JP2014074583A - 冷凍空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３個以上の圧縮機を使用する冷凍サイクルで構成される冷凍空調装置であっても、油の偏りを防止し、かつユニットサイズが大きくならず、コンパクトで高効率の冷凍空調装置を得る。
【解決手段】第１圧縮機及び第１減圧装置を有する第１冷凍サイクルと、第２圧縮機及び第２減圧装置を有する第２冷凍サイクルと、第３圧縮機及び第３減圧装置を有する第３冷凍サイクルと、第４圧縮機及び第４減圧装置を有する第４冷凍サイクルと、熱媒体と、第１冷凍サイクルの冷媒及び第２冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換された熱媒体と、第３冷凍サイクルの冷媒及び第４冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍空調装置に係り、特に水・ブラインなどの液媒体を加熱・冷却することで、冷温熱を負荷側に供給する冷凍空調装置に関するものである。

従来の冷温熱を供給する冷凍空調装置は、２つの冷媒回路を搭載し、水側の流路を２つの冷媒回路のプレート熱交換器の入口と出口で連結させることにより、熱交換器内での凍結を防止するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８７３５３号公報（第１頁、図１）

しかし、従来の冷凍空調装置の場合には、圧縮機が３台以上になると、プレート熱交換器をさらに複雑な構造にするしかなく、ユニットサイズも大きくなり、結果としてコストも高くなるという問題があった。
また、熱交換器の流路の形態が冷媒側回路を左右に２分割していることから、１台の圧縮機が停止した場合、合流後の温度をみて凍結検知しているものの、停止している系統は完全にバイパスすることになるため、効率が低下するという問題もあった。

本発明はかかる問題を解決するためになされたもので、３個以上の圧縮機を使用する冷凍サイクルで構成される冷凍空調装置であっても、油の偏りを防止し、かつユニットサイズが大きくならないようにし、コンパクトで高効率の冷凍空調装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍空調装置は、第１圧縮機及び第１減圧装置を有する第１冷凍サイクルと、第２圧縮機及び第２減圧装置を有する第２冷凍サイクルと、第３圧縮機及び第３減圧装置を有する第３冷凍サイクルと、第４圧縮機及び第４減圧装置を有する第４冷凍サイクルと、熱媒体と、第１冷凍サイクルの冷媒及び第２冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換された熱媒体と、第３冷凍サイクルの冷媒及び第４冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、を備えたものである。

本発明に係る冷凍空調装置は、第１圧縮機及び第１減圧装置を有する第１冷凍サイクルと、第２圧縮機及び第２減圧装置を有する第２冷凍サイクルと、第３圧縮機及び第３減圧装置を有する第３冷凍サイクルと、第４圧縮機及び第４減圧装置を有する第４冷凍サイクルと、熱媒体と、第１冷凍サイクルの冷媒及び第２冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、第１熱交換器で熱交換された熱媒体と、第３冷凍サイクルの冷媒及び第４冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、を備えており、複数の冷凍サイクルは圧縮機毎に独立しているため、圧縮機から出て行った油量分、油が圧縮機に戻ってくる回路であり、油が減ることが無いため、信頼性が高くなると共に、熱源側熱交換器と負荷側熱交換器は複数の冷凍サイクルに共用されるため、熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できるという効果がある。
また、複数の冷凍装置のそれぞれの熱交換器に対して熱媒体の流路を直列に接続したので、熱媒体を所定温度まで冷却したり、熱媒体を所定温度まで加熱したりする場合に熱交換器あたりの温度勾配を小さくすることにより、熱交換器を１個或いは並列に設置した場合よりも、効率の良い運転を提供することができる。

本発明の実施の形態１の冷凍空調装置の回路図。 同冷凍空調装置の水熱交換器の内部構造の概略構成図。 本発明の実施の形態２の冷凍空調装置の回路図。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の冷凍空調装置の回路図、図２は同冷凍空調装置の水熱交換器の内部構造の概略構成図である。
図１に示すように、冷凍空調装置である熱源機１内には、同一回路構成で同一仕様の冷凍サイクル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがそれぞれ搭載されている。
冷凍サイクル２ａには、圧縮機３ａ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ａ、減圧装置である主膨張弁５ａ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ａが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。また、冷凍サイクル２ｂには、圧縮機３ｂ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ａ、減圧装置である主膨張弁５ｂ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ａが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。
そして、２つの水熱交換器４ａ、６ａは２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用される。
この２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂで１つ或いは１組の冷凍装置が構成される。

さらに、冷凍サイクル２ｃには、圧縮機３ｃ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ｃ、減圧装置である主膨張弁５ｃ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ｃが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。また、冷凍サイクル２ｄには、圧縮機３ｄ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ｃ、減圧装置である主膨張弁５ｄ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ｃが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。そして、２つの水熱交換器４ｃ、６ｃは２つの冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用される。
この２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂで１つ或いは１組の冷凍装置が構成される。
したがって、この実施の形態１は、２つ或いは２組の冷凍装置で構成されている。
各冷凍サイクル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄともそれぞれ１個の圧縮機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが備えられる。
各々の環状に接続された冷媒回路２は、圧縮機３、水熱交換器４、主膨張弁５、水熱交換器６、圧縮機３の順で冷媒が流れる。

水熱交換器４ａ、４ｃ、６ａ、６ｃはプレート式熱交換器であり、図２に示すように、熱源媒体である水と冷媒１、冷媒２の流路を持ち、水１回路、冷媒２回路を流す構造となっており、熱源と冷媒１及び冷媒２が熱交換を行う。この冷凍空調装置の冷媒としては疑似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａが用いられる。
また、主膨張弁５ａ〜５ｃは開度が可変に制御される電子膨張弁である。
熱負荷媒体である冷水は、熱源機１の外部に設けられた冷水ポンプ１１により搬送され、熱源機１内では点線の流路となり、水熱交換器６ａ、水熱交換器６ｃの順に流れる。これら水熱交換器６ａ、６ｃでは、冷媒と冷水が対向して流れる対向流となるように流路構成される。
また、熱源媒体である冷却水は、熱源機１の外部に設けられた冷却水ポンプ１２により搬送され、熱源機１内では点線の流路となり、水熱交換器４ｃ、水熱交換器４ａの順に流れる。これら水熱交換器４ａ、４ｃでは、冷媒と冷水が対向して流れる対向流となるように流路構成される。

熱源機制御装置１３は、冷凍サイクルの冷媒圧力や温度、熱媒体となる水温の温度を計測し、運転情報や冷凍空調装置の使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転・停止や回転数、主膨張弁５の開度等、各アクチュエータを制御する。

次に、本発明の実施の形態１の冷凍空調装置の運転動作について説明する。
冷凍サイクル２ａにおいて、圧縮機３ａから吐出された高温高圧のガス冷媒は、熱源側水熱交換器である水熱交換器４ａに流入し、凝縮器となる水熱交換器４ａで放熱しながら凝縮・液化する。
水熱交換器４ａを出た高圧の液冷媒は主膨張弁５ａに流入する。主膨張弁５ａにて低圧に減圧された二相状態の冷媒は、蒸発器となる負荷側水熱交換器である水熱交換器６ａにて、蒸発ガス化しながら吸熱し、負荷側熱媒体である水を冷却し冷水を生成する。水熱交換器６ａを出た冷媒は圧縮機３ａに吸入される。
冷凍サイクル２ｂ、２ｃ、２ｄについても、上記冷凍サイクル２ａの動作と同じである。

次に、負荷側熱交換器である水熱交換器６ａ、６ｃに流れる冷水の動作について説明する。
冷水は冷水ポンプ１１によって駆動される。低温の、例えば７℃の冷水はファンコイルなどの負荷側装置に流入し、そこで負荷側装置周囲に冷熱を供給しながら冷水そのものの温度は上昇し、例えば１２℃まで上昇した後で、熱源機１に流入する。
熱源機１に流入した冷水は、水熱交換器６ａにて冷媒により冷却されて温度低下し、例えば９．５℃となって流出し、次いで水熱交換器６ｃに流入する。ここで、冷水は冷媒により冷却され、さらに温度低下し、例えば７℃となって、水熱交換器６ｃを流出し、熱源機１を流出する。その後、冷水は再び負荷側装置に流入する。

次に、熱源側熱交換器である水熱交換器４ａ、４ｃに流れる冷却水の動作について説明する。
冷却水は冷却水ポンプ１２によって駆動される。高温の、例えば４０℃の冷却水はクーリングタワーなど冷却装置に流入し、そこで空気などの装置周囲に放熱しながら冷却水の温度は低下し、例えば３５℃まで低下した後で、熱源機１に流入する。
熱源機１に流入した冷却水は、水熱交換器４ｃにて冷媒により加熱されて温度上昇し、例えば３７．５℃となって流出し、次いで水熱交換器４ａに流入する。ここで、冷却水は冷媒により加熱され、さらに温度上昇し、例えば４０℃となって、水熱交換器４ａを流出し、熱源機１を流出する。その後、冷却水は再び冷却装置に流入する。

通常、圧縮機には、運転に必要な油が蓄えられているが、微量の油は冷媒と共に冷凍サイクル内を循環する。
本実施の形態１の冷凍空調装置である熱源機１においては、圧縮機３ａ〜３ｄのそれぞれ１台につき、冷凍サイクル２ａ〜２ｄの冷媒回路はそれぞれ１つであり、出て行った油量分、油が圧縮機に戻ってくる回路であり、油が減ることが無いため、信頼性が高くなる。

また、各水熱交換器４ａ、６ａを有する冷媒回路を構成する冷凍サイクル２ａ、２ｂは独立しているが、水熱交換器４ａ、６ａは、プレート式熱交換器で、水１回路、冷媒２回路を有し、冷媒と冷水が対向して流れる対向流となるように流路構成されており、２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用されるため、水熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できる。
また、各水熱交換器４ｃ、６ｃを有する冷媒回路を構成する冷凍サイクル２ｃ、２ｄも独立しているが、水熱交換器４ｃ、６ｃは、前記と同様に、２つの冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用されるため、水熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できる。

また、冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用される水熱交換器６ａの冷水流路８ａと、冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用される水熱交換器６ｃの冷水流路８ｂとが直列に接続され、熱負荷媒体である冷水は、熱源機１の外部に設けられた冷水ポンプ１１により搬送され、上流側の冷水流路８ａから下流側の冷水流路８ｂへと順に流れ、冷水を所定温度まで下げるように分担して温度勾配を小さく冷却するようにしているので、熱交換器１個或いは並列に設置した２個の熱交換器により所定温度まで下げるよう冷却する場合よりも、効率の良い冷却運転を提供することができる。
また、冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用される水熱交換器４ｃの冷却水流路９ａと、冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用される水熱交換器４ａの冷却水流路９ｂとが直列に接続され、熱源媒体である冷却水は、熱源機１の外部に設けられた冷却水ポンプ１２により搬送され、上流側の冷却水流路９ａから下流側の冷却水流路９ｂへと順に流れ、冷却水を所定温度まで上げるように分担して温度勾配を小さく加熱するようにしているので、熱交換器が１個或いは並列に設置した２個の熱交換器により所定温度まで上げるよう加熱する場合よりも、効率の良い冷却運転を提供することができる。

また、圧縮機３ａ〜３ｄが、容量可変な圧縮機である場合、圧縮機の容量は、冷水温度センサー７の温度と目標温度を比較して、冷水温度＞目標温度の場合は、圧縮機の合計容量を大きくしている。また、冷水温度＜目標温度の場合は、圧縮機の合計容量を小さくする制御をしている。
一般に、一つの水熱交換器に対して複数の圧縮機を並列に使用した場合、油の偏りを防止するために複数の圧縮機は同容量で運転する必要があった。
本実施の形態１の冷凍空調装置である熱源機１においては、熱源側熱交換器の水熱交換器４ａ又は負荷側熱交換器である水熱交換器６ａに対して２つの圧縮機３ａ、３ｂを使用したとしても、圧縮機３ａ、３ｂのそれぞれ１台につき、冷凍サイクル２ａ、２ｂの冷媒回路はそれぞれ独立して１つであるため、油の偏りを防止するという問題は生ぜず、圧縮機３ａ、又は３ｂの１台毎に容量制御を行い、細かな容量制御を行うことが可能となる。
これは、冷凍サイクル２ｃ、２ｄについても同様である。
また、圧縮機３ａ〜３ｄは、１台毎の冷媒配管径で構成されているため、圧縮機運転容量が小さい場合でも冷媒流速が小さくならないため、より小さい容量での運転が可能となる。
さらに、冷凍サイクル２ａ、２ｂ又は２ｃ、２ｄにおいて、２つの圧縮機のうち、一つの圧縮機が故障した場合でも、冷媒回路が独立していることで、他の正常な圧縮機での運転が可能であり、緊急対応も容易にできる。

また、使用される地域において商用電源の周波数が相違し、それによって熱源機の冷却能力が異なる場合に、実際に熱源機１が設置された現場において、熱源機制御装置１３が電源波形から商用電源の周波数を検知し、熱源機１に使用される圧縮機の商用電源の周波数の違いに対する冷却能力比を合わせるために圧縮機の容量の上限値を変更する。例えば、商用電源の周波数が５０Ｈｚで１００ＫＷの冷却能力、商用電源の周波数が６０Ｈｚで使用するときには１２０ＫＷの冷却能力がでるように圧縮機の容量の上限値を変更することで、圧縮機のハード構成を変えることなく、異なる商用電源の周波数に対して圧縮機の冷却能力を容易に対処させることができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２の冷凍空調装置の回路図である。
上記実施の形態１は、熱源側熱交換器である水熱交換器４ａと負荷側熱交換器である水熱交換器６ａを有する冷媒回路を構成する２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂを１組の冷凍装置とすると、２組の冷凍装置が構成されているが、実施の形態２は３組の冷凍装置で構成されている。
上記実施の形態２において、実施の形態１と同一の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略する。
この実施の形態２では、冷凍サイクル２ａ、２ｂで１組目の冷凍装置、冷凍サイクル２ｃ、２ｄで２組目の冷凍装置、冷凍サイクル２ｅ、２ｆで３組目の冷凍装置として構成されている。

冷凍サイクル２ｅには、圧縮機３ｅ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ｅ、減圧装置である主膨張弁５ｅ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ｅが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。また、冷凍サイクル２ｆには、圧縮機３ｆ、熱源側熱交換器である水熱交換器４ｅ、減圧装置である主膨張弁５ｆ、負荷側熱交換器である水熱交換器６ｅが内蔵され、環状に接続された冷媒回路を構成する。
水熱交換器４ｅ、水熱交換器６ｅも、冷媒と冷水が対向して流れる対向流となるように流路構成されている。
そして、２つの水熱交換器４ｅ、６ｅは２つの冷凍サイクル２ｅ、２ｆに共用される。
各冷凍サイクル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆともそれぞれ１個の圧縮機３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆが備えられる。
各々の環状に接続された冷媒回路２は、圧縮機３、水熱交換器４、主膨張弁５、水熱交換器６、圧縮機３の順で冷媒が流れる。

また、各水熱交換器４ａ、６ａを有する冷媒回路を構成する冷凍サイクル２ａ、２ｂは独立しているが、水熱交換器４ａ、６ａは、２つの冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用されるため、水熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できる。
さらに、各水熱交換器４ｃ、６ｃを有する冷媒回路を構成する冷凍サイクル２ｃ、２ｄも独立しているが、水熱交換器４ｃ、６ｃは、前記と同様に、２つの冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用されるため、水熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できる。
またさらに、各水熱交換器４ｅ、６ｅを有する冷媒回路を構成する冷凍サイクル２ｅ、２ｆも独立しているが、水熱交換器４ｅ、６ｅは、前記と同様に、２つの冷凍サイクル２ｅ、２ｆに共用されるため、水熱交換器個数は増えていないため、コンパクトな設置形態の装置を提供できる。

また、冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用される水熱交換器６ａの冷水流路８ａと、冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用される水熱交換器６ｃの冷水流路８ｂと、冷凍サイクル２ｅ、２ｆに共用される水熱交換器６ｅの冷水流路８ｃとが直列に接続され、熱負荷媒体である冷水は、熱源機１の外部に設けられた冷水ポンプ１１により搬送され、上流側の冷水流路８ａから中流側の冷水流路８ｂを経て下流側の冷水流路８ｃへと順に流れ、冷水を所定温度まで下げるように分担して温度勾配を小さく冷却するようにしているので、熱交換器１個或いは並列に設置した３個の熱交換器により所定温度まで下げるよう冷却する場合よりも、効率の良い冷却運転を提供することができる。

また、冷凍サイクル２ａ、２ｂに共用される水熱交換器４ａの冷却水流路９ｃと、冷凍サイクル２ｃ、２ｄに共用される水熱交換器４ｃの冷却水流路９ｂと、冷凍サイクル２ｅ、２ｆに共用される水熱交換器４ｅの冷却水流路９ａとが直列に接続され、熱源媒体である冷却水は、熱源機１の外部に設けられた冷却水ポンプ１２により搬送され、上流側の冷却水流路９ａから中流側の冷却水流路９ｂを経て下流側の冷却水流路９ｃへと順に流れ、冷却水を所定温度まで上げるように分担して温度勾配を小さく加熱するようにしているので、熱交換器が１個或いは並列に設置した３個の熱交換器により所定温度まで上げるよう加熱する場合よりも、効率の良い冷却運転を提供することができる。

本実施の形態２の冷凍空調装置である熱源機１においても、圧縮機３ａ〜３ｆのそれぞれ１台につき、冷凍サイクル２ａ〜２ｆの冷媒回路はそれぞれ１つであり、出て行った油量分、油が圧縮機に戻ってくる回路であり、油が減ることが無いため、信頼性が高くなる。

１ 熱源機、２ａ〜２ｆ 冷凍サイクル、３ａ〜３ｆ 圧縮機、４ａ、４ｃ、４ｅ 水熱交換器、５ａ〜５ｆ 主膨張弁、６ａ、６ｃ、６ｅ 水熱交換器、７ 冷水温度センサー、１１ 冷水ポンプ、１２ 冷却水ポンプ、１３ 熱源機制御装置。

Claims (6)

1. 第１圧縮機及び第１減圧装置を有する第１冷凍サイクルと、
   第２圧縮機及び第２減圧装置を有する第２冷凍サイクルと、
   第３圧縮機及び第３減圧装置を有する第３冷凍サイクルと、
   第４圧縮機及び第４減圧装置を有する第４冷凍サイクルと、
   熱媒体と、前記第１冷凍サイクルの冷媒及び前記第２冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器で熱交換された前記熱媒体と、前記第３冷凍サイクルの冷媒及び前記第４冷凍サイクルの冷媒とを熱交換する第２熱交換器と、
   を備えた冷凍空調装置。
2. 前記熱媒体は、前記第１熱交換器において前記第１圧縮機が吐出した冷媒及び前記第２圧縮機が吐出した冷媒によって加熱された後、前記第２熱交換器において前記第３圧縮機が吐出した冷媒及び前記第４圧縮機が吐出した冷媒によってさらに加熱されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
3. 前記熱媒体は、前記第１熱交換器において前記第１減圧装置が減圧した冷媒及び前記第２減圧装置が減圧した冷媒によって冷却された後、前記第２熱交換器において前記第３減圧装置が減圧した冷媒及び前記第４減圧装置が減圧した冷媒によってさらに冷却されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍空調装置。
4. 前記第１冷凍サイクル、前記第２冷凍サイクル、前記第３冷凍サイクル、前記第４冷凍サイクルは、同一仕様の冷凍サイクルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍空調装置。
5. 前記熱媒体を搬送するポンプを備え、
   前記ポンプは、前記第１冷凍サイクル、前記第２冷凍サイクル、前記第３冷凍サイクル、前記第４冷凍サイクルを搭載する熱源機の外部に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍空調装置。
6. 第１圧縮機及び第１減圧装置を有する第１冷凍サイクルと、
   第２圧縮機及び第２減圧装置を有する第２冷凍サイクルと、
   第３圧縮機及び第３減圧装置を有する第３冷凍サイクルと、
   第４圧縮機及び第４減圧装置を有する第４冷凍サイクルと、
   第１熱媒体と、前記第１圧縮機が吐出する高温冷媒及び前記第２圧縮機が吐出する高温冷媒とを熱交換して、前記第１熱媒体を加熱する第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器において加熱された前記第１熱媒体と、前記第３圧縮機が吐出高温冷媒及び前記第４圧縮機が吐出する高温冷媒とを熱交換して、前記第１熱媒体をさらに加熱する第２熱交換器と、
   第２熱媒体と、前記第３減圧装置が減圧した低温冷媒及び前記第４減圧装置が減圧した低温冷媒とを熱交換して、前記第２熱媒体を冷却する第３熱交換器と、
   前記第３熱交換器で冷却された前記第２熱媒体と、前記第１減圧装置が減圧した低温冷媒及び前記第２減圧装置が減圧した低温冷媒とを熱交換して、前記第２熱媒体をさらに冷却する第４熱交換器と、
   を備えた冷凍空調装置。

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