JP5991989B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents
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Description
<冷凍空調装置の構成概要>
図1は、本発明の実施の形態に係る冷凍空調装置の構成図である。図1に示すように、冷凍空調装置100は、室外機61と、室外機61から分離している室内機62とを備えている。室外機61と室内機62とは、液管(液側接続配管)5及びガス管(ガス側接続配管)7によって接続され、後述の冷媒回路20を構成している。室外機61は、熱源、例えば大気等へ放熱又は吸熱を行う。室内機62は、負荷、例えば室内空気への放熱又は吸熱を行う。なお、図1には室内機62を1台のみ備えた構成を示したが、複数台としてもよい。
室外機61は、圧縮機1と、流路切り替え装置である四方弁8と、熱源側媒体と熱交換を行う室外熱交換器(熱源側熱交換器)2と、冷媒緩衝容器であるアキュムレータ9と、減圧装置である膨張弁3と、冷媒熱交換器4とを備え、これらが冷媒配管で接続されている。室外機61は更に、大気や水等の熱源側媒体を室外熱交換器2に搬送する装置である室外ファン31を備えている。以下、室外機61を構成する各機器について順に説明する。
圧縮機1は例えば全密閉式圧縮機であり、制御装置50からの指令によってインバータで回転数を可変することが可能な圧縮機である。圧縮機1を回転数制御して冷媒回路20を循環する冷媒流量を調整することで、室内機62での放熱又は吸熱量を調整し、例えば負荷側が室内空気の場合は、室内空気温度を適正に保つことができる。
四方弁8は、圧縮機1から吐出されたガス冷媒を室外熱交換器2又は室内熱交換器6に流すように流路を切り替えるために用いられる。四方弁8で流路を切り替えることで、例えば室外熱交換器2を凝縮器(放熱器)として機能させたり、蒸発器として機能させたりすることができる。
室外熱交換器2は、例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で、室外ファン31から供給された熱源側媒体としての外気と、冷媒との熱交換を行う。なお、室外熱交換器2において冷媒と熱交換する熱源側媒体は、外気(空気)に限らず、例えば水や不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。この場合、室外熱交換器2にはプレート熱交換器を用い、熱源側搬送装置には室外ファン31ではなくポンプを用いる。また、室外熱交換器2は、熱交換配管を地中に埋めて地熱を利用することで年間を通じて安定した温度の熱源を供給できるようにしても良い。
膨張弁3は、例えば開度が可変な電磁弁を用いる。凝縮器出口過冷却度又は蒸発器出口過熱度ができるだけ小さくなるように膨張弁3の開度調整することで、室外熱交換器2及び室内熱交換器6が有効に利用できるように冷媒流量を調整することができる。また、キャピラリのような固定絞り装置を複数並列に並べることでも、冷媒流量調整は可能である。
アキュムレータ9は、蒸発器から流出した二相冷媒を気液分離する機能を持つ。このため、冷媒を圧縮機1に流入させる前にアキュムレータ9を通過させることで、圧縮機1に液冷媒が吸入されるのを抑制できる。よって、アキュムレータ9は、圧縮機1での液圧縮の防止や、圧縮機1内の油濃度の低下による軸焼付け防止等、信頼性向上に寄与する。一方で、アキュムレータ9は圧縮機1へ戻すべき冷凍機油も分離している。このため、アキュムレータ9内の吸入配管(図示しない)には、必要量の冷凍機油を圧縮機1に戻すための穴やパイプが配置され、冷凍機油を圧縮機1に戻すようにしており、冷凍機油が冷媒に溶けている場合は、冷凍機油と共に若干の液冷媒が圧縮機1に戻る。
冷媒熱交換器4は、液管5の室外機側接続部である室外機液管接続部11と膨張弁3との間に設けられている。冷媒熱交換器4は、室外機液管接続部11と膨張弁3との間を流れる中温冷媒と、アキュムレータ9と圧縮機1の吸入側との間を流れる冷媒との熱交換を行う。冷媒熱交換器4での熱交換により、アキュムレータ9から流出する液冷媒をガス化させることができる。構造形態として二重管とする場合は、外側に中温冷媒が流れ、内側に低温冷媒が流れるようにするのが一般的である。その他、積層式のプレート熱交換器を用いる場合もある。なお、以下では、冷媒熱交換器4に流れる冷媒のうち、アキュムレータ9側から冷媒熱交換器4に流入する冷媒を低圧側冷媒、もう一方の冷媒を高圧側冷媒という場合がある。
室内機62は、負荷側媒体と熱交換を行う室内熱交換器(負荷側熱交換器)6と、負荷側媒体である室内空気を搬送する装置である室内ファン32とを備えている。以下、室内機62を構成する各機器について順に説明する。
室内熱交換器6は、例えば室外熱交換器2と同様に例えばフィンアンドチューブ型熱交換器で構成され、室内ファン32から供給された負荷側媒体としての室内空気と、冷媒との熱交換を行う。なお、室内熱交換器6において冷媒と熱交換する負荷側媒体は、室内空気に限らず、例えば水や不凍液等を熱源として利用できるようにしても良い。この場合、室内熱交換器6にはプレート熱交換器を用い、負荷側搬送装置は室内ファン32ではなくポンプを用いる。
液管5とガス管7は、室外機61と室内機62を接続する接続配管であり、接続に必要な所定の長さを持つ。また、一般的には液管5よりもガス管7の配管径は大きい。液管5は、室外機61の室外機液管接続部11と、室内機62の室内機液管接続部13との間に接続され、また、ガス管7は、室外機61の室外機ガス管接続部12と、室内機62の室内機ガス管接続部14との間に接続される。このように液管5及びガス管7により室外機61と室内機62とが接続されることで、圧縮機1、四方弁8、室内熱交換器6、冷媒熱交換器4の高圧側、膨張弁3、室外熱交換器2、四方弁8、アキュムレータ9、冷媒熱交換器4の低圧側の順に冷媒が循環する冷媒回路20が構成される。
次に、冷凍空調装置100に備えられたセンサ類及び制御装置50について説明する。
室外機61において圧縮機1の吐出側には、圧縮機1から吐出された冷媒の温度(以下、吐出温度)を検出する吐出温度検出装置としての吐出温度センサ41が設けられている。また、室外熱交換器2には、室外熱交換器2を流れる冷媒の温度(すなわち、冷房運転時における凝縮温度又は暖房運転時における蒸発温度に対応する冷媒温度)を検出する室外熱交飽和温度センサ42が設けられている。そして、室外熱交換器2の液側には、冷媒の温度を検出する室外熱交温度センサ43が設けられている。
図2は、図1の冷凍空調装置における暖房運転時のエンタルピーと圧力との関係を示すp−h線図である。横軸にエンタルピー[kJ/kg]、縦軸に圧力[Mpa]を示している。図2における点A1〜点I1が示す各冷媒状態は、図1に示される本実施の形態1に係る冷凍空調装置における点A1〜点I1における冷媒の各状態に対応している。なお、図1の矢印は、暖房運転時の冷媒の流れを示している。
次に、暖房運転時に冷媒熱交換器4で熱交換が行われる理由について説明する。冷媒熱交換器4では、アキュムレータ9から流出する低圧低温の冷媒(H1)と、室外機液管接続部11と膨張弁3の間を流れる高圧中温の冷媒(D1)との温度差によって熱交換を行う。例えば、冷媒熱交換器4へ流入する高圧冷媒(D1)の冷媒温度が25℃、低圧冷媒(H1)の冷媒温度が0℃の場合、25℃の温度差がある。よって、アキュムレータ9から流出する低圧二相冷媒は、自身よりも25℃高温の冷媒と熱交換することにより加熱され、ガス化される。
図3は、図1の冷凍空調装置における冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。図4は、図3の冷房運転時のエンタルピーと圧力との関係を示すp−h線図である。横軸にエンタルピー[kJ/kg]、縦軸に圧力[Mpa]を示している。図4における点A2〜点I2が示す各冷媒状態は、図3に示される点A2〜点I2における冷媒の各状態に対応している。
冷房運転時は、四方弁8が図3の実線で示される状態に切り替えられる。圧縮機1から吐出した高温高圧冷媒(A2)は、四方弁8を通過して室外熱交換器2へ流入する。室外熱交換器2に流入する冷媒(B2)は、圧縮機1から吐出した高温高圧冷媒(A2)と略変わらない冷媒状態である。室外熱交換器2は、冷房運転時は放熱器として働くことから、室外熱交換器2に流入した冷媒は、室外ファン31からの外気(大気)と熱交換して放熱し、温度が低下して一般的には過冷却状態の液冷媒(C2)となって、室外熱交換器2から流出する。
次に、冷房運転時において冷媒熱交換器4で熱交換が発生する理由について説明する。冷媒熱交換器4では、アキュムレータ9から流出する低圧低温の冷媒(H2)と、室外機液管接続部11と膨張弁3の間を流れる中圧中温の冷媒(D2)との温度差によって熱交換を行う。凝縮器として働く室外熱交換器2から冷媒熱交換器4に向かう冷媒は、冷媒熱交換器4の上流に設けられた膨張弁3によって減圧(減温)されてから冷媒熱交換器4に流入する。このため、暖房運転時のように凝縮器から直接、冷媒熱交換器4に流入する場合に比べて圧力が低下するため、暖房運転時ほどは冷媒熱交換器4において温度差は得られない。
次に、圧縮機1への液バックや、冷媒熱交換器4において過剰な熱交換等が生じないようにするための冷媒熱交換器4の設計について説明する。
冷凍空調装置では一般的に、吐出温度センサにより検出される吐出温度が、運転効率(以下COPと呼ぶ)が最大となる吐出温度となるように膨張弁3の開度を制御している。吐出温度を制御対象に用いる理由としては、吐出冷媒はガス状態であるため、液冷媒よりも比熱が小さく、膨張弁3の開度制御に対して応答が速いことが挙げられる。応答が速いため、膨張弁3の開度制御により、吐出温度を素早くCOPが最大となるポイントへ制御できる。更に、仮に吐出温度が過昇となっても、素早く保護制御を行えることも理由の一つである。
図6(a)は、図1の冷凍空調装置における、ある運転条件のときの、凝縮器出口過冷却度SCとCOPとの関係を示す図である。図6(b)は、図6(a)と同じ運転条件のときの凝縮器出口過冷却度SCと吐出温度との関係を示す図である。図6(a)において横軸はSC[K]、縦軸はCOPである。図6(b)において横軸はSC[K]、縦軸は吐出温度[℃]である。
図7(a)は、図6とは別の運転条件のときの、図1の冷凍空調装置における凝縮器出口過冷却度SCとCOPとの関係を示す図である。図7(b)は、図7(a)と同じ運転条件のときの凝縮器出口過冷却度SCと吐出温度との関係を示す図である。図7(a)において横軸はSC[K]、縦軸はCOPである。図7(b)において横軸はSC[K]、縦軸は吐出温度[℃]である。
図8は、本発明の実施の形態1に係る膨張弁制御の説明図である。図8は、ある運転条件のときの凝縮器出口過冷却度SCと吐出温度との関係を示している。図8において横軸はSC[K]、縦軸はCOPである。また、図8において(絞る)、(緩める)、(固定)とは膨張弁3の開度制御の内容を示している。図9は、図8の各領域に応じてSC−吐出温度特性を区分した各区分を示す図である。図9における(a)〜(e)は、SC−吐出温度特性を図8の各領域に区分したものであり、図8のA〜Eのそれぞれに対応している。すなわち図9の(a)の部分は図8の領域Aに対応し、(b)部分は図8の領域Bに対応し・・・、といった具合である。
図10は、本発明の実施の形態1に係る冷凍空調装置の膨張弁制御の流れを示すフローチャートである。図10において(1)〜(3)及びA〜Eは、図8の(1)〜(3)及びA〜Eに対応している。なお、冷凍空調装置起動時の膨張弁開度は、運転条件(外気温度、室内温度)や圧縮機回転数に応じて決められた開度や、条件によらず決められた開度等に設定され、その開度から図10に示すフローチャートにしたがって絞る、緩める、固定の膨張弁制御を行う。
一般的に、アキュムレータを備える冷媒回路では、アキュムレータを備えない冷媒回路に比べて圧縮機1への液戻りが少ない分、吐出温度が上昇しやすい。また、上記実施の形態1によると、アキュムレータ9から流出した気液二相の冷媒を冷媒熱交換器4によって加熱するため、冷媒熱交換器4を備えない場合に比べ、やはり吐出温度が上昇しやすい。このため、低外気時の暖房運転等、吐出温度が上昇しやすい条件の場合に備えて、吐出温度を抑制するための対策を講じておく必要がある。実施の形態2は、その対策を講じた冷凍空調装置に関するものである。
図11は、本発明の実施の形態2に係る冷凍空調装置の構成図である。なお、図11において実施の形態1と同様の構成部分については、先に説明した図1と同様の符号を付す。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及び後述の実施の形態についても同様に適用される。以下、実施の形態2が実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
内部熱交換器15は、室外機液管接続部11と冷媒熱交換器4との間の冷媒を、バイパス回路21のバイパス用膨張弁16の下流側の冷媒と熱交換させて冷却する。これにより、暖房運転時に蒸発器となる室外熱交換器2の入口部の乾き度が低下する。一方、冷媒熱交換器4の高圧側を流出した冷媒の一部はバイパス回路21側に向かうため、蒸発器(室外熱交換器2)側に流入する冷媒流量が減る。よって、蒸発器(室外熱交換器2)の処理熱量としては損得なく、蒸発器(室外熱交換器2)内及び低圧配管(蒸発器から圧縮機1に至る配管)内の圧力損失を低減することができるため、吐出温度上昇を抑制できる。
実施の形態2では、内部熱交換器15を備えたバイパス回路21について説明したが、内部熱交換器15を備えない場合でも、吐出温度上昇の抑制は可能である。すなわち、バイパス用膨張弁16により減圧した冷媒をそのまま、冷媒熱交換器4から圧縮機1に向かう冷媒に合流させ、冷媒熱交換器4から圧縮機1に向かう冷媒を冷却して気液二相冷媒とするのである。この構成とすると、実施の形態2に比べて冷媒回路20及び制御を簡素にできる。
Claims (6)
- 圧縮機と、1つのみ設けられた流路切り替え装置と、冷媒容器と、熱源側熱交換器と、減圧装置と、冷媒熱交換器とを有する室外機と、
負荷側熱交換器を有する室内機とを備え、
前記室外機と前記室内機とをガス側接続配管及び液側接続配管で接続して、暖房運転時に前記圧縮機、前記流路切り替え装置、前記負荷側熱交換器、前記冷媒熱交換器、前記減圧装置、前記熱源側熱交換器、前記冷媒容器、前記冷媒熱交換器、前記圧縮機、の順に冷媒が循環するように順次接続した冷媒回路を構成しており、
前記冷媒熱交換器は、
前記液側接続配管の前記室外機側の接続部である室外機液管接続部と前記減圧装置との間の冷媒と、前記冷媒容器の出口側の冷媒とを熱交換することを特徴とする冷凍空調装置。 - 圧縮機と、流路切り替え装置と、冷媒容器と、熱源側熱交換器と、減圧装置と、冷媒熱交換器とを有する室外機と、
負荷側熱交換器を有する室内機とを備え、
前記室外機と前記室内機とをガス側接続配管及び液側接続配管で接続して、暖房運転時に前記圧縮機、前記流路切り替え装置、前記負荷側熱交換器、前記冷媒熱交換器、前記減圧装置、前記熱源側熱交換器、前記冷媒容器、前記冷媒熱交換器、前記圧縮機、の順に冷媒が循環するように順次接続した冷媒回路を構成しており、
前記冷媒熱交換器は、
前記液側接続配管の前記室外機側の接続部である室外機液管接続部と前記減圧装置との間の冷媒と、前記冷媒容器の出口側の冷媒とを熱交換し、
前記圧縮機の吐出冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出装置と、
前記熱源側熱交換器及び前記負荷側熱交換器のうち、凝縮器として機能する熱交換器出口の冷媒の過冷却度を検出する過冷却度検出装置とを備え、
前記吐出温度検出装置により検出された吐出温度と前記過冷却度検出装置で検出された過冷却度とに応じて前記減圧装置の開度を制御し、
現在の運転条件における過冷却度−吐出温度特性を、COPが最大となるように選定された目標吐出温度を含む第1吐出温度範囲と、前記第1吐出温度範囲よりも高い第2吐出温度範囲と、前記第1吐出温度範囲よりも低い第3吐出温度範囲とに区分し、更に、前記第1吐出温度範囲と前記第2吐出温度範囲とを、COPが最大となるように選定された目標過冷却度よりも小さい範囲と前記目標過冷却度以上の範囲とに区分して計5つの領域に区分し、
前記吐出温度検出装置により検出された吐出温度と前記過冷却度検出装置で検出された過冷却度とが、前記5つの領域のうち、
前記第1吐出温度範囲で且つ前記目標過冷却度よりも低い範囲の領域と、前記第2吐出温度範囲で且つ前記目標過冷却度よりも低い範囲の領域と、前記第3吐出温度範囲の領域との3つの領域の何れかに属する場合は、前記減圧装置の開度を絞り、
前記第1吐出温度範囲で且つ前記目標過冷却度以上の範囲の領域に属する場合は、前記減圧装置の開度を固定し、
前記第2吐出温度範囲で且つ前記目標過冷却度以上の範囲の領域に属する場合は、前記減圧装置の開度を緩めることを特徴とする冷凍空調装置。 - 前記冷媒熱交換器は、前記冷媒熱交換器の伝熱面積と熱通過率との積である熱コンダクタンスAKと、前記冷媒熱交換器の低圧側を通過する前記冷媒容器の出口側の冷媒の冷媒流量Grとの比[J/kgK]が、
1.40×102/(TM−TL)≦AK/Gr≦1.52×105/(TM−TL)
TM:冷媒熱交換器の高圧側冷媒の入口温度
TL:冷媒熱交換器の低圧側冷媒の入口温度
の関係を有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。 - 前記室外機液管接続部と前記減圧装置との間から分岐し、流量調整弁を介して前記冷媒容器と前記圧縮機の間に合流するバイパス回路を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の冷凍空調装置。
- 前記圧縮機の吐出冷媒の吐出温度が予め設定した吐出温度上限値以上になった場合、前記流量調整弁を開き、前記吐出温度が前記吐出温度上限値未満となるように制御することを特徴とする請求項4記載の冷凍空調装置。
- 前記室外機液管接続部と前記バイパス回路の分岐点との間の冷媒と、前記バイパス回路の前記流量調整弁の下流側の冷媒とを熱交換する内部熱交換器を備えたことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の冷凍空調装置。
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