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1. (WO2019026234) REFRIGERATION CYCLE DEVICE
Document

明 細 書

発明の名称 冷凍サイクル装置

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006  

発明の効果

0007  

図面の簡単な説明

0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067  

符号の説明

0068  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : 冷凍サイクル装置

技術分野

[0001]
 本発明は、水またはブラインを含む熱媒体を冷凍サイクルで加熱または冷却した冷媒と熱交換させて、冷温熱を負荷側に供給する冷凍サイクル装置に関する。

背景技術

[0002]
 冷温熱を負荷側に供給する冷凍サイクル装置の一例として、凝縮器と、凝縮器に並列に接続された2つの蒸発器とを有する冷却器が開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示された冷却器では、2つの蒸発器で冷媒と熱交換を行う熱媒体が流通する配管が、2つの蒸発器が直列に接続されるように設置されている。熱媒体は、2つの蒸発器で段階的に冷却される。この冷却器では、直列に接続される2つの蒸発器のうち、1段目の蒸発器の蒸発温度を2段目の蒸発器の蒸発温度よりも高い温度に設定することで、冷凍効率の高い運転を行っている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2006-329601号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 特許文献1に開示された冷却器において、熱媒体が受ける圧力損失は、熱媒体が通過する直列接続される蒸発器が多くなるほど大きくなる。圧力損失は熱媒体の粘性および速度に依存する。熱媒体の粘度が高い場合、複数の蒸発器を直列に接続すると、ポンプの負荷が大きくなる。一方、複数の蒸発器を並列に設置することも考えられる。しかし、複数の蒸発器が並列に接続された構成は、複数の蒸発器が直列に接続された構成に比べて、冷凍効率が数パーセント低下してしまう。
[0005]
 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、圧力損失の影響を抑制して運転効率を向上させた冷凍サイクル装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、前記複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、前記熱媒体回路は、前記複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、前記複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備えるものである。

発明の効果

[0007]
 本発明によれば、直列流路および並列流路のうち、運転効率のよい流路を熱媒体回路に形成できるため、装置全体として運転効率を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0008]
[図1] 本発明の実施の形態1の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。
[図2] 図1に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。
[図3] 図1に示した熱媒体回路に直列流路が形成される構成を示す図である。
[図4] 図1に示した熱媒体回路に並列流路が形成される構成を示す図である。
[図5] 図1に示した熱媒体回路に片系統流路が形成される構成を示す図である。
[図6] 図5に示した片系統流路とは別の片系統流路が形成される構成を示す図である。
[図7] 図2に示した制御部が実行する流路選択の手順の一例を示すフローチャートである。
[図8] 本発明の実施の形態2の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。

発明を実施するための形態

[0009]
実施の形態1.
 本実施の形態1の冷凍サイクル装置の構成を説明する。図1は、本発明の実施の形態1の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。図1に示すように、冷凍サイクル装置1は、冷媒回路2aおよび2bと、冷媒回路2aおよび2bを循環する冷媒と熱媒体が熱交換する熱媒体熱交換器6aおよび6bを備えた熱媒体回路30とを有する。冷凍サイクル装置1に、制御部40が設けられている。熱媒体回路30は負荷側ユニット60と接続されている。負荷側ユニット60と熱媒体回路30との間を循環する熱媒体は、水またはブラインである。
[0010]
 冷媒回路2aおよび2bは、冷凍サイクルで生成される熱を熱媒体回路30に供給する。冷媒回路2aは、圧縮機3a、熱源側熱交換器4a、および減圧装置5aを有する。熱源側熱交換器4aには、外気を熱源側熱交換器4aに供給するファン7aが設けられている。冷媒回路2aは、熱媒体熱交換器6aと接続されている。冷媒回路2bは、圧縮機3b、熱源側熱交換器4b、および減圧装置5bを有する。熱源側熱交換器4bには、外気を熱源側熱交換器4bに供給するファン7bが設けられている。冷媒回路2bは、熱媒体熱交換器6bと接続されている。冷媒回路2aおよび2bは同様な構成のため、冷媒回路2aの構成について説明する。
[0011]
 圧縮機3aは冷媒を圧縮して吐出する。圧縮機3aは、インバータで回転数制御が行われるインバータ圧縮機であり、回転数に応じて容量を変化させる。圧縮機3aは、回転数が一定速で、別の方法で容量を変化させるタイプの圧縮機であってもよい。熱源側熱交換器4aは、冷媒が空気と熱交換するものであり、例えば、プレートフィン熱交換器からなる。熱源側熱交換器4aは、冷媒回路2aの凝縮器として機能する。減圧装置5aは、冷媒を膨張させる。減圧装置5aは、開度を調整できる電子膨張弁であってもよく、キャピラリーチューブであってもよい。
[0012]
 なお、圧縮機3aおよび3bの容量制御は、インバータによる回転数制御に限らず、他の制御を用いてもよい。例えば、機械的に圧縮機3aおよび3bのストロークボリュームを変更する容量制御を用いてもよい。また、各冷媒回路2aおよび2bに、圧縮機3aを複数台設け、圧縮機3aの運転台数を変更することで、圧縮機の容量制御を行ってもよい。これらの場合でも、インバータで回転数を制御する場合と同様に圧縮機3aおよび3bの運転制御を行うことで、各冷媒回路2aおよび2bの冷凍サイクルの運転をバランスよく実施でき、冷凍サイクルの高効率の運転を実現できる。
[0013]
 また、熱源側熱交換器4aおよび4bの構成は、プレートフィン熱交換器に限らず、例えば、コルゲートフィンなど他の形式であってもよい。熱源側熱交換器4aおよび4bにおいて、冷媒が熱交換する対象は空気に限らず、水など他の媒体であってもよい。
[0014]
 熱媒体回路30は、熱媒体に冷媒回路2aおよび2bを循環する冷媒と熱交換させた後、熱交換後の熱媒体を負荷側ユニット60に供給する。熱媒体回路30の熱媒体の流入口側には、熱媒体が負荷側ユニット60から熱媒体回路30に戻る配管31が接続されている。また、熱媒体回路30の熱媒体の流出口側には、熱媒が熱媒体回路30から負荷側ユニット60に供給される配管32が接続されている。配管31は、熱媒体熱交換器6aを通る配管33と、熱媒体熱交換器6bを通る配管34とに分岐する。配管33および配管34は合流して配管32と接続されている。
[0015]
 負荷側ユニット60と、配管31と、配管32とが接続され、熱媒体が循環する負荷側流路が構成される。配管31には、負荷側ユニット60に熱媒体を循環させる動力として、熱媒体搬送装置8が設けられている。熱媒体搬送装置8はポンプである。図1では、熱媒体搬送装置8が冷凍サイクル装置1の外部に設けられている場合を示しているが、熱媒体搬送装置8は冷凍サイクル装置1内に設けられていてもよい。
[0016]
 熱媒体回路30は、複数の熱媒体熱交換器6aおよび6bを有する。熱媒体熱交換器6aは、冷媒回路2aを循環する冷媒が熱媒体と熱交換するものであり、例えば、プレート式熱交換器からなる。熱媒体熱交換器6aは、冷媒回路2aの蒸発器として機能する。熱媒体熱交換器6bは、冷媒回路2bを循環する冷媒が熱媒体と熱交換するものであり、例えば、プレート式熱交換器からなる。熱媒体熱交換器6bは、冷媒回路2bの蒸発器として機能する。
[0017]
 なお、熱媒体熱交換器6aおよび6bの構成は、プレート式熱交換器に限らず、他の形式であってもよい。熱媒体熱交換器6aおよび6bは、例えば、シェルチューブ型または二重管式などの形式であってもよい。また、熱媒体回路30と負荷側ユニット60との間を循環する熱媒体は、水またはブラインに限らず、顕熱で熱を授受する媒体であれば他の媒体であってもよい。
[0018]
 本実施の形態1では、熱媒体熱交換器6aおよび熱媒体熱交換器6bは、冷媒と熱媒体とが対向流となる構成である。冷媒と熱媒体とが対向流となった状態で熱交換を行うため、熱交換の効率が向上する。
[0019]
 本実施の形態1では、熱媒体熱交換器6aおよび熱媒体熱交換器6bが単体の熱交換器の場合で説明するが、熱媒体熱交換器6aと熱媒体熱交換器6bとが一体的に形成されていてもよい。この場合、冷凍サイクル装置1において、熱媒体熱交換器が占める設置面積を小さくすることができ、省スペース化を図れる。
[0020]
 また、図1に示す構成では、熱源側熱交換器4aおよび4bが凝縮器として機能し、熱媒体熱交換器6aおよび6bが冷媒回路2aおよび2bの蒸発器として機能する場合を示しているが、熱源側熱交換器4aおよび4bを蒸発器としてもよい。この場合、冷媒回路2aおよび2bは温熱を熱媒体回路30に提供する。
[0021]
 熱媒体回路30は、熱媒体熱交換器6aおよび6bが直列に接続される直列流路と、熱媒体熱交換器6aおよび6bが並列に接続される並列流路と、熱媒体熱交換器6aまたは6bに冷媒を流通する片系統流路とを、切り替える流路切替装置50を有する。流路切替装置50は、熱媒体熱交換器6bの下流側と熱媒体熱交換器6aの上流側とを接続する配管35と、熱媒体熱交換器6aおよび配管35への熱媒体の流入を制御する第1の弁9と、熱媒体熱交換器6bからの熱媒体の流出を制御する第2の弁11とを有する。本実施の形態1では、配管35に第3の弁10が設けられている。第1の弁9、第2の弁11および第3の弁10は、例えば、電磁弁である。
[0022]
 第1の弁9は、配管33において、配管31と熱媒体熱交換器6aとの間であって、配管35が配管33と接続される箇所よりも上流側に設けられている。第2の弁11は、配管34において、熱媒体熱交換器6bと配管32との間であって、配管35が配管34と接続される箇所よりも下流側に設けられている。配管35は、第1の弁9と熱媒体熱交換器6aとの間で配管33と接続され、第2の弁11と熱媒体熱交換器6bとの間で配管34と接続されている。第1の弁9、第2の弁11および第3の弁10は、二方弁であって、開閉により熱媒体の流通を制御する。なお、第1の弁9および第3の弁10の代わりに、三方弁が設けられてもよい。また、第2の弁11および第3の弁10の代わりに、三方弁が設けられてもよい。
[0023]
 また、図1に示すように、冷凍サイクル装置1は、熱媒体回路30に流入する熱媒体の入口圧力を測定する入口圧力センサ12と、熱媒体回路30から流出する熱媒体の出口圧力を測定する出口圧力センサ13とを有する。図1に示す構成例では、入口圧力センサ12は配管31に設けられ、出口圧力センサ13は配管32に設けられている。配管32には、配管32に流れる熱媒体の流量を測定する流量計45が設けられている。
[0024]
 図2は、図1に示した制御部の一構成例を示す機能ブロック図である。図1に示す制御部40は、例えば、マイクロコンピュータである。制御部40は、プログラムを記憶するメモリと、プログラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)とを有する。図2では、メモリおよびCPUを図に示すことを省略している。
[0025]
 制御部40は、入口圧力センサ12、出口圧力センサ13および流量計45と信号線で接続されている。制御部40は、圧縮機3aおよび3bと、ファン7aおよび7bと、減圧装置5aおよび5bと信号線で接続されている。制御部40は、流路切替装置50と信号線で接続されている。具体的には、制御部40は、第1の弁9、第2の弁11および第3の弁10と信号線で接続されている。制御部40は、熱媒体搬送装置8と信号線で接続されている。本実施の形態1では、各機器および各センサと制御部40との通信接続手段が有線の場合で説明するが、通信接続手段は無線であってもよい。
[0026]
 図2に示すように、制御部40は、冷凍サイクル制御手段41と、効率算出手段42と、流路決定手段43とを有する。冷凍サイクル制御手段41は、負荷側ユニット60が必要とする熱量にしたがって、圧縮機3aおよび3bの運転周波数と、ファン7aおよび7bの回転数と、減圧装置5aおよび5bの開度と、熱媒体搬送装置8の回転数とを制御する。冷凍サイクル制御手段41は、冷媒回路2aおよび2bについて、運転を停止した場合、運転を停止した冷媒回路の情報を含む運転停止情報を、効率算出手段42を介して流路決定手段43に送信する。冷凍サイクル制御手段41は、熱媒体回路30に形成された流路にしたがって冷凍サイクルを制御する。
[0027]
 効率算出手段42は、熱媒体回路30における圧力損失として、熱媒体回路30の入口圧力と出口圧力との圧力差を算出する。効率算出手段42は、流量計45が測定する流量を用いて圧力損失を算出してもよい。効率算出手段42は、算出した圧力損失を用いて、流路選択の判定に用いる値を算出する。流路決定手段43は、効率算出手段42が算出した値と設定値とを比較し、直列流路および並列流路から熱媒体回路30に形成する流路を選択する。また、流路決定手段43は、運転停止情報を冷凍サイクル制御手段41から効率算出手段42を介して受信すると、運転停止情報にしたがって2つの片系統流路のうち、いずれかの流路を選択する。流路決定手段43は、選択した流路にしたがって流路切替装置50を制御する。流路決定手段43は、選択した流路を冷凍サイクル制御手段41に通知する。
[0028]
 次に、図1に示した熱媒体回路30に直列流路が形成される場合について説明する。図3は、図1に示した熱媒体回路に直列流路が形成される構成を示す図である。図3では、熱媒体が流れる方向を矢印で示す。流路決定手段43は、第1の弁9を閉状態に制御し、第3の弁10を開状態に制御し、第2の弁11を閉状態に制御する。これにより、熱媒体熱交換器6bと熱媒体熱交換器6aとが直列に接続される。このとき、配管35は、熱媒体熱交換器6aおよび6bを直列に接続する接続流路として機能する。
[0029]
 図3に示す構成では、熱媒体は、配管31から配管34に流入し、熱媒体熱交換器6bを流通して配管35に流出する。続いて、熱媒体は、配管35から配管33に流入し、熱媒体熱交換器6aを流通して配管33から配管32に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器6b、接続流路および熱媒体熱交換器6aを順に流通する直列流路が、熱媒体回路30に形成される。
[0030]
 次に、図1に示した熱媒体回路30に並列流路が形成される場合を説明する。図4は、図1に示した熱媒体回路に並列流路が形成される構成を示す図である。流路決定手段43は、第1の弁9を開状態に制御し、第3の弁10を閉状態に制御し、第2の弁11を開状態に制御する。これにより、熱媒体熱交換器6bと熱媒体熱交換器6aとが並列に接続される。
[0031]
 図4に示す構成では、熱媒体は、配管31から配管33および34に分流する。配管33を流れる熱媒体は、熱媒体熱交換器6aを流通する。一方、配管34を流れる熱媒体は、熱媒体熱交換器6bを流通する。配管33を流れる熱媒体と配管34を流れる熱媒体とが合流して配管32に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器6aを流れる流路と熱媒体が熱媒体熱交換器6bを流れる流路とからなる並列流路が、熱媒体回路30に形成される。
[0032]
 次に、図1に示した熱媒体回路30に片系統流路が形成される場合を説明する。図5は、図1に示した熱媒体回路に片系統流路が形成される構成を示す図である。図5は、冷媒回路2aおよび2bのうち、冷媒回路2bが運転しているが、冷媒回路2aが運転を停止している場合である。流路決定手段43は、第1の弁9および第3の弁10を閉状態に制御し、第2の弁11を開状態に制御する。図5に示す構成では、熱媒体は、配管31から配管34に流入し、熱媒体熱交換器6bを流通した後、配管34から配管32に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器6aを流通せず、熱媒体熱交換器6bを流通する片系統流路が、熱媒体回路30に形成される。
[0033]
 図6は、図5に示した片系統流路とは別の片系統流路が形成される構成を示す図である。図6は、冷媒回路2aおよび2bのうち、冷媒回路2aが運転しているが、冷媒回路2bが運転を停止している場合である。流路決定手段43は、第1の弁9を開状態に制御し、第2の弁11および第3の弁10を閉状態に制御する。図6に示す構成では、熱媒体は、配管31から配管33に流入し、熱媒体熱交換器6aを流通した後、配管33から配管32に流出する。このようにして、熱媒体が熱媒体熱交換器6bを流通せず、熱媒体熱交換器6aを流通する片系統流路が、熱媒体回路30に形成される。
[0034]
 次に、制御部40が熱媒体回路30に形成する流路を選択する場合について説明する。流路決定手段43は、熱媒体回路30に形成される流路毎に異なる冷凍効率と熱媒体搬送装置8の動力効率とを比較して、より運転効率のよい流路を選択する。
[0035]
 一般的には、冷凍サイクルの成績係数(COP:Coefficient Of Performance)は、COP=(利用できる熱量[kW]/圧縮機への入力[kW])で表される。この成績係数の式を基にして、利用できる熱量と熱媒体搬送装置8の動力効率との比を成績係数として流路毎に算出する。直列流路の場合の成績係数となる直列成績係数をCOPsとし、並列流路の場合の成績係数となる並列成績係数をCOPpとする。
[0036]
 直列流路の場合に冷媒回路2aおよび2bが生成する熱量をQsとし、並列流路の場合に冷媒回路2aおよび2bが生成する熱量をQpとする。本実施の形態1では、熱量QsおよびQpは、冷媒回路2aおよび2bが一定の条件で運転している場合の値とするが、冷凍サイクル制御手段41が熱量QsおよびQpを算出してもよい。熱媒体搬送装置8の動力効率の逆数Eを、E=(圧力損失ΔP/消費電力W)と表す。圧力損失ΔPは、熱媒体回路30の前後の圧力損失である。直列流路の場合の逆数Esを、Es=(圧力損失ΔPs/消費電力Ws)とする。並列流路の場合の逆数Epを、Ep=(圧力損失ΔPp/消費電力Wp)とする。
[0037]
 これらの値から、COPsを、COPs=(Qs/Es)と表す。COPpを、COPp=(Qp/Ep)と表す。COPs/COPpの値をシステム改善率Uとする。システム改善率Uに対する流路選択の基準となる設定値をUrefとする。設定値Urefは、システム改善率Uが設定値Urefより大きい場合に、運転効率が並列流路よりも直列流路の方がよいと判定される値である。熱量QsおよびQpの値と、設定値Urefとを制御部40が記憶している。
[0038]
 図7は、図2に示した制御部が実行する流路選択の手順の一例を示すフローチャートである。効率算出手段42は、流路切替装置50を制御して、直列流路を熱媒体回路30に設定する(ステップST101)。効率算出手段42は、熱媒体搬送装置8の消費電力Wsの情報を冷凍サイクル制御手段41から取得する。効率算出手段42は、入口圧力センサ12が測定する入口圧力と出口圧力センサ13が測定する出口圧力との圧力差を算出する(ステップST102)。算出される圧力差を圧力損失ΔPsとする。続いて、効率算出手段42は、流路切替装置50を制御して、並列流路を熱媒体回路30に設定する(ステップST103)。効率算出手段42は、熱媒体搬送装置8の消費電力Wpの情報を冷凍サイクル制御手段41から取得する。そして、効率算出手段42は、入口圧力と出口圧力との圧力差を算出する(ステップST104)。算出される圧力差を圧力損失ΔPpとする。
[0039]
 効率算出手段42は、直列流路に関して、熱媒体搬送装置8の消費電力Ws、熱量Qsおよび圧力損失ΔPsを用いて、成績係数COPsを算出する。また、効率算出手段42は、並列流路に関して、熱媒体搬送装置8の消費電力Wp、熱量Qpおよび圧力損失ΔPpを用いて、成績係数COPpを算出する(ステップST105)。そして、効率算出手段42は、COPsおよびCOPpを用いてシステム改善率Uを算出し、算出したシステム改善率Uを流路決定手段43に通知する。
[0040]
 流路決定手段43は、効率算出手段42から受け取ったシステム改善率Uと設定値Urefとを比較する(ステップST106)。システム改善率Uが設定値Urefより大きい場合、流路決定手段43は、熱媒体回路30に形成する流路として直列流路を選択する(ステップST107)。ステップST106の判定において、システム改善率Uが設定値Uref以下である場合、流路決定手段43は、熱媒体回路30に形成する流路として並列流路を選択する(ステップST108)。その後、流路決定手段43は、流路切替装置50を制御して、ステップST106の判定で選択した流路を熱媒体回路30に形成する。
[0041]
 なお、図7を参照して、効率算出手段42が直列流路の場合の圧力差を並列流路の場合の圧力差よりも先に算出する場合で説明したが、これらの圧力差の算出はいずれが先であってもよい。また、図7に示した手順において、消費電力Ws=消費電力Wpとしてもよい。この場合、システム改善率Uの演算処理において、変数は圧力損失ΔPsおよびΔPpだけとなり、システム改善率U=COPs/COPp=(Qs/ΔPs)/(Qp/ΔPp)となる。効率算出手段42はシステム改善率Uをよりスムーズに算出できる。
[0042]
 入口圧力センサ12および出口圧力センサ13が測定した圧力の値を用いる場合を例示したが、熱媒体回路30を熱媒体が流通する流量を用いて、流路決定手段43は、流路を切り替えてもよい。
[0043]
 効率算出手段42は、直列流路および並列流路の流路毎に、熱媒体の物性値と流量計45が測定する流量とを用いて、圧力損失を算出する。圧力損失ΔPは、以下の式1から算出される。
 ΔP=A(V)×ρ^3/4×μ^1/4  ・・・(1)
[0044]
 式(1)において、ΔP[kPa]は、熱媒体熱交換器6aおよび6bを熱媒体が通過する際に発生する圧力損失である。A(V)は、熱媒体熱交換器固有の係数であり、流速Vに依存する値である。流速Vは、直列流路の場合と並列流路の場合とで異なる。ρ[kg/m ]は、熱媒体の密度であり、μ[mPa・s]は、熱媒体の粘性係数である。これらの物性値を制御部40が記憶している。
[0045]
 図7に示したステップST101~ST104において、効率算出手段42は、流量計45が計測する流量と式(1)とを用いて、圧力損失ΔPsおよびΔPpを算出する。その後、図7を参照して説明したように、効率算出手段42は、システム改善率Uを算出する(ステップST105)。図7を参照して説明したように、流路決定手段43は、システム改善率Uと設定値Urefとを比較し(ステップST106)、比較結果にしたがって、熱媒体回路30に形成する流路を決定する(ステップST107またはステップST108)。この場合においても、消費電力Ws=消費電力Wpであってもよい。
[0046]
 さらに、流路決定手段43は、熱媒体の動粘度を用いて流路を切り替えてもよい。この流路切替は、熱媒体回路30の前後の熱媒体の圧力と熱媒体回路30を流通する熱媒体の流量とが不明な場合に有効である。
[0047]
 熱媒体搬送装置8の動力は熱媒体の動粘度に大きく依存する。一般的に、熱媒体の粘度が10[mPa・s]以下である場合、粘度はポンプの動力にほとんど影響ないが、熱媒体の粘度が100[mPa・s]以上の場合、粘度はポンプの動力に重大な影響を及ぼす。粘度に関する流路の選択基準となる閾値として、例えば、30[mPa・s]が制御部40に格納されている。この場合、流路決定手段43は、使用される熱媒体の粘度が閾値以上である場合、並列流路を選択し、熱媒体の粘度が閾値未満である場合、直列流路を選択する。また、使用される熱媒体の粘度の値は、作業者によって制御部40に入力されてもよい。これにより、制御部40は、流路毎の圧力損失の運転効率に対する影響を比較し、運転効率のよい流路を選択する。
[0048]
 次に、熱媒体回路30に直列流路または並列流路が形成されている場合に、制御部40が流路切替装置50を制御して片系統流路に切り替えるか否かを判定する場合を説明する。流路決定手段43は、冷媒回路2aおよび2bのうち、冷凍サイクルが停止している冷媒回路があるか否かを判定する。冷媒回路2aおよび2bのうち、いずれか一方の冷媒回路の冷凍サイクルが停止している場合、流路決定手段43は、停止している冷凍サイクルの冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に熱媒体が流入しないように流路切替装置50を制御する。
[0049]
 ここでは、一例として、冷媒回路2aの冷凍サイクルが停止している場合を説明する。流路決定手段43は、冷媒回路2aに接続される熱媒体熱交換器6aに熱媒体が流入しないように、流路切替装置50を制御する。具体的には、流路決定手段43は、第1の弁9が閉状態になり、第3の弁10が閉状態になり、第2の弁11が開状態になるように、流路切替装置50を制御する。これにより、熱媒体が熱媒体熱交換器6bを流通する片系統流路が熱媒体回路30に形成される。
[0050]
 従来、複数の冷媒回路を有する冷凍サイクル装置は、熱負荷が小さくなると、一部の冷媒回路の圧縮機の運転を停止するが、圧縮機を停止した冷媒回路の蒸発器への熱媒体の流通を継続するため、不要な圧力損失が発生する。これに対して、本実施の形態1では、上述したように、複数の冷媒回路のうち、運転していない冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に熱媒体が流れないようにしている。そのため、不要な圧力損失の増加を防ぎ、装置の運転を高効率化することができる。
[0051]
 なお、熱媒体熱交換器6aに熱媒体が流れない場合、冷凍サイクル制御手段41は、熱媒体熱交換器6aと接続される冷媒回路2aの圧縮機3aの運転を停止する場合で説明したが、圧縮機3aを停止せずに運転周波数を小さくしてもよい。消費電力の低減の観点からは圧縮機3aを停止させることが望ましいが、冷凍サイクル制御手段41は、能力を落として圧縮機3aの運転を継続させる。この場合、能力が低下した圧縮機3aの冷媒回路2aにおける冷媒の凍結が抑制され、圧縮機3aが通常運転の能力まで復帰したときに発生する、冷媒回路2aおよび2b間の温度ムラが抑制される。
[0052]
 また、直列流路が形成されている場合、冷凍サイクル制御手段41は、熱媒体熱交換器6bに接続された冷媒回路2bの圧縮機3bの回転数を、熱媒体熱交換器6aに接続された冷媒回路2aの圧縮機3aの回転数よりも高い値に設定してもよい。または、冷凍サイクル制御手段41は、圧縮機3bの代わりに、減圧装置5bの開度を減圧装置5aの開度よりも大きくしてもよい。この場合、上流側の冷媒回路2bの冷媒の循環量を多くすることで、冷凍サイクル装置1の運転の高効率化を図ることができる。
[0053]
 また、直列流路が形成されている場合、並列流路が形成されている場合と比べて、冷凍サイクル制御手段41は、熱媒体の流量が少なくなるように熱媒体搬送装置8を制御してもよい。この場合、熱媒体の流速が遅くなり、熱媒体は熱媒体熱交換器6bおよび熱媒体熱交換器6aの順に各熱交換器で十分に冷媒と熱交換を行う。その結果、熱媒体回路30に流入する熱媒体の温度と、熱媒体回路30から流出する熱媒体の温度との差が大きくなる。例えば、冷凍サイクル装置1の立ち上げ時のように熱負荷が大きいとき、または熱媒体の温度差を大きくとる必要性があるとき、この制御は、有効である。
[0054]
 また、制御部40は、負荷に応じて流路を切り替えてもよい。冷凍サイクル装置1の立ち上げ時のように、熱負荷が大きいとき、熱媒体回路30に流入する熱媒体の温度と、熱媒体回路30から流出する熱媒体の温度との温度差を大きくする必要がある。そこで、熱負荷が大きいとき、流路決定手段43は、直列流路を選択する。その後、冷凍サイクル装置1が安定的に動作する通常運転では、熱媒体搬送装置8の低消費電力化を図るために、流路決定手段43は、並列流路または片系統流路を選択する。このようにして、冷凍サイクル装置1の運転効率の向上を図ることができる。
[0055]
 また、第1の弁9、第2の弁11および第3の弁10は、作業者が手動で操作するボールバルブであってもよい。図7に示した手順を、作業者が行って熱媒体回路30に流路を設定してもよい。また、熱媒体の粘度に応じて、作業者が熱媒体回路30に流路を設定してもよい。例えば、熱媒体を粘度の高いブラインから粘度の低いブラインに変更する場合、作業者が流路切替装置50を操作して、熱媒体回路30に形成されている並列流路を直列流路に切り替えればよい。一方、熱媒体を粘度の低いブラインから粘度の高いブラインに変更する場合、作業者が流路切替装置50を操作して、熱媒体回路30に形成されている直列流路を並列流路に切り替えてもよい。
[0056]
 さらに、本実施の形態1では、冷凍サイクル装置1に設けられる冷媒回路の数が2つの場合で説明したが、冷媒回路の数は2つに限定されない。冷凍サイクル装置1に冷媒回路が3つ以上設けられていてもよい。この場合でも、複数の熱媒体熱交換器が直列接続と並列接続とを切り替えられるように構成されることで、冷凍サイクル装置1の運転の高効率化を図ることができる。
[0057]
 本実施の形態1の冷凍サイクル装置1によれば、流路切替装置50は、熱媒体回路30において、複数の熱媒体熱交換器6aおよび6bを直列に接続する直列流路と、複数の熱媒体熱交換器6aおよび6bを並列に接続する並列流路と、を切り替えるものである。
[0058]
 本実施の形態1によれば、直列流路および並列流路のうち、運転効率のよい流路を形成することができる。その結果、装置全体として運転効率を向上させることができる。
[0059]
 ブラインクーラで使用されるブラインの粘度は、約4.0~100.0[mPa・s]であり、水(0.8[mPa・s])と比べて、バラつきが大きい。また、使用されるブラインの流量および粘度は使用される環境などによって異なる。例えば、冬季に熱媒体が凍結することを防止する必要がある地域では、熱媒体に粘度の高いブラインが使用される。この場合、複数の蒸発器の直列接続による圧力損失が運転効率に及ぼす影響が大きいため、複数の蒸発器が並列に接続される構成が適している。
[0060]
 一方、熱媒体に粘度の低いブラインが使用される場合、複数の蒸発器の直列接続による圧力損失が運転効率に及ぼす影響が小さいこともある。このような場合であっても、従来、ブラインが熱媒体に使用される冷凍サイクル装置では、粘度のバラツキの大きさを考慮して、複数の蒸発器が並列に接続された構成が採用されている。これに対して、本実施の形態1では、流路決定手段43が熱媒体の粘度に応じて、より運転効率のよい流路を決定している。そのため、冷凍サイクル装置1の運転効率が向上する。
[0061]
 また、使用されるブラインの粘度が高いものから低いものに変更されることがある。この場合、複数の蒸発器が並列に接続された構成では、冷凍効率が低下した状態で冷凍サイクル装置が運転されることになる。本実施の形態1の冷凍サイクル装置1は、直列流路と並列流路とが切り替えられる構成である。冷凍サイクル装置1の設置後でも、熱媒体の粘度に応じて、直列流路および並列流路のうち、いずれかの流路が熱媒体回路30に形成される。その結果、複数の蒸発器の接続構成を最適化することができる。
[0062]
実施の形態2.
 図8は、本発明の実施の形態2の冷凍サイクル装置の一構成例を示す図である。本実施の形態2では、実施の形態1と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図8に示すように、本実施の形態2の冷凍サイクル装置1aでは、図1に示した構成と比較すると、第3の弁10の位置に流量調整器20が設けられている。
[0063]
 流量調整器20は、配管35に流れる熱媒体の流量を調整する。流量調整器20は、開度を調整できる電動弁と、開度を調整できない縮径部とを有する。流量調整器20が設けられた接続流路は、熱媒体熱交換器6aが設けられた流路および熱媒体熱交換器6bが設けられた流路よりも、流路抵抗が大きい。そのため、熱媒体回路30に直列流路が形成されたとき、熱媒体の流速が遅くなる。
[0064]
 熱媒体回路30において、熱媒体の流速が遅くなることで、冷媒と熱媒体との熱交換がより確実にされるため、熱媒体の温度変化の幅を大きくとることができる。また、流量調整器20が設けられた接続流路の流路抵抗が大きいため、並列流路が形成された場合であっても、接続流路には、熱媒体が流れにくくなる。流量調整器20の縮径部または配管35自体によって、熱媒体が流れにくくなる。
[0065]
 また、並列流路が形成されている場合、流量調整器20が設けられた接続流路に熱媒体の一部が流れる。このような構成では、接続流路において、熱媒体の凍結が抑制される。さらに、並列流路が形成されている場合、流量調整器20が設けられた接続流路に熱媒体の一部が流れるので、流路切替装置50が並列流路から直列流路に切り替えたときなどに、熱媒体回路30から流出する熱媒体の温度にムラが発生することを抑制できる。
[0066]
 なお、実施の形態1では配管35に第3の弁10が設けられ場合を説明し、実施の形態2では配管35に流量調整器20が設けられた場合を説明したが、配管35に弁および流量調整器が設けられていなくてもよい。配管35に弁および流量調整器が設けられていない場合、装置の低コスト化を図ることができる。
[0067]
 例えば、図8において、配管35に流量調整器20が設けられていない場合、配管34を流通する熱媒体は、流通方向を大きく変えて配管35に入り、再び、流通方向が熱媒体熱交換器6bと平行になるように、熱媒体が配管33を流通する。直列流路が形成された場合、配管35に流量調整器20が設けられていなくも、熱媒体が配管35を経由することで、熱媒体回路30全体における熱媒体の流速が遅くなる。熱媒体回路30において、熱媒体の流速が遅くなることで、冷媒と熱媒体との熱交換がより確実に行われる。なお、並列流路の場合、配管35に熱媒体が流れても熱媒体の流速が遅いので、配管35を流れる熱媒体の流量が少なく、熱交換効率に対する影響が抑制される。

符号の説明

[0068]
 1、1a 冷凍サイクル装置、2a、2b 冷媒回路、3a、3b 圧縮機、4a、4b 熱源側熱交換器、5a、5b 減圧装置、6a、6b 熱媒体熱交換器、7a、7b ファン、8 熱媒体搬送装置、9 第1の弁、10 第3の弁、11 第2の弁、12 入口圧力センサ、13 出口圧力センサ、20 流量調整器、30 熱媒体回路、31~35 配管、40 制御部、41 冷凍サイクル制御手段、42 効率算出手段、43 流路決定手段、45 流量計、50 流路切替装置、60 負荷側ユニット。

請求の範囲

[請求項1]
 圧縮機、熱源側熱交換器および減圧装置が接続された複数の冷媒回路と、
 前記複数の冷媒回路毎に設けられており、冷媒と熱媒体とが熱交換する複数の熱媒体熱交換器を有する熱媒体回路と、を有し、
 前記熱媒体回路は、前記複数の熱媒体熱交換器を直列に接続する直列流路と、前記複数の熱媒体熱交換器を並列に接続する並列流路と、を切り替える流路切替装置を備える、
 冷凍サイクル装置。
[請求項2]
 前記流路切替装置を制御する制御部をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記複数の冷媒回路の一部の冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器への前記熱媒体の流通を停止するとき、前記流路切替装置を制御して、該一部の冷媒回路を除く他の冷媒回路に接続される熱媒体熱交換器に前記熱媒体を流す片系統流路を前記熱媒体回路に形成させる、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項3]
 前記制御部は、
 前記熱媒体回路に前記片系統流路が形成されている場合、前記一部の冷媒回路の前記圧縮機の運転を停止する、または該圧縮機の運転周波数を下げる、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項4]
 前記流路切替装置は、
 前記複数の熱媒体熱交換器に含まれる2つの熱媒体熱交換器のうち、一方の熱媒体熱交換器の下流側と他方の熱媒体熱交換器の上流側とを接続する接続流路と、
 前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記他方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該他方の熱媒体熱交換器および前記接続流路への流入を制御する、該接続流路の上流側に設けられた第1の弁と、
 前記熱媒体回路に流入する熱媒体のうち、前記一方の熱媒体交換器に分流する熱媒体に対して該一方の熱媒体熱交換器からの流出を制御する、前記接続流路の下流側に設けられた第2の弁と、
を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項5]
 前記接続流路は、前記熱媒体の流量を調整する流量調整器を有する、請求項4に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項6]
 前記熱媒体回路に前記並列流路が形成されている場合に、前記熱媒体の一部が前記流量調整器を流通する、請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項7]
 前記圧縮機を制御する制御部をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記熱媒体回路に前記直列流路が形成されている場合、上流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の圧縮機の回転数を、下流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の圧縮機の回転数よりも高くする、請求項1~6のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項8]
 前記減圧装置を制御する制御部をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記熱媒体回路に前記直列流路が形成されている場合、上流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の減圧装置の開度を、下流側の前記熱媒体熱交換器に接続される前記冷媒回路の減圧装置の開度よりも大きくする、請求項1~6のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項9]
 前記熱媒体回路と負荷側との間に前記熱媒体を循環させる熱媒体搬送装置と、
 前記熱媒体搬送装置を制御する制御部と、をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記直列流路が形成されている場合の前記熱媒体の流量が、前記並列流路が形成されている場合の前記熱媒体の流量よりも少なくなるように、前記熱媒体搬送装置を制御する、請求項1~8のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項10]
 前記熱媒体回路に流入する前記熱媒体の入口圧力を測定する入口圧力センサと、
 前記熱媒体回路から流出する前記熱媒体の出口圧力を測定する出口圧力センサと、
 前記流路切替装置を制御する制御部と、をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記直列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差に対する比である直列成績係数と、前記並列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差に対する比である並列成績係数とを算出し、前記直列成績係数の前記並列成績係数に対する比である改善率を算出する効率算出手段と、
 前記改善率と設定値とを比較し、該改善率が該設定値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成し、該改善率が該設定値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段と、
を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項11]
 前記熱媒体回路から流出する前記熱媒体の流量を測定する流量計と、
 前記流路切替装置を制御する制御部と、をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記直列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記流量計の流量に基づく圧力損失に対する比である直列成績係数と、前記並列流路の場合における前記複数の冷媒回路が生成する熱量の前記流量計の流量に基づく圧力損失に対する比である並列成績係数とを算出し、前記直列成績係数の前記並列成績係数に対する比である改善率を算出する効率算出手段と、
 前記改善率と設定値とを比較し、該改善率が該設定値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成し、該改善率が該設定値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段と、
を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項12]
 前記流路切替装置を制御する制御部をさらに有し、
 前記制御部は、
 前記熱媒体の粘度と閾値とを比較し、該粘度が該閾値より大きい場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記並列流路を形成し、該粘度が該閾値以下である場合、前記流路切替装置を制御して前記熱媒体回路に前記直列流路を形成する流路決定手段を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項13]
 前記複数の熱媒体熱交換器は、前記冷媒と前記熱媒体とが対向流となる構成である、請求項1~12のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
[請求項14]
 前記複数の熱媒体熱交換器が一体的に形成されている、請求項1~13のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]