JP3956589B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、低GWP(地球温暖化係数)に対応し、かつ、省エネルギーで低コストでオゾン層保護およびリサイクルを達成できる冷凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、たとえば、R22を使用した装置では、高圧ドームタイプの圧縮機の吸入側での冷媒乾き度Xが0.97である場合には、吐出温度が90℃に達し、低圧ドームタイプの圧縮機では、吸入側での冷媒乾き度Xが0.97である場合には、吐出温度が70℃に達する。
R32冷媒は、圧損が小さくCOP(成績係数)向上を図れる一方、冷媒物性上、R22,R410AやR407に比して、吐出温度が理論上は15℃上昇、実測で10〜15℃だけ上昇する。このため、R22,R410AやR407を使用している装置について、冷媒をR32に入れ換え、冷凍機油をR32用に変更しただけでは、信頼性や性能が低下してしまうという問題がある。
【0003】
信頼性については、圧縮機が高温化すると、材料劣化および油劣化が進み、長期信頼性が低下することが懸念される。特に、圧縮機モータは、温度による劣化(減磁力の低下)が大きいとされており、使用する材料によってはDCモータは注意が必要である。
【0004】
また、性能面については、吐出管温度,各種センサによる冷媒制御および電流制御が従来と同じならば、能力低下や運転エリアが狭まるという問題点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明の目的は、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる冷凍装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
図4のP-H線図に示すように、一般に、冷凍サイクルにおける最高温度は、圧縮機の吐出側の温度である。
【0007】
本発明者らは、R32冷媒を使用した場合には、図5のP−H線図における(Td3−Tcu3)ラインのように、従来の(Td1−Tcu1)ラインに比べて、スーパーヒートSHを小さくして、湿り度を大きくしても、圧縮機の信頼性を確保できることを実験で確かめることができた。図5に示すように、圧縮機吸込側での湿り度を大きくすれば、圧縮機の吐出側の温度TdがTd1からTd3に低下して、信頼性の低下や能力低下を回避できる。
なお、湿り度をxとすると、湿り度x=1.0のときに完全ガス状態であり、湿り度x=0のときに液状態であり、x=0.5,0.6,0.9などでは2相域での流動様式になっていることを表す。また、乾き度をyとすると、y=1−xである。
【0008】
図3の信頼性試験結果に示すように、従来のR22冷媒を使用した場合では、圧縮機吸入側での乾き度を0.90以上にしないと、圧縮機の信頼性が使用不可のレベルであったが、R32冷媒では、圧縮機吸入側での乾き度が0.60以上であれば、圧縮機の信頼性が使用可能なレベルとなることを実験で確認できた。
【0009】
したがって、請求項1の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.65以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくはR32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.65以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴としている。
【0010】
この請求項1の発明では、圧縮機が、乾き度0.65以上のR32冷媒を吸入して圧縮するようになっているから、図3の試験結果から分かるように、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。なお、圧縮機が、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.65以上の混合冷媒を吸入する場合にも、同様の効果が得られる。
【0011】
また、請求項2の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.70以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.70以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴としている。
【0012】
この請求項2の発明では、圧縮機が、乾き度0.70以上のR32冷媒を吸入するから、圧縮機の信頼性を一層向上できる。なお、圧縮機が、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.70以上の混合冷媒を吸入する場合にも、同様の効果が得られる。
すなわち、R32を少なくとも70重量%以上含んだ混合冷媒であれば、擬似共沸となり、R22冷媒に対するR32冷媒のメリット(省エネルギー,低GWP)を発揮できる。
【0013】
また、請求項3の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.75以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.70以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴としている。
【0014】
この請求項3の発明では、圧縮機が、乾き度0.75以上のR32冷媒を吸入するから、図3の試験結果から分かるように、圧縮機の信頼性を最高レベルまで高めることができる。なお、圧縮機が、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.75以上の混合冷媒を吸入する場合にも、同様の効果が得られる。
【0015】
また、請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、上記圧縮機の吐出管温度を検出し、この吐出管温度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0016】
この請求項4の発明では、圧縮機の吐出管温度に基づいて、圧縮機吸入冷媒の乾き度を制御するから、簡単な制御手段で乾き度の制御が可能になる。
【0017】
また、請求項5の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、
スーパーヒートを検出し、このスーパーヒートに基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0018】
この請求項5の発明では、スーパーヒートに基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御するから、より精度良く吸入側の乾き度を制御でき、信頼性の向上を図れる。
【0019】
また、請求項6の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、サブクール度を検出し、このサブクール度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0020】
この請求項6の発明では、サブクール度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御するから、より精度良く吸入側の乾き度を制御でき、信頼性の向上を図れる。
【0021】
また、請求項7の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、蒸発器の出口の過熱度を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0022】
この請求項7の発明では、蒸発器の出口の加熱度を制御して、蒸発器出口での湿り度を増やすことによって、蒸発器(室内機)のファンロータが結露することを防止できる。
また、請求項8の発明は、圧縮機が高圧ドームタイプであり、暖房の低温運転時(例えば、外気(−5℃)以下)に、この圧縮機は、乾き度0.68以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.68以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮し、
この圧縮機の吐出温度を、80〜90℃に設定することを特徴としている。
この請求項8の発明では、高圧ドームタイプの圧縮機の吸入側でのR32冷媒の乾き度を0.68以上にし、吐出温度を80〜90℃にするから、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
また、請求項9の発明は、圧縮機が低圧ドームタイプであり、暖房の低温運転時(例えば、外気(−5℃)以下)に、この圧縮機は、乾き度0.65以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.65以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮し、
この圧縮機の吐出温度を、60〜70℃に設定することを特徴としている。
この請求項9の発明では、低圧ドームタイプの圧縮機の吸入側でのR32冷媒の乾き度を0.65以上にし、吐出温度を60〜70℃にするから、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0024】
図1に、この発明の冷凍装置の実施形態としての空気調和機の冷媒回路を示す。この実施形態は、R32冷媒を使用し、圧縮機1,四路切換弁4,室外熱交換器2,膨張弁3,バルブ26,室内熱交換器5,バルブ25,気液分離器6,アキュムレータ7が順に接続された冷媒回路を備える。なお、室外熱交換器2を有する室外ユニット21は、連絡配管で室内ユニット22に接続されている。
【0025】
また、この実施形態は、マイクロコンピュータからなる制御部8を備え、この制御部8は、圧縮機1の吸入側配管に取り付けた温度センサ13と、吐出側配管に取り付けた温度センサ12と、室外熱交換器2に取り付けた温度センサ17と、室内熱交換器5に取り付けた温度センサ15、および室外の気温を検出する温度センサ11と室内の温度を検出する温度センサ16に接続されている。
【0026】
この実施形態の制御部8の動作を、図2のフローチャートを参照しながら説明する。まず、ステップS1で、この空気調和機が、R32冷媒を使用しているか否かを判断し、R32冷媒を使用していると判断したときには、次のステップS2に進む。このR32冷媒を使用しているか否かの判断は、予め入力された情報に基づいて判断するものであってもよい。また、ステップS1で否と判断した場合には、ステップS5に進み、従来制御を引き続いて実行する。この従来制御とは、例えば、温度センサ12から得た吐出管温度Tdisに基づいて行なう圧縮機1と膨張弁3の制御である。
【0027】
次に、上記ステップS2では、吐出管温度Tdisが135℃〜125℃の内の所定値以上になったか否かを判断し、上記所定値以上になったと判断すれば、ステップS3に進み、上記所定値以上になっていないと判断すれば、ステップS5に進む。
【0028】
ステップS3では、スーパーヒートSH(図5参照)を検出することで、圧縮機1の吸入側での冷媒の湿り度を検出する。すなわち、温度センサ13から得た圧縮機1の吸入側の温度Tsucと、温度センサ17あるいは15から得た蒸発器の温度(冷房時は室内熱交換器5の温度Tin)との差であるスーパーヒートSHを検出する。そして、圧縮機1の回転数を増加させる操作または膨張弁3を開く操作の少なくとも一方の操作を実行して、スーパーヒートSHを減少させて、湿り度を増やす。これにより、圧縮機吐出側の冷媒温度を下げて、信頼性の低下や能力低下を回避する。
【0029】
次に、ステップS4に進み、上記スーパーヒートSHが0.85〜0.75の内の所定値以上であるか否かを判断し、上記所定値以上であると判断すれば、ステップS5に進んで、上記従来制御を引き続いて実行する。
【0030】
一方、ステップS4で、上記スーパーヒートSHが0.85〜0.75の内の上記所定値以上でない(湿り度が過剰)と判断すれば、ステップS6に進んで、圧縮機1の回転数を減少させて、冷媒の循環量を減少させる。これにより、上記スーパーヒートSHを所定の値だけ増加させて、湿り度を減少させ、乾き度を適正値(0.85〜0.75)に保つ。
【0031】
次に、ステップS7に進んで、再度ステップS3,S4を実行し、スーパーヒートを所定値だけ減少させて、吐出管温度を下げる操作を行ない、スーパーヒートが適正値(0.85〜0.75)を下回っている場合には、ステップS6に戻って、スーパーヒートを増加させる。一方、ステップS7において、スーパーヒートが上記適正値(0.85〜0.75)以上になっていると判断すれば、ステップS8に進み、膨張弁3を絞って、スーパーヒートを減少させ、湿り度を増加させて吐出温度Tdisを下げてから、ステップS9に進む。
【0032】
ステップS9では、再び、ステップS3とS4の動作を行なう。すなわち、スーパーヒートSHを減少させる操作を行なって、吐出管温度を下げてから、スーパーヒートSHが信頼性が十分になる所定値(0.85〜0.75)以上であれば、ステップS5に進み、スーパーヒートSHが上記所定値に達していなければ、ステップS6に戻って、再度、スーパーヒートを増加させる操作を実行する。
【0033】
このように、この実施形態では、吐出管温度が所定値以上になると、スーパーヒートSHを減じて、湿り度を増やし、吐出管温度を下げる(ステップS2,S3)。次に、このスーパーヒートSHが不足したと判断すれば、圧縮機1の回転数を減らして、圧縮機1の信頼性を十分に確保できる適正値(0.85〜0.75)まで、スーパーヒートを増加させて乾き度を増加させる。
【0034】
この制御によって、圧縮機1が吸入するR32冷媒の乾き度を、圧縮機1の信頼性を十分に確保できる範囲において、乾き度(スーパーヒート)を低減して、吐出温度を下げることができ、信頼性(圧縮機潤滑性,摩耗など)の低下や能力(暖房低温性能)低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
【0035】
尚、上記実施形態では、乾き度(スーパーヒート)の適正値を、0.85〜0.75の範囲に設定したが、0.65以上もしくは、0.70以上または0.75以上に設定してもよい。また、上記実施形態では、スーパーヒートに基づいて、圧縮機1と膨張弁3を制御したが、圧縮機の吐出管温度あるいはサブクール度(SC)に基づいて、圧縮機と膨張弁を制御してもよい。また、上記実施形態では、R32冷媒単体を使用したが、R32を少なくとも70重量%以上含んだ混合冷媒を使用する場合にも同様の効果が得られる。
すなわち、R32を少なくとも70重量%以上含んだ混合冷媒であれば、擬似共沸となり、R22冷媒に対するR32冷媒のメリット(省エネルギー,低GWP)を発揮できる。
また、圧縮機としては、高圧ドームタイプと低圧ドームタイプとがある。高圧ドームタイプとは、圧縮機のモータが吐出ガスなどの高圧雰囲気にあるものを言い、低圧ドームタイプとは、圧縮機のモータが低圧ガスまたは液などの低圧雰囲気下にある状態の圧縮機形式を言う。低圧ドームタイプの圧縮機を採用した場合には、高圧ドームタイプの圧縮機を採用した場合に比べて、圧縮機の吐出温度が15℃〜20℃だけ低い。したがって、R32冷媒を採用した空気調和機において、低圧ドームタイプの圧縮機を採用した場合には、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を、0.65〜0.85に設定して、圧縮機の吐出温度を、60〜70℃に制御する。これにより、圧縮機の信頼性や性能の低下を回避しつつ、低GWPおよび省エネルギーで低コストな空気調和機を実現できる。
【0036】
また、上記実施形態において、制御部8は、蒸発器となる室内熱交換器5の出口での冷媒の過熱度を制御して、室内熱交換器5出口での冷媒の湿り度を増やし、室内熱交換器5のファンロータが結露することを防止するようにしてもよい。なお、この結露防止制御は、R32とR125を、50wt%ずつ含有した混合冷媒にも適用でき、R407C(R32/R125/R134a:23/25/52wt%)を使用する場合にも適用可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上より明らかなように、請求項1の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.65以上のR32冷媒(もしくはR32を少なくとも70重量%以上含む混合冷媒)を吸入して圧縮するから、図3の試験結果から分かるように、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
【0038】
また、請求項2の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.70以上のR32冷媒(もしくはR32を少なくとも70重量%以上含む混合冷媒)を吸入するから、圧縮機の信頼性を一層向上できる。
【0039】
また、請求項3の発明の冷凍装置は、圧縮機が、乾き度0.75以上のR32冷媒(もしくはR32を少なくとも70重量%以上含む混合冷媒)を吸入するから、図3の試験結果から分かるように、圧縮機の信頼性を最高レベルまで高めることができる。
【0040】
また、請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、上記圧縮機の吐出管温度を検出し、この吐出管温度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えた。この請求項4の発明では、圧縮機の吐出管温度に基づいて、圧縮機吸入冷媒の乾き度を制御するから、簡単な制御手段で乾き度の制御が可能になる。
【0041】
また、請求項5の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、スーパーヒートを検出し、このスーパーヒートに基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えた。この請求項5の発明では、スーパーヒートに基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御するから、より精度良く吸入側の乾き度を制御でき、信頼性の向上を図れる。
【0042】
また、請求項6の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、サブクール度を検出し、このサブクール度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段を備えた。この請求項6の発明では、サブクール度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御するから、より精度良く吸入側の乾き度を制御でき、信頼性の向上を図れる。
【0043】
また、請求項7の発明は、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、蒸発器の出口の過熱度を制御する制御手段を備えた。この請求項7の発明では、蒸発器の出口の加熱度を制御して、蒸発器出口での湿り度を増やすことによって、蒸発器(室内機)のファンロータが結露することを防止できる。
また、請求項8の発明は、高圧ドームタイプの圧縮機の吸入側でのR32冷媒の乾き度を0.68以上にし、吐出温度を80〜90℃にするから、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
また、請求項9の発明は、低圧ドームタイプの圧縮機の吸入側でのR32冷媒の乾き度を0.65以上にし、吐出温度を60〜70℃にするから、圧縮機の信頼性を低下させることなく、R32冷媒の使用が可能になり、信頼性や性能の低下を回避しつつ、省エネルギーと低GWPを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の冷凍機の実施の形態としての空気調和機の実施形態の冷媒回路図である。
【図2】 上記実施形態の制御部の動作を説明するフローチャートである。
【図3】 冷媒の乾き度毎の圧縮機の信頼性評価試験結果を示す図表である。
【図4】 実際の冷凍機におけるモリエル線図の一例を示す図である。
【図5】 モリエル線図におけるスーパーヒートSHとサブクール度SCを示す図である。
【符号の説明】
1…圧縮機、2…室外熱交換器、3…膨張弁、4…四路切換弁、
5…室内熱交換器、8…制御部、
11,12,13,15,16,17…温度センサ。
Claims (9)
- 圧縮機(1)が、乾き度0.65以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.65以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴とする冷凍装置。
- 圧縮機(1)が、乾き度0.70以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.70以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴とする冷凍装置。
- 圧縮機(1)が、乾き度0.75以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.75以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮することを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、
上記圧縮機(1)の吐出管温度を検出し、この吐出管温度に基づいて、圧縮機が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段(8)を備えたことを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、
スーパーヒート(SH)を検出し、このスーパーヒートに基づいて、圧縮機(1)が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段(8)を備えたことを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、
サブクール度(SC)を検出し、このサブクール度に基づいて、圧縮機(1)が吸入する冷媒の乾き度を制御する制御手段(8)を備えたことを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の冷凍装置において、
蒸発器(5,2)の出口の過熱度を制御する制御手段(8)を備えたことを特徴とする冷凍装置。 - 圧縮機が高圧ドームタイプであり、
この圧縮機は、乾き度0.68以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.68以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮し、
この圧縮機の吐出温度を、80〜90℃に設定することを特徴とする冷凍装置。 - 圧縮機が低圧ドームタイプであり、
この圧縮機は、乾き度0.65以上かつ0 . 85以下のR32冷媒、もしくは、R32を少なくとも70重量%以上含む乾き度が0.65以上かつ0 . 85以下の混合冷媒を吸入して圧縮し、
この圧縮機の吐出温度を、60〜70℃に設定することを特徴とする冷凍装置。
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