JP2008039233A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置において、冷媒量を適切に調整する。
【解決手段】冷凍装置１００は、冷媒回路１０の高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置であって、冷媒回路１０の高圧ライン２１と低圧ライン２２とを結ぶバイパス３０を備えている。バイパス３０は、高圧ライン２１に接続される第１膨張弁３１、低圧ライン２２に接続される第２膨張弁３２、および第１膨張弁３１と第２膨張弁３２との間を結ぶ中間圧ライン３３によって形成されている。中間圧ライン３３には、冷媒を溜めるレシーバ３４が設けられている。第１膨張弁３１と第２膨張弁３２の少なくともいずれか一方の減圧度合いが可変され、冷媒の循環量が調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置に関する。

高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置を適用した給湯機或は空調機では、運転条件によって最適な冷媒量が異なるため、冷媒回路内の冷媒量を調整するレシーバを設けている。但し、高圧側では超臨界状態のため冷媒調整機能が働かないので、従来、レシーバは低圧側に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特表平０３−５０３２０６号公報

しかしながら、特許文献１のように低圧側にレシーバを設けたタイプは、レシーバに流入する冷媒が過熱状態のとき、レシーバ内の液冷媒が徐々に蒸発し、狙いの冷媒量に調整することができなくなる。

本発明の課題は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置において、冷媒量を適切に調整することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、冷媒回路の高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置であって、冷媒回路の高圧ラインと低圧ラインとを結ぶバイパスを備えている。バイパスは、高圧ラインに接続される第１減圧機構、低圧ラインに接続される第２減圧機構、および第１減圧機構と第２減圧機構との間を結ぶ中間圧ラインによって形成されている。そして、中間圧ラインには、冷媒を溜めるレシーバが設けられている、
この冷凍装置では、冷媒量の調整が可能となる。このため、冷媒量の調整によって高圧が維持され、性能が向上する。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、第１減圧機構と第２減圧機構の少なくともいずれか一方の減圧度合いが可変され、冷媒の循環量が調整される。

この冷凍装置では、冷媒量の調整によって高圧が維持されるので、性能が向上する。

第３発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、第１過冷却熱交換器をさらに備えている。第１過冷却熱交換器は、第１減圧機構によって減圧されて中間圧となった冷媒と高圧ラインの冷媒とを熱交換させる。

この冷凍装置では、冷房運転時、過冷却熱交換器の冷媒出口温度が適切に調整されるので、冷房能力が向上する。

第４発明に係る冷凍装置は、第３発明に係る冷凍装置であって、高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上にする圧縮機をさらに備えている。そして、第１減圧機構によって第１過冷却熱交換器の冷媒出口温度が制御され、第２減圧機構によって圧縮機の冷媒吸入過熱度が制御される。

この冷凍装置では、冷房運転時、第１過冷却熱交換器の冷媒出口温度、および圧縮機の吸入過熱度が適切に調整されるので、冷房能力が向上する。

第５発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、第１過冷却熱交換器と第２過冷却熱交換器とをさらに備えている。第１過冷却熱交換器は、第１減圧機構によって減圧されて中間圧となった冷媒と高圧ラインの冷媒とを熱交換させる。第２過冷却熱交換器は、レシーバから出た冷媒と高圧ラインの冷媒とを熱交換させる。

この冷凍装置では、冷房運転時、さらに過冷却がつくので、冷房能力が向上する。

第６発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、冷媒がＣＯ２である。

この冷凍装置では、冷媒として、オゾン破壊係数０のＣＯ２が使用されるので、大気環境を破壊することはない。

第１発明に係る冷凍装置では、冷媒量の調整が可能となる。このため、冷媒量の調整によって高圧が維持され、性能が向上する。

第２発明に係る冷凍装置では、冷媒量の調整によって高圧が維持されるので、性能が向上する。

第３発明に係る冷凍装置では、冷房運転時、過冷却熱交換器の冷媒出口温度が適切に調整されるので、冷房能力が向上する。

第４発明に係る冷凍装置では、冷房運転時、第１過冷却熱交換器の冷媒出口温度、および圧縮機の吸入過熱度が適切に調整されるので、冷房能力が向上する。

第５発明に係る冷凍装置では、冷房運転時、さらに過冷却がつくので、冷房能力が向上する。

第６発明に係る冷凍装置では、冷媒として、オゾン破壊係数０のＣＯ２が使用されるので、大気環境を破壊することはない。

〔第１実施形態〕
＜冷凍装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の構成図である。冷凍装置１００は、冷媒としてＣＯ２を使用している。

冷凍装置１００は、主に空調機に適用されるものであり、冷媒が流通できるように、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、減圧機構である室外膨張弁１４および室内膨張弁１５、さらに室内熱交換器１６などの機器が接続されて冷媒回路１０が形成されている。冷媒回路１０の高圧側圧力は臨界圧力以上となる。

なお、冷凍装置１００が適用される空調機は、ビル用のマルチタイプの空気調和装置であって、１つ又は複数の空調室外機に対して、１つ又は複数の空調室内機が並列に接続される。

冷媒回路１０には、高圧ライン２１と低圧ライン２２を結ぶバイパス３０が設けられている。バイパス３０は、高圧ライン２１に接続される第１減圧機構である第１膨張弁３１と、低圧ライン２２に接続される第２減圧機構である第２膨張弁３２と、第１膨張弁３１と第２膨張弁３２とを結ぶ中間圧ライン３３で形成されている。中間圧ライン３３の途中には、冷媒を溜めるためのレシーバ３４が設けられている。レシーバ３４には、ガスと液とが混合された状態の冷媒が入ってくるので、レシーバ３４の上部はガス冷媒が存在し、レシーバ３４の底部は液冷媒が存在する。

中間圧ライン３３は、高圧ライン２１とレシーバ３４とを結ぶライン３３ａと、レシーバ３４と低圧ライン２２とを結ぶライン３３ｂを有する。ライン３３ｂは、レシーバ３４の上部から低圧ライン２２へ延びており、低圧ライン２２に供給される冷媒はガス冷媒である。

また、高圧ライン２１には、第１膨張弁３１によって減圧された冷媒と、高圧ライン２１の冷媒との間で熱交換を行わせるための第１過冷却熱交換器４１が設けられている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の制御ブロック図である。制御装置４は、圧縮機１１の運転周波数、室外膨張弁１４、および室内膨張弁１５を制御する。さらに制御装置４は、第１膨張弁３１、第２膨張弁３２を制御して冷媒回路１０内の冷媒量を調整する。

＜冷凍装置の動作＞
（冷房運転）
冷房運転時において、四路切換弁１２は、図１の実線で示すように接続され、圧縮機１１と室外熱交換器１３とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３は、それぞれ蒸発器および放熱器として機能する。すなわち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の冷媒ガスが室外熱交換器１３に導入される。ここで、冷媒ガスと室外空気との熱交換が行われた後、中温・高圧ガスとなる。この中温・高圧ガスが室内膨張弁１５で減圧されて低温・低圧の二相冷媒となり、室内熱交換器１６に導入される。ここで室内空気と熱交換が行われた後、再び圧縮機１１に吸入される。

また、通常の冷房運転では、第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度が所定値になるように第１膨張弁３１が制御される。また、圧縮機１１の吸入過熱度が所定値になるように第２膨張弁３２が制御される。

（暖房運転）
一方、暖房運転時において、四路切換弁１２は、図１の点線で示すように接続され、圧縮機１１と室内熱交換器１６とが連通し、室内熱交換器１６および室外熱交換器１３はそれぞれ放熱器および蒸発器として機能する。すなわち、圧縮機１１より吐出された高温・高圧の冷媒ガスが室内熱交換器１６に導入される。ここで、冷媒ガスと室内空気との熱交換が行われた後、中温・高圧ガスとなり配管を通過する。この中温・高圧ガスが室外膨張弁１４で減圧されて室外熱交換器１３に導入される。ここで室外空気と熱交換が行われ、再び圧縮機１１に吸入される。また、通常の暖房運転では、第１膨張弁３１および第２膨張弁３２の開度は、共に固定である。

＜冷媒量調整＞
（冷房運転時、第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度一定の場合）
第２膨張弁３２の開度を小さくすることによって、レシーバ３４から低圧ライン２２へ流出する冷媒量が減少する。このとき、第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度を一定に維持するため、第１膨張弁３１の開度が固定され、高圧ライン２１から第１膨張弁３１を経てレシーバ３４へ流入する冷媒量が一定となっており、レシーバ３４内の冷媒貯留量が増加し、高圧側の冷媒が減少する。この結果、高圧側圧力が低下し、冷凍能力は減少する。

一方、第２膨張弁３２の開度を大きくすることによって、レシーバ３４から低圧ライン２２へ流出する冷媒量が増加する。前述の通りレシーバ３４へ流入する冷媒量は一定であるため、レシーバ３４内の冷媒貯留量が減少し、高圧側の冷媒が増加する。この結果、高圧側圧力が上昇し、冷凍能力が増加する。

（冷房運転時、第２膨張弁の開度が固定された場合）
第２膨張弁３２の開度が固定された場合、或は第２膨張弁３２がキャピラリ管で代用され絞りが固定された場合、レシーバ３４から低圧ライン２２へ流出する冷媒量が一定となる。このとき、第１膨張弁３１の開度を小さくすると、高圧ライン２１からレシーバ３４に流入する冷媒量が減少する。低圧ライン２２へ流出する冷媒量が一定であるのでレシーバ３４内の冷媒貯留量が減少し高圧側の冷媒が増加する。

一方、第１膨張弁３１の開度を大きくすると、高圧ライン２１からレシーバ３４に流入する冷媒量が増加する。低圧ライン２２へ流出する冷媒量が一定であるので、レシーバ３４内の冷媒貯留量が増加し、高圧側の冷媒が減少する。

（第１実施形態の変形例）
図３は、本発明の第１実施形態の変形例に係る冷凍装置の構成図である。なお、第１実施形態と構成が同じ部分は、同様の符号を付し説明を省略する。

第１実施形態の変形例では、レシーバ３４の底部と低圧ライン２２とがライン３３ｃで結ばれている。レシーバ３４の底部は液冷媒が存在するので、冷媒回路１０内の冷媒が過渡的に不足した場合、第２膨張弁３２の開度を大きくすることによって、レシーバ３４内底部の液冷媒が低圧ライン２２へ流れ、冷媒不足が素早く解消される。

＜第１実施形態、及び変形例の特徴＞
（１）
冷凍装置１００は、冷媒回路１０の高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置であって、冷媒回路１０の高圧ライン２１と低圧ライン２２とを結ぶバイパス３０を備えている。バイパス３０は、高圧ライン２１に接続される第１膨張弁３１、低圧ライン２２に接続される第２膨張弁３２、および第１膨張弁３１と第２膨張弁３２との間を結ぶ中間圧ライン３３によって形成されている。中間圧ライン３３には、冷媒を溜めるレシーバ３４が設けられている。第１膨張弁３１と第２膨張弁３２の少なくともいずれか一方の減圧度合いが可変され、冷媒の循環量が調整される。このため、冷媒量の適切な調整によって高圧が維持され、性能が向上する。

（２）
冷凍装置１００は、第１過冷却熱交換器４１をさらに備えている。第１過冷却熱交換器４１は、第１膨張弁３１によって減圧されて中間圧となった冷媒と高圧ライン２１の冷媒とを熱交換させる。冷房運転時、第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度が最適値に調整されるので、冷房能力が向上する。

（３）
冷凍装置１００は、高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上にする圧縮機１１をさらに備えている。第１膨張弁３１によって第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度が制御され、第２膨張弁３２によって圧縮機１１の冷媒吸入過熱度が制御される。冷房運転時、第１過冷却熱交換器４１の冷媒出口温度、および圧縮機１１の吸入過熱度が適切に調整されるので、冷房能力が向上する。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係る冷凍装置の構成図である。なお、第１実施形態と構成が同じ部分は、同様の符号を付し説明を省略する。

冷凍装置２００では、第２過冷却熱交換器４２が、室外熱交換器１３と第１過冷却熱交換器４１との間に設けられている。ライン３３ｄはレシーバ３４と第２過冷却熱交換器４２とを結び、ライン３３ｅは第２過冷却熱交換器４２と低圧ライン２２とを結ぶ。第２膨張弁３２はライン３３ｄに設けられており、高圧ライン２１の冷媒と第２膨張弁３２を出た冷媒との間で熱交換が行われる。このように、さらに過冷却をとることによって性能向上が図られている。圧縮機１１の吸入過熱度は、第２膨張弁３２によって制御される。

なお、図４において、第２過冷却熱交換器４２が室外膨張弁１４の右側に配置されているが、室外膨張弁１４の左側に配置されてもよい。

（第２実施形態の変形例）
図５は、本発明の第２実施形態の変形例に係る冷凍装置の構成図である。なお、第２実施形態と構成が同じ部分は、同様の符号を付し説明を省略する。

第２実施形態の第１変形例では、レシーバ３４の底部と第２過冷却熱交換器４２とがライン３３ｆで結ばれ、第２過冷却熱交換器４２と低圧ライン２２とがライン３３ｇで結ばれている。冷媒回路１０内の冷媒が過渡的に不足した場合、第２膨張弁３２の開度を大きくすることによって、レシーバ３４内底部の液冷媒が低圧ライン２２へ流れ、冷媒不足が素早く解消される。

なお、図５において、第２過冷却熱交換器４２が室外膨張弁１４の右側に配置されているが、室外膨張弁１４の左側に配置されてもよい。

（第２実施形態の他の変形例）
第２実施形態、或は第２実施形態の変形例においては、第２膨張弁３２が、レシーバ３４と第２過冷却熱交換機４２との間に配置されているが、これに限定されるものではなく、図６および図７に示すように、第２膨張弁３２が第２過冷却熱交換器４２と低圧ライン２２との間に配置されてもよい。

＜第２実施形態、及び変形例の特徴＞
冷凍装置２００は、第１過冷却熱交換器４１と第２過冷却熱交換器４２とをさらに備えている。第１過冷却熱交換器４１は、第１膨張弁３１によって減圧されて中間圧となった冷媒と高圧ライン２１の冷媒とを熱交換させる。第２過冷却熱交換器４２は、レシーバ３４から出た冷媒と高圧ライン２１の冷媒とを熱交換させる。冷房運転時、さらに過冷却がつくので、冷房能力が向上する。

〔冷凍装置の適用例〕
本発明の全実施形態に係る冷凍装置１００，２００は、空調機に適用されるだけでなく、給湯機のヒートポンプ装置として適用されてもよい。例えば、室内熱交換器１６を放熱器として、水と熱交換させることによって実現される。

以上のように、本発明は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置において、冷媒量を適切に調整することができるので、空調機や給湯機に有用である。

本発明の第１実施形態に係る冷凍装置の構成図。 同実施形態に係る冷凍装置の制御ブロック図。 本発明の第１実施形態の変形例に係る冷凍装置の構成図。 本発明の第２実施形態に係る冷凍装置の構成図。 本発明の第２実施形態の変形例に係る冷凍装置の構成図。 本発明の第２実施形態の他の変形例に係る冷凍装置の構成図。 本発明の第２実施形態の他の変形例に係る冷凍装置の構成図。

符号の説明

１０ 冷媒回路
１１ 圧縮機
２１ 高圧ライン
２２ 低圧ライン
３０ バイパス
３１ 第１膨張弁（第１減圧機構）
３２ 第２膨張弁（第２減圧機構）
３３ 中間圧ライン
３４ レシーバ
１００，２００ 冷凍装置

Claims (6)

1. 冷媒回路（１０）の高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる冷凍装置であって、
   前記冷媒回路（１０）の高圧ライン（２１）と前記冷媒回路（１０）の低圧ライン（２２）とを結ぶバイパス（３０）を備え、
   前記バイパス（３０）は、前記高圧ライン（２１）に接続される第１減圧機構（３１）、前記低圧ライン（２２）に接続される第２減圧機構（３２）、および前記第１減圧機構（３１）と前記第２減圧機構（３２）との間を結ぶ中間圧ライン（３３）によって形成され、
   前記中間圧ライン（３３）には、前記冷媒を溜めるレシーバ（３４）が設けられている、
   冷凍装置（１００，２００）。
2. 前記第１減圧機構（３１）と前記第２減圧機構（３２）の少なくともいずれか一方の減圧度合いが可変され、前記冷媒の循環量が調整される、
   請求項１に記載の冷凍装置（１００，２００）。
3. 前記第１減圧機構（３１）によって減圧されて中間圧となった冷媒と前記高圧ライン（２１）の冷媒とを熱交換させる第１過冷却熱交換器（４１）をさらに備えた、
   請求項１に記載の冷凍装置（１００，２００）。
4. 前記高圧側の冷媒圧力を臨界圧力以上にする圧縮機（１１）をさらに備え、
   前記第１減圧機構（３１）によって前記第１過冷却熱交換器（４１）の冷媒出口温度が制御され、前記第２減圧機構（３２）によって前記圧縮機（１１）の冷媒吸入過熱度が制御される、
   請求項３に記載の冷凍装置（１００，２００）。
5. 前記第１減圧機構（３１）によって減圧されて中間圧となった冷媒と前記高圧ライン（２１）の冷媒とを熱交換させる第１過冷却熱交換器（４１）と、
   前記レシーバ（３４）から出た冷媒と前記高圧ライン（２１）の冷媒とを熱交換させる第２過冷却熱交換器（４２）と、
   をさらに備えた、
   請求項１に記載の冷凍装置（２００）。
6. 前記冷媒がＣＯ２である、
   請求項１に記載の冷凍装置（１００，２００）。

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