JP2024023437A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置の信頼性を向上させる。【解決手段】冷凍サイクル装置（１００）において冷媒は、圧縮機（１）、第１熱交換器（２）、第２熱交換器（３）、第１膨張弁（５）、および第３熱交換器（４）の順に循環する。冷凍サイクル装置（１００）は、レシーバ（８）と、第２膨張弁（６）と、第１流路（ＦＰ１）と、第２流路（ＦＰ２）と、通気管（９）と、第３膨張弁（７）とを備える。第２膨張弁（６）は、第２ポート（Ｐ７２）に接続されている。第１流路（ＦＰ１）は、第２膨張弁（６）を、第２熱交換器（３）を介して圧縮機（１）に接続する。第２流路（ＦＰ２）は、第１熱交換器（２）を第２熱交換器（３）に接続する。通気管（９）は、第２膨張弁（６）および第２熱交換器（３）の間の第１流路（ＦＰ１）の部分に第３ポート（Ｐ７３）を接続する。第３膨張弁（７）は、第２流路（ＦＰ２）および第１ポート（Ｐ７１）の間に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を貯留するレシーバを備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷媒を貯留するレシーバを備える冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、特開２００９－２４３７９３号公報（特許文献１）には、膨張弁で減圧された冷媒が流入する中圧レシーバを備えるヒートポンプ式給湯用室外機が開示されている。

特開２００９－２４３７９３号公報

特許文献１に開示されている中圧レシーバには、圧縮機から吐出される冷媒の圧力よりも小さく、圧縮機に吸入される冷媒の圧力よりも大きい圧力（中間圧力）の冷媒が流入する。このように中間圧力の冷媒が貯留されるレシーバを備える冷凍サイクル装置において、冷凍サイクル装置に要求される運転負荷に変動が生じると、圧縮機から吐出される冷媒の圧力および温度が急激に低下する場合がある。当該冷媒の圧力および温度の急激な低下は、冷凍サイクル装置の信頼性を低下させる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷凍サイクル装置の信頼性を向上させることである。

本発明に係る冷凍サイクル装置において冷媒は、圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、第１膨張弁、および第３熱交換器の順に循環する。冷凍サイクル装置は、レシーバと、第２膨張弁と、第１流路と、第２流路と、通気管と、第３膨張弁とを備える。レシーバは、第１ポート、第２ポート、および第３ポートを有する。第３ポートは、第２ポートよりも高い位置にある。第２膨張弁は、第２ポートに接続されている。第１流路は、第２膨張弁を、第２熱交換器を介して圧縮機に接続する。第２流路は、第１熱交換器を第２熱交換器に接続する。通気管は、第２膨張弁および第２熱交換器の間の第１流路の部分に第３ポートを接続する。第３膨張弁は、第２流路および第１ポートの間に接続されている。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、第３膨張弁が第２流路および第１ポートの間に接続されていることにより、冷凍サイクル装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御装置によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。

以下、実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

図１は、実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置１００としては、たとえば冷凍機、空気調和機、およびショーケースを挙げることができる。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２（第１熱交換器）と、ＨＩＣ（Heat Inter Changer）３（第２熱交換器）と、蒸発器４（第３熱交換器）と、膨張弁５（第１膨張弁）と、膨張弁６（第２膨張弁）と、膨張弁７（第３膨張弁）と、レシーバ８と、通気管９と、制御装置１０と、温度センサＳａ１～Ｓａ３と、圧力センサＳｂ１，Ｓｂ２とを備える。膨張弁５～７の各々は、たとえば電子式のＬＥＶ（Linear Expansion Valve）を含む。通気管９は、たとえばキャピラリチューブを含む。

圧縮機１は、吐出ポートＰ１１、吸入ポートＰ１２、およびインジェクションポートＰ１３を含む。圧縮機１は、たとえば高圧シェルタイプの圧縮機であり、圧縮機構の潤滑油を圧縮機１の内部に貯留する。冷凍サイクル装置１００において冷媒は、吐出ポートＰ１１、凝縮器２、ＨＩＣ３、膨張弁５、蒸発器４、および吸入ポートＰ１２の順に循環する。

レシーバ８は、ポートＰ７１（第１ポート）、ポートＰ７２（第２ポート）、およびポートＰ７３（第３ポート）を有する。ポートＰ７１およびＰ７３は、レシーバの上面に形成されている。ポートＰ７２は、当該上面に対向するレシーバ８の底面に形成されている。ポートＰ７３は、ポートＰ７２よりも高い位置にある。ポートＰ７１～Ｐ７３は、レシーバ８の側面に形成されていてもよい。

膨張弁６は、ポートＰ７２に接続されている。膨張弁６は、インジェクション流路ＦＰ１（第１流路）によってＨＩＣ３を介してインジェクションポートＰ１３に接続される。通気管９は、膨張弁６およびＨＩＣ３の間のインジェクション流路ＦＰ１の部分にポートＰ７３を接続する。凝縮器２およびＨＩＣ３は、流路ＦＰ２（第２流路）によって接続されている。膨張弁７は、流路ＦＰ２およびポートＰ７１の間に接続されている。

凝縮器２から流出する冷媒の一部は、ＨＩＣ３に流入する前に、流路ＦＰ２から膨張弁７に導かれ、膨張弁７によって減圧された後、ポートＰ７１からレシーバ８に流入する。ポートＰ７１からレシーバ８に流入する単位時間当たりの冷媒量は、膨張弁７の開度によって制御される。レシーバ８から流出する冷媒は減圧された後、インジェクションポートＰ１３から圧縮機１に吸入される。レシーバ８に流入する冷媒の圧力は中間圧力であるため、レシーバ８には二酸化炭素のような超臨界冷媒も液体として貯留可能である。レシーバ８から流出する超臨界冷媒には過冷却度が生じるため、超臨界冷媒を使用することにより冷凍サイクル装置１００の性能を向上させることができる。

ポートＰ７１からレシーバ８に流入する冷媒のうち、液体の冷媒（液冷媒）はレシーバ８の底部から貯留され、気体の冷媒（ガス冷媒）はレシーバ８の内部において当該液冷媒の液面より上側に集まる。ポートＰ７２からは冷媒の飽和液が流出する。当該飽和液は、膨張弁６によって減圧される。ポートＰ７３から流出するガス冷媒は通気管９によってインジェクション流路ＦＰ１に導かれる。

ポートＰ７２から流出する単位時間当たりの冷媒量は、膨張弁６の開度によって制御される。すなわち、膨張弁６の開度によって、ＨＩＣ３に流入する冷媒における液冷媒量に対するガス冷媒量の比率が調節される。インジェクションポートＰ１３から圧縮機１に吸入される冷媒において、ガス冷媒量の割合が大きいほど温度Ｔｄの低下を抑制することができ、液冷媒量の割合が大きいほど圧力Ｐｄの低下を抑制することができる。そのため、当該比率を調節することにより、圧力Ｐｄの低下の抑制の効果および温度Ｔｄの低下の抑制の効果をどのような配分で生じさせるかを調節することができる。

レシーバ８からの冷媒は、インジェクション流路ＦＰ１によって、ＨＩＣ３を介してインジェクションポートＰ１３に導かれる。ＨＩＣ３においては、レシーバ８からの冷媒によって凝縮器２からの冷媒が冷却される。冷凍サイクル装置１００においては、ＨＩＣ３によって冷却される前の冷媒がレシーバ８に導かれることにより、レシーバ８に流入する冷媒におけるガス冷媒の割合（乾き度）を０．５程度まで高めることができる。その結果、レシーバ８からＨＩＣ３に流入する冷媒における液冷媒量に対するガス冷媒量の比率の調節が容易になる。

制御装置１０は、温度センサＳａ１および圧力センサＳｂ１から圧縮機１から吐出される冷媒の温度Ｔｄおよび圧力Ｐｄをそれぞれ取得する。制御装置１０は、温度センサＳａ２および圧力センサＳｂ２から圧縮機１に吸入される冷媒の温度Ｔｓおよび圧力Ｐｓをそれぞれ取得する。制御装置１０は、温度センサＳａ３から凝縮器２から流出する冷媒の温度Ｔ１を取得する。制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御して、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、膨張弁５～７の各々の開度を制御する。冷凍サイクル装置１００の通常運転において制御装置１０は、たとえば温度Ｔｄおよび凝縮器２から流出する冷媒の過冷却度の各々が目標値となるように圧縮機１、および膨張弁５～７を制御する。たとえば、温度Ｔｄの目標値は１００℃であり、当該過冷却度の目標値は５Ｋである。

図２は、図１の制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、制御装置１０は、処理回路１１と、メモリ１２と、入出力部１３とを含む。処理回路１１は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリ１２に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路１１が専用のハードウェアである場合、処理回路１１には、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路１１がＣＰＵの場合、制御装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２に格納される。処理回路１１は、メモリ１２に記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリ１２には、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

図３は、図１の制御装置１０によって行われる処理の流れを示すフローチャートである。図３に示される処理は、冷凍サイクル装置１００の統合的な処理を行うメインルーチンによって一定時間間隔で呼び出される。以下ではステップを単にＳと記載する。

図３に示されるように、制御装置１０は、Ｓ１０１において圧力Ｐｄが基準圧力Ｐｒｅｆより小さいか否かを判定する。基準圧力Ｐｒｅｆは、所望の圧縮比（Ｐｄ／Ｐｓ）を確保可能な圧力Ｐｄの下限値であり、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜算出することができる。

圧力Ｐｄが基準圧力Ｐｒｅｆ以上である場合（Ｓ１０１においてＮＯ）、制御装置１０は、Ｓ１０２において通常運転の制御を行って処理をメインルーチンに返す。圧力Ｐｄが基準圧力Ｐｒｅｆより小さい場合（Ｓ１０１においてＹＥＳ）、制御装置１０は、Ｓ１０３において膨張弁７の開度を減少させて処理をＳ１０４に進める。

制御装置１０は、Ｓ１０４において圧縮機１から吐出される冷媒の過熱度ＳＨが基準値δより大きいか否かを判定する。基準値δは、当該冷媒の過熱度が０Ｋとみなせる程度に小さいか否かを判定するための値であり、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜算出することができる。

過熱度ＳＨが基準値δより大きい場合（Ｓ１０４においてＹＥＳ）、制御装置１０は、Ｓ１０５において膨張弁６の開度を増加させて処理をメインルーチンに返す。過熱度ＳＨが基準値δ以下である場合（Ｓ１０４においてＮＯ）、制御装置１０は、Ｓ１０６において膨張弁６の開度を減少させて処理をメインルーチンに返す。

冷凍サイクル装置１００においては、圧力Ｐｄの低下の抑制および温度Ｔｄの低下の抑制の双方を実現することができる。圧力Ｐｄの低下の抑制により、圧力Ｐｄが圧縮機１の許容範囲を逸脱することを防止することができる。所望の圧縮比を確保することにより冷凍サイクル装置１００の性能を安定させることができる。また、温度Ｔｄの低下の抑制により、圧縮機１から吐出される冷媒の過熱度ＳＨを所望の範囲に維持することができる。液冷媒が圧縮機１に吸入されて潤滑油が液冷媒によって希釈されることが防止されるため、圧縮機１の圧縮機構の摩耗を防止することができる。

以上、実施の形態に係る冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクル装置の信頼性を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、３ ＨＩＣ、４ 蒸発器、５～７ 膨張弁、８ レシーバ、９ 通気管、１０ 制御装置、１１ 処理回路、１２ メモリ、１３ 入出力部、１００ 冷凍サイクル装置、ＦＰ１，ＦＰ２ 流路、Ｐ１１ 吐出ポート、Ｐ１２ 吸入ポート、Ｐ１３ インジェクションポート、Ｐ７１～Ｐ７３ ポート、Ｓａ１～Ｓａ３ 温度センサ、Ｓｂ１，Ｓｂ２ 圧力センサ。

Claims (5)

1. 冷媒が圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、第１膨張弁、および第３熱交換器の順に循環する冷凍サイクル装置であって、
   第１ポート、第２ポート、および前記第２ポートよりも高い位置にある第３ポートを有するレシーバと、
   前記第２ポートに接続された第２膨張弁と、
   前記第２膨張弁を、前記第２熱交換器を介して前記圧縮機に接続する第１流路と、
   前記第１熱交換器を前記第２熱交換器に接続する第２流路と、
   前記第２膨張弁および前記第２熱交換器の間の前記第１流路の部分に前記第３ポートを接続する通気管と、
   前記第２流路および前記第１ポートの間に接続された第３膨張弁とを備え、
   通常運転において前記第２流路からの前記冷媒は、前記第３膨張弁を介して前記第１ポートから前記レシーバに流入する、冷凍サイクル装置。
2. 前記圧縮機から吐出される前記冷媒の第１圧力が基準圧力より小さい場合の前記第３膨張弁の開度は、前記第１圧力が前記基準圧力よりも大きい場合の前記第３膨張弁の開度よりも小さく、
   前記基準圧力は、前記圧縮機と前記第３熱交換器との間を流れる前記冷媒の第２圧力に対する前記第１圧力の比を目標値として確保可能な前記第１圧力の下限値である、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１圧力が前記基準圧力より小さい場合、前記圧縮機から吐出される前記冷媒の過熱度が基準値よりも大きいときの前記第２膨張弁の開度は、前記過熱度が前記基準値よりも小さいときの前記第２膨張弁の開度よりも大きい、請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第１ポートおよび前記第３ポートは、前記レシーバの上面に形成され、
   前記第２ポートは、前記上面に対向する前記レシーバの底面に形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記圧縮機は、吐出ポート、吸入ポート、およびインジェクションポートを含み、
   前記冷媒は、前記吐出ポート、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第１膨張弁、前記第３熱交換器、および前記吸入ポートの順に循環し、
   前記第１流路は、前記第２膨張弁を、前記第２熱交換器を介して前記インジェクションポートに接続する、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
   

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