JP6072311B2 - 冷凍サイクル装置、空気調和装置、及び、冷凍サイクル装置における循環組成の算出方法 - Google Patents
冷凍サイクル装置、空気調和装置、及び、冷凍サイクル装置における循環組成の算出方法 Download PDFInfo
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Description
なお、本発明では、非共沸混合冷媒が冷媒循環回路を循環する状態での、複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成が、「循環組成」と定義される。また、非共沸混合冷媒が冷媒循環回路に充填される状態での、複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成が、「充填組成」と定義される。また、複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成が、「冷媒組成」と定義される。「冷媒組成」には、「循環組成」と「充填組成」との両方が含まれる。
以下に、実施の形態1に係る空気調和装置について説明する。
図1は、実施の形態1に係る空気調和装置の、回路構成の一例を示す概略回路構成図である。
図1に示されるように、空気調和装置100は、沸点の異なる複数の冷媒成分を有する非共沸混合冷媒が充填された冷媒循環回路1と、制御装置50と、を備える。空気調和装置100は、非共沸混合冷媒を循環させることによって空気調和を行う。非共沸混合冷媒は、例えば、R32冷媒とR1234yf冷媒の混合冷媒、R32冷媒とR1234ze冷媒の混合冷媒等である。これ以降の説明では、R32冷媒とR1234yf冷媒が、44wt%と56wt%の質量割合で混合された冷媒である場合を例に説明する。また、非共沸混合冷媒が、R32冷媒とR1234yf冷媒の混合冷媒である場合、及び、R32冷媒とR1234ze冷媒の混合冷媒である場合を例に挙げたが、必ずしもそれらの非共沸混合冷媒である必要はなく、R32冷媒とR1234yf冷媒を主成分としてその他の冷媒が少量混ざっている混合冷媒であってもよく、また、R32冷媒とR1234ze冷媒を主成分としてその他の冷媒が少量混ざっている混合冷媒であってもよい。また、非共沸混合冷媒は、上述の混合冷媒である場合に限定されず、どのような冷媒が混合された混合冷媒であってもよい。また、混合される冷媒成分の数は、2成分であってもよく、また、3成分であってもよく、また、それ以上であってもよい。
室外機2には、圧縮機11と、四方弁等の冷媒流路切替装置12と、熱源側熱交換器(室外熱交換器)13と、アキュムレータ14と、が搭載される。
室内機3には、負荷側熱交換器(室内熱交換器)31と、絞り装置32と、が搭載される。
制御装置50は、余剰冷媒有無判定部51と、循環組成演算部52と、動作制御部53と、を有する。制御装置50を構成する各部は、例えば、マイコン、マイクロプロセッサユニット等で構成されてもよく、また、ファームウェア等の更新可能なもので構成されてもよく、また、CPU等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。また、制御装置50は、室外機2に設けられてもよく、また、室内機3に設けられてもよく、また、室外機2と室内機3とに分けて設けられてもよく、また、それら以外に設けられてもよい。余剰冷媒有無判定部51は、本発明における「余剰冷媒有無判定手段」に相当する。循環組成演算部52は、本発明における「循環組成演算手段」に相当する。
図2は、実施の形態1に係る空気調和装置の、冷房運転時の冷媒の流れを示す概略回路構成図である。なお、図2では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。また、以下では、負荷側熱交換器31に冷熱負荷が発生している場合を例として、冷房運転モードを説明している。
図3は、実施の形態1に係る空気調和装置の、暖房運転時の冷媒の流れを示す概略回路構成図である。なお、図3では、冷媒の流れ方向を実線矢印で示している。また、以下では、負荷側熱交換器31に温熱負荷が発生している場合を例として、暖房運転モードを説明している。
図4は、実施の形態1に係る空気調和装置の、冷凍サイクルのp−h線図である。
図4に示されるように、非共沸混合冷媒が、沸点の異なる複数の冷媒成分を有することに起因して、同一圧力での飽和液冷媒の温度と飽和ガス冷媒の温度とが、異なる値になるという特徴がある。また、圧力、温度、及び、冷媒組成という三つのパラメータが与えられないと、p−h線図上での冷媒の状態が一点に決定されないという特徴がある。また、冷媒循環回路1が、アキュムレータ14のような気液界面が発生する部分を含んでいると、気液界面が発生する部分において、低沸点成分が気相となりやすく、高沸点成分が液相となりやすいことから、冷媒循環回路1内を低沸点成分が多く流れるようになるという特徴がある。
以下に、余剰冷媒有無判定部51の動作について説明する。
なお、以下では、本発明における「充填組成」が、複数の冷媒成分のうちの最も沸点が低い冷媒成分の充填組成αOである場合を例に、説明している。
図5に示されるように、まず、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA101において、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、第二の温度検出装置24の検出値T2と、を取得する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA102において、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、既知の量である非共沸混合冷媒の充填組成αOと、から、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガス温度Tsatを演算する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA103において、第二の温度検出装置24の検出値T2が、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガス温度Tsatを超えるか否かを判定する。判定結果がYESである場合には、アキュムレータ14にガス冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA104において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が無い旨を出力する。また、判定結果がNOである場合には、アキュムレータ14に気液二相冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA105において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が有る旨を出力する。
Tsat=f(P2,αO) ・・・(1)
図6は、実施の形態1に係る空気調和装置の、余剰冷媒有無判定部の変形例−1の動作フローを示す図である。
図6に示されるように、まず、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA201において、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、第二の温度検出装置24の検出値T2と、を取得する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA202において、第二の温度検出装置24の検出値T2と、既知の量である非共沸混合冷媒の充填組成αOと、から、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガス圧力Psatを演算する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA203において、第二の圧力検出装置22の検出値P2が、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガス圧力Psat未満であるか否かを判定する。判定結果がYESである場合には、アキュムレータ14にガス冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA204において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が無い旨を出力する。また、判定結果がNOである場合には、アキュムレータ14に気液二相冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA205において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が有る旨を出力する。
Psat=f(T2,αO) ・・・(2)
図7は、実施の形態1に係る空気調和装置の、余剰冷媒有無判定部の変形例−2の動作フローを示す図である。
図7に示されるように、まず、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA301において、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、第二の温度検出装置24の検出値T2と、を取得する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA302において、第二の温度検出装置24の検出値T2と、既知の量である非共沸混合冷媒の充填組成αOと、から、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガスエンタルピである、温度算出飽和ガスエンタルピHGTを演算する。また、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、既知の量である非共沸混合冷媒の充填組成αOと、から、アキュムレータ14の流入部における冷媒の飽和ガスエンタルピである、圧力算出飽和ガスエンタルピHGPを演算する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA303において、温度算出飽和ガスエンタルピHGTが、圧力算出飽和ガスエンタルピHGPを超えるか否かを判定する。判定結果がYESである場合には、アキュムレータ14にガス冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA304において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が無い旨を出力する。また、判定結果がNOである場合には、アキュムレータ14に気液二相冷媒が流入していると判断できるため、余剰冷媒有無判定部51は、ステップA305において、アキュムレータ14内に余剰冷媒が有る旨を出力する。
HGT=f(T2,αO) ・・・(3)
HGP=f(P2,αO) ・・・(4)
以下に、循環組成演算部52の動作について説明する。
なお、以下では、本発明における「循環組成」が、複数の冷媒成分のうちの最も沸点が低い冷媒成分の循環組成αである場合を例に、説明している。また、以下では、本発明における「充填組成」が、複数の冷媒成分のうちの最も沸点が低い冷媒成分の充填組成αOである場合を例に、説明している。
図8に示されるように、まず、循環組成演算部52は、ステップB101において、余剰冷媒有無判定部51の出力を取得し、その出力が、アキュムレータ14内に余剰冷媒が無い旨の出力である場合には、ステップB102に進み、アキュムレータ14内に余剰冷媒が有る旨の出力である場合には、ステップB104に進む。
αG=f(P2,T2) ・・・(5)
以下に、余剰冷媒有無判定部51及び循環組成演算部52の動作の具体例について説明する。
非共沸混合冷媒が、R32冷媒とR1234yf冷媒との混合冷媒であり、R32冷媒とR1234yf冷媒の質量割合が、44wt%と56wt%であり、第二の圧力検出装置22の検出値P2=0.70MPaabsであり、第二の温度検出装置24の検出値T2=1.0℃である場合について説明する。なお、以下に示される物性値は、NIST(National Institute of Standards and Technology)が発売しているREFPROP Version 9.0によって計算された値である。
以下に、動作制御部53の動作について説明する。
図9は、実施の形態1に係る空気調和装置の、動作制御部の動作フローを示す図である。
図9に示されるように、まず、動作制御部53は、ステップC101において、第一の圧力検出装置21の検出値P1と、第二の圧力検出装置22の検出値P2と、循環組成演算部52で算出された循環組成αと、を取得する。
以下に、実施の形態2に係る空気調和装置について説明する。
なお、以下では、実施の形態1と重複又は類似する説明については、適宜簡略化又は省略している。
図10に示されるように、空気調和装置100は、複数の室外機2と、複数の室内機3と、を有する。複数の室外機2と、複数の室内機3と、は、冷媒主管6を介して接続される。室外機2は、2つである場合に限定されない。室内機3は、3つである場合に限定されず、また、1つであってもよい。
制御装置50は、余剰冷媒有無判定部51と、循環組成演算部52と、動作制御部53と、を有する。制御装置50を構成する各部は、複数の室外機2に分けて又は複数の室外機2のうちの代表する一つの室外機2に纏めて設けられてもよく、また、複数の室内機3に分けて又は複数の室内機3のうちの代表する一つの室内機3に纏めて設けられてもよく、また、それら以外に分けて又は纏めて設けられてもよい。余剰冷媒有無判定部51は、本発明における「余剰冷媒有無判定手段」に相当する。循環組成演算部52は、本発明における「循環組成演算手段」に相当する。
以下に、余剰冷媒有無判定部51の動作について説明する。
図11は、実施の形態2に係る空気調和装置の、余剰冷媒有無判定部の動作フローを示す図である。
図11に示されるように、まず、余剰冷媒有無判定部51は、ステップD101において、複数の室外機2のそれぞれから第二の圧力検出装置22の検出値P2と、第二の温度検出装置24の検出値T2と、を取得する。次に、余剰冷媒有無判定部51は、ステップD102において、図5〜図7に示されるような動作フローによって、アキュムレータ14のそれぞれにおける、余剰冷媒の有無を判定する。余剰冷媒有無判定部51は、ステップD103において、全てのアキュムレータ14において余剰冷媒が無いか否かを判定する。判定結果がYESである場合には、余剰冷媒有無判定部51は、ステップD104に進んで、余剰冷媒が無い旨を出力する。判定結果がNOである場合には、余剰冷媒有無判定部51は、ステップD105に進んで、余剰冷媒が有る旨を出力する。
以下に、循環組成演算部52の動作について説明する。
図12は、実施の形態2に係る空気調和装置の、循環組成演算部の動作フローを示す図である。
図12に示されるように、循環組成演算部52は、ステップE105において、第二の圧力検出装置22の検出値P2のうちの、余剰冷媒が有ると判定された室外機2で検出された検出値P2と、第二の温度検出装置24の検出値T2のうちの、余剰冷媒が有ると判定された室外機2で検出された検出値T2と、を取得する。余剰冷媒が有ると判定された室外機2が、複数である場合には、例えば、余剰冷媒が有ると判定された室外機2で検出された検出値P2及び検出値T2の平均値が取得されてもよく、また、余剰冷媒が有ると判定された室外機2で検出された検出値P2及び検出値T2のうちの、代表する室外機2、最も余剰冷媒が多い室外機2等で検出された検出値P2及び検出値T2が取得されてもよい。
Claims (16)
- 圧縮機と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、負荷側熱交換器と、余剰冷媒を貯留するアキュムレータと、が配管で接続され、
沸点が異なる複数の冷媒成分を有する非共沸混合冷媒が充填された冷媒循環回路と、
前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いか否かを判定する余剰冷媒有無判定手段と、
前記余剰冷媒有無判定手段において前記余剰冷媒が無いと判定される場合に、前記非共沸混合冷媒が前記冷媒循環回路を循環する状態での前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、循環組成を、前記余剰冷媒有無判定手段において前記余剰冷媒が無いと判定されない場合と異なる演算方法を用いて演算する循環組成演算手段と、を有する制御装置と、
を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記アキュムレータの上流側に設けられた、圧力検出装置及び温度検出装置の検出値に基づいて、前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いか否かを判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、冷媒組成と、前記圧力検出装置の検出値と、に基づいて、前記アキュムレータに流入する冷媒の飽和ガス温度を、判定の指標値として演算し、
前記温度検出装置の検出値と前記飽和ガス温度とを比較し、
前記温度検出装置の検出値が前記飽和ガス温度を超える場合に、前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いと判定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、冷媒組成と、前記温度検出装置の検出値と、に基づいて、前記アキュムレータに流入する冷媒の飽和ガス圧力を、判定の指標値として演算し、
前記圧力検出装置の検出値と前記飽和ガス圧力とを比較し、
前記圧力検出装置の検出値が前記飽和ガス圧力未満である場合に、前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いと判定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、冷媒組成と、前記温度検出装置の検出値と、に基づいて、前記アキュムレータに流入する冷媒の飽和ガスエンタルピである、温度算出飽和ガスエンタルピを、判定の指標値として演算し、
前記冷媒組成と、前記圧力検出装置の検出値と、に基づいて、前記アキュムレータに流入する冷媒の飽和ガスエンタルピである、圧力算出飽和ガスエンタルピを、判定の指標値として演算し、
前記温度算出飽和ガスエンタルピと前記圧力算出飽和ガスエンタルピとを比較し、
前記温度算出飽和ガスエンタルピが前記圧力算出飽和ガスエンタルピを超える場合に、前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いと判定する、
ことを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記判定の指標値を、圧力、温度、エンタルピ、及び、乾き度のうちの少なくとも一つの冷媒物性に基づいて演算する、
ことを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記冷媒組成として、前記非共沸混合冷媒が前記冷媒循環回路に充填される状態での前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、充填組成を用いる、
ことを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記充填組成として、前記複数の冷媒成分のうちの最も沸点が低い冷媒成分の充填組成を用いる、
ことを特徴とする請求項7に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記循環組成演算手段は、
前記余剰冷媒有無判定手段において前記余剰冷媒が無いと判定される場合に、
前記非共沸混合冷媒が前記冷媒循環回路に充填される状態での前記複数の冷媒成分のうちの最も沸点が低い冷媒成分の組成である、充填組成に、正の値である組成補正値を加算した値を、前記循環組成として演算する、
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、前記最も沸点が低い冷媒成分であるR32冷媒と、R1234yf冷媒と、を主成分とし、
前記R32冷媒の質量割合は、35wt%〜75wt%の範囲に含まれるいずれかの値であり、
前記組成補正値は、+1〜+4wt%の範囲に含まれるいずれかの値である、
ことを特徴とする請求項9に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記非共沸混合冷媒は、前記最も沸点が低い冷媒成分であるR32冷媒と、R1234ze冷媒と、を主成分とし、
前記R32冷媒の質量割合は、35wt%〜75wt%の範囲に含まれるいずれかの値であり、
前記組成補正値は、+1〜+4wt%の範囲に含まれるいずれかの値である、
ことを特徴とする請求項9に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記循環組成演算手段は、
前記余剰冷媒有無判定手段において前記余剰冷媒が無いと判定されない場合に、
前記アキュムレータの上流側に設けられた、圧力検出装置及び温度検出装置の検出値に基づいて、前記循環組成を演算する、
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記冷媒循環回路には、複数の前記アキュムレータが並列に接続され、
前記余剰冷媒有無判定手段は、
前記アキュムレータ毎に、前記余剰冷媒が無いか有るかを判定し、
前記複数のアキュムレータの全てにおいて前記余剰冷媒が無いと判定される場合に、前記余剰冷媒が無いと判定する、
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記循環組成演算手段は、
前記余剰冷媒有無判定手段において前記余剰冷媒が無いと判定されない場合に、
前記複数のアキュムレータのうちの前記余剰冷媒が無いと判定されないアキュムレータの上流側に設けられた、圧力検出装置及び温度検出装置の検出値に基づいて、前記循環組成を演算する、
ことを特徴とする請求項13に記載の冷凍サイクル装置。 - 請求項1〜14のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置である、
ことを特徴とする空気調和装置。 - 圧縮機と、熱源側熱交換器と、絞り装置と、負荷側熱交換器と、余剰冷媒を貯留するアキュムレータと、が配管で接続され、沸点が異なる複数の冷媒成分を有する非共沸混合冷媒が充填された冷媒循環回路を備えた冷凍サイクル装置における、前記非共沸混合冷媒が前記冷媒循環回路を循環する状態での前記複数の冷媒成分のうちの少なくとも一つの冷媒成分の組成である、循環組成の算出方法であって、
前記アキュムレータ内に前記余剰冷媒が無いか否かを判定する余剰冷媒有無判定段階と、
前記余剰冷媒有無判定段階において前記余剰冷媒が無いと判定される場合に、前記循環組成を、前記余剰冷媒有無判定段階において前記余剰冷媒が無いと判定されない場合と異なる演算方法を用いて演算する循環組成演算段階と、
を備えたことを特徴とする循環組成の算出方法。
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