JP2012122637A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、低沸点成分に富んだ組成比率に変化した循環組成の変化を封入組成に近づける運転を行いながら、液バイパス効果により急激な吐出温度上昇を抑制できる冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機３、凝縮器５、減圧手段６、蒸発器８を順次接続して形成し、非共沸混合冷媒を封入するとともに、前記減圧手段６と前記蒸発器８との間に設けたレシーバタンク７と、前記レシーバタンク７と前記圧縮機３の吸入側との間に設けた流量調整手段２２とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置で、レシーバタンク７の底部に滞留する高沸点成分に富んだ液冷媒を、低沸点成分に富んだガス冷媒が循環する圧縮機３の吸入配管にバイパスすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて圧縮機の吐出温度上昇防止に関するものである。

非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルでは、その沸点が異なる非共沸性から冷凍サイクル内で特定の冷媒が偏在しやすく、特に液冷媒が滞留する箇所においては、高沸点成分の冷媒が滞留しやすくなることが知られている。

例えば、非共沸混合冷媒であるＨＦＣ４０７Ｃ｛ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５／ＨＦＣ１３４ａ（２３／２５／５２ｗｔ％）｝の各組成の沸点は、それぞれ、ＨＦＣ３２は−５１．７℃、ＨＦＣ１２５は−４８．１℃、ＨＦＣ１３４ａは−２６．１℃であり、低沸点成分のＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５は蒸発しやすく、高沸点成分のＨＦＣ１３４ａは比較的蒸発しにくい。

このため、ＨＦＣ４０７Ｃを封入した冷凍サイクルにおいては、高沸点成分のＨＦＣ１３４ａは、液冷媒としてアキュームレータやレシーバタンクに滞留しやすく、循環する実際の冷媒循環組成は、封入組成に比べ低沸点成分のＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５に富んだ組成となる。

このとき、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５の組合せに代表されるＨＦＣ４１０Ａにおいて、圧縮機が０℃の飽和ガスを吸い込んで凝縮温度５５℃まで等エントロピー圧縮した場合、吐出温度は約７８℃となる。一方、ＦＨＣ１３４ａにおいて、同様に圧縮した場合、吐出温度は、約６１℃となる。

このことからも、ＨＦＣ４０７Ｃにおいて、循環組成が変化し、低沸点成分であるＨＦＣ３２／ＦＨＣ１２５に富んだ循環組成に変化した場合、圧縮機の吐出温度が上昇気味となる。

従来、このような冷媒の偏在に対し、比較的高沸点成分に富んだ液冷媒が偏在しやすい凝縮器出口のレシーバタンクに高温の吐出ガス冷媒を導入し、滞留している高沸点成分を蒸発気化させて循環組成の高沸点成分の比率を増加させるものである。

図７は、従来の吐出温度低減手段であり、圧縮機１、四方弁２、室内熱交換器３、絞り装置４、レシーバタンク５、室外熱交換器６を順次配管接続して冷媒回路を構成し、圧縮機１の吐出管７からレシーバタンク５の略下半部へ接続されたバイパス回路８と、同バイパス回路８の途中に設けられた流量制御弁９から構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−９３５８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、吐出ガスをレシーバタンクにバイパスし滞留する高沸点冷媒を蒸発気化させるための時間を要し、急激な吐出温度上昇に対し、迅速に吐出
温度を低下させることが困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、低沸点成分に富んだ組成比率に変化した循環組成の変化を封入組成に近づける運転を行いながら、液バイパス効果により急激な吐出温度上昇を抑制できる冷凍サイクル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、減圧手段、蒸発器を順次接続して形成し、非共沸混合冷媒を封入するとともに、前記減圧手段と前記蒸発器との間に設けたレシーバタンクと、前記レシーバタンクと前記圧縮機の吸入側との間に設けた流量調整手段とを有することを特徴とするものである。

これによって、高沸点冷媒が滞留しやすい液成分の冷媒を有する箇所（凝縮器出口から減圧手段を介して蒸発器入口までの間）、特に減圧手段と蒸発器入口の間にレシーバタンクを設けることにより、高沸点冷媒に富んだ液冷媒を積極的に貯留することができる。

そして、レシーバタンクに滞留する高沸点成分に富んだ液冷媒を直接低沸点成分に富んだガス冷媒を有する箇所（蒸発器出口から圧縮機を介して凝縮器入口までの間）、特に圧縮機吸入にバイパスすることにより、従来の液バイパスの効果とともに低沸点成分に富んだ組成比率に変化していた組成を封入組成に近づけることができ、圧縮機吐出温度を迅速に低下させることができる。

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、高沸点成分の滞留に起因する循環組成の変化による圧縮機吐出温度の上昇に対し、圧縮機の吐出温度の状態に応じて、高沸点成分の滞留を緩和するとともに、液バイパスの効果により迅速かつ確実に圧縮機の吐出温度を低減することができるものである。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクルを示す図 同レシーバタンクの構成図 同モリエル線図 同膨張弁の基準開度制御フローチャート 同吐出および液管温度と膨張弁基準開度の関係図 同流量調整弁の制御フローチャート 従来の冷凍サイクルを示す図

第１の発明は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次接続して形成し、非共沸混合冷媒を封入するとともに、前記減圧手段と前記蒸発器との間に設けたレシーバタンクと、前記レシーバタンクと前記圧縮機の吸入側との間に設けた流量調整手段とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置で、レシーバタンクの底部に滞留する高沸点成分に富んだ液冷媒を、低沸点成分に富んだガス冷媒が循環する圧縮機吸入配管にバイパスすることができる。

これにより、液バイパスを行ないながら低沸点成分に富んだ循環組成に変化した圧縮機吸入の組成比率を封入組成に近づけることができ、迅速に吐出温度を低減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記減圧手段の開度を変更することで、前記レシーバタンク内に滞留する前記非共沸混合冷媒の液冷媒量を調整することを特徴とするものである。

これによって、レシーバタンク内への液冷媒の過剰な滞留を防止し、所定の容量以下の液冷媒を滞留させることができることで、レシーバタンクへの液冷媒の過剰滞留による冷媒量不足運転を防止でき、かつ、高沸点に富んだ液冷媒を積極的に分離することができるため、冷凍サイクルを安定させながら迅速かつ確実に吐出温度の上昇を低減することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーを備え、前記吐出温度センサーで検知した吐出温度が所定値以上の場合に、前記レシーバタンク内に滞留する液冷媒を前記圧縮機の吸入側に流入させることを特徴とするものである。

これにより、圧縮機吐出温度が正常運転範囲においては、不要な液バイパスを防止し性能低下を低減することができ、吐出温度が以上運転範囲になった時のみバイパスを行うことにより、効率低下を最小限にしながら迅速かつ確実に吐出温度の上昇を低減することができる。

（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を示す図、図２は、レシーバタンクの構成図、図３は、モリエル線図、図４は、膨張弁の基準開度制御フローチャート、図５は、吐出および液管温度と膨張弁基準開度の関係図、図６は、流量調整弁の制御フローチャートを示すものである。

冷凍サイクルは、室外機１と室内機２から構成され、冷媒を圧縮する圧縮機３、冷媒の流れ方向を切り換える四方弁４、高温高圧の冷媒を凝縮液化させる凝縮器５（室内機２を暖房運転として使用した場合）、高圧液冷媒を減圧膨張させる膨張弁６（減圧手段）、レシーバタンク７、低温二相冷媒を蒸発気化させる蒸発器８（室外機を暖房運転として使用した場合）を順次配管接続して構成されている。

なお、四方弁４を切り換えることにより、通常暖房運転から冷房運転へ、または、通常暖房運転から除霜運転へ切り換えることできる。

また、レシーバタンク７は、底部にバイパス回路２１を有し、流量調整弁２２（流量制御手段）を介して圧縮機３の吸入配管２３に接続されている。ここで、図２に示すように、レシーバタンク７内は、底部に高沸点成分に富んだ略液相の冷媒が滞留し、上部は低沸点成分に富んだガス冷媒を含む気液二相の冷媒状態となる。

このような状態を考慮し、レシーバタンク７内部の流入管７ａからの出口部と流出管７ｂへの流入口部は、バイパス管２１への流入口部（レシーバタンク７略底）から所定の高さＨだけ上部に位置するように配置し、流出管７ｂへ、レシーバタンク７の底部に滞留する高沸点成分のＨＦＣ１３４ａに富んだ液冷媒が積極的に直接吸い込まれない構成としている。

さらに、圧縮機３の吐出配管９には、圧縮機３の吐出温度を検知する吐出温度センサー２４が設置され、凝縮器５の出口配管には、凝縮液化した液冷媒の温度を検知する液管温度センサー２５が設置され、吐出温度センサー２４の検知温度と液管温度センサー２５の検知温度に応じて膨張弁６の開度と流量調整弁２２の流量をそれぞれ制御する制御装置２
６が設けられている。

なお、冷媒としては、非共沸混合冷媒のＨＦＣ４０７Ｃ｛ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５／ＨＦＣ１３４ａ（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おいて、以下、暖房運転における冷媒状態の変化を説明する。なお、図１おける矢印は、冷媒の流れ方向を示す。

まず、図１に示す冷凍サイクルにおいて、圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、吐出管９を通って四方弁４を通過し、凝縮器５に流入し放熱して凝縮液化する。その後、凝縮液化した高圧液冷媒は、膨張弁６により減圧膨張され低温低圧の二相冷媒となる。

次に、この低温低圧の二相冷媒は、レシーバタンク７に流入し、レシーバタンク７の底部には比較的液成分に富んだ液冷媒が滞留し、レシーバタンク７内部の上部は気液二相状態で存在する。この時、ＨＦＣ４０７Ｃの各成分の沸点は、それぞれ、ＨＦＣ３２は−５１．７℃、ＨＦＣ１２５は−４８．１℃、ＨＦＣ１３４ａは−２６．１℃であり、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５は低沸点成分であり、高沸点成分のＨＦＣ１３４ａに比べ、蒸発しやすいと言える。

すなわち、レシーバタンクのガス冷媒成分は、気化しやすい低沸点成分のＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５に富んだ組成となり、液冷媒成分は、ＨＦＣ３２／ＨＦＣ１２５に比べ気化しにくい高沸点成分のＨＦＣ１３４ａに富んだ組成となっている。

その後、レシーバタンク７の流出管７ｂから流出した二相冷媒は、蒸発器８に流入し蒸発気化して、再び、四方弁４を通過後、圧縮機３に吸入される。

一方、バイパス回路２１において、吐出配管９に設置された吐出温度センサー２４により圧縮機３の吐出温度を検知し、予め設定された所定の温度以上になった場合、レシーバタンク７の底部に接続されたバイパス回路２１の途中に設置されている流量調整弁２２を所定の開度だけ開放する。

このとき、レシーバタンク７の底部に滞留する高沸点成分のＨＦＣ１３４ａに富んだ液冷媒が圧縮機３の吸入配管２３に流入する。

次に、以上のような、構成における冷媒の滞留・流動状態において、図３、図４、図５、図６を参照しながらその制御動作と作用を説明する。

はじめに、運転開始後、レシーバタンク７内には気液二相冷媒が存在するように、膨張弁６の基準開度ＰＬＳを設定する。

この時、レシーバタンク内の二相冷媒の乾き度Ｘが過剰に小さい場合、レシーバタンク内に滞留する液冷媒量が増加し、冷凍サイクル中を循環する冷媒量が減少するため冷媒量不足の運転となる。

そこで、レシーバタンク内に過剰な液冷媒の滞留を防止するため、予め設定された乾き度Ｘｓ以上になるように膨張弁６の開度調整を行う。

まず、図３に示すように、レシーバタンク７の状態（Ａ点）が予め設定された乾き度Ｘｓ以上になるように膨張弁６の基準開度ＰＬＳを設定するため、先ず、図４に示すように、吐出温度センサー２４により圧縮機３の吐出温度Ｔｄを検出する（ステップＳ１０１）
。

次に、凝縮器５の出口配管に設置された液管温度センサー２５により減圧前の液管温度Ｔｌを検出する（ステップＳ１０２）。

その後、ステップ１０１とステップ１０２で検出された吐出温度Ｔｄと液管温度Ｔｌから基準開度ＰＬＳを算出する（ステップ１０３）。

ここで、吐出温度Ｔｄと液管温度Ｔｌから算出される膨張弁６の基準開度ＰＬＳは、図５に示すように、吐出温度Ｔｄ（Ｂ点）が高い程、基準開度ＰＬＳは小さく、液管温度Ｔｌ（Ｃ点）が高い程、基準開度ＰＬＳは小さくなる。

次に、算出された基準開度ＰＬＳに制御装置２６により膨張弁６の開度を設定する（ステップ１０４）。その後、運転または停止の判定を行なう（ステップＳ１０５）。

以上のように、ステップＳ１０１からステップ１０５を繰り返すことにより、レシーバタンク７に流入する冷媒の乾き度Ｘを確実に所定の乾き度Ｘｓ以上にでき、レシーバタンク７の底部に高沸点成分のＨＦＣ１３４ａを滞留させることができる。

次に、以上のようにレシーバタンク７内を所定の乾き度Ｘｓ以上に保持した状態でバイパス回路２１における流量調整弁２２の制御方法について、図６を参照しながら説明する。

レシーバタンク７内の冷媒状態が所定の乾き度Ｘｓ以上の状態において、吐出温度センサー２４により吐出温度Ｔｄを検出する（ステップＳ２０１）。

ステップ２０１で検出された吐出温度Ｔｄと予め設定された第１の設定温度Ｔｓ１との比較を行う（ステップ２０２）。ステップ２０２における吐出温度Ｔｄの比較において、検出された吐出温度が設定温度Ｔｓ１未満の場合、ステップ２０１に戻り吐出温度Ｔｄの検出を継続する。

一方、検出された吐出温度Ｔｄが設定温度Ｔｓ１以上の場合、流量調整弁２２を所定の開度だけ開ける（ステップ２０３）。

その後、再度、吐出温度Ｔｄの検出を行ない（ステップＳ２０４）、ステップ２０４で検出された吐出温度Ｔｄと予め設定された第２の設定温度Ｔｓ２との比較を行う（ステップＳ２０５）。設定温度Ｔｓ２以上であれば流量調整弁２２の現在の開度を維持した状態でステップＳ２０１へ戻る。

一方、設定温度Ｔｓ２未満の場合、バイパス量が過剰であると判断し、流量調整弁２２を所定の開度だけ閉める。その後、運転または停止の判定を行ない（ステップＳ２０７）、運転中の場合は、ステップＳ２０１に戻り、停止の場合は、制御を終了する。

以上のように、ステップＳ２０１からステップ２０７を繰り返すことにより、冷凍サイクルの運転中に過剰に吐出温度が上昇した場合、レシーバタンク７の底部に滞留する高沸点成分のＨＦＣ１３４ａを吸入配管流入させることにより、効率低下を最小限にしながら液バイパスの効果とともに、低沸点成分に富んだ循環組成に変化した圧縮機吸入の組成比率を封入組成に近づけることができ、迅速に吐出温度を低減することができる。

なお、本実施の形態で示したレシーバタンク７内の状態を所定の乾き度に膨張弁６の基
準開度を吐出温度Ｔｄと液管温度Ｔｌにより算出したが、レシーバタンク７内の状態を検出する方法であれば何れの手段でもよく、例えば、膨張弁６の出口温度と圧力にから算出する方法、膨張弁６の入口出口の圧力から算出する方法などを適用しても良い。

また、バイパス回路２１における流量調整弁２２は、冷媒流量をリニアに調整できる流量弁として説明したが、電磁開閉弁とキャピラリチューブの組合せによる予め調整された流量制御方式を適用してもよい。

また、封入冷媒は、非共沸混合冷媒であれば、他の冷媒を使用した場合でも同様の効果が得られ、ＨＦＣ４０７Ｅ、ＨＦＣ４０７Ｄ、ＨＦＣ１２３／ＨＦＣ１３４ａ混合冷媒などに適用してもよい。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルにおいて、液冷媒の滞留による循環組成の変化による圧縮機吐出温度の上昇に対し、低沸点成分に富んだ組成比率に変化した循環組成を封入組成に近づける運転を行いながら、液バイパスを行うものであり、空調機、ヒートポンプ温水暖房機、業務用冷凍機、ヒートポンプ給湯機など非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクルに適用することができる。

３ 圧縮機
４ 四方弁
５ 凝縮器
６ 膨張弁（減圧手段）
７ レシーバタンク
８ 蒸発器
２２ 流量調整弁（流量調整手段）
２３ 吸入配管
２４ 吐出温度センサー

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧手段、蒸発器を順次接続して形成し、非共沸混合冷媒を封入するとともに、前記減圧手段と前記蒸発器との間に設けたレシーバタンクと、前記レシーバタンクと前記圧縮機の吸入側との間に設けた流量調整手段とを有することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記減圧手段の開度を変更することで、前記レシーバタンク内に滞留する前記非共沸混合冷媒の液冷媒量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。
3. 前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度センサーを備え、前記吐出温度センサーで検知した吐出温度が所定値以上の場合に、前記レシーバタンク内に滞留する液冷媒を前記圧縮機の吸入側に流入させることを特徴とする請求項１または２に記載の冷凍サイクル装置。

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