JP2018119707A - 冷媒回路システム及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の一実施形態による冷媒回路システムを図1〜図7を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの一例を示す図である。
冷媒回路システム1は、給湯器に用いられる冷媒回路である。冷媒回路システム1は、外部から供給された給水(熱の供給を受ける利用側媒体)を所定の設定目標温度(例えば80℃)に上昇させ、この温水をユーザに供給する。本実施形態では、ユーザに供給する給水の設定目標温度(出湯温度)は一定で、外部から供給される給水の温度が変化する。循環式システムでは供給される給水の温度は、出湯温度と差が小さい戻り温度(例えば75℃)となり、温水を戻さない一過式システムでは給水の温度は、常温(外気温)付近の温度(例えば5℃)となる。なお、給水の設定目標温度を、利用側出口温度と呼ぶ。また、外部からの供給される給水の温度を利用側入口温度と呼ぶ。
なお、図1に示す冷媒回路システム1の具体的な構成は、冷媒回路システム1の基本的な構成を模式的に示したものであって、さらに他の構成要素が含まれていてもよい。
高段側圧縮機10A、低段側圧縮機10Bの回転数は、インバータ回路により制御装置100によって制御される。本実施形態では、高段側圧縮機10Aの回転数は、高段側圧縮機10Aの吐出圧力飽和温度が、予め設定された利用側出口温度(例えば80℃)に合わせた所定の温度(例えば82℃)となるように、制御装置100により制御される。このように本実施形態では、利用側出口温度に応じて目標高圧が決まり、利用側入口温度の変化(例えば5℃と75℃)によらず、その値は一定に制御される。高段側圧縮機10Aが吐出した高温高圧の冷媒は利用側熱交換器11へ供給される。
第1膨張弁12は、冷媒を減圧する流量制御弁である。利用側熱交換器11による熱交換後の高圧冷媒は、第1膨張弁12で減圧、膨張されレシーバ13へ供給される。第1膨張弁12の開度は、制御装置100によって制御される。本実施形態では、制御装置100は、利用側熱交換器11の出口側温度が、利用側入口温度に基づく所定の温度となるように第1膨張弁12の開度を制御する。利用側入口温度に基づく所定の温度とは、利用側入口温度より所定の値(例えば2℃)だけ高い温度である。例えば、一過式システムの場合、利用側熱交換器11の出口側温度の設定目標温度は7℃、循環式システムで運転する場合は、利用側熱交換器11の出口側温度の設定目標温度は77℃などとなる。図2に本実施形態における利用側入口温度と凝縮器出口温度(利用側熱交換器11の出口側温度)の関係を示す。図2において実線は、利用側熱交換器11の出口側温度を示している。図2に示すように、利用側熱交換器11の出口側温度は、破線が示す利用側入口温度より常に所定の温度(例えば2℃)だけ高い目標値に制御される。制御装置100は、第1膨張弁12の開度を調整することでこの目標値を実現する。
第2膨張弁14は、冷媒を減圧する流量制御弁である。主流回路を流れる液冷媒は中間熱交換器22において、インジェクション配管20を流れる(分岐した)一部の冷媒との熱交換により冷却され、第2膨張弁14において減圧、膨張され低圧冷媒となる。
第3膨張弁21は、分岐した一部の冷媒を減圧する流量制御弁である。
中間熱交換器22は、第3膨張弁21を通過する冷媒と主流配管17を通過する冷媒との熱交換を行う。第3膨張弁21によって減圧された冷媒は、中間熱交換器22での熱交換によって加熱され、高段側圧縮機10Aへ戻され再圧縮される。このインジェクション回路によって、公知のように冷凍サイクルのCOPを向上させることができる。
また、冷媒回路システム1には、温度センサ、圧力センサ等の検知手段が設置されている。例えば、利用側熱交換器11の給水(利用側媒体)が通過する入口と出口にはそれぞれ、温度センサ31、温度センサ32が設けられている。温度センサ31は利用側入口温度を、温度センサ32は利用側出口温度をそれぞれ計測する。また、利用側熱交換器11の出口側には温度センサ33が設けられている。温度センサ33は、利用側熱交換器11の出口側の冷媒の温度を計測する。温度センサ31、温度センサ32、温度センサ33は計測した温度の情報を制御装置100へ出力する。また、利用側熱交換器11の入口側には圧力センサ34が設けられている。圧力センサ34は、利用側熱交換器11の入口側の冷媒の圧力を計測する。また、高段側圧縮機10Aの吐出側には圧力センサ35が設けられている。圧力センサ35は、高段側圧縮機10Aの吐出側の冷媒の圧力を計測する。圧力センサ34、圧力センサ35は、計測した圧力の情報を制御装置100へ出力する。
このほかにも例えば、熱源側熱交換器の出口側には温度センサ(図示せず)や圧力センサ(図示せず)が設けられており、制御装置100は、これらのセンサによる計測値に基づいて蒸発温度を一定に制御する。
次に図1に例示した冷媒回路システム1において利用側入口温度が変化した場合の冷媒回路の効率について説明する。
図3は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第一のP−h線図である。
図3は、冷媒回路システム1を動作させたときの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図3において実線で示した線図は、利用側入口温度が高温(75℃)の場合(循環式システム)のインジェクション回路を動作させたときのP−h線図である。図3の実線のP−h線図において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、A1は高段側圧縮機10Aが吐出した冷媒の状態、A2は利用側熱交換器11の出口側での冷媒の状態、A3は第1膨張弁12の出口側での冷媒の状態、A4は第2膨張弁14の入口側での冷媒の状態、A5は第2膨張弁14の出口側での冷媒の状態、A6は熱源側熱交換器15の出口側での冷媒の状態、A7は低段側圧縮機10Bが吐出した冷媒の状態、A8は第3膨張弁21の出口側での冷媒の状態、A9は高段側圧縮機10Aの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
図4は、本発明の一実施形態における冷媒回路システムの第二のP−h線図である。
図4は、冷媒回路システム1を動作させたときの冷凍サイクルを表した圧力とエンタルピの関係線図である。図4において実線で示した線図は、利用側入口温度が低温(5℃)の場合(一過式システム)のインジェクション回路を動作させたときのP−h線図である。図4の実線のP−h線図において各記号はそれぞれ次の状態を示す。すなわち、B1は高段側圧縮機10Aが吐出した冷媒の状態、B2は利用側熱交換器11の出口側での冷媒の状態、B3は第1膨張弁12の出口側での冷媒の状態、B4は第2膨張弁14の入口側での冷媒の状態、B5は第2膨張弁14の出口側での冷媒の状態、B6は熱源側熱交換器15の出口側での冷媒の状態、B7は低段側圧縮機10Bが吐出した冷媒の状態、B8は第3膨張弁21の出口側での冷媒の状態、B9は高段側圧縮機10Aの吸入側での冷媒の状態、をそれぞれ示している。
また、利用側入口温度が低温の場合、低差圧によりインジェクション回路を流れる冷媒が少なくなってCOPに対する効果が少ない上に、安定した運転を行うには低流量域における流量制御を行う必要があるが、流量制御弁の特性によっては制御が難しくなる可能性がある。インジェクション回路の動作を停止することにより、そのような課題を回避することができる。
図5は、インジェクション回路の動作がありの場合のCOPと無しの場合のCOPとをプロットしたグラフである。インジェクション回路の動作がありの場合のCOPは丸印で示され、インジェクション回路の動作が無しの場合のCOPは三角印で示されている。図5の縦軸はCOP、横軸は凝縮器(利用側熱交換器11)の出口側温度である。凝縮器の出口側温度は、利用側入口温度より2℃高く設定され、この設定目標温度を達成できるように制御装置100によって制御される。また、図5のグラフの前提条件として、利用側出口温度を80℃、凝縮温度(利用側熱交換器11入口での冷媒の温度)を82℃s、蒸発温度(熱源側熱交換器15出口での冷媒の温度)を15℃s、外気温を25℃、中間圧力飽和温度を45.2℃sとする。
図6は、温度センサ32が計測した利用側出口温度から、温度センサ31が計測した利用側入口温度を減じた温度差ΔTに基づいて、制御装置100がインジェクション回路の動作をありと無しとで切り替える判定条件を示している。例えば、温度差ΔTが40℃(第2閾値)以下であれば、制御装置100は、インジェクション回路の動作をありにすると判定する。一方、温度差ΔTが50℃(第1閾値)以上であれば、制御装置100は、インジェクション回路の動作を無しにすると判定する。例えば、利用側出口温度が80℃の場合、利用側入口温度が40℃以上であれば、制御装置100は、インジェクション回路の動作をありに制御すると判定する。また、利用側入口温度が30℃以下であれば、制御装置100は、インジェクション回路の動作を無しに制御すると判定する。このような制御とすることで、図5で説明したように循環式システムの場合はインジェクション回路の動作を有効にし、一過式システムの場合はインジェクション回路の動作を無効にする。これにより冷媒回路システム1のCOPを向上することができる。
切替判定評価値 = 温度センサ32が計測した利用側出口温度 −
温度センサ31が計測した利用側入口温度・・・(1)
切替判定評価値は、以下の各式で計算してもよい。
切替判定評価値 = 温度センサ32が計測した利用側出口温度 −
温度センサ33が計測した利用側熱交換器の出口側温度・・・(2)
利用側熱交換器の出口側温度は利用側入口温度より2℃高い温度に設定される。従って、式(2)によって切り替え判定を行う場合、制御装置100は、例えば温度差ΔTが38℃以下であればインジェクションありと判定し、温度差ΔTが48℃以上であれば、インジェクション無しと判定する。
切替判定評価値 = 圧力センサ34が計測した圧力の飽和温度 −
温度センサ31が計測した利用側入口温度・・・(3)
(利用側出口温度の代用として吐出圧力飽和温度を使用)
切替判定評価値 = 圧力センサ35が計測した圧力の飽和温度 −
温度センサ31が計測した利用側入口温度・・・(4)
式(3)、(4)によって判定する場合も凝縮圧力飽和温度や吐出圧力飽和温度と利用側出口温度の差に基づいて上記の判定条件の値を調整する。なお、制御装置100は内蔵する記憶部(図示せず)に圧力と飽和温度の変換テーブルを記憶しており、この変換テーブルに基づいて、各圧力での飽和温度を計算する。
図7は、本発明の一実施形態における制御装置のフローチャートである。
前提として、図5で説明したとおり、利用側出口温度、凝縮温度、蒸発温度、中間圧力飽和温度は一定に制御するとする。また、制御装置100は、所定の時間間隔で温度センサ31、温度センサ32、温度センサ33が計測した温度の情報と、圧力センサ34、圧力センサ35が計測した圧力の情報を取得し、取得した温度や圧力の情報を内蔵する記憶部(図示せず)に記録する。また、制御装置100は、利用側出口温度(設定目標温度)に基づいて高段側圧縮機10Aの回転数(周波数)を制御し、利用側入口温度に基づいて第1膨張弁12の開度を制御し、蒸発温度に基づいて第2膨張弁14の開度を制御している。また、制御装置100は、インジェクション回路の動作ありと無しとを制御しており、インジェクション回路無しの場合、第3膨張弁21を全閉とし、インジェクション回路ありの場合、第3膨張弁21の弁開度を0より大きな所定の開度に制御する。また、インジェクション回路の動作ありの場合、制御装置100は、所定の中間圧力を目標に第3膨張弁21の弁開度を制御する。
10A・・・高段側圧縮機
10B・・・低段側圧縮機
11・・・利用側熱交換器
12・・・第1膨張弁
13・・・レシーバ
14・・・第2膨張弁
15・・・熱源側熱交換器
16・・・アキュムレータ
17・・・主流配管
20・・・インジェクション配管
21・・・第3膨張弁
22・・・中間熱交換器
31、32、33・・・温度センサ
34、35・・・圧力センサ
100・・・制御装置
Claims (7)
- 冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第1膨張弁と、前記第1膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第2膨張弁と、前記第2膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、
前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第3膨張弁と、前記第3膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、
前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える制御装置と、
を備える冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第1閾値以上の場合、前記第3膨張弁を全閉に制御する、
請求項1に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記入口温度と前記出口温度との差が所定の第2閾値以下の場合、前記第3膨張弁を0より大きな所定の開度に制御する、
請求項1または請求項2に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記利用側媒体の出口温度の目標値に基づいて前記複数の圧縮機のうち、最も高段側に設けられた圧縮機の回転数を制御し、
前記利用側媒体の入口温度に基づく前記利用側熱交換器の出口側温度を目標値として前記第1膨張弁の開度を制御する、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記入口温度に代えて前記利用側熱交換器の出口側温度と、前記出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 前記制御装置は、前記入口温度と、前記出口温度に代えて凝縮圧力飽和温度または吐出圧力飽和温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
請求項1から請求項4の何れか1項に記載の冷媒回路システム。 - 冷媒を圧縮する複数の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる利用側熱交換器と、前記利用側熱交換器から流出する前記冷媒を減圧する第1膨張弁と、前記第1膨張弁で減圧された前記冷媒の一部を貯留するレシーバと、前記レシーバから流出する前記冷媒を減圧する第2膨張弁と、前記第2膨張弁にて減圧された前記冷媒を蒸発させる熱源側熱交換器と、を接続した主流回路と、前記レシーバから流出する前記冷媒の一部を分岐し、当該分岐した冷媒を、前記複数の圧縮機のうち所定の圧縮機の吸入側に供給するインジェクション回路であって、前記分岐した一部の冷媒を減圧する第3膨張弁と、前記第3膨張弁を通過した前記冷媒と前記主流回路を通過する冷媒との熱交換を行う中間熱交換器と、を備えるインジェクション回路と、を備える冷媒回路システムにおいて、
前記利用側熱交換器によって熱の供給を受ける利用側媒体の前記利用側熱交換器の入口側における入口温度と、前記利用側媒体の前記利用側熱交換器の出口側における出口温度との差に基づいて、前記インジェクション回路の動作と非動作とを切り替える、
制御方法。
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