JP2008064436A5

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Publication number: JP2008064436A5
Application number: JP2006246152A
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Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2026-09-11

Description

冷凍装置

本発明は、冷凍装置、特に冷凍サイクル中に冷媒が超臨界状態となる冷凍装置に関する。

従来、圧縮機、放熱器、第１膨張弁、受液器、第２膨張弁、および蒸発器を順次接続した冷媒回路を備える冷凍装置が公に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１１５４７０号公報（第４頁第５欄第１２行−第５頁第７欄第３９行、図３）

このような冷凍装置の冷媒回路において、第１膨張弁から第２膨張弁に流れる冷媒の圧力（以下、中間圧力という）を飽和圧力よりも著しく低くするとガス冷媒が多く発生し、受液器の冷媒液面制御が困難になる。

本発明の課題は、上記のような冷媒装置において安定した受液器の冷媒液面制御を可能とすることにある。

第１発明に係る冷凍装置は、圧縮機構、放熱器、第１膨張機構、受液器、第２膨張機構、蒸発器、圧力検知部、温度検知部、および制御部を備える。圧縮機構は、冷媒を圧縮する。放熱器は、圧縮機構の冷媒吐出側に接続される。第１膨張機構は、放熱器の出口側に接続される。受液器は、第１膨張機構の冷媒流出側に接続される。第２膨張機構は、受液器の出口側に接続される。蒸発器は、第２膨張機構の冷媒流出側に接続されると共に圧縮機構の冷媒吸入側に接続される。圧力検知部は、圧縮機構の冷媒吐出側と第１膨張機構の冷媒流入側の間に設けられる。温度検知部は、放熱器の出口側と第１膨張機構の冷媒流入側との間に設けられる。制御部は、圧力検知部によって検知される圧力と温度検知部によって検知される温度とを利用して第１膨張機構から流出した冷媒の状態が飽和状態になるように第１膨張機構を制御する。なお、ここにいう「飽和状態」とは実質的に受液器にほぼ一定量の液冷媒が貯蔵され得る程度の状態であり、若干の幅をもっていてもよい。

この冷凍装置では、制御部が、圧力検知部によって検知される圧力と温度検知部によって検知される温度とを利用して第１膨張機構から流出した冷媒の状態が飽和状態になるように第１膨張機構を制御する。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構から流出する冷媒からガス冷媒がほとんど発生しない。したがって、この冷凍装置では、安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

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、制御部は、圧力と温度とから飽和圧力を算出し、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が飽和圧力となるように第１膨張機構を制御する。

この冷凍装置では、制御部が、圧力と温度とから飽和圧力を算出し、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が飽和圧力となるように第１膨張機構を制御する。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構から流出する冷媒からガス冷媒がほとんど発生しない。したがって、この冷凍装置では、安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

第３発明に係る冷凍装置は、第２発明に係る冷凍装置であって、制御部は、圧力と温度とからエンタルピーを算出し、そのエンタルピーに対応する飽和圧力を算出する。

この冷凍装置では、制御部が、圧力と温度とからエンタルピーを算出し、そのエンタルピーに対応する飽和圧力を算出する。つまり、この冷凍装置では、モリエ線図上において第１膨張機構の冷媒流出点から真っ直ぐ下に線を下ろし、その線が飽和線と交わる点の圧力を求めることになる。したがって、この冷凍装置では、第１膨張機構が膨張弁である場合に簡易に目標飽和圧力を求めることができる。

第４発明に係る冷凍装置は、第２発明または第３発明に係る冷凍装置であって、制御部は、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が飽和圧力よりも大きい圧力上限値以下、飽和圧力よりも小さい圧力下限値以上となるように第１膨張機構を制御する。なお、ここにいう「圧力上限値」および「圧力下限値」は実質的に受液器にほぼ一定量の液冷媒が貯蔵されるように決定される。

この冷凍装置では、第１膨張機構から流出した冷媒の圧力が飽和圧力よりも大きい圧力上限値以下、飽和圧力よりも小さい圧力下限値以上となるように制御部が第１膨張機構を制御する。このため、この冷凍装置では、第１膨張機構から流出する冷媒からガス冷媒がほとんど発生しない。したがって、この冷凍装置では、安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

第５発明に係る冷凍装置は、第１発明から第４発明のいずれかに係る冷凍装置であって、第１膨張機構は、第１膨張弁である。また、第２膨張機構は、第２膨張弁である。そして、制御部は、第１膨張弁の開度と第２膨張弁の開度の配分を制御する。

この冷凍装置では、制御部が、第１膨張弁の開度と第２膨張弁の開度の配分を制御する。このため、この冷凍装置では、圧縮機の吸入口付近での冷媒の過熱度などを考慮しつつ安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

第１発明から第３発明に係る冷凍装置では、第１膨張機構から流出する冷媒からガス冷媒がほとんど発生しない。したがって、この冷凍装置では、安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

第４発明に係る冷凍装置では、圧縮機の吸入口付近での冷媒の過熱度などを考慮しつつ安定した受液器の冷媒液面制御が可能となる。

＜空気調和装置の構成＞
本発明の実施の形態に係る空気調和装置１の概略冷媒回路２を図１に示す。

この空気調和装置１は、二酸化炭素を冷媒として冷房運転および暖房運転が可能な空気調和装置であって、主に冷媒回路２、送風ファン２６，３２、制御装置２３、高圧圧力センサ２１、温度センサ２２、および中間圧圧力センサ２４等から構成されている。

冷媒回路２には主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、第１電動膨張弁１５、受液器１６、第２電動膨張弁１７、および室内熱交換器３１が配備されており、各装置は、図１に示されるように、冷媒配管を介して接続されている。

そして、本実施の形態において、空気調和装置１は、分離型の空気調和装置であって、室内熱交換器３１および室内ファン３２を主に有する室内ユニット３０と、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、第１電動膨張弁１５、受液器１６、第２電動膨張弁１７、高圧圧力センサ２１、温度センサ２２、および制御装置２３を主に有する室外ユニット１０と、室内ユニット３０の冷媒液等配管と室外ユニット１０の冷媒液等配管とを接続する第１連絡配管４１と、室内ユニット３０の冷媒ガス等配管と室外ユニット１０の冷媒ガス等配管とを接続する第２連絡配管４２とから構成されているともいえる。なお、室外ユニット１０の冷媒液等配管と第１連絡配管４１とは室外ユニット１０の第１閉鎖弁１８を介して、室外ユニット１０の冷媒ガス等配管と第２連絡配管４２とは室外ユニット１０の第２閉鎖弁１９を介してそれぞれ接続されている。

（１）室内ユニット
室内ユニット３０は、主に、室内熱交換器３１および室内ファン３２等を有している。

室内熱交換器３１は、空調室内の空気である室内空気と冷媒との間で熱交換をさせるための熱交換器である。

室内ファン３２は、ユニット３０内に空調室内の空気を取り込み、室内熱交換器３１を介して冷媒と熱交換した後の空気である調和空気を再び空調室内への送り出すためファンである。

そして、この室内ユニット３０は、このような構成を採用することによって、冷房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる液冷媒とを熱交換させて調和空気（冷気）を生成し、暖房運転時には室内ファン３２により内部に取り込んだ室内空気と室内熱交換器３１を流れる超臨界冷媒とを熱交換させて調和空気（暖気）を生成することが可能となっている。

（２）室外ユニット
室外ユニット１０は、主に、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、第１電動膨張弁１５、受液器１６、第２電動膨張弁１７、室外ファン２６、制御装置２３、高圧圧力センサ２１、温度センサ２２、および中間圧圧力センサ２４等を有している。

圧縮機１１は、吸入管を流れる低圧のガス冷媒を吸入し、圧縮して超臨界状態とした後、吐出管に吐出するための装置である。

四路切換弁１２は、各運転に対応して、冷媒の流れ方向を切り換えるための弁であり、冷房運転時には圧縮機１１の吐出側と室外熱交換器１３の高温側とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室内熱交換器３１のガス側とを接続し、暖房運転時には圧縮機１１の吐出側と第２閉鎖弁１９とを接続するとともに圧縮機１１の吸入側と室外熱交換器１３のガス側とを接続することが可能である。

室外熱交換器１３は、冷房運転時において圧縮機１１から吐出された高圧の超臨界冷媒を空調室外の空気を熱源として冷却させることが可能であり、暖房運転時には室内熱交換器３１から戻る液冷媒を蒸発させることが可能である。

第１電動膨張弁１５は、室外熱交換器１３の低温側から流出する超臨界冷媒（冷房運転時）あるいは受液器１６を通って流入する液冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。

受液器１６は、運転モードや空調負荷に応じて余剰となる冷媒を貯蔵しておくためのものである。

第２電動膨張弁１７は、受液器１６を通って流入してくる液冷媒（冷房運転時）あるいは室内熱交換器３１の低温側から流出する超臨界冷媒（暖房運転時）を減圧するためのものである。

室外ファン２６は、ユニット１０内に室外の空気を取り込み、室外熱交換器１３を介して冷媒と熱交換した後の空気を排気するためファンである。

高圧圧力センサ２１は、圧縮機１１の吐出側に設けられている。

温度センサ２２は、第１電動膨張弁１５の室外熱交換器側に設けられている。

中間圧圧力センサ２４は、第１電動膨張弁１５と受液器１６との間に設けられている。

制御装置２３は、高圧圧力センサ２１、温度センサ２２、中間圧圧力センサ２４、第１電動膨張弁１５、および第２電動膨張弁１７等に通信接続されており、温度センサ２２から送られてくる温度情報や、高圧圧力センサ２１から送られてくる高圧圧力情報、中間圧圧力センサ２４から送られてくる中間圧圧力情報に基づいて第１電動膨張弁１５および第２電動膨張弁１７の開度を制御する。ここで、モリエ線図を利用して第１電動膨張弁１５および第２電動膨張弁１７の開度制御について詳述する。図２には、二酸化炭素のモリエ線図上に本実施の形態に係る空気調和装置１の冷凍サイクルを表した図が示されている。なお、図２において、Ａ→Ｂは圧縮行程を示し、Ｂ→Ｃは冷却行程を示し、Ｃ→Ｄ₁，Ｄ₂は第１膨張行程（第１電動膨張弁１５による減圧）を示し、Ｄ₁，Ｄ₂→Ｅは第２膨張行程（第２電動膨張弁１７による減圧）を示し、Ｅ→Ａは蒸発行程を示している。また、Ｋは臨界点を示している。また、Ｔｍは等温線である。さて、ここで、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ₂→Ｅ→Ａの冷凍サイクルを見ると、第１電動膨張弁１５から流出した冷媒は気液二相状態となりガス冷媒が発生する。しかし、本実施の形態に係る空気調和装置１には圧縮機１１の吐出側に高圧圧力センサ２１、第１電動膨張弁１５の室外熱交換器側に温度センサ２２が配置されているため、モリエ線図を利用して第１電動膨張弁１５から流出する冷媒の飽和圧力を求めることができる。そこで、この空気調和装置１では、制御装置２３が、第１電動膨張弁１５から流出した冷媒がＤ₁点の状態になるように、つまり、中間圧圧力センサ２４が示す値が上記で求められた飽和圧力と一致するように１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度を適宜調節にする。すると、その冷凍サイクルは、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ₁→Ｅ→Ａの冷凍サイクルとなる。つまり、第１電動膨張弁１５から流出する冷媒をＤ₁点の状態、つまり飽和状態とすることができる。

＜空気調和装置の動作＞
空気調和装置１の運転動作について、図１を用いて説明する。この空気調和装置１は、上述したように冷房運転および暖房運転を行うことが可能である。

（１）冷房運転
冷房運転時は、四路切換弁１２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が室外熱交換器１３の高温側に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が第２閉鎖弁１９に接続された状態となる。また、このとき、第１閉鎖弁１８および第２閉鎖弁１９は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１を起動すると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて超臨界状態となった後、四路切換弁１２を経由して室外熱交換器１３に送られ、室外熱交換器１３において冷却される。

そして、この冷却された超臨界冷媒は、第１電動膨張弁１５に送られる。そして、第１電動膨張弁１５に送られた超臨界冷媒は、減圧されて飽和状態とされた後に受液器１６を経由して第２電動膨張弁１７に送られる。第２電動膨張弁１７に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に第１閉鎖弁１８を経由して室内熱交換器３１に供給され、室内空気を冷却するとともに蒸発されてガス冷媒となる。

そして、そのガス冷媒は、第２閉鎖弁１９および四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。このようにして、冷房運転が行われる。なお、制御装置２３は、この冷房運転において上記制御を実行する。

（２）暖房運転
暖房運転時は、四路切換弁１２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機１１の吐出側が第２閉鎖弁１９に接続され、かつ、圧縮機１１の吸入側が室外熱交換器１３のガス側に接続された状態となっている。また、このとき、第１閉鎖弁１８および第２閉鎖弁１９は開状態とされる。

この冷媒回路２の状態で、圧縮機１１を起動すると、ガス冷媒が、圧縮機１１に吸入され、圧縮されて超臨界状態となった後、四路切換弁１２、および第２閉鎖弁１９を経由して室内熱交換器３１に供給される。

そして、その超臨界冷媒は、室内熱交換器３１において室内空気を加熱するとともに冷却される。冷却された超臨界冷媒は、第１閉鎖弁を通って第２電動膨張弁１７に送られる。第２電動膨張弁１７に送られた超臨界冷媒は、減圧されて飽和状態とされた後に受液器１６を経由して第１電動膨張弁１５に送られる。第１電動膨張弁１５に送られた飽和状態の冷媒は、減圧されて液冷媒となった後に室外熱交換器１３に送られて、室外熱交換器１３において蒸発されてガス冷媒となる。そして、このガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、再び、圧縮機１１に吸入される。このようにして、暖房運転が行われる。

＜空気調和装置の特徴＞
（１）
本実施の形態に係る空気調和装置１では、制御装置２３が高圧圧力センサ２１、温度センサ２２、第１電動膨張弁１５、および第２電動膨張弁１７等に通信接続されており、温度センサ２２から送られてくる温度情報や高圧圧力センサ２１から送られてくる高圧圧力情報に基づいて第１電動膨張弁１５から流出する冷媒が飽和状態となるように第１電動膨張弁１５および第２電動膨張弁１７の開度が制御される。このため、この空気調和装置１では、第１電動膨張弁１５から流出する冷媒からガス冷媒がほとんど発生しない。したがって、この空気調和装置１では、安定した受液器１６の冷媒液面制御が可能となる。

（２）
本実施の形態に係る空気調和装置１では、例えば、予め、第１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の総開度を圧縮機１１の吸入管における過熱度を変数として関数化しておくか或いはその総開度と過熱度との関係を表した制御テーブルを作成する等した上で、第１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度比を高圧圧力と第１電動膨張弁入口温度とを変数として関数化しておくこと等が考えられる。このため、この空気調和装置１では、圧縮機１１の吸入口付近での冷媒の過熱度などを考慮しつつ安定した受液器１６の冷媒液面制御が可能となる。

＜変形例＞
（Ａ）
先の実施の形態では、本願発明が１台の室外ユニット１０に対して１台の室内ユニット３０が設けられるセパレート式の空気調和装置１に応用されたが、本願発明は図３に示される１台の室外ユニットに対して複数台の室内ユニットが設けられるマルチ式の空気調和装置１０１に応用されてもよい。なお、図３において、先の実施の形態に係る空気調和装置１の構成部品と同じ部品については同一の符号を用いている。また、図３において、符号１０２は冷媒回路を示し、符号１１０は室外ユニットを示し、符号１３０ａ，１３０ｂは室内ユニットを示し、符号３１ａ，３１ｂは室内熱交換器を示し、符号３２ａ，３２ｂは室内ファンを示し、符号３３ａ，３３ｂは第２電動膨張弁を示し、符号３４ａ，３４ｂは室内制御装置を示し、符号１４１，１４２は連絡配管を示している。なお、かかる場合、制御装置２３は、室内制御装置３４ａ，３４ｂを介して第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂを制御する。また、本変形例では第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂが室内ユニット１３０ａ，１３０ｂに収容されたが、第２電動膨張弁３３ａ，３３ｂが室外ユニット１１０に収容されてもかまわない。

（Ｂ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、特に言及していなかったが、受液器１６と第２電動膨張弁１７との間に過冷却熱交換器（内部熱交換器であってもよい）を設けてもよい。なお、かかる場合、モリエ線図上の冷凍サイクルは図４に示されるようになる。図４において、Ａ→Ｂは圧縮行程を示し、Ｂ→Ｃは第１冷却行程を示し、Ｃ→Ｄは第１膨張行程を示し、Ｄ→Ｆは第２冷却行程（過冷却熱交換器による冷却）を示し、Ｆ→Ｅは第２膨張行程を示し、Ｅ→Ａは蒸発行程を示している。

（Ｃ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、第１電動膨張弁１５や、受液器１６、第２電動膨張弁１７などが室外ユニット１０に配置されていたが、これらの配置は特に限定されない。例えば、第２電動膨張弁１７が室内ユニット３０に配置されていてもよい。

（Ｄ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、冷媒の減圧手段として電動膨張弁が採用されたが、これに代えて、膨張機などが採用されてもよい。

（Ｅ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、特に言及していなかったが、受液器１６と圧縮機１１の吸入管と接続しガス抜き回路を形成してもよい。かかる場合、ガス抜き回路に電動膨張弁や電磁弁などを設けておくのが好ましい。

（Ｆ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、制御装置２３が中間圧圧力センサ２４が示す値が算出された目標飽和圧力と一致するように１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度を適宜調節したが、制御装置２３が、その目標飽和圧力から目標圧力上限値と目標圧力下限値を求め、中間圧圧力センサ２４が示す値がその目標圧力上限値以下、目標圧力下限値以上となるように１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度を調節するようにしてもよい。

（Ｇ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では中間圧圧力センサ２４が設けられたが、中間圧圧力センサ２４を取り除いてもよい。かかる場合、例えば、予め、第１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の総開度を圧縮機１１の吸入管における過熱度を変数として関数化しておくか或いはその総開度と過熱度との関係を表した制御テーブルを作成する等した上で、第１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度比を高圧圧力と第１電動膨張弁入口温度とを変数として関数化しておくこと等が考えられる。このようにすれば、第１電動膨張弁１５と第２電動膨張弁１７の開度は一義的に決定できる。

（Ｈ）
先の実施の形態では、特に言及しなかったが、本発明は二段圧縮でも適用可能である。

（Ｉ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では中間圧圧力センサ２４が設けられたが、高圧圧力および第１電動膨張弁１５の入口温度が決まっている場合には中間圧圧力センサ２４を取り除いてもよい。かかる場合、第１電動膨張弁１５の冷媒流出側と第２電動膨張弁１７の冷媒流入側との間に温度センサを設け、飽和温度を測定するようにすればよい。

（Ｊ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では中間圧圧力センサ２４が設けられたが、室内熱交換器３１の出口側と圧縮機１１の吸入側との間に低圧圧力センサを設け、第１電動膨張弁１５の入口付近（室外熱交換器１３の低温側（あるいは液側）の口の近傍でもよい）に温度センサを設ける場合には中間圧圧力センサ２４を取り除いてもよい。かかる場合、第１電動膨張弁１５および第２電動膨張弁１７の開度−差圧特性を利用して中間圧を予測する。

（Ｋ）
先の実施の形態に係る空気調和装置１では、特に言及していなかったが、室外熱交換器１３の低温側（あるいは液側）と温度センサ２２との間に冷媒冷却用熱交換器（内部熱交換器であってもよい）を設けてもよい。かかる場合、第１電動膨張弁１５から流出する冷媒が臨界点近傍の状態となることを防止することができる。したがって、この空気調和装置１では、安定した受液器の液面制御を行うことができる。

本発明に係る冷凍装置は、安定した受液器の冷媒液面制御が可能となるという特徴を有し、特に二酸化炭素などを冷媒として採用した冷凍装置に有益である。

本発明の実施の形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。本発明の実施の形態に係る空気調和装置の制御装置による冷媒冷却制御を説明するための図である。変形例（Ａ）に係る空気調和装置の冷媒回路図である。変形例（Ｂ）に係る空気調和装置の制御装置による制御を説明するための図である。

１，１０１空気調和装置（冷凍装置）
１１圧縮機（圧縮機構）
１３室外熱交換器（放熱器）
１５第１電動膨張弁（第１膨張機構）
１６受液器
１７，３３ａ，３３ｂ第２電動膨張弁（第２膨張機構）
２１高圧圧力センサ（圧力検知部）
２２温度センサ（温度検知部）
２３制御装置
３１，３１ａ，３１ｂ室内熱交換器（蒸発器）