JP2006112753A - 冷凍空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷凍空調装置内の暖房能力を従来のガスインジェクションサイクルよりも向上させ、外気が−１０℃以下となるような寒冷地においても十分な暖房能力を発揮できる冷凍空調装置を得、さらに除霜運転時の効率改善を図ることができる冷凍空調装置の提供。
【解決手段】 この発明は、圧縮機吸入冷媒と高圧液冷媒を熱交換する第１の内部熱交換器と、バイパスした高圧液冷媒を中間圧で蒸発ガス化後圧縮機にインジェクションするインジェクション回路と、高圧液冷媒とインジェクションされる冷媒を熱交換する第２の内部熱交換器と、インジェクションされる冷媒を加熱する冷媒加熱用熱源を設ける構成。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷凍空調装置に関するものであり、特にガスインジェクションを行い低外気温度時の暖房能力を向上させ、効率よく除霜運転ができる冷凍空調装置に関するものである。
従来の冷凍空調装置として、凝縮器と蒸発器との間の中間圧部分に気液分離器を設け、気液分離器で分離されたガス冷媒を圧縮機の中間圧部分にインジェクションし、暖房能力の向上をもたらすようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、気液分離器の代わりに、高圧液冷媒の一部をバイパスし、液圧した後で高圧液冷媒と熱交換し蒸発ガス化させた後で、圧縮機にインジェクションし暖房能力の向上をもたらすようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
さらに、冷媒加熱用のヒータを設けて除霜運転時の効率改善を図ったものがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−３０４７１４号公報 特開２０００−２７４８５９号公報 特開２００１−２６３８８２号公報
しかし、従来の冷凍空調装置には以下のような問題があった。
まず、特許文献１記載の従来例のように、気液分離器を設けたインジェクションを行う場合、気液分離器内の液量がインジェクション量によって変化し、それに伴い冷凍サイクル内の液冷媒量分布が変動し、運転が不安定になるという問題があった。
インジェクションされるガス冷媒流量と気液分離器に流入する二相冷媒のうちのガス冷媒流量とが釣り合っている場合は、蒸発器側に流出するのは液冷媒のみとなり、気液分離器内の液冷媒量は安定するが、インジェクションされる冷媒流量が減少し気液分離器に流入するガス冷媒流量より少なくなると、蒸発器側にガス冷媒も流出する運転となり、気液分離器底部からガスが流出するために、気液分離器内の液はほとんど流出した運転となる。逆にインジェクションされる冷媒流量が増加すると、ガス冷媒が足りないため、ガス冷媒に混じって液冷媒もインジェクションされる状態となり、気液分離器頂部から液が流出するために、気液分離器内の液はほとんど満液となる。
インジェクション流量は冷凍サイクルの高低圧や気液分離器の圧力、および圧縮機の運転容量などによって変動しやすいため、インジェクション流量が気液分離器に流入するガス冷媒流量と釣り合うことはほとんどなく、実際は気液分離器内の液冷媒量はほとんど０か満液の状態となり、運転状況に応じて、気液分離器内の冷媒量変動が生じやすい。その結果、冷凍サイクル内の冷媒量分布が変動し、運転の不安定が生じやすくなる。またヒータについても除霜運転時のみの使用となり暖房運転時の能力改善にはあまり寄与していない。
この発明は以上の課題に鑑み、冷凍空調装置内の暖房能力を従来のガスインジェクションサイクルよりも向上させ、外気が−１０℃以下となるような寒冷地においても十分な暖房能力を発揮できる冷凍空調装置を得、さらに除霜運転時の効率改善を図ることを目的とする。
この発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器を環状に接続し、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、前記室内熱交換器と第１の減圧装置との間に中圧レシーバを設け、前記中圧レシーバ内の冷媒と前記室外熱交換器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する第１の内部熱交換器を備え、前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒を一部バイパスし、前記圧縮機内の圧縮室にインジェクションするインジェクション回路と、該インジェクション回路に第２の減圧装置および該第２の減圧装置で減圧された冷媒と前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒とを熱交換する第２の内部熱交換器と、前記インジェクション回路中の前記第２の内部熱交換器と前記圧縮機との間に冷媒加熱用熱源を備えたものである。
この発明に係る冷凍空調装置は、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器を環状に接続し、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、前記室内熱交換器と第１の減圧装置との間に中圧レシーバを設け、前記中圧レシーバ内の冷媒と前記室外熱交換器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する第１の内部熱交換器を備え、前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒を一部バイパスし、前記圧縮機内の圧縮室にインジェクションするインジェクション回路と、該インジェクション回路に第２の減圧装置および該第２の減圧装置で減圧された冷媒と前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒とを熱交換する第２の内部熱交換器と、前記インジェクション回路中の前記第２の内部熱交換器と前記圧縮機との間に冷媒加熱用熱源を備えた構成としたから、ガスインジェクションされる冷媒流量を多量としても、圧縮機の吐出温度の低下を抑制し、室内熱交換器で十分な熱交換性能を発揮させることにより、低外気条件などで暖房能力が低下しやすい条件でも十分な暖房能力を確保することができるとともに、ガスインジェクションを行う冷媒を供給するときに、気液分離器によらず、バイパスされた冷媒を第２の内部熱交換でガス化し供給することで、気液分離器を用いることによる液量変動を回避し、より安定した装置の運転を実現し、圧縮機の吐出温度の低下を抑制しつつガスインジェクション量をさらに多くする事が可能となり、暖房能力の更なる向上が図れるとともに、除霜運転時の効率化を図る事ができる効果を有する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。図１において、室外機１内には圧縮機３、暖房と冷房とを切替える四方弁４、室外熱交換器１２、第１の減圧装置である第１膨張弁１１、第２内部熱交換器１０、第３の減圧装置である第３膨張弁８、インジェクション回路１３、第２の減圧装置である第２膨張弁１４、中圧レシーバ９、冷媒加熱用熱源１７が搭載されている。中圧レシーバ９の内部には圧縮機３の吸入配管１８が貫通しており、この吸入配管１８の貫通部配管１８ａの冷媒と中圧レシーバ９内の熱交換冷媒９ａが熱交換可能な構成となっている。また冷媒加熱用熱源１７により、インジェクション回路１３を流れる冷媒を加熱する事となっている。
圧縮機３はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプであり、圧縮機３内の圧縮室内にインジェクション回路１３から供給される冷媒をインジェクションすることが可能な構造となっている。また第１膨張弁１１、第２膨張弁１４、第３膨張弁８は開度が可変に制御される電子膨張弁である。また室外熱交換器１２はファンなどで送風される外気と熱交換する。室内機２内には室内熱交換器６が搭載されている。ガス管５、液管７は室外機１と室内機２を接続する接続配管である。この冷凍空調装置の冷媒としてはＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４１０Ａが用いられる。
室外機１内には制御装置１５、および各温度センサ１６が設置されている。第１温度センサ１６ａが圧縮機３吐出側、第２温度センサ１６ｂが室外熱交換器１２と四方弁４の間、第３温度センサ１６ｃが室外熱交換器１２中間部の冷媒流路上、第４温度センサ１６ｄが室外熱交換器１２と第１膨張弁１１の間、第５温度センサ１６ｅが中圧レシーバ９と第３膨張弁８との間、第６温度センサ１６ｆが圧縮機３吸入側に設けられ、それぞれ設置場所の冷媒温度を計測する。また第７温度センサ１６ｇは室外機１周囲の外気温度を計測する。
室内機２内には第８温度センサ１６ｈ、第９温度センサ１６ｉ、第１０温度センサ１６ｊが設置されており、第８温度センサ１６ｈは室内熱交換器６中間部の冷媒流路上、第９温度センサ１６ｉは室内熱交換器６と液管７の間に設けられており、それぞれ設置場所での冷媒温度を計測する。第１０温度センサ１６ｊは室内熱交換器６に吸気される空気温度を計測する。なお、負荷となる熱媒体が水など他の媒体である場合には第１０温度センサ１６ｊはその媒体の流入温度を計測する。
第３温度センサ１６ｃ、第８温度センサ１６ｈはそれぞれ熱交換器中間で気液二相状態となっている冷媒温度を検知することにより、高低圧の冷媒飽和温度を検知することができる。
また室外機１内の計測制御装置１５は各温度センサ１６ａ〜１６ｊの計測情報や、冷凍空調装置使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、四方弁４の流路切換、室外熱交換器１２のファン送風量、第１膨張弁、第２膨張弁、第３各膨張弁の開度などを制御する。
次にこの冷凍冷凍空調装置での運転動作について説明する。まず暖房運転時の動作について図１に示す冷媒回路図および図２に示す暖房運転時のＰＨ線図をもとに説明する。暖房運転時には、四方弁４の流路は図１に示す点線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒（図２点１）は四方弁４を経て室外機１を流出しガス管５を経て室内機２に流入する。そして室内熱交換器６に流入し、凝縮器となる室内熱交換器６で放熱しながら凝縮液化し高圧低温の液冷媒となる（図２点２）。冷媒から放熱された熱を負荷側の空気や水などの負荷側媒体に与えることで暖房を行う。室内熱交換器６を出た高圧低温の冷媒は液管７を経由して、室外機１に流入した後で、第３膨張弁８で若干減圧された後（図２点３）で、気液二相冷媒となり中圧レシーバ９に流入する。中圧レシーバ９内で圧縮機３吸入の低温の冷媒に熱を与え冷却され（図２点４）、液となって流出する。そして、インジェクション回路１３に一部冷媒をバイパスした後で、第２内部熱交換器１０で、インジェクション回路１３にバイパスされ第２膨張弁１４で減圧され低温となった冷媒と熱交換し、さらに冷却される（図２点５）。その後冷媒は第１膨張弁１１で低圧まで減圧され二相冷媒となり（図２点６）、その後蒸発器となる室外熱交換器１２に流入し、そこで吸熱し蒸発、ガス化される（図２点７）。その後四方弁４を経て中圧レシーバ９で高圧の冷媒と熱交換し、さらに加熱され（図２点８）、圧縮機３に吸入される。
一方、インジェクション回路１３にバイパスされた冷媒は、第２膨張弁１４で、中間圧まで減圧され、低温の二相冷媒となり（図２点９）、その後第２内部熱交換器１０で高圧冷媒と熱交換し、さらに冷媒加熱用熱源により加熱され（図２点１０）、圧縮機３にインジェクションされる。圧縮機３内部では、吸入された冷媒（図２点８）が中間圧まで圧縮、加熱された（図２点１１）後で、インジェクションされる冷媒と合流し、温度低下した後で（図２点１２）、高圧まで圧縮され吐出される（図２点１）。この際冷媒加熱用熱源１７は必要に応じ加熱量を変化させることができる。
次に冷房運転時の動作について図１に示す冷媒回路図および図３に示す冷房運転時のＰＨ線図をもとに説明する。冷房運転時には、四方弁４の流路は図１の実線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒（図３点１）は四方弁４を経て凝縮器となる室外熱交換器１２に流入し、ここで放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の冷媒となる（図３点２）。室外熱交換器１２を出た冷媒は第１膨張弁１１で若干減圧された後で（図３点３）、第２内部熱交換器１０で、インジェクション回路１３を流れる低温の冷媒と熱交換し冷却され（図３点４）、ここで一部冷媒をインジェクション回路１３にバイパスした後、引き続き中圧レシーバ９内で、圧縮機３に吸入される冷媒と熱交換し冷却される（図３点５）。その後第３膨張弁８で低圧まで減圧され二相冷媒となった後で（図３点６）、室外機１を流出し、液管７を経て室内機２に流入する。そして、蒸発器となる室内熱交換器６に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化（図３点７）しながら室内機２側の空気や水などの負荷側媒体に冷熱を供給する。室内熱交換器６を出た低圧ガス冷媒は室内機２を出て、ガス管５を経て室外機１に流入し、四方弁４を経た後で、中圧レシーバ９で高圧冷媒と熱交換し加熱された後で（図３点８）、圧縮機３に吸入される。
一方、インジェクション回路１３にバイパスされた冷媒は、第２膨張弁１４で、中間圧まで減圧され、低温の二相冷媒となり（図３点９）、その後第２内部熱交換器１０で高圧冷媒と熱交換しさらに冷媒加熱用熱源により加熱され（図３点１０）、圧縮機３にインジェクションされる。圧縮機３内部では、吸入された冷媒（図３点８）が中間圧まで圧縮、加熱された（図３点１１）後で、インジェクションされる冷媒と合流し、温度低下した後で（図３点１２）、再度高圧まで圧縮され吐出される（図３点１）。この際冷媒加熱用熱源１７は必要に応じ加熱量を変化させることができる。
冷房運転時のＰＨ線図は暖房運転時とほぼ同一になり、どちらの運転モードでも同様の運転を実現できる。
次にこの冷凍冷凍空調装置での運転制御動作について説明する。まず暖房運転時の制御動作について図４に基づいて説明する。図４は暖房運転時の制御動作を示すフローチャートである。暖房運転時には、ステップＳ１で、まず圧縮機３の容量、第１膨張弁１１の開度、第２膨張弁１４の開度、第３膨張弁８の開度が初期値に設定される。そして、ステップＳ２で所定時間経過後そして以降運転状態に応じた各アクチュエータは以下のように制御される。圧縮機３の容量は、基本的に室内機２の第１０温度センサ１６ｊで計測される空気温度が、冷凍空調装置使用者が設定する温度になるように制御される。
即ち、ステップＳ３で室内機２の空気温度と設定温度とを比較する。そして、空気温度が設定温度と等しいか或いは近接している場合は、圧縮機３の容量はそのまま維持されて次のステップＳ５に進み、空気温度が設定温度より大きく低下している場合は、圧縮機３の容量は増加され、空気温度が設定温度に近接している場合には、圧縮機３の容量はそのまま維持され、空気温度が設定温度より高くなる場合には圧縮機３の容量は低下されるというように、ステップＳ４で圧縮機３の容量を変更する。
各膨張弁の制御は以下のように行われる。まず第３膨張弁８は、第８温度センサ１６ｈで検知される高圧冷媒の飽和温度と第９温度センサ１６ｉで検知される室内熱交換器６出口温度との差温で得られる室内熱交換器６出口の冷媒過冷却度ＳＣが予め設定された目標値、例えば１０℃になるように制御される。ステップＳ５で室内熱交換器６出口の冷媒過冷却度ＳＣと目標値とを比較する。ステップＳ５で冷媒過冷却度ＳＣが目標値より大きい場合には、第３膨張弁８の開度は大きく、冷媒過冷却度ＳＣが目標値より小さい場合には、ステップＳ６で第３膨張弁８の開度は小さく制御されるように第３膨張弁８の開度を変更する。
次に第１膨張弁１１は、第６温度センサ１６ｆで検知される圧縮機３吸入温度と第３温度センサ１６ｃで検知される低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨが予め設定された目標値、例えば１０℃になるように制御される。即ち、ステップＳ７で圧縮機３の吸入温度である冷媒過熱度ＳＨと目標値とを比較する。そして、圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨが目標値と等しいか或いは近接している場合は、第１膨張弁１１の開度はそのまま維持され次のステップＳ９に進む。また、圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨが目標値より大きい場合には、第１膨張弁１１の開度は大きく、冷媒過熱度ＳＨが目標値より小さい場合には、第１膨張弁１１の開度は小さくされるというように、ステップＳ８で第１膨張弁１１の開度を変更する。
次に第２膨張弁１４は、第１温度センサ１６ａで検知される圧縮機３の吐出温度が予め設定された目標値、例えば９０℃になるように制御される。即ち、ステップＳ９で圧縮機３の吐出温度と目標値とを比較する。そして、ステップＳ９で圧縮機３の吐出温度が目標値と等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁１４の開度はそのまま維持されステップ２に戻る。
第２膨張弁１４の開度を変化させた時の冷媒状態変化は以下のようになる。第２膨張弁１４の開度が大きくなると、インジェクション回路１３に流れる冷媒流量が増加する。第２内部熱交換器１０での熱交換量はインジェクション回路１３の流量によって、大きく変化しないので、インジェクション回路１３に流れる冷媒流量が増加すると、第２内部熱交換器１０でのインジェクション回路１３側の冷媒エンタルピ差（図２の点９→１０の差）は小さくなり、インジェクションされる冷媒エンタルピ（図２点１０）は低下する。
従って、インジェクションされた冷媒が合流後の冷媒エンタルピ（図２点１２）のエンタルピも低下し、結果、圧縮機３の吐出エンタルピ（図２点１）も低下し、圧縮機３の吐出温度は低下する。逆に第２膨張弁１４の開度が小さくなると、圧縮機３の吐出エンタルピは上昇し、圧縮機３の吐出温度は上昇する。従って、第２膨張弁１４の開度制御は、圧縮機３の吐出温度が目標値より高い場合には、第２膨張弁１４の開度を大きく制御し、逆に吐出温度が目標値より低い場合には第２膨張弁１４の開度を小さく制御するようにステップＳ１０で第２膨張弁１４の開度を変更すし、その後はステップＳ２に戻る。
次に冷房運転時の制御動作について図５に基づいて説明する。図５は冷房運転時の制御動作を示すフローチャートである。冷房運転時にはまず、ステップＳ１１で圧縮機３の容量、第１膨張弁１１の開度、第２膨張弁１４の開度、第３膨張弁８の開度が初期値に設定される。それから、ステップＳ１２で所定時間経過すると、それ以降運転状態に応じた各アクチュエータは以下のように制御される。
まず、圧縮機３の容量は、基本的に室内機２のだい１０温度センサ１６ｊで計測される空気温度が、冷凍空調装置使用者が設定する温度になるように制御される。即ち、ステップＳ１３で室内機２の空気温度と設定温度とを比較する。そして、空気温度が設定温度と等しいか或いは近接している場合には、圧縮機３の容量はそのまま維持されて次のステップＳ１５に進む。また、空気温度が設定温度より大きく上昇している場合は、圧縮機３の容量は増加され、空気温度が設定温度に近接している場合には、圧縮機３の容量はそのまま維持され、空気温度が設定温度より低くなる場合には圧縮機３の容量は低下されるというように、ステップＳ１４で圧縮機３の容量を変更する。
各膨張弁の制御は以下のように行われる。まず第１膨張弁１１は、温度センサ１６ｃで検知される高圧冷媒の飽和温度と温度センサ１６ｄで検知される室外熱交換器１２出口温度との差温で得られる室外熱交換器１２出口の冷媒過冷却度ＳＣが予め設定された目標値、例えば１０℃になるように制御される。即ち、ステップＳ１５で室外熱交換機１２出口の冷媒過冷却度ＳＣと目標値とを比較する。そして、室外熱交換器１２出口の冷媒過冷却度ＳＣが目標値と等しいか或いは近接している場合には、第１膨張弁１１の開度はそのまま維持されて次のステップＳ１７に進む。また、室外熱交換器１２出口の冷媒過冷却度ＳＣが目標値より大きい場合には、第１膨張弁１１の開度は大きく、冷媒過冷却度ＳＣが目標値より小さい場合には、第１膨張弁１１の開度は小さく制御されるというようにステップＳ１６で第１膨張弁１１の開度を変更する。
次に、第３膨張弁８は、第６温度センサ１６ｆで検知される圧縮機３吸入温度と第８温度センサ１６ｈで検知される低圧冷媒の飽和温度との差温で検知される圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨが予め設定された目標値、例えば１０℃になるように制御される。即ち、ステップＳ１７で圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨと目標値とを比較する。そして、圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨと目標値とが等しいか或いは近接している場合には、第３膨張弁８の開度は素のまま維持されて次のステップＳ９に進む。また、圧縮機３吸入の冷媒過熱度ＳＨが目標値より大きい場合には、第３膨張弁８の開度は大きく、冷媒過熱度ＳＨが目標値より小さい場合には、第３膨張弁８の開度は小さくされるというようにステップＳ１８で変更される。
次に第２膨張弁１４は、第１温度センサ１６ａで検知される圧縮機３の吐出温度が予め設定された目標値、例えば９０℃になるように制御される。即ち、ステップＳ１９で圧縮機３の吐出温度と目標値とを比較する。そして、圧縮機３の吐出温度が目標値と等しいか或いは近接している場合には、第２膨張弁１４の開度はそのまま維持されて次のステップＳ１２戻る。また、第２膨張弁１４の開度を変化させた時の冷媒状態変化は暖房運転時と同様であるので、圧縮機３の吐出温度が目標値より高い場合には、第２膨張弁１４の開度を大きく制御し、逆に吐出温度が目標値より低い場合には第２膨張弁１４の開度を小さく制御するというように第２膨張弁１４の開度を変更しステップＳ１２に戻る。
次にこの実施の形態１の回路構成、および制御によって実現される作用効果について説明する。この装置の構成では、冷暖いずれの運転でも同様の運転を行えるので、以下、特に暖房運転について説明する。この装置の回路構成はいわゆるガスインジェクション回路となっている。即ち、凝縮器となる室内熱交換器６を出た後で中間圧まで減圧された冷媒のうちガス冷媒を圧縮機３にインジェクションする構成となっている。
一般には、気液分離器で中間圧の冷媒を液・ガスに分離しインジェクションされる構成が多いが、この装置では、図６に示されるように、第２内部熱交換器１０での熱交換により、熱的に液・ガスを分離し、インジェクションする構成としている。
ガスインジェクション回路とすることにより以下のような効果が得られる。まずガスインジェクションを行うことにより、圧縮機３から吐出される冷媒流量が増加し、圧縮機３から吐出される冷媒流量Ｇｄｉｓ＝圧縮機３で吸入される冷媒流量Ｇｓｕｃ＋インジェクションされる冷媒流量Ｇｉｎｊとなる。従って凝縮器となる熱交換器に流れる冷媒流量が増加するので、暖房運転の場合には、暖房能力が増加する。
一方、第２内部熱交換器１０での熱交換により図６に示されるように、蒸発器となる熱交換器に流入する冷媒エンタルピが低下し、蒸発器での冷媒エンタルピ差が増大する。従って冷房運転時においても、冷房能力が増加する。
また、ガスインジェクションを行う場合は効率改善効果も得られる。蒸発器となる熱交換器に流入する冷媒は、一般に気液二相冷媒であるが、このうちガス冷媒は冷房能力に寄与しない。圧縮機３から見ると、この低圧のガス冷媒も、蒸発器で蒸発したガス冷媒と一緒に高圧に昇圧する仕事を行っている。ガスインジェクションを行うと、蒸発器に流入するガス冷媒のうちのいくらかを中間圧で抜き出して、インジェクションし、中間圧から高圧に昇圧し圧縮することになる。従ってインジェクションされるガス冷媒の流量については、低圧から中間圧まで昇圧する圧縮仕事が不要になり、この分効率改善される。この効果は冷暖房のいずれの運転でも得られる。
次にガスインジェクション流量と暖房能力の相関について説明する。ガスインジェクション流量を増加すると、前述したように圧縮機３から吐出される冷媒流量は増加する一方で、圧縮機３吐出温度は低下し凝縮器となる室内熱交換器６に流入する冷媒温度も低下する。凝縮器の熱交換性能を見ると、一般に熱交換器内での温度分布が高い程熱交換量が増加する。同一凝縮温度で凝縮器入口の冷媒温度が異なる場合の冷媒温度変化は図７に示すようになり、凝縮器内で冷媒が過熱ガス状態である部分の温度分布が異なってくる。
凝縮器では冷媒が凝縮温度で二相状態にあるときの熱交換量が多くを占めるが、過熱ガス状態である部分の熱交換量も全体の２０％〜３０％程度存在し、熱交換量への影響は大きい。インジェクション流量が多くなりすぎ、過熱ガス部分での冷媒温度の低下が著しいと、凝縮器での熱交換性能が低下し、暖房能力も低下する。上記のガスインジェクション流量と暖房能力の相関を表すと図８のようになり、暖房能力が最大となるガスインジェクション流量が存在する。
次にこの実施の形態１における中圧レシーバ９内での圧縮機３吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａとの作用効果について説明する。中圧レシーバ９では、暖房運転時には第２内部熱交換器１０出口の気液二相冷媒が流入し、中圧レシーバ９内で圧縮機３吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａとの熱交換により冷却され液となって流出する。冷房運転時には第３膨張弁８を出た気液二相冷媒が流入し、中圧レシーバ９内で冷却され液となって流出することにより、蒸発器となる室内熱交換器６に流入する冷媒のエンタルピは低くなるので、蒸発器での冷媒エンタルピ差が拡大される。従って冷房運転時には冷房能力が増加する。
一方、圧縮機３に吸入される冷媒は加熱され、吸入温度が上昇する。これに伴い圧縮機３の吐出温度も上昇する。また圧縮機３の圧縮行程では、同じ昇圧を行う場合でも一般的に高温の冷媒を圧縮するほどより多くの仕事を必要とする。従って、中圧レシーバ９内での圧縮機３吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａとの熱交換による効率面での影響は、蒸発器エンタルピ差拡大による能力増加と、圧縮仕事の増加の両面が表れ、蒸発器エンタルピ差拡大による能力増加の影響が大きい場合には、装置の運転効率が上昇する。
また、中圧レシーバ９内での吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａとの熱交換は、主に気液二相冷媒のうちガス冷媒が吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａと触れて凝縮液化して熱交換される。従って、中圧レシーバ９内に滞留する液冷媒量が少ないほど、ガス冷媒と吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａが接触する面積が多くなり、熱交換量は増加する。逆に、中圧レシーバ９内に滞留する液冷媒量が多いと、ガス冷媒と吸入配管１８の貫通配管１８ａとの熱交換冷媒９ａが接触する面積が少なくり、熱交換量は減少する。
このように中圧レシーバ９を備えることで以下の効果を持つ。まず、中圧レシーバ９出口は液となるので、暖房運転時に第２膨張弁１４に流入する冷媒は、必ず液冷媒となるので、第２膨張弁１４の流量特性が安定し、制御安定性が確保され、安定した装置運転を行うことができる。
また中圧レシーバ９内で熱交換を行うことで中圧レシーバ９の圧力が安定的になり、第２膨張弁１４入口圧力が安定し、インジェクション回路１３に流れる冷媒流量が安定するという効果もある。例えば負荷変動などがあり、高圧が変動したりすると、それに伴い中圧レシーバ９内の圧力変動が生じるが、中圧レシーバ９内の熱交換により圧力変動が抑制される。負荷が増加し、高圧が上昇すると中圧レシーバ９内の圧力も上昇するが、そのときには、低圧との圧力差が広がり、中圧レシーバ９内の熱交換での温度差も広がるので熱交換量が増加する。熱交換量が増加すると、中圧レシーバ９に流入する気液二相冷媒のうちのガス冷媒が凝縮する量が多くなるので、圧力が上がりにくくなり、中圧レシーバ９の圧力上昇が抑制される。逆に、負荷が減少し、高圧が低下すると中圧レシーバ９内の圧力も低下するが、そのときには、低圧との圧力差が狭まり、中圧レシーバ９内の熱交換での温度差も狭まるので熱交換量が減少する。熱交換量が減少すると、中圧レシーバ９に流入する気液二相冷媒のうちのガス冷媒が凝縮する量が少なくなるので、圧力が下がりにくくなり、中圧レシーバ９の圧力は低下が抑制される。
このように、中圧レシーバ９内で熱交換を行うことにより、運転状態変動に伴う熱交換量変動が自律的に発生し、その結果として中圧レシーバ９内の圧力変動が抑制される。
また中圧レシーバ９内で熱交換を行うことで装置運転そのものが安定するという効果もある。例えば低圧側の状態が変動し、蒸発器である室外熱交換器１２出口の冷媒過熱度が大きくなった場合には、中圧レシーバ９内での熱交換の際の温度差が減少するため、熱交換量が減少し、ガス冷媒が凝縮されにくくなるので、中圧レシーバ９内のガス冷媒量が増加し、液冷媒量が減少する。減少した分の液冷媒量は、室外熱交換器１２に移動し、室外熱交換器１２内の液冷媒量が増加することから、室外熱交換器１２出口の冷媒過熱度が大きくなることが抑制され、装置の運転変動が抑制される。逆に、低圧側の状態が変動し、蒸発器である室外熱交換器１２出口の冷媒過熱度が小さくなった場合には、中圧レシーバ９内での熱交換の際の温度差が増加するため、熱交換量が増加し、ガス冷媒が凝縮されやすくなるので、中圧レシーバ９内のガス冷媒量が減少し、液冷媒量が増加する。この分の液冷媒量は、室外熱交換器１２から移動することになり、室外熱交換器１２内の液冷媒量が減少することから、室外熱交換器１２出口の冷媒過熱度が小さくなることが抑制され、装置の運転変動が抑制される。
この過熱度変動を抑制する作用も、中圧レシーバ９内で熱交換を行うことにより、運転状態変動に伴う熱交換量変動が自律的に発生することによって生じている。
次にこの実施の形態１のように、中圧レシーバ９内での熱交換と、インジェクション回路１３によるガスインジェクションを組み合わせた場合の効果について説明する。中圧レシーバ９内での熱交換を行うと、圧縮機３吸入温度が上昇する。従って、インジェクションを行った場合の圧縮機３内部の変化においては、低圧から中間圧に昇圧された冷媒エンタルピ（図２、図３の点１１）が高くなり、インジェクションされる冷媒と合流した後の冷媒エンタルピ（図２、図３の点１２）も高くなる。従って圧縮機３の吐出エンタルピ（図２、図３の点１）も高くなり、圧縮機３の吐出温度は上昇する。そこで、中圧レシーバ９内での熱交換の有無に伴う、ガスインジェクション流量と暖房能力の相関の変化を表すと図９のようになる。中圧レシーバ９内での熱交換が有る場合には、同一インジェクション量を行った場合の圧縮機３吐出温度は高くなるので、凝縮器入口の冷媒温度も高くなり、凝縮器熱交換量が増加し、暖房能力が増加する。従って暖房能力ピークとなるインジェクション流量が増加し、暖房能力のピーク値そのものも増加し、より多くの暖房能力を得ることができる。
ここで更に暖房能力を増加させたい場合には、インジェクション回路１３中に電気ヒータ等の冷媒加熱用熱源１７を設ける事で、圧縮機３吐出温度の低下を抑制しつつインジェクション流量を増加させる事が可能となり、図９に示す様に暖房能力のピーク値そのものをさらに増加させる事が可能となる。
なお、中圧レシーバ９内での熱交換が存在しない場合でも、第１膨張弁１１の開度制御により、圧縮機３の吸入過熱度を上昇させて、圧縮機３の吐出温度を上昇させることができる。しかしこの場合は、同時に蒸発器となる室外熱交換器１２出口の冷媒過熱度も大きくなることから、室外熱交換器１２の熱交換効率が低下する。室外熱交換器１２の熱交換効率が低下すると、同一熱交換量を得るためには、蒸発温度を低下させねばならず、低圧の低下する運転となる。低圧が低下すると、圧縮機３で吸入される冷媒流量も減少するため、このような運転を行うと、かえって暖房能力を低下させることになる。逆にいうと、中圧レシーバ９内での熱交換を行うと、蒸発器となる室外熱交換器１２出口の冷媒状態が適切な状態とし、熱交換効率のよい状態のまま、圧縮機３吐出温度を上昇させることができ、前記のような低圧の低下を回避し、暖房能力増加を容易に実現できる。
また、この実施の形態１の回路構成では、高圧冷媒の一部をバイパスし減圧後、第２内部熱交換器１０で過熱ガス化したあとインジェクションを行う構成をとっている。従って、従来例のように気液分離器を用いて分離したガスをインジェクションする場合に比べ、制御や運転状態などに応じてインジェクション量が変化したときの冷媒量分布の変動が発生しないので、より安定した運転を実現できる。
なお、中圧レシーバ９で熱交換を行う構造であるが、中圧レシーバ９内の冷媒と熱交換する構成であればどのような構成をとっても同様の効果を得ることができる。例えば、中圧レシーバ９容器外周に圧縮機３の吸入配管を接触させて熱交換させる構成を用いてもよい。
また、インジェクション回路１３に供給する冷媒を中圧レシーバ９底部から供給してもよい。この場合には、冷暖房の各運転で、第２膨張弁１４に液冷媒が流入することになるので、冷暖いずれの運転においても第２膨張弁１４の流量特性が安定し、制御安定性が確保される。
なお、第２膨張弁１４は圧縮機３の吐出温度が目標値となるように制御すると前述したが、この制御目標値は暖房能力が最大となるように設定する。図９に示したように、ガスインジェクション流量−暖房能力−吐出温度の相関から、暖房能力最大となる吐出温度が存在するので、予めこの吐出温度を求めておいて目標値に設定する。なお、吐出温度の目標値は必ずしも一定値である必要は無く、運転条件や凝縮器などの機器の特性に応じて随時変更してもよい。このように吐出温度制御を行うことで、ガスインジェクション量を暖房能力最大となるように制御できる。
ガスインジェクション量については暖房能力最大となるようにするだけでなく、運転効率最大となるように制御することもできる。冷凍空調装置起動時のように、多量の暖房能力を必要とする場合は能力最大に制御するが、装置を一定時間運転後、暖房により室温が上昇した場合などには、それほど多くの暖房能力を必要としなくなるので、このような場合には、効率最大となるように制御する。インジェクション流量と暖房能力と運転効率の間には、図１０に示すような相関があり、暖房能力最大となる場合に比べ、運転効率最大となるインジェクション流量は少なく、吐出温度は高くなる。暖房能力最大となるインジェクション流量では、吐出温度を低くしていることから、凝縮器の熱交換性能が低下していること、またインジェクション流量を多くするために、中間圧力が低くなり、インジェクション分を圧縮する圧縮仕事が多くなることにより、運転効率最大となる場合に比べ効率が低下する。
そこで、第２膨張弁１４で制御する吐出温度目標値として、暖房能力最大となる目標値だけでなく運転効率最大となる目標値も持ち、運転状況、例えば圧縮機３の運転容量や、室内機側空気温度の状況に応じて、暖房能力が必要とされるときは、暖房能力最大となる目標値に設定し、そうでない場合は運転効率最大となる目標値に設定する。このような運転を行うことにより、多量の暖房能力を実現するとともに、効率の高い装置の運転を行うことができる。
また第１膨張弁１１は圧縮機３の吸入過熱度が目標値となるように制御するとしたが、この制御により蒸発器となる熱交換器出口の過熱度を最適にでき、蒸発器での熱交換性能を高く確保するとともに、冷媒エンタルピ差も適度に確保するように運転することができ、高効率の運転を行うことができる。このような運転となる蒸発器出口の過熱度は熱交換器の特性によって異なるが、概ね２℃前後であり、それから中圧レシーバ９で冷媒が加熱されるので、圧縮機３の吸入過熱度の目標値はこの値より高くなり、例えば前述した１０℃が目標値に設定される。
従って、第１膨張弁１１の制御としては、蒸発器出口の過熱度、暖房運転の場合は第２温度センサ１６ｂと第３温度センサ１６ｃの差温で求められる室外熱交換器１２出口の過熱度が目標値、例えば、前述した２℃になるように制御してもよい。ただし、蒸発器出口の過熱度を直接制御する場合、その目標値が２℃程度と低い値である場合には過渡的に蒸発器出口が気液二相状態となり、過熱度が適切に検知できず制御が難しくなることが生じる。圧縮機３の吸入過熱度で検知すると、目標値を高く設定できるとともに中圧レシーバ９での加熱により、吸入が気液二相となって過熱度が適切に検知できないという状況は発生しないので、制御としては、より容易に行うことができ、安定した制御を行うことができる。
また第３膨張弁８は凝縮器となる室内熱交換器６出口の過冷却度が目標値となるように制御するとしたが、この制御により凝縮器での熱交換性能を高く確保するとともに、冷媒エンタルピ差も適度に確保するように運転することができ、高効率の運転を行うことができる。このような運転となる凝縮器出口の過冷却度は熱交換器の特性によって異なるが概ね５〜１０℃前後である。なお、過冷却度の目標値はこの値より高く設定する、例えば１０〜１５℃前後に設定することによって、暖房能力を増加した運転も行うことができる。そこで運転状況に応じて、過冷却度の目標値を変更し、装置起動時は高めの過冷却度目標値で暖房能力確保、室温安定時は低めの過冷却度目標値で高効率運転を行うようにすることもできる。
なお、冷凍空調装置の冷媒としては、Ｒ４１０Ａに限るものではなく、他の冷媒、にも用いることができる。
また、中圧レシーバ９、第２内部熱交換器１０の配置位置は図１に示す冷媒回路構成に限るものではなく、上流下流の位置関係が反対であっても同様の効果を得ることができる。またインジェクション回路１３を取り出す位置も図１に示す冷媒回路位置に限るものではなく、他の中間圧部分、および高圧液部から取り出せる位置であれば同様の効果を得ることができる。なお、第２膨張弁１４の制御安定性を考慮するとインジェクション回路１３を取り出す位置としては、気液二相状態であるよりは完全に液となっている位置の方が望ましい。
なお、この実施の形態１では、第１膨張弁１１、第３膨張弁８の間に中圧レシーバ９、第２内部熱交換器１０、およびインジェクション回路１３の取り出し位置を配置しているので、冷暖いずれの運転モードでも同様のインジェクションを行った運転を実施できる。
また、冷媒の飽和温度を凝縮器、蒸発器中間の冷媒温度センサで検知しているが、高低圧を検知する圧力センサを設け、検出された圧力値を換算して飽和温度を求めてもよい。
図１１は、冷凍空調装置での暖房除霜運転時の制御動作を示すフロー図である。図１１において、前記に示す暖房運転を実施し、ステップＳ２１で、まず圧縮機３の容量、第１膨張弁１１の開度、第２膨張弁１４の開度、第３膨張弁８の開度が初期値に設定される。そして、ステップＳ２２で所定時間経過後そして以降運転状態に応じた各アクチュエータは以下のように制御される。圧縮機３の容量は、基本的に室外機１の第２温度センサ１６ｂ、第３温度センサ１６ｃ、第４温度センサ１６ｄで計測される空外温度が、冷凍空調装置使用者が設定する温度になるように制御される。
即ち、ステップＳ２３で室外機１の室外配管温度と設定温度とを比較する。そして、室外配管温度が設定温度と等しいか或いは所定値以下（例えばー５℃）となった場合には、蒸発器である室外熱交換器１２への着霜と判定し、ステップＳ２４へ進み、四方弁を切替え除霜運転開始する。具体的には冷房時と同様のサイクルとし、圧縮機３より吐出された高圧・高温冷媒を室外熱交換器１２に流し、除霜運転を実施する。その際、第２膨張弁１４を開きかつ冷媒加熱用熱源１７により冷媒を加熱することで、吐出温度の低下を抑制しつつガスインジェクションを行い凝縮器へ流れる冷媒循環量を増加させる。このことで除霜運転時間の短縮化が図れる。
次にステップＳ２５で凝縮器である室外配管温度と設定温度とを比較する。そして、室外配管温度が設定温度と等しいか或いは所定値以上（例えば８℃）となった場合には、ステップＳ２６に進み、着霜の溶解が終了したと判断し四方弁４を切替え暖房運転に復帰し運転を再開する。その際も第２膨張弁１４を開きインジェクションを行い、かつ冷媒加熱用熱源１７により加熱を行うことにより除霜運転時と同様吐出温度の低下を抑制しつつ凝縮器への冷媒循環量の増加を図れ、暖房能力が増加するため暖房運転の立ち上がりを早めることができる。次に、ステップＳ２７で室内配管温度と設定温度とを比較する。そして、室内配管温度が設定温度と等しいか或いは所定値以下であれば、ステップＳ２８に進み第２膨張弁１４を閉じインジェクションを終了するとともに、冷媒加熱用熱源１７の加熱も終了とする。
次に暖房除霜運転時に実現される作用効果について説明する。暖房運転時における室外熱交換器１２の冷媒配管への着霜を冷媒の熱により溶解させる除霜運転は、四方弁４を切り替え冷房運転時と同様に冷媒を流す事で実施される。その際、第２膨張弁１４を開き圧縮機３へのガスインジェクションを行う事で、圧縮機３から吐出される冷媒流量が増加し凝縮器である室外熱交換器１２に流入する冷媒流量が増える一方、上記の様に圧縮機３吐出温度は低下する傾向となる。従いこの場合も凝縮器での熱交換性能が最大となる、
すなわち、図１２に示すように除霜時間が最短となるガスインジェクション流量が存在することとなる。なお、この実施の形態においては上記の様に中圧レシーバ９での熱交換があるため、より高い改善効果、すなわち除霜時間の短縮化が図れる。
また除霜運転終了後の暖房運転への切り替わりに時にガスインジェクションを行う事で、高い暖房能力すなわち暖房運転の立ち上がりを良くする事が可能となる。
ここでインジェクション回路１３に設けた、電気ヒータ等の冷媒加熱用熱源を使用する事で、圧縮機３吐出温度の低下を抑制しつつ、更にインジェクション冷媒量を増加される事が可能となるため、更なる除霜時間の短縮化が図れ、また暖房運転復帰時にも使用する事で、暖房運転立ち上がりの更なる改善が実現できる。
なお、上記説明は暖房復帰時のインジェクション実施期間を暖房能力値がある所定値になるまでと規定したが、凝縮温度での制御や、予め実施期間を規定しておくなどの制御でも同様の効果は得られる。
この発明の実施の形態１による冷凍空調装置を示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の暖房運転時の運転状況を表したＰＨ線図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の冷房運転時の運転状況を表したＰＨ線図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の暖房運転時の制御動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の冷房運転時の制御動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置のガスインジェクション実施時の運転状況を表したＰＨ線図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置のガスインジェクション実施時の凝縮器の温度変化図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置のガスインジェクション流量変化時の運転特性図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の第１内部熱交換器の有無による運転特性図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置のガスインジェクション流量変化時の別の運転特性図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の暖房除霜運転時の制御動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の第１内部熱交換器の有無及び冷媒加熱手段有無による除霜運転特性図である。
符号の説明
１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ ガス管、６ 室内熱交換器、７ 液管、８ 第３膨張弁、９ 中圧レシーバ、９ａ 熱交換冷媒、１０ 第２内部熱交換器、１１ 第１膨張弁、１２ 室外熱交換器、１３ インジェクション回路、１４ 第２膨張弁、１６ａ 第１温度センサ、１６ｂ 第２センサ、１６ｃ 第３センサ、１６ｄ 第４センサ、１６ｅ 第５センサ、１６ｆ 第６センサ、１６ｇ 第７センサ、１６ｈ 第８センサ、１６ｉ 第９センサ、１６ｊ 第１０センサ、１７ 冷媒加熱用熱源、１８ 吸入配管、１８ａ 貫通部配管。

Claims (5)

  1. 圧縮機、四方弁、室内熱交換器、第１の減圧装置、室外熱交換器を環状に接続し、前記室内熱交換器から温熱を供給する冷凍空調装置において、前記室内熱交換器と第１の減圧装置との間に中圧レシーバを設け、前記中圧レシーバ内の冷媒と前記室外熱交換器と前記圧縮機との間の冷媒とを熱交換する第１の内部熱交換器を備え、前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒を一部バイパスし、前記圧縮機内の圧縮室にインジェクションするインジェクション回路と、該インジェクション回路に第２の減圧装置および該第２の減圧装置で減圧された冷媒と前記室内熱交換器と前記第１の減圧装置との間の冷媒とを熱交換する第２の内部熱交換器と、前記インジェクション回路中の前記第２の内部熱交換器と前記圧縮機との間に冷媒加熱用熱源を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
  2. 室内熱交換器と第１の内部熱交換器との間に第３の減圧装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
  3. 第１の減圧装置により、圧縮機吸入の冷媒過熱度もしくは室外熱交換器出口の冷媒過熱度が所定値となるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍空調装置。
  4. 第２の減圧装置により、圧縮機出口の冷媒吐出温度もしくは圧縮機出口の冷媒過熱度が所定値となるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍空調装置。
  5. 第３の減圧装置により、室内熱交換器出口の冷媒過冷却度が所定値となるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項２記載の冷凍空調装置。
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