WO2021024407A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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heat exchanger
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pressure pipe
refrigeration cycle
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武徳 松本
翔平 竹中
昂仁 彦根
仁隆 門脇
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三菱電機株式会社
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    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle device in which a refrigerant circulates in a refrigerant circuit.
  • the water side heat exchanger is generally more efficient in condensing the refrigerant than the air side heat exchanger, so the volume of the water side heat exchanger can be reduced. Further, in the cooling operation and the heating operation, the amount of the refrigerant required for the refrigeration cycle device is smaller in the heating operation. Therefore, in the heating operation in which the water side heat exchanger functions as a condenser, the amount of refrigerant required is smaller than in the cooling operation, so it is necessary to store the surplus refrigerant. Therefore, a refrigeration cycle device capable of storing the surplus refrigerant generated in this way has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the refrigerating cycle device described in Patent Document 1 includes a refrigerant flow path switching device such as a compressor and a four-way valve, an air side heat exchanger, a main expansion valve, a water side heat exchanger, an accumulator, a refrigerant amount adjusting tank, and a refrigerant flow control. It is configured to include two sub-expansion valves as valves, a degassing circuit, and a heat source machine control device as a control device. Further, the compressor, the refrigerant flow path switching device, the air side heat exchanger, the main expansion valve, the water side heat exchanger, and the accumulator are connected in an annular shape by the refrigerant pipe to form the main circuit of the refrigerant circuit. Further, a refrigerant amount adjusting tank, a sub-expansion valve, and a degassing circuit form a sub-circuit of the refrigerant circuit.
  • the above refrigeration cycle device is provided in parallel with the main expansion valve, and is provided with a refrigerant amount adjusting tank for storing excess refrigerant generated by the difference in operating state between the cooling operation and the heating operation.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a refrigeration cycle device that can be miniaturized.
  • the refrigeration cycle device includes a compressor, a refrigerant flow path switching device, an air side heat exchanger, an expansion valve, a water side heat exchanger, and a refrigerant circuit in which an accumulator is connected by a refrigerant pipe to circulate the refrigerant.
  • G [L] the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger
  • a [L] the volume of the entire refrigerant circuit
  • G / A is equal to or less than a predetermined threshold value ⁇ . Is.
  • G / A is equal to or less than a predetermined threshold value ⁇ . Therefore, the surplus refrigerant, which is the refrigerant of the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger, is put into the refrigerant circuit, that is, the compressor, the air side heat exchanger, the expansion valve, and the water side heat exchanger. , Accumulator, and refrigerant piping. As a result, the refrigerant tank for storing the surplus refrigerant becomes unnecessary, and it is not necessary to secure the accommodation space for the refrigerant tank in the machine room, so that the device can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an air-cooled heat pump chiller 101 to which the refrigeration cycle device 100 according to the embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of a circuit configuration during a cooling operation of the refrigeration cycle device 100 according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an example of a circuit configuration during a heating operation of the refrigeration cycle device 100 according to the embodiment.
  • the refrigeration cycle device 100 is applied to, for example, an air-cooled heat pump chiller 101 that cools and heats the water shown in FIG. 1 to generate cold water and hot water.
  • the refrigeration cycle device 100 may be applied to an air conditioner used for indoor cooling and heating.
  • a machine room 30 for accommodating the compressor 11 and the expansion valve 14 is provided below the air-cooled heat pump chiller 101.
  • an air side heat exchanger 13 is provided on the upper side of the machine room 30, and an air side blower 17 is provided on the upper side of the air side heat exchanger 13.
  • the refrigeration cycle device 100 includes a compressor 11, a refrigerant flow path switching device 12, an air side heat exchanger 13, an expansion valve 14, a water side heat exchanger 15, an accumulator 16, and an air side. It includes a blower 17 and a heat source device control device 50 as a control device.
  • the compressor 11, the refrigerant flow path switching device 12, the air side heat exchanger 13, the expansion valve 14, the water side heat exchanger 15, and the accumulator 16 are sequentially connected in an annular shape by the refrigerant pipe 20.
  • It is equipped with a refrigerant circuit configured to be configured.
  • This refrigerant circuit is filled with a refrigerant that circulates in the circuit.
  • the refrigerant pipes are the high pressure pipe 20a connecting the discharge side of the compressor 11 to the water side heat exchanger 15 and the low pressure pipe connecting the air side heat exchanger 13 to the suction side of the compressor 11 during the heating operation. It is composed of a gas pipe composed of the pipe 20b and a liquid pipe connecting the water side heat exchanger 15 to the air side heat exchanger 13.
  • the refrigerant filled in the refrigerant circuit includes, for example, a single refrigerant such as R-22 and R-134a, a pseudo-azeotropic mixed refrigerant such as R-410A and R-404A, and a non-azeotropic mixed refrigerant such as R-407C.
  • a refrigerant can be used.
  • it is possible to use a refrigerant having a relatively small global warming potential such as CF 3 CF CH 2 or a mixture thereof, or a natural refrigerant such as CO 2 or propane, which contains a double bond in the chemical formula. it can.
  • the compressor 11 sucks in a low-temperature low-pressure refrigerant, compresses the refrigerant into a high-temperature and high-pressure gas refrigerant, and discharges the refrigerant.
  • an inverter compressor that can control the capacity, which is the amount of refrigerant delivered per unit time, can be used by arbitrarily changing the drive frequency.
  • the refrigerant flow path switching device 12 switches between cooling operation and heating operation by switching the direction in which the refrigerant flows.
  • the refrigerant flow path switching device 12 is switched so that the gas refrigerant discharged from the compressor 11 flows to the air side heat exchanger 13.
  • the refrigerant flow path switching device 12 is switched so that the gas refrigerant discharged from the compressor 11 flows to the water side heat exchanger 15.
  • a four-way valve can be used, but other valves may be used in combination.
  • the air side heat exchanger 13 exchanges heat between the air supplied by the air side blower 17 such as a fan installed in the vicinity and the refrigerant. Specifically, the air side heat exchanger 13 functions as a condenser that dissipates the heat of the refrigerant to the air and condenses the refrigerant during the cooling operation. Further, the air side heat exchanger 13 functions as an evaporator that evaporates the refrigerant during the heating operation and cools the outdoor air by the heat of vaporization at that time.
  • the air side heat exchanger 13 is configured by combining a plurality of plate fins and a plurality of refrigerant pipes.
  • the expansion valve 14 has a function of reducing the pressure and expanding the refrigerant flowing in the refrigerant circuit.
  • the expansion valve 14 is composed of a valve such as an electronic expansion valve whose opening degree can be controlled.
  • the water side heat exchanger 15 functions as a condenser or an evaporator, and exchanges heat between the refrigerant flowing in the refrigerant circuit and a heat medium such as water.
  • the accumulator 16 is provided on the suction side, which is the low pressure side of the compressor 11.
  • the accumulator 16 stores the surplus refrigerant generated by the difference in the operating states of the cooling operation and the heating operation, the surplus refrigerant against the transitional change in the operation, and the like.
  • the heat source machine control device 50 controls the entire refrigeration cycle device 100.
  • the heat source device control device 50 is, for example, a CPU (also referred to as a central processing unit, a central processing unit, a processing device, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, or a processor) that executes a program stored in dedicated hardware or memory. It is composed of.
  • the heat source device control device 50 may be, for example, a single circuit, a composite circuit, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof. Applicable to Each of the functional units realized by the heat source device control device 50 may be realized by individual hardware, or each functional unit may be realized by one hardware.
  • each function executed by the heat source machine control device 50 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are written as programs and stored in memory.
  • the CPU realizes each function of the heat source machine control device 50 by reading and executing the program stored in the memory.
  • the memory is a non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM, ROM, flash memory, EPROM, EEPROM and the like. It should be noted that a part of the functions of the heat source device control device 50 may be realized by dedicated hardware, and a part may be realized by software or firmware.
  • the heat source machine control device 50 receives information indicating a detection result from various detection means such as a low pressure pressure sensor (not shown) and an outside air temperature sensor (not shown). Then, the heat source device control device 50 is based on the operation information of the refrigeration cycle device 100 based on the detection result and the operation content instructed by the user, and the drive frequency of the compressor 11 and the rotation speed of the air side blower 17 (ON / (Including OFF), switching of the refrigerant flow path switching device 12, opening of the expansion valve 14, and the like are controlled.
  • various detection means such as a low pressure pressure sensor (not shown) and an outside air temperature sensor (not shown). Then, the heat source device control device 50 is based on the operation information of the refrigeration cycle device 100 based on the detection result and the operation content instructed by the user, and the drive frequency of the compressor 11 and the rotation speed of the air side blower 17 (ON / (Including OFF), switching of the refrigerant flow path switching device 12, opening of the expansion valve 14, and the like are controlled.
  • the water side heat exchanger 15 is more efficient in condensing the refrigerant than the air side heat exchanger 13.
  • the volume on the refrigerant side of the water side heat exchanger 15 can be reduced.
  • the amount of refrigerant required for the refrigerant circuit is smaller during the heating operation than during the cooling operation.
  • a refrigerant tank is provided in parallel with the expansion valve 14 in order to fill the difference in the amount of refrigerant between the cooling operation and the heating operation. , The surplus refrigerant during the heating operation was stored in the refrigerant tank.
  • the refrigerating cycle device 100 has a configuration that does not require a refrigerant tank.
  • the refrigerant in the gas pipe of the refrigerant pipe 20 In order to store the surplus refrigerant in the refrigerant pipe 20, it is necessary to use a gas refrigerant instead of the liquid refrigerant in the gas pipe in order to prevent the compressor 11 from being damaged due to the liquid back. Then, in order for the refrigerant in the gas pipe of the refrigerant pipe 20 to exist as the gas refrigerant, it is necessary to keep the pressure in the refrigerant circuit below a certain value.
  • the volume of the entire refrigerant circuit is related to the pressure in the refrigerant circuit, and the larger the volume of the entire refrigerant circuit, the more difficult it is for the pressure in the refrigerant circuit to rise.
  • G / A is equal to or less than a predetermined threshold value ⁇ . That is, if the condition of G / A ⁇ ⁇ is satisfied, all of the surplus refrigerant can be stored in the refrigerant circuit as a gas refrigerant, and the refrigerant circuit can be eliminated from providing a refrigerant tank.
  • the threshold value ⁇ is a threshold value at which a refrigerant tank for storing the surplus refrigerant becomes unnecessary, and is a threshold value for storing all of the surplus refrigerant as a gas refrigerant in the refrigerant circuit.
  • the volume of the entire refrigerant circuit is the total volume of the compressor 11, the air side heat exchanger 13, the expansion valve 14, the water side heat exchanger 15, the accumulator 16, and the refrigerant pipe 20.
  • FIG. 4 is a diagram showing the volumes of general high-pressure pipes used in a refrigerant circuit in each size.
  • FIG. 5 is a diagram showing the volumes of general low-pressure pipes used in a refrigerant circuit in each size.
  • the high-pressure pipe referred to here is a pipe that connects the discharge side of the compressor to the water side heat exchanger during the heating operation with respect to the same refrigerant circuit configuration as the refrigeration cycle device 100, and the low-pressure pipe is the heating operation. It is a pipe that connects the heat exchanger on the air side to the suction side of the compressor.
  • the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger is 5 [L].
  • the length of the refrigerant pipe is 1.2 [m] used in a standard air-cooled heat pump chiller.
  • the volume of the air side heat exchanger, the volume of the water side heat exchanger, and the volume of the accumulator shall be values according to the capacity.
  • low pressure piping 25, 4 [mm], 28.6 [mm], 31.75 [mm], 34.93 [mm], 38.1 [mm], 41.28 [mm], 44 It is set to .45 [mm] and 50.8 [mm].
  • the size (outer diameter) of the liquid pipe is 12.7 [mm], which is a size in which the refrigerant pressure loss of the liquid refrigerant is within the specified value.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger in the conventional machine and the volume of the mounted refrigerant tank.
  • air heat exchange described in FIG. 6 is an abbreviation for an air side heat exchanger
  • water heat exchange is an abbreviation for a water side heat exchanger, and the same shall apply hereinafter.
  • the volume of the air side heat exchanger is 19.6 [L] and the volume of the water side heat exchanger is 5.4 [L], and the air side heat exchanger and the water side heat exchanger are combined.
  • the volume difference is 14.2 [L].
  • the conventional machine A is equipped with a refrigerant tank having a volume of 8.5 [L].
  • the volume of the air side heat exchanger is 13.9 [L] and the volume of the water side heat exchanger is 5.4 [L], and the air side heat exchanger and the water side heat exchanger The volume difference from and is 8.5 [L].
  • the conventional machine B is equipped with a refrigerant tank having a volume of 4 [L].
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger and the volume of the refrigerant tank.
  • the linear equation y shown in FIG. 7 is obtained from the conventional machine A and the conventional machine B.
  • the expansion valve near the air side heat exchanger by arranging the expansion valve near the air side heat exchanger, the refrigerant pipe from the water side heat exchanger to the expansion valve becomes long, and the volume of the stored refrigerant increases. Then, by arranging the expansion valve near the air side heat exchanger, for example, when the size (outer diameter) of the liquid pipe is 12.7 [mm], the refrigerant pipe from the water side heat exchanger to the expansion valve Since the volume of is about 1 [L], this value is added to the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger to be 5 [L]. From the above, as a calculation condition, the volume difference between the air side heat exchanger and the water side heat exchanger was set to 5 [L].
  • FIG. 8 is a diagram showing threshold values in each size of the high-pressure pipe and the low-pressure pipe shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the threshold value and the size of the low-pressure pipe. The vertical axis of FIG. 9 indicates the threshold value, and the horizontal axis indicates the size of the low-pressure pipe.
  • the threshold value ⁇ is calculated based on the above calculation conditions, it is as shown in FIG.
  • the threshold value ⁇ is calculated by the following formula for each size (outer diameter) of the high-pressure pipe as shown in FIG.
  • the compressor 11, the refrigerant flow path switching device 12, the air side heat exchanger 13, the expansion valve 14, the water side heat exchanger 15, and the accumulator 16 are the refrigerant pipes 20. It is connected by a refrigerant circuit that circulates the refrigerant. Then, assuming that the volume difference between the air side heat exchanger 13 and the water side heat exchanger 15 is G [L] and the volume of the entire refrigerant circuit is A [L], G / A is equal to or less than a predetermined threshold value ⁇ . is there.
  • the G / A is equal to or less than a predetermined threshold value ⁇ . Therefore, the excess refrigerant, which is the refrigerant of the volume difference between the air side heat exchanger 13 and the water side heat exchanger 15, is placed in the refrigerant circuit, that is, the compressor 11, the air side heat exchanger 13, the expansion valve 14, and the water side. It can be stored in the heat exchanger 15, the accumulator 16, and the refrigerant pipe 20. As a result, the refrigerant storage tank becomes unnecessary, and it is not necessary to secure a storage space for the refrigerant amount adjusting tank in the machine room, so that the device can be miniaturized.

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Abstract

冷凍サイクル装置は、圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。

Description

冷凍サイクル装置
　本発明は、冷媒回路内を冷媒が循環する冷凍サイクル装置に関するものである。
　空冷式のチラーにおいては、一般的に、水側熱交換器の方が空気側熱交換器よりも冷媒を凝縮する効率がよいので、水側熱交換器の容積を小さくすることができる。また、冷房運転時と暖房運転時とでは、暖房運転時の方が冷凍サイクル装置に必要な冷媒量が少なくて済む。そのため、水側熱交換器が凝縮器として機能する暖房運転時においては、冷房運転時と比較して必要な冷媒量が少ないので、余剰冷媒を貯留する必要がある。そこで、このようにして生じる余剰冷媒を貯留することが可能な冷凍サイクル装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１に記載の冷凍サイクル装置は、圧縮機、四方弁などの冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、主膨張弁、水側熱交換器、アキュムレータ、冷媒量調整タンク、冷媒流量制御弁としての２つの副膨張弁、ガス抜き回路、および、制御装置としての熱源機制御装置を含んで構成されている。また、圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、主膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって環状に接続され、冷媒回路の主回路が形成されている。さらに、冷媒量調整タンク、副膨張弁、および、ガス抜き回路により、冷媒回路の副回路が形成されている。
　このように、上記の冷凍サイクル装置は、主膨張弁に対して並列的に設けられ、冷房運転および暖房運転の運転状態の違いによって生じる余剰冷媒を貯留する冷媒量調整タンクを備えている。
特許第６４７９２０３号公報
　特許文献１に記載の冷凍サイクル装置では、冷媒量調整タンクは機械室に収容されているが、機械室に冷媒量調整タンクの収容スペースを確保する必要があるため、装置が大型化してしまうという課題があった。
　本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、小型化することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。
　本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。
　本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。そのため、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差分の冷媒である余剰冷媒を、を、冷媒回路内、つまり、圧縮機、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、アキュムレータ、および、冷媒配管に溜めることができる。その結果、余剰冷媒を貯留する冷媒タンクが不要となり、機械室に冷媒タンクの収容スペースを確保する必要がなくなるため、装置を小型化することができる。
実施の形態に係る冷凍サイクル装置が適用される空冷式ヒートポンプチラーを示す斜視図である。 実施の形態に係る冷凍サイクル装置の冷房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。 実施の形態に係る冷凍サイクル装置の暖房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。 冷媒回路に用いられる一般的な高圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。 冷媒回路に用いられる一般的な低圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。 従来機における空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と搭載されている冷媒タンクの容積との関係を示す図である。 空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と冷媒タンクの容積との関係を示す図である。 図４および図５に示す高圧配管および低圧配管の各サイズにおける閾値を示す図である。 閾値と低圧配管のサイズとの関係を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の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。
　実施の形態．
　以下、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００について説明する。
　図１は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００が適用される空冷式ヒートポンプチラー１０１を示す斜視図である。図２は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の冷房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。図３は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の暖房運転時の回路構成の一例を示す概略図である。
　実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、例えば、図１に示す水を冷却および加熱して冷水および温水を生成する空冷式ヒートポンプチラー１０１に適用される。なお、冷凍サイクル装置１００を、屋内の冷房および暖房に使用される空気調和装置に適用してもよい。図１に示すように、空冷式ヒートポンプチラー１０１の下部には、圧縮機１１および膨張弁１４などを収容する機械室３０が設けられている。また、機械室３０の上側には空気側熱交換器１３が設けられており、空気側熱交換器１３の上側には空気側送風機１７が設けられている。
［冷凍サイクル装置の回路構成］
　図２および図３に示すように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、空気側送風機１７、および、制御装置としての熱源機制御装置５０を備えている。
　また、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、および、アキュムレータ１６が冷媒配管２０によって環状に順次接続されて構成された冷媒回路を備えている。この冷媒回路には、回路内を循環する冷媒が充填されている。ここで、冷媒配管は、暖房運転時において圧縮機１１の吐出側から水側熱交換器１５までを接続する高圧配管２０ａおよび空気側熱交換器１３から圧縮機１１の吸入側までを接続する低圧配管２０ｂからなるガス配管と、水側熱交換器１５から空気側熱交換器１３までを接続する液配管と、で構成されている。
　また、冷媒回路に充填される冷媒としては、例えばＲ－２２、Ｒ－１３４ａなどの単一冷媒、Ｒ－４１０Ａ、Ｒ－４０４Ａなどの疑似共沸混合冷媒、Ｒ－４０７Ｃなどの非共沸混合冷媒を用いることができる。また、化学式内に二重結合を含む、ＣＦ３ＣＦ＝ＣＨ２などの地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒やその混合物、ＣＯ２、プロパンなどの自然冷媒などを用いることができる。
　圧縮機１１は、低温低圧の冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒の状態にして吐出する。圧縮機１１としては、例えば、駆動周波数を任意に変化させることにより、単位時間あたりの冷媒送出量である容量を制御することが可能なインバータ圧縮機などを用いることができる。
　冷媒流路切替装置１２は、冷媒の流れる方向を切り替えることにより、冷房運転および暖房運転の切り替えを行う。冷房運転時は、図２に示すように、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒が空気側熱交換器１３に流れるように冷媒流路切替装置１２が切り替えられる。一方、暖房運転時は、図３に示すように、圧縮機１１から吐出されたガス冷媒が水側熱交換器１５に流れるように冷媒流路切替装置１２が切り替えられる。冷媒流路切替装置１２としては、例えば四方弁を用いることができるが、他の弁を組み合わせて使用してもよい。
　空気側熱交換器１３は、近傍に設置されたファンなどの空気側送風機１７によって供給される空気と冷媒との間で熱交換を行う。具体的には、空気側熱交換器１３は、冷房運転の際に、冷媒の熱を空気に放熱して冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。また、空気側熱交換器１３は、暖房運転の際に、冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により室外空気を冷却する蒸発器として機能する。この空気側熱交換器１３は、複数のプレートフィンと複数の冷媒配管とを組み合わせて構成されている。
　膨張弁１４は、冷媒回路内を流れる冷媒を減圧および膨張させる機能を有する。膨張弁１４は、例えば、電子式膨張弁などの開度の制御が可能な弁で構成される。
　水側熱交換器１５は、凝縮器または蒸発器として機能し、冷媒回路内を流れる冷媒と、水などの熱媒体との間で熱交換を行う。
　アキュムレータ１６は、圧縮機１１の低圧側である吸入側に設けられる。アキュムレータ１６は、冷房運転および暖房運転の運転状態の違いによって生じる余剰冷媒、過渡的な運転の変化に対する余剰冷媒などを貯留する。
　熱源機制御装置５０は、冷凍サイクル装置１００全体を制御する。熱源機制御装置５０は、例えば、専用のハードウェア、またはメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサともいう）で構成されている。
　熱源機制御装置５０が専用のハードウェアである場合、熱源機制御装置５０は、例えば、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。熱源機制御装置５０が実現する各機能部のそれぞれを、個別のハードウェアで実現してもよいし、各機能部を一つのハードウェアで実現してもよい。
　熱源機制御装置５０がＣＰＵの場合、熱源機制御装置５０が実行する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリに格納される。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、熱源機制御装置５０の各機能を実現する。ここで、メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。なお、熱源機制御装置５０の機能の一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
　熱源機制御装置５０は、例えば、低圧圧力センサ（図示せず）および外気温度センサ（図示せず）などの各種検出手段から検出結果を示す情報を受け取る。そして、熱源機制御装置５０は、検出結果に基づく冷凍サイクル装置１００の運転情報、並びに使用者から指示される運転内容に基づき、圧縮機１１の駆動周波数、空気側送風機１７の回転数（ＯＮ／ＯＦＦを含む）、冷媒流路切替装置１２の切り替え、および、膨張弁１４の開度などを制御する。
　ここで、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒回路に必要な冷媒量を比較した場合、水側熱交換器１５の方が空気側熱交換器１３よりも冷媒を凝縮する効率がよいため、水側熱交換器１５における冷媒側の容積を小さくすることができる。これにより、冷房運転時よりも暖房運転時の方が、冷媒回路に必要な冷媒量が少なくて済むことになる。
　すなわち、暖房運転時には、冷媒回路に必要な冷媒量が余剰となるので、従来では冷房運転時と暖房運転時での冷媒量差を埋めるために冷媒タンクを膨張弁１４に対して並列的に設け、その冷媒タンクに暖房運転時の余剰冷媒を貯留していた。
　しかしながら、その冷媒タンクは機械室に収容されるが、機械室に冷媒タンクの収容スペースを確保する必要があるため、装置が大型化してしまうという課題があった。そこで、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００では、冷媒タンクが不要な構成とした。
　冷房運転時と暖房運転時とで、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との間に液冷媒が溜められる容積差が生じるが、この容積差分の冷媒である余剰冷媒の全てを冷媒回路内、つまり、空気側熱交換器１３、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０内に溜めることができれば、冷媒タンクが不要となる。
　なお、余剰冷媒を冷媒配管２０内に溜めるには、液バックによる圧縮機１１の故障を防止するため、ガス配管内の冷媒を液冷媒ではなくガス冷媒にする必要がある。そして、冷媒配管２０のガス配管内の冷媒をガス冷媒として存在させるためには、冷媒回路内の圧力を一定値以下にする必要がある。冷媒回路全体の容積は、冷媒回路内の圧力に関係し、冷媒回路全体の容積が大きいほど冷媒回路内の圧力が上がりづらくなる。
　そこで、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差をＧ［Ｌ］、冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とした場合、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下、つまりＧ／Ａ≦χという条件を満たせば、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めることができ、冷媒回路に冷媒タンクを設けなくすることができる。ここで、閾値χは、余剰冷媒を貯留する冷媒タンクが不要となる閾値であり、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めるための閾値である。また、冷媒回路全体の容積とは、圧縮機１１、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０の合計容積である。
　次に、閾値χの算出方法について説明する。
　図４は、冷媒回路に用いられる一般的な高圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。図５は、冷媒回路に用いられる一般的な低圧配管の各サイズにおける容積を示す図である。なお、ここでいう高圧配管は、冷凍サイクル装置１００と同様の冷媒回路構成に関して、暖房運転時において圧縮機の吐出側から水側熱交換器までを接続する配管であり、低圧配管は、暖房運転時において空気側熱交換器から圧縮機の吸入側までを接続する配管である。
　算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は５［Ｌ］とする。また、冷媒配管の長さは、標準的な空冷式ヒートポンプチラーに用いられる１．２［ｍ］とする。また、空気側熱交換器の容積、水側熱交換器の容積、および、アキュムレータの容積は、能力に応じた値とする。また、冷媒配管のサイズ（外径）は、図４および図５に示すように、ＪＩＳ規格サイズに基づいて、高圧配管＝２５．４［ｍｍ］、２８．６［ｍｍ］、３１．７５［ｍｍ］とし、低圧配管＝２５、４［ｍｍ］、２８．６［ｍｍ］、３１．７５［ｍｍ］、３４．９３［ｍｍ］、３８．１［ｍｍ］、４１．２８［ｍｍ］、４４．４５［ｍｍ］、５０．８［ｍｍ］とする。また、液配管のサイズ（外径）は、液冷媒の冷媒圧力損失が規定値以内に収まるサイズである１２．７［ｍｍ］とする。
　ここで、算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差を５［Ｌ］とした理由について説明する。
　図６は、従来機における空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と搭載されている冷媒タンクの容積との関係を示す図である。なお、図６に記載の「空気熱交」は空気側熱交換器の略称であり、「水熱交」は水側熱交換器の略称であり、以下においても同様とする。
　従来機Ａでは、空気側熱交換器の容積が１９．６［Ｌ］、水側熱交換器の容積が５．４［Ｌ］であり、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は、１４．２［Ｌ］である。それに対して、従来機Ａでは、容積が８．５［Ｌ］の冷媒タンクが搭載されている。また、従来機Ｂでは、空気側熱交換器の容積が１３．９［Ｌ］、水側熱交換器の容積が５．４［Ｌ］であり、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差は、８．５［Ｌ］である。それに対して、従来機Ｂでは、容積が４［Ｌ］の冷媒タンクが搭載されている。
　図７は、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差と冷媒タンクの容積との関係を示す図である。図７に示す直線の式ｙは、従来機Ａおよび従来機Ｂから求められたものである。
　図７に示すように、従来機Ａおよび従来機Ｂから求められた直線の式ｙから、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差が３．４３［Ｌ］以下である場合、必要な冷媒タンクの容積が０、つまり冷媒タンクが不要となることが分かる。そのため、個体差のばらつきを考慮して、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差が４［Ｌ］以下である場合、冷媒タンクが不要となる。さらに、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管に液冷媒を溜めることができる。ここで、膨張弁を空気側熱交換器の近くに配置することで、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管が長くなり、溜められる冷媒の容積が多くなる。そして、膨張弁を空気側熱交換器の近くに配置することで、例えば液配管のサイズ（外径）を１２．７［ｍｍ］とした場合、水側熱交換器から膨張弁までの冷媒配管の容積がおよそ１［Ｌ］となるため、この値を空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差に加えて、５［Ｌ］となる。以上より、算出条件として、空気側熱交換器と水側熱交換器との容積差を５［Ｌ］とした。
　図８は、図４および図５に示す高圧配管および低圧配管の各サイズにおける閾値を示す図である。図９は、閾値と低圧配管のサイズとの関係を示す図である。なお、図９の縦軸は閾値を示しており、横軸は低圧配管のサイズを示している。
　上記の算出条件に基づいて閾値χを算出すると、図８に示す通りとなる。
　また、低圧配管のサイズ（外径）を変数Ｄ［ｍｍ］とすると、高圧配管の各サイズ（外径）に対して、閾値χは図９に示すように以下の式で求められる。
［高圧配管：２５．４ｍｍ（１インチ）］
　χ＝０．００００００１４７９Ｄ３－０．００００２４５６５４Ｄ２＋０．００００７８６９３５Ｄ＋０．２０１８２１９３００
［高圧配管：２８．６ｍｍ（１－１／８インチ）］
　χ＝０．００００００１４３２Ｄ３－０．００００２３９３４７Ｄ２＋０．００００７７４５７２Ｄ＋０．１９９１７０６７７１
［高圧配管：３１．７５ｍｍ（１－１／４インチ）］
　χ＝０．００００００１３７６Ｄ３－０．００００２３１７１２Ｄ２＋０．００００７５８８１７Ｄ＋０．１９５９２２８３３７
　そのため、Ｇ／Ａが上記のχ以下であれば、余剰冷媒の全てをガス冷媒として冷媒回路内に溜めることができ、冷媒回路に冷媒タンクを設けなくすることができる。
　以上、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１１、冷媒流路切替装置１２、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、および、アキュムレータ１６が冷媒配管２０によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えている。そして、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差をＧ［Ｌ］、冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。
　実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００によれば、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である。そのため、空気側熱交換器１３と水側熱交換器１５との容積差分の冷媒である余剰冷媒を、冷媒回路内、つまり、圧縮機１１、空気側熱交換器１３、膨張弁１４、水側熱交換器１５、アキュムレータ１６、および、冷媒配管２０に溜めることができる。その結果、冷媒貯留タンクが不要となり、機械室に冷媒量調整タンクの収容スペースを確保する必要がなくなるため、装置を小型化することができる。
　また、冷媒貯留タンクが不要となり、機械室に冷媒量調整タンクを設置する必要がなくなるため、メンテナンス性を向上させることができる。
　１１　圧縮機、１２　冷媒流路切替装置、１３　空気側熱交換器、１４　膨張弁、１５　水側熱交換器、１６　アキュムレータ、１７　空気側送風機、２０　冷媒配管、２０ａ　高圧配管、２０ｂ　低圧配管、３０　機械室、５０　熱源機制御装置、１００　冷凍サイクル装置、１０１　空冷式ヒートポンプチラー。

Claims (4)

  1. 　圧縮機、冷媒流路切替装置、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器、および、アキュムレータが冷媒配管によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備え、
    　前記空気側熱交換器と前記水側熱交換器との容積差をＧ［Ｌ］、前記冷媒回路全体の容積をＡ［Ｌ］とすると、Ｇ／Ａがあらかじめ決められた閾値χ以下である
    　冷凍サイクル装置。
  2. 　前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
    　前記高圧配管の外径を２５．４［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
    　前記閾値χ＝０．００００００１４７９Ｄ３－０．０００００２４５６５４Ｄ２＋０．００００７８６９３５Ｄ＋０．２０１８２１９３００である
    　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
    　前記高圧配管の外径を２８．６［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
    　前記閾値χ＝０．００００００１４３２Ｄ３－０．０００００２３９３４７Ｄ２＋０．００００７７４５７２Ｄ＋０．１９９１７０６７７１である
    　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記冷媒配管は、暖房運転時において、前記圧縮機の吐出側から前記水側熱交換器までを接続する高圧配管と、前記空気側熱交換器から前記圧縮機の吸入側までを接続する低圧配管とを備え、
    　前記高圧配管の外径を３１．７５［ｍｍ］とし、前記低圧配管の外径をＤ［ｍｍ］とすると、
    　前記閾値χ＝０．００００００１３７６Ｄ３－０．０００００２３１７１２Ｄ２＋０．００００７５８８１７Ｄ＋０．１９５９２２８３３７である
    　請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
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