JP5436631B2 - Refrigeration equipment - Google Patents
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Description
本発明は、二元冷凍サイクルで構成された冷凍装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration apparatus configured with a two-way refrigeration cycle.
室外空気を熱源とし、冷凍庫などで冷却対象をマイナス数十℃まで冷やす際、蒸気圧縮サイクルを低元側と高元側に分割し、それらをカスケード熱交換器で接続した二元冷凍サイクルが採用されることがある。これは、高元と低元それぞれの蒸気圧縮サイクルで圧縮比を小さくすることで運転効率を向上させるという狙いがある。 Adopting a dual refrigeration cycle that uses outdoor air as a heat source and divides the vapor compression cycle into a low-end side and a high-end side and connects them with a cascade heat exchanger when the object to be cooled is cooled to minus tens of degrees Celsius in a freezer. May be. The aim is to improve the operation efficiency by reducing the compression ratio in the high and low vapor compression cycles.
しかし、冬季に発生する低外気条件では、低元冷凍サイクルの低元圧縮機と高元冷凍サイクルの高元圧縮機の両方を運転する二元運転を行うと、圧縮比が小さくなりすぎることによって運転効率が悪化することがある。このため、単元運転(低元圧縮機のみを運転し、高元圧縮機を停止する運転)と二元運転とを外気温度に応じて切り替えて運転する方法が提案されている。 However, under the low outdoor air conditions that occur in winter, if the dual operation that operates both the low-source compressor of the low-source refrigeration cycle and the high-source compressor of the high-source refrigeration cycle is performed, the compression ratio becomes too small. Operation efficiency may deteriorate. For this reason, a method has been proposed in which unit operation (operation that operates only the low-source compressor and operation that stops the high-source compressor) and dual operation are switched according to the outside air temperature.
この種の運転を行う冷凍装置として、例えば、高元冷凍サイクルの放熱器である室外熱交換器の一部を、低元冷凍サイクルの放熱器として分割利用することで、単元運転と二元運転とを切り替えられるようにした冷凍装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この冷凍装置では、単元運転時、低元冷凍サイクルは、室外熱交換器の分割部分を利用して外気放熱を行う。そして、二元運転時、低元冷凍サイクルは、室外熱交換器の前記分割部分への冷媒の流通を遮断してカスケード熱交換器側に冷媒を流し、カスケード熱交換器側にて放熱を行い、高元冷凍サイクルは、室外熱交換器の前記分割部分以外の部分により外気放熱するようにしている。 As a refrigeration system that performs this type of operation, for example, a part of an outdoor heat exchanger that is a radiator of a high-source refrigeration cycle is divided and used as a radiator of a low-source refrigeration cycle. There is known a refrigeration apparatus that can be switched between (see, for example, Patent Document 1). In this refrigeration apparatus, during unit operation, the low-source refrigeration cycle uses the divided part of the outdoor heat exchanger to radiate outside air. During dual operation, the low-source refrigeration cycle shuts off the refrigerant flow to the split part of the outdoor heat exchanger and flows the refrigerant to the cascade heat exchanger side, and performs heat dissipation on the cascade heat exchanger side. In the high-source refrigeration cycle, heat is radiated from the outside air by a portion other than the divided portion of the outdoor heat exchanger.
また、高元冷凍サイクルの放熱器をカスケード熱交換器よりも高い位置に配置することで、高元圧縮機を停止していても、重力により高元冷凍サイクルに冷媒が自然循環するようにし、単元運転時に高元冷凍サイクルを機能させるようにした冷凍装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, by disposing the radiator of the high-source refrigeration cycle at a position higher than the cascade heat exchanger, even if the high-source compressor is stopped, the refrigerant naturally circulates in the high-source refrigeration cycle by gravity, There is known a refrigeration apparatus that allows a high-source refrigeration cycle to function during unit operation (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、前記特許文献1に示されたような構成では、室外熱交換器のうち、低元冷凍サイクルの放熱器として分割利用される分割部分は、単元運転時専用として利用されることになり、二元運転ではその分割部分に冷媒が流されない。よって、二元運転では、室外放熱器において前記分割部分以外の部分しか利用できず、室外放熱器を最大限利用することができない。また、単元運転でも室外熱交換器を部分的にしか利用することができないため、外気への放熱性能が十分得られないという問題がある。 However, in the configuration as shown in Patent Document 1, the divided part of the outdoor heat exchanger that is divided and used as a radiator of the low-source refrigeration cycle is used exclusively for unit operation, In the dual operation, the refrigerant is not flowed to the divided portion. Therefore, in the dual operation, only the portion other than the divided portion can be used in the outdoor radiator, and the outdoor radiator cannot be used to the maximum extent. In addition, since the outdoor heat exchanger can only be partially used even in unit operation, there is a problem that sufficient heat dissipation performance to the outside air cannot be obtained.
また、前記特許文献2に示されたように、単元運転時に、高元冷凍サイクルを冷媒自然循環とし、低元冷凍サイクルのみを蒸気圧縮運転する方法では、低元冷凍サイクルの放熱相手である高元冷媒(高元冷凍サイクルを循環する冷媒)の温度が外気温度よりも5〜10℃程度高い温度となる。このため、高元冷媒と熱交換しても低元冷媒(低元冷凍サイクルを循環する冷媒)を外気温度に近い温度まで冷却することができず、外気への放熱能力が十分得られないという問題がある。
Further, as shown in
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、二元運転と単元運転との双方で外気への十分な放熱能力を確保して運転効率を向上することが可能な冷凍装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a refrigeration capable of improving the operation efficiency by securing a sufficient heat radiation capacity to the outside air in both the two-way operation and the one-way operation. The object is to obtain a device.
本発明に係る冷凍装置は、高元圧縮機と、第1の室外放熱器と、高元膨張弁と、カスケード熱交換器の蒸発部とが接続されて構成される高元冷凍サイクルと、低元圧縮機と、第2の室外放熱器と、カスケード熱交換器の凝縮部と、低元膨張弁と、冷却器とが接続されて構成される低元冷凍サイクルと、低元圧縮機と高元圧縮機の両方を運転する二元運転と、低元圧縮機を運転し、高元圧縮機を停止する単元運転とで、低元圧縮機から流出した冷媒の流通順を、第2の室外放熱器からカスケード熱交換器の凝縮部の順とその逆順とに切り替える流路切替弁と、単元運転時に高元冷凍サイクルにおいて高元圧縮機をバイパスして第1の室外放熱器とカスケード熱交換器の蒸発部とに冷媒を自然循環させる自然循環サイクルとを備えたものである。 A refrigeration apparatus according to the present invention includes a high-source refrigeration cycle configured by connecting a high-source compressor, a first outdoor radiator, a high-source expansion valve, and an evaporation section of a cascade heat exchanger, An original compressor, a second outdoor radiator, a condensing part of a cascade heat exchanger, a low original expansion valve, and a cooler connected to each other, a low original refrigeration cycle, a low original compressor and a high The second outdoor operation determines the distribution order of the refrigerant that has flowed out of the low-source compressor in the two-way operation that operates both the original compressor and the single-unit operation that operates the low-source compressor and stops the high-source compressor. A flow path switching valve that switches from the radiator to the condensing part of the cascade heat exchanger and the reverse order thereof, and cascade heat exchange with the first outdoor radiator by bypassing the high-source compressor in the high-source refrigeration cycle during unit operation And a natural circulation cycle in which the refrigerant is naturally circulated in the evaporation section of the vessel.
本発明によれば、二元運転と単元運転との双方で、高元冷凍サイクルの第1の室外放熱器と低元冷凍サイクルの第2の室外放熱器とのそれぞれから外気放熱可能であるため、外気への十分な放熱能力を確保して運転効率を向上することが可能な冷凍装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to dissipate the outside air from each of the first outdoor radiator of the high-source refrigeration cycle and the second outdoor radiator of the low-source refrigeration cycle in both the binary operation and the unit operation. Thus, it is possible to obtain a refrigeration apparatus that can secure sufficient heat dissipation capability to the outside air and improve the operation efficiency.
図1は、本発明の一実施の形態における冷凍装置の一例を示す冷媒回路図である。まずは、図1に基づいて冷凍装置の構成等について説明する。
冷凍装置は、室外ユニット1と複数の冷却ユニット2とを備えている。冷却ユニット2は、冷却対象が置かれる冷凍倉庫に複数台設置されており、接続配管3、4によって室外ユニット1と接続されている。
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram illustrating an example of a refrigeration apparatus according to an embodiment of the present invention. First, the configuration of the refrigeration apparatus will be described with reference to FIG.
The refrigeration apparatus includes an outdoor unit 1 and a plurality of
室外ユニット1は、高元圧縮機5、第1の室外放熱器である高元放熱器6、高元膨張弁8及びカスケード熱交換器9を備えている。これら高元圧縮機5、高元放熱器6、高元膨張弁8及びカスケード熱交換器9の蒸発部9aが配管で接続されて高元冷凍サイクルが構成されている。高元冷凍サイクルには、高元圧縮機5をバイパスするバイパス回路17とバイパス回路17を開閉するバイパス弁17aとが設けられ、後述の自然循環サイクルが構成されている。高元冷凍サイクルは更に、高元膨張弁8をバイパスするバイパス回路18及びバイパス回路18を開閉するバイパス弁18aを備えている。
The outdoor unit 1 includes a high-source compressor 5, a high-
また室外ユニット1は、低元圧縮機10、流路切替弁11、第2の室外放熱器である低元放熱器12及びカスケード熱交換器9の凝縮部9bが配管で接続されて構成された、低元冷凍サイクルの放熱部分を備えている。また、室外ユニット1には、高元放熱器6と低元放熱器12とのそれぞれに室外空気を送風して熱交換を促進及び調節するための室外送風機7と、外気温度を検出する外気温度センサ19とが設けられている。
The outdoor unit 1 is configured by connecting a low-
高元放熱器6及び低元放熱器12は、例えば図2に示すように平板状の伝熱フィン21に伝熱管22を貫通してなるプレートフィンチューブ型熱交換器で一体型に構成されている。なお、伝熱フィン21は、高元放熱器6となる部分と低元放熱器12となる部分とで分割されていてもよいし分割されていなくてもよい。伝熱フィン21を分割した構成とした場合には熱絶縁効果が大きくなるため、双方がより効率よく放熱可能となる。
For example, as shown in FIG. 2, the high-
また、高元放熱器6及び低元放熱器12を一体型とした場合、極力ヘッド差を大きくして自然循環時の冷媒流量を増やすために、高元放熱器6を上部に配置し、低元放熱器12側を下部に配置する。
In addition, when the high-
また、図2において実線矢印は冷媒の流れ方向、白抜き矢印は外気の流れを示しており、図2に示したように、外気の流れ方向に対して下流側から上流側に折り返すようにして冷媒を流すことが好ましい。これにより、冷媒流れの後半の冷媒が、熱交換前の外気と熱交換することになるため、外気との温度差を十分に確保でき、安定して外気放熱を行うことができる。なお、高元放熱器6及び低元放熱器12は、コンパクト化の観点からすると一体型の方が好ましいが、一体型に限定されるものではない。
In FIG. 2, the solid line arrow indicates the refrigerant flow direction, and the white arrow indicates the outside air flow. As shown in FIG. 2, it is folded from the downstream side to the upstream side with respect to the outside air flow direction. It is preferable to flow a refrigerant. Thereby, since the refrigerant | coolant of the latter half of a refrigerant | coolant flow heat-exchanges with the external air before heat exchange, a sufficient temperature difference with external air can be ensured, and external air heat radiation can be performed stably. The
図1の説明に戻る。冷却ユニット2は、低元冷凍サイクルの吸熱部分を備えている。低元冷凍サイクルの吸熱部分は、液電磁弁13、低元膨張弁14及び冷却器15が配管で接続されて構成されている。そして、低元冷凍サイクルの吸熱部分は、低元冷凍サイクルの放熱部分と接続配管3、4によって接続されて冷媒が循環するように構成されている。冷却ユニット2には更に、冷却器15に送風する冷却ファン16が設けられている。
Returning to the description of FIG. The
この冷凍装置の高元冷凍サイクルには、冷媒として例えば可燃性のR290が封入され、低元冷凍サイクルには冷媒として例えば二酸化炭素が封入されている。可燃性冷媒が封入された高元冷凍サイクルは、室外ユニット1内では閉じているため、据付工事や撤去工事の際に冷媒を出し入れする必要がなく、冷媒漏れによる爆発事故のリスクを低減することができる。また、現場で冷媒量を調節する必要が生じる低元冷凍サイクルは、冷媒が二酸化炭素であるため、冷媒が漏出しても大きな事故になることがなく、また、地球温暖化への影響も極めて小さい。 In the high-source refrigeration cycle of this refrigeration apparatus, for example, combustible R290 is enclosed as a refrigerant, and, for example, carbon dioxide is enclosed as a refrigerant in the low-source refrigeration cycle. The high-source refrigeration cycle filled with flammable refrigerant is closed in the outdoor unit 1, so there is no need to put in and out the refrigerant during installation work or removal work, reducing the risk of explosion accidents due to refrigerant leakage Can do. In addition, the low-source refrigeration cycle in which the amount of refrigerant needs to be adjusted on-site does not cause a major accident even if the refrigerant leaks because the refrigerant is carbon dioxide, and it also has a significant impact on global warming. small.
この冷凍装置は更に、冷凍装置全体を制御する制御装置20を備えている。制御装置20はマイクロコンピュータで構成され、CPU、RAM及びROM等を備えている。制御装置20は、外気温度センサ19により検出された外気温度が所定温度よりも高い場合には、低元圧縮機10と高元圧縮機5の両方を運転する二元運転を行い、外気温度が所定温度以下の低外気の場合には、低元圧縮機10のみを運転し、高元圧縮機5を停止する単元運転を行う。
The refrigeration apparatus further includes a
また、制御装置20は、二元運転と単元運転とで流路切替弁11を切り替えたり、バイパス弁17a、18aを開閉したり等の制御を行う。なお、制御装置20は、室外ユニット1に設けられていても良いし、冷却ユニット2に設けられていても良いし、また、各ユニットに分けて構成し、互いに連携処理を行う構成にしても良い。
In addition, the
次に、図3を参照して二元運転時の冷凍サイクル動作を説明する。 Next, the refrigeration cycle operation during the two-way operation will be described with reference to FIG.
[二元運転]
図3は、図1の冷凍装置の二元運転時の冷媒の流れを示す図である。図3において実線矢印は低元冷凍サイクルにおける冷媒の流れ、点線は高元冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示している。図4は、図3の冷凍装置の冷凍サイクル動作を現す圧力―比エンタルピ線図である。高元冷凍サイクルと低元冷凍サイクルとでは冷媒が異なるため、本来は飽和温度に対する圧力が異なるが、図4では、それぞれの冷媒が圧力に対して同じ飽和温度になるように補正し、横軸の比エンタルピでも同じ飽和線に対しているように補正して図示している。また、図4において31は飽和曲線、32は外気温度等温線、33は低元冷凍サイクル、34は高元冷凍サイクルを示している。図4におけるA〜Iは、図3のA〜Iに示す各配管位置における冷媒状態を示している。また、図4では、外気温度35℃、冷却器目標温度−30℃の場合の動作を、各状態それぞれの温度と共に示している。
[Two-way operation]
FIG. 3 is a diagram illustrating the refrigerant flow during the binary operation of the refrigeration apparatus of FIG. 1. In FIG. 3, the solid line arrows indicate the refrigerant flow in the low-source refrigeration cycle, and the dotted lines indicate the refrigerant flow in the high-source refrigeration cycle. FIG. 4 is a pressure-specific enthalpy diagram showing the refrigeration cycle operation of the refrigeration apparatus of FIG. Since the refrigerant is different between the high-source refrigeration cycle and the low-source refrigeration cycle, the pressure with respect to the saturation temperature is originally different, but in FIG. 4, the horizontal axis is corrected so that each refrigerant has the same saturation temperature with respect to the pressure. The specific enthalpy is corrected for the same saturation line. In FIG. 4, 31 indicates a saturation curve, 32 indicates an outside air temperature isotherm, 33 indicates a low-source refrigeration cycle, and 34 indicates a high-source refrigeration cycle. A to I in FIG. 4 indicate refrigerant states at the respective piping positions shown in A to I in FIG. FIG. 4 shows the operation when the outside air temperature is 35 ° C. and the cooler target temperature −30 ° C. together with the temperature of each state.
(二元運転−低元冷凍サイクル)
二酸化炭素冷媒が封入された低元冷凍サイクルでは、外気温度によらず圧縮機運転が行われる。二元運転では、流路切替弁11は、図3の実線側に切り替えられる。低元圧縮機10は、低圧飽和温度が−30℃となるように回転数が調整されている。この低元圧縮機10の吸入冷媒(状態A)は飽和温度15℃相当の圧力まで昇圧されて高温冷媒(状態B)となる。この高温冷媒は流路切替弁11を経由してまず低元放熱器12へ導かれる。低元放熱器12へ導かれた高温冷媒は90℃程度であり、外気よりも十分高温であるため、外気に放熱を行うことで図4に示すように外気温度に近い温度(状態C)まで冷却される。
(Two-way operation-low-source refrigeration cycle)
In the low-source refrigeration cycle in which the carbon dioxide refrigerant is sealed, the compressor operation is performed regardless of the outside air temperature. In the dual operation, the flow
外気温度に近い温度まで冷却された低元冷凍サイクルの冷媒は、この後、カスケード熱交換器9の凝縮部9bに流入し、蒸発部9a側を通過する高元冷媒と熱交換して状態Dまで冷却され、接続配管3を経由して冷却ユニット2に流入する。冷却ユニット2に流入した冷媒は、開放された液電磁弁13を通り、低元膨張弁14によって飽和温度−30℃まで減圧され(状態E)、冷却器15に流入する。冷却器15に流入した冷媒は、冷凍倉庫内の空気と熱交換して冷凍倉庫内を冷却し、ここで再び低圧ガス状態Aとなる。そして、低圧ガス状態Aの冷媒は、接続配管4を経由して再び低元圧縮機10に吸入される。
The refrigerant of the low-source refrigeration cycle cooled to a temperature close to the outside air temperature then flows into the condensing
(二元運転−高元冷凍サイクル)
R290が封入された高元冷凍サイクルでは、高元圧縮機5を流出した高温高圧の冷媒(状態G)が、高元放熱器6で35℃の外気に対して放熱し、飽和温度50℃まで低下し、更に外気温度に近い温度まで冷却されて高圧液冷媒(状態H)となる。そして、高圧液冷媒は、高元膨張弁8によって飽和温度10℃程度まで減圧される(状態I)。なお、二元運転時、バイパス弁17a、18aは閉じられている。
(Two-way operation-high-source refrigeration cycle)
In the high-source refrigeration cycle in which R290 is enclosed, the high-temperature and high-pressure refrigerant (state G) that has flowed out of the high-source compressor 5 radiates heat to the outside air at 35 ° C. in the high-
高元膨張弁8にて減圧された冷媒は、カスケード熱交換器9の蒸発部9aで飽和温度15℃の低元冷媒と熱交換し、蒸発して低圧ガス冷媒(状態F)となり、再び低元圧縮機10に吸入される。このとき、高元圧縮機5は、その吸入圧力の飽和温度が10℃程度となるように回転数が調整されており、また、その吸入ガス冷媒過熱度が5度程度となるように高元膨張弁8の開度が調整されている。
The refrigerant decompressed by the high original expansion valve 8 exchanges heat with a low original refrigerant having a saturation temperature of 15 ° C. in the
このように、放熱側の冷媒温度が50℃、吸熱側の冷媒温度が−30℃となるような運転条件では、例えばR290冷媒で仮に単元運転した場合、圧縮比が10を超えることになる。図5は、一般に使用される冷媒圧縮機の圧縮比に対する運転効率特性の一例であるが、圧縮比が3から4程度で運転効率は極大となり、それ以上の圧縮比では効率が低下する。よって、圧縮比が10を超えるような運転では、運転効率が大きく低下することとなる。したがって、上述したように冷凍サイクルを低元冷凍サイクルと高元冷凍サイクルに分けて二元運転することで、それぞれの圧縮比を3から4程度に小さくすることができ、運転効率を向上することができる。 Thus, under the operating conditions in which the refrigerant temperature on the heat radiation side is 50 ° C. and the refrigerant temperature on the heat absorption side is −30 ° C., for example, when the unit operation is performed with R290 refrigerant, the compression ratio exceeds 10. FIG. 5 is an example of the operation efficiency characteristic with respect to the compression ratio of a refrigerant compressor that is generally used. However, the operation efficiency becomes maximum when the compression ratio is about 3 to 4, and the efficiency decreases at a compression ratio higher than that. Therefore, in an operation where the compression ratio exceeds 10, the operation efficiency is greatly reduced. Therefore, as described above, the refrigeration cycle is divided into the low-source refrigeration cycle and the high-source refrigeration cycle, and the two-way operation can reduce the respective compression ratios to about 3 to 4, thereby improving the operation efficiency. Can do.
[単元運転]
続いて、単元運転時の冷凍サイクル動作について説明する。外気温度が所定温度以下の低外気では、二元運転すると高元、低元とも圧縮比が低下してしまうので、この場合も運転効率が低下することとなる。これを回避するため、本実施の形態では、低外気時には低元圧縮機10のみを運転し、高元圧縮機5を停止する単元運転を行う。なお、単元運転では、流路切替弁11は、図1の点線側に切り替えられる。
[Unit operation]
Next, the refrigeration cycle operation during unit operation will be described. In the case of low outside air whose outside air temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, if the two-way operation is performed, the compression ratio decreases for both the high and low sources, so that the operation efficiency also decreases in this case. In order to avoid this, in the present embodiment, only the low-
このように単元運転では高元圧縮機5を停止するため、仮にカスケード熱交換器9の蒸発部9aに冷媒が流れない構成とした場合、低元冷凍サイクルでは低元放熱器12でしか放熱できなくなる。よって、放熱能力が大きく低下してしまう。そこで、本実施の形態では、冷媒自然循環により高元冷凍サイクルに冷媒が循環するようにし、低元冷凍サイクルの凝縮部9bを流れる冷媒の熱を、カスケード熱交換器9にて高元冷凍サイクル側に吸熱させ、高元放熱器6で外気に放熱することで、放熱能力の向上を図っている。以下、この単元運転について図6及び図7を参照して説明する。
As described above, since the high unit compressor 5 is stopped in the unit operation, if the refrigerant does not flow into the
図6は、図1の冷凍装置の単元運転時の冷媒の流れを示す図である。図6において実線矢印は低元冷凍サイクルにおける冷媒の流れ、点線は高元冷凍サイクルにおける冷媒の流れを示している。図7は、図6の冷凍装置の冷凍サイクル動作を現す圧力―比エンタルピ線図であり、図3と同様に、高元と低元で異種冷媒であることによる飽和温度と圧力のズレを同一冷媒での動作のように補正して図示している。また、図7において31は飽和曲線、32は外気温度等温線、33は低元冷凍サイクル、34は高元冷凍サイクルを示している。図7におけるA〜E、J〜Lは、図6のA〜E、J〜Lに示す各配管位置における冷媒状態を示している。また、図7では、外気温度0℃、冷却器目標温度−30℃の場合の動作を、各状態それぞれの温度と共に示している。 FIG. 6 is a diagram showing the refrigerant flow during unit operation of the refrigeration apparatus of FIG. 1. In FIG. 6, the solid line arrow indicates the refrigerant flow in the low-source refrigeration cycle, and the dotted line indicates the refrigerant flow in the high-source refrigeration cycle. FIG. 7 is a pressure-specific enthalpy diagram showing the refrigeration cycle operation of the refrigeration apparatus of FIG. 6, and similarly to FIG. 3, the difference in saturation temperature and pressure due to different refrigerants at the high and low sources is the same. It is corrected and illustrated as an operation with a refrigerant. In FIG. 7, 31 indicates a saturation curve, 32 indicates an outside air temperature isotherm, 33 indicates a low-source refrigeration cycle, and 34 indicates a high-source refrigeration cycle. A to E and J to L in FIG. 7 indicate refrigerant states at the respective piping positions indicated by A to E and J to L in FIG. 6. Moreover, in FIG. 7, operation | movement in case the outside temperature 0 degreeC and a cooler target temperature-30 degreeC is shown with the temperature of each state.
(単元運転−低元冷凍サイクル)
低元冷凍サイクルでは高外気条件と同様、低元圧縮機10は低圧飽和温度が−30℃となるように回転数が調整されている。低元圧縮機10の吸入冷媒(状態A)は昇圧されて高温冷媒(状態B)となり、流路切替弁11を経由してまずはカスケード熱交換器9の凝縮部9bに送られる。カスケード熱交換器9の凝縮部9bに流入した冷媒は、蒸発部9aを通過する高元冷凍サイクル側の高元冷媒に放熱して15℃で凝縮し、状態Cとなる。そして、状態Cの冷媒は、続いて低元放熱器12に流入して0℃の外気と熱交換し、外気温度0℃に近い温度(ここでは2℃)(状態D)まで冷却される。
(Unit operation-low refrigeration cycle)
In the low-source refrigeration cycle, the rotational speed of the low-
低元放熱器12から流出した冷媒は、接続配管3を経由して冷却ユニット2に流入し、開放された液電磁弁13を通り、低元膨張弁14によって飽和温度−30℃まで減圧される(状態E)。低元膨張弁14によって減圧された冷媒は、冷却器15に流入し、冷凍倉庫内の空気と熱交換して冷凍倉庫内を冷却する。冷凍倉庫内を冷却した冷媒は、再び低圧ガス状態Aとなった後、接続配管4を経由して再び低元圧縮機10に吸入される。
The refrigerant that has flowed out of the
(単元運転−高元冷凍サイクル)
一方、高元冷凍サイクルでは、室外送風機7を稼働させた状態で高元圧縮機5を停止し、バイパス弁17aを開放する。また、高元膨張弁8を全開とするか又はバイパス弁18aを開放する。これにより、高元放熱器6とカスケード熱交換器9とが高元圧縮機5をバイパスして直接的に接続された循環サイクル(自然循環サイクル)が形成される。
(Unit operation-high refrigeration cycle)
On the other hand, in the high-source refrigeration cycle, the high-source compressor 5 is stopped in a state where the outdoor blower 7 is operated, and the
高元側の冷媒R290は、高元放熱器6で0℃の外気温度に放熱して冷却され、その後、カスケード熱交換器9の蒸発部9aに流入し、凝縮部9b側を通過する低元圧縮機10の吐出ガス冷媒によって加熱される。よって、高元放熱器6をカスケード熱交換器9よりも高い位置に設置していれば、高元放熱器6とカスケード熱交換器9の蒸発部9aとで冷媒に温度差が生じることで、冷媒が自然循環サイクル内を自然循環する。この自然循環サイクルにおけるカスケード熱交換器9の蒸発部9aでの高元冷媒の飽和温度は、外気温度0℃と低元冷凍サイクルの凝縮温度15℃との中間程度の飽和温度(ここでは8℃)となる。
The high-source-side refrigerant R290 is cooled by releasing heat to the outside air temperature of 0 ° C. in the high-
高元冷凍サイクルに設けた自然循環サイクルでは、高元圧縮機5をバイパスした冷媒が、高元放熱器6で8℃で凝縮して液冷媒(状態K)となり、その重さによってカスケード熱交換器9に向けて下降し、カスケード熱交換器9の蒸発部9aに流入する。高元放熱器6で凝縮した液冷媒(状態K)は、それより下方にあるカスケード熱交換器9の蒸発部9aの入口では液ヘッド分だけ高圧の液冷媒(状態L)となる。この液冷媒はカスケード熱交換器9の凝縮部9bを通過する15℃の低元冷媒によって加熱されて8℃で蒸発し、ガス冷媒(状態J)となる。このガス冷媒は、カスケード熱交換器9の蒸発部9aから押し出されて上昇し、バイパス弁17aを通過して上方にある高元放熱器6入口へ再び流入する。
In the natural circulation cycle provided in the high-source refrigeration cycle, the refrigerant bypassing the high-source compressor 5 condenses at 8 ° C. in the high-
このように、高元冷凍サイクルに設けた自然循環サイクルでは、高元圧縮機5を駆動しなくても室外送風機7の運転のみで高元冷媒が自然循環し、外気放熱が可能になるため、消費電力の少ない冷却運転となる。 In this way, in the natural circulation cycle provided in the high-source refrigeration cycle, the high-source refrigerant naturally circulates only by the operation of the outdoor blower 7 without driving the high-source compressor 5, so that the outside air can be dissipated. Cooling operation with low power consumption.
自然循環を行わずに単に高元冷凍サイクルを停止しただけの単元運転では、外気への放熱が低元放熱器12でのみ行われることになるため、放熱能力が不足する。しかし、本実施の形態では、高元放熱器6と低元放熱器12との双方を利用した外気放熱が可能となるため、十分な放熱性能を確保できる。
In unit operation in which the high-source refrigeration cycle is simply stopped without performing natural circulation, heat radiation to the outside air is performed only by the low-
また、流路切替弁11の切り替えにより、単元運転時の低元冷凍サイクルにおける低元冷媒の流通順が、カスケード熱交換器9→低元放熱器12の順となるようにしたため、低元冷媒温度を外気温度近くまで低下させることができる。また、二元運転では、外気温度がカスケード熱交換器9の凝縮部9bでの凝縮温度よりも高いため、低元冷凍サイクルにおいて低元冷媒をカスケード熱交換器9の前に低元放熱器12に通過させることで外気放熱することができ、低元放熱器12を有効に利用することができる。
Moreover, since the flow order of the low-source refrigerant in the low-source refrigeration cycle during the unit operation is changed from the
以上のように、本実施の形態によれば、二元運転と単元運転とを選択できるようにしたので、低外気条件で圧縮比が小さくなりすぎることによる運転効率の悪化を回避することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the two-way operation and the one-way operation can be selected, it is possible to avoid the deterioration of the operation efficiency due to the compression ratio becoming too small under the low outside air condition. .
また、低元冷凍サイクルの低元放熱器12と高元冷凍サイクルの高元放熱器6とをそれぞれ外気放熱可能に構成すると共に、高元圧縮機5の停止時にも高元放熱器6に冷媒が自然循環により通過する構成としたため、以下の効果が得られる。すなわち、単元運転時に高元放熱器6と低元放熱器12との双方を利用した外気放熱が可能となるため、十分な放熱性能を確保できる。つまり、室外熱交換器(高元放熱器6、低元放熱器12)の放熱性能を最大限に利用することができ、低外気条件の際の運転効率を向上でき、省エネ性を向上することができる。
Further, the low-
また、室外熱交換器の一部を単元運転時専用として利用した上記特許文献1では、二元運転時に室外熱交換器を最大限利用することができないのに対し、本実施の形態では、二元運転時に高元放熱器6と低元放熱器12の双方で外気放熱できる。つまり室外熱交換器を最大限利用することができ、二元運転時においても、十分な放熱性能を確保でき、省エネ性を向上することができる。
In Patent Document 1 in which a part of the outdoor heat exchanger is used exclusively for unit operation, the outdoor heat exchanger cannot be used to the maximum during two-way operation. The outside air can be radiated by both the high-
また、低元冷凍サイクルにおいて、低元放熱器12とカスケード熱交換器9の流通順を選択できるようにし、単元運転の際に、低元圧縮機10から吐出した冷媒をまずカスケード熱交換器9に通過させ、その後、低元放熱器12に通過させるようにしたので、以下の効果が得られる。すなわち、単元運転の際に、低元冷凍サイクルの高圧冷媒を外気温度近傍まで低下させることができる。また、高元冷凍サイクル側から見れば、カスケード熱交換器9の蒸発部9aの出口冷媒を低元冷凍サイクルの吐出ガス温度近傍まで上昇させることで、高元放熱器6の外気放熱性能を向上させることができる。その結果、運転効率を高めることができる。
Further, in the low-source refrigeration cycle, the distribution order of the low-
また、図1に示したように、二元運転では、カスケード熱交換器9において低元冷媒と高元冷媒とが並行流で熱交換する構成としたので、高元圧縮機5の吸入冷媒が異常過熱することを防止できる。
Further, as shown in FIG. 1, in the binary operation, the
また、単元運転では、カスケード熱交換器9において低元冷媒と高元冷媒とが対向流で熱交換する。このため、高元側のカスケード熱交換器9の出口側の冷媒が低元圧縮機10の吐出ガスと熱交換するので、自然循環サイクルのガス側で十分な過熱度を確保でき、外気放熱性能が向上する。
In the unit operation, the low-source refrigerant and the high-source refrigerant exchange heat in the
1 室外ユニット、2 冷却ユニット、3 接続配管、4 接続配管、5 高元圧縮機、6 高元放熱器、7 室外送風機、8 高元膨張弁、9 カスケード熱交換器、9a 蒸発部、9b 凝縮部、10 低元圧縮機、11 流路切替弁、12 低元放熱器、13 液電磁弁、14 低元膨張弁、15 冷却器、16 冷却ファン、17 バイパス回路、17a バイパス弁、18 バイパス回路、18a バイパス弁、19 外気温度センサ、20 制御装置、21 伝熱フィン、22 伝熱管。
1 outdoor unit, 2 cooling unit, 3 connection piping, 4 connection piping, 5 high compressor, 6 high heat radiator, 7 outdoor blower, 8 high expansion valve, 9 cascade heat exchanger, 9a evaporation section,
Claims (5)
低元圧縮機と、第2の室外放熱器と、カスケード熱交換器の凝縮部と、低元膨張弁と、冷却器とが接続されて構成される低元冷凍サイクルと、
前記低元圧縮機と前記高元圧縮機の両方を運転する二元運転と、前記低元圧縮機を運転し、前記高元圧縮機を停止する単元運転とで、前記低元圧縮機から流出した冷媒の流通順を、前記第2の室外放熱器から前記カスケード熱交換器の凝縮部の順とその逆順とに切り替える流路切替弁と、
前記単元運転時に前記高元冷凍サイクルにおいて前記高元圧縮機をバイパスして前記第1の室外放熱器と前記カスケード熱交換器の蒸発部とに冷媒を自然循環させる自然循環サイクルと
を備えたことを特徴とする冷凍装置。 A high-source refrigeration cycle configured by connecting a high-source compressor, a first outdoor radiator, a high-source expansion valve, and an evaporation section of a cascade heat exchanger;
A low-source refrigeration cycle configured by connecting a low-source compressor, a second outdoor radiator, a condensing unit of a cascade heat exchanger, a low-source expansion valve, and a cooler;
Outflow from the low-source compressor in a dual operation that operates both the low-source compressor and the high-source compressor, and a single-unit operation that operates the low-source compressor and stops the high-source compressor A flow path switching valve that switches the flow order of the refrigerant from the second outdoor radiator to the order of the condensing part of the cascade heat exchanger and the reverse order thereof,
A natural circulation cycle that bypasses the high-compressor compressor in the high-source refrigeration cycle during the unit operation and naturally circulates the refrigerant between the first outdoor radiator and the evaporation section of the cascade heat exchanger; A refrigeration apparatus characterized by.
前記外気温度センサで検出された外気温度に基づいて前記二元運転と前記単元運転とを選択的に行う制御装置と
を備えたことを特徴とする請求項1記載の冷凍装置。 An outside temperature sensor for detecting the outside temperature;
The refrigeration apparatus according to claim 1, further comprising a control device that selectively performs the two-way operation and the single-unit operation based on an outside air temperature detected by the outside air temperature sensor.
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