JPS6045772B2 - 加熱要求および冷却要求を充足するための加熱・冷却装置および該装置を制御する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、加熱（暖房）と冷却（冷房）の要求を同時に
充足するための加熱・冷却装置および該装置を制御する
方法に関する。

ビルジングの各部屋または囲い区域を冷房するために水
等の流体を冷却して各部屋に循環させるための手段とし
て一般に冷凍装置が使用されている。

そのような冷凍装置は、多くの場合、その凝縮器におい
て相当量の熱を廃棄する。この廃熱は、直接、あるいは
、凝縮器と冷却塔の間て循環される冷却流体を介して大
気へ放散される。しかしながら、長時間に亘る場合、こ
の廃熱は相当大きなエネルギーの損失となるので、近年
、この熱を回収して加熱（暖房）負荷即ち要求の一部を
充足するのに利用することに大きな関心が向けられるよ
うになつてきた。この熱を回収するための１つの一般的
な技法は、ブースタ（増圧）圧縮機を利用して冷凍装置
の凝縮器から冷媒を吸引して更に圧縮する方法てある。
次に、この更に圧縮された冷媒蒸気を別の熱回収用凝縮
器に通す。ここで、「ブースタ圧縮機」とは、増圧用の
第２圧縮機または２段圧縮機の第２ブースタ（増圧用）
圧縮機段のことをいう。この熱回収用凝縮器を通して熱
伝達流体を通流させ、該凝縮器内を通る冷媒蒸気と熱交
換させる。それによつて、冷媒から熱伝達流体へ熱が伝
えられ、該流体を加熱し、冷媒蒸気を凝縮させる。この
加熱された熱伝達流体は、直ちに加熱負荷を充足するの
に使用してもよく、あるいは爾後の使用のために貯留し
ておくこともできる。一方、凝縮した冷媒は冷却回路へ
戻されて引続き使用に供される。上述のように冷却（冷
房）回路と加熱（暖房）回路の両方を有している冷凍装
置の場合、変動する加熱および冷却負荷に対応するよう
に加熱回路および冷却回路を制御することが望ましく、
しかも、一方の回路における変動が他方の回路の負荷処
理能力に影響することがないように加熱回路と冷却回路
を互いに独立して制御することが好ましい。

しかしながら、両回路を互いに独立して制御する場合い
ろいろな困難が伴う。例えば、低い冷却負荷と高い加熱
負荷を同時に充足することを求められている場合は、冷
却回路を通る冷媒の流量は比較的小さく、冷却回路の圧
縮機から吐出される冷媒蒸気の量が比較的少いが、一方
、加熱回路を通る冷媒の流量は比較的大きく、冷却回路
の圧縮機から吐出される冷媒の比較的多くの部分がブー
スタ圧縮機内へ吸引され、加熱回路へ通される。実際、
極端な場杏は、ブースタ圧縮機を通る冷媒流量が、冷却
回路の圧縮機から吐出される冷媒の流量を一時的に越過
する場合がある。この事態が生じると、冷却回路の凝縮
器内の冷媒蒸気の質量が減少し、凝縮器内の圧力が低下
する。その結果、ブースタ圧縮機の吸入口の圧力を低下
させる。吸入口の圧力が非常に低いレベルにまて低下す
ると、ブースタ圧縮機から吐出される冷媒蒸気の温度が
望ましくない度合にまで高くなる。あるいは、ブースタ
圧縮機は、該圧縮機内て冷媒流れの周期的な逆転を起す
、いわゆるサージ状態に入ることがあり、圧縮機の効率
を阻害するばかりでなく、圧縮機の構成部品を破壊する
おそれさえある。本発明によれば、ブースタ圧縮機段付
冷凍装置の冷却回路の高圧側の冷媒蒸気の圧力が所定の
値以下に低下したときには冷凍装置のブースタ圧縮機段
を通る冷媒の流量を減少させることによつて上述の難点
を克服する。

詳述すれば、本発明は、低圧側と高圧側を有する機械的
冷凍ユニットを含む冷却回路と、該冷凍ユニットの高圧
側から冷媒を吸引して更に圧縮するためのブースタ圧縮
機を含む加熱回路と、前記更に圧縮された冷媒蒸気を熱
伝達流体に対して熱交換関係をなして通流させて該流体
を加熱させるとともに該冷媒蒸気を凝縮させるための熱
回収用凝縮器とから成る、加熱および冷却要求を充足す
るための加熱・冷却装置に関し、この装置に、冷凍ユニ
ットの高圧側の圧力が所定の値以下に低下したとき前記
ブースタ圧縮機を通る冷媒蒸気の流量を減少させるため
の制御装置を組入れたことを特徴とする。以下に添付図
を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。

添付図を参照すると、本発明の原理を組入れた冷凍機即
ち加熱・冷却装置１０の概略図が示されている。

装置１０は、冷却回路１２と、加熱回路１４とから成る
。冷却回路１２は、例えは２段圧縮機１８の第１圧縮機
段（以下、単に「第１段」とも称する）１６によつて構
成した主圧縮機と、主凝縮器２０と、主膨脹器２２と、
蒸発器２４を含む。加熱回路１４は、例えは第２ブース
タ圧縮機段（以下、単に「第２段」とも称する）圧縮機
１８の第２段２６によつて構成したブースタ（増圧）圧
縮機と、熱回収用凝縮器３０と、補助膨脹器３２を含む
。圧縮機１８の第２段１６を通る冷媒蒸気の流量、従つ
て冷却回路１２を通る冷媒蒸気の流量を制御するために
入口案内羽根３４が設けられている。本発明によれば、
圧縮機１８の第２段２６、従つて加熱回路１４を通る冷
媒蒸気の流量を調整するために調整弁３６を設ける。弁
３６を後述するような態様て制御するために、好ましく
は２つの感圧スイッチ４０，４２を有する圧力感知器３
８を主凝縮器２０内の蒸気に連通させる。圧縮機１８の
第１段１６および第２段２６を同時に駆動するためにモ
ータまたは駆動手段（図示せず）を当業者には周知の態
様で使用する。作動において、圧縮機１８の第１段１６
は、圧縮された高温の冷媒蒸気を導管４４を介して主凝
縮器２０内へ吐出する。冷媒は、主凝縮器内を通り、そ
の際、該凝縮器内に配置された熱交換コイル４６内を循
環する外部の熱交換媒体、例えば水に対して熱を放出し
て凝縮する。かくして凝縮した冷媒は、主膨脹器２２を
通り、圧力および温度を低下せしめられる。かくして、
膨脹した冷媒は、蒸発器２４を通り、その際、該蒸発器
内に配置された熱交換コイル５０内を通る外部からの熱
交換媒体、例えば水から熱を吸収して蒸発し、一方の熱
伝達媒体を冷却させる。この冷却した熱伝達媒体は、冷
却負荷を充足するのに使用することができる。一方、蒸
発した冷媒は、蒸発器２４から導管５２を通つて圧縮機
１８の第１段１８内へ吸引される。先に述べたように、
圧縮機１８の第１段１６は、冷却回路１２を高圧側５４
と低圧側５６とに分離しており、冷却回路の高圧側から
圧縮機１８の第２段即ち第２ブースタ圧縮機段２６へ冷
媒蒸気を導くためのブースタ導入管５８が設けられてい
る。

図示の実施例においては、導入管５８は、主凝縮器２０
に接続されており、該凝縮器を通る冷媒蒸気の一部を圧
縮機の第２段２６へ導く。別法として、導管５８は、吐
出導管４４に接続してもよい。圧縮機１８の第２段２６
は、そこへ導入されてくる冷媒蒸気を更に圧縮してその
温度および圧力を更に上昇させる。この更に圧縮された
蒸気は、導管６０内へ吐出され、熱回収用凝縮器３０へ
送られる。冷媒蒸気は、凝縮器３０内において該凝縮器
内に配置された熱交換コイル６２内を通る熱伝達流体、
例えば水に対して熱交換関係をなして通され、該熱伝達
流体を加熱し、冷媒蒸気は凝縮する。この加熱された熱
伝達流体は、加熱負荷を充足するのに使用することがで
きる。熱回収用凝縮器３０内て凝縮した冷媒は、例えば
オリフィス３２のような補助膨脹器および冷媒導管６４
，６６を含む戻し手段を通つて冷却回路１２へ戻される
。詳述すれば、熱回収用凝縮器３０からの凝縮した冷媒
は、導管６４を経てオリフィス３２を通り、それによつ
て圧力および温度を低下せしめられて導管６６を通つて
冷却回路１２の主膨脹器２２へ戻され、冷却回路内での
使用に供される。案内羽根３４は、冷却回路１２にかか
る負の変動を表わす幾つかの要素のうちの任意の１つま
たは複数の要素に応答して制御されるようにし、それに
よつて冷却回路の容量を変更するように構成することが
てきる。

例えば、案内羽根３４は、蒸発器２４の熱交換コイル５
０から流出してくる流体の温度に応答して制御されるよ
うにすることがてきる。その場合、冷却（冷房）負荷が
増大または減少すると、それに対応して羽根３４は、最
少冷媒蒸気流量位置と最大冷媒蒸気流量位置との間て移
動し、圧縮機１８の第１段１６、従つて冷却回路１２を
通る冷媒蒸気流量を増大または減少させる。同様にして
、加熱回路１４にかかる負荷の変動を表わす任意の１つ
または複数の要素に応答して調整弁３６が制御されるよ
うにし、それによつて加熱回路の容量を変えるようにす
ることができる。例えば、弁３６は、熱回収用凝縮器３
０の熱交換コイル６２から排出される流体の温度に応答
して制御されるようにすることができる。その場合、加
熱負荷が増大または減少すると、位置ぎめ装置６８が弁
３６を最少冷媒蒸気流量位置と、最大冷媒蒸気流量位置
の間で移動させ、それによつて圧縮機１８の第２段２６
、従つて加熱回路１４を通る冷媒蒸気流量を増大または
減少させる。位置ぎめ装置６８は、例えば電気式、液圧
式または空気圧式の任意の適当な型式のものであつてよ
いが、弁３６を移動させるように電源に選択的に接続さ
れるようにした可逆電気モータを備えたものであること
が好ましい。先に述べたように、この種の冷凍装置が、
低い冷却負荷と高い加熱負荷を同時に処理することを要
求されているときは、加熱回路１４の吸入側即ち第２ブ
ースタ圧縮機段２６の吸入側の圧力が非常に低くなる場
合がある。

この事態が生じると、第２ブースタ圧縮機段から吐出さ
れる冷媒蒸気の温度が異常に高くなる。あるいは第２ブ
ースタ圧縮機段がサージ状態を起す場合がある。このよ
うな事態に鑑みて、本発明の冷凍装置１０は、冷却回路
１２の高圧側５４の圧力が第１の所定値即ち設定値以下
に低下したとき圧縮機１８の第２段第２ブースタ圧縮機
段２６を通る冷媒蒸気流量を減少させるための制御装置
を備えている。詳述すれば、この制御装置即ち蒸気流量
低減装置は、圧力感知器３８と、位置ぎめ装置６８と、
弁３６とから成る。位置ぎめ装置６８は、圧力感知器３
８に接続し、上述したように弁３６に接続する。主凝縮
器２０内の冷媒蒸気の圧力が前記第１所定値以下に低下
すると、位置ぎめ装置６８と感知器３８とが協同して弁
３６をその最少流量位置の方へ移動させ、圧縮機１８の
第２段２６を通る冷媒蒸気流量を減少させる。位置ぎめ
装置６８は、主凝縮器２０内の圧力が第１所定値以下に
留まつている限り、引続き弁３６をその最少流量位置の
方へ移動させ、加熱回路１４を通る蒸気流量を更に減少
させるようにすることが好ましい。本発明のこの構成に
よれば、加熱回路１４によつて主凝縮器２０から吸引さ
れる冷媒蒸気の流量は、該流量が主圧縮機即ち第１段１
６を経て主凝縮器２０内に流入する冷媒蒸気の流量に等
しくなるか、それより小さくなるまで減少される。

これによつて、主凝縮器２０内の冷媒蒸気の質量を安定
した値にまた安定値以上維持する。かくして、主凝縮器
２０内の圧力は、圧縮機１８の第２段２６がサージ状態
に入るのを、あるいは異常に高い温度の冷媒蒸気を排出
するのを防止するのに十分なレベルまたはそれ以上に維
持される。主凝縮器２０内の圧力が再び第１所定値より
上に上昇すると、惑知器３８は、位置ぎめ装置６８が弁
３６を・その最少流量位置の方へ移動させるのを停止さ
せる。しかしながら、当業者には周知のように、弁３６
は、例えば加熱回路１４にかかる負荷の減少等の他の理
由によつてその最少流量位置の方へ引続き移動される場
合がある。惑知器３８は、主凝縮器２０内の圧力が前記
第１所定値より高い第２の所定値即ち設定値以下に低下
したときにもそれを感知するようにすることが好ましい
。

それが感知されると、位置ぎめ装置６８が弁３６をその
最大蒸気流量位置の方へ移動・させる動作を阻止される
。これは、加熱回路１４によつて主凝縮器２０から引出
される冷媒蒸気の流量が、例えば加熱回路にかかる加熱
負荷の増大に応じて増大されるのを防止する働きをする
。そして、これによつて、主凝縮器２０内の圧力がそれ
以上更に低下するのを防止する。主凝縮器２０内の圧力
が再び上記第２所定値より上に上昇すると、感知器３８
は、もはや位置ぎめ装置６８が弁３６をその最大流量位
置の方へ移動させるのを阻止しない。従つて、弁３６は
、例えば加熱回路１４にかかる加熱負荷の増大によつて
最大流量位置の方へ移動される。反対に、主凝縮器２０
内の圧力が、例えば冷却回路１２にかかる冷却負荷の減
少により低下しつづけ、上記第１所定値以下に低下する
と、位置ぎめ装置６８は、先に説明したように作動され
て弁３６を最少流量位置の方へ移動させて圧縮機１８の
第２段２６を通る蒸気流量を減少させる。当業者には明
らかなように、圧力惑知器３８は、電気式、液圧式また
は空気圧式の任意の適当な型式であつてよい。

位置ぎめ装置６８は、可逆電気モータを備えたものであ
ることが好ましいから、圧力感知器３８は、第１圧力ス
イッチ４０と第２圧力スイッチ４２を備えたものである
ことが好ましい。第１スイッチ４０は、主凝縮器２０内
の圧力が第２所定値以下に低下するとそれを惑知して電
気モータを電源から切断し、モータを停止させて弁３６
を開放位置即ち最大流量位置の方へ移動させるのを防止
する。第２スイッチ４２は、主凝縮器２０内の圧力か第
１所定値以下に低下するとそれを惑知してモータを電源
に接続し、弁３６を閉鎖位置即ち最少流量位置の方へ移
動させる。図に示されるようにスイッチ４０，４２は、
引出管７２を介して主凝縮器２０内の蒸気と連通させた
室７０内に配設されている。叙上のように、本発明の冷
凍機１０は、低い冷却負荷と高い加熱負荷を同時に充足
することを要求されたとき、第２ブースタ圧縮機段２６
がサージ状態を起したり、あるいは異常に高い温度の冷
媒蒸気を吐出するのを防止することがてき、しかも、そ
のような利点を極めて信頼性の高い態様で、かつ、廉価
な構成によつて達成することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、本発明の精神および範
囲から逸脱することなく、いろいろな変型が可能である
ことは当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

添付図は、本発明の原理を組入れた蒸気圧縮型冷凍機の
概略図てある。 図中、１０は冷凍機（加熱・冷却装置）、１２は冷却回
路、１４は加熱回路、１６は第１段（主圧縮機）、１８
は第２段圧縮機、２０は主凝縮器、２２は主膨脹器、２
４は蒸発器、２６は第２段（第２ブースタ圧縮機段）、
３０は熱回収用凝縮器、３２は補助膨脹器、３６は調整
弁、３８は圧力惑知器、４０，４２は圧力スイッチ、５
４は高圧側、５６は低圧側、５８はブースタ導入管、６
４，６６は冷媒導管、６８は位置ぎめ装置（可逆電気モ
ータ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１圧縮機段１６と主凝縮器２０と蒸発器２４を含
   む、冷却要求を充足するための冷却回路１２と、第２ブ
   ースタ圧縮機段２６と圧縮された冷媒蒸気を更に圧縮す
   るために第２ブースタ圧縮機段２６へ通すためのブース
   タ導入管５８と第２ブースタ圧縮機段２６から前記更に
   圧縮された冷媒蒸気を熱伝達流体に対して熱交換関係を
   なして通流させて該熱伝達流体を加熱させるとともに該
   冷媒蒸気を凝縮させるための熱回収用凝縮器３０と該凝
   縮器３０から凝縮した冷媒を前記冷却回路１２へ戻すた
   めの冷媒導管６４，６６を含む加熱回路１４とから成る
   、加熱要求および冷却要求を充足するための加熱・冷却
   装置１０において、前記第２ブースタ圧縮機段２６への
   冷媒蒸気の流量を制御するための弁３６と、該弁に接続
   されており、該弁を最少冷媒流量位置と最大冷媒流量位
   置との間で作動させるためのモータ６８と、前記モータ
   と３６に接続されており、前記第１圧縮機段１６から流
   出する圧縮された冷媒蒸気の圧力が第１の所定の値以下
   に低下したとき前記弁３６を通る冷媒蒸気の流量を減少
   させるように該モータ６８を作動させるための圧力感知
   器３８とを備えたことを特徴とする加熱・冷却装置。 ２ 前記ブースタ導入管５８は、前記主凝縮器２０に接
   続されている特許請求の範囲第１項記載の加熱・冷却装
   置。 ３ 前記弁３６は流量調整弁であり、前記モータ６８は
   、該調整弁を前記最少冷媒流量位置と最大冷媒流量位置
   との間で調整するための可逆電気モータであり、前記圧
   力感知器３８は、前記第１圧縮機段１６から流出する圧
   縮された冷媒蒸気の圧力が前記第１所定値以下に低下し
   たとき該可逆電気モータを電源に接続して前記調整弁３
   ６を最少流量位置の方へ移動させるための第１圧力スイ
   ッチ４２を備えている特許請求の範囲第１項記載の加熱
   ・冷却装置。 ４ 前記弁３６は流量調整弁であり、前記モータ６８は
   、該調整弁を前記最少冷媒流量位置と最大冷媒流量位置
   との間で調整するための可逆電気モータであり、前記圧
   力感知器３８は、前記第１圧縮機段１６から流出する圧
   縮された冷媒蒸気の圧力が前記第１所定値より高い第２
   所定値以下に低下したとき前記可逆電気モータ６８が前
   記調整弁３６を最大冷媒流量位置の方へ開放させるのを
   阻止するように該可逆電気モータに接続された第２圧力
   スイッチ４０を備えている特許請求の範囲第１項記載の
   加熱・冷却装置。 ５ 第１圧縮機段１６と主凝縮器２０と蒸発器２４を含
   む、冷却要求を充足するための冷却回路１２と、第２ブ
   ースタ圧縮機段２６と圧縮された冷媒蒸気を更に圧縮す
   るために第２ブースタ圧縮機段２６へ通すためのブース
   タ導入管５８と第２ブースタ圧縮機段２６から前記更に
   圧縮された冷媒蒸気を熱伝達流体に対して熱交換関係を
   なして通流させて該熱伝達流体を加熱させるとともに該
   冷媒蒸気を凝縮させるための熱回収用凝縮器３０と該凝
   縮器３０から凝縮した冷媒を前記冷却回路１２へ戻すた
   めの冷媒導管６４，６６を含む加熱回路１４とから成る
   、加熱要求および冷却要求を充足するための加熱・冷却
   装置１０を制御する方法であつて、前記第１圧縮機段１
   ６から流出する冷媒蒸気の圧力が第１の所定値以下に低
   下したとき前記第２ブースタ圧縮機段２６への冷媒蒸気
   の流量を減少させる段階を含むことを特徴とする制御方
   法。 ６ 前記第１圧縮機段１６から流出する圧縮された冷媒
   蒸気の圧力が前記第１所定値より高い第２所定値以下に
   低下したときは前記第２ブースタ圧縮機段２６への冷媒
   蒸気の流量をそのままに維持する段階を含む特許請求の
   範囲第５項記載の制御方法。