JP3399198B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として空気調和
に用いられる高効率な冷凍サイクル装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、非共沸混合冷媒を作動流体とし、
精留分離器を用いて主冷媒回路の循環組成を変化させる
冷凍サイクルとしては、例えば「特公平７−３７８５６
号公報」がある。この冷凍サイクルの構成及び動作につ
いて図１３を用いて説明する。図１３において５１、５
２、５３、５４はそれぞれ圧縮機、凝縮器、主膨張弁、
蒸発器であり、これらが環状に接続されて主冷媒回路を
構成している。更に５５の副膨張弁、５６の気液分離
器、５７の精留分離器、５８の冷媒貯留器、５９のヒー
タ、６０の電磁弁から冷媒分離回路が構成されている。

【０００３】このような装置において主冷媒回路の循環
冷媒組成を変化させる手順を説明する。ヒータ５９をＯ
Ｎにせず、電磁弁６０を開にした場合は主冷媒回路には
充填した組成で冷媒が循環する。一方、電磁弁６０を閉
にしてヒータ５９をＯＮすると次のような仕組みで主冷
媒回路の循環冷媒組成が低沸点成分に富むように変化さ
れる。すなわち、凝縮器５２から主膨張弁５３の方に流
れる冷媒の一部が副膨張弁５５ａを介して凝縮圧と蒸発
圧の中間の圧力に減圧されて気液分離器５６に流れ込
み、気液分離される。ここで気液分離器５６の液冷媒は
精留塔５７に塔頂から流れ込み、塔底貯留器５８でヒー
タ５９により加熱気化され精留塔５７を上昇してくる蒸
気冷媒と気液接触し、精留分離される。その結果、高沸
点成分に富んだ液冷媒が塔底貯留器５９に滞留し、低沸
点成分に富んだ蒸気は副膨張弁５５ｃを介して圧縮機吸
入側に戻されて循環する。このサイクルを繰り返すこと
により、主冷媒回路には低沸点成分が濃縮された冷媒が
循環し、塔底貯留器５９には高沸点成分が濃縮された液
冷媒が滞留することになる。

【０００４】この種の組成可変サイクルは空気調和機な
どに用いられ、通常は混合冷媒で用いるが、暖房高負荷
時など高能力が必要な場合に、能力の大きい低沸点成分
を循環させて用いることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような冷凍サイクル装置では分離操作中は継続してヒー
タなどへの外部入力が必要であるため、分離操作が完了
した後でも不必要なエネルギー消費を行うという課題が
ある。また、加熱源を圧縮機シェルや圧縮機吐出間から
とった場合でも、特にヒートポンプサイクルで使用した
場合に凝縮器側の能力が低下し、本来必要な能力が出な
くなる。

【０００６】本発明の冷凍サイクル装置は前記課題に鑑
み、主冷媒回路と冷媒分離回路との接続配管に開閉弁を
具備し、冷媒分離の完了時にはこれらの開閉弁を閉に切
り替えて冷媒分離回路を主冷媒回路から遮断し、分離さ
れた冷媒が混合しないようにすることによって分離完了
時のヒータなどによるエネルギー消費を無くし、高効率
な冷凍サイクルを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の冷凍サイクル装置は、非共沸混合冷媒を作
動流体とし、圧縮機、凝縮器、主膨張装置、蒸発器を順
に冷媒配管で連通させて構成される主冷媒回路と、精留
分離器塔頂部に設けられており冷媒冷却手段を具備した
塔頂冷媒貯留器の出口が第１の副膨張装置及び第１の開
閉弁を介して前記主冷媒回路低圧配管に接続され、また
前記精留分離器塔底部に設けられており冷媒加熱手段を
具備した塔底冷媒貯留器が第２の副膨張装置及び第２の
開閉弁を介して前記主冷媒回路の蒸発器と主膨張装置と
の間に接続され、前記塔頂冷媒貯留器の主冷媒回路から
の入口が第３の開閉弁及び第３の副膨張装置を順に介し
て前記主冷媒回路の凝縮器と主膨張装置との間に接続さ
れ、前記第３の開閉弁と前記第３の副膨張装置との間の
配管と前記塔底貯留器と前記第２の副膨張装置との間の
配管とが第４の副膨張装置を介して接続された冷媒分離
回路から構成されたことを特徴とするものである。

【０００８】

【０００９】

【００１０】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は前
記圧縮機は主四方弁を介して前記主冷媒回路に接続され
ており、前記主冷媒回路の凝縮器と主膨張装置との間の
配管と前記冷媒分離回路との接続配管とが、また前記主
冷媒回路の蒸発器と主膨張装置との間の配管と前記冷媒
分離回路との接続配管とが副四方弁を介して可逆的に接
続されていることを特徴とするものである。

【００１１】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は、
運転開始からの運転時間を計時する運転時間計時手段を
具備し、前記運転時間計時手段により分離完了の判定を
行い、前記主冷媒回路と前記冷媒分離回路との接続部に
ある開閉弁を閉にするように構成されたことを特徴とす
るものである。

【００１２】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は前
記精留塔の塔頂部の冷媒温度を検知する第１の温度検知
手段と、前記塔頂部の冷媒圧力を検知する第１圧力検知
手段と、前記第１の温度検知手段と前記第１の圧力検知
手段で検知された温度、圧力から前記主冷媒回路の循環
冷媒組成を推測する第１の組成演算手段を具備すること
を特徴とするものである。

【００１３】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は前
記精留塔の塔底部の冷媒温度を検知する第２の温度検知
手段と、前記塔底部の冷媒圧力を検知する第２の圧力検
知手段と、前記第２の温度検知手段と前記第２の圧力検
知手段で検知された温度、圧力から前記主冷媒回路の循
環冷媒組成を推測する第２の組成演算手段を具備するこ
とを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は前
記塔底冷媒貯留器での冷媒温度を検知する第３の温度検
知手段と、前記第３の温度検知手段で測定された温度と
予め設定されている温度上限値とを比較し、その結果を
基に前記加熱手段のＯＮ／ＯＦＦを制御する加熱制御手
段を具備することを特徴とするものである。

【００１５】また、本発明の他の冷凍サイクル装置は前
記主冷媒回路と冷媒分離回路とが所定の圧力にて開状態
となる圧力弁を介して配管されていることを特徴とする
ものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は前記のような構成によ
り、以下に示すような作用を有する。

【００１７】即ち、主冷媒回路と、主として精留分離器
からなる冷媒分離回路とを開閉弁を介して接続し、混合
冷媒が所定の組成に分離された場合に開閉弁をそれぞれ
閉じて主冷媒回路と冷媒分離回路とを遮断することによ
り、高沸点分離または低沸点分離のサイクルにおいて、
一度分離させた低沸点成分に富んだ冷媒と高沸点成分に
富んだ冷媒とを冷却装置やヒータへの外部入力を必要と
せずとも混合しないようにすることができ、高効率な冷
凍サイクルを実現することが可能になる。

【００１８】また、前記主四方弁と前記副四方弁を具備
することにより、冷媒分離回路はヒートポンプサイクル
として主冷媒回路の冷媒流れ方向が逆転した場合でも、
冷媒分離回路の主冷媒回路との接続配管を接続し直すこ
となく、前記主四方弁と前記副四方弁による流路切替の
みで運転することが可能となる。

【００１９】また、前記運転時間計時手段を具備するこ
とにより、分離していない状態から、予め設定された所
定の時間運転することにより分離の完了を判断し、その
時間経過後に主冷媒回路と冷媒分離回路との間の開閉弁
を閉じることにより両回路を遮断し、同時に前記冷媒加
熱手段の入力をＯＦＦするように制御し、その結果常時
加熱入力投入することなく、高効率な冷凍サイクルを実
現できる。

【００２０】また、前記精留塔塔頂部では冷媒が飽和蒸
気状態になっていることを利用し、前記精留分離器塔頂
での温度及び圧力を検知する手段と、飽和蒸気組成を推
算する組成演算手段とを具備することにより、高沸点冷
媒を分離・貯留する場合には前記精留塔の塔頂を流れる
冷媒ガスは主冷媒回路を循環する冷媒組成と同じ組成で
あるので、主冷媒回路の循環組成を前記精留分離器の温
度・圧力から推測することができ、従って、冷媒分離が
所定の組成まで到達したかどうかを検知することが可能
となり、組成分離終了判定を行うと共に、よりきめ細か
な循環組成制御が可能となる。

【００２１】また、前記精留塔塔底部では冷媒が飽和液
状態になっていることを利用し、前記精留分離器塔底で
の温度及び圧力を検知する手段と、飽和液組成を推算す
る組成演算手段とを具備することにより、低沸点冷媒を
分離・貯留する場合には前記精留塔の塔底を流れる液冷
媒は主冷媒回路を循環する冷媒組成と同じ組成であるの
で、主冷媒回路の循環組成を前記精留分離器の温度・圧
力から推測することができ、従って、冷媒分離が所定の
組成まで到達したかどうかを検知することが可能とな
り、組成分離終了判定を行うと共に、よりきめ細かな循
環組成制御が可能となる。

【００２２】また、前記塔底冷媒貯留器での冷媒温度を
検知する温度検知手段を具備し、前記塔底冷媒貯留器に
配設された加熱手段が間欠的にＯＮ／ＯＦＦすることが
可能であるようにして、前記加熱手段がＯＮされている
ときの前記塔底冷媒貯留器での冷媒温度を計測し、所定
の温度以上になれば液冷媒が貯留していないと判断して
前記加熱手段への入力をＯＦＦするように制御すること
により、前記塔底冷媒貯留器に液冷媒が貯留していない
にも関わらず前記加熱手段により加熱し続けることによ
る、エネルギーロスを防ぎ、更に加熱部分が高温になり
火災の原因になることを防止することができるようにな
る。

【００２３】また、主冷媒回路と冷媒分離回路とが前記
圧力弁を介して配管されていることにより、開閉弁によ
り閉止した冷媒分離回路内の圧力が上昇し、危険な状態
になった場合でも、所定の圧力で作動し、開状態になる
前記圧力弁がはたらいて過剰な圧力上昇を逃がすことが
でき、以て安全性の高い装置を実現することができるよ
うになる。

【００２４】

【実施例】以下、添え付け図面を用いて、本発明の具体
的実施例の説明を行う。なお、以下の実施例は本発明を
具現化した一例であり、本発明の包括範囲を限定する内
容のものではない。

【００２５】まず、本発明の第１の実施例での構成につ
いて図１を用いて説明する。図１は本発明に冷凍サイク
ル装置の第１の実施例を説明する構成模式図であり、高
沸点成分分離を行う暖房低温時に高能力を発揮する空気
調和機に代表されるものである。

【００２６】図１において圧縮機１、凝縮器２、メイン
膨張弁３、蒸発器４は冷媒配管により環状に接続されて
おり、凝縮器２の出口とメイン膨張弁３との間の配管が
電磁弁５ｂ及び副膨張弁６ｂを介して気液分離器７に接
続されている。またこの気液分離器７の液冷媒の出口配
管は精留塔８の塔頂に接続され、液冷媒が精留塔８を上
方から流下するようになっている。また、気液分離器７
で分離された蒸気冷媒と精留塔８の上方に抜け出た冷媒
ガスは副膨張弁６ａ及び電磁弁５ａを介して圧縮機吸入
配管に流れるようになっている。一方、蒸発器４の入口
とメイン膨張弁３との間の配管が電磁弁５ｃ及び副膨張
弁６ｃを介して塔底タンク９を経て精留塔８に接続され
ている。また塔底タンク９には貯留した液冷媒を加熱気
化させるためのヒータ１０がとりつけられている。ま
た、精留塔８にはバネやラシッヒリングのような充填物
が充填されており、流下する液冷媒と塔底から上昇して
くるガス冷媒とがより広い面積で接触し、物質移動を促
進するように工夫されている。

【００２７】次に本発明の冷凍サイクル装置の動作につ
いて説明する。充填冷媒を例えばＲ３２，Ｒ１２５，Ｒ
１３４ａからなる非共沸混合冷媒のＲ４０７Ｃとする
と、通常運転時は主冷媒回路に流れる冷媒は充填組成と
同じＲ４０７Ｃであるように電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃを
開状態にし、気液分離器７や精留塔８に液冷媒が滞留し
ないようにする。いま高能力が要求された場合には、電
磁弁５ｃのみ閉にしてヒータ１０に通電する。やがて塔
底タンク９に液冷媒が貯留し、ヒータ１０により加熱・
気化されて再度精留塔８を上昇していき、上方に接続さ
れた精留塔８に流れ込み、気液分離器８から流れ込んで
精留塔８を流下してきた液冷媒と気液接触し、物質移動
を行う。このときの物質移動で混合冷媒中の低沸点成分
であるＲ３２／Ｒ１２５（疑似共沸系混合物）は塔底か
ら塔内を上昇してきたガス冷媒から熱を受けて気化し、
塔頂出口方向にガス冷媒として抜けていき、主冷媒回路
に送られる。一方、低沸点成分に熱を与えた高沸点成分
は液化し、高沸点成分に富んだ液冷媒として塔底タンク
９の方に流下し、再度加熱気化される。このサイクルが
連続的に行われることにより、塔底タンク９には高沸点
成分であるＲ１３４ａが濃縮された液冷媒が貯留するた
め、主冷媒回路には低沸点成分であるＲ３２／Ｒ１２５
混合系が濃縮された冷媒が循環することになり、以て高
能力を発揮できる冷凍サイクルが形成される。再度主冷
媒回路の循環冷媒組成を充填組成に戻すときには、同じ
ように電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃを開状態にすることによ
り、即座に実現することができる。

【００２８】以上の動作により、高能力を発揮するため
高沸点成分分離を行い、主冷媒回路に低沸点成分に富ん
だ冷媒が循環するようになるとともに、ヒータ入力をＯ
ＦＦすることができ、不要な入力を使用せずに済むため
高効率な運転が可能となる。

【００２９】なお、本発明における電磁弁５ａと副膨張
弁６ａ、及び電磁弁５ｂと副膨張弁６ｂ、及び電磁弁５
ｃと副膨張弁６ｃはそれぞれ全閉可能な電動膨張弁で代
用されても同様の効果を示す。

【００３０】次に、本発明の第２の実施例での構成につ
いて図２を用いて説明する。図２は本発明に冷凍サイク
ル装置の第１の実施例を説明する構成模式図であり、低
沸点成分分離を行い、高沸点冷媒を主冷媒回路に循環さ
せ、凝縮圧を下げて、以て圧縮機入力を下げることによ
りより高効率な運転を行う高温風モードを有する空気調
和機に代表されるものである。

【００３１】図２において圧縮機１、凝縮器２、メイン
膨張弁３、蒸発器４は冷媒配管により環状に接続されて
おり、凝縮器２の出口とメイン膨張弁３との間の配管が
電磁弁５ｂ及び副膨張弁６ｂを介して精留塔８の塔底部
に接続されている。また、精留塔８の塔頂部出口部は配
管により塔頂タンク１１に接続され、塔頂タンク１１に
配設された冷却装置１２により冷却されて液化し、再度
塔頂タンク１１底部出口から精留塔８の塔頂部に接続さ
れている。一方、蒸発器４の入口とメイン膨張弁３との
間の配管が電磁弁５ｃ及び副膨張弁６ｃを介して精留塔
８底部に接続されている。

【００３２】次に本発明の冷凍サイクル装置の動作につ
いて説明する。充填冷媒を例えばＲ３２，Ｒ１２５，Ｒ
１３４ａからなる非共沸混合冷媒のＲ４０７Ｃとする
と、通常運転時は主冷媒回路に流れる冷媒は充填組成と
同じＲ４０７Ｃであるように電磁弁５ｂ，５ｃを開状態
にし、精留塔８に液冷媒が滞留しないようにする。い
ま、高温風運転を行うために主冷媒回路を高沸点成分の
Ｒ１３４ａに富んだ冷媒が循環するように要求が出た場
合、電磁弁５ｂ，５ｃは開状態のまま冷却器１２及びヒ
ータ１０をＯＮにする。ヒータ１０で加熱・気化され精
留塔８を上昇する冷媒は物質移動を行いながら低沸点成
分であるＲ３２／Ｒ１２５混合系に富んだガス冷媒とな
り塔頂タンク１１で液化され、貯留される。この液冷媒
の一部は環流液として精留塔８に塔頂から戻され上昇し
てくるガス冷媒と物質移動を行う。精留塔８内を流下す
る液冷媒はこの物質移動の結果、高沸点成分であるＲ１
３４ａに富んだ液冷媒となり、精留塔８の塔底から副膨
張弁６ｃを経て蒸発器４の入口側で主冷媒回路に戻され
る。やがて、主冷媒回路の循環冷媒組成は高沸点冷媒で
あるＲ１３４ａが濃縮された組成となり、高温風モード
を高効率で行うことができるようになる。分離完了後は
電磁弁５ｂ，５ｃを閉にして、次いで冷却器１２、ヒー
タ１０への入力をＯＦＦして、濃縮された塔頂タンク１
１内の低沸点冷媒が主冷媒回路の高沸点冷媒Ｒ１３４ａ
主体の冷媒と混合しないようにする。再度主冷媒回路の
循環冷媒組成を充填組成に戻すときには、同じように電
磁弁５ｂ，５ｃを開状態にすることにより、即座に実現
することができる。以上のようにして、低沸点成分分離
を行い、主冷媒回路に高沸点成分に富んだ冷媒が循環す
るようになるとともに、冷却器及びヒータへの入力をＯ
ＦＦすることができ、不要な入力を使用せずに済むため
高効率な運転が可能となる。

【００３３】なお、本発明における電磁弁５ｂと副膨張
弁６ｂ、及び電磁弁５ｃと副膨張弁６ｃはそれぞれ全閉
可能な電動膨張弁で代用されても同様の効果を示す。

【００３４】次に、本発明の第３の実施例での構成につ
いて図３を用いて説明する。図３は本発明に冷凍サイク
ル装置の第３の実施例を説明する構成模式図であり、低
沸点成分分離と高沸点成分分離を切り替えて利用する必
要がある充填冷媒としてＲ４０７Ｃを用いた高効率組成
可変空気調和機に代表されるものである。

【００３５】図３において圧縮機１、凝縮器２、メイン
膨張弁３、蒸発器４は冷媒配管により環状に接続されて
おり、凝縮器２の出口とメイン膨張弁３との間の配管が
電磁弁５ｂ及び副膨張弁６ｂと、更に電磁弁５ｄを介し
て塔頂タンク１１に接続されている。またこの塔頂タン
ク１１の底部出口配管は精留塔８の塔頂に接続され、貯
留した液冷媒が精留塔８に上方から流れ込み塔内を流下
するようになっている。また、塔頂タンク１１及び精留
塔８の上方に抜け出た冷媒ガスは副膨張弁６ａ及び電磁
弁５ａを介して圧縮機吸入配管に流れるようになってい
る。一方、蒸発器４の入口とメイン膨張弁３との間の配
管が電磁弁５ｃ及び副膨張弁６ｃを介して塔底タンク９
を経て精留塔８底部に接続されている。また塔底タンク
９には貯留した液冷媒を加熱気化させるためのヒータ１
０がとりつけられている。さらに副膨張弁６ｂと電磁弁
５ｄとの間の配管は電磁弁５ｅを介して塔底タンク９に
接続されており、凝縮器２を出て冷媒分離回路に流入す
る冷媒の流路は電磁弁５ｄ，５ｅによって切り替えられ
るようになっている。

【００３６】次に本発明の冷凍サイクル装置の動作につ
いて説明する。充填冷媒を例えばＲ３２，Ｒ１２５，Ｒ
１３４ａからなる非共沸混合冷媒のＲ４０７Ｃとする
と、通常運転時は主冷媒回路に流れる冷媒は充填組成と
同じＲ４０７Ｃであるように電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃ，
５ｄ，５ｅを開状態にする。いま高能力が要求された場
合には、低沸点成分であるＲ３２／Ｒ１２５混合系冷媒
を主冷媒回路に循環させるために高沸点分離サイクルに
切り替える。即ち、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｄは開状態の
ままとし、電磁弁５ｃ，５ｅを閉状態にしてヒータ１０
に通電する。やがて塔底タンク９に液冷媒が貯留し、ヒ
ータ１０により加熱・気化されて再度精留塔８を上昇し
ていき、上方に接続された精留塔８に流れ込み、気液分
離器８から流れ込んで精留塔８を流下してきた液冷媒と
気液接触し、物質移動を行う。このときの物質移動で混
合冷媒中の低沸点成分であるＲ３２／Ｒ１２５（疑似共
沸系混合物）は塔底から塔内を上昇してきたガス冷媒か
ら熱を受けて気化し、塔頂出口方向にガス冷媒として抜
けていき、主冷媒回路に送られる。一方、低沸点成分に
熱を与えた高沸点成分は液化し、高沸点成分に富んだ液
冷媒として塔底タンク９の方に流下し、再度加熱気化さ
れる。このサイクルが連続的に行われることにより、塔
底タンク９には高沸点成分であるＲ１３４ａが濃縮され
た液冷媒が貯留するため、主冷媒回路には低沸点成分で
あるＲ３２／Ｒ１２５混合系が濃縮された冷媒が循環す
ることになり、以て高能力を発揮できる冷凍サイクルが
形成される。分離完了後は電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃを閉
にして、次いでヒータ１０への入力をＯＦＦして、濃縮
された塔底タンク９内の高沸点冷媒が主冷媒回路の低沸
点冷媒主体のＲ３２／Ｒ１２５混合系と混合しないよう
にする。

【００３７】次に低負荷状態で高効率運転を行うために
主冷媒回路を高沸点成分のＲ１３４ａに富んだ冷媒が循
環するように低沸点成分分離を行う場合、電磁弁５ｂ，
５ｃ，５ｅを開状態とし、また電磁弁５ａ，５ｄを閉状
態にし、次いで冷却器１２及びヒータ１０をＯＮにす
る。ヒータ１０で加熱・気化され精留塔８を上昇する冷
媒は物質移動を行いながら低沸点成分であるＲ３２／Ｒ
１２５混合系に富んだガス冷媒となり塔頂タンク１１で
液化され、貯留される。この液冷媒の一部は環流液とし
て精留塔８に塔頂から戻され上昇してくるガス冷媒と物
質移動を行う。精留塔８内を流下する液冷媒はこの物質
移動の結果、高沸点成分であるＲ１３４ａに富んだ液冷
媒となり、精留塔８の塔底から副膨張弁６ｃを経て蒸発
器４の入口側で主冷媒回路に戻される。やがて、主冷媒
回路の循環冷媒組成は高沸点冷媒であるＲ１３４ａが濃
縮された組成となり、高温風モードを高効率で行うこと
ができるようになる。分離完了後は電磁弁５ａ，５ｂ，
５ｃを閉にして、次いで冷却器１２、ヒータ１０への入
力をＯＦＦして、塔頂タンク１１内で濃縮された低沸点
冷媒が主冷媒回路の高沸点冷媒Ｒ１３４ａ主体の冷媒と
混合しないようにする。

【００３８】また、再度主冷媒回路の循環冷媒組成を充
填組成に戻すときには、同じように電磁弁５ａ，５ｂ，
５ｃ，５ｄ，５ｅを開状態にすることにより、即座に実
現することができる。

【００３９】以上の動作により、一つのサイクルにおい
て低沸点分離と高沸点分離を容易に切り替えて実現さ
せ、循環冷媒組成を運転モードに応じたより高効率なも
のにすると共に、分離完了時はヒータ入力や冷却器入力
をＯＦＦすることにより、不要な入力を使用せずに済む
ため高効率な運転が可能となる。

【００４０】なお、本発明における電磁弁５ａと副膨張
弁６ａ、及び電磁弁５ｂと副膨張弁６ｂ、及び電磁弁５
ｃと副膨張弁６ｃはそれぞれ全閉可能な電動膨張弁で代
用されても同様の効果を示す。

【００４１】次に、本発明の第４の実施例での構成につ
いて図４を用いて説明する。図４は本発明に冷凍サイク
ル装置の第４の実施例を説明する構成模式図である。第
１、第２、第３の実施例と異なる点は、圧縮機１が主四
方弁１３ａを介して前記主冷媒回路にとりつけられてお
り、冷・暖房の可逆運転が可能なようになっていること
と、主冷媒回路と、電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃで区切られ
る冷媒分離回路とが副四方弁１３ｂを介して接続されて
いる点である。

【００４２】冷媒分離操作及び電磁弁切替操作について
は第１、第２、第３の実施例と重複するのでここでは割
愛する。

【００４３】以上の構成により、主冷媒回路が冷・暖房
に応じて切り替えられた場合にも、冷媒分離回路の配管
接続位置を変えることなく、低沸点分離、または高沸点
分離回路を実現できる。

【００４４】なお、副四方弁１３ｂは逆止弁を用いたブ
ロックを用いた場合も同様の効果が得られるものであ
る。

【００４５】次に、本発明の第５の実施例での構成につ
いて図５を用いて説明する。図５は本発明に冷凍サイク
ル装置の第５の実施例を説明する構成模式図である。例
えば第１の実施例で挙げた冷凍サイクル装置において、
冷媒分離開始要求が出てからの時間を計時し、所定の時
間が経過したら電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃを閉状態にし、
次いで塔底タンク９において冷媒を加熱するヒータ１０
の入力をＯＦＦするように構成されている。タイマでカ
ウントする所定時間は、冷媒分離開始要求から所定の冷
媒組成に到達するまでの時間を予め実験などで求めてお
いたものである。

【００４６】以上のような構成により、高沸点分離また
は低沸点分離を行う際に、分離完了をタイマ計時で決定
し、自動的に主冷媒回路と冷媒分離回路とを遮断すると
共に、ヒータ入力をＯＦＦするようにすることにより、
外部入力ＯＦＦのタイミングをより最適化することがで
きるため省エネルギーな運転が可能となる。

【００４７】次に、本発明の第６の実施例での構成につ
いて図６及び図８を用いて説明する。まず図６は本発明
に冷凍サイクル装置の第６の実施例を説明する構成模式
図である。例えば第１の実施例で挙げた冷凍サイクル装
置と比べて、第６の実施例による装置は精留塔８の塔頂
での温度を計測するサーミスタ１５ａと、圧力を計測す
る圧力センサ１６ａと、温度、圧力の計測値から飽和蒸
気組成を推測し、予め用意された目的分離組成の設定値
との比較により電磁弁切替やヒータ入力のＯＮ／ＯＦＦ
を行うマイコンＶ１７ａを有する。また、精留塔８では
塔内で気液接触が起こっているが、冷媒状態は塔頂部で
はほぼ飽和蒸気、塔底部ではほぼ飽和液状態になってい
る。

【００４８】ここでまず、温度、圧力から飽和蒸気組成
を推測する手法について図７を用いて説明する。図７は
第６の実施例における飽和蒸気組成推算の説明図であ
り、一定圧Ｐの下でのＴ−ｘ線図である。この図におい
て温度Ｔが一点決まれば物性推算などによって引かれた
飽和蒸気線より低沸点成分組成Ｘｖが一点決まることに
なる。

【００４９】よって実際の組成可変サイクル運転条件に
おいて予想される精留塔頂圧力に対して温度Ｔと低沸点
成分組成Ｘｖの相関を線形化して対応させておきマイコ
ンＶ１７ａに記憶しておくことで、上記の構成により、
精留塔８の塔頂部での冷媒の温度Ｔと圧力Ｐを測定し
て、結果をマイコンＶ１７ａに渡すことで精留塔８塔頂
での飽和蒸気冷媒、すなわち主冷媒回路を循環する冷媒
の組成が推測できる（例えばＲ４０７Ｃを充填冷媒とし
た場合、Ｒ４０７Ｃは３種からなる非共沸混合冷媒では
あるが、その構成要素のＲ３２とＲ１２５はほぼ疑似共
沸系をなすため、Ｒ４１０系冷媒として同時に扱うこと
が可能である。従って、３種混合ではあるが、見かけ上
Ｒ３２／Ｒ１２５の混合系とＲ１３４ａとの２種混合で
あるように扱って差し支えない）。

【００５０】次に本発明の実施例の冷凍サイクル装置の
動作について説明する。充填冷媒を例えばＲ３２，Ｒ１
２５，Ｒ１３４ａからなる非共沸混合冷媒のＲ４０７Ｃ
とすると、通常運転時は主冷媒回路に流れる冷媒は充填
組成と同じＲ４０７Ｃであるように電磁弁５ａ，５ｂ，
５ｃを開状態にし、気液分離器７や精留塔８に液冷媒が
滞留しないようにする。いま高能力が要求された場合に
は、電磁弁５ｃのみ閉にしてヒータ１０に通電して高沸
点成分分離を開始する。この時サーミスタ１５ａ、圧力
センサー１６ａにて精留塔８塔頂部の温度、圧力の計測
を開始し、その信号をマイコンＶ１７ａに送信する。マ
イコンＶ１７ａでは前記手順に従って飽和蒸気組成が計
算され、更にマイコンＶ１７ａに予め記憶された所定の
循環組成目標値と比較されて、計算値が目標値以上の組
成に到達していれば電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃを閉にして
主冷媒回路と冷媒分離回路とを遮断すると共に、ヒータ
１０への入力も遮断して分離の動作を完了するように制
御する。

【００５１】以上の動作により、冷媒分離の完了を精度
よく判定し、冷媒分離のための外部入力をＯＦＦするよ
うにすることにより、不要な入力を使用せずに済むため
高効率な運転が可能となるとともに、冷凍サイクルの負
荷に応じて冷媒分離の目標値を可変であるようにしてお
けばよりきめ細かな能力制御を行うことも可能となり、
高効率な冷凍サイクルが実現できる。

【００５２】次に、本発明の第７の実施例での構成につ
いて図８及び図９を用いて説明する。まず図８は本発明
に冷凍サイクル装置の第７の実施例を説明する構成模式
図である。例えば第２の実施例で挙げた冷凍サイクル装
置と比べて、第７の実施例による装置は精留塔８の塔底
での温度を計測するサーミスタ１５ｂと、圧力を計測す
る圧力センサ１６ｂと、温度、圧力の計測値から飽和蒸
気組成を推測し、予め用意された目的分離組成の設定値
との比較により電磁弁切替やヒータ入力のＯＮ／ＯＦＦ
を行うマイコンＬ１７ｂを有する。また、精留塔８では
塔内で気液接触が起こっているが、冷媒状態は塔頂部で
はほぼ飽和蒸気、塔底部ではほぼ飽和液状態になってい
る。

【００５３】ここでまず、温度、圧力から飽和液組成を
推測する手法について図９を用いて説明する。図９は第
７の実施例における飽和液組成推算の説明図であり、一
定圧Ｐの下でのＴ−ｘ線図である。この図において温度
Ｔが一点決まれば物性推算などによって引かれた飽和液
線より高沸点成分組成ＸＬが一点決まることになる。

【００５４】よって実際の組成可変サイクル運転条件に
おいて予想される精留塔底圧力に対して温度Ｔと高沸点
成分組成ＸＬの相関を線形化して対応させておきマイコ
ンＬ１７ｂに記憶しておくことで、上記の構成により、
精留塔８の塔底部での冷媒の温度Ｔと圧力Ｐを測定し
て、結果をマイコンＬ１７ｂに渡すことで精留塔８塔頂
での飽和液冷媒、すなわち主冷媒回路を循環する冷媒の
組成が推測できる。

【００５５】次に本発明の実施例の冷凍サイクル装置の
動作について説明する。充填冷媒を例えばＲ３２，Ｒ１
２５，Ｒ１３４ａからなる非共沸混合冷媒のＲ４０７Ｃ
とすると、通常運転時は主冷媒回路に流れる冷媒は充填
組成と同じＲ４０７Ｃであるように電磁弁５ｂ，５ｃを
開状態にし、気液分離器７や精留塔８に液冷媒が滞留し
ないようにする。いま高温風モード要求が出されて低沸
点成分分離を行う場合には、ヒータ１０及び冷却器１２
をＯＮにして低沸点成分分離を開始する。この時サーミ
スタ１５ｂ、圧力センサー１６ｂにて精留塔８塔底部の
温度、圧力の計測を開始し、その信号をマイコンＬ１７
ｂに送信する。マイコンＬ１７ｂでは前記手順に従って
飽和液組成が計算され、更にマイコンＬ１７ｂに予め記
憶された所定の循環組成目標値と比較されて、計算値が
目標値以上の組成に到達していれば電磁弁５ｂ，５ｃを
閉にして主冷媒回路と冷媒分離回路とを遮断すると共
に、ヒータ１０、冷却器１２への入力も遮断して分離の
動作を完了するように制御する。

【００５６】以上の動作により、低沸点成分分離回路に
おいても、冷媒分離の完了を精度よく判定し、冷媒分離
のための外部入力をＯＦＦするようにすることにより、
不要な入力を使用せずに済むため高効率な運転が可能と
なるとともに、冷凍サイクルの負荷に応じて冷媒分離の
目標値を可変であるようにしておけばよりきめ細かな能
力制御を行うことも可能となり、高効率な冷凍サイクル
が実現できる。

【００５７】次に、本発明の第８の実施例での構成につ
いて図１０を用いて説明する。図１０は本発明に冷凍サ
イクル装置の第８の実施例を説明する構成模式図であ
る。第１の実施例のように高沸点分離を行う組成可変サ
イクルにおいて、塔底タンク９において貯留液冷媒を加
熱気化させるヒータ１０を用いるが、特に冷媒分離開始
時にはヒータ１０をＯＮしても塔底タンク９に液冷媒が
貯留していない場合がある。このような場合にヒータ１
０に継続通電されていれば、入力分が無駄になると共に
加熱部分の温度が上昇しすぎてしまい、冷媒や潤滑油、
ひいては装置に悪影響を及ぼしかねず、また火災の原因
にもなってしまう。

【００５８】従って、本発明では図１１の制御アルゴリ
ズムに示すように、冷媒分離の指令が出た後、ヒータ１
０への通電を行い、塔底タンク９の冷媒温度を検知する
サーミスタ１５ｃで塔底タンク９内の冷媒温度を監視
し、マイコンＸ１７ｃがその温度測定値Ｔｘを受けて所
定の温度上限設定値Ｔｍａｘと比較し、Ｔｘ＜Ｔｍａｘ
の場合にはヒータ１０への通電を継続し、Ｔｘ≧Ｔｍａ
ｘの場合にはヒータ１０への通電を一時ＯＦＦにし、一
定時間後再度ＯＮにしてヒータ１０での過熱防止を行う
ようにする。

【００５９】次に、本発明の第９の実施例での構成につ
いて図１２を用いて説明する。図１２は本発明に冷凍サ
イクル装置の第９の実施例を説明する構成模式図であ
る。図１２では、例えば第１の実施例の冷凍サイクル装
置を基本にして電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃで遮断されうる
主冷媒回路と冷媒分離回路との間に圧力逃がし弁１８を
設置したものである。圧力逃がし弁１８は規定以上の圧
力が弁の一端にかかると開状態になるように構成された
装置である。いま冷媒分離を行い、分離完了後に電磁弁
５ａ，５ｂ，５ｃで主冷媒回路と遮断された冷媒分離回
路は基本的に放熱手段を持たないため、回路内の圧力が
上昇し、内圧が高くなりすぎる可能性がある。このよう
な場合に圧力逃がし弁を経て、不慮の高圧を回避するよ
うにしておくことにより安全性が高くなる。

【００６０】

【発明の効果】前記実施例から明らかなように、本発明
の冷凍サイクル装置は、主冷媒回路と、主として精留分
離器からなる冷媒分離回路とを開閉弁を介して接続し、
混合冷媒が所定の組成に分離された場合に開閉弁をそれ
ぞれ閉じて主冷媒回路と冷媒分離回路とを遮断すること
により、低沸点成分に富んだ冷媒を主作動流体とする高
沸点冷媒分離サイクルにおいて、一度分離させた高沸点
成分に富んだ冷媒を冷却装置やヒータへの外部入力を必
要とせずとも低沸点成分に富んだ冷媒と混合しないよう
にすることができ、よって低沸点成分に富んだ冷媒によ
る高負荷運転時に有効な高効率冷凍サイクルを実現する
ことが可能になる。

【００６１】また、本発明の冷凍サイクル装置は、主冷
媒回路と、主として精留分離器からなる冷媒分離回路と
を開閉弁を介して接続し、混合冷媒が所定の組成に分離
された場合に開閉弁をそれぞれ閉じて主冷媒回路と冷媒
分離回路とを遮断することにより、高沸点成分に富んだ
冷媒を主作動流体とする低沸点冷媒分離サイクルにおい
て、一度分離させた低沸点成分に富んだ冷媒を冷却装置
やヒータへの外部入力を必要とせずとも高沸点成分に富
んだ冷媒と混合しないようにすることができ、よって高
沸点成分に富んだ冷媒による低負荷運転時や高温サイク
ル運転時に有効な高効率冷凍サイクルを実現することが
可能になる。

【００６２】また、本発明の冷凍サイクル装置は、低沸
点冷媒分離と高沸点冷媒分離とが同一の冷凍サイクル装
置で切り替えにより実現できるようにし、さらに主冷媒
回路と、主として精留分離器からなる冷媒分離回路とを
開閉弁を介して接続し、混合冷媒が所定の組成に分離さ
れた場合に開閉弁をそれぞれ閉じて主冷媒回路と冷媒分
離回路とを遮断することにより、高沸点または低沸点分
離サイクルにおいて、それぞれ互いに分離された、高沸
点冷媒に富んだ冷媒と、低沸点成分に富んだ冷媒とを、
冷却装置やヒータへの外部入力を必要とせずとも互いに
混合しないようにすることができ、よって低沸点成分に
富んだ冷媒による高負荷時に有効な高効率冷凍サイクル
と高沸点成分に富んだ冷媒による低負荷運転時や高温サ
イクル運転時に有効な高効率冷凍サイクルとを一つの冷
凍サイクル装置で切り替えて運転することにより低負荷
から高負荷までの広い範囲にわたって運転可能である高
効率冷凍サイクルを実現することが可能になる。

【００６３】また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記
主四方弁と前記副四方弁を具備することにより、冷媒分
離回路はヒートポンプサイクルとして主冷媒回路の冷媒
流れ方向が逆転した場合でも、冷媒分離回路の主冷媒回
路との接続配管を接続し直すことなく、前記主四方弁と
前記副四方弁による流路切替のみで運転することが可能
となる。

【００６４】また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記
運転時間計時手段を具備することにより、混合冷媒が分
離していない状態から、予め設定された所定の時間運転
することにより分離の完了を判断し、その時間経過後に
主冷媒回路と冷媒分離回路との間の開閉弁を閉じること
により両回路を遮断し、同時に前記冷媒加熱手段の入力
をＯＦＦするように制御し、その結果常時加熱入力投入
することなく、高効率な冷凍サイクルを実現できる。

【００６５】また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記
精留塔塔頂部では冷媒が飽和蒸気状態になっていること
を利用し、前記精留分離器塔頂での温度及び圧力を検知
する手段と、飽和蒸気組成を推算する組成演算手段とを
具備することにより、高沸点冷媒を分離・貯留する場合
には前記精留塔の塔頂を流れる冷媒ガスは主冷媒回路を
循環する冷媒組成と同じ組成であるので、主冷媒回路の
循環組成を前記精留分離器の温度・圧力から推測するこ
とができ、従って、冷媒分離が所定の組成まで到達した
かどうかを検知することが可能となり、組成分離終了判
定を行うと共に、よりきめ細かな循環組成制御が可能と
なる。

【００６６】また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記
精留塔塔底部では冷媒が飽和液状態になっていることを
利用し、前記精留分離器塔底での温度及び圧力を検知す
る手段と、飽和液組成を推算する組成演算手段とを具備
することにより、低沸点冷媒を分離・貯留する場合には
前記精留塔の塔底を流れる液冷媒は主冷媒回路を循環す
る冷媒組成と同じ組成であるので、主冷媒回路の循環組
成を前記精留分離器の温度・圧力から推測することがで
き、従って、冷媒分離が所定の組成まで到達したかどう
かを検知することが可能となり、組成分離終了判定を行
うと共に、よりきめ細かな循環組成制御が可能となる。

【００６７】また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記
塔底冷媒貯留器での冷媒温度を検知する温度検知手段を
具備し、前記塔底冷媒貯留器に配設された加熱手段が間
欠的にＯＮ／ＯＦＦすることが可能であるようにして、
前記加熱手段がＯＮされているときの前記塔底冷媒貯留
器での冷媒温度を計測し、所定の温度以上になれば液冷
媒が貯留していないと判断して前記加熱手段への入力を
ＯＦＦするように制御することにより、前記塔底冷媒貯
留器に液冷媒が貯留していないにも関わらず前記加熱手
段により加熱し続けることによる、エネルギーロスを防
ぎ、更に加熱部分が高温になり火災の原因になることを
防止することができるようになる。

【００６８】また、本発明の冷凍サイクル装置は、主冷
媒回路と冷媒分離回路とが前記圧力弁を介して配管され
ていることにより、開閉弁により閉止した冷媒分離回路
内の圧力が上昇し、危険な状態になった場合でも、所定
の圧力で作動し、開状態になる前記圧力弁がはたらいて
過剰な圧力上昇を逃がすことができ、以て安全性の高い
装置を実現することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図２】第２の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図３】第３の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図４】第４の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図５】第５の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図６】第６の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図７】第６の実施例における飽和蒸気組成推算の説明
図

【図８】第７の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図９】第７の実施例における飽和液組成推算の説明図

【図１０】第８の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図１１】第８の実施例の制御アルゴリズムの説明図

【図１２】第９の実施例の冷凍サイクル装置構成模式図

【図１３】従来例説明のための冷凍サイクル装置構成模
式図

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 凝縮器 ３ 主膨張弁 ４ 蒸発器 ５ａ，５ｂ，５ｃ 電磁弁 ６ａ，６ｂ，６ｃ 副膨張弁 ７ 気液分離器 ８ 精留塔 ９ 塔底タンク １０ ヒータ １１ 塔頂タンク １２ 冷却器 １３ａ 主四方弁 １３ｂ 副四方弁 １４ タイマ １５ａ，１５ｂ，１５ｃ サーミスタ １６ａ，１６ｂ 圧力センサ １７ａ マイコンＶ（飽和蒸気組成推算用） １７ｂ マイコンＬ（飽和液組成推算用） １７ｃ マイコンＸ １８ 圧力逃がし弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤高 章 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 羽根田 完爾 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 薬丸 雄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 山口 成人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 渡邉 幸男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 沼本 浩直 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−269878（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−88061（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−261864（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−245055（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−44153（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−201963（ＪＰ，Ｕ) 特公 平７−37856（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 F25B 13/00 F25B 43/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非共沸混合冷媒を作動流体とし、圧縮
   機、凝縮器、主膨張装置、蒸発器を順に冷媒配管で連通
   させて構成される主冷媒回路と、精留分離器塔頂部に設
   けられており冷媒冷却手段を具備した塔頂冷媒貯留器の
   出口が第１の副膨張装置及び第１の開閉弁を介して前記
   主冷媒回路低圧配管に接続され、また前記精留分離器塔
   底部に設けられており冷媒加熱手段を具備した塔底冷媒
   貯留器が第２の副膨張装置及び第２の開閉弁を介して前
   記主冷媒回路の蒸発器と主膨張装置との間に接続され、
   前記塔頂冷媒貯留器の前記主冷媒回路からの入口が第３
   の開閉弁及び第３の副膨張装置を順に介して前記主冷媒
   回路の凝縮器と主膨張装置との間に接続され、前記第３
   の開閉弁と前記第３の副膨張装置との間の配管と前記塔
   底貯留器と前記第４の副膨張装置との間の配管とが第４
   の副膨張装置を介して接続された冷媒分離回路から構成
   されたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 【請求項２】 圧縮機は主四方弁を介して主冷媒回路に
   接続されており、この主冷媒回路の凝縮器と主膨張装置
   との間の配管と冷媒分離回路との接続配管とが、また前
   記主冷媒回路の蒸発器と主膨張装置との間の配管と前記
   冷媒分離回路との接続配管とが副四方弁を介して可逆的
   に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷
   凍サイクル装置。
3. 【請求項３】 運転開始からの運転時間を計時する運転
   時間計時手段を具備し、前記運転時間計時手段により分
   離完了の判定を行い、主冷媒回路と冷媒分離回路との接
   続部にある開閉弁を閉にするように構成されたことを特
   徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 【請求項４】 精留塔の塔頂部の冷媒温度を検知する第
   １の温度検知手段と、前記塔頂部の冷媒圧力を検知する
   第１の圧力検知手段と、前記第１温度検知手段と前記第
   １の圧力検知手段で検知された温度、圧力から主冷媒回
   路の循環冷媒組成を推測する第１の組成演算手段を具備
   することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装
   置。
5. 【請求項５】 精留塔の塔底部の冷媒温度を検知する第
   ２温度検知手段と、前記塔底部の冷媒圧力を検知する第
   ２圧力検知手段と、前記第２温度検知手段と前記第２圧
   力検知手段で検知された温度、圧力から前記主冷媒回路
   の循環冷媒組成を推測する第２組成演算手段を具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 【請求項６】 塔底冷媒貯留器での冷媒温度を検知する
   第３の温度検知手段と、前記第３の温度検知手段で測定
   された温度と予め設定されている温度上限値とを比較
   し、その結果を基に前記加熱手段のＯＮ／ＯＦＦを制御
   する加熱制御手段とを具備することを特徴とした請求項
   １に記載の冷凍サイクル装置。
7. 【請求項７】 主冷媒回路と冷媒分離回路とが所定の圧
   力にて開状態となる圧力制御弁を介して配管されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。