JP4864110B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents
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これは、過冷却熱交換器出口の過冷却度が運転条件ごとに変化する点と、冷媒が不足し凝縮器出口が二相状態になっても、この二相域部分の熱量だけしか過冷却熱交換器出口の過冷却度は変化しないため、冷媒量の減少に対する過冷却熱交換器出口の過冷却度の低下が緩やかである点とによるものである。
例えば、過冷却度が低い運転状態と、過冷却度が高い運転状態とを1つの閾値で判定しようとする場合、過冷却度が低い運転状態に合わせて判定閾値を低く設定すると、過冷却度が高い運転状態では判定精度が悪くなる。このため、判定精度を向上させるには運転条件ごとに判定閾値を決めなければならず、冷媒量適否判定方法が煩雑となる。
また、レシーバーを有する冷凍空調装置において、冷媒量適否の判定精度を向上させることができ、冷媒量適否の判定に係る設定の煩雑さを低減することができる冷凍空調装置を得ることを目的とする。
圧縮機と熱源側熱交換器と過冷却熱交換器とを有する熱源側ユニットと、利用側膨張弁と利用側熱交換器とを有する利用側ユニットとが、接続配管を介して接続されることにより構成される主冷媒回路と、
流量調整弁を有し、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の一部を分岐し、該冷媒を前記流量調整弁で減圧して中間圧の冷媒にした後、前記過冷却熱交換器の中間圧側に流入し、前記中間圧の冷媒と前記主冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させ前記圧縮機の吸入側に戻るサブ冷媒回路と、
前記主冷媒回路の高圧側の圧力(P d )に基づき、前記熱源側熱交換器出口が飽和液であると仮定して、前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )を求め、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口温度(T scc )に基づき、前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )を求め、
少なくとも前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )と前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )とに基づき、前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )を求め、
少なくとも前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )に基づいて、前記サブ冷媒回路出口における冷媒の乾き度を求め、該乾き度が所定の乾き度となるよう前記流量調整弁の開度を制御する制御手段と、
前記過冷却熱交換器出口における冷媒の過冷却度、又は前記過冷却熱交換器の温度効率、前記圧縮機の吐出温度、吐出過熱度、及び前記流量調整弁の開度のうち少なくとも1つと、所定の基準値とを比較することにより、冷媒量の適否を判定する冷媒量判定手段と
を備えたものである。
圧縮機と熱源側熱交換器とレシーバーと過冷却熱交換器とを有する熱源側ユニットと、利用側膨張弁と利用側熱交換器とを有する利用側ユニットとが、接続配管を介して接続されることにより構成される主冷媒回路と、
流量調整弁を有し、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の一部を分岐し、該冷媒を前記流量調整弁で減圧して中間圧の冷媒にした後、前記過冷却熱交換器の中間圧側に流入し、前記中間圧の冷媒と前記主冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させ前記圧縮機の吸入側に戻るサブ冷媒回路と、
前記主冷媒回路の高圧側の圧力(P d )に基づき、前記熱源側熱交換器出口が飽和液であると仮定して、前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )を求め、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口温度(T scc )に基づき、前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )を求め、
少なくとも前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )と前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )とに基づき、前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )を求め、
少なくとも前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )に基づいて、前記サブ冷媒回路出口における冷媒の乾き度を求め、該乾き度が所定の乾き度となるよう前記流量調整弁の開度を制御する制御手段と、
前記過冷却熱交換器出口における冷媒の過冷却度、又は前記過冷却熱交換器の温度効率、前記圧縮機の吐出温度、吐出過熱度、及び前記流量調整弁の開度のうち少なくとも1つと、所定の基準値とを比較することにより、冷媒量の適否を判定する冷媒量判定手段と
を備えたものである。
このため、冷媒量適否の判定精度を向上させることができ、冷媒量適否の判定に係る設定の煩雑さを低減することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明の実施の形態1に係る冷凍空調装置1の冷媒回路図である。
冷凍空調装置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、例えば倉庫を冷却したり、店舗で販売されている品物を冷却したりすることに利用される装置である。
図1に示すように、冷凍空調装置1は、主として1台の室外ユニットである熱源側ユニット2と、それに並列に接続された複数台(本実施の形態では、2台)の室内ユニットである利用側ユニット4A、4Bと、熱源側ユニット2と利用側ユニット4A、4Bとを接続する冷媒延長配管としての液冷媒延長配管6及びガス冷媒延長配管7とを備えている。
この冷凍空調装置1の冷媒としては例えば、HFC系の混合冷媒であるR410Aや、R404A等が用いられる。
利用側ユニット4A、4Bは、液冷媒延長配管6とガス冷媒延長配管7を介して熱源側ユニット2に接続されており、冷媒回路10の一部を構成している。
この利用側冷媒回路10aは、利用側膨張弁41Aと、利用側熱交換器42Aとを備えている。
利用側膨張弁41Aは、利用側冷媒回路10aを流れる冷媒流量を調整する電子膨張弁であり、利用側熱交換器42Aの液側に接続される。
利用側熱交換器42Aは、伝熱管と多数のフィンにより構成されたフィン&チューブ型熱交換器であり、冷媒の蒸発器として使用する。
熱源側ユニット2は、液冷媒延長配管6及びガス冷媒延長配管7を介して利用側ユニット4A、4Bに接続され、冷媒回路10を構成している。
熱源側冷媒回路10cは、主に、圧縮機21と、熱源側熱交換器23と、レシーバー25と、過冷却熱交換器26と、液側閉鎖弁28と、ガス側閉鎖弁29と、アキュムレーター24とから構成されている。
本実施の形態においてはインジェクション回路71入口を、過冷却熱交換器26の出口側に設ける。また、インジェクション回路71出口を、圧縮機21の中間圧部に設け、中間圧の冷媒を圧縮機21内にインジェクションする。
このインジェクション回路71は、熱源側熱交換器23から利用側熱交換器42A、42Bへ送られる冷媒の一部を、熱源側冷媒回路10cから分岐させて、インジェクション量調整弁72と過冷却熱交換器26の中間圧側とを介して、圧縮機21の中間圧部に戻すものである。
なお、インジェクション回路71は、本発明における「サブ冷媒回路」に相当する。
なお、インジェクション量調整弁72は、本発明における「流量調整弁」に相当する。
なお、本実施の形態において圧縮機21は1台のみであるが、利用側ユニットの負荷に応じて、2台以上の圧縮機21が並列に接続されたものであっても良い。
熱源側ファン27は、DCファンモータからなるファンモータを備えており、モータ回転数を変化させることにより風量を調整し、熱交換量を増減できるようになっている。
高圧の冷媒は過冷却熱交換器26を通過することで過冷却度が大きくなり、中間圧の冷媒は過冷却熱交換器26を通過することで乾き度が高い冷媒となり、圧縮機21の吐出温度上昇による圧縮機の焼きつきを防止するため圧縮機21に吸引される。
また、図1では、利用側ユニット4A、4Bが2台の場合の構成例を示しているが、3台以上の複数でも良く、それぞれの利用側ユニット4A、4Bの容量が大から小まで異なっても、全てが同一容量でも良い。
また、利用側膨張弁41A、41Bは、利用側ユニット4A、4Bに内蔵する構成としたが、熱源側ユニット2内の過冷却熱交換器26と液側閉鎖弁28との間に設けて、熱源側ユニット2に内蔵する構成としても良い。
続いて、センサー類と制御部について説明する。
圧縮機21の吐出側には、吐出温度を検出する温度センサー33bが設置されている。
熱源側熱交換器23には、熱源側熱交換器23の凝縮温度を検知する温度センサー33kが設けられている。
熱源側熱交換器23出口には、熱源側熱交換器23出口冷媒温度を検出する温度センサー33lが設けられている。
過冷却熱交換器26の高圧側出口には、過冷却熱交換器26出口温度を計測する温度センサー33dが設けられている。
これらの温度センサーは、冷媒配管に接するかあるいは挿入するように設けられ、冷媒温度を検出するようになっている。
また、熱源側熱交換器23が設置される室外の周囲温度を検出する温度センサー33cが設けられている。
利用側熱交換器42A、42Bの出口側には、それぞれ温度センサー33f、33iが設けられている。
利用側熱交換器42A、42Bが設置されている室内周囲空気温度を検出する温度センサー33g、33jが設けられている。
圧縮機21の入口側には、吸入温度を計測する温度センサー33aが設けられている。
圧縮機21の吐出側には、吐出圧力を計測する圧力センサー34bが設けられている。
ここで、温度センサー33aの位置をアキュムレーター24入口側としたのは、アキュムレーター24入口の冷媒過熱度を制御し、液冷媒がアキュムレーター24に戻らない運転を実現するためである。
なお、圧力センサー34aの位置については、図示位置に限られたものではなく、ガス側閉鎖弁29から圧縮機21の吸入側に至るまでの区間であれば、何処の場所に設けられていても良い。
また、圧力センサー34bの圧力を飽和温度に換算することにより、冷凍サイクルの凝縮温度を求めることも可能である。
なお、圧力センサー34aは、本発明における「第2の圧力センサー」に相当する。
なお、温度センサー33aは、本発明における「第1の温度センサー」に相当する。
なお、温度センサー33dは、本発明における「第2の温度センサー」に相当する。
図2においては、実施の形態1の冷凍空調装置1の計測制御を行う制御部3及びこれに接続されるセンサー類、アクチュエータ類の接続構成を表している。
制御部3は、本実施の形態では熱源側ユニット2に、メインである熱源側制御部31を設け、利用側ユニット4A、4Bに、制御部3の機能の一部を持つサブ制御部である利用側制御部32a、32bを設けている。
そして、このメイン制御部とサブ制御部との間でデータ通信を行うことにより連携処理を行う制御部3として制御する構成となっている。
測定部3aは、温度、圧力などのセンサー類の測定を行う。
演算部3bは、測定結果に基づき演算、比較、判定などの処理を行う。
駆動部3cは、演算結果に基づき、圧縮機、弁類、ファンなどを駆動する。
記憶部3dは、演算部3bによって得られた結果や予め定められた定数、冷媒の物性値(飽和圧力、飽和温度、エンタルピーなど)を計算する近似式やテーブルなどを記憶する。この記憶部3dは、必要に応じてこれらの記憶内容を参照、書き換えることが可能である。
上記の測定部3a、演算部3b及び駆動部3cは、例えばマイコンにより構成される。また、記憶部3dは、例えば半導体メモリなどによって構成される。
入力部3eは、リモコンや基板上のスイッチ類からの操作入力、電話回線、LAN回線、無線などの通信手段(図示せず)からの通信データ情報を制御部3へ入力する。
出力部3fは、マイコンによる処理結果をLEDやモニタなどにより表示したり、警告音などを出力したり、電話回線、LAN回線、無線などの通信手段(図示せず)により遠隔地へ情報を出力する。
図3は、冷媒が適正量充填されている際の冷凍空調装置1の挙動を示したものである。
圧縮機21により圧縮された冷媒は、高温高圧ガス冷媒(図3点1)となり熱源側熱交換器23へ至り、熱源側ファン27の送風作用により凝縮液化し、レシーバー25に至り、一時的にレシーバー25内に溜められる(図3点2)。
ここでレシーバー25には利用側ユニット4A、4Bの運転負荷や、外気温度、凝縮温度に応じて生じる、冷媒回路10内の余剰液冷媒が溜まるようになっている。
このときの凝縮温度は温度センサー33lにより、もしくは圧力センサー34bの圧力を飽和温度換算することにより、もしくは過冷却熱交換器26付近に圧力センサーを追加し飽和温度換算して求められる。
レシーバー25に貯留した冷媒は、過冷却熱交換器26にてさらに過冷却度が大きくなる(図3点3)。
この時、過冷却熱交換器26出口の過冷却度は、上記凝縮温度から、過冷却熱交換器26出口の温度を計測している温度センサー33dの温度を差し引くことで求められる。
液側閉鎖弁28及び液冷媒延長配管6を経由して利用側ユニット4A、4Bに送られ、利用側膨張弁41A、41Bにより減圧されて低圧の気液二相冷媒となる(図3点4)。
気液二相冷媒は蒸発器である利用側熱交換器42A、42Bにて利用側ファン43A、43Bの送風作用によりガス化する(図3点5)。
この時の蒸発温度は温度センサー33e、33hにて計測され、温度センサー33f、33iの値からそれぞれの蒸発温度を引くことによりそれぞれの利用側熱交換器42A、42B出口における過熱度が求められる。
利用側熱交換器42A、42Bを通過したガス冷媒は、ガス冷媒延長配管7、ガス側閉鎖弁29、アキュムレーター24を経て、圧縮機21へ戻る。
インジェクション回路71の入口は、過冷却熱交換器26出口と液側閉鎖弁28との間にある。
インジェクション回路71は、過冷却熱交換器26により過冷却された高圧液冷媒の一部を分岐させ、この冷媒をインジェクション量調整弁72で減圧させ中間圧の二相冷媒にする(図3点6)。
そして、中間圧の二相冷媒を過冷却熱交換器26の中間圧側に流入し、中間圧の二相冷媒と熱源側冷媒回路10cの高圧液冷媒とを熱交換し、熱源側冷媒回路10cに流れる高圧液冷媒を過冷却させる。
これにより、インジェクション回路71を流れる冷媒は蒸発ガス化する(図3点7)。
このインジェクション量調整弁72の制御方法として、熱源側熱交換器23出口が飽和液であると仮定してインジェクション量調整弁72の開度を制御するインジェクション回路71出口乾き度Xmo予測制御(以下「Xmo予測制御」という。)を行う。
Xmo予測制御とは、まず、この冷媒回路10に有している圧力センサー、温度センサーのセンサー情報を用いて、インジェクション回路71出口乾き度Xmoを予測する。
そして、Xmoが1よりも大きければインジェクション量調整弁72の開度を開く方向へ動かし、Xmoが1よりも小さければ閉じる方向へ動かし、インジェクション回路71出口乾き度が飽和ガスとなるようインジェクション量調整弁72の開度を調整する制御である。
次に、インジェクション回路71出口乾き度の演算方法について、図3を用いて説明する。
冷凍空調装置1の冷媒回路10では、次の質量保存則、エネルギー保存則が成り立つ。
ここで数式2は、凝縮器である熱源側熱交換器23出口エンタルピーHcoが飽和液状態であることで成立している。
Grhigh:凝縮器である熱源側熱交換器23を流れる冷媒流量
Grlow=f(Pd、ρ(Ts)、Hz):圧縮機冷媒流量[kg/h]
Grinj=f(Pd、Ps、ρ(Tscc)):インジェクション冷媒流量[kg/h]
Hco=f(Pd):凝縮器である熱源側熱交換器23出口エンタルピー[kJ/kg]
Hscco=f(Pd、Tscc):過冷却熱交換器26高圧側出口エンタルピー[kJ/kg]
Hmi:インジェクション回路71入口エンタルピー[kJ/kg]
HL=f(PM):過冷却熱交換器26中間圧側飽和液エンタルピー[kJ/kg]
HG=f(PM):過冷却熱交換器26中間圧側飽和ガスエンタルピー[kJ/kg]
Pd:吐出圧力[MpaG]
Ps:吸入圧力[MpaG]
PM:中間圧力[MpaG]
ρ(Ts):吸入ガス密度[kg/m3]
ρ(Tscc):過冷却熱交換器26高圧側出口密度[kg/m3]
Ts:吸入ガス温度[℃]
Tscc:過冷却熱交換器26高圧側出口温度[℃]
Hz:圧縮機周波数[Hz]
インジェクション冷媒流量Grinjは、Cv値の式を用いて次式により求められる。
吸入圧力Psは、圧力センサー34aの測定値により求められる。
吸入ガス温度Tsは、温度センサー33aの測定値により求められる。
過冷却熱交換器26高圧側出口温度Tsccは、温度センサー33dの測定値により求められる。
圧縮機周波数Hzは、例えば制御部3の駆動部3cの駆動制御量により求められる。
次に、冷媒量適否判定のメカニズムを図3〜図8を用いて説明する。
制御部3は、熱源側熱交換器23出口が飽和液であると仮定して、過冷却熱交換器26の熱バランスから導出した数式3、数式4により、インジェクション回路71出口乾き度Xmoを予測する。
そして、Xmoが1よりも大きければ(図3点7の右側)インジェクション量調整弁72の開度を開く方向へ動かし、Xmoが1よりも小さければ(図3点7の左側)閉じる方向へ動かし、インジェクション回路71出口乾き度が飽和ガス(Xmo=1:図3点7)となるようインジェクション量調整弁72の開度を調整する。
以下、このような制御を、「インジェクション回路71出口乾き度Xmo予測制御」又は単に「Xmo予測制御」と称する。
図4において、縦軸は温度を示し、上部ほど高い温度となる。
上部の矢印(ah)が冷媒回路10側(高圧側)の冷媒温度変化を示し、下部の矢印(am)がインジェクション回路71側(中間圧側)の冷媒温度変化を示す。
適正冷媒充填されている場合、インジェクション回路71出口は、乾き度が飽和ガスとなるように制御しているため、インジェクション回路71側の冷媒温度(am)は一定となる。
主冷媒回路側冷媒温度(ah)は、レシーバー25に液冷媒が貯留されている飽和液状態であるため過冷却熱交換器26に流入するとすぐ過冷却が大きくなる。
次に、レシーバー25に余剰冷媒が無くなった時のサイクル状態を、図5により説明する。
冷媒が不足し、レシーバー25内に余剰冷媒が無くなると熱源側熱交換器23出口が乾き、熱源側熱交換器23出口エンタルピーは二相状態Hco(図5点2)となる。
しかし、熱源側熱交換器23出口の温度センサー33lの検知箇所は、図5の高圧圧力の飽和液換算であるHco_sensor(図5点2’)であるため、過冷却度のエンタルピーは、実際の図5内のB(Hco−Hscco)からA(Hco_sensor−Hscco)と過少に算出される。
過冷却度エンタルピーの過少算出により数式4から演算されるXmoは、飽和ガス状態よりも湿った状態(Xmo<1)で演算される。
制御部3はXmo予測制御により、インジェクション回路71出口乾き度を飽和ガスとなるよう制御しているため、インジェクション量調整弁72の開度Sjは、適正冷媒が充填されているときよりもより絞る方向に動作し、インジェクション量が減少する。
インジェクション量が減少することによりインジェクション回路71出口の乾き度が図2のXmo(2)と大きくなり、冷媒が適正に充填されている時と比較して吐出温度Tdは高く、吐出過熱度(SHd)も大きくなる。
レシーバー25に余剰冷媒が無くなった時の過冷却熱交換器26温度変化を、図6により説明する。
上述したように、レシーバー25に余剰冷媒が無くなるとインジェクション量調整弁72は閉じる方向へ動き、インジェクション量が減少する。
このため、インジェクション回路71側冷媒温度(b)の過冷却熱交換器26中間圧側出口は過熱状態となる。
よって、過冷却熱交換器26内を流れる高圧側冷媒温度と中間圧側冷媒温度の温度差が小さくなり、熱交換性能が低下する。
過冷却熱交換器26の熱交換性能が低下することにより、主冷媒回路側の過冷却熱交換器26高圧側入口の二相域が長くなり、結果、過冷却熱交換器26出口の過冷却度が従来に比べて顕著に減少する。
よって、過冷却熱交換器26出口の過冷却度の変化により、冷媒量の適否を精度良く判定することができる。
図7において、横軸に冷媒量をとり、縦軸に過冷却度をとったグラフを示す。
冷媒量は、右端が適正量で左に移動するに従い冷媒量が不足し左端は0となる。
図7に示すように、適正量から冷媒量が減少すると、図7のE部においてレシーバー25の余剰液冷媒が無くなり前記メカニズムにより過冷却度が顕著に減少する。
冷媒量の適否が過冷却度に顕著に現れるため、従来の判定精度よりも向上し、運転条件ごとに設定しなければならなかった閾値設定も1つの閾値にすることができるため閾値設定の煩雑さも無くすことができる。
図8において、横軸に冷媒量をとり、縦軸に過冷却熱交換器26の温度効率をとったグラフを示す。
冷媒量は、右端が適正量で左に移動するに従い冷媒量が不足し左端は0となる。
図8に示すように、過冷却熱交換器26温度効率は、運転条件による変動が小さいため、閾値の設定が容易である。
この過冷却度の変動に応じて変動する運転状態量とは、過冷却熱交換器26の温度効率、圧縮機21の吐出温度、吐出過熱度、及びインジェクション量調整弁72の開度のうち少なくとも1つである。
例えば、適正冷媒量充填時に予め記憶しておいた吐出温度、吐出過熱度、インジェクション量調整弁72の開度と、現在の各状態量の比較によって、冷媒量の適否を検知することができる。
図9は本発明の実施の形態1に係る冷媒量判定工程のフローチャートである。
次に、過冷却度を用いた冷媒量判定の方法について、図9のフローチャートに基づき説明する。
なお、以下に説明する冷媒量判定方法は、機器設置初期の冷媒充填運転や、メンテナンスのために冷媒を一度排出して再度充填する際などに適用しても良い。
また、冷媒量判定運転は有線又は無線での外部からの操作信号を制御部3に伝えることにより実施しても良い。
通常運転制御は、制御部3にて、運転時の冷凍サイクル各部の圧力、温度などの運転データを測定し、過冷却度、過熱度などの目標値からの偏差などの制御値を演算し、各アクチュエータを制御することにより行う。
この時、インジェクション量調整弁72は、Xmo予測制御を行う。
以下、各アクチュエータの動作について説明する。
現在の蒸発温度が目標値より高い場合には周波数を上昇させる、目標値より低い場合には周波数を下降させるなどである。
現在の凝縮温度が目標値より高い場合にはファン回転数を大きくする、低い場合は小さくするなどである。
インジェクション流量を調整するインジェクション量調整弁72の制御方法について、図10のフローチャートに基づき説明する。
本実施の形態では冷媒としてR410Aを用いているため、インジェクション出口乾き度の目標である所定の乾き度とは、システムの運転効率が最も高くなる乾き度1、つまり飽和ガス状態である。
ST11では、制御部3は、数式3、数式4からインジェクション回路71出口乾き度Xmoを算出する。
ST12では、制御部3は、ST11で算出したXmoが1でないか否かの判定を行う。
判定の結果がYESであればST13へ、NoであればRETURNへ移動し、もう一度STARTからの動作を繰り返す。
判定の結果がYESであればST14へ、NoであればST15へ移動する。
ST14では、制御部3は、ST13でXmo>1と判定し、インジェクション回路71出口が乾いている(インジェクション量が少ない)と予測しているため、飽和ガス状態(Xmo=1)とするためにインジェクション量調整弁72の開度Sjを開く方向へ動作させる。
ST15では、制御部3は、ST13でXmo<1と判定し、インジェクション回路71出口が湿っている(インジェクション量が多い)と予測しているため、飽和ガス状態(Xmo=1)とするためにインジェクション量調整弁72の開度Sjを閉じる方向へ動作させる。
判定の結果がYESであればST3へ、NoであればRETURNへ移動し、もう一度STARTからの動作を繰り返す。
なお、上記の制御目標値の安定判定に加えて、アキュムレーター24内の液冷媒を完全に蒸発させてガス状態とするために、圧縮機21起動からの運転時間が所定時間以上か否かの判定条件と、温度センサー33aから圧力センサー34aの飽和温度換算した値を引いた圧縮機21吸入過熱度が所定の温度(例えば3℃)以上か否かの判定条件を加えても良い。
これにより液冷媒がアキュムレーター24内に溜まることで正確な冷媒量が判定できなくなるという不都合を回避することができる。
具体的には、制御部3は、過冷却度SCCと基準値SCCmとの偏差量ESCC(=SCC−SCCm)を求め、このESCCが正の値であるか否かを判定する。
冷媒判定パラメータが、過冷却熱交換器26の温度効率εsccや、インジェクション量調整弁72であっても、過冷却度の場合と同様に、基準値と比較を行い、偏差量が正か負かで冷媒量適否の判定を行う。
偏差量が正の場合には、制御部3は、適正冷媒が充填されていると判断しST5へ移る。
偏差量が負の場合には、制御部3は、冷媒量不足と判断しST6へと移る。
この際、過冷却度SCCは瞬時値を用いるよりも、複数の過冷却度SCCの移動平均をとることが望ましく、移動平均をとることでサイクルの安定も考慮することができる。
なお、所望の検出目標冷媒漏れ量kgmやΔSCCは、予め制御部3内の記憶部3dに記憶していても、リモコンや基板上のスイッチ類などの入力部3eからの入力や、遠隔地からの通信データに基づいて設定しても良い。
出力の方法は、制御部3の基板上に配置されたLEDや液晶などの出力端末での表示出力、遠隔地への通信データ出力などが可能である。
出力の方法は、ST5同様、制御部3の基板上に配置されたLEDや液晶などの出力端末での表示出力、遠隔地への通信データ出力などが可能である。
また、異常の場合は緊急を要すため、電話回線などを通じて、サービスマンへ異常発生を直接出力し、報知する方法としても良い。
このため、余剰液冷媒が無くなった際の過冷却度が顕著に減少し、冷媒量適否の判定精度を向上させることができる。
また、余剰液冷媒が無くなった際の過冷却度が顕著に減少するため、冷媒量適否の判定に係る所定の基準値(閾値)を1つの基準値とすることができ、冷媒量適否の判定に係る設定の煩雑さを低減することができる。
また、冷媒量適否の判定精度を向上させることにより、製品信頼性が向上し、大気中に放出される冷媒をより減少させることができる。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
上記実施の形態1では、インジェクション回路71の入口を、過冷却熱交換器26の出口側に設けた構成について説明した。本実施の形態2では、インジェクション回路71入口を、レシーバー25と過冷却熱交換器26との間に設けた形態について説明する。
実施の形態2の構成について図11を参照して説明する。
図11に示すように、本実施の形態2における熱源側ユニット2のインジェクション回路71は、インジェクション回路71入口を、レシーバー25と過冷却熱交換器26との間に設け、レシーバー25と過冷却熱交換器26との間の熱源側冷媒回路10cから冷媒を分岐させる。
なお、上記実施の形態1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
冷媒量判定方法は、基本的には実施の形態1と同様である。
ただし、上記実施の形態1ではインジェクション回路71入口を過冷却熱交換器26と液側閉鎖弁28の間に設置するのに対し、本実施の形態ではレシーバー25と過冷却熱交換器26の間に設置するよう変更することにより、ph線図とインジェクション回路71出口乾き度の演算方法とにおいて異なる部分がある。また、この異なる部分により、本実施の形態2では、上記実施の形態1と比較して冷媒量適否判定の精度が向上する。
以下、実施の形態1と異なる部分、及び実施の形態1と比較した優位点につき説明を行う。
本実施の形態の動作について図11、図12に基づき、上記実施の形態1と異なる点を重点的に説明する。
圧縮機21で圧縮された高温高圧冷媒(図12点1)は、凝縮器である熱源側熱交換器23を通り凝縮液化し、レシーバー25内に一時的に貯留される(図12点2)。
貯留された冷媒は、熱源側冷媒回路10cとインジェクション回路71とに分岐され、熱源側冷媒回路10cを流れる冷媒は、過冷却熱交換器26の高圧側を流れ過冷却が大きくなる(図12点3)。
一方、インジェクション回路71を流れる冷媒は、飽和液状態(図12点2)でインジェクション回路71に流入し、インジェクション量調整弁72で減圧され(図12点6)中間圧力の二相冷媒となった後、過冷却熱交換器26の中間圧側に流入しガス化(図12点7)する。
次に、本実施の形態2におけるインジェクション回路71出口乾き度の演算方法について、図12を用いて説明を行う。
以下、実施の形態1と異なる点を重点的に説明する。
そのためインジェクション回路71入口エンタルピーHmiが、実施の形態1では過冷却熱交換器26出口エンタルピーHsccoと等しくなるのに対し、本実施の形態2では飽和ガスエンタルピーHcoと等しくなる。
よって、過冷却熱交換器26の熱収支は、実施の形態1と異なり、下記の数式8により表される。
Grhigh:凝縮器である熱源側熱交換器23を流れる冷媒流量
Grlow=f(Pd、ρ(Ts)、Hz):圧縮機冷媒流量[kg/h]
Grinj=f(Pd、Ps、ρ(Tscc)):インジェクション冷媒流量[kg/h]
Hco=f(Pd):凝縮器である熱源側熱交換器23の出口エンタルピー[kJ/kg]
Hscco=f(Pd、Tscc):過冷却熱交換器26高圧側出口エンタルピー[kJ/kg]
Hmi:インジェクション回路71入口エンタルピー[kJ/kg]
HL=f(PM):過冷却熱交換器26中間圧側飽和液エンタルピー[kJ/kg]
HG=f(PM):過冷却熱交換器26中間圧側飽和ガスエンタルピー[kJ/kg]
Pd:吐出圧力[MpaG]
Ps:吸入圧力[MpaG]
PM:中間圧力[MpaG]
ρ(Ts):吸入ガス密度[kg/m3]
ρ(Tscc):過冷却熱交換器26高圧側出口密度[kg/m3]
Ts:吸入ガス温度[℃]
Tscc:過冷却熱交換器26高圧側出口温度[℃]
Hz:圧縮機周波数[Hz]
インジェクション冷媒流量Grinjは、Cv値の式を用いて次式により求められる。
吸入圧力Psは、圧力センサー34aの測定値により求められる。
吸入ガス温度Tsは、温度センサー33aの測定値により求められる。
過冷却熱交換器26高圧側出口温度Tsccは、温度センサー33dの測定値により求められる。
圧縮機周波数Hzは、例えば制御部3の駆動部3cの駆動制御量により求められる。
ここで、本実施の形態2が実施の形態1よりも冷媒量不足時の過冷却度の減少が顕著である。つまり、検知精度が高いということについて説明する。
本実施の形態2と実施の形態1とで、冷媒が不足し過冷却度が同一量減少した際の、インジェクション量の減少割合を比較する。
ここで、本実施の形態2と実施の形態1とを区別するために、実施の形態1には添え字(1)を、本実施の形態2には添え字(2)を付ける。
また、冷媒が適正量充填されている場合の状態量には添え字Fを、冷媒が不足している状態量には添え字Eを付ける。
なお、適正冷媒量充填時と冷媒不足時とで状態量が大きく変化しない、熱源側冷媒回路10cを流れる冷媒量Grhigh、熱源側熱交換器出口エンタルピーHco、インジェクション回路71出口エンタルピーHmoについては、添え字(1)、(2)、F、Eを付加しない。
また、過冷却度の減少は、本実施の形態2でも実施の形態1でも同一であるため、Hsccについては、添え字(1)、(2)を付加しない。
また、本実施の形態2では冷媒が減少して熱源側熱交換器出口が二相状態になると、インジェクション入口部の冷媒も二相となる。
液単相に比べて二相状態では圧力損失が大きくなるため、インジェクション流量がさらに減少する。
このため、上記実施の形態1よりも、過冷却度、又は過冷却度に応じて変動する運転状態量が大きく低下し、冷媒量適否の判定精度をさらに向上させることができる。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
本実施の形態3では、インジェクション回路71入口を、レシーバー25に設けた形態について説明する。
実施の形態3の構成について図13を参照して説明する。
図13に示すように、本実施の形態3における熱源側ユニット2のインジェクション回路71は、インジェクション回路71入口を、レシーバー25に設け、レシーバー25から冷媒を分岐させる。
例えば、インジェクション回路71入口を、レシーバー25の適正冷媒充填時における余剰冷媒の液最下面よりも下部に設ける。
なお、上記実施の形態1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施の形態3の冷媒量判定方法は、基本的には実施の形態1と同様である。
ただし、異なる点としてインジェクション回路71入口を、レシーバー25に取り付けることが挙げられる。
このため、従来の技術では、冷媒が漏洩しても、レシーバー25に余剰冷媒が溜まっているとレシーバー25の液面が下がるのみで運転状態量に変化は生じることはなく、レシーバー25から余剰冷媒が無くなると初めて運転状態量に変化が生じ、その運転状態量を検知して冷媒不足を判定していた。
よって、従来の技術において、レシーバー25を有する冷凍空調装置1では、この余剰冷媒が無くなるまで冷媒不足を検知することができず、余剰冷媒が冷媒量適否判定の精度を低下させていた。
これにより、レシーバー25に余剰冷媒が貯留している場合にも、冷媒量適否の判定を行うことができ、冷媒量適否判定の検知精度を向上させることができる。
そのメカニズムについて、ph線図と過冷却熱交換器26の温度変化を用いて説明する。
図14においては、冷媒が漏洩してレシーバー25の液面が下がり、インジェクション回路71入口から二相流が流入した際のph線図を示している。
なお、適正冷媒充填時のph線図は、図12と同一である。
圧縮機21で圧縮された高温高圧冷媒(図14点1)は、凝縮器である熱源側熱交換器23を通り凝縮液化し、レシーバー25内に一時的に貯留される(図14点2)。
貯留された冷媒は、熱源側冷媒回路10cとインジェクション回路71に分岐され、熱源側冷媒回路10cを流れる冷媒は過冷却熱交換器26の高圧側を流れ過冷却が付く(図14点3)。
ここで冷媒が漏洩してレシーバー25の液面が下がりインジェクション入口から二相流が流入すると、インジェクション入口エンタルピーは図14点2’となる。
その後、インジェクション量調整弁72で減圧され(図14点6)適正冷媒量充填されたときよりも乾いた二相冷媒となった後、過冷却熱交換器26の中間圧側に流入しガス化(図14点7)する。
なお、Grhigh、Hco、Hsccoは、数式19、数式20で変化しないため、添え字は付加しない。
しかし、Xmo予測制御ではインジェクション回路71入口が飽和ガスとしてインジェクション量調整弁72が制御されているため、適正冷媒充填時と同一流量しか流れない。
よって、熱交換量は流量とエンタルピー差の積で算出されることから、エンタルピー差分だけ過冷却熱交換器26の熱交換量が減少する。
よって、過冷却熱交換器26による過冷却度が減少し、この過冷却度、又は過冷却度の変動に応じて変動する運転状態量により、レシーバー25内の余剰冷媒の液面が低下したことを検知することができる。
これにより、冷媒が適正に充填されている時と比較して吐出温度Tdは高く、吐出過熱度(SHd)も大きくなるため、これらの運転状態量を適正冷媒量が充填されたときの値と比較することにより冷媒量の適否を判定することができる。
これにより、レシーバー25に余剰冷媒が貯留されている場合においても、冷媒量適否の判定を行うことができ、冷媒量適否判定の検知精度を向上させることができる。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
上記実施の形態1〜3では、インジェクション回路71の出口を、圧縮機21の中間圧部に設けた構成について説明した。本実施の形態4では、インジェクション回路71に代えて、バイパス回路71’を設け、その出口を、冷媒回路10の低圧側に設けた形態について説明する。
実施の形態4の構成について図15を参照して説明する。
図15に示すように、本実施の形態における熱源側ユニット2は、上述したインジェクション回路71に代えて、バイパス回路71’を設けている。
バイパス回路71’は、熱源側熱交換器23から利用側熱交換器42A、42Bへ送られる冷媒の一部を、熱源側冷媒回路10cから分岐させて、バイパス量調整弁72’と過冷却熱交換器26の中間圧側とを介して、冷媒回路10の低圧側に戻すものである。
なお、上記実施の形態1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
なお、バイパス量調整弁72’は、本発明における「流量調整弁」に相当する。
冷媒量判定方法は、基本的には実施の形態1と同様である。
ただし、上記実施の形態1ではインジェクション回路71出口を圧縮機21の中間圧部に接続するのに対し、本実施の形態4ではバイパス回路71’の出口を冷媒回路10の低圧側に接続することにより、ph線図において異なる部分がある。
以下、実施の形態1と異なる部分につき説明を行う。
本実施の形態の動作について図15、図16に基づき、実施の形態1と異なる点を重点的に説明する。
圧縮機21で圧縮された高温高圧冷媒(図16点1)は、凝縮器である熱源側熱交換器23を通り凝縮液化し、レシーバー25内に一時的に貯留される(図16点2)。
貯留された冷媒は、過冷却熱交換器26の高圧側を流れ過冷却が付く(図16点3)。
バイパス回路71’を流れる冷媒は、過冷却状態(図16点3)でバイパス回路71’に流入し、バイパス量調整弁72’で減圧され(図16点6)中間圧力の二相冷媒となった後、過冷却熱交換器26の低圧側に流入しガス化(図16点7)する。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
本実施の形態5では、熱源側ユニット2を複数備える形態について説明する。
実施の形態5の構成について図17を参照して説明する。
図17に示すように、本実施の形態5においては、熱源側ユニット2を2台(熱源側ユニット2A、2B)備え、この熱源側ユニット2A、2Bを並列接続する。
なお、上記実施の形態1と同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
熱源側ユニット2Aと2Bは、空調容量が同一容量でも良いし、異容量でも良い。また、本実施の形態では2台接続について説明するが、これ以上の複数台数接続に対しても同様の手法を適用できる。
冷媒量判定方法は、基本的には実施の形態1と同様である。
熱源側ユニット2が2台あるため、制御上の相違点としては、圧縮機21の周波数の増減はそれぞれの圧縮機21容量比に応じて変化させる点である。
熱源側熱交換器23に送風する熱源側ファン27、利用側膨張弁41A、41Bの制御は熱源側ユニット2が1台の場合と同一であり、それぞれの熱源ユニットに対応するセンサーの出力値に基づき、個別制御を行う。
例えば、熱源側ユニット2A側の過冷却熱交換器26温度効率εsccが低く(熱源側ユニット2A熱源側熱交換器23出口が二相状態)、熱源側ユニット2B側の過冷却熱交換器26温度効率が高い(熱源側ユニット2B熱源側熱交換器23出口が液単相)場合には、熱源側ユニット2Aの熱源側ファン27の回転数を増速して熱源側熱交換器23が液単相となる方向に制御し、熱源側ユニット2Bの熱源側ファン27の回転数を減速してレシーバー25内の余剰冷媒が減る方向に制御する。
上記の所定の値以上とは、例えば運転範囲内における過冷却熱交換器26温度効率εsccの変動が0.4〜0.6の場合、下限値である0.4以上にするなどである。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
また、冷媒充填時にはシステムに応じて適正な冷媒を充填することができる。
Claims (10)
- 圧縮機と熱源側熱交換器と過冷却熱交換器とを有する熱源側ユニットと、利用側膨張弁と利用側熱交換器とを有する利用側ユニットとが、接続配管を介して接続されることにより構成される主冷媒回路と、
流量調整弁を有し、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の一部を分岐し、該冷媒を前記流量調整弁で減圧して中間圧の冷媒にした後、前記過冷却熱交換器の中間圧側に流入し、前記中間圧の冷媒と前記主冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させ前記圧縮機の吸入側に戻るサブ冷媒回路と、
前記主冷媒回路の高圧側の圧力(P d )に基づき、前記熱源側熱交換器出口が飽和液であると仮定して、前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )を求め、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口温度(T scc )に基づき、前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )を求め、
少なくとも前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )と前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )とに基づき、前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )を求め、
少なくとも前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )に基づいて、前記サブ冷媒回路出口における冷媒の乾き度を求め、該乾き度が所定の乾き度となるよう前記流量調整弁の開度を制御する制御手段と、
前記過冷却熱交換器出口における冷媒の過冷却度、又は前記過冷却熱交換器の温度効率、前記圧縮機の吐出温度、吐出過熱度、及び前記流量調整弁の開度のうち少なくとも1つと、所定の基準値とを比較することにより、冷媒量の適否を判定する冷媒量判定手段と
を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。 - 圧縮機と熱源側熱交換器とレシーバーと過冷却熱交換器とを有する熱源側ユニットと、利用側膨張弁と利用側熱交換器とを有する利用側ユニットとが、接続配管を介して接続されることにより構成される主冷媒回路と、
流量調整弁を有し、前記主冷媒回路の高圧側の冷媒の一部を分岐し、該冷媒を前記流量調整弁で減圧して中間圧の冷媒にした後、前記過冷却熱交換器の中間圧側に流入し、前記中間圧の冷媒と前記主冷媒回路の高圧側の冷媒とを熱交換させ前記圧縮機の吸入側に戻るサブ冷媒回路と、
前記主冷媒回路の高圧側の圧力(P d )に基づき、前記熱源側熱交換器出口が飽和液であると仮定して、前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )を求め、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口温度(T scc )に基づき、前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )を求め、
少なくとも前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(H co )と前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(H scco )とに基づき、前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )を求め、
少なくとも前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(H mo )に基づいて、前記サブ冷媒回路出口における冷媒の乾き度を求め、該乾き度が所定の乾き度となるよう前記流量調整弁の開度を制御する制御手段と、
前記過冷却熱交換器出口における冷媒の過冷却度、又は前記過冷却熱交換器の温度効率、前記圧縮機の吐出温度、吐出過熱度、及び前記流量調整弁の開度のうち少なくとも1つと、所定の基準値とを比較することにより、冷媒量の適否を判定する冷媒量判定手段と
を備えたことを特徴とする冷凍空調装置。 - 前記主冷媒回路の高圧側の圧力(Pd)を測定する第1の圧力センサーと、
前記主冷媒回路の低圧側の圧力(Ps)を測定する第2の圧力センサーと、
前記圧縮機の吸入ガス温度(Ts)を測定する第1の温度センサーと、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口温度(Tscc)を測定する第2の温度センサーと
を備え、
前記制御手段は、
前記各圧力センサー、及び各温度センサーの出力値に基づいて、
前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(Hco)と、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(Hscco)と、
前記サブ冷媒回路の冷媒流量(Grinj)と、
及び前記圧縮機の冷媒流量(Grlow)と
を求め、
前記熱源側熱交換器出口が飽和液であると仮定した場合における冷媒の質量保存則及びエネルギー保存則に基づき、
前記熱源側熱交換器出口のエンタルピー(Hco)と、
前記過冷却熱交換器の高圧側出口エンタルピー(Hscco)と、
前記サブ冷媒回路の冷媒流量(Grinj)と、
及び前記圧縮機の冷媒流量(Grlow)と
を用いて、
前記サブ冷媒回路出口のエンタルピー(Hmo)を求める
ことを特徴とする請求項1又は2記載の冷凍空調装置。 - 前記熱源側ユニットを複数備え、
前記制御手段は、
前記複数の熱源側ユニットの各過冷却熱交換器出口における過冷却度、又は前記過冷却熱交換器の温度効率、前記圧縮機の吐出温度、吐出過熱度、及び前記流量調整弁の開度のうち少なくとも1つの値が、所定の値以上となるように運転制御を行う
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路出口を、前記圧縮機の中間圧部に設け、中間圧の冷媒を前記圧縮機内にインジェクションする
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路出口を、前記主冷媒回路の低圧側に設けた
ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路入口を、前記過冷却熱交換器の出口側に設けた
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路入口を、前記熱源側熱交換器と前記過冷却熱交換器との間に設けた
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路入口を、前記レシーバーに設けた
ことを特徴とする請求項2〜6の何れかに記載の冷凍空調装置。 - 前記サブ冷媒回路入口を、前記レシーバーの適正冷媒充填時における余剰冷媒の液最下面よりも下部に設けた
ことを特徴とする請求項2〜6の何れかに記載の冷凍空調装置。
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