JP2014202385A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンチング動作を引き起こすことなく、圧縮機から吐出される冷媒の温度を制御し、性能低下や保護装置の作動による異常停止を抑制できる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】制御装置３１は、温度センサー２２により検出される圧縮機１のケース温度を一定時間毎にサンプリングし、そのケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、ケース温度が上限値以下となるように、第１膨張弁４ａあるいは第２膨張弁４ｂの開度を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）に対応して、Ｒ３２冷媒を用いた冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置は、冷媒にＲ３２冷媒を使用しているか否かを判断し、Ｒ３２冷媒を使用していると判断したときには、圧縮機の吸入側の温度と蒸発器の温度との差であるスーパーヒートＳＨを検出し、このスーパーヒートＳＨが０．８５〜０．７５の範囲内か否かを判断し、スーパーヒートＳＨが範囲内でない場合には、圧縮機の回転数又は膨張弁の開度を制御し、圧縮機の吐出側の冷媒温度を所定範囲になるように運転制御している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１９４０１５号公報（第５―７頁、第１−３図）

従来の冷凍サイクル装置は、圧縮機の吐出温度を下げて圧縮機の潤滑性や磨耗といった信頼性を確保する反面、能力を犠牲にして運転効率ＣＯＰを低下させたり、圧縮機と膨張弁の制御により吐出温度を所定範囲になるように制御しているが、Ｒ３２冷媒の温度上昇特性に起因した圧縮機のハンチング動作を引き起こす虞があるという課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、ハンチング動作を引き起こすことなく、圧縮機から吐出される冷媒の温度を制御し、性能低下や保護装置の作動による異常停止を抑制できる冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器が順に冷媒配管により接続された冷媒回路と、圧縮機の外殻を構成するケースの温度を検出する温度センサーと、室内温度が設定温度になるように、圧縮機の容量を制御する制御装置とを備え、制御装置は、温度センサーにより検出されるケースの温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、その温度が上限値以下となるように、膨張弁の開度を制御する。

本発明においては、温度センサーにより検出されるケースの温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、その温度が上限値以下となるように、膨張弁の開度を制御するようにしている。この構成により、圧縮機から吐出される冷媒の温度上昇を抑制するための圧縮機の運転周波数を下げる必要が無くなり、そのため、圧縮機の運転周波数のダウンによる性能低下を抑えることができ、これに伴い圧縮機がハンチング動作を引き起こすようなことがなくなり、保護装置の作動による異常停止を防止できる。

本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態１としての空気調和機の概略構成を示す冷媒回路図。 本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態２としての空気調和機の概略構成を示す冷媒回路図。

実施の形態１．
図１は本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態１としての空気調和機の概略構成を示す冷媒回路図である。
実施の形態１は、例えばＲ４１０Ａ冷媒が使用可能な空気調和機に低ＧＷＰのＲ３２冷媒を使用したものである。
この空気調和機は、図１に示すように、圧縮機１と、四方弁２と、室外熱交換器３と、第２膨張弁４ｂと、レシーバ６と、第１膨張弁４ａと、室内熱交換器５と、レシーバ６内に設置された第１内部熱交換器７とが順に冷媒配管（以下、「ガス管８、液管９」という）により接続されて構成される冷媒回路と、制御装置３１とを備えている。圧縮機１には、インバータにより回転数が制御されるモーターが内蔵されている。

圧縮機１は、吸入冷媒を直接圧縮室に取り込んで圧縮する高圧タイプである。四方弁２は、制御装置３１からの制御に基づいて冷媒の流れを切り替える四路切替弁である。この四方弁２は、冷房運転時には、圧縮機１の吐出冷媒が室外熱交換器３へ流れるように流路を切り替え、暖房運転時には、圧縮機１の吐出冷媒が室内熱交換器５へ流れるように流路を切り替える。室外熱交換器３は、冷房運転時に凝縮器として作動し、暖房運転時に蒸発器として作動する。

第１膨張弁４ａ及び第２膨張弁４ｂは、制御装置３１からの制御に応じて開度が制御され、液冷媒の圧力を低下させる。レシーバ６は、冷媒回路を循環する冷媒の余剰を溜めるタンクである。室内熱交換器５は、冷房運転時に蒸発器として作動し、暖房運転時に凝縮器として作動する。第１内部熱交換器７は、四方弁２と圧縮機１の吸入部とを接続するガス管８の一部がレシーバ６内に設置されて構成され、四方弁２を介して流入する低温のガス冷媒を、レシーバ６内に貯留されている高温の液冷媒と熱交換する。

また、空気調和機の冷媒回路上には、複数の温度センサー２１〜２９が設置されている。温度センサー２１は圧縮機１の吐出側配管に設置され、温度センサー２２は圧縮機１の外殻を構成するケースに設置され、温度センサー２３は四方弁２と室外熱交換器３との間のガス管８に設置され、温度センサー２４は室外熱交換器３の中間部の冷媒流路上に設置されている。

更に、温度センサー２５は室外熱交換器３と第２膨張弁４ｂとの間の液管９に設置され、温度センサー２６はレシーバ６と第１膨張弁４ａとの間の液管９に設置され、温度センサー２９は圧縮機１の吸入側配管に設置されている。また、温度センサー２７は室内熱交換器５と第１膨張弁４ａとの間の液管９に設置され、温度センサー２８は室内熱交換器５の中間部の冷媒流路上に設置されている。温度センサー２４、２８により、室外熱交換器３及び室内熱交換器５の各中間部で気液二相冷媒となっている冷媒温度を検出することで、高低圧の冷媒飽和温度を検知することができる。

制御装置３１は、複数の温度センサー２１〜２９により検出される各部位の冷媒温度、空気調和機の運転（冷房又は暖房）などに基づいて、圧縮機１の運転、室外熱交換器３及び室内熱交換器５の各送風装置（図示せず）の風量、第１及び第２膨張弁４ａ、４ｂの開度を制御する。

この制御装置３１は、空気調和機の運転時に、温度センサー２１により検出される圧縮機１の吐出冷媒の温度を一定時間毎にサンプリングし、サンプリングした吐出冷媒の温度が目標吐出温度になるように、第１膨張弁４ａ又は第２膨張弁４ｂの開度を制御する。なお、冷房運転時には第２膨張弁４ｂの開度を制御し、暖房運転時には第１膨張弁４ａの開度を制御する。目標吐出温度は、温度センサー２４により検出される室外熱交換器３の冷媒飽和温度と温度センサー２８により検出される室内熱交換器５の冷媒飽和温度との温度差を基に得られる温度値である。

また、制御装置３１は、温度センサー２２により検出される圧縮機１のケース温度（シェル温度）を一定時間毎にサンプリングし、サンプリングしたケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、第１膨張弁４ａ又は第２膨張弁４ｂの開度を制御する。なお、ケース温度は、圧縮機１の吐出冷媒の温度と略同じタイミングでサンプリングしても良いし、また、異なるタイミングで、かつケース温度のサンプリング間隔を吐出冷媒の温度よりも短くしても良い。

ケース温度は、吐出冷媒の温度と比べ、温度上昇の勾配が大きくなるため、一定時間当たりのケース温度の変化からケース温度が上限値に達すると予測した場合に、前述の制御を行うようにしている。この制御は、Ｒ３２冷媒が、Ｒ４１０Ａ冷媒と比べ、温度上昇が速い（例えば１５〜３０Ｋ）という特性を有しているため、その温度上昇で冷媒回路上の各部品を高温から保護する保護装置の作動温度値に達しないようにしている。つまり、上限値は、保護装置の作動温度値よりも低く設定されており、Ｒ３２冷媒の温度上昇により保護装置が作動しないようにしている。

前記のように構成された実施の形態１の空気調和機において、冷房運転時の動作について説明する。
圧縮機１より高温高圧のガス冷媒が吐出される。この高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を通って室外熱交換器３に入る。そのガス冷媒は、室外熱交換器３により外気と熱交換されて液状の冷媒となり、第２膨張弁４ｂを通過することで減圧されて乾き度０．１以内の高温二相冷媒となる。この高温二相冷媒は、レシーバ６に入り、レシーバ６内の第１内部熱交換器７に流れる低温低圧のガス冷媒により飽和液状態まで冷却され、レシーバ６を出る。

ここでの冷却により、室内熱交換器５の入口のエンタルピーが小さくなるため、いわゆる冷凍効果と呼ばれる室内熱交換器５の出入口のエンタルピー差が大きくなる。すなわち、レシーバ６を流出した飽和液冷媒は、第１膨張弁４ａによって乾き度０．２〜０．３の低温低圧の二相冷媒となり室内熱交換器５に入る。この低温低圧の二相冷媒は、室内熱交換器５により室内の空気と熱交換されて蒸発し、乾き度０．９〜１．０の低温低圧の二相冷媒となり、四方弁２を介してレシーバ６内の第１内部熱交換器７を通過する。この時、第１内部熱交換器７に入った高乾き度の低温低圧の二相冷媒は、レシーバ６内を流れる高温高圧の二相冷媒と熱交換されて低圧の過熱ガス冷媒となり、圧縮機１に吸入される。この冷房運転中に、冷媒回路の循環中に発生した余剰冷媒は、飽和液冷媒としてレシーバ６内に貯留される。

以上のように、内部に第１内部熱交換器７が設置されたレシーバ６に、冷媒循環中に発生した余剰冷媒を溜めるようにしたため、アキュムレータをなくすことができ、圧力損失を低減し冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。また、レシーバ６内の高温高圧の二相冷媒と第１内部熱交換器７を流れる低圧低温の二相冷媒を熱交換させるので、例えば冷房時においては蒸発器である室内熱交換器５の入口エンタルピーが小さくなり、冷凍効果と呼ばれる蒸発器側の出入口のエンタルピー差が大きくなる。これにより、所定の能力を得るために必要な冷媒循環量が小さくなり、圧力損失をさらに低減することが可能となり、冷凍サイクルのＣＯＰをより一層向上させることができる。

また、レシーバ６内に存在する温度の高い液冷媒と、第１内部熱交換器７を流れる低温の冷媒とが熱交換を行うことで、圧縮機１に吸入する冷媒の乾き度を高めることができる。そして、この液冷媒が戻ることによる圧縮機１内の冷凍機油の濃度低下を抑制して、圧縮機１の信頼性を保持することができる。

また、冷房運転および暖房運転の何れの運転においても、レシーバ６からの液冷媒の流量を制御することにより、圧縮機１の吸入冷媒の乾き度を調整できる。

次に、この空気調和機の冷房運転時における制御動作について説明する。
制御装置３１は、先ず、圧縮機１の容量、第１及び第２膨張弁４ａ、４ｂの各開度を初期値に設定し、所定時間を経過したときに、室内温度が設定温度となるように、圧縮機１の容量を制御する。

また、制御装置３１は、温度センサー２４により検出される高圧冷媒の飽和温度を読み込み、温度センサー２５により検出される室外熱交換器３の出口温度を読み込む。そして、制御装置３１は、読み込んだ高圧冷媒の飽和温度と室外熱交換器３の出口温度との温度差で得られる室外熱交換器３の出口の冷媒過冷却度ＳＣが予め設定された目標値（例えば１０℃）になるように、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。

更に、制御装置３１は、温度センサー２９により検出される圧縮機１の吸入温度を読み込み、温度センサー２８により検出される低圧冷媒の飽和温度を読み込む。そして、制御装置３１は、読み込んだ圧縮機１の吸入温度と低圧冷媒の飽和温度との温度差で得られる圧縮機１の吸入の冷媒過熱度ＳＨが予め設定された目標値（例えば１０℃）になるように、第１膨張弁４ａの開度を制御する。

制御装置３１は、温度センサー２１により検出される圧縮機１の吐出冷媒の温度を一定時間毎にサンプリングしており、その吐出冷媒の温度が目標吐出温度になるように第２膨張弁４ｂの開度を制御する。また、制御装置３１は、温度センサー２２により検出される圧縮機１のケース温度を一定時間毎にサンプリングしており、そのケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、ケース温度が上限値以下となるように、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。なお、暖房運転時において、ケース温度が上限値以下となるようにする場合、第１膨張弁４ａの開度を制御する。

このように、圧縮機１のケース温度が保護装置の作動温度値より低い上限値以下となるように、第１膨張弁４ａ又は第２膨張弁４ｂの開度を制御している。この構成により、圧縮機１の吐出冷媒の温度上昇を抑制するための圧縮機１の運転周波数を下げる必要が無くなり、そのため、圧縮機の運転周波数のダウンによる性能低下を抑えることができ、これに伴い圧縮機がハンチング動作を引き起こすようなことがなくなり、保護装置の作動による異常停止を防止できる。

実施の形態２．
図２は本発明に係る冷凍サイクル装置の実施の形態２としての空気調和機の概略構成を示す冷媒回路図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同様の部分には同じ符号を付している。
実施の形態２に係る空気調和機は、実施の形態１の空気調和機に第２内部熱交換器１０とインジェクション回路１１とが付加されて構成され、冷媒として低ＧＷＰのＲ３２が用いられている。なお、圧縮機１は、実施の形態１と同様に、インバータにより回転数が制御されるモーターが内蔵されている。

第２内部熱交換器１０は、第２膨張弁４ｂとレシーバ６との間に設けられている。インジェクション回路１１は、レシーバ６と第２内部熱交換器１０との間の液管９より分岐し、第３膨張弁４ｃ及び第２内部熱交換器１０を介して圧縮機１の圧縮室と接続されて構成されている。第３膨張弁４ｃは、インジェクション用の減圧装置である。

実施の形態２における制御装置３１は、温度センサー２１により検出される圧縮機１の吐出温度を一定時間毎にサンプリングし、その吐出温度が目標吐出温度になるように第３膨張弁４ｃの開度を制御する。なお、この場合、冷房運転時あるいは暖房運転時の何れの場合でも第３膨張弁４ｃの開度を制御する。

また、制御装置３１は、温度センサー２２により検出される圧縮機１のケース温度を一定時間毎にサンプリングし、そのケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、ケース温度が上限値以下となるように、第１膨張弁４ａ又は第２膨張弁４ｂの開度を制御する。

前記のように構成された実施の形態２の空気調和機において、暖房運転時の動作について説明する。
圧縮機１より高温高圧のガス冷媒が吐出される。この高温高圧のガス冷媒は、四方弁２を通ってガス管８に流入し、室内熱交換器５に入る。その高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器５において放熱しながら凝縮液化し高圧低温の液冷媒となる。この時、冷媒から放熱された熱を負荷側の空気や水などの負荷側媒体に与えることで室内が暖房される。室内熱交換器５を出た低温高圧の液冷媒は、液管９に流入して第１膨張弁４ａで若干減圧された後、レシーバ６に流入し、レシーバ６内の第１内部熱交換器７で圧縮機１に吸入される低温のガス冷媒に熱を与えて冷却される。

そして、レシーバ６を出た液冷媒の一部は、インジェクション回路１１に流入して、第３膨張弁４ｃで中間圧まで減圧されて低温の二相冷媒となり、残りの液冷媒は第２内部熱交換器１０に入る。第２内部熱交換器１０を通る高圧の液冷媒は、インジェクション回路１１の第３膨張弁４ｃを通った二相冷媒と熱交換されて更に冷却される。

その後、第２内部熱交換器１０を通過した液冷媒は、第２膨張弁４ｂで低圧まで減圧され二相冷媒となる。その二相冷媒は、室外熱交換器３に流入して吸熱され、低温低圧のガス冷媒となる。そのガス冷媒は、四方弁２を経て第１内部熱交換器７で高圧の液冷媒と熱交換されて加熱され、圧縮機１に吸入される。

一方、インジェクション回路１１の第３膨張弁４ｃにより減圧されて低温となった二相冷媒は、第２内部熱交換器１０で高圧の液冷媒と熱交換して加熱され、圧縮機１にインジェクションされる。圧縮機１の内部では、吸入されたガス冷媒が中間圧まで圧縮、加熱された後で、インジェクションされる冷媒と合流し、温度低下した後で、高圧まで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり吐出される。

レシーバ６内での熱交換は、主に気液二相冷媒のうちガス冷媒が吸入配管と触れて凝縮液化して熱交換される。従って、レシーバ６内に滞留する液冷媒量が少ないほどガス冷媒と吸入配管が接触する面積が多くなり、熱交換量は増加する。逆に、レシーバ６内に滞留する液冷媒の量が多いと、ガス冷媒と吸入配管が接触する面積が少なくなり、熱交換量は減少する。

この空気調和機における冷媒回路の構成は、凝縮器となる室内熱交換器５を出た後で中間圧まで減圧された冷媒のうちガス冷媒を圧縮機１にインジェクションする、いわゆるガスインジェクション回路となっている。ガスインジェクションを行うことにより、圧縮機１から吐出される冷媒流量が増加し、圧縮機１から吐出される冷媒流量＝圧縮機１で吸入される冷媒流量＋インジェクションされる冷媒流量となる。したがって、凝縮器となる室内熱交換器５に流れる冷媒流量が増加するので、暖房運転の場合には暖房能力が増加する。

以上のように、インジェクション回路により暖房低温時の低圧低下による冷媒循環量の低下を抑え、また第２内部熱交換器１０によりインジェクション冷媒の乾き度を高めることで、圧縮機の電力増加を抑えることができる。したがって、暖房低温時の能力低下を抑制しつつ効率の良い運転が可能になる。

次に、この空気調和機の暖房運転時における制御動作について説明する。
制御装置３１は、先ず、圧縮機１の容量、第１及び第２膨張弁４ａ、４ｂの各開度を初期値に設定し、所定時間を経過したときに、室内温度が設定温度となるように、圧縮機１の容量を制御する。

また、制御装置３１は、温度センサー２８により検出される高圧冷媒の飽和温度を読み込み、温度センサー２７により検出される室内熱交換器５の出口温度を読み込む。そして、制御装置３１は、読み込んだ高圧冷媒の飽和温度と室内熱交換器５の出口温度との温度差で得られる室内熱交換器５の出口の冷媒過冷却度ＳＣが予め設定された目標値（例えば１０℃）になるように、第１膨張弁４ａの開度を制御する。

次に、制御装置３１は、温度センサー２９により検出される圧縮機１の吸入温度を読み込み、温度センサー２４により検出される低圧冷媒の飽和温度を読み込む。そして、制御装置３１は、読み込んだ圧縮機１の吸入温度と低圧冷媒の飽和温度との温度差で得られる圧縮機１の吸入の冷媒過熱度ＳＨが予め設定された目標値（例えば１０℃）になるように、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。

制御装置３１は、温度センサー２１により検出される圧縮機１の吐出温度を一定時間毎にサンプリングしており、その吐出温度が目標吐出温度になるように第３膨張弁４ｃの開度を制御する。また、制御装置３１は、温度センサー２２により検出される圧縮機１のケース温度を一定時間毎にサンプリングしており、そのケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、ケース温度が上限値以下となるように、第１膨張弁４ａの開度を制御する。なお、冷房運転時においては、ケース温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、第２膨張弁４ｂの開度を制御する。

このように、圧縮機１のケース温度が保護装置の作動温度値より低い上限値以下となるように、第１膨張弁４ａ又は第２膨張弁４ｂの開度を制御している。この構成により、圧縮機１の吐出冷媒の温度上昇を抑制するための圧縮機１の運転周波数を下げる必要が無くなり、そのため、圧縮機の運転周波数のダウンによる性能低下を抑えることができ、これに伴い圧縮機がハンチング動作を引き起こすようなことがなくなり、保護装置の作動による異常停止を防止できる。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 室外熱交換器、４ａ 第１膨張弁、４ｂ 第２膨張弁、４ｃ 第３膨張弁、５ 室内熱交換器、６ レシーバ、７ 第１内部熱交換器、８ ガス管、９ 液管、１０ 第２内部熱交換器、１１ インジェクション回路、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９ 温度センサー、３１ 制御装置。

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁及び室内熱交換器が順に冷媒配管により接続された冷媒回路と、
   前記圧縮機の外殻を構成するケースの温度を検出する温度センサーと、
   室内温度が設定温度になるように、前記圧縮機の容量を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記温度センサーにより検出される前記ケースの温度の変化から当該温度が予め設定された上限値を超えると予測したときに、前記温度が前記上限値以下となるように、前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記膨張弁は、第１膨張弁及び第２膨張弁を有し、
   前記第１膨張弁と前記第２膨張弁との間の冷媒配管上に、内部に前記四方弁と前記圧縮機とを接続する第１内部熱交換器が設置されたレシーバが設けられ、
   前記制御装置は、前記温度が前記上限値以下となるようにする際、冷房又は暖房運転に応じて、前記第１膨張弁あるいは前記第２膨張弁の何れかの開度を制御することを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記室外熱交換器と前記レシーバとの間の冷媒配管上に設けられた第２内部熱交換器と、
   前記レシーバと前記第２内部熱交換器との間の冷媒配管から分岐し、当該第２内部熱交換器を介して前記圧縮機に接続されて構成されたインジェクション回路とを備え、
   前記制御装置は、前記温度が前記上限値以下となるようにする際、冷房又は暖房運転に応じて、前記第１膨張弁あるいは前記第２膨張弁の何れかの開度を制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷媒回路を循環する冷媒にＲ３２が使用されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。

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