JP2011185507A

JP2011185507A - 冷凍サイクル装置およびそれを備えた温水暖房装置

Info

Publication number: JP2011185507A
Application number: JP2010050262A
Authority: JP
Inventors: Shunji Moriwaki; 俊二森脇; Shigeo Aoyama; 繁男青山; Yasuhiko Isayama; 安彦諌山; Michimi Kusaka; 道美日下
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】効率が良く、かつ、低外気温度時に十分な加熱能力を得ることができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】冷媒回路２の高圧側圧力を検出する第１圧力センサ５１と、冷媒回路２の低圧側圧力を検出する第２圧力センサ５２と凝縮器２２から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ６１と、を備え、第１圧力センサ５１で検出される圧力と第２圧力センサ５２で検出される圧力と第１温度センサ６１で検出される温度とに基づいて、蒸発器２５側の冷媒流量に対するバイパス路３側の冷媒流量の比率が所定の比率となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量を調整することにより、常に最適なバイパス流量とすることができるので、高い運転効率と十分な加熱能力を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮器から流出した冷媒の一部をバイパスし、主流冷媒とバイパス流冷媒との間で熱交換を行って主流冷媒を過冷却する冷凍サイクル装置および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図６に示すよう冷凍サイクル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

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に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力センサ１３１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１４１と、バイパス路１２０において過冷却熱交換器１１３から流出する冷媒の温度（バイパス側出口温度）Ｔｂｏを検出する温度センサ１４２とが設けられている。

そして、特許文献１には、圧力センサ１３１で検出される圧力から当該圧力での飽和温度Ｔｓが算出され、蒸発器１１５出口での過熱度（Ｔｅｏ−Ｔｓ）が目標過熱度となるように主膨張弁１１４が制御され、過冷却熱交換器１１３出口での過熱度（Ｔｂｏ−Ｔｓ）が目標過熱度となるようにバイパス膨張弁１２１が制御されることが記載されている。

特開平１０−６８５５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように、過冷却熱交換器１１３出口での過熱度（Ｔｂｏ−Ｔｓ）が目標過熱度となるようにバイパス膨張弁１２１を制御した場合には、過冷却熱交換器１１３ではさらに多くの冷媒を蒸発させることができるのであるから、過冷却熱交換器１１３の性能を最大限に活用することができない。

すなわち、主流冷媒とバイパス流冷媒との熱交換による蒸発器１１５におけるエンタルピ増大効果および冷媒のバイパスによる低圧側冷媒経路の圧力損失低減効果を最大とすることができず高い運転効率と低外気温度時の十分な加熱能力を得ることができない。

本発明は、このような事情に鑑み、蒸発器におけるエンタルピ増大効果および低圧側冷
媒経路の圧力損失低減効果を最大とすることができる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および温水暖房装置は、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、前記過冷却熱交換器と前記主膨張弁の間から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間に接続したバイパス路と、前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けたバイパス膨張弁と、前記冷媒回路の高圧側圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記冷媒回路の低圧側圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記凝縮器から流出する冷媒の温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記第１圧力検出手段で検出される圧力と、前記第２圧力検出手段で検出される圧力と、前記温度センサで検出される温度とに基づいて、前記蒸発器側の冷媒流量に対する前記バイパス路側の冷媒流量の比率が所定の比率となるように、前記バイパス膨張弁を流れる冷媒流量を調整するものである。

これによって、バイパスを使用した運転において、バイパスを使用しない運転状態での蒸発器入口乾き度が推定でき、この乾き度から、主流冷媒質量流量に対する蒸発に寄与しないガス成分の冷媒質量流量比率を得ることができる。即ち、蒸発器での吸熱量が低下しない範囲でバイパス流量が最大となる流量比率が得られる。

つまり、蒸発器側の冷媒質量流量に対するバイパス側の冷媒質量流量の最適な流量比率が得られ、バイパス膨張弁の弁開度をこの流量比率での主膨張弁の弁開度に対応する弁開度に設定することにより、常に適正なバイパス流量とすることができる。

本発明によれば、蒸発器におけるエンタルピ増大効果および低圧側冷媒経路の圧力損失低減効果を最大とすることができる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に係る冷凍サイクル装置の概略構成図図１に示す冷凍サイクル装置のモリエル線図本発明の実施の形態１におけるバイパス膨張弁の動作制御フローチャート本発明の実施の形態１における圧縮機の回転数と所定の温度効率の相関関数を示す図本発明の実施の形態１における同一流量における主膨張弁の弁開度とバイパス膨張弁の弁開度の相関関数を示す図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、前記過冷却熱交換器と前記主膨張弁の間から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間に接続したバイパス路と、前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けたバイパス膨張弁と、前記冷媒回路の高圧側圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記冷媒回路の低圧側圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記凝縮器から流出する冷媒の温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記第１圧力検出手段で検出される圧力と、前記第２圧力検出手段で検出される圧力と、前記温度センサで検出される温度とに基づいて、前記蒸発器側の冷媒流量に対する前記バイパス路側の冷媒流量の比率が所定の比率となるように、前記バイパス膨張弁を流れる冷媒流量を調整する、冷凍サイクル装置とすることにより、バイパスを使用した運転において、バ
イパスを使用しない運転状態での蒸発器入口乾き度が推定でき、この乾き度から、主流冷媒質量流量に対する蒸発に寄与しないガス成分の冷媒質量流量比率を得ることができる。

即ち、蒸発器での吸熱量が低下しない範囲でバイパス流量が最大となる流量比率が得られる。

したがって、主流冷媒とバイパス流冷媒との熱交換による蒸発器におけるエンタルピ増大効果および冷媒のバイパスによる低圧側冷媒経路の圧力損失低減効果を最大とすることが可能となり、より高い運転効率と低外気温度時においても十分な加熱能力を得ることができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、所定の比率を、圧縮機の回転数が高いときより低いときの方が、大きくなるように設定したことにより、圧縮機の回転数が低くなることによる冷媒流量の減少で、過冷却熱交換器の温度効率が高くなり、最適な蒸発器側の冷媒質量流量に対するバイパス側の冷媒質量流量の比率が大きくなることに対応でき、常に最適なバイパス流量とすることができる。

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および温水暖房装置の概略構成図を示すものである。図１において、冷凍サイクル装置１Ａ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。冷媒としては、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

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。本実施の形態では、蒸発器２５と圧縮機２１の間に、気液分離を行うサブアキュムレータ２６および主アキュムレータ２７が設けられている。また、冷媒回路２には、通常運転とデフロスト運転を切り換えるための四方弁２８が設けられている。

本実施の形態では、冷凍サイクル装置１Ａが、加熱手段により生成した温水を暖房に利用する温水暖房装置の加熱手段を構成しており、凝縮器２２が、冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器となっている。

具体的には、凝縮器２２に供給管７１と回収管７２が接続されており、供給管７１を通じて凝縮器２２に水が供給され、凝縮器２２で加熱された水（温水）が回収管７２を通じて回収されるようになっている。回収管７２により回収された温水は、例えばラジエータ等の暖房機に直接的または貯湯タンクを介して送られ、これにより暖房が行われる。

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。

本実施の形態では、サブアキュムレータ２６と主アキュムレータ２７の間で主バイパス路３が冷媒回路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３１が設けられている。

通常運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して凝縮器２２に送られ、デフロスト運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒が四方弁２８を介して蒸発器２５に送られる。図１では、通常運転時の冷媒の流れ方向を矢印で示している。以下、通常運転における冷媒の状態変化を説明する。

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を通過する水に放熱する。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側とに分配される。

主膨張弁２４側に分配された高圧冷媒は、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、ここで空気から吸熱する。

一方、バイパス膨張弁３１側に分配された高圧冷媒は、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。

本実施の形態の冷凍サイクル装置１Ａの構成は、低外気温度時に圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力が低下して冷媒循環量が減少し、これにより凝縮器２２の加熱能力が低下することを防止するためのものである。

これを実現するには、過冷却により蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させるとともに、バイパス路３によって冷媒をバイパスさせることにより冷媒回路２の低圧側部分を流れる吸熱効果の小さい気相冷媒の量を抑え、これにより冷媒回路２の低圧側部分での圧力損失を低減させることが重要である。

冷媒回路２の低圧側部分での圧力損失が低減すれば、その分圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力が上昇して比体積が減少するため、冷媒循環量が増加する。また、蒸発器２５でのエンタルピ差を増大させれば、バイパスにより蒸発器２５を通過する冷媒の質量流量が低下したとしても、蒸発器２５での吸熱量を確保することができる。すなわち、冷媒の過冷却度とバイパス量を最大にすれば、最大限の凝縮器２２の加熱能力向上効果と冷凍サイクル装置１Ａの成績係数向上効果が得られる。

本実施の形態では、詳しくは後述するが、まず、所定の比率（蒸発器側冷媒質量流量に対するバイパス側質量流量比率）の導出原理について、図２に示すモリエル線図を参照して説明する。図２中の点ａ−ｂ−ｃ−ｄはバイパスを使用しない場合のモリエル線図を表し、図２中の点ａ´−ｂ´−ｃ−ｄはバイパスを使用した場合のモリエル線図を表している。図２中のｂ点およびｃ点のエンタルピをそれぞれＨｂ、Ｈｃとし、システムの全冷媒
流量をＧｒとするとバイパス未使用時の蒸発能力Ｑｅは（式１）で表される。

また、図２中のｂ´点およびｃ´点のエンタルピをそれぞれＨｂ´、Ｈｃ´とし、蒸発器に流入する冷媒流量をＧｅとするとバイパス使用時の蒸発能力Ｑｅｂは（式２）で表される。

ここで、バイパス使用の有無での蒸発能力ＱｅとＱｅｂが略等しいと仮定すると、（式１）と（式２）から（式３）が得られる。

また、バイパス使用の有無での全冷媒循環量Ｇｒが略等しいと仮定すると、バイパス側の冷媒循環量Ｇｂは（式４）により表される。

よって、（式４）を（式３）に代入することで、（式５）を得られる。

ここで、図２中の点ｂ、点ｂ´、点ｃにおける乾き度をそれぞれＸｂ、Ｘｂ´、Ｘｃとすると、乾き度とエンタルピの関係から（式５）は（式６）に変形できる。

また、図２中のｃ点の乾き度Ｘｃを適正な冷凍サイクルとなる乾き度の１．０とすると、（式７）が得られる。

次に、乾き度Ｘｂ´の導出方法について説明する。まず、液相域における等エンタルピ線上の冷媒温度は略等しいので、図２中の点ｅと点ｆは同一温度とみなすことができる。ここで図２中の各点ａ、ａ´、ｆの各温度をそれぞれＴａ、Ｔａ´、Ｔｆに、各点ａ、ａ´、ｆの等エンタルピ線上にある蒸発圧力Ｐｅにおける各点ｂ、ｂ´、ｅでの乾き度をそれぞれＸｂ、Ｘｂ´、Ｘｅとすると温度効率Ｃｔは（式８）であらわすことができる。

また、乾き度Ｘｅは０であるので、（式９）が得られる。

（式９）を変形すると（式１０）が得られる。

（式１０）を（式７）に代入することで、（式１１）が得られる。

したがって、（式１１）より、図２中のｂ点における乾き度Ｘｂと温度効率Ｃｔが与えられれば、適正な冷凍サイクルとなる蒸発器側冷媒質量流量に対するバイパス側冷媒質量流量の比率が得られることとなる。

以下、制御動作について詳細に説明する。冷媒回路２には、冷媒回路２の高圧側圧力（凝縮器出口圧力）Ｐｃを検出する第１圧力センサ（第１圧力検出手段）５１と、凝縮器２２から流出する冷媒の温度（凝縮器出口温度）Ｔｃを検出する温度センサ６１と、冷媒回路２の低圧側圧力（蒸発器入口圧力）Ｐｅを検出する第２圧力センサ（第２圧力検出手段）５２が設けられている。

制御装置４は、各種のセンサ５１、５２、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２８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の弁開度を制御する。

本実施の形態では、制御装置４は、通常運転時に、第１圧力センサ５１で検出される凝縮器出口圧力Ｐｃと温度センサ６１で検出される凝縮器出口温度Ｔｃと第２圧力センサ５２で検出される蒸発器入口圧力Ｐｅと圧縮機２１の回転数Ｈｚとに基づいて算出される所定の比率Ｒｍｂとなるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量を調整する。

次に、通常運転時の制御装置４の制御を、図３に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、制御装置４は、第１圧力センサ５１で凝縮器出口圧力Ｐｃを検出するとともに温度センサ６１で凝縮器出口温度を検出し（ステップＳ１）、検出した凝縮器出口圧力Ｐｃと凝縮器出口温度Ｔｃから凝縮器２２出口における冷媒の過冷却度Ｓｃを算出する（ステップＳ２）。この過冷却度Ｓｃの算出は、冷媒物性式を用いて行われる。そして、この過冷却度Ｓｃが過冷却度制御目標値となるように主膨張弁２４の弁開度Ｏｍを調整する（ステップＳ３）。

ついで、制御装置４は、検出された凝縮器出口圧力Ｐｃと凝縮器出口温度Ｔｃから凝縮器２２出口における冷媒のエンタルピＨｃを算出する（ステップＳ４）。その後、第２圧力センサ５２で蒸発器入口圧力Ｐｅを検出し（ステップＳ５）、算出されたエンタルピＨｃと圧力Ｐｅから圧力ＰｅにおけるエンタルピＨｃでの乾き度Ｘｅを算出する（ステップＳ６）。これらエンタルピＨｃおよび乾き度Ｘｅの算出は、冷媒物性式を用いて行われる。

さらに、制御装置４は、圧縮機２１の現在の回転数Ｈｚをもとに、図４のような予め実験的に求めた相関式（式１２）から温度効率Ｃｔを算出し（ステップＳ７）、その後、算出した乾き度Ｘｅと温度効率Ｃｔから、（式１３）を用いて所定の比率（蒸発器側冷媒流量に対するバイパス側冷媒流量の冷媒流量比率）Ｒｍｂを算出する（ステップＳ８）。

その後、主膨張弁２４の現在の弁開度Ｏｍをもとに、図５のような予め実験的に求めた同一流量における主膨張弁２４とバイパス膨張弁３１の弁開度の相関式（式１４）を用いて、蒸発器側冷媒流量に相当するバイパス膨張弁３１の弁開度Ｏｂｍを算出し（ステップＳ９）、算出した所定の比率Ｒｍｂと蒸発器側冷媒流量に相当するバイパス膨張弁３１の弁開度Ｏｂｍから、最終的なバイパス膨張弁３１の弁開度Ｏｂを算出する（ステップＳ１０）。

そして、バイパス膨張弁３１の弁開度を算出された弁開度Ｏｂに設定し（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。

以上のように、本実施の形態においては、冷媒回路２において、冷媒回路２の高圧側圧力を検出する第１圧力センサ（第１圧力検出手段）５１と、凝縮器２２から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ６１と、冷媒回路２の低圧側圧力を検出する第２圧力センサ（第２圧力検出手段）５２と、制御装置４とを備え、第１圧力センサ５１で検出される圧
力と、温度センサ６１で検出される温度と、第２圧力センサ５２で検出される圧力と、圧縮機２１の回転数とに基づいて算出される所定の比率となるように、バイパス膨張弁３１を流れる冷媒流量を調整することにより、バイパスを使用した運転において、バイパスを使用しない運転状態での蒸発器２５入口の乾き度が推定でき、この乾き度から、主流冷媒質量流量に対する蒸発に寄与しないガス成分の冷媒質量流量比率を得ることができる。

また、冷媒循環量変化による過冷却熱交換器２３の温度効率変化を考慮することができる。即ち、蒸発器２５での吸熱量が低下しない範囲でバイパス流量が最大となる流量比率が得られる。つまり、蒸発器２５側の冷媒質量流量に対するバイパス路３側の冷媒質量流量の最適な流量比率が得られ、常に適正なバイパス流量とすることができる。

ここで、ステップＳ７で使用する「温度効率」は、バイパス路３から流出する冷媒の乾き度が０．８以上１．０未満となるときの温度効率であることが好ましい。このようになっていれば、最も効率的な状態で冷凍サイクル装置１Ａを運転することが可能になる。また温度効率は、一般的に（式１５）により表現でき、冷媒循環量が増加すると温度効率Ｃｔは低下することが知られている。

なお、図１では、第１圧力センサ５１が冷媒回路２における凝縮器２２の出口に設けられているが、第１圧力センサ５１は、圧縮機２１の冷媒吐出部から凝縮器２２の出口の間であれば冷媒回路２のどの位置に設けてもよい。その場合は第１圧力センサ５１から凝縮器２２の出口までの圧力損失を実験値などで補正すればよい。

また、第２圧力センサ５２が冷媒回路２における蒸発器２５の入口に設けられているが、第２圧力センサ５２は、主膨張弁２４の出口部から圧縮機２１の冷媒吸入部の間であれば冷媒回路２のどの位置に設けてもよい。その場合は第２圧力センサ５２から蒸発器２５の入口までの圧力損失を実験値などで補正すればよい。

また、バイパス路３は、必ずしも過冷却熱交換器２３と主膨張弁２４の間で冷媒回路２から分岐している必要はなく、凝縮器２２と過冷却熱交換器２３の間で冷媒回路２から分岐していてもよい。

なお、本実施の形態では、第１圧力検出手段には第１圧力センサ５１が用いられているが、本発明の第１圧力検出手段は、凝縮器２２において冷媒の飽和温度を検出し、冷媒物性式から飽和圧力を得るものであってもよい。

また、第２圧力検出手段には、第２圧力センサ５２が用いられているが、本発明の第２
圧力検出手段は、蒸発器２５において冷媒の飽和温度を検出し、冷媒物性式から飽和圧力を得るものであってもよい。

本発明は、冷凍サイクル装置によって温水を生成し、その温水を暖房に利用する温水暖房装置に特に有用である。

１Ａ冷凍サイクル装置
２冷媒回路
３バイパス路
４制御装置
２１圧縮機
２２凝縮器
２３過冷却熱交換器
２４主膨張弁
２５蒸発器
３１バイパス膨張弁
５１第１圧力センサ（第１圧力検出手段）
５２第２圧力センサ（第２圧力検出手段）
６１温度センサ

Claims

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、前記過冷却熱交換器と前記主膨張弁の間から分岐し、前記過冷却熱交換器を経由して前記蒸発器と前記圧縮機の間に接続したバイパス路と、前記バイパス路の前記過冷却熱交換器よりも上流側に設けたバイパス膨張弁と、前記冷媒回路の高圧側圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記冷媒回路の低圧側圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記凝縮器から流出する冷媒の温度を検出する温度センサと、制御装置とを備え、前記第１圧力検出手段で検出される圧力と、前記第２圧力検出手段で検出される圧力と、前記温度センサで検出される温度とに基づいて、前記蒸発器側の冷媒流量に対する前記バイパス路側の冷媒流量の比率が所定の比率となるように、前記バイパス膨張弁を流れる冷媒流量を調整することを特徴とする冷凍サイクル装置。
所定の比率は、圧縮機の回転数が高いときより低いときの方が、大きくなるように設定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。
請求項１または２のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置の凝縮器を、冷媒と水との間で熱交換を行わせて水を加熱する熱交換器としたことを特徴とする温水暖房装置。