JP7343765B2 - 空気調和機 - Google Patents
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Description
(1)全体構成
図1は、本開示の第1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、圧縮機構15と、熱源側ユニット100と、複数の利用側ユニット101a、101b、101cと、分岐ユニット70a、70b、70cと、制御部120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と暖房運転とを自由に選択可能に構成されている。冷媒回路30には、超臨界域で作動する冷媒(ここでは、CO2又はCO2混合冷媒)が封入されている。
(2-1)圧縮機構
圧縮機構15は、第1圧縮部11と第2圧縮部12と、を有する。圧縮機構15は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を吸入管8によって吸入し、第1圧縮部11及び第2圧縮部12によって圧縮する。冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、第1圧縮部11によって冷凍サイクルにおける中間圧まで圧縮された後に、中間連絡管9に吐出される。この中間連絡管9に吐出された冷媒は、第2圧縮部12に吸入される。この第2圧縮部12に吸入された冷媒は、冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された後に、吐出管10に吐出される。
熱源側ユニット100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100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、液側遮断弁90、第1ガス側遮断弁91、第2ガス側遮断弁92、分岐ユニット70a、70b、70cを介して利用側ユニット101a、101b、101cに接続されており、冷媒回路30の一部を構成している。
熱源側熱交換器は、冷媒と室外空気等との熱交換を行う熱交換器であり、ここでは、第1熱源側熱交換器81と第2熱源側熱交換器82とに分割されている。第1熱源側熱交換器81は、冷媒の蒸発器または放熱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は、液冷媒連絡管2によって第1熱源側切換機構5aと接続されている。第2熱源側熱交換器82は、冷媒の中間冷却器又は蒸発器として機能する熱交換器である。第2熱源側熱交換器82は、第2中間連絡管分岐管9bによって第2熱源側切換機構5bと接続されている。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、液冷媒連絡管分岐管84を通じて接続されている。
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、液側遮断弁90、第1ガス側遮断弁91、第2ガス側遮断弁92、及び分岐ユニット70a、70b、70cを介して熱源側ユニット100に接続されており、冷媒回路30の一部を構成している。
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100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、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、冷房運転と暖房運転と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。
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。制御部120は、熱源側制御部111と、利用側制御部104と、分岐側制御部74と、が通信回線で結ばれることによって構成される(図2参照)。
ΔQ=冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器の運転機容量-冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器の運転機容量
としたとき、
ΔQが第1閾値c1よりも大きい場合、制御部120は、第1熱源側熱交換器81及び第2熱源側熱交換器82を冷媒の放熱器として機能させる。
ΔQが第1閾値c1以下であって、第2閾値c2以上の場合、制御部120は、第1熱源側熱交換器81を放熱器として、第2熱源側熱交換器82を蒸発器とする。
ΔQが第2閾値c2よりも小さい場合、制御部120は、第1熱源側熱交換器81及び第2熱源側熱交換器82を冷媒の蒸発器として機能させる。
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運転を行い、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運転を行い、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。
第3A運転は、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器と、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器と、の両方が混在するが、全体としては蒸発側の負荷が大きい運転(冷房主体運転)である。
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を冷媒の放熱器として機能させて暖房運転を行い、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運転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6参照)。
ここでは、制御部120が、第1利用側熱交換器102aは冷媒の放熱器として機能させて暖房運転を行い、第2利用側熱交換器102bは運転を停止し、第3利用側熱交換器102cは冷媒の蒸発器として機能させて冷房運転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7参照)。
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、上記の第1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、空気調和機1の熱源側ユニット100は、第1熱源側熱交換器81、第2熱源側熱交換器82を有すると説明した。しかしながら、空気調和機1の構成はこれに限られるものでなく、例えば、空気調和機1Aにおいて、熱源側熱交換器が、第1熱源側熱交換器81と、第2熱源側熱交換器82と、第3熱源側熱交換器83と、に分割されていてもよい(図8、図9参照)。
上記実施形態において、第1熱源側切換機構5a、第2熱源側切換機構5b、第3熱源側切換機構5c、第4熱源側切換機構5d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。
(5-1)
複数の圧縮部からなる圧縮機構と、蒸発器や放熱器として機能するよう分割された熱源側熱交換器と、利用側ユニットとを備える空気調和機であって、利用側ユニットごとに冷房運転と暖房運転とを切換可能に構成された空気調和機においては、複数の圧縮部によって圧縮される冷媒を、中間冷却器として機能する熱交換器によって冷却することで、運転効率を向上させることが考えられる。特に、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空気調和機においては、圧縮機構から吐出される冷媒の温度が高くなるため、中間冷却器によって冷媒を冷却することで、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を低下させることが考えられる。しかしながら、蒸発器や放熱器として機能するよう分割された熱源側熱交換器を、さらに中間冷却器として機能する熱交換器に分割することは、コストの増大を招く。本開示の第1実施形態における空気調和機1は、第1運転時には冷媒の中間冷却器として機能する第2熱源側熱交換器82が、第2運転時や第3運転時には冷媒の蒸発器として機能する。このように、1台の熱交換器が、制御部120の指示によって、中間冷却器として機能し、あるいは蒸発器として機能するように構成されている。これにより、熱源側熱交換器を中間冷却器として機能する熱交換器にさらに分割する必要がなくなるため、コストの増大を抑えられている。
本開示に係る第1実施形態における空気調和機1は、熱源側熱交換器を分割することで、第1熱源側熱交換器81と、第2熱源側熱交換器82と、第3熱源側熱交換器83を有してもよい。熱源側熱交換器をこのように分割することで、熱源側熱交換器は、利用側ユニットの熱負荷をより適切に処理することが出来ている。
次に、本開示の第2実施形態としての空気調和機1Sについて説明を行う。なお、他の実施形態と区別するために、本実施形態では添え字Sを付すことがある。第1実施形態に係る空気調和機1では、冷媒の中間冷却器として機能し、なおかつ冷媒の蒸発器として機能する第2熱源側熱交換器82を備える空気調和機1について説明を行った。第2実施形態は、図10に示すように、熱源側ユニット100Sが、バイパス配管20を有する点が第1実施形態と異なる。この点を除いて、第2実施形態の構成は、第1実施形態の構成と実質的に同じである。このため、第2実施形態では、第1実施形態と異なる構成について説明し、その他の説明は省略する。
(6-1)中間連絡管
中間連絡管9Sは、第1圧縮部11で冷凍サイクルにおける高圧まで圧縮された冷媒が吐出される配管であり、第1中間連絡管分岐管9aSと、第2中間連絡管分岐管9bSとに分岐する。第2中間連絡管分岐管9bSは、第2熱源側切換機構5bSを通じて中間連絡管9Sと第2熱源側熱交換器82Sとを接続する配管である。第1中間連絡管分岐管9aSは、中間連絡管9Sと第2圧縮部12とを接続する配管である。
熱源側ユニット100S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100S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、液側遮断弁90、第1ガス側遮断弁91、第2ガス側遮断弁92、第5ガス側遮断弁94、分岐ユニット70a、70b、70cを介して利用側ユニット101a、101b、101cに接続されており、冷媒回路30Sの一部を構成している。
第2熱源側熱交換器82Sは、冷媒の中間冷却器、蒸発器又は放熱器として機能する熱交換器である。第2熱源側熱交換器82Sは、第2中間連絡管分岐管9bSによって第2熱源側切換機構5bSと接続されている。第1熱源側熱交換器81の液側と第2熱源側熱交換器82Sの液側とは、液冷媒連絡管分岐管84を通じて接続されている。
次に、本実施形態に係る空気調和機1Sの動作について説明する。本実施形態に係る空気調和機1Sは、制御部120が第2S運転と第3S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を冷媒の放熱器として機能させて暖房運転を行い、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2S運転を行う際における動作を説明する(図11参照)。
次に、第3S運転について説明する。ここでは、第3S運転の一例として、冷媒の放熱器として機能する利用側熱交換器と、冷媒の蒸発器として機能する利用側熱交換器と、の両方が混在するが、全体としては放熱側の負荷が大きい運転(暖房主体運転)を行う場合について説明する。
(8-1)
複数の圧縮部からなる圧縮機構と、蒸発器や放熱器として機能するよう分割された熱源側熱交換器と、複数の利用側ユニットとを備える空気調和機であって、利用側ユニットごとに冷房運転と暖房運転とを切換可能に構成された空気調和機においては、複数の圧縮部によって圧縮される冷媒を、中間冷却器として機能する熱交換器によって冷却することで、運転効率を向上させることが考えられる。特に、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空気調和機においては、圧縮機構から吐出される冷媒の温度が高くなるため、中間冷却器によって冷媒を冷却することで、圧縮機構から吐出される冷媒の温度を低下させることが考えられる。しかしながら、蒸発器や放熱器として機能するよう分割された熱源側熱交換器を、さらに中間冷却器として機能する熱交換器に分割することは、コストの増大を招く。本開示の第2実施形態に係る空気調和機1Sは、第1運転時には冷媒の中間冷却器として機能する第2熱源側熱交換器82Sが、第2運転時や第3運転時には冷媒の蒸発器や冷媒の放熱器として機能する。このように、1台の熱交換器が、制御部120の指示によって、中間冷却器や蒸発器、あるいは放熱器として機能するため、熱源側熱交換器を、中間冷却器として機能する熱交換器にさらに分割する必要がなくなる。これにより、コストの増大を抑えられている。
上記第1実施形態における第2熱源側熱交換器82は、冷媒の蒸発器として機能し、かつ冷媒の中間冷却器として機能する。一般に、熱源側熱交換器を放熱器と蒸発器とに分割する場合、蒸発器の比率が小さくなるように分割する。本開示においても、蒸発器として機能し、なおかつ中間冷却器として機能する第2熱源側熱交換器82は、大きさの比率が第1熱源側熱交換器81よりも小さくなるように分割される。
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 第1圧縮部
12 第2圧縮部
15 圧縮機構
20 バイパス配管
21 エコノマイザ配管
61 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、82S 第2熱源側熱交換器
83 第3熱源側熱交換器
100 熱源側ユニット
101a、101b、101c 利用側ユニット
120 制御部
Claims (7)
- 第1圧縮部(11)と、前記第1圧縮部の吐出側に配置される第2圧縮部(12)と、を有する圧縮機構(15)と、
第1熱源側熱交換器(81)と、第2熱源側熱交換器(82、82S)と、を有する熱源側ユニット(100)と、
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、
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)と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1運転時には、前記第1熱源側熱交換器が放熱器、前記第2熱源側熱交換器が中間冷却器、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熱源側熱交換器が蒸発器、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る、
空気調和機(1、1A、1S)。 - 前記熱源側ユニットは、
前記中間冷却器として機能する前記第2熱源側熱交換器を流れる冷媒を、前記第2圧縮部の吸入側に送る配管(9c)、
をさらに有する、
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2圧縮部をバイパスさせるバイパス配管(20)、
をさらに有する、
請求項1又は2に記載の空気調和機。 - 前記熱源側ユニットは、
前記第1熱源側熱交換器から前記複数の利用側ユニットに送られる冷媒の一部を分岐して、前記第2圧縮部の吸入側に送る、エコノマイザ配管(21)と、
前記第1熱源側熱交換器から前記利用側ユニットに送られる冷媒と、前記エコノマイザ配管を流れる冷媒と、の熱交換を行わせる、エコノマイザ熱交換器(61)と、
をさらに有する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の空気調和機。 - 前記熱源側ユニットは、第3熱源側熱交換器(83)をさらに有し、
前記制御部は、
前記第1運転時には、前記第1熱源側熱交換器が放熱器、前記第2熱源側熱交換器が中間冷却器、前記第3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、前記第2熱源側熱交換器及び前記第3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、前記第2熱源側熱交換器及び前記第3熱源側熱交換器のうち、2つの熱交換器が蒸発器、残り1つの熱交換器が放熱器、として機能する、
或いは、
前記第1熱源側熱交換器、前記第2熱源側熱交換器及び前記第3熱源側熱交換器のうち、2つの熱交換器が放熱器、残り1つの熱交換器が蒸発器、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。 - 前記圧縮機構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5のいずれか1項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6のいずれか1項に記載の空気調和機。
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