JP2006349297A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機システムにおいて、膨張機の動力回収量が大きくなるように膨張機入口ポイントを制御する
【解決手段】ヒートポンプ装置は、圧縮機１と、放熱器２と、第１の絞り装置２５と、膨張機４と、蒸発器３とによって冷媒回路２６を構成されており、第１の絞り装置２５及び膨張機４をバイパスするバイパス回路２７およびこのバイパス回路２７上に第２の絞り装置２８が配設されており、膨張機入口冷媒温度検出手段１３や膨張機入口冷媒圧力検出手段１４により把握した運転状態の変化に対応して、制御手段１９によって圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置２５の開度、第２の絞り装置２８の開度を制御することにより、運転状態（膨張機入口の冷媒状態）が変化しても最適な膨張機効率で運転を行えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯機や空調機などに用いる、膨張機を搭載した冷凍サイクル装置の運転制御方法に関する

近年、冷凍サイクルの更なる高効率化を図る手段として、膨張弁に代えて膨張機を備え、冷媒が膨張する過程でその圧力エネルギーを膨張機によって電力又は動力の形で回収し、その回収分だけ圧縮機の入力を低減する動力回収サイクルが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。図１１は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ装置を示すものである。

図１１において、室内熱交換器２に配管接続された、圧縮機１と、圧縮機１と一軸で連結された膨張機４と、膨張機４と第一の四路切換弁７の間にレシーバ５と、第二の四路切換弁８とが備えられている。

冷房運転時には、圧縮機１から吐出された冷媒ガスは、第二の四路切換弁８を経て室外熱交換器３において冷却され凝縮する。この冷媒は、レシーバ９を経て膨張機１１に導入され、膨張機１１において等エントロピー膨張により減圧された後、第二の四路切換弁５を経て室内熱交換器２に導入される。室内熱交換器４に導入された液冷媒は、ここで蒸発してその蒸発熱によって室内の冷房を行うとともに、蒸発後のガス冷媒は第一の四路切換弁８を経て圧縮機１に吸入される。

一方、暖房運転時には、圧縮機１から吐出されたガス冷媒は、第二の四路切換弁８を経て室内熱交換器２に導入され、ここで凝縮するが、その際の凝縮熱によって室内の暖房が行われる。室内熱交換器２において凝縮した冷媒は、第一の四路切換弁７を経て膨張機４に導入され、膨張機４において等エントロピー膨張により減圧された後、第二の四路切換弁７を経て室外熱交換器３に導入され、ここで蒸発してガス冷媒とされた後、第二の四路切換弁８を経て圧縮機１に吸入される。

図８は膨張機４による高効率化の原理を示したモリエル線図である。図８に示すように、圧縮機１出口（点ｄ）から凝縮されて過冷却となった冷媒ガス（点ａ）を膨張機４に導入し、これを膨張機４において等エントロピー膨張によって膨張させた時、蒸発器（例えば冷房時の室内熱交換器２入口（点ｂ）と、従来のように膨張弁によって（点ａ）から等エンタルピ膨張させた場合における蒸発器（例えば冷房時の室内熱交換器２入口（点ｅ）との間のエンタルピ量（ｈａ）だけ、冷媒膨張時の圧力エネルギーが動力として冷媒システム側に回収される。その結果、圧縮機１には必要入力（ｈｂ）から上記回収動力（ｈａ）を差し引いた値（ｈｂ−ｈａ）だけを実際に入力すればよく、圧縮機１入力の低減分だけサイクルの高効率化が実現されるものである。しかし、膨張機を搭載したシステムにおいては、膨張機入口の冷媒状態（例えば圧力、温度、密度、クオリティ等）もしくは、冷媒の膨張のしかた（例えば単相膨張や複相膨張）が膨張機効率に影響を及ぼすため、外気温変化等で膨張機入口の冷媒状態が変化した際に膨張機効率に影響を及ぼすため、最適となる膨張機入口ポイントに制御する必要があった。
特開2001-66006号公報

しかしながら、前記従来の冷凍サイクル装置および運転方法では運転状態の変化に応じ
て膨張機効率が最適となるような膨張機入口ポイントに調整できていなかった。
本発明は前記従来の課題に鑑みてなされたものであり、膨張機入口の冷媒温度と膨張機入口の冷媒圧力をもとに制御手段を調整して膨張機入口冷媒が飽和状態となるように制御することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張機と、第１の絞り装置と、膨張機と、蒸発器とを直列に接続して冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置であって、
少なくとも前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、
前記バイパス回路に配設する第２の絞り装置と
前記膨張機入口に設けられた冷媒温度検出手段および冷媒圧力検出手段と、
前記冷媒温度検出手段で検出された冷媒温度と前記冷媒圧力検出手段で検出された冷媒圧力をもとに、前記膨張機の入口冷媒が飽和状態となるように制御する制御手段とを有する。

本発明のヒートポンプ装置によれば、運転状態（膨張機入口の冷媒状態）が変化しても最適な膨張機効率で運転を行うことができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成については同一符号を付す。

図１において、本実施形態のヒートポンプ装置は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１と、高温高圧になった冷媒を冷却して周囲へ放熱させる放熱器２と、放熱器２よりも冷媒の流れ方向に対して下流側に配設されて冷媒を減圧膨張することにより動力を取り出す膨張機４と、膨張機４に対して直列に接続された第１の絞り装置２５と、冷媒が周りから熱を奪って蒸発する蒸発器３とによって冷媒回路２６を構成している。そして本実施形態による冷凍サイクルは、この冷媒回路２６と、第１の絞り装置２５及び膨張機４をバイパスするバイパス回路２７によって形成される。このバイパス回路２７には第２の絞り装置２８が配設されている。

また、膨張機入口配管には膨張機入口圧力を検知する例えば圧力センサーである膨張機入口圧力検出手段１４が配設されており、膨張機入口圧力検出手段１４からの信号により、圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置２５の絞り開度、第２の絞り装置２８の絞り開度を制御する制御手段１９が備えられている。
また、膨張機入口配管には膨張機入口温度を検知する例えばサーミスタである膨張機入口温度検出手段１３が配設されており、膨張機入口温度検出手段１３からの信号により、圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置２５の絞り開度、第２の絞り装置２８の絞り開度を制御する制御手段１９が備えられている。
膨張機を搭載したシステムにおいては、膨張機入口の冷媒状態（圧力、温度、密度、クオリティ等）もしくは、冷媒の膨張のしかた（例えば、単相膨張や複相膨張）が膨張機効率に影響を及ぼすため、外気温変化等で膨張機入口の冷媒状態が変化した際に膨張機効率が最適となる膨張機入口ポイントに制御する必要がある。

図２と図３は、表１の実験条件において、膨張機入口圧力が一定（１０ＭＰａ）の時、膨張機入口エンタルピ変化に応じて膨張機効率がどのように変化するか測定したものである。図３の膨張機入口ポイントA,BおよびCは、図２のそれぞれA,BおよびCに対応する。図
２，３から明らかなように、この場合には、膨張機入口エンタルピが大きくなるほど、膨張機効率が良くなることが分かる。

次に、図４，５は、表２の実験条件において、膨張機入口エンタルピが一定の時、膨張機入口圧力に応じて、膨張機効率がどのように変化するかを測定したものである。図５の膨張機入口ポイントD,EおよびFは、図４のそれぞれD,EおよびFに対応する。図４，５の実験結果では、膨張機入口が飽和状態であるEが最も膨張機効率が高くなる。

図２〜５の実験データの総括から、膨張機効率が最適となる膨張機入口冷媒の状態は、エンタルピが大きく且つ飽和状態であることが言える。

しかし、システム全体の最適化を考慮に入れると、必ずしも膨張機入口冷媒エンタルピを大きいほうが良いとは言えない。

例えば、図９に示すように膨張機入口が飽和曲線上をエンタルピが大きくなる方向へ変化したとすると（1)→2)）、膨張機入口冷媒エンタルピが大きくなると膨張機による動力回収量は大きくなるものの、圧縮機入口冷媒エンタルピが大きくなると等エントロピ線の傾きが小さくなるため圧縮機入力が増加し、システム全体としての効率は低下する恐れがあることや、蒸発器側の二相域を占める割合が小さくなりガス単相域を占める割合が大きくなるため潜熱回収効果が小さくなり熱交換器の大型化を招く可能性もある。

そこで、膨張機入口が飽和曲線上にあり且つ膨張機入口冷媒エンタルピが大きくなり過ぎないことを踏まえると、図１０の太い実線で示すような２０℃の等温線と飽和曲線が交わる点から臨界点までの範囲内で膨張機効率およびシステムCOPが最適となるポイントに調整するのが適当であると考えられる。

次に、図６のフローチャートに示す手順で冷凍サイクルの運転状態の変化によって膨張機入口の冷媒状態が変化しても最適な膨張機効率で運転を行うことができることを説明する。

まず、予め実験で外気温、圧縮機周波数、吐出温度、蒸発温度に対し、それらの条件での冷凍サイクル図がモリエル線図上でどのようになるかということと、それらの条件における膨張機効率が最適となる膨張機入口ポイントを作成しておき制御手段に記憶させておく
。

そして、ステップ１では検出された外気温、圧縮機周波数、吐出温度、蒸発温度から冷凍サイクル図を制御手段１９に記憶させておいた情報をもとに推定する。

ステップ２では、ステップ１で推定された冷凍サイクル図において、膨張機入口冷媒温度検出手段による検出値Te_inがステップ１で推定された膨張機効率が最適となる膨張機入口ポイントの温度Ta（例えば３０℃）になるように圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置２５、第２の絞り装置２８を制御手段１９で調整する。

ステップ３では、冷媒循環流量（蒸発温度、圧縮機周波数より推定）と放熱器からの放熱量をもとに放熱器出口冷媒のエンタルピを推定する。

ステップ４では、放熱器出口冷媒のエンタルピと放熱器出口冷媒圧力から放熱器出口冷媒クオリティを推定し、クオリティが１になるように圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置２５、第２の絞り装置２８を制御手段１９で調整する。

ステップ５では、膨張機入口冷媒圧力検出手段による検出値Pexpがステップ１で推定された膨張機効率が最適となる膨張機入口ポイントの圧力Pa（例えば１０MPa）になるように圧縮機１の周波数、膨張機４の周波数、放熱器２のファン風量、第１の絞り装置、第２の絞り装置を制御手段１９で調整する。

この一連の流れを一定間隔時間ごと（例えば１時間ごと）に行う。

以上では、膨張機入口ポイントが飽和状態となるように制御するとしたが、高圧が超臨界状態で運転している場合には、例えば膨張機の上流側に直列に絞り装置等を設置して冷媒を絞ることにより膨張機入口冷媒を飽和状態にしてから膨張機で膨張させても良い。

以上のような手順を踏むことにより、膨張機入口の冷媒状態（圧力、温度、密度、クオリティ等）もしくは、冷媒の膨張のしかた（例えば、単相膨張や複相膨張）が外気温変化等で膨張機入口の冷媒状態が変化した場合でも膨張機効率が最適となるように膨張機入口ポイントを調整することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２は、図８に示すようにバイパス回路を膨張機のみバイパスさせるように設置した構成であり、運転方法は実施の形態１と同様であるので省略する。

本発明にかかるヒートポンプ装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置など、他の用途のヒートポンプ装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１における、ヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口ポイントを説明する図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口ポイントによる膨張機効率の変化図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口ポイントを説明する図 本発明の実施の形態１における、膨張機入口ポイントによる膨張機効率の変化図 本発明の実施の形態１における、制御フローチャート 本発明の実施の形態2における、ヒートポンプ装置の構成図 膨張機を冷凍サイクルに搭載した場合のモリエル線図 膨張機入口冷媒がモリエル線図の飽和曲線上を動いた際の冷凍サイクルの変化図 膨張機効率が最適となる膨張機入口ポイントの範囲を示す図 従来の冷凍サイクル装置図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 室内熱交換器
３ 室外熱交換器
４ 膨張機
５ レシーバ
６ アキュームレータ
７ 第１の四路切換弁
８ 第２の四路切換弁
９ 膨張機の吐出側冷媒管路
１０ 圧縮機の吐出側冷媒管路
１１ 圧縮機の吸込側冷媒管路
１２ 膨張機の吸込側冷媒管路
１３ 膨張機入口冷媒温度検出手段
１４ 膨張機入口冷媒圧力検出手段
１５ ファン
１６ 圧縮機周波数制御手段
１７ ファン風量制御手段
１８ 膨張機周波数制御手段
１９ 制御手段
２５ 第１の絞り装置
２６ 冷媒回路
２７ バイパス回路
２８ 第２の絞り装置
Te_in 膨張機入口温度
Ta 膨張機入口最適温度
Pe_in 膨張機入口圧力
Pa 膨張機入口最適圧力
qe_in 膨張機入口冷媒クオリティ

Claims (7)

1. 圧縮機と、放熱器と、膨張機と、第１の絞り装置と、膨張機と、蒸発器とを直列に接続して冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置であって、
   前記第１の絞り装置と前記膨張機とをバイパスするバイパス回路と、
   前記バイパス回路に配設する第２の絞り装置と
   前記膨張機入口に設けられた冷媒温度検出手段および冷媒圧力検出手段と、
   前記冷媒温度検出手段で検出された冷媒温度と前記冷媒圧力検出手段で検出された冷媒圧力をもとに、前記膨張機の入口冷媒が飽和状態となるように制御する制御手段とを有する冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機と、放熱器と、膨張機と、第１の絞り装置と、膨張機と、蒸発器とを直列に接続して冷凍サイクルを構成する冷凍サイクル装置であって、
   前記膨張機をバイパスするバイパス回路と、
   前記バイパス回路に配設する第２の絞り装置と
   前記膨張機入口に設けられた冷媒温度検出手段および冷媒圧力検出手段と、
   前記冷媒温度検出手段で検出された冷媒温度と前記冷媒圧力検出手段で検出された冷媒圧力をもとに、前記膨張機の入口冷媒が飽和状態となるように制御する制御手段とを有する冷凍サイクル装置。
3. 前記制御手段が圧縮機の回転数を変化させる手段である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。
4. 前記制御手段が膨張機の回転数を変化させる手段であることを特徴とする請求項１〜３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記制御手段が膨張機の直列に接続した第１の絞り装置の開度を変化させる手段であることを特徴とする請求項１〜４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記制御手段が膨張機をバイパスするバイパス回路上に設けた第２の絞り装置の開度を変化させる手段であることを特徴とする請求項１〜５に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記制御手段が放熱器のファン風量を変化させる手段であることを特徴とする請求項１〜６に記載の冷凍サイクル装置。

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