WO2012121326A1 - ２元冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

　二元冷凍サイクル装置は、外部熱源から熱を吸収する熱源側熱交換器と低温側圧縮機を備える低温側冷凍サイクルと、利用側へ熱を供給する利用側熱交換器と高温側圧縮機を備える高温側冷凍サイクルと、前記低温側冷凍サイクルと前記高温側冷凍サイクルの冷媒を熱交換させるための中間熱交換器と、少なくとも前記利用側熱交換器を搭載する筐体と、前記筐体に搭載され、前記利用側熱交換器に接続され、流通する利用側流体と高温側冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させて利用側へ供給する利用側配管と、前記利用側配管に利用側熱交換器と並列に接続され、利用側配管の利用側熱交換器出口側の利用側流体を利用側熱交換器入口側に送流させるバイパス通路と、前記バイパス通路内を流通する利用側流体の流れを制御する流体制御手段とを、有する。

Description

２元冷凍サイクル装置
　本発明の実施の形態は、２元冷凍サイクル装置に関する。
　空気調和機やヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置には、熱利用機器へ高温の熱を供給するために低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを備えた２元冷凍サイクル装置が用いられることがある。
　２元冷凍サイクル装置の低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルは、それぞれ圧縮機や膨張装置を有しており、中間熱交換器によって熱交換可能に接続されている。そして、低温側冷凍サイクルに設けられた低温側蒸発器である熱源側熱交換器で汲み上げた熱を、高温側冷凍サイクルに設けられた高温側凝縮器である利用側熱交換器を介して、高温の熱を熱利用機器へ供給する。
特開平０８－１８９７１４号公報
　しかし、熱利用機器から利用側熱交換器へ流入する（利用側）流体の温度が低い場合、高温側冷凍サイクルでの圧縮比が低下して、圧縮機の信頼性が低下し、これに伴い冷凍サイクル装置自体の信頼性が低下することが知られている。
　本発明は上述の問題を鑑みてなされたものであり、その実施形態によれば、圧縮機の信頼性、ひいては、冷凍サイクル装置の信頼性の低下の問題を解決した２元冷凍サイクル装置を提供するものである。
　本発明の実施形態に係る２元冷凍サイクル装置は、外部熱源から熱を吸収する低温側冷凍サイクルと、利用側へ熱を供給する高温側冷凍サイクルと、低温側冷凍サイクルと前記高温側冷凍サイクルの冷媒を熱交換させるための中間熱交換器を備えている。
　利用側熱交換器には、利用側流体と高温側冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させて利用側へ供給する利用側配管が設けられている。また、少なくとも利用側熱交換器を搭載する筐体が設けられている。この筐体には、利用側配管に利用側熱交換器と並列に接続され、利用側配管の利用側熱交換器出口側の利用側流体を利用側熱交換器入口側に流通させるバイパス通路が搭載されている。さらに、バイパス通路内を流通する利用側流体の流れを制御する流体制御手段が設けられている。
本発明の実施形態に係る２元冷凍サイクル装置の概略図。 本発明の実施形態に係る制御器及びその周辺機器のブロック図。 本発明の実施形態に係る制御のフローチャート図。
　図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。
　（第１の実施形態）
　第１の実施形態について図１を用いて説明する。
　図１に示すように、本実施形態の２元冷凍サイクル装置１００は、低温側冷凍サイクル６ａと、高温側冷凍サイクル６ｂとが中間熱交換器５によって熱交換可能に構成されている。
　２元冷凍サイクル装置１００は、第１筐体８ａと第２筐体８ｂを有している。
　第１筐体８ａ内には、低温側圧縮機１ａと、低温側圧縮機１ａに冷媒配管を介して接続された低温側四方弁２ａと、外気（外部熱源）と熱交換する熱源側熱交換器３と、低温側膨張装置４ａとが順次冷媒配管で接続して設けられている。また、低温側四方弁２ａと低温側膨張装置４ａには、それぞれ渡り配管９ａ、９ｂが接続されており、この渡り配管９ａ、９ｂは第２の筐体８ｂに設けられた中間熱交換器５に接続されている。
　熱源側熱交換器３には送風機１１が設けられており、外気との熱交換を促進させるようになっている。また、熱源側熱交換器３には、外部熱源温度検知手段である、外気温度センサ１６が設けられており、送風機１１によって熱源側熱交換器３へ供給される外気の温度を検知するようになっている。
　第２筐体８ｂ内には、高温側圧縮機１ｂと、高温側圧縮機１ｂに接続された高温側四方弁２ｂと、中間熱交換器５と、高温側膨張装置４ａと、利用側熱交換器７とが、順次冷媒配管で接続されており、高温側冷凍サイクル６ｂが構成されている。
　利用側熱交換器７の冷媒配管の入口側と出口側には、冷媒温度検知手段である高温側冷媒温度センサ１７ａ、１７ｂが設けられており、利用側熱交換器７へ流入する冷媒温度と流出する冷媒温度を検知するようになっている。
　ここで、中間熱交換器５には渡り配管９ａ、９ｂに接続可能なパックドバルブ２１ａ、２１ｂが接続されており、このパックドバルブ２１ａ、２１ｂに渡り配管９ａ、９ｂが接続されることで、低温側冷凍サイクル６ａが構成され、中間熱交換器５を介して低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂとが熱交換可能となる。
　低温側冷凍サイクル６ａと高温側冷凍サイクル６ｂには、それぞれ特性の異なる冷媒が封入されている。
　封入される冷媒の種類は２元冷凍サイクル装置１００の用途によって異なるが、例えば、利用側熱交換器７を水熱交換器とし９０℃近い湯を生成するための高温ヒートポンプ給湯機である場合、低温側冷凍サイクル６ａに使用される低温側冷媒に、R４１０Ａのような低外気温（―１５℃程度）においても良好な性能を有する作動冷媒が好ましく、高温側冷凍サイクル６ｂに用いられる高温側冷媒にはR１３４ａのような高温（９５℃程度）において良好な性能を有する作動冷媒が好ましい。
　利用側熱交換器７には、２元冷凍サイクル装置１００によって汲み上げられた熱を利用する熱利用機器へ供給するための利用側流体配管１８が接続されている。
　利用側配管１８は、熱利用機器に接続されるための接続口体２３ａ、２３ｂと、利用側流体配管１８内の利用側流体を送流する送流ポンプ１０を有しており、接続口体２３ａと、入口側分岐部１２ａと、送流ポンプ１０と、利用側熱交換器７と、出口側分岐部１２ｂと接続口体２３ｂは、順次利用側配管１８によって接続されている。　
　さらに、入口側分岐部１２ａと出口側分岐部１２ｂは、バイパス通路１３によって直接接続されており、バイパス通路１３は利用側配管１８に対して利用側熱交換器７と並列に接続されている。バイパス通路１３の中途部には流量制御バルブ１４が設けられている。
　本実施形態における流体制御手段は、流量制御バルブ１４の開度を制御することにより、バイパス通路１３内を流通する利用側流体の流量を制御するものである。
　利用側流体の送流に際し、入口側分岐部１２ａと利用側熱交換器７の間に設けられた送流ポンプ１０が運転を行うと、接続口体２３ａから入口側分岐部１２ａ、利用側熱交換器７、出口側分岐部１２ｂを順次介して接続口体２３ｂへ、利用側流体を送流するようになっている。利用側流体の流れ方向を図１の破線矢印で示す。
　入口側分岐部１２ａと利用側熱交換器７との間の区間に送流ポンプ１０が設けられているため、流量制御バルブ１４が開放された場合のバイパス通路１３内の利用側流体の流れ方向は、出口側分岐部１２ｂから入口側分岐部１２ａの方向となる。なお、入口側分岐部１２ａ、出口側分岐部１２ｂと送流ポンプ１０とバイパス通路１３は第２筐体８ｂに搭載されている。
　利用側流体配管１８の送流ポンプ１０と利用側熱交換器７の間の区間には利用側流体温度検知手段である水温センサ１５が設けられており、利用側熱交換器７へ流入する利用側流体の温度を検知するようになっている。
　利用側流体配管１８内には熱利用機器へ熱を供給するための温水やブラインなどが封入され、流通するようになっている。
　外気温度センサ１６と高温側冷媒温度センサ１７ａ、１７ｂと水温センサ１５は、制御器２３に接続されており、外気温度と高温側冷凍サイクルの冷媒温度と利用側熱交換器７へ流入する温水やブラインなどの利用側流体の温度を検知するようになっている。
　第２の筐体８ｂには２元冷凍サイクル装置１００の運転を制御するための電気部品箱２２が備えられている。
　電気部品箱２２には、低温側圧縮機１ａ及び高温側圧縮機１ｂを駆動する図示しないインバータ回路と、低温側膨張装置４及び高温側膨張装置１０の開度や、低温側四方弁及び高温側四方弁９の切替えを制御する制御器２３が備えられている。これらインバータ回路及び制御器２３によって、低温側冷凍サイクル７と高温側冷凍サイクル１３は最適な運転条件で運転されるように制御される。
　２元冷凍サイクル装置１００の加熱運転時の冷媒の流れを図１に実線矢印で示す。
　まず、低温側冷凍サイクル７では、低温側冷媒が、低温側圧縮機１ａから低温側四方弁２、中間熱交換器５の低温側流路、低温側膨張装置４ａ及び熱源側熱交換器３を順次通過し、低温側四方弁２から低温側圧縮機１ａへと戻る。同様に高温側冷凍サイクル６ｂでは、高温側冷媒が、高温側圧縮機１ｂで圧縮された高温側冷媒が、高温側四方弁２ｂ、利用側熱交換器７、高温側膨張装置４ｂ及び中間熱交換器５の高温側流路を順次通過し、高温側四方弁２ｂから高温側圧縮機１ｂへと戻る。
　このとき、低温側冷媒は熱源側熱交換器３で蒸発し、中間熱交換器５の低温側で凝縮する。また、高温側冷媒は利用側熱交換器７において凝縮し、利用側である利用側配管１８内の温水又はブラインに温熱を供給して、中間熱交換器５の高温側流路では高温側膨張装置４ｂによって減圧された液状の冷媒が蒸発し、蒸発熱として低温側冷媒の凝縮熱を吸収する。
　利用側配管１８内には送流ポンプ１０によって送流されている利用側流体が流動している。
　ここで、利用側熱交換器７に流入する利用側流体の温度が著しく低い場合、利用側熱交換器７の高温側冷媒の温度が所定温度Ｔｂ１よりも低くなり、高温側圧縮機１ｂでの圧縮比が低下する。圧縮比が低下した状態で圧縮機の運転を行うと圧縮機の信頼性が低下する。
　２元冷凍サイクル装置１００の電気部品箱２２内に設けられた制御器２３には、図２のブロック図に示すように、水温センサ１５と、外気温度センサ１６と、高温側冷媒温度センサ１７ａ、１７ｂと、流量制御バルブ１４が接続されている。
　熱利用機器から利用側熱交換器７へ供給される利用側流体の温度が低い場合には、バイパス通路１３の流量制御バルブ１４を開放し、利用側熱交換器７から流出した利用側流体を出口側分岐部１２ｂからバイパス通路１３を介して入口側分岐部１２ａへ送流し、新たに接続口体２３ａから利用側熱交換器７へ流入する利用側流体と混合することで、中間温度の利用側流体として利用側熱交換器７へ流入させる。
　次いで、制御器２３に流量制御バルブ１４の制御を図３のフローチャートを参照して説明する。
　まず、２元冷凍サイクル装置１００の運転中において、制御器２３は、室外温度センサ１６によって検知された外気温度Ｔ０と、利用側熱交換器７の入口側に設けられた利用側流体温度センサ１５により検知された利用側流体の温度Ｔｗとの差（Ｔｗ－Ｔ０）が、所定温度Ｔａ以下であるか否かの判断を行う（ステップＳ２０１）。
　ここで、検知された外気温度Ｔ０と利用側流体の温度Ｔｗとの差が所定温度Ｔａより大きい場合（ステップＳ２０１のＮｏ）、バイパス回路１３の流量制御バルブ１４が閉鎖され（ステップＳ２０５）、利用側熱交換器７から流出した利用側流体は全て熱利用機器へと送流される。
　一方、外気温度Ｔ０と利用側流体の温度Ｔｗとの差が所定温度Ｔａ以下となった場合（ステップＳ２０１のＹｅｓ）、バイパス回路１３の流量制御バルブ１４を所定の開度だけ開放し（ステップＳ２０２）、利用側熱交換器７から流出した利用側流体の一部を、バイパス回路１３を介して、利用側熱交換器７の利用側流体入口へ送流させる。これにより、利用側熱交換器７から流出した高温の利用側流体が、熱利用機器から供給される低温の利用側流体と混合され、中間温度となり利用側熱交換器７へ流入される。
　次に、二つの高温側冷媒温度センサ１７ａ、１７ｂで検知された利用側熱交換器７へ流入側及び流出側の高温側冷媒温度Ｔｓ１、Ｔｓ２の平均温度を算定し、この平均温度を高温側冷媒の凝縮温度Ｔｓの概算とする。そして、凝縮温度Ｔｓが所定の温度Ｔｂ１～Ｔｂ２（ただし、Ｔｂ１＜Ｔｂ２）の範囲内であるか否かの判断が行われる（ステップＳ２０３、Ｓ２０４）。
　即ち、高温側冷媒の凝縮温度ＴｓがＴｂ１以上であるか否かの判断が行われ（ステップＳ２０３）、高温側冷媒の凝縮温度ＴｓがＴｂ１よりも低い場合（ステップＳ２０３のＮｏ）、流量制御バルブ１４の開度を増加させ（ステップＳ２０６）、その後、ステップＳ２０３へ戻る。
　一方、高温側冷媒の凝縮温度ＴｓがＴｂ１以上である場合（ステップＳ２０３のＹｅｓ）、高温側冷媒の凝縮温度ＴｓがＴｂ２以下であるか否かの判断が行われる（ステップＳ２０４）。高温側冷媒の凝縮温度ＴｓがＴｂ２よりも高い場合（ステップＳ２０４のＮｏ）、流量制御バルブ１４の開度を減少させ（ステップＳ２０７）、ステップＳ２０３へ戻る。
　その後、利用側熱交換器７の高温側冷媒の凝縮温度Ｔｓが所定温度Ｔｂ１～Ｔｂ２の範囲内にある場合（ステップＳ２０３のＹｅｓ及びステップＳ２０４のＹｅｓ）、流量制御バルブ１４の開度を維持しつつ、ステップＳ２０１へ戻る。
　上記のように、外部熱源である室外空気温度と、利用側熱交換器へ流入する利用側流体温度との温度差から、低圧縮比運転となる温度条件となった場合には、流量制御バルブ１４を開放し、利用側熱交換器７に供給される利用側流体へ加温後の利用側流体を混合し、利用側熱交換器へ流入する利用側流体の温度を高くすることで、低圧縮比運転となる温度条件を回避することができる。
　さらに、利用側熱交換器７内の高温側冷媒の温度を検知することで、低圧縮比運転となっているかを判断し、バイパス通路１３に設けられた流量制御バルブ１４の開度を制御することにより、利用側熱交換器７へ供給される利用側流体の温度を、低圧縮比運転とならない最適な温度まで上昇させることができる。
　上記のような構成と制御を行うことにより、利用側熱交換器７の凝縮温度の低下を抑えることができ、圧縮比の低下を抑えることができる。これにより、低圧縮比状態で起こる圧縮機の信頼性の低下を防止することができ、ひいては、２元冷凍サイクル装置１００の信頼性低下を防止することができる。
　上記実施形態のように、第１筐体と第２筐体を分けて２元冷凍サイクル装置１００を構成することにより、据付場所の状態に柔軟に対応することができる。例えば、屋外の設置スペースが充分に確保できない場合には、熱源側熱交換器３を有する第１筐体を屋外に配し、利用側熱交換器を有する第２筐体を屋内へ配することができる。
　尚、上記実施形態では、低温側筐体８ａと高温側筐体８ｂとを別々に構成したが、これに限らず１つの筐体内に高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルを備えた構成としても良い。
　また、上記実施形態において、バイパス通路１３を流通する利用側流体の流量を制御する流体制御手段を、流量制御バルブ１４の開度の制御としたが、その他の制御手段を用いても良い。例えば、入口側分岐部１２ａ及び出口側分岐部１２ｂの内、少なくとも一方を三方バルブとして、流量制御バルブとして三方バルブの開度を制御しても良い。
　本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ａ…低温側圧縮機、１ｂ…高温側圧縮機、２ａ…低温側四方弁、２ｂ…高温側四方弁、３…熱源側熱交換器、４ａ…低温側膨張装置、４ｂ…高温側膨張装置、５…中間熱交換器、６ａ…低温側冷凍サイクル、６ｂ…高温側冷凍サイクル、７…利用側熱交換器、８ａ…低温側筐体、８ｂ…高温側筐体、９ａ、９ｂ…渡り配管、１０…送流ポンプ、１２ａ…入口側分岐部、１２ｂ…出口側分岐部、１３…バイパス通路、２２…電気部品箱、１５…利用側温度検知手段、１６…室外空気温度センサ、１７ａ、１７ｂ…高温側冷媒温度センサ、１８…利用側配管、１００…２元冷凍サイクル装置

Claims (4)

  1. 　外部熱源から熱を吸収する熱源側熱交換器と低温側圧縮機を備える低温側冷凍サイクルと、
    　利用側へ熱を供給する利用側熱交換器と高温側圧縮機を備える高温側冷凍サイクルと、
    　前記低温側冷凍サイクルと前記高温側冷凍サイクルの冷媒を熱交換させるための中間熱交換器と、
    　少なくとも前記利用側熱交換器を搭載する筐体と、
    　前記筐体に搭載され、前記利用側熱交換器に接続され、流通する利用側流体と高温側冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させて利用側へ供給する利用側配管と、前記利用側配管に利用側熱交換器と並列に接続され、利用側配管の利用側熱交換器出口側の利用側流体を利用側熱交換器入口側に送流させるバイパス通路と、
    　前記バイパス通路内を流通する利用側流体の流れを制御する流体制御手段を、有することを特徴とする二元冷凍サイクル装置。
  2. 　前記流体制御手段は、前記高温側冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度が低下し、高温側圧縮機が低圧縮比運転とならないように、前記バイパス通路内を流通する利用側流体の流れを制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
  3. 　前記流体制御手段は、前記利用側熱交換器へ流入する利用側流体温度を検知する利用側流体温度検知手段と、前記熱源側熱交換器に設けられ、外部熱源の温度を検知する外部熱源温度検知手段と、前記バイパス通路内の流量を変化させる流量制御バルブを備え、前記利用側流体温度検知手段で検知された利用側流体温度と、前記外部熱源温度検知手段で検知された外部熱源の温度との差が所定の値以下となったとき、前記流量制御バルブを開放させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
  4. 　前記流体制御手段は、前記利用側熱交換器へ流入する高温側冷凍サイクルの冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段と、前記バイパス通路内の流量を変化させる流量制御バルブを備え、前記冷媒温度検知手段により検知された高温側冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度が所定温度よりも低い場合に、前記流量制御バルブの開度を増加させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の二元冷凍サイクル装置。
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