JP2008241176A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の信頼性を低下させずに除霜運転時間を短縮できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１と、凝縮器２と、主回路５に設けられ減圧機構である主膨張弁７と、蒸発器３と、凝縮器２から主膨張弁７へ供給される高圧側冷媒を与熱流体とし蒸発器３から圧縮機１へ供給される低圧側冷媒を受熱流体とする液ガス熱交換器４と、凝縮器２の出口から蒸発器３の入口に向かって配されると共に、液ガス熱交換器４の高圧側冷媒配管と主膨張弁７をバイパスするバイパス回路６と、バイパス回路６に設けられた副膨張弁８とを備え、除霜運転時に、主膨張弁７と副膨張弁８を共に開くもので、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度を小さくするように作用し、圧縮機１の信頼性を高めると共に、蒸発器３に高温・高エンタルピの冷媒を供給して、除霜運転時間を短縮することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を介して熱源から被加熱体に熱エネルギを移動させる冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の、ヒートポンプ給湯機などに用いられる一般的な冷凍サイクル装置は、図４に示されるような構造を有していた。

図４において、１は、圧縮機、２は、凝縮器、２１は、膨張弁、３は、蒸発器であり、これらはこの順で環状に接続されて、冷凍サイクル装置を形成している。また、４は、液ガス熱交換器であり、凝縮器２から膨張弁２１へ供給される高圧側冷媒と、蒸発器３から圧縮機１へ供給される低圧側冷媒の間で冷媒間熱交換を行うようになっている。

以上のような、四方弁などの冷媒循環方向を切り換える装置を具備しない、もしくは用いない従来の冷凍サイクル装置について、以下に、加熱もしくは冷却運転により蒸発器３に付着した霜を除去する除霜運転時の動作を説明する。

圧縮機１から吐出された高圧の冷媒は、凝縮器２および液ガス熱交換器４の高圧側冷媒流路を通過して、膨張弁２１に供給される。このとき、凝縮器２の受熱流体側の操作によって放熱能力を抑制するのが通常である。また、液ガス熱交換器４においては、低圧側冷媒流路を流れる冷媒と熱交換を行う。膨張弁２１に供給された冷媒は、減圧された後に蒸発器３に供給されて、冷媒の有する熱エネルギを用いて、蒸発器３に付着した霜を溶解させて除去する。その後、液ガス熱交換器４の低圧側冷媒流路を経て、圧縮機１へ吸入される。

除霜運転中は、加熱もしくは冷却運転を行うことができないため、早期に除霜運転を完了することが実使用性の改善のために必要であるが、冷媒循環量を増加して除霜運転時間の短縮を図ると、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度が増加し、液圧縮による負荷が増加して圧縮機１の信頼性低下を招く。

また、上記従来の冷凍サイクル装置においては、除霜運転時に、液ガス熱交換器４において高圧側冷媒から低圧側冷媒に放熱するため、蒸発器３に付着した霜を溶解させるための熱量が減少してしまい、除霜運転時間が拡大してしまうという課題を有していた。

そこで、上記課題を解決し、圧縮機の信頼性を損なわず、除霜運転時間を短縮することができる冷凍サイクル装置として、特許文献１に記載されたような冷凍サイクル装置が考案されている。
特表２００４−５０７７０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の冷凍サイクル装置の構成では、除霜運転中に、蒸発器出口で冷媒圧力を減圧して、蒸発器に高圧・高温冷媒を供給することによって除霜運転時間の短縮を図るため、従来の冷凍サイクル装置における課題を解決することができるが、蒸発器の設計耐圧を高圧側冷媒流路と同等にする必要があり、冷媒管肉厚が大きくなって材料投入量が増加するという新たな課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題も解決するもので、除霜運転時における液圧縮による負荷増加を抑制して高い圧縮機信頼性を確保しながらも、除霜運転時間を短縮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。

上記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、少なくとも圧縮機と、凝縮器と、主回路に設けられ減圧機構である主膨張弁と、蒸発器と、前記凝縮器から前記主膨張弁へ供給される高圧側冷媒を与熱流体とし前記蒸発器から前記圧縮機へ供給される低圧側冷媒を受熱流体とする液ガス熱交換器と、前記凝縮器の出口から前記蒸発器入口に向かって配されると共に、前記液ガス熱交換器の高圧側冷媒配管と前記主膨張弁をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられた副膨張弁とを備え、除霜運転時に、前記主膨張弁と前記副膨張弁を共に開くもので、圧縮機に吸入される冷媒の液密度を小さくするように作用し、圧縮機の信頼性を高くすることができるとともに、蒸発器に高温・高エンタルピの冷媒を供給して除霜運転を短時間で終えることができるという効果を奏する。

本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機への液圧縮による負荷増加を抑制しつつ、蒸発器へ比エンタルピの高い冷媒を供給して、圧縮機の高信頼性と除霜時間短縮という効果を得ることができる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機と、凝縮器と、主回路に設けられ減圧機構である主膨張弁と、蒸発器と、前記凝縮器から前記主膨張弁へ供給される高圧側冷媒を与熱流体とし前記蒸発器から前記圧縮機へ供給される低圧側冷媒を受熱流体とする液ガス熱交換器と、前記凝縮器の出口から前記蒸発器入口に向かって配されると共に、前記液ガス熱交換器の高圧側冷媒配管と前記主膨張弁をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられた副膨張弁とを備え、除霜運転時に、前記主膨張弁と前記副膨張弁を共に開くもので、圧縮機に吸入される冷媒の液密度を小さくするように作用し、圧縮機の信頼性を高くすることができるとともに、蒸発器に高温・高エンタルピの冷媒を供給して除霜運転を短時間で終えることができるという効果を奏する。

第２の発明は、特に、第１の発明の除霜運転時に、主膨張弁の開度を、除霜運転開始直前の開度に固定するもので、一方の主膨張弁の制御を省略して、膨張弁制御を簡略化することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の副膨張弁の開度を、少なくとも１つ以上の冷凍サイクル装置の状態量を検知し、前記状態量をフィードバックして予め定められた設定値に近づけるように制御するもので、外気温や冷凍・加熱負荷の変化に適切に対応して、蒸発器に高温・高エンタルピの冷媒を供給して、除霜運転を短時間で終えることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の副膨張弁の開度に上限値を設けたもので、主回路の冷媒循環量の低下を防止して、圧縮機の信頼性を高くすることができる。

第５の発明は、特に、第３又は第４の発明の状態量の１つを、蒸発器に供給される冷媒の温度としたもので、変化の速い除霜運転中の冷凍サイクルの状態を追従性よく捉え、適切に制御することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の冷凍サイクル装置に冷媒貯留器を備えないことを特徴とするもので、冷凍サイクル装置をコンパクト化して、格納する筐
体を小型化することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明の主回路を流れる冷媒の循環量を、全冷媒循環量の半分以上としたもので、圧縮機に吸入される冷媒の液密度を小さくして、圧縮機の信頼性を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。尚、同図は除霜運転中の構成を示す。

図１において、５は主回路、６はバイパス回路、７は主膨張弁、８は副膨張弁である。図１に示すように、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器３をこの順で環状に接続して構成した冷媒回路１５は、凝縮器２の下流にて、主回路５とバイパス回路６に分岐される。主回路５は、液ガス熱交換器４の高圧側冷媒配管と主膨張弁７を経てバイパス回路６と合流するが、一方で、バイパス回路６は、液ガス熱交換器４を経ず、副膨張弁８のみを経て主回路５と合流する。なお、上記冷媒回路１５中には、冷媒貯留器やその機能を有するデバイスは備えていない。

次に、上記のように構成された冷凍サイクル装置において、除霜運転時における主膨張弁７および副膨張弁８の動作と作用について述べる。

除霜運転の開始が判定されると、主膨張弁７の開度を除霜運転開始直前の開度に固定するとともに、主回路５の冷媒循環量が全冷媒循環量の半分以上となるように、副膨張弁８を所望の開度に開く。なお、除霜運転中は、従来の冷凍サイクル装置と同様に、凝縮器２の受熱流体側の操作によってその能力を低下させる（例えば、ヒートポンプ給湯機においては、水加熱回路の循環ポンプを停止してガスクーラの能力を低下させることに相当し、空気調和器においては、送風ファンを停止してコンデンサの能力を低下させることに相当する）。

このように動作させるとき、凝縮器２にて冷媒からの放熱量を最小限に抑制して、凝縮器２の出口における冷媒の熱エネルギを保持したまま、高温の状態で、主回路５およびバイパス回路６にそれぞれ供給される。主回路５に供給される冷媒は、液ガス熱交換器４において低圧側冷媒と熱交換して、放熱した後に主膨張弁７にて減圧されため、比較的低エンタルピの冷媒となってバイパス回路６を循環する冷媒と合流して蒸発器３に供給される。一方で、バイパス回路６に供給される冷媒は、放熱することなく副膨張弁８にて減圧されるため、比較的高エンタルピの冷媒となって主回路５を循環する冷媒と合流して蒸発器３に供給される。

主回路５およびバイパス回路６より供給され合流して、蒸発器３において付着した霜を溶解させるために放熱した冷媒は、気液二相状態となり、液ガス熱交換器４にて主回路５を循環する高圧側冷媒と熱交換して、受熱して冷媒の液成分を蒸発させた後に、圧縮機１に吸入される。このときの本実施の形態における冷凍サイクルの動作線を描いたモリエル線図を図２に示す。

図２より、本実施の形態における冷凍サイクルにおいては、冷媒の全循環量が液ガス熱交換器４をバイパスするときに比べて、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度が小さく、また、バイパス回路６を設けないときに比べて蒸発器３に供給される冷媒のエンタルピが高
いことがわかる。このように、循環する冷媒の一部が液ガス熱交換器４をバイパスすることによって、蒸発器３に高温の冷媒を供給しながらも、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度を小さく抑制するように作用する。

以上のように本実施の形態によれば、液ガス熱交換器４と主膨張弁７をバイパスするバイパス回路６と、バイパス回路６に設けられた副膨張弁８を備え、除霜運転時に、主膨張弁７と副膨張弁８を共に開いて、全循環量の半分以上の冷媒を主回路５に供給させるように動作させることによって、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度を小さくして液圧縮による負荷を低減し、圧縮機１の信頼性を高くするとともに、高温の冷媒を蒸発器３に供給することによって、除霜運転時間を短縮することができる。

また、本実施の形態における冷凍サイクル装置は、冷媒貯留器などを備えていないので、冷凍サイクル装置をコンパクト化して、格納する筐体を小型化することができる。

（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図である。ただし、同図は、除霜運転中の構成を示す。

本実施の形態は、図３に示すように、冷凍サイクル装置の状態量の一つを検知する手段として、主回路５とバイパス回路６が合流した後に、蒸発器３に供給される冷媒の温度を検知する温度検出手段１０を設け、さらに温度検出手段１０で検知した冷媒温度信号を受信して、膨張弁開度信号を副膨張弁８に送信して、その開度を指示する副膨張弁制御装置１２とを設けたもので、他の構成は、上記第１の実施の形態における冷凍サイクル装置と同一なので、同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

次に、上記のように構成された冷凍サイクル装置において、除霜運転時における主膨張弁７および副膨張弁８の動作と冷凍サイクルに与える作用について述べる。

除霜運転の開始が判定されると、温度検知手段１０は、蒸発器３に供給される冷媒の温度を検知して、副膨張弁開度制御装置１２にその温度情報を送信する。副膨張弁開度制御装置１２は、受信した温度情報より副膨張弁８に指示する開度を決定する。

ここで、決定される副膨張弁８の開度は、温度検出手段１０で検出された温度に対して一意に決まる。副膨張弁開度制御装置１２より受信した開度信号に従って、副膨張弁８はその開度を変更する。また、主膨張弁７も所望の開度に開く。その後、所定の間隔で（例えば、１０秒毎に）上記制御を繰り返し、除霜運転の終了が判定されると、温度検出および副膨張弁８の開度制御を停止し、通常運転再開の準備を行う。

なお、この一連の動作が冷凍サイクルに与える作用については、実施例１と同じであるのでここでは省略した。

以上のように、本実施の形態によれば、液ガス熱交換器４と主膨張弁７をバイパスするバイパス回路６と、バイパス回路６に設けられた副膨張弁８を備え、除霜運転の開始とともに、主膨張弁７を開き、同時に副膨張弁８も所望の開度に開くように制御することによって、圧縮機１に吸入される冷媒の液密度を小さくして液圧縮による負荷を低減し、圧縮機１の高信頼性を確保するとともに、高温の冷媒を蒸発器３に供給することによって除霜運転時間を短縮することができるという効果を奏する。なお、本実施例では、冷媒貯留器（図示せず）を設けているが、実施例１同様に冷媒貯留器を備えないサイクルにおいても、同様の効果を得ることができる。

なお、副膨張弁８の開度に上限値を設けるようにすれば、主回路５の冷媒循環量の低下を防止して、圧縮機１の信頼性を高くすることができる。

以上にように、本発明の冷凍サイクル装置は、除霜運転時の液圧縮による圧縮機負荷を低減した高信頼性かつ、高温冷媒を蒸発器に供給することによる除霜運転時間短縮という効果を有し、信頼性が高く、しかも除霜運転時間が短い実使用性の良好なヒートポンプ給湯機や空気調和器の実現に対して有用である。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図 同冷凍サイクル装置の除霜運転中の冷凍サイクルの動作線を描いたモリエル線図 本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置を示す構成図 従来の冷凍サイクル装置を示す模式図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ 液ガス熱交換器
５ 主回路
６ バイパス回路
７ 主膨張弁
８ 副膨張弁
１０ 温度検知手段
１２ 副膨張弁開度制御装置
２１ 膨張弁

Claims (7)

1. 少なくとも圧縮機と、凝縮器と、主回路に設けられ減圧機構である主膨張弁と、蒸発器と、前記凝縮器から前記主膨張弁へ供給される高圧側冷媒を与熱流体とし前記蒸発器から前記圧縮機へ供給される低圧側冷媒を受熱流体とする液ガス熱交換器と、前記凝縮器の出口から前記蒸発器入口に向かって配されると共に、前記液ガス熱交換器の高圧側冷媒配管と前記主膨張弁をバイパスするバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられた副膨張弁とを備え、除霜運転時に、前記主膨張弁と前記副膨張弁を共に開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 除霜運転時に、主膨張弁の開度を、除霜運転開始直前の開度に固定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 副膨張弁の開度を、少なくとも１つ以上の冷凍サイクル装置の状態量を検知し、前記状態量をフィードバックして予め定められた設定値に近づけるように制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 副膨張弁の開度に上限値を設けたことを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 状態量の１つを、蒸発器に供給される冷媒の温度としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 冷媒貯留器を備えていないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 主回路を流れる冷媒の循環量を、全冷媒循環量の半分以上としたことを特徴とする請求項６に記載の冷凍サイクル装置。

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