JP6282135B2

JP6282135B2 - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP6282135B2
Application number: JP2014027775A
Authority: JP
Inventors: 峻浅利; 貴宏図司
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2034-02-17
Also published as: JP2015152262A

Description

本発明の実施形態は、冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷房運転および暖房運転を切り替え可能に構成され、圧縮機に吸入される冷媒と膨張装置に流入する冷媒とを熱交換させる気液熱交換器を備えることによって、成績係数を向上させる冷凍サイクル装置が知られている。この冷凍サイクル装置では、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が過剰に上昇すると、圧縮機の潤滑油の劣化、圧縮機本体の熱膨張による摩耗、およびモータ巻線の損傷などの不具合が生じる虞がある。そのため冷凍サイクル装置において、成績係数を向上させつつ吐出温度の過剰な上昇を防止することが望まれている。

特開２００１−２２１５２７号公報

本発明が解決しようとする課題は、成績係数を向上させつつ吐出温度の過剰な上昇を防止することができる冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第２熱交換器と、第３熱交換器と、バイパス流路と、第２膨張弁と、第１温度センサと、圧力センサと、第２温度センサと、制御部とを持つ。圧縮機と、第１熱交換器と、第１膨張弁と、第２熱交換器とは、冷媒の循環流路において冷媒の流通方向に順次接続されている。第３熱交換器は、循環流路に接続され、圧縮機に吸入される冷媒と第１膨張弁に流入する冷媒とを熱交換させる。バイパス流路は、第１熱交換器と第１膨張弁との間で第３熱交換器を迂回して循環流路に接続されている。第２膨張弁は、バイパス流路を開閉する。第１温度センサは、圧縮機と第１熱交換器との間に配置され、圧縮機から吐出する冷媒の温度を検出する。圧力センサは、第１膨張弁の下流側と圧縮機の上流側との間における冷媒の圧力を検出する。第２温度センサは、第２熱交換器の下流側と第３熱交換器の上流側との間における冷媒の温度を検出する。制御部は、圧力センサによって検出された冷媒の圧力を飽和温度に換算して得られる温度と第２温度センサによって検出された冷媒の温度の差である過熱度を目標過熱度に一致させるように第１膨張弁を制御する。制御部は、第１温度センサによって検出された圧縮機から吐出する冷媒の温度が第１閾値よりも高い場合に目標過熱度を低下させる。制御部は、第１温度センサによって検出された圧縮機から吐出する冷媒の温度が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも高い場合に第２膨張弁を開とする。

実施形態の冷凍サイクル装置の構成を示す図。実施形態の冷凍サイクル装置および比較例の各々の冷凍サイクルのモリエリ線図。実施形態の冷凍サイクル装置および比較例の各々における負荷率に応じた吐出温度の変化を示す図。実施形態の第１の変形例の冷凍サイクル装置の構成を示す図。

以下、実施形態の冷凍サイクル装置を、図面を参照して説明する。

実施形態の冷凍サイクル装置１０は、図１に示すように、冷媒の循環流路を成す配管１０ａによって順次接続された、圧縮機１１、空気熱交換器１２、第１膨張弁１３、水熱交換器１４、アキュムレータ１５、気液熱交換器１６、および第２膨張弁１７を備えている。
圧縮機１１は、圧縮機１１の回転数を制御するインバータ装置１１ａを備えている。圧縮機１１は、冷媒を圧縮して高温高圧の気相の冷媒を吐出する。
空気熱交換器１２は、空気熱交換器１２に対向配置されたファン１８を備え、ファン１８によって送風される空気と循環流路の冷媒とを熱交換する。空気熱交換器１２は、冷凍サイクル装置１０の冷却運転時において圧縮機１１から吐出された気相の冷媒を凝縮する。

第１膨張弁１３は、冷凍サイクル装置１０の冷却運転時において空気熱交換器１２により凝縮した冷媒を膨張させて気液二相の冷媒とする。第１膨張弁１３は、例えば電子膨張弁であって、弁開度に対応する開度ステップ数の増大に伴い、流量が増大傾向に変化するような流量特性を有している。
水熱交換器１４は、水の循環流路を成す水配管１９および水配管１９に配置された循環ポンプ２０を備え、水配管１９の水と循環流路の冷媒とを熱交換する。水熱交換器１４は、いわゆるカウンターフローとなるように構成され、配管１０ａ内の冷媒の流れ方向と水配管１９内の水の流れ方向とが逆方向に設定されている。水熱交換器１４は、冷凍サイクル装置１０の冷却運転時において第１膨張弁１３によって膨張した気液二相の冷媒を蒸発させる。これにより水熱交換器１４は、水配管１９内の水を冷却する。
アキュムレータ１５は、水熱交換器１４から排出された冷媒の気液分離を行ない、液相の冷媒を貯留して、気相の冷媒を圧縮機１１に排出する。

気液熱交換器１６は、例えばプレート式、二重管、および巻き付け管などの何れの形態によって構成されてもよい。気液熱交換器１６は、空気熱交換器１２と第１膨張弁１３との間の配管１０ａと、水熱交換器１４とアキュムレータ１５との間の配管１０ａとに接続されている。気液熱交換器１６は、空気熱交換器１２から排出されて第１膨張弁１３に流入する液相の冷媒と、水熱交換器１４から排出されて圧縮機１１に吸引される気相の冷媒とを熱交換させる。

冷凍サイクル装置１０は、空気熱交換器１２と第１膨張弁１３との間で気液熱交換器１６を迂回するバイパス流路を成すバイパス配管１０ｂを備えている。
第２膨張弁１７は、バイパス配管１０ｂに設けられ、冷凍サイクル装置１０の冷却運転時において空気熱交換器１２により凝縮した冷媒を膨張させて気液二相の冷媒とする。第２膨張弁１７は、例えば電子膨張弁であって、弁開度に対応する開度ステップ数の増大に伴い、流量が増大傾向に変化するような流量特性を有している。

冷凍サイクル装置１０は、配管１０ａに設けられた第１温度センサ２１、第２温度センサ２２、第１圧力センサ２３、および第２圧力センサ２４を備えている。第１温度センサ２１は、圧縮機１１と空気熱交換器１２との間に配置され、圧縮機１１から吐出する冷媒の温度（吐出温度）を検出する。第２温度センサ２２は、水熱交換器１４と気液熱交換器１６との間に配置され、水熱交換器１４から流出する気相の冷媒の温度を検出する。第１圧力センサ２３は、例えば圧縮機１１と空気熱交換器１２との間に配置され、圧縮機１１の下流側と第１および第２膨張弁１３，１７の上流側との間における冷媒の圧力（高圧Ｐ_１）を検出する。第２圧力センサ２４は、例えば水熱交換器１４と気液熱交換器１６との間に配置され、第１および第２膨張弁１３，１７の下流側と圧縮機１１の上流側との間における冷媒の圧力（低圧Ｐ_２）を検出する。

冷凍サイクル装置１０は、冷凍サイクル装置１０を統括して制御する制御装置２５を備えている。
制御装置２５は、第２圧力センサ２４によって検出された冷媒の圧力を飽和温度に換算して得られる温度と第２温度センサ２２によって検出された冷媒の温度との差である過熱度を、目標過熱度に一致させるように第１膨張弁１３を制御する。
制御装置２５は、冷凍サイクル装置１０の冷却運転時において第２膨張弁１７を閉として、気液熱交換器１６による冷媒の熱交換を行なうことによって、過熱度および過冷却度を増大させる。これにより制御装置２５は、図２に示すように、実施形態の冷凍サイクル装置１０において気液熱交換器１６を備えていない構成に相当する比較例に比べて、蒸発側エンタルピー差を増大させ、冷却能力を向上させる。

図３に示すように、実施形態の冷凍サイクル装置１０と、気液熱交換器１６を備えていない比較例とにおいて、定格負荷に対して負荷率を低下させると、吐出温度は低下傾向に変化する。ただし、実施形態では、気液熱交換器１６が挿入されることにより、負荷率にかかわらずに、比較例に比べて吐出温度が上昇する。これにより制御装置２５は、吐出温度が所定の第１閾値よりも高くなることで過剰な高温となる場合には、吐出温度を低下させる。より詳細には、制御装置２５は、第２膨張弁１７を閉とした状態において、圧縮機１１から吐出する冷媒の温度（吐出温度）が第１閾値よりも高い場合には、気液熱交換器１６での熱交換量をできるだけ維持しながら、目標過熱度を低下させ、成績係数を維持した状態で吐出温度を低下させる。さらに、制御装置２５は、第２膨張弁１７を閉とした状態において、吐出温度が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも高い場合には第２膨張弁１７を閉から開へと切り替え、熱交換量の低下および成績係数の低下を許容した状態で吐出温度を低下させる。

以上説明した実施形態によれば、吐出温度が第１閾値よりも高い場合に目標過熱度を低下させる制御装置２５を持つことにより、成績係数を維持した状態で吐出温度を低下させることができる。さらに、吐出温度が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも高い場合に第２膨張弁１７を閉から開へと切り替える制御装置２５を持つことにより、熱交換量の低下および成績係数の低下を許容するものの吐出温度を確実に低下させることができる。これにより、気液熱交換器１６を備えたことに起因する吐出温度の過剰な上昇を防止しつつ、冷却能力および成績係数を向上させることができる。

以下、実施形態の第１の変形例について説明する。
第１の変形例の冷凍サイクル装置１０は、図４に示すように、上述した図１に示す実施形態の冷凍サイクル装置１０において、バイパス配管１０ｂは、空気熱交換器１２と水熱交換器１４との間で第１膨張弁１３および気液熱交換器１６を迂回して配管１０ａに接続されている。
制御装置２５は、第２膨張弁１７の全開および全閉に加えて、第２膨張弁１７の開の状態での弁開度を制御する。これにより制御装置２５は、空気熱交換器１２と水熱交換器１４との間で、配管１０ａおよびバイパス配管１０ｂの各々における冷媒の流量を調整しつつ両方に冷媒を流すことができる。
この第１の変形例によれば、気液熱交換器１６での熱交換量を調整することができる。

以下、実施形態の第２の変形例について説明する。
制御装置２５は、第２膨張弁１７を閉とした状態において吐出温度が第２閾値よりも高い場合に第２膨張弁１７を閉から開へと切り替え、これ以後、吐出温度の変化に応じて第２膨張弁１７の弁開度を調整してもよい。制御装置２５は、例えば、テーブル制御、比例積分制御、および比例積分微分制御などの各種の制御処理によって、第２閾値に対する吐出温度の差が増大傾向であれば弁開度を増大させ、この差が低下傾向であれば弁開度を減少させる。

例えば、制御装置２５は、吐出温度が第２閾値よりも高い場合の第１タイミングで第２膨張弁１７の開度を所定開度に設定する。そして、第１タイミングから所定時間経過後の第２タイミングの吐出温度と第１タイミングの吐出温度との差と、第２タイミングの吐出温度と第２閾値との差とを用いて、第２タイミングでの第２膨張弁１７の弁開度を設定する。この場合、制御装置２５は、テーブル制御によれば、予め記憶している所定テーブルを参照して第２タイミングでの第２膨張弁１７の弁開度を取得する。この所定テーブルは、第２タイミングの吐出温度と第１タイミングの吐出温度との差と、第２タイミングの吐出温度と第２閾値との差と、第２膨張弁１７の弁開度との所定の対応関係を示すテーブルである。

この第２の変形例によれば、吐出温度の変化に応じて第２膨張弁１７の弁開度を調整する制御装置２５を持つので、第２膨張弁１７の開弁によって吐出温度が過剰に低下することを防ぐことができる。例えば、制御装置２５は、吐出温度が第２閾値よりも僅かに小さくなるようにして第２膨張弁１７の弁開度を制御することによって、気液熱交換器１６を最大限に機能させることができる。

以下、実施形態の第３の変形例について説明する。
制御装置２５は、第２膨張弁１７を閉とした状態において吐出温度が第２閾値よりも高い場合に第２膨張弁１７を閉から開へと切り替え、これ以後、過熱度の変化および第２膨張弁１７の弁開度に応じて第１膨張弁１３の弁開度を調整してもよい。例えば、制御装置２５は、予め、第２膨張弁１７の開弁に伴う第１膨張弁１３の動特性の変化を把握しておく。これにより制御装置２５は、第２膨張弁１７の開弁に伴って第１膨張弁１３に流入する冷媒（凝縮液）の状態が変化しても、第１膨張弁１３の弁開度の補正によって所望の制御特性を確保する。

例えば、制御装置２５は、所定周期で繰り返し過熱度を取得し、所定周期ごとに、取得した過熱度と目標過熱度との差と、取得した過熱度の今回値と前回値との差と、を用いて第１膨張弁１３の弁開度に対する開度変更値を設定する。そして、予め把握している第１膨張弁１３の動特性の変化に応じて、第２膨張弁１７の弁開度により開度変更値を補正し、補正後の開度変更値を第１膨張弁１３の弁開度に加算または減算する。制御装置２５は、例えば、テーブル制御、比例積分制御、および比例積分微分制御などの各種の制御処理によって、開度変更値を設定する。例えば、テーブル制御によれば、予め記憶している所定テーブルを参照して第１膨張弁１３の弁開度に対する補正後の開度変更値を取得する。この所定テーブルは、過熱度と目標過熱度との差と、過熱度の今回値と前回値との差と、第２膨張弁１７の弁開度と、開度変更値との所定の対応関係を示すテーブルである。

この第３の変形例によれば、過熱度の変化および第２膨張弁１７の弁開度に応じて第１膨張弁１３の弁開度を調整する制御装置２５を持つので、第２膨張弁１７の開弁に伴って第１膨張弁１３の動特性が変化しても、所望の制御特性を確保することができる。

以下、実施形態の第４の変形例について説明する。
制御装置２５は、圧縮機１１の回転数が変更可能である場合に、圧縮機１１の回転数に応じて目標過熱度を増大させてもよい。
例えば、制御装置２５は、圧縮機１１の回転数が所定回転数以下に低下している状態では、圧縮機１１の所望の信頼性を確保するための指標である凝縮温度と圧縮機１１の底部温度との差を所定の下限値以上に維持するようにして、目標過熱度を増大させる。
この第４変形例によれば、圧縮機１１の回転数に応じて目標過熱度を増大させる制御装置２５を持つことにより、圧縮機１１の回転数が所定回転数以下の低い状態であっても、吐出温度を上昇させて、圧縮機１１の所望の信頼性を確保することができる。

以下、実施形態の第５の変形例について説明する。
制御装置２５は、圧縮比に応じて目標過熱度を増大させてもよい。
例えば、制御装置２５は、第１圧力センサ２３および第２圧力センサ２４によって検出された高圧Ｐ_１および低圧Ｐ_２による圧縮比が所定圧縮比以下に低下している状態では、圧縮機１１の所望の信頼性を確保するための指標である凝縮温度と圧縮機１１の底部温度との差を所定の下限値以上に維持するようにして、目標過熱度を増大させる。
この第５変形例によれば、圧縮比に応じて目標過熱度を増大させる制御装置２５を持つことにより、圧縮比が所定圧縮比以下の低い状態であっても、吐出温度を上昇させて、圧縮機１１の所望の信頼性を確保することができる。

以下、実施形態の他の変形例について説明する。
上述した実施形態において、第１圧力センサ２３は、圧縮機１１の周辺に配置され、第２圧力センサ２４は、水熱交換器１４と気液熱交換器１６との間に配置されるとしたが、これに限定されない。第１圧力センサ２３は圧縮機１１と第１および第２膨張弁１３，１７との間の高圧側に配置されていればよく、第２圧力センサ２４は圧縮機１１と第１および第２膨張弁１３，１７との間の低圧側に配置されていればよい。例えば、第２圧力センサ２４は、圧縮機１１とアキュムレータ１５との間などに配置されてもよい。

以下、実施形態の他の変形例について説明する。
上述した実施形態において、空気熱交換器１２および水熱交換器１４を備えるとしたが、これに限定されず、冷媒を凝縮させる凝縮器および冷媒を蒸発させる蒸発器を備えていればよい。
上述した実施形態において、第１膨張弁１３を備えるとしたが、これに限定されず、冷媒を膨張させる膨張装置を備えていればよい。
上述した実施形態において、第２膨張弁１７を備えるとしたが、これに限定されず、冷媒を膨張させる膨張装置、または電磁弁などによる開閉弁などの開閉器であってもよい。
上述した第１の実施形態において、アキュムレータ１５を備えるとしたが、これに限定されず、アキュムレータ１５は省略されてもよい。
上述した第１の実施形態において、水配管１９に配置された循環ポンプ２０を備えるとしたが、これに限定されず、循環ポンプ２０は冷凍サイクル装置１０の外部に配置されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、吐出温度が第１閾値よりも高い場合に目標過熱度を低下させる制御装置２５を持つことにより、成績係数を維持した状態で吐出温度を低下させることができる。さらに、吐出温度が第１閾値よりも大きい第２閾値よりも高い場合に第２膨張弁１７を閉から開へと切り替える制御装置２５を持つことにより、熱交換量の低下および成績係数の低下を許容するものの吐出温度を確実に低下させることができる。これにより、気液熱交換器１６を備えたことに起因する吐出温度の過剰な上昇を防止しつつ、冷却能力および成績係数を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…冷凍サイクル装置、１０ａ…配管、１０ｂ…バイパス配管、１１…圧縮機、１２…空気熱交換器、１３…第１膨張弁、１４…水熱交換器、１５…アキュムレータ、１６…気液熱交換器、１７…第２膨張弁、１８…ファン、１９…水配管、２０…循環ポンプ、２１…第１温度センサ、２２…第２温度センサ、２３…第１圧力センサ、２４…第２圧力センサ、２５…制御装置

Claims

冷媒の循環流路と、
前記循環流路において前記冷媒の流通方向に順次接続された、圧縮機、第１熱交換器、第１膨張弁、および第２熱交換器と、
前記循環流路に接続され、前記圧縮機に吸入される前記冷媒と前記第１膨張弁に流入する前記冷媒とを熱交換させる第３熱交換器と、
前記第１熱交換器と前記第１膨張弁との間で前記第３熱交換器を迂回して前記循環流路に接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する第２膨張弁と、
前記圧縮機と前記第１熱交換器との間に配置され、前記圧縮機から吐出する前記冷媒の温度を検出する第１温度センサと、
前記第１膨張弁の下流側と前記圧縮機の上流側との間における前記冷媒の圧力を検出する圧力センサと、
前記第２熱交換器の下流側と前記第３熱交換器の上流側との間における前記冷媒の温度を検出する第２温度センサと、
前記圧力センサによって検出された前記冷媒の圧力を飽和温度に換算して得られる温度と前記第２温度センサによって検出された前記冷媒の温度との差である過熱度を、目標過熱度に一致させるように前記第１膨張弁を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１温度センサによって検出された前記圧縮機から吐出する前記冷媒の温度が第１閾値よりも高い場合に前記目標過熱度を低下させ、
前記第１温度センサによって検出された前記圧縮機から吐出する前記冷媒の温度が前記第１閾値よりも大きい第２閾値よりも高い場合に前記第２膨張弁を開とする、
冷凍サイクル装置。