JP2015163823A - 冷凍装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1および図4は、空気調和装置10の構成を示す冷媒回路図である。空気調和装置10は、超臨界状態の二酸化炭素冷媒を使用して四段圧縮冷凍サイクルを行う冷凍装置である。空気調和装置10は、熱源ユニットである室外ユニット11と、利用ユニットである複数の室内ユニット12とが、連絡冷媒配管13,14によって結ばれた装置であり、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとが切り換わる冷媒回路を有する。図1の矢印は、冷房運転において冷媒回路を循環する冷媒の流れを表している。図4の矢印は、暖房運転において冷媒回路を循環する冷媒の流れを表している。
四段圧縮機20は、密閉容器内に、第1圧縮部21、第2圧縮部22、第3圧縮部23、第4圧縮部24および圧縮機駆動モータ(図示せず)が収容された、密閉式の圧縮機である。圧縮機駆動モータは、共通回転軸によって、4つの圧縮部21〜24の各圧縮部材を回転させる。すなわち、四段圧縮機20は、4つの圧縮部21〜24の圧縮部材が単一の共通回転軸に連結された、一軸四段の圧縮構造を有している。四段圧縮機20では、第1圧縮部21、第2圧縮部22、第3圧縮部23および第4圧縮部24が、この順番で直列に配管接続される。すなわち、第1圧縮部21、第2圧縮部22、第3圧縮部23および第4圧縮部24は、1列に接続される。第1圧縮部21は、第1吸入管21aから冷媒を吸い込み、第1吐出管21bへと冷媒を吐出する。第2圧縮部22は、第2吸入管22aから冷媒を吸い込み、第2吐出管22bへと冷媒を吐出する。第3圧縮部23は、第3吸入管23aから冷媒を吸い込み、第3吐出管23bへと冷媒を吐出する。第4圧縮部24は、高段吸入配管である第4吸入管24aから冷媒を吸い込み、一旦密閉空間に吐出し、そこから高段吐出配管である第4吐出管24bへと冷媒を吐出する。すなわち、最高段の圧縮部である第4圧縮部24に吸入される冷媒は、第4圧縮部24の吸入ポートに接続された第4吸入管24aを流れてくる。また、第4圧縮部24から吐出された冷媒は、第4圧縮部24の吐出ポートに接続された第4吐出管24bを流れていく。
第1切換機構31、第2切換機構32、第3切換機構33および第4切換機構34は、冷媒回路内における冷媒の流れの方向を切り換えて、冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとを切り換えるために設けられている機構で、それぞれ四路切換弁である。
熱源側熱交換器である室外熱交換器40は、上述のように、第1熱交換器41、第2熱交換器42、第3熱交換器43および第4熱交換器44から成る。冷房運転時には、第1〜第3熱交換器41〜43が、それぞれ、圧縮途中の冷媒(中間圧冷媒)を冷やすインタークーラとして機能し、第4熱交換器44が、最も高圧の冷媒を冷やすガスクーラとして機能する。第4熱交換器44は、第1〜第3熱交換器41〜43よりも容量が大きい。また、暖房運転時には、第1〜第4熱交換器41〜44の全てが、低圧の冷媒の蒸発器(加熱器)として機能する。
四段圧縮機20の第1圧縮部21、第2圧縮部22、第3圧縮部23および第4圧縮部24から吐出された冷媒に含まれる油を四段圧縮機20に戻すために、空気調和装置10の冷媒回路には第1〜第4油分離器25〜28が設けられている。第1〜第4油分離器25〜28は、冷媒に含まれる油(潤滑油)を分離するための小容器である。
第1および第2室外電動弁51,52は、室外熱交換器40とブリッジ回路55との間に配備されている。具体的には、第1室外電動弁51は、第4熱交換器44とブリッジ回路55との間に、第2室外電動弁52は、第3熱交換器43とブリッジ回路55との間に、配備されている。暖房運転時にブリッジ回路55から室外熱交換器40へと流れてくる冷媒は、2つに分流され、第1室外電動弁51/第2室外電動弁52で膨張し、第4熱交換器44/第3熱交換器43へと流れ込む。
ブリッジ回路55は、室外熱交換器40と室内熱交換器12aとの間に設けられており、エコノマイザ熱交換器61、内部熱交換器62および膨張機構70を介してレシーバ80の入口管81に接続されるとともに、過冷却熱交換器90を介してレシーバ80の出口管82に接続されている。
エコノマイザ熱交換器61は、ブリッジ回路55から膨張機構70およびレシーバ80へと向かう高圧の冷媒と、その高圧の冷媒の一部を分岐させ膨張させた中間圧の冷媒との間で熱交換を行わせる。ブリッジ回路55から膨張機構70へ冷媒を流す主冷媒配管から分岐した配管(インジェクション配管61a)には、第3室外電動弁61bが配備されている。この第3室外電動弁61bを通って膨張し、エコノマイザ熱交換器61で蒸発した冷媒は、第2インタークーラ管42aに向かって延びるインジェクション配管61aを通って、第2インタークーラ管42aの逆止弁よりも第3吸入管23aに近い部分に流れ込み、第3吸入管23aから第3圧縮部23へ吸い込まれる冷媒を冷やす。すなわち、エコノマイザ熱交換器61、インジェクション配管61aおよび第3室外電動弁61bは、第2圧縮部22から吐出され次段の第3圧縮部23へと流れる冷媒を冷やす中間インジェクション機構として機能する。但し、エコノマイザ熱交換器61で蒸発した冷媒は、第3圧縮部23へ吸い込まれる冷媒のみを冷やし、第4圧縮部24に吸い込まれる冷媒を冷やすことはない。暖房運転時、第4圧縮部24に吸い込まれる冷媒には、中間インジェクションが行われない。
内部熱交換器62は、ブリッジ回路55から膨張機構70およびレシーバ80へと向かう高圧の冷媒と、膨張機構70等を通過し室内熱交換器12aあるいは室外熱交換器40で蒸発して低圧冷媒配管19を流れる低圧のガス冷媒と、の間で熱交換を行わせる。内部熱交換器62は、液ガス熱交換器と呼ばれることもある。ブリッジ回路55を出た高圧の冷媒は、まずエコノマイザ熱交換器61を通過し、次に内部熱交換器62を通過して、膨張機構70およびレシーバ80へと向かう。
膨張機構70は、ブリッジ回路55から流れてきた高圧の冷媒を減圧・膨張させ、気液二相状態の中間圧の冷媒をレシーバ80へと流す。すなわち、膨張機構70は、冷房運転時には、高圧冷媒のガスクーラ(放熱器)として機能する室外の第4熱交換器44から、低圧冷媒の蒸発器として機能する室内熱交換器12aに送られる冷媒を減圧し、暖房運転時には、高圧冷媒のガスクーラ(放熱器)として機能する室内熱交換器12aから、低圧冷媒の蒸発器として機能する室外熱交換器40に送られる冷媒を減圧する。膨張機構70は、膨張機71および第4室外電動弁72から構成される。膨張機71は、冷媒の減圧過程の絞り損失を有効な仕事(エネルギー)として回収する役割を果たす。
レシーバ80は、膨張機構70を出て入口管81から内部空間に入ってきた気液二相状態の中間圧の冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する。分離されたガス冷媒は、低圧戻し配管91aに設けられた第5室外電動弁91を通過して低圧のガスリッチな冷媒となり、過冷却熱交換器90に送られる。分離された液冷媒は、出口管82によって過冷却熱交換器90に送られる。
過冷却熱交換器90は、低圧のガス冷媒と、レシーバ80の出口管82から出た中間圧の液冷媒との間で熱交換を行わせる。レシーバ80の出口管82から出た中間圧の液冷媒の一部は、冷房運転時には、レシーバ80と過冷却熱交換器90との間から分岐する分岐管92aを流れ、第6室外電動弁92を通過して、気液二相状態の低圧の冷媒となる。冷房運転時に第6室外電動弁92で減圧された低圧冷媒は、第5室外電動弁91で減圧された低圧冷媒と合流し、過冷却熱交換器90において、レシーバ80の出口管82からブリッジ回路55に向かう中間圧の液冷媒と熱交換され、過熱がついた状態で過冷却熱交換器90から低圧戻し配管91aを通って低圧冷媒配管19へと流れていく。一方、レシーバ80の出口管82からブリッジ回路55に向かう中間圧の液冷媒は、過冷却熱交換器90において熱を奪われ、過冷却がついた状態でブリッジ回路55へ流れていく。
利用側熱交換器である室内熱交換器12aは、複数の室内ユニット12それぞれに設けられており、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能し、暖房運転時には冷媒の冷却器として機能する。これらの室内熱交換器12aには、内部を流れる冷媒と熱交換を行う冷房対象あるいは暖房対象として、水や空気が流される。ここでは、室内熱交換器12aの周囲に、室内ファンからの室内空気が流れ、冷却あるいは加熱された空調空気が室内へと供給される。
室内電動弁12bは、複数の室内ユニット12それぞれに設けられており、室内熱交換器12aに流す冷媒の量を調整したり冷媒の減圧・膨張を行ったりする。室内電動弁12bは、連絡冷媒配管13と室内熱交換器12aとの間に配置されている。
図6に示すように、制御部94は、室外ユニット11に設けられた室外制御部95と、室内ユニット12に設けられた室内制御部96とが伝送線94aによって結ばれて構成されるものであり、各種の制御を行う。室外制御部95および室内制御部96は、各種センサや四段圧縮機20の圧縮機駆動モータ、種々の弁と接続されるマイクロコンピュータである。制御部94は、リモコン99等から入力された室内設定温度などの情報に基づいて、圧縮機駆動モータの回転数制御や冷房運転サイクルと暖房運転サイクルとの切り換え、弁開度の調節などを行う。
空気調和装置10の動作について、図1〜図5を参照しながら説明する。図2は、負荷が高いときの冷房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図(p−h線図)である。図3は、外気温が低いときや負荷が低いときの冷房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。図5は、暖房運転時における冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図である。図2、図3および図5において、上に凸の一点鎖線で示す曲線は、冷媒の飽和液線および乾き飽和蒸気線である。また、冷凍サイクル上の英文字が付された点は、それぞれ、図1および図4において同じ英文字で表される点における冷媒の圧力およびエンタルピを表している。例えば、図1の点Bにおける冷媒は、図2の点Bにおける圧力およびエンタルピの状態になっている。なお、空気調和装置10の冷房運転時および暖房運転時における各運転制御は、制御部94によって行われる。
(2−1−1)負荷が高いときの冷房運転時の動作
冷房運転時は、図1に示す冷媒配管に沿った矢印の方向に、冷媒が、四段圧縮機20、室外熱交換器40、膨張機構70、室内熱交換器12aの順に冷媒回路内を循環する。以下、負荷が高いときの冷房運転時における空気調和装置10の動作について、図1および図2を参照しながら説明する。
負荷が低いときの冷房運転時における空気調和装置10の動作も、上述の負荷が高いときの冷房運転時における空気調和装置10の動作と基本的には同じである。負荷が低いときにも、図1に示す冷媒配管に沿った矢印の方向に、冷媒が、四段圧縮機20、室外熱交換器40、膨張機構70、室内熱交換器12aの順に冷媒回路内を循環する。但し、負荷が低いときには、制御部94は、高圧を小さく保つ省エネ制御を行う。以下、その制御について説明する。
暖房運転時は、図4に示す冷媒配管に沿った矢印の方向に、冷媒が、四段圧縮機20、室内熱交換器12a、膨張機構70、室外熱交換器40の順に冷媒回路内を循環する。以下、暖房運転時における空気調和装置10の動作について、図4および図5を参照しながら説明する。
(3−1)冷房運転時の油戻し
冷房運転のときには、第1〜第4油分離器25〜28が全て機能する。第1油分離器25は、上述のように、第1圧縮部21から吐出された冷媒を気液分離して、油を、油戻し流路25aおよび第1インタークーラ管41aを介して第2吸入管22aに流し、第2圧縮部22に吸入させる。第1インタークーラ管41aを流れる冷媒の圧力は、第1熱交換器41の圧力損失の分だけ第1油分離器25内の冷媒の圧力よりも小さく、その差圧によって油が第1油分離器25から油戻し流路25aを通って第1インタークーラ管41aへと流れる。同様に、第2熱交換器42の圧力損失の分の差圧によって、第2油分離器26から油戻し流路26aを通って第2インタークーラ管42aへと油が流れ、第3熱交換器43の圧力損失の分の差圧によって、第3油分離器27から油戻し流路27aを通って第3インタークーラ管43aへと油が流れる。
暖房運転のときには、第1〜第3油分離器25〜27は単に低圧の冷媒を通す流路として機能し、油戻し流路25a,26a,27aには何も流れない。油戻し流路25a,26a,27aは、第2〜第4吸入管22a,23a,24aと接続されているが、油戻し流路25a,26a,27aが逆止弁を備えているため(図4参照)、油戻し流路25a,26a,27aから第1〜第3油分離器25〜27へと冷媒が流入することもない。
(4−1)
本実施形態に係る空気調和装置10では、第4吸入管24aの冷媒圧力と第4吐出管24bの冷媒圧力との圧力差が大きい場合には、第4圧縮部24から吐出されて第4吐出管24bを流れる冷媒は、第4油分離器28において油が分離され、その油が、キャピラリーチューブCA28を含む油戻しメイン流路28aを通って、第4吸入管24aから第4圧縮部24に吸入される。
本実施形態では、第1〜第4切換機構31〜34によって冷房運転と暖房運転とを切り換えることができる空気調和装置10に本発明を適用している。そして、第4油分離器28を第4圧縮部24と第4切換機構34との間に配置しているので、冷房運転の状態でも暖房運転の状態でも油が第4油分離器28から第4圧縮部24に戻る。第4圧縮部24の吸入圧力と吐出圧力との差は、冷房運転と暖房運転とで異なっていることが多いが、運転に応じて、制御部94が、油戻しメイン流路28aおよび油戻しバイパス流路28bから成る油戻し流路の流路面積を変えることで、いずれの運転においても第4油分離器28から第4圧縮部24に戻る油の量を確保することができている。
本実施形態に係る空気調和装置10では、共通回転軸によって4つの圧縮部21〜24の各圧縮部材を回転させる、一軸四段の四段圧縮機20を採用している。すなわち、第1〜第3の低段の圧縮部21〜23それぞれの圧縮部材の回転数と、高段の第4圧縮部24の圧縮部材の回転数とが、同じになる。したがって、四段圧縮機20では、低段、高段の各圧縮部21〜24の容積比を制御的に変更することができない。
本実施形態に係る空気調和装置10では、暖房運転時には、第2圧縮部22と次段の第3圧縮部23との間に、中間インジェクション機構が配置されている。具体的には、第3室外電動弁61bを通って膨張し、エコノマイザ熱交換器61で蒸発した冷媒が、インジェクション配管61aを通って第3吸入管23aに流れ込み、第3吸入管23aから第3圧縮部23へ吸い込まれる冷媒を冷やすという機構が存在する。この中間インジェクションによって、冷凍サイクルの効率が上がり、四段圧縮機20に投入するエネルギーを削減することができている。
冷暖房が可能な空気調和装置10において四段圧縮機20のような3段以上の圧縮機構を採用した場合、暖房運転のときに高段圧縮部(第4圧縮部24)の吸入圧力と吐出圧力との差が小さくなることを、本発明の発明者は見いだしている。特に、圧縮機構の起動時や、その後の通常運転開始時において、油戻し流路の流路面積が小さければ、第4油分離器28から第4圧縮部24へと油があまり戻らなくなる。
(5−1)変形例A
上記実施形態では、第4油分離器28から第4圧縮部24へと戻る油の流路の流路面積を変える油戻しバイパス電磁弁SV28の開閉を、第4圧縮部24の吸入側の第4吸入冷媒温度および第4圧縮部24の吐出側の第4吐出冷媒温度から判断している。
上記実施形態に係る空気調和装置10では、第4油分離器28から第4圧縮部24に油を戻す油戻し流路として、流路面積が小さいキャピラリーチューブCA28を含む油戻しメイン流路28aと、キャピラリーチューブCA28よりも流路面積が大きい油戻しバイパス流路28bとを並列させている。そして、油戻しバイパス流路28bに、油戻しバイパス電磁弁SV28を設けている。このような並列する2つの流路28a,28bで第4油分離器28と第4吸入管24aとを結ぶ構成を採ることによって、油戻しバイパス電磁弁SV28を閉じているときには、流路面積が小さいキャピラリーチューブCA28を油が流れることになり、油戻しバイパス電磁弁SV28を開けているときには、主として、圧力損失が小さい流路面積の大きな油戻しバイパス流路28bを油が流れることになる。これにより、第4圧縮部24の吸入圧力と吐出圧力との差が小さい場合に、油戻しバイパス電磁弁SV28を開けることで、第4油分離器28から第4圧縮部24に戻る油の量を確保することができている。
上記実施形態では、暖房運転における四段圧縮機20の起動時も、暖房運転における四段圧縮機20の起動後の通常運転開始時も、油戻しバイパス流路28bの油戻しバイパス電磁弁SV28の初期状態を開の状態にしている。
上記実施形態では、一軸四段の四段圧縮機20を採用した空気調和装置10を示しているが、高段の圧縮部の吸入圧力と吐出圧力との差が小さくなることがある冷凍装置であれば、他の構造を持った圧縮機構を採用した冷凍装置でも本発明は有用である。
12a 室内熱交換器(利用側熱交換器;蒸発器/放熱器)
20 四段圧縮機(複数段圧縮機構)
21 第1圧縮部(低段圧縮部)
22 第2圧縮部(低段圧縮部)
23 第3圧縮部(低段圧縮部)
24 第4圧縮部(高段圧縮部)
24a 第4吸入管(高段吸入配管)
24b 第4吐出管(高段吐出配管)
28 第4油分離器(油分離器)
28a 油戻しメイン流路(油戻し流路;第1油戻し流路)
28b 油戻しバイパス流路(油戻し流路;第2油戻し流路)
31 第1切換機構
32 第2切換機構
33 第3切換機構
34 第4切換機構(切換機構)
40 室外熱交換器(熱源側熱交換器;放熱器/蒸発器)
61 エコノマイザ熱交換器(中間インジェクション機構)
61a インジェクション配管(中間インジェクション機構)
61b 第3室外電動弁(中間インジェクション機構)
70 膨張機構(膨張部)
94 制御部
SV28 油戻しバイパス電磁弁(流路面積変更部;開閉弁)
Claims (7)
- 複数の低段圧縮部(21,22,23)と、1つの高段圧縮部(24)とが1列に接続された、複数段圧縮機構(20)と、
前記複数段圧縮機構から吐出された冷媒に放熱をさせる、放熱器(40,12a)と、
前記放熱器を出た冷媒を減圧する、膨張部(70)と、
前記膨張部を出た冷媒を蒸発させる、蒸発器(12a,40)と、
前記高段圧縮部(24)から吐出された冷媒が流れる高段吐出配管(24b)に設けられた油分離器(28)と、
前記高段圧縮部(24)に吸入される冷媒が流れる高段吸入配管(24a)と前記油分離器(28)とを結び、前記油分離器(28)から前記高段圧縮部(24)へと油を戻す、油戻し流路(28a,28b)と、
前記油戻し流路(28a,28b)の流路面積を変える流路面積変更部(SV28)と、
を備える、冷凍装置(10)。 - 前記油戻し流路は、キャピラリーチューブ(CA28)を含む第1油戻し流路(28a)と、前記キャピラリーチューブの流路面積よりも大きな流路面積である第2油戻し流路(28b)とを有しており、
前記第1油戻し流路と前記第2油戻し流路とは、並列しており、
前記流路面積変更部(SV28)は、前記第2油戻し流路に設けられた開閉弁である、
請求項1に記載の冷凍装置。 - 前記放熱器は、冷房運転のときには、熱源によって冷媒を冷やす熱源ユニットの熱源側熱交換器(40)であり、暖房運転のときには、冷媒に放熱をさせる利用ユニットの利用側熱交換器(12a)であり、
前記蒸発器は、前記冷房運転のときには、冷媒を蒸発させる前記利用側熱交換器(12a)であり、前記暖房運転のときには、熱源から熱を奪って冷媒を蒸発させる前記熱源側熱交換器(40)であり、
前記高段圧縮部(24)を出た冷媒が前記熱源側熱交換器(40)に流れる前記冷房運転の状態と、前記高段圧縮部(24)を出た冷媒が前記利用側熱交換器(12a)に流れる前記暖房運転の状態とを切り換える、切換機構(34)
をさらに備え、
前記油分離器(28)は、前記高段圧縮部(24)と前記切換機構(34)との間に配置される、
請求項1又は2に記載の冷凍装置。 - 前記複数段圧縮機構(20)は、複数の前記低段圧縮部(21,22,23)それぞれの圧縮部材を回転させるとともに前記高段圧縮部(24)の圧縮部材を回転させる共通回転軸、を有している、
請求項3に記載の冷凍装置。 - 前記暖房運転のときに、複数の前記低段圧縮部(21,22,23)のうちの1つの前記低段圧縮部(22)から吐出され次段の前記低段圧縮部(23)に吸入される冷媒を冷やす、中間インジェクション機構(61,61a,61b)
をさらに備え、
前記暖房運転のときに、前記高段圧縮部(24)に吸入される冷媒の冷却は行われない、
請求項3又は4に記載の冷凍装置。 - 前記流路面積変更部(SV28)を制御して、前記油戻し流路(28a,28b)の流路面積が第1流路面積になる第1状態と、前記油戻し流路(28a,28b)の流路面積が前記第1流路面積よりも大きな第2流路面積になる第2状態とを切り換える、制御部(94)、
をさらに備え、
前記制御部(94)は、前記暖房運転のときに、前記複数段圧縮機構(20)の起動時、および/又は、前記複数段圧縮機構(20)の起動後の通常運転開始時に、前記流路面積変更部(SV28)を前記第2状態にする、
請求項3から5のいずれかに記載の冷凍装置。 - 前記制御部(94)は、前記冷房運転のときに、前記複数段圧縮機構(20)の起動時、および/又は、前記複数段圧縮機構(20)の起動後の通常運転開始時に、前記流路面積変更部(SV28)を前記第1状態にする、
請求項6に記載の冷凍装置。
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