JP2016080179A - 空気調和機 - Google Patents
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Abstract
Description
<<実施形態1>>
本発明の空気調和機の実施形態1を図1、図2により説明する。
図1に、本発明に係る空気調和機のサイクル系統図を示す。
空気調和機Cは、上流側冷凍サイクルR1と下流側冷凍サイクルR2との2つの冷凍サイクルで構成される。
上流側冷凍サイクルR1は、圧縮機1a、四方弁2a、排熱側熱交換器3a、膨張装置4a、利用側熱交換器5a、およびアキュムレータ6aが、配管h4を介して接続されている。
図1中、四方弁2a、2bの実線は、冷却運転時の冷媒の流れを示し、点線は、加熱運転時の冷媒の流れを示す。
また、図1中の配管h4、h5に付加される実線矢印は冷却運転時の冷媒の流れを示し、点線矢印は加熱運転時の冷媒流れを示す。
利用側熱交換器5a,5bは、積層プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、二重管熱交換器等で構成されている。
上流側冷凍サイクルR1の利用側熱交換器5aの入口の配管h2には熱負荷媒体の温度を測定するサーミスタなどの温度センサs1が設置されている。
下流側冷凍サイクルR2の利用側熱交換器5bの出口の配管h3には熱負荷媒体の温度を測定するサーミスタなどの温度センサs3が設置されている。
具体的には、制御装置には、温度センサs1、s2、s3、圧力センサs4、s5などの検出信号が入力される。また、制御装置から、圧縮機1a、1b、四方弁2a、2b、膨張装置4a、4bなどを制御する制御信号が各機器にそれぞれ出力される。
図1の実線矢印などで示す冷却運転の場合、上流側冷凍サイクルR1においては、圧縮機1aで圧縮された高温高圧のガス冷媒は四方弁2aの流路(実線で示す)を通り排熱側熱交換器3aにより放熱して凝縮され常温高圧の液冷媒となる。そして、常温高圧の液冷媒は、膨張装置4aにより減圧されて低温低圧の液冷媒となり、利用側熱交換器5aにおいて、配管h2から送られる熱負荷媒体と熱交換して蒸発され低温低圧のガス冷媒となり圧縮機1aに戻る。利用側熱交換器5aでは、低温低圧の液冷媒は、蒸発潜熱により熱負荷媒体から吸熱して熱負荷媒体を冷却する。
そして、常温高圧の液冷媒は膨張装置4bにより減圧されて低温低圧の液冷媒となり、利用側熱交換器5bにおいて、配管h1から送られる熱負荷媒体と熱交換して蒸発され低温低圧のガス冷媒となり圧縮機1bに戻る。
このように、熱負荷媒体の水は、上流側冷凍サイクルR1で生成された冷水が、下流側冷凍サイクルR2に流入してさらに冷却され、所望の設定温度の冷水が生成される。
図1の破線矢印等で示す加熱運転の場合、上流側冷凍サイクルR1においては、圧縮機1aで圧縮された高温高圧のガス冷媒は四方弁2aの点線で示す流路を通り、利用側熱交換器5aにより熱負荷媒体と熱交換して放熱して凝縮され、常温高圧の液冷媒となる。常温高圧の液冷媒は、膨張装置4aにより減圧されて低温低圧の液冷媒となる。低温低圧の液冷媒は、排熱側熱交換器3aにより蒸発され低温低圧のガス冷媒となり、圧縮機1aに戻る。
下流側冷凍サイクルR2においては、加熱運転の場合、破線矢印で示すように、圧縮機1bで圧縮された高温高圧のガス冷媒は四方弁2bの点線で示す流路を通り、利用側熱交換器5bにより熱負荷媒体と熱交換して放熱して凝縮され、常温高圧の液冷媒となる。常温高圧の液冷媒は、膨張装置4bにより減圧されて低温低圧の液冷媒となる。低温低圧の液冷媒は、排熱側熱交換器3bにより蒸発され低温低圧のガス冷媒となり、圧縮機1bに戻る。
下流側冷凍サイクルR2において、下流側の利用側熱交換器5bに配管h1を通って流入する温水は、利用側熱交換器5bでの熱交換で加熱され、さらに温度が上昇し、所望の設定温度の温水が生成される。
図2(a)に、冷却運転での利用側熱交換器の上流側、下流側の熱負荷媒体と冷媒温度の関係図を示し、図2(b)に、加熱運転での利用側熱交換器の上流側、下流側の熱負荷媒体と冷媒温度の関係図を示す。なお、図2において、実線矢印は利用側熱交換器5a、5bでの冷媒の温度を示し、破線矢印は利用側熱交換器5a、5bでの熱負荷媒体の温度を示す。
熱交換量Q=K・A・ΔT (1)
ここで、Kは熱交換器での熱貫流率、Aは熱交換器での伝熱面積、ΔTは冷凍サイクルR1、R2を流れる水(熱媒体)と冷媒との温度差を表わす。
上流側冷凍サイクルR1の利用側熱交換器5aにおいての水と冷媒との温度差ΔT1と、下流側冷凍サイクルR2の利用側熱交換器5bにおいての水と冷媒との温度差ΔT2とは以下の関係になる。
従って、式(1)より、熱交換量Qは、上流側冷凍サイクルR1の熱交換量Q1が下流側冷凍サイクルR2の熱交換量Q2より大きくなる。
上流側と下流側とで同一の冷却能力を出す場合、上流側、下流側の圧縮機6a、6bの運転容量を同一とした場合と比較すると、上流側の圧縮機6aの運転容量を減少させ、下流側の圧縮機6bの運転容量を増加させることとなる。
ここで、図2(a)において、冷媒が上流側、下流側の利用側熱交換器5a、5bでの出口付近で立ち上がっているのは、液状の冷媒が圧縮機6a、6bに入った場合、損壊のおそれがある。そこで、膨張装置4a、4bで調整して冷媒を加熱し、低圧のガス冷媒にして圧縮機6aに入れるためである。
図2(a)に示す冷却運転の一例を説明する。
熱負荷媒体の水は、上流側冷凍サイクルR1の利用側熱交換器5aへの入口での温度が14℃であり、下流側冷凍サイクルR2の利用側熱交換器5bへの出口での温度が7℃になるように制御する場合を考える。つまり、冷凍サイクルR1、R2で生成する冷却水の温度を7℃とする。
そのため、熱負荷媒体である水の上流側の利用側熱交換器5aで冷却された出口での生成された冷水の温度は、中間の温度が10.5℃のところ10.2〜10.3℃に下がることとなる。
次に、図2(b)に示す加熱運転の場合の上流側、下流側の熱負荷媒体と冷媒温度の関係を説明する。前記したように、図2(b)において、実線矢印は利用側熱交換器5a、5bでの冷媒の温度を示し、破線矢印は利用側熱交換器5a、5bでの熱負荷媒体の温度を示す。
つまり、上流側冷凍サイクルR1と下流側冷凍サイクルR2とで同一加熱能力を出す場合で、上流側、下流側の圧縮機1a、1bの各運転容量を同一とした場合と比較すると、上流側の圧縮機1aの運転容量を減少させ、下流側の圧縮機1bの運転容量を増加させることとなる。
結果として、上流側、下流側の排熱側熱交換器3a、3bの熱交換容量を効率よく使うことができる。
なお、上流側の排熱側熱交換器3aと、下流側の排熱側熱交換器3bとが、同等または同等に近い熱交換容量で熱交換が行われることは、上流側の圧縮機1aの出口側に設けた圧力センサs4で検出される高圧側の圧力値と、下流側の圧縮機1bの出口側に設けた圧力センサs5で検出される高圧側の圧力値とが同等または同等に近いことから明らかになる(検出される)。
また、下流側の利用側熱交換器3bの出口の熱負荷媒体の温度と、下流側の利用側熱交換器3bと上流側の利用側熱交換器3aの間の熱負荷媒体の温度である中間温度との差は、当該中間温度と上流側の利用側熱交換器3aの入口の熱負荷媒体の温度との差とほぼ同じとなるようにするので、熱源機全体の効率が向上できる。
また、排熱側熱交換器3a、3bの最適容量化による原価低減が可能である。排熱側熱交換器3a、3bを同一部品を採用することにより、管理費を低減できる。
図3は、本発明の実施形態2に係る空気調和機の冷凍サイクル系統図である。
実施形態2の空気調和機2Cは、図1の実施形態1の下流側冷凍サイクルR2の圧縮機1bを、2つの圧縮機1d、1eを並列に接続したマルチサイクルの構成に変えたものである。
その他の構成要素ついては実施形態1と同様であるので、同一の構成要素には、同一符号を付してその説明を省略する。
空気調和機2Cの冷却運転および加熱運転時の上流側・下流側冷凍サイクルR21、R22の状態は実施形態1の記載と同様である。
図4は、本発明の実施形態3に係る空気調和機の冷凍サイクル系統図である。
実施形態3の空気調和機3Cは、図1の実施形態1における空気調和機Cの利用側熱交換器5a、5bについて、熱負荷媒体に対して冷媒の熱交換流路を2冷凍サイクル有する利用側熱交換器5d、5eに変更したものである。
各冷凍サイクルR31A、R31B、R32A、R32Bの構成ついては実施形態1と同様であり、同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
冷却運転時および加熱運転時の上流側・下流側の冷凍サイクルR31、R32の状態は、実施形態1に記載の冷凍サイクルR1、R2と同様である。
また、排熱側熱交換器容量3a、3bが同等または同等に近い熱交換容量で熱交換が行われるので、排熱側熱交換器容量3a、3bをバランスよく使い切れる。これにより、上流側、下流側冷凍サイクルR31、R32の排熱側熱交換器3a、3bを同容量または同容量に近いものとでき、排熱側熱交換器3a、3bを同じ熱交換器を使用できる。
そのため、空気調和機3Cの製品寸法のコンパクト化が図れる。
図6は、本発明の実施形態4に係る空気調和機の冷凍サイクル系統図である。
実施形態4の空気調和機4Cは、図1に示す実施形態1に対し、上流側冷凍サイクルR41、中流側冷凍サイクルR42、下流側冷凍サイクルR43と3つの冷凍サイクルの熱負荷媒体の流路を、配管h41a、h41bにより直列に接続したものである。
上流側冷凍サイクルR41、下流側冷凍サイクルR43の構成ついては、実施形態1と同様であり、同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
上流・中流・下流の冷凍サイクルR41、R42、R43の各排熱側熱交換器3a、3c、3bは、同等のまたは同等に近い熱交換容量を有している。
そして、下流側冷凍サイクルR43の圧縮機1bの運転容量を、中流側冷凍サイクルR42の圧縮機1cの運転容量より大きくする。また、中流側冷凍サイクルR42の圧縮機1cの運転容量を、上流側冷凍サイクルR41の圧縮機1aの運転容量より大きくする。
冷却運転および加熱運転時の冷凍サイクルR41、R42、R43の状態は実施形態1に記載の冷凍サイクルR1、R2と同様である。
熱負荷媒体の温度を測定する温度センサs41、s42、s43、s44が、配管h42、h41a、h41b、h43にそれぞれ設けられている。
そのため、空気調和機4Cの製品寸法のコンパクト化が図れる。
1.なお、特許請求の範囲に記載した同等または同等に近い熱交換容量をもつ排熱側熱交換器とは、同じ排熱側熱交換器のパスを1〜数本無くした熱交換器が含まれるものとする。
2a,2b,2c 四方弁
3a,3b,3c 排熱側熱交換器
4a,4b,4c 膨張装置
5a,5b,5c,5d,5e 利用側熱交換器
C、2C、3C、3C1、4C 空気調和機
h4、h5 配管(冷媒配管)
R1、R21、R31、R31A、R31B、R41 上流側冷凍サイクル(上流側冷凍装置)
R2、R22、R32、R32A、R32B、R43 下流側冷凍サイクル(下流側冷凍装置)
R42 冷凍サイクル(中流側冷凍装置)
Claims (11)
- 圧縮機、四方弁、排熱側熱交換器、膨張装置および利用側熱交換器が冷媒配管で接続される上流側冷凍装置と、
圧縮機、四方弁、排熱側熱交換器、膨張装置および利用側熱交換器が冷媒配管で接続される下流側冷凍装置とを備え、
前記利用側熱交換器の熱負荷媒体の流路が前記上流側冷凍装置と前記下流側冷凍装置の順に直列に接続され、
前記上流側冷凍装置の排熱側熱交換器と前記下流側冷凍装置の排熱側熱交換器とは同等のまたは同等に近い熱交換容量を有し、
下流側の前記圧縮機の運転容量は、上流側の前記圧縮機の運転容量より大きい
ことを特徴とする空気調和機。 - 圧縮機、四方弁、排熱側熱交換器、膨張装置および利用側熱交換器が冷媒配管で接続される上流側冷凍装置と、
圧縮機、四方弁、排熱側熱交換器、膨張装置および利用側熱交換器が冷媒配管で接続される下流側冷凍装置とを備え、
前記利用側熱交換器の熱負荷媒体の流路が前記上流側冷凍装置と前記下流側冷凍装置の順に直列に接続され、
前記上流側冷凍装置の排熱側熱交換器と前記下流側冷凍装置の排熱側熱交換器とは同等のまたは同等に近い熱交換容量を有し、
前記下流側の利用側熱交換器の出口の熱負荷媒体の温度と、前記下流側の利用側熱交換器と前記上流側の利用側熱交換器の間の熱負荷媒体の温度である中間温度との差は、前記中間温度と前記上流側の利用側熱交換器の入口の熱負荷媒体の温度との差とほぼ同じである
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1または請求項2に記載の空気調和機において、
前記上流側冷凍装置の排熱側熱交換器と前記下流側冷凍装置の排熱側熱交換器とは同等のまたは同等に近い熱交換が行われる
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1または請求項2に記載の空気調和機において、
前記下流側冷凍装置の圧縮機は、複数の圧縮機である
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1または請求項2に記載の空気調和機において、
前記下流側冷凍装置の圧縮機は、複数の圧縮機であり、
前記上流側冷凍装置の前記圧縮機は、運転容量を可変できる圧縮機であり、
前記下流側冷凍装置の前記複数の圧縮機は、運転容量を可変できる圧縮機と運転容量が固定の圧縮機である
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1に記載の空気調和機において、
上流側の前記利用側熱交換器と、下流側の前記利用側熱交換器とは、それぞれ前記熱負荷媒体と複数の冷凍サイクルと熱交換できる熱交換器であり、
下流側の前記圧縮機の合計の運転容量は、上流側の前記圧縮機の合計の運転容量より大きい
ことを特徴とする空気調和機。 - 圧縮機、四方弁、排熱側熱交換器、膨張装置および利用側熱交換器が冷媒配管で接続される冷凍装置を複数備え、
前記各冷凍装置の前記利用側熱交換器の熱負荷媒体の流路が、順番に直列に接続され、
前記各冷凍装置の前記排熱側熱交換器は、同等のまたは同等に近い熱交換容量を有し、
前記各冷凍装置の前記圧縮機の運転容量が上流側から下流側になるに従って大きくなる
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項7に記載の空気調和機において、
前記各利用側熱交換器の入口と出口での前記熱負荷媒体の温度の差分はほぼ同じである
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項7に記載の空気調和機において、
前記複数の冷凍装置の前記各排熱側熱交換器は同等のまたは同等に近い熱交換が行われる
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1または請求項2または請求項7に記載の空気調和機において、
前記利用側熱交換器は、同じ熱交換器が用いられる
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項1または請求項2または請求項7に記載の空気調和機において、
前記各冷凍装置の高圧圧力はほぼ同じ圧力値である
ことを特徴とする空気調和機。
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