JP7150193B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体の冷媒（液冷媒）を貯留するレシーバを備える冷凍サイクル装置に関する。

従来、液冷媒を貯留するレシーバを備える冷凍サイクル装置が知られている。たとえば、特開２０１５－８７０６５号公報（特許文献１）には、複数のレシーバを備える空気調和機が開示されている。当該空気調和装置によれば、流量調整装置によって各レシーバに溜まる冷媒量が調整されることにより、空調運転の運転状況に応じて冷媒回路を循環する冷媒量を最適な冷媒量に調整することができる。

特開２０１５－８７０６５号公報

特許文献１に開示されている空気調和装置において、凝縮器と膨張弁との間に１つのレシーバが接続されている。冷媒漏洩等によって冷凍サイクル装置を循環する冷媒が不足すると、レシーバに貯留されている液冷媒が減少し、レシーバから気液二相の冷媒が流出し得る。レシーバから気液二相の冷媒が流出する場合、空気調和装置に冷媒が補充されるまで空気調和装置の性能が低下した状態で空気調和装置の運転が継続される。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することである。

本発明に係る冷凍サイクル装置においては、冷媒が圧縮機、第１熱交換器、第１レシーバ、第１膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する。冷凍サイクル装置は、第２レシーバと、バイパス部と、分離機構と、制御装置とを備える。第２レシーバは、第１レシーバと第１膨張弁との間に接続されている。バイパス部は、圧縮機の吸入ポートに接続されている。分離機構は、第１レシーバからの冷媒の一部をバイパス部に導く。制御装置は、第１レシーバと分離機構との間を流れる冷媒の特定状態を検知する。第１レシーバおよび第２レシーバは、液体の冷媒を貯留する。分離機構は、第１レシーバから液体の冷媒が流出する場合、液体の冷媒をバイパス部に導き、第１レシーバから気液二相の冷媒が流出する場合、気体の冷媒をバイパス部に導く。バイパス部は、減圧装置と、加熱装置とを含む。減圧装置は、分離機構からの冷媒を減圧する。加熱装置は、減圧装置からの冷媒を加熱する。制御装置は、加熱装置による加熱後の冷媒の第１温度を用いて特定状態を検知し、特定状態が気液二相状態である場合、冷媒の不足を報知する。

本発明によれば、第１レシーバと第１膨張弁との間に接続された第２レシーバにより、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の分離機構の構成を示す図である。 図１の制御装置によって行われる冷媒不足判定処理の流れを示すフローチャートである。 変形例１に係る分離機構の構成を示す図である。 図５の分離機構をＺ軸方向から平面視した図である。 変形例２に係る分離機構の構成を示す図である。 変形例３に係る分離機構の構成を示す図である。 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。 図９の制御装置によって行われる冷媒不足判定処理の流れを示すフローチャートである。 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。 実施の形態４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。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

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１００の構成を示す機能ブロック図である。冷凍サイクル装置１００としては、たとえば、冷凍機、空気調和機、あるいはショーケースを挙げることができる。

図１に示されるように、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１と、凝縮器２（第１熱交換器）と、レシーバ３１（第１レシーバ）、レシーバ３２（第２レシーバ）と、膨張弁４１（第１膨張弁）と、蒸発器５（第２熱交換器）と、分離機構６０と、バイパス部７０と、制御装置１０とを備える。冷凍サイクル装置１００において冷媒は、圧縮機１、凝縮器２、レシーバ３１、分離機構６０、レシーバ３２、膨張弁４１、蒸発器５の順に循環する。

レシーバ３１，３２は、液体の冷媒を貯留する。レシーバ３１，３２に液冷媒が貯留されている場合、飽和液の冷媒がレシーバ３１，３２から流出する。冷凍サイクル装置１００には、レシーバ３１が液冷媒によって満たされない程度の量の冷媒が封入される。レシーバ３２は、液冷媒によって満たされてもよい。レシーバ３２の容積は、レシーバ３１の容積よりも小さい。なお、レシーバ３２は、レシーバ３１からの冷媒が重力方向に逆らって流れるように形成された配管であってもよい。当該配管の内径は、レシーバ３１と３２との間の流路を形成する配管の内径よりも大きい。

レシーバ３２は、レシーバ３１と膨張弁４１との間に接続されている。バイパス部７０は、分離機構６０と圧縮機１の吸入ポートとの間に接続されている。分離機構６０は、流路６１（第１流路）と、流路６２（第２流路）と、流路６３（第３流路）とを含む。流路６３には、レシーバ３１からの冷媒が流入する。流路６１は、レシーバ３１からの冷媒の一部をレシーバ３２に導く。流路６２は、レシーバ３１からの冷媒の残部をバイパス部７０に導く。すなわち、冷媒は、圧縮機１、凝縮器２、レシーバ３１、分離機構６０、およびバイパス部７０の順にも循環する。

バイパス部７０は、キャピラリチューブ７１（減圧装置）と、加熱装置７２と、温度センサ７３，７４とを含む。キャピラリチューブ７１は、分離機構６０からの冷媒を減圧する。キャピラリチューブ７１に替えて膨張弁が用いられてもよい。加熱装置７２は、キャピラリチューブ７１からの冷媒を加熱する。温度センサ７３は、加熱装置７２による加熱後の冷媒の温度Ｔ１（第１温度）を測定して制御装置１０に出力する。温度センサ７４は、加熱装置７２による加熱前の冷媒の温度Ｔ２（第２温度）を測定して制御装置１０に出力する。

制御装置１０は、レシーバ３１からの冷媒の状態を検知する。制御装置１０は、当該状態が気液二相状態である場合、冷媒の不足を報知する。制御装置１０は、圧縮機１の駆動周波数を制御して、圧縮機１が単位時間当たりに吐出する冷媒量を制御する。制御装置１０は、加熱装置７２を制御する。

図２は、図１の制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、制御装置１０は、処理回路１１と、メモリ１２と、入出力部１３とを含む。処理回路１１は、専用のハードウェアであってもよいし、メモリ１２に格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路１１が専用のハードウェアである場合、処理回路１１には、たとえば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、あるいはこれらを組み合わせたものが該当する。処理回路１１がＣＰＵの場合、制御装置１０の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアあるいはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２に格納される。処理回路１１は、メモリ１２に記憶されたプログラムを読み出して実行する。メモリ１２には、不揮発性または揮発性の半導体メモリ（たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、あるいはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory））、および磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。なお、ＣＰＵは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも呼ばれる。

図３は、図１の分離機構６０の構成を示す図である。図３においてＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交している。重力方向Ｇｄは、Ｚ軸のマイナス方向である。図５～図８においても同様である。

図３に示されるように、流路６１，６３は、Ｘ軸方向に延在している。流路６２は、流路６２と流路６１との接続部分から重力方向Ｇｄとは逆方向（Ｚ軸のプラス方向）に分岐している。気体の冷媒（ガス冷媒）の密度は、液冷媒の密度より小さい。流路６３からの冷媒の状態がガス冷媒と液冷媒とが混在する気液二相状態である場合、液冷媒が流路６１に流入し、ガス冷媒が流路６２に流入する。すなわち、分離機構６０は、レシーバ３１からの冷媒の状態が気液二相状態である場合、ガス冷媒をバイパス部７０に導く。

流路６２に流入するガス冷媒の流速を、ガス冷媒に伴って液冷媒が流路６２内の内壁を上昇し始めるときの冷媒の流速（ゼロペネトレーション流速）よりも低くすることにより、液冷媒が流路６２に流入するのをさらに抑制することができる。ゼロペネトレーションとは、湿り蒸気が流路内を重力方向に逆らって上昇する場合、ガス冷媒に伴って液冷媒が流路内の側壁を上昇する現象である。流路６３に湿り蒸気が流れている場合に流路６３から流路６２に流入するガス冷媒の流速がゼロペネトレーション流速となるときの基準内径ｄ０とするとき、流路６２の内径ｄは基準内径ｄ０よりも大きくすることが好ましい。なお、ゼロペネトレーション流速は、内径ｄ、ガス冷媒の密度、および液冷媒の密度から、公知の手法を用いて算出することができる。

レシーバ３１に液冷媒が貯留されている場合、バイパス部７０には液冷媒が導かれる。当該液冷媒は、キャピラリチューブ７１によって減圧されて気液二相の冷媒（湿り蒸気）となる。加熱装置７２から湿り蒸気に与えられる熱のほとんどは、湿り蒸気に含まれる液冷媒の気化熱として使用される。その結果、加熱装置７２の加熱による湿り蒸気の温度変化はほとんど生じない。一方、冷媒漏洩等により冷凍サイクル装置１００を循環する冷媒が不足し、レシーバ３１から湿り蒸気が流出する場合、バイパス部７０にはガス冷媒が導かれ、キャピラリチューブ７１によって減圧される。加熱装置７２によってガス冷媒が加熱されると、ガス冷媒の温度は上昇する。

そこで、制御装置１０は、温度Ｔ１とＴ２との温度差ΔＴ（＝Ｔ１－Ｔ２）が基準値δ１よりも大きい場合、レシーバ３１から湿り蒸気が流出しているとして、冷媒の不足を報知する。冷凍サイクル装置１００においては、レシーバ３１から湿り蒸気が流出する場合でも、レシーバ３２からは液冷媒が流出する。その結果、冷凍サイクル装置１００に冷媒が補充されるまでの冷凍サイクル装置１００の性能低下を抑制することができる。なお、アラームの報知は、たとえば、ディスプレイ（不図示）へのアラーム情報の出力、アラーム情報のメール送信、あるいはスピーカ（不図示）からの音声出力によって行うことができる。

図４は、図１の制御装置１０によって行われる冷媒不足判定処理の流れを示すフローチャートである。図４に示される処理は、冷凍サイクル装置１００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。以下ではステップを単にＳと記載する。

図４に示されるように、制御装置１０は、Ｓ１０１において温度差ΔＴが基準値δ１よりも大きいか否かを判定する。温度差ΔＴが基準値δ１よりも大きい場合（Ｓ１０１においてＹＥＳ）、制御装置１０は、Ｓ１０２においてアラームを報知して処理をメインルーチンに返す。温度差ΔＴが基準値δ１以下である場合（Ｓ１０１においてＮＯ）、制御装置１０は処理をメインルーチンに返す。なお、基準値δ１は、温度差ΔＴがほとんど０に近い値として判定可能なように、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜判定することができる。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置が備える分離機構は、図３に示される構成に限定されない。図５～図８を用いて、分離機構の変形例１～３を説明する。

図５は、変形例１に係る分離機構６０Ａの構成を示す図である。分離機構６０Ａの構成は、流路６１が流路６１と６２との接続部分から重力方向Ｇｄに沿って分岐している点である。これ以外は同様であるため、説明を繰り返さない。

流路６１が重力方向Ｇｄに沿って分岐していることにより、湿り蒸気が流路６３に流入する場合に、液冷媒が重力によって流路６１へ流入し易くなる。その結果、図３に示した構成よりも、より効果的にガス冷媒と液冷媒とを分離することができる。

図６は、図５の分離機構６０ＡをＺ軸方向から平面視した図である。図６に示されるように、流路６２の中心Ｏ１は、流路６３の中心線Ａｘから離間している。そのため、流路６３から流路６１と６２との接続部分に冷媒が流入すると、中心Ｏ１を中心に旋回流Ｓｆが発生する。湿り蒸気が流路６３から流入すると、液冷媒は遠心力によって流路６１の内壁に沿って流れ、ガス冷媒は流路６２の中心部に集まる。旋回流による遠心分離を用いて湿り蒸気からガス冷媒をより効果的に分離して、ガス冷媒を流路６２へ流入させることができる。

図７は、変形例２に係る分離機構６０Ｂの構成を示す図である。分離機構６０Ｂの構成は、図３の分離機構６０にメッシュ状部材６４が加えられた構成である。これ以外は同様であるため説明を繰り返さない。メッシュ状部材６４は、流路６２において流路６２と６１との接続部分近傍に配置されている。メッシュ状部材６４によって、当該接続部分からの液滴が捕捉される。メッシュ状部材６４によって捕捉された液滴は、捕捉量が増えると塊となって落下する。メッシュ状部材６４は、図８に示される変形例３に係る分離機構６０Ｃのように、図５の分離機構６０Ａの構成にも追加され得る。

以上、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

実施の形態２．
図９は、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置２００の構成を示す図である。冷凍サイクル装置２００の構成は、図１の冷凍サイクル装置１００の構成に圧力センサ８０が加えられ、温度センサ７４が除かれ、制御装置１０が１０Ｂに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため説明を繰り返さない。

制御装置１０Ｂは、圧力センサ８０から蒸発器５と圧縮機１との間を流れる冷媒の圧力Ｐ１を取得する。制御装置１０Ｂは、圧力Ｐ１から飽和温度を算出し、当該飽和温度と温度Ｔ１とから加熱装置７２による加熱後の冷媒の過熱度ＳＨを算出する。

図１０は、図９の制御装置１０Ｂによって行われる冷媒不足判定処理の流れを示すフローチャートである。図１０に示される処理は、冷凍サイクル装置２００を統合的に制御する不図示のメインルーチンによってサンプリングタイム毎に呼び出される。図１０に示されるように、制御装置１０Ｂは、Ｓ２０１において過熱度ＳＨが基準値δ２（第２基準値）よりも大きいか否かを判定する。過熱度ＳＨが基準値δ２よりも大きい場合（Ｓ２０１においてＹＥＳ）、制御装置１０Ｂは、Ｓ２０２においてアラームを報知して処理をメインルーチンに返す。過熱度ＳＨが基準値δ２以下である場合（Ｓ２０１においてＮＯ）、制御装置１０は処理をメインルーチンに返す。なお、基準値δ２は、過熱度ＳＨがほとんど０に近い値として判定可能なように、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜判定することができる。

以上、実施の形態２に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置３００の構成を示す図である。冷凍サイクル装置３００の構成は、図１の冷凍サイクル装置１００の構成に冷却器４（第３熱交換器）が追加された構成である。これ以外は同様であるため説明を繰り返さない。

図１１に示されるように、冷却器４は、レシーバ３２と膨張弁４１との間に接続されている。冷却器４においてはレシーバ３２からの冷媒が凝縮して、冷却器４周辺の空気へ凝縮熱を放出する。

以上、実施の形態３に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置４００の構成を示す図である。冷凍サイクル装置４００の構成は、図１の冷凍サイクル装置１００の構成にＨＩＣ（Heat Inter Changer）４Ｄ（第３熱交換器）および膨張弁４２（第２膨張弁）が加えられているとともに、圧縮機１が１Ｄに置き換えられた構成である。これら以外は同様であるため説明を繰り返さない。

図１２に示されるように、ＨＩＣ４Ｄは、レシーバ３２と膨張弁４１との間に接続されている。圧縮機１Ｄは、インジェクションポートＰｉｎｊを有する。インジェクションポートＰｉｎｊは、圧縮機１Ｄの圧縮機構において圧縮機１Ｄの吐出ポートと吸入ポートとの間の部分に連通している。膨張弁４２は、ＨＩＣ４Ｄと、ＨＩＣ４Ｄおよび膨張弁４１の接続ノードＪｎとの間に接続されている。レシーバ３２からの冷媒は、ＨＩＣ４Ｄ、接続ノードＪｎ、膨張弁４２、およびＨＩＣ４Ｄの順に通過して、インジェクションポートＰｉｎｊから圧縮機１Ｄに吸入される。

以上、実施の形態４に係る冷凍サイクル装置によれば、冷媒不足時の冷凍サイクル装置の性能低下を抑制することができる。

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。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およ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。

１，１Ｄ 圧縮機、２ 凝縮器、４ 冷却器、５ 蒸発器、１０，１０Ｂ 制御装置、１１ 処理回路、１２ メモリ、１３ 入出力部、３１，３２ レシーバ、４１，４２ 膨張弁、６０，６０Ａ～６０Ｃ 分離機構、６１～６３ 流路、６４ メッシュ状部材、７０ バイパス部、７１ キャピラリチューブ、７２ 加熱装置、７３，７４ 温度センサ、８０ 圧力センサ、１００，２００，３００，４００ 冷凍サイクル装置、Ｐｉｎｊ
インジェクションポート。

Claims (11)

1. 冷媒が圧縮機、第１熱交換器、第１レシーバ、第１膨張弁、および第２熱交換器の順に循環する冷凍サイクル装置であって、
   前記第１レシーバと前記第１膨張弁との間に接続された第２レシーバと、
   前記圧縮機の吸入ポートに接続されたバイパス部と、
   前記第１レシーバからの前記冷媒の一部を前記バイパス部に導く分離機構と、
   前記第１レシーバと前記分離機構との間を流れる前記冷媒の特定状態を検知する制御装置とを備え、
   前記第１レシーバおよび前記第２レシーバは、液体の前記冷媒を貯留し、
   前記分離機構は、
   前記第１レシーバから液体の前記冷媒が流出する場合、液体の前記冷媒を前記バイパス部に導き、
   前記第１レシーバから気液二相の前記冷媒が流出する場合、気体の前記冷媒を前記バイパス部に導き、
   前記バイパス部は、
   前記分離機構からの前記冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置からの前記冷媒を加熱する加熱装置とを含み、
   前記制御装置は、前記加熱装置による加熱後の前記冷媒の第１温度を用いて前記特定状態を検知し、前記特定状態が気液二相状態である場合、前記冷媒の不足を報知する、冷凍サイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記第１温度と前記加熱装置による加熱前の前記冷媒の第２温度との温度差が第１基準値よりも大きい場合、前記特定状態が前記気液二相状態であると判定する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記第１温度、および前記第２熱交換器と前記圧縮機との間を流れる前記冷媒の圧力から前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度を算出し、前記過熱度が第２基準値よりも大きい場合、前記特定状態が前記気液二相状態であると判定する、請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記第２レシーバと前記第１膨張弁との間に接続された第３熱交換器をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記第３熱交換器と、前記第３熱交換器および前記第１膨張弁の接続ノードとの間に接続された第２膨張弁をさらに備え、
   前記第２レシーバからの前記冷媒は、前記第３熱交換器、前記接続ノード、前記第２膨張弁、および前記第３熱交換器の順に通過して、前記圧縮機に吸入される、請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記第２レシーバの容積は、前記第１レシーバの容積よりも小さい、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記分離機構は、
   前記第１レシーバからの前記冷媒の一部を前記第２レシーバに導く第１流路と、
   前記第１レシーバからの前記冷媒の残部を前記バイパス部に導く第２流路とを含み、
   前記第２流路は、前記第１流路と前記第２流路との接続部分から重力方向とは逆方向に分岐している、請求項１～６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記第１流路は、前記接続部分から前記重力方向に沿って分岐している、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 前記分離機構は、前記第１レシーバからの前記冷媒が流入し、前記接続部分から前記重力方向に直交する方向に分岐する第３流路をさらに含み、
   前記重力方向から平面視したとき、前記第１流路の中心は、前記第３流路の中心線から離間している、請求項８に記載の冷凍サイクル装置。
10. 前記第２流路に流入する気体の前記冷媒の流速がゼロペネトレーション流速となる場合の前記第２流路の内径を基準内径とすると、前記内径は前記基準内径よりも大きい、請求項７～９のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
11. 前記分離機構は、前記接続部分から前記第２流路に流入する液滴を捕捉するメッシュ状部材を含む、請求項７～１０のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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