JP2005195212A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スクロール圧縮機11、放熱器12、減圧器13、蒸発器14を備え、スクロール圧縮機11は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、スクロール圧縮機11の高圧冷媒圧力を高圧冷媒圧力検出手段24で、低圧冷媒圧力を低圧冷媒圧力検出手段25で検出する。圧縮比演算比較手段26は、この検出した出力信号により冷媒の圧縮比を演算し、前記圧縮比を所定の設定値と比較して減圧器の開度を調節する制御信号を出力する。圧縮比が所定値以下である場合、スクロール圧縮機11が転覆したと検出し、圧縮比が大きくなるように減圧器13の絞り量を所定量絞り、その後開くことで、転覆を回復させることができる。
【選択図】 図1
Description
請求項2記載の本発明の冷凍サイクル装置は、スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する高圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記低圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する低圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記電流検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する電流微分値演算比較手段と、前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記電流微分値演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記減圧器の開度を制御し、前記スクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御することを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項1または請求項2に記載の冷凍サイクル装置において、前記スクロール圧縮機が転覆したことを検出した場合、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Pls1だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Pls2(ただし△Pls1>△Pls2)制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする。
請求項4記載の本発明は、請求項3に記載の冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、前記転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Tdだけ高くすることを特徴とする。
請求項5記載の本発明は、請求項3に記載の冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、前記転覆回復制御の後、前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△SH高くすることを特徴とする。
請求項6記載の本発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであることを特徴とする。
請求項7記載の本発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段が、前記放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、前記低圧冷媒圧力検出手段が、前記蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであることを特徴とする。
請求項8記載の本発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧冷媒圧力および低圧冷媒圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする。
請求項9記載の本発明は、請求項1から請求項8のいずれかに記載の冷凍サイクル装置において、運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いることを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態によるヒートポンプ給湯機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造のスクロール圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力、低圧冷媒圧力および冷凍サイクル装置の通電電流の各々の時間微分値を演算して所定の設定値と比較し、各々の比較結果により減圧器の開度を調節してスクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御するものである。本実施の形態により、スクロール圧縮機の転覆を確実に検出し、速やかに転覆を回復することができる。
本発明の第3の実施の形態は、第1または第2の実施の形態による冷凍サイクル装置において、スクロール圧縮機が転覆したことを検出した場合、減圧器の開度を閉方向に所定の値△Pls1制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、減圧器の開度を開方向に所定の値△Pls2(ただし△Pls1>△Pls2)に制御する転覆回復制御を行うものである。本実施の形態により、確実に転覆を回復することができる。
本発明の第4の実施の形態は、第3の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御としてスクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Td高くするものである。本実施の形態により、再度転覆することを防止することができる。
本発明の第5の実施の形態は、第3の実施の形態による冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルの制御としてスクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、転覆回復制御の後、スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△SH高くするものである。本実施の形態により、再度転覆することを防止することができる。
本発明の第6の実施の形態は、第1から第5のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段および低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであるものである。本実施の形態により、安価な回路で圧力を検出することができる。
本発明の第7の実施の形態は、第1から第5のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段が、放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、低圧冷媒圧力検出手段が、蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであるものである。本実施の形態により、安価な回路で圧力を検出することができる。
本発明の第8の実施の形態は、第1から第5のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧圧力および低圧圧力を検出する圧力センサであるものである。本実施の形態により、さらに確実に圧力を検出することができる。
本発明の第9の実施の形態は、第1から第8のいずれかの実施の形態による冷凍サイクル装置において、運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いるあるものである。本実施の形態により、効率の良い冷凍サイクルを実現できる。
図1は、本発明の第1の実施例における冷凍サイクル装置を利用した給湯装置を示す概略構成図である。
冷凍サイクル装置は、圧縮機駆動手段31で駆動されるスクロール圧縮機11、給湯用熱交換器としての放熱器12の冷媒流路12a、減圧器(膨張弁)13および蒸発器14などからなる冷媒回路Aと、循環量が可変である給水ポンプ15、放熱器12の流体流路12bおよび給湯タンク16などからなる流体回路Bとから構成されている。スクロール圧縮機11は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造である。
冷媒回路Aには、さらに、蒸発器14に外気を送風する送風ファン17、高圧冷媒圧力検出手段24、低圧冷媒圧力検出手段25、圧縮比演算比較手段26、減圧器目標開度演算手段42および減圧器開度演算操作手段43が設けられる。
高圧冷媒圧力検出手段24は、放熱器12を流れる冷媒の凝縮温度(高圧飽和温度)を検出し、高圧冷媒圧力を演算する。低圧冷媒圧力検出手段25は蒸発器14を流れる冷媒の蒸発温度(低圧飽和温度)を検出し、低圧冷媒圧力を演算する。圧縮比演算比較手段26は高圧冷媒圧力検出手段24および低圧冷媒圧力検出手段25で検出された圧力から圧縮比を演算し、設定値と比較する。吐出温度検出手段41はスクロール圧縮機11の吐出温度を検出する。減圧器目標開度演算手段42は、外気温度や、放熱器12の入水温度などから、減圧器13の開度(以下、目標減圧器開度1と呼ぶ)を演算する。減圧器開度演算操作手段43は吐出温度検出手段41の検出値に応じて、減圧器13の開度(以下、目標減圧器開度2と呼ぶ)を演算し、さらに、減圧器目標開度演算手段42の演算した目標減圧器開度、あるいは、自らが演算した目標減圧器開度のいずれかの開度を選択して、減圧器13の開度を操作する。
一方、流体回路Bには、さらに、放熱器出口流体温度検出手段21、放熱器出口流体目標温度演算手段22および循環量演算操作手段23が設けられる。
放熱器出口流体温度検出手段21は、放熱器12の流体流路12bの出口の流体(例えば、湯)の温度(以下、出湯温度と呼ぶ)を検知する。放熱器出口流体目標温度演算手段22は外気温度や、流体流路12bの入口の流体(例えば、水)の温度(以下、入水温度と呼ぶ)や、利用者によるリモコン設定などから、出湯温度の目標値を演算する。循環量演算操作手段23は放熱器出口流体温度検出手段21の検出値と放熱器出口流体目標温度演算手段22が演算した目標値(以下、出湯温度目標値と呼ぶ)に応じて、給水ポンプ15の回転数を演算・操作する。
冷媒回路Aでは、スクロール圧縮機11で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、放熱器12の冷媒流路12aを流れる際に、流体流路12bを流れる水に放熱して冷却される。その後、冷媒は減圧器13で減圧され、低温低圧の気液二相状態となり、蒸発器14に供給される。蒸発器14では、冷媒は送風ファン17によって送り込まれた外気によって加熱され、気液二相またはガス状態となり、再びスクロール圧縮機11に吸入される。
一方、流体回路Bでは、給湯タンク16の底部から給水ポンプ15により放熱器12の流体流路12bへ送り込まれた水は、冷媒流路12aを流れる冷媒により加熱され、高温の湯となり、その湯を給湯タンク16の頂部から貯める。このような動作を繰り返すことにより、本実施例の冷凍サイクル装置は給湯装置として利用できる。
ここで、起動時などの冷凍サイクルが安定していないときには、減圧器開度演算操作手段43により、減圧器目標開度演算手段42が外気温度、入水温度などから演算した目標減圧器開度1となるように、減圧器13の開度を調整(フィードフォワード制御)している。冷凍サイクルが安定しているときには、減圧器開度演算操作手段43は、吐出温度検出手段41が検出したスクロール圧縮機11の吐出温度が、放熱器出口流体目標温度演算手段22が演算した目標値(出湯温度目標値)および外気温度から演算した目標吐出温度Tdとなるように、自ら演算した目標減圧器開度2に減圧器13の開度を調整(フィードバック制御)している。
また、循環量演算操作手段23は、放熱器出口流体温度検出手段21が検出した出湯温度(出湯温度検出値)が、放熱器出口流体目標温度演算手段22が演算した出湯温度目標値となるように、フィードバック制御により、給水ポンプ15の回転数を調整し、放熱器12の流体流路12bを流れる水の循環量を調節することで、一定の温度の湯が給湯タンク16に貯められるように制御している。
まず、経過時間計測値tをリセットした後、経過時間の計測を開始する(ステップ101)。次に、経過時間計測値tが予め定められた時間t0以上であるか否かの比較を行い(ステップ102)、経過時間tが一定時間t0以上経過した場合には次のステップに進み、経過していない場合にはステップ101に戻る。次に、吐出温度検出手段41がスクロール圧縮機11の吐出温度Tdを検出する(ステップ103)。スクロール圧縮機11の吐出温度Tdが、目標吐出温度Td1(例えば90℃)となるように、減圧器13の開度を調整する(ステップ104)。
次に、高圧冷媒圧力検出手段24と、低圧冷媒圧力検出手段25で高圧冷媒圧力Pd、低圧冷媒圧力Psを検出する(ステップ105)。検出されたそれぞれの圧力から圧縮比演算比較手段26により圧縮比εを演算する(ステップ106)。圧縮比演算比較手段26により演算された圧縮比εと第1の設定値ε1(例えば2.5)を比較し、演算された圧縮比εが第1の設定値ε1未満であることを判定する(ステップ107)。圧縮比εが第1の設定値ε1未満である場合には次のステップに進み、第1の設定値ε1以上の場合にはステップ101に戻る。
圧縮比εが第1の設定値ε1未満である場合は、圧縮比演算比較手段26により演算された圧縮比εと第2の設定値ε2(例えば2.0)を演算比較し、演算された圧縮比εが第2の設定値ε2未満であることを判定する(ステップ108)。圧縮比εが第2の設定値ε2未満である場合には次のステップに進み、第2の設定値ε2以上の場合には目標吐出温度Td1をTd1+△Td(例えば90+5=95℃)とし(ステップ109)、ステップ101に戻る。
このようなフィードバック制御により、圧縮比εが第1の設定値ε1未満で、第2の設定値ε2以上である場合には、目標吐出温度を高く設定するため、減圧器13の開度を小さくするように制御する。その結果、高圧冷媒圧力Pdは上昇して低圧冷媒圧力Psは低下し、圧縮比εが大きくなり、スクロール圧縮機の転覆を防止することができる。
スクロール圧縮機が転覆した場合、高圧冷媒圧力Pdは低下して低圧冷媒圧力Psは上昇し、圧縮比εが大きく低下する。ステップ108で圧縮比εが第2の設定値ε2未満である場合は、スクロール圧縮機11が転覆したと判断し、減圧器13の目標減圧器開度2Plsを設定値△Pls1(例えば70パルス)だけ小さくし(ステップ110)、減圧器開度演算操作手段43により減圧器開度を制御する(ステップ111)。その結果、高圧冷媒圧力Pdは上昇して低圧冷媒圧力Psは低下し、圧縮比εが大きくなり、転覆が回復する。
これにより転覆を速やかに回復させることができるとともに、減圧器13の開度を転覆した時の開度より小さく制御するため、再度スクロール圧縮機11が転覆することを防止できる。
また、転覆回復制御において、ステップ110、111で減圧器13の開度Plsを設定値△Pls1(例えば70パルス)だけ小さくするように制御した後、ステップ112、113で第2の経過時間t2が一定時間t20以上経過した後、ステップ114、115で減圧器13の開度を第2の設定値△Pls2だけ大きくするように制御しているが、ステップ112、113の代わりに、圧縮比εが第1の設定値ε1以上となった後、ステップ114に移行すると、確実に転覆を回復させることができる。
また、高圧冷媒圧力検出手段24として冷媒の高圧冷媒圧力を検知する圧力センサ、低圧冷媒圧力検出手段25として冷媒の低圧冷媒圧力を検出する圧力センサを用い、それらの圧力から高圧冷媒圧力Pdおよび低圧冷媒圧力Psを検知しても良い。
また、二酸化炭素など臨界点の低い冷媒を用いる場合、高圧冷媒圧力Pdは臨界圧力を超え、放熱器12では冷媒は凝縮しない。その結果、凝縮温度が存在しないため、放熱器12の温度から高圧冷媒圧力Pdを正確に演算することはできない。このような場合は高圧冷媒圧力検出手段24として圧力センサを用いることで、同様な効果を得ることができる。さらに直接圧力を検出するため、応答遅れがなく正確な制御を行うことができる。また、低圧冷媒圧力検出手段25として圧力センサを用いても同様な効果を得ることができる。
経過時間計測(ステップ101、102)、吐出温度制御(ステップ103、104)、高低冷媒圧力Pdの検出及び低圧冷媒圧力Psの検出(ステップ105)は図2で説明した実施例1と同じである。次に、電流検出手段32(例えば、駆動手段31であるインバータ回路からスクロール圧縮機11へ通電される電流を検出する電流センサ)により通電電流Iを検出し(ステップ201)、所定時間前に検出された高圧Pd、低圧Ps、通電電流Iの値と、現在の高圧Pd、低圧Ps、通電電流Iの値から、高圧の時間微分値dPd/dt、低圧の時間微分値dPs/dt、電流の時間微分値dI/dtを演算する(ステップ202)。
次に、高圧の時間微分値dPd/dtと設定値dPd1/dt(ステップ203)、低圧の時間微分値dPs/dtと設定値dPs1/dt(ステップ204)、電流の時間微分値dI/dtと設定値dI1/dt(ステップ205)を比較する。
スクロール圧縮機が転覆した場合、高圧冷媒圧力Pdは低下して低圧冷媒圧力Psは上昇し、圧縮比εが大きく低下する。そして、冷媒循環量も低下するためスクロール圧縮機11への通電電流も低下する。したがって、ステップ203で高圧の時間微分値dPd/dtが設定値dPd1/dt未満で、ステップ204で低圧の時間微分値dPs/dtが設定値dPs1/dt以上で、電流の時間微分値dI/dtが設定値dI1/dt未満である場合は、スクロール圧縮機11が転覆したと判断し、ステップ110以降の転覆回復制御へ移行する。すなわち減圧器13の目標減圧器開度2Plsを設定値△Pls1(例えば70パルス)だけ小さくし(ステップ110)、減圧器開度演算操作手段43により減圧器開度を制御する(ステップ111)。その結果、高圧冷媒圧力Pdは上昇し低圧冷媒圧力Psは低下し、圧縮比εが大きくなり転覆が回復する。
これにより、スクロール圧縮機11の転覆の発生を確実に検出し、転覆を速やかに回復させることができるとともに、減圧器13の開度を転覆した時の開度より小さく制御するため、再度スクロール圧縮機11が転覆することを防止できる。
また、二酸化炭素など臨界点の低い冷媒を用いる場合、高圧冷媒圧力Pdは臨界圧力を超え、放熱器12では冷媒は凝縮しない。その結果、凝縮温度が存在しないため、放熱器12の温度から高圧冷媒圧力Pdを正確に演算することはできない。このような場合は高圧冷媒圧力検出手段24として圧力センサを用いることで、同様な効果を得ることができる。さらに直接圧力を検出するため、応答遅れがなく正確な制御を行うことができる。また、低圧冷媒圧力検出手段25として圧力センサを用いても同様な効果を得ることができる。
12 放熱器
13 減圧器
14 蒸発器
15 給水ポンプ
16 給湯タンク
17 送風ファン
21 放熱器出口流体温度検出手段
22 放熱器出口流体目標温度演算手段
23 循環量演算操作手段
24 高圧冷媒圧力検出手段
25 低圧冷媒圧力検出手段
26 圧縮比演算比較手段
31 駆動手段
32 電流検出手段
33 演算比較手段
41 吐出温度検出手段
42 減圧器目標開度演算手段
43 減圧器開度演算操作手段
Claims (9)
- スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段と前記低圧冷媒圧力検出手段からの出力信号により冷媒の圧縮比を演算し、前記圧縮比を所定の設定値と比較して制御信号を出力する圧縮比演算比較手段と、前記圧縮演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記圧縮比演算比較手段の出力値が前記設定値より低い場合に前記減圧器の開度を制御し、前記圧縮比を前記設定値以上に制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
- スクロール圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を備えた冷凍サイクル装置であって、前記スクロール圧縮機は、高圧または中間圧に圧縮された冷媒によって旋廻スクロールを固定スクロールに密着させる構造であり、前記スクロール圧縮機の高圧冷媒圧力を検出する高圧冷媒圧力検出手段と、低圧冷媒圧力を検出する低圧冷媒圧力検出手段と、前記冷凍サイクル装置の通電電流を検出する電流検出手段と、前記高圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する高圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記低圧冷媒圧力検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する低圧冷媒圧力微分値演算比較手段と、前記電流検出手段の出力値の時間微分値を演算し、設定値を比較する電流微分値演算比較手段と、前記高圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記低圧冷媒圧力微分値演算比較手段の信号と前記電流微分値演算比較手段の信号により前記減圧器の開度を調節する手段を備え、前記減圧器の開度を制御し、前記スクロール圧縮機の圧縮比を設定値以上に制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
- 前記スクロール圧縮機が転覆したことを検出した場合、前記減圧器の開度を閉方向に所定の値△Pls1だけ制御し、圧縮比が設定値以上になった後、または所定時間経過した後に、前記減圧器の開度を開方向に所定の値△Pls2(ただし△Pls1>△Pls2)制御する転覆回復制御を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
- 冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吐出温度を所定の目標吐出温度に制御する場合、前記転覆回復制御の後、冷凍サイクルの目標吐出温度を、転覆が発生した時より所定の値△Tdだけ高くすることを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
- 冷凍サイクルの制御として前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートを所定の目標値に制御する場合、前記転覆回復制御の後、前記スクロール圧縮機の吸入冷媒スーパーヒートの目標値を、転覆が発生した時より所定の値△SH高くすることを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧飽和温度および低圧飽和温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 前記高圧冷媒圧力検出手段が、前記放熱器の被加熱媒体の温度を検出する温度センサで、前記低圧冷媒圧力検出手段が、前記蒸発器の被冷却媒体の温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 前記高圧冷媒圧力検出手段および前記低圧冷媒圧力検出手段が、冷媒の高圧冷媒圧力および低圧冷媒圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
- 運転中の高圧冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる冷媒を用いることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
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