JP4931791B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents
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Description
またエジェクタを適用した冷凍空調装置として、エジェクタに流入する冷媒の一部を分岐して蒸発器に供給するバイパス回路を設けたものがある(例えば、特許文献2参照)。また、エジェクタをガスポンプとして使用し、2つの蒸発器を異なる温度で同時にあるいは単独で動作させるものがある(例えば、特許文献3参照)。
またこの課題を解決するには、冷媒の凝縮温度が70℃以上の運転を行い、放熱器での冷媒の液化を実現する必要があるが、そのためには通常の冷凍サイクルで用いられる高圧よりも高い圧力で運転する必要がある。通常機器の耐圧の問題、及び高圧ガス保安法の取り決めから、装置の設計圧力は、設計圧力に対する冷媒の飽和温度が65℃に設定されていることが多いが、上記の運転の場合は凝縮温度75℃程度の運転が求められ、その分設計圧力を高く設定し、耐圧強度が上昇するように機器を設計する必要がある。耐圧を確保するために配管やシェル、容器の肉厚を厚くすることが必要となり、装置の材料コストが上昇するという問題があった。
以下、この発明の実施の形態1を図1に示す。図1はこの発明の冷凍空調装置の冷媒回路図であり、冷媒回路は圧縮機1、温水を加熱する負荷側熱交換器として作用する放熱器2、エジェクタ3、高低圧熱交換器4、減圧装置として作用する膨張弁5、熱源側熱交換器として作用する蒸発器6、アキュムレータ7で構成され、図示されるように環状に接続される。
即ち、圧縮機1、放熱器2、エジェクタ3、高低圧熱交換器4の低圧側(図1下側)の順で冷凍サイクルが構成され、高低圧熱交換器4の低圧側を出た冷媒が圧縮機1吸入側に戻される。また、放熱器2の出口で分配された一部の冷媒は、高低圧熱交換器4の高圧側(図1上側)、膨張弁5、蒸発器6、アキュムレータ7の順に接続されるバイパス回路8を流れ、アキュムレータ7を流出した飽和ガス冷媒はエジェクタ3の吸引部に戻される。
圧縮機1はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。蒸発器6は送風機によって搬送される冷凍空調装置周囲の空気と熱交換を行う。エジェクタ3は膨張部での絞り開度が可変な構造となっている。膨張弁5は開度が可変に制御される電子膨張弁である。放熱器2、高低圧熱交換器4はプレート熱交換器であり、放熱器2では搬送される水やブラインなど負荷側熱媒体と冷媒との間で熱交換を行う。高低圧熱交換器4では高低圧の冷媒が熱交換を行い、高圧側から低圧側に熱が伝えられる。また高圧側流路と低圧側流路は一方の出口と一方の入口が近接する対向流的な構成となる。アキュムレータ7は、気液分離と余剰冷媒の貯留機能を持ち、アキュムレータ7で気液分離された後の飽和ガス冷媒がアキュムレータ7から流出しエジェクタ3に吸引される。この冷凍空調装置の冷媒としては例えばR410Aが用いられる。この装置の設計圧力は4.28MPaに設定され、その圧力に対する飽和温度は65℃であり、高圧を設計圧力という最も高い圧力で運転しても凝縮温度の上限は65℃となる。
また温度センサ10aが圧縮機1吸入側、温度センサ10bが圧縮機1吐出側、温度センサ10cが放熱器2出口、温度センサ10dが高低圧熱交換器4の高圧側出口、温度センサ10eが蒸発器6の入口、温度センサ10fがエジェクタ3の出口(高低圧熱交換器4の低圧側入口)に設けられており、それぞれ設置場所の冷媒温度を計測する。また、温度センサ10gが放熱器2の負荷側熱媒体流路入口、温度センサ10hが放熱器2の負荷側熱媒体流路出口に設けられており、ここでの負荷側熱媒体の温度を計測する。また、温度センサ10iが装置周囲の外気温度を計測するために設けられる。
放熱器2を出た冷媒は一部の冷媒(全体の24%)が分岐されバイパス回路8に流れ、残りの多くの冷媒(全体の76%)がエジェクタ3に流入する。エジェクタ3へ流入した冷媒は、ノズル部43出口(図2のX3の位置)で状態R3(圧力Pe:0.8MPa、温度0℃)のほぼ乾き度1の飽和ガスになり、混合部44へ流入する。混合部44でエジェクタ3のガス冷媒の吸引部入口3aから流入するR4(圧力Pe:0.8MPa、温度0℃)のアキュムレータ7から流出する冷媒ガスと混合した後、R5(圧力Pe:0.8MPa、温度0℃)の状態となった冷媒はディフューザ45によりPeからPsまで圧力が回復し、状態R6(圧力Ps:2.0MPa、温度38℃)の状態となる。
エジェクタ3を流出した冷媒は、高低圧熱交換器4の低圧側に流入し、バイパス回路8に流れる高圧の冷媒と熱交換しながら加熱され、状態R7(圧力Ps:2.0MPa、温度66℃)の状態となり、圧縮機1に吸入される。
従って、本実施の形態の回路構成とすることで、エネルギーが一部間接的に外気⇒蒸発器6を流れるバイパス回路8の冷媒⇒高低圧熱交換器4の高圧側を流れるバイパス回路8の冷媒⇒高低圧熱交換器4の低圧側を流れる圧縮機1に吸入されるガス冷媒と伝えられることになり、結局外気よりも高温であるエジェクタ3を流出するガス冷媒を、外気から得られる熱により加熱することが可能となる。
開度比が大きくなり、エジェクタ3に流れる流量が増加するとエジェクタ3の作用による吸引冷媒の昇圧量が増加し、エジェクタ3から排出される冷媒の圧力Psが上昇する。またバイパス回路8を流れる冷媒流量が減少するため、外気から採熱する熱量が減少し、それにより高低圧熱交換器4における熱交換量も低下し、エジェクタ3を出たガス冷媒の加熱量が減少する。
逆に、開度比が小さくなり、エジェクタ3に流れる流量が減少するとエジェクタ3の作用による吸引冷媒の昇圧量が減少し、エジェクタ3から排出される冷媒の圧力Psが低下する。またバイパス回路8を流れる冷媒流量が増加するため、外気から採熱する熱量が増加し、それにより高低圧熱交換器4における熱交換量も増加し、エジェクタ3を出たガス冷媒の加熱量が増加する。
逆に、高低圧熱交換器4の低圧側出口温度と高圧側入口温度が近接していない場合は、開度比を低下させて、エジェクタ3の吸引効果による圧縮機1の吸入圧力Psを上昇させる作用を小さくしても、高低圧熱交換器4の熱交換量の増加がなされ、より多くの熱量が外気から吸熱できるようになるため、運転効率が上昇する効果があり、両者があいまって、開度比を小さくしても運転効率は大きく変化しない状態となる。
そして、高圧側入口と低圧側出口との温度差を判定値と比較し、高圧側入口と低圧側出口との温度差が判定値よりも小さい場合(ステップS410でYes)、計測制御装置11は開度比が小さくなりすぎて低圧側の温度状況によって高低圧熱交換器4の熱交換量が減少していると判断し、開度比を大きく制御する(ステップS411)。また高圧側出口と低圧側入口との温度差が判定値よりも小さい場合(ステップS412でYes)、計測制御装置11は開度比が大きくなりすぎて高圧側の温度状況によって高低圧熱交換器4の熱交換量が減少していると判断し、開度比を小さく制御する(ステップS413)。
またエジェクタ3での昇圧作用により、圧縮機1の運転圧縮比は小さくなり、そのため圧縮機1での吸入温度に対する吐出温度の上昇幅は低下する。従って上記のように上限吐出温度になるように制御を行った場合の吸入温度を高く運転することができる。エジェクタ3を流出した冷媒の加熱量も冷媒の温度差に比例して増加するため、圧縮機1の吸入温度が高温であればあるほど、より多くの加熱量を得ることができる。そのため吸熱量が増加したヒートポンプとして運転することができ、より高効率の運転を実現できる。
エジェクタ3、膨張弁5の開度制御により、負荷側媒体の温度に応じて、適した冷凍サイクルを動作させることができるため、様々な運転条件に対応できる高効率な装置とすることができる。
以下この発明の実施の形態2を図5に示す。図5はこの発明の実施の形態2を示す冷凍空調装置の回路図である。図において、実施の形態1の図1と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図5において、気液分離器12が放熱器2出口におけるエジェクタ3とバイパス回路8の分岐部に設けられる。気液分離器12は重力により液を分離する形式であり、気液分離器12の下方から流出する冷媒はバイパス回路8に流れ、気液分離器12の上方から流出するガス冷媒はエジェクタ3に流れる。
以下この発明の実施の形態3を図6に示す。図6はこの発明の実施の形態3を示す冷凍空調装置の回路図である。図において、実施の形態1の図1と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図6において、気液分離器12が高低圧熱交換器4高圧側出口におけるエジェクタ3とバイパス回路8の分岐部に設けられる。気液分離器12は重力により液を分離する形式であり、気液分離器12の下方から流出する冷媒はバイパス回路8に流れ、気液分離器12の上方から流出する冷媒はエジェクタ3に流れる。
以下この発明の実施の形態4を図7に示す。図7はこの発明の実施の形態4を示す冷凍空調装置の回路図である。図において、実施の形態1の図1と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図7において、膨張機13が放熱器2出口と高低圧熱交換器4低圧側入口の間に設けられる。膨張機13は、膨張部13aと圧縮部13bで構成され、膨張部13aで回収される膨張動力にて圧縮部13bを駆動する。膨張部13aでは放熱器2出口の冷媒の一部が流入し、膨張減圧して動力を発生して膨張部13aを流出する。圧縮部13bではアキュムレータ7を出た飽和ガス冷媒が流入し、圧縮昇圧した後で圧縮部13bを流出する。膨張部13aを流出した冷媒と圧縮部13bを流出した冷媒は合流し、その後高低圧熱交換器4の低圧側に流入する。
また一般に膨張機13の動力回収効率はエジェクタよりも高いので、昇圧幅はエジェクタを適用する場合よりも大きくなり、より高効率な運転を実施することができる。
Claims (7)
- 圧縮機、放熱器、エジェクタ、および高低圧熱交換器低圧部を順次環状に接続した冷凍サイクルと、
前記放熱器と前記エジェクタの間にて分岐し、前記エジェクタに吸引される冷媒が流れるバイパス回路とを備え、
このバイパス回路上に、前記高低圧熱交換器低圧部を流れる冷媒と熱交換を行う高低圧熱交換器高圧部、減圧装置、および蒸発器を順次設け、
前記放熱器は所定温度より高温の負荷媒体を加熱する場合に、前記圧縮機からのガス冷媒を冷却してガス状態のまま出力し、前記エジェクタは前記放熱器からの冷媒および前記蒸発器からの冷媒をガス状態で入力してガス状態で排出するように前記エジェクタと前記減圧装置の開度比を制御する制御装置と、
前記高低圧熱交換器の高圧側入口温度を検出する第1の温度検出手段と、
前記高低圧熱交換器の低圧側出口温度を検出する第2の温度検出手段と、を備え、
前記制御装置は、前記第1の温度検出手段の検出結果と前記第2の温度検出手段の検出結果との温度差が所定値以下の場合に、この温度差が所定値以上となるように前記エジェクタもしくは前記減圧装置の少なくともどちらか一方の絞り開度を制御する
ことを特徴とする冷凍空調装置。 - 前記高低圧熱交換器の高圧側入口温度を検出する第1の温度検出手段と、
前記高低圧熱交換器の低圧側出口温度を検出する第2の温度検出手段に代えて、
前記高低圧熱交換器の高圧側出口温度を検出する第1の温度検出手段と、
前記高低圧熱交換器の低圧側入口温度を検出する第2の温度検出手段と、を備え、
前記制御装置は、前記第1の温度検出手段の検出結果と前記第2の温度検出手段の検出結果との温度差が所定値以下の場合に、この温度差が所定値以上となるように前記エジェクタもしくは前記減圧装置の少なくともどちらか一方の絞り開度を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調装置。 - 前記高低圧熱交換器を対向流として構成することを特徴とする請求項1または2に記載の冷凍空調装置。
- 前記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記高低圧熱交換器の高圧側出口温度を検出する第3の温度検出手段と、を備え、
前記制御装置は、前記高低圧熱交換器高圧部から流出する冷媒の過冷却度の目標値を有し、前記圧力検出手段の検出結果から冷媒の飽和温度を換算し、この飽和温度と前記第3の温度検出手段の検出結果とに基づいて前記高低圧熱交換器高圧部から流出する冷媒の過冷却度を算出し、この冷媒の過冷却度が前記目標値以上となるように前記エジェクタもしくは前記膨張弁の少なくともどちらか一方の絞り開度を制御することを特徴とする請求項1または請求項1に従属する請求項3に記載の冷凍空調装置。 - 前記圧縮機の吐出圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御装置は、前記高低圧熱交換器高圧部から流出する冷媒の過冷却度の目標値を有し、前記圧力検出手段の検出結果から冷媒の飽和温度を換算し、この飽和温度と前記第1の温度検出手段の検出結果とに基づいて前記高低圧熱交換器高圧部から流出する冷媒の過冷却度を算出し、この冷媒の過冷却度が前記目標値以上となるように前記エジェクタもしくは前記膨張弁の少なくともどちらか一方の絞り開度を制御することを特徴とする請求項2または請求項2に従属する請求項3に記載の冷凍空調装置。 - 前記蒸発器の入口の冷媒温度を検出する蒸発器入口温度検出手段と、
前記蒸発器の出口の冷媒温度を検出する蒸発器出口温度検出手段と、を備え、
前記制御装置は、前記蒸発器から流出する冷媒の過熱度の目標値を有し、前記蒸発器入口温度検出手段の出力と前記蒸発器出口温度検出手段の出力の温度差に基づいて前記蒸発器から流出する冷媒の過熱度を算出し、この過熱度が前記目標値となるように前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の冷凍空調装置。 - 前記圧縮機の吐出温度を検出する吐出温度検出手段を備え、
前記制御装置は、前記圧縮機の吐出温度の目標値を有し、前記吐出温度検出手段の出力が前記目標値となるように前記エジェクタおよび前記膨張弁の絞り開度の合計開度を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の冷凍空調装置。
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