JP2012141070A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を含む冷媒を用いた場合に圧縮機１の圧縮行程中の液圧縮を回避する。
【解決手段】圧縮機１の吸入点の過熱度を検知する検知手段１１と、検知手段１１のデータに基づいて等エントロピー線と飽和ガス線が途中で接点を持つエントロピーより大きくなる様に圧縮機１の吸入点の過熱度を制御する制御手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒を用いた冷凍装置に関する。

二重結合を有する冷媒を用いた冷凍装置では、等エントロピー線の傾斜が急峻で圧縮機からの吐出冷媒の過熱度が小さくなるので、液圧縮による損傷を回避するため、吸入を過熱状態とするのに蒸発器から圧縮機の間の冷媒を加熱している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２２２３４８号公報

しかし、特有の特性を持った冷媒即ち、Ｐ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を含む冷媒を用いた冷凍装置においては、吸入部が過熱状態にあっても過熱の度合いによって圧縮機の圧縮行程中に冷媒が液化し液圧縮する可能性がある。

本発明の目的は、前記の特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度として、圧縮行程中の圧縮機内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍装置は、冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を用い、圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知する検知手段と、検知手段の出力に基づいて等エントロピー線と飽和ガス線が途中で接点を持つエントロピーより大きくなる様に圧縮機の吸入側の冷媒状態を調整する制御手段を備えたものである。

これによって、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができる。

本発明によれば、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度に制御して、圧縮行程中の圧縮機内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

Ｒ４１０Ａ冷媒のＰ−ｈ線図 ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒のＰ−ｈ線図 本発明の実施の形態１における冷凍装置の構成図 ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒を用いたサイクルの状態説明図 ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の過熱度目標の説明図 ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の蒸発器温度と吸入温度の対照を示す図 検知手段１１、制御手段１２および加熱手段１３についての制御用のフローチャート 本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成図 ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の吸入圧力と吸入温度の対照を示す図 検知手段１１’、制御手段１２および加熱手段１３についての制御用のフローチャート

第１の発明は、少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を順次接続管で接続して環状の冷媒回路を構成し、冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を用い、圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知する検知手段と、検知手段の出力に基づいて等エントロピー線と飽和ガス線が接点を持つエントロピーより大きくなる様に圧縮機の吸入側の冷媒状態を調整する制御手段を備えることにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第２の発明は、特に第１の発明の検知手段は蒸発器の中間部の温度と圧縮機の吸入温度から圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知し、制御手段は蒸発器の中間部の温度と圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように調整することにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機吸入部の過熱状態を精度よく検知して、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第３の発明は、特に第１の発明の検知手段は圧縮機の吸入圧力と吸入温度から圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知し、制御手段は吸入圧力から算出した飽和温度と圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように調整することにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機吸入部の過熱状態を精度よく検知して、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第４の発明は、特に第１の発明の冷凍装置において、蒸発器に送風する送風装置を有し、前記制御手段は送風装置の送風量を調整することにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、コストアップすることなく蒸発器の熱交換量を増加させ、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第５の発明は、特に第１または第４の発明の冷凍装置において、制御手段は前記絞り装置の開度を調整することにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、コストアップすることなく蒸発器の熱交換量を増加させ、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第６の発明は、特に第１または第４の発明の冷凍装置において、蒸発器の出口側と前記圧縮機の吸入側との間に加熱手段を設け、制御手段は加熱手段の加熱量を調整することにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、確実に圧縮機の吸入側の冷媒を加熱し、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第７の発明は、特に第６の発明の冷凍装置において、加熱手段は内部熱交換器であることにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、大幅なコストアップをすることなく圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

第８の発明は、特に第６の発明の冷凍装置において、加熱手段はヒーターであることにより、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、精度よく圧縮機の吸入側の冷媒を加熱でき、圧縮機の吸入状態を所定以上の過熱度とできるため、圧縮行程中の冷媒が全ての行程で飽和域となることを避け必ず過熱域とできるので、圧縮機内での液圧縮を回避することができ圧縮機の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

以下に、本発明の冷凍装置に用いる冷媒の特性、構成および動作について説明する。なお、この実施例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）
本実施の形態において、冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を含む冷媒を用いたものである。まず、上記冷媒の特性を図１、図２を用いて説明する。

図１はＲ４１０Ａ冷媒のＰ−ｈ線図、そして図２は本実施の形態に用いられる冷媒の１つであるＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒のＰ−ｈ線図である。図１より、等エントロピー線は飽和ガス線とは端部の１点で接するが、それ以外は飽和ガス線との交わりは無い。一方、図２より一部の等エントロピー線は飽和ガス線とＸ点、Ｙ点で接点を持つことがわかる。

本実施の形態の冷凍装置は図２の様な特有の特性を持つ冷媒を用いたものであり、以下、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒を用いた場合を例として説明を進める。

図３は本実施の形態による冷凍装置の構成図である。

本実施の形態による冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒と空気の熱を熱交換する凝縮器２、冷媒を減圧する絞り装置３、冷媒と空気の熱を交換する蒸発器４、前記蒸発器４内の冷媒と空気との熱交換量を調整する送風装置５、前記絞り装置３に入る冷媒と前記蒸発器４から前記圧縮機１の吸入までの冷媒とで熱交換を行う内部熱交換器６、前記内部熱交換器６に流入する冷媒をバイパスして熱交換量を調整するバイパス弁２０、前記蒸発器４から前記圧縮機１の吸入までの冷媒を過熱するヒーター７を備えている。加熱手段１３は前記内部熱交換器６と前記ヒーター７で構成されている。

また、前記蒸発器４の略中央に配置して冷媒温度を検知する蒸発器温度センサー８および前記圧縮機１の吸入冷媒温度を検知する吸入温度センサー９より構成される。そして、検知手段１１は前記蒸発器温度センサー８と前記吸入温度センサー９により検知した温度の基づき制御手段１２に制御信号を出力している。また、前記制御手段１２は検知手段１
１の信号に基づき、絞り装置３、送風装置５、ヒーター７およびバイパス弁２０を制御する。

次に、以上の様に構成された本実施の形態の冷凍装置の動作について図４を用いて説明する。図４はＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒を用いたときのサイクルの状態説明図である。

Ｄ３点で圧縮機１に吸入され圧縮された冷媒は、高温高圧の冷媒のＡ点となって凝縮器２に送られる。そして、空気と熱交換して放熱し、高圧の液冷媒のＢ点となり内部熱交換器６を通り吸入冷媒と熱交換してＢ’点に至り、絞り装置３に送られる。

絞り装置３では減圧されて低温低圧の二相冷媒であるＣ点となり、蒸発器４に入り空気と熱交換して吸熱し、蒸発気化して低温のガス冷媒であるＤ１点となる。このとき送風装置５によって空気と冷媒の熱交換量が調整される。さらに冷媒は内部熱交換器６を通り絞り装置３入り口の冷媒と熱交換してＤ２点となる。バイパス弁２０で内部熱交換器６に流入する冷媒流量を調整することで、内部熱交換器６での熱交換量を調整している。そして、冷媒はヒーターにより加熱されたＤ３点となった後、圧縮機１に吸入される。

本発明の冷凍装置がエアコンであれば、蒸発器４で室内空気が冷やされ室内は冷房される。また、冷蔵庫であれば庫内の空気が冷やされ冷凍、冷蔵されることになる。

また、圧縮機１に冷媒を圧縮する際、摺動部などに損失が無い理想的な場合はＤ３点で吸入した冷媒は等エントロピー線に沿って圧縮されＥ点となる。しかし、通常、圧縮機１には損失がある（圧縮機効率として例えば７５％程度）ため、エンタルピーが増加してＡ点に到達することになる。このため実際の圧縮行程では等エントロピー線より飽和ガス線と離れた線上を推移することになるため、等エントロピー線上で飽和ガス線との交点がなければ、圧縮行程中にも交点はないと言える。

ここで、圧縮行程で液圧縮が起きない様にするための原理を説明する。本実施の形態では、検知手段１１、制御手段１２および加熱手段１３は圧縮機１の圧縮行程で液圧縮が起こらないように吸入の過熱度を調整する。過熱度目標の考え方を、図５を用いて説明する。図５はＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の過熱度目標の説明図である。

先に説明したように、理想的な場合で吸入した冷媒は等エントロピー線に沿って圧縮される。飽和ガス線が図５で示すような接点を持つエントロピーより大きく設定すれば通常、圧縮機１では圧縮行程が進むにつれエンタルピーが大きくなるため、必ず液圧縮は回避されることになる。従って、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒での目標はエントロピーが１．６ｋＪ／ｋｇ−Ｋ以上となる様な吸入状態とすることが必要となる。

このため、等エントロピー線と飽和ガス線が途中で接点を持つエントロピー（この場合には１．６ｋＪ／ｋｇ−Ｋ）以上となるに、吸入圧力毎に吸入の最小温度をあらかじめ設定し、制御手段１２で最小吸入温度以上となるよう調整することになる。

具体的には、本実施の形態の冷凍装置では、吸入圧力を、蒸発器温度センサー８により蒸発器温度を検知して、蒸発器温度相当の飽和圧力から算出するものとし、エントロピーが１．６ｋＪ／ｋｇ−Ｋとなる蒸発器温度と最小吸入温度を対照できるデータをテーブルとして、検知手段１１のメモリなどに持つようにした。図６にＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の蒸発器温度と吸入温度の対照を示す。

次に、検知手段１１、制御手段１２および加熱手段１３としての内部熱交換器６およびヒーター７の動作について図７を用いて説明する。図７は検知手段１１、制御手段１２お
よび加熱手段１３についての制御用のフローチャートである。

図７より、ＳＴＥＰ０では冷凍装置の能力制御により各アクチュエーターである圧縮機１、絞り装置３、送風装置５、ヒーター７およびバイパス弁２０の動作を決定する。

ＳＴＥＰ１では検知手段１１である蒸発器温度センサー８で蒸発器の蒸発温度Ｔｅを検知する。ＳＴＥＰ２では検知手段１１である吸入温度センサー９で圧縮機１の吸入温度を検知する。ＳＴＥＰ３では検知手段１１はＳＴＥＰ１で検知した蒸発温度Ｔｅに最も近い図６の蒸発温度Ｔｅを検索して最小吸入温度Ｔｓ’を決定する。

ＳＴＥＰ４では検知手段１１はＳＴＥＰ２で検知した吸入温度ＴｓとＳＴＥＰ３で決定した最小吸入温度Ｔｓ’を比較し、ＴｓがＴｓ’以上であればＳＴＥＰ０に戻り冷凍装置の能力制御を行う。

ＴｓがＴｓ’未満であればＳＴＥＰ５に進む。ＳＴＥＰ５では制御手段１２は絞り装置３の開度を小さくする。かつ／または、蒸発器４内の冷媒と空気の熱交換量を増加するために送風装置５の風量を増加する。かつ／または、加熱手段１３の内部熱交換器６の熱交換量を増加するためにバイパス弁２０の開度を小さくする。かつ／または、ヒーター７の加熱量を増加する。この操作により圧縮機１の吸入での加熱量が大きくでき、所定以上の過熱度とすることができる。そして、ＳＴＥＰ０に戻り冷凍装置の能力制御を行う。

この様にして、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機１の吸入状態を所定以上の過熱度として圧縮行程中の圧縮機１内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機１の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２の冷凍装置の構成について図８を用いて説明する。図８では実施の形態１の冷凍装置と同じ動作をするものについては実施の形態１と同じ名前、番号を付与しここでは説明を割愛する。

１０は圧縮機１の吸入圧力を検知する吸入圧力センサーである。検知手段１１’は前記吸入圧力センサー１０と前記吸入温度センサー９により検知した温度の基づき制御手段１２に制御信号を出している。

本実施の形態の冷凍装置では吸入圧力センサー１０により圧縮機１の吸入圧力を検知して、検知した吸入圧力時にエントロピーが１．６ｋＪ／ｋｇ−Ｋとなる最小吸入温度をテーブルとして持つようにした。図９にＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の吸入圧力と最小吸入温度の対照表を示す。

さらに、検知手段１１’、制御手段１２および加熱手段１３としての内部熱交換器６およびヒーター７の動作について図１０を用いて説明する。図１０は検知手段１１、制御手段１２および加熱手段１３についての制御用のフローチャートである。

図１０より、ＳＴＥＰ０では冷凍装置の能力制御により各アクチュエーターである圧縮機１、絞り装置３、送風装置５、ヒーター７およびバイパス弁２０の動作を決定する。

ＳＴＥＰ１では検知手段１１’である吸入圧力センサー１０で圧縮機１の吸入圧力Ｐｓを検知する。ＳＴＥＰ２では検知手段１１’である吸入温度センサー９で圧縮機１の吸入温度を検知する。ＳＴＥＰ３では検知手段１１’はＳＴＥＰ１で検知した吸入圧力Ｐｓに最も近い図９の吸入圧力Ｐｓを検索して最小吸入温度Ｔｓ’を決定する。

ＳＴＥＰ４では検知手段１１’はＳＴＥＰ２で検知した吸入温度ＴｓとＳＴＥＰ３で決定した最小吸入温度Ｔｓ’を比較し、ＴｓがＴｓ’以上であればＳＴＥＰ０に戻り冷凍装置の能力制御を行う。

ＴｓがＴｓ’未満であればＳＴＥＰ５に進む。ＳＴＥＰ５では制御手段１２は絞り装置３の開度を小さくする。かつ／または、蒸発器４内の冷媒と空気の熱交換量を増加するために送風装置５の風量を増加する。かつ／または、加熱手段１３の内部熱交換器６の熱交換量を増加するためにバイパス弁２０の開度を小さくする。かつ／または、ヒーター７の加熱量を増加する。この操作により圧縮機１の吸入部での加熱量が大きくでき、所定以上の過熱度とすることができる。そして、ＳＴＥＰ０に戻り冷凍装置の能力制御を行う。

この様にして、特有の特性を持った冷媒を用いた場合でも、圧縮機１の吸入状態を所定以上の過熱度として圧縮行程中の圧縮機内での液圧縮を確実に回避することにより、圧縮機１の信頼性を向上することで信頼性の高い冷凍装置を提供できる。

尚、以上の実施の形態では絞り装置３、送風装置５、内部熱交換器６およびヒーター７を全て一つの冷凍装置内に設置した例を示したが、絞り装置３、送風装置５、内部熱交換器６およびヒーター７の何れか一つ以上設置していれば問題ない。

また、上記実施の形態では冷凍装置として説明したが、四方弁を有する冷暖房装置例えば家庭用のエアコンや、また、加熱専用例えば給湯機等や、冷却専用例えばクーラーや冷凍庫等としても応用できるものである。

本発明によれば、冷媒回路に封入する冷媒として、例えばＨＦＯ１２３４ｙｆをはじめとする、Ｐ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を含む冷媒を利用することができる。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 絞り装置
４ 蒸発器
５ 送風装置
６ 内部熱交換器
７ ヒーター
８ 蒸発器温度センサー
９ 吸入温度センサー
１０ 吸入圧力センサー
１１、１１’ 検知手段
１２ 制御手段
１３ 加熱手段

Claims (8)

1. 少なくとも圧縮機、凝縮器、絞り装置、及び蒸発器を順次接続管で接続して環状の冷媒回路を構成し、前記冷媒回路に封入する冷媒としてＰ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線が２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ単一冷媒および混合冷媒を用い、前記圧縮機の吸入側の冷媒状態を検知する検知手段と、前記検知手段の出力に基づいて等エントロピー線と飽和ガス線が接点を持つエントロピーより大きくなる様に前記圧縮機の吸入側の冷媒状態を調整する制御手段とを備えたことを特徴とした冷凍装置。
2. 前記検知手段は前記蒸発器の中間部の温度と前記圧縮機の吸入温度から前記冷媒状態を検知し、前記制御手段は前記蒸発器の中間部の温度と前記圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように調整することを特徴とした請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記検知手段は前記圧縮機の吸入圧力と吸入温度から前記冷媒状態を検知し、前記制御手段は前記吸入圧力から算出した飽和温度と前記圧縮機の吸入温度が所定の温度差以上となるように調整することを特徴とした請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記蒸発器に送風する送風装置を有し、前記制御手段は前記送風装置の送風量を調整することを特徴とした請求項１に記載の冷凍装置。
5. 前記制御手段は前記絞り装置の開度を調整することを特徴とした請求項１または請求項４に記載の冷凍装置。
6. 前記蒸発器の出口側と前記圧縮機の吸入側との間に加熱手段を設け、前記制御手段は前記加熱手段の加熱量を調整することを特徴とした請求項１または請求項４に記載の冷凍装置。
7. 前記加熱手段は内部熱交換器であることを特徴とする請求項６記載の冷凍装置。
8. 前記加熱手段はヒーターであることを特徴とする請求項６記載の冷凍装置。