CN103958986B - 冷冻空调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷冻空调装置,其可通过简易的结构,抑制向压缩机的返液,实现抑制年耗电量。由气体侧连接配管(7)以及液体侧连接配管(8)连接室外机(61)和室内机(62),构成将压缩机(1)、四通阀(8)、室内热交换器(6)、制冷剂热交换器(4)、膨胀阀(3)、室外热交换器(2)、蓄积器(9)依次连接的制冷剂回路(20),制冷剂热交换器(4)使其与室外机液体管连接部(11)之间的高压侧制冷剂和蓄积器(9)的出口侧的低压侧制冷剂进行热交换。
Description
技术领域
本发明涉及由配管连接作为热源侧装置的室外机和从室外机分离的作为负荷侧装置的室内机的冷冻空调装置。
背景技术
以往,在使室外机和室内机分离并由配管连接而构成的冷冻空调装置中,以往的室外机由配管连接压缩机、作为流路切换装置的四通阀、作为热源侧热交换器的室外热交换器、膨胀阀、作为负荷侧热交换器的室内热交换器以及作为制冷剂缓冲容器的蓄积器而构成。
虽然希望仅液体制冷剂流入膨胀阀,但是,当在制冷运转时不能由室外热交换器得到足够的热交换量的情况下、途中的配管压损大的情况下,制冷剂在膨胀阀入口成为二相。在这种情况下,膨胀阀的控制不稳定,另外,产生出现制冷剂声音等问题。
另外,在制热运转时的压缩机运转中,由室外热交换器气化了的制冷剂在压缩机停止中其大多数成为液体。由此,在再次开始制热运转时,从室外热交换器流出了的二相制冷剂没有由蓄积器完全地分离成气液,液体制冷剂被吸入压缩机。在这种情况下,存在导致因排出温度下降造成的性能下降、因压缩机内的油浓度的下降造成的可靠性的下降、因液体压缩造成的压缩机的短寿命化这样的问题。
作为解决这些问题的手段,有设置制冷剂热交换器的技术,上述制冷剂热交换器在室外热交换器和膨胀阀之间的配管与蓄积器和压缩机之间的配管之间进行热交换(例如,参见专利文献1)。在专利文献1中,在制冷运转时,使从室外热交换器流出了的高温高压制冷剂与从蓄积器流出了的低温低压制冷剂由制冷剂热交换器进行热交换而冷却,据此,作为完全的液体制冷剂流入膨胀阀,谋求降低在膨胀阀产生的制冷剂声音。
另外,在专利文献1中,设置从压缩机排出口到压缩机吸入口的旁通回路,在再次开始制热运转时,将设置在旁通回路上的膨胀阀打开。据此,从压缩机排出了的制冷剂的一部分在旁通回路穿过,从吸入口被吸入压缩机,加热没有由蓄积器充分地分离而被吸入压缩机的液体制冷剂,使之气化,谋求消除再次开始制热运转时的回液。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平8-178450号公报(摘要)
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中,通过设置制冷剂热交换器,消除了在制冷运转时,制冷剂在膨胀阀入口成为二相的问题。但是,仅设置制冷剂热交换器,由于下面的理由,不能消除制热运转时的从蓄积器回液的问题。即,在将制冷剂热交换器设置在室外热交换器和膨胀阀之间的情况下,由于在制冷运转时,室外热交换器成为冷凝器,所以,从冷凝器流出并向制冷剂热交换器流入的制冷剂和从蓄积器流出并向制冷剂热交换器流入的制冷剂的温度差大,因此,能够由制冷剂热交换器得到足够的热交换量,对防止回液有效。
但是,在制热运转时,由于制冷剂热交换器位于膨胀阀的下游侧,所以,由膨胀阀减压了的制冷剂和从蓄积器流出了的制冷剂由制冷剂热交换器进行热交换,两制冷剂的温度差小,因此,不能充分加热从蓄积器流出的制冷剂,不能防止回液。由此,在专利文献1中,需要另行设置旁通回路,结构复杂化,成本高。
若假设在专利文献1中不设置旁通回路,则在制热运转时,液体制冷剂被吸入压缩机,排出温度下降,不能由室内热交换器进行充分的热交换。这样的室内热交换器中的热交换量的下降牵涉到制热运转时的性能下降。由此,在像家庭以及店铺用的空调设备那样,制热运转时的性能与制冷运转时的性能相比贡献于年耗电量的比例大的用途的情况下,年耗电量有可能增加。
这样,在专利文献1的技术中,在制冷运转时,制冷剂热交换器有效地发挥作用,但是,制热运转时,不能得到足够的作用。而且,由于在制热运转时,不能由制冷剂热交换器得到足够的加热量,所以,气液二相制冷剂被吸入压缩机,存在导致因压缩机可靠性的下降、因制热运转性能下降造成的年耗电量的增加的可能性。
本发明是鉴于相关点做出的发明,其目的是得到一种通过简易的结构抑制向压缩机的返液,且可实现抑制年耗电量的冷冻空调装置。
用于解决课题的手段
本发明的冷冻空调装置具备:室外机,其具有压缩机、流路切换装置、制冷剂容器、热源侧热交换器、减压装置和制冷剂热交换器;以及室内机,其具有负荷侧热交换器,由气体侧连接配管以及液体侧连接配管连接室外机和室内机,构成以如下的方式依次连接了的制冷剂回路:在制热运转时制冷剂按照压缩机、流路切换装置、负荷侧热交换器、制冷剂热交换器、减压装置、热源侧热交换器、制冷剂容器、前述制冷剂热交换器、前述压缩机的顺序进行循环,制冷剂热交换器对作为液体侧连接配管的室外机侧的连接部的室外机液体管连接部和减压装置之间的制冷剂与制冷剂容器的出口侧的制冷剂进行热交换。
发明效果
根据本发明,能够通过简洁的结构,在制冷制热两运转中由制冷剂热交换器得到足够的热交换量,能够抑制向压缩机的回液。另外,在制热运转时,能够由室内热交换器得到足够的热交换量,可以抑制年耗电量。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的冷冻空调装置的结构图。
图2是表示图1的冷冻空调装置的制热运转时的焓和压力的关系的p-h线图。
图3是表示图1的冷冻空调装置的制冷运转时的制冷剂的流动的图。
图4是表示图3的制冷运转时的焓和压力的关系的p-h线图。
图5是表示制冷剂温度差和热交换器性能的关系的图。
图6是表示本发明的实施方式1的冷凝器出口过冷却度和COP以及排出温度的关系的图(其1)。
图7是表示本发明的实施方式1的冷凝器出口过冷却度和COP以及排出温度的关系的图(其2)。
图8是本发明的实施方式1的膨胀阀控制的说明图。
图9是表示与图8的各区域相应地划分了过冷却度SC-排出温度特性的各区段的图。
图10是表示本发明的实施方式1的冷冻空调装置的膨胀阀控制的流程的流程图。
图11是本发明的实施方式2的冷冻空调装置的结构图。
具体实施方式
实施方式1.
<冷冻空调装置的结构概要>
图1是本发明的实施方式的冷冻空调装置的结构图。如图1所示,冷冻空调装置100具备室外机61和从室外机61分离的室内机62。室外机61和室内机62由液体管(液体侧连接配管)5以及气体管(气体侧连接配管)7连接,构成后述的制冷剂回路20。室外机61向热源例如大气等进行散热或吸热。室内机62向负荷例如室内空气进行散热或吸热。另外,虽然图1表示了仅具备一台室内机62的结构,但是,也可以是多台。
<室外机的构成>
室外机61具备压缩机1、作为流路切换装置的四通阀8、与热源侧介质进行热交换的室外热交换器(热源侧热交换器)2、作为制冷剂缓冲容器的蓄积器9、作为减压装置的膨胀阀3、和制冷剂热交换器4,它们由制冷剂配管连接。室外机61还具备作为将大气、水等热源侧介质向室外热交换器2输送的装置的室外风扇31。下面,按顺序对构成室外机61的各设备进行说明。
(压缩机)
压缩机1例如是全密闭式压缩机,是可根据来自控制装置50的指令由变频器使转速可变的压缩机。通过对压缩机1进行转速控制,调整在制冷剂回路20中循环的制冷剂流量,能够调整在室内机62的散热或吸热量,例如在负荷侧为室内空气的情况下,恰当地保持室内空气温度。
(四通阀)
四通阀8用于切换流路,以便使从压缩机1排出的气体制冷剂流向室外热交换器2或室内热交换器6。通过由四通阀8切换流路,例如能够使室外热交换器2作为冷凝器(散热器)发挥功能或作为蒸发器发挥功能。
(室外热交换器)
室外热交换器2例如是翅片管型热交换器,进行制冷剂和从室外风扇31供给的作为热源侧介质的外气的热交换。另外,在室外热交换器2中与制冷剂进行热交换的热源侧介质并不限于外气(空气),也能够将例如水、防冻液等作为热源来利用。在这种情况下,室外热交换器2使用板热交换器,热源侧输送装置不是使用室外风扇31,而是使用泵。另外,也可以是室外热交换器2通过将热交换配管埋进地中,利用地热而能够整年供给稳定的温度的热源。
(膨胀阀)
膨胀阀3例如使用开度可变的电磁阀。进行膨胀阀3的开度调整,以便使冷凝器出口过冷却度或蒸发器出口过热度尽可能小,据此,能够调整制冷剂流量,以便能够有效地利用室外热交换器2以及室内热交换器6。另外,通过并联地排列多个毛细管那样的固定节流装置,也可以进行制冷剂流量调整。
(蓄积器)
蓄积器9具有将从蒸发器流出的二相制冷剂进行气液分离的功能。由此,通过使制冷剂在流入压缩机1前在蓄积器9通过,能够抑制液体制冷剂被吸入压缩机1。由此,蓄积器9有助于防止压缩机1中的液体压缩、防止因压缩机1内的油浓度的下降造成的轴烧结等,提高可靠性。另一方面,蓄积器9还将应向压缩机1返回的冷冻机油分离。由此,在蓄积器9内的吸入配管(未图示出)配置用于使必要量的冷冻机油返回压缩机1的孔、管道,使冷冻机油返回压缩机1,在冷冻机油溶于制冷剂的情况下,若干的液体制冷剂与冷冻机油一起返回压缩机1。
(制冷剂热交换器)
制冷剂热交换器4被设置在作为液体管5的室外机侧连接部的室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间。制冷剂热交换器4进行在室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间流动的中温制冷剂和在蓄积器9和压缩机1的吸入侧之间流动的制冷剂的热交换。通过在制冷剂热交换器4中的热交换,能够使从蓄积器9流出的液体制冷剂气化。在作为构造方式为二重管的情况下,一般在外侧流动中温制冷剂,在内侧流动低温制冷剂。此外,也存在使用层叠式的板热交换器的情况。另外,下面,也存在将向制冷剂热交换器4流动的制冷剂中的从蓄积器9侧流入制冷剂热交换器4的制冷剂称为低压侧制冷剂,将另一方的制冷剂称为高压侧制冷剂的情况。
<室内机的构成>
室内机62具备与负荷侧介质进行热交换的室内热交换器(负荷侧热交换器)6和作为输送作为负荷侧介质的室内空气的装置的室内风扇32。下面,按顺序对构成室内机62的各设备进行说明。
(室内热交换器)
室内热交换器6例如与室外热交换器2同样,例如由翅片管型热交换器构成,进行制冷剂和从室内风扇32供给的作为负荷侧介质的室内空气的热交换。另外,在室内热交换器6中与制冷剂进行热交换的负荷侧介质并不限于室内空气,也能够将例如水、防冻液等作为热源来利用。在这种情况下,室内热交换器6使用板热交换器,负荷侧输送装置不是使用室内风扇32而是使用泵。
(连接配管)
液体管5和气体管7是连接室外机61和室内机62的连接配管,具有连接所需要的规定的长度。另外,一般来说,气体管7的配管径比液体管5大。液体管5被连接在室外机61的室外机液体管连接部11和室内机62的室内机液体管连接部13之间,另外,气体管7被连接在室外机61的室外机气体管连接部12和室内机62的室内机气体管连接部14之间。通过像这样由液体管5以及气体管7连接室外机61和室内机62,构成制冷剂按照压缩机1、四通阀8、室内热交换器6、制冷剂热交换器4的高压侧、膨胀阀3、室外热交换器2、四通阀8、蓄积器9、制冷剂热交换器4的低压侧的顺序循环的制冷剂回路20。
<传感器类以及控制装置>
接着,对冷冻空调装置100所具备的传感器类以及控制装置50进行说明。
在室外机61中,在压缩机1的排出侧设置有检测从压缩机1排出的制冷剂的温度(下面,称为排出温度)的作为排出温度检测装置的排出温度传感器41。另外,在室外热交换器2设置有检测在室外热交换器2流动的制冷剂的温度(即,与制冷运转时的冷凝温度或制热运转时的蒸发温度对应的制冷剂温度)的室外热交换器饱和温度传感器42。而且,在室外热交换器2的液体侧设置有检测制冷剂的温度的室外热交换器温度传感器43。
室外热交换器2在制冷运转时成为冷凝器(散热器),制冷运转时的冷凝器出口过冷却度通过从室外热交换器温度传感器43的检测值减去室外热交换器饱和温度传感器42的检测值求出。这样,由室外热交换器饱和温度传感器42以及室外热交换器温度传感器43构成过冷却度检测装置。另外,过冷却度检测装置并不限于该结构,也可以做成设置检测来自压缩机1的排出压力的传感器,从室外热交换器温度传感器43的检测值减去从该传感器的检测值换算的制冷剂饱和气体温度来求出的结构。
另外,在室内机62中,在室内热交换器6设置有检测在室内热交换器6流动的制冷剂的温度(即,与制冷运转时的蒸发温度或制热运转时的冷凝温度对应的制冷剂温度)的室内热交换器饱和温度传感器44。另外,在室内热交换器6的液体侧设置有检测制冷剂的温度的室内热交换器温度传感器45。
室内热交换器6在制热运转时成为冷凝器(散热器),制热运转时的冷凝器出口过冷却度通过从室内热交换器温度传感器45的检测值减去室内热交换器饱和温度传感器44的检测值求出。这样,由室内热交换器饱和温度传感器44以及室内热交换器温度传感器45构成过冷却度检测装置。另外,过冷却度检测装置并不限于该结构,也可以做成设置检测来自压缩机1的排出压力的传感器,从室内热交换器温度传感器45的检测值减去由该传感器的检测值换算的制冷剂饱和气体温度来求出的结构。
控制装置50由微型计算机构成,具备CPU、RAM以及ROM等,在ROM中存储控制程序以及与后述的流程图对应的程序等。控制装置50根据来自各传感器的检测值,控制压缩机1、膨胀阀3、室外风扇31以及室内风扇32。另外,控制装置50通过四通阀8的切换来进行制冷运转或制热运转。另外,控制装置50可以设置于室外机61,也可以设置于室内机62,另外,也可以做成分为室内控制装置和室外控制装置地构成,相互进行联合处理的结构。
接着,依次对本实施方式的制冷剂回路20中的制热运转以及制冷运转进行说明。
<制热运转时的制冷剂的动作>
图2是表示图1的冷冻空调装置中的制热运转时的焓和压力的关系的p-h线图。横轴表示焓[kJ/kg],纵轴表示压力[Mpa]。图2中点A1~点I1表示的各制冷剂状态与图1所示的本实施方式1的冷冻空调装置中的点A1~点I1的制冷剂的各状态对应。另外,图1的箭头表示制热运转时的制冷剂的流动。
制热运转时,四通阀8被切换为由图1的实线所示的状态。而且,从压缩机1排出的高温高压制冷剂(A1)在四通阀8通过,从室外机气体管连接部12流入气体管7。由于气体管7具有规定的长度,所以,流入到气体管7内的制冷剂因气体管7内的摩擦损失而被减压,此后,从室内机气体管连接部14流入室内机62,成为状态(B1)的制冷剂。状态(B1)的制冷剂向室内热交换器6流入。由于室内热交换器6在制热运转时作为散热器工作,所以,流入到室内热交换器6的制冷剂与来自室内风扇32的室内空气热交换,进行散热,温度下降,一般情况下成为过冷却状态的液体制冷剂(C1),从室内热交换器6流出。
从室内热交换器6流出的液体制冷剂从室内机液体管连接部13向液体管5流入。流入液体管5的制冷剂在通过液体管时与在通过气体管时同样,因摩擦损失而被减压,从室外机液体管连接部11流入室外机61。而且,流入到室外机61的制冷剂(D1)由制冷剂热交换器4与来自蓄积器9的制冷剂进行热交换,被进一步冷却,成为状态(E1)的制冷剂。由制冷剂热交换器4冷却了的状态(E1)的制冷剂被膨胀阀3减压,成为气液二相制冷剂(F1),向室外热交换器2流入。由于室外热交换器2在制热运转时作为蒸发器工作,所以,流入到室外热交换器2的制冷剂与来自室外风扇31的室外空气热交换,吸热、蒸发,成为饱和气体或干燥度高的二相制冷剂(G1),从室外热交换器2流出。
从室外热交换器2流出了的制冷剂(G1)在四通阀8通过,向蓄积器9流入。在蓄积器9中,将以气液二相流入了的制冷剂气液分离,但是,由于液体制冷剂还与冷冻机油一起从设置在蓄积器9上的回油孔(未图示出)被吸入,所以,从蓄积器9流出干燥度高的气液二相制冷剂(H1)。从蓄积器9流出了的低温的气液二相制冷剂(H1)流入制冷剂热交换器4,与在室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间流动的制冷剂热交换,吸热、蒸发,成为气体制冷剂(I1),被吸入压缩机1。
<在制热运转时由制冷剂热交换器4进行热交换的理由>
接着,对在制热运转时由制冷剂热交换器4进行热交换的理由进行说明。在制冷剂热交换器4中,通过从蓄积器9流出的低压低温的制冷剂(H1)和在室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间流动的高压中温的制冷剂(D1)的温度差进行热交换。例如,在向制冷剂热交换器4流入的高压制冷剂(D1)的制冷剂温度为25℃,低压制冷剂(H1)的制冷剂温度为0℃的情况下,存在25℃的温度差。由此,从蓄积器9流出的低压二相制冷剂通过与比本身高25℃的高温的制冷剂进行热交换而被加热,被气化。
<制冷运转时的制冷剂的动作>
图3是表示图1的冷冻空调装置中的制冷运转时的制冷剂的流动的图。图4是表示图3的制冷运转时的焓和压力的关系的p-h线图。横轴表示焓[kJ/kg],纵轴表示压力[Mpa]。图4中的点A2~点I2表示的各制冷剂状态与图3所示的点A2~点I2的制冷剂的各状态对应。
在制冷运转时,四通阀8被切换为由图3的实线所示的状态。从压缩机1排出了的高温高压制冷剂(A2)在四通阀8通过,向室外热交换器2流入。流入室外热交换器2的制冷剂(B2)是与从压缩机1排出了的高温高压制冷剂(A2)相比大致没有改变的制冷剂状态。由于室外热交换器2在制冷运转时作为散热器工作,所以,流入到室外热交换器2的制冷剂与来自室外风扇31的外气(大气)热交换并散热,温度下降,一般情况下,成为过冷却状态的液体制冷剂(C2),从室外热交换器2流出。
从室外热交换器2流出了的制冷剂被膨胀阀3减压,成为气液二相制冷剂(D2),向制冷剂热交换器4流入。流入到制冷剂热交换器4的气液二相制冷剂与来自蓄积器9的制冷剂热交换而被冷却,成为状态(E2)的制冷剂,从制冷剂热交换器4流出。从制冷剂热交换器4流出了的制冷剂(E2)在室外机液体管连接部11通过,向液体管5流入。由于液体管5具有规定的长度,所以,流入到液体管5的制冷剂因液体管5内的摩擦损失而进一步被减压,此后,从室内机液体管连接部13向室内机62流入,成为状态(F2)的制冷剂。状态(F2)的制冷剂向室内热交换器6流入。由于室内热交换器6在制冷运转时作为蒸发器工作,所以,流入到室内热交换器6的制冷剂(F2)与来自室内风扇32的室内空气热交换,吸热、蒸发,成为饱和气体或干燥度高的二相制冷剂(G2),从室内热交换器6流出。
从室内热交换器6流出了的制冷剂(G2)在室内机气体管连接部14通过,向气体管7流入。气体管7也具有与液体管5同等的长度,流入到气体管7的制冷剂在通过气体管时因摩擦损失而被减压,在室外机气体管连接部12以及四通阀8通过,向蓄积器9流入。虽然在蓄积器9中,以气液二相流入了的制冷剂被气液分离,但是,由于液体制冷剂还与冷冻机油一起从设置在蓄积器9上的回油孔被吸入,所以,从蓄积器9流出干燥度高的气液二相制冷剂(H2)。从蓄积器9流出了的低温的气液二相制冷剂(H2)向制冷剂热交换器4流入,与在膨胀阀3和室外机液体管连接部11之间流动的制冷剂进行热交换,吸热、蒸发化,成为气体制冷剂(I2),被吸入压缩机1。
<制冷运转时由制冷剂热交换器进行热交换的理由>
接着,对在制冷运转时在制冷剂热交换器4产生热交换的理由进行说明。在制冷剂热交换器4中,通过从蓄积器9流出的低压低温的制冷剂(H2)和在室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间流动的中压中温的制冷剂(D2)的温度差进行热交换。从作为冷凝器工作的室外热交换器2流向制冷剂热交换器4的制冷剂在由被设置在制冷剂热交换器4的上游的膨胀阀3减压(减温)后,流入制冷剂热交换器4。由此,与制热运转时那样从冷凝器直接流入制冷剂热交换器4的情况相比,压力下降,因此,在制冷剂热交换器4中不能得到制热运转时的程度的温度差。
但是,在制冷剂热交换器4流出并从室外机液体管连接部11流向室内机62的制冷剂(E2)在室外机液体管连接部11的下游侧的构成元件,也就是液体管5、室内热交换器6、气体管7等通过,据此,压力因摩擦损失进一步降低。由此,由膨胀阀3减压后的制冷剂(D2)从图4可知,与从蓄积器9流出并流入制冷剂热交换器4的制冷剂(H2)相比,压力高。由此,在制冷剂热交换器4中,能够确保能够加热来自蓄积器9的制冷剂而气化的温度差。例如,在由膨胀阀3减压后的制冷剂(D2)的制冷剂温度为25℃,从蓄积器9流出的制冷剂(H2)的制冷剂温度为5℃的情况下,制冷剂温度差为20℃。由此,能够将从蓄积器9流出的气液二相制冷剂气化。
(制冷剂热交换器4的设计)
接着,对用于不产生向压缩机1的回液、不产生在制冷剂热交换器4中过剩的热交换等的制冷剂热交换器4的设计进行说明。
首先,对为将从蓄积器9流出的制冷剂气化所需要的制冷剂热交换器4的性能、制冷剂热交换器4中的高压侧制冷剂的入口温度TM和制冷剂热交换器4中的低压侧制冷剂的入口温度TL的关系进行说明。在制冷剂热交换器4中的热交换量Qslhx能够通过导热系数AK(传热面积A和传热系数K的乘积)和制冷剂温度差ΔT(=TM-TL),用式(1)表示。
[数式1]
Qslhk=AK×(TM-TS) .....(1)
另外,在制冷剂热交换器4的热交换量Qslhx也能够通过制冷剂热交换器4的低压侧的制冷剂流量Gr和制冷剂热交换器4的低压侧的出入口焓差ΔH(=H(I)-H(H))用式(2)表示。另外,H(H)是低压侧入口焓,H(I)是低压侧出口焓。
[数式2]
Qslhk=Gr×(H(I)-H(H)) .....(2)
通过上述式(1)和式(2),导热系数AK、制冷剂温度差ΔT(=TM-TL)、制冷剂流量Gr、制冷剂热交换器4的低压侧的出入口焓差ΔH(=H(I)-H(H))的各自的关系能够由式(3)表示。
[数式3]
然而,理想的蓄积器9的分离效率是100%,但实际上不足100%,这里,假设为99.9%的分离效率。另外,蓄积器9的分离效率不取决于制冷剂,一般为90%以上。若使制冷剂热交换器4的低压侧入口制冷剂的干燥度与蓄积器9的分离效率大致等同,则为0.9~0.999,由于干燥度确定,所以,制冷剂热交换器4的低压侧入口制冷剂的焓H(H)确定。
另外,由于要求制冷剂热交换器4的任务是抑制向压缩机1的回液,所以,被吸入压缩机1的制冷剂的理想状态是饱和气体,但是,在实际的控制中,成为过热气体的情况多。由此,将制冷剂热交换器4的低压侧出口制冷剂的制冷剂状态的目标值设定为饱和气体(过热度0K)~过热度5K的范围。像这样,由于低压侧出口制冷剂的目标的制冷剂状态的范围确定,所以,制冷剂热交换器4的低压侧出口制冷剂的焓H(I)的范围也能够确定。
如上所述,由于低压侧入口制冷剂的焓H(H)和低压侧出口制冷剂的焓H(I)的范围确定,所以,通过式(3),制冷剂温度差ΔT(=TM-TL)和AK/Gr的比的关系能够从下面的图5得到式(4)的关系。
图5是表示制冷剂温度差和热交换器性能的关系的图。图5中,横轴是制冷剂温度差ΔT(=TM-TL),纵轴是AK/Gr。图5所示的4个标绘点表示使用R410A,将过热度设定为0~4K的情况。另外,(a)是表示在冷冻空调装置100中使用的其它的各种制冷剂(例如,R134a、R1234yf、丙烷等碳氢化合物系制冷剂或它们的混合制冷剂)各自的最大值(相当于过热度0K的情况)的近似式。另外,图5的(b)是表示与(a)同样的制冷剂各自的最小值(相当于过热度5K的情况)的近似式。
[数式4]
通过在上述的范围内设计制冷剂热交换器4,能够消除制冷剂热交换器4的热交换量不足而产生向压缩机1的回液的弊端。另外,还能够消除制冷剂热交换器4中的热交换量过剩、吸入过热度变大而产生排出温度过度上升等这样的弊端。
<进行排出温度控制的理由>
在冷冻空调装置中,一般控制膨胀阀3的开度,以便使由排出温度传感器检测的排出温度成为运转效率(下面称为COP)为最大的排出温度。作为将排出温度用于控制对象的理由,可以列举出由于排出制冷剂是气体状态,所以,比热比液体制冷剂小,相对于膨胀阀3的开度控制,响应快这样的理由。由于响应快,所以,通过膨胀阀3的开度控制,能够将排出温度快捷地向COP为最大的点控制。再有,即使排出温度过度上升,也能够快捷地进行保护控制也是理由之一。
<排出温度、冷凝器出口过冷却度、COP的关系1>
图6(a)是表示图1的冷冻空调装置中的某个运转条件时的冷凝器出口过冷却度SC和COP的关系的图。图6(b)是表示与图6(a)相同的运转条件时的冷凝器出口过冷却度SC和排出温度的关系的图。图6(a)中,横轴是SC[K],纵轴是COP。图6(b)中,横轴是SC[K],纵轴是排出温度[℃]。
如图6(a)所示,冷冻空调装置100中存在COP为最大的冷凝器出口过冷却度SC。在图6(a)的例中,COP为最大是在冷凝器出口过冷却度SC为SC1时。由此,将该SC1作为目标过冷却度。另外,由于若冷凝器出口过冷却度SC确定,则排出温度被唯一地确定,所以,将成为目标过冷却度SC1的排出温度Td1选定作为目标排出温度。而且,通过控制膨胀阀3,以便使排出温度成为目标排出温度Td1,能够使冷凝器出口过冷却度SC成为目标过冷却度SC1,可以进行COP为最大的运转。
<排出温度、冷凝器出口过冷却度、COP的关系2>
图7(a)是表示不同于图6的运转条件时的图1的冷冻空调装置中的冷凝器出口过冷却度SC和COP的关系的图。图7(b)是表示与图7(a)相同的运转条件时的冷凝器出口过冷却度SC和排出温度的关系的图。图7(a)中,横轴是SC[K],纵轴是COP。图7(b)中,横轴是SC[K],纵轴是排出温度[℃]。
在图7的运转条件的情况下,COP为最大是在冷凝器出口过冷却度为SC2时。而且,冷凝器出口过冷却度SC为SC2的排出温度是Td2。但是,从图7(b)可知,排出温度为Td2不仅是在SC2时,在SC3时也同样。由此,即使将目标排出温度作为Td2进行膨胀阀3的控制,也不一定能够使冷凝器出口过冷却度SC成为SC2,未必能够进行COP为最大的运转。
这样,由于根据运转条件,即使排出温度相同,也得到冷凝器出口过冷却度SC不同的2个状态,所以,不能仅单纯地使用排出温度进行膨胀阀控制。由此,在本实施方式1中,在排出温度的基础上,还考虑冷凝器出口过冷却度SC,进行膨胀阀控制。
下面,首先对本实施方式1的膨胀阀控制的原理进行说明。
图8是本发明的实施方式1的膨胀阀控制的说明图。图8表示某个运转条件时的冷凝器出口过冷却度SC和排出温度的关系。图8中,横轴是SC[K],纵轴是COP。另外,图8中(收缩)、(放开)、(固定)是表示膨胀阀3的开度控制的内容。图9是表示与图8的各区域相应地划分SC-排出温度特性的各区段的图。图9中的(a)~(e)是将SC-排出温度特性划分成图8的各区域的部分,与图8的A~E的每一个对应。即,是图9的(a)的部分与图8的区域A对应,(b)部分与图8的区域B对应…...这样的状况。
接着,对图8的A~E这5个分区进行说明。将排出温度范围分成包括目标排出温度Tdm的(1)的范围(第1排出温度范围)、比(1)的范围高的(2)的范围(第2排出温度范围)、比(1)的范围低的(3)的范围(第3排出温度范围)。而且,将该3个范围中的(1)和(2)的范围进一步以目标冷凝器出口过冷却度(下面称为目标过冷却度)SCm为基准,分成2个,共分成5个区域。规定值C1(例如C1=2)以及规定值C2(例如C2=-2)是用于相对于目标排出温度Tdm以及目标过冷却度SCm使之具有一定的范围的值,是使用者可自由设定变更的值。
与当前的运转状态,即,当前的排出温度以及冷凝器出口过冷却度属于区域A~E的哪一个区域的情况相应地将膨胀阀3的开度控制为该区域部分记载的(收缩)、(放开)、(固定)。
在当前的运转状态属于图8的区域A、区域C、区域E的情况下,进行收缩膨胀阀3的控制。即,在为图9的(a)、(c)、(e)的范围的情况下,都是当前的冷凝器出口过冷却度SC比目标过冷却度SCm小。由此,进行收缩膨胀阀3,提升过冷却度SC,使之接近目标过冷却度SCm的控制。
另外,在当前的运转状态属于图8的区域B的情况下,进行将膨胀阀3放开的控制。即,在为图9的(b)的范围的情况下,当前的过冷却度SC比目标过冷却度SCm大。由此,进行将膨胀阀3放开,降低冷凝器出口过冷却度SC,使之接近目标过冷却度SCm的控制。
另外,在当前的运转状态属于图8的区域D的情况下,使膨胀阀3的开度保持原样固定。即,在为图9的(d)的范围的情况下,判断为当前的排出温度与目标排出温度一致或接近,维持现状的膨胀阀3的开度。
通过进行上面那样的膨胀阀控制,例如,在由排出温度传感器41检测的排出温度为Td3(图9)时,无论从室外热交换器温度传感器43以及室外热交换器饱和温度传感器42的检测值求出的当前的冷凝器出口过冷却度SC为SC4或SC5的哪一个,都能够使冷凝器出口过冷却度SC与目标过冷却度SCm一致。由此,可以进行COP为最大的运转。
接着,对以上面说明的膨胀阀控制原理为基础的具体的控制流程进行说明。
<具体的控制方法:根据恒定时和非恒定时改变控制>
图10是表示本发明的实施方式1的冷冻空调装置的膨胀阀控制的流程的流程图。图10中,(1)~(3)以及A~E与图8的(1)~(3)以及A~E对应。另外,冷冻空调装置起动时的膨胀阀开度被设定成与运转条件(外气温度、室内温度)、压缩机转速相应地确定的开度、不根据条件确定的开度等,从该开度依照图10所示的流程图进行收缩、放开、固定这样的膨胀阀控制。
首先,冷冻空调装置100收集当前的运转数据,掌握当前的运转条件,将在当前的运转条件下COP为最大的冷凝器出口过冷却度SC设定成目标过冷却度SCm,且将目标排出温度设定成成为该目标过冷却度SCm的Tdm(S1)。目标排出温度Tdm可以使用外气温度、室内温度或冷凝温度、蒸发温度、压缩机转速等,使用近似式算出,也可以使用以表格、映像图化的形式被存储的变换表算出。
控制装置50算出由排出温度传感器41检测的当前的排出温度Td和在步骤S1设定的目标排出温度Tdm的差量ΔTd,比较该差量ΔTd和预先设定的规定值C1(S2)。在差量ΔTd比规定值C1大的情况下,即,在当前的排出温度属于图8的(2)的范围的情况下,继续比较当前的冷凝器出口过冷却度SC和目标过冷却度SCm(S3)。在当前的冷凝器出口过冷却度SC比目标过冷却度SCm小的情况下,相当于图8的区域A,为提升冷凝器出口过冷却度SC而收缩膨胀阀开度(S4)。另一方面,在冷凝器出口过冷却度SC为目标过冷却度SCm以上的情况下,相当于图8的区域B,为降低冷凝器出口过冷却度SC而放开膨胀阀开度(打开)(S5)。
在步骤S2,在判断为当前的排出温度和目标排出温度Tdm的差量ΔTd为规定值C1以下的情况下,继续比较差量ΔTd和规定值C2(S6)。在步骤S6,在差量ΔTd比规定值C2大的情况下,相当于图8的区域E(与图8的(3)相同),收缩膨胀阀开度(S4)。另一方面,在差量ΔTd在规定值C2以下的情况下,相当于图8的(1),继续比较冷凝器出口过冷却度SC和目标过冷却度SCm(S7)。在冷凝器出口过冷却度SC比目标过冷却度SCm小的情况下,相当于图8的区域C,收缩膨胀阀开度(S4)。另一方面,在冷凝器出口过冷却度SC在目标过冷却度SCm以上的情况下,相当于图8的区域D,将膨胀阀开度固定(S8)。
如上面说明的那样,根据本实施方式1,因为设置了对室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间的高压侧制冷剂和蓄积器9的出口侧的低压侧制冷剂进行热交换的制冷剂热交换器4,所以,能够在制热运转时充分地确保高压侧制冷剂和低压侧制冷剂的温度差。由此,能够由高压侧制冷剂加热从蓄积器9流出的低压侧制冷剂,使之气化,使气体制冷剂被吸入压缩机1,能够抑制回液。因此,排出温度的下降被抑制,能够维持恰当的排出温度,其结果为,能够确保室内热交换器6的热交换量,能够防止制热性能的下降。
另外,在制冷运转时,从制冷剂热交换器4流出了的高压侧制冷剂因室外机液体管连接部11的下游的构成元件,也就是液体管5、室内热交换器6、气体管7等的摩擦损失而压力下降。这样,由于压力下降了的制冷剂流入制冷剂热交换器4的低压侧,所以,能够在与高压侧制冷剂之间确保足够的温度差。由此,与制热运转时同样,在制冷运转时,也能够由高压侧制冷剂加热从蓄积器9流出的低压侧制冷剂,使之气化。由此,能够使气体制冷剂被吸入压缩机1,能够抑制回液。
另外,由于没有必要像以往那样除制冷剂热交换器4外还设置用于防止回液的旁通回路等,所以,能够做成简洁的结构。由此,虽然是简洁的结构,但也能够在冷暖两运转中通过制冷剂热交换器4得到足够的热交换量,另外,能够防止制热性能的下降,能够得到可削减年耗电量的冷冻空调装置100。
另外,将制冷剂热交换器4的规格选定成,制冷剂热交换器4的高压侧制冷剂的入口温度TM和低压侧制冷剂的入口温度TL的温度差ΔT和AK/Gr维持规定的关系(满足式(4)的关系)。据此,能够构成如下的冷冻空调装置100:不存在制冷剂热交换器4的热交换量不足而产生向压缩机1的回液或制冷剂热交换器4的热交换量过剩而排出温度过度上升等。
另外,通过使膨胀阀3的主控制目标为排出温度,且根据冷凝器出口过冷却度SC修正膨胀阀3的动作方向,能够不依靠运转条件而实现COP为最大的运转。
顺便提及,虽然一般的空调机所使用的R410A、R32等低沸点制冷剂若低压下降,则排出温度容易上升,但是,作为高沸点制冷剂的例如R134a、R1234yf、R1234ze、丙烷等的碳氢化合物系制冷剂或它们的混合制冷剂与低沸点制冷剂相比,排出温度难以上升。尤其是,在通过具备蓄积器使得吸入容易成为气液二相的制冷剂回路、低压缩比条件等,在为高沸点制冷剂的情况下,难以确保排出过热度。另外,在例如高压外壳等压缩机中使用高沸点制冷剂的情况下,若在起动前,压缩机外壳变冷,则还存在在起动后,制冷剂在外壳内冷凝,压缩机内部的油浓度下降,有损可靠性的可能性。但是,在本实施方式1的结构中,由于能够加热压缩机1所吸入的制冷剂,所以,即使是难以具有排出温度的高沸点制冷剂,也容易确保足够的排出过热度。由此,能够难以产生起动时的压缩机1内的制冷剂冷凝等,能够实现高的可靠性。
实施方式2.
一般来说,在具备蓄积器的制冷剂回路中,与不具备蓄积器的制冷剂回路相比,与向压缩机1的返液少的量相应地,使得排出温度容易上升。另外,根据上述实施方式1,由于能够由制冷剂热交换器4加热从蓄积器9流出了的气液二相的制冷剂,所以,与不具备制冷剂热交换器4的情况相比,依然是排出温度容易上升。由此,需要在低外气时的制热运转等、排出温度容易上升的条件的情况下,采取用于抑制排出温度的对策。实施方式2涉及采取了该对策的冷冻空调装置。
<结构>
图11是本发明的实施方式2的冷冻空调装置的结构图。另外,在图11中,针对与实施方式1相同的构成部分标注与前面说明的图1相同的附图标记。另外,对与实施方式1相同的构成部分所适用的变形例针对本实施方式2以及后述的实施方式也同样地适用。下面,以实施方式2与实施方式1不同的部分为中心进行说明。
实施方式2的冷冻空调装置200在图1所示的实施方式1的冷冻空调装置100中进一步设置从制冷剂热交换器4和膨胀阀3之间分支,经作为流量调整阀的旁通用膨胀阀16在制冷剂热交换器4的低压侧出口和压缩机1之间合流的旁通回路21。在旁通回路21中具备在旁通回路21的旁通用膨胀阀16的下游的配管与室外机液体管连接部11和制冷剂热交换器4之间的配管之间进行热交换的内部热交换器15。旁通用膨胀阀16可以是开度可变的旁通用膨胀阀,也可以是将开闭阀和毛细管组合的旁通用膨胀阀(未图示出)。此外的结构与实施方式1相同。
<旁通回路21以及内部热交换器15的动作说明>
内部热交换器15使室外机液体管连接部11和制冷剂热交换器4之间的制冷剂与旁通回路21的旁通用膨胀阀16的下游侧的制冷剂热交换,进行冷却。据此,在制热运转时成为蒸发器的室外热交换器2的入口部的干燥度下降。另一方面,由于在制冷剂热交换器4的高压侧流出了的制冷剂的一部分去向旁通回路21侧,所以,流入蒸发器(室外热交换器2)侧的制冷剂流量减少。由此,作为蒸发器(室外热交换器2)的处理热量,不会得失,能够降低蒸发器(室外热交换器2)内以及低压配管(从蒸发器到达压缩机1的配管)内的压力损失,因此,能够抑制排出温度上升。
另外,通过调整旁通用膨胀阀16的开度,能够使在旁通回路21的内部热交换器15通过的旁通制冷剂为潮湿感觉,与从制冷剂热交换器4的低压侧去向压缩机1的制冷剂合流。由此,即使从制冷剂热交换器4的低压侧流出了的制冷剂为过热气体,该过热气体也被来自旁通回路21的制冷剂冷却,成为气液二相制冷剂,流入压缩机1。由此,能够抑制排出温度上升。
在这样构成的实施方式2的冷冻空调装置200中,控制装置50在由排出温度传感器41检测的排出温度为预先设定的排出温度上限值以上的情况下,进行控制,以便将旁通用膨胀阀16打开,使排出温度不足排出温度上限值。
根据上面说明那样的本实施方式2,能够得到与实施方式1相同的效果,且通过设置旁通回路21,在排出温度容易上升的低外气制热条件下,可以防止排出温度过度上升,能够实现运转范围的扩大和高的可靠性。
另外,虽然在图11中,旁通回路21从制冷剂热交换器4和膨胀阀3之间分支,但是,由于设置旁通回路21的目的是防止排出温度过度上升,所以,并不限于该位置,只要是室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间即可。另外,若在室外机液体管连接部11和膨胀阀3之间,则在制热条件下,能够确实地使膨胀阀3或旁通用膨胀阀16的入口成为液体状态。
另外,由于图11所示的内部热交换器15在制热运转时位于与制冷剂热交换器4相比的上游侧,所以,能够降低向制冷剂热交换器4流入的高压制冷剂的温度。由此,因为能够抑制在制冷剂热交换器4中的热交换量,所以,能够抑制排出温度上升。另外,通过设置内部热交换器15,像上述那样,蒸发器的热交换量没有改变,而在蒸发器通过的制冷剂流量减少,因此,能够降低蒸发器以及低压配管侧的压力损失。
另外,内部热交换器15的位置并不限于图11所示的位置,例如可以设置在在制热运转时成为制冷剂热交换器4的下游的位置,总而言之,只要在室外机液体管连接部11和旁通回路21的分支点22之间即可。虽然在配置在制冷剂热交换器4和分支点之间的情况下,降低制热运转时的压损的效果下降,但是,能够得到抑制排出温度上升的效果。另外,在作为制冷用途利用的情况下,由于能够大量获取内部热交换器15的热交换量,所以,能够得到降低蒸发器以及低压配管侧的压力的效果。
实施方式3.
在实施方式2中,对具备内部热交换器15的旁通回路21进行了说明,但是,在不具备内部热交换器15的情况下,也可以抑制排出温度上升。即,使由旁通用膨胀阀16减压了的制冷剂原样与从制冷剂热交换器4去向压缩机1的制冷剂合流,冷却从制冷剂热交换器4去向压缩机1的制冷剂,使之成为气液二相制冷剂。若这样构成,则与实施方式2相比,能够使制冷剂回路20以及控制简洁。
附图标记说明
1:压缩机;2:室外热交换器;3:膨胀阀;4:制冷剂热交换器;5:液体侧连接配管(液体管);6:室内热交换器;7:气体侧连接配管(气体管);8:四通阀;9:蓄积器;11:室外机液体管连接部;12:室外机气体管连接部;13:室内机液体管连接部;14:室内机气体管连接部;15:内部热交换器;16:旁通用膨胀阀;20:制冷剂回路;21:旁通回路;22:分支点;31:室外风扇;32:室内风扇;41:排出温度传感器;42:室外热交换器饱和温度传感器;43:室外热交换器温度传感器;44:室内热交换器饱和温度传感器;45:室内热交换器温度传感器;50:控制装置;61:室外机;62:室内机;100:冷冻空调装置;200:冷冻空调装置。
Claims (5)
1.一种冷冻空调装置,其特征在于,具备:
室外机,其具有压缩机、流路切换装置、制冷剂容器、热源侧热交换器、减压装置和制冷剂热交换器;以及
室内机,其具有负荷侧热交换器,
由气体侧连接配管以及液体侧连接配管连接前述室外机和前述室内机,构成以如下的方式依次连接了的制冷剂回路:在制热运转时制冷剂按照前述压缩机、前述流路切换装置、前述负荷侧热交换器、前述制冷剂热交换器、前述减压装置、前述热源侧热交换器、前述制冷剂容器、前述制冷剂热交换器、前述压缩机的顺序进行循环,
前述制冷剂热交换器对作为前述液体侧连接配管的前述室外机侧的连接部的室外机液体管连接部和前述减压装置之间的制冷剂与前述制冷剂容器的出口侧的制冷剂进行热交换,
作为前述制冷剂热交换器的传热面积和传热系数的积的导热系数AK与在前述制冷剂热交换器的低压侧通过的前述制冷剂容器的出口侧的制冷剂的制冷剂流量Gr之比[J/kg·K]具有
1.40×102/(TM-TL)≦AK/Gr≦1.52×105/(TM-TL)的关系
TM:制冷剂热交换器的高压侧制冷剂的入口温度
TL:制冷剂热交换器的低压侧制冷剂的入口温度。
2.一种冷冻空调装置,其特征在于,具备:
室外机,其具有压缩机、流路切换装置、制冷剂容器、热源侧热交换器、减压装置和制冷剂热交换器;以及
室内机,其具有负荷侧热交换器,
由气体侧连接配管以及液体侧连接配管连接前述室外机和前述室内机,构成以如下的方式依次连接了的制冷剂回路:在制热运转时制冷剂按照前述压缩机、前述流路切换装置、前述负荷侧热交换器、前述制冷剂热交换器、前述减压装置、前述热源侧热交换器、前述制冷剂容器、前述制冷剂热交换器、前述压缩机的顺序进行循环,
前述制冷剂热交换器对作为前述液体侧连接配管的前述室外机侧的连接部的室外机液体管连接部和前述减压装置之间的制冷剂与前述制冷剂容器的出口侧的制冷剂进行热交换,
所述冷冻空调装置具备:
排出温度检测装置,其检测前述压缩机的排出制冷剂的排出温度;和
过冷却度检测装置,其检测前述热源侧热交换器以及前述负荷侧热交换器中作为冷凝器发挥功能的热交换器出口的制冷剂的过冷却度,
与由前述排出温度检测装置检测的排出温度和由前述过冷却度检测装置检测的过冷却度相应地控制前述减压装置的开度,
将当前的运转条件中的过冷却度-排出温度特性划分为包括目标排出温度的第1排出温度范围、比前述第1排出温度范围高的第2排出温度范围和比前述第1排出温度范围低的第3排出温度范围,上述目标排出温度被选定成COP成为最大,进而,将前述第1排出温度范围和前述第2排出温度范围划分成比目标过冷却度小的范围和前述目标过冷却度以上的范围,共划分成5个区域,上述目标过冷却度被选定成COP成为最大,
在由前述排出温度检测装置检测的排出温度和由前述过冷却度检测装置检测的过冷却度,在前述5个区域中,
在属于处在前述第1排出温度范围且比前述目标过冷却度低的范围的区域、处在前述第2排出温度范围且比前述目标过冷却度低的范围的区域和前述第3排出温度范围的区域这3个区域中的任意一个的情况下,收缩前述减压装置的开度,
在属于处在前述第1排出温度范围且为前述目标过冷却度以上的范围的区域的情况下,将前述减压装置的开度固定,
在属于处在前述第2排出温度范围且为前述目标过冷却度以上的范围的区域的情况下,将前述减压装置的开度放开。
3.一种冷冻空调装置,其特征在于,具备:
室外机,其具有压缩机、流路切换装置、制冷剂容器、热源侧热交换器、减压装置和制冷剂热交换器;以及
室内机,其具有负荷侧热交换器,
由气体侧连接配管以及液体侧连接配管连接前述室外机和前述室内机,构成以如下的方式依次连接了的制冷剂回路:在制热运转时制冷剂按照前述压缩机、前述流路切换装置、前述负荷侧热交换器、前述制冷剂热交换器、前述减压装置、前述热源侧热交换器、前述制冷剂容器、前述制冷剂热交换器、前述压缩机的顺序进行循环,
前述制冷剂热交换器对作为前述液体侧连接配管的前述室外机侧的连接部的室外机液体管连接部和前述减压装置之间的制冷剂与前述制冷剂容器的出口侧的制冷剂进行热交换,
所述冷冻空调装置具备旁通回路,所述旁通回路从前述室外机液体管连接部和前述减压装置之间分支,经流量调整阀在前述制冷剂容器和前述压缩机之间合流。
4.如权利要求3所述的冷冻空调装置,其特征在于,在前述压缩机的排出制冷剂的排出温度成为预先设定的排出温度上限值以上的情况下,进行控制,以便打开前述流量调整阀,使前述排出温度不足前述排出温度上限值。
5.如权利要求3所述的冷冻空调装置,其特征在于,具备内部热交换器,所述内部热交换器对前述室外机液体管连接部和前述旁通回路的分支点之间的制冷剂和前述旁通回路的前述流量调整阀的下游侧的制冷剂进行热交换。
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