JP2008232453A

JP2008232453A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2008232453A
Application number: JP2007068394A
Authority: JP
Inventors: Masaya Honma; 雅也本間; Yuichi Kusumaru; 雄一藥丸
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置の運転起動時に圧縮機の冷媒吐出温度を速やかに上昇させ、吐出圧力が異常上昇を抑制することができる。
【解決手段】本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機２１と、放熱器１６と、膨張機２２と、蒸発器１７とを順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、蒸発器１７は複数に分岐された冷媒入口配管を有し、蒸発器１７出口側の配管の少なくとも１つに膨張弁３２を設け、冷凍サイクル装置の運転起動時において、制御手段３６により膨張弁３２を閉じることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯機や空調機などの冷凍サイクル装置に関する

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１２は特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図１１に示す冷凍空調機１は、冷媒５を圧縮するための圧縮機２１と、圧縮機２１により圧縮された冷媒５を冷却するための放熱器１６と、放熱器１６を通過した冷媒５を膨張させるための膨張機２２と、膨張機２２により膨張した冷媒５を蒸発させるための蒸発器１７を有する。また、冷凍空調機１は、これらの間に冷媒５を循環させる冷媒配管１１を有する。更に圧縮機２１を通過した冷媒５に含まれている潤滑油６とを分離するためのオイル分離器１２が配設されている。オイル分離器１２には、冷媒５から分離された潤滑油６を蒸発器１７と圧縮機２１との間の冷媒配管１１１へ戻すオイル戻し管１３と、潤滑油６を放熱器１６と膨張機２１との間の冷媒配管１１３へ送るオイル送り管１４とが配設してある。また、オイル戻し管１３及びオイル送り管１４は、それぞれ可変の絞り１３１及び１４１を有する。また、蒸発器１７と圧縮機２１との間には蒸発器１７から排出された期待の冷媒５と、液体の冷媒５及び潤滑油６とを分離するためのアキュームレータ１８が設けてある。アキュームレータ１８からは分離された液体の冷媒５及び潤滑油６を、圧縮機２１の手前の冷媒配管１１１に所定量供給するオイル供給管１９が設けてある。オイル供給管１９には潤滑油６の供給量を調整するための調整弁１９が設けてある。また、圧縮機２１と膨張機２２は一体化され、レシプロタイプの圧縮膨張機２を構成している。
特開2001-141315号公報

しかしながら、冷凍サイクル装置１は、圧縮機２１と膨張機２２は一体化されているため圧縮機２１と膨張機２２が収納されている筐体が大型になり、熱容量や周囲への放熱量が大きくなることや、圧縮機２１から膨張機２２への熱移動が生じるため、起動時において圧縮機２１の吐出温度が速やかに上昇せず、吐出圧力が異常上昇するという課題を有していた。

前記課題を解決するために、本発明においては、圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器を順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、蒸発器は複数に分岐された冷媒入口配管を有し、蒸発器出口側の配管の少なくとも１つに第１の膨張弁を設け、冷凍サイクル装置の運転起動時において、第１の膨張弁を閉じるように調整する。

本発明の冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置の運転起動時に圧縮機の冷媒吐出温度を速やかに上昇させ、吐出圧力が異常上昇を抑制することができる。

（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、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置３は、圧縮機２１と、放熱器１６と、膨張機２２と、蒸発器１７とが順次配管接続され、膨張機２２の出口から２経路に分岐させて蒸発器１７へ流入させ、蒸発器出口側の片方の配管に第１の膨張弁３２が設けられた構成となっている。

さらに、冷凍サイクル装置３は、圧縮機２１の吐出冷媒配管に冷媒温度検出手段３７（例えばサーミスタなど）を備え、冷媒温度検出手段３７の出力値を検知し、膨張弁３２の開度を調整する制御手段３６を備えている。

次に、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置３を循環する冷媒の作用について説明する。ここで用いる冷媒とは、圧縮機出口において超臨界状態となりうるもの、たとえば、二酸化炭素が適している。

冷媒は圧縮機２１で圧縮されて高温高圧冷媒になり、高温高圧になった冷媒５は放熱器１６で被加熱流体（例えばヒートポンプ式給湯機の場合は低温水、空調機器の場合は雰囲気空気）と熱交換して冷却され低温高圧冷媒になり、低温高圧になった冷媒は膨張機２２で膨張し低温低圧冷媒になり、低温低圧になった冷媒は蒸発器１７で被冷却流体（例えばヒートポンプ式給湯機、空調機器の場合は雰囲気空気）と熱交換し被冷却流体から熱を奪って蒸発し、飽和温度からある程度の過熱度を持った状態で再度圧縮機２１へ吸入される。このように、冷凍サイクル装置３では上記冷媒循環が繰り返し行われている。

次に、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置２の運転時の挙動について説明する。

本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置２は、１つのシェル内に圧縮機２１と膨張機２２が収納された圧縮膨張機２を搭載しているため、シェル内で圧縮機２１から膨張機２２への熱移動が生じる。

また、圧縮機２１と膨張機２２を収納しているためシェルの大型化に伴う熱容量の増加、周囲への放熱量の増加が生じる。これらは圧縮機の吐出温度を低下させるため、起動時における吐出温度の立ち上がりを妨げる要因となる。

さらに、現行のヒートポンプ式給湯機システムを例に取ると、圧縮機の吐出温度の立ち上がりが遅く、放熱器で加熱されたお湯の出湯温度の立ち上がりが遅い場合、出湯温度を設定温度へ調整するために放熱器で冷媒と熱交換している水の流量を減らす制御がなされているが、圧縮膨張機を搭載した冷凍サイクル装置では特に冬季条件で運転させた場合に高圧の異常上昇が生じる。

つまり、従来の膨張弁サイクルや圧縮機と膨張機が別々のシェルで存在しているサイクル等においては、放熱器の水流量の低下とともに高圧上昇とともに圧縮機吐出温度は速やかに上昇して出湯温度もそれに追随して上昇するが、圧縮膨張機を搭載した冷凍サイクル装置では放熱器の水流量を低下させると、高圧上昇に圧縮機吐出温度上昇が追随せず、高圧のみ急上昇することになる。

この高圧異常上昇を抑制する手段として、圧縮機周波数を下げる、膨張機をバイパスさせるバイパス回路を設けてバイパス回路に冷媒を流す等が考えられるが、高圧異常上昇は瞬間的には回避できるものの、圧縮機吐出温度が余計に上昇しにくくなり、その結果さらに放熱器の水流量を下げて圧縮機吐出温度を上昇させる制御がなされるため、瞬間的に下
がった高圧はまた上昇してしまうため不適である。

そこで、本発明では、冷凍サイクル装置３を循環する冷媒量に着目して高圧異常上昇抑制と圧縮機吐出温度上昇の迅速化を同時に行う。

高圧異常上昇を抑制する手段として、圧縮機周波数を下げる方法や、膨張機をバイパスさせるバイパス回路を設けてバイパス回路に冷媒を流す方法を述べたが、さらに別の手段として、冷凍サイクル装置内の冷媒充填量を減らす手段がある。

冷媒充填量を減らすといっても、冷凍サイクル内から冷凍サイクル外へ開放することは当然できないため、冷凍サイクル内の見掛けの冷媒量を減らすようにする。

従来の技術としては、放熱器の出口に受液器（レシーバタンク）を設置し、放熱器で液化した冷媒を一時貯留させることによって見掛けの冷媒量を減らすことができる。冷凍サイクル装置の運転状態や季節の変化によって、蒸発器内の冷媒量が変動した場合に、受液器に貯留される冷媒量を調整して円滑に冷凍サイクル装置の運転を行うものである。

しかし、受液器を設置することで、装置の大型化やコストアップは避けられないため、以下の手段により冷媒量調整を行う。

複数に分岐された冷媒入口配管を有した蒸発器において、蒸発器出口側の配管の少なくとも１つに第１の膨張弁を設け、運転起動時にその膨張弁を閉じることによって、膨張弁を設置した側の流路は冷媒が循環せず滞留した状態となる。

よって、第１の膨張弁を設置した側の流路が受液器の役割を果たし、冷凍サイクル装置内の見かけの冷媒量を減らすことができる。

次に、本発明の実施の形態１の冷凍サイクル装置３の運転起動時における冷媒量調整の制御方法を図２の制御フローチャート図をもとに詳細に説明する。

まず、Ｓ１で圧縮膨張機２を起動させて冷凍サイクル装置３の運転を開始する。

次に、Ｓ２で第１の膨張弁３２を閉じる。この際、第１の膨張弁３２を全閉にすることが望ましいが、冷凍サイクルの運転状態に応じて微開にしても良い。

次に、Ｓ３で圧縮機２１の吐出冷媒配管に設置した冷媒温度検出手段３７により冷媒温度を検知する。そして、検出値Ｔｄが設定値Ｔａ以上になっているか判断する。Ｔｄ≧ＴａになっていればＳ４で第１の膨張弁３２を徐々に開く。第１の膨張弁３２の開き方は、一挙に全開にすると圧力の急上昇や、蒸発器１７に貯留されていた液冷媒が蒸発しきらないうちに圧縮機２１へ流れ込み液圧縮を生じる可能性があるため、徐々に開いていくのが良い。また、Ｔｄ＜Ｔａであれば再度Ｓ３へ戻りフローチャートを繰り返す。

なお、第１の膨張弁３２を開くタイミングの判断基準として、冷媒温度検出手段３７の検出値に限ったものではなく、図１に示す運転時間検出手段３８の検出値から判断しても良い。

この場合の制御フローチャートを図３に示す。

Ｓ１１〜Ｓ１２までは図２の制御フローチャートのＳ１〜Ｓ２と同様であるので省略する。Ｓ１３で、運転時間検出手段３８により、圧縮膨張機を起動（Ｓ１１）してからの運
転時間ｔを検知する。そして、検出値ｔが設定値ｔａ以上になっているか判断する。ｔ≧ｔａになっていればＳ１４で第１の膨張弁３２を徐々に開く。また、ｔ＜ｔａであれば再度Ｓ１３へ戻りフローチャートを繰り返す。

以上のように、運転起動制御を行うことによって、冷凍サイクル装置の運転起動時に圧縮機の冷媒吐出温度を速やかに上昇させることができる。

なお、第１の膨張弁３２の設置場所は蒸発器１７の出口側に限ったものではなく、図４に示す冷凍サイクル装置４のように蒸発器１７の入口側に設置しても良い。

この構成においても、図２と図３に示す制御フローチャートにより冷凍サイクル装置の運転起動時に圧縮機の冷媒吐出温度を速やかに上昇させることができる。

さらに、図５に示す冷凍サイクル装置７のように蒸発器１７の入口が１パスの場合においては、蒸発器１７の冷媒配管途中から分岐させた分岐管を蒸発器１７の外側へ出し、蒸発器１７の出口配管と接続し、合流させる手前の蒸発器１７の出口配管に第１の膨張弁３２を設置する。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２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６において、本発明の実施の形態２の冷凍サイクル装置８は、圧縮機２１と、放熱器１６と、第２の膨張弁３９と、蒸発器１７とが順次配管接続され、第１の膨張弁３９の出口から２経路に分岐させて蒸発器１７へ流入させ、蒸発器出口側の片方の配管に第１の膨張弁３２が設けられた構成となっている。

さらに、冷凍サイクル装置８は、圧縮機２１の吐出冷媒配管に冷媒温度検出手段３７（例えばサーミスタなど）を備え、冷媒温度検出手段３７の出力値を検知し、第２の膨張弁３９の開度を調整する制御手段３６を備えている。

実施の形態１においては圧縮機と膨張機が一軸で直結された圧縮膨張機を搭載した冷凍サイクル装置の場合であるが、実施の形態２の冷凍サイクル装置は膨張機構として膨張機ではなく従来の膨張弁（第２の膨張弁）を搭載している。

実施の形態２が適用できる例としては、大型冷凍サイクル装置のような圧縮機２１が収納されたシェルが通常より大きなサイズ（容積、表面積）になっている場合である。

この場合、圧縮機と膨張機構を同一シェル内に収納していないため、圧縮機から膨張機構への熱移動はないものの、シェルの容積、表面積が大きいため、シェルの熱容量、シェルから周囲への放熱量が大きくなり、冷凍サイクル装置の運転起動時における圧縮機の冷媒吐出温度の立ち上がりが悪くなる。

次に、本発明の実施の形態２の冷凍サイクル装置８の運転起動時における冷媒量調整の制御方法を図７の制御フローチャート図をもとに詳細に説明する。

まず、Ｓ２１で圧縮機２１を起動させて冷凍サイクル装置８の運転を開始する。

次に、Ｓ２２で第２の膨張弁３９を絞る。言い換えると、開度を狭くする。通常運転の際は、圧縮機２１の吐出温度を検知して、設定値になるように第２の膨張弁３９の開度を調整するが、起動時においては、冷凍サイクル装置８の立ち上がりの迅速化を図るため、設定値よりも開度を小さくする。

次に、Ｓ２３で第１の膨張弁３２を閉じる。この際、第１の膨張弁３２を全閉にすることが望ましいが、冷凍サイクルの運転状態に応じて微開にしても良い。

次に、Ｓ２４で圧縮機２１の吐出冷媒配管に設置した冷媒温度検出手段３７により冷媒温度を検知する。そして、検出値Ｔｄが設定値Ｔａ以上になっているか判断する。Ｔｄ≧ＴａになっていればＳ２５で第１の膨張弁３２を徐々に開く。第１の膨張弁３２の開き方は、一挙に全開にすると圧力の急上昇や、蒸発器１７に貯留されていた液冷媒が蒸発しきらないうちに圧縮機２１へ流れ込み液圧縮を生じる可能性があるため、徐々に開いていくのが良い。また、Ｔｄ＜Ｔａであれば再度Ｓ２４へ戻りフローチャートを繰り返す。

次に、Ｓ２６で第２の膨張弁３９を開く。この場合の開度は、上述した圧縮機２１の吐出温度を検知して、設定値になるように第２の膨張弁３９の開度を調整する。

また、第１の膨張弁３２を開くタイミングの判断基準として、冷媒温度検出手段３７の検出値に限ったものではなく、図６に示す運転時間検出手段３８の検出値から判断しても良い。

この場合の制御フローチャートを図８に示す。

Ｓ３１〜Ｓ３３までは図７の制御フローチャートのＳ２１〜Ｓ２３と同様であるので省略する。Ｓ３４で、運転時間検出手段３８により、圧縮機起動（Ｓ３１）時よりの運転時間ｔを検知する。そして、検出値ｔが設定値ｔｂ以上になっているか判断する。ｔ≧ｔｂになっていればＳ３５で第１の膨張弁３２を徐々に開く。また、ｔ＜ｔｂであれば再度Ｓ３４へ戻りフローチャートを繰り返す。

なお、第１の膨張弁３２の設置場所は蒸発器１７の出口側に限ったものではなく、図９の冷凍サイクル装置９に示すように蒸発器１７の入口側に設置しても良い。

この構成においても、図７、８に示す制御フローチャートにより冷凍サイクル装置の運転起動時に圧縮機の冷媒吐出温度を速やかに上昇させることができる。

さらに、図１０に示す冷凍サイクル装置１０のように蒸発器１７の入口が１パスの場合においては、蒸発器１７の冷媒配管途中から分岐させた分岐管を蒸発器１７の外側へ出し、蒸発器１７の出口配管と接続し、合流させる手前の蒸発器１７の出口配管に第１の膨張弁３２を設置する。

本発明にかかる冷凍サイクル装置は、給湯機、冷凍・空調機器や乾燥装置など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、冷凍サイクル装置の構成図本発明の実施の形態１における、制御方法を示すフローチャート本発明の実施の形態１における、制御方法を示すフローチャート本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図本発明の実施の形態１における、冷凍サイクル装置の構成図本発明の実施の形態２における、冷凍サイクル装置の構成図本発明の実施の形態２における、制御方法を示すフローチャート本発明の実施の形態２における、制御方法を示すフローチャート本発明の実施の形態２における、冷凍サイクル装置の構成図本発明の実施の形態２における、冷凍サイクル装置の構成図従来の冷凍サイクル装置図

符号の説明

１冷凍空調機
２圧縮膨張機
３、４、７、８、９、１０冷凍サイクル装置
５冷媒
６潤滑油
１１冷媒配管
１２オイル分離器
１３オイル戻し管
１４オイル送り管
１６放熱器
１７蒸発器
１８アキュームレータ
１９オイル供給管
２１圧縮機
２２膨張機
２９原動機
３０フィン
３１ファン
３２第１の膨張弁
３３シャフト
３４モータ
３５信号線
３６制御手段
３７冷媒温度検出手段
３８運転時間検出手段
３９第２の膨張弁
１１１、１１２、１１３、１１４冷媒配管
１３１、１４１可変の絞り
１９１調整弁

Claims

圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器とを順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器は複数に分岐された冷媒入口配管を有し、前記蒸発器出口側の配管の少なくとも１つに第１の膨張弁を設け、前記冷凍サイクル装置の運転起動時において、前記第１の膨張弁を閉じることを特徴とした冷凍サイクル装置。
圧縮機と、放熱器と、膨張機構と、蒸発器とを順次配管接続した冷凍サイクル装置であって、前記蒸発器の途中から分岐配管を前記蒸発器の外へ取り出し、前記分岐配管と前記蒸発器の出口配管を接続し、前記蒸発器の前記出口配管に第１の膨張弁を設け、前記冷凍サイクル装置の運転起動時において、前記膨張弁を閉じることを特徴とした冷凍サイクル装置。
前記圧縮機の吐出配管に冷媒温度検出手段を設け、前記冷媒温度検出手段によって検知された検出値が設定値になると前記膨張弁を開くことを特徴とした請求項１〜２に記載の冷凍サイクル装置。
前記冷凍サイクルに運転時間検出手段を設け、前記運転時間検出手段によって検知された検出値が設定値になると前記膨張弁を開くことを特徴とした請求項１〜２に記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張機構が膨張機であり、前記膨張機が圧縮機と同じ回転軸で接続された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。