JP2008196826A - Refrigerating cycle apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus including a refrigerant circuit in which a compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected by piping.
従来この種冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器等を配管接続することにより冷媒回路が構成されている。そして、圧縮機で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、放熱器にて放熱され、膨張弁にて圧力が低下した後、蒸発器にて周囲と熱交換して蒸発する。そして、蒸発器から出た冷媒は、再び圧縮機に吸い込まれるサイクルを繰り返すものであった。このような冷凍サイクル装置では、圧縮機に液冷媒が戻り、当該圧縮機が液圧縮して損傷を受ける不都合を防ぐために、圧縮機に流入する冷媒の状態に基づいて膨張弁の弁開度が制御されていた。 Conventionally, in this type of refrigeration cycle apparatus, a refrigerant circuit is configured by connecting a compressor, a radiator, an expansion valve, an evaporator, and the like by piping. And the refrigerant | coolant which became high temperature / high pressure by compressing with a compressor is thermally radiated with a heat radiator, and after a pressure falls with an expansion valve, it heat-exchanges with the circumference | surroundings with an evaporator and evaporates. And the refrigerant | coolant which came out of the evaporator repeated the cycle sucked into a compressor again. In such a refrigeration cycle apparatus, in order to prevent the disadvantage that liquid refrigerant returns to the compressor and the compressor is liquid compressed and damaged, the valve opening of the expansion valve is based on the state of the refrigerant flowing into the compressor. It was controlled.
具体的には、蒸発器の入口側と出口側とに当該蒸発器の出入口における冷媒温度を検出することができる温度センサ(温度測定用サーミス等)を夫々設置し、各温度センサにて検出される冷媒温度に基づいて、蒸発器から出る冷媒の過熱度が十分に確保されるように膨張弁の開度が制御されていた。また、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに換えて、圧縮機の直前に温度センサを設けて、膨張弁の弁開度を制御するものもあった(例えば、特許文献1参照)。
上記のように蒸発器の出入口の冷媒温度に基づき膨張弁の弁開度を制御した場合には、圧縮機に液冷媒が吸い込まれる不都合は解消できるが、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに至る前に冷媒が既に気体(ガス)の状態となるように制御されるため、蒸発器内の出口付近で冷媒が既に気体の状態となる場合が多く、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させることができなかった。また、蒸発器の出口側に設けられた温度センサに換えて、圧縮機の直前に温度センサを設けて、膨張弁を制御したとしても、冷媒が蒸発器の出口まで冷媒の液分が残っていたか、或いは、蒸発器4内の出口付近で既に気体の状態であったかを判断することができなかった。従って、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させることが困難であった。
When the valve opening degree of the expansion valve is controlled based on the refrigerant temperature at the inlet / outlet of the evaporator as described above, the disadvantage that the liquid refrigerant is sucked into the compressor can be eliminated, but the temperature provided at the outlet side of the evaporator Since the refrigerant is controlled to be in a gas (gas) state before reaching the sensor, the refrigerant is often in a gas state in the vicinity of the outlet in the evaporator, and the entire evaporator exhibits heat absorption capability. I couldn't let you. Even if the temperature sensor is provided immediately before the compressor instead of the temperature sensor provided on the outlet side of the evaporator and the expansion valve is controlled, the refrigerant remains in the refrigerant until the outlet of the evaporator. Alternatively, it was not possible to determine whether the gas was already in the vicinity of the outlet in the
本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、圧縮機に液冷媒が吸い込まれる不都合を確実に防止しながら、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて、蒸発器の冷却能力を改善することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the related art, and while reliably preventing the inconvenience of the liquid refrigerant being sucked into the compressor, the evaporator exhibits the heat absorption capability, and the evaporator An object of the present invention is to provide a refrigeration cycle apparatus capable of improving the cooling capacity.
本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えたものであって、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第1の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第2の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。 The refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a refrigerant circuit formed by sequentially connecting a compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator, and includes a header connected to the outlet side of the evaporator, and an evaporator A first temperature sensor that detects the refrigerant temperature at the inlet, a second temperature sensor that detects the refrigerant temperature at the header or the refrigerant temperature at the header outlet, and the valve opening of the expansion valve based on the outputs of both the temperature sensors And control means for controlling.
請求項2の発明の冷凍サイクル装置は、上記において制御手段は、両温度センサの出力に基づいて蒸発器における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小することを特徴とする。 In the refrigeration cycle apparatus according to the second aspect of the present invention, the control means determines the degree of superheat of the refrigerant in the evaporator based on the outputs of the two temperature sensors. When the degree of superheating is small, the opening degree of the expansion valve is reduced.
請求項3の発明の冷凍サイクル装置は、上記各発明において放熱器を出た冷媒とヘッダーを出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a refrigeration cycle apparatus comprising an internal heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant that has exited the radiator and the refrigerant that has exited the header.
請求項4の発明の冷凍サイクル装置は、請求項1乃至請求項3の何れかに記載の発明において冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする。 A refrigeration cycle apparatus according to a fourth aspect of the invention is characterized in that carbon dioxide is used as a refrigerant in the invention according to any one of the first to third aspects.
本発明によれば、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第1の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第2の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたので、例えば、請求項2の発明の如く制御手段が、両温度センサの出力に基づいて蒸発器における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小するものとすれば、蒸発器出口まで液状態の冷媒が来るように最適な状態に制御することができる。これにより、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。 According to the present invention, in a refrigeration cycle apparatus including a refrigerant circuit formed by sequentially connecting a compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator, a header connected to the outlet side of the evaporator, and an evaporator inlet The first temperature sensor that detects the refrigerant temperature, the second temperature sensor that detects the refrigerant temperature in the header or the refrigerant temperature at the header outlet, and the valve opening degree of the expansion valve based on the outputs of both the temperature sensors For example, as in the second aspect of the present invention, the control means determines the degree of superheat of the refrigerant in the evaporator based on the outputs of the two temperature sensors, and if the degree of superheat is large, the expansion valve If the valve opening of the expansion valve is enlarged and the valve opening of the expansion valve is reduced when the degree of superheat is small, it can be controlled to an optimum state so that liquid refrigerant comes to the evaporator outlet. As a result, the cooling capacity can be improved by exhibiting endothermic capacity in the entire evaporator. Furthermore, power consumption can be reduced by improving the cooling capacity of the evaporator.
また、請求項3の発明では、上記各発明において放熱器を出た冷媒とヘッダーを出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたので、放熱器から出た冷媒を当該内部熱交換器にてヘッダーを出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができるようになる。 Further, in the invention of claim 3, since the internal heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant exiting the radiator and the refrigerant exiting the header in each of the above inventions is provided, the refrigerant exiting from the radiator is exchanged with the internal heat exchanger. It can be cooled by exchanging heat with the refrigerant that has left the header. As a result, the cooling capacity can be further improved.
特に、蒸発器の出口側にヘッダーを接続し、このヘッダーを出た冷媒を内部熱交換器に流すことで、この内部熱交換器に流れるヘッダーを経た冷媒は気体となるので、冷媒回路の状態を安定させることができる。 In particular, the header is connected to the outlet side of the evaporator, and the refrigerant that has flowed out of the header flows into the internal heat exchanger. Can be stabilized.
更に、万がー、ヘッダーからの冷媒に液状態の冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器にて蒸発させることができるので、圧縮機に液状態の冷媒が吸い込まれて、圧縮機が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。 Furthermore, even if liquid refrigerant is mixed with the refrigerant from the header, it can be evaporated by the internal heat exchanger, so the liquid refrigerant is sucked into the compressor. Thus, the inconvenience of the liquid compression by the compressor can be surely eliminated.
また、請求項1乃至請求項3の何れかの発明の冷凍サイクル装置において、請求項4の如く冷媒として二酸化炭素を用いた場合にも、冷却能力を改善することができるようになる。
In the refrigeration cycle apparatus according to any one of
本発明は、圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を順次配管接続して成る冷媒回路を備えた冷凍サイクル装置において、圧縮機に液状態の冷媒が吸い込まれる不都合を確実に解消しながら、蒸発器の出口まで液状態の冷媒が来るような最適な状態とすることが困難であったという問題を解消するためになされたものである。圧縮機が液圧縮する不都合を確実に防ぎながら、蒸発器全体で吸熱能力を発揮させて、冷却能力を改善するという目的を、蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第1の温度センサと、ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第2の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えることにより実現した。以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。 The present invention, in a refrigeration cycle apparatus having a refrigerant circuit comprising a compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator connected in sequence, reliably eliminates the disadvantage that liquid refrigerant is sucked into the compressor, It was made to solve the problem that it was difficult to achieve an optimal state in which liquid refrigerant came to the outlet of the evaporator. The header connected to the outlet side of the evaporator and the refrigerant at the inlet of the evaporator, aiming to improve the cooling capacity by demonstrating the endothermic capacity of the entire evaporator while reliably preventing the disadvantage of liquid compression of the compressor The first temperature sensor for detecting the temperature, the second temperature sensor for detecting the refrigerant temperature at the header or the refrigerant temperature at the header outlet, and the opening degree of the expansion valve are controlled based on the outputs of the two temperature sensors. This is realized by providing control means. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例の冷凍サイクル装置の冷媒回路図を示している。冷凍サイクル装置Sは、コンプレッサ1、放熱器2、膨張弁3及び蒸発器4等を順次配管接続して成る冷媒回路から構成されている。本実施例の冷凍サイクル装置Sは、例えば、冷蔵庫等の冷却用途に使用されるものであり、従って、蒸発器4は冷蔵庫の庫内を冷却可能に設置されているものとする。
FIG. 1 shows a refrigerant circuit diagram of a refrigeration cycle apparatus according to an embodiment of the present invention. The refrigeration cycle apparatus S is composed of a refrigerant circuit in which a
また、実施例のコンプレッサ1は、駆動要素としての図示しない電動要素と、この電動要素にて駆動される第1の圧縮要素1Aと第2の圧縮要素1Bから成る多段(2段)圧縮式の圧縮機であり、低段となる第1の圧縮要素1Aの吸込側(入口側)には第1の圧縮要素1Aに冷媒を導入するための冷媒導入管10が接続されている。
The
また、第1の圧縮要素1Aの吐出側(出口側)と高段となる第2の圧縮要素1Bの吸込側(入口側)とは冷媒導入管11にて接続されており、この冷媒導入管11は、コンプレッサ1の外部に構成された中間冷却器8を通過するように配置されている。当該中間冷却器8は、第1の圧縮要素1Aで圧縮された後、第2の圧縮要素1Bに吸い込まれる冷媒を冷却するためのものである。即ち、第1の圧縮要素1Aで圧縮され、中間圧となった冷媒は中間冷却器8にて冷却された後、第2の圧縮要素1Bに吸い込まれるよう構成されている。そして、第2の圧縮要素1Bの吐出側には冷媒吐出管12の一端が接続され、ここからコンプレッサ1にて圧縮された冷媒が外部に吐出されることとなる。
Further, the discharge side (exit side) of the
上記冷媒吐出管12の他端は放熱器2の入口に接続されている。放熱器2の出口に接続された冷媒配管13は、内部熱交換器7を経て膨張弁3に至る。この膨張弁3は冷凍サイクル装置Sの制御手段としての制御装置30により絞り量が全閉状態から全開状態までそれぞれ段階的に制御(ステップ制御)される電動膨張弁にて構成されている。また、膨張弁3から出た冷媒配管14は蒸発器4の入口に接続され、蒸発器4から出た冷媒配管15は後述するヘッダー5の入口42に接続されている。また、ヘッダー5の出口43には、前記コンプレッサ1の冷媒導入管10が接続されて、これにより、環状の冷媒回路が構成されている。
The other end of the
また、上記内部熱交換器7は、放熱器2を出て冷媒配管13を流れる高圧側の冷媒と上記ヘッダー5を出て冷媒導入管10を流れる低圧側の冷媒とを熱交換させるための熱交換器である。また、図中17は逆止弁であり、この逆止弁17はコンプレッサ1の吸込側(第1の圧縮要素1A側)を順方向として冷媒導入管10の途中部であって、内部熱交換器7の冷媒下流側に介設されている。
Further, the
上記冷媒回路には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒であるCO2(二酸化炭素)が用いられている。本実施例では当該二酸化炭素冷媒を超臨界状態まで圧縮するものとし、放熱器2では凝縮させず、従って、冷媒の温度のみを低下させ、膨張弁3における減圧で超臨界状態から気相(ガス)/液相の混在した二相混合状態に変化させるものとする。
In the refrigerant circuit, CO 2 (carbon dioxide), which is a natural refrigerant, is used as a refrigerant, which is friendly to the global environment and takes into consideration flammability and toxicity. In the present embodiment, the carbon dioxide refrigerant is compressed to a supercritical state, and is not condensed in the
ところで、このような冷凍サイクル装置Sでは蒸発器4にて冷媒が完全に蒸発せずに、液状態の冷媒(液相冷媒)が残った状態となり、この液状態の冷媒が混在した状態のままコンプレッサ1に戻ると、コンプレッサ1が液圧縮して損傷を受けるため、コンプレッサ1に吸い込まれる冷媒は確実に気体の状態とする必要がある。そのため、蒸発器4の冷媒温度に基づいて、膨張弁3の弁開度を制御し、コンプレッサ1に吸い込まれる冷媒の過熱度を十分に確保しなければならなかった。
By the way, in such a refrigeration cycle apparatus S, the refrigerant is not completely evaporated in the
この場合、従来の冷凍サイクル装置では、図8に示すように蒸発器4の入口側の配管14と蒸発器4の出口側の配管15にそれぞれ温度測定用サーミスタから成る温度センサ20、25を取り付け、両温度センサ20、25にて検出される冷媒の温度に基づき膨張弁3の弁開度が制御されていた。
In this case, in the conventional refrigeration cycle apparatus, as shown in FIG. 8,
具体的には、蒸発器4にて冷媒が完全に蒸発して、蒸発器4から吐出される冷媒が完全に気体となる場合には、温度センサ25にて検出される冷媒温度は高くなる。即ち、温度センサ20にて検出される冷媒と温度センサ25にて検出される冷媒との温度差が大きくなる。これに対し、蒸発器4にて冷媒が完全に蒸発せずに、液状態の冷媒が混在した状態では、温度センサ25にて検出される冷媒温度は低くなる。即ち、温度センサ20にて検出される冷媒と温度センサ25にて検出される冷媒との温度差が小さくなる。
Specifically, when the refrigerant is completely evaporated in the
そこで、従来の冷凍サイクル装置では、制御装置(制御手段)により、温度センサ20と温度センサ25にて検出される冷媒温度の出力に基づいて、両温度センサ20、25にて検出される冷媒の温度差が大きくなるように膨張弁3の弁開度を制御して、蒸発器4にて冷媒を完全に蒸発させて、係るコンプレッサ1の液圧縮を確実に防いでいた。
Therefore, in the conventional refrigeration cycle apparatus, based on the output of the refrigerant temperature detected by the
しかしながら、上記の如く膨張弁3を制御した場合、蒸発器4から出る冷媒を完全に気体の状態とすることができるが、蒸発器4内の出口付近で冷媒が既に気体の状態となるため、係る蒸発器4全体で吸熱能力を発揮させることができなかった。
However, when the expansion valve 3 is controlled as described above, the refrigerant exiting the
また、蒸発器4の出口側に設けた温度センサ25に換えてコンプレッサ1の吸込側(図8では内部熱交換器7の出口側の冷媒導入管10)に温度センサを設けて、この温度センサと蒸発器4の入口の温度センサ20にて検出される冷媒温度に基づいて、膨張弁3を制御したとしても、上記同様にコンプレッサ1に吸い込まれる冷媒が完全に気体となるように制御することができるだけで、蒸発器4内において冷媒が出口付近まで液状態であるか否かを判断することはできなかった。従って、この場合にも蒸発器4全体で吸熱能力を発揮させることが困難であった。
Further, in place of the
そこで、本発明では、蒸発器4の出口側にヘッダー5と、蒸発器入口の冷媒温度を検出する第1の温度センサ(温度測定用サーミスタ)と、前記ヘッダー5における冷媒温度、若しくは、当該ヘッダー5出口の冷媒温度を検出する第2の温度センサ(温度測定用サーミスタ等)とを設けて、両温度センサの出力に基づいて膨張弁3の弁開度を制御するものとする。
Therefore, in the present invention, the
具体的に、本実施例では前記蒸発器4の出口温度を検出する温度センサ25を廃止し、蒸発器4の出口側にヘッダー5を設けて、新たにこのヘッダー5における冷媒温度を検出する温度センサ22(第2の温度センサ)を設置すると共に、制御装置30が蒸発器4の入口側の温度センサ20(第1の温度センサ)と、温度センサ22の出力に基づいて膨張弁3の弁開度を段階的に制御(ステップ制御)するものとする。
Specifically, in this embodiment, the
上記ヘッダー5は、蒸発器4からの液状態の冷媒を貯留することができるものである。実施例のヘッダー5は、縦長円筒状の容器40から構成され、この容器40の底面40Bの軸心方向の略中心には入口42が形成されており、当該入口42には前記蒸発器4の出口に接続された冷媒配管15が接続され、この冷媒配管15の一端が容器40内の上方であって、当該容器40内に貯留される液冷媒の液面より上となる位置にて開口している。また、容器40の天面40Tの軸心方向の略中心には出口43が形成されている。この出口43にはコンプレッサ10の第1の圧縮要素1Aの吸込側に至る前記冷媒導入管10が接続されている。
The
これにより、入口42に接続された冷媒配管15より当該ヘッダー5の容器40に流入した冷媒のうち、液状態の冷媒が当該容器40内に蓄えられて、気体の冷媒のみが出口43に接続された冷媒導入管10よりヘッダー5から出て行くこととなる。
As a result, of the refrigerant that has flowed into the
また、上記温度センサ20は、膨張弁3の出口から蒸発器4の入口、或いは、蒸発器4に入った直後までの間に設けるものとする。本実施例の温度センサ20は、膨張弁3の出口と蒸発器4の入口とを接続する冷媒配管14の途中部に交熱的に取り付けられている。そして、本実施例の温度センサ22は、図2に示すようにヘッダー5の容器40入口に接続された冷媒配管15の開口15Aの直上となる位置、即ち、当該ヘッダー5内に貯留される液冷媒の最大液位より上となる容器40の側面に交熱的に取り付けられている。従って、温度センサ22はヘッダー5内に流入した冷媒によって冷却された当該ヘッダー5自体の温度から実質的にヘッダー5内の冷媒温度を検出している。この場合、内部熱交換器7は温度センサ22の冷媒下流側に位置することとなる。
The
ここで、制御装置30は、前記温度センサ20、22にて検出される冷媒温度に基づいて、膨張弁3の弁開度を段階的に制御(ステップ制御)している。具体的に、制御装置30は、両温度センサ20、22の出力に基づいて蒸発器4における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小する。
Here, based on the refrigerant temperature detected by the
この場合、本発明の如くヘッダー5を設けると共に、当該ヘッダー5に温度センサ22を取り付けて、ヘッダー5における冷媒温度を検出することで、ヘッダー5内の液冷媒の有無により膨張弁3の弁開度を制御することができるようになる。即ち、蒸発器4から出た冷媒が殆ど気体の状態となると、ヘッダー5内の液冷媒が少なく、或いは、無くなるので、ヘッダー5内における冷媒温度がその分高くなる。これにより、蒸発器4に入る冷媒とヘッダー5における冷媒との温度差が大きくなることとなる。これに対して、蒸発器4から出た冷媒が気液混合状態中であって、その液分が多くなると、ヘッダー5内の液量が多くなり、蒸発器4に入る冷媒とヘッダー5における冷媒との温度差が小さくなる。
In this case, the
そこで、温度センサ22にて検出されるヘッダー5における冷媒と温度センサ20にて検出される蒸発器4入口の冷媒との温度差に基づいて、当該温度差がヘッダー5に液冷媒が所定量溜まっている状態となるように制御装置30により膨張弁3の弁開度を制御するものとする。即ち、温度センサ22にて検出される冷媒と温度センサ20にて検出される冷媒との温度差がヘッダー5に液冷媒が所定量溜まっている状態となる所定範囲内、即ち、所定の上限値Tmaxと所定の下限値Tminの間となるように予め設定し、この設定されたされた範囲内となるように制御装置30により膨張弁3の弁開度を制御するものとする。具体的な膨張弁3の制御については後に詳述する。
Therefore, based on the temperature difference between the refrigerant in the
以上の構成で、次に、本実施例の冷凍サイクル装置Sの動作を図3のp−h線図(モリエル線図)を用いて説明する。先ず、冷凍サイクル装置Sの電源が投入されると、制御装置30により、コンプレッサ1の図示しない電動要素に通電される。これにより、第1及び第2の圧縮要素1A、1Bが駆動されて、冷媒導入管10から第1の圧縮要素1Aに蒸発器4からの低温低圧の冷媒が吸い込まれる(図3のAの状態)。第1の圧縮要素1Aに吸い込まれた冷媒は、圧縮されて中間圧となり、冷媒導入管11に吐出される(図3のBの状態)。冷媒導入管11に吐出された中間圧の冷媒は、中間冷却器5を通過する過程で冷却される(図3のCの状態)。これにより、第2の圧縮要素1Bに吸い込まれる冷媒を冷却することができるので、第2の圧縮要素1Bにおける圧縮効率を向上させることができる。更に、第2の圧縮要素1Bで圧縮され、吐出される冷媒の温度上昇も抑制して、蒸発器4における冷却能力(冷凍能力)の改善に寄与できる。
Next, the operation of the refrigeration cycle apparatus S of the present embodiment will be described with reference to the ph diagram (Mollier diagram) of FIG. First, when the power of the refrigeration cycle apparatus S is turned on, the
中間冷却器5で冷却され、図3のCの状態となった冷媒は、第2の圧縮要素1Bに吸入され、2段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管12より圧縮機1の外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている(図3のDの状態)。コンプレッサ1から吐出された冷媒は冷媒吐出管12を経て放熱器2に流入し、そこで放熱した後(図3のEの状態)、放熱器2から出て冷媒配管13に入り、内部熱交換器7を通過する。
The refrigerant cooled by the
そして、当該内部熱交換器7を流れる過程で冷媒配管13を流れる放熱器2から出た高圧側の冷媒は、ヘッダー5を出た低圧側の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒配管13を流れる高圧側の冷媒は、冷媒導入管10を流れる低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却される(図3のFの状態)。
The high-pressure side refrigerant discharged from the
この内部熱交換器7の存在により、放熱器2を経た高圧側の冷媒は、低圧側の冷媒に熱を奪われ冷却されて、図3のEの状態からFの状態となるるので、その分、冷媒の過冷却度が大きくなり、蒸発器4におけるエントルピー差を拡大することができる。これにより、蒸発器4における冷却能力を向上させることが可能となる。
Due to the presence of the
係る内部熱交換器7で冷却されて図3のFの状態となった冷媒は、膨張弁3に至る。そして、冷媒は膨張弁3における減圧作用で圧力が低下し(図3のGの状態)、その状態で蒸発器4に流入して蒸発し、周囲の空気から吸熱することにより冷却作用を発揮する(図3のHの状態)。蒸発器4にて蒸発した冷媒はヘッダー5に流入する。このとき、蒸発器4から出た冷媒は完全に気体の状態ではなく液体が混在した二相混合状態であり、この冷媒の液相分がヘッダー5において分離され、当該ヘッダー5の容器40内に貯留される。
The refrigerant that has been cooled by the
そして、この液相分と分離された気相冷媒はこの容器40内に接続された冷媒導入管10に流入し、前記内部熱交換器7を通過する。そして、内部熱交換器7を流れる過程で冷媒導入管10を流れる低圧側の冷媒は、前述した冷媒配管13を流れる放熱器2から出た高圧側の冷媒と熱交換する。これにより、冷媒導入管10を流れる低圧側の冷媒は、冷媒配管13を流れる高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けて図3のAの状態となる。内部熱交換器7で加熱された冷媒は、コンプレッサ1の第1の圧縮要素1Aに吸い込まれるサイクルを繰り返す。
The gas phase refrigerant separated from the liquid phase component flows into the
次に、上記運転時における膨張弁3の弁開度制御について図4を用いて詳述する。先ず、上述したように制御装置30によりコンプレッサ1の通電が開始されると(図4のステップS1)、制御装置30は、ステップS2に進んで各温度センサ20、22の出力を検出する。即ち、温度センサ20にて蒸発器4に入る冷媒温度(蒸発器入口温度)Teを検出すると共に、温度センサ22にてヘッダー5内における冷媒温度(ヘッダー側温度)Thを検出する。
Next, the valve opening degree control of the expansion valve 3 during the operation will be described in detail with reference to FIG. First, as described above, when energization of the
上記の如く各温度センサ20、22にて各冷媒温度Te、Thを検出すると、制御装置30は次にステップS3に移行し、過熱度を計算する。即ち、制御装置30は上記ステップS2にて検出した各冷媒温度Th、Teから過熱度SHを算出する。具体的に、制御装置30により、蒸発器4に入る冷媒温度Teとヘッダー5内における冷媒温度Thとの差(SH=Th−Te)が算出される。
If each
次に、制御装置30はステップS4に移行し、上記ステップS3にて算出された過熱度SHと、上述したように予め設定された所定の上限値Tmaxとを比較する。そして、過熱度SHが上限値Tmaxより高い場合、制御装置30はステップS5に移行し、膨張弁3の弁開度を拡大する。即ち、過熱度SHが上限値Tmaxより高いということは、ヘッダー5内に液が無く、蒸発器4の出口付近の冷媒が殆ど気体の状態であることを意味する。
Next, the
そこで、上記のようにステップS4にて過熱度SHが上限値Tmaxより高いと判断された場合には、制御装置30はステップS5に移行して、膨張弁3の弁開度を拡大する。具体的に、本実施例の制御装置30は、膨張弁3を所定ステップ(例えば、1ステップ)開いた後、ステップS2に戻る。このように、過熱度SHが上限値Tmaxより高い場合、膨張弁3の弁開度を拡大することで、膨張弁3の絞り量が減少し、蒸発器4により多くの冷媒が流れるようになる。
Therefore, when it is determined in step S4 that the superheat degree SH is higher than the upper limit value Tmax as described above, the
一方、ステップS4にて過熱度SHが上限値Tmax以下である場合、制御装置30は次にステップS6に移行し、過熱度SHと、予め設定された所定の下限値Tminとを比較する。そして、過熱度SHが下限値Tminより低い場合、制御装置30はステップS7に移行し、膨張弁3の弁開度を縮小する。即ち、過熱度SHが下限値Tminより低いということは、蒸発器4から出る冷媒の液分が多く、ヘッダー5内の液量が過剰であることを意味する。この場合には、ヘッダー5にて液状態の冷媒を分離しきれずに、冷媒導入管10内に冷媒中に液相の冷媒が流れ込む恐れがある。
On the other hand, when the superheat degree SH is equal to or lower than the upper limit value Tmax in step S4, the
そこで、上記のようにステップS6にて過熱度SHが下限値Tminより低いと判断された場合には、制御装置30はステップS7に移行して、膨張弁3の弁開度を縮小する。具体的に、本実施例の制御装置30は、膨張弁3を所定ステップ(例えば、1ステップ)閉じた後、ステップS2に戻る。このように、過熱度SHが下限値Tminより低い場合に、膨張弁3の弁開度を縮小することで、膨張弁3の絞り量が増大し、蒸発器4に流れる冷媒量が減少して、蒸発器4から出る冷媒の液分を少なくすることができる。
Therefore, when it is determined in step S6 that the degree of superheat SH is lower than the lower limit value Tmin as described above, the
他方、ステップS6にて過熱度SHが下限値Tmin以上である場合、蒸発器4の出口まで液状態の冷媒が来ており、且つ、ヘッダー5内に所定量の液冷媒が溜まった最適な状態であることを意味する。そこで、ステップS6にて過熱度SHが下限値Tmin以上である場合、制御装置30はステップS8に移行し、膨張弁3の弁開度を維持して(膨張弁3をそのままの状態として)、ステップS2に戻る。そして、制御装置30は係る制御動作を電源の始動から停止するまで繰り返し実行する。
On the other hand, if the degree of superheat SH is equal to or greater than the lower limit value Tmin in step S6, the optimal state in which the liquid refrigerant has reached the outlet of the
以上詳述したように、蒸発器4の出口側にヘッダー5と、蒸発器4の入口の冷媒温度を検出する温度センサ20と、ヘッダー5における冷媒温度を検出する温度センサ22とを設けて、制御装置30により両温度センサ20、22の出力に基づいて蒸発器4における冷媒の過熱度SHを判断し、この過熱度SHが所定の上限値Tmaxより大きい場合には、膨張弁3の弁開度を拡大し、過熱度SHが所定の下限値Tminより小さい場合には、膨張弁3の弁開度を縮小することで、上述したように蒸発器4出口まで液状態の冷媒が来るように最適な状態に制御することができる。
As described in detail above, the
これにより、蒸発器4全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器4の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。
Thereby, the heat absorption capability can be exhibited in the
また、放熱器2を出た冷媒とヘッダー5を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器7を備えることで、放熱器2から出た冷媒を当該内部熱交換器7にてヘッダー5を出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができる。特に、蒸発器4の出口側にヘッダー5を接続し、このヘッダー5を出た冷媒を内部熱交換器7に流すことで、この内部熱交換器7に流れるヘッダーを経た冷媒は通常、気体の状態となるため、当該内部熱交換器7における熱交換が安定し、従って、冷媒回路内を流れる冷媒の状態を安定化することができる。
Further, by providing an
更に、本実施例の如く内部熱交換器7を温度センサ22の冷媒下流側に設けることで、万が一、ヘッダー5からの冷媒に液冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器7にて蒸発させることができるので、コンプレッサ1に液冷媒が吸い込まれて、コンプレッサ1が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。
Furthermore, by providing the
更にまた、本実施例の如く冷凍サイクル装置の冷媒として、二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても、本発明により充分な冷却能力を得ることができる。従って、本実施例の如く当該二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置を冷蔵庫等の冷却用途に用いることが可能となり、当該冷凍サイクル装置の汎用性を高めることができるようになる。 Furthermore, even when carbon dioxide refrigerant is used as the refrigerant of the refrigeration cycle apparatus as in this embodiment, sufficient cooling capacity can be obtained by the present invention. Therefore, the refrigeration cycle apparatus using the carbon dioxide as a refrigerant as in this embodiment can be used for cooling purposes such as a refrigerator, and the versatility of the refrigeration cycle apparatus can be enhanced.
尚、本実施例では圧縮機として第1の圧縮要素1Aと第2の圧縮要素1Bとを備えた2段圧縮式のコンプレッサ1を用いて説明したが、圧縮機は実施例の如き2段の圧縮要素を備えたコンプレッサに限定されるものでなく、3段、4段、或いは、それ以上の圧縮要素要素を備えた圧縮機を適用することも可能である。また、図5に示すように単段のコンプレッサ1を用いることも可能である。
In the present embodiment, the description has been given using the two-
次に、本発明の他の実施例について図6を用いて説明する。尚、図6において前記図1乃至図5と同一の符号が付されたものは同様、或いは、類似の効果、若しくは、作用を奏するものであるため、ここでは説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 5 have the same or similar effects or actions, and thus the description thereof is omitted here.
上記実施例(実施例1)では、ヘッダー5の側面に温度センサ22を設置し、温度センサ22にてヘッダー5における冷媒温度を検出して、制御装置30により両温度センサ20、22の出力に基づいて膨張弁3の弁開度を制御するものとしたが、本施例では、上記実施例1の温度センサ22に換えて、図6に示す如きヘッダー5出口の冷媒温度を検出する温度センサ23(第2の温度センサ)を設置し、制御装置30により両温度センサ20、23の出力に基づいて膨張弁3の弁開度を制御する。
In the said Example (Example 1), the
即ち、本実施例の温度センサ23はヘッダー5の出口に接続された冷媒導入管10の途中部に交熱的に取り付けられている。従って、温度センサ23はヘッダー5から出た冷媒によって冷された冷媒導入管10の温度から実質的にヘッダー5から出た冷媒の温度を検出している。
That is, the
この場合、制御装置30は、温度センサ20、23にて検出される冷媒温度に基づき、膨張弁3の弁開度を膨張弁3の弁開度を段階的に制御(ステップ制御)している。具体的に、制御装置30は、両温度センサ20、23の出力に基づいて蒸発器4における冷媒の過熱度を判断し、この過熱度が大きい場合に膨張弁の弁開度を拡大し、過熱度が小さい場合は膨張弁の弁開度を縮小する。
In this case, the
本実施例の如くヘッダー5の出口に接続された冷媒導入管10に温度センサ23を取り付けて、ヘッダー5から出た冷媒の温度を検出することで、ヘッダー5内の液冷媒の有無を判断することができる。即ち、蒸発器4から出た冷媒が殆ど気体の状態となると、ヘッダー5内の液冷媒が少なく、或いは、無くなるので、冷媒導入管10に流れる冷媒の温度がその分高くなる。これにより、蒸発器4に入る冷媒とヘッダー5の出口の冷媒(冷媒導入管10を流れる冷媒)との温度差が大きくなる。これに対して、ヘッダー5内に液冷媒が貯留されており、且つ、冷媒導入管10に流れる冷媒が気体の状態となる場合には、蒸発器4に入る冷媒とヘッダー5出口の冷媒(即ち、冷媒導入管10に流れる冷媒)との温度差が上記より小さくなる。更に、ヘッダー5内の液量が過剰となり、冷媒導入管10に流れる冷媒中に液分が混在する状態となると、蒸発器4に入る冷媒とヘッダー5出口の冷媒との温度差がより一層小さくなる。
As in this embodiment, the
このように、ヘッダー5出口の冷媒の状態やヘッダー5内の状態により温度センサ20にて検出される冷媒と温度センサ23にて検出される冷媒との間に温度差が生じるので、係る温度差を考慮して、膨張弁3の弁開度を制御することで、蒸発器4の出口まで液状態の冷媒が来て、且つ、コンプレッサ1の入口では気体の状態となるような最適な状態とすることができる。
As described above, a temperature difference is generated between the refrigerant detected by the
そこで、本実施例では、温度センサ23にて検出されるヘッダー5出口の冷媒温度と温度センサ20にて検出される蒸発器4入口の冷媒温度との差に基づき、当該温度差がヘッダー5に液冷媒が溜まっている状態であって、且つ、係る温度センサ23が設けられた冷媒導入管10において冷媒が気体の状態となるように制御装置30により膨張弁3の弁開度を制御するものとする。即ち、温度センサ23にて検出される冷媒と温度センサ20にて検出される冷媒との温度差がヘッダー5に液冷媒が所定量溜まっている状態であって、且つ、冷媒導入管10において冷媒の状態が気体となる所定範囲内、即ち、所定の上限値Tmaxと所定の下限値Tminの間となるように予め設定し、この設定されたされた範囲内となるように制御装置30により膨張弁3の弁開度を制御するものとする。
Therefore, in this embodiment, based on the difference between the refrigerant temperature at the outlet of the
ここで、上記膨張弁3の弁開度制御について詳述する。尚、冷凍サイクル装置Sの動作は前記実施例1と同様であるため、ここでは説明を省略する。また、膨張弁3の弁開度制御については前記実施例1で用いた図4を用いて説明する。 Here, the valve opening degree control of the expansion valve 3 will be described in detail. Since the operation of the refrigeration cycle apparatus S is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted here. The valve opening control of the expansion valve 3 will be described with reference to FIG. 4 used in the first embodiment.
先ず、前記実施例同様に制御装置30によりコンプレッサ1の通電が開始されると(図4のステップS1)、制御装置30は、ステップS2に進んで各温度センサ20、23の出力を検出する。即ち、温度センサ20にて蒸発器4に入る冷媒温度(蒸発器入口温度)Teを検出すると共に、温度センサ23にて、冷媒導入管10を流れるヘッダー5出口の冷媒温度(ヘッダー側温度)Thを検出する。
First, when the
上記の如く各温度センサ20、23にて各冷媒温度Te、Thを検出すると、制御装置30は次にステップS3に移行し、過熱度を計算する。即ち、制御装置30は上記ステップS2にて検出した各冷媒温度Th、Teから過熱度SHを算出する。具体的に、制御装置30により、蒸発器4に入る冷媒温度Teとヘッダー5から出た冷媒温度Thとの差(SH=Th−Te)が算出される。
If each
次に、制御装置30はステップS4に移行し、上記ステップS3にて算出された過熱度SHと、上述したように予め設定された所定の上限値Tmaxとを比較する。そして、過熱度SHが上限値Tmaxより高い場合、制御装置30はステップS5に移行し、膨張弁3の弁開度を拡大する。即ち、過熱度SHが上限値Tmaxより高いということは、ヘッダー5内に液が無く、蒸発器4の出口付近の冷媒が殆ど気体の状態であることを意味する
Next, the
そこで、上記のようにステップS4にて過熱度SHが上限値Tmaxより高いと判断された場合には、制御装置30はステップS5に移行して、膨張弁3の弁開度を拡大する。具体的に、本実施例の制御装置30は、膨張弁3を所定ステップ(例えば、1ステップ)開いた後、ステップS2に戻る。このように、過熱度SHが上限値Tmaxより高い場合、膨張弁3の弁開度を拡大することで、膨張弁3の絞り量が減少し、蒸発器4により多くの冷媒が流れるようになる。
Therefore, when it is determined in step S4 that the superheat degree SH is higher than the upper limit value Tmax as described above, the
一方、ステップS4にて過熱度SHが上限値Tmax以下である場合、制御装置30は次にステップS6に移行し、過熱度SHと、予め設定された所定の下限値Tminとを比較する。そして、過熱度SHが下限値Tminより低い場合、制御装置30はステップS7に移行し、膨張弁3の弁開度を縮小する。即ち、過熱度SHが下限値Tminより低いということは、蒸発器4から出る冷媒の液分が多く、ヘッダー5内の液量が過剰となり、ヘッダー5にて液状態の冷媒を分離しきれずに、冷媒導入管10を通過する冷媒中に液冷媒が混在している恐れがあることを意味する。
On the other hand, when the superheat degree SH is equal to or lower than the upper limit value Tmax in step S4, the
そこで、上記のようにステップS6にて過熱度SHが下限値Tminより低いと判断された場合には、制御装置30はステップS7に移行して、膨張弁3の弁開度を縮小する。具体的に、本実施例の制御装置30は、膨張弁3を所定ステップ(例えば、1ステップ)閉じた後、ステップS2に戻る。このように、過熱度SHが下限値Tminより低い場合に、膨張弁3の弁開度を縮小することで、膨張弁3の絞り量が増大し、蒸発器4に流れる冷媒量が減少して、蒸発器4から出る冷媒の液分を少なくすることができる。
Therefore, when it is determined in step S6 that the degree of superheat SH is lower than the lower limit value Tmin as described above, the
他方、ステップS6にて過熱度SHが下限値Tmin以上である場合、蒸発器4の出口まで液状態の冷媒が来て、且つ、コンプレッサ1の入口では気体の状態となる最適な状態であることを意味する。そこで、ステップS6にて過熱度SHが下限値Tmin以上である場合、制御装置30はステップS8に移行し、膨張弁3の弁開度を維持して(膨張弁3をそのままの状態として)、ステップS2に戻る。そして、制御装置30はこの制御動作を電源の始動から停止するまで繰り返し実行する。
On the other hand, if the degree of superheat SH is equal to or greater than the lower limit value Tmin in step S6, the liquid state refrigerant comes to the outlet of the
以上詳述したように、蒸発器4の出口側にヘッダー5と、蒸発器4の入口の冷媒温度を検出する温度センサ20と、ヘッダー5出口の冷媒温度を検出する温度センサ23とを設けて、制御装置30により両温度センサ20、23の出力に基づいて蒸発器4における冷媒の過熱度SHを判断し、この過熱度SHが所定の上限値Tmaxより大きい場合には、膨張弁3の弁開度を拡大し、過熱度SHが所定の下限値Tminより小さい場合には、膨張弁3の弁開度を縮小することで、上記実施例同様の効果を得ることができるようになる。
As described above in detail, the
即ち、本実施例の場合にも、蒸発器4出口まで液状態の冷媒が来るような最適な状態に制御することができる。これにより、蒸発器4全体で吸熱能力を発揮させて冷却能力を改善することができるようになる。更に、係る蒸発器4の冷却能力の改善により消費電力の低減も図ることができるようになる。
That is, also in the case of the present embodiment, it is possible to control to an optimum state in which the liquid refrigerant comes to the outlet of the
また、放熱器2を出た冷媒とヘッダー5を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器7を備えることで、放熱器2から出た冷媒を当該内部熱交換器7にてヘッダー5を出た冷媒と熱交換させて冷却することができる。これにより、冷却能力をより一層改善することができる。特に、蒸発器4の出口側にヘッダー5を接続し、このヘッダー5を出た冷媒を内部熱交換器7に流すことで、この内部熱交換器7に流れるヘッダーを経た冷媒は通常、気体の状態となるため、当該内部熱交換器7における熱交換が安定し、従って、冷媒回路内を流れる冷媒の状態を安定化することができる。
Further, by providing an
更に、本実施例の如く内部熱交換器7を温度センサ23の冷媒下流側に設けることで、万が一、ヘッダー5からの冷媒に液冷媒が混在している場合であっても、当該内部熱交換器7にて蒸発させることができるので、コンプレッサ1に液冷媒が吸い込まれて、コンプレッサ1が液圧縮する不都合も確実に解消することができる。
Further, by providing the
更にまた、本実施例の如く冷凍サイクル装置の冷媒として、二酸化炭素冷媒を用いた場合であっても、本発明により充分な冷却能力を得ることができる。従って、本実施例の如く当該二酸化炭素を冷媒として用いた冷凍サイクル装置を冷蔵庫等の冷却用途に用いることが可能となり、当該冷凍サイクル装置の汎用性を高めることができるようになる。 Furthermore, even when carbon dioxide refrigerant is used as the refrigerant of the refrigeration cycle apparatus as in this embodiment, sufficient cooling capacity can be obtained by the present invention. Therefore, the refrigeration cycle apparatus using the carbon dioxide as a refrigerant as in this embodiment can be used for cooling purposes such as a refrigerator, and the versatility of the refrigeration cycle apparatus can be enhanced.
尚、本実施例では圧縮機として第1の圧縮要素1Aと第2の圧縮要素1Bとを備えた2段圧縮式のコンプレッサ1を用いて説明したが、圧縮機は実施例の如き2段の圧縮要素を備えたコンプレッサに限定されるものでなく、3段、4段、或いは、それ以上の圧縮要素要素を備えた圧縮機を適用することも可能である。また、図7に示すように単段のコンプレッサ1を用いても差し支えない。
In the present embodiment, the description has been given using the two-
更に、上記各実施例の冷凍サイクル装置では、冷媒として二酸化炭素を用いるものとしたが、請求項1乃至請求項3の発明では、冷媒は二酸化炭素に限定されない。従って、冷凍サイクル装置の冷媒として二酸化炭素以外に他の冷媒を用いても上記各発明は有効である。
Furthermore, in the refrigeration cycle apparatus of each of the above embodiments, carbon dioxide is used as the refrigerant. However, in the inventions of
S 冷凍サイクル装置
1 多段圧縮式コンプレッサ(圧縮機)
1A 第1の圧縮要素
1B 第2の圧縮要素
2 放熱器
3 膨張弁
4 蒸発器
5 ヘッダー
7 内部熱交換器
8 中間冷却器
9 逆止弁
10、11 冷媒導入管
12 冷媒吐出管
13、14、15 冷媒配管
20 温度センサ(第1の温度センサ)
22、23 温度センサ(第2の温度センサ)
30 制御装置(制御手段)
S
DESCRIPTION OF
22, 23 Temperature sensor (second temperature sensor)
30 Control device (control means)
Claims (4)
前記蒸発器の出口側に接続されたヘッダーと、前記蒸発器入口の冷媒温度を検出する第1の温度センサと、前記ヘッダーにおける冷媒温度、若しくは、当該ヘッダー出口の冷媒温度を検出する第2の温度センサと、両温度センサの出力に基づいて前記膨張弁の弁開度を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。 In a refrigeration cycle apparatus having a refrigerant circuit in which a compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected by piping,
A header connected to the outlet side of the evaporator; a first temperature sensor that detects a refrigerant temperature at the evaporator inlet; and a second temperature that detects a refrigerant temperature at the header or a refrigerant temperature at the header outlet. A refrigeration cycle apparatus comprising: a temperature sensor; and control means for controlling a valve opening degree of the expansion valve based on outputs of both temperature sensors.
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