JP2011158125A - 冷凍サイクル装置および温水暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクルが安定する時間を短縮できるバイパス膨張弁の開度設定を行う冷凍サイクル装置および温水暖房装置を提供すること。
【解決手段】冷凍サイクル装置１は、過冷却熱交換器２３が設けられた冷媒回路２と、過冷却熱交換器２３を経由するバイパス路３と、冷媒回路２中の主膨張手段２４およびバイパス路３中のバイパス膨張手段３１を制御する制御装置４とを備え、バイパス膨張手段３１は動作開始時に、被加熱流体の温度および被冷却温度流体の温度に基づいて設定される所定開度まで、所定時間内に開くことにより、冷凍サイクルが安定化するまでの冷媒の圧力や温度の変動に影響されることが少ないため、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を大幅に短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮器から流出した冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置およびこの冷凍サイクル装置を用いた温水暖房装置に関する。

従来、冷媒回路の凝縮器の下流側に過冷却熱交換器が設けられ、この過冷却熱交換器に膨張させた冷媒を流入させることにより凝縮器から流出した冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置が知られている。例えば、特許文献１には、図５に示すような冷凍サイクル装置１００が開示されている。

この冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０と、バイパス路１２０とを備えている。冷媒回路１１０は、圧縮機１１１、凝縮器１１２、過冷却熱交換器１１３、主膨張弁１１４および蒸発器１１５が配管により環状に接続されて構成されている。バイパス路１２０は、凝縮器１１２と過冷却熱交換器１１３の間で冷媒回路１１０から分岐し、過冷却熱交換器１１３を経由して蒸発器１１５と圧縮機１１１の間で冷媒回路１１０につながっている。また、バイパス路１２０には、過冷却熱交換器１１３よりも上流側にバイパス膨張弁１２１が設けられている。

さらに、冷凍サイクル装置１００には、圧縮機１１１から吐出される冷媒の温度を検出する温度センサ１３１と、蒸発器１１５に流入する冷媒の温度（蒸発器入口温度）Ｔｅｉを検出する温度センサ１４１と、蒸発器１１５から流出する冷媒の温度（蒸発器出口温度）Ｔｅｏを検出する温度センサ１５１とが設けられている。

そして、特許文献１には、温度センサ１４１から検出された蒸発器入口温度Ｔｅｉと温度センサ１５１から検出された蒸発器出口温度Ｔｅｏにより両者の温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）が算出され、この温度差に基づいてバイパス膨張弁１２１の開度が設定されることが記載されている。

特許第４０３６２８８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、要求された熱負荷が変化すると凝縮器１１２の凝縮温度や、蒸発器１１５の蒸発器入口温度Ｔｅｉや蒸発器出口温度Ｔｅｏが目まぐるしく変化し、それに応じて、蒸発器入口温度Ｔｅｉと蒸発器出口温度Ｔｅｏの温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）も変化する。

逐次変化する温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）に基づいて、バイパス膨張弁１２１の目標開度を設定するため、バイパス膨張弁１２１の実際の開度も、温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）に呼応して変動し、バイパス路１２０に流入する冷媒流量も変動し、冷凍サイクルが安定するまで時間を要する課題を有していた。

また、冬期の外気温度が低い場合に暖房運転を行うと、蒸発器１１５に霜ができ、暖房運転を継続しがたくなるため、霜を除去する（除霜運転）必要がある。除霜運転が終了後、暖房運転を開始（復帰運転）すると、熱負荷が変化するため、凝縮器１１２の凝縮温度
や、蒸発器１１５の蒸発器入口温度Ｔｅｉや蒸発器出口温度Ｔｅｏが変化する。このとき、蒸発器入口温度Ｔｅｉと蒸発器出口温度Ｔｅｏの温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）も変化する。蒸発器入口温度Ｔｅｉと蒸発器出口温度Ｔｅｏの温度差（Ｔｅｉ―Ｔｅｏ）に基づいてバイパス膨張弁１２１の目標開度が設定されているため、熱負荷が変化するとバイパス膨張弁１２１の目標開度も変化するため、冷凍サイクルが安定するまで時間を要する課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷凍サイクルが安定する時間を短縮できるバイパス膨張弁の開度設定を行う冷凍サイクル装置および温水暖房装置を提供することを目的とする。

前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、圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張弁、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記凝縮器と前記主膨張弁との間から分岐して、バイパス膨張弁、前記過冷却熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に接続したバイパス路と、前記凝縮器の被加熱流体の温度を検出する第１温度検出手段と、前記蒸発器の被冷却流体の温度を検出する第２温度検出手段と、制御手段とを備え、前記バイパス膨張弁は、前記バイパス路の使用開始時に、前記第１温度検出手段による前記凝縮器の被加熱流体の温度と、前記第２温度検出手段による前記蒸発器の被冷却流体の温度とに基づいて設定される所定開度まで、所定時間内に開くことを特徴とするもので、バイパス路の使用開始時に、凝縮器の被加熱流体の温度、および蒸発器の被冷却流体の温度に基づいて設定される所定開度まで、バイパス膨張弁の開度を所定時間内に一気に開くので、冷凍サイクルが安定化するまでの冷媒の圧力や温度の変動に影響されることが少ないため、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を大幅に短縮できる。

本発明によれば、冷凍サイクルが安定する時間を短縮できるバイパス膨張弁の開度設定を行う冷凍サイクル装置および温水暖房装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の概略構成図 同バイパス膨張弁開度変化のタイムチャート 同他のバイパス膨張弁開度変化のタイムチャート 本発明の実施の形態２におけるバイパス膨張弁開度変化のタイムチャート 従来の冷凍サイクル装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張弁、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、凝縮器と主膨張弁との間から分岐して、バイパス膨張弁、過冷却熱交換器を介して圧縮機の吸入側に接続したバイパス路と、凝縮器の被加熱流体の温度を検出する第１温度検出手段と、蒸発器の被冷却流体の温度を検出する第２温度検出手段と、制御手段とを備え、バイパス膨張弁は、バイパス路の使用開始時に、第１温度検出手段による凝縮器の被加熱流体の温度と、第２温度検出手段による蒸発器の被冷却流体の温度とに基づいて設定される所定開度まで、所定時間内に開くことにより、冷凍サイクルが安定化するまでの冷媒の圧力や温度の変動に影響されることが少ないため、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を大幅に短縮できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置において、凝縮器を、冷媒が流れる冷媒流路と、水または不凍液が流れる被加熱流体流路とから構成し、冷媒と水または不凍液との間で熱交換して、水または不凍液を加熱するもので、これにより、温水暖房機の
冷凍サイクルが安定化するまでの時間を短縮できる。

第３の発明は、特に、第１の発明の冷凍サイクル装置において、蒸発器は除霜運転終了後の暖房運転開始時、バイパス膨張弁の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度とすることで、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を大幅に短縮できる。

第４の発明は、特に、第３発明の冷凍サイクル装置において、蒸発器は除霜運転終了後の暖房運転開始時、バイパス膨張弁の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度とすることで、温水暖房装置の冷凍サイクルが安定化するまでの時間を短縮できる。

（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１の図を示すものである。図１において、この冷凍サイクル装置１は、冷媒を循環させる冷媒回路２と、バイパス路３と、制御装置４とを備えている。

冷媒回路２は、圧縮機２１、凝縮器２２、過冷却熱交換器２３、主膨張弁（主膨張手段）２４および蒸発器２５が配管により環状に接続されて構成されている。本実施形態では、蒸発器２５と圧縮機２１の間に、気液分離を行うアキュムレータ２６が設けられている。

また、冷媒回路２には、通常運転と除霜運転を切り換えるための四方弁２７が設けられている。更に、凝縮器２２への被加熱流体の入水温度を検出する第１温度検出手段５１と、蒸発器２５は被冷却流体の蒸発温度を検出する第２温度検出手段６１とを備えている。

バイパス路３は、過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐し、過冷却熱交換器２３を経由して蒸発器２５と圧縮機２１の間で冷媒回路２につながっている。また、バイパス路３には、過冷却熱交換器２３よりも上流側にバイパス膨張弁（バイパス膨張手段）３１が設けられている。凝縮器２２は被加熱流体流路７が接続され、被加熱流体水の供給管７１と回収管７２が接続されて構成している。

以上のように構成された冷凍サイクル装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、通常運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２７を介して凝縮器２２に送られ、図１においては通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。

圧縮機２１から吐出された高圧冷媒は、凝縮器２２に流入し、凝縮器２２を通過する被加熱流体を加熱する。被加熱流体としては、水またはブライン等である。凝縮器２２から流出した高圧冷媒は、過冷却熱交換器２３に流入し、バイパス膨張弁３１で減圧された低圧冷媒によって過冷却される。過冷却熱交換器２３から流出した高圧冷媒は、主膨張弁２４側とバイパス膨張弁３１側とに分配する。

主膨張弁２４側に分配した高圧冷媒は、主膨張弁２４によって減圧されて膨張した後に、蒸発器２５に流入する。蒸発器２５に流入した低圧冷媒は、被冷却流体を冷却する。

一方、バイパス膨張弁３１側に分配した高圧冷媒は、バイパス膨張弁３１によって減圧されて膨張した後に、過冷却熱交換器２３に流入する。過冷却熱交換器２３に流入した低圧冷媒は、凝縮器２２から流出した高圧冷媒によって加熱される。その後、過冷却熱交換器２３から流出した低圧冷媒は、蒸発器２５から流出した低圧冷媒と合流し、再度圧縮機
２１に吸入される。

制御装置４は、第１温度検出手段５１や第２温度検出手段６１で検出される検出値等に基づいて、圧縮機２１の回転数、四方弁２７の切り換え、ならびに主膨張弁２４およびバイパス膨張弁３１の開度を制御する。

バイパス膨張弁３１は、図２のようにバイパス路３の使用開始時に（バイパス路３に冷媒を流し始めるとき）、第１温度検出手段による凝縮器の被加熱流体の温度と、第２温度検出手段による蒸発器の被冷却流体の温度に基づいて設定される所定開度までＧ１まで、所定時間内（＝終了時間ｔ２−始動時間ｔ１）に開くように制御される。

この制御により、バイパス膨張弁３１の開度は目標開度まで一気に開くため、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を短縮することができる。

なお、バイパス膨張弁３１は図３のように、弁開度の形状を備えて、設定された所定開度まで、所定時間内に開くよう制御されてもよい。弁開度の形状は、設定された所定開度まで、所定時間内に開くよう制御されていれば、本形状に限定されるものではない。

以上のように、本実施の形態においては、バイパス膨張弁の開度は、バイパス路の使用開始時に、第１温度検出手段による凝縮器の被加熱流体の温度と、第２温度検出手段による蒸発器の被冷却流体の温度に基づいて設定される所定開度まで、所定時間内に開く制御を行うことにより、時間を短縮して冷凍サイクルを安定化させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態のバイパス膨張弁開度の形状である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

まず、暖房運転中に蒸発器２２に霜がついて除霜運転に入ると、バイパス膨張弁３１の開度は、蒸発器２２の除霜直前の暖房運転時の時間ｔａの初期開度Ｇ２から開度０（バイパス膨張弁は閉）となる。

このとき、圧縮機２１から吐出された冷媒は四方弁２７を介して蒸発器２５へ送られる。蒸発器２５の除霜運転中はバイパス膨張弁３１は閉である。除霜運転終了後（ｔ１）、バイパス膨張弁３１の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度（Ｇ２）とされて、暖房運転が開始される。

以上のように、本実施の形態においては、除霜運転後の暖房運転でのバイパス膨張弁３１の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度とすることで、冷凍サイクルが安定化するまでの時間を短縮できる。

さらに、本発明の主膨張手段およびバイパス膨張手段は、必ずしも膨張弁である必要はなく、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。この場合、例えば、膨張機と連結された発電機によって負荷を変化させることにより、膨張機の回転数を制御すればよい。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置の安定化の時間短縮を図ることが可能となるので、温水を生成し、その温水を暖房や給湯に利用する温水暖房装置等の用途にも適用できる。

１ 冷凍サイクル装置
２ 冷媒回路
３ バイパス路
４ 制御装置
７ 被加熱流体流路
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 過冷却熱交換器
２４ 主膨張弁（主膨張手段）
２５ 蒸発器
２６ アキュムレータ
２７ 四方弁
３１ バイパス膨張弁（バイパス膨張手段）
５１ 第１温度検出手段
６１ 第２温度検出手段
７１ 供給管
７２ 回収管

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、過冷却熱交換器、主膨張弁、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記凝縮器と前記主膨張弁との間から分岐して、バイパス膨張弁、前記過冷却熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に接続したバイパス路と、前記凝縮器の被加熱流体の温度を検出する第１温度検出手段と、前記蒸発器の被冷却流体の温度を検出する第２温度検出手段と、制御手段とを備え、前記バイパス膨張弁は、前記バイパス路の使用開始時に、前記第１温度検出手段による前記凝縮器の被加熱流体の温度と、前記第２温度検出手段による前記蒸発器の被冷却流体の温度とに基づいて設定される所定開度まで、所定時間内に開くことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１に記載の凝縮器を、冷媒が流れる冷媒流路と、水または不凍液が流れる被加熱流体流路とから構成し、冷媒と水または不凍液との間で熱交換して、水または不凍液を加熱することを特徴とする温水暖房装置。
3. 蒸発器は、除霜運転終了後の暖房運転開始時、バイパス膨張弁の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度とした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. 蒸発器は、除霜運転終了後の暖房運転開始時、バイパス膨張弁の初期開度は、除霜運転が開始される直前の暖房運転時に設定された開度としたことを特徴とする請求項３に記載の温水暖房装置。