KR20110014623A

KR20110014623A - 냉동 장치

Info

Publication number: KR20110014623A
Application number: KR1020107027033A
Authority: KR
Inventors: 슈지 후지모또; 아쯔시 요시미; 다까히로 야마구찌; 도루 이나즈까; 가즈히로 후루쇼; 미쯔하루 우찌다; 히데히꼬 가따오까
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-02-11
Also published as: AU2009241156B2; EP2309204A4; WO2009133706A1; EP2309204A1; US8959951B2; EP2309204B1; AU2009241156A1; CN102016446A; JP2009270748A; CN102016446B; JP5120056B2; US20110036119A1; KR101214343B1

Abstract

초임계 상태의 과정을 포함하여 작동하는 냉매를 사용한 냉동 장치에 있어서, 부하가 변동하는 경우에도 기기의 신뢰성을 유지하면서 성적 계수를 향상시키는 것이 가능한 냉동 장치를 제공한다. 열원측 열교환기(4)가 고단측의 압축 요소(2d)의 토출측에 접속되고, 접속 배관(72, 73, 74, 75)이 열원측 열교환기(4)와 팽창 기구(5)를 접속하고 있다. 접속 배관(77, 2a)은, 이용측 열교환기(6)와 저단측의 압축 요소(2c)의 흡입측을 접속하고 있다. 액가스 열교환기(8)는, 접속 배관(72, 73, 74, 75)을 흐르는 냉매와, 접속 배관(77, 2a)을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 액가스 삼방 밸브(8C)는, 접속 배관(72, 73, 74, 75) 중 액가스 열교환기(8)를 통과하는 부분에 냉매를 흘리는 상태와, 액가스 열교환기(8)를 통과하는 부분의 일단부측과 타단부측을 접속하는 액가스 바이패스 배관(8B)에 냉매를 흘리는 상태를 전환한다.

Description

냉동 장치{REFRIGERATION DEVICE}

본 발명은, 냉동 장치, 특히 초임계 상태의 과정을 포함하여 작동하는 냉매를 사용하여 다단 압축식 냉동 사이클을 행하는 냉동 장치에 관한 것이다.

종래부터 초임계 영역에서 작동하는 냉매를 사용하여 다단 압축식 냉동 사이클을 행하는 냉동 장치의 1개로서, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2007-232263호 공보)에 기재된 바와 같은, 이산화탄소를 냉매로서 사용하여 2단 압축식 냉동 사이클을 행하는 공기 조화 장치가 있다. 이 공기 조화 장치는, 주로 직렬로 접속된 2개의 압축 요소를 갖는 압축기와, 실외 열교환기와, 팽창 밸브와, 실내 열교환기를 갖고 있다.

일본 특허 공개 제2007-232263호 공보

상술한 공기 조화 장치에서는, 냉동 장치의 부하가 변동된 경우에 있어서의 성적 계수의 유지에 관한 고려가 이루어지고 있지 않다.

또한, 간단히 부하 변동에 대응시켜 성적 계수의 향상을 도모하는 것만으로는, 기기에의 부담이 증대되어 버릴 우려도 있다.

본 발명의 과제는, 초임계 상태의 과정을 포함하여 작동하는 냉매를 사용한 냉동 장치에 있어서, 부하가 변동하는 경우에도 기기의 신뢰성을 유지하면서 성적 계수를 향상시키는 것이 가능한 냉동 장치를 제공하는 것에 있다.

제1 발명의 냉동 장치는, 냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치이며, 팽창 기구, 증발기, 2단 압축 요소, 방열기, 제1 냉매 배관, 제2 냉매 배관, 제1 열교환기, 제1 열교환 바이패스 배관 및 열교환기 전환 기구를 구비하고 있다. 팽창 기구는 냉매를 감압시킨다. 증발기는, 팽창 기구와 접속되고, 냉매를 증발시킨다. 2단 압축 요소는 냉매를 흡입하여 압축시켜 토출하는 제1 압축 요소와, 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출하는 제2 압축 요소를 갖고 있다. 방열기는, 제2 압축 요소의 토출측에 접속되어 있다. 제1 냉매 배관은, 방열기와 팽창 기구를 접속하고 있다. 제2 냉매 배관은, 증발기와 제1 압축 요소의 흡입측을 접속하고 있다. 제1 열교환기는, 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매와, 제2 냉매 배관을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 제1 열교환 바이패스 배관은 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분의 일단부측과 타단부측을 접속하고 있다. 열교환기 전환 기구는, 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분에 냉매를 흘리는 상태와, 제1 열교환 바이패스 배관에 냉매를 흘리는 상태를 전환 가능하게 되어 있다.

이 냉동 장치에서는 제1 열교환기에 있어서의 열교환에 의해, 팽창 기구를 향하는 냉매의 비엔탈피를 저하시킴으로써 성적 계수를 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 열교환기에 있어서의 열교환에 의해, 제1 압축 요소의 흡입 냉매에 적당한 과열을 부여할 수 있어, 제1 압축 요소에서의 액압축의 발생을 억제하여 기기의 신뢰성을 유지함과 함께 토출 온도를 높여 얻어지는 수온을 높이 유지하는 것이 가능하게 된다.

제2 발명의 냉동 장치는, 제1 발명의 냉동 장치에 있어서, 온도 검지부와 제어부를 더 구비하고 있다. 온도 검지부는, 증발기의 주변의 공기 온도와, 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도, 중 적어도 어느 한쪽을 검지한다. 제어부는, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 공기 온도가 소정 고온 공기 온도보다 높고, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 냉매 온도가 소정 저온 냉매 온도보다 낮다는 조건을 만족한 경우에 열교환기 전환 기구를 제어하여 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시킨다.

이 냉동 장치에서는 증발기의 주변의 공기 온도가 높아지거나, 혹은 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 낮아지거나 하는 상황이 될 것 같은 경우에도 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시킬 수 있다.

이에 의해, 팽창 기구를 향하는 냉매의 비엔탈피를 저하시킬 수 있어, 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 제1 압축 요소의 흡입 냉매에 적당한 과열도를 부여할 수 있기 때문에, 제1 압축 요소에 있어서 액압축이 발생하기 어렵게 할 수 있다.

또한, 제1 압축 요소의 흡입 냉매의 과열도를 상승시킬 수 있기 때문에, 방열기에서 요구되는 온도가 높은 경우에 대응하는 것이 가능하게 된다.

제3 발명의 냉동 장치는, 냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치이며, 냉매를 감압시키는 제1 팽창 기구 및 제2 팽창 기구, 증발기, 2단 압축 요소, 제3 냉매 배관, 방열기, 제1 냉매 배관, 제4 냉매 배관, 제5 냉매 배관, 제2 열교환기, 온도 검지부 및 제어부를 구비하고 있다. 증발기는, 제1 팽창 기구와 접속되고, 냉매를 증발시킨다. 2단 압축 요소는, 제1 압축 요소와 제2 압축 요소를 갖고 있다. 제1 압축 요소는, 냉매를 흡입하여 압축시켜 토출한다. 제2 압축 요소는, 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출한다. 제3 냉매 배관은 제1 압축 요소로부터 토출한 냉매를 제2 압축 요소에 흡입시키도록 연장되어 있다. 방열기는, 제2 압축 요소의 토출측에 접속되어 있다. 제1 냉매 배관은, 방열기와 제1 팽창 기구를 접속하고 있다. 제4 냉매 배관은 제1 냉매 배관으로부터 분기하여, 제2 팽창 기구까지 연장되어 있다. 제5 냉매 배관은 제2 팽창 기구부터 제3 냉매 배관까지 연장되어 있다. 제2 열교환기는, 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매와 제5 냉매 배관을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 온도 검지부는, 증발기의 주변의 공기 온도와, 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도, 중 적어도 어느 한쪽을 검지한다. 제어부는, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 공기 온도가 소정 저온 공기 온도보다 낮고, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 냉매 온도가 소정 고온 냉매 온도보다 높다는 조건을 만족한 경우에 제2 팽창 기구를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시킨다.

이 냉동 장치에서는, 팽창 기구를 향하는 냉매의 비엔탈피를 저하시킴으로써 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매의 온도보다 제5 냉매 배관으로부터 합류하는 냉매 온도의 쪽이 낮은 경우에는 제2 압축 요소의 토출 냉매 온도가 과잉된 상승을 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 방열기를 통과하는 냉매량을 증대시킬 수 있다.

또한, 2단 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 높아질 것 같은 경우 혹은 증발기의 주변의 공기 온도가 낮아지는 경우에도 제2 팽창 기구를 통과하는 냉매량을 증대시킴으로써 제2 압축 요소의 토출 냉매 온도가 과잉된 상승을 억제할 수 있어, 2단 압축 요소의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제4 발명의 냉동 장치는, 제3 발명의 냉동 장치에 있어서, 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매를 냉각 가능한 외부 냉각부와, 외부 냉각부를 통과하는 유체 온도를 검지하는 외부 온도 검지부와, 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매 온도를 검지하는 제3 냉매 온도 검지부를 더 구비하고 있다. 그리고, 제어부는, 외부 온도 검지부에 의한 검지 온도와 제3 냉매 온도 검지부의 검지 온도의 차이가 소정값 미만이 된 경우에 제2 팽창 기구를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시킨다.

이 냉동 장치에서는 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매의 외부 냉각부에 의한 냉각 효과를 충분히 얻지 못하는 경우에도 제5 냉매 배관을 합류시킴으로써 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매 온도를 저하시킴으로써, 냉동 사이클의 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제5 발명의 냉동 장치는 냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치이며, 냉매를 감압시키는 제1 팽창 기구 및 제2 팽창 기구, 증발기, 2단 압축 요소, 방열기, 제1 냉매 배관, 제2 냉매 배관, 제3 냉매 배관, 제1 열교환기, 제4 냉매 배관, 제5 냉매 배관, 제2 열교환기, 온도 검지부 및 제어부를 더 구비하고 있다. 증발기는, 냉매를 증발시킨다. 2단 압축 요소는, 제1 압축 요소와 제2 압축 요소를 갖고 있다. 제1 압축 요소는, 냉매를 흡입하여 압축시켜 토출한다. 제2 압축 요소는, 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출한다. 방열기는, 제2 압축 요소의 토출측에 접속되어 있다. 제1 냉매 배관은 방열기와 제1 팽창 기구를 접속한다. 제2 냉매 배관은 증발기와 제1 압축 요소의 흡입측을 접속하고 있다. 제3 냉매 배관은 제1 압축 요소로부터 토출한 냉매를 제2 압축 요소에 흡입시키기 위하여 연장되어 있다. 제1 열교환기는, 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매와 제2 냉매 배관을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 제4 냉매 배관은 제1 냉매 배관으로부터 분기하여 제2 팽창 기구까지 연장되어 있다. 제5 냉매 배관은 제2 팽창 기구와 제3 냉매 배관을 접속하고 있다. 제2 열교환기는 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매와 제5 냉매 배관을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 온도 검지부는, 증발기의 주변의 공기 온도와, 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도, 중 적어도 어느 한쪽을 검지한다. 제2 팽창 제어부는 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 공기 온도가 소정 저온 공기 온도보다 낮고, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 냉매 온도가 소정 고온 냉매 온도보다 높다는 조건을 만족한 경우에 제2 팽창 기구를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시킨다.

이 냉동 장치에서는 팽창 기구를 향하는 냉매의 비엔탈피를 저하시켜 성적 계수를 향상시키면서, 제1 압축 요소의 흡입 냉매에 적당한 가열을 부여하여 제1 압축 요소에서의 액압축을 방지 및/또는 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매를 냉각시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 높아질 것 같은 경우 혹은 증발기의 주변의 공기 온도가 낮아진 경우에도 제2 팽창 기구를 통과하는 냉매량을 증대시킴으로써 제2 압축 요소의 토출 냉매 온도가 과잉된 상승을 억제할 수 있어, 2단 압축 요소의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제6 발명의 냉동 장치는, 제5 발명의 냉동 장치에 있어서, 제1 열교환 바이패스 배관 및 열교환기 전환 기구를 더 구비하고 있다. 제1 열교환 바이패스 배관은 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분의 일단부측과 타단부측을 접속하고 있다. 열교환기 전환 기구는 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분에 냉매를 흘리는 상태와, 제1 열교환 바이패스 배관에 냉매를 흘리는 상태를 전환할 수 있다.

이 냉동 장치에서는 제1 열교환기에 대해서는 열교환기 전환 기구의 전환에 의해, 제2 열교환기에 대해서는 제2 팽창 기구에 있어서의 냉매의 통과를 허용하는 상태와 허용하지 않는 상태의 전환에 의해, 각각 사용 상황을 조절하는 것이 가능하게 된다.

제7 발명의 냉동 장치는, 제6 발명의 냉동 장치에 있어서, 온도 검지부와 열교 전환 제어부를 더 구비하고 있다. 온도 검지부는 증발기의 주변의 공기 온도와, 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도, 중 적어도 어느 한쪽을 검지한다. 열교 전환 제어부는, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 공기 온도가 소정 고온 공기 온도보다 높고, 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 냉매 온도가 소정 저온 냉매 온도보다 낮다는 조건을 만족한 경우에 열교환기 전환 기구를 제어하여 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시킨다.

이 냉동 장치에서는 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 낮아질 것 같은 경우 혹은 증발기의 주변의 공기 온도가 높아진 경우에도 제1 냉매 배관 중 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시킴으로써 제1 압축 요소의 흡입 냉매의 과열도를 상승시킬 수 있어, 방열기에서 요구되는 온도가 높은 경우에 대응하는 것이 가능하게 된다.

제8 발명의 냉동 장치는, 제5 발명으로부터 제7 발명 중 어느 한쪽의 냉동 장치에 있어서, 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매를 냉각 가능한 외부 냉각부와, 외부 냉각부를 통과하는 유체 온도를 검지하는 외부 온도 검지부와, 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매 온도를 검지하는 제3 냉매 온도 검지부를 더 구비하고 있다. 그리고, 제2 팽창 제어부는 외부 온도 검지부에 의한 검지 온도와 제3 냉매 온도 검지부의 검지 온도의 차이가 소정값 미만이 된 경우에 제2 팽창 기구를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시킨다.

이 냉동 장치에서는 외부 냉각부에 의한 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매의 냉각 효과를 충분히 얻지 못하는 경우에도 제5 냉매 배관을 통과하는 냉매가 합류함으로써 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매 온도를 낮춤으로써 냉동 사이클의 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제9 발명의 냉동 장치는, 제1 발명으로부터 제8 발명 중 어느 한쪽의 냉동 장치에 있어서, 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소는, 각각 회전 구동함으로써 압축하는 것을 행하기 위한 공통된 회전축을 갖고 있다.

이 냉동 장치에서는, 원심력을 서로 상쇄시키면서 구동함으로써, 진동의 발생이나 토크 부하의 변동을 억제하는 것이 가능하게 된다.

제10 발명의 냉동 장치는, 제1 발명으로부터 제9 발명 중 어느 한쪽의 냉동 장치에 있어서, 작동 냉매는, 이산화탄소이다.

이 냉동 장치에서는, 임계점 근방의 초임계 상태의 이산화탄소는, 냉매 압력을 조금 바꾸기만 하여도 냉매의 밀도를 극적으로 변화시킬 수 있다. 이로 인해, 적은 압축일에 의해, 냉동 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이하의 효과가 얻어진다.

제1 발명에서는 성적 계수를 향상시키면서, 제1 압축 요소에서의 액압축의 발생을 억제하여 기기의 신뢰성을 향상시킴과 함께 토출 온도를 높여 얻어지는 수온을 높이 유지하는 것이 가능하게 된다.

제2 발명에서는, 팽창 기구를 향하는 냉매의 비엔탈피를 저하시킬 수 있어, 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제3 발명에서는, 2단 압축 요소의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제4 발명에서는, 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매의 외부 냉각부에 의한 냉각 효과를 충분히 얻지 못하는 경우에도 냉동 사이클의 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제5 발명에서는, 성적 계수를 향상시키면서, 제1 압축 요소에서의 액압축을 방지 및/또는 제1 냉매 배관을 흐르는 냉매를 냉각시킬 수 있어, 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 높아질 것 같은 경우 혹은 증발기의 주변의 공기 온도가 낮아진 경우에도 2단 압축 요소의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제6 발명에서는, 제1 열교환기 및 제2 열교환기의 사용 상황을 조절하는 것이 가능하게 된다.

제7 발명에서는, 압축 요소로부터의 토출 냉매 온도가 낮아질 것 같은 경우 혹은 증발기의 주변의 공기 온도가 높아진 경우에도 방열기에서 요구되는 온도가 높은 경우에 대응하는 것이 가능하게 된다.

제8 발명에서는, 외부 냉각부에 의한 제3 냉매 배관을 통과하는 냉매의 냉각 효과를 충분히 얻지 못하는 경우에도 냉동 사이클의 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 된다.

제9 발명에서는, 원심력을 서로 상쇄시키면서 구동함으로써, 진동의 발생이나 토크 부하의 변동을 억제하는 것이 가능하게 된다.

제10 발명에서는, 적은 압축일에 의해, 냉동 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 냉동 장치의 일 실시 형태로서의 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.
도 4는 제1 실시 형태의 변형예 1에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 변형예 2에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 냉동 장치의 일 실시 형태로서의 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.
도 9는 제2 실시 형태의 변형예 1에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 변형예 2에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 11은 제2 실시 형태의 변형예 3에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 12는 제2 실시 형태의 변형예 3에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이다.
도 13은 제2 실시 형태의 변형예 3에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 냉동 장치의 일 실시 형태로서의 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 15는 제3 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이다.
도 16은 제3 실시 형태에 관한 공기 조화 장치의 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.
도 17은 제3 실시 형태의 변형예 2에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 18은 제3 실시 형태의 변형예 3에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 19는 제3 실시 형태의 변형예 5에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 20은 제3 실시 형태의 변형예 6에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 21은 제3 실시 형태의 변형예 7에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 22는 제3 실시 형태의 변형예 8에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 23은 제3 실시 형태의 변형예 9에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.
도 24는 제3 실시 형태의 변형예 10에 관한 공기 조화 장치의 개략 구성도이다.

<1> 제1 실시 형태

<1-1> 공기 조화 장치의 구성

도 1은 본 발명에 관한 냉동 장치의 일 실시 형태로서의 공기 조화 장치(1)의 개략 구성도이다. 공기 조화 장치(1)는, 초임계 영역에서 작동하는 냉매(여기서는, 이산화탄소)를 사용하여 2단 압축식 냉동 사이클을 행하는 장치다.

공기 조화 장치(1)의 냉매 회로(10)는, 주로 압축 기구(2)와, 열원측 열교환기(4)와, 팽창 기구(5)와, 이용측 열교환기(6)와, 액가스 열교환기(8)와, 액가스 삼방 밸브(8C)와, 액가스 바이패스 배관(8B)과, 이들을 접속하는 접속 배관(71, 72, 73, 74, 75, 76, 77) 등과, 이용측 온도 센서(6T), 열원측 온도 센서(4T)를 갖고 있다.

압축 기구(2)는, 본 실시 형태에 있어서, 2개의 압축 요소에 의해 냉매를 2단 압축하는 압축기(21)로 구성되어 있다. 압축기(21)는, 케이싱(21a) 내에 압축기 구동 모터(21b)와, 구동축(21c)과, 압축 요소(2c, 2d)가 수용된 밀폐식 구조로 되어 있다. 압축기 구동 모터(21b)는 구동축(21c)에 연결되어 있다. 그리고, 이 구동축(21c)은, 2개의 압축 요소(2c, 2d)에 연결되어 있다. 즉, 압축기(21)는 2개의 압축 요소(2c, 2d)가 단일의 구동축(21c)에 연결되어 있고, 2개의 압축 요소(2c, 2d)가 모두 압축기 구동 모터(21b)에 의해 회전 구동되는, 소위 1축 2단 압축 구조로 되어 있다. 압축 요소(2c, 2d)는, 본 실시 형태에 있어서, 로터리식이나 스크롤식 등의 용적식의 압축 요소이다. 그리고, 압축기(21)는 흡입관(2a)으로부터 냉매를 흡입하고, 이 흡입된 냉매를 압축 요소(2c)에 의해 압축한 후에, 압축 요소(2d)에 흡입시켜 냉매를 더 압축한 후에 토출관(2b)에 토출하도록 구성되어 있다. 또한, 토출관(2b)은, 압축 기구(2)로부터 토출된 냉매를 열원측 열교환기(4)에 보내기 위한 냉매관이며, 토출관(2b)에는 오일 분리 기구(41)와 역지 기구(42)가 설치되어 있다. 오일 분리 기구(41)는 압축 기구(2)로부터 토출되는 냉매에 동반하는 냉동기유를 냉매로부터 분리하여 압축 기구(2)가 흡입측으로 복귀시키는 기구이며, 주로 압축 기구(2)로부터 토출되는 냉매에 동반하는 냉동기유를 냉매로부터 분리하는 오일 분리기(41a)와, 오일 분리기(41a)에 접속되어 있으며 냉매로부터 분리된 냉동기유를 압축 기구(2)의 흡입관(2a)으로 복귀시키는 오일 복귀관(41b)을 갖고 있다. 오일 복귀관(41b)에는 오일 복귀관(41b)을 흐르는 냉동기유를 감압하는 감압 기구(41c)가 설치되어 있다. 감압 기구(41c)는, 본 실시 형태에 있어서, 모세관 튜브가 사용되고 있다. 역지 기구(42)는 압축 기구(2)의 토출측으로부터 열원측 열교환기(4)에의 냉매의 흐름을 허용하고, 또한 열원측 열교환기(4)로부터 압축 기구(2)의 토출측에의 냉매의 흐름을 차단하기 위한 기구이며, 본 실시 형태에 있어서, 역지 밸브가 사용되고 있다.

이와 같이, 압축 기구(2)는, 본 실시 형태에 있어서, 2개의 압축 요소(2c, 2d)를 갖고 있고, 이들 압축 요소(2c, 2d) 중 전단측의 압축 요소로부터 토출된 냉매를 후단측의 압축 요소에 의해 순차적으로 압축하도록 구성되어 있다.

열원측 열교환기(4)는, 공기를 열원으로 하여 냉매의 방열기로서 기능하는 열교환기이다. 열원측 열교환기(4)는, 그 일단부가 접속 배관(71) 및 역지 기구(42)를 통하여 압축 기구(2)의 토출측에 접속되어 있고, 그 타단이 접속 배관(72)을 통하여 액가스 삼방 밸브(8C)에 접속되어 있다.

팽창 기구(5)는, 일단부가 접속 배관(73), 액가스 열교환기(8)(액측의 액가스 열교환기(8L)), 접속 배관(74, 75)을 통하여 액가스 삼방 밸브(8C)에 접속되어 있고, 다단이 접속 배관(76)을 통하여 이용측 열교환기(6)에 접속되어 있다. 이 팽창 기구(5)는, 냉매를 감압하는 기구이며, 본 실시 형태에 있어서, 전동 팽창 밸브가 사용되고 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 팽창 기구(5)는, 열원측 열교환기(4)에 있어서 냉각된 고압의 냉매를 이용측 열교환기(6)에 보내기 전에 냉매의 포화 압력 부근까지 감압한다.

이용측 열교환기(6)는, 냉매의 증발기로서 기능하는 열교환기이다. 이용측 열교환기(6)는, 그 일단부가 접속 배관(76)을 통하여 팽창 기구에 접속되어 있고, 그 타단이 접속 배관(77)을 통하여 액가스 열교환기(8)(액측의 액가스 열교환기(8G))에 접속되어 있다. 또한, 여기에서는 도시하지 않았지만, 이용측 열교환기(6)에는 이용측 열교환기(6)를 흐르는 냉매와 열교환을 행하는 가열원으로서의 물이나 공기가 공급되도록 되어 있다.

이용측 온도 센서(6T)는, 상술한 이용측 열교환기(6)를 흐르는 냉매와 열교환을 행하게 하기 위하여 가열원으로서 공급되는 물이나 공기의 온도를 검지한다.

액가스 열교환기(8)는, 접속 배관(73)으로부터 접속 배관(74)을 향하여 흐르는 냉매를 통과시키는 액측의 액가스 열교환기(8L)와, 접속 배관(77)으로부터 흡입관(2a)을 향하여 흐르는 냉매를 통과시키는 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 갖고 있다. 그리고, 액가스 열교환기(8)는, 이 액측의 액가스 열교환기(8L)를 흐르는 냉매와, 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 한다. 또한, 여기에서는 「액」측, 「액」 가스 열교환기(8) 등의 문언으로 설명하지만, 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과하는 냉매는 액상태에 한정되지 않고, 예를 들어 초임계 상태의 냉매이어도 좋다. 또한, 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 흐르는 냉매에 대해서도, 가스 상태의 냉매에 한정되지 않고, 예를 들어 습기 기미의 냉매가 흐르고 있어도 좋다.

액가스 바이패스 배관(8B)은, 액측의 액가스 열교환기(8L)의 상류측인 접속 배관(73)에 접속된 액가스 삼방 밸브(8C)의 1개의 전환 포트와, 액측의 액가스 열교환기(8L)의 하류측으로 연장되는 접속 배관(74)의 단부를 접속하고 있다.

액가스 삼방 밸브(8C)는, 열원측 열교환기(4)로부터 연장되는 접속 배관(72)을 액측의 액가스 열교환기(8L)로부터 연장되는 접속 배관(73)에 접속하는 액가스 이용 접속 상태와, 열원측 열교환기(4)로부터 연장되는 접속 배관(72)을 액측의 액가스 열교환기(8L)로부터 연장되는 접속 배관(73)에 접속하지 않고 액가스 바이패스 배관(8B)에 접속하는 액가스 비이용 접속 상태로 전환할 수 있다.

열원측 온도 센서(4T)는, 열원측 열교환기(4)가 배치되어 있는 공간에 있어서의 가열 대상으로서 공급되는 물이나 공기의 온도를 검출한다.

또한, 공기 조화 장치(1)는, 압축 기구(2), 팽창 기구(5), 액가스 삼방 밸브(8C), 이용측 온도 센서(6T) 등의 공기 조화 장치(1)를 구성하는 각 부의 동작을 제어하는 제어부(99)를 갖고 있다.

<1-2> 공기 조화 장치의 동작

이어서, 본 실시 형태의 공기 조화 장치(1)의 동작에 대해서, 도 1, 도 2 및 도 3을 사용하여 설명한다.

여기서, 도 2는 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이며, 도 3은 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.

(액가스 이용 접속 상태)

액가스 이용 접속 상태에서는, 액가스 열교환기(8)에 있어서, 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과하는 냉매와, 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 통과하는 냉매 사이에서 열교환이 행해지도록, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태가 제어부(99)에 의해 전환 제어된다.

여기에서는, 압축 기구(2)의 흡입관(2a)으로부터 흡입된 냉매(도 2, 도 3의 점 A 참조)가, 저단측의 압축 요소(2c)에 의해 압축되고(도 2, 도 3의 점 B, C 참조), 또한 후단측의 압축 요소(2d)에 의해 임계 압력을 초과하는 압력이 될 때까지 압축되어(도 2, 도 3의 점 D 참조), 압축 기구(2)로부터 열원측 열교환기(4)를 향하여 고온 고압 냉매가 보내어진다. 그 후, 열원측 열교환기(4)에 있어서, 냉매의 열이 방열된다. 또한, 여기에서는, 이산화탄소가 작동 냉매로서 채용되고 있으며, 초임계 상태로 되어 열원측 열교환기(4)에 유입되고 있기 때문에, 방열 공정에서는 냉매 압력이 일정한 상태에서 현열 변화에 의해 외부에 방열되면서, 냉매 자체의 온도는 연속적으로 저하되어 간다(도 2, 도 3의 K 참조). 그리고, 열원측 열교환기(4)를 나온 냉매는 액측의 액가스 열교환기(8L)에 유입되어, 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 흐르는 저온 저압의 가스 냉매 사이에서 열교환이 행해짐으로써, 재차 방열되면서, 냉매 자체의 온도가 재차 연속적으로 저하되어 간다(도 2, 도 3의 점 L 참조). 이 액측의 액가스 열교환기(8L)를 나온 냉매는 팽창 기구(5)에 의해 감압되어(도 2, 도 3의 점 M 참조), 이용측 열교환기(6)에 유입되어 간다. 이용측 열교환기(6)에서는, 압력이 일정한 상태에서 외부의 공기나 물과의 열교환에 의해, 냉매가 외부로부터 빼앗은 열을 잠열 변화에 소비하면서 증발해 감으로써, 냉매의 건조도가 증대된다(도 2, 도 3의 점 P 참조). 이용측 열교환기(6)로부터 나온 냉매는, 가스측의 액가스 열교환기(8G)에 있어서, 압력이 일정한 상태에서 다음에는 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과하는 고온 고압과 냉매의 열교환에 의해 빼앗은 열에 의해, 재차 잠열 변화하면서 증발해 가, 이 압력에 있어서의 건조 포화 증기 곡선을 초과하여 과열 상태로 된다. 그리고, 이 과열 상태의 냉매가, 흡입관(2a)을 통하여 압축 기구(2)에 흡입된다(도 2, 도 3의 점 A). 액가스 이용 접속 상태에서는, 이러한 냉매의 순환을 반복한다.

(액가스 비이용 접속 상태)

액가스 비이용 접속 상태에서는, 액가스 열교환기(8)에 있어서의 열교환이 행해지지 않도록, 제어부(99)가 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 제어하여, 접속 배관(72)과 액가스 바이패스 배관(8B)을 접속하는 상태로 한다.

또한, 액가스 비이용 접속 상태에 있어서도, 도 4, 도 5의 점 A', 점 B', 점 C', 점 D'에 대해서는, 액가스 이용 접속 상태와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.

여기에서는, 열원측 열교환기(4)를 나온 냉매는 액측의 액가스 열교환기(8L)에 유입되지 않고, 액가스 바이패스 배관(8B)을 흘러 팽창 기구(5)에 있어서 감압된다(도 4, 도 5의 점 K', 점 L' 참조). 그리고, 팽창 기구(5)에 있어서 감압되어, 이용측 열교환기(6)에 유입된다(도 4, 도 5의 점 M' 참조). 이용측 열교환기(6)에 있어서는, 압력이 일정한 상태에서 외부의 공기나 물과의 열교환에 의해, 냉매가 외부로부터 빼앗은 열을 잠열 변화에 소비하면서 증발해 감으로써, 이 압력에 있어서의 건조 포화 증기 곡선을 초과하여 과열 상태로 된다. 그리고, 이 과열 상태의 냉매가, 흡입관(2a)을 통하여 압축 기구(2)에 흡입된다(도 2, 도 3의 점 P', 점 A' 참조). 액가스 비이용 접속 상태에서는, 이러한 냉매의 순환을 반복한다.

(목표 능력 출력 제어)

이러한 냉동 사이클에 있어서, 제어부(99)는, 이하와 같은 목표 능력 출력 제어를 행한다.

우선, 제어부(99)는, 도시하지 않은 컨트롤러 등을 통한 유저로부터의 설정 온도의 입력값 및, 열원측 온도 센서(4T)에 의해 검출되는 열원측 열교환기(4)가 배치되어 있는 공간의 기온 등에 기초하여, 열원측 열교환기(4)가 설치되어 있는 공간에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 산출한다. 그리고, 제어부(99)는, 이 필요하게 되는 방출 열량에 기초하여, 압축 기구(2)의 토출 냉매 압력에 대하여 목표 토출 압력을 산출한다.

또한, 여기에서는, 목표 능력 출력 제어에 있어서의 목표값을, 목표 토출 압력으로 하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이 목표 토출 압력 이외에도, 예를 들어, 토출 냉매 압력에 토출 냉매 온도를 곱한 값이 소정 범위 내가 되도록 토출 냉매 압력 및 토출 냉매 온도의 목표값을 각각 정하도록 해도 좋다. 여기에서는, 부하가 바뀐 경우에 있어서, 흡입 냉매의 과열도가 높은 경우에는 토출 냉매의 밀도가 낮아져 버리기 때문에, 가령 고단측의 압축 요소(2d)로부터의 토출 냉매 온도를 유지할 수 있었다고 해도 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 수 없게 되어 버리는 경우가 있기 때문이다.

이어서, 제어부(99)는 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여, 목표 증발 온도 및 목표 증발 압력(임계 압력 이하의 압력)을 정한다. 이 목표 증발 압력의 설정은, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도가 변화할 때마다 행해진다.

또한, 제어부(99)는, 이 목표 증발 온도의 값에 기초하여, 압축 기구(2)가 흡입하는 냉매의 과열도가 목표의 값 x(과열도 목표값)이 되도록 과열도 제어를 행한다.

그리고, 제어부(99)는, 압축 공정에 있어서, 이와 같이 하여 정해진 과열도에 있어서의 엔트로피의 값을 유지시키는 등엔트로피 변화를 시키면서, 목표 토출 압력에 이르기까지 냉매 온도를 상승시키도록 압축 기구(2)의 운전 용량을 제어한다. 여기에서는, 회전수 제어에 의해 압축 기구(2)의 운전 용량을 제어한다. 또한, 압축 기구(2)의 토출 압력은, 임계 압력을 초과하는 압력이 되도록 제어된다.

여기서, 열원측 열교환기(4)에서의 방열 공정에서는, 냉매가 초임계 상태이기 때문에, 목표 토출 압력으로 유지되면서 등압 변화를 행하면서 냉매 온도가 연속적으로 저하되어 가게 된다. 그리고, 열원측 열교환기(4)를 흐르는 냉매는, 가열 대상으로서 공급되는 물이나 공기의 온도 이상이며, 이 가열 대상으로서 공급되는 물이나 공기의 온도에 가까운 값 y까지 냉각된다. 여기에서는, 도시하지 않은 가열 대상의 공급 장치(물의 경우에는 펌프, 공기의 경우에는 팬 등)에 의한 공급량이 제어됨으로써, y의 값이 결정된다.

또한, 여기에서는, 액가스 열교환기(8)가 설치되어 있기 때문에, 상술한 액가스 이용 접속 상태에서는, 목표 토출 압력으로 유지되어 등압 변화를 행하면서, 냉매 온도가 재차 연속적으로 저하되어 가게 된다. 이에 의해, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력이 향상되기 때문에, 성적 계수가 더욱 양호해진다. 또한, 상술한 액가스 비이용 접속 상태에서는, 액가스 열교환기(8)에 있어서의 열교환이 행해지지 않기 때문에, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이에 의해, 압축 기구(2)의 토출 냉매를 목표 토출 압력으로 했다고 해도, 토출 냉매 지나치게 온도가 높아지는 것을 방지할 수 있어, 압축 기구(2)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 열원측 열교환기(4)(및 액가스 열교환기(8))에 있어서 냉각된 냉매는, 팽창 기구(5)에 의해 목표 증발 압력(임계 압력 이하의 압력)이 될 때까지 감압되어, 이용측 열교환기(6)에 유입된다.

이용측 열교환기(6)를 흐르는 냉매는, 가열원으로서 공급되는 물이나 공기로부터의 열을 흡수함으로써, 목표 증발 온도 및 목표 증발 압력을 유지한 채 등온 등압 변화를 행하면서, 냉매의 건조도를 향상시켜 간다. 그리고, 제어부(99)는, 과열도가 과열도 목표값이 되도록, 도시하지 않은 가열원의 공급 장치(물의 경우에는 펌프, 공기의 경우에는 팬 등)에 의한 공급량을 제어한다.

이와 같이 하여 제어를 행할 때에, 제어부(99)는 냉동 사이클에 있어서의 성적 계수(COP)가 가장 높아지도록, x의 값 및 y의 값을 산출하여, 상기 목표 능력 출력 제어를 행한다. 여기서, 성적 계수가 가장 양호해지는 x의 값 및 y의 값의 산출에 있어서는, 작동 냉매로서의 이산화탄소의 물성(몰리에르 선도 등)에 기초하여, 제어부(99)가 산출을 행한다.

또한, 성적 계수를 어느 정도 양호하게 유지할 수 있는 조건을 정해 두어, 이 조건 내이면, 압축일이 보다 작은 값이 되도록 x의 값 및 y의 값을 구하도록 해도 좋다. 또한, 압축일이 소정값 이하로 억제되는 것을 전제 조건으로 하고, 이 전제 조건을 만족하는 가운데 성적 계수가 가장 양호해지는 x의 값 및 y의 값을 구하도록 해도 좋다.

(액가스 열교환기 전환 제어)

또한, 제어부(99)는, 상기 목표 능력 출력 제어를 행하면서, 상술한 액가스 이용 접속 상태와, 액가스 비이용 접속 상태를 전환하는 액가스 열교환기 전환 제어를 행한다.

이 액가스 열교환기 전환 제어에서는, 제어부(99)가, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 따라 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 전환한다.

상술한 목표 능력 출력 제어에서는, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여 목표 증발 온도가 정해지지만, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아져 목표 증발 온도도 더욱 낮게 설정되게 되면, 압축 기구(2)의 목표 토출 압력은 변함없는 제어 조건 하(열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 필요가 있는 조건 하)에서는, 토출 냉매 온도가 상승되어 버린다. 이와 같이 토출 냉매 온도가 지나치게 상승되어 버리면, 압축 기구(2)의 신뢰성을 손상시켜 버린다. 그로 인해, 여기서는, 제어부(99)는, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를, 액가스 비이용 접속 상태로 하는 제어를 행한다. 이에 의해, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아져 목표 증발 온도도 더욱 낮게 설정되었다고 해도 압축 기구(2)가 흡입하는 냉매의 과열도의 상승 정도가 억제되어 토출 냉매 온도의 상승을 억제하면서, 요구되고 있는 방열량을 유지할 수 있게 된다.

한편, 상술한 목표 능력 출력 제어에서는, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여 목표 증발 온도가 정해지지만, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 높아져 목표 증발 온도도 더욱 높게 설정되게 되면, 압축 기구(2)의 목표 토출 압력은 변함없는 제어 조건 하(열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 필요가 있는 조건 하)에서는, 토출 냉매 온도가 저하되어 가게 된다. 이 경우에는 열원측 열교환기(4)에 필요하게 되는 방출 열량을 갖는 상태의 냉매를 공급할 수 없게 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 제어부(99)는 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 전환하여 액가스 이용 접속 상태로 하여, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도를 상승시켜, 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 확보하도록 할 수 있다. 또한, 이와 같이 필요하게 되는 방출 열량을 공급할 수 있었다고 해도 성적 계수를 개선할 수 있는 경우가 있다. 이러한 경우에는 제어부(99)는, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 전환하여 액가스 이용 접속 상태로 하여, 팽창 기구(5)의 흡입 냉매의 비엔탈피를 저하시켜, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시킴으로써, 요구되는 방열 열량을 확보하면서 성적 계수를 향상시킬 수 있다. 또한, 압축 기구(2)의 흡입 냉매에 적당한 과열도를 확보시킬 수 있기 때문에, 압축 기구(2)에 있어서 액압축이 발생해 버릴 우려를 방지할 수 있다.

<1-3> 변형예 1

상기 실시 형태에서는, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 기초하여(정해지는 목표 증발 온도에 기초하여) 제어부(99)가 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 이용측 온도 센서(6T) 대신에 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도를 검지하는 토출 냉매 온도 센서(2T)를 갖는 냉매 회로(10A)가 채용되어 있어도 된다.

이 토출 냉매 온도 센서(2T)에서는, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 높아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 낮아지는 경우에 대응하고, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 높아지는 경우에 대응한다. 즉, 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 지나치게 높아지면, 압축 기구(2)의 신뢰성을 유지할 수 없게 되어 버리기 때문에, 제어부(99)는, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 액가스 비이용 접속 상태로 하여, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도가 커지는 것을 방지한다. 또한, 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 낮아지면, 제어부(99)는, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 공급할 수 없게 되기 때문에, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 액가스 이용 접속 상태로 하여, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도를 상승시켜, 능력을 확보시킨다. 또한, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 온도가 낮아, 과열도를 상승시켰다고 해도 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도가 지나치게 상승하지 않은 상황에는 제어부(99)는, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 액가스 이용 접속 상태로 하여, 팽창 기구(5)로 보내어지는 냉매의 비엔탈피를 저하시켜, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시킴으로써 성적 계수를 상승시킨다.

<1-4> 변형예 2

상기 실시 형태에서는, 열원측 열교환기(4)가 방열기로서 기능하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 열원측 열교환기(4)가 증발기로서도 기능할 수 있도록, 열원측 열교환기(4)를 더 구비한 냉매 회로(10B)를 채용해도 좋다.

<1-5> 변형예 3

상기 실시 형태 및 변형예 1, 2에서는, 액가스 삼방 밸브(8C)의 접속 상태를 전환하여, 액가스 이용 접속 상태와 액가스 비이용 접속 상태를 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 액가스 삼방 밸브(8C)의 전환 상태를 조절함으로써, 액가스 바이패스 배관(8B)과 액가스 열교환기(8L) 양쪽에 냉매를 흘리면서, 양 유로의 냉매 유량비를 제어하도록 해도 좋다.

<1-6> 변형예 4

상기 실시 형태 및 변형예 1 내지 3에서는, 액가스 삼방 밸브(8C)가 설치된 냉매 회로를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 액가스 삼방 밸브(8C) 대신에, 접속 배관(73)에 개폐 밸브를 설치하고, 또한 액가스 바이패스 배관(8B)에도 개폐 밸브를 설치한 냉매 회로를 채용해도 좋다.

<1-7> 변형예 5

상기 실시 형태 및 변형예 1 내지 4에서는, 2단계로 압축되는 압축 기구(2)가 1개만 설치된 냉매 회로를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 상술한 2단계로 압축을 행하는 압축 기구(2)를 서로 병렬로 설치한 냉매 회로를 채용해도 좋다.

또한, 냉매 회로에 있어서, 복수의 이용측 열교환기(6)를 서로 병렬로 배치시켜도 좋다. 이때, 각 이용측 열교환기(6)에 대하여 공급되는 냉매량을 제어할 수 있도록 팽창 기구를 각각의 이용측 열교환기 바로 앞에 배치하고, 팽창 기구에 대해서도 서로 병렬로 배치된 냉매 회로를 채용해도 좋다.

<2> 제2 실시 형태

<2-1> 공기 조화 장치의 구성

제2 실시 형태의 공기 조화 장치(201)에서는, 상기 제1 실시 형태의 공기 조화 장치(1)의 액가스 열교환기(8), 액가스 삼방 밸브(8C) 등이 설치되어 있지 않은 대신에, 에코노마이저 회로(9) 및 에코노마이저 열교환기(20)를 갖고 있으며, 압축 기구(2)의 저단측의 압축 요소(2c)로부터 토출되는 냉매를 고단측의 압축 요소(2d)로 유도하는 중간 냉매관(22)이 설치되어 있는 냉매 회로(210)가 채용되어 있다. 이하, 상기 실시 형태의 차이점을 중심으로 설명한다.

에코노마이저 회로(9)는, 접속 배관(72)과 접속 배관(73c) 사이의 분기점 X로부터 분기하고 있는 분기 상류 배관(9a), 냉매를 감압시키는 에코노마이저 팽창 기구(9e), 에코노마이저 팽창 기구(9e)에 의해 감압된 냉매를 에코노마이저 열교환기(20)까지 유도하는 분기 중류 배관(9b), 에코노마이저 열교환기(20)로부터 흘러 나온 냉매를 중간 냉매관(22)의 합류점 Y까지 유도하는 분기 하류 배관(9c)을 갖고 있다.

접속 배관(73c)은 에코노마이저 열교환기(20)를 통하여 접속 배관(75c)에 냉매를 유도한다. 이 접속 배관(75c)은 팽창 기구(5)에 접속되어 있다.

다른 구성은, 상술한 제1 실시 형태의 공기 조화 장치(1)와 마찬가지이다.

<2-2> 공기 조화 장치의 동작

이어서, 본 실시 형태의 공기 조화 장치(1)의 동작에 대해, 도 6, 도 7 및 도 8을 사용하여 설명한다.

여기서, 도 7은 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이며, 도 8은, 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.

(에코노마이저 이용 상태)

에코노마이저 이용 상태에서는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 조절함으로써, 에코노마이저 회로(9)에 냉매를 흘린다.

에코노마이저 회로(9)에서는, 분기점 X로부터 분기 상류 배관(9a)으로 분기하여 흘러 온 냉매가, 에코노마이저 팽창 기구(9e)에 있어서 감압되어(도 6, 도 7 및 도 8의 점 R 참조), 분기 중류 배관(9b)을 통하여 에코노마이저 열교환기(20)에 유입된다.

그리고, 에코노마이저 열교환기(20)에서는, 접속 배관(73c)과 접속 배관(75c)을 흐르는 냉매(도 6, 도 7 및 도 8의 점 X→점 Q 참조)와, 분기 중류 배관(9b)을 통하여 에코노마이저 열교환기(20)에 유입되는 냉매(도 6, 도 7 및 도 8의 점 R→점 Y 참조) 사이에서 열교환이 행해진다.

이때에, 접속 배관(73c)과 접속 배관(75c)을 흐르는 냉매에 대해서는, 에코노마이저 열교환기(20)에 의해 감압되어 냉매 온도가 저하되고 있는 분기 중류 배관(9b)을 흐르는 냉매에 의해 냉각되어, 비엔탈피가 저하된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 X→점 Q 참조). 이와 같이, 팽창 기구(5)에 보내어지는 냉매의 과냉각도가 증대함으로써, 냉동 사이클의 냉동 능력이 상승하여, 성적 계수가 향상한다. 그리고, 이 비엔탈피가 저하된 냉매는 팽창 기구(5)를 통과함으로써 감압되어, 이용측 열교환기(6)에 유입된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 Q→점 M 참조). 그리고, 이용측 열교환기(6)에 있어서 냉매는, 증발해 가, 압축 기구(2)에 흡입된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 M→점 A 참조). 압축 기구(2)에 흡입된 냉매는, 저단측 압축 요소(2c)에 의해 압축되어, 온도 상승을 수반하면서 중간 압력까지 압력이 상승한 냉매가 중간 냉매관(22)을 흐르는 상태로 된다.

또한, 분기 중류 배관(9b)을 통하여 에코노마이저 열교환기(20)에 유입되는 냉매는, 접속 배관(73c)과 접속 배관(75c)을 흐르는 냉매에 의해 가열됨으로써 냉매의 건조도가 향상된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 R→점 Y 참조).

이와 같이, 에코노마이저 회로(9)를 통과한 냉매(도 6, 도 7 및 도 8의 점 Y)는, 상술한 중간 냉매관(22)의 합류점 Y에 있어서, 중간 냉매관(22)을 흐르는 냉매(도 6, 도 7 및 도 8의 점 B)에 합류되어, 중간 압력을 유지한 상태에서 냉매 온도가 저하되어, 저단측의 압축 요소(2c)로부터의 토출 냉매의 과열도를 저감시키면서, 고단측의 압축 요소(2d)에 흡입된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 Y, 점 B 및 점 C 참조). 이에 의해, 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 냉매 온도가 저하되는 점에서, 고단측의 압축 요소(2d)의 토출 냉매 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 온도가 저하됨으로써 냉매 밀도가 상승하고, 또한 에코노마이저 회로(9)를 통하여 인젝션된 냉매에 의해 열원측 열교환기(4)를 순환하는 냉매량이 증대하기 때문에, 열원측 열교환기(4)에 공급할 수 있는 능력을 대폭 증대시킬 수 있다.

에코노마이저 이용 상태에서는, 이러한 냉매의 순환을 반복한다.

(에코노마이저 비이용 상태)

에코노마이저 비이용 상태에서는, 에코노마이저 회로(9)에 있어서의 에코노마이저 팽창 기구(9e)가 완전 폐쇄 상태로 된다. 이에 의해, 분기 중류 배관(9b)에 있어서의 냉매 흐름이 없어져, 에코노마이저 열교환기(20)가 기능하지 않는 상태로 된다(도 6, 도 7 및 도 8의 점 Q', 점 M', 점 D' 참조).

이에 의해, 중간 냉매관(22)을 흐르는 냉매의 냉각 효과가 없어지기 때문에, 고단측의 압축 요소(2d)의 토출 냉매의 온도가 상승한다.

(목표 능력 출력 제어)

우선, 제어부(99)는, 도시하지 않은 컨트롤러 등을 통한 유저로부터의 설정 온도의 입력값 및 열원측 온도 센서(4T)에 의해 검출되는 열원측 열교환기(4)가 배치되어 있는 공간의 기온 등에 기초하여, 열원측 열교환기(4)가 설치되어 있는 공간에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 산출한다. 그리고, 제어부(99)는 이 필요하게 되는 방출 열량에 기초하여, 압축 기구(2)의 토출 냉매 압력에 대하여 목표 토출 압력을 산출한다.

또한, 여기에서는, 목표 능력 출력 제어에 있어서의 목표값을, 목표 토출 압력으로 하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 이 목표 토출 압력 이외에도, 예를 들어 토출 냉매 압력에 토출 냉매 온도를 곱한 값이 소정 범위 내가 되도록 토출 냉매 압력 및 토출 냉매 온도의 목표값을 각각 정하도록 해도 좋다. 여기에서는, 부하가 바뀐 경우에 있어서, 흡입 냉매의 과열도가 높은 경우에는 토출 냉매의 밀도가 낮아져 버리기 때문에, 가령 고단측의 압축 요소(2d)로부터의 토출 냉매 온도를 유지할 수 있었다고 해도 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 수 없게 되어 버리는 경우가 있기 때문이다.

이어서, 제어부(99)는, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여, 목표 증발 온도 및 목표 증발 압력(임계 압력 이하의 압력)을 정한다. 이 목표 증발 압력의 설정은, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도가 변화할 때마다 행해진다.

또한, 제어부(99)는, 이 목표 증발 온도의 값에 기초하여, 압축 기구(2)가 흡입하는 냉매의 과열도가 목표의 값 x(과열도 목표값)가 되도록 과열도 제어를 행한다.

그리고, 제어부(99)는 압축 공정에 있어서, 이와 같이 하여 정해진 과열도에 있어서의 엔트로피의 값을 유지시키는 등엔트로피 변화를 시키면서, 목표 토출 압력에 이르기까지 냉매 온도를 상승시키도록 압축 기구(2)의 운전 용량을 제어한다. 여기에서는, 회전수 제어에 의해 압축 기구(2)의 운전 용량을 제어한다. 또한, 압축 기구(2)의 토출 압력은, 임계 압력을 초과하는 압력이 되도록 제어된다.

또한, 여기에서는, 에코노마이저 회로(9)가 설치되어 있기 때문에, 상술한 에코노마이저 이용 상태에서는 목표 토출 압력으로 유지되어 등압 변화를 행하면서, 접속 배관(73c)으로부터 에코노마이저 열교환기(20)에 유입된 냉매 온도가 재차 연속적으로 저하되어 접속 배관(75c)에 보내어지게 된다. 이에 의해, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력이 향상되기 때문에 성적 계수가 더욱 양호해진다. 또한, 에코노마이저 회로(9)를 통과한 냉매의 인젝션에 의해, 중간 냉매관(22)을 흘러 고단측의 압축 요소(2d)에 흡입되는 냉매 온도가 저하됨으로써 고단측의 압축 요소(2d)로부터의 토출 냉매 온도의 이상 상승을 방지할 수 있다. 또한, 상술한 에코노마이저 비이용 상태에서는, 에코노마이저 열교환기(20)에서의 열교환이 행해지지 않기 때문에, 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 온도가 저하되지 않아, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보하도록 할 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 열원측 열교환기(4)(및 에코노마이저 열교환기(20))에 있어서 냉각된 냉매는, 팽창 기구(5)에 의해, 목표 증발 압력(임계 압력 이하의 압력)이 될 때까지 감압되어, 이용측 열교환기(6)에 유입된다.

이용측 열교환기(6)를 흐르는 냉매는, 가열원으로서 공급되는 물이나 공기로부터의 열을 흡수함으로써, 목표 증발 온도 및 목표 증발 압력을 유지한 상태에서 등온 등압 변화를 행하면서, 냉매의 건조도를 향상시켜 간다. 그리고, 제어부(99)는, 과열도가 과열도 목표값이 되도록, 도시하지 않은 가열원의 공급 장치(물의 경우에는 펌프, 공기의 경우에는 팬 등)에 의한 공급량을 제어한다.

이와 같이 하여 제어를 행할 때에, 제어부(99)는, 냉동 사이클에 있어서의 성적 계수(COP)가 가장 높아지도록 x의 값 및 y의 값을 산출하여, 상기 목표 능력 출력 제어를 행한다. 여기서, 성적 계수가 가장 양호해지는 x의 값 및 y의 값의 산출에 있어서는, 작동 냉매로서의 이산화탄소의 물성(몰리에르 선도 등)에 기초하여, 제어부(99)가 산출을 행한다.

(에코노마이저 전환 제어)

또한, 제어부(99)는, 상기 목표 능력 출력 제어를 행하면서, 상술한 에코노마이저 이용 상태와, 에코노마이저 비이용 상태를 전환하는 에코노마이저 전환 제어를 행한다.

이 에코노마이저 전환 제어에서는, 제어부(99)가, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 따라 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 제어한다.

상술한 목표 능력 출력 제어에서는, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여 목표 증발 온도가 정해지지만, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아져서 목표 증발 온도도 더욱 낮게 설정되게 되면, 압축 기구(2)의 목표 토출 압력은 변함없는 제어 조건 하(열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 필요가 있는 조건 하)에서는, 토출 냉매 온도가 상승해 버린다. 이와 같이 토출 냉매 온도가 지나치게 상승해 버리면, 압축 기구(2)의 신뢰성을 손상시켜 버린다. 그로 인해, 여기서는, 제어부(99)는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 개방하여 에코노마이저 회로(9)에 냉매를 흘림으로써 에코노마이저 열교환기(20)를 기능시키는, 에코노마이저 이용 상태로 하는 제어를 행한다. 이에 의해, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아져 목표 증발 온도도 더욱 낮게 설정되었다고 해도, 압축 기구(2)의 고단측의 압축 요소(2d)가 흡입하는 냉매 온도의 상승 정도가 억제하여 토출 냉매 온도의 상승을 억제하면서, 요구되고 있는 방열량을 유지할 수 있게 된다.

한편, 상술한 목표 능력 출력 제어에서는, 이용측 온도 센서(6T)가 검출하는 온도에 기초하여 목표 증발 온도가 정해지지만, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 높아져 목표 증발 온도도 더욱 높게 설정되게 되면, 압축 기구(2)의 목표 토출 압력은 변함없는 제어 조건 하(열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 필요가 있는 조건 하)에서는, 토출 냉매 온도가 저하되어 가게 된다. 이 경우에는 열원측 열교환기(4)에 필요하게 되는 방출 열량을 갖는 상태의 냉매를 공급할 수 없게 되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 제어부(99)는 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 완전 폐쇄 상태로 하는 에코노마이저 비이용 상태로 하여, 압축 기구(2)의 고단측의 압축 요소(2d)가 흡입하는 냉매의 과열도가 저하되지 않도록 하여, 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 확보하도록 할 수 있다. 또한, 이와 같이 필요하게 되는 방출 열량을 공급할 수 있었다고 해도, 성적 계수를 개선할 수 있는 경우가 있다. 이러한 경우에는 제어부(99)는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 개방하여 에코노마이저 이용 상태로 하여, 팽창 기구(5)의 흡입 냉매의 비엔탈피가 저하되어, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시킴으로써, 요구되는 방열 열량을 확보하면서 성적 계수를 향상시킬 수 있다.

<2-3> 변형예 1

상기 실시 형태에서는, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 기초하여(정해지는 목표 증발 온도에 기초하여) 제어부(99)가 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 이용측 온도 센서(6T) 대신에 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도를 검지하는 토출 냉매 온도 센서(2T)를 갖는 냉매 회로(210A)가 채용되어 있어도 된다.

이 토출 냉매 온도 센서(2T)에서는, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 높아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 낮아지는 경우에 대응하고, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 높아지는 경우에 대응한다. 즉, 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 지나치게 높아지면, 압축 기구(2)의 신뢰성을 유지할 수 없게 되어 버리기 때문에, 제어부(99)는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 상승시켜 에코노마이저 이용 상태로 하여, 압축 기구(2)의 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 과열도를 저하시켜, 고단측의 압축 요소(2d)의 토출 냉매 온도가 높아지는 것을 방지한다. 또한, 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 낮아지면, 제어부(99)는, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 공급할 수 없게 되기 때문에, 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 완전 폐쇄 상태로 하여 에코노마이저 비이용 상태로 하여, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도를 저하시키지 않고, 능력을 확보시킨다. 또한, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 온도가 낮아, 과열도를 상승시켰다고 해도 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도가 지나치게 상승하지 않은 상황에는 제어부(99)는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 상승시켜 에코노마이저 이용 상태로 하여, 팽창 기구(5)로 보내어지는 냉매의 비엔탈피를 저하시켜, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시킴으로써 성적 계수를 상승시킨다.

<2-4> 변형예 2

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 열원측 열교환기(4)가 증발기로서도 기능할 수 있도록, 전환 기구(3)를 더 구비한 냉매 회로(210B)를 채용해도 좋다.

<2-5> 변형예 3

상기 실시 형태 및 변형예 1, 2에서는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 조절하여, 에코노마이저 이용 상태와 에코노마이저 비이용 상태를 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 밸브 개방도를 조절함으로써, 에코노마이저 회로(9) 및 접속 배관(73c, 75C)에 흐르는 냉매 유량비를 제어하도록 해도 좋다.

<2-6> 변형예 4

상기 실시 형태에서는, 중간 냉매관(22)을 흐르는 냉매의 과열도를 저하시키는 수단으로서 에코노마이저 회로(9)를 통하여 합류점 Y에 있어서 냉매를 인젝션시키는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 중간 냉매관(22)을 흐르는 냉매를 대상으로 하여, 외부 열원을 갖는 중간 냉각기(7)에 의해 냉각시키는 냉매 회로(210C)를 채용해도 좋다.

여기에서는, 중간 냉매관(22)은, 저단측의 압축 요소(2c)의 토출측부터 중간 냉각기(7)까지 연장되어 있는 저단측 중간 냉매관(22a) 및 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입측부터 중간 냉각기(7)까지 연장되는 고단측 중간 냉매관(22b)을 갖고 있다. 여기서, 에코노마이저 회로(9)로부터 중간 냉매관(22)에의 인젝션을 행하는 합류점 Y는, 고단측 중간 냉매관(22b)에 설정되어 있고, 중간 냉각기(7)를 통과한 후에 에코노마이저 회로(9)를 통한 인젝션이 이루어지게 되어 있다. 또한, 저단측 중간 냉매관(22a)과 고단측 중간 냉매관(22b)을 중간 냉각기(7)를 개재하지 않고 접속하는 중간 냉각 바이패스 회로(7B)와, 이 중간 냉각 바이패스 회로(7B) 도중에 설치되어 개폐를 행하는 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)가 설치되어 있다. 이 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)를 개방함으로써, 중간 냉각 바이패스 회로(7B)를 흐르는 냉매의 저항보다 중간 냉각기(7)를 향하는 냉매 흐름의 저항이 큰 상태로 되어, 냉매는 주로 중간 냉각 바이패스 회로(7B)를 흘러, 중간 냉각기(7)의 기능을 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 중간 냉각기(7)를 통과하는 냉매의 온도를 검출하는 중간 냉각 냉매 온도 센서(22T)와, 중간 냉각기(7)를 통과하는 외부 냉각 매체(물이나 공기)의 온도를 검출하는 중간 냉각 외부 매체 온도 센서(7T)가 설치되어 있고, 제어부(99)는, 이들의 온도 센서의 검지값에 기초하거나 하여, 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)를 개폐 제어한다.

여기서, 도 12는 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이며, 도 13은 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.

여기에서는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도가 조절되어 에코노마이저 이용 상태로 되고, 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)가 완전 폐쇄됨으로써 중간 냉각기(7)가 이용되고 있는 상태에서는, 도 12, 도 13에 있어서의 점 C 및 점 D를 찾아가는 냉동 사이클이 실행되어, 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 냉매 밀도가 상승하여, 압축 효율이 향상한다.

또한, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도가 조절되어 에코노마이저 이용 상태로 되고, 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)가 완전 개방 상태로 됨으로써 중간 냉각기(7)의 기능을 떨어뜨린 상태에서는, 도 12, 도 13에 있어서의 점 C" 및 점 D"를 찾아가는 냉동 사이클이 실행되어, 부하가 바뀌어도 압축 효율을 어느 정도 유지하면서, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 수 있다.

또한, 에코노마이저 팽창 기구(9e)가 완전 폐쇄되어 에코노마이저 비이용 상태로 되고, 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)가 완전 개방됨으로써 중간 냉각기(7)의 기능을 떨어뜨린 상태에서는 도 12, 도 13에 있어서의 점 C' 및 점 D'를 찾아가는 냉동 사이클이 실행되어, 부하가 바뀌어도 고단측의 압축 요소(2d)의 토출 온도를 상승시킴으로써, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보할 수 있다.

또한, 여기에서는, 에코노마이저 팽창 기구(9e)가 완전 폐쇄 상태로 되어 에코노마이저 비이용 상태로 되고, 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)가 완전 폐쇄 상태로 됨으로써 중간 냉각기(7)가 이용되고 있는 상태에 대해서는 생략하지만, 상기 도 12, 도 13에 있어서의 점 C" 및 점 D"를 찾아가는 냉동 사이클에 가까운 상태로 된다.

이와 같이, 제어부(99)가, 이용측 온도 센서(6T), 중간 냉각 냉매 온도 센서(22T) 및 중간 냉각 외부 매체 온도 센서(7T)의 검지값에 기초하여, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보하는 전제로, 성적 계수가 가장 양호해지도록 에코노마이저 팽창 기구(9e) 및 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)의 제어를 행한다.

<2-7> 변형예 5

또한, 냉매 회로에 있어서, 복수의 이용측 열교환기(6)를 서로 병렬로 배치시켜도 좋다. 이때, 각 이용측 열교환기(6)에 대하여 공급되는 냉매량을 제어할 수 있도록, 팽창 기구를 각각의 이용측 열교환기 바로 앞에 배치하고, 팽창 기구에 대해서도 서로 병렬로 배치된 냉매 회로를 채용해도 좋다.

<3> 제3 실시 형태

<3-1> 공기 조화 장치의 구성

제3 실시 형태의 공기 조화 장치(301)에서는, 도 14에 도시된 바와 같이 상기 제1 실시 형태의 공기 조화 장치(1)의 액가스 열교환기(8) 및 제2 실시 형태의 에코노마이저 회로(9) 양쪽이 설치된 냉매 회로(310)가 채용되어 있다. 이하, 상기 실시 형태의 차이점을 중심으로 설명한다.

여기에서는, 접속 배관(72)에 대하여 전환 삼방 밸브(28C)가 설치되어 있다. 이 전환 삼방 밸브(28C)는 접속 배관(73g)과 접속되는 에코노마이저 상태와, 접속 배관(73)과 접속되는 액가스 상태와, 에코노마이저 회로(9)도 액가스 열교환기(8)도 이용하지 않는 양 기능 비이용 상태를 전환할 수 있다.

이 접속 배관(73)에는 액가스 열교환기(8)의 액측의 액가스 열교환기(8L)가 접속되어 있다. 이 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과한 냉매는 접속 배관(74)을 통하여 접속 배관(76)의 합류점 L까지 연장되어 있다. 이 접속 배관(74)에는 도중에 냉매를 감압시키는 팽창 기구(95e)가 설치되어 있다.

또한, 접속 배관(73g)은, 분기점 X를 통하여 접속 배관(74g)측과, 분기 상류 배관(9a)측으로 분기하고 있다. 이 에코노마이저 회로(9) 자체에 대해서는, 상기 실시 형태와 마찬가지이다. 그리고, 접속 배관(74g)은 에코노마이저 열교환기(20)를 통하여 접속 배관(75g)과 접속되어 있다. 접속 배관(75g)은, 팽창 기구(5)와 접속되어 있다. 팽창 기구(5)는, 접속 배관(76)을 통하여 이용측 열교환기(6)와 접속되어 있다.

다른 구성은, 상술한 제1 실시 형태의 공기 조화 장치(1)나 제2 실시 형태의 공기 조화 장치(201)에 있어서 설명한 내용과 마찬가지이다.

<3-2> 공기 조화 장치의 동작

이어서, 본 실시 형태의 공기 조화 장치(1)의 동작에 대해서, 도 14, 도 15 및 도 16을 사용하여 설명한다.

여기서, 도 15는 냉동 사이클이 도시된 압력-엔탈피 선도이며, 도 16은, 냉동 사이클이 도시된 온도-엔트로피 선도이다.

또한, 에코노마이저 상태에 있어서의 점 Q의 비엔탈피와, 액가스 상태에 있어서의 점 T의 비엔탈피는, 각각 팽창 기구(5)나 팽창 기구(95e)의 개방도 제어에 의해 어느 것이 큰 값이 될지가 변화하기 때문에, 도 15, 도 16에 도시된 예에 한정되는 것은 아니다.

(에코노마이저 상태)

에코노마이저 상태에서는, 제어부(99)가 접속 배관(73)에는 냉매가 흐르지 않도록 하면서 접속 배관(73g)에 냉매가 흐르도록 전환 삼방 밸브(28C)의 접속 상태를 전환하여, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 올리고, 에코노마이저 회로(9)에 냉매를 흘리도록 냉동 사이클을 행한다. 여기에서는, 도 14, 도 15 및 도 16에 있어서 점 A, 점 B, 점 C, 점 D, 점 K, 점 X, 점 R, 점 Y, 점 Q, 점 L, 점 P로 나타낸 바와 같이, 상기 제2 실시 형태에 있어서의 에코노마이저 이용 상태와 마찬가지의 냉동 사이클이 행해진다.

여기에서는, 에코노마이저 열교환기(20)에 있어서의 열교환에 의해 접속 배관(75g)을 통과하여 팽창 기구(5)에 유입되는 냉매의 비엔탈피를 저하시킬 수 있어, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시켜 성적 계수를 양호한 값으로 할 수 있다. 또한, 에코노마이저 회로(9)를 통하여 중간 냉매관(22)의 합류점 Y에 있어서 합류되는 냉매에 의해, 압축 기구(2)의 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 과열도를 작게 할 수 있어, 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 밀도를 상승시켜 압축 효율을 향상시킬 수 있음과 함께, 토출 냉매 온도의 이상 상승을 방지할 수 있다. 또한, 이때에, 에코노마이저 회로(9)를 통하여 중간 냉매관(22)에 인젝션됨으로써, 열원측 열교환기(4)에 공급되는 냉매량이 증대하여, 공급되는 열량도 증대시킬 수 있게 된다.

(액가스 상태)

액가스 상태에서는, 제어부(99)가, 접속 배관(73g)에는 냉매가 흐르지 않도록 하면서 접속 배관(73)에 냉매가 흐르도록 전환 삼방 밸브(28C)의 접속 상태를 전환하여, 액가스 열교환기(8)를 기능시킨 냉동 사이클을 행한다. 여기에서는, 도 14, 도 15 및 도 16에 있어서 점 A, 점 B, 점 C', 점 D', 점 K, 점 T, 점 L', 점 P'로 나타낸 바와 같이, 상기 실시 형태 1에 있어서의 액가스 이용 접속 상태와 마찬가지의 냉동 사이클이 행해진다.

여기에서는, 팽창 기구(95e)에 유입되는 냉매의 비엔탈피를 저하시킬 수 있기 때문에, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력을 향상시켜 성적 계수를 양호한 값으로 할 수 있음과 함께, 압축 기구(2)의 저단측의 압축 요소(2c)의 흡입 냉매의 과열도를 확보하여 액압축을 방지하면서, 토출 온도를 높게 하여 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 열량을 확보할 수 있게 된다.

(양 기능 비이용 상태)

양 기능 비이용 상태에서는 제어부(99)가 접속 배관(73)에는 냉매가 흐르지 않도록 하면서 접속 배관(73g)에 냉매가 흐르도록 전환 삼방 밸브(28C)의 접속 상태를 전환하여, 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 완전 폐쇄 상태로 하여, 에코노마이저 회로(9)도 액가스 열교환기(8)도 이용하지 않도록 냉동 사이클을 행한다. 여기에서는, 도 14, 도 15 및 도 16에 있어서 점 A, 점 B, 점 C, 점 D", 점 K, 점 X, 점 Q", 점 L", 점 P로 나타낸 바와 같은 단순한 냉동 사이클이 행해진다.

여기에서는, 압축 기구(2)의 고단측의 압축 요소(2d)로부터 토출되는 냉매 온도를 높게 할 수 있으므로, 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량이 증대된 경우에도 요구되는 열량을 공급할 수 있게 된다.

(목표 능력 출력 제어)

우선, 제어부(99)는, 도시하지 않은 컨트롤러 등을 통한 유저로부터의 설정 온도의 입력값 및 열원측 온도 센서(4T)에 의해 검출되는 열원측 열교환기(4)가 배치되어 있는 공간의 기온 등에 기초하여, 열원측 열교환기(4)가 설치되어 있는 공간에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 산출한다. 그리고, 제어부(99)는, 이 필요하게 되는 방출 열량에 기초하여, 압축 기구(2)의 토출 냉매 압력에 대하여 목표 토출 압력을 산출한다.

또한, 여기에서는, 에코노마이저 상태로 제어되는 경우에는 목표 토출 압력으로 유지되어 등압 변화를 행하면서, 접속 배관(73g)으로부터 에코노마이저 열교환기(20)에 유입된 냉매 온도가 재차 연속적으로 저하되어 접속 배관(75g)에 보내어지게 된다. 이에 의해, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력이 향상되기 때문에, 성적 계수가 더욱 양호해진다. 또한, 에코노마이저 회로(9)를 통과한 냉매의 인젝션에 의해, 중간 냉매관(22)을 흘러 고단측의 압축 요소(2d)에 흡입되는 냉매 온도가 저하됨으로써 고단측의 압축 요소(2d)로부터의 토출 냉매 온도의 이상 상승을 방지할 수 있다. 또한, 이 에코노마이저 상태에서는, 상술한 제1 실시 형태에 있어서의 액가스 비이용 접속 상태와 마찬가지로, 액가스 열교환기(8)에 있어서의 열교환이 행해지지 않기 때문에, 압축 기구(2)의 흡입 냉매의 과열도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이에 의해, 압축 기구(2)의 토출 냉매를 목표 토출 압력으로 했다고 해도 토출 냉매 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있어, 압축 기구(2)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 여기에서는, 액가스 상태로 제어되는 경우에는 목표 토출 압력으로 유지되어 등압 변화를 행하면서, 냉매 온도가 재차 연속적으로 저하되어 가게 된다. 이에 의해, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력이 향상되기 때문에, 성적 계수가 더욱 양호해진다. 또한, 이 액가스 상태에서는, 상술한 제2 실시 형태에 있어서의 에코노마이저 비이용 상태와 마찬가지로, 에코노마이저 열교환기(20)에서의 열교환이 행해지지 않기 때문에, 고단측의 압축 요소(2d)의 흡입 냉매의 온도가 저하하지 않아, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 방출 열량을 확보하도록 할 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 열원측 열교환기(4)(및 액가스 열교환기(8))에 있어서 냉각된 냉매는 에코노마이저 상태인 경우에는 팽창 기구(5)에 의해, 액가스 상태인 경우에는 팽창 기구(95e)에 의해, 목표 증발 압력(임계 압력 이하의 압력)이 될 때까지 감압되어, 이용측 열교환기(6)에 유입된다.

이와 같이 하여 제어를 행할 때에, 제어부(99)는, 에코노마이저 상태와 액가스 상태에서 각각 냉동 사이클에 있어서의 성적 계수(COP)가 가장 높아지도록, x의 값 및 y의 값을 산출하여, 상기 목표 능력 출력 제어를 행한다. 여기서, 성적 계수가 가장 양호해지는 x의 값 및 y의 값의 산출에 있어서는, 작동 냉매로서의 이산화탄소의 물성(몰리에르 선도 등)에 기초하여, 제어부(99)가 산출을 행한다.

(에코노마이저 상태, 액가스 상태, 양 기능 비이용 상태의 전환 제어)

제어부(99)는, 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도가 이상 상승하지 않는 범위가 되는 것을 최우선으로 하고 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 공급할 수 있는 것을 두번째의 우선 사항으로 하고 운전 효율을 양호하게 하는 것(성적 계수를 향상시키는 것이나, 압축 효율을 상승시키는 것의 밸런스에 의해 적절히 결정할 수 있다)이 3번째의 우선 사항이 되도록, 상기 상태를 전환하는 제어를 행한다.

즉, 열원측 열교환기(4)에 있어서의 방출 열량이 부족한 경우에는 토출 온도가 이상 상승하지 않는 범위이면 액가스 상태로 하면서, 토출 온도가 이상 상승하는 것을 피하는 것이면 양 기능 비이용 상태로 하는 제어를 행한다. 또한, 열원측 열교환기(4)에 있어서의 방출 열량이 충분한 경우에는 에코노마이저 상태로 하여, 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도를 제어하여, 열원측 열교환기(4)에 있어서 요구되는 열량을 공급할 수 있는 한도에 있어서 밸브 개방도를 올려, 냉동 사이클의 냉동 능력을 향상시킴으로써 성적 계수를 양호한 값으로 하면서, 열원측 열교환기(4)에 공급할 수 있는 냉매량을 증대함으로써 공급 열량을 증대시키는 제어를 행한다.

또한, 여기에서의 방출 열량에 대해서는 열원측 온도 센서(4T)의 검지 온도와 설정 온도에 기초하여 제어부(99)가 구한다. 또한, 토출 온도가 이상 상승하지 않는지의 여부에 대해서는, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도(에 대응하여 정해지는 증발 온도)에 기초하여 제어부(99)가 구한다.

<3-3> 변형예 1

상기 실시 형태에서는, 제어부(99)가, 에코노마이저 상태와, 액가스 상태와, 양 기능 비이용 상태를 전환하는 제어를 행하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 에코노마이저 회로(9)를 이용하면서 액가스 열교환기(8)도 이용하는 병용 상태를 채용할 수 있도록 해도 좋다.

여기에서는, 예를 들어, 제어부(99)는, 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도가 이상 상승하지 않는 범위(냉동기유를 열화시켜 버리는 범위)가 되지 않아, 토출 압력이 압축 기구(2)의 내압 강도에 대응하는 소정 압력 이하가 되고, 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 공급할 수 있는 것을 전제 조건으로 하여, 운전 효율을 양호하게 하는 것(성적 계수를 향상시키는 것이나, 압축 효율을 상승시키는 것의 밸런스에 의해 적절히 결정할 수 있다)을 할 수 있도록, 간단히 전환 삼방 밸브(28C)의 접속 상태를 서로 전환하는 것이 아니고, 에코노마이저 회로(9)와 액가스 열교환기(8L) 양쪽에 냉매가 동시에 흐르는 상황에 있어서 에코노마이저 회로(9)측을 흐르는 냉매의 유량과 액가스 열교환기(8L)의 유량의 비율을 제어하도록 해도 좋다. 또한, 여기에서의 비율 조절 가능한 구성으로서는, 전환 삼방 밸브(28C)에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어, 액가스 열교환기(8L) 바로 앞에 팽창 기구를 설치하여 유량비 제어를 행하도록 해도 좋다.

여기에서는, 제어부(99)는, 에코노마이저 회로(9)측의 유량과 액가스 열교환기(8)측의 유량의 비율은, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 기초하여 목표 증발 온도를 정한 경우의 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도가 이상 상승하지 않는 범위(고단측의 압축 요소(2d)로부터의 토출 냉매 온도가 소정 온도 이하 등의 조건 하)이며 열원측 열교환기(4)에 있어서 필요하게 되는 방출 열량을 확보 가능한 만큼의 열량을 산출한다.

그리고, 제어부(99)는, 예를 들어, 우선 에코노마이저 회로(9)의 유량이 제로라고 가정하여, 목표 증발 온도에 있어서 토출 냉매 온도의 이상 상승을 방지할 수 있고, 토출 압력이 압축 기구(2)의 내압 강도에 대응하는 소정 압력 이하이며, 방출 열량을 확보하는데 필요한 액가스 열교환기(8L)의 유량을 산출한다. 이어서, 제어부(99)는, 이 산출된 액가스 열교환기(8L)측의 유량을 저감시키면서, 저감시킨 유량분의 냉매를 에코노마이저 회로(9)에 흘렸다고 가정하여, 액가스 열교환기(8)의 유량이 감소하는 분량에 수반하여 비엔탈피가 증대하는 것에 의한 냉동 능력의 저하분과, 에코노마이저 회로(9)의 유량이 증가하는 것에 수반하여 비엔탈피가 저하하는 것에 의한 냉동 능력의 증대분과, 에코노마이저 회로(9)의 유량이 증대함으로써 방출 열량 확보를 위하여 고압이 상승하는 것에 의한 압축 기구의 압축비의 증대분과, 에코노마이저 회로(9)의 유량의 증대에 의해 열원측 열교환기(4)에 공급되는 냉매 밀도가 상승하는 것에 수반하는 공급 열량의 증대분을 고려하여, 압축 기구(2)의 저단측의 압축 요소(2c) 및 고단측의 압축 요소(2d) 각각의 압축비가 소정의 범위 내이며, 성적 계수가 소정의 범위 내가 되도록, 유량비를 제어한다.

예를 들어, 제어부(99)에 의한 유량비 제어에서는, 압축일을 최소한으로 하는 중간 압력으로서 저단측의 압축 요소(2c)에 의한 압축비와 고단측의 압축 요소(2d)에 의한 압축비가 동등해지는 중간 압력을 산출하여, 에코노마이저 팽창 기구(9e)에 있어서 감압되는 정도를 이 중간 압력(및 이 중간 압력으로부터 소정 범위 내의 압력)이 되도록 에코노마이저 팽창 기구(9e)를 제어한 후, 성적 계수가 양호해지도록 전환 삼방 밸브(28C)에 있어서의 유량비를 조절하도록 해도 좋다.

<3-4> 변형예 2

상기 실시 형태에서는, 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도에 기초하여(정해지는 목표 증발 온도에 기초하여) 제어부(99)가 전환 삼방 밸브(28C)나 에코노마이저 팽창 기구(9e)의 개방도 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이 이용측 온도 센서(6T) 대신에 압축 기구(2)의 토출 냉매 온도를 검지하는 토출 냉매 온도 센서(2T)를 갖는 냉매 회로(310A)가 채용되어 있어도 된다.

이 토출 냉매 온도 센서(2T)에서는, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 높아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 낮아지는 경우에 대응하고, 상술한 이용측 온도 센서(6T)의 검지 온도가 낮아지는 경우가 토출 냉매 온도 센서(2T)의 검지 온도가 높아지는 경우에 대응한다.

<3-5> 변형예 3

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이 열원측 열교환기(4)가 증발기로서도 기능할 수 있도록 전환 기구(3)를 더 구비한 냉매 회로(310B)를 채용해도 좋다.

<3-6> 변형예 4

상기 실시 형태 및 변형예 1 내지 3에서는, 전환 삼방 밸브(28C)의 접속 상태를 전환하여, 액가스 상태와, 에코노마이저 상태 및 양 기능 비이용 상태를 전환하는 경우를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 전환 삼방 밸브(28C) 대신에, 접속 배관(73g)에 개폐 밸브를 설치하고, 또한 접속 배관(73)에도 개폐 밸브를 설치한 냉매 회로를 채용해도 좋다.

<3-7> 변형예 5

상기 실시 형태에서는, 팽창 기구(5) 및 팽창 기구(95e) 양쪽이 설치된 냉매 회로(310)를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이 에코노마이저 상태에서 제어하는 경우든, 액가스 상태에서 제어하는 경우든 어느 제어에 있어서도 병용할 수 있는 병용 팽창 기구(305C)를 갖는 냉매 회로(310C)를 채용해도 좋다.

이 경우에는 상기 제3 실시 형태에 있어서의 냉매 회로(310)보다 팽창 기구의 수를 줄일 수 있다.

<3-8> 변형예 6

상기 실시 형태에서는, 에코노마이저 회로(9)로 분기하는 분기점 X가, 액가스 열교환기(8)에 의해 바이패스되어 있는 냉매 회로(310)를 예로 들어 설명했다.

그러나, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 도 20에 도시된 바와 같이 액가스 열교환기(8)에 냉매를 보내는 전환 삼방 밸브(28C)로부터 연장되는 접속 배관(73h)과, 에코노마이저 회로(9)에 냉매를 보내는 분기점 X로부터 연장되는 접속 배관(73i) 사이의 합류점 V에 있어서, 액가스 열교환기(8L)를 통과한 복귀 냉매를 합류시키도록 한 냉매 회로(310D)를 채용하도록 해도 좋다.

<3-9> 변형예 7

또한, 도 21에 도시된 바와 같이 이 냉매 회로(310D)에 있어서, 팽창 기구(5) 및 팽창 기구(95e)를 공통화시킨 팽창 기구(305E)를 갖는 냉매 회로(310E)를 채용하도록 해도 좋다.

<3-10> 변형예 8

또한, 도 22에 도시된 바와 같이 전환 삼방 밸브(28C)를 접속 배관(75h)과 팽창 기구(5)로부터 연장되는 접속 배관(75i) 사이에 배치하고, 팽창 기구(5)와 이용측 열교환기(6)를 접속하는 접속 배관(76)의 합류점 V에 있어서, 액가스 열교환기(8L)를 통과한 복귀 냉매를 합류시키도록 한 냉매 회로(310F)를 채용하도록 해도 좋다.

이 경우에는 에코노마이저 팽창 기구(9e)에 의해 감압되는 냉매 온도보다, 가스측의 액가스 열교환기(8G)를 통과하는 냉매 온도쪽이 반드시 낮으므로 에코노마이저 열교환기(20)에 있어서 냉각한 후에 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과시킴으로써 감압되기 전의 냉매의 냉각 효율을 향상시켜, 비엔탈피를 보다 저하시킬 수 있다. 이에 의해, 냉동 사이클에 있어서의 냉동 능력이 향상되어, 성적 계수가 양호해진다.

<3-11> 변형예 9

또한, 도 23에 도시된 바와 같이 이 냉매 회로(310F)에 있어서, 팽창 기구(5) 및 팽창 기구(95e)를 공통화시킨 팽창 기구(305F)를 갖는 냉매 회로(310E)를 채용하도록 해도 좋다.

<3-12> 변형예 10

또한, 도 24에 도시된 바와 같이 중간 냉매관(22)에 있어서 중간 냉각기(7) 및 이 중간 냉각기(7)를 바이패스시키기 위한 중간 냉각 바이패스 회로(7B) 및 중간 냉각 바이패스 개폐 밸브(7C)를 설치하고, 또한 액측의 액가스 열교환기(8L)를 바이패스시키기 위한 액가스 바이패스 배관(8B) 및 액가스 삼방 밸브(8C)를 설치한, 냉매 회로(301H)를 채용하도록 해도 좋다.

여기에서는, 에코노마이저 회로(9)에 의한 중간 냉매관(22)의 냉매 온도의 저하 효과뿐만 아니라, 중간 냉각기(7)에 의한 저하 효과도 얻어진다.

또한, 에코노마이저 열교환기(20)에 있어서의 열교환을 실행시키면서, 동시에 액측의 액가스 열교환기(8L)를 통과시키면서, 또한 액가스 바이패스 배관(8B)을 통과시킴으로써 액가스 열교환기(8)에 있어서의 열교환을 행하게 하지 않는 냉매를 존재시킬 수 있도록 해도 좋다.

<3-13> 변형예 11

상기 실시 형태 및 변형예 1 내지 10에서는, 2단계로 압축되는 압축 기구(2)가 1개만 설치된 냉매 회로를 예로 들어 설명했다.

<4> 다른 실시 형태

이상, 본 발명의 실시 형태 및 그 변형예에 대하여 도면에 기초하여 설명했지만, 구체적인 구성은, 이들 실시 형태 및 그 변형예에 한정되는 것이 아니고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 변경 가능하다.

예를 들어, 상술한 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 이용측 열교환기(6)를 흐르는 냉매와 열교환을 행하는 가열원 또는 냉각원으로서의 물이나 브라인을 사용함과 함께, 이용측 열교환기(6)에 있어서 열교환된 물이나 브라인과 실내 공기를 열교환시키는 2차 열교환기를 설치한, 소위 칠러(chiller)형의 공기 조화 장치에 본 발명을 적용해도 좋다.

또한, 냉방 전용의 공기 조화 장치 등과 같은 상술한 칠러 타입의 공기 조화 장치와는 상이한 형식의 냉동 장치이어도, 본 발명을 적용 가능하다.

또한, 초임계 영역에서 작동하는 냉매로서는, 이산화탄소에 한정되지 않고, 에틸렌, 에탄이나 산화질소 등을 사용해도 좋다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명의 냉동 장치는, 초임계 상태의 과정을 포함하여 작동하는 냉매를 사용한 냉동 장치에 있어서, 부하가 변동하는 경우에도 기기의 신뢰성을 유지하면서 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하게 되기 때문에, 다단 압축식의 압축 요소를 구비하고 작동 냉매로서 초임계 상태의 과정을 포함하여 작동하는 냉매를 사용한 냉동 장치에 적용한 경우에 특히 유용하다.

1 : 공기 조화 장치(냉동 장치)
2 : 압축 기구
3 : 전환 기구
4 : 열원측 열교환기
5 : 팽창 기구
6 : 이용측 열교환기
7 : 중간 냉각기
8 : 액가스 열교환기
20 : 에코노마이저 열교환기
22 : 중간 냉매관
99 : 제어부
X : 분기점
Y : 합류점

Claims

냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치(701)이며,
냉매를 감압시키는 팽창 기구(5)와,
상기 팽창 기구와 접속되고, 냉매를 증발시키는 증발기(6)와,
냉매를 흡입하여 압축시켜 토출하는 제1 압축 요소(2c)와, 상기 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출하는 제2 압축 요소(2d)를 갖는 2단 압축 요소(2)와,
상기 제2 압축 요소의 토출측에 접속된 방열기(4)와,
상기 방열기와 상기 팽창 기구를 접속하는 제1 냉매 배관(72, 73, 74, 75)과,
상기 증발기와 상기 제1 압축 요소의 흡입측을 접속하는 제2 냉매 배관(77, 2a)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73, 74, 75)을 흐르는 냉매와, 상기 제2 냉매 배관(77, 2a)을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 하는 제1 열교환기(8, 8L, 8G)와,
상기 제1 냉매 배관(72, 73, 74, 75) 중 상기 제1 열교환기(8L)를 통과하는 부분의 일단부측과 타단부측을 접속하는 제1 열교환 바이패스 배관(8B)과,
상기 제1 냉매 배관 중 상기 제1 열교환기(8L)를 통과하는 부분(73, 74)에 냉매를 흘리는 상태와, 상기 제1 열교환 바이패스 배관(8B)에 냉매를 흘리는 상태를 전환 가능한 열교환기 전환 기구(8C)를 구비한 냉동 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 증발기의 주변의 공기 온도와, 상기 제1 압축 요소 및 제2 압축 요소 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도 중 적어도 어느 한쪽을 검지하는 온도 검지부(6T, 2T)와,
상기 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 상기 공기 온도가 소정 고온 공기 온도보다 높다는 조건과, 상기 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 상기 냉매 온도가 소정 저온 냉매 온도보다 낮다는 조건을 만족한 경우에 상기 열교환기 전환 기구를 제어함으로써 상기 제1 냉매 배관 중 상기 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시키는 제어부(99)를 더 구비한 냉동 장치(1).
냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치(1)이며,
냉매를 감압시키는 제1 팽창 기구(5) 및 제2 팽창 기구(9e)와,
상기 제1 팽창 기구(5)와 접속되고, 냉매를 증발시키는 증발기(6)와,
냉매를 흡입하여 압축시켜 토출하는 제1 압축 요소(2c)와, 상기 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출하는 제2 압축 요소(2d)를 갖는 2단 압축 요소(2)와,
상기 제1 압축 요소(2c)로부터 토출한 냉매를 상기 제2 압축 요소(2d)에 흡입시키기 위한 제3 냉매 배관(22)과,
상기 제2 압축 요소(2d)의 토출측에 접속된 방열기(4)와,
상기 방열기(4)와 상기 제1 팽창 기구(5)를 접속하는 제1 냉매 배관(72, 73c, 75c)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73c, 75c)으로부터 분기하여, 상기 제2 팽창 기구(9e)까지 연장되는 제4 냉매 배관(9a)과,
상기 제2 팽창 기구(9e)로부터 상기 제3 냉매 배관(22)까지 연장되어 있는 제5 냉매 배관(9b, 9c)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73c, 75c)을 흐르는 냉매와 상기 제5 냉매 배관(9b, 9c)을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 하는 제2 열교환기(20)와,
상기 증발기(6)의 주변의 공기 온도와, 상기 제1 압축 요소(2c) 및 제2 압축 요소(2d) 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도 중 적어도 어느 한쪽을 검지하는 온도 검지부(6T, 2T)와,
상기 온도 검지부(6T, 2T)에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 상기 공기 온도가 소정 저온 공기 온도보다 낮다는 조건과, 상기 온도 검지부(6T, 2T)에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 상기 냉매 온도가 소정 고온 냉매 온도보다 높다는 조건을 만족한 경우에 상기 제2 팽창 기구(9e)를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시키는 제어부(99)를 구비한 냉동 장치(1).
제3항에 있어서, 상기 제3 냉매 배관(22)을 통과하는 냉매를 냉각 가능한 외부 냉각부(7)와,
상기 외부 냉각부(7)를 통과하는 유체 온도를 검지하는 외부 온도 검지부(7T)와,
상기 제3 냉매 배관(22)을 통과하는 냉매 온도를 검지하는 제3 냉매 온도 검지부(22T)를 더 구비하고,
상기 제어부(99)는, 상기 외부 온도 검지부(7T)에 의한 검지 온도와 상기 제3 냉매 온도 검지부(22T)의 검지 온도의 차이가 소정값 미만이 된 경우에 상기 제2 팽창 기구(9e)를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시키는 냉동 장치(1).
냉동 사이클의 적어도 일부에서 작동 냉매가 초임계 상태로 되는 냉동 장치(1)이며,
냉매를 감압시키는 제1 팽창 기구(5) 및 제2 팽창 기구(9e)와,
냉매를 증발시키는 증발기(6)와,
냉매를 흡입하여 압축시켜 토출하는 제1 압축 요소(2c)와, 상기 제1 압축 요소로부터 토출된 냉매를 흡입하여 재차 압축시켜 토출하는 제2 압축 요소(2d)를 갖는 2단 압축 요소(2)와,
상기 제2 압축 요소(2d)의 토출측에 접속된 방열기(4)와,
상기 방열기(4)와 상기 제1 팽창 기구(5)를 접속하는 제1 냉매 배관(72, 73, 74, 75)과,
상기 증발기(6)와 상기 제1 압축 요소(2c)의 흡입측을 접속하는 제2 냉매 배관(77, 2a)과,
상기 제1 압축 요소(2c)로부터 토출한 냉매를 상기 제2 압축 요소(2d)에 흡입시키기 위한 제3 냉매 배관(22)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73g, 74g, 75g)을 흐르는 냉매와 상기 제2 냉매 배관(77, 2a)을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 하는 제1 열교환기(8, 8L, 8G)와,
상기 제1 냉매 배관(72, 73g, 74g, 75g)으로부터 분기하여 상기 제2 팽창 기구(9e)까지 연장되는 제4 냉매 배관(9a)과,
상기 제2 팽창 기구(9e)와 상기 제3 냉매 배관(22)을 접속하는 제5 냉매 배관(9b, 9c)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73g, 74g, 75g)을 흐르는 냉매와 상기 제5 냉매 배관(9b, 9c)을 흐르는 냉매 사이에서 열교환을 행하게 하는 제2 열교환기(20)와,
상기 증발기(6) 주변의 공기 온도와, 상기 제1 압축 요소(2c) 및 제2 압축 요소(2d) 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도 중 적어도 어느 한쪽을 검지하는 온도 검지부(6T, 2T)와,
상기 온도 검지부(6T, 2T)에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 상기 공기 온도가 소정 저온 공기 온도보다 낮다는 조건과, 상기 온도 검지부에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 상기 냉매 온도가 소정 고온 냉매 온도보다 높다는 조건을 만족한 경우에 상기 제2 팽창 기구(9e)를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시키는 제2 팽창 제어부(99)를 구비한 냉동 장치(1).
제5항에 있어서, 상기 제1 냉매 배관(72, 73g, 74g, 75g) 중 상기 제1 열교환기(8L)를 통과하는 부분의 일단부측과 타단부측을 접속하는 제1 열교환 바이패스 배관(8B)과,
상기 제1 냉매 배관(72, 73g, 74g, 75g) 중 상기 제1 열교환기(8L)를 통과하는 부분에 냉매를 흘리는 상태와, 상기 제1 열교환 바이패스 배관(8B)에 냉매를 흘리는 상태를 전환 가능한 열교환기 전환 기구(8C)를 더 구비한 냉동 장치(1).
제6항에 있어서, 상기 증발기(6)의 주변의 공기 온도와, 상기 제1 압축 요소(2c) 및 제2 압축 요소(2d) 중 적어도 어느 한쪽의 토출 냉매 온도 중 적어도 어느 한쪽을 검지하는 온도 검지부(6T, 2T)와,
상기 온도 검지부(6T, 2T)에 의해 검지되는 값이 공기 온도인 경우에는 상기 공기 온도가 소정 고온 공기 온도보다 높다는 조건과, 상기 온도 검지부(6T, 2T)에 의해 검지되는 값이 냉매 온도인 경우에는 상기 냉매 온도가 소정 저온 냉매 온도보다 낮다는 조건을 만족한 경우에 상기 열교환기 전환 기구(8C)를 제어하여 상기 제1 냉매 배관 중 상기 제1 열교환기를 통과하는 부분을 흐르는 냉매량을 증대시키는 열교 전환 제어부(99)를 더 구비한 냉동 장치(1).
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 냉매 배관(22)을 통과하는 냉매를 냉각 가능한 외부 냉각부(7)와,
상기 외부 냉각부(7)를 통과하는 유체 온도를 검지하는 외부 온도 검지부(7T)와,
상기 제3 냉매 배관(22)을 통과하는 냉매 온도를 검지하는 제3 냉매 온도 검지부(22T)를 더 구비하고,
상기 제2 팽창 제어부(99)는, 상기 외부 온도 검지부(7T)에 의한 검지 온도와 상기 제3 냉매 온도 검지부(22T)의 검지 온도의 차이가 소정값 미만이 된 경우에 상기 제2 팽창 기구(9e)를 제어하여 통과하는 냉매량을 증량시키는 냉동 장치(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 압축 요소(2c) 및 상기 제2 압축 요소(2d)는 각각 회전 구동함으로써 압축일을 행하기 위한 공통된 회전축(21c)을 갖고 있는 냉동 장치(1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 냉매는 이산화탄소인 냉동 장치(1).