JP5745637B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の冷媒回路構成を示す概略冷媒回路図である。図1に基づいて、冷凍サイクル装置100の構成及び動作の一部について説明する。なお、図1を含め、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。
冷凍サイクル装置100は、熱源ユニット301と、室内ユニット302と、給湯ユニット303と、を有している。熱源ユニット301と室内ユニット302とは、冷媒配管である室内側液延長配管7と冷媒配管である室内側ガス延長配管9とで接続されている。熱源ユニット301と給湯ユニット303とは冷媒配管である給湯側ガス延長配管11と冷媒配管である給湯側液延長配管15とで接続されている。なお、冷凍サイクル装置100に用いられる冷媒は、特に限定しない。たとえば、R410A、R32、HFO−1234yf、炭化水素のような自然冷媒などを冷媒として用いることができる。また、熱源ユニット301、室内ユニット302、給湯ユニット303の接続台数を、図示してある台数に限定するものではない。
熱源ユニット301は、圧縮機1、吐出電磁弁2a、吐出電磁弁2b、四方弁3、熱源側熱交換器4、第1膨張弁5、第2膨張弁6、アキュムレーター10、第3膨張弁16、低圧均圧電磁弁18を有している。
熱源側熱交換器4は、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、空気から吸熱又は空気に排熱するものである。この熱源側熱交換器4は、たとえば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。
アキュムレーター10は、圧縮機1の吸入側に設けられており、運転に過剰な冷媒を貯留する機能、及び運転状態が変化する際に一時的に発生する液冷媒を滞留させることで圧縮機1に大量の液冷媒が流入するのを防ぐ機能を有している
室内ユニット302には、室内側熱交換器8が搭載されている。この室内側熱交換器8は、図示省略のファン等の送風機から供給される室内空気と冷媒との間で熱交換を行い、室内空気から吸熱又は室内空気に排熱するものである。この室内側熱交換器8は、たとえば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。
給湯ユニット303は、水熱交換器12、水側回路21、水ポンプ13、及び、貯湯タンク14を有している。
水熱交換器12は、たとえばプレート型水熱交換器により構成され、中間水と冷媒との間で熱交換を行い、水を温水に沸き上げるものである。
水ポンプ13は、中間水を水側回路21で循環させる機能を有している。この水ポンプ13は、水熱交換器12に供給する水の流量を可変に調整できるもので構成してもよく、一定速のもので構成してもよい。
冷凍サイクル装置100は、室内ユニット302に要求されるそれぞれの空調負荷及び給湯ユニット303に要求される給湯要求に応じて熱源ユニット301、室内ユニット302、給湯ユニット303に搭載されている各機器の制御を行い、冷房運転モード、暖房運転モード、給湯運転モード、冷房給湯同時運転モードを実行可能になっている。なお、冷凍サイクル装置100は暖房給湯同時運転も可能な冷媒回路構成であるが、暖房能力と給湯能力を同時に確保できるほどの容量が圧縮機1又は熱源側熱交換器4にないとして、暖房給湯同時運転を実施しないとした。以下に、各運転モードにおける運転動作について説明する。
まず、冷房運転モードについて図1を用いて説明する。なお、図1中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。図1に示す冷房運転モードの場合、熱源ユニット301では、四方弁3を、圧縮機1の吐出側を熱源側熱交換器4のガス側と接続し、圧縮機1の吸入側を室内側熱交換器8のガス側と接続するように切り替える(図1に示す実線)。また、吐出電磁弁2aは開路(白抜き)、吐出電磁弁2bは閉路(黒塗り)、低圧均圧電磁弁18は閉路(黒塗り)に制御されている。さらに、第1膨張弁5は最大開度(全開)、第2膨張弁6は任意の開度、第3膨張弁16は最低開度(全閉)に制御されている。
次に、暖房運転モードについて図2を用いて説明する。図2は、冷凍サイクル装置100の暖房運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図2中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。図2に示す暖房運転モードの場合、熱源ユニット301では、四方弁3を、圧縮機1の吐出側を室内側熱交換器8のガス側と接続し、圧縮機1の吸入側を熱源側熱交換器4のガス側と接続するように切り替える(図2に示す実線)。また、吐出電磁弁2aは開路(白抜き)、吐出電磁弁2bは閉路(黒塗り)、低圧均圧電磁弁18は閉路(黒塗り)に制御されている。さらに、第1膨張弁5は任意の開度、第2膨張弁6は最大開度(全開)、第3膨張弁16は最低開度(全閉)に制御されている。
次に、給湯運転モードについて図3を用いて説明する。図3は、冷凍サイクル装置100の給湯運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図3中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。図3に示す給湯運転モードの場合、熱源ユニット301では、四方弁3を、圧縮機1の吸入側を熱源側熱交換器4のガス側と接続するように切り替える(図3の実線)。また、吐出電磁弁2aは閉路(黒塗り)、吐出電磁弁2bは開路(白抜き)、低圧均圧電磁弁18は閉路(黒塗り)に制御されている。さらに、第1膨張弁5は任意の開度、第2膨張弁6は最低開度(全閉)、第3膨張弁16は最大開度(全開)に制御されている。
次に、冷房給湯同時運転モードについて図4を用いて説明する。図4は、冷凍サイクル装置100の冷房給湯同時運転モード時における冷媒の流れを示す冷媒回路図である。なお、図4中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。図4に示す冷房給湯同時運転モードの場合、熱源ユニット301では、四方弁3を、圧縮機1の吸入側を室内側熱交換器8のガス側と接続するように切り替える(図4の実線)。また、吐出電磁弁2aは閉路(黒塗り)、吐出電磁弁2bは開路(白抜き)、低圧均圧電磁弁18は開路(白抜き)に制御されている。さらに、第1膨張弁5は最低開度(全閉)、第2膨張弁6は任意の開度、第3膨張弁16は最大開度(全開)に制御されている。
なおここでは、室内側ガス延長配管9の配管長と室内側液延長配管7の配管長は同じであるとする。そのため、室内側ガス延長配管9と室内側液延長配管7のことをまとめて室内側延長配管と称し、その配管長のことを室内側延長配管長と称する。具体的には、室内側延長配管長とは熱源ユニット301と室内ユニット302とをつなぐ配管の長さであり、図4で示す熱源ユニット301の点線と室内ユニット302の点線との間の配管の長さを指す。また、給湯側ガス延長配管11の配管長と給湯側液延長配管15の配管長も同じであるとする。そのため、給湯側ガス延長配管11と給湯側液延長配管15のことをまとめて給湯側延長配管と称し、その配管長のことを給湯側延長配管長と称する。具体的には、給湯側延長配管長とは熱源ユニット301と給湯ユニット303とをつなぐ配管の長さであり、図4で示す熱源ユニット301の点線と給湯ユニット303の点線との間の配管の長さを指す。また、各運転モードにおいて、運転するのに最低限必要となる冷媒量を必要冷媒量と称する。
VHEXI×ρHEXI_COND + VHEXO×ρHEXO_EVA
=VHEXw×ρHEXw_COND+VHEXI×ρHEXI_EVA+VPLw_La×ρl
ここで、VHEXIは室内側熱交換器8の内容積[m3 ]、ρHEXI_COND は室内側熱交換器8が凝縮器使用の場合の平均冷媒密度[kg/m3 ]、VHEXOは熱源側熱交換器4の内容積[m3 ]、ρHEXO_EVAは熱源側熱交換器4が蒸発器使用の場合の平均冷媒密度[kg/m3 ]、VHEXwは水熱交換器12の内容積[m3 ]、ρHEXw_COND は水熱交換器12が凝縮器使用の場合の平均冷媒密度[kg/m3 ]、ρHEXI_EVAは室内側熱交換器8が蒸発器使用の場合の平均冷媒密度[kg/m3 ]、VPLw_Laは給湯側液延長配管15が最小長さの時の内容積[m3 ]、ρl は液冷媒密度[kg/m3 ]である。
式(2)
VPLw_La=a1×VHEXI−a2×VHEXw+a3×(VHEXO−VHEXI)
ここで、a1 =0.50、a2 =0.45、a3 =0.20である。具体的には各熱交換器のおよその内容積を先に示したように熱源側熱交換器4にて4.5L(VHEXO=0.0045)、室内側熱交換器8で1.5L(VHEXI=0.0015)、水熱交換器12で0.7L(VHEXw=0.0007)とすると、VPLw_Laは0.0010となり1.0Lとなる。
VPLw_La=π÷4×(φPLw−2tPLw)2×La
ここでπは円周率、φPLw は給湯側液延長配管15の外径[m]、tPLw は給湯側液延長配管15の肉厚[m]である。給湯側液延長配管15の外径を9.52mm、肉厚を0.8mmとすると、VPLw_La=0.0010であるため、式(3)により給湯側延長配管の最小長さLaは20.3mとなる。つまり、給湯側延長配管の最小長さを20.3mより長くすれば容積比率が最小容積比率の1.43以上となる。
さて、熱源ユニット301と給湯ユニット303をつなぐ給湯側延長配管長と熱源ユニット301と室内ユニット302をつなぐ室内側延長配管長が長い場合、冷媒不足を回避するために冷媒の追加充填が必要となることがある。そこで、室内側延長配管長、給湯側延長配管長に対する追加充填冷媒量の設定方法について説明する。図9は、給湯側延長配管長がLaの場合の各運転モードにおける室内側延長配管長に対する必要冷媒量の変化を示す図である。図9では、縦軸が必要冷媒量(kg)を、横軸が室内側延長配管長(m)を、それぞれ表している。
VHEXO×ρHEXO_COND +VHEXI×ρHEXI_EVA +VPLc ×ρPLc_two
=VHEXw×ρHEXw_COND +VHEXO×ρHEXO_EVA +VPLw_Lb ×ρl
ここで、ρHEXO_COND は熱源側熱交換器4が凝縮器使用の場合の平均冷媒密度[kg/m3 ]、ρPLc_two は室内側液延長配管7の冷房運転モード及び冷房給湯同時運転モード時の平均冷媒密度[kg/m3 ]、VPLc は室内側液延長配管7の内容積[m3 ]、VPLw_Lbは給湯側延長配管が上限長さLbの場合の給湯側液延長配管15の内容積[m3 ]である。
VPLw_Lb=a1 ×VHEXO−a2×VHEXw+a3 ×(VHEXI−VHEXO)+a4 ×VPLc
ここで、a1 =0.50、a2 =0.45、a3 =0.20、a4 =0.35である。
VPLw_Lb=π÷4×(φPLw −2tPLw )2 ×Lb・・・(6)
給湯側液延長配管15の外径を9.52mm、肉厚を0.8mmとすると、VPLw_Lb=0.0016であるため、式(6)により給湯側延長配管の上限長さLbは32.5mとなる。つまり、配管長を32.5m以下とすれば容積比率が上限容積比率の2.29以下となる。また、外径を12.7mm、肉厚を0.8mmの場合は、給湯側延長配管の上限長さLbは16.5mとなる。つまり、配管長を16.5m以下とすれば容積比率が上限容積比率の2.29以下となる。
VHEXI×ρHEXI_COND +VHEXO×ρHEXO_EVA +VPLc ×ρPLc_l
=VPLc ×ρPLc_two+VHEXw×ρHEXw_COND +VHEXI×ρHEXI_EVA +VPLw_Lc×ρl
ここで、ρPLc_l は室内側液延長配管7が暖房運転モード時の平均冷媒密度[kg/m3 ]、VPLw_Lcは給湯側延長配管が上限長さLcの場合の給湯側液延長配管15の内容積[m3 ]である。内容積の変数に関してはVPLw_Lcが求めたい値であり、室内側延長配管長を定めればVPLc も既知となり、VHEXO、VHEXI、VHEXwも機器仕様から既知である。
VPLw_Lc=a1 ×VHEXI−a2 ×VHEXw+a3 ×(VHEXO−VHEXI)+(1−a4 )×VPLc
ここで、a1 =0.50、a2 =0.45、a3 =0.20、a4 =0.35である。
VPLw_LC=π÷4×(φPLw −2tPLw )2 ×Lc
給湯側液延長配管15の外径を9.52mm、肉厚を0.8mmとすると、VPLw_Lc=0.0024であるため、式(9)により給湯側延長配管の上限長さLcは46.7mとなる。つまり、配管長を46.7m以下とすれば容積比率は上限容積比率の1.15以下となる。また、外径を12.7mm、肉厚を0.8mmの場合は給湯側延長配管の上限長さLcは23.8mとなる。つまり、配管長を23.8m以下とすれば容積比率は上限容積比率の1.15以下となる。以上のように給湯側延長配管の上限長さLcを求めることができる。
VACC ×ρl =(VHEXI×ρHEXI_COND +VHEXO×ρHEXO_EVA+VPLc ×ρPLc_l )−(VHEXw×ρHEXw_COND +VHEXO×ρHEXO_EVA+VPLw_Ld×ρl)
ここで、VACC は液溜めの有効内容積[m3 ]であり、実施の形態1ではアキュムレーター10の有効内容積である。アキュムレーター10の場合は一般的に内容積の80%まで液冷媒を貯蓄できるので、有効内容積は内容積の80%となる。VPLw_Ldは給湯側延長配管が下限長さLdの場合の給湯側液延長配管15の内容積[m3 ]である。内容積の変数に関してはVPLw_Ldが求めたい値であり、室内側延長配管長を定めればVPLc も既知となり、VHEXO、VHEXI、VHEXwも機器仕様から既知である。
VPLw_Ld=VPLc −VACC +a1 ×VHEXI−a2 ×VHEXw
ここで、a1 =0.50、a2 =0.45、である。
具体的には、アキュムレーター10の内容積を1.1Lとして有効内容積を0.9L(VACC =0.0009)とし、各熱交換器のおよその内容積を先に示したように熱源側熱交換器4にて4.5L(VHEXO=0.0045)、室内側熱交換器8で1.5L(VHEXI=0.0015)、水熱交換器12で0.7L(VHEXw=0.0007)とする。室内側延長配管長を40mとした場合、室内側液延長配管7の外径を9.52mm、肉厚0.8mmとすると、内容積2.0L(VPLc =0.002)となる。
VPLw_Ld=π÷4×(φPLw −2tPLw )2 ×Ld
給湯側液延長配管15の外径を9.52mm、肉厚を0.8mmとすると、VPLw_Ld=0.0016であるため、式(12)により給湯側延長配管の下限長さLdは30.5mとなる。つまり、配管長を30.5m以上とすれば容積比率は下限容積比率の0.75以上となる。また、外径を12.7mm、肉厚を0.8mmの場合は給湯側延長配管の下限長さLdは15.5mとなる。つまり、配管長を15.5m以上とすれば容積比率は下限容積比率の0.75以上となる。
本実施の形態1では液溜めにアキュムレーター10を用いている。アキュムレーター10は、前述した通り液溜めの機能を備えているため、余剰冷媒を貯留する働きがある。また別の機能として、アキュムレーター10は、圧縮機1の吸入側配管40に位置しているため、運転状態が変化する際に一時的に発生する液冷媒を溜めることで圧縮機1に大量の液冷媒が流入するのを防ぐ機能がある。
図14は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置200の冷媒回路構成、特に冷房給湯同時運転モード時の冷媒の流れを示す概略冷媒回路図である。図14に基づいて、冷凍サイクル装置200の構成及び動作の一部について説明する。なお、図14中の矢印は冷媒の流れ方向を示したものである。また、この実施の形態2では上述した実施の形態1との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態1と同一の箇所については、同一符号を付し、説明を割愛するものとする。
熱源ユニット301bは、圧縮機1、吐出電磁弁2a、吐出電磁弁2b、四方弁3、熱源側熱交換器4、第1膨張弁5、第2膨張弁6、アキュムレーター10、第3膨張弁16、低圧均圧電磁弁18、逆止弁20を有している。
図14に冷凍サイクル装置200の冷房給湯同時運転時の運転状態を示しているが、これは実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の冷房給湯同時運転時の運転状態と同様である。なお、冷凍サイクル装置200の冷房運転モード、暖房運転モード、給湯運転モードにおいても、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の各運転モードと同様の運転状態となる。したがって、冷凍サイクル装置200では、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100と同様に、アキュムレーター10の内容積が小さくても、冷房運転モードから冷房給湯同時運転モードに移行するときに圧縮機1の液バックを回避することができる。
図15は、本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置300の冷媒回路構成、特に冷房給湯同時運転モード時の冷媒の流れを示す概略冷媒回路図である。図15に基づいて、冷凍サイクル装置300の構成及び動作の一部について説明する。なお、図15中の矢印は冷媒の流れ方向を示したものである。また、実施の形態3では上述した実施の形態1及び実施の形態2との相違点を中心に説明するものとし、実施の形態1及び実施の形態2と同一の箇所については、同一符号を付し、説明を割愛するものとする。
給湯ユニット303bは、水熱交換器12、水側回路21、水ポンプ13、貯湯タンク14、過冷却熱交換器22を有している。なお、図16に過冷却熱交換器22の構成の一例を概略的に示している。図16は、過冷却熱交換器22の構成を示す概略図である。
冷凍サイクル装置300における冷房給湯同時運転モードの運転状態を図15を用いて説明する。なお、図15中の矢印は冷媒の流れ方向を示している。図15に示す冷房給湯同時運転モードの場合、熱源ユニット301では、四方弁3を、圧縮機1の吸入側を室内側熱交換器8のガス側と接続するように切り替える(図15の実線)。また、吐出電磁弁2aは閉路(黒塗り)、吐出電磁弁2bは開路(白抜き)、低圧均圧電磁弁18は開路(白抜き)に制御されている。さらに、第1膨張弁5は最低開度(全閉)、第2膨張弁6は任意の開度、第3膨張弁16は最大開度(全開)に制御されている。
Claims (10)
- 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁及び液溜めを備える熱源ユニットと、
室内側熱交換器を備える室内ユニットと、
水熱交換器を備える給湯ユニットと、を備え、
前記熱源ユニットと前記室内ユニットとを室内側液延長配管及び室内側ガス延長配管からなる室内側延長配管で接続し、前記熱源ユニットと前記給湯ユニットとを給湯側液延長配管及び給湯側ガス延長配管からなる給湯側延長配管で接続した冷凍サイクル装置において、
前記液溜めの容量は、冷房運転時の必要冷媒量と暖房運転時の必要冷媒量との差である余剰冷媒量に応じて設定されており、
前記水熱交換器に対する前記給湯側液延長配管の容積比率は、
前記室内側熱交換器が蒸発器、前記水熱交換器が凝縮器となり前記室内側熱交換器から冷熱を供給し、かつ、前記水熱交換器から温熱を供給する冷房給湯同時運転における必要冷媒量と、前記熱源側熱交換器が蒸発器、前記室内側熱交換器が凝縮器となり前記室内側熱交換器から温熱を供給する暖房運転における必要冷媒量と、が等しくなるときの前記水熱交換器に対する前記給湯側液延長配管の容積比率である最小容積比率以上とした
冷凍サイクル装置。 - 前記水熱交換器に対する前記給湯側液延長配管の容積比率は、
前記給湯側延長配管の配管長もしくは前記給湯側液延長配管の配管内径の少なくとも一つにより設定する
請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷凍サイクル装置に対する追加充填冷媒量は、
前記給湯側延長配管の長さではなく、前記室内側延長配管の長さによって設定する
請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記室内側液延長配管に対する前記給湯側液延長配管の容積比率は、
前記室内側熱交換器が蒸発器、前記熱源側熱交換器が凝縮器となり前記室内側熱交換器から冷熱を供給する冷房運転の必要冷媒量が前記暖房運転の必要冷媒量よりも多い場合は、前記熱源側熱交換器が蒸発器、前記水熱交換器が凝縮器となり前記水熱交換器から温熱を供給する給湯運転の必要冷媒量と前記冷房運転の必要冷媒量とが等しくなるときの前記室内側液延長配管に対する前記給湯側液延長配管の容積比率である上限容積比率以下とし、
前記暖房運転の必要冷媒量が前記冷房運転の必要冷媒量よりも多い場合は、前記冷房給湯同時運転の必要冷媒量と前記暖房運転の必要冷媒量とが等しくなるときの前記室内側液延長配管に対する前記給湯側液延長配管の容積比率である上限容積比率以下とした
請求項1〜3のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記暖房運転の必要冷媒量が前記冷房運転の必要冷媒量よりも多い場合、
前記室内側液延長配管に対する前記給湯側液延長配管の容積比率は、
前記暖房運転と前記給湯運転の必要冷媒量の差が、前記液溜めの有効内容積が液冷媒で満たされた際の前記液溜めの冷媒量に等しくなるときの前記室内側液延長配管に対する前記給湯側液延長配管の容積比率である下限容積比率以上とした
請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記熱源ユニットは、
前記圧縮機から前記膨張弁の間のいずれかの位置における冷媒の高圧圧力を検出する高圧検出手段と、
前記熱源側熱交換器の液側冷媒の温度を検出する熱源側熱交換器液側温度検出手段と、
前記冷房運転時に前記熱源側熱交換器の液側冷媒の過冷却度が所定値以下となるように前記膨張弁の開度を制御する過冷却度制御手段を有する制御装置と、を備えている
請求項4又は5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記室内側熱交換器が蒸発器、前記水熱交換器が凝縮器、かつ、前記熱源側熱交換器が凝縮器となる並行凝縮運転が可能であり、
前記冷房運転から前記冷房給湯同時運転に切り換える前に、前記並行凝縮運転を実施する並行凝縮運転実施手段を備える
請求項4〜6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記給湯ユニットは、
前記水熱交換器の出口水温を検出する水熱交換器出口水温検出手段と、
前記水熱交換器の液側冷媒の温度を検出する水熱交換器液側温度検出手段と、を備え、
前記並行凝縮運転実施手段は、
前記並行凝縮運転時に前記水熱交換器の液側冷媒の温度が前記出口水温よりも所定値以上低くなったときに前記並行凝縮運転を終了する
請求項7に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記熱源ユニットは、
前記圧縮機と前記熱源側熱交換器のガス側の間のいずれかの位置である接続点Aと、前記室内側熱交換器と前記膨張弁との間のいずれかの位置である接続点Bと、を接続する低圧バイパス配管を備え、
前記低圧バイパス配管には前記接続点Aから前記接続点Bに向かって冷媒が流れるように低圧均圧電磁弁及び逆止弁を設置した
請求項1〜8のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記給湯ユニットは、
前記水熱交換器の液側の過冷却液となっている冷媒を冷却するための過冷却熱交換器を備えている
請求項1〜9のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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