JP5865561B1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
そのようなものとして、「室外熱交換器とレシーバ間に膨張弁を配するとともに、該レシーバと室内熱交換器の間に過冷却器をレシーバとは別ユニットとして介装し、該過冷却器の伝熱管には過冷却器の下部から延設したバイパス回路を連通する構成としたヒートポンプ」が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。
特許文献1の図1〜図8には、膨張弁45からレシーバへ流入する流入管端部がレシーバ上部に配置される一方、流出管端部はレシーバ下端に配置されていることが記載されている。そのため、冷暖の切り替えにより冷媒の流れ方向が逆になりレシーバ上部にある流入管64端部が冷媒の流出部になると、レシーバ内に過剰な冷媒が溜まり、冷媒不足が発生することになる。
また、レシーバ内に流入し流出する冷媒と伝熱管60を通過する冷媒とが対向流となるような構成としているため、伝熱管60への流入位置はレシーバ流入管51の端部よりも低く設置する必要があり、構造上の制約を受けてしまう。
また、第2内部熱交換器は冷媒容器とは別に配置されるため、部品点数増加、設置スペース確保が困難といった問題点もある。
さらに、飽和液を第2内部熱交換器で冷却するため、蒸発器入口乾き度が大きく低下し、第2内部熱交換器が無い場合に比べて蒸発器内の冷媒量が増加してしまう。
図1は、本発明の実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の回路構成の一例を示す概略回路図である。図2は、冷凍サイクル装置100の冷房運転時のp−h線図である。図1及び図2に基づいて、冷凍サイクル装置100の構成及び動作について説明する。この冷凍サイクル装置100は、例えば一般的な家屋やビル、マンション等に設置され、蒸気圧縮式の冷凍サイクル運転を行うことによって、設置される室内等の空調対象域の冷房や暖房に使用されるものである。
冷凍サイクル装置100は、圧縮機1、第1熱交換器2、膨張弁(減圧装置)3、第2熱交換器4、冷媒容器(レシーバ)5、を有し、これらが配管接続されて冷媒回路(以下、主回路30と称する)が形成される。なお、図1に示すように、圧縮機1の吐出側に冷媒流路切換装置6を設け、冷媒の流れを切り換え可能に構成してもよい。
第1熱交換器2は、圧縮機1の吐出側に設けられており、圧縮機1から供給される高温高圧の冷媒と熱媒体(たとえば、空気や水など)との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化または蒸発ガス化するものである。第1熱交換器2は、その形式を特に限定するものではないが、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。
膨張弁(第1減圧装置)3aは、凝縮器として機能する第1熱交換器2の下流側に設置され、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁3aは、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁等で構成するとよい。
膨張弁(第2減圧装置)3bは、蒸発器として機能する第2熱交換器4の上流側に設置され、冷媒を減圧して膨張させるものである。この膨張弁3bは、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁等で構成するとよい。
分岐管21には、冷媒容器5から流出した冷媒を減圧する膨張弁(第3減圧装置)3cが設けられている。
さらに、冷媒容器5の内部には、膨張弁3cによって減圧した冷媒と冷媒容器5の内部における冷媒とを熱交換する冷媒熱交換器20が設けられている。
冷凍サイクル装置100の動作の概要について冷房運転を例に説明する。図1では、冷房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図2に示すA〜I(m、n、oを含む)は、図1に示すA〜I(m、n、oを含む)の位置における冷媒の状態に対応している。
圧縮機1によって圧縮され吐出ガス(B)となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第1熱交換器2の入口(C)へ至る。第1熱交換器2に流入した高温高圧のガス冷媒は、第1熱交換器2で冷却され、高温高圧の液冷媒(D)となり、膨張弁3aへ流入する。膨張弁3aで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器5の配管51より冷媒容器5の内部へ流入する(E)。
冷媒容器5の内部の冷媒の一部は、分岐管21を介して冷媒容器5より流出させる(m)。この冷媒は、膨張弁3cによって減圧され、低温冷媒となる(n)。その後、冷媒容器5の内部に設けた冷媒熱交換器20に流入し、冷媒容器5の内部の中温冷媒との温度差によって熱交換が行われて加熱される(o)。そして、この冷媒は、合流配管23を経由して、主回路30の冷媒(I)と合流する。
冷媒容器5の内部に貯留されている冷媒は、液部とガス部との二相の状態、つまり飽和状態となる。液部は冷媒容器5の下に溜まることから、配管51又は配管52のうち流出管となる端部を冷媒容器5の下方に配置している。
なお、冷媒容器5を冷房及び暖房の双方で使う場合は、配管51と配管52の端部を、冷媒容器5の下方に配置し、かつ高さを一致させる構成とするとよい。これにより、冷暖の必要冷媒量差が不明でも、冷媒容器5の内部に貯留されている冷媒の量が溜まりこむことなく、正常な運転が可能となり、設計も容易となる。
冷媒熱交換器20は、内部に冷媒が流れる伝熱管を備えている。冷媒熱交換器20に用いられる伝熱管には、一般的な円管や、円管表面に突起等の加工を施し、伝熱面積や熱伝達率を向上させたものを用いてもよい。また、表面積が大きい扁平形状の伝熱管を用いてもよい。
なお、伝熱管の配置は、冷媒容器5の円周方向に積層させてもよいし、垂直方向に積層させてもよい。
さらに、冷凍サイクル装置100によれば、冷房及び暖房の両方で同様の効果が得られる。
またさらに、冷凍サイクル装置100によれば、冷媒容器5の下流側の膨張弁入口乾き度が飽和液となるため、従来技術に比べて蒸発器内の冷媒量が減少し、結果封入冷媒量が少なくて済む。
図3は、冷凍サイクル装置100の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。図4は、冷凍サイクル装置100の変形例の冷房運転時のp−h線図である。図3及び図4に基づいて、冷凍サイクル装置100の変形例について説明する。図3では、冷房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図4に示すA〜I(A’、X、m、n、oを含む)は、図3に示すA〜I(A’、X、m、n、oを含む)の位置における冷媒の状態に対応している。
図3に示すように、冷凍サイクル装置100の変形例では、圧縮機1を多段構成又はインジェクション圧縮機とし、合流配管23を低段側圧縮機1aと高段側圧縮機1bとの間に接続、又は、圧縮機1のインジェクションポートに接続する。つまり、圧縮機1を多段構成とした場合には、バイパス回路31の合流配管23が低段側圧縮機1aの吐出側と合流し、高段側圧縮機1bへ吸入されるようになっている。また、圧縮機1をインジェクション圧縮機とした場合には、バイパス回路31の合流配管23が圧縮機1のインジェクションポートと接続し、圧縮機1の中間圧部へ吸入されるようになっている。
(主回路30の冷媒の流れ)
低段側圧縮機1aから吐出した冷媒(A’)と、冷媒容器5の内部で加熱され流出した冷媒(o)が合流し(X)、高段側圧縮機1bへ吸引され、圧縮される。高段側圧縮機1bによって圧縮され吐出ガス(B)となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第1熱交換器2の入口(C)へ至る。第1熱交換器2に流入した高温高圧のガス冷媒は、第1熱交換器2で冷却され、高温高圧の液冷媒(D)となり、膨張弁3aへ流入する。膨張弁3aで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器5の配管51より冷媒容器5の内部へ流入する(E)。
冷媒容器5の内部の冷媒の一部は、分岐管21を介して冷媒容器5より流出させる(m)。この冷媒は、膨張弁3cによって減圧され、低温冷媒となる(n)。その後、冷媒容器5の内部に設けた冷媒熱交換器20に流入し、冷媒容器5の内部の中温冷媒との温度差によって熱交換が行われて加熱される(o)。そして、この冷媒は、合流配管23を経由して、主回路30の冷媒(A’)と合流する。
図5は、本発明の実施の形態2に係る冷凍サイクル装置200の回路構成の一例を示す概略回路図である。図6及び図7は、冷凍サイクル装置200の冷房運転時のp−h線図の関係を示す図である。図5〜図7に基づいて、冷凍サイクル装置200について説明する。なお、実施の形態2では実施の形態1との相違点を中心に説明し、実施の形態1と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、実施の形態1と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態2についても同様に適用される。
冷凍サイクル装置200の基本的な構成は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の構成と同様である。
それに加えて、冷凍サイクル装置200は、第1圧力センサ(高圧圧力検出手段)55、第2圧力センサ(低圧圧力検出手段)56、第3圧力センサ(中圧圧力検出手段)57を有している。
第2圧力センサ56は、冷媒容器5の下流側の膨張弁3bの出口から圧縮機1の吸入までの間に設けられ、圧縮機1に吸入する冷媒の圧力(低圧圧力)を検出するものである。
第3圧力センサ57は、冷媒容器5の上流側の膨張弁3aの出口から冷媒容器5の下流側の膨張弁3bの入口までの間に設けられ、この間を流れる冷媒の圧力(中圧圧力)を検出するものである。
なお、配管の二相部温度を検出し、検出した温度を圧力へ変換して利用するようにしてもよい。
制御装置50は、冷媒容器5の上流側の膨張弁3aの開度が所定値を上回った場合に、膨張弁3の前後の差圧を大きくするため、膨張弁3cの現在の開度を変化させる制御を行う。
(膨張弁3の開度と差圧の関係)
流体の流量と膨張弁3の前後の差圧の関係をCv値という無次元数によって式(1)のように表す。
一般的に、バルブ(膨張弁)の選定を行う時に、流体仕様からCv値を求め、弁メーカが示すCv値と対比させることで弁種、口径を定める。つまり、Cv値の対比は、バルブの選定を行うときに用いられる簡便な方法のひとつである。
式(1)より、流体の流量M、比重G、前後差圧ΔPが求まれば、Cv値が求まる。
逆に、差圧ΔPが大きくなり過ぎると、同一流量を流すためのCv値が小さくなる。しかし、膨張弁の開度には下限が設けられており、下限値以下になるとやはり膨張弁が適正に制御できなくなる。
図6に示すように、冷媒容器5の内部に冷媒熱交換器20を設置していない場合において、第1熱交換器2の出口過冷却度が小さいと、冷媒容器5が飽和状態とすると、冷媒容器5の上流側の膨張弁3aの差圧は小さくなり、冷媒容器5の下流側の膨張弁3bの差圧は大きくなる。
一方、図7に示すように、冷媒容器5の内部に冷媒熱交換器20を設置していない場合において、第1熱交換器2の出口過冷却度が大きいと、冷媒容器5が飽和状態とすると、冷媒容器5の上流側の膨張弁3aの差圧は大きくなり、冷媒容器5の下流側の膨張弁3bの差圧は小さくなる。
このように、第1熱交換器2の出口過冷却度によって中圧、つまり冷媒容器5の内部の圧力が変化するため、膨張弁3の差圧へ影響を及ぼす。
第1熱交換器2の出口過冷却度が小さくても、冷媒熱交換器20の交換熱量を調整することで、中圧を下げることが可能となる。具体的には、冷媒熱交換器20の交換熱量を大きくすれば、中間圧力は低下し、交換熱量が小さければ中間圧力は上昇する。そこで、冷凍サイクル装置200では、膨張弁3cの開度を制御することによって、冷媒容器5の内部の冷媒熱交換器20の交換熱量を調整するようになっている。
図8は、冷凍サイクル装置200が実行する膨張弁3の制御処理の流れを示すフローチャートである。図9は、冷凍サイクル装置200の冷房運転時のp−h線図の関係を示す図である。図8及び図9に基づいて、冷凍サイクル装置200が実行する膨張弁3の制御処理の流れについて説明する。
制御装置50は、膨張弁3aの開度が膨張弁3aの開度の上限値以上であるかどうかを判定する(ステップS102)。
膨張弁3aの開度が膨張弁3aの開度の上限値以上であると判定すると(ステップ102;YES)、制御装置50は、膨張弁3cの開度を現在の開度よりも大きくする(ステップS103)。これにより、図9に示すように、膨張弁3aの前後差圧を現在の差圧よりも大きくでき、冷媒容器5の内部の冷媒熱交換器20の交換熱量を調整できる。
膨張弁3bの開度が膨張弁3bの開度の下限値以下であると判定すると(ステップ104;YES)、制御装置50は、膨張弁3cの開度を現在の開度よりも小さくする(ステップS105)。これにより、図9に示すように、膨張弁3bの前後差圧を現在の差圧よりも大きくでき、冷媒容器5の内部の冷媒熱交換器20の交換熱量を調整できる。
また、膨張弁3bの開度が膨張弁3bの開度の下限値以下でないと判定すると(ステップ104;NO)、制御装置50は、膨張弁3の開度を通常制御する(ステップS106)。
図10は、冷凍サイクル装置200の回路構成の他の一例を示す概略回路図である。図11は、冷凍サイクル装置200の変形例の冷房運転時のp−h線図である。図10及び図11に基づいて、冷凍サイクル装置200の変形例について説明する。図10では、暖房運転時の冷媒の流れを実線矢印で表している。図11に示すA〜I(A’、X、m、n、oを含む)は、図10に示すA〜I(A’、X、m、n、oを含む)の位置における冷媒の状態に対応している。
図10に示すように、冷凍サイクル装置200の変形例では、圧縮機1を多段構成又はインジェクション圧縮機としている。そして、合流配管23を低段側圧縮機1aの吸入側に接続する。また、冷媒容器5の出口側(図10の場合は配管51側)に、内部熱交換器7を設け、冷媒容器5と内部熱交換器7との間で配管51を分岐し、膨張弁3d及び内部熱交換器7を経由させて、低段側圧縮機1aと高段側圧縮機1bとの間に接続している。つまり、冷凍サイクル装置200の変形例は、配管51、膨張弁(第4減圧装置)3d、及び、内部熱交換器7を介して、冷媒容器5の内部に貯留されている冷媒の少なくとも一部を、低段側圧縮機1aと高段側圧縮機1bとの間に合流させるバイパス回路32を備える。
膨張弁3dは、内部熱交換器7の交換熱量が大きく取れるように、冷媒容器5の内部の圧力が高くなるように開度が制御される。
低段側圧縮機1aから吐出した冷媒(A’)と、内部熱交換器7で加熱された冷媒(q)が合流し(X)、高段側圧縮機1bへ吸引され、圧縮される。高段側圧縮機1bによって圧縮され吐出ガス(B)となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を通じて第2熱交換器4の入口(H)へ至る。第2熱交換器4に流入した高温高圧のガス冷媒は、第2熱交換器4で冷却され、高温高圧の液冷媒(G)となり、膨張弁3bへ流入する。膨張弁3bで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器5の配管52より冷媒容器5の内部へ流入する(F)。
図12は、本発明の実施の形態3に係る冷凍サイクル装置300の回路構成の一例を示しており、暖房運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。図13は、冷凍サイクル装置300の回路構成の一例を示しており、暖房除霜運転時の冷媒の流れを示す概略回路図である。図12及び図13に基づいて、冷凍サイクル装置300について説明する。なお、実施の形態3では実施の形態1、2との相違点を中心に説明し、実施の形態1、2と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。また、実施の形態1、2と同様の構成部分について適用される変形例は、本実施の形態3についても同様に適用される。
冷凍サイクル装置300の基本的な構成は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置100の構成と同様である。
それに加えて、冷凍サイクル装置300は、圧縮機1の吐出側と第2熱交換器4との間に開閉弁(第1開閉弁)8aを設け、冷媒流路切換装置6と第2熱交換器4との間に開閉弁(第2開閉弁)8bを設けている。
開閉弁8a、開閉弁8bは、開閉が制御されることで、冷媒を導通したりしなかったりするものである。
(通常の暖房運転時の冷媒の流れ)
冷凍サイクル装置300の通常の暖房運転時においては、開閉弁8aを閉じ、開閉弁8bを開く。これにより、圧縮機1によって圧縮され吐出ガス(B)となって流出した高温高圧のガス冷媒は、冷媒配管を流れ、冷媒流路切換装置6及び開閉弁8bを通過して第2熱交換器4の入口(H)へ至る。第2熱交換器4に流入した高温高圧のガス冷媒は、第2熱交換器4で冷却され、高温高圧の液冷媒(G)となり、膨張弁3bへ流入する。膨張弁3bで減圧され中圧となった冷媒は、冷媒容器5の配管52より冷媒容器5の内部へ流入する(F)。
外気温度が低い条件で暖房運転を行うと、外気と熱交換を行う第1熱交換器2を構成しているフィン表面に霜が付着(着霜)することがある。着霜が発生することにより、フィン間が閉塞してくる。フィン間が閉塞してくるに伴い、次第に風量も低下してしまう。風量が低下すると、暖房能力が大きく低下することになる。そのため、霜を溶かす運転(除霜運転)が必要となる。
一方、第1熱交換器2へ流入した冷媒は、第1熱交換器2に付着した霜を溶かすための熱源として使われる。
各熱交換器を流出した冷媒は、冷媒容器5に流入し、合流する。この冷媒は、分岐管21を通過し、膨張弁3cで減圧後に、冷媒熱交換器20で加熱され、圧縮機1の吸入側へ合流する。
Claims (10)
- 圧縮機、冷媒流路切換装置、第1熱交換器、第1減圧装置、冷媒容器、第2減圧装置、第2熱交換器が配管接続された冷媒回路と、
前記冷媒容器の内部に貯留されている液冷媒の少なくとも一部を、第3減圧装置、冷媒熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に導くバイパス回路と、を有し、
前記冷媒熱交換器は、
前記冷媒容器の内部に設けられ、
前記バイパス回路を流れる冷媒と、前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒と、を熱交換させるように構成されており、
前記第3減圧装置によって前記冷媒熱交換器での交換熱量を調整し、
前記第1熱交換器を凝縮器、前記第2熱交換器を蒸発器として機能させている場合において、
前記第1減圧装置の開度が上限値以上であるとき、前記第3減圧装置の開度を現在の開度よりも大きくし、前記第1減圧装置の前後差圧を現在の差圧よりも大きくする
冷凍サイクル装置。 - 前記第1減圧装置及び前記第2減圧装置により、前記冷媒容器に貯留される冷媒の圧力を中間圧力とする
請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1減圧装置の開度が上限値以上ではなく、前記第2減圧装置の開度が下限値以下であるとき、前記第3減圧装置の開度を現在の開度よりも小さくし、前記第2減圧装置の前後差圧を現在の差圧よりも大きくする
請求項1又は2に記載の冷凍サイクル装置。 - 圧縮機、冷媒流路切換装置、第1熱交換器、第1減圧装置、冷媒容器、第2減圧装置、第2熱交換器が配管接続された冷媒回路と、
前記冷媒容器の内部に貯留されている液冷媒の少なくとも一部を、第3減圧装置、冷媒熱交換器を介して前記圧縮機の吸入側に導くバイパス回路と、を有し、
前記冷媒熱交換器は、
前記冷媒容器の内部に設けられ、
前記バイパス回路を流れる冷媒と、前記冷媒容器の内部に貯留されている冷媒と、を熱交換させるように構成されており、
前記圧縮機の吐出側と前記第2熱交換器との間に第1開閉弁を設け、
前記冷媒流路切換装置と前記第2熱交換器との間に第2開閉弁を設け、
前記第1熱交換器を蒸発器、前記第2熱交換器を凝縮器として機能させている場合において、
前記第1開閉弁を開き、前記第2開閉弁を閉じ、
前記圧縮機から吐出された冷媒を、前記第1熱交換器及び前記第2熱交換器の双方に流し、前記第1熱交換器の除霜運転を実行し、前記冷媒容器で合流させてから前記圧縮機の吸入側へ流す
冷凍サイクル装置。 - 前記冷媒容器の内部に連通するガス戻し配管を設け、前記ガス戻し配管に第3開閉弁を設け、前記ガス戻し配管の一端を前記圧縮機の吸入側に接続する
請求項4に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機は、
低段側圧縮機と高段側圧縮機とで構成されている
請求項1〜5のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機は、
インジェクション圧縮機で構成されている
請求項1〜5のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷媒容器と前記第1減圧装置との間に内部熱交換器を設け、
前記冷媒容器と前記内部熱交換器との間で第1配管を分岐し、第4減圧装置及び前記内部熱交換器を経由させて、前記低段側圧縮機と前記高段側圧縮機との間に接続している
請求項6に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1減圧装置と前記冷媒容器とを接続する第1配管の前記冷媒容器の内部における端部、及び、前記第2減圧装置と前記冷媒容器とを接続する第2配管の前記冷媒容器の内部における端部を、ともに前記冷媒容器の中心よりも下側に配置する
請求項1〜8のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第1配管と前記第2配管の前記冷媒容器の内部における端部の高さを、一致させている
請求項9に記載の冷凍サイクル装置。
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