JP7343764B2 - 空気調和機 - Google Patents
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Description
図1は、本開示の一実施形態に係る空気調和機1の概略構成図である。空気調和機1は、複数の利用側ユニット101a、101b、101cと、熱源側ユニット110と、制御部120と、分岐ユニット70a、70b、70cと、によって冷媒回路30を構成する。空気調和機1は、利用側ユニットごとに冷房運転(第1運転)と暖房運転(第2運転)とを自由に選択可能に構成されている。空気調和機1は、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、CO2又はCO2混合冷媒)を使用して二段圧縮式冷凍サイクルを行う。
(2-1)利用側ユニット
利用側ユニット101a、101b、101c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101a、101b、101cは、液冷媒連絡管2、高低圧ガス冷媒連絡管3、低圧ガス冷媒連絡管4、分岐ユニット70a、70b、70c、第1閉鎖弁90、第2閉鎖弁91、第3閉鎖弁92、を介して熱源側ユニット110に接続されており、冷媒回路30の一部を構成する。
熱源側ユニット110は、ビル等の屋上あるいはビル等の周囲に設置される。熱源側ユニット110は、利用側ユニット101a、101b、101cに接続されており、冷媒回路30の一部を構成する。
圧縮機11、12は、低段側の第1圧縮機11と高段側の第2圧縮機12を含む。
吐出管10は、高段側の第2圧縮機12によって冷凍サイクルにおける高圧に圧縮された冷媒が吐出される配管である。図1に示すように、吐出管10は、第1メイン熱源側流路21、第2メイン熱源側流路22及び高低圧ガス冷媒連絡管3に分岐する。
第1メイン熱源側流路21は、吐出管10から分岐して液冷媒連絡管2に接続する配管である。第1メイン熱源側流路21は、第1熱源側熱交換器81と第1エコノマイザ熱交換器61とを直列に接続する。第1メイン熱源側流路21は、第1熱源側熱交換器81と第1エコノマイザ熱交換器61との間で、第1エコノマイザ配管31に分岐する。第1メイン熱源側流路21には、第1熱源側膨張機構24aが設けられている。
第1エコノマイザ配管31は、第1熱源側熱交換器81と第1エコノマイザ熱交換器61との間で第1メイン熱源側流路21から分岐して、圧縮機11、12へと伸びる配管である。
第1熱源側熱交換器81及び第2熱源側熱交換器82は、冷媒の放熱器又は凝縮器として機能する熱交換器である。第1熱源側熱交換器81の液側と、第2熱源側熱交換器82の液側とは、第1メイン熱源側流路21と第2メイン熱源側流路22とによって接続されている。
第1エコノマイザ熱交換器61及び第2エコノマイザ熱交換器62は、ここでは、二重管型熱交換器やプレート型熱交換器である。第1熱源側熱交換器81や第2熱源側熱交換器82において放熱した冷媒は、第1エコノマイザ熱交換器61や第2エコノマイザ熱交換器62においてさらに放熱することで、過冷却される。
制御部120は、空気調和機1を構成する各部の機器の動作を制御する。空気調和機1は、制御部120の制御により、後述する第1運転、第2運転、第3運転を切り替えることができる。
分岐ユニット70a、70b、70cは、例えば、ビル等の屋内の利用側ユニット101a、101b、101cの近傍に設置されている。分岐ユニット70a、70b、70cは、液冷媒連絡管2、高低圧ガス冷媒連絡管3、低圧ガス冷媒連絡管4とともに、利用側ユニット101a、101b、101cと熱源側ユニット110との間に介在しており、冷媒回路30の一部を構成する。分岐ユニット70a、70b、70cは、3台の利用側ユニット101a、101b、101cに対して1つずつ設置される。あるいは、冷房と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る。なお、分岐ユニット70a、70b、70cは利用側ユニット101a、101b、101cに内蔵されていてもよく、この場合、分岐ユニット70a、70b、70cは利用側ユニット101a、101b、101cの一部とみなすことができる。
次に、本実施形態に係る空気調和機1の動作について説明する。本実施形態に係る空気調和機1は、制御部120が第1運転と第2運転と第3運転とを切り替えることで、空気調和を行う。
ここでは、制御部120が、第1利用側熱交換器102a、第3利用側熱交換器102cを冷媒の蒸発器として機能させて冷房を行い、第2利用側熱交換器102bが運転を停止する場合を例に挙げて、第1運転を行う際の動作を説明する(図3参照)。
ここでは、制御部120が、第1利用側熱交換器102a、第3利用側熱交換器102cを冷媒の放熱器として機能させて暖房を行い、第2利用側熱交換器102bが運転を停止する場合を例に挙げて、第2運転を行う際における動作を説明する(図4参照)。
次に、第3運転について、第3A運転、第3B運転、第3C運転の3つの運転に分けて説明する。
ここでは、制御部120が、第1利用側熱交換器102a、第2利用側熱交換器102bを冷媒の蒸発器として機能させて冷房を行い、第3利用側熱交換器102cは冷媒の放熱器として機能させて暖房を行う場合を例に挙げて、第3A運転を行う際における動作を説明する(図5参照)。
第3A運転を行う際は、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器の数が少なくなる等の理由によって、利用側熱交換器全体の蒸発負荷が小さいと制御部120が判断する場合がある。このような場合、制御部120は、第1熱源側熱交換器81を冷媒の放熱器として、第2熱源側熱交換器82を冷媒の蒸発器として、機能させる。制御部120がこのような制御を行うことで、第1熱源側熱交換器81の放熱負荷と第2熱源側熱交換器82の蒸発負荷とが相殺されて、熱源側熱交換器全体の放熱負荷を小さくすることができる(図6参照)。
ここでは、制御部120が、第1利用側熱交換器102a、第2利用側熱交換器102bを冷媒の放熱器として機能させて暖房を行い、第3利用側熱交換器102cを冷媒の蒸発器として機能させて冷房を行う場合を例に挙げて、第3B運転を行う際における動作を説明する(図7参照)。
ここでは、制御部120が第1利用側熱交換器102aを冷媒の放熱器として機能させて暖房を行い、第2利用側熱交換器102bの運転を停止し、第3利用側熱交換器102cを冷媒の蒸発器として機能させて冷房を行う場合を例に挙げて、第3C運転を行う際における動作を説明する(図8参照)。
(4-1)
上記の(3-3-1-1)で述べたように、第3A運転を行う際は、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器の数が少なくなる等の理由によって、制御部120が、利用側熱交換器全体の蒸発負荷が小さいと判断する場合がある。このような場合には、制御部120は第1熱源側熱交換器81を冷媒の放熱器として、第2熱源側熱交換器82を冷媒の蒸発器として、機能させることで、第1熱源側熱交換器81の放熱負荷と、第2熱源側熱交換器82の蒸発負荷と、を相殺させる。このようにして、制御部120は熱源側熱交換器全体の放熱負荷を小さくする運転を行う。
第1運転を行う際、もしくは第3A運転を行う際は、第1熱源側熱交換器81と第2熱源側熱交換器82とを放熱器として機能させる。本開示における空気調和機1は、第1熱源側熱交換器81に対して第1エコノマイザ熱交換器61が、第2熱源側熱交換器82に対して第2エコノマイザ熱交換器62が、それぞれ直列に接続されている。本開示における空気調和機1がこのような構成を取ることで、第1運転や第3A運転を行う際であっても、第1熱源側熱交換器81もしくは第2熱源側熱交換器82において放熱を行った冷媒は、第1エコノマイザ熱交換器61もしくは第2エコノマイザ熱交換器62を確実に流れる。これにより、エコノマイザ熱交換器61、62において十分な熱交換が為されている。
本開示における空気調和機1は、超臨界冷凍サイクルを行う。超臨界冷凍サイクルを行う場合は、複数の圧縮機を用いて二段圧縮を行うことが好ましい。二段圧縮を行う場合は、冷却された冷媒を圧縮機にインジェクションすることが好ましい。本開示における空気調和機1は、第1熱源側熱交換器81に対して第1エコノマイザ熱交換器61が、第2熱源側熱交換器82に対して第2エコノマイザ熱交換器62が、それぞれ直列に接続されている。さらに、共通部35は、第1メイン熱源側流路21から分岐して第1エコノマイザ熱交換器61までの間、且つ、第2メイン熱源側流路22から分岐して第2エコノマイザ熱交換器62までの間、に配置されている。これにより、超臨界冷凍サイクルを行う空気調和機1は、圧縮機11及び圧縮機12において、効率的に二段圧縮を行うことが出来ている。
次に、本実施形態に係る空気調和機1の変形例について説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
上記実施形態において、圧縮機11、12は、単段圧縮構造の圧縮機を2台直列接続した構成を取るものとして説明した。しかしながら、本開示における圧縮機はこのような構成を取るものに限定されず、例えば、単一のケーシング内に2つの圧縮機11、12が一体に組み込まれた二段圧縮構造の圧縮機であってもよい。
上記実施形態において、圧縮機11、12は、単段圧縮構造の圧縮機を2台直列接続した構成を取るものとして説明した。しかしながら、本開示における圧縮機はこのような構成を取るものに限定されず、例えば、中間圧の冷媒を圧縮過程の途中に導入することが可能なインジェクションポートを有する1台の単段圧縮構造の圧縮機11aであってもよい。このような構成を取る空気調和機1aが、全冷房運転や冷房主体運転や冷暖同時運転を行う際、第1エコノマイザ配管31及び第2エコノマイザ配管32を流れる冷凍サイクルにおける中間圧の冷媒は、第1エコノマイザ熱交換器61及び第2エコノマイザ熱交換器62で熱交換を行った後に、インジェクションポートを介して、1台の単段圧縮構造の圧縮機11aに送られる(図10参照)。
上記実施形態において、熱源側ユニット110は、2台の熱源側熱交換器81、82と、それに対応する2台のエコノマイザ熱交換器61、62を備えるものとして説明した。しかしながら、本開示における熱源側熱交換器及びエコノマイザ熱交換器の台数は2台に限定されるものではなく、より多くの台数の熱源側熱交換器と、その数に対応するエコノマイザ熱交換器を備えるような構成を取ってもよい。
上記実施形態において、空気調和機1bの熱源側ユニット110は、2台の熱源側熱交換器81、82と、それに対応する2台のエコノマイザ熱交換器61、62を備えると説明した。しかしながら、本開示における熱源側熱交換器及びエコノマイザ熱交換器はこのような構成を取るものに限定されず、1台のエコノマイザ熱交換器63が、熱源側熱交換器の台数と同じ本数の高圧流路と1本の低圧流路とを有する、といった構成を取ってもよい。例えば、熱源側ユニット110が2台の熱源側熱交換器81、82を備える場合、1台のエコノマイザ熱交換器63は、2本の高圧流路と1本の低圧流路とを有する(図11参照)。この場合、1台のエコノマイザ熱交換器63は、第1エコノマイザ熱交換器63a及び第2エコノマイザ熱交換器63bとして機能する。またこの場合、第1エコノマイザ配管31及び第2エコノマイザ配管32は、共通部35で合流した状態で、圧縮機11、12に戻る。
上記実施形態において、第1熱源側切換機構5、第2熱源側切換機構6、第3熱源側切換機構7は、四路切換弁であると説明した。しかしながら、本開示においては、流路切換弁として必ずしも四路切換弁を使用する必要はない。例えば、電磁弁や電動弁、又は三方弁や五方弁等の他の切換弁を、流路切換弁として使用してもよい。
2 液冷媒連絡管
3 高低圧ガス冷媒連絡管
4 低圧ガス冷媒連絡管
10 吐出管
11、11a、12 圧縮機
21 第1メイン熱源側流路
22 第2メイン熱源側流路
31 第1エコノマイザ配管
32 第2エコノマイザ配管
35 共通部
36 膨張機構
61、63a 第1エコノマイザ熱交換器
62、63b 第2エコノマイザ熱交換器
70a、70b、70c 分岐ユニット
81 第1熱源側熱交換器
82 第2熱源側熱交換器
110 熱源側ユニット
101a、101b、101c 利用側ユニット
120 制御部
Claims (7)
- それぞれが冷房運転と暖房運転との切り替えを行う、複数の利用側ユニット(101a、101b、101c)と、
圧縮機(11、11a、12)と、前記圧縮機から吐出された冷媒が流れる吐出管(10)と、前記吐出管から分岐する第1メイン熱源側流路(21)及び第2メイン熱源側流路(22)と、第1熱源側熱交換器(81)と、第2熱源側熱交換器(82)と、第1エコノマイザ熱交換器(61、63a)と、第2エコノマイザ熱交換器(62、63b)と、を有する熱源側ユニット(110)と、
を備え、
前記圧縮機は、低段側の第1圧縮機(11)と高段側の第2圧縮機(12)とを含み、
前記吐出管は、前記第2圧縮機によって圧縮された冷媒が吐出される配管であり、
前記第1熱源側熱交換器と前記第1エコノマイザ熱交換器とは、前記第1メイン熱源側流路において直列に接続されており、
前記第2熱源側熱交換器と前記第2エコノマイザ熱交換器とは、前記第2メイン熱源側流路において直列に接続されている、
空気調和機(1、1a、1b)。 - 前記熱源側ユニットにおいて冷媒の流れを切り替えることによって、第1運転、第2運転、及び第3運転を切り替える、制御部(120)、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1運転時には、前記第1熱源側熱交換器及び前記第2熱源側熱交換器が放熱器として機能するように冷媒の流れを切り替え、
前記第2運転時には、前記第1熱源側熱交換器及び前記第2熱源側熱交換器が蒸発器として機能するように冷媒の流れを切り替え、
前記第3運転時には、前記第1熱源側熱交換器が放熱器、前記第2熱源側熱交換器が蒸発器、として機能する、ように冷媒の流れを切り替える、
請求項1に記載の空気調和機。 - 前記熱源側ユニットは、
前記第1メイン熱源側流路から分岐して、前記圧縮機に向かって延びる、第1エコノマイザ配管(31)と、
前記第2メイン熱源側流路から分岐して、前記圧縮機に向かって延びる、第2エコノマイザ配管(32)と、
をさらに有し、
前記第1エコノマイザ熱交換器は、前記第1メイン熱源側流路を流れる冷媒と前記第1エコノマイザ配管を流れる冷媒との熱交換を行い、
前記第2エコノマイザ熱交換器は、前記第2メイン熱源側流路を流れる冷媒と前記第2エコノマイザ配管を流れる冷媒との熱交換を行う、
請求項1又は2に記載の空気調和機。 - 前記第1エコノマイザ配管と前記第2エコノマイザ配管とは、共通部(35)を有し、
前記共通部は、前記第1メイン熱源側流路から分岐して前記第1エコノマイザ熱交換器までの間、且つ、前記第2メイン熱源側流路から分岐して前記第2エコノマイザ熱交換器までの間、に配置されており、
前記共通部には、前記第1エコノマイザ配管と前記第2エコノマイザ配管とに共通の膨張機構(36)が設けられている、
請求項3に記載の空気調和機。 - 前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力が、冷媒の臨界圧力を超える圧力になる超臨界冷凍サイクルを行う、
請求項1から4のいずれかに記載の空気調和機。 - 冷媒は、CO2冷媒もしくはCO2混合冷媒である、
請求項1から5のいずれかに記載の空気調和機。 - 前記熱源側ユニットは、高圧の冷媒が流れる高圧冷媒配管(90a)の端部に位置する第1閉鎖弁(90)と、高圧あるいは低圧の冷媒が流れる高低圧配管(91a)の端部に位置する第2閉鎖弁(91)と、低圧の冷媒が流れる低圧冷媒配管(92a)の端部に位置する第3閉鎖弁(92)と、をさらに有し、
前記第1閉鎖弁と前記利用側ユニットとを接続する液冷媒連絡管(2)と、
前記第2閉鎖弁と前記利用側ユニットとを接続する高低圧ガス冷媒連絡管(3)と、
前記第3閉鎖弁と前記利用側ユニットとを接続する低圧ガス冷媒連絡管(4)と、
をさらに備える、
請求項1から6のいずれかに記載の空気調和機。
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