JP2017106677A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、例えば冷媒流路数(以下、パス数と称する)が複数の熱交換器を蒸発器として機能させ、送風機を定格で運転したときに、各パスの出口における冷媒の過熱度が同等で、かつ、1〜3Kになるように熱交換器の各パスへの冷媒循環量を調節する。この調節は、膨張部の下流に設けられたデストリビュータから、熱交換器の各パスに至るまでのキャピラリーチューブ等の長さ調節によって行われることが多い。
そのため、送風機を定格で運転したときに熱交換器の各パスの出口における冷媒の過熱度が同等で、かつ1〜3Kになるように各パスへの冷媒循環量を調節して、熱交換器の効率を高める設計を行ったとしても、熱交換器を通過する空気の流速分布の変化によって各パスの出口における冷媒の過熱度は同等を維持することができなくなることがある。各パスは、過熱度が確保できないもの、過熱度が1〜3K程度もの、過熱度が3K以上のものが混在することになり、結果として、定格条件以外では熱交換器の性能低下を招くことになっていた。
図1に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置1は、外気を熱源とするチラーである。
第三の熱交換器100は、例えば水熱交換器であるプレート式熱交換器101等の流路の一部である。
プレート式熱交換器101の流路の残部は対象熱交換器105となっている。対象熱交換器105は、接続配管106に設けられている。接続配管106内には、図示しない水等の第二の冷媒が充填されている。第二の冷媒は、接続配管106に設けられた送水ポンプ107により接続配管106内で搬送される。
なお、第一の熱交換器14及び第二の熱交換器18で空気熱交換器25を構成する。
四方弁11は、主配管23を流れる冷媒Rの向きを切替える。冷媒Rとしては、R410A等を用いることができる。
圧縮機10及び四方弁11は、符号を省略した配線等により制御部24に接続され、制御部24に制御される。
第一の分岐配管12、第二の分岐配管13、及び主配管23は銅管等で形成されている。第一の分岐配管12には、第一の分岐配管12の一端部側から第三の温度センサ27、第一の熱交換器14、第一の温度センサ15、及び第一のPMV16がこの順で設けられている。第三の温度センサ27、第一の熱交換器14、第一の温度センサ15、及び第一のPMV16は、第一の分岐配管12の中間部に設けられている。
温度センサ27、15は、第一の分岐配管12内に充填される冷媒Rの温度を検出する。
図2及び3に示すように、第一の熱交換器14は、複数の第一の伝熱管30と、複数の第一の伝熱管30を位置決めする一対の端板31の一端部と、一対の端板31の間に配置された複数のフィン32の一端部とを有している。
第一の伝熱管30は、銅管等で形成されている。複数の第一の伝熱管30は、第一の伝熱管30の径方向に並べられている。例えば、複数の第一の伝熱管30は、端板31の長手方向Xに8段、端板31の幅方向Yに3列配置されている。幅方向Yに隣り合う第一の伝熱管30の長手方向Xの位置がずらされることで、複数の第一の伝熱管30はいわゆる千鳥状に配置されている。
各パス35の他端部は、長さを調節したキャピラリーチューブ(符号省略)、及びデストリビュータ37を介して第一の分岐配管12に接続されている。
各フィン32は、アルミニウム製の板をプレス加工することで形成されている。各フィン32には、端板31と同様に、複数の第一の伝熱管30が挿通される図示しない貫通孔が設けられている。
端板31の貫通孔31a及びフィン32の貫通孔に挿通された第一の伝熱管30を拡径することで、第一の伝熱管30に各端板31及び各フィン32が取付けられる。
第一の熱交換器14は、図1に示すように上方Z1に向かうにしたがって送風機22の後述する回転軸22bから離間するように、上下方向Zに対して傾いて配置されている。
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PMV16に冷媒Rが最も流れやすくなる。このとき、第一のPMV16は開いた状態になり、第一のPMV16の開度は最も大きくなる。
温度センサ27、15は制御部24に接続され、制御部24に冷媒Rの温度の検出結果を送信する。第一のPMV16は制御部24に接続され、制御部24に制御される。
温度センサ28、19は、第二の分岐配管13内に充填される冷媒Rの温度を検出する。
第二の伝熱管40は、第一の伝熱管30と同一のものが用いられる。複数の第二の伝熱管40は、第二の伝熱管40の径方向に並べられている。例えば、複数の第二の伝熱管40は、長手方向Xに10段、幅方向Yに3列配置されている。幅方向Yに隣り合う第二の伝熱管40の長手方向Xの位置がずらされることで、複数の第二の伝熱管40はいわゆる千鳥状に配置されている。
各パス41の他端部は、長さを調節したキャピラリーチューブ(符号省略)、デストリビュータ37を介して第二の分岐配管13に接続されている。
第一の熱交換器14の複数の第一の伝熱管30の列数である3は、第二の熱交換器18の複数の第二の伝熱管40の列数である3に等しい。第一の熱交換器14の複数の第一の伝熱管30の段数である8は、第二の熱交換器18の複数の第二の伝熱管40の段数である10よりも少ない。なお、複数の第一の伝熱管30の段数が複数の第二の伝熱管40の段数に等しいとしてもよい。
温度センサ28、19は制御部24に接続され、制御部24に冷媒Rの温度の検出結果を送信する。第二のPMV20は制御部24に接続され、制御部24に制御される。
このように、空気熱交換器25を構成する熱交換器14、18は、端板31及びフィン32が一体化されている。しかし、PMV16、20を備えることで、4本のパス35と5本のパス41とに独立して冷媒Rを流すことができる。空気熱交換器25は、PMV16、20により、上下方向Zにいわゆる制御的に分割されている。
送風機22は、熱交換器14、18よりも上方Z1に配置されている。送風機22を運転して、ファン22aを回転軸22b周りに回転させると、ファン22aは回転軸22bに沿う方向に空気の流れ22cを生じさせる。この例では、ファン22aは吸込み型の軸流ファンである。
圧縮機10の吸入口10a近くの主配管23には、気相の冷媒Rと液相の冷媒Rとを分離するアキュムレータ46が設けられている。
圧縮機10の吐出口10bと四方弁11との間の主配管23には、圧縮機10の吐出口10bにおける冷媒Rの圧力を検出する高圧圧力センサ48が設けられている。
主配管23におけるアキュムレータ46と四方弁11との間の部分(アキュムレータ46よりも上流側の部分)には、圧縮機10の吸入口10aにおける冷媒Rの温度を検出する吸入温度センサ49が設けられている。
アキュムレータ46よりも圧縮機10の吸入口10aに近い部分の主配管23には、圧縮機10の吸入口10aにおける冷媒Rの圧力を検出する低圧圧力センサ50が設けられている。
圧力センサ48、50及び吸入温度センサ49は制御部24に接続され、制御部24に冷媒Rの圧力及び温度の検出結果を送信する。
制御部24の演算素子は、温度センサ27、28、15、19、圧力センサ48、50の検出結果に基づいて、第一のPMV16の開度及び第二のPMV20の開度を調節する。
制御部24は、圧縮機10を駆動させるとともに四方弁11を切替え、送風機22を運転させる。これにより、圧縮機10、熱交換器14、18、PMV16、20、レシーバ45、第三の熱交換器100、アキュムレータ46の順で冷媒Rを流す。熱交換器14、18で冷媒Rを凝縮させ、熱交換器14、18を凝縮器として機能させる。第三の熱交換器100で冷媒Rを蒸発させ、第三の熱交換器100を蒸発器として機能させる。こうして、冷凍サイクル装置1を冷却運転にする。
このとき、対象熱交換器105内の第二の冷媒が冷却される。
以下では互いに同一の構成については、1つの構成については、数字、又は数字及び英小文字の符号で示し、他の構成については、同一の数字、又は同一の数字及び英小文字に英大文字「A」等を付加することで示す。これにより、重複する説明を省略する。例えば、圧縮機10、圧縮機10A、圧縮機10Bは互いに同一の構成である。
熱交換器14、18、14A、18A、送風機22は、金属板等で形成されたケース52に取付けられている。
第一の熱交換器14を通過する空気22dの流速は、第二の熱交換器18を通過する空気22eの流速よりも速い。図4及び後述する図8、10においては、流速が速いほど、空気を表す矢印を長く示している。
送風機22のモータの回転周波数を比較的大きくして送風機22を運転したときの空気の流速を、曲線L1で示す。この場合、上方に向かうにしたがって空気の流速は速くなる。
このため、第二の伝熱管40の管外側の熱伝達率よりも第一の伝熱管30の管外側の熱伝達率の方が大きくなる。同じ温度及び流量の冷媒Rを伝熱管30、40内に流した場合、1本の第二の伝熱管40を介した空気と冷媒Rとの交換熱量よりも1本の第一の伝熱管30を介した空気と冷媒Rとの交換熱量の方が多くなる。
また、送風機22のモータの回転周波数を比較的大きいときには、空気熱交換器25において上方と下方とで空気の流速の差が大きい。
このように、送風機22の運転条件により上下方向の位置による空気の流速分布が変化する。
制御部24は、第一の温度センサ15が検出した冷媒Rの温度と第二の温度センサ19が検出した冷媒Rの温度とが等しくなるとともに、吸入過熱度が所定の範囲内になるように、PMV16、20の開度を調節する。ここで言う所定の範囲内とは、例えば1K(ケルビン)以上5K以下等である。2つの温度が等しくなるとは、例えば両温度の温度差が1K以内となり、両温度がほぼ等しくなることも含む。
冷却運転時には、温度センサ15、19は、熱交換器14、18よりも冷媒Rの流れの下流側に設けられている。PMV16、20は、温度センサ15、19よりも冷媒Rの流れの下流側に設けられている。
また、吸入過熱度が5K以下であることで、圧縮機10の吐出口10bにおける冷媒Rの温度が高くなり過ぎて圧縮機10等が損傷するのが抑制される。
制御部24は、高圧圧力センサ48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。この高圧飽和温度よりも第一の温度センサ15が検出する冷媒Rの温度及び第二の温度センサ19が検出した冷媒Rの温度がそれぞれ低くなり、凝縮器として機能する熱交換器14、18の出口における冷媒Rの過冷却度を算出できるようになる。
熱交換器14、18の出口における冷媒Rの過冷却度をほぼ等しくすることで、熱交換器14、18における熱交換が効率的になる。
この場合、吸入過熱度を1K以上5K以下にするためには、PMV16、20のパルス数を増やす必要がある。そこで、例えば1分毎に周期的に行うPMV16、20(膨張弁)の開度調整において、第二のPMV20に入力するパルスの増分値よりも第一のPMV16に入力するパルスの増分値を大きくすることを繰り返すことで、吸入過熱度を小さくしていく。同時に、第一の温度センサ15が検出する冷媒Rの温度と第二の温度センサ19が検出する冷媒Rの温度との差も、5Kよりも0Kに近づけることができる。
この場合、吸入過熱度を1K以上5K以下にするためには、PMV16、20のパルス数を減らす必要がある。そこで、例えば1分毎に周期的に行うPMV16、20の開度調整において、第一のPMV16に入力するパルス数の減少値よりも第二のPMV20に入力するパルス数の減少値を大きくすることを繰り返すことで、吸入過熱度を大きくしていく。同時に、第一の温度センサ15が検出する冷媒Rの温度と第二の温度センサ19が検出する冷媒Rの温度との差も、5Kよりも0Kに近づけることができる。
このように第一の熱交換器14の周囲の条件が変化しても、第一のPMV16の開度を大きくすることで、第一の温度センサ15が検出する冷媒Rの温度が低くなり、第一の温度センサ15が検出する冷媒Rの温度と第二の温度センサ19が検出する冷媒Rの温度との差を0Kに近づけることができる。
これに対して本実施形態の冷凍サイクル装置1の制御部24は、熱交換器14、18の出口における冷媒Rの温度を等しくする制御と、圧縮機10の吸入過熱度の制御との両立を図る。
このとき、対象熱交換器105内の第二の冷媒が加熱される。
制御部24は、前述のように低圧飽和温度及び吸入過熱度を算出する。制御部24は、第三の温度センサ27が検出した冷媒Rの温度と第四の温度センサ28が検出した冷媒Rの温度とが等しくなるとともに、吸入過熱度が所定の範囲内になるように、PMV16、20の開度を調節する。
制御部24は、第三の温度センサ27が検出した冷媒Rの温度、及び第四の温度センサ28が検出した冷媒Rの温度が低圧飽和温度よりもそれぞれ高くなるようにPMV16、20の開度を調節する。加熱運転時には、温度センサ27、28は、熱交換器14、18よりも冷媒Rの流れの下流側に設けられている。
このように、本実施形態の冷凍サイクル装置1の制御部24は、加熱運転時においても熱交換器14、18の出口における冷媒Rの温度を等しくする制御と、圧縮機10の吸入過熱度の制御との両立を図る。
同時に、吸入温度センサ49及び低圧圧力センサ50を備え、制御部24は吸入過熱度が所定の範囲内になるように、PMV16、20の開度を調節する。したがって、第三の熱交換器100における熱交換が効率的になり、圧縮機10等が損傷するのを抑制することができる。
同時に、吸入温度センサ49及び低圧圧力センサ50を備え、制御部24は吸入過熱度が所定の範囲内になるように、PMV16、20の開度を調節する。したがって、圧縮機10等が損傷するのを抑制することができる。
第一の熱交換器14を第二の熱交換器18よりも小型化する方法としては、第一の熱交換器14の複数の第一の伝熱管30の段数が第二の熱交換器18の複数の第二の伝熱管40の段数よりも少なくする方法等がある。
第一の熱交換器56は、第一の熱交換器14の一対の端板31の一端部、複数のフィン32の一端部に代えて、一対の端板59、複数のフィン60が用いられている。第二の熱交換器57は、第二の熱交換器18の一対の端板31の他端部、複数のフィン32の他端部に代えて、一対の端板61、複数のフィン62が用いられている。
第一の熱交換器56と第二の熱交換器57とは、図示しない固定部材により互いに固定される。
空気熱交換器25、25AはV字形の配置に限定するものではなく、垂直平向に向い合せた形で配置していてもよい。
制御部24は、吸入過熱度に基づいてPMV16、20の開度を調節しなくてもよい。この場合には、冷凍サイクル装置1は吸入温度センサ49及び低圧圧力センサ50を備えなくてもよい。
冷凍サイクル装置1が冷却運転専用である場合には、冷凍サイクル装置1は四方弁11を備えなくてもよい。この場合、冷凍サイクル装置1は温度センサ27、28を備えなくてもよい。
冷凍サイクル装置1は、レシーバ45、アキュムレータ46、及び高圧圧力センサ48を備えなくてもよい。
次に、第2の実施形態について図7から11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7に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置3は、冷凍サイクル回路44及び第二の冷凍サイクル回路44Aを備えている。第二の冷凍サイクル回路44Aは、冷凍サイクル回路44とは別のものであり、第四の熱交換器14A及び第五の熱交換器18Aを備える。
第一の熱交換器14と第四の熱交換器14A、第二の熱交換器18と第五の熱交換器18Aは、それぞれ同一の構成である。
第四の熱交換器14Aは、ファン22aの回転軸22bに対して第一の熱交換器14と対向するように配置されている。第五の熱交換器18Aは、ファン22aの回転軸22bに対して第二の熱交換器18と対向するように配置されている。
4つの熱交換器14、18、14A、18Aは、下方Z2の間隔よりも上方Z1の間隔の方が広いV字形に配置されている。熱交換器14、18、14A、18A、送風機22、及びケース52(図4参照)で、空気熱交換ユニット65が構成される。
本実施形態では、温度センサ27、27A、15、15A等は温度の検出結果を制御部24に送信し、制御部24は圧縮機10、10A、四方弁11、11A等を制御する。
冷凍サイクル装置3は、冷凍サイクル回路44及び第二の冷凍サイクル回路44Aを接続配管106で直列に接続したものである。
図8に示す例では、3つの冷凍サイクル装置3の空気熱交換ユニット65が、水平面に平行な基準面Gに沿って並べて配置されている。ここで、3つの冷凍サイクル装置3を基準面Gに沿う一方側から順に冷凍サイクル装置3A、冷凍サイクル装置3B、冷凍サイクル装置3Cと称する。
3つの冷凍サイクル装置3A、3B、3Cが並べられることで、冷凍サイクル装置3Aの第四の熱交換器14Aと冷凍サイクル装置3Bの第一の熱交換器14との距離が近くなる。同様に、冷凍サイクル装置3Bの第四の熱交換器14Aと冷凍サイクル装置3Cの第一の熱交換器14との距離が近くなる。
図9に、冷凍サイクル装置3を単独で配置したときと並べて配置したときとの上下方向の位置による空気熱交換器25、25Aを通過する空気の流速の概要を示す。図9の縦軸は、空気熱交換器25、25Aの上下方向の位置を表し、縦軸の矢印の先端に向かうほど上方であることを意味する。図9の横軸は、空気の流速を表す。
冷凍サイクル装置3を単独で配置して送風機22を運転したときの第四の熱交換器14Aを通過する空気の流速を、曲線L3で示す。前述のように3つの冷凍サイクル装置3A、3B、3Cを並べて配置して各送風機22を運転したときの冷凍サイクル装置3Aの第四の熱交換器14Aを通過する空気の流速を、曲線L4で示す。
さらに、図10に示すように、冷凍サイクル装置3A、3Cの送風機22を運転しつつ冷凍サイクル装置3Bの送風機22を停止すると、冷凍サイクル装置3A、3Cにおける空気の流速が冷凍サイクル装置3を単独で配置したときの空気の流速に近づく。
さらに、第二の冷媒を第三の熱交換器100だけでなく第三の熱交換器100Aで加熱したり冷却したりすることで、水等の第二の冷媒をより効果的に加熱したり冷却したりすることができる。
冷凍サイクル装置4では、対象熱交換器105が第三の熱交換器100、100Bにより加熱又は冷却される。対象熱交換器105Aが第三の熱交換器100A、100Cにより加熱又は冷却される。
本変形例では、温度センサ27、27A、27B、27C、15、15A、15B、15C等は温度の検出結果を制御部24に送信し、制御部24は圧縮機10、10A、10B、10C、四方弁11、11A、11B、11C等を制御する。
次に、第3の実施形態について図12及び13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12に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置5は、第1の実施形態の冷凍サイクル装置1の分岐配管12、13に、さらに第一の分岐配管12A及び第二の分岐配管13Aが並列に接続されている。
主配管23、圧縮機10、四方弁11、分岐配管12、13、12A、13A、熱交換器14、18、14A、18A、PMV16、20、16A、20A、第三の熱交換器100、及び冷媒Rにより冷凍サイクル回路70が構成される。すなわち、第四の熱交換器14A及び第五の熱交換器18Aが、冷凍サイクル回路70に含まれる。
本変形例では、温度センサ27、27A、15、15A等は温度の検出結果を制御部24に送信し、制御部24は圧縮機10、四方弁11等を制御する。
冷凍サイクル装置5は、前述の冷凍サイクル回路44、44Aを並列に接続したものである。
さらに、第四の熱交換器14A及び第五の熱交換器18Aが、冷凍サイクル回路70に含まれることで、熱交換器14、14A、18、18Aが接続される主配管23等が共通になり、冷凍サイクル装置5の構成が簡単になる。
冷凍サイクル装置6では、対象熱交換器105が第三の熱交換器100、100Bにより加熱又は冷却される。
本変形例では、温度センサ27、27A、27B、27C、15、15A、15B、15C等は温度の検出結果を制御部24に送信し、制御部24は圧縮機10、10B、四方弁11、11B等を制御する。
冷凍サイクル装置がチラーであるとしたが、冷凍サイクル装置は、マルチ型、カスタム型、パッケージ型等の空気調和装置(エアコン)であってもよい。
Claims (5)
- 圧縮機と、
第一の分岐配管及び第二の分岐配管と、
前記第一の分岐配管に設けられた第一の熱交換器と、
前記第一の分岐配管内に充填される冷媒の温度を検出し、前記第一の分岐配管における前記第一の熱交換器よりも下流側に設けられた第一の温度センサと、
開度を調節可能であって、前記第一の分岐配管に設けられた第一の膨張部と、
前記第二の分岐配管に設けられた第二の熱交換器と、
前記第二の分岐配管内に充填される前記冷媒の温度を検出し、前記第二の分岐配管における前記第一の熱交換器よりも下流側に設けられた第二の温度センサと、
開度を調節可能であって、前記第二の分岐配管に設けられた第二の膨張部と、
第三の熱交換器と、
前記第一の熱交換器及び前記第二の熱交換器に空気の流れを生じさせる送風機と、
前記圧縮機、並列に配置した前記第一の分岐配管及び前記第二の分岐配管、前記第三の熱交換器を順次接続した主配管と、
前記圧縮機、前記第一の膨張部、前記第二の膨張部、及び前記送風機を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第一の温度センサが検出する前記冷媒の温度と前記第二の温度センサが検出する前記冷媒の温度とが等しくなるように、前記第一の膨張部の開度及び前記第二の膨張部の開度を調節する冷凍サイクル装置。 - 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、
前記吸入過熱度が所定の範囲内になるように、前記第一の膨張部の開度及び前記第二の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。 - 前記第一の熱交換器は、複数の第一の伝熱管を前記第一の伝熱管の径方向に並べた状態で有し、
前記第二の熱交換器は、複数の第二の伝熱管を前記第二の伝熱管の径方向に並べた状態で有し、
前記送風機のファンは、前記ファンの回転軸に沿う方向に前記空気の流れを生じさせ、
前記第二の熱交換器よりも前記第一の熱交換器の方が、前記回転軸に沿って前記ファンの近くに配置され、
前記第一の熱交換器の複数の前記第一の伝熱管の列数は、前記第二の熱交換器の複数の前記第二の伝熱管の列数に等しく、
前記第一の熱交換器の複数の前記第一の伝熱管の段数は、前記第二の熱交換器の複数の前記第二の伝熱管の段数以下である請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記送風機のファンは、前記ファンの回転軸に沿う方向に前記空気の流れを生じさせ、
前記ファンの回転軸に対して前記第一の熱交換器と対向するように配置された第四の熱交換器と、
前記ファンの回転軸に対して前記第二の熱交換器と対向するように配置された第五の熱交換器と、
を備え、
前記第四の熱交換器及び前記第五の熱交換器が、第二の冷凍サイクル回路に含まれる請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記送風機のファンは、前記ファンの回転軸に沿う方向に前記空気の流れを生じさせ、
前記ファンの回転軸に対して前記第一の熱交換器と対向するように配置された第四の熱交換器と、
前記ファンの回転軸に対して前記第二の熱交換器と対向するように配置された第五の熱交換器と、
を備える請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
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Cited By (2)
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