JP5751299B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置に関する。

従来の冷凍装置として、熱源側ユニットと、複数台の利用側ユニットとを備えた、冷暖房同時運転が可能な空気調和装置が存在する。例えば、特許文献１（特開２００３−１３０４９２号公報）には、冷房主体（暖房小容量）運転、全室冷房運転、暖房主体（冷房小容量）運転、および全室暖房運転が可能な空気調和機が開示されている。

従来の冷暖房同時運転が可能な冷凍装置において、圧縮機が１つだけの場合には、高圧および低圧のそれぞれの圧力値は１つとなり、外気温度によっては冷凍装置が過剰な高低差圧で運転されているという状況になる。このように必要以上に大きい高低差圧をつけて運転を行うことは、省エネルギーの要請に反することになる。

これに対し、上述の特許文献１（特開２００３−１３０４９２号公報）に記載の空気調和機では、インバータ圧縮機と、それとは別に並列に配置されている定速圧縮機との吐出圧力を、別々に設定できるようにしている。そして、冷房運転の冷凍サイクルで使用する定速圧縮機と、暖房運転の冷凍サイクルで使用するインバータ圧縮機との各吐出圧力を、各運転での効率が高くなるように設定している。

しかし、さらに別の冷凍サイクルの構成を備えた冷凍装置であって、運転効率の良い冷凍装置が求められている。

本発明の課題は、運転効率が向上する冷凍装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る冷凍装置は、熱源側ユニットと、第１利用側ユニットと、第２利用側ユニットと、切換機構とを備えている。熱源側ユニットは、低段圧縮機および高段圧縮機を含む圧縮機構と、熱源側熱交換器と、熱源側膨張機構と、を有する。第１利用側ユニットは、第１利用側熱交換器と、第１利用側膨張機構と、を有する。第２利用側ユニットは、第２利用側熱交換器と、第２利用側膨張機構と、を有する。切換機構は、圧縮機構から熱源側熱交換器、第１利用側熱交換器および第２利用側熱交換器へと流れる冷媒の経路を切り換える。そして、低段圧縮機と高段圧縮機とは、中間圧配管を介して直列に結ばれている。切換機構は、第１状態と第２状態とが切り換わる機構である。第１状態は、低段圧縮機から吐出されて中間圧配管に流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器へと流れる状態である。第２状態は、中間圧冷媒が、第１利用側熱交換器あるいは第２利用側熱交換器へと流れる状態である。

ここでは、低段圧縮機と高段圧縮機とを直列に結ぶ構成を採った上で、低段圧縮機から吐出されて中間圧配管に流れた中間圧冷媒が、第１状態においては熱源側熱交換器へと流れ、第２状態においては第１利用側熱交換器あるいは第２利用側熱交換器へと流れるように冷媒回路を構成している。この本発明に係る冷凍装置によれば、例えば、外気温度が低く熱源側熱交換器で高圧冷媒を必要としない場合に、切換機構を第１状態にして運転効率を向上させることができる。また、例えば、外気温度が高いときに第１利用側熱交換器を蒸発器として機能させつつ第２利用側熱交換器を小さな熱負荷に対して放熱器として機能させる必要がある場合に、切換機構を第２状態にして中間圧冷媒を第２利用側熱交換器に送ることで冷凍装置の運転効率を向上させることができる。

本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、切換機構を制御する制御部をさらに備えている。制御部は、第１利用側熱交換器が蒸発器として機能し且つ第２利用側熱交換器が放熱器として機能する中間圧利用運転モードを有している。この中間圧利用運転モードにおいて、制御部は、低段圧縮機から吐出されて中間圧配管に流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器、第１利用側熱交換器、あるいは第２利用側熱交換器へと直接流れるように、切換機構を制御する。

ここでは、運転モードとして中間圧利用運転モードが設けられているため、従来から利用されている高段圧縮機から吐出された高圧冷媒だけではなく中間圧冷媒を積極的に利用して冷凍装置の運転効率を向上させることが可能になる。

本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、切換機構を制御する制御部をさらに備えている。制御部は、第１混在運転モードおよび第２混在運転モードを有している。第１混在運転モードおよび第２混在運転モードでは、第１利用側熱交換器が蒸発器として機能し、且つ、第２利用側熱交換器が放熱器として機能する。制御部は、第１混在運転モードにおいて、低段圧縮機から吐出されて中間圧配管に流れた中間圧冷媒が、第２利用側熱交換器へと流れるように、切換機構を制御する。また、制御部は、第２混在運転モードにおいて、高段圧縮機から吐出された高圧冷媒が、第２利用側熱交換器へと流れるように、切換機構を制御する。

ここでは、蒸発器として利用側熱交換器が機能する利用側ユニットと、放熱器として利用側熱交換器が機能する利用側ユニットとが混在する運転モードとして、第１混在運転モードと第２混在運転モードとが設けられている。そして、第２利用側熱交換器に対して、第１混在運転モードでは中間圧冷媒が流れ、第２混在運転モードでは高圧冷媒が流れる。このように、この冷凍装置では、利用側熱交換器に対し高圧冷媒を流す選択に加えて、利用側熱交換器に対し中間圧冷媒を流す選択が可能になっており、利用側ユニットの設置空間の熱負荷が小さい場合に中間圧冷媒を使って冷凍装置全体の運転効率を向上させることが可能になる。

本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第３観点に係る冷凍装置であって、制御部は、第１混在運転モードにおいて、中間圧冷媒が第２利用側熱交換器へと流れるように、且つ、高段圧縮機から吐出された高圧冷媒が熱源側熱交換器へと流れるように、切換機構を制御する。

この冷凍装置の第１混在運転モードでは、高圧冷媒を熱源側熱交換器に流して放熱させる一方、中間圧冷媒を第２利用側熱交換器に流して放熱させることにより第２利用側ユニットで暖房を行わせる。これらの熱交換器で放熱した後の冷媒は、第１利用側熱交換器に流れて蒸発することになる。この第１混在運転モードを、例えば外気温度が高く第２利用側ユニットの暖房の熱負荷が小さい場合に選択するように制御ロジックを構成すれば、冷凍装置の運転効率が向上する。

本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第３観点又は第４観点に係る冷凍装置であって、熱源側ユニットは、熱源側熱交換器に外気を送るための熱源側ファンと、外気温度を検出する外気温度センサとをさらに有している。そして、制御部は、第２混在運転モードにおいて、高圧冷媒が第２利用側熱交換器へと流れるように、且つ、中間圧冷媒が熱源側熱交換器へと流れるように、切換機構を制御し、外気温度に応じて熱源側ファンの回転数を変更して中間圧冷媒の圧力を調整する。

ここでは、例えば外気温度が高くない場合で、蒸発器として機能する第１利用側熱交換器は低圧冷媒が必要で、放熱器として機能する第２利用側熱交換器は高圧冷媒が必要なときに、制御部が熱源側熱交換器へ中間圧冷媒を流す。これにより、高圧冷媒の圧力を無駄に下げて運転効率を落とすことなく、冷凍装置の運転効率を高く保つことができる。さらに、外気温度に合った圧力の冷媒が熱源側熱交換器に流れるように、ここでは外気温度に応じて熱源側ファンの回転数を変更する。このような制御を行うことによって、より運転効率を向上させることができる。具体的には、例えば、外気温度が低くなってきたときに、熱源側ファンの回転数を小さくして中間圧冷媒の圧力を上げるという制御を行うことが考えられる。

本発明の第６観点に係る冷凍装置は、第３観点から第５観点のいずれかに係る冷凍装置であって、制御部は、第１混在運転モードから第２混在運転モードへと切り換えるときに、一時的に低段圧縮機又は高段圧縮機を停止させ、切換機構によって冷媒の経路を切り換えた後に、低段圧縮機および高段圧縮機の両方が運転する状態に戻す。

中間圧冷媒が第２利用側熱交換器へと流れる第１混在運転モードから、高圧冷媒が第２利用側熱交換器へと流れる第２混在運転モードへと切り換えるときには、切換機構の状態が変化して音が発生するが、ここでは、一時的に低段圧縮機又は高段圧縮機を停止させることで、その発生する音の大きさを抑制することができる。また、切換機構の周囲の圧力差が小さくなってから状態の切り換えを行うことで、確実に切換機構の状態が切り換わる。

本発明に係る冷凍装置によれば、中間圧冷媒を熱源側熱交換器へ流すことも利用側熱交換器に流すことも可能となり、熱負荷や外気温度に応じた適切な圧力の冷媒を各熱交換器に流すことができるようになるため、運転効率が向上する。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置である空気調和機の定常冷房状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の制御ブロック図。 空気調和機の冷房状態から冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が中温・低温）への遷移状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が中温・低温）を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が中温・低温）から冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が低温）への遷移状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が低温）を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が高温）を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が高温）から冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が高温）への遷移状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が高温）を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が高温）から定常暖房状態への遷移状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の定常暖房状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が高温）から冷暖房混在・冷房主体状態（外気温度が中温・低温）への遷移状態を示す冷媒回路図。 空気調和機の冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が高温・中温）から冷暖房混在・暖房主体状態（外気温度が中低温）への遷移状態を示す冷媒回路図。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置としての空気調和機について、以下、図面に基づいて説明する。

（１）空気調和機の構成
図１は、空気調和機の冷媒回路の概略構成図である。空気調和機は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、ビル等の屋内の冷暖房に使用される装置である。

空気調和機は、主として、１台の熱源側ユニット５０と、複数（ここでは３台）の利用側ユニット２１，２２，２３と、分岐ユニット３１，３２，３３と、冷媒連絡管４１，４２，４３と、を備えており、利用側ユニットごとに冷暖房を選択する冷暖房混在運転が可能となるように構成されている。すなわち、空気調和機の冷媒回路は、熱源側ユニット５０と、利用側ユニット２１，２２，２３と、分岐ユニット３１，３２，３３と、冷媒連絡管４１，４２，４３とが接続されることによって構成されている。冷媒連絡管４１は、熱源側ユニット５０から利用側ユニット２１，２２，２３に延び、その途中で、第１の冷媒連絡管４１ａ、第２の冷媒連絡管４１ｂおよび第３の冷媒連絡管４１ｃに分岐している。冷媒連絡管４２は、熱源側ユニット５０から利用側ユニット２１，２２，２３に延び、その途中で、第１の冷媒連絡管４２ａ、第２の冷媒連絡管４２ｂおよび第３の冷媒連絡管４２ｃに分岐している。冷媒連絡管４３は、熱源側ユニット５０から利用側ユニット２１，２２，２３に延び、その途中で、第１の冷媒連絡管４３ａ、第２の冷媒連絡管４３ｂおよび第３の冷媒連絡管４３ｃに分岐している。そして、冷媒回路には、Ｒ３２冷媒が封入されている。

また、図２に示すように、空気調和機は、熱源側ユニット５０内の熱源側ユニット制御部および利用側ユニット２１，２２，２３内の利用側ユニット制御部が電気的に結ばれて構成される制御部６０によってコントロールされる。この制御部６０には、熱源側ユニット５０や利用側ユニット２１，２２，２３の各センサ（外気温度センサ６５を含む）からの検出値が入力される他、リモコンからの設定温度を含む操作内容が入力される。制御部６０は、熱源側ユニット５０、利用側ユニット２１，２２，２３および分岐ユニット３１，３２，３３の図２に示す各アクチュエータに作動指示を送る。制御部６０が行う各種制御については、後に詳述する。

（１−１）利用側ユニット
利用側ユニット２１，２２，２３は、ビル等の屋内の天井に、埋め込みや吊り下げ等により設置されるか、あるいは、屋内の壁面に、壁掛け等により設置される。利用側ユニット２１，２２，２３は、冷媒連絡管４１，４２，４３および分岐ユニット３１，３２，３３を介して熱源側ユニット５０に接続されており、冷媒回路の一部を構成している。

次に、利用側ユニット２１，２２，２３の構成について説明する。第１の利用側ユニット２１は、第１の利用側熱交換器２１ａと、第１の利用側膨張弁２１ｂとを有している。第２の利用側ユニット２２は、第２の利用側熱交換器２２ａと、第２の利用側膨張弁２２ｂとを有している。第３の利用側ユニット２３は、第３の利用側熱交換器２３ａと、第３の利用側膨張弁２３ｂとを有している。利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａは、冷媒と室内空気との熱交換を行うことで室内の空調負荷（熱負荷）を処理する熱交換器である。

なお、ここでは利用側ユニットが３台の空気調和機について説明するが、それよりも多くの利用側ユニットが１台の熱源側ユニットに接続されて１つの冷媒回路を構成している場合にも、本発明は適用できる。

（１−２）分岐ユニット
分岐ユニット３１，３２，３３は、例えば、ビル等の屋内の利用側ユニット２１，２２，２３の近傍に設置されており、冷媒連絡管４１，４２，４３とともに、利用側ユニット２１，２２，２３と熱源側ユニット５０との間に介在しており、冷媒回路の一部を構成している。分岐ユニット３１，３２，３３は、３台の利用側ユニット２１，２２，２３に対して１つずつ設置されていてもよいし、冷房／暖房の切り換えタイミングが同じである複数の利用側ユニットが１つの分岐ユニットに接続されていてもよい。

分岐ユニット３１，３２，３３は、主として、第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａを含む第１の分岐路と、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂを含む第２の分岐路とを有している。第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａは、第２の冷媒連絡管４２と利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａとの間の連通・非連通を切り換える電磁弁である。第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂは、第３の冷媒連絡管４３と利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａとの間の連通・非連通を切り換える電磁弁である。

（１−３）熱源側ユニット
熱源側ユニット５０は、ビル等の屋上あるいはビル等の周囲に設置されており、冷媒連絡管４１，４２，４３および分岐ユニット３１，３２，３３を介して利用側ユニット２１，２２，２３に接続され、冷媒回路の一部を構成している。

熱源側ユニット５０は、主として、低段圧縮機５１ａおよび高段圧縮機５１ｃを含む圧縮機構５１と、熱源側熱交換器５３と、熱源側膨張弁５４と、切換機構を構成する２つの四路切換弁５５，５６と、熱源側ファン５９とを有している。

低段圧縮機５１ａと高段圧縮機５１ｃとは、図１に示すように、中間圧配管５１ｂを介して直列に結ばれている。低段圧縮機５１ａおよび高段圧縮機５１ｃは、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮機であり、冷媒を吸入し、この吸入された冷媒を圧縮して吐出する。ここでは、低段圧縮機５１ａから中間圧配管５１ｂに吐出された冷媒を、中間圧冷媒、高段圧縮機５１ｃから第１の四路切換弁５５側に吐出された冷媒を、高圧冷媒と称する。

なお、低段圧縮機５１ａにも高段圧縮機５１ｃにもバイパス回路が設けられている。低段圧縮機５１ａのバイパス回路には逆止弁５７が、高段圧縮機５１ｃのバイパス回路には逆止弁５８が配備されている。これらのバイパス回路には、低段圧縮機５１ａおよび高段圧縮機５１ｃの一方が停止したときに冷媒が流れる。例えば、図５に示す低段圧縮機５１ａが止まっている状態において逆止弁５７を冷媒が通過し、図１２に示す高段圧縮機５１ｃが止まっている状態において逆止弁５８を冷媒が通過する。

熱源側熱交換器５３は、冷媒と室外空気（外気）との熱交換を行うことで冷媒の放熱器又は蒸発器として機能する熱交換器である。

熱源側膨張弁５４は、熱源側ユニット５０を流れる冷媒の減圧等を行う電動膨張弁であり、熱源側熱交換器５３と第１の冷媒連絡管４１との間に設けられている。

第１の四路切換弁５５は、熱源側熱交換器５３を冷媒の放熱器として機能させる熱源側放熱状態と、熱源側熱交換器５３を冷媒の蒸発器として機能させる熱源側蒸発状態とを切り換え可能な電動弁である。四路切換弁５５の第１ポート７１は高段圧縮機５１ｃの吐出側に接続されており、第２ポート７２は熱源側熱交換器５３のガス側に接続されており、第３ポート７３は第２の四路切換弁５６の第３ポート８３と接続されており、第４ポート７４は第２の冷媒連絡管４２と接続されている。第１の四路切換弁５５は、第１ポート７１と第２ポート７２とを接続するとともに第３ポート７３と第４ポート７４とを接続する状態（熱源側放熱状態に対応；例えば図１の四路切換弁５５の状態を参照）と、第２ポート７２と第３ポート７３とを接続するとともに第１ポート７１と第４ポート７４とを接続する状態（熱源側低温外気への放熱、あるいは、熱源側蒸発状態に対応；例えば、図４、図１１の四路切換弁５５の状態を参照）との切り換えを行うことが可能である。

第２の四路切換弁５６は、低段圧縮機５１ａと高段圧縮機５１ｃとを結ぶ中間圧配管５１ｂを第３の冷媒連絡管４３と連通させる状態と、中間圧配管５１ｂを第１の四路切換弁５５の第３ポート７３と連通させる状態とを切り換え可能な電動弁である。四路切換弁５６の第１ポート８１は第３の冷媒連絡管４３に接続されており、第２ポート８２は中間圧配管５１ｂに接続されており、第３ポート８３は第１の四路切換弁５５の第３ポート７３に接続されており、第４ポート８４は低段圧縮機５１ａの吸入側に接続されている。

切換機構を構成する２つの四路切換弁５５，５６は、第１状態と第２状態とが切り換わる機構である。第１状態は、例えば図４に示すように、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器５３へと流れる状態である。第２状態は、例えば図７に示すように、中間圧配管５１ｂに吐出された中間圧冷媒が、利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａのいずれか１つ或いは複数に流れる状態である。

なお、２つの四路切換弁５５，５６から構成されている切換機構は、四路切換弁によって構成される機構に限定されるものではなく、例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上述と同様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい。
（２）空気調和機の動作
本実施形態に係る空気調和機の運転モードとして、利用側ユニット２１，２２，２３の全てを冷房する定常冷房運転モード６０ａと、各利用側ユニット２１，２２，２３の空調負荷に応じて利用側ユニット２１，２２，２３の全てを暖房する定常暖房運転モード６０ｂと、冷暖房混在運転モード６０ｃとを、制御部６０は有している。冷暖房混在運転モード６０ｃでは、利用側ユニット２１，２２，２３の一部で冷房運転をしつつ、残りの一部あるいは全部で暖房運転をする。以下、空気調和機の３つの運転モードにおける動作について説明する。

（２−１）定常冷房運転モード
利用側ユニット２１，２２，２３の全てを冷房する定常冷房運転モード６０ａにおいて、空気調和機の冷媒回路の各アクチュエータ（弁）は、図１に示されるような状態となる。高圧冷媒が流れ込む熱源側熱交換器５３が冷媒の放熱器として機能し、熱源側膨張弁５４は、冷媒を極力減圧しないように（例えば、全開状態になるように）開度調節される。分岐ユニット３１，３２，３３においては、第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａを閉めるとともに、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂを開けて、利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａを冷媒の蒸発器として機能させる。利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａで蒸発した冷媒は、第３の冷媒連絡管４３および第２の四路切換弁５６を通って、低段圧縮機５１ａに吸入される。なお、利用側膨張弁２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは、各利用側ユニット２１，２２，２３の冷房負荷に応じて開度調節される。

（２−２）定常暖房運転モード
利用側ユニット２１，２２，２３の全てを暖房する定常暖房運転モード６０ｂにおいて、空気調和機の冷媒回路の各アクチュエータ（弁）は、図１１に示されるような状態とされる。高段圧縮機５１ｃから吐出された高圧冷媒は、第１の四路切換弁５５から第２の冷媒連絡管４２へと流れ、分岐ユニット３１，３２，３３から利用側ユニット２１，２２，２３へと流れ込む。分岐ユニット３１，３２，３３においては、第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａを開けるとともに、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂを閉めて、利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａを冷媒の放熱器として機能させる。利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａにて凝縮した冷媒は、熱源側膨張弁５４を経て熱源側熱交換器５３に流れ、そこで蒸発した冷媒は第１および第２の四路切換弁５５，５６を経て低段圧縮機５１ａに吸入される。熱源側膨張弁５４は、冷媒を減圧するように開度調節されている。利用側膨張弁２１ｂ，２２ｂ，２３ｂは、各利用側ユニット２１，２２，２３の暖房負荷に応じて開度調節される。

（２−３）冷暖房混在運転モード
利用側ユニット２１，２２，２３の一部のユニットで冷房運転をしつつ残りの一部あるいは全部のユニットで暖房運転する冷暖房混在運転モード６０ｃでは、利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａの一部が蒸発器として機能し、他の一部（あるいは他の全部）が放熱器として機能するように、各アクチュエータ（弁）が制御される。熱源側ユニット５０の熱源側熱交換器５３は、利用側ユニット２１，２２，２３の冷房負荷と暖房負荷とのバランスに応じて、放熱器あるいは蒸発器として機能することになる。熱源側膨張弁５４は、熱源側熱交換器５３が放熱器として機能する場合には、冷媒を極力減圧しないように開度調節され、熱源側熱交換器５３が蒸発器として機能する場合には、冷媒を減圧するように開度調節される。分岐ユニット３１，３２，３３においては、蒸発器として機能させる利用側ユニット２１，２２，２３に対応する第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａを閉め、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂを開ける。一方、放熱器として機能させる利用側ユニット２１，２２，２３に対応する第１の分岐ユニット切換弁３１ａ，３２ａ，３３ａを開け、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂ，３２ｂ，３３ｂを閉める。

制御部６０は、この冷暖房混在運転モード６０ｃの１つとして、中間圧利用運転モードを有している。この中間圧利用運転モードにおいて、制御部６０は、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器５３、あるいは、いずれか１つ或いは複数の利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａへと直接流れるように、２つの四路切換弁５５，５６を制御する。

図７に示す空気調和機の冷媒回路は、第１および第３の利用側熱交換器２１ａ，２３ａを蒸発器として機能させ、第２の利用側熱交換器２２ａを放熱器として機能させる、外気温度が高温であるときの冷房主体の中間圧利用運転モードを表している。このモード（以下、第１混在運転モードという。）では、中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、第２の利用側熱交換器２２ａへと直接向かうように、四路切換弁５５，５６が制御される。

また、図４に示す空気調和機の冷媒回路は、第１および第３の利用側熱交換器２１ａ，２３ａを蒸発器として機能させ、第２の利用側熱交換器２２ａを放熱器として機能させる、外気温度が低温（あるいは中温）であるときの冷房主体の中間圧利用運転モードを表している。このモード（以下、第２混在運転モードという。）では、中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器５３へと直接向かうように、四路切換弁５５，５６が制御される。

すなわち、第１および第３の利用側熱交換器２１ａ，２３ａを蒸発器として機能させ、第２の利用側熱交換器２２ａを放熱器として機能させる、同じ冷房主体の中間圧利用運転モードとして、互いに異なる第１混在運転モードと第２混在運転モードとを制御部６０が有している。第１混在運転モードでは、外気温度が高温であり第１および第３の利用側ユニット２１，２３の負荷も大きいため、熱源側熱交換器５３に高圧冷媒を送り、中間圧冷媒は第２の利用側熱交換器２２ａに送っている。第２混在運転モードでは、外気温度が高くなく第１および第３の利用側ユニット２１，２３の負荷も小さいため、熱源側熱交換器５３に中間圧冷媒を送り、第２の利用側熱交換器２２ａには高圧冷媒を送っている。

（２−４）運転モードの遷移
次に、定常冷房運転モード６０ａから冷暖房混在運転モード６０ｃへの遷移の一例、冷暖房混在運転モード６０ｃから他の冷暖房混在運転モード６０ｃへの遷移の例、冷暖房混在運転モード６０ｃから定常暖房運転モード６０ｂへの遷移の一例を示し、説明を行う。

（２−４−１）定常冷房運転モードから冷暖房混在運転モードへの遷移
上述した図１に示す定常冷房運転モード６０ａから、利用側ユニット２２の設定が冷房から暖房に切り換わったことに伴って図４に示す冷暖房混在運転モード６０ｃに移すときに、制御部６０は、図３に示す冷媒回路の状態を経由させる。外気温度が下がってきて、利用側ユニット２２の設定が冷房から暖房に切り換わると、制御部６０は、高段圧縮機５１ｃの回転数を落とし、第１の四路切換弁５５の周囲の圧力差が小さくなってから第１の四路切換弁５５の状態を切り換える。そして、図４に示す冷媒回路の状態になってから、徐々に高段圧縮機５１ｃの回転数を上昇させて、その高段圧縮機５１ｃの吐出冷媒を利用側ユニット２２の利用側熱交換器２２ａへと送る。一方、上述のように、熱源側熱交換器５３へは、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が送られる。

なお、図４に示す、冷房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃにおいて、制御部６０は、外気温度センサ６５が検出した外気温度の値に応じて、熱源側ユニット５０の熱源側ファン５９の回転数を変更する。具体的には、外気温度が下がってきたときに、制御部６０は、熱源側ファン５９の回転数を小さくして中間圧冷媒の圧力を上げるファン制御を行う。

（２−４−２）冷暖房混在運転モードにおける外気温度変化に伴う冷房主体から暖房主体への遷移
上述の図４に示す、外気温度が低温（あるいは中温）であるときの冷房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃから、利用側ユニット２３の設定が冷房から暖房に切り換わったことに伴って図６に示す暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃに移すときに、制御部６０は、図５に示す冷媒回路の状態を経由させる。ここでは、利用側ユニット２３の利用側膨張弁２３ｂおよび熱源側ユニット５０の熱源側膨張弁５４を閉止して、利用側熱交換器２３ａおよび熱源側熱交換器５３に冷媒が流れない状態を作り、低段圧縮機５１ａを徐々に停止させ、第２の四路切換弁５６の周囲の圧力差が小さくなってから第２の四路切換弁５６の状態を切り換える。その後、図６に示す、外気温度が低いときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃの冷媒回路の状態で、低段圧縮機５１ａおよび高段圧縮機５１ｃが駆動している状態になる。この図６に示す冷暖房混在運転モード６０ｃでは、高段圧縮機５１ｃから吐出された高圧冷媒が放熱器として機能する利用側熱交換器２２ａ，２３ａへと直接流れ、それらの利用側熱交換器２２ａ，２３ａで凝縮した冷媒が、第１の冷媒連絡管４１を経て、第１の利用側ユニット２１の蒸発器として機能する利用側熱交換器２１ａと、熱源側熱交換器５３とに分岐して流れ込む。そして、第２の四路切換弁５６の状態が切り換えられたことによって、熱源側熱交換器５３で蒸発した冷媒が低段圧縮機５１ａに吸入される一方、利用側熱交換器２１ａで蒸発した冷媒は、第３の冷媒連絡管４３および中間圧配管５１ｂを経て、高段圧縮機５１ｃに吸入される。

（２−４−３）外気温度変化がないときの冷暖房混在運転モードにおける冷房主体から暖房主体への遷移
上述の図７に示す、外気温度が高いときの冷房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃから、利用側ユニット２３の設定が冷房から暖房に切り換わったことに伴って、外気温度が高いときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃ（図９）に移すときに、制御部６０は、図８に示す冷媒回路の状態を経由させる。ここでは、利用側ユニット２３の利用側膨張弁２３ｂおよび熱源側ユニット５０の熱源側膨張弁５４を閉止して、利用側熱交換器２３ａおよび熱源側熱交換器５３に冷媒が流れない状態を作り、高段圧縮機５１ｃを徐々に停止させ、第１の四路切換弁５５の周囲の圧力差が小さくなってから第１の四路切換弁５５の状態を切り換える。その後、図９に示す、外気温度が高温あるいは中温のときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃの冷媒回路の状態で、低段圧縮機５１ａおよび高段圧縮機５１ｃが駆動している状態になる。この図９に示す冷暖房混在運転モード６０ｃでは、高段圧縮機５１ｃから吐出された高圧冷媒が放熱器として機能する利用側熱交換器２２ａ，２３ａへと直接流れ、それらの利用側熱交換器２２ａ，２３ａで凝縮した冷媒が、第１の冷媒連絡管４１を経て、第１の利用側ユニット２１の蒸発器として機能する利用側熱交換器２１ａと、熱源側熱交換器５３とに分岐して流れ込む。そして、利用側熱交換器２１ａで蒸発した冷媒が、第３の冷媒連絡管４３を通って低段圧縮機５１ａに吸入される一方、熱源側熱交換器５３で蒸発した冷媒は、両四路切換弁５５，５６および中間圧配管５１ｂを経由して、高段圧縮機５１ｃに吸入される。

なお、図９に示す、暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃにおいて、外気温度が高いときには、制御部６０は、熱源側ユニット５０の熱源側ファン５９の回転数を小さくして中間圧冷媒の圧力を下げるファン制御を行う。

（２−４−４）冷暖房混在運転モードから定常暖房運転モードへの遷移
上述の図９に示す、外気温度が高いときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃから、全ての利用側ユニット２１，２２，２３が暖房を行う定常暖房運転モード６０ｂ（図１１）に移すときには、制御部６０は、図１０に示す冷媒回路の状態を経由させる。利用側ユニット２１の設定が冷房から暖房に切り換わると、制御部６０は、低段圧縮機５１ａを徐々に停止させ、第２の四路切換弁５６の周囲の圧力差が小さくなってから第２の四路切換弁５６の状態を切り換える。そして、図１１に示すように、制御部６０は、第１の分岐ユニット切換弁３１ａを開け、第２の分岐ユニット切換弁３１ｂを閉めて、高圧冷媒を全ての利用側熱交換器２１ａ，２２ａ，２３ａに流す。熱源側熱交換器５３で蒸発した冷媒は、第２の四路切換弁５６の状態が切り換わったことによって、低段圧縮機５１ａに吸入されるようになる。

（２−４−５）外気温度変化に伴う冷房主体の冷暖房混在運転モードの遷移
上述の図７に示す、外気温度が高いときの冷房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃから、外気温度が下がってきて、上述の図４に示す、外気温度が低温（あるいは中温）であるときの冷房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃへと移すときに、制御部６０は、図１２に示す冷媒回路の状態を経由させる。外気温度が下がってくると、高圧冷媒の圧力が低下してくるため、制御部６０は、高低差圧が確保できなくなってきた時点で、高段圧縮機５１ｃを停止させる。そして、第１の四路切換弁５５の周囲の圧力差が小さくなってから第１の四路切換弁５５の状態を切り換える。この第１の四路切換弁５５の状態の切換によって、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が利用側熱交換器２２ａへと流れている状態から、中間圧冷媒が熱源側熱交換器５３へと流れる状態に切り換わる。

（２−４−６）外気温度変化に伴う暖房主体の冷暖房混在運転モードの遷移
上述の図９に示す、外気温度が高いときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃから、上述の図６に示す、外気温度が低いときの暖房主体の冷暖房混在運転モード６０ｃへと移すときに、制御部６０は、図１３に示す冷媒回路の状態を経由させる。外気温度の低下に伴って中間圧冷媒の圧力が下がってくると、制御部６０は、高低差圧が確保できなくなってきた時点で、低段圧縮機５１ａを停止させる。そして、第２の四路切換弁５６の周囲の圧力差が小さくなってから第２の四路切換弁５６の状態を切り換える。この第２の四路切換弁５６の状態の切換によって、図６に示すように、利用側熱交換器２１ａで蒸発した冷媒が、中間圧配管５１ｂに流れ込み、高段圧縮機５１ｃに吸入されるようになる。このとき、低段圧縮機５１ａには、熱源側熱交換器５３で蒸発した冷媒が吸入される。

（３）空気調和機の特徴
（３−１）
この空気調和機では、低段圧縮機５１ａと高段圧縮機５１ｃとを直列に結ぶ構成を採っている。その上で、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、図４に示す第１状態においては熱源側熱交換器５３へと流れ、図７に示す第２状態においては利用側熱交換器２２ａへと流れるように、冷媒回路を構成し、制御を行っている。この空気調和機によれば、外気温度が低く熱源側熱交換器５３で高圧冷媒を必要としない場合に、四路切換弁５５，５６を図４に示す第１状態にして、空気調和機の運転効率を向上させることができる。また、図７に示すように、外気温度が高いときに、第１および第３の利用側熱交換器２１ａ，２３ａを蒸発器として機能させつつ、第２の利用側熱交換器２２ａを小さな熱負荷に対して放熱器として機能させる必要がある場合に、四路切換弁５５，５６を図７に示す第２状態にして、中間圧冷媒を第２の利用側熱交換器２２ａに送ることで、空気調和機の運転効率を向上させることができる。

（３−２）
空気調和機の制御部６０は、冷暖房混在運転モード６０ｃの１つとして、第１の利用側熱交換器２１ａが蒸発器として機能し且つ第２の利用側熱交換器２２ａが放熱器として機能する中間圧利用運転モードを有している（図４，図７を参照）。この中間圧利用運転モードにおいて、制御部６０は、低段圧縮機５１ａから吐出されて中間圧配管５１ｂに流れた中間圧冷媒が、熱源側熱交換器５３、あるいは、利用側熱交換器２２ａへと直接流れるように、切換機構である四路切換弁５５，５６を制御している。このように、従来から利用されている高段圧縮機から吐出された高圧冷媒だけではなく、中間圧冷媒を積極的に利用することによって、無駄に高圧冷媒の圧力を下げるような運転をしなくて済むようになり、空気調和機の運転効率を向上させることができている。

（３−３）
空気調和機の制御部６０は、冷暖房混在運転モード６０ｃとして、図７に示す第１混在運転モードや、図４に示す第２混在運転モードを有している。そして、第２の利用側熱交換器２２ａに対し、第１混在運転モードでは中間圧冷媒が流れ、第２混在運転モードでは高圧冷媒が流れるように、四路切換弁５５，５６を制御している。このように、この空気調和機では、利用側熱交換器２２ａに対し高圧冷媒を流す選択に加えて、利用側熱交換器２２ａに対し中間圧冷媒を流す選択が可能になっており、利用側ユニット２２の設置空間の熱負荷が小さい場合に中間圧冷媒を使って空気調和機の運転効率を向上させることができている。

（３−４）
空気調和機の制御部６０は、図７に示す第１混在運転モードにおいて、高段圧縮機５１ｃから吐出された高圧冷媒を熱源側熱交換器５３に流して放熱させる一方、低段圧縮機５１ａから吐出された中間圧冷媒の一部を第２の利用側熱交換器２２ａに流して放熱させることにより、第２の利用側ユニット２２で暖房運転を行わせている。これらの熱源側熱交換器５３および利用側熱交換器２２ａで放熱・凝縮した冷媒は、第１および第３の利用側熱交換器２１ａ，２３ａに流れて蒸発する。この第１混在運転モードは、制御部６０によって、外気温度が高く第２の利用側ユニット２２の暖房の熱負荷が小さい場合に選択されており、空気調和機の運転効率が向上している。

（３−５）
空気調和機の制御部６０は、図４に示す第２混在運転モードにおいて、高段圧縮機５１ｃから吐出された高圧冷媒が第２の利用側熱交換器２２ａへと流れるように、且つ、低段圧縮機５１ａから吐出された中間圧冷媒の一部が熱源側熱交換器５３へと流れるように、四路切換弁５５，５６を制御し、さらに、外気温度に応じて熱源側ファン５９の回転数を変更して中間圧冷媒の圧力を調整している。具体的には、外気温度が下がってきたときに、制御部６０が、熱源側ファン５９の回転数を小さくして中間圧冷媒の圧力を上げるファン制御を行っている。これにより、空気調和機の運転効率が向上している。

（３−６）
空気調和機の制御部６０は、図７に示す第１混在運転モードから、図４に示す第２混在運転モードに切り換えるときに、図１２に示す冷媒回路の状態を経由させている。具体的には、切り換えの過程において高段圧縮機５１ｃを一時的に停止させ、第１の四路切換弁５５の周囲の圧力差が小さくなってから第１の四路切換弁５５の状態を切り換えている。このように、一時的に高段圧縮機５１ｃを停止させることで、四路切換弁５５の状態切換に伴う騒音を抑制することができている。また、周囲の圧力差が小さくなってから状態の切り換えを行っているため、四路切換弁５５の状態を確実に切り換えることができている。

２１，２２，２３ 利用側ユニット
２１ａ，２２ａ，２３ａ 利用側熱交換器
２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ 利用側膨張弁（利用側膨張機構）
５０ 熱源側ユニット
５１ 圧縮機構
５１ａ 低段圧縮機
５１ｂ 中間圧配管
５１ｃ 高段圧縮機
５３ 熱源側熱交換器
５４ 熱源側膨張弁（熱源側膨張機構）
５５，５６ 四路切換弁（切換機構）
５９ 熱源側ファン
６０ 制御部
６０ｃ 冷暖房混在運転モード
６５ 外気温度センサ

特開２００３−１３０４９２号公報

Claims (6)

1. 低段圧縮機（５１ａ）および高段圧縮機（５１ｃ）を含む圧縮機構（５１）と、熱源側熱交換器（５３）と、熱源側膨張機構（５４）とを有する、熱源側ユニット（５０）と、
   第１利用側熱交換器（２１ａ）と、第１利用側膨張機構（２１ｂ）と、を有する第１利用側ユニット（２１）と、
   第２利用側熱交換器（２２ａ）と、第２利用側膨張機構（２２ｂ）と、を有する第２利用側ユニット（２２）と、
   前記圧縮機構から前記熱源側熱交換器、前記第１利用側熱交換器および前記第２利用側熱交換器へと流れる冷媒の経路を切り換える、切換機構（５５，５６）と、
   前記切換機構を制御する制御部（６０）と、
   を備え、
   前記低段圧縮機と前記高段圧縮機とは、中間圧配管（５１ｂ）を介して直列に結ばれており、
   前記切換機構（５５，５６）は、前記低段圧縮機から吐出されて前記中間圧配管に流れた中間圧冷媒が前記熱源側熱交換器へと流れる第１状態と、前記中間圧冷媒が前記第１利用側熱交換器あるいは前記第２利用側熱交換器へと流れる第２状態と、が切り換わり、
   前記制御部は、
   前記第１利用側熱交換器（２１ａ）が蒸発器として機能し前記第２利用側熱交換器（２２ａ）が放熱器として機能する中間圧利用運転モードを有し、
   その前記中間圧利用運転モードにおいて、
   前記低段圧縮機（５１ａ）から吐出されて前記中間圧配管（５１ｂ）に流れた中間圧冷媒が、前記熱源側熱交換器（５３）および前記第２利用側熱交換器（２２ａ）の一方へ流れ、前記高段圧縮機（５１ｃ）から吐出された高圧冷媒が、前記熱源側熱交換器（５３）および前記第２利用側熱交換器（２２ａ）の他方へ流れるように、
   前記切換機構（５５，５６）を制御する、
   冷凍装置。
2. 前記制御部は、
   前記中間圧利用運転モードとして、第１混在運転モードを有し、
   前記第１混在運転モードにおいて、前記低段圧縮機（５１ａ）から吐出されて前記中間圧配管（５１ｂ）に流れた中間圧冷媒が前記第２利用側熱交換器（２２ａ）へ流れ、且つ、前記高段圧縮機（５１ｃ）から吐出された高圧冷媒が前記熱源側熱交換器（５３）へ流れるように、前記切換機構（５５，５６）を制御する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記制御部は、
   前記中間圧利用運転モードとして、第２混在運転モードを有し、
   前記第２混在運転モードにおいて、前記高段圧縮機（５１ｃ）から吐出された高圧冷媒が前記第２利用側熱交換器（２２ａ）へと流れ、且つ、前記低段圧縮機（５１ａ）から吐出されて前記中間圧配管（５１ｂ）に流れた中間圧冷媒が前記熱源側熱交換器（５３）へ流れるように、前記切換機構（５５，５６）を制御する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記制御部は、
   前記中間圧利用運転モードとして、第１混在運転モードおよび第２混在運転モードを有し、
   前記第１混在運転モードにおいて、前記低段圧縮機（５１ａ）から吐出されて前記中間圧配管（５１ｂ）に流れた中間圧冷媒が前記第２利用側熱交換器（２２ａ）へ流れ、且つ、前記高段圧縮機（５１ｃ）から吐出された高圧冷媒が前記熱源側熱交換器（５３）へ流れるように、前記切換機構（５５，５６）を制御し、
   前記第２混在運転モードにおいて、前記高段圧縮機（５１ｃ）から吐出された高圧冷媒が前記第２利用側熱交換器（２２ａ）へと流れ、且つ、前記低段圧縮機（５１ａ）から吐出されて前記中間圧配管（５１ｂ）に流れた中間圧冷媒が前記熱源側熱交換器（５３）へ流れるように、前記切換機構（５５，５６）を制御する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
5. 前記熱源側ユニット（５０）は、前記熱源側熱交換器（５３）に外気を送るための熱源側ファン（５９）と、外気温度を検出する外気温度センサ（６５）とをさらに有し、
   前記制御部は、前記第２混在運転モードにおいて、前記外気温度に応じて前記熱源側ファンの回転数を変更して前記中間圧冷媒の圧力を調整する、
   請求項３又は４に記載の冷凍装置。
6. 前記制御部は、前記第１混在運転モードから前記第２混在運転モードへと切り換えるときに、一時的に低段圧縮機（５１ａ）又は高段圧縮機（５１ｃ）を停止させ、前記切換機構（５５，５６）によって冷媒の経路を切り換えた後に、低段圧縮機（５１ａ）および高段圧縮機（５１ｃ）の両方が運転する状態に戻す、
   請求項４に記載の冷凍装置。

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