JP4245044B2

JP4245044B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP4245044B2
Application number: JP2006334042A
Authority: JP
Inventors: 嘉夫上野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: CN101858667A; EP2096377A1; US20100011805A1; EP2096377A4; CN101558267B; CN101858667B; JP2008145066A; ES2621156T3; EP2096377B1; WO2008072608A1; US7921670B2; CN101558267A

Description

本発明は、冷凍装置、特に、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置に関する。

近年、冷凍装置の一種である空気調和装置において、冷媒回路内に封入される冷媒として、環境への影響の小さい自然冷媒の使用が検討されている。そして、自然冷媒として二酸化炭素等の臨界温度が低いものを使用する場合には、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転が行われることになる。

このような高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う空気調和装置においては、高効率な運転を可能にするために、冷却器の出口における冷媒温度に対して、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲を高圧側の冷媒圧力の設定値として規定しておき、高圧側の冷媒圧力が設定値になるように、絞り手段の開度等を制御しているものがある（特許文献１参照）。
特許３６７９３２３号

しかし、上述の高圧側の冷媒圧力の制御手法では、高圧側の冷媒圧力が設定値になるように絞り手段の開度等を制御する際に、冷却器の出口における冷媒温度が変化し、これに伴い、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲も変化することになるため、冷却器の出口における冷媒温度が変化した後の高圧側の冷媒圧力の設定値になるように、絞り手段の開度等を繰り返し制御しなければならなくなる。このように、従来の高圧側の冷媒圧力の制御手法では、絞り手段の開度等の制御によって高圧側の冷媒圧力の設定値が変化してしまうため、成績係数が最大付近にするまでに時間がかかるという問題がある。

本発明の課題は、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、高効率の運転を速やかに実施できるようにすることにある。

第１の発明にかかる冷凍装置は、圧縮機と冷却器と膨張機構と加熱器とを含む冷媒回路を有しており、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度として、この擬似凝縮温度と冷却器の出口における冷媒温度との温度差である擬似過冷却度が所定の温度範囲内になるように、構成機器の制御を行う。

本願発明者は、成績係数と擬似過冷却度との間に相関があることを見出した。そこで、この冷凍装置では、このような知見を利用して、擬似過冷却度という１つの制御量を所定の温度範囲内に制御する制御手法を採用するようにしている。

これにより、冷却器の出口における冷媒温度に対する高圧側の冷媒圧力が設定値になるように制御するという従来の制御手法に比べて、制御の収束性が高くなるため、擬似過冷却度の所定の温度範囲を成績係数が最大付近になる温度範囲に設定した場合には、高効率の運転を速やかに実施することができる。

第２の発明にかかる冷凍装置は、第１の発明にかかる冷凍装置において、所定の温度範囲は、５℃から１２℃の温度範囲内に設定されている。

本願発明者は、擬似過冷却度が５℃から１２℃の温度範囲内においては、成績係数が最大付近になることを見出した。そこで、この冷凍装置では、このような知見を利用して、擬似過冷却度の所定の温度範囲を℃度から１２℃の温度範囲内に設定することで、成績係数が最大付近になる高効率な運転を実現している。

第３の発明にかかる冷凍装置は、第１又は第２の発明にかかる冷凍装置において、構成機器として、膨張機構を用いる。

この冷凍装置では、擬似過冷却度を所定の温度範囲内に制御するために膨張機構を使用しているため、制御応答性が良好になる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の発明では、冷却器の出口における冷媒温度に対する高圧側の冷媒圧力が設定値になるように制御するという従来の制御手法に比べて、制御の収束性が高くなるため、擬似過冷却度の所定の温度範囲を成績係数が最大付近になる温度範囲に設定した場合には、高効率の運転を速やかに実施することができる。

第２の発明では、擬似過冷却度の所定の温度範囲を５℃から１２℃の温度範囲内に設定することで、成績係数が最大付近になる高効率な運転を実現している。

第３の発明では、制御応答性が良好になる。

以下、図面に基づいて、本発明にかかる冷凍装置の実施形態について説明する。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置１の概略構成図である。空気調和装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、室内の冷暖房に使用される装置である。空気調和装置１は、本実施形態において、熱源ユニット２と、利用ユニット４と、熱源ユニット２と利用ユニット４とを接続する冷媒連絡管としての第１冷媒連絡管６及び第２冷媒連絡管７とを備えている。すなわち、本実施形態の空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１０は、熱源ユニット２と、利用ユニット４と、冷媒連絡管６、７とが接続されることによって構成されている。そして、冷媒回路１０内には、二酸化炭素が冷媒として封入されており、後述のように、冷媒の臨界圧力を超える圧力まで圧縮され、冷却され、減圧され、加熱・蒸発された後に、再び圧縮されるという冷凍サイクル運転が行われるようになっている。

−利用ユニット−
利用ユニット４は、室内等に設置されており、冷媒連絡管６、７を介して熱源ユニット２に接続されており、冷媒回路１０の一部を構成している。

次に、利用ユニット４の構成について説明する。利用ユニット４は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する利用側冷媒回路１０ａを有している。この利用側冷媒回路１０ａは、主として、利用熱交換器４１を有している。

利用側熱交換器４１は、冷媒の加熱器又は冷却器として機能する熱交換器である。利用熱交換器４１は、その一端が第１冷媒連絡管６に接続され、その他端が第２冷媒連絡管７に接続されている。

利用ユニット４は、本実施形態において、ユニット内に室内空気を吸入して、再び室内に供給するための利用側ファン４２を備えており、室内空気と利用側熱交換器４１を流れる冷媒とを熱交換させることが可能である。利用側ファン４２は、利用側ファン駆動モータ４２ａによって回転駆動されるようになっている。

また、利用ユニット４には、各種のセンサが設けられている。具体的には、冷媒の冷却器として利用側熱交換器４１を機能させた場合における利用側熱交換器４１の出口には、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏを検出する利用側熱交換器温度センサ４３が設けられている。本実施形態において、利用側熱交換器温度センサ４３は、サーミスタからなる。また、利用ユニット４は、利用ユニット４を構成する各部の動作を制御する利用側制御部４４を有している。そして、利用側制御部４４は、利用ユニット４の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、利用ユニット４を個別に操作するためのリモコン（図示せず）との間で制御信号等のやりとりを行ったり、熱源ユニット２との間で伝送線８ａを介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

−熱源ユニット−
熱源ユニット２は、室外等に設置されており、冷媒連絡管６、７を介して利用ユニット４に接続されており、利用ユニット４の間で冷媒回路１０を構成している。

次に、熱源ユニット２の構成について説明する。熱源ユニット２は、主として、冷媒回路１０の一部を構成する熱源側冷媒回路１０ｂを有している。この熱源側冷媒回路１０ｂは、主として、圧縮機２１と、切換機構２２と、熱源側熱交換器２３と、熱源側膨張機構２４と、第１閉鎖弁２５と、第２閉鎖弁２６とを有している。

圧縮機２１は、本実施形態において、圧縮機駆動モータ２１ａによって駆動される密閉式圧縮機である。

切換機構２２は、冷媒回路１０内における冷媒の流れの方向を切り換えるための機構であり、冷房時には、熱源側熱交換器２３を圧縮機２１によって圧縮される冷媒の冷却器として、かつ、利用側熱交換器４１を熱源側熱交換器２３において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機２１の吐出側と熱源側熱交換器２３の一端とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と第２閉鎖弁２６とを接続し（図１の切換機構２２の実線を参照）、暖房時には、利用側熱交換器４１を圧縮機２１によって圧縮される冷媒の冷却器として、かつ、熱源側熱交換器２３を利用側熱交換器４１において冷却された冷媒の加熱器として機能させるために、圧縮機２１の吐出側と第２閉鎖弁２６とを接続するとともに圧縮機２１の吸入側と熱源側熱交換器２３の一端とを接続することが可能である（図１の切換機構２２の破線を参照）。本実施形態において、切換機構２２は、圧縮機２１の吸入側、圧縮機２１の吐出側、熱源側熱交換器２３及び第２閉鎖弁２６に接続された四路切換弁である。尚、切換機構２２は、四路切換弁に限定されるものではなく、例えば、複数の電磁弁を組み合わせる等によって、上述と同様の冷媒の流れの方向を切り換える機能を有するように構成したものであってもよい。

熱源側熱交換器２３は、冷媒の冷却器又は加熱器として機能する熱交換器である。熱源側熱交換器２３は、その一端が切換機構２２に接続されており、その他端が熱源側膨張機構２４に接続されている。

熱源ユニット２は、ユニット内に室外空気を吸入して、再び室外に排出するための熱源側ファン２７を有している。この熱源側ファン２７は、室外空気と熱源側熱交換器２３を流れる冷媒とを熱交換させることが可能である。熱源側ファン２７は、利用側ファン駆動モータ２７ａによって回転駆動されるようになっている。尚、熱源側熱交換器２３の熱源としては、室外空気に限定されるものではなく、水等の別の熱媒体であってもよい。

熱源側膨張機構２４は、冷媒を減圧するための機構であり、本実施形態において、熱源側冷媒回路１０ｂ内を流れる冷媒の流量の調節等を行うために、熱源側熱交換器２３の他端に接続された電動膨張弁である。熱源側膨張機構２４は、その一端が熱源側熱交換器２３に接続され、その他端が第１閉鎖弁２５に接続されている。

第１閉鎖弁２５は、熱源ユニット２と利用ユニット４との間で冷媒をやりとりするための第１冷媒連絡管６が接続される弁であり、熱源側膨張機構２４に接続されている。第２閉鎖弁２６は、熱源ユニット２と利用ユニット４との間で冷媒をやりとりするための第２冷媒連絡管７が接続される弁であり、切換機構２２に接続されている。ここで、第１及び第２閉鎖弁２５、２６は、冷媒回路１０の外部と連通可能なサービスポートを備えた３方弁である。

また、熱源ユニット２には、各種のセンサが設けられている。具体的には、圧縮機２１の吐出側には、圧縮機吐出圧力Ｐｄを検出する圧縮機吐出圧力センサ２８が設けられており、冷媒の冷却器として熱源側熱交換器２３を機能させた場合における熱源側熱交換器２３の出口には、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏを検出する熱源側熱交換器温度センサ２９が設けられている。本実施形態において、熱源側熱交換器温度センサ２９は、サーミスタからなる。また、熱源ユニット２は、熱源ユニット２を構成する各部の動作を制御する熱源側制御部３０を有している。そして、熱源側制御部３０は、熱源ユニット２の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、利用ユニット４の利用側制御部４４との間で伝送線８ａを介して制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。

−冷媒連絡管−
冷媒連絡管６、７は、空気調和装置１を設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管である。

以上のように、利用側冷媒回路１０ａと、熱源側冷媒回路１０ｂと、冷媒連絡管６、７とが接続されて、冷媒回路１０が構成されている。そして、本実施形態の空気調和装置１は、利用側制御部４４と熱源側制御部３０と制御部３０、４４間を接続する伝送線８ａとによって、空気調和装置１の各種運転制御を行う制御手段としての制御部８が構成されている。制御部８は、各種センサ２９、３０の検出信号等を受けることができるとともに、これらの検出信号等に基づいて各種構成機器２１、２２、２４、２７、４２を制御することができるようになっている。

（２）空気調和装置の動作
次に、本実施形態の空気調和装置１の動作について、図１及び図２を用いて説明する。ここで、図２は、本実施形態における冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。

−冷房−
冷房時は、切換機構２２が図１の実線で示される状態、すなわち、圧縮機２１の吐出側が熱源側熱交換器２３に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側が第２閉鎖弁２６に接続された状態となっている。熱源側膨張機構２４は、開度調節されるようになっている。また、閉鎖弁２５、２６は、開状態にされている。

この冷媒回路１０の状態において、圧縮機２１、熱源側ファン２７及び利用側ファン４２を起動すると、低圧の冷媒（図２の点Ａ参照）は、圧縮機２１に吸入されて臨界圧力（すなわち、図２のＰｃｐ）を超える圧力まで圧縮されて高圧の冷媒となる（図２の点Ｂ参照）。その後、高圧の冷媒は、切換機構２２を経由して、冷媒の冷却器として機能する熱源側熱交換器２３に送られて、熱源側ファン２７によって供給される室外空気と熱交換を行って冷却される（図２の点Ｃ参照）。そして、熱源側熱交換器２３において冷却された高圧の冷媒は、熱源側膨張機構２４によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり（図２の点Ｄ参照）、第１閉鎖弁２５及び第１冷媒連絡管６を経由して、利用ユニット４に送られる。この利用ユニット４に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、冷媒の加熱器として機能する利用側熱交換器４１において、室内空気と熱交換を行って加熱されることによって蒸発して低圧の冷媒となる（図２の点Ａ参照）。そして、この利用側熱交換器４１において加熱された低圧の冷媒は、第２冷媒連絡管７を経由して熱源ユニット２に送られ、第２閉鎖弁２６及び切換機構２２を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。このようにして、冷房が行われる。

この冷房時においては、熱源側膨張機構２４を用いた擬似過冷却度制御が行われている。この擬似過冷却度制御は、冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力（ここでは、圧縮機吐出圧力センサ２８によって検出された圧縮機吐出圧力Ｐｄ、又は、圧縮機吐出圧力Ｐｄに基づいて圧縮機２１の吐出側から熱源側熱交換器２３までの圧力損失を考慮して演算された圧力）における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度Ｔｑｃとし、この擬似凝縮温度Ｔｑｃと熱源側熱交換器２３の出口における冷媒温度（すなわち、熱源側熱交換器温度センサ２９によって検出された冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏ）との温度差である擬似過冷却度ΔＴｑｓｃが所定の温度範囲内になるように、熱源側膨張機構２４の開度調節を行うものである。

ここで、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃが所定の温度範囲内になるように制御を行う理由について、図１〜図３を用いて説明する。ここで、図３は、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃと成績係数との関係を示す図である。

図２に示される点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ａの順に繰り返される冷凍サイクル運転においては、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏが与えられた場合に、成績係数が最大付近になる最適な高圧側の冷媒圧力が存在する。

しかし、従来のように、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏに対して、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲を高圧側の冷媒圧力の設定値として規定し、高圧側の冷媒圧力がこの設定値になるように熱源側膨張機構２４の開度制御を行うと、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏが変化し、これに伴い、成績係数が最大付近になる高圧側の冷媒圧力範囲も変化することになるため、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏが変化した後の高圧側の冷媒圧力の設定値になるように、熱源側膨張機構２４の開度を繰り返し制御しなければならなくなり、成績係数が最大付近にするまでに時間がかかるという問題がある。

そこで、本願発明者は、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏに対する高圧側の冷媒圧力範囲以外に、成績係数と相関がある冷凍サイクルにおける制御量を検討し、図３に示されるように、成績係数と擬似過冷却度ΔＴｑｓｃとの間に相関があることを見出した。つまり、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力Ｐｃｐを超える冷凍サイクル運転を行う場合には、冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度Ｔｑｃとし（図２の点Ｅ及び臨界点Ｔｃｐを通る点線を参照）、この擬似凝縮温度Ｔｑｃからの冷却度合いである擬似過冷却度ΔＴｑｓｃを所定の温度範囲内にすれば、成績係数が最大付近で推移することを見出した。ここで、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃの所定の温度範囲としては、図３に示されるように、５℃から１２℃の温度範囲内にすることが望ましい。

そして、本実施形態の空気調和装置１においては、このような知見を利用して、上述のように、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃという１つの制御量を所定の温度範囲内に制御する制御手法を採用するようにしている。

これにより、冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏに対する高圧側の冷媒圧力が設定値になるように制御するという従来の制御手法に比べて、制御の収束性が高くなるため、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃの所定の温度範囲を成績係数が最大付近になる温度範囲に設定した場合には、高効率の運転を速やかに実施することができる。

しかも、本実施形態においては、熱源側膨張機構２４を用いて擬似過冷却度制御が行われており、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃが所定の温度範囲の下限値（例えば、５℃）よりも小さくなる場合には、熱源側膨張機構２４の開度を小さくする方向に制御し、擬似過冷却度ΔＴｑｓｃが所定の温度範囲の上限値（例えば、１２℃）を大きくなる場合には、熱源側膨張機構２４の開度を大きくする方向に制御することができるため、制御応答性が良好である。

−暖房−
暖房時は、切換機構２２が図１の破線で示される状態、すなわち、圧縮機２１の吐出側が第２閉鎖弁２６に接続され、かつ、圧縮機２１の吸入側が熱源側熱交換器２３に接続された状態となっている。熱源側膨張機構２４は、開度調節されるようになっている。また、閉鎖弁２５、２６は、開状態にされている。

この冷媒回路１０の状態において、圧縮機２１、熱源側ファン２７及び利用側ファン４２を起動すると、低圧の冷媒（図２の点Ａ参照）は、圧縮機２１に吸入されて臨界圧力（すなわち、図２のＰｃｐ）を超える圧力まで圧縮されて高圧の冷媒となる（図２の点Ｂ参照）。その後、この高圧の冷媒は、切換機構２２、第２閉鎖弁２６及び第２冷媒連絡管７を経由して、利用ユニット４に送られる。そして、利用ユニット４に送られた高圧の冷媒は、冷媒の冷却器として機能する利用側熱交換器４１において、室内空気と熱交換を行って冷却された後（図２の点Ｃ参照）、第１冷媒連絡管６を経由して熱源ユニット２に送られる。この熱源ユニット２に送られた高圧の冷媒は、熱源側膨張機構２４によって減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり（図２の点Ｄ参照）、冷媒の加熱器として機能する熱源側熱交換器２３に流入する。そして、熱源側熱交換器２３に流入した低圧の気液二相状態の冷媒は、熱源側ファン２７によって供給される室外空気と熱交換を行って加熱されることによって蒸発して低圧の冷媒となり（図２の点Ａ参照）、切換機構２２を経由して、再び、圧縮機２１に吸入される。このようにして、暖房が行われる。

この暖房時においても、熱源側膨張機構２４を用いた擬似過冷却度制御が行われている。この暖房時における擬似過冷却度制御では、擬似凝縮温度Ｔｑｃと利用側熱交換器４１の出口における冷媒温度（すなわち、利用側熱交換器温度センサ４３によって検出された冷却器出口冷媒温度Ｔｃｏ）との温度差を擬似過冷却度ΔＴｑｓｃとする点が冷房時と異なるが、基本的には、冷房時と同様の制御を行うことができ、これにより、冷房時と同様に、高効率の運転を速やかに実現することができる。

以上の擬似過冷却度制御を含む冷房及び暖房における運転制御は、運転制御手段として機能する制御部８（より具体的には、利用側制御部４４と熱源側制御部３０と制御部３０、４４間を接続する伝送線８ａ）によって行われる。

（３）他の実施形態
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（Ａ）
上述の実施形態では、擬似過冷却度制御を行うための構成機器として、熱源側膨張機構２４を用いているが、これに限定されず、例えば、圧縮機２１を用い、圧縮機２１の運転容量を調節することによって擬似過冷却度制御を行ってもよいし、また、冷房時においては、熱源側ファン２７を用い、熱源側ファン２７の風量を調節することによって擬似過冷却度制御を行ったり、暖房時においては、利用側ファン４２を用い、利用側ファン４２の風量を調節することによって擬似過冷却度制御を行うようにしてもよい。

（Ｂ）
上述の実施形態では、熱源ユニット２に利用ユニット４が冷媒連絡管６、７を介して接続されたセパレート型の空気調和装置１に本発明を適用したが、これに限定されず、種々の冷凍装置に本発明を適用してもよい。

本発明を利用すれば、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、高効率の運転を速やかに実施できるようになる。

本発明にかかる冷凍装置の一実施形態としての空気調和装置の概略構成図である。冷凍サイクルが図示された圧力−エンタルピ線図である。擬似過冷却度と成績係数との関係を示す図である。

符号の説明

１空気調和装置（冷凍装置）
２熱源ユニット
４利用ユニット
６、７冷媒連絡管
１０冷媒回路
２１圧縮機
２３熱源側熱交換器（冷却器、加熱器）
２４熱源側膨張機構（膨張機構）
４１利用側熱交換器（加熱器、冷却器）
Ｔｑｃ擬似凝縮温度
ΔＴｑｓｃ擬似過冷却度

Claims

圧縮機（２１）と冷却器（２３、４１）と膨張機構（２４）と加熱器（４１、２３）とを含む冷媒回路（１０）を有しており、高圧側が冷媒の臨界圧力を超える圧力となる冷凍サイクル運転を行う冷凍装置において、
冷凍サイクルの高圧側の冷媒圧力における冷媒の定圧比熱が最大となる冷媒温度を擬似凝縮温度（Ｔｑｃ）として、この擬似凝縮温度と冷却器の出口における冷媒温度（Ｔｃｏ）との温度差である擬似過冷却度（ΔＴｑｓｃ）が所定の温度範囲内になるように、構成機器の制御を行う、
冷凍装置（１）。
前記所定の温度範囲は、５℃から１２℃の温度範囲内に設定されている、請求項１に記載の冷凍装置（１）。
前記構成機器として、前記膨張機構（２４）を用いる、請求項１又は２に記載の冷凍装置（１）。