JP6293264B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
これに伴い、地球温暖化係数が小さく、沸点の低い冷媒(例えば、HFO−1123)を採用した冷凍サイクル装置が提案されている(特許文献1を参照)。
このような非共沸混合冷媒を作動冷媒とする冷凍サイクル装置では、アキュームレータ等に高沸点冷媒に富む余剰冷媒が液冷媒として貯留されることで循環冷媒の組成比が変化し、性能低下や高圧上昇による不具合を生じる可能性があることが知られている(特許文献2を参照)。
HFO−1123の不均化反応は、以下のような化学反応である。
CF2=CHF→(1/2)CF4+(3/2)C+HF+(反応熱)
このような反応は、局所的なエネルギーを冷媒に与えることにより発生する。また、高温、高圧の環境下であれば連鎖的に反応が発生する可能性があるという問題があった。
なお、以下で説明する構成等は、一例であり、本発明に係る冷凍サイクル装置は、そのような構成等に限定されない。
また、細かい構造については、適宜図示を簡略化又は省略している。
また、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。
はじめに、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
実施の形態1係る冷凍サイクル装置は、図1に示すように、圧縮機1と、凝縮器2と、膨張弁3と、蒸発器4と、アキュームレータ5(本発明の気液分離器に相当する)と、を順次接続したメイン経路10を備えている。また、メイン経路10の圧縮機1の吐出側から分岐し、三方弁8を介してアキュームレータ5を通過し、メイン経路10における凝縮器2の入口側に接続するバイパス経路9を備えている。そして、これら各構成要素は冷媒配管で接続されている。
図2は、実施の形態1に係るアキュームレータ内の断面図を示す。
図3は、実施の形態1に係るアキュームレータ内の別の例の断面図を示す。
蒸発器4からアキュームレータ5内に流入したガス状態、あるいは二相状態の冷媒は、アキュームレータ5内で分離され、ガス成分のみがU字状の配管を通って圧縮機1の吸入口へと流入する構造を備えている。また、圧縮機1から吐出された吐出ガス冷媒は、バイパス経路9を通り、アキュームレータ5内の液冷媒と熱交換部9aにて間接接触し熱交換する構造を備えている。
図4は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の運転開始の初期状態における冷媒の動作を示した図である。
図5は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の通常運転時の冷媒の動作を示した図である。
図6は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の制御フロー図である。
図7は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置のアキュームレータ前後におけるガス冷媒の温度勾配を示した図である。
図8は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の運転開始の初期状態における圧縮機吐出冷媒の温度変化を示した図である。
図9は、従来の冷凍サイクル装置の通常運転における圧縮機吐出冷媒の温度変化を示した図である。
なお、低沸点冷媒(第1冷媒)がモル比率で70%以下なら反応が抑制されやすいことが知られている。また、高沸点冷媒(第2冷媒)は1種に限らず、2種以上であってもよい。
HFO−1123に富んだ混合冷媒の状態で局所的なエネルギーを冷媒に与えると上記のように不均化反応を誘発する可能性があるが、特に圧縮機1内は高温、高圧になるため、反応が起きる可能性が高い。
はじめに、step1にて冷凍サイクル装置の運転開始が指示されると、step2にて、三方弁8を図4に示すように切り替え、圧縮機1を出た高温、高圧のガス冷媒がバイパス経路9を介してアキュームレータ5側の熱交換部9aを通過するように制御する。同時にstep2では、圧縮機1の回転周波数を通常運転時よりも低周波数に低下させるように制御する。なお、通常運転とは、冷凍サイクル装置の目標能力(冷房又は暖房定格運転など)に対応した目標吐出冷媒温度、圧力となるように圧縮機1の回転数をはじめ、凝縮器2の凝縮器ファン2aの回転数や、膨張弁3の開度、または、蒸発器4の蒸発器ファン4aの回転数などを制御する運転である。
すると、高温、高圧のガス冷媒は三方弁8を介してアキュームレータ5の熱交換部9aに供給され、アキュームレータ5内に貯留された液冷媒と熱交換して高沸点冷媒に富んだ液冷媒を加熱し気化させる。また、圧縮機1の回転周波数を低周波数(例えば通常定格運転時の2/3以下)に低下させることで、図8に示すように運転開始の初期状態において、圧縮機1の吐出冷媒を低温、低圧に抑制する。
なお、このとき圧縮機1の回転周波数を通常定格運転時の2/3以下と少ない冷媒吐出量で運転させるため、吐出冷媒をメイン経路10とバイパス経路9とに分流するとバイパス経路9の流速が遅く冷凍機油が滞留してしまう。したがって、運転開始の初期状態においては三方弁を用いて吐出冷媒の全量をバイパス経路9側に流すことが望ましい。
すなわち、アキュームレータ5に供給される圧縮機1の吐出ガス冷媒の温度を第1温度検知手段6にて検知するとともに、アキュームレータ5にて熱交換をした後の吐出ガス冷媒の温度を第2温度検知手段7にて検知し、図7に示すようにそれらの温度差(図7に示す温度勾配)を演算する。
図5に示す通常運転状態の冷凍サイクル装置では、圧縮機1の回転周波数を冷凍サイクル装置の目標能力に対応した値まで上昇させ、吐出冷媒の状態が目標温度または目標圧力になるよう制御される。この吐出冷媒は、三方弁8から凝縮器2へと流入し熱交換により凝縮する。凝縮後、膨張弁3により減圧され、液または二相状態で蒸発器4へと流入し、熱交換により蒸発する。蒸発後、アキュームレータ5を介してガス冷媒が圧縮機1へと戻るサイクルを形成する。
なお、上記勾配の閾値を複数設け、閾値毎に圧縮機周波数を上昇させてもよい。
図中の二点鎖線は、作動冷媒がHFO−1123単体の組成における不均化反応発生温度を示す。鎖線は、通常運転時の非共沸混合冷媒(HFO−1123及びHFO−1234yf)の組成比における不均化反応発生温度を示す。一点鎖線は、通常運転時の圧縮機1の吐出冷媒温度を示す。図9に示す通常運転の制御では、運転開始後、圧縮機1の吐出冷媒が直ちに目標温度、圧力となるよう制御されるが、運転開始の初期状態はHFO−1123が冷媒回路内に富む状態のため、圧縮機1の吐出温度、圧力が目標値となる前に不均化反応が生じる可能性がある。
そして、吐出ガス冷媒のアキュームレータ5の出入り口温度差が、閾値となる温度勾配より小さくなると、アキュームレータ5内の高沸点冷媒(HFO−1234yf)が気化し、冷媒回路内の低沸点冷媒(HFO−1123)の組成比が低下したと判断して、図5に示すように三方弁8を切り替え、圧縮機1の回転周波数を上昇させて吐出温度及び圧力を上げ、通常運転状態へと移行する。
低沸点冷媒であるHFO−1123と、高沸点冷媒であるHFO−1234yfとの非共沸混合冷媒の場合、運転開始時において沸点の違いによりHFO−1123が冷媒回路内で富む状態となり、通常運転時と比べ低温、低圧の条件でも不均化反応を生じやすい。 このため、運転開始の初期状態において圧縮機1の回転周波数を低くして運転することで吐出冷媒温度及び圧力を抑制し、不均化反応を防止することができる。
さらに、非共沸混合冷媒の組成を通常運転状態に変化させ後、三方弁8を切り替え、アキュームレータ5を経由させずに吐出冷媒を凝縮器2へと流入させることで、アキュームレータ5内の過剰な加熱を防止することができる。
そして、第1温度検知手段6と、第2温度検知手段7との温度差による温度勾配の変化を検知して、アキュームレータ5内に貯留された液冷媒のレベルを判断するため、レベルセンサーを設けることがない簡易な構成で初期状態から通常運転への移行制御が可能になる。
次に、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。
図10は、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
本実施の形態2の冷凍サイクル装置は、基本的な構成が実施形態1と同様であるが、三方弁8の下流側に四方弁11を備え、冷媒の流れ方向を切替え可能としている点で異なっているため、この点のみを説明する。なお、実施の形態1と同一の構成要素については、同一の符号を付している(実施の形態1では熱交換器を凝縮器2及び蒸発器4としているが、実施の形態2では、四方弁11の切替えにより凝縮器2が蒸発器として機能し、蒸発器4が凝縮器として機能することがある)。
実施の形態2に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態1と同様の非共沸混合冷媒を作動冷媒として採用している。
四方弁11により冷媒の流通方向を切り替えることにより、空調対象空間に対して冷房運転及び暖房運転を実施することが可能となる。
図12は、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の通常運転時の冷媒の動作を示した図である。
実施の形態1と同様に運転開始の初期状態は、図11に示すように圧縮機1から吐出されたガス冷媒の熱によりアキュームレータ5内に液冷媒として寝込んでいる高沸点冷媒(HFO−1234yf)の気化を促進させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させることができる。その後、図12のように三方弁8を切り替え、通常運転に移行する。
この移行制御における制御フローは実施の形態1と同様に図6に示す通りである。
実施の形態2に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置と同様にアキュームレータ5内を加熱する経路を有し、特に圧縮機1の運転開始の初期状態においてアキュームレータ5内に貯留された高沸点冷媒(HFO−1234yf)に富む液冷媒を加熱により気化させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させることができる。そして、このアキュームレータ5の加熱中に圧縮機1の回転数を低くすることで吐出冷媒温度及び圧力を抑え、低沸点冷媒(HFO−1123)の不均化反応を抑制することができる。また、図10に示すように四方弁11を設けることで、空調対象空間の冷房運転及び暖房運転を実施することが可能となる。
次に、実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。
図13は、実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。
本実施の形態3に係る冷凍サイクル装置は、基本的な構成が実施形態1と同様であるが、運転開始の初期状態において、圧縮機1の吐出冷媒をアキュームレータ5に供給する構成に加えて、圧縮機1やアキュームレータ5等、停止時に冷媒が貯留しやすい箇所に圧縮機加熱手段13やアキュームレータ加熱手段14を備え、加熱を可能としている点が異なっている。
また、圧縮機1の外面に電気ヒータ等を取り付ける構成とすることもできる。電気ヒータは、抵抗加熱や誘導加熱など様々な加熱方式を採用することができる。
アキュームレータ加熱手段14は、圧縮機加熱手段13と同様に例えば、アキュームレータ5の外面に電気ヒータ等を取り付ける加熱手段を用いることができる。
実施の形態3に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態1と同様の非共沸混合冷媒を作動冷媒として採用している。
実施の形態1と同様に運転開始の初期状態にアキュームレータ5に圧縮機1から吐出ガス冷媒を供給して加熱するとともに、圧縮機1やアキュームレータ5内に液冷媒として寝込んでいる高沸点冷媒(HFO−1234yf)を各加熱手段で加熱して気化を促進させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させる。その際に圧縮機1の回転周波数を低く抑える点は、実施の形態1と同様である。その後、三方弁8を切り替え、通常運転に移行する。なお、アキュームレータ5内の内部有効高さの下端から5%以上50%以下の位置にアキュームレータ加熱手段14を設けることで高沸点冷媒(HFO−1234yf)に富む液冷媒を確実に加熱し気化させるとともに必要以上の加熱を防止することができる。また、アキュームレータ5内の液冷媒を効率的気化させることができるため、冷房運転または暖房運転などの通常運転に短時間で移行することが可能となる。
実施の形態3に係る冷凍サイクル装置は、運転開始の初期状態において、圧縮機1内やアキュームレータ5内に貯留された高沸点冷媒(HFO−1234yf)に富む液冷媒を圧縮機1の吐出ガス冷媒と各加熱手段とにより気化させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させることができる。そして、これらの加熱手段の駆動中に圧縮機1の回転数を低くすることで吐出冷媒温度及び圧力を抑え、低沸点冷媒(HFO−1123)の不均化反応を抑制することができる。
次に、実施の形態4に係る冷凍サイクル装置の構成について説明する。
本実施の形態4に係る冷凍サイクル装置は、基本的な構成が実施形態1と同様であるが、圧縮機1からの吐出ガス冷媒をアキュームレータ5に供給する際に三方弁に代えて冷媒の流通を制御するホットガスバイパス弁15(本発明の二方弁に相当する)を設けた点と、アキュームレータ5内の液冷媒のレベルを測定する液面検知手段16を備える点が異なっている。そして、アキュームレータ5を加熱した後の吐出冷媒を、図14に示すように蒸発器4の出口側、あるいは、図15に示すように凝縮器2の入口側に合流させる。
液面検知手段16は、例えば、液部分とガス部分の温度差から液面を計測するサーミスタ方式等、発光部と受光部から構成され、光の透過状態により液面を測定する光方式、液冷媒や冷凍機油の静電容量を検出し液面を計測する静電容量プローブ方式、超音波が反射して戻ってくる時間を測定して液面を計測する超音波方式などを採用することができる。
実施の形態4に係る冷凍サイクル装置は、実施の形態1と同様の非共沸混合冷媒を作動冷媒として採用している。
実施の形態1と同様に運転開始の初期状態にアキュームレータ5に圧縮機1から吐出ガス冷媒をバイパス経路9のホットガスバイパス弁15を介して供給し、アキュームレータ5内に液冷媒として寝込んでいる高沸点冷媒(HFO−1234yf)を加熱して気化を促進させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させる。その際に圧縮機1の回転周波数を低く抑える点は、実施の形態1と同様である。
凝縮器2の凝縮器ファン2aの回転数を通常運転(冷房又は暖房定格運転時)の4/3以上の回転数で高速運転させる、もしくは、蒸発器4の蒸発器ファン4aの回転数を通常運転(冷房又は暖房定格運転時)の2/3以下の回転数で低速運転させるものである。
運転開始の初期状態において、圧縮機1から吐出されたガス冷媒は、凝縮器2とホットガスバイパス弁15へとそれぞれ分かれて流入する。凝縮器2へと流入した冷媒は膨張弁3、蒸発器4の順に流れる。また、ホットガスバイパス弁15へと流入した冷媒は、アキュームレータ5内の液冷媒を加熱し気化させる。アキュームレータ5を出た冷媒は蒸発器4の出口側で合流し、アキュームレータ5内を経由して圧縮機1へと吸引される。
その後、液面検知手段16により検出されたアキュームレータ5内の液冷媒のレベルが閾値を下回ったときには、ホットガスバイパス弁15を閉じ、圧縮機1の回転周波数を上昇させて通常運転に移行する。
図14と同様に運転開始の初期状態において、圧縮機1から吐出されたガス冷媒は、凝縮器2とホットガスバイパス弁15へとそれぞれ分かれて流入する構成であるが、アキュームレータ5を出た冷媒は凝縮器2の入口側に合流する構成となる。液面検知手段16の検出結果による通常運転への移行は図14の例と同様である。
なお、圧縮機1の起動初期はホットガスバイパス弁15の開度を大きくし、アキュームレータ5内の液面レベルが下がってくるに従って、複数の閾値を設けてホットガスバイパス弁15の開度を小さくし、アキュームレータ5の加熱量を調整してもよい。
実施の形態4に係る冷凍サイクル装置は、運転開始の初期状態において、圧縮機1内やアキュームレータ5内に貯留された高沸点冷媒(HFO−1234yf)に富む液冷媒を圧縮機1の吐出ガス冷媒により気化させ、非共沸混合冷媒の組成比を短時間で通常運転状態に変化させることができる。また、ホットガスバイパス弁15には一部の吐出冷媒が流れており、その他の吐出冷媒は凝縮器2側に流れるため、アキュームレータ5の加熱と併行して冷暖房運転等を継続することができる。
または、凝縮器ファン2aの回転数を通所運転(冷房又は暖房定格運転時)に対して増加させる、もしくは、蒸発器ファン4aの回転数を通常運転(冷房又は暖房定格運転時)に対して低下させることで、冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力を低下させ、圧縮機1の吐出圧力、吐出温度を小さくすることで、非共沸混合冷媒の不均化反応を防止することができる。
Claims (15)
- 第1冷媒と、同一圧力下において前記第1冷媒よりも沸点の高い特性の第2冷媒と、を含む非共沸混合冷媒を作動冷媒とし、圧縮機と、第1熱交換器と、膨張弁と、気液分離器と、第2熱交換器と、を順次接続したメイン経路を少なくとも備えた冷凍サイクル装置であって、
前記第1冷媒は、HFO−1123であり、
前記第2冷媒は、少なくともR32、HFO−1234yf、HFO−1234zeのうちの1つ以上を含むものであり、
前記圧縮機が起動した後の初期状態では、前記第1冷媒に不均化反応を生じさせないように、前記気液分離器内の液冷媒量に基づいて前記圧縮機の吐出冷媒の温度、または圧力を抑制する初期運転を行う冷凍サイクル装置。 - 前記圧縮機の吐出冷媒の温度、または圧力を調整する際に前記圧縮機の回転周波数、前記膨張弁、前記第1熱交換器に対応するファン、前記第2熱交換器に対応するファンのうちのいずれか1つ、もしくは複数を制御する請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記初期運転の間は、前記圧縮機の回転周波数を通常運転より低下させる、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器のうち凝縮器として機能する熱交換器に対応するファンの回転数を通常運転よりも増加させる、前記第1熱交換器と前記第2熱交換器のうち蒸発器として機能する熱交換器に対応するファンの回転数を通常運転よりも減少させる、前記膨張弁の開度を通常運転より開く、それぞれの制御のうちのいずれか1つ、もしくは複数を行う請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記液冷媒量が閾値を下回ったときに前記初期運転を終了し前記圧縮機の吐出冷媒の温度、または圧力を上昇させて通常運転に移行する請求項1〜3のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記気液分離器を加熱する加熱手段を有し、
前記初期運転の間は、前記加熱手段により前記気液分離器を加熱する請求項1〜4のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記加熱手段は、前記圧縮機の吐出冷媒を熱源とする請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記加熱手段は、前記メイン経路から分岐し前記圧縮機の吐出冷媒を前記気液分離器内の液冷媒と熱交換する熱交換部に供給するバイパス経路と、前記バイパス経路に設けられる開閉弁と、を有する請求項6に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記開閉弁は、前記初期運転の間、前記吐出冷媒を前記バイパス経路に流通させるように開き、通常運転に移行すると閉じる開閉制御を行う請求項7に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記開閉弁は、前記メイン経路と前記バイパス経路との分岐部に設けられた三方弁である請求項7または8に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記開閉弁は、前記バイパス経路に設けられた二方弁である請求項7または8に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記加熱手段は、電気ヒータである請求項5に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記加熱手段は、前記気液分離器の内部有効高さの下端から5%以上50%以下の箇所に対応して設置される請求項5〜11のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記気液分離器内の液冷媒量を、前記バイパス経路における前記熱交換部の出入口冷媒温度差によって検知する請求項7〜10のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記気液分離器内の液冷媒量を、前記気液分離器内の液冷媒のレベルを検知する液面検知手段によって検知する請求項7〜11のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記メイン経路の前記圧縮機の吐出側には、吐出冷媒の流路を前記第1熱交換器側と前記第2熱交換器側とに切り替える四方弁が設けられた請求項1〜14のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
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