JP5808410B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
(冷凍サイクル装置1の構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1の冷媒回路図である。
図1で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1は、圧縮機2、凝縮器3、膨張装置4、蒸発器5、アキュームレーター6、そして、再び圧縮機2の順に冷媒配管によって冷媒回路が構成され、冷凍サイクルが形成されている。さらに、冷凍サイクル装置1には、凝縮器3と膨張装置4とを接続する高圧側の冷媒配管から分岐して、アキュームレーター6と圧縮機2とを接続する低圧側の冷媒配管へ冷媒をバイパスする検知経路7が設けられている。上記の凝縮器3と膨張装置4とを接続する高圧側の冷媒配管から検知経路7へ分岐する部分を接続部41というものとし、検知経路7からアキュームレーター6と圧縮機2とを接続する低圧側の冷媒配管へ接続する部分を接続部42というものとする。この検知経路7には、減圧装置8及び加熱器9が、高圧側から低圧側に向けて、それぞれ設置されている。上記のように構成された冷媒回路を循環する非共沸混合冷媒として、例えば、低沸点成分であるR32、及び、高沸点成分であるHFO1234yfからなる非共沸混合冷媒(充填組成は、例えば、R32を54wt%、HFO1234yfを46wt%とし、地球温暖化係数(GWP)を300として環境負荷を小さいものとしている)を用いている。
なお、高圧センサー10は、図1で示されるように、圧縮機2の吐出側と凝縮器3の入口側との間の冷媒配管に設置されているが、圧縮機2の吐出側から膨張装置4の入口側までの間のいずれかの位置に設ければよい。
なお、低圧センサー11は、図1で示されるように、アキュームレーター6の出口側と圧縮機2の吸入側との間の冷媒配管に設置されているが、膨張装置4の出口側から圧縮機2の吸入側までの間のいずれかの位置に設ければよい。
なお、第1入口温度センサー12の設置位置は、凝縮器3、膨張装置4及び減圧装置8で区切られる閉領域であればどこでもよい。
なお、第1出口温度センサー13の設置位置は、加熱器9と接続部42との間であればどこでもよい。
次に、図1を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1における冷媒の循環動作について説明する。
図2は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1において非共沸混合冷媒の組成の推定動作を示すフローチャートであり、図3は、同冷凍サイクル装置1において加熱器9の出口側と入口側とのエンタルピー差Δhを算出する処理のフローチャートである。以下、図2及び図3を参照しながら、冷媒組成の推定動作について説明する。
まず、制御装置31は、冷媒組成の推定動作を開始してから一定時間が経過したか否かを判定する。制御装置31は、一定時間経過したことを検出した場合、ステップS2へ進む。
なお、制御装置31によって一定時間が経過したことが検出されるタイミングは、制御装置31によるその他の制御処理のタイミングとずらすことによって、制御装置31の処理負荷が緩和され、制御性が安定する。ただし、冷媒組成の推定動作は、様々な制御に反映されるので、上記の一定時間は、例えば、10秒又は20秒等の短い周期であることが望ましい。
制御装置31は、高圧センサー10によって検知された高圧圧力Pd、低圧センサー11によって検知された低圧圧力Ps、第1入口温度センサー12によって検知された入口温度TI、及び、第1出口温度センサー13によって検知された出口温度TOを、それぞれ受信する。そして、ステップS3へ進む。
制御装置31は、減圧装置8の流量係数kを導出することによって流量特性を把握する。例えば、減圧装置8の流量係数kが固定値である場合、制御装置31は、その内部メモリー等に流量係数kを記憶しているものとし、内部メモリーに記憶された流量係数kを取得することによって流量係数kを導出する。一方、減圧装置8の流量特性が変動する場合には、制御装置31は、内部メモリーに減圧装置8の開度と流量係数kとの相関関係を記憶しているものとし、その相関関係に基づいて、冷凍サイクル装置1の運転時における減圧装置8の開度から流量係数kを導出する。そして、ステップS4へ進む。
制御装置31は、まず、低沸点成分の組成として仮に仮定値αtmpを決める。例えば、制御装置31は、冷凍サイクル装置1の非共沸混合冷媒の充填時における低沸点成分の組成を仮定値αtmpとして決めるものとすればよい。そして、ステップS5へ進む。
制御装置31は、高圧圧力Pd、入口温度TI及び仮定値αtmpに基づいて、検知経路7の入口側のエンタルピーである入口エンタルピーhIを、下記の式(1)によって算出する。そして、ステップS6へ進む。
制御装置31は、低圧圧力Ps、出口温度TO及び仮定値αtmpに基づいて、検知経路7の出口側のエンタルピーである出口エンタルピーhOを、下記の式(2)によって算出する。そして、ステップS7へ進む。
そして、制御装置31は、加熱器9の出口側と入口側とのエンタルピー差Δhを、以下のステップS21〜ステップS24の手順によって算出する。
制御装置31は、高圧圧力Pd、入口温度TI及び仮定値αtmpに基づいて、検知経路7の入口側における冷媒の密度ρlを、下記の式(3)によって算出する。そして、ステップS22へ進む。
また、制御装置31は、高圧圧力Pd及び低圧圧力Psから、減圧装置8の前後における冷媒の差圧ΔPを、下記の式(4)によって算出する。そして、ステップS23へ進む。
また、制御装置31は、流量係数k、密度ρl及び差圧ΔPから、検知経路7の冷媒流量Gdetを、下記の式(5)によって算出する。そして、ステップS24へ進む。
ここで、加熱器9の出力をQとし、制御装置31は、出力Q及び冷媒流量Gdetから、エンタルピー差Δhを、下記の式(6)によって算出する。
ここで、減圧装置8は等エンタルピー変化の減圧変化なので、減圧装置8の入口側のエンタルピーと出口側のエンタルピーとは一致するはずであり、検知経路7の入口側(減圧装置8の入口側)の入口エンタルピーhIは、減圧装置8の出口側のエンタルピー(これを、エンタルピーh*とする)となるはずである。したがって、制御装置31は、エンタルピーh*を、下記の式(8)によって算出する。
制御装置31は、ステップS4において仮定した低沸点成分の組成である仮定値αtmpが適正な組成でないと判断し、例えば、上記のステップS8における入口エンタルピーhIとエンタルピーh*との差の値に基づいた所定の補正値を、仮定値αtmpに加減算して、新たに仮定値αtmpを再決定する。そして、ステップS5へ戻る。
制御装置31は、ステップS4において仮定した低沸点成分の組成である仮定値αtmpを適正な組成であると判断し、この仮定値αtmpを低沸点成分の組成である循環組成αと推定する。以上で、冷凍サイクル装置1における非共沸混合冷媒の組成の推定動作を終了する。
図8は、従来技術(特許文献1)の内容に基づいて構成した従来例としての冷凍サイクル装置101の冷媒回路図である。以下、図8を参照しながら、図1で示される本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1の構成と相違する点を説明する。
図9で示されるように、検知経路102の入口側における冷媒は過冷却液となっており、出口側における冷媒は過熱ガスとなっている。そして、温度センサー103が設置された減圧装置8と加熱器9との間の冷媒は、気液二相冷媒となっている。ここで、図10において示されている等温線のうち気液二相状態における部分は水平に近いがゼロでない傾きを有するのが、非共沸混合冷媒の特徴である。
図4は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1の検知経路7における冷媒の状態変化を示す図であり、図5は、同冷凍サイクル装置1の各センサーの検知精度のエンタルピーへの影響を示す図である。
図4で示されるように、検知経路7の入口側における冷媒は過冷却液となっており、出口側における冷媒は過熱ガスとなっている。そして、減圧装置8と加熱器9との間の冷媒は、気液二相冷媒となっている。ここで、図10において前述したように、図5において示されている等温線のうち気液二相状態における部分は水平に近いがゼロでない傾きを有するのが、非共沸混合冷媒の特徴である。
以上の構成及び動作によって、各温度センサー及び各圧力センサーの検知誤差に伴うエンタルピーへの影響を抑制することができるので、冷媒の循環組成αの推定精度を向上させることができ、冷凍サイクル装置1の冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。
本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1aについて、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置1の構成及び動作と相違する点を中心に説明する。
図6は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置1aの冷媒回路図である。
図6で示されるように、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1aは、圧縮機2、凝縮器3、冷媒熱交換器22、膨張装置4、蒸発器5、アキュームレーター6、そして、再び圧縮機2の順に冷媒配管によって冷媒回路が構成され、冷凍サイクルが形成されている。さらに、冷媒熱交換器22と膨張装置4とを接続する高圧側の冷媒配管から分岐して、アキュームレーター6と圧縮機2とを接続する低圧側の冷媒配管へ冷媒をバイパスする検知経路7が設けられている。上記の冷媒熱交換器22と膨張装置4とを接続する高圧側の冷媒配管から検知経路7へ分岐する部分を接続部41aというものとする。この検知経路7には、減圧装置21及び冷媒熱交換器22が、高圧側から低圧側に向けて、それぞれ設置されている。
次に、図6を参照しながら、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置1aにおける冷媒の循環動作について説明する。
図7は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置1aにおいて冷媒熱交換器22の低圧側経路の出口側と入口側とのエンタルピー差Δhを算出する処理のフローチャートである。以下、図2及び図7を参照しながら、冷媒組成の推定動作について説明する。
制御装置31は、高圧センサー10によって検知された高圧圧力Pd、低圧センサー11によって検知された低圧圧力Ps、第1入口温度センサー12によって検知された入口温度TI、第1出口温度センサー13によって検知された出口温度TO、第2入口温度センサー23によって検知された冷媒熱交換器22の高圧側経路の入口側の冷媒温度である高圧側入口温度TI2、第3入口温度センサー24によって検知された圧縮機入口温度Ts、及び、第2出口温度センサー25によって検知された圧縮機出口温度Tdを、それぞれ受信する。
制御装置31は、冷媒熱交換器22の低圧側経路の出口側と入口側とのエンタルピー差Δhを、以下のステップS31〜ステップS36の手順によって算出する。
制御装置31は、高圧圧力Pd、入口温度TI及び仮定値αtmpに基づいて、検知経路7の入口側における冷媒の密度ρlを、式(3)によって算出する。そして、ステップS32へ進む。
また、制御装置31は、高圧圧力Pd及び低圧圧力Psから、減圧装置21の前後における冷媒の差圧ΔPを、式(4)によって算出する。そして、ステップS33へ進む。
また、制御装置31は、流量係数k、密度ρl及び差圧ΔPから、検知経路7の冷媒流量Gdetを、式(5)によって算出する。ここで、流量係数kについては、図2のステップS3において導出されている。そして、ステップS34へ進む。
また、制御装置31は、高圧圧力Pd、低圧圧力Ps、圧縮機出口温度Td、圧縮機入口温度Ts、仮定値αtmp、及び、圧縮機2の回転数Nに基づいて、圧縮機2を流れる冷媒の流量である圧縮機流量Gmainを、下記の式(9)によって算出する。回転数Nは、制御装置31が圧縮機2に対して指令して制御するので、特定の検知手段がなくても制御装置31によって把握されている。また、下記の式(9)の関数fは、高圧圧力Pd、低圧圧力Ps、圧縮機出口温度Td、圧縮機入口温度Ts、仮定値αtmp、及び、回転数Nの関数であるが、予め圧縮機2の単体特性を把握して、それを制御装置31内の内部メモリー等にテーブル化して記憶しているものとしてもよい。
また、制御装置31は、高圧圧力Pd、高圧側入口温度TI2及び仮定値αtmpに基づいて、冷媒熱交換器22の高圧側経路の入口側のエンタルピーである高圧側エンタルピーhI2を、下記の式(10)によって算出する。そして、ステップS36へ進む。
そして、制御装置31は、高圧側エンタルピーhI2、入口エンタルピーhI、圧縮機流量Gmain、冷媒流量Gdetから、エンタルピー差Δhを、冷媒熱交換器22の高圧側経路と低圧側経路との熱交換量の関係式を基にした下記の式(11)によって算出する。
第1入口温度センサー12、第2入口温度センサー23及び高圧センサー10による検知値にずれが生じても、過冷却状態における等温線は垂直に近いので、そのずれに伴うエンタルピーの誤差は、気液二相状態における冷媒の温度及び圧力を検知する場合よりも、小さいものとなる。
以上の構成及び動作によって、各温度センサー及び各圧力センサーの検知誤差に伴うエンタルピーへの影響を抑制することができるので、冷媒の循環組成αの推定精度を向上させることができ、冷凍サイクル装置1aの冷凍サイクルの運転効率を向上させることができる。
Claims (9)
- 圧縮機、凝縮器、膨張装置及び蒸発器が順に冷媒配管によって接続されることによって冷凍サイクルが構成され、該冷凍サイクルを循環する冷媒として非共沸混合冷媒が循環する冷凍サイクル装置であって、
前記凝縮器の出口側である高圧側から、前記圧縮機の吸入側である低圧側まで前記冷媒をバイパスし、前記高圧側から前記低圧側へ向けて減圧装置及び加熱器が設置された検知経路と、
前記冷凍サイクルの動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記加熱器は、その出口側の冷媒を過熱ガス状態とし、
前記制御装置は、
前記検知経路の前記減圧装置の入口側のエンタルピーを算出し、
前記検知経路の前記加熱器の出口側のエンタルピーを算出し、
前記加熱器の出口側と入口側との前記冷媒のエンタルピー差を算出し、
該エンタルピー差、及び、前記加熱器の出口側のエンタルピーによって、前記減圧装置の出口側のエンタルピーを算出し、
算出した前記減圧装置の入口側のエンタルピー、及び、算出した前記減圧装置の出口側のエンタルピーに基づいて、前記冷凍サイクルを循環する前記冷媒の組成である循環組成を推定する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吐出側の冷媒圧力である高圧圧力を検知する高圧検知手段と、
前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力である低圧圧力を検知する低圧検知手段と、
前記減圧装置の入口側の冷媒温度である入口温度を検知する第1入口温度検知手段と、
前記加熱器の出口側の冷媒温度である出口温度を検知する第1出口温度検知手段と、
を備え、
前記制御装置は、
前記高圧圧力及び前記入口温度に基づいて、又は、前記入口温度に基づいて前記減圧装置の入口側のエンタルピーを算出し、
前記低圧圧力及び前記出口温度に基づいて、前記加熱器の出口側のエンタルピーを算出し、
前記高圧圧力、前記低圧圧力及び前記入口温度に基づいて、前記加熱器の出口側と入口側との前記冷媒のエンタルピー差を算出する
ことを特徴とする請求項1の冷凍サイクル装置。 - 前記加熱器は、ヒーターであり、
前記制御装置は、
前記高圧圧力、前記入口温度に基づいて、前記減圧装置の入口側の冷媒密度を算出し、
該冷媒密度、前記高圧圧力と前記低圧圧力との差圧、及び、前記減圧装置の流量特性に基づいて、前記検知経路の冷媒流量を算出し、
該冷媒流量、及び、前記ヒーターの出力に基づいて、前記エンタルピー差を算出する
ことを特徴とする請求項2記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吐出側の冷媒圧力である高圧圧力を検知する高圧検知手段と、
前記圧縮機の吸入側の冷媒圧力である低圧圧力を検知する低圧検知手段と、
前記減圧装置の入口側の冷媒温度である入口温度を検知する第1入口温度検知手段と、
前記加熱器の出口側の冷媒温度である出口温度を検知する第1出口温度検知手段と、
を備え、
前記加熱器は、前記凝縮器から前記膨張装置へ前記冷媒を流通させる高圧側経路と、前記減圧装置から前記検知経路の出口側へ向かって流通させる低圧側経路とを有し、該低圧側経路の前記冷媒を前記高圧側経路の前記冷媒によって加熱する冷媒熱交換器であり、前記高圧側経路の出口側の前記冷媒を過冷却液状態とし、
前記高圧側経路の入口側の冷媒温度である高圧側入口温度を検知する第2入口温度検知手段と、前記圧縮機の吸入側の冷媒温度である圧縮機入口温度を検知する第3入口温度検知手段と、前記圧縮機の吐出側の冷媒温度である圧縮機出口温度を検知する第2出口温度検知手段と、を備え、
前記エンタルピー差は、前記冷熱熱交換器の前記低圧側経路の出口側と入口側との前記冷媒のエンタルピー差であり、
前記制御装置は、
前記高圧圧力及び前記入口温度に基づいて、前記減圧装置の入口側のエンタルピーを算出し、
前記低圧圧力及び前記出口温度に基づいて、前記冷熱熱交換器の前記低圧側経路の出口側のエンタルピーを算出し、
前記高圧圧力、前記低圧圧力、前記入口温度、前記出口温度、前記高圧側入口温度、前記圧縮機入口温度及び前記圧縮機出口温度に基づいて、前記エンタルピー差を算出する
ことを特徴とする請求項1記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、
前記高圧圧力、前記入口温度に基づいて、前記減圧装置の入口側の冷媒密度を算出し、
該冷媒密度、前記高圧圧力と前記低圧圧力との差圧、及び、前記減圧装置の流量特性に基づいて、前記検知経路の冷媒流量を算出し、
前記高圧圧力、前記低圧圧力、前記圧縮機入口温度、前記圧縮機出口温度及び前記圧縮機の特性に基づいて、前記圧縮機を流れる前記冷媒の流量である圧縮機流量を算出し、
前記高圧圧力及び前記高圧側入口温度に基づいて、又は、前記高圧側入口温度に基づいて前記冷熱熱交換器の前記高圧側経路の入口側のエンタルピーである高圧側エンタルピーを算出し、
前記冷媒流量、前記圧縮機流量、前記高圧側エンタルピー、及び、前記減圧装置の入口側のエンタルピーに基づいて、前記エンタルピー差を算出する
ことを特徴とする請求項4記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、
前記冷凍サイクルを循環する前記冷媒の前記循環組成として仮定値を決定し、
前記減圧装置の入口側のエンタルピーと前記減圧装置の出口側のエンタルピーとの差が、所定値以下であると判定した場合、前記仮定値を前記循環組成であると推定する
ことを特徴とする請求項3又は請求項5記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記減圧装置の入口側のエンタルピーと前記減圧装置の出口側のエンタルピーとの差が、前記所定値より大きいと判定した場合、該差に応じた所定の補正値を加減算して、前記仮定値を再決定する
ことを特徴とする請求項6記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、その低沸点成分のうち1成分はR32である
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、その高沸点成分のうち1成分はハイドロフルオロオレフィン系冷媒又は可燃性冷媒である
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
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