JP7101875B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
蒸発過程において温度勾配を有する非共沸混合冷媒を使用する場合には、蒸発器の温度が一様でないため、偏着霜を生じる。このため、蒸発器の熱交換性能が低下する。
特開平9-133433号公報(特許文献1)は、着霜を効果的に抑制でき、かつ熱交換性能も向上させることが可能となる熱交換器を開示する。
特開平9-133433号公報
特開平9-133433号公報(特許文献1)では、蒸発過程における圧力を徐々に低下させるように蒸発器が構成され、それにより、蒸発過程における冷媒の温度上昇を効果的に抑制する。
しかし、蒸発器の圧力損失を大きくすると、圧縮比が大きくなるため冷凍サイクル装置の運転性能が著しく低下する可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、偏着霜を抑えつつ、運転効率の低下を抑制する冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本開示は、非共沸混合冷媒を使用する冷凍サイクル装置に関する。冷凍サイクル装置は、非共沸混合冷媒が圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器の順に循環するように構成された冷媒回路を備える。蒸発器は、第1の圧力損失を有するように構成される。蒸発器が第1の圧力損失を有する場合、蒸発器の冷媒入口における冷媒と空気の温度差と蒸発器の冷媒出口における冷媒と空気の温度差が等しくなるような第2の圧力損失を有する場合よりも、冷凍サイクル装置の成績係数が改善される。
本開示の冷凍サイクル装置によれば、成績係数で示される効率を低下させないように蒸発器の圧力損失が設定されているので、偏着霜の抑制と運転効率の低下の抑制を共に行なうことができる。
実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 非共沸混合冷媒を使用する冷凍サイクル装置のp-h線図の例である。 蒸発器の圧力損失と成績係数(COP)との関係を示した図である。 通常の圧力損失の熱交換器の例を示す図である。 圧力損失を増加させた熱交換器の第1例を示す図である。 圧力損失を増加させた熱交換器の第2例を示す図である。 実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 蒸発ユニット104A~104Cの切替制御について説明するための図である。 実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図1を参照して、冷凍サイクル装置10は、非共沸混合冷媒が圧縮機1、凝縮器2、膨張装置3、蒸発器4の順に循環するように構成された冷媒回路と、凝縮器2に送風するためのファン5と、蒸発器4に送風するためのファン6と、配管11~14とを備える。
配管11は、圧縮機1の吐出口と凝縮器2の冷媒入口とを接続する。配管12は、凝縮器2の冷媒出口と膨張装置3の冷媒入口とを接続する。配管13は、膨張装置3の冷媒出口と蒸発器4の冷媒入口とを接続する。配管14は、蒸発器4の冷媒出口と圧縮機1の吸入口とを接続する。
例えば、組成が質量比率でR32が49wt%、R125が11.5wt%、CFIが39.5wt%であるR466Aを冷凍サイクル装置10の非共沸混合冷媒として使用することができる。
膨張装置3としては、開度が変更可能な電子膨張弁を使用することができるが、温度式自動膨張弁または開度が固定されたキャピラリーチューブなどを使用しても良い。
図2は、非共沸混合冷媒を使用する冷凍サイクル装置のp-h線図の例である。一般に、図1の冷媒回路において非共沸冷媒を用いた場合、p-h線図上での等温線は図2のT=T1、T=T2(ただし、T1>T2)に示すように傾きを有する。これに対して蒸発器に圧力損失がなく、圧力が一定の場合にはp-h線図上での蒸発器の部分は、ほぼ水平である。
蒸発器に圧力損失がある場合には、比エンタルピーが増加するに従い圧力が低下するが、一般的な蒸発器の圧力損失は小さい。このため、蒸発器の冷媒入口部分の冷媒温度を基準とすると、蒸発器の圧力損失による蒸発器の冷媒出口部の温度降下よりも、非共沸冷媒の温度勾配による蒸発器の冷媒出口部の温度上昇の方が大きい。したがって冷媒入口側に対して冷媒出口側の方が温度が高くなる。蒸発器の圧力損失が無い場合には、図2では蒸発器の冷媒入口(点D)の温度はT=T2であり冷媒出口(点A’)の温度はT=T1である。
一方、冷却器として動作する場合、蒸発器を通過する風の温度は蒸発器の冷媒入口側および冷媒出口側で等しい。このため、非共沸冷媒の温度勾配により冷媒出口側の冷媒温度は、冷媒入口側と比較して、空気との温度差が小さくなるため、熱交換性能が低下してしまう。空気の温度が仮にT=T1であるとすると、蒸発器の冷媒入口(点D)側ではΔT=(T1-T2)の温度差があり、空気からの熱によって冷媒を蒸発させることができるが、蒸発器の冷媒出口(点A’)側ではΔT≒0となって冷媒を蒸発させることができず、熱交換性能が低下する。
そこで、非共沸冷媒を用いた場合、図2のD-Aに示すように、蒸発器の冷媒入口から冷媒出口までに生じる温度勾配による温度上昇と、蒸発器の圧力損失相当の飽和温度の低下とを同程度に調整することが考えられる。その場合、蒸発器の冷媒温度はT=T2で均一となる。したがって、冷媒入口(点D)から冷媒出口(点A)に至る部分の冷媒温度T2と空気温度T1との温度差ΔT=(T1-T2)は一定となる。したがって、温度勾配に対して圧力損失相当の飽和温度低下分が小さい一般的な蒸発器(D-A’)の場合より、蒸発器の冷媒出口部における空気と冷媒の温度差が大きくなるので、熱交換能力を向上させることができる。
また、蒸発器の冷媒入口での冷媒温度と空気の温度差と冷媒出口での冷媒温度と空気の温度差とを同程度に調整することによって、蒸発器への着霜は均等に生じるようになる。したがって、偏着霜によって蒸発器の一部において目詰まりが進行し、蒸発器の性能が低下することを防ぐことができる。また、蒸発器に全く着霜しないように除霜運転を行なっている場合には、着霜が生じにくくなるため、除霜運転の頻度を下げて暖房効率を上げることができる。
しかし、蒸発器の圧力損失を大きくするほど、蒸発器の冷媒出口側の冷媒温度と空気の温度に温度差が生じ熱交換の能力が向上するが、その分圧縮機の圧縮比も大きくなるため圧縮機の入力が悪化する。したがって、本実施の形態では、蒸発器能力を圧縮機の入力で除した効率である成績係数(COP:Coefficient Of Performance)が最も高くなるように圧力損失を調整する。
図3は、蒸発器の圧力損失と成績係数(COP)との関係を示した図である。図3では、横軸に蒸発器の圧力損失に対応する飽和温度(K)が示され、縦軸にはCOPが示されている。図3に示す特性は、圧力損失が異なる熱交換器を複数用意して予め実験的に求めておいても良いし、シミュレーションで熱交換器の圧力損失を変化させて調べても良い。図3に示すように、飽和温度TPにおいてCOPは最大となる。この飽和温度TPの前後の温度範囲TL~THが高COP領域である。実施の形態1では、図3において、圧力損失に相当する飽和温度が高COP領域となるように蒸発器4の圧力損失が調整される。
図4は、通常の圧力損失の熱交換器の例を示す図である。図5は、圧力損失を増加させた熱交換器の第1例を示す図である。図6は、圧力損失を増加させた熱交換器の第2例を示す図である。熱交換器の圧力損失は、伝熱管の内径、長さなど熱交換器の構造により変えることができる。
図5に示す熱交換器4Aは、図4の配管42に比べて、配管44の長さを長くして圧力損失を増加させている。その結果、図5のフィン43の数も図4のフィン41の数よりも増えている。
図6に示す熱交換器4Bは、図4の配管42に比べて、配管46の径を細くして圧力損失を増加させている。この場合、図6のフィン45の数は、図4のフィン41の数と変わらない。
このように、蒸発器の配管の長さまたは配管の径を調整することによって、図3に示すCOPが最大値に近づくような蒸発器を作ることができる。
以上説明したように、実施の形態1では、蒸発器4は、高COP領域(図3のTL~TH)に対応する第1の圧力損失を有するように構成される。蒸発器4が第1の圧力損失を有する場合、蒸発器4の冷媒入口における冷媒と空気の温度差と蒸発器4の冷媒出口における冷媒と空気の温度差とが等しくなるような第2の圧力損失を有する場合(図2のD-Aに対応する)よりも、冷凍サイクル装置10の成績係数が改善される。
このように、非共沸冷媒を用いた際に、蒸発器4に積極的に圧力損失が生じるように構成することによって、蒸発器の冷媒入口と冷媒出口での冷媒と空気の温度差が大幅に異なることを避けることに加えて、COPが高領域に収まるように蒸発器4の圧力損失を調整することができる。
これにより、冷凍機または空調機などの冷凍サイクル装置に温度勾配が生じる非共沸混合冷媒を用いたとしても、運転性能を向上させることができる。具体的には、混合冷媒の温度勾配に対応した蒸発器の圧力損失で温度を略均一にし、蒸発器の伝熱性能を最適化して、冷凍サイクル装置全体の運転性能向上を実現する。また蒸発器の圧力損失を空気と冷媒の温度差を略一定に保つように設定することで、偏着霜を抑制しつつ、熱交換器の性能向上と除霜時間の短縮とが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態1では、蒸発器性能を確保するために圧力損失を大きくしすぎると、圧縮機の圧縮比が大きくなり、冷凍サイクル装置全体の効率が低下するので、COPが高領域となるように圧力損失を調整した。
しかし、冷凍サイクル装置に要求される冷凍能力は変動するので、蒸発器の圧力損失を固定すると運転条件によってはCOPが低くなる場合も考えられる。
そこで、実施の形態2では、圧力損失の異なる複数の蒸発器を用意し、使用する蒸発器を切り替えることによって蒸発器の圧力損失をフレキシブルに調整し、様々な条件においてもCOPを高領域に保つように制御する。
図7は、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図7を参照して、冷凍サイクル装置20は、非共沸混合冷媒が圧縮機101、凝縮器102、膨張装置103、蒸発器104の順に循環するように構成された冷媒回路と、凝縮器102に送風するためのファン107と、蒸発器104に送風するためのファン106と、配管111~114とを備える。
配管111は、圧縮機101の吐出口と凝縮器102の冷媒入口とを接続する。配管112は、凝縮器102の冷媒出口と膨張装置103の冷媒入口とを接続する。配管113は、膨張装置103の冷媒出口と蒸発器104の冷媒入口とを接続する。配管114は、蒸発器104の冷媒出口と圧縮機101の吸入口とを接続する。
例えば、組成が質量比率でR32が49wt%、R125が11.5wt%、CFIが39.5wt%であるR466Aを冷凍サイクル装置20の非共沸混合冷媒として使用することができる。
膨張装置103としては、開度が変更可能な電子膨張弁を使用することができるが、温度式自動膨張弁または開度が固定されたキャピラリーチューブなどを使用しても良い。
蒸発器104は、圧力損失が互いに異なる複数の蒸発ユニット104A~104Cと、圧力損失調整機構105とを備える。圧力損失調整機構105は、蒸発ユニット104A~104Cの冷媒入口部にそれぞれ配置された電磁弁105A~105Cを含む。
蒸発ユニット104A~104Cは、冷媒回路において並列に設置されている。電磁弁105A~105Cのうちいずれか1つの切替弁を開き、他の切替弁を閉じることによって使用される蒸発ユニットが決められる。
冷凍サイクル装置20は、蒸発器104の圧力損失を切り替える制御装置120をさらに備える。
制御装置120は、CPU(Central Processing Unit)121と、メモリ122(ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory))と、各種信号を入出力するための入出力バッファ(図示せず)等を含んで構成される。CPU121は、ROMに格納されているプログラムをRAM等に展開して実行する。ROMに格納されるプログラムは、制御装置120の処理手順が記されたプログラムである。制御装置120は、これらのプログラムに従って、冷凍サイクル装置20における各機器(圧縮機101、ファン106,107、膨張装置103、電磁弁105A~105C)の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
例えば、圧縮機101がインバータ制御されていた場合、運転周波数によって冷媒回路内の流速は変動する。圧力損失は流速に依存するため、その際、蒸発器104の圧力損失も変化し、最適な圧力損失ではなくなる可能性もある。したがって、実施の形態2では、随時最適な圧力損失となるように使用する蒸発ユニットを切り替える。
図8は、蒸発ユニット104A~104Cの切替制御について説明するための図である。制御装置120は、圧縮機の運転周波数と使用する蒸発ユニットとの関係を示したマップをメモリ122に予め保持している。このマップに従って、次のように制御装置120は電磁弁105A~105Cを制御する。
圧縮機の運転周波数がf1~f2の間にある場合には、蒸発ユニット104Aが使用される。このとき制御装置120は、電磁弁105Aを開き、電磁弁105B,105Cを閉じる。
圧縮機の運転周波数がf2~f3の間にある場合には、蒸発ユニット104Bが使用される。このとき制御装置120は、電磁弁105Bを開き、電磁弁105A,105Cを閉じる。
圧縮機の運転周波数がf3~f4の間にある場合には、蒸発ユニット104Cが使用される。このとき制御装置120は、電磁弁105Cを開き、電磁弁105A,105Bを閉じる。
すると、圧縮機の運転周波数がf1~f4の間で変動しても、蒸発器の圧力損失に対応する冷媒の飽和温度はTL~THの範囲に保たれるので、冷凍サイクル装置20を高COP領域で動作させることができる。
実施の形態2に示した冷凍サイクル装置20は、圧力損失の異なる複数の蒸発ユニットを並列に接続し、必要な圧力損失に応じて使用する蒸発ユニットを切り替えることが可能に構成される。
蒸発ユニットを切り替えることによって、蒸発器104は、高COP領域(図3のTL~TH)に対応する第1の圧力損失を有するように構成される。蒸発器104が第1の圧力損失を有する場合、蒸発器104の冷媒入口における冷媒と空気の温度差と蒸発器104の冷媒出口における冷媒と空気の温度差とが等しくなるような第2の圧力損失を有する場合よりも、冷凍サイクル装置20の成績係数が改善される。
好ましくは、蒸発器104は、圧力損失を調整可能な圧力損失調整機構105を備える。
より好ましくは、蒸発器104は、互いに並列に接続された圧力損失が互いに異なる複数の蒸発ユニット104A~104Cをさらに備える。圧力損失調整機構105は、複数の蒸発ユニット104A~104Cの一部を選択して非共沸混合冷媒を流すように構成される。
さらに好ましくは、図8に示すように、圧力損失調整機構105は、圧縮機101の運転周波数に基づいて、蒸発ユニット104A~104Cから非共沸混合冷媒を流す蒸発ユニットを選択するように構成される。圧力損失調整機構105は、蒸発ユニット104A~104Cにそれぞれ対応する電磁弁105A~105Cを含む。
実施の形態1で記載した通り、蒸発器104の圧力損失を調整することで、蒸発器の偏着霜の抑制、能力の向上、COPの最適化が可能であるとともに、実施の形態2では、さらに、圧力損失の異なる蒸発ユニット104A~104Cを切り替えて使用することが可能に構成される。これにより、蒸発器104の圧力損失をフレキシブルに調整することができるので、様々な条件においても冷凍サイクル装置20のCOPが最大となる制御が可能となる。
また、圧力損失調整機構105は、第1の圧力損失(効率重視)と第2の圧力損失(冷凍能力重視)とに蒸発器204の圧力損失を変更することが可能に構成されてもよい。たとえば、蒸発ユニット104A~104Cのうちの1つを効率を重視した圧力損失に設計し、他の1つを冷凍能力重視の圧力損失に設計して、適宜これらを選択すれば良い。このように、蒸発器104の圧力損失を可変とすることによって、冷凍能力を優先する場合は、蒸発器の冷媒入口および冷媒出口において空気と冷媒の温度差が同程度となるよう圧力損失を調整し、効率を優先する場合は、COPが最大となる圧力損失へと調整することも可能である。
実施の形態3.
実施の形態3では、実施の形態2のように蒸発器の圧力損失を可変とする他の構成について説明する。
図9は、実施の形態3に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図9を参照して、冷凍サイクル装置30は、非共沸混合冷媒が圧縮機201、凝縮器202、膨張装置203、蒸発器204の順に循環する冷媒回路と、蒸発器204に送風するためのファン208と、凝縮器202に送風するためのファン209と、配管211~214とを備える。
配管211は、圧縮機201の吐出口と凝縮器202の冷媒入口とを接続する。配管212は、凝縮器202の冷媒出口と膨張装置203の冷媒入口とを接続する。配管213は、膨張装置203の冷媒出口と蒸発器204の冷媒入口とを接続する。配管214は、蒸発器204の冷媒出口と圧縮機201の吸入口とを接続する。
例えば、組成が質量比率でR32が49wt%、R125が11.5wt%、CFIが39.5wt%であるR466Aを冷凍サイクル装置30の非共沸混合冷媒として使用することができる。
膨張装置203としては、開度が変更可能な電子膨張弁を使用することができるが、温度式自動膨張弁または開度が固定されたキャピラリーチューブなどを使用しても良い。
蒸発器204は、冷媒回路において直列に配置される蒸発ユニット205,206と、蒸発ユニット205,206の間に配置される圧力損失調整機構207とを含む。
圧力損失調整機構207は、圧力損失を変更することが可能に構成される。
冷凍サイクル装置30は、圧力損失調整機構207の圧力損失を変更する制御装置220をさらに備える。
制御装置220は、CPU221と、メモリ222(ROMおよびRAM)と、各種信号を入出力するための入出力バッファ(図示せず)等を含んで構成される。CPU221は、ROMに格納されているプログラムをRAM等に展開して実行する。ROMに格納されるプログラムは、制御装置220の処理手順が記されたプログラムである。制御装置220は、これらのプログラムに従って、冷凍サイクル装置30における各機器(圧縮機201、ファン208,209、膨張装置203、圧力損失調整機構207)の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
例えば、圧縮機201がインバータ制御されていた場合、圧縮機201の運転周波数によって冷媒回路内の流速は変動する。圧力損失は流速に依存するため、その際、蒸発器204の圧力損失も変化し、最適な圧力損失ではなくなる可能性もある。したがって、実施の形態3では、随時最適な圧力損失となるように圧力損失調整機構207の圧力損失を変更する。
再び図9を参照して、冷凍サイクル装置30は、非共沸混合冷媒が圧縮機201、凝縮器202、膨張装置203、蒸発器204の順に循環するように構成された冷媒回路を備える。蒸発器204は、高COP領域(図3のTL~TH)に対応する第1の圧力損失を有するように構成される。蒸発器204が第1の圧力損失を有する場合、蒸発器204の冷媒入口における冷媒と空気の温度差と蒸発器204の冷媒出口における冷媒と空気の温度差とが等しくなるような第2の圧力損失を有する場合よりも、冷凍サイクル装置30の成績係数が改善される。
好ましくは、蒸発器204は、圧力損失を調整可能な圧力損失調整機構207を備える。圧力損失調整機構207は、電気信号によって圧力損失を変更可能に構成されていればよい。
より好ましくは、図9に示すように、圧力損失調整機構207は、圧力損失を変更するように構成された弁230を備える。弁230としては、例えば、電子膨張弁などを使用することができる。
圧縮機201の運転周波数が変化すると、COPが最大となる蒸発器の圧力損失も変化する場合がある。そこで好ましくは、弁230は、圧縮機201の運転周波数に基づいて、圧力損失が決定されるように構成される。
また、圧力損失調整機構207は、高COP領域に対応する第1の圧力損失と冷凍能力が最大となる第2の圧力損失とに蒸発器204の圧力損失を変更することが可能に構成される。このように、蒸発器204の圧力損失を可変とすることによって、冷凍能力を優先する場合は、蒸発器の冷媒入口および冷媒出口において空気と冷媒の温度差が同程度となるよう圧力損失を調整し、効率を優先する場合は、COPが最大となる圧力損失へと調整することも可能である。
このように、実施の形態3では、蒸発器204の中間点に圧力損失を調整可能な弁230を備え、必要に応じて圧力損失を調整する。これにより、実施の形態2と同様に、冷媒の流速に応じ変化する蒸発器の圧力損失を随時目標の圧力損失へと調整し、最適なCOPを維持することが可能である。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,101,201 圧縮機、2,102,202 凝縮器、3,103,203 膨張装置、4,104,204 蒸発器、4A,4B 熱交換器、5,106,107,208,209 ファン、10,20,30 冷凍サイクル装置、11~14,42,44,46,111~114,211~214 配管、41,43,45 フィン、104A,104B,104C,205,206 蒸発ユニット、105,207 圧力損失調整機構、105A,105B,105C 電磁弁、120,220 制御装置、121,221 CPU、122,222 メモリ、230 弁。

Claims (4)

  1. 非共沸混合冷媒を使用する冷凍サイクル装置であって、
    前記非共沸混合冷媒が圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器の順に循環するように構成された冷媒回路を備え、
    前記蒸発器は、
    互いに並列に接続することが可能に構成された複数の冷媒流路と、
    圧力損失を調整可能な圧力損失調整機構と、
    前記圧力損失調整機構を制御する制御装置とを備え、
    前記圧力損失調整機構は、各々が前記複数の冷媒流路の少なくとも一部を用いた複数の熱交換流路の1つを選択して前記非共沸混合冷媒を流すように構成され、
    前記複数の熱交換流路は、互いに圧力損失が異なるように構成され
    前記制御装置は、前記圧縮機の運転周波数に基づいて、前記圧力損失調整機構を制御する、冷凍サイクル装置。
  2. 前記複数の冷媒流路は、圧力損失が互いに異なる複数の蒸発ユニットに形成された冷媒流路であり、
    前記圧力損失調整機構は、前記複数の蒸発ユニットの1つを選択して前記非共沸混合冷媒を流すように構成され、
    前記複数の蒸発ユニットは、少なくとも第1~第3の蒸発ユニットを含み、
    前記制御装置は、
    (a)前記圧縮機の運転周波数が第1周波数の場合には、前記第1の蒸発ユニットを選択し、前記第2蒸発ユニットおよび前記第3蒸発ユニットを非選択とするように前記圧力損失調整機構を制御し、
    (b)前記圧縮機の運転周波数が前記第1周波数より高い第2周波数の場合には、前記第2の蒸発ユニットを選択し、前記第1蒸発ユニットおよび前記第3蒸発ユニットを非選択とするように前記圧力損失調整機構を制御し、
    (c)前記圧縮機の運転周波数が前記第2周波数より高い第3周波数の場合には、前記第3の蒸発ユニットを選択し、前記第1蒸発ユニットおよび前記第2蒸発ユニットを非選択とするように前記圧力損失調整機構を制御するように構成される、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記圧力損失調整機構は、前記複数の蒸発ユニットにそれぞれ前記非共沸混合冷媒を流す量を変更可能な複数の弁を備える、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記複数の弁は、前記圧縮機の運転周波数に基づいて決定される前記蒸発器の圧力損失を実現するように開閉される、請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
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