JP4123829B2

JP4123829B2 - 冷凍サイクル装置

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Publication number: JP4123829B2
Application number: JP2002153525A
Authority: JP
Inventors: 多佳志岡崎; 智彦河西; 修森本; 茂生 ▲高▼田; 信浩吉川; 孝志池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP2003343936A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は冷凍サイクル装置に関するものであり、特に高低差の大きい高層ビルに設置された場合でも性能低下の生じない冷凍サイクル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ビルなどの建物に設置される個別分散型の空調機である多室冷暖房装置では、高低差の大きい高層ビルなどに設置される場合、すなわち、室外ユニットが屋上などの高所に設置され、室内ユニットが各階フロアに設置される場合の暖房運転時や、室外ユニットが地下などの低所に設置され、室内ユニットが各階フロアに設置される場合の冷房運転時には、室外ユニットと室内ユニットとを接続する接続配管が長くなって圧力損失が増加し、さらに、高低差に伴う液ヘッドによる圧力損失も加わって性能が大きく低下するという問題があった。
【０００３】
このことを図１２に基づいて説明する。
図１２中、冷凍サイクル装置は、屋上に設置される室外ユニット１００と、上層階から各階Ｆ１、Ｆ２、…、Ｆｎにそれぞれ設置される室内ユニット１１０ａ、１１０ｂ、…、１１０ｎおよびそれらを接続する液配管１２０、ガス配管１２１により主に構成されている。また、室外ユニット１００内には、圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０３が収納されており、室内ユニット１１０ａ、１１０ｂ、…、１１０ｎ内には、絞り装置１１１ａ、１１１ｂ、…、１１１ｎと室内熱交換器１１２ａ、１１２ｂ、…、１１２ｎが収納されている。
【０００４】
次に、動作について説明する。
暖房運転時には、四方弁１０２の第１口１０２ａと第２口１０２ｂが接続され、第３口１０２ｃと第４口１０２ｄが接続される。そして、圧縮機１０１から吐出されたガス冷媒が四方弁１０２、ガス配管１２１の順に流れて室内熱交換器１１２ａ、…、１１２ｎに至り、室内熱交換器１１２ａ、…、１１２ｎで凝縮液化する。この凝縮液化した冷媒は、第２絞り装置１１１ａ、…、１１１ｎで減圧されて低圧二相冷媒となった後、液配管１２０を流れて室外熱交換器１０３に至り、室外熱交換器１０３で蒸発気化し、四方弁１０２を経て圧縮機１０１に戻る。
【０００５】
ここで，最下階Ｆｎに設置された室内ユニット１１０ｎでは、第２絞り装置１１１ｎから室外熱交換器１０３に至る配管で、水平方向、すなわち床方向の水平配管に伴う圧力損失と、垂直方向、すなわち階方向の垂直配管（高低差）に伴う液ヘッドによる圧力損失が生じてしまい、第２絞り装置１１１ｎ出口部での圧力が上昇して第２絞り装置１１１ｎ出入口での圧力差が低下してしまうことがある。そして、この第２絞り装置１１１ｎ出入口における圧力差の低下により冷媒循環量の減少が引き起こされるので、高層ビルに冷凍サイクル装置を設置した場合に、性能が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
また、高低差の大きな高層ビルに対応可能な冷凍サイクル装置としては、例えば、図１３に示すような特開平６−２６５１７３号公報に開示されたものもある。
図１３では、ビルの上層部に冷熱源となる蓄熱槽２００および温熱源となる蓄熱槽２０１をそれぞれ設置し、各階Ｆ１、Ｆ２、…に凝縮器となる第１の熱交換器２１０ａ、２１０ｂ、…、および蒸発器となる第２の熱交換器２１１ａ、２１１ｂ、…をそれぞれ設置し、さらに各階Ｆ１、Ｆ２、…に複数台の室内ユニット２２０ａ、２２０ｂ、…を設置した構成となっている。
【０００７】
また、蓄熱槽（冷熱源）２００と各熱交換器２１０ａ、２１０ｂ、…との間は冷水往管２３０ａおよび冷水還管２３０ｂによって連結して閉回路（第１の閉回路）を構成し、内部に封入された冷水をポンプ２３１によって循環させることにより各第１の熱交換器２１０ａ、２１０ｂ、…に冷熱を供給するようにしている。また、蓄熱槽（温熱源）２０１と各熱交換器２１１ａ、２１１ｂ、…との間は温水往管２３２ａおよび温水還管２３２ｂによって連結して閉回路（第２の閉回路）を構成し、内部に封入された温水をポンプ２３３によって循環させることにより各第２の熱交換器２１１ａ、２１１ｂ、…に温熱を供給するようにしている。
【０００８】
また、各階Ｆ１、Ｆ２、…に設置されている室内ユニット２２０ａ、２２０ｂ、…は内部に冷房コイルおよび暖房コイルを備えており、図示しない切り換え機構によっていずれか一方のコイルを選択することにより冷房ユニットまたは暖房ユニットとして使用できるように構成されている。冷房コイルは冷媒蒸気管２４０ａおよび冷媒液管２４０ｂからなる冷房配管系を介して対応する熱交換器２１０ａ、２１０ｂ、…に接続され、暖房コイルは冷媒蒸気管２４１ａおよび冷媒液管２４１ｂからなる暖房配管系を介して対応する熱交換器２１１ａ、２１１ｂ、…に接続されている。第１の閉回路、及び第２の閉回路には、それぞれ内部に冷媒が封入されており、冷媒自然循環によって室内の冷房または暖房を行うように構成されている。
【０００９】
この構成において、冷房運転を行うには、室内ユニット２２０ａ、２２０ｂ、…を冷房ユニットに切り換え、冷房コイルで冷媒液を蒸発させて室内の熱を奪うことで内部の空気を冷却し冷房を行う。また、暖房運転を行うには，室内ユニット２２０ａ、２２０ｂ、…を暖房ユニットに切り換え、暖房コイルで冷媒蒸気を凝縮させて室内に熱を与えることによって内部の空気を温めて暖房を行うというものであった。
【００１０】
また、従来の冷凍サイクル装置として、図１４に示すような特開平５−３０６８４９号公報に開示されたものもある。
図１４では、熱源側冷房サイクル３００と、熱源側暖房サイクル３０１と、冷媒搬送装置３０２の吐出口と吸入口を連通した連通管の途中に設けられた図示しない冷媒搬送装置バイパス弁と、熱源側ユニット３０３と、利用側ユニット３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃより上部に位置した図示しない冷房補助ユニットと、下部に位置した暖房補助ユニット３０５と、これらを環状に連接して成る利用側冷媒サイクル３０６とにより構成されている。熱源側ユニット３０３と利用側ユニット３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃに高低差がある場合、冷媒搬送装置３０２の負荷を低減する、すなわち冷媒搬送装置バイパス弁や暖房用第１補助熱交換器３０７を用いて利用側冷媒サイクルの冷房や暖房運転時に冷媒自然循環を利用することで冷媒搬送装置を小型化し、高揚程性能を向上するというものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１３に示す従来の冷凍サイクル装置では、冷熱源および温熱源という２つの熱源を有し、それらに蓄熱槽を用いているために、装置が大型化するという問題があった。また、冷熱源および温熱源をそれぞれ冷却および加熱するための冷媒サイクルを必要とするため、冷却および加熱用冷媒サイクルから熱搬送媒体（水）への熱交換ロスが発生し、消費電力が増加するという問題があった。さらに、冷熱および温熱媒体搬送用のポンプが必要になるため消費電力が増加するという問題があった。
【００１２】
また、図１４に示す従来の熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離した冷凍サイクル装置では、冷媒自然循環を利用するために、熱源側暖房サイクルは最下階に設置された利用側ユニットよりも更に下部に位置した暖房補助ユニットを通過することとなり、前述したように熱源側冷媒サイクルの性能が低下するという問題があった。さらに、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離したので、利用側冷媒サイクルの階方向（垂直方向）と床方向（水平方向）が同一冷媒回路系で構成されてしまい、利用側冷媒サイクルの冷媒封入量が増加することで冷媒漏洩時の影響が系全体へ及ぶとともに，システムの安全性を確保することが困難であるという問題があった。
【００１３】
この発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、高低差の大きい高層ビルへ設置される場合にも性能低下が小さく、小型で省エネルギー性に優れた安全性の高い冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明における冷凍サイクル装置は、少なくとも１台の圧縮機、少なくとも１台の室外熱交換器、開度変更可能な第１の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第１の冷媒サイクルと、開度変更可能な第２の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第２の冷媒サイクルとを備え、高圧配管に環状に接続される配管に設けられ、暖房運転時に第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第１の中間熱交換器と、低圧配管に環状に接続される配管に設けられ、冷房運転時に第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第２の中間熱交換器とを有するものとした。
【００１５】
さらに、第１の中間熱交換器は室内熱交換器よりも下方に位置し、第２の中間熱交換器は室内熱交換器よりも上方に位置するものとした。
【００１６】
さらに、高圧配管に環状に接続される配管で、第１の中間熱交換器の冷媒流入側に第１の気液分離器を設け、低圧配管に環状に接続される配管で、第２の中間熱交換器の冷媒流入側に第２の気液分離器を設けたものとした。
【００１７】
また、この発明における冷凍サイクル装置は、圧縮機、少なくとも１台の室外熱交換器、開度変更可能な第１の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第１の冷媒サイクルと、開度変更可能な第２の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、建物の所定の階に設置される第２の冷媒サイクルとを備え、弁の開閉制御により高圧配管、または低圧配管に配管を介して接続され、第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう中間熱交換器と、第２の冷媒サイクルで冷媒を強制的に循環させる冷媒液搬送手段とを設けたものとした。
【００１８】
さらに、冷媒液搬送手段はガス配管に設けられているものとした。
【００１９】
さらに、冷媒液搬送手段は液配管に設けられているものとした。
【００２０】
さらに、第１の絞り装置は、最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されることとした。
【００２１】
さらに、圧縮機、及び室外熱交換器は、上層部に配置されることとした。
【００２２】
さらに、圧縮機と高圧配管との間に、少なくとも１台の室外熱交換器が配置され、圧縮機と低圧配管との間に少なくとも１台の室外熱交換器が配置されているものとした。
【００２３】
さらに、圧縮機の吐出側に設けられた四方弁を有し、室外熱交換器は配管を介して四方弁に接続され、さらに、四方弁と低圧配管とを接続する配管に設けられ、低圧配管から四方弁への方向にのみ冷媒を流す第１の逆止弁と、室外熱交換器と高圧配管とを接続する配管に設けられ、室外熱交換器から高圧配管への方向にのみ冷媒を流す第２の逆止弁と、第１の逆止弁の吸入側と第２の逆止弁の吸入側とを接続する配管に設けられ、第１の逆止弁の吸入側から第２の逆止弁の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第３の逆止弁と、第１の逆止弁の吐出側と第２の逆止弁の吐出側とを接続する配管に設けられ、第１の逆止弁の吐出側から第２の逆止弁の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第４の逆止弁とを有するものとした。
【００２４】
さらに、圧縮機は最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置され、第１絞り装置及び室外熱交換器は最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されるものとした。
【００２５】
さらに、第１の冷媒サイクルに、廃熱回収用の熱交換器を設けたものとした。
【００２６】
さらに、第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルには、異なる冷媒が充填されているものとした。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を示す構成図である。
図１中、冷凍サイクル装置は、高低差の大きい高層ビル１の上層部、特に屋上に配置された室外ユニット１０と、各階Ｆ１、…、Ｆｎに設置される室内ユニット３０ａ、…、３０ｎと、分岐ユニット５０ａ、…、５０ｎおよび最下階に設置される室内ユニット３０ｎよりも下部の地下Ｂ１に配置される終端ユニット７０により主に構成されている。
【００２８】
室外ユニット１０は、階方向に設けられた第１配管である高圧配管８１および低圧配管８２と接続されるとともに、高圧配管８１と低圧配管８２は終端ユニット７０内に設けられた開度変更可能な第１絞り装置７１を介して接続され、熱源側冷媒サイクルを形成している。次に、室内ユニット３０ａ、…、３０ｎが接続される利用側冷媒サイクルのうち、最上階Ｆ１に設置される室内ユニット３０ａを例に取り上げ、構成を説明する。室内ユニット３０ａは、床方向に設置された第２配管であるガス配管８３ａおよび液配管８４ａに接続されるとともに、ガス配管８３ａおよび液配管８４ａは分岐ユニット５０ａ内に設けられた三方弁５１ａおよび５２ａを介して中間熱交換器５３ａおよび５４ａと接続され、利用側冷媒サイクルを形成している。ここで、熱源側冷媒サイクル（第１の冷媒サイクル）は圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷媒サイクルを、利用側冷媒サイクル（第２の冷媒サイクル）は圧縮機を用いない自然循環サイクルを利用している。
【００２９】
室外ユニット１０内には、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機１１、室外熱交換器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、外気を室外熱交換器１２ａ、１２ｂに送風するための送風機（図示せず）、圧縮機１１への液戻りを防止するためのアキュムレータ１４、及び開閉弁１５、１６、１７、１８、１９、２０およびこれらを接続するための配管が内蔵されている。ここで、圧縮機１１としては、例えば周波数が固定の一定速圧縮機が使用される。
【００３０】
一方、分岐ユニット５０ａには、第１配管中に環状に接続される第３配管８５ａおよび８６ａ中に設けられた中間熱交換器５３ａおよび５４ａ、第３絞り装置５５ａおよび５６ａ、室内ユニット３０ａを中間熱交換器５３ａまたは５４ａのいずれか一方に接続するための三方弁５１ａおよび５２ａが内蔵されている。ここで、中間熱交換器５３ａおよび５４ａの設置位置は、冷房運転時には、室内熱交換器３１ａを蒸発器とした自然循環運転が、暖房運転時には室内熱交換器３１ａを凝縮器とした自然循環運転が成立するように設置される。すなわち、中間熱交換器５３ａは所定の高低差が得られるように室内熱交換器３１ａよりも上方に設置され、中間熱交換器５４ａは所定の高低差が得られるように室内熱交換器３１ａよりも下方に設置される。ここで、中間熱交換器５３ａ、５４ａとしては，例えば液体同志の熱交換に適したプレート熱交換器が使用される。また、分岐ユニット５０ａは、ガス配管８３ａおよび液配管８４ａを介して室内ユニット３０ａと接続されている。また、高圧配管８１と低圧配管８２の終端は、終端ユニット７０内に内蔵された第１絞り装置７１を介して接続されており、終端ユニット７０内には、圧力検出器７３、第１温度検出器７２が設けられている。
【００３１】
また、室内ユニット３０ａ内には、室内熱交換器３１ａ、室内熱交換器３１ａに流れる冷媒の流量を調節する第２絞り装置３２ａ、室内空気を強制的に室内熱交換器３１ａの外表面に送風するための送風機（図示せず）、およびそれらを接続するための配管が内蔵されている。さらに、室内熱交換器３０ａのガス側には第２温度検出器３３ａが、液側には第３温度検出器３４ａが設けられている。室内熱交換器３１ａの一端は、第２絞り装置３２ａを介して液配管８４ａに接続され、他端はガス配管８３ａに接続されている。
なお、図１では、室内ユニット３０ａを１台としているが、１台の分岐ユニット５０ａに対して複数台の室内ユニット３０ａが設置される構成であってもよい。
【００３２】
次に、動作について説明する。
なお、図１では圧縮機１１の周波数が固定のため、冷房負荷や暖房負荷の変化に応じて室外熱交換器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの使用個数を変化させ、負荷に対応した冷房能力や暖房能力を発揮するようにしている。
【００３３】
まず、冷房負荷が大きく、暖房負荷がない場合の動作について説明する。
室外ユニット１０内の開閉弁１５、１７、１９、２０は閉止され、開閉弁１６、１８は開放される。分岐ユニット５０ａ内の第３絞り装置５５ａは中間熱交換器５３ａ出口の冷媒が過熱ガスとなる適切な開度に設定され、第３絞り装置５６ａは全閉する。また、分岐ユニット５０ａ内の三方弁５１ａおよび５２ａは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器５３ａを通過するように接続される。なお、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１、室内ユニット３０ａ内の第２絞り装置３２ａの開度設定については後述する。
【００３４】
このとき、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒蒸気は、開閉弁１６を通って室外熱交換器１２ａ、１２ｂで完全に凝縮液化され、高圧配管８１に流入する。高圧配管８１を垂直方向に流下した液冷媒は、終端ユニット７０の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎで蒸発気化し、室外ユニット１０内の開閉弁１８を通り、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。この時、低圧配管８２を通過する低圧二相冷媒の一部が第３配管８５ａ、・・・、８５ｎに流入し、第３絞り装置５５ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器５３ａで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第３配管８５ａを通って再び低圧配管８２に戻る。冷房負荷が高い場合、低圧配管８２を上昇する低圧二相冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎで完全に蒸発気化するため、室外ユニット１０内の室外熱交換器１３ａ、１３ｂを通過せずに開閉弁１８を通り、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。
【００３５】
次に、利用側冷媒サイクルの動作について説明する。
なお、利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５３ａが凝縮器、室内熱交換器３１ａが蒸発器として動作するものとする。中間熱交換器５３ａで凝縮した冷媒液は、室内熱交換器３１ａとの高低差によって重力により下降し、三方弁５２ａを経て液配管８４ａを通り、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで蒸発気化した冷媒は、ガス配管８３ａを通り、三方弁５１ａを経て中間熱交換器５３ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒自然循環が成立する。
【００３６】
また、冷房負荷が中間状態（例えば５０％負荷）にあり、暖房負荷がない場合には、開閉弁１５、１７、１８が閉止、開閉弁１６、１９、２０が開放され、室外ユニット１０内での冷媒の流れが上述の冷房負荷が大きい場合とは異なることになる。
すなわち、冷房負荷が中間状態であるため、低圧配管８２を上昇して室外ユニット１０に流入する冷媒は、未蒸発の液を若干含む乾き度（＝ガス冷媒の質量流量／（ガス冷媒の質量流量＋液冷媒の質量流量））の高い気液二相状態となり、未蒸発液は室外ユニット１０内の開閉弁１９を通過し、室外熱交換器１３ａで蒸発し、開閉弁２０、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１へ戻ることになる。なお、開閉弁２０が開放されているため、流動抵抗の大きな室外熱交換器１３ｂへ冷媒は流れないが、開閉弁２０の流動抵抗が大きく室外熱交換器１３ｂへも冷媒が流れる場合には、室外熱交換器１３ａと１３ｂとを接続する配管の途中にさらに開閉弁を設けても良い。
【００３７】
また、冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合には、開閉弁１５、１７、１８、２０を閉止し、開閉弁１６、１９が開放され、室外ユニット１０内での冷媒の流れが上述の冷房負荷が大きい場合、中間の場合とは異なることになる。
すなわち、低圧配管８２を上昇し室外ユニット１０に流入する冷媒は、未蒸発の液を多量に含む乾き度の低い気液二相状態となり、未蒸発液は室外ユニット１０内の開閉弁１９を通過後、室外熱交換器１３ａ、１３ｂの両方で蒸発し、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１へ戻ることになる。
【００３８】
また、暖房負荷が大きく、冷房負荷がない場合の暖房運転では、室外ユニット１０内の開閉弁１６、１７、１８、２０は閉止され、開閉弁１５、１９は開放される。分岐ユニット５０ａ内の第３絞り装置５６ａは中間熱交換器５４ａ出口の冷媒が過冷却液となる適切な開度に設定され、５５ａは全閉する。また、分岐ユニット５０ａ内の三方弁５１ａおよび５２ａは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器５４ａを通過するように接続される。
【００３９】
このとき、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒蒸気は、開閉弁１５を通過し、高圧配管８１に流入する。高圧配管８１を垂直方向に流下したガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５４ａ、…、５４ｎで凝縮液化し、終端ユニット７０の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、室外ユニット１０内の開閉弁１９を通過後、室外熱交換器１３ａ、１３ｂの両方で蒸発気化し、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。この時、高圧配管８１を通過する高圧ガス冷媒の一部が第３配管８６ａ、…、８６ｎに流入し、第３絞り装置５６ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５４ａに流入する。中間熱交換器５４ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。
中間熱交換器５４ａで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒ガスは、第３配管８６ａを経て再び高圧配管８１に戻る。なお、暖房負荷が高い場合、高圧配管８１を下降する高圧ガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５４ａ、…、５４ｎで完全に凝縮液化するため、終端ユニット７０の第１絞り装置７１の手前では過冷却液となる。
【００４０】
次に、利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５４ａが蒸発器、室内熱交換器３１ａが凝縮器として動作する。中間熱交換器５４ａで蒸発した冷媒ガスは、三方弁５１ａを経てガス配管８３ａを通り、室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで凝縮液化した冷媒液は、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、液配管８４ａを通り、三方弁５２ａを経て中間熱交換器５４ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒自然循環が成立する。
【００４１】
暖房負荷が中間状態（例えば５０％負荷）にあり、冷房負荷がない場合、開閉弁１５、１８、２０が閉止、開閉弁１６、１７、１９が開放され、室外ユニット１０内での冷媒の流れが上述の暖房負荷が大きい場合とは異なることになる。
すなわち、室外熱交換器１２ａで冷媒がある程度（例えば，乾き度０．５）凝縮し、高圧配管８１を下降する冷媒は未凝縮のガスを多量に含む乾き度の高い気液二相状態となる。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット５０ａ、…、５０ｎのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮するので、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１手前では完全に凝縮した過冷却液となる。そして、第１絞り装置７１で減圧されて低圧気液二相冷媒になり、低圧配管８２を上昇して室外ユニット１０内の開閉弁１９を通過後、室外熱交換器１３ａ、１３ｂで蒸発気化し、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１へ戻ることになる。
【００４２】
また、暖房負荷が小さく，冷房負荷がない場合、開閉弁１５、１７、１８、２０が閉止、開閉弁１６、１９が開放され、室外ユニット１０内での冷媒の流れが上述の暖房負荷が大きい場合、中間状態の場合とは異なることになる。
すなわち、室外熱交換器１２ａ、１２ｂで冷媒はほぼ凝縮液化するので、高圧配管８１を下降する冷媒は未凝縮のガスを若干含む乾き度の低い気液二相状態となっている。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット５０ａ、…、５０ｎのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮するので、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１手前では完全凝縮した過冷却液となる。
【００４３】
つぎに、冷房および暖房負荷が混在する場合について説明する。
冷房および暖房負荷がともに中間状態である場合、開閉弁１５、１８が閉止、開閉弁１６、１７、１９、２０が開放される。このとき、圧縮機１１で吐出された冷媒が室外熱交換器１２ａである程度（例えば，乾き度０．５）凝縮し、この未凝縮ガスは暖房運転が行われる中間熱交換器５４ａ、…、５４ｎで凝縮するので、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１の手前では冷媒は完全に凝縮した過冷却液となっている。この過冷却液は、第１絞り装置７１で低圧気液二相冷媒となり、低圧配管８２を上昇する。低圧配管８２を上昇した気液二相冷媒は、冷房運転が行われる中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎで蒸発する。なお、低圧配管８２を流れる未蒸発の液冷媒は、室外ユニット１０内の開閉弁１９を通り、室外熱交換器１３ａで蒸発し、開閉弁２０を通過後に、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻ることになる。
【００４４】
冷房および暖房負荷がともに大きい場合、開閉弁１６、１７、１９、２０が閉止、開閉弁１５、１８が開放される。従って、室外熱交換器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを利用しない運転がなされることになる。
また、冷房および暖房負荷がともに小さい場合、開閉弁１５、１７、１８、２０が閉止、開閉弁１６、１９が開放される。このとき、前述した冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合および暖房負荷が小さく冷房負荷がない場合と同様に、中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎおよび５４ａ、…、５４ｎをほとんど利用しない運転が行われることになる。
【００４５】
つぎに、第１絞り装置７１の制御方法について説明する。
終端ユニット７０内の第１絞り装置７１の開度は、圧力検出器７２および第１温度検出器７３の検出値に基づいて制御される。すなわち、はじめに圧力検出器７２で検出された圧力値に基づいて飽和液温度ＴＳＬ１を換算する。この飽和液温度ＴＳＬ１と第１温度検出器７３で検出された冷媒液温度ＴＬ１との差、すなわち過冷却度（ＴＳＬ１−ＴＬ１）が、あらかじめ設定されている目標過冷却度ＳＣ１に近づくように第１絞り装置７１を制御する。また、目標過冷却度ＳＣ１は、各階に設置された室内熱交換器３１ａ、…、３１ｎで十分な暖房能力が得られるように１０〜１５℃程度に設定されることが望ましい。なお，本実施の形態では、飽和液温度ＴＳＬ１の検出手段として圧力検出器７２を用いる例を示したが、温度検出器を高圧配管８１や第３配管８６ａ、…、８６ｎの途中に設置し、飽和液温度を直接検出するようにしても良い。また、圧力検出器７２の設置位置は、第１絞り装置７１の直前に限るものではなく、圧縮機１１から第１絞り装置７１に至る高圧配管中のどこに設置しても良い。
【００４６】
つぎに，室内ユニット３０ａ内の第２絞り装置３２ａの制御方法について説明する。
冷房運転時は、室内熱交換器３１ａのガス側にある第２温度検出器３３ａの検出値Ｔ１と、液側にある第３温度検出器３４ａの検出値Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）とが、あらかじめ設定される目標過熱度ＳＨ１に近づくように制御する。目標過熱度ＳＨ１は、室内熱交換器３１ａ内での冷媒の圧力損失に伴う温度降下と室内熱交換器３１ａのガス側出口での目標過熱度によって決められる。例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒などのように、ある圧力下での気液二相状態において乾き度が大きくなるにつれて飽和ガス温度が上昇し、飽和液と飽和ガスとで温度差が数℃となる冷媒では、この温度上昇分Ｔｇｒ[deg]を考慮に入れて、目標値を決定すべきである。一例として、室内熱交換器３１ａの入口から出口までの圧力損失に伴う温度降下が２[deg]、室内熱交換器３１ａのガス側出口での冷媒の過熱度を５[deg]、飽和液から飽和ガスまでの温度上昇分Ｔｇｒ＝５[deg]とするとＳＨ１＝５−２＋５＝８[deg]が目標値となる。また、目標過熱度ＳＨ１は、室内熱交換器３１ａで十分な熱交換が行われるように５〜１０℃程度に設定されることが望ましい。この第２絞り装置３１ａの開度制御の方法は、他の第２絞り装置３１ｂ、…、３１ｎの場合にも同様に適用できる。
【００４７】
また、暖房運転時は、利用側冷媒サイクル中に設置された図示しない圧力検出器で検出された圧力値に基づいて飽和液温度ＴＳＬ２を換算し、この飽和液温度ＴＳＬ２と第３温度検出器３４ａで検出された冷媒液温度ＴＬ２との差、すなわち過冷却度（ＴＳＬ２−ＴＬ２）が、あらかじめ設定されている目標過冷却度ＳＣ２に近づくように第２絞り装置３２ａを制御する。また、目標過冷却度ＳＣ２は，室内熱交換器３１ａで十分な暖房能力が得られるように１０〜１５℃程度に設定されることが望ましい。
【００４８】
なお、分岐ユニット５０ａ内の第３絞り装置５５ａ、５６ａの制御方法は、第２絞り装置３２ａの開度制御方法と同様である。すなわち、第３絞り装置５５ａは第２絞り装置３２ａの冷房運転の場合と同様に、第３配管８５ａ中の中間熱交換器５３ａのガス側に設置した第４温度検出器（図示せず）の検出値Ｔ４と、液側に設置した第６温度検出器（図示せず）の検出値Ｔ５との差（Ｔ４−Ｔ５）とが、あらかじめ設定される目標過熱度ＳＨ２に近づくように制御する。また、第３絞り装置５６ａは第２絞り装置３２ａの暖房運転の場合と同様に、第３配管８６ａ中に設置された圧力検出器（図示せず）で検出された圧力値に基づいて飽和液温度ＴＳＬ３を換算し、この飽和液温度ＴＳＬ３と第６温度検出器（図示せず）で検出された冷媒液温度ＴＬ３との差、すなわち過冷却度（ＴＳＬ３−ＴＬ３）が、あらかじめ設定されている目標過冷却度ＳＣ３に近づくように第３絞り装置５６ａを制御する。
【００４９】
なお、図１では、圧縮機１１の周波数が固定であるため、室外熱交換器を冷房あるいは暖房負荷に応じて分割使用する例を示したが、圧縮機１１の周波数が変更可能な場合には、負荷に応じて圧縮機１１の周波数を変更すればよく、室外熱交換器を分割せずに対応することが可能となる。また、室外送風機の送風量の制御を組合わせれば、さらに制御精度を向上させ、制御時間を短かく、かつ、制御範囲を広くすることもできる。また、図１では、室外熱交換器１３ａ、１３ｂを直列接続する例を示したが、並列接続してもよい。この場合、暖房運転時に室外熱交換器１３ａが着霜しても室外熱交換器１３ｂに運転を切り替えることで暖房運転の継続が可能となる。なお、この実施の形態では、暖房運転時に室外熱交換器１３ａ、１３ｂが着霜した場合の除霜運転について述べなかったが、熱源側冷媒サイクル中に冷媒流路切換え装置である四方弁を設ければ除霜運転を容易に実現できる。
【００５０】
また，図１では、室外ユニット１０内の室外熱交換器１２ａ、１２ｂおよび１３ａ、１３ｂは２分割させたが、特にこれに限る必要はなく、３分割以上の複数分割させるように構成しても良い。この場合には、室外熱交換器１２ａ、１２ｂおよび室外熱交換器１３ａ、１３ｂの分割数に対応して開閉弁１５〜２０の数を増加させる必要がある。
【００５１】
このように、冷媒配管を階方向（垂直方向）と床方向（水平方向）に分割し、第１絞り装置を最下階に設置される室内熱交換器よりも下部に配置したため、熱源側冷媒サイクルの冷媒回路を階方向のみで構成することで床方向の圧力損失に伴なう性能低下を防止することができ、高低差の高いビルに設置される場合でも性能低下の小さい冷凍サイクル装置を提供することができる。また、第３配管中に開度変更可能な第３絞り装置を設けたため、室内の冷房あるいは暖房負荷に対応した適切な熱交換量を中間熱交換器で確実に得ることができ，効率の高い運転が可能となる。
【００５２】
また、熱源装置が１つであるため、システムが小型化できるとともに、蓄熱槽内の冷水あるいは温水を搬送する従来例に比べて熱交換ロスが中間熱交換器のみとなるので、消費電力を低減することができ、加えて、熱媒体搬送用のポンプが必要なくなるので、その分の消費電力を低減できる。さらに、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離し、室内送風機以外の動力を必要としない冷媒自然循環を利用するために、利用側冷媒サイクルの消費電力を低減できる。加えて、冷媒サイクルを熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルに分離し、利用側冷媒サイクルの階方向と床方向が別サイクルで構成されているので、利用側冷媒サイクルの冷媒封入量を低減することができ、冷媒漏洩時の影響が小さくして、システムの安全性を確保することができる。
【００５３】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２における室外ユニットの構成図である。なお、図２中、図１と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図２中、室外ユニット１０は、冷媒ガスを圧縮するための周波数が変更可能な圧縮機１１と、冷媒流路切り換え装置である四方弁２１と、室外熱交換器１２と、外気を室外熱交換器１２に送風するための送風機（図示せず）と、圧縮機１１への液戻りを防止するためのアキュムレータ１４と、室外ユニット１０に接続される高圧配管８１に高圧ガスあるいは高圧二相冷媒を供給するためのもので、四方弁２１と低圧配管８２とを接続する配管に設けられ、低圧配管８２から四方弁２１の方向にのみ冷媒を流す第１の逆止弁２２と、室外熱交換器１２と高圧配管８１とを接続する配管に設けられ、室外熱交換器１２から高圧配管８１への方向にのみ冷媒を流す第２の逆止弁２３と、第１の逆止弁２２の吸入側と第２の逆止弁２３の吸入側とを接続する配管に設けられ、第１の逆止弁２２の吸入側から第２の逆止弁２３の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第３の逆止弁２４と、第１の逆止弁２２の吐出側と第２の逆止弁２３の吐出側とを接続する配管に設けられ、第１の逆止弁２２の吐出側から第２の逆止弁２３の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第４の逆止弁２５とを有している。
【００５５】
なお、四方弁２１の第１口２１ａは圧縮機１１の吐出側と、第２口２１ｂは第１の逆止弁２２および第４の逆止弁２５が接続される配管と、第３口２１ｃはアキュムレータ１４を介して圧縮機１１の吸入側と、第４口２１ｄは室外熱交換器１２の一端とそれぞれ接続されている。
【００５６】
次に，室外ユニット１０での動作について説明する。
まず、冷房運転について説明するが、ここでは、冷房負荷の大小に対応して圧縮機１１の周波数は変更するものとする。
まず、室外ユニット１０内部の四方弁２１は第１口２１ａと第４口２１ｄが連通し、第２口２１ｂと第３口２１ｃが連通するように設定される。このとき、圧縮機１１から吐出された高温高圧の蒸気冷媒は、室外熱交換器１２で凝縮液化され、第２の逆止弁２３を通って高圧配管８１に流入する。高圧配管８１を垂直方向に流下した液冷媒は、図１に示す下端の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された室内ユニット３０ａ、…、３０ｎで完全に蒸発気化し、室外ユニット１０内に流入した後、第１の逆止弁２２を通り、四方弁２１の第２口２１ｂから第３口２１ｃを経てアキュムレータ１４に入り、圧縮機１１に戻る。
この時、下端の第１絞り装置７１で減圧され、低圧配管８２を上昇する低圧二相冷媒の一部は第３絞り装置５５ａを介して中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａで、利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第３配管８５ａを通じて再び低圧配管８２に合流する。
【００５７】
つぎに，暖房運転について説明するが，ここでも、暖房負荷の大小に対応して圧縮機１１の周波数は変更するものとする。
まず、室外ユニット１０内部の四方弁２１は第１口２１ａと第２口２１ｂが連通し、第３口２１ｃと第４口２１ｄが連通するように設定される。このとき、圧縮機１１で圧縮され高温高圧となった冷媒は、四方弁２１の第１口２１ａから第２口２１ｂを経て第４の逆止弁２５を通り、高圧配管８１に流入する。高圧配管８１を垂直方向に流下した冷媒ガスは、各階に設置された室内ユニット３０ａ、…、３０ｎで凝縮液化し、図１に示す下端の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、室外ユニット１０内の第３の逆止弁２４を通って室外熱交換器１２で蒸発気化し、四方弁２１の第４口２１ｄから第３口２１ｃを経てアキュムレータ１４に入り、圧縮機１１に戻る。この時、高圧配管８１を通過する冷媒の一部が第３絞り装置５６ａを介して中間熱交換器５４ａに流入する。中間熱交換器５４ａにて利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒ガスは、第３配管８６ａを通じて再び高圧配管８１に合流する。
【００５８】
また，冷房負荷と暖房負荷が混在する場合は，室外熱交換器１２の熱交換量を変化させて対応する。すなわち、冷房負荷が暖房負荷より大きい場合は，室外熱交換器１２で圧縮機１１から吐出される冷媒ガスを完全に凝縮液化させずに、未凝縮ガスを残した状態で高圧配管８１に流入させる。これにより、暖房負荷が発生する室内ユニットに冷媒ガスを供給することができ、冷房運転と暖房運転を同時に行うことができる。また、暖房負荷が冷房負荷より大きい場合は、冷媒が下端の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入するが、低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、冷房負荷が発生する室内ユニットで若干蒸発気化するため、乾き度の高い状態で室外ユニット１０に流入する。従って、室外熱交換器１２では、未蒸発ガスを完全に蒸発気化させれば良く、冷房負荷が発生しない場合に比べて熱交換量を低下させる。なお、室外熱交換器１２の熱交換量の制御方法としては、例えば室外熱交換器１２用の送風機（図示せず）の風量を変化させる、あるいは、室外熱交換器１２を複数個に分割し、必要な熱交換量に応じて分割された室外熱交換器の使用個数を変化させるなどの手段が考えられる。
【００５９】
このようにすることで、四方弁２１や第１の逆止弁２２、第２の逆止弁２３、第３の逆止弁２４、第４の逆止弁２５を有する既存の冷暖房同時運転機種などでも、大幅に変更することなく，高層ビルに適用することができる。
【００６０】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３における室外ユニットの構成図である。なお、図３中、図２と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図３中、室外ユニット１０は、室外熱交換器１２の他に、並べて配置される室外熱交換器２６を有し、この室外熱交換器２６の一端は、第１の逆止弁２２、第４の逆止弁２５と配管で接続され、他端は四方弁２１の第２口２１ｂに接続されている。
【００６１】
このような構成においては、室外熱交換器２６で冷房運転時では未蒸発液が蒸発し、暖房運転時では未凝縮ガスが凝縮するので、圧縮機１１の周波数変更で対応できない負荷に対しても対応可能となる。また、室外熱交換器１２、２６に共通な室外送風機２７を設けているため、室外熱交換器１２、２６それぞれに対応した室外送風機を設ける場合と比較して、室外ユニット１０を小型にすることができる。
【００６２】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図４中、図１と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４中、気液分離器５７が第３配管８５ａに設置され、気液分離器５８が第３の配管８６ａに設置されている。さらに、気液分離器５７の下部は第３絞り装置５５ａと、気液分離器５８の上部は第３絞り装置５６ａと、それぞれ配管を介して接続されている。
【００６３】
つぎに，動作について説明する。
冷房運転では、室外ユニット１０で完全凝縮した冷媒液が高圧配管８１に流入し、高圧配管８１を垂直方向に流下した液冷媒は，終端ユニット７０の第１絞り装置７１で減圧され、低圧二相冷媒となって低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に上昇した冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎで蒸発気化し、室外ユニット１０に流入する。この時、低圧配管８２を通過する低圧二相冷媒の一部が気液分離器５７ａに流入し、気液分離された冷媒液が第３絞り装置５５ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器５３ａで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、第３配管８５ａを介して再び低圧配管８２に戻る。なお、気液分離器５７ａで分離されたガス冷媒は、中間熱交換器５３ａをバイパスして第３配管８５ａに合流する。
【００６４】
暖房運転時は、室外ユニット１０で冷媒がある程度凝縮液化し、高圧配管８１を下降する冷媒は、未凝縮のガスを含む乾き度の高い気液二相状態となる。この未凝縮ガスは、各階に設置された分岐ユニット５０ａ、…、５０ｎのうち、暖房運転が行われる中間熱交換器で凝縮し、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１手前で完全凝縮した液となる。第１絞り装置７１で減圧された低圧気液二相冷媒は、低圧配管８２を上昇して室外ユニット１０へ流入する。この時、高圧配管８１を通過する高圧二相冷媒の一部が気液分離器５８ａに流入し、気液分離された冷媒ガスが第３絞り装置５６ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５４ａに流入する。中間熱交換器５４ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。中間熱交換器５４ａで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、第３配管８６ａを介して再び高圧配管８１に戻る。なお、気液分離器５８ａで分離された液冷媒は、中間熱交換器５４ａをバイパスして第３配管８６ａに合流する。
【００６５】
このように、第３配管８５ａおよび８６ａ中に気液分離器５７ａおよび５８ａを設けたため、中間熱交換器５３ａおよび５４ａにそれぞれ確実に液およびガスを供給することができ、気液二相流が絞り装置を通過する際に冷媒音が発生することを防止し、耳障りな音を低減できる。
【００６６】
実施の形態５．
図５は、実施の形態５における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図５中、図１と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図５中、分岐ユニット５０ａでは、開閉弁５９が低圧配管８２中に環状に接続される第３配管８５ａに設けられ、開閉弁６０が高圧配管８１に環状に接続される第３配管８６ａに設けられている。また、冷媒液ポンプ６１と四方弁６２で主に構成される冷媒液搬送手段が、液配管８４ａに接続されている。なお、中間熱交換器と室内熱交換器の間での高低差や中間熱交換器の設置位置に関しては特に制約はない。
【００６７】
つぎに，動作について説明する。
冷房運転時、開閉弁６０、第３絞り装置５６ａは閉止し、開閉弁５９は開放、第３絞り装置５５ａは適切な開度に設定される。このとき、低圧配管８２を通過する低圧二相冷媒の一部が第３配管８５ａに流入し、第３絞り装置５５ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器５３ａで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、開閉弁５９を通過後、第３配管８５ａを介して再び低圧配管８２に戻る。
【００６８】
次に，利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５３ａが凝縮器、室内熱交換器３１ａが蒸発器として動作する。中間熱交換器５３ａで凝縮した冷媒液は、四方弁６２を経て冷媒液ポンプ６１に流入する。冷媒液ポンプ６１から吐出された冷媒は、四方弁６２を通過し、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで蒸発気化した冷媒は、ガス配管８３ａを通り、中間熱交換器５３ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒液ポンプによる強制循環サイクルが成立する。
【００６９】
この冷房運転の冷媒流れを圧力―エンタルピー線図上に示したものが、図６である。
図６において、アは熱源側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作、イは利用側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作である。利用側冷媒サイクルの蒸発圧力Ａは、熱源側冷媒サイクルの蒸発圧力Ｂに比べて上昇するが、その圧力差は熱源側サイクルのみで運転した場合の高低差に伴う性能低下に比べて小さく、結果として性能が向上する。また、暖房運転の冷媒流れも冷房運転と同様の圧力―エンタルピー線図上に示され、利用側冷媒サイクルの凝縮圧力は、熱源側冷媒サイクルの凝縮圧力に比べて低下するが、その圧力差は熱源側サイクルのみで運転した場合の高低差に伴う性能低下に比べて小さく、結果として性能が向上することになる。
【００７０】
つぎに，暖房運転について説明する。
暖房運転時には、開閉弁５９、第３絞り装置５５ａは閉止、開閉弁６０は開放、第３絞り装置５６ａは適切な開度に設定される。このとき、高圧配管８1を通過する高圧二相冷媒の一部が第３配管８６ａに流入し、第３絞り装置５６ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。また、中間熱交換器５３ａで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、開閉弁６０を通過後に、第３配管８６ａを介して再び高圧配管８１に戻る。
【００７１】
次に、利用側冷媒サイクルについて説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５３ａが蒸発器、室内熱交換器３１ａが凝縮器として動作する。中間熱交換器５３ａで蒸発した冷媒ガスは、ガス配管８３ａを通り、室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで凝縮液化した冷媒液は、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、液配管８４ａを通り、四方弁６２を通過後、冷媒液ポンプ６１に流入する。冷媒液ポンプ６１から吐出された冷媒液は、四方弁６２を経て中間熱交換器５３ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒液ポンプ６１を用いた強制循環サイクルが成立する。
【００７２】
このように、利用側冷媒サイクル中に冷媒液搬送手段を設けたことで、中間熱交換器が１台ですみ、さらに、中間熱交換器の設置上での制約を受けなくてすむので、分岐ユニットを簡素化できるとともに、設置自由度の高いシステムを構築することができる。
【００７３】
実施の形態６．
図７は、実施の形態６における各階に設置された分岐ユニットと室内ユニットとの接続構成図である。なお、図７中、図１と同様の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図７中、分岐ユニット５０ａでは、開閉弁５９が低圧配管８２中に環状に接続される第３配管８５ａに設けられ、開閉弁６０が高圧配管８１中に環状に接続される第３配管８６ａに設けられている。また、冷媒ガスポンプ６１と四方弁６２で主に構成される冷媒ガス搬送手段が、ガス配管８３ａに接続されている。
【００７４】
次に、動作について説明する。
なお、冷房運転の分岐ユニット５０ａ内の動作については，実施の形態５に示したものと同様であるため、利用側冷媒サイクルでの動作についてのみ説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５３ａが凝縮器、室内熱交換器３１ａが蒸発器として動作する。中間熱交換器５３ａで凝縮した冷媒液は、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで蒸発気化した冷媒は、ガス配管８３ａを通り、四方弁６２を通過後、冷媒ガスポンプ６１に流入する。冷媒ガスポンプ６１から吐出された冷媒ガスは、四方弁６２を通過後、ガス配管８３ａを経て中間熱交換器５３ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒ガスポンプによる強制循環サイクルが成立する。
【００７５】
次に、暖房運転での動作についてであるが、分岐ユニット５０ａ内の動作については，実施の形態５と同様であるため、利用側冷媒サイクルについてのみ説明する。
利用側冷媒サイクルでは、中間熱交換器５３ａが蒸発器、室内熱交換器３１ａが凝縮器として動作する。中間熱交換器５３ａで蒸発した冷媒ガスは、ガス配管８３ａを通り、四方弁６２を通過後、冷媒ガスポンプ６１に流入する。冷媒ガスポンプ６１から吐出された冷媒ガスは、四方弁６２を経て室内熱交換器３１ａに流入する。室内熱交換器３１ａで凝縮液化した冷媒液は、第２絞り装置３２ａで冷媒流量を調節された後、液配管８４ａを通り、中間熱交換器５３ａに戻ることで利用側冷媒サイクルの冷媒ガスポンプ６１を用いた強制循環サイクルが成立する。
【００７６】
この暖房運転の冷媒流れを圧力―エンタルピー線図上に示したものが、図８である。図８において、アは熱源側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作、イは利用側冷媒サイクルの圧力―エンタルピー線図上での動作である。冷媒ガスポンプを用いる場合、利用側冷媒サイクルの凝縮圧力Ａは、熱源側冷媒サイクルの凝縮圧力Ｂに比べて上昇するため、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて高温吹出しが可能となる。また、室内熱交換３１ａを水やブラインとの熱交換器とすることで給湯などの高温水供給が可能となる。さらに、冷房運転の冷媒流れも暖房運転と同様の圧力―エンタルピー線図上に示され、利用側冷媒サイクルの蒸発圧力は、熱源側冷媒サイクルの蒸発圧力に比べて低下するため、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて低温吹出しが可能となる。さらにまた、室内熱交換３１ａを水やブラインとの熱交換器とすることで冷凍などの低温水供給が可能となる。
【００７７】
このように、利用側冷媒サイクル中に冷媒ガス搬送手段を設けたため、中間熱交換器が１台ですみ、さらに、中間熱交換器の設置上での制約を受けなくてすむので、分岐ユニットを簡素化できるとともに、設置自由度の高いシステムを構築することができる。また、熱源側冷媒サイクルのみの場合に比べて高温吹出しや給湯などの高温水供給，低温吹出しや冷凍などの低温水供給が可能となる。
【００７８】
実施の形態７．
図９は、実施の形態７における冷凍サイクル装置を示す構成図であり、図１において、室外ユニット１０を地下Ｂ１に設置し、終端ユニット７０をビルの屋上部に設置したものである。
【００７９】
このようにしても、図１と同様の動作を行なうことができる。また、設置場所をとり、さらに重量のある室外ユニット１０を地下Ｂ１に設置しているので、屋上床面の耐荷重が小さい高層ビルや屋上部に空間が無く地下に十分な空間を有する高層ビルなどでも冷凍サイクル装置を提供することが可能となる。
【００８０】
実施の形態８．
図１０は、実施の形態８における冷凍サイクル装置の構成を示す構成図であり、図１の冷凍サイクル装置において、室外ユニット１０が地下Ｂ１に設置されるとともに，終端ユニット７０がビルの屋上部に設置され、室外ユニット１０は圧縮機１１とアキュムレータ１４のみで主に構成し、室外熱交換器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを終端ユニット７０内の第１絞り装置７１を中心に、室外熱交換器１２ａ、１２ｂと室外熱交換器１３ａ、１３ｂを設置させるようにしたものである。なお、図１０中、図１に示すものと同一の構成、及び同様の構成については符号を同一にし、説明を省略する。
【００８１】
次に、動作について説明する。
まず、冷房負荷が大きく、暖房負荷がない場合の冷房運転では、終端ユニット７０内の開閉弁１５、１７、１９、２０は閉止され、開閉弁１６、１８は開放される。分岐ユニット５０ａ内の第３絞り装置５５ａは適切な開度に設定され、第３の絞り装置５６ａは全閉する。また、分岐ユニット５０ａ内の三方弁５１ａおよび５２ａは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器５３ａを通過するように接続される。なお、終端ユニット７０内の第１絞り装置７１の開度設定については実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００８２】
圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、高圧配管８１を上昇し、終端ユニット７０内に流入する。終端ユニット７０内の室外熱交換器１２ｂ、１２ａで完全凝縮して液化し、第１絞り装置７１で減圧され低圧二相冷媒となって開閉弁１８を通過し、低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に流下した液冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５３ａ，…、５３ｎで蒸発気化し、室外ユニット１０内に流入、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。この時、低圧配管５２を通過する低圧二相冷媒の一部が第３配管８５ａ、…、８５ｎに流入し、第３絞り装置５５ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５３ａに流入する。中間熱交換器５３ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が蒸発し、利用側冷媒サイクルの冷媒が凝縮する。中間熱交換器５３ａで利用側冷媒サイクルの凝縮潜熱を受けて蒸発した冷媒ガスは、再び低圧配管８２に戻る。冷房負荷が高い場合、低圧配管８２を下降する低圧二相冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５３ａ、…、５３ｎで完全に蒸発気化し、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。利用側冷媒サイクルの動作や冷房負荷が中間状態で暖房負荷がない場合や冷房負荷が小さく暖房負荷がない場合については実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００８３】
つぎに，暖房負荷が大きく，冷房負荷がない場合の暖房運転について説明する。
この場合，終端ユニット７０内の開閉弁１６、１７、１８、２０は閉止し、開閉弁１５、１９を開放する。また、分岐ユニット５０ａ内の第３絞り装置５６ａは適切な開度に設定され、第３の絞り装置５５ａは全閉にする。さらに、分岐ユニット５０ａ内の三方弁５１ａおよび５２ａは利用側冷媒サイクル中の冷媒が中間熱交換器５４ａを通過するように接続される。なお，終端ユニット７０内の第１絞り装置７１の開度設定については実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００８４】
このとき、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、高圧配管８１を上昇する。暖房負荷が高い場合、高圧配管８１を上昇する高圧ガス冷媒は、各階に設置された中間熱交換器５４ａ、…、５４ｎで凝縮液化しながら高圧配管８１を上昇し、終端ユニット７０内に流入する。この時、高圧配管８１を通過する高圧ガス冷媒の一部が第３配管８６ａ、…、８６ｎに流入し、第３絞り装置５６ａで冷媒流量を調節された後、中間熱交換器５４ａに流入する。中間熱交換器５４ａでは、熱源側冷媒サイクルの冷媒が凝縮し、利用側冷媒サイクルの冷媒が蒸発する。中間熱交換器５４ａで利用側冷媒サイクルの蒸発潜熱を受けて凝縮した冷媒液は、再び高圧配管８１に戻る。終端ユニット７０内に流入した液冷媒は、開閉弁１５を通過後、第１絞り装置７１で減圧され低圧二相冷媒となる。この低圧二相冷媒は、室外熱交換器１３ｂ、１３ａで蒸発気化し、開閉弁１９を経て低圧配管８２に流入する。低圧配管８２を垂直方向に流下したガス冷媒は、室外ユニット１０内に流入し、アキュムレータ１４を経て圧縮機１１に戻る。なお、利用側冷媒サイクルの動作や暖房負荷が中間状態で冷房負荷がない場合、暖房負荷が小さく冷房負荷がない場合については実施の形態１と同様であるため詳細な説明を省略する。また、冷房負荷と暖房負荷がともに大きい場合、中間状態の場合、小さい場合の動作についても実施の形態１とほぼ同様であるため説明を省略する。
【００８５】
このように、重量物である圧縮機１１やアキュムレータ１４を収納する室外ユニット１０を地下Ｂ１に設置しているため、屋上床面の耐荷重が小さい高層ビルなどに好適な冷凍サイクル装置を提供することができる。
【００８６】
実施の形態９．
図１１は、実施の形態９における室外ユニットの構成図であり、マイクロガスタービンや燃料電池などの分散電源から排熱回収した温水９０を利用する排熱回収用熱交換器２８、冷媒流路を室外熱交換器１２と排熱回収用熱交換器２８とにそれぞれ切り替える三方弁２９ａ、２９ｂを設置し、さらに３台の圧縮機１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設けるようにしたものである。なお、圧縮機１１ａ、１１ｂ、１１ｃは周波数が変更可能なインバーター圧縮機が用いられる。また、図１１中、図１と同一の構成、及び相当する構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００８７】
この構成では、圧縮機を複数台設けているため圧縮機の周波数制御に加え、台数制御を行うことができ、小さな負荷に対しても高効率な運転を実現し，省エネルギー化を図ることができる。また、１台の圧縮機が故障した場合にも、残りの圧縮機で運転を継続することができるとともに、システム全体を停止することなく故障した圧縮機の交換が可能となり、信頼性の高いシステムを構築することができる。さらに、分散電源の排熱を回収するように構成しているため、ビル全体の熱エネルギー効率の高いシステムを構成することができる。
【００８８】
なお、図１１では、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの制御を独立して行う方法を示したが、室内ユニットの配管温度や冷媒圧力の情報を得て、第１絞り装置７１の開度を制御するなど、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの制御を協調させるようにしても良い。また、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルの冷媒は、例えば熱源側冷媒サイクルにＲ４０７Ｃ、利用側冷媒サイクルにＲ４１０Ａというように、熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルにそれぞれ適した冷媒を充填するようにすれば効率の高い運転を行うことができる。
【００８９】
【発明の効果】
このように、この発明では、高低差の高いビルに設置される場合でも性能低下の小さい冷凍サイクル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係わる冷凍サイクル装置の分岐ユニット構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態５に係わる熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルとの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態６に係わる冷凍サイクル装置の分岐ユニット構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係わる熱源側冷媒サイクルと利用側冷媒サイクルとの圧力−エンタルピー線図上での動作を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態８に係わる冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態９に係わる冷凍サイクル装置の室外ユニット構成を示す図である。
【図１２】従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図１３】冷媒自然循環を用いる従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【図１４】冷媒液ポンプを用いる従来の冷凍サイクル装置の冷媒回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１高層ビル、１０室外ユニット、１１圧縮機、
１２室外熱交換器、１３室外熱交換器、１４アキュムレータ、
１５開閉弁、１６開閉弁、１７開閉弁、１８開閉弁、
１９開閉弁、２０開閉弁、２１四方弁、２２第１の逆止弁、
２３第２の逆止弁、２４第３の逆止弁、２５第４の逆止弁、
２６室外熱交換器、２７送風機、２８排熱回収用熱交換器、
２９三方弁、３０室内ユニット、３１室内熱交換器、
３２第２絞り装置、３３第２温度検出器、３４第３温度検出器、
５０分岐ユニット、５１三方弁、５２三方弁、
５３中間熱交換器、５４中間熱交換器、５５第３絞り装置、
５６第３絞り装置、５７気液分離器、５８気液分離器、
５９開閉弁、６０開閉弁、６１冷媒液ポンプ、
６２四方弁、７０終端ユニット、７１第１絞り装置、
７２圧力検出器、７３第１温度検出器、８１高圧配管、
８２低圧配管、８３第２配管、８４第２配管、８５第３配管、
８６第３配管、９０温水。

Claims

少なくとも１台の圧縮機、少なくとも１台の室外熱交換器、開度変更可能な第１の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第１の冷媒サイクルと、開度変更可能な第２の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第２の冷媒サイクルとを備えた冷凍サイクル装置であって、
前記高圧配管に環状に接続される配管に設けられ、暖房運転時に前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第１の中間熱交換器と、前記低圧配管に環状に接続される配管に設けられ、冷房運転時に前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう第２の中間熱交換器とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
第１の中間熱交換器は室内熱交換器よりも下方に位置し、第２の中間熱交換器は室内熱交換器よりも上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
高圧配管に環状に接続される配管で、第１の中間熱交換器の冷媒流入側に第１の気液分離器を設け、低圧配管に環状に接続される配管で、第２の中間熱交換器の冷媒流入側に第２の気液分離器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機、少なくとも１台の室外熱交換器、開度変更可能な第１の絞り装置、複数階を有する建物の階方向に設置される高圧配管、及び低圧配管を有する第１の冷媒サイクルと、開度変更可能な第２の絞り装置、室内熱交換器、各階層の床方向に設置されたガス配管、及び液配管を有し、前記建物の所定の階に設置される第２の冷媒サイクルとを備えた冷凍サイクル装置であって、
弁の開閉制御により前記高圧配管、または前記低圧配管に配管を介して接続され、前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとでの熱交換を行なう中間熱交換器と、前記第２の冷媒サイクルで冷媒を強制的に循環させる冷媒液搬送手段とを設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
冷媒液搬送手段はガス配管に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
冷媒液搬送手段は液配管に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
第１の絞り装置は、最下階に設置される室内熱交換器よりも下方に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機、及び室外熱交換器は、上層部に配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機と高圧配管との間に、少なくとも１台の室外熱交換器が配置され、圧縮機と低圧配管との間に少なくとも１台の室外熱交換器が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
圧縮機の吐出側に設けられた四方弁を有し、室外熱交換器は配管を介して前記四方弁に接続され、さらに、前記四方弁と低圧配管とを接続する配管に設けられ、前記低圧配管から前記四方弁の方向にのみ冷媒を流す第１の逆止弁と、前記室外熱交換器と高圧配管とを接続する配管に設けられ、前記室外熱交換器から前記高圧配管の方向にのみ冷媒を流す第２の逆止弁と、前記第１の逆止弁の吸入側と前記第２の逆止弁の吸入側とを接続する配管に設けられ、前記第１の逆止弁の吸入側から前記第２の逆止弁の吸入側の方向にのみ冷媒を流す第３の逆止弁と、前記第１の逆止弁の吐出側と前記第２の逆止弁の吐出側とを接続する配管に設けられ、前記第１の逆止弁の吐出側から前記第２の逆止弁の吐出側の方向にのみ冷媒を流す第４の逆止弁とを有することを特徴とする請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
第１の冷媒サイクルに、廃熱回収用の熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルには、異なる冷媒が充填されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。