JP2011202906A

JP2011202906A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2011202906A
Application number: JP2010072043A
Authority: JP
Inventors: Michimi Kusaka; 道美日下; Shunji Moriwaki; 俊二森脇; Shigeo Aoyama; 繁男青山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を冷凍サイクルにおいて、温度検知のみで蒸発器出口の乾き度を検知する。
【解決手段】冷媒蒸発手段１５と、冷媒蒸発手段１５の上流側に配設した冷媒流量調整手段１４と、冷媒蒸発手段１５の出口にて二相冷媒の温度を検出する第１の温度センサー１６と、冷媒蒸発手段１５の出口にて気相冷媒の温度を検出する第２の温度センサー１８とを備え、非共沸混合冷媒を封入するとともに、第１の温度センサー１６の検出温度と第２の温度センサー１８の検出温度とに基づいて、冷媒流量調整手段１４の開度を調整することで、循環組成の変化の影響を受けずに温度検知のみで正確に冷媒蒸発手段の出口の乾き度を検出できるとともに、冷媒蒸発手段の出口における熱交換効率が低下することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を封入した冷凍サイクルにおいて、冷媒蒸発手段、例えば、蒸発器出口の乾き度を精度良く制御できる冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、冷凍サイクルにおける蒸発器出口の冷媒状態の制御は、蒸発器出口の過熱度を算出し、過熱度を一定とする過熱度制御が一般的である。

冷凍サイクルに用いる冷媒が単一冷媒である場合には、気液二相域において冷媒温度は一定のため、飽和ガス温度を温度センサーで検知し、過熱度を算出することが可能である。一方、非共沸混合冷媒である場合には、気液二相域において、乾き度の増加に伴い冷媒温度が上昇する特性（以下、温度すべりという）を有するため、温度センサーで飽和ガス温度を特定することも困難である。

このため、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおける蒸発器出口の過熱度の算出には、蒸発器の出口温度を検出する温度センサーと蒸発器の出口圧力を検出する圧力センサーを具備し、圧力センサーで検出した圧力に基づいて飽和温度を算出し、この算出した飽和温度と温度センサーで検出した温度とを比較して、過熱度を算出している（例えば、特許文献１）。

また、理想的な蒸発器出口の冷媒状態は、飽和ガス状態、すなわち、乾き度が１であることが望ましい。しかし、単一冷媒、非共沸混合冷媒のいずれの場合にも、温度センサーのみで、乾き度を特定することはできないため、過熱度が特定できる過熱域から飽和ガス状態に近づくように制御している。

特開平０９−０７９６８１号公報

しかしながら、非共沸混合冷媒を用いた場合には、冷凍サイクルに封入した際の冷媒の組成比率（以下、封入冷媒組成比率という）と、実際に冷凍サイクル内を循環している冷媒の組成比率（以下、循環冷媒組成比率という）は異なる。このため、前記従来の冷凍サイクル装置のように、圧力センサーで検出した圧力に基づき算出された飽和温度は、予め設定された封入組成比率での飽和温度であり、実際の循環組成比率での飽和温度とは異なる。

すなわち、圧力センサーで飽和温度を算出する場合、実際の循環組成を把握する必要がある。言い換えると、循環組成が把握できない場合、圧力センサーを用いても正確な乾き度を算出できないという問題がある。

さらに、従来のように、過熱度を算出できる過熱域から飽和ガス状態に近づくように制御する制御方法では、蒸発器（冷媒蒸発手段）の出口の一部が過熱状態となり、顕熱での熱交換となるため、冷媒蒸発手段の出口における熱交換効率が低下するという課題もある。

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおける冷媒蒸発手段出口の冷媒状態の制御において、循環組成の変化の影響を受けずに温度検知のみで正確に冷媒蒸発手段の出口の乾き度を検出し、冷媒蒸発手段の出口における熱交換効率が低下することがない制御する方法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は、冷媒蒸発手段と、冷媒蒸発手段の上流側に配設した冷媒流量調整手段と、冷媒蒸発手段の出口にて二相冷媒の温度を検出する第１の温度センサーと、冷媒蒸発手段の出口にて気相冷媒の温度を検出する第２の温度センサーと、冷媒流量調整手段の開度を制御する制御手段とを備え、非共沸混合冷媒を封入するとともに、第１の温度センサーの検出温度と第２の温度センサーの検出温度とに基づいて、冷媒流量調整手段の開度を調整するようにしたものである。

これによれば、冷媒蒸発手段の出口の気相冷媒の温度を直接的に検出することで、循環組成の変化の影響を受けずに温度検知のみで正確に冷媒蒸発手段の出口の乾き度を検知することができる。さらに、冷媒蒸発手段の出口において、気液二相状態から飽和ガス状態となるように、冷媒流量調整手段の開度を制御できるために、冷媒蒸発手段の出口における熱交換効率が低下することがなく、冷媒蒸発手段における冷凍効果を最大限に発揮することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、非共沸混合冷媒を封入した冷凍サイクルにおいて、循環組成が変化した場合でも、簡単な温度検知のみで、冷媒蒸発手段の出口の乾き度を精度良く検出することができるとともに、蒸発器出口の冷媒状態を所定の飽和ガス状態、または、気液に相状態に制御することができるため、効率よく冷凍サイクルを運転することができる。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル図本発明の第１の実施の形態におけるガス冷媒抽出管の拡大図本発明の第１の実施の形態における冷媒流量調整手段の制御フローチャート非共沸混合冷媒のモリエル線図非共沸混合冷媒の乾き度と冷媒温度の関係図

第１の発明は、冷媒蒸発手段と、冷媒蒸発手段の上流側に配設した冷媒流量調整手段と、冷媒蒸発手段の出口にて二相冷媒の温度を検出する第１の温度センサーと、冷媒蒸発手段の出口にて気相冷媒の温度を検出する第２の温度センサーと、冷媒流量調整手段の開度を制御する制御手段とを備え、非共沸混合冷媒を封入するとともに、第１の温度センサーの検出温度と第２の温度センサーの検出温度とに基づいて、冷媒流量調整手段の開度を調整することにより、冷媒蒸発手段の出口の気相冷媒の温度を直接的に検出することで、循環組成の変化の影響を受けずに温度検知のみで正確に冷媒蒸発手段の出口の乾き度を検知することができる。また、冷媒蒸発手段の出口の冷媒を気液二相状態から飽和ガス状態に近づくように、冷媒流量調整手段の開度を制御できるために、冷媒蒸発手段における冷凍効果を最大限に発揮することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において第１の温度センサーと第２の温度センサーの検知した温度差が所定値以上の場合には、冷媒流量調整手段を流れる冷媒量を少なくし、温度差が所定値未満の場合には、冷媒流量調整手段を流れる冷媒量を多くするように、冷媒流量調整手段の開度を調整するようことにより、冷媒流量の過不足に応じて流量調整手段を流れる冷媒量を容易に調整することができ、冷媒蒸発手段の出口乾き度を精度よく制御することができるため、効率のよい状態で冷媒蒸発手段を使用し、冷凍サイクル装置を運転することができる。

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概略構成図、図２はガス冷媒抽出管近傍の拡大図、図３は本実施の形態の冷凍サイクル装置の制御フローチャート、図４は非共沸混合冷媒のモリエル線図、図５は非共沸混合冷媒の乾き度と冷媒温度の関係を示す図である。

図１において、圧縮機１１、四方弁１２、凝縮器１３、冷媒流量調整手段としての膨張弁１４、冷媒蒸発手段としての蒸発器１５は配管によって接続され、冷凍サイクルを形成している。蒸発器１５の出口、すなわち、蒸発器１５から四方弁１２までの間の配管である蒸発器出口配管１５ａには、蒸発器１５出口の気液二相冷媒、または、ガス冷媒の温度を検知するための第１の温度センサー１６が設置され、更に、蒸発器出口配管１５ａにはガス冷媒抽出管１７が設置されている。

図２に示すように、ガス冷媒抽出管１７は、その一端である入口部が蒸発器出口配管１５ａ内に挿入され、他端である出口部が蒸発器出口配管１５ａに接続されている。ガス冷媒抽出管１７の入口部は、蒸発器出口配管１５ａの略中心部に位置しており、蒸発器出口配管１５ａの内壁を沿うように流れる液冷媒（液成分）と、その内部側を流れるガス冷媒（ガス成分）とで環状流となっている二相冷媒のうち、ガス冷媒（ガス成分）のみがガス冷媒抽出管１７に流入するような構成となっている。

なお、ガス冷媒抽出管１７の入口部は、その大部分が蒸発器出口配管１５ａと略平行となるように挿入されていることが、蒸発器出口配管１５ａを流れる冷媒の圧力損失を不必要に増大させない点と、確実に二相冷媒のうちガス冷媒のみを抽出できる点で望ましい。また、ガス冷媒抽出管１７の出口部は、ガス冷媒抽出管１７の入口部が挿入された位置より、下流側（四方弁１２側）で蒸発器出口配管１５ａと接続されていることが、確実に蒸発器１５の出口の冷媒状態でのガス冷媒のみを抽出できる点で望ましい。

ガス冷媒抽出管１７の主要部は、蒸発器出口配管１５ａと熱的に分離するように設けられている。例えば、図２のように、蒸発器出口配管１５ａとガス冷媒抽出管１７の主要部との間には、隙間が設けられている。そして、ガス冷媒抽出管１７の主要部には、ガス冷媒抽出管１７の入口部で抽出されたガス冷媒の温度を検知するための第２の温度センサー１８が設けられている。

また、図１に示すように、制御手段としての膨張弁制御装置１９は、第１の温度センサー１６と第２の温度センサー１８の検出温度を基に、膨張弁１４の開度を調整するものである。膨張弁制御装置１９は、制御基板（図示せず）の一部として設けられている。

また、冷媒として非共沸混合冷媒ＨＦＣ４０７Ｃ｛Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａ（２３／２５／５２ｗｔ％）｝を封入したものとする。

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、図１を参照しながらその動作、作用を説明する。

圧縮機１１から吐出された高圧高温のガス冷媒は、四方弁１２を通過し、凝縮器１３に流入する。流入した高圧高温のガス冷媒は、凝縮器１３により凝縮液化される。凝縮液化された高圧液冷媒は膨張弁１４により減圧されながら、冷凍サイクル中を循環する冷媒流量が調整される。膨張弁１４を通過した冷媒は、低圧の気液二相冷媒となり蒸発器１５に流入する。蒸発器１５に流入した気液二相冷媒は、吸熱し蒸発ガス化する。蒸発器１５を流出した気液二相冷媒、または、ガス冷媒は、蒸発器出口配管１５ａに流入する。

蒸発器出口配管１５ａの略中央部を流れる一部のガス冷媒は、ガス冷媒抽出管１７の入口部からガス冷媒抽出管１７の管内へ流れ、残りの大部分は蒸発器出口配管１５ａの管内を流れる。すなわち、蒸発器出口配管１５ａに設置されたガス冷媒抽出管１７によって、蒸発器１５を通過した冷媒のうち、ガス冷媒のみが抽出される。

ガス冷媒抽出管１７を流れるガス冷媒と、蒸発器出口配管１５ａ内を流れる冷媒とは、ガス冷媒抽出管１７の出口部と蒸発器出口配管１５ａとの接続部で、再び合流した後、圧縮機１１に再度吸入される。

このような冷凍サイクル装置において、膨張弁制御装置１９は、蒸発器１５の冷凍効果を最大限に発揮するため、膨張弁１４の開度調整により冷媒流量を制御して、蒸発器１５の出口の乾き度を飽和状態（乾き度ｘ＝１）に近づけるように制御する。

次に、図３、図４および図５を参照しながらその制御方法を説明する。

はじめに、蒸発器１５出口の二相冷媒、または、ガス冷媒の冷媒温度Ｔ１を第１の温度センサー１６で計測し、ガス冷媒抽出管１７によって抽出されたガス冷媒の温度Ｔ２を第２の温度センサー１８で計測する（ステップＳ１）。

ステップＳ１で計測した蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２との温度差の比較を行う（ステップＳ２）。

図４に示すように、非共沸混合冷媒の場合、気液二相域において、等温線は右下がりの特性を有する。このため、図５に示すように気液二相域において乾き度ｘ＝０（飽和液）から乾き度ｘ＝１（飽和ガス）に向かい冷媒温度は、ほぼ直線的に上昇する。

したがって、蒸発器１５の出口の冷媒状態が二相冷媒の場合、第１の温度センサー１６で検出される温度Ｔ１は、二相冷媒温度であり、第２の温度センサー１８で検出される温度Ｔ２は、飽和ガス温度となり、図５に示すようにＴ１＜Ｔ２となる。一方、蒸発器１５の出口において、冷媒状態が飽和ガスもしくは過熱状態にある場合、蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２は、ともに状態が同じ単相状態であるためＴ１＝Ｔ２となる。

このため、蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２との温度差の比較することで、蒸発器１５出口の状態が二相状態であるか、単相状態（飽和ガスもしくは過熱状態）であるかを判定することができる。

ステップＳ２において、蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２との温度差（Ｔ２−Ｔ１）と算出し、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が略０となる場合、ステップＳ３に進む。蒸発器１５の出口は、飽和状態もしくは過熱状態であると判断し、あらかじめ定めて膨張弁制御装置１９の一部であるメモリなどに記憶された所定開度だけ膨張弁１４を開放する（ステップＳ３）。その後、再度、ステップＳ１に戻る。

一方、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が略０以上となる場合、蒸発器１５の出口は、二相状態であると判断し、ステップＳ４に進み、あらかじめ定め膨張弁制御装置１９の一部であるメモリなどに記憶された目標温度差△ｔとの比較を行う。

目標温度差Δｔは、例えば、図５において、Ａ点を目標の乾き度ｘ０とした場合、乾き度ｘ０における冷媒の温度である二相冷媒温度Ｔａ（Ａ点）と、乾き度１における飽和ガス温度Ｔｓ（Ｂ点）との温度差△ｔ（＝Ｔａ−Ｔｓ）とする。これを基準に、ステップＳ２で算出した温度差（Ｔ２−Ｔ１）が目標温度差△ｔより大きい場合、冷媒状態は、例えば、図５におけるＡ’点となる。一方、ステップＳ２で算出した温度差（Ｔ２−Ｔ１）が目標温度差△ｔ未満の場合、冷媒状態は、例えば図５におけるＡ’’点となり、Ａ点（目標）とＢ点（飽和ガス）の間となる。

このため、蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２との温度差（Ｔ２−Ｔ１）を目標温度差Δｔと比較することで、蒸発器１５出口の状態が目標の乾き度である乾き度ｘ０にほぼ一致しているか、目標の乾き度ｘ０より小さいかを判定することができる。

ステップＳ４において、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が目標温度差△ｔより大きい場合、蒸発器１５の出口の乾き度は、目標の乾き度ｘ０より小さいと判断し、ステップＳ５に進む。この状態は、蒸発器１５を流れる冷媒量が多いためであるので、膨張弁１４の開度をあらかじめ定めた所定開度だけ閉め、膨張弁１４を流れる冷媒量、ひいては、蒸発器１５を流れる冷媒量を減少させる（ステップＳ５）。その後、再度、ステップＳ１に戻る。

一方、温度差（Ｔ２−Ｔ１）が目標温度差△ｔ未満の場合、蒸発器１５の出口の乾き度は、目標の乾き度ｘ０にほぼ一致していると判断し、ステップＳ６に進む。そして、この状態は、蒸発器１５の出口が適正状態であるので、膨張弁１４の開度を維持する（ステップＳ６）。その後、再度、ステップＳ１に戻る。

膨張弁制御装置１９は、以上のステップＳ１からステップＳ６を繰り返す。

以上のように、本実施の形態では、蒸発器１５出口の温度Ｔ１とガス冷媒抽出管１７の温度Ｔ２とを比較することで、循環組成の変化の影響を受けずに温度検知のみで正確に蒸発器１５の出口の状態が、過熱状態であるか、飽和ガス状態であるか、気液二相状態であるかを検知することができる。

さらに、蒸発器１５の出口において、気液二相状態から飽和ガス状態となるように、膨張弁１４の開度を制御できるために、蒸発器１５の出口が件熱での熱交換になることがないので、蒸発器１５の出口における熱交換効率が低下することがない。

このように、蒸発器１５の乾き度を精度良く制御することができ、蒸発器１５の冷凍効果を最大限に発揮することができる。また、温度差のみでの検出のため、高価な圧力センサーを用いることなく安価な温度センサーのみで検出することができる。

なお、本実施例で示した蒸発器１５出口に設置されたガス冷媒抽出管１７は、配管を環状に構成した簡易的な形状で説明したが、ガス冷媒成分の温度を検出する構成であれば何れの形状でもよく、また、遠心分離型、衝突分離型、容積型（重力式）などの一般的な気液分離器を適用してもよい。

また、封入冷媒は、非共沸混合冷媒であれば、他の冷媒を使用しても同様の効果が得られ、ＨＦＣ−４０７Ｅ、ＨＦＣ−４０７Ｄ、ＨＣＦＣ−１２３／ＨＦＣ−１３４ａ混合冷媒などに適用してもよい。さらに、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、ＨＦＣ−３２や炭化水素を含む混合冷媒などにも適用できる。

また、本実施の形態では、冷媒蒸発手段である蒸発器１５の出口の乾き度を直接的には算出することなく、冷媒流量調整手段の開度を制御しているが、乾き度を算出して、算出した乾き度が目標乾き度となるように冷媒流量調整手段の開度を制御してもよい。乾き度の算出する方法としては、以下のようにすればよい。

蒸発器１５の出口が気液二相状態の場合には、第１の温度センサー１６で検知される温度は、冷媒蒸発手段の出口における二相冷媒の乾き度に相当する冷媒温度である。

一方、第２の温度センサー１８で検知される温度は、冷媒の飽和ガス温度であり、第１の温度センサー１６で検知される冷媒蒸発手段の出口の気液二相冷媒温度との温度差の温度すべりに対する割合を、飽和ガスの乾き度である１から差し引くことで、乾き度を算出することができる。例えば、温度すべりが５Ｋで温度差が０．５Ｋの場合、温度差の割合は０．１となることから、乾き度ｘ＝１−０．１＝０．９となる。

これによれば、冷媒蒸発手段の出口の乾き度を精度良く制御することができるので、冷媒蒸発手段の冷凍効果を最大限に発揮することができる。

さらに、本実施の形態では、冷媒蒸発手段は蒸発器であるとして説明したが、凝縮器の下流側に過冷却熱交換器を備え、凝縮器と過冷却熱交換器との間または過冷却熱交換器と膨張弁との間から分岐して、バイパス流量制御手段、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回路とを備えた冷凍サイクル装置において、過冷却熱交換器を冷媒蒸発手段として、過冷却熱交換器の低圧側流路の出口の状態を目標の乾き度となるように、冷媒流量調整手段としてのバイパス流量制御手段を制御しても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル中の冷媒蒸発手段出口の乾き度の状態を精度良く制御できるものであり、過冷却熱交換器、液ガス熱交換器、二重管熱交換器など冷媒の蒸発現象を伴う熱交換器を有する冷凍サイクル装置に適用することができる。

１１圧縮機
１２四方弁
１３凝縮器
１４膨張弁（冷媒流量調整手段）
１５蒸発器（冷媒蒸発手段）
１６第１の温度センサー
１７ガス冷媒抽出管
１８第２の温度センサー
１９膨張弁制御装置（制御手段）

Claims

冷媒蒸発手段と、前記冷媒蒸発手段の上流側に配設した冷媒流量調整手段と、前記冷媒蒸発手段の出口にて二相冷媒の温度を検出する第１の温度センサーと、前記冷媒蒸発手段の出口にて気相冷媒の温度を検出する第２の温度センサーと、前記冷媒流量調整手段の開度を制御する制御手段を備え、非共沸混合冷媒を封入するとともに、前記第１の温度センサーの検出温度と前記第２の温度センサーの検出温度とに基づいて、前記冷媒流量調整手段の開度を調整することを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記第１の温度センサーと前記第２の温度センサーの検知した温度差が所定値以上の場合には、前記冷媒流量調整手段を流れる冷媒量を少なくし、前記温度差が所定値未満の場合には、前記冷媒流量調整手段を流れる冷媒量を多くするように、前記冷媒流量調整手段の開度を調整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。