JP3601134B2

JP3601134B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP3601134B2
Application number: JP28913095A
Authority: JP
Inventors: 繁治平良; 浩中山; 憲吾村山; 洋一大沼
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2015-09-28
Also published as: JPH0989392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、成分としてペンタフルオロエタンを含むような冷媒を用いた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に冷凍装置では、圧縮機、凝縮器、減圧機構及び蒸発器を備えた冷媒回路に冷媒を循環させて、蒸発器で吸収した熱量を凝縮器へ移送して放出する冷凍サイクルを構成している。そして熱源側熱交換器を凝縮器として機能させる一方で利用側熱交換器を蒸発器として機能させることにより、冷房、冷凍等の冷却運転を行うことができるようになっている。また上記冷媒としては、低温においても大気圧以上の圧力で蒸発し、常温においては比較的低圧で液化するという性質や、値段が安く、銅や銅合金を侵すことがないという性質を備えていることから、Ｒ２２（ＣＨＣｌＦ_２）等のフロン系冷媒が従来より用いられてきた。しかしながら上記Ｒ２２等のフロン系冷媒がフロン規制の対象となったことから、これに替わる冷媒として成層圏のオゾンに悪影響を及ぼさず、しかも化学的安定性、難燃性等のフロン系冷媒に特徴的な性質を備えた代替冷媒が必要となった。
【０００３】
そこで上記のような代替冷媒が種々提案されているが、そのひとつとして例えば特公平６−９１４号公報記載のものを挙げることができる。この代替冷媒は、ペンタフルオロエタン（ＣＦ_３ＣＨＦ_２、以下「ＨＦＣ１２５」という。）とジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２、以下「ＨＦＣ３２」という。）とを主成分として含む混合冷媒であって、その混合比はＨＦＣ１２５を約１．０〜５５．０重量％、ＨＦＣ３２を約９９．０〜４５．０重量％とすることが提案されている。このような冷媒では、成層圏のオゾンに対する悪影響はＲ２２等のフロン系冷媒に比べてほとんど無視し得る程度であり、また共沸混合冷媒であるうえに空気中において難燃性であるという性質を有している。従って取り扱いが容易で装置も複雑なものとならず、代替冷媒として適したものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記のようなＨＦＣ１２５とＨＦＣ３２との混合冷媒では、一般に高圧圧力がＲ２２に比べて高くなるという性質を有している。例えば特表平６−５０３８３２号公報に記載された明細書の表４によれば、約４６°Ｃの凝縮温度において、Ｒ２２を用いた場合には高圧圧力が２５８（ｐｓｉａ）であるのに対し、５０重量％のＨＦＣ１２５と５０重量％のＨＦＣ３２とが混合された冷媒（以下「Ｒ４１０Ａ」という。）を用いた場合は３９６（ｐｓｉａ）であり、高圧圧力はＲ２２を用いた場合の約１．５倍となっている。凝縮温度がさらに高い場合には高圧圧力もこれに従ってより高いものとなるため、このような場合には圧縮機の性能に限界が生じるようになる。従って上記混合冷媒では定格を３５°Ｃとして凝縮温度が比較的高い領域は通常の運転領域とされず、そのためこのような領域における上記冷媒の冷却能力については全く知られていなかった。
【０００５】
そこで発明者らは、高圧圧力が比較的高い場合にもその性能に限界の生じることのない試験用の特別な圧縮機を用いて、過負荷条件下における上記Ｒ４１０Ａの冷却能力について調査した。図３は、その結果を示すグラフであり、外気温度に対する成績係数ＣＯＰ（冷却能力とそれを得るために費やされる圧縮動力との比）を対Ｒ２２比でプロットしたものである。同図に示す通り、全く驚くべきことに上記Ｒ４１０Ａは、外気温度が４０°Ｃ以上になると上記成績係数ＣＯＰ比が急速に低下するという性質を有している。つまり、このような領域では一定の冷却能力を得るために必要となる圧縮動力が著しく増加するのであり、そのためユーザには電気代が高くなるという問題を生じることになる。そしてその原因は、過負荷条件下では凝縮温度が高くなることにより、主にＨＦＣ１２５の熱力学特性（熱伝導等）が通常条件下の場合に比べて急激に低下することにあると考えられる。従って成分としてＨＦＣ１２５を含む冷媒を用いた冷凍装置を過負荷条件下でも使用し得るようにするためには、単に圧縮機を入力電流上限値のより高いものに交換したのでは十分ではないということができる。すなわち過負荷条件下では冷媒自体の成績係数ＣＯＰが従来よりも低下するので、圧縮機が使用可能でもそのランニングコスト（電気代）が著しく増加してしまうからである。
【０００６】
この発明は、上記の新しい知見に基づいてなされたものであって、その目的は、成分としてペンタフルオロエタンを含むような冷媒を用いた冷凍装置において、過負荷条件下における冷却運転の成績係数を改善することにある。
【０００７】
【発明を解決するための手段】
そこで請求項１の冷凍装置は、圧縮機１、熱源側熱交換器２、減圧機構３、利用側熱交換器４を順次に接続すると共に、成分としてペンタフルオロエタンＨＦＣ１２５を含む混合冷媒を用いて成る冷媒回路を有し、送風ファン５が付設された上記熱源側熱交換器２を凝縮器として機能させて冷却運転を行う冷凍装置において、上記冷却運転が過負荷条件下で行われていることを検知して上記送風ファン５の風量を通常運転時よりも増加させるべく制御を行う制御部６を設け、上記制御部６は、熱源側熱交換器２の周囲温度Ｔｏａが所定の基準周囲温度Ｔｏｓよりも高く、かつ熱源側熱交換器２の凝縮温度Ｔｃが所定の基準凝縮温度Ｔｃｓ１よりも高いことをもって過負荷条件下にあることを検知するようにしたものであることを特徴としている。
【０００８】
上記請求項１の冷凍装置では、送風ファン５の風量を増加させることにより、凝縮温度を低下させて成績係数ＣＯＰを改善することが可能となる。また、周囲温度Ｔｏａ及び凝縮温度Ｔｃによって過負荷条件下にあることを検知しているので、その実施を容易とすることが可能となる。
【００１３】
請求項２の冷凍装置は、上記制御部６は、上記周囲温度Ｔｏａ又は凝縮温度Ｔｃが高ければ高い程、送風ファン５の風量をより増加させる制御を行うようにしたことを特徴としている。
【００１４】
上記請求項２の冷凍装置では、過負荷条件に沿った制御によって、確実に成績係数ＣＯＰを改善することが可能となる。
【００１５】
請求項３の冷凍装置は、上記冷媒は、略５０重量％のペンタフルオロエタンＨＦＣ１２５と略５０重量％のジフルオロメタンＨＦＣ３２とを含むものであることを特徴としている。
【００１６】
上記請求項３の冷凍装置では、取り扱いが容易な共沸冷媒を用いることによって、その実施を容易とすることが可能となる。
【００１７】
請求項４の冷凍装置は、上記送風ファン５は交流モータで駆動されるものであって、上記制御部６は、上記交流モータに通電するタップを切り替えることによって送風ファン５の風量を制御するようにしたことを特徴としている。
【００１８】
上記請求項４の冷凍装置では、簡素な構成によってコストダウンを図ることが可能となる。
【００１９】
請求項５の冷凍装置は、上記送風ファン５は、直流モータで駆動されるものであって、上記制御部６は、上記直流モータに印加する駆動電圧を変化させることによって上記送風ファン５の風量を制御するようにしたことを特徴としている。
【００２０】
上記請求項５の冷凍装置では、風量のリニアな調整ができるので、成績係数ＣＯＰをさらに改善することが可能となる。
【００２１】
請求項６の冷凍装置は、上記制御部６は、熱源側熱交換器２の凝縮温度Ｔｃが所定の基準凝縮温度Ｔｃｓ２を越えた際に、圧縮機１の圧縮能力を低下させるべく制御を行うようにしたことを特徴としている。
【００２２】
請求項７の冷凍装置は、上記圧縮機１はインバータによって駆動されるものであって、上記制御部６は、上記インバータから出力される駆動周波数を変化させることによって上記圧縮機１の圧縮能力を制御するようにしたことを特徴としている。
【００２３】
上記請求項６又は請求項７の冷凍装置では、従来確保されていた広範囲にわたる運転領域を維持することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の冷凍装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２５】
図１は、この発明を適用した空気調和機の冷媒回路図である。この空気調和機では、同図に示すように圧縮機１の吐出管１ａと吸入管１ｂとが四路切換弁７に接続され、この四路切換弁７には室外ファン（送風ファン）５が付設された室外熱交換器（熱源側熱交換器）２、キャピラリチューブ３ａと電動膨張弁３ｂとから成る減圧機構３及び室内熱交換器（利用側熱交換器）４が、順次第１ガス管１９ａ、第１液管１９ｂ、第２液管１９ｃ及び第２ガス管１９ｄによって環状に接続されている。また同図において１１は、室外熱交換器２における凝縮温度Ｔｃ等を検出する室外熱交換器温度センサであり、そして１２は、外気温度（周囲温度）Ｔｏａを検出する外気温度センサである。これらのセンサ１１、１２で検出された凝縮温度Ｔｃあるいは外気温度Ｔｏａ等は制御部６に入力されるが、この制御部６は、マイクロコンピュータ等を用いて構成されたものであって、圧縮機１のインバータ制御や室外ファン５の速度制御等を行うものである。なお同図において８は圧縮機１での液圧縮を防止すべく設けられたアキュムレータであり、また１３は室内熱交換器温度センサであって、このセンサ１３の出力信号等に基づいて上記電動膨張弁３ｂ等の制御が行われるが、この制御については従来と変わりがないのでここでの詳説は省略する。
【００２６】
また上記のように構成された冷媒回路においては、冷媒としてＲ４１０Ａを用いている。このＲ４１０Ａは、上述のように５０重量％のＨＦＣ１２５と５０重量％のＨＦＣ３２が混合された共沸冷媒であって、空気中で難燃性という性質を有し、取扱いが容易な代替冷媒として代表的なものである。
【００２７】
次に、図２に示すフローチャートを用いて、上記制御部６による室外ファン５の速度制御、及び圧縮機１のインバータ制御について説明する。
【００２８】
まず圧縮機１が駆動されて空気調和機が運転を開始すると、ステップＳ１でその運転が冷房運転か否かを判断する。この空気調和機では、図１に示す冷媒回路において、四路切換弁７を実線方向に切り替えることによって、室外熱交換器２を凝縮器として機能させると共に室内熱交換器４を蒸発器として機能させて冷房運転を行う。一方、上記四路切換弁７を破線方向に切り替えることにより、室外熱交換器２を蒸発器として機能させると共に室内熱交換器４を凝縮器として機能させて暖房運転を行う。そして暖房運転中であるとステップＳ１で判断された場合には次にステップＳ５へと進み、ここでは従来と同様の通常制御が行われるのみである。従って以後は空気調和機が冷房運転中であることを前提に説明を進める。
【００２９】
上記ステップＳ１で冷房運転中であると判断されると次にステップＳ２へと進み、上記冷房運転が過負荷条件下で行われているか否かを判断する。すなわち、まず上記外気温度センサ１２から入力した外気温度Ｔｏａを、予め設定された所定の基準外気温度（基準周囲温度）Ｔｏｓと比較する。この基準外気温度Ｔｏｓは、３５°Ｃの定格に対して約４３〜４６°Ｃとし、過負荷条件下にあることを判別し得る温度として設定している。ここで外気温度Ｔｏａが基準外気温度Ｔｏｓ以下であれば、冷房運転は過負荷条件下にないと判断して上記ステップＳ５に移る。一方、外気温度Ｔｏａが上記基準外気温度Ｔｏｓよりも高いときは、さらに上記室外熱交換器温度センサ１１から入力した凝縮温度Ｔｃを、予め設定された所定の第１基準凝縮温度Ｔｃｓ１と比較する。この第１基準凝縮温度Ｔｃｓ１は、ＨＦＣ１２５の熱伝達性能が急激に低下する約５０〜５５°Ｃ付近に設定され、上記外気温度Ｔｏａによる判断と相俟って、冷房運転が過負荷条件下にあることを確実かつ正確に判別できるようになっている。ここで凝縮温度Ｔｃが第１基準凝縮温度Ｔｃｓ１以下であれば、冷房運転は過負荷条件下にないと判断して上記ステップＳ５に移る一方、凝縮温度Ｔｃが第１基準凝縮温度Ｔｃｓ１よりも高いときは、冷房運転が過負荷条件下で行われていると判断する。
【００３０】
ステップＳ２で冷房運転が過負荷条件下で行われていると判断されると、次にステップＳ３に進んでその風量を増加させるために室外ファン５の速度制御を行う。上記空気調和機では交流モータ（図示せず）によって室外ファン５を駆動しているため、ここでの速度制御は上記交流モータへ通電するタップを切り替えることによって行う。例えば現在低速タップＬに通電しているとすればこのステップＳ３では通電を中速タップＭへと切り替え、また中速タップＭに通電していた場合には高速タップＨへと切り替えるようにするのである。ただしすでに高速タップＨに通電されていた場合にはこれ以上の速度上昇を行うことはできないので、通電タップを切り替えることなくこのステップＳ３を終了し、次にステップＳ４へと進む。
【００３１】
次に進むステップＳ４では、インバータによる圧縮機１の高圧制御を行う。すなわちステップＳ２で検出した凝縮温度Ｔｃを予め設定された第２基準凝縮温度Ｔｃｓ２と比較し、上記凝縮温度Ｔｃが第２基準凝縮温度Ｔｃｓ２よりも高いときはインバータ（制御部６に内蔵）から出力される駆動周波数を低下させ、これによって圧縮機１の圧縮能力を低下させる。そしてこのときの上記第２基準凝縮温度Ｔｃｓ２は、高圧圧力が上昇して圧縮機１の入力電流値が制限を越えてしまうことがない温度として設定されている。そして以上のような制御を終えると再びステップＳ１へと戻り、上記ルーチンを繰り返す。
【００３２】
以上のように構成された空気調和機では、外気温度Ｔｏａ及び凝縮温度Ｔｃに基づいて冷房運転が過負荷条件下で行われていることを検知している。そして過負荷条件下で運転されていることを検知したときは室外ファン５の送風風量を増加させているので、これによって過負荷状態を解消することができる。従ってＲ４１０Ａの成績係数ＣＯＰがＲ２２と比較して著しく低下することを回避し、ユーザにとって電気代が高くなるという上記代替冷媒Ｒ４１０Ａの有する問題を解決することができる。またこのような室外ファン制御によって過負荷条件下における冷房運転を回避し、さらにそのうえでインバータによる高圧制御を行っているので、従来のフロン系冷媒を用いた空気調和機において確保されていた広範囲にわたる運転領域を、この空気調和機においても維持することができる。また上記空気調和機では圧縮機１のインバータ制御によって高圧制御を行うようにしたが、これは圧縮能力一定の圧縮機を用いてその運転と停止を繰り返すことによって行うようにしてもよい。このようにすると構成が簡素となってコストダウンを図ることができる。
【００３４】
また上記空気調和機では、ステップＳ２において過負荷状態か否かを検知し、過負荷状態であれば室外ファン５の速度を通常時よりも上昇させるという簡素な制御を行ってコストダウンを図っている。しかしながらこれは、さらに何段階かの基準温度を設定して過負荷状態の程度を判別できるようにし、外気温度Ｔｏａあるいは凝縮温度Ｔｃが高ければ高いほど、より高速な回転を行うタップへと次々に通電を切り替えるような制御としてもよい。このようにすると制御は多少複雑となるが、過負荷状態を迅速かつ確実に解消することができる。さらに上記空気調和機では交流モータによって送風ファンを駆動し、タップ制御によってその風量制御を行う簡素な構成としたが、これは直流モータを用いて、印加する電圧値を変化させることによって風量制御を行うようにしてもよい。このような構成とすると、特に上記のように外気温度Ｔｏａあるいは凝縮温度Ｔｃの高さに従って室外ファン５の速度を次々と上昇させるような制御を行う場合にリニアな制御を行うことができるので、一段と成績係数ＣＯＰを改善することができるようになる。
【００３５】
また上記空気調和機では冷媒としてＲ４１０Ａを用いた。この冷媒は、上述のように代替冷媒としては非常に取り扱いが容易で、ＡＳＨＲＡＥ（アメリカン・ソサエティ・オブ・ヒーティング・レフリジェレーティング・アンド・エアーコンディショニング・エンジニアーズ）のスタンダードにおいても認定されたものである。しかしながらＨＦＣ１２５をその成分として含むような冷媒であれば、上記Ｒ４１０Ａに限らずこの発明を適用して冷房効率を改善することができる。さらに上記では空気調和機として構成した例を示したが、その他スーパーマーケットの冷蔵ケース等にも適用することができ、特に気温の高い国や地域においては、より一層顕著な効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
上記請求項１の冷凍装置では、凝縮温度を低下させて成績係数を改善することができるので、冷凍効率を良好なものとしてランニングコストを低下させることが可能となる。また、周囲温度によって過負荷条件下にあることを検知しているので、その実施を容易とすることが可能となる。さらに、凝縮温度によって過負荷条件下にあることを検知しているので、確実な制御とすることが可能となる。
【００３９】
請求項２の冷凍装置では、過負荷条件下に沿った制御によって、確実に成績係数を改善することが可能となる。
【００４０】
請求項３の冷凍装置では、取り扱いが容易な共沸冷媒を用いることによって、その実施を容易とすることが可能となる。
【００４１】
請求項４の冷凍装置では、簡素な構成によってコストダウンを図ることが可能となる。
【００４２】
請求項５の冷凍装置では、風量のリニアな調整ができるので、成績係数をさらに改善することが可能となる。
【００４３】
請求項６又は請求項７の冷凍装置では、従来確保されていた広範囲にわたる運転領域を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用した空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】上記空気調和機に備えられた制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】代替冷媒の冷却能力を示すグラフである。
【符号の説明】
１圧縮機
２室外熱交換器
３減圧機構
４室内熱交換器
５室外ファン
６制御部
Ｔｏａ外気温度
Ｔｃ室外熱交換器温度
Ｔｏｓ基準外気温度
Ｔｃｓ１第１基準凝縮温度
Ｔｃｓ２第２基準凝縮温度

Claims

圧縮機（１）、熱源側熱交換器（２）、減圧機構（３）、利用側熱交換器（４）を順次に接続すると共に、成分としてペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）を含む混合冷媒を用いて成る冷媒回路を有し、送風ファン（５）が付設された上記熱源側熱交換器（２）を凝縮器として機能させて冷却運転を行う冷凍装置において、上記冷却運転が過負荷条件下で行われていることを検知して上記送風ファン（５）の風量を通常運転時よりも増加させるべく制御を行う制御部（６）を設け、上記制御部（６）は、熱源側熱交換器（２）の周囲温度（Ｔｏａ）が所定の基準周囲温度（Ｔｏｓ）よりも高く、かつ熱源側熱交換器（２）の凝縮温度（Ｔｃ）が所定の基準凝縮温度（Ｔｃｓ１）よりも高いことをもって過負荷条件下にあることを検知するようにしたものであることを特徴とする冷凍装置。
上記制御部（６）は、上記周囲温度（Ｔｏａ）又は凝縮温度（Ｔｃ）が高ければ高い程、送風ファン（５）の風量をより増加させる制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１の冷凍装置。
上記冷媒は、略５０重量％のペンタフルオロエタン（ＨＦＣ１２５）と略５０重量％のジフルオロメタン（ＨＦＣ３２）とを含むものであることを特徴とする請求項１又は請求項２の冷凍装置。
上記送風ファン（５）は交流モータで駆動されるものであって、上記制御部（６）は、上記交流モータに通電するタップを切り替えることによって送風ファン（５）の風量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの冷凍装置。
上記送風ファン（５）は直流モータで駆動されるものであって、上記制御部（６）は、上記直流モータに印加する駆動電圧を変化させることによって上記送風ファン（５）の風量を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの冷凍装置。
上記制御部（６）は、熱源側熱交換器（２）の凝縮温度（Ｔｃ）が所定の基準凝縮温度（Ｔｃｓ２）を越えた際に、圧縮機（１）の圧縮能力を低下させるべく制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかの冷凍装置。
上記圧縮機（１）はインバータによって駆動されるものであって、上記制御部（６）は、上記インバータから出力される駆動周波数を変化させることによって上記圧縮機（１）の圧縮能力を制御するようにしたことを特徴とする請求項６の冷凍装置。