KR20150096746A - 2원 냉동 사이클 장치 - Google Patents

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Abstract

2원 냉동 사이클 장치는, 고온측 압축기, 고온측 응축기, 고온측 팽창 장치, 캐스케이드 열교환기, 고온측 어큐뮬레이터를 고온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 고온측 냉동 회로와, 저온측 압축기, 상기 캐스케이드 열교환기, 저온측 팽창 장치, 저온측 증발기, 저온측 어큐뮬레이터를 저온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 저온측 냉동 회로와, 상기 고온측 압축기의 토출측과 상기 고온측 어큐뮬레이터의 입구측을 연락하는 고온측 바이패스 회로와, 상기 고온측 바이패스 회로에 설치된 고온측 바이패스 밸브와, 기동 시에, 외기 온도가 소정의 온도 이하인 경우, 상기 고온측 바이패스 밸브를 개방하는 제어 수단을 구비한다.

Description

2원 냉동 사이클 장치{BINARY REFRIGERATION CYCLE DEVICE}
본 발명의 실시 형태는 고온측 냉동 사이클과 저온측 냉동 사이클을 구비한 2원 냉동 사이클 장치에 관한 것이다.
종래부터 공지된 2원 냉동 사이클 장치는, 고온측 냉동 사이클과 저온측 냉동 사이클을 구비하고, 고온측 냉동 사이클과 저온측 냉동 사이클이 1개의 캐스케이드 열교환기(중간 열교환기)를 공용하고, 고온측 냉동 사이클을 순환하는 냉매와 저온측 냉동 사이클을 순환하는 냉매를 캐스케이드 열교환기에서 열교환시키고, 고온측 냉동 사이클을 순환하는 고온측 냉매에 의해 물 또는 온수를 가열하여 온수를 생성하고 있다.
일반적으로, 외기 온도가 낮을 때에 냉동 사이클을 기동하면, 냉동 사이클을 구성하는 압축기 내의 냉동기유의 온도가 저하된다. 그로 인해, 압축기의 기동에 의한 압력 상승과 함께 냉매의 냉동기유에 대한 용해가 진행되어, 냉동기유가 희석된다. 이 냉동기유의 희석이 진행되면, 냉매와 함께 압축기 외부로 토출되는 냉동기유의 토유량이 증가되어, 압축기 내의 유면이 저하되어서 압축 기구부의 윤활 부족이 발생하기 쉬워진다.
특히, 고온수를 생성하는 2원 냉동 사이클 장치의 고온측 냉동 사이클에서는 응축 압력 상승이 빠르고, 응축 압력도 높기 때문에, 냉동기유의 희석이 촉진되기 쉬워, 냉동기유의 토유량이 증가된다고 하는 과제가 있다.
국제 공개 WO2012/128229 A1
전술한 종래 기술에 비추어 보아, 본 발명의 목적은 저외기온 시의 기동에서, 압축기 외부로 토출되는 냉동기유의 토유량을 억제할 수 있는 2원 냉동 사이클 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명의 실시 형태에 의한 2원 냉동 사이클 장치는, 고온측 압축기, 고온측 응축기, 고온측 팽창 장치, 캐스케이드 열교환기, 고온측 어큐뮬레이터를 고온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 고온측 냉동 회로와, 저온측 압축기, 상기 캐스케이드 열교환기, 저온측 팽창 장치, 저온측 증발기, 저온측 어큐뮬레이터를 저온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 저온측 냉동 회로와, 상기 고온측 압축기의 토출측과 상기 고온측 어큐뮬레이터의 입구측을 연락하는 고온측 바이패스 회로와, 상기 고온측 바이패스 회로에 설치된 고온측 바이패스 밸브와, 기동 시에, 외기 온도가 소정의 온도 이하인 경우, 상기 고온측 바이패스 밸브를 개방하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 특징을 갖는 2원 냉동 사이클 장치는 이하의 적합한 실시 형태를 더 갖는 것이 바람직하다.
상기 저온측 압축기의 토출측과 상기 저온측 어큐뮬레이터의 입구측을 연락하는 저온측 바이패스 회로와, 상기 저온측 바이패스 회로에 설치된 저온측 바이패스 밸브와, 기동 시에, 외기 온도가 소정값 이하인 경우, 상기 저온측 바이패스 밸브를 개방하는 제어 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어 수단은, 상기 고온측 바이패스 밸브가 개방되어 있는 동안, 상기 고온측 압축기를 소정의 운전 주파수에서 구동시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어부는 입수 온도와 외기 온도에 기초하여 저외기온 기동 모드를 실행할지 여부를 판정하는 저외기온 기동 모드 선택 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 바이패스 회로를 개방하는 시간을 설정하는 바이패스 회로 개방 시간 설정 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 고온측 바이패스 회로를 개방하는 고온측 바이패스 제어 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 고온측 바이패스 회로 외에 저온측 바이패스 회로를 개방하는 저온측 바이패스 제어 수단을 구비한다.
또한, 본 발명에 의한 2원 냉동 사이클 장치는, 적용처에 따라서 본 발명의 정신을 바꾸지 않는 한, 전술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
전술한 본 발명의 실시 형태에 의하면, 저외기온 시의 기동에서, 압축기 외부로 토출되는 냉동기유의 토유량을 억제할 수 있는 2원 냉동 사이클 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서의 2원 냉동 사이클 장치는, 외기 온도가 낮고 냉동기유의 희석이 발생하기 쉬울 때에, 고온측 바이패스 회로를 개방한 상태에서 고온측 압축기의 운전을 개시함으로써, 압축기 내부에 고온의 가스 냉매를 유입시켜서 압축기 내의 냉동기유의 온도를 상승시킬 수 있다. 이에 의해 냉매의 냉동기유에 대한 용해를 억제하여, 희석에 의한 냉동기유의 압축기 외부로의 배출량을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의한 또다른 효과, 이점은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 이하의 기재로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치의 구성을 나타내는 냉동 사이클의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치의 제어부(제어기)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치의 기동 시의 동작의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치의 저외기온 기동 모드의 외기 온도와 동작의 관계를 나타내는 설명도(표)이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치의 구성을 나타내는 냉동 사이클의 구성도이다. 고온수 생성 장치로서 사용되는 2원 냉동 사이클 장치 R은, 하우징 K에 탑재되는 고온측 냉동 사이클 Ra와, 저온측 냉동 사이클 Rb 및 제어부(20)를 포함한다.
고온측 냉동 사이클 Ra는, 냉매를 압축하는 고온측 압축기(1)와, 냉매를 응축하는 온수 열교환기(2)(고온측 응축기)와, 냉매를 감압하는 고온측 팽창 장치(3)와, 저온측 냉동 사이클 Rb의 냉매와 열교환하는 캐스케이드 열교환기(4)와, 냉매를 기액 분리하기 위한 고온측 어큐뮬레이터(5)를 갖고, 이들이 냉매 배관을 통해서 순차 연통된다.
캐스케이드 열교환기(4)는, 고온측 냉동 사이클 Ra에서는, 고온측 냉매 유로(4a)를 흐르는 냉매를 증발시키는 증발기로서 기능한다. 온수 열교환기(2) 내에는, 고온측 냉동 사이클 Ra의 냉매가 흐르는 냉매측 유로(2a)와, 피가열 유체인 물이 흐르는 물측 유로(2b)가 설치되고, 이 물측 유로(2b)가 온수 배관 H와 연통된다. 온수 배관 H에는 송수 펌프(18)가 설치된다.
고온측 압축기(1)의 토출측과 고온측 어큐뮬레이터(5)의 입구측은, 고온측 바이패스 회로(6)에 의해 연통된다. 고온측 바이패스 회로(6)에는, 개폐 밸브인 고온측 바이패스 밸브(7)가 설치된다.
저온측 냉동 사이클 Rb는, 냉매를 압축하는 저온측 압축기(11)와, 가열 운전과 제상 운전으로 냉매가 흐르는 방향을 전환하는 사방 밸브(12)와, 캐스케이드 열교환기(4)와, 냉매를 감압하는 저온측 팽창 장치(13)와, 냉매를 증발시키는 공기 열교환기(저온측 증발기)(14)와, 저온측 어큐뮬레이터(15)를 갖고, 이들이 냉매 배관을 통해서 순차 연통된다.
캐스케이드 열교환기(4)는, 저온측 냉동 사이클 Rb에서는 저온측 냉매 유로(4b)를 흐르는 냉매를 응축시키는 응축기로서 기능한다.
공기 열교환기(14)에 대항하는 위치에는, 이 공기 열교환기(14)에 공기를 보내는 송풍기(19)가 설치된다.
저온측 압축기(11)의 토출측과 저온측 어큐뮬레이터(15)의 입구측은 저온측 바이패스 회로(16)에 의해 연통된다. 저온측 바이패스 회로(16)에는, 개폐 밸브인 저온측 바이패스 밸브(17)가 설치된다.
본 실시 형태에서는, 고온측 냉동 사이클 Ra에서는 R134a 냉매가 사용되고, 저온측 냉동 사이클 Rb에서는 R410A 냉매가 사용된다.
고온측 냉동 사이클 Ra에 사용되는 R134a는, 저온측 냉동 사이클 Rb에 사용되는 R410A와 비교하여, 동일 온도에서 포화 가스 밀도, 포화 압력이 낮기 때문에, 고온수를 생성 가능한 2원 냉동 사이클 장치의 고온측 냉동 사이클 Ra에 사용하는 냉매로서 적합하다.
또한, 냉동기유에 대해서는, 고온측 냉동 사이클 Ra의 고온측 압축기(1)에서는 PVE(폴리비닐 에테르)가 사용되고, 저온측 냉동 사이클 Rb의 저온측 압축기(11)에서는 POE(폴리올 에스테르)가 사용된다. 또한, 고온측 압축기(1)의 냉동기유로서 사용하는 PVE는, 고온 시에, POE보다도 압축 기구부의 마모가 적어 고온측 압축기의 냉동기유로서 적합하다. 그 반면, PVE는, POE에 비하여 R134a 냉매에 녹기 쉽다고 하는 성질을 갖고 있어, 저외기온 기동 시에 토유량이 증가된다고 하는 성질을 갖고 있다.
이와 같이 구성된 2원 냉동 사이클 장치 R에서, 후술하는 제어부(제어 장치)(20)에 의해, 고온측 압축기(1)가 구동됨에 의한 고온측 냉동 사이클 Ra의 운전과, 저온측 압축기(11)가 구동됨에 의한 저온측 냉동 사이클 Rb의 운전이 행하여진다. 또한, 온수 배관 H의 송수 펌프(18)가 구동됨으로써 온수 열교환기(2)의 물측 유로(2b) 내를 물이 흐른다. 이 물은 냉매측 유로(2a)에서 고온측 냉매로부터 방열되는 열로 데워져 최고 90℃ 정도의 고온수로 된다. 이 온수는 온수 배관 H로부터 온수를 필요로 하는 개소에 공급된다.
또한, 제어부(20)와 각 구성 요소의 관계는 도 2에 나타낸다.
고온측 냉동 사이클 Ra와 저온측 냉동 사이클 Rb가 운전됨으로써, 고온측 냉매 유로(4a) 및 저온측 냉매 유로(4b)를 포함하는 열교환기(4)에서 열교환이 행하여져, 고온측 냉동 사이클 Ra의 고온측 냉매가 저온측 냉동 사이클 Rb의 저온측 냉매로부터 방열된 열로 데워진다. 이에 의해, 고온측 냉동 사이클 Ra에서는, 고온측 압축기(1)에 흡입되는 냉매의 온도가 높아지고, 고온측 압축기(1) 내의 온도와 압력은 저온측 압축기(11) 내의 온도와 압력에 비해서 높아지고, 온수 열교환기(2)의 냉매측 유로(2a)로부터 방열되는 열량이 많아져, 고온수의 생성이 가능해진다.
이어서, 본 발명의 실시 형태에 따른 2원 냉동 사이클 장치 R의 제어부(제어 장치)를 도 2의 블록도에 기초하여 설명한다.
상기 2원 냉동 사이클 장치 R은, 하우징 K의 내부에 CPU(Central Processing Unit)나 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 등을 포함하는 제어부(20)를 구비하고 있다.
이 제어부(20)에는, 고온측 압축기(1) 구동 제어용 인버터 회로(21), 저온측 압축기(11) 구동 제어용 인버터 회로(22), 송풍기(19) 구동 제어용 인버터 회로(23), 고온측 팽창 장치(3), 저온측 팽창 장치(13), 사방 밸브(12), 고온측 바이패스 밸브(7), 저온측 바이패스 밸브(17), 펌프(18)가 접속되어, 그 동작이 컨트롤된다.
제어부(20)에는, 고온측 압축기(1) 및 저온측 압축기(11)의 토출측에 설치되는 온도 센서(31a, 31b) 및 압력 센서(32a, 32b)와, 흡입측에 설치되는 온도 센서(33a, 33b) 및 압력 센서(34a, 34b)와, 온수 열교환기(2)의 물측 유로(2b) 입구측에 설치되는 입구 수온 센서(35)와, 출구측에 설치되는 출구 수온 센서(36)와, 캐스케이드 열교환기(4)에 설치되는 온도 센서(도시 생략)와, 공기 열교환기(14)에 설치되는 온도 센서(도시 생략)와, 공기 열교환기(14)의 근방에 설치되는 외기 온도 센서(37)가 접속된다. 또한, 도 2에서는, 온도 센서(31a), 입구 수온 센서(35), 외기 온도 센서(37)가 제어부(20)에 접속된 상태를 나타내고 있다.
고온측 압축기(1) 구동 제어용 인버터 회로(21)는 상용 교류 전원 등의 전원의 전압을 정류하고, 그것을 제어부(20)로부터의 명령에 따른 주파수의 전압으로 변환하고, 고온측 압축기(1)의 압축기 모터(1M)에 출력한다. 이 출력이 압축기 모터(1M)의 구동 전력으로 된다. 마찬가지로 저온측 압축기(11) 구동 제어용 인버터 회로(22)가 저온측 압축기(11)의 압축기 모터(11M)를 구동하고, 송풍기(19) 구동 제어용 인버터 회로(23)가 송풍기(19)의 팬 모터(19M)를 구동한다. 송수 펌프(18)에 대해서도 송수 펌프 구동 제어용 인버터(도시 생략)에 의해 구동된다.
제어부(20)는, 터치 패널이나 리모트 컨트롤러 등의 조작부(모두 도시 생략)를 통해서 입력되는 운전 조건이나 각종 센서로부터의 검지 신호 등의 정보에 기초하여 각 부의 동작 조건을 결정하고, 압축기 모터(1M, 11M), 팬 모터(19M), 사방 밸브(12), 각 팽창 장치(3, 13) 및 각 바이패스 밸브(7, 17), 펌프(18) 등을 구동한다.
상기 제어부(20)는 주요한 기능으로서 다음 (1) 내지 (4)의 수단을 갖는다.
(1) 기동 시, 입구 수온 센서(35)의 검출 신호로부터 취득한 입수 온도 Twi와 외기 온도 센서(37)의 검출 신호로부터 취득한 외기 온도 To에 기초하여 저외기온 기동 모드를 실행할지 여부를 판정하는 저외기온 기동 모드 선택 수단(20a).
(2) 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도 To에 따라서 바이패스 회로(6, 16)를 개방하는 시간을 설정하는 바이패스 회로 개방 시간 설정 수단(20b).
(3) 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도 To에 따라서 고온측 바이패스 회로(6)를 개방하는 고온측 바이패스 제어 수단(20c).
(4) 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도 To에 따라서 고온측 바이패스 회로(6) 외에 저온측 바이패스 회로(16)를 개방하는 저온측 바이패스 제어 수단(20d).
이하, 상기 2원 냉동 사이클 장치 R의 동작을 도 3, 도 4에 기초하여 설명한다.
도 3은 2원 냉동 사이클 장치 R의 제어부(20)가 실행하는 처리의 흐름도, 도 4는 저외기온 기동 모드의 외기 온도와 동작의 관계를 나타내는 설명도이다.
오퍼레이터가 온수 공급측에 설치된 조작부 또는 2원 냉동 사이클 장치 R에 설치된 조작부를 조작하거나, 혹은 어느 하나의 조작부에 설정된 운전 스케줄에 따라서 운전 개시가 지시되면, 우선 제어부(20)는 온수 열교환기(2)의 물측 유로(2b)의 입구측에 설치된 입구 수온 센서(35)에 의해 검지되는 입수 온도 Twi와, 외기 온도 센서(37)에 의해 검지되는 외기 온도 To를 취득한다.
그리고, 제어부(20)는 입수 온도 Twi가 제어부(20)에 미리 기억된 소정의 온도 Twis(예를 들어 40℃)보다 높고, 또한 외기 온도 To가 제어부(20)에 미리 기억된 소정의 온도 T1(예를 들어 20℃) 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 S1).
여기서, 냉동기유는 압축기 내의 냉동기유의 온도가 저하되고, 냉매의 압력 상승이 급격한 경우에 희석되기 쉽다. 입수 온도 Twi가 40℃ 이하일 때는, 고온측 냉동 사이클 Ra의 온수 열교환기(2)에서의 응축 압력이 높지 않기 때문에, 고온측 압축기(1)를 기동해도 압축기 내의 압력이 급격하게 상승하지 않는다. 그로 인해, 냉동기유의 온도가 낮은(외기 온도 To가 낮은) 경우이더라도 냉동기유의 희석은 발생하기 어렵다. 또한, 외기 온도 To가 20℃보다 높은 경우에는, 압축기 내의 냉동기유의 온도가 저하되지 않기 때문에, 고온측 냉동 사이클 Ra의 온수 열교환기(2)에서의 응축 압력이 높은(입수 온도 Twi가 높은) 경우이더라도 냉동기유의 희석은 발생하기 어렵다. 따라서, 제어부(20)는 입수 온도 Twi가 40℃ 이하 또는 외기 온도 To가 20℃보다 높은 경우(스텝 S1에서 "아니오"의 경우)에는 저외기온 기동 모드를 실행하지 않는다.
한편, 입수 온도 Twi가 40℃보다 높고, 또한 외기 온도 To가 20℃ 이하인 경우(스텝 S1에서 "예"의 경우)에는, 제어부(20)는 다음에서 설명하는 저외기온 기동 모드를 실행한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 제어부(20)는 외기 온도 To에 따라서 바이패스 회로의 개방 시간이나 바이패스 밸브의 개폐를 제어한다.
우선, 제어부(20)는 외기 온도 To에 따라서 바이패스 회로의 개방 시간(바이패스 회로 개방 설정 시간) Ts를 설정한다.
제어부(20)는, 외기 온도 To가 소정값 T1 내지 T2의 범위(T2 <To≤T1)인지의 여부를 판단한다(스텝 S3). 여기서, T1은 예를 들어 20℃이고, T2는 -10℃이다. 외기 온도 To가 -10℃보다 높고 20℃ 이하라면(스텝 S3에서의 "예"의 경우), 제어부(20)는 스텝 S5로 진행하여 고온측 바이패스 회로(6)의 고온측 바이패스 밸브(7)의 개방 시간 ts를 소정 시간 t1(예를 들어 6분간)로 설정한다.
제어부(20)는, 스텝 S3에서, 외기 온도 To가 -10℃ 이하인 경우(스텝 S3에서의 "아니오"의 경우)에는, 스텝 S4로 진행하여 외기 온도 To가 소정값 T2 내지 T3의 범위(T3<To≤T2)인지의 여부를 판단한다. 여기서, T3은 예를 들어 -15℃이다.
제어부(20)는, 외기 온도 To가 -15℃보다 높고 -10℃ 이하이면(스텝 S4의 "예"의 경우), 스텝 S6으로 진행하여 고온측 바이패스 회로(6)의 고온측 바이패스 밸브(7)의 개방 시간 ts를 소정 시간 t2(예를 들어 8분간)로 설정한다.
제어부(20)는, 외기 온도 To가 -15℃ 이하인 경우(스텝 S4의 "아니오"의 경우)에는, 스텝 S7로 진행하여 고온측 바이패스 회로(6) 및 저온측 바이패스 회로(16)의 각 바이패스 밸브(7, 17)의 개방 시간 ts를 소정 시간 t3(예를 들어 30분간)으로 설정한다.
제어부(20)는, 고온측 바이패스 회로(6)의 고온측 바이패스 밸브(7)를 개방한 후, 고온측 압축기(1)의 운전을 개시한다(스텝 8). 또한 스텝 S9로 진행하여, 저온측 압축기(11)의 운전을 개시한다.
고온측 냉동 사이클 Ra의 고온측 바이패스 밸브(7)가 개방되고, 고온측 압축기(1)가 운전됨으로써, 고온측 압축기(1)로부터 토출된 가스 냉매의 일부가, 고온측 바이패스 회로(6)를 통해서 고온측 어큐뮬레이터(5)에 유입된다. 고온측 어큐뮬레이터(5)에 유입된 가스 냉매는, 고온측 압축기(1)에 흡입되어, 압축기 내의 냉동기유를 데운다. 시간의 경과와 함께 고온측 압축기(1)로부터 토출되는 가스 냉매의 온도가 상승되어 가고, 냉동기유의 온도도 상승된다.
이 때, 제어부(20)는 온도 센서(31a)에 의해 검지되는 토출 가스 냉매의 온도 Td를 취득하고, 이 토출 가스 온도 Td가 소정의 온도를 초과하였는지의 여부를 판단한다(스텝 S12).
본 실시 형태에서, 이 소정의 온도는 조작부에서 설정되는 출탕 설정 온도(목표 설정 온도) Twos(예를 들어 90℃)로부터 소정값 α(예를 들어 10℃)를 뺀 온도 80℃로 되어 있다.
제어부(20)는, 스텝 12S에서, 토출 가스 냉매 온도 Td가 80℃(Twos-10℃)를 초과하면(스텝 S11에서 "아니오"의 경우), 압축기(1) 내의 냉동기유는 충분히 데워졌다고 판단하고 고온측 바이패스 밸브(7)를 폐쇄한다(스텝 S14).
또한, 제어부(20)는 토출 가스 냉매 온도 Td가 80℃를 초과하지 않더라도(스텝 S11에서 "예"의 경우), 고압측 바이패스 회로(6)가 개방되고 나서의 경과 시간 t가 바이패스 회로 개방 설정 시간 ts(스텝 S5에서는 6분간, 스텝 S6에서는 8분간)를 경과하면(스텝 S13의 "예"의 경우), 압축기(1) 내의 냉동기유는 데워졌다고 판단하고, 고온측 바이패스 밸브(7)를 폐쇄한다(스텝 S14).
그리고, 제어부(20)는 고온측 바이패스 밸브(7)를 폐쇄한 후, 저외기온 기동 모드를 해제하고(스텝 S15), 통상 운전으로 이행한다.
저외기온 기동 모드 실행 시, 제어부(20)는 고온측 바이패스 밸브(7)가 개방되어 있는 동안, 고온측 압축기(1)를 통상 운전 시의 운전 주파수보다도 작은 운전 주파수(예를 들어 30Hz) 일정에서 구동한다. 냉동기유가 희석되기 쉬운 조건 하에서, 고온측 압축기(1)의 운전 주파수를 급격하게 상승시키거나, 높은 운전 주파수에서 구동해 버리면, 압축기 외부로 토출되는 냉동기유의 토유량이 증가되어 버린다. 그로 인해, 저외기온 기동 모드 실행 시는, 고온측 압축기(1)의 운전 주파수를 30Hz로 유지함으로써, 압축기 외부로 토출되는 냉동기유의 토유량을 억제할 수 있다.
한편, 저온측 압축기(11)는 고온측 압축기(1)와 비교하면 냉동기유의 희석은 발생하기 어렵기 때문에, 통상 운전과 동일한 운전 주파수에서 구동된다. 저온측 압축기(11)마저도 낮은 운전 주파수에서 구동하면, 저온측 냉동 사이클 Rb가 고온측 냉동 사이클 Ra에 부여하는 열이 부족하여, 고온측 냉동 사이클 Ra의 상승에 시간이 걸려 버린다. 따라서, 고온측 압축기(1)의 토출 가스 온도 Td를 빨리 상승시키기 위해서, 저온측 압축기(11)는 통상 운전과 마찬가지로 구동된다.
이어서, 외기 온도 To가 극히 낮은 경우의 저외기온 기동 모드의 동작에 대해서 설명한다.
외기 온도 To가 -15℃(소정의 온도 T3) 이하와 같은 극히 저온인 경우, 고온측 냉매가 고온측 냉동 사이클 Ra 내에서 정체됨으로써 냉매 순환량이 저하되는 데다가, 전술한 바와 같이 고온측 바이패스 밸브(7)를 개방하고, 고온측 압축기(1)를 낮은 운전 주파수에서 구동하기 때문에, 저온측 냉동 사이클 Rb의 저온측 냉매가 캐스케이드 열교환기(4)에서 완전히 방열되지 않는다. 그로 인해, 저온측 냉동 사이클 Rb에서의 고압측 압력이 급격하게 상승하여, 고압 스위치 등의 보호 장치가 작용하여 2원 냉동 사이클 장치 R의 운전이 강제 정지되어 버린다. 이와 같이, 외기 온도 To가 극히 낮은 상황 하에 있을 때에는, 2원 냉동 사이클 장치 R을 운전할 수 없는 경우가 있다.
이에, 외기 온도가 극히 낮은 상황 하에서도 2원 냉동 사이클 장치 R을 운전할 수 있도록 하기 위해서, 제어부(20)는 외기 온도 To가 -15℃보다도 낮은 경우(스텝 S4의 "아니오"의 경우)에는, 바이패스 회로 개방 설정 시간 ts를 30분간(t3)으로 설정(스텝 S7)한 후, 고온측 바이패스 밸브(7)를 개방함(스텝 S10)과 함께 저온측 바이패스 밸브(17)를 개방한다(스텝 S11).
외기 온도가 극히 낮은 상황 하에서는, 고온측 압축기(1) 내의 냉동기유가 데워지기 어렵기 때문에, 바이패스 회로 개방 설정 시간 ts를 전술한 6분간(t1: 스텝 S5)이나 8분간(t2: 스텝 S6)보다 긴 30분간(t3)으로 설정하였다.
바이패스 회로 개방 설정 시간 ts를 설정한 후, 제어부(20)로부터의 명령에 의해, 고온측 바이패스 회로(6)의 고온측 바이패스 밸브(7)를 개방해서 고온측 압축기(1)의 운전을 개시한다(스텝 S10). 또한 제어부(20)로부터의 명령에 의해, 저온측 바이패스 회로(16)의 저온측 바이패스 밸브(17)를 개방해서 저온측 압축기(11)의 운전을 개시한다(스텝 S11).
이 때, 고온측 압축기(1)는 낮은 운전 주파수(30Hz 일정)로 구동되고, 저온측 압축기(11)는 통상 운전의 운전 주파수로 구동된다.
저온측 바이패스 밸브(17)가 개방됨으로써, 저온측 압축기(11)로부터 토출된 가스 냉매의 일부가, 저온측 바이패스 회로(16)를 통해서 저온측 어큐뮬레이터(15)에 유입된다. 저온측 어큐뮬레이터(15)에 유입된 가스 냉매는, 저온측 압축기(11)에 흡입된다. 저온측 압축기(11)로부터 토출된 가스 냉매의 일부가 저온측 바이패스 회로(16)에 흐름으로써, 저온측 냉동 사이클 Rb의 고압측 압력의 급격한 상승을 억제할 수 있어, 저온측 냉동 사이클 Rb의 고압 이상에 의한 강제 정지를 피할 수 있다.
제어부(20)는 고온측 압축기(1)의 토출 가스 냉매 온도 Td가 80℃(Twos-10℃)를 초과하면(스텝 S12의 "아니오"), 고온측 압축기(1) 내의 냉동기유는 충분히 데워졌다고 판단하고, 고온측 바이패스 밸브(6) 및 저온측 바이패스 밸브(16)를 폐쇄하도록 명령한다(스텝 S14).
또한, 제어부(20)는 토출 가스 냉매 온도 Td가 80℃(Twos-10℃)를 초과하지 않더라도(스텝 S12의 "예"), 고압측 바이패스 밸브(7) 및 저온측 바이패스 밸브(17)가 개방되고 나서부터의 경과 시간 t가 30분간(ts=t3)을 경과하면(스텝 S13의 "예"), 고온 압축기(1) 내의 냉동기유는 데워졌다고 판단하고, 그에 따라서 고온측 바이패스 밸브(7) 및 저온측 바이패스 밸브(17)를 폐쇄한다(스텝 S14).
계속해서, 제어부(20)는 고온측 바이패스 밸브(7) 및 저온측 바이패스 밸브(17)를 폐쇄한 후, 저외기온 기동 모드를 해제(스텝 S15)하고, 통상 운전으로 이행한다.
이상의 구성에 의해, 외기온도 To가 극히 낮은 상황 하에서도 2원 냉동 사이클 장치 R을 운전할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서의 2원 냉동 사이클 장치 R은, 외기온도가 낮고 냉동기유의 희석이 발생하기 쉬울 때에, 고온측 바이패스 회로(6)를 개방한 상태에서 고온측 압축기(1)의 운전을 개시함으로써, 압축기 내부에 고온의 가스 냉매를 유입시켜서 압축기 내의 냉동기유의 온도를 상승시킬 수 있다. 이에 의해 냉매의 냉동기유에의 용해를 억제하여, 희석에 의한 냉동기유의 압축기 외부로의 배출량을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서의 2원 냉동 사이클 장치 R은, 외기 온도가 극히 낮은 상황 하에서는, 저온측 냉동 사이클 Rb의 바이패스 회로(16)도 개방함으로써, 저온측 사이클 Rb의 고압 이상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 2원 냉동 사이클 장치 R은, 온수 생성 장치에 한정되는 것은 아니며, 적용처에 따라서 구성되고, 전술한 실시 형태에 한정되지 않는다.
예를 들어, 저온측 냉동 사이클 Rb의 공기 열교환기(14) 대신에, 공장 등의 온배수로부터 열을 흡수하는 열교환기를 사용하면, 공기 열교환기(14)와 같이 열교환기 표면에 착상하는 일이 없기 때문에, 저온측 냉동 사이클 Rb를 역사이클로 하기 위한 사방 밸브(12)를 제거하는 것이 가능해진다.
또한, 고온측 냉동 사이클 Ra 및 저온측 냉동 사이클 Rb에서 사용되는 냉매는 R134a, R410A에 한정되지 않고, R32, R245fa, HFO-1234yf, HFO-1234ze 등의 냉매를 사용해도 좋다.
이상, 본 실시 형태를 설명했지만, 전술한 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 실시 형태의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않고 있다. 이 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
1: 고온측 압축기
2: 온수 열교환기
3: 고온측 팽창 장치
4: 캐스케이드 열교환기
5: 고온측 어큐뮬레이터
6: 고온측 바이패스 회로
7: 고온측 바이패스 밸브
Ra: 고온측 냉동 회로
11: 저온측 압축기
12: 사방 밸브
13: 저온측 팽창 장치
14: 공기 열교환기
15: 저온측 어큐뮬레이터
16: 저온측 바이패스 회로
17: 저온측 바이패스 밸브
18: 송수 펌프
Rb: 저온측 냉동 회로
K: 하우징
20: 제어부(제어 수단)
21, 22, 23: 인버터 장치

Claims (4)

  1. 고온측 압축기, 고온측 응축기, 고온측 팽창 장치, 캐스케이드 열교환기, 고온측 어큐뮬레이터를 고온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 고온측 냉동 회로와,
    저온측 압축기, 상기 캐스케이드 열교환기, 저온측 팽창 장치, 저온측 증발기, 저온측 어큐뮬레이터를 저온측 냉매 배관을 통해서 연통하는 저온측 냉동 회로와,
    상기 고온측 압축기의 토출측과 상기 고온측 어큐뮬레이터의 입구측을 연락하는 고온측 바이패스 회로와,
    상기 고온측 바이패스 회로에 설치된 고온측 바이패스 밸브와,
    기동 시에, 외기 온도가 소정의 온도 이하인 경우, 상기 고온측 바이패스 밸브를 개방하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 2원 냉동 사이클 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저온측 압축기의 토출측과 상기 저온측 어큐뮬레이터의 입구측을 연락하는 저온측 바이패스 회로와, 상기 저온측 바이패스 회로에 설치된 저온측 바이패스 밸브와, 기동 시에, 외기 온도가 소정값 이하인 경우, 상기 저온측 바이패스 밸브를 개방하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 2원 냉동 사이클 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 고온측 바이패스 밸브가 개방되어 있는 동안에, 상기 고온측 압축기를 소정의 운전 주파수로 구동시키는 것을 특징으로 하는 2원 냉동 사이클 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는 입수 온도와 외기 온도에 기초하여 저외기온 기동 모드를 실행할지 여부를 판정하는 저외기온 기동 모드 선택 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 바이패스 회로를 개방하는 시간을 설정하는 바이패스 회로 개방 시간 설정 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 고온측 바이패스 회로를 개방하는 고온측 바이패스 제어 수단과, 저외기온 기동 모드 실행 시, 외기 온도에 따라서 고온측 바이패스 회로 외에 저온측 바이패스 회로를 개방하는 저온측 바이패스 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 2원 냉동 사이클 장치.
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