JP5014271B2

JP5014271B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP5014271B2
Application number: JP2008164294A
Authority: JP
Inventors: 浩招牧野; 浩司山下; 利秀幸田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-06-24
Also published as: JP2010007874A

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、地球環境の保全対策のため、家庭用の冷凍サイクル装置の作動流体として使用する冷媒を、オゾン層を破壊するフロンガスであるＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）から、オゾン層を破壊しないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃ）へと転換することが行われてきた。
しかし近年では、オゾン層の保護に加えて、地球温暖化防止の重要性が高まってきており、冷凍サイクル装置の作動流体として、オゾン層を破壊しないだけでなく、地球温暖化係数が小さい冷媒が求められるようになってきている。
地球温暖化係数が小さい冷媒の例として、自然系冷媒である二酸化炭素や炭化水素が挙げられる。

作動流体として二酸化炭素を用いた場合には、作動圧力が高くなるために、安全性を確保するべく耐圧強度を高くする必要がある。
また、作動流体として炭化水素を使用した場合には、炭化水素は可燃性が強いため、冷媒が漏れた際でも炭化水素濃度を低く抑えるように、冷凍サイクル内に封入する冷媒量を少量に限定する。

二酸化炭素を冷媒に用いた冷凍サイクルに関し、例えば、『二酸化炭素を含む非共沸性混合冷媒を使用しつつ、熱交換を効率良く行うことができる冷凍サイクルを提供する。』ことを目的とした技術として、『本発明は、圧縮機１、冷媒冷却器２、減圧手段４および蒸発器５を備えた冷凍サイクルを対象とする。冷媒として、二酸化炭素からなる主冷媒成分に、それよりも沸点が高い副冷媒成分を含む非共沸性混合冷媒が用いられる。冷媒冷却器２と減圧手段４との間に、冷媒冷却器２によって冷却された冷媒から、主冷媒成分を多く含む冷媒成分を抽出する冷媒抽出手段７と、冷媒抽出手段７によって抽出された抽出冷媒成分を冷却する中間熱交換器３と、が設けられる。中間熱交換器３によって冷却された抽出冷媒が減圧手段４に送り込まれるよう構成される。』というものが提案されている（特許文献１）。

特開２００７−１６３０８６号公報（要約）

二酸化炭素は動作圧力が１０ＭＰａと高圧になるので、破裂に対する安全性を確保するために、冷媒回路部品の強度を高くする必要がある。
また、炭化水素は可燃性が強いため、冷媒として封入できる冷媒量が５０ｇ程度と少なく、冷凍能力が小さい装置でなければ使用することが難しい。

そこで、地球温暖化係数が４程度と小さく、動作圧力が従来のＨＦＣと同等以下で、かつ可燃性が微弱であるハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）を、冷媒として使用することを考える。

ただし、ハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）は分子内に炭素の２重結合を持つため、従来の冷媒であるＲ３２（ＣＦ₂Ｈ₂）などと比べると化学的安定性が低いという特徴がある。
このため、冷媒回路中に空気や水などが存在すると、作動流体である冷媒の２重結合が重合反応を起こして別の物質に変化する。このことが原因となり、次に述べるような課題が生じる。

冷凍サイクル装置の圧縮機内に冷媒が溜まり込んだ状態で圧縮機を起動する場合、封入された冷媒の過半が圧縮機内に滞留しているため、圧縮機以外の冷媒回路中に存在する冷媒量が少ない。すると、圧縮機が吸入できる冷媒が不足するため、吸入圧力が急激に低下する。
特に、外気温度が低いときに暖房サイクルで圧縮機を起動すると、吸入圧力が降下して大気圧以下の圧力（負圧）になる場合が発生する。熱交換器や配管の接続部等の冷媒回路に漏れ箇所が存在する状態で、冷媒の圧力が負圧になると、大気中の空気や水分が冷媒回路内に侵入する。

冷媒回路内に空気が侵入すると、上述のように冷媒そのものが化学反応して別の物質に変化する。すると、冷媒量が減少して冷媒不足になるとともに、高分子量化した冷媒の重合反応物が冷媒回路中のメッシュや減圧装置に付着して詰まりが発生する。これらが原因となり、冷凍サイクル装置として十分な性能が発揮できなくなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、地球温暖化係数が小さく、炭素の２重結合を持つＨＦＣ冷媒を使用し、かつ、暖房サイクル動作時において、圧縮機を起動した時に吸入圧力が負圧になることを防止する冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機と、室外熱交換器と、減圧装置と、室内熱交換器とを有し、作動流体として炭素の２重結合を持つＨＦＣ冷媒が循環するように構成された冷媒回路と、圧縮機の吐出側出口を、減圧装置と室外熱交換器との間へ接続するバイパス回路と、バイパス回路に設けられ、所定の絞り量に選定されてバイパス回路を流れる流量を調整する毛細管と、バイパス回路に設けられ、バイパス回路を開閉する電磁開閉弁と、電磁開閉弁の動作を制御する制御部とを備え、制御部は、暖房運転時に電磁開閉弁を閉じた状態で圧縮機を起動し、圧縮機を起動した後に電磁開閉弁を開放し、圧縮機から吐出された作動流体がバイパス回路に流入して毛細管で流量調整された上で室外熱交換器に供給されるようにし、電磁開閉弁を開放してから所定時間が経過した後、電磁開閉弁を閉じて圧縮機から吐出された作動流体が全て室内熱交換器に供給されるようにしたものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、バイパス回路によって圧縮機の吸入側に冷媒が供給され、圧縮機が吸入する冷媒が不足しなくなるため、圧縮機の起動時に吸入圧力が負圧になることを防止できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。
本実施の形態１に係る冷媒回路では、冷媒を圧縮する圧縮機１、冷媒の流れ方向を切り換える四方弁２、室内熱交換器５、絞り量が固定の毛細管または／および絞り量を任意に調整できる電動膨張弁から成る減圧装置８、室外熱交換器９が、冷媒の配管によって順次接続されている。
３は主に液相の冷媒が流れる液管に接続され、冷媒を室外機に封止するための液管閉止弁、４は冷媒の乾き度が０．５以下で主に液相の冷媒が流れる液管延長配管、６は冷媒の乾き度が０．５以上で気相の冷媒が流れるガス管延長配管、７は冷媒を室外機に封入する際に使用するチャージポート付きで、主に気相の冷媒が流れるガス管に接続され、冷媒を室外機に封止するための閉止弁である。
圧縮機１の出口配管１２と、減圧装置８〜室外熱交換器９間の配管とは、電磁開閉弁１０と毛細管１１からなるバイパス回路でバイパスされている。電磁開閉弁１０の動作については、後述の図２で改めて説明する。

四方弁２は、冷房モード動作時と暖房モード動作時で冷媒の流れ方向を切り替えるためのものである。実線は暖房モード動作時、点線は冷房モード動作時の接続状態を示す。
暖房モード動作時（実線）は、圧縮機１から吐出された高圧高温の冷媒が室内熱交換器５に供給され、室内熱交換器５が暖房として動作する。冷房モード動作時（点線）は、冷媒の流れがこの逆向きになる。
なお、四方弁２が動作するためには、少なくとも所定の最低動作圧力が必要である。

また、図１の冷媒回路は、圧縮機１、四方弁２、電磁開閉弁１０の動作を制御する制御部（図示せず）を備える。制御部は、その機能を実現する回路デバイス等のハードウェアで構成することもできるし、マイコン等の演算装置とその動作を規定するソフトウェアで構成することもできる。

なお、本実施の形態１に係る冷凍サイクル装置では、作動流体として、ハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）冷媒を使用する。

本実施の形態１における「第１熱交換器」は、室外熱交換器９が相当する。
また、「遮断手段」は、電磁開閉弁１０が相当する。

以上、本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路について説明した。
次に、冷媒としてハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）を用いることに起因して生じる課題について説明する。

ハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）は、分子内にΠ（パイ）結合とσ（シグマ）結合からなる炭素の２重結合を持っている。Π（パイ）結合はＣ−Ｈ結合よりも弱いので、付加反応が起こりやすい。
このため、冷媒回路中に空気が侵入すると、空気中の酸素と炭素２重結合が反応して重合物が生成され、先に説明したような、冷凍サイクル装置の性能低下が発生する。以下、冷媒回路中に空気が侵入する可能性がある状況について説明する。

ハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）冷媒の沸点は、マイナス２９℃である。例えば外気温度がマイナス１５℃のとき暖房運転を行った場合、安定時には吸引側における冷媒の温度がマイナス２４℃程度の状態で運転する。そのため、冷媒は大気圧以上の圧力で蒸発し、吸気圧力（吐出圧力よりも低圧）は負圧にならない。
同様に、冷房運転を行った場合も、吸引側の冷媒は室内熱交換器５から熱を受け取るので、吸引側の冷媒温度は大気圧以上の圧力での蒸発温度に達し、吸気圧力は負圧にならない。

一方、同じ外気条件で圧縮機１に冷媒が溜まり込んだ状態では、室外熱交換器９に存在する冷媒量が少ない。そのため、暖房運転で圧縮機１を起動すると、圧縮機１に吸入される冷媒が不足して、吸入圧力が一気に低下し、吸入圧力が負圧状態となる。
圧縮機１に溜まり込んだ冷媒が吐出され、圧縮機１以外の冷媒回路中に存在する冷媒量が十分な量になれば、負圧運転は解消される。しかし、それまでの間は負圧運転が続くため、冷媒回路の減圧装置８〜圧縮機１の吸入までの途中経路に漏れ箇所が存在していると、空気が冷媒回路内に侵入する。

冷媒回路内に空気が侵入することを防止するためには、上述のような負圧の状態を発生させなければよい。
そこで、圧縮機１の出口配管１２を、電磁開閉弁１０等からなるバイパス回路で吸入側にバイパスすることで、圧縮機１が安定運転時と同じ、冷媒のマイナス２４℃での飽和圧力で吸入した場合に必要な冷媒量を供給し、吸入圧力が負圧とならないようにする。
また、圧縮機１からバイパスされた冷媒は減圧装置８を通過してきた冷媒と混合され、室外熱交換器９を通過するため、圧縮機１から吐出された冷媒は全て室外熱交換器を通過して空気から熱を奪う仕事をするため、バイパスした冷媒を直接圧縮機１の吸入に戻す場合に比べて、バイパス分だけ多い量の熱を熱交換器で空気から奪うことができ、早く冷凍サイクル内の熱量を高くすることができる。
以下、バイパス回路を用いた負圧回避動作について、図２を用いて説明する。

図２は、図１に示す冷媒回路の各構成部の動作フローである。ここでは、暖房モードで動作を開始したときのフローを示す。
まず始めに、圧縮機１の吐出と吸入の圧力を同等にするための調整動作を行い、その後に暖房動作を開始する。また、吸入圧力が負圧になることを回避するため、バイパス回路を用いた動作を行う。以下、図２の各ステップについて説明する。

（Ｓ２０１）
制御部は、圧縮機１の吐出と吸入の圧力を同じにするために、四方弁２に通電して冷房方向へ切り替えるよう試みる。
吐出と吸入の圧力差がある場合には、四方弁２は冷房の位置に切り替わり、圧力差が解消される。圧力差がない場合には四方弁２は切り替わらず、暖房の位置のままとなる。
本ステップで吐出と吸入の圧力が同等になるよう調整され、以後のステップでは暖房動作を行う。

（Ｓ２０２）
制御部は、四方弁２に通電して暖房方向へ切り替えるよう試みる。ただし、本ステップの時点では吐出と吸入の圧力差がないため、四方弁２は切り替わらない。以後のステップＳ２０５において、吐出と吸入の圧力差が所定の最低動作圧力に達した時点で、四方弁２が暖房側に切り替わる。
（Ｓ２０３）
制御部は、電磁開閉弁１０を閉じた状態で、圧縮機１を起動する。

（Ｓ２０４）
制御部は、四方弁２が暖房側になっているか否かを判定する。ステップＳ２０３で圧縮機１を起動した時点で四方弁２が暖房側になっていれば、ステップＳ２０６へ進む。同時点で四方弁２が冷房側になっていれば、ステップＳ２０５へ進む。
（Ｓ２０５）
吐出と吸入の圧力差が四方弁２の最低作動圧力差に到達した時点で、四方弁２は冷房の位置から暖房の位置に切り替わる。
なお、ステップＳ２０３で電磁開閉弁１０を閉じているのは、本ステップにおいて吐出と吸入の圧力差が四方弁２の最低作動圧力差に速やかに達するよう配慮したものであることを付言しておく。

（Ｓ２０６）
制御部は、電磁開閉弁１０を開く。これにより、圧縮機１から吐出された冷媒は、毛細管１１で流量が調整された上で室外熱交換器９の入口１５に流れ、室外熱交換器９を通過した後に、圧縮機１に吸入される。
本ステップの動作により、圧縮機１の吸入側へ速やかに冷媒を供給することができる。

（Ｓ２０７）
制御部は、所定時間経過後、電磁開閉弁１０を閉じる。
圧縮機１に溜まり込んだ冷媒が冷媒回路中に吐出されると、圧縮機１に吸入される冷媒の不足も解消される。したがって、以後の動作では、電磁開閉弁１０を開けておく必要はない。
なお、電磁開閉弁１０を閉じることで、圧縮機１から吐出された冷媒が全て室内熱交換器５を通過することになるので、冷媒の熱量を全て暖房に使うことができるようになる。この観点からも、圧縮機１内の冷媒が吐出された時点で、電磁開閉弁１０を閉じることが望ましい。

以上のように、本実施の形態１によれば、圧縮機１の出口配管１２を吸入側にバイパスすることにより、圧縮機１の吸入に冷媒が供給されて吸入圧力が急降下しなくなるため、冷媒回路内が負圧になることを防止することができる。

また、本実施の形態１によれば、吸入圧力が高くなり冷媒の循環量が増えるため、圧縮機１の仕事量が大きくなる。このため、圧縮仕事による発熱とモーターの発熱がともに大きくなり、圧縮機１の吐出温度が早く上昇する。
これにより、室内熱交換器５の温度を早く上昇させ、暖房の立ち上がり性を向上する効果もある。

ただし、バイパス流量を多くして、蒸発温度が外気温度に近くなると、室外熱交換器９が空気から熱を吸収することが出来なくなり、暖房能力が発揮できなくなる。そのため、安定運転時の蒸発温度と同程度の蒸発温度になるように、使用環境に応じて、毛細管１１での絞り量を選定するとよい。

また、電磁開閉弁１０と毛細管１１の代わりに、圧縮機１の運転中に絞り量を任意に調整できる電動膨張弁を用いてもよい。

また、本実施の形態１において、電磁開閉弁１０を開いて、圧縮機１から吐出された高温の冷媒をバイパスして流すことにより、室外熱交換器９に付着した霜を融かすことができる。

実施の形態２．
本発明において、冷媒として用いる物質は、ハイドロフルオロオレフィン（ＣＦ₃ＣＦ＝ＣＨ₂）に限定されるものではない。
実施の形態１で説明した構成と動作を、炭素２重結合を有するその他のＨＦＣ冷媒に適用しても、同様な効果を得ることができる。また炭素２重結合を有するＨＦＣ冷媒を含む混合冷媒に適用してもよい。

即ち、実施の形態１で説明した構成と動作によれば、圧縮機１の吸入側の負圧を回避することにより、空気が冷媒回路に混入して炭素２重結合と反応することを防ぐことができるので、炭素２重結合を有するその他のＨＦＣ冷媒を使用しても、同様の効果を発揮することができるのである。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図１に示す冷媒回路の各構成部の動作フローである。

符号の説明

１圧縮機、２四方弁、３液管閉止弁、４液管延長配管、５室内熱交換器、６ガス管延長配管、７チャージポート付き閉止弁、８減圧装置、９室外熱交換器、１０電磁開閉弁、１１毛細管、１２圧縮機の出口配管。

Claims

圧縮機と、室外熱交換器と、減圧装置と、室内熱交換器とを有し、作動流体として炭素の２重結合を持つＨＦＣ冷媒が循環するように構成された冷媒回路と、
前記圧縮機の吐出側出口を、前記減圧装置と前記室外熱交換器との間へ接続するバイパス回路と、
前記バイパス回路に設けられ、所定の絞り量に選定されて前記バイパス回路を流れる流量を調整する毛細管と、
前記バイパス回路に設けられ、前記バイパス回路を開閉する電磁開閉弁と、
前記電磁開閉弁の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、暖房運転時に
前記電磁開閉弁を閉じた状態で前記圧縮機を起動し、
前記圧縮機を起動した後に前記電磁開閉弁を開放し、前記圧縮機から吐出された作動流体が前記バイパス回路に流入して前記毛細管で流量調整された上で前記室外熱交換器に供給されるようにし、
前記電磁開閉弁を開放してから所定時間が経過した後、前記電磁開閉弁を閉じて前記圧縮機から吐出された作動流体が全て前記室内熱交換器に供給されるようにした
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記圧縮機から吐出した前記作動流体の流れ方向を切り替えて暖房と冷房とを切り替え可能とする四方弁を備え、
前記制御部は、前記圧縮機の起動と、前記電磁開閉弁の開放との間に、前記四方弁が暖房側に切り替えられているか否かを判定し、暖房側に切り替えられていれば前記電磁開閉弁を開き、冷房側に切り替えられていれば暖房側に切り替えてから前記電磁開閉弁を開くことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
前記所定の絞り量は、安定運転時の蒸発温度と同程度の蒸発温度となるように、使用環境に応じて選定された絞り量であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の冷凍サイクル装置。