JP5906440B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
本発明は、給湯機、温水暖房機または空調機などに用いられる冷凍サイクル装置に関する。
従来から、圧縮機、四方弁、室内熱交換器、室内側絞り装置、気液分離器、室外側絞り装置、室外熱交換器を備えた、冷房と暖房を切り換え可能な冷凍サイクル装置が知られている。例えば特許文献1には、図9に示すような冷凍サイクル装置500が開示されている。
この冷凍サイクル装置500では、圧縮機501が四方弁532を介して室内熱交換器512および室外熱交換器520に接続されており、室内熱交換器512と室外熱交換器520とが室内側絞り装置514、気液分離器516および室外側絞り装置518を介して接続されている。また、気液分離器516と圧縮機510との間には、気液分離器516で分離された中間圧のガス冷媒を圧縮機510に供給するインジェクション経路522が設けられている。さらに、冷凍サイクル装置500には、中間圧が目標値となるように制御するために、冷媒の凝縮温度および蒸発温度を検知する熱交換温度センサ544,546と、気液分離器516内の冷媒の温度である中間圧温度を検知する中間圧温度センサ526が設けられている。
以上のように構成された冷凍サイクル装置500について、以下その動作を説明する。暖房を行う際には、圧縮機510から吐出された冷媒は四方弁532を通過した後、室内熱交換器512において熱交換を行い、室内側絞り装置514により高圧から中間圧に減圧される。中間圧の冷媒は気液分離器516でガス冷媒と液冷媒に分離され、中間圧のガス冷媒はインジェクション経路522を通じて圧縮機510に供給される。一方、中間圧の液冷媒は室外側絞り装置518によりさらに減圧され、減圧された低圧の冷媒は室外熱交換器520において熱交換を行い、四方弁532を通過した後、圧縮機510に吸入される。冷房を行う際には、圧縮機510から吐出された冷媒は四方弁532を通過した後、室外熱交換器520において熱交換を行い、室外側絞り装置518により高圧から中間圧に減圧される。中間圧の冷媒は気液分離器516でガス冷媒と液冷媒に分離され、中間圧のガス冷媒はインジェクション経路522を通じて圧縮機510に供給される。一方、中間圧の液冷媒は室内側絞り装置514によりさらに減圧され、減圧された低圧の冷媒は室内熱交換器512において熱交換を行い、四方弁532を通過した後、圧縮機510に吸入される。
また、冷凍サイクル装置500では、制御装置530が、熱交換温度センサ544,546で検知された凝縮温度および蒸発温度に基づいて目標の中間圧温度を決定し、中間圧温度センサ526で検知される中間圧温度が目標の中間圧温度となるように気液分離器516の下流側に位置する絞り装置(暖房時は室外側絞り装置516、冷房時は室内側絞り装置514)の開度が調整される。
ところで、図9に示す冷凍サイクル装置500は、さらなる効率改善の余地を残している。本開示は、かかる事情に鑑み、冷凍サイクル装置の効率を向上させることを目的とする。
本開示は、冷媒を、圧縮機、凝縮器、上流側絞り装置、気液分離器、下流側絞り装置および蒸発器をこの順に通過するように循環させる冷媒回路と、前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記圧縮機に供給するインジェクション経路と、前記インジェクション経路に設けられた加熱器と、前記冷媒回路から前記インジェクション経路に流入する冷媒の温度である気液分離温度を検知する中間圧温度センサと、前記インジェクション経路において前記加熱器によって加熱された冷媒の温度であるインジェクション温度を検知する過熱度温度センサと、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなるように前記上流側絞り装置と前記下流側絞り装置の少なくとも一方の開度を調整した後に、前記気液分離温度がそのときの温度から所定温度だけ小さくなるまで前記下流側絞り装置の開度を大きくする中間圧制御運転を行う制御装置と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
上記の構成によれば、加熱器および過熱度温度センサを用いて気液分離温度の基準温度を決定し、この基準温度から所定温度低い温度を気液分離温度の目標温度とすることにより、中間圧温度センサの測定誤差をキャンセルすることができる。これにより、中間圧をより高精度に目的値に制御することができ、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。
図9に示す冷凍サイクル装置500では、気液分離器516からインジェクション経路522を通じて圧縮機510に供給される冷媒の中間圧を、3個の温度センサ544,546,526で検知される温度に基づいて制御しているため、温度センサの持つ精度のバラつきが問題となる。一般的に使用されている温度センサにおいては、少なくとも±1.5℃の測定誤差がある。図9に示す冷凍サイクル装置500のように複数個の温度センサを使用して制御を行う場合は、温度センサの数だけ測定誤差も積み重なる(1個当たり±1.5℃だと、3個使用の場合±4.5℃)。このため、実際に制御された中間圧が目標値から乖離して、冷凍サイクル装置の効率が低下することがある。
本開示の第1態様は、冷媒を、圧縮機、凝縮器、上流側絞り装置、気液分離器、下流側絞り装置および蒸発器をこの順に通過するように循環させる冷媒回路と、前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記圧縮機に供給するインジェクション経路と、前記インジェクション経路に設けられた加熱器と、前記冷媒回路から前記インジェクション経路に流入する冷媒の温度である気液分離温度を検知する中間圧温度センサと、前記インジェクション経路において前記加熱器によって加熱された冷媒の温度であるインジェクション温度を検知する過熱度温度センサと、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなるように前記上流側絞り装置と前記下流側絞り装置の少なくとも一方の開度を調整した後に、前記気液分離温度がそのときの温度から所定温度だけ小さくなるまで前記下流側絞り装置の開度を大きくする中間圧制御運転を行う制御装置と、を備えた、冷凍サイクル装置を提供する。
本開示の第2態様は、第1態様に加えて、前記凝縮器から流出する冷媒の温度である凝縮側出口温度を検知する凝縮後温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記中間圧制御運転中に、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの前記気液分離温度および前記凝縮側出口温度を使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する、冷凍サイクル装置を提供する。
第2態様によれば、中間圧制御運転中に、気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの気液分離温度および凝縮側出口温度を使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式が補正できる。
本開示の第3態様は、第2態様に加えて、前記蒸発器に流入する冷媒の温度である蒸発側入口温度を検知する蒸発前温度センサをさらに備え、前記制御装置は、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する際に、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの前記蒸発側入口温度をも使用する、冷凍サイクル装置を提供する。
第3態様によれば、中間圧制御運転中に、気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの気液分離温度、凝縮側出口温度および蒸発側入口温度を使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式が補正できる。
本開示の第4態様は、第2態様または第3態様に加えて、前記制御装置は、前記中間圧制御運転中に補正した気液分離温度の計算式を使用して定常運転を行う、冷凍サイクル装置を提供する。
第4態様によれば、定常運転において温度センサの測定誤差なども考慮したより高精度の中間圧制御が可能となる。
本開示の第5態様は、第1〜第4態様のいずれか1つの態様に加えて、前記制御装置は、起動運転の際に前記中間圧制御運転を行う、冷凍サイクル装置を提供する。
第5態様によれば、冷凍サイクル装置が、最適な状態で起動運転から定常運転に移行することができる。
本開示の第6態様は、第1〜第5態様のいずれか1つの態様に加えて、前記制御装置は、定常運転の途中で前記中間圧制御運転を行う、冷凍サイクル装置を提供する。
第6態様によれば、定常運転の途中でも中間圧制御運転を行い、より高精度に中間圧が目的値に制御される。
本開示の第7態様は、第5態様に加えて、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検知する吐出温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記吐出温度が目標の吐出温度近くに保たれるように前記上流側絞り装置の開度を調整しつつ、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなるまで前記下流側絞り装置の開度を小さくし、その後に前記下流側絞り装置の開度を大きくする、冷凍サイクル装置を提供する。
第7態様によれば、上流側絞り装置により吐出温度を制御し、下流側絞り装置により気液分離温度を制御することにより、簡易な制御が実現できる。
本開示の第8態様は、第1〜第7態様のいずれか1つの態様に加えて、前記冷媒回路は、前記凝縮器および前記蒸発器として機能する室内熱交換器および室外熱交換器を含むとともに、前記上流側絞り装置および前記下流側絞り装置として機能する室内側絞り装置および室外側絞り装置を含み、前記冷媒回路には、冷媒の流れ方向を切り換える四方弁が設けられている、冷凍サイクル装置を提供する。
第8態様によれば、冷房と暖房の切換が可能な冷凍サイクル装置が実現される。
本開示の第9態様は、第1〜第8態様のいずれか1つの態様に加えて、前記加熱器は、電熱器である、冷凍サイクル装置を提供する。
第9態様によれば、電熱器はオン‐オフ制御が容易であるので、インジェクション経路を流れる冷媒の加熱が必要な場合にのみ、インジェクション経路を流れる冷媒を加熱できる。
本開示の第10態様は、第1〜第8態様のいずれか1つの態様に加えて、前記加熱器は、前記圧縮機から排出される熱を蓄積し、この蓄積された熱を利用して冷媒を加熱する蓄熱ユニットである、冷凍サイクル装置を提供する。
第10態様によれば、圧縮機の排熱を利用して、インジェクション経路を流れる冷媒が加熱される。
本開示の第11態様は、第1〜第8態様のいずれか1つの態様に加えて、前記加熱器は、前記インジェクション経路を流れる冷媒が導かれる第1熱交換部と、前記冷媒回路を流れ前記気液分離温度よりも高温である冷媒が導かれる第2熱交換部と、を含む熱交換器であり、前記熱交換器において、前記第2熱交換部が前記第1熱交換部を加熱する、冷凍サイクル装置を提供する。
第11態様によれば、冷媒回路を流れる冷媒の持つ熱を利用して、インジェクション経路を流れる冷媒が加熱される。
本開示の第12態様は、第11態様に加えて、前記第2熱交換部には、前記圧縮機と前記凝縮器との間を流れる冷媒が導かれる、冷凍サイクル装置を提供する。
第12態様によれば、冷媒回路を流れる比較的高温である冷媒の持つ熱を利用して、インジェクション経路を流れる冷媒が加熱される。
本開示の第13態様は、第11態様に加えて、前記第2熱交換部には、前記凝縮器と前記上流側絞り装置との間を流れる冷媒が導かれる、冷凍サイクル装置を提供する。
第13態様によれば、冷媒回路を流れる冷媒の持つ熱を利用して、インジェクション経路22を流れる冷媒が加熱される。また、冷媒回路の凝縮器出口側の冷媒の過冷却度が高まるので、冷凍サイクル装置の能力が向上する。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1に、本開示の第1実施形態に係る冷凍サイクル装置100を示す。この冷凍サイクル装置100は、冷媒を循環させる冷媒回路1と制御装置30を備えている。
図1に、本開示の第1実施形態に係る冷凍サイクル装置100を示す。この冷凍サイクル装置100は、冷媒を循環させる冷媒回路1と制御装置30を備えている。
冷媒回路1は、圧縮機10、四方弁32、室内熱交換器12、室内側絞り装置14、気液分離器16、室外側絞り装置18および室外熱交換器20を含む。四方弁32の4つのポートは、冷媒配管によって圧縮機10の吸入口および吐出口ならびに室内熱交換器12および室外熱交換器20に接続されている。また、室内熱交換器12、室内側絞り装置14、気液分離器16、室外側絞り装置18および室外熱交換器20は、冷媒配管によって直列的に接続されている。
四方弁32は、冷媒の流れ方向を、暖房時に実線矢印で示す第1方向に切り換え、冷房時に破線矢印で示す第2方向に切り換える。第1方向では、圧縮機10の吐出口が室内熱交換器12に接続され、圧縮機10の吸入口が室外熱交換器20に接続される。第2方向では、圧縮機10の吐出口が室外熱交換器20に接続され、圧縮機10の吸入口が室外熱交換器12に接続される。すなわち、冷媒回路1を循環する冷媒は、暖房時に圧縮機10、室内熱交換器12、室内側絞り装置14、気液分離器16、室外側絞り装置18および室外熱交換器20をこの順に通過し、冷房時に圧縮機10、室外熱交換器20、室外側絞り装置18、気液分離器16、室内側絞り装置14および室内熱交換器12をこの順に通過する。
室内熱交換器12は、暖房時に凝縮器として機能し、冷房時に蒸発器として機能する。一方、室外熱交換器20は、暖房時に蒸発器として機能し、暖房時に凝縮器として機能する。
室内側絞り装置14および室外側絞り装置18としては、例えば開度の調整が可能な電動膨張弁が用いられる。制御装置30は室内側絞り装置14および室外側絞り装置18に制御信号を送り、それらの開度の調整を行う。
また、気液分離器16と圧縮機10の間には、気液分離器16で分離された中間圧のガス冷媒を圧縮機10に供給するインジェクション経路22が設けられている。インジェクション経路22は、例えば、一端が気液分離器16のガス層側につながれ、他端が圧縮機10の圧縮室に圧縮過程中に開口する中間圧吸入口につながれた冷媒配管により構成される。インジェクション経路22の途中には加熱器24が設けられており、インジェクション経路22を流れる中間圧ガス冷媒は加熱された後に圧縮機10にインジェクションされる。
加熱器24としては、例えばヒーター、すなわち、電熱器を用いることができる。電熱器としては、抵抗加熱器、誘導加熱器などがあげられる。加熱器24は、必ずしもインジェクション経路22を流れる冷媒を常時加熱する必要はなく、例えば電熱器のオン‐オフ制御により、後述する中間圧制御運転の際にだけインジェクション経路22を流れる冷媒を加熱してもよい。
さらに、冷凍サイクル装置100には、圧縮機10から吐出される冷媒の温度である吐出温度Tdを検知する吐出温度センサ34と、室外温度Toを検知する室外温度センサ36と、室内温度Tiを検知する室内温度センサ38と、冷媒回路1からインジェクション経路22に流入する冷媒の温度である気液分離温度Tmを検知する中間圧温度センサ26と、インジェクション経路22において加熱器24によって加熱された冷媒の温度であるインジェクション温度Tinjを検知する過熱度温度センサ28とが設けられている。制
御装置30は、各種温度センサで検知される温度に基づいて、室内側絞り装置14および室外側絞り装置18の開度ならびに圧縮機10の回転数を主に制御する。
御装置30は、各種温度センサで検知される温度に基づいて、室内側絞り装置14および室外側絞り装置18の開度ならびに圧縮機10の回転数を主に制御する。
なお、中間圧温度センサ26は、気液分離器16に設けられていてもよいし、インジェクション経路22を構成する冷媒配管の加熱器24よりも上流側に設けられていてもよい。あるいは、中間圧温度センサ26は、気液分離器16と室内側絞り装置14とを接続する冷媒配管または気液分離器16と室外側絞り装置18とを接続する冷媒配管に設けられていてもよい。過熱度温度センサ28は、インジェクション経路22を構成する冷媒配管の加熱器24よりも下流側に設けられる。
次に、冷凍サイクル装置100の動作について説明する。
暖房時には、四方弁32により冷媒の流れ方向が実線矢印で示す第1方向に切り換えられる。この状態において、圧縮機10で圧縮された冷媒は、圧縮機10から吐出された後に室内熱交換器12に導かれる。室内熱交換器12に導かれた冷媒は、ここで室内空気に放熱した後に、室内側絞り装置14に導かれる。室内側絞り装置14に導かれた冷媒は、室内側絞り装置14で減圧され、凝縮圧力と蒸発圧力の中間の圧力を有する中間圧冷媒となって気液分離器16に導かれる。気液分離器16に導かれた中間圧冷媒は気液分離器16で分離され、中間圧冷媒のうち液冷媒は室外側絞り装置18に導かれ、ガス冷媒はインジェクション経路22に流入する。室外側絞り装置18に導かれた中間圧液冷媒は、室外側絞り装置18で減圧され、室外熱交換器20に導かれた後、室外空気から吸熱し、その後圧縮機10に戻る。インジェクション経路22に流入した中間圧ガス冷媒は、加熱器24で加熱された後に、圧縮機10にインジェクションされる。
冷房時には、四方弁32により冷媒の流れ方向が破線矢印で示す第2方向に切り換えられる。この状態において、圧縮機10で圧縮された冷媒は、圧縮機10から吐出された後に室外熱交換器20に導かれる。室外熱交換器20に導かれた冷媒は、ここで室外空気に放熱した後に、室外側絞り装置18に導かれる。室外側絞り装置18に導かれた冷媒は、室外側絞り装置18で減圧され、凝縮圧力と蒸発圧力の中間の圧力を有する中間圧冷媒となって気液分離器16に導かれる。気液分離器16に導かれた中間圧冷媒は気液分離器16で分離され、中間圧冷媒のうち液冷媒は室内側絞り装置14に導かれ、ガス冷媒はインジェクション経路22に流入する。室内側絞り装置14に導かれた中間圧液冷媒は、室内側絞り装置14で減圧され、室内熱交換器12に導かれた後、室内空気から吸熱し、その後圧縮機10に戻る。インジェクション経路22に流入した中間圧ガス冷媒は、加熱器24で加熱された後に、圧縮機10にインジェクションされる。
暖房時と冷房時とで冷媒回路1における冷媒の流れ方向が異なるが、インジェクション経路22においては冷媒が同一方向に流れるため、中間圧を制御する方法としては暖房時と冷房時とで同様の方法を用いることができる。以下では、暖房時の室内熱交換器12および冷房時の室外熱交換器20を凝縮器、暖房時の室外熱交換器20および冷房時の室内熱交換器12を蒸発器、暖房時の室内側絞り装置14および冷房時の室外側絞り装置18を上流側絞り装置、暖房時の室外側絞り装置18および冷房時の室内側絞り装置14を下流側絞り装置といい、暖房時と冷房時とを区別することなく説明する。
本実施形態では、制御装置30が起動運転の際に中間圧制御運転を行う。中間圧制御運転とは、中間圧温度センサ26で検知される気液分離温度Tmと過熱度温度センサ28で検知されるインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値ΔTiよりも小さくなるように上流側絞り装置と下流側絞り装置の少なくとも一方の開度を調整した後に、気液分離温度Tmがそのときの温度から所定温度ΔTmだけ小さくなるまで下流側絞り装置の開度を大きくする運転である。以下、制御装置30が行う中間圧制御運転を、図2のフローチャートを参照して詳細に説明する。
まず、制御装置30は、吐出温度センサ34で検知される吐出温度Tdが目標の吐出温度TD近くに保たれるように上流側絞り装置の開度を調整しつつ、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値ΔTiよりも小さくなるまで下流側絞り装置の開度を小さくする。
具体的には、制御装置30は、室外温度センサ36により室外温度Toを検出するとともに、室内温度センサ38により室内温度Tiを検出する(ステップS1)。次に、制御装置30は、検出された室外温度Toおよび室内温度Tiに基づいて、目標の吐出温度TDを決定する(ステップS2)。その後、制御装置30は、吐出温度センサ34により吐出温度Tdを検出し(ステップS3)、これと目標の吐出温度Tdとの差を予め定められた許容値ΔTd(例えば、1.5℃)と比較する(ステップS4)。
検出された吐出温度Tdと目標の吐出温度TDの差が許容値ΔTd以上の場合は(ステップS4でNO)、制御装置30は上流側絞り装置の開度を調整する(ステップS5)。具体的には、制御装置30は、検出された吐出温度Tdが目標の吐出温度TDよりも低い場合には上流側絞り装置の開度を小さくし、検出された吐出温度Tdが目標の吐出温度TDよりも高い場合には上流側絞り装置の開度を大きくする。ステップS5の後は、ステップS1に戻る。ステップS1〜S5が繰り返されることにより、実際の吐出温度Tdが目標の吐出温度TDの一定温度以内に近づく。その結果、検出された吐出温度Tdと目標の吐出温度TDの差が許容値ΔTd未満となれば(ステップS4でYES)、ステップS6に進む。
ステップS6では、制御装置30は、中間圧温度センサ26により中間圧冷媒の気液分離温度Tmを検出するとともに、過熱度温度センサ28により加熱器24を通過した後の冷媒のインジェクション温度Tinjを検出する(ステップS6)。次いで、制御装置30は、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が予め定められた所定値ΔTi(例えば、3℃)よりも小さいか否かを判定する(ステップS7)。
気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差は、インジェクションされるガス冷媒の過熱度である。従来ではインジェクション経路22に加熱器24が設けられていないために、インジェクションされる中間圧ガス冷媒に過熱度がとられることはない。これに対し、本実施形態では、インジェクション経路22に加熱器24を設けることにより、ガス冷媒のみがインジェクション経路22を流れている限りは加熱器24を通過した後の中間圧ガス冷媒に過熱度がとられることになる。
ステップS7でNOの場合、すなわち過熱度が一定温度以上とれている場合には、制御装置30は下流側絞り装置の開度を小さくし(ステップS8)、気液分離温度Tmを上昇させる。ステップS8の後は、ステップS1に戻る。制御装置30は、ステップS7でYESとなるまでステップS1〜S8を繰り返す。
下流側絞り装置の開度を小さくしていくと、下流側絞り装置の前後の圧力差が大きくなり、それに伴い中間圧が高くなる。また、インジェクションされる冷媒の流量の割合も増加する。中間圧が上昇していくと、気液分離器16内の中間圧冷媒の乾き度が減少していく。上記のように下流側絞り装置の開度を小さくし続けると、乾き度が減少し続け、インジェクションされる冷媒の流量が増え続けるため、ある段階でインジェクション経路22に液冷媒が流れ込むようになる。
インジェクション経路22に液冷媒が流れ込むと、加熱器24によって液冷媒が加熱されることにより蒸発するため、そのときの潜熱により加熱器24を通過した後の冷媒のインジェクション温度Tinjが急激に低下する。ステップS7は、インジェクション温度Tinjが急激に低下したことを検出するためのステップである。
ステップS7でYESの場合、すなわちインジェクション温度Tinjが急激に低下して加熱器24を通過した後のガス冷媒に過熱度が一定温度以上とれなくなった場合には、制御装置30は、そのときの気液分離温度TmをTm0として記録する(ステップS9)。
中間圧力を上げることにより、圧縮機10で再度圧縮する仕事量を減らすことができるため、圧縮機10の電力消費量を減らすことができる。しかし、インジェクション経路22に液冷媒が流れ始めると、蒸発器を流れる液冷媒の量も低下してしまい、蒸発能力が低下し、冷凍サイクルの性能も低下してしまう。したがって、インジェクションを行う冷凍サイクル装置100において高い性能を得るためには、インジェクション経路22をガス冷媒だけが流れる状態にする必要がある。そこで、制御装置30は、目標の気液分離温度Tm1を決定する(ステップS10)。具体的には、制御装置30は、インジェクション経路22に液冷媒が流れ込むことを確実に防止するように、加熱器24を通過した後のガス冷媒に過熱度が一定温度以上とれなくなった状態の気液分離温度Tm0から予め定められた所定温度(例えば、1℃)引くことにより、目標の気液分離温度Tm1を算出する。
ステップS10以降では、再度下流側絞り装置の開度を調整して中間圧および気液分離温度Tmを下げ、インジェクション経路22にガス冷媒だけが流れる状態となるようにする。具体的には、制御装置30は、中間圧温度センサ26により中間圧の気液分離温度Tmを検出し(ステップS11)、これをステップS10で決定した目標の気液分離温度Tm1と比較する(ステップS12)。検出した気液分離温度Tmが目標の気液分離温度Tm1以上の場合には(ステップS12でNO)、下流側絞り装置の開度を大きくし(ステップS13)、中間圧を下げる。下流側絞り装置の開度を大きくしていき、目標の気液分離温度Tm1を下回ったときに(ステップS12でYES)、目標の吐出温度、目標の気液分離温度を保つように制御を行う定常運転へと移る(ステップS14)。
定常運転に移行した後も、制御装置30は、気液分離温度Tmおよび吐出温度Tdを中間圧温度センサ26および吐出温度センサ34により検出し、それらが目標値からかけ離れないように上流側絞り装置および下流側絞り装置の開度を調整する。
気液分離温度Tmの制御は、下流側絞り装置の開度の調整により行う。具体的には、検出した気液分離温度Tmが、目標の気液分離温度Tm1から一定温度ΔTms以内となるように下流側絞り装置の開度が調整される。気液分離温度TmがTm1−ΔTmsよりも低くなった場合には、下流側絞り装置の開度を小さくし、気液分離温度Tmを上げ、TmをTm1に近づける。逆に、気液分離温度TmがTm1+ΔTmsよりも高くなった場合には、下流側絞り装置の開度を大きくし、気液分離温度Tmを下げ、TmをTm1に近づける。この調整の間の下流側絞り装置の開度の調整量は一定でもいいし、また目標値に近いほど開度の調整量を小さくしてもよい。
吐出温度Tdの制御は、上流側絞り装置の開度の調整により行う。具体的には、検出した吐出温度Tdが、目標の吐出温度TDより一定温度ΔTds以内となるように上流側絞り装置の開度が調整される。吐出温度TdがTD−ΔTdsよりも低くなった場合には、上流側絞り装置の開度を小さくし、吐出温度Tdを上げ、TdをTDに近づける。逆に、吐出温度TdがTd+ΔTdsよりも高くなった場合には、上流側絞り装置の開度を大きくし、吐出温度Tdを下げ、TdをTDに近づける。この調整の間の上流側絞り装置の開度の調整量は一定でもいいし、また目標値に近いほど開度の調整量を小さくしてもよい。
図1に示すように、気液分離器16は上流側絞り装置と下流側絞り装置の間に配置されているため、気液分離温度Tmは上流側絞り装置の開度の調整の影響も大きく受ける。具体的には、上流側絞り装置の開度を小さくすると、上流側絞り装置前後の差圧が大きくなり、それに伴い、中間圧が低下し、気液分離温度Tmが低下する。逆に、上流側絞り装置の開度を大きくすると、上流側絞り装置前後の差圧が小さくなり、それに伴い、中間圧が上昇し、気液分離温度Tmが上昇する。このように、上流側絞り装置の開度の調整は、吐出温度Tdだけでなく、気液分離温度Tmにも影響を与える。これは上流側絞り装置に限ったことでなく、下流側絞り装置の開度の調整を行うと、蒸発器に流れる冷媒の量が変わり、圧縮機10の吸入状態が変わるため、下流側絞り装置の開度の調整は、気液分離温度Tmだけではなく、吐出温度Tdにも影響を与える。
このように上流側絞り装置および下流側絞り装置のそれぞれの開度調整が吐出温度Tdおよび気液分離温度Tmにそれぞれ影響を与えるわけであるが、上流側絞り装置により吐出温度Tdを制御し、下流側絞り装置により気液分離温度Tmを制御するといったように個々の絞り装置にそれぞれ役割を持たせて制御を行うと、より簡易な制御の実現が可能となる。
図3は、上述した中間圧制御運転において、上流側絞り装置および下流側絞り装置の開度ならびに吐出温度Td、インジェクション温度Tinjおよび気液分離温度Tmがどのように変化するかを示している。図3に示すように、本実施形態では、まず上流側絞り装置の開度が徐々に小さくされて、吐出温度Tdが徐々に上昇する。ついで、インジェクション温度Tinjが急激に低下するまで下流側絞り装置の開度が小さくされ、その後に下流側絞り装置の開度が大きくされる。
以上説明した中間圧制御運転では、加熱器24および過熱度温度センサ28を用いて気液分離温度Tmの基準温度Tm0を決定し、この基準温度Tm0から所定温度ΔTm低い温度を気液分離温度の目標温度Tm1とすることにより、中間圧温度センサ26の測定誤差をキャンセルすることができる。これにより、中間圧をより高精度に目的値に制御することができ、冷凍サイクル装置100の効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、起動運転の際に中間圧制御運転を行っているので、最適な状態で起動運転から定常運転に移行することができる。
<変形例>
前記実施形態では、起動運転の際に中間圧制御運転が行われていた。このため、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値よりも小さくなるように上流側絞り装置と下流側絞り装置の双方の開度が調整されていた。しかしながら、制御装置30は、定常運転の途中で中間圧制御運転を行ってもよい。この場合、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値よりも小さくなるように上流側絞り装置と下流側絞り装置のどちらか一方の開度が調整されることもあり得る。
前記実施形態では、起動運転の際に中間圧制御運転が行われていた。このため、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値よりも小さくなるように上流側絞り装置と下流側絞り装置の双方の開度が調整されていた。しかしながら、制御装置30は、定常運転の途中で中間圧制御運転を行ってもよい。この場合、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値よりも小さくなるように上流側絞り装置と下流側絞り装置のどちらか一方の開度が調整されることもあり得る。
定常運転の途中で中間圧制御運転を行う場合のフローチャートは、図2と全く同じである。すなわち、定常運転中に何らかの判定条件が満たされたときにステップS1に進めばよい。例えば、外気温度が変わり、サイクル条件が大きく変わったときなどにステップS1に進んでもよいし、ユーザー側の要求の変化に応じてステップS1に進んでもよい。あるいは、運転開始からの経過時間によってステップS1に進んでもよい。
前記実施形態では、加熱器24として電熱器が用いられていた。しかしながら、加熱器24は電熱器などの冷媒回路1の外部より冷媒に熱を加える手段に限られるものではない。例えば、インジェクション経路22を構成する冷媒配管の一部が、中間圧の冷媒(気液分離温度)よりも高温となる圧縮機10の密閉容器または吐出配管などに直接的または間接的に接触させられることにより、冷媒回路1の一部が加熱器24を構成していてもよい。以下に、加熱器24の変形例について詳細に説明する。なお、以下に示す変形例は、特に説明する場合を除き、前記実施形態と同様に構成される。
図4に、加熱器24の一の変形例である加熱器24Aを示す。加熱器24Aは、圧縮機10から排出される熱を蓄積し、この蓄積された熱を利用してインジェクション経路22を流れる冷媒を加熱する蓄熱ユニットである。具体的に、加熱器24Aは、圧縮機10を包み込むように配置された蓄熱材50と、蓄熱材50の内部を蛇行しながら通過する蛇行管52と、を有する。蛇行管52は、インジェクション経路22の一部を構成している。従って、気液分離器16からインジェクション経路22に流入した冷媒は、蛇行管52を流れることによって加熱される。さらに、蛇行管52を通過した冷媒は圧縮機10にインジェクションされる。これにより、圧縮機10の排熱を利用して、インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱することができる。インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱するために独立した電熱器を設ける必要がないので、冷凍サイクル装置の省電力化を実現できる。
図5に、加熱器24の別の変形例である加熱器24Bを備えた、冷凍サイクル装置100Aを示す。加熱器24Bは、インジェクション経路22を流れる冷媒が導かれる第1熱交換部60および冷媒回路1から分岐して冷媒回路1を流れる冷媒が導かれる第2熱交換部62を有する熱交換器である。第1熱交換部60は、インジェクション経路22の一部でもある。第2熱交換部62に導かれる冷媒の温度は気液分離温度よりも高い。第2熱交換部62は、凝縮器12と上流側絞り装置14との間の冷媒回路1に接続されている。詳細には、第2熱交換部62は、凝縮器12と上流側絞り装置14との間の冷媒回路1と接続された一端と、その一端よりも下流側で凝縮器12と上流側絞り装置14との間の冷媒回路1に接続された他端とを有している。これにより、第2熱交換部62には、凝縮器12と上流側絞り装置14との間を流れる冷媒が導かれる。また、第2熱交換部62は、第1熱交換部60を加熱するように配置されている。これにより、インジェクション経路22を流れる冷媒が加熱される。従って、冷媒回路1を流れる冷媒の持つ熱を利用して、インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱することができる。インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱するために独立した電熱器を設ける必要がないので、冷凍サイクル装置の省電力化を実現できる。また、冷媒回路1の凝縮器12の出口側の冷媒の過冷却度を高めることができるので、冷房能力が向上した冷凍サイクル装置100Aを実現することができる。
加熱器24Bは、例えば内管および内管と同心の外管とからなる二重管式熱交換器である。この場合、内管の内部が第1熱交換部60および第2熱交換部62のいずれか一方に相当する。また、外管の内周面と内管の外周面との間に形成される空間が第1熱交換部60および第2熱交換部62のいずれか他方に相当する。また、例えば、第1熱交換部60である配管と第2熱交換部62である配管とが接触するように配置されることにより、加熱器24Bが構成されてもよい。この他、第2熱交換部62が第1熱交換部60を加熱できる限り、加熱器24Bの構造は特に限定されない。
弁64が第2熱交換部62の上流側に設けられている。また、冷媒回路1において、第2熱交換部62の一端が接続されている位置と第2熱交換部62の他端が接続されている位置との間に、弁66が設けられている。弁64、66は、例えば開度が調整可能な電動弁である。弁64、66の開閉を制御することによりインジェクション経路22を流れる冷媒の加熱を制御できる。例えば、中間圧制御運転の際にだけインジェクション経路22を流れる冷媒を加熱するように、弁64、66の開閉を制御してもよい。なお、弁64、66は省略してもよい。また、第2熱交換部62は、冷媒回路1から分岐しない形態であってもよい。換言すると、第2熱交換部62は、凝縮器12と上流側絞り装置14との間の冷媒回路1の一部により構成されていてもよい。
図6に、加熱器24の別の変形例である加熱器24Cを備えた、冷凍サイクル装置100Bを示す。加熱器24Cは、インジェクション経路22を流れる冷媒が導かれる第1熱交換部70および冷媒回路1から分岐して冷媒回路1を流れる冷媒が導かれる第2熱交換部72を有する熱交換器である。第1熱交換部70は、インジェクション経路22の一部でもある。第2熱交換部72は、圧縮機10と凝縮器12との間の冷媒回路1に接続されている。詳細には、第2熱交換部72は、圧縮機10と凝縮器12との間の冷媒回路1に接続された一端と、その一端よりも下流側で圧縮機10と凝縮器12との間の冷媒回路1に接続された他端とを有している。これにより、第2熱交換部72には、冷媒回路1を流れる冷媒の中で比較的高温である、圧縮機10と凝縮器12との間を流れる冷媒が導かれる。第2熱交換部72に導かれる冷媒の温度は気液分離温度よりも高い。また、第2熱交換部72は、第1熱交換部70を加熱するように配置されている。これにより、インジェクション経路22を流れる冷媒が加熱される。従って、冷媒回路1を流れる冷媒のうち比較的高温である冷媒の持つ熱を利用して、インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱することができる。インジェクション経路22を流れる冷媒を加熱するために独立した電熱器を設ける必要がないので、冷凍サイクル装置の省電力化を実現できる。
第1熱交換部70および第2熱交換部72は、加熱器24Bの第1熱交換部60および第2熱交換部62と同様の構造で構成されてよい。また、例えば開度が調整可能な電動弁が、第2熱交換部72の上流側、及び、第2熱交換部72の一端が接続されている位置と第2熱交換部72の他端が接続されている位置との間の冷媒回路1に設けられてもよい。第2熱交換部72は、冷媒回路1から分岐しない形態であってもよい。換言すると、第2熱交換部72は、圧縮機10と凝縮器12との間の冷媒回路1の一部により構成されていてもよい。
(第2実施形態)
図7に、本発明の第2実施形態に係る冷凍サイクル装置200を示す。なお、本実施形態では、第1実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
図7に、本発明の第2実施形態に係る冷凍サイクル装置200を示す。なお、本実施形態では、第1実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態では、冷媒回路1における室内熱交換器12と室内側絞り装置14の間に室内熱交換器側温度センサ40が設けられ、室外側絞り装置18と室外熱交換器20の間に室外熱交換器側温度センサ42が設けられている。なお、本実施形態の冷凍サイクル装置200の動作は第1実施形態の冷凍サイクル装置100の動作と同じである。
暖房時、室内熱交換器側温度センサ40が室内熱交換器(凝縮器)12から流出する冷媒の温度である凝縮側出口温度Tcを検知し、室外熱交換器側温度センサ42が室外熱交換器(蒸発器)20に流入する冷媒の温度である蒸発側入口温度Teを検知する。冷房時、室外熱交換器側温度センサ42が室外熱交換器(凝縮器)20から流出する冷媒の温度である凝縮側出口温度Tcを検知し、室内熱交換器側温度センサ40が室内熱交換器(蒸発器)12に流入する冷媒の温度である蒸発側入口温度Teを検知する。以下、暖房時の室内熱交換器側温度センサ40および冷房時の室外熱交換器側温度センサ42を凝縮後温度センサ、暖房時の室外熱交換器側温度センサ42および冷房時の室内熱交換器側温度センサ40を蒸発前温度センサといい、第1実施形態と同様に暖房時と冷房時とを区別することなく説明する。
制御装置30は、第1実施形態と略同様の中間圧制御運転を行うが、その際に、気液分離温度Tmとインジェクション温度Tinjとの間の温度差が所定値ΔTiよりも小さくなったときの気液分離温度Tm、凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teを使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する。以下、制御装置30が行う中間圧制御運転を、図8のフローチャートを参照して詳細に説明する。
図8に示すフローチャートは、図2に示すフローチャートのステップS9をステップS21〜S23に変更したものであり、その他のステップS1〜S8,S10〜S14は第1実施形態と同じである。このため、以下では本実施形態独自のステップS21〜S23を中心に説明する。
ステップS7において、制御装置30は、中間圧温度センサ26により検出された気液分離温度Tmと過熱度温度センサ28により検出されたインジェクション温度Tinjとの間の温度差が予め定められた所定値ΔTiより小さいと判定されたときには、凝縮後温度センサにより凝縮側出口温度Tcを検出するとともに、蒸発前温度センサにより蒸発側入口温度Teを検出する(ステップS21)。ついで、制御装置30は、ステップS7でYESとなったときの気液分離温度TmをTm0として記録するとともに、ステップS21で検出した凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度TeをそれぞれTc0およびTe0として記憶する(ステップS22)。その後、制御装置30は、記憶したTm0,Tc0,Te0を使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する(ステップS23)。
ここで、定常運転で使用する気液分離温度の計算式とは、凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teあるいは凝縮側出口温度Tcのみから気液分離温度を推定するための計算式であり、例えば次の式(1)で表される。
Tm2=αTc+β・・・(1)
Tm2=αTc+β・・・(1)
なお、式(1)を使用する場合、換言すれば凝縮側出口温度のみから気液分離温度を推定する場合は、ステップS21において蒸発前温度センサにより蒸発側入口温度Teを検出する必要はない。すなわち、Tm0とTc0のみを使用して気液分離温度の計算式を補正することができる。以下では、説明を分かり易くするために、式(1)を使用すると仮定して説明する。
ステップS23では、制御装置30は、ステップS22で記憶したTc0を式(1)に代入して、推定温度Tm2を算出する。制御装置30は、算出した推定温度Tm2とステップS22で記憶したTm0を比較し、その差が中間圧温度センサ26および凝縮後温度センサの測定誤差としてキャンセルされるように気液分離温度の計算式を書き換える。例えば、Tm2に対してTm0の方が大きい場合にはその差分(Tm0−Tm2)だけ、計算式に補正値として足し、Tm2に対してTm0の方が小さい場合にはその差分(Tm2−Tm0)だけ、計算式に補正値として引く。あるいは、上記の式(1)中の係数α,βを変更する。
その後、制御装置30は、ステップS10〜S13を経て、定常運転に移行する(ステップS14)。定常運転では、制御装置30は、中間圧制御運転中に補正した気液分離温度の計算式を使用して定常運転を行う。具体的には、制御装置30は、気液分離温度Tm、吐出温度Td、凝縮側出口温度Tc、蒸発側入口温度Teを中間圧温度センサ26、吐出温度センサ34、凝縮後温度センサおよび蒸発前温度センサにより検出し、それらが目標値からかけ離れないように上流側絞り装置および下流側絞り装置の開度を調整する。
第1実施形態では目標の気液分離温度Tm1は一定であったが、本実施形態では、ステップS23で補正した気液分離温度の計算式を用いて算出した推定温度Tm2を目標の気液分離温度と設定する。吐出温度Tdおよび気液分離温度Tmの制御は、第1実施形態と同様に、上流側絞り装置および下流側絞り装置の開度の調整により行う。
このように、中間圧制御運転において気液分離温度Tmを他の温度計測点から推定する計算式を補正し、この補正された計算式を定常運転で使用することにより、定常運転においても温度センサの測定誤差なども考慮したより高精度の中間圧制御が可能となる。
<変形例>
なお、図8に示すフローチャートでは、凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teを検出するステップS21がステップS7の後に配置されているが、ステップS21をステップS6とステップS7の間に配置するとともに、その後に凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teに基づいて目標の気液分離温度Tm3を決定するステップを配置し、ステップS8では、検出された気液分離温度Tmと目標の気液分離温度Tm3との差が大きい場合には開度の調整量を大きくし、その差が小さい場合には開度の調整量を小さくしてもよい。
なお、図8に示すフローチャートでは、凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teを検出するステップS21がステップS7の後に配置されているが、ステップS21をステップS6とステップS7の間に配置するとともに、その後に凝縮側出口温度Tcおよび蒸発側入口温度Teに基づいて目標の気液分離温度Tm3を決定するステップを配置し、ステップS8では、検出された気液分離温度Tmと目標の気液分離温度Tm3との差が大きい場合には開度の調整量を大きくし、その差が小さい場合には開度の調整量を小さくしてもよい。
また、ステップS10では、目標の気液分離温度Tm1を決定する際に、Tm0を使用する代わりに、ステップS23で補正した計算式により得られる推定温度Tm2を使用してもよい。
また、第2実施形態の加熱器24も、第1実施形態の変形例と同様の変更が可能である。
(その他の実施形態)
なお、前記実施形態では冷媒回路1中に四方弁32が設けられており、冷房と暖房の切換が可能となっているが、本発明の冷凍サイクル装置は冷房専用または暖房専用であってもよい。
なお、前記実施形態では冷媒回路1中に四方弁32が設けられており、冷房と暖房の切換が可能となっているが、本発明の冷凍サイクル装置は冷房専用または暖房専用であってもよい。
本発明の冷凍サイクル装置は、給湯機、温水暖房機、冷凍または空調機器などのヒートポンプ装置として利用することができる。
Claims (13)
- 冷媒を、圧縮機、凝縮器、上流側絞り装置、気液分離器、下流側絞り装置および蒸発器をこの順に通過するように循環させる冷媒回路と、
前記気液分離器で分離されたガス冷媒を前記圧縮機に供給するインジェクション経路と、
前記インジェクション経路に設けられた加熱器と、
前記冷媒回路から前記インジェクション経路に流入する冷媒の温度である気液分離温度を検知する中間圧温度センサと、
前記インジェクション経路において前記加熱器によって加熱された冷媒の温度であるインジェクション温度を検知する過熱度温度センサと、
前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなるように前記上流側絞り装置と前記下流側絞り装置の少なくとも一方の開度を調整した後に、前記気液分離温度がそのときの温度から所定温度だけ小さくなるまで前記下流側絞り装置の開度を大きくする中間圧制御運転を行う制御装置と、
を備えた、冷凍サイクル装置。 - 前記凝縮器から流出する冷媒の温度である凝縮側出口温度を検知する凝縮後温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記中間圧制御運転中に、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの前記気液分離温度および前記凝縮側出口温度を使用して、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記蒸発器に流入する冷媒の温度である蒸発側入口温度を検知する蒸発前温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、定常運転で使用する気液分離温度の計算式を補正する際に、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなったときの前記蒸発側入口温度をも使用する、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記中間圧制御運転中に補正した気液分離温度の計算式を使用して定常運転を行う、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記制御装置は、起動運転の際に前記中間圧制御運転を行う、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記制御装置は、定常運転の途中で前記中間圧制御運転を行う、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記圧縮機から吐出される冷媒の温度である吐出温度を検知する吐出温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記吐出温度が目標の吐出温度近くに保たれるように前記上流側絞り装置の開度を調整しつつ、前記気液分離温度と前記インジェクション温度との間の温度差が所定値よりも小さくなるまで前記下流側絞り装置の開度を小さくし、その後に前記下流側絞り装置の開度を大きくする、請求項5に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷媒回路は、前記凝縮器および前記蒸発器として機能する室内熱交換器および室外熱交換器を含むとともに、前記上流側絞り装置および前記下流側絞り装置として機能する室内側絞り装置および室外側絞り装置を含み、
前記冷媒回路には、冷媒の流れ方向を切り換える四方弁が設けられている、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記加熱器は、電熱器である、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記加熱器は、前記圧縮機から排出される熱を蓄積し、この蓄積された熱を利用して冷媒を加熱する蓄熱ユニットである、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記加熱器は、前記インジェクション経路を流れる冷媒が導かれる第1熱交換部と、前記冷媒回路を流れ前記気液分離温度よりも高温である冷媒が導かれる第2熱交換部と、を含む熱交換器であり、
前記熱交換器において、前記第2熱交換部が前記第1熱交換部を加熱する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記第2熱交換部には、前記圧縮機と前記凝縮器との間を流れる冷媒が導かれる、請求項11に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記第2熱交換部には、前記凝縮器と前記上流側絞り装置との間を流れる冷媒が導かれる、請求項11に記載の冷凍サイクル装置。
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