JP2017101897A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
冷凍サイクル装置が、第一の流量調節弁と並列に、気液熱交換器及び第二の流量調節弁が設けられた配管を備える場合が考えられる。この場合、第二の流量調節弁を開くと、気液熱交換器での交換熱量が抑制され、第一の流量調節弁の入口での冷媒の温度が大きく変化する。第一の流量調節弁に流れる冷媒の流量も大きく変動するため、気液熱交換器の交換熱量を調節した場合に冷凍サイクル装置の性能の変動が大きくなる。
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置1は、圧縮機10と、四方弁(流路切替え部)11と、第一の熱交換器12と、第一のPMV(Pulse Motor Valve、膨張部)13と、第二の熱交換器14と、主配管15と、アキュムレータ17と、液戻し配管18と、第二のPMV(液戻し流量調節部)19と、高圧圧力センサ20と、凝縮液温度センサ21と、制御部22とを備える。
四方弁11は、主配管15を流れる冷媒R及び図示しない冷凍機油(以下、冷媒R等と称する)の向きを切替える。
第一の熱交換器12は、加熱又は冷却する対象となるチラー等の対象配管50と熱交換する。対象配管50内には、水等の第二の冷媒(不図示)が流れていて、第一の熱交換器12との熱交換により加熱又は冷却される。第一の熱交換器12及び対象配管50で、いわゆる水熱交換器51を構成する。例えば、水熱交換器51はプレート式の熱交換器である。
対象配管50には、第二の冷媒を流すためのポンプ52が設けられている。
一方で、貫通孔からニードルが最も離間したときに、第一のPMV13に冷媒R等が最も流れやすくなる。このとき、第一のPMV13は開いた状態になり、第一のPMV13の開度は最も大きくなる。
主配管15及び液戻し配管18は、銅管等で形成されている。主配管15は、圧縮機10、四方弁11、第一の熱交換器12、第一のPMV13、及び第二の熱交換器14を順次接続する。圧縮機10、四方弁11、第一の熱交換器12、第一のPMV13、第二の熱交換器14、及び主配管15内には、冷媒R及び冷凍機油が流通している。冷媒Rとしては、R410A等を用いることができる。冷凍機油としては、例えばポリオールエステル系の冷凍機油等を用いることができる。
なお、ケース25の下部に液相の冷媒R及び冷凍機油の少なくとも一方が収容されているとしてもよい。
ケース25の底面(下部)には、液戻し配管18の一端部が接続されている。図1に示すように、液戻し配管18の他端部は、アキュムレータ17と圧縮機10との間の主配管15であって、後述する気液熱交換器29よりも冷媒Rが流れる方向の上流側の部分に接続されている。
液戻し配管18の長手方向の中間部には、前述の第二のPMV19が設けられている。第二のPMV19は、第一のPMV13と同様に構成され、開度を調節可能である。なお、液戻し配管18及び第二のPMV19で液戻し回路32を構成する。
高圧圧力センサ20は、圧縮機10の吐出口10aにおける冷媒Rの圧力を検出する。高圧圧力センサ20は制御部22に接続され、検出結果を制御部22に送信する。
凝縮液温度センサ21は、第一の熱交換器12の出口における冷媒Rの温度を検出する。凝縮液温度センサ21は制御部22に接続され、検出結果を制御部22に送信する。
本実施形態では、圧縮機10の吸入口10b近くの主配管15に、圧縮機10の吸入口10bにおける冷媒Rの圧力を検出する低圧圧力センサ30が設けられている。低圧圧力センサ30は制御部22に接続され、検出結果を制御部22に送信する。
圧縮機10の吸入口10b近くの主配管15に、圧縮機10の吸入口10bにおける冷媒Rの温度を検出する吸入温度センサ31が設けられている。吸入温度センサ31は制御部22に接続され、検出結果を制御部22に送信する。
制御部22の演算素子は、圧力センサ20、30、温度センサ21、31の検出結果に基づいて、第一のPMV13の開度及び第二のPMV19の開度を調節する。
なお、冷凍サイクル装置1は、主配管15にレシーバ(受液器)を備えない。
具体的には、冷媒Rの充填量が多く必要な、空気熱交換器である第二の熱交換器14が凝縮器として機能する後述する冷却運転において、冷媒Rの充填量が過不足なく冷凍サイクル装置1を運転できるように冷媒Rの充填量を調節する。この時、制御部22は、第一のPMV13を圧縮機10の過熱度(SuperHeat)が一定の値になるように制御する(SH制御する)。
冷媒Rの充填量がこの状態で四方弁11を切替え、水熱交換器51を構成する第一の熱交換器12が凝縮器として機能する後述する加熱運転をした時に、第一の熱交換器12の内容積と第二の熱交換器14の内容積との差により余剰な冷媒Rが生じる。その余剰な冷媒Rにより、アキュムレータ17内に液相の冷媒Rが収容される。
このとき、制御部22は、高圧圧力センサ20が検出した圧力、及び、メモリに記憶された冷媒Rの飽和温度の表に基づいて、この圧力に対する冷媒Rの飽和温度である高圧飽和温度を算出する。高圧飽和温度と凝縮液温度センサ21が検出した温度との差である、過冷却度(SubCool)を算出する。
制御部22は、冷凍サイクル装置1を加熱運転させたときに、過冷却度が一定の値になるように(過冷却度に基づいて)第一のPMV13の開度を調節する(SC制御をする)。ここで言う一定の値とは、例えば1K(ケルビン)から5Kである。
圧縮機10の吐出口10aにおける冷媒Rの高圧かつ高温の状態を、モリエル線図上で吐出状態S0とする。吐出状態S0の冷媒Rは、第一の熱交換器12において圧力が変わらないまま凝縮して液化する。第一の熱交換器12の出口における冷媒Rの状態は、吐出状態S0の冷媒Rに対して比エンタルピーが低下することで液相の状態S1となる。
このとき、水熱交換器51においてポンプ52により対象配管50内を流れる第二の冷媒が加熱される。
高圧圧力センサ20が検出した圧力はP0であり、高圧飽和温度はT1である。凝縮液温度センサ21が検出した温度はT2であり、過冷却度はT1とT2との差である。
気液熱交換器29により、状態S1の冷媒Rが圧力が変わらないまま、比エンタルピーでJ1冷却される。気液熱交換器29の出口では、冷媒Rは状態S2となる。
第二のPMV19が開いていることで、ケース25の下部に収容されている液相の冷媒R及び冷凍機油が液戻し配管18内を流れる。液相の冷媒Rの気化熱等により、状態S1の冷媒Rが冷却される。アキュムレータ17から液戻し配管18を通して圧縮機10に供給される液相の冷媒Rの流量(以下、液戻し量とも略称する)は、第二のPMV19の開度により制御される。
なお、第二のPMV19は液相の冷媒R及び冷凍機油を流すためのものであるため、比較的小型のものが用いられる。
アキュムレータ17内の気相の冷媒Rは、流出管15b及び主配管15を介して圧縮機10に供給される。このように、アキュムレータ17は、気相の冷媒Rと液相の冷媒Rとを分離する気液分離器として機能する。
膨張して状態S4となった冷媒Rは、第二の熱交換器14において圧力が変わらないまま蒸発して気化する。第二の熱交換器14の出口における冷媒Rの状態は、例えば状態S5となる。
気液熱交換器29により、状態S5の冷媒Rが圧力が変わらないまま、比エンタルピーでJ2加熱される。比エンタルピーJ2は、比エンタルピーJ1に等しい。気液熱交換器29の出口では、冷媒Rは状態S6となる。
状態S6の冷媒Rは、圧縮機10の吸入口10bから吸入され、圧縮されて吐出状態S0となる。
吸入過熱度がある値を超えた時に、制御部22は第二のPMV19の開度を大きくする。すると、液戻し配管18内を流れる液相の冷媒R及び冷凍機油の流量が増加し、図4に示すように、気液熱交換器29で熱交換する比エンタルピーJ2が増加し、圧縮機10の吸入口10bにおける冷媒Rの温度が低下する。したがって、圧縮機10の吐出口10aにおける冷媒Rの温度(以下、吐出温度とも略称する)が低下する。
SC制御を行う場合、基本的に、凝縮器(第一の熱交換器12)の出口における冷媒Rは液相状態である。したがって、凝縮不良により第一のPMV13を流れる冷媒Rの流量が不足する等の不具合を防止することができる。
第二のPMV19の開度が大きくなるにしたがって、吐出口10aの冷媒Rの温度及び吸入口10bの温度が低下することが分かった。しかし、第二のPMV19の開度を調節しても、圧縮機10の吐出口10a及び吸入口10bの温度や、後述するCOP等の性能の変動は比較的少ない。
この場合、任意に制御できるのはアキュムレータ17の入口における過熱度であり、気液熱交換器29の出口における過熱度(圧縮機10の吸入口10bにおける過熱度)は制御できず成行きになる。圧縮機10の吐出口10aにおける冷媒Rの温度が高くなったときには過熱度を小さくする必要がある。しかし、SH制御では過熱度を0Kよりも小さい値に制御できない。
これに対して本実施形態の冷凍サイクル装置1ではSC制御をするため、第二の熱交換器14の出口における冷媒Rが乾きにくくなり、アキュムレータ17内に液相の冷媒Rが供給されやすくなる。
このとき、水熱交換器51においてポンプ52により対象配管50内を流れる第二の冷媒が冷却される。
制御部22は、冷凍サイクル装置1を冷却運転させたときに、吸入過熱度が一定の値になるように(吸入過熱度に基づいて)第一のPMV13の開度を調節する。また、吸入過熱度に基づいて第二のPMV19の開度を調節する。例えば、制御部22は吸入過熱度が閾値を超えたときに、第二のPMV19の開度を大きくする。
したがって、冷凍サイクル装置1がレシーバを備えないことで、冷凍サイクル装置1の後述するCOP等の性能が向上する。
第二の熱交換器14を凝縮器として機能させた冷却運転では、レシーバの有無によらず冷凍サイクル装置1のCOPは変わらない。一方で、第一の熱交換器12を凝縮器として機能させた加熱運転では、レシーバを備えないことで、従来の冷凍サイクル装置に比べてCOPが例えば5.3%向上する。
第一の熱交換器12の内容積よりも第二の熱交換器14の内容積の方が大きく、制御部22は冷凍サイクル装置1を加熱運転にしたときにSC制御をする。これにより、アキュムレータ17内に液相の冷媒Rを収容し、レシーバを備えなくても熱交換器12、14の内容積の差に対応することができる。
基本的には圧縮機10の信頼性を確保するために、最低限必要な量の液相の冷媒Rを圧縮機10の戻すように第二のPMV19を制御すればよい。しかし、圧縮機10の吸入過熱度が大きくなったときに液戻し量を増加させることで、吐出温度を低減することができる。
本実施形態では、第二のPMV19の開度を調節して液戻し量を制御することで、圧縮機10が吸入する冷媒Rを冷却し、吐出温度を低下することができる。
気液熱交換器29の低圧側の主配管15に液相の冷媒Rが流れることとなり、気液熱交換器29での交換熱量が増加し、冷凍サイクル装置1の能力が増加する。
冷凍サイクル装置1がレシーバを備えないことで、冷凍サイクル装置1の性能を向上させ、冷凍サイクル装置1を小型化(省スペース化)することができる。
例えば、図6に示すアキュムレータ17Aのように、液戻し配管18Aの端部を、ケース25の上下方向の中央部まで延ばしてもよい。この場合、液戻し配管18Aに複数の液戻し孔18aを形成してもよい。各液戻し孔18aは、液戻し配管18Aの外面から液戻し配管18Aの管路に連通するまで延びている。複数の液戻し孔18aは、上下方向に並べて形成されている。
このように構成されたアキュムレータ17Aでは、液相の冷媒R及び冷凍機油は複数の液戻し孔18aを通して液戻し配管18A内に入り、液戻し配管18A内を流れる。
このように構成されたアキュムレータ17Aでは、液相の冷媒R及び冷凍機油は液戻し孔15dを通して流出管15c内に入り、気相の冷媒Rとともに圧縮機10に供給される。
なお、流出管15cに形成される液戻し孔15dの数は1つに限定されず、必要であれば流出管15cに液戻し孔15dを複数形成してもよい。
吐出温度を検出する吐出温度センサを主配管15に設けてもよい。この場合、制御部22は第一のPMV13をSH制御するのに代えて、第一のPMV13を吐出温度で制御してもよい。この時、安定した通常の運転状態であれば、アキュムレータ17内に液相の冷媒Rは溜まらない。液戻し配管18内を気相の冷媒Rと少量の冷凍機油が流れることが、従来のアキュムレータにおける液戻し孔の役割を果たす。
この時、気液熱交換器29内を流れるのは、高圧の二相の冷媒Rと低圧の気相の冷媒Rであり、気液熱交換器29の主配管15の間で熱交換をほとんど行わない。よって、空気熱交換器である第二の熱交換器14を凝縮器として機能させる冷却運転において、気液熱交換器29により吐出温度が上昇することは、ほとんどない。
次に、第2の実施形態について図8を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図8に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置2は、第1の実施形態の冷凍サイクル装置1の制御部22に代えて、圧縮機10の吐出口10aにおける冷媒Rの温度を検出する吐出温度センサ35、及び制御部22Aを備えている。吐出温度センサ35は、圧縮機10の吐出口10aに近い主配管15に設けられている。吐出温度センサ35は制御部22Aに接続され、検出結果を制御部22Aに送信する。
制御部22Aは、制御部22に対してメモリに記憶された制御プログラムのみが異なる。
吐出温度を閾値とすることで、吐出温度を直接的に低減することができる。吸入過熱度が0Kにほぼ等しい場合であっても、吐出温度をさらに低減することができる。
次に、第3の実施形態について図8及び図9を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
第2の実施形態の冷凍サイクル装置2では、吐出温度センサ35が検出した温度(吐出温度)に基づいて第二のPMV19の開度を調節するとした。本実施形態の冷凍サイクル装置3では、制御部22Bが、吐出温度センサ35が検出した温度と高圧飽和温度との差である吐出過熱度(DSH:Discharge SuperHeat)を算出する。そして、制御部22Bが吐出過熱度に基づいて第二のPMV19の開度を調節する。
制御部22Bは、制御部22に対してメモリに記憶された制御プログラムのみが異なる。例えば、制御部22Bは、吐出過熱度が閾値を超えた場合には、第二のPMV19の開度を大きくして吐出過熱度を下げる。
吐出温度を表す曲線L6と冷凍機油の温度を表す曲線L7とが、ほぼ同様に推移することが分かる。すなわち、圧縮機ΔTは、吐出温度と凝縮温度との温度差である吐出過熱度(DSH)とほぼ同様に推移する。
高圧のケースを有するロータリ方式の圧縮機において、圧縮機の信頼性は、冷凍機油の温度と凝縮温度との温度差が確保できているか否かに依存する。このため、吐出温度と冷凍機油の温度が近い値となるロータリ方式の圧縮機では、吐出温度よりもDSHに基づいて第二のPMV19の開度を調節する方がよい。
具体的には、吐出温度が所定の値以上となった時に制御部22Bは第二のPMV19の開度を大きくして吐出温度を抑制する。吐出温度が所定値を下回らない場合には、第二のPMV19の開度をさらに大きくし、DSHが所定の値以下となるまで第二のPMV19の開度を大きくし続ける。この時、DSHが前記所定の値以下となった場合、その時の第二のPMV19の開度を上限開度として設定する。
第二のPMV19をこのように制御することで、直接的に吐出温度を抑制することができ、さらに圧縮機の信頼性を確保することができる。
次に、第4の実施形態について図10を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図10に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置4は、第2の実施形態の冷凍サイクル装置2において、液戻し配管18の端部を、アキュムレータ17と圧縮機10との間の主配管15であって、気液熱交換器29よりも下流側に接続したものである。
このように構成されていることで、気液熱交換器29の低圧側の入口における冷媒Rは、常に乾き度1で供給される。したがって、第二のPMV19の開度を調節しても、気液熱交換器29の低圧側の入口の冷媒Rの乾き度は変わらず、気液熱交換器29での交換熱量がほとんど変化しない。
冷凍サイクル装置4をこのように構成することで、液戻し配管18の端部を気液熱交換器29の低圧側の入口に接続する構成よりも安定した制御を行うことができる。
冷凍サイクル装置は、気液熱交換器29を備えなくてもよい。
Claims (9)
- 圧縮機と、
第一の熱交換器と、
開度を調節可能な膨張部と、
第二の熱交換器と、
前記圧縮機、前記第一の熱交換器、前記膨張部、及び前記第二の熱交換器を順次接続し、冷媒及び冷凍機油が流通する主配管と、
前記第二の熱交換器と前記圧縮機との間の前記主配管に設けられ、液相の前記冷媒及び前記冷凍機油の少なくとも一方を下部に収容し、気相の前記冷媒を前記圧縮機に供給するアキュムレータと、
前記アキュムレータの下部、及び、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管にそれぞれ接続された液戻し配管と、
開度を調節可能であって前記液戻し配管に設けられた液戻し流量調節部と、
前記圧縮機の吐出口における前記冷媒の圧力を検出する高圧圧力センサと、
前記第一の熱交換器の出口における前記冷媒の温度を検出する凝縮液温度センサと、
前記膨張部の開度及び前記液戻し流量調節部の開度を調節する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記高圧圧力センサが検出した圧力に対する前記冷媒の飽和温度である高圧飽和温度を算出し、
前記高圧飽和温度と前記凝縮液温度センサが検出した温度との差である過冷却度を算出し、
前記過冷却度に基づいて前記膨張部の開度を調節する冷凍サイクル装置。 - 前記主配管を流れる前記冷媒及び前記冷凍機油の向きを切替える流路切替え部を備え、
前記流路切替え部は、前記制御部により制御され、
前記第一の熱交換器の内容積よりも前記第二の熱交換器の内容積の方が大きく、
前記制御部は、前記流路切替え部を切替えて、前記第一の熱交換器を凝縮器として機能させ、前記第二の熱交換器を蒸発器として機能させたときに、前記過冷却度が一定の値になるように前記膨張部の開度を調節する請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吸入口における前記冷媒の圧力を検出する低圧圧力センサと、
前記圧縮機の吸入口における前記冷媒の温度を検出する吸入温度センサと、
を備え、
前記制御部は、
前記低圧圧力センサが検出した圧力に対する前記冷媒の飽和温度である低圧飽和温度を算出し、
前記吸入温度センサが検出した温度と前記低圧飽和温度との差である吸入過熱度を算出し、
前記吸入過熱度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吐出口における前記冷媒の温度を検出する吐出温度センサを備え、
前記制御部は、前記吐出温度センサが検出した温度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御部は、前記吐出温度センサが検出した温度と前記高圧飽和温度との差である吐出過熱度を算出し、
前記吐出過熱度に基づいて前記液戻し流量調節部の開度を調節する請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管と、前記第一の熱交換器と前記膨張部との間の前記主配管とを熱交換する気液熱交換器を備える請求項1から5のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記液戻し配管は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管であって、前記気液熱交換器よりも上流側に接続されている請求項6に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記液戻し配管は、前記アキュムレータと前記圧縮機との間の前記主配管であって、前記気液熱交換器よりも下流側に接続されている請求項6に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記主配管に受液器を備えない請求項1から8のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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