算出手段４２は、直列流路に関して、熱媒体搬送装置８の消費電力Ｗｓ、熱量Ｑｓおよび圧力損失ΔＰｓを用いて、成績係数ＣＯＰｓを算出する。また、効率算出手段４２は、並列流路に関して、熱媒体搬送装置８の消費電力Ｗｐ、熱量Ｑｐおよび圧力損失ΔＰｐを用いて、成績係数ＣＯＰｐを算出する（ステップＳＴ１０５）。そして、効率算出手段４２は、ＣＯＰｓおよびＣＯＰｐを用いてシステム改善率Ｕを算出し、算出したシステム改善率Ｕを流路決定手段４３に通知する。

流路決定手段４３は、効率算出手段４２から受け取ったシステム改善率Ｕと設定値Ｕｒｅｆとを比較する（ステップＳＴ１０６）。システム改善率Ｕが設定値Ｕｒｅｆより大きい場合、流路決定手段４３は、熱媒体回路３０に形成する流路として直列流路を選択する（ステップＳＴ１０７）。ステップＳＴ１０６の判定において、システム改善率Ｕが設定値Ｕｒｅｆ以下である場合、流路決定手段４３は、熱媒体回路３０に形成する流路として並列流路を選択する（ステップＳＴ１０８）。その後、流路決定手段４３は、流路切替装置５０を制御して、ステップＳＴ１０６の判定で選択した流路を熱媒体回路３０に形成する。

なお、図７を参照して、効率算出手段４２が直列流路の場合の圧力差を並列流路の場合の圧力差よりも先に算出する場合で説明したが、これらの圧力差の算出はいずれが先であってもよい。また、図７に示した手順において、消費電力Ｗｓ＝消費電力Ｗｐとしてもよい。この場合、システム改善率Ｕの演算処理において、変数は圧力損失ΔＰｓおよびΔＰｐだけとなり、システム改善率Ｕ＝ＣＯＰｓ／ＣＯＰｐ＝（Ｑｓ／ΔＰｓ）／（Ｑｐ／ΔＰｐ）となる。効率算出手段４２はシステム改善率Ｕをよりスムーズに算出できる。

入口圧力センサ１２および出口圧力センサ１３が測定した圧力の値を用いる場合を例示したが、熱媒体回路３０を熱媒体が流通する流量を用いて、流路決定手段４３は、流路を切り替えてもよい。

効率算出手段４２は、直列流路および並列流路の流路毎に、熱媒体の物性値と流量計４５が測定する流量とを用いて、圧力損失を算出する。圧力損失ΔＰは、以下の式１から算出される。
ΔＰ＝Ａ（Ｖ）×ρ＾３／４×μ＾１／４ ・・・（１）

式（１）において、ΔＰ［ｋＰａ］は、熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを熱媒体が通過する際に発生する圧力損失である。Ａ（Ｖ）は、熱媒体熱交換器固有の係数であり、流速Ｖに依存する値である。流速Ｖは、直列流路の場合と並列流路の場合とで異なる。ρ［ｋｇ／ｍ^３］は、熱媒体の密度であり、μ［ｍＰａ・ｓ］は、熱媒体の粘性係数である。これらの物性値を制御部４０が記憶している。

図７に示したステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０４において、効率算出手段４２は、流量計４５が計測する流量と式（１）とを用いて、圧力損失ΔＰｓおよびΔＰｐを算出する。その後、図７を参照して説明したように、効率算出手段４２は、システム改善率Ｕを算出する（ステップＳＴ１０５）。図７を参照して説明したように、流路決定手段４３は、システム改善率Ｕと設定値Ｕｒｅｆとを比較し（ステップＳＴ１０６）、比較結果にしたがって、熱媒体回路３０に形成する流路を決定する（ステップＳＴ１０７またはステップＳＴ１０８）。この場合においても、消費電力Ｗｓ＝消費電力Ｗｐであってもよい。

さらに、流路決定手段４３は、熱媒体の動粘度を用いて流路を切り替えてもよい。この流路切替は、熱媒体回路３０の前後の熱媒体の圧力と熱媒体回路３０を流通する熱媒体の流量とが不明な場合に有効である。

熱媒体搬送装置８の動力は熱媒体の動粘度に大きく依存する。一般的に、熱媒体の粘度が１０［ｍＰａ・ｓ］以下である場合、粘度はポンプの動力にほとんど影響ないが、熱媒体の粘度が１００［ｍＰａ・ｓ］以上の場合、粘度はポンプの動力に重大な影響を及ぼす。粘度に関する流路の選択基準となる閾値として、例えば、３０［ｍＰａ・ｓ］が制御部４０に格納されている。この場合、流路決定手段４３は、使用される熱媒体の粘度が閾値以上である場合、並列流路を選択し、熱媒体の粘度が閾値未満である場合、直列流路を選択する。また、使用される熱媒体の粘度の値は、作業者によって制御部４０に入力されてもよい。これにより、制御部４０は、流路毎の圧力損失の運転効率に対する影響を比較し、運転効率のよい流路を選択する。

次に、熱媒体回路３０に直列流路または並列流路が形成されている場合に、制御部４０が流路切替装置５０を制御して片系統流路に切り替えるか否かを判定する場合を説明する。流路決定手段４３は、冷媒回路２ａおよび２ｂのうち、冷凍サイクルが停止している冷媒回路があるか否かを判定する。冷媒回路２ａおよび２ｂのうち、いずれか一方の冷媒回路の冷凍サイクルが停止している場合、流路決定手段４３は、停止している冷凍サイクルの冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に熱媒体が流入しないように流路切替装置５０を制御する。

ここでは、一例として、冷媒回路２ａの冷凍サイクルが停止している場合を説明する。流路決定手段４３は、冷媒回路２ａに接続される熱媒体熱交換器６ａに熱媒体が流入しないように、流路切替装置５０を制御する。具体的には、流路決定手段４３は、第１の弁９が閉状態になり、第３の弁１０が閉状態になり、第２の弁１１が開状態になるように、流路切替装置５０を制御する。これにより、熱媒体が熱媒体熱交換器６ｂを流通する片系統流路が熱媒体回路３０に形成される。

従来、複数の冷媒回路を有する冷凍サイクル装置は、熱負荷が小さくなると、一部の冷媒回路の圧縮機の運転を停止するが、圧縮機を停止した冷媒回路の蒸発器への熱媒体の流通を継続するため、不要な圧力損失が発生する。これに対して、本実施の形態１では、上述したように、複数の冷媒回路のうち、運転していない冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に熱媒体が流れないようにしている。そのため、不要な圧力損失の増加を防ぎ、装置の運転を高効率化することができる。

なお、熱媒体熱交換器６ａに熱媒体が流れない場合、冷凍サイクル制御手段４１は、熱媒体熱交換器６ａと接続される冷媒回路２ａの圧縮機３ａの運転を停止する場合で説明したが、圧縮機３ａを停止せずに運転周波数を小さくしてもよい。消費電力の低減の観点からは圧縮機３ａを停止させることが望ましいが、冷凍サイクル制御手段４１は、能力を落として圧縮機３ａの運転を継続させる。この場合、能力が低下した圧縮機３ａの冷媒回路２ａにおける冷媒の凍結が抑制され、圧縮機３ａが通常運転の能力まで復帰したときに発生する、冷媒回路２ａおよび２ｂ間の温度ムラが抑制される。

また、直列流路が形成されている場合、冷凍サイクル制御手段４１は、熱媒体熱交換器６ｂに接続された冷媒回路２ｂの圧縮機３ｂの回転数を、熱媒体熱交換器６ａに接続された冷媒回路２ａの圧縮機３ａの回転数よりも高い値に設定してもよい。または、冷凍サイクル制御手段４１は、圧縮機３ｂの代わりに、減圧装置５ｂの開度を減圧装置５ａの開度よりも大きくしてもよい。この場合、上流側の冷媒回路２ｂの冷媒の循環量を多くすることで、冷凍サイクル装置１の運転の高効率化を図ることができる。

また、直列流路が形成されている場合、並列流路が形成されている場合と比べて、冷凍サイクル制御手段４１は、熱媒体の流量が少なくなるように熱媒体搬送装置８を制御してもよい。この場合、熱媒体の流速が遅くなり、熱媒体は熱媒体熱交換器６ｂおよび熱媒体熱交換器６ａの順に各熱交換器で十分に冷媒と熱交換を行う。その結果、熱媒体回路３０に流入する熱媒体の温度と、熱媒体回路３０から流出する熱媒体の温度との差が大きくなる。例えば、冷凍サイクル装置１の立ち上げ時のように熱負荷が大きいとき、または熱媒体の温度差を大きくとる必要性があるとき、この制御は、有効である。

また、制御部４０は、負荷に応じて流路を切り替えてもよい。冷凍サイクル装置１の立ち上げ時のように、熱負荷が大きいとき、熱媒体回路３０に流入する熱媒体の温度と、熱媒体回路３０から流出する熱媒体の温度との温度差を大きくする必要がある。そこで、熱負荷が大きいとき、流路決定手段４３は、直列流路を選択する。その後、冷凍サイクル装置１が安定的に動作する通常運転では、熱媒体搬送装置８の低消費電力化を図るために、流路決定手段４３は、並列流路または片系統流路を選択する。このようにして、冷凍サイクル装置１の運転効率の向上を図ることができる。

また、第１の弁９、第２の弁１１および第３の弁１０は、作業者が手動で操作するボールバルブであってもよい。図７に示した手順を、作業者が行って熱媒体回路３０に流路を設定してもよい。また、熱媒体の粘度に応じて、作業者が熱媒体回路３０に流路を設定してもよい。例えば、熱媒体を粘度の高いブラインから粘度の低いブラインに変更する場合、作業者が流路切替装置５０を操作して、熱媒体回路３０に形成されている並列流路を直列流路に切り替えればよい。一方、熱媒体を粘度の低いブラインから粘度の高いブラインに変更する場合、作業者が流路切替装置５０を操作して、熱媒体回路３０に形成されている直列流路を並列流路に切り替えてもよい。

さらに、本実施の形態１では、冷凍サイクル装置１に設けられる冷媒回路の数が２つの場合で説明したが、冷媒回路の数は２つに限定されない。冷凍サイクル装置１に冷媒回路が３つ以上設けられていてもよい。この場合でも、複数の熱媒体熱交換器が直列接続と並列接続とを切り替えられるように構成されることで、冷凍サイクル装置１の運転の高効率化を図ることができる。

本実施の形態１の冷凍サイクル装置１によれば、流路切替装置５０は、熱媒体回路３０において、複数の熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを直列に接続する直列流路と、複数の熱媒体熱交換器６ａおよび６ｂを並列に接続する並列流路と、を切り替えるものである。

本実施の形態１によれば、直列流路および並列流路のうち、運転効率のよい流路を形成することができる。その結果、装置全体として運転効率を向上させることができる。

ブラインクーラで使用されるブラインの粘度は、約４．０〜１００．０［ｍＰａ・ｓ］であり、水（０．８［ｍＰａ・ｓ］）と比べて、バラつきが大きい。また、使用されるブラインの流量および粘度は使用される環境などによって異なる。例えば、冬季に熱媒体が凍結することを防止する必要がある地域では、熱媒体に粘度の高いブラインが使用される。この場合、複数の蒸発器の直列接続による圧力損失が運転効率に及ぼす影響が大きいため、複数の蒸発器が並列に接続される構成が適している。

一方、熱媒体に粘度の低いブラインが使用される場合、複数の蒸発器の直列接続による圧力損失が運転効率に及ぼす影響が小さいこともある。このような場合であっても、従来、ブラインが熱媒体に使用される冷凍サイクル装置では、粘度のバラツキの大きさを考慮して、複数の蒸発器が並列に接続された構成が採用されている。これに対して、本実施の形態１では、流路決定手段４３が熱媒体の粘度に応じて、より運転効率のよい流路を決定している。そのため、冷凍サイクル装置１の運転効率が向上する。

また、使用されるブラインの粘度が高いものから低いものに変更されることがある。この場合、複数の蒸発器が並列に接続された構成では、冷凍効率が低下した状態で冷凍サイクル装置が運転されることになる。本実施の形態１の冷凍サイクル装置１は、直列流路と並列流路とが切り替えられる構成である。冷凍サイクル装置１の設置後でも、熱媒体の粘度に応じて、直列流路および並列流路のうち、いずれかの流路が熱媒体回路３０に形成される。その結果、複数の蒸発器の接続構成を最適化することができる。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。本実施の形態２では、実施の形態１と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図８に示すように、本実施の形態２の冷凍サイクル装置１ａでは、図１に示した構成と比較すると、第３の弁１０の位置に流量調整器２０が設けられている。

流量調整器２０は、配管３５に流れる熱媒体の流量を調整する。流量調整器２０は、開度を調整できる電動弁と、開度を調整できない縮径部とを有する。流量調整器２０が設けられた接続流路は、熱媒体熱交換器６ａが設けられた流路および熱媒体熱交換器６ｂが設けられた流路よりも、流路抵抗が大きい。そのため、熱媒体回路３０に直列流路が形成されたとき、熱媒体の流速が遅くなる。

熱媒体回路３０において、熱媒体の流速が遅くなることで、冷媒と熱媒体との熱交換がより確実にされるため、熱媒体の温度変化の幅を大きくとることができる。また、流量調整器２０が設けられた接続流路の流路抵抗が大きいため、並列流路が形成された場合であっても、接続流路には、熱媒体が流れにくくなる。流量調整器２０の縮径部または配管３５自体によって、熱媒体が流れにくくなる。

また、並列流路が形成されている場合、流量調整器２０が設けられた接続流路に熱媒体の一部が流れる。このような構成では、接続流路において、熱媒体の凍結が抑制される。さらに、並列流路が形成されている場合、流量調整器２０が設けられた接続流路に熱媒体の一部が流れるので、流路切替装置５０が並列流路から直列流路に切り替えたときなどに、熱媒体回路３０から流出する熱媒体の温度にムラが発生することを抑制できる。

なお、実施の形態１では配管３５に第３の弁１０が設けられ場合を説明し、実施の形態２では配管３５に流量調整器２０が設けられた場合を説明したが、配管３５に弁および流量調整器が設けられていなくてもよい。配管３５に弁および流量調整器が設けられていない場合、装置の低コスト化を図ることができる。

例えば、図８において、配管３５に流量調整器２０が設けられていない場合、配管３４を流通する熱媒体は、流通方向を大きく変えて配管３５に入り、再び、流通方向が熱媒体熱交換器６ｂと平行になるように、熱媒体が配管３３を流通する。直列流路が形成された場合、配管３５に流量調整器２０が設けられていなくも、熱媒体が配管３５を経由することで、熱媒体回路３０全体における熱媒体の流速が遅くなる。熱媒体回路３０において、熱媒体の流速が遅くなることで、冷媒と熱媒体との熱交換がより確実に行われる。なお、並列流路の場合、配管３５に熱媒体が流れても熱媒体の流速が遅いので、配管３５を流れる熱媒体の流量が少なく、熱交換効率に対する影響が抑制される。

１、１ａ 冷凍サイクル装置、２ａ、２ｂ 冷媒回路、３ａ、３ｂ 圧縮機、４ａ、４ｂ 熱源側熱交換器、５ａ、５ｂ 減圧装置、６ａ、６ｂ 熱媒体熱交換器、７ａ、７ｂ ファン、８ 熱媒体搬送装置、９ 第１の弁、１０ 第３の弁、１１ 第２の弁、１２ 入口圧力センサ、１３ 出口圧力センサ、２０ 流量調整器、３０ 熱媒体回路、３１〜３５ 配管、４０ 制御部、４１ 冷凍サイクル制御手段、４２ 効率算出手段、４３ 流路決定手段、４５ 流量計、５０ 流路切替装置、６０ 負荷側ユニット。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、前記複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、前記熱媒体回路は、前記複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、前記複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備え、前記流路切替装置は、前記複数の熱媒体熱交換器に含まれる２つの熱媒体熱交換器のうち、一方の熱媒体熱交換器の下流側と他方の熱媒体熱交換器の上流側とを接続する接続流路と、前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記他方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該他方の熱媒体熱交換器および前記接続流路への流入を制御する、該接続流路の上流側に設けられた第１の弁と、前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記一方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該一方の熱媒体熱交換器からの流出を制御する、前記接続流路の下流側に設けられた第２の弁と、を有し、前記接続流路は、前記熱媒体の流量を調整する流量調整器を有するものである。

Claims (14)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、
   前記複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、
   前記熱媒体回路は、前記複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、前記複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備える、
   冷凍サイクル装置。
2. 前記流路切替装置を制御する制御部をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記複数の冷媒回路の一部の冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器への前記熱媒体の流通を停止するとき、前記流路切替装置を制御して、該一部の冷媒回路を除く他の冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に前記熱媒体を流す片系統流路を前記熱媒体回路に形成させる、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御部は、
   前記熱媒体回路に前記片系統流路が形成されている場合、前記一部の冷媒回路の前記圧縮機の運転を停止する、または該圧縮機の運転周波数を下げる、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記流路切替装置は、
   前記複数の熱媒体熱交換器に含まれる２つの熱媒体熱交換器のうち、一方の熱媒体熱交換器の下流側と他方の熱媒体熱交換器の上流側とを接続する接続流路と、
   前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記他方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該他方の熱媒体熱交換器および前記接続流路への流入を制御する、該接続流路の上流側に設けられた第１の弁と、
   前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記一方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該一方の熱媒体熱交換器からの流出を制御する、前記接続流路の下流側に設けられた第２の弁と、
   を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記接続流路は、前記熱媒体の流量を調整する流量調整器を有する、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記熱媒体回路に前記並列流路が形成されている場合に、前記熱媒体の一部が前記流量調整器を流通する、請求項５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機を制御する制御部をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記熱媒体回路に前記直列流路が形成されている場合、上流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の圧縮機の回転数を、下流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の圧縮機の回転数よりも高くする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記減圧装置を制御する制御部をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記熱媒体回路に前記直列流路が形成されている場合、上流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の減圧装置の開度を、下流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の減圧装置の開度よりも大きくする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記熱媒体回路と負荷側との間に前記熱媒体を循環させる熱媒体搬送装置と、
   前記熱媒体搬送装置を制御する制御部と、をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記直列流路が形成されている場合の前記熱媒体の流量が、前記並列流路が形成されている場合の前記熱媒体の流量よりも少なくなるように、前記熱媒体搬送装置を制御する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記熱媒体回路に流入する前記熱媒体の入口圧力を測定する入口圧力センサと、
    前記熱媒体回路から流出する前記熱媒体の出口圧力を測定する出口圧力センサと、
    前記流路切替装置を制御する制御部と、をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記直列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差に対する比である直列成績係数と、前記並列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差に対する比である並列成績係数とを算出し、前記直列成績係数の前記並列成績係数に対する比である改善率を算出する効率算出手段と、
    前記改善率と設定値とを比較し、該改善率が該設定値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成し、該改善率が該設定値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段と、
    を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記熱媒体回路から流出する前記熱媒体の流量を測定する流量計と、
    前記流路切替装置を制御する制御部と、をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記直列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記流量計の流量に基づく圧力損失に対する比である直列成績係数と、前記並列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記流量計の流量に基づく圧力損失に対する比である並列成績係数とを算出し、前記直列成績係数の前記並列成績係数に対する比である改善率を算出する効率算出手段と、
    前記改善率と設定値とを比較し、該改善率が該設定値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成し、該改善率が該設定値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段と、
    を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
12. 前記流路切替装置を制御する制御部をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記熱媒体の粘度と閾値とを比較し、該粘度が該閾値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記並列流路を形成し、該粘度が該閾値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
13. 前記複数の熱媒体熱交換器は、前記冷媒と前記熱媒体とが対向流となる構成である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
14. 前記複数の熱媒体熱交換器が一体的に形成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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