JP2008175452A - 空気調和方法及び空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸発器の乾き度がその時の状況（負荷の大きさやサイクルバランス）に応じた乾き度になるように制御することにより、蒸発器性能の変動を防止することができる空気調和方法及び装置の提供。
【解決手段】 膨張弁４と蒸発器６との間に気液分離器５を接続し、該気液分離器５は該気液分離器５で分離された液冷媒部分を蒸発器６に接続する一方、ガス冷媒部分をバイパス配管８を介して蒸発器６の出口側に接続し、バイパス配管８に該パイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構９を介装させ、蒸発器６の制御すべき目標の乾き度Ｘを割り出し、該目標の乾き度Ｘになるように可変絞り機構９の絞り量を制御するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和方法及び空気調和装置に関する。

従来、空気調和装置として、圧縮機、凝縮器、第１冷媒流量制御装置（膨張弁）、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置であって、前記第１冷媒流量制御装置（膨張弁）と蒸発器との間に接続した気液分離器と、第２冷媒流量制御装置を備え、かつ、この第２冷媒流量制御装置の一端を前記気液分離器に接続し、その他端を前記蒸発器から前記圧縮機に至る前記主配管に接続したバイパス配管とを備えた構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

以上のように、バイパス配管により第２冷媒流量制御装置の一端を前記気液分離器のガス側に接続し、その他端を蒸発器から圧縮機に至る主配管に接続することにより、以下に列挙する効果が得られる。
（イ）オイルブリードが不要となるため、オイル戻し不良による圧縮機の不具合がなくなる。
（ロ）オイルトラップがなくなるため、オイル封入量が少なくてすむ。
（ハ）低流量時でも圧縮機へのオイル供給ができ圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）が低くなるため、圧力を上昇させることで冷房性能を向上できる。
（ニ）液冷媒のみ蒸発器に戻すことにより、蒸発器入口の各チューブへの液冷媒分布が均一になる。
特開２００２−６１９６６号公報

しかしながら、従来例の空気調和装置にあっては、気液分離器のガスを第２冷媒流量制御装置を経由して蒸発器の出口側流路に接続した構造であるが、第２冷媒流量制御装置は、バイパス配管の通路抵抗を一定の値に固定設定可能に構成されたものであるため、以下に述べるような問題点があった。

即ち、蒸発器の乾き度は、負荷の大きさやサイクルバランス等の状況変化に応じて変動するため、バイパス配管のガス冷媒流量が一定の値に固定設定されていると、例えば、蒸発器の乾き度の変動に対し、パイパス配管のガス冷媒流量が少ない場合、気液分離器においてガス冷媒が抜けきれないので、液冷媒の水位がだんだん低下し、高圧側へ冷媒が溜まり、圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）が上昇する。

蒸発器入口にもガス冷媒が流入し始め、冷房に有効な液冷媒流量が減少することで、蒸発器性能が低下する。

蒸発器性能が低下することで、圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）が低下し、低圧側に液冷媒が溜まることでも圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）が低下する。

以上の繰り返しにより、蒸発器性能が変動することで、蒸発器の吹き出し温度がハンチングを引き起こす。

また、蒸発器性能が変動することで、サイクル内では、圧力ハンチングも起きる。

液→液・ガス→ガスのように蒸発器入力の状態が変化することにより、冷媒の流動音が発生し易くなる。

本発明の解決しようとする課題は、蒸発器の乾き度がその時の状況（負荷の大きさやサイクルバランス）に応じた乾き度になるように制御することにより、蒸発器性能の変動を防止することができる空気調和装置を提供することにある。

上記課題を解決するため請求項１記載の空気調和方法は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置において、前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を接続し、該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分を前記蒸発器に接続する一方、ガス冷媒部分をバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続し、前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構を介装させ、蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出し、該目標の乾き度になるように可変絞り機構の絞り量を制御するようにしたことを特徴とする手段とした。

請求項３記載の空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置であって、前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器が接続され、該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分が前記蒸発器に接続される一方、ガス冷媒部分がバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続され、前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構が介装され、前記膨張弁入力圧力を検出する第１圧力検出手段と、膨張弁入力温度を検出する第１温度検出手段と、蒸発器入力圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記第１圧力検出手段で検出された膨張弁入力圧力と前記第１温度検出手段で検出された膨張弁入力温度と前記第２圧力検出手段で検出された蒸発器入力圧力から前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出す乾き度割り出し手段と、該乾き度割り出し手段で割り出された目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御する絞り量制御手段が備えられていることを特徴とする手段とした。

本発明では、上述のように、バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構を介装させ、蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出し、該目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御するようにしたことで、蒸発器入口への液冷媒とガス冷媒が安定して入ってきた乾き度にバランスした状態で流出するようになる。

従って、蒸発器の乾き度がその時の状況（負荷の大きさやサイクルバランス）に応じた乾き度になるように制御されることにより、蒸発器性能の変動を防止することができるようになるという効果が得られる。

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例の空気調和方法及び装置は、請求項１〜９に記載の発明に対応する。

まず、この実施例の空気調和装置を図面に基づいて説明する。

図１はこの実施例の空気調和装置を示す冷媒回路図、図２は要部拡大図、図３はこの実施例の空気調和装置の動作を説明するための圧力−エンタルピ線図、図４は絞り量制御手段の制御作動を示すフローチャートである。

この空気調和装置は、図１に示すように、圧縮機１と、凝縮器２と、内部熱交換器３と、膨張弁４と、気液分離器５と、蒸発器６と、を備えている。

そして、図２に示すように、膨張弁４と、気液分離器５と、蒸発器６が一つのブロックに一体化された構造となっている。

さらに詳述すると、上記内部熱交換器３は、高圧側内部熱交換器３１と低圧側内部熱交換器３２とで構成されている。

これら構成部品は、圧縮機１、凝縮器２、高圧側内部熱交換器３１、膨張弁４、気液分離器５、蒸発器６、低圧側内部熱交換器３２の順で、主配管７で接続されている。

上記気液分離器５は、該気液分離器５で分離された液冷媒部分が蒸発器６に接続される一方、ガス冷媒部分がバイパス配管８を介して蒸発器６の出口側の主配管７に接続されている。

そして、このバイパス配管８には該パイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構９が介装されている。
なお、以上のように構成される冷凍サイクル内に封入される冷媒として、二酸化炭素ＣＯ２が用いられている。

また、この実施例の空気調和装置には、膨張弁入力圧力を検出する第１圧力検出手段１０と、膨張弁入力温度を検出する第１温度検出手段１１と、蒸発器入力圧力を検出する第２圧力検出手段１２と、第１圧力検出手段１０で検出された膨張弁入力圧力と第１温度検出手段１１で検出された膨張弁入力温度と第２圧力検出手段１２で検出された蒸発器入力圧力から蒸発器６の制御すべき目標の乾き度Ｘを割り出す乾き度割り出し手段１３と、該乾き度割り出し手段１３で割り出された目標の乾き度Ｘになるように可変絞り機構９の絞り量を制御する絞り量制御手段１４と、蒸発器出口圧力を検出する第３圧力検出手段１５と、蒸発器出口温度を検出する第２温度検出手段１６と、第３圧力検出手段１５で検知された蒸発器出口圧力と第２温度検出手段１６で検知された蒸発器出口温度から蒸発器６のスーパーヒートを検知するスーパーヒート検知手段１７と、該スーパーヒート検知手段１７で検知された蒸発器６のスーパーヒートが取れるように冷媒流量を制御する冷媒流量制御手段１８と、が備えられている。

次に、この実施例の空気調和装置の基本作動を図３を参照して説明する。

この実施例の空気調和装置では上述のように構成されるため、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒（図中ｂ）は、凝縮器２、高圧側内部熱交換器３１で空気などの冷却流体と熱交換して凝縮し、中温高圧の液冷媒（図中ｃ、ｄ）に変化する。

そして、膨張弁４により低温低圧の湿り蒸気（気液混合の冷媒）に変化（図中ｅ）し、気液分離器５に流入する。

気液分離器５に流入した湿り蒸気（図中ｅ）は液冷媒（図中ｆ）とガス冷媒（図中ｇ）に分離され、液冷媒（図中ｆ）は蒸発器５に供給され、蒸発器５における圧力損失によって圧力が低下しながら空気などの被冷却物と熱交換して蒸発気化し、さらに蒸発器低圧側内部熱交換器３２で空気などの冷却流体と熱交換して凝縮し（図中ｈ）、圧縮機１に戻る（図中ａ）。

一方、バイパス配管８に流入したガス冷媒（図中ｇ）は、可変絞り機構９により所定の流量に絞り制御されて減圧され、蒸発器５出口の低圧ガス冷媒（図中ｈ）と合流し、上述のように低圧側内部熱交換器３２で空気などの冷却流体と熱交換して凝縮し、圧縮機１に戻る（図中ａ）。

次に、絞り量制御手段１３の制御作動を、図４のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１では、第１圧力検出手段１０で検出された膨張弁入力圧力と第１温度検出手段１１で検出された膨張弁入力温度から膨張弁４の入口（ｄ）のエンタルピを算出する。

次に、ステップＳ２では、第２圧力検出手段１２で検出された蒸発器６の入口（ｅ）の入力圧力から、液エンタルピ（ｆ）とガスエンタルピ（ｇ）を算出する。

次に、ステップＳ３では、次式により、制御すべき目標の乾き度Ｘを算出する。
Ｘ＝ｉｄ−ｉｆ／ｉｇ−ｉｆ （Ｘ：乾き度 ｉ：エンタルピ）

次に、ステップＳ４では、システム冷媒流量Ｇｒを算出する。

即ち、エンジン回転数及びプーリー比（定数）より圧縮機１の回転数Ｎｃを算出し、圧縮機１の入口（ａ）の入力圧力と温度より冷媒密度ρを算出し、圧縮機１の入口（ａ）の入力圧力と出口（ｂ）の出力圧力より圧力比を算出し、回転数Ｎｃと、圧力比と体積効率の相関式又はマップより圧縮機１の体積効率ηｖを算出し、次式によりシステム冷媒流量Ｇｒを算出する。
Ｇｒ＝Ｎｃ×ρ×ηｖ

次に、ステップＳ５では、次式によりバイパス配管８のガス冷媒重量流量Ｇｒgasを算出する。
Ｇｒgas＝Ｇｒ×Ｘ

次に、ステップＳ６では、可変絞り機構９前後の圧力差と、可変絞り機構９のＣｖ値とオリフィス絞り量の相関式又はマップより、可変絞り機構９のオリフィス絞り量を算出する。

次に、ステップＳ７では、算出されたオリフィス絞り量に可変絞り機構９を制御する。

次に、冷媒流量制御手段１５の制御作動を説明する。

まず、スーパーヒート検知手段１７において、第３圧力検出手段１５で検知された蒸発器出口圧力と第２温度検出手段１６で検知された蒸発器出口温度から蒸発器６のスーパーヒートを検知する。

そして、冷媒流量制御手段１５では、スーパーヒート検知手段１７で検知された蒸発器６のスーパーヒート（０℃）が取れるように冷媒流量を制御する。

この冷媒流量制御は、膨張弁４の絞り量を制御するか、圧縮機１をデストロークすることにより行われる。

次に、この実施例の効果を説明する。

この実施例の空気調和装置では、述のように、バイパス配管８に該パイパス配管８を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構９を介装させ、蒸発器６の制御すべき目標の乾き度Ｘを割り出し、該目標の乾き度Ｘになるように可変絞り機構９の絞り量を制御するようにしたことで、蒸発器入口への液冷媒とガス冷媒が安定して入ってきた乾き度Ｘにバランスした状態で流出するようになる。

従って、蒸発器６の乾き度がその時の状況（負荷の大きさやサイクルバランス）に応じた乾き度Ｘになるように制御されることにより、蒸発器性能の変動を防止することができるようになるという効果が得られる。

また、スーパーヒート検知手段１７で検知された蒸発器６のスーパーヒートが取れるように冷媒流量を制御する冷媒流量制御手段１８を備えたことで、蒸発器６のスーパーヒート（０℃）が常時取れるようになる。

また、膨張弁４と気液分離器５と蒸発器６が一つのブロックに一体化されることで、コンパクト化が可能になるだけでなく、これら構成部品間を接続する配管を省略できるため、組付性の向上と、コストの低減化が可能になると共に、主配管流路の短縮により流路抵抗を低減できるようになる。

以上本実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、実施例では、内部熱交換器３を備えたが、これを備えないシステムにも本発明を適用することができる。

実施例の空気調和装置を示す冷媒回路図である。 要部拡大図である。 実施例の空気調和装置の動作を説明するための圧力−エンタルピ線図である。 絞り量制御手段の制御作動を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 内部熱交換器
３１ 高圧側内部熱交換器
３２ 低圧側内部熱交換器
４ 膨張弁
５ 気液分離器
６ 蒸発器
７ 主配管
８ バイパス配管
９ 可変絞り機構
１０ 第１圧力検出手段
１１ 第１温度検出手段
１２ 第２圧力検出手段
１３ 乾き度割り出し手段
１４ 絞り量制御手段
１５ 第１圧力検出手段
１６ 第２温度検出手段
１７ スーパーヒート検知手段
１８ 冷媒流量制御手段

Claims (9)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置において、
   前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を接続し、
   該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分を前記蒸発器に接続する一方、ガス冷媒部分をバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続し、
   前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構を介装させ、
   前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出し、該目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御するようにしたことを特徴とする空気調和方法。
2. 請求項１に記載の空気調和方法において、前記膨張弁の入力圧力と入力温度と蒸発器の入力圧力から前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出すようにしたことを特徴とする空気調和方法。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を主な構成部品として備え、これら構成部品を順次主配管で接続した空気調和装置であって、
   前記膨張弁と蒸発器との間に気液分離器が接続され、
   該気液分離器は該気液分離器で分離された液冷媒部分が前記蒸発器に接続される一方、ガス冷媒部分がバイパス配管を介して蒸発器の出口側に接続され、
   前記バイパス配管に該パイパス配管を流れるガス冷媒の流量を可変制御可能な可変絞り機構が介装され、
   膨張弁入力圧力を検出する第１圧力検出手段と、膨張弁入力温度を検出する第１温度検出手段と、蒸発器入力圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記第１圧力検出手段で検出された膨張弁入力圧力と前記第１温度検出手段で検出された膨張弁入力温度と前記第２圧力検出手段で検出された蒸発器入力圧力から前記蒸発器の制御すべき目標の乾き度を割り出す乾き度割り出し手段と、該乾き度割り出し手段で割り出された目標の乾き度になるように前記可変絞り機構の絞り量を制御する絞り量制御手段が備えられていることを特徴とする空気調和装置。
4. 請求項３に記載の空気調和装置において、蒸発器出口圧力を検出する第３圧力検出手段と、蒸発器出口温度を検出する第２温度検出手段と、前記第３圧力検出手段で検知された蒸発器出口圧力と第２温度検出手段で検知された蒸発器出口温度から前記蒸発器のスーパーヒートを検知するスーパーヒート検知手段と、該スーパーヒート検知手段で検知された前記蒸発器のスーパーヒートが取れるように冷媒流量を制御する冷媒流量制御手段が備えられていることを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項４に記載の空気調和装置において、前記冷媒流量制御手段が前記膨張弁の絞り量を制御することにより冷媒流量を制御するように構成されていることを特徴とする空気調和装置。
6. 請求項４に記載の空気調和装置において、前記冷媒流量制御手段が前記圧縮機をデストロークすることにより冷媒流量を制御するように構成されていることを特徴とする空気調和装置。
7. 請求項３〜６のいずれか１項に記載の空気調和装置において、前記凝縮器出口冷媒を熱交換するための高圧側内部熱交換器と前記蒸発器出口冷媒を熱交換するための低圧側内部熱交換器とを備え、該低圧側内部熱交換器の出口或いは低圧側内部熱交換器の入口から出口の間でスーパーヒート制御するようにしたことを特徴とする空気調和装置。
8. 請求項３〜７のいずれか１項に記載の空気調和装置において、前記膨張弁と気液分離器と蒸発器が一つのブロックに一体化されていることを特徴とする空気調和装置。
9. 請求項３〜８のいずれか１項に記載の空気調和装置において、前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする空気調和装置。

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