JP2013002801A

JP2013002801A - 冷凍サイクル装置及びそれを備えた温水暖房装置

Info

Publication number: JP2013002801A
Application number: JP2011137973A
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: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】冷凍サイクルの安定運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を抑制することができる冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】過冷却熱交換器８と減圧手段６との間から分岐し、第１流量調整手段１１、前記過冷却熱交換器８を介して、圧縮機３の圧縮室、または、圧縮機３と蒸発器７との間に接続した第１バイパス管９と、前記過冷却熱交換器８と前記減圧手段６との間から分岐し、第２流量調整手段１２を介して、前記圧縮機３と前記蒸発器７との間に接続した第２バイパス管１３と、前記第１バイパス管９出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段（１５、１６）とを備え、前記過熱度検出手段（１５、１６）で検出された過熱度が第１所定値より高い場合、前記減圧手段６を閉方向に、かつ、前記第２流量調整手段１２を開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

一般に、室外温度が−２０℃など極低温条件において、暖房運転を行った場合、蒸発圧力の低下と高凝縮温度の要求により、一般的なヒートポンプの冷凍サイクルにおいて圧縮機の吐出温度は、極端に上昇する。

特に、運転開始時や室内側の負荷変動など過渡的な運転状態において、冷凍サイクル内の冷媒の偏在や膨張弁開度の操作量の影響により冷凍サイクルが安定するまでに吐出温度が急激に上昇する場合がある。

従来、このような圧縮機の吐出温度の上昇に対して、凝縮器出口と膨張弁の間の冷媒配管と圧縮機の吸入冷媒配管を膨張弁と過冷却熱交換器を介して接続し、液冷媒を圧縮機吸入にバイパスしている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載に記載された従来の冷凍サイクル装置を示すものである。

図６に示すように、圧縮機１０１、四方弁１０２、凝縮器１０３、ブリッジ回路１０４、蒸発器１０５が環状に接続された冷媒回路を備え、凝縮器１０３はブリッジ回路１０４の第１入力端に接続され、ブリッジ回路１０４の第１出力端は一方が過冷却熱交換器１０６と減圧手段１０７を介してブリッジ回路１０４の第２入力端に接続され、ブリッジ回路の第２出力端と蒸発器１０５が接続されている。

また、ブリッジ回路１０４の第１出力端の他方は、バイパス管１０８により過冷却熱交換器１０６を介して冷媒回路のガス側と液側とをバイパスしている。

さらに、このバイパス管１０８の過冷却熱交換器１０６の上流側に冷却熱交換器用の流量調整弁１０９が配設されている。

また、圧縮機１０１の吐出管に吐出温度センサ１１０を備え、この吐出温度センサ１１０で検出された吐出温度に基づいて、過冷却熱交換器用の流量調整弁１０９の開度を調整してバイパス管１０８に流れる冷媒量を制御するものである。

特許第３４４０９１０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、吐出温度を低減するための液冷媒が一旦過冷却熱交換器を通過するため、液冷媒の潜熱の一部が過冷却熱交換器で吸熱されるため、負荷変動時や過渡運転時などの冷凍サイクル変化に伴う、急激な吐出温度の上昇を迅速に抑制することが困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、冷凍サイクルの安定運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を抑制することが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、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第１所定値より高い場合、前記減圧手段を閉方向に、かつ、前記第２流量調整手段を開方向に動作させることを特徴とするものである。

これによって、過冷却熱交換器出口の冷媒過熱度を検知し、その冷媒過熱度が高い場合は、高圧液配管における過冷却を十分に確保した液冷媒を、第２バイパス管を介して圧縮機吸入管に直接バイパスする量を増大させ、かつ減圧手段と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持するように、第２バイパス管を流れる冷媒流量の増加量に合わせて、減圧手段を流れる冷媒流量を減少させる。

また、本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第２所定値より低い場合、前記減圧手段を開方向に、かつ、前記第２流量調整手段を閉方向に動作させることを特徴とするものである。

これによって、過冷却熱交換器出口の冷媒過熱度を検知し、その冷媒過熱度が低い場合は、高圧液配管から第２バイパス管を介して圧縮機吸入管にバイパスする冷媒量を減少させ、かつ減圧手段と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持するように、第２バイパス管を流れる冷媒流量の減少量に合わせて、減圧手段を流れる冷媒流量を増加させる。

本発明によれば、冷凍サイクルの安定運転を維持しながら、急激な吐出温度の上昇を抑制することができる冷凍サイクル装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクルの構成図同流量調整弁の動作フローチャート同流量調整弁動作開始時の流量と開度の関係を示す図同圧縮機の吐出温度変化と流量調整弁の開度の関係を示す図同流量調整弁動作中の流量と開度の関係を示す図従来の冷凍サイクル装置の構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、
前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第１所定値より高い場合、前記減圧手段を閉方向に、かつ、前記第２流量調整手段を開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、過冷却熱交換器出口の冷媒過熱度を検知し、その冷媒過熱度が高い場合は、高圧液配管における過冷却を十分に確保した液冷媒を、第２バイパス管を介して圧縮機吸入管に直接バイパスする量を増大させ、かつ減圧手段と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持するように、第２バイパス管を流れる冷媒流量の増加量に合わせて、減圧手段を流れる冷媒流量を減少させる。

その結果、急激に吐出温度が上昇する場合でも、過冷却熱交換器出口の冷媒状態から吐出温度の上昇現象を事前に検出し、第２バイパス管を介して液冷媒を圧縮機吸入側にバイパスすることにより、吐出温度の上昇を事前に抑制することが可能となり信頼性を向上できる。

また、吐出温度の上昇を抑制するために液バイパス量を増大させても、圧縮機に流入する冷媒流量を一定に維持するため、冷凍サイクルの高低圧の変化を抑制できる。すなわち、冷凍サイクルを安定に維持することができ、効率低下を最小限に抑制することができる。

第２の発明は、圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第２所定値より低い場合、前記減圧手段を開方向に、かつ、前記第２流量調整手段を閉方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、過冷却熱交換器出口の冷媒過熱度を検知し、その冷媒過熱度が低い場合は、高圧液配管から第２バイパス管を介して圧縮機吸入管にバイパスする冷媒量を減少させ、かつ減圧手段と第２バイパス管を流れる冷媒量の総和を一定に維持するように、第２バイパス管を流れる冷媒流量の減少量に合わせて、減圧手段を流れる冷媒流量を増加させる。

その結果、過冷却熱交換器出口の冷媒状態から圧縮機への液冷媒の戻り量の増加を確実に検知し、湿り圧縮を防止することが可能となり信頼性を向上できる。

また、液バイパス量を減少させても、圧縮機に流入する冷媒流量を一定に維持するため、圧縮機吸入圧力の変化を抑制できる。すなわち、液バイパスによる冷凍サイクルの高低圧の変化を抑制できるため、冷凍サイクルを安定に維持することができ、効率低下を最小限に抑制することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の放熱器を、冷媒と水との熱交換により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で、放熱器が冷媒対空気熱交換器
の場合だけでなく、冷媒対水熱交換器の場合にも適用でき、加えて第１または第２の発明と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、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図、図２は流量調整弁の制御フローチャート、図３は流量調整弁動作開始時の流量と開度の関係を示す図、図４は圧縮機の吐出温度変化と流量調整弁の開度の関係を示す図、図５は流量調整弁動作中の流量と開度の関係を示す図である。

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。

図１において、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放熱器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）、低温二相冷媒を蒸発気化させる蒸発器７（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ができる。また、放熱器５と膨張弁６の間に過冷却熱交換器８が配設されている。

さらに、過冷却熱交換器８の出口は第１バイパス管９を介して過冷却熱交換器８の低圧側を通じて圧縮機３の吸入配管１０に接続されている。また、第１バイパス管９は第１流量調整弁１１（第１流量調整手段）を介して過冷却熱交換器８と接続されている。

さらに、過冷却熱交換器８と膨張弁６とを接続する冷媒配管と吸入配管１０は第２流量調整弁１２（第２流量調整手段）を介して第２バイパス管１３により接続されている。

さらに、第１バイパス管９の出口には、冷媒の温度を検知する温度センサ１５と圧力を検知する圧力センサ１６が設置され、温度センサ１５で検知された温度と圧力センサで検知された圧力から第１バイパス管９の出口過熱度を算出し、その過熱度に応じて第２流量調整弁１２の開度と、第２流量調整弁１２の開度制御量に応じて膨張弁６の開度をそれぞれ制御する制御装置１７が設けられている。

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１４を通って四方弁４を通過し、放熱器５に流入し放熱する。放熱後の高圧液冷媒は、過冷却熱交換器８により過冷却が取られ、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、蒸発器７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。

また、過冷却熱交換器８では、第１バイパス管９の出口状態が飽和ガス冷媒になるように第１流量調整弁１１の開度を調整することで、過冷却熱交換器８の性能を十分に発揮し、過冷却熱交換器８と膨張弁６とを接続する冷媒配管における液冷媒の過冷却を十分大きく確保している。

一方、第２バイパス管１３においては、第１バイパス管９の出口に設置された冷媒の温度を検知する温度センサ１５と圧力を検知する圧力センサ１６により検出された冷媒温度と圧力から過熱度を算出し、予め設定された所定の過熱度以上になった場合、第２バイパス管１３の途中に配設されている第２流量調整弁１２を所定の開度だけ開放し、第２流量調整弁１２の開度に応じて、膨張弁６を所定の開度だけ閉止する。

また、同じく第２バイパス管１３において、第１バイパス管９の出口に設置された冷媒の温度を検知する温度センサ１５と圧力を検知する圧力センサ１６により検出された冷媒温度と圧力から過熱度を算出し、予め設定された所定の過熱度以下になった場合、第２バイパス管１３の途中に配設されている第２流量調整弁１２を所定の開度だけ閉止し、第２流量調整弁１２の開度に応じて、膨張弁６を所定の開度だけ開放する。

次に、以上のような、構成において、図２、図３、図４、図５を参照しながらその吐出温度の変化に対する制御動作と作用を説明する。

はじめに、通常運転である第１バイパス管９のみでの過冷却熱交換器８を用いた運転状態において、第１バイパス管出口の温度と圧力を測定して過熱度ＳＨｏの算出
を行う（ステップ１０１）。

このとき、過冷却熱交換器８により、過冷却熱交換器８と膨張弁６とを接続する配管内の冷媒は十分な過冷却を確保している。

次に、過熱度ＳＨｏと予め設定された第１設定値ＳＨＨとの比較を行う（ステップ１０２）。第１設定値ＳＨＨとの比較において、検出された過熱度ＳＨｏが第１設定値ＳＨＨ未満の場合、運転中確認に移行（ステップ１０３）し、運転中の場合、再度ステップ１０１の過熱度ＳＨｏの検出を行う。

検出された吐出温度Ｔｄが第１設定温度ＴｄＨ以上の場合、図３に示すように第２流量調整弁１２を閉止状態のＰＬＳＬ０から所定開度ＰＬＳＬ１まで開放する。この第２流量調整弁１２の開放動作に合わせて、膨張弁６の開放動作を行う。

このとき、膨張弁６の開度は、図３に示すように第２流量調整弁１２の開放量（ＰＬＳＬ０→ＰＬＳＬ１）の流量変化量Ｇｌと第２流量調整弁１２の逆方向の流量変化量Ｇｓが等しくなるように初期開度ＰＬＳＳ０からＰＬＳＳ１に閉止動作を行う（ステップ１０４）。

次に、過熱度の変化状態の判定を行う（ステップ１０５）。ここで、図４に過熱度の変化を示す。過熱度ＳＨｏが第１設定値ＳＨＨ以上の状態において、過熱度ＳＨｏが上昇状態にある場合、第２流量調整弁１２は、開放動作を行い、膨張弁６は、閉止動作を行う（ステップ１０６）。逆に過熱度ＳＨｏが下降状態にある場合、第２流量調整弁１２は、閉止動作を行い、膨張弁６は、開放動作を行う（ステップ１０７）。

ここで、過熱度ＳＨｏが下降状態にある場合を例に説明すると、図４に示すように、所定時間ｄＴ後の過熱度ＳＨｏの変化量ｄＳＨｏ比較し、変化量が０Ｋ未満の場合、下降状態にあると判断する。

このとき、図５に示すように第２流量調整弁１２は閉方向に所定開度制御する。一方、膨張弁６は、逆の開方向へ所定開度制御する。すなわち、第２流量調整弁１２は、ＰＬＳＬ１からＰＬＳＬ２へΔＧｌ閉止動作を行い、膨張弁６は、第２流量調整弁１２の流量変
化量の逆方向に等しくなるようにＰＬＳＳ１からＰＬＳＳ２にΔＧｓだけ開放動作を行う。

過熱度ＳＨｏが第１設定値ＳＨＨ以上の状態において、過熱度ＳＨｏが下降状態となるまでこの動作を繰り返す。

次に、過熱度ＳＨｏが下降状態となった場合、過熱度ＳＨｏの検知を行い、第２設定値ＴｄＬとの比較を行う（ステップ１０８）。

ステップ１０８において、過熱度ＳＨｏが第２設定値ＳＨＬ以上の場合は、ステップ１０５からステップ１０７を繰り返し、第２設定値ＳＨＬ未満の場合は、過熱度ＳＨｏの変化状態の判定を行う（ステップ１０９）。ステップ１０９での過熱度の変化状態の判定は、ステップ１０５と同様の判定動作である。ステップ１０９の判定結果に基づいて、過熱度ＳＨｏが下降状態にある場合は、第２流量調整弁１２は閉方向に所定開度制御する。

一方、膨張弁６は、逆の開方向へ所定開度制御する（ステップ１１０）。逆に、上昇状態にある場合は、第２流量調整弁１２は開方向に所定開度制御し、膨張弁６は、逆の閉方向へ所定開度制御する（ステップ１１１）。その後、ステップ１０３の運転確認を行い、停止の場合は制御を終了する。

以上のように、ステップ１０１からステップ１１１を繰り返すことにより、負荷変動時など急激な吐出温度の上昇においても、第２バイパス管１３により放熱器５と膨張弁６との間の高圧液冷媒配管から、圧縮機３吸入管へ液冷媒をバイパスすることができ、迅速に吐出温度を低下させることが可能であるとともに、第２バイパス管１３の冷媒流量が過剰になった場合でも、第２流量調整弁１２を閉方向に制御し、膨張弁６を開方向に制御するため圧縮機への液冷媒の戻りを抑制し、信頼性を向上できる。

また、第２バイパス管１３の入口の冷媒状態は、過冷却熱交換器８を通過した後の十分に過冷却が確保された液冷媒のため、低外気温条件や暖房負荷の急激な増加においても、凝縮器と減圧手段の間の高圧液冷媒配管から圧縮機吸入管へ液冷媒をバイパスさせることができ、広い運転範囲において、吐出温度の低減が可能となり、さらに圧縮機の信頼性を向上させることができる。

また、第２バイパス管１３の第２流量調整弁１２の冷媒流量に応じて、膨張弁６を逆方向に制御し、膨張弁６および第２バイパス管１３を流れる冷媒流量の総和の変化量が小さくできるため、バイパス時の高低圧の変化を抑制し、冷凍サイクルを安定に維持することができ、効率低下を最小限に抑制することができる。

なお、第１バイパス管９は、必ずしも過冷却熱交換器８と膨張弁６の間から分岐している必要はなく、放熱器５と過冷却熱交換器８の間で冷媒回路２から分岐していてもよい。

また、第１バイパス管９の出口における過熱度を、第１バイパス管９の出口に設置された冷媒の温度を検知する温度センサ１５と圧力を検知する圧力センサ１６により検出された冷媒温度と圧力から算出しているが、蒸発器７に流入し蒸発気化するときの飽和ガス冷媒の温度を検出し、第１バイパス管９の出口に設置された冷媒の温度を検知する温度センサ１５が検出した温度と、蒸発器７における飽和ガス冷媒の温度との温度差としてもよい。

また、第１バイパス管９の接続部は、必ずしも圧縮機３の吸入配管である必要はなく、インジェクション機構のある圧縮機の場合は、例えば、インジェクションポートに接続す
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、負荷変動時など吐出温度の急激な上昇時でも冷凍サイクルの安定を維持しながら吐出温度の上昇を抑制するものであり、一般空調機、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等の用途にも適用できる。

３圧縮機
５放熱器
６膨張弁（減圧手段）
７蒸発器
８過冷却熱交換器
９第１バイパス管
１１第１流量調整弁（第１流量調整手段）
１２第２流量調整弁（第２流量調整手段）
１３第２バイパス管
１５温度センサ（過熱度検出手段）
１６圧力センサ（過熱度検出手段）
１７制御装置

Claims

圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第１所定値より高い場合、前記減圧手段を閉方向に、かつ、前記第２流量調整手段を開方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
圧縮機、放熱器、過冷却熱交換器、減圧手段、蒸発器が順次接続された冷媒回路と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第１流量調整手段、前記過冷却熱交換器を介して、前記圧縮機の圧縮室、または、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第１バイパス管と、前記過冷却熱交換器と前記減圧手段との間から分岐し、第２流量調整手段を介して、前記圧縮機と前記蒸発器との間に接続した第２バイパス管と、前記第１バイパス管出口の冷媒の過熱度を検出する過熱度検出手段と、制御装置とを備え、前記過熱度検出手段で検出された過熱度が第２所定値より低い場合、前記減圧手段を開方向に、かつ、前記第２流量調整手段を閉方向に動作させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記請求項１または２に記載の放熱器を、冷媒と水との熱交換により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。